CN209606325U - 一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头及拉曼光采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于拉曼光谱及其分析检测技术领域，公开了一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头,包括激发光路装置、拉曼光收集光路装置和收发天线装置；所述激发光路装置中的激发光路与拉曼光收集光路装置中的拉曼光收集光路平行，激发光路与收集光路有部分光路共用，共用部分称为收发天线装置，所述拉曼光收集光路装置一侧设置有收发天线装置；本实用新型通过设置激发光路装置、拉曼光收集光路装置和收发天线装置，将激发光沿激发光路装置与收发天线装置传输，并通过拉曼光收集装置与收发天线装置收集被测样品产生的拉曼光，本实用新型结构简单，能够减少被测样品信号中的荧光信号，从而有效减少被测样品荧光信号对拉曼信号的干扰。

Description

一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头及拉曼光采集系统

技术领域

本实用新型属于拉曼光谱及其分析检测技术领域，具体涉及一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头及拉曼光采集系统。

背景技术

拉曼散射光谱，指散射光频率发生变化的现象。当激发光照射到物体上时，物质的分子与光子相互作用，发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，称为瑞利散射；非弹性散射的散射光是与激发光波长不相同的成分，称为拉曼散射。

拉曼散射光谱反映的是分子振动、转动方面信息，因而具有分子级别的特征性，可以用来区分物质；然而很多样品在水，氧气，油脂等作用下，样品表面会形成薄薄的一层荧光层，还有一些样品比如药片表面的糖衣等保护膜也存在较强的荧光；当被测样品具有荧光效应时，除了激发出拉曼光之外，还会激发出被测样品的荧光信号，采用传统的拉曼光谱仪探头时，会携带大量的荧光信号，形成噪声，且叠加在拉曼信号上，无法分离，对拉曼信号造成干扰；因此，有效减少被测样品光谱中的荧光信号，以避免被测样品产生的荧光信号对拉曼信号产生干扰是很有必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的被探测样品被激发后产生荧光信号，对拉曼信号造成干扰的缺点，本申请的目的在于，提供了一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头及拉曼光采集系统。

为了实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案予以实现：

一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，包括激发光路装置、拉曼光收集光路装置和收发天线装置，所述激发光路装置中的激发光路与拉曼光收集光路装置中的拉曼光收集光路平行，所述拉曼光收集光路装置一侧还设置有收发天线装置；

激发光路装置用于激发入射的激发光，形成激发光路装置的激发光路；

拉曼光收集光路装置用于收集被测样品被激发光激发后产生的拉曼光，形成拉曼光收集光路装置中的拉曼光收集光路。

进一步的，所述激发光路装置在沿入射激发光的传播方向上，依次设置有激光输入光纤、准直透镜、窄带通滤光片及与透过窄带通滤光片的光路呈45度夹角的反光镜。

进一步的，所述收发天线装置依次设置有与反光镜反射光路呈45度夹角的二向色镜，及沿二向色镜反射光路上设置的透镜、异型光阑和反光碗，所述异型光阑一侧与反光碗连接，所述异型光阑另一侧设有D孔，反光碗设有E孔。

进一步的，所述拉曼光收集光路装置在沿由被测样品被激发后产生的拉曼光和荧光，及被所述被测样品反射的激发光构成的光信号的传播方向且穿过二向色镜的光路上，依次设置有陷波滤光片、耦合透镜和拉曼信号输出光纤。

进一步的，所述透镜的焦点位于异型光阑的D孔的中心处。

进一步的，所述异型光阑为喇叭状。

进一步的，所述反光碗的内壁为抛物线形状，所述反光碗内壁的焦点位于异型光阑的D孔的中心。

进一步的，所述异型光阑与反光碗的内壁面均设有增反膜；所述增反膜为金膜或银膜。

进一步的，所述异型光阑的D孔的直径不大于1mm。

一种采用减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统，包括光源设备、控制装置和光谱仪，还包括减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头一端与光谱仪连接，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的另一端与光源设备连接，所述光谱仪一端与控制装置连接。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型通过设置激发光路装置、拉曼光收集光路装置和收发天线装置，将激发光沿激发光路装置与收发天线装置传输，并通过拉曼光收集光路装置与收发天线装置收集被测样品产生的拉曼光，激发光路和拉曼光收集光路都要通过收发天线装置，本实用新型结构简单，能够减少被测样品信号中的荧光成分，从而有效减少被测样品荧光信号对拉曼信号的干扰。

