一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种在动态表面增强拉曼光谱检测过程中实时自动聚焦的装置与方法，在检测过程中对拉曼探头与样品之间的距离做自动化的调整使得准确对焦，使样品处获得较高得激光密度，进而获得样品较强的拉曼信号。本发明专利技术的方法能够有效获取动态表面增强拉曼光谱检测中实时的最佳光谱信号，整个过程无需人工干扰，自动简便。自动简便。自动简便。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦方法及系统


[0001]本专利技术涉及光谱、仪器学、数据处理领域，具体地，涉及一种在动态表面增强拉曼光谱测量中自动实时聚焦的拉曼信号检测方法及系统。

技术介绍

[0002]在传统的表面增强拉曼光谱(Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS)中，将被测物体置于干燥的纳米膜上，可实现104～106的增强，为痕量和微量物质的灵敏检测带来了希望。然而，随着纳米科学技术的发展，特别是纳米材料合成技术的快速发展，SERS光谱技术发生了迅速的变化。
[0003]动态表面增强拉曼光谱(Dynamic Surface Enhanced Raman Spectroscopy,D
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SERS)，是在纳米颗粒从湿态向干态转变的过程进行检测的一种SERS方法。在溶剂蒸发过程中，液
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液界面自组装形成SERS热点，随着蒸发过程的进行，目标分子在毛细力作用下进入热点区域。随着越来越多的目标分子富集在热点区，可以观察到越来越强的SERS信号。在状态转换的过程中，产生了最佳热点，这是一个三维的长程有序结构，在D
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SERS的过程中保持了大量的有效热点长达1～2分钟。实验结果表明，该方法可将SERS检测限提高2～3个数量级，具有良好的重现性和灵敏度性。
[0004]在正常的SERS检测中，人们习惯手动调整激光与被测样品之间的距离，通过观察激光光斑的大小来判断激光是否处于聚焦状态。在D
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SERS检测过程中，溶剂从湿态到干态的转化通常需要8～10分钟，而热点的持续时间通常只有1～2分钟。因此，这种手动对焦的方法往往会消耗大量的精力，并且很难捕获高效的热点。目前市场上的拉曼检测仪器缺乏动态热点自动跟踪控制装置，无法实现对D
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SERS的高效检测。为了解决这些问题，需要设计一种适合动态热点捕获自动聚焦系统的特殊装置。
[0005]目前，在一些大型拉曼光谱仪中，为了保证更高的测量精度要求，人们采用添加共聚焦显微系统的方法来实现自动聚焦拉曼光谱，但由于共聚焦显微镜价格昂贵，且体积较大，这种方式只适用于大型精密拉曼光谱仪装置，不应用于快速检测场景。此外，针对一些便携式拉曼光谱仪或手持拉曼光谱仪，已有报道的自动调焦方法，大多是基于显微镜，通过对图像清晰度评价值来控制步进电机的运动，该方法将图像处理技术与聚焦搜索算法相结合，从而实现拉曼光谱自动调焦。然而，这通常需要复杂的图像处理技术。更重要的是，在D
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SERS检测过程中，当激光照射到溶剂上时，激光在液滴表面的折射和反射会对图像处理造成干扰，往往难以确定焦点。此外，人们很容易想到通过收集瑞利散射光作为调焦反馈信号来实现拉曼光谱仪的自动聚焦功能。但是这种方法需要建立另一个反馈光路，通常只适用于大型拉曼光谱仪。因此，有必要研制一种适用于D
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SERS检测的自动聚焦系统。

