專利名稱：基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法
基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)分析和光電信號(hào)處理方法，特別是一種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的
拉曼光譜的熒光消除方法。
背景技術(shù)：
拉曼光譜技術(shù)是一種非破壞性測(cè)試技術(shù)，它適用于物質(zhì)的各種物理形態(tài)，其應(yīng)用范圍包括材料、化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、考古、地質(zhì)，以致商貿(mào)和刑事司法等。光照射到物質(zhì)上有三種去向， 一部分被透射， 一部分被吸收，還有一部分被反射或散射；散射光中包括與入射光波長(zhǎng)相同的直接反射光，還包括部分與入射光波長(zhǎng)不相同、波長(zhǎng)變化與物質(zhì)分子性質(zhì)有關(guān)的光，其中，拉曼光由分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的波長(zhǎng)變化引起，熒光和磷光由物質(zhì)被入射光激發(fā)導(dǎo)致的能級(jí)躍遷釋放引起。對(duì)于拉曼光而言，熒光是最嚴(yán)重的干擾背景，有時(shí)會(huì)完全將拉曼光覆蓋，以致測(cè)量失敗。 拉曼光譜設(shè)備過去一直比較昂貴，直到近年來激光技術(shù)發(fā)展成熟，特別是陣列感光元件的使用，才使得應(yīng)用取得突破性進(jìn)展。但是由于熒光干擾，使得紫外-可見光拉曼光譜的使用受到限制，作為一般規(guī)律，通常遇到的物質(zhì)中，能夠吸收光子產(chǎn)生電子激發(fā)態(tài)的那些物質(zhì)所占百分比隨增大波長(zhǎng)而減小，因此，近紅外拉曼光譜在熒光背景方面所遇到的困難較小，目前近紅外拉曼光譜被更多推薦和采用。 但是陣列式感光元件在紫外-可見段有更好的性能，在光譜分辨率、設(shè)備成熟度和價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，如果解決熒光背景問題，那么，無(wú)論是從儀器性能還是市場(chǎng)表現(xiàn)，紫外-可見拉曼將比近紅外拉曼具備更大的優(yōu)勢(shì)。 現(xiàn)有的熒光背景處理采用的是樣條擬合、傅里葉變換、小波變換等基線校正方法，基于基線校正方法，從原理上可以看出無(wú)法保證拉曼光譜純凈；也有采用熒光直接減除，但是熒光光譜遠(yuǎn)不如拉曼光譜穩(wěn)定，測(cè)量條件對(duì)光譜形狀有很大影響，很少有熒光光譜匯編，不具備實(shí)用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用的還是調(diào)整激發(fā)波長(zhǎng)至不產(chǎn)生熒光區(qū)域，從而繞過熒光產(chǎn)生的被動(dòng)方法，然而，對(duì)于固定檢測(cè)范圍的微小型拉曼光譜儀是難以實(shí)現(xiàn)的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，該方法能方便、低成本、有效地消除熒光干擾，從而得到純凈的拉曼光譜。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是 一種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，該方法是通過激光光源依次產(chǎn)生的多個(gè)相近波長(zhǎng)激發(fā)光照射到同一被測(cè)樣品上，依次激發(fā)出不同的、由熒光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀采集到各個(gè)混合光譜信號(hào)，以光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，激發(fā)光波長(zhǎng)為原點(diǎn)，頻移波數(shù)為橫坐標(biāo)，對(duì)齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號(hào)幅度，得到經(jīng)過橫坐標(biāo)對(duì)齊和縱坐標(biāo)幅度校正的光譜；然后，求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為熒光信號(hào)的差分值，差分步長(zhǎng)為兩相互差減的混合信號(hào)的激發(fā)光波長(zhǎng)之差，計(jì)算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長(zhǎng)得到的是熒光背景值與一個(gè)常數(shù)的和，最后從混合光譜中扣除該熒光背景值，即可分離出純凈的拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的熒光消除目的。 