宽区域光学光热红外光谱制造技术

本发明专利技术描述了通过同时表征多个空间分辨位置的红外吸收特性来对样品进行显微分析的装置和方法。这些装置和方法改善了采样时间，同时收集了关于宽区域内样本组成的微观数据。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】宽区域光学光热红外光谱优先权2018年6月1日提交的美国临时申请序列号62/679，588中描述了本申请中的实施例和技术的多个方面，其
技术实现思路
通过引用并入本案。
本专利技术涉及通过使用光学手段(即使用红外线、可见光或紫外线)来研究或分析材料。
技术介绍
本专利技术涉及使用光学光热检测技术的空间分辨率低至亚微米级的红外光谱和成像。一些光学光热技术已经在美国专利中描述，例如专利9,091,594和9,841,324。这些参考文献通常用不同的名称和缩写来指代这项技术。出于本申请的目的，在本申请中，我们将统称这些技术为光学光热红外(OPTIR)。一些研究小组对OPTIR的这个通用领域进行过研究，包括海军研究实验室、普渡大学、圣母大学、波士顿大学和麻省理工学院的研究人员。这些实验室开发的仪器使用可见光束探测样品对红外辐射吸收的光热响应。可能相关背景的出版物和专利包括:(1)R.Furstenberg,C.Kendziora,N.D.Bassim,R.A.McGill,andV.K.Nguyen,US9091594B2(2015)；(2)C.Li,D.Zhang,M.N.Slipchenko,andJ.-X.Cheng,Anal.Chem.,89,9,4863-4867(2017)；(3)D.Zhang,C.Li,C.Zhang,M.N.Slipchenko,G.Eakins,andJ.-X.Cheng,ScienceAdvances,2,9,e1600521(2016).(4)Z.Li,K.Aleshire,M.Kuno,andG.V.Hartland,TheJournalofPhysicalChemistryB,121,37,8838-8846(2017)；(5)Z.Li,M.Kuno,andG.Hartland,"Super-resolutionimagingwithmid-IRphotothermalmicroscopyonthesingleparticlelevel",inSPIENanoscience+Engineering(InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2015),p.954912-954912-954918；(6)Z.Li,M.Kuno,andG.Hartland,"Super-resolutionMid-infraredImagingusingPhotothermalMicroscopy",inConferenceonLasersandElectro-Optics(OpticalSocietyofAmerica,SanJose,California,2016),p.ATu3J.7.；(7)A.A.Totachawattana,H.Liu,M.K.Hong,T.Gardner,M.Y.Sander,andS.Erramilli,"Labelfreemid-IRphotothermalimagingofbirdbrainwithquantumcascadelaser",inCLEO:ApplicationsandTechnology(OpticalSocietyofAmerica,2014),p.AF1B.4；(8)M.Y.Sander,"Mid-infraredphotothermalimaging",inLaserScience(OpticalSocietyofAmerica,2015),p.LM1I.2；(9)U.S.PatentNo.9091594B2,entitled“Chemicalmappingusingthermalmicroscopyatthemicroandnanoscales,”assignedtotheU.S.SecretaryofNavy。也有使用离轴照明和摄像头传感器来检测激光散斑的光热调制的装置，例如在A.M.Stolyarov,R.M.Sullenberger,D.R.Crompton,T.H.Jeys,B.G.Saar,andW.D.Herzog,Opt.Lett.,40,24,5786-5789(2015)，以及光散射的变化，例如在R.M.Sullenberger,S.M.Redmond,D.Crompton,A.M.Stolyarov,andW.D.Herzog,Opt.Lett.,42,2,203-206(2017)。然而，由于样品成像光学器件的焦距/数值孔径限制，这些方法不适用于亚微米尺寸的显微镜应用。在现有的光热成像和光谱学技术中，一个关键限制是由于红外吸收而产生的光热效应可能非常小。例如，由于样品对红外辐射的吸收，所收集的探测光的总强度调制可以比所收集的总探测光的平均强度小3到6个数量级。因此，检测微弱吸收样品、光热响应弱的样品和/或微量样品材料对红外辐射的微弱吸收可能是一项挑战。增加测量时间以实现数量级的精度提高通常是不可行的。然而，测量精度与采样时间的平方根成正比，因此通过增加采样时间来提高OPTIR检测器的精度在实际应用中受到限制，因为例如，要将精度提高一个数量级，需要将采样时间增加100倍。
技术实现思路
根据本文描述的实施例，本专利技术提供了一种通过同时表征多个空间分辨位置的红外吸收特性来对样本进行显微分析的装置。多个空间分辨的位置对应于样品的宽区域。该装置包括配置成用红外辐射束照射样品的宽区域的红外辐射源，配置成用探针辐射束照射样品的宽区域的探针辐射源，配置成从样品上多个空间分辨位置的每一个收集至少一部分探针辐射作为收集的探针辐射的收集器，以及至少一个摄像头，其被配置为检测所收集的探测辐射的至少一部分，以生成与多个空间分辨位置中的每一个相对应的指示红外吸收的信号。本申请涉及新颖的仪器和方法，其通过在亚微米尺寸的微观尺度上对样品的宽区域同时进行的红外吸收测量来提高测量通量。以上概述并不旨在描述每个图示实施例或其主题的每个实现。下面的附图和详细描述更具体地举例说明了各种实施例。附图说明考虑到以下结合附图对各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本专利技术的主题，其中:图1显示了光学光热红外(OPTIR)光谱和成像所采用的光热原理的简化示意图。图2是宽视野OPTIR系统的实施例的简化示意图。图3是对红外吸收的光热响应的时间分辨测量的例子。图4示出了从探测光束选通红外吸收信号的例子。图5A-5C示出了根据三个实施例的探测光束照明。图6-8示出了根据实施例的各种照明方案。图9示出了一个实施例，在该实施例中，同时测量宽区域上的多个离散采样位置。图10示出了描绘由根据本文所述实施例的传感器检测的各种物质的输出。虽然各种实施例可以有各种修改和替代形式，但是其细节已经通过附图中的例子示出，并且将被详细描述。然而，应该理解的是，本专利技术的意图不是将要求保护的专利技术限制于所描述的特定实施例。相反，本专利技术旨在覆盖落入权利要求所限定的主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。具体实施方式本说明书描述了用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对样品进行显微分析的装置，其通过同时表征与样品的宽区域相对应的多个空间分辨位置的红外吸收特性，该装置包括:/n红外辐射源，配置成用红外辐射束照射样品的宽区域；/n探测辐射源，配置为用探测辐射束照射样品的宽区域；/n收集器，配置为收集来自样品上多个空间分辨位置的每一个的至少一部分探测辐射作为收集的探测辐射；/n至少一个摄像头，配置为检测所收集的探测辐射的至少一部分，以生成指示多个空间分辨位置中的每一个相对应的红外吸收的信号，/n其中，指示红外吸收的信号具有小于1微米的空间分辨率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180601 US 62/679,5881.一种用于对样品进行显微分析的装置，其通过同时表征与样品的宽区域相对应的多个空间分辨位置的红外吸收特性，该装置包括:
红外辐射源，配置成用红外辐射束照射样品的宽区域；
探测辐射源，配置为用探测辐射束照射样品的宽区域；
收集器，配置为收集来自样品上多个空间分辨位置的每一个的至少一部分探测辐射作为收集的探测辐射；
至少一个摄像头，配置为检测所收集的探测辐射的至少一部分，以生成指示多个空间分辨位置中的每一个相对应的红外吸收的信号，
其中，指示红外吸收的信号具有小于1微米的空间分辨率。


