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通過(guò)復眼仿生的MOEMS拉曼探頭了解簡(jiǎn)智儀器MOEMS 陣列光斑檢測技術(shù)(新一代小型拉曼必配技術(shù))


近年來(lái),拉曼光譜快檢技術(shù)在食品安全、生物醫藥、分子結構研究、化工過(guò)程、生物化學(xué)、考古及文物鑒定、公安與法學(xué)樣品分析、反恐技術(shù)等各行各業(yè)得到廣泛應用,被稱(chēng)為“分子指紋”的拉曼光譜技術(shù)因其無(wú)損、便捷、速度快、穩定性高的優(yōu)良特性,在光學(xué)快檢領(lǐng)域受到大力推崇。

但是實(shí)際使用過(guò)拉曼光譜檢測方法的都知道,由于采用聚焦測量的方式,在對有些目標物檢測時(shí),必須很小心。由物像共軛關(guān)系可以知道,只有在光譜儀接收狹縫的像點(diǎn)發(fā)出的所有光信號才能被光譜儀所接收。因此當激發(fā)激光的聚焦點(diǎn)正好處于這個(gè)位置的時(shí)候,拉曼信號才有高的收集效率。為了獲得更高的分辨力,色散光譜儀的狹縫,通常只有幾十個(gè)微米,所以在進(jìn)行拉曼檢測的時(shí)候我們需要對激光進(jìn)行聚焦。對于一些應用這是非常方便的,比如需要對天然寶石中的胞體進(jìn)行研究。但在很多時(shí)候,高聚焦也帶來(lái)了其它的問(wèn)題。

比如:深色物質(zhì),由于深色物質(zhì)會(huì )吸收大部分激光功率,因此容易引起樣品的灼燒。在測量文物字畫(huà)時(shí)有損害樣品的可能,而測量黑火藥、氯酸鉀、高氯酸鉀等炸藥時(shí),甚至有直接引爆的危險。如下圖


此外,由于拉曼的聚焦特性,因此實(shí)際上只能進(jìn)行“點(diǎn)測量”,對于一些非均勻樣品的分析,高聚焦很可能導致對檢測譜圖代表性的質(zhì)疑。如果被測物為非均勻混合物,很可能測量的那個(gè)點(diǎn)上,并沒(méi)有目標物。比如測一個(gè)注膠的翡翠手鐲,但測量點(diǎn)上沒(méi)有膠,可能就會(huì )被誤認為A貨翡翠。測量多組分混合的固體毒品時(shí),可能測量點(diǎn)上只有食用輔材而不包含毒品。 如下圖


針對這種情況,出現了一些針對性技術(shù):

首先是ORS移動(dòng)光斑技術(shù),這種技術(shù)通過(guò)降低單個(gè)位置激光照射時(shí)間來(lái)避免引燃物體。但由于微機械傳動(dòng)結構很難保證光斑運動(dòng)軌跡在某個(gè)平面范圍上均勻分布,因此實(shí)際效果只是光斑在某個(gè)小范圍內呈線(xiàn)性“抖動(dòng)”,并且由于單點(diǎn)功率密度并沒(méi)有下降,因此很多情況下仍舊會(huì )灼燒甚至引爆物品,而且對設備光機結構要求非常高,導致可靠性下降。



第二種是TRS透射技術(shù)。該技術(shù)對樣品要求很高,需要是薄片狀樣品,而且受數值孔徑的限制,這種方式的光學(xué)效率不高,測量范圍更小。


第三種是采用非聚焦方式的“大光斑”技術(shù),由于不在物鏡聚焦點(diǎn)上測量,使得照射光斑擴大,但由于違背了前面所說(shuō)的聚焦測量的原則,因此導致收光效率大幅損失,即使在周?chē)由戏瓷淝蛔鰪浹a,也至少損失一個(gè)數量級以上的光學(xué)效率。



并且,以上三種技術(shù)都只能將光斑范圍擴大到毫米級,在實(shí)際應用中任然太小了。而且后兩種技術(shù)還會(huì )大幅的損失光學(xué)收集效率,導致信號惡化,無(wú)法有效分辨樣品。