２、本实用新型中的反光碗能够增强激发光和拉曼光反射，提高激发光对被测样品激发以及对拉曼光收集的效率，将未被利用的激发光重复反射回被测样品再次利用，将未通过异型光阑的拉曼光在腔内重复反射，直到满足收集条件，尽可能的通过异型光阑。

附图说明

图1为一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的结构示意图；

图2为异型光阑与反光碗的结构示意图；

图3为异型光阑内壁与异型光阑的几何中心线之间夹角的示意图；

图4为一种采用减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统结构示意图；

图5为利用本实用新型采集得到的石膏晶体的谱图；

图6为利用传统拉曼探头采集得到的石膏晶体的谱图；

图中各标号的含义：A-激发光路装置，B-拉曼光收集光路装置，C-收发天线装置，1-激发光输入光纤，2-准直透镜，3-窄带通滤光片，4-反光镜，5-拉曼信号输出光纤，6-耦合透镜，7-陷波滤光片，8-二向色镜，9-透镜，10-异型光阑，11-反光碗，12-样品，13-光源设备，14-光谱仪，15-电脑，16-D孔，17-E孔，18-F点，19-几何中心线。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

具体实施方式

如图1所示，一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，包括激发光路装置A、拉曼光收集光路装置B和收发天线装置C；所述激发光路装置A中的激发光路与拉曼光收集光路装置B中的拉曼光收集光路平行，激发光路与收集光路有部分光路共用，共用部分称为收发天线装置C，收发天线装置C设置在拉曼光收集光路装置B的一侧；

激发光路表示激发光依次通过激发光路装置A和收发天线装置C形成的光路；收集光路表示被测样品被激发光激发后产生的拉曼光依次通过收发天线装置C和拉曼光收集光路装置B形成的光路。所述收发天线装置C为激发光路与收集光路的共用装置，既能通过激发光，又能通过拉曼光。

激发光路装置A用于激发入射的激发光，形成激发光路装置A的激发光路；

拉曼光收集光路装置B用于收集被测样品被激发光激发后产生的拉曼光，形成拉曼光收集光路装置B中的拉曼光收集光路。

本实用新型通过设置激发光路装置A、拉曼光收集光路装置B和收发天线装置C，将激发光沿激发光路装置A与收发天线装置B传输，并通过拉曼光收集光路装置B与收发天线装置B收集被测样品产生的拉曼光，激发光路和收集光路都要通过收发天线装置C，本实用新型结构简单，能够减少被测样品信号中的荧光成分，从而有效减少被测样品荧光信号对拉曼信号的干扰。

具体的，激发光路装置A在沿入射激发光的传播方向上，依次设置的激发光输入光纤1、准直透镜2、窄带通滤光片3、与透过窄带通滤光片3的光路呈45度夹角的反光镜4。

该方式中激光输入光纤1能够输入激发光信号；准直透镜2能够将激发光准直，使激发光变为平行光；窄带通滤光片3能够限制激发光线宽；反光镜4对激发光具有高反射率，能够折转激发光光路，使激发光能够进入收发天线装置C。

具体的，收发天线装置C依次设置有与反光镜4的反射光路呈45度夹角的二向色镜8，及沿二向色镜8反射光路上设置的透镜9、异型光阑10和反光碗11，所述异型光阑10一侧与反光碗11连接，所述异型光阑10一侧设有D孔16，所述反光碗11一侧设有E孔17。

具体的，如图3所示，所述透镜9的焦点位于异型光阑10的D孔16的中心，F点18为所述D孔16的中心；该方式能够充分利用激发光，使激发光能够完全通过异型光阑10的D孔16，提高激发光的利用率；所述异型光阑的D孔16直径不大于1mm，以限制杂散光的通过。

具体的，所述异型光阑10呈喇叭状，所述异型光栅10的一侧壁面与异型光阑10的几何中心线19之间的夹角为，异型光阑10的等效数值孔径为，其中n_空气表示空气的折射率；所述异型光阑10的等效数值孔径与透镜9的数值孔径相等，只有满足透镜9的数值孔径要求的拉曼光可以穿过，其他拉曼光被反射回反光碗11和被测样品组成的腔内。

具体的，所述反光碗11的内壁为抛物线形状，E孔17的直径不受限制，可随样品尺寸适当选择；反光碗11内壁的焦点位于异型光阑10的D孔16的中心即A点18。根据抛物线的特性，拉曼光平行于反光碗11的几何中心线19入射时，经反光碗11的抛物线状的内壁表面反射后，拉曼光都会经过A点18。

