郭金家 (中国山东省青岛市市南区鱼山路5号中国海洋大学海洋遥感研究所, Shandong 3, 266003, CN)
中国海洋大学 (中国山东省青岛市崂山区松岭路238号, Shandong 0, 266100, CN)
GUO, Jinjia (Ocean Remote Sensing Institute, of Ocean University of ChinaNo.5 Yushan Road, Shina, Qingdao Shandong 3, 266003, CN)
| 权 利 要 求 书 1、 一种水下拉曼 -荧光光谱联合探测装置， 包括密封舱的外壳 （1 外壳（1)上的光学窗口（3)与电缆接头（9)， 和外壳（1)内由激光器（2 前置光路 （4)、 光纤 （5)、 光栅 （6)、 探测器 （7) 构成的光谱仪， 以及电 子控制模块 （8)， 其特征在于上述的光栅 （6) 是组合光栅： 高分辨率的上 光栅 （10)、 低分辨率的下光栅 （11)， 且在上、 下光栅 （10、 11) 之间夹 角为 θ ， 由公式 确定， 其中 ^和 分别为上光栅 （10) 的入射角和出射角， α2和 β2分别为 下光栅 （11) 的入射角和出射角； 通常光栅的入射角和出射角根据已有的 光栅方程确定： 其中， 为衍射级次， 6 为光栅刻痕之间的距离， 即光栅每毫米刻痕 数的倒数， λ为衍射光的中心波长， α和 β分别是光栅的入射角和出射角。 2、 根据权利要求 1所述的水下拉曼 -荧光光谱联合探测装置， 其特征 在于上述激光器（2) 同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激光光源， 且其波长 为 220~270 3、 根据权利要求 1所述的水下拉曼 -荧光光谱联合探测装置， 其特征 在于上述的上光栅 （10) 是 3600 grooves/mm。 4、 根据权利要求 1所述的水下拉曼 -荧光光谱联合探测装置， 其特征 在于上述的下光栅 （11) 是 300 grooves/mm, 中心波长为 565nm。 5、 根据权利要求 1所述的水下拉曼 -荧光光谱联合探测装置， 其特征 在于上述的探测器 （7) 为面阵 CCD或 EMCCD。 |
水下拉曼-荧光光谱 探测 ¾g
技术领域
本发明属于海洋化学光谱探测装置， 具体涉及一种水下拉曼-荧光光谱联合探测装 置。
背景技术
目前， 大部分海洋化学探测都需要采集样品送回水上 的实验室进行分析， 缺乏用于
7j下现场探测的化学传 ， 现有的现场探测化学传 多是针对特定组分的实时、 原 位分析， 缺少多参数同时分析的现场探测化学传 ¾1。
近年来发展了一些采用激光光谱手段的多参数 海洋化学探测技术， 如拉曼光谱、 荧 光光谱等， 但都是单一光谱探测技术的应用。 对于通常的水下原位探测， 以近岸海水为 例， 由于存在大量的荧光物质，采用紫外、可见光 波段激发拉曼， 荧光的干扰非常严重， 甚至会完全掩盖拉曼信号， 采用近红外波长激发， 可以樹子的抑制荧光， 但激发效率较 低。 而采用荧光光谱只能探测到海水中有色可 机物等一些主要的有机物成分， 对于 一些含量较低但危害巨大的物质， 如多环芳烃， 其荧光信号被完全湮没在有色可 Mm 物荧光光谱中。
鉴于海水中物质成分具有复杂性和多样性的特 点， 对于海洋物质化学成分的探测需 要综合多方面的信息， 而且由于海洋作业条件的限制， 希望會 多一次布放测量仪器获得 尽可能多的翻， 因 ifcm切需要具有综合测量或探测能力的仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一水下拉曼 -荧光光谱！ ^探测装置， 可同时实现海水成分的拉 曼光谱和荧光光谱探测， 以弥补现有技术在海洋化学实时探测中的不足 。
本发明将拉曼光谱技 荧光光谱技术结合。 采用深紫外波长 (220~270nm)激发 拉曼光谱， 由于拉曼光谱信号与激发波长的四次方成反比 ， 与通常的可见光和近红外波 长的激发相比， 信号强度会有几十倍甚至上百倍的提高， 即«效率高， 而且由于海水 中的物质荧光鎌波 常大于 300nm， 采用深紫外波长激光光源激发， 拉曼光谱范围 小于 300nm， 与荧光 寸光谱没有 β， 可获得理想的拉曼光谱。 另外， 由于紫外光的 光子能量与电子育 间的能量差相当， 深紫外波长激发容易得到共振拉曼光谱， 可使信 号进一歩增强。 对荧光光谱探测来说， 海水中溶解的很多有机物其吸收波长集中在 220~270nm, 采用深紫外波长具有更高的纖效率。
如上所述， 采用深紫外波长激发， 无论对拉曼光谱还是荧光光谱激发， 都有着更高 的激发效率，而 这两种光谱的激发波长范围具有,的一致性， 在 220~270nm范 围内， 激发产生的拉曼光谱和荧光光谱光谱范围不同 ， 即拉曼光谱<300nm， 荧光光谱 >300nm， 易于分离， ¾!¾是本发明的构建基础。 本发明的技术方案包括作为密封舱的外壳， 外壳上的光学窗口与电缆接头， 和外壳 内由激光器、 前置光路、 光纤、 光栅、 探测器构成的光谱仪， 以及电子控制模块， 其特 征在于 的光栅是组合光栅： 高 摔的上光栅、 低 争率的下光栅， S±¾的上光 栅、 下光栅有一定的夹角 θ。
