噪音分析仪

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10 Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

近年来，各类食品安全、环境污染问题日益频发，实验室仪器设备，特别是分析仪器及其相关的样品前处理等产品需求逐年增加，政府机关和各个分析检测机构对分析测试实验室的投入力度也逐步加大，仪器设备市场增长迅速。根据中国仪器仪表行业协会统计，位于化学分析流程后端的分析仪器销售收入逐年增加，与化学分析仪器配套使用的辅助设备也呈快速上涨趋势，部分实验室仪器设备生产厂商已开始注重关键技术的自主研发，提高我国仪器装备产业实力，特别是在以前化学分析领域发展过程中未受到重视的领域，诸如样品前处理产品和其他实验室通用设备(实验室常规加热和冷却设备)在新一轮的增长中表现较为突出。　　在典型的化学分析流程中，样品前处理环节占去大部分时间，据统计超过60%，此外，样品前处理也是分析误差的主要来源。由于行业标准的持续升高，新的样品前处理技术正逐步成为提高分析结果速度和精度所必要的先决条件，国内样品前处理技术也因此迈进新的高度――特别是样品前处理技术的自动化趋势越来越明显。样品前处理实现自动化可带来诸多优势，既可以显著减少人工操作成本和人为误差，还能有效大大降低操作人员接触化学品的风险，同时也能控制好溶剂和强酸等化学品用量和排放量，有利于降低环境污染的风险。此外，强大的软件操作界面是自动化样品前处理的另一大优势，可以使操作者图形化管理样品，并灵活设置、保存和调用不同的前处理方法，使样品前处理工作更加简单。因此，近十年来，自动化的样品前处理设备不但技术发展迅速，而且市场也在不断扩大。　　在这种行业背景和产品自身特点的推动下，分析配套的样品前处理产品行业发展也迎来了新的历史机遇，以计算机应用为标志的化学分析及相关仪器正在进行新的行业变革，计算机控制的分析数据采集，实现样品前处理及分析过程的连续、快速、实时和智能。分析仪器及样品前处理产品正在以更高的灵敏度、更高的准确率、更低的成本、更专业化、智能化、自动化、简便的操作界面等趋势向新的方向发展。部分仪器生产厂商已开始注重前瞻性技术的研发，部分产品和技术已达到国际先进水平。　　全国样品前处理产品及各分析仪器厂商众多，市场竞争较为激烈，未来将沿着多维先进技术方向发展，大致涵盖以下方向：(1)沿着分析测试流程整合更多的产品，提高产品功能和档次；(2)总结国内近十年实验室自动化产品的设计经验，提高自动化产品的适用性，改善用户体验；(3)推进新型技术的产品化，创新性地研发新型产品，扩展现有市场；(4)从“绿色化学”的角度研发新型实验室设备。目前，自动化样品前处理的典型产品在有机分析领域主要有全自动固相萃取系统，全自动GPC凝胶净化系统，自动化浓缩系统，高压溶剂萃取系统等，在无机领域则主要有自动电热消解仪和微波消解仪。　　根据对国内招标网和采购市场的不完全统计，上述产品市场规模在8亿元以上，按照近年来年均15%的增长速度测算，未来5年后，该领域市场容量可翻番达到16亿元，产品的增长主要动力来自分析测试能力建设要求的提高，以及从手工操作向自动化操作转变所带来的产品换代。上述主要产品市场容量大致如下，全自动固相萃取系统市场规模大致在30,000万元左右，全自动GPC凝胶净化系统规模在1,800万元左右，高压溶剂萃取系统市场规模在3,500万元左右，微波消解仪的市场规模在15,750万元左右，半自动电热消解仪市场规模在2,400万元左右，全自动电热消解仪市场规模在2,000万元左右。未来，随着国家产业政策的支持，下游行业需求的增加，上述产品市场容量会进一步增加。　　此外，分析仪器及样品前处理产品领域的快速发展带动了相关实验室设备的发展，如实验室分析活动中常用到的加热和冷却设备，以水循环冷却恒温器为例，据估计该产品的市场容量在20,000万元左右，每年的市场需求至少在20,000台以上，随着国内实验室建设标准和下游用户体验要求的不断提高，这类产品的技术水平也随行业标准的提高而显著改善。　　冷却产品主要是为实验或仪器提供低温恒温条件，目前该产品的发展主要呈现以下趋势：(1)高能效性，高能效一方面要求传热、换热和热隔离设计要好，并减少能量损耗，另一方面要求产品功率规格丰富，能很好地匹配下游用户的需求；(2)温度可控性，普通冷却设备要求温度波动在± 1℃范围内，高恒温性能仪器则要求温控范围在± 0.1℃内，甚至更低，此外，开放冷却时要有合理的水流(以水作为载冷剂)分配；(3)耐用性，由于绝大部分致冷产品中有压缩机、水泵和电磁阀，三者均为机械运动件，因此耐用性是产品技术的重要基础和保障；(4)低噪音性，同样由于有机械运动部件，对致冷过程中的噪音需要控制好，做好减震设计；(5)易维护性，换热器表面、水箱等处必须易于清理。　　而加热产品主要为实验提供高温恒温条件，目前的技术趋势有：(1)安全性，由于加热温度常高于60℃，最高可达450℃，因此产品设计必须考虑防火因素，同时应充分提示用户防止烫伤；(2)温度可控性，一方面，温度波动应足够小，另一方面，温度升高的过程可由程序控制，即程序升温；(3)温度均匀性，由于加热为固体传热，加热体表面温度的均匀性非常重要，以免不同位置加热效果不一致，影响实验结果；(4)温度范围宽，加热温度可高达450℃，因此加热体材质(主要性质有耐温和导热)非常关键；(5)耐腐性，实验室需要加热的情况中常常用到强酸和强氧化剂，这就要求产品整体设计要能耐受或避免化学腐蚀；(6)自动化，特别是对化学接触风险较大的实验，自动化设计可显著降低化学接触风险，同时相对人工还提高了操作的可重复性。　　随着国家产业政策的支持、下游行业需求的增加、行业标准的提高，样品前处理及其他实验室仪器设备市场容量和空间会进一步加大。未来，行业会迎来新一轮的增长。 中国分析测试协会2015年9月25日

