一種基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無損檢測領域,尤其在于提供一種能夠提取包裝物內部物質成分信息 的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,主要用于多層物質檢測,如包裝液體或者粉末的無 損檢測(瓶裝溶液,生物體液,藥品膠囊);以及多層生物組織(如骨骼,血液、乳房組織) 等。
【背景技術】
[0002] 目前基于空間位移拉曼(S0RS)無損檢測技術主要利用色散型拉曼光譜原理,此 類型拉曼光譜儀具有較強的熒光背景,以至于拉曼光譜完全淹沒在巨大的熒光背景中,而 且激光照射樣品產生的熱效應容易導致有機化合物樣品發生熱分解作用而不能拉曼光譜 測試,同時,還存在分辨率低、波數精度差等缺點。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題在于提供一種提高光譜強度,從而提高檢測靈敏度和 分辨率的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法。
[0004] 本發明是這樣實現的,一種基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,包括如下的步 驟:
[0005] 1)采用矩形對稱結構的光纖探頭作為傅里葉變換型拉曼光譜儀的探頭,入射光纖 與接收光纖平行設置,其中入射光纖或者接收光纖位置固定,接收光纖位置相對入射光纖 或者入射光纖相對接收光纖移動;
[0006] 2)利用1064nm激光提供拉曼散射的入射光,并照射到待測物質的外包層表面;
[0007] 3)從外包層表面收集不同位置的散射光,并與入射光形成干涉信號;
[0008] 4)干涉信號經傅立葉變換獲得拉曼光譜,通過不同位置探測的拉曼光譜做相關性 處理,利用主成分分析、模式識別算法將表層物質拉曼光譜去除,確定包裝層內部所要測量 物質的拉曼特征峰。
[0009] 進一步地,光纖探頭為三層結構,外面兩行為接收光纖或者入射光纖,中間為入射 光纖或者接收光纖。
[0010] 進一步地,其中接收光纖或者入射光纖中至少有一個進行移動,從而實現在距離 入射點不同距離處獲得拉曼光譜信息。
[0011] 進一步地,接收光纖位置相對入射光纖垂向運動。
[0012] 進一步地,至少收集10組不同位置處的拉曼光譜。
[0013] 本發明與現有技術相比,有益效果在于:本發明利用S0RS理論與傅里葉變換拉曼 光譜相結合技術,實現無損混合溶液的定性、定量測量,提高了檢測的精度和靈敏度。采用 陣列式光纖探頭結構,能夠提高光譜強度,從而提高檢測靈敏度和分辨率。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例提供的光纖探頭結構示意圖;
[0015]圖2為本發明實施例提供的兩層物質的拉曼光譜信號變化示意圖;
[0016] 圖3為本發明實施例提供的S0RS比例與偏移位移的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合實施例,對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于 限定本發明。
[0018] 本發明通過sors理論與傅里葉拉曼相結合,利用散射、干涉原理確定被包圍內部 物質成分的一種方法。所述方法主要包括:
[0019] 利用1064nm激光提供拉曼散射的入射光,并照射到待測物質的外包層表面。本發 明中首次選用l〇64nm光源,從而降低熒光背景噪聲的干擾;
[0020] 從外包層表面收集散射光,收集位置與照射位置不是同一點,并與入射光形成干 涉;采用矩形對稱結構的光纖探頭作為傅里葉變換型拉曼光譜儀的探頭,入射光纖與接收 光纖平行設置,其中入射光纖位置固定,接收光纖位置相對入射光纖移動;選用矩形光纖陣 列:光纖按照圖1所示均勻分布,其中外面兩行為接收光纖2 (或者入射光纖),中間為入射 光纖1 (或者接收光纖)。外圍光纖可以通過微移動器進行移動,從而改變外面兩行光纖與 中間光纖的距離,實現不同距離光譜的獲得。圖1所示結構與其他圓柱型結構不同,原來結 構采用單點測量或者采用環形結構進行測量,采集得到的信號較弱,從而影響系統的信噪 比。而且此結構不會更改采集或者照射面積,從而對整個系統的穩定性起到了至關重要的 作用,通過多點采集可以采集到多個點的拉曼散射光,能夠增強內部物質的拉曼光譜強度, 從而提高測量的靈敏度和精度。
[0021] 其中入射光纖或者接收光纖中至少有一個進行移動,從而實現在距離入射點不同 距離處獲得拉曼光譜信息。為了獲得較好的內部物質拉曼光譜,入射光纖沿著以采集光纖 的垂向運動,通過不同位置探測的拉曼光譜做相關性處理,實現拉曼光譜的測量。
[0022] 空間偏移拉曼光譜的理論為:當一定數量的光子照射到多層樣品上時,利用路徑 積分與蒙特卡羅統計相結合模擬光子在物質內部的傳輸時,可得拉曼散射傳輸方程:
[0023]
