CN106970062A - 一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置 - Google Patents

一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，包括：拉曼探头、488nm激光器、514nm激光器和光谱仪；拉曼探头中集成有488nm激发光纤以及对应的第一激发光路、514nm激发光纤以及对应的第二激发光路、488nm收集光纤以及对应的第一收集光路、514nm收集光纤以及对应的第二收集光路；其中，488nm激发光纤接入488nm激光器，514nm激发光纤接入514nm激光器；488nm收集光纤与514nm收集光纤接入光谱仪。本发明在有效区分番茄红素和β‑胡萝卜素含量的同时，实现了对待测样品的原位检测，消除了系统误差，并使系统调整和检测过程大为简化。本发明提供的无损检测装置结构紧凑、简洁，易于实现，便于随身携带，更适合于田间和现场检测。

Description

一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置。
背景技术
番茄红素属于类胡萝卜素的一种，是目前发现的最强抗氧化剂之一，可降低癌症、心血管疾病等的患病危险，具有延缓衰老、调节人体免疫等功效。人和动物不能合成番茄红素，只能从食物中摄取，而番茄果实是番茄红素最主要的天然供体之一。番茄红素作为番茄果实最重要的一项品质指标，其含量的检测多采用分光光度法(国标法)、液相色谱法、比色法、摩尔消光系数法及一些改进方法，在测量过程中需要对番茄果实进行破坏性前处理，相关设备的操作也较为复杂，难以满足现场长时间检测需求。因此，需要发展番茄果实品质指标的无损检测技术，以实现在体、实时、连续的动态监测。
光谱检测法是无损检测中最为常用的技术手段。其中的拉曼光谱能够直接反映出分子极化率的变化，具有很好的化学指认性，非常适于检测拥有独特链式结构的类胡萝卜素。国内外已有研究人员将拉曼光谱技术应用于无损检测番茄中类胡萝卜素含量。但由于番茄果实中的番茄红素和β-胡萝卜素具有相同的分子结构和基团，从而导致番茄红素和β-胡萝卜素的拉曼谱线叠加严重，难以区分。因此，通过拉曼光谱准确分析番茄果实中的番茄红素，需要通过高灵敏度系统获得丰富的光谱细节，或者激发出较弱的二次谐波，以获得番茄红素和β-胡萝卜素谱线的微小差别，对应的仪器系统体积庞大，光路调节严格，操作复杂，不适于移动的现场研究。
为了能够在现场检测设备中实现番茄红素含量的准确分析，需要能够对番茄红素和β-胡萝卜素进行有效区分。现有技术中尚没有针对这种应用的手持式检测设备。I.V.Ermakov等人于2004年提出了双波长拉曼检测方法，用于实现皮肤番茄红素和β-胡萝卜素相对含量的选择性分析。他们首先对比了番茄红素和β-胡萝卜素的吸收光谱，发现它们的吸收强度在490nm附近非常接近，随着波长红移，前者的吸收强度逐渐大于后者，在510nm附近达到最大强度差；根据这一特点，分别采用488nm和514.5nm的激光对样品进行激发，通过对番茄红素和β-胡萝卜素在不同波长下激发效率的对比，计算出二者的相对含量。这一双波长拉曼检测方法为番茄果实中番茄红素含量的准确获取提供了可参考的思路。但该方法中两个波长对应两套完全独立的系统，因此无法实现原位测量，并且不可避免地存在系统误差，需要复杂的校准过程。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，本发明在有效区分番茄红素和β-胡萝卜素含量的同时，实现了对待测样品的原位检测，消除了系统误差，并使系统调整和检测过程大为简化。
具体地，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，包括：手持式双波长拉曼检测探头、488nm激光器、514nm激光器和光谱仪；
所述手持式双波长拉曼检测探头中集成有488nm激发光纤以及对应的第一激发光路、514nm激发光纤以及对应的第二激发光路、488nm收集光纤以及对应的第一收集光路、514nm收集光纤以及对应的第二收集光路；488nm激发光纤的第一端和514nm激发光纤的第一端分别接入对应的激发光路，488nm收集光纤的第一端和514nm收集光纤的第一端分别接入对应的收集光路；其中，第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路和第二收集光路之间均以不透光的隔层隔开；