具体的，异型光阑10与反光碗11的内壁面设有增反膜；所述增反膜如金膜、银膜等；所述异型光阑10与反光碗11和被测样品组成的腔类似积分球，该方式能够增强激发光和拉曼光反射，并将未被利用的激发光重复反射回被测样品再次利用，使未通过异型光阑10的拉曼光在所述反光碗11和被测样品组成的腔内反复反射，直到满足收集条件，尽可能的通过异型光阑10；所述腔适用于所有形状的样品，特别适用于表面不平以及质地柔软的样品。

收发天线装置C是激发光路和收集光路的共用装置；

一方面，收发天线装置C在激发光路方向上：

二向色镜8对激发光具有高反射率，能够折转激发光光路；将激发光送到透镜9，透镜9能够将激发光聚焦，以通过异型光阑10和反光碗11，照射到被测样品上；被测样品被激发后产生的光信号含有拉曼光和荧光，以及被反射的激发光。

另一方面，收发天线装置C在收集光路方向上：

反光碗11能够增强激发光和拉曼光反射，提高对被测样品激发的效率，以及对拉曼光收集的效率，将未被利用的激发光重复反射回被测样品再次利用，异型光阑10通过喇叭形开口限制拉曼光的出射角度，并将未通过异型光阑10的拉曼光在所述反光碗11和被测样品组成的腔内反复反射，直到满足收集条件，尽可能多的通过异型光阑10；

从异型光阑10出来的光信号被透镜9准直，所述光信号含有拉曼光和荧光，以及被反射的激发光；然后通过二向色镜8，其中大部分被反射的激发光被第一次滤除，而大部分拉曼光可以通过，这些拉曼光和剩余下被反射的激发光一起进入拉曼光收集光路装置B；

具体的，拉曼光收集光路装置B包括：沿由被测样品被激发后产生的拉曼光和荧光，及被被测样品反射的激发光构成的光信号的传播方向且穿过二向色镜8的光路上，依次设置有陷波滤光片7、耦合透镜6和拉曼信号输出光纤5；该方式中陷波滤光片7能够将滤除未被利用的激发光，并通过拉曼光；耦合透镜6能够将拉曼光会聚进输出光纤5；拉曼信号输出光纤5能够将拉曼光输出。

一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的工作原理如下：

如图4所示，将被测样品放置在反光碗11的E孔17处，光源设备13发出的激光作为激发光，激发光入射到激发光输入光纤1，并经过准直透镜2，将激发光准直，从准直透镜2的焦点附近射出；经过准直透镜后的激发光变为平行光；所述平行光经过窄带通滤光片3，窄带通滤光片3限制了激发光的线宽；平行光经过窄带通滤光片3后，并经过反光镜4和二向色镜8的两次90度转折后射入透镜9，透镜9将平行光会聚在异性光阑10的D孔16的中心即A点处，以通过异型光阑10和反光碗11，并照射到被测样品上，被测样品被光束激发后产生光信号（光信号含有拉曼光和荧光，以及被反射的激发光）；

所述拉曼光被反光碗11收集后经过异性光阑10上的A点照射到透镜9上，由透镜9准直，经透镜9准直后的平行光经二向色镜8发生透射，被反射的激发光被二向色镜8进行第一次过滤；拉曼光和被二向色镜8过滤剩余的被反射的激发光经过陷波滤光片7，陷波滤光片7对剩余的被反射的激发光进行第二次过滤，过滤后剩余的拉曼光通过耦合透镜6会聚输入到拉曼信号输出光纤5，并通过拉曼信号输出光纤5输出。

传统拉曼探头只能有效收集透镜9的焦点处的光信号，当面对透明性不好的被测样品时，射入被测样品的激发光无法聚焦于一点；透镜9焦点位置越深，能量越分散，透镜9甚至收集不到光信号；采用传统拉曼探头时，透镜9只能聚焦于样品表面附近，这样即使被测样品的荧光层很薄，收集的光信号也含有大量来自表面的荧光；本实用新型能够收集平行于反光碗11的几何中心线19入射，且在透镜9数值孔径内的光信号，而并非来自被测样品表面某一点的信号，被测样品表面荧光信号所占的比例将极大的降低。

