CN106383105B - 可自动调整测样距离的拉曼光谱测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可自动调整测量距离的拉曼信号探测装置，包括：拉曼探头、载物台、数控位移台、控制器、激光器、光谱仪和计算机；载物台上放置样品，拉曼探头安装于数控位移台上，且拉曼探头与载物台相对移动；激光器作为激发光源，激光传导至拉曼探头激发端，经过拉曼探头传导、纯化并会聚至样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的拉曼散射光信号，经过滤光后传导到光谱仪；计算机根据光谱仪的输出信号变化判断样品是否在焦点处，若不在焦点处，给控制器发出指令，控制器控制数控位移台带动拉曼探头作相应的移动。本发明能够自动精确调整测量距离，使拉曼信号最大化且稳定；可对表面粗糙不平的样品进行直接检测，而不需要样品前处理。

Description

可自动调整测样距离的拉曼光谱测量装置与方法

技术领域

本发明涉及光学机械、仪器学领域，具体地，涉及一种在激光拉曼光谱测量或拉曼光谱仪中使用的可自动调整测量距离的拉曼信号探测装置与方法。

背景技术

便携式拉曼光谱仪具有体积小、速度快、现场化等优点，在药品、食品安全、珠宝检测等领域具有广阔的应用前景。便携式拉曼光谱仪一般由小型半导体激光器、拉曼光纤探头、光谱仪及计算机系统构成。其中，光纤拉曼探头一方面将激光传导、纯化并会聚至样品，另一方面收集样品的拉曼散射信号，经过滤光后传导到光谱仪。

为了获得较强的拉曼信号，需要将激光精确地对准聚焦于被测样品以获得较高的激光能量密度。因此，在大型拉曼测量系统中都配置了显微聚焦系统，操作人员借助显微图像进行人工对焦。目前，商品化便携式拉曼光谱仪系统因体积限制一般不含显微聚焦系统，而拉曼光纤探头仅能通过手动调节的方式对焦，操作麻烦，无法精确对焦，导致拉曼强度减弱，信号不稳定等等。

商品化的一种定距离探头通过在探头前加装固定长度套筒来固定测量距离从而确保聚焦的新型探头。这种探头在一定程度上简化了调整距离的对焦操作过程，但使用这种探头进行测量时，套筒必须与样品进行接触，如果样品表面不平整，将不能精确聚焦，同时也容易对样品表面造成污染。

经检索，公开号为CN 103630493A的中国发明申请，该发明公开一种拉曼光谱测量系统。该拉曼光谱测量系统包括：线偏振激光光源；全反射元件，位于线偏振激光光源一侧；多孔金属膜，直接或间接的紧贴于全反射元件，全反射元件和多孔金属膜的交界面作为全反射面；以及拉曼探头。其中，线偏振激光光源产生磁场振动方向平行于全反射面的线偏振激光束，入射全反射元件；在全反射面发生全反射；全反射产生的横磁偏振消逝场激励多孔金属膜的表面等离子体共振，进而导致多孔金属膜内/外表面处电磁场的增强；增强的电磁场激发位于多孔金属膜内/外表面的被测物分子拉曼信号；被拉曼探头所探测。

上述专利基于全反射产生的横磁偏振消逝场激励多孔金属膜的表面等离子体共振，进而导致多孔金属膜内/外表面处电磁场的增强，主要目的是使得样品的拉曼信号获得增强。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种能够自动调整测样距离的拉曼光谱测量装置与方法，对拉曼探头与样品之间的距离做自动化的调整使得准确对焦，使样品处获得较高的激光能量密度，进而获得样品较强的拉曼信号。

根据本发明的第一方面，提供一种可自动调整测样距离的拉曼光谱测量装置，所述装置包括：拉曼探头、载物台、数控位移台、控制器、激光器、光谱仪和计算机；其中：

所述载物台上放置样品，所述拉曼探头安装于所述数控位移台上，且所述拉曼探头与所述载物台相对移动；所述数控位移台由所述控制器控制，执行所述计算机命令做移动，使得样品与拉曼探头之间的距离发生改变；

所述激光器作为激发光源，激光传导至拉曼探头激发端，经过拉曼探头传导、纯化并会聚至样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的拉曼散射光信号，经过滤光后传导到所述光谱仪；

所述计算机根据所述光谱仪获取的来自样品的拉曼光谱信号的变化规律判断样品是否在焦点处，如果不在焦点处，发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述数控位移台作相应的位移；

所述数控位移台在以设定步距移动的同时，计算机相应的记录所述光谱仪输出的样品拉曼光谱信号的变化，控制所述数控位移台移动，搜索出在整个移动过程中拉曼信号最强点所对应的位移，使所述所述数控位移台返回到此处即为焦点。

