CN107421941A - 一种空间离轴共焦拉曼检测探头 - Google Patents

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董作人
戴艳
辛国锋
孙延光
刘铭晖
瞿荣辉
蔡海文
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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Abstract

一种空间离轴共焦拉曼检测探头，包括发射光纤、接收光纤、准直透镜、滤波片、聚焦透镜、封装外壳等。发射光路和接收光路平行于聚焦透镜的光轴(不在聚焦透镜光轴上)且分布于聚焦透镜的光轴周围，一路或多路发射光纤的光路经聚焦透镜会聚在被测物上(被测物在聚焦透镜的焦平面上)，被测物的拉曼信号经聚焦透镜和准直透镜以一定角度由一路或多路接收光纤接收，进入光谱仪等进行测量。本发明可以明显消除被测物品容器如玻璃的荧光强度，具有结构简单、成本低、装配方便等优点。

Description

一种空间离轴共焦拉曼检测探头
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，具体是一种空间离轴共焦拉曼检测探头。主要应用于瓶装固液体物质等的拉曼光谱检测。
背景技术
拉曼散射现象由印度科学家拉曼在1928年发现：当光入射到分子上时，除了产生与入射光频率ω0相同的散射光以外，还有频率分量为ω0±ωM的散射光，ωM是与分子转动或振动相关的频率。此后，拉曼散射的研究有了很大的进步。自20世纪60年代激光技术问世以后，将这种强单色光源应用于拉曼光散射研究中，激光拉曼光谱技术自此迅速发展。
拉曼光谱技术具有简便快捷、灵敏度高等优点，可实现物质的定性或定量检测，尤其适用于物品的无损检测，且不需要制备样品，因此得到了广泛的发展和应用。然而用激光激发分子，不可避免产生荧光发射，当分子发射的荧光与拉曼线波长接近时，就会造成对拉曼检测的强烈干扰。尤其在检测玻璃瓶装固体样品或水溶液时，玻璃容器的荧光背景很强，对拉曼信号光造成干扰。
为解决拉曼光谱检测中的荧光干扰，研究人员提出诸多技术。
首先是算法上的优化和提高。比如采用样条拟合、傅里叶变换、小波变换等数学方法来处理荧光光谱和拉曼光谱的混合光谱，提取出有效拉曼光谱。因检测环境的多样性，该方法普适性不高。基于差分算法的双波长拉曼检测【中国专利201710009827.2】采用多波长激光检测样品，利用差分算法剔除荧光数据，实验装置相对复杂。
针对检测物质，可以添加适当的猝灭剂使荧光猝灭；或将样品冷却，使用基质隔离减弱荧光；或者将样品吸附在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，使用表面增强拉曼光谱技术提高拉曼光谱强度，但会增加样品处理复杂度。
从实验技术上，可调节激光波长，使拉曼散射峰离开荧光谱。然而激发波长提高，拉曼信号强度会有所下降。另外该法也比较被动。还可使用时间鉴别技术【中国专利201610323215.6】，基于拉曼发射时间远小于荧光寿命这一原理，从测量时间上避开对发射荧光的接收。该法对激光器要求极高，适合实验室研究而不适用于日常拉曼检测。
改进拉曼探头成为民用拉曼检测设备消除荧光的又一个出发点。目前市场上的拉曼探头采用传统双光纤收发同轴共焦的后向散射方式，如【中国专利201610166895.5】和【中国专利201410061973】，即激发光和信号光同轴共焦，使用反射镜或双色片引出信号光到另一根光纤上。这种常规探头结构简单、信号强度高，但是同时背景荧光强度也高。
