專利名稱：高通量光譜成像與光譜裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及用于高通量篩選或獲取被測物質(zhì)的特性信息的裝置和方法，所述 被測物質(zhì)已被放在或產(chǎn)生于庫單元基底上的已知位置。更具體地，本發(fā)明是利用任何物質(zhì) 在固定的波長或頻率在固體介質(zhì)上的特殊漫反射光譜特性。
背景技術(shù)：
物質(zhì)能吸收、反射、衍射、折射、散射以及傳播入射輻射光，而且還可以通過不同的 激發(fā)機(jī)理被照射以發(fā)出熒光和磷光。這些現(xiàn)象與被測量的物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面 以及形態(tài)緊密相關(guān)，并且也與使用的入射輻射光源的類型(例如不同的波長或不同的功率 大小)有關(guān)。眾所周知，輻射是指具有在10_14m和10 之間的波長的電磁波，它涵蓋來自γ 輻射、χ射線光、紫外光、可見光、紅外光、微波和無線電波的輻射。漫反射光譜(DRS)是收集 和分析固體介質(zhì)表面上的散射光能的技術(shù)。由于當(dāng)入射光波長在固體顆粒尺寸的量級(jí)時(shí)， 固體的散射是相當(dāng)可觀的，所以該技術(shù)被廣泛地用于細(xì)小顆粒、粉末和粗糙表面的測量。最近，由于高通量篩選和分析技術(shù)的進(jìn)步加快了具有新型特性和應(yīng)用的新材料的 發(fā)現(xiàn)。雖然仍然需要尋找更高效、經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)的方法來合成和篩選具有期望的物理和化學(xué) 特性的新型材料，高通量方法學(xué)已經(jīng)部分解決了能夠同時(shí)合成和篩選新化合物這一挑戰(zhàn)。 可以看到，制藥工業(yè)已經(jīng)將這種技術(shù)應(yīng)用在為新藥發(fā)現(xiàn)和藥物配制而進(jìn)行生產(chǎn)和篩選大量 的庫的過程中。在用于藥物發(fā)現(xiàn)和配制的制藥工業(yè)中，在用于催化劑發(fā)現(xiàn)和和工藝開發(fā)的化學(xué)工 業(yè)中，以及在用于新型化合物發(fā)現(xiàn)及其特性檢測的材料工業(yè)等行業(yè)中，合成和檢測技術(shù)對(duì) 于庫篩選過程都是非常重要的。這些過程中主要的挑戰(zhàn)是缺少用于訊速篩選和優(yōu)化的可靠而快速的測試方法學(xué)。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先，平行檢測模式中的裝置設(shè)計(jì)優(yōu)于系列檢測模式中的裝置設(shè)計(jì)。由 于高通量庫陣列篩選的性質(zhì)和許多化學(xué)反應(yīng)的特性，同步和同等的化學(xué)環(huán)境對(duì)于基底上所 有的被測物質(zhì)或者反應(yīng)產(chǎn)物提供一個(gè)合理的比較是很重要的。通過使用平行檢測模式，能 在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)篩選數(shù)以千計(jì)的物質(zhì)或產(chǎn)物。如此，平行檢測模式明顯優(yōu)于系列檢 測模式。第二，庫篩選應(yīng)通過測量新型物質(zhì)或者它們的代表性化合物的獨(dú)有特性來進(jìn)行， 并且如果額外的標(biāo)記物質(zhì)在篩選過程中被添加，它們將不會(huì)影響測量的結(jié)果。第三，檢測方案或方法必須精確和靈敏，因?yàn)閹旌Y選過程常常涉及要被檢測的少 量物質(zhì)或產(chǎn)品。第四，系統(tǒng)中有較少的移動(dòng)部件的裝置是優(yōu)選的。
第五，裝置是可調(diào)的，并且具有通過改變?nèi)肷漭椛湓椿驒z測器或者兩者同時(shí)改變 來轉(zhuǎn)換到不同測量設(shè)計(jì)的能力。最后，裝置必須性價(jià)比高，并可應(yīng)用于其他現(xiàn)有的高通量儀器平臺(tái)。高通量篩選技術(shù)的真正好處在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)大量物質(zhì)的快速合成和測量。關(guān)鍵問題 在于所述技術(shù)是否具備同時(shí)測量物質(zhì)和處理大量數(shù)據(jù)的能力。通常，被測物質(zhì)的表征及定 量分析是很多高通量篩選技術(shù)的瓶頸。解決上面提及的挑戰(zhàn)的部分方案包括利用各種光 源對(duì)被測物質(zhì)的已知特性；利用光源、信號(hào)檢測器和軟件方面的杠桿技術(shù)進(jìn)步；以及研究 每種物質(zhì)的光譜成像和光譜，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)庫篩選過程的獨(dú)特性。