优选地，所述光谱仪将来自样品的拉曼散射光信号按波长分开并由CCD将光信号转化为电信号，再经过模数转换后，由计算机得到拉曼光谱强度的数字信号。

根据本发明的第二方面，提供一种可自动调整测样距离的拉曼光谱测量方法，包括如下步骤：

S1：将样品置于载物台上；

S2：将拉曼探头置于数控位移台上方，距离样品一距离处；

S3：打开激光器输出一激光，进入拉曼探头，经过拉曼探头传导、纯化并会聚至样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的拉曼散射光信号，经过滤光后传导到光谱仪；

S4：光谱仪测量出拉曼光谱信号传送给计算机；

S5：计算机发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述数控位移台往一方向以一步距移动，光谱仪测量出拉曼光谱信号传送给计算机；

S6：计算机根据所述光谱仪获取的来自样品的拉曼光谱信号的变化判断样品是否在焦点处，如果不在焦点处，发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述数控位移台作相应的位移，直至收集到的拉曼信号最大，完成对焦。

优选地，所述数控位移台通过位移调节装置进行位移调整，具体按照以下步骤进行：

a)拉曼探头与样品初始距离为n，此时初始光谱信号为p₁；

b)控制位移调节装置向样品靠近的方向移动一个大步距D(例如200um)，测量此时光谱信号为p₂；控制数控位移台与样品远离的方向移动两个大步距，测量此时光谱信号为p₀；控制数控位移台再向样品靠近的方向移动一个大步距，至初始距离n处；

c)比较三次获得的光谱信号值p₀、p₁、p₂：

若p₂最大，则令数控位移台继续向样品8方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以前进一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₂值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；

若p₀最大，则向样品8反方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以后退一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₀值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；

同样，若p₁最大，则焦点处于p₀、p₂之间。

d)确定焦点所处的大概范围后，缩短步距继续寻找焦点位置，循环直至接近设定的精度范围。

以上为爬坡算法的实现过程，p₂最大时的具体表现如图2，流程图如图3。

优选地，所述d)中，缩短步距继续寻找焦点位置，是指：比较相邻两点的光谱信号大小，直至找出相对更大值的点，并令拉曼探头移动到此位置。

现有的实现对焦的方法，一为大型拉曼光谱仪所附带的显微系统，该系统需要人为操作，测量人员根据显微图像寻找对焦位置；二为固定长度的套筒，套筒长度需与拉曼探头的聚焦透镜的焦距一致，测量过程套筒紧贴样品表面，易对样品造成污染，且对于表面凹凸的样品，套筒作用近乎失效。本发明旨在对拉曼探头与样品之间的距离做自动化的调整使得准确对焦，使样品处获得较高的激光能量密度，进而获得样品较强的拉曼信号。整个对焦过程无须人工干预，无须显微对焦系统，同时避免拉曼探头和样品的表面接触，维护了探头端的清洁，能够自动精确调整测量距离，使拉曼信号最大化且稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明避免了人为手动操作，能够精确对焦，使拉曼信号最大化且稳定；对比于现有商品化的增加固定距离套筒的探头，本发明技术可对表面粗糙不平的样品进行直接检测，而不需要样品前处理。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的装置结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的快速爬坡法(Fast climbing search)算法示意图；

图3为本发明一优选实施例的快速爬坡法算法流程图；

图4为本发明一优选实施例的实测中探头焦平面与样品之间的距离与拉曼信号强度关系曲线；

图中：100为拉曼探头，200为数控位移台，300为控制器，400为激光器，500为光谱仪，600为计算机；

1为激光激发端光纤，2为信号收集端光纤，3为第一滤光片，4为反射镜，5为透镜，6为第二滤光片，7为第三滤光片，8为样品，9为载物台。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种可自动调整测量距离的拉曼信号探测装置，包括：拉曼探头100，数控位移台200，控制器300，激光器400，光谱仪500，计算机600，载物台9；其中：

所述载物台9上放置样品8，所述拉曼探头100安装于所述数控位移台200上，且所述拉曼探头100与所述载物台9相对移动；所述数控位移台200由所述控制器300控制，执行所述计算机600命令做移动，使得样品8与拉曼探头100之间的距离发生改变。

所述控制器300在数控位移台200后侧，激光器400和光谱仪500分别通过激光激发端光纤1和信号收集端光纤2与拉曼探头100相连，控制器300、激光器400、光谱仪500均与计算机600连接。所述数控位移台200固定拉曼探头100工作在一个固定平面上。