针对荧光信号强度在空间立体分布、而拉曼光谱对空间角度不敏感的特性，让收集信号的光路与激光发射光路分开，可有效减少荧光干扰。现有技术【中国专利201511005997.0】中利用双波长激光侧向激发，信号光经透镜组聚焦直接入射到光谱仪狭缝中，在低信号强度时可消除荧光干扰。然而该拉曼探头中并没有完全分开发射光路与收集光路，且采用双波长激光激发，还是需要差分算法的支持才能综合消除背景荧光。
发明内容
本发明针对玻璃瓶装样品拉曼光谱检测时出现的荧光背景，克服现有测量技术装置复杂，算法复杂等缺点，提出一种空间离轴共焦拉曼检测探头，使用该探头进行拉曼光谱检测时能够有效消除样品容器的荧光背景干扰，并且具有结构简单、成本低、装配方便等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种空间离轴共焦拉曼检测探头，其特点在于，包括：沿发射光路依次放置的发射光纤、第一准直透镜、第一滤波片和聚焦透镜，以及沿接收光路依次放置的聚焦透镜、第二滤波片、第二准直透镜和接收光纤，所述的第一准直透镜的光轴、第二准直透镜的光轴和聚焦透镜的光轴互相平行，所述发射光纤的出射端面位于第一准直透镜的焦点处，所述接收光纤的入射端面位于第二准直透镜的焦点处；
激光通过发射光纤经第一准直透镜准直，再经过第一滤波片滤波后，通过聚焦透镜聚焦在被测物品上，该被测物品位于聚焦透镜的焦点处，经激光激发被测物品的拉曼光依次经聚焦透镜、第二滤波片和第二准直透镜，聚焦到接收光纤的入射端面。
所述的发射光路为单一发射光路或多路发射光路，所述的多路发射光路由多个互相平行的单一发射光路构成，所述的接收光路为单一接收光路或多路接收光路，所述的多路接收光路由多个互相平行的单一接收光路构成。
所述的多路发射光路和多路接收光路以聚焦透镜的光轴为中心按照一字排列或圆形排列。
在发射激光强度较低时，发射光路由两个或多个同样的平行单一发射光路组成。
在接收拉曼信号较弱时，接收光路由两个或多个同样的平行单一接收光路组成。
针对荧光信号强度在空间立体分布、而拉曼光谱对空间角度不敏感的特性，让发射光路与信号接收光路在空间上分开。接收光路与发射光路聚焦于同一点，保证了收集绝大部分拉曼散射光；由于接收光路与发射光路有一定角度，又可避开了发射光路上直接激发的荧光光谱，从而消除背景荧光信号的干扰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、无需对样品和样品容器做任何处理，实现无损快速的拉曼检测；
2、在获得有效拉曼信号的基础上，消除了荧光背景的干扰。只需增大积分时间就可解决拉曼信号有所降低的问题，且荧光干扰并未明显增加，无需增加复杂的软件算法。
3、实验结构清晰，当激光器激光强度较低或样品拉曼信号较弱时，可根据实际情况自行增加发射光路或接收光路，且并不需要增加额外的光学设备(如激光器等)，普适性强，方便日常使用。
附图说明
图1是本发明的实施例1的结构示意图；
图2是本发明的实施例2的结构示意图；
图3是本发明的实施例2的侧视图；
图4是本发明的实施例3的结构示意图；
图5是本发明的实施例3的侧视图；
图6是本发明的实施例4的结构示意图；
图7是本发明的实施例4的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
先请参阅图1，图1是本发明的实施例1的结构示意图。本实施例空间离轴共焦拉曼检测探头，构成包括发射光纤11、接收光纤12、第一准直透镜13、第二准直透镜14、第一滤波片15、第二滤波片16和聚焦透镜17。所述发射光纤11和第一准直透镜13构成的发射光路与接收光纤12和第一准直透镜14构成的接收光路平行，而且平行于聚焦透镜17的光轴，位于聚焦透镜17光轴的周围但不在其光轴上。所述第一滤波片15垂直放置在发射光路上，所述第二滤波片16垂直放置在接收光路上。所述发射光纤11的出射端面在第一准直透镜13的焦点处，所述入射光纤12的入射端面在第二准直透镜14的焦点处，被测物品放置在聚焦透镜17的焦点处。
