CN104764733A - 一种拉曼光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼光谱检测方法，其激发光源系统形成激发光，激发光经过激发光源系统中的扩束装置成为平行光，并形成水平进入拉曼滤光片组垂直侧的水平入射光，然后形成从与拉曼滤光片组垂直侧相垂直的水平侧垂直射出的垂直出射光，并经高数值孔径的显微物镜形成辐射照度高且聚焦在样品处的光斑，形成拉曼散射，经拉曼滤光片组滤光、后续聚焦处理以及成像调节处理后，拉曼信号进入单色仪系统进行分光处理，之后经单光子计数器接收，由单色仪系统和单光子计数器共同确定拉曼信号波长；本发明能够通过使用拉曼滤光片组及聚焦形成高强度激发光并激发样品形成拉曼信号，具有速度快、准确度高、可以检测出的拉曼信号微弱的物质，如水的拉曼峰。

Description

一种拉曼光谱检测方法

技术领域

本发明涉及光谱检测领域，特别是一种拉曼光谱检测方法。

背景技术

拉曼光谱是一种散射光谱，它是1928年印度物理学家Chandrasekhara Venkata Raman发现的，并因此获得了1930年的诺贝尔物理学奖。拉曼光谱作为一种物质分子结构的分析测试手段而被广泛应用，尤其是1960年第一台激光器问世以后，激光光源的引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的进展。目前，拉曼光谱已广泛应用于石油、食品、农牧、高分子、制药、生物、医学等领域。

拉曼光谱仪工作原理如下：

当一束频率为ν₀的单色光入射到固体、液体或气态介质时，会引起向四面八方辐射的微弱散射光。散射光中较强的是瑞利（Rayleigh）散射，其频率与入射光频率ν₀相同，其强度和数量级约为入射光强的10^-4～10^-3。除瑞利散射外还有拉曼散射，拉曼散射的散射光频率ν与入射光频率有明显的变化：ν=ν₀±|Δν|,其强度约为瑞利散射的10^-8～10^-6，为入射光强度的10^-12～10-9。最强的也只是瑞利散射的10^-3，入射光强的10^-6。其中瑞利线ν₀长波一侧出现的拉曼散射线ν=ν₀-|Δν|称为斯托克斯（Stokes）线；短波一侧出现的ν=ν₀+|Δν|称为反斯托克斯（anti-Stokes）线。由于波尔兹曼分布效应，斯托克斯线要比反斯托克线强一些。

拉曼散射线的频率是由入射光频率与分子固有的内部运动频率合成，所以也称为联合散射光。拉曼谱线的频率随入射光频率的变化而变化，但相对于入射光频率的频率差值（频移）Δν保持不变，且与入射光的频率无关，只与散射介质本身的分子结构有关。散射线的±|Δν|相对于瑞利线是对称的，即斯托克斯线和反斯托克斯线关于瑞利线是对称的（如图1）。分子的振动、转动和自旋决定了不同的介质对应有不同的拉曼频移谱图。

现有的检测方法反应较慢，效率较低，并且准确率依然不够高，而且微弱的物质，如水，的拉曼峰则难以检测。

发明内容

有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供了一种拉曼光谱检测方法，

激发光源系统形成激发光，所述激发光经过所述激发光源系统中的扩束装置后，形成水平进入拉曼滤光片组的垂直侧的水平入射光，并形成从与所述拉曼滤光片组所述垂直侧相垂直的水平侧垂直射出的垂直出射光，经过高数值孔径显微物镜且聚焦在样品处的光斑，产生拉曼散射，经所述拉曼滤光片组滤光、后续聚焦处理后，拉曼信号进入单色仪系统进行分光处理，之后经单光子计数器接收，由所述单色仪系统和所述单光子计数器共同确定拉曼信号。

根据本发明背景技术中对现有技术所述，现有的检测方法较慢，效率较低，并且准确率依然不够高，而且拉曼信号微弱的物质，如水，的拉曼峰则难以检测；而本发明提供的拉曼光谱检测方法通过使用一侧接收水平入射光并在另一侧形成与入射光垂直的出射光的拉曼滤光片组、聚焦形成高强度激发光并激发样品形成拉曼信号，并使用单色仪与单光子计数器结合对拉曼信号进行检测的方法，具有速度快、效率准确度高以及可以检测出的拉曼信号微弱的物质，如水，的拉曼峰的效果。