如图1所示，激光器400作为激发光源，经光纤1传导至拉曼探头100，经过拉曼探头100传导、纯化并会聚至样品8上，同时拉曼探头100接收端收集样品8的拉曼散射光信号，经过滤光后经光纤2传导到光谱仪500；光谱仪500将光信号按波长分开并由CCD将光信号转化为电信号，再经过模数转换后，由计算机600得到拉曼光谱强度的数字信号。另一方面，样品8放置在载物台9上，拉曼探头100固定于数控位移台200上，数控位移台200由控制器300控制，控制器300与计算机600相连，控制器300执行计算机600命令驱动数控位移台200做运动，使得样品8与拉曼探头100之间的距离发生改变。

计算机600根据从光谱仪500处获得的拉曼光谱强度的数字信号的变化规律判断样品8是否在焦点处，如果样品8不在焦点处，发出指令给控制器300，由控制器300控制数控位移台200作相应的位移；如此反复多次，直至样品8在拉曼探头100焦距处或设定的精度范围内。

优选地，所述数控位移台200在以设定步距移动的同时，计算机600相应的记录所述光谱仪500输出的样品拉曼光谱信号的变化，控制所述数控位移台200移动，搜索出在整个移动过程中拉曼信号最强点所对应的位移，使所述所述数控位移台200返回到此处即为焦点。

本实施例中，激光器400的激发光中心波长可以为785nm，也可以是532nm、633nm、830nm、1064nm等，可以根据实际需要来选择。

本实施例中，拉曼探头100直接获取到拉曼信号，传导到光谱仪500形成拉曼图谱，整个信号的监测是对整个拉曼图谱的分析。

本实施例对拉曼探头与样品之间的距离做自动化的调整使得准确对焦，使样品处获得较高的激光能量密度，进而获得样品较强的拉曼信号。整个对焦过程无须人工干预，无须显微对焦系统，同时避免拉曼探头和样品的表面接触，维护了探头端的清洁，能够自动精确调整测量距离，使拉曼信号最大化且稳定。

实施例2

本实施例提供一种可自动调整测量距离的拉曼信号探测装置，包括：拉曼探头100，数控位移台200，控制器300，激光器400，光谱仪500，计算机600；与实施例1不同之处在于：

所述数控位移台200设有位移调节装置，所述位移调节装置为一种可在三维移动的精确调整装置，尤其是指能在三维移动的步进电机控制或压电陶瓷控制的三维移动装置，用于实现拉曼探头100和/或样品8的移动。

由于拉曼探头100与样品8存在相对运动，可将样品8固定，拉曼探头100作三维运动，也可以反过来将拉曼探头100固定，样品8作三维移动，或者也可以采取拉曼探头100作一维运动与样品8作二维运动相结合的方式，样品8在与拉曼探头100输出光束垂直的平面作二维相对移动的情况特别适合于需要对多个位置进行扫描检测的情形，例如当拉曼与薄层色谱等技术进行联用时，需要对展开在薄层板上多个位置样品8进行拉曼光谱测量。

所述位移调节装置可与拉曼探头100以及数控位移台200固定连接，拉曼探头100可以与载物台9相对移动。

本实施例采用三维移动的精确调整装置可以方便的实现对样品不同位置处的拉曼信号进行测量，充分发挥拉曼原位分析测量的优势，使拉曼测量与分析更加方便。例如当拉曼与薄层色谱等技术进行联用时，需要对展开在薄层板上多个位置点进行拉曼光谱测量。

实施例3

基于上述实施例中的装置，一种可自动调整测样距离的拉曼信号探测方法，步骤如下：

a)将样品8置于载物台9上；

将拉曼探头100置于数控位移台200上方距离样品5-9mm处；拉曼探头100包含第一滤光片3，反射镜4，透镜5，第二滤光片6，第三滤光片7；

b)打开激光器400输出一激光，经激光激发端光纤1进入拉曼探头100，经过第一滤光片3对光谱进行纯化处理，再依次经过反射镜4反射、第二滤光片6反射来改变光束路径，最后由透镜5将激光聚焦于样品8；

c)样品8被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头100由透镜5收集，其中的拉曼散射光透过由第二滤光片6和第三滤光片7进入信号收集端光纤2，再由光谱仪500测量出拉曼光谱信号传送给计算机600；非拉曼信号光由第二滤光片6和第三滤光片7所阻挡抑制，因此不能到达信号收集端光纤2；

d)计算机600根据采集到的拉曼信号的强度发送指令给控制器300，控制器300控制数控位移台200移动，直至收集到的拉曼信号最大，完成对焦。

实施例4

作为本发明一优选实施方式，本实施例具体说明如何根据光谱信号的变化来移动，改变距离，直到最佳距离处，且快速完成这个过程。

为了加快速度，本实施例中采用快速爬坡法，即先令数控位移平台以大步距搜索出最佳测量距离所在的大概范围，后在此相对较小的范围内令数控位移平台以小步距精确寻找最佳测量距离，整个移动过程中拉曼信号最强点所对应的位移处即为最佳测量距离。

