光谱仪

作为最早问世的仪器分析技术之一，光谱分析技术走过了百年历史，已经逐步发展为一种特征明显、应用广泛的仪器分析方法。百余年来，光谱技术发展的一个显著特点就是持续不断地追求分析性能的提升，导致光谱仪器越来越复杂和精密。所以大型光谱仪通常都是通用型的，一台仪器可以做种类不同的样品，不同样品的分析方法也可能有所不同，因此对仪器使用的环境要求和人员要求都比较高，仪器的价格也较高。近一二十年来，光谱仪器领域出现了一个可喜的发展趋势，各式各样的小型光谱仪器不断涌现。与大型光谱仪比较，这类仪器的体积显著减小，价格急剧下降，仪器的工作方式，如分光方式、光电转换模式都发生了根本性的变化，有些甚至颠覆了传统光谱仪器的理念。我国对光谱仪器的开发工作起步较晚，基础薄弱，尤其在核心部件的研发方面，比如光栅、检测器、干涉仪等，至今也没有推出自主品牌的质高价廉的产品，目前依然依赖进口。开展高性能光谱仪器的开发，包括开发光谱仪器的核心部件当然非常重要，是国家战略，是避免被卡脖子的必要措施。但开发和应用小型光谱仪器也应该作为我国光谱技术发展的一个方向，甚至我觉得应该更受重视。我国国民经济各个领域对光谱仪器的需求巨大，但这种需求是应用层面的，应用驱动的光谱分析技术更受欢迎。科研创新的力量是应用，光谱仪器发展和创新的力量也是应用。在应用层面小型光谱仪器具有得天独厚的优势。小型光谱仪器，或称为光纤光谱仪，小巧、价廉、使用方便，可自由搭配，当然性能一般不及大型光谱仪器，所以作为通用型仪器，小型光谱仪使用的优势不明显。但作为专用的分析仪器，如果能与应用完美结合，充分发挥其独特的优势，能起到大型仪器不易做到的作用。鉴于小型光谱仪使用灵活，其理想的用处就是与应用相结合，发展特定检测对象专用的仪器设备，或某行业/领域专用的仪器设备，前景美好。这类仪器容易做到：多种功能一体化，操作一键化，分析流程傻瓜式，发展潜力巨大。完整的分析检测过程包括样品前处理，分析仪器测量，以及数据处理等几个步骤。如果在硬件和软件上能设计实现这三个功能一体化的检测系统，就解决了用户在应用层面的所有关注的问题，也能改变传统仪器分析方法对仪器、样品处理和操作人员的严格要求，减小了人力、物力、财力成本，甚至可以实现一键化或傻瓜式的仪器操作。我们课题组采用小型光谱仪设计了一套多功能光谱检测设备（如图1所示）。用医用注射器吸取被测样品溶液以及衍生化试剂，在注射器内对被测组分进行衍生化以增强荧光信号强度；在注射器头位置接一个放置尼龙膜的小型膜固相萃取器件，通过推注射器活塞杆将样品衍生化产物富集到尼龙膜上；取出尼龙膜放在专门设计的荧光光谱测量装置上，荧光激发光源采用LED灯，用小型光谱仪测量荧光光谱。整个装置体积小，价格低廉，可以实现物质的高灵敏检测。该设备已经用在伏马毒素和磺胺类药物的检测中。图1 膜富集多功能荧光光谱检测设备我们还针对中药提取的监测问题发展了一套过程的光谱监测系统。从提取罐上连接一个管路，通过可以正反两个方向转动的动力泵把提取液吸入管路，为了防止提取罐中的残渣进入管路发生堵塞现象，以及对光谱测量的影响，在管路适当位置安装过滤装置；吸入管路的溶液可流入流通池进行光谱采集；采用小型光谱仪在流通池位置测量光谱，甚至可以采用多种光谱仪采集不同种类的光谱信号；光谱测量结束后动力泵反转将提取液反向推动流回提取罐，这时流动的提取液可以清洗流通池、管路和过滤装置，达到自清洁的作用。这套系统实现了在线过程监测中采样、过滤、光谱采集、清洗等多个功能。一个周期可在1分钟内完成，大大提高了在线过程光谱监测的速度，而且可以实现整个过程的自动化。（作者：杜一平 华东理工大学化学与分子工程学院）《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》把创新放在了具体任务的第一位，全文160余次提到了“创新”关键词。