CN114577775A - 空间偏移拉曼光谱检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空间偏移拉曼光谱检测系统，SORS光路装置用于采集拉曼信号，并将拉曼信号聚焦至收集光纤束的输入端；收集光纤束包括圆形输入端及线形输出端，圆形输入端用于接收自样品经SORS光路装置聚焦后的偏移拉曼信号，以激发位置为原点，收集光纤束的直径或/及包含的收集光纤数量随空间偏移量的增大而呈增大趋势，以补偿随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号；光纤束线形输出端用于将圆形输入端的圆形排布转换为线形排布，并与光谱仪的入射狭缝耦合。本发明可以有效解决常规SORS装置或光路中较大空间偏移位置处拉曼信号强度弱的问题，使得空间偏移量零处与最大处的信号强度差异减小。

Description

空间偏移拉曼光谱检测系统
技术领域
本发明涉及一种光谱检测设备，特别是涉及一种空间偏移拉曼光谱检测系统。
背景技术
拉曼光谱能够反映物质分子的振动信息，具有很好的化学特异性，因此被广泛应用于食品、药品和生物检测领域。传统的拉曼光谱仅能探测样品表层的信息，或穿过透明表层进行探测。新型的空间偏移拉曼光谱技术(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)由英国科学家A.W.Parker在2005年首次提出(相关专利号:US7652763,CN101115987,EP1828753,US7911604,GB2457212,AU2005313145,JP5449712007)。SORS能够穿过不透明的样品表层或外包装，获取更深层物质所携带的化学信息。因此，空间偏移拉曼光谱技术在无损深层检测方面具有较广泛的应用，比如无创检测血液成分、药品质量的快速鉴别、隐蔽危险化学品的搜查等，这些应用都需要对物质的化学专属特征进行快速判断，并且需要获取不透明样品的深层信息。
SORS的原理基于拉曼散射光子迁移理论，入射激光在样品表层和内部深层均能激发出拉曼散射光子，深层的散射光子相比表层更容易发生横向迁移，经过多次散射后最终到达样品表层被探测器收集。相对于激光入射点，偏移距离Δ处的拉曼散射光子来源于不同样品深度ΔH。因此，在偏移入射点距离越远的样品表面区域进行信号收集，得到的拉曼光子来自深层物质的比重越大。
在现有SORS技术中，存在空间偏移Δ越大，拉曼信号越弱的问题。解决方案有：移动入射激光或收集光纤的位置来进行逐级采样，或是调整收集光路中光学元件的位置，实现对空间偏移量的控制。但是，样品表面拉曼光子的发射位置与探测器收集位置成共轭关系，在光学系统放大倍率有限的情况下，空间偏移量Δ所对应的收集位置变化量通常非常微小，往往在几十μm甚至更小。手动调节会产生较大的误差，并且重复性差，电动精密调节会引入复杂的系统结构和更高的成本。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种空间偏移拉曼光谱检测系统，用于解决现有技术中SORS技术存在空间偏移量越大，拉曼信号越弱的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种空间偏移拉曼光谱检测系统，所述空间偏移拉曼光谱检测系统包括：SORS光路装置、收集光纤束和光谱仪；
所述SORS光路装置用于采集拉曼信号，并将所述拉曼信号聚焦至收集光纤束的输入端；
所述收集光纤束包括圆形输入端及线形输出端，所述圆形输入端用于接收SORS光路装置聚焦后的偏移拉曼信号，所述收集光纤束的中心位置对应空间偏移量为零的样品区域，该中心位置的收集光纤为单根，以激发位置为原点，所述收集光纤束的直径或/及包含的收集光纤数量随空间偏移量的增大而呈增大趋势，补偿了随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号；
所述光纤束线形输出端用于将圆形输入端的圆形排布转换为线形排布，并与所述光谱仪的入射狭缝耦合。
可选地，所述光纤束圆形输入端的光纤排布遵循中心对称原则，且每级偏移量对应的环状收集光纤区域为标准圆，以保证在同一级环状收集光纤上的信号对应的空间偏移量相同。
可选地，以中心位置的收集光纤为偏移量零级，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量为相等或递增，且所述环状收集光纤的直径为递增，所述环状收集光纤的其余区域由不通光的暗纤填充。
可选地，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量为递增，且所述环状收集光纤包含的收集光纤的数量为4N，其中，N为当前所述环状收集光纤的级数。
可选地，包括偏移量零级的收集光纤在内，所述收集光纤束包括至少5级等间距的偏移量的环状收集光纤，用作偏移拉曼光谱信号的收集。
可选地，所述SORS光路装置包括：激光器、激光准直系统、光路转换装置、聚焦采集光学系统及耦合光学系统；所述激光器和所述激光准直系统用于输出准直平行的激光光束；所述光路转换装置用于对激光光束进行反射并捡出拉曼信号；所述聚焦采集光学系统用于把经过所述光路转换装置反射的激光光束聚焦，同时采集拉曼信号光束并准直为平行光束，其中，样品放置在所述聚焦采集光学系统的焦平面位置；所述耦合光学系统用于把经过所述聚焦采集光学系统准直的拉曼信号光束聚焦并耦合至收集光纤束的圆形输入端，所述圆形输入端放置在所述耦合光学系统的焦平面位置；收集光纤束用于收集拉曼信号光子，并通过线形输出端输入至光谱仪进行图像采集与分析。
