光谱学是一门涉及和利用物质与电磁辐射之间相互作用的物理学科。光谱学的主要类型可以根据它们测量的光的类型分类,无论是吸收、反射、传播、发射, , 以及样品的散射光,或者如果我们在检查荧光。

光谱学本身是一个广泛的领域,进一步按照波长范围分类。这个过程包括各种形式的光谱学,包括微波、红外线、可见光和X射线。

哈马松公司为近红外(700-2500纳米)和可见光(300-700纳米)范围提供高性能组件和模块,这种范围在环境、化学、材料和其他类型的分析中越来越受欢迎。

可见光谱吸收的过程涉及原子和分子通过电子转换吸收可见光.

Figure 1. 光谱学的类型。图像信用:欧洲海松光子学

当一个原子或分子吸收特定能量或波长的光时,它将导致传输光的数量减少。

在液体和固体中,可见光吸收主要来自有机分子中的复合共轭双键和芳香环。

在可见光光谱吸收中,许多水过渡金属离子也能通过与相关水分子的络合离子形成强光吸收物种。

浓缩相中可以观察到的不同颜色的光谱是通过电子过渡吸收光的结果。这个过程产生了一系列迷人的颜色。

近红外光谱中光中的能量不足以激活在可见范围内观测到的电子转换。

因此,在可见范围内出现的鲜艳颜色的化合物对NIR的影响较小。在NIR范围内,光的吸收通过振动过渡发生。如果光线有适当的能量或波长,这种吸收方式将导致两个原子之间的振动模式增加在一个分子中结合在一起。

与可见范围不同,NIR吸收不需要共轭键或溶剂配合物。因此,它对分子的特定结构及其与附近其他分子的相互作用反应更大。

NIR光谱对分子结构和环境的灵敏度是其有效的原因.拉曼散射是最基本的NIR光谱技术之一。

Figure 2. 拉曼光谱学原理。图像信用:欧洲海松光子学

拉曼光谱要求分析有关晶体或分子的振动模式。

当光指向材料时,其中一些是散射的。散射光可以具有与入射光相同的波长(称为瑞利散射光)或不同波长(称为拉曼散射光)。

拉曼光谱通过检查拉曼散射光的性质来确定物质的分子或晶体结构。这种技术适合于分析大多数物质,包括有机物、无机化合物、气体、液体、固体等,而不需要特殊的预处理。

拉曼光谱旨在测量拉曼位移,这是在斯托克斯散射过程中发生的能量转移。然而,斯托克斯散射发生的可能性明显低于瑞利散射。

拉曼光谱是一种"指纹技术",每一种特定物质都产生独特的光谱特征。通过拉曼光谱获得的信息丰富多样。

拉曼光谱学的一个特殊应用是在历史艺术认证领域,它可以用来分析油漆的水晶或分子结构,以验证真实性。拉曼光谱学同样可以作为分析半导体工业中结晶样品的一种方法,也可以作为分析化学和制药工业中结晶样品的一种方法,因为它是一种不需要样品预处理的点对点技术。通过进行拉曼光谱可以获得的信息分为四大类。

Figure 3. 四个拉曼光谱类别。图像信用:欧洲海松光子学

第一类是拉曼位移,它提供有关样品晶体或分子的一般信息。第二个是强度,表示每种物质的浓度.

第三,它测量了一半最大峰的全宽,并分析了峰的形状,以收集有关水晶结构的信息。

最后,电位峰值偏差可以表明与周围分子的相互作用,也可以是由于分子结构的变形和应变。

这清楚地反映在下文所示的水的不同状态的光谱中。

Figure 4. 水的不同状态的光谱。图像信用:欧洲海松光子学

图4显示,水蒸气的拉曼信号产生一个尖锐的峰,而液态水和冷冻水产生的峰要大得多。这是它们与周围分子相互作用的结果.

拉曼光谱法的一个关键特征是,这种能量转移与所使用的入射波长无关。拉曼光谱可以因此进行跨越广泛的能量范围。流行的波长是常见的半导体二极管波长-532纳米,685纳米,或1,064纳米。

Figure 5. 甲醇强度测量。图像信用:欧洲海松光子学

Figure 6. 纯甲醇与乙醇拉曼光谱比较。图像信用:欧洲海松光子学

这两个光谱(如上图所示)有类似的峰,对应于相同的波长,但乙醇有额外的不同峰。这种差异是因为乙醇是一个更大的分子,因此有更多的可以通过拉曼光谱激发的振动模式。

上面的例子显示出高质量的拉曼光谱,具有优良的信噪比和光谱分辨率。这是一个不小的壮举;斯托克斯散射的概率比瑞利散射小,而瑞利散射的系数在数百万到数十亿之间,因此很难获得这样高质量的光谱。

标准拉曼光谱装置有三个关键组件:相干光源(通常是激光)、光学组件,如镜子、滤波器和光栅,以及用于信号采集的敏感传感器。拉曼光谱通常关注的是光谱中的可见光和近红外线部分,需要一个高灵敏度的探测器来探测极其微弱的拉曼散射光。线性图像传感器经常被用来同时检测多个分散的波长。

哈马松光子学是高品质、高性能、可负担得起的CMOS技术的主要供应商,用于分析、工业和光谱市场。该公司利用其在光学、力学、电子和软件等光学技术领域的广泛经验,生产了一系列广泛的产品,包括CCD(与TDCD-CD)、CMOS和NMOS。

基于前一个模型的优势,新的CMOS线性图像传感器,S16596-4096-11,具有更长的像素尺寸(7x200),4096像素,最大数据速率10兆赫,低读取噪声(TYP)。高动态范围(5000次)。

它包括关键功能,如所有像素的同步电荷集成、可变集成时间、内置定时发生器和电子快门。S16596-4096-11传感器也提供了更高的灵敏度,完全适合拉曼光谱应用。

Figure 7. 与以前的模型比较。图像信用:欧洲海松光子学

除传感器外,Hamamaso还提供了一个16位数字输出的驱动电路,并与USB2.0接口兼容。

电源可以通过USB总线电源提供,是直流+5V电源。驱动电路的读取频率为10兆赫,传感器板的尺寸为20x41.6毫米,而接口板的尺寸为45x50毫米。

这个驱动电路也可以使用外部同步操作.

一个由传感器和读取板和镜头安装(F-安装)组成的评估板是可用的,能够为特定的应用测试此CMOS。

CMOS线性图像传感器,S16596-4096-11。图像信用:欧洲海松光子学

Figure 8. 读取板的典型输出垂直轴指示传感器输出.水平轴表示像素的数量.图像信用:欧洲海松光子学