（机械制造及其自动化专业论文）微通道表面增强拉曼光谱仪精确扫描系统设计.pdf

摘要 摘要 拉曼光谱分析技术是- f - j 以光的拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析 技术，它能对物质成份结构进行定性和定量分析。由于具有无损，快速，实时 等特点，成为了生物医药，分析化学，基因遗传等研究领域的重要装备，具有 广阔的市场前景。目前该类光谱仪主要依靠国外进口，价格非常昂贵，一般高 达几十万美元，只有少数单位有实力使用，制约了国内相关领域的发展。因此 利用国内外成熟技术，研制低成本，专业化的拉曼光谱仪，不但可以满足大量 潜在国内用户的需求，而且还可以推动仪器设计等相关行业的发展，具有重大 的现实意义及长远意义。 充分考虑用户需求，去除冗余功能，选用已集成化的零部件，在设计过程 中进行合理的精度分配，是降低光谱仪总成本的有效手段。本文所设计的拉曼 光谱仪，主要用于生物反应过程研究和制药药物筛选，使用了集成化，低成本 的光纤拉曼探针及通用的精密三维运动平台，能较好的满足国内用户低成本使 用的要求。 本文从仪器的原理出发，首先简述了拉曼光谱及光纤拉曼探针的原理，然 后结合应用特点从理论上构建了生物芯片扫描系统。进而进行了仪器的总体设 计。简述了各个功能模块的设计方案，包括光学模块，芯片模块，扫描动作模 块及其他辅助模块。并抽取影响仪器性能及成本的精确扫描系统进行了详细的 设计计算，以达到尽可能高的性价比。 在进行精确扫描系统的设计过程中，使用统计学的方法，建立了生物分子 团及激光光斑的量化的数学模型。利用拉曼表面增强技术设计了合适的扫描对 焦方案。使用多次坐标转换完成生物分子团和激光光斑在同一坐标系下的表达， 并且利用机器视觉技术实现系统的精确定位，为扫描系统的实现奠定了基础。 最后运用精度分析及误差分配的方法计算了扫描环节的各类静态误差，完成了 定位系统的设计选型及校核。 在本文的最后部分描述了该仪器原型机的装配及调试情况，并且使用三聚 氰胺进行了初期测试。结果表明，系统能利用拉曼表面增加效应进行自动对焦 工作，能够在2 0 0 个样本点的规模上完成精确扫描任务，达到了最初的设计要 求。同时发现，利用集成化的光纤拉曼探针系统对于反应过程中物质的定量分 摘要 析存在较大困难，为新应用类型的仪器开发指明了方向。 从本设计中可以得出结论，进行拉曼光谱仪的低成本化研究是可行并且是 必要的，符合该类仪器专业化，模块化的发展趋势。 关键词：拉曼光谱仪，精确扫描系统，低成本化，误差分析 a b s t r a c t a b s t r a c t r a m a ns p e c t r o s c o p yi sak i n do fn o n i n t r u d i n gt e c h n o l o g ya r i s i n gf r o mr a m a n s c a t t e r i n ge f f e c t i ti sb r o a d l yu s e di nt h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h e s a m p l e ，sc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e w i t h i t sn o n d e s t r u c t i v e ，r a p i da n dr e a l t i m e a d v a n t a g e ，r a m a ns p e c t r o s c o p yh a s b e c a m ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ef i e l ds u c ha s b i o m e d i c i n e ，a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , a n dg e n e t i c s s u c hc h a r a c t e r i s t i c sc r e a t ee x t e n s l v e m a r k e tp r o s p e c t a tp r e s e n t ，m o s to ft h es p e c t r o m e t e r su s e dd o m e s t i ca r ei m p o r t e d a b r o a d f o rt h ee x t r ah i g hp r i c e ，o n l yaf e wu n i t sw i t hs t r e n g t hh a v et h ea b i l i t yt ou s e s u c he q u i p m e n t t h i ss i t u a t i o nh a sc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cr e l a t e d f i e l d s w i t ht h eu s i n go fs o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p i n go fal o w 。