CN106370642A - 一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，包括激光器、准直透镜Ⅰ、双向分色镜、显微镜头、聚焦透镜、狭缝、准直透镜Ⅱ、反射衍射光栅、成像聚焦透镜、DMD芯片、采集聚焦透镜组、探测器、模数转换器、微处理器和液晶屏。本发明的拉曼光谱仪利用DMD芯片和单元InGaAs探测器代替传统拉曼光谱仪所用的阵列CCD探测器，降低了分析成本，缩小了仪器的体积，达到便携的目的。本发明专用于食品和药品的检测，过程快速准确，对样品无损，便于携带，不需要放置在专用的光学平台上，同时对使用环境要求也比较低。

Description

一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析和食品药品检测技术领域，特别是涉及一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪。

背景技术

食品药品安全直接关系我们的健康和生命安全，近年来，我国食品药品安全问题频发，虽然国家相关部门的监管在不断加强，但是问题食品和假冒药品仍不断出现在市场上，所以亟需推广一种方便、有效且快速的检测手段，让民众能够看到检测结果，放心购买食品与药品。

拉曼光谱技术是一种基于拉曼效应的有效的检测分析手段。拉曼效应是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出组成物质的分子的种类。自1928年印度科学家拉曼发现拉曼现象以来，经过几十年来科学家共同的努力，拉曼光谱技术得到了极大的发展。基于拉曼现象设计的拉曼光谱仪性能不断提升，具有很大的实际应用价值。传统的拉曼光谱仪体积较大，内部结构精密，造价昂贵，需要放置在光学平台上，对使用环境要求较高，不仅分析成本相对较高，也不方便携带，不适合推广应用

综上所述，如何解决拉曼光谱仪不方便携带、对使用环境要求较高以及成本较高的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，以解决上述现有技术存在的问题，使拉曼光谱仪方便携带、对使用环境要求较低以及成本较低。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，包括激光器、准直透镜Ⅰ、双向分色镜、显微镜头、聚焦透镜、狭缝、准直透镜Ⅱ、反射衍射光栅、成像聚焦透镜、DMD芯 片、采集聚焦透镜组、探测器、模数转换器、微处理器和液晶屏，所述激光器产生激光，所述激光经过依次排列的所述准直透镜Ⅰ、双向分色镜和显微镜头照射到样品A上产生拉曼散射信号，所述拉曼信号返回所述显微镜头，收集后经过依次排列的所述双向分色镜、聚焦透镜、狭缝和准直透镜Ⅱ照射到所述反射衍射光栅上；所述反射衍射光栅反射出来的光经过所述成像聚焦透镜聚焦后照射到所述DMD芯片上，所述DMD芯片依次选择反射特定波长的光经过所述采集聚焦透镜组进入所述探测器，所述探测器、模数转换器、微处理器和液晶屏依次连接。

优选地，本发明的拉曼光谱仪还包括数据库，所述数据库可以进行数据的添加和删减，所述数据库中包含常见的食品、药品、添加剂、化学试剂、有毒物品的光谱数据。

优选地，所述微处理器分析检测得到的数据并与所述数据库中已有数据进行比对，反馈检测结果到所述液晶屏。

优选地，所述激光器为半导体激光器或半导体泵浦的激光器，波长为980-1064nm，激光功率为50-100mW，带宽小于0.01nm，光斑直径小于3um。

优选地，所述探测器为单元InGaAs探测器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的拉曼光谱仪利用DMD芯片和单元InGaAs探测器代替传统拉曼光谱仪所用的阵列CCD探测器，降低了分析成本，缩小了仪器的体积，达到便携的目的。本发明专用于食品和药品的检测，过程快速准确，对样品无损，不需要放置在专用的光学平台上，对使用环境要求较低，能够推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

