CN110398485A - 一种基于差分拉曼技术的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于差分拉曼技术的检测装置及检测方法，本发明主要涉及基于差分拉曼技术的检测装置，还涉及一种基于差分拉曼技术的检测方法。本发明提供一种解决拉曼检测过程中荧光干扰问题的技术方案。本发明主要包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；控制器和双频激光光源、光谱检测器连接，控制器中含有数据处理组件。本发明主要应用于物质成分分析检测领域，比如食品安全检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉曼检测装置，尤其为一种基于差分拉曼技术的检测装置，同时本发明还涉及一种基于差分拉曼技术的检测方法。
背景技术
由于拉曼信号的谱线区域会受到荧光或强散射背景的影响，在谱图里的拉曼信号经常很难区分。在过去的十几年中，拉曼光谱技术作为工业应用过程控制和环境监测领域中的非接触式和现场方法，已经越来越受到人们的关注。但是由于拉曼光谱需要较高的激发能量，聚焦于材料局部可能导致软化温度较低的材料局部过热，因此对于添加深色或荧光色素的材料，采用普通拉曼技术无法有效获得被测物的拉曼特征光谱。
在同样的条件下，拉曼位移差分技术使用两束具有微小差别的激光激发样品，得到两张效果相当的拉曼光谱，其荧光信号几乎不发生变化，而拉曼信号则根据激发波长产生相应的频移。通过差分可以有效的克服荧光干扰，提高检测光谱的信噪比。在先技术中，CN105092560A专利中公开了一种采用外腔光栅可调谐激光器的差分拉曼光谱装置，但是该装置需要复杂的光栅控制机构，由于采用侧向接收的光谱检测方式，需要复杂机构保持激发点与接收点的重合，因此该方案难以适用于小型化现场应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种基于差分拉曼技术的检测装置及方法，其能够有效获取被测物质的拉曼特征光谱，为了实现本发明的技术目的，本发明提供如下技术方案：
本发明所述的一种基于差分拉曼技术的检测装置，包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；所述控制器和双频激光光源、光谱检测器连接，所述控制器中含有数据处理组件。
优选地，所述固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源，频率间隔与所选光谱检测器的分辨率有关，其固定频率偏差应大于光谱检测器的像素分辨率。
优选地，所述数据处理组件主要包括所需重采样、对齐和差分标记及特征提取算法和数据库。
优选地，所述聚焦光路前部有支撑装置，用于定位样品，使样品备件区域位于聚焦光路的焦平面。
优选地，所述支撑装置包括支撑结构外套和支撑结构内套，支撑装置与样品接触面外围有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，所述不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。
一种基于差分拉曼技术的检测方法，其特征在于检测过程包括以下步骤：
a光谱数据采集：固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源交替照射样品，分别通过共用光谱检测器获得样品的激发光谱;
b光谱数据处理和标记：对获得的激发光谱进行等间距重新采样，根据全谱信号强度对差分光谱对齐、差分以实现样品分子特征的差分标记;
c根据差分特征对光谱信息进行去噪和重建，提取重建后的特征峰高度和峰位作为光谱特征;
d通过与先验数据库的匹配进行目标材料的鉴别。
优选地，由于原始光谱仪数据横坐标具有非线性，差分前需要对光谱进行重新等间距采样否则需要在差分特征解调时，对滤波器进行非线性处理；由于各种因素的干扰，比如激光漂白作用，前后两次测得的样品光谱非拉曼信号可能存在差别，直接差分可能引起差分光谱基线偏移，仅通过激发光源强度控制不可能完全消除，因此本发明通过在全谱范围对光谱进行非线性变换实现光谱对齐。
本发明采用后向共用拉曼光路和光束动态偏转光路，为了进一步降低激发强度，采用在同一硅片上长的共输出双波长激光光源，通过交替对样品进行激发，并对采集光谱进行后续位移差分拉曼处理，在低输入功率下消除受激发射干扰，获得样品的拉曼特征，采用双层支撑实现样品的准确对焦和对环境干扰光频率的隔离，以克服荧光和其它非拉曼干扰，提高设备的检测灵敏度，从而实现对被测物质样品拉曼特征的提取。通过所提取的拉曼特征与先验标准库中的数据比对进而判定出检测样品的材质。
附图说明
图1为本发明一种基于差分拉曼技术的检测装置的结构示意图。
