CN103983631A - 基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，包括用于产生单一波长激光的拉曼激光器；用于产生多波长连续激光的光学频率梳产生单元；用于对待检测样品进行聚焦辐照，同时收集产生的拉曼光谱的光谱采集单元；以及用于对所收集拉曼光谱进行分析、显示并对拉曼信号进行提取的算法处理单元；其中所述拉曼激光器与光学频率梳产生单元之间设置控制所述单一波长激光直接入射至光谱采集单元或者经由光学频率梳产生单元产生多波长连续激光然后再入射至光谱采集单元的开关控制单元；本发明在单一激光器的基础上实现了多波长激发同时激发，可以实现实时、快速的拉曼检测；同时结合后期的算法处理，克服了高噪声、强荧光背景给拉曼信号提取带来的影响。

Description

基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，特别涉及一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统。

背景技术

拉曼光谱是一种分子振动和转动光谱，激发光子与分子通过相互作用产生表征分子振动或转动能级差的特征频移，由此可判断出分子中所含有的化学键或官能团，从而得到分子结构或成分的信息，每种物质都有对应的“指纹”拉曼光谱，因而拉曼光谱在光谱学大家族中占着重要地位。目前，拉曼光谱已经广泛应用于化学、生物医学、材料、环保、安检和考古等领域。随着激光技术和信号检测技术的发展，拉曼光谱技术在当代工农业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用。但在检测过程中,样品含有杂质或荧光吸收物质时会产生荧光干扰,且当激发光子提供了足够的能量以致产生荧光时,拉曼信号将变模糊甚至被掩盖，一般情况下，荧光的强度是拉曼散射光的10⁶-10⁸倍。另外，CCD等光电探测器本身的随机噪声和暗电流也会对一些相对弱的拉曼峰的识别产生严重的干扰。这些问题都极大地制约了拉曼光谱技术在实际中的应用。

为了扣除荧光背景、滤除噪声，从而准确地提取出拉曼信号，一种称之为移频激发法(SERDS)的技术被提了出来，其是基于拉曼光谱与荧光光谱对激发光波长的依赖程度不同而提出的。在一定的范围内，荧光光谱几乎不会随着激发波长的变化而变化，相反拉曼光谱却会紧密跟随激发波长的变化而发生移动。若采用两个波长相近的激光分别激发样品，得到两组散射谱，再利用差分方法，得到两个散射谱的差值谱，则在该差值谱中荧光的光谱信号几乎被完全消除，而拉曼信号却能够保留下来。移频激发法多使用两个或者三个不同波长的激光器，采用逐次激发样品的方式得到不同的散射谱，然后在后期处理中提取出拉曼信号。移频激发法提取出的拉曼信号的信噪比与使用的激发波长的数量成正比，但是多个激光器的联合使用必然极大地增加光源复杂度与探测成本；同时逐次探测的方式会增加样品辐照的时间，对于生物样品可能造成光损伤。除此之外，移频激发法在高噪声的情况下很难提取弱的拉曼峰。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，用于高噪声、强荧光背景的拉曼信号测量与提取，在使用单一激光器的基础上，采用相位调制产生多波长激发光对样品进行同时激发的技术，可以对样品进行简单、快速的检测，同时克服高荧光、强噪声背景的影响，准确地提取出拉曼信号。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，包括：

用于产生单一波长激光5的拉曼激光器1；

用于产生多波长连续激光7的光学频率梳产生单元6；

用于对待检测样品进行聚焦辐照，同时收集产生的拉曼光谱的光谱采集单元；

以及，

用于对所收集拉曼光谱进行分析、显示并对拉曼信号进行提取的算法处理单元；

其中，所述拉曼激光器1与光学频率梳产生单元6之间设置控制所述单一波长激光5直接入射至光谱采集单元或者经由光学频率梳产生单元6产生多波长连续激光7然后再入射至光谱采集单元的开关控制单元。

所述多波长连续激光7为等频率间隔的多波长光学频率梳，所述光学频率梳产生单元6包括F-P腔、相位调制晶体以及微波信号源。

所述光学频率梳产生单元6中，微波信号源为驱动，相位调制晶体对入射的单一波长激光5进行调制，在中心频率的两侧距中心频率同样间距处出现成对的边频，各个频率分量之间的间隔与微波信号源的频率一致，经过F-P腔的多次反射与相位调制晶体的调制，得到频域上间隔相等且和微波信号源提供的频率一致的光学频率梳。

