CN114965437B - 生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质，其生化物质分子定量与识别方法包括：通过棱镜将扫频准直激光耦合至光学微腔，调整并固定棱镜与光学微腔的相对位置，得到谐振特征峰信息；根据谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测待测物质分子的浓度；根据目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过棱镜将稳频泵浦激光耦合至光学微腔，并对光学微腔施加外力调整谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱，进而识别待测物质分子的种类。本申请结合光学微腔与拉曼光谱，可实现对低浓度物质、混合物质甚至是单分子的定量检测与种类识别。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质。
背景技术
当下，人们的生命健康依然暴露在多种疾病、食品安全、环境污染的威胁之下。针对自然界存在的各类致病菌、病毒等各类生物分子与微量化学试剂的检测，现有基于回音壁模式的光学微腔传感器，利用谐振谱峰的变化信号实现对生化物质分子的浓度等定量检测，或者在此基础上对微腔表面进行特异性分子固化实现对生化物质分子种类的识别，但采用此种识别方法的传感器不具有普适性。
对待测物质分子种类的识别多采用以拉曼光谱为代表的振动光谱，作为一种广泛使用的分子识别分析技术，无需标记或功能化处理，但用于光谱指纹识别的自发拉曼散射信号较弱，无法实现对低浓度生化物质分子的鉴别检测。
综上，有必要提出一种对生化物质分子的定量检测与种类识别的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质，旨在解决难以对低浓度生化物质分子进行定量检测与种类识别的问题。
为实现上述目的，本申请提供一种生化物质分子定量与识别方法，所述生化物质分子定量与识别方法包括：
通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；
根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；
基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。
可选地，所述光学微腔为薄壁液芯椭球毛细管微腔，所述通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息的步骤之前，还包括：
将包含所述待测物质分子的待测溶液注入所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，直至所述待测溶液充满所述薄壁液芯椭球毛细管微腔。
可选地，所述通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息的步骤包括：
通过所述棱镜将所述扫频输出的准直激光耦合至容纳有所述待测物质分子的所述光学微腔；
在所述棱镜与所述光学微腔的接触位置滴加紫外固化胶；
调整所述棱镜与所述光学微腔的相对位置；
通过示波器监测耦合棱镜反射光谱中是否包含谐振特征峰；
若是，则通过紫外灯照射所述紫外固化胶，以固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置；
通过所述示波器得到所述耦合棱镜反射光谱的所述谐振特征峰信息。
可选地，所述根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度的步骤包括：
根据所述谐振特征峰信息锁定一所述目标谐振特征峰；
向所述光学微腔依次注入不同浓度的待测溶液，采集对应的谐振谱峰变化信号；
根据所述谐振谱峰变化信号建立所述目标谐振特征峰峰值波长移动量与所述待测物质分子浓度的所述定量关系；
基于所述定量关系检测所述待测物质分子的浓度。
可选地，所述光学微腔的两侧与位移台连接，所述位移台用于将外力传导至所述光学微腔并使所述光学微腔发生形变，所述根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱的步骤包括：
通过锁频控制器锁定所述目标谐振特征峰的峰值波长，并控制激光器输出与所述峰值波长对应的稳频泵浦激光；
通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，以使所述稳频泵浦激光符合泵浦增强条件；
通过所述位移台向所述光学微腔施加推力或者拉力，调整对应的谐振条件，以使所述待测物质分子的拉曼信号符合珀塞尔效应增强条件；
通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱。
可选地，所述通过所述位移台向所述光学微腔施加推力或者拉力，调整对应的谐振条件的步骤包括：
通过所述位移台向所述光学微腔施加推力，增大所述光学微腔的谐振腔半径；监测所述拉曼信号的强度变化；若所述拉曼信号符合所述珀塞尔效应增强条件，峰值强度增大，则执行步骤：通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱；或