与实施例3不同之处在于，在探测方法中采用位移调节装置进行位移调整，具体调整按照以下步骤：

a)拉曼探头100与样品8初始距离为4～10mm，此时初始光谱信号为p₁；

b)控制位移调节装置向样品8靠近的方向移动一个大步距D(例如200um)，测量此时光谱信号为p₂；控制数控位移台200向样品8远离的方向移动两个大步距，测量此时光谱信号为p₀；控制数控位移台向样品靠近的方向移动一两个大步距，至初始距离n处；

c)比较三次获得的光谱信号值p₀、p₁、p₂：若p₂最大，则令数控位移台继续向样品8靠近的方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以前进一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₂值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；若p₀最大，则向样品8反方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以后退一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₀值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；同样，若p₁最大，则焦点处于p₀、p₂之间。以上为爬坡算法的实现过程，p₂最大时的具体表现如图2，流程图如图3。

d)确定焦点所处的大概范围后，以小步距d(例如20um)继续寻找焦点位置，具体方法为比较相邻两点的光谱信号大小，直至找出相对大值点，并令拉曼探头100移动到此位置。

如图4所示，为在考虑到信号波动的情况下，拉曼探头100与样品8相对距离每改变20微米，拉曼信号的强度变化。所述装置可实现焦点附近20微米以内的精确控制，整个自动对焦过程的时间控制在10秒以内，所获取的拉曼信号也可达到手动对焦时最强信号的90％以上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种可自动调整测样距离的拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述方法采用可自动调整测样距离的拉曼光谱测量装置：

所述装置包括：拉曼探头、载物台、数控位移台、控制器、激光器、光谱仪和计算机；其中：

所述载物台上放置样品，所述拉曼探头安装于所述数控位移台上，且所述拉曼探头与所述载物台相对移动；所述数控位移台由所述控制器控制，执行所述计算机命令做移动，使得样品与拉曼探头之间的距离发生改变；所述数控位移台设有位移调节装置，所述位移调节装置为一种能在三维移动的精确调整装置，用于实现拉曼探头和/或样品的移动；

所述激光器作为激发光源，激光传导至拉曼探头激发端，经过拉曼探头传导、纯化并会聚至样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的拉曼散射光信号，经过滤光后传导到所述光谱仪；

所述方法包括如下步骤：

S1：将样品置于载物台上；

S2：将拉曼探头置于数控位移台上方，距离样品一距离处；

S3：打开激光器输出一激光，进入拉曼探头，经过拉曼探头传导、纯化并会聚至样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的拉曼散射光信号，经过滤光后传导到光谱仪；

S4：光谱仪测量出拉曼光谱信号传送给计算机；

S5：计算机发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述数控位移台往一方向以一步距移动，光谱仪测量出拉曼光谱信号传送给计算机；

S6：计算机根据所述光谱仪获取的来自样品的拉曼光谱信号的变化判断样品是否在焦点处，如果不在焦点处，发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述数控位移台作相应的位移，直至收集到的拉曼信号最大，完成对焦；

所述数控位移台通过位移调节装置进行位移调整，以收集样品最大拉曼信号，实现准确对焦：

a)拉曼探头与样品初始距离为n，此时初始光谱信号为p₁；

b)控制位移调节装置向样品方向移动一个大步距，测量此时光谱信号为p₂；控制数控位移台与样品所在的相反方向移动两个大步距，测量此时光谱信号为p₀；控制数控位移台向样品方向移动一个大步距，至初始距离n处；

c)比较三次获得的光谱信号值p₀、p₁、p₂：

若p₂最大，则令数控位移台继续向样品方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以前进一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₂值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；

若p₀最大，则向样品反方向移动一个大步距，此时光谱信号记为p₁，而p₀、p₂也以后退一个大步距所得的值为当前值，直至出现p₀值不再最大，此时p₀与p₂之间的即为焦点所处的大概范围；

若p₁最大，则焦点处于p₀、p₂之间；

d)确定焦点所处的大概范围后，缩短步距继续寻找焦点位置，循环直至寻找到最佳测量距离，整个移动过程中拉曼信号最强点所对应的位移处即为最佳测量距离；

所述d)中，缩短步距继续寻找焦点位置，是指：比较相邻两点的光谱信号大小，直至找出相对大值点，并令拉曼探头移动到此位置；

所述位移调节装置是指能在三维移动的步进电机控制或压电陶瓷控制的三维移动装置。

2.根据权利要求1所述的可自动调整测样距离的拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述光谱仪将来自样品的拉曼散射光信号按波长分开并由CCD将光信号转化为电信号，再经过模数转换后，由计算机得到拉曼光谱强度的数字信号。

3.根据权利要求1-2任一项所述的可自动调整测样距离的拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述位移调节装置与拉曼探头以及数控位移台固定连接，拉曼探头与载物台相对移动。

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