OEM仪器开发商必须避免可变性，他们必须保证基于拉曼光谱质量的答案。这些答案对于他们的客户以及那些受基于这些输出做出的决策影响的客户来说非常重要。
按设计，质量好OEM光谱仪应该从一开始就显示出较低的单元间可变性，并且必须纠正任何剩余的小差异，以获得最可重复性和最可靠的分析结果。
本文演示了一种技术，该技术可用于修正多个单元的波数和强度响应的微小变化，在7台相同配置和型号的拉曼光谱仪的任意两台光谱仪之间实现超过99.5%的一致性。
再现性的需要
由原始设备制造商(oem)设计的基于拉曼的特定应用仪器必须提供可靠、一致的答案，无论设备序列号或在哪个国家使用。2020欧洲杯下注官网
虽然样品处理、方法开发和算法开发是实现这一点的关键，但拉曼应用也依赖于实际仪器的高度单位间再现性。
图片来源:Wasatch光子学公司
每台仪器都有不同的机械、光学和电子部件，当体积为10、100或10万时，它们的光谱响应总是存在一些不可避免的差异——无论如何仔细校准或如何严格的质量控制。当每个单元单独校准和优化时，确保从许多仪器中收集到相同光谱的最佳方法如下所述。
使再现性成为现实
通过使用良好的光学设计，可以消除一定程度的可变性。例如，Wasatch Photonics光谱仪的全透射光学设计对对准角的微小变化产生非常低的灵敏度。
结合使用的VPH光栅的一致性，这些设计产生了极高的再现性。这就是为什么与交叉契尔尼特纳光谱仪中使用的复制光栅、反射光学和非对称折叠光路相比，许多原始设备制造商更青睐全透射光谱仪设计的原因。
全透射式VPH光栅光谱仪(左)。带有反射光学和直纹光栅的交叉策尔尼-特纳光谱仪(右)。图片来源:Wasatch光子学公司
即使采用最佳的设计和良好的制造实践，光谱灵敏度和波数轴的微小差异仍然存在。消除这些微小的差异可以显著提高整体单元到单元的拉曼应用的再现性，如与公共库的光谱匹配，最终可以导致任何仪器的一致光谱分析。
几乎完全消除这些微小的分光计差异只需两次校正，就可以产生极好的单元间再现性，以满足最苛刻的OEM应用。
一次性工厂校准和每日校正
美国药典1对于拉曼仪器，概述了拉曼光谱仪正确校准的三个关键领域：主波长（x轴）、强度（y轴）和激光波长。
波长校准
阵列探测器仪器，比如瓦萨奇拉曼光谱仪，将信号强度记录为使用像素索引测量的阵列探测器上位置的函数。
从阵列探测器固有的像素指数到光波长的转换基于在工厂使用校准光源进行的波长校准，使用非常清晰、定义明确的原子发射线。
已知原子发射波长的多项式拟合作为像素空间中测量峰值位置的函数，构成波长校准。图片来源：瓦萨奇光电子公司。
在整个校准过程中，预先设定的一组发射峰的位置在像素空间中建立，已知的发射波长与这些测量像素位置的多项式函数相匹配。
当光谱仪连接到计算机时，产生的校准系数保存在光谱仪的EEPROM中，以便读取和应用。用户可以使用合适的原子发射源检查波长校准的准确性。但是，实际校准只能在工厂进行。
相对强度校准
对于拉曼光谱，需要对强度轴进行校准，以实现可重复的峰高比。所有光谱仪在生产过程中都是单独对齐和优化的，虽然Wasatch Photonics自身的传输光学导致校准参数的灵敏度极低，但不同光谱仪的总体光谱响应仍然存在微小差异。
强度校准按ASTM E2911-13(2013)进行2使用标准参考材料样品(SRM)，当用拉曼激光照射时，它会发出众所周知形状的宽带荧光光谱。
拉曼SRM材料通常是欧洲杯足球竞彩已知成分的固体玻璃块，比紫外-可见-近红外光谱中使用的辐射定标灯或“金标准”更容易使用。
测量和公布的SRM标准的发射光谱形状的例子。图片来源:Wasatch光子学公司
SRM的测量发射光谱与预期发射光谱进行比较，两个光谱之间的比率定义了每个像素处的光谱强度校正因子。
这种校准是在工厂的生产中进行的，在此过程中，光谱仪的平滑光谱响应曲线符合函数形式。光谱响应剖面参数保存在光谱仪的EEPROM中，软件可以读取这些参数来进行强度校正。
