CN118817660A - 基于可调谐激光的探测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于可调谐激光的探测系统与方法，系统包括可调谐激光模块和拉曼光谱仪，可调谐激光模块向待测样品发射不同波长的激光；待测样品受到不同波长的激光的激发后产生对应的拉曼光；拉曼光在拉曼光谱仪中形成对应的拉曼光谱；方法中将所有的拉曼光谱进行分组，并计算每组拉曼光谱中两个拉曼光谱的差值得到差分拉曼光谱，再取所有差分拉曼光谱的平均值，以此达到提高信噪比、消除荧光干扰的目的。

Description

基于可调谐激光的探测系统与方法

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于可调谐激光的探测系统与方法。

背景技术

乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤，是女性癌症发病率的首位，且乳腺癌的发病率还在逐年上涨。乳腺癌筛查通常采用病理检查的方式，乳腺癌的患者需进行穿刺或切除活检，患者承受了创伤、较大的精神压力和高额的医疗费用。

拉曼光谱具有无需样品制备、对样品无接触、不破坏样品结构、分析简便快速和分辨率高等特点，因而可应用于疾病的预测、诊断及疗效判断。但生物分子的背景荧光较强，很容易对检测结果造成干扰，会导致测量准确性低，严重时甚至可能导致误判。现在市面上检测肿瘤（包括乳腺癌）的光谱仪大多采用平面光栅，这使得现在的光谱仪分辨率不高，对样品的细节检测不到位。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提供一种基于可调谐激光的探测系统与方法，系统中以可调谐激光模块发出不同波长的激光，使待测样品激发出相应的拉曼光，并得到拉曼光谱，方法中对不同的拉曼光谱进行差分，再取平均值，进而提高信噪比并消除荧光干扰。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于可调谐激光的探测系统，包括可调谐激光模块和拉曼光谱仪；其中，可调谐激光模块向待测样品发射不同波长的激光；待测样品受到不同波长的激光的激发后产生对应的拉曼光；拉曼光在拉曼光谱仪中形成对应的拉曼光谱；

拉曼光谱仪包括二向色镜、拉曼滤光组、AOTF、中阶梯光栅和探测器；其中，不同波长的激光被二向色镜反射到待测样品上；待测样品产生的拉曼光透过二向色镜进入拉曼滤光组中，拉曼滤光组对输入的拉曼光进行过滤；过滤后的拉曼光进入AOTF中；AOTF从输入的拉曼光中选择特定波长的拉曼光后，将特定波长的拉曼光传递到中阶梯光栅上；特定波长的拉曼光在中阶梯光栅上发生衍射，衍射后的拉曼光进入探测器中，得到拉曼光谱；

可调谐激光模块包括可调谐激光器、扩束透镜、准直透镜和柱面镜；其中，可调谐激光器发射不同波长的点状激光，点状激光依次经过扩束透镜、准直透镜和柱面镜后，形成的线状激光照射到待测样品上形成相应的拉曼光。

进一步的，拉曼滤光组包括不少于2个的拉曼滤波片，透过二向色镜的拉曼光依次经过每个拉曼滤波片。

进一步的，在待测样品和二向色镜之间设置有聚焦透镜，且待测样品位于聚焦透镜的焦平面处。

进一步的，在AOTF和中阶梯光栅之间设置有棱镜，使AOTF选择的特定波长的拉曼光经过棱镜后传播方向发生改变。

进一步的，在棱镜和中阶梯光栅之间设置有第一自由曲面反射镜，在中阶梯光栅和探测器之间设置有第二自由曲面反射镜，经过棱镜的拉曼光被第一自由曲面反射镜反射到中阶梯光栅上；经中阶梯光栅衍射后的拉曼光被第二自由曲面反射镜反射并聚焦到探测器中。

进一步的，还包括载物平台；其中，载物平台包括电动位移台，待测样品设置在电动位移台上。

进一步的，可调谐激光模块包括可调谐激光器；其中，可调谐激光器向待测样品发射不同波长的点状激光，待测样品经点状激光激发后产生相应的拉曼光。

一种基于可调谐激光的探测方法，适用于本发明提供的基于可调谐激光的探测系统，包括以下步骤：

S1：控制可调谐激光模块向待测样品发射不同波长的点状激光，得到待测样品产生的拉曼光对应的拉曼光谱；

S2：将所有的拉曼光谱进行分组，每组拉曼光谱包括两个不同的拉曼光谱；

S3：计算每组拉曼光谱的差值得到每组拉曼光谱的差分拉曼光谱，再计算所有差分拉曼光谱的平均值，得到最终的差分拉曼光谱。

与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

（1）本发明创造所述的基于可调谐激光的探测系统中，利用可调谐激光器发出不同波长的激光，进而激发出相应的拉曼光；基于可调谐激光的探测方法中，所有的拉曼光谱两两一组得到差分拉曼光谱，再取差分拉曼光谱平均值，从而达到提高信噪比并消除荧光干扰的目的；