2022年第十三届全国人民代表大会第五次会议上，国务院总理李克强所作的政府工作报告中，亦明确指出要坚持创新驱动发展。对科学仪器产业而言，“创新”更是至关重要。近年来，我国对科学仪器的创新和研发高度重视，先后设立了“科学仪器基础研究专项”、“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”等科研计划等。2021年11月，北京“十四五”规划也指出要支持开展关键仪器设备研发，支持挖掘一批服务于重大科技基础设施的定制化科学仪器和设备，重点突破研发新一代光谱等关键技术。不断高攀的前沿研究是创新，差异化的产品发展也是创新。为了展现光谱仪器的创新成果，分享光谱仪器研发和应用中的创新思维，共同促进光谱仪器产业化的创新发展，仪器信息网特别策划《寻找光谱仪器创新的力量》活动，邀请从事光谱仪器及应用开发的专家学者一起分享创新成果，并探讨创新的方法和思维。更多详情请点击》》》

没有仪器创新，就没有科研引擎。无论科研还是产业，科学仪器创新都是第一步。要用别人没有的工具去做事情，那么你不仅学会如何使用工具，还会学会如何创新工具。科学仪器的研发过程就是创造仪器的过程，而创新最终要解决客户的问题，实现产业化，真正推动社会的进步。我们的理念就是”从客户中来，到客户中去”。 海洋光学的第一款产品：海水pH值传感器，就是为了满足海水在线、实时监控的需求，因为现有仪器无法实时取样，所以又研发出便携式的光纤光谱仪。现在中国鼓励创新，在很多行业中出现的诸多亟待解决的问题都是我们创新的源泉。 海洋光学的光谱仪变迁历程也是微型光谱仪的发展历程。三十年来，海洋光学的光谱创新经历了4个阶段，即从光谱1.0到光谱4.0。光谱1.0：从海中来，开启微型光谱仪时代一个新兴的科研项目，带来了一个时代的创新。从Mike Morris在实验室中制造出海洋光学的第一台光谱仪那天起，整个光谱开始了一个新的篇章——光谱探测：不再需要操作半间房屋大小的设备。手掌大小的尺寸，为应用场景提供了无限的灵活性；快速且无需扫描的检测方式，使在线、实时监测不再遥不可及。海洋光学凭借设备的优异性能，自然而然的为客户肢解那些曾经很棘手的困难。随着应用的积累越发厚实，海洋光学终于迎来了创新的井喷——S1000、S2000等，一个个新的产品应运而生；材料科学、分析化学、光电子，各行各业所需要的检测设备，以及光源，光纤等附件的需求一个个提出，又一个个被满足。自此，微型光谱仪1.0时代应运而生，“创新”是这个时代的主题，有一个统计，海洋光学平均每1.35周，就会有一款新产品问世。 光谱2.0：走向世界，光纤光谱仪的广泛应用随着应用和行业的不断扩展与深入，我们发现，尽管行业要求千变万化，但大家对光谱仪的需求却极为相似。此时出现了两个矛盾的需求，“灵活定制”和“固定型号”。“固定型号”是希望光谱仪无论在何时何地都可以即插即用，并保持协议统一；而“灵活定制”则是希望光谱仪可以针对不同应用场景进行区别配置。经过对光谱仪生产技术的提炼，海洋光学满足了这两个矛盾的需求——“USB”系列光谱仪，在同一个光学平台上实现多种配置。可以根据需求选择不同的探测器，从而选择覆盖波段的范围；同时可以调整光栅与狭缝的型号从而控制覆盖范围的大小以及分辨率的高低。虽然配置不同，但同一型号的设备使用相同的电气和软件接口，能够迅速完成系统的配置和使用。凭借USB2000灵活的配置，固定的型号，以及深入技术的knowhow掌握，USB2000系列正式开始走向工业化领域，在过去二十年中助力各行各业智能化升级。