其中，1是激光器，2是准直透镜Ⅰ，3是双向分色镜，4是显微镜头，5是聚焦透镜，6是狭缝，7是准直透镜Ⅱ，8是反射衍射光栅，9是成像聚焦透 镜，10是DMD芯片，11是采集聚焦透镜组，12是探测器，13是模数转换器，14是微处理器，15是液晶屏。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，包括激光器1、准直透镜Ⅰ2、双向分色镜3、显微镜头4、聚焦透镜5、狭缝6、准直透镜Ⅱ7、反射衍射光栅8、成像聚焦透镜9、DMD芯片10、采集聚焦透镜组11、探测器12、模数转换器13、微处理器14和液晶屏15。

激光器1产生激光，激光器1为长波长设计，由于波长越短，荧光的干扰越大，处理的难度也越高，所以选择长波长的激光器更适合用于食品和药品等荧光背景较强的样品检测。

准直透镜Ⅰ2能够将激光器1产生的激光转变为平行光照射到双向分色镜3上。

双向分色镜3能够反射拉曼信号光，而透射瑞利散射光，其作用相当于分光镜和瑞利滤光片的结合。瑞利散射强度远大于拉曼散射，若不滤除瑞利散射，拉曼散射的信号将被淹没，无法有效检测到。

显微镜头4能够对输入的激光进行聚焦，照射到样品A，还可以收集样品A反射的拉曼信号用于之后的分析。

显微镜头4和聚焦透镜5能够将信号聚焦到狭缝6，并于被测样品位置产生共聚焦，狭缝6既能能减小杂散光的干扰，又能限定被测位置的大小。

准直透镜Ⅱ7能够将狭缝6穿过的光转变为平行光照射到反射衍射光栅8上。

反射衍射光栅8能够将入射光按照波长的不同进行色散，形成光谱后由成像聚焦透镜9成像到DMD芯片10上。DMD芯片10由很多微小的镜片组成，称为“微反射镜阵列”，微反射镜是依靠反射光线工作的。光谱在DMD芯片10上成像后，通过控制不同微反射镜阵列不同列的偏转角度，可以选择光谱中不同波长的光依次进入探测器，最终得到完整谱图。DMD芯片10具有波长选通作用，能够依次选择反射光谱中不同波长的光经采集聚焦透镜组11进入探测器12，探测器12能够分时测出不同波长的信号强度，最后形成完整的光谱。模数转换器13能够将采集到的模拟光谱信号转换为数字信号以便微处理器14处理。微处理器14处理的最后结果显示到液晶屏15上。

本发明的拉曼光谱仪还包括数据库，所述数据库可以进行数据的添加和删减，所述数据库中包含常见的食品、药品、添加剂、化学试剂、有毒物品的光谱数据。微处理器14能够分析检测得到的数据并与所述数据库中已有数据进行比对，最后将检测结果反馈到液晶屏15上。

准直透镜Ⅰ2、双向分色镜3、显微镜头4、聚焦透镜5、狭缝6和准直透镜Ⅱ7构成了前半部分光学系统，其主要目的是为了收集激光照射到样品A上产生的拉曼散射信号，由于拉曼散射信号较弱，所以需要尽可能地排除其他杂散光对信号的干扰，提高系统的信噪比。

反射衍射光栅8、成像聚焦透镜9、DMD芯片10和采集聚焦透镜组11构成后半部分光学系统，其主要用于拉曼光谱的获得，从准直透镜Ⅱ7出来的平行光为复色光，包含了多个波长，为了得到光谱，需要将拉曼信号按照波长分开成像。反射衍射光栅8就起到了分光的作用，反射衍射光栅8是整个光谱仪的核心元件，它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，由成像聚焦透镜9聚焦到DMD芯片10上形成光谱图像。

