高时空分辨动态拉曼成像系统及其关键技术

摘要

拉曼光谱技术由于其无损、非接触、不受水分子干扰等特点而广泛应用于各个领域，其中显微拉曼光谱技术已发展成为微区检测、化学分析方面强有力的工具。然而目前大多数显微拉曼光谱仪的拉曼扫描成像速度仍无法满足电化学反应过程动态监测的要求。本文研究结合“适用于高时空分辨原位电化学显微拉曼光谱仪的研制及其应用研究”项目的目标和要求，通过集成拉曼扫描成像技术和宽场拉曼成像技术，构建具有高时空分辨特性的动态拉曼成像系统。在显微拉曼光谱仪具有的高空间分辨率的基础上，进一步提高成像系统的时间分辨，从而实现动态拉曼信号的检测。论文的主要工作包括:
　　1.分析高时空分辨动态拉曼成像系统的功能要求，设计系统的整体光路，包括激发光路、拉曼扫描成像光路和宽场成像光路。并基于系统的电动控制要求，完成系统中电控运动部件的机械结构设计。
　　2.完成系统光路的详细设计，搭建调试各光路模块，实现拉曼信号的有效激发和收集。基于搭建的光路进行系统标定，包括系统中相关各坐标系标定和光谱仪、液晶可调谐滤光片LCTF(Liquid crystal tunable filter)的波长标定。
　　3.分析系统各硬件设备的控制要求，基于各设备软件接口进行控制开发。包括光学电动元件、平台、光谱仪、LCTF和EMCCD(Electron-Multiplying)等控制。
　　4.分析设计成像系统的软件架构，包括各硬件设备联用控制、系统功能时序控制、系统数据文件格式设计以及人机界面模块，实现系统软硬件的集成，完成成像系统的软件控制。
　　5.对搭建的光路和软件系统进行功能测试，对系统的灵敏度、分辨率等进行性能测试，并将系统应用于实际测量体系。
　　本文主要的创新工作在于集成拉曼扫描成像技术和宽场拉曼成像技术，通过实现两者在光路、软硬件控制上的协同，使各功能模块检测效率最大化，这样系统不仅能满足高灵敏度的稳态体系拉曼扫描成像的要求，而且适用于电化学体系中稳态和动态反应的宽场动态拉曼成像。该系统能实现100×物镜下扫描成像0.5μm×0.5μm和宽场成像0.36μm×0.36μm的空间分辨，在时域上，结合激发光强度和拉曼散射强度，宽场成像能够达到约50fps的分辨率。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 拉曼成像技术及其应用

1．1．1 拉曼成像技术简介

1．1．2 拉曼成像技术的应用

1．2 拉曼成像系统研究现状

1．3 课题研究的目标及内容

1．3．1 课置研究目标

1．3．2 课题研究内窑

第二章 高时空分辨动态拉曼成像系统

2．1 高时空分辨动态拉曼成像系统功能模块

2．1．1 显微拉曼扫描成像

2．1．2 基于LCTF和EMCCD的显微拉曼宽场成像

2．2 高时空分辨动态拉曼成像系统光路

2．2．1 系统整体光路原理

2．2．2 激发光路

2．2．3 拉曼扫描成像Mapping光路

2．2．4 宽场成像光路

2．3 高时空分辨动态拉曼成像系统硬件选型与机械结构设计

2．3．1 系统的硬件组成及选型

2．3．2 机械结构设计

2．4 本章小结

第三章 成像系统的搭建与标定

3．1 成像系统的光路搭建

3．1．1 激发光路的搭建调节

3．1．2 拉曼扫描成像Mapping光路的搭建调节

3．1．3 宽场成像光路的搭建调节

3．2 成像系统的标定

3．2．1 显微镜摄像头与移动平台的坐标标定

3．2．2 X振镜与显微镜摄像头、光谱仪的坐标标定

3．2．3 PI光谱仪和LCTF的波长标定

3．3 本章小结

第四章 系统控制与软件集成

4．1 成像系统的整体软件框架

4．2 硬件独立控制模块设计

4．2．1 光学元件电动控制功能

4．2．2 显微镜、平台及显微镜摄像头的控制功能

4．2．3 光潜仪的控制

4．2．4 LCTF和EMCCD的控制

4．3 联用控制模块设计

4．3．1 拉曼扫描成像功能

4．3．2 宽场成像功能

4．4 数据和文件模块设计

4．4．1 系统的数据结构及文件

4．4．2 系统的参数文件

4．5 人机界面设计

4．6 本章小结

第五章 高时空分辨动态拉曼成像系统的应用

5．1 成像系统的性能测试

5．2 镀金硅片的扫描成像

5．3 金纳米粒子散射与SERS的宽场成像

5．4 暂态电化学的宽场成像

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