用户可以使用参考物质两个峰的强度比来检查强度校正的准确性，如ASTM 1840-96（2014）中公布的那些3.．
拉曼光谱中两个峰的峰高比也取决于仪器的光学分辨率（线宽），例如，对于光学分辨率有限的紧凑拉曼系统。由于每条谱线的曲线下面积保持不变，如果较低的分辨率使峰变宽，也会降低峰高。
当比较实验峰高比与用高分辨率台式仪器测量的文献值时，必须考虑这一点。
激光波长校准
应在工厂进行的最终校准是确定准确的激发激光波长。规定具有给定（标称）拉曼波长的激光器的波长范围通常为±0.5 nm。在830nm的拉曼激发波长下，对应于约7cm的拉曼位移－１．
准确的激光波长应通过利用参考物质的已知拉曼峰来确定，以获得最佳精度，最好是ASTM 1840-96（2014）中公布的拉曼峰3.，其峰值位置被定义为精确到1厘米以内－１．
使用测量的拉曼峰位置（假设标称激光波长）与参考峰位置的偏差校准激光波长。图片来源：瓦萨奇光电子公司。
参考物质的已知峰位和测量峰位之间的平均差值提供了激光波长与标称激光波长的偏差。
对于配备来自Wasatch Photonics的内置激光器的光谱仪，为了从波长校准确定拉曼位移，测量的激光波长被写入光谱仪的EEPROM，并由软件使用。
需要考虑的是，如果激光和光谱仪的来源是独立的，这种激光波长校准必须在OEM现场进行。
用户可以在野外一次通过对比测量到的拉曼峰位置和参考峰位置来检查激光波长的准确性。如下一节所述，建议每天验证和调整拉曼轴校正。
日常波数校正
为了达到最高的光谱测量精度，有必要考虑整个系统中微小但明显的日常整体差异。这种对最终波数轴的校正可以捕捉光谱仪波长校准、激光波长或光谱的其他小变化，例如由于外部温度变化。
各个性能水平的拉曼仪器都证明需要进行日常校正，以获得可靠的拉曼光谱标准化，以便在仪器之间转移光谱库。4
这种校正是使用一个单独的、加性的波数偏移来进行的，该偏移与前面概述的激光波长校准完全类似。
已知拉曼峰位置与该日常参考标准测量的峰位置之间的平均偏差用作对整个拉曼光谱的加性校正。
通常，根据USP章节<1120>5或EP章节<2.2.48>6．经修正的波数轴给出了高的拉曼位移精度，因此，极好的单位到单位重现峰位置。
校正及校正实例
通过对该技术的全面了解，现在可以演示一组7个不同但配置和设计相同的830 nm拉曼系统的强度校准和波数校正，该系统集成了激光和探测光学(WP 830- l)。
将聚苯乙烯反应杯内的葡萄糖水样溶液插入样品架中，样品架又直接连接到光谱仪的前透镜上。由于其拉曼光谱在宽波数范围内具有多个峰的复杂性质，选择水中葡萄糖作为演示样品。
图片来源:Wasatch光子学公司
波长校准
波长校准按原样使用，并已在生产过程中进行。
波数校正
本例中使用的样品溶液包含在聚苯乙烯试管中，这种材料在ASTM出版物中被列为一种参考化合物3.．
两个聚苯乙烯峰位于1001.4 cm处－１和1602.3厘米－１（ASTM）用作波数参考，因为这些峰与因水中葡萄糖而产生的任何样品峰充分分离。
聚苯乙烯反应杯中葡萄糖溶液的光谱示例。聚苯乙烯参考峰用垂直线标记。图片来源:Wasatch光子学公司
根据单位的不同，产生的平均波数校正偏移值在-4 cm之间变化－１+ 2厘米－１．这种调整大部分是由于在原始采集中使用了标称激光波长(830.0 nm)。
七个测试光谱仪中任何一个的任何葡萄糖峰的位置偏差小于0.5厘米－１从波数校正后的平均位置来看，其在阵列探测器上低于四分之一像素，证明了波长校正的高精度。
单个光谱仪的葡萄糖峰位置与所有光谱仪的平均位置的偏差表明，范围非常窄，小于0.5 cm-1或小于0.25像素。图片来源:Wasatch光子学公司
波数校正可以显著改善不同光谱仪记录的样品光谱之间峰位置的一致性。
测量和公布的SRM标准的发射光谱形状的例子。图片来源:Wasatch光子学公司
相对强度校准
