多波长消荧光拉曼光谱仪的研制及应用研究

赵 迎，李晓鹏，崔飞鹏,刘 佳，李小佳*

1.钢铁研究总院，北京 100081 2.钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100081

引 言

拉曼光谱技术作为一种分子振动光谱，可提供样品中的官能团结构信息，具有无损、快速、无需样品制备等特点，是分析分子、晶体(或高聚物)及其结构特征的有力手段，已被广泛应用于食品安全、石油化工、生物医学、珠宝玉石、环境监测等领域。但在拉曼光谱检测过程中，激光激发样品的拉曼散射光谱外，同时会产生荧光背景干扰。荧光背景干扰表现为一个典型的倾斜宽包络背景，荧光波长及强度取决于荧光物质的种类和浓度，与拉曼散射相比，荧光通常是一种量子效率更高的过程，甚至样品中含有少量荧光物质也可以导致拉曼信号的显著降低。因此，采取有效手段对荧光干扰进行抑制及扣除，提高拉曼光谱信噪比及拉曼检测精准度，尤为重要[1-3]。

目前，已有文献报道中提出了多种荧光干扰抑制的解决方案，主要分为以下三种方法：光漂白法、荧光猝灭法、数据变换法、近红外拉曼光谱法、移频差分拉曼法等[4-5]，光漂白法是用激光对样品进行长时间照射，使样品中荧光基团与光子反应，导致荧光基团被破坏，从而降低荧光信号，Ziba-Palus[6]等将光漂白法运用于汽车油漆的拉曼检测中，当通过长时间照射，使汽油样品的荧光背景比达到0.054(平均值)；荧光猝灭法是通过向样品中加入荧光猝灭剂，使荧光基团与猝灭剂反应，从而降低荧光干扰，Tatarkovic[7]等通过向人体血浆中加入10 mg·100 μL-1的NaI，使得30%的荧光背景被消除，且拉曼光谱基本不受干扰；数据变换法是通过频域滤波或小波变换实现荧光背景扣除，Hu[8]等使用小波变换法成功去除恶性胃黏膜组织样品的荧光背景，并且保持拉曼光谱的位置及形状基本不变；近红外拉曼光谱法是采用近红外激光器作为激发光源，在该光源下，荧光基团难以被激发，样品产生荧光的效率低，Pence[9]等使用1 064 nm近红外拉曼光谱对乳房进行检测，获得荧光背景较弱，拉曼信号完整的光谱数据；移频差分拉曼法采用两组波长相近的激光光源对样品进行检测，荧光背景不随激发波长改变而发生频移，通过对两组光谱做差，从而有效去除荧光背景干扰，周红武[10]使用移频差分拉曼法对罗丹明B(非法食品添加剂)进行拉曼检测，通过对两次测得的拉曼光谱进行差分及重构处理，得到了无荧光背景的拉曼光谱。

光漂白法适合实验室操作，且有破坏样品分子结构，导致样品变性和热分解的风险。荧光猝灭法向样品中加入的猝灭剂可能会影响拉曼光谱信号，且猝灭剂的选取没有统一方案。近红外拉曼光谱法在降低荧光背景信号激发的同时，激发的拉曼光谱信号同样较弱。数据变换法及移频差分拉曼法容易引入算法误差。

目前，多种荧光抑制方案复合设计鲜有报道，从仪器设计角度出发，为解决拉曼技术实际应用中荧光背景干扰的问题，设计了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的拉曼光谱检测系统，其中近红外拉曼光谱采用1 064 nm激光光源，移频差分拉曼光谱采用784.5和785.5 nm两组激光光源，在移频差分拉曼光谱检测过程中，亦可获得两组单波长拉曼光谱数据。设计采用了二色镜对两种拉曼技术进行光路耦合，整体系统中无移动切换装置，可确保仪器稳定性及可靠性，两种拉曼技术之间无干扰影响，满足同时检测需求。最后，从实际应用需求出发，选取多种有色化工样品及食品领域的样品，进行近红外拉曼光谱、频移差分拉曼光谱及两组单波长拉曼光谱的检测，对比分析了不同检测技术的测试结果，对不同拉曼技术的优缺点及样品适用领域进行讨论和总结。

