一種基于拉曼光譜的物質檢測方法
【專利摘要】為了增強拉曼光譜物質分析時的光譜穩定性，本發明提供了一種基于拉曼光譜的物質檢測方法，具體方案包括以下步驟：(1)通過光源產生激光束；(2)激光束照射在待測樣品上，激發出該待測樣品的拉曼散射光；(3)收集拉曼散射光，使之通過入射狹縫，經準直透鏡準直后照射到色散光柵上；(4)色散光柵將復色光分解為不同波長的單色光，會聚至檢測裝置上；(5)檢測裝置將接收到的光信號轉為電信號；(6)處理該電信號得到不同波長光的光譜信息，通過預處理，從而得到待測樣品的拉曼光譜。本檢測方法準確、可靠，具有高重現性和超高的分析靈敏度，適用于超痕量樣品的檢測，還能夠準確的獲得檢測結果。
【專利說明】一種基于拉曼光譜的物質檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種物質成份分析方法，更具體地，涉及一種基于拉曼光譜的物質檢測方法。
【背景技術】
[0002]拉曼光譜分析在無損物性分析及鑒別上展現了強大的能力。然而由于缺少低成本、堅固可靠和穩定的、可提供高譜線亮度的半導體激光器，使得拉曼光譜儀的應用受到一定的阻礙。這里譜線亮度定義為:激光功率除以其譜線寬度。一個寬條或者寬面積半導體激光器(例如，典型條寬在20 = 500微米)可提供> I瓦的高輸出功率。然而由于法布里-珀羅(F-P)激光諧振腔內存在大量的激發模式，其譜線寬度在幾個納米量級或者更寬。這種寬線寬限制了寬條激光器僅能應用于低分辨率的拉曼光譜應用，如同Clarke等人在美國專利5，139，334和5，982，484中所述。另一方面，單模激光器(條寬在幾個微米左右)的輸出功率一般限制在一、二百個毫瓦以內。這種功率水平對有些拉曼散射不強的物質的拉曼光譜分析來講是不夠的。Cooper等人的美國專利5，856，869中可以找到單模分布反饋式激光器應用于拉曼光譜分析的例子。
[0003]近來，已經出現了外腔諧振激光結構(ECL)可用于將寬條激光的線寬變窄，如Smith等人的美國專利US6, 100，975和Tedesco等人的美國專利US6, 563，854里所述。在這些參考文獻里，半導體激光器的激發波長通過采用Littrow或者Littman結構的色散光柵鎖住。然而，這些外腔諧振激光結構對光學元件的對準精度(比如透鏡和光柵方向)，溫度波動以及振動敏感，導致機械和溫度穩定性不佳。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術中的上述不足，本發明提供了一種基于拉曼光譜的物質檢測方法，具體方案包括以下步驟:
[0005](I)通過光源產生激光束；
[0006](2)激光束照射在待測樣品上，激發出該待測樣品的拉曼散射光；
[0007](3)收集拉曼散射光，使之通過入射狹縫，經準直透鏡準直后照射到色散光柵上；
[0008](4)色散光柵將復色光分解為不同波長的單色光，會聚至檢測裝置上；
[0009](5)檢測裝置將接收到的光信號轉為電信號；
[0010](6)處理該電信號得到不同波長光的光譜信息，通過預處理，從而得到待測樣品的拉曼光譜。
[0011]進一步地，所述光源為激光器，該激光器包括一個利用非色散布拉格體光柵作為波長選擇元件的自準直外腔。
[0012]進一步地，所述激光束具有高功率、窄線寬。
[0013]進一步地，所述檢測裝置為陣列式的多通道檢測器。
[0014]進一步地，所述步驟(2)中，激光束被分成多束照射到待測樣品的多個點，以在該待測樣品的多個點上激發出該待測樣品的拉曼散射光。
[0015]進一步地，所述步驟(6)還包括:獲取多點待測樣品的電信號，去除背景噪聲，去除最大值和最小值，并求取平均值。
[0016]進一步地，所述多點是通過在同一平面內移動拉曼光譜的基底實現的，該基底包括基礎層和表面增強層，所述基礎層為磨砂玻璃、砂紙、濾紙或鏡頭紙，所述表面增強層附著在磨砂玻璃的磨砂表面、砂紙的工作表面或濾紙的表面。
[0017]進一步地,所述預處理為依次進行Rolling Circle Filter算法處理、基線校正處理或卷積平滑處理。
[0018]進一步地,所述的預處理為依次進行的Rolling Circle Filter算法處理、基線校正處理、卷積平滑處理和最大譜峰比值標準化法處理。
[0019]進一步地，所述步驟(6)還包括:獲取多點待測樣品的電信號分別對應的拉曼光譜，將這些拉曼光譜按照波數范圍從小到大進行排列，然后進行正態化檢驗，使其符合正態性檢驗；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜權重值在同一區間內；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜的權重值形成的樣本矩陣的相關陣，并獲得相關陣的特征值和特征向量；根據所得到的特征值計算對應的主成份的方差，根據方差最大者作為待測樣品的拉曼光譜特征區域。
