趙 迎,李曉鵬,崔飛鵬,劉 佳,李小佳*
1.鋼鐵研究總院,北京 100081 2.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司,北京 100081
拉曼光譜技術(shù)作為一種分子振動(dòng)光譜,可提供樣品中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)信息,具有無損、快速、無需樣品制備等特點(diǎn),是分析分子、晶體(或高聚物)及其結(jié)構(gòu)特征的有力手段,已被廣泛應(yīng)用于食品安全、石油化工、生物醫(yī)學(xué)、珠寶玉石、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。但在拉曼光譜檢測過程中,激光激發(fā)樣品的拉曼散射光譜外,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光背景干擾。熒光背景干擾表現(xiàn)為一個(gè)典型的傾斜寬包絡(luò)背景,熒光波長及強(qiáng)度取決于熒光物質(zhì)的種類和濃度,與拉曼散射相比,熒光通常是一種量子效率更高的過程,甚至樣品中含有少量熒光物質(zhì)也可以導(dǎo)致拉曼信號(hào)的顯著降低。因此,采取有效手段對(duì)熒光干擾進(jìn)行抑制及扣除,提高拉曼光譜信噪比及拉曼檢測精準(zhǔn)度,尤為重要[1-3]。
目前,已有文獻(xiàn)報(bào)道中提出了多種熒光干擾抑制的解決方案,主要分為以下三種方法:光漂白法、熒光猝滅法、數(shù)據(jù)變換法、近紅外拉曼光譜法、移頻差分拉曼法等[4-5],光漂白法是用激光對(duì)樣品進(jìn)行長時(shí)間照射,使樣品中熒光基團(tuán)與光子反應(yīng),導(dǎo)致熒光基團(tuán)被破壞,從而降低熒光信號(hào),Ziba-Palus[6]等將光漂白法運(yùn)用于汽車油漆的拉曼檢測中,當(dāng)通過長時(shí)間照射,使汽油樣品的熒光背景比達(dá)到0.054(平均值);熒光猝滅法是通過向樣品中加入熒光猝滅劑,使熒光基團(tuán)與猝滅劑反應(yīng),從而降低熒光干擾,Tatarkovic[7]等通過向人體血漿中加入10 mg·100 μL-1的NaI,使得30%的熒光背景被消除,且拉曼光譜基本不受干擾;數(shù)據(jù)變換法是通過頻域?yàn)V波或小波變換實(shí)現(xiàn)熒光背景扣除,Hu[8]等使用小波變換法成功去除惡性胃黏膜組織樣品的熒光背景,并且保持拉曼光譜的位置及形狀基本不變;近紅外拉曼光譜法是采用近紅外激光器作為激發(fā)光源,在該光源下,熒光基團(tuán)難以被激發(fā),樣品產(chǎn)生熒光的效率低,Pence[9]等使用1 064 nm近紅外拉曼光譜對(duì)乳房進(jìn)行檢測,獲得熒光背景較弱,拉曼信號(hào)完整的光譜數(shù)據(jù);移頻差分拉曼法采用兩組波長相近的激光光源對(duì)樣品進(jìn)行檢測,熒光背景不隨激發(fā)波長改變而發(fā)生頻移,通過對(duì)兩組光譜做差,從而有效去除熒光背景干擾,周紅武[10]使用移頻差分拉曼法對(duì)羅丹明B(非法食品添加劑)進(jìn)行拉曼檢測,通過對(duì)兩次測得的拉曼光譜進(jìn)行差分及重構(gòu)處理,得到了無熒光背景的拉曼光譜。
光漂白法適合實(shí)驗(yàn)室操作,且有破壞樣品分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致樣品變性和熱分解的風(fēng)險(xiǎn)。熒光猝滅法向樣品中加入的猝滅劑可能會(huì)影響拉曼光譜信號(hào),且猝滅劑的選取沒有統(tǒng)一方案。近紅外拉曼光譜法在降低熒光背景信號(hào)激發(fā)的同時(shí),激發(fā)的拉曼光譜信號(hào)同樣較弱。數(shù)據(jù)變換法及移頻差分拉曼法容易引入算法誤差。
