本發(fā)明涉及一種在寬能量范圍內獲得樣品組合光譜的方法，并且更特別地涉及一種在不使用濾光器的情況下通過消除照射分量而在寬能量范圍內獲得樣品組合光譜的方法。

背景技術：

光譜學是從樣品中分離能量且表征所述樣品的過程。在大多數(shù)情況下，除了具有天然發(fā)射能量(例如放射性和化學發(fā)光能量)的樣品以外，需要以某些形式的能量的輻照樣品，該能量與樣品相互作用使其吸收或發(fā)射可以以光譜形式檢測的能量。透射、反射和吸收光譜是輻照能量與從樣品所得的能譜之間的這種相互作用的最簡單實例。在透射的情況下，只有通過樣品的那些能量可以以光譜檢測到。在吸收光譜中，可以以光譜檢測到的是吸收的能量。在反射光譜中，可檢測的能量是從表面反射的那些，而其余的被吸收。

熒光和拉曼光譜是更復雜的技術，因為輻照的能量與分子結構相互作用，激發(fā)電子，使得樣品發(fā)射與輻照源不同且不互補的能量。這種描述甚至可以適用于核磁共振譜，其中輻射能量是不同磁場強度的譜，而樣品譜是樣品的共振原子的譜結果。

在其中樣品不能天然發(fā)射能量的所有光譜中，照射能量在某種程度上被攜帶進樣品的所得光譜中。例如，在吸收光譜中，尤其是在紅外光譜的情況下，所得光譜的基線是照射的紅外能量，其中樣品的分子結構吸收特定波長的照射以提供樣品的特征吸收光譜。在反射光譜的情況下，來自樣品表面的反射能量光譜疊加到照射能量上。

在發(fā)射能量相對照射能量偏移(如在熒光和拉曼光譜中)的情況下，使用由激光器、帶通濾光器和/或陷波濾光器提供的窄波長能量來嘗試消除照射能量。這樣做是因為在許多情況下，能量偏移較小并且發(fā)射能量可被照射能量的重疊和強度完全掩蓋。在這些情況下，需要樣品的光譜特征的知識，以及非常具體的儀器設置以便從照射能量中分離并優(yōu)化樣品的發(fā)射能量。

可以理解，照射能量是獲得大多數(shù)吸收和發(fā)射光譜的關鍵分量，這是因為照射被吸收或者照射將樣品中的電子激發(fā)至不同的能態(tài)，并且當其返回到其基態(tài)時，發(fā)射能量。然而，照射的能量吸收和發(fā)射特征可表現(xiàn)在所得的樣品光譜中。例如，當照射光譜由例如汞弧和氙弧光源產生時，在照射光譜中存在強峰。在大多數(shù)合成和天然的照射源中，存在作為產生照射(例如來自鹵素燈和陽光或星光)的元素的特征吸收帶。來自照射的這些額外的光譜貢獻可以干擾來自樣品的光譜分量的識別。通常，使用濾光器去除這些偽特征(artifacts)。然而，使用濾光器也可能限制樣品及其光譜分量的響應。如果可以在不使用濾光器的情況下消除照射分量，則會得到純樣品的光譜。

大多數(shù)樣品具有多個表征和識別該樣品及其組成的光譜參數(shù)。然而，各種形式的光譜法需要以不同的特定方式處理照射和發(fā)射能量的不同儀器以針對該特定形式的光譜法優(yōu)化樣品的信噪比。如果存在一種方式從單個儀器中獲得光譜數(shù)據，該光譜數(shù)據表現(xiàn)出組合分光鏡(spectroscopes)表示的單譜，則其將是方便、高效的且具有更多信息。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及在不使用濾光器的情況下從寬波長激發(fā)源獲得和分離各個發(fā)射光譜的方法。這個方法的關鍵是獲得樣品的寬的激發(fā)和發(fā)射組合光譜，并且從組合光譜中去除激發(fā)光譜。這通過在相同的環(huán)境和儀器條件下同時單獨獲得激發(fā)/發(fā)射組合光譜和激發(fā)光譜二者來實現(xiàn)。然后以波長對波長的方式從激發(fā)/發(fā)射組合光譜中減去激發(fā)光譜，留下純的發(fā)射光譜，該發(fā)射光譜可為單個發(fā)射光譜或來自樣品中的不同化合物的兩個或更多個光譜的組合。在組合發(fā)射光譜的情況下，各個發(fā)射光譜通過使用已知的發(fā)射光譜的模型對發(fā)射光譜消卷積(deconvoluting)獲得。

