一种远程SERS光谱检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种远程SERS光谱检测系统及方法。该系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光作为拉曼激发光；光纤拉曼探头，用于将拉曼激发光耦合至光纤SERS探针；光纤SERS探针，用于将拉曼激发光传输至待测物体处产生SERS信号光，后向散射SERS信号光经由光纤拉曼探头耦合至单色仪；单色仪，用于对后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的后向散射SERS信号光；高速光电探测器，用于将不同波长处的后向散射SERS信号光转换为电信号；处理器，用于处理电信号，得到待测物体的SERS光谱，以及用于控制脉冲激光的输出和单色仪中光栅的自动扫描，实现两者的时钟同步。本发明专利技术能够将光纤自身拉曼的积累效应局限在脉冲持续时间内，从而极大提高SERS光谱的远程检测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种远程SERS光谱检测系统及方法
本专利技术涉及SERS光谱检测领域，特别是涉及一种远程SERS光谱检测系统及方法。
技术介绍
表面增强拉曼散射(surfaceenhancedRamanscattering,，SERS)利用贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应实现拉曼信号的极大增强，具有灵敏度高、分子“指纹”识别、多组分同时检测等特点，已广泛应用于环境有机污染物监测、食品安全、国防安保等领域。近年来，鉴于拉曼光谱技术在危险现场检测、物联网等领域的重要应用前景，SERS光谱的远程、实时检测受到人们的普遍关注。SERS光谱远程检测是指利用固定位置(如监控室)的拉曼光谱仪主机实现较长距离(如几公里外)处探测点SERS光谱的采集。目前，实现远程SERS光谱检测的方案主要有以下两种：(1)基于光纤拉曼探头的远程检测方案：将拉曼激发光和拉曼信号光分别耦合至光纤拉曼探头的输入光纤和输出光纤中，通过增加输入光纤和输出光纤的长度以实现远程检测的目的。该方法中，拉曼光谱仪主机位于监控室，而光纤拉曼探头的耦合单元位于远程探测点处，且光纤拉曼探头的探测端依然采用空间光路耦合方式。因此，远程检测时每个探测点需配备一个光纤拉曼探头，不利于节约成本；同时，在各检测点处需人为将SERS基底置于空间耦合光路的焦点处以确保SERS信号的高效激发与耦合收集，费时费力，且难以保证检测数据的可靠性。(2)基于光纤SERS探针的远程探测方案：在光纤表面制备贵金属纳米颗粒或结构形成光纤SERS探针，并将光纤SERS探针与光纤拉曼探头直接耦合连接，通过增加光纤SERS探针的传输段长度以实现远程检测的目的。该方法中，拉曼光谱仪主机及光纤拉曼探头均位于监控室，每个远程检测点处只需引入一条光纤，并在检测点处的光纤表面制备具有SERS增强的贵金属纳米颗粒或结构，利用光纤的倏逝波耦合特性即可实现检测点处SERS信号的远程检测，从而较大程度节约人力、物力成本，有望实现真正意义上的远程SERS光谱检测。然而，该方法中，由于拉曼激发光通常为连续激光，而激光在光纤中传输时会激发光纤自身拉曼信号，且光纤拉曼沿着整个光纤长度累积，从而极大影响SERS光谱的检测灵敏度。已有实验结果表明，在连续拉曼激发光作用下，为了确保良好的SERS光谱信噪比，光纤SERS探针的长度不应超过50cm。由此可见，连续光激发下光纤自身拉曼严重限制了光纤SERS探针的远程检测能力，成为当前制约远程SERS光谱检测技术发展的一个主要瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种远程SERS光谱检测系统及方法，将光纤自身拉曼的积累效应局限在脉冲持续时间内，从而极大提高SERS光谱的远程检测能力。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种远程SERS光谱检测系统，所述系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光，所述脉冲激光作为拉曼激发光；光纤拉曼探头，与所述脉冲激光光源连接，用于将所述拉曼激发光耦合至光纤SERS探针；光纤SERS探针，与所述光纤拉曼探头连接，用于将所述拉曼激发光传输至待测物体处产生SERS信号光，所述SERS信号光包括向前散射SERS信号光以及向后散射SERS信号光；所述后向散射SERS信号光经所述光纤SERS探针回传，并经由光纤拉曼探头耦合至单色仪；单色仪，与所述光纤拉曼探头连接，用于对所述后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的所述后向散射SERS信号光；高速光电探测器，与所述单色仪连接，用于将不同波长处的后向散射SERS信号光转换为电信号；处理器，分别与所述脉冲激光光源、所述高速光电探测器以及所述单色仪连接，用于处理所述电信号，得到待测物体的SERS光谱，以及用于控制脉冲激光的输出和单色仪中光栅的自动扫描，实现两者的时钟同步。可选的，所述光纤拉曼探头包括输入光纤、输出光纤、探头主体以及探测端；所述输入光纤以及所述输出光纤与所述探头主体的一端连接，所述探头主体的另一端连接所述探测端；所述输入光纤连接所述脉冲激光光源，所述输出光纤连接所述单色仪，所述探测端与所述光纤SERS探针连接。可选的，所述探测端包括FC/PC或SMA905光纤接口。可选的，所述光纤SERS探针包括传输段以及探测段，所述传输段用于传输拉曼激发光以及所述后向散射SERS信号光；所述探测段用于产生SERS信号光。可选的，所述传输段为石英光纤；所述探测段由表面制备有贵金属纳米颗粒的光纤构成。