2.根据权利要求1所述的装置，其中红外辐射源是可调的，以产生具有可变波长的红外光束，并且其中指示样品红外吸收的信号在多个红外波长处被检测。


3.根据权利要求2所述的装置，其中指示多个红外波长的红外吸收的信号包括红外吸收光谱。


4.根据权利要求1所述的装置，还包括图像协加器，其中所述图像协加器对多个摄像头帧相加，以构建动态范围至少为104的协加图像。


5.根据权利要求1所述的装置，其中所述协加图像具有至少105的动态范围。


6.根据权利要求1所述的装置，其中所述协加图像具有至少106的动态范围。


7.根据权利要求1所述的装置，其中同时测量的多个样本位置包括直径至少为100μm的区域。


8.根据权利要求1所述的装置，其中指示所述多个样本位置的红外吸收的信号实现小于0.5μm的空间分辨率。


9.根据权利要求1所述的装置，还包括门控功能，所述门控功能限制所述摄像头检测从多个样本位置收集的探针辐射的持续时间。


10.根据权利要求9所述的装置，其中所述门控功能限制以下至少一项:(a)摄像头的曝光时间；和(b)探测光束的脉冲持续时间长度。


11.根据权利要求1所述的装置，其中指示所述多个样本位置的红外吸收的信号是通过比较用照射样本的红外源收集的第一组摄像头帧和用不照射样本的红外源收集的第二组摄像头帧而产生的。


12.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集器包括数值孔径(NA)至少为0.4的物镜。


13.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集器包括数值孔径(NA)至少为0.6的物镜。


14.根据权利要求1所述的装置，其中所述探测辐射源是非相干光源。


15.根据权利要求1所述的装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·普拉特，D·德克尔，R·谢蒂，
申请(专利权)人：光热光谱股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US