CN104406955B - 一种基于拉曼光谱的物质检测方法 - Google Patents

Abstract

为了增强拉曼光谱物质分析时的光谱稳定性，本发明提供了一种基于拉曼光谱的物质检测方法，具体方案包括以下步骤：(1)通过光源产生激光束；(2)激光束照射在待测样品上，激发出该待测样品的拉曼散射光；(3)收集拉曼散射光，使之通过入射狭缝，经准直透镜准直后照射到色散光栅上；(4)色散光栅将复色光分解为不同波长的单色光，会聚至检测装置上；(5)检测装置将接收到的光信号转为电信号；(6)处理该电信号得到不同波长光的光谱信息，通过预处理，从而得到待测样品的拉曼光谱。本检测方法准确、可靠，具有高重现性和超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测，还能够准确的获得检测结果。

Description

一种基于拉曼光谱的物质检测方法

技术领域

本发明涉及一种物质成份分析方法，更具体地，涉及一种基于拉曼光谱的物质检测方法。

背景技术

拉曼光谱分析在无损物性分析及鉴别上展现了强大的能力。然而由于缺少低成本、坚固可靠和稳定的、可提供高谱线亮度的半导体激光器，使得拉曼光谱仪的应用受到一定的阻碍。这里谱线亮度定义为：激光功率除以其谱线宽度。一个宽条或者宽面积半导体激光器(例如，典型条宽在20＝500微米)可提供＞1瓦的高输出功率。然而由于法布里-珀罗(F-P)激光谐振腔内存在大量的激发模式，其谱线宽度在几个纳米量级或者更宽。这种宽线宽限制了宽条激光器仅能应用于低分辨率的拉曼光谱应用，如同Clarke等人在美国专利5,139,334和5,982,484中所述。另一方面，单模激光器(条宽在几个微米左右)的输出功率一般限制在一、二百个毫瓦以内。这种功率水平对有些拉曼散射不强的物质的拉曼光谱分析来讲是不够的。Cooper等人的美国专利5,856,869中可以找到单模分布反馈式激光器应用于拉曼光谱分析的例子。

近来，已经出现了外腔谐振激光结构(ECL)可用于将宽条激光的线宽变窄，如Smith等人的美国专利US6,100,975和Tedesco等人的美国专利US6,563,854里所述。在这些参考文献里，半导体激光器的激发波长通过采用Littrow或者Littman结构的色散光栅锁住。然而，这些外腔谐振激光结构对光学元件的对准精度(比如透镜和光栅方向)，温度波动以及振动敏感，导致机械和温度稳定性不佳。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于拉曼光谱的物质检测方法，具体方案包括以下步骤：

(1)通过光源产生激光束；

(2)激光束照射在待测样品上，激发出该待测样品的拉曼散射光；

(3)收集拉曼散射光，使之通过入射狭缝，经准直透镜准直后照射到色散光栅上；

(4)色散光栅将复色光分解为不同波长的单色光，会聚至检测装置上；

(5)检测装置将接收到的光信号转为电信号；

(6)处理该电信号得到不同波长光的光谱信息，通过预处理，从而得到待测样品的拉曼光谱。

进一步地，所述光源为激光器，该激光器包括一个利用非色散布拉格体光栅作为波长选择元件的自准直外腔。

进一步地，所述激光束具有高功率、窄线宽。

进一步地，所述检测装置为阵列式的多通道检测器。

进一步地，所述步骤(2)中，激光束被分成多束照射到待测样品的多个点，以在该待测样品的多个点上激发出该待测样品的拉曼散射光。

进一步地，所述步骤(6)还包括：获取多点待测样品的电信号，去除背景噪声，去除最大值和最小值，并求取平均值。

进一步地，所述多点是通过在同一平面内移动拉曼光谱的基底实现的，该基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸，所述表面增强层附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸的工作表面或滤纸的表面。

进一步地，所述预处理为依次进行Rolling Circle Filter算法处理、基线校正处理或卷积平滑处理。

进一步地，所述的预处理为依次进行的Rolling Circle Filter算法处理、基线校正处理、卷积平滑处理和最大谱峰比值标准化法处理。

进一步地，所述步骤(6)还包括：获取多点待测样品的电信号分别对应的拉曼光谱，将这些拉曼光谱按照波数范围从小到大进行排列，然后进行正态化检验，使其符合正态性检验；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱权重值在同一区间内；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱的权重值形成的样本矩阵的相关阵，并获得相关阵的特征值和特征向量；根据所得到的特征值计算对应的主成份的方差，根据方差最大者作为待测样品的拉曼光谱特征区域。

