TWI593953B - 整合式拉曼光譜量測系統 - Google Patents

整合式拉曼光譜量測系統 Download PDF

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TWI593953B TW105141721A TW105141721A TWI593953B TW I593953 B TWI593953 B TW I593953B TW 105141721 A TW105141721 A TW 105141721A TW 105141721 A TW105141721 A TW 105141721A TW I593953 B TWI593953 B TW I593953B
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Description

整合式拉曼光譜量測系統
本發明是有關於一種光譜儀，且特別是有關於一種整合式拉曼光譜量測系統。
拉曼光譜儀是一種用以觀察系統中的震動、旋轉與其他低頻的模式的光譜儀，其通常應用於化學上，以提供讓分子可被辨別的特徵。
拉曼光譜儀應用了單色光的非彈性散射或拉曼散射的特性，此單色光通常是來自於可見光、近紅外光或近紫外光等波長範圍內的雷射。雷射光束和系統內的分子震動、聲子或其他激發（excitations）發生交互作用，導致雷射光子的能量增加或減少。此能量的改變提供了系統中關於震盪模式的資訊。
近年來，發展出一種微拉曼光譜儀（micro Raman spectrometer）。然而，傳統的微拉曼光譜儀的體積龐大，且在雷射波長的選擇性上受到限制。再者，在微拉曼光譜儀中的透鏡與反射鏡的位置難以被調整與設置。
本發明提供一種易於設置與操作的整合式拉曼量測系統。
本發明的一實施例提供一種整合式拉曼光譜量測系統包括複數個反射鏡、分光器、軸調整機構以及外殼。反射鏡配置於雷射光徑上。分光器配置於雷射光徑上，用以將入射至雷射光徑之雷射光束中之至少部份傳遞至待測的物體，並將物體反射出之訊號光傳遞至訊號收集單元。軸調整機構用以設定和調整雷射光束入射至雷射光徑時的座標軸與方位等參數中的至少二參數。外殼用以容置分光器與反射鏡。外殼可拆卸地連接至基座。
在本發明的實施例的整合式拉曼光譜量測系統中，使用了模組化雷射模組，由於軸調整機構可調整雷射發射器的座標軸與方位等參數中的至少二參數，所以藉由模組化雷射模組，可容易達成整合式拉曼光譜量測系統中光路的設定與調整。因此，整合式拉曼光譜量測系統容易被設置和操作。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依照本發明一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的光路示意圖，圖1B是圖1A中的整合式拉曼光譜量測系統在垂直模式時的立體示意圖，而圖1C是圖1A中整合式拉曼光譜量測系統在水平模式時的立體示意圖。圖2是圖1A中的模組化雷射模組的示意圖。請參照圖1A至圖1C以及圖2，在本實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100用以量測物體50。整合式拉曼光譜量測系統100包括模組化雷射模組200、分光器110、物鏡120、以及訊號收集單元130。模組化雷射模組200包括雷射發射器210以及軸調整機構220。雷射發射器210用以發出雷射光束212。在本實施例中，雷射發射器210為雷射二極體或是二極體激發固態雷射（diode-pumped solid-state laser, DPSS laser）。然而，在其他的實施例中，雷射發射器210可以是其他合適種類的雷射。軸調整機構220連接至雷射發射器210，用以調整雷射發射器的座標軸與方位等參數中的至少二參數。在本實施例中，軸調整機構220用以沿著三個彼此垂直的座標軸移動雷射發射器210。然而，在其他實施例中，軸調整機構220可以繞著三個彼此垂直的旋轉軸旋轉雷射發射器210。上述提到的座標軸與方位等參數是指位置參數（包括例如XYZ等三個軸）以及繞任何旋轉軸的旋轉方位。所述調整雷射發射器的座標軸與方位等參數中的至少二參數是指雷射發射器210可以至少在兩個座標軸、一個座標軸及一個方位、兩個方位或是其任何組合上被調整。