通过所述位移台向所述光学微腔施加拉力，减小所述光学微腔的谐振腔半径；监测所述拉曼信号的强度变化；若所述拉曼信号符合所述珀塞尔效应增强条件，峰值强度增大，则执行步骤：通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱。
可选地，所述基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类的步骤包括：
分析并得到所述拉曼光谱中的特征峰信息及对应的拉曼位移信息；
根据所述特征峰信息、所述拉曼位移信息以及预设的光谱数据库，识别所述待测物质分子的种类。
本申请实施例还提出一种生化物质分子定量与识别装置，所述生化物质分子定量与识别装置包括：
耦合模块，用于通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；
定量模块，用于根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
调谐模块，用于根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；
识别模块，用于基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。
本申请实施例还提出一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被所述处理器执行时实现如上所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被处理器执行时实现如上所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
本申请实施例提出的生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质，本申请实施例的主要解决方案是：通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。基于本申请方案，首先将扫频输出的准直激光通过棱镜耦合至光学微腔，锁定一个目标谐振特征峰并根据其波长与待测物质分子浓度的关系实现定量检测。然后输出与目标谐振特征峰峰值相等的稳频泵浦激光并耦合至光学微腔，对光学微腔施加外力调整谐振条件，实现对拉曼信号的增强，得到并基于增强拉曼信号的拉曼光谱实现对待测物质分子的种类识别，通过本申请方案可以高效实现对低浓度物质、混合物质甚至是单分子的定量检测与种类识别。
附图说明
图1为本申请生化物质分子定量与识别方法第一实施例流程示意图；
图2为本申请生化物质分子定量与识别方法装置结构框图；
图3为本申请生化物质分子定量与识别方法涉及的棱镜与薄壁液芯椭球微毛细管腔耦合***结构示意图；
图4为本申请生化物质分子定量与识别方法第二实施例流程示意图；
图5为本申请生化物质分子定量与识别方法涉及的棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔固定方式示意图；
图6为本申请生化物质分子定量与识别方法第三实施例流程示意图；
图7为本申请生化物质分子定量与识别方法第四实施例流程示意图；
图8为本申请生化物质分子定量与识别方法涉及的罗丹明6G结构及拉曼光谱示意图。
图9为本申请生化物质分子定量与识别方法第五实施例流程示意图；
图10为本申请生化物质分子定量与识别装置所属终端设备的功能模块示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例的主要解决方案是：通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。基于本申请方案，首先将扫频输出的准直激光通过棱镜耦合至光学微腔，锁定一个目标谐振特征峰并根据其波长与待测物质分子浓度的关系实现定量检测。然后输出与目标谐振特征峰峰值相等的稳频泵浦激光并耦合至光学微腔，对光学微腔施加外力调整谐振条件，实现对拉曼信号的增强，得到并基于增强拉曼信号的拉曼光谱实现对待测物质分子的种类识别，通过本申请方案可以高效实现对低浓度物质、混合物质甚至是单分子的定量检测与种类识别。
参照图1，本申请生化物质分子定量与识别方法第一实施例提供一种流程示意图，本实施例涉及的光学微腔为薄壁液芯椭球毛细管微腔，所述生化物质分子定量与识别方法包括：
步骤S10，将包含待测物质分子的待测溶液注入薄壁液芯椭球毛细管微腔，直至所述待测溶液充满所述薄壁液芯椭球毛细管微腔。
步骤S20，通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有所述待测物质分子的所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，调整并固定所述棱镜与所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；
步骤S30，根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
步骤S40，根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，并对所述薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；
步骤S50，基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。
本实施例生化物质分子定量与识别方法涉及的装置结构如图2所示，包括如下部分：
