CN207964630U - 基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其包括：超连续谱光源，其以脉冲激光器作为种子源，种子源经放大后，通过光子晶体光纤产生超连续谱；分光单元，其将超连续谱光源分为第一和第二光束，第一光束包括种子源波长的谱段，形成泵浦光和探测光，第二光束包括波长大于种子源波长的谱段，形成斯托克斯光；延迟单元，其设于第二光束的光路上，延迟单元用于调节第一和第二光束的光程差；合束单元，其将调节光程差之后的第一和第二光束合束，形成共线激发光作用于样品；光谱仪，其采集样品的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。本实用新型能以非接触式密封血液制品的方式，针对全血、血浆和血清等样品实现人与动物种属的自动区分。

Description

基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统

技术领域

本实用新型涉及一种人与动物血液种属区分领域。更具体地说，本实用新型涉及一种基于相干反斯托克斯拉曼光谱的用于密封血液样品非接触式种属鉴别方系统。

背景技术

生物物种资源是一个国家的重要资源储备，强大的基因库对于国家发展至关重要。血液作为大多数物种最直接的基因库来源，目前在进出口及使用中存在物种来源鉴定困难的问题。该问题如不能得到良好的解决将导致我国大量特色物种基因信息的外流，同时也可能成为外源物种入侵的重要渠道，必须对其加以严格管控。因此，人与动物细胞非接触识别装备的研制成功，可以满足我国进出口检验检疫部门对于血液制备物种来源问题进行检测，对于提升进出口检验检疫部门的装备水平具有重要意义。

人与动物血性状与成分相似，都是红色不透明液体，均由血浆、血细胞、无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等成分组成。禽类动物与哺乳动物血液差别在于禽类动物成熟红细胞有细胞核，哺乳类动物成熟红细胞没有细胞核。而人类与其它哺乳动物血细胞高度相似，血液差别主要在于激素、酶和抗体。

血液采集保存运输中需要使用采血管或血袋等容器，同时容器中含有肝素钠、乙二铵四乙酸盐、枸橼酸盐、草酸盐等抗凝剂或其它促凝剂成分。容器材料由石英管、PET和其他树脂材料构成。血液盛装容器所使用的树脂材料、抗凝剂或促凝剂成分均会对血液测量造成一定影响。

人与动物血液成分高度相似。同时，为避免采样对血液样品的污染和破坏以及血液样品可能存在的病原体对检验人员和公共卫生的威胁，有必要对血液样品采取非采样、非接触试测试。这些因素加大了血液种属鉴别的难度。拉曼光谱能够反映分子振转能级结构，具有分子指纹特征，可以用于分析物质中官能团含量，进行物质成分定性和定量分析，因而有望用于血液种属识别。然而产生拉曼散射的概率极低，并且采用特定波长激光激发时易于产生荧光背景干扰。相干反斯托克斯拉曼光谱(Coherent Anti-Stokes RamanSpectroscopy，CARS)信号可比常规拉曼强～6个数量级，同时获得无荧光背景的拉曼信号。目前CARS系统中多采用皮秒、飞秒脉冲激光器配合光学参量振荡器，系统复杂而且成本较高。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供一种基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其采用超连续谱激光光源提供泵浦光、探测光和斯托克斯光，获得血液样品的宽谱带相干反斯托克斯拉曼光谱，能以非接触式密封血液制品的方式，针对全血、血浆和血清等样品实现人与动物种属的自动区分，满足进出口检验检疫部门对血液制品初步筛查的需求。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其包括：

超连续谱光源，其以(纳秒、皮秒或飞秒)脉冲激光器作为种子源，所述种子源经放大后，通过光子晶体光纤中的四波混频等非线性过程产生超连续谱激光；

分光单元，其将所述超连续谱光源分为第一光束和第二光束，所述第一光束包括种子源波长的谱段，用于形成泵浦光和探测光，所述第二光束包括波长大于种子源波长的谱段，用于形成斯托克斯光，其中，超连续谱激光与种子光源以相同脉宽同步输出，激光能量利用率高，CARS信号强；

