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原文传递基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法

专利名称：	基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法
摘要：	本发明特别涉及一种基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，包括如下步骤：(A)采集待检测苹果挥发气体的表面增强拉曼光谱数据；(B)利用一阶导数绝对值、多元散射校正以及标准正交变换分别依次对光谱数据进行预处理；(C)采用主成分分析法对预处理后的光谱数据进行降维处理得到主要特征；(D)将主要特征代入至苹果挥发气体浓度预测模型中求解出待检测苹果的挥发气体浓度信息。本发明通过设计拉曼谐振腔结构，增加激光与待测气体的作用效率、提升拉曼光谱的收集效率；通过在空芯光纤内表面组装Ag@Au核‑壳型纳米材料，大幅度地增强拉曼光谱信号，提高了检测的精度和稳定性，实现苹果挥发气体的灵敏、快速、稳定测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中科院合肥技术创新工程院
发明人：	郑守国;徐青山;邱梦情;翁士状;孙熊伟;刘瑜凡;王海燕;朱恭钦
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910865611.5
公开号：	CN110455778A
代理机构：	北京中济纬天专利代理有限公司
代理人：	秦超
分类号：	G01N21/65(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	230088安徽省合肥市习友路2666号
主权项：	1.一种基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：包括如下步骤： (A)采集待检测苹果挥发气体的表面增强拉曼光谱数据； (B)利用一阶导数绝对值、多元散射校正以及标准正交变换分别依次对光谱数据进行预处理； (C)采用主成分分析法对预处理后的光谱数据进行降维处理得到主要特征； (D)将主要特征代入至苹果挥发气体浓度预测模型中求解出待检测苹果的挥发气体浓度信息。 2.如权利要求1所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的步骤A中，通过采集模块采集待检测苹果挥发气体的表面增强拉曼光谱，采集模块包括依次连接的泵浦光源(10)、光纤耦合器(20)、光纤激光器(30)、空芯光纤组件(40)以及拉曼光谱仪(50)，泵浦光源(10)产生的泵浦光经过光纤耦合器(20)聚焦耦合后进入光纤激光器(30)中，光纤激光器(30)激发的窄带激光射入至空芯光纤组件(40)中，空芯光纤组件(40)内的金银多层核壳纳米颗粒和待检测苹果挥发气体在窄带激光作用下发生反应并产生拉曼光，拉曼光谱仪接收拉曼光得到待检测苹果挥发气体的表面增强拉曼光谱。 3.如权利要求2所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的光纤激光器(30)包括双通道的波分复用器(301)、两个掺铒光纤、三相偏振控制器、四个耦合器、两个环形器、第一光纤光栅(309)以及光隔离器(312)；光纤耦合器(20)的输出端连接波分复用器(301)的其中一个输入端，波分复用器(301)的输出端经过第一掺铒光纤(302)、三相偏振控制器(303)后与第一耦合器(304)相连，第一耦合器(304)将激光分为两束，两束激光分别经过第一环形器(305)和第二环形器(306)汇合于第二耦合器(307)；激光经过第二耦合器(307)后传输至第二掺铒光纤(308)的一端，第二掺铒光纤(308)的另一端设置第一光纤光栅(309)，激光经过第一光纤光栅(309)反射回第二耦合器(307)后被分为两束，两束激光再次分别经过第一环形器(305)和第二环形器(306)后汇合于第三耦合器(310)；激光经过第三耦合器(310)后传输至20/80的第四耦合器(311)中，第四耦合器(311)的80％端口经过光隔离器(312)与波分复用器(301)的另一个输入端相连，第四耦合器(311)的20％端口作为光纤激光器(30)的输出端连接空芯光纤组件(40)。 4.如权利要求3所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的空芯光纤组件(40)包括第二光纤光栅(41)、空芯光纤(42)以及第三光纤光栅(43)，第二光纤光栅(41)和第三光纤光栅(43)通过连接器端口连接在空芯光纤(42)的两端，第二光纤光栅(41)的另一端连接光纤激光器(30)的输出端，第三光纤光栅(43)的另一端连接拉曼光谱仪(50)，第二光纤光栅(41)和第三光纤光栅(43)对光纤激光器(30)输出的窄带激光呈现全反射状态；空芯光纤(42)的内壁上附着有金银多层核壳纳米颗粒，空芯光纤(42)和第二光纤光栅(41)、第三光纤光栅(43)之间都连接有气体进/出口耦合单元(44)供待检测苹果的挥发气体扩散至空芯光纤(42)中。 