本发明的有益效果如下：本检测方法准确、可靠，具有高重现性和超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测，还能够准确的获得检测结果。

附图说明

图1示出了本发明的检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于数字微镜阵列的便携式拉曼检测仪检测方法，包括以下步骤：

(1)通过光源产生激光束；

(2)激光束照射在待测样品上，激发出该待测样品的拉曼散射光；

(3)收集拉曼散射光，使之通过入射狭缝，经准直透镜准直后照射到色散光栅上；

(4)色散光栅将复色光分解为不同波长的单色光，会聚至检测装置上；

(5)检测装置将接收到的光信号转为电信号；

(6)处理该电信号得到不同波长光的光谱信息，通过预处理，从而得到待测样品的拉曼光谱。

所述光源为激光器，该激光器包括一个利用非色散布拉格体光栅作为波长选择元件的自准直外腔。布拉格体光栅将半导体激光器的谱线宽度变窄以提供高谱线亮度和较好的光谱稳定性。

本发明的方法相应的拉曼光谱分析仪器包含一个宽条半导体激光器作为激发光源。半导体激光器的输出光谱被由准直透镜，布拉格体光栅，和反射镜形成的自准直外腔压窄并稳定。反射镜置于半导体激光器的出射面上，后者位于准直透镜的焦平面上以使半导体激光器的输出光束被准直透镜准直。准直后的激光束一部分被布拉格体光栅衍射，其中光栅方向倾斜使得衍射光传播方向不平行于准直激光光束。没有衍射的激光束作为外腔激光器的主要输出。衍射光束被准直透镜聚焦到反射镜上并被反射回来反向传播。部分反射回来的光再次被布拉格体光栅衍射，并沿着与输出激光束相反的光路反馈到半导体激光器的增益介质中。未衍射的激光束作为外腔激光器的次级光输出。被两次衍射的激光束的谱线宽度由布拉格体光栅的带宽决定，而其波长取决于光栅的周期和倾斜角。这样外腔激光器的激发波长被锁定到布拉格体光栅的布拉格波长上，激光器的谱线宽度相比法布里-珀罗(F-P)类型的宽条半导体激光器而言减小了超过一个数量极。布拉格体光栅可以采用斜纹光栅(光栅矢量不垂直于光栅表面)以控制其衍射方向。

相比采用色散光栅的Littrow或者Littman外腔谐振激光器而言，基于布拉格体光栅的外腔谐振激光器有几项优势。首先，布拉格体光栅是非色散性的。这样入射到布拉格体光栅上的准直激光光束的尺寸可以很小而不会影响光栅的衍射效率。因此外腔谐振激光器的外腔长度可以缩短从而增强激光器的稳定性。其次，当前的外腔结构是自准直方式，经过两次衍射的激光束始终反向入射到半导体激光器内，而与布拉格体光栅的方向无关。这使得激光器不易受光学元件的对准精度(比如透镜和光栅的方向)、温度波动及振动等因素影响。第三，外腔谐振激光器的输出波长可以通过改变布拉格体光栅的倾斜角来调谐。这个特性可以利用来抑制拉曼光谱中的荧光，详见后面说明。布拉格体光栅同时还帮助减小激光束的发散角，进而提高光束的空间亮度。这里的空间亮度定义为：激光强度除以其发散角。有关自准直非色散外腔谐振激光器的详细讨论参见Christophe Moser，Lawrence Ho，和Frank Havermeyer的文章，“Self-aligned non-dispersive external cavity tunablelaser”，Optics Express，2008年10月13日，16卷，21期，16691页，这里引作参考。

所述检测装置为阵列式的多通道检测器。这种检测装置集成性高，相应地能够带来高可靠性。

根据本发明的优选实施例，检测过程中，具体包括如下步骤：

a.待测样品基底上均匀涂敷待检测样品；涂覆方式可呈点状多点分布或呈面状分布；

b.利用光源经照明系统照射待测样品基底上其中一点待检测样品并获取其拉曼光谱；利用表面增强拉曼光谱获取样品的含量，属于现有技术，在此不再赘述；

c.在待测样品基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测并重复步骤b；

d.利用获取的多点待测样品的光谱信息，去背景后求平均值，根据该平均值将测得的多点待测样品的光谱信息去除最小值和最大值，将去除最小值和最大值的多点待测样品的光谱信息再求平均值，获取被测样品的拉曼光谱信息，对照已有拉曼光谱数据库，定性或/和定量的得出被测样品的信息；平均值根据所得数据进行计算获得。