延迟单元，其设于所述第二光束的光路上，所述延迟单元用于调节第一光束和第二光束的光程差，用以减弱相干反斯托克斯拉曼散射光谱的非相干背景；

合束单元，其将调节光程差之后的所述第一光束和第二光束合束，形成共线激发光作用于样品；

光谱仪，其采集所述样品的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。

本申请文件以超连续谱作为斯托克斯光构建CARS测量系统，采集大量人与动物血液样品的CARS光谱，以平滑降噪、背景去除、宇宙射线去除等光谱数据预处理和偏最小二乘、支持向量机和神经网络等为基础构建化学计量学模型进行人与动物血液种属的自动识别并提供分析报告。

优选的是，其中，在所述合束器的输出光路上还设有将所述共线激发光聚焦于所述样品上的显微镜，通过显微镜图像可以确定激发光是否聚焦到待测血样上，并使得长焦高倍物镜将激发光打至采血管或血袋内部的血液表层略向内的位置，可以获得最佳的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。

优选的是，其中，

沿所述第一光束的光路，所述分光单元与所述合束器之间还依次设有声光可调滤波器和窄带滤光片，波长等于和低于种子光波长的谱段经由声光可调滤波器分选出种子光波长的激光，经由窄带滤光片后，主要保留种子源成分；

沿所述第二光束的光路，所述分光单元与所述延迟单元之间还设有长滤通滤光片，波长大于种子光波长的谱段成分经长滤通滤光片可进一步滤除短波长成分和多余长波长成分。

优选的是，其中，所述延迟单元为包括两组反射镜对的光学时间延长线，其中，每组反射镜对包括呈相互平行设置的两反射镜，所述光学时间延长线的延迟时间为5～15皮秒。

并且，在CARS光谱探测系统中，通过时间分辨方法分离具有不同时间响应特性的CARS共振信号和非相干背景，从而达到有效抑制非相干背景的目的。通过高精度时间延迟线精确调节和控制超连续谱激光输出的泵浦光/探测光和斯托克斯光脉冲之间的时间同步和时间延迟，实现光学探测系统的时间分辨测量，根据共振拉曼信号和非共振背景弛豫时间的差异，在时间延迟为5～15皮秒时，非共振相干背景信号强度迅速降低。

优选的是，其中，沿相干反斯托克斯拉曼光谱信号的传输方向，在所述显微镜和光谱仪前还依次设有瑞利滤光片、带通滤光片和消色差透镜。

优选的是，其中，还包括位控台，样品摆放至样品台或夹具上后，所述位控台在步进电机的驱动下动态承载所述样品并配合所述显微镜和所述光谱仪实现所述样品位置的自动调节。

优选的是，所述脉冲激光器采用全光纤、主振荡功率放大、可饱和吸收被动锁模和重复频率倍增等技术实现的高功率脉冲单模掺镱光纤激光器。

优选的是，其中，所述光谱仪还配置有热电制冷EMCCD，所述显微镜配置有消色差物镜。

优选的是，其中，所述种子源依次经一级预放大、二级预放大和三级功率放大后，通过光子晶体光纤产生超连续谱。

优选的是，其中，所述种子源、一级预放大、二级预放大、三级功率放大和光子晶体光纤之间均设有光纤隔离器，以避免激光反馈对种子源及泵浦源的损坏。

优选的是，其中，所述种子源和一级预放大之间、所述二级预放大和三级功率放大之间均设有光纤滤波器，以消除种子源及预放大级产生的放大自发辐射，并稳定激光波长，从而提供高质量的种子脉冲。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)在相干反斯托克斯拉曼光谱测量系统中应用了超连续谱光源系统，在保证光谱质量的前提下，大幅提高系统的集成度、便携性并降低了成本；

(2)由于采用种子光作为泵浦光和探测光，采用超连续谱光作为斯托克斯光，可以不经波长调谐直接获取宽带相干反斯托克斯拉曼光谱，覆盖指纹区的化学键；

(3)超连续谱激光与种子光源以相同脉宽同步输出，激光能量利用率高，CARS信号强；

(4)通过时间延长线微调种子光与斯托克斯光的光程差，在保证拉曼信号强度的基础上，降低非相干共振背景；

(5)通过显微成像和相干反斯托克斯拉曼散射光谱双重验证，并通过高精度步进电机控制位控台，调节样品位置，获得最佳信噪比。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型的一实施例中超连续谱光源系统的结构示意图；

