一种基于扩散方式的拉曼检测系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种基于扩散方式的拉曼检测系统和方法，所述系统包括：多个激光点光源、二维平移样品台、镜头、拉曼光谱仪、CCD和处理器；其中：所述多个激光点光源用于同时发射点状激光，并令所述点状激光照射到置于所述二维平移样品台的样品的不同位置上；所述二维平移样品台用于检测时使所述样品在二维方向运动；所述镜头用于收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光；所述拉曼光谱仪用于接收所述扩散信号光，得到光信号；所述CCD用于将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像；所述处理器用于根据所述样品的拉曼扩散图像对所述样品进行分析。本发明提高了检测的效率和准确性，具有较高的应用价值。
【专利说明】一种基于扩散方式的拉曼检测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检测【技术领域】，尤其涉及一种基于扩散方式的拉曼检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着科技发展和化学品的滥用，食品安全正在成为世界各国日益关注的问题。近些年来，我国相继出现了多例食品安全引发的违法事件。一些不法分子为了牟取暴利，将一些违禁品或是假冒伪劣品添加到农畜产品和食品中，这些非法添加物的使用对消费者的身体造成了严重的伤害。因此，为了预警和分析非法添加物的危害和防止此类食品安全事件的发生，准确检测及分析食品中非法添加物显得尤为重要。
[0003]在现有技术的标准检测方法中，样品前处理通常需要很长的时间，无法达到快速检测的目的。如何能够利用无损方式进行样品快速检测，从而对其中物质含量进行测量和定性鉴别，成为一个重要课题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于扩散方式的拉曼检测系统和方法，以实现对样品的无损快速检测。
[0005]本发明首先一种基于扩散方式的拉曼检测系统，包括:多个激光点光源、二维平移样品台、镜头、拉曼光谱仪、CCD和处理器；其中:
[0006]所述多个激光点光源用于同时发射点状激光，并令所述点状激光照射到置于所述二维平移样品台的样品的不同位置上；
[0007]所述二维平移样品台用于检测时使所述样品在二维方向运动；
[0008]所述镜头用于收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光；
[0009]所述拉曼光谱仪用于接收所述扩散信号光，得到光信号；
[0010]所述CCD用于将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像；
[0011]所述处理器用于根据所述样品的拉曼扩散图像对所述样品进行分析。
[0012]进一步地，所述激光点光源的个数为3个。
[0013]进一步地，
[0014]所述多个激光点光源均为785nm激光点光源。
[0015]进一步地，所述系统还包括:
[0016]785nm截止滤光片，位于所述二维平移样品台和所述镜头之间，用于对经所述样品出射的扩散信号光进行截止滤光，保留波长为785nm以上的扩散信号光。
[0017]进一步地，
[0018]所述激光点光源经光纤和转接头使所述点状激光照射到样品上。
[0019]进一步地，
[0020]所述激光点光源照射到样品上的光斑直径为1mm。
[0021]进一步地，
[0022]所述拉曼光谱仪还包括狭缝，所述拉曼光谱仪用于通过所述狭缝收集所述扩散信号光;
[0023]所述多个激光点光源平行于所述狭缝方向，成一条直线排列，且保证所述激光点光源照射到样品上出射的扩散信号光可经所述狭缝被所述拉曼光谱仪所收集。
[0024]进一步地，所述多个激光点光源之间的间隔为相同或不同。
[0025]另一方面，本发明还提供一种基于扩散方式的拉曼检测方法，利用如上任一项所述的基于扩散方式的拉曼检测系统进行检测，包括:
[0026]步骤S1:令多个点状激光照射到置于二维平移样品台的样品的不同位置上；
[0027]步骤S2:收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光；
