傳統(tǒng)光譜儀由于光源，測(cè)量方式等限制，需要幾秒鐘或者更長的測(cè)量時(shí)間來獲取一個(gè)完整的光譜。 然而，生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等許多過程都是發(fā)生在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)，這些過程是傳統(tǒng)技術(shù)的光譜儀沒辦法觀察到。
瑞士IRsweep公司推出的IRis-F1時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜儀是一種基于量子級(jí)聯(lián)激光器頻率梳的紅外光譜儀，突破了傳統(tǒng)光譜儀需要幾秒鐘或者更長的測(cè)量時(shí)間來獲取一個(gè)完整的光譜的限制，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 μs時(shí)間分辨的紅外光譜快速測(cè)量，提供了結(jié)合高測(cè)量速度（微秒級(jí)時(shí)間分辨率）、高光譜分辨率和寬光譜范圍的解決方案，這種高速的測(cè)量方案開啟了生物醫(yī)藥、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)光譜分析的全新的可能。
IRis-F1應(yīng)用領(lǐng)域
> 時(shí)間分辨光譜 > 動(dòng)力學(xué)研究
> 光催化研究 > 高通紅外光譜分析
> 適用固體、液體、氣體樣品化學(xué)成分分析
IRis-F1快速紅外光譜設(shè)備特點(diǎn)
| > 1 μs時(shí)間分辨率 > 高達(dá)0.25 ~0.5 cm-1波數(shù)分辨率 > 雙量子級(jí)聯(lián)激光頻率梳技術(shù)提供高能量光源 | > 測(cè)量數(shù)據(jù)信噪比高 > 易于微量及痕量光譜分析
> 方便易用、可靠性高 |
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| 高信噪比 |
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| IRis-F1 微秒級(jí)時(shí)間分辨超靈敏紅外光譜儀原理示意圖 |
IRis-F1快速紅外光譜技術(shù)參數(shù)
| Time resolution | < 1 µs |
| Signal-to noise ratio | > 100 @ 1 µs integration time
> 1000 @ 100 µs integration time
> 1000 @ 10 sec integration time |
| Light source | Exchangable quantum cascade laser frequency comb sources.
Laser exchange may require exchange of additional system components. |
| Spectral coverage | 40 cm-1 - 120 cm-1 per exchangable laser source |
| Center wavelengths | 1050 cm-1 (9.5 µm ) – 1700 cm-1 (6 µm) available now
830 cm-1 (12 µm) – 2000 cm-1 (5 µm) under development |
| Spectral resolution | < 10 MHz (3x10-4 cm-1) |
| Spectral sampling | 0.25 cm-1– 0.5 cm-1 |
| User interface | Transmission and absorbance spectrum display |
| Power consumption | Data export in open format 110 – 230 VAC, 700 W typical including electronics |
設(shè)備選件：
IRcell – 超長光程激光樣品池
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| | | | > 適用于紅外激光吸收光譜
> 工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境領(lǐng)域的痕量氣體檢測(cè)
> 工業(yè)過程控制
> 安全監(jiān)控
> 微量樣品測(cè)試 |
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| | | | 更低容量更高靈敏度 > 光程長度：349 cm > 樣品池體積：38 ml > 低邊噪聲水平：<0.2‰ rms |
IRcell技術(shù)參數(shù)
| Optical path length | 349 cm / 137” |
| Input-output beam angle | 28 degree horizontal
3 degree vertical |
| Beam alignment tolerance | ±0.002 degree horizontal
±0.1 degree vertical |
| Ideal numerical aperture | 0.027 |
| Input hole diameter | 4 mm / 0.157” |
| Fringe level | < 2.0 x 10-4 rms@ λ=4.3 µm |
| Wavelength range | IR / mid-IR / THz |
| Gas volume | 38 ml |
| Gas fittings | Swagelok 6 mm or 1/4” or
Whitworth G 1/8” |
| Absolute pressure range | 0-1 bar / 0-750 torr |
| Leak rate | < 1 x 10-7 bar x l/s |
| Mirror surface | Gold |
| O-Ring material | NBR |
| Absorption mask material | Teflon, others on request |
| BaF2 , CaF2 , Al2O3 , N-BK7, others on request others on request | Window material options |
10 cm diameter,3 cm height
(excluding gas connectors) | Dimensions |
| Mounting | 3 x M6 |
IRcell 應(yīng)用案例
實(shí)時(shí)分析呼吸氣體中的CO和CO2 — using an EC?QCL
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| 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 |
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| 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 Ghorbani, R. & F. Schmidt, F.M. Appl. Phys. B (2017) 123: 144. doi:10.1007/s00340-017-6715-x |
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| 使用IRcell用于呼吸氣體的分析結(jié)果顯示： > 成功探測(cè)呼喚氣體中的CO2和CO > 較長的光程具有痕量氣體探測(cè)的優(yōu)勢(shì) > 對(duì)痕量氣體探測(cè)具有很高的信噪比 | | IRcell適用于： > 工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境領(lǐng)域的痕量氣體檢測(cè) > 工業(yè)過程控制 > 安全監(jiān)控 > 微量樣品測(cè)試 |
應(yīng)用案例
■ 高溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究
