基于拉曼荧光光谱的分子检测系统设计毕业设计论文Word文档格式.docx

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摘要

基于分子振动的拉曼光谱被认为是研究分子结构的一种重要研究方法，可以反映出试样中某些特定分子的特性，其特征振动“指纹”可以作为分子身份与结构识别的重要信息。

拉曼光谱能够对待检测物品进行定性分析及对相似物进行区分并通过浓度进行定量分析，因此拉曼光谱分析技术凭借其优越的功能成为分析测试领域的研究热点。

本课题设计的拉曼光谱仪主要用于一般生物反应及药物筛选。

主要简述了拉曼光谱基本原理及拉曼光谱仪的工作原理，然后进行仪器构架的总体设计。

包括光学系统的设计、三维运动平台、辅助系统的设计、CCD图像定位系统设计、仪器中精确扫描系统的设计等过程。

采用了光纤拉曼探针以提高了仪器系统稳定性，并对仪器中精确扫描系统进行基本设计。

进行了表面增强效果以及自动对焦验证实验、三聚氰胺检测试验，实验结果表明，所设计的分子检测系统可以实现表面增强拉曼光谱采集，自动焦点位置寻找及对芯片进行逐点扫描的功能，能够用于生化反应的定性分析。

关键词：

拉曼荧光光谱；

分子检测系统；

光纤拉曼探针；

Abstract

Ramanspectrumwhichisbasedonmolecularvibrationshasbeenrecognizedasaimportantmethodofmolecularstructure.Itcanreflectthecharacteristicsofcertainmoleculesinthesample.Thevibrationcharacterized"

fingerprint"

canbeusedasimportantinformationandstructureidentityrecognitionofmolecule.Ramanspectroscopyhasthequalitativeofanalysisanddistinguishbetweensimilarobjectsbyquantitativeanalysisoftheconcentrationfunction,soRamanspectroscopywithitsuniqueadvantageshasbecomeahottopicinthefieldofanalyticaltesting.

ThepaperoutlinesthebasicprinciplesofRamanspectroscopyandtheworkingprinciplesofRamanspectroscopy,thendesignstheinstrumentarchitecture.Thedesignincludestheopticalsystem,three-dimensionalmotionplatform,auxiliarysystems,CCDimagepositioningsystemdesign,instrumentprecisionscanningsystemandotherprocesses.Usingafiber-opticRamanprobeinstrumenttoimprovesystemstability,anddesignsthebasicsystemofprecisioninstrumentscanning.

Conductedasurface-enhancedeffectsandtheAFverificationexperiment,melaminetesting,experimentalresultsshowthatmoleculartestingsystemisdesignedtoachieveasurface-enhancedRamanspectroscopyacquisition,automaticfocuspositiontofindandthechip-by-pointscanningfeature,whichcanbeusedasqualitativeanalysisofbiochemicalreactions.

Keywords:

Ramanfluorescencespectroscopy;

MolecularDetectionSystem;

OpticalfiberRamanprobe;

第1章：

绪论

1.1拉曼效应

当光照射到介质（气体、液体或透明的样品）的时候，除了会被介质所吸收、反射和透过之外，光子与物质分子进行碰撞时，总会有一小部分光会按照不同的角度被散射开来，分为弹性散射和非弹性散射两种方式。

弹性散射的散射光是与激发光源波长相同的成分，光子的能量没有变化，只是改变了方向，这种散射包括丁达尔散射（TyndallScattering）和瑞利散射（RayleighScattering）；

非弹性散射的散射光不仅改变了光的传播方向，而且也改变了光波的频率，即在碰撞的过程中，物质分子吸收了光子的一部分能量，使散射光频率小于入射光的频率，或者光子吸收了物质分子的部分能量，使得散射光频率大于入射光的频率，这两种碰撞都得到了与入射光频率不同的散射光，包括布里渊散射（BrillouinScattering）和拉曼散射（RamanScattering）[]。

1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman）在进行水银灯照射苯溶液的实验时发现了与入射光频率不同且强度非常微弱的散射光现象，这种现象被称为拉曼散射，散射光的光谱称为拉曼光谱（RamanSpectra）。