的上光栅 辛率是 3600 grooves /mm, 尺寸为 32 X 16mm。
的下光栅 争率是 300 grooves/mm, 尺寸为 32 X 16mm。
激光器同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激光光 源， 且其波长为 220~270nm。 的光电探测器为紫外增强型面阵 CCD或 EMCCD。
本发明的技术关键 要的部分为光谱仪中作为分光装置的组合光栅 ， 同时实现拉 曼光谱与荧光光谱分离与探测。 组合光栅由上、 下两块不同彌率、 有一定夹角的光栅 组成， 激光照射目标物产生的拉曼、 荧光混合光谱照射到组合光栅， 由于上下两块光栅 争率不同、 入射角度不同， 因此就可以从空间上将拉曼光谱和荧光光谱进 行分离， 分 别获得拉曼光谱和荧光光谱， 然后分离的光谱舰面阵光电探测應则， 将光谱信号转 化为电信号输入计算 «t行处理。 又由于拉曼和荧光光谱激发波长一致， 可采用相同的 一个激光器作为纖光源， 不但体积小， 而且激发效率高。
附图说明
图 1为本发明的总体结构示意图。
图 2为本发明的光谱仪的分光装置中的组合光栅 立体结构示意图。
其中， 1.外壳， 2.激光器， 3.光学窗口， 4.前置光路， 5.光纤， 6.光栅， 7.探测器，
8.电子控制模块， 9.电缆接头， 10.上光栅， 11.下光栅。
具体¾»式
如图 1所示，本发明包括密封舱的外壳 1，外壳 1上的光学窗口 3与电缆接头 9，和 外壳 1内由激光器 2、 前置光路 4、 光纤 5、 光栅 6、 探测器 7构成的光谱仪， 以及相应 的电子控制模块 8， 其特征在于 的光栅 ό是组合光栅： 高 争率的上光栅 10、 低分 辨率的下光栅 11 ,且在上、下光栅 10、 11之间夹角为 θ， Θ 由公式 0=|((¾-(¾ (β!-β 2 )|/2 确定。
其中 和 ^分别为上光栅 (10) 的入射角和出射角， 和 β 2 分别为下光栅 (11 ) 的入射角和出射角。
通常光栅的角度由光栅方程确定， 根据已有的光栅方程可得：
(m I ά)λ = α -\- sin β
上式中， 为衍射级次， 为光栅刻痕之间的距离， 即光栅每毫米刻痕数（线对） 的倒数， λ为衍射光的中心波长， α和 β分别是光栅的入射角和出射角。 对于上光栅 10设其入射角和出射角为 (¾和 对于下光栅 11设其入射角和出射角 为 α 2 和 β 2 ， 那么上述夹角 0=|( -(¾ 1-32)|/2。 例如采用 248nm激光器作为激发光源， 上光栅 10和下光栅 11之间的夹角 Θ为 26.04°。
上述的上光栅 10是 3600 grooves/mm (线对 /mm), 尺寸为 32X 16mm， 光栅的角度 Kit择的激光器波长而变，光栅的角度由光栅方 程确定。例如采用 248nm激光器作为激 发光源， 光栅入射角 为 6.75°。
±¾的下光栅 11是 300 grooves/mm， 尺寸为 32X 16mm， 中心波长为 565nm，光栅 角度固定在入射角 为 19.31°。
激光器 2同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激光光源， 且難长为 220~270nm。 探测器 7为紫外增强型面阵 CCD或 EMCCD, 为获得舰的 争率， 面阵的 像素是 2048 X 2048为宜，例如可采用 Princeton Instruments公司的 PKIS: 2048BUV CCD, 其拉曼光谱和荧光光谱分别位于面阵探测器不 同位置， 1分别读取不同 探测器的 数值， 即可获得拉曼光谱和荧光光谱信号。
本发明以波长为 248nm激光器， 150mm焦距光谱仪和 2048 X 2048像素的 CCD为 例， 上光栅对应的光谱范围为 29nm (248.5~277.5nm)， 光谱分辨率为 0.035nm， 下光栅 对应的光谱范围为 531nm (299.5~830.5nm), 光谱分辨率为 0.65nm。可同时满足拉曼光 谱和荧光光谱的对光谱探测范围和光谱彌率的 要求。
本发明的具体实施中， 以激发光源选择 248nm激光器为例，部分多环芳烃在这个波 长会产生共振， 大大增强探测灵 从而可利用共振拉曼光谱实现多环芳烃的探测 ， 同时由于采用深紫外激发， 不仅可获得通常的海水有色可ffi 物信号， 而且还可以进 一歩获得色氨酸等蛋白类的有机物荧光信号。 这样利用深紫外波长作为激发光源的水下 拉曼 -荧光光谱! ^探测装置一方面提高了探测灵 实现了低含量成分的检测，另一 方面， 拓宽了物 «测范围， 获得更全面的信息。
l k实用性
显然采用本发明可同时获得水中物质的拉曼光 谱和荧光光谱， 即实现了水下拉曼光 谱和荧光光谱的！ ^探测， 适应面广， 可应用于近海环境污膽监测和深海油气资源探 测等， 为海洋化学探测提供一种可获得更全面信息的 探测手段。