比如在LED行业，USB2000集成在大量的LED生产线上，进行快速的分拣和质量监控，为十几年前中国的LED产业腾飞提供助力。同时，环保、半导体等行业中，都出现了光谱仪的身影，为制造业升级提供帮助。自此，微型光谱仪2.0时代开始，“通用”是这个时代的主题，有一个统计，海洋光学累计生产了超过20万台USB2000。光谱3.0：走向深空，光谱仪走进高端科研作为科研仪器的重要组成部分，海洋光学一直在不停的追求和探索，保持更宽的视角和更清晰的视野，因此海洋光学一直走在性能突破的前沿。更高的分辨率、更低的探测限、更低的噪声水平、更宽的光谱范围、超小的体积已经成为了海洋光学创新的主基调。HR高分辨光谱仪系列、Maya系列高灵敏度光谱仪、QE系列制冷科研级光谱仪、NIRQuest系列近红外光谱仪和ST系列超微型光谱仪的先后问世也标志着这个时代的开始。更丰富的配件和附件选择，也给研究学者们创造科研工具提供了便利。随着更多更高性能光谱仪的涌现，海洋光学也开始了更多更深入的探索。海洋光学已然走向太空，例如“Alice”月球探水计划以及“好奇号”火星车项目，我们也曾踏入深海，参与“可燃冰”探测。随着时间积累，微型光谱仪的身影出现在了越来越多的科研项目中。自此，微型光谱仪3.0时代开始，“性能”是这一代创新的代名词。有数据显示，90%以上的科研和综合类高校和研究所，都有海洋光学光谱仪的身影。光谱4.0：深入行业，进入智能化、精细化随着近些年制造业工业化和智能化的转型，以及人们对更高质量、高品质产品的追求，海洋光学的设备也面临新的挑战——更稳定的设备、更丰富的使用环境、更快和更具规模的生产能力。在早期的微型光谱仪的生产中，由于丰富的配置和型号，在生产过程中非常依赖熟练技术工人来进行调试。面对这个困境，海洋光学突破性的推出了Flame光学平台，引入了机器人生产线，将光谱仪的生产带入了机械化的进程，降低了对人工的依赖，提升了产品一致性，这也使下游行业的产品品质提升了一个台阶。同时，海洋光学推出了X-platform，将以太网、Wifi、蓝牙技术、板载运算和光谱仪结合起来，让光谱仪可以工作在更复杂的位置，同时为分布式计算和测量提供了探索的基础平台。自此，微型光谱仪4.0时代开始，“智能”是这一代创新的标题。有数据显示，Flame光谱仪让光谱仪的峰值生产效率和一致性提升了5倍有余。写在最后这四个阶段，每个都是新的理念，这对整个行业来说，不仅是技术的提升，也是时代赋予的应用内涵。随着每个阶段的变化，光谱仪逐步走向更小型、更快速、更高灵敏度、更高分辨率的方向，以更强大的性能赋能每个阶段的时代创新。回顾一路走来的历程，不难发现我们的成功不仅仅是建立在技术上的创新，而是由于海洋光学一直保持理念上的创新。直到现在，我们在4.0基础上仍旧持续不断的进行新技术、新方法和新应用的探索。今年，连续推出的多款新设备——通用型SR2、高分辨型HR2和新一代超微型ST，为客户带来了更快的采样速度、更高的动态范围和全新的探测器，为行业带来了新鲜的血液。创新从不停止，着眼未来光谱5.0时代，我们已经进入研发阶段，将会带来哪些创新变化，如何进行行业革新，请业界和我们一起拭目以待。（作者：海洋光学市场部经理 张昊翔）

1、技术简介　　在高强度的激光作用 下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，这个过程通常被称为激光剥离，同时材料表面还会产生寿命短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达 10,000℃ 。