專利名稱：拉曼光譜系統(tǒng)及拉曼光譜測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拉曼光譜系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種利用該系統(tǒng)測量被檢物的拉曼光譜的方法。
背景技術(shù)：
光照射到物質(zhì)上時會發(fā)生散射。在發(fā)生散射時，大部分散射光的波長并不發(fā)生變化，這種波長不發(fā)生變化的散射稱為瑞利散射；少部分散射光的波長會增大或減小，這種波長發(fā)生變化的散射稱作拉曼散射，其對應(yīng)的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜屬于分子的振動光譜。每一種物質(zhì)都有自己的特征拉曼光譜，所以，拉曼光譜可以作為識別物質(zhì)的“指紋”。拉曼光譜識別物質(zhì)的能力依賴于拉曼光譜分析儀的分辨率。分辨率與光譜分析儀的焦距、光柵刻線數(shù)等有關(guān)。一般情況下，為了提高分辨率，需要采用焦距足夠大的拉曼光譜分析儀，這時整套系統(tǒng)的體積必然會增大，從而喪失了便攜性。此外，拉曼光譜分析儀中的部分光學(xué)元件價格昂貴，且對環(huán)境的潔凈度、溫度、濕度等要求較為苛刻，影響了拉曼光譜分析儀在安全檢查、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)分析、藥物檢測、食品檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種拉曼光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠兼顧分辨率和便攜性，并且可以適應(yīng)不同環(huán)境的檢測現(xiàn)場的要求，而不會受到環(huán)境的潔凈度、溫度、濕度等要求的限制。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種拉曼光譜系統(tǒng)，包括檢測中心，包括至少一個光源，用于輸出激發(fā)被檢物產(chǎn)生拉曼散射光的激發(fā)光；分析裝置，用于獲得被檢物的拉曼光譜。還包括至少一個檢測終端，每個檢測終端包括至少一個拉曼探頭，所述每個拉曼探頭將激發(fā)光引導(dǎo)至被檢物，并將被檢物產(chǎn)生的拉曼散射光傳送回檢測中心。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述檢測中心還包括分束器，用于將光源輸出的激發(fā)光分成多束。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述分束器包括一級或多級分束器，當(dāng)分束器為多級時，可以在兩級分束器之間設(shè)置功率放大器，用于放大激發(fā)光。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述檢測中心還包括控制裝置，用于控制所述至少一個光源和分析裝置的操作，并對分析裝置獲得的拉曼光譜進(jìn)行處理。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述控制裝置具有用于存儲標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫的存儲器，在所述控制裝置對分析裝置所獲得的拉曼光譜進(jìn)行處理時，將被檢物的拉曼光譜與從存儲器中讀取的標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜進(jìn)行比較，以確定該被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)。
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根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述檢測中心還包括轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所述拉曼光譜并將轉(zhuǎn)換后的拉曼光譜傳送給控制裝置；通信裝置，用于在檢測中心和檢測終端之間傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述控制裝置將比較結(jié)果通過所述通信裝置分別傳送給各自的檢測終端。