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述的激光光源采用半導(dǎo)體激光器，并采用控制半導(dǎo)體激光器溫度的方式調(diào)整激光波長(zhǎng)。 所述的激光光源的波長(zhǎng)漂移范圍控制在1 2nm之間。
本發(fā)明的基本原理是 用激光照射被測(cè)材料會(huì)產(chǎn)生拉曼效應(yīng)和熒光效應(yīng)，在激光拉曼光譜中，熒光會(huì)對(duì)拉曼散射產(chǎn)生干擾。對(duì)于固定樣品，其熒光波長(zhǎng)總是大于激發(fā)光波長(zhǎng)，如果某一波長(zhǎng)的激發(fā)光能夠激發(fā)熒光，該熒光的發(fā)射光譜形狀與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即熒光的波長(zhǎng)處于"絕對(duì)"位置；而拉曼光譜目前總是取大于激發(fā)光波長(zhǎng)的斯托克斯散射，拉曼光譜的橫向坐標(biāo)通常采用"相對(duì)"于激發(fā)光波長(zhǎng)偏移的波數(shù)，同一樣品，拉曼頻移"相對(duì)"于激發(fā)光波長(zhǎng)是固定的。當(dāng)改變激發(fā)光波長(zhǎng)時(shí)，熒光的形狀和位置不改變，而拉曼光譜隨激發(fā)光波長(zhǎng)移動(dòng)，但頻移波數(shù)不變。 本發(fā)明采用多個(gè)不同波長(zhǎng)激光激發(fā)方式，利用熒光和拉曼光對(duì)激發(fā)光的不同響應(yīng)將熒光信號(hào)從混合信號(hào)中分離，達(dá)到消除熒光的目的。在不同波長(zhǎng)激光激發(fā)的熒光和拉曼光中，相近激發(fā)波長(zhǎng)不會(huì)導(dǎo)致熒光發(fā)射波長(zhǎng)改變，但不同激發(fā)波長(zhǎng)產(chǎn)生的拉曼遷移波數(shù)固定，即拉曼光譜的波長(zhǎng)隨激發(fā)波長(zhǎng)改變，此差異可用于熒光和拉曼信號(hào)的分離。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法具有以下有益效果 1、方法合理，能有效地消除背景熒光 由于本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法是從散射光形成機(jī)理上實(shí)現(xiàn)熒光扣除，比較目前的基線擬合扣除，從原理上避免了直接基線扣除的盲目性，不論是合理性，還是有效性都有較大提高，所得到的拉曼信號(hào)更純凈、準(zhǔn)確，可以充分發(fā)揮紫外-可見波段拉曼光譜測(cè)量的高靈敏度、高分辨率、設(shè)備成熟度以及低成本的優(yōu)勢(shì)。
2、成本低: 由于本發(fā)明并未增加任何光路，可以沿用目前的儀器設(shè)備，僅需在激光光源設(shè)
置溫控裝置即可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的激發(fā)，光譜信號(hào)采集后，通過本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)處理步
驟，即可通過軟件方法實(shí)現(xiàn)混合光譜中拉曼光譜的純化，因而不會(huì)提高儀器的制造難度
和生產(chǎn)成本。
3、使用方便 可將依據(jù)本發(fā)明編制的拉曼光譜熒光消除程序，集成至各廠家拉曼光譜儀的驅(qū)動(dòng)程序或數(shù)據(jù)處理程序，不需要調(diào)整現(xiàn)有儀器的使用步驟，因此，本發(fā)明在操作步驟上簡(jiǎn)單易行，使用起來非常方便。
4、對(duì)環(huán)境要求低，易于推廣應(yīng)用。 下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法的技術(shù)特征作進(jìn)一步的說明。


圖1 :本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法中實(shí)際測(cè)量的混合 光譜與純拉曼光譜、背景熒光光譜之間的關(guān)系示意圖； 圖2 :本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法的流程框圖；
