CN103868906B - 拉曼光谱系统及拉曼光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于安全检查的拉曼光谱系统，包括：一个被设置于洁净和有温控的环境中的检测中心，包括单个光源；分析装置，其具有足够大的焦距以获得所述一个或多个被检物的高分辨率的拉曼光谱；以及一级或多级分束器；以及与检测中心分离的多个检测终端，每个检测终端包括至少一个拉曼探头，其中，拉曼探头将激发光引导至一个被检物的多个位置或者至位于不同位置的多个被检物，并将所述拉曼散射光传送回所述检测中心，以及当分束器为多级时在两极分束器之间设置用于放大激发光的功率放大器。本发明还涉及一种用于安全检查的测量拉曼光谱的方法。

Description

拉曼光谱系统及拉曼光谱测量方法

本申请是2008年6月27日提交的、申请号为200810115790.2的同名申请的分案。

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱系统。本发明还涉及一种利用该系统测量被检物的拉曼光谱的方法。

背景技术

光照射到物质上时会发生散射。在发生散射时，大部分散射光的波长并不发生变化，这种波长不发生变化的散射称为瑞利散射；少部分散射光的波长会增大或减小，这种波长发生变化的散射称作拉曼散射，其对应的光谱称为拉曼光谱。拉曼光谱属于分子的振动光谱。每一种物质都有自己的特征拉曼光谱，所以，拉曼光谱可以作为识别物质的“指纹”。

拉曼光谱识别物质的能力依赖于拉曼光谱分析仪的分辨率。分辨率与光谱分析仪的焦距、光栅刻线数等有关。一般情况下，为了提高分辨率，需要采用焦距足够大的拉曼光谱分析仪，这时整套系统的体积必然会增大，从而丧失了便携性。此外，拉曼光谱分析仪中的部分光学元件价格昂贵，且对环境的洁净度、温度、湿度等要求较为苛刻，影响了拉曼光谱分析仪在安全检查、环境监测、化学分析、药物检测、食品检测等领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种拉曼光谱系统，该系统能够兼顾分辨率和便携性，并且可以适应不同环境的检测现场的要求，而不会受到环境的洁净度、温度、湿度等要求的限制。

根据本发明的一个方面，提供一种拉曼光谱系统，包括检测中心，包括至少一个光源，用于输出激发被检物产生拉曼散射光的激发光；分析装置，用于获得被检物的拉曼光谱。还包括至少一个检测终端，每个检测终端包括至少一个拉曼探头，所述每个拉曼探头将激发光引导至被检物，并将被检物产生的拉曼散射光传送回检测中心。

根据本发明的优选实施方式，所述检测中心还包括分束器，用于将光源输出的激发光分成多束。

根据本发明的优选实施方式，所述分束器包括一级或多级分束器，当分束器为多级时，可以在两级分束器之间设置功率放大器，用于放大激发光。

根据本发明的优选实施方式，所述检测中心还包括控制装置，用于控制所述至少一个光源和分析装置的操作，并对分析装置获得的拉曼光谱进行处理。

根据本发明的优选实施方式，所述控制装置具有用于存储标准拉曼光谱数据库的存储器，在所述控制装置对分析装置所获得的拉曼光谱进行处理时，将被检物的拉曼光谱与从存储器中读取的标准拉曼光谱进行比较，以确定该被检物是否含有不符合规定的物质。

根据本发明的优选实施方式，所述检测中心还包括：转换器，用于转换所述拉曼光谱并将转换后的拉曼光谱传送给控制装置；通信装置，用于在检测中心和检测终端之间传送数据。

根据本发明的优选实施方式，所述控制装置将比较结果通过所述通信装置分别传送给各自的检测终端。

根据本发明的优选实施方式，所述检测终端还包括：控制器，用于接收检测指令，控制所述至少一个拉曼探头；通信装置，用于在检测中心和检测终端之间传送数据。

根据本发明的优选实施方式，所述通信装置是有线通信装置或无线通信装置。

根据本发明的优选实施方式，所述检测中心还包括耦合装置，用于将来自光源的激发光耦合到所述至少一个拉曼探头中，以及将来自所述至少一个拉曼探头的拉曼散射光传送给分析装置。