可选地，基于SORS光路装置的光路共轭特性，收集光纤束的圆形输入端中心处对应样品空间偏移量为零的位置，向外各级环状收集光纤的半径Ri与对应样品空间偏移量Δi满足以下关系：Ri＝Δi×f5/f4，其中，f4为聚焦采集光学系统的焦距，f5为耦合光学系统的焦距。
可选地，所述圆形输入端的每一级环状收集区域上的所有光纤，在线形输出端紧密相邻排列，不同级环状收集区域的光纤，在线形输出端通过一根暗纤作为间隔，以减少不同空间偏移量所对应的拉曼信号之间的串扰。
如上所述，本发明的空间偏移拉曼光谱检测系统，具有以下有益效果：
本发明对于空间偏移量较大，拉曼信号较弱的区域，对应的采样光纤数量较多，能够采集到更多的拉曼信号；
本发明在设计的空间偏移量采集范围内，收集光纤束位置无需调节，可以一次性采集多级不同空间偏移量对应的拉曼信号，降低光谱采集的工作量，同时也避免了光纤束机械位置调节带来的测量误差。
本发明可以有效解决常规SORS装置或光路中较大空间偏移位置拉曼信号强度弱的问题，使得空间偏移量零处与最大处的信号强度差异减小，并且可以对多个指定空间偏移量位置的拉曼信号同时进行采集，避免了分时采集带来的较大工作量、个体生物组织特性随时间变化引入的测量误差，以及光路调节、收集光纤位置的机械调节引入的偏移量误差。
附图说明
图1显示为本发明实施例中的空间偏移拉曼光谱检测系统的结构示意图。
图2显示为排布方案A的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图3显示为排布方案A的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
图4显示为排布方案B的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图5显示为排布方案B的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
图6显示为排布方案C的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图7显示为排布方案C的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
图8显示为排布方案D的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图9显示为排布方案D的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
图10显示为排布方案E的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图11显示为排布方案E的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
图12显示为排布方案F的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端光纤排布图。
图13显示为排布方案F的收集光纤束的圆形输入端与线形输出端各个光纤位置的对应关系图。
元件标号说明
10 SORS光路装置
101 激光器
102 激光准直系统
103 光路转换装置
104 聚焦采集光学系统
105 耦合光学系统
20 收集光纤束
30 光谱仪
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种空间偏移拉曼光谱检测系统，所述空间偏移拉曼光谱检测系统包括：SORS光路装置10、收集光纤束20和光谱仪30；
所述SORS光路装置10用于采集拉曼信号，并将所述拉曼信号聚焦至收集光纤束的输入端。
如图1所示，所述SORS光路装置10包括：激光器101、激光准直系统102、光路转换装置103、聚焦采集光学系统104及耦合光学系统105；所述激光器101和所述激光准直系统102用于输出准直平行的激光光束；所述光路转换装置103用于对激光光束进行反射并捡出拉曼信号；所述聚焦采集光学系统104用于把经过所述光路转换装置103反射的激光光束聚焦，同时采集拉曼信号光束并准直为平行光束，其中，样品放置在所述聚焦采集光学系统104的焦平面位置；所述耦合光学系统105用于把经过所述聚焦采集光学系统104准直的拉曼信号光束聚焦并耦合至收集光纤束20的圆形输入端，所述圆形输入端放置在所述耦合光学系统105的焦平面位置；收集光纤束20用于收集拉曼信号光子，并通过线形输出端输入至光谱仪30进行图像采集与分析。
所述收集光纤束20包括圆形输入端及线形输出端，所述圆形输入端用于接收SORS光路装置10聚焦后的偏移拉曼信号，所述收集光纤束20的中心位置对应空间偏移量为零的样品区域，该中心位置的收集光纤为单根，以激发位置为原点，所述收集光纤束20的直径或/及包含的收集光纤数量随空间偏移量的增大而呈增大趋势，以补偿了随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号；所述光纤束线形输出端用于将圆形输入端的圆形排布转换为线形排布，并与所述光谱仪30的入射狭缝耦合。
所述光纤束圆形输入端的光纤排布遵循中心对称原则，且每级偏移量对应的环状收集光纤区域为标准圆，以保证在同一级环状收集光纤上的信号对应的空间偏移量相同。
