CN116165189A - 一种用于微（痕）量样本拉曼光谱探测的液芯光纤耦合与信号增强装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于微(痕)量样本拉曼光谱探测的液芯光纤(LCOF)耦合与信号增强装置，该装置包括LCOF、密封接头、激发光耦合同轴调整平台和注液清洗系统。所述LCOF用于容纳待测溶液作为样品池增大拉曼散射路径；所述密封接头用于密封LCOF端口避免待测溶液泄露；所述激发光耦合同轴调整平台用于固定并调整耦合封头的位置，提高激发光与LCOF耦合效率；所述注液清洗系统用于注液和清洗LCOF，实现LCOF的重复使用。该装置操作简便，兼容性强，易于和市面上常见的宏观、微观、便携式等拉曼光谱仪耦合，有效提高拉曼光谱信噪比，实现低浓度痕量液体的高灵敏度检测，促进拉曼检测技术在临床体液、生物标志物、药物、食品、毒品、化学品、环境等现场检测方面的实际应用。

Description

一种用于微(痕)量样本拉曼光谱探测的液芯光纤耦合与信号 增强装置

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域的分析及测量控制技术领域，涉及液芯光纤(LCOF)及拉曼光谱检测技术，特别是涉及一种用于微(痕)量液体拉曼光谱检测的LCOF耦合与信号增强装置。

背景技术

一直以来，分子光谱技术都是人们研究物质结构的最重要的技术手段之一，而拉曼光谱技术是分子光谱技术中重要的组成部分，广泛地应用在各个领域。拉曼光谱可以提供快速、简单、可重复且无损伤的定性定量分析。相比于红外光谱，拉曼光谱所需样本量少、不受水的影响，在生物组织的检测分析方面具有得天独厚的优势。虽然拉曼光谱技术的优点极为突出，但是其信号弱的特性，导致它对液体样品检测灵敏度始终处在较低的水平，对待测液体浓度的要求很高，难以检测低浓度液体样本。

LCOF是一种新型结构的光传输元件，具有大芯径、大数值孔径、光谱范围广、传输效率高、使用寿命长等特点。相较于传统的石英光纤，它用高折射率的液体取代常规的石英玻璃纤维束作为纤芯，使激发光在液体波导管界面上发生全内反射，从而使激发光能沿着光纤轴向传播，获得更大的光与物质相互作用长度。

目前拉曼光谱仪在小型化、便携式方面有了长足的进步，但检测灵敏度受限的问题亟待解决，尤其是在低浓度或微(痕)量溶液的检测方面有极大的需求。将LCOF作为样品池可以有效增加拉曼散射路径从而增强拉曼信号及信噪比，可实现拉曼光谱强度10³倍增强[1]，但其与激发光耦合时手动操作低效的问题使得在实际应用中受到极大限制。因此，开发一种适于和市场上常见的拉曼光谱仪高效耦合的LCOF耦合与信号增强装置具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明的主要目的是解决市场上多数拉曼光谱仪对低浓度或微(痕)量液体样本无法进行高灵敏度检测的问题，通过开发一种适于和拉曼光谱仪耦合的LCOF信号增强装置，提高拉曼光谱的信噪比，促进拉曼光谱检测技术在临床体液、生物标志物、药物、食品、毒品、化学药品、环境等的现场检测方面的实际应用。

技术方案：一种用于微(痕)量样本拉曼光谱检测并适于耦合市场多数拉曼光谱仪的LCOF信号增强装置，所述装置包括：LCOF、密封接头、激发光耦合同轴调整平台、注液清洗系统。

[1]Shuqin G，Baokun H，Zuowei L.Application of liquid-core opticalfiber in the measurements of Fourier transform Raman spectra[J].Chemicalphysics letters，2004，392(1-3)：123-126.

1、所述LCOF用于容纳待测溶液作为样品池，需要采用低折射率材质，保证光纤折射率始终低于待测溶液折射率，使激发光能够在待测溶液及光纤内表面交界处发生全内反射进而增大拉曼散射路径。

2、所述密封接头用于密封LCOF端口，避免待测溶液出现蒸发与泄露，并且要求具有高透光性，使激发光高效会聚到LCOF端口。

3、所述激发光耦合同轴调整平台包括不同长度规格的底座、拉曼探头夹持架和XYZ位移调整架，可根据拉曼光谱仪的类型及型号自由选用不同规格或数量的组件进行适配。如对于探头式拉曼光谱仪，所述拉曼探头夹持架可固定不同尺寸的拉曼探头进行耦合；通过移除拉曼探头夹持架并选用短距底座则可适用于无探头的宏观或便携式拉曼光谱仪；若进一步将底座垂直放置则可满足微观拉曼光谱仪的检测需求。所述XYZ位移调整架用于固定并微调密封接头的位置，使激发光焦点对准密封接头的光窗部分，提高激发光与LCOF的耦合效率。