根据本发明的另一方面，提供一种测量被检物的拉曼光谱的方法，所述方法包括步骤：a)控制至少一个光源使该光源发射激发光；b)控制至少一个检测终端，使所述至少一个检测终端中的至少一个拉曼探头用该激发光照射被检物，并收集被检物的拉曼散射光；c)分析该拉曼散射光，以获得被检物的拉曼光谱。

根据本发明方法的优选实施方式，还包括步骤d)将被检物的拉曼光谱与标准拉曼光谱进行比较，以确定该被检物是否含有不符合规定的物质。

根据本发明的优选实施方式，所述步骤b)包括：e)自动检查所述至少一个拉曼探头是否连接了功率放大器；f)在检查到连接了功率放大器的情况下，检查该功率放大器是否启动；如果未启动，则启动该功率放大器；g)控制所述至少一个拉曼探头自动检查光源是否启动；如果光源未启动则启动光源；h)用来自光源的激发光照射被检物，并收集被检物的拉曼散射光。

根据本发明方法的优选实施方式，还包括步骤i)将各检测终端的比较结果传送给各自的检测终端。

本发明解决了传统拉曼光谱分析仪便携性与分辨率之间的矛盾，因为在现有技术中对高分辨率的要求导致传统的拉曼光谱分析仪体积庞大，不利于携带，而在本发明中对拉曼光谱的分析在检测中心完成，可以满足对高分辨率的要求，同时由于多探头并行检测而使得本系统具有便携性，因为拉曼探头可以很方便地移动。

附图说明

图1示出本发明的拉曼光谱系统的第一实施方式的示意图。

图2示出本发明的拉曼光谱系统的第二实施方式的示意图。

图3示出本发明中的光学分束器的一种可能的示意图。

图4示出本发明中的检测终端的一种可能的示意图。

图5示出包含在本发明的检测终端中的拉曼探头的一种可能的详细布置。

图6示出解释本发明的拉曼探头的工作流程的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明的拉曼光谱系统的第一实施方式的示意图。该拉曼光谱系统包括用于对光谱进行分析的检测中心1和多个检测终端，每个检测终端可以包括一个或多个拉曼探头311…31n。在机场、车站、海关、大楼、运动场、监狱、法院等场所中，所述检测中心可以安放在洁净的、空调控温的房间中，所述拉曼探头可以与检测中心分离地设置在多个不同位置，用于对不同位置的被检物进行检测，或者对同一被检物的不同部位进行检测。这些拉曼探头相互之间可以间隔几米至几百米。

在图1中，检测中心1主要包括光源11、计算机13、分析装置14、光纤接口17、分束器18。光源11发射用于激发被检样品产生拉曼散射光的激发光。原则上，任何可以提供线宽窄、频率和功率稳定的激发光的光源都可以在本发明中使用。在本实施例中，采用输出波长为785mm、输出功率为100mW的激光器作为光源11，其输出光经过分束器18分光。当光源11的光强度不足时，可以设置多个激光器作为光源，和/或在分束器18之前或之后设置功率放大器。分束器18将来自光源1的激发光分成多路光束，这些光束通过光纤或者根据需要通过自由空间耦合到检测终端中的各拉曼探头311…31n。这些拉曼探头311…31n分别收集被检物在激发光辐射下所产生的拉曼散射光，并通过光纤接口17传输回检测中心1。各拉曼探头311…31n收集的拉曼光信号优选通过滤光片15滤除干扰，并传送给分析装置用于获得各被检物的拉曼光谱。该分析装置14在此例如是光谱分析仪14。滤光片15要依据光源11来选择。在本实施例中，滤光片15采用中心波长为785nm的全息陷波片。由分析装置14获得的各被检物的拉曼光谱传送给转换器16用于将拉曼光信号转化为电信号，该电信号传送给计算机13以进行处理。在本实施例中，转换器16例如是1024×256的CCD（Charge Coupled Device）。