顯然，迫切需要尋找解決這 些瓶頸的裝置或者方法。本發(fā)明針對(duì)上述挑戰(zhàn)部分地提出了解決方案。Lee等已報(bào)道了通過同時(shí)測量多個(gè)藥片的含量均一性來對(duì)近紅外化學(xué)成像 (NIR-CI)系統(tǒng)做出評(píng)估(Spectroscopy, 21 (11), Nov 2006)。美國馬里蘭州 Olney 市的 Spectral Dimensions, Inc.提供了一種商標(biāo)為MatrixNIR 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了一臺(tái)能 夠同時(shí)收集數(shù)萬個(gè)空間不同的近紅外光譜的聚焦平面列陣檢測器。該儀器使用計(jì)算機(jī)控制 的樣品近紅外照射系統(tǒng)，并具有在950nm和1750nm之間的光譜范圍。檢測器前面安置了波 長過濾器。題為“高通量紅外光譜”的美國專利No. 6，483，112要求保護(hù)的光譜儀包括一種 紅外源，這種紅外源是普通的紅外照射系統(tǒng)而不是單色輻射源。這種儀器的靈敏度通常受 它的照射系統(tǒng)的限制。Yi 等(J. Comb. Chem，2006，8，881-889)開發(fā)了比色漫反射成像(“CDRI”)高通量 分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是來自源的光輻射到測試板上包含樣品溶液和石英砂的陣列 沉孔。入射光在溶液和石英中漫射，并在石英砂的表面上被反射，之后穿過濾光鏡以被電荷 耦合設(shè)備(“CCD”)照相機(jī)檢測。使用兩個(gè)8瓦特的白汞熒光燈作為光源。同樣，該系統(tǒng)采 用非單色輻射源，檢測限照樣普通。因?yàn)闉V光器的局限性而很難獲得全特征漫反射光譜。題為“用于不同材料庫的快速篩選的光學(xué)系統(tǒng)和方法”的美國專利No. 6，034，775 舉例說明了表征材料陣列的相對(duì)輻射率、亮度和色度的實(shí)施方案。該系統(tǒng)使用輻射源而不 是單色入射輻射源作為激發(fā)源。在亮度到達(dá)CCD檢測器之前使用色度濾波器。專利中并未 描述該系統(tǒng)的靈敏度，但很可能與前面參考所描述的系統(tǒng)具有相同范圍。商業(yè)上可獲得的紫外和可見光(紫外-可見)高通量光譜計(jì)目前是由Molecular Devices Corp.供應(yīng)(www, moleculardevice. com)的。這些儀器大部分是自動(dòng)的，并且以系 列分析模式操作。其中一種儀器即SpecttraMax M5/M5e，是雙單色器，具有三倍模式管端口 和6-384微板讀取功能的多重檢測微板讀數(shù)器。檢測模式包括紫外可見吸收、熒光強(qiáng)度、熒 光偏振、時(shí)間分辨熒光及發(fā)光(luminescence)。這種儀器一個(gè)接著一個(gè)地測量樣品，并包括 移動(dòng)部件。由于它是系列模式檢測系統(tǒng)，與高通量分析的平行模式檢測相比具有明顯的缺 點(diǎn)ο本發(fā)明使用至少一個(gè)充分均勻的單色輻射源，所述單色輻射源包括提供庫單元基 底充分均勻照射的多個(gè)輻射源，并且在庫單元基底和空間分辨檢測器之間的區(qū)域中的輻射 路徑中不存在波長過濾單元。這些測量與上面提到的相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)相比已顯示出許多的優(yōu)
點(diǎn)ο

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的高通量光譜成像和光譜裝置包括至少一個(gè)充 分均勻的單色入射輻射源；包括限定多個(gè)空腔的多個(gè)沉孔的庫單元基底；被排列為將輻射 源引導(dǎo)到庫單元基底上的一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件；與庫單元基底可操作地接合的移動(dòng)臺(tái)； 以及響應(yīng)于輻射源的空間分辨檢測器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在庫單元和空間分辨檢測器之間的區(qū)域中的輻射路徑 中不存在波長過濾單元。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，輻射源包括提供庫單元基底充分均勻照射的多個(gè)福射源。