[0028]步骤S3:接收所述扩散信号光，得到光信号；
[0029]步骤S4:将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像；
[0030]步骤S5:将所述样品通过所述二维平移样品台在二维方向平移，并不断重复上述步骤S1-S4，得到多组拉曼扩散图像；
[0031]步骤S6:根据所述拉曼扩散图像对所述样品进行分析。
[0032]进一步地,所述步骤S6还包括:
[0033]对每组拉曼扩散图像进行平均，得到平均扩散图像Yi:
[0034]Yi = (Yn+Yi2+......+Yim) /m (i = I, 2，......, η),
[0035]其中η为拉曼扩散图像组的个数;m为激光点光源的个数；
[0036]对所述平均扩散图像Yi进行数学拟合分析，获取所述平均扩散图像Yi所对应样品位置的物质含量分布；
[0037]和/或，对所有平均扩散图像Yi进行平均，获取所述样品的平均扩散图像Y，根据所述样品的平均扩散图像Y对所述样品进行物质含量的定性和/或定量鉴别。
[0038]可见，在本发明提供的基于扩散方式的拉曼检测系统和方法中，能够利用拉曼扩散检测的方式对物质含量和分布进行快速无损检测，提高了检测的效率和准确性，具有较高的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]图1是本发明的一个实施例中基于扩散方式的拉曼检测系统的结构示意图；
[0041]图2是本发明的一个实施例中基于扩散方式的拉曼检测系统的一个优选结构示意图；
[0042]图3是本发明的一个实施例中基于扩散方式的拉曼检测系统的一个优选结构示意图；
[0043]图4是本发明的一个实施例中基于扩散方式的拉曼检测方法的流程示意图；
[0044]图5是本发明的一个实施例中基于扩散方式的拉曼检测方法的具体应用场景示意图；
[0045]图6为洛伦兹分布函数示意图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]图1示出了一种基于扩散方式的拉曼检测系统的结构示意图，如图1所示，本实施例具体包括:
[0048]多个激光点光源1、二维平移样品台2、镜头3、拉曼光谱仪4、(XD5和处理器6 ;其中:
[0049]所述多个激光点光源I用于同时发射点状激光，并令所述点状激光照射到置于所述二维平移样品台2的样品7的不同位置上；
[0050]所述二维平移样品台2用于检测时使所述样品7在二维方向运动；
[0051]所述镜3头用于收集所有点状激光经所述样品7出射的扩散信号光；
[0052]所述拉曼光谱仪4用于接收所述扩散信号光，得到光信号；
[0053]所述CCD5用于将所述光信号转换为电信号，得到所述样品7的拉曼扩散图像；
[0054]所述处理器6用于根据所述样品的拉曼扩散图像对所述样品7进行分析。
[0055]可选地，激光点光源I的个数可以为3个，以便在尽量节约功耗和测量系统体积的技术上最大可能地获取完善的测量数据。
[0056]可选地,激光点光源I可以均为785nm激光点光源。
[0057]相应地，系统中还可以包括:785nm截止滤光片8，如图2所示，位于二维平移样品台2和镜头3之间，用于对经样品7出射的扩散信号光进行截止滤光，仅保留波长为785nm以上的扩散信号光，从而使得测量信号更加精确。
[0058]可选地，激光点光源I可以均经过光纤和转接头9(见图2)使得点状激光照射到样品7上。
[0059]激光点光源I照射到样品7上的光斑的范围需要适度，以避免激光大范围散射使得所收集的测量信号不足，又能够在一定程度上获取较大范围的扩散信号光。可选地，激光点光源I照射到样品7上的光斑直径可以为1mm。
[0060]由于本实施例采用二维平移样品台2来移动样品7，因此，可选地，在检测过程中，可以通过线扫描的形式一条线接一条线地采集拉曼扩散信号，从而获取样品7的整个二维图像。其中，拉曼光谱仪4还可以包括狭缝10，如图3所示，11为拉曼光谱仪4上的狭缝10 (图中未示出)在样品7上的投影位置，三条箭头所示为三个激光点光源I在样品上的投影位置。拉曼光谱仪4可以通过狭缝10来收集扩散信号光。相应地，多个激光点光源I可以呈一条直线以平行于狭缝10的方向排列，使得经样品出射的扩散信号光正好通过拉曼光谱仪4的狭缝进入，从而获取一条线上的拉曼扩散光信号，并经CCD5的AD信号转换得到样品在一条线上的拉曼扩散图像。