雷射光束212由雷射發射器210發出，接著經由分光器110以及物鏡120傳至物體50（例如一待測樣本）。在本發明的一實施例中，物鏡120是位於雷射光束212的雷射光徑上的元件，且為可拆式地裝置在整合式拉曼光譜量測系統100上的元件。分光器110也配置在雷射光束212的雷射光徑上，且傳遞至少一部分的雷射光束212至物體50。在一實施例中，分光器110可以是一部分穿透部分反射鏡，或是偏振分光鏡（polarizing beam splitter）。
接著，物體50將至少一部分的雷射光束212轉換為訊號光214，例如是將至少一部分的雷射光束212散射成訊號光214。物鏡120傳遞訊號光214至分光器110，其中分光器110傳遞至少部分訊號光214至訊號收集單元130。在一實施例中，分光器110可以是部分穿透部分反射鏡，其允許部分訊號光214穿過並傳遞至訊號收集單元130。
在一實施例中，訊號收集單元130可以是準直器（collimator），其使訊號光214準直化，且傳遞訊號光214至一光譜儀。然而，在另一實施例中，訊號收集單元130可以是一光譜儀。
在一實施例中，多個反射鏡140配置在雷射光束212的雷射光徑和訊號光214的訊號光徑上，以改變雷射光徑與訊號光徑。
因為軸調整機構220可調整雷射發射器210的座標軸與方位等參數中的至少二參數，如此可以有效地簡化整合式拉曼光譜量測系統100中分光器110、物鏡120以及其他光學元件（例如反射鏡140）的調整。
除此之外，模組化雷射模組200可以配合量測的對象，容易地置換成另一不同雷射波長的模組化雷射模組。在一實施例中，模組化雷射模組200可以安裝上可發出不同雷射波長的雷射發射器210，其中雷射波長例如為405、473、488、532、633、785、808或1064奈米。
在一實施例中，模組化雷射模組200更包括散熱片 230和冷卻氣體管240，以提升穩定性和可靠度。散熱片230連接至雷射發射器210，且冷卻氣體管240用以供應流經散熱片230的冷卻氣體242。在一實施例中，氣體幫浦可連接至冷卻氣體管240的一端，以供應流進冷卻氣體管240的冷卻氣體，接著冷卻氣體從冷卻氣體管240的另一端排出，並流經散熱片230。
在一實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100更包括照明元件150、影像切換模組160及影像擷取裝置170。照明元件150用以提供照明光束152，而影像切換模組160包括第一分光器164與第二分光器166。在一實施例中，照明元件150可包括至少一個發光二極體（LED）。影像切換模組160可切入或切出雷射光徑。當影像切換模組160被切入雷射光徑時，第一分光器164(如圖1A的虛線所示)反射至少一部分的照明光束152，其經由物鏡120傳遞至物體50。接著，物體50將至少一部分的照明光束152轉換成影像光束154，其中影像光束154也會經由物鏡120傳遞至影像切換模組160，且第二分光器166(如圖1A的虛線所示)反射部分影像光束154至影像擷取裝置170。在一實施例中，第一分光器164或第二分光器166為部分穿透部分反射鏡，或者是偏振分光鏡。
在一實施例中，影像切換模組160更包括減光鏡片162，例如為全波減光鏡（neutral density filter）。當影像切換模組160被切入雷射光徑時，減光鏡片162(如圖1A的虛線所示)也會切入雷射光徑，以減少雷射光束212入射影像擷取裝置170的強度。
影像切換模組160可容易地被切入或切出雷射光徑，使得使用者容易切換至量測模式或觀察模式。具體而言，在量測模式時，減光鏡片162、第一分光器164以及第二分光器166是位於圖1A中的實線的位置上，因此訊號光214可被傳遞至訊號收集單元130，且物體50的拉曼訊號可以被測量。在觀察模式時，減光鏡片162、第一分光器164以及第二分光器166是位於圖1A中的虛線的位置上，因此影像光束154可以被傳遞至影像擷取裝置170，便於使用者觀察到物體50。在一實施例中，影像擷取裝置170例如是相機，或被取代為目鏡，讓使用者可以經由目鏡來觀察物體50。
