基于拉曼熒光光譜的分子檢測系統(tǒng)設(shè)計(共27頁)

1、 武漢輕工大學(xué)(dxu) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）設(shè)計(論文)題目：基于(jy)拉曼熒光光譜的分子檢測系統(tǒng)設(shè)計 姓 名 王 夢 博 學(xué) 號 101204307 院 （系） 電氣(dinq)與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師 李 鳴 2014年6月15日目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc7606 摘要(zhiyo) I摘要(zhiyo)基于分子(fnz)振動的拉曼光譜被認(rèn)為(rnwi)是研究分子結(jié)構(gòu)的一種重要研究方法，可以反映出試樣中某些特定分子的特性，其特征振動“指紋”可以作為分子身份與結(jié)構(gòu)識別的重要信息。拉曼光譜能夠?qū)Υ龣z測物品進(jìn)

2、行定性分析及對相似物進(jìn)行區(qū)分并通過濃度進(jìn)行定量分析，因此拉曼光譜分析技術(shù)憑借其優(yōu)越的功能成為分析測試領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本課題設(shè)計的拉曼光譜儀主要用于一般生物反應(yīng)及藥物篩選。主要簡述了拉曼光譜基本原理及拉曼光譜儀的工作原理，然后進(jìn)行儀器構(gòu)架的總體設(shè)計。包括光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、三維運(yùn)動平臺、輔助系統(tǒng)的設(shè)計、CCD圖像定位系統(tǒng)設(shè)計、儀器中精確掃描系統(tǒng)的設(shè)計等過程。采用了光纖拉曼探針以提高了儀器系統(tǒng)穩(wěn)定性，并對儀器中精確掃描系統(tǒng)進(jìn)行基本設(shè)計。進(jìn)行了表面增強(qiáng)效果以及自動對焦驗證實驗、三聚氰胺檢測試驗，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的分子檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼光譜采集，自動焦點(diǎn)位置尋找及對芯片進(jìn)行逐點(diǎn)掃描的功能，能

3、夠用于生化反應(yīng)的定性分析。關(guān)鍵詞：拉曼熒光光譜；分子檢測系統(tǒng)；光纖拉曼探針； IIAbstract Raman spectrum which is based on molecular vibrations has been recognized as a important method of molecular structure. It can reflect the characteristics of certain molecules in the sample. The vibration characterized fingerprint can be used as impo

4、rtant information and structure identity recognition of molecule. Raman spectroscopy has the qualitative of analysis and distinguish between similar objects by quantitative analysis of the concentration function, so Raman spectroscopy with its unique advantages has become a hot topic in the field of

5、 analytical testing.The paper outlines the basic principles of Raman spectroscopy and the working principles of Raman spectroscopy, then designs the instrument architecture. The design includes the optical system, three-dimensional motion platform, auxiliary systems, CCD image positioning system des

6、ign, instrument precision scanning system and other processes. Using a fiber-optic Raman probe instrument to improve system stability, and designs the basic system of precision instrument scanning.Conducted a surface-enhanced effects and the AF verification experiment, melamine testing, experimental

7、 results show that molecular testing system is designed to achieve a surface-enhanced Raman spectroscopy acquisition, automatic focus position to find and the chip -by-point scanning feature, which can be used as qualitative analysis of biochemical reactions.Keywords: Raman fluorescence spectroscopy

8、; Molecular Detection System; Optical fiber Raman probe; 第1章：緒論(xln)1.1 拉曼效應(yīng)(xioyng)當(dāng)光照射到介質(zhì)(氣體、液體或透明的樣品)的時候，除了會被介質(zhì)所吸收、反射和透過之外，光子與物質(zhì)分子進(jìn)行碰撞時，總會有一小部分光會按照不同的角度(jiod)被散射開來，分為彈性散射和非彈性散射兩種方式。彈性散射的散射光是與激發(fā)光源波長相同的成分，光子的能量沒有變化，只是改變了方向，這種散射包括丁達(dá)爾散射(Tyndall Scattering)和瑞利散射(Rayleigh Scattering)；非彈性散射的散射光不僅改變了光的傳播

9、方向，而且也改變了光波的頻率，即在碰撞的過程中，物質(zhì)分子吸收了光子的一部分能量，使散射光頻率小于入射光的頻率，或者光子吸收了物質(zhì)分子的部分能量，使得散射光頻率大于入射光的頻率，這兩種碰撞都得到了與入射光頻率不同的散射光，包括布里淵散射(Brillouin Scattering)和拉曼散射(Raman Scattering) 姚啟鈞. 光學(xué)教程M. 北京: 高等教育出版社, 2002年4月. 47-56。1928年，印度物理學(xué)家拉曼(C.V. Raman)在進(jìn)行水銀燈照射苯溶液的實驗時發(fā)現(xiàn)了與入射光頻率不同且強(qiáng)度非常微弱的散射光現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為拉曼散射，散射光的光譜稱為拉曼光譜(Raman

10、Spectra)。拉曼的實驗發(fā)現(xiàn)被英國皇家學(xué)會評為“20年代實驗物理學(xué)中最杰出的發(fā)現(xiàn)之一” 劉玲. 激光拉曼光譜及其應(yīng)用進(jìn)展J.山西大學(xué)學(xué)報, 2001, 24(3): 279-282。1930年，因發(fā)現(xiàn)這一新的散射現(xiàn)象和其所取得的光散射研究成果，拉曼獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。1.2 拉曼技術(shù)的發(fā)展自拉曼現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后的近30年，拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度都十分緩慢，這是因為當(dāng)時的拉曼光譜儀是使用汞弧燈作為燈源，而其所產(chǎn)生的拉曼散射光十分微弱，只相當(dāng)于入射光強(qiáng)度的百萬分之一左右，想要被很好的檢測到十分困難，這就極大地限制了拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 于永愛, 吳維, 朱冬寅. 拉曼光譜技術(shù)與便攜式拉曼光譜

11、儀J. 激光與光電子學(xué) 進(jìn)展, 2009, 46(8): 85-87。20世紀(jì)60年代激光器問世，這種激光的功率高、能量集中、單色性好、方向性強(qiáng)，成為新的拉曼激發(fā)光源。與此同時，光譜技術(shù)、光電信號轉(zhuǎn)換技術(shù)也有了飛速發(fā)展，高分辨率，低雜散光的雙聯(lián)和三聯(lián)的光柵單色儀 陳玉倫. 拉曼光譜儀的研制及預(yù)處理方法研究. 杭州: 浙江大學(xué),2006年.25-26也相繼被開發(fā)出來。這些技術(shù)的革新都給拉曼光譜帶來了新轉(zhuǎn)機(jī)，極大的推動了拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代科學(xué)家們以激光器和光柵單色儀為基礎(chǔ)，選擇不同的激光波長，拓展光譜儀探測的范圍，發(fā)展了共振激光拉曼技術(shù)。1974年，F(xiàn)leishmann等通過實驗

