專利名稱：波譜學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波譜學(xué)方法，特別是多維波譜學(xué)。
已知眾多的波譜學(xué)方法用于研究?jī)蓚€(gè)或多個(gè)二級(jí)體系(two-level system)的偶合。一種已知的方法是二維核磁波譜學(xué)(2D-NMR)。所述體系的一個(gè)實(shí)例在Friebolin的“基礎(chǔ)的一維和二維NMR波譜學(xué)(Basic one-and two-dimensional NMR spectroscopy)”第2版(1993年4月)(John Wiley & Sons出版)中公開。眾所周知NMR取決于磁核與外加磁場(chǎng)的交感。為了在NMR波譜中展開擁擠的數(shù)據(jù)，已開發(fā)了2D-NMR。在典型的2D-NMR圖形中，樣品受制于延遲時(shí)間間隔開的第一和第二激發(fā)脈沖。由于樣品間的交感和特別是自旋-自旋偶合，從第二激發(fā)脈沖獲得的信息不同于從提供額外維數(shù)的第一激發(fā)脈沖獲得的信息。傅立葉變換應(yīng)用于從每一個(gè)激發(fā)脈沖的時(shí)譜以獲得各自的頻譜。頻譜在正交坐標(biāo)軸上繪圖以形成表面。表面上的峰提供有關(guān)樣品間交感的附加信息。
2D-NMR圖能用于測(cè)定分子結(jié)構(gòu)并提供用于確定溶液中的成分的惟一的、特有的特征(“指紋”)。其在化學(xué)，生物學(xué)，和其它學(xué)科中廣泛應(yīng)用于分析復(fù)雜混合物的分子結(jié)構(gòu)。然而，2D-NMR缺乏靈敏度，典型地在1015-1018分子級(jí)別的探測(cè)受限。另外，2D-NMR僅在時(shí)域提供有限的解決方案。
在其它的已知波譜學(xué)方法中，類似于那些在2D-NMR波譜學(xué)中使用的技術(shù)已在2D振動(dòng)或紅外(IR)波譜學(xué)中采用，其中原子或分子的振動(dòng)模式是受激。一種這樣的已知的所謂的“泵浦-探頭”(pump-probe)技術(shù)是Woutersen等人在J.Phys.Chem.B 104，11316-11320，2000“使用極化敏感的二維振動(dòng)的波譜學(xué)在水中測(cè)定三丙氨酸的結(jié)構(gòu)(Structure Determination of Trialanine in Water Using Polarization Sensitive Two-DimensionalVibrational Spectroscopy)”中公開的技術(shù)。進(jìn)一步也已進(jìn)行了2D-IR泵浦-探頭試驗(yàn)，例如Hamm等人在Proc.Nat.Acad.Sci.96，2036，1999中公開的“關(guān)于其三維結(jié)構(gòu)的環(huán)狀的五-肽的二維IR非線性波譜學(xué)(The two-dimensional IR non-linear spectroscopy of a cyclicpenta-peptide in relation to its three-dimensional structure)”。
根據(jù)已知的IR體系，首先泵浦脈沖，隨后探頭脈沖，最終的頻譜圖在各自的軸上提供代表關(guān)于樣品中振動(dòng)-振動(dòng)交感的信息的表面。因?yàn)榕己系亩?jí)量子體系的數(shù)學(xué)描述本質(zhì)上相等，因此在2D-NMR中使用的分析原理和技術(shù)同樣可用于2D IR波譜學(xué)中。然而，探測(cè)靈敏度受輸入激光噪音嚴(yán)格限制，結(jié)果表明在大的背景信號(hào)上產(chǎn)生非常小的變化，特別是由同樣樣品的光學(xué)密度小的變化引起入射光束的強(qiáng)度的小變化。因此，對(duì)要檢測(cè)的成分的濃度的靈敏度更低。
在某些情況下產(chǎn)生的另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)激發(fā)和探測(cè)波長(zhǎng)處于中紅外區(qū)域時(shí)，因此會(huì)遇到在那個(gè)區(qū)域的差的執(zhí)行探測(cè)器的問(wèn)題。
目前的技術(shù)還沒有提供在低濃度下的高靈敏度的質(zhì)量，或允許給定的復(fù)雜化學(xué)樣品的全頻和實(shí)時(shí)結(jié)果的指紋，對(duì)分子交感的時(shí)間表的高臨時(shí)清晰度。特別是多維波譜學(xué)對(duì)低濃度的情況還沒有實(shí)施。
本發(fā)明在權(quán)利要求中給出。
現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)施例描述本發(fā)明的實(shí)施方案，參照

圖1示出一種實(shí)施根據(jù)本發(fā)明波譜學(xué)的方法的裝置。
