CN107064084A - 微小型激光荧光光谱仪及光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种微小型激光荧光光谱仪，包括激光发射系统、分光系统、探测系统和数据处理系统，其中激光发射系统、分光系统及探测系统集成在壳体内，在壳体的前端面上开设有两个通孔，分别记做第一通孔和第二通孔，激光发射系统包括相连接的激光器以及激光控制电源，激光器射出的激光经由第一通孔射出，激光控制电源连接至USB集线器，USB集线器连接至设置在壳体上的USB接口，在壳体内沿着从第二通孔入射光的传播方向依次设有分光系统、会聚镜头以及探测系统；探测系统连接至USB集线器，USB接口还与数据处理系统相连接。上述微小型激光荧光光谱仪体积小、携带方便、灵敏度高、造价低；可对不同形状、不同放置方式的固体及液体目标进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种体积小、携带方便、灵敏度高、造价低的微小型激光荧光光谱仪及光谱检测方法。
背景技术
激光诱导荧光技术是一种采用激光作为激发光源的荧光检测技术，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，已经发展成为一种十分重要且有效的光谱分析检测手段。其应用范围遍及工业、农业、生命科学、环境科学、材料科学、食品科学等诸多领域。目前为满足现场快速检测及民用的需要，仪器的发展趋向于智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化，国际上已经报道了多种小型化、轻量化的光谱检测仪器。
目前激光诱导荧光光谱探测仪器仍存在体积大、成本高、售价昂贵等问题，一般在实验室内使用，不适合现场快速检测，大大限制了其大面积推广应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种体积小、携带方便、灵敏度高、造价低的微小型激光荧光光谱仪及光谱检测方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提出了一种微小型激光荧光光谱仪，包括激光发射系统、分光系统、探测系统和数据处理系统，其中所述激光发射系统、分光系统以及探测系统集成在壳体内，在所述壳体的前端面上开设有两个通孔，分别记做第一通孔和第二通孔，所述激光发射系统包括相连接的激光器以及激光控制电源，所述激光器射出的激光经由所述第一通孔射出，所述激光控制电源连接至USB集线器，所述USB集线器连接至设置在所述壳体上的USB接口，在所述壳体内沿着从所述第二通孔入射光的传播方向依次设有分光系统、会聚镜头以及探测系统；所述探测系统连接至所述USB集线器，所述USB接口还与数据处理系统相连接。
优选的是，所述分光系统采用光栅或棱镜色散结构。
优选的是，所述探测系统采用阵列探测器，所述阵列探测器采用高灵敏阵列CCD或CMOS。
优选的是，在所述分光系统前端放置长波通滤光片。
优选的是，将所述激光器相对于分光系统光轴倾斜放置，使所述激光器形成的激光发射光路与所述分光系统光轴形成小于90°的夹角。
优选的是，将所述激光器相对于分光系统光轴平行放置，在所述壳体的前端经连接件设置平面反射镜，使所述激光器射出的激光经所述平面反射镜进行反射，该反射激光的光路与分光系统光轴形成小于或者等于90°的夹角。
优选的是，将所述激光器相对于分光系统光轴平行放置，在所述第一通孔处设置第一光纤接口，在所述第二通孔处设置第二光纤接口，采用Y型光纤，所述Y型光纤的两端分别与所述第一光纤接口和第二光纤接口相连接，其第三端用于放置在待检测样品的检测位置处。
本发明的上述方案的有益效果在于上述微小型激光荧光光谱仪体积小、携带方便、灵敏度高、造价低；可对不同形状、不同放置方式的固体及液体待检测样品进行检测；其不仅可以应用于科研、工业生产、环保等部门检测，还可以推广到普通家庭对水质、食用油、白酒、农药、食品等进行安全检测，对于光谱仪器民用化普及推广具有重要意义。
