拉曼光谱在企业产品质量监控过程中的应用

2013-11-23陆维敏胡恩萍

实验技术与管理 2013年5期

陈芳，陆维敏，胡恩萍

（1.浙江大学化学系，浙江省应用化学重点实验室，浙江杭州 310028；2.堀场（中国）贸易有限公司，浙江杭州 310028）

实现资源共享共用，提高大型仪器的利用率，使大型仪器在为教学、科研服务的同时，走出校门为企业与社会服务是高校大型仪器平台的一个重要任务［1－2］。近年来，很多高校已通过建立仪器测试平台、实行网络化管理、仪器讲座制度化等措施，为培养学生、获取科研成果和学科建设与发展等方面作出了重要的贡献［3－4］。但在面向企业、体现其社会服务功能方面，尚需作较大的努力［5－6］。在新科技和新产品迅猛发展的现代社会，企业为提升生产力与保障产品质量，对大型先进仪器的使用要求也日益增加。因此，发挥高校各种大型仪器的功能为社会和企业服务，是提高仪器效率、实现社会效益的一条重要途径。本文利用激光拉曼光谱仪检测LED背光模组生产过程中的杂质问题，就是实践的成果。

1 实验背景

激光拉曼光谱技术具有对测试样品非接触、非破坏、检测灵敏度高、时间短、样品量小及样品无需制备等特点，并且在分析过程中不会对样品造成化学的、机械的、光化学和热的分解，即可对样品进行无损分析。激光拉曼光谱技术虽被广泛应用于医学［7］、药物［8］、文物考古［9］、宝石鉴定［10－11］和法庭科学［12－13］等方面，但极少用于工业部门生产过程中的质量控制的检测与管理。

LED是一种新型的照明产品，有健康光源之称。LED背光模组是液晶显示器面板的关键零组件之一，其功能在于提供充足亮度与分布均匀的光源，使其能正常显示影像。背光模组（见图1）由胶框、上扩片、棱镜片、下扩片、导光板、反射片，线性光源和背板组成，任何组件带有杂质（包括灰尘）都会导致背光模组的高亮度及均匀度大打折扣。由于LED封装过程的不完全自动化，人为因素或环境因素均有可能将各种各样的杂质带入到LED背光模组，从而影响产品的质量。虽然通过质检过程可以检测出LED背光模组中带有杂质，但无法确定这些极微小的杂质是在哪个生产工序中带入的。

图1 LED背光模组示意图

企业的生产管理人员在生产过程中的质量控制方面，对于人为因素和环境因素造成的产品质量问题经常处于无计可施状态，尚没有科学的、有的放矢的方法。若能知道杂质为何物，以及最可能来自于何处，就可防止在下次生产过程中类似杂质的带入，从而保证产品的品质。

对LED背光模组中带入的杂质进行定性分析，采用激光拉曼光谱仪是优先的选择。因此，经与有关生产企业商讨后决定采取以下解决方法：预先针对在LED封装过程中各工序所有可能出现的杂质进行定性分析，确定其归属以及来源。在此基础上，建立起LED封装过程中所有可能出现的杂质拉曼谱图集（杂质标准拉曼谱图集），并以此为参照，确定在该封装过程中所出现的各种杂质的归属和来源。同时，在LED封装过程中的各工序建立相应的质量管理体系。

2 实验方法

实验仪器：采用法国JobinYvon公司HR－800型的显微共焦拉曼光谱仪，入射光为514nm波长的Ar＋光源。

（1）实验条件。样品无需特殊处理，直接放于载物台上，物镜聚集于待测部位后进行测量。应用显微镜测量系统（物镜为50倍长焦镜头），在白光条件下找到样品。调试样品台高度，使聚焦清楚，拍照保存样品的具体形貌。尝试用不同出射功率、不同孔径，不同的累积时间和累积次数采集标样图谱。最后得出的对大部分标样适合的条件为：采用Ar＋光源，50倍长焦物镜，出射功率25mW，孔径250nm，扫描2次，曝光时间60s。

（2）取样。从LED背光模组生产企业的不同工段上获取所有可能出现的杂质样品，如硬件设备所产生的杂质有：流水线屑、内压机屑、滚轮屑和反射片屑等；周围环境产生的杂质有：墙壁屑、灯罩屑、纸箱屑和衬垫屑等；因操作人员带入的杂质有：各种无尘衣屑，手套屑，毛发屑等。取样时，收集同一物质、不同来源或批次的杂质样品。根据生产线各工序，对所取的杂质样品作相应的编号。在取样时，对于散落在LED封装生产线过程中的杂质采用透明胶布取样，这可有效固定极微小（约1mm）的杂质，解决了杂质样品的丢失问题。