5.如权利要求4所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的泵浦光源(10)是波长为808nm、泵浦功率为200mW的半导体激光器；第一掺铒光纤(302)长度为5-7米，第二掺铒光纤(308)长度为0.5-1.5米，第一光纤光栅(309)反射带宽为0.03nm、反射率大于99％，光纤激光器(30)输出的窄带激光波长为532nm；空芯光纤(42)整体呈空芯柱状，空芯光纤(42)的中心设置有纤芯空气孔，纤芯空气孔的外周间隔设置有包层空气孔，任意相邻的三个包层空气孔的孔心位于正三角形的三个顶点上。 6.如权利要求5所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：包括盒体(60)，盒体(60)通过盖(61)密封，盒体(60)内用于盛放待检测苹果，空芯光纤组件(40)固定安装在盖(61)的内侧板面上，第二光纤光栅(41)连接光纤激光器(30)的一端延伸至盖(61)的外侧并与光纤激光器(30)构成可拆卸式配合，第三光纤光栅(43)连接拉曼光谱仪(50)的一端延伸至盖(61)的外侧并与拉曼光谱仪(50)构成可拆卸式配合。 7.如权利要求1所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的步骤D中，苹果挥发气体浓度预测模型按照如下步骤建立： (D1)根据待检测苹果的挥发气体浓度范围，选择多个挥发气体标准浓度值； (D2)配置各标准浓度下挥发气体的样本； (D4)采集各标准浓度下挥发气体样本的表面增强拉曼光谱数据； (D5)利用一阶导数绝对值、多元散射校正以及标准正交变换分别依次对光谱数据进行预处理，采用主成分分析法对预处理后的光谱数据进行降维处理得到主要特征； (D6)降维后的数据利用偏最小二乘法回归构建苹果挥发气体浓度预测模型。 8.如权利要求7所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的步骤C和步骤D4中，按如下步骤对预处理后的光谱数据集进行降维：先对预处理后的光谱数据集协方差矩阵进行特征分解，获得相应的特征值和特征向量；保留对数据集方差作用较大的分量并删除对数据集方差作用较小的分量。 9.如权利要求4所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的金银多层核壳纳米颗粒按如下步骤附着在空芯光纤的内壁上： (S11)将酒精溶液导入至空芯光纤内部，用超声波清洗机清洗空芯光纤内部，清洗后排出空芯光纤内所有的酒精，通氮气吹干； (S12)按照3-氨丙基三甲氧基硅氧烷和甲醇体积比1:99配置混合溶液，将混合溶液导入至清洗后的空芯光纤内部，静置空芯光纤8至10个小时； (S13)用甲醇溶液冲洗空芯光纤内部以去除多余的3-氨丙基三甲氧基硅氧烷，通氮气吹干，将空芯光纤放置在加热烘箱中以110℃～130℃温度加热2～4小时； (S14)将金银多层核壳纳米颗粒溶胶导入至空芯光纤中，保持2～4分钟，用超纯水冲洗干净，通氮气吹干即可。 10.如权利要求4所述的基于空芯光纤增强拉曼光谱的苹果挥发气体检测方法，其特征在于：所述的金银多层核壳纳米颗粒按如下步骤制备： (S21)将100mL、浓度为1.0×10-3mol·L-1的HAuCl4溶液加热至沸，向沸液中一次性加入9mL、浓度为0.04mol·L-1的Na2C6H5O7溶液，保持沸腾15分钟，自然冷却后得到Au纳米颗粒溶胶； (S22)取20mLAu纳米颗粒溶胶稀释至200mL，加热至沸，向沸液中一次性加入2mL、浓度为0.04mol·L-1的Na2C6H5O7溶液，再加热至沸；向沸液中缓慢加入200mL、浓度为1×10-2mol·L-1的AgNO3溶液，保持沸腾1小时，自然冷却后得到Ag@Au纳米颗粒溶胶； (S23)取制备的Ag@Au纳米颗粒溶胶100mL，加入100mL、浓度为1.0×10-3mol·L-1的HAuCl4溶液加热至沸，向沸液中一次性加入9mL、浓度为0.04mol·L-1的Na2C6H5O7溶液，保持沸腾15分钟，自然冷却后得到Au@Ag@Au纳米颗粒溶胶； (S24)取20mLAu@Ag@Au纳米颗粒溶胶稀释至200mL，加热至沸，向沸液中一次性加入2mL、浓度为0.04mol·L-1的Na2C6H5O7溶液，再加热至沸；向沸液中缓慢加入200mL、浓度为1×10-2mol·L-1的AgNO3溶液，保持沸腾1小时，自然冷却后得到Ag@Au@Ag@Au纳米颗粒溶胶； (S25)重复上述步骤，依次包附多层Au壳和Ag壳，最后得到金银多层核壳纳米颗粒溶胶。
所属类别：	发明专利