基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统技术方案

本发明专利技术属于光谱分析领域，尤其涉及一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，包括拉曼检测装置及与其信号连接的数据处理系统，拉曼检测装置在拉曼光谱数据采集前使液体样本轻微震荡，再对液体样本进行多次、多采样点的拉曼光谱数据采集，将采集的拉曼光谱数据传送至数据处理系统；数据处理系统接收拉曼光谱数据并对其进行分析处理，实现液体样本检测；本发明专利技术提供了形式多样的样本装载部结构，配合耦合光纤结构在液体样本的不同位置上聚焦出多个拉曼采样点，使单次拉曼检测返回多条检测数据，并通过震荡液体主动改变液体样本中物质成分分布而增加样本随机性，由此更加真实和完整地获取液体样本的成分信息，实现全方位数据测定。

【技术实现步骤摘要】
基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统
本专利技术属于光谱分析领域，尤其涉及一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统。
技术介绍
拉曼光谱(RamanSpectroscopy)技术，其原理基于非弹性散射，即激光光源的入射光照射物质时，入射光被物质分子散射，极小一部分散射光的波长与入射光不同，其波长的改变由测试样品的化学结构所决定。拉曼光谱技术是一种适用于广泛领域的无损分析技术，具有高效、重复性强等优势，无需样品准备，且能够通过选择不同的光学元件、光路设计而改变采样位置、采样范围。然而，低浓度复杂成分液体样本的检测一向是拉曼光谱检测技术中的难点：首先，对于极低浓度物质成分的液体样品而言，拉曼光谱信号极为微弱，对拉曼光谱仪的精度与敏感度要求极高，但受限于拉曼光谱仪的高度敏感特性，诸如仪器震荡、实验台晃动等轻微扰动都可能引起系统误差，甚至导致仪器的微米级的采样界面发生偏移；其次，对于仅限于在密封条件下进行拉曼检测的低浓度复杂成分液体样本而言，由密封容器导致的噪声信号强度会远超于液体样本中物质成分的光谱信号；再次，受限于部分样本的诸如挥发性、毒性等自身特性，这类样本仅限于盛装在密封的透明材质容器内进行拉曼光谱检测。但激光透射过不同的透明材质容器而对其中样本进行拉曼信号采集时，容器自身的构成成分也会产生相关的拉曼信号，其信号强度甚至可能远大于内容样品物质成分的拉曼信号；此外，对于低浓度复杂成分的悬浊液而言，液体中各类物质成分的浓度差异及液体样本自身的流动特性，都会导致悬浊液样本中物质成分分布不均匀，且分布状态不稳定。若仅对单个采样点进行拉曼检测，难以保证数据测定的全面性，可能导致检测分析结果严重失真。
技术实现思路
针对现有拉曼光谱液体样本检测技术的上述缺陷，本专利技术提供了一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统。为实现上述技术效果，本申请的具体方案为：一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，包括拉曼检测装置及与其信号连接的数据处理系统，拉曼检测装置对液体样本进行多次、多采样点的拉曼光谱数据采集，且每次数据采集前轻微震荡液体样本，并将采集的拉曼光谱数据传送至数据处理系统；数据处理系统接收拉曼光谱数据并对其进行分析处理，实现液体样本检测；数据处理系统的分析处理方案包括但不限于拉曼光谱数据预处理及谱分布整体模式分类；进一步地，谱分布整体模式分类方法可选择但不限于神经网络方法、SVM分类器、SoftMax分类器或聚类分析方法。拉曼检测装置包括激光源、光谱分析装置、样本装载部及采样光纤，激光源、光谱分析装置分别与采样光纤信号相连，采样光纤至少部分设于样本装载部内，所述样本装载部用于安装样本管，并在每次拉曼光谱数据采集前轻微震荡液体样本；采样光纤具有由多束光纤构成的耦合式光纤结构，其中，每束光纤分别包含一个背散射拉曼探头；针对液体样本，耦合式光纤结构聚焦出多个对应液体样本不同位置的采样点；采样光纤提供了向前光路与返回光路；针对每次拉曼光谱数据采集，激光源向液体样本的多个采样点发射激光光束，激光光束经向前光路照射多个采样点，返回光路从多个采样点处分别收集拉曼散射光，并统一传输至光谱分析装置；光谱分析装置接收拉曼散射光并对其进行光谱分析，获得对应本次多采样点拉曼光谱数据采集的、包含多条分析数据的一组拉曼光谱数据。