目前,多種熒光抑制方案復(fù)合設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道,從儀器設(shè)計(jì)角度出發(fā),為解決拉曼技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中熒光背景干擾的問題,設(shè)計(jì)了近紅外拉曼光譜與移頻差分拉曼復(fù)合一體的拉曼光譜檢測系統(tǒng),其中近紅外拉曼光譜采用1 064 nm激光光源,移頻差分拉曼光譜采用784.5和785.5 nm兩組激光光源,在移頻差分拉曼光譜檢測過程中,亦可獲得兩組單波長拉曼光譜數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)采用了二色鏡對(duì)兩種拉曼技術(shù)進(jìn)行光路耦合,整體系統(tǒng)中無移動(dòng)切換裝置,可確保儀器穩(wěn)定性及可靠性,兩種拉曼技術(shù)之間無干擾影響,滿足同時(shí)檢測需求。最后,從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),選取多種有色化工樣品及食品領(lǐng)域的樣品,進(jìn)行近紅外拉曼光譜、頻移差分拉曼光譜及兩組單波長拉曼光譜的檢測,對(duì)比分析了不同檢測技術(shù)的測試結(jié)果,對(duì)不同拉曼技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及樣品適用領(lǐng)域進(jìn)行討論和總結(jié)。
最終,通過復(fù)合一體的多波長消熒光拉曼光譜檢測系統(tǒng)研制,將兩種抑制熒光干擾技術(shù)有效融合,實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ),在抑制熒光背景干擾的基礎(chǔ)上,可有效擴(kuò)充應(yīng)用領(lǐng)域及樣品檢測范圍。
頻移差分拉曼光譜技術(shù)是通過使用兩組波長相近的激光分別照射樣品,從而得到兩張?jiān)祭庾V數(shù)據(jù)。根據(jù)Kasha’s rule(卡莎規(guī)則)[11-12],當(dāng)激光波長微小改變并不會(huì)對(duì)熒光產(chǎn)生影響,在波數(shù)頻譜的熒光背景輪廓基本保持不變,而拉曼光譜隨激光器中心波長進(jìn)行微小的頻移,如圖1(a)所示。將采集的兩組原始拉曼光譜數(shù)據(jù)歸一化后做差,從而扣除熒光背景信號(hào),如圖1(b)所示。直接差分的拉曼光譜信號(hào)并非真正意義上的拉曼光譜,需要解卷積算法處理后才能重構(gòu)拉曼光譜,如圖1(c)所示。目前,移頻差分拉曼光譜重構(gòu)方法有:帶數(shù)值插值的簡單積分算法和多重約束解卷積算法等。采用直接解卷積算法對(duì)移頻差分拉曼光譜進(jìn)行光譜重構(gòu)。
圖1 移頻差分拉曼原理圖(a):兩組單波長拉曼原始光譜圖;(b):移頻差分拉曼原始光譜圖;(c):恢復(fù)后的移頻差分拉曼光譜圖Fig.1 Shift difference Raman schematic(a):Two single-wavelength Raman original spectra;(b):Differential Raman raw spectra;(c):The reconstructed Raman spectrum
近紅外拉曼光譜法是采用1 064 nm(摻釹釔鋁石榴石1 064 nm基頻)近紅外激光器作為激發(fā)光源,在該光源下,熒光基團(tuán)難以被激發(fā),樣品產(chǎn)生熒光的效率低。但拉曼散射光效率與激光波長的四次方成反比[13],如圖2所示。
圖2 激光的波長及其激發(fā)散射效率之間的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the wavelength of the laser and its excitation and scattering efficiency
研制的多波長熒光抑制拉曼光譜儀系統(tǒng)包含移頻差分拉曼光譜模塊及近紅外拉曼光譜模塊,儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。系統(tǒng)中光譜二色鏡實(shí)現(xiàn)移頻差分拉曼光譜模塊與近紅外拉曼光譜模塊的耦合,其工作曲線如圖4所示,該鏡片確保1 050~1 600 nm波段光譜反射,760~1 050 nm波段光譜透射。
