兼具灵敏度和响应速度的拉曼光谱检测方法与系统技术方案

现有的拉曼光谱检测技术大多用于物质定性检测，且由于拉曼散射比瑞利散射小10～14个数量级、比荧光散射小2～3个数量级，所以需要较大能量的激发光聚焦于检测物质，对于活体的定量检测，存在灵敏度、响应速度和产生的伤害的矛盾。本发明专利技术主要创新点包括：1、采用控制函数控制激发光光斑大小和位置，大幅度减轻对于活体的伤害；2、采用点光斑长时积分采集高精度拉曼光谱数据，采用面光斑短时积分采集抵精度拉曼光谱数据，采用统计和深度学习的校准函数兼顾灵敏度和速度；3、采用聚光接收器收集高倍数的散射光能量以增加检测灵敏度2个数量级；4、采用激发光和散射光离轴光路优化系统效率。提供拉曼光谱检测用于体外诊断设备IVD的实施例。例。例。

【技术实现步骤摘要】
兼具灵敏度和响应速度的拉曼光谱检测方法与系统


[0001]本专利技术涉及光学计量领域和激光生物学领域，尤其涉及散射光检测和传感器，特别是涉及兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测的方法与系统构成，例如用于人体无创伤的IVD(英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品)体外血糖、激素等检测的产品。

技术介绍

[0002]一、关键问题综述
[0003]传统的拉曼光谱仪通常用于对于检测物质的定性测量，用于定量测量甚至用于人体检测的场景较为少见。其原因在于：
[0004]1、光斑位置问题
[0005]由于其激发光都是采用聚焦方式照射检测物质，这种聚焦的光斑很小，对于非均匀检测物质，由于光斑位置处的限定，所检测的光谱数据不能全面反映检测物质中被检测到的目标物质的含量。这种情况只有在目标物质在检测物质中含量均匀，检测结果才能够正确反映目标物质在检测物质中的和含量。此外，对于人体检测来说，聚焦的激光光斑对于人体组织多少都有伤害，尤其是对于需要连续检测的场景，伤害问题较为严重。
[0006]2、分辨率问题
[0007]由于拉曼散射在全部散射光中所占的含量非常小，据资料介绍，拉曼散射光比瑞利散射光小10～14个数量级，比荧光散射光小2～3个数量级！尽管人们在光谱光路中，采用滤光镜阻止与激发光同波长的瑞利散射光，采用差分激发光及其差分算法以消除荧光散射光，现有高精度拉曼光谱仪，虽然用于积分的AD转换器通常采用16bit的，分辨率可以达到1/65536,但是其实际最大分辨率远远达不到这个量级，对于溶液含量来说，仅为1％，而在人体静脉血液中葡萄糖的检测中，其最低浓度约为0.04％，这远远超出分辨率要求。
[0008]3、灵敏度问题
[0009]基于拉曼效应的原理，激发光的单位面积内能量越大，拉曼散射光也越容易被激发，其含量也越大，也越容易拉开与黑底噪声的距离。因此，在条件允许的情况下，高灵敏度的拉曼光谱仪通常采用加大激发光功率，降低光电转换器温度，并且采用聚焦方式照射到检测物质上。以近红外光作为激发光为例，常用的激光器功率在100mW～1000mW之间，聚焦的光斑直径约在0.3mm左右。这些方案对于人体或者是生物活体检测，无论是对于皮肤还是内部组织，由于产生的破坏较大，因此都不合适。
[0010]4、响应速度问题
[0011]限于拉曼散射光及其微弱，为了获得足够的灵敏度，实际测量中通常采用较长时间(例如10～100秒)的积分方式获取光谱数据。这对于低速测量还可以满足，但是对于高速测量，这样的采样时间就不无法支撑了。例如，如果采用脉搏来校验血糖值，由于脉搏的周期小于1秒，而积分的时间大于10秒，这就无法完成通过脉搏来校验血糖值。
[0012]5、同轴工作问题
[0013]目前，几乎所有的拉曼光谱仪都采用同轴方式工作，即激发光的一次光路的光轴与散射光接收的二次光路的光轴，在检测端，都采用半反半透镜合成为同一个光轴，这不仅很难实现对于这两个光路的独立调节，还由于两次经过半反半透镜，使得总的光能量损失高达75％，严重影响了测量的灵敏度。
[0014]小结：
[0015]现有的拉曼光谱检测设备中，灵敏度和响应速度以及聚焦光斑对活体的伤害是个普遍的矛盾。
[0016]二、拉曼散射光检测
技术介绍