计算机13作为控制装置安装有控制光源11和分析装置14以及进行模式识别的软件模块，并且具有用于存储标准拉曼光谱数据库的存储器（未示出）和显示结果的显示器（未示出）。当计算机13从分析装置14接收到被检物的拉曼光谱时，从存储器中读取标准拉曼光谱，并将被检物拉曼光谱与标准拉曼光谱进行比较。如果比较的结果显示被检物含有标准拉曼光谱数据库中特定的、不符合规定的物质，如安检领域的毒品、爆炸物等，食品安全领域的不安全食品，环境监测领域的有害物质等，计算机13产生报警信号。不管被检物是否含有不符合规定的物质，计算机13将检测结果显示在显示器上，同时也可以选择显示各被检物的拉曼光谱。不管被检物是否含有不符合规定的物质，计算机13都将各被检物的检测结果通过通信装置12分别发送给各自的检测终端3a…3n，并由各检测终端3a…3n显示。所述通信装置12可以是有线的，单独布线或者与光纤一起布线；也可以是无线的。

图2示出本发明的拉曼光谱系统的第二实施方式的示意图。该第二实施方式与本发明拉曼光谱系统的第一实施方式的特征基本相同，区别在于本实施方式中光源21发出的光经过了多次分光。光源21的输出功率一般比较有限，因此经过一级分束器281而得到的光束通常不超过10。如果需要耦合更多的拉曼探头，则可以将一级分束器281的一个或多个光束输出传送给一级功率放大器29，经过放大之后，将放大之后的光束输出的一个或多个传送给二级分束器282。如果还需要耦合更多的拉曼探头，则又可以将二级分束器282的一个或多个光束输出传送给二级功率放大器，经过放大之后，将放大之后的光束输出的一个或多个传送给三级分束器…….依此类推。

概括地说，在本实施方式的n（n≥2）次分光的系统配置中：

- 连接到光源的分束器称为一级分束器，通过功率放大器与一级分束器连接的分束器称为二级分束器，再通过功率放大器与二级分束器连接的分束器称为三级分束器，依此类推。

- 连接到i (1≤i≤n)级功分器上的拉曼探头称为i级拉曼探头。

- 连接到i (1≤i≤n)级功率放大器上的拉曼探头称为i+1级拉曼探头。

- 连接到i (1≤i≤n)级功分器上的功率放大器称为i级功率放大器。

入射到每一拉曼探头的入射光功率可以相同，也可以不同。

通过采用一级或多级分束器，本发明的拉曼系统可以适用于多任务的运行，即多个拉曼探头同时工作。对于在这种情况下拉曼探头的工作流程将在下面描述。

图3示出本发明中分束器18的一种可能的示意图。在该图中，分束器18将来自光源的光I₀均分成5束。同时示出反射率与透射率的比值R:T。

图4示出本发明的检测终端3的一种可能的示意图。检测终端3包括一个或多个拉曼探头31、控制器32、通信装置33和报警灯及显示器34。拉曼探头31接收到来自检测中心1或2的激发光，通过拉曼探头31内部的光路将该激发光辐射到被检物上，收集由被检物散射的光，并将所收集的散射光如图1、2所述传送给检测中心1或2。关于拉曼探头31的详细布置将在下面讨论。当拉曼探头31为一个时，可以对被检物通过检测多点而进行扫描检测。当拉曼探头31为多个时，多个拉曼探头31可以同时对同一被检物的不同位置进行检测，也可以对该被检物进行扫描检测，即每个拉曼探头都检测多点。多个拉曼探头也可以对不同被检物进行检测。控制器32控制拉曼探头31，以及控制报警灯及显示器34。操作员可以通过检测终端3的操作面板（未示出）上的检测按钮向控制器32下达检测的命令，也可以通过控制器32关闭拉曼探头31。另一方面，控制器32还通过通信装置33接收检测中心1或2通过自身的通信装置发布的指令和传送的检测结果，并将该检测结果显示在报警灯及显示器34上，所述检测结果是检测终端3的各拉曼探头31的检测结果。通信装置33可以与图1、2的检测中心1或2中的通信装置按照相同的方式实施。