进一步地，所述激光源发射波长532nm或785nm的单色光，或根据实际需求选择其他波长或同时发射多个波长。进一步地，激光源可选自固体激光源、气体激光源、液体激光源和半导体激光源的一种。再进一步地，激光源选用激光二极管。再进一步地，激光源内设有带宽抑制芯片，带宽抑制芯片为本领域常规结构，其布置方案及应用方式也为本领域技术人员所知晓，本申请不再赘述。进一步地，所述光谱分析装置包括依次布置的透镜组、反射镜组及色散元件，透镜组用于汇聚拉曼散射光，屏蔽杂散光，向后续光学元件提供高信噪比的稳定输入；反射镜组用于调整光路；色散元件将拉曼散射光色散分解为拉曼散射光光谱；对于多次收集自液体样本的多个采样点的多组拉曼散射光，经光谱分析装置处理后，生成表征液体样本的多组拉曼光谱数据。再进一步地，色散元件选用光栅。再进一步地，光谱分析装置还包括光纤适配器，光纤适配器为本领域常规结构，其布置方案及应用方式也应该为本领域技术人员所知晓，本申请中不再赘述。进一步地，所述采样光纤的耦合式光纤结构包括多束激励光纤和多束收集光纤，多束激励光纤构成采样光纤的向前光路，将激光导向液体样本中多个采样点；多束收集光纤构成采样光纤的返回光路，从多个采样点处收集拉曼散射光。再进一步地，采样光纤包括隔离外管，隔离外管开设长度方向贯穿采样光纤的通道，多束激励光纤和多束收集光纤均设于通道中。可选择地，激励光纤和收集光纤之间设有隔离材料。进一步地，样本装载部包括样本震动机构、样本槽与光纤通道。其中，样本槽的内表面与装有液体样本的样本管的外表面形状尺寸相吻合，样本管可拆卸地固定于样本槽内；光纤通道与样本槽连通，终止于样本槽的光纤通道的末端被定义为采样窗口；耦合式光纤结构的采样光纤穿设于光纤通道内，采样光纤的末端位于采样窗口处，对装载于样本槽的样本管中的液体样本进行多采样点的拉曼光谱数据采集；样本震动机构在每次数据采集前轻微震荡液体样本。样本装载部固定地或可拆卸地安装于拉曼检测装置，或作为无需安装至拉曼检测装置的独立部件。可选择地，采样窗口与采样光纤末端截面的形状尺寸相吻合，采样光纤末端稳定嵌于采样窗口，实现多采样点的液体样本拉曼光谱采集。可选择地，采样窗口的尺寸大于采样光纤的截面尺寸，光纤通道靠近采样窗口处的位置设有光纤位移机构，光纤位移机构包括固定环及多个可控伸缩杆。其中，固定环的内表面与采样光纤的外表面形状尺寸相吻合，采样光纤的末端穿过固定环后位于采样窗口处；每个可控伸缩杆的两端分别连接采样通道及固定环，拉曼数据采集前，可控伸缩杆使固定环在其所属平面上与采样窗口的相对位置变化，从而实现采样光纤末端在采样窗口平面上的位移，实现采样位置可选的、多采样点的液体样本拉曼光谱采集。可选择地，光纤通道在接近样本槽的后端处分散，并在终止于样本槽的末端处形成多个离散分布的小窗，耦合式光纤结构的采样光纤穿过光纤通道后，在光纤通道分散处结构分离，采样光纤的多束光纤分别穿过分散通道；各小窗与各束光纤末端截面的形状尺寸相吻合，多束光纤末端分别稳定嵌于多个小窗，实现多采样点的液体样本拉曼光谱采集。可选择地，样本震动机构为设置于样本装载部的电控式振动电机。每次拉曼光谱数据采集前，振动电机实现样本装载部的轻微震动，从而带动样本管中的液体样本发生轻微震荡。可选择地，样本震动机构为承托样本管底部的底座，底座包括承托平台及平台下方的可控升降杆。每次拉曼光谱数据采集前，通过可控升降杆使样本管在竖直方向上轻微震动，从而带动样本管中的液体样本发生轻微震荡。可选择地，样本震动机构为设置于样本槽内的电控旋转装置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，其特征在于：包括拉曼检测装置及与其信号连接的数据处理系统，拉曼检测装置对液体样本进行多次、多采样点的拉曼光谱数据采集，且每次数据采集前轻微震荡液体样本，并将采集的拉曼光谱数据传送至数据处理系统；数据处理系统接收拉曼光谱数据并对其进行分析处理，实现液体样本检测；其中数据处理系统的分析处理方案包括但不限于拉曼光谱数据预处理及谱分布整体模式分类。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，其特征在于：包括拉曼检测装置及与其信号连接的数据处理系统，拉曼检测装置对液体样本进行多次、多采样点的拉曼光谱数据采集，且每次数据采集前轻微震荡液体样本，并将采集的拉曼光谱数据传送至数据处理系统；数据处理系统接收拉曼光谱数据并对其进行分析处理，实现液体样本检测；其中数据处理系统的分析处理方案包括但不限于拉曼光谱数据预处理及谱分布整体模式分类。