本发明的一个具体实施方式如下：

食品或者药品样品A置于样品池或者测试容器中，激光器1产生985nm的激光通过准直透镜Ⅰ2准直，以45°的角度入射并穿过双向分色镜3，再经过显微镜头4照射到样品A上，由于拉曼效应的存在，样品A产生拉曼散射光，其波长与入射激光的波长不同，同时也产生大量的瑞利散射光，其波长与入射激光波长相同。显微镜头4收集样品A产生的拉曼散射光和瑞利散射光，同样 以45°的角度入射到双向分色镜3，此时，瑞利散射光与激光波长相同，将在双向分色镜3上发生透射，不进入后边光路，而波长发生改变的拉曼散射光在双向分色镜3上发生反射，以45°角射出，经过聚焦透镜5聚焦到狭缝6，狭缝6的作用是减小杂散光的影响，聚焦透镜5能够将信号光聚恰好焦到狭缝当中，此外，狭缝的宽度决定了光谱的分辨率。

狭缝6出来后的光经准直透镜Ⅱ7准直后照射到反射衍射光栅8，反射衍射光栅8可以根据波长的不同进行色散，形成光谱由成像聚焦透镜9聚焦到DMD芯片10。DMD芯片10起到波长选通的作用，由于单元InGaAs探测器12不能同时接收整个光谱，所以利用DMD芯片10分时按照波长从短到长依次将光谱中不同波长的光反射到探测器中，当选择反射985nm波长的光时，DMD芯片10微镜阵列对应985nm波长的一列或者几列微镜将发生+12°的偏转，入射光在这个角度下恰好能反射进入单元InGaAs探测器，而非985nm波长光对应的微镜阵列将发生-12°的偏转，将光线以其他角度射出，不进入单元InGaAs探测器，经过多次反射不同的波长的光，最终拼成完整的谱图。

单元InGaAs探测器12将模拟信号输出，经模数转换器13转换为数字信号输入到微处理器14，微处理器14能够将检测到的数据与数据库中的数据对比，数据库包含常见的食品添加剂、化学试剂、毒品、药品等的光谱数据用于分析对比，且可以不断更新添加新数据，若检测到的物质与数据库中现有的数据(如苏丹红等)匹配，微处理器14根据光谱数据分析出其含量，最后将检测结果输出显示到液晶屏15上。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，其特征在于：包括激光器(1)、准直透镜Ⅰ(2)、双向分色镜(3)、显微镜头(4)、聚焦透镜(5)、狭缝(6)、准直透镜Ⅱ(7)、反射衍射光栅(8)、成像聚焦透镜(9)、DMD芯片(10)、采集聚焦透镜组(11)、探测器(12)、模数转换器(13)、微处理器(14)和液晶屏(15)，激光器(1)产生激光，所述激光经过依次排列的准直透镜Ⅰ(2)、双向分色镜(3)和显微镜头(4)照射到样品A上产生拉曼散射信号，拉曼信号返回显微镜头(4)，收集后经过依次排列的双向分色镜(3)、聚焦透镜(5)、狭缝(6)和准直透镜Ⅱ(7)照射到反射衍射光栅(8)上；反射衍射光栅反射出来的光经过成像聚焦透镜(9)聚焦后照射到DMD芯片(10)上，DMD芯片(10)依次选择反射特定波长的光经过采集聚焦透镜组(11)进入探测器(12)，探测器(12)、模数转换器(13)、微处理器(14)和液晶屏(15)依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，其特征在于：还包括数据库，所述数据库可以进行数据的添加和删减，所述数据库中包含常见的食品、药品、添加剂、化学试剂、有毒物品的光谱数据。

3.根据权利要求2所述的一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，其特征在于：微处理器(14)分析检测得到的数据并与所述数据库中已有数据进行比对，反馈检测结果到液晶屏(15)。

4.根据权利要求1所述的一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，其特征在于：激光器(1)为半导体激光器或半导体泵浦的激光器，波长为980-1064nm，激光功率为50-100mW，带宽小于0.01nm，光斑直径小于3um。

5.根据权利要求1所述的一种检测食品和药品专用的便携拉曼光谱仪，其特征在于：探测器(12)为单元InGaAs探测器。