在这个热等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后，由于等离子体以超音速向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内， 处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测材料的元素构成信息。　　激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种原子发射光谱。可以对固相、液相和气相基体中几乎所有元素进行定性和定量的分析。不同于传统的检测方法，LIBS在检测过程中无需进行复杂的样品制备。为了达到这个目的，LIBS激光脉冲发射并汇聚于样品表面一点，样品被激光加热到气态继续吸收能量成为等离子态，等离子体背景辐射快速衰减导致等离子特征谱线突出，光谱仪开始积分获得测量结果。对产生的对应元素发射谱进行分析。元素发射谱的波长与元素的种类直接相关，而元素谱线的强度则和元素的含量相关。图1 激发诱导击穿光谱检测原理图 图2 激发等离子体与能级图　　2、应用说明　　激光诱导击穿光谱技术系统在进行元素分析的时候，需要样品量极少，对样品的破坏性小，可以对固相，液相，气象的样品进行测量 具有自清洁能力，几乎不需要样品制备 可以实现快速实时在线分析 具有遥测能力，可实现有毒、强辐射等恶劣环境中的远距离、非接触性测量 具有宽光谱多种元素同时测量，ppm量级探测灵敏度，可对痕量元素进行探测。多通道光谱仪，凭借其高效的外部同步时钟，完美的协同了所有通道实现精确的延迟采集，准确的在原子激发辐射突出时采集到完整的原子谱线信号。同时，多通道光谱仪可以应客户的需求在180-1037nm的范围内自由的配置光谱仪的通道数量和盖范围，系统自带的高效时钟可以完美的同步所有通道，并同时实现精确触发两台外部设备。　　自然环境：土壤污染分析，工业生产环境监测，金属、煤炭等材料分析，宝石鉴定等 　　安防检测：爆炸物分析，生化武器分析 　　基础研究：等离子体发光测量，生物柴油火焰分析 　　航空航天：火星探测应用 　　医学诊断：骨骼，牙齿等相关分析分析癌症细胞，抗糖尿病药物分析等。　　3、典型产品和配置　　LIBS光谱技术系统配置：　　1. 多通道光谱仪：超宽光谱范围，优异的紫外响应方便轻元素测量 短时间，最短1ms积分时间，通道间积分抖动± 10ns以内 高分辨，最高可达0.035nm光谱分辨率，精准延时触发控制 多扩展，两路可控延时触发接口。图4 多通道光谱仪　　2. 样品仓：安全防护具有1064nm激光安全防护窗、电动激光安全锁、仓门自动安全锁、E-stop 双光纤收集光路，支持两路45度收集通道。可单独使用抗紫外光纤作为紫外通道，，同时选择使用普通可见光纤作为可见通道，增强系统的紫外探测能力。气氛保护机制能够自动充气开关控制和流量调整。能够排出测量产生的烟尘污染，延长光路寿命并且提高测试稳定性。图5 样品仓　　3. 激光器　　4. 采样附件(光纤等)　　5. 光谱仪控制软件图6 LIBS典型配置　　典型配置　　典型产品：多通道光谱仪，样品仓，激光器　　4、应用文章　　4.1 土壤与农作物污染检测图7 土壤与农作物检测光谱图　　4.2 古玩真伪鉴定图8 LIBS古玩真伪检测　　4.3 金属和煤炭测量图9 金属煤炭检测光谱　　4.4 等离子体发光测量图10 等离子体发光　　4.5 生物柴油火焰检测图11 生物柴油检测图　　4.6 检测抗糖尿病药物中的有效成分图12 抗糖尿病药物成分检测　　4.7 LIBS在火星探测中的应用图13 LIBS检测火星元素光谱图　　4.8 珠宝真伪的检测图14 真伪珠宝检测光谱图　　4.9 工业废水检测图15 工业废水检测光谱图　　4.10 爆炸物检测图16 爆炸物检测　　4.11 核废料/放射性物质检测（来源：海洋光学）