使用波長路由器從電磁波譜中測量分析物的制作方法

專利名稱：使用波長路由器從電磁波譜中測量分析物的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及測量樣本中的分析物，并且更加具體地，涉及根據作為分析物特征的電磁波譜來測量分析物，例如像能夠用于在生物有機體中進行分析物的非侵入測量那樣。
背景技術：
已進行了許多嘗試以制造合適的設備，用于對生物有機體內的重要物質進行非侵入性測量。這種測量能力的重要性不僅起因于需要在這樣的有機體中觀察生化反應而不干擾該系統，而且還是為了幫助控制諸如糖尿病之類的慢性病，其中，與實際當中所應用的需要穿刺皮膚的檢測相比，非常希望可以更頻繁地測量患者血糖水平。已經建議利用分子光譜學來進行這樣的測量。然而，血液和組織液(interstitialfluid)中包含了非常大量的必須加以區別的復合物。可見或近紅外區中的吸收光譜學遭遇到下述困難存在于血液和其他組織中的許多復合物的光譜在這個區域中基本上重疊。中紅外區光譜學產生對單獨分子更加獨特的光譜，但是遭遇到兩個嚴重的問題(1)如果需要檢測器足夠靈敏，其必須在低溫下操作，以及(2)水強烈吸收中紅外區輻射，并且這樣的輻射僅能夠穿透到有機體中幾十微米。
已經建議采用拉曼光譜學(Raman spectroscopy)來消除某些這類困難。在拉曼光譜學中，按照作為照射輻射頻率和分子特征光譜頻率的差或和的頻率產生散射光譜。差頻生成(Difference frequencygeneration)被稱作斯托克斯散射，而和頻生成(sum frequencygeneration)則被稱作反斯托克斯散射。作為結果的光譜信號是所關注分析物所特有的。然而，用于拉曼散射的橫截面很小，并且作為結果的散射信號很微弱。微弱的信號還可能是由于使用了其他非線性過程的光譜學或者來自光源的可用功率很小。其他代表性的例子包括四波混和、頻率加倍以及多光子熒光。
名稱為“Sensor utilizing Raman spectroscopy for non-invasivemonitoring of analytes in biological fluid and method of use”的美國專利號6,064,897，提議使用多個帶通濾光器和檢測器來監視從所關注的分析物中顯現的多個重要光譜線。該方法的前提是，當存在可能具有混雜光譜的其他物質的情況下，和單個光譜線相比，多個光譜線可更好地與任何特定的分析物相關聯。另外，該專利介紹了使用離散透射濾光器的系統，可具有小的衰減。但是，檢測器噪聲會限制這種系統的靈敏度。檢測器的暗電流不利地與增加的檢測器面積成比例。因此，多個檢測器總計具有單獨檢測器的總暗電流的近似Nd倍，其中Nd是檢測器的數目。因為能夠用代數方法從信號減去暗電流，所以噪聲成分起因于其方差，而不是均值。方差與(Nd)1/2成比例。美國專利號6,064,897中說明的方法因此遭遇到下述困難合成噪聲與檢測器的數目成比例。
還建議采用拉曼散射在眼睛的房水(aqueous humor)中來測量葡萄糖濃度，如美國專利號6,181,957中的那樣。房水具有諸如高透明度之類的有用光學性質。然而，非常希望通過皮膚進行這樣的監視，以便能夠連續測量有關分析物。同樣，所建議的方法必然伴有眼睛安全性的嚴重問題。不考慮測量位置的選擇，美國專利號6,181,957也沒有給出方法來解決用實際的檢測器測量微弱散射信號的問題。
在2001年8月由MIT出版的“Measurement of blood analytes inturbid biological tissue using near infrared Raman spectroscopy”的論文中，T.W.Koo以論文工作的形式報告了測量血液中多種分析物的拉曼散射。該論文說弱拉曼信號對于葡萄糖每10秒鐘的計數少至6個。因此需要長測量時間和高激光功率(300秒和280mW)。這些參數對許多應用而言是不實際的。
在其他工作中，使用拉曼散射在活的有機體中進行葡萄糖測量，其中通過指尖引入光(“Noninvasive blood analysis by tissue modulatedNIR Raman spectroscopy”，J.Chaiken et al.，in Proceedings of SPIE Vol.4368，p.134(2001))。該方法改進了信號大小，但是仍然使用冷卻的檢測器、高激光功率以及昂貴的低f數字分光計。弱信號的基本問題依然沒有得到解決。