所述488nm激发光纤的第二端接入所述488nm激光器，所述514nm激发光纤的第二端接入所述514nm激光器；所述488nm收集光纤的第二端与所述514nm收集光纤的第二端接入所述光谱仪，且两根收集光纤的排布方向与所述光谱仪的入射狭缝相匹配。
进一步地，所述第一激发光路采用准直透镜1、二色镜1、聚焦透镜实现；所述第二激发光路采用准直透镜2、二色镜2、聚焦透镜实现；所述第一收集光路采用聚焦透镜、二色镜1、反射镜1、收集透镜1实现；所述第二收集光路采用聚焦透镜、二色镜2、反射镜2、收集透镜2实现；
其中，488nm激发光纤、514nm激发光纤、488nm收集光纤和514nm收集光纤并列排布，488nm激发光纤与514nm激发光纤相邻，488nm收集光纤与514nm收集光纤相邻；
第一激发光路在远离488nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜1和二色镜1；
第二激发光路在远离514nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜2和二色镜2；
准直透镜1的中心位于488nm激发光纤的中心轴线上；
准直透镜2的中心位于514nm激发光纤的中心轴线上；
二色镜1的法线方向与第一激发光路的夹角为45°，二色镜1的入射面朝向准直透镜1的一侧，二色镜1的反射面朝向488nm收集光纤所接入的第一收集光路；
二色镜2的法线方向与第二激发光路的夹角为45°，二色镜2的入射面朝向准直透镜2的一侧，二色镜2的反射面朝向514nm收集光纤所接入的第二收集光路；
其中，第一收集光路在远离488nm收集光纤第一端的方向上依次设置有收集透镜1和反射镜1；
第二收集光路在远离514nm收集光纤第一端的方向上依次设置有收集透镜2和反射镜2；
反射镜1设置在二色镜1反射方向与488nm收集光纤方向的相交处，反射镜1的法线方向与第一收集光路夹角为45°，反射镜1的入射方向朝向二色镜1的反射方向，反射镜1的反射方向朝向488nm收集光纤的方向；
反射镜2设置在二色镜2反射方向与514nm收集光纤方向的相交处，反射镜2的法线方向与第二收集光路夹角为45°，反射镜2的入射方向朝向二色镜2的反射方向，反射镜2的反射方向朝向514nm收集光纤的方向；
收集透镜1设置于反射镜1的反射方向上，收集透镜1的中心位于488nm收集光纤的中心轴线上；
收集透镜2设置于反射镜2的反射方向上，收集透镜2的中心位于514nm收集光纤的中心轴线上；
所述聚焦透镜设置在第一激发光路和第二激发光路的末端；第一激发光路和第二激发光路对称排布于所述聚焦透镜的中心轴线两侧；
在所述聚焦透镜远离二色镜1或二色镜2的一侧还设置有窗口，所述窗口与所述聚焦透镜紧密接触，用于保护所述聚焦透镜；
其中，第一收集光路分别在二色镜1和反射镜1处发生90°转折；第二收集光路分别在二色镜2和反射镜2处发生90°转折；
所述488nm收集光纤接入的第一收集光路，与所述488nm激发光纤接入的第一激发光路，于二色镜1至聚焦透镜之间完全重合；所述514nm激发光纤接入的第二激发光路，与所述514nm收集光纤接入的第二收集光路，于二色镜2至聚焦透镜之间完全重合；所述488nm收集光纤接入的第一收集光路，与所述514nm激发光纤接入的第二激发光路，二者垂直相交，相交位置处于二色镜1和反射镜1之间；
其中，所述514nm激发光纤所接入的第二激发光路中的二色镜2的位置，需避开所述514nm激发光纤所接入的第二激发光路与所述488nm收集光纤所接入的第一收集光路的垂直相交点，而位于垂直相交点靠向所述聚焦透镜的一侧。
进一步地，所述第一激发光路中还设置有激光线滤光片1，第二激发光路中还设置有激光线滤光片2；
所述激光线滤光片1设置在准直透镜1和二色镜1之间；
所述激光线滤光片2设置在准直透镜2和二色镜2之间。
进一步地，所述第一收集光路中还设置有截止滤光片1；所述第二收集光路中还设置有截止滤光片2；
所述截止滤光片1设置在反射镜1和收集透镜1之间；
所述截止滤光片2设置在反射镜2和收集透镜2之间。
进一步地，所述手持式双波长拉曼检测探头还包括：封装外壳；
所述封装外壳设置在第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路、聚焦透镜以及窗口的周围，用于包覆第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路，以及固定所述488nm激发光纤、所述488nm收集光纤、所述514nm激发光纤、所述514nm收集光纤、所述聚焦透镜与所述窗口。