本发明还提出了一种基于上述微小型激光荧光光谱仪的光谱检测方法，所述方法包括以下步骤： 步骤1、将待检测样品置于所述微小型激光荧光光谱仪的前端； 步骤2、使所述激光器输出脉冲方式的激光； 步骤3、当有激光照射待检测样品时，待检测样品受激光照射激发产生荧光； 步骤4、包含背景光信号的激光诱导荧光信号被所述分光系统色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头后由探测系统接收按波长依次排列的光谱； 步骤5、所述探测系统将上述光谱信号传输至所述数据处理系统中； 步骤6、当无激光照射待检测样品时，包含环境的背景光信号被所述分光系统色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头后由探测系统接收按波长依次排列的光谱； 步骤7、所述探测系统将上述光谱信号传输至所述数据处理系统中； 步骤8、所述数据处理系统将步骤5和步骤7中的相邻两帧光谱信号进行相减处理，即可获得扣除背景光信号干扰的光谱信号，并将得到的光谱曲线进行显示； 步骤9、重复步骤3至步骤8，实现快速实时显示扣除背景光后的光谱测量曲线。
其中在所述步骤3和步骤4之间还设有步骤31，通过长波通滤光片，滤除待检测样品散射的激光干扰信号。
附图说明
图1示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪的一种结构示意图。
图2示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪的另一种结构示意图。
图3示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪的再一种结构示意图。
图4示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪检测不同食用油的检测结果图。
图5示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪检测不同水质的检测结果图。
图6示出了本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪检测不同固态物质的检测结果图。
附图标记：1-壳体，2-第一通孔，3-第二通孔，4-激光器，5-激光控制电源，6- USB接口，7-分光系统，8-会聚镜头，9-阵列探测器，10-长波通滤光片，11-数据处理系统，12-平面反射镜，13-Y型光纤，15-连接件，16-USB集线器，17-第一光纤接口，18-第二光纤接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪包括激光发射系统、分光系统、探测系统和数据处理系统，其中所述激光发射系统、分光系统以及探测系统集成在壳体1内，所述壳体1可采用圆筒或者方形的盒体，在所述壳体1的前端面上开设有两个通孔，分别记做第一通孔2和第二通孔3，所述激光发射系统包括相连接的激光器4以及激光控制电源5，所述激光器4射出的激光经由所述第一通孔2射出，所述激光控制电源5连接至USB集线器16，所述USB集线器16连接至设置在所述壳体1上的USB接口6，在本实施例中，所述USB接口6设置在所述壳体1后端面上；在所述壳体1内沿着从所述第二通孔3入射光的传播方向依次设有分光系统7、会聚镜头8以及探测系统，在本实施例中，所述探测系统采用阵列探测器9；所述阵列探测器9连接至所述USB集线器16，所述USB接口6还与数据处理系统11相连接。
所述数据处理系统11可采用装有信号处理软件的计算机或手机；所述激光器4可以采用体积小、造价低的半导体激光器，通过所述激光控制电源5的控制，所述激光器4可实现以连续或脉冲方式输出激光；所述分光系统7可以是光栅或棱镜色散结构；所述阵列探测器9可采用高灵敏阵列CCD或CMOS；为了在探测目标光谱时滤除激光的干扰，可以在所述分光系统7前端放置长波通滤光片10。
为了有效的收集荧光，本发明所涉及的光谱仪可以采用以下几种实现方式：（1）将所述激光器4相对于分光系统7光轴倾斜放置，如图1所示，以便使激光发射光路与分光系统7光轴具有一定的夹角（小于90°）；（2）将所述激光器4相对于分光系统7光轴平行放置，在所述壳体1的前端经连接件15设置平面反射镜12，使所述激光器4射出的激光经所述第一通孔2射出，进而经由所述平面反射镜12进行反射，该激光反射光路与分光系统7光轴形成小于或者等于90°的夹角，如图2所示。（3）将所述激光器4相对于分光系统7光轴平行放置，在所述第一通孔2处设置第一光纤接口17，在所述第二通孔3处设置第二光纤接口18，采用Y型光纤13，如图3所示，所述Y型光纤13的两端分别与所述第一光纤接口17和第二光纤接口18相连接，其第三端用于放置在待检测样品的检测位置处。
