摘 要

自发拉曼散射显微成像是一种基于分子振动来完成对特定化学成分的分析的一种显微成像技术。因为物质中不同成分的分子振动的差异，拉曼光谱技术记录每一个点位的拉曼光谱，从而分析该物质的化学成分。拉曼散射技术在近几十年中，在技术发展和应用研究方面都有着非常快速的发展，并且在生物、生命科学、海洋科学等诸多领域都取得了不错的应用成果，同时，国内外已经在海洋油膜检测方面取得了较大的进展，说明拉曼散射在石油领域依然有其独特的应用前景。目前，拉曼光谱可分析的石油产品包括天然气、柴油、汽油、润滑油、石脑油等等，在定性分析和定量分析的领域中均有广泛应用，常用于进行含量测定、品种鉴别以及性能考察。

本文主要探究了拉曼光谱技术的机理，并利用光谱仪搭建了一套自发拉曼散射信号采集系统，对系统中的信号强度、信噪比等问题进行了校准，从而采集得到完整的几种样品的拉曼散射信号，验证了拉曼散射系统在石油领域中应用的可能性。本文推动了拉曼光谱技术在石油领域的进步，拓展了其应用范畴，对光学在石油领域的深入发展有着重要意义。

关键词：自发拉曼、拉曼散射、化学分析、油品分析

Abstract

Spontaneous Raman scattering microscopic imaging is a microscopic imaging technique based on molecular vibration to complete the analysis of specific chemical components. Due to the different molecular vibrations of different components in the material, spontaneous Raman scattering microscopic imaging can analyze the specific chemical composition by recording the Raman spectrum of each point and using the intensity distribution of the Raman characteristic peak signal. In recent decades, Raman scattering technology has developed very rapidly in technical development and applied research, and has achieved good application results in many fields such as biology, life sciences, and marine science. Great progress has been made in the detection of marine oil films, indicating that Raman scattering still has its unique application prospects in the petroleum field. At present, petroleum products that can be analyzed by Raman spectroscopy include natural gas, diesel, gasoline, lubricating oil, naphtha, etc., which are widely used in the field of qualitative analysis and quantitative analysis, and are often used for content determination, variety identification and performance Investigate.

This article mainly explores the mechanism of Raman spectroscopy technology, and uses a spectrometer to build a spontaneous Raman scattering signal acquisition system, calibrates the signal strength, signal-to-noise ratio and other issues in the system, so as to collect several complete samples The Raman scattering signal verifies the possibility of the application of Raman scattering system in the petroleum field. The research results in this paper have further promoted the progress of Raman scattering microscopic imaging technology in the oil field and expanded its application fields, which has important scientific significance for the further development of the oil field.

Key Words：Spontaneous Raman, Raman scattering, chemical analysis, oil analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1自发拉曼散射 2

1.2.2拉曼散射显微成像技术研究进展 2

1.2.3拉曼散射显微成像技术应用进展 3

1.3本文研究内容与方法 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究方法与技术路线 4

第2章 拉曼散射成像理论及实验方法研究 6

2.1自发拉曼散射过程理论分析 6

2.2 SRS显微成像技术及应用 7

2.2.1单频SRS成像 8

2.2.2逐帧高光谱SRS成像 8

2.2.3多重SRS成像 8

2.3拉曼光谱在石化领域的应用 9

2.3.1聚合物的分析 9

2.3.2气体的分析 9

2.3.3石油产品的分析 10

2.3.4其他应用 10

2.4本章小结 11

第3章 自发拉曼散射信号采集系统 12

3.1光谱仪型号及参数设置 12

3.2系统装置设计 13

3.3拉曼光谱实验数据处理方法 14

3.3.1背景基线矫正 14

3.3.2平滑处理 15

3.3.3基于BEADS算法的拉曼光谱信号处理 16

3.4 本章小结 16

第4章 自发拉曼散射信号试验与数据分析 17

4.1自发拉曼散射光谱系统试验方案 17

4.2实验过程及数据分析 17

4.3系统成像噪声分析 19

4.4实验结果 20

4.5本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1论文总结 21

5.2论文展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

本章节介绍了本文的研究背景与意义、国内外研究现状以及本文的研究内容和技术路线。本文旨在推动拉曼散射成像技术在石油领域的应用，因此，本文查阅了大量文献，对目前国内外拉曼散射技术的研究进展以及研究应用有了深刻的认识，在本章中详细介绍了目前拉曼光谱的研究进展，并对已应用在石油领域的技术进行了介绍。

1.1研究背景与意义

光学显微成像技术运用光学原理，将微观物体放大后成像，便于我们观察，在各个领域的研究中都扮演了非常重要的角色，光学显微技术从早期的明场观察发展至今天的超分辨率成像^[1]（Super-resolution microscopy），对人类探索微观世界提供了强有力的帮助。传统的光学显微镜依靠样品本身光学性质来进行光学成像，虽然可以实观测到微观物体，但这种方法的特异性十分不足。为此，人们利用荧光成像来进行微观的成像，荧光成像拥有快速性、高分辨率性、简单性等优点，在如今的生物领域和生命科学领域内有较广泛的应用^[1]。

拉曼光谱（ Raman spectroscopy ）是一种基于分子振动的振动光谱技术，它最早来源于印度学家 C.V.Raman 发现的拉曼散射（ Raman scattering ）效应^[2]。当入射光照射样品时，入射光的光子与介质分子发生非弹性碰撞，致使入射光子将一部分能量转移至介质分子或吸收介质分子的一部分能量，从而使散射光子的频率和运动方向发生变化。对于同一种散射介质，其拉曼频移是不变的，因此通过对比拉曼光谱即可获得样品的化学成分。拉曼散射相比于荧光成像不需要对样品进行染色，从根源上就避免了样品被荧光试剂污染的问题，同时由于其优异的化学特异性、化学选择性和无标记性，因此拉曼散射有着广泛的应用前景。