附圖說明

結合示出本發(fā)明的示例性實施方案的附圖，根據以下詳細描述，本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中：

圖1示出了根據本發(fā)明的運行中的組合光譜儀的主要組件。

圖2示出了根據本發(fā)明的用于將像素轉換和校準為埃的紅色6600aled以及待校準樣品的光譜。

圖3示出了根據本發(fā)明的在用于獲得零級光譜的方法中使用的光譜。

圖4示出了根據本發(fā)明的說明補色貢獻的光譜。

圖5示出了根據本發(fā)明的組合光譜中的熒光發(fā)射光譜。

圖6示出了根據本發(fā)明的來自地質樣品(方鈉石)的熒光光譜。

在所有附圖中，除非另有說明，否則相同的附圖標記和字符用于表示所例示的實施方案的相同元件、組件、部分或特征。鑒于例示的實施方案，將結合附圖詳細描述本發(fā)明。

具體實施方式

本發(fā)明描述了一種新方法，發(fā)明人命名為“組合光譜法”，其基于從樣品的光譜數(shù)據中完全去除照射分量以揭示關于樣品的先前不能由單個步驟和/或使用單個裝置獲得的隱藏光譜信息。

在大多數(shù)形式的光譜法中，照射(輻照)能量對準樣品。樣品將與該照射相互作用并通過透射、吸收、反射或偏移所發(fā)射的波長進行響應。然而，由于照射能量沒有被樣品消耗，因此來自照射的光譜數(shù)據存在于所得樣品光譜中。樣品光譜中這種數(shù)據的存在可以掩蓋樣品的光譜分量。通過從樣品的光譜數(shù)據中消除照射能量數(shù)據，所得的樣品光譜可以揭示在照射數(shù)據存在下所隱藏的多個光譜參數(shù)。

根據發(fā)明人的新方法，在整個說明書中將定義和使用以下新概念和術語。組合光譜法是借助無濾光器光譜技術從最終光譜中消除照射源分量來獲得組合光譜的新方法。組合光譜是包含來自多個光譜源的分量而沒有照射源數(shù)據的光譜。零級光譜是在波長范圍內將來自參比室和樣品室的光譜均化而所得的光譜。一級光譜是建立零級光譜之后來自參比室和含樣品的室的光譜。最后，二級光譜是通過從樣品的一級光譜中減去照射的一級光譜而從樣品光譜中消除照射光譜之后所得到的光譜(即，組合光譜)。

通過使用本發(fā)明人命名為“組合光譜儀”的裝置進行本發(fā)明的方法。通常，組合光譜儀由兩個單獨的具有相同尺寸、形狀和反射特性的室(參比室和樣品室)組成，如圖1中所示。各個室具有將可具有寬或窄的波長范圍的電磁能(例如，uv至ir)的照射導入室的入口。該能量將被室的表面反射并通過出口離開。在優(yōu)選實施方案中，出口在每個室中是具有可控幾何形狀的狹縫。使來自狹縫的照射直接通過棱鏡或衍射光柵，棱鏡或衍射光柵將電磁能衍射成其各自光譜分量。如在圖1中所示，然后將兩組光譜數(shù)據引導到具有適當像素分辨率的電荷耦合裝置(ccd)的不同區(qū)域上使得計算機隨后可以讀取和處理各個數(shù)據組以分別形成照射光譜以及包含樣品和照射信息的光譜。然后通過計算機軟件校準并處理來自這些像素的數(shù)據以產生樣品的組合光譜。

根據本發(fā)明，作為獲得組合光譜的步驟的一部分，在將樣品引入樣品室之前必須獲得零級光譜。該光譜表示光譜儀的室已經均化或歸一化，并且在所關注的整個波長范圍內樣品室中的強度讀數(shù)為零。這通過在不存在樣品的情況下將照射導入儀器的兩個室來實現(xiàn)。狹縫幾何形狀和照射功率設定可機械調節(jié)使得從兩個室所得到的照射光譜、一級光譜在波長范圍內是相等的。