在一實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100更包括減光鏡模組330，其配置於雷射發射器210和分光器110之間的雷射光徑上，如圖1A和圖3A所示。減光鏡模組330包括多個擁有不同穿透率的減光鏡片332a、332b、332c，其用以選擇性地切入雷射光徑。舉例來說，減光鏡片332a可以有1/2的穿透率，減光鏡片332b可以有1/10的穿透率，而減光鏡片332c可以有1/100的穿透率。再者，減光鏡模組330可以包括沒有鏡片之一孔332提供約略百分之百之穿透率。減光鏡片332a、332b、332c以及孔332可被切入雷射光徑，以調整雷射光束212的強度。在減光鏡模組330中的減光鏡片數量並沒有被限制為三個。
在一實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100更包括拉曼濾光片模組340，其配置於分光器110和訊號收集單元130之間的訊號光214的訊號光徑上，如圖1A和圖3B所示。拉曼濾光片模組340包括了多片具不同穿透光譜的濾光片342a、342b、342c以及342d。這些濾光片342a、342b、342c、342d可分別被選擇性地切入訊號光徑上，以濾除不同特定波長範圍的光，因此可對應具不同峰值波長的雷射發射器210。舉例來說，當雷射光束212的峰值波長是473奈米時，能夠濾掉波長為473奈米的光的濾光片342a可被選擇為切入訊號光徑，以濾掉訊號光214內波長為473奈米的部分。拉曼濾光片模組340中的濾光片的數量並沒有被限至為四個。
在一實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100包括外殼180、基座310（見圖1B）以及平台320（見圖1B）。外殼180容置模組化雷射模組200、分光器110以及訊號收集單元130。在一實施例中，外殼180可容置影像切換模組160、照明元件150、影像擷取裝置170以及反射鏡140。基座310可拆卸地連接至外殼180，平台320可移動地連接到基座310，並用以承載物體50。如圖1B所示，當基座310接上外殼180時，整合式拉曼光譜量測系統100即是在垂直模式下量測物體50。如圖1C所示，當基座310從外殼180分離時，整合式拉曼光譜量測系統100即是在水平模式下量測物體50。
在一實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100更包括控制單元350以及定位機構360。控制單元350電性連接至影像擷取裝置170，定位機構360電性連接至控制單元350。平台320連接至定位機構360。當使用者選擇電性連接至控制單元350的螢幕60上的一測量點P時，控制單元350使定位機構360移動平台320，以使測量點P顯示於螢幕60的中心區域或特定區域上。在本實施例中，使用者可以藉由滑鼠、觸控筆或是手指觸控等來選擇測量點P。再者，在螢幕60顯示的影像即為影像擷取裝置170偵測到的影像。
在一實施例中，具有光滑表面的校正板可先配置在平台320上。校正板可反射雷射光束212，所以在螢幕60上有清楚的光點。接下來，使用者可選擇此清楚的光點作為測量點P，並標記測量點P的位置。此後，以物體50取代校正板，而在物體50的影像上標記的位置即為物體50的測量點P。也就是說，被量測的拉曼訊號是來自於物體50的測量點P。使用者可手動或自動地移動平台320，以改變物體50上被視為是測量點P的位置。
在本實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100擁有小尺寸、彈性的波長切換以及現場分析（in-situ analysis）的特色，可以被運用在非常小的樣本上，其建構於表面增強拉曼散射技術（surface enhanced Raman scattering technique），且拉曼光譜可藉由石英、玻璃或塑膠基板來量測。
