用于光纤光热成像和光谱学的方法和设备技术

本文公开了光谱术的改进，其依赖于红外射束和探测射束二者与样品的相互作用。这些射束用于泵浦探测装置中，其中光纤探针收集来自红外源的红外辐射射束和探测辐射射束并且将其递送至样品。探测辐射射束和红外辐射射束的至少一部分在样品上彼此交叠。光纤还收集与样品相互作用的探测辐射。检测器可以使用该收集的信号来指示所收集的探测辐射的强度，并且分析器可以生成指示邻近光纤的样品的红外吸收的信号。信号。信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光纤光热成像和光谱学的方法和设备


[0001]本文公开的实施方式涉及通过使用光学系统(即，使用红外光、可见光或紫外光)来研究或分析材料。本文描述的实施方式涉及成像和光谱学，并且更具体地涉及对用于获取指示样品的光学性质和/或材料或化学组成的光谱信息(例如，与红外(IR)吸收谱相关的信息)的光热成像和光谱学系统和技术的改进。

技术介绍

[0002]傅立叶变换红外(FTIR)光谱是IR光谱的最常见形式。FTIR通过对穿过样品的红外光的透射或来自样品的IR光的反射进行测量作为波数(IR光的频率的度量)的函数来工作。基于FTIR的显微镜结合了FTIR光谱仪和显微镜光学器件，以提供对IR吸收、透射和/或反射的空间分辨测量。对常规FTIR显微镜的基本限制是其只能实现所使用的IR光的波长量级的空间分辨率。基本限制由光衍射确定，并且由IR光的波长和IR照射和/或收集光学器件的数值孔径设置。实际限制可能进一步降低该空间分辨率。FTIR显微镜的空间分辨率与波长有关，但对于中IR中的波长在10微米量级上。例如，在美国专利第7,630,081号中示出了FTIR光谱学方法的示例，该美国专利描述了对FTIR干涉仪的最新改进。常规的FTIR光谱学可以涉及大量的样品制备以确保中IR射束适当地透射穿过样品，这对于许多不透明、易碎或生物物质是不可行或不期望的。在Mark A.Mackanos等人，“Fiber
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optic probes enable cancer detection with FTIR spectroscopy”Trends in Biotechnology(生物技术趋势)28(6)317
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323 2010中描述了用于癌症检测的常规FTIR光谱学技术的示例
[0003]衰减全反射(ATR)光谱术基于射束通过与样品直接接触的居间晶体的间接反射。使用中IR射束，ATR光谱术只能实现3微米量级的分辨率。ATR光谱必须要求居间晶体与样品直接接触，这可能导致样品的变形或断裂，并且ATR光谱需要大量的样品制备，特别是对于有机样品。此外，晶体与样品之间的反射或折射需要二者之间的良好接触。如果没有建立良好的接触，则光可以基于样品与晶体之间的材料的折射率而不是基于样品本身的性质来反射或折射。FTIR和ATR二者经受可能使光谱失真的各种伪影，包括尺寸和形状相关的散射伪影和色散效应，尤其是当在反射中操作时。这些问题会使得很难将谱与FTIR谱库进行比较，从而使材料识别和/或定量复杂化。
[0004]拉曼光谱术基于利用窄带激光源照射样品和测量从被照射区域散射的波长位移光的谱。常规拉曼光谱术通常利用可见激光源(例如532nm或633nm)，并且有时利用近IR光源(例如785nm或1064nm)，但不利用中IR光源(例如大于2500nm)。长于1064nm的波长通常不用作拉曼激发源，因为拉曼灵敏度像激发波长的4次幂一样降低，以及基于摄像装置的检测器对于较长波激发的灵敏度降低。)例如在美国专利第2,940,355中示出了拉曼光谱方法的早期示例。尽管拉曼光谱术可以实现低至几百纳米的分辨率，但是它也具有局限性，包括样品荧光和比红外小得多的谱库。
[0005]光纤光学通过沿通常被包层材料包围的光学透明纤芯的内部传输光而工作。(Optics,第四版；Eugene Hecht,Pearson,2002年.)纤芯和包层通常具有折射率差(或在边
界处的折射率梯度)以径向限制光。在一些情况下，光纤可以是中空芯，即芯包含空气或真空。通常，将多于一个光纤组合成称为“束”的较大结构。该束可以由包括单一材料类型的纤维制成，或者可以由具有多于一种材料类型的光纤制成。分叉光纤或束在公共端具有并排的两个或更多个光纤，而在另一端分裂成两个或更多个分支。每个分支中使用的光纤类型可以相同或不同，从而允许根据应用优化光纤尺寸或光波长范围。
[0006]例如，在以下文献中描述了将光纤探针检测用于体内应用的拉曼光谱的示例：Cordero，Eliana等人的“In
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vivo Raman spectroscopy:from basics to applications”，J.Biomed.Opt.23(7),071210(2018)；Stevens，Oliver等人的“Developing fibre optic Raman probes for applications in clinical spectroscopy”，Chem.Soc.Rev.,(2016),45,1919
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1934；Wang,Jianfeng等人的“Development of a beveled fiber
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optic confocal Raman probe for enhancing in vivo epithelial tissue Raman measurements at endoscopy”，Optics letters 38 13(2013):2321
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3；以及Motz,Jason等人的“Optical Fiber Probe for Biomedical Raman Spectroscopy”，Applied optics.43(2004):542
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54。
[0007]美国公布申请第2017/0146455A1号描述了一种利用光(例如红外光)进行非侵入性物质分析的方法，其中，使用中间光学介质使光被发射穿过而朝向样品。
[0008]美国专利第9,091,594号描述了用于化学光谱术和成像的光热光谱术的替选非破坏性方法，该方法使用不同波长的两个光束以实现亚微米空间分辨率，但是以非接触方式并且没有与上述ATR或FTIR技术相关联的繁重的样品制备要求。该专利中描述的一种方法包括用具有至少2.5微米的波长的第一IR光束照射样品，以在样品内的区域中产生由于吸收来自第一射束的能量而引起的光热变化，然后用具有小于2.5微米的波长的第二光束照射样品内的区域的至少一部分，从而以小于第一射束的衍射极限的分辨率检测该区域中的光热变化。尽管在美国专利第9,091,594号中描述的替选的双射束光热光谱技术提供了相比于中IR光谱术和成像的三种一般方法的显著优点，但是对这种新的光热技术的进一步增强和改进是期望的。
[0009]当前FTIR技术的关键限制是访问感兴趣样品的能力。常规的FTIR依赖于将感兴趣的样品安装在板、晶体上，或者安装在透射单元内。然而，许多感兴趣的样品位于台式FTIR系统难以接近的位置或无法从环境中取出进行分析。例如，在不移除样品并且不潜在地改变或干扰该样品的完整性的情况下，可能难以获得生物标本以用于分析。类似地，对考古文物、精美艺术、古董和法医样品的分析要求样品保持完整并且禁止或阻止将样品移到板安装件，如在常规FTIR中所进行的那样。因此，对在正常环境的约束下光谱术如何能够访问和分析这些种类的样品的手段和技术的改进将是有利的。