中国，徐州，南京，成都，2013年10月23日&mdash &mdash 科学服务领域的世界领导者，赛默飞世尔科技（以下简称：赛默飞）于今秋9月23日和25日分别在江苏徐州、南京、四川成都举办赛默飞色谱与痕量元素系列技术交流会，为当地客户介绍了赛默飞在2013年发布的多款液相、气相/气质、离子色谱、元素分析最新技术及解决方案。这是在色谱质谱新品发布后，赛默飞在全国范围内发起的第二轮技术巡讲会。继在兰州、西宁、呼和浩特、乌鲁木齐、临沂、淄博站后，作为全国巡讲的第七至第九站，此次分别有110余位徐州客户、80余位南京客户，以及80余位重庆客户参加了上述技术交流会，会议取得了理想的效果。在会上，赛默飞色谱质谱离子色谱技术工程师与大家分享了ICS系列离子色谱的特点，从种类最多、应用领域最宽的离子色谱柱，到独一无二的淋洗液发生器技术，还有灵活方便的变色龙色谱数据系统，赛默飞一直引领着全球离子色谱领域的发展趋势。相比常规离子色谱，ICS-5000+高压离子色谱系统配备全新的IonPac 4&mu m高效HPIC色谱柱，可实现更好的分离和更高分辨率。工程师列举了高压离子色谱在制药、化工、环境和食品饮料等四大领域的应用，并介绍了IC-MS/MS如何联用测定无机和有机离子。报告中介绍了一种新型检测器&mdash &mdash QD电荷检测器，这种检测器可对离子型化合物在固定电压下产生电流信号，其响应值与电荷数成正比，对弱电离化合物具有更高的响应值，是对传统抑制型电导检测器的重要补充。 气相和气质联用产品是分析实验室中的两种常规仪器，工程师主要针对食品安全、环境监测等重要领域介绍了相关仪器的重点应用，并还以农药残留分析为例，说明由于目标物种类多、结构差异大、干扰物成分各异，因此分析过程对样品的前处理和仪器性能提出了更高要求。但与传统的样品提取方式相比，ASE加速溶剂萃取仪更具有方便地进行选择性萃取和可以在线净化的特性，ASE是多组分高效萃取技术，在萃取的过程中一些干扰物质有时会被一起萃取出来，这些共萃取物可能会干扰分析或损害分析仪器。过去通常通过不同的方法对萃取物进行净化来去除干扰物质，赛默飞及ASE的使用者研究了各种可直接放到萃取池中的过滤或吸附材料，并将样品放到其顶部进行萃取，众多成功结果表明，在获得所需待分析物的同时，整个分析过程并没有出现干扰物，从而真正省略了后续的净化过程。 赛默飞ISQ系列单四极杆气相色谱-质谱联用仪配备有一个弯曲的s型预四级杆，受电场的作用，离子在通过时可沿s型轨道到达主四级杆，而中性噪音分子不受电场作用只能水平运动，从预四级杆的空隙中飞出或打在预四级杆的壁上，这就大大降低了中性噪音分子的强度，提高了信噪比，仪器的灵敏度也就大大提高。同时，预四级杆保护壳能够保护预四级杆不受污染，大大提高仪器的抗污染能力。赛默飞能够提供从前处理设备到仪器分析这样一套完整的解决方案。 徐州技术交流会现场南京技术交流会现场成都技术交流会关于赛默飞世尔科技赛默飞世尔科技（纽约证交所代码： TMO）是科学服务领域的世界领导者。我们的使命是帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额130亿美元，员工约39,000人。主要客户类型包括：医药和生物技术公司、医院和临床诊断实验室、大学、科研院所和政府机构，以及环境与过程控制行业。借助于Thermo Scientific、Fisher Scientific和Unity&trade Lab Services三个首要品牌，我们将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。我们的产品和服务帮助客户解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战，促进医疗诊断发展、提高实验室生产力。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com 关于赛默飞世尔科技中国赛默飞世尔科技进入中国发展已有30多年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、西安、南京、武汉等地设立了分公司，员工人数超过2400名。我们的产品主要包括分析仪器、实验室设备、试剂、耗材和软件等，提供实验室综合解决方案，为各行各业的客户服务。为了满足中国市场的需求，现有5家工厂分别在上海、北京和苏州运营。我们在北京和上海共设立了5个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品；我们拥有遍布全国的维修服务网点和特别成立的中国技术培训团队，在全国有超过400 名经过培训认证的、具有专业资格的工程师提供售后服务。我们致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。欲了解更多信息，请登录网站：www.thermofisher.cn