进一步地，所述488nm激发光纤与所述514nm激发光纤具有相同的材质、芯径以及数值孔径；所述488nm收集光纤与所述514nm收集光纤具有相同的材质、芯径及数值孔径；所述488nm收集光纤与所述514nm收集光纤的芯径及数值孔径，大于所述488nm激发光纤与所述514nm激发光纤的芯径及数值孔径。
进一步地，所述准直透镜1的数值孔径大于或等于488nm激发光纤的数值孔径；所述准直透镜2的数值孔径大于或等于514nm激发光纤的数值孔径；所述收集透镜1的数值孔径小于或等于488nm收集光纤的数值孔径；所述收集透镜2的数值孔径小于或等于514nm收集光纤的数值孔径。
进一步地，所述准直透镜1与488nm激发光纤第一端的端面的距离为准直透镜1的焦距；所述准直透镜2与514nm激发光纤第一端的端面的距离为准直透镜2的焦距；
所述收集透镜1与488nm收集光纤第一端的端面的距离为收集透镜1的焦距；所述收集透镜2与514nm收集光纤第一端的端面的距离为收集透镜2的焦距。
进一步地，所述激光线滤光片1的工作波长为488nm；所述激光线滤光片2的工作波长为514nm。
进一步地，所述截止滤光片1的工作波段为503-1100nm，与488nm激发波长相匹配；所述截止滤光片2的工作波段为519-700nm，与514nm激发波长相匹配。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，通过将488nm激发光纤及对应的激发光路、514nm激发光纤及对应的激发光路、488nm收集光纤及对应的收集光路、514nm收集光纤及对应的收集光路集成在同一个拉曼探头中，实现了双波长拉曼光谱检测技术的集成一体化，因此本发明在解决了有效区分番茄红素和β-胡萝卜素含量的同时，实现了对待测样品的原位检测，消除了系统误差，并使系统调整和检测过程大为简化。本发明提供的无损检测装置结构紧凑、简洁，易于实现，便于随身携带，更适合于田间和现场检测。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的手持式双波长拉曼检测探头的纵剖面结构示意图；
图3是图2所示的手持式双波长拉曼检测探头接连光谱仪一端的光纤排布示意图；
图中，100表示手持式双波长拉曼检测探头；201表示488nm激光器；202表示514nm激光器；300表示光谱仪；101表示488nm激发光纤；102表示514nm激发光纤；103表示488nm收集光纤；104表示514nm收集光纤；105表示隔层；1061表示准直透镜1；1062表示准直透镜2；1071表示激光线滤光片1；1072表示激光线滤光片2；1081表示二色镜1；1082表示二色镜2；109表示聚焦透镜，110表示窗口；1111表示反射镜1；1112表示反射镜2；1121表示截止滤光片1；1122表示截止滤光片2；1131表示收集透镜1；1132表示收集透镜2；114表示封装外壳，115表示样品。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。
图1示出了本发明一实施例提供的基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置的结构示意图。参见图1，本发明实施例提供的基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，包括：手持式双波长拉曼检测探头100、488nm激光器201、514nm激光器202和光谱仪300；
所述手持式双波长拉曼检测探头100中集成有488nm激发光纤101以及对应的第一激发光路、514nm激发光纤102以及对应的第二激发光路、488nm收集光纤103以及对应的第一收集光路、514nm收集光纤104以及对应的第二收集光路；488nm激发光纤的第一端和514nm激发光纤的第一端分别接入对应的激发光路，488nm收集光纤的第一端和514nm收集光纤的第一端分别接入对应的收集光路；其中，第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路和第二收集光路之间均以不透光的隔层隔开；