WGM激发光路：激光器发出准直激发光，经第一透镜会聚激光，第二透镜扩束激光，反射镜折转光路方向，第一滤波片去除光纤拉曼信号；经由第一分光镜反射激光，通过二向色镜（透射泵浦激光，反射斯托克斯散射光）透射激光，经由物镜会聚激光光斑至棱镜与光学微腔的耦合点；
WGM收集光路：第三透镜收集并准直棱镜反射激光，第四透镜聚焦激光光斑至探测器探测面上，由示波器显示时域光谱；
待测物质分子拉曼信号收集光路：由物镜收集拉曼散射光，散射光经由二向色镜反射至第五透镜，第五透镜会聚散射光至光阑孔，控制光阑孔大小实现与聚焦光斑共聚焦，第六透镜准直散射光，第二滤光片通过拉曼信号，并由第七透镜会聚散射光至光谱仪狭缝；
WGM耦合光学微腔（棱镜与薄壁液芯椭球微毛细管腔耦合***）：其结构示意图如图3所示，激光经由棱镜耦合至光学微腔，且在耦合位置横截面圆周处形成光谐振。可通过微腔两端固定位移台向微腔施加拉（推）力，调谐谐振条件。
显微成像光路：采用同轴照明，用于观测棱镜与光学微腔的相对位置。
本实施例涉及的薄壁液芯椭球毛细管微腔的薄壁液芯毛细管结构使测试装置兼具盛液装置功能，且毛细管的薄壁是为保证回音壁模式径向模场与待测溶液中的待测物质分子有面积重叠。考虑到微管回音壁模式的轴向传输能力，为局域回音壁模式轴向模场构造椭球结构，使回音壁模式沿椭球中心圆周传输。薄壁液芯椭球毛细管微腔具体可采用介电材料SiO2（二氧化硅）制备，介电材料SiO2与金属SERS（表面增强拉曼散射）衬底相比，在高温和恶劣的电化学条件下更稳定，且具有更高的生物相容性，可减少对待测物的化学和热扰动。
基于SiO2的薄壁液芯椭球毛细管微腔的具体制备方法可以是：①对微腔进行薄壁处理，使其内壁厚度达微米量级；②利用电极放电/二氧化碳激光聚焦等方式，使微腔中部形成***椭球结构。具体地，本实施例中的薄壁液芯椭球微毛细管腔，选用内径为20μm、外径为90μm的TSP020090 polymicro 石英毛细管，石英SiO2材料折射率为n silica =1.45。具体薄壁液芯椭球微毛细管腔制备方法为：取长度为数厘米长石英毛细管，利用热拉伸法，拉伸石英毛细管至外径小于40μm；利用氢氟酸腐蚀法，控制腐蚀液浓度，将腐蚀液通入石英毛细管中，控制腐蚀时间至石英毛细管壁厚达单微米量级；利用电极放电法，将放电电极对准薄壁石英毛细管中部，控制放电电流大小和放电时间，利用电弧放电使微管中部凸起，形成半径为R=50μm椭球结构。
本实施例中的待测溶液含有待测物质分子，待测物质分子可以选取具有良好拉曼光谱特征的罗丹明6G，并配置一系列罗丹明6G浓度梯度溶液备用，包括1%、5%、10%、15%、20%、25%等。按照图2所示的装置结构框图搭建检测装置，由微流泵将5%浓度罗丹明6G溶液由薄壁椭球微毛细管微腔一侧缓慢通入，直至5%浓度罗丹明6G溶液充满该薄壁液芯椭球毛细管微腔。
进一步地，通过波长（或频率）可调谐的激光器采用扫频的模式输出不同波长（或频率）的准直激光，准直激光经过一系列光学元件后由棱镜耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔。然后，通过显微成像光路观测并精密调节棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置，使薄壁液芯椭球毛细管微腔向棱镜聚焦光斑处靠近，当示波器监测耦合棱镜反射光谱出现回音壁模式的谐振特征峰时，固定棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置，并得到对应的谐振特征峰信息。
因为采取了扫频输出准直激光的方式，谐振特征峰信息中可能包含多个回音壁模式的谐振特征峰。此时，需要从中锁定一个谐振特征峰作为目标谐振特征峰，在改变薄壁液芯椭球毛细管微腔中待测物质分子浓度的同时，监测并得到目标谐振特征峰峰值波长移动量，据此建立起目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的线性定量关系，进而实现对待测物质分子浓度的检测。
然后，通过激光器输出与目标谐振特征峰的峰值相等的稳频泵浦准直激光并经棱镜耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔，稳频泵浦准直激光满足该薄壁液芯椭球毛细管微腔的回音壁模式谐振条件，形成耦合光腔内局域，实现泵浦光增强，且稳频泵浦准直激光在该薄壁液芯椭球毛细管微腔的模场与待测物质分子发生相互作用，产生拉曼散射光。进一步地，向薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力使其发生形变，改变谐振腔的半径，进而调整对应的谐振条件，使待测物质分子的斯托克斯散射波长峰值满足薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振条件，实现Purcell效应（珀塞尔效应）增强。在经过上述两步处理之后，拉曼信号得到明显增强，由光谱仪收集得到增强后的拉曼光谱。
最后，将前步骤收集得到的拉曼光谱与预先存储的或者是以其他方式获取的物质指纹图谱数据相匹配，即可识别待测物质分子的种类。
