基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统的制作方法

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统。

背景技术：

血液是人与动物最方便、快捷的基因载体，携带全套的遗传信息。为防止国家物种资源信息的流失及相关物种知识产权的损害，同时避免不明外来物种入侵造成生态环境的破坏，海关进出口部门需对血液制品的种属类别进行测试鉴别。

目前国内外用于人血与动物血鉴别的主要方法有：显微观测、hplc，nir，gc-ms、lc-ms、免疫法和dna基因检测方法等。但是，这些方法都属于接触式检测，均存在以下弊端：一方面，基本上都需要对样本进行预处理，造成样本的破坏；另一方面，检测时间较长。因此，常规方法难以满足进出口检验检疫部门的无损和快速的实际需求。相比于以上技术，拉曼光谱技术更为成熟，其已广泛应用于化学、生物医学、食品安全、航空航天、环境保护等领域，并且可以实现非接触式检测，因此是血液鉴别的理想技术手段。本申请人课题组利用拉曼技术在血液鉴别方向已开展了多年的相关研究：

1、haiyibian,pengwang,ningwang,etal.dual-modelanalysisforimprovingthediscriminationperformanceofhumanandnonhumanbloodbasedonramanspectroscopy[j].biomedicalopticsexpress,2018,9(8):3512.

2、haiyib,jingg.erroranalysisofthespectralshiftforpartialleastsquaresmodelsinramanspectroscopy[j].opticsexpress,2018,26(7):8016)。

但是传统的拉曼光谱仪，比如renishawinvia、horiba均采用普通闪耀光栅，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次(如-1级或-2级)。若要实现光谱仪高的色散率和光谱分辨率，就需要采用高刻线密度闪耀光栅，这样加大了成像物镜焦距，导致仪器体积过大，同时又由于高刻线密度光栅对洁净度有要求,因此,传统光谱仪只能安装在恒温恒湿的超净实验室使用,不适合现场检测应用。

相比于普通闪耀光栅，中阶梯光栅的出现成为解决其无法同时满足小体积、宽光谱、高分辨率、瞬态测量等的实际需求。中阶梯光栅具有刻线密度较低，闪耀角大，衍射级次高的特点，所以中阶梯光栅具有很高的色散率和分辨率，不需要转动光栅寻找谱面进行拼接，可以达到一次曝光即测量全谱段波长的要求。因此中阶梯光栅光谱仪相比普通闪耀光栅光谱仪体积更小，结构更简单，有利于实现高度智能化和自动化。中阶梯光栅光谱级次存在的重叠现象，只需使用横向色散元件进行级次分离就可解决，形成的二维光谱反射到ccd上就能形成所需的光谱图,然后再利用化学计量学方法进行分析,通过人机交互界面给出最终的鉴别结果。

传统的拉曼光谱仪存在光谱仪小体积与高分辨率难以共存的缺陷，而中阶梯光栅有望应用到拉曼光谱仪器中来解决该问题，并用于实现血液鉴别，但现有技术中缺少可靠的方案,因此提出了利用中阶梯光栅的血液鉴别系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统，包括激发光路和采集光路；

所述激发光路包括沿激发光的传播方向依次设置的激光器、准直透镜、瑞利滤光片和聚焦物镜；

所述采集光路包括沿样品光的传播方向依次设置的聚焦透镜、针孔、准直镜、光谱分离组件、聚焦镜和ccd，所述光谱分离组件包括中阶梯光栅和棱镜，所述中阶梯光栅和棱镜沿样品光的先后设置次序可互换；

所述激光器发出的激发光经过所述准直透镜后经所述瑞利滤光片反射，再经过所述聚焦物镜后照射到样品上；样品被激发产生的拉曼光沿原光路返回，依次经过所述聚焦物镜、瑞利滤光片、聚焦透镜、针孔后由所述准直镜准直成平行光入射到所述光谱分离组件，最后经过聚焦镜反射至所述ccd；

其中，所述准直镜出射的光先入射到所述中阶梯光栅，再由所述棱镜反射至所述聚焦镜；或者是所述准直镜出射的光先入射到所述棱镜，经所述棱镜透射后到达所述中阶梯光栅，然后再入射到所述聚焦镜。

优选的是，所述激光器发出的激光波长为532nm。

优选的是，所述瑞利滤光片、聚焦物镜和聚焦透镜的两侧均镀制537.7nm～595.3nm的高透膜。

优选的是，所述准直镜为球面准直镜或是具有凹面的非球面准直镜，所述准直镜的光学面上镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