工作时，激光通过发射光纤11经过第一准直透镜13准直，再经过第一滤波片15滤波后，最后通过聚焦透镜17聚焦在被测物品上。经过激光激发被测物品的拉曼光经过聚焦透镜17、第二滤波片16和第二准直透镜14，聚焦到接收光纤12的入射端面，经过接收光纤传输到光谱仪等测量仪器进行拉曼信号测量。
图2为本发明的实施例2的结构示意图。本实施例空间离轴共焦拉曼检测探头，包括两路发射光路和两路接收光路。每路发射光路包括发射光纤201、202，第一准直透镜205、206，第一滤波片209、210和聚焦透镜213。每路接收光路包括接收光纤203、204，第二准直透镜207、208，第二滤波片211、212和聚焦透镜213。两路发射光路分别通过聚焦透镜213聚焦到被测物品，形成两路拉曼光，经聚焦透镜213返回，再分别经过第二滤波片211、212和第二准直透镜207、208，经两路接收光纤203、204分别传输到光谱仪等测量仪器进行拉曼信号测量
图3为本发明实施例2的侧视图。参阅图3，两个由所述的发射光纤201、202和准直透镜205、206构成的平行发射光路，以及两个由所述的接收光纤203、204和准直透镜207、208构成的平行接收光路，以聚焦透镜17的光轴为中心按照一字排列。
图4为本发明的实施例3的结构示意图。与实施例2相同，本实施例空间离轴共焦拉曼检测探头，包括两路互相平行的单一发射光路组成的发射光路和两路互相平行的接收光路组成的接收光路。与实施例2不同的是，参阅图5，所述的两个平行发射光路和所述的两个平行接收光路，以聚焦透镜413光轴为中心按照圆周排列。该实施例3工作方式与实施例2相同，在此不做赘述。
图6为本发明的实施例4的结构示意图。参照图6，本实施例空间离轴共焦拉曼检测探头，包括一路单一发射光路和两路互相平行的单一接收光路组成的接收光路。参照图7，一个由发射光纤601和准直透镜607构成的发射光路，以及由两个接收光纤602、603和准直透镜605、606构成的平行接收光路，以聚焦透镜610光轴为中心按照圆周排列。
工作时，激光通过发射光纤601后再经过准直透镜604准直，经过滤波片607滤波后，最后通过聚焦透镜610聚焦在被测物品上。经过激光激发被测物品的拉曼光经过聚焦透镜610，再分别经过滤波片608、609和准直透镜605、606，聚焦到接收光纤602、063的入射端面，经过接收光纤602、063传输到光谱仪等测量仪器进行拉曼信号测量。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种空间离轴共焦拉曼检测探头，其特征在于，包括：沿发射光路依次放置的发射光纤、第一准直透镜、第一滤波片和聚焦透镜，以及沿接收光路依次放置的聚焦透镜、第二滤波片、第二准直透镜和接收光纤，所述的第一准直透镜的光轴、第二准直透镜的光轴和聚焦透镜的光轴互相平行且不重合，所述发射光纤的出射端面位于第一准直透镜的焦点处，所述接收光纤的入射端面位于第二准直透镜的焦点处；
激光通过发射光纤经第一准直透镜准直，再经过第一滤波片滤波后，通过聚焦透镜聚焦在被测物品上，该被测物品位于聚焦透镜的焦点处，经激光激发被测物品的拉曼光依次经聚焦透镜、第二滤波片和第二准直透镜，聚焦到接收光纤的入射端面。
2.根据权利要求1所述的一种空间离轴共焦拉曼检测探头，其特征在于：所述的发射光路为单一发射光路或多路发射光路，所述的多路发射光路由多个互相平行的单一发射光路构成，所述的接收光路为单一接收光路或多路接收光路，所述的多路接收光路由多个互相平行的单一接收光路构成。
3.根据权利要求2所述的一种空间离轴共焦拉曼检测探头，其特征在于：所述的多路发射光路和多路接收光路以聚焦透镜的光轴为中心按照一字排列或圆形排列。
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