CN107561059A - 多波长线扫描拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长线扫描拉曼光谱仪，包括：激光光源，包括激光器、光束耦合系统和衰减片，其用于输出激发光以照射到样品上；聚焦物镜与第一衍射光栅，其用于实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描；长波通滤光片组，其用于滤除激光光源输出的激发光；及光谱收集单元，包括透镜组、第二衍射光栅和CCD，其用于对样品不同横向位置上散射的拉曼光进行收集与处理。通过衍射光栅与聚焦透镜的组合，实现了不同波长的光在样品横截面上实现线分布，实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描，从而避免基于位移平台的线扫描，减小了系统的尺寸；通过将相邻波长的光谱进行解调可以实现去除样品荧光背景的目的，能提高检测结果的准确性。

Description

多波长线扫描拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及材料检测和生物医学领域，特别涉及一种多波长线扫描拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱仪在食品检测、石油检测、物质分析、法医刑侦以及生命安全等诸多领域都具有重要的应用前景。拉曼光谱仪最早被应用于物质成分的分析，随着技术的进步，显微成像拉曼光谱仪的出现，使得拉曼光谱仪的应用范围拓宽至成像领域。

成像型拉曼光谱仪通过位移平台实现逐点扫描，获得样品各横向位置处的拉曼光谱。对于许多应用场合例如大型样品和活体内部器官等，并不能利用位移平台移动样品实现横向扫描。目前，实现线扫描的方式主要是柱面镜法，在照明光路中使用柱面镜，使得圆形光斑在X-Y平面的一个方向聚焦，从而实现在这个方向的线聚焦。然而这种方式的线扫描是基于窄带光源的，所探测的拉曼信号荧光背景的去除主要依赖于去基线算法，准确度比较低，可重复性比较差，对定量型拉曼分析影响比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多波长线扫描拉曼光谱仪。本发明采用近红外宽带激光器作为光源，利用衍射光栅和聚焦物镜实现拉曼光谱仪的横向扫描，并去除样品的荧光背景。本发明针对拉曼光谱仪的扫描方式以及去荧光背景的方法进行改进，使其实现去位移平台的横向扫描方式的同时，利用多波长改进去除拉曼光谱背景荧光的准确性，可重复性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多波长线扫描拉曼光谱仪，包括：

激光光源，包括激光器、光束耦合系统和衰减片，其用于输出激发光以照射到样品上；

聚焦物镜与第一衍射光栅，其用于实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描；

长波通滤光片组，其用于滤除激光光源输出的激发光；

及光谱收集单元，包括透镜组、第二衍射光栅和CCD，其用于对样品不同横向位置上散射的拉曼光进行收集与处理，并转换成电信号进行输出。

优选的是，还包括沿光路依次设置的第一反射镜、第二反射镜和半透半反射镜，所述激光器产生的激发光依次经过光束耦合系统耦合、衰减片调节激发光入射到样品上的光功率、第一反射镜、第二反射镜、半透半反射镜、第一衍射光栅和聚焦物镜聚焦后照射到样品上，其中，相同入射角度的不同波长的激发光经第一衍射光栅衍射后，不同波长的激发光以不同的角度入射到聚焦物镜上，聚焦后在样品的横向实现线分布。

优选的是，所述透镜组包括沿光路依次设置的第一透镜、共聚焦针孔、第二透镜及设置在所述第二衍射光栅和CCD之间的聚焦透镜。

优选的是，还包括设置在所述半透半反射镜和长波通滤光片组之间的第三反射镜；所述激发光经样品散射后的散射光依次经过聚焦物镜收集聚焦、第一衍射光栅将不同角度入射的来自样品不同位置处的散射光衍射到同一衍射角、半透半反射镜、第三反射镜、长波通滤光片组滤除激发光、第一透镜聚焦、共聚焦针孔、第二透镜准直、第二衍射光栅分光和聚焦透镜聚焦后，得到样品散射的拉曼光，样品散射的拉曼光中不同波长的光再聚焦到CCD不同的像素上，进行拉曼光的收集与处理，测得拉曼光谱，再将检测结果转换成电信号后输出到计算机。

优选的是，所述激光器为扫频激光器，其产生的激发光的中心波长为785nm，其带宽大于10nm。

优选的是，所述长波通滤光片组包括多片中心波长不同、带宽相同的长波通滤光片。

优选的是，所述第一衍射光栅的光谱分辨率小于所述第二衍射光栅的光谱分辨率。

优选的是，所述光束耦合系统包括光隔离器和耦合透镜。

优选的是，通过聚焦物镜与第一衍射光栅，实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描，以测得样品不同的横向位置处的拉曼光谱；通过将样品相邻的横向位置处所测得的拉曼光谱相减以去除样品的荧光背景。

