CN118169101A - 一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法，其中系统包括：激光器、带有光学透镜的滤波器、多次反射棱镜组、样品台、光谱仪探测器和数据采集及处理器；激光器发射单色激光；带有光学透镜的滤波器接收单色激光；多次反射棱镜组接收激光，并反射至样品台；样品台将多次反射棱镜组的激光在待测样品与多次反射棱镜组之间反射，生成拉曼散射光谱；光谱仪探测器生成拉曼光谱数据；数据采集及处理器采集、存储、分析和处理拉曼光谱数据。本发明提供一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法，可实现激光多次打在样品上，可增强信号，从而提高检测的准确性和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及物质检测领域，尤其涉及一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法。
背景技术
拉曼散射是指当光子与样品中的分子相互作用时，光子的能量发生改变，产生了频率不同于入射光的散射光。这种非弹性散射过程包含了样品分子的振动、转动等信息，通过分析这些光谱可以确定样品的结构和成分。
在实验中，通常使用一束单色激光照射样品，收集样品表面散射光谱来获取相关信息。拉曼反射技术具有非常多的优势，主要包括非破坏性、高灵敏度、快速分析、对样品准备要求低、能够实现微观区域分析、同时检测多种成分等特点。通过拉曼反射技术，可以快速、准确地获取样品的结构信息和化学成分，广泛应用于化学分析、材料表征、生物医学、环境监测等领域，是一种强大而多功能的分析工具。
在现有技术中，申请号：201510394150.X，一种拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪，其中，该装置包括：脉冲激光器发射出的一路激光激发样品产生拉曼散射光信号；拉曼散射光路将拉曼散射光信号传输到光栅单色仪；光栅单色仪将拉曼散射光信号传输给信号光探测器；脉冲激光器发射另一路激光至参考光探测器，参考光探测器根据激光输出拉曼散射事件的计时开始信号；信号光探测器在以计时开始信号为起始的预设时间段内，对拉曼散射光信号的每个光脉冲所包含的光子数进行精确计数测量，光探测器为硅光电倍增器；光谱生成装置根据拉曼散射光信号所有光脉冲的光子数生成拉曼散射光谱。虽然该方案可以提高时间分辨率和光子计数效率，但是该方案中的激光只能单次打在样品上，会导致信号较弱或者受到环境噪声的影响，限制了检测的准确性和灵敏度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多次拉曼反射的检测系统，以解决现有技术中激光单次打在样品上，导致的信号减弱，从而影响检测的准确性和灵敏度的问题。
第一方面，本发明提供一种基于多次拉曼反射的检测系统，包括：激光器、带有光学透镜的滤波器、多次反射棱镜组、样品台、光谱仪探测器和数据采集及处理器。
所述激光器用于发射单色激光。
所述带有光学透镜的滤波器用于接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光。
所述多次反射棱镜组用于接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台。
所述样品台用于承载待测样品，并将所述多次反射棱镜组的激光在待测样品与多次反射棱镜组之间反射，生成拉曼散射光谱。
所述光谱仪探测器用于收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据。
所述数据采集及处理器用于采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
可选的，所述激光器的参数为：波长为532nm，单脉冲能量为40μJ，重复频率为2MHz。
可选的，所述样品台为可旋转样品台，旋转角度为360°，以用于样品台上样品多角度接收第一反射棱镜反射的激光，以及传递多角度传递激光至第二反射棱镜。
可选的，所述光谱仪探测器采用Savitzky Golay滤波技术对原始光谱数据进行平滑处理。
若样品台的玻璃基底产生的干扰信号，则采用基于小波变换方法的特定尺度分析算法以消除基底的影响。
若样本产生的荧光干扰信号，则通过结合局部极小值零阶SG滤波算法去除荧光背景。
可选的，所述多次反射棱镜组包括：第一反射棱镜和第二反射棱镜，所述第一反射棱镜与所述第二反射棱镜相对于所述样品台呈对称设置。
所述第一反射棱镜用于接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台上的待测样品。
所述第二反射棱镜用于接收样品反射的激光，并将激光通过待测样品反射回所述第一反射棱镜。
激光经过第一反射棱镜、待测样品和第二反射棱镜反射36次后，通过第二反射棱镜传递至所述光谱仪探测器。
可选的，所述多次反射棱镜组采用的反射镜为激光反射镜，波长为532nm，反射率大于99％，损伤阈值大于0.4J/cm2。
可选的，所述光谱仪探测器的光谱记录范围为600-1800cm-1，光谱采集的积分时间为30s，仪频率校准使用520.7cm-1硅谱线进行，峰位漂移标准偏差小于±0.5cm-1，所有测量均在暗室内进行。
第二方面，本发明提供一种基于多次拉曼反射的检测方法，应用于第一方面所述的基于多次拉曼反射的检测系统，包括：
