用于生理檢測的光信號檢測裝置及分析樣本成分的方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了一種光信號檢測裝置及分析樣本成分的方法。激發(fā)光被選擇性地以一個方向射向樣本用來產(chǎn)生透射拉曼信號(在透射模式下)，或者以另一方向射向樣本用來產(chǎn)生反射拉曼信號(在反射模式下)。通過分析透射和反射拉曼信號，能夠確定樣本內(nèi)的被測物含量。
【專利說明】用于生理檢測的光信號檢測裝置及分析樣本成分的方法
【相關(guān)申請】
[0001]本發(fā)明要求美國臨時申請(申請?zhí)?1/933131，于2014年I月29日申請)的優(yōu)先權(quán)，在此其通過引用被合并到本發(fā)明。
【發(fā)明領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種測量裝置，特別涉及一種通過分析拉曼信號來檢測樣本中被測物含量的測量儀器，拉曼信號是通過透射和反射模式獲得的。
【【背景技術(shù)】】
[0003]無創(chuàng)檢測人體血液中某種被測物，或非侵入式血液測試，在過去20多年一直都是一個夢想，因其方便、衛(wèi)生、和舒適。而要將其付諸實(shí)施的方式之一是使用光學(xué)測量，如拉曼光譜診斷。
[0004]但是，在這種非侵入性測量中，拉曼信號主要來自皮膚，而且對應(yīng)于血液的譜峰也不清晰。反射式拉曼信號是以從皮膚表面反射的占主導(dǎo)，而透射式拉曼信號則包含更多來自主體的信息。因此，對于進(jìn)行非侵入性檢測組織和血液，一個能夠同時捕獲反射和透射拉曼信號的設(shè)備是很有價值的。
[0005]至今已有許多嘗試用以實(shí)現(xiàn)透射拉曼檢測和反射拉曼檢測。其中一些使用一個激光源和兩個檢測器、或兩個激光源和一個檢測器、或兩者的組合。如果只使用一個激光器和一個檢測器，則必須增加一個光合成器(如光纖耦合器)，或增加一個光分路器(如分光鏡)；在許多情況下，必須增加一個以上的額外光學(xué)元件。這些方法都有問題，概括起來主要有三個方面。首先，使用兩個檢測器或兩個激光器的系統(tǒng)近似于兩套獨(dú)立的系統(tǒng)相加，它笨重而且昂貴。其次，有額外光學(xué)元件的系統(tǒng)就會有額外的背景噪聲，這些背景噪聲比我們要檢測的血液信號還要大很多。最后，為了將所有這些光學(xué)元件置放在一起，數(shù)值孔徑(即朝向樣本物體的聚光透鏡的聚光角度)會變得更小，從而系統(tǒng)的靈敏度會變得更低。
[0006]因此，本發(fā)明提出了一個更好的方法以捕獲透射和反射拉曼信號用來進(jìn)行生理檢測。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007]鑒于上述發(fā)明背景，本發(fā)明的一個目的是提供一種簡化的透射-反射可互換拉曼探測裝置，其能夠捕獲透射和反射拉曼信號。
[0008]因此，一方面，本發(fā)明提供一種光信號檢測裝置，其包括(a) —個框架，(b) 一個激發(fā)光源，其連接到所述框架，并被配置以生成一個激發(fā)光，(C) 一個樣本空間，其被布置在框架內(nèi)，并被適配以在運(yùn)行期間接收一個樣本，(d) 一個探測器，其連接到框架，并被適配以在運(yùn)行期間捕獲當(dāng)激發(fā)光射向樣本時由樣本產(chǎn)生的透射光信號和反射光信號，以及(e) —個光學(xué)元件，其連接到框架，并位于所述樣本空間和所述探測器之間，用來反射激發(fā)光，并透射透射光信號和反射光信號。本裝置在透射模式和反射模式之間是可切換的。當(dāng)處于透射模式時，激發(fā)光源被設(shè)置以第一方向?qū)⒓ぐl(fā)光射向樣本，產(chǎn)生透射光信號；當(dāng)處于反射模式時，框架被設(shè)置以將激發(fā)光射向光學(xué)元件；光學(xué)元件以沿著信號軸的第二方向?qū)⒓ぐl(fā)光反射到樣本，用來產(chǎn)生反射光信號，第二方向與第一方向相反。
[0009]在一個實(shí)施例里，第一方向和第二方向基本上是相互平行的。
[0010]在另一個實(shí)施例里，透射光信號和反射光信號是沿著信號軸射向探測器的。
[0011]在另一個實(shí)施例里，光學(xué)元件選自:陷波濾波器、長通濾波器、帶通濾波器和分色鏡。
[0012]在另一個實(shí)施例里，光學(xué)元件的中心與信號軸對齊，并且光學(xué)元件被安置與信號軸成一個角度。
[0013]在另一個實(shí)施例里，透射光信號和反射光信號是拉曼信號。
[0014]在另一個實(shí)施例里，激發(fā)光的波長范圍是900_1300nm。
[0015]在一個典型實(shí)施例里，所述框架還包括一個旋轉(zhuǎn)臺，其使用光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，激發(fā)光源安裝在所述框架的旋轉(zhuǎn)臺上。因此，當(dāng)所述設(shè)備從透射模式切換到反射模式時，旋轉(zhuǎn)臺以所述信號軸為基線，從零度旋轉(zhuǎn)至不超過90度，使得激發(fā)光射向光學(xué)兀件。
[0016]在另一個典型實(shí)施例里，框架還包括一個旋轉(zhuǎn)臺，其使用光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其中樣本空間、光學(xué)元件和檢測器被安裝在框架的旋轉(zhuǎn)臺上。因此當(dāng)本裝置從透射模式切換到反射模式時，旋轉(zhuǎn)臺以旋轉(zhuǎn)中心與光源的連線為基線，從O度旋轉(zhuǎn)至不超過90度，使得激發(fā)光射向光學(xué)元件。
