(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210185941.1 (22)申请日 2022.02.28 (71)申请人 复旦大学 地址 200433 上海市杨 浦区邯郸路2 20号 (72)发明人 季敏标　敖建鹏　黄静　张立武　 谢丽芳　徐冠君　 (74)专利代理 机构 上海德昭知识产权代理有限 公司 31204 专利代理师 程宗德 (51)Int.Cl. G01N 21/65(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种用于纳/微 塑料快速检测的拉曼光谱成 像系统及方法 (57)摘要 本发明提供的用于纳/微塑料快速检测的拉 曼光谱成像系统， 包括： 激发光源模块、 受激拉 曼‑自发拉曼模式切换模块、 激光扫描模块、 载物 模块及信号采集模块， 激发光源模块包括高重频 脉冲激光器及连续激光器， 高重频脉冲激光器是 受激拉曼散射成像的激发光源， 连续激光器是自 发拉曼散射光谱的激发光源； 受激拉曼 ‑自发拉 曼模式切换模块包括前后两个导轨， 各安装两个 可移动方块， 前、 后导轨的左侧方块构成第一组 方块， 在受激拉曼散射成像模式下工作， 前、 后导 轨的右侧方块构成第二组方块， 在自发拉曼散射 成像模式下工作； 激光扫描模块包括二维扫描振 镜、 扫描镜及管镜； 载物模块包括物镜及载物平 台； 信号采集模块包括光电探测器、 锁相放大器 及光谱仪 。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 114460060 A 2022.05.10 CN 114460060 A 1.一种用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于， 包括： 激发光源模块、 受激拉曼 ‑自发拉曼模式切换模块、 激光扫描模块、 载物模块以及信号 采集模块， 其中， 所述激发光源模块， 包括高重频脉冲激光器、 连续激光器、 第 一反射镜、 二向色镜 以及第二反射镜， 所述高重频脉冲激光器用作受激拉曼散射成像的激发光源， 发射的激光为皮秒激光， 具有两路输出， 分别为固定波长的斯托克斯光与波长可调谐的泵浦光， 所述连续激光器用 作自发拉曼散射 光谱的激发光源， 所述第一反射镜用于将所述 斯托克斯光反射到所述 二向色镜处， 所述二向色镜用于将所述 斯托克斯光与所述泵浦光 合束， 所述第二反射镜用于将合束后的光反射进入所述受激拉曼 ‑自发拉曼模式切换模块， 所述受激拉曼 ‑自发拉曼模式切换模块， 包括前后两个卡槽导轨， 前导轨、 后导轨上均 安装有左右两个可移动式方块， 所述前导轨、 后导轨上的左侧方块共同构成第一组方块， 用 于在受激拉曼散射成像模式下工作， 所述前导轨、 后导轨上的右侧方块构成第二组方块， 用 于在自发拉曼散射 光谱模式下工作， 所述激光扫描模块， 包括二维扫描振镜、 扫描镜与管镜， 用于接收来自所述受激拉曼 ‑ 自发拉曼模式切换模块的激光， 从而扫描所述样本， 所述载物模块， 包括物镜以及载物 平台， 所述载物 平台用于放置样本， 所述信号采集模块， 包括光电探测器、 锁相放大器、 光谱仪， 其中， 所述光电探测器、 锁 相放大器作为受激拉曼散射成像的探测端， 所述 光谱仪作为自发拉曼散射 光谱的探测端。 2.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 其中， 所述前导轨上的左侧方块中安装有第三反射镜， 所述后导轨上的左侧方块中安 装有第四反射镜， 用于将所述皮秒激光导入激光扫描模块， 所述后导轨上 的右侧方块中安 装有长通短反二向色镜， 用于后续分离自发拉曼散射 光信号。 3.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 所述激发光源模块还包括精密位移台、 电光调制器， 所述精密位移台用于调节所述泵 浦光与所述斯托克斯光之 间的相对时间延迟， 所述电光调制器用于对所述斯托克斯光进 行 光脉冲强度的0、 1调制。 4.