[0061]图2示出了一种基于扩散方式的拉曼检测方法，利用如上任一项所述的基于扩散方式的拉曼检测系统进行检测。参见图4，本实施例中的方法具体包括:
[0062]步骤S1:令多个点状激光照射到置于二维平移样品台的样品的不同位置上。
[0063]如图5所示，在本实施例的一个应用场景中，检测装置包括三个激光点光源1，且与拉曼光谱仪4上的狭缝10平行，呈一条直线排列。首先将样品7放置在二维平移样品台2上，令二维平移样品台2沿图中的X方向从右向左移动，当移动到样品的Y1处时，拉曼光谱仪4的狭缝10正好对准Y1,三个激光点光源I经过光纤传输，且经转接头9转换的点状激光平行照射到Y1扫描线上的Y11、Y12和Y13处。
[0064]步骤S2:收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光。
[0065]具体地，在上述场景的Y1扫描线上的Yn、Y12和Y13处，可以分别形成直径为Imm的互不重叠的光斑，收集自样品表面扩散的所有光斑出射的扩散信号光。
[0066]步骤S3:接收所述扩散信号光，得到光信号。
[0067]步骤S4:将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像。
[0068]步骤S5:将所述样品通过所述二维平移样品台在二维方向平移，并不断重复上述步骤S1-S4，得到多组拉曼扩散图像。
[0069]具体地，在步骤SI和步骤S2所涉及的场景中，可以在图5中的\、Y3等处分别重复上述S1-S4步骤，从而在每条扫描线Yi处获取此扫描线的拉曼扩散图像。
[0070]步骤S6:根据所述拉曼扩散图像对所述样品进行分析。
[0071]具体地，步骤S6还可以包括:对每组拉曼扩散图像进行平均，得到平均扩散图像Yi =
[0072]Yi = (Yn+Yi2+......+Yim) /m (i = I, 2，......, η),
[0073]其中η为拉曼扩散图像组的个数，也即利用步骤S1-S4重复检测的次数；m为激光点光源的个数。
[0074]对所述平均扩散图像Yi进行数学拟合分析，获取平均扩散图像Yi所对应样品位置的物质含量分布。
[0075]或者，还可以对所有平均扩散图像Yi进行平均，获取所述样品的平均扩散图像Y，根据所述样品的平均扩散图像Y对所述样品进行物质含量的定性和/或定量鉴别。
[0076]例如在本实施例的一个应用场景中，可以利用洛伦兹分布函数拟合平均扩散图像Y每个波长处的空间扩散曲线，洛伦兹分布函数示意图见图6。下式(I)为洛伦兹三参数拟合数学式:
b 、
Γηη77? R — CL ~\2(I)
[_] χ + (纤
[0078]其中，R为散射曲线上任意一点的反射强度(CCD灰度值)；z为扩散曲线离中心点的距离，单位mm ；a为扩散曲线的渐近值；c为扩散曲线在峰值的b/2处的半波带宽，单位mm ；b为扩散曲线在扫描线中心点x = 0处的峰值。
[0079]在光谱的波束范围-98?399801^(对应波长范围799?1144nm)内，可以利用洛伦兹函数在每一个波长处进行拟合。
[0080]具体地，在MATLAB中，可以利用非线性偏最小二乘曲线拟合函数IsqcurvefitO实现洛伦兹函数在每一个波长处的三参数拟合。将总样本数随机按3:1分为两组，校正集占总体样本的3/4，预测集占总体样本的1/4。经过洛伦兹函数拟合得到的洛伦兹三参数a、b、C进行组合,使用洛伦兹三参数组合矩阵A ([abc])建立偏最小二乘回归法(partial leastsquares regress1n, PLSR)预测模型。设洛伦兹函数的三个参数各自的矩阵为a(nXm),b(nXm), c(nXm),其中η为样本数，m是有效波数,则洛伦兹三参数组合矩阵A为一个ηX 3m组合矩阵，其中，前m列是洛伦兹参数a，中间m列是洛伦兹参数b，后m列是洛伦兹参数C。洛伦兹三参数组合A代表样本的特征光谱信息参与品质参数预测模型的建立。
[0081]其中偏最小二乘回归(PLSR)模型公式为:
[0082]Y = XB+E (2)
[0083]Y = AB+E (3)
[0084]式中Y为用标准方法测出的化学值矩阵，X是物体表面散射图像的光谱参数矩阵，A为拟合的三参数矩阵，E为常数项矩阵。公式(2)为常用偏最小二乘回归的线性模型数学式，公式(3)为用拟合的三参数矩阵A来代替光谱参数矩阵X建立偏最小二乘回归模型。