[0017]在另一個典型實(shí)施例里，框架還包括一個可移動可旋轉(zhuǎn)平臺，且激發(fā)光源被安裝在框架的所述可移動可旋轉(zhuǎn)平臺上。在透射模式時，可移動可旋轉(zhuǎn)平臺安置激發(fā)光源以與信號軸對齊，而在反射模式時，可移動可旋轉(zhuǎn)平臺安置激發(fā)光源到一個預(yù)設(shè)位置，使得激發(fā)光源能夠?qū)⒓ぐl(fā)光與信號軸成一個角度射向光學(xué)元件，該角度不超過90度。
[0018]在另一個典型實(shí)施例里，光信號檢測裝置還包括(a) —個光學(xué)裝置，其連接到框架，以在透射模式和反射模式之間切換裝置；和(b)第一反射鏡，其連接到框架的第一預(yù)設(shè)位置。此外，在透射模式時，光學(xué)裝置被設(shè)置以將激發(fā)光沿著第一方向射向樣本，在反射模式時，將激發(fā)光射向第一反射鏡，第一反射鏡還將激發(fā)光反射到光學(xué)元件。
[0019]在另一個典型實(shí)施例里，光學(xué)裝置還包括一個分光器、第一遮光器和第二遮光器。分光器被設(shè)置以將一部分激發(fā)光射向樣本，并將其它部分的激發(fā)光射向第一反射鏡。第一遮光器安置在分光器和樣本之間的一條光路徑上。第二遮光器安置在分光器和第一反射鏡之間的一條光路徑上，第一遮光器和第二遮光器是交替開合的，當(dāng)?shù)谝徽诠馄鞔蜷_而第二遮光器閉合時，將激發(fā)光射向樣本，當(dāng)?shù)诙诠馄鞔蜷_而第一遮光器閉合時，將激發(fā)光射向第一反射鏡。
[0020]在另一個典型實(shí)施例里，光學(xué)裝置還包括第二反射鏡，其被設(shè)置以在第一預(yù)設(shè)位置和第二預(yù)設(shè)位置之間切換。當(dāng)?shù)诙瓷溏R位于第一預(yù)設(shè)位置時，第二反射鏡將激發(fā)光反射到樣本，當(dāng)?shù)诙瓷溏R在第二預(yù)設(shè)位置時，第二反射鏡不會與激發(fā)光相交，從而使得激發(fā)光能夠射向第一反射鏡。
[0021]在另一個典型實(shí)施例里，光學(xué)裝置還包括第二反射鏡，其被設(shè)置以在第三預(yù)設(shè)位置和第四預(yù)設(shè)位置之間切換。當(dāng)?shù)诙瓷溏R位于第三預(yù)設(shè)位置時，第二反射鏡不會與激發(fā)光相交，從而使得激發(fā)光能夠射向樣本，而當(dāng)?shù)诙瓷溏R在第四預(yù)設(shè)位置時，第二反射鏡將激發(fā)光反射到第一反射鏡。
[0022]在另一個實(shí)施例里，光信號檢測裝置還包括一個信號收集器，其沿著信號軸在樣本空間和光學(xué)元件之間對齊，從而能夠收集透射光信號和反射光信號到檢測器。
[0023]在另一個實(shí)施例里，信號收集器選自:復(fù)合拋物面聚光器、透鏡。
[0024]在另一個實(shí)施例里，信號收集器選自:復(fù)合拋物面聚光器，并且復(fù)合拋物面聚光器的較小孔徑的一端被安置靠近樣本空間。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，披露了一種分析樣本成分的方法。其包括步驟(a)提供一個激發(fā)光源，其連接到第一裝置，其能夠在透射運(yùn)行模式和反射運(yùn)行模式之間切換；(b)當(dāng)?shù)谝谎b置在透射運(yùn)行模式時，將來自激發(fā)光源的激發(fā)光以第一方向射向樣本；從而產(chǎn)生一個透射光信號；(C)當(dāng)?shù)谝谎b置在反射運(yùn)行模式時，將來自激發(fā)光源的激發(fā)光以第二方向反射到樣本；從而產(chǎn)生一個反射光信號；和(d)分析透射光信號和反射光信號以獲得樣本成分。上述第一方向和第二方向是沿著信號軸幾乎互相平行的，但方向相反；透射光信號和反射光信號都沿著信號軸射向一個檢測器。
[0026]在以上方法的一個變化中，第一裝置包括一個旋轉(zhuǎn)臺在框架內(nèi)，激發(fā)光源安裝在框架上。本方法還包括以下步驟(a)在透射運(yùn)行模式時，將旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到第一位置，使得激發(fā)光以第一方向射向樣本；和(b)在反射運(yùn)行模式時，將旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到第二位置，使得激發(fā)光射向一個光學(xué)元件，光學(xué)元件將激發(fā)光反射到樣本；其中旋轉(zhuǎn)步驟使用光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心。
[0027]在以上方法的另一個變化中，第一裝置包括第一反射鏡，其連接到框架的第一預(yù)設(shè)位置，以及一個光學(xué)裝置，其連接到框架。光學(xué)裝置還包括至少一個光學(xué)元件和一個控制器。以上方法還包括以下步驟:(a)在透射模式時，命令控制器將激發(fā)光以第一方向射向樣本；和(b)在反射模式時，命令控制器將激發(fā)光射向第一反射鏡，第一反射鏡再將激發(fā)光反射到一個光學(xué)元件，使得光學(xué)元件以第二方向?qū)⒓ぐl(fā)光反射到樣本。
