CN210604388U

CN210604388U - 一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置

Info

Publication number: CN210604388U
Application number: CN201921022940.5U
Authority: CN
Inventors: 徐超; 张雪艳; 翁士状; 唐佩佩; 朱文秀; 袁和财
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-06-27

Abstract

本实用新型涉及一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，所述的装置包括光纤激光器、光纤准直器、半透半反镜、样品池、光电探测器、滤光片、单光子计数器以及光电信号提取模块。本实用新型利用单光子计数器提高拉曼传感灵敏性，结合位移差分去除荧光背景和光源干扰，快速准确的实现对麦粒中呕吐毒素的检测。

Description

一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置

技术领域

本实用新型涉及农作物品质安全领域，特别是涉及一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置。

背景技术

赤霉病是由禾谷镰孢菌引起的小麦最主要病害之一，该病常引起小麦大幅减产(一般可达10％～20％)，甚至绝产；同时禾谷镰孢菌侵染过程中分泌的呕吐毒素(Deoxynivalenol,DON)对人畜都有较大的危害，会引起眩晕、恶心和腹泻等，严重时影响免疫力和生育力等。呕吐毒素成为小麦增产与质量安全的主要威胁，目前我国规定谷物中的限量标准是1mg/kg。呕吐毒素属于单端孢霉烯族化合物，在食品加工中非常稳定，且考虑存在的广泛性，需发展方法实现其快速检测。传统检测方法如气相液相色谱法、质谱等方法，前期处理复杂、定量准确度高、检测耗时长、操作专业，难以满足在线检测要求；光谱方法如拉曼光谱、高光谱成像以及红外光谱等虽快速简单，但检测灵敏性较低。因此，发展适合检测麦粒中痕量呕吐毒素的快速方法及装置具有重要意义。

实用新型内容

为了解决拉曼光谱在农作物有害物检测存在的灵敏性弱问题和现有信号拉曼增强方法中稳定性问题，本实用新型利用单光子计数器提高拉曼传感灵敏性，结合位移差分去除荧光背景和光源干扰，提供一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，快速准确的实现对麦粒中呕吐毒素的检测。

本实用新型所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置具体技术方案如下：包括(光纤)激光器、光纤准直器、半透半反镜、样品池、光电探测器、滤光片、单光子计数器以及光电信号提取模块。

本实用新型所述的(光纤)激光器包含第一、第二激光器。其中，第一激光器为638nm激光器，最大输出功率为140mW，功率调谐范围为1～100％；第二激光器为633nm激光器，最大输出功率为80mW，其功率调谐范围也为1～100％。分时开启两个激光器，实现不同波长的激发。光纤准直器与激光器进行耦合，获得相应的平行激光。

本实用新型所述的半透半反镜响应范围为380-780mm，实现激光90％穿透、10％激光反射。其中，反射后的激光被光电探测器所感知，用于记录激光器的强度变化；透射的激光照射样品池，激发其拉曼响应。

本实用新型所述的光电探测器(两个)为侧窗口型多碱光阴极PMT(1914F)，TE制冷，光谱响应范围为190-860nm。所述的样品池为四面通光的石英比色皿，外形尺寸为12.5*12.5*45mm，光程为10*10mm。不同光源的激光经过半透半反镜后，反射的激光被光电探测器所感知。

所述的滤光片为BP700带通滤光片,它的中心波长是700nm,带宽为10nm,半峰值带宽为45nm，以通过703nm拉曼响应信号。

所述的单光子计数器为SPCM-AQRH，监测波长范围为400nm到1060nm。样品发出的峰值在703nm的拉曼响应经过滤光片后，被单光子计数器所感知。

本实用新型所述的光电信号提取模块具有I/V转换、滤波与放大的作用，将光电探测器与单光子计数器输出的电流值经过I/V转换、滤波与放大后得到相应的电压值。

本实用新型所述的数据分析处理单元(模块)完成两个光电探测器、光子计数器经光电信号提取模块转换而来信号的收集、以及构建采集量与呕吐毒素含量的回归模型，完成对其浓度的预测。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：引入单光子计数器作为拉曼信号的感知单元提升灵敏性；利用可调谐窄带激光光源进行分时双波长激发，差分获得对应物质的拉曼响应去除荧光背景和光源干扰；建立拉曼信号、激发强度背景物质与目标分子的量效关系，解决了拉曼光谱在农作物有害物检测存在的灵敏性弱问题和现有信号增强方法中稳定性问题。

附图说明

图1是本实用新型差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述的差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置的检测方法流程图；

图3为本实用新型所述的光电信号提取模块的电路图。

具体实施方式

下面结合图1，对本实用新型做进一步详细叙述。

参阅图1，一种差分单光子拉曼传感快速检测麦粒呕吐毒素的装置，包括第一激光器10、第二激光器20、第一激光准直器30、第二激光准直器40、半透半反镜50、第一光电探测器51、第二光电探测器52、光电信号提取模块53、数据分析处理单元54、样品池60、滤光片70、单光子计数器80。

光纤激光器包含第一激光器10、第二激光器20；其中，第一激光器10为638nm激光器，最大输出功率为140mW，功率调谐范围为1～100％；第二激光器20为633nm激光器，最大输出功率为80mW，其功率调谐范围也为1～100％；