12、發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在經(jīng)過適當(dāng)氧化還原處理的銀電極表面吸附吡啶分子時，該分子的拉曼散射截面增加了106倍，這也就是后來的表面增強(qiáng)拉曼技術(shù) 楊序綱, 吳琪琳. 拉曼光譜的分析與應(yīng)用M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008年5 月. 49-52。不久以后，出現(xiàn)了顯微系統(tǒng)和拉曼分析相結(jié)合的顯微拉曼技術(shù)。1983年，Jessings等成功進(jìn)行了傅里葉變換拉曼實驗，它能夠分離出熒光效應(yīng)以提高拉曼光譜的分辨率。此后，人們又研究制作出了各種型號的傅里葉變換拉曼光譜儀。1987 年，第一臺近紅外激發(fā)傅里葉變換拉曼光譜儀由PE 公司研發(fā)制出。20世紀(jì)90年代后期，為滿足社會活動的需求，人們不斷突破探索多項新技術(shù)，并將其應(yīng)用

13、在拉曼光譜儀上。例如：使用光纖對距離較遠(yuǎn)或者對未知威脅的樣品進(jìn)行安全檢測，引入聲光調(diào)制器 劉大禾, 黃琬云, 周偉國. 反射式窄帶濾光片J. 光學(xué)學(xué)報, 1990, 16(2): 62-65 (AOTF)取代光柵作為分光元件，用以測量拉曼光譜；采用全息帶阻濾光片以便更好的消除瑞利散射干擾問題等。此后，拉曼技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，開始走出實驗室，進(jìn)入了生物化學(xué)、精密加工、安防檢查、考古發(fā)掘、文物珠寶鑒定、化妝品鑒定、醫(yī)藥檢測等眾多領(lǐng)域。1.3 國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀及本課題研究的意義近年來，因為拉曼光譜對物質(zhì)檢測與分析所具有的重要(zhngyo)意義，國外許多國家與組織都在積極進(jìn)行拉曼光譜儀的研

14、制與開發(fā)，在拉曼光譜研究方面也積累了豐富的研制經(jīng)驗。目前，國外的各種類型的拉曼光譜儀憑借(pngji)其優(yōu)良的儀器性能，在中國擁有壟斷性的市場 林中, 范世福. 光譜儀器學(xué)M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989年. 19-20。其中美國的尼高力(Nicolet)公司 范世福. 分析檢測技術(shù)及分析儀器的現(xiàn)代化發(fā)展J. 分析儀器, 2003, 13(1): l-5、海洋光學(xué)(Ocean Optics)公司、英國的雷尼紹(Renishaw)公司和法國的JY(Jobin Yvon)公司憑借其領(lǐng)先的技術(shù)在中國乃至全球具有很高的市場占有率。其他一些公司如法國的Kaiser Optical System公

15、司，ISA公司，Mot公司，北愛爾蘭的Andor公司，德國的斯派克(Spectra)分析儀器公司，荷蘭的Mantes公司，日本分光公司等，都有拉曼光譜儀產(chǎn)品 曹學(xué)軍, 崔金泰. 神奇的納米技術(shù):用原子塑造世界(下)J. 國外科技動態(tài), 2000, 15(8): 29-32。這些國外廠家的拉曼光譜儀性能較好，已廣泛的應(yīng)用到了實際科研和測試工作中，壟斷了國內(nèi)的市場份額。同時進(jìn)口拉曼光譜儀的價格也比較昂貴，一般在100160萬元人民幣左右。而國內(nèi)在激光拉曼光譜儀的領(lǐng)域里，研究開發(fā)起步較晚，發(fā)展相對發(fā)達(dá)國家來說比較落后。目前國內(nèi)尚無拉曼光譜儀的商品生產(chǎn)廠家。在某些高校中都是出于科研和教學(xué)的目的，自行組

16、裝了教學(xué)用拉曼光譜儀，如蘇州大學(xué)信息光學(xué)研究所制作的拉曼光譜測試儀 里佐威. 近代Raman光譜技術(shù)J. 物理實驗, 2002, 22(1): 3-7，浙江大學(xué)光電與科學(xué)儀器系自行設(shè)計研制的LRZ.1型拉曼光譜儀，四川大學(xué)和成都科技大學(xué)組裝的脈沖激光器激發(fā)的用于光多道分析器OMA(Optical Multi-channel Analyzer)控制與探測的激光共振拉曼光譜系統(tǒng) 王柯敏. 光化學(xué)傳感器理論與方法M. 湖南: 湖南教育出版社, 1995年. 8-13，還有北京卓立漢光儀器有限公司和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所共同研發(fā)的大型紫外共振拉曼光譜儀等，另外北京大學(xué)所屬工廠也曾經(jīng)嘗試制作了少量

17、供教學(xué)實驗用的拉曼光譜儀。拉曼光譜可使用可見光或者近紅外光激光器進(jìn)行激發(fā)，其拉曼位移在不同類型的物質(zhì)對應(yīng)著不同的“指紋”拉曼光譜，并且其強(qiáng)度與物質(zhì)濃度在一定的條件下表現(xiàn)出線性關(guān)系，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分、濃度等進(jìn)行檢測。拉曼光譜作為一個研究振動躍遷和轉(zhuǎn)動躍遷的方法，具有一些重要的特點(diǎn)，如制樣簡單、水的干擾少、拉曼光譜分辨率較高等 林中, 范世福. 光譜儀器學(xué)M北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989年. 137-139。所有的轉(zhuǎn)動能級和幾乎所有的振動能級的拉曼頻移通常都在254000 cm-1(最小可以測10 cm-1)范圍內(nèi)，簡單的計算表明，當(dāng)采用400600nm范圍內(nèi)的任一激光器照射

18、樣品時，拉曼散射光均處于可見光譜區(qū)內(nèi)。拉曼光譜對樣品進(jìn)行無損分析己廣泛應(yīng)用到如石油化工、酒類分析、醫(yī)藥學(xué)、寶石鑒定、環(huán)境保護(hù)、文物的考古鑒定、公安與法學(xué)樣品的鑒定、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測與控制、商品檢驗等各個領(lǐng)域之中 Futamata M, Borthen P, Thomassen J. Application of an ATR Method in Raman SpectroscopyJ. ApplSpectrosc, 1994, 48(2): 253。綜上所述，考慮國內(nèi)外拉曼光譜技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，立足于我國國情，實現(xiàn)拉曼光譜儀的國產(chǎn)化，降低制造成本，制造具有優(yōu)良性能，價格相對較低的用于樣品微區(qū)分析

