CN117607122A - 一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物质检测技术领域，具体涉及一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法。该方法通过传统的连续单纵模激光器的受激拉曼散射光谱仪得到透射斯托克斯光场后，利用零差干涉仪和信号解调系统组成的相移检测装置，将透射斯托克斯光场处理为超精细受激拉曼散射光谱。本发明不仅消除了荧光背景对受激拉曼散射光谱的影响，显著降低了洛伦兹型光谱展宽，且连续波受激拉曼光谱信噪比高达25.3dB。此外，本发明无需改变检测样品所处的环境，对样品是无接触的。
Description
技术领域
本发明属于物质检测技术领域，具体涉及一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法。
背景技术
在化学分析，材料表征和医学检测需求日益旺盛的前景下，拉曼光谱作为一种无需标记便可以直接探测材料中的分子振动和旋转状态的重要分析技术，正在蓬勃发展。拉曼光谱技术与红外光和荧光光谱等光谱技术相比具有灵敏度更高，响应速度更快，定量能力更强等诸多优点。其应用范围也十分广泛，如无损定量分析化学组分，鉴别无机化合物晶体结构，探究生物膜中蛋白质与脂质间的相互作用等。但自发拉曼散射强度非常弱，人们通过将降低背景噪声或者提高拉曼散射信号来提高信噪比，因此出现了各种增强的拉曼光谱技术，例如尖端和表面增强拉曼散射光谱，相干反斯托克斯拉曼散射和受激拉曼散射。
由于探测物的环境温度、溶液浓度、压强等环境因素的改变都会引起探测物中化学键的拉曼峰移。所以相对于信号强度，拉曼峰移在某些场景下更为重要。当拉曼散射的光谱分辨率足够高时，谱线的形状变得更加清晰，便分辨出化学键的细微变化，便可使用拉曼光谱仪进行法医鉴定、精密化学测量、药品成分的化学鉴定和不同状态细胞，组织及器官的病理分析等工作。由于荧光背景和拉曼峰的洛伦兹型光谱展宽，目前基于连续单纵模激光器的受激拉曼散射光谱最佳分辨率为0.07cm-1，所以减小荧光背景和拉曼峰的洛伦兹型光谱展宽，追求其更高的分辨率一直是一个挑战。
因此，目前缺少一种同时满足：不限制样品所处环境、减小荧光背景和拉曼峰的洛伦兹型光谱展宽、追求更高的分辨率等要求的受激拉曼散射光谱技术。基于此，亟需一种不改变样品所处环境、提高信噪比、可减小荧光背景和拉曼峰的洛伦兹型光谱展宽、具有更高的分辨率的光谱技术。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，通过受激拉曼散射光谱仪得到透射斯托克斯光场后，利用零差干涉仪和信号解调系统组成的相移检测装置，将透射斯托克斯光场处理为超精细受激拉曼散射光谱。这种方法不仅消除了荧光背景对受激拉曼散射光谱的影响，显著降低了洛伦兹型光谱展宽，且信噪比高达25.3dB。此外，该方法无需改变检测样品所处的环境，对样品是无接触的。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，所述方法通过超精细受激拉曼散射光谱检测装置实现；所述装置包括受激拉曼散射光谱仪和相移检测装置；所述受激拉曼散射光谱仪为连续波受激拉曼散射光谱仪或脉冲波受激拉曼散射光谱仪；所述相移检测装置为零差干涉仪和信号解调系统、过零检测零差干涉仪、基于3*3光纤耦合器的三端口干涉仪、数字相位测量仪和马赫-曾德尔干涉仪中的一种；所述方法包括以下步骤：
步骤1：在受激拉曼散射光谱仪中，将泵浦光场与初始斯托克斯光场同轴、共焦注入样品池，获得包含受激拉曼散射导致的相位延迟信息的透射斯托克斯光场；
步骤2：在相移检测装置中，将透射斯托克斯光场与本底斯托克斯光场干涉，所得干涉信号经过解调获得高频干涉信号、低频干涉信号，将高频干涉信号、低频干涉信号通过数据采集卡输入上位机，经归一化处理和数学计算，得到受激拉曼散射导致的相移的绝对值的倒数；对泵浦光波长进行逐点测量，得到超精细受激拉曼散射光谱。
进一步地，所述泵浦光场由连续波可调谐单频激光器或脉冲光源输出，初始斯托克斯光场和本底斯托克斯光场由同一台连续波单频激光器或脉冲光源输出。
进一步地，所述连续波受激拉曼散射光谱仪包括连续波可调谐单频激光器、电光振幅调制器、第一双色镜、扩束透镜组、第一导光镜、第一物镜、样品池、聚光镜、干涉滤波片、连续波单频激光器、二分之一波片、偏振分束棱镜和第二导光镜；连续波可调谐单频激光器发射出的可调谐单频泵浦光入射到电光振幅调制器进行高频强度调制，随后透射通过第一双色镜；连续波单频激光器发射出的初始斯托克斯光束透射经过二分之一波片后，在偏振分束棱镜中进行分束，分束的一部分经过第二导光镜和第一双色镜的反射后与透射经过第一双色镜的泵浦光一起入射到扩束透镜组中进行扩束；扩束后的光束经第一导光镜反射后通过第一物镜同轴、共焦注入样品池，最后使用聚光镜、干涉滤波片获得样品的透射斯托克斯光场。