2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，其特征在于：所述拉曼检测装置包括激光源（1）、光谱分析装置（2）、样本装载部（4）及采样光纤（3），所述激光源（1）、光谱分析装置（2）分别与采样光纤（3）信号相连，采样光纤（3）至少部分设于样本装载部（4）内；
采样光纤（3）具有由多束光纤构成的耦合式光纤结构，每束光纤分别包含一个背散射拉曼探头；针对震动后的液体样本，耦合式光纤结构聚焦出多个对应液体样本不同位置的采样点；采样光纤（3）提供了向前光路与返回光路；
针对每次拉曼光谱数据采集，激光源（1）向液体样本的多个采样点发射激光光束，激光光束经向前光路照射多个采样点，返回光路从多个采样点处分别收集拉曼散射光，并统一传输至光谱分析装置（2）；
光谱分析装置（2）接收拉曼散射光并对其进行光谱分析，获得对应本次多采样点拉曼光谱数据采集的、包含多条分析数据的一组拉曼光谱数据；
所述样本装载部（4）用于安装样本管，并在每次拉曼光谱数据采集前轻微震荡液体样本。


3.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，其特征在于：样本装载部（4）包括样本震动机构、样本槽（41）与光纤通道（42），样本槽（41）的内表面与装有液体样本的样本管的外表面形状尺寸相吻合，样本管可拆卸地固定于样本槽（41）内；光纤通道（42）与样本槽（41）连通，终止于样本槽（41）的光纤通道（42）的末端被定义为采样窗口（43）；耦合式光纤结构的采样光纤（3）穿设于光纤通道（42）内，采样光纤（3）的末端位于采样窗口（43）处，对装载于样本槽（41）的样本管中的液体样本进行多采样点的拉曼光谱数据采集；样本震动机构在每次数据采集前轻微震荡液体样本。


4.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱的复杂低浓度液体样本检测系统，其特征在于：采样窗口（43）与采样光纤（3）末端截面的形状尺寸相吻合，采样光纤（3）末端稳定嵌于采样窗口（43），实现多采样点的液体样本拉曼光谱采集。


5.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱的复杂低浓度液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹愚，
申请(专利权)人：成都大象分形智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51