CN107462566A - 用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪包括激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备，所述激光发射设备用于获得功率调整后的激发光束，所述光谱采集设备用于使功率调整后的激发光束打到样品表面发生拉曼散射，并滤去定向瑞利散射光，得到定向拉曼散射光，并使定向拉曼散射被接收器接收，所述数据处理设备为与接收器连接的电脑设备，用于所获拉曼光谱的形成、分析及判断；所述的接收器为单光子探测器，定向拉曼散射光最终被单光子探测器接收。与现有技术相比，本发明可实现光子的高效利用，实现快速、高灵敏度地检测特定窄波数范围的拉曼图谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉曼光谱仪，尤其是涉及一种用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪。
背景技术
目前，市场上使用的拉曼光谱仪，包括科研型和便携式，一般都针对较宽的波数范围以获得更丰富的光谱信息。该方式下发射的激光被均匀分散，加上每一千万个光子中才有一个光子发生拉曼散射致使拉曼信号本身较弱的固有特征，导致测量范围内图谱信噪比较低。为了获得高精度的拉曼图谱，需要采用较高的激光强度和较长的采集时间，容易造成样品，尤其是生物样品的破坏，以及较高的时间成本。
因此，对于选定了标志峰的拉曼应用，将检测范围缩小到特定波数区域的图谱信号收集，可以显著避免光子浪费，提高光谱灵敏度，减少测量时间，降低对样品的伤害性。
公开号为CN107014803A的中国专利公布了一种拉曼光谱检测装置，所述装置包括：激发激光器、窄带干涉滤光片、功率衰减滤光片、辐射状偏振光发生器、反射镜、瑞利滤光片、显微镜头、拉曼增强基底、共聚焦针孔和接收光谱仪。采用所述辐射状偏振光发生器将所述激发激光器产生的圆柱形光束转化为定向辐射状偏振激光，所述定向辐射状偏振激光经过所述拉曼增强基底的散射后产生定向分布的定向拉曼散射光，绝大部分的所述定向拉曼散射光能够被所述显微镜头接收，使得散射光的接收强度相较于漫散射光的接收强度增加102～104倍，提高了拉曼散射光的接收效率，增加了拉曼检测的灵敏度，该专利的最终目标包括提高拉曼信号强度，但该专利通过将激光定向接收并通过加入拉曼增强基底实现。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可快速高灵敏度测定特定窄波数区域拉曼图谱的拉曼光谱仪。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪包括激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备，所述激光发射设备用于获得功率调整后的激发光束，所述光谱采集设备用于使功率调整后的激发光束打到样品表面发生拉曼散射，并滤去定向瑞利散射光，得到定向拉曼散射光，并使定向拉曼散射被接收器接收，所述数据处理设备为与接收器连接的电脑设备，用于所获拉曼光谱的形成、分析及判断；所述的接收器为单光子探测器，定向拉曼散射光最终被单光子探测器接收。
所述激光发射设备包括激光器、干涉滤光片及功率衰减片，所述激光器产生圆柱形光束，圆柱形光束通过所述干涉滤光片滤除等离子线，只允许激光器发射波长周围的光线通过，得到高纯净波长的激发光束；所述高纯净波长的激发光束经所述功率衰减片衰减，获得功率调整后的激发光束。
所述窄波数范围，包括1-1000cm-1区域，即在所需中心波数左右各0.5-500cm-1；
所述激光器发射波长范围在266-1064nm，包括但不局限于532nm，633nm，660nm，785nm，1064nm等。
所述激光器发射能量为50mW-500mW。
所述干涉滤光片用于滤除等离子线，只允许激光器发射波长周围的光线通过。
所述功率衰减片用于激光强度的衰减，衰减百分比可调。