所述光谱采集单元包括：

用于接收单一波长激光5或多波长连续激光7的激发光纤15；

用于将激发光纤15传导激光聚焦后辐照至样品12上并收集所产生的拉曼光谱(即散射光谱)的拉曼探头11；

以及用于将所收集拉曼光谱传导至算法处理单元的收集光纤16。

所述算法处理单元包括：

用于接收收集光纤16所传导拉曼光谱并将其进行光栅分光、CCD探测后得到不同波数对应的光强度信息的光谱仪13；

以及，用于运行算法恢复出真实拉曼信号的计算机14。

所述开关控制单元包括：

布置于单一波长激光5向光学频率梳产生单元6入射路线上的反射镜一3；

布置于多波长连续激光7向光谱采集单元入射路线上的反射镜四9；

布置于反射镜一3的反射路线上的反射镜二4；

布置于反射镜二4的反射路线上的反射镜三10，且反射镜四9位于反射镜三10的反射路线上；

作用于反射镜一3控制其开闭的开关一2；

以及，

作用于反射镜四9控制其开闭的开关二8；

当同时开启反射镜一3和反射镜四9时，单一波长激光5经四个反射镜反射后之间入射至光谱采集单元；

当同时关闭反射镜一3和反射镜四9时，单一波长激光5经光学频率梳产生单元6后产生多波长连续激光7，然后再入射至光谱采集单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用单一拉曼激光器实现多波长的拉曼激发，避免了传统的移频激发法采用多个激光器带来的光源的高复杂性，以及高成本。

2.采用多个波长同时激发的方式，大大节省了了传统的移频激发法的不同波长逐个激发的时间成本，同时也避免了对样本的光损伤。

3.采用特定的拉曼信号提取算法，不仅可以极大地抑制荧光背景，同时显著提高了在强噪声背景中的拉曼信号恢复能力，特别对于弱拉曼峰的提取作用非常明显。

附图说明

图1是本发明相位测量系统框图。

图2是本发明多波长同时激发的拉曼信号测量与提取系统的结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明在仅仅使用单一激光器的基础上实现了对样品的多波长同时激发的拉曼探测，并且结合单一波长激发得到的散射光谱，运用特定的算法成功提取出了准确的拉曼信号；极大程度地简化了拉曼的激发光源，实现了实时、快速的拉曼检测；同时能成功的从高荧光、强噪声背景中回复弱的拉曼峰。

如图1所示，一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，包括：用于产生单一波长激光5的拉曼激光器1、用于产生多波长连续激光7的光学频率梳产生单元6、用于对待检测样品进行聚焦辐照，同时收集产生的拉曼光谱的光谱采集单元；以及，用于对所收集拉曼光谱进行分析、显示并对拉曼信号进行提取的算法处理单元；其中，拉曼激光器1与光学频率梳产生单元6之间设置控制所述单一波长激光5直接入射至光谱采集单元或者经由光学频率梳产生单元6产生多波长连续激光7然后再入射至光谱采集单元的开关控制单元。

光学频率梳产生单元6是产生多波长连续激光7的关键部分，其包括F-P腔、相位调制晶体以及微波信号源。在微波信号源的驱动下，相位调制晶体对入射的单一波长激光5进行调制，调制的结果是在中心频率的两侧距中心频率同样间距处出现成对的边频。假设微波信号源的频率为fm，则各个频率分量之间的间隔也为fm。根据拉曼光谱随着激发波长的平移而产生相同平移的原则，相邻激发波长产生的拉曼峰也会平移相同的波数。最终经过F-P腔的多次反射与相位调制晶体的调制，得到频域上间隔相等且和微波信号源提供的频率一致的光学频率梳，即多波长连续激光7。

光谱采集单元包括：用于接收单一波长激光5或多波长连续激光7的激发光纤15；用于将激发光纤15传导激光聚焦后辐照至样品12上并收集所产生的拉曼光谱的拉曼探头11；以及用于将所收集拉曼光谱传导至算法处理单元的收集光纤16，其中拉曼探头11集聚焦、辐照、收集、滤波于一体。

算法处理单元包括：用于接收收集光纤16所传导拉曼光谱并将其进行光栅分光、CCD探测后得到不同波数对应的光强度信息的光谱仪13；以及，用于运行算法恢复出真实拉曼信号的计算机14，二者之间通过数据传输线17传输数据。计算机14运行的算法过程是：首先对单一波长激光5激发的散射光谱做功率上的修正，处理的公式如下(1)所示，得到修正的光谱数据之后，再结合多波长连续激光7激发得到的光谱数据，两者进行作差处理，对差值光谱进行拉曼信号的提取。

