一种便携式表面增强拉曼光谱仪及其测量方法与流程

本发明涉及增强拉曼光谱分析技术，具体涉及一种便携式表面增强拉曼光谱仪及其测量方法。

背景技术：

拉曼光谱是一种基于光和材料的相互作用而产生的分析技术，它可以穿过透明或半透明包装材料，非接触、无损的直接检测分析样品。在药物和化妆品、地质学和矿物学、碳材料、半导体材料、生命科学等领域的应用已经日趋完善并得到了高度的肯定。随着科学技术的发展和众多前沿学科的相互交叉、渗透和融合，对拉曼光谱的应用需求提出了高分辨率、小型化、抗震动和抗干扰等一系列要求。

拉曼光谱仪是对样品在激光照射下产生的拉曼散射光进行检测，拉曼散射光是激光非弹性散射产生的，拉曼散射光的强度约占总光散射光强度的10^-6-10^-10，属于微弱信号的检测，这就对检测光路和光谱仪的性能提出了很高的要求。而目前拉曼光谱仪主要应用于科研院所、高等院校物理和化学实验室、生物及医学领域等光学方面，研究物质成分的判定与确认，此类拉曼光谱仪体积庞大，进样过程复杂，不适合现场快速检测。

同时，表面增强拉曼光谱(surfaceenhancedramanspectroscopy,sers)技术被发现以后，极大的提高了拉曼散射光的强度，也推动了拉曼光谱技术的发展，要得到强度大且稳定的sers信号，除了增强基底材料的选择和激发光频率的选择外，还需要测量仪器使激光在待检测材料的表面有较好的聚焦效果。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种便携式表面增强拉曼光谱仪及其测量方法。

本发明的一个目的在于提出一种便携式表面增强拉曼光谱仪。

本发明的便携式表面增强拉曼光谱仪包括：激光器、白光光源、光纤拉曼探头、微型光谱分析仪、三维移动平台和计算机；其中，样品放置在三维移动平台表面的样品台内；光纤拉曼探头连接至微型光谱分析仪；微型光谱分析仪连接至计算机；光纤拉曼探头包括辅助对焦光路、拉曼测量光路、可见光波段二向色镜和显微物镜，辅助对焦光路包括白光探测光路、白光采集光路和分光平片，拉曼测量光路包括激发光光路、信号光收集光路和拉曼二向色镜；在拉曼测量光路中，激光器发出激光经激发光光路准直和滤波至拉曼二向色镜，经拉曼二向色镜反射后再透射通过可见光波段二向色镜，经显微物镜聚焦至样品上，产生拉曼信号，拉曼信号经显微物镜后经可见光波段二向色镜和拉曼二向色镜透射，由信号光收集光路收集；在辅助对焦光路中，白光光源发出白光，经白光探测光路准直至分光平片和可见光波段二向色镜后，通过显微物镜，聚焦至样品的表面，白光信号沿原路返回，经分光平片后至白光采集光路，得到数字摄像机信号传输至计算机，得到样品表面的显微形貌，从而确定光路对焦情况；与此同时，通过移动三维平移台，使得样品的表面正好处于显微物镜的焦距处，这样在辅助对焦光路中，样品的表面能够在数字摄像机上清晰成像，同时由于拉曼测量光路与辅助对焦光路属于共焦光路，在拉曼测量光路中，样品的表面处于激光聚焦的最佳位置，因此在样品的表面能够得到最佳的拉曼激发，从而获得最强的拉曼信号，实现最佳激发效果和拉曼信号收集；由信号光收集光路收集的拉曼信号传输至微型光谱分析仪，再传输至计算机。

辅助对焦光路包括白光探测光路、白光采集光路和分光平片；其中，白光探测光路采用透镜，白光光源发出白光，经透镜准直至分光平片；白光采集光路包括成像镜头和数字摄像机，白光信号沿原路返回，从分光平片反射至成像镜头会聚照射至数字摄像机，得到数字摄像机信号传输至计算机。

拉曼测量光路包括激发光光路、信号光收集光路和拉曼二向色镜；其中，激发光光路包括输入光纤、激光准直镜和滤波器；激发光经输入光纤传输至激光准直镜，经激光准直镜形成空间平行光，经陷波滤波器进行滤光后，照射至拉曼二向色镜；信号光收集光路包括拉曼滤波器、激光耦合器和输出光纤，透过拉曼二向色镜的拉曼信号，经拉曼滤波器滤除杂波信号，拉曼信号经激光耦合器耦合进输出光纤，经输出光纤传输至微型光谱分析仪。

白光光源采用led光源。激光器采用半导体激光器。

微型光谱分析仪包括：散热器、制冷器和ccd信号分析单元。

三维移动平台包括：二维移动的样品台和一维移动的拉曼探头支架；其中，在水平的二维移动的样品台上设置竖直的一维移动的拉曼探头支架；二维移动的样品台采用可手动调节的螺旋微调螺杆控制；拉曼探头支架采用可手动调节的滚珠丝杆滑台进行控制，二者组合使用能够使样品在三维空间进行移动。

