[发明专利]用于物质成份分析的光谱探测系统及其探测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学探测技术领域，尤其涉及一种用于物质成份分析的光谱探测系统及其探测方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种常用的原子发射光谱分析技术。LIBS将激光脉冲聚焦在处于不同物质形态（固态、液态和气态）的样品表面上很小的焦点区域内，当激光脉冲的能量密度大于待测样品的击穿能量阈值时，就会在待测样品局部激发产生等离子体，即产生激光诱导等离子体。由于这种等离子体的局部能量密度及温度相当高，因而可用于开展取样、原子化、激发及离子化等工作。用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号，不仅可以获取物质的原子组成，而且在理论上可以根据发射光谱的强度进行物质成份的定量测量。与传统的基于原子发射光谱的光谱分析技术，如电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体发射质谱法、火花源发射光谱法等相比，LIBS技术具有无可比拟的优势：1）分析简便、快速，适用于现场快速无损成份检测和分析；2）对样品尺寸要求不严格，且样品消耗量极低，同时无需繁琐的样品预处理过程，避免了样品被污染或损伤的可能；3）适用于各种形态的固体（导体或非导体如高硬度金属材料、塑料制品、矿物等）、液体、气体和生物组织等；4）可同时进行多元素的检测和分析；5）可实现原位微区成份分析，空间分辨率可达1-100微米；6）可通过光纤传导信号，适用于在恶劣环境和条件下（如高温环境、有毒有害环境和高放射性环境）对待测样品的远程成份检测和分析。此外，实现这一技术所需的仪器设备技术成熟稳定，系统的操作简单且维护方便。目前，LIBS技术不仅在近距离（距离样品数厘米）的实验室测量中得到应用，而且在远距离（50-100m）成份检测和定量分析，如危险物品探测、工业应用检测以及文物的结构检查和清洁处理等方面得到了广泛的应用。

在入射光场和物质的相互作用中，除了包括光的透射和物质对光的吸收外，还会产生光的散射过程。当入射光场被物质中的原子或分子散射时，绝大多数入射光子发生弹性散射，如瑞利散射和廷德耳散射。这些弹性散射光子具有与入射光子相同的能量（频率）和波长。然而，极少部分（约为百万分之一）光子会发生非弹性散射，其光子的频率与入射光子不同，通常低于入射光子的频率。这个产生具有新频率光谱成份的非弹性散射过程称为拉曼散射或拉曼效应，其光谱称为拉曼光谱。拉曼散射产生的光谱成份的频率、强度及偏振等特性反映了散射物质本身的性质。然而在通常情况下，由于样品中分子的拉曼散射截面很小（约10-29cm2/sr），当激发光频率远离其电子能级的吸收频率时，所产生的拉曼散射光谱信号强度很弱，这就要求在研究过程中使用大功率的激发光源、较大的激发体积、高灵敏度的探测器（如PMT、APD和ICCD等）和长的积分时间，这些不仅会对待测样品造成较大的损伤，而且光谱信息获取时间长，同时也引入了大量的系统背景噪声（如荧光噪声、热电噪声和光子噪声等），大大降低了系统的探测灵敏度，限制了这一技术在非侵入式远程分子检测和分析领域的实际应用。

当入射激发光的频率和分子内某一结构或基团的电子能级吸收频率接近或相同时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，激发光在样品中会激发产生共振拉曼散射现象。基于这一现象所实现的共振拉曼光谱技术（Resonant Raman Spectroscopy，RRS）获得的共振拉曼散射信号比普通拉曼散射信号的强度高103-105倍，从而大大降低了对激发光功率和探测器灵敏度的要求。在样品浓度低至10-15g/ml的情况下，利用RRS技术依然能够获得样品中特定成份的共振拉曼光谱信号。同时，由于共振激发的振动模式仅与被激发的电子发色团有关，因而大大简化了共振拉曼光谱。因此，RRS技术不仅能够基于物质分子的拉曼光谱对样品的组成成份进行分析，而且利用紫外光谱波段激光作为激发光源实现的RRS技术，通过使用频率与物质吸收跃迁频率接近或一致的激发光激发物质中的分子振动，能够产生得到共振增强的拉曼光谱信号，这为快速检测和分析待测样品中低浓度的自由基和生物材料，以及溶液中浓度很低的溶质的成份提供了一个很好的研究手段。

从上述分析可知，RRS和LIBS分别具有分子和原子光谱分析能力，在分析物质的构成成份时，前者注重物质分子构成的分析，后者则对物质的元素构成进行分析。然而，在要求同时对构成物质的分子及元素进行分析的场合，这两种技术均存在局限性，即探测物质不够全面。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种用于物质成份分析的光谱探测系统，旨在对物质成份的分析更加全面。