CN106404744A - 一种便携式指向性拉曼光谱采集***及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式指向性拉曼光谱采集***及采集方法，此***包括：拉曼光谱采集装置(1)、成像照明光源(2)、光信号视频显示装置(3)、移动平台(4)、夹持器(5)、样品容纳装置(6)。拉曼光谱采集装置(1)包括激光器和光谱分析器。成像照明光源(2)的光线照射至样品容纳装置(6)的样品容纳空间或者成像照明光源(2)的光线通过拉曼光谱采集装置(1)中光学***传输至拉曼光谱采集装置(1)的采集点上；光信号视频显示装置(3)包括成像相机和图像显示屏。本发明的方案无需对测量仪器内部光路及测量模式做任何改变，技术成本低，适用性高；采样范围大，结果可靠性高，特别适用于混合物及稀疏样品的采样。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测技术领域，尤其涉及一种便携式指向性拉曼光谱采集***及采集方法。
背景技术
激光激发光谱探测技术包括拉曼光谱探测技术、荧光光谱探测技术和等离子体光谱探测技术等。激光光源作为这些光学现象的激发光源，其性能特点例如功率、发散角、波长、半峰宽等将直接影响相应探测器的综合性能。基于光栅/棱镜的光谱分析仪是目前使用最为广泛的光谱探测设备，其光学结构主要包括：狭缝、准直光学***、光栅/棱镜、收集光学***、探测器/探测器阵列；激光器种类繁多，有半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等。
传统的手持式拉曼光谱仪，激光束集中在一个小点上，这样就导致捕捉到的信息仅仅是样品的一小部分。于是在实践中，就必须对测量结果的准确性进行妥协，不均匀样品的测量结果的准确性的误差比均匀样品的测量结果的误差更大。此外，随着激光的强度增大，会导致样品被加热甚至分解的情况发生。
发明内容
为了解决现有技术中单点盲目采集，采集效率低的问题，本发明提供了一种便携式指向性拉曼光谱采集***及采集方法。
本发明提供的便携式指向性拉曼光谱采集***，包括：拉曼光谱采集装置、成像照明光源、光信号视频显示装置、移动平台、夹持器、样品容纳装置；
所述拉曼光谱采集装置包括激光器和光谱分析器，所述拉曼光谱采集装置的采集点对应于所述样品容纳装置的样品容纳空间内；
成像照明光源的光线照射至所述样品容纳装置的样品容纳空间或者所述成像照明光源的光线通过所述拉曼光谱采集装置中光学***传输至所述拉曼光谱采集装置的所述采集点上；
所述光信号视频显示装置包括成像相机和图像显示屏，所述成像相位用于采集所述拉曼光谱采集装置的样品成像焦平面内的光信号，将所述光信号转换为图像电信号，输入至用于显示所述图像电信号的所述图像显示屏；
所述移动平台包括用于手动调节所述移动平台位置的螺纹式的位置调节器或者用于电动调节所述移动平台位置的电动式的位置调节器；
所述夹持器固定于所述移动平台上，所述样品容纳装置固定于所述夹持器内。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述样品容纳装置为样品瓶，所述夹持器为瓶夹持器；所述夹持器为用于加预设尺寸范围内的柱状物体的夹持结构。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述夹持器为包括至少三个可伸缩弹簧片的定心夹持器或者为三角抓盘自定心夹持器。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述样品容纳装置为擦拭片，所述擦拭片包括用于粘接样品的粘接区；所述夹持器包括擦拭片槽，所述擦拭片插接于所述擦拭片槽内。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述拉曼光谱采集装置包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头、第一汇聚透镜、分束镜、第二汇聚透镜、第三汇聚成像透镜；其中，所述采样头的激光光束汇聚焦点与所述第一汇聚透镜的汇聚焦点重合，所述第一汇聚透镜将从汇聚焦点处发射的光束进行准直后输入至所述分束镜，所述分束镜将光束透射至所述第二汇聚透镜，所述第二汇聚透镜将接收到的激光光束进行汇聚，所述第二汇聚透镜的焦点为所述拉曼光谱采集装置的所述采集点；所述第二汇聚透镜还将所述第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至所述分束镜，所述分束镜将从所述第二汇聚透镜接收到的可见光成像光束反射至所述第三汇聚成像透镜，所述第三汇聚成像透镜将接收到的光束汇聚至所述样品成像焦平面内，同时所述分束镜透射从所述第二汇聚透镜接收到的拉曼光谱信号至所述第一汇聚透镜处，并输入到所述采样头。