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述裝置包括盛放入射輻射源的成像箱、數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)和數(shù)據(jù)簡化系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，由單色輻射源提供的單色輻射選自由紫外、紫外-可 見和紅外輻射組成的組，并且輻射源提供具有在約200nm和約800nm之間，以及在約800nm 和約40，OOOnm之間的波長的輻射。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，單色入射輻射源包括一個(gè)或更多個(gè)燈、一個(gè)或更多個(gè) 單色器、一個(gè)或更多個(gè)透鏡以及一個(gè)或更多個(gè)反光鏡。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，單色入射輻射源相對(duì)于成像箱遠(yuǎn)離地放置，并且被排 列為將輻射源引導(dǎo)到庫單元基底上的元件包括光纜和光纖準(zhǔn)直器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，單色入射輻射源包括一個(gè)或更多個(gè)燈、一個(gè)或更多個(gè) 單色器、兩個(gè)或更多個(gè)光纜以及兩個(gè)或更多個(gè)光纖準(zhǔn)直器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，庫單元基底是漫反射庫單元，其中多個(gè)沉孔的一個(gè)或 更多個(gè)包含漫反射輻射源的物質(zhì)，并且所述物質(zhì)是選自由粉末和細(xì)小顆粒組成的組的固相 物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述物質(zhì)為液相物質(zhì)與漫反射固體介質(zhì)顆粒的混合 物，并且所述漫反射固體介質(zhì)顆粒基本上不吸收來自輻射源的輻射。所述漫反射固體介質(zhì) 顆粒選自硅石和SPECTRAL0N 材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，多個(gè)沉孔以圓形、三角形、矩形或正方形的方式排列在 庫單元上，并且所述多個(gè)沉孔適合于在其中進(jìn)行期望的化學(xué)反應(yīng)。所述化學(xué)反應(yīng)是濕化學(xué) 反應(yīng)或干化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述高通量光譜裝置包括用于將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到庫單元 中的所述多個(gè)沉孔的一個(gè)或更多個(gè)的設(shè)備，并且所述用于轉(zhuǎn)移反應(yīng)物的設(shè)備包括機(jī)械系統(tǒng) 或管道系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，庫單元基底沒有陣列沉孔。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述裝置中的移動(dòng)臺(tái)可以沿X軸、Y軸、Z軸或相對(duì)于所 述裝置的垂直軸成θ角的至少一個(gè)方向移動(dòng)，并且還包括用于將移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)到期望位置 的計(jì)算機(jī)操作的控制器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述裝置中的空間分辨檢測器選自由紫外-可見光檢 測器和紅外光敏感的CCD照相機(jī)、紅外光敏感的光電二極管陣列檢測器及其組合組成的組。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，進(jìn)行所述高通量光譜成像和光譜的方法包括提供充分均勻的單色輻射的源；提供包括限定多個(gè)空腔的多個(gè)沉孔的庫單元基底，所述空腔具有 在其中的一種或更多種物質(zhì)，所述物質(zhì)包含在其中的一種或更多種漫反射固體介質(zhì)顆粒， 其中所述漫反射固體介質(zhì)顆?；旧喜晃沼伤鲈刺峁┑妮椛?；將庫單元基底移動(dòng)到移 動(dòng)臺(tái)；引導(dǎo)所述輻射到庫單元基底上；以及經(jīng)由空間分辨檢測器檢測與所述輻射的反射部 分相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或更多個(gè)信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法不包括在庫單元基底和空間分辨檢測器之間 的一個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)過濾所述輻射的反射部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法中的被測物質(zhì)為液相或固相的，并且所述固 相物質(zhì)為金屬或非金屬的氧化物、金屬或非金屬的鹵化物、金屬或非金屬的鹵氧化物或其 混合物。