本发明专利技术公开一种用于检测物质的拉曼和光致发光光谱并借助物质的拉曼和/或光致发光光谱特性鉴定物质的装置和方法。该装置包括具有激光源的可替换激光源集合体、准直系统、用于接收可替换激光源集合体同时确保装置的操作而无须进一步调整准直系统或激光源的定位的插口、滤波系统、被优化以提供足以同时获得物质的拉曼和光致发光光谱的光谱分辨率和光谱范围的光分散系统、检测器和至少一个用于处理电子信号的控制器。公开且要求保护的方法用于同时获得物质的拉曼和光致发光光谱、将光谱分成基于拉曼内容和光致发光内容的分量、分析拉曼和光致发光内容以及使用一组光谱处理方法鉴定物质。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2010年5月26日提出的申请号为61/348，668、题为uRaman-photo luminescence complex and Raman photoluminescence spectralrecognition system”的美国临时申请的权益和优先权,其全文在此并入，以供参考。
本专利技术一般涉及光致发光和拉曼光谱学，并且更具体的涉及用于获得和分析未知物质的光谱信息的装置和方法。
技术介绍
在许多知识领域和许多行业中，物质分析鉴定都是重要的主题。比如，在营养学领域、药物和其他医学产品领域、化学领域、珠宝领域和许多其他领域中，物质分析和鉴定都是重要的。存在对能够执行各种物质和产品的快速、非侵入性、集中性的和可靠的分析与鉴定的廉价、简洁、成熟且可靠的装置的需求。拉曼散射法以其鉴定物质的可靠性而著称。这种方法基于这样的事实:即有机和无机分子具有许多旋转自由度和振荡自由度，其将它们本身显示为拉曼光谱中的一组谱线。每条线的特征在于其独特的光谱位置和相对强度。这些光谱特征包括分子的拉曼“指纹”。这种拉曼“指纹”使检测和鉴定各种物质成为可能。由于每种化学物质的特征在于可区分的拉曼“指纹”，因此使用基于拉曼的方法分析和鉴定不同物质的合成物或混合物也是可能的。典型的拉曼光谱设备是复杂、笨重且昂贵的实验设备组。其通常由强大的激光器、工作在相减模式的三重光栅光谱分析仪和致冷CXD照相机阵列组成。一些现代光谱实验室配有具有额外显微分辨率的拉曼光谱设备。除了典型拉曼光谱设备的大尺寸和高造价，其特征还在于对于某些物质的敏感性不足。现代拉曼光谱设备众所周知的高造价及其巨大尺寸以及在某些情况下拉曼技术不足的敏感性已经使得在可能的情况下将这种设备用于很多重要的实践应用很困难。尽管过去十年间相关领域有一些重要的进步，但是现有的测量拉曼光谱的装置通常无法提供足够的信息以得出有关测试物质性质的可靠结论。比如，现有的拉曼光谱装置不足以对有色物质进行可靠的分析，其光致发光信号遮掩拉曼光谱。拉曼信号通常包含通常显示为宽潜在信号的可检测光致发光背景。来自光致发光背景的这种信号将由样本中已知成分中的一种或更常见地由高度荧光的外来杂质引起。成为问题的程度主要取决于光致发光和拉曼信号的相对强度。然而，大部分样本的固有低拉曼散射概率意味着即使被认为是弱光致发光也将提供显著的光谱分量。另一方面，拉曼和光致发光信号都可以提供关于测试物质的重要信息。比如，在宝石学中，拉曼和光致发光光谱非常有用，不仅在于可用于宝石鉴定，还因为他们可以用于进行宝石处理的分析。拉曼和光致发光功能可以用于鉴定钻石是否人为地在高温或高压下处理以改变其颜色，并从而改变其价值。用油或其他自然物质处理绿宝石裂纹以提高其透明度也是公知的。蜡和树脂用于浸溃翡翠和其他多孔石。通常来说，可以使用红外(IR)谱线光谱检测这些处理，但是拉曼和光致发光光谱技术的组合也允许检测出这些处理。另一个示例来自于半导体行业，光致发光测量可以为MBE (电子束外延)或CVD (化学气相沉积)技术所产生的半导体异质结构提供高度有益的信息。这种测量可以提供关于样本质量、电子密度、多层结构中的电子分布、杂质中心的类型和数量的信息，而拉曼技术可单独允许只获得光频声子的基本信息并允许获知半导体异质结构的组成。因此，目前具有挑战性的问题是创造能够在单激发(singleshot)中以足以满足不同应用(如化学、食品和制药、宝石学、医学和半导体行业)需求的光谱范围和分辨率同时测量拉曼和光致发光光谱的便携式光谱装置。
