基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法
2023-05-21 07:19:21 1
專利名稱：基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法
基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法
技術領域：
本發明涉及一種化學分析和光電信號處理方法，特別是一種基於多波長激發的
拉曼光譜的螢光消除方法。
背景技術：
拉曼光譜技術是一種非破壞性測試技術，它適用於物質的各種物理形態，其應用範圍包括材料、化工、生物醫學、環保、考古、地質，以致商貿和刑事司法等。光照射到物質上有三種去向， 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相同的直接反射光，還包括部分與入射光波長不相同、波長變化與物質分子性質有關的光，其中，拉曼光由分子振動和轉動導致的波長變化引起，螢光和磷光由物質被入射光激發導致的能級躍遷釋放引起。對於拉曼光而言，螢光是最嚴重的幹擾背景，有時會完全將拉曼光覆蓋，以致測量失敗。 拉曼光譜設備過去一直比較昂貴，直到近年來雷射技術發展成熟，特別是陣列感光元件的使用，才使得應用取得突破性進展。但是由於螢光幹擾，使得紫外-可見光拉曼光譜的使用受到限制，作為一般規律，通常遇到的物質中，能夠吸收光子產生電子激發態的那些物質所佔百分比隨增大波長而減小，因此，近紅外拉曼光譜在螢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採用。 但是陣列式感光元件在紫外-可見段有更好的性能，在光譜解析度、設備成熟度和價格優勢明顯，如果解決螢光背景問題，那麼，無論是從儀器性能還是市場表現，紫外-可見拉曼將比近紅外拉曼具備更大的優勢。 現有的螢光背景處理採用的是樣條擬合、傅立葉變換、小波變換等基線校正方法，基於基線校正方法，從原理上可以看出無法保證拉曼光譜純淨；也有採用螢光直接減除，但是螢光光譜遠不如拉曼光譜穩定，測量條件對光譜形狀有很大影響，很少有螢光光譜彙編，不具備實用價值。在實際應用中，普遍採用的還是調整激發波長至不產生螢光區域，從而繞過螢光產生的被動方法，然而，對於固定檢測範圍的微小型拉曼光譜儀是難以實現的解決方案。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，該方法能方便、低成本、有效地消除螢光幹擾，從而得到純淨的拉曼光譜。
本發明解決上述技術問題的技術方案是 一種基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，該方法是通過雷射光源依次產生的多個相近波長激發光照射到同一被測樣品上，依次激發出不同的、由螢光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀採集到各個混合光譜信號，以光強度為縱坐標，激發光波長為原點，頻移波數為橫坐標，對齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號幅度，得到經過橫坐標對齊和縱坐標幅度校正的光譜；然後，求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為螢光信號的差分值，差分步長為兩相互差減的混合信號的激發光波長之差，計算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長得到的是螢光背景值與一個常數的和，最後從混合光譜中扣除該螢光背景值，即可分離出純淨的拉曼光譜，實現拉曼光譜的螢光消除目的。 本發明的進一步技術方案是所述的雷射光源採用半導體雷射器，並採用控制半導體雷射器溫度的方式調整雷射波長。 所述的雷射光源的波長漂移範圍控制在1 2nm之間。
本發明的基本原理是 用雷射照射被測材料會產生拉曼效應和螢光效應，在雷射拉曼光譜中，螢光會對拉曼散射產生幹擾。對於固定樣品，其螢光波長總是大於激發光波長，如果某一波長的激發光能夠激發螢光，該螢光的發射光譜形狀與激發波長無關，即螢光的波長處於"絕對"位置；而拉曼光譜目前總是取大於激發光波長的斯託克斯散射，拉曼光譜的橫向坐標通常採用"相對"於激發光波長偏移的波數，同一樣品，拉曼頻移"相對"於激發光波長是固定的。當改變激發光波長時，螢光的形狀和位置不改變，而拉曼光譜隨激發光波長移動，但頻移波數不變。 本發明採用多個不同波長雷射激發方式，利用螢光和拉曼光對激發光的不同響應將螢光信號從混合信號中分離，達到消除螢光的目的。在不同波長雷射激發的螢光和拉曼光中，相近激發波長不會導致螢光發射波長改變，但不同激發波長產生的拉曼遷移波數固定，即拉曼光譜的波長隨激發波長改變，此差異可用於螢光和拉曼信號的分離。
