一種基于可調(diào)諧激光的移頻激發(fā)拉曼光譜的信號強度檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拉曼光譜的信號強度檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 拉曼光譜是一種檢測速度快、無需預處理、對被測物質(zhì)無損傷且能夠完整地反應 分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息等顯著優(yōu)勢的檢測技術(shù)，被廣泛地應用于食品安全、化學分析和材料分 析等領(lǐng)域。但是在大多數(shù)拉曼檢測過程中會伴隨著熒光信號的產(chǎn)生，弱熒光信號會嚴重干 擾對弱拉曼信號的識別，強熒光信號甚至會淹沒拉曼信號，所以在拉曼檢測過程中去除熒 光干擾能夠非常有效地提高檢測效率。
[0003] 目前被廣泛采用的有效的抑制熒光的方法主要有熒光猝滅法、時間分辨法、數(shù)值 處理法和移頻激發(fā)法。熒光猝滅法是通過在待測樣品中加入特定熒光猝滅劑或增加樣品的 曝光時間來降低熒光產(chǎn)率，此方法只能針對少數(shù)特定樣品且測量過程引入的額外條件給測 量結(jié)果帶來很大不確定性。時間分辨法利用了拉曼光壽命遠遠小于熒光壽命的特性，通過 采用超短脈沖光或高頻調(diào)制光源在時域?qū)⒍叻珠_，但基于此方法構(gòu)建的拉曼系統(tǒng)由于需 要采用高速響應器件而大幅提高了成本。數(shù)值處理法利用拉曼信號和熒光信號的不同頻譜 特性，通過傅立葉變換和曲線擬合等方式從熒光背景中提取微弱的拉曼信號，但該方法受 軟件算法的影響較大，測量結(jié)果一致性差。
[0004] 移頻激發(fā)法是基于熒光與激發(fā)波長不相關(guān)的特性，在相同的收集條件下，當用兩 束波長具有微小差別的激光激發(fā)樣品時，獲得的兩個光譜中熒光信號幾乎不發(fā)生改變，而 所有的拉曼信號都會產(chǎn)生微小偏移。將兩次收集的信號相減即可以獲得去除熒光干擾的差 分拉曼光譜信號，再反演出原始拉曼光譜信號，進而實現(xiàn)對待測樣品的分析，反演原始拉曼 光譜信號的過程計算量大，而且會引入誤差。移頻激發(fā)法能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵是要確保有至少 兩個穩(wěn)定的、具有不同波長的激發(fā)光。已有的技術(shù)中，大多是采用兩個不同波長輸出的激光 器，激光器的波長需要做高精度的電流控制和溫度控制來確保激光波長輸出的穩(wěn)定性，使 用多支激光器不利于系統(tǒng)集成，且增加了成本。另一種廣為采用的技術(shù)是采用單支波長可 調(diào)的激光器，通過調(diào)節(jié)激光的工作溫度、電流或通過外腔反饋來實現(xiàn)激發(fā)波長的改變，這種 技術(shù)的優(yōu)勢是只使用一個激光源減小了系統(tǒng)體積、降低了成本。但是電流調(diào)節(jié)實現(xiàn)的波長 改變通常只能達到0. 5nm，不能滿足具有寬譜物質(zhì)的探測；溫度調(diào)節(jié)波長速度慢，穩(wěn)定調(diào)節(jié) Inm所需時間大于30s，導致整個系統(tǒng)實時性差；外腔反饋調(diào)節(jié)對于機械裝置精密度等級要 求高，且需要嚴格的溫度控制確保波長穩(wěn)定輸出，大大提高了系統(tǒng)的復雜度和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決移頻激發(fā)裝置結(jié)構(gòu)復雜，實時性差及無法探測寬譜物質(zhì)，根據(jù) 差分拉曼光譜信號反演原始拉曼光譜信號的方法計算量大，而且會引入誤差的問題，從而 提供一種基于可調(diào)諧激光的移頻激發(fā)拉曼光譜的信號強度檢測裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明所述的一種基于可調(diào)諧激光的移頻激發(fā)拉曼光譜的信號強度檢測裝置，包 括電流驅(qū)動器、半導體激光器、光柵、光柵控制器、反射鏡、帶通濾光片、第一凸透鏡、激發(fā)光 纖、第二凸透鏡、樣品容器、高通濾光片、耦合透鏡組、收集光纖、光譜儀和光譜分析模塊；
