CN111707655A - 用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，包括：拉曼探测光路模块、控制模块、装夹模块以及数据处理模块，所述拉曼探测光路模块包括用于发出激光并对样品基底进行检测的拉曼探头；所述控制模块包括处理器、电动滑台、位置传感器和光谱仪；所述电动滑台可实现样品基底和拉曼探头在X、Y、Z三个方向的相对移动。本发明的自动化装置可进行大面积表面增强拉曼基底的性能评价，对各种基底：如玻璃、硅片、纸质、塑料等柔性基底都可以适用；本发明可进行大面积多点检测，同时还具有自动对焦功能，防止移动扫描过程中出现离焦，能保证检测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置。
背景技术
拉曼检测是一种通过检测样品受光源照射激发的拉曼光谱进行定性或定量检测的方法。当光照射到物质上时，一小部分光子发生非弹性散射，被称为拉曼散射。在此过程中，一部分入射光子与分子之间发生能量交换，使得散射光子具有与入射光子不同的频率。入射辐射与拉曼散射之间的频率差称为拉曼位移，该位移与入射光频率无关，而依赖于样品分子的化学组成和结构特性，将拉曼光谱法与目前快速发展的纳米技术结合，可进一步开发对单分子的高灵敏度检测。与其他方法(例如：红外光谱法)相比，拉曼光谱法具有多种优势。拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。红外光谱法可以检测到来自于具有偶极矩的分子的强信号，而拉曼光谱法能够检测到来自于非极性分子的强信号。因此，几乎全部有机分子都有自己的拉曼位移。此外，由于水分子的拉曼散射很微弱，拉曼光谱法适用于包括蛋白、基因等生物分子的检测。虽然研究已进行了很长时间，然而，由于直接测量的信号强度低，拉曼光谱法难以直接应用于实践。
1974年，Fleischmann发现表面增强拉曼(SERS)效应，在粗糙化的金、银等金属表面上测得的拉曼光谱与常规拉曼光谱相比其强度大约增强了106-108，大大提高了拉曼检测的灵敏度。SERS技术具有强大的物质检测能力，能够获取丰富的分子结构信息，而且操作简单、灵敏度高、检测速度快，是一种强有力的痕量检测工具。因此，表面增强拉曼技术有望在产业级生物工程领域(如高通量药物筛选)中获得广泛的研究和应用。
典型地，采用拉曼光谱法的高通量药物筛选方法是一种高时空分辨率的活细胞实时拉曼成像，其步骤包括：在视野中获取数十个聚集细胞的图像，细胞核和细胞壁在图像中得以区分；在此过程中，利用图像分析算法移除部分细胞图像而保留有意义的细胞图像。最后，获得感兴趣的伪彩色图像。与基于荧光分析的方法相比，拉曼光谱法具有尖锐的谱峰且不引起荧光物质相互干扰，因此可以同时进行多种药物的检测。尽管具有这些吸引人的优势，由于表面增强拉曼效应只发生在粗糙的基底表面，其均匀性难以保证，导致检测信号的可重复性通常较差，限制了相关产业中的实际应用。为了改善这一现象，人们做了大量的工作，典型方法是选取高一致性的金属基底并用不同形态的纳米粒子对基底表面进行修饰。除了常见的金属基底之外，其他如硅片、玻璃、纸制、塑料等多种材质也被使用。因此，在将SERS技术引入实际应用之前，必须保证SERS信号的重复性满足需求，这就要求对SERS基底的均匀性进行评价。
目前，通过扫描电子显微镜可以直观地观察增强基底形态；共聚焦拉曼显微镜则通过依次扫描待测区域中每个像素点的拉曼光谱，进而对整个区域的信号一致性进行评价。上述方法都是基于显微镜这一光学平台而开展，测量视场小，价格昂贵，通常只适用于评估实验室中的小面积基底，难以同时检测基底间的测量差异，这在高通量药物筛选等产业级应用的大面积SERS基底上表现得更为明显。
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，提供一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，包括：拉曼探测光路模块、控制模块、装夹模块以及数据处理模块，
所述装夹模块用于装载待测的样品基底以及所述拉曼探测光路模块和控制模块；
所述拉曼探测光路模块包括用于发出激光并对样品基底进行检测的拉曼探头；
所述控制模块包括处理器、电动滑台、位置传感器和光谱仪；
所述电动滑台可实现样品基底和拉曼探头在X、Y、Z三个方向的相对移动；
所述处理器控制电动滑台使样品基底和拉曼探头进行X、Y、Z方向的相对移动，使所述拉曼探头移动至样品基底上指定的样本点并实现自动对焦后，通过所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；完成所述样品基底上所有样本点的拉曼光谱采集后，所述数据处理模块计算出所述样品基底的均匀性。
优选的是，所述自动化装置的工作步骤包括：
1)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头复位；
2)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头水平移动至指定的样本点；
3)所述拉曼探测光路模块工作，所述处理器控制电动滑台使拉曼探头垂直移动并进行自动对焦；
4)完成自动对焦后，所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；
5)返回至所述步骤1)进行下一个循环，直至完成所有样本点的拉曼光谱的采集；
6)所述数据处理模块根据所有样本点的拉曼光谱数据计算出所述样品基底的均匀性。
优选的是，所述步骤3)中进行自动对焦的方法包括以下步骤：
3-1)采集当前样本点的原始拉曼光谱XRaw，进行预处理，得到处理后的信号谱线X；