图5示出包含在本发明的检测终端中的拉曼探头31的一种可能的详细布置。拉曼探头31包括激发光的导入光路和散射光的收集光路。在激发光的导入光路上，通过导入光纤IF从检测中心1或2接收的激发光，先后经过透镜L1、窄带滤波片NF、两块反射镜R1和R2、透镜L3而聚焦到被检物上。所述窄带滤波片NF用于滤除干扰，以保证照射到被检物上的激发光具有良好的单色性。如果拉曼探头31接收到的激发光强度不足，可以在导入光纤IF和透镜L1之间设置功率放大器。被检物在该激发光的作用下产生拉曼散射光，该拉曼散射光在散射光的收集光路上经过透镜L3和透镜L2进入收集光纤OF，并最终传送给检测中心1或2。该收集光路还可以包括全息陷波片、长波通滤光片、二向色镜等光学元件，用于滤除瑞利线的干扰。

本发明可以适用于多任务的运行。在这种情况下，多个拉曼探头可以同时工作。

图6示出解释本发明的拉曼探头的工作流程的示意图。该工作流程从步骤S1中判断拉曼探头是否接收到检测指令开始。如果没有接收到，则等待检测指令。如果接收到检测指令，则在步骤S2中，拉曼探头自动判断其导入光线是否连接了功率放大器。如果连接了功率放大器，则在步骤S3中拉曼探头进一步判断功率放大器是否已经启动。如果功率放大器未启动，则在步骤S4中启动该功率放大器。无论拉曼探头的导入光纤是否连接功率放大器，拉曼探头都会在步骤S5中检查检测中心的光源是否开启。如果该光源尚未开启，则在步骤S6中自动启动该光源。接收到来自光源的激发光之后，拉曼探头在步骤S7中对被检物进行检测，照射被检物，并收集拉曼散射光，如图5所示。

总而言之，本发明提供了一种拉曼光谱系统，该拉曼光谱系统包括用于获得被检物的拉曼光谱并根据该拉曼光谱识别被检物的检测中心，以及一个或多个检测终端。该检测终端分别可以包括一个或多个拉曼探头，每个拉曼探头将激发光引导至被检物，并将被检物产生的拉曼散射光传送给检测中心以得到该被检物的拉曼光谱。通过本发明的拉曼光谱系统，可以实现多探头并行的、高分辨率的拉曼光谱测量。由于拉曼探头可以方便地移动，因此该系统具有一定的便携性。

Claims (13)

1.一种用于安全检查的拉曼光谱系统，包括：

一个检测中心，包括

单个光源，用于输出激发一个或多个被检物产生拉曼散射光的激发光；

以及

与所述检测中心分离的多个检测终端，每个检测终端包括至少一个拉曼探头，其中，拉曼探头将激发光引导至被检物，并将所述拉曼散射光传送回所述检测中心，

其特征在于，所述检测中心被设置于洁净和有温控的环境中并且还包括：

分析装置，其具有足够大的焦距以获得所述一个或多个被检物的高分辨率的拉曼光谱；以及

一级或多级分束器；

其中，拉曼探头将激发光引导至一个被检物的多个位置或者至位于不同位置的多个被检物，其中在所述拉曼探头内激发光路与收集光路的光轴不重合，

所述一级或多级分束器将激发光分成多个光束，所述多个光束通过多个检测终端中每个检测终端的至少一个拉曼探头而被引导至所述一个或多个被检物，以及

当分束器为多级时在两级分束器之间设置用于放大激发光的功率放大器。

2.根据权利要求1所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述检测中心还包括控制装置，用于控制所述单个光源和分析装置的操作，并对分析装置获得的拉曼光谱进行处理。

