基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法技术

本发明专利技术提供了基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法，该方法使用波长为532纳米的连续激光器作为光源且设计采用内壁镀膜的双空芯光纤作为探测结构，且同时对参考液体和待测液体进行探测并获得两路光谱信号，通过对两路拉曼光谱信号运用比较分析得出参考液体和待测液体之间组分差异以及待测液体成分分析，故本发明专利技术液体探测方法具有使用范围广、测量效率高以及可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种拉曼光谱液体探测方法，特别涉及基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法。
技术介绍
拉曼光谱技术在液体检测方面具有分析周期短、装置简单、可同时探测多种液体等技术优势，被作为重要的物质分析检测手段，在生物医学、物理化学、材料分析、微纳测试等领域得到广泛的应用。近年来，拉曼光谱技术在火星探测上的应用也被提了出来，欧洲宇航局(ESA)和美国宇航局(NASA)计划在2018年发射ExoMars，其漫游者将携带拉曼光谱仪(RamanLaserSpectrometer,RLS)对火星表面和深层物质进行探测；NASA计划在2020年发射的火星2020科学漫游者(Mars2020Rover)中携带拉曼光谱仪(TheScanningHabitableEnviro纳米entswithRaman&LuminescenceforOrganicsandChemicals,SHERLOC)，用来在细微级别下探测矿物和有机化合物。然而，拉曼散射是一种弱散射，在实际操作中存在灵敏度不足的问题，目前较典型的是采用多次反射增强的方式。1974年，美国Sandia国家实验室Hill等报道了用于拉曼散射增强的多次反射腔，采用由两对相互垂直的全反镜和一对共焦的平凸透镜组成的多次反射腔，在焦点处的光强获得约20倍的增强。2008年，上海交通大学X.Y.Li等设计了近共焦拉曼增强腔，系统的气体检测限可提高到几十ppm。2011年，美国德克萨斯大学Utsav等对Herriott腔进行改进，拉曼信号强度增强了83倍，信噪比由9.3增加到153。2014年，中国海洋大学杨德旺等进一步将近心焦腔的检测限提高到十几ppm。实际上，尽管多次反射腔可极大地提高拉曼散射强度，但多次反射腔采用两个高反射率腔镜进行增强，对光路调节和系统稳定性要求较高。同时，若测量对象是透明的有机物液体，很容易由于对焦不准而将焦点聚焦在载玻片上。综上所述，常见的拉曼探测法仅针对单一样本进行分析，且因拉曼光谱数据库不能及时更新而带来一定的误差，极大地降低了测量效率和可靠性。因此，需要一种设有参考样本分析和高测量效率与高可靠性的拉曼光谱探测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法，该方法包括如下步骤：(a)将参考液体和待测液体分别注入平行并列布置的第一空芯光纤和第二空芯光纤中并充满所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤；(b)使用波长为532纳米的连续激光器作为光源，通过分光比为50:50的耦合器将所述连续激光器发出的激光分为第一束激光和第二束激光；(c)所述第一束激光和所述第二束激光分别通过第一透镜和第二透镜将所述第一束激光和所述第二束激光分别聚焦至所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤内；(d)所述第一束激光和所述第二束激光作为激发光分别激发所述参考液体和所述待测液体产生拉曼散射光并分别再经第一收集光路透镜和第二收集光路透镜导入至第一光电探测器和第二光电探测器；(e)所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别将探测到的所述激发光和所述拉曼散射光传输至数据分析系统进行分析；(f)所述数据分析系统经分析获得所述参考液体的拉曼光谱和所述待测液体的拉曼光谱并进行对比，从而得出所述待测液体与所述所述参考液体之间的组分差异以及实现对所述待测液体的成分分析。优选地，所述数据分析系统采用自动减基线的方法分别对所述参考液体拉曼光谱和所述待测液体拉曼光谱进行减基处理并获得优化后的参考液体拉曼光谱和优化后的待测液体拉曼光谱。优选地，所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤为空芯石英光纤并共用一个外部包层且所述外部包层的两个端部由焊锡进行固定。优选地，所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤的内壁均镀有高反介质膜。优选地，所述高反介质膜为镀银膜。优选地，所述拉曼光谱的强度与所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤的长度之间的变化以下遵循方程：所述激发光和所述拉曼散射光在所述第一空芯光纤或所述第二空芯光纤内的液体中呈e指数衰减，且具有相同的损耗系数，其中PR为拉曼散射光强度，PL为激发光强度，α为所述第一空芯光纤或所述第二空芯光纤内液体的损耗系数，χ为所述第一空芯光纤或所述第二空芯光纤的长度，K为所述空芯光纤内液体的散射截面和光纤数值孔径相关的常数。本专利技术液体探测方法具有使用范围广、测量效率高以及可靠性高等优点。