[0024] 其中r為位置矢量,s為傳輸方向矢量,L(r,s)為輻射率,PU3)為彈性散射的狀 態方程。空間偏移拉曼光譜模型主要在多層熒光模型的基礎上進行修改。在每一層光子散 射路徑中,新的散射角度由與介質的各向異性因子有關的Henyey-Greenstein(HG)相函數 決定。對于熒光來說,所有的光子會以與光源相同的半徑和數值孔徑入射到介質中,初始權 值設為1 ;指定的光子散射穿過介質到達其他介質或者其權重值小于預設的值而被吸收。 光子在某一層的散射長度主要是由樣品全衰減系數yst(r)的分布決定的,而全衰減系數 為介質的散射系數μs(r)和吸收系數μa(r)的和。
[0025] 為了獲得較好的內部物質拉曼光譜,在實驗中至少收集10組不同位置處的拉曼 光譜。雙層物質拉曼光譜強度隨偏移位置的變化曲線,如圖2所示。由圖2的結果可知,當 入射點和探測點未發生偏移時,表層物質的拉曼光譜粒子數約為底層物質拉曼光譜粒子數 的40倍,因此底層物質拉曼光譜信號完全淹沒在表層物質的拉曼光譜信號中。當入射點和 探測點發生偏移時,兩層物質的拉曼光譜信號均發生變化,但是表層物質拉曼光譜粒子數 隨著偏移位置的增加而迅速衰減,底層物質的拉曼光譜粒子數衰減比較緩慢,當偏移位置 為2mm時,兩層物質拉曼光譜的粒子數基本一致,此時底層物質的拉曼光譜信號夠在光譜 圖中顯示出來。
[0026] 利用干涉獲得拉曼光譜,利用主成分分析、模式識別等算法將表層物質拉曼光譜 去除,確定包裝層內部所要測量物質的拉曼特征峰。具體計算過程如下:
[0027] ①為了區分表層和內部物質的拉曼光譜的特征峰,首先測量與照射位置相同的點 的信號(代表表層物質拉曼信號),再次測量探頭最大偏移位置的拉曼光譜信號(代表內部 物質拉曼信號);從而獲得兩物質的拉曼光譜特征峰;
[0028] ②利用鎖峰熵最小方法(BTEM)在每次自動構建的值空間中找到最優點,和最優 點對應的譜圖就是純譜圖,從而實現混合光譜數據中提取每個純譜的譜圖和濃度。此方法 的好處是無需任何純譜作為參照,也不需要提供信息,就能夠實現混合光譜中計算提取純 光譜。
[0029] ③為了更好的描述各物質對不同位置拉曼光譜的貢獻率,定義相對拉曼光譜強 度。具體定義為:
(2)
[0031] Ibcittoni為內部物質拉曼信號強度,Itop為表層物質拉曼信號強度,1為偏移距離,0意 味著信號采集點與光源入射點為同一點。通過實驗可知,S0RS比例與偏移距離有光。具體 關系如圖3所不。
[0032] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,其特征在于,包括如下的步驟: 1) 采用矩形對稱結構的光纖探頭作為傅里葉變換型拉曼光譜儀的探頭,入射光纖與接 收光纖平行設置,其中入射光纖或者接收光纖位置固定,接收光纖位置相對入射光纖或者 入射光纖相對接收光纖移動; 2) 利用1064nm激光提供拉曼散射的入射光,并照射到待測物質的外包層表面; 3) 從外包層表面收集不同位置的散射光,并與入射光形成干涉信號; 4) 干涉信號經傅立葉變換獲得拉曼光譜,通過不同位置探測的拉曼光譜做相關性處 理,利用主成分分析、模式識別算法將表層物質拉曼光譜去除,確定包裝層內部所要測量物 質的拉曼特征峰。2. 按照權利要求1所述的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,其特征在于,光纖探頭 為三層結構,外面兩行為接收光纖或者入射光纖,中間為入射光纖或者接收光纖。3. 按照權利要求1或2所述的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,其特征在于,其中接 收光纖或者入射光纖中至少有一個進行移動,從而實現在距離入射點不同距離處獲得拉曼 光譜信息。4. 按照權利要求1所述的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,其特征在于,接收光纖 位置相對入射光纖垂向運動。5. 按照權利要求1所述的基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,其特征在于,至少收集 10組不同位置處的拉曼光譜。
【專利摘要】本發明屬于無損檢測領域,尤其涉及一種基于傅里葉變換拉曼光譜分析方法,包括如下的步驟:采用矩形對稱結構的光纖探頭作為傅里葉變換型拉曼光譜儀的探頭,入射光纖與接收光纖平行設置,其中入射光纖或者接收光纖位置固定,接收光纖位置相對入射光纖或者入射光纖相對接收光纖移動;利用1064nm激光提供拉曼散射的入射光,并照射到待測物質的外包層表面;從外包層表面收集不同位置的散射光,并與入射光形成干涉信號;干涉信號獲得拉曼光譜,表層物質拉曼光譜去除,確定包裝層內部所要測量物質的拉曼特征峰。本發明利用SORS理論與傅里葉變換拉曼光譜相結合技術,實現無損混合溶液的定性、定量測量,提高了檢測的精度和靈敏度。
【IPC分類】G01N21/65
【公開號】CN105334204
【申請號】CN201510673780
【發明人】王巧云, 李志剛, 馬振鶴
【申請人】東北大學
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年10月16日