光纤准直器包括第一激光准直器30、第二激光准直器40；

光电探测器包括第一光电探测器51、第二光电探测器52；

样品池60为透明的比色皿；优选的，为四面通光的石英比色皿，外形尺寸为12.5*12.5*45mm，光程为10*10mm。

第一激光器10与第一激光准直器30连接进行耦合，所述的第二激光器20与第二激光准直器40连接进行耦合；第一激光准直器30、第二激光准直器40的光输出端均设置有半透半反镜50，第一激光准直器30、第二激光准直器40的光输出端的半透半反镜50的反射位分别设置第一光电探测器51、第二光电探测器52；第一光电探测器51、第二光电探测器52的信号输出端连接光电信号提取模块53；第一激光准直器30、第二激光准直器40的光输出端的半透半反镜50的透射位设置样品池60，透射光经过样品池60再经过滤光片70传输至单光子计数器80，所述的光电信号提取模块53上连接有数据分析处理单元54，所述的光电信号提取模块53与单光子计数器80连接。

数据分析处理单元54是光电信号提取模块53的电压值经过电压采集板连接到PC端，然后再进行建立最小二乘模型单元；所述的数据分析处理单元54完成第一光电探测器51、第二光电探测器52两个光电探测器、单光子计数器80经光电信号提取模块53转换而来信号的收集、以及构建采集量与呕吐毒素含量的回归模型，完成对其浓度的预测。

将小麦进行提取后，获得提取液放入比色皿后，所述的第一、第二激光器10和20分时开启，实现不同波长的激发，两束激光分时通过第一、第二激光准直器30和40后可得平行光束。两束激光分时通过半透半反镜50后，反射后的激光被第一、第二光电探测器51和52所感知，其输出的电信号经过光电信号提取模块53后得到相应的输出值v₁、v₂。透射的激光照射样品池60，激发其拉曼响应。样品发出的拉曼响应经过滤光片70后，被单光子计数器80所感知。单光子计数器80输出的电流值经过光电信号提取模块后输出v′_单、v″_单。

参阅图2，本实用新型中还公开了一种如前所述的装置的一种差分单光子拉曼传感快速检测麦粒呕吐毒素的方法，包括如下步骤：1)将赤霉病的麦粒粉碎，加入乙醇，经过超声、离心去除上清液后得到被检测液样；2)金棒纳米溶胶经浓缩、混匀、加入NaCl后放入比色皿中；3)开启第一激光器10，激光先经过第一激光准直器30，再通过半透半反镜50，经过半透半反镜时反射的光被光电探测器51感知到，其输出的电信号再经过光电信号提取模块53转换后输出v₁，透射的激光照射样品池60，激发其拉曼响应。样品发出的拉曼响应经过滤光片70后，被单光子计数器80所感知。单光子计数器输出的电流值经过光电信号提取模块53转换后输出v′_单，关闭第一激光器10；4)开启第二激光20，步骤同3)，光电信号提取模块53输出v₂、v″_单；5)利用利用偏最小二乘回归构建

二维向量与赤霉病麦粒中呕吐毒素含量的量效关系。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。

Claims

1.一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，包括光纤激光器、光纤准直器、半透半反镜(50)、样品池(60)、光电探测器、滤光片(70)、单光子计数器(80)和光电信号提取模块(53)；

所述的光纤激光器包含第一激光器(10)、第二激光器(20)；其中，第一激光器(10)为638nm激光器，最大输出功率为140mW，功率调谐范围为1～100％；第二激光器(20)为633nm激光器，最大输出功率为80mW，其功率调谐范围也为1～100％；

所述的光纤准直器包括第一激光准直器(30)、第二激光准直器(40)；

所述的光电探测器包括第一光电探测器(51)、第二光电探测器(52)；

所述的样品池(60)为透明的比色皿；

所述的第一激光器(10)与第一激光准直器(30)连接进行耦合，所述的第二激光器(20)与第二激光准直器(40)连接进行耦合；第一激光准直器(30)、第二激光准直器(40)的光输出端均设置有半透半反镜(50)，第一激光准直器(30)、第二激光准直器(40)的光输出端的半透半反镜(50)的反射位分别设置第一光电探测器(51)、第二光电探测器(52)；第一光电探测器(51)、第二光电探测器(52)的信号输出端连接光电信号提取模块(53)；第一激光准直器(30)、第二激光准直器(40)的光输出端的半透半反镜(50)的透射位设置样品池(60)，透射光经过样品池(60)再经过滤光片(70)传输至单光子计数器(80)，所述的光电信号提取模块(53)上连接有数据分析处理单元(54)，所述的光电信号提取模块(53)与单光子计数器(80)连接。

2.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的半透半反镜(50)响应范围为380-780mm。

3.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的第一光电探测器(51)、第二光电探测器(52)为侧窗口型多碱光阴极PMT(1914F)，TE制冷，光谱响应范围为190-860nm。

4.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的样品池(60)为四面通光的石英比色皿，外形尺寸为12.5*12.5*45mm，光程为10*10mm。

5.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的滤光片(70)为BP700带通滤光片,其中心波长是700nm,带宽为10nm,半峰值带宽为45nm，以通过703nm拉曼响应信号。

6.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的单光子计数器(80)为SPCM-AQRH，监测波长范围为400nm到1060nm。

7.根据权利要求1所述的一种差分单光子拉曼传感快速准确检测麦粒呕吐毒素的装置，其特征在于，所述的数据分析处理单元(54)是光电信号提取模块（53）的电压值经过电压采集板连接到PC端，然后再进行建立最小二乘模型单元。