由于荧光光谱信号一般比较微弱，受外界光线影响严重，需要采取一定遮光环境进行测试，因此应用范围受到很大限制。本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪采用实时背景光扣除技术来解决以上问题，所述阵列探测器9每帧都接收光谱信号，而激光器4隔帧发射激光，这样相邻两帧都接收到光谱信号，其中一帧为包含环境的背景光谱信号，另外一帧为包含背景光谱信号的激光诱导荧光光谱信号，相邻两帧光谱信号相减，即可扣除背景光信号干扰，提高仪器探测的灵敏度和信噪比。
因此基于本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪的光谱检测方法包括以下步骤：
步骤1、将待检测样品置于所述微小型激光荧光光谱仪的前端；
步骤2、使所述激光器4输出脉冲方式的激光；
步骤3、当有激光照射待检测样品时，待检测样品受激光照射激发产生荧光；
步骤4、通过所述长波通滤光片10，滤除待检测样品散射的激光干扰信号；
步骤5、包含背景光信号的激光诱导荧光信号被所述分光系统7色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头8后由阵列探测器9接收按波长依次排列的光谱；
步骤6、所述阵列探测器9将上述光谱信号传输至所述数据处理系统11中；
步骤7、当无激光照射待检测样品时，包含环境的背景光信号被所述分光系统7色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头8后由阵列探测器9接收按波长依次排列的光谱；
步骤8、所述阵列探测器9将上述光谱信号传输至所述数据处理系统11中；
步骤9、所述数据处理系统11将步骤6和步骤8中的相邻两帧光谱信号进行相减处理，即可获得扣除背景光信号干扰的光谱信号，并将得到的光谱曲线进行显示；
步骤10、重复步骤3至步骤9，实现快速实时显示扣除背景光后的光谱测量曲线。
本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪具有如下优点：(1)采用实时背景光扣除技术，受外界光线干扰少。 (2)检测方便，可对不同形状、不同放置方式的固体及液体待检测样品进行检测。 (3) 快速实时显示光谱测量曲线。（4）体积小、携带方便、灵敏度高、造价低。本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪不仅可以应用于科研、工业生产、环保等部门检测，还可以推广到普通家庭对水质、食用油、白酒、农药、食品等进行安全检测，对于光谱仪器民用化普及推广具有重要意义。
利用本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪可对不同形状、不同放置方式的固体及液体待检测样品进行检测，以下举例说明。
（1）食用油光谱检测
将本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪直接接触到塑料瓶的表面，发射激光可以直接测量瓶内食用油的激光荧光光谱，并且不受瓶表面荧光和外界环境光的影响。采用的检测样本可以是超市购买的大豆油、橄榄油、葵花籽油、花生油、玉米油等，测量结果如图4所示，图4（a）为金龙鱼大豆油的激光荧光光谱图，图4（b）为胡姬花调和油的激光荧光光谱图，图4（c）为金龙鱼调和油的激光荧光光谱图，图4（d）为橄榄油的激光荧光光谱图。可以看出不同油种的激光荧光光谱不同，通过软件分析光谱数据，可以实现油种类的自动识别，还可以进行食用油产品的造假和伪劣鉴别。
（2）水质光谱检测
激光具有单色性好、能量密度高的优点，在水质检测领域得到了研究人员的广泛关注。采用本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪，通过激光激发水体中有机污染物发射荧光，进而对荧光进行分析，可以得出水体有机物污染种类和浓度信息。本实施例中，检测样本采用自来水和矿泉水，图5（a）为自来水的激光荧光光谱图，图5（b）为矿泉水的激光荧光光谱图，光谱中包含拉曼峰和荧光峰，可以看出自来水由于有机可溶物含量比较高，525nm荧光峰比较强，而矿泉水或纯净水只有明显的拉曼峰，荧光峰很弱，通过拉曼峰和荧光峰比较，可以推算出水质情况。激光诱导荧光技术属于分子荧光光谱分析法，具有灵敏度高、测量速度快、非接触测量、无需试剂等优点，还可以用于大面积水域的动态监测。目前，激光诱导荧光技术已经被用于叶绿素、水体溶解有机物（DOM）、石油类污染物等的检测。