c o s t ， p r o f e s s i o n a lr a m a ns p e c t r o s c o p yw i l lm a k es e n s e s u c hr e s e a r c h i n gw i l ln o to n l y m e e tt h en e e d so fd o m e s t i cu s e r sw i t hl a r g en u m b e ri np o t e n t i a l ，b u ta l s oh a se f f e c ti n t h ep r o m o t i o no ft h ei n s t r u m e n td e s i g na n do t h e rr e l a t e di n d u s t r y , a n dh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c eb o t hi np r a c t i c a la n dl o n g - t e r mp e r i o d f u l la c c o 吼to fu s e r sn e e d st or e m o v er e d u n d a n tf e a t u r e s ，o p t i o n a lc h o o s i n go f t h ei n t e g r a t e dp a r t s ，a n ds t r i c tc o n t r o lo ft h em a n u f a c t u r i n gc o s td u r i n gt h ed e s i g n p r o c e s sw i l lp e r f o r me f f i c i e n ti nt h ep r i c er e d u c i n g o ft h er a m a ns p e c t r o s c o p y t h er a m a ns p e c t r o s c o p yd e s i g n e di nt h i st h e s i si sm a i n l yu s e d i nt h e r e s e a r c h i n go fb i o r e a c t i o np r o c e s sa n dd r u gs c r e e n i n g w i t ht h eu s eo f af i b e r - o p t i c r a m a np r o b ea n da ni n t e g r a t e dp r e c i s em o v i n gs y s t e m ，t h i ss p e c t r o s c o p yc a nm e e t t h en e e d so fl o w c o s tr e q u i r e m e n t so fd o m e s t i cu s e r s t h i st h e s i sb e g i n sw i t ht h eo u t l i n eo fr a m a ns p e c t r o s c o p ya n df i b e r - o p t i c a l r a m a np r o b e ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ea p p a r a t u s t h e ni t b u i l d sat h e o r e t i c a l b i o - c h i ps c a n n i n gs y s t e mw i t ht h ec o n s i d e r a t i o n o fa p p l i c a t i o n a f t e rt h a ti td e s c r i b e s t h eo v e r a l ld e s i g na n do p t i m i z a t i o n s u b s e q u e n t l yi tg i v e st h eg e n e r a l l yd e s i g n i n go f e v e r ym o d u l eu n d e r t h eg u i d i n go ft h eo p t i m i z e do v e r a l ld e s i g n ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a l m o d u l e ，c h i pm o d u l e ，s c a n n i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r e c o n t r o lm o d u l ea n do t h e r s u p p o r t i n gm o d u l e s i no r d e