[0028]本發(fā)明有許多優(yōu)點(diǎn)。特別是，本發(fā)明優(yōu)于之前提到的傳統(tǒng)方法。本發(fā)明使用同樣的激發(fā)光源、光學(xué)元件和檢測器，能夠在透射模式和反射模式之間快速切換。而在兩種運(yùn)行模式上，信號經(jīng)過同一光學(xué)路徑從樣本行進(jìn)到檢測器。這種裝置便于在透射和反射信號之間進(jìn)行精確比較。在本發(fā)明披露的許多實(shí)施例里，使用機(jī)械元件如旋轉(zhuǎn)臺，來代替多個光學(xué)元件，用于在兩種運(yùn)行模式之間執(zhí)行切換，而在其它實(shí)施例里，當(dāng)在兩種模式之間切換時，激發(fā)光要經(jīng)過I個或2個反射鏡反射。因此，在此披露的光信號檢測裝置既經(jīng)濟(jì)又小型化。由于其僅需要最少的光學(xué)器件進(jìn)行運(yùn)行，因此這些器件產(chǎn)生的信號損失和噪聲也被最小化。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0029]圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖4是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖6是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖7是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖8是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖9是本發(fā)明另一個實(shí)施例的光信號檢測裝置在(a)透射模式和(b)反射模式時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖10顯示在樣本支架里容納手指的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖11顯示測量以下而獲得4nm光譜分辨率的拉曼光譜:(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(C)反射模式的拇指-食指間隔部；和(d)透射模式的拇指-食指間隔部。
[0040]圖12顯示測量以下而獲得16nm光譜分辨率的拉曼光譜:(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(C)反射模式的拇指-食指間隔部；和(d)透射模式的拇指-食指間隔部。
[0041]圖13顯示測量以下而獲得4nm光譜分辨率的拉曼光譜:(a)反射模式的雞全血，和(b)反射模式的雞血漿。
[0042]圖14顯示在樣本支架上容納手指進(jìn)行體內(nèi)測量的結(jié)構(gòu)示意圖。圖示以指甲貼著支撐板而按壓手指。
[0043]圖15顯示測量反射模式的指甲而獲得的4nm光譜分辨率的拉曼光譜。
【【具體實(shí)施方式】】
[0044]在此使用的術(shù)語是為了描述特定實(shí)施例，并不是意在限制本發(fā)明概念。如在此和權(quán)利要求中所使用的“包括”，是指包括以下部分而不排除其他部分。
[0045]參照圖1a和圖lb，本發(fā)明一個實(shí)施例的透射-反射可互換拉曼探測裝置包括一個激光源20、一個樣本支架24和一個檢測器36，它們沿著一個信號軸26被連接到一個框架上(為方便說明未在圖中顯示該連接)。線路濾波器22被安裝在激光源20的前端。復(fù)合拋物面聚光器(CPC) 28、第一陷波濾波器30 (notch filter)、第二陷波濾波器32和透鏡34分別按次序沿著信號軸26對齊在樣本支架24和檢測器36之間，CPC28最靠近樣本支架24，而透鏡34最靠近檢測器36。CPC28的小孔徑(圖中未顯示)靠近樣本支架24。第一陷波濾波器30 (也稱為光學(xué)元件)與信號軸26成一個角度而安置?？蚣苓€包括一個旋轉(zhuǎn)臺38，該旋轉(zhuǎn)臺以第一陷波濾波器30的中心作為旋轉(zhuǎn)中心而旋轉(zhuǎn)。在此實(shí)施例里，激光源20和線路濾波器22也被安裝在旋轉(zhuǎn)臺38上。
[0046]在操作時，一個將被測量的樣本放置在樣本支架24上。在一個實(shí)施例里，激光源20是一個1064nm 二極管泵浦固態(tài)連續(xù)波激光器(d1de pump solid state continuouswave laser)，其以300mW運(yùn)行。線路濾波器22的中心波長是1064nm，其半峰全寬(FWHM)值是10nm。在另一個實(shí)施例里，第一陷波濾波器30和第二陷波濾波器32反射波長中心為1064nm為、FWHM為40nm的光。因此，它們能反射波長中心為1064nm的+/_20nm的窄帶光，而透射所有其它波長的光。對每個濾波器，所需要光的透射率大于85 %，而不需要光的光密度(OD)大于6。透鏡34是一個1-英寸的BK7透鏡，焦距是I到2英寸。參照圖la，激光源20激發(fā)光，以沿著信號軸26的第一方向射向樣本，以產(chǎn)生透射拉曼信號。當(dāng)將探測裝置從透射運(yùn)行模式切換到反射運(yùn)行模式時，旋轉(zhuǎn)臺38以信號軸26為基線，從O度旋轉(zhuǎn)至一個小角度，該小角度不超過30度。旋轉(zhuǎn)量是第一陷波濾波器30的法向矢量(圖中未顯示)和信號軸26之間角度的兩倍。圖1b顯示旋轉(zhuǎn)后激光源20的位置。參照此圖，以反時針方向旋轉(zhuǎn)激光源20，激光源20的激發(fā)光射向第一陷波濾波器30，第一陷波濾波器30以沿著信號軸26的第二方向反射激發(fā)光到樣本上，從而產(chǎn)生反射拉曼信號，第二方向與第一方向相反。第一方向和第二方向基本上互相平行。從樣本產(chǎn)生的透射拉曼信號或反射拉曼信號通過CPC28和透鏡34被收集和聚集到檢測器36上。在一個實(shí)施例里，檢測器36包括一個車爾尼特納光譜儀(Czerny Turner spectrometer,未在圖1內(nèi)顯示)，其裝配有在_5攝氏度運(yùn)行的InGaAs探測器陣列。通過調(diào)整光譜儀的入射狹縫可以控制光譜的分辨率。檢測器36的輸出可以由一個計算機(jī)(未在圖1內(nèi)顯示)接收。對反射式拉曼，每次測量的持續(xù)時間是100秒。對透射式拉曼，每次測量的持續(xù)時間是100*10或1000秒。