總的看來(lái)，本發(fā)明涉及的波譜學(xué)方法依賴于在體系中原子或分子的振動(dòng)模式的激發(fā)，例如紅外激發(fā)源的激發(fā)。在體系中振動(dòng)之間的交感允許二維或多維的信息通過(guò)合適的激發(fā)方式(regimes)獲得。本發(fā)明取決于允許輸出信號(hào)隨樣品濃度呈線性改變外差法探測(cè)。結(jié)果，例如與自差探測(cè)法相比，能分析更低的濃度，其中所述的自差探測(cè)法是一種取決于濃度的二次函數(shù)，因此，對(duì)于低濃度而言是非常弱的小信號(hào)。而且本發(fā)明進(jìn)一步取決于從外部源的外差法場(chǎng)或者取決于由樣品中的本地振蕩器產(chǎn)生的場(chǎng)，以至線性項(xiàng)決定輸出信號(hào)中二次項(xiàng)。
參照?qǐng)D1，示出的裝置通常包括一樣品10，含有在紅外波段發(fā)射射線的激光源和探測(cè)器14。可調(diào)激光12和18各自發(fā)射波長(zhǎng)/波數(shù)為3164cm-1和2253cm-1的激發(fā)光束，其激發(fā)一個(gè)或多個(gè)樣品分子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式并通過(guò)調(diào)制頻率或提供可變的時(shí)間延遲而得到多維數(shù)據(jù)。在795nm的固定頻率光束由第三激光16產(chǎn)生以提供以有效離散的輸入光束形式的輸出或讀出，頻率(嚴(yán)格地作為第四束產(chǎn)生)通過(guò)樣品10的結(jié)構(gòu)的交感而變化。該探測(cè)的信號(hào)通常在電磁光譜如在740nm的可見或近紅外部分，含有光子能量不少于1eV.。為了獲得多維數(shù)據(jù)，通過(guò)間隔在時(shí)域中的連續(xù)的光束激發(fā)所述樣品。然而，任何合適的多維波譜學(xué)技術(shù)可被采用，例如通過(guò)改變?cè)陬l域而不是在時(shí)域的輸入。相似地，通過(guò)在時(shí)域的其它脈沖或在頻域的其它頻率可獲得任何維數(shù)。盡管示出了傳輸方案，但在合適情況下，例如在表面沉積的樣品，能夠采用反射方案(其中樣品反射被探測(cè)的光束)，。
為了獲得本發(fā)明改進(jìn)的靈敏度，改變裝置的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)外差法探測(cè)。這可通過(guò)提供一外部的外差法激發(fā)源進(jìn)行，例如含有又一個(gè)激發(fā)激光或?qū)拵Ъす庠?未示出)或通過(guò)適當(dāng)調(diào)制激發(fā)激光12或20。
無(wú)論如何，對(duì)本領(lǐng)域讀者來(lái)說(shuō)，將會(huì)從下述討論中理解或清楚在各種方式下，體系是可變的或調(diào)制的。其中所述的本領(lǐng)域的讀者，能夠基于該討論，通過(guò)常規(guī)的試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)相關(guān)的目的。
通過(guò)定義，包括本發(fā)明的所有的波譜學(xué)方法都發(fā)射一種信號(hào)，其強(qiáng)度能夠如下定義I＝(ELO)2+(EHO)2+(ELO×EHO)cosφ (1)這里，EHO是樣品的自差法信號(hào)，可被認(rèn)為是由所檢測(cè)的樣品成分發(fā)射的總電場(chǎng)。ELO是“本地振蕩器”場(chǎng)，即，具有固定相差φ的與施于探測(cè)器同一頻率的場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)的自差法探測(cè)中，沒有本地振蕩器場(chǎng)，強(qiáng)度簡(jiǎn)單地是自差法EHO2項(xiàng)，其與待研究的化學(xué)體系的濃度呈二次變化。在外差法探測(cè)中，另外設(shè)置一個(gè)本地振蕩器并使其與探測(cè)器的時(shí)間和空間一致。通過(guò)這樣做，以及通過(guò)本領(lǐng)域的讀者熟悉的任何合適的技術(shù)除去(ELO)2項(xiàng)，該截項(xiàng)用于決定方程式。由本地振蕩器強(qiáng)度的常識(shí)知道，輸出場(chǎng)在濃度上呈線性。
與典型的一維波譜如吸收譜，傅立葉變換紅外(FTIR)光譜等相適應(yīng)的方法相比，可最佳地理解根據(jù)本發(fā)明開發(fā)的根本的物理機(jī)理。所述的一維波譜學(xué)取決于感應(yīng)和/或測(cè)量總體狀態(tài)變化。與所述的“總體波譜學(xué)”不同，本發(fā)明包括“相干波譜學(xué)”。