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出本专利技术液体探测方法的系统组成示意图；图2示意性示出本专利技术液体探测方法的操作流程图；图3为本专利技术液体探测方法所获得的拉曼光谱图；图4为本专利技术液体探测方法所获得的经减基处理的拉曼光谱图；图5为本专利技术液体探测方法针对不同样本所测试数据的拉曼光谱图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。图1和图2分别示出了本专利技术基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法的系统组成图100和步骤流程图200。本专利技术液体探测方法的系统组成图100依次包括：连续激光器101、耦合器(OC)102、第一透镜103和第二透镜104、第一空芯光纤105和第二空芯光纤106、第一收集光路透镜107和第二收集光路透镜108、第一光电探测器109和第二光电探测器110以及数据分析系统111。本专利技术液体探测方法的步骤流程图200包括如下步骤：(a)将参考液体和待测液体分别注入平行并列布置的第一空芯光纤105和第二空芯光纤106中并充满第一空芯光纤105和第二空芯光纤106(步骤201)。所述第一空芯光纤105和所述第二空芯光纤106为空芯石英光纤并共用一个外部包层且所述外部包层的两个端部由焊锡进行固定。常见的空芯石英光纤一般外部包层含有硅胶层或环氧树脂层使其柔软且不易折断，但硅胶层或环氧树脂层均为有机材料层且易溶于有机溶液，这将对探测有机液体带来不利的影响。为避免上述不利影响，本专利技术中第一空芯光纤105和第二空芯光纤106所共用的外部包层的两端部采用由焊锡进行固定。具体地，根据光纤头的长度用酒精灯烧除一段，让石英裸露并将光纤头插入熔融的焊锡中进行固定，冷却后再用1：1混合的AB无机胶封严并晾干，从而有效防止注入液体后发生外泄现象。进一步将参考液体和待测液体从第一空芯光纤105和第二空芯光纤106的一端注入、同时放低第一空芯光纤105和第二空芯光纤106另一端使液体沿第一空芯光纤105和第二空芯光纤106流入直至充满，但不可太满，在第一空芯光纤105和第二空芯光纤106头处留置空间，便于封光纤头，保证密封后有空间缓冲溶液受热的液体膨胀。优选地，第一空芯光纤105和第二空芯光纤106的内壁均镀有高反介质膜，该高反介质膜为金属层膜，例如镀银膜；这种高反介质膜可以有效增强拉曼光谱信号强度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法，该方法包括如下步骤：(a)将参考液体和待测液体分别注入平行并列布置的第一空芯光纤和第二空芯光纤中并充满所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤；(b)使用波长为532纳米的连续激光器作为光源，通过分光比为50:50的耦合器将所述连续激光器发出的激光分为第一束激光和第二束激光；(c)所述第一束激光和所述第二束激光分别通过第一透镜和第二透镜将所述第一束激光和所述第二束激光分别聚焦至所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤内；(d)所述第一束激光和所述第二束激光作为激发光分别激发所述参考液体和所述待测液体产生拉曼散射光并分别再经第一收集光路透镜和第二收集光路透镜导入至第一光电探测器和第二光电探测器；(e)所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别将探测到的所述激发光和所述拉曼散射光传输至数据分析系统进行分析；(f)所述数据分析系统经分析获得所述参考液体的拉曼光谱和所述待测液体的拉曼光谱并进行对比，从而得出所述待测液体与所述所述参考液体之间的组分差异以及实现对所述待测液体的成分分析。

【技术特征摘要】
1.基于双空芯光纤的增强拉曼光谱液体探测方法，该方法包括如下步骤：(a)将参考液体和待测液体分别注入平行并列布置的第一空芯光纤和第二空芯光纤中并充满所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤；(b)使用波长为532纳米的连续激光器作为光源，通过分光比为50:50的耦合器将所述连续激光器发出的激光分为第一束激光和第二束激光；(c)所述第一束激光和所述第二束激光分别通过第一透镜和第二透镜将所述第一束激光和所述第二束激光分别聚焦至所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤内；(d)所述第一束激光和所述第二束激光作为激发光分别激发所述参考液体和所述待测液体产生拉曼散射光并分别再经第一收集光路透镜和第二收集光路透镜导入至第一光电探测器和第二光电探测器；(e)所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别将探测到的所述激发光和所述拉曼散射光传输至数据分析系统进行分析；(f)所述数据分析系统经分析获得所述参考液体的拉曼光谱和所述待测液体的拉曼光谱并进行对比，从而得出所述待测液体与所述所述参考液体之间的组分差异以及实现对所述待测液体的成分分析。2.根据权利要求1所述的液体探测方法，其特征在于：所述数据分析系统采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，张雯，姚齐峰，董明利，娄小平，何巍，骆飞，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11