3-2)从全部或部分感兴趣波段的信号谱线X中提取特征值
以表征当前位置Z0处的光谱强度；
3-3)移动所述拉曼探头，按与步骤3-2)相同的方法获取若干个不同位置处的光谱强度，从而得到多组位置-光谱强度的数据，构建出位置-光谱强度曲线sZ；
3-4)在曲线sZ中，取一定的位置范围内的光谱强度的最大值所对应的位置Zf作为当前样本点处的焦平面所在的位置，将所述拉曼探头移动至位置Zf处，完成自动对焦。
优选的是，所述步骤3-1)中，预处理方法为：先通过低通滤波除尖峰噪声，然后通过线性拟合的方法去除基线，得到处理后的信号谱线X。
优选的是，所述步骤3-2)中，特征值
为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合。
优选的是，所述步骤6)中所述样品基底的均匀性U通过下式表示：
其中，yi表示从第i个样本点的拉曼光谱中的全部或部分感兴趣波段的谱线中提取的可以表征光谱强度的特征值，
表示相应的平均值，n为所有样本点的数量。
优选的是，所述特征值为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合。
优选的是，所述拉曼探测光路模块还包括电源和激光器，所述拉曼探头包括物镜、半透半反射滤光片和聚焦镜。
优选的是，所述激光器发出的激光经所述半透半反射滤光片反射，再经物镜照射到样品基底上；样品基底产生的拉曼散射光经过所述物镜，再透射所述半透半反射滤光片，然后经过所述聚焦镜后到达所述光谱仪。
优选的是，所述电动滑台驱动样品进行X、Y、Z方向的移动或是驱动拉曼探头进行X、Y、Z方向的移动。
本发明的有益效果是：本发明的自动化装置并非基于显微图像平台，而是基于普通拉曼光谱仪的原理，利用XY扫描平台进行大面积多点检测，Z方向能实现自动对焦，能防止移动扫描过程中出现离焦，能保证检测结果的准确性；本发明能够对大面积平面SERS基底进行快速检测，成本相对较低，除适用于金属、玻璃、硅片等刚性基底外，还可适用于纸质、塑料等柔性基底，可以用于基于大面积SERS基底的性能评价。
附图说明
图1为本发明的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置的原理结构示意图；
图2为本发明的光路原理示意图；
图3为本发明的自动对焦流程示意图；
图4为本发明的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置的工作流程示意图。
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，本实施例的一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，包括：拉曼探测光路模块、控制模块、装夹模块以及数据处理模块，
所述装夹模块用于装载待测的样品基底以及所述拉曼探测光路模块和控制模块。
所述拉曼探测光路模块包括用于发出激光并对样品基底进行检测的拉曼探头。在一种实施例中，所述拉曼探测光路模块还包括电源和激光器，所述拉曼探头包括物镜、半透半反射滤光片和聚焦镜。参照图2，其光路原理为：所述激光器1发出的激光经所述半透半反射滤光片2反射，再经物镜3照射到样品基底4上；样品基底4产生的拉曼散射光经过所述物镜3，再透射所述半透半反射滤光片2，然后经过所述聚焦镜5后到达所述光谱仪6。
所述控制模块包括处理器、电动滑台、位置传感器和光谱仪；
所述电动滑台可实现样品基底和拉曼探头在X、Y、Z三个方向的相对移动；所述电动滑台驱动样品基底进行X、Y、Z方向的移动或是驱动拉曼探头进行X、Y、Z方向的移动均可，本实施例中，以样品基底固定、驱动拉曼探头进行X、Y、Z方向的移动为例进行说明。
处理器用于对各组件进行控制，所述处理器控制电动滑台使样品基底和拉曼探头进行X、Y、Z方向的相对移动，使所述拉曼探头移动至样品基底上指定的样本点并实现自动对焦后，通过所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；完成所述样品基底上所有样本点的拉曼光谱采集后，所述数据处理模块计算出所述样品基底的均匀性。处理器通过预先设定的程序可控制电动滑台使样品基底进行复位，当需要进行拉曼光谱采集时再控制电动滑台使样品进行相应的移动。
位置传感器实时检测拉曼探头的位置信息，并传输至处理器，用于实现拉曼探头的复位、对焦、拉曼光谱采集。
本实施例中，参照图4，所述自动化装置的工作步骤包括：
1)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头复位；
2)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头水平移动至指定的样本点；
3)所述拉曼探测光路模块工作，所述处理器控制电动滑台使拉曼探头垂直移动并进行自动对焦：
参照图3，自动对焦的方法包括以下步骤：
3-1)采集当前样本点的原始拉曼光谱XRaw，进行预处理：先通过低通滤波除尖峰噪声，然后通过线性拟合的方法去除基线，得到处理后的信号谱线X；
3-2)从全部或部分感兴趣波段的信号谱线X中提取特征值
以表征当前位置Z0处的光谱强度；特征值
为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合；
3-3)小范围内移动所述拉曼探头，按与步骤3-2)相同的方法获取若干个不同位置处的光谱强度，从而得到多组位置-光谱强度的数据，构建出位置-光谱强度曲线sZ；
3-4)在曲线sZ中，取一定的位置范围内(根据预先试验及预先了解的样品基底的情况选择该范围，如选择(Z1-ΔZ)-(Z1+ΔZ)的位置范围，ΔZ选取适宜值即可，Z1为上一个循环中的焦平面位置)的光谱强度的最大值所对应的位置Zf作为当前样本点处的焦平面所在的位置，将所述拉曼探头移动至位置Zf处，完成自动对焦；