可选的，所述单色仪包括光纤适配器，用于耦合所述后向散射SERS信号光。可选的，所述单色仪中光栅的延时时间为100ms～500ms，光栅的延时时间是指单色仪中光栅相邻两次转动的间隔时间。本专利技术还提供了一种远程SERS光谱检测方法，所述方法应用上述的远程SERS光谱检测系统，所述方法包括：获取脉冲激光，所述脉冲激光为拉曼激发光；通过所述拉曼激发光对待测物体进行探测，得到后向散射SERS信号光；将所述后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的后向散射SERS信号光；将不同波长处的后向散射SERS信号光进行转换，得到电信号；去除脉冲持续时间内光纤SERS探针的传输光纤自身的拉曼信号，得到待测物的后向散射SERS信号；对所述待测物的后向散射SERS信号进行处理得到待测物体的SERS光谱。可选的，所述将所述后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的后向散射SERS信号光，具体包括：将单色仪中的光栅固定在预设位置，获取当前时刻的后向散射SERS信号光；所述后向散射SERS信号光包括多个脉冲信号光；对所述多个脉冲信号光进行平均和去本底处理，得到一个波长处的后向散射SERS信号光；改变光栅的位置，得到不同波长处的后向散射SERS信号光。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：本专利技术中通过利用脉冲激光代替连续激光，将远程探测时光纤自身拉曼的积累效应局限在脉冲激光持续时间内，即探测信号中光纤自身拉曼本底仅与脉冲激光脉宽相关，而与光纤实际长度无关；从而能够通过极大增加光纤SERS探针传输段的长度以达到远程SERS光谱检测的目的。此外，本专利技术还能够获得整个光纤沿线上的SERS光谱分布信息，因此能够在同一根光纤路径上实现多个探测点处的远程SERS光谱探测，在危险现场探测、SERS光谱组网监测等方面具有潜在应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例远程SERS光谱检测系统的结构框图；图2为本专利技术实施例远程SERS光谱检测方法的流程图；图3为本专利技术实施例远程SERS光谱检测系统的工作原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种远程SERS光谱检测系统及方法，将光纤自身拉曼的积累效应局限在脉冲持续时间内，从而极大提高SERS光谱的远程检测能力。为使本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远程SERS光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光，所述脉冲激光作为拉曼激发光；光纤拉曼探头，与所述脉冲激光光源连接，用于将所述拉曼激发光耦合至光纤SERS探针；光纤SERS探针，与所述光纤拉曼探头连接，用于将所述拉曼激发光传输至待测物体处产生SERS信号光，所述SERS信号光包括向前散射SERS信号光以及向后散射SERS信号光；所述后向散射SERS信号光经所述光纤SERS探针回传，并经由光纤拉曼探头耦合至单色仪；单色仪，与所述光纤拉曼探头连接，用于对所述后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的所述后向散射SERS信号光；高速光电探测器，与所述单色仪连接，用于将不同波长处的后向散射SERS信号光转换为电信号；处理器，分别与所述脉冲激光光源、所述高速光电探测器以及所述单色仪连接，用于处理所述电信号，得到待测物体的SERS光谱，以及用于控制脉冲激光的输出和单色仪中光栅的自动扫描，实现两者的时钟同步。

【技术特征摘要】
1.一种远程SERS光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光，所述脉冲激光作为拉曼激发光；光纤拉曼探头，与所述脉冲激光光源连接，用于将所述拉曼激发光耦合至光纤SERS探针；光纤SERS探针，与所述光纤拉曼探头连接，用于将所述拉曼激发光传输至待测物体处产生SERS信号光，所述SERS信号光包括向前散射SERS信号光以及向后散射SERS信号光；所述后向散射SERS信号光经所述光纤SERS探针回传，并经由光纤拉曼探头耦合至单色仪；单色仪，与所述光纤拉曼探头连接，用于对所述后向散射SERS信号光进行分光，得到不同波长处的所述后向散射SERS信号光；高速光电探测器，与所述单色仪连接，用于将不同波长处的后向散射SERS信号光转换为电信号；处理器，分别与所述脉冲激光光源、所述高速光电探测器以及所述单色仪连接，用于处理所述电信号，得到待测物体的SERS光谱，以及用于控制脉冲激光的输出和单色仪中光栅的自动扫描，实现两者的时钟同步。2.根据权利要求1所述的远程SERS光谱检测系统，其特征在于，所述光纤拉曼探头包括输入光纤、输出光纤、探头主体以及探测端；所述输入光纤以及所述输出光纤与所述探头主体的一端连接，所述探头主体的另一端连接所述探测端；所述输入光纤连接所述脉冲激光光源，所述输出光纤连接所述单色仪，所述探测端与所述光纤SERS探针连接。3.根据权利要求2所述的远程SERS光谱检测系统，其特征在于，所述探测端包括FC/PC或SMA905光纤接口。4.根据权利要求1所述的远程SERS光谱检测系统，其特征在于，所述光纤SERS探针包括传输段以及探测段，所述传输段用于传输拉曼激发光以及所述后...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晔，周飞，王红成，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44