所述488nm激发光纤的第二端接入所述488nm激光器，所述514nm激发光纤的第二端接入所述514nm激光器；所述488nm收集光纤的第二端与所述514nm收集光纤的第二端接入所述光谱仪300，且两根收集光纤的排布方向与所述光谱仪300的入射狭缝相匹配。
在一种可选实施方式中，光谱仪300可以采用高信噪比、低干涉效应的面阵CCD探测器，其感应面尺寸为1024×400，波长响应范围为200～1100nm，狭缝高度与收集光纤103和104所排布成型的高度相匹配。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的使用场景，选择合适的光谱仪300实现采集功能，本发明对此不作限定。
在一种可选实施方式中，参见图2，所述第一激发光路采用准直透镜1061、二色镜1081、聚焦透镜109实现；所述第二激发光路采用准直透镜1062、二色镜1082、聚焦透镜109实现；所述第一收集光路采用聚焦透镜109、二色镜1081、反射镜1111、收集透镜1131实现；所述第二收集光路采用聚焦透镜109、二色镜1082、反射镜1112、收集透镜1132实现；
从图2可以看出，二色镜是激发光路和收集光路的分支点，故激发光路和收集光路均需要。
参见图2，488nm激发光纤101、514nm激发光纤102、488nm收集光纤103和514nm收集光纤104并列排布，488nm激发光纤101与514nm激发光纤102相邻，488nm收集光纤103与514nm收集光纤104相邻；
如图3所示，光谱仪300与488nm收集光纤103和514nm收集光纤104的连接方式为：488nm收集光纤103和514nm收集光纤104并列排布成线状，间隔距离为3mm，期排布方向与光谱仪300的入射狭缝相匹配。
其中，第一激发光路在远离488nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜1061和二色镜1081；
第二激发光路在远离514nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜1062和二色镜1082；
准直透镜1061的中心位于488nm激发光纤101的中心轴线上；
准直透镜1062的中心位于514nm激发光纤102的中心轴线上；
二色镜1081的法线方向与第一激发光路的夹角为45°，二色镜1081的入射面朝向准直透镜1061的一侧，二色镜1081的反射面朝向488nm收集光纤103所接入的第一收集光路；
二色镜1082的法线方向与第二激发光路的夹角为45°，二色镜1082的入射面朝向准直透镜1062的一侧，二色镜1082的反射面朝向514nm收集光纤104所接入的第二收集光路；
其中，第一收集光路在远离488nm收集光纤103第一端的方向上依次设置有收集透镜1131和反射镜1111；
第二收集光路在远离514nm收集光纤104第一端的方向上依次设置有收集透镜1132和反射镜1112；
反射镜1111设置在二色镜1081反射方向与488nm收集光纤103方向的相交处，反射镜1111的法线方向与第一收集光路夹角为45°，反射镜1111的入射方向朝向二色镜1081的反射方向，反射镜1111的反射方向朝向488nm收集光纤103的方向；
反射镜1112设置在二色镜1082反射方向与514nm收集光纤104方向的相交处，反射镜1112的法线方向与第二收集光路夹角为45°，反射镜1112的入射方向朝向二色镜1082的反射方向，反射镜1112的反射方向朝向514nm收集光纤104的方向；
收集透镜1131设置于反射镜1111的反射方向上，收集透镜1131的中心位于488nm收集光纤103的中心轴线上；
收集透镜1132设置于反射镜1112的反射方向上，收集透镜1132的中心位于514nm收集光纤104的中心轴线上；
所述聚焦透镜109设置在第一激发光路和第二激发光路的末端；第一激发光路和第二激发光路对称排布于所述聚焦透镜的中心轴线两侧；
在所述聚焦透镜109远离二色镜1081或二色镜1082的一侧还设置有窗口110，所述窗口110与所述聚焦透镜109紧密接触，用于保护所述聚焦透镜109；优选地，所述窗口110可以采用石英制成，位于手持式双波长拉曼检测探头100的最前端，用于保护所述聚焦透镜109。
其中，第一收集光路分别在二色镜1081和反射镜1111处发生90°转折；第二收集光路分别在二色镜1082和反射镜1112处发生90°转折；
