CN113252636A - 深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法 - Google Patents

深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法。所述分析系统包括拉曼激光器和编码孔径光纤拉曼光谱分析模块；在所述拉曼激光器的激发光输出端连接有激发光纤，在激发光纤的传输光路中依次设置有激发光纤准直镜、激发光纤耦合镜和窄带滤光片；在所述编码孔径光纤拉曼光谱分析模块的信号输入端连接有编码孔径光纤阵列，所述编码孔径光纤阵列外接收集光纤，在所述收集光纤的传输光路中依次设置有收集光纤准直镜、收集光纤耦合镜和高通拉曼滤光片；所述激发光纤与所述收集光纤在自由端汇聚成拉曼信号激发/收集光纤探头；所述激发光纤位于激发/收集探头的中心，所述收集光纤围绕中心的激发光纤多圈环形布置。本发明能够对样品进行深层检测。

Description

深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法
技术领域
本发明涉及一种光谱检测技术，具体地说是一种深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法。
背景技术
拉曼光谱技术具有非接触、无损、快速准确等优点，在纯定性分析、高精度定量分析和测定分子结构等方面具有很大的应用价值，其应用范围涉及化学、物理学、生物学、材料、医学、文物和宝石等多种领域。然而，拉曼散射光的光强较弱，这是其本身固有的缺点。一般来说，拉曼散射光的光强约为入射光光强的10-10，因此，拉曼散射光极易受到荧光信号的干扰，且不同振动峰还容易重叠。另外，在使用拉曼光谱对透明包装样品进行检测时，只能对样品表层物质进行检测，而无法获得样品深层次的信息，造成检测不彻底。还有，拉曼光谱无法直接穿透不透明包装袋，在对包装中的样品进行测定时，需要破坏样品的外包装，取得样品后才能进行检测，这就使得检测过程繁琐，增加了检测时间。
在样品内部深层次的拉曼光谱检测技术方面，2005年Matousek等基于光子迁移理论提出了一种空间偏移拉曼光谱（SORS）技术。当激光入射到待测样品表层时，其中有一部分散射光将进入样品内部，样品内部深层处产生的拉曼散射光的光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于发生横向迁移，经多次散射后返回样品表层，被光谱仪器的接收系统予以收集。到达样品内部不同深度（ΔH）的散射光返回表层后，其所在位置距离激光光源入射点在样品表层上会有不同的偏移距离（ΔS）。当空间偏移距离ΔS≠0时，光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自表层的信号就会衰减很快，而来自样品深层的信号衰减较慢，这就使得更深层的拉曼散射光的光子比重变大，从而实现光谱分离，再结合多元数据分析方法，就可获得样品内部不同深度位置处的拉曼光谱。
但是，基于目前传统的拉曼光谱分析技术的空间偏移拉曼光谱分析技术只能一次获得样品内部某一深度的拉曼信号，无法实现识别分析样品不同深度处的成分的拉曼信号。共聚焦拉曼显微技术也可实现深层次生物组织拉曼光谱的探测，但是，共聚焦拉曼显微技术在对生物组织进行深度识别成像时，需要通过多次的Z轴扫描才能实现，不仅耗时长，多次测量还存在有一致性差的问题；而且，系统的光路复杂，不易于集成化和探头化，也不适于作为诊断工具应用于现场检测。
发明内容
本发明的目的就是提供一种深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法，以解决现有空间偏移拉曼光谱分析无法区分识别被测样品不同深度处的拉曼信号的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种深度识别拉曼光谱分析系统，包括拉曼激光器和编码孔径光纤拉曼光谱分析模块；在所述拉曼激光器的激发光输出端连接有激发光纤，在激发光纤的传输光路中依次设置有激发光纤准直镜、窄带滤光片和激发光纤耦合镜；在所述编码孔径光纤拉曼光谱分析模块的信号输入端连接有编码孔径光纤阵列，所述编码孔径光纤阵列外接收集光纤，在所述收集光纤的传输光路中依次设置有收集光纤准直镜、高通拉曼滤光片和收集光纤耦合镜；所述激发光纤与所述收集光纤在自由端汇聚成束，并在自由端的端部集结成拉曼信号激发/收集光纤探头；所述激发光纤位于激发/收集探头的中心，所述收集光纤围绕中心的激发光纤多圈环形布置。