非侵入測量中十分重要的另一個困難是，對各種各樣的患者建立可靠的校準，并隨著條件的變化和時間的推移保持有效。變化起因于包括以下方面的許多源(1)溫度，(2)具有重疊光譜的混雜物質的變化濃度的存在，(3)在光譜線的幅度、形狀或位置方面影響該分析物光譜的其他物質的存在，(4)采樣位置的變化，特別是可能在那里的血液以及組織液的部分，以及(5)儀器中的漂移，包括源或光譜光學部件的波長。
根據通過測量許多光譜線的單獨幅度而獲得的多種物質的光譜，已通過回歸技術尋找校準。這樣的技術對樣本體積的大小和構成的變化保持靈敏，并且同樣導致更加復雜的分光計。Chaiken等人的工作還引入了一種方法，該方法根據使用從沒有壓力的手指獲得的光譜關于加壓的手指得到的光譜的相減信號。參考前述參考文獻的圖11，在葡萄糖的拉曼測量和實驗室測量之間的關聯中仍然存在很大的分散，這樣很不利地導致該技術不準確。

發明內容
通過一種設備處理這些和其他的限制，由此能夠相加多個波長的弱信號以照射單個檢測器或多個檢測器，提供把光譜能量集中在較小的總體檢測器面積上的可能性。另外，還公開了一種方法，由此借助于測量樣本體積中的水數量以及借助于測量樣本體積中的液體鹽度，能夠獲得對給定分析物的結果信號的校準。
本發明的一個方面中，多個全息圖用于把從樣本顯現的散射波長路由(route)到單個檢測器或多于一個的檢測器。特別地，從待測量的分析物顯現的光譜能量通常出現在多個光譜線中。使用波長路由器，大部分或全部的這些光譜線中的能量能夠被引導到單個檢測器，這樣一來就極大地增加了測量的信噪比。
進而，可以擴展路由器的功能以結合多個波長的源的輸入能量，這樣一來就由多個相對便宜的源有益地增加了輸入光功率。此外，能夠將部分的功率轉向(divert)用于校準測量的參比池(reference cell)。能夠將路由器的功能性做得通用，可將任何輸入或輸出波長的全部或部分轉向任何適當位置或多個位置。
本發明的另一個方面涉及校準技術。由于所關注的分析物常常溶解在水中，所以樣本體積中給定分析物的量應當按該體積中水的量換算。通過在水的適當拉曼激發光譜線處測量散射信號的幅度來獨立確定水量。通過使用包含水的參比池(reference cell)，能夠將信號大小完全校準到特定水量。另外，已發現，水光譜線的絕對光譜位置將作為水中自由離子量的函數而變化。特別地，光譜線將和氯化鈉的濃度成比例地移動，氯化鈉是大多數生物樣本中離子的主要來源。人體血液中氯化鈉的濃度保持在窄范圍內。因此，可假定該測量來自已知的固定量，并從而獲得了另外的精確校準。然而，光譜移動非常小。使用含有無鹽分水的參比池，并且取兩個方便選擇的光譜位置處的差信號，精確確定仍然是可能的。參比池能夠包含其他物質，諸如已知濃度的分析物之類，以提供其他類型的校準。
本發明另外的特征和優點將在隨后的說明中闡明，并且部分地會從說明中得到理解，或者可以通過本發明的實施而獲知。本發明的特征和優點可通過權利要求書中具體指出的裝置與組合來實現并獲得。本發明的這些與其他特征將會從隨后的說明書以及權利要求書中變得更加明顯，或者可以如在下文中闡明的那樣通過本發明的實施知道。


為了說明能夠獲得本發明的上述以及其他的優點和特征的方式，通過參考在附圖中示出的其特定實施例，來實施在上面簡短說明的本發明的更加具體的說明。應該理解這些附圖僅僅描繪了本發明的典型實施例，而不會認為是對其范圍的限制，本發明將通過附圖用附加的特性和細節來說明并解釋，其中圖l是根據本發明的裝置的方框圖。
圖2a和2b是示出通過圖1的波長路由器的波長路由的示圖。
圖3a和3b是示出反射全息光學元件(HOE)的基本操作的示圖。
圖4是顯示分離入射光的HOE的示圖。
圖5是根據本發明的裝置的一個實施例的圖。
圖6a和6b是示出對于圖5中裝置的源波長、分析物光譜線以及全息圖波長的布置的例子的光譜圖。
圖6c和6d是顯示基于鹽度測量的用于圖5中裝置的校準方法的光譜圖。
圖7是根據本發明的緊湊裝置實施例的圖。
具體實施例方式
