CN104597032A - 一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法。现有拉曼信号弱、灵敏度低、对被检测材料要求高。本发明将偏振差异原理与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，在不同偏振态光场聚焦到核壳结构纳米颗粒区域，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，被检测物质位于核壳结构纳米颗粒层附近的被检测区域，基于不同偏振态光激发和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，得到被检测物的增强拉曼信号，基于偏振态可调控特性，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，得到高信息量拉曼信号。本发明具有高灵敏度、高信噪比、被检测物形态和物质多样、偏振相关特性丰富、信息量高、应用范围广、功能易于扩充等特点。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种拉曼光谱检测方法，特别是一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，主要应用于物质分析、环境监测、资源勘探、食品安全、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域中的拉曼光谱检测。
背景技术
拉曼光谱检测方法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应发展起来的一种散射光谱检测方法，本质上是，通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动转动等方面信息，在激光器被发明使用之后得到了快速的发展，广泛应用于物质分析、环境监测、资源勘探、食品安全、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域中。由于拉曼散射强度大约为瑞利散射的千分之一，所以拉曼散射非常弱，在拉曼光谱检测系统中，为了得到拉曼光谱信息，需要对拉曼信号进行增强，提高信噪比，出现了增强拉曼光谱检测技术。在先技术中存在拉曼光谱检测技术，被称为针尖增强拉曼光谱技术，（参见论文B. Pettinger, et.al. Nanoscal probing of absorbed species by tip-enhanced Raman spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 096101），尽管其存在一定的优点，仍然存在本质不足，由于只有一个小的针尖处起到增强作用，导致拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染，探测信号容易被干扰，因此探测信号易于偏离真值，灵敏度不高，针尖影响探测系统构建的灵活性，在本质上无法提供与光场偏振相关的信息；在先技术中存在一种针尖增强拉曼光谱技术，（参见美国专利，专利名称：High contrast tip-enhanced Raman spectroscopy，发明人：Alexei P. Sokolov, Alexander Kisliuk, Disha Mehtant, Ryan D. Hartschuh, Nam-Heui Lee，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2010年2月2日），虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足，没有从根本上避免原有针尖增强拉曼光谱技术的不足，并且激发光偏振态调节灵活性差，系统构建灵活性低，偏振拉曼信息量少，并且，本检测方法在本质上对被检测物的材料特性存在本质要求，限制了应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，具有高灵敏度、高信噪比、被检测物形态和物质多样、偏振相关特性丰富、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充等特点。
本发明的基本构思是：基于偏振差异原理，将偏振可调控光束激发与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，在不同偏振态光场聚焦到核壳结构纳米颗粒区域，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，被检测物质位于核壳结构纳米颗粒层附近的被检测区域，基于不同偏振态光激发和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，得到被检测物的增强拉曼信号，基于偏振态可调控特性，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，得到高信息量拉曼信号。
本发明的基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其具体的技术方案如下：
步骤(1)激光光源出射光束上设置有偏振态调控部件，偏振态调控部件可以调控入射光束的偏振态，实现可控偏振态光场出射；
步骤(2)偏振态调控部件出射的矢量光束经过会聚元件聚焦，形成拉曼光谱激发区域，通过偏振态调控部件实现焦点区域中光场特性调控；
步骤(3)被检测物设置在拉曼光谱激发区域，在被检测物上设置有核壳结构纳米颗粒层，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，带有核壳结构纳米颗粒层在矢量光束聚焦激发下，对拉曼光谱进行增强；
步骤(4)被增强的拉曼光经过检测偏振器件后，由拉曼光谱探测器接收，得到被检测物的在偏振光束激发和核壳结构纳米颗粒层增强后的拉曼信息；
步骤(5)通过偏振态调控部件改变激光光束偏振特性，重复步骤（2）-（4），得到多组被检测物的拉曼光谱信息，通过信息融合技术，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，得到高信息量拉曼信号。
所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。
所述的偏振态调控部件为液晶偏振调节器、微纳结构偏振调节器、双二分之玻片对偏振调节器中的一种。
所述的会聚元件为单透镜、复合透镜组、消色差物镜、平场物镜、菲涅尔透镜中的一种。
所述的核壳结构纳米颗粒层为金核核壳结构纳米颗粒、银核核壳结构纳米颗粒、铜核核壳结构纳米颗粒构成的纳米颗粒层中的一种。
所述的检测偏振器件为偏振片、偏振棱镜、微纳偏振器件、液晶偏振转换器、波片中的一种。
所述的拉曼光谱探测器为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器、显微拉曼探测器中的一种。
本发明中偏振差异原理和处理技术、核壳结构纳米颗粒制备、核壳结构纳米颗粒层铺放设置、拉曼信号采集处理技术、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于偏振差异调控原理，结合核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应，给出一种高灵敏度、高信噪比、被检测物形态和物质多样、偏振相关特性丰富、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法。