所述光谱采集设备包括反射镜、显微镜系统、瑞利滤光片、共聚焦针孔及单光子探测器，功率调整后的激发光束依次经过所述反射镜和所述瑞利滤光片的反射后，通过显微镜系统打到样品表面发生拉曼散射，随后光子返回到显微镜系统并穿透瑞利滤光片，其中与入射激光波长一致的光子无法穿透瑞利滤光片从而无法被收集；处于焦平面的光子穿透瑞利滤光片之后经过共聚焦针孔，而处于非焦平面的光子绝大多数无法进入共聚焦针孔从而无法被收集；穿过共聚焦针孔的光子进入带通滤光片，只有指定波长狭窄范围的光子可穿透带通滤光片，而所有其他波长的光子都被阻断，从而最终实现特定窄波数范围的拉曼光谱的获取；通过带通滤光片的光子被高灵敏的单光子探测器收集。
所述显微镜系统包括正置显微镜与倒置显微镜，其光斑分辨率最高可达0.5μm；功率调整后的激发光束依次经过所述反射镜和所述瑞利滤光片的反射后，经正置显微镜入射在样品表面发生拉曼散射，然后经过倒置显微镜照射到所述瑞利滤光片表面。
所述瑞利滤光片，包括陷波滤光片和Edge滤光片两种，用于将与发射激光波长相同的光子反射到达样品实现拉曼散射，透过波长高于或低于发射激光波长的光子到达光子探测器。
在共聚焦针孔与单光子探测器之间设有带通滤光片，定向拉曼散射光经过所述共聚焦针孔、带通滤光片后被单光子探测器接收。
所述共聚焦针孔可将焦点之外的光线挡住，从而尽量收集焦平面处对象的拉曼信号，降低样品厚度对于拉曼信号的影响。
在共聚焦针孔、带通滤光片之间设有格栅，即所述光谱采集系统可含有光栅或不含有光栅。
所述带通滤光片用于选择性地透射指定波长狭窄范围的光子，阻断所有其他波长的光子，从而控制到达光子探测器的光子波长在狭窄范围内。所述带通滤光片的半峰全宽为1-20nm。
所述单光子探测器，是指具有探测单光子能力的接收设备，可达光电探测的超灵敏极限。
所述单光子探测器，可将光谱测量的灵敏度提高1000到10000倍。
所述单光子探测器包括电子倍增电荷耦合器件及光电倍增管，所述电子倍增电荷耦合器件通过添加增益寄存器将光信号放大并进行成像，可显著改善微弱信号的信噪比，缩短曝光时间，其中增益寄存器为电子倍增电荷耦合器的内部器件；所述光电倍增管将光信号转化为电信号，通过对光电子进行二次发射将信号放大，极大提高响应速度和灵敏度。
所述不同光学器件间光路方向控制由光学反射镜控制。
本发明拉曼光谱仪工作原理为：
本发明通过加入带通滤光片及单光子探测器，实现高灵敏度检测波数在特定窄区域范围内的拉曼光谱。
带通滤光片可在进入检测系统前将所需波长范围之外光子高效(>90％)滤除，从而只收集所需窄波段(1-20nm)范围的光子，避免其他区域光子信号的干扰，从而提高特定波数范围(1-1000cm-1)内的光谱灵敏度与准确性。
单光子探测器可对信号进行增强，与背景噪音实现区分，提高信噪比，从而显著提高拉曼光谱的灵敏度与分辨率。
理论上，假设入射激光波长为532nm，一个光子的能量为
Eph＝hc/λ＝3.73×10-19J，其中h为普朗克常数，为6.626×10-34J·s，c为光速，为3×108m·s；
到达样品表面的激光通常为5mW，包含的光子数为1.34×1016/s；
考虑到每106-107个光子中有1个发生拉曼散射现象，因此每秒将有1.34×109-1010个光子发生拉曼散射现象；
考虑到最差情况下，发生拉曼散射的光子在经过镜子反射到达探测器时损失了99％，那么最终每秒仍有1.34×107个光子能到达光子探测器。
当使用高精度单光子探测器时，获得的拉曼信号将有显著提高，拉曼测量时间将显著缩短。
本发明获得的拉曼光谱仪相对于目前已有科研型或便携式拉曼光谱仪来说，具有以下优点：
1.所得拉曼光谱局限于特定窄波数范围，降低了图谱信息量及复杂性，简化了数据处理流程，结果更直观。
2.提高了测试的灵敏度：因其将入射光多数用于特定波段图谱采集，避免了光子的分散和浪费，且使用高精度的单光子探测器，因此可显著提高光谱的灵敏性，降低了测试时间。
3.由于所需激光能量及测量时间的降低，可更好保护样本，尤其是生物样本不被破坏，可更好用于后续分析。
4.本发明无需增加拉曼增强基底，是将不需要的光子过滤从而使接收器全部用于接收所需波长范围的光子，且通过高灵敏度光子接收器的使用，提高特定波数范围的拉曼信号，与专利CN107014803A的装置在原理及实现方式上有本质不同。
附图说明
图1为实施例1中拉曼光谱仪结构示意图；
图2为实施例2中拉曼光谱仪结构示意图；
图3为带通滤光片的过滤结果示意图；
图4为本发明拉曼光谱仪与氘标记联用时C-D峰出现示意图。