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述檢測終端還包括控制器，用于接收檢測指令， 控制所述至少一個拉曼探頭；通信裝置，用于在檢測中心和檢測終端之間傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述通信裝置是有線通信裝置或無線通信裝置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述檢測中心還包括耦合裝置，用于將來自光源的激發(fā)光耦合到所述至少一個拉曼探頭中，以及將來自所述至少一個拉曼探頭的拉曼散射光傳送給分析裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種測量被檢物的拉曼光譜的方法，所述方法包括步驟a)控制至少一個光源使該光源發(fā)射激發(fā)光；b)控制至少一個檢測終端，使所述至少一個檢測終端中的至少一個拉曼探頭用該激發(fā)光照射被檢物，并收集被檢物的拉曼散射光；c)分析該拉曼散射光，以獲得被檢物的拉曼光譜。根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方式，還包括步驟d)將被檢物的拉曼光譜與標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜進(jìn)行比較，以確定該被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述步驟b)包括e)自動檢查所述至少一個拉曼探頭是否連接了功率放大器；f)在檢查到連接了功率放大器的情況下，檢查該功率放大器是否啟動；如果未啟動，則啟動該功率放大器；g)控制所述至少個拉曼探頭自動檢查光源是否啟動；如果光源未啟動則啟動光源；h)用來自光源的激發(fā)光照射被檢物，并收集被檢物的拉曼散射光。根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方式，還包括步驟i)將各檢測終端的比較結(jié)果傳送給各自的檢測終端。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)拉曼光譜分析儀便攜性與分辨率之間的矛盾，因為在現(xiàn)有技術(shù)中對高分辨率的要求導(dǎo)致傳統(tǒng)的拉曼光譜分析儀體積龐大，不利于攜帶，而在本發(fā)明中對拉曼光譜的分析在檢測中心完成，可以滿足對高分辨率的要求，同時由于多探頭并行檢測而使得本系統(tǒng)具有便攜性，因為拉曼探頭可以很方便地移動。


圖I示出本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)的第一實施方式的示意圖。圖2示出本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)的第二實施方式的示意圖。圖3示出本發(fā)明中的光學(xué)分束器的一種可能的示意圖。圖4示出本發(fā)明中的檢測終端的一種可能的示意圖。圖5示出包含在本發(fā)明的檢測終端中的拉曼探頭的一種可能的詳細(xì)布置。圖6示出解釋本發(fā)明的拉曼探頭的工作流程的示意圖。
具體實施例方式圖I示出本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)的第一實施方式的示意圖。該拉曼光譜系統(tǒng)包括用于對光譜進(jìn)行分析的檢測中心I和多個檢測終端，每個檢測終端可以包括一個或多個拉曼探頭311…31η。在機(jī)場、車站、海關(guān)、大樓、運(yùn)動場、監(jiān)獄、法院等場所中，所述檢測中心可以安放在潔凈的、空調(diào)控溫的房間中，所述拉曼探頭可以與檢測中心分離地設(shè)置在多個不同位置，用于對不同位置的被檢物進(jìn)行檢測，或者對同一被檢物的不同部位進(jìn)行檢測。這些拉曼探頭相互之間可以間隔幾米至幾百米。在圖I中，檢測中心I主要包括光源11、計算機(jī)13、分析裝置14、光纖接口 17、分束器18。光源11發(fā)射用于激發(fā)被檢樣品產(chǎn)生拉曼散射光的激發(fā)光。原則上，任何可以提供線寬窄、頻率和功率穩(wěn)定的激發(fā)光的光源都可以在本發(fā)明中使用。在本實施例中，采用輸出波長為785_、輸出功率為IOOmW的激光器作為光源11，其輸出光經(jīng)過分束器18分光。當(dāng)光源11的光強(qiáng)度不足時，可以設(shè)置多個激光器作為光源，和/或在分束器18之前或之后設(shè)置功率放大器。分束器18將來自光源I的激發(fā)光分成多路光束，這些光束通過光纖或者根據(jù)需要通過自由空間耦合到檢測終端中的各拉曼探頭311…31η。