波長校準(zhǔn)

色散光譜儀器的校準(zhǔn)長期以來一直是研究人員面臨的問題。當(dāng)光譜沿一對軸繪制時(shí)，x 軸通常表示波長或波數(shù)，而 y 軸表示強(qiáng)度。光學(xué)光譜設(shè)備制造商幾乎將確定兩種標(biāo)尺精度的任務(wù)留給了用戶。通常，通過測量兩條或多條汞發(fā)射線的位置并在它們之間進(jìn)行插值來校準(zhǔn) x 軸。已知中間波長的精度為(1)未指定，(2)僅與插值例程一樣好，以及(3)通常比用戶預(yù)期的要差得多。

2010 年，Princeton Instruments 推出了采用IntelliCal?的 64 位 LightField? 數(shù)據(jù) 采集軟件，這是一種正在申請專利的波長校準(zhǔn)例程，基于 X 射線光譜中使用的 Rietveld 細(xì)化算法。 IntelliCal 使用發(fā)射線源和 NIST 光譜數(shù)據(jù)庫中的譜線表，同時(shí)求解安裝在色散光譜儀上的 26 mm CCD 的整個(gè)焦平面上的每個(gè)像素的波長。

每個(gè)像素校準(zhǔn)的波長精度與光譜數(shù)據(jù)文件一起存儲，從而確?？煽康臄?shù)據(jù)驗(yàn)證和可追溯性。將結(jié)果與發(fā)射線表(參見圖 1)進(jìn)行比較表明，IntelliCal 波長校準(zhǔn)例程的精度通常比傳統(tǒng)插值方法高 4 倍到 10 倍。

波長不準(zhǔn)確絕非一個(gè)小問題。許多光譜實(shí)驗(yàn)需要使用差異光譜，即從標(biāo)準(zhǔn)光譜中減去實(shí)驗(yàn)光譜。拉曼光譜中僅單個(gè)像素(即分辨率的極限)的波長偏移將導(dǎo)致差異光譜無法識別。這通常需要重新校準(zhǔn)儀器并重復(fù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

圖 2 顯示了真實(shí)差異拉曼光譜(以紅色顯示)和從單個(gè)像素的移位獲得的雜散差異光譜(以藍(lán)色顯示)。沒有明顯的方法來判斷哪個(gè)是正確的頻譜。校準(zhǔn)程序越好、越容易，重復(fù)測量或者更糟糕的是發(fā)布虛假數(shù)據(jù)的機(jī)會就越小。

波長精度至關(guān)重要的其他領(lǐng)域包括過程分析、法醫(yī)和危險(xiǎn)物質(zhì)識別，其中光譜指紋用于識別未知材料。搜索匹配算法使用模式識別例程將測量的光譜與光譜庫進(jìn)行比較。準(zhǔn)確了解給定波段的拉曼位移或 LIBS 光譜中線的精確發(fā)射波長，可確保匹配的成功，而不準(zhǔn)確的光譜會增加誤報(bào)和漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1.波長校準(zhǔn)精度比較：IntelliCal 與傳統(tǒng)插值方法。下載此波長校準(zhǔn)光譜圖的高分辨率版本。

圖 2.真實(shí)差異拉曼光譜(紅色)和從1像素移位獲得的虛假差異光譜(藍(lán)色)。

強(qiáng)度校準(zhǔn)基礎(chǔ)知識

強(qiáng)度校準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性。光譜儀記錄的數(shù)據(jù)絕不是真實(shí)的光譜;相反，它會被光路上的每個(gè)光學(xué)元件修改，包括透鏡、鏡子、衍射光柵和探測器。這些元素中的每一個(gè)都有其自己的光譜響應(yīng)。圖 3 顯示了典型的全息衍射光柵(綠色曲線)和背照式 CCD 相機(jī)(黑色曲線)的響應(yīng)。用這些組件記錄的頻譜將包括它們的樂器偽影。研究人員知道應(yīng)該對光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除儀器的影響，但由于這個(gè)過程既繁瑣又困難，所以很少這樣做。 Choquette 在《應(yīng)用光譜學(xué)》(Applied Spectroscopy) (2007, 61: 117) 中概述了該技術(shù)。