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述拉曼光谱采集装置包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头、分束镜、第二汇聚透镜、第三汇聚成像透镜；其中，所述采样头输出平行的激光光束，所述分束镜将激光光束透射至所述第二汇聚透镜，所述第二汇聚透镜将接收到的激光光束进行汇聚，所述第二汇聚透镜的焦点为所述拉曼光谱采集装置采集点；所述第二汇聚透镜还将所述第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至所述分束镜，所述分束镜将从所述第二汇聚透镜接收到的光束反射至所述第三汇聚成像透镜，所述第三汇聚成像透镜将接收到的光束汇聚至所述样品成像焦平面内。
上述便携式指向性拉曼光谱采集***还具有以下特点：
所述拉曼光谱采集装置还包括设置于所述分束镜和所述第三汇聚成像透镜之间的与所述分束镜平行设置的第二半反半透分束镜；
所述成像照明光源位于所述第二半反半透分束镜的一侧；
所述成像照明光源的光源光线输入至所述第二半反半透分束镜，所述第二半反半透分束镜将接收到的光源光线反射至所述分束镜；所述第二半反半透分束镜还将从分束镜透射的光束透射至所述第三汇聚成像透镜。
本发明中使用上述的便携式指向性拉曼光谱采集***进行拉曼光谱采集的方法包括：
将样品放置于样品容纳装置，打开拉曼光谱采集装置的激光器，打开所述成像照明光源；
通过所述光信号视频显示装置显示样品的视频图像，通过拉曼光谱采集装置的光谱分析器显示样品的光谱信号；
根据所述光信号视频显示装置所显示的样品的视频图像和所述光谱分析器显示样品的光谱信号，调节所述移动平台的位置调节器，
上述方法还具有以下特点：
将样品放置于样品容纳装置包括：
所述样品容纳装置为样品瓶时，将样品放置于所述样品瓶中；
所述样品容纳装置擦拭片时，将样品粘接于所述擦拭片的粘接区，将擦拭片插接于所述夹持器的擦拭片卡槽中，并且使样品区域的中心与所述拉曼光谱采集装置的采集点所在的光轴同轴。
本发明应用视频成像技术，通过成像光信号视频显示的图像确定激光光束所对应的样品的位置，根据拉曼光谱仪的光谱信号来确认对应位置样品的成分，可以根据扫描需要调整移动平台，使激光光束扫描样品的不同位置进行拉曼光谱的精细测量，从而采集到更全面的样品信号，得到可靠的分析结果。
本发明的***可以作为各种拉曼光谱仪的配件使用，可实现采样点位置的精确瞄准，优点包括：
1、无需对测量仪器内部光路及测量模式做任何改变，技术成本低，适用性高；
2、采样范围大，结果可靠性高，特别适用于混合物及稀疏样品的采样；
3、精准检测，信号采集效率高。
附图说明
图1是实施例一中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；
图2是实施例二中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；
图3是实施例三中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；
图4是实施例四便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；
图5是实施例五便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；
图6是实施例中便携式指向性拉曼光谱采集方法的流程图；
图7是实施例中本发明的使用效果示意图。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明采用视频成像技术，通过成像光信号视频显示的图像确定激光光束所对应的样品的位置，根据拉曼光谱仪的光谱信号来确认对应位置样品的成分。下面通过多个实施例详细说明本发明。
实施例一
图1是实施例一中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；此***包括：拉曼光谱采集装置1、成像照明光源2、光信号视频显示装置3、移动平台4、夹持器5、样品容纳装置6。