（2）本发明创造所述的基于可调谐激光的探测系统中，采用中阶梯光栅来实现多个级次同时高衍射效率，提高系统的光谱分辨率；自由曲面反射镜有很高的自由度，与普通反射镜相比，能更好的将光线反射到探测器中，从而进一步改善拉曼光谱的分辨率。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的基于可调谐激光的探测系统的光路结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的可调谐激光模块的光路结构示意图；

图3为本发明创造实施例所述的基于可调谐激光的探测方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、待测样品；2、电动位移台；3、载玻片；4、可调谐激光器；5、二向色镜；6、拉曼滤光组；7、AOTF；8、中阶梯光栅；9、探测器；10、聚焦透镜；11、拉曼滤波片；12、棱镜；13、第一准直透镜；14、狭缝；15、第一自由曲面反射镜；16、第二自由曲面反射镜；17、扩束透镜；18、第二准直透镜；19、柱面镜。

具体实施方式

为了使本发明创造的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明创造进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明创造，而不构成对本发明创造的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，本发明创造实施例所述的基于可调谐激光的探测系统包括可调谐激光模块、拉曼光谱仪和载物平台，待测样品1放置在载物平台上，可调谐激光模块向待测样品1发射不同波长的激光；待测样品1受到不同波长的激光的激发后产生对应的拉曼光。拉曼光在拉曼光谱仪中得到对应的拉曼光谱。载物平台包括电动位移台2，待测样品1被载玻片3固定在电动位移台2上，电动位移台2带动待测样品1做步进移动。

具体实施例1：

可调谐激光模块包括可调谐激光器4。可调谐激光器4向待测样品1发射不同波长的点状激光，待测样品经点状激光激发后产生相应的拉曼光。

拉曼光谱仪包括二向色镜5、拉曼滤光组6、AOTF（Acousto-opticTunableFilter，声光可调谐滤波器）7、中阶梯光栅8和探测器9。不同波长的激光被二向色镜5反射到待测样品1上，待测样品1产生的拉曼光透过二向色镜5进入拉曼滤光组6中。在具体实施例中，在待测样品1和二向色镜5之间优选设置有聚焦透镜10，且待测样品1位于聚焦透镜10的焦平面处，使得不同波长的激光被二向色镜5反射后，可以通过聚焦透镜10汇聚到待测样品1上，以及待测样品1产生的拉曼光也可以通过聚焦透镜10照射到二向色镜5上。

拉曼滤光组6对经过二向色镜5的拉曼光进行过滤。其中，拉曼滤光组6包括不少于2个的拉曼滤波片11，透过二向色镜5的拉曼光依次经过每个拉曼滤波片11。在本具体实施例中优选设置2个拉曼滤波片11。

经拉曼滤光组6过滤后的拉曼光进入AOTF7中，AOTF7快速、动态地选择特定波长的拉曼光后，将特定波长的拉曼光传递到中阶梯光栅8。在本具体实施例中，在AOTF7和中阶梯光栅8之间沿光路方向依次设置有棱镜12、第一准直透镜13、狭缝14和第一自由曲面反射镜15。其中，AOTF7快速选择的特定波长的拉曼光经过棱镜12后传播方向发生改变，完成对AOTF7输出的拉曼光的传播方向的校正。从棱镜12射出的拉曼光经过第一准直透镜13后进入狭缝14。狭缝14放置在第一准直透镜13的焦平面处，过滤掉拉曼光中的杂散光，以提高系统整体的分辨率。从狭缝14出射的拉曼光被第一自由曲面反射镜15反射到中阶梯光栅8上。

中阶梯光栅8对照射的拉曼光进行衍射，衍射后的拉曼光进入探测器9中，得到拉曼光谱。其中，拉曼光照射到中阶梯光栅8上，中阶梯光栅8会在满足李特洛条件下(入射角i等于衍射角φ等于闪耀角θ)使用，从而获得较高的衍射效率。在本具体实施例中，在中阶梯光栅8和探测器之间设置有第二自由曲面反射镜16，经中阶梯光栅8衍射后的拉曼光被第二自由曲面反射镜16反射并聚焦到探测器9中。

