CN114563391A - 一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪 - Google Patents

一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪 Download PDF

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蒋霖坤
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Abstract

本发明公开了一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪，属于光谱分析仪器技术领域，其包括激发光路、样品探测点、采集光路和感光面；激发光路包括白光光源、第一透镜、棱镜、第二透镜、第一狭缝、第三透镜、二向色镜、第四透镜；采集光路除包括所述第四透镜、二向色镜之外，还包括瑞利滤光片、第五透镜、第二狭缝、平面反射镜、第一凹面反射镜、带孔光栅和第二凹面反射镜。本发明提供的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，采用LED光源作为激发光源，降低成本的同时保证了使用寿命；通过棱镜对LED发射的光进行分光，以选取特定波长的激发光来减少或消除荧光干扰；通过凹面反射镜与带孔光栅组合的方式提升了光谱分辨率，同时简化了光路结构。

Description

一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪
技术领域
本发明涉及一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪，属于光谱分析仪器技术领域。
背景技术
拉曼光谱分析法是研究分子结构的方法之一，通过对与入射的激发光波长不同的散射光谱进行分析能得到分子振动、转动方面信息。具体的，当用波长比试样粒径小得多的激发光照射气体、液体等透明试样时，大部分的光会按照原来的方向透射，而一小部分光则按不同的角度散射开来，形成散射光。由于试样中不同的分子具有特定的振动和转动能级，当某一波长的激发光与某一物质分子发生散射时，一部分激发光光子与物质分子发生能量交换，发生能量交换后激发光光子波长改变。由于不同的振动和转动能级与激发光光子波长改变一一对应，因而通过分析散射后的光谱便可以确定分子的振动或转动能级差，并根据这些能级差分析出发生散射的分子是哪种物质。激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，因此拉曼光谱仪普遍采用激光作为激发光源。但常用的激光分布于可见光和红外波段，当利用可见光波长的激光激发液体样品时，荧光干扰普遍较强；而利用红外波段激光激发时，由于拉曼散射信号强度与激发波长四次方成反比，拉曼信号普遍较弱，难以捕捉到液体中微量物质的拉曼特征峰。
需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。
发明内容
本发明为了解决现有技术所存在的问题，提供了一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪，能减少或消除荧光干扰并提升光谱分辨率。
本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：
一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪，包括激发光路、样品探测点、采集光路和感光面；
所述激发光路包括沿光的传播方向依次设置的白光光源、第一透镜、棱镜、第二透镜、第一狭缝、第三透镜、二向色镜、第四透镜；
沿着所述激发光路，白光光源发出的光经第一透镜准直后由棱镜分光得到特定波长的光，特定波长的光经第二透镜聚焦于第一狭缝，从第一狭缝透射后由第三透镜准直，再经由二向色镜反射后由第四透镜聚焦于样品探测点，样品探测点处的样品受激发产生的拉曼信号光经采集光路传输至感光面。
可选的，所述采集光路除包括所述第四透镜、二向色镜之外，还包括沿光传播方向依次设置的瑞利滤光片、第五透镜、第二狭缝、平面反射镜、第一凹面反射镜、带孔光栅和第二凹面反射镜；
沿着所述采集光路，样品受激发产生的拉曼信号光由第四透镜收集并准直后，透射二向色镜，再经滤光片滤除瑞利散射激发光，然后由第五透镜聚焦于第二狭缝，从第二狭缝透射后再经平面反射镜反射至第一凹面反射镜，经第一凹面反射镜准直后，再经带孔光栅衍射使不同波长的拉曼信号光在水平方向衍射至不同角度，然后由第二凹面反射镜反射后穿过带孔光栅的中心孔，最后聚焦于感光面水平方向的不同位置。
可选的，所述白光光源包括LED光源、汞灯。