激光器发射单色激光。
带有光学透镜的滤波器接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光。
多次反射棱镜组接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台。
样品台将所述多次反射棱镜组的激光在待测样品与多次反射棱镜组之间反射，生成拉曼散射光谱。
光谱仪探测器收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据。
数据采集及处理器采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
由以上技术方案可知，本发明实施例提供一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法，其中系统包括：激光器、带有光学透镜的滤波器、多次反射棱镜组、样品台、光谱仪探测器和数据采集及处理器；所述激光器用于发射单色激光；所述带有光学透镜的滤波器用于接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光；所述多次反射棱镜组用于接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台；所述样品台用于承载待测样品，并将所述多次反射棱镜组的激光在待测样品与多次反射棱镜组之间反射，生成拉曼散射光谱；所述光谱仪探测器用于收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据；所述数据采集及处理器用于采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。本发明提供的一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法，可实现激光多次打在样品上，可增强信号，从而提高检测的准确性和灵敏度。
以下是本发明的有益效果：
提高检测灵敏度：多次打在样品上可以增加与样品相互作用的机会，提高信号强度，从而提高检测的灵敏度，能够检测到更低浓度的样品成分。减少环境干扰：通过增加光与样品相互作用的次数，可以减少环境噪声对检测结果的影响，提高信噪比，使得检测结果更加可靠。增加空间分辨率：利用棱镜组可以使光线在样品表面形成交叉轨迹，覆盖更广泛的区域，从而增加空间分辨率，揭示样品表面微观结构的细节。提高实验效率：通过一次激光光束多次打在样品上，可以减少实验时间，提高实验效率，适用于需要大量样品检测的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于多次拉曼反射的检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于多次拉曼反射的检测方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的显微镜下的细胞样本图；
图4是本发明实施例提供的拉曼光谱曲线图。
图示说明：
其中，1-激光器，2-带有光学透镜的滤波器，3-多次反射棱镜组，31-第一反射棱镜，32-第二反射棱镜，4-样品台，5-光谱仪探测器，6-数据采集及处理器。
具体实施方式
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
在物质检测领域，在使用拉曼光谱检测时，通常激光只能单次打在样品上，会导致信号较弱或者受到环境噪声的影响，限制了检测的准确性和灵敏度。
因此为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种解决方案，即通过设置多次反射棱镜组，让光线在经过棱镜反射和折射后在样品上形成多次照射，从而增加与样品的相互作用，提高信号强度和稳定性，以提高检测的准确性和灵敏度。
参见图1，本发明实施例提供的一种基于多次拉曼反射的检测系统的结构示意图；本发明实施例提供一种基于多次拉曼反射的检测系统，包括：激光器1、带有光学透镜的滤波器2、多次反射棱镜组3、样品台4、光谱仪探测器5和数据采集及处理器6；所述激光器1用于发射单色激光；所述带有光学透镜的滤波器2用于接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光；所述多次反射棱镜组3用于接收所述带有光学透镜的滤波器2传递的激光，并反射至样品台4；所述样品台4用于承载待测样品，并将所述多次反射棱镜组3的激光在待测样品与多次反射棱镜组3之间反射，生成拉曼散射光谱；所述光谱仪探测器5用于收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据；所述数据采集及处理器6用于采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
具体的，所述激光器1的参数为：波长为532nm，单脉冲能量为40μJ，重复频率为2MHz。更具体的，激光器1是拉曼反射装置的核心部件，用于激发样品产生拉曼散射信号。激光通常需要具有单色性和高亮度，以确保激发的信号稳定和强度足够，激光的波长可以精确调控，可选择不同波长的激光进行样品激发，实现对不同物质的拉曼光谱分析。