本实施例通过上述方案，具体通过将含有待测物质分子的待测溶液的注入薄壁液芯椭球毛细管微腔，将扫频输出的准直激光通过棱镜耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔，锁定一个目标谐振特征峰并根据其波长与待测物质分子浓度的关系实现定量检测。然后输出与目标谐振特征峰峰值相等的稳频泵浦激光并耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔，对薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力调整谐振条件，实现对拉曼信号的增强，得到并基于增强拉曼信号的拉曼光谱实现对待测物质分子的种类识别。待测溶液的注入与流动保证了微腔耦合***的相对稳定，并且提高了信噪比，通过本实施例方案可以高效实现对低浓度物质、混合物质甚至是单分子的定量检测与种类识别。
进一步地，参照图4，本申请生化物质分子定量与识别方法第二实施例提供一种流程示意图。基于上述图1所示的实施例，步骤S20，通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有所述待测物质分子的薄壁液芯椭球毛细管微腔，调整并固定所述棱镜与所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息进一步细化，还包括：
步骤S201，通过所述棱镜将所述扫频输出的准直激光耦合至容纳有所述待测物质分子的所述薄壁液芯椭球毛细管微腔；
步骤S202，在所述棱镜与所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的接触位置滴加紫外固化胶；
步骤S203，调整所述棱镜与所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置；
步骤S204，通过示波器监测耦合棱镜反射光谱中是否包含谐振特征峰；
步骤S205，若是，则通过紫外灯照射所述紫外固化胶，以固定所述棱镜与所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置；
步骤S206，通过所述示波器得到所述耦合棱镜反射光谱的所述谐振特征峰信息。
本实施例中的待测生化物质分子以溶液的方式存在于薄壁液芯椭球毛细管微腔之中，激光器若采用常规的近红外波长范围如1310~1550nm，则会因液相水环境的吸收而产生较大损耗；若采用765~780nm波长范围，则因液相水环境吸收而产生的损耗较小。为此，本实施例优选激光器中心波长780nm，波长在765~781nm可调；激光器的线宽越窄相干性越好，为保证高效激发高品质因数的微腔回音壁模式，要求微腔回音壁模式对应的线宽大于激光器线宽，如模式品质因数Q~107的微腔回音壁模式需对应线宽小于2MHz的激光器线宽，本实施例激光线宽<200kHz，可激发品质因数Q~108的微腔回音壁模式。
如图2所示，窄线宽的准直激光由激光器扫频输出，准直激光经第一透镜聚焦、第二透镜扩束、反射镜改变光路、第一滤波片去除光纤拉曼信号、第一分光镜射向二向色镜，并经由二向色镜透射、物镜聚焦至棱镜底面，精密调节棱镜与物镜相对位置，使棱镜底面聚焦光斑最小最亮。进一步地，移动薄壁液芯椭球毛细管微腔，通过相机等显微成像光路，精密调节棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔的相对位置，向棱镜聚焦光斑处靠近。
如图5所示，图5为棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔固定方式示意图，本实施例中，首先将低折射率紫外固化胶点滴在棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔耦合接触位置处，仔细调节入射激光在棱镜中的入射角，并观察棱镜反射光在示波器中的光谱，其棱镜底面入射角θ需满足：
经物镜透射具有高孔径角入射激光透过棱镜后，满足棱镜底面界面与外界空气界面全反射临界角的激光束发生全反射效应，消逝场倏逝波满足微腔回音壁模式波矢匹配条件，高效耦合激发微腔回音壁模式。激发的回音壁模场梯度力可有效对探测物质分子捕获并进行拉曼光谱分析。
当示波器中出现明显回音壁模式特征峰时，表明入射光在棱镜底面入射角符合全反射发生条件与模式波矢匹配条件。此时，用紫外灯对紫外胶进行固化处理，保持稳定耦合状态。其中，用于耦合的棱镜为GGG材料折射率n prism =1.95的棱镜，紫外胶折射率n glue =1.36，微腔折射率（n WGM ）也即薄壁液芯椭球毛细管微腔对应的石英SiO2材料折射率为n silica =1.45= n WGM 。紫外胶折射率n glue 、耦合棱镜折射率n prism 和微腔折射率n WGM 满足n prism >n WGM >n glue 。
最后，通过示波器可以监测得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息，由于采取了扫频的方式输出准直激光，谐振特征峰信息中可能包含一个或多个谐振特征峰。
本实施例通过上述方案，具体通过在准直激光耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔时，向耦合位置滴加紫外固化胶，然后在示波器监测到谐振特征峰出现时，通过紫外灯照射紫外固化胶以实现耦合位置的固定，最后通过示波器得到对应的谐振特征峰信息。由于采取了低折射率（n glue <n WGM ）紫外胶固化固定由棱镜与薄壁液芯椭球毛细管微腔组成的耦合***，相比自由空间光耦合方式耦合效率更高，可激发更高Q值的微腔回音壁模式。