在量子力學(xué)概念中，光子和分子狀態(tài)含有兩個(gè)分離但相關(guān)的二等分。變化總體(例如，“被激發(fā)進(jìn)入第一激發(fā)態(tài)的電子”)的交感實(shí)際上涉及兩個(gè)與入射場(chǎng)的交感，各自作為討論的狀態(tài)的各一半。通過(guò)比較，與入射場(chǎng)的單個(gè)交感產(chǎn)生所知的相干的，兩個(gè)分子狀態(tài)完全的量子力學(xué)重合。該體系在與兩個(gè)狀態(tài)之間不同能量的相關(guān)頻率來(lái)回振蕩。該振蕩以特有的頻率(例如，上面的EHO)依次發(fā)射一場(chǎng)?，F(xiàn)在清楚為何自差法導(dǎo)致一個(gè)與被探測(cè)光子的二次函數(shù)關(guān)系。然而為了作為第二交感，本發(fā)明的場(chǎng)被引入樣品的外部(或樣品內(nèi))，濃度上具有線性函數(shù)每個(gè)樣品分子的場(chǎng)加上一個(gè)從外部場(chǎng)產(chǎn)生光子探測(cè)的場(chǎng)。因此我們定義兩種類型的波譜學(xué)，利用相干(相干波譜學(xué))和利用總體(總體波譜學(xué))。相干波譜學(xué)需要相匹配作為條件—能量和動(dòng)力守恒的直接結(jié)果—以確定對(duì)光束的輸出方向。對(duì)于一組單個(gè)的，離散輸入波長(zhǎng)，確定惟一的輸出方向(角度)。
結(jié)果，本發(fā)明方法提供一種令人吃驚的靈敏度水平，在樣品中產(chǎn)生的信號(hào)場(chǎng)的情況下，并取決于自動(dòng)地具有正確相關(guān)系的外差法場(chǎng)這樣的事實(shí)。
至于在其中實(shí)施外差法探測(cè)的方式，如上所述，或者通過(guò)改變樣品參數(shù)或者通過(guò)外部場(chǎng)產(chǎn)生器獲得。
對(duì)于樣品例如在溶液中提供的樣品，本地振蕩器場(chǎng)將會(huì)以固有產(chǎn)生的非-共振分布的形式自然存在于樣品/溶劑中。通過(guò)確保非-共振分布顯著地(說(shuō)，10倍)比共振或信號(hào)的自差法部分分布更大，ELO和截項(xiàng)(cross terms)用于支配方程式(1)，我們能夠充分地認(rèn)為信號(hào)是外差法的。同樣，信號(hào)在濃度上是線性的，并且達(dá)到探測(cè)限度之前，能夠清楚地獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)更低的濃度。而且，通過(guò)改變?nèi)軇┑念愋?，溶劑的濃度或體積，或樣品容器的不同厚度，能夠控制本地振蕩器分布的相對(duì)尺寸，允許檢查大范圍的濃度。
另一種方式中，通過(guò)加入合適量的熒光吸收分子能夠控制樣品的相關(guān)參數(shù)，所述的熒光吸收分子的電子吸收是具有可見光束的共振。該吸收導(dǎo)致輻射和作為本地振蕩器場(chǎng)的分子的極化。這是一種特別有用的方法，因?yàn)榭蓽?zhǔn)確控制本地振蕩器分子的濃度。在那種情況下，附加激發(fā)源提供需要的極化。
在內(nèi)-樣品情況下，如那些內(nèi)在地或固有地產(chǎn)生的本地振蕩器場(chǎng)(ELO)2項(xiàng)能夠通過(guò)確定和減去特定的本地振蕩信號(hào)除去。該本地振蕩信號(hào)能夠在校準(zhǔn)步驟中獲得。
在其它的方法中，能夠采用傳統(tǒng)的光學(xué)外差法，其中本地振蕩器場(chǎng)在樣品的外部產(chǎn)生，并直接入射到具有樣品場(chǎng)的探測(cè)器上。所述的本地振蕩器的產(chǎn)生通常通過(guò)例如，在具有部分可見光束的合適的液體或固體中的連續(xù)統(tǒng)產(chǎn)生。在那種情況下，控制外部信號(hào)的特定參數(shù)以至相關(guān)的項(xiàng)在上述的方程式(1)中占優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的光學(xué)外差法體系相比，其中線性分布如上述進(jìn)行詳細(xì)的討論非常廣。除去(ELO)2項(xiàng)，可使用禁閉探測(cè)器簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，在該探測(cè)器中，將具有狹槽的機(jī)械輪在(“斷路器”)引入到激發(fā)束。狹槽遮擋光束(參考頻率)的重復(fù)頻率傳遞到禁閉探測(cè)器，該禁閉探測(cè)器基本上是頻率過(guò)濾器-它測(cè)量從探測(cè)器來(lái)的整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并提取在參考頻率發(fā)生的信號(hào)成分。假如該參考頻率不同于產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)的光束的重復(fù)頻率，對(duì)本地振蕩器專有的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)成分將會(huì)減除。