本發(fā)明涉及測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種體積小、攜帶方便、靈敏度高、造價低的微小型激光熒光光譜儀及光譜檢測方法。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是一種采用激光作為激發(fā)光源的熒光檢測技術(shù)，具有分析精度高、測量范圍大、速度快等優(yōu)點，已經(jīng)發(fā)展成為一種十分重要且有效的光譜分析檢測手段。其應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、食品科學(xué)等諸多領(lǐng)域。目前為滿足現(xiàn)場快速檢測及民用的需要，儀器的發(fā)展趨向于智能化、微型化、集成化、芯片化和系統(tǒng)工程化，國際上已經(jīng)報道了多種小型化、輕量化的光譜檢測儀器。

目前激光誘導(dǎo)熒光光譜探測儀器仍存在體積大、成本高、售價昂貴等問題，一般在實驗室內(nèi)使用，不適合現(xiàn)場快速檢測，大大限制了其大面積推廣應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種體積小、攜帶方便、靈敏度高、造價低的微小型激光熒光光譜儀及光譜檢測方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一方面提出了一種微小型激光熒光光譜儀，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中所述激光發(fā)射系統(tǒng)、分光系統(tǒng)以及探測系統(tǒng)集成在殼體內(nèi)，在所述殼體的前端面上開設(shè)有兩個通孔，分別記做第一通孔和第二通孔，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括相連接的激光器以及激光控制電源，所述激光器射出的激光經(jīng)由所述第一通孔射出，所述激光控制電源連接至usb集線器，所述usb集線器連接至設(shè)置在所述殼體上的usb接口，在所述殼體內(nèi)沿著從所述第二通孔入射光的傳播方向依次設(shè)有分光系統(tǒng)、會聚鏡頭以及探測系統(tǒng)；所述探測系統(tǒng)連接至所述usb集線器，所述usb接口還與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的是，所述分光系統(tǒng)采用光柵或棱鏡色散結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的是，所述探測系統(tǒng)采用陣列探測器，所述陣列探測器采用高靈敏陣列ccd或cmos。

優(yōu)選的是，在所述分光系統(tǒng)前端放置長波通濾光片。

優(yōu)選的是，將所述激光器相對于分光系統(tǒng)光軸傾斜放置，使所述激光器形成的激光發(fā)射光路與所述分光系統(tǒng)光軸形成小于90°的夾角。

優(yōu)選的是，將所述激光器相對于分光系統(tǒng)光軸平行放置，在所述殼體的前端經(jīng)連接件設(shè)置平面反射鏡，使所述激光器射出的激光經(jīng)所述平面反射鏡進行反射，該反射激光的光路與分光系統(tǒng)光軸形成小于或者等于90°的夾角。

優(yōu)選的是，將所述激光器相對于分光系統(tǒng)光軸平行放置，在所述第一通孔處設(shè)置第一光纖接口，在所述第二通孔處設(shè)置第二光纖接口，采用y型光纖，所述y型光纖的兩端分別與所述第一光纖接口和第二光纖接口相連接，其第三端用于放置在待檢測樣品的檢測位置處。

本發(fā)明的上述方案的有益效果在于上述微小型激光熒光光譜儀體積小、攜帶方便、靈敏度高、造價低；可對不同形狀、不同放置方式的固體及液體待檢測樣品進行檢測；其不僅可以應(yīng)用于科研、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保等部門檢測，還可以推廣到普通家庭對水質(zhì)、食用油、白酒、農(nóng)藥、食品等進行安全檢測，對于光譜儀器民用化普及推廣具有重要意義。

本發(fā)明還提出了一種基于上述微小型激光熒光光譜儀的光譜檢測方法，所述方法包括以下步驟：步驟1、將待檢測樣品置于所述微小型激光熒光光譜儀的前端；步驟2、使所述激光器輸出脈沖方式的激光；步驟3、當有激光照射待檢測樣品時，待檢測樣品受激光照射激發(fā)產(chǎn)生熒光；步驟4、包含背景光信號的激光誘導(dǎo)熒光信號被所述分光系統(tǒng)色散為不同波長的單色光，所述單色光經(jīng)會聚鏡頭后由探測系統(tǒng)接收按波長依次排列的光譜；步驟5、所述探測系統(tǒng)將上述光譜信號傳輸至所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中；步驟6、當無激光照射待檢測樣品時，包含環(huán)境的背景光信號被所述分光系統(tǒng)色散為不同波長的單色光，所述單色光經(jīng)會聚鏡頭后由探測系統(tǒng)接收按波長依次排列的光譜；步驟7、所述探測系統(tǒng)將上述光譜信號傳輸至所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中；步驟8、所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將步驟5和步驟7中的相鄰兩幀光譜信號進行相減處理，即可獲得扣除背景光信號干擾的光譜信號，并將得到的光譜曲線進行顯示；步驟9、重復(fù)步驟3至步驟8，實現(xiàn)快速實時顯示扣除背景光后的光譜測量曲線。