优选的是，所述第二衍射光栅为线对数为1200lp/mm的近红外反射式衍射光栅，其光谱分辨率为0.067nm；所述第一透镜和第二透镜用于实现入射到第二衍射光栅上的光斑的扩束，以调节入射到所述第二衍射光栅上的光斑的大小。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用近红外宽带激光器，有利于拉曼光谱远离荧光背景比较强的区域；

2)本发明通过衍射光栅与聚焦透镜的组合，实现了不同波长的光在样品横截面上实现线分布，实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描，从而避免基于位移平台的线扫描，减小了系统的尺寸；

3)通过将相邻波长的光谱进行解调可以实现去除样品荧光背景的目的，能提高检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的多波长线扫描拉曼光谱仪的结构示意图。

附图标记说明：

1—激光光源；2—衰减片；3—第一反射镜；4—第二反射镜；5—样品；6—聚焦物镜；7—第一衍射光栅；8—半透半反射镜；9—第三反射镜；10—长波通滤光片组；11—第一透镜；12—共聚焦针孔；13—第二透镜；14—第二衍射光栅；15—光谱收集单元；16—计算机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种多波长线扫描拉曼光谱仪，包括：激光光源1，包括激光器、光束耦合系统和衰减片2，其用于输出激发光以照射到样品5上；聚焦物镜6与第一衍射光栅7，其用于实现拉曼光谱仪在样品5的横向上的线扫描；长波通滤光片组10，其用于滤除激光光源1输出的激发光；及光谱收集单元15，包括透镜组、第二衍射光栅14和CCD，其用于对样品5不同横向位置上散射的拉曼光进行收集与处理，并转换成电信号进行输出。

激光器为功率大于200mW的扫频光源激光器，其产生的激发光的中心波长为远离荧光背景的785nm，其带宽大于10nm。该波段产生的荧光背景相对较小。近红外激光器，有利于拉曼光谱远离荧光背景比较强的区域。

扫频光源激光器产生的近红外宽带光，经过光率衰减片2调整后，经过半透半反镜将光源出射的近红外光反射进入衍射光栅分光，不同波长的光经聚焦物镜6聚焦到样品5上不同的横向位置。样品5的后向散射光经物镜收集准直后通过衍射光栅，经长波通滤光片将光源出射的近红外光滤除，其余非弹性散射光(拉曼光)经透镜聚焦后经过共聚焦针孔12，再经透镜准直后入射到衍射光栅上，进行分光，不同波长的光经过聚焦透镜聚焦到CCD上，采集样品5的拉曼光谱。

样品5产生的散射光中，样品的不同横向位置处的散射光入射到第一衍射光栅上的入射角度不同，第一衍射光栅7将不同角度入射的散射光衍射到同一衍射角；通过第一衍射光栅7与聚焦透镜的组合，不同波长的入射光以不同的角度入射到聚焦物镜6上，经聚焦物镜6聚焦到样品5上不同的横向位置，能实现不同波长的光在样品5横向上的线分布，从而实现样品5横向的线扫描，而不需要平移样品5，从而避免基于位移平台的机械式线扫描，减小系统的尺寸。

光束耦合系统包括光隔离器和耦合透镜。

在一种实施例中，激光光源1还包括用于对激发光进行偏振状态调节的偏振片。

还包括沿光路依次设置的第一反射镜3、第二反射镜4和半透半反射镜8，以及设置在半透半反射镜8和长波通滤光片组10之间的第三反射镜9。透镜组包括沿光路依次设置的第一透镜11、共聚焦针孔12、第二透镜13及设置在第二衍射光栅14和CCD之间的聚焦透镜。

激光器产生的激发光依次经过光束耦合系统耦合，经衰减片2调节激发光入射到样品5上的光功率，用以避免样品5被激光器烧坏，第一反射镜3、第二反射镜4进行光路转折，再经半透半反射镜8反射，经第一衍射光栅7分光和聚焦物镜6聚焦后照射到样品5上。

激发光经样品5散射后的散射光依次经过聚焦物镜6收集聚焦、第一衍射光栅7将不同角度入射的不同波长的散射光衍射到同一衍射角、半透半反射镜8、第三反射镜9、长波通滤光片组10滤除激发光、第一透镜11聚焦、共聚焦针孔12、第二透镜13准直、第二衍射光栅14分光和聚焦透镜聚焦后，得到样品5散射的拉曼光，样品5散射的拉曼光中不同波长的光再聚焦到CCD不同的像素上，进行拉曼光的收集与处理，再转换成电信号后输出到计算机16中，实现拉曼光谱的探测。

长波通滤光片组10包括多片中心波长不同、带宽相同的长波通滤光片。用以实现激发光的滤除，并且保证尽量不损失低波数段的拉曼光谱。滤光片组的带宽决定了拉曼光谱仪在低波数段的探测光谱范围，带宽的选择需要综合考虑所需要的低波数范围和可安装的长波通滤光片的个数。