3.根据权利要求2所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述控制装置具有用于存储标准拉曼光谱数据库的存储器，在所述控制装置对分析装置所获得的拉曼光谱进行处理时，将该拉曼光谱与从存储器中读取的标准拉曼光谱进行比较，以确定该被检物是否含有不符合规定的物质。

4.根据权利要求3所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述检测中心还包括：

转换器，用于转换所述拉曼光谱并将转换后的拉曼光谱传送给控制装置；

第一通信装置，用于在检测中心和检测终端之间传送数据。

5.根据权利要求4所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述控制装置将所述比较的结果通过所述第一通信装置分别传送给各自的检测终端。

6.根据权利要求4所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述检测终端还包括：

控制器，用于接收检测指令，控制所述多个终端的至少一个拉曼探头；

第二通信装置，用于在检测终端和检测中心之间传送数据。

7.根据权利要求4或6所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述第一通信装置和所述第二通信装置是有线通信装置或无线通信装置。

8.根据权利要求1所述的拉曼光谱系统，其特征在于，所述检测中心还包括耦合装置，用于将来自光源的激发光耦合到拉曼探头中，以及将来自拉曼探头的拉曼散射光传送给分析装置。

9.一种在安全检查中检测一个或多个被检物的拉曼光谱的方法，所述方法包括步骤：

a)在一个检测中心中控制单个光源使该光源发射激发光；

d)控制多个与所述检测中心分离的、包括至少一个拉曼探头的检测终端，使这些拉曼探头用激发光照射被检物，

其特征在于，所述方法还包括在步骤a)之后：

b)通过位于该检测中心中的一级或多级分束器将所述激发光分为多个光束；

c)当分束器为多级时通过设置在两级分束器之间的功率放大器，将从该两级分束器中的一级分束器到下一级分束器的激发光放大；

其中步骤d)包括使这些拉曼探头用经过分束的激发光照射一个被检物的多个位置或者位于不同位置的多个被检物，并收集一个或多个被检物的拉曼散射光，其中在所述拉曼探头内激发光路的光轴与收集光路的光轴不重合；

以及在步骤d)之后：

e)在所述检测中心中通过分析装置分析该拉曼散射光，该分析装置具有足够大的焦距以获得一个或多个被检物的、高分辨率的拉曼光谱，

其中所述检测中心位于洁净和有温控的环境中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括步骤f)将被检物的拉曼光谱与标准拉曼光谱进行比较，以确定该被检物是否含有不符合规定的物质。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包括：

自动检查所述多个拉曼探头是否连接了功率放大器；

在检查到连接了功率放大器的情况下，检查该功率放大器是否启动；如果未启动，则启动该功率放大器；

控制拉曼探头自动检查光源是否启动；如果光源未启动则启动光源。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括步骤g)将各检测终端的比较结果传送给各自的检测终端。

13.一种用于安全检查的拉曼光谱系统，包括：

一个检测中心，包括

单个光源，用于输出激发一个或多个被检物产生拉曼散射光的激发光；

以及

与所述检测中心分离的多个检测终端，每个检测终端包括：

至少一个拉曼探头，该拉曼探头将激发光引导至被检物，并将所述拉曼散射光传送回所述检测中心，

其特征在于，所述检测中心被设置于洁净和有温控的环境中并且还包括：

分析装置，其具有足够大的焦距以获得所述一个或多个被检物的高分辨率的拉曼光谱；以及

控制装置，用于控制所述单个光源和所述分析装置的操作，对所述分析装置获得的拉曼光谱进行处理，并显示该处理结果；

其中所述至少一个拉曼探头将激发光引导至一个被检物的多个位置或者至位于不同位置的多个被检物，其中在所述拉曼探头内激发光路的光轴与收集光路的光轴不重合，

其中每个检测终端还包括：

控制器，用于控制所述至少一个拉曼探头的检测，接收所述检测中心传送的该至少一个拉曼探头的检测结果并加以显示；以及

显示器，用于显示所述至少一个拉曼探头的检测结果。