在實踐中，這個不是僅使用機械調節(jié)就可以完美地實現(xiàn)的。然而，在不存在樣品的情況下通過校準或調節(jié)兩個光譜(就波長而言)，然后從來自樣品室的光譜中減去照射光譜，可以由零級光譜獲得波長范圍內的零強度值。以波長對波長的方式確定由兩個光譜之間相減所得到的所得強度差，并且調節(jié)樣品光譜的強度使得當此刻從樣品光譜中減去照射光譜時，所得零級光譜在實驗的波長范圍內具有零強度值。然后將樣品放入樣品室并在零級硬件和軟件條件下從室中獲得一級光譜。來自參比室的光譜僅包含照射數(shù)據，而來自經均化的樣品室的光譜包含來自樣品以及照射的數(shù)據。

然后以波長對波長的方式通過從一級樣品光譜中減去一級照射光譜獲得二級光譜。所得的二級光譜此刻不含來自照射和影響照射的環(huán)境偽特征的光譜分量，因為獲得零級光譜的步驟平衡或補償了照射分量以及照射和樣品二者中的環(huán)境偽特征。

雖然二級光譜不含照射分量，但其將包含來自許多光譜源(包括但不限于透射、吸收、反射、熒光、拉曼散射和補色反射)的分量。對于沒有來自樣品的光譜分量的波長，在二級光譜中強度值保持為零，如其在零級光譜一樣。

組合光譜法的應用

當?shù)谝淮螜z測未知組成的樣品時，組合光譜可以是非常有用的。二級光譜可以由覆蓋寬范圍波長的照射源(包括來自人造來源和天然來源(例如，太陽)的那些反射照射)產生。關于寬波長范圍，樣品的吸收特征立即顯現(xiàn)在該范圍內，熒光發(fā)射指示也是如此。此時，熒光發(fā)射可以混淆并隱藏在組合光譜儀的補色分量中。通過使用完全落入樣品的吸收包絡(激發(fā)光譜)內的窄照射波長帶，補色分量被消除，這是因為在可以被反射的窄照射帶中沒有補色分量。

如果僅需要特定的單個光譜分量，則具有多個光譜分量可被認為是迷惑性的。為此，可通過處理照射能量(如在熒光實例中所討論的)或通過數(shù)學建模去卷積應用來將其分離。然而，與來自單個形式的光譜法的光譜相比，組合光譜(二級)中多個光譜源(吸收、熒光、拉曼散射等)的復合可提供更加明確的識別。

組合光譜法還可以以遠程反射形式應用，其中實際樣品在儀器的外面。這通過識別與樣品所在的表面相當?shù)臎]有樣品的表面來實現(xiàn)。然后用照射源照射兩個表面，并將來自沒有樣品的表面的反射能量的反射能量導入參比室中，將來自樣品表面的反射能量導入樣品室中。需要同時獲得來自兩個室的數(shù)據。當在樣品可能距離光譜儀很遠的反射形式下應用組合光譜法(例如從飛機或太空中的衛(wèi)星獲得赤潮藻類的二級光譜)時，這變得極其重要。偽特征如水蒸氣、氣溶膠、空氣的熱密度湍流為信號增加了顯著的噪音，但可以通過如下消除：首先獲得零級光譜，然后獲取反射的照射和樣品數(shù)據，例如使用太陽作為照射源，并從海洋的外露部分獲取反射的照射光譜，從含有赤潮藻類的沿海區(qū)域水(cosalareaofwater)獲取反射的樣品光譜，然后如上所述繼續(xù)獲得一級光譜和二級光譜。