所述488nm收集光纤103接入的第一收集光路，与所述488nm激发光纤101接入的第一激发光路，于二色镜1081至聚焦透镜109之间完全重合；所述514nm激发光纤102接入的第二激发光路，与所述514nm收集光纤104接入的第二收集光路，于二色镜1082至聚焦透镜109之间完全重合；所述488nm收集光纤103接入的第一收集光路，与所述514nm激发光纤102接入的第二激发光路，二者垂直相交，相交位置处于二色镜1081和反射镜1111之间；
其中，所述514nm激发光纤102所接入的第二激发光路中的二色镜1082的位置，需避开所述514nm激发光纤102所接入的第二激发光路与所述488nm收集光纤103所接入的第一收集光路的垂直相交点，而位于垂直相交点靠向所述聚焦透镜109的一侧。
在一种可选实施方式中，参见图2，为获得干净的窄线宽激发光，优选地，在第一激发光路中还设置有激光线滤光片1071，在第二激发光路中还设置有激光线滤光片1072，使得激光线滤光片1071和激光线滤光片1072滤除其它杂散光；其中，所述激光线滤光片1071设置在准直透镜1061和二色镜1081之间；所述激光线滤光片1072设置在准直透镜1062和二色镜1082之间。
在一种可选实施方式中，参见图2，为消除激发光对拉曼信号的影响，优选地，在所述第一收集光路中还设置有截止滤光片1121；在所述第二收集光路中还设置有截止滤光片1122，使得截止滤光片1121和截止滤光片1122滤除瑞利散射线；其中，所述截止滤光片1121设置在反射镜1111和收集透镜1131之间；所述截止滤光片1122设置在反射镜1112和收集透镜1132之间。具体地，截止滤光片1121设置于反射镜1111的反射方向上，与反射镜1111相邻但不接触；截止滤光片1122设置于反射镜1112的反射方向上，与反射镜1112相邻但不接触。
在一种可选实施方式中，参见图2，所述手持式双波长拉曼检测探头还包括：封装外壳114；优选地，所述封装外壳114采用不锈钢材料制成。
所述封装外壳114设置在第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路、聚焦透镜以及窗口的周围，用于包覆第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路，以及固定所述488nm激发光纤101、所述488nm收集光纤103、所述514nm激发光纤102、所述514nm收集光纤104、所述聚焦透镜109与所述窗口110。
在一种可选实施方式中，为简化工艺，所述488nm激发光纤101与所述514nm激发光纤102具有相同的材质、芯径以及数值孔径；所述488nm收集光纤103与所述514nm收集光纤104具有相同的材质、芯径及数值孔径；所述488nm收集光纤103与所述514nm收集光纤104的芯径及数值孔径，大于488nm激发光纤101与所述514nm激发光纤102的芯径及数值孔径。
在一种可选实施方式中，所述488nm激发光纤101与所述514nm激发光纤102均为石英材质，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22；所述488nm收集光纤103与所述514nm收集光纤104均为石英材质，光纤芯径为300μm，数值孔径为0.37。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体使用场合，分别为488nm激发光纤101和514nm激发光纤102、488nm收集光纤103和514nm收集光纤104选择合适的材质、芯径以及数值孔径，本发明对此不作限定。
在一种可选实施方式中，为获得较好的激发和收集效率，所述准直透镜1061的数值孔径大于或等于488nm激发光纤101的数值孔径；所述准直透镜1062的数值孔径大于或等于514nm激发光纤102的数值孔径；所述收集透镜1131的数值孔径小于或等于488nm收集光纤103的数值孔径；所述收集透镜1132的数值孔径小于或等于514nm收集光纤104的数值孔径。可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体使用场合选择合适的数值孔径，本发明对此不作限定。
在一种可选实施方式中，为获得较好的准直和收集效果，所述准直透镜1061与488nm激发光纤101第一端的端面的距离为准直透镜1061的焦距；所述准直透镜1062与514nm激发光纤102第一端的端面的距离为准直透镜1062的焦距；