這些拉曼探頭311···31η 分別收集被檢物在激發(fā)光輻射下所產(chǎn)生的拉曼散射光，并通過光纖接口 17傳輸回檢測中心I。各拉曼探頭311··· 31η收集的拉曼光信號優(yōu)選通過濾光片15濾除干擾，并傳送給分析裝置用于獲得各被檢物的拉曼光譜。該分析裝置14在此例如是光譜分析儀14。濾光片 15要依據(jù)光源11來選擇。在本實施例中，濾光片15采用中心波長為785nm的全息陷波片。 由分析裝置14獲得的各被檢物的拉曼光譜傳送給轉(zhuǎn)換器16用于將拉曼光信號轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號傳送給計算機(jī)13以進(jìn)行處理。在本實施例中，轉(zhuǎn)換器16例如是1024X256的 CCD (Charge Coupled Device)。計算機(jī)13作為控制裝置安裝有控制光源11和分析裝置14以及進(jìn)行模式識別的軟件模塊，并且具有用于存儲標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫的存儲器(未示出)和顯示結(jié)果的顯示器 (未示出)。當(dāng)計算機(jī)13從分析裝置14接收到被檢物的拉曼光譜時，從存儲器中讀取標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜，并將被檢物拉曼光譜與標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜進(jìn)行比較。如果比較的結(jié)果顯示被檢物含有標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫中特定的、不符合規(guī)定的物質(zhì)，如安檢領(lǐng)域的毒品、爆炸物等，食品安全領(lǐng)域的不安全食品，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的有害物質(zhì)等，計算機(jī)13產(chǎn)生報警信號。不管被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)，計算機(jī)13將檢測結(jié)果顯示在顯示器上，同時也可以選擇顯示各被檢物的拉曼光譜。不管被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)，計算機(jī)13都將各被檢物的檢測結(jié)果通過通信裝置12分別發(fā)送給各自的檢測終端3a…3n，并由各檢測終端3a…3n 顯示。所述通信裝置12可以是有線的，單獨(dú)布線或者與光纖一起布線；也可以是無線的。圖2示出本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)的第二實施方式的示意圖。該第二實施方式與本發(fā)明拉曼光譜系統(tǒng)的第一實施方式的特征基本相同，區(qū)別在于本實施方式中光源21發(fā)出的光經(jīng)過了多次分光。光源21的輸出功率一般比較有限，因此經(jīng)過一級分束器281而得到的光束通常不超過10。如果需要耦合更多的拉曼探頭，則可以將一級分束器281的一個或多個光束輸出傳送給一級功率放大器29,經(jīng)過放大之后,將放大之后的光束輸出的一個或多個傳送給二級分束器282。如果還需要耦合更多的拉曼探頭，則又可以將二級分束器282 的一個或多個光束輸出傳送給二級功率放大器，經(jīng)過放大之后，將放大之后的光束輸出的一個或多個傳送給三級分束器…….依此類推。概括地說，在本實施方式的η (η ^ 2)次分光的系統(tǒng)配置中
-連接到光源的分束器稱為一級分束器，通過功率放大器與一級分束器連接的分束器稱為二級分束器，再通過功率放大器與二級分束器連接的分束器稱為三級分束器，依此類推。-連接到i(I < i < η)級功分器上的拉曼探頭稱為i級拉曼探頭。-連接到i(I < i < η)級功率放大器上的拉曼探頭稱為i+Ι級拉曼探頭。-連接到i(I < i < η)級功分器上的功率放大器稱為i級功率放大器。入射到每一拉曼探頭的入射光功率可以相同，也可以不同。通過采用一級或多級分束器，本發(fā)明的拉曼系統(tǒng)可以適用于多任務(wù)的運(yùn)行，即多個拉曼探頭同時工作。對于在這種情況下拉曼探頭的工作流程將在下面描述。圖3示出本發(fā)明中分束器18的一種可能的示意圖。在該圖中，分束器18將來自光源的光Itl均分成5束。同時示出反射率與透射率的比值R: T。圖4示出本發(fā)明的檢測終端3的一種可能的示意圖。檢測終端3包括一個或多個拉曼探頭31、控制器32、通信裝置33和報警燈及顯示器34。