典型的儀器強(qiáng)度偽影如圖 4 所示。這些光譜顯示了高分辨率光譜儀記錄的氧化鋅的光致發(fā)光。紅色曲線為真實(shí)光譜;藍(lán)色和綠色曲線顯示了當(dāng)光柵繞其軸旋轉(zhuǎn)(即，當(dāng)波長在焦平面上掃描時(shí))時(shí)，由于光柵衍射效率的不連續(xù)變化而產(chǎn)生的假峰。

圖 5 所示的光譜是白熾燈的光譜。黑色曲線表示理論黑體光譜;三種顏色的曲線顯示了測量數(shù)據(jù)，具有源自伍德異常的鮮明特征。

圖 3.典型全息衍射光柵(綠色曲線)和背照式CCD相機(jī)(黑色曲線)的光譜響應(yīng)。在給定的實(shí)驗(yàn)裝置中沿光路的每個(gè)光學(xué)元件的響應(yīng)會修改記錄的光譜。

圖 4.高分辨率光譜儀記錄的氧化鋅光致發(fā)光。真實(shí)光譜(紅色曲線)與由于波長在焦平面上掃描時(shí)光柵衍射效率不連續(xù)變化而產(chǎn)生的假峰(藍(lán)色和綠色曲線)。

圖 5.白熾燈的理論黑體光譜(黑色曲線)與測量數(shù)據(jù)(彩色曲線)

圖 6 顯示了硬脂酸(藥片的常見成分)的拉曼光譜。以紅色呈現(xiàn)的光譜代表原始數(shù)據(jù)，而以橙色呈現(xiàn)的光譜已經(jīng)過校正。激發(fā)波長為785 nm; 2900 cm -1處的 CH 伸縮峰位于 1015 nm，此時(shí)探測器的量子效率迅速降至零。強(qiáng)度校準(zhǔn)可恢復(fù)適當(dāng)?shù)姆甯弑龋瑫r(shí)使基線變平，從而更容易量化混合物中硬脂酸的比例。

圖 6.硬脂酸的拉曼光譜：原始數(shù)據(jù)(紅色)與校正數(shù)據(jù)(橙色)。

通過 IntelliCal 進(jìn)行強(qiáng)度校準(zhǔn)

2011 年，Princeton Instruments 發(fā)布了LightField 4.0，這是對創(chuàng)新數(shù)據(jù)采集包的重大更新，新增了對PI-MAX? 3 增強(qiáng)型 CCD 相機(jī)的支持。同時(shí)發(fā)布的還有IntelliCal 2.0，其中包括全自動(dòng)波長和強(qiáng)度校準(zhǔn)程序。強(qiáng)度校準(zhǔn)引擎是一個(gè) USB 供電的多 LED 光源，發(fā)射波長為400 至 1100 nm。每個(gè)高度穩(wěn)定的光源都根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)校準(zhǔn)，并且頻譜記錄在設(shè)備的固件中。

為了校準(zhǔn)光譜儀，研究人員使用 IntensiCal? 光源照射入口狹縫并記錄光譜(如圖 7 所示)。圖 7 中顯示的未校正光譜顯示了610 nm 處的光譜拼接偽影和 830 nm 處的大量標(biāo)準(zhǔn)具，這是由用于收集數(shù)據(jù)的背照式傳感器上的干涉條紋引起的。

在校正后的光譜中(圖 7)，拼接和標(biāo)準(zhǔn)具偽影消失了。相對峰值高度也已得到糾正。對于這個(gè)特定的示例，使用 IntensiCal 光源來校正其自身的光譜，但例程完全是通用的。拉曼、光致發(fā)光、熒光、吸收或 LIBS 光譜的校正與光源本身的校正一樣容易。

圖 7.未校正光譜(左)與強(qiáng)度校正光譜(右)。

概括

普林斯頓儀器公司通過在關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)列表中添加前所未有的可用性，再次提升了色散光譜儀器的科學(xué)水平。光譜學(xué)家現(xiàn)在可以使用自動(dòng)化 IntelliCal 來獲得對其記錄光譜的兩個(gè)軸的 100% 置信度，而不是浪費(fèi)寶貴的實(shí)驗(yàn)室時(shí)間來開發(fā)自己的校正程序。

審核編輯 黃宇