CN104155279A - 一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，该光谱仪的组成主要包括：紫外激光探测光源、可见激光泵浦光源、柱形光发生器、陷波滤光器、共聚焦及显微成像系统、单光栅色散系统、信号探测器、谱图采集和图像处理系统；该光谱仪采用线形共聚焦信号产生和收集方式、陷波滤光去除瑞利散射干扰、单光栅色散方式，以及通过共振增强原理极大地提高拉曼信号捕获的灵敏度，从技术上弥补拉曼散射信号较弱的缺点，同时避免样品受到强激光单点照射而发生损伤。此外，泵浦光的引入并调控与探测光的空间距离实现对样品状态的动态跟踪。该光谱分析技术适用于生物、药物、有机化学和高分子材料领域。

Description

一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼散射是光和物质相互作用后发生波长变化的其中一种效应。拉曼光谱技术就是通过光学器件、光学元件和电路等的组合设计将这一波长的变化进行捕获，从而获得拉曼信号，以分析得到物质内部结构和运动的信息。20世纪末期，随着紫外激光器和紫外光学元件的出现和技术进步，以及生命科学和材料科学的发展和需要，以紫外激光作为激发光源的紫外拉曼光谱技术开始出现报道。到目前为止，紫外拉曼光谱仪在生物、有机化学、无机化学和高分子材料领域都已获得一定程度的应用，但是已出现的紫外拉曼光谱仪除了在光学元件的紫外光反射率、紫外光透过率、光栅紫外响应、探测器紫外响应等得到提高外，还是采用单点聚焦产生和收集拉曼信号的方式。实验表明，紫外激光单点聚焦激发样品存在样品被照射之处激光能量密度过高的问题，容易在短时间内对许多生物、有机和高分子材料造成损坏，因此不能得到这些材料的本征拉曼信号。由于紫外拉曼光谱仪没能从技术源头上得到根本的改进，总体来说已出现的紫外拉曼光谱仪的拉曼信号灵敏度不高，很难满足量少、浓度低的样品的分析，比如生物和药物样品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，改变已有紫外拉曼光谱仪采用的单点聚焦方式产生和收集拉曼信号，实现线形共聚焦方式产生和收集拉曼信号，一方面降低样品被照射之处激光的能量密度，另一方面极大地提高紫外拉曼光谱仪的拉曼信号灵敏度。

本发明提供了一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，该光谱仪的组成主要包括：紫外激光探测光源、可见激光泵浦光源、柱形光发生器、陷波滤光器、共聚焦及显微成像系统、单光栅色散系统、信号探测器、谱图采集和图像处理系统；这些组成部分的空间定位由光路来决定；该光谱仪采用线形共聚焦方式产生和收集拉曼信号。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述紫外激光探测光源可以使用200～400nm范围内的紫外激光。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述可见激光泵浦光源可以使用400～700nm范围内的可见激光。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述柱形光发生器由一对紫外光高透过率的平凸柱面透镜以及微距调整台组成，将平行的圆形激光转化为发散的柱形激光。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述共聚焦及显微成像系统采用紫外光高透过率的显微物镜将发散的柱形激光会聚成线形激光照射样品产生拉曼信号，并将拉曼信号共聚焦会聚成线形，极大地提高光谱仪的拉曼信号灵敏度。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述陷波滤光器能够反射紫外激光和瑞利线，但让拉曼信号透过。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，所述单光栅色散系统主要包括单光栅单色仪，只对拉曼信号进行色散，不去除瑞利线，因此进一步显著提高光谱仪的拉曼信号灵敏度。

本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，该光谱仪调控可见激光泵浦光源与紫外激光探测光源的空间距离实现对样品状态的动态跟踪。

采用本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪已经成功地实现对许多种生物、有机和高分子聚合物样品的光谱分析。结果表明本发明提供的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪的拉曼信号灵敏度非常高，紫外激光的功率只需100微瓦就可以获得质量非常好的拉曼光谱，信噪比能达到1100:1，并且可以进行微秒时间量级的动态跟踪分析。

附图说明

图1为本发明的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪的示意图；

图2为柱形光发生器的原理图；

图3为陷波滤光器的示意图；

图4为共聚焦及显微成像系统中紫外激光聚焦的示意图；

图5为共聚焦及显微成像系统中拉曼信号共聚焦收集的示意图；

图6为动态跟踪分析的原理图；

图7为金刚石的紫外拉曼谱图；

图8为乙醇的紫外拉曼谱图；

图9为亚铁氰化钾水溶液的紫外拉曼谱图；

图10为色氨酸水溶液的紫外拉曼谱图；

图11为光合系统II酶的紫外拉曼谱图；

图12为聚四氟乙烯的紫外拉曼谱图；

图13为光合系统II酶动态跟踪分析的紫外拉曼谱图；

附图中主要标记说明：1、平凸柱面透镜，2、紫外激光，3、陷波滤光片，4、拉曼信号，5、瑞利线，6、显微镜头，7、线形光斑，8、凸透镜，9、可见激光，10、流动样品。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

以下结合图1、图2、图3、图4、图5和图6具体描述本发明的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪的技术方案和光谱分析方式；实例的描述由图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13给出。