另外，根据本发明公开的拉曼光谱检测方法还具有如下附加技术特征：

进一步地，所述显微物镜采用的是数值孔径为大于0.4的显微物镜，所述显微物镜的数值孔径NA可以为0.4以上。由于采用了大数值孔径的显微物镜，有利于增加拉曼散射的收集效率，甚至使得激发效率只有10-6甚至更低的拉曼信号探测得以实现并商用。

进一步地，所述光斑辐射照度大于1.6×10⁹W/m²。

进一步地，所述光斑的直径小于1.6um。由此，可以使激光能量能够更加集中，从而能够大大提高拉曼散射的激发光能量。在一个示例中，通过扩束镜进行7倍以上的扩束来实现上述光斑的聚焦。

进一步地，所述聚焦处理使用管镜进行聚焦。

进一步地，所述拉曼光谱检测方法还包括成像调节处理，所述成像调节处理将经过所述拉曼滤光片组滤光和所述后续聚焦处理后形成的信号进行成像调节处理。

更进一步地，所述成像调节处理将聚焦处理后的信号成像于所述单色仪系统中的入射窄缝处。

更进一步地，所述成像调节处理中采用的是固体样品成像系统，所述固体样品成像系统包括推拉反射装置、CCD成像装置，所述推拉反射装置带有滑动装置，当固体样品需实现对焦，所述推拉反射装置移动至光路中，完成对焦后，所述推拉反射装置移出光路。

更进一步地，所述CCD成像装置中的CCD靶面到所述管镜的距离和所述单色仪系统中的入射狭缝到所述管镜的距离相等，这样可以轻松实现固体样品的对焦与检测，通过推拉反射镜巧妙的实现对焦与检测的转换。

进一步地，在所述聚焦处理后与所述成像调节之间，还包括一次或多次反射处理。

进一步地，在所述产生拉曼散射与所述经所述拉曼滤光片组滤光之间还包括采用所述显微物镜聚光处理步骤。

进一步地，所述拉曼滤光片组包括垂直放置的窄带滤光片、45°放置的二向分光系统以及水平放置的瑞利滤光片。

优选地，瑞利滤光片采用OD7瑞利滤光片。

进一步地，所述窄带滤光片为532nm、785 nm或488 nm窄带滤光片。

进一步地，所述拉曼光谱检测方法采用的是包括所述显微物镜的显微物镜系统，所述显微物镜系统采用复消色差平场无穷远金相显微物镜，所述显微物镜系统还包括管镜，所述拉曼滤光片组安装在所述显微物镜和所述管镜之间，所述样品受所述激发光产生的拉曼信号经所述显微物镜进行聚焦后，经所述拉曼滤光片组滤光，再经所述管镜聚焦后射出。

进一步地，所述单色仪系统的入射狭缝宽度为32-40um。

更进一步地，所述单色仪系统的入射狭缝宽度为35 um、32 um或40 um。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的拉曼光谱仪光路原理框图；

图2是根据本发明实施例的拉曼滤光片组的结构示意图

其中 101为激发光源系统，102为扩束装置，201为拉曼滤光片组，301为显微物镜，302为管镜， 401为样品，501为平面反射镜， 601为推拉平面反射镜，701为CCD ，801为单色仪系统，901为单光子计数器, 2011为窄带滤光片，2012为二向分光系统，2013为OD7瑞利滤光片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“联接”、“连通”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参照附图来描述本发明的拉曼光谱检测方法，其中图1是根据本发明实施例的拉曼光谱仪光路原理框图。

根据本发明的实施例，如图1所示，本发明提供的拉曼光谱检测方法，激发光源系统101形成激发光，激发光经过激发光源系统101中的扩束装置102后，形成水平进入拉曼滤光片组201的垂直侧的水平入射光，并形成从与拉曼滤光片组201垂直侧相垂直的水平侧垂直射出的垂直出射光，经过高数值孔径显微物镜301且聚焦在样品401处的光斑，产生拉曼散射，经拉曼滤光片组201滤光、后续聚焦处理后，拉曼信号进入单色仪系统801进行分光处理，之后经单光子计数器901接收，由单色仪系统801和单光子计数器901共同确定拉曼信号波长。