r t oa c h i e v et h eh i g h e s tp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o ，t h i s 1 1 i a b s t r a c t t h e s i sc a m e so u tt h ed e t a i l e dd e s i g no fp r e c i s i o ns c a n n i n gs y s t e mw h i c hh a sg r e a t i n f l u e n c et ot h ea p p a r a t u sp e r f o r m a n c e t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h er e l a t e de l e m e n t ss u c ha s b i o 。m o l e c u l a ra n dl a s e rs p o tw i t ht h eu s eo fs t a t i s t i c a lm e t h o d sd u r i n gt h ed e s i g n p r o c e s so ft h ep r e c i s i o ns c a n n i n gs y s t e m i td e v e l o p e d t h ea u t o f o c u sa l g o r i t h mw i t h t h eu s eo fs u r f a c ee n h a n c e dr a m a nt e c h n o l o g y a n dt h e ni td e s c r i b e dt h e t r a n s f o r m a t i o nf o r m u l a sb e t w e e nt h eb i o c o o r d i n a t e ，l a s e rc o o r d i n a t ea n df i x e d c o o r d i n a t e w i t i lt h eu s eo fm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y , t h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n g s y s t e mw a sc o m p l e t e da n db e c a m et h ef o u n d a t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m f i n a l l y , t h i st h e s i sc o m p l e t e st h es t a t i ce r r o rc a l c u l a t i o no fv a r i o u ss c a n n i n ga s p e c t s w i t ht h eu s eo ft h et h e o r yf o ra c c u r a c ya n a l y s i sa n de r r o rd i s t r i b u t i o n ，t h u st h e s e l e c t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ep o s i t i o ns y s t e mw i l lb ed o n e i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r o t o t y p eo ft h ee q u i p m e n ta s s e m b l y a n dc o m m i s s i o n i n g , a sw e l la st h ei n i t i a lt e s tu s i n gm e l a m i n e t h er e s u l ts h o w st h a t t h i ss y s t e mc a nt a k et h ea u t o f o c u sa c t i o nw i t ht h eu s eo fs u r f a c ee n h a n c e dr a m a n t e c h n o l o g y t h ea p p a r a t u sc a nc o m p l e t et h ep r e c i s i o ns c a n n i n gp r o c e s st h a tc o n t a i n s 2 0 0m o l e c u l a rp o i n t s s oi tg e n e r a l l ym e e t st h ei n i t i a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s a tt h e s a m et i m