圖1是根據本發明的裝置的高級方框圖，主要顯示了裝置內主要部件的光學功能性。在這個具體例子中，裝置包括4個源S1-S4、兩個檢測器140A-B、參比池125和快門120、樣本135和快門130以及波長路由器110。
一般而言，裝置操作如下。源S1-S4產生光，其由波長路由器110經由各自的快門120、130路由到參比池125和/或樣本135。快門120、130允許照射的按時選通(time gating)。波長路由器110將從參比池125和/或樣本135散射的光路由到檢測器140。
所示出的源S1-S4具有不同的波長(圖1中的波長1-4)。波長路由器110引導來自源S1-S4的入射光的線性組合經由快門120、130到達樣本135和/或參比池125。如果Ik是第k個源的強度，其中每個源都假定具有截然不同的波長，那么照射參比池125的強度Ir和照射樣本135的強度Is由以下公式分別給出Ir=Σk=1WBkIk---(1)]]>Is=Σk=1WAkIk---(2)]]>其中0≤Ak≤1，0≤Bk≤1，并且Ak+Bk≤1，而W則是源的總個數。波長路由器110執行入射光到不同輸出的無源功率分離(powersplit)。系數Ak和Bk說明了以波長k發生的功率分配。在這個例子中，在波長和源之間存在一一對應(亦即，源Sk以波長k產生光)，但這不是必需的。可以選擇特定的功能性，通過設計波長路由器110把基本上全部的給定波長路由到參比池125或樣本135，這樣適當的系數標稱等于1或0。
圖2a是示出直觀圖中的波長路由選擇的示圖。左手側的4個箭頭表示4個源S1-S4產生的照射光。每個箭頭表示不同的波長。從源到目的地(參比池125或樣本135)的每個路徑表示轉向適當目的地的每個輸入波長的預定部分。來自源S1、S2和S4的光由波長路由器110發送到參比池125。來自源S2和S3的光由波長路由器110發送到樣本135。在這個示圖中，每個目的地也用箭頭表示；箭頭的數目并不意味著對目的地具有特別含義。箭頭的數目同樣并不意味著暗示關于光束的物理位置或方向的特征。例如，單個箭頭不必對應單個物理位置或單個入射角。相應的光能夠包含在照射單個位置的單個光束中，或者照射不同位置和/或以不同角度入射的若干分開的光束中。另外，來自源的光同樣可以包含在多個光束中。
當來自路由器110的光照射參比池125或樣本135時，生成散射信號。該信號典型地由來自參比池125或樣本135之內的各種物質的多個光譜線組成。生成這些光譜線的過程包括但不限于拉曼散射、二次諧波發生、三次諧波發生、四波混和以及熒光。這些過程中的任何一個都可以產生作為待測量分析物特征的光譜。來自源的每個入射波長都能夠通過一個或若干上述過程產生多個散射波長。
采用拉曼散射作為特別有用的例子，每個入射波長將按照由入射頻率和該物質的特征拉曼頻率的差所給出的頻率生成散射波長。這個過程被稱作斯托克斯拉曼散射。還有和頻生成，并且被稱作反斯托克斯拉曼散射。
下面，使用斯托克斯過程來說明這個裝置的功能，但是它并不限于斯托克斯過程。如果在樣本135上存在N個入射波長和L個特征拉曼頻率，那么散射信號將包含N×L＝P個拉曼散射波長。每個這樣的波長都可以被路由到M個檢測器中的任何一個。如同從源到參比池/樣本的路由選擇一樣，從參比池/樣本到檢測器的路由選擇是通用的，并且能夠用以下公式表示Id=Σk=1PCdkPk---(3)]]>其中，Id是在第d個檢測器上入射的總功率，Pk是第k個散射波長處的散射功率，而Cdk則是通過路由器110轉向到第d個檢測器的第k個波長處的功率分數。當不存在光學放大時，能量守恒要求對于各散射波長中的任何一個系數Cdk都服從下面的不等式Σd=1MCdk≤1---(4)]]>并且其中對于d和k的所有值都有Cdk≥0。
在圖2b中示出了波長路由器110關于來自樣本135的散射波長的功能，其中每個路徑表示轉向給定檢測器的給定散射波長的部分。在這個例子中假定，在樣本中存在5個所關注的拉曼光譜線，并且照射光在兩個不同的波長處。因此，存在來自樣本的總共2×5＝10個散射波長。右手側的每個箭頭表示散射波長中的一個。假定在參比池中存在一個所關心的拉曼光譜線。因此，存在來自參比池的兩個散射波長。