具体的，带有光学透镜的滤波器2用于聚焦和调节激光光束，同时滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光，提高信号的质量和稳定性。高级滤波器可以实现多通道滤波，使得对复杂样品的光谱分析更加精准。另外，扩束镜选择的是连续变倍可调扩束镜，扩束比可调为2X-6X。
具体的，所述样品台4为可旋转样品台，旋转角度为360°，以用于样品台上样品多角度接收第一反射棱镜31反射的激光，以及传递多角度传递激光至第二反射棱镜32。样品台可以实现支撑和定位样品，配备微动装置以调整样品位置，确保激光与样品的正确对准，以获得准确的拉曼信号可以实现三维旋转，使得对样品的多角度观察和分析成为可能。
具体的，所述光谱仪探测器5采用Savitzky Golay滤波技术对原始光谱数据进行平滑处理；若样品台4的玻璃基底产生的干扰信号，则采用基于小波变换方法的特定尺度分析算法以消除基底的影响；若样本产生的荧光干扰信号，则通过结合局部极小值零阶SG滤波算法去除荧光背景。需要说明的是SG滤波其实是一种移动窗口的加权平均算法，但是其加权系数不是简单的常数窗口，而是通过在滑动窗口内对给定高阶多项式的最小二乘拟合得出。
另外，Savitzky Golay滤波技术是Savitzky和Golay提出了一种数据流平滑除噪滤波方法，该滤波方法是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法，最大的特点在于在滤除噪声的同时可以保持信号的形状和宽度不变。算法思路是通过移动平滑，实现噪声的抑制。
Savitzky-Golay平滑滤波被广泛地运用于数据流平滑除噪，是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法。这种滤波器最大的特点在于在滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变。使用平滑滤波器对信号滤波时，实际上是拟合了信号中的低频成分，而将高频成分平滑出去了。如果噪声在高频端，那么滤波的结果就是去除了噪声，反之，若噪声在低频段，那么滤波的结果就是留下了噪声。
平滑滤波是光谱分析中常用的预处理方法之一。用Savitzky-Golay方法进行平滑滤波，可以提高光谱的平滑性，并降低噪音的干扰。SG平滑滤波的效果，随着选取窗宽不同而不同，可以满足多种不同场合的需求。
需要说明的是，光谱仪用于收集和分析样品产生的拉曼散射光谱，通常包括光栅或干涉仪等元件。通过光谱仪可以获取样品的结构信息和化学成分，实现对样品的准确表征。能够实现高速扫描，快速获取样品的拉曼光谱信息。探测器用于检测和记录激发的拉曼散射信号，通常采用高灵敏度的光电二极管或光电倍增管。探测器的性能直接影响到信号的检测灵敏度和分辨率。探测器具有时间分辨功能，可以实现对样品动态过程的监测和分析。
具体的，所述光谱仪探测器5的光谱记录范围为600-1800cm-1，光谱采集的积分时间为30s，仪频率校准使用520.7cm-1硅谱线进行，峰位漂移标准偏差小于±0.5cm-1，所有测量均在暗室内进行。
具体的，所述多次反射棱镜组3包括：第一反射棱镜31和第二反射棱镜32，所述第一反射棱镜31与所述第二反射棱镜32相对于所述样品台呈对称设置；所述第一反射棱镜31用于接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台4上的待测样品；所述第二反射棱镜32用于接收样品反射的激光，并将激光通过待测样品反射回所述第一反射棱镜；激光经过第一反射棱镜31、待测样品和第二反射棱镜32反射36次后，通过第二反射棱镜32传递至所述光谱仪探测器5。通过巧妙设计棱镜的形状和位置，可以让光线在经过棱镜反射和折射后在样品上形成多次照射，从而增加与样品的相互作用，提高信号强度和稳定性。更具体的，所述多次反射棱镜组3采用的反射镜为激光反射镜，波长为532nm，反射率大于99％，损伤阈值大于0.4J/cm2。
具体的，数据采集及处理器6用于采集、存储、分析和处理拉曼光谱数据，通常配备计算机和相应的数据处理软件，其具有智能化分析功能，能够自动识别样品特征并进行快速准确的数据处理和解读。
参见图2，为本发明实施例提供的一种基于多次拉曼反射的检测方法的流程图。本发明实施例第二方面，提供一种基于多次拉曼反射的检测方法，应用于第一方面所述的基于多次拉曼反射的检测系统，包括：
S1，激光器1发射单色激光。
S2，带有光学透镜的滤波器2接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光。
S3，多次反射棱镜组3接收所述带有光学透镜的滤波器2传递的激光，并反射至样品台4。
S4，样品台4将所述多次反射棱镜组3的激光在待测样品与多次反射棱镜组3之间反射，生成拉曼散射光谱。
S5，光谱仪探测器5收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据。
S6，数据采集及处理器6采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
为了进一步说明本发明实施例的有益效果，通过使用本发明提供的基于多次拉曼反射的检测系统及方法检测人体组织液中病变细胞，参见图3，为本发明实施例提供的显微镜下的细胞样本图，可见滤除了荧光背景，图像清晰，并消除了基底的影响，需要说明的是本发明实施例中的人体组织液中病变细胞为常规可以获得的细胞样品，采集于北京中医院大学东直门医院，目的是验证本发明实施例的有益效果。