e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti ti sd i f f i c u l tt ou s et h ei n t e g r a t e df i b e r - o p t i c r a m a np r o b ef o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h u sc o n c l u s i o nc a l lg i v et h ed i r e c t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p er a m a n s p e c t r o s c o p y f r o mt h ed e s i g ni tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl o w - c o s tr a m a ns p e c t r o m e t e rs t u d ya r e f e a s i b l ea n dn e c e s s a r y i ti si nl i n ew i t ht h ed e v e l o p i n gt r e n d so fs u c he q u i p m e n t ， s p e c i a l i z a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n k e y w o r d s ：r a m a ns p e c t r o s c o p y , p r e c i s i o ns c a n n i n gs y s t e m ，l o w 。c o s t ，e r r o r a n a l y s i s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 繇移星呼 叫年3 月阳 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 虢 爱童墅 斗年月盟日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 项目背景 随着社会的发展，人们对世界的认识不断深入，分析检测技术和分析仪器 已成了人类认识自然、了解物质构成及其变化必不可少的技术手段，是人类感 官功能的延伸和发展【j 】。同时，分析检测技术和仪器的发展又推动了科学技术的 进步。据统计，2 0 世纪诺贝尔奖的获奖项目中，6 8 4 的物理学奖项目、7 4 6 的化学奖项目、9 0 的生物医学奖项目是借助各种先进的仪器完成的。1 9 9 2 年 诺贝尔化学奖获得者r r e r n s t 说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发 展”【1 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着微电子、计算机、激光、光纤、生化、生物工程 等现代科学技术的快速发展，分析检测技术和分析仪器也突飞猛进。分析仪器 在化学分析( 成分、含量、结构检测等) 、物理检测( 物性参数测量等) 以及天 文地理观测、工业生产流程监控、产品质量控制等传统领域的应用继续稳定增 加。在生物、医学、环境、生态、家居等新领域，分析检测技术和分析仪器的 应用则获得更加蓬勃的发展。适应分子生物学、基础和临床医学、合成和天然 药物分析、环境污染监测、生态平衡控制、国家经济安全、绿色家居、社区管 理、个人健康等领域的分析检测技术和分析仪器成为发展的新潮流。 健康是人类最关心的话题。而分析仪器在人类健康领域大有作为。比如在 传染性疾病预防领域，虽然人类已成功的战胜了几个危害巨大的高发性流行病， 如天花，疟疾等【2 】。但是仍有一些传染病缺乏理想的疫苗或者根本没有可用的制 品，加强传染病疫苗的研制势在必行【3 】。而在疫苗的研制及检测过程中，创始于 2 0 世纪9 0 年代初的基因芯片技术在高性能检测仪器的支持下已成了疫苗研制最 前沿的方法【4 1 。而在非传染性疾病的预防领域，人们把大量的眼光放在了根据基 因特性做针对性的预防上面。随着人类基因组计划的顺利完成，如何快速而又 经济有的为个人测定基因序列已提上同程。这使新型的基因检测仪器拥有广阔 的发展空间。在疾病的治疗领域，需要有一种快速方便的诊断手段，以尽可能 的提早诊断疾病。而利用芯片技术，结合相应的光学检测设备则是提供这种诊 断手段的最好方法。而在与健康相关的药物研制领域，特别是在新药的研发过 第l 章绪论 程中，高端检测仪器也有极大的发挥空间。高通量的药物筛选离不开自动化、 高灵敏度的检测仪器。 检测仪器的广泛应用催生了广阔的市场。据美国商务部1 9 9 2 年调查结果： 美国仪器仪表产业的产值只占美国社会总产值的4 ，而拉动的相关经济部门的 产值达到社会总产值的6 6 。美国每天用分析仪器完成的分析检测工作达2 5 亿 次，每年用于分析测试的费用高达5 0 0 亿美元。【l 】 综上所述，在生物学研究，疾病的预防，治疗及药物的开发过程中，对于 检测仪器有着极大的需求。