《基于拉曼荧光光谱的分子检测系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于拉曼荧光光谱的分子检测系统设计（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：基于拉曼荧光光谱的分子检测系统设计 姓 名 王 梦 博 学 号 101204307 院 （系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李 鸣 2014年6月15日目录摘要IAbstractII第1章：绪论11.1 拉曼效应11.2 拉曼技术的发展11.3 国内外研究现状及本课题研究的意义21.4 论文结构及各章节内容3第2章：拉曼光谱基本理论42.1 光散射与拉曼效应的原理42.2 拉曼散射的量子解释52.3 拉曼位移62.4 拉曼光谱分析的技术特点72.5 拉曼光谱仪的分类82.6 拉曼光谱仪工作要求102.7 光
2、纤与光纤拉曼探针102.8精确扫描系统12第3章 激光拉曼光谱仪的设计133.1 光学系统的设计133.1.1 拉曼光纤探针143.1.2 激光器143.1.3 分光光谱仪153.2 三维运动平台163.3 辅助系统：温度控制系统163.4 CCD图像定位系统设计173.5 仪器中精确扫描系统的硬件设计173.6 实验检测与结果分析193.6.1表面增强效果及自动对焦验证实验193.6.2 三聚氰胺检测实验21结束语23谢辞24参考文献25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
3、。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
4、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；IAbstract 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
5、used as important 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
6、the field of 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 positionin
7、g system design, 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,
8、experimental 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
9、spectroscopy; Molecular Detection System; Optical fiber Raman probe;II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(Tyndall Scattering)和瑞利散射(Rayleigh Scattering)；非弹性散射的散射光不仅改变了光的传播方向，而且也
10、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(Brillouin Scattering)和拉曼散射(Raman Scattering) 姚启钧. 光学教程M. 北京: 高等教育出版社, 2002年4月. 47-56。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(Raman Spectr
11、a)。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” 刘玲. 激光拉曼光谱及其应用进展J.山西大学学报, 2001, 24(3): 279-282。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 于永爱, 吴维, 朱冬寅. 拉曼光谱技术与便携式拉曼光谱仪J. 激光
12、与光电子学 进展, 2009, 46(8): 85-87。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 陈玉伦. 拉曼光谱仪的研制及预处理方法研究. 杭州: 浙江大学,2006年.25-26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
13、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 杨序纲, 吴琪琳. 拉曼光谱的分析与应用M. 北京: 国防工业出版社, 2008年5 月. 49-52。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
14、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 刘大禾, 黄琬云, 周伟国. 反射式窄带滤光片J. 光学学报, 1990, 16(2): 62-65 (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
15、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 林中, 范世福. 光谱仪器学M. 北京: 机械工业出版社, 1989年. 19-20。其中美国的尼高力(Nicolet)公司 范世福. 分析检测技术及分析仪器的现代化发展J. 分析仪器, 2003, 13(1): l-5、海洋光学(Ocean Optics)公司、英国的雷尼绍(Renishaw)公司和法国的JY(Jobin Yvon)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Kaiser Optical System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 曹学