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法還包括將漫反射固體介質(zhì)顆粒與液相或固相 物質(zhì)混合。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法還包括用手動(dòng)過程或自動(dòng)吸液管系統(tǒng)或多個(gè) 導(dǎo)管將物質(zhì)轉(zhuǎn)移到多個(gè)沉孔。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法具有如下特點(diǎn)空間分辨檢測器是安裝在成 像箱頂部的CCD照相機(jī)或光電二極管陣列，并捕捉從庫單元基底反射的輻射的部分；以及 由檢測器獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理程序處理，所述數(shù)據(jù)處理程序被配置來以圖形格式報(bào)告 包括反射強(qiáng)度、波長或波數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)曲線的信息。


圖1圖示本發(fā)明用于進(jìn)行漫反射光譜成像和光譜的裝置的實(shí)施方案。
圖2圖示本發(fā)明用于進(jìn)行漫反射光譜成像和光譜的裝置的另一-實(shí)施方案。
圖3圖示本發(fā)明用于進(jìn)行漫反射光譜成像和光譜的裝置的另一-實(shí)施方案。
圖如圖示本發(fā)明用于進(jìn)行漫反射光譜成像和光譜的裝置的另--實(shí)施方案。
圖4b為光纖準(zhǔn)直器盤的俯瞰視圖。
圖5圖示本發(fā)明用于進(jìn)行漫反射光譜成像和光譜的裝置的另一-實(shí)施方案。
圖6圖示本發(fā)明庫單元基底的實(shí)施方案。
圖7為圖示固體顆粒的漫反射的簡圖。
圖8a為典型的被測物質(zhì)的漫反射光譜成像。
圖8b為典型的被測物質(zhì)的全漫反射光譜。
圖9為不同V2O5濃度的V205/MgF2光催化劑的全可見光區(qū)特征漫反射光譜。
圖IOa為KMnO4的全可見光區(qū)特征漫反射光譜。
圖IOb為硅石的全可見光區(qū)漫反射光譜。
圖Ila為從被測物質(zhì)反射的輻射強(qiáng)度作為KMnO4濃度的函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
圖lib為被測物質(zhì)的吸光度作為KMnO4濃度的函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線O
圖Ilc為從被測物質(zhì)反射的輻射強(qiáng)度比作為KMnO4濃度的函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
圖Ild為Kubelka-Munk單位對(duì)KMnO4濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
圖12為Kubelka-Munk單位對(duì)KMnO4濃度的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)曲線。
具體實(shí)施例方式以下描述通過實(shí)例而非限制的方式闡明了本發(fā)明的實(shí)施方案。由此，以下描述的 實(shí)施方案代表本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案。以下術(shù)語意圖具有如本文使用的以下一般含義單色入射輻射源單色入射輻射源是由單色器或單色燈產(chǎn)生的單色光，作為用于 輻射庫單元基底上的被測物質(zhì)的入射輻射源。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述源可以包 括燈、單色器、透鏡、反光鏡、光纜和光纖準(zhǔn)直器等。單色器單色器是傳播可機(jī)械選擇的窄波段的光或輻射的光學(xué)設(shè)備，所述光或輻 射來自光源或燈源。入射輻射源本發(fā)明中的入射輻射源意指電磁波長在200nm和40，OOOnm之間或者 波數(shù)在50，000和250CHT1之間的光，所述光覆蓋了紫外-可見光和中紅外范圍的光輻射之 間的光譜。庫單元基底庫單元基底是承載被測物質(zhì)(如粉末、顆粒、碎片、薄片、片狀等)的 載板，具有M行N列的陣列沉孔，其中M和N為整數(shù)。