差分拉曼光谱技术背景介绍

近年来，拉曼光谱技术在食品检测、生物医药、分子结构研究、化工过程、生物化学、考古及文物鉴定、法学样品分析等各行各业得到广泛应用，被称为“分子指纹”的拉曼光谱技术因其无损、便捷、速度快、稳定性高的优良特性，在光学快检领域受到大力推崇。

但是，在拉曼光谱检测技术拥有众多优点的同时，其缺陷也暴露出来，信号弱和易受干扰可以说是目前限制拉曼技术应用的瓶颈。特别是在拉曼光谱应用领域不断扩展的现在，越来越多的物质或是因为条件限制无法获取高信噪比的拉曼光谱，或是因为自身强荧光掩盖了原本就很弱的拉曼信号，导致应用受限。

位移差分拉曼光谱（SERDS），这种技术基于在两个有轻微偏移的激发波长中收集两张不同的光谱，由于分子所发射的光（荧光或磷光）只能从某一多重态中的低态激发，因此对于激发光的微小偏移并不影响背景（样品受激发射光谱），同时，噪声与环境干扰光也同样与光源入射波长无关。而拉曼光谱作为散射光谱特征峰出现的位置与激发光源频谱位置有固定关系，当激发光频率移动时拉曼特征峰会跟着移动。根据这一原理，使用两种波长光源对样品照射时，获取的两张光谱中，受激发射光谱和噪声背景分量是一致的，而拉曼光谱部分则会存在与光源波长差对应的平移。理想情况下对两张谱图进行差分处理，所获得的差分谱中，受激发射谱和噪声背景会*抵消，剩下的是拉曼光谱与自身平移光谱的差分图像。再通过去噪解卷积算法将拉曼光谱还原出来。

但实际情况中，首先两个光源无法同时测量，因此需采用分时键控的方式，这会导致两次获取光谱中的噪声背景部分必然有差异。其次，物质的受激发射光谱与入射光源能量相关，而散射光谱能量同样遵循瑞利定理与入射光波长的四次方成反比，这导致两张原始光谱中的受激发射谱和散射谱分量都会有差异。入射光的波长差对差分还原算法至关重要，便携式设备中如何控制光源台间差并设计较高容错性的还原算法也是技术可产品化的关键。而两种波长光源的输出能量差，则在计算差分谱时引入了对齐误差，也需要通过一系列算法消除。这也是为什么自上世纪90年代提出差分拉曼方法后，该技术一直无法形成成熟产品，特别是小型化便携式产品。

申贝仪器研发团队在差分拉曼光谱上有三年以上的深入研究，通过不断的研究实验，我们总结出便携式差分拉曼光谱仪的主要设计难点：

◆小体积高可靠性双频激光器集成设计（超高温控精度要求，超高精度功率控制，超窄线宽）

◆率光路和高分辨率光谱接收系统设计

◆准确分时键控的脉冲式采样方式

◆激光光源波长台间差矫正

◆差分谱图标准化算法，消除因台间差引起的差分间距及对齐误差

◆光谱对齐、曲线矫正、差分解调等系列算法

申贝仪器开发团队通过多年深入研发位移差分拉曼光谱技术，取得突破性进展，在自主研发并迭代优化了多波长集成化激光光源、光路系统和高分辨率接收系统的基础上，还采用BP神经网络技术，基于任意函数可以被一个有三层单元的网络以任意精度逼近(Cybenko1988)这一原理，通过迭代优解的方式，同时将差分、对齐和基线矫正同时完成。实验经过几十次迭代（用时0.2s）可以准确分离差分信号和基线偏差。

在经过多年的不断迭代研发后，申贝开发团队设计并推出国内便携式差分拉曼产品——SERDS Portable-BASE

SERDS Portable-BASE优势

◆可直接测量高荧光物质

◆抗干扰、抗噪声，大幅提高系统整体的检测灵敏度和信噪比

◆滤除干扰峰（如环境光峰、PL峰等），只保留纯净的拉曼峰，便于理论研究

◆整体系统的高灵敏度保证可以测量微弱信号物质（如深色物体），捕捉微小信号差异

◆在保证对拉曼峰测量准确性的前提下，可大幅降低光源功率

◆消除探测器坏点，提高整机可靠性和光谱容错纠错能力

SERDS Portable-BASE性能参数

◆光源：双频输出（Δλ≤1nm），单频输出功率≤450mw，线宽≤0.06nm

◆光谱范围：180-2800cm-1

◆差分谱对齐算法：简智DA-AUTO算法，实现微小波长差下光谱的能量对齐

◆解调算法：BPD-Smart算法，通过神经网络进行去噪，曲线矫正和反卷积迭代的差分光谱解调算法

◆矫正算法：针对设备台间差，自动代入光源波长差，多次迭代实现差分谱标准化。