由於採用了上述技術方案，本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法具有以下有益效果 1、方法合理，能有效地消除背景螢光 由於本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法是從散射光形成機理上實現螢光扣除，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，所得到的拉曼信號更純淨、準確，可以充分發揮紫外-可見波段拉曼光譜測量的高靈敏度、高解析度、設備成熟度以及低成本的優勢。
2、成本低: 由於本發明並未增加任何光路，可以沿用目前的儀器設備，僅需在雷射光源設
置溫控裝置即可實現多波長的激發，光譜信號採集後，通過本發明提出的數據處理步
驟，即可通過軟體方法實現混合光譜中拉曼光譜的純化，因而不會提高儀器的製造難度
和生產成本。
3、使用方便 可將依據本發明編制的拉曼光譜螢光消除程序，集成至各廠家拉曼光譜儀的驅動程序或數據處理程序，不需要調整現有儀器的使用步驟，因此，本發明在操作步驟上簡單易行，使用起來非常方便。
4、對環境要求低，易於推廣應用。 下面，結合附圖和實施例對本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法的技術特徵作進一步的說明。
圖1 :本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法中實際測量的混合 光譜與純拉曼光譜、背景螢光光譜之間的關係示意圖； 圖2 :本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法的流程框圖；
圖3 圖7 :本發明之基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法的原理圖，
圖3:實際測得的混合光譜示意圖，圖4:各混合光譜對齊後的示意圖，
圖5 :光譜差分圖， 圖6 :逆差分得到的螢光光譜示意圖， 圖7 :扣除螢光背景後的純拉曼光譜示意具體實施方式
實施例一 —種基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，該方法是通過雷射光源半導 體雷射器依次產生的多個相近波長激發光照射到同一被測樣品上，依次激發出不同的、 由螢光和拉曼光組成的混合光譜；陣列式感光光譜儀採集到各個混合光譜信號，以光強 度為縱坐標，激發光波長為原點，頻移波數為橫坐標，對齊各混合光譜，通過全光譜積 分值歸一化校正光譜信號幅度，得到經過橫坐標對齊和縱坐標幅度校正的光譜；然後， 求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為螢光信號的差分值，差分步長為兩相互差減的 混合信號的激發光波長之差，計算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長得到的是 螢光背景值與一個常數的和，最後從混合光譜中扣除該螢光背景值，即可分離出純淨的 拉曼光譜，實現拉曼光譜的螢光消除目的(流程框圖參見圖2)。 本發明採用控制半導體雷射器溫度的方式調整雷射波長，即是將目前半導體 雷射器上單固定溫度點控溫調整為多點控溫，雷射器由單點準確波長調整為多點雷射
波長；由於所述的雷射光源半導體雷射器的管芯溫度每變化rc，激發光波長變化約
0.3nm，因此可通過多點溫控準確調整溫度，改變激發光波長。 另外，由於較小的波長漂移對螢光和拉曼光的激發效率無顯著影響，因此本發 明將雷射光源的波長漂移範圍控制在1 2nm之間。 本發明所述基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法的具體原理如下