 

如何才能獲得一個(gè)較大面積的拉曼特征并且實(shí)現激光功率的均勻分布,而又不以犧牲光學(xué)效率為代價(jià)呢?復眼昆蟲(chóng)眼部分解成無(wú)數的復眼,每個(gè)小的眼睛均可獨立成像,通過(guò)復眼結構昆蟲(chóng)獲得了更高的視野和反應速度。從昆蟲(chóng)的復眼,我們獲得了很好的啟示。通過(guò)對復眼的仿生,科學(xué)家發(fā)明了“蠅眼相機”,具有160度的視野,能夠同時(shí)聚焦物體的不同深度。



如果像復眼一樣,有無(wú)數個(gè)小透鏡同時(shí)對激發(fā)光聚焦,我們就可以在透鏡的焦平面將激發(fā)光平均分配為很多份。每個(gè)小的透鏡都是一套獨立的光學(xué)系統,光譜儀狹縫和樣品激發(fā)位置構成物象共軛關(guān)系。由于小透鏡位置不同,我們可以把檢測點(diǎn)覆蓋在一個(gè)很寬的范圍同時(shí)檢測,解決了拉曼檢測實(shí)際上只能進(jìn)行“點(diǎn)測量”的問(wèn)題。


          



這就是簡(jiǎn)智儀器通過(guò)研究率先推出的MOEMS 陣列光斑檢測技術(shù),不止解決了拉曼光譜高聚焦容易引起樣品的灼燒的問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現了拉曼檢測技術(shù)從“點(diǎn)測量”到“面測量”的突破。簡(jiǎn)智儀器依托自身元器件級的研發(fā)設計能力,突破重重設計和工藝難點(diǎn),將傳統拉曼中使用的單一透鏡,優(yōu)化為陣列微透鏡,然后再做對應的光路系統的優(yōu)化,研發(fā)出來(lái)的復眼仿生的MOEMS拉曼探頭,實(shí)現將檢測范圍擴大為厘米量級!而光點(diǎn)能量降低1-2個(gè)數量級,并且在檢測范圍內,均勻分布上百個(gè)聚焦光斑點(diǎn);并且每個(gè)光斑點(diǎn),保持了高數值孔徑,在不顯著(zhù)降低接收效率的前提下,又均勻地分攤了激光照射功率,可以對樣品進(jìn)行大面積檢測。

特別是在測量危險樣品時(shí),由于單點(diǎn)功率低于5mw,因此,絕對安全。徹底杜絕拉曼光譜灼燒損壞樣品,或者引燃引爆危險品的可能性!并且在均勻分攤激光功率的同時(shí),保持超高拉曼接受效率,不會(huì )因為測量深色物體而導致信號惡化無(wú)法正確分辨。

MOEMS 陣列光斑檢測技術(shù)可以解決目前對于毒品等混合樣品在拉曼檢測中出現的代表性問(wèn)題,避免了對高吸收率物質(zhì)(如黑火藥、ABS材料等)進(jìn)行拉曼光譜檢測時(shí)出現的燒蝕損毀現象,解決了易燃目標目前無(wú)法用拉曼技術(shù)直接檢測的問(wèn)題,同時(shí)創(chuàng )新性地實(shí)現了低能量密度下的大面積拉曼檢測,是對傳統拉曼檢測技術(shù)的革新性變化。簡(jiǎn)智儀器有信心,MOEMS將成為下一代便攜式拉曼光譜的常態(tài)性必配技術(shù)。絕對安全的保證,將大幅擴大拉曼光譜技術(shù)的適用范圍。

簡(jiǎn)智儀器在現場(chǎng)快檢技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨2019簡(jiǎn)智新品發(fā)布會(huì )上發(fā)布該項新科技,為拉曼快檢底層技術(shù)革新拉開(kāi)了序幕。2019年簡(jiǎn)智儀器即將推出的Easy-Raman EV系列新款手持式拉曼光譜產(chǎn)品也將搭載MOEMS陣列光斑檢測技術(shù),敬請期待。