液芯波导增强型拉曼光谱检测仪的研制

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拉曼光谱分析法作为一种常用的现场检测方法,因其具有无损耗、快速检测、信息量大等优点,被广泛应用于食品领域检测、有毒物质领域检测、生物化学领域检测等多个方面。但是拉曼散射的强度很弱,其信号的相对强度在通常情况下只有10-1010-4,这导致拉曼光谱的信号较弱,灵敏度较低,限制了其应用范围。虽然学者们发现或研究出很多种拉曼信号的增强手段,如傅立叶变换拉曼光谱法(Fourier transform-Raman,FT-Raman),共聚焦显微拉曼光谱法(Laser Confocal Micro-Raman,LCM-Raman),表面增强拉曼光谱法(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)以及光纤增强型拉曼光谱法。但这几种方法都存在检测时间长或前处理复杂等问题,难以满足现场检测的需求。液芯波导技术(LCW)是光纤增强型拉曼光谱法的一种分支技术,具有成本低廉和荧光背景小等特点,但是由于检测过程中难免会有气泡进入检测环境中造成光信号阻塞的问题,该技术的稳定性与重现性不是很好。基于上述所说本文开发了液芯波导增强型拉曼光谱检测仪,分为负压拉曼光谱检测仪与正压拉曼光谱检测仪两种仪器,以提高拉曼检光谱测仪器的稳定性与重现性,并且分别展开了相关的实验及应用其研究内容如下:(1)搭建了负压拉曼光谱检测仪液芯波导技术作为一种常见的液体物质拉曼光谱信号的分析手段,以其结构简单,分析速度快,样品损失少等特点,在拉曼光谱甚至于分子光谱分析领域具有广阔的前景,但是在实际的应用中由于检测物难免会在检测中携带或直接产生大量气泡直接进入液芯波导管,从而直接影响拉曼信号的强度和位移等相关的光谱信息,进而严重影响了检测物拉曼信号的稳定性与重现性。因此,研制一种基于液芯波导技术的负压拉曼光谱检测仪,在增强拉曼光谱信号的同时,去除检测物质中的气泡,进而得到稳定性与重现性较好的拉曼检测信号。该系统主要包括:a)拉曼激光器、b)拉曼光谱仪、c)拉曼检测探头、d)电磁阀、e)真空泵和f)检测模块6个部分,其中检测模块分为常规检测模块和3D打印检测模块两种。经测试满足实验需求,为后续实验提供硬件支撑。(2)搭建了正压拉曼光谱检测仪为追求更大的压力值,搭建了正压拉曼检光谱测仪,同时,追求检测仪器的整体性,并且提供一种简单的仪器操作方式,加快了实验效率,提高了用户体验度。该系统主要包括:a)拉曼激光器、b)拉曼光谱仪、c)拉曼检测探头、d)计算机和e)检测模块5个部分,同时编写了相应的PLC控制程序,经测试,满足实验需求,为后续实验提供硬件支撑。(3)液芯波导增强型拉曼光谱检测仪的实验及应用在展开实验及应用的工作中,确定了液芯波导管的型号,最终确定选择液芯波导管的管径尺寸为内径0.009英寸(229μm),外径0.016英寸(406μm),壁厚0.005英寸(177μm),并确定长度为20 cm。同时分别对负压拉曼光谱检测仪和正压拉曼光谱检测仪的相关参数进行了优化,两种仪器对酒精的检出限分别为0.03%和0.02%(v:v),线性相关系数分别为0.999和0.9998,同时分别对两种仪器的稳定性与重现性做了评价,负压拉曼光谱检测仪的稳定性与重现性的RSD分别为3%和4%,正压拉曼检测仪的稳定性与重现性的RSD分别为2%和5%。利用山梨酸钾对负压拉曼光谱检测仪进行了应用实验,计算得到检出限为检出限为0.05 g/kg,线性为0.9989,之后通过冷冻富集的方法对更低浓度的山梨酸钾溶液进行检测,计算得到检出限为0.005 g/kg,线性为0.9908,并实验得到山梨酸钾的稳定性与重现性的RSD分别为3%和4%。针对正压拉曼光谱检测仪则测量了过氧化氢溶液,计算得到检出限为0.02%(v:v),线性为0.997,并实验得到过氧化氢的稳定性与重现性的RSD分别为7%和9%。
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