进一步地，参照图6，本申请生化物质分子定量与识别方法第三实施例提供一种流程示意图。基于上述图1所示的实施例，步骤S30，根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度进一步细化，还包括：
步骤S301，根据所述谐振特征峰信息锁定一所述目标谐振特征峰；
步骤S302，向所述薄壁液芯椭球毛细管微腔依次注入不同浓度的待测溶液，采集对应的谐振谱峰变化信号；
步骤S303，根据所述谐振谱峰变化信号建立所述目标谐振特征峰峰值波长移动量与所述待测物质分子浓度的所述定量关系；
步骤S304，基于所述定量关系检测所述待测物质分子的浓度。
具体地，因为前步骤采取了扫频输出准直激光的方式，所得到的谐振特征峰信息中可能包含多个回音壁模式的谐振特征峰。为此，需要从中锁定一个谐振特征峰作为目标谐振特征峰，并监测其峰值波长的变化。
然后，向薄壁液芯椭球毛细管微腔依次注入不同浓度的待测溶液。例如，向薄壁液芯椭球毛细管微腔依次注入1%、5%、10%、15%、20%和25%浓度的罗丹明6G溶液，目标谐振特征峰的峰值会随之发生变化，此时采集对应的谐振谱峰变化信号。
由谐振谱峰变化信号可以计算得到目标谐振特征峰峰值波长移动量，并与特定的待测物质分子浓度建立起对应的线性定量关系，进而可以由目标谐振特征峰的峰值数据计算出对应的待测物质分子浓度，实现对待测物质分子浓度的检测。
本实施例通过上述方案，具体通过锁定一个目标谐振特征峰，向薄壁液芯椭球毛细管微腔依次注入不同浓度的待测溶液并监测目标谐振特征峰的变化，由此建立起目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系，进而实现对待测物质分子浓度的检测。
进一步地，参照图7，本申请生化物质分子定量与识别方法第四实施例提供一种流程示意图。基于上述图1所示的实施例，步骤S40，所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的两侧与位移台连接，所述位移台用于将外力传导至所述薄壁液芯椭球毛细管微腔并使所述薄壁液芯椭球毛细管微腔发生形变，步骤S40，根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，并对所述薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱进一步细化，还包括：
步骤S401，通过锁频控制器锁定所述目标谐振特征峰的峰值波长，并控制激光器输出与所述峰值波长对应的稳频泵浦激光；
步骤S402，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，以使所述稳频泵浦激光符合泵浦增强条件；
步骤S4031，通过所述位移台向所述薄壁液芯椭球毛细管微腔施加推力，增大所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振腔半径；监测所述拉曼信号的强度变化；或
步骤S4032，通过所述位移台向所述薄壁液芯椭球毛细管微腔施加拉力，减小所述薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振腔半径；监测所述拉曼信号的强度变化；
步骤S404，若所述拉曼信号符合所述Purcell效应增强条件，峰值强度增大，则通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱。
本实施例中涉及的拉曼光谱为待测物质分子识别过程的主要参考，拉曼光谱是一种振动光谱，代表物质固有性质，根据特征峰及对应的拉曼位移（光谱指纹）可实现物质组成判别，无需标记或功能化处理。自发拉曼散射（区别于受激拉曼散射）信号入射光子与拉曼散射光子数量关系为1:10-6~10-10，拉曼散射光强度如下公式（1）所示：
其中，I 0 为入射光强度，A(v)为分子自吸收系数，J(v)为分子散射系数，v为入射光频率，C为样品浓度。由于拉曼散射信号弱，无法实现低浓度物质检测。
为此，通过光学微腔的回音壁模式可实现拉曼信号增强，其原理如下：
光学微腔的回音壁模式，代表一类光学谐振，光通过连续全内反射限制在球形或圆形的微腔结构中，满足谐振条件2πn eff R=mλ 0 ，其中m为模式数，R为光学微腔横截面半径，n eff ≈n，n为光学微腔材料折射率，λ 0 为谐振波长。谐振波长值λ 0 ，依赖于光学微腔和外界环境折射率，满足谐振条件波长的激光可实现其光功率的累积，例如R=50μm，Q~106，激光输入功率为1mW，可实现谐振功率100W的累积。
具体地，本实施例中分别通过泵浦增强与Purcell效应增强实现拉曼信号增强，其条件为：
①实现泵浦增强，需满足泵浦光波长与谐振波长相等，即λ pump= λ 0 。泵浦增强的本质是增强拉曼激发光功率使拉曼信号整体增强。泵浦增强因子F pump 如下公式（2）所示：
其中Δλ为泵浦光波长调谐量；Δλ FSR 为微腔自由光谱范围，Δλ FWHM 为谐振谱峰半高线宽，满足泵浦增强条件即增强了公式（1）中的入射光强度；
②实现Purcell效应增强，需满足泵浦光激发的拉曼斯托克斯波长λ stokes 符合薄壁液芯椭球毛细管微腔谐振条件，即2πn eff R=mλ stokes 。Purcell效应增强的本质在薄壁液芯椭球毛细管微腔回音壁模式对应的线宽内增强拉曼信号。Purcell效应增强因子F p 如下公式（3）所示：
其中Q为薄壁液芯椭球毛细管微腔的品质因子，V mode 为谐振模式体积，即增强了公式（1）中的样品浓度C。
