测试与测量选择便携式拉曼光谱仪

拉曼光谱——一种非接触式、非破坏性的分子指纹技术——提供的化学信息可与傅里叶变换红外 (FTIR) 相媲美，但不受水的干扰，几乎不需要样品制备。在过去的 10 到 20 年里，对这项强大技术的了解有所增加，拉曼光谱在实际问题中的应用也随之快速增长。

图 1. 与传统的 f/4 正交车尔尼-特纳光谱仪相比，低 f/# 透射光谱仪对拉曼光谱具有更高的灵敏度。

拉曼已经彻底改变了制药业的质量控制并提高了急救人员的安全性。由于能够从复杂的样本中提取有意义的答案，它现在有望对医疗保健、食品和许多其他领域产生类似的影响。拉曼测量的快速、无创和日益紧凑的特性也是使用点和移动设置的理想选择。食品链、能源行业和制造业中的医疗诊断、环境监测以及质量和过程控制都可以受益于拉曼对难题提供敏感和具体答案的能力。

拉曼光谱从实验室飞跃到现场、临床和工业的一个重要部分是紧凑型便携式仪器的可用性，这些仪器可以访问开发针对每个应用程序定制的高级数据分析方法所需的原始数据。随着市场上紧凑型拉曼光谱仪和系统数量的增加，每一种都有自己的主张，要确定哪种仪器和供应商最适合您的需求可能会让人望而生畏。

拉曼光谱仪：适合携带的地方

一个好的便携式拉曼光谱仪弥合了手持式和台式拉曼光谱之间的差距。它通过在紧凑、经济高效的占地面积中提供高灵敏度和可靠的答案，使医学和工业中的新使用点应用成为可能。这些品质对研究人员和 OEM 仪器开发人员都很重要，特别是对于新技术的应用研发和商业化。

便携式拉曼光谱仪的起源应归功于台式拉曼系统——实验室的黄金标准，以及展示新拉曼应用概念验证的起点。台式拉曼系统通常具有用于样品定位和/或成像的复杂光学接口、高端检测器和多个激发波长，从而为研究提供最大的灵活性。它们配备了可自动采集和处理信号的高级软件，但可能会妨碍对原始数据的访问或定制软件的开发。

概念验证完成后，紧凑型拉曼光谱仪允许用户根据其特定应用简化和配置拉曼系统，从而减小过程中的尺寸、重量、复杂性和成本。如果采用集成激发激光器进行设计，它就会变得真正便携（即体积小且坚固耐用，可以轻松地从一个位置移动到另一个位置），并通过软件进行完整的系统控制。便携式拉曼光谱仪提供多种波长，带有灵活或集成的探头，通常通过笔记本电脑或平板电脑操作。此类设备是应用研究、现场测量以及原始设备制造商 (OEM) 集成到大型专用仪器中的绝佳选择。

相比之下，手持式拉曼仪器专为非专家在现场使用而设计，可通过点击操作对物质进行明确鉴定。他们将单波长拉曼系统和采样光学系统、数据处理以及显示屏/用户界面集成到一个轻巧的电池供电单元中，该单元足够坚固，可供急救人员和制造环境使用。它们提供快速可靠的答案，具体取决于安装的库。手持拉曼仪器很少提供对原始数据的访问，并且可配置性仅限于提供的采样附件。

最后一个选择是基于智能手机的拉曼光谱仪，它看起来很有吸引力，但通常缺乏最基本的拉曼测量所需的分辨率和灵敏度。根据应用，拉曼光谱通常需要 6 至 15 cm -1半峰全宽 (FWHM)的光学分辨率。

灵敏度：特异性和速度的关键

拉曼是一种弱光技术，它让每一个光子都变得珍贵。通用紧凑型光谱仪可能不具备在不累积过多背景噪声的情况下捕获足够拉曼信号所需的灵敏度。理想的便携式拉曼光谱仪必须捕获尽可能多的光，然后分散并高效检测。一种特别有效的拉曼光谱仪设计使用低 f/#（高 NA）输入来增加光收集，以及传输光栅和定制光学器件以实现衍射极限光学性能。这种组合产生了一个高通量光具座，能够在更短的时间内收集更多的拉曼信号。结果是更清晰的光谱、更好的信噪比、更低的检测限和更快的背靠背测量（见图 1）。

