[发明专利]一种用于检测物质的拉曼光谱和光致发光光谱的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2010年5月26日提出的申请号为61/348,668、题为“Raman-photoluminescence complex and Raman photoluminescence spectral recognition system”的美国临时申请的权益和优先权，其全文在此并入，以供参考。 

技术领域

本发明一般涉及光致发光和拉曼光谱学，并且更具体的涉及用于获得和分析未知物质的光谱信息的装置和方法。 

背景技术

在许多知识领域和许多行业中，物质分析鉴定都是重要的主题。比如，在营养学领域、药物和其他医学产品领域、化学领域、珠宝领域和许多其他领域中，物质分析和鉴定都是重要的。存在对能够执行各种物质和产品的快速、非侵入性、集中性的和可靠的分析与鉴定的廉价、简洁、成熟且可靠的装置的需求。 

拉曼散射法以其鉴定物质的可靠性而著称。这种方法基于这样的事实：即有机和无机分子具有许多旋转自由度和振荡自由度，其将它们本身显示为拉曼光谱中的一组谱线。每条线的特征在于其独特的光谱位置和相对强度。这些光谱特征包括分子的拉曼“指纹”。这种拉曼“指纹”使检测和鉴定各种物质成为可能。由于每种化学物质的特征在于可区分的拉曼“指纹”，因此使用基于拉曼的方法分析和鉴定不同物质的合成物或混合物也是可能的。 

典型的拉曼光谱设备是复杂、笨重且昂贵的实验设备组。其通常由强大的激光器、工作在相减模式的三重光栅光谱分析仪和致冷CCD照相机阵列组成。一些现代光谱实验室配有具有额外显微分辨率的拉曼光谱设备。除了典型拉曼光谱设备的大尺寸和高造价，其特征还在 于对于某些物质的敏感性不足。现代拉曼光谱设备众所周知的高造价及其巨大尺寸以及在某些情况下拉曼技术不足的敏感性已经使得在可能的情况下将这种设备用于很多重要的实践应用很困难。 

尽管过去十年间相关领域有一些重要的进步，但是现有的测量拉曼光谱的装置通常无法提供足够的信息以得出有关测试物质性质的可靠结论。比如，现有的拉曼光谱装置不足以对有色物质进行可靠的分析，其光致发光信号遮掩拉曼光谱。 

拉曼信号通常包含通常显示为宽潜在信号的可检测光致发光背景。来自光致发光背景的这种信号将由样本中已知成分中的一种或更常见地由高度荧光的外来杂质引起。成为问题的程度主要取决于光致发光和拉曼信号的相对强度。然而，大部分样本的固有低拉曼散射概率意味着即使被认为是弱光致发光也将提供显著的光谱分量。另一方面，拉曼和光致发光信号都可以提供关于测试物质的重要信息。比如，在宝石学中，拉曼和光致发光光谱非常有用，不仅在于可用于宝石鉴定，还因为他们可以用于进行宝石处理的分析。拉曼和光致发光功能可以用于鉴定钻石是否人为地在高温或高压下处理以改变其颜色，并从而改变其价值。用油或其他自然物质处理绿宝石裂纹以提高其透明度也是公知的。蜡和树脂用于浸渍翡翠和其他多孔石。通常来说，可以使用红外（IR）谱线光谱检测这些处理，但是拉曼和光致发光光谱技术的组合也允许检测出这些处理。另一个示例来自于半导体行业，光致发光测量可以为MBE（电子束外延）或CVD（化学气相沉积）技术所产生的半导体异质结构提供高度有益的信息。这种测量可以提供关于样本质量、电子密度、多层结构中的电子分布、杂质中心的类型和数量的信息，而拉曼技术可单独允许只获得光频声子的基本信息并允许获知半导体异质结构的组成。因此，目前具有挑战性的问题是创造能够在单激发（single shot）中以足以满足不同应用（如化学、食品和制药、宝石学、医学和半导体行业）需求的光谱范围和分辨率同时测量拉曼和光致发光光谱的便携式光谱装置。 

发明内容