波長校準

色散光譜儀器的校準長期以來一直是研究人員面臨的問題。當光譜沿一對軸繪制時，x 軸通常表示波長或波數，而 y 軸表示強度。光學光譜設備制造商幾乎將確定兩種標尺精度的任務留給了用戶。通常，通過測量兩條或多條汞發射線的位置并在它們之間進行插值來校準 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)通常比用戶預期的要差得多。

2010 年，Princeton Instruments 推出了采用IntelliCal?的 64 位 LightField? 數據 采集軟件，這是一種正在申請專利的波長校準例程，基于 X 射線光譜中使用的 Rietveld 細化算法。 IntelliCal 使用發射線源和 NIST 光譜數據庫中的譜線表，同時求解安裝在色散光譜儀上的 26 mm CCD 的整個焦平面上的每個像素的波長。

每個像素校準的波長精度與光譜數據文件一起存儲，從而確保可靠的數據驗證和可追溯性。將結果與發射線表(參見圖 1)進行比較表明，IntelliCal 波長校準例程的精度通常比傳統插值方法高 4 倍到 10 倍。

波長不準確絕非一個小問題。許多光譜實驗需要使用差異光譜，即從標準光譜中減去實驗光譜。拉曼光譜中僅單個像素(即分辨率的極限)的波長偏移將導致差異光譜無法識別。這通常需要重新校準儀器并重復整個實驗。

圖 2 顯示了真實差異拉曼光譜(以紅色顯示)和從單個像素的移位獲得的雜散差異光譜(以藍色顯示)。沒有明顯的方法來判斷哪個是正確的頻譜。校準程序越好、越容易，重復測量或者更糟糕的是發布虛假數據的機會就越小。

波長精度至關重要的其他領域包括過程分析、法醫和危險物質識別，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行比較。準確了解給定波段的拉曼位移或 LIBS 光譜中線的精確發射波長，可確保匹配的成功，而不準確的光譜會增加誤報和漏報的風險。

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

圖 2.真實差異拉曼光譜(紅色)和從1像素移位獲得的虛假差異光譜(藍色)。

強度校準基礎知識

強度校準更具挑戰性。光譜儀記錄的數據絕不是真實的光譜;相反，它會被光路上的每個光學元件修改，包括透鏡、鏡子、衍射光柵和探測器。這些元素中的每一個都有其自己的光譜響應。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(黑色曲線)的響應。用這些組件記錄的頻譜將包括它們的樂器偽影。研究人員知道應該對光譜進行標準化以消除儀器的影響，但由于這個過程既繁瑣又困難，所以很少這樣做。 Choquette 在《應用光譜學》(Applied Spectroscopy) (2007, 61: 117) 中概述了該技術。

典型的儀器強度偽影如圖 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光。紅色曲線為真實光譜;藍色和綠色曲線顯示了當光柵繞其軸旋轉(即，當波長在焦平面上掃描時)時，由于光柵衍射效率的不連續變化而產生的假峰。

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據，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(黑色曲線)的光譜響應。在給定的實驗裝置中沿光路的每個光學元件的響應會修改記錄的光譜。

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

圖 5.白熾燈的理論黑體光譜(黑色曲線)與測量數據(彩色曲線)

圖 6 顯示了硬脂酸(藥片的常見成分)的拉曼光譜。以紅色呈現的光譜代表原始數據，而以橙色呈現的光譜已經過校正。激發波長為785 nm; 2900 cm -1處的 CH 伸縮峰位于 1015 nm，此時探測器的量子效率迅速降至零。強度校準可恢復適當的峰高比，同時使基線變平，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：原始數據(紅色)與校正數據(橙色)。

通過 IntelliCal 進行強度校準

2011 年，Princeton Instruments 發布了LightField 4.0，這是對創新數據采集包的重大更新，新增了對PI-MAX? 3 增強型 CCD 相機的支持。同時發布的還有IntelliCal 2.0，其中包括全自動波長和強度校準程序。強度校準引擎是一個 USB 供電的多 LED 光源，發射波長為400 至 1100 nm。每個高度穩定的光源都根據標準單獨校準，并且頻譜記錄在設備的固件中。

為了校準光譜儀，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 處的大量標準具，這是由用于收集數據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)，拼接和標準具偽影消失了。相對峰值高度也已得到糾正。對于這個特定的示例，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)與強度校正光譜(右)。

概括

普林斯頓儀器公司通過在關鍵性能標準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水平。光譜學家現在可以使用自動化 IntelliCal 來獲得對其記錄光譜的兩個軸的 100% 置信度，而不是浪費寶貴的實驗室時間來開發自己的校正程序。

審核編輯 黃宇