如图4所示，一种采用减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统，包括光源设备13、控制装置、减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头和光谱仪14，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头一端与光谱仪14连接，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的另一端与光源设备连接，所述光谱仪14一端与控制装置连接。该方式中所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的激发光输入光纤1与光源设备13连接，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼信号输出光纤5与光谱仪连接。

具体的，所述控制装置为电脑15。

一种采用减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统的工作原理如下：

所述光源设备13发出激发光，通过减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头采集得到拉曼光，拉曼光通过减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼信号输出光纤5输入到光谱仪14中，光谱仪14对拉曼光进行分析，最终通过控制装置将光谱仪14对拉曼光的分析结果输出，通过采用减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统能够有效的对拉曼光进行采集和分析。

实施例

在一定的环境条件下，如图4所示，采用光源设备13、光谱仪14，利用本实用新型对石膏晶体的进行测试，所述石膏晶体表面具有一层自然形成的荧光层。

光源设备13发出的光源通过本装置使激发光照射到石膏晶体上，同时将本装置输出的拉曼光输入光谱仪14进行光谱分析，并将光谱数据输送到电脑15端，得到如图5所示的利用本实用新型得到的石膏晶体的谱图。

采用相同的光源设备，并利用传统的探头对同一石膏晶体的同一位置进行测试，并将收集拉曼光输入给相同的光谱仪14进行光谱分析，并将光谱数据输送到电脑15端，得到如图6所示的利用传统探头得到的石膏晶体的谱图。

图5和图6中横坐标表示拉曼位移，纵坐标表示光信号的强度，如图6所示阴影部分为荧光信号，在拉曼位移200～3000的范围内，可看出图５中本实用新型测试的石膏晶体的光谱中荧光信号很低，大部分信号为拉曼信号；图６中利用传统探头测试的石膏晶体的光谱中含有大量的荧光信号，形成荧光背景噪声，且叠加在拉曼信号上，无法分离。结果表明，由于石膏晶体表面自发形成的氧化层的影响，采用传统探头测试的石膏晶体的拉曼光谱中含有大量的荧光信号，采用本实用新型测试的石膏晶体的拉曼光谱中消除了大量的荧光信号。

Claims (10)

1.一种减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，包括激发光路装置（A）、拉曼光收集光路装置（B）和收发天线装置（C），所述激发光路装置（A）中的激发光路与拉曼光收集光路装置（B）中的拉曼光收集光路平行，所述拉曼光收集光路装置（B）一侧设置有收发天线装置（C）；

激发光路装置（A）用于激发入射的激发光，形成激发光路装置（A）的激发光路；

拉曼光收集光路装置（B）用于收集被测样品被激发光激发后产生的拉曼光，形成拉曼光收集光路装置（B）中的拉曼光收集光路。

2.如权利要求1所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述激发光路装置（A）在沿入射激发光的传播方向上，依次设置有激光输入光纤（1）、准直透镜（2）、窄带通滤光片（3）及与透过窄带通滤光片（3）的光路呈45度夹角的反光镜（4）。

3.如权利要求2所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述收发天线装置（C）依次设置有与反光镜（4）反射光路呈45度夹角的二向色镜（8），及沿二向色镜（8）反射光路上设置的透镜（9）、异型光阑（10）和反光碗（11），所述异型光阑（10）一侧与反光碗（11）连接，所述异型光阑（10）另一侧设有D孔（16），反光碗（11）设有E孔（17）。

4.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述拉曼光收集光路装置（B）在沿由被测样品被激发后产生的拉曼光和荧光，及被所述被测样品反射的激发光构成的光信号的传播方向且穿过二向色镜（8）的光路上，依次设置有陷波滤光片（7）、耦合透镜（6）和拉曼信号输出光纤（5）。

5.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述透镜（9）的焦点位于异型光阑（10）的D孔（16）的中心处。

6.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述异型光阑（10）为喇叭状。

7.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述反光碗（11）的内壁为抛物线形状，所述反光碗（11）内壁的焦点位于异型光阑（10）的D孔（16）的中心。

8.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述异型光阑（10）与反光碗（11）的内壁面均设有增反膜；所述增反膜为金膜或银膜。

9.如权利要求3所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述异型光阑（10）的D孔（16）的直径不大于1mm。

10.一种采用如权利要求4或9所述的减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的拉曼光采集系统，包括光源设备（13）、控制装置和光谱仪（14），其特征在于，还包括减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头一端与光谱仪（14）连接，所述减少荧光干扰的拉曼光谱仪探头的另一端与光源设备（13）连接，所述光谱仪（14）一端与控制装置连接。