[0020]本發明的有益效果如下:本檢測方法準確、可靠，具有高重現性和超高的分析靈敏度，適用于超痕量樣品的檢測，還能夠準確的獲得檢測結果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1示出了本發明的檢測方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，基于數字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀檢測方法，包括以下步驟:
[0023](I)通過光源產生激光束；
[0024](2)激光束照射在待測樣品上，激發出該待測樣品的拉曼散射光；
[0025](3)收集拉曼散射光，使之通過入射狹縫，經準直透鏡準直后照射到色散光柵上；
[0026](4)色散光柵將復色光分解為不同波長的單色光，會聚至檢測裝置上；
[0027](5)檢測裝置將接收到的光信號轉為電信號；
[0028](6)處理該電信號得到不同波長光的光譜信息，通過預處理，從而得到待測樣品的拉曼光譜。
[0029]所述光源為激光器，該激光器包括一個利用非色散布拉格體光柵作為波長選擇兀件的自準直外腔。布拉格體光柵將半導體激光器的譜線寬度變窄以提供高譜線亮度和較好的光譜穩定性。
[0030]本發明的方法相應的拉曼光譜分析儀器包含一個寬條半導體激光器作為激發光源。半導體激光器的輸出光譜被由準直透鏡，布拉格體光柵，和反射鏡形成的自準直外腔壓窄并穩定。反射鏡置于半導體激光器的出射面上，后者位于準直透鏡的焦平面上以使半導體激光器的輸出光束被準直透鏡準直。準直后的激光束一部分被布拉格體光柵衍射，其中光柵方向傾斜使得衍射光傳播方向不平行于準直激光光束。沒有衍射的激光束作為外腔激光器的主要輸出。衍射光束被準直透鏡聚焦到反射鏡上并被反射回來反向傳播。部分反射回來的光再次被布拉格體光柵衍射，并沿著與輸出激光束相反的光路反饋到半導體激光器的增益介質中。未衍射的激光束作為外腔激光器的次級光輸出。被兩次衍射的激光束的譜線寬度由布拉格體光柵的帶寬決定，而其波長取決于光柵的周期和傾斜角。這樣外腔激光器的激發波長被鎖定到布拉格體光柵的布拉格波長上，激光器的譜線寬度相比法布里-珀羅(F-P)類型的寬條半導體激光器而言減小了超過一個數量極。布拉格體光柵可以采用斜紋光柵(光柵矢量不垂直于光柵表面)以控制其衍射方向。
[0031]相比采用色散光柵的Littrow或者Littman外腔諧振激光器而言,基于布拉格體光柵的外腔諧振激光器有幾項優勢。首先，布拉格體光柵是非色散性的。這樣入射到布拉格體光柵上的準直激光光束的尺寸可以很小而不會影響光柵的衍射效率。因此外腔諧振激光器的外腔長度可以縮短從而增強激光器的穩定性。其次，當前的外腔結構是自準直方式，經過兩次衍射的激光束始終反向入射到半導體激光器內，而與布拉格體光柵的方向無關。這使得激光器不易受光學元件的對準精度(比如透鏡和光柵的方向)、溫度波動及振動等因素影響。第三，外腔諧振激光器的輸出波長可以通過改變布拉格體光柵的傾斜角來調諧。這個特性可以利用來抑制拉曼光譜中的熒光，詳見后面說明。布拉格體光柵同時還幫助減小激光束的發散角，進而提高光束的空間亮度。這里的空間亮度定義為:激光強度除以其發散角。有關自準直非色散外腔諧振激光器的詳細討論參見Christophe Moser,Lawrence Ho,和Frank Havermeyer 的文章Self-aligned non-dispersive external cavity tunablelaser”，Optics Express，2008 年 10 月 13 日，16 卷，21 期，16691 頁，這里引作參考。
[0032]所述檢測裝置為陣列式的多通道檢測器。這種檢測裝置集成性高，相應地能夠帶來高可靠性。
[0033]根據本發明的優選實施例，檢測過程中，具體包括如下步驟:
[0034]a.待測樣品基底上均勻涂敷待檢測樣品；涂覆方式可呈點狀多點分布或呈面狀分布；
[0035]b.利用光源經照明系統照射待測樣品基底上其中一點待檢測樣品并獲取其拉曼光譜；利用表面增強拉曼光譜獲取樣品的含量，屬于現有技術，在此不再贅述；
[0036]c.在待測樣品基底上具有樣品的范圍內對的樣品進行多點檢測并重復步驟b ;
[0037]d.利用獲取的多點待測樣品的光譜信息，去背景后求平均值，根據該平均值將測得的多點待測樣品的光譜信息去除最小值和最大值，將去除最小值和最大值的多點待測樣品的光譜信息再求平均值，獲取被測樣品的拉曼光譜信息，對照已有拉曼光譜數據庫，定性或/和定量的得出被測樣品的信息；平均值根據所得數據進行計算獲得。
[0038]上述步驟a中，所述待檢測樣品在待測樣品基底上呈面狀分布于待測樣品基底表面；該結構溶液分布形式利于隨機選擇監測點，操作相對方便。
[0039]上述步驟c中，在待測樣品基底上具有樣品的范圍內對的樣品進行多點檢測通過在同一平面內移動待測樣品基底實現；操作方便簡單，避免重新對焦，提高工作效率。