技术实现思路
本专利技术公开一种用于在物质的单次激发中同时检测拉曼和光致发光光谱和借助物质的拉曼和光致发光光谱特性鉴定物质的装置和方法。该装置包括具有能够产生激光束的激光源的激光源集合体(其是可替换的)；用于使激光束与物质平行且用于从物质收集散射光的准直系统，其中散射光包括瑞利散射、拉曼散射、光致发光散射和反射的激光束；用于接收可替换激光源集合体、同时确保装置的操作而无须调整准直系统或激光源的位置的插口 ；用于过滤瑞利散射和从散射光反射的激光束的滤波系统；被优化以提供足以同时获得物质的拉曼和光致发光光谱的光谱分辨率和光谱范围的光分散系统；用于同时记录拉曼散射和光致发光散射中的多个波长并用于以拉曼散射和光致发光反射的函数形式产生电子信号的检测器；和用于处理电子信号的至少一个控制器。本专利技术公开一种用于检测和分析物质的拉曼和光致发光光谱的方法，包括的步骤有:产生激光束；使激光束与物质平行，从而引起从物质发出的散射光的散射，其中散射光包括瑞利散射、拉曼散射、光致发光散射和反射的激光束；收集从物质发出的散射光；过滤散射光中的瑞利散射和反射的激光束，从而分隔拉曼散射和光致发光散射；聚焦分隔的拉曼散射和光致发光散射；分散分隔的拉曼散射和光致发光散射，同时确保足以同时获得散射光的拉曼和光致发光光谱的光谱分辨率和光谱范围；同时记录拉曼和光致发光光谱；产生拉曼和光致发光光谱的函数形式的电子信号，其中电子信号包括基于拉曼光谱的分量和基于光致发光光谱的分量；分离基于拉曼光谱的分量和基于光致发光光谱的分量；提供包括第一多个物质的拉曼光谱的已知值的第一数据集；提供包括第二多个物质的拉曼光谱的已知值的第二数据集；比较基于拉曼光谱的分量和第一数据集中的已知值，从而选择第一最接近匹配；比较基于光致发光光谱的分量和第二数据集中的已知值，从而选择第二最接近匹配；和基于第一最接近匹配和第二最接近匹配鉴定一种物质。本专利技术进一步包括可以在至少一个控制器和或外部装置(比如计算机、移动电话等)中执行的光谱处理方法，其中该光谱处理方法从噪音中过滤拉曼-光致发光光谱、分离拉曼和光致发光内容、组织对拉曼和光致发光光谱的已知值的数据集的访问、在数据集中搜索最接近的匹配、找回最接近的匹配和向客户发送最接近的匹配。【附图说明】图1示出根据本专利技术的装置的示例实施例的光学原理图。图2示出根据本专利技术的装置的示例实施例的分解侧视图。图3示出具有槽/插口的可替换激光源集合体的实施例的分解图。图4示出准直系统和滤波系统实施例的分解图。图5示出用于定位物质的附加装置的实施例的分解图。图6示出根据本专利技术的装置的实施例的分解侧视图。图7示出光纤系统的实施例的侧视图。图8示出根据本专利技术使用具有以532纳米产生电磁辐射的固态激光器的装置测量的未知物质的拉曼-光致发光光谱。输出光束功率是10毫瓦，测量时间是10秒。通过与拉曼光谱的已知值的数据集比较，将上述物质鉴定为乳糖。图9示出根据本专利技术使用具有以532纳米产生电磁辐射的固态激光器的装置测量的未知宝石的拉曼-光致发光光谱。输出光束功率是10毫瓦，测量时间是I秒。通过与光致发光光谱的已知值的数据集比较，将上述宝石鉴定为蓝宝石。图10示出根据本专利技术使用具有以532纳米产生电磁辐射的固态激光器的装置测量的未知宝石的拉曼-光致发光光谱。