[发明专利]基于空芯波导的拉曼系统和方法

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及气体感测系统和方法，更具体来说，涉及基于空芯波导的拉曼系统和方法。

背景技术

同核双原子分子一般难以检测和测量。例如，如氮和氢之类的分子在标准压力和温度条件下不吸收光。因此，它们即使不是不可能，也是难以采用基于光吸收的技术来检测和定量的。此外，氧具有难以用于可靠定量测量的弱禁止吸收带。最常见的分析方法基于低温气相色谱法。

存在极少已知用于这类分子的高准确度和精度检测及定量的可靠技术。由于这类分子的对称性，所以它们是拉曼活性的，从而使得有可能根据其拉曼光谱峰值以高选择性来识别这些分子。

拉曼感测广泛应用于检测各种化学化合物和生物材料。拉曼光谱法测量来自分子与单色光之间的交互作用的非弹性散射光的频率变化和强度。拉曼散射的光谱位移可与输入光子和分子的交互作用相关联。光子损失或者获得能量，与分子的特定振动、旋转或电子能态进行交互作用。因此有可能从其拉曼峰值位置来识别分子，拉曼峰值位置指示各种分子能级。拉曼散射是入射光功率(I₀)、入射光的波长(λ)的四次方的倒数、光束中的材料的浓度(c)以及分子的散射截面(J)的函数。另外，任何实验设置和/或样本具有它自己对收集和分析光的仪器的能力的限制。这个因数通常称作仪器因数(K)。因此，所观测的拉曼散射的简化等式可表达如下：

R＝I₀c JK/λ⁴    等式(1)

显然，如果实验条件受到控制，则拉曼光谱法应当能够进行定量分析，即，拉曼信号的强度与分子的分压或浓度成比例。拉曼截面与浓度因数相乘。对于许多拉曼样本，该因数本质上是固体或液体的因数。对于气体样本，该因数近似为4.5×10^-5。因此，例如气体等低密度介质的拉曼感测是一大难题。通常采用大约瓦特级的强激光功率以及从50至100个大气压的高气压。另外，混合物中的气体成分的浓度的定量要求强信号，特别是在低浓度。因此，要求增强技术从气体混合物产生和收集拉曼散射光子。

拉曼信号固有地很弱，大致比荧光要小10至16个数量级。为实现较低检测限制，表面增强拉曼(SERS)和/或共振拉曼已经用于改进某些化学品的拉曼信号。SERS要求将目标分子吸收到粗糙金属表面上。共振拉曼要求振动与电子级之间的强耦合；因此它们不是通用的。

用于增加拉曼信号的强度的一种已知方法是相干反斯托克斯拉曼光谱法(CARS)，它是一种使用两个或更多强光束来生成反斯托克斯蓝移拉曼信号的非线性光学方法。CARS实验不是常规的，并且极为依赖昂贵激光器的性能的再现性。参见例如Begley R.F.等人的“相干反斯托克斯拉曼光谱法”(Applied Physics Letters，25，387(1974))。因此着重强调改进光与气体分析物之间的交互作用，这通常涉及多通布置，其中照射激光束从各种方向聚焦到样本体积。10至100的增益大概是从这种方式可能得到的全部。但是，这种方式本身的限制在于，光镜易受到污染。功率的损耗与对于反射次数的幂的反射率成反比。甚至对于适度有效的，反射次数可在25与100之间，因此甚至非常轻微的污染也可对细胞效率具有破坏性影响。