另外，参见图4，是本发明实施例提供的拉曼光谱曲线图，通过对预处理后的光谱进行归一化，对同种类型的光谱数据求均值，最后得到拉曼光谱曲线。
可见本发明实施例提供的一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法，可实现激光多次打在样品上，可增强信号，从而提高检测的准确性和灵敏度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
Claims (8)
1.一种基于多次拉曼反射的检测系统，其特征在于，包括：激光器(1)、带有光学透镜的滤波器(2)、多次反射棱镜组(3)、样品台(4)、光谱仪探测器(5)和数据采集及处理器(6)；
所述激光器(1)用于发射单色激光；
所述带有光学透镜的滤波器(2)用于接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光；
所述多次反射棱镜组(3)用于接收所述带有光学透镜的滤波器(2)传递的激光，并反射至样品台(4)；
所述样品台(4)用于承载待测样品，并将所述多次反射棱镜组(3)的激光在待测样品与多次反射棱镜组(3)之间反射，生成拉曼散射光谱；
所述光谱仪探测器(5)用于收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据；
所述数据采集及处理器(6)用于采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述激光器(1)的参数为：波长为532nm，单脉冲能量为40μJ，重复频率为2MHz。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述样品台(4)为可旋转样品台，旋转角度为360°，以用于样品台上样品多角度接收第一反射棱镜(31)反射的激光，以及传递多角度传递激光至第二反射棱镜(32)。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述光谱仪探测器(5)采用SavitzkyGolay滤波技术对原始光谱数据进行平滑处理；
若样品台(4)的玻璃基底产生的干扰信号，则采用基于小波变换方法的特定尺度分析算法以消除基底的影响；
若样本产生的荧光干扰信号，则通过结合局部极小值零阶SG滤波算法去除荧光背景。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述多次反射棱镜组(3)包括：第一反射棱镜(31)和第二反射棱镜(32)，所述第一反射棱镜(31)与所述第二反射棱镜(32)相对于所述样品台呈对称设置；
所述第一反射棱镜(31)用于接收所述带有光学透镜的滤波器传递的激光，并反射至样品台(4)上的待测样品；
所述第二反射棱镜(32)用于接收样品反射的激光，并将激光通过待测样品反射回所述第一反射棱镜；
激光经过第一反射棱镜(31)、待测样品和第二反射棱镜(32)反射36次后，通过第二反射棱镜(32)传递至所述光谱仪探测器(5)。
6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述多次反射棱镜组(3)采用的反射镜为激光反射镜，波长为532nm，反射率大于99％，损伤阈值大于0.4J/cm2。
7.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述光谱仪探测器(5)的光谱记录范围为600-1800cm-1，光谱采集的积分时间为30s，仪频率校准使用520.7cm-1硅谱线进行，峰位漂移标准偏差小于±0.5cm-1，所有测量均在暗室内进行。
8.一种基于多次拉曼反射的检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的基于多次拉曼反射的检测系统，包括：
激光器(1)发射单色激光；
带有光学透镜的滤波器(2)接收单色激光，并聚焦和调节激光光束，滤除散射光谱中的背景噪声和杂散光；
多次反射棱镜组(3)接收所述带有光学透镜的滤波器(2)传递的激光，并反射至样品台(4)；
样品台(4)将所述多次反射棱镜组(3)的激光在待测样品与多次反射棱镜组(3)之间反射，生成拉曼散射光谱；
光谱仪探测器(5)收集和分析待测样品产生的拉曼散射光谱，并生成拉曼光谱数据；
数据采集及处理器(6)采集、存储、分析和处理所述拉曼光谱数据，得到分析结果。
Priority Applications (1)
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| CN202410350748.8A CN118169101A (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法 |
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| CN202410350748.8A CN118169101A (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种基于多次拉曼反射的检测系统及方法 |
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2024
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