組合光譜法可以應用于許多領域，尤其是樣品組成未知的探索性領域。組合光譜可以快速指示常規(guī)光譜儀器的優(yōu)選類型及其設置參數(shù)，使得可以進行更加精確的定性分析和定量分析。這樣的領域將包括但不限于地質學、法醫(yī)分析、藥物、制造業(yè)的質量控制、天文學、環(huán)境科學、野生動植物管理。此外，可以以掃描模式使用組合光譜數(shù)據以建立基于特定光譜參數(shù)的圖像。例如，可以使用赤潮藻類的吸收和熒光的組合參數(shù)從空間沿著沿海水域給藻類成像，或者對組織中的特定生物分量如膠原蛋白成像。更具體地，只有兩種可能形成圖像的方法：同時(并行)形成每個圖像點，或者依次形成各個圖像點。歷史上，這些概念自從十九世紀中葉就為人所熟知。所有的光譜成像本質上都是“分析”的，意義在于處理散射現(xiàn)象、粒子(波)與物質的相互作用以及隨后的信號記錄，這只取決于該相互作用的物理過程。

在同時和依次獲得的圖像二者中，使用光譜成像可取回定量信息，這種技術使得能夠在每個像素下收集并存儲完整的光譜，用于實時或事后分析。然而，在并行技術的情況下，使用局部信息獲取來獲得用于定量分析(例如來自次行星(例如地球或火星上的區(qū)域)或亞微觀生物實體)的預先統(tǒng)計準確度是不可能的?？梢詫⒍喾N不同的分析方法應用于所得光譜數(shù)據立方體，范圍從所關注的圖像的簡單元素區(qū)域，到像素元素重量百分比的光譜總和，到真實的化學相圖像(chemicalphaseimage)。雖然光譜成像在圖像分析中是重要的工具，但直到最近，實施仍然缺乏與掃描生成和其他所關注的信號(例如熒光圖像或x射線圖像)的收集的真正整合。近期已開發(fā)了一種方法克服這些和其他限制，所述方法為davilla等人的美國專利7858935中公開的event-streamedspectrumimaging(essi))(其通過引用整體并入本文)。

雖然單獨對特定的波長/能量映射是相似的，但是對掃描技術如essi，常規(guī)光譜成像方法與essi方法之間的凈結果可以更加全面得多，因為所關注的所有參數(shù)(例如照射、操作條件、漂移校正、采集區(qū)域、溫度、技術設備參數(shù)、氣象數(shù)據等)可以包含在每個像素下，并被實時成像和處理或者存儲用于隨后離線顯示為單個或多個幀(電影)。特別重要的是使用動態(tài)駐留調制(dynamicdwellmodulation)或編程波束獲取(programmedbeamacquisition，pba)，使激發(fā)的輻射在需要獲得預定統(tǒng)計精度(例如，±2的標準偏差)的樣品區(qū)域中的每個像素僅駐留足夠的次數(shù)。在兩種方法中，散點圖(二維直方圖)的使用在對需要進一步分析的區(qū)域進行定位時可能是必不可少的。由于照射圖像中的每個像素被索引至例如元素或化學圖像中的相同像素，因此可以建立掩模，該掩模將識別可以進行進一步檢測的單元的區(qū)域。使用pba和散點圖方案以及輔助分析技術(例如，多變量統(tǒng)計分析、主分量和/或最大像素分析)在提供比僅并行或單個化學映射更準確且更快速的識別和定量數(shù)據方面可以是非常有用的。本發(fā)明的方法可以用作和/或整合為這些技術的一部分以提供更好的經驗數(shù)據和/或分析數(shù)據。

根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，如在圖1中所示建立組合光譜儀，所述組合光譜儀由兩個尺寸和形狀(例如，球形或拋物線形)相同且涂覆有高度均勻的寬波長反射材料(例如但不限于鈦氧化物)的相同室組成。每個室將具有口，經由該口，可以通過透鏡和/或光纖導入照射能量。每個室將配置可調節(jié)的狹縫機構(用于調節(jié)分辨率的x軸和增加強度的y軸)以均化或歸一化兩個室中的照射能量。樣品室將包括可拆卸的樣品保持件使得樣品可以放置在室中，或者儀器可以以反射形式運行，其中從室中移除樣品保持件并且將從包含或者不包含樣品的遠程表面反射的照射能量通過其照射口導入各個室。儀器將包括匹配或大于ccd檢測芯片的分辨率的足夠分辨率(例如，2400線/mm)的衍射光柵。將以相關聯(lián)的方式存儲和處理來自兩個室的數(shù)據使得來自一個室的僅照射數(shù)據與來自第二室包含樣品的照射數(shù)據的在曝光時間幀期間配對在一起。

