CN102252976B - 时间分辨拉曼散射特征谱线仪 - Google Patents
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Abstract
针对常规拉曼光谱仪存在荧光背景干扰、时间分辨率低以及痕量分析检测速度较慢的问题，本发明提出一种新的时间分辨拉曼散射方法及装置--时间分辨拉曼散射特征谱线仪。它采用高增益、快响应速度的多元条形硅光电倍增探测器(SiPM)作为光探测器，结合时间相关单光子计数(TCSPC)方法测量拉曼信号，具有皮秒量级的时间分辨率以及单光子计数探测灵敏度。本发明既可以作为拉曼散射特征谱线仪单独使用，即利用拉曼散射的特征谱线同时快速判别多种物质成分是否存在于样品中，或利用光栅单色仪扫描测量样品的完整拉曼光谱，准确鉴别物质成分，也可以在现有拉曼光谱仪基础上作为其功能扩展模块用于提高其时间分辨率，削减荧光背景干扰，提高信噪比和检测速度。
Description
1.技术领域
本发明涉及一种利用拉曼散射特征峰快速检测痕量物质的原理和方法，尤其是利用硅光电倍增探测器(SiPM，也被称作多单元光子计数器MPPC)及时间分辨单光子计数(TCSPC)方法的时间分辨拉曼散射特征谱线仪。属于G01类技术领域。
2.背景技术
拉曼散射是光子与分子相互作用时发生的一种非弹性散射，它反映了分子结构的信息，不同种类的分子拉曼散射光谱不同，因此拉曼光谱具有“指纹”特征(即包含特征谱线结构)，可以作为检测物质成分与结构的一种手段(参见Ewen Smith，Geoffrey Dent，Modern RamanSpectroscopy：A Practical Approch，ISBN 0-471-49668-5，John Wiley & Sons，Ltd，2005)。拉曼散射对于任何尺寸、形状、透明度的样品，都可以直接甚至远距离测量，而且一般不需要添加任何反应试剂或标记物。它在物理、化学、生物、制药、环保等各个领域有重要应用。但是拉曼散射信号极其微弱，一般仅为激发光信号强度的10-9-10-11(参见Ewen Smith，Geoffrey Dent，Modern Raman Spectroscopy：A Practical Approch，ISBN 0-471-49668-5，John Wiley & Sons，Ltd，2005)。现有拉曼散射技术及仪器主要分为两类：一类是常规的线性拉曼散射，另一类是非线性拉曼散射。常规拉曼散射系统相对比较简单、使用方便，应用最为广泛。其缺点是时间分辨率低、存在荧光背景干扰以及高性能拉曼谱仪比较昂贵等。
在消减常规拉曼散射荧光背景干扰方面近年取得一定进展。采用近红外或近红外傅里叶变换拉曼可减轻荧光干扰，但拉曼信号强度与激发波长的4次方成反比，采用近红外激光对分析测量至关重要的信噪比提高帮助不大。可采用234nm以下深紫外激光激发来抑制荧光，但拉曼峰的分辨受到限制，且系统复杂和昂贵。文献(P.Matousek，et al.，J.RamanSpectrosc.，Vol.33，pp.238-242，2002)报道采用脉宽1ps、重频1kHz的脉冲激光以及利用4ps门宽的Kerr光开关的时间分辨拉曼散射技术可以将拉曼信号从荧光背景中很好地分辨开来，这是因为拉曼散射的作用时间极短，一般在皮秒左右，而荧光背景信号不但光谱宽而且寿命长，一般在几百皮秒以上(参见Morris MD，et al.，J Biomed Opt.，Vol.10，p.14014，2005)。因此，采用高时间分辨率的拉曼散射技术测量激光激发后极短时间内的拉曼信号，就能有效剔除荧光噪声，提高信噪比。但是，基于Kerr效应的光开关系统非常复杂、昂贵，较难大规模推广应用。
文献(Y.Fleger，et al.，Journal of Luminescence，Vol.129，pp.979-983，2009)报道了基于脉冲激光器及门控ICCD探测器的时间分辨拉曼散射技术。在爆炸物检测中，相比10ns门宽，采用500ps门宽的拉曼信号与荧光信号强度之比提高了2-10倍。上海大学尤静林等采用类似技术开展了许多高温拉曼散射的实验工作。他们利用532nm半导体脉冲激光二极管(平均功率约0.2W，脉冲频率5kHz，脉冲宽度10ns)以及门控ICCD探测器来降低高温样品热辐射和荧光背景等因素的影响(参见YOU Jing-lin，etal.，CHINESE JOURNAL OFLIGHT SCATTERING，Vol.17，pp.4-6，2005)。这种基于门控ICCD探测器的技术相对Kerr光开关技术简单，时间分辨率一般在纳秒水平，但ICCD固有的过剩噪声限制了其最大信噪比，它的量子效率较低，光谱响应范围较窄，时间分辨率不够高，对短寿命荧光信号的剔除效果有限，工作时意外暴露强光极易损坏，不利于在现场环境中使用。
3.发明内容
针对现有拉曼技术时间分辨率低、消除背景荧光干扰的方法还不理想的问题，本发明提出一种新的时间分辨拉曼散射方法及装置一时间分辨拉曼散射特征谱线仪。其特征如下：
(1)采用1个单元或2-1024个单片集成的多元条形SiPM作为光探测器。这种探测器响应速度快，对单光子探测具有皮秒量级的时间分辨率，高达105-106的增益，能直接测量弱至单个光子的光脉冲，按光子计数模式工作，抗噪声干扰能力强(参阅D.Renker，NuclearInstruments and Methods in Physics Research A，Vol.567，pp.48-56，2006)。
