IRsweep公司推出的IRis-F1微秒級(jí)時(shí)間分辨超靈敏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(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來(lái)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。

詳細(xì)介紹

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(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來(lái)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(guò)程都是發(fā)生在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)，這些過(guò)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(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來(lái)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


	高信噪比

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(zhǎng)光程激光樣品池

> 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(guò)程控制
> 安全監(jiān)控
> 微量樣品測(cè)試

更低容量更高靈敏度

> 光程長(zhǎng)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


實(shí)驗(yàn)裝置示意圖


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

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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(kù)的改進(jìn)，將來(lái)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。


菌紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖	鹽湖中嗜鹽細(xì)菌光敏變色	實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

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(guò)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(guò)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。

光催化水分解反應(yīng)機(jī)理:

(i) Ru(bpy)₃²⁺ 被光激活；(ii) 消耗 S₂O₈^2- ，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(guò)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(lái)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)。