在本具体实施例中，可调谐激光器4发射不同波长的点状激光，配合拉曼光谱仪可完成拉曼光的光谱测量。

具体实施例2：

如图2所示，可调谐激光模块包括可调谐激光器4、扩束透镜17、第二准直透镜18和柱面镜19。其中，可调谐激光器4发射不同波长的点状激光，点状激光依次经过扩束透镜17、第二准直透镜18和柱面镜19后，形成的线状激光照射到待测样品1上形成相应的拉曼光。本具体实施例中的拉曼光谱仪与具体实施例1中的拉曼光谱仪结构一致，此处不再赘述。

在本具体实施例中，可调谐激光模块发射线状激光照射待测样品1后产生拉曼光，电动位移台2带动待测样品1做步进移动，在每次步进后利用拉曼光谱仪测量一次拉曼光谱，将多次步进后测得的拉曼光谱进行整合，完成对待测样品1的拉曼成像。

一种基于可调谐激光的探测方法，适用于本发明提供的基于可调谐激光的探测系统，如图3所示，包括以下步骤：

S1：控制可调谐激光模块向待测样品发射不同波长的点状激光，得到待测样品1产生的拉曼光对应的拉曼光谱。其中，可调谐激光模块包括能发射不同波长的点状激光的可调谐激光器4。

S2：将所有的拉曼光谱进行分组，每组拉曼光谱包括两个不同的拉曼光谱。

S3：计算每组拉曼光谱的差值得到每组拉曼光谱的差分拉曼光谱，再计算所有差分拉曼光谱的谱线的平均值，得到最终的差分拉曼光谱。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：包括可调谐激光模块和拉曼光谱仪；其中，所述可调谐激光模块向待测样品发射不同波长的激光；所述待测样品受到不同波长的激光的激发后产生对应的拉曼光；所述拉曼光在所述拉曼光谱仪中形成对应的拉曼光谱；

所述拉曼光谱仪包括二向色镜、拉曼滤光组、AOTF、中阶梯光栅和探测器；其中，可调谐激光模块发出的不同波长的激光被所述二向色镜反射到所述待测样品上；所述待测样品产生的拉曼光透过所述二向色镜进入所述拉曼滤光组中，所述拉曼滤光组对输入的拉曼光进行过滤；过滤后的拉曼光进入所述AOTF中；所述AOTF从输入的拉曼光中选择特定波长的拉曼光后，将特定波长的拉曼光传递到所述中阶梯光栅上；特定波长的拉曼光在所述中阶梯光栅上发生衍射，衍射后的拉曼光进入所述探测器中，得到所述拉曼光谱；

所述可调谐激光模块包括可调谐激光器、扩束透镜、准直透镜和柱面镜；其中，所述可调谐激光器发射不同波长的点状激光，所述点状激光依次经过所述扩束透镜、所述准直透镜和所述柱面镜后，形成的线状激光照射到所述待测样品上形成相应的拉曼光。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：所述拉曼滤光组包括不少于2个的拉曼滤波片，透过所述二向色镜的拉曼光依次经过每个拉曼滤波片。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：在所述待测样品和所述二向色镜之间设置有聚焦透镜，且所述待测样品位于所述聚焦透镜的焦平面处。

4.根据权利要求1所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：在所述AOTF和所述中阶梯光栅之间设置有棱镜，使所述AOTF选择的特定波长的拉曼光经过所述棱镜后传播方向发生改变。

5.根据权利要求4所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：在所述棱镜和所述中阶梯光栅之间设置有第一自由曲面反射镜，在所述中阶梯光栅和所述探测器之间设置有第二自由曲面反射镜，经过所述棱镜的拉曼光被所述第一自由曲面反射镜反射到所述中阶梯光栅上；经所述中阶梯光栅衍射后的拉曼光被所述第二自由曲面反射镜反射并聚焦到所述探测器中。

6.根据权利要求1所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：还包括载物平台；其中，所述载物平台包括电动位移台，所述待测样品设置在所述电动位移台上。

7.根据权利要求6所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：所述可调谐激光模块包括可调谐激光器；其中，所述可调谐激光器向所述待测样品发射不同波长的点状激光，所述待测样品经所述点状激光激发后产生相应的拉曼光。

8.一种基于可调谐激光的探测方法，适用于如权利要求7所述的基于可调谐激光的探测系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1：控制所述可调谐激光模块向所述待测样品发射不同波长的点状激光，得到所述待测样品产生的拉曼光对应的拉曼光谱；

S2：将所有的拉曼光谱进行分组，每组拉曼光谱包括两个不同的拉曼光谱；

S3：计算每组拉曼光谱的差值得到每组拉曼光谱的差分拉曼光谱，再计算所有差分拉曼光谱的平均值，得到最终的差分拉曼光谱。