附图中标号解释：1-控制器，2-窄线宽双频激光光源，3-支撑结构外套，4-支撑结构内套，5-聚焦镜，6-滤光片，7-分光镜，8-接收光路，9-光谱检测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明通过采用双波长激光光源，通过复用控制系统，减小光学系统的体积和重量，由于双波长光源采用芯片集成因而其性能一致性好，可以很好的保持双波长差，进而提高系统的检测稳定性。本发明采用差分检测实现低激光输入功率，通过软硬件结合提光谱特征恢复能力。此外采用双层支撑装置通过内层硬限位层保证样品表层区域与装置焦平面重合，以获得最大的激发效率；同时，支撑结构设置有外层柔性裙边，匹配样品外形变化，贴合样品表面，构成避光暗室，防止环境光线干扰。
如附图1所示，一种基于差分拉曼技术的检测装置的具体实施例，该实施例主要包括控制器1、用户交互系统、窄线宽双频激光光源2、光谱检测器9；另外还包括复用的准直发射和接收光路8，用于输出和接收共轴光束。在具体实施中首先将待测样品放置于支撑装置中，支撑装置包括支撑结构内套4和支撑结构外套3，支撑装置与样品接触面外围有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。然后进行光谱数据采集，通过双频激光光源2发射激发光交替照射样品，样品的反射光通过聚焦镜5然后通过分光镜7沿着接收光路8进入光谱检测器9，光谱检测器获得样品的激发光谱。然后对获得的光谱数据进行处理和标记，对获得的激发光谱进行等间距重新采样，通过梯度下降算法同时获取差分光谱并扣除基线偏移。根据全谱信号强度对差分光谱对齐、差分以实现样品分子特征的差分标记。根据差分特征对光谱信息进行去噪和重建，提取重建后的特征峰高度和峰位作为光谱特征。进而通过与先验数据库中的光谱特征进行匹配实现对目标材料的鉴别。同时，采用带拟合滤波方法，通过设计数字滤波器，仅提取光谱中具有与样品拉曼特征峰宽度相近、差分距离一致的特征信号，从而在高度干扰信号中实现拉曼特征的准确提取。
以上描述为本发明的优选实施方式，并不以此限制本发明，对于本领域的普通技术人员来说，凡是不脱离本发明构思和本质特征的情况下，对本发明所做的等同替换、修改都应该视作本发明覆盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于差分拉曼技术的检测装置，其特征在于：包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；所述控制器和双频激光光源、光谱检测器连接，所述控制器中含有数据处理组件。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分拉曼技术的检测装置，其特征在于：所述固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源，频率间隔与所选光谱检测器的分辨率有关，其固定频率偏差应大于光谱检测器的像素分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分拉曼技术的检测装置，其特征在于：所述数据处理组件主要包括所需重采样、对齐和差分标记及特征提取算法和数据库。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分拉曼技术的检测装置，其特征在于：所述聚焦光路前部有支撑装置，用于定位样品，使样品备件区域位于聚焦光路的焦平面。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分拉曼技术的检测装置，其特征在于：所述支撑装置包括支撑结构外套和支撑结构内套，支撑装置与样品接触面外围有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，所述不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。
6.一种基于差分拉曼技术的检测方法，其特征在于检测过程包括以下步骤：
a光谱数据采集：固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源交替照射样品，分别通过共用光谱检测器获得样品的激发光谱;
b光谱数据处理和标记：对获得的激发光谱进行等间距重新采样，根据全谱信号强度对差分光谱对齐、差分以实现样品分子特征的差分标记;
c根据差分特征对光谱信息进行去噪和重建，提取重建后的特征峰高度和峰位作为光谱特征;
d通过与先验数据库的匹配进行目标材料的鉴别。
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