拉曼探頭31接收到來自檢測中心I或2的激發(fā)光，通過拉曼探頭31內(nèi)部的光路將該激發(fā)光輻射到被檢物上，收集由被檢物散射的光，并將所收集的散射光如圖1、2所述傳送給檢測中心I或2。關(guān)于拉曼探頭 31的詳細(xì)布置將在下面討論。當(dāng)拉曼探頭31為一個時，可以對被檢物通過檢測多點(diǎn)而進(jìn)行掃描檢測。當(dāng)拉曼探頭31為多個時，多個拉曼探頭31可以同時對同一被檢物的不同位置進(jìn)行檢測，也可以對該被檢物進(jìn)行掃描檢測，即每個拉曼探頭都檢測多點(diǎn)。多個拉曼探頭也可以對不同被檢物進(jìn)行檢測?？刂破?2控制拉曼探頭31，以及控制報警燈及顯示器34。 操作員可以通過檢測終端3的操作面板(未示出)上的檢測按鈕向控制器32下達(dá)檢測的命令，也可以通過控制器32關(guān)閉拉曼探頭31。另一方面，控制器32還通過通信裝置33接收檢測中心I或2通過自身的通信裝置發(fā)布的指令和傳送的檢測結(jié)果，并將該檢測結(jié)果顯示在報警燈及顯示器34上，所述檢測結(jié)果是檢測終端3的各拉曼探頭31的檢測結(jié)果。通信裝置33可以與圖1、2的檢測中心I或2中的通信裝置按照相同的方式實施。圖5示出包含在本發(fā)明的檢測終端中的拉曼探頭31的一種可能的詳細(xì)布置。拉曼探頭31包括激發(fā)光的導(dǎo)入光路和散射光的收集光路。在激發(fā)光的導(dǎo)入光路上，通過導(dǎo)入光纖IF從檢測中心I或2接收的激發(fā)光，先后經(jīng)過透鏡LI、窄帶濾波片NF、兩塊反射鏡Rl 和R2、透鏡L3而聚焦到被檢物上。所述窄帶濾波片NF用于濾除干擾，以保證照射到被檢物上的激發(fā)光具有良好的單色性。如果拉曼探頭31接收到的激發(fā)光強(qiáng)度不足，可以在導(dǎo)入光纖IF和透鏡LI之間設(shè)置功率放大器。被檢物在該激發(fā)光的作用下產(chǎn)生拉曼散射光，該拉曼散射光在散射光的收集光路上經(jīng)過透鏡L3和透鏡L2進(jìn)入收集光纖0F，并最終傳送給檢測中心I或2。該收集光路還可以包括全息陷波片、長波通濾光片、二向色鏡等光學(xué)元件，用于濾除瑞利線的干擾。本發(fā)明可以適用于多任務(wù)的運(yùn)行。在這種情況下，多個拉曼探頭可以同時工作。圖6示出解釋本發(fā)明的拉曼探頭的工作流程的示意圖。該工作流程從步驟SI中判斷拉曼探頭是否接收到檢測指令開始。如果沒有接收到，則等待檢測指令。如果接收到檢測指令，則在步驟S2中，拉曼探頭自動判斷其導(dǎo)入光線是否連接了功率放大器。如果連接了功率放大器，則在步驟S3中拉曼探頭進(jìn)一步判斷功率放大器是否已經(jīng)啟動。如果功率放大器未啟動，則在步驟S4中啟動該功率放大器。無論拉曼探頭的導(dǎo)入光纖是否連接功率放大器，拉曼探頭都會在步驟S5中檢查檢測中心的光源是否開啟。如果該光源尚未開啟，則在步驟S6中自動啟動該光源。接收到來自光源的激發(fā)光之后，拉曼探頭在步驟S7中對被檢物進(jìn)行檢測，照射被檢物，并收集拉曼散射光，如圖5所示。總而言之，本發(fā)明提供了一種拉曼光譜系統(tǒng)，該拉曼光譜系統(tǒng)包括用于獲得被檢物的拉曼光譜并根據(jù)該拉曼光譜識別被檢物的檢測中心，以及一個或多個檢測終端。該檢測終端分別可以包括一個或多個拉曼探頭，每個拉曼探頭將激發(fā)光引導(dǎo)至被檢物，并將被檢物產(chǎn)生的拉曼散射光傳送給檢測中心以得到該被檢物的拉曼光譜。通過本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多探頭并行的、高分辨率的拉曼光譜測量。由于拉曼探頭可以方便地移動，因此該系統(tǒng)具有一定的便攜性。
權(quán)利要求
1.一種拉曼光譜系統(tǒng)，包括一個檢測中心，包括至少一個光源，用于輸出激發(fā)被檢物產(chǎn)生拉曼散射光的激發(fā)光； 和分析裝置，用于獲得被檢物的拉曼光譜；多個檢測終端，每個檢測終端包括至少一個拉曼探頭，所述每個拉曼探頭同時將激發(fā)光引導(dǎo)至被檢物，并將被檢物產(chǎn)生的拉曼散射光同時傳送回所述檢測中心；分束器，用于將光源輸出的激發(fā)光分成多束；以及所述分束器包括一級或多級分束器，當(dāng)分束器為多級時，在兩級分束器之間設(shè)置功率放大器，用于放大激發(fā)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測中心還包括控制裝置，用于控制所述至少一個光源和分析裝置的操作，并對分析裝置獲得的拉曼光譜進(jìn)行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置具有用于存儲標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫的存儲器，在所述控制裝置對分析裝置所獲得的拉曼光譜進(jìn)行處理時， 