开关控制单元包括：布置于单一波长激光5向光学频率梳产生单元6入射路线上的反射镜一3；布置于多波长连续激光7向光谱采集单元入射路线上的反射镜四9；布置于反射镜一3的反射路线上的反射镜二4；布置于反射镜二4的反射路线上的反射镜三10，且反射镜四9位于反射镜三10的反射路线上；作用于反射镜一3控制其开闭的开关一2；以及作用于反射镜四9控制其开闭的开关二8；当同时开启反射镜一3和反射镜四9时，单一波长激光5经四个反射镜反射后之间入射至光谱采集单元；当同时关闭反射镜一3和反射镜四9时，单一波长激光5经光学频率梳产生单元6后产生多波长连续激光7，然后再入射至光谱采集单元。因此，通过控制开关一2和开关二8的开闭，可以实现拉曼激发光源为单一波长激光5或者多波长连续激光7。上述的开关一2和开关二8，可采用New Foucs所产型号为9891-M的可翻转的光学支架(Flipper OpticsMounts)。

本发明台阶拉曼光谱的激发与拉曼信号的恢复的步骤如下：

步骤1：

关闭开关一2与开关二8，使得射镜一3和反射镜四9不位于光路中。此时单一波长激光5进入光学频率梳产生单元6，从而产生多波长连续激光7。假设波长数量为N，则两边的边频数量分别为k，其中k满足：N＝2k+1；同时假设每个波长的功率相对于入射的单一波长的功率的比值为C(j)，其中：j＝1,2……N。

此时，产生的多波长连续激光7进入激发光纤15，经过拉曼探头11的聚焦后辐照在样品12上，同时记下积分时间T；再由拉曼探头11收集产生的散射光谱，经滤波后，由收集光纤16传导进入高分辨的光谱仪13，由光栅的分光、CCD探测后得到对应波数与强度的数值，记为P1(V)。P1(V)被暂时存储在计算机14上，等待进一步处理。

步骤2：

打开开关一2与开关二8，使得射镜一3和反射镜四9位于光路中，此时光路经过使得射镜一3、反射镜二4、反射镜三10和反射镜四9的反射，绕过光学频率梳产生单元6，直接进入激发光纤15，同样经过拉曼探头11的聚焦后辐照在样品12上，保持同样的积分时间T；再由拉曼探头11产生的散射光谱，经滤波后，由收集光纤16传导进入高分辨的光谱仪13，由光栅的分光、CCD探测后得到对应波数与强度的数值，记为P2(V)。P2(V)也被暂时存储在计算机14上。

步骤3：

首先对P2(V)做功率上的修正，处理的公式如下：

P3(V)＝∑C(j)×P2(V)             (1)

P3(V)为修正后的数据。

步骤4：结合P1(V)与P3(V)的光谱数据，在计算机上运用如下算法进行拉曼信号的提取处理：

1)P4(V)＝P1(V)-P3(V)

2)对P4(V)运用峰值探测算法(或者叫寻峰算法)进行处理，得到每一个峰(大于零且大于某一个阈值，阈值需要根据具体的光谱特性进行确定)的位置(X_0i)、高度(A_0i)、宽度(W_0i)以及峰的个数(m)；

3)由2)中得到的数据，带入下面的表达式：

$P\left(v\right)=\underset{j=1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{A_{0i}{W}_{0i}^2}{W_{0i}^2+{(X-X_{0i})}^2}-\frac{A_{0i}{W}_{0i}^2}{W_{0i}^2+{(X-X_{0i}-j*\mathrm{\ΔX})}^2})---\left(2\right)$

其中，ΔX为相邻波长间的频率间隔(每个波长之间是等间隔的)

4)由(2)的表达式，编写程序，对P4(V)进行迭代拟合；直到得到满足要求的残差；此时得到最终的位置(X_i)、高度(A_i)、宽度(W_i)以及峰的个数(m)；

5)最后由恢复出真实的拉曼光谱信号。

本实施例所采用的单一波长的拉曼激光器，采用光学频率梳产生的方式实现了多波长的同时激发；由于仅仅使用了单一激光器，避免了传统的移频激发法所带来的光源的高复杂性与高成本，同时也很容易实现多波长(十个波长以上)的激发。通过在光路中引入两个开关控制反射镜的装置，可以方便的实现单一波长的激发；联合单波长与多波长的散射光谱，通过特定的拉曼信号提取算法，可以实现在高荧光、强噪声背景下的拉曼弱信号的恢复。