本实施例首先通过锁频控制器先锁定目标谐振特征峰的峰值波长，令激光器进行与锁定的峰值波长相等的稳频泵浦输出。如图2所示，激光器输出的稳频泵浦准直激光经第一透镜聚焦、第二透镜扩束、反射镜改变光路、第一滤波片去除光纤拉曼信号、第一分光镜射向二向色镜，并经由二向色镜、物镜透射，光斑聚焦至棱镜微腔耦合点。稳频泵浦准直激光满足薄壁液芯椭球毛细管微腔回音壁模式的谐振条件，形成耦合光腔内局域，实现泵浦光功率增强。且泵浦光在薄壁液芯椭球毛细管微腔内表面的模场与吸附的待测物质分子发生相互作用，产生对应的拉曼散射光。
拉曼散射光信号经过物镜收集，散射光经由二向色镜反射至第五透镜，第五透镜会聚散射光至光阑孔，控制光阑孔大小实现与聚焦光斑共聚焦，第六透镜准直散射光，第二800nm长通滤光片通过拉曼信号，并由第七透镜会聚散射光至光谱仪狭缝。由光谱仪接收得到拉曼光谱图，拉曼位移为400cm -1 ~2000cm -1 。本实施例中的罗丹明6G结构式如图8（a）所示，其拉曼光谱图如图8（b）所示，罗丹明6G的氧杂蒽环的面内，面外弯曲和C-C键的拉伸振动峰表现为拉曼位移在611 cm -1 ，774 cm -1 和1183 cm -1 的三个峰；罗丹明6G的苯环上C-C键的伸缩振动峰表现拉曼位移在1312 cm -1 ，1361 cm -1 ，1511 cm -1 和1651 cm -1 处的四个峰；通过将拉曼信号与这些特征峰进行识别并对比，才可证实罗丹明6G的存在。但从图8（b）中所示的拉曼谱峰可看出，如1651cm -1 拉曼位移处谱峰可能会在较低信噪比***下被淹没从而无法识别。
为此，需要在泵浦增强的基础上对拉曼信号进行再增强。
通过对薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力，可以使其谐振腔半径产生变化，进而改变对应的谐振条件，实现拉曼信号的Purcell效应增强。以下为薄壁液芯椭球毛细管微腔拉（推）力波长调谐原理：
对于光学SiO2材料微腔，半径的相对变化如下公式（4）所示：
其中σ为腔体SiO2材料的泊松系数；ΔL/L为谐振腔长度的相对变化。
根据弹光效应，折射率相对变化如下公式（5）所示：
其中，p 11 =0.126，p 12 =0.26。谐振波长的相对变化为半径和折射率相对变化的综合作用结果，符合如下公式（6）：
所以，不同偏振模式在外加推拉力作用下的频移响应如下公式（7）所示：
考虑到拉（推）力调谐须在材料弹性范围内，根据Hooke定律（胡克定律），形变与外加力的关系如下公式（8）所示：
其中，E为材料的弹性模量；ε为材料的损伤阈值。
如图5所示，可先将薄壁液芯椭球毛细管微腔两端分别固定在位移台上，借助位移台向薄壁液芯椭球毛细管微腔施加拉力，薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振腔半径因此减小，谐振波长向短波方向移动；或者借助位移台向薄壁液芯椭球毛细管微腔施加推力，薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振腔半径因此增加，谐振波长向长波方向移动。
根据激光中心波长为780nm，位移台的拉（推）力调谐SiO2材料薄壁液芯椭球毛细管微腔的谐振波长，调谐量Δλ=12.32nm，对应拉曼散射波数间隔为：
在光谱中以每200cm -1 波数间隔选取回音壁模式下的谐振峰，精密控制薄壁液芯椭球毛细管微腔两端的位移台，使罗丹明6G的斯托克斯拉曼散射峰值均符合谐振增强条件，实现拉曼信号的Purcell效应增强。
本实施例也可选择性增强罗丹明6G某一低峰信号，如1651cm -1 ，实现其拉曼低峰信号的Purcell效应增强。理论上根据薄壁液芯椭球毛细管微腔SiO2材料的泊松系数σ=0.17，弹性模量E=72GPa，损伤阈值ε=3GPa，利用公式（8）得可承受的最大相对长度变化为ΔL/L=0.0417，对应谐振波长移动1.58%。考虑薄壁液芯椭球毛细管微腔Q~106，R=50μm，n=1.45，λ pump =780nm，模式体积V~1293μm 3 ，对应拉曼频移为1651cm -1 的薄壁液芯椭球毛细管微腔谐振波长为λ stokes =895.29nm，匹配TE模式径向量子数为1，方位角量子数和极角量子数均为495的回音壁模式。根据公式（2），当泵浦光满足谐振条件时Δλ=0，Δλ FSR =1.3nm，Δλ FWHM =0.12pm，可得泵浦增强因子F pump ~103，利用公式（3）可得F stokes ~102。通过上述检测设备中薄壁液芯椭球毛细管微腔回音壁模式的泵浦增强与Purcell效应增强，罗丹明6G的拉曼信号实际得到增强效应F total =F pump ×(1+F purcell )，即可实现约105增强效果。
增强后的拉曼信号经过一系列光学元件，被光谱仪收集起来，得到增强后的拉曼光谱图如图8（c）所示，表征罗丹明6G的所有特征峰均可被清晰识别，极大提高拉曼光谱信噪比。
本实施例通过上述方案，具体通过锁频控制器锁定目标谐振特征峰并令激光器输出对应的稳频泵浦激光，耦合至薄壁液芯椭球毛细管微腔实现拉曼信号的泵浦增强，然后通过向薄壁液芯椭球毛细管微腔施加外力的方式致其产生形变，并随之改变对应的谐振条件，实现拉曼信号的Purcell效应增强，最后得到增强后的拉曼光谱。经过泵浦增强与Purcell效应增强，使得拉曼光谱中的特征峰均可被清晰识别，提高了拉曼光谱的信噪比。