在許多應用中，優選地，路由選擇模式是無阻塞的結構。轉向特定目的地的給定波長處的光的部分，基本上獨立于在任何其他波長處轉向的或轉向到任何其他目的地的光的部分(當然得服從能量守恒)。這在數學上是指，對于不同的k值，系數Cdk不需要相關。類似地，系數Ak不需要相關，并且系數Bk不需要相關。在許多應用中，同樣優選地，該結構還允許廣播，這可以被定義成給定波長的部分向多于一個的目的地的轉向。這樣得到的結構因而優選地能夠是具有廣播能力的完全通用的線性無阻塞無源網絡。
圖3-7給出了有關用于源的路由選擇的優選實施例和信號波長的進一步的細節。在全息介質中的數據存儲方面最近已取得了顯著進展。這種工作的目的是，使可存儲在給定檔案膠片中的獨立全息圖的數目最大化。同樣可以使用這樣的全息圖作為具有窄帶光譜性質的衍射光學元件。因為這些介質穩定并且較厚(1mm)，所以可以產生反射全息圖，在近紅外區中具有波長的全部＜1nm的基本衍射效率。因此可以使全息圖的帶寬匹配所探討的光譜線的帶寬，因此只有效地衍射所希望的信號。與透射相比，以反射的方式更加容易獲得這種類型的窄帶全息圖。這樣的全息圖不是那種以透射的方式操作的二向色濾光器。另外，這些全息圖獨立地操作。串聯的兩個通帶濾光器的總濾波函數是各濾波函數的乘積。與此相反，多個全息圖的衍射輸出基本上是來自各全息圖的衍射之和。這種性質使得可以構造復雜的通用路由器，因為每個全息圖的衍射性質可以被認為是基本上獨立于其他全息圖的存在。
通過對適當波長和入射角的干涉寫入射束曝光，能夠寫入這樣的全息圖。一旦曝光，光敏材料的折射率就與局部強度成比例地改變，最大值和最小值對應于入射寫入射束的相長和相消干涉。最優設計的材料能夠對基本折射率改變做出反應，并且能夠在同樣的體積中寫入大量的獨立全息圖。多個這樣的全息圖能夠用于構造波長路由器，并根據前述線性操作偏轉波長。
一般能夠設計每個全息圖，以沿所希望的方向在預定帶寬之內轉向光的固定部分。能夠寫入非常高的衍射效率的全息圖以轉向＞95％的光，如果在特定的目的地處希望基本上全部的特定波長的話。可選擇地，可以寫入若干較低衍射效率的全息圖，設計每個所述全息圖以轉向基本上同樣的波長，但是其中以不同的角度布置每個全息圖，以便把任何波長處的能量中的一些轉向到若干目的地。
盡管所說明的路由選擇模式是通用的，但是當從待測量的分析物發射的光譜能量的大部分被集中到單個檢測器上時，它尤其有利。這通過將P個不同散射波長的優勢部分轉向到單個檢測器上來實現。從而能夠獲得對于希望分析物測量的信噪比的巨大改進。創建對于若干物質具有非常靈敏的檢測性質的分光計，能夠類似地處理多種分析物。
能夠在給定介質中寫入的高衍射效率全息圖的數目具有如下比例關系NH∝n1T (4)其中，NH是全息圖的數目，n1是由曝光誘發的折射率的最大改變，而T則是介質的厚度。
對于反射全息圖，為了具有＞96％的衍射效率，參數必須滿足下面的不等式Vr≡πn1T/λacosΨo≥3π/4 (5)
其中，λa是入射輻射的波長，而Ψo則是輻射關于全息條紋的入射角的余角(π/2-θ0)，其中θ0是入射角。對于小的Ψo、λa＝0.9μm以及n1＝0.02，公式5得到T＞34μm。因此，如果折射率差在0.02左右，則寫入的每個高衍射效率全息圖需要大約34μm的光敏材料。
另外，同樣有必要考慮全息圖的光譜性質。優選地，在足以衍射大致全部能量的希望偏轉的輻射的范圍內，全息圖具有滿意的衍射效率。在將源波長發路由它們的適當目的地的情況下，全息圖僅需要在比源輻射的光譜寬度大的頻帶之上具有高衍射效率。然而，在散射波長的情況下，全息圖應當衍射最少的不與待檢測的光譜線相關的輻射。因此，希望使全息圖具有高衍射頻率的頻帶近似匹配光譜線的寬度。光譜線具有能夠顯著變化的寬度，并且拉曼光譜線能夠具有小至0.5nm的光譜寬度。
下面的關系支配著預期的光譜寬度ξr=-Δλλa(2πnoλa)Tsinθo=3.9---(6)]]>其中，no是介質的平均折射率，并且其中指定的條件對應于第一零反射率的波長的位置，而ξr＝3.9則對應于恰好滿足不等式(5)的全息圖。對于較低衍射效率的反射全息圖，那些僅具有43％的衍射效率的反射全息圖，(6)的右手側的數字較小但仍然＞3。使用式(6)顯示，對于具有0.5nm半寬的全息圖，對于no＝1.55以及入射角接近90°，T＝650μm。