陣列沉孔陣列沉孔為庫單元基底上為方便被測物質(zhì)漫反射的具有M行N列的陣 列。陣列沉孔可以為具有M行N列的圓形、三角形、方形或任何其他幾何形狀，其中M和N 為整數(shù)。被測物質(zhì)被測物質(zhì)為待測試的樣品或化學(xué)品，所述樣品或化學(xué)品被轉(zhuǎn)移到庫單 元基底上已知或確定的位置，或者在該位置發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明的高通量光譜裝置包括a.至少一個(gè)充分均勻的單色入射輻射源；b.庫單元基底，所述庫單元基底包括限定多個(gè)空腔的多個(gè)沉孔；c.被排列為將輻射源引導(dǎo)到庫單元基底上的一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件；d.與庫單元基底可操作地接合的移動(dòng)臺(tái)；以及e.響應(yīng)于輻射源的空間分辨檢測器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，充分均勻的單色入射輻射源通過組合燈、單色器和反 光鏡來獲得。輻射源的充分均勻性通過如下詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和解釋來確定a.使用型號(hào)為71LT75/250的鎢燈(波長范圍為300 2，500nm,北京七星設(shè)備有 限公司)，并且管電流為11. IOA ；b.使用型號(hào)為7ISW30的單色器(焦距300nm，色散2. 7nm/mm，光柵1200g/mm，北 京七星設(shè)備有限公司)，并且入口狹縫寬度和出口狹縫寬度分別為Imm和3mm。單色器波長 為 580nm ；c.安置尺寸為100mm χ IOOmm的光學(xué)反光鏡用于產(chǎn)生均勻的單色入射輻射源；d.形成尺寸為80mm χ 80mm的方形光斑；e.輻射器被定位，并在方形光斑上移動(dòng)，以獲得表I中的在16個(gè)點(diǎn)的16個(gè)讀數(shù) (輻射器=FGH-I型光子測量器，北京師范大學(xué)光電子儀器廠)，并且讀數(shù)單位為μ W/cm2 ；以 及f.由于精確度可以提供分析的隨機(jī)性、模糊性或誤差的測量。上述16個(gè)讀數(shù)或測 量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)經(jīng)計(jì)算為2. 61%。因此相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)揭示了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中單色入射輻射源充分均勻的程度。表 I
0. 0180. 0190. 0180. 0190. 0180. 0180. 0190. 0180. 0180. 0180. 0180. 0190. 0180. 0190. 0180. 018根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，充分均勻的單色入射輻射源通過組合燈、單色器、透鏡 和反光鏡來獲得。輻射源的充分的均勻性通過如下詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和解釋來確定a.使用型號(hào)為71LT75/250的鎢燈(波長范圍為300 2，500nm,北京七星設(shè)備有 限公司)，并且管電流為11. IOA ；b.使用型號(hào)為7ISW30的單色器(焦距300nm，色散2. 7nm/mm，光柵1200g/mm，北 京七星設(shè)備有限公司)，并且入口狹縫寬度和出口狹縫寬度分別為Imm和3mm。單色器波長 為 580nm ；c.直徑為75mm的光學(xué)透鏡(凸透鏡焦距為150mm)被安置于單色器的出口狹縫 和反光鏡之間；d.安置尺寸為100mm χ IOOmm的光學(xué)反光鏡用于產(chǎn)生均勻的單色入射輻射源；e.形成尺寸為30mm χ 50mm的矩形光斑；f.輻射器被定位，并在方形光斑上移動(dòng)，以獲得表II中的在16個(gè)點(diǎn)的16個(gè)讀數(shù) (輻射器=FGH-I型光子測量器，北京師范大學(xué)光電子儀器廠)，并且讀數(shù)單位為yW/cm2 ；以 及g.由于精確度可以提供分析的隨機(jī)性、模糊性或誤差的測量。上述16個(gè)讀數(shù)或測 量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)經(jīng)計(jì)算為0.87%。因此，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)揭示了本實(shí)驗(yàn)設(shè) 計(jì)中單色入射輻射源充分均勻的程度。表 II