可选的，适用于可见光和红外波段的激发光时，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜采用双胶合消色差透镜或非球面镜；适用于紫外波段的激发光时，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜采用非球面镜。
可选的，所述棱镜的角度调节范围为0-10°，用以分光得到不同波长激发光。
可选的，所述二向色镜针对透射第一狭缝的激发光的反射率不小于95％，针对样品受激发产生的拉曼信号光的透射率不小于90％。
可选的，所述瑞利滤光片针对透射第一狭缝的激发光的OD值大于5，针对拉曼信号光的透射率大于70％。
可选的，所述平面反射镜与第一凹面反射镜对称轴的夹角30-60°，优选45°；平面反射镜与第二狭缝法线的夹角为30-60°，优选45°；
所述第一凹面反射镜14对称轴与带孔光栅15法线的夹角为0-30°，优选15°；第二凹面反射镜16对称轴与感光面17法线的夹角为0-20°，优选10°；
所述带孔光栅的中心孔直径为5-20mm。
可选的，第一狭缝和第二狭缝的宽度为10-50μm。
可选的，所述感光面的对应探测器采用高增益的微光像增强器或阵列光电倍增管。
本申请的有益效果包括但不限于：
本发明提供的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，(1)采用LED光源作为激发光源，降低成本的同时保证了使用寿命；(2)通过棱镜对LED发射的光进行分光，并通过旋转棱镜角度调节激发光的波段，以选取特定波长的激发光来减少或消除荧光干扰；(3)对采集光路进行了改进，通过凹面反射镜与带孔光栅组合的方式提升了光谱分辨率，同时也使得光学结构更加紧凑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的高分辨率拉曼光谱液体分析仪的结构示意图；
图中，1、LED光源；2、第一透镜；3、棱镜；4、第二透镜；5、第一狭缝；6、第三透镜；7、二向色镜；8、第四透镜；9、样品探测点；10、瑞利滤光片；11、第五透镜；12、第二狭缝；13、平面反射镜；14、第一凹面反射镜；15、带孔光栅；16、第二凹面反射镜；17、感光面。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施。因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，包括激发光路、样品探测点9、采集光路和感光面17。
其中，激发光路包括沿光的传播方向依次设置的白光光源、第一透镜2、棱镜3、第二透镜4、第一狭缝5、第三透镜6、二向色镜7、第四透镜8。
具体的，白光光源可采用LED光源1或汞灯，LED光源可采用普通LED光源，也可采用紫外LED光源。棱镜3的角度调节范围为0-10°，用以分光得到不同波长激发光，降低成本的同时保证了使用寿命。
沿着激发光路，白光光源发出的光经第一透镜2准直后由棱镜3分光得到特定波长的光，特定波长的光经第二透镜4聚焦于第一狭缝5，从第一狭缝5透射后由第三透镜6准直，再经由二向色镜7反射后由第四透镜8聚焦于样品探测点9，样品探测点9处的样品受激发产生的拉曼信号光经采集光路传输至感光面17。
采集光路除包括第四透镜8、二向色镜7之外，还包括沿光传播方向依次设置的瑞利滤光片10、第五透镜11、第二狭缝12、平面反射镜13、第一凹面反射镜14、带孔光栅15和第二凹面反射镜16。
具体的，瑞利滤光片10针对透射第一狭缝5的激发光的OD值大于5，针对拉曼信号光的透射率大于70％，第一狭缝5和第二狭缝12的宽度为10-50μm。平面反射镜13与第一凹面反射镜14对称轴的夹角30-60°，优选45°；平面反射镜13与第二狭缝12法线的夹角为30-60°，优选45°；第一凹面反射镜14对称轴与带孔光栅15法线的夹角为0-30°，优选15°；第二凹面反射镜16对称轴与感光面17法线的夹角为0-20°，优选10°；带孔光栅的中心孔直径为5-20mm。实际应用时，根据激发光的波长范围和光栅刻线数调节第一凹面反射镜14对称轴与带孔光栅15法线的夹角、第二凹面反射镜16对称轴与感光面17法线的夹角。二向色镜7针对透射第一狭缝5的激发光的反射率不小于95％，针对样品受激发产生的拉曼信号光的透射率不小于90％。
适用于可见光和红外波段的激发光时，第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜8和第五透镜11采用双胶合消色差透镜或非球面镜；适用于紫外波段的激发光时，第一透镜2、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜8和第五透镜11采用非球面镜。