进一步地，所述零差干涉仪包括带压电陶瓷的导光镜、缩束透镜组、50/50分束器和平衡零拍探测器；带压电陶瓷的导光镜将经过滤光后的透射斯托克斯光场反射到缩束透镜组中进行缩束，缩束后的光束与偏振分束棱镜中分束得到的本底斯托克斯光场信号在50/50分束器上进行干涉，最后通过平衡探测器记录干涉信号。
进一步地，所述信号解调系统包括带宽电子分束器、第一低通滤波器、数据采集卡、第二低通滤波器、混频器、高通滤波器、功率放大器和信号源；带宽电子分束器将入射到平衡探测器的干涉信号分为两束，将干涉信号经过高通滤波器的高频部分依次通过功率放大器、混频器、第二低通滤波器进行功率放大、混频解调、低通滤波后传输至数据采集卡，得到高频干涉信号；将干涉信号的低频部分通过第一低通滤波器进行低通滤波后传输至数据采集卡，得到低频干涉信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明实现了对化学物质的超精细受激拉曼散射光谱的检测。该方法可以在非接触、不改变样品所处环境前提条件下，消除了荧光背景对受激拉曼散射光谱的影响，显著降低了洛伦兹型光谱展宽，且信噪比高达25.3dB。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的超精细受激拉曼散射光谱测量装置结构图；
图2为本发明实施例1提供的超精细受激拉曼散射光谱图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
本实施例提供一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其是利用连续波受激拉曼散射光谱仪得到透射斯托克斯光场。将具有受激拉曼散射导致的相位延迟信息的透射斯托克斯光场与本底斯托克斯光场进行干涉，并通过平衡探测器获得干涉信号。利用信号解调系统将干涉信号中的低频部分通过低通滤波器后得到低频干涉信号，将干涉信号中的高频部分通过高通滤波器后利用混频器和低通滤波器进行解调，得到高频干涉信号。利用数据采集卡将两路信号输入上位机，经归一化处理和数学计算，得到受激拉曼散射导致的相移的绝对值的倒数，将多次测量的数据做平均和去噪处理。扫描泵浦光波长，对该参数进行逐点测量，就得到超精细受激拉曼散射光谱。该方法具体内容如下：
(1)参阅图1，搭建超精细受激拉曼散射光谱检测装置，所述检测装置包括连续波受激拉曼散射光谱仪，零差干涉仪和信号解调系统；
所述连续波受激拉曼散射光谱仪包括连续波可调谐单频激光器1、电光振幅调制器2、第一双色镜3、扩束透镜组4、第一导光镜5、第一物镜6、样品池7、聚光镜8、干涉滤波片9、连续波单频激光器10、二分之一波片11、偏振分束棱镜12、第二导光镜13，其中，
连续波可调谐单频激光器1可调谐范围为700-900nm；连续波单频激光器10采用连续单频1064nm激光器；第一双色镜3选择针对1064nm附近波段高反射率，其它波段高透射率的双色镜；干涉滤波片9选择针对1064nm附近波段高透射率，其它波段高反射率的滤波片；第一物镜6选择高放大倍率为60×数值孔径为1.0的物镜；
所述零差干涉仪包括带压电陶瓷的导光镜14、缩束透镜组15、50/50分束器16、平衡探测器17，其中，
平衡探测器17选择高速平衡零拍探测器；
所述信号解调系统包括带宽电子分束器18、第一低通滤波器19、数据采集卡20、第二低通滤波器21、混频器22、高通滤波器23、功率放大器24、信号源25；
(2)利用连续波受激拉曼散射光谱仪，在对泵浦光进行高频强度调制后，将泵浦光与初始斯托克斯光同轴、共焦注入样品池，使用聚光镜、干涉滤波片获得透射斯托克斯光场：
连续波可调谐单频激光器1发射出的可调谐单频泵浦光入射到电光振幅调制器2进行高频强度调制，随后透射通过第一双色镜3；连续波单频激光器10发射出的初始斯托克斯光束透射经过二分之一波片11后，在偏振分束棱镜12中进行分束，分束的一部分经过第二导光镜13和第一双色镜3的反射后与透射经过第一双色镜3的泵浦光一起入射到扩束透镜组4中进行扩束；扩束后的光束经第一导光镜5反射后通过第一物镜6同轴、共焦注入样品池7，最后使用聚光镜8、干涉滤波片9获得样品的透射斯托克斯光场；
(3)利用零差干涉仪将包含受激拉曼散射导致的相位延迟信息的透射斯托克斯光场与另一束本底斯托克斯光场干涉，并通过平衡探测器获得干涉信号：
带压电陶瓷的导光镜14将经过滤光后的透射斯托克斯光场反射到缩束透镜组15中进行缩束，缩束后的光束与偏振分束棱镜中分束得到的本底斯托克斯光场信号在50/50分束器16上进行干涉，最后通过平衡探测器17记录干涉信号；
(4)通过信号解调系统将干涉信号的高频部分进行功率放大、混频解调、低通滤波，得到高频干涉信号；将干涉信号的低频部分进行低通滤波，得到低频干涉信号：
