CN105866099A - 一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，涉及光谱分析仪器技术领域。本发明基于拉曼散射是一种瞬时效应，其持续时间远小于荧光寿命这一现象，采用脉冲激光器进行激发，通过起偏器、电光调制器和门控电路限制拉曼散射光束的采集时间，在激发光脉冲结束的同时停止拉曼散射光的采集。该拉曼光谱采集系统可使后续时间内的荧光信号不被探测器检测到，消除后面的荧光背景对拉曼光谱的影响。该拉曼光谱采集系统结构简单，能够消除大部分背景荧光，有效地降低荧光对拉曼散射光谱的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，是光通过介质时入射光与分子相互作用而引起的频率发生变化的散射，是一种利用分子振动—转动信息的光谱分析法。它作为一种新兴发展起来的分析手段可提供快速、简便、可重复、无需对样品进行前处理的检测，通过光纤探头或石英器皿就可直接测量，从而对物质进行无损伤、快速的定性定量分析。
拉曼光谱技术是一种非破坏性测试技术，它适用于物质的各种物理形态，其应用范围包括：材料、化工、生物医学、环保、考古、地质、以致商贸和刑事司法等。光照射到被测物质上有三种去向：一部分被透射；一部分被吸收；还有一部分被反射或散射。散射光中包括与入射光波长相同的直接反射光，还包括：部分与入射光波长不相同、波长变化与物质分子性质有关的光。其中拉曼散射光由分子振动和转动导致的波长变化引起，荧光和磷光由物质被入射光激发导致的能级跃迁释放引起。
拉曼光谱分析中，最主要的干扰因素是荧光，由于有机分子或样品中污染物的荧光影响，常会使拉曼光谱产生荧光背景信号，表现为一个典型的倾斜宽背景，使基线偏离，信噪比下降，影响数据进一步分析处理，有时甚至会将拉曼信号覆盖。
现有的荧光背景处理多采用的软件处理方法，例如：样条拟合、傅里叶变换、小波变换等基线校正方法，这些方法复杂、且处理效果并不十分理想。在实际应用中，普遍采用的是调整激发波长至不产生荧光区域，从而绕过荧光产生的被动方法，然而，对于固定检测范围的微小型拉曼光谱仪是难以实现的解决方案。
因此有必要提出一种简单实用的硬件处理方法，基于拉曼散射光持续时间远小于荧光寿命这一现象，通过门控电路限制信号的积分时间，从而滤除大部分的荧光背景。
其中，荧光寿命为纳秒量级，拉曼散射是一种瞬时效应，其持续时间受限于激发光的持续时间，一般在亚纳秒量级。
传统拉曼光谱采集系统采用连续激光器进行激发，探测器也进行连续积分，容易将整个荧光背景加到拉曼光谱中，严重影响拉曼光谱的采集。
发明内容
本发明提供了一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，本发明采用脉冲激光器进行激发，通过门控电路限制拉曼散射光束的采集时间，在激发光脉冲结束的同时停止对拉曼散射光的采集，消除后续时间内的荧光对拉曼光谱的影响，详见下文描述：
一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，所述拉曼光谱采集系统包括：光源、样品池、起偏器、电光调制器、门控电路、分光元件和探测器，
所述起偏器、所述电光调制器和所述门控电路用于控制拉曼散射光的采集时间，通过限制拉曼散射光的采集时间消除大部分荧光背景；
其中，所述光源采用脉冲激光器，用于产生脉冲激发光束；所述样品池用于盛放被测样品；所述起偏器用于将拉曼散射光转换为线偏振光；
所述电光调制器用于通过改变电光晶体的透光轴方向，限制线偏振光的通过；所述门控电路用于通过输出电压的变化，改变所述电光调制器中电光晶体的透光轴方向；
所述分光元件采用光栅，用于对拉曼散射光束进行分光，使得不同波长的光束入射到所述探测器的不同位置；
所述探测器采用电荷耦合器件CCD，用于将拉曼散射光信号转换成电信号，采集得到拉曼光谱。
其中，所述光源为皮秒脉冲激光器。
所述电光调制器采用Kerr调制器或Pockels调制器。
所述分光元件为光栅。所述探测器采用电荷耦合器件CCD。
本发明提供的技术方案的有益效果是：相对于传统拉曼光谱采集系统采用连续激光器进行照射，探测器进行持续积分，将整个荧光背景加到拉曼散射光谱中，严重影响拉曼散射光谱的采集。本发明提出的拉曼光谱采集系统采用脉冲激光器进行激发，通过起偏器、电光调制器和门控电路控制拉曼散射光的采集时间，消除后续时间内荧光背景对拉曼光谱的影响，本发明能有效地消除大部分背景荧光。
附图说明
图1为拉曼散射光与荧光的光强随时间变化的对比图；
其中，横坐标：时间；纵坐标：光强；虚线框：表示门控电路对采集时间的限制。
图2为本发明提供的一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统的结构示意图。
光源：脉冲激光器，产生脉冲激发光束；样品池：盛放样品；
起偏器：将拉曼散射光转换为线偏振光；电光调制器：通过改变电光晶体的透光轴方向，限制线偏振光的通过；
门控电路：通过输出电压的变化，改变电光调制器中电光晶体的透光轴方向；