(2)采用时间相关单光子计数(Time-correlated single photon counting--TCSPC)方法(参阅《高级时间相关单光子计数技术》[德]W.Becker著，屈军乐译，科学出版社，2009年8月)测量拉曼散射光信号。与SiPM探测器结合，仪器的整体时间分辨率达到皮秒量级，远快于现有采用ICCD的拉曼光谱仪(纳秒量级)，能有效削减荧光本底噪声干扰。
(3)与常规拉曼散射技术完全兼容。既可以作为时间分辨拉曼散射特征谱线仪单独使用，也可以在现有拉曼光谱仪基础上作为其功能扩展模块用于提高其时间分辨率和信噪比(消除荧光干扰)，提高检测速度。
(4)当作为拉曼散射特征谱线仪单独使用时，所述多元条形SiPM探测器可并行测量拉曼散射的特征谱线(或特征峰)，同时快速判别多种物质成分(包括分子结构)是否存在于样品中；结合光栅单色仪扫描还能并行测量样品的完整拉曼光谱，准确鉴别物质成分。
本发明的有益效果是，与现有多通道(采用CCD探测器)或单通道(采用PMT探测器)的拉曼光谱仪比较，本发明提出的时间分辨拉曼散射特征谱线仪具有时间分辨率高、特征谱线测量速度快、削减热辐射及荧光背景等噪声的本领强(信噪比高)的优点。
4.附图说明
图1、本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪采用的共焦拉曼散射光路的原理示意图。Sync.为同步信号、Beam splitter为分光片，Notch filter为陷波滤波片。
图2、本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪采用的TCSPC测量方法示意图(2路TCSPC情况，更多路的TCSPC可通过增加有关模块数量如法实现)。其中Sync.为同步信号，由激光器提供。Δλ1和Δλ2为多元条形SiPM探测器模块的任意2个谱线探测器单元的输出，Delay为时间延迟器，CFD为等比甄别器，TAC为时间幅度转换器，DAQ为数据采集模块。
5.具体实施方式
本发明采取以下技术方案：
本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪，由脉冲激光器、拉曼散射光路、光栅单色仪、光探测器、信号采集与处理电路以及计算机测控软硬件组成，其特征是：光探测器由1个单元或2个及以上多元条形SiPM组成；采用TCSPC方法测量拉曼散射信号。
所述多元条形SiPM为分离或单片集成的2个至1024个条形SiPM单元，其中1个SiPM单元(称为参考探测器单元)用于定位、对准和测量瑞利散射信号，其余SiPM单元(称为谱线探测器单元)用于对准和测量待检测物质成分最强斯托克斯峰。参考探测器单元与各谱线探测器单元之间的间距由各物质成分斯托克斯峰的波长及光栅单色仪的色散参数决定。
所述光探测器安装于光栅单色仪出射端口，由电动微调架控制平移和转动，以便定位和校准；所述光探测器各条形SiPM单元通过拨动开关以跳线的方式与后续电路通道连接；所述光探测器可拆换。
所述脉冲激光器的波长为532nm，脉冲半宽为0.1ps-10ns，重复频率为1kHz-100MHz。
本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪，所述TCSPC方法，其特征是：由激光器的同步输出或能够被激光照射的高速光电二极管的输出作为一个拉曼散射事件的开始信号，对应待测物质成分各谱线探测器单元的输出作为停止信号，当开始与停止信号的时间差落在一个很短的时间间隔(例如50皮秒至10纳秒)以内时，测量并记录一个有效的拉曼光子计数，每个特征谱线或每个波长步距累计测量和记录的有效拉曼光子数需达到100个以上，以减小统计涨落带来的误差，满足测量精度要求；当开始与停止信号的时间差较大(例如10纳秒以上)时，则忽略光子计数。
本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：利用2个及以上(例如2-128个)条形SiPM单元并行测量，2路及以上(例如2-128路)多通道数据并行采集和处理。
本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是，多通道(例如2-128路通道)并行测量样品的拉曼散射特征谱线，快速判别物质成分是否存在。具体做法是：
利用计算机控制、光栅单色仪扫描及光探测器平移和转动将参考探测器单元对准瑞利散射信号，其余谱线探测器单元将分别对准并测量待检测物质成分最强斯托克斯峰。利用TCSPC方法对所有谱线探测器单元同时(并行)进行光子计数测量，根据一定时间内谱线探测器单元的计数增加多少来快速判定样品中是否包含某种(或某些)物质成分。
本发明时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是，利用光栅单色仪扫描和多通道(例如2-128路通道)并行测量，利用数据拼接与融合方法，快速获取样品的完整拉曼光谱，快速准确鉴别物质成分。具体做法是：