沿着采集光路，样品受激发产生的拉曼信号光由第四透镜8收集并准直后，透射二向色镜7，再经滤光片滤除瑞利散射激发光，然后由第五透镜11聚焦于第二狭缝12，从第二狭缝12透射后再经平面反射镜13反射至第一凹面反射镜14，经第一凹面反射镜14准直后，再经带孔光栅15衍射使不同波长的拉曼信号光在水平方向衍射至不同角度，然后由第二凹面反射镜16反射后穿过带孔光栅15中心的孔，最后聚焦于感光面17水平方向的不同位置。
针对液体中微量物质分析，感光面17的对应探测器采用高增益的微光像增强器或阵列光电倍增管。
在其中一具体实施方式中，各元件的布置方式为：棱镜3的第一个面相对于第一透镜4呈10°夹角，透过第一狭缝5后的波长为254nm，第一狭缝5宽度为50μm，第二狭缝12宽度为100μm，平面反射镜13与第一凹面反射镜14对称轴的夹角为45°，平面反射镜13与第二狭缝12法线的夹角为45°，第一凹面反射镜14对称轴与带孔光栅15法线的夹角为15°，第二凹面反射镜16对称轴与感光面17法线的夹角10°。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，包括激发光路、样品探测点、采集光路和感光面；
所述激发光路包括沿光的传播方向依次设置的白光光源、第一透镜、棱镜、第二透镜、第一狭缝、第三透镜、二向色镜、第四透镜；
沿着所述激发光路，白光光源发出的光经第一透镜准直后由棱镜分光得到特定波长的光，特定波长的光经第二透镜聚焦于第一狭缝，从第一狭缝透射后由第三透镜准直，再经由二向色镜反射后由第四透镜聚焦于样品探测点，样品探测点处的样品受激发产生的拉曼信号光经采集光路传输至感光面。
2.根据权利要求1所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述采集光路除包括所述第四透镜、二向色镜之外，还包括沿光传播方向依次设置的瑞利滤光片、第五透镜、第二狭缝、平面反射镜、第一凹面反射镜、带孔光栅和第二凹面反射镜；
沿着所述采集光路，样品受激发产生的拉曼信号光由第四透镜收集并准直后，透射二向色镜，再经滤光片滤除瑞利散射激发光，然后由第五透镜聚焦于第二狭缝，从第二狭缝透射后再经平面反射镜反射至第一凹面反射镜，经第一凹面反射镜准直后，再经带孔光栅衍射使不同波长的拉曼信号光在水平方向衍射至不同角度，然后由第二凹面反射后穿过带孔光栅的中心孔，最后聚焦于感光面水平方向的不同位置。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述白光光源包括LED光源、汞灯。
4.根据权利要求2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，适用于可见光和红外波段的激发光时，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜采用双胶合消色差透镜或非球面镜；适用于紫外波段的激发光时，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜采用非球面镜。
5.根据权利要求1或2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述棱镜的角度调节范围为0-10°，用以分光得到不同波长激发光。
6.根据权利要求1或2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述二向色镜针对透射第一狭缝的激发光的反射率不小于95％，针对样品受激发产生的拉曼信号光的透射率不小于90％。
7.根据权利要求2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述瑞利滤光片针对透射第一狭缝的激发光的OD值大于5，针对拉曼信号光的透射率大于70％。
8.根据权利要求2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述平面反射镜与第一凹面反射镜对称轴的夹角30-60°，优选45°；平面反射镜与第二狭缝法线的夹角为30-60°，优选45°；
所述第一凹面反射镜对称轴与带孔光栅法线的夹角为0-30°，优选15°；第二凹面反射镜对称轴与感光面法线的夹角为0-20°，优选10°；
所述带孔光栅的中心孔直径为5-20mm。
9.根据权利要求2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，第一狭缝和第二狭缝的宽度为10-50μm。
10.根据权利要求1或2所述的高分辨率拉曼光谱液体分析仪，其特征在于，所述感光面的对应探测器采用高增益的微光像增强器或阵列光电倍增管。
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