我国目前在高端光学仪器方面与世界先进水平还有 很大的差距。而其市场前景又十分广阔，因此动态通量生命科学仪器有限公司 设立了这个旨在开发表面增强型拉曼光谱仪的研发项目，主要用于生物医药研 究应用领域。 1 2 生物医药领域光学检测仪器的发展过程 医学及与其直接相关的生物学和药学，是利用高新技术最多的领域之一。 在生物医药领域，荧光光谱，拉曼光谱，红外光谱是分析物质组成及结构最重 要的手段【4 7 】【5 3 1 。 拉曼光谱是一种散射光谱，它是1 9 2 8 年印度物理学家c vr a m a n 发现的。 拉曼光谱作为一种鉴定物质结构的分析测试手段而被广泛应用，尤其是6 0 年代 以后，激光光源的引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，使拉曼光 谱分析在许多应用领域取得很大的发展。目前，拉曼光谱已广泛应用于材料、 化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域【9 】。就分析测试而言，拉曼光谱 和红外光谱相配合可以更加全面地研究分子的运动状态，提供更多的分子结构 分析方面的信息。 1 3 国内外激光拉曼光谱仪的发展概况 由于拉曼散射与物质分子内部运动状态直接相关，因此能给出有关物质内 部结构的有用信息【6 】。自拉曼效应在1 9 2 8 年被发现以后，3 0 年代拉曼光谱曾是 研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源【_ ”，由于散射光 强度弱以及激发光源能量低等困难，在相当长的一段时间内未能成为实用性的 工具j ，尤其是红外光谱的出现，使得拉曼光谱在分子结构分析中的地位一落千 2 第l 章绪论 丈【9 1 。 直至6 0 年代激光光源的问世，以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光谱 带来新的转机。在同一时期，光电倍增管和光子计数器相继研制成功，加上计 算机技术在科研领域的广泛应用，为拉曼光谱仪的发展提供了有利条件【8 】。随后， 在7 0 年代，随着激光器的多谱线输出和可调谐激光器的连续谱线输出技术的出 现，使得人们可以很方便地选择合适的激发光源对很大光谱范围内吸收的样品 进行共振拉曼光谱分析。随后，世界上各大仪器厂家相继推出了激光拉曼光谱 仪，拉曼光谱的应用领域不断拓宽。7 0 年代中期，激光拉曼探针的出现，给微 区分析注入活力。8 0 年代以来，随着科学技术的飞速发展，激光拉曼光谱仪在 性能方面日臻完善，接着，低功率的激光光源的使用使激光器的使用寿命大大 延长，共焦显微拉曼的引入可以进行类似生物切片的激光拉曼扫描，从而得出 样品在不同深度时的拉曼光谱【9 】。而光纤的使用使拉曼光谱的应用范围更加广 阔。根据不同的应用领域和不同的应用方法，拉曼光谱仪在光学系统上可以分 为两大类：一类是色散型拉曼光谱仪，一类是傅立叶变换拉曼光谱仪。其中色 散型拉曼光谱仪根据光检测器的不同可再分为单道和多道拉曼光谱仪【9 】。同时还 有显微拉曼光谱仪等特殊应用方法。 在拉曼光谱仪的发展前期，微弱的拉曼信号一直因为荧光信号的干扰而造 成检测困难。为了消除或减弱荧光的影响，1 9 6 4 年，c h a n t r y 等人首次提出将近 红外( n i r ) 激发拉曼技术与傅立叶变换技术相结合。1 9 8 6 年，h i r s c h f i e l d 和 c h a s e 在技术上实现了f t 拉曼光谱。1 9 8 7 年p e 公司推出了第一台近红外激发 傅立叶变换拉曼光谱仪( f t - r a m a n ) i l 。傅立叶变换拉曼光谱仪的出现大大拓 宽了拉曼光谱仪的应用范围。色散型激光拉曼光谱仪和傅立叶变换拉曼光谱仪 ( f t - r a m a n ) 各有特点( 见表1 表1 1 色散型激光拉曼光谱仪与f t - r a m a n 光 谱仪性能比较【9 j ) 。 表1 1色散型激光拉曼光谱仪与f t - r a m a n 光谱仪性能比较9 l 光学系性能 仪器类型激光光源检测器其它 统低波数测定扫描速度 色散性拉曼 a r + ( 5 1 4 5 n m光栅 光电倍增 检测可 光谱仪管，c c d 等 好 慢 至l p r n 2 ) 傅立叶变换 n i r 干涉仪 g e ，a s g a i n 一般快 可消除 拉曼光谱仪 ( 1 0 6 4 n m )等7 0 荧光 3 第l 章绪论 国际上主要的拉曼光谱仪研制厂家有：美国的尼高力( n i c o l e t ) 公司，海洋 光学( o c e a no p t i c s ) 公司，英国的莱尼绍( r e n i s h a w ) 公司，法国的j o b i ny v o n 公司。这四家公司在国内拉曼光谱仪市场上占有大部分份额【l0 1 。其他一些公司 如美国的珀金埃尔默( p e r k i n e l m e r ) 公司，法国的k a i s e ro p t i c a ls y s t e m 公司， i s a 公司，m o t 公司，北爱尔兰的a n d o r 公司，德国的斯派克( s p e c t r a ) 分析仪 器公司，b r u k e ro p t i c s 公司，荷兰的m a n t e s 公司，日本分光公司等，都有拉曼 光谱仪产品。