利用计算机控制、光栅单色仪扫描及光探测器平移和转动将参考探测器单元对准瑞利散射信号。再利用光栅单色仪逐个波长扫描，根据参考探测器单元与各谱线探测器单元有确定的波长间隔关系，通过TCSPC方法对位于不同波长位置上的所有谱线探测器单元同时(并行)进行光子计数测量，再通过计算机对各通道数据进行拼接和融合处理，快速得到样品的完整拉曼光谱，快速准确鉴别物质成分。
以下结合实施例具体说明本发明：
采用如图1所示的共焦显微拉曼散射光路。脉冲激光器激发样品产生的拉曼光信号经拉曼散射光路传输到光栅单色仪入射狭缝，经单色仪分光后，由位于单色仪出射端口的光探测器转换成电学信号。采用如图2所示的多通道(2路)TCSPC测量技术及相应的计算机测控软硬件得到样品的拉曼散射信息。
所述脉冲激光器可采用532nm全固态皮秒激光器，脉冲半宽＜15ps，单脉冲能量＞50μJ，频率100kHZ。为了便于TCSPC测量，激光器在输出端口附近光路旁边增加一个高速光电二极管以提供光脉冲的同步电信号输出(Sync.)，以作为TCSPC的开始(START)信号。
所述共焦显微拉曼散射光路可采用模块化的显微拉曼光谱仪的光学系统(例如BX41共焦显微镜，Jobin Yvon Inc)。
所述单色仪可采用带有2路输入端口和2路输出端口的扫描光栅单色仪(即带有扫描波长的光栅电控转动机构，例如IHR550 Core 3，Jobin Yvon Inc)。
所述多元(2元)条形SiPM探测器可自行研制。其中1个SiPM单元作为参考探测器单元用于定位、对准和测量瑞利散射信号，另1个SiPM单元作为谱线探测器单元，用于对准和测量待检测物质成分(例如罗丹明6G、四氯化碳或TNT等)的最强斯托克斯峰。
所述多通道TCSPC测量方法可采用商品化的多通道TCSPC模块及测控软件(例如HydraHarp 400，PicoQuant Inc.)实现。
在本发明的其它实施例中，可以将本发明作为现有拉曼光谱仪的功能扩展模块用于提高其时间分辨率，削减荧光背景干扰，提高信噪比和检测速度。具体做法是：
以常规模块化的532nm拉曼光谱仪为基础，将连续(CW)激光器换成532nm皮秒激光器(例如脉冲半宽＜15ps，单脉冲能量＞50μJ，频率100kHZ)，将CCD或PMT探测器换成本发明所述多元条形SiPM探测器，采用TCSPC测量技术及组件，完成拉曼光谱仪硬件部分的升级或构建。编写计算机程序对该仪器进行数据采集、测控和分析。
需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种时间分辨拉曼散射特征谱线仪，由脉冲激光器、拉曼散射光路、光栅单色仪、光探测器、信号采集与处理电路以及计算机测控软硬件组成，其特征是：所述光探测器由分离或单片集成的2个至1024个条形SiPM单元组成，采用时间相关单光子计数方法测量拉曼散射信号，由脉冲激光器的同步输出或能够被激光照射的高速光电二极管的输出作为一个拉曼散射事件的开始信号，对应待测物质成分各特征谱线的SiPM单元的输出作为停止信号，当开始与停止信号的时间差落在50皮秒至10纳秒以内时，测量并记录一个有效的拉曼光子计数，每个特征谱线或每个波长步距累计测量和记录的有效拉曼光子数需达到100个以上，以减小统计涨落带来的误差，满足测量精度要求，当开始与停止信号的时间差为10纳秒以上时，忽略拉曼光子计数。
2.如权利要求1所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：所述2个至1024个条形SiPM单元中1个条形SiPM单元作为参考探测器单元用于定位、对准和测量瑞利散射信号，其余条形SiPM单元作为谱线探测器单元用于对准和测量待检测物质成分最强斯托克斯峰特征谱线。
3.如权利要求1所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：所述光探测器安装于光栅单色仪出射端口，由电动微调架控制平移和转动，以便定位和校准，所述光探测器的条形SiPM单元通过拨动开关以跳线的方式与后续电路通道连接，所述光探测器可拆换。
4.如权利要求1所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：所述脉冲激光器的波长为532nm，脉冲半宽为0.1皮秒至10纳秒，重复频率为1kHz至100MHz。
5.如权利要求1所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：所述光探测器由分离或单片集成的2个至128个条形SiPM单元组成，利用2个至128个条形SiPM单元并行测量，2路至128路通道数据并行采集和处理。
6.如权利要求5所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：利用2路至128路通道并行测量样品的拉曼散射特征谱线，快速判别物质成分是否存在。
7.如权利要求5所述的时间分辨拉曼散射特征谱线仪，其特征是：利用光栅单色仪扫描和2路至128路通道并行测量，利用数据拼接与融合方法，获取样品的完整拉曼光谱，准确鉴别物质成分。
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