CN111122541B - 一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统。其特征是：它是由脉冲激光器1、第一传输光纤2、三端口光纤环形器3、第三传输光纤4、控制与数据处理系统5、偏压控制模块6、第三传输光纤7、光束准直器8、长波通滤光片9、聚焦透镜10、探测器阵列11(由第一雪崩光电二极管13和第二雪崩光电二极管14组成)和读出电路12组成。本发明可用于对携带物质信息的拉曼信号和荧光信号进行有效分离和同时探测，并使得探测到的拉曼信号和荧光信号的信噪比得以优化，进而实现对被测物质的多功能分析，可广泛应用于光学探测技术领域和医学成像系统。

Description

一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，可用于对携带物质信息的拉曼信号和荧光信号进行有效分离和同时探测，并使得探测到的拉曼信号和荧光信号的信噪比得以优化，进而实现对被测物质的多功能分析。属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
光纤探针有着易于小型化、使用灵活、抗电磁干扰强、成本低等优点，然而在使用过程中，光纤探针及其系统也存在着困难和挑战。由于光纤探针的探测光信号中会有多种类型光信号互相干扰(包括光纤本身的散射光信号，以及测量物质及其环境被激发的光信号)从而产生较大的噪声，使得光纤探针后向激发的探测光的收集和处理成为设计光纤探针探测系统的最大挑战之一。
当激发光经光纤传输到达被测物质后，被测物质经入射光激发后产生背向混杂光信号，这些光信号主要包括弹性散射(瑞利散射)、非弹性散射(拉曼信号和荧光信号)，其中带有被测物质信息的光信号主要为拉曼光信号和荧光光信号。由于拉曼信号是一种相对于激发光有特殊频移的散射光，该特定的频移与被测物质中分子或原子的振动、转动以及电子能级之间的能级差相对应，因此收集拉曼光信号就可以知道被测物质的分子结构和成分的信息。可以用于生物大分子的探测、能源气体的检测和用于有机化学中的结构鉴定。
另外，荧光信号也可以提供许多重要的物理参数，如荧光强度和荧光寿命，通过这些特性可以反映研究体系内部的变化，从而观察到分子间变化，进而得到被测物质更多的有效信息，可广泛用于生化和医药领域。
雪崩光电二极管是一种具有内增益的光生伏特器件，利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，从而获得光电流的增益。雪崩光电二极管具有电流增益大、灵敏度高、频率响应快等优点。可广泛应用于微弱的信号探测，光子计数等领域。
在对物质的微弱信号探测过程中，经入射光激发后，被测物质会产生背向混杂光信号(主要有拉曼信号、荧光信号和瑞利信号)，其中携带物质信息的拉曼信号不仅微弱，同时与荧光信号混杂在一起，且拉曼信号的强度小于荧光信号的强度，这就使得获取到的拉曼信号信噪比低，同时，拉曼信号也会成为获取荧光信号时的噪声，降低了荧光信号的信噪比。
为了解决上述问题，研究人员提出了多种优化拉曼信号或者荧光信号探测的方法。主要分为三类，第一类是通过物理或化学处理手段实现(如荧光淬灭剂法、光漂白法和表面增强拉曼光谱技术)，如2016年华中科技大学和武汉四方光电科技有限公司的余安澜、左都罗等人公开了一种降低气体拉曼光谱荧光背景的装置及方法(中国专利：CN201610128583.5)。该发明可在荧光背景中检测出气体拉曼散射信号，从而降低荧光背景的影响，从而提高系统对拉曼信号的探测能力，提高拉曼信号的信噪比。
第二类方法是基于拉曼信号和荧光信号在性质上的差异(基于拉曼散射和荧光寿命不同、基于拉曼散射和荧光在频率性质上的不同、基于拉曼散射和荧光在波长性质上的不同)，对拉曼测量仪器进行改造，从而实现信号的探测。如在2018年深圳网联光仪科技有限公司的夏国强、李浩文公开了一种通过调制特定的激发光来分辨拉曼光电方法(中国发明：CN201811361467.5)。该发明通过对激光的变化处理，利用拉曼信号和荧光信号的衰减寿命的不同，得到拉曼信号和荧光信号之后，筛选出拉曼信号，从而测得被测物体的信息。
第三类方法是计算机处理方法(如多项式拟合、小波变化和求导数方法)，如YangGui-jun,Chen yu-lun.Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory,2010,27(1):325.中使用了小波变化来处理信号。该方法实现对得到的光谱信号进项小波分解，从而得到高频和低频小波系数矢量，之后通过阈值法去除小波系数中被认为是噪声的信号，将经过处理的小波系数进行反变换，得到预处理后的光谱信号。
在上述所述方法中，第一类方法是对混杂信号中的荧光信号进行处理，从而筛选出拉曼信号将荧光信号视为噪声去除，这种方法不能将拉曼信号和荧光信号同时提取，从而不能对被测物质的信息进行全面了解；第二类方法是通过拉曼散射和荧光性质的不同，当荧光寿命与激发脉冲光信号相近时效果不明显，且测量大带宽拉曼信号时荧光的干扰很大，测量效果不好。第三类方法通过计算机处理方法对已得到的拉曼信号和荧光信号进行处理，从而提高所提取出信号的信噪比，这种方法是基于对已经探测到的拉曼信号和荧光信号进行处理，不能将淹没在混杂光信号中拉曼信号或者荧光信号还原出来，因此无法从根本上提高系统对于系统微弱信号的检测。