圖3 儀器結(jié)構(gòu)圖1:激光器線濾光片(濾除784.5,785.5,1 064激光器中等離子射線);2:反射鏡;3:激光二色鏡(反射784.5,785.5,1 064激光波長,透射拉曼散射波段);4:瑞利濾光片(濾除激光瑞利光譜);5:光譜儀耦合聚焦鏡(將拉曼散射光譜聚焦到光譜儀狹縫);6:光譜二色鏡(反射1 050~1 600 nm波段光譜,透射760~1 050 nm波段光譜);7:物鏡Fig.3 Schematic diagram of the instrument structure1:Laser line filter;2:Reflecting mirror;3:Laser dichroic mirror;4:Rayleigh filter;5:Spectrometer coupling focusing mirror;6:Spectral dichroic mirror;7:Objective lens
圖4 短波通光譜二向色鏡工作曲線Fig.4 Shortwave pass spectrum dichroic mirror working curve
其中,移頻差分拉曼光譜模塊光源為784.5和785.5 nm兩組激光器,每組激光器對(duì)應(yīng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器,確保各自正常工作的溫度及功率,通過785 nm光纖耦合器,實(shí)現(xiàn)激光單光纖接口SMA905輸出;出射激光經(jīng)過1線濾光片,濾除激光器中等離子射線;由激光二色鏡進(jìn)行激光光路耦合,完成激光波長反射,拉曼光譜透射;移頻差分拉曼光譜透過6光譜二色鏡,與紅外拉曼光譜進(jìn)行耦合,再由物鏡7收集拉曼光譜信號(hào),折返透過光譜二色鏡后,經(jīng)瑞利濾光片濾除瑞利散射光后,收集到785光譜儀中進(jìn)行分光檢測。檢測過程中,采用分時(shí)復(fù)用(time division multiplexing,TDM)方法,通過兩組激光器各自的驅(qū)動(dòng),控制輸出的激光波長,分別檢測單波長拉曼光譜原始數(shù)據(jù)。最終,對(duì)兩組單波長原始數(shù)據(jù)進(jìn)行做差和解卷積后,得到移頻差分拉曼光譜。
近紅外拉曼光譜模塊光源為1 064 nm激光器,檢測過程中,經(jīng)過1線濾光片,濾除激光中等離子射線;同樣由激光二色鏡進(jìn)行激光光路耦合,完成激光波長反射,拉曼光譜透射;光譜二色鏡對(duì)近紅外拉曼光譜進(jìn)行反射耦合,同樣由物鏡7收集的近紅外拉曼光譜信號(hào),折返由光譜二色鏡反射后,經(jīng)瑞利濾光片濾除瑞利散射光后,收集到1 064光譜儀中進(jìn)行分光采集。
為對(duì)比兩種抑制熒光拉曼技術(shù),選取熒光背景不同的樣品進(jìn)行對(duì)比分析,樣品包含:聚苯乙烯,丙酮、乙腈、紅色塑膠微粒,灰色塑料微粒,食用油,紅酒。實(shí)驗(yàn)前拉曼光譜儀預(yù)熱30 min,并用元素?zé)魧?duì)波長進(jìn)行校正,采用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)。每次更換樣品后,需重新對(duì)拉曼檢測參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
復(fù)合一體的多波長消熒光拉曼光譜儀具備移頻差分拉曼光譜技術(shù)與近紅外拉曼光譜技術(shù)同時(shí)檢測能力,為評(píng)估同步測量過程中,兩種檢測技術(shù)之間的干擾影響以及整機(jī)的穩(wěn)定性,選取聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品,分別進(jìn)行同步測試和分時(shí)逐次測試。為避免光漂白對(duì)拉曼測試的影響,每次測試間隔2 min,樣品共檢測10次,結(jié)果如圖5。以聚苯乙烯1 001 cm-1(苯環(huán)的環(huán)“呼吸”振動(dòng))作為標(biāo)記峰,統(tǒng)計(jì)兩種不同測量方式下,原始光譜強(qiáng)度及峰位穩(wěn)定性,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