基于SORS光路装置10的光路共轭特性，收集光纤束20的圆形输入端中心处对应样品空间偏移量为零的位置，向外各级环状收集光纤的半径Ri与对应样品空间偏移量Δi满足以下关系：Ri＝Δi×f5/f4，其中，f4为聚焦采集光学系统104的焦距，f5为耦合光学系统105的焦距。例如，对于包层直径为125μm的光纤，圆形输入端各级环状收集光纤的半径Ri分别约为0，125μm，250μm，375μm，500μm，配合系统放大倍数f5/f4＝2.5的标准SORS光路装置10，可以采集到样品上空间偏移量分别约为0，50μm，100μm，150μm，200μm处的拉曼信号，即通过环状收集光纤的半径逐渐增大，可以采集到不同空间偏移量的拉曼信号。
以中心位置的收集光纤为偏移量零级，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤(即通光纤芯)的数量为相等或递增，且所述环状收集光纤的直径为递增，所述环状收集光纤的其余区域由不通光的暗纤(即暗芯)填充。
例如，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量为递增，且所述环状收集光纤包含的收集光纤的数量为4N，其中，N为当前所述环状收集光纤的级数。在本实施例中，包括偏移量零级的收集光纤在内，所述收集光纤束20包括至少5级等间距的偏移量的环状收集光纤，用作偏移拉曼光谱信号的收集。
优选地，图2是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案A，其中，图3上方显示为收集光纤束20的圆形输入端结构，下方显示为收集光纤束20的线形输出端结构，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有4、8、12、16根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。本实施例通过将每一递增等级的所述收集光纤的数量设置为递增，可以有效补偿随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号。
所述圆形输入端的每一级环状收集区域上的所有收集光纤，在线形输出端紧密相邻排列，不同级环状收集区域的收集光纤，在线形输出端通过一根暗纤作为间隔，以减少不同空间偏移量所对应的拉曼信号之间的串扰。例如，图3是排布方案A的收集光纤束20包含的所有通光光纤在圆形输入端和线形输出端上位置分布的对应关系。圆形输入端每一级环状收集光纤上的所有收集光纤，在线形端紧密相邻排列，不同级环状收集光纤的收集光纤，在线形端用一根暗纤作为间隔，减少不同空间偏移量所对应的拉曼信号之间的串扰，其中，多余的暗纤在线形输出端上被剔除，以限制输出端的尺寸，如图3下方显示的收集光纤束20的线形输出端结构。
图4、6、8、10、12是实施例中的其它五种收集光纤束20的排布方案B、C、D、E、F，结构均与排布方案A的收集光纤束20类似，由5级环状结构组成，中心处均为一根光纤。当然，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量可以为相等或递增，例如，图4是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案B，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有6、6、6、12根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。图6是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案C，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有6、6、12、18根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。图8是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案D，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有6、6、6、12根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。图10是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案E，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有6、6、12、12根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。图12是实施例中的一种收集光纤束20的排布方案F，收集光纤束20圆形输入端整体为5级环状结构，中心处为一根收集光纤，第1、2、3、4环分别有4、6、10、14根光纤用来收集拉曼信号，其余部分由不通光的暗纤填充组成。
图5、7、9、11、13分别为上述排布方案B、C、D、E、F的收集光纤束20包含的所有通光光纤在圆形输入端和线形输出端上位置分布的对应关系，其结构均与收集光纤束20A类似，圆形输入端每一级环状收集光纤上的所有收集光纤，在线形端上紧密相邻排列，不同级环状收集光纤上的收集光纤在线形端上用一根暗纤作为间隔。