上述內容提示，用于全息圖的優選介質應當是厚度不少于100μm并且優選地接近1000μm的光敏材料系統。通過不少于0.005并且優選地為0.02的曝光，應當可以產生介質折射率的變化。如果獲得了優選參數，那么就可以實現關于衍射效率和光譜寬度所述的目標。進一步可以在給定體積中寫入高達大約30個這樣的全息圖。
有時希望產生具有較寬帶寬的全息圖，同時維持能夠存儲多個高衍射效率全息圖的厚介質。可以使全息圖的周期或背景折射率沿著垂直于條紋的方向改變。然而，通過這樣做，不等式(5)不再足以保證高衍射效率，并且優選地對于每個全息圖用較大的n1設計。這樣，在用完介質總的可用折射率差之前能夠寫入的全息圖的總數減少了。然而，通過模擬能夠表明，在1000μm厚的介質中，可以寫入具有2nm帶寬和0.003折射率差的大于95％衍射效率的全息圖。因此，在具有0.02的總折射率差范圍的介質中，能夠寫入大約6個這樣的全息圖。在這個例子中，背景折射率從全息圖的前面到后面線性改變總共0.003。前述例子中說明的各種類型的全息圖足以產生波長路由器110的基本功能。
在這個實施例中，路由器由執行一定功能的全息構件組成。一個基本功能是通過角度衍射光，并且在圖3a中示出了必要的全息圖。折射率由圖3a中線的頻率表示。通常，全息圖的折射率變化在用于執行寫入的射束具有相長干涉的地方最大(折射率用曝光負面改變的介質同樣可以并且等效工作)。圖3b示出了在同樣的體積中以一個角度布置的兩個全息圖。如果兩個波長的平面波以適當的角度在這個裝置上入射，則平面波會以相同的角度顯現。這個裝置是波長多路復用器，并且能夠用于結合多個波長的射束。在相反的方向上它是波長多路分離器。
同樣可以將單個波長的不同部分轉向到不同的方向上，該功能性被描述為分光器。在圖4中示出了該概念。使用前述說明的類型的全息圖的組合，可以構造波長路由器，其能夠將任意分式線性組合的波長轉向到希望的目的地。
圖5是優選實施例的圖，可認為是由以下組件組成1.源組件，其在這個例子中由4個不同波長的源和準直透鏡組成。
2.全息光學元件(HOE)，其由多個反射全息圖組成，并且執行波長路由選擇功能。
3.樣本以及相關的射束遞送與收集光學裝置。
4.參比池以及相關的射束遞送與收集光學裝置。
源組件用標稱準直的光照射HOE。來自源中每個不同波長的射束以不同的角度從透鏡顯現。HOE中的適當全息圖在大致相同的方向上反射每個不同射束的部分。因此，當它們穿過聚焦透鏡時，所有射束將集中在相同的光點。HOE同樣執行下述功能分離每個射束的固定部分，并且將其轉向到參比池或樣本。具有共同目的地的所有射束從HOE平行顯現。
一旦在樣本中聚集，對于樣本體積中存在的每種物質，入射輻射將在基本上不同于入射輻射波長的一個或多個波長處產生散射。散射波長由透鏡收集并被引導返回到HOE。HOE現在將每個散射波長的適當部分路由到希望的(一個或多個)檢測器。對于從參比池顯現的散射波長發生類似的過程。
在圖6a和6b中示出了圖5中HOE功能的例子。在這個例子中使用了4個源，其在圖6a的左手側被標記為λ1-λ4。λ1和λ2的兩個源用于生成來自分析物的4個光譜線(圖6a的右手側顯示的4個光譜線)的拉曼信號。因此對于該散射光存在總共8個差頻信號。圖6b顯示了HOE的光譜響應。圖6b左手側的8個光譜曲線中的每一個代表集中在一個差頻處的反射全息圖。這樣一來，8個差頻信號就由HOE轉向到檢測器。剩下的λ3和λ4的兩個源用于測量用作校準的水的光譜線，如下面將更加詳細說明的那樣。在和樣本/參比池交互作用之后，這兩個源都被移動到相同的波數。單個全息圖(圖6b中的右手側光譜曲線)將兩個信號都轉向到檢測器。
校準是被設計用來進行分析物濃度定量測量的任何裝置的重要特征。在圖5的例子中，分析物假定溶解在溶劑中。許多其他物質也可能溶解在相同的溶劑體積中。然而，期望分析物的量與收集光的溶劑體積成比例。如果樣本體積中的所有水具有相同的分析物濃度，那么來自分析物的散射信號應當和來自溶劑的散射信號成比例。來自溶劑的適當光譜線的信號大小和來自分析物的適當光譜線的信號大小的比率，應當是分析物濃度的量度。通過分別測量溶劑，并取前述比率，測量結果將變得對樣本體積中可能由于機械運動或有機體的生理變化而引起的變化不敏感。
參比池優選地包含最少量的和樣本之內的溶解分析物的溶劑等同的溶劑。因為可以認為參比池的幾何形狀是嚴格固定并且穩定的，所以來自參比池的信號應當在重復的測量之間是恒定的。任何變化都會被歸因于光電元件的漂移，并且因此會被檢測到并從測量結果中提取。