[0047]本發(fā)明使用機(jī)械部件，如旋轉(zhuǎn)臺38，以代替多個光學(xué)元件如光纖或分光鏡，而獲得透射拉曼和反射拉曼信號。當(dāng)從透射運(yùn)行模式切換到反射運(yùn)行模式時，不需要額外的光學(xué)器件。該系統(tǒng)允許透鏡以大數(shù)值孔徑貼近樣本。從而沒有額外的光信號損失，而且拉曼收集效率也很高。此外，旋轉(zhuǎn)中心是第一陷波濾波器30而不是樣本。由于激光源20是沿著第一陷波濾波器30進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)，而不是沿著樣本進(jìn)行180度旋轉(zhuǎn)，使得該系統(tǒng)更加緊湊，而且更容易對齊。類似地，在另一個實(shí)施例里，激光源20和線路濾波器22可以固定在框架的一個預(yù)設(shè)位置上，而框架的內(nèi)里部分(即樣本支架24、CPC28、第一陷波濾波器30、第二陷波濾波器32、透鏡34和檢測器36)被安裝在一個旋轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)臺以順時針方向旋轉(zhuǎn)，從而能夠獲得與圖1b相同的效果。
[0048]在又一個實(shí)施例里，CPC28可以由多個透鏡代替。參照圖2a和圖2b，在旋轉(zhuǎn)臺38上還安裝有一個準(zhǔn)直器40，其位于激光源20和線路濾波器22之間。第一透鏡42和第二透鏡44沿著信號軸26安置在樣本支架24的兩側(cè)。第一透鏡42和第二透鏡44是1-英寸BK7透鏡，其焦距是I到2英寸。運(yùn)行時，激光源20產(chǎn)生的激發(fā)光被準(zhǔn)直器40準(zhǔn)直。參照圖2a，第一透鏡42沿著信號軸26的第一方向?qū)⒓ぐl(fā)光聚集到樣本上，從而產(chǎn)生透射拉曼信號。當(dāng)將探測裝置從透射運(yùn)行模式切換到反射運(yùn)行模式時，旋轉(zhuǎn)臺38以信號軸26為基線，從O度旋轉(zhuǎn)至一個小角度，該小角度不超過30度。圖2b顯示旋轉(zhuǎn)后激光源20的位置。參照此圖，激光源20的激發(fā)光射向第一陷波濾波器30，第一陷波濾波器30以沿著信號軸26的第二方向反射激發(fā)光到樣本上，從而產(chǎn)生反射拉曼信號，第二方向與第一方向相反。第二透鏡44將從樣本產(chǎn)生的透射拉曼信號或反射拉曼信號引導(dǎo)通過第一陷波濾波器30、第二陷波濾波器32和透鏡34而射向檢測器36。如之前所述的，激光源20、線路濾波器22和準(zhǔn)直器40可以固定在框架的一個預(yù)設(shè)位置上，而框架的內(nèi)里部分(其它元件如第一透鏡42、樣本支架24、第二透鏡44、第一陷波濾波器30、第二陷波濾波器32、透鏡34和檢測器36)被安裝在一個旋轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)臺被旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)如圖2b所示的相同效果。
[0049]在另一個實(shí)施例里，參照圖3a和圖3b，框架包括一個可移動可旋轉(zhuǎn)的平臺46。激光源20和線路濾波器22安裝在該可移動可旋轉(zhuǎn)的平臺46上。參照圖3a，得當(dāng)探測裝置在透射模式時，該可移動可旋轉(zhuǎn)的平臺46將激光源20安置得使其與信號軸26對齊。參照圖3b，當(dāng)探測裝置在反射模式時，該可移動可旋轉(zhuǎn)的平臺將激光源20安置到一個預(yù)設(shè)位置上，使得激光源的激發(fā)光與信號軸26成一個角度射向第一陷波濾波器30，該角度不超過30度。當(dāng)將探測裝置從透射模式切換到反射模式時，該可移動可旋轉(zhuǎn)的平臺要么首先移動然后旋轉(zhuǎn)，要么首先旋轉(zhuǎn)然后移動，以便將激光源20安置到預(yù)設(shè)位置和方向。
[0050]在另一個實(shí)施例里，參照圖4a和圖4b，探測裝置包括第一裝置，其包括光學(xué)裝置50和第一反射鏡48，它們置于框架的一個預(yù)設(shè)位置上。圖4a顯示透射模式時光學(xué)裝置50將激發(fā)光沿著第一方向射向樣本，圖4b顯示在反射模式時光學(xué)裝置50將激發(fā)光射向第一反射鏡48。第一反射鏡將激發(fā)光反射到第一陷波濾波器30，使得激發(fā)光沿著信號軸的第二方向被反射到樣本上。
[0051]圖5a和圖5b描述當(dāng)激光源20和信號軸26對齊時的情景。圖5a顯示在透射模式時光學(xué)裝置50將激發(fā)光以第一方向射向位于樣本支架24上的樣本，圖5b顯示在反射模式時光學(xué)裝置50將激發(fā)光射向第一反射鏡48。第一反射鏡48將激發(fā)光反射到第一陷波濾波器30。在圖4和圖5所述的實(shí)施例里，光學(xué)裝置50可以通過多種方法而實(shí)現(xiàn)。例如，其包括一個半波片(half-waveplate),半波片后跟著一個偏振分光器。旋轉(zhuǎn)半波片能夠改變激發(fā)光的偏振方向，使得偏振分光器根據(jù)激發(fā)光的偏振方向，將激發(fā)光要么射向樣本，要么反射到第一反射鏡48。