技术实现思路

[0006]鉴于当前并没有能够适用于D
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SERS检测的自动聚焦方式，本专利技术提供了一种在动态表面增强拉曼光谱检测过程中实时自动聚焦的方法及系统，具体的：
[0007]本专利技术提供了一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦方法，其是在光谱采集拉曼检测过程中对拉曼探头与样品之间的距离做自动化调整使得准确对焦，使样品处获得较高的激光密度，进而获得样品较强的拉曼信号。
[0008]上述所述的自动聚焦方法，其中，所述自动化调整的方法是将载物台置于可移动的线性位移平台上，线性位移平台通过控制器控制移动，所述控制器接收来自计算机的指令；计算机用于对原始拉曼光谱信号进行处理以及谱峰检测并计算谱峰强度评价值；计算机根据谱峰强度评价值的变化，判断激光是否处于焦点位置；
[0009]如果不在焦点位置，发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述线性位移平台做出相应的移动，直至样品在所设置的精度范围内；
[0010]并向线性位移平台控制器发送指令，驱动线性位移平台移动，直到找到最佳信号，并返回初始步进长度；重复上述步骤，继续进行下一次自动聚焦。
[0011]上述所述的自动聚焦方法中，优选的，所述对原始拉曼光谱信号进行处理包括对光谱仪接收到的原始光谱信号进行矫正基线和去除噪声。
[0012]上述所述的自动聚焦方法中，优选的，所述利用小波变换算法检测谱峰，并计算谱峰强度评价值，对检测到的光谱强度按从大到小排序，以前3个最强峰的平均值作为光谱强度评价值。
[0013]上述所述的自动聚焦方法中，优选的，计算机根据谱峰强度评价值的变化，采用优化的爬山算法，判断激光是否处于最佳焦点位置。
[0014]上述所述的自动聚焦方法中，优选的，所述优化的爬山算法以初始步长Δ1全局遍历，并计算光谱强度评价值，找到光谱强度评价值最强点后，回退一步，并以步长Δ2继续移动(Δ2＜Δ1)，直到满足设定的精度。
[0015]上述所述的自动聚焦方法中，优选的，所述光谱采集在待测样品挥发过程中实时持续进行，每次执行聚焦结束后，步进电机返回初始步长，准备下一次自动聚焦，直至待测样品挥发至干态。
[0016]本专利技术还提供了一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦系统装置，其包括：
[0017]激光器，作为激发光源照射在样品上，激光器作为激发光源，激光照射在样品上，同时拉曼探头接收端收集样品的表面增强拉曼光谱信号，经过滤光片传导至光谱仪上；
[0018]载物台，用于放置样品，载物台安装于线性位移平台上；样品的位置会随线性位移平台移动；
[0019]线性位移平台，由控制器驱动可在竖直方向上移动；
[0020]控制器，接收计算机的指令动作，控制线性位移平台做出相应的移动；
[0021]拉曼探头，接收样品的表面增强拉曼光谱信号，经过滤光片传导至拉曼光谱仪上；
[0022]计算机，对光谱仪接收到的拉曼光谱信号，在矫正基线和去除噪声后，进行谱峰检测计算谱峰强度评价值，并根据谱峰强度评价值的变化，判断激光是否处于最佳焦点处；如果不在焦点处，发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述线性位移平台做出相应的移动，可以是向上或向下移动，直到找到最佳信号。返回初始步进长度，重复上述步骤，继续进行下一次自动聚焦。
[0023]本专利技术调整的是载物台与拉曼探头之间的位置，激光拉曼探头位置不动，也就是通过调整载物台位置，使激光焦点落在样品上。本专利技术的自动聚焦方法在整个溶液挥发过
程中实时持续地进行，直到溶液挥发至干态。该方法能够有效获取动态表面增强拉曼光谱检测中实时的最佳光谱信号，整个过程无需人工干扰，非常方便。
[0024]本专利技术提出了一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦系统，该方法以光谱强度作为自动对焦评价函数，先对便携式拉曼光谱仪获得的拉曼信号进行预处理，然后对预处理后的信号进行光谱峰值检测，得到拉曼光谱强度评价值。最后，利用爬山算法连续搜索最强光谱信号，利用步进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于动态表面增强拉曼光谱的自动聚焦方法，其特征在于，在光谱采集拉曼检测过程中对拉曼探头与样品之间的距离做自动化调整使得准确对焦，使样品处获得较高的激光密度，进而获得样品较强的拉曼信号。2.如权利要求1所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述自动化调整的方法是将载物台置于可在竖直方向移动的线性位移平台上，线性位移平台通过控制器控制移动，所述控制器接收来自计算机的指令；计算机用于对原始拉曼光谱信号进行处理以及谱峰检测并计算谱峰强度评价值；计算机根据谱峰强度评价值的变化，判断载物台上的样品是否处于激光焦点位置；如果不在焦点位置，计算机发出指令给所述控制器，由所述控制器控制所述线性位移平台做出相应的移动，直到找到最佳信号，并返回初始步进长度；重复上述步骤，继续进行下一次自动聚焦。3.如权利要求2所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述对原始拉曼光谱信号进行处理包括对光谱仪接收到的原始光谱信号进行矫正基线和去除噪声。4.如权利要求2所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述谱峰检测并计算谱峰强度评价值是利用小波变换算法检测谱峰，并将检测到的光谱强度按从大到小排序，以前3个最强峰的平均值作为光谱强度评价值。5.如权利要求2所述的自动聚焦方法，其特征在于，计算机根据谱峰强度评价值的变化，采用优化的爬山算法，判断激光是否处于最佳焦点位置。6.如权利要求5所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述优化的爬山算法以初始步长Δ1全局遍历，并计算光谱强度评价值，找到光谱强度评价值最强点后，回退一步，并以步长Δ2继续移动，Δ2＜Δ1，直到满足设定的精...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨良保，王景霞，林东岳，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：