圖4是另一實施例的平台的俯視示意圖。請參照圖1A、圖1B、圖2以及圖4，在本實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100更包括配置在平台320上的觸發器370。當物體50放置在平台320上時，觸發器370啟動雷射發射器210，以發射雷射光束212。在本實施例中，物體50放置於載玻片70上，且載玻片70上形成有導線72。當載玻片70放置在平台320上並且導線72碰觸到觸發器370時，則產生一個閉合電路，以啟動雷射發射器310，並且光譜儀連接至訊號收集單元130或位於訊號收集單元130上。也就是說，當物體50被放置在平台320上時，量測就自動開始了。在另一實施例中，觸發器370可以是按鈕，而當載玻片70放置在平台320上時，載玻片70壓下按鈕，以啟動雷射發射器210及光譜儀。
圖5是另一實施例的平台的俯視示意圖。請參照圖5，在本實施例中，平台320’用以供應電壓或電流至物體50。具體而言，在本實施例中，載玻片70’可以是可導電的載玻片或是擁有導電圖案，而平台320’的電極322’提供載玻片70’電壓或電流，以供應電壓或電流至物體50。電壓或電流可活化物體50，例如生物樣本，以提高生物樣本的光譜訊號。再者，經由電極322’，整合式拉曼光譜量測系統100可讀取該生物樣本的資訊。
圖6是依照本發明另一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的示意圖。請參照圖6，在本實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100a和圖1B中的整合式拉曼光譜量測系統100類似，而兩者的主要差異如下所描述。在本實施例中，整合式拉曼光譜量測系統100a更包括條碼掃描器380，用以偵測物體50的條碼74。條碼掃描器380可電性連接至控制單元350，且控制單元350可經由條碼74辨別物體50。量測結果可以與在條碼中的樣本資訊整合，接著送至資料庫。條碼74可以是一維的條碼或是二維的條碼，例如快速回應碼（QR code）。在另一實施例中，條碼74可被物鏡120以及影像擷取裝置170所偵測，而整合式拉曼光譜量測系統100沒有上述條碼掃描器380。
圖7是依照本發明另一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的立體示意圖。請參照圖1A、圖1B以及圖7，在本實施例中，基座310是用來作為整合式拉曼光譜量測系統100的容器390，以容置平台320和外殼180。舉例來說，基座310可被轉換為容器390，且容器390可做為抗腐蝕的保護盒。在另一實施例中，基座310、平台320以及外殼180可被放置在作為抗腐蝕保護盒的容器390之內。因此，整合式拉曼光譜量測系統100可以是可攜帶的。
綜上所述，在本發明的實施例的整合式拉曼光譜量測系統中，使用了模組化雷射模組，並且和軸調整機構整合在一起，以只調整雷射發射器的座標軸和方位等少數參數，進而容易地達成整合式拉曼光譜量測系統中光路的設定和調整。在本發明的實施例的整合式拉曼光譜量測系統中，由於影像切換模組可切入或切出雷射光徑，因此使用者能容易地切換整合式拉曼光譜量測系統至量測模式或觀察模式。所以，整合式拉曼光譜量測系統容易被操作。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50‧‧‧物體
60‧‧‧螢幕
70、70’‧‧‧載玻片
72‧‧‧導線
74‧‧‧條碼
100、100a‧‧‧整合式拉曼光譜量測系統
110‧‧‧分光器
120‧‧‧物鏡
130‧‧‧訊號收集單元
140‧‧‧反射鏡
150‧‧‧照明元件
152‧‧‧照明光束
154‧‧‧影像光束
160‧‧‧影像切換模組
162、332a、332b、332c‧‧‧減光鏡片
164‧‧‧第一分光器
166‧‧‧第二分光器
170‧‧‧影像擷取裝置
180‧‧‧外殼
200‧‧‧模組化雷射模組
210‧‧‧雷射發射器
212‧‧‧雷射光束
214‧‧‧訊號光
220‧‧‧軸調整機構
230‧‧‧散熱片
240‧‧‧冷卻氣體管
242‧‧‧冷卻氣體
310‧‧‧基座
320‧‧‧平台
322’‧‧‧電極
330‧‧‧減光鏡模組
332‧‧‧孔
340‧‧‧拉曼濾光片模組
342a、342b、342c、342d‧‧‧濾光片
350‧‧‧控制單元
360‧‧‧定位機構
370‧‧‧觸發器
380‧‧‧條碼掃描器
390‧‧‧容器