与现有技术相比，本发明的优点：
1）在先技术中的针尖增强拉曼光谱技术存在拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染，探测信号容易被干扰，因此探测信号易于偏离真值，灵敏度不高，针尖影响探测系统构建的灵活性的不足。本发明基于核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应，充分发挥了核壳结构纳米颗粒层增强拉曼行为，其中每个核壳结构纳米颗粒作用相当于一个增强探针，因此本发明从本质上消除了针尖容易被污染、探测信号容易被干扰、探测信号易于偏离真值的情况，并且具有灵敏度高、信噪比高、系统易于构建等特点；
2）在先技术中对被检测物材料特性有要求。本发明采用可调控矢量光束激发和核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相互结合的方式，由于核壳结构纳米颗粒使用便利，对对被检测物材料特性要求低，并且对被检测物质的形态也没有要求，增加了检测方法的应用范围；
3）在先技术中存在一种将偏振激发和针尖增强拉曼光谱技术相结合的拉曼光谱检测方法，没有从根本上避免原有针尖增强拉曼光谱技术的不足，并且激发光偏振态调节灵活性差，系统构建灵活性低，偏振拉曼信息量少，并且，本检测方法在本质上对被检测物的材料特性存在本质要求，限制了应用范围。本发明基于偏振差异技术和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，因此偏振态调控和激发，偏振态调节灵活，系统构建灵活性高，为拉曼检测提供丰富的偏振相关特性，并且对被检测物质特性不存在本质限制，增加了技术应用范围，并且功能易于扩充。
附图说明
图1为本发明的一种实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法的实施例，将偏振可调控光束激发与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，在不同偏振态光场聚焦到核壳结构纳米颗粒区域，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，被检测物质位于核壳结构纳米颗粒层附近的被检测区域，基于不同偏振态光激发和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，得到被检测物的增强拉曼信号，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，得到高信息量拉曼信号。
本实施例的具体实现步骤为：
步骤(1)激光光源1出射光束上设置有偏振态调控部件2，偏振态调控部件2可以调控入射光束的偏振态，实现可控偏振态光场出射；本实施例中激光光源1为532纳米波长的固体激光器，偏振态调控部件2采用基于圆锥面的偏振转换器和双二分之玻片相结合的一种偏振调节器，通过调节两个双二分之玻片光轴之间的夹角，可以灵活调控偏振特性，本实施例中可到偏振态可调控的矢量光束；
步骤(2)偏振态调控部件2出射的矢量光束经过会聚元件4聚焦，形成拉曼光谱激发区域，通过偏振态调控部件2实现焦点区域中光场特性调控；
步骤(3)被检测物6设置在拉曼光谱激发区域，在检测物6上设置有核壳结构纳米颗粒层5，核壳结构纳米颗粒层5中的每个核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，带有核壳结构纳米颗粒层在矢量光束聚焦激发下，对拉曼光谱进行增强；
步骤(4)被增强的拉曼光经过检测偏振器件7后，由拉曼光谱探测器8接收，得到被检测物6的在特定偏振光束激发和核壳结构纳米颗粒层5增强后的拉曼信息；本实施例中，采用激发和检测共用会聚元件4的光路构架，在偏振态调控部件2和会聚元件4之间的光路上设计有分光镜3，检测物6出射的拉曼散光经过会聚元件4后被分光镜3反射，反射光束上依次设置有检测偏振器件7和拉曼光谱探测器8，检测偏振器件7采用偏振片，拉曼光谱探测器8采用显微拉曼探测器；
步骤(5)通过偏振态调控部件2改变激光光束偏振特性，重复步骤（2）-（4），得到多组被检测物7的拉曼光谱信息，通过信息融合技术，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，进行信息融合，得到高信息量拉曼信号。
本实施例成功实现了甲基对硫磷的拉曼光谱增强，并且得到不同偏振激发下的拉曼信息，并且基于偏振差异化原理，对偏振维度上的拉曼信息进行处理，得到了高灵敏度、高信噪比、高分辨率的本检测物质拉曼信息。本发明具有高灵敏度、高信噪比、被检测物形态和物质多样、偏振相关特性丰富、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充等特点。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1. 一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)激光光源出射光束上设置有偏振态调控部件，偏振态调控部件可以调控入射光束的偏振态，实现可控偏振态光场出射；
步骤(2)偏振态调控部件出射的矢量光束经过会聚元件聚焦，形成拉曼光谱激发区域，通过偏振态调控部件实现焦点区域中光场特性调控；
步骤(3)被检测物设置在拉曼光谱激发区域，在被检测物上设置有核壳结构纳米颗粒层，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，带有核壳结构纳米颗粒层在矢量光束聚焦激发下，对拉曼光谱进行增强；
步骤(4)被增强的拉曼光经过检测偏振器件后，由拉曼光谱探测器接收，得到被检测物的在偏振光束激发和核壳结构纳米颗粒层增强后的拉曼信息；
步骤(5)通过偏振态调控部件改变激光光束偏振特性，重复步骤（2）-（4），得到多组被检测物的拉曼光谱信息，通过信息融合技术，将偏振维度上的多增强拉曼信号进行偏振差异化信息处理，得到高信息量拉曼信号。
2.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。
3.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的偏振态调控部件为液晶偏振调节器、微纳结构偏振调节器、双二分之玻片对偏振调节器中的一种。
4.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的会聚元件为单透镜、复合透镜组、消色差物镜、平场物镜、菲涅尔透镜中的一种。
5.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的核壳结构纳米颗粒层为金核核壳结构纳米颗粒、银核核壳结构纳米颗粒、铜核核壳结构纳米颗粒构成的纳米颗粒层的一种。
6.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的检测偏振器件为偏振片、偏振棱镜、微纳偏振器件、液晶偏振转换器、波片中的一种。
7.如权利要求1所述的一种基于偏振差异原理的拉曼光谱检测方法，其特征在于：所述的拉曼光谱探测器为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器、显微拉曼探测器中的一种。
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