便携式光谱仪原理

毒物通过口服、注射、皮肤黏膜吸收和呼吸道吸入四种方式进入体内，经过吸收、分布、代谢、排泄过程 ，可形成代谢产物。 因而投毒案件现场毒物会以原形化合物和代谢产物形式广泛存在于盛装器皿、残留物、包装物、食物成品及原料、被害人体内、呕吐物、排泄物中。 投毒案件现场遗留的检材较多但含量低、易污染、变化大，现场多为变动现场、致变原因复杂。 如果能够快速对现场毒物进行检验，确定毒物种类、投毒途径和方式，将有利于快速确定侦查方向和范围。 现场快速检测方法与实验室检测法相比具有操作简单、高效快速的优点，能减少办案成本、提高办案效率，成为毒物检测手段重要发展方向之一。　　拉曼光谱分析法是利用拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。 用某特定波长的激光对物质进行激发，激发后得到的散射波长往往会产生一个波长偏移，这个偏移量是由物质成分决定的，利用这个偏移量来确定分子结构，拉曼光谱仪就是利用这个原理进行设计的。　　在刑事科学领域应用， 利用便携式拉曼光谱仪对甲基苯丙胺、安眠酮等 10 种毒品以及黄樟脑、甲苯等 10 种易制毒化学品进行测试， 通过对算法识别的优化以及阈值的调节，便携式拉曼光谱仪所测安全粉末的误报率为 0，便携式拉曼光谱仪测定毒品的谱图与大型拉曼相比较没有明显的差异。具有灵敏度高，分析速度快，所需样品浓度低，样品无须预处理，对样品无损伤的优点，能够实现原位检测，在刑事技术领域有着广泛的应用前景。　　现场不同的毒物具有不同的化学性质，基于不同毒物在发生化学反应时产生的特征开发的试剂盒，可以在短时间内对毒物做出判断。 例如，基于此原理开发的氰化物检测试剂盒，具有便于携带、使用简单、价格低廉等优点，可以满足现场快速检测的要求。 此类试剂盒广泛应用于农药残留量分析、环境和食品监测、毒品毒物分析等方面，也是目前投毒案现场毒物检测的重要手段之一。　　目前，国内实验室检验发展迅猛，而现场快速检验较为滞后，兼具快速和准确两大优点的快速检测方法应该成为毒物检测的追求目标，而简单、快速、便携的小型化仪器的应用将是快速检验技术的发展趋势。 未来刑事案件现场快速检验应以无损和高效为目标，建立适合刑事案件现场快速检验使用的便携式拉曼光谱，制定一套完备的操作规则，可以减少人为操作误差，确保现场快检规范、有序、高效进行，保障检测结果准确合法。

p style="text-indent: 2em "国际上使用最多、覆盖面最广、最具有代表性的便携式光谱仪是紫外光谱、红外光谱、原子吸收光谱等，2019年全球便携式光谱仪市场规模为82.81亿美元，中国占比仅为10.29%，以下是便携式光谱仪行业投资分析。/pp style="text-align: center text-indent: 2em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/fc88f03d-95bf-4a55-bf7e-6ca3479ece47.jpg" title="微信图片_20201209131933.png" alt="微信图片_20201209131933.png"//pp style="text-indent: 2em "光谱分析仪器科学仪器的重要分类，具有功能齐全、操作简便、分析准确等优点，是诸多领域的理想检测设备。中国在全球市场中只占有较小的市场份额，根据便携式光谱仪行业分析数据，2019年全球光谱仪市场规模为82.81亿美元，其中中国占比仅为10.29%，而北美(美国和加拿大)市场规模为27.17亿美元，占比32.81%，欧洲市场占比25.65%，日本市场占比12.27%。/pp style="text-indent: 2em "2019年中国光谱仪行业产品进出口总额为7.17亿美元，其中进口额6.24亿美元，出口额0.93亿美元，实现贸易逆差5.31亿美元。2018年进出口总额达到8.36亿美元，贸易逆差扩大为6.32亿美元。便携式光谱仪行业投资分析指出，2020年1-4月行业产品进出口总额达到2.43亿美元，其中进口额为2.09亿美元，出口额为0.34亿美元，实现贸易逆差1.75亿美元。/pp style="text-indent: 2em "分析仪器属于高新技术领域，从其应用到工业和生产中后，一直处于快速的发展和变更中。随着技术发展带动的产业升级，光谱仪检测中，对检测物的数量和重量限度将进一步降低，同时检测的精确度将进一步提高 我国市场上已经出现了便捷的手持式光谱仪，国内外知名品牌已在便携式光谱仪领域进行竞争，在应用加深下，便携式、手持式和个性化光谱仪将进一步发展 同时万物互联的5G时代和物联网时代到来，光谱仪领域单个装置微型化、智能化趋势较为明显。/pp style="text-indent: 2em "已经在环保、电子电器、食品、医药、矿产、考古等多个领域得到应用，产品应用领域广泛，同时各行业之间具有一定的差异性。便携式光谱仪行业投资分析指出，随着光谱仪技术的提升，下游应用将进一步普及。在新材料、新能源汽车、锂电池、智能硬件等领域也有着更多的机会，中国的新能源汽车增长将高于全球水平，大量充电桩将被安装在公路上，而这些设备的电池、新材料都需要用到光谱检测，同时充电桩生产过程的质量监控也需要用到光学检测技术。随着我国光谱仪下游需求的扩张，在行业整体技术水平的提高下，行业发展向好。/pp style="text-indent: 2em "截止2019年，我国光谱仪行业专利申请量为2445项，为近年来最高值，2019年为2179项，虽然较2017/2018年有多下滑，但是仍高于2015年水平。而从专利公开量来看，我国光谱仪专利公开量不断提升，随着专利的公开，可以实现技术的扩散，提高行业内小型企业的技术实力，实现行业技术水平的整体提升。/pp style="text-indent: 2em "进入2020年，仪器应用领域持续扩大，5G进一步铺展开，万物互联时代程度加深，光谱作为高新技术领域的代表之一，必将接受新时代洗礼，向着个性化、小巧便携化和智能化继续迈进。对企业而言，品牌建设意味着高附加值、高利润和高市场占有率。因此，未来，继续打造品牌，凝聚强大的号召力是国产光谱发展的关键一步，以上便是便携式光谱仪行业投资分析所有内容了。/ppbr//p