[0017]依据专利技术人的研究发现，以往的拉曼散射光检测，可归纳为同轴聚焦法、离轴聚焦法、同轴大光斑光纤束法、离轴大光斑光纤束法，它们的特点分别如下：
[0018]1、同轴聚焦法
[0019]同轴聚焦法是最常用的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过半反半透镜和聚焦透镜聚焦入射光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受入射光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，通过半反半透镜，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。
[0020]这种方法对于散射光总能量的采集，有以下两点不利因素：
[0021]1)、半反半透镜将入射光的能量减半，同时又将收集到的散射光的能量减半，从入射光到散射光的全程，能量损失高达75％，收益仅有25％，损失高达4倍。
[0022]2)、设聚光镜到焦点处的距离为R，此处半球的面积为S
R
，聚光镜的有效半径为r，此处圆形的面积为S
r
，散射光的总能量为E
R
，假设散射光为半球状均匀分布，则在聚光镜处，吸收的散射光能量为E
r
为公式(1.1)所示：
[0023][0024][0025]由公式(1.2)可见，这一不利因素散射光能量损失高达倍。
[0026]由此可见，这两个不利因素将给散射光能量的采集带来总体损失高达倍！，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝800。
[0027]2、离轴聚焦法
[0028]离轴聚焦法较为罕见。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用交叉的两个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过聚焦透镜聚焦入射光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受入射光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。交叉点为焦点。
[0029]由此可见，离轴聚焦法与同轴聚焦法的差别之一是光路中没有采用半反半透镜，因此这一环节没有能量损失。
[0030]由于二次光路的聚焦环境与同轴聚焦法相同，因此，总体的散射光能量损失为
倍，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝200。
[0031]3、同轴大光斑光纤束法
[0032]这也是一种较为罕见的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生入射光，通过透镜汇聚入射光在检测物质上产生一个面积为S0的光斑；在二次光路中，采用光纤束采集散射光，其中光纤束距离光斑为L，假定L＝10mm，光斑在L处的半球面积为S1，如公式(1.3)所示；光纤束总截面积为S2，其中纤芯半径r＝0.05mm，光纤根数为100，全部纤芯总截面积为S3，如公式(1.4)所示，在不考虑光纤全反射临界入射角的情况下，散射光总体能量损失为公式(1.5)：
[0033]S1＝4πL2＝400πmm2ꢀꢀ
1.3
[0034]S3＝100
×
2πr2＝0.5πmm2ꢀꢀ
1.4
[0035][0036]可见总体散射光能量总体损失估算倍数为800倍。
[0037]4、离轴大光斑光纤束法
[0038]这也是一种极为罕见的方法。入射光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用采用交叉的两个光轴。其它方案跟同轴大光斑光纤束法相似，总体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.