优选的是，所述聚焦镜为球面聚焦镜或是具有凹面的非球面聚焦镜，所述聚焦镜的光学面上镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

优选的是，所述棱镜为反射棱镜，其具有入射面和反射面；所述准直镜出射的平行光先入射到所述中阶梯光栅，不同波长的光经衍射后按角度分开，然后先透射所述反射棱镜的入射面，再由所述反射棱镜的反射面反射至所述聚焦镜。

优选的是，所述反射棱镜的入射面镀制537.7nm～595.3nm的高透膜，反射面镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

优选的是，所述棱镜为透射棱镜，其具有两个透光面；所述准直镜出射的平行光先依次透射所述透射棱镜的两个透光面，再入射到所述中阶梯光栅，不同波长的光经衍射后按角度分开，然后再透射所述透射棱镜的两个透光面后到达所述聚焦镜。

优选的是，所述透射棱镜的两个透光面均镀制537.7nm～595.3nm的高透膜。

本发明的有益效果是：本发明的基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统通过引入核心色散元件中阶梯光栅和辅助色散元件棱镜，采用折叠光路设计方案，实现了光谱仪小体积与高分辨率共存，具有结构紧凑、分辨率高、易于施行等特点。

附图说明

图1为本发明的实施例1的基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例2的基于中阶梯光栅的便携式拉曼血液鉴别系统的结构示意图；

图3为本发明的采用532nm激光激发人血与狗血的拉曼光谱。

附图标记说明：

1—激光器，2—准直透镜，3—瑞利滤光片，4—聚焦物镜，5—血液样本，6—聚焦透镜，7—针孔，8—准直镜，9—中阶梯光栅，10—反射/透射棱镜，11—聚焦镜，12—ccd；20—激发光路；30—采集光路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种基于中阶梯光栅9的便携式拉曼血液鉴别系统，包括激发光路20和采集光路30；

激发光路20包括沿激发光的传播方向依次设置的激光器1、准直透镜2、瑞利滤光片3和聚焦物镜4；

采集光路30包括沿样品光的传播方向依次设置的聚焦透镜6、针孔7、准直镜8、光谱分离组件、聚焦镜11和ccd12，光谱分离组件包括中阶梯光栅9和反射棱镜10，中阶梯光栅9和棱镜10沿样品光的先后设置次序可互换；

激光器1发出的激发光经过准直透镜2后经瑞利滤光片3反射，再经过聚焦物镜4后照射到样品(血液)上；样品被激发产生的拉曼光沿原光路返回，依次经过聚焦物镜4、瑞利滤光片3、聚焦透镜6、针孔7后由准直镜8准直成平行光入射到光谱分离组件，最后经过聚焦镜11反射至ccd12，形成血液拉曼光谱。最后，利用这些光谱，采用现有的常规技术手段，如通过化学计量学进行血液种属的分析与鉴别，再由电脑交互界面即可给出最终鉴别结果。对于将得到的光谱进行后续处理，以形成最终鉴别结果所采用的方案，领域内的技术人员进行常规选择即可，本发明中不具体限制。

其中，准直镜8出射的光先入射到中阶梯光栅9，再由棱镜10反射至聚焦镜11；或者是准直镜8出射的光先入射到棱镜10，经棱镜10透射后到达中阶梯光栅9，然后再入射到聚焦镜11。

在优选的实施例中，激光器1发出的激光波长为532nm。本申请前期进行了532nm、633nm和785nm激光激发血液的拉曼实验，经比较532nm激光激发血液样本5效果最好,见图3，实验结果表明能实现人血与动物血有效区分的光谱范围为200-2000cm^-1；根据拉曼频移公式(公式中λ0为激发光源的波长，此处取532nm，λi为激发样本后的输出波长)可计算出对应的输出拉曼光信号的波长范围为537.7nm～595.3nm，该区间处于可见光波段，避免了被棱镜10吸收，因而设计简单(常规中阶梯光栅9光谱仪一般要求测试范围在200nm至900nm，在设计时需要考虑棱镜10对紫外和红外的吸收)。

在优选的实施例中，为提高拉曼信号的利用效率，瑞利滤光片3、聚焦物镜4和聚焦透镜6的两侧均镀制537.7nm～595.3nm的高透膜。

在优选的实施例中，为减小拉曼信号的损失，准直镜8为球面准直镜8或是具有凹面的非球面准直镜8，准直镜8的光学面上镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

在优选的实施例中，为减小拉曼信号的损失，聚焦镜11为球面聚焦镜11或是具有凹面的非球面聚焦镜11，聚焦镜11的光学面上镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