根据本发明的实施例，显微物镜301聚焦后辐射照度是聚焦前的250000倍。

根据本发明的一些实施例，显微物镜301采用的是数值孔径为大于0.4的显微物镜，显微物镜的数值孔径NA可以为0.4以上。由于采用了大数值孔径的显微物镜，有利于增加拉曼散射的收集效率，甚至使得激发效率只有10^-6甚至更低的拉曼信号探测得以实现并商用。

根据本发明的一些实施例，光斑辐射照度大于1.6×10⁹W/m²。

根据本发明的一些实施例，光斑的直径小于1.6um。由此，可以使激光能量能够更加集中，从而能够大大提高拉曼散射的激发光能量。在一个示例中，通过扩束镜进行7倍以上的扩束来实现上述光斑的聚焦。

根据本发明的一些实施例，聚焦处理使用管镜302进行汇聚。

根据本发明的一些实施例，拉曼光谱检测方法还包括成像调节处理，成像调节处理将经过拉曼滤光片组201滤光和后续聚焦处理后形成的信号进行成像调节处理。

更进一步地，成像调节处理将聚焦处理后的信号成像于单色仪系统801中的入射窄缝处。

更进一步地，成像调节处理中采用的是固体样品成像系统，固体样品成像系统包括推拉反射装置601、CCD成像装置，推拉反射装置601带有滑动装置，当固体样品需实现对焦，推拉反射装置601移动至光路中，完成对焦后，推拉反射装置601移出光路。

更进一步地，推拉反射装置601为推拉反射镜，CCD成像装置包括CCD701。

更进一步地，CCD成像装置中的CCD靶面到管镜302的距离和单色仪系统801中的入射狭缝到管镜302的距离相等，这样可以轻松实现固体样品的对焦与检测，通过推拉反射镜巧妙的实现对焦与检测的转换。

根据本发明的一些实施例，在聚焦处理后与成像调节之间，还包括一次或多次反射处理。

更进一步地，反射处理使用的反射装置，尤其是反射镜。

更优地，反射处理为一次反射，使用的是45°的平面反射镜501。

进一步地，在所述产生拉曼散射与所述经所述拉曼滤光片组滤光之间还包括采用所述显微物镜聚光处理步骤。

图2是根据本发明的一些实施例，拉曼滤光片组201包括垂直放置的窄带滤光片2011、45°放置的二向分光系统2012以及水平放置的OD7瑞利滤光片2013。

更进一步地，窄带滤光片2011为532nm、785 nm或488 nm窄带滤光片。

根据本发明的一些实施例，拉曼光谱检测方法采用的是包括显微物镜301的显微物镜系统，显微物镜系统采用复消色差平场无穷远金相显微物镜，显微物镜系统还包括管镜302，拉曼滤光片组201安装在显微物镜301和管镜302之间，样品401受激发光产生的拉曼信号经显微物镜301进行聚焦后，经拉曼滤光片组201滤光，再经管镜302聚焦后射出。

根据本发明的一些实施例，单色仪系统801的入射狭缝宽度为32-40um。

更进一步地，单色仪系统801的入射狭缝宽度为35 um、32 um或40 um。

根据本发明的一个实施例，拉曼光谱检测前都需要对样品进行对焦。对液体样品而言，只要打开激光器，使其经过拉曼滤过片201和显微物镜301后聚焦的最小光斑大致位于液体样品的内部就可以了。固体样品的聚焦需借助外光源照明，经固体反射的光经过显微物镜301成像，出射光束经拉曼滤光片201由管镜302聚焦，经过45°平面反射镜501转折光路，再经推拉平面反射镜后，成像于CCD701靶面，通过调节样品的高低使固体介质的表示清晰成像于CCD。开始检测前，把推拉平面反射镜拉离光路，这样才能使拉曼信号成像于单色仪系统801的入射狭缝处。

根据本发明的一个实施例，选用50mW波长532nm超稳定、极小频移的DPSS激光器，激光束经7倍扩束后，直射于532nm窄带滤光片，经45°二向分光镜反射光束垂直入射于20×复消色差、平场、无穷远金相显微物镜，在显微物镜的焦点处会形成直径约1.6um的光斑用于激发微弱的拉曼信号，散射的信号再经显微物镜，穿过45°二向分光镜入射于OD7瑞利滤光片，在此瑞利散射信号被拦截掉，只剩拉曼信号可以通过，平行的拉曼光线经过焦距为200mm的管镜聚焦后再经45°平面反射镜反射垂直入射于Czerny-Turner单色仪的入射狭缝，拉曼信号经过单色仪的分光后，经单光子计数器接收。拉曼信号光的波长由单色仪配合单光子计数器共同确定。