4、所述注液清洗系统包括三个作用，一是往LCOF中注入待测溶液；二是往LCOF中注入洗涤剂清洗光纤内部；三是排出LCOF内部溶液并风干，使LCOF可重复使用。

进一步的，所述的LCOF材质类型根据待测溶液的不同可有多种选择，包括Teflon、石英等材质空心光纤或毛细管，满足绝大部分溶液的检测要求；所述的LCOF的长度L截取需要遵循方程：L＝1/α，其中α是光纤对激发光的衰减系数[1]。

进一步的，所述的密封接头使用石英玻璃材质制作成，形状为“L”型，一端用于导入LCOF，另一端用于注液或排液；

进一步的，所述激发光耦合同轴调整平台的拉曼探头夹持架与XYZ位移调整架采用笼式支架组成同轴系统；所述拉曼探头夹持架由两个自定心夹持器组成，可以满足不同尺寸探头居于夹持器中心的需求；所述XYZ位移调整架中心设有螺纹，能够通过螺纹转接件固定密封接头并进行±1.5mm行程的XYZ方向上的位移调整。

进一步的，所述的注液清洗系统使用微流量蠕动泵，并配备小内径软管，一端置于待测溶液或洗涤剂中吸取液体，另一端连接密封接头进行注液；洗涤后将软管吸液端接上小型空气过滤器，启动蠕动泵进行风干。

本发明的有益效果包括：

本发明设计了一种用于微(痕)量样本拉曼光谱探测的LCOF耦合与信号增强装置，该装置能够通过激发光耦合同轴调整平台将激发光高效耦合到LCOF中，并利用全内反射原理显著增强微(痕)量溶液的拉曼散射，提高液体检测灵敏度；

使用过程中，微流量蠕动泵能快速稳定的完成LCOF内部注液过程，避免光纤内部产生气泡阻碍光路传输；并且本发明通过对LCOF进行清洗与风干，可实现LCOF的可重复使用。

[1]Shuqin G，Baokun H，Zuowei L.Application of liquid-core opticalfiber in the measurements of Fourier transform Raman spectra[J].Chemicalphysics letters，2004，392(1-3)：123-126.

附图说明

图1是本发明提供的一种普适型可用于多种拉曼光谱仪进行微(痕)量液体检测的LCOF耦合与信号增强装置结构示意图；

图2是本发明提供的激发光耦合同轴调整平台的底座结构示意图；

图3是本发明提供的激发光耦合同轴调整平台的拉曼探头自定心夹持器结构示意图；

图4是本发明提供的激发光耦合同轴调整平台的XYZ位移调整架结构示意图；

图5是本发明提供的密封接头结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和有益效果得以阐明，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种普适型可用于多种拉曼光谱仪进行微(痕)量液体检测的LCOF耦合与信号增强装置，包括LCOF、密封接头、激发光耦合同轴调整平台和注液清洗系统。

所述LCOF 106用于容纳待测溶液并增大拉曼散射路径，包层材质类型根据待测溶液的不同可有多种选择，包括Teflon、石英等材质空心光纤或毛细管，能够满足绝大部分溶液的检测要求。由于激发光与拉曼光会随着LCOF长度的增加而逐渐衰减，因此只有截取合适的光纤长度时才能得到最优的拉曼散射强度，其长度L截取需要遵循以下方程：L＝1/α，其中α是光纤对激发光的衰减系数。

所述密封接头分为耦合封头105和注液封头107，皆由石英玻璃制成相同的“L”型中空结构，如图5所示：石英外壳501具有高透光性，不仅能够在耦合时减少激发光与信号光的损失，还能在注液时便于观察液柱情况；光纤导孔503直径与LCOF外径相同，用于固定并准直LCOF；导液孔502在注液封头中用于连接软管108进行注液，在耦合封头中则用于排气排液，同时在检测时留有部分溶液，维持LCOF内部液体的稳定；密封圈504为密封材质，进一步密封光纤导孔503，避免待测溶液泄露。

所述激发光耦合同轴调整平台如图1所示，由底座102、自定心夹持器103和XYZ位移调整架104组成：

所述底座102具有多种不同的长度规格(3-10cm)，结构如图2所示：其中固定安装块201为一体式结构，左右侧两个架板各开有一大四小的五个孔径，大孔径作为拉曼探头101和LCOF 106的放置通道，四个小孔用于架设四根同轴系统安装接(滑)杆202-205构成同轴调整平台。本发明可通过改变激发光耦合同轴调整平台的组件规格或数量，使其适用于宏观、便携式、及探头式等多种拉曼光谱仪在水平方向上的检测应用。若将激发光耦合同轴调整平台垂直放置，并在密封接头排液端增加密封帽，可进一步满足微观拉曼光谱仪在垂直方向上的检测需求。