图2为本实用新型的另一实施例中基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统的结构示意图；

图3为本实用新型的另一实施例中血液种属自动鉴别算法的流程示意图。

图中：1-脉冲激光器；2-光纤隔离器a；3-光纤滤波器；4-半导体激光器；5-波分复用器；6-掺镱光纤；7-泵浦合束器；8-掺镱双包层光纤；9-光纤隔接点；10-光子晶体光纤；11-耦合输出透镜；12-超连续谱光源；13-准直透镜；14-分光单元；15-长滤通滤光片；16-延迟单元；17-声光可调滤波器；18-光阑；19-窄带滤光片；20-合束单元；21-短波通二向色镜；22-显微物镜；23-样品；24-位控台；25-长波通二向色镜；26-聚焦透镜；27-相机；28-瑞利滤光片；29-带通滤光片；30-消色差透镜；31-光谱仪；32-热电制冷EMCCD；33-计算机；34-反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～2示出了根据本实用新型的一种实现形式，其中包括

超连续谱光源12，其以脉冲激光器1作为种子源，所述种子源经放大后，通过光子晶体光纤10产生超连续谱；

分光单元14，其将所述超连续谱光源分为第一光束和第二光束，所述第一光束包括种子源波长的谱段，用于形成泵浦光和探测光，所述第二光束包括波长大于种子源波长的谱段，用于形成斯托克斯光。并且，该分光单元包括多种实现形式，例如具有分束作用的二向色镜，但不限于此。

延迟单元16，其设于所述第二光束的光路上，所述延迟单元用于调节第一光束和第二光束的光程差；

合束单元20，其将调节光程差之后的所述第一光束和第二光束合束，形成共线激发光作用于样品。并且，该分光单元包括多种实现形式，例如具有合束作用的二向色镜，但不限于此。具有合束作用的二向色镜其在不同波长范围内具有高反射率和透射率，对以45度入射的泵浦光/探测光具有高反射率，对以45度入射的斯托克斯光具有高透过率。

经合束二向色镜反射的泵浦光/探测光与透过合束二向色镜的斯托克斯光合成一束，通过空间两点确定一条直线的方法实现光束共线传输。即在保证两束激光光束在合束镜上形成的光斑重合的条件下，将两束激光光束反射至接收屏上，调节两束激光光束使之在接收屏上形成的光斑也重合，即可认为实现了两束激光光束的共线传输。

光谱仪30，其采集所述样品的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。

使用窄线宽激光作为探测光，可有效提升CARS光谱探测系统理论上的光谱分辨率，种子光波长在线宽和强度方面更具优势，在CARS光谱探测系统中，当探测光中心波长确定时，分子振动频率在一定范围内的分子振动模式所产生的CARS信号波长范围也随之确定。为同时使分子振动频率范围内的物质分子的分子振动模式获得相干增强，要求激光输出具有足够的光谱覆盖范围，而超连续谱激光输出的激光光谱可以覆盖这一范围。

由此在这种技术方案中，由此脉冲(纳秒、皮秒或飞秒)种子激光和光子晶体光纤产生超连续谱激光，利用超连续谱激光中的种子源成分作为泵浦光和探测光，超连续谱中波长大于种子源波长的谱段作为斯托克斯光。系统输出的泵浦光、探测光和斯托克斯光具有较高功率，作为斯托克斯光的超连续谱谱段具有较高平坦度。泵浦光/探测光和斯托克斯光通过合束镜合成一束后入射到血液样品上，血液样品中具有拉曼活性的分子产生的相应CARS光谱信号，并以较高耦合效率进入光谱仪进行后续处理和分析。

在另一实例中，超连续谱光源和分光单元之间还设有准直透镜13，超连续谱激光器经过光纤输出的激光通过透镜准直系统后，再经分光单元分成两束，以提高激光输出的质量。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施提高激光输出质量的不同态样。