其中在所述步驟3和步驟4之間還設(shè)有步驟31，通過長波通濾光片，濾除待檢測樣品散射的激光干擾信號。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀的再一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀檢測不同食用油的檢測結(jié)果圖。

圖5示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀檢測不同水質(zhì)的檢測結(jié)果圖。

圖6示出了本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀檢測不同固態(tài)物質(zhì)的檢測結(jié)果圖。

附圖標記：1-殼體，2-第一通孔，3-第二通孔，4-激光器，5-激光控制電源，6-usb接口，7-分光系統(tǒng)，8-會聚鏡頭，9-陣列探測器，10-長波通濾光片，11-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，12-平面反射鏡，13-y型光纖，15-連接件，16-usb集線器，17-第一光纖接口，18-第二光纖接口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀包括激光發(fā)射系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中所述激光發(fā)射系統(tǒng)、分光系統(tǒng)以及探測系統(tǒng)集成在殼體1內(nèi)，所述殼體1可采用圓筒或者方形的盒體，在所述殼體1的前端面上開設(shè)有兩個通孔，分別記做第一通孔2和第二通孔3，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括相連接的激光器4以及激光控制電源5，所述激光器4射出的激光經(jīng)由所述第一通孔2射出，所述激光控制電源5連接至usb集線器16，所述usb集線器16連接至設(shè)置在所述殼體1上的usb接口6，在本實施例中，所述usb接口6設(shè)置在所述殼體1后端面上；在所述殼體1內(nèi)沿著從所述第二通孔3入射光的傳播方向依次設(shè)有分光系統(tǒng)7、會聚鏡頭8以及探測系統(tǒng)，在本實施例中，所述探測系統(tǒng)采用陣列探測器9；所述陣列探測器9連接至所述usb集線器16，所述usb接口6還與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11相連接。

所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11可采用裝有信號處理軟件的計算機或手機；所述激光器4可以采用體積小、造價低的半導(dǎo)體激光器，通過所述激光控制電源5的控制，所述激光器4可實現(xiàn)以連續(xù)或脈沖方式輸出激光；所述分光系統(tǒng)7可以是光柵或棱鏡色散結(jié)構(gòu)；所述陣列探測器9可采用高靈敏陣列ccd或cmos；為了在探測目標光譜時濾除激光的干擾，可以在所述分光系統(tǒng)7前端放置長波通濾光片10。

為了有效的收集熒光，本發(fā)明所涉及的光譜儀可以采用以下幾種實現(xiàn)方式：（1）將所述激光器4相對于分光系統(tǒng)7光軸傾斜放置，如圖1所示，以便使激光發(fā)射光路與分光系統(tǒng)7光軸具有一定的夾角（小于90°）；（2）將所述激光器4相對于分光系統(tǒng)7光軸平行放置，在所述殼體1的前端經(jīng)連接件15設(shè)置平面反射鏡12，使所述激光器4射出的激光經(jīng)所述第一通孔2射出，進而經(jīng)由所述平面反射鏡12進行反射，該激光反射光路與分光系統(tǒng)7光軸形成小于或者等于90°的夾角，如圖2所示。（3）將所述激光器4相對于分光系統(tǒng)7光軸平行放置，在所述第一通孔2處設(shè)置第一光纖接口17，在所述第二通孔3處設(shè)置第二光纖接口18，采用y型光纖13，如圖3所示，所述y型光纖13的兩端分別與所述第一光纖接口17和第二光纖接口18相連接，其第三端用于放置在待檢測樣品的檢測位置處。

由于熒光光譜信號一般比較微弱，受外界光線影響嚴重，需要采取一定遮光環(huán)境進行測試，因此應(yīng)用范圍受到很大限制。本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀采用實時背景光扣除技術(shù)來解決以上問題，所述陣列探測器9每幀都接收光譜信號，而激光器4隔幀發(fā)射激光，這樣相鄰兩幀都接收到光譜信號，其中一幀為包含環(huán)境的背景光譜信號，另外一幀為包含背景光譜信號的激光誘導(dǎo)熒光光譜信號，相鄰兩幀光譜信號相減，即可扣除背景光信號干擾，提高儀器探測的靈敏度和信噪比。

