一种集成化、可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于便携式分析仪器技术领域，具体涉及一种采用激光拉曼光谱技术的集成度高、具有成像功能的便携式分析仪器。
【背景技术】
[0002]便携分析仪:便携分析仪通过高度集成化的工业设计、超高灵敏度的检测设备和高稳定性的检测器件的联合运用，将传统的实验室检测手段与大型设备转变成便携式且易于操作的微型化分析仪。其具有稳定性高、响应速度快、便于操作、易于携带、应变能力强等特点。便携分析仪在工程作业监控、安全检查、宝石勘探等领域有着广泛的应用前景。
[0003]激光拉曼光谱:激光拉曼光谱提供物质的分子层面上的信息，在鉴定物质成分、界定内部分子结构上，有着重大的应用。激光拉曼光谱具有多项技术特点:(I)激光拉曼是一种免标记的、可以实现组分分析的高信息量分析手段；(2)易于多项技术方法结合，激光拉曼光谱可以搭配其他的检测手段进行更加细致的定量分析，如原子力显微镜、质谱等。激光拉曼光谱结合表面增强拉曼散射技术(SERS)，甚至可以实现单分子水平的检测，使之能作为一种超高灵敏度的检测手段被广泛应用。
[0004]市场上的便携分析仪器所采用的分析方法呈多样化趋势。常见的便携式分析仪所应用的传感检测手段有很多，诸如半导体传感、电化学式传感、催化燃烧式传感、光电离式传感、光谱传感等。常见的便携分析仪应用的光谱传感手段有X射线荧光光谱、红外光谱、荧光光谱、拉曼光谱等。商品化的便携式拉曼光谱分析仪在国际市场上发展迅速，例如美国海洋公司公司的IDRaman mini光谱仪系列，以及BWTEK公司的NanoRam光谱仪系列。其便携式拉曼光谱分析仪的设计理念还是将小型化的拉曼光谱仪与光纤探头结合，并不能称为一体化的分析仪器。
[0005]对于可成像的便携式拉曼光谱检测仪，需要实现以下要求:
[0006]1.显微成像光路与拉曼光谱激发、采集光路一体化设计，减少众多器件带来的机械误差影响。
[0007]2.集成模块化设计。在保证仪器功能实现、高灵敏度的同时，集成模块化的设计提高了仪器自身的稳定性，提高了光学仪器本身严格要求的精密程度。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种采用激光拉曼光谱技术的集成度高、具有成像功能的便携式分析仪器(实施例中所述仪器的典型尺寸为:长28cm，宽7cm，高19cm)。其由安装在仪器框架内的激光管(3)、机械位移模块、电机与光源供电模块(7)、集成光路模块(8)(包括搭载高分辨率CCD的成像光路与拉曼信号激发与收集光路)和高灵敏度微型光谱仪(5)五部分组成，以集成光路模块(8)中物镜竖直向上方向为仪器正常使用摆放位置。
[0009]机械位移模块由一部微型直流电机(6)和一个精细位移台(SIGMA KOKI公司TSDS-651S-M6精细位移台，位移范围13mm) (2)组成，微型直流电机(6)竖直固定在精细位移台⑵的侧面，集成光路模块⑶固定在精细位移台⑵上。微型直流电机(6)在旋转时，上方伸缩柱可以做范围为1mm的上下运动，在微型直流电机(6)的带动下，精细位移台(2)可以实现在竖直方向1mm范围内的精细位移调节，从而实现集成光路模块(8)中物镜在样品表面的聚焦。
[0010]其中，激光管(3)与微型光纤光谱仪(5)，可以使用统一的控制软件控制激光管的输出功率、点亮时间、光谱仪的积分时间等。
[0011]集成光路模块通过使用一片二向色分光镜(美国Semrock公司，型号FF776-Di01，工作范围:R>98% §450?764nm，T>88% @>789nm，其中R代表反射率，T代表透射率)将显微成像光路、激光拉曼光谱激发与采集光路集成在一起，并搭载在精细位移台之上使之能够随着精细位移台做整体上下对焦移动，形成集成度高、具备成像功能的激光拉曼光谱仪。
[0012]其中激光拉曼光谱激发与采集光路由波长为785nm的激光管(置于仪器框架内)、扩束透镜组、带通滤光片、二向色分光镜、聚焦透镜组、物镜和近红外光谱仪构成。其工作过程如下:由激光管(3，中国福州Photop Technologies公司；型号:PT20202)发出的激光通过光纤传输后再通过光纤耦合器(23)将激光输送至光路模块(8)内，沿水平方向经扩束透镜组(15)扩束或变成平行光，再经过带通滤光片(Τ>90% §780?790nm) (16)滤掉杂散光，然后以45度的入射角入射到785nm双色分光镜(R>98% @785nm，T>90% §841?1600nm) (17)上，反射光沿竖直方向从下向上经二向色分光镜(R>98 % @450?764nm，T>88% i>789nm) (12)透射，再由物镜(10)聚焦后经检测窗口 (4)照射到样品(30)表面上；样品(30)表面在入射光激发下产生的拉曼信号经由物镜(10)收集，沿竖直方向从上向下依次经过二向色分光镜(R>98% §450?764nm，T>88% i>789nm) (12)、785nm双色分光镜(R>98% i785nm, T>90% §841 ?1600nm) (17)，再经过 785nm长通滤光片(美国 semrock 公司，型号:BLP01-785R-25x36 ；T>90% i>812.lnm) (18)滤掉瑞利散射光，经过信号光整形透镜(19)扩束或变成平行光，经拉曼信号光纤耦合器(22)后由光纤将拉曼信号输送到微型光谱仪(5，中国福州Photop Technologies公司；型号:PT20007)内进行数据分析与处理。