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 所述激发光源模块还包括第一光纤耦合器、 光纤和第二光纤耦合器， 用于将所述连续 激光器输出的激光传输 至所述受激拉曼 ‑自发拉曼模式切换模块。 5.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 所述信号采集模块还包括聚光镜、 短通滤波片、 第 三光纤耦合器、 信号采集光纤以及第 四光纤耦合器， 在受激拉曼散射成像模式下， 所述样本被扫描后， 透过样本的光被所述聚光镜收集并 通过所述短通滤波片隔绝所述斯托克斯光， 剩下所述泵浦光进入所述光电探测器转化为电 信号， 最后所述锁相放大器提取 出受激拉曼信号并显示在电脑上， 在自发拉曼散射光谱模式下， 样本上反射的光则原路返回至所述受激拉曼 ‑自发拉曼 模式切换模块处并在所述长通短反二向色镜的作用下与激发光分开， 之后通过所述第三光权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114460060 A 2纤耦合器， 所述信号采集 光纤， 所述第四光纤耦合器传输 至所述光谱仪中完成光谱 采集。 6.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 所述泵浦光的可调谐波长为700nm ‑990nm， 所述斯托克斯光的固定波长为1031.5nm， 所 述连续激光器输出的所述激光的波长为5 32nm。 7.根据权利要求2所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 其中， 前后导轨中的光学镜的安装角度为45 °， 包括前导轨左侧的第三反射镜、 后导轨 左侧的第四反射镜、 后导轨右侧的长通短反二向色镜， 长通短反二向色镜为538nm长通短反 二向色镜 。 8.根据权利要求1所述的用于纳/微塑料 快速检测的拉曼光谱成像系统， 其特 征在于： 其中， 所述 二维扫描振镜、 扫描镜、 管镜的工作波段适配， 为 450‑1100nm。 9.一种用于纳/微塑料快速检测的方法， 使用权利要求1 ‑8中任意一项所述的用于纳/ 微塑料快速检测的拉曼光谱成像系统进行， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 样本消解： 将采集到的样本， 包括大气、 水、 食品以及生物 组织等， 进行溶解或匀 浆， 再通过消解液消解， 去除有机质干扰； 步骤2， 将消解过的所述样本进行涂片、 烘干， 放置于所述载物平台上， 通过将受激拉 曼‑自发拉曼模式切换模块中的所述卡槽导轨上 的所述第一组方块左右平移， 将所述第一 组方块置于光路中， 系统即设置为受激拉曼散射成像模式， 确定待检测塑料的拉曼峰位， 设 置对应的受激拉曼散射共 振成像的参数； 步骤3， 利用受激拉曼散射快速特异性成像的优点， 在共振峰位处对所述样本进行高效 扫描检测， 实时排除视野中没有任何信号的颗粒， 而对产生了信号的颗粒， 即图像中表现为 亮点的颗粒， 则通过失谐共振条件观察颗粒是否有明显的亮 暗转变， 进一步判断在光谱域 中颗粒是否出峰， 排除非拉曼信号的干扰， 对判断有出峰的颗粒 标记为塑料； 步骤4， 运用所述受激拉曼 ‑自发拉曼模式切换模块， 将系统从受激拉曼散射成像模式 切换为自发拉曼散射光谱模式， 操作方式是将所述第一组方块、 第二组方块左右平移， 从而 将第二组方块置于光路中， 通过所述振镜控制连续激光对步骤3中筛选出来的塑料颗粒物 定点激发， 采集特定 颗粒的全光谱信息来 最终确定该颗粒的具体塑料种类。 10.根据权利要求9所述的用于纳/微塑料 快速检测的方法， 其特 征在于： 步骤2中， 所述参数包括泵浦光波长和斯托克斯光波长、 泵浦光与斯托克斯光之间的相 对时间延迟， 在受激拉曼散 射成像初筛过程中可以将所述共振峰位固定在2850cm‑1， 而失谐 峰位固定在280 0cm‑1。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114460060 A 3