通過雷射光源半導體雷射器依次產生a波長的激發光、b波長的激發光照射到同 一被測樣品上，依次激發出混合光譜H，該混合光譜H由背景螢光光譜Y和純拉曼光譜 L疊加而成(如圖l所示)，通常螢光是構成背景的主體，其中由a波長的激發光激發的 混合光譜為混合光譜H1，由b波長的激發光激發的混合光譜為混合光譜H2;陣列式感光 光譜儀採集到混合光譜信號後，建立光譜坐標，即分別以激發光波長a、 b為原點，頻移 波數為橫坐標，光強度為縱坐標；所述的混合光譜H1信號和混合光譜H2信號在形狀上 存在差異(如圖3所示)混合光譜Hl的第一波峰至激發光波長a之間的頻移波數為A 波數l，第二波峰至第一波峰之間的頻移波數為A波數2，第三波峰至第二波峰之間的頻 移波數為A波數3 ;混合光譜H2的第一波峰至激發光波長b之間的頻移波數為A波數 1'，第二波峰至第一波峰之間的頻移波數為A波數2'，第三波峰至第二波峰之間的頻 移波數為A波數3'。 對齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號幅度，即是將混合光譜HI平移|a-b|波長，使A波數1與A波數1'對齊，A波數2與A波數2'對齊， A波數3與A波數3'對齊，得到經過橫坐標對齊和縱坐標幅度校正的光譜，此時螢光 背景出現平移(參見圖4); 求取各混合光譜在相同頻移位置的差值，該差值即為螢光信號的差分值，差分 步長為兩相鄰激發光波長之差，即差分步長為la-bl波長(單位為nm)，或|l/a-l/b|X 107 波數(單位為cm—參見圖5)。 計算上述差分值的逆差分，然後將該逆差分除以差分步長得到螢光背景值與一 個常數的和，從而得出螢光背景值(參見圖6)。 最後從混合光譜中扣除該螢光背景值，即可分離出純淨的拉曼光譜(參見圖7)， 從而實現拉曼光譜的螢光消除的目的。 作為本實施例的一種變換，所述的雷射光源也可以採用其它結構的雷射光源， 同樣地，所述的光譜儀也可以採用其它結構的光譜儀。
權利要求
一種基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，其特徵在於該方法是通過雷射光源依次產生的多個相近波長激發光照射到同一被測樣品上，依次激發出不同的、由螢光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀採集到各個混合光譜信號，以光強度為縱坐標，激發光波長為原點，頻移波數為橫坐標，對齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號幅度，得到經過橫坐標對齊和縱坐標幅度校正的光譜；然後，求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為螢光信號的差分值，差分步長為兩相互差減的混合信號的激發光波長之差，計算該差分值的逆差分，該逆差分除以差分步長得到的是螢光背景值與一個常數的和，最後從混合光譜中扣除該螢光背景值，即可分離出純淨的拉曼光譜，實現拉曼光譜的螢光消除目的。
2. 根據權利要求1所述的基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，其特徵在於 所述的雷射光源採用半導體雷射器，並採用控制半導體雷射器溫度的方式調整雷射波 長。
3. 根據權利要求1或2所述的基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，其特徵在 於所述的雷射光源的波長漂移範圍控制在1 2nm之間。
全文摘要
一種基於多波長激發的拉曼光譜的螢光消除方法，涉及一種化學分析和光電信號處理方法，它是通過雷射光源依次產生的多個相近波長雷射照射到同一被測樣品上，依次激發出由螢光和拉曼光組成的混合光譜；光譜儀採集到各混合光譜信號，對齊各混合光譜，通過全光譜積分值歸一化校正光譜信號幅度，得到經過橫坐標對齊和縱坐標幅度校正的光譜；求取各混合光譜兩兩間差值，該差值即為螢光信號的差分值，計算該差分值的逆差分，逆差分除以差分步長得到的是螢光背景值與一個常數的和，最後從混合光譜中扣除該螢光背景值，即可分離出純淨的拉曼光譜，實現拉曼光譜的螢光消除目的。本發明方法合理，能有效地消除背景螢光，而且成本低、使用方便，易於推廣使用。
文檔編號G01N21/63GK101692045SQ20091030897
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者姚志湘, 粟暉 申請人:廣西工學院