[0085]因此，在本发明中实施例提供的基于扩散方式的拉曼检测系统和方法中，能够利用拉曼扩散检测的方式对物质含量和分布进行快速无损检测，提高了检测的效率和准确性，具有较高的应用价值。
[0086]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于，包括:多个激光点光源、二维平移样品台、镜头、拉曼光谱仪、CCD和处理器；其中: 所述多个激光点光源用于同时发射点状激光，并令所述点状激光照射到置于所述二维平移样品台的样品的不同位置上； 所述二维平移样品台用于检测时使所述样品在二维方向运动； 所述镜头用于收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光； 所述拉曼光谱仪用于接收所述扩散信号光，得到光信号； 所述CCD用于将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像； 所述处理器用于根据所述样品的拉曼扩散图像对所述样品进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于:所述激光点光源的个数为3个。
3.据权利要求1所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于: 所述多个激光点光源均为785nm激光点光源。
4.根据权利要求3所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于，所述系统还包括: 785nm截止滤光片，位于所述二维平移样品台和所述镜头之间，用于对经所述样品出射的扩散信号光进行截止滤光，保留波长为785nm以上的扩散信号光。
5.根据权利要求1所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于: 所述激光点光源经光纤和转接头使所述点状激光照射到样品上。
6.根据权利要求1所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于: 所述激光点光源照射到样品上的光斑直径为1mm。
7.根据权利要求1所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于: 所述拉曼光谱仪还包括狭缝，所述拉曼光谱仪用于通过所述狭缝收集所述扩散信号光; 所述多个激光点光源平行于所述狭缝方向，成一条直线排列，且保证所述激光点光源照射到样品上出射的扩散信号光可经所述狭缝被所述拉曼光谱仪所收集。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于扩散方式的拉曼检测系统，其特征在于: 所述多个激光点光源之间的间隔为相同或不同。
9.一种基于扩散方式的拉曼检测方法，其特征在于，利用如权利要求1至8中任一项所述的基于扩散方式的拉曼检测系统进行检测，包括: 步骤S1:令多个点状激光照射到置于二维平移样品台的样品的不同位置上； 步骤S2:收集所有点状激光经所述样品出射的扩散信号光； 步骤S3:接收所述扩散信号光，得到光信号； 步骤S4:将所述光信号转换为电信号，得到所述样品的拉曼扩散图像； 步骤S5:将所述样品通过所述二维平移样品台在二维方向平移，并不断重复上述步骤S1-S4，得到多组拉曼扩散图像； 步骤S6:根据所述拉曼扩散图像对所述样品进行分析。
10.根据权利要求9所述的基于扩散方式的拉曼检测方法，其特征在于，所述步骤S6还包括: 对每组拉曼扩散图像进行平均，得到平均扩散图像Yi: Yi= (Yii+Yi2+......+Yj/m Q = 1,2，......，η), 其中η为拉曼扩散图像组的个数；m为激光点光源的个数； 对所述平均扩散图像Yi进行数学拟合分析，获取所述平均扩散图像Yi所对应样品位置的物质含量分布； 和/或，对所有平均扩散图像Yi进行平均，获取所述样品的平均扩散图像Y，根据所述样品的平均扩散图像Y对所述样品进行物质含量的定性和/或定量鉴别。
【文档编号】G01N21/65GK104237199SQ201410432576
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】彭彦昆, 赵娟 申请人:中国农业大学