這樣，ELO2項(xiàng)消失，EHO2項(xiàng)可忽略，截項(xiàng)在濃度上是線性的。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，在Muller等人“Imaging the Thermodynamic State of LipidMembranes with Multiplex CARS Spectroscopy”J.Phys.Chem.B.106，3715-3723中描述的“多路技術(shù)”類型通過(guò)在紅外使用寬帶脈沖實(shí)現(xiàn)，通過(guò)超速脈沖產(chǎn)生以同時(shí)激發(fā)樣品和其周圍的光譜部分的紅外躍遷。通過(guò)合適的選擇光束的輸入角度，能夠獲得相應(yīng)于輸入頻率的惟一方向。結(jié)果，輸出信號(hào)是含有所有空間上光譜信息的錐形射線；在此情況下，探測(cè)器14可為2D陣列探測(cè)器，如電荷耦合器件(CCD)捕獲編碼成空間維數(shù)的光譜信息。一旦再次獲得改進(jìn)的光譜解析方法，除了空間維數(shù)外，將附加維數(shù)通過(guò)脈沖時(shí)間延遲或者通過(guò)在上面詳細(xì)討論的頻率變化引入以給出其它的、完全的詳細(xì)的有關(guān)樣品產(chǎn)生的光譜信息。覆蓋頻率波段的外差法由“連續(xù)統(tǒng)產(chǎn)生”獲得，其中，許多本地振蕩器頻率在樣品中產(chǎn)生，例如通過(guò)白光的外加激發(fā)以提供與寬帶激發(fā)交感的外差場(chǎng)。
在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中，利用已知的作為“前方線路所”的幾何學(xué)圖形(即，沒有列在同樣平面的三束激光12，16，18)和寬帶激發(fā)束(大范圍的輸入波長(zhǎng)以單束存在)。以此方式，產(chǎn)生一輸出角度范圍，對(duì)于在兩個(gè)紅外光束中存在的準(zhǔn)離散的波長(zhǎng)的給定組合產(chǎn)生惟一的輸出方向。因此，光譜信息展開成空間特性的輸出光束，且陣列探測(cè)器有效地在一次機(jī)會(huì)(shot)中捕獲，而該機(jī)會(huì)可通過(guò)使用窄波段激發(fā)光束和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)調(diào)制而建立。
在其它的、可選擇的實(shí)施方案中，不使用外差法，紫外或可見激發(fā)激發(fā)電子共振，該共振依次產(chǎn)生由電子能量水平之間的躍遷引起的熒光。這是上面討論的直接紅外激發(fā)型的組合。在那種情況下，不需要從激光16的附加“讀出”信號(hào)。輸入紅外和紫外光束和改變時(shí)間延遲的調(diào)制再次以上面詳細(xì)描述的方式產(chǎn)生多維數(shù)據(jù)，但基于總體波譜學(xué)。
本發(fā)明能被廣泛應(yīng)用實(shí)施，特別是其中使用兩個(gè)或多個(gè)光的可變頻率或時(shí)間延遲，直接或間接地測(cè)量振動(dòng)/振動(dòng)偶合的多維光學(xué)波譜學(xué)是適于研究分子確認(rèn)和/或結(jié)構(gòu)的任何領(lǐng)域。該技術(shù)在低分子濃度時(shí)特別有效。例如本發(fā)明改善了低濃度探測(cè)的靈敏度水平，以至在合適的頻率選擇范圍內(nèi)，能研究氣相和表面-沉積樣品以允許在復(fù)雜混合物中如蛋白質(zhì)溶液中的成分和它們濃度的確認(rèn)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到能夠采用任何合適的特殊成分和技術(shù)以實(shí)施本發(fā)明。典型地，可采用至少一種可調(diào)制紅外激光源和至少一種其它可調(diào)制的紫外、可見或紅外激光源，可使用任何合適的激光或?qū)嶋H上任何其它合適的激發(fā)源。在如參照?qǐng)D1討論的兩個(gè)紅外激發(fā)光束的情況下，可加入其它固定頻率光束并可再次采用任何合適的源。同樣地，樣品和溶劑能為任何合適的類型，其中控制它的成分以調(diào)制成如上所詳細(xì)描述的體系，并以任何合適的相，包括氣相和液相/溶液相。可采用任何合適的探測(cè)器，例如CCD或2D IR波譜學(xué)技術(shù)中已知的其它探測(cè)器。