[0007] 電流驅(qū)動器的控制信號輸出端連接半導體激光器的控制信號輸入端，半導體激光 器發(fā)出的準直光束入射至光柵，光柵固定在光柵控制器上，經(jīng)光柵衍射后的第零級光束入 射至反射鏡，反射鏡反射后的光束入射至帶通濾光片，帶通濾光片出射的光束入射至第一 凸透鏡，第一凸透鏡將光束匯聚并耦合進激發(fā)光纖的一端，從激發(fā)光纖的另一端出射的光 束入射至第二凸透鏡，第二凸透鏡將光束匯聚至樣品容器，樣品容器中樣品的拉曼散射光 經(jīng)高通濾光片后入射至耦合透鏡組，耦合透鏡組將光束匯聚到收集光纖的一端，收集光纖 的另一端連接光譜儀的光學接口，光譜儀的信號輸出端連接光譜分析模塊的信號輸入端。
[0008] 上述經(jīng)光柵衍射后的第零級光束的光功率大于100mW，線寬小于0. 5nm，波長調(diào)諧 范圍大于l〇nm。
[0009] 上述第一凸透鏡和激發(fā)光纖的距離范圍為（?^-δπιπι)~（fi+Smm)，A為第一凸透鏡 的焦距。
[0010] 上述半導體激光器發(fā)出的光束入射至光柵的入射角Θ的范圍為：1〇°〈 Θ〈80°， 且Θ與半導體激光器的輸出波長λ和光柵的空間結(jié)構(gòu)周期d滿足關(guān)系式：λ = 2dsin Θ。
[0011] 上述光柵擺偏角度變化量Δ?/士，-α:: >其中Λ λ為待測物質(zhì)拉曼光譜線 寬。
[0012] 上述經(jīng)光柵衍射后的第零級光束的光功率的范圍為IOOmW~300mW。
[0013] 基于上述檢測裝置的檢測方法，包括拉曼光譜的信號強度采集過程和分析過程：
[0014] 拉曼光譜的信號強度采集過程包括以下步驟：
[0015] 步驟一一，將待測樣品放置在樣品容器中，開啟電流驅(qū)動器，波長為激光照 射在樣品上；
[0016] 步驟一二，光譜儀采集初始光譜并輸送至光譜分析模塊，光譜分析模塊對接收到 的光譜做初步分析，判定光譜的時間穩(wěn)定度和熒光背景水平；
[0017] 步驟一三，根據(jù)步驟一二中的光譜時間穩(wěn)定度和熒光背景水平，判斷激光功率是 否合適即既不破壞樣品分子結(jié)構(gòu)，所激發(fā)的熒光又不會造成光譜儀的光探測單元飽和，如 果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟一四，如果判斷結(jié)果為否，則調(diào)整第一凸透鏡與激發(fā)光纖的入 射端面間的距離，并返回步驟一二；
[0018] 步驟一四，光譜分析模塊采集記錄激發(fā)波長為λ i時的光譜信號強度R i;
[0019] 步驟一五，通過光柵反饋控制器調(diào)整光柵的偏擺角度，使激發(fā)波長為λ 2，光譜分 析模塊采集記錄激發(fā)波長為λ 2時的光譜信號強度R 2;
[0020] 拉曼光譜的信號強度分析過程包括以下步驟：
[0021] 步驟二一，將光譜分析模塊采集記錄的兩個不同激發(fā)波長下的光譜信號強度札和 R2做差，獲得初始差分拉曼光譜信號強度D。，D。= R 2_R1;
[0022] 步驟二二，獲取初始差分拉曼光譜信號強度D。中強度最大的差分信號的中心波數(shù) i.，.分別對光譜信號強度札和R 2在<_ 1-200) cm'1~（2+200) Cirf1的波數(shù)范圍內(nèi)做積分，分 別獲得表征激發(fā)光功率的值IjP 12;
[0023] 步驟二三，對光譜信號強度&和R 2分別進行功率歸一化，然后將二者做差獲得歸 一化的差分拉曼光譜信號強度D，D = R2Zl2-R1Zl1;
[0024] 步驟二四，在（i：-3Ai ) cm-1~（i+3Ai ) cm4范圍內(nèi)均勻提取歸一化的差分拉 曼光譜信號強度Z)"），北計N個數(shù)據(jù)點，為待測物質(zhì)拉曼光譜線寬，i = 1~N，N為大 于1的整數(shù)；
[0025] 步驟二五，對范圍內(nèi)提取的N個數(shù)據(jù)點分逐點取絕對值求和，獲 得拉曼光譜信號強度值A(chǔ)
[0026] 本發(fā)明所述的一種基于可調(diào)諧激光的移頻激發(fā)拉曼光譜的信號強度檢測裝置，利 用單支、無溫控、無需精密機械裝置且波長可調(diào)諧的激光器并結(jié)合本發(fā)明所述的光譜信號 強度分析方法實現(xiàn)強熒光物質(zhì)的拉曼信號強度的檢測裝置和方法。用一個波長可調(diào)諧激光 器可以使整個移頻激發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加簡化和緊湊，有利于系統(tǒng)的小型化和便攜化。利 用了外腔半導體激光器輸出波長主要依賴于光柵反饋角、對工作溫度變化不敏感的物理特 性，以及當激發(fā)光波長差值大于待測物質(zhì)拉曼光譜線寬情況下差分光譜信號幅值與波長差 無關(guān)的光譜特性，結(jié)合本發(fā)明所述的光譜分析方法，激光器無需溫控，實時性好，能夠保證 測量的準確度，降低了系統(tǒng)復