[發明專利]一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法及裝置

有效

• 申請號: 201410083285.X
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103969239A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 趙維謙;盛忠;邱麗榮;邵榮君
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01J3/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于顯微光譜成像技術領域，將差動共焦顯微技術與光譜探測技術相結合，涉及一種“圖譜合一”的高空間分辨光譜成像與探測方法及裝置，可用于各類樣品的微區拉曼光譜高空間分辨成像與探測。

技術背景

1990年，G.J.Puppels等學者在觀測單細胞和染色體的形態與組成時首先發明了共焦拉曼光譜顯微技術并成功用于實驗。激光共焦拉曼光譜技術通過入射激光引起分子（或晶格）產生振動而損失（或獲得）部分能量，使散射光頻率發生變化，通過對散射光進行分析來探知分子的組分、結構及相對含量等，激光共焦拉曼光譜技術亦被稱為分子探針技術。該技術既繼承了共焦顯微術的高分辨層析成像特征，又可以對樣品進行光譜分析，激光共焦拉曼光譜測試技術作為一種極其重要的材料結構測量與分析的基本技術手段，廣泛應用于物理、化學、生物醫學、材料科學、環境科學、石油化工、地質、藥物、食品、刑偵和珠寶檢定等領域，可對樣品進行無損傷鑒定和深度光譜分析，同時，還可以進行樣品掃描和低溫分析、材料的光致發光研究等。

傳統共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖1所示，光源系統發出激發光束透過偏振分光鏡、四分之一波片和聚焦物鏡后，聚焦在被測樣品上，激發出載有樣品光譜特性的拉曼散射光；通過三維掃描系統移動被測樣品，使對應被測樣品不同區域的拉曼散射光再次通過四分之一波片并被偏振分光鏡反射，第一聚光鏡將偏振分光鏡反射的光進行會聚，利用位于第一針孔后面的光譜探測器測得載有被測樣品光譜信息的拉曼散射光譜。

傳統的共焦顯微技術在激光激發焦點附近的區域內，也能激發出樣品的拉曼光譜，并能被針孔后的光譜探測系統探測。因而共焦拉曼光譜顯微技術的實際探測位置往往處于離焦位置。隨著現代科技的快速發展，人們對微區光譜探測能力及空間分辨探測能力提出了更高的要求。在光學探測系統中，當測量聚焦光斑位于焦點時其尺寸最小，激發光強最強，若要獲得最佳空間分辨力和最優的光譜探測能力，必須對系統進行精確定焦。

總體而言，現有共焦顯微測量方法通常有兩類：一類是利用共焦強度響應的斜邊直接對被測樣品進行測量，另一類是利用共焦強度響應的最大值對樣品進行焦點跟蹤來實現測量。但現有共焦顯微測量系統存在以下不足:當利用共焦強度響應斜邊進行測量時，無法實現絕對位移測量，且測量精度受限于共焦強度響應曲線斜邊測量區間的非線性、光源強度波動、被測表面散射和反射特性等因素；當利用焦點跟蹤測量時，由于共焦顯微測量系統焦點對應共焦強度響應靈敏度最差的頂點，因而制約了此類共焦傳感器焦點跟蹤精度的進一步提高，進而限制了傳統共焦拉曼系統的焦點跟蹤精度和應用范圍。

同時，應用拉曼光譜進行共焦定位信噪比較低，并且由于針孔的遮擋作用會進一步降低拉曼光譜的能量，而擴大針孔尺寸提高光譜通過率則會增加共焦軸向定位曲線的半高寬，降低其定位精度，現有共焦拉曼系統中的共焦針孔尺寸通常在φ150μm～φ200μm之間，所用針孔尺寸相對較大，亦不能很好的起到定焦作用。上述原因限制了共焦拉曼光譜顯微系統探測微區光譜的能力，制約了其在更精細微區光譜測試與分析場合中的應用，因而提高系統的定焦精度是提高其空間分辨力的關鍵。

此外，由于拉曼散射光十分微弱，為了獲得精確、豐富的測量信息，拉曼光譜成像時既需較長時間的單點拉曼光譜探測，又需進行多點拉曼光譜探測，因此拉曼光譜成像需要較長的時間。但是，儀器長時間成像過程中受環境溫度、振動、空氣抖動等的影響較大，易使儀器系統產生漂移，從而導致樣品被探測位置離焦；由于現有共焦拉曼光譜探測技術不具備實時焦點跟蹤和位置矯正能力，因而在整個成像過程中，無法保證其激發光斑的位置處在物鏡焦點位置，實際激發光斑遠大于物鏡聚焦光焦斑，其結果制約了可探測區域的微小化，限制了共焦拉曼光譜儀器的微區光譜探測能力。

為克服傳統共焦拉曼系統存在的上述不足，北京理工大學的趙維謙等人曾提出了一種具有很強微區光譜探測能力的差動共焦拉曼光譜測試方法，其將共焦探測光路系統分為兩部分，并將這兩個探測系統的點探測器分別置于焦前和焦后位置進行差動探測，繼而實現雙極性絕對零點跟蹤測量等。差動共焦拉曼光譜測試技術在專利ZL2008101156011（發明人：趙維謙等）中，以題為“差動共焦拉曼光譜測試方法”已公開，其原理如圖2所示，該方法旨在實現樣品精細微區的光譜成像檢測，為樣品微區三維尺度及光譜特性的測量與分析提供新手段。但是，該差動共焦拉曼光譜測試方法由于采用了雙路物理針孔結構，造成差動共焦測量系統結構相對復雜，并且對離焦位置要求嚴格，裝調困難，增加了誤差源：此外，由于差動共焦顯微系統受到原理限制，通常難以兼顧分辨能力、工作距離和視場。