[0052]在另一個具體實(shí)施例里，參照圖6a和6b，光學(xué)裝置50包括第二反射鏡52，第二反射鏡52可以在透射模式的第一預(yù)設(shè)位置和反射模式的第二預(yù)設(shè)位置之間線性移動或翻轉(zhuǎn)。在圖6a中，第二反射鏡52是在第一預(yù)設(shè)位置，以在透射模式時將激發(fā)光以第一方向射向樣本。在圖6b中，第二反射鏡52是在第二預(yù)設(shè)位置，其并不與激發(fā)光相交，使得在反射模式時激發(fā)光能夠射向第一反射鏡48。第一反射鏡48將激發(fā)光反射到第一陷波濾波器30。
[0053]圖7a和圖7b描述當(dāng)激光源20沿著信號軸26對齊時的情景，光學(xué)裝置50包括第二反射鏡52，其能夠在透射模式的第三預(yù)設(shè)位置和反射模式的第四預(yù)設(shè)位置之間線性移動或翻轉(zhuǎn)。在圖7a中，第二反射鏡52是在第三預(yù)設(shè)位置，其并不與激發(fā)光相交，使得在透射模式時激發(fā)光能夠射向樣本。在圖7b中，第二反射鏡52是在第四預(yù)設(shè)位置，其在反射模式時將激發(fā)光射向第一反射鏡48。第一反射鏡48將激發(fā)光反射到第一陷波濾波器30。
[0054]在另一個具體實(shí)施例里，參照圖8a和圖8b，光學(xué)裝置50包括一個分光器60、第一遮光器64和第二遮光器62,它們被設(shè)置以在透射模式時將激發(fā)光以第一方向射向位于樣本支架24上的樣本，或者在反射模式時將激發(fā)光射向第一反射鏡48。這兩個遮光器都由一個控制器控制(未在圖中顯不)。分光器60透射50%的入射光,并反射50%的入射光。第一遮光器64和第二遮光器62被電子控制，使得其孔徑交替式打開。參見圖8a，在透射模式時，第一遮光器64打開,被分光器60反射的激發(fā)光以第一方向射向樣本,而第二遮光器62阻擋從分光器60透過的激發(fā)光。參見圖8b,在反射模式時,第二遮光器62打開,從分束器60透過的激發(fā)光射向第一反射鏡48,而第一遮光器64阻擋從分光器60反射的激發(fā)光。第一反射鏡48將激發(fā)光反射到第一陷波濾波器30。
[0055]圖9a和圖9b顯示激光源20沿信號軸26對準(zhǔn)時的情況，光學(xué)裝置50包括分光器60、第一遮光器64和第二遮光器62。本實(shí)施例與圖8a和Sb所示實(shí)施例之間的區(qū)別是，后者的激光源20垂直于信號軸26，但是，運(yùn)行原理和步驟與先前描述的相同，在此不再重復(fù)。
[0056]在本文和權(quán)利要求中使用的“框架”是一個通用術(shù)語，可以是一個基板、一個外殼或一個平臺，用來承載任何固體組件在其上。在以上段落里公開的示例性實(shí)施例中，組件可包括但不限于激光器、各種光學(xué)透鏡或濾波器、以及檢測器。應(yīng)該理解，框架可以是任何形式，并不限于本發(fā)明的示例性實(shí)施例。例如，框架可以有一個旋轉(zhuǎn)平臺和一個靜止平臺。旋轉(zhuǎn)平臺是框架的可旋轉(zhuǎn)部分，旋轉(zhuǎn)平臺可以關(guān)于靜止平臺而旋轉(zhuǎn)。
【實(shí)驗結(jié)果】
[0057]根據(jù)圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例，構(gòu)建出一個樣機(jī)。使用的激光器、透鏡、線路濾波器、陷波濾波器和檢測器與段落
[0046]里所述的相同。
[0058]使用該樣機(jī)，以反射和透射模式測量志愿者的拉曼光譜。如圖10所示，選擇手指56的兩個位置作為樣本，一個是尾指(厚度=?8毫米)另一個是拇指與食指之間的間隔部(厚度=?3毫米)。手指被夾在一個支撐板58和一個蓋板54之間，支撐板58和蓋板54在樣本支架(圖中未示出)內(nèi)。支撐板58固定在透鏡44的焦平面上。在支撐板58的中心有一個直徑為3mm的孔,使得從手指56產(chǎn)生的拉曼信號能夠被透鏡44收集。蓋板54是柔性的，使得手指56能夠插在兩個板之間。在蓋板54的中心有一個直徑為6mm的孔，使得激發(fā)光能夠穿過。支撐板58和蓋板54被彈簧壓緊，以便能安裝被測試的樣本。
[0059]圖11顯示測量(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(C)反射模式的拇指-食指間隔部，以及(d)透射模式的拇指-食指間隔部而獲得的4nm光譜分辨率的拉曼光譜。尾指和拇指-食指間隔部的反射拉曼的光譜特征都或多或少是相同的，類似于通過常規(guī)方法從皮膚表面而獲得的光譜特征。特別是，在這些光譜中能夠清楚地看見在?1450cm^ (CH2彎曲振動帶)的諧振頻帶和在?1300CHT1和?1655cm—1 (酰胺III和酰胺I帶)的諧振頻帶。此外，可能來自血液的在754CHT1和1555CHT1的小峰也是可見的。透射光譜提供更多信息。通過觀察那些對應(yīng)于蛋白質(zhì)和脂類的強(qiáng)共振帶，我們能夠知道皮膚表面和主體之間的差異。觀察血液的特征峰則更有趣。如圖1lb所示，在從尾指獲得的透射拉曼光譜中，75401^1峰仍然存在，但ΙδδδαιΓ1峰似乎被分成兩個(152601^1和158201^1)。與血液的體外拉曼相比，我們發(fā)現(xiàn)這些特征峰可能會更好地詮釋血液的存在。另一方面，如圖1ld所示，在754CHT1和1526CHT1和1582CHT1的特征峰是不可見的，表示在拇指-食指間隔部有較少血液含量。這種結(jié)果聽起來是合理的。分析這些反射和透射拉曼光譜，我們能夠區(qū)分來自皮膚和來自血液的貢獻(xiàn)。從其皮膚表面看，尾指和拇指-食指間隔部的看起來相似，但從其主體來看，它們有很大不同。