19、的新型激光拉曼光譜儀，具有十分重要的意義。1.4 論文結(jié)構(gòu)及各章節(jié)內(nèi)容本課題所研制的拉曼光譜儀利用了拉曼光譜作為物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的“指紋”，設(shè)計的光譜儀用于一般生物反應(yīng)及藥物篩選。第二章從不同(b tn)方面介紹了拉曼光譜的特點(diǎn)，分別介紹了拉曼散射原理(yunl)，拉曼效應(yīng)的量子力學(xué)解釋，拉曼位移，詳細(xì)分析了拉曼光譜儀原理，還介紹了拉曼光譜儀的種類以及每種拉曼光譜儀的體系結(jié)構(gòu)。第三章詳細(xì)的討論(toln)了拉曼光譜儀的總體設(shè)計過程。包括光纖拉曼探針的采用、儀器原理構(gòu)架、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、三維運(yùn)動平臺、輔助系統(tǒng)：溫度控制系統(tǒng)、儀器中精確掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計、CCD圖像定位系統(tǒng)設(shè)計等。并進(jìn)行了表面增強(qiáng)效果

20、及自動對焦驗證實驗、三聚氰胺檢測試驗，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的分子檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了表面增強(qiáng)拉曼光譜采集，自動焦點(diǎn)位置尋找及對芯片進(jìn)行逐點(diǎn)掃描的功能，可以用于生化反應(yīng)的定性分析。第2章：拉曼光譜基本理論2.1 光散射與拉曼效應(yīng)的原理當(dāng)一束頻率為v0的單色光入射到透明介質(zhì)(如氣體、液體或透明的樣品)時，除了會被介質(zhì)所吸收、反射和透過之外，還有一小部分光會出現(xiàn)向四面八方輻射的散射現(xiàn)象。光的散射現(xiàn)象可大致分為以下四種：丁達(dá)爾散射、瑞利散射、布里淵散射以及拉曼散射。丁達(dá)爾散射的散射光頻率與入射光頻率v0相同，它是由于不均勻介質(zhì)或介質(zhì)中存在塵埃等原因引起的；瑞利散射是由于入射光電場的作用而使得介質(zhì)發(fā)生極化而造

21、成的。1871年，英國物理學(xué)家瑞利在研究物質(zhì)粒子(微粒粒徑遠(yuǎn)小于光波長)對入射光造成的散射問題后指出，當(dāng)光線入射到如乳狀液、膠體溶液等不均勻的 HYPERLINK /view/298837.htm 介質(zhì)中時，介質(zhì)就會因為不均勻的 HYPERLINK /view/42992.htm 折射率而產(chǎn)生散射光，而即使是光入射到均勻介質(zhì)時，因為介質(zhì)中的物質(zhì) HYPERLINK /view/25255.htm 分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，分子間的固定位置關(guān)系被破壞，從而也產(chǎn)生一種分子散射，這就是瑞利散射，散射強(qiáng)度和入射光波長的四次方有反比關(guān)系。瑞利散射光頻率也與入射光頻率0相同，其強(qiáng)度和數(shù)量級約為入射光強(qiáng)的10-4

22、10-3；布里淵散射 程光煦. 拉曼布里淵散射原理及應(yīng)用M. 北京: 科學(xué)出版社, 2001年6月. 39-42是光波與聲波在傳播時相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，布里淵散射光的頻率與入射光v0不同，但其頻率變化并不明顯。拉曼散射是由于介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分子的振動與轉(zhuǎn)動而造成的，拉曼散射光的頻率變化程度較大，情況比較復(fù)雜，即=0|，其強(qiáng)度數(shù)量級約為瑞利散射的10-810-6，最強(qiáng)的也只是瑞利散射的10-3。根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)理論，可以(ky)推導(dǎo)出散射光的散射公式。當(dāng)單色光源(電矢量(shling)為 E )入射到物質(zhì)(wzh)上時，電子的位移會產(chǎn)生電偶極矩，在某一入射光范圍內(nèi)，單位體積的感生偶極矩 P

23、與入射電矢量 E 成正比，即： (2-1)式中是極化率張量。其數(shù)量級為。電場強(qiáng)度是取決于單色光束光子頻率0的振動函數(shù)： (2-2)將式(2-2)代入式(2-1)可得： (2-3)系統(tǒng)中電荷的分布決定了極化率的取值，即若振動期間原子配位發(fā)生改變，則表征電荷分布的參量會發(fā)生變化，那么的取值也要發(fā)生變化。在某一特定條件被滿足時，振動著的電偶極子會輻射出電磁波，成為散射光。散射光的頻率、波矢都與入射光的頻率、波矢不同，這可以被理解是電偶極矩被機(jī)械或聲子“調(diào)制”的結(jié)果 張樹霖. 拉曼光譜學(xué)與低維納米半導(dǎo)體M. 北京: 科學(xué)出版社, 2008年. 171-183。因此，光散射就是一種電磁輻射，是在很小范圍

24、的不均勻性引起的衍射，且在4立體角內(nèi)都可以檢測得到。2.2 拉曼散射的量子解釋拉曼效應(yīng)起源于分子振動(點(diǎn)陣振動)與轉(zhuǎn)動，散射物質(zhì)的內(nèi)部信息可由拉曼光譜中的拉曼頻率、強(qiáng)度及偏振等反映出來，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級(點(diǎn)陣振動能級)與轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的信息，得到物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的相關(guān)數(shù)據(jù)。拉曼散射的完善解釋還需用量子力學(xué)理論，不僅可解釋散射光的頻率差，還可解決強(qiáng)度和偏振等問題。當(dāng)處于基電子態(tài)的散射物微粒分子受到入射光照射時，可以將激發(fā)光與微粒分子發(fā)生作用而引起的極化看作為虛的吸收，稱作電子躍遷到虛態(tài)(Virtual state)，虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發(fā)光，即成為散射光。設(shè)仍

25、回到初始的電子態(tài)，則有如圖2.1所示的三種情況。散射光中既有與入射光頻率相同的瑞利譜線，也有與入射光頻率不同的拉曼譜線。在拉曼譜線中，把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯(Stokes)線，又稱為紅伴線；而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯(anti-Stokes)線，又稱紫伴線。斯托克斯線比反斯托克斯線通常要強(qiáng)一些。圖2.1瑞利、拉曼散射過程(guchng)中量子躍遷由圖2.1可知(k zh)：在入射光(量)子()被吸收后，使電子(dinz)和晶格振動初態(tài)( )躍遷到一個虛中間態(tài)( )；然后輻射出散射光子()由中間虛態(tài)回到終態(tài)( )，同時產(chǎn)生(或湮滅)了一個頻率為而波矢為的元激發(fā) 吳