0. 0510. 0510. 0520. 0510. 0510. 0510. 0510. 0520. 0520. 0510. 0510. 0510. 0510. 0520. 0510. 051根據(jù)本發(fā)明的另一方面，高通量漫反射成像和光譜裝置中的充分均勻的單色入射
10輻射源具有在庫單元基底上產(chǎn)生充分均勻的光源的至少一個(gè)輻射源。在圖1中圖示的一個(gè) 實(shí)施方案中，燈101、單色器102、透鏡103和反光鏡104被用于在庫單元基底105上產(chǎn)生均 勻的光源，物質(zhì)在庫單元基底上被檢測和測量。庫單元基底被固定或安置在由計(jì)算機(jī)107 控制的移動(dòng)臺(tái)106頂上。如果庫單元基底面積太大時(shí)，平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、定域分析。漫反 射光譜成像和光譜通過空間分辨檢測器例如CXD照相機(jī)108來獲得，該檢測器也由計(jì)算機(jī) 107控制。成像和數(shù)據(jù)也能通過計(jì)算機(jī)107獲取、處理并簡化。所有101、102、103、104、105、 106和108都被安置于成像箱109中。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，裝置中充分均勻的單色入射 輻射源由包括燈、單色器和反光鏡的光學(xué)元件來產(chǎn)生，所述光學(xué)元件如圖1所圖示的排齊， 但是沒有透鏡。本設(shè)計(jì)中光源的均勻性在上面具有8x 8陣列沉孔的IOcmx IOcm的庫基底 單元上測量。本實(shí)驗(yàn)中漫反射固體介質(zhì)顆粒為硅石。表III為從每個(gè)沉孔測量的反射強(qiáng)度。 平均值計(jì)算為929，638，表IV給出了每個(gè)沉孔的相對(duì)誤差。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大相對(duì)誤差為 2. 48%。表 III
權(quán)利要求
1.一種高通量光譜裝置，包括a.至少一個(gè)充分均勻的單色入射輻射源；b.庫單元基底，所述庫單元基底包括限定多個(gè)空腔的多個(gè)沉孔；c.一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件被排列為將所述輻射源引導(dǎo)到所述庫單元基 底上；d.移動(dòng)臺(tái)，所述移動(dòng)臺(tái)與所述庫單元基底可操作地接合；e.響應(yīng)于所述輻射源的空間分辨檢測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述庫單元和所述空間分辨檢測器之間的區(qū)域 中的所述輻射的路徑中不存在波長過濾單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述輻射源包括提供所述庫單元基底充分均勻照 射的多個(gè)輻射源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括盛放所述入射輻射源的成像箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)簡化系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中由所述單色輻射源提供的所述單色輻射選自由紫 外、紫外-可見和紅外輻射組成的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述輻射源提供具有在約200nm和約SOOnm之間 的波長的輻射。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中輻射源提供具有在約SOOnm和約40，OOOnm之間的波長的輻射。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述單色入射輻射源包括一個(gè)或更多個(gè)燈、一個(gè) 或更多個(gè)單色器、一個(gè)或更多個(gè)透鏡以及一個(gè)或更多個(gè)反光鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括a.成像箱；b.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；以及c.