本发明公开了一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，可用于对携带物质信息的拉曼信号和荧光信号进行有效分离和同时探测，并使得探测到的拉曼信号和荧光信号的信噪比同时得到优化，进而实现对被测物质的多功能分析。可广泛应用于光学探测技术领域和医学成像系统。本发明利用不同物质拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间上的特性差异，使用控制和数据处理系统将拉曼信号和荧光信号在时域上有效分离，进而由偏压控制模块控制的探测器阵列(由两个雪崩光电二极管组成)对拉曼信号和荧光信号分开探测，从而同时得到拉曼信号和荧光信号，并使得拉曼信号和荧光信号的信噪比得以优化，实现拉曼信号和荧光信号的同步多功能探测。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统。该装置具有探测灵敏度高、结构紧凑和实用性强，能实现拉曼信号和荧光信号的高效、同步及多功能探测等优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统。其特征是：由脉冲激光器1、第一传输光纤2、三端口光纤环形器3、第二传输光纤4、控制和数据处理系统5、偏压控制模块6、第三传输光纤7、光纤准直器8、长波通滤光片9、聚焦透镜10、探测器阵列11(由第一雪崩光电二极管13和第二雪崩光电二极管14组成)和读出电路12组成。所述系统中由控制和数据处理系统5控制的脉冲激光器1发出的脉冲光信号分别经过第一传输光纤2、三端口光纤环形器3和第二传输光纤4入射至被测物质，被测物质受到脉冲光信号的激励后产生背向散射混杂光信号(主要有拉曼信号、瑞利信号和荧光信号)，这些混杂光信号通过第二传输光纤4和三端口光纤环形器3后经由第三传输光纤7进入光纤准直器8，经准直后的混杂光信号通过长波通滤光片9由聚焦透镜10聚焦至探测器阵列11，受偏压控制模块6控制的探测器阵列11对混杂光信号进行探测，被探测到的光信号最后经由读出电路12读出，传输至控制和数据处理系统5处理并得到测量结果。
由于要在拉曼信号和荧光信号的时域上得到一个合适的时间窗口，从而使得拉曼信号和荧光信号在时域上有效分离。本发明利用了拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间在时域上的特性差异。
其中拉曼信号的产生和消失(弛豫)时间受到分子化学键结构，环境影响，总时间为100fs-100ps不等，在时域上，荧光产生(发射)过程所需的时间为：1.光子吸收：约10-3ps；2.内转换和振动弛豫：10ps-1ns；总计10ps-1ns。荧光寿命为100ps-100ns，由以上可知，拉曼信号的产生和消失(弛豫)的时间比荧光信号的发射时间小(或者部分重合)。
根据不同物质的拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间，使用控制和数据处理系统对脉冲激光器发出的脉冲光信号的脉冲宽度进行调整，从而得到脉冲激光器出的脉冲光信号的最佳脉冲宽度。
当脉冲激光器发出脉冲光信号时，脉冲激光信号的脉冲宽度一定时，若拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间交集过大时，通过缩短脉冲光信号的脉冲宽度，可以使得交集减少，从而同时提高拉曼信号和荧光信号的信噪比。当拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间的交集过小时，通过加宽脉冲光信号的脉冲宽度，使得在较小影响荧光信号信噪比的前提下收集到更强的拉曼信号。
得到被测物质拉曼信号和荧光信号在时域上的合适的时间窗口后，为了提高拉曼信号和荧光信号的探测效率，利用了脉冲激光器发出的同步电信号和偏压控制模块来控制探测器阵列(第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管)对拉曼信号和荧光信号进行高效探测。
脉冲激光器在发出脉冲光信号的同时会输出同步电信号，偏压控制模块根据此同步电信号电平高低的变化，产生相应的偏置电压输出至探测器阵列，在同步电信号的一个周期内，当同步电信号为高电平时，探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于工作状态，对拉曼信号进行探测，此时，第二雪崩光电二极管处于非工作状态；当该周期内同步电信号自身电平为低电平时，偏压控制控制模块使探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于非工作状态，此时，第二雪崩光电二极管处于工作状态，对荧光信号进行探测。