26、國安. 光譜儀器設(shè)計M. 北京: 科學(xué)出版社, 1990年3月. 77-82。分子振動的感生電偶極矩PG的躍遷矩陣元為： (2-4)其中和都是波函數(shù)，引入符號nk上式中的極化率躍遷矩陣元 (2-5)由于極化率是實數(shù)，因此是對稱矩陣。從電偶極矩的躍遷矩陣元的公式和極化率矩陣元的式（2-5）可以看到，若極化率為常數(shù)C，就可以將它們提到積分號前面,由波函數(shù)和的正交性，則有： 或 (2-6)n=k表示躍遷出現(xiàn)在同一能量的能級間，nk表示躍遷出現(xiàn)在不同能量的能級間，若出現(xiàn)光散射現(xiàn)象，則分別對應(yīng)于瑞利散射(入射光能量不變)和拉曼散射(入射光能量發(fā)生變化)。這也意味著，原子或分子要產(chǎn)生拉曼散射的條件為電子的

27、波函數(shù)分布位置r和分子的極化率發(fā)生改變，而這種改變就是源于原子中電子或者分子中原子在平衡位置附近存在振動。于是量子力學(xué)就在微觀運(yùn)動的層面上解釋了拉曼散射效應(yīng)。斯托克斯拉曼散射(snsh)或反斯托克斯拉曼散射分別對應(yīng)于從低能級(nngj)到高能級的躍遷或高能級到低能級的躍遷。因此，拉曼散射的斯托克斯線的光強(qiáng)為： (2-7)反斯托克斯線的光強(qiáng)為： (2-8)其中(qzhng)為波爾茲曼常量，T為絕對溫度。二者的強(qiáng)度比是： (2-9)一般情況下，比1大許多，因此量子理論正確地說明了斯托克斯散射強(qiáng)度大于反斯托克斯散射強(qiáng)度的問題，并且能夠很容易獲得斯托克斯和反斯托克斯散射強(qiáng)度的比值。2.3 拉曼位移所謂

28、拉曼位移(Raman Shift)，即斯托克斯散射光與反斯托克斯散射光的頻率與激發(fā)光源頻率v0之差，表示為v0。最簡單的拉曼光譜如圖2.2所示。圖2.2拉曼光譜圖在光譜圖中出現(xiàn)了三種譜線，位于中間的是瑞利散射線，或者叫激發(fā)譜線，它的頻率為v0.，也就是激發(fā)光的頻率，它的強(qiáng)度最強(qiáng)。斯托克斯線在瑞利線的低頻一側(cè)，斯托克斯線的強(qiáng)度約為瑞利線強(qiáng)度數(shù)量級的10-210-4。反斯托克斯線在瑞利線的另一邊，反斯托克斯散射光的強(qiáng)度要比斯托克斯散射強(qiáng)度弱得多，因此拉曼光譜分析技術(shù) 彩風(fēng). 拉曼光譜旋轉(zhuǎn)樣品技術(shù)的研究J. 現(xiàn)代科學(xué)儀器, 1995, 19(4): 33-35中常采用斯托克斯散射光線。分子振動能級間

29、躍遷決定了拉曼位移，不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動方式，決定了其能級間的能量變化，與之對應(yīng)的拉曼位移是特征的，也是分子振動能級的直接量度，這成為運(yùn)用拉曼光譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論依據(jù)。附加頻率值與振動能級有關(guān)的稱作大拉曼位移，與同一振動能級內(nèi)的轉(zhuǎn)動能級有關(guān)的稱作小拉曼位移：大拉曼位移：(為振動能級帶頻率)： (2-10)小拉曼位移：(其中(qzhng)B為轉(zhuǎn)動常數(shù)): (2-11)利用轉(zhuǎn)動(zhun dng)常數(shù)： (2-12)轉(zhuǎn)動(zhun dng)能級： (2-13)能級的選擇為： (2-14)因此有： (2-15)2.4 拉曼光譜分析的技術(shù)特點(diǎn)通過測定拉曼光譜的強(qiáng)度與位置，可鑒定試樣

30、的分子結(jié)構(gòu)，并可分別進(jìn)行定性分析和定量分析。拉曼光譜可提供有關(guān)樣品分子中存在何種功能團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息，所以可用于鑒別試驗和結(jié)構(gòu)解析。將樣品與對照品的拉曼光譜在相同的測定條件下進(jìn)行比對，若兩者光譜相同，即鑒定為同一化合物。拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn) 周光明, 盛蓉生, 曾云鶚. 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于生物體系的最新進(jìn)展J. 分析測試學(xué)報, 1996, 15(6): 85-87：(1)、快速，準(zhǔn)確，樣品制備簡單甚至不需要制備，測量時通常不會破壞樣品（固體，半固體，液體或氣體）；(2)、處于可見或近紅外光范圍的譜帶信號可以有效地與光纖聯(lián)用。這也意味著譜帶信號可以從包封在任何對激光透明的介質(zhì)，比如玻璃、塑料之內(nèi)，

31、或?qū)悠啡苡谒蝎@得；(3)、現(xiàn)代拉曼光譜儀分析速度快（僅需幾秒到幾分鐘），使用操作簡單，性能真實可靠。因此，可將拉曼光譜與其他分析技術(shù)聯(lián)用，這比起與其他光譜聯(lián)用技術(shù)從某種意義上說會更加簡便（可以使用單變量和多變量方法以及校準(zhǔn)）。除常規(guī)的拉曼光譜外，還有一些較為特殊的拉曼技術(shù)。它們是共振拉曼，表面增強(qiáng)拉曼光譜，拉曼增益或減失光譜以及超拉曼光譜等。其中，共振拉曼和表面增強(qiáng)拉曼光譜法在藥物分析應(yīng)用相對較多。熒光、樣品的熱效應(yīng)和基質(zhì)或樣品自身的吸收是影響拉曼光譜測量的主要干擾因素 馬艷皎. 便攜式拉曼光譜儀技術(shù)的研究D. 蘇州: 蘇州大學(xué), 2004年. 50-54。在拉曼光譜中，熒光干擾的表現(xiàn)為一

32、個典型的傾斜寬背景。測量固態(tài)物質(zhì)前，用激光照射樣品一定時間，則熒光干擾可以被減弱。樣品測定中另一個需要考慮的重要因素是光譜的污染，拉曼效應(yīng)很弱，可以被許多外源影響掩蔽。普通的污染源包括樣品支持物（容器或基質(zhì)）和周圍光線。通常，這些問題可以通過細(xì)致的實驗方法來識別和解決。2.5 拉曼光譜儀的分類按照儀器將來自試樣的拉曼散射光隨頻移分散開的方式不同，拉曼光譜儀可分為三種類型：單色型，分光光譜儀型和邁克爾遜干涉型光譜儀 喬鋒, 葉勇, 胡繼明等. 拉曼光纖探針的研究進(jìn)展及應(yīng)用J. 山西大學(xué)學(xué)報, 2003, 23(2): 1-5。(1)、單色型拉曼光譜儀的組成結(jié)構(gòu)最簡單，它是由單色光源，一個僅允許通