[0060]在生理檢測的應(yīng)用中，使用微型光譜儀的便攜式裝置往往是首選。然而，小型化通常會犧牲裝置的分辨率。這是光柵型光譜儀的固有問題。在一個實(shí)例中，INS1N(microParts)的近紅外光譜儀的尺寸是61x42x16mm3,但分辨率僅為16nm。在另一實(shí)例中，Hamamatsu提供一個尺寸僅為27.6x16.8x13mm3的光譜儀。但同樣，分辨率為僅有14-20nm。因此，在有限光譜分辨率下獲取有用信息已經(jīng)成為一個挑戰(zhàn)。
[0061]圖12顯示測量(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(C)反射模式的拇指-食指間隔部，以及(d)透射模式的拇指-食指間隔部而獲得的16nm光譜分辨率的拉曼光譜。因為入射狹縫越大，信號強(qiáng)度就越大。然而，由于分辨率越差，次強(qiáng)譜峰可能就會被隱藏。如圖12a和圖12c所示，在反射拉曼光譜中，在?754CHT1和1555CHT1上的光譜峰是模糊的。然而，如圖12b所示，在從尾指所得的透射拉曼光譜里，由于來自皮膚的貢獻(xiàn)更少，754CHT1和在1500-1600(31^1的譜帶仍然存在。對于拇指_食指間隔部，由于有較少血液含量，對應(yīng)血液的這些特征峰是看不見的。分析這些反射和透射拉曼光譜，我們能夠區(qū)分來自皮膚和血液的貢獻(xiàn)，即使是在相對較低分辨率的情況下。
[0062]為了更好地理解血液特征峰，使用相同的拉曼樣機(jī),獲得雞全血和雞血漿的體外拉曼光譜。圖13a顯示測量反射模式的雞全血而獲得的4nm光譜分辨率的拉曼光譜。能夠觀察到在7540^1和15440^1的特征峰。圖13b顯示測量反射模式的雞血衆(zhòng)而得到的拉曼光譜。能夠觀察到在75401^1和152601^1的特征峰。可以認(rèn)識到，在75401^1的特征峰是相對穩(wěn)定的，而在1500-1650(31^1的光譜范圍內(nèi)的特征峰都更復(fù)雜，對血漿含量和血紅蛋白中的氧濃度更敏感。例如，在1544CHT1和1555CHT1的特征峰可能被分別分配到脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白上。此外，應(yīng)該警揭，顯示在反射拉曼光譜中的在?754CHT1和1555CHT1的小峰，不一定僅僅來自于血液。這就解釋了為什么血流量調(diào)節(jié)不改變反射拉曼的這兩個峰的幅度(見US6389306)。這也解釋了為什么從人體指甲獲得的拉曼光譜，無論是體內(nèi)測量(見圖15)，或是體外測量(見US8535238)，總是包含這兩個峰。因此，在透射拉曼中獲得的1500-1650(^-1光譜范圍內(nèi)的特征峰，其稍微不同于反射拉曼獲得的特征峰，但可以更好地表示活體中血液的存在。
[0063]已經(jīng)充分描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。盡管這些描述涉及到特定的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將清楚知道，即使改變一些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明仍然可以實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為只限于在此闡述的這些實(shí)施例。例如，線路濾波器22可以替換為一個邊緣濾波器，其能讓低于IlOOnm波長的光通過。激光源20可以是其它激發(fā)光源，其產(chǎn)生波長為900-1300nm的激發(fā)光。例如，可以使用一個半導(dǎo)體激光器，或者甚至使用一個近紅外范圍運(yùn)行的高功率發(fā)光二極管。第一陷波濾波器30和第二陷波濾波器32可以替換為兩個邊緣濾波器、長通濾波器、帶通濾波器或分色鏡，用來反射激發(fā)光并透射拉曼信號。第二透鏡44可以替換為反射凹鏡或聚光器。檢測器36可以替換為其他類型的光譜儀。例如，它可以是一個安裝有InGaAs光電二極管的常規(guī)單色儀。這樣的裝置笨重而緩慢，但能夠提供更好的分辨率，且成本低。
[0064]還有，在一個實(shí)施例中，如果激光束是準(zhǔn)直的，那么可以去除準(zhǔn)直器40。在另一實(shí)施例中，如果激光束光點(diǎn)足夠小，那么可以省略第一透鏡42。
[0065]此外，第二反射鏡52可以是一種電-光開關(guān)，其允許光束在一種運(yùn)行模式時以最小衰減穿過，同時在另一種模式時反射光束到另一個方向。
[0066]再者，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將清楚知道，激發(fā)光與信號軸26成一個角度射向光學(xué)元件，該角度并不限于不超過30度。如果第一個陷波濾波器被設(shè)計以45度的入射角上運(yùn)行，該角度可以擴(kuò)展至90度。此外，激光器和檢測器可以替換為兩個光纖耦合器，并通過光纖連接到激光器和檢測器，使得激光器和檢測器可以被遠(yuǎn)程配置，從而使旋轉(zhuǎn)臺更加小型化。