组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的激发光纤处于探头轴心的位置，组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的收集光纤有若干条，与激发光纤平行设置，并合围在激发光纤的外围。
在拉曼信号激发/收集光纤探头中的收集光纤有至少两层环圈，每层环圈上的收集光纤距轴心处的激发光纤的间距相等。
所述编码孔径光纤拉曼光谱分析模块包括：
准直镜，设置在所述编码孔径光纤阵列的出射光光路上，用于将编码孔径光纤阵列的输出光转换成平行光并以相同的入射角反射至光栅；
光栅，与所述准直镜斜向相对，用于在将准直镜反射的平行光反射到聚焦镜上的同时进行分光，以使不同波长的平行光经光栅反射后形成不同的衍射角；
聚焦镜，与所述光栅斜向相对，用于将经由光栅反射的并具有不同衍射角的平行光聚焦于面阵探测器上；以及
面阵探测器，设置在所述聚焦镜的焦平面上，用于接收聚焦镜聚焦后的光信号。
在所述面阵探测器的信号输出端设置有信号处理单元，用于对面阵探测器输出的光信号进行归一化处理。
所述编码孔径光纤阵列位于编码孔径光纤拉曼光谱分析模块中的所述准直镜的焦平面处。
在所述编码孔径光纤阵列中沿行、列方向设置有数量相等的光纤，每条光纤为收集光纤的其中一根。所述编码孔径光纤阵列中每列光纤采用不同的编码形式。
本发明拉曼光谱分析系统以编码孔径光纤阵列取代通常的入射单狭缝，编码孔径光纤阵列的行方向对应于光栅分光的光谱维方向，编码孔径光纤阵列的列方向垂直于光栅分光的光谱维方向；多列光纤对应于常规光谱仪上的多条狭缝，且每列有着不同的编码组合；面阵探测器获得的各列光纤的拉曼光谱信息后，经过逆运算，从叠加的光谱信息中还原每列光纤所对应的拉曼光谱信息，多列光纤同时进行拉曼光谱分析，由此实现了本发明拉曼光谱分析系统的高灵敏度与高光谱分辨率。多列编码孔径光纤阵列对应不同偏移量处收集的拉曼信号，可进行多通道同步检测，以同时获取被测样品（如生物组织）不同深度的拉曼光谱的融合信息，从而通过进一步的数据处理，解耦分析被测样品中不同深度处的拉曼光谱，由此实现被测样品拉曼光谱的深度识别。
本发明还可这样实现：一种深度识别拉曼光谱分析方法，包括以下步骤：
a、设置本发明所述的深度识别拉曼光谱分析系统；
b、系统开机后，将被测样品设置在与拉曼信号激发/收集光纤探头的出射光路相垂直的位置上；
c、控制拉曼激光器发出激发光，所述激发光在通过激发光纤传输的过程中，依次经过激发光纤准直镜的准直、经过窄带滤光片的滤光、经过激发光纤耦合镜的耦合滤波后，再经拉曼信号激发/收集光纤探头照射到被测样品上，并产生不同偏移量处的拉曼信号；
d、拉曼信号激发/收集光纤探头收集在被测样品上产生的不同偏移量处的拉曼信号，所收集的不同偏移量处的拉曼信号在收集光纤的传输过程中，依次经过收集光纤准直镜的准直、经过高通拉曼滤光片的滤光、经过收集光纤耦合镜的耦合滤波后，再经编码孔径光纤阵列入射到编码孔径光纤拉曼光谱分析模块；
e、编码孔径光纤拉曼光谱分析模块对被测样品上产生的各偏移量处的拉曼信号进行光谱分析，同时获得各偏移量处拉曼信号的拉曼光谱；
f、利用信号处理单元对各偏移量处的拉曼光谱进行归一化处理；
g、采用最小二乘法和相关分析算法等，对经归一化处理后的拉曼光谱进行信号处理，解耦后即获得被测样品不同深度处的拉曼光谱。
本发明深度识别拉曼光谱分析技术，多列编码孔径光纤阵列对应不同深度拉曼光谱的融合信息，多通道同步检测，同时获取被测样品不同深度的拉曼光谱的综合信息，从而有效地解决了复杂样品不同深度成分拉曼信号的识别问题。
本发明具有以下积极效果：
（1）由于是偏移测量，结合拉曼光谱散射，可以有效地抑制其他深度水平成分的背景噪声，从而提高检测的灵敏度；
（2）在一定范围内，偏移距离越大，收集的拉曼信号中更深层样品的信号强度越大，穿透深度也越深，因而能够实现样品的深层检测；
（3）在检测过程中可以非侵入和不破坏外包装的方式，对被测样品进行检测，能够实现被测样品的无损在线检测，从而降低用户的检测和生产成本；