输出光束功率是10毫瓦，测量时间是I秒。测量的光谱在光致发光内容和拉曼内容中分离。通过将上述内容与拉曼和光致发光光谱中已知值的数据集进行比较，将上述物质鉴定为绿宝石。图11示出光谱处理结构的示例。图12示出标准具拉曼和光致发光光谱的数据库的结构的示例。图13示出在甲醇净化过本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.05.26 US 61/348,6681.一种用于同时检测物质的拉曼和光致发光光谱的装置，所述装置包括: 激光源集合体，所述激光源集合体具有能够产生激光束的激光源； 准直系统，所述准直系统用于使所述激光束与所述物质平行并用于从所述物质收集散射光，其中所述散射光包括瑞利散射、拉曼散射、光致发光散射和反射的激光束； 插口，所述插口用于接收所述激光源集合体，同时确保所述装置的操作不需要进一步调整所述准直系统或所述激光源的定位； 滤波系统，所述滤波系统用于从所述散射光中过滤所述瑞利散射和所述反射的激光束； 光分散系统，所述光分散系统被优化以提供足以同时获得所述物质的拉曼和光致发光光谱的分辨率和光谱范围； 检测器，所述检测器用于同时记录所述拉曼散射和所述光致发光散射中的多个波长并用于以所述拉曼散射和所述光致发光散射的函数形式产生电子信号；和 至少一个控制器，所述控制器用于处理所述电子信号。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述激光源包括二极管激光器或固态激光器。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述激光源集合体包括具有所述激光源的圆柱形外壳，并且其中通过调整所述圆柱形外壳内的所述激光源，沿所述准直系统的光轴定位所述激光束。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述准直系统包括光传输模块、用于分隔多个波长的所述激光束的干涉滤波器、镜、镜支座、光收集套筒、和用于聚焦所述激光束和收集所述散射光的物镜。5.根据权利要求4所述的装置，其中所述准直系统进一步包括功率衰减器。6.根据权利要求4所述的装置，其中所述准直系统进一步包括用于偏振所述激光束的偏振镜。7.根据权利要求4所述的装置，其中所述镜包括对所述激光束透明的区域，其中所述区域的尺寸适于使所述镜作为分光器操作。8.根据权利要求4所述的装置，其中所述镜附连到所述镜支座，从而所述镜和所述镜支座作为整体操作用于调整所述光收集套筒的光轴。9.根据权利要求4所述的装置，其中所述光收集套筒包括外壳、低通滤波器、准直透镜和缝隙或小孔。10.根据权利要求4所述的装置，其中所述光收集套筒进一步包括偏光器组件，所述偏光器组件用于选择所述散射光的线偏振、圆偏振或椭圆偏振分量之一。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述准直系统进一步包括用于定位所述物质的附加装置。12.根据权利要求11所述的装置，其中所述附加装置包括表面强化拉曼散射基底。13.根据权利要求1所述的装置，其中所述准直系统包括光纤系统、用于从所述散射光中过滤所述瑞利散射和所述反射的激光束的滤波器、光纤连接器和光纤。14.根据权利要求13所述的装置，其中所述光纤系统包括两条连接且具有不同直径的光纤，所述两条连...
【专利技术属性】
技术研发人员：I·V·库库斯金，L·V·库里克，A·B·凡克波，O·A·霍尔科夫，
申请(专利权)人：增强型光谱测定技术公司，
类型：
国别省市：
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