[實用新型]用于物質成分分析的光譜探測系統

有效

• 申請號: 201220739250.3
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN203224448U
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 屈軍樂;尹君;劉立新;余鋒;亞歷山大卡欽斯基;帕拉斯帕賽德
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 陳健

技術領域

本實用新型屬于光學探測技術領域，尤其涉及一種用于物質成分分析的光譜探測系統。?

背景技術

激光誘導擊穿光譜技術（Laser?Induced?Breakdown?Spectroscopy，LIBS）是一種常用的原子發射光譜分析技術。LIBS將激光脈沖聚焦在處于不同物質形態（固態、液態和氣態）的樣品表面上很小的焦點區域內，當激光脈沖的能量密度大于待測樣品的擊穿能量閾值時，就會在待測樣品局部激發產生等離子體，即產生激光誘導等離子體。由于這種等離子體的局部能量密度及溫度相當高，因而可用于開展取樣、原子化、激發及離子化等工作。用光譜儀直接收集樣品表面等離子體產生的發射譜線信號，不僅可以獲取物質的原子組成，而且在理論上可以根據發射光譜的強度進行物質成分的定量測量。與傳統的基于原子發射光譜的光譜分析技術，如電感耦合等離子體發射光譜法、電感耦合等離子體發射質譜法、火花源發射光譜法等相比，LIBS技術具有無可比擬的優勢：1）分析簡便、快速，適用于現場快速無損成分檢測和分析；2）對樣品尺寸要求不嚴格，且樣品消耗量極低，同時無需繁瑣的樣品預處理過程，避免了樣品被污染或損傷的可能；3）適用于各種形態的固體（導體或非導體如高硬度金屬材料、塑料制品、礦物等）、液體、氣體和生物組織等；4）可同時進行多元素的檢測和分析；5）可實現原位微區成分分析，空間分辨率可達1-100微米；6）可通過光纖傳導信號，適用于在惡劣環境和條件下（如高溫環境、有毒有害環境和高放射性環境）對待測樣品的遠程成分檢測和分析。此外，實現這一技術所需?的儀器設備技術成熟穩定，系統的操作簡單且維護方便。目前，LIBS技術不僅在近距離（距離樣品數厘米）的實驗室測量中得到應用，而且在遠距離（50-100m）成分檢測和定量分析，如危險物品探測、工業應用檢測以及文物的結構檢查和清潔處理等方面得到了廣泛的應用。?

在入射光場和物質的相互作用中，除了包括光的透射和物質對光的吸收外，還會產生光的散射過程。當入射光場被物質中的原子或分子散射時，絕大多數入射光子發生彈性散射，如瑞利散射和廷德耳散射。這些彈性散射光子具有與入射光子相同的能量（頻率）和波長。然而，極少部分（約為百萬分之一）光子會發生非彈性散射，其光子的頻率與入射光子不同，通常低于入射光子的頻率。這個產生具有新頻率光譜成分的非彈性散射過程稱為拉曼散射或拉曼效應，其光譜稱為拉曼光譜。拉曼散射產生的光譜成分的頻率、強度及偏振等特性反映了散射物質本身的性質。然而在通常情況下，由于樣品中分子的拉曼散射截面很小（約10-29cm2/sr），當激發光頻率遠離其電子能級的吸收頻率時，所產生的拉曼散射光譜信號強度很弱，這就要求在研究過程中使用大功率的激發光源、較大的激發體積、高靈敏度的探測器（如PMT、APD和ICCD等）和長的積分時間，這些不僅會對待測樣品造成較大的損傷，而且光譜信息獲取時間長，同時也引入了大量的系統背景噪聲（如熒光噪聲、熱電噪聲和光子噪聲等），大大降低了系統的探測靈敏度，限制了這一技術在非侵入式遠程分子檢測和分析領域的實際應用。?

當入射激發光的頻率和分子內某一結構或基團的電子能級吸收頻率接近或相同時，由于電子躍遷和分子振動的耦合，激發光在樣品中會激發產生共振拉曼散射現象。基于這一現象所實現的共振拉曼光譜技術（Resonant?Raman?Spectroscopy，RRS）獲得的共振拉曼散射信號比普通拉曼散射信號的強度高103-105倍，從而大大降低了對激發光功率和探測器靈敏度的要求。在樣品濃度低至10-15g/ml的情況下，利用RRS技術依然能夠獲得樣品中特定成分的共振拉曼光譜信號。同時，由于共振激發的振動模式僅與被激發的電子發色團有關，?因而大大簡化了共振拉曼光譜。因此，RRS技術不僅能夠基于物質分子的拉曼光譜對樣品的組成成分進行分析，而且利用紫外光譜波段激光作為激發光源實現的RRS技術，通過使用頻率與物質吸收躍遷頻率接近或一致的激發光激發物質中的分子振動，能夠產生得到共振增強的拉曼光譜信號，這為快速檢測和分析待測樣品中低濃度的自由基和生物材料，以及溶液中濃度很低的溶質的成分提供了一個很好的研究手段。?

從上述分析可知，RRS和LIBS分別具有分子和原子光譜分析能力，在分析物質的構成成分時，前者注重物質分子構成的分析，后者則對物質的元素構成進行分析。然而，在要求同時對構成物質的分子及元素進行分析的場合，這兩種技術均存在局限性，即探測物質不夠全面。?

實用新型內容

本實用新型所要解決的第一個技術問題在于提供一種用于物質成分分析的光譜探測系統，旨在對物質成分的分析更加全面。?