最终，通过复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统研制，将两种抑制荧光干扰技术有效融合，实现技术互补，在抑制荧光背景干扰的基础上，可有效扩充应用领域及样品检测范围。

1 实验部分

1.1 移频差分拉曼光谱技术

频移差分拉曼光谱技术是通过使用两组波长相近的激光分别照射样品，从而得到两张原始拉曼光谱数据。根据Kasha’s rule(卡莎规则)[11-12]，当激光波长微小改变并不会对荧光产生影响，在波数频谱的荧光背景轮廓基本保持不变，而拉曼光谱随激光器中心波长进行微小的频移，如图1(a)所示。将采集的两组原始拉曼光谱数据归一化后做差，从而扣除荧光背景信号，如图1(b)所示。直接差分的拉曼光谱信号并非真正意义上的拉曼光谱，需要解卷积算法处理后才能重构拉曼光谱，如图1(c)所示。目前，移频差分拉曼光谱重构方法有：带数值插值的简单积分算法和多重约束解卷积算法等。采用直接解卷积算法对移频差分拉曼光谱进行光谱重构。

图1 移频差分拉曼原理图(a)：两组单波长拉曼原始光谱图；(b)：移频差分拉曼原始光谱图；(c)：恢复后的移频差分拉曼光谱图Fig.1 Shift difference Raman schematic(a)：Two single-wavelength Raman original spectra;(b):Differential Raman raw spectra;(c):The reconstructed Raman spectrum

1.2 近红外拉曼光谱技术

近红外拉曼光谱法是采用1 064 nm(掺钕钇铝石榴石1 064 nm基频)近红外激光器作为激发光源，在该光源下，荧光基团难以被激发，样品产生荧光的效率低。但拉曼散射光效率与激光波长的四次方成反比[13]，如图2所示。

图2 激光的波长及其激发散射效率之间的关系图Fig.2 The relationship between the wavelength of the laser and its excitation and scattering efficiency

1.3 多波长荧光抑制拉曼光谱仪设计

研制的多波长荧光抑制拉曼光谱仪系统包含移频差分拉曼光谱模块及近红外拉曼光谱模块，仪器结构示意图如图3。系统中光谱二色镜实现移频差分拉曼光谱模块与近红外拉曼光谱模块的耦合，其工作曲线如图4所示，该镜片确保1 050～1 600 nm波段光谱反射，760～1 050 nm波段光谱透射。

图3 仪器结构图1:激光器线滤光片(滤除784.5,785.5,1 064激光器中等离子射线)；2:反射镜；3:激光二色镜(反射784.5,785.5,1 064激光波长，透射拉曼散射波段)；4:瑞利滤光片(滤除激光瑞利光谱)；5:光谱仪耦合聚焦镜(将拉曼散射光谱聚焦到光谱仪狭缝)；6:光谱二色镜(反射1 050～1 600 nm波段光谱，透射760～1 050 nm波段光谱)；7：物镜Fig.3 Schematic diagram of the instrument structure1:Laser line filter;2:Reflecting mirror;3:Laser dichroic mirror;4:Rayleigh filter;5:Spectrometer coupling focusing mirror;6:Spectral dichroic mirror;7:Objective lens