可靠性：可靠答案的基础

便携式拉曼光谱仪需要在各种不同的用例环境中可靠地运行，每天提供一致的光谱数据——不受温度和运动变化的影响。由于拉曼光谱分析通常涉及与库匹配或使用化学计量学模型，因此所有仪器的重现性更高，对所获得的分类或匹配的置信度更高，不确定的结果更少。

可靠性和可重复性对于特定应用的仪器开发人员尤为重要。这些 OEM 应寻找光谱仪供应商，他们提供高单位间一致性，并结合适当的波长、波数和光谱响应校准和标准，以确保高度可重复的光谱（见图 2）。

众所周知，基于透射的光谱仪设计可以最大程度地减少环境温度变化时的波长漂移和峰值失真（见图 3），这比基于反射光栅的光谱仪要好得多。还应进行冲击和振动测试，以确保设计在机械上稳健。

可配置性：在简化的系统中必不可少

占地面积小并不意味着选择有限。便携式拉曼光谱仪的配置会影响其光谱的强度和质量，以及它对每个应用或用例的实际适用性。为帮助找到适合您应用的最佳设计，请寻找提供以下服务的供应商：

多个拉曼波长。这使您可以找到最佳激发波长来平衡信号强度和背景荧光，从而提高信噪比。

带有集成激发激光器的型号。这种方法减小了系统尺寸和成本，同时简化了激光控制和布线。

光谱范围选项。许多应用只需要指纹区域进行识别（<1800 cm -1），而其他应用则从扩展范围获取关键信息，涵盖更多功能组（<3600 cm -1）。

检测器和冷却水平的选择。这使您可以根据信号电平和操作条件来平衡成本、暗噪声、功耗和尺寸。

灵活的样品耦合选项。能够在固体和液体之间切换使系统更加通用，就像带有用户可互换尖端的光纤拉曼探头一样。

OEM 模块选项。用于集成到特定应用仪器中的流线型等效模块的可用性可以显着加快产品开发并降低风险。

一个好的拉曼供应商会理解这些因素中的每一个的影响和相互作用，并且可以建议最适合您的应用。他们应该能够提供代表您的样品或您使用过的标准化合物的光谱，或者提供演示或样品测量以帮助确定满足您需求的最佳配置。

易用性：任何项目的力量倍增器

好产品好用，便携式拉曼光谱仪也不例外。寻找光谱仪随附的拉曼专用软件，无需额外费用，具有直观的用户界面，开箱即用，让您轻松上手。以多种编程语言提供的软件开发工具包 (SDK) 增加了与其他系统、您现有的软件堆栈以及您团队的个人编程偏好的兼容性，从而实现数据采集的自动化并加快仪器开发（见图 4）。开发与现有 GUI 兼容的插件的能力可以简化数据分析并自动化特定于应用程序的答案。

真正出色的拉曼软件应该能让您自由地以最适合您的方式收集和分析数据。它应该提供拉曼必不可少的功能，例如机载激光功率和检测器/测量参数的控制，以及使用已知标准对激光波长、光谱响应和热漂移进行校正。它还应该具有顺序光谱收集和嵌入式拉曼库匹配的选项。

完全透明的数据：拥有您的数据和分析

便携式拉曼光谱仪应该可以让您以未处理的形式完全访问您的数据。许多光谱仪制造商执行某种程度的预处理，在台式光谱仪中，这可能是自动的。虽然这对某些应用程序很方便，但它会限制您理解、控制和修改光谱预处理和后续分析的能力。

许多研究人员和原始设备制造商更喜欢完全透明的数据，从访问收集到的原始光谱，到控制此后的所有校正和处理步骤。能够查看、调整和定制每个处理步骤，让您可以完全控制数据，并允许您创建定制的光谱处理和分析算法以满足您的特定需求（见图 5）。这对于在拉曼新领域工作的研究人员和原始设备制造商来说尤为重要，因为在这些领域，新颖的数据处理和分析方法是方法开发不可或缺的一部分。