上述步骤a中，所述待检测样品在待测样品基底上呈面状分布于待测样品基底表面；该结构溶液分布形式利于随机选择监测点，操作相对方便。

上述步骤c中，在待测样品基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测通过在同一平面内移动待测样品基底实现；操作方便简单，避免重新对焦，提高工作效率。

本实施例中，所述待测样品基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸或滤纸，所述表面增强附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸的工作表面、滤纸的表面或镜头纸等；本实施例采用磨砂玻璃基底层。

为了获得较高的信噪比，所述预处理为依次进行Rolling Circle Filter算法处理、基线校正处理或卷积平滑处理。在另一个实施例中，所述的预处理为依次进行的Rolling Circle Filter算法处理、基线校正处理、卷积平滑处理和最大谱峰比值标准化法处理。

所述步骤(6)还包括：获取多点待测样品的电信号分别对应的拉曼光谱，将这些拉曼光谱按照波数范围从小到大进行排列，然后进行正态化检验，使其符合正态性检验；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱权重值在同一区间内；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱的权重值形成的样本矩阵的相关阵，并获得相关阵的特征值和特征向量；根据所得到的特征值计算对应的主成份的方差，根据方差最大者作为待测样品的拉曼光谱特征区域。

在前面详细说明中本发明的特定的实施方案已经做出了描述。然而，显而易见的是在不超出本发明后面列出的权利要求范围上仍可做出各种的修改和变化。具体的实施例中所列举的数值均为示意性而不具限定意义。相应地，说明书和附图应解释为仅仅是示意性的而并非限定性的，所有变化均包括在本发明意图保护的范围内。文中所提到的一切好处、优点、问题解决方案或者任何可能带来或增强好处、优点、问题解决方案的元件均不能解释为任何权利要求的关键的或必须的或本质的技术特征或元件。本发明的权利仅由所附权利要求书所定义，包括在申请过程中所做的任何修改，以及授权权利要求书中的所有等同权利要求。

Claims (8)

1.一种基于数字微镜阵列的便携式拉曼检测仪检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过光源产生激光束；

(2)激光束照射在待测样品上，激发出该待测样品的拉曼散射光；

(3)收集拉曼散射光，使之通过入射狭缝，经准直透镜准直后照射到色散光栅上；

(4)色散光栅将复色光分解为不同波长的单色光，会聚至检测装置上；

(5)检测装置将接收到的光信号转为电信号；

(6)处理该电信号得到不同波长光的光谱信息，通过预处理从而得到待测样品的拉曼光谱；其中，所述步骤(2)中，激光束被分成多束照射到待测样品的多个点，以在该待测样品的多个点上激发出该待测样品的拉曼散射光；且所述步骤(6)包括：获取多点待测样品的电信号分别对应的拉曼光谱，将这些拉曼光谱按照波数范围从小到大进行排列，然后进行正态化检验，使其符合正态性检验；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱权重值在同一区间内；采用权重计算方法计算得到的所有拉曼光谱的权重值形成的样本矩阵的相关阵，并获得相关阵的特征值和特征向量；根据所得到的特征值计算对应的主成份的方差，根据方差最大者作为待测样品的拉曼光谱特征区域，以提高检测的重现性和分析灵敏度，使所述检测方法适用于超痕量样品的检测。

2.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述光源为激光器，该激光器包括一个利用非色散布拉格体光栅作为波长选择元件的自准直外腔。

3.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述激光束具有高功率、窄线宽。

4.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述检测装置为阵列式的多通道检测器。

5.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述步骤(6)还包括：获取多点待测样品的电信号，去除背景噪声，去除最大值和最小值，并求取平均值。

6.根据权利要求5的检测方法，其特征在于，所述多点是通过在同一平面内移动拉曼光谱的基底实现的，该基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸，所述表面增强层附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸、镜头纸的工作表面或滤纸的表面。

7.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述预处理为依次进行滚动环滤波算法处理、基线校正处理，或者所述预处理为进行卷积平滑处理。

8.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，所述的预处理为依次进行的滚动环滤波算法处理、基线校正处理、卷积平滑处理和最大谱峰比值标准化法处理。