拉曼的实验发现被英国皇家学会评为“20年代实验物理学中最杰出的发现之一”[]。

1930年，因发现这一新的散射现象和其所取得的光散射研究成果，拉曼获得了诺贝尔物理学奖。

1.2拉曼技术的发展

自拉曼现象被发现后的近30年，拉曼光谱技术的发展进度都十分缓慢，这是因为当时的拉曼光谱仪是使用汞弧灯作为灯源，而其所产生的拉曼散射光十分微弱，只相当于入射光强度的百万分之一左右，想要被很好的检测到十分困难，这就极大地限制了拉曼光谱技术的应用与发展[]。

20世纪60年代激光器问世，这种激光的功率高、能量集中、单色性好、方向性强，成为新的拉曼激发光源。

与此同时，光谱技术、光电信号转换技术也有了飞速发展，高分辨率，低杂散光的双联和三联的光栅单色仪[]也相继被开发出来。

这些技术的革新都给拉曼光谱带来了新转机，极大的推动了拉曼光谱技术的发展。

20世纪70年代科学家们以激光器和光栅单色仪为基础，选择不同的激光波长，拓展光谱仪探测的范围，发展了共振激光拉曼技术。

1974年，Fleishmann等通过实验发现，当在经过适当氧化还原处理的银电极表面吸附吡啶分子时，该分子的拉曼散射截面增加了106倍，这也就是后来的表面增强拉曼技术[]。

不久以后，出现了显微系统和拉曼分析相结合的显微拉曼技术。

1983年，Jessings等成功进行了傅里叶变换拉曼实验，它能够分离出荧光效应以提高拉曼光谱的分辨率。

此后，人们又研究制作出了各种型号的傅里叶变换拉曼光谱仪。

1987年，第一台近红外激发傅里叶变换拉曼光谱仪由PE公司研发制出。

20世纪90年代后期，为满足社会活动的需求，人们不断突破探索多项新技术，并将其应用在拉曼光谱仪上。

例如：

使用光纤对距离较远或者对未知威胁的样品进行安全检测，引入声光调制器[]（AOTF）取代光栅作为分光元件，用以测量拉曼光谱；

采用全息带阻滤光片以便更好的消除瑞利散射干扰问题等。

此后，拉曼技术得到了广泛应用，开始走出实验室，进入了生物化学、精密加工、安防检查、考古发掘、文物珠宝鉴定、化妆品鉴定、医药检测等众多领域。

1.3国内外研究现状及本课题研究的意义

近年来，因为拉曼光谱对物质检测与分析所具有的重要意义，国外许多国家与组织都在积极进行拉曼光谱仪的研制与开发，在拉曼光谱研究方面也积累了丰富的研制经验。

目前，国外的各种类型的拉曼光谱仪凭借其优良的仪器性能，在中国拥有垄断性的市场[]。

其中美国的尼高力（Nicolet）公司[]、海洋光学（OceanOptics）公司、英国的雷尼绍（Renishaw）公司和法国的JY（JobinYvon）公司凭借其领先的技术在中国乃至全球具有很高的市场占有率。

其他一些公司如法国的KaiserOpticalSystem公司，ISA公司，Mot公司，北爱尔兰的Andor公司，德国的斯派克（Spectra）分析仪器公司，荷兰的Mantes公司，日本分光公司等，都有拉曼光谱仪产品[]。

这些国外厂家的拉曼光谱仪性能较好，已广泛的应用到了实际科研和测试工作中，垄断了国内的市场份额。

同时进口拉曼光谱仪的价格也比较昂贵，一般在100~160万元人民币左右。

而国内在激光拉曼光谱仪的领域里，研究开发起步较晚，发展相对发达国家来说比较落后。

目前国内尚无拉曼光谱仪的商品生产厂家。

在某些高校中都是出于科研和教学的目的，自行组装了教学用拉曼光谱仪，如苏州大学信息光学研究所制作的拉曼光谱测试仪[]，浙江大学光电与科学仪器系自行设计研制的LRZ.1型拉曼光谱仪，四川大学和成都科技大学组装的脉冲激光器激发的用于光多道分析器OMA（OpticalMulti-channelAnalyzer）控制与探测的激光共振拉曼光谱系统[]，还有北京卓立汉光仪器有限公司和中国科学院大连化学物理研究所共同研发的大型紫外共振拉曼光谱仪等，另外北京大学所属工厂也曾经尝试制作了少量供教学实验用的拉曼光谱仪。

拉曼光谱