测量了830 nm激光波长(SRM 2246)的标准参考物质样品的发射，演示了如何进行强度校准。
可用的拉曼光谱相对强度校正标准的完整列表可以在NIST网站SRM Home和ASTM E29111-13(2013)上找到。2．
所有测试中的光谱仪记录的SRM 2246的归一化发射光谱。图片来源:Wasatch光子学公司
对于每一个WP 830-L光谱仪，测量SRM 2246的发射光谱，归一化并与NIST规定的预期(归一化)发射光谱进行比较。
个别光谱仪的光谱灵敏度曲线非常一致，即使没有强度校准，这表明光谱仪全透射设计的高再现性。预期发射和测量发射之间的比率构成强度校准（在每个像素处）。
将这种强度校准应用于所有的实验光谱，消除了光谱仪特有的光谱灵敏度，从而在多个光谱仪之间实现了相对峰高的极好一致性。所有光谱归一化到一个峰的最大值，以最好地比较相对峰的高度。
比较七个光谱仪的(归一化)样品光谱(水中葡萄糖)的一段波长数和强度校正(右)和没有强度校正(左)。强度校正导致所有峰值高度的极好一致。图片来源:Wasatch光子学公司
结果：两种光谱高度相关
为了量化校正后的光谱仪之间的一致性，组内每个可能配对光谱仪的光谱之间的皮尔逊相关系数是在对1厘米的共同波数轴进行插值后确定的－１间距。
用两种不同的光谱仪记录的校正样品光谱的所有成对比较的光谱一致性分布。图片来源:Wasatch光子学公司
该相关系数常被用作库匹配中的“命中质量指标”，用来衡量不同谱之间的总体一致性。在这组7个光谱仪中发现了21个成对相关系数。
发现任何两个（校正）光谱之间的高度一致性，最小相关性为99.5%，典型的成对相关性为99.8%。这显示了拉曼光谱仪之间的极好一致性，这可以通过从良好的光学设计开始并应用适当的校正来实现。
结论
为了在该领域提供可靠的、一致的答案，OEM应用要求单个光谱仪之间高度的单位对单位的一致性。然而，即使是同样设计、配置和校准的光谱仪，由于其复杂的光学原理，其光谱也会发生一些变化。
这可以通过强度和波数修正轻松有效地校正，在应用特定的光谱分析之前将所有单元的响应标准化。
图片来源:Wasatch光子学公司
以强健、敏感开始拉曼光谱仪设计和应用这些简单的校正，证明任何两个相同配置的光谱仪都可以测量相同的复杂光谱，具有良好的整体一致性。
这种直接的校正过程使得使用通用的化学计量学模型或通用的匹配库来完成高精度的系列光谱仪成为可能。
Wasatch Photonics在开发过程的每个阶段都与OEM客户合作，为拉曼应用集成其“设计OEM”解决方案和最佳制造实践。该公司利用其独特的仪器设计专业知识、应用专业知识和市场知识，创造出稳健、灵敏和可再生的仪器。
工具书类
- 《欧洲药典》2016年第8.7版，第2.2.48章，欧洲药品和医疗质量理事会，2016年。
- ASTM E2911-13，拉曼光谱仪相对强度校正的标准指南，ASTM国际，West Conshohocken, PA, 2013。
- ASTM E1840-96（2014），光谱仪校准用拉曼位移标准的标准指南，ASTM国际，宾夕法尼亚州西康舍霍肯，2014年。
- Rodriguez JD, Westenberger BJ, Buhse LF, Kauffman JF。拉曼光谱的标准化，用于不同仪器之间光谱库的转移。分析师。2011;136(20):4232 - 40。
- USP 43-NF 38一般章节<1120>，美国药典公约，2020年。
- 《欧洲药典》2016年第8.7版，第2.2.48章，欧洲药品和医疗质量理事会，2016年。
致谢
由瓦萨奇光电子公司的迪特·宾欧洲杯足球竞彩格曼博士最初创作的材料制成。
这些信息来自Wasatch Photonics, Inc.提供的材料。欧洲杯足球竞彩
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