其中，滤光片组的带宽决定了拉曼光谱仪在低波数段的探测光谱范围，带宽的选择需要综合考虑所需要的低波数范围和可安装的长波通滤光片的个数。

通过聚焦物镜6与第一衍射光栅7，实现拉曼光谱仪在样品5的横向上的线扫描，以测得样品5不同的横向位置处的拉曼光谱；通过对样品5不同的横向位置处所测得的拉曼光谱进行解调来去除样品5的荧光背景。具体为：由于不同横向位置处所测得的光谱的激发光存在不同，激发的拉曼光的波数也不同，而荧光背景由于所用的激发光波长相差不大，相邻横向位置处的荧光背景相同，通过将相邻的光谱相减可以去除荧光背景而保留拉曼光谱，从而实现去除样品5的荧光背景。

第一衍射光栅7的光谱分辨率小于第二衍射光栅14的光谱分辨率。第一衍射光栅7的线对数为600lp/mm。第二衍射光栅14为线对数为1200lp/mm的近红外反射式衍射光栅，其光谱分辨率为0.067nm。

第一透镜11和第二透镜13用于实现入射到第二衍射光栅14上的光斑的扩束，以调节入射到第二衍射光栅14上的光斑的大小。横向扫描的范围主要与入射到第二衍射光栅14上的光斑大小、第二衍射光栅14的线对数和聚焦物镜6的焦距有关，通过调节光斑大小和聚焦物镜6的焦距可以控制扫描范围。在一种实施例中，第一透镜11和第二透镜13实现入射到第二衍射光栅14上的光斑的5倍扩束。

在一种实施例中，第一衍射光栅7不仅仅包括其本身，还包括AOTF，空间光调制器等具有相似分光功能的器件。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，包括：

激光光源，包括激光器、光束耦合系统和衰减片，其用于输出激发光以照射到样品上；

聚焦物镜与第一衍射光栅，其用于实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描；

长波通滤光片组，其用于滤除激光光源输出的激发光；

及光谱收集单元，包括透镜组、第二衍射光栅和CCD，其用于对样品不同横向位置上散射的拉曼光进行收集与处理，并转换成电信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，还包括沿光路依次设置的第一反射镜、第二反射镜和半透半反射镜，所述激光器产生的激发光依次经过光束耦合系统耦合、衰减片调节激发光入射到样品上的光功率、第一反射镜、第二反射镜、半透半反射镜、第一衍射光栅和聚焦物镜聚焦后照射到样品上，其中，相同入射角度的不同波长的激发光经第一衍射光栅衍射后，不同波长的激发光以不同的角度入射到聚焦物镜上，聚焦后在样品的横向实现线分布。

3.根据权利要求2所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述透镜组包括沿光路依次设置的第一透镜、共聚焦针孔、第二透镜及设置在所述第二衍射光栅和CCD之间的聚焦透镜。

4.根据权利要求3所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，还包括设置在所述半透半反射镜和长波通滤光片组之间的第三反射镜；所述激发光经样品散射后的散射光依次经过聚焦物镜收集聚焦、第一衍射光栅将不同角度入射的来自样品不同位置处的散射光衍射到同一衍射角、半透半反射镜、第三反射镜、长波通滤光片组滤除激发光、第一透镜聚焦、共聚焦针孔、第二透镜准直、第二衍射光栅分光和聚焦透镜聚焦后，得到样品散射的拉曼光，样品散射的拉曼光中不同波长的光再聚焦到CCD不同的像素上，进行拉曼光的收集与处理，测得拉曼光谱，再将检测结果转换成电信号后输出到计算机。

5.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器为扫频激光器，其产生的激发光的中心波长为785nm，其带宽大于10nm。

6.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述长波通滤光片组包括多片中心波长不同、带宽相同的长波通滤光片。

7.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一衍射光栅的光谱分辨率小于所述第二衍射光栅的光谱分辨率。

8.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述光束耦合系统包括光隔离器和耦合透镜。

9.根据权利要求4所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，通过聚焦物镜与第一衍射光栅，实现拉曼光谱仪在样品的横向上的线扫描，以测得样品不同的横向位置处的拉曼光谱；通过将样品相邻的横向位置处所测得的拉曼光谱相减以去除样品的荧光背景。

10.根据权利要求1所述的多波长线扫描拉曼光谱仪，其特征在于，所述第二衍射光栅为线对数为1200lp/mm的近红外反射式衍射光栅，其光谱分辨率为0.067nm；所述第一透镜和第二透镜用于实现入射到第二衍射光栅上的光斑的扩束，以调节入射到所述第二衍射光栅上的光斑的大小。