[0067]另外，在生理檢測的應(yīng)用中，從安裝在固定朝向的樣本上獲得的一對透射和反射拉曼光譜可能不足以分析樣本中的被測物含量?？梢愿淖儤颖镜某?，例如通過翻轉(zhuǎn)樣本或轉(zhuǎn)動樣本，并獲得在每個朝向的透射和反射拉曼光譜，然后利用所有這些獲得的拉曼光譜分析在受試者中的被測物含量。
[0068]例如，在進(jìn)行人體的體內(nèi)測量時，測試位置并不限于手指或拇指-食指間隔部?？梢允褂闷渌恢萌缋缍埂⑹终苹蚴直?，通過分析透射模式和反射模式獲得的拉曼信號來檢測人體內(nèi)的被測物含量。鑒于皮膚的厚度，血液和水的含量在不同位置會有所變化，從不同位置獲得的拉曼光譜會顯示略微不同的特征。人們能夠選擇最佳位置來檢測和分析人體中的被測物。
【權(quán)利要求】
1.一種光信號檢測裝置，包括: a)一個框架； b)一個激發(fā)光源，其連接到所述框架，并被設(shè)置以產(chǎn)生激發(fā)光； c)一個樣本空間,其位于所述框架內(nèi)，用以在操作時接收一個樣本； d)一個檢測器，其連接到所述框架，在操作時當(dāng)所述激發(fā)光射向所述樣本時，其用以捕獲從所述樣本產(chǎn)生的透射光信號和反射光信號；和 e)一個光學(xué)元件，其連接到所述框架，并位于所述樣本空間和所述檢測器之間，用來反射所述激發(fā)光并透射所述透射光信號和所述反射光信號； 其中所述裝置可在透射模式和反射模式之間切換； 其中在所述透射模式時，所述激發(fā)光源被安置以將所述激發(fā)光以第一方向射向所述樣本，從而產(chǎn)生所述透射光信號； 其中在所述反射模式時，所述框架被設(shè)置以將所述激發(fā)光射向所述光學(xué)元件；所述光學(xué)元件沿著一個信號軸以第二方向?qū)⑺黾ぐl(fā)光反射到所述樣本，從而產(chǎn)生所述反射光信號；其中所述第二方向與所述第一方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述第一方向和所述第二方向是互相平行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述透射光信號和所述反射光信號都沿著所述信號軸射向所述檢測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述光學(xué)元件選自:陷波濾波器、長通濾波器、帶通濾波器和分色鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述光學(xué)元件的中心與所述信號軸對齊，所述光學(xué)元件與所述信號軸成一個角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述透射光信號和所述反射光信號是拉曼信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光信號檢測裝置，其中所述激發(fā)光的波長在范圍900-1300nm內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述框架還包括一個旋轉(zhuǎn)臺，其使用所述光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述激發(fā)光源安置在所述框架的所述旋轉(zhuǎn)臺上；由此當(dāng)所述裝置從所述透射模式切換到所述反射模式時，所述旋轉(zhuǎn)臺以所述信號軸為基線，從O度旋轉(zhuǎn)至不超過90度，使得所述激發(fā)光射向所述光學(xué)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述框架還包括一個旋轉(zhuǎn)臺，其使用所述光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其中所述樣本空間、所述光學(xué)元件和所述檢測器安裝在所述框架的所述旋轉(zhuǎn)臺上；由此當(dāng)所述裝置從所述透射模式切換到所述反射模式時，所述旋轉(zhuǎn)臺以旋轉(zhuǎn)中心與光源的連線為基線，從O度旋轉(zhuǎn)至不超過90度，使得所述激發(fā)光射向所述光學(xué)元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述框架還包括一個可移動可旋轉(zhuǎn)平臺，所述激發(fā)光源安裝在所述框架的所述可移動可旋轉(zhuǎn)平臺上；其中在所述透射模式時，所述可移動可旋轉(zhuǎn)臺安置所述激發(fā)光源以與所述信號軸對齊，在所述反射模式時，所述可移動可旋轉(zhuǎn)平臺安置所述激發(fā)光源到一個預(yù)設(shè)位置，使得所述激發(fā)光源將所述激發(fā)光以一個與所述信號軸成不超過90度的角度射向所述光學(xué)元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，其中所述裝置還包括: a)一個光學(xué)裝置，其連接到所述框架，以在所述透射模式和所述反射模式之間切換所述裝置； b)第一反射鏡，其連接到所述框架的第一預(yù)設(shè)位置上； 其中在所述透射模式時，所述光學(xué)裝置被設(shè)置以將所述激發(fā)光沿著所述第一方向射向所述樣本，在所述反射模式時，將所述激發(fā)光射向所述第一反射鏡；所述第一反射鏡進(jìn)一步反射所述激發(fā)光到所述光學(xué)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光信號檢測裝置，其中所述光學(xué)裝置還包括: a)—個分光器，其被設(shè)置以將一部分所述激發(fā)光射向所述樣本，并將其它部分的所述激發(fā)光射向所述第一反射鏡； b)第一遮光器，其位于所述分光器和所述樣本之間的一條光路徑上； c)第二遮光器，其位于所述分光器和所述第一反射鏡之間的一條光路徑上； 其中所述第一遮光器和所述第二遮光器是交替可開合的，當(dāng)所述第一遮光器打開且所述第二遮光器閉合時，所述激發(fā)光射向所述樣本；當(dāng)所述第二遮光器打開且所述第一遮光器閉合時，所述激發(fā)光射向所述第一反射鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光信號檢測裝置，其中所述光學(xué)裝置還包括第二反射鏡，其被設(shè)置以在第一預(yù)設(shè)位置和第二預(yù)設(shè)位置之間切換； 其中當(dāng)所述第二反射鏡位于所述第一預(yù)設(shè)位置時，所述第二反射鏡將所述激發(fā)光反射到所述樣本上，當(dāng)所述第二反射鏡位于所述第二預(yù)設(shè)位置時，所述第二反射鏡不會與所述激發(fā)光相交，從而使得所述激發(fā)光能夠射向所述第一反射鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光信號檢測裝置，其中所述光學(xué)裝置還包括第二反射鏡，其被設(shè)置以在第三預(yù)設(shè)位置和第四預(yù)設(shè)位置之間切換； 其中當(dāng)所述第二反射鏡位于所述第三預(yù)設(shè)位置時，所述第二反射鏡不會與所述激發(fā)光相交，使得所述激發(fā)光能夠射向所述樣本，當(dāng)所述第二反射鏡位于所述第四預(yù)設(shè)位置時，所述第二反射鏡將所述激發(fā)光反射到所述第一反射鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光信號檢測裝置，還包括一個信號收集器，其在所述樣本空間和所述光學(xué)元件之間沿著所述信號軸對齊，從而能夠收集所述透射光信號和所述反射光信號到所述檢測器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光信號檢測裝置，其中所述信號收集器是選自:復(fù)合拋物面聚光器、透鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光信號檢測裝置，其中所述信號收集器是一個復(fù)合拋物面聚光器，所述復(fù)合拋物面聚光器的較小孔徑的一端被安置靠近所述樣本空間。
18.一種分析樣本成分的方法，包括以下步驟: a)提供一個激發(fā)光源，其被連接到第一裝置；所述第一裝置能夠在透射運(yùn)行模式和反射運(yùn)行模式之間切換； b)當(dāng)所述第一裝置在所述透射運(yùn)行模式時，將來自所述激發(fā)光源的激發(fā)光以第一方向射向所述樣本；從而產(chǎn)生一個透射光信號； c)當(dāng)所述第一裝置在所述反射運(yùn)行模式時，將來自所述激發(fā)光源的所述激發(fā)光以第二方向反射到所述樣本；從而產(chǎn)生一個反射光信號； d)分析所述透射光信號和所述反射光信號；從而獲得所述樣本的所述成分； 其中所述第一方向和所述第二方向是沿著信號軸互相平行的，但是彼此方向相反；所述透射光信號和所述反射光信號都沿著所述信號軸射向一個檢測器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的分析樣本成分的方法，其中所述第一裝置包括一個在框架內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺，所述激發(fā)光源被安裝在所述框架上，還包括以下步驟: a)將所述旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到第一位置，使得在所述透射運(yùn)行模式時所述激發(fā)光以所述第一方向射向所述樣本；和 b)將所述旋轉(zhuǎn)臺到旋轉(zhuǎn)第二位置，使得在所述反射運(yùn)行模式時所述激發(fā)光射向一個光學(xué)元件，所述光學(xué)元件以所述第二方向?qū)⑺黾ぐl(fā)光反射到所述樣本； 其中旋轉(zhuǎn)步驟使用所述光學(xué)元件的中心作為旋轉(zhuǎn)中心。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的分析樣本成分的方法，其中所述第一裝置包括第一反射鏡，其被連接到框架的第一預(yù)設(shè)位置上，和一個光學(xué)裝置，其被連接到所述框架；所述光學(xué)裝置還包括至少一個光學(xué)元件和一個控制器，還包括以下步驟: a)在所述透射運(yùn)行模式時，命令所述控制器將所述激發(fā)光以所述第一方向射向所述樣本；和 b)在所述反射運(yùn)行模式時，命令所述控制器將所述激發(fā)光射向所述第一反射鏡；所述第一反射鏡進(jìn)一步將所述激發(fā)光反射到一個光學(xué)元件；所述光學(xué)元件以所述第二方向?qū)⑺黾ぐl(fā)光反射到所述樣本。
【文檔編號】G01N21/65GK104267015SQ201410412582
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】張春, 郭嘉祥, 梁立慧 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司