在另一种实例中，在所述合束单元20的输出光路上还设有将所述共线激发光聚焦于所述样品上的显微镜22。在本实例中，泵浦光/探测光和斯托克斯光通过合束镜合成一束后共线传输到显微镜物镜系统，通过一定数值孔径、放大倍率和工作距离的显微物镜聚焦到样品架上采血管和血袋中的血液样品中，从包装和血液接触面并向血液内部移动几十微米，血液样品中具有拉曼活性的分子产生的相应CARS光谱信号，系统通过同一个显微物镜收集反向传输的CARS信号，反射的相干反斯托克斯拉曼散射信号经消色差透镜聚焦在光谱仪入射狭缝上。通过显微成像和相干反斯托克斯拉曼散射光谱双重验证，以获取最佳的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。

在另一种实例中，

沿所述第一光束的光路，所述分光单元与所述合束单元之间还依次设有声光可调滤波器17和窄带滤光片19；

沿所述第二光束的光路，所述分光单元与所述延迟单元之间还设有长滤通滤光片15。

并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施泵浦光/探测光和斯托克斯光所需光谱段提取的态样。

在另一种实例中，所述延迟单元为包括两组反射镜对的光学时间延长线，其中，每组反射镜对包括呈相互平行设置的两反射镜，所述光学时间延长线的延迟时间为5～15皮秒。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施泵浦光/探测光和斯托克斯光所需光谱段提取的态样。

在另一种实例中，沿相干反斯托克斯拉曼光谱信号的传输方向，在所述显微镜和光谱仪之间还依次设有瑞利滤光片28、带通滤光片29和消色差透镜30。

由于激发样品产生的CARS信号是相对于探测光波长蓝移，为避免激发光干扰，需要消除在CARS光谱范围内的超连续谱激光输出的光谱成份。同时激发光入射到待测样品中有可能激发待测样品产生相对于激发光波长红移的自体荧光信号，为了避免样品自体荧光信号的干扰，需要在信号进入探测器前消除相对于激发光红移的荧光信号。在本实例中，采用瑞利滤光片和带通滤光片用以消除激发光和激发样品产生的自体荧光信号的影响，然后再经消色差透镜聚焦在光栅光谱仪入射狭缝上，提高成像质量。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施对相干反斯托克斯拉曼散射信号进行预处理的不同态样。

在另一实例中，还包括位控台23，所述位控台在步进电机的驱动下动态承载所述样品并配合所述显微镜和所述光谱仪实现所述样品位置的自动调节。

在另一实例中，所述脉冲激光器为脉冲单模掺镱光纤激光器，以得到高功率、高光谱功率密度以及更大带宽的超连续光谱。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施脉冲激光器的不同态样。

在另一实例中，所述光谱仪还配置有热电制冷EMCCD 32，以降低系统成像噪声，提高成像质量和速度。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求实施光谱仪配置的不同态样。

在另一实例中，所述显微镜配置有消色差物镜，以提高成像质量，但不限于此。

在另一实例中，所述种子源依次经一级预放大、二级预放大和三级功率放大后，通过光子晶体光纤产生超连续谱。

在另一实例中，所述种子源、一级预放大、二级预放大、三级功率放大和光子晶体光纤之间均设有光纤隔离器2，避免激光反馈对种子源和泵浦原的损坏。

在另一实例中，所述种子源和一级预放大之间、所述二级预放大和三级功率放大之间均设有光纤滤波器3，以提供高质量的种子脉冲。

在另一实例中，参照图2，系统还配置有计算机33，利用光学系统所获得的光谱数据的处理与分析将交由计算机完成，计算机包含的功能有数据采集、数据处理、数据检索、与数据分析四个主要内容。

在另一实例中，参照图3，结合本申请文件技术方案在血液检测中的具体应用，进一步阐述本实用新型：

首先，大量采集人血与动物血样品，采集载玻片上、采血管、血袋和离心管中，全血、血浆与血清的相干反斯托克斯拉曼散射光谱，建立人血与动物血相干反斯托克斯拉曼散射光谱数据集。提取人与动物全血、血浆和血清相干反斯托克斯拉曼光谱特征。通过平滑降噪、背景拟合、相干反斯托克斯拉曼光谱非相干背景校正等光谱预处理等算法，降低噪声、荧光背景、非相干背景等因素的影响。通过偏最小二乘结合聚类算法、支持向量机或神经网络建立种属鉴别模型，并通过交叉验证和外部验证等方式验证模型的准确度、稳定性和范化能力。