计算机提供人机交互页面。

本发明进一步包括便携箱，将激光器、白光光源、光纤拉曼探头、微型光谱分析仪、三维移动平台和计算机组合起来放置在便携箱中，从而便于携带。

本发明的另一个目的在于提供一种便携式表面增强拉曼光谱仪的测量方法。

本发明的便携式表面增强拉曼光谱仪的测量方法，包括以下步骤：

1)在拉曼测量光路中，激光器发出激光经激发光光路准直和滤波至拉曼二向色镜，经拉

曼二向色镜反射后再透射通过可见光波段二向色镜，经显微物镜聚焦至样品上，产生拉

曼信号，拉曼信号经显微物镜后经可见光波段二向色镜和拉曼二向色镜透射，由信号光

收集光路收集；

2)在辅助对焦光路中，白光光源发出白光，经白光探测光路准直至分光平片和可见光波

段二向色镜后，通过显微物镜，聚焦至样品的表面；白光信号沿原路返回，经分光平片

后至白光采集光路，得到数字摄像机信号传输至计算机，得到样品表面的显微形貌；

3)与此同时，通过移动三维平移台，使得拉曼探头所处位置能够使样品的表面正好处于

显微物镜的焦距处，这样在辅助对焦光路上，样品的表面能够在数字摄像机上清晰成像，

同时由于拉曼测量光路与辅助对焦光路属于共焦光路，在拉曼测量光路中，样品的表面

处于激光聚焦的最佳位置，因此在样品的表面能够得到最佳的拉曼激发，从而获得最强

的拉曼信号，实现最佳激发效果和拉曼信号收集；

4)由信号光收集光路收集的拉曼信号传输至微型光谱分析仪，再传输至计算机。

本发明的优点：

本发明采用拉曼测量光路产生拉曼信号；白光光路得到样品表面的显微形貌，从而确定光路对焦情况；通过移动三维平移台，使得样品的表面正好处于显微物镜的焦距处，样品的表面既能够清晰成像，同时也是激光聚焦的最佳位置，从而获得最强的拉曼信号，实现最佳效果激发和收集拉曼信号；本发明通过采用显微物镜进行激光聚焦与拉曼信号光的收集，提高了拉曼探头的数值孔径，增大了拉曼信号的收集效率；本发明通过利用表面增强拉曼效应，具体设计制备了一种表面增强效果好、均匀性高的sers基底辅助进行拉曼测试，极大程度上增强了拉曼信号，提高了本发明测量效率和测量灵敏度；本发明能够快速的进行现场微量元素的分析，拓宽了便携式拉曼光谱技术的应用范围，为现场快速精准痕量成分检测提供可行性。

附图说明

图1为本发明的便携式表面增强拉曼光谱仪的一个实施例的光纤拉曼探头的示意图；

图2为本发明的便携式表面增强拉曼光谱仪的一个实施例的样品处理方式的示意图；

图3为本发明的便携式表面增强拉曼光谱仪的一个实施例的三维移动平台的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的便携式表面增强拉曼光谱仪包括：激光器、白光光源、光纤拉曼探头、微型光谱分析仪、三维移动平台和计算机；其中，样品11放置在三维移动平台表面的样品台；光纤拉曼探头包括辅助对焦光路、拉曼测量光路、可见光波段二向色镜9和显微物镜10，辅助对焦光路包括透镜13、成像镜头15、数字摄像机16和分光平片14，拉曼测量光路包括输入光纤1、激光准直镜2、陷波滤波器3、拉曼滤波器7、激光耦合器6、输出光纤5和拉曼二向色镜8；输出光纤5至微型光谱分析仪；微型光谱分析仪连接至计算机；在拉曼测量光路中，激光器发出激光经输入光纤1传输至激光准直镜2，经激光准直镜2形成空间平行光，经陷波滤波器3进行滤光后，激光的波长更加单一，后经反射镜4将光路转折45度照射至拉曼二向色镜8，经拉曼二向色镜8反射后在此转折45度后，激光再透射通过可见光波段二向色镜9，经显微物镜10聚焦至样品11上，产生拉曼信号，拉曼信号经显微物镜10收集后，透射通过可见光波段二向色镜9，然后透过拉曼二向色镜8，经拉曼滤波器7滤波后将杂波信号滤除，信号光然后经激光耦合器6耦合进输出光纤5；在辅助对焦光路中，白光光源12发出白光，经透镜13准直至分光平片14将一半光强照射至可见光波段二向色镜后9，经可见光波段二向色镜后9反射使光路转折45度，然后通过显微物镜10，聚焦至样品11的表面，白光信号沿原路返回，经分光平片14时，由于分光的作用，光路转折45度，然后至成像镜头15会聚照射至数字摄像机16上，得到数字摄像机信号传输至计算机，得到样品表面的显微形貌拉曼信号通过输出光纤5传输至微型光谱分析仪，再传输至计算机。

在本实施例中，白光光源采用led光源；激光器采用785nm半导体激光器。激光器、白光光源、光纤拉曼探头、微型光谱分析仪、三维移动平台和计算机组合起来放置在30cm×30cm便携箱中。

如图2所示，对样品进行处理，具体做法是在载玻片01上放置一定量的sers基底02，然后将待测样品11放在sers基底上。

如图3所示，三维移动平台包括：x方向螺旋微调螺杆31、y方向螺旋微调螺杆32、样品台33、拉曼探头支架34、z方向滚珠丝杆滑台35；其中，在水平的样品台33两个互相垂直的水平方向上分别设置x方向螺旋微调螺杆31和y方向螺旋微调螺杆32，水采用可手动调节的x方向螺旋微调螺杆31和y方向螺旋微调螺杆32控制样品台33的水平移动，其各个方向能调节的距离为10mm左右；在样品台33上设置竖直的拉曼探头支架34，在拉曼探头支架34上安装竖直的滚珠丝杆滑台35，采用可手动调节的滚珠丝杆滑台35控制拉曼探头支架34的竖直移动，其上下移动50mm左右，二者组合使用能够使样品能够在三维空间进行移动。在仪器工作前应将拉曼探头夹持至三维移动平台上的拉曼探头支架上，并用螺丝固定。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。