分光元件：光栅，对拉曼散射光束进行分光，使得不同波长的光束入射到探测器的不同位置；
探测器：电荷耦合器件CCD，将拉曼散射光信号转换成电信号，采集得到拉曼光谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见图1，基于拉曼散射是一种瞬时效应，其持续时间较荧光寿命非常短，为了解决背景技术中存在的问题，本发明实施例采用脉冲激光器进行激发，通过门控电路限制拉曼散射光束的采集时间，在激发光脉冲结束的同时停止拉曼散射光的采集，消除后续时间内的荧光对拉曼光谱的影响，本发明能够有效地消除大部分背景荧光。
实施例1
参见图2，本发明实施例提供了一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，该拉曼光谱采集系统包括：光源、样品池、起偏器、电光调制器、门控电路、分光元件和探测器，
其中，光源采用脉冲激光器，用于产生脉冲激发光束；样品池用于盛放被测样品；起偏器用于将拉曼散射光转换为线偏振光；电光调制器用于通过改变电光晶体的透光轴方向，限制线偏振光的通过；门控电路用于通过输出电压的变化，改变电光调制器中电光晶体的透光轴方向；分光元件采用光栅，用于对拉曼散射光束进行分光，使得不同波长的光束入射到探测器的不同位置；探测器采用电荷耦合器件CCD，用于将拉曼散射光信号转换成电信号，采集得到拉曼光谱。
具体实现时，当样品具有荧光性或含有杂质时，在进行拉曼光谱采集过程中拉曼散射光往往会被荧光覆盖，严重影响拉曼散射光的采集。拉曼散射是一种瞬时效应，其持续时间受限于激发光的持续时间，脉冲激光照射到被测样品的一瞬间即会产生拉曼散射光束。相对于拉曼散射光，荧光从产生到消失则持续较长的时间，一般拉曼散射光持续时间在亚纳秒量级，而荧光寿命在纳秒量级。采用起偏器、电光调制器和门控电路可以控制拉曼散射光的采集时间，通过限制拉曼散射光的采集时间可以消除大部分荧光背景。
综上所述，本发明实施例采用脉冲激光器进行激发，通过门控电路限制拉曼散射光束的采集时间，在激发光脉冲结束的同时停止拉曼散射光的采集，消除后续时间内的荧光对拉曼光谱的影响，本发明能够有效地消除大部分背景荧光。
实施例2
下面结合图2、具体器件的规格参数对实施例1中的方案进行详细介绍，详见下文描述：
采用皮秒脉冲激光器作为光源，产生中心波长为532nm、功率不小于50mW和线宽不大于0.6nm的激发光束。脉冲激发光束垂直照射到样品池，被测样品受激发产生拉曼散射光束。拉曼散射光束经起偏器转换成线偏振光。
其中，电光调制器可以采用Kerr调制器或Pockels调制器，通过改变透光轴方向，可以限制线偏振光的通过。
门控电路通过输出电压的变化，改变电光调制器的透光轴方向，从而限制拉曼散射光的通过。在激发光脉冲结束的同时控制电光调制器阻断拉曼散射光的通过，停止对拉曼散射光的采集。
拉曼散射光通过电光调制器后经分光元件光栅分光，不同波长的光束入射到探测器的不同位置上。
探测器采用电荷耦合器件CCD，将拉曼散射光信号转换成电信号，最终采集得到具有低荧光背景的拉曼光谱。
综上所述，本发明实施例采用脉冲激光器进行激发，通过门控电路限制拉曼散射光束的采集时间，在激发光脉冲结束的同时停止拉曼散射光的采集，消除后续时间内的荧光对拉曼光谱的影响，本发明能够有效地消除大部分背景荧光。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，所述拉曼光谱采集系统包括：光源、样品池、起偏器、电光调制器、门控电路、分光元件和探测器，其特征在于，
所述起偏器、所述电光调制器和所述门控电路用于控制拉曼散射光的采集时间，通过限制拉曼散射光的采集时间消除大部分荧光背景；
其中，所述光源采用脉冲激光器，用于产生脉冲激发光束；所述样品池用于盛放被测样品；所述起偏器用于将拉曼散射光转换为线偏振光；
所述电光调制器用于通过改变电光晶体的透光轴方向，限制线偏振光的通过；所述门控电路用于通过输出电压的变化，改变所述电光调制器中电光晶体的透光轴方向；
所述分光元件采用光栅，用于对拉曼散射光束进行分光，使得不同波长的光束入射到所述探测器的不同位置；
所述探测器采用电荷耦合器件CCD，用于将拉曼散射光信号转换成电信号，采集得到拉曼光谱。
2.根据权利要求1所述的一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，其特征在于，所述光源为皮秒脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，其特征在于，所述电光调制器采用Kerr调制器或Pockels调制器。
4.根据权利要求1所述的一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，其特征在于，所述分光元件为光栅。
5.根据权利要求1所述的一种具有低荧光背景的拉曼光谱采集系统，其特征在于，所述探测器采用电荷耦合器件CCD。
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