有着3 0 多年研究开发f t - r a m a n 光谱仪经验的美国n i c o l e t 公司， 在光谱分析仪器领域中有着广泛的影响。2 0 0 0 年初，n i c o l e t 公司推出了a l m e g a 型激光拉曼光谱仪，推出不久即因其新颖的设计和优异的性能在国际知名咨询 公司s d i 的分析仪器评比中获得银奖。2 0 0 4 年下半年，又推出一款高度自动化 设计的n i c o l e t a l m e g a x r 型共聚焦激光拉曼显微光谱仪，它具有由计算机控制 激光器切换、分辨率和其它仪器参数改变；自动调整与仪器参数相匹配的滤光 器、光栅和光阑大小等优越性能。在激光拉曼光谱仪的性能提高方面，相应软 件的开发也是一个重要的研究方向。比如：n i c o l e t 公司开发的o m n i c 软件大 大提高了拉曼光谱仪自动化收集和分析数据的效率，具有强大的数据审查工具， 并支持双向沟通l i m s 系列自动化平台瞵j 。 以上介绍的这些国外厂家很早就开始了拉曼光谱仪的研制和生产，有着长 时间的科研积累，相应这些公司生产的拉曼光谱仪性能也较好，在国内拉曼光 谱仪市场上占有垄断地位，但同时价格也比较昂贵，价格一般在几万到几十万 美元。因此，在这种情况下，实现拉曼光谱仪的国产化，降低成本，制造性能 优良，价格合宜的拉曼光谱仪是极有意义的，这也是课题的出发点1 4 引。 而国内在激光拉曼光谱仪的研究丌发领域起步较晚，发展相对滞后。国外 色散型拉曼光谱仪及f t - 拉曼光谱仪以优良的仪器性能在中国占有垄断性的市 场。目前。国内有色散型拉曼光谱仪5 0 - - 6 0 台，北京地区有近2 0 台。f t - r a m a n 在国内约有3 0 - - , 4 0 台，北京地区有1 0 余台。北京第二光学仪器厂曾引进法国 d i l o r 公司技术，组装r t i3 0 色散型激光拉曼光谱仪，但在质量上仍难与国外仪 器相比。目前国内尚无拉曼光谱仪商品生产厂家。但在某些高校自行组装的拉 曼光谱仪已应用于科研和教学中，如浙江大学光电与科学仪器系自行设计研制 的l r z 1 型拉曼光谱仪，在教学和科研中发挥了重要作用，并为有关单位进行 了大量的物质结构分析，同时还针对激光拉曼仪易引起热效应而自行配制旋转 样品装置【l2 1 。另外，北京大学所属工厂也曾试制少量供教学实验用的拉曼光谱 4 第1 章绪论 仪【9 】【5 3 】。 综上所述，从国内外拉曼光谱技术的发展情况来看，开发出高性能，低成 本的激光拉曼光谱仪具有多重意义。首先它能满足国内市场需求，并促进国内 的相关应用领域如生物，医学等的发展。第二，能够充分利用国内高素质人力 资源上及制造成本上的优势，开发物美价廉的产品，参与国际市场竞争。第三， 能够带动国内光，机，电，软等相关行业的发展【5 0 1 。 1 4 激光拉曼光谱仪的发展趋势 近入二十一世纪以为，随着现代光学技术( 包括激光，光信息处理技术) ， 微电子技术，微加工技术及软件技术等方面的迅猛发展，光，机，电，软一体 化，技术高度密集，成为激光拉曼光谱仪发展的鲜明特点。有人预测，下一代 拉曼光谱仪器的基本构成部分将是半导体或其他小型高性能激光器、光导纤维、 固态小型光电或热电阵列探测器加微型高性能计算机【l 引。新的光学分析仪器也 不再仅限于依靠传统的光学精确机械结构，其应用模式也不再仅仅局限于实验 室理化参数检测【1 4 1 。为了适应日异庞大而又多变的检测市场需求，激光拉曼光 谱仪在新世纪的发展将同时在设计理念和应用方法两个方面展开。 在设计理念方面，激光拉曼光谱仪将从下面几个方面有所发展【5 】： 1 模块化：传统分析仪器采用一个型号仪器单独设计制造的方式，仪器 品种繁多，不能互换。不但设计、生产、维修困难，而且功能扩展、 技术指标升级也很难实现。模块化设计可方便地适应千变万化的需 求。在大型仪器的光、机、电部件，计算机硬件和应用软件，形成系 列化的不同功能、不同性能的模块化组件，可视用户需求组合出新的 仪器，能满足用户对已有仪器扩展功能、提高性能、升级换代的要求。 2 虚拟化：工业生产流程要求分析检测系统可随时变换检测对象，完成 不同检测任务。传统分析检测仪器和系统很难适应这种要求。一由电子 测量仪器发展出的虚拟仪器概念已经逐步被更多领域所接受，对实现 “柔性分析检测系统具有明显的推动作用。利用现有的计算机，加 上适当的仪器硬件和专门的应用软件，构成虚拟仪器，使其既具有传 统仪器的基本功能，又能由用户根据自己的需求随时定义，实现多种 多样的应用要求。虚拟仪器不但灵活可变，功能强大，而且使用方便， 第1 章绪论 价格低廉( 尤其是仪器系统的使用维护费用极低) 3 网络化：以信息技术网络化思想设计分析仪器，是将构成分析仪器( 或 系统) 的传感、数据采集、数据处理、传输、仪器控制各种功能都通 过计算机在网上( 可以是局域网) 实施。仪器不是独立单元，也不再 需要光、机、电、算的完整结构。建立在网络化设计思想上的仪器， 不但可以方便地实现模块化设计，也易于实现虚拟化。