本实施例中，入射激光自标准SORS光路装置10聚焦照射在样品上，根据光子迁移理论，距离照射点越远的样品位置，采集得到的拉曼信号来自深层组织的概率越大，距离照射点相同空间距离的环状区域内，产生的拉曼信号对应的样品深度信息基本一致。在收集光纤束20A、B、C、D、E、F的圆形输入端，距离中心越远的位置光纤数量越多，补偿了随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号。
如上所述，本发明的空间偏移拉曼光谱检测系统，具有以下有益效果：
本发明对于空间偏移量较大，拉曼信号较弱的区域，对应的采样光纤数量较多，能够采集到更多的拉曼信号；
本发明在设计的空间偏移量采集范围内，收集光纤束20位置无需调节，可以一次性采集多级不同空间偏移量对应的拉曼信号，降低光谱采集的工作量，同时也避免了光纤束机械位置调节带来的测量误差。
本发明可以有效解决常规SORS装置或光路中较大空间偏移位置拉曼信号强度弱的问题，使得空间偏移量零处与最大处的信号强度差异减小，并且可以对多个指定空间偏移量位置的拉曼信号同时进行采集，避免了分时采集带来的较大工作量、个体生物组织特性随时间变化引入的测量误差，以及光路调节、收集光纤位置的机械调节引入的偏移量误差。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于，所述空间偏移拉曼光谱检测系统包括：SORS光路装置、收集光纤束和光谱仪；
所述SORS光路装置用于采集拉曼信号，并将所述拉曼信号聚焦至收集光纤束的输入端；
所述收集光纤束包括圆形输入端及线形输出端，所述圆形输入端用于接收SORS光路装置聚焦后的偏移拉曼信号，所述收集光纤束的中心位置对应空间偏移量为零的样品区域，该中心位置的收集光纤为单根，以激发位置为原点，所述收集光纤束的直径或/及包含的收集光纤数量随空间偏移量的增大而呈增大趋势，以补偿了随空间偏移量增加而减弱的拉曼信号；
所述光纤束线形输出端用于将圆形输入端的圆形排布转换为线形排布，并与所述光谱仪的入射狭缝耦合。
2.根据权利要求1所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述光纤束圆形输入端的光纤排布遵循中心对称原则，且每级偏移量对应的环状收集光纤区域为标准圆，以保证在同一级环状收集光纤上的信号对应的空间偏移量相同。
3.根据权利要求1所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于：以中心位置的收集光纤为偏移量零级，自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量为相等或递增，且所述环状收集光纤的直径为递增，所述环状收集光纤的其余区域由不通光的暗纤填充。
4.根据权利要求3所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于：自第一级环状收集光纤起，每一递增等级的所述收集光纤的数量为递增，且所述环状收集光纤包含的收集光纤的数量为4N，其中，N为当前所述环状收集光纤的级数。
5.根据权利要求1所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于：包括偏移量零级的收集光纤在内，所述收集光纤束包括至少5级等间距的偏移量的环状收集光纤，用作偏移拉曼光谱信号的收集。
6.根据权利要求1所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于，所述SORS光路装置包括：激光器、激光准直系统、光路转换装置、聚焦采集光学系统及耦合光学系统；
所述激光器和所述激光准直系统用于输出准直平行的激光光束；
所述光路转换装置用于对激光光束进行反射并捡出拉曼信号；
所述聚焦采集光学系统用于把经过所述光路转换装置反射的激光光束聚焦，同时采集拉曼信号光束并准直为平行光束，其中，样品放置在所述聚焦采集光学系统的焦平面位置；
所述耦合光学系统用于把经过所述聚焦采集光学系统准直的拉曼信号光束聚焦并耦合至收集光纤束的圆形输入端，所述圆形输入端放置在所述耦合光学系统的焦平面位置；收集光纤束用于收集拉曼信号光子，并通过线形输出端输入至光谱仪进行图像采集与分析。
7.根据权利要求6所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于，基于SORS光路装置的光路共轭特性，收集光纤束的圆形输入端中心处对应样品空间偏移量为零的位置，向外各级环状收集光纤的半径Ri与对应样品空间偏移量Δi满足以下关系：Ri＝Δi×f5/f4，其中，f4为聚焦采集光学系统的焦距，f5为耦合光学系统的焦距。
8.根据权利要求1所述的空间偏移拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述圆形输入端的每一级环状收集区域上的所有光纤，在线形输出端紧密相邻排列，不同级环状收集区域的光纤，在线形输出端通过一根暗纤作为间隔，以减少不同空间偏移量所对应的拉曼信号之间的串扰。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117617962A (zh) * 2023-12-25 2024-03-01 暨南大学 一种基于空间偏移拉曼的皮下血糖测量方法

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