兼具灵敏度与响应速度的拉曼光谱检测方法，包括：S1000步骤，设定发光器产生点状光斑照射检测物质以激发散射光，采用聚光接收器收集所述散射光，驱动光谱仪采用长时积分以获取高精度拉曼光谱数据；S2000步骤，设定所述发光器产生面状光斑照射所述检测物质以激发散射光，采用所述聚光接收器收集所述散射光，驱动所述光谱仪采用短时积分以获取低精度拉曼光谱数据；S3000步骤，依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，以获取所述高精度拉曼光谱数据；S4000步骤，采用所述高精度拉曼光谱数据校验所述低精度拉曼光谱数据以提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：S5000步骤，调整所述点状光斑照射到所述检测物质上的位置；S6000步骤，所述聚光接收器包括采用聚光元件收集所述散射光能量；S7000步骤，所述发光器的激发光光轴与所述聚光接收器接收的散射光光轴采用离轴方式或同轴方式；和/或，S8000步骤，所述发光器采用激发光中心波长双波长差分工作。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述S1000步骤和所述S2000步骤包括：S1010步骤，基于设定，由控制函数控制所述发光器产生光斑的开启和停止，并控制所述光斑大小，包括从所述点状光斑到最大所述面状光斑的分级或无级调节；S1020步骤，所述控制函数控制所述发光器产生一个以上中心波长的激发光，采用异步和/或同步照射所述检测物质；和/或，S1030步骤，采用滤光镜过滤所述发光器产生的光源得到所述中心波长的激发光；S1040步骤，所述控制函数控制所述光谱仪进行长时积分以产生所述高精度拉曼光谱数据和/或进行短时积分以产生所述低精度拉曼光谱数据；S1050步骤，所述拉曼光谱的工作步骤包括：由发光器产生所述中心波长的激发光，照射所述检测物质，产生的散射光中包括的非弹性的、碰撞所述检测物质分子使得电子的能级跃迁所产生的光子能量改变、波长偏离所述激发光的中心波长的这部分散射光；S1060步骤，所述聚光接收器或所述光谱仪采用滤光镜过滤所述散射光中所述中心波长的散射光光谱，放行所述拉曼光谱到所述光谱仪；S1070步骤，所述光谱仪采集、分解、产生并输出所述拉曼光谱的数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3000步骤具体包括：S3010步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化包括依据前后采样的时间比较所述拉曼光谱数据，设定一个变化阈值，如果变化超过所述变化阈值，则输出条件为1，如果变化小于所述变化阈值，则输出条件为0；S3020步骤，所述依据所述低精度拉曼光谱数据的变化和设定的条件驱动所述S1000步骤，包括当所述输出条件为1时，执行所述S1000步骤，包括当所述输出条件为0时，不予执行所述S1000步骤；S3030步骤，所述变化阈值依据用户的应用预先确定，或者由所述高精度拉曼光谱数据和低精度拉曼光谱数据和采样时刻计算确定。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4000步骤具体包括：
S4010步骤，依据在不同的所述高精度拉曼光谱数据的数据段，采用在短时刻内交替采集所述高精度拉曼光谱数据和所述低精度拉曼光谱数据，建立比对数据集；S4020步骤，依据统计学方法，针对所述比对数据集，计算参考误差；或，S4030步骤，依据深度学习方法，针对所述比对数据集，计算所述参考误差；S4040步骤，依据所述参考误差，修补所述低精度拉曼光谱数据以校验所述低精度拉曼光谱数据，提高所述低精度拉曼光谱数据的灵敏度。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S5000步骤具体包括：S5010步骤，依据所述最大的面状光斑所覆盖的区域，分割成一个以上所述点状光斑的位置，并建立对应的位置坐标；S5020步骤，建立基于时间段均匀分布的所述位置坐标的分布函数；S5030步骤，按照所述分布函数，调整所述点状光斑照射到所述位置坐标，以激发产生所述散射光。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S6000步骤具体包括：S6010步骤，所述聚光元件包括反射式聚光元件或透射式聚光元件或反射透射混合式聚光元件；所述聚光元件构成光路，将所述检测物质被所述激发光激发产生的所述散射光聚集到所述聚光接收器包括的传导元件，以传导到所述光谱仪；S6020步骤，采用反射光路，将所述散射光通过所述反射式聚光元件中包括的曲面反射镜的反射和聚焦的方式聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁贤根，丁远彤，汪小丹，
申请(专利权)人：港湾之星健康生物深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：