33、過單一波長拉曼光的濾光器和一個光學(xué)檢測器所組成。這種儀器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對給定波長拉曼光波的光通量能達(dá)到與其他任何類型的光譜儀一樣高甚至(shnzh)更高。然而，單濾光器拉曼儀僅能檢測到拉曼光譜的一個波長（實際上是一個很窄的波段），它阻擋了來自試樣的絕大部分拉曼散射而只允許很狹窄的光譜段進(jìn)入檢測器，造成光能量(nngling)分散。對大多數(shù)試樣而言，這意味著絕大部分拉曼散射光波被浪費(fèi)掉了，因此(ync)它的使用具有局限性。(2)、分光光譜儀則很好的克服了單色型光譜儀的這個缺點(diǎn)。分光儀中使用的光柵幾乎都是反射式光柵，它的優(yōu)點(diǎn)是能將單縫的中央最大值的位置從沒有色散的零級光譜轉(zhuǎn)移到其他色散的光譜級上

34、。分光光譜儀能將不同波長的光分散開并在平面的不同位置上成像。來自入射狹縫的光照射衍射光柵，然后衍射光聚焦在光譜儀輸出平面上。為了能夠同時測得不同波長光束的強(qiáng)度，可以在該平面上安置多元件探測器（例如CCD）。分光光譜儀光路如圖(2.3)所示。圖2.3分光光譜儀光路示意圖入射光由狹縫進(jìn)入，經(jīng)反射鏡準(zhǔn)直入射于平面反射光柵，來自光柵的衍射光被另一個反射鏡聚焦于探測器上，也就是像平面上。為了減小各種像差，兩個反射鏡是獨(dú)立安置的。如果用復(fù)曲面代替球面反射鏡，也能有效地降低像散差。分光光譜儀使用了幾個探測元件，可以同時檢測幾個不同波長，因而使得檢測時間獲得顯著縮短。多通道檢測的最大好處，從理論上講，是其檢測

35、時間在相同光譜分辨率下，比單色儀快了5002500倍，使用階梯衍射光柵或全息光柵的光譜儀還能將光譜疊加。(3)、邁克爾遜干涉儀型拉曼光譜儀拉曼光譜儀中很重要的一類是使用了傅里葉變換的干涉儀型光譜儀。干涉儀收集來自試樣的拉曼散射光，進(jìn)入探測器后獲得干涉圖，對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換就能得到拉曼光譜。邁克爾遜干涉儀光路如圖2.4所示。 圖2.4邁克爾遜干涉儀光路示意圖入射光進(jìn)入分光鏡被分為兩束，一束作為透射光入射于固定反射鏡，另一束作為反射光入射于移動反射鏡。兩束相干光來自同一光源，因此探測器檢測到的結(jié)果是兩束光干涉所得的光強(qiáng)度。兩光束光程差的變化(binhu)可由平移平面鏡引起，從而使得入射與探測器

36、上光強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)光程差發(fā)生一個波長的變化時，檢測到的光強(qiáng)度將從極大變到零，又回到極大。光強(qiáng)度與光程差之間是余弦函數(shù)關(guān)系，加上不變的偏置值即可畫出干涉圖。多數(shù)情況下而言，許多不同波長的光同時進(jìn)入干涉儀所產(chǎn)生的干涉圖是每個波長所產(chǎn)生余弦信號的相加。用下列(xili)傅里葉變換可從干涉圖得到光譜圖。 (2-16)式中S()為光譜(gungp)函數(shù)；I(x)為干涉函數(shù)；為頻率，以波數(shù)為計數(shù)單位；x為光程差，以厘米為計數(shù)單位。傅里葉變換拉曼光譜 鄧江東. 掃描近場光學(xué)顯微鏡原理及使用J. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,1997,6(2):3-6是起源于上世紀(jì)90年代的新技術(shù)，當(dāng)用波長為1064nm的近紅外釹釔

37、鋁石榴石激光照射樣品時，采用傅里葉變換技術(shù)對信號進(jìn)行采集并多次累加，可以大大減弱拉曼光譜中的熒光背景干擾，提高信噪比和分辨率。另外，許多試樣對1064nm光波的吸收與可見光相比要小得多，因此這大大降低了對試樣可能引起的損傷。它與傅里葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)在原理上相似，因而還可以和傅里葉變換紅外光譜儀聯(lián)用。2.6 拉曼光譜儀工作要求總的來說，一臺拉曼光譜儀主要有兩點(diǎn)要求：(1)、阻擋瑞利散射光和其他雜散光進(jìn)入探測器；(2)、將拉曼散射光分散成它所組成的各個頻率，并使用探測器進(jìn)行收集。第一點(diǎn)要求是因為瑞利散射光強(qiáng)度是拉曼散射光強(qiáng)度的千倍，如果這樣高強(qiáng)度的光束未受到衰減或阻擋而被探測器所收集，則會將

38、拉曼光譜完全或部分地遮蓋。第二點(diǎn)要求是為了保證來自試樣的拉曼散射光被最大程度地探測到，有較高或合適的光譜分辨率和頻移精度，有合適的光譜范圍，以及能夠快速獲得資料和操作簡便。為達(dá)到以上要求，不論何種類型儀器都必須配置激光光源，光學(xué)系統(tǒng)，分光儀，探測器和計算機(jī)處理系統(tǒng)，并以它們的最佳組合滿足要求。其主要的工作原理為：激光光源產(chǎn)生一束光強(qiáng)穩(wěn)定的單色激光，經(jīng)過樣前準(zhǔn)直光學(xué)裝置，在濾除激發(fā)激光的雜散光后，將激發(fā)光聚焦到待測樣品上，待測樣品便被激發(fā)出拉曼散射光，然后對激發(fā)出的拉曼散射光進(jìn)行收集，濾去瑞利散射光，最后通過收集光纖傳輸?shù)絾紊髦小８鶕?jù)拉曼散射光波長的不同，單色器內(nèi)的分光光譜儀的內(nèi)置光柵會對其進(jìn)

39、行分離，然后光譜儀檢測器(CCD)就開始記錄收集不同波長的拉曼信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后光譜儀通過USB傳輸線將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到計算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心。因為傅里葉光譜儀在的出現(xiàn)大大拓寬了拉曼光譜儀的應(yīng)用范圍，其掃描速度比色散型拉曼光譜儀要快得多，可以消除70%的熒光干擾，因此在第三章中將進(jìn)行傅里葉變換型拉曼光譜儀的設(shè)計，設(shè)計中采用光纖拉曼探針對拉曼光譜實現(xiàn)聚焦、過濾和收集，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計難度。2.7 光纖與光纖拉曼探針(tn zhn)光纖是優(yōu)越的低損耗傳輸線，在使用時對于測量設(shè)備與被測對象的相對位置可以不用考慮，它的適應(yīng)場合非常廣泛。由于能夠結(jié)合不同光譜儀器進(jìn)行測量使用，因此在不同領(lǐng)域都