圖1A是依照本發明一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的光路示意圖。 圖1B是圖1A中的整合式拉曼光譜量測系統在垂直模式時的立體示意圖。 圖1C是圖1A中整合式拉曼光譜量測系統在水平模式時的立體示意圖。 圖2是圖1A中的模組化雷射模組的示意圖。 圖3A是圖1A中的減光鏡模組的示意圖。 圖3B是圖1A中的拉曼濾光片模組的示意圖。 圖4是另一實施例的平台的俯視示意圖。 圖5是另一實施例的平台的俯視示意圖。 圖6是依照本發明另一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的示意圖。 圖7是依照本發明另一實施例的整合式拉曼光譜量測系統的立體示意圖。
50‧‧‧物體
100‧‧‧整合式拉曼光譜量測系統
110‧‧‧分光器
120‧‧‧物鏡
130‧‧‧訊號收集單元
140‧‧‧反射鏡
150‧‧‧照明元件
152‧‧‧照明光束
154‧‧‧影像光束
160‧‧‧影像切換模組
162‧‧‧減光鏡片
164‧‧‧第一分光器
166‧‧‧第二分光器
170‧‧‧影像擷取裝置
180‧‧‧外殼
200‧‧‧模組化雷射模組
212‧‧‧雷射光束
214‧‧‧訊號光
330‧‧‧減光鏡模組
340‧‧‧拉曼濾光片模組

Claims (9)

  1. 一種整合式拉曼光譜量測系統，包括：     複數個反射鏡，配置於一雷射光徑上；     一分光器，配置於該雷射光徑上，用以將入射至該雷射光徑之一雷射光束中之至少部份傳遞至一待測的物體，並將該物體反射出之一訊號光傳遞至一訊號收集單元；     一軸調整機構，用以設定和調整該雷射光束入射至該雷射光徑時的座標軸與方位等參數中的至少二參數；以及     一外殼，用以容置該分光器與該些反射鏡，該外殼可拆卸地連接至一基座。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括： 一物鏡，連接至該外殼，用以傳遞至少部份之該雷射光束至該物體，以及傳遞該物體反射之該訊號光至該分光器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括：     一照明元件，用以發出一照明光束至該物體；     一影像切換模組，可切入或切出該雷射光徑；以及     一影像擷取裝置，用以當該影像切換模組被切入該雷射光徑時，接收由該物體反射之一影像光束。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的整合式拉曼光譜量測系統，其中該影像切換模組包括：一減光鏡片，當該影像切換模組被切入該雷射光徑時，該減光鏡片亦切入該雷射光徑，以減少該雷射光束入射該影像擷取裝置的強度。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括：      一控制單元，電性連接至該影像擷取裝置；      一定位機構，電性連接至該控制單元；以及      一平台，承載該物體且連接至該定位機構，其中當一使用者選擇電性連接至該控制單元的一螢幕上的一測量點時，該控制單元使該定位機構移動該平台，以使該測量點顯示於該螢幕的一中心區域或一特定區域上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括一減光鏡模組，配置在位於該雷射光徑上，其中該減光鏡模組包括擁有不同穿透率的多個減光鏡片，用以被選擇性地切入該雷射光徑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括一平台，用以放置該物體，並提供一電壓或電流至該物體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，其中該基座為一容器，用以容置該外殼。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的整合式拉曼光譜量測系統，更包括：     一觸發器，配置在一平台上，其中當該物體放置在該平台上時，該觸發器啟動該整合式拉曼光譜量測系統對該物體之量測。
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