图中标号所示：1、激光器，2、干涉滤光片，3、功率衰减片，4、反射镜，5、显微镜系统，6、瑞利滤光片，7、共聚焦针孔，8、带通滤光片，9、单光子探测器，10、电脑设备，11、格栅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，如图1所示，该光谱仪主要由激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备三部分组成；所述激光发射设备包括激光器1、干涉滤光片2、功率衰减片3；所述光谱采集设备包括显微镜系统5、瑞利滤光片6、共聚焦针孔7、带通滤光片8、单光子探测器9；所述数据处理设备包括电脑设备10，电脑设备10内置处理软件；在光路转折部分添加反光镜4，实现光路控制。
本实施例的拉曼光谱仪工作过程为：激光器1发射特定波长的激光，通过干涉滤光片2滤除等离子线，使与预期发射激光波长一致的光线通过，通过功率衰减片3控制接触样品的激光强度；经反射镜4及瑞利滤光片6对光路实现控制，使得激光通过显微镜系统5打到样品表面发生拉曼散射，随后光子返回到显微镜系统5并穿透瑞利滤光片6，其中与入射激光波长一致的光子无法穿透瑞利滤光片6从而无法被收集；处于焦平面的光子穿透瑞利滤光片6之后经过共聚焦针孔7，而处于非焦平面的光子绝大多数无法进入共聚焦针孔7从而无法被收集；穿过共聚焦针孔7的光子进入带通滤光片8，只有指定波长左右狭窄范围的光子可穿透(如图3所示)，而所有其他波长的光子都被阻断，从而最终实现特定窄波数范围的拉曼光谱的获取；通过带通滤光片8的光子被高灵敏的单光子探测器9收集，因其可实现单光子水平的分辨率，因此可显著提高光谱的分辨率与灵敏度，避免光子浪费，从而降低光谱测量时间；单光子探测器9将光信号转化为电信号，传递给电脑设备10，形成拉曼光谱并对数据进行分析、比较和判定。
以532nm入射激光为例，当使用波段范围为10nm的带通滤光片时，设定为597-606nm(图3)，其接收到拉曼光谱范围为2050-2298cm-1，而该波数范围正好是当拉曼与氘标记联用时C-D峰出现区域(图4)，因此当使用该参数的激光器与滤光片时，该仪器测量的为特异性的C-D峰，从而避免了其他拉曼峰位的干扰，可用于细胞代谢活性的专一性检测，进而用于药敏性的快速检测。
实施例2
用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，如图2所示，该光谱仪主要由激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备三部分组成；所述激光发射设备包括激光器1、干涉滤光片2、功率衰减片3；所述光谱采集设备包括显微镜系统5、瑞利滤光片6、共聚焦针孔7、光栅11、带通滤光片8、单光子探测器9；所述数据处理设备包括电脑设备10，电脑设备10内置处理软件；在光路转折部分添加反光镜4，实现光路控制。
本实施例的拉曼光谱仪工作过程为：激光器1发射特定波长的激光，通过干涉滤光片2滤除等离子线，使与预期发射激光波长一致的光线通过，通过功率衰减片3控制接触样品的激光强度；经反射镜4及瑞利滤光片6对光路实现控制，使得激光通过显微镜系统5打到样品表面发生拉曼散射，随后光子返回到显微镜系统5并穿透瑞利滤光片6，其中与入射激光波长一致的光子无法穿透瑞利滤光片6从而无法被收集；处于焦平面的光子穿透瑞利滤光片6之后经过共聚焦针孔7，而处于非焦平面的光子绝大多数无法进入共聚焦针孔7从而无法被收集；穿过共聚焦针孔7的光子经过光栅11，从而被分散后进入带通滤光片8，只有指定波长左右狭窄范围的光子可穿透(如图3所示)，而所有其他波长的光子都被阻断，从而最终实现特定窄波数范围的拉曼光谱的获取；通过带通滤光片8的光子被高灵敏的单光子探测器9收集，因其可实现单光子水平的分辨率，因此可显著提高光谱的分辨率与灵敏度，避免光子浪费，从而降低光谱测量时间；单光子探测器9将光信号转化为电信号，传递给电脑设备10，形成拉曼光谱并对数据进行分析、比较和判定。
以532nm入射激光为例，当使用波段范围为10nm的带通滤光片时，设定为597-606nm(图3)，其接收到拉曼光谱范围为2050-2298cm-1，而该波数范围正好是当拉曼与氘标记联用时C-D峰出现区域(图4)，因此当使用该参数的激光器与滤光片时，该仪器测量的为特异性的C-D峰，从而避免了其他拉曼峰位的干扰，可用于细胞代谢活性的专一性检测，进而用于药敏性的快速检测。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪包括激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备，所述激光发射设备用于获得功率调整后的激发光束，所述光谱采集设备用于使功率调整后的激发光束打到样品表面发生拉曼散射，并滤去定向瑞利散射光，得到定向拉曼散射光，并使定向拉曼散射被接收器接收，所述数据处理设备为与接收器连接的电脑设备(10)，用于所获拉曼光谱的形成、分析及判断；其特征在于，所述的接收器为单光子探测器(9)，定向拉曼散射光最终被单光子探测器(9)接收。