拉曼光谱采集装置1包括激光器和光谱分析器，拉曼光谱采集装置1的采集点对应于样品容纳装置6的样品容纳空间内。
成像照明光源2的光线照射至样品容纳装置6的样品容纳空间或者成像照明光源2的光线通过拉曼光谱采集装置1中光学***传输至拉曼光谱采集装置1的所述采集点上。
光信号视频显示装置3包括成像相机和图像显示屏，成像相位用于采集拉曼光谱采集装置1的样品成像焦平面内的光信号，将光信号转换为图像电信号，输入至用于显示所图像电信号的图像显示屏。
移动平台4包括用于手动调节所述移动平台4位置的螺纹式的位置调节器或者用于电动调节移动平台4位置的电动式的位置调节器。
夹持器5固定于移动平台4上，样品容纳装置6固定于夹持器5内。
本实施例一中，拉曼光谱采集装置1包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头11、第一汇聚透镜12、分束镜13、第二汇聚透镜14、第三汇聚成像透镜15。其中，采样头11的激光光束汇聚焦点与第一汇聚透镜12的汇聚焦点重合，第一汇聚透镜12将从汇聚焦点处发射的光束进行准直后输入至分束镜13，分束镜13将光束透射至第二汇聚透镜14，第二汇聚透镜14将接收到的激光光束进行汇聚，第二汇聚透镜14的焦点为所述拉曼光谱采集装置的采集点；第二汇聚透镜14还将第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至分束镜13，分束镜13将从第二汇聚透镜14接收到的可见光成像光束反射至第三汇聚成像透镜15，第三汇聚成像透镜15将接收到的光束汇聚至样品成像焦平面内，同时分束镜13透射从第二汇聚透镜14接收到的拉曼光谱信号至所述第一汇聚透镜12处，并输入到采样头11。其中分束镜13与第一汇聚透镜12输出的光束的角度为45度，与第二汇聚透镜14输出的光束的角度也为45度，也可以是其他角度，其透射激光及拉曼光谱信号，反射部分可见光波段的光用于成像。
样品容纳装置6为样品瓶，夹持器5为瓶夹持器；夹持器5为用于加预设尺寸范围内的柱状物体的夹持结构。典型的，夹持器5为包括至少三个可伸缩弹簧片的定心夹持器或者为三角抓盘自定心夹持器。例如：夹持器5包括环形外框、均匀固定于环形外框上的至少三个夹持体，夹持体的固定端通过弹簧固定于环形外框上，处于非夹持状态时各夹持体的自由端集合于夹持器5的中心位置。
实施例二
图2是实施例二中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；实施例二与实施例一的不同之处在于拉曼光谱采集装置1中不包含第一汇聚透镜12。实施例二中的拉曼光谱采集装置1包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头11、分束镜13、第二汇聚透镜14、第三汇聚成像透镜15；其中，采样头11输出平行的激光光束，分束镜13将激光光束透射至第二汇聚透镜14，第二汇聚透镜14将接收到的激光光束进行汇聚，第二汇聚透镜14的焦点为所述拉曼光谱采集装置的采集点，第二汇聚透镜14还将第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至分束镜13，分束镜13将从第二汇聚透镜14接收到的光束反射至第三汇聚成像透镜15，第三汇聚成像透镜15将接收到的光束汇聚至所述样品成像焦平面内。
实施例三
图3是实施例三中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；实施例三与实施例一的不同之处在于样品容纳装置6的结构不同。实施例三中，样品容纳装置6为擦拭片，擦拭片包括用于粘接样品的粘接区，夹持器5包括擦拭片槽，擦拭片插接于擦拭片槽内。擦拭片的基底材料为金属、无荧光或低荧光的石英玻璃。擦拭片的粘接区的中心可以对应于擦拭片的中心，也可以不对应于擦拭片的中心，例如擦拭片的粘接区位于擦拭片的中心偏下位置，粘接区在未使用状态时粘贴有无荧光或低荧光的胶水或双面胶，并在胶水或双面胶覆盖有粘胶保护层，使用时去掉粘胶保护层，擦拭样品使样品粘接于粘接区即可。粘接区在擦拭片的位置设置需保证粘接区的中心与拉曼光谱采集装置1的采集点所在的光轴同轴，即与第二汇聚透镜14的汇聚侧的光轴同轴。
实施例四
图4是实施例四中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图；实施例四与实施例二的不同之处在于样品容纳装置6的结构不同。实施例四中样品容纳装置6为与实施例三中样品容纳装置6结构相同的装置。