圖3 圖7 :本發(fā)明之基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法的原理圖，
圖3:實(shí)際測(cè)得的混合光譜示意圖，圖4:各混合光譜對(duì)齊后的示意圖，
圖5 :光譜差分圖， 圖6 :逆差分得到的熒光光譜示意圖， 圖7 :扣除熒光背景后的純拉曼光譜示意具體實(shí)施方式
實(shí)施例一 —種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，該方法是通過激光光源半導(dǎo) 體激光器依次產(chǎn)生的多個(gè)相近波長(zhǎng)激發(fā)光照射到同一被測(cè)樣品上，依次激發(fā)出不同的、 由熒光和拉曼光組成的混合光譜；陣列式感光光譜儀采集到各個(gè)混合光譜信號(hào)，以光強(qiáng) 度為縱坐標(biāo)，激發(fā)光波長(zhǎng)為原點(diǎn)，頻移波數(shù)為橫坐標(biāo)，對(duì)齊各混合光譜，通過全光譜積 分值歸一化校正光譜信號(hào)幅度，得到經(jīng)過橫坐標(biāo)對(duì)齊和縱坐標(biāo)幅度校正的光譜；然后， 求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為熒光信號(hào)的差分值，差分步長(zhǎng)為兩相互差減的 混合信號(hào)的激發(fā)光波長(zhǎng)之差，計(jì)算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長(zhǎng)得到的是 熒光背景值與一個(gè)常數(shù)的和，最后從混合光譜中扣除該熒光背景值，即可分離出純凈的 拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的熒光消除目的(流程框圖參見圖2)。 本發(fā)明采用控制半導(dǎo)體激光器溫度的方式調(diào)整激光波長(zhǎng)，即是將目前半導(dǎo)體 激光器上單固定溫度點(diǎn)控溫調(diào)整為多點(diǎn)控溫，激光器由單點(diǎn)準(zhǔn)確波長(zhǎng)調(diào)整為多點(diǎn)激光
波長(zhǎng)；由于所述的激光光源半導(dǎo)體激光器的管芯溫度每變化rc，激發(fā)光波長(zhǎng)變化約
0.3nm，因此可通過多點(diǎn)溫控準(zhǔn)確調(diào)整溫度，改變激發(fā)光波長(zhǎng)。 另外，由于較小的波長(zhǎng)漂移對(duì)熒光和拉曼光的激發(fā)效率無(wú)顯著影響，因此本發(fā) 明將激光光源的波長(zhǎng)漂移范圍控制在1 2nm之間。 本發(fā)明所述基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法的具體原理如下
通過激光光源半導(dǎo)體激光器依次產(chǎn)生a波長(zhǎng)的激發(fā)光、b波長(zhǎng)的激發(fā)光照射到同 一被測(cè)樣品上，依次激發(fā)出混合光譜H，該混合光譜H由背景熒光光譜Y和純拉曼光譜 L疊加而成(如圖l所示)，通常熒光是構(gòu)成背景的主體，其中由a波長(zhǎng)的激發(fā)光激發(fā)的 混合光譜為混合光譜H1，由b波長(zhǎng)的激發(fā)光激發(fā)的混合光譜為混合光譜H2;陣列式感光 光譜儀采集到混合光譜信號(hào)后，建立光譜坐標(biāo)，即分別以激發(fā)光波長(zhǎng)a、 b為原點(diǎn)，頻移 波數(shù)為橫坐標(biāo)，光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)；所述的混合光譜H1信號(hào)和混合光譜H2信號(hào)在形狀上 存在差異(如圖3所示)混合光譜Hl的第一波峰至激發(fā)光波長(zhǎng)a之間的頻移波數(shù)為A 波數(shù)l，第二波峰至第一波峰之間的頻移波數(shù)為A波數(shù)2，第三波峰至第二波峰之間的頻 移波數(shù)為A波數(shù)3 ;混合光譜H2的第一波峰至激發(fā)光波長(zhǎng)b之間的頻移波數(shù)為A波數(shù) 1'，第二波峰至第一波峰之間的頻移波數(shù)為A波數(shù)2'，第三波峰至第二波峰之間的頻 移波數(shù)為A波數(shù)3'。 