技术实现思路

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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于样品的基于光纤探针的光谱分析的系统，所述系统包括：红外源，其被配置成生成红外辐射射束；探测源，其被配置成生成探测辐射射束；光纤探针，其包括至少一个光纤，其中，所述光纤探针被配置成：在所述光纤探针的近端处接收来自所述红外源的所述红外辐射射束并且将所述红外辐射射束从所述光纤探针的远端递送至所述样品；在所述光纤探针的近端处接收来自所述探测源的所述探测辐射射束并且将所述探测辐射射束从所述光纤探针的远端递送至所述样品，使得所述探测辐射射束和所述红外辐射射束的至少一部分在所述样品上彼此交叠；在所述光纤探针的远端处收集从所述样品反射和/或散射的探测辐射作为所收集的探测辐射；检测器，其被配置成接收所收集的探测辐射并且产生指示所收集的探测辐射的强度的信号；以及分析器，其被配置成分析指示所收集的探测辐射的强度的所述信号，以生成指示所述样品的红外吸收的信号。2.根据权利要求1所述的系统，其中，指示所述样品的红外吸收的所述信号包括红外吸收谱。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括至少两个光纤。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括传输所述红外辐射射束的至少一个光纤和传输所述探测辐射射束的至少一个光纤。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括由来自以下列表的一种或更多种材料形成的至少一个光纤：硫属化物纤维、多晶/卤化银纤维、氟化锆纤维、氟化铟纤维和空芯纤维。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括在所述光纤探针的远端处的至少一个聚焦光学器件。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个聚焦光学器件包括：第一聚焦光学器件，其被配置成将所述红外辐射射束聚焦到所述样品上；以及第二聚焦光学器件，其被配置成将所述探测辐射射束聚焦到所述样品上，使得所述探测辐射射束与所聚焦的红外辐射至少部分地交叠。8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个聚焦光学器件被配置成准直和/或聚焦所述探测辐射射束和所述红外辐射射束中的至少一个。9.根据权利要求1所述的系统，其中，光纤束被配置为从以下中的至少一个的组中选择的光纤布置：辐射状、线性、矩阵、19
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纤维至y形束。10.根据权利要求1所述的系统，还包括二向色滤光器，所述二向色滤光器被配置成将所述探测辐射射束的波长移位射束分离到第一光学路径上，并且将原始波长的所述探测辐射射束分离到第二光学路径上。11.根据权利要求10所述的系统，还包括在所述第一光学路径上的荧光检测器。12.根据权利要求10所述的系统，还包括在所述第一光学路径上的拉曼光谱仪。13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述拉曼光谱仪被配置成分析波长移位的探测
辐射射束，以产生指示所述样品的由所述探测辐射射束照射的区域的拉曼光谱的信号。14.根据权利要求1所述的系统，还包括拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪被配置成分析波长移位的探测辐射射束，以产生指示所述样品的由所述探测辐射射束照射的区域的拉曼光谱的信号。15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述红外源和所述探测源中的至少一个是激光器。16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述红外源和所述探测源中的至少一个是宽带源。17.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦源和所述探测源中的至少一个能够调谐。18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括分叉线缆。19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针被配置用于手持式应用。20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针还包括端部件。21.根据权利要求20所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷格，
申请(专利权)人：光热光谱股份有限公司，
类型：发明
国别省市：