本发明选用中阶梯光栅9为核心色散元件、棱镜10为辅助色散元件，选取两个球面反射镜或非球面反射镜分别作为准直镜8和聚焦镜11，采用折叠光路设计方案，实现了光谱仪小体积与高分辨率共存。

其中，采集光路30可以采用如上的至少两种形式，一种为：棱镜10选择反射棱镜10，准直镜8出射的光先入射到中阶梯光栅9，再由棱镜10反射至聚焦镜11；另一种为：棱镜10选择透射棱镜10，准直镜8出射的光先入射到棱镜10，经棱镜10透射后到达中阶梯光栅9，然后再入射到聚焦镜11。以下在上述基础上，结合具体实施例对2中采集光路30方案分别进行进一步说明。

实施例1

参照图1，在上述实施例的基础上，其中，棱镜10为反射棱镜10，其具有入射面和反射面；准直镜8出射的平行光先入射到中阶梯光栅9，不同波长的光经衍射后按角度分开，然后先透射反射棱镜10的入射面，再由反射棱镜10的反射面反射至聚焦镜11。为减小拉曼信号的损失，反射棱镜10的入射面镀制537.7nm～595.3nm的高透膜，反射面镀制537.7nm～595.3nm的高反膜。

本实施例中，具体光路过程为：

激光器1发出的激发光经过准直透镜2准直成平行光，以45度角入射至瑞利滤光片3,被瑞利滤光片3反射，经过聚焦物镜4汇聚于血液样本5；为探测采血管内的血液，聚焦物镜4采用长工作距离的长焦物镜；

血液被激光激发产生频率发生偏移的血液拉曼光信号按原光路返回，经瑞利滤光片3滤除频率不变的瑞利散射光后，被聚焦透镜6聚焦于针孔7，经过针孔7后由准直镜8准直成平行光入射到中阶梯光栅9上，不同波长的光经中阶梯光栅9衍射后按角度分开并入射到反射棱镜10上进行二次分离(先透射反射棱镜10的入射面，再由反射棱镜10的反射面反射)，实现重叠级次光谱的完全分开，然后再经过聚焦镜11将已被分开的拉曼光反射到ccd12上，形成血液拉曼光谱。最后，利用这些光谱，通过常规的化学计量学方法进行血液种属的分析与鉴别即可得到最终结果。

其中，选择合理曲率半径和孔径角的聚焦透镜6，即可保证入射到针孔7光束的能量集中度又可保证中阶梯光栅9作为系统孔径光阑的作用。

在进一步优选的实施例中，系统还包括常规的激光器1驱动及制冷电路、ccd12驱动及制冷电路和pc人机交互界面，系统通过pc人机交互界面控制并输出鉴别结果。上述这些元件，使用者根据本发明的上述方案选择相应的常规产品即可。

实施例2

参照图2，在上述实施例的基础上的进一步优选，与实施例1的区别在于：棱镜10为透射棱镜10，其具有两个透光面；准直镜8出射的平行光先依次透射透射棱镜10的两个透光面，再入射到中阶梯光栅9，不同波长的光经衍射后按角度分开，然后再返回透射透射棱镜10的两个透光面后到达聚焦镜11。为减小拉曼信号的损失，透射棱镜10的两个透光面均镀制537.7nm～595.3nm的高透膜。

本实施例中，具体光路过程为：

激光器1发出的激发光经过准直透镜2准直成平行光，以45度角入射至瑞利滤光片3,被瑞利滤光片3反射，经过聚焦物镜4汇聚于血液样本5；为探测采血管内的血液，聚焦物镜4采用长工作距离的长焦物镜；

血液被激光激发产生频率发生偏移的血液拉曼光信号按原光路返回，经瑞利滤光片3滤除频率不变的瑞利散射光后，被聚焦透镜6聚焦于针孔7，经过针孔7后由准直镜8准直成平行光入射到透射棱镜10，然后依次透射透射棱镜10的两个透光面，完成初次色散后，再入射到中阶梯光栅9进行主色散，然后返回再次透射透射棱镜10的两个透光面(透射顺序与前一次相反)，完成二次色散，实现重叠级次光谱的完全分离，然后再经过聚焦镜11将已被分开的拉曼光反射到ccd12上，形成血液拉曼光谱。最后，利用这些光谱，通过常规的化学计量学方法进行血液种属的分析与鉴别即可得到最终结果。

与实施例1相比，本实施例采用透射式结构代替实施例1的反射式结构，可在不影响横向色散分辨率的情况下进一步压缩体积。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。