數(shù)據(jù)簡化系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述輻射源遠(yuǎn)離所述成像箱放置，并且被排列 為將所述輻射源引導(dǎo)到所述庫單元基底上的所述元件包括光纜和光纖準(zhǔn)直器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述單色入射輻射源包括一個(gè)或更多個(gè)燈、一個(gè) 或更多個(gè)單色器、兩個(gè)或更多個(gè)光纜以及兩個(gè)或更多個(gè)光纖準(zhǔn)直器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述庫單元基底是漫反射庫單元，其中所述多個(gè)沉孔 的一個(gè)或更多個(gè)包含漫反射所述輻射源的物質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述物質(zhì)是選自由粉末和細(xì)小顆粒組成的組的 固相物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述物質(zhì)是液相物質(zhì)與漫反射固體介質(zhì)顆粒的 混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述漫反射固體介質(zhì)顆粒基本上不吸收來自所 述輻射源的輻射。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述漫反射固體介質(zhì)顆粒選自硅石和 SPECTRAL0N 材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個(gè)沉孔以圓形、三角形、矩形或方形的方 式排列在所述庫單元上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述多個(gè)沉孔適合于在其中進(jìn)行期望的化學(xué)反應(yīng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述化學(xué)反應(yīng)為濕化學(xué)反應(yīng)或干化學(xué)反應(yīng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括用于將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到所述庫單元中的所述多 個(gè)沉孔的一個(gè)或更多個(gè)的設(shè)備。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述用于轉(zhuǎn)移反應(yīng)物的設(shè)備包括機(jī)械系統(tǒng)或?qū)Ч芟到y(tǒng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述庫單元基底沒有陣列沉孔。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述移動(dòng)臺(tái)沿X軸，Y軸，Z軸或相對(duì)于所述裝置 的垂直軸成θ角中的至少一個(gè)是可移動(dòng)的，并且還包括用于移動(dòng)所述移動(dòng)臺(tái)到期望位置 的計(jì)算機(jī)操作的控制器。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述空間分辨檢測器選自由紫外-可見光檢測器 和紅外光敏感的CCD照相機(jī)，紅外光敏感的光電二極管陣列檢測器及其組合組成的組。
26.—種進(jìn)行高通量漫反射光譜成像和光譜的方法，所述方法包括a.提供充分均勻的單色輻射的源；b.提供庫單元基底，所述庫單元基底包含限定多個(gè)空腔的多個(gè)沉孔，所述空腔具有在 其中的一種或更多種物質(zhì)，所述物質(zhì)包括在其中的一種或更多種漫反射固體介質(zhì)顆粒，其 中所述漫反射固體介質(zhì)顆?；旧喜晃沼伤鲈刺峁┑妮椛?；c.將所述庫單元基底移動(dòng)到所述移動(dòng)臺(tái)；d.將所述輻射引導(dǎo)到所述庫單元基底上；以及e.經(jīng)由空間分辨檢測器檢測與所述輻射的反射部分相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或更多個(gè)信號(hào)。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述方法不包括在所述庫單元基底和所述空間 分辨檢測器之間的一個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)過濾所述輻射的反射部分。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述物質(zhì)在所述液相或固相中。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中固相物質(zhì)為金屬或非金屬的氧化物、金屬或非 金屬的鹵化物、金屬或非金屬的鹵氧化物，或其混合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，還包括將漫反射固體介質(zhì)顆粒與所述液相或固相物 質(zhì)混合。