图2中对本发明的拉曼信号提取结果与传统的移频激发法(激发波长数＝2)的拉曼信号提取结果做了对比，可以看出本实施例的处理结果具有非常高的信噪比与准确度，同时激发波长数越多，结果越好。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中单一激光器的波长、各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，包括：

用于产生单一波长激光(5)的拉曼激光器(1)；

用于产生多波长连续激光(7)的光学频率梳产生单元(6)；

用于对待检测样品进行聚焦辐照，同时收集产生的拉曼光谱的光谱采集单元；

以及，

用于对所收集拉曼光谱进行分析、显示并对拉曼信号进行提取的算法处理单元；

其中，所述拉曼激光器(1)与光学频率梳产生单元(6)之间设置控制所述单一波长激光(5)直接入射至光谱采集单元或者经由光学频率梳产生单元(6)产生多波长连续激光(7)然后再入射至光谱采集单元的开关控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述多波长连续激光(7)为等频率间隔的多波长光学频率梳，所述光学频率梳产生单元(6)包括F-P腔、相位调制晶体以及微波信号源。

3.根据权利要求2所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述光学频率梳产生单元(6)中，微波信号源为驱动，相位调制晶体对入射的单一波长激光(5)进行调制，在中心频率的两侧距中心频率同样间距处出现成对的边频，各个频率分量之间的间隔与微波信号源的频率一致，经过F-P腔的多次反射与相位调制晶体的调制，得到频域上间隔相等且和微波信号源提供的频率一致的光学频率梳。

4.根据权利要求1所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述光谱采集单元包括：

用于接收单一波长激光(5)或多波长连续激光(7)的激发光纤(15)；

用于将激发光纤(15)传导激光聚焦后辐照至样品(12)上并收集所产生的拉曼光谱的拉曼探头(11)；

以及用于将所收集拉曼光谱传导至算法处理单元的收集光纤(16)。

5.根据权利要求1所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述算法处理单元包括：

用于接收收集光纤(16)所传导拉曼光谱并将其进行光栅分光、CCD探测后得到不同波数对应的光强度信息的光谱仪(13)；

以及，用于运行算法恢复出真实拉曼信号的计算机(14)。

6.根据权利要求1或5所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述算法过程如下：

1)P4(V)＝P1(V)-P3(V)，其中，P1(V)为多波长连续激光(7)所产生拉曼光谱进行光栅分光、CCD探测后得到的对应波数与强度的数值，P3(V)为对P2(V)功率修正后的数据，P3(V)＝∑C(j)×P2(V)，P2(V)为单一波长激光(5)所产生拉曼光谱进行光栅分光、CCD探测后得到的对应波数与强度的数值；

2)对P4(V)运用峰值探测算法进行处理，得到每一个峰的位置(X_0i)、高度(A_0i)、宽度(W_0i)以及峰的个数(m)；

3)由步骤2)中得到的数据，带入下面的表达式：

$P\left(v\right)=\underset{j=1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{A_{0i}{W}_{0i}^2}{W_{0i}^2+{(X-X_{0i})}^2}-\frac{A_{0i}{W}_{0i}^2}{W_{0i}^2+{(X-X_{0i}-j*\mathrm{\ΔX})}^2})$

其中，ΔX为相邻波长间的频率间隔

4)利用上述的表达式对P4(V)进行迭代拟合；直到得到满足要求的残差；此时得到最终的位置(X_i)、高度(A_i)、宽度(W_i)以及峰的个数(m)；

5)最后由恢复出真实的拉曼光谱信号。

7.根据权利要求1所述的基于多波长同时激发的拉曼信号检测与提取系统，其特征在于，所述开关控制单元包括：

布置于单一波长激光(5)向光学频率梳产生单元(6)入射路线上的反射镜一(3)；

布置于多波长连续激光(7)向光谱采集单元入射路线上的反射镜四(9)；

布置于反射镜一(3)的反射路线上的反射镜二(4)；

布置于反射镜二(4)的反射路线上的反射镜三(10)，且反射镜四(9)位于反射镜三(10)的反射路线上；

作用于反射镜一(3)控制其开闭的开关一(2)；

以及，

作用于反射镜四(9)控制其开闭的开关二(8)；

当同时开启反射镜一(3)和反射镜四(9)时，单一波长激光(5)经四个反射镜反射后之间入射至光谱采集单元；

当同时关闭反射镜一(3)和反射镜四(9)时，单一波长激光(5)经光学频率梳产生单元(6)后产生多波长连续激光(7)，然后再入射至光谱采集单元。