进一步地，参照图9，本申请生化物质分子定量与识别方法第五实施例提供一种流程示意图。基于上述图1所示的实施例，步骤S50，基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类进一步细化，还包括：
步骤S501，分析并得到所述拉曼光谱中的特征峰信息及对应的拉曼位移信息；
步骤S502，根据所述特征峰信息、所述拉曼位移信息以及预设的光谱数据库，识别所述待测物质分子的种类。
拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同的化学键有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，因此，与之对应的拉曼位移是特征的。本实施例中，首先对前步骤得到的拉曼光谱进行分析，得到其中包含的特征峰信息及拉曼位移信息。然后，访问本地存储的光谱数据库，或者通过网络访问服务器中的光谱数据库。将特征峰信息及拉曼位移信息与光谱数据库的数据进行匹配，得到对应的匹配结果，即完成对待测物质分子种类的识别。
本实施例中，待测物质分子为罗丹明6G，经增强后的罗丹明6G的拉曼光谱图如图8（c）所示，罗丹明6G的氧杂蒽环的面内，面外弯曲和C-C键的伸缩振动峰表现为拉曼位移在611 cm -1 ，774 cm -1 和1183 cm -1 的三个峰；罗丹明6G的苯环上C-C键的伸缩振动峰表现拉曼位移在1312 cm -1 ，1361 cm -1 ，1511 cm -1 和1651 cm -1 处的四个峰。通过将特定拉曼位移及对应的特征峰信息与预存有罗丹明6G光谱数据的光谱数据库进行匹配，可证实罗丹明6G的存在。
本实施例通过上述方案，具体通过根据增强后的拉曼光谱分析待测物质分子的特征峰及对应的拉曼位移，然后将得到的特征峰信息及拉曼位移信息与预设的光谱数据库进行匹配，实现对待测物质分子种类的准确识别。
此外，本申请实施例还提出一种生化物质分子定量与识别装置，装置结构如图2所示，所述生化物质分子定量与识别装置包括：
耦合模块，用于通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；
定量模块，用于根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
调谐模块，用于根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；
识别模块，用于基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。
本实施例实现生化物质分子定量与识别的原理及实施过程，请参照上述各实施例，在此不再赘述。
此外，本申请实施例还提出一种终端设备，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被所述处理器执行时实现如上所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
具体地，参照图10，图10为本申请生化物质分子定量与识别装置所属终端设备的功能模块示意图。该生化物质分子定量与识别装置可以为独立于终端设备的、能够进行生化物质分子定量与识别的装置，其可以通过硬件或软件的形式承载于终端设备上。该终端设备可以为手机、平板电脑等具有数据处理功能的智能移动终端，还可以为具有数据处理功能的固定终端设备或服务器等。
在本实施例中，该生化物质分子定量与识别装置所属终端设备至少包括输出模块110、处理器120、存储器130以及通信模块140。
存储器130中存储有操作***以及生化物质分子定量与识别程序，存储器130中的生化物质分子定量与识别程序被处理器执行时实现前述所示流程图步骤，由于本生化物质分子定量与识别程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。输出模块110可为显示屏等。通信模块140可以包括WIFI模块、移动通信模块以及蓝牙模块等，通过通信模块140与外部设备或服务器进行通信。
此外，本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被处理器执行时实现如上所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
相比现有技术，本申请实施例提出的生化物质分子定量与识别方法、装置、终端设备及介质，通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息；根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。基于本申请方案，首先将扫频输出的准直激光通过棱镜耦合至光学微腔，锁定一个目标谐振特征峰并根据其波长与待测物质分子浓度的关系实现定量检测。然后输出与目标谐振特征峰峰值相等的稳频泵浦激光并耦合至光学微腔，对光学微腔施加外力调整谐振条件，实现对拉曼信号的增强，得到并基于增强拉曼信号的拉曼光谱实现对待测物质分子的种类识别，通过本申请方案可以高效实现对低浓度物质、混合物质甚至是单分子的定量检测与种类识别。