探测器探测到的拉曼信号和荧光信号由读出电路读出，读出电路的类型由探测器中雪崩光电二极管的状态决定，当探测模式为单光子(盖革)探测模式时，读出电路为主动或被动猝灭电路；当探测模式是用于线性模式下，读出电路为跨阻放大器电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的发明效果：
本发明利用拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间的特性差异，使用控制和数据处理系统使得拉曼信号和荧光信号在时域上得到一个合适的时间窗口，消除或有效避免拉曼信号和荧光信号的互相干扰；同时使用偏压控制模块和灵敏度极高的探测器阵列，将拉曼信号和荧光信号在一个周期内分开探测，极大的提高了拉曼信号和荧光信号的探测效率，使得拉曼信号和荧光信号的信噪比同时得到优化，实现拉曼信号和荧光信号的同步高效探测。
(四)附图说明
图1是区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统结构图。由脉冲激光器1、第一传输光纤2、三端口光纤环形器3、第二传输光纤4、控制和数据处理系统5、偏压控制模块6、第三传输光纤7、光纤准直器8、长波通滤光器9、聚焦透镜10、探测器阵列11(由第一雪崩光电二极管13和第二雪崩光电二极管14组成)和读出电路12组成。
图2是通过改变脉冲光信号的脉冲宽度从而同时提高拉曼信号和荧光信号使得信噪比得以优化的模拟仿真图。图2(a)是脉冲光信号的脉冲宽度较宽时，拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间交集较大，会造成两种信号的信噪比都比较低如图2(b)；当将脉冲光信号的脉冲宽度缩短时,拉曼信号和荧光信号交集有所减小如图2(c),明显可以看到拉曼信号和荧光信号的信噪比有所提高,如图2(d)；通过脉冲光信号的脉冲宽度的多次变化，可以使得拉曼信号和荧光信号在时域上得到合适的时间窗口如图2(e)，此时拉曼信号和荧光信号的信噪比得以优化如图2(f)。
图3是探测器阵列中第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管分别探测拉曼信号和荧光信号的示意图。在脉冲激光器发出的同步电信号的一个周期内，当同步电信号为高电平时，探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于工作状态，对拉曼信号进行探测，此时，第二雪崩光电二极管处于非工作状态；当该周期内同步电信号自身电平为低电平时，偏压控制控制模块使得探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于非工作状态，对荧光信号进行探测，此时，第二雪崩光电二极管处于工作状态。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1给出了区分拉曼光信号和荧光光信号的装置的实施例，由脉冲激光器1、第一传输光纤2、三端口光纤环形器3、第二传输光纤4、控制和数据处理系统5、偏压控制模块6、第三传输光纤7、光纤准直器8、长波通滤光片9、聚焦透镜10、探测器阵列11(由第一雪崩光电二极管13和第二雪崩光电二极管14组成)和读出电路12组成。所述系统中由控制和数据处理系统5控制的脉冲激光器1发出的脉冲光信号分别经过第一传输光纤2、三端口光纤环形器3和第二传输光纤4被注入至被测物质，被测物质受到脉冲光信号的激励后产生背向散射混杂光信号(主要有拉曼信号、瑞利信号和荧光信号)，这些混杂光信号通过第二传输光纤4和三端口光纤环形器3后经由第三传输光纤7进入光纤准直器8，经准直后的混杂光信号通过长波通滤光片9由聚焦透镜10聚焦至探测器阵列11，受偏压控制模块6控制的探测器阵列11对混杂光信号进行探测，被探测到的光信号最后经由读出电路12读出，传输至控制和数据处理系统5处理并得到测量结果。
参考图2，本实施例中选择的被测物质可为乙醇、三聚氰胺、诺氟沙星、大肠杆菌或者其他物质中的一种，通过分析其拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间在时域上的特性差异，进而调整脉冲光信号的脉冲宽度，得到拉曼信号和荧光信号在时域上合适的时间窗口。
脉冲激光器发出具有合适脉冲宽度的脉冲光信号通过第一传输光纤，从三端口光纤环形器的a口进入，b口输出后，经由第二传输光纤后到达被测物质(被测物质可以是乙醇、三聚氰胺、诺氟沙星、大肠杆菌或者其他物质中的任意一种)，被测物质经脉冲光激发后产生背向散射光信号(主要由拉曼信号、荧光信号、瑞利信号)，这些信号通过第二传输光纤，从三端口光纤环形器的b口进入，c口输出，经由第三传输光纤后达到光纤准直器，光纤准直器将光纤内的传输光转变为准直光。
准直后的光通过长波通滤光片，该滤光片会滤掉除拉曼光信号和荧光光信号外的其他光信号。
通过长波通滤光片的拉曼信号和荧光信号由聚焦透镜聚焦到探测器阵列上，该探测器由第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管组成，两个雪崩光电二极管的工作状态受到偏压控制模块的控制。