所述收集透镜1031与488nm收集光纤103第一端的端面的距离为收集透镜1031的焦距；所述收集透镜1032与514nm收集光纤104第一端的端面的距离为收集透镜1032的焦距。
在一种可选实施方式中，准直透镜1061和准直透镜1062的直径以及焦距均为10mm，准直透镜1061中心与488nm激发光纤101第一端的端面之间的距离d为10mm，准直透镜1062中心与514nm激发光纤102第一端的端面之间的距离d为10mm。收集透镜1131和收集透镜1132的直径均为5mm，焦距均为15mm，收集透镜1131中心与488nm收集光纤103第一端的端面的距离d’为15mm，收集透镜1132中心与514nm收集光纤104第一端的端面的距离d’为15mm。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据拉曼探头的具体尺寸需求进行具体选择，本发明对此不作限定。
在一种可选实施方式中，所述激光线滤光片1071的工作波长为488nm；所述激光线滤光片1072的工作波长为514nm。
在一种可选实施方式中，激光线滤光片1071和激光线滤光片1072的带宽为1nm。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的激发需求选择激光线滤光片1071和激光线滤光片1072的带宽，本发明对此不做限定。
在一种可选实施方式中，所述截止滤光片1121的工作波段为503-1100nm，与488nm激发波长相匹配；所述截止滤光片1122的工作波段为519-700nm，与514nm激发波长相匹配。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的拉曼低波数需求和波段范围需求选择截止滤光片1121和截止滤光片1122的截止波长和通光波段，本发明对此不做限定。
在一种可选实施方式中，为简化制作工艺，封装外壳114与隔层105采用相同的不透光材质制成。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体使用场合进行选择，本发明对此不作限定。
下面给出了采用本发明实施例提供的基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置进行番茄红素和β-胡萝卜素进行分别测量的工作过程，具体包括如下步骤：
启动检测装置，设置采样参数，首先分别对番茄红素纯样和β-胡萝卜素纯样进行光谱测量，选择振动最强的C＝C拉曼峰用于比值分析(其对应的谱线位于1500-1550cm-1范围内)，得到四组C＝C拉曼谱线强度和则相对激发效率(拉曼散射截面)可表示为：
σ＝I/Imax 公式一
其中，和分别为β-胡萝卜素纯样在488nm激发和514nm激发下获得的C＝C拉曼峰强度，和分别为番茄红素纯样在488nm激发和514nm激发下获得的C＝C拉曼峰强度，Imax为四个峰强中的最大值。由公式一可得到β-胡萝卜素和番茄红素在两个波长下的激发效率和以上四个参数作为内置参数预留于检测装置中。
接下来对番茄果实样品115进行双波长测量。将手持式双波长拉曼检测探头100的窗口110垂直置于待测番茄样品115表面上方，调节工作距离为探头100中聚焦透镜109的焦距，以确保激发光正确聚焦于番茄样品115的待测位置处。
首先打开488nm激光器201的光开关，使488nm激光经过488nm激发光纤101后，继续经过准直透镜1061，准直后的激光通过激光线滤光片1071滤除杂散光，再经过二色镜1081，最后由聚焦透镜109经窗口110聚焦到番茄果实样品115的待测表面；激发出的番茄果实拉曼信号，依次经过窗口110、聚焦透镜109和二色镜1081，并反射至收集光路中的反射镜1111，再次被反射后，经截止滤光片1121滤除瑞利线，经收集透镜1131聚焦进入488nm收集光纤103，经光纤传输至另一端的光谱仪300的入射狭缝上，最后经入射狭缝进入光谱仪300并被采集，得到C＝C拉曼峰
接下来关闭488nm激光器201的光开关，打开514nm激光器202的光开关，使514nm激光进入514nm激发光纤102，依次经过准直透镜1062、激光线滤光片1072、二色镜1082、聚焦透镜109和窗口110，聚焦到番茄果实样品115的待测表面；激发出的番茄果实拉曼信号，再依次经过窗口110、聚焦透镜109和二色镜1082，反射至收集光路中的反射镜1112，再次被反射后，经截止滤光片1122滤除瑞利线，经收集透镜1132聚焦进入514nm收集光纤104，经光纤传输至光谱仪300并被采集，得到C＝C拉曼峰则和可表示为：