其次，将样品摆放至样品台或夹具上后，根据显微图像和相干反斯托克斯拉曼光谱调整样品位置，获得最高强度和信噪比血液相干反斯托克斯拉曼信号。通过对样品的拉曼光谱的特征信息与所构建的拉曼光谱标准特征信息库进行对比，可以实现未知检测物的种类判定。其中通过光学系统所获得的海量光谱数据包含被测物的拉曼光谱信号，也包含大量干扰信息如荧光背景、检测器噪声、光源功率波动等。整个系统获得的数据将十分复杂，所以必须对光谱数据进行数据预处理后才能完成后续分析解谱的复杂工作。在对光谱数据进行平滑去噪、背景拟合去除、数据归一化得到的峰位清晰的高信噪比光谱信号后，利用谱峰位置偏移信息、谱峰面积信息、峰值强弱信息等数据为基础建立对比分析模型。应用主成分分析、偏最小二乘分析配合聚类分析进行血液样品种类，即全血、血细胞、血浆和血清的识别。然后根据支持向量机和人工神经网络法进行血液样品种属识别，同时采用间接硬建模法分析光谱的非线性变化，重点解决谱峰重叠问题，进而呈现谱峰分子结构信息，实现对拉曼光谱的解谱分析。通过待测样本的特征光谱信息矩阵与建立的不同动物来源的血液样本特征光谱标准数据库进行分析对比，进而实现对所测量本的种属来源进行智能判读并分析差异所在。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，根据本实用新型，通过采用超连续谱激光光源提供泵浦光、探测光和斯托克斯光，获得血液样品的宽谱带相干反斯托克斯拉曼光谱。在采集大量不同种属动物血液样品光谱信息并建立数据库的基础上，采用化学计量学算法与人工智能算法实现血液种属来源的自动识别。采用超连续谱激光光源作为激发光可以快速采集宽带相干反斯托克斯拉曼光谱，化学信息丰富，无需复杂样品制备过程，可以针对全血、血浆和血清样品进行分析识别。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，包括：

超连续谱光源，其以脉冲激光器作为种子源，所述种子源经放大后，通过光子晶体光纤产生超连续谱；

分光单元，其将所述超连续谱光源分为第一光束和第二光束，所述第一光束包括种子源波长的谱段，用于形成泵浦光和探测光，所述第二光束包括波长大于种子源波长的谱段，用于形成斯托克斯光；

延迟单元，其设于所述第二光束的光路上，所述延迟单元用于调节所述第一光束和第二光束的光程差；

合束单元，其将调节光程差之后的所述第一光束和第二光束合束，形成共线激发光作用于样品；

光谱仪，其采集所述样品的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。

2.如权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，在所述合束单元的输出光路上还设有将所述共线激发光聚焦于所述样品上的显微镜。

3.如权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，

沿所述第一光束的光路，所述分光单元与所述合束单元之间还依次设有声光可调滤波器和窄带滤光片；

沿所述第二光束的光路，所述分光单元与所述延迟单元之间还设有长滤通滤光片。

4.如权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，所述延迟单元为包括两组反射镜对的光学时间延长线，其中，每组反射镜对包括呈相互平行设置的两反射镜，所述光学时间延长线的延迟时间为5～15皮秒。

5.如权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，沿相干反斯托克斯拉曼光谱信号的传输方向，在所述显微镜和光谱仪之间还依次设有瑞利滤光片、带通滤光片和消色差透镜。

6.如权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，还包括位控台，所述位控台在步进电机的驱动下动态承载所述样品并配合所述显微镜和光谱仪实现所述样品位置的自动调节。

7.如权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，所述脉冲激光器为脉冲单模掺镱光纤激光器。

8.如权利要求2所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，所述光谱仪还配置有热电制冷EMCCD，所述显微镜配置有消色差物镜。

9.如权利要求1所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，所述种子源依次经一级预放大、二级预放大和三级功率放大后，通过光子晶体光纤产生超连续谱。

10.如权利要求9所述的基于相干反斯托克斯拉曼光谱的血液种属鉴别系统，其特征在于，

所述种子源、一级预放大、二级预放大、三级功率放大和光子晶体光纤之间均设有光纤隔离器；

所述种子源和一级预放大之间、所述二级预放大和三级功率放大之间均设有光纤滤波器。