將該拉曼光譜與從存儲器中讀取的標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜進(jìn)行比較，以確定該被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測中心還包括轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所述拉曼光譜并將轉(zhuǎn)換后的拉曼光譜傳送給控制裝置；通信裝置，用于在檢測中心和檢測終端之間傳送數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置將所述比較的結(jié)果通過所述通信裝置分別傳送給各自的檢測終端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測終端還包括控制器，用于接收檢測指令，控制所述至少一個拉曼探頭；通信裝置，用于在檢測終端和檢測中心之間傳送數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述通信裝置是有線通信裝置或無線通信裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的拉曼光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測中心還包括耦合裝置，用于將來自光源的激發(fā)光耦合到所述至少一個拉曼探頭中，以及將來自所述至少一個拉曼探頭的拉曼散射光傳送給分析裝置。
9.一種測量被檢物的拉曼光譜的方法，所述方法包括步驟a)控制至少一個光源使該光源發(fā)射激發(fā)光；b)控制多個檢測終端，使所述多個檢測終端中的至少一個拉曼探頭同時用該激發(fā)光照射被檢物，并同時收集被檢物的拉曼散射光；c)通過檢測中心分析該拉曼散射光，以獲得被檢物的拉曼光譜，其中所述多個檢測終端所收集的被檢物的拉曼散射光在同一個檢測中心中被分析，其中至少一個光源輸出的激發(fā)光被分束器分成多束，以及至少一個光源輸出的激發(fā)光被一級或多級分束器分成多束，當(dāng)分束器為多級時，激發(fā)光被設(shè)置在兩級分束器之間的功率放大器放大。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括步驟d)將被檢物的拉曼光譜與標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜進(jìn)行比較，以確定該被檢物是否含有不符合規(guī)定的物質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括e)自動檢查所述至少一個拉曼探頭是否連接了功率放大器；f)在檢查到連接了功率放大器的情況下，檢查該功率放大器是否啟動；如果未啟動， 則啟動該功率放大器；g)控制所述至少一個拉曼探頭自動檢查光源是否啟動；如果光源未啟動則啟動光源；h)用來自光源的激發(fā)光照射被檢物，并收集被檢物的拉曼散射光。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括步驟i)將各檢測終端的比較結(jié)果傳送給各自的檢測終端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種拉曼光譜系統(tǒng)，包括一個檢測中心，包括至少一個光源，用于輸出激發(fā)被檢物產(chǎn)生拉曼散射光的激發(fā)光；和分析裝置，用于獲得被檢物的拉曼光譜；多個檢測終端，每個檢測終端包括至少一個拉曼探頭，所述每個拉曼探頭同時將激發(fā)光引導(dǎo)至被檢物，并將被檢物產(chǎn)生的拉曼散射光同時傳送回所述檢測中心；分束器，用于將光源輸出的激發(fā)光分成多束，以及所述分束器包括一級或多級分束器，當(dāng)分束器為多級時，在兩級分束器之間設(shè)置功率放大器，用于放大激發(fā)光。
文檔編號G01N21/65GK102608094SQ20111045351
公開日2012年7月25日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者俞冬梅, 劉以農(nóng), 張麗, 李元景, 李明亮, 王紅球, 蓋洪峰, 趙自然, 陳志強(qiáng) 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司, 清華大學(xué)