[0040]本實施例中，所述待測樣品基底包括基礎層和表面增強層，所述基礎層為磨砂玻璃、砂紙或濾紙，所述表面增強附著在磨砂玻璃的磨砂表面、砂紙的工作表面、濾紙的表面或鏡頭紙等；本實施例采用磨砂玻璃基底層。
[0041]為了獲得較高的信噪比，所述預處理為依次進行Rolling Circle Filter算法處理、基線校正處理或卷積平滑處理。在另一個實施例中，所述的預處理為依次進行的Rolling Circle Filter算法處理、基線校正處理、卷積平滑處理和最大譜峰比值標準化法處理。
[0042]所述步驟(6)還包括:獲取多點待測樣品的電信號分別對應的拉曼光譜，將這些拉曼光譜按照波數范圍從小到大進行排列，然后進行正態化檢驗，使其符合正態性檢驗；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜權重值在同一區間內；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜的權重值形成的樣本矩陣的相關陣，并獲得相關陣的特征值和特征向量；根據所得到的特征值計算對應的主成份的方差，根據方差最大者作為待測樣品的拉曼光譜特征區域。
[0043]在前面詳細說明中本發明的特定的實施方案已經做出了描述。然而，顯而易見的是在不超出本發明后面列出的權利要求范圍上仍可做出各種的修改和變化。具體的實施例中所列舉的數值均為示意性而不具限定意義。相應地，說明書和附圖應解釋為僅僅是示意性的而并非限定性的，所有變化均包括在本發明意圖保護的范圍內。文中所提到的一切好處、優點、問題解決方案或者任何可能帶來或增強好處、優點、問題解決方案的元件均不能解釋為任何權利要求的關鍵的或必須的或本質的技術特征或元件。本發明的權利僅由所附權利要求書所定義，包括在申請過程中所做的任何修改，以及授權權利要求書中的所有等同權利要求。
【權利要求】
1.一種基于數字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)通過光源產生激光束； (2)激光束照射在待測樣品上，激發出該待測樣品的拉曼散射光； (3)收集拉曼散射光，使之通過入射狹縫，經準直透鏡準直后照射到色散光柵上； (4)色散光柵將復色光分解為不同波長的單色光，會聚至檢測裝置上； (5)檢測裝置將接收到的光信號轉為電信號； (6)處理該電信號得到不同波長光的光譜信息，通過預處理從而得到待測樣品的拉曼光譜。
2.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述光源為激光器，該激光器包括一個利用非色散布拉格體光柵作為波長選擇元件的自準直外腔。
3.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述激光束具有高功率、窄線寬。
4.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述檢測裝置為陣列式的多通道檢測器。
5.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述步驟(2)中，激光束被分成多束照射到待測樣品的多個點，以在該待測樣品的多個點上激發出該待測樣品的拉曼散射光。
6.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述步驟(6)還包括:獲取多點待測樣品的電信號，去除背景噪聲，去除最大值和最小值，并求取平均值。
7.根據權利要求6的檢測方法，其特征在于，所述多點是通過在同一平面內移動拉曼光譜的基底實現的，該基底包括基礎層和表面增強層，所述基礎層為磨砂玻璃、砂紙、濾紙或鏡頭紙，所述表面增強層附著在磨砂玻璃的磨砂表面、砂紙的工作表面或濾紙的表面。
8.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述預處理為依次進行RollingCircleFilter算法處理、基線校正處理或卷積平滑處理。
9.根據權利要求1的檢測方法，其特征在于，所述的預處理為依次進行的RollingCircle Filter算法處理、基線校正處理、卷積平滑處理和最大譜峰比值標準化法處理。
10.根據權利要求5的檢測方法，其特征在于，所述步驟(6)還包括:獲取多點待測樣品的電信號分別對應的拉曼光譜，將這些拉曼光譜按照波數范圍從小到大進行排列，然后進行正態化檢驗，使其符合正態性檢驗；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜權重值在同一區間內；采用權重計算方法計算得到的所有拉曼光譜的權重值形成的樣本矩陣的相關陣，并獲得相關陣的特征值和特征向量；根據所得到的特征值計算對應的主成份的方差，根據方差最大者作為待測樣品的拉曼光譜特征區域。
【文檔編號】G01N21/65GK104406955SQ201410742210
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】許馳 申請人:成都鼎智匯科技有限公司