設備內部固定標準規定提供自校準特征。在優選實施例中，溶劑以精確預定濃度包含一種或多種溶解的分析物。如同溶劑一樣，關于這些分析物的信號只能由于元件漂移而變化。通過進行參比池的測量，可以在數學上提取漂移，這樣一來參比池測量就允許設備的總體校準。
在適用于人體組織中分析物的非侵入性測量的優選實施例中，根據體液的鹽度引入另外的校準。人體血液中氯化鈉的濃度保持在集中于0.142摩爾/升左右的非常窄的范圍(近似6％)。實際濃度因而能夠被假定為0.142摩爾/升。按與鹽濃度成比例的數量，鹽度移動水的O-H拉伸光譜線的絕對波長。在論文“Raman Spectroscopic Study ofSodium Chloride Water Solutions”，by K.Furic et al.，in the Journal ofMolecular Structure，Volume 550-551，p.225-234(2000)中說明了這種相關性。作者描述了一種過程，由此在數學上從純水的光譜中減去包含鹽的水的光譜，以便計算由鹽的存在而引起的光譜移動。該光譜在兩個波長的較小者處測量。
圖6c示出了水的光譜(虛線)和包含氯化鈉的溶液的光譜(實線)。圖6d顯示了這兩個光譜之間的差信號。差信號在大約3140cm-1處達到其最大正振幅，并且在大約3506cm-1處達到其最大負振幅。用620標記這兩個波長處的差信號之間的差。它是由鹽度引起的波長移動的良好量度，并且能夠用于計算血液中鈉離子的濃度。
在優選實施例中，參比池包含一些無鹽水，并且在兩個波數3140和3506cm-1處采樣光譜。這些值具有標稱比率，并且在數學上依比例決定實際讀數以保持這個標稱值。然后將比例因數應用于利用樣本而不是參比池而進行的等同測量結果。這些測量結果用于估計樣本中的鹽度。
現在說明這種數學方法。假設R1是在參比池中的波數3140cm-1處測量的信號，并且R2是在參比池中的波數3506cm-1處測量的信號。一旦選擇了波長，比率R1/R2就是水的固定性質。然而，某種變化可能由于測量中使用的光學裝置或兩個檢測器的差異而發生。計算值A，使得R2’＝AR1，并且比率AR1/R2’＝1。
將同樣的測量應用于樣本，其具有由其鹽度引起的圖6c的移動曲線。如果S1和S2分別是在來自樣本的兩個波數3140和3506cm-1處獲得的信號，那么就將相同的因數A應用于信號S2。進而，用于參比池和樣本的信號之和優選地依比例決定如下R1+AR2＝C(S1+AS2)(7)其中C是計算滿足公式7的數學常數。公式7的數學功能被稱作標準化。
差信號為D1＝R1-CS1(8a)并且D2＝AR2-CAS2(8b)其中現在量(D1-D2)/R1與樣本的鹽度成比例。通過用設備測量標準的鹽溶液，能夠獲得比例常數。由于現在信號幅度已絕對相關于已知的濃度，所以上述算法對于所有其他分析物測量都能夠得到另外的校準。
希望用于校準的光盡可能多地穿過來自樣本的光的相同光路，并且優選地由相同的檢測器檢測。在優選實施例中，路由器將水光譜線轉向到單個檢測器，其也是用于測量所有希望的分析物光譜線中所有功率之和的檢測器。參考圖5、6a和6b，用于水的測量的過程如下1.打開快門1并關閉快門2，以便僅照射參比池。
2.接通源λ3以照射參比池。散射光由相應的全息圖(亦即被設計用于特定一個波長或多個波長的全息圖)轉向，并在單個檢測器中測量。
3.關閉源λ3然后接通源λ4。選擇這個源波長以滿足以下關系1/λ3-1/λ4＝ΔKw(9)其中ΔKw是兩個測量波長之間的波數差，并且優選地接近366cm-1。隨著斯托克斯拉曼散射在生成源和分子的特征振動頻率之間的差頻的基礎上工作，服從公式9的兩個源將生成散射信號，所述散射信號在相同的波長處出現，但是已在期望的拉曼光譜線中采樣了兩個截然不同的波數。換言之，源λ3與波數3140cm-1之間的差成分將位于和源λ4與波數3506cm-1之間的差成分相同的波長處。如步驟2中那樣的相同全息圖會因此把所期望的光轉向相同的檢測器。
4.關閉快門1并打開快門2，以便測量樣本。
5.按照與在參比池測量中相同的方式排序源λ3和λ4，以便進行樣本測量。