作为在激光快检领域具有成熟领先的技术基础，尤其在拉曼技术方面已拥有十余年的研发经验的国内一流光学快检仪器制造商，南京简智仪器设备有限公司近日发布了国内首款便携式差分拉曼光谱仪SERDS portable-base。差分拉曼光谱技术背景介绍近年来，拉曼光谱技术在食品安全、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、公安与法学样品分析、反恐技术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最大瓶颈。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最低态激发，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完全抵消，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。最后，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，也需要通过一系列优质算法消除。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。简智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）◆高效率光路和高分辨率光谱接收系统设计◆精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简智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，还创新型的采用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，通过迭代最优解的方式，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，简智开发团队设计并推出国内首款便携式差分拉曼产品——SERDS portable-baseSERDS 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独创算法，实现微小波长差下光谱的能量对齐◆解调算法：简智bpd-smart独创算法，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。SERDS source可调谐拉曼激光器在推出sedrs portable-base的同时，简智仪器还利用其在激光光源领域的深厚研究基础，推出了SERDS source可调谐拉曼激光器。 SERDS source可以在2nm的可调谐范围内实现稳定波长输出。基于简智仪器多年激光器自主研发设计经验，sedrs source具有体积小，波长精度高，稳定性好，温控精度高，功率稳定度高和可靠性高的特点。SERDS source主要性能参数输出功率(pout)0-600mw（可调）波长(λc)784~786nm调谐系数0.1nm/℃调谐范围0~2nm光谱宽度(δλ)0.06nm温控精度±0.01预热时间3min寿命20000h物理尺寸90*57*28mm应用实例◆利用差分技术在低信噪比测试环境下，还原获得硅片纯净的拉曼峰通过差分拉曼光谱技术，可以在检测中排除因为环境或物质荧光引起的干扰峰◆使用低功率直接测量深色abs塑料，避免样品烧毁从低信噪比的微弱信号中还原出差分频移分量并还原出纯净的拉曼特征谱 ◆利用低功率直接测量日落黄样品 左图为日落黄样品在弱激发下的差分拉曼光谱复原图右图红色部分为日落黄样品，黑色部分为在正常拉曼光源功率下被烧焦的样品国产拉曼发展至今，真正掌握核心技术的拉曼厂家少之又少，而很多高校、科研院所的科研成果并未转化为实际应用。未来，拉曼产业的发展还得依靠科研机构和企业提供源源不断的创新。拉曼光谱技术作为一种现代的无损智能检测技术，方兴未艾，前途无限。在这种发展形势下，拉曼光谱分析检测的应用会不断更新，提出新的应用要求和对新颖光谱分析方法、光谱仪器的开发要求。此次发布国内首款便携式差分拉曼光谱仪SERDS portable-base，作为国内领先的光学技术研发企业——简智仪器将会继续跟进市场最前沿需求，拓展市场应用，对高端核心技术不断精进、持续投入研发，引领技术革新，让拉曼光谱技术应用在国内市场乃至国际市场大放异彩。