因此基于本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀的光譜檢測方法包括以下步驟：

步驟1、將待檢測樣品置于所述微小型激光熒光光譜儀的前端；

步驟2、使所述激光器4輸出脈沖方式的激光；

步驟3、當有激光照射待檢測樣品時，待檢測樣品受激光照射激發(fā)產(chǎn)生熒光；

步驟4、通過所述長波通濾光片10，濾除待檢測樣品散射的激光干擾信號；

步驟5、包含背景光信號的激光誘導(dǎo)熒光信號被所述分光系統(tǒng)7色散為不同波長的單色光，所述單色光經(jīng)會聚鏡頭8后由陣列探測器9接收按波長依次排列的光譜；

步驟6、所述陣列探測器9將上述光譜信號傳輸至所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11中；

步驟7、當無激光照射待檢測樣品時，包含環(huán)境的背景光信號被所述分光系統(tǒng)7色散為不同波長的單色光，所述單色光經(jīng)會聚鏡頭8后由陣列探測器9接收按波長依次排列的光譜；

步驟8、所述陣列探測器9將上述光譜信號傳輸至所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11中；

步驟9、所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11將步驟6和步驟8中的相鄰兩幀光譜信號進行相減處理，即可獲得扣除背景光信號干擾的光譜信號，并將得到的光譜曲線進行顯示；

步驟10、重復(fù)步驟3至步驟9，實現(xiàn)快速實時顯示扣除背景光后的光譜測量曲線。

本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀具有如下優(yōu)點：(1)采用實時背景光扣除技術(shù)，受外界光線干擾少。(2)檢測方便，可對不同形狀、不同放置方式的固體及液體待檢測樣品進行檢測。(3)快速實時顯示光譜測量曲線。（4）體積小、攜帶方便、靈敏度高、造價低。本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀不僅可以應(yīng)用于科研、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保等部門檢測，還可以推廣到普通家庭對水質(zhì)、食用油、白酒、農(nóng)藥、食品等進行安全檢測，對于光譜儀器民用化普及推廣具有重要意義。

利用本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀可對不同形狀、不同放置方式的固體及液體待檢測樣品進行檢測，以下舉例說明。

（1）食用油光譜檢測

將本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀直接接觸到塑料瓶的表面，發(fā)射激光可以直接測量瓶內(nèi)食用油的激光熒光光譜，并且不受瓶表面熒光和外界環(huán)境光的影響。采用的檢測樣本可以是超市購買的大豆油、橄欖油、葵花籽油、花生油、玉米油等，測量結(jié)果如圖4所示，圖4（a）為金龍魚大豆油的激光熒光光譜圖，圖4（b）為胡姬花調(diào)和油的激光熒光光譜圖，圖4（c）為金龍魚調(diào)和油的激光熒光光譜圖，圖4（d）為橄欖油的激光熒光光譜圖?？梢钥闯霾煌头N的激光熒光光譜不同，通過軟件分析光譜數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)油種類的自動識別，還可以進行食用油產(chǎn)品的造假和偽劣鑒別。

（2）水質(zhì)光譜檢測

激光具有單色性好、能量密度高的優(yōu)點，在水質(zhì)檢測領(lǐng)域得到了研究人員的廣泛關(guān)注。采用本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀，通過激光激發(fā)水體中有機污染物發(fā)射熒光，進而對熒光進行分析，可以得出水體有機物污染種類和濃度信息。本實施例中，檢測樣本采用自來水和礦泉水，圖5（a）為自來水的激光熒光光譜圖，圖5（b）為礦泉水的激光熒光光譜圖，光譜中包含拉曼峰和熒光峰，可以看出自來水由于有機可溶物含量比較高，525nm熒光峰比較強，而礦泉水或純凈水只有明顯的拉曼峰，熒光峰很弱，通過拉曼峰和熒光峰比較，可以推算出水質(zhì)情況。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)屬于分子熒光光譜分析法，具有靈敏度高、測量速度快、非接觸測量、無需試劑等優(yōu)點，還可以用于大面積水域的動態(tài)監(jiān)測。目前，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)已經(jīng)被用于葉綠素、水體溶解有機物（dom）、石油類污染物等的檢測。

（3）固態(tài)目標光譜檢測

本發(fā)明所涉及的微小型激光熒光光譜儀不僅可以檢測水、油、酒精等透明或半透明液體物質(zhì)，還可以對固體目標（如水果、蔬菜、寶石、涂料等）進行激光熒光光譜檢測。在本實施例中分別測量了冬青樹葉與蘋果表面的熒光光譜，如圖6所示，圖6（a）為冬青樹葉的激光熒光光譜圖，圖6（b）為蘋果的激光熒光光譜圖，可以看出冬青樹葉表面葉綠素685nm特征熒光峰強度更強，通過算法可評估植物葉綠素含量。