圖5 不同檢測方式下聚苯乙烯拉曼原始圖(a):同步測試下差分單波長784.5和785.5 nm拉曼檢測結(jié)果;(b):分時(shí)逐次測試下差分單波長784.5和785.5 nm拉曼檢測結(jié)果;(c):同步測試下1 064 nm近紅外拉曼檢測結(jié)果;(d):分時(shí)逐次測試下1 064 nm近紅外拉曼檢測結(jié)果Fig.5 Polystyrene Raman spectra under different detection methods(a):Differential single wavelength 784.5 and 785.5 nm Raman detection results under synchronous test;(b):Differential single wavelength 784.5 and 785.5 nm Raman detection results under time-sharing sequential test;(c):Synchronous test near 1 064 nm Infrared Raman detection results;(d):1 064 nm near-infrared Raman detection results under time-sharing successive test
對(duì)比表1中兩種不同測試方式拉曼強(qiáng)度及峰位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):其中,拉曼光譜強(qiáng)度的均值變化小于1%,說明兩種光譜技術(shù)在同時(shí)測試方式下,彼此之間的光譜強(qiáng)度傳輸效率互不影響;拉曼光譜強(qiáng)度的波動(dòng)及穩(wěn)定性相當(dāng),說明同時(shí)測試方式下,彼此之間光譜雜散光干擾較?。焕庾V峰位的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度相當(dāng),說明同時(shí)測試方式下,彼此光路傳播方向各不影響。綜上,不同測量方式下,兩種光譜技術(shù)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性相當(dāng),彼此之間無干擾,這與光的獨(dú)立傳播定律相符,即不同光線在從不同方向在空間某點(diǎn)相遇,彼此不影響,各光線的傳播不受其他光線影響。由此,復(fù)合一體的多波長消熒光拉曼光譜儀具備優(yōu)異的同時(shí)檢測能力。
選取熒光背景強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拉曼信號(hào)強(qiáng)度的丙酮、乙腈樣品進(jìn)行不同拉曼技術(shù)對(duì)比測試,丙酮與乙腈分別使用2ml樣品瓶裝載,將樣品瓶放置于帶有夾具的載物臺(tái)上,針對(duì)丙酮及乙腈優(yōu)化各自拉曼的測試條件。同樣為避免光漂白對(duì)拉曼測試的影響,每次測試間隔5 min,每種樣品分別檢測十次。選用逆卷積恢復(fù)算法對(duì)移頻差分拉曼原始光譜進(jìn)行處理,恢復(fù)后移頻差分拉曼光譜、近紅外拉曼光譜及差分單波長拉曼原始光譜如圖6。
從圖6中可看出,逆卷積恢復(fù)后丙酮與乙腈的移頻差分拉曼光譜熒光背景波動(dòng)較大,這是由于移頻差分拉曼技術(shù)是基于的卡莎規(guī)則假設(shè),但在實(shí)際檢測過程中,拉曼光譜強(qiáng)度及熒光背景做不到完全一致,將原始數(shù)據(jù)歸一化后直接做差,熒光背景信號(hào)不能完全去除,通過逆卷積恢復(fù)算法,背景信號(hào)會(huì)被放大,導(dǎo)致恢復(fù)后的移頻差分拉曼光譜存在的較高的背景信號(hào)且波動(dòng)較大,因此直接逆卷積恢復(fù)的移頻差分拉曼光譜僅適用于此類樣品的定性檢測分析。近紅外拉曼光譜強(qiáng)度及信噪比小于差分單波長拉曼光譜,這是由于拉曼光譜強(qiáng)度與激光光源波長四次方成反比。因此,當(dāng)測試樣品的拉曼信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于熒光背景信號(hào)時(shí),常規(guī)單波長拉曼檢測方法最優(yōu),近紅外拉曼光譜檢測方法次之,移頻差分拉曼光譜檢測技術(shù)結(jié)果較差。