上述实施例一至四均采用了直接照明的方式即成像照明光源2直接从侧方位照明被测样品的方式。实施例一至四中，成像照明光源2可以用单一光源，也可采用多个光源对称、环形排列在样品容纳装置6的侧方，并可加入散光片使样品处照明均匀。
以实施例一为例，改变实施例一的照明方式得到实施例五。
实施例五
图5是实施例四中便携式指向性拉曼光谱采集***的结构图。实施例五与实施一的不同之处在于照明方式的不同。实施例五中，拉曼光谱采集装置1还包括设置于分束镜13和第三汇聚成像透镜15之间的与分束镜13平行设置的第二半反半透分束镜16。成像照明光源2位于第二半反半透分束镜16的一侧。成像照明光源2的光源光线输入至第二半反半透分束镜16，第二半反半透分束镜16将接收到的光源光线反射至分束镜13、第二半反半透分束镜16还将从分束镜13透射的光束透射至第三汇聚成像透镜15。其中，成像照明光源2发射的光源光束通过第二汇聚透镜14汇聚至第一激光汇聚点101的样品处，由样品散射的光束经第二汇聚透镜14准直后通过分束镜13反射至第二半反半透分束镜16，部分光束经由第二半反半透分束镜16透射至第三汇聚成像透镜15，第三汇聚成像透镜15将光束汇聚至光信号视频显示装置3的光信号采集品的焦平面处。
实施例二、三、四中的照明方式均可以更改为实施五中所述的照明方式。此处不再重复描述。
图6是使用上述便携式指向性拉曼光谱采集***进行拉曼光谱采集的方法的流程图，此方法包括：将样品放置于样品容纳装置6内，打开拉曼光谱采集装置1的激光器，打开成像照明光源2；通过光信号视频显示装置3显示样品的视频图像，通过拉曼光谱采集装置1的光谱分析器显示样品的光谱信号；根据光信号视频显示装置3所显示的样品的视频图像和光谱分析器显示样品的光谱信号，调节移动平台4的位置调节器。
本方法中，将样品放置于样品容纳装置6的步骤包括：
样品容纳装置6为样品瓶时，将样品放置于样品瓶中；
样品容纳装置6擦拭片时，将样品粘接于所述擦拭片的粘接区，，将擦拭片插接于所述夹持器5的擦拭片卡槽中，并且使样品区域的中心与拉曼光谱采集装置1的采集点所在的光轴同轴。
图7是使用本发明的***和方法的效果图。左上部分的图中方框中为为采样区域，右上部分的图中为采样区域中样品的放大图。对于稀疏样品，激光光束对准图中左侧圆形采样点时，可采集到样品的拉曼光谱信号，激光光束对准图中右圆形采样点时，无法采集到样品的拉曼光谱信号。检测人员可根据光谱仪的光谱信号的强度情况调整移动平台的位置，从而对稀疏样品进行尽可能大范围的采样。
本发明应用视频成像技术，通过成像光信号视频显示的图像确定激光光束所对应的样品的位置，根据拉曼光谱仪的光谱信号来确认对应位置样品的成分，可以根据扫描需要调整移动平台，使激光光束扫描样品的不同位置进行拉曼光谱的精细测量，从而采集到更全面的样品信号，得到可靠的分析结果。
本发明的***可以作为各种拉曼光谱仪的配件使用，可实现采样点位置的精确瞄准，优点包括：
1、无需对测量仪器内部光路及测量模式做任何改变，技术成本低，适用性高；
2、采样范围大，结果可靠性高，特别适用于混合物及稀疏样品的采样；
3、精准检测，信号采集效率高。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，包括：拉曼光谱采集装置(1)、成像照明光源(2)、光信号视频显示装置(3)、移动平台(4)、夹持器(5)、样品容纳装置(6)；
所述拉曼光谱采集装置(1)包括激光器和光谱分析器，所述拉曼光谱采集装置(1)的采集点对应于所述样品容纳装置(6)的样品容纳空间内；
成像照明光源(2)的光线照射至所述样品容纳装置(6)的样品容纳空间或者所述成像照明光源(2)的光线通过所述拉曼光谱采集装置(1)中光学***传输至所述拉曼光谱采集装置(1)的所述采集点上；
所述光信号视频显示装置(3)包括成像相机和图像显示屏，所述成像相位用于采集所述拉曼光谱采集装置(1)的样品成像焦平面内的光信号，将所述光信号转换为图像电信号，输入至用于显示所述图像电信号的所述图像显示屏；
所述移动平台(4)包括用于手动调节所述移动平台(4)位置的螺纹式的位置调节器或者用于电动调节所述移动平台(4)位置的电动式的位置调节器；
所述夹持器(5)固定于所述移动平台(4)上，所述样品容纳装置(6)固定于所述夹持器(5)内。
2.如权利要求1所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述样品容纳装置(6)为样品瓶，所述夹持器(5)为瓶夹持器；所述夹持器(5)为用于加预设尺寸范围内的柱状物体的夹持结构。