40、獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，使用光纖制作(zhzu)的光纖傳感器也越發(fā)引起人們的注意 張工力, 白永林等. 一種高透過率光纖探針的制作J. 光子學(xué)報,1999,15(28):436。光纖傳感器具有很好的抗干擾能力和很強(qiáng)的抗化學(xué)(huxu)腐蝕能力，能夠在環(huán)境惡劣的情況中使用。它的探頭小巧靈活，可以直接插入活體組織或活體細(xì)胞、毛細(xì)血管等對分析物進(jìn)行在位連續(xù)測量。許多光譜分析法結(jié)合光纖進(jìn)行創(chuàng)新，獲得了嶄新的應(yīng)用前景，比如在較遠(yuǎn)的距離對樣品進(jìn)行檢測分析，在危險環(huán)境中進(jìn)行取樣，或?qū)⒍喾N光譜儀器進(jìn)行結(jié)合，制造出新的測量儀器等。拉曼光纖探針有以下幾種重要的類型：(1)、單光纖探針：在單光纖探針中，入射光纖和收

41、集光纖用同一根光纖來制作。因為其入射和收集光錐完全是重合的，所以理論上單光纖探針的收集效率會是最高，但實際的應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)它的收集效率并沒有達(dá)到理論值，造成這種情況的原因有兩個：一是光纖材質(zhì)中的硅材料拉曼散射背景較強(qiáng)，對那些高反射或散射性的樣品更是如此；二是要分開激發(fā)光和入射光，必須要使用一個分光鏡，這造成了信號的損失。(2)、雙光纖探針：使用了兩根光纖探針，一根用于照射樣品，另一根用來收集拉曼散射信號，由于入射光纖和收集光纖光錐重合體積會影響到光纖探針的效率，而如果使入射光纖和收集光纖互相成相應(yīng)的角度，或者將光纖的末端削減到一定角度，就可以有效地提高入射光纖和收集光纖的光錐重合體積，從而提高光

42、纖的收集效率，因此其最主要的研究方向是光纖探針的幾何形狀。(3)、多光纖探針：McGreey等人研究發(fā)現(xiàn) 郝雅瓊, 吳玉清, 劉俊秋等. 半胱氨酸在銀基底表面吸附機(jī)理的拉曼光譜研究J. 光散射學(xué)報. 2002, 14(3): 172-175，增加收集光纖的數(shù)目可以增加入射光纖和收集光纖光錐重合的體積，提高光纖探針的效率。這種光纖后來被許多研究者采用。但增加了光纖的數(shù)量會增強(qiáng)光纖中硅材料的拉曼散射背景，而且這種探針價格也比較昂貴。拉曼光纖探針的工作原理與傳統(tǒng)的拉曼光譜分析方法主要差別在于，傳統(tǒng)方法中樣品必須被放置在測量光路中；而現(xiàn)代光纖具有使光線彎曲傳播的能力，使用光纖探針后，可以通過光纖將檢測

43、光從光源引出，與樣品進(jìn)行相互作用，再經(jīng)過光纖的收集和傳輸，將信號光送至檢測系統(tǒng)。這可以大大提高儀器系統(tǒng)的可靠度。拉曼光纖探針(圖2.5)的基本原理為：激光光源經(jīng)過聚焦進(jìn)入光纖到達(dá)探頭部分，而探頭與樣品接觸，再經(jīng)光纖拉曼探頭收集激光與樣品作用后產(chǎn)生的可測量的拉曼散射信號，通過光纖將信號傳到檢測器得到拉曼光譜。圖2.5光纖拉曼探針的結(jié)構(gòu)及工作2.8精確(jngqu)掃描系統(tǒng)在本課題(kt)設(shè)計儀器的掃描過程中，使用激光拉曼探針掃描硅片上附著的生物分子團(tuán)。掃描過程中，在三維運(yùn)動平臺的支持下，拉曼探針會進(jìn)行掃描及對焦動作，而生物芯片則保持靜止?fàn)顟B(tài)。由于生物芯片在掃描完后要進(jìn)行更換，屬于消耗品，而芯片的

44、更換必然導(dǎo)致其自身(zshn)的重復(fù)定位出現(xiàn)誤差，因此與芯片的夾緊定位相關(guān)的所有零部件都是精確掃描系統(tǒng)需要研究的對象。同時，影響其位置的一個重要因素是生物分子團(tuán)在硅片上的點(diǎn)樣精度。生物分子團(tuán)是附著在硅片上的，而硅片又固定在生物芯片中，生物芯片則通過裝夾機(jī)構(gòu)固定在儀器托架上，而溫度等因素都會影響儀器托架與拉曼探針的位置關(guān)系。所以直接利用儀器的制造裝配精度來達(dá)到生物分子團(tuán)在儀器中的定位，是非常不可靠的。因此三維運(yùn)動平臺的精度在精確掃描系統(tǒng)中的重要性是不言而喻的，它決定了拉曼探針的運(yùn)動定位精度以及對焦精度。不同的掃描算法則決定了拉曼探針的行走路徑，不同的行走路徑顯然需要不同的時間，這決定了掃描過程的

45、工作方式。要可靠的完成對生物反應(yīng)過程的拉曼光譜掃描，需要使在儀器坐標(biāo)系中表達(dá)的拉曼探針光斑的計算直徑大于儀器坐標(biāo)系中生物分子團(tuán)中心位置的分布直徑。其中由三個直線電機(jī)組成的三維移動平臺是影響儀器坐標(biāo)系中的拉曼探針光斑計算直徑的主要因素。故儀器坐標(biāo)系中表達(dá)的拉曼探針光斑的計算直徑會具有更大的穩(wěn)定性，而儀器坐標(biāo)系中生物分子團(tuán)中心位置的分布直徑則根據(jù)不同的設(shè)計方式有較大變化。拉曼探針光斑的計算直徑就是當(dāng)生物分子團(tuán)與激光光斑的重合度剛好可以激發(fā)足夠強(qiáng)度的拉曼散射時，以激光光斑和生物分子團(tuán)的中心距為半徑所做的圓的直徑。在實際過程中，由于納米表面增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，拉曼光斑并不需要覆蓋生物分子團(tuán)的全部就可獲得可

46、用的拉曼散射強(qiáng)度。為了保證所獲得的拉曼光譜的質(zhì)量，現(xiàn)取拉曼探針光斑全部覆蓋生物分子團(tuán)為設(shè)計條件。第3章 激光拉曼光譜儀的設(shè)計本章結(jié)合前兩章的拉曼光譜技術(shù)和拉曼光譜儀基本原理等內(nèi)容，設(shè)計了一種用于檢測分子結(jié)構(gòu)的傅里葉變換型激光拉曼光譜儀。采用了激光拉曼探針代替了傳統(tǒng)光路，儀器的原理構(gòu)架如圖3.1所示。整個儀器系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)，三維運(yùn)動平臺系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，CCD圖像定位系統(tǒng)以及計算機(jī)處理系統(tǒng)五大部分。進(jìn)行了表面增強(qiáng)效果及自動對焦驗證實驗、三聚氰胺檢測試驗。圖3.1激光拉曼光譜儀的原理(yunl)構(gòu)架 由圖3.1可以知道，由合適的激光光源發(fā)出(fch)一定波長的激光，經(jīng)過光纖傳導(dǎo)，由對應(yīng)的光纖拉