根据本发明的一个实施例，固体样品对焦时，在显微物镜的外壳上固定环形LED照明灯，调节LED灯高低，使其在显微物镜的工作距离处亮度最大。将推拉反射镜推入光路中，打开CCD保护盖，调节样品的三维坐标，使其在CCD中能清晰成像。调节样品位置时，可以打开激光器初步确保样品的位置，然后再用三维调整架对样品进行微调聚焦。

本发明提供的拉曼光谱检测方法能够本发明能够通过使用一侧接收水平入射光并在另一侧形成与入射光垂直的出射光的拉曼滤光片组、聚焦形成高强度激发光并激发样品形成拉曼信号，并使用单色仪与单光子计数器结合对拉曼信号进行检测的方法，具有速度快、效率准确度高以及可以检测出的拉曼信号微弱的物质，如水，的拉曼峰的效果。

本发明在检测拉曼信号方面快速、高效、准确，甚至连拉曼信号极弱的水的拉曼峰也可以检测得到。此光路还另一大优点，就是可以应用上述固体对焦方法，来进行显微影像测量。经实验发现，系统的分辨率可以得到0.8um。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (16)

1.一种拉曼光谱检测方法，其特征在于，

激发光源系统形成激发光，所述激发光经过所述激发光源系统中的扩束装置后，形成水平进入拉曼滤光片组的垂直侧的水平入射光，并形成从与所述拉曼滤光片组所述垂直侧相垂直的水平侧垂直射出的垂直出射光，经过高数值孔径显微物镜且聚焦在样品处的光斑，产生拉曼散射，经所述拉曼滤光片组滤光、后续聚焦处理后，拉曼信号进入单色仪系统进行分光处理，之后经单光子计数器接收，由所述单色仪系统和所述单光子计数器共同确定拉曼信号。

2.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述显微物镜采用的是数值孔径为大于0.4的显微物镜。

3.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述光斑辐射照度大于1.6×10⁹W/m²。

4.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述光斑的直径小于1.6um。

5.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述聚焦处理使用管镜进行聚焦。

6.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述拉曼光谱检测方法还包括成像调节处理，所述成像调节处理将经过所述拉曼滤光片组滤光和所述后续聚焦处理后形成的信号进行成像调节处理。

7.根据权利要求6中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述成像调节处理将聚焦处理后的信号成像于所述单色仪系统中的入射窄缝处。

8.根据权利要求6中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述成像调节处理中采用的是固体样品成像系统，所述固体样品成像系统包括推拉反射装置、CCD成像装置，所述推拉反射装置带有滑动装置，当固体样品需实现对焦，所述推拉反射装置移动至光路中，完成对焦后，所述推拉反射装置移出光路。

9.根据权利要求8中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述CCD成像装置中的CCD靶面到所述管镜的距离和所述单色仪系统中的入射狭缝到所述管镜的距离相等。

10.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，在所述聚焦处理后与所述成像调节之间，还包括一次或多次反射处理。

11.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，在所述产生拉曼散射与所述经所述拉曼滤光片组滤光之间还包括采用所述显微物镜聚光处理步骤。

12.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述拉曼滤光片组包括垂直放置的窄带滤光片、45°放置的二向分光系统以及水平放置的瑞利滤光片。

13.根据权利要求12中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述窄带滤光片为532nm、785 nm或488 nm窄带滤光片。

14.根据权利要求1中的拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述拉曼光谱检测方法采用的是包括所述显微物镜的显微物镜系统，所述显微物镜系统采用复消色差平场无穷远金相显微物镜，所述显微物镜系统还包括管镜，所述拉曼滤光片组安装在所述显微物镜和所述管镜之间，所述样品受所述激发光产生的拉曼信号经所述显微物镜进行聚焦后，经所述拉曼滤光片组滤光，再经所述管镜聚焦后射出。

15.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪光路装置，其特征在于，所述单色仪系统的入射狭缝宽度为32-40um。

16.根据权利要求15所述的拉曼光谱仪光路装置，其特征在于，所述单色仪系统的入射狭缝宽度为35 um、32 um或40 um。