激發(fā)波長(zhǎng)的范圍通常如上所述為紅外，但能夠?yàn)槿魏涡枰暮线m波長(zhǎng)以激發(fā)待分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式。盡管上述討論基本上涉及二維分析，但可通過(guò)輸入激發(fā)的參數(shù)的合適變化引入任何維數(shù)，例如頻率，時(shí)間延遲/脈沖數(shù)目，或任何其它合適的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種波譜學(xué)方法，其具有至少一種激發(fā)源參數(shù)和樣品參數(shù)的可控參數(shù)，包括控制可控參數(shù)以在所述大量樣品中產(chǎn)生本地振蕩器場(chǎng)，支配從所述樣品的自差法信號(hào)，激發(fā)所述樣品的振動(dòng)模式并獲得受激樣品的光譜。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述樣品被激發(fā)以獲得至少兩維的光譜。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中樣品激發(fā)在至少一種時(shí)域和頻域中改變，以獲得至少兩維的光譜。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述的可控參數(shù)是樣品參數(shù)。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述樣品參數(shù)通過(guò)在所述樣品中加入吸收性的分子而改變。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述的可控參數(shù)包括至少一種外加激發(fā)源光束的頻率，相或振幅。
7.一種波譜學(xué)方法，包括激發(fā)樣品的振動(dòng)模式、激發(fā)樣品的電子模式和測(cè)量樣品熒光變化的步驟，其中激發(fā)所述樣品以獲得至少兩維的光譜。
8.一種波譜學(xué)方法，包括激發(fā)樣品的振動(dòng)模式、使用激發(fā)光束激發(fā)振動(dòng)模式周圍的光譜部分，通過(guò)寬帶激發(fā)源在所述樣品中產(chǎn)生寬帶本地振蕩器場(chǎng)，并探測(cè)空間可解析的輸出束。
9.一種波譜學(xué)裝置，包括一以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式的激發(fā)源，以及一激發(fā)源以在所述大量樣品中產(chǎn)生本地振蕩器場(chǎng)，支配所述樣品的自差法信號(hào)，激發(fā)所述樣品的振動(dòng)模式并獲得受激樣品的光譜。
10.一種波譜學(xué)裝置，包括一以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式的激發(fā)源，和一以在所述大量樣品中產(chǎn)生本地振蕩器場(chǎng)的樣品，支配所述樣品的自差法信號(hào)，激發(fā)所述樣品的振動(dòng)模式并獲得受激樣品的光譜。
11.一種波譜學(xué)裝置，包括一以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式的第一激發(fā)源，和一以激發(fā)樣品的電子模式的第二激發(fā)源，其中激發(fā)所述模式以獲得至少兩維的光譜。
12.一種波譜學(xué)裝置，包括一以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式的激發(fā)源，和一以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式周圍的光譜部分的激發(fā)源和一具有在至少一個(gè)空間的維數(shù)的探測(cè)場(chǎng)的探測(cè)器，其中激發(fā)所述樣品以獲得至少兩維的光譜。
13.一種如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其中控制所述參數(shù)以至，其中發(fā)射強(qiáng)度由I＝(ELO)2+(EHO)2+(ELO×EHO)cosφ代表，ELO是如此以至截項(xiàng)支配EHO2。
全文摘要
一種波譜學(xué)方法和裝置，包括以激發(fā)樣品的振動(dòng)模式的激發(fā)源，通過(guò)時(shí)域或頻域激發(fā)的改變提供多維光譜信息?？刂破渌募ぐl(fā)源參數(shù)或樣品參數(shù)，以通過(guò)確保在樣品中產(chǎn)生的非－共振本地振蕩器場(chǎng)支配在樣品中產(chǎn)生的自差法信號(hào)，提供相干波譜學(xué)。結(jié)果，外差法探測(cè)以一種使得輸出信號(hào)對(duì)濃度呈線性函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，提供改進(jìn)的靈敏度。
文檔編號(hào)G01N21/31GK1902471SQ200480040045
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者大衛(wèi)·克拉格, 強(qiáng)森·D·帕爾馬 申請(qǐng)人:帝國(guó)學(xué)院創(chuàng)新有限公司