圖6 基于多波長消熒光拉曼光譜儀的丙酮檢測結(jié)果(a1):丙酮差分單波長拉曼原始光譜;(b1):丙酮移頻差分拉曼光譜;(c1):丙酮1 064近紅外拉曼光譜;(a2):乙腈差分單波長拉曼原始光譜;(b2):乙腈移頻差分拉曼光譜;(c2):乙腈1 064近紅外拉曼光譜Fig.6 Acetone detection results based on multi-wavelength anti-fluorescence Raman spectrometer(a1):Original acetone Raman spectrum;(b1):Acetone reconstructed Raman spectrum;(c1):Acetone 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2):Original acetonitrile Raman spectrum;(b2):Acetonitrile reconstructed Raman spectrum;(c2):Acetonitrile 1 064 near-infrared Raman spectrum
選取熒光背景強(qiáng)度與拉曼信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)氖秤糜?、紅色BBS塑膠微粒樣品進(jìn)行對(duì)比測試,其中食用油使用2 mL樣品瓶裝載,紅色BBS塑膠微粒由樣品夾具夾持,采用與2.2相同的檢測方法對(duì)樣品進(jìn)行拉曼測試,同樣選用逆卷積恢復(fù)算法對(duì)移頻差分拉曼原始光譜進(jìn)行處理,恢復(fù)后移頻差分拉曼光譜、近紅外拉曼光譜及差分單波長拉曼原始光譜如圖7。
圖7 基于多波長消熒光拉曼光譜儀的食用油、紅色BBS塑膠微粒檢測結(jié)果(a1):食用油差分單波長拉曼原始光譜;(b1):食用油差分恢復(fù)拉曼光譜;(c1):食用油近紅外拉曼光譜;(a2):紅色塑膠微粒差分單波長拉曼原始光譜;(b2):紅色塑膠微粒差分恢復(fù)拉曼光譜;(c2):紅色塑膠微粒近紅外拉曼光譜Fig.7 The detection results of edible oil and red BBS plastic particles based on multi-wavelength de-fluorescence Raman spectrometer(a1):Original edible oil Raman spectrum;(b1):Edible oil reconstructed Raman spectrum;(c1):Edible oil 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2):Original red BBS plastic particles Raman spectrum;(b2):Red BBS plastic particles reconstructed Raman spectrum;(c2):Red BBS plastic particles 1 064 near-infrared Raman spectrum
由圖7中可明顯看出,當(dāng)測試樣品食用油、紅色BBS塑膠微粒的拉曼信號(hào)與熒光背景信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),逆卷積恢復(fù)后移頻差分拉曼光譜熒光背景波動(dòng)進(jìn)一步變大,這是由于樣品熒光背景強(qiáng)度較大,導(dǎo)致兩次檢測的原始單波長拉曼數(shù)據(jù)歸一化后直接做差,熒光背景殘余變大,通過逆卷積恢復(fù)算法后背景信號(hào)被進(jìn)一步放大,因此,移頻差分拉曼光譜技術(shù)已不適于此類樣品的定量分析,僅可進(jìn)行定性分析。近紅外拉曼光譜可有效降低熒光背景干擾,與差分單波長拉曼光譜相比,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最高,滿足該類樣品的拉曼檢測分析。