（4）能够在危险、恶劣以及不适合用户现场检测的各种场合，对目标物进行远距离遥测，以保证检验人员的人身安全。
附图说明
图1是本发明拉曼光谱分析系统的结构示意图。
图2是编码孔径光纤拉曼光谱分析模块的结构示意图。
图3是拉曼信号激发/收集光纤探头的结构示意图。
图4是图3所示拉曼信号激发/收集光纤探头的端面结构示意图。
图5是本发明拉曼光谱分析方法的流程图。
图6是拉曼光谱之间的算法处理关系图。
具体实施方式
如图1所示，本发明拉曼光谱分析系统包括拉曼激光器1-2、激发光纤1-3、收集光纤1-11、拉曼信号激发/收集光纤探头1-7、编码孔径光纤阵列1-12以及编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1等部分。激发光纤1-3连接在拉曼激光器1-2的激发光输出端，在激发光纤1-3的传输光路中依次设置有激发光纤准直镜1-4、窄带滤光片1-5和激发光纤耦合镜1-6。编码孔径光纤阵列1-12连接在编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1的信号输入端，收集光纤1-11与编码孔径光纤阵列1-12相接。在编码孔径光纤阵列1-12中设置有行、列方向数量相等的光纤，每条光纤为收集光纤1-11的其中一根。在收集光纤1-11的传输光路中依次设置有收集光纤准直镜1-8、高通拉曼滤光片1-9和收集光纤耦合镜1-10。
激发光纤1-3的一端连接拉曼激光器1-2，另一端形成自由端；收集光纤1-11的一端连接编码孔径光纤阵列1-12，另一端形成自由端。激发光纤1-3与收集光纤1-11在自由端汇聚成束，并在自由端的端部集结成拉曼信号激发/收集光纤探头1-7。如图3、图4所示，组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的激发光纤1-3处于探头轴心的位置，组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的收集光纤1-11有若干条，与激发光纤1-3平行设置，并合围在激发光纤1-3的外围。在拉曼信号激发/收集光纤探头1-7中的收集光纤1-11有至少两层环圈，每层环圈上的收集光纤1-11距轴心处的激发光纤1-3的间距相等。即每层圈环上的收集光纤1-11的光纤束对应同一个空间偏移ΔS，不同环圈上的光纤束对应不同的空间偏移ΔS n。
如图2所示，编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1包括准直镜2-1、光栅2-2、聚焦镜2-3和面阵探测器2-4。准直镜2-1设置在编码孔径光纤阵列1-12的出射光光路上，并使编码孔径光纤阵列1-12位于准直镜2-1的焦平面处。准直镜2-1用于将编码孔径光纤阵列1-12的输出光转换成平行光并以相同的入射角反射至光栅2-2。光栅2-2与准直镜2-1斜向相对，用于在将准直镜2-1反射的平行光反射到聚焦镜2-3上的同时进行分光，以使不同波长的平行光经光栅2-2反射后形成不同的衍射角。聚焦镜2-3与光栅2-2斜向相对，用于将经由光栅2-2反射的并具有不同衍射角的平行光聚焦于面阵探测器2-4上。面阵探测器2-4设置在聚焦镜2-3的焦平面上，用于接收聚焦镜2-3聚焦后的光信号。在面阵探测器2-4的信号输出端设置有信号处理单元，用于将由面阵探测器输出的拉曼光谱信号进行归一化处理。
编码孔径光纤阵列1-12作为编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1的入射端，其光纤阵列中的每列光纤对应于编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1的多个并排狭缝，每列光纤具有不同的编码形式，优选采用阿达玛编码形式。拉曼光谱信号通过阿达玛编码的编码孔径光纤阵列1-12进入编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1，经过编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1中的准直镜2-1、光栅2-2、聚焦镜2-3和面阵探测器2-4，获得载有各单元光纤光谱信息的原始拉曼光谱信号。依次对垂直于光栅分光的光谱维方向上的面阵探测器2-4的各列探测信号的进行阿达玛逆变换，解耦获得每列光纤的光谱分布信息。随后，对各列光纤的光谱分布信息进行光谱偏移校正，建立波长之间的相互对应关系，相互叠加后即获得高灵敏度的拉曼分析光谱。