需要说明的是，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过程、方法、物品或者***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过程、方法、物品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者***中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上的一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，被控终端，或者网络设备等）执行本申请每个实施例的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种生化物质分子定量与识别方法，其特征在于，所述生化物质分子定量与识别方法包括：
通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息，其中，所述光学微腔为薄壁液芯椭球毛细管微腔；
根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
通过锁频控制器锁定所述目标谐振特征峰的峰值波长，并控制激光器输出与所述峰值波长对应的稳频泵浦激光；
通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，以使所述稳频泵浦激光符合泵浦增强条件；
向所述光学微腔施加推力或者拉力，改变所述光学微腔的谐振腔半径；监测拉曼信号的强度变化；若所述拉曼信号符合珀塞尔效应增强条件，峰值强度增大，则通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱；
基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类。
2.根据权利要求1所述的生化物质分子定量与识别方法，其特征在于，所述通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息的步骤之前，还包括：
将包含所述待测物质分子的待测溶液注入所述薄壁液芯椭球毛细管微腔，直至所述待测溶液充满所述薄壁液芯椭球毛细管微腔。
3.根据权利要求1所述的生化物质分子定量与识别方法，其特征在于，所述通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息的步骤包括：
通过所述棱镜将所述扫频输出的准直激光耦合至容纳有所述待测物质分子的所述光学微腔；
在所述棱镜与所述光学微腔的接触位置滴加紫外固化胶；
调整所述棱镜与所述光学微腔的相对位置；
通过示波器监测耦合棱镜反射光谱中是否包含谐振特征峰；
若是，则通过紫外灯照射所述紫外固化胶，以固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置；
通过所述示波器得到所述耦合棱镜反射光谱的所述谐振特征峰信息。
4.根据权利要求1所述的生化物质分子定量与识别方法，其特征在于，所述根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度的步骤包括：
根据所述谐振特征峰信息锁定一所述目标谐振特征峰；
向所述光学微腔依次注入不同浓度的待测溶液，采集对应的谐振谱峰变化信号；
根据所述谐振谱峰变化信号建立所述目标谐振特征峰峰值波长移动量与所述待测物质分子浓度的所述定量关系；
基于所述定量关系检测所述待测物质分子的浓度。
5.根据权利要求1所述的生化物质分子定量与识别方法，其特征在于，所述基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类的步骤包括：
分析并得到所述拉曼光谱中的特征峰信息及对应的拉曼位移信息；
根据所述特征峰信息、所述拉曼位移信息以及预设的光谱数据库，识别所述待测物质分子的种类。
6.一种生化物质分子定量与识别装置，其特征在于，所述生化物质分子定量与识别装置包括：
耦合模块，用于通过棱镜将扫频输出的准直激光耦合至容纳有待测物质分子的光学微腔，调整并固定所述棱镜与所述光学微腔的相对位置，得到耦合棱镜反射光谱的谐振特征峰信息，其中，所述光学微腔为薄壁液芯椭球毛细管微腔；
定量模块，用于根据所述谐振特征峰信息锁定一目标谐振特征峰，并基于目标谐振特征峰峰值波长移动量与待测物质分子浓度的定量关系检测所述待测物质分子的浓度；
调谐模块，用于根据所述目标谐振特征峰的峰值输出稳频泵浦激光，通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，并对所述光学微腔施加外力调整对应的谐振条件，得到增强拉曼信号的拉曼光谱；
识别模块，用于基于所述拉曼光谱识别所述待测物质分子的种类；
所述调谐模块，具体用于通过锁频控制器锁定所述目标谐振特征峰的峰值波长，并控制激光器输出与所述峰值波长对应的稳频泵浦激光；通过所述棱镜将所述稳频泵浦激光耦合至所述光学微腔，以使所述稳频泵浦激光符合泵浦增强条件；向所述光学微腔施加推力或者拉力，改变所述光学微腔的谐振腔半径；监测拉曼信号的强度变化；若所述拉曼信号符合珀塞尔效应增强条件，峰值强度增大，则通过光谱仪收集得到关于所述待测物质分子的拉曼光谱。
7.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有生化物质分子定量与识别程序，所述生化物质分子定量与识别程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的生化物质分子定量与识别方法的步骤。
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