31.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，還包括用手動(dòng)過程或自動(dòng)吸液管系統(tǒng)或多個(gè)導(dǎo)管將 物質(zhì)轉(zhuǎn)移到所述多個(gè)沉孔。
32.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，a.所述空間分辨檢測器為安裝在成像箱頂部的CCD照相機(jī)或光電二極管陣列，并且所 述空間分辨檢測器捕捉從所述庫單元基底反射的所述輻射的一部分；并且b.由所述檢測器獲取的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)處理程序處理，所述數(shù)據(jù)處理程序被配置來以圖形 格式報(bào)告包括反射系數(shù)、波長或波數(shù)的信息。
33.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中物質(zhì)的全漫反射光譜是一系列全漫反射光譜 圖，所述全漫反射光譜圖包括a.I…其中Iu為對(duì)于所述庫單元基底的期望的沉孔，從所述物質(zhì)反射的輻射的強(qiáng)度， 作為在特定光譜范圍掃描的波長或波數(shù)的函數(shù)；b.Aij，其中Aij為所述庫單元基底的期望的沉孔的吸光度，并且是Iij和Ii/的差值 (IiZ1-Iu)，作為在特定光譜范圍掃描的波長或波數(shù)的函數(shù)；c.R…其中Ru為對(duì)于位于所述庫單元基底上i行j列的特定的陣列沉孔，從所述被測 物質(zhì)反射的輻射(Iu)對(duì)從背景的反射系數(shù)(Ii/1)的強(qiáng)度比(Ii/Ii/1)，作為在特定光譜范圍 掃描的波長或波數(shù)的函數(shù)；d.Log 1/R…或者Ln 1/RU，作為在特定光譜范圍掃描的波長或波數(shù)的函數(shù)；以及e.Kubelka-Mimk單位，K/S對(duì)在特定光譜范圍掃描的波長或波數(shù)；此處，所述 Kubelka-Munk 單位表示為(1-1^)721^。
34.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，還包括確定一個(gè)或更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中將被測物質(zhì)的漫反射系數(shù)繪制成一系列標(biāo)準(zhǔn)曲 線，所述標(biāo)準(zhǔn)曲線包括a.I…其中Iu為對(duì)于位于所述庫單元基底上i行j列的特定的陣列沉孔，從所述被測 物質(zhì)反射的輻射強(qiáng)度，作為被測物質(zhì)在特征波長或波數(shù)的濃度的函數(shù)；b.A…其中Au為位于所述庫單元基底上i行j列的特定的陣列沉孔的吸光度，并且是 Iij和Ii/1的差值(IiZ1-Iu)，作為被測物質(zhì)在特征波長或波數(shù)的濃度的函數(shù)；c.R…其中Ru為對(duì)于位于所述庫單元基底上i行j列的特定的陣列沉孔，從所述被測 物質(zhì)反射的輻射(Iu)對(duì)從背景的反射系數(shù)(Ii/1)的強(qiáng)度比(Ii/Ii/1)，作為被測物質(zhì)在特征 波長或波數(shù)的濃度的函數(shù)；d.Log 1/、_，或者Ln 1/、_，作為被測物質(zhì)在特征波長或波數(shù)的濃度的函數(shù)；以及e.Kubelka-Munk單位，K/S，對(duì)在特征波長或波數(shù)對(duì)測量物質(zhì)濃度；此處， Kubelka-Munk 單位表示為(1-1^)721^。
全文摘要
公開了一種高通量光譜成像和光譜裝置及方法，所述方法通過使用至少一個(gè)充分均勻的單色入射輻射源(101，102)和空間分辨陣列檢測器(108)獲取被測物質(zhì)的紫外-可見輻射和紅外輻射的特性信息。通過在庫單元基底(105)上獲取平行的光譜成像和光譜來實(shí)現(xiàn)高通量分析。該裝置和方法包含了用來實(shí)現(xiàn)光譜成像和光譜分析的硬件和軟件兩者。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102066906SQ200980122368
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者周小平, 易江平, 杰夫·Q·徐 申請(qǐng)人:周小平, 微宏公司, 易江平, 杰夫·Q·徐