6.參比池和樣本的λ3和λ4測量的結果用于校準樣本的鹽度，如上所述。
為了測量分析物，同時啟動源λ1和λ2。在優選實施例中，分析物同樣存在于參比池中，并且能夠通過打開快門1并關閉快門2來單獨測量。在這個實施例中，路由器將每個散射波長偏轉到相同的檢測器。因此，每個波長處的功率被相加。通過打開快門2并關閉快門1，對于樣本能夠執行同樣的測量。使用多個源的一個優點在于獲得來自相對廉價激光的更大的源功率。注意這個系統允許把非常大量的散射波長全部偏轉到單個檢測器。信號成比例地增加。檢測器暗電流的方差獨立于信號。因此，關于暗電流噪聲的S/N比與信號成比例地增加。
因為參比池中分析物的濃度是已知的，所以來自參比池的信號對于來自樣本的信號而言是良好的校準。在將要測量多于一種分析物的情況下，優選實施例包括對每種分析物添加另外的檢測器，并且將每種分析物添加到參比池中的溶液。
源、樣本、參比池以及檢測器關于HOE存在于光學系統的相同一側會產生擁擠現象。這可以通過(參考圖5沿著x方向)將一個或多個組件移出圖平面來稍微改進。不過當緊湊度嚴重時，擁擠問題依然能夠出現。
該問題起因于作為入射角函數的全息圖受光角的依賴性。對于反射全息圖，由以下公式給出從對衍射效率將變為零的標稱的角偏差δδ=Δλλatanθ---(10)]]>其中Δλ是從導致衍射效率變為零的標稱的波長偏差。注意這種計算出現于布拉格條件的一階展開，并且當θ接近90°時，因首項消失，所以優選地將展開執行到第二階。如果全息圖將具有窄波長頻帶，其對于來自分析物的窄光譜線是最優的，則它也將具有窄的視場，除非入射角比較接近π/2弧度。入射和衍射光之間的角度轉向剛好是2(π/2-θ)，當θ變大時它變小。
對于在焦距為f的透鏡上入射的準直光，發射光的光點和散射光集中的光點之間的平移偏差是2f(π/2-θ)，它也變小。因此，源和檢測器會擁擠在一起，除非焦距很大。然而，光學系統優選地收集盡可能多的從樣本發出的光的部分。另外，不希望放大樣本中的光點尺寸，因為這會需要更大的檢測器，并將具有更高的暗電流。這樣，光學裝置的尺寸按焦距的比例決定。因此，在圖5的設計中，擁擠現象的減輕通常要導致更大的光學裝置。
在圖7中示出了對于緊湊裝置的擁擠問題的解決方案。這里引入了第二HOE。第二HOE執行由HOE1引起的反射在其上入射的大致全部的輻射的反射功能。相對于HOE1以某一角度布置HOE2。因此，從HOE2朝向HOE1傳播返回的光在HOE1中全息圖的視場之外，并且不被HOE1二次衍射。這樣的布置是可能的，因為全息圖的視場δ能夠比用于轉向光的角度小得多，并且因此光不會被二次衍射。
這樣，源能夠處于系統中樣本和參比池的相對側。長波濾光器(LWP)用于在將散射光向檢測器傳遞的同時反射源光。這種布置適合于斯托克斯拉曼散射。對于反斯托克斯拉曼散射，應當選擇短波濾光器。除了進一步減輕擁擠之外，濾光器還幫助偏轉源光，否則源光可能被光學裝置或光路中其他折射率不連續而被散射掉，不能到達檢測器。
為了優選地照射樣本或參比池，使用了可移動的具有反射棱鏡的雙孔徑。當希望照射樣本時，在Y方向上(坐標軸定義見圖7)安置裝置，以便來自源的聚焦光和來自散射的聚焦光穿過兩個孔徑中的較低者。為了照射參比池，在Y上平移具有轉向棱鏡的雙孔徑，以便光穿過上面的孔徑。圖7示出了這個位置上的孔徑。呈現了在樣本的方向上穿過孔徑的射線以示出光穿過下面的孔徑時的源和散射光的路徑。棱鏡通過近似90°來偏轉源和散射光，使得參比池可遠離樣本布置。
在圖7中，對于照射和散射信號呈現了邊緣和中心射線。為了清楚起見，角度已被夸大。位于稍微不同的Y位置的射線已被設置在適當位置，以便在圖中可見，并且實際上能夠重疊。存在于兩個HOE之間的一些射線已被取消，以免產生HOE之間的射線的過于混亂的場面。
圖7示出了將來自參比池和樣本的散射光返回到單個檢測器的情況，但這不是設計所必要的。可以在單個介質中組合HOE1和HOE2的功能。為了清楚表達起見，這里把這兩個功能分開了。
權利要求
1.一種用于測量樣本內的分析物光譜的設備，其包括a.一個或多個光輻射源，每個源具有與所有其他源截然不同的波長；b.無源波長路由器，其能夠把用于每個源波長的功率的分式線性組合轉向到一個或多個目的地；c.收集光學裝置，用于來自包含分析物的樣本的散射光譜，所述散射光譜由與該源的波長截然不同的波長的光譜線組成；d.無源波長路由器，其能夠把每個光譜線中的功率的分式線性組合從每種分析物引導到單個檢測器或多個檢測器；以及e.一個或多個光學檢測器，其接收散射的光譜線。