拉曼信号激发/收集光纤探头1-7所采用的激发/收集被测样品拉曼信号的工作方式是，激发光纤1-3位于整个光纤探头的中心，各个偏移位置上的多根收集光纤1-11围绕激发光纤1-3排列，形成由多组光纤组成的多环圈光纤束，每一环圈的收集光纤对应同一个偏移位置。各环圈光纤束所收集到不同偏移量处的拉曼信号，再通过收集光纤1-11的传输，随后依次经过收集光纤准直镜1-8的准直，经过高通拉曼滤光片1-9的滤光，经过收集光纤耦合镜1-10滤除瑞丽散射、样品反射和宽带荧光等之后，再通过收集光纤1-11传输到编码孔径光纤阵列1-12，并通过编码孔径光纤阵列1-12进入编码孔径拉曼光谱分析模块1-1。编码孔径光纤阵列1-12中的每一列光纤与收集光纤1-11中的某一环圈上的收集光纤具有对应关系，以保证编码孔径光纤阵列1-12中的多列光纤对应不同偏移量处收集的拉曼信号。
本发明拉曼光谱分析系统中的拉曼激光器1-2发出激发光，通过激发光纤1-3的传输后，再经过激发光纤准直镜1-4的准直，经过窄带滤光片1-5的滤光，经过激发光纤耦合镜1-6进一步的耦合滤波，随后进入拉曼信号激发/收集光纤探头1-7。编码孔径光纤阵列1-12对应不同的偏移量处收集的拉曼信号，多通道同步检测，同时获取样品（如生物组织）不同深度拉曼光谱的融合信息。通过数据处理，解耦分析样品不同深度处的拉曼光谱，即可实现样品拉曼光谱的深度识别。
如图5所示，本发明深度识别拉曼光谱分析方法是在本发明深度识别拉曼光谱分析系统的基础上予以实现的，具体包括以下步骤：
步骤1，系统开机，将被测样品设置在与拉曼信号激发/收集光纤探头1-7的出射光路相垂直的位置上。
步骤2，控制拉曼激光器1-2发出激发光，所发的激发光在通过激发光纤1-3传输的过程中，依次经过激发光纤准直镜1-4的准直、经过窄带滤光片1-5的滤光、经过激发光纤耦合镜1-6的耦合滤波后，最后通过拉曼信号激发/收集光纤探头1-7照射到被测样品上，在被测样品上产生不同偏移量处的拉曼信号。
步骤3，拉曼信号激发/收集光纤探头1-7中的收集光纤收集在被测样品上产生的不同偏移量处S1，S2……Si的拉曼信号Rij（第i圈第j根光纤收集信号），所收集的不同偏移量处的拉曼信号在收集光纤1-11的传输过程中，依次经过收集光纤准直镜1-8的准直、经过高通拉曼滤光片1-9的滤光、经过收集光纤耦合镜1-10的耦合滤波后，再经编码孔径光纤阵列1-12入射到编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1。
步骤4，编码孔径光纤拉曼光谱分析模块1-1对被测样品上产生的各偏移量处的拉曼信号进行光谱分析，同时获得各偏移量处信号的拉曼光谱Ri（第i圈收集的Si偏移量处的拉曼信号的平均值）。
步骤5，各偏移量处信号的拉曼光谱通过信号处理单元进行归一化处理，得到各偏移量处对应的归一化拉曼光谱信号Yi（Si）。其中，Yi（Si）为第i圈收集光纤的ΔSi偏移量处的归一化拉曼光谱。
步骤6，采用最小二乘法和相关分析算法等，对步骤5所得到的各偏移量处对应的归一化拉曼光谱信号Yi（Si）进行处理，解耦获得被测样品不同深度处的拉曼光谱Z（hi）；其中，hi为距离样品表面的距离。
当激发光入射到待测样品表层时，其中有一部分散射光将进入被测样品内部，被测样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移，经多次散射后，返回被测样品表层，被光谱仪器接收系统予以收集。到达被测样品内部不同深度h的散射光返回表层后的位置距离激光光源入射点在被测样品表层上有不同的偏移距离S。当空间偏移距离S≠0时，光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自被测样品表层的拉曼信号衰减很快，来自被测样品深层的拉曼信号衰减较慢，这就使得更深层的拉曼散射光子比重变大，从而实现光谱分离，再结合最小二乘法、自相关算法等多元数据分析方法，即可获得样品内部不同深度位置处的拉曼光谱。

