拉曼信号检测和分析系统及其方法技术方案

本发明专利技术披露了一个拉曼信号检测和分析系统及其方法。通过发出一个激发光到样本上，而产生了拉曼信号。然后拉曼信号通过多个光滤波器和调制器，从而拉曼信号被调制了。被调制的拉曼信号包括两个正交分量，根据所述被调制拉曼信号的一次谐波而计算这两个分量的强度。然后可以根据这两个分量的强度的比率而确定样本中特定分析物的含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量仪器，特别涉及通过使用内标法分析拉曼信号(Ramansignal)而检测样本中被分析物含量的测量仪器。
技术介绍
拉曼光谱是一种对样本内某被分析物的成分和浓度进行定量分析的强大工具。在生理检测的应用中，通常会在近红外区进行这样的光学测量。拉曼信号通常很弱，例如拉曼信号强度对激励信号强度的比率要小于10,。而且拉曼信号对测量条件是超灵敏的，诸如激光波动、光学增白、温度变化、样本尺寸和样本形状的改变以及光学校直。因此在拉曼信号分析期间通常都采用内标法。内标法的基本原理是同时(或几乎同时)测量一个样本信号和一个标准信号，它们的比率(其在各种测量条件下都是不变的)被用做定量估计。在这些系统中通常使用光栅-CCD (或光栅光电二极管阵列)光谱仪作为检测器。但是，这些系统很昂贵，而且在所要求的光谱分辨率下，其通光效率(throughput)受限于光栅。 最近的关于基于微机电系统(MEMS)的光谱仪的发展显示，在拉曼信号检测系统中使用单个检测器来替代CCD系统是可能的，这会大大降低系统成本。但是，这种单个检测器系统的通光效率(throughput)仍然受限于光栅的使用。为了能实现高效率系统，已经披露了各种不同的设计。其中一个这样的设计是扫描光源(诸如可调激光)而得到拉曼光谱。另一个方法是使用一个可调滤波器(诸如声光可调滤波器)而得到拉曼光谱。但是，在用于家庭中监测生理参数时，这些新设计的成本是不可接受的。
技术实现思路
根据以上所述背景，本专利技术的一个目的是提供一种低成本的、高效率的拉曼信号检测和分析系统的设计。因此,在一方面，本专利技术提供一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的方法。拉曼信号首先通过发射一个激发光到样本上而产生。然后将拉曼信号通过多个光滤波器和调制器，该拉曼信号被调制。被调制的拉曼信号包括第一分量和第二分量，其中两个分量是相互正交的。然后根据被调制的拉曼信号的一次谐波，可以计算出两个分量的强度。最后，所述分析物的含量是根据两个分量强度的比率来确定的。在本专利技术的一个示例性实施例中，第一分量和第二分量分别在被调制的拉曼信号的第一象限和第二象限。在本专利技术的另一个方面，提供了另一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的方法。首先产生包括第一和第二波长的激发光。然后通过将该激发光通过多个光滤波器和调制器，而调制该激发光。然后将被调制的光引导到样本上，产生拉曼信号。产生的拉曼信号包括第一分量和第二分量，其中两个分量是相互正交的。然后根据被调制的拉曼信号的一次谐波，可以计算出两个分量的强度。最后，所述分析物的含量是根据两个分量强度的比率来确定的。在本专利技术的另一个方面，提供了一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的测量系统。该系统包括一个激发光源用于投射到样本上并产生一个光信号；一个光学模块用于从所述光信号而产生一个调制的拉曼信号；一个检测器用于接收该调制的拉曼信号；一个微处理器连接到检测器；一个计算机可读存储介质连接到微处理器。在本专利技术的一个特定实施例中，计算机可读存储介质由计算机可读指令编码，用于使所述微处理器执行以下步骤:(i)解调所述调制的拉曼信号，以根据调制的拉曼信号的一次谐波，确定第一分量和第二分量的强度；(ii)根据所述第一分量和所述第二分量的强度，计算所述分析物的含量。由于采用了这种双信号的调制和解调的操作，使内标法拉曼检测-得以在微弱信号上实施。本专利技术的另一个好处是其只含有一个检测器，这能大大降低拉曼检测系统的成本。而且，和传统检测系统相比，本专利技术由于没有诸如光栅的色散元件，其通光效率提高了，被测量目标/标准的比率更稳定。最后还有重要的一点，简单的信号分解算法进一步降低整个系统的成本。附图说明图1显示本专利技术一个实施例的在(a)透射模式和(b)反射模式的测量仪器的示意图。图2a_2f显示本专利技术不同实施例的滤光轮。图3显示本专利技术的(a)翻转镜(b)斩波转盘(C)液晶快门的光学模块的示意图。图4显示本专利技术另一个实施例的在反射模式的示意图。