其中，Nβ、NLyc分别为番茄样品中β-胡萝卜素和番茄红素的浓度，系数和为仪器相关的灵敏度，对于本装置可认为令则由公式二可得
其中，q为β-胡萝卜素和番茄红素浓度的比值。结合公式二、公式三即可计算得到Nβ和NLyc：
可见，本发明实施例提供的检测装置，通过将488nm激发光纤及对应的激发光路、514nm激发光纤及对应的激发光路、488nm收集光纤及对应的收集光路、514nm收集光纤及对应的收集光路集成在同一个手持式拉曼探头中，实现了双波长拉曼光谱检测技术的集成一体化。在解决了有效区分番茄红素和β-胡萝卜素含量的同时，实现了对待测样品的原位检测，消除了系统误差，并使系统调整和检测过程大为简化。本发明实施例提供的无损检测装置结构紧凑、简洁，易于实现，便于随身携带，更适合于田间和现场检测。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或光连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于双波长拉曼光谱的手持式番茄红素无损检测装置，其特征在于，包括：手持式双波长拉曼检测探头、488nm激光器、514nm激光器和光谱仪；
所述手持式双波长拉曼检测探头中集成有488nm激发光纤以及对应的第一激发光路、514nm激发光纤以及对应的第二激发光路、488nm收集光纤以及对应的第一收集光路、514nm收集光纤以及对应的第二收集光路；488nm激发光纤的第一端和514nm激发光纤的第一端分别接入对应的激发光路，488nm收集光纤的第一端和514nm收集光纤的第一端分别接入对应的收集光路；其中，第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路和第二收集光路之间均以不透光的隔层隔开；
所述488nm激发光纤的第二端接入所述488nm激光器，所述514nm激发光纤的第二端接入所述514nm激光器；所述488nm收集光纤的第二端与所述514nm收集光纤的第二端接入所述光谱仪，且两根收集光纤的排布方向与所述光谱仪的入射狭缝相匹配。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激发光路采用准直透镜1、二色镜1、聚焦透镜实现；所述第二激发光路采用准直透镜2、二色镜2、聚焦透镜实现；所述第一收集光路采用聚焦透镜、二色镜1、反射镜1、收集透镜1实现；所述第二收集光路采用聚焦透镜、二色镜2、反射镜2、收集透镜2实现；
其中，488nm激发光纤、514nm激发光纤、488nm收集光纤和514nm收集光纤并列排布，488nm激发光纤与514nm激发光纤相邻，488nm收集光纤与514nm收集光纤相邻；
第一激发光路在远离488nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜1和二色镜1；
第二激发光路在远离514nm激发光纤第一端的方向上依次设置有准直透镜2和二色镜2；
准直透镜1的中心位于488nm激发光纤的中心轴线上；
准直透镜2的中心位于514nm激发光纤的中心轴线上；
二色镜1的法线方向与第一激发光路的夹角为45°，二色镜1的入射面朝向准直透镜1的一侧，二色镜1的反射面朝向488nm收集光纤所接入的第一收集光路；
二色镜2的法线方向与第二激发光路的夹角为45°，二色镜2的入射面朝向准直透镜2的一侧，二色镜2的反射面朝向514nm收集光纤所接入的第二收集光路；
其中，第一收集光路在远离488nm收集光纤第一端的方向上依次设置有收集透镜1和反射镜1；
第二收集光路在远离514nm收集光纤第一端的方向上依次设置有收集透镜2和反射镜2；
反射镜1设置在二色镜1反射方向与488nm收集光纤方向的相交处，反射镜1的法线方向与第一收集光路夹角为45°，反射镜1的入射方向朝向二色镜1的反射方向，反射镜1的反射方向朝向488nm收集光纤的方向；
反射镜2设置在二色镜2反射方向与514nm收集光纤方向的相交处，反射镜2的法线方向与第二收集光路夹角为45°，反射镜2的入射方向朝向二色镜2的反射方向，反射镜2的反射方向朝向514nm收集光纤的方向；
收集透镜1设置于反射镜1的反射方向上，收集透镜1的中心位于488nm收集光纤的中心轴线上；