近期，斯坦福大學(xué)的NICOLAS H. PINKOWSKI研究團(tuán)隊(duì)與IRsweep公司合作成功利用微秒級(jí)時(shí)間分辨超靈敏雙光梳紅外光譜儀-IRis-F1（Dual-comb spectrometer, DCS）演示了中紅外QCL的雙梳狀光譜儀在高能氣相反應(yīng)中的微秒分辨單次測(cè)量的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中配備了兩個(gè)頻率梳和多套獨(dú)立的驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)，在壓力驅(qū)動(dòng)下的高溫、高壓反應(yīng)釜中研究了一種劇烈的丙炔氧化化學(xué)反應(yīng) 。具體而言，作者在1225 K，2.8 大氣壓和2％p-C3H4 / 18％O2的預(yù)點(diǎn)火條件下，測(cè)量了丙炔與氧氣之間1.0 毫秒高溫反應(yīng)的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)光譜。實(shí)驗(yàn)所采用的量子級(jí)聯(lián)激光的雙梳狀光譜儀（DCS）是由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的，非固定頻率的頻率梳組成，其發(fā)射波長帶寬為179 cm-1 (1174 cm-1-1233 cm-1), 具有9.86 GHz的自由頻譜范圍和5 MHz的頻梳間距，可實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)4 μs的時(shí)間分辨率（理論時(shí)間分辨率0.2 μs）。同時(shí)，作者使用另一套獨(dú)立的帶間級(jí)聯(lián)激光（ICL）光譜儀對(duì)DCS測(cè)量的精度做了仔細(xì)的對(duì)比研究，確認(rèn)了DCS測(cè)量的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，單脈沖DCS可以以4 μs時(shí)間分辨測(cè)量速率解析丙炔氧化動(dòng)力學(xué)，DCS數(shù)據(jù)清楚顯示：在反應(yīng)早期（0-0.6 ms）能觀察到寬帶丙炔吸收特征峰，而在0.75 ms之后可以觀察到水的精細(xì)特征光譜。在劇烈的高溫高壓反應(yīng)中（1 ms 內(nèi)約2500K和60倍的溫度和壓力變化）DCS數(shù)據(jù)顯示了出良好的信噪比，其信號(hào)的自然噪聲抑制和時(shí)間分辨率在高焓測(cè)試環(huán)境中顯示出明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，獨(dú)立的輔助激光測(cè)量光譜（ICL）結(jié)果與DCS系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果具有良好的一致性。此外，DCS能夠解析與溫度直接相關(guān)的量子態(tài)信息。并且，隨著光譜模型和高溫截面數(shù)據(jù)庫的改進(jìn)，將來DCS系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)進(jìn)一步提升。 隨著中紅外雙梳光譜技術(shù)的出現(xiàn)，為超靈敏雙光梳紅外光譜儀在高焓反應(yīng)和非平衡環(huán)境的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中提供了廣闊的研究機(jī)遇。研究者堅(jiān)信超靈敏雙光梳紅外光譜儀在高能反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中將會(huì)有更多應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
■ 菌紫紅質(zhì)時(shí)間分辨紅外光譜研究
菌紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin）是存在于細(xì)菌（如生活在鹽湖中的嗜鹽細(xì)菌）中的光敏跨膜質(zhì)子泵。
 | | 時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜測(cè)量結(jié)果顯示： > 成功觀察到微秒時(shí)間分辨下的菌紫紅質(zhì)光敏狀態(tài)變化
> 在微秒測(cè)試時(shí)間內(nèi)，mOD濃度下光譜結(jié)果良好 > 光譜噪音水平低 時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜適用于：
> 直接分析快速生物過程
> 實(shí)時(shí)研究動(dòng)力學(xué)變化
> 高通分析蛋白-配體相互作用 |
| 時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜測(cè)量結(jié)果 |
■ 光催化過程的時(shí)間分辨紅外光譜研究
三聯(lián)吡啶釕（Ru(bpy)32+ ）由于具有良好的受激發(fā)特性，在電致發(fā)光（ECL）檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
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| 光催化水分解反應(yīng)機(jī)理: (i) Ru(bpy)32+ 被光激活；(ii) 消耗 S2O82- ，變?yōu)?+ 價(jià)轉(zhuǎn)態(tài); (iii)在 Co3O4 催化下，電子從水轉(zhuǎn)移到 Ru(bpy)33+ 還原成2+價(jià)轉(zhuǎn)態(tài) | 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案示意圖 |
 | | 時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜測(cè)量結(jié)果顯示：
> 成功觀察到微秒時(shí)間分辨下的催化反應(yīng)
> 獲得μOD濃度下信號(hào)
> 能結(jié)合ATR技術(shù)
時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜適用用于：
> 催化反應(yīng)
> 化學(xué)反應(yīng)
> 反應(yīng)過程監(jiān)控 |
| 時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜測(cè)量結(jié)果 |
■ 時(shí)間分辨紅外光譜進(jìn)行遠(yuǎn)距探測(cè)
遠(yuǎn)距探測(cè)用于遠(yuǎn)程探測(cè)危險(xiǎn)物質(zhì)，如生物/化學(xué)試劑等在安全防護(hù)領(lǐng)域具有重要的意義。而遠(yuǎn)距探測(cè)依賴于來自遙遠(yuǎn)表面的光束反射信號(hào)探測(cè)，具有較大的挑戰(zhàn)。
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| 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 |
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IRsweep遠(yuǎn)程探測(cè)方案測(cè)量結(jié)果 | IRsweep遠(yuǎn)程探測(cè)方案測(cè)量結(jié)果顯示： > 成功探測(cè)到遠(yuǎn)程物體的漫反射信號(hào) > 較高的輸出能量具有遠(yuǎn)程探測(cè)的優(yōu)勢(shì)
> 能探測(cè)到 1 μg/cm2 表面覆蓋的信號(hào)
IRsweep遠(yuǎn)程探測(cè)方案可用于：
> 國土安全
> du品管制
> 機(jī)場安檢 |
用戶單位
2018年8月，首套新一代IRis-F1時(shí)間分辨快速雙光梳紅外光譜系統(tǒng)在德國柏林自由大學(xué)（ Free University of Berlin）的Joachim Heberle 教授組成功完成安裝。