图4 短波通光谱二向色镜工作曲线Fig.4 Shortwave pass spectrum dichroic mirror working curve

其中，移频差分拉曼光谱模块光源为784.5和785.5 nm两组激光器，每组激光器对应独立驱动器，确保各自正常工作的温度及功率，通过785 nm光纤耦合器，实现激光单光纤接口SMA905输出；出射激光经过1线滤光片，滤除激光器中等离子射线；由激光二色镜进行激光光路耦合，完成激光波长反射，拉曼光谱透射；移频差分拉曼光谱透过6光谱二色镜，与红外拉曼光谱进行耦合，再由物镜7收集拉曼光谱信号，折返透过光谱二色镜后，经瑞利滤光片滤除瑞利散射光后，收集到785光谱仪中进行分光检测。检测过程中，采用分时复用(time division multiplexing，TDM)方法，通过两组激光器各自的驱动，控制输出的激光波长，分别检测单波长拉曼光谱原始数据。最终，对两组单波长原始数据进行做差和解卷积后，得到移频差分拉曼光谱。

近红外拉曼光谱模块光源为1 064 nm激光器，检测过程中，经过1线滤光片，滤除激光中等离子射线；同样由激光二色镜进行激光光路耦合，完成激光波长反射，拉曼光谱透射；光谱二色镜对近红外拉曼光谱进行反射耦合，同样由物镜7收集的近红外拉曼光谱信号，折返由光谱二色镜反射后，经瑞利滤光片滤除瑞利散射光后，收集到1 064光谱仪中进行分光采集。

1.4 样品

为对比两种抑制荧光拉曼技术，选取荧光背景不同的样品进行对比分析，样品包含：聚苯乙烯，丙酮、乙腈、红色塑胶微粒，灰色塑料微粒，食用油，红酒。实验前拉曼光谱仪预热30 min，并用元素灯对波长进行校正，采用标准光源对光强进行校准。每次更换样品后，需重新对拉曼检测参数进行优化。

2 结果与讨论

2.1 多波长消荧光拉曼光谱仪同步检测功能

复合一体的多波长消荧光拉曼光谱仪具备移频差分拉曼光谱技术与近红外拉曼光谱技术同时检测能力，为评估同步测量过程中，两种检测技术之间的干扰影响以及整机的稳定性，选取聚苯乙烯标准样品，分别进行同步测试和分时逐次测试。为避免光漂白对拉曼测试的影响，每次测试间隔2 min，样品共检测10次，结果如图5。以聚苯乙烯1 001 cm-1(苯环的环“呼吸”振动)作为标记峰，统计两种不同测量方式下，原始光谱强度及峰位稳定性，统计结果如表1所示。

图5 不同检测方式下聚苯乙烯拉曼原始图(a):同步测试下差分单波长784.5和785.5 nm拉曼检测结果；(b):分时逐次测试下差分单波长784.5和785.5 nm拉曼检测结果；(c):同步测试下1 064 nm近红外拉曼检测结果；(d):分时逐次测试下1 064 nm近红外拉曼检测结果Fig.5 Polystyrene Raman spectra under different detection methods(a):Differential single wavelength 784.5 and 785.5 nm Raman detection results under synchronous test;(b):Differential single wavelength 784.5 and 785.5 nm Raman detection results under time-sharing sequential test;(c)：Synchronous test near 1 064 nm Infrared Raman detection results;(d):1 064 nm near-infrared Raman detection results under time-sharing successive test

对比表1中两种不同测试方式拉曼强度及峰位统计数据：其中，拉曼光谱强度的均值变化小于1%，说明两种光谱技术在同时测试方式下，彼此之间的光谱强度传输效率互不影响；拉曼光谱强度的波动及稳定性相当，说明同时测试方式下，彼此之间光谱杂散光干扰较小；拉曼光谱峰位的稳定性及准确度相当，说明同时测试方式下，彼此光路传播方向各不影响。综上，不同测量方式下，两种光谱技术的强度及稳定性相当，彼此之间无干扰，这与光的独立传播定律相符，即不同光线在从不同方向在空间某点相遇，彼此不影响，各光线的传播不受其他光线影响。由此，复合一体的多波长消荧光拉曼光谱仪具备优异的同时检测能力。