4)完成自动对焦后，所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；
5)返回至所述步骤1)进行下一个循环，直至完成所有样本点的拉曼光谱的采集；
6)所述数据处理模块根据所有样本点的拉曼光谱数据计算出所述样品基底的均匀性，样品基底的均匀性U通过下式表示：
其中，yi表示从第i个样本点的拉曼光谱中的全部或部分感兴趣波段的谱线中提取的可以表征光谱强度的特征值，
表示相应的平均值，n为所有样本点的数量，所述特征值为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合。
其中，在自动对焦时仅需要使用较短的曝光时间采集拉曼光谱即可，对焦后再用较长的时间采集。在每一个样本点的自动对焦中，均重新构建出一条对应的位置-光谱强度曲线，以提高对焦精度。
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)
1.一种用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，包括：拉曼探测光路模块、控制模块、装夹模块以及数据处理模块，
所述装夹模块用于装载待测的样品基底以及所述拉曼探测光路模块和控制模块；
所述拉曼探测光路模块包括用于发出激光并对样品基底进行检测的拉曼探头；
所述控制模块包括处理器、电动滑台、位置传感器和光谱仪；
所述电动滑台可实现样品基底和拉曼探头在X、Y、Z三个方向的相对移动；
所述处理器控制电动滑台使样品基底和拉曼探头进行X、Y、Z方向的相对移动，使所述拉曼探头移动至样品基底上指定的样本点并实现自动对焦后，通过所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；完成所述样品基底上所有样本点的拉曼光谱采集后，所述数据处理模块计算出所述样品基底的均匀性。
2.根据权利要求1所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述自动化装置的工作步骤包括：
1)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头复位；
2)所述处理器控制电动滑台使拉曼探头水平移动至指定的样本点；
3)所述拉曼探测光路模块工作，所述处理器控制电动滑台使拉曼探头垂直移动并进行自动对焦；
4)完成自动对焦后，所述光谱仪采集该样本点的拉曼光谱；
5)返回至所述步骤1)进行下一个循环，直至完成所有样本点的拉曼光谱的采集；
6)所述数据处理模块根据所有样本点的拉曼光谱数据计算出所述样品基底的均匀性。
3.根据权利要求2所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述步骤3)中进行自动对焦的方法包括以下步骤：
3-1)采集当前样本点的原始拉曼光谱XRaw，进行预处理，得到处理后的信号谱线X；
3-2)从全部或部分感兴趣波段的信号谱线X中提取特征值
以表征当前位置Z0处的光谱强度；
3-3)移动所述拉曼探头，按与步骤3-2)相同的方法获取若干个不同位置处的光谱强度，从而得到多组位置-光谱强度的数据，构建出位置-光谱强度曲线sZ；
3-4)在曲线sZ中，取一定的位置范围内的光谱强度的最大值所对应的位置Zf作为当前样本点处的焦平面所在的位置，将所述拉曼探头移动至位置Zf处，完成自动对焦。
4.根据权利要求3所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述步骤3-1)中，预处理方法为：先通过低通滤波除尖峰噪声，然后通过线性拟合的方法去除基线，得到处理后的信号谱线X。
5.根据权利要求3所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述步骤3-2)中，特征值
为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合。
6.根据权利要求5所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述步骤6)中所述样品基底的均匀性U通过下式表示：
其中，yi表示从第i个样本点的拉曼光谱中的全部或部分感兴趣波段的谱线中提取的可以表征光谱强度的特征值，
表示相应的平均值，n为所有样本点的数量。
7.根据权利要求6所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述特征值为最高峰值强度、所有峰值强度、平均拉曼光谱强度或其组合。
8.根据权利要求1所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述拉曼探测光路模块还包括电源和激光器，所述拉曼探头包括物镜、半透半反射滤光片和聚焦镜。
9.根据权利要求8所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述激光器发出的激光经所述半透半反射滤光片反射，再经物镜照射到样品基底上；样品基底产生的拉曼散射光经过所述物镜，再透射所述半透半反射滤光片，然后经过所述聚焦镜后到达所述光谱仪。
10.根据权利要求1所述的用于大面积表面增强拉曼基底性能评价的自动化装置，其特征在于，所述电动滑台驱动样品进行X、Y、Z方向的移动或是驱动拉曼探头进行X、Y、Z方向的移动。
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