[发明专利]一种用于样品组分定量分析的装置及方法

说明书

本发明提供用于获取喇曼散射光谱的装置及方法，装置包括：产生激发光束的激发光源；激发光光路，将激发光束导向待分析样品以产生喇曼散射光；收集喇曼散射光的散射光收集光路；检测装置，用于接收对应各检测频率或子频段的喇曼散射光信号并转换成电信号以分析；连接散射光收集光路和检测装置的一个或多个色散装置，用于导入散射光收集光路收集的喇曼散射光形成喇曼散射光谱；至少一个色散装置配有空间光调制器，空间光调制器在所在色散装置形成的喇曼散射光谱中选择对应不同的检测频率或子频段的空间部分并逐次导向检测装置检测，其中，喇曼散射光谱的部分或全部为反斯托克斯光谱。采用本发明可以检测反斯托克斯喇曼光谱用于样品组分定量分析。

技术领域

本发明涉及用于样品组分定量分析的装置和方法。

背景技术

喇曼散射光谱(Raman scattering spectrum)的获取不依赖于复杂的样品前处理，可以用于快速、无损的样品组分分析。目前市场上已有一些便携式喇曼光谱仪，它们体积小，结构简单，使用维护方便。它们所采用的激发波长多为532nm-1064nm，所采用的传感器多为像传感器线阵，如电荷耦合器件(CCD)、N型金属氧化物场效应管(NMOS)。在近红外波段，采用较长的激发波长有利于减小荧光背景，可在一定程度上提高喇曼散射光检测的信噪比，不过由于喇曼散射强度反比于激发波长的四次方，对所用检测单元性能的要求就较高(一般通过降低工作温度和延长检测周期来实现)。另一方面，波段在1100nm以上的光谱检测一般使用铟镓砷(InGaAs)光电二极管线阵，目前这种器件的制造成本比适用波段在1100nm以下的像传感器线阵高得多，直接影响整机的生产成本。受制于上述因素，一般便携式喇曼光谱仪的灵敏度和光谱分辨率相当有限，性价比也不太高。

喇曼散射光谱中光子频率高于激发光的光子频率的部分(即发射波长长于激发波长的部分)被称作反斯托克斯光谱(anti-Stokes spectrum)，光子频率低于激发光的光子频率的部分(即发射波长短于激发波长的部分)被称作斯托克斯光谱(Stokes spectrum)，前者系由处于较低的基电子态的分子受到激发光光子的极化作用后迅即向某个较高的基电子态跃迁发生，后者系由前者所产生的处于较高的基电子态的分子受到激发光光子的极化作用后迅即向较低的基电子态跃迁发生，两者谱线相对于激发光谱线的频移关于零点对称分布。由于非共振荧光的光子频率一般低于激发光的光子频率，检测反斯托克斯光谱有助于排除荧光背景的干扰。另一方面，各能级的分子数呈玻耳兹曼分布，反斯托克斯谱线的强度弱于对应的斯托克斯谱线，且两者比值随频移增大而减小。由于受到体积大小和性能的限制，一般便携式喇曼光谱仪的设计功能不包含获取反斯托克斯光谱。

目前常用于观测反斯托克斯喇曼光谱的技术有相干反斯托克斯喇曼谱分析(coherentanti-Stokes Raman spectroscopy)。这种技术是将两束光子频率分别为ν₁、ν₂(ν₁>ν₂)的强激光光束导向样品且其频率差恰等于样品的自发喇曼频移，从而产生共振的分子振动，同时与频率为ν₃的某一激光光束(可以是所述的频率为ν₁的强激光光束)混合，产生频率为ν₃+ν₁-ν₂的反斯托克斯光谱；由于所获得的谱线信号幅值与各物理量(包括样品组分浓度)关系复杂，背景噪声大，这种技术难以用于一般的样品组分定量分析。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种用于样品组分定量分析的装置及方法，以抑制一般便携式喇曼光谱仪的使用中常见的荧光和背景光的干扰，获得高光学信噪比，同时成本不致过高。