经过多次取样，共取得标样95个，未知样398个。

3 实验结果

3.1 杂质标准拉曼谱图的建立

杂质标准拉曼谱图的可靠性是必须要解决的问题。在此过程中，我们对所取的同一物名（比如头发）、不同来源或批次的杂质样品进行测试。图2—图4给出不同取样时间的上扩片、不同年龄和不同性别的操作人员头发和不同出厂批次的纸箱屑的拉曼光谱图。图2和图4中的a和b分别是不同日期，比如a：1110表示11月10日的样品。

图2 不同取样时间上扩片的拉曼谱图

图3 不同年龄和不同性别操作人员头发的拉曼谱图

图4 不同出厂批次的纸箱屑的拉曼谱图

从上述各图中可以看到，对于同一物名的测试样品，其拉曼光谱在整个测试范围的峰型变化或峰的位置基本是一致的，也就是说所谓的外部变化（不同取样时间、不同操作人员和不同出厂批次）的样品可以得到相同的拉曼谱图，以这些试样所得到的拉曼谱图，可以作为指认未知样品的标准。需要说明的是，这仅仅是考察杂质标准拉曼谱图建立可靠性的举例。

3.2 未知杂质样品的归属

3.2.1 谱库识别

由于HR－800拉曼光谱仪本身携带某些操作软件，因而可通过LabSpec和附属的谱库搜索软件Spectra ID进行直接的数据传递，使用HORIBA Scientific的拉曼光谱数据库对未知样品进行快速识别。但由于在LED封装过程中所产生杂质的特殊性，采用HORIBA Scientific的拉曼光谱数据库往往得不到理想的结果。

谱库搜索软件Spectra ID不仅可以根据光谱／谱峰匹配或关键词对光谱数据库进行综合搜索，而且还可以自己创建数据库，将光谱数据添加到数据库中，方便随后进行搜索。因此，我们将自己建立的LED封装过程杂质标准拉曼谱图导入到Spectra ID中。对于未知样品，如果需知道它们属于哪一种物质，只要在LabSpec中运行Spectra ID就能搜索出样品的归属。例如（见图5）：未知物30对应的是耐压洽具，最佳匹配数据会放在结果列表中的第1排。

图5 Spectra ID界面

3.2.2 人工比对

对于某些样品，由于各种原因，所得到的拉曼图谱并不能通过计算机直接从建立的标准谱图中确定其归属。此时，需要通过比较标准谱图与测样谱图特征峰位置的相同性和整张图谱的相似性，来确定其归属。在谱图采集中需要注意的是，为了有效固定极微小的杂质，采用了胶带取样，在拉曼图谱的采集过程中，因采用50倍物镜，光斑直径约1μm，故极有可能同时采集到未知物和胶带的拉曼图谱，而胶带在514nm光源激发下，是具有拉曼活性的。在谱图比对的过程中，往往存在这种现象，未知物图谱跟某一种标准图谱很相似，但比该种标准物质的图谱多了一些峰。这时有2种情况：第一，未知物太小，图谱采集区域包含双面胶的峰；第二，未知物中不止包含一种杂质。对于所测试的398个未知物，第一种情况很多，我们采取以下方法：在同样条件下，测定了双面胶的图谱，采取差减法，用未知物谱图的峰强度减去双面胶的峰强度，得到的图谱再与标准谱图比对，这样确定未知物的准确率大幅提高。例如，对于某一未知样谱图（见图6a），经过比较后发现其与胶框屑标准谱图（见图6d）的主要峰值符合得很好，但整个谱线呈现一大包。经过其与双面胶谱图峰（见图6c）的差值计算后再制图（见图6b），大包消失，基线较平整，与胶框屑标准谱图符合得很好，从而确定该杂质为胶框屑。对于第二种情况，因多种物质的拉曼峰可能交叉、重叠，目前对于这样混合杂质的确认还没有得到很好解决。

图6 图谱差减法

4 结束语

本文以激光拉曼光谱仪为测试手段，检测了LED背光模组生产过程中产生的398个杂质未知物。利用所建立的杂质拉曼标样谱集，采用谱图检索和人工比对相结合的方法，确定未知物的归属，确认率达91%。研究结果表明，采用本文方法能帮助相关企业从源头上控制杂质的产生，大大提升产品的合格率，降低生产成本，从而提高企业的经济效益。同时，该方法有利于企业在生产流程中建立不同工段的产品质量管理体系。这种根据企业生产流程和产品特点而设计的杂质检测方法，针对性强、效果明显，不仅适合激光拉曼光谱仪，也适用于其他大型仪器的测试。这是在条件允许的情况下，在更大范围、更大限度地实现高校大型仪器设备资源的开放共享、回馈社会的有效途径之一。

（References）

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