带宽电子分束器18将入射到平衡探测器信号分为两束，将经过高通滤波器23的高频部分依次通过功率放大器24、混频器22、第二低通滤波器21进行功率放大、混频解调、低通滤波，得到高频干涉信号；信号源25给予混频器22信号；将干涉信号的低频部分通过第一低通滤波器19进行低通滤波，得到低频干涉信号；
(5)将上述2个信号通过数据采集卡20输入上位机，经归一化处理和数学计算，得到受激拉曼散射导致的相移的绝对值的倒数。扫描泵浦光波长，对该参数进行逐点测量，就得到超精细受激拉曼散射光谱。
经处理，本实施例测得的待测样品超精细受激拉曼散射光谱图如图2所示。
当使用超精细受激拉曼散射光谱时，波数2913.101cm-1附近有一个强峰，其半高全宽仅为0.00036cm-1。此外，超精细受激拉曼散射光谱数据的信噪比为25.3dB。
相比于目前已有的其他测量方法，本发明不仅实现了大幅减小受激拉曼散射光谱的拉曼峰的洛伦兹型展宽，消除了背景光对受激拉曼散射光谱的影响，提高了分辨率，而且测量速度快，能够在短时间内对干涉信息进行快速采样，且无需对复杂图像进行处理。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体个例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其特征在于，所述方法通过超精细受激拉曼散射光谱检测装置实现；所述装置包括受激拉曼散射光谱仪和相移检测装置；所述受激拉曼散射光谱仪为连续波受激拉曼散射光谱仪或脉冲波受激拉曼散射光谱仪；所述相移检测装置为零差干涉仪和信号解调系统、过零检测零差干涉仪、基于3*3光纤耦合器的三端口干涉仪、数字相位测量仪和马赫-曾德尔干涉仪中的一种；所述方法包括以下步骤：
步骤1：在受激拉曼散射光谱仪中，将泵浦光场与初始斯托克斯光场同轴、共焦注入样品池，获得包含受激拉曼散射导致的相位延迟信息的透射斯托克斯光场；
步骤2：在相移检测装置中，将透射斯托克斯光场与本底斯托克斯光场干涉，所得干涉信号经过解调分为高频干涉信号、低频干涉信号；将高频干涉信号、低频干涉信号通过数据采集卡输入上位机，经归一化处理和数学计算，得到受激拉曼散射导致的相移的绝对值的倒数；对泵浦光波长进行逐点测量，得到超精细受激拉曼散射光谱。
2.根据权利要求1所述的一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其特征在于，所述泵浦光场由连续波可调谐单频激光器或脉冲光源输出，初始斯托克斯光场和本底斯托克斯光场由同一台连续波单频激光器或脉冲光源输出。
3.根据权利要求1所述的一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其特征在于，所述连续波受激拉曼散射光谱仪包括连续波可调谐单频激光器、电光振幅调制器、第一双色镜、扩束透镜组、第一导光镜、第一物镜、样品池、聚光镜、干涉滤波片、连续波单频激光器、二分之一波片、偏振分束棱镜和第二导光镜；连续波可调谐单频激光器发射出的可调谐单频泵浦光入射到电光振幅调制器进行高频强度调制，随后透射通过第一双色镜；连续波单频激光器发射出的初始斯托克斯光束透射经过二分之一波片后，在偏振分束棱镜中进行分束，分束的一部分经过第二导光镜和第一双色镜的反射后与透射经过第一双色镜的泵浦光一起入射到扩束透镜组中进行扩束；扩束后的光束经第一导光镜反射后通过第一物镜同轴、共焦注入样品池，最后使用聚光镜、干涉滤波片获得样品的透射斯托克斯光场。
4.根据权利要求3所述的一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其特征在于，所述零差干涉仪包括带压电陶瓷的导光镜、缩束透镜组、50/50分束器和平衡零拍探测器；带压电陶瓷的导光镜将经过滤光后的透射斯托克斯光场反射到缩束透镜组中进行缩束，缩束后的光束与偏振分束棱镜中分束得到的本底斯托克斯光场信号在50/50分束器上进行干涉，最后通过平衡探测器记录干涉信号。
5.根据权利要求4所述的一种超精细受激拉曼散射光谱检测的方法，其特征在于，所述信号解调系统包括带宽电子分束器、第一低通滤波器、数据采集卡、第二低通滤波器、混频器、高通滤波器、功率放大器和信号源；带宽电子分束器将入射到平衡探测器的干涉信号分为两束，将干涉信号经过高通滤波器的高频部分依次通过功率放大器、混频器、第二低通滤波器进行功率放大、混频解调、低通滤波后传输至数据采集卡，得到高频干涉信号；将干涉信号的低频部分通过第一低通滤波器进行低通滤波后传输至数据采集卡，得到低频干涉信号。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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