對(duì)齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號(hào)幅度，即是將混合光譜HI平移|a-b|波長(zhǎng)，使A波數(shù)1與A波數(shù)1'對(duì)齊，A波數(shù)2與A波數(shù)2'對(duì)齊， A波數(shù)3與A波數(shù)3'對(duì)齊，得到經(jīng)過橫坐標(biāo)對(duì)齊和縱坐標(biāo)幅度校正的光譜，此時(shí)熒光 背景出現(xiàn)平移(參見圖4); 求取各混合光譜在相同頻移位置的差值，該差值即為熒光信號(hào)的差分值，差分 步長(zhǎng)為兩相鄰激發(fā)光波長(zhǎng)之差，即差分步長(zhǎng)為la-bl波長(zhǎng)(單位為nm)，或|l/a-l/b|X 107 波數(shù)(單位為cm—參見圖5)。 計(jì)算上述差分值的逆差分，然后將該逆差分除以差分步長(zhǎng)得到熒光背景值與一 個(gè)常數(shù)的和，從而得出熒光背景值(參見圖6)。 最后從混合光譜中扣除該熒光背景值，即可分離出純凈的拉曼光譜(參見圖7)， 從而實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的熒光消除的目的。 作為本實(shí)施例的一種變換，所述的激光光源也可以采用其它結(jié)構(gòu)的激光光源， 同樣地，所述的光譜儀也可以采用其它結(jié)構(gòu)的光譜儀。
權(quán)利要求
一種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，其特征在于該方法是通過激光光源依次產(chǎn)生的多個(gè)相近波長(zhǎng)激發(fā)光照射到同一被測(cè)樣品上，依次激發(fā)出不同的、由熒光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀采集到各個(gè)混合光譜信號(hào)，以光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，激發(fā)光波長(zhǎng)為原點(diǎn)，頻移波數(shù)為橫坐標(biāo)，對(duì)齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號(hào)幅度，得到經(jīng)過橫坐標(biāo)對(duì)齊和縱坐標(biāo)幅度校正的光譜；然后，求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為熒光信號(hào)的差分值，差分步長(zhǎng)為兩相互差減的混合信號(hào)的激發(fā)光波長(zhǎng)之差，計(jì)算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長(zhǎng)得到的是熒光背景值與一個(gè)常數(shù)的和，最后從混合光譜中扣除該熒光背景值，即可分離出純凈的拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的熒光消除目的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，其特征在于 所述的激光光源采用半導(dǎo)體激光器，并采用控制半導(dǎo)體激光器溫度的方式調(diào)整激光波 長(zhǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，其特征在 于所述的激光光源的波長(zhǎng)漂移范圍控制在1 2nm之間。
全文摘要
一種基于多波長(zhǎng)激發(fā)的拉曼光譜的熒光消除方法，涉及一種化學(xué)分析和光電信號(hào)處理方法，它是通過激光光源依次產(chǎn)生的多個(gè)相近波長(zhǎng)激光照射到同一被測(cè)樣品上，依次激發(fā)出由熒光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀采集到各混合光譜信號(hào)，對(duì)齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號(hào)幅度，得到經(jīng)過橫坐標(biāo)對(duì)齊和縱坐標(biāo)幅度校正的光譜；求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為熒光信號(hào)的差分值，計(jì)算該差分值的逆差分，逆差分除以差分步長(zhǎng)得到的是熒光背景值與一個(gè)常數(shù)的和，最后從混合光譜中扣除該熒光背景值，即可分離出純凈的拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的熒光消除目的。本發(fā)明方法合理，能有效地消除背景熒光，而且成本低、使用方便，易于推廣使用。
文檔編號(hào)G01N21/63GK101692045SQ20091030897
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者姚志湘, 粟暉 申請(qǐng)人:廣西工學(xué)院