選取熒光背景強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拉曼信號(hào)強(qiáng)度的紅酒、灰色塑料微粒進(jìn)行拉曼測試分析,其中紅酒使用2 mL樣品瓶裝載,灰色塑料微粒由樣品夾具夾持,測試流程及方法與2.3一致,最終恢復(fù)后移頻差分拉曼光譜、近紅外拉曼光譜及差分單波長拉曼光譜如圖8所示。
從圖8可以看出:針對(duì)紅酒樣品,單波長拉曼光譜難以有效辨別拉曼光譜特征峰,已無法滿足紅酒的拉曼檢測;恢復(fù)后的移頻差分拉曼光譜熒光背景波動(dòng)雖較大,但可辨別樣品的拉曼特征峰位,適用于此類樣品的定性分析;近紅外拉曼光譜熒光背景干擾最小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最高,滿足該類樣品的半定量分析。針對(duì)灰色塑料微粒,差分單波長拉曼光譜及近紅外拉曼光譜均難以辨別有限拉曼光譜特征峰,均已無法滿足紅酒的拉曼檢測;恢復(fù)后移頻差分拉曼光譜熒光背景波動(dòng)依舊較大,但可有效辨別拉曼特征峰位,可對(duì)該塑料微粒樣品的定性分析。綜上,當(dāng)樣品的熒光背景強(qiáng)度遠(yuǎn)高于拉曼信號(hào)強(qiáng)度,單波長拉曼光譜已不再適用于此類樣品的拉曼分析,且單一的近紅外拉曼光譜技術(shù)或移頻差分拉曼光譜技術(shù)也難滿足樣品檢測需求,因此,基于移頻差分拉曼光譜技術(shù)與近紅外拉曼光譜技術(shù)復(fù)合一體的多波長消熒光拉曼光譜儀可根據(jù)樣品具體特性進(jìn)行具體分析,從而擴(kuò)大樣品的適用范圍。
圖8 基于多波長消熒光拉曼光譜儀的紅酒、灰色塑料微粒塑膠微粒檢測結(jié)果(a1):紅酒差分單波長拉曼原始光譜;(b1):紅酒差分恢復(fù)拉曼光譜;(c1):紅酒近紅外拉曼光譜;(a2):灰色塑料微粒差分單波長拉曼原始光譜;(b2):灰色塑料微粒差分恢復(fù)拉曼光譜;(c2):灰色塑料微粒近紅外拉曼光譜Fig.8 Detection results of red wine and gray plastic particles based on multi-wavelength defluorescence Raman spectrometer(a1):Original red wine Raman spectrum;(b1):Red wine reconstructed Raman spectrum;(c1):Red wine 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2):Original gray plastic particles Raman spectrum;(b2):Gray plastic particles reconstructed Raman spectrum;(c2):Gray plastic particles 1 064 near-infrared Raman spectrum
采用光譜二色鏡實(shí)現(xiàn)了多波長拉曼光譜光路的耦合設(shè)計(jì),研制了近紅外拉曼光譜與移頻差分拉曼復(fù)合一體的多波長消熒光拉曼光譜檢測系統(tǒng);并對(duì)比同步測試和分時(shí)逐次測試的強(qiáng)度及峰位穩(wěn)定性,驗(yàn)證了多波長消熒光拉曼光譜儀的同步測試功能的可靠性;選取了多種熒光背景強(qiáng)弱不同的樣品,進(jìn)行了單波長拉曼、近紅外拉曼及移頻差分拉曼光譜的對(duì)比分析。當(dāng)樣品的熒光背景較弱時(shí),可采用單波長拉曼光譜對(duì)樣品進(jìn)行定量及定性分析;當(dāng)樣品的熒光背景與拉曼信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),可采用近紅外拉曼光譜對(duì)樣品進(jìn)行定量及定性分析;當(dāng)樣品的熒光背景較強(qiáng)時(shí),結(jié)合近紅外拉曼光譜和移頻差分拉曼光譜可對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。因此,多波長消熒光拉曼光譜檢測系統(tǒng)在復(fù)合多種拉曼光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上,有效擴(kuò)大了樣品的適用檢測范圍。