47、曼探針收集，經(jīng)過探針聚焦等處理之后，照射在待檢測物質(zhì)上，產(chǎn)拉曼散射(snsh)。拉曼探針收集散射光，通過光纖傳入CCD分光光譜儀。在光譜儀中散射光按頻率分開，CCD陣列檢測不同頻率的光強(qiáng)以便得到數(shù)字化的散射光譜，再由光譜儀把散射光譜送到計算機(jī)，通過光譜分析獲取用戶感興趣的信息，如分子結(jié)構(gòu)等。同時，與拉曼探針相連接的三維移動平臺可以使得激光在不同的空間位置聚焦，并收集光譜，這能夠大大改進(jìn)儀器的檢測使用效率。3.1 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計本儀器光路系統(tǒng)設(shè)計如圖3.2所示。它由一個激光發(fā)生器，一個激光拉曼探針，一個分光器及CCD陣列以及相應(yīng)的電源適配器組成。由于采用了光纖拉曼探針，本儀器的光路系統(tǒng)相當(dāng)簡單。

48、這些光學(xué)器件間都是通過光纖連接的，光學(xué)系統(tǒng)本身相當(dāng)靈活。其中陷波濾光器的作用是能針對性地將瑞利散射光能量有效地濾除5到6個數(shù)量級，這些瑞利散射光波長在以激光波長為中心的幾個納米的波長范圍內(nèi)，從而讓該波長范圍以外的光信號順利通過，因此后面就只需使用小型光譜儀色散分出光譜了。這種設(shè)計使得整個系統(tǒng)變得小巧緊湊，易整合，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖3.2光學(xué)系統(tǒng)原理圖3.1.1 拉曼光纖探針拉曼探針是拉曼光譜儀中最重要的光學(xué)器件之一。它集聚焦和過濾，發(fā)射和收集于一體，小巧而輕便。根據(jù)需要使用的激發(fā)光頻率，本設(shè)計采用必達(dá)泰克(BW TEK)的拉曼探針BACl00-532Q，其外形和主要參數(shù)如圖3.3所示：產(chǎn)品

49、型號適用波長激發(fā)光纖參數(shù)接收光纖參數(shù)光學(xué)密度有效工作距離(mm)聚焦光斑密封BAC100-532Q532nm纖芯：105m數(shù)值孔徑：0.22纖芯：200m接口：SMA905OD65.97.590m 5.9mm環(huán)氬材料密封圖3.3激光(jgung)拉曼探針外形及主要參數(shù)BAC100拉曼探頭采用了革新性的外形包裝和領(lǐng)先的光學(xué)設(shè)計，可用在液體、粉末和固體樣品的檢測。可選波長包括785、532nm。靈活的SMA905端口光纖耦合和耐久(niji)的保護(hù)外套十分適合光譜儀。拉曼探頭適合實驗室、野外和過程控制檢測使用。3.1.2 激光器在拉曼光譜中所需要的光源必須要求線寬窄，輸出(shch)波長穩(wěn)定，能量

50、相對較高的光源來作為激發(fā)光，以此滿足高分辨率和信噪比的要求。由于拉曼散射的強(qiáng)度與入射光的電場強(qiáng)度平方成正比，因此增大樣品上的電場強(qiáng)度是產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉曼信號的關(guān)鍵，也就是說要提高光源的功率密度。激光在這方面可以很好的滿足需求。另一方面，因為拉曼散射頻率與激光光源的發(fā)光頻率一一對應(yīng)，而多頻率的光源必然會導(dǎo)致多頻率的散射光，影響拉曼光譜的檢測，所以通常在選擇光源時，單色性是首先要考率的第一要素 向小飛. 光纖拉曼光譜儀的設(shè)計與改進(jìn)D. 吉林: 吉林大學(xué)物理學(xué)院. 2005年. 129-132。本設(shè)計采用的激光器為由上?；藐晒怆娍萍加邢薰咎峁┑男吞枮镸R.IR.980.1W的激光光源，其外型及主要參

51、數(shù)如圖3.4所示： 圖3.4激光器外形及主要參數(shù)其輸出波長可有808, 830, 850, 980nm等多種選擇，恒溫結(jié)構(gòu)設(shè)計，穩(wěn)定性較好，可配TTL進(jìn)行調(diào)制，可以調(diào)節(jié)功率。應(yīng)用領(lǐng)域：激光照排系統(tǒng)、近紅外激光夜視、長距離激光遙測、固體激光激勵系統(tǒng)應(yīng)用等。3.1.3 分光(fn un)光譜儀分光(fn un)光譜儀(單色儀)的作用是將復(fù)合(fh)光分解成單色光或具有一定寬度的譜帶，并實現(xiàn)光譜在CCD 上的精確成像。單色儀由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡和衍射光柵組成。單級單色儀系統(tǒng)體積緊湊，可以提供高的通光效率，是最常采用的配置。拉曼散射光經(jīng)光柵分光后在光譜儀焦平面 (探測器平面)上按波長線性展開。本設(shè)計采用

52、的是必達(dá)泰克光電科技(上海)有限公司研發(fā)的型號為BTCll2E的制冷型光譜儀，其外形和主要參數(shù)如圖3.5所示：圖3.5分光光譜儀的外觀及其主要參數(shù)3.2 三維運(yùn)動平臺依照本課題所選定的設(shè)計方案，光譜儀需要拉曼探針做平面掃描運(yùn)動和垂直對焦運(yùn)動?，F(xiàn)擬用高性能直線電機(jī)來搭建該平臺以降低開發(fā)難度與周期。三維運(yùn)動平臺由三個直線電機(jī)及相應(yīng)的適配零件組成，是整臺儀器的核心部件。掃描過程的最高精度取決于三維平臺的定位精度，因此為了獲得穩(wěn)定的定位運(yùn)動性能，需要對其進(jìn)行詳細(xì)的綜合設(shè)計。同時，如果有必要，需要為其加上防塵降噪措施，這是因為三維運(yùn)動平臺是儀器運(yùn)行中一個主要的運(yùn)動部件，是產(chǎn)生噪音的主要來源。本設(shè)計選用的

