自动波长和强度校准显着提高光谱精度

波长校准

色散光谱仪器的校准长期以来一直是研究人员面临的问题。当光谱沿一对轴绘制时，x 轴通常表示波长或波数，而 y 轴表示强度。光学光谱设备制造商几乎将确定两种标尺精度的任务留给了用户。通常，通过测量两条或多条汞发射线的位置并在它们之间进行插值来校准 x 轴。已知中间波长的精度为(1)未指定，(2)仅与插值例程一样好，以及(3)通常比用户预期的要差得多。

2010 年，Princeton Instruments 推出了采用IntelliCal™的 64 位 LightField™ 数据 采集软件，这是一种正在申请专利的波长校准例程，基于 X 射线光谱中使用的 Rietveld 细化算法。 IntelliCal 使用发射线源和 NIST 光谱数据库中的谱线表，同时求解安装在色散光谱仪上的 26 mm CCD 的整个焦平面上的每个像素的波长。

每个像素校准的波长精度与光谱数据文件一起存储，从而确保可靠的数据验证和可追溯性。将结果与发射线表(参见图 1)进行比较表明，IntelliCal 波长校准例程的精度通常比传统插值方法高 4 倍到 10 倍。

波长不准确绝非一个小问题。许多光谱实验需要使用差异光谱，即从标准光谱中减去实验光谱。拉曼光谱中仅单个像素(即分辨率的极限)的波长偏移将导致差异光谱无法识别。这通常需要重新校准仪器并重复整个实验。

图 2 显示了真实差异拉曼光谱(以红色显示)和从单个像素的移位获得的杂散差异光谱(以蓝色显示)。没有明显的方法来判断哪个是正确的频谱。校准程序越好、越容易，重复测量或者更糟糕的是发布虚假数据的机会就越小。

波长精度至关重要的其他领域包括过程分析、法医和危险物质识别，其中光谱指纹用于识别未知材料。搜索匹配算法使用模式识别例程将测量的光谱与光谱库进行比较。准确了解给定波段的拉曼位移或 LIBS 光谱中线的精确发射波长，可确保匹配的成功，而不准确的光谱会增加误报和漏报的风险。

图 1.波长校准精度比较：IntelliCal 与传统插值方法。下载此波长校准光谱图的高分辨率版本。

图 2.真实差异拉曼光谱(红色)和从1像素移位获得的虚假差异光谱(蓝色)。

强度校准基础知识

强度校准更具挑战性。光谱仪记录的数据绝不是真实的光谱;相反，它会被光路上的每个光学元件修改，包括透镜、镜子、衍射光栅和探测器。这些元素中的每一个都有其自己的光谱响应。图 3 显示了典型的全息衍射光栅(绿色曲线)和背照式 CCD 相机(黑色曲线)的响应。用这些组件记录的频谱将包括它们的乐器伪影。研究人员知道应该对光谱进行标准化以消除仪器的影响，但由于这个过程既繁琐又困难，所以很少这样做。 Choquette 在《应用光谱学》(Applied Spectroscopy) (2007, 61: 117) 中概述了该技术。

典型的仪器强度伪影如图 4 所示。这些光谱显示了高分辨率光谱仪记录的氧化锌的光致发光。红色曲线为真实光谱;蓝色和绿色曲线显示了当光栅绕其轴旋转(即，当波长在焦平面上扫描时)时，由于光栅衍射效率的不连续变化而产生的假峰。

图 5 所示的光谱是白炽灯的光谱。黑色曲线表示理论黑体光谱;三种颜色的曲线显示了测量数据，具有源自伍德异常的鲜明特征。

图 3.典型全息衍射光栅(绿色曲线)和背照式CCD相机(黑色曲线)的光谱响应。在给定的实验装置中沿光路的每个光学元件的响应会修改记录的光谱。

图 4.高分辨率光谱仪记录的氧化锌光致发光。真实光谱(红色曲线)与由于波长在焦平面上扫描时光栅衍射效率不连续变化而产生的假峰(蓝色和绿色曲线)。

图 5.白炽灯的理论黑体光谱(黑色曲线)与测量数据(彩色曲线)

图 6 显示了硬脂酸(药片的常见成分)的拉曼光谱。以红色呈现的光谱代表原始数据，而以橙色呈现的光谱已经过校正。激发波长为785 nm; 2900 cm -1处的 CH 伸缩峰位于 1015 nm，此时探测器的量子效率迅速降至零。强度校准可恢复适当的峰高比，同时使基线变平，从而更容易量化混合物中硬脂酸的比例。

图 6.硬脂酸的拉曼光谱：原始数据(红色)与校正数据(橙色)。

通过 IntelliCal 进行强度校准

2011 年，Princeton Instruments 发布了LightField 4.0，这是对创新数据采集包的重大更新，新增了对PI-MAX® 3 增强型 CCD 相机的支持。同时发布的还有IntelliCal 2.0，其中包括全自动波长和强度校准程序。强度校准引擎是一个 USB 供电的多 LED 光源，发射波长为400 至 1100 nm。每个高度稳定的光源都根据标准单独校准，并且频谱记录在设备的固件中。

为了校准光谱仪，研究人员使用 IntensiCal™ 光源照射入口狭缝并记录光谱(如图 7 所示)。图 7 中显示的未校正光谱显示了610 nm 处的光谱拼接伪影和 830 nm 处的大量标准具，这是由用于收集数据的背照式传感器上的干涉条纹引起的。

在校正后的光谱中(图 7)，拼接和标准具伪影消失了。相对峰值高度也已得到纠正。对于这个特定的示例，使用 IntensiCal 光源来校正其自身的光谱，但例程完全是通用的。拉曼、光致发光、荧光、吸收或 LIBS 光谱的校正与光源本身的校正一样容易。

图 7.未校正光谱(左)与强度校正光谱(右)。

概括

普林斯顿仪器公司通过在关键性能标准列表中添加前所未有的可用性，再次提升了色散光谱仪器的科学水平。光谱学家现在可以使用自动化 IntelliCal 来获得对其记录光谱的两个轴的 100% 置信度，而不是浪费宝贵的实验室时间来开发自己的校正程序。

审核编辑 黄宇