2.2 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的丙酮、乙腈检测

选取荧光背景强度远远小于拉曼信号强度的丙酮、乙腈样品进行不同拉曼技术对比测试，丙酮与乙腈分别使用2ml样品瓶装载，将样品瓶放置于带有夹具的载物台上，针对丙酮及乙腈优化各自拉曼的测试条件。同样为避免光漂白对拉曼测试的影响，每次测试间隔5 min，每种样品分别检测十次。选用逆卷积恢复算法对移频差分拉曼原始光谱进行处理，恢复后移频差分拉曼光谱、近红外拉曼光谱及差分单波长拉曼原始光谱如图6。

从图6中可看出，逆卷积恢复后丙酮与乙腈的移频差分拉曼光谱荧光背景波动较大，这是由于移频差分拉曼技术是基于的卡莎规则假设，但在实际检测过程中，拉曼光谱强度及荧光背景做不到完全一致，将原始数据归一化后直接做差，荧光背景信号不能完全去除，通过逆卷积恢复算法，背景信号会被放大，导致恢复后的移频差分拉曼光谱存在的较高的背景信号且波动较大，因此直接逆卷积恢复的移频差分拉曼光谱仅适用于此类样品的定性检测分析。近红外拉曼光谱强度及信噪比小于差分单波长拉曼光谱，这是由于拉曼光谱强度与激光光源波长四次方成反比。因此，当测试样品的拉曼信号远远强于荧光背景信号时，常规单波长拉曼检测方法最优，近红外拉曼光谱检测方法次之，移频差分拉曼光谱检测技术结果较差。

图6 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的丙酮检测结果(a1):丙酮差分单波长拉曼原始光谱；(b1):丙酮移频差分拉曼光谱；(c1):丙酮1 064近红外拉曼光谱;(a2):乙腈差分单波长拉曼原始光谱；(b2):乙腈移频差分拉曼光谱；(c2):乙腈1 064近红外拉曼光谱Fig.6 Acetone detection results based on multi-wavelength anti-fluorescence Raman spectrometer(a1):Original acetone Raman spectrum;(b1):Acetone reconstructed Raman spectrum;(c1):Acetone 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2):Original acetonitrile Raman spectrum;(b2):Acetonitrile reconstructed Raman spectrum;(c2):Acetonitrile 1 064 near-infrared Raman spectrum

2.3 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的食用油、红色BBS塑胶微粒样品检测

选取荧光背景强度与拉曼信号强度相当的食用油、红色BBS塑胶微粒样品进行对比测试，其中食用油使用2 mL样品瓶装载，红色BBS塑胶微粒由样品夹具夹持，采用与2.2相同的检测方法对样品进行拉曼测试，同样选用逆卷积恢复算法对移频差分拉曼原始光谱进行处理，恢复后移频差分拉曼光谱、近红外拉曼光谱及差分单波长拉曼原始光谱如图7。

图7 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的食用油、红色BBS塑胶微粒检测结果(a1):食用油差分单波长拉曼原始光谱；(b1):食用油差分恢复拉曼光谱；(c1):食用油近红外拉曼光谱;(a2):红色塑胶微粒差分单波长拉曼原始光谱；(b2):红色塑胶微粒差分恢复拉曼光谱；(c2):红色塑胶微粒近红外拉曼光谱Fig.7 The detection results of edible oil and red BBS plastic particles based on multi-wavelength de-fluorescence Raman spectrometer(a1):Original edible oil Raman spectrum;(b1):Edible oil reconstructed Raman spectrum;(c1):Edible oil 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2):Original red BBS plastic particles Raman spectrum;(b2):Red BBS plastic particles reconstructed Raman spectrum;(c2):Red BBS plastic particles 1 064 near-infrared Raman spectrum