对用户来说， 网络化仪器不再是一些各自独立、分别工作的仪器，而是有序分布在 网络各端、平行工作的完整系统，既可在小范围内( 本实验室、本企 业内) 联网工作，也可远距( 异地、全球) 联网工作。 4 小型化，固态化：环境监测、生物医学、农业科技、军事分析以及工 业流程监控等领域迫切需要小型化、轻量化分析仪器；在特殊场合( 如 环保、野外现场监测、车载分析检测等) 还要求仪器牢固耐震。“微 分析仪器”的概念有两层含意。将微电子技术移植到分析仪器中，设 计开发出尺度微小的分析仪器是第一层含义；设计开发可插入单个细 胞、可对基因进行分析检测、只需微量( n l - - p l ) 样品就可准确完成 分析任务的分析仪器，是微分析仪器的另一层含义。这两种含义的微 小型分析仪器都是市场需要的。市场前景广阔的家用、个人用分析仪 器，也要求设计开发尺寸小、重量轻、需样量小、无磨损、耐震动甚 至“零故障”的仪器。 5 专用化：在工业生产流程、农业科技、生态环境监测、医疗诊断分析、 家庭个人安全保健以及现代战争中，都需要适应某个具体分析检测目 的的专用型仪器，要求仪器结构简单，轻巧耐用，准确可靠，使用寿 命长，价格适宜。“大而全”的通用型仪器，在这类场合往往成了“杀 鸡用牛刀”。 在应用方法上，激光拉曼光谱仪将从下面几个方面入手 9 1 ： 1 拉曼光谱与液相色谱仪联用：拉曼光谱仪作为一种提供分子结构信息 的分析手段，具有广泛的应用前景，但对于结构极其相似的分子直接进 行分析不易做出准确的判断。早在8 0 年代末9 0 年代初，已有r a m a n 液 相色谱联用的报道【1 6 】，目前此方面的研究仍不断深入【1 7 1 ，进一步拓宽了 拉曼光谱分析的应用范围。 2 表面增强拉曼技术与薄层色谱：表面增强拉曼光谱是获得稀溶液拉曼 6 第l 章绪论 光谱信息强有力的手段，许多学者在此方面进行过研究l l 引。 3 拉曼光谱与气相色谱：气相色谱( g c ) 作为一种有效的分离手段应用 面极广。将表面增强拉曼技术作为g c 的一种检测器也已有应用【l ，此 方法分析了吡啶类化合物，达到满意的结果。 4 光导纤维技术与拉曼光谱仪的联用：光导纤维的引入，使拉曼光谱仪 用于工业在线分析以及现场遥测分析成为可能。b e n o i t 等将光导纤维传感 器用于拉曼光谱仪，使得液体样品的拉曼信号增强了5 0 倍。n g u y e n 等讨 论了光纤引入拉曼光谱仪对其精度的影响。而c o o n e y 等人则比较了单个 光纤与多个光纤应用于拉曼光谱仪的结果，发现多个光纤的应用将改善 收集拉曼光的有效性。 5 衰减全反射装置( a t r ) 的应用：f u t a m a t a 【2 0 i t r 用于拉曼光谱，改善 了金属表面吸收物质的拉曼光谱强度，提高了方法的灵敏度，此方法的 优点是通过改变内反射晶体的材料和光线的入射角来改变透射深度，以 研究不同深度的结构情况。 6 显微拉曼技术：显微拉曼技术的应用拓宽了拉曼光谱在微区分析方面 的应用。色散型的拉曼光谱仪多带有显微镜，近期新推出的拉曼光谱仪 可以进行共焦拉曼光谱测定；带有c c d 探测器的共焦拉曼光谱仪对一些 样品可以进行不同深度的拉曼光谱测定。 7 近场拉曼分析技术：近场拉曼分析技术是近年来新发展起来的一个新 领域，将近场光谱与拉曼技术相结合，进一步拓宽了拉曼光谱应用领域。 1 5 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容是设计研制用于生物医药分析的纳米表面增强型动 态高通量拉曼光谱仪。该仪器能通过检测物质的分子结构而提供有价值的信息， 结合纳米颗粒技术，具有实时性强，通量高的特点。主要的目标客户是用于生 物医学的基础研究和制药行业中的快速药物筛选。同时也可以用于其它类似目 的的研究过程。 包含的研究内容有： 制定总体方案：在总体方案的制定时，先进行工作原理的设计，选择合适 的运动方式，基准器件，控制系统构架，辅助系统组成，整体布局等。再同时 7 第1 章绪论 完成几个设计方案并绘制结构简图，通过比较选择合适的方案加以细化。 总体误差的分配及其精度分析：根据精密机械设计的精度理论，对总的允 许误差按机、光、电各部分进行分配，使设计、制造、装配、调整能在较经济 的情况下进行，最大限度地降低制造成本。 机械结构的设计，制造及装配：选择合适的机构使其满足仪器所要求的精 度，并且工作稳定可靠，制造、装配、调整方便，应符合运动学设计原则和误 差平均原理。按上述要求设计仪器的三维运动系统，芯片系统，及其他相关构 架。并根据精度分析的结果，选择合适的扫描算法，用于控制三维电机系统快 速而准确的工作。 1 6 开展本项目研究的理论意义及实际意义 由于拉曼光谱具有制样简单、水的干扰少、拉曼光谱分辨率较高等特点， 故利用拉曼光谱对样品进行无损分析己广泛用于到各个领域之中，如石油化工、 酒类分析、医药学、文物考古、宝石鉴定、公安与法学样品鉴定、环境保护、 工业生产监测与控制、商品检验等掣1 0 】。本课题所研制的色散型拉曼光谱仪结 合相应的具有纳粹表面增强的分子芯片，具有实时，动态，高通量的检测功能， 并且所需的用于检测的样品极少。这些特点使该型拉曼光谱在基础生物学，食 品医药检测领域具非常显著的优势【2 。 现代生物学研究已深入到某个蛋白质反应的中间过程，以前的把反应当成 一个黑箱，只关注反应结果的方法已不能满足现今的研究需要。