2.根据权利要求1所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光发射设备包括激光器(1)、干涉滤光片(2)及功率衰减片(3)，所述激光器(1)产生圆柱形光束，圆柱形光束通过所述干涉滤光片(2)滤除等离子线，只允许激光器发射波长周围的光线通过，得到高纯净波长的激发光束；所述高纯净波长的激发光束经所述功率衰减片(3)衰减，获得功率调整后的激发光束。
3.根据权利要求1所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述光谱采集设备包括反射镜(4)、显微镜系统(5)、瑞利滤光片(6)、共聚焦针孔(7)及单光子探测器(9)，功率调整后的激发光束依次经过所述反射镜(4)和所述瑞利滤光片(6)的反射后，通过显微镜系统(5)打到样品表面发生拉曼散射，随后光子返回到显微镜系统(5)并穿透瑞利滤光片(6)，其中与入射激光波长一致的光子无法穿透瑞利滤光片(6)从而无法被收集；处于焦平面的光子穿透瑞利滤光片(6)之后经过共聚焦针孔(7)，而处于非焦平面的光子绝大多数无法进入共聚焦针孔(7)从而无法被收集；穿过共聚焦针孔(7)的光子进入带通滤光片(8)，只有指定波长狭窄范围的光子可穿透带通滤光片(8)，而所有其他波长的光子都被阻断，从而最终实现特定窄波数范围的拉曼光谱的获取；通过带通滤光片(8)的光子被高灵敏的单光子探测器(9)收集。
4.根据权利要求3所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述显微镜系统(5)包括正置显微镜与倒置显微镜；功率调整后的激发光束依次经过所述反射镜(4)和所述瑞利滤光片(6)的反射后，经正置显微镜入射在样品表面发生拉曼散射，然后经过倒置显微镜照射到所述瑞利滤光片(6)表面。
5.根据权利要求3所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述瑞利滤光片(6)，包括陷波滤光片和Edge滤光片两种，用于将与发射激光波长相同的光子反射到达样品实现拉曼散射，透过波长高于或低于发射激光波长的光子到达光子探测器(9)。
6.根据权利要求3所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，在共聚焦针孔(7)与单光子探测器(9)之间设有带通滤光片(8)，定向拉曼散射光经过所述共聚焦针孔(7)、带通滤光片(8)后被单光子探测器(9)接收。
7.根据权利要求6所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，在共聚焦针孔(7)、带通滤光片(8)之间设有格栅(11)。
8.根据权利要求6所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述带通滤光片(8)的半峰全宽为1-20nm。
9.根据权利要求1所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述单光子探测器(9)包括电子倍增电荷耦合器件及光电倍增管，所述电子倍增电荷耦合器件通过添加增益寄存器将光信号放大并进行成像，可显著改善微弱信号的信噪比，缩短曝光时间；所述光电倍增管将光信号转化为电信号，通过对光电子进行二次发射将信号放大，极大提高响应速度和灵敏度。
10.根据权利要求1所述的用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，其特征在于，所述窄波数范围，包括1-1000cm-1区域，即在所需中心波数左右各0.5-500cm-1。
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