[0013]其中显微成像光路由LED白光光源、聚焦透镜组、一片半反半透镜(R = 50%i350-750nm, T = 50% @350 ?750nm)、一片二向色分光镜、一个物镜和一个 CCD (Sony 公司960H CXD Sensor，分辨率:720*576)图像传感器构成。其工作过程如下:由LED白光光源(21)出射的白光沿竖直方向从下向上经凸透镜(20)会聚后以45度的入射角入射到半反半透镜(11)上，经半反半透镜(11)反射后沿水平方向以45度的入射角入射到二向色分光镜(R>98% §450?764nm，T>88% i>789nm) (12)上，反射光再沿竖直方向从下向上由物镜(10)聚焦后经检测窗口⑷照射到位于物镜(10)后焦平面上的样品(30)表面上，样品(30)表面的反射光沿竖直方向从上向下经物镜(10)后变成平行光，然后以45度的入射角入射到二向色分光镜(R>98% §450?764nm，T>88% i>789nm) (12)上，反射光沿水平方向经过半反半透镜(11)、聚焦凸透镜(13)聚焦成像到CCD(14)上，使激光光斑在样品表面的精确位置实时成像至CCD图像传感器，从而实现样品的定位分析。
[0014]本发明所涉及的创新与优点:
[0015](I)本发明通过二向色分光镜(R>98% §450?764nm, T>88% i>789nm)的使用，将传统的显微成像光路与光谱采集光路通过拉杆机构切换反射棱镜的机械式切换光路整合设计为通过二向色分光镜分配成像和光谱图采集光谱波段的功能模块化设计结构。如上设计提供了两处优点:(a)减少了双光路占用的体积空间；(b)光路系统中的各器件固定放置，避免了光路切换的机械操作带来的机械误差，提高了空间稳定性。这两处优点体现在仪器匹配不同的被检测样品系统的架构时，可保证分析数据的可靠性和准确性。
[0016](2)本发明采用显微成像光路与拉曼光谱采集光路部分一体化设计，可以使激光光斑在样品表面的精确位置实时成像至CCD图像传感器，从而实现样品的定位分析。
[0017](3)本发明采用的高集成度的光路系统搭载小型电机驱动精密位移台设计，紧凑的电路排布，搭配小型高灵敏度光谱仪，将仪器整体体积缩小到微型尺寸，方便操作。在整体微型设计、仪器的整体体积与重量设计上做了大量的优化，实现了小型化、便携化。
【附图说明】
[0018]下面结合附图及相关操作实施例阐述本发明专利所涉及的检测手段和仪器设计，但不局限于所提及的这几种检测手段和仪器设计。
[0019]图1:本发明实施例1所述的一种集成化可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的整体结构示意图；
[0020]图2:本发明实施例2所述的一种集成化可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的集成光路t旲块不意图；
[0021]图3:本发明实施例3所述的一种集成化可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的电路丰旲块结构不意图；
[0022]图4:本发明实施例4所述的一种集成化可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的显微成像CCD照片；
[0023]图5:本发明实施例5所述的一种集成化可成像式便携激光拉曼光谱检测仪的样品激光拉曼光谱谱图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]图1是本根据本发明设计的一种集成式可成像化便携激光拉曼光谱检测仪的结构示意图。仪器的所有部件均置于仪器框架(I)内，以内置有物镜(10)的检测窗口(4)竖直朝上放置时为仪器的正常工作位置，直流电机(6)与精细位移台(2)组成机械位移模块，集成光路模块⑶固定在精细位移台⑵之上，在直流电机(6)和精细位移台(2)的带动下，集成光路模块(8)在竖直方向的1mm范围内运动，从而使得经过物镜(10)的光束能够准确聚焦在位于检测窗口(4)上面的样品(30)的表面；激光管(3)发出波长为785nm波长的激光经光纤导入集成光路模块(8)并定位到检测窗口(4)上，检测窗口(4)上面放置的样品(30)在入射光激发下产生的拉曼信号由集成光路模块(8)经光纤导入微型光谱仪(5)进行光谱分析从而实现检测样品(30)拉曼信号的目的。
[0026]LED白光光源(21)和直流电机(6)的电源由供电模块(7)提供。激光管(3)和微型光谱仪(5)由配套的12V直流电源直接供电。
[0027]实施例2
[0028]图2为本发明设计中集成光路模块(8)的详细结构示意图。整体光路分别由显微成像光路与激光拉曼光谱激发检测光路构成。
[0029]显微成像光路工作过程如下，由LED白光光源(21)出射的白光沿竖直方向从下向上经凸透镜(20)会聚后以45度的入射角入射到半反半透镜(11)上，经半反半透镜(11)反射后沿水平方向以45度的入射角入射到二向色分光镜(R>98% i450-764nm, T>88 %i>789nm) (12)上，反射光再沿竖直方向从下向上由物镜(10)聚焦后经检测窗口(4)照射到位于物镜(10)后焦平面上的样品(30)表面上，样品(30)表面的反射光沿竖直方向从上向下经物镜(10)后变成平行光，然后以45度的入射角入射到二向色分光镜(R>98%i450-764nm, T>88% i>789nm) (12)上，反射光沿水平方向经过半反半透镜(11)、聚焦凸透镜(13)聚焦成像到CCD(14)上，从而在CCD(14)上可以观察到白光光源在样品(30)表面所成的像；
[0030]拉曼光谱激发与检测光路工作过程如下:由激光管(3，中国福州Phot