收集透镜2设置于反射镜2的反射方向上，收集透镜2的中心位于514nm收集光纤的中心轴线上；
所述聚焦透镜设置在第一激发光路和第二激发光路的末端；第一激发光路和第二激发光路对称排布于所述聚焦透镜的中心轴线两侧；
在所述聚焦透镜远离二色镜1或二色镜2的一侧还设置有窗口，所述窗口与所述聚焦透镜紧密接触，用于保护所述聚焦透镜；
其中，第一收集光路分别在二色镜1和反射镜1处发生90°转折；第二收集光路分别在二色镜2和反射镜2处发生90°转折；
所述488nm收集光纤接入的第一收集光路，与所述488nm激发光纤接入的第一激发光路，于二色镜1至聚焦透镜之间完全重合；所述514nm激发光纤接入的第二激发光路，与所述514nm收集光纤接入的第二收集光路，于二色镜2至聚焦透镜之间完全重合；所述488nm收集光纤接入的第一收集光路，与所述514nm激发光纤接入的第二激发光路，二者垂直相交，相交位置处于二色镜1和反射镜1之间；
其中，所述514nm激发光纤所接入的第二激发光路中的二色镜2的位置，需避开所述514nm激发光纤所接入的第二激发光路与所述488nm收集光纤所接入的第一收集光路的垂直相交点，而位于垂直相交点靠向所述聚焦透镜的一侧。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一激发光路中还设置有激光线滤光片1，第二激发光路中还设置有激光线滤光片2；
所述激光线滤光片1设置在准直透镜1和二色镜1之间；
所述激光线滤光片2设置在准直透镜2和二色镜2之间。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一收集光路中还设置有截止滤光片1；所述第二收集光路中还设置有截止滤光片2；
所述截止滤光片1设置在反射镜1和收集透镜1之间；
所述截止滤光片2设置在反射镜2和收集透镜2之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述手持式双波长拉曼检测探头还包括：封装外壳；
所述封装外壳设置在第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路、聚焦透镜以及窗口的周围，用于包覆第一激发光路、第二激发光路、第一收集光路、第二收集光路，以及固定所述488nm激发光纤、所述488nm收集光纤、所述514nm激发光纤、所述514nm收集光纤、所述聚焦透镜与所述窗口。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述488nm激发光纤与所述514nm激发光纤具有相同的材质、芯径以及数值孔径；所述488nm收集光纤与所述514nm收集光纤具有相同的材质、芯径及数值孔径；所述488nm收集光纤与所述514nm收集光纤的芯径及数值孔径，大于所述488nm激发光纤与所述514nm激发光纤的芯径及数值孔径。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述准直透镜1的数值孔径大于或等于488nm激发光纤的数值孔径；所述准直透镜2的数值孔径大于或等于514nm激发光纤的数值孔径；所述收集透镜1的数值孔径小于或等于488nm收集光纤的数值孔径；所述收集透镜2的数值孔径小于或等于514nm收集光纤的数值孔径。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述准直透镜1与488nm激发光纤第一端的端面的距离为准直透镜1的焦距；所述准直透镜2与514nm激发光纤第一端的端面的距离为准直透镜2的焦距；
所述收集透镜1与488nm收集光纤第一端的端面的距离为收集透镜1的焦距；所述收集透镜2与514nm收集光纤第一端的端面的距离为收集透镜2的焦距。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光线滤光片1的工作波长为488nm；所述激光线滤光片2的工作波长为514nm。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述截止滤光片1的工作波段为503-1100nm，与488nm激发波长相匹配；所述截止滤光片2的工作波段为519-700nm，与514nm激发波长相匹配。
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