本發(fā)明方法的實用性和有效性使用由白箱構建的組合光譜儀原型確定，白箱被分成兩個室，每個室包括狹縫，狹縫使參比和樣品能量定向通過100線/mm衍射光柵，衍射光柵反過來將狹縫的圖像(零衍射)以及來自光柵的衍射光譜投影到附有50mm透鏡的canont2i數(shù)碼相機中。在asa(感光度)1600下以1/100秒曝光照片。通過軟件(rspecbyfieldtestsystems)根據相機中的像素位置將狹縫和光譜的圖像轉換為原始圖形光譜。

通過獲得紅光led(6600a)照射的衍射光譜將原始圖形光譜校準并轉換成波長。使用狹縫的零衍射像素與6600a峰像素之間的像素分離校準參比和樣品能量的光譜，如在圖2中所示。

通過用白色鹵素燈照射原型組合光譜儀的兩個空室并獲取從兩個室產生的衍射光譜和狹縫照片來獲得零級光譜。這些衍射光譜轉化為圖形光譜并相對于紅光led校準，如圖3的曲線(a)中所示。以波長對波長的方式從來自空樣品室的一級光譜中減去參比室的一級光譜，如在圖3的曲線(b)中所示。雖然消除了大多數(shù)光譜照射數(shù)據，但是由于尺寸、反射率、照射位置控制和其他來源的偽特征的差異，強度值仍然存在于初始的零級光譜中。這些強度通過相對于照射光譜，確定各個波長下其在兩個室之間的大小，然后將其應用于樣品室光譜使得零級光譜在所關注的波長范圍內顯示零強度以校正這些強度，如圖3的曲線(c)中所示。

根據本發(fā)明方法的補色貢獻通過以下說明：將一塊紅色卡紙板放入樣品室中，并用白色鹵素燈照射兩個室。如前所述，從兩個室獲得一級光譜。注意，僅約30％的反射區(qū)域被紅色卡紙板遮蓋。當在圖中疊加時，所得到的一級光譜出現(xiàn)相互偏移，如圖4的曲線(a)中所示。二級光譜顯示紅色卡紙板反射紅色區(qū)域(6000a至7000a)的數(shù)據并吸收互補的藍色至黃色(4000a至6000a)，如圖4的曲線(b)中所示。

根據本發(fā)明，使用組合光譜儀原型說明使用組合光譜法可以獲得熒光光譜。將一池(curvet)熒光素溶液(ph>7)放入樣品室中并用白色鹵素燈照射各個室。通過之前所述的方法獲得來自照射和樣品室的一級光譜，如圖5的曲線(a)中所示。二級光譜顯示在熒光素的激發(fā)范圍(4000a至(4930峰)至5500a)以及寬發(fā)射范圍(4800a至(5200峰)至6500a)內的不同吸收，如圖5的曲線(b)中所示。然而，由于溶液在白光下顯現(xiàn)綠色，因此還可能存在補色。然而，當使用窄藍光照射波長(4000a至(4650峰)至6000a)獲得來自兩個室的一級光譜時，沒有被反射的補色干擾情形，并且因此顯示熒光素樣品的發(fā)射，如在圖5的曲線(c)中所示。

根據本發(fā)明，通過將方鈉石巖石置于組合光譜儀原型中以說明來自地質樣品的熒光光譜。白光和uv(3660a)光的照射之間的差異示于圖6的曲線(a)中。將方鈉石樣品置于樣品室中并用uv(3660a)燈照射兩個室。如上所述獲得來自兩個室的一級光譜，如圖6的曲線(b)中所示。通過從樣品一級光譜中減去照射一級光譜獲得二級光譜，如圖6的曲線(c)中所示。注意，由于相機對4000a以下的波長不敏感，因此在照射一級光譜中不存在3660a照射的吸收峰。然而，二級光譜顯示在發(fā)射光譜中存在藍色、綠色和紅色熒光。

雖然本文參照上述示例性實施方案描述了本發(fā)明，但是這個實施方案并不限制本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明所屬領域的技術人員將理解，在不脫離本發(fā)明技術精神的情況下，各種修改是可能的。