如图1所示，本发明的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪的组成主要包括：紫外激光探测光源、可见激光泵浦光源、柱形光发生器、陷波滤光器、共聚焦及显微成像系统、单光栅色散系统、信号探测器、谱图采集和图像处理系统，这些组成的空间定位由光路来决定。按照激发光的走向，其中组成的空间定位先后顺序为：紫外激光探测光源—>柱形光发生器—>陷波滤光器—>共聚焦及显微成像系统—>样品；按照拉曼信号的收集走向，其中组成的空间定位先后顺序为：共聚焦及显微成像系统—>陷波滤光器—>单光栅色散系统—>信号探测器—>谱图采集和图像处理系统；另外，可见激光泵浦光源是在动态跟踪分析时使用。

本发明的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪中的紫外激光探测光源采用连续波的紫外激光，其具体波长根据所要分析的样品的电子吸收谱带来决定，尽量让紫外激光的波长坐落于样品的电子吸收谱带范围内，以实现共振增强效应，使拉曼信号显著增强。这一激光光斑为圆形，经过如图2所示的柱形光发生器后转化为发散的柱形光斑，发散角a>0，实现这一转化由一对平凸柱面透镜来实现，平行的圆光斑光束经过第一个平凸柱面透镜后在焦点处会聚成线形，之后经过第二个平凸柱面透镜后形成柱形光斑，中间会聚点到第二个平凸柱面透镜的距离应小于第二个平凸柱面透镜的焦长，这由微距调整台前后移动第二个平凸柱面透镜的位置来实现。

柱形光斑光束经过陷波滤光器（如图3）的陷波滤光片反射指向显微镜头，这一陷波滤光片应根据所使用的紫外激光的波长来确定参数规格，以保证紫外激光被反射，而拉曼信号可以透过。之后柱形光斑光束经过显微镜头（如图4）在样品处会聚成线形，会聚线的长短取决于之后拉曼信号成像的大小，尽量让拉曼信号成像充满探测器的感光芯片阵列，会聚线的长短变化由调节发散角a来实现。另外，这一显微镜头的规格参数要保证紫外激光高透过率，并且数值孔径尽量大，以增加拉曼信号的收集效率。

如图5所示，样品受激发处为线形，向空间发散的拉曼信号由显微镜头收集后透过陷波滤光器，然后经过凸透镜会聚成线形穿过狭缝进入单光栅单色仪。因为样品被激发除了产生拉曼信号外还发射很强的瑞利线，瑞利线同样被显微镜头收集，但被陷波滤光器反射（如图3），从而与拉曼信号分离，而不能进入单光栅单色仪。拉曼信号进入单光栅单色仪后被光栅色散，最后被信号探测器捕获，经过计算机采集和软件处理后形成拉曼谱图。单光栅单色仪所使用的镜子都是紫外光高反射率的，光栅的闪耀波长接近拉曼信号的波长。信号探测器使用电荷耦合探测器（CCD，信号探测器1）或者光电倍增管（PMT，信号探测器2），两者由一平面反射镜切换。

动态跟踪分析由可见激光泵浦和紫外激光探测来实现（如图6），这一分析限于高速流动的液体样品。选择合适波长的可见激光泵浦光源，以保证样品中的某些成分能够吸收这一可见激光。那么，动态跟踪的时间分辨本领由可见激光光斑到紫外激光光斑的距离b以及样品流动的速度来决定，通常这一距离定为1毫米左右，这样可以实现100微秒的时间分辨能力。

整体分析过程的激光能量密度由光学衰减片来调节。

图7～12分别为固体材料、有机物、无机物水溶液、蛋白质氨基酸、生物酶和高分子聚合物的紫外拉曼谱图，这些谱图都是由本发明的线形共聚焦紫外拉曼光谱仪对应一秒钟采集时间得到的。可见谱图的质量非常好，相应的信噪比非常高，例如：图7所示的金刚石的紫外拉曼谱图的信噪比到达1100:1；对于浓度只有10微摩尔每升的光合系统II酶的紫外拉曼谱图的信噪比也达到440:1。图13为光合系统II酶的100微秒时间分辨的动态跟踪分析谱图，箭头处可见信号发生明显的变化。

Claims (8)

1.一种线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：该光谱仪的组成主要包括：紫外激光探测光源、可见激光泵浦光源、柱形光发生器、陷波滤光器、共聚焦及显微成像系统、单光栅色散系统、信号探测器、谱图采集和图像处理系统；该光谱仪采用线形共聚焦方式产生和收集拉曼信号。

2.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述紫外激光探测光源使用200～400nm范围内的紫外激光。

3.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述可见激光泵浦光源使用400～700nm范围内的可见激光。

4.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述柱形光发生器由一对平凸柱面透镜组成，将平行的圆形激光转化为发散的柱形激光。

5.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述共聚焦及显微成像系统采用紫外光高透过率的显微物镜将发散的柱形激光会聚成线形激光照射样品产生拉曼信号，并将拉曼信号共聚焦会聚成线形。

6.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述陷波滤光器反射紫外激光和瑞利线，但让拉曼信号透过。

7.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述单光栅色散系统主要包括单光栅单色仪，只对拉曼信号进行色散，不去除瑞利线。

8.按照权利要求1所述线形共聚焦紫外拉曼光谱仪，其特征在于：该光谱仪调控可见激光泵浦光源与紫外激光探测光源的空间距离实现对样品状态的动态跟踪。