（3）固态目标光谱检测
本发明所涉及的微小型激光荧光光谱仪不仅可以检测水、油、酒精等透明或半透明液体物质，还可以对固体目标（如水果、蔬菜、宝石、涂料等）进行激光荧光光谱检测。在本实施例中分别测量了冬青树叶与苹果表面的荧光光谱，如图6所示，图6（a）为冬青树叶的激光荧光光谱图，图6（b）为苹果的激光荧光光谱图，可以看出冬青树叶表面叶绿素685nm特征荧光峰强度更强，通过算法可评估植物叶绿素含量。
Claims (9)
1.一种微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：包括激光发射系统、分光系统、探测系统和数据处理系统，其中所述激光发射系统、分光系统以及探测系统集成在壳体内，在所述壳体的前端面上开设有两个通孔，分别记做第一通孔和第二通孔，所述激光发射系统包括相连接的激光器以及激光控制电源，所述激光器射出的激光经由所述第一通孔射出，所述激光控制电源连接至USB集线器，所述USB集线器连接至设置在所述壳体上的USB接口，在所述壳体内沿着从所述第二通孔入射光的传播方向依次设有分光系统、会聚镜头以及探测系统；所述探测系统连接至所述USB集线器，所述USB接口还与数据处理系统相连接。
2.根据权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：所述分光系统采用光栅或棱镜色散结构。
3.根据权利要求2所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：所述探测系统采用阵列探测器，所述阵列探测器采用高灵敏阵列CCD或CMOS。
4.根据权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：在所述分光系统前端放置长波通滤光片。
5.根据权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：将所述激光器相对于分光系统光轴倾斜放置，使所述激光器形成的激光发射光路与所述分光系统光轴形成小于90°的夹角。
6.根据权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：将所述激光器相对于分光系统光轴平行放置，在所述壳体的前端经连接件设置平面反射镜，使所述激光器射出的激光经所述平面反射镜进行反射，该反射激光的光路与分光系统光轴形成小于或者等于90°的夹角。
7.根据权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪，其特征在于：将所述激光器相对于分光系统光轴平行放置，在所述第一通孔处设置第一光纤接口，在所述第二通孔处设置第二光纤接口，采用Y型光纤，所述Y型光纤的两端分别与所述第一光纤接口和第二光纤接口相连接，其第三端用于放置在待检测样品的检测位置处。
8.一种基于权利要求1所述的微小型激光荧光光谱仪的光谱检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1、将待检测样品置于所述微小型激光荧光光谱仪的前端；步骤2、使所述激光器输出脉冲方式的激光；步骤3、当有激光照射待检测样品时，待检测样品受激光照射激发产生荧光；步骤4、包含背景光信号的激光诱导荧光信号被所述分光系统色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头后由探测系统接收按波长依次排列的光谱；步骤5、所述探测系统将上述光谱信号传输至所述数据处理系统中；步骤6、当无激光照射待检测样品时，包含环境的背景光信号被所述分光系统色散为不同波长的单色光，所述单色光经会聚镜头后由探测系统接收按波长依次排列的光谱；步骤7、所述探测系统将上述光谱信号传输至所述数据处理系统中；步骤8、所述数据处理系统将步骤5和步骤7中的相邻两帧光谱信号进行相减处理，即可获得扣除背景光信号干扰的光谱信号，并将得到的光谱曲线进行显示；步骤9、重复步骤3至步骤8，实现快速实时显示扣除背景光后的光谱测量曲线。
9.根据权利要求8所述的光谱检测方法，其特征在于：在所述步骤3和步骤4之间还设有步骤31，通过长波通滤光片，滤除待检测样品散射的激光干扰信号。
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