Claims (9)

1.一种深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，包括拉曼激光器和编码孔径光纤拉曼光谱分析模块；在所述拉曼激光器的激发光输出端连接有激发光纤，在激发光纤的传输光路中依次设置有激发光纤准直镜、窄带滤光片和激发光纤耦合镜；在所述编码孔径光纤拉曼光谱分析模块的信号输入端连接有编码孔径光纤阵列，所述编码孔径光纤阵列外接收集光纤，在所述收集光纤的传输光路中依次设置有收集光纤准直镜、高通拉曼滤光片和收集光纤耦合镜；所述激发光纤与所述收集光纤在自由端汇聚成束，并在自由端的端部集结成拉曼信号激发/收集光纤探头；所述激发光纤位于激发/收集探头的中心，所述收集光纤围绕中心的激发光纤多圈环形布置。
2.根据权利要求1所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的激发光纤处于探头轴心的位置，组成拉曼信号激发/收集光纤探头中的收集光纤有若干条，与激发光纤平行设置，并合围在激发光纤的外围。
3.根据权利要求2所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，在拉曼信号激发/收集光纤探头中的收集光纤有至少两层环圈，每层环圈上的收集光纤距轴心处的激发光纤的间距相等。
4.根据权利要求1所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，所述编码孔径光纤拉曼光谱分析模块包括：
准直镜，设置在所述编码孔径光纤阵列的出射光光路上，用于将编码孔径光纤阵列的输出光转换成平行光并以相同的入射角反射至光栅；
光栅，与所述准直镜斜向相对，用于在将准直镜反射的平行光反射到聚焦镜上的同时进行分光，以使不同波长的平行光经光栅反射后形成不同的衍射角；
聚焦镜，与所述光栅斜向相对，用于将经由光栅反射的并具有不同衍射角的平行光聚焦于面阵探测器上；以及
面阵探测器，设置在所述聚焦镜的焦平面上，用于接收聚焦镜聚焦后的光信号。
5.根据权利要求4所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，在所述面阵探测器的信号输出端设置有信号处理单元，用于对面阵探测器输出的光信号进行归一化处理。
6.根据权利要求4所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，所述编码孔径光纤阵列位于编码孔径光纤拉曼光谱分析模块中的所述准直镜的焦平面处。
7.根据权利要求1所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，在所述编码孔径光纤阵列中沿行、列方向设置有数量相等的光纤，每条光纤为收集光纤的其中一根。
8.根据权利要求7所述的深度识别拉曼光谱分析系统，其特征是，所述编码孔径光纤阵列中每列光纤采用不同的编码形式。
9.一种深度识别拉曼光谱分析方法，其特征是，包括以下步骤：
a、设置权利要求1—8任一权利要求所述的深度识别拉曼光谱分析系统；
b、系统开机后，将被测样品设置在与拉曼信号激发/收集光纤探头的出射光路相垂直的位置上；
c、控制拉曼激光器发出激发光，所述激发光在通过激发光纤传输的过程中，依次经过激发光纤准直镜的准直、经过窄带滤光片的滤光、经过激发光纤耦合镜的耦合滤波后，再经拉曼信号激发/收集光纤探头照射到被测样品上，并产生不同偏移量处的拉曼信号；
d、拉曼信号激发/收集光纤探头收集在被测样品上产生的不同偏移量处的拉曼信号，所收集的不同偏移量处的拉曼信号在收集光纤的传输过程中，依次经过收集光纤准直镜的准直、经过高通拉曼滤光片的滤光、经过收集光纤耦合镜的耦合滤波后，再经编码孔径光纤阵列入射到编码孔径光纤拉曼光谱分析模块；
e、编码孔径光纤拉曼光谱分析模块对被测样品上产生的各偏移量处的拉曼信号进行光谱分析，同时获得各偏移量处拉曼信号的拉曼光谱；
f、利用信号处理单元对各偏移量处的拉曼光谱进行归一化处理；
g、对经归一化处理后的拉曼光谱进行信号处理，解耦后即获得被测样品不同深度处的拉曼光谱。
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