所述自定心夹持器103如图3所示，其中主体外壳301四角开有小孔304，用于和底座102连接构成同轴系统，并且通过滑动可以调节前后位置；拨动内部活动圈302可以使三个夹持爪303同步张开，待放置物品后松开即可自动将物品固定在中心位置。

所述XYZ位移调整架104用于固定耦合封头105并调整LCOF 106的端口位置，保证与激发光的高效耦合，结构如图4所示。其中主体外壳401四角开有小孔402，用于和底座102连接构成同轴系统，并且通过滑动可以调节前后位置；活动套筒406内部带有螺纹，可以通过螺纹转接件固定耦合封头105；X轴旋钮403用于调节活动套筒406的水平位置；Y轴旋钮404用于调节活动套筒406的垂直位置；Z轴旋钮405用于调节活动套筒406的前后位置。

所述注液清洗系统如图1所示，由软管108、蠕动泵109、容器110和空气过滤器111组成：软管108为硅胶材质，一端连接注液封头107导液孔，末端连接容器110，通过蠕动泵109可以将容器110内的待测溶液或清洗溶剂快速平稳的注入到LCOF 106中。在检测完毕并将LCOF 106用清洗溶剂清洗后，可以将软管末端连接到空气过滤器111上，通过蠕动泵109利用过滤后的空气将LCOF 106内部进行风干，实现LCOF 106的可重复使用。

上述方案设计的一种用于微(痕)量样本拉曼光谱探测的LCOF耦合与信号增强装置，具有操作简便，兼容性强的优点，易于和市面上常见的宏观、微观、便携式等主流拉曼光谱仪耦合，有效提高拉曼光谱的信噪比，实现低浓度或微(痕)量液体的高灵敏度检测，促进拉曼检测技术在临床体液、生物标志物、药物、食品、毒品、化学药品、环境等的现场检测方面的实际应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于微(痕)量样本拉曼光谱探测的液芯光纤(LCOF)耦合与信号增强装置，其特征在于，所述装置包括LCOF、密封接头、激发光耦合同轴调整平台、注液清洗系统：

所述LCOF用于容纳待测溶液作为样品池，需要采用低折射率材质，保证光纤折射率始终低于待测溶液折射率，使激发光能够在待测溶液及光纤内表面交界处发生全内反射进而增大拉曼散射路径；

所述密封接头用于密封LCOF端口，避免待测溶液出现蒸发与泄露，并且要求具有高透光性，使激发光高效会聚到LCOF端口；

所述激发光耦合同轴调整平台包括不同长度规格的底座(3-10cm)、拉曼探头夹持架和XYZ位移调整架，所述拉曼探头夹持架用于固定拉曼光谱仪探头；所述XYZ位移调整架用于固定并微调密封接头的位置，使激发光焦点对准密封接头的光窗部分，提高激发光与LCOF的耦合效率；

所述注液清洗系统包括三个作用，一是往LCOF中注入待测溶液；二是往LCOF中注入洗涤剂清洗光纤内部；三是排出LCOF内部溶液并风干，使LCOF可重复使用。

2.根据权利要求1所述的LCOF，其特征在于，所述的LCOF材质类型根据待测溶液的不同可有多种选择，包括Teflon、石英等材质空心光纤或毛细管，满足绝大部分溶液的检测要求；所述LCOF的长度L截取需要遵循方程：L＝1/α，其中α是光纤对激发光的衰减系数。

3.根据权利要求1所述的密封接头，其特征在于，所述密封接头使用石英玻璃材质制作成，为“L”型中空结构，一端用于导入LCOF，另一端用于注液或排液。

4.根据权利要求1所述的激发光耦合同轴调整平台，其特征在于，所述激发光耦合同轴调整平台的拉曼探头夹持架与XYZ位移调整架采用笼式支架组成同轴系统；所述拉曼探头夹持架由两个自定心夹持器组成，可以满足不同尺寸探头居于夹持器中心的需求；所述XYZ位移调整架中心设有螺纹，能够通过螺纹转接件固定密封接头并进行±1.5mm行程的XYZ方向上的位移调整。

5.根据权利要求1所述的激发光耦合同轴调整平台，其特征在于，所述激发光耦合同轴调整平台可根据拉曼光谱仪的类型及型号自由选用不同规格或数量的组件进行适配。如对于探头式拉曼光谱仪，所述拉曼探头夹持架可固定不同尺寸的拉曼探头进行耦合；通过移除拉曼探头夹持架并选用短距底座则可适用于无探头的宏观或便携式拉曼光谱仪；若进一步将底座垂直放置则可满足微观拉曼光谱仪的检测需求。

6.根据权利要求1所述的注液清洗系统，其特征在于，所述的注液清洗系统使用微流量蠕动泵，并配备小内径软管，一端置于待测溶液或洗涤剂中吸取液体，另一端连接密封接头进行注液；洗涤后将软管吸液端接上小型空气过滤器，启动蠕动泵进行风干。

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