而要研究分子 间反应的中间过程就需要一种方法能做到实时检测反应状态又不对反应本身产 生影响。本课题所研制的光谱仪通过在反应容器表面附着纳米颗粒来增强拉曼 信号，实现在反应的过程中实时采集拉曼光谱，利用该拉曼光谱推算反应中间 过程中出现的分子结构，进而研究蛋白质反应的中间变化过程。这对于基础生 物学研究来说是一个用处极大的研究工具。 在本课题研制拉曼光谱仪的精确扫描系统的过程中，充分的考虑了精度的 分配及综合，力求在总体上做到制造成本和仪器精度相适应，机械精度和电子 控制精度相配合，使得仪器的性价比尽可能的提高。制造低成本，高价值，又 具有广泛应用前景的拉曼光谱仪，必然能在国内外市场上具有强大的竞争力。 本课题所研制的光谱仪能在客观上促进生物学特别是基因生物，药理生物 8 第1 章绪论 学的发展。而在医院中的应用则能加快检测速度，不但能节约成本，更能为病 人争取宝贵的时间。在药物筛选方面，则可以大大加快筛选的速度，提高新药 的研发进度，节药制药公司大量成本，进而降低药品价格h 9 】【5 l 】【5 2 1 ，提高人民生 活水平。 除了明确而显著的实际应用价值外，该项目的研制过程中涉及到了机械结 构设计、精度设计、光学设计、电器控制理论、微型芯片设计、流体力学、金 属材料及热处理和工艺学等学科。因此，该项目的研究成果对丰富和发展上述 学科领域的理论知识也起到一定的推动作用。 1 7 论文的结构安排及各章节的主要内容 本文主要阐述了表面增强拉曼光谱仪精确扫描系统的设计，制造，装配， 调试过程。同时为了叙述明了，对光谱仪的总体结构及其他模块也进行了必要 的说明。本论文的整体结构及各章节内容提要如下所示： 第一章为绪论。主要介绍了课题的来源，背景情况，国内外发展现状及由 此决定的研制方向。 第二章的内容是光谱仪的总体设计。在该章中，首先阐明了仪器的基本工 作原理，接着根据基本工作原理进行总体方案的设计。在确定仪器的总体方案 后，简单介绍了光学系统，芯片及其制造系统，精确扫描系统，辅助系统( 包 括温度控制，通风系统，布局靠线，外壳造型) ，整机运行控制系统的构架的设 计选型，使读者能整体了解仪器的工作情况。在第二章的最后，根据整个仪器 设计的具体情况，选出其中最重要的子系统芯片系统和机电扫描系统，进 行了剖析评价，为进一步的详细设计做了必要的准备。 第三章和第四章的内容是精确扫描系统的详细设计计算。其中第三章的重 点是通过对实际系统进行合理的数学简化，建立了基本对象及基本过程的数学 模型。第四章则根据所建立的数学模型，结合低成本目标进行了扫描系统的详 细设计计算，确定相关零件的采购及加工技术指标。 第五章描述了光谱仪的装配和试验。 第六章对整个仪器的设计试验过程进行了总结，并对未来做出了展望。 论文结构安排如下： 9 第l 章绪论 。l h 、i ：曲a 一 鲔记 7 l t 丑受尤坩，r 猁 l l ，、1 lu t ，一，j lj、i ，6 f i hm i r i 队 什u 1 砸干- l 卜料埋 i ，l l 5 i1 旦义1 水下i 设 7 i 仪器尿埋刊茱 l i ，、，1 w1 2 i 【m 士，i u 计 ， 设计任务的提i t i l i卜 i t 原 仪器总体设计方案 1心盯结倒 r 一 理 总体方案设汁 及 叫心l l - 玎! 争l 描方案 h 卜_ 一 系 统 心，i | 系统 i l lt 口十6 # 构 一葡周，币线 成 光学系统 l j，w 7 i 船二j 1 津 叫温度控 l ； 系统 仪葡赍j 乐现l u j 怂 手- l 描运动、f 台 叫芯片装央系统 卜 辅助系统 l i ，r t 打i r ，nr 1 疋恒及条彤俏 h 卜 t ：r 觑+ i 卅：f 肼：“t ni f 。：亡h * 1 k 1 精堋fi 瑚系现俐溅j 0 辜萤总 h 扫描犀奉问题 微 精 叫简化生物分了团i 通 确 j j i 卅- ；uh i 日 蜘，嗥肼m fl 叫分了团位置从硅i 坐标到仪器坐标的转换i 道 手i 一1jl 蚰也干芏馈令丝州双竽俣型广 描 表 系 简化激光光斑 面 统 增 数 学 叫多点 j 描之运动路径模型 叫光斑位置从拉曼坐标到仪器坐标的转换卜一 强 模 拉 型 h 自动对焦原理 晶 j i ，l7 斗t nl _ j又 光1r1 日幼列娥过栏r 1 叫自动对焦方法 谱 仪器坐标系中 i 仪 描过程路径模型 仪器坐标系中带议差表达的激光光斑模型 l l ，u li z ：，h 卅，i t1 ，：一 1 ，、7r u 竹码i r l 仪器坐协系甲；1 7 以左衣丛明分j 团俣型 l l ，一6 r 1 1 f f ih 精 ，m lj i - 一三。，k 、“t 轩? t- l i “r j ，、h l 厶plx y 一维疋位从左 确 v i i x 偷王孙尔r 儿w 且1i ： l ，r l 一i f 1 。r ll t 玎匕 r l l lmb j “l1 力川- 疋位队左l - j ，一 6 ，：i i 盐 描 1 练点且伧 i 系 统 叫硅i ：的分了团位置跌差叫 光斑位置的坐标转换误差 硬 件 述 l l卜l 耻2 ：，卜i i 、， 型c c d 图像定位系统设汁 - l 点样总议差 卜门恩t i 系j ，c 从匠