53、是Opt Sigma公司的電機(jī)組件。X，Y方向采用型號為SGSP20-35(XY)的組合型運(yùn)動平臺，行程35mm。Z方向采用型號為SGSP20-20(Z)的直線電機(jī)，其行程為20mm。SGSP系統(tǒng)電機(jī)的標(biāo)稱重復(fù)定位精度及回程誤差都達(dá)3m以下。X，Y平臺與Z方向電機(jī)間通過連接塊連接，而激光拉曼探針通過一個探針夾持件連接至Z向電機(jī)上。為了充分發(fā)揮高精度直線電機(jī)的定位性能，所有這些零件都有較高的公差要求。3.3 輔助系統(tǒng)：溫度控制系統(tǒng)由于生物化學(xué)反應(yīng)過程對溫度十分敏感，故為了更好的重現(xiàn)反應(yīng)在生物體內(nèi)的過程，儀器需要對芯片溫度進(jìn)行控制。由熱交換裝置，溫度控制電路及若干溫度傳感器組成了測試控制系統(tǒng)?；?/p>

54、生化檢測儀器的特點(diǎn)，將半導(dǎo)體制冷片作為熱交換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。溫度控制系統(tǒng)加熱/制冷原理塊如圖3.6所示：向芯片托架輸送熱量或是從中抽取熱量都是由半導(dǎo)體制冷片的不同工作模式來控制的，這構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。為了監(jiān)測芯片托架的溫度變化，采用了高精度玻封NTC熱敏電阻作為溫度傳感器。以威佛蘭斯(WAVELENGTH)公司的型號為WTC3243的超穩(wěn)型溫度控制器為核心，構(gòu)架溫度控制系統(tǒng)。圖3.6芯片溫度(wnd)維持系統(tǒng)原理圖由于制冷片的性能直接受到半導(dǎo)體制冷片的熱端的散熱能力影響，所以必須要在半導(dǎo)體片熱端加導(dǎo)熱散熱裝置以提高制冷速率。在風(fēng)冷系統(tǒng)中，散熱面積及氣流流速是影響制冷效率(xio l)的兩大

55、主要因素。導(dǎo)熱片與氣流的接觸面積越大，則散熱效果越明顯。在制冷片上方增加了專用的散熱片，從而盡可能的增大制冷片與氣流的接觸面積。同時為了加快熱量在散熱片內(nèi)部的傳導(dǎo)速度，在散熱片離制冷片的遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn)之間設(shè)置了一個熱管，這些措施都能使得制冷片熱端上的熱量能很快的傳導(dǎo)到大面積的散熱片上。同時在散熱片上方設(shè)置了風(fēng)道，這是為了增加有效的氣流流速。并且在風(fēng)道口安裝有一個靜音型風(fēng)扇，這樣風(fēng)扇就可以直接把冷風(fēng)送入風(fēng)道，進(jìn)而(jn r)有效的冷卻散熱片了。3.4 CCD圖像定位系統(tǒng)設(shè)計由光學(xué)原理可知，簡單CCD系統(tǒng)的定位精度計算公式為： (3-1)式中： ：CCD圖像系統(tǒng)的定位精度； ：CCD光敏元件顆粒大??；

56、 ：物鏡放大倍數(shù)；要使： m (3-2)則有： (3-3) 對于一般CCD，其光敏元件顆粒直徑約為8m，由此可得： (3-4)現(xiàn)?。?(3-5)則可以滿足系統(tǒng)要求。3.5 儀器中精確掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計由第二章可知，拉曼探針光斑的計算直徑如圖3.7所示：圖3.7曼探針光斑恰好(qiho)完全覆蓋生物分子團(tuán)示意圖生物分子團(tuán)計算用直徑(zhjng)表達(dá)式如下： (3-6)其中(qzhng)： ：計算用生物分于團(tuán)直徑； ：生物分子團(tuán)最大直徑； ：生物分子團(tuán)最小直徑； ：在 中 的權(quán)值； ：在 中 的權(quán)值；顯然，有下式成立： (3-7)由圖3.7可知，拉曼探針光斑剛好覆蓋生物分子團(tuán)時，光斑計算直徑的計算

57、公式為： (3-8)將式(3-6)、式(3-7)代入式(3-8)得： (3-9)由此計算出拉曼探針光斑計算直徑為： m (3-10)本設(shè)計需要通過連續(xù)的激光發(fā)射并收集拉曼光譜來監(jiān)測一個反應(yīng)的全過程。為了達(dá)到高通量和實時動態(tài)等的檢測要求，在不增加昂貴的光學(xué)器件預(yù)算的情況下，我們采用了軟件的方式實現(xiàn)的兩者有機(jī)結(jié)合的方法，如圖3.8所示。監(jiān)測方案會根據(jù)不同的檢測要求而有所不同。對于反應(yīng)過程中需要檢測的不同狀態(tài)的時間間隔較小，即有完全實時要求的反應(yīng)過程，則對拉曼探針連續(xù)的對準(zhǔn)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行控制，實時采集光譜。而對于一般反應(yīng)速度的過程，可以采用循環(huán)掃描采樣的方式，按次序掃描若干反應(yīng)點(diǎn)，以提高反應(yīng)通量。反應(yīng)的

58、最小檢測間隔(或采樣間隔)為一個掃描周期。圖3.8兩種不同掃描(somio)方式原理示意圖 (3-11)其中(qzhng)： ：掃描(somio)周期； n ：掃描通量，即一個周期內(nèi)的掃描點(diǎn)數(shù)； ：與拉曼光譜積分時間相關(guān)，為每個反應(yīng)點(diǎn)的單次檢測時間； ：拉曼探針從一個反應(yīng)點(diǎn)移動到下一個反應(yīng)點(diǎn)所用的時間； ：拉曼探針在一個掃描周期中回程等所需的輔助時間；在式(3-11)中，取n=l，則，即檢測時間間隔為0，這就實現(xiàn)了實時檢測。因此，兩種掃描方案在式(3-11)里是統(tǒng)一的。3.6 實驗檢測與結(jié)果分析3.6.1表面增強(qiáng)效果及自動對焦驗證實驗用于檢測反應(yīng)載體的生物芯片的設(shè)計思路大體是這樣的：在單晶硅片上加工出微截面的小槽，再把硅片和玻璃片鍵合成一個整體，以形成微流道。在微流道基礎(chǔ)上，加上合適的用于加入試劑或樣品的結(jié)構(gòu)，形成芯片核心部分。芯片核心部分再與裝載芯片的外殼相配合，使之具有適合加液及和儀器相適配的能力。芯片的結(jié)構(gòu)如圖3.9所示，它的主要組成部分為核心芯片組及其外殼。其中核心芯片組由五層片狀結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)部形成兩道小槽，槽兩端分別為加液漏斗結(jié)構(gòu)和抽氣吸嘴結(jié)構(gòu)，該槽即為生化反應(yīng)的容器。由于生物芯片小槽表面附有用于增強(qiáng)拉曼效果的納米金屬，因此應(yīng)該能夠看到表面增