3.如权利要求2所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述夹持器(5)为包括至少三个可伸缩弹簧片的定心夹持器或者为三角抓盘自定心夹持器。
4.如权利要求1所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述样品容纳装置(6)为擦拭片，所述擦拭片包括用于粘接样品的粘接区；所述夹持器(5)包括擦拭片槽，所述擦拭片插接于所述擦拭片槽内。
5.如权利要求1所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述拉曼光谱采集装置(1)包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头(11)、第一汇聚透镜(12)、分束镜(13)、第二汇聚透镜(14)、第三汇聚成像透镜(15)；其中，所述采样头(11)的激光光束汇聚焦点与所述第一汇聚透镜(12)的汇聚焦点重合，所述第一汇聚透镜(12)将从汇聚焦点处发射的光束进行准直后输入至所述分束镜(13)，所述分束镜(13)将光束透射至所述第二汇聚透镜(14)，所述第二汇聚透镜(14)将接收到的激光光束进行汇聚，所述第二汇聚透镜(14)的焦点为所述拉曼光谱采集装置的所述采集点；所述第二汇聚透镜(14)还将所述第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至所述分束镜(13)，所述分束镜(13)将从所述第二汇聚透镜(14)接收到的可见光成像光束反射至所述第三汇聚成像透镜(15)，所述第三汇聚成像透镜(15)将接收到的光束汇聚至所述样品成像焦平面内，同时所述分束镜(13)透射从所述第二汇聚透镜(14)接收到的拉曼光谱信号至所述第一汇聚透镜(12)处，并输入到所述采样头(11)。
6.如权利要求1所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述拉曼光谱采集装置(1)包括：用于输出汇聚激光光束和接收样品拉曼散射的采样头(11)、分束镜(13)、第二汇聚透镜(14)、第三汇聚成像透镜(15)；其中，所述采样头(11)输出平行的激光光束，所述分束镜(13)将激光光束透射至所述第二汇聚透镜(14)，所述第二汇聚透镜(14)将接收到的激光光束进行汇聚，所述第二汇聚透镜(14)的焦点为所述拉曼光谱采集装置采集点；所述第二汇聚透镜(14)还将所述第一激光汇聚点处样品反射的光束准直后输入至所述分束镜(13)，所述分束镜(13)将从所述第二汇聚透镜(14)接收到的光束反射至所述第三汇聚成像透镜(15)，所述第三汇聚成像透镜(15)将接收到的光束汇聚至所述样品成像焦平面内。
7.如权利要求5或6所述的便携式指向性拉曼光谱采集***，其特征在于，
所述拉曼光谱采集装置(1)还包括设置于所述分束镜(13)和所述第三汇聚成像透镜(15)之间的与所述分束镜(13)平行设置的第二半反半透分束镜(16)；
所述成像照明光源(2)位于所述第二半反半透分束镜(16)的一侧；
所述成像照明光源(2)的光源光线输入至所述第二半反半透分束镜(16)，所述第二半反半透分束镜(16)将接收到的光源光线反射至所述分束镜(13)；所述第二半反半透分束镜(16)还将从分束镜(13)透射的光束透射至所述第三汇聚成像透镜(15)。
8.使用权利要求1至7中任一权利要求所述的便携式指向性拉曼光谱采集***进行拉曼光谱采集的方法，其特征在于，包括：
将样品放置于样品容纳装置(6)，打开拉曼光谱采集装置(1)的激光器，打开所述成像照明光源(2)；
通过所述光信号视频显示装置(3)显示样品的视频图像，通过拉曼光谱采集装置(1)的光谱分析器显示样品的光谱信号；
根据所述光信号视频显示装置(3)所显示的样品的视频图像和所述光谱分析器显示样品的光谱信号，调节所述移动平台(4)的位置调节器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
将样品放置于样品容纳装置(6)包括：
所述样品容纳装置(6)为样品瓶时，将样品放置于所述样品瓶中；
所述样品容纳装置(6)擦拭片时，将样品粘接于所述擦拭片的粘接区，将擦拭片插接于所述夹持器(5)的擦拭片卡槽中，并且使样品区域的中心与所述拉曼光谱采集装置(1)的采集点所在的光轴同轴。
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