由图7中可明显看出，当测试样品食用油、红色BBS塑胶微粒的拉曼信号与荧光背景信号强度相当时，逆卷积恢复后移频差分拉曼光谱荧光背景波动进一步变大，这是由于样品荧光背景强度较大，导致两次检测的原始单波长拉曼数据归一化后直接做差，荧光背景残余变大，通过逆卷积恢复算法后背景信号被进一步放大，因此，移频差分拉曼光谱技术已不适于此类样品的定量分析，仅可进行定性分析。近红外拉曼光谱可有效降低荧光背景干扰，与差分单波长拉曼光谱相比，数据稳定性最高，满足该类样品的拉曼检测分析。

2.4 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的红酒及灰色塑料微粒样品检测

选取荧光背景强度远远高于拉曼信号强度的红酒、灰色塑料微粒进行拉曼测试分析，其中红酒使用2 mL样品瓶装载，灰色塑料微粒由样品夹具夹持，测试流程及方法与2.3一致，最终恢复后移频差分拉曼光谱、近红外拉曼光谱及差分单波长拉曼光谱如图8所示。

从图8可以看出：针对红酒样品，单波长拉曼光谱难以有效辨别拉曼光谱特征峰，已无法满足红酒的拉曼检测；恢复后的移频差分拉曼光谱荧光背景波动虽较大，但可辨别样品的拉曼特征峰位，适用于此类样品的定性分析；近红外拉曼光谱荧光背景干扰最小，数据稳定性最高，满足该类样品的半定量分析。针对灰色塑料微粒，差分单波长拉曼光谱及近红外拉曼光谱均难以辨别有限拉曼光谱特征峰，均已无法满足红酒的拉曼检测；恢复后移频差分拉曼光谱荧光背景波动依旧较大，但可有效辨别拉曼特征峰位，可对该塑料微粒样品的定性分析。综上，当样品的荧光背景强度远高于拉曼信号强度，单波长拉曼光谱已不再适用于此类样品的拉曼分析，且单一的近红外拉曼光谱技术或移频差分拉曼光谱技术也难满足样品检测需求，因此，基于移频差分拉曼光谱技术与近红外拉曼光谱技术复合一体的多波长消荧光拉曼光谱仪可根据样品具体特性进行具体分析，从而扩大样品的适用范围。

图8 基于多波长消荧光拉曼光谱仪的红酒、灰色塑料微粒塑胶微粒检测结果(a1):红酒差分单波长拉曼原始光谱；(b1):红酒差分恢复拉曼光谱；(c1):红酒近红外拉曼光谱;(a2):灰色塑料微粒差分单波长拉曼原始光谱；(b2):灰色塑料微粒差分恢复拉曼光谱；(c2):灰色塑料微粒近红外拉曼光谱Fig.8 Detection results of red wine and gray plastic particles based on multi-wavelength defluorescence Raman spectrometer(a1):Original red wine Raman spectrum;(b1):Red wine reconstructed Raman spectrum;(c1):Red wine 1 064 near-infrared Raman spectrum;(a2)：Original gray plastic particles Raman spectrum;(b2):Gray plastic particles reconstructed Raman spectrum;(c2):Gray plastic particles 1 064 near-infrared Raman spectrum

3 结 论

采用光谱二色镜实现了多波长拉曼光谱光路的耦合设计，研制了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统；并对比同步测试和分时逐次测试的强度及峰位稳定性，验证了多波长消荧光拉曼光谱仪的同步测试功能的可靠性；选取了多种荧光背景强弱不同的样品，进行了单波长拉曼、近红外拉曼及移频差分拉曼光谱的对比分析。当样品的荧光背景较弱时，可采用单波长拉曼光谱对样品进行定量及定性分析；当样品的荧光背景与拉曼信号强度相当时，可采用近红外拉曼光谱对样品进行定量及定性分析；当样品的荧光背景较强时，结合近红外拉曼光谱和移频差分拉曼光谱可对样品进行定性分析。因此，多波长消荧光拉曼光谱检测系统在复合多种拉曼光谱技术的基础上，有效扩大了样品的适用检测范围。