脉冲激光器发出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号，该同步电信号到达偏压控制模块后，偏压控制模块会根据此同步电信号电平信号高低的变化，产生相应的偏置电压从而控制探测器阵列中第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管的工作状态。在同步电信号的一个周期内，当同步电信号为高电平时，探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于工作状态，对拉曼信号进行探测，此时，第二雪崩光电二极管处于非工作状态；当该周期内同步电信号自身电平为低电平时，偏压控制控制模块使探测器阵列中的第一雪崩光电二极管处于非工作状态，此时，第二雪崩光电二极管处于工作状态，对荧光信号进行探测。

Claims (5)

1.一种区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，其特征是：它由脉冲激光器(1)、第一传输光纤(2)、三端口光纤环形器(3)、第二传输光纤(4)、控制和数据处理系统(5)、偏压控制模块(6)、第三传输光纤(7)、光纤准直器(8)、长波通滤光片(9)、聚焦透镜(10)、探测器阵列(11)和读出电路(12)组成，所述系统中由控制和数据处理系统(5)控制的脉冲激光器(1)发出的脉冲光信号分别经过第一传输光纤(2)、三端口光纤环形器(3)和第二传输光纤(4)入射至被测物质，被测物质受到脉冲光信号的激励后产生背向散射混杂光信号，这些混杂光信号通过第二传输光纤(4)和三端口光纤环形器(3)后经由第三传输光纤(7)进入光纤准直器(8)，经准直后的混杂光信号通过长波通滤光片(9)由聚焦透镜(10)聚焦至探测器阵列(11)，受偏压控制模块(6)控制的探测器阵列(11)对混杂光信号进行探测，被探测到的光信号最后经由读出电路(12)读出，传输至控制和数据处理系统(5)处理并得到测量结果；
脉冲激光器(1)在发出脉冲光信号的同时会输出同步电信号，偏压控制模块(6)根据此同步电信号电平高低的变化，产生相应的偏置电压输出至探测器阵列(11)，在同步电信号的一个周期内，当同步电信号为高电平时，探测器阵列中的第一雪崩光电二极管(13)处于工作状态，对拉曼信号进行探测，此时，第二雪崩光电二极管(14)处于非工作状态；当该周期内同步电信号自身电平为低电平时，偏压控制模块(6)使探测器阵列中的第一雪崩光电二极管(13)处于非工作状态，此时，第二雪崩光电二极管(14)处于工作状态，对荧光信号进行探测；
该探测器阵列是由两个雪崩光电二极管组成的1×2的探测阵列，即第一雪崩光电二极管(13)和第二雪崩光电二极管(14)，两个雪崩光电二极管的探测状态是由偏压控制模块(6)决定，当其中一个雪崩光电二极管处于工作状态时，另一个雪崩光电二极管处于非工作状态，当在时域上具有合适时间窗口的拉曼信号和荧光信号先后达到探测器阵列(11)时，其中较早到达雪崩光电二极管阵列的拉曼信号被第一雪崩光电二极管(13)探测，随后到达的荧光信号被第二雪崩光电二极管(14)探测，通过这种分开交替探测的方式，同时得到拉曼信号和荧光信号，并使得探测到的拉曼信号和荧光信号的信噪比得以优化。
2.根据权利要求1所述的区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，其特征是：所述系统中的脉冲激光器可以是钇铝石榴石(YAG)激光器，也可以是红宝石激光器或者钕玻璃激光器中的一种，通过调Q或锁模的方式获得激光脉冲，脉冲激光器(1)发出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号，其中脉冲光信号的脉冲宽度可以通过控制和数据处理系统(5)进行调制。
3.根据权利要求1所述的区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，其特征是：控制和数据处理系统(5)具有两个主要作用：一、控制和数据处理系统会根据不同被测物质的拉曼信号的弛豫时间和荧光信号的发射时间之间的特性差异，从而对脉冲激光器发出的脉冲光信号的脉冲宽度进行调制，通过对脉冲光信号的脉冲宽度的调整使得被测物质的拉曼信号和荧光信号在时域上得到一个合适的时间窗口，使得两种信号有效分离；二、控制和数据处理系统(5)会对读出电路(12)读出的拉曼信号和荧光信号进行处理，从而得到最终测量结果。
4.根据权利要求1所述的区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，其特征是：长波通滤光片(10)可以滤掉后向散射混杂光信号中除拉曼信号和荧光信号外的其他混杂光信号。
5.根据权利要求1所述的区分拉曼信号和荧光信号的光纤探针系统，其特征是：读出电路(12)可以是用于单光子探测模式雪崩光电二极管的猝灭电路，也可以是用于线性模式下雪崩光电二极管的跨阻放大器电路。
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