图5a和5b分别显示本专利技术一个实施例的第一周期函数和第二周期函数的波形图。图5c显示本专利技术一个实施例的被调制的拉曼信号的波形图。 图6a和6b显示本专利技术不同实施例的确定分析物含量的方法流程图。图7a显示使用带光谱仪的传统拉曼光谱仪得到的20g/dL葡萄糖溶液和水的拉曼光谱。图7b显示从葡萄糖溶液得到的比率和从水得到的比率的差值依葡萄糖浓度变化的函数图。 专利技术详述在此以及在权利要求中使用的“包括”意指包括以下要素但不排除其他的。参见图1，图1显示本专利技术装置处于后置滤波的透射模式。透射模式的系统大致上包括激发光源28、激光线滤波器30、准直透镜32、光学模块42、检测器24、信号处理单元40、微处理器26和计算机可读存储介质44。检测器24连接到信号处理单元40，其又连接到微处理器26。计算机可读存储介质44连接到微处理器26。激发光源28用于发出至少一个激发波长\ E的激发光，穿过一个或两个激光线滤波器30后到达被测量的样本20上。由于该激发光,从样本20上会发出一个光信号,特定为拉曼信号。在一个实施例中，光学模块42a还包括滤光轮34、一个或两个陷波滤波器36和会聚透镜38。然后发出的拉曼信号穿过准直透镜32到达滤光轮34，准直透镜用于准直从样本发出的拉曼信号。滤光轮34连接到一个马达(未显示)，其以一个预定的周期或频率旋转该滤光轮34。拉曼信号被两个光滤波器在两个预定频谱区上滤波，并在滤光轮34旋转一圈期间，拉曼信号周期性地通过滤光轮η个周期(其中η>=1)。滤光轮34旋转，使得其允许拉曼信号在第一象限通过在样本信号λ Si光谱范围内的第一光滤波器48a,得到第一分量(即样本信号)。滤光轮34还允许拉曼信号在第二象限通过在标准信号Xs2光谱范围内的第二光滤波器50a，得到第二分量(即标准信号)。另外，滤光轮34在其余时间内不允许拉曼信号到达检测器24。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是权利要求1.一种用于确定样本中分析物含量的方法，包括步骤: a.通过发出至少一个激发光到所述样本上而产生一个光信号； b.通过以下步骤得到一个被调制的拉曼信号，其包括第一分量和第二分量: 1.将所述光信号通过第一光滤波器并使用第一周期函数调制所述光信号，得到所述第一分量; i1.将所述光信号通过第二光滤波器并使用第二周期函数调制所述光信号，得到所述第二分量; 其中所述第一周期函数和所述第二周期函数有相同的预定周期，但是相互正交； c.根据所述被调制的拉曼信号的一次谐波，计算所述第一分量和所述第二分量的强度； d.根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度的比率，确定所述分析物的所述含量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一分量是在所述被调制的拉曼信号的第一周期象限，所述第二分量是紧邻在所述第一周期象限之后的一个周期象限。3.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一分量和所述第二分量强度的步骤还包括步骤:根据所述周期，提取所述被调制拉曼信号的所述一次谐波的一个同相幅值和一个四分周期相幅值；其中所述同相幅值对应所述第一分量的强度，所述四分周期相幅值对应所述第二分量的强度。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述被调制拉曼信号的持续时间要比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定样本中分析物含量的方法，包括步骤：a.通过发出至少一个激发光到所述样本上而产生一个光信号；b.通过以下步骤得到一个被调制的拉曼信号，其包括第一分量和第二分量：i.将所述光信号通过第一光滤波器并使用第一周期函数调制所述光信号，得到所述第一分量；ii.将所述光信号通过第二光滤波器并使用第二周期函数调制所述光信号，得到所述第二分量；其中所述第一周期函数和所述第二周期函数有相同的预定周期，但是相互正交；c.根据所述被调制的拉曼信号的一次谐波，计算所述第一分量和所述第二分量的强度；d.根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度的比率，确定所述分析物的所述含量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭嘉祥，张春，朱聿熹，梁立慧，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：