2.如權利要求1所述的設備，其中，借助于包含至少兩個全息圖的全息光學元件完成源波長的波長路由選擇。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述全息圖是反射全息圖。
4.如權利要求1所述的設備，其中，借助于包含至少兩個全息圖的全息光學元件完成該散射光譜線的波長路由選擇。
5.如權利要求4所述的設備，其中，所述全息圖是反射全息圖。
6.如權利要求1所述的設備，其中，從單個分析物發出的光譜線中的至少兩個被路由到1個檢測器。
7.如權利要求1所述的設備，其中，來自多種分析物的光譜線中的至少兩個被路由到多個檢測器，每個檢測器在任何時刻僅接收來自單個分析物的光譜線。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述分析物之一是葡萄糖。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述樣本包括人體組織。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述樣本包括人體血液。
11.一種用于進行樣本內分析物濃度的校準測量的設備，其包括a.一個或多個光輻射源，每個源具有與所有其他源截然不同的波長；b.光學系統，其設置把所述輻射從所述源中的至少一個向所述樣本傳送的裝置，以及收集來自所述樣本內分析物的散射信號的至少一個光譜線的裝置；c.至少一個檢測器，其檢測所述來自分析物的散射信號；以及d.至少一個檢測器，其不必不同于用于檢測所述來自分析物的散射光的所述一個或多個檢測器，并且收集來自所述樣本內的溶解了所述分析物的溶劑的至少一個光譜線的散射光，這樣所述光譜線的振幅被用作在計算所述樣本中分析物濃度時的校準因數。
12.如權利要求11所述的設備，其中，所述溶劑是水。
13.如權利要求12所述的設備，其中，所述樣本包括生物材料。
14.如權利要求13所述的設備，其中，所述生物材料是人體組織。
15.如權利要求14所述的設備，其中，所述人體組織是血液。
16.如權利要求14所述的設備，其中，所述人體組織是組織液。
17.如權利要求12所述的設備，其中，通過水的光譜線中的至少一個的移動來確定水的鹽度，并且所述樣本由生物材料組成，其中，鹽度的正常范圍不大于25％，以便可以假定存在標稱值，然后所述鹽度測量構成用于一個或多個分析物濃度的另外的校準參數。
18.如權利要求14所述的設備，其中，所述分析物中的至少一個是葡萄糖。
19.如權利要求15所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
20.如權利要求16所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
21.如權利要求17所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
22.一種用于進行樣本內分析物濃度的校準測量的設備，其包括a.一個或多個光輻射源，每個源具有與所有其他源截然不同的波長；b.參比池，其包含一些溶劑，所述溶劑等同于在所述樣本內溶解所述分析物的溶劑；c.光學系統，其能夠將所述源輻射的某些部分轉向到所述參比池；以及d.一個或多個光學檢測器，其接收來自所述參比池的散射光譜線，以及一種測量方法，其中，對于所述參比池和對于所述樣本，分開來測量所述溶劑的光譜線，并且，其中處理裝置執行所述兩個信號的比較，并且產生用于來自所述樣本的信號的比例因數，該因數是所述信號和所述樣本中溶劑實際數量之間的比例常數，并且，其中，在計算中使用所述樣本中溶劑數量的計算值，以便按比例決定來自所述分析物的光譜線的信號，從而確定所述分析物信號和所述分析物濃度之間的比例常數。
23.如權利要求22所述的設備，其中，待測量的所述分析物還另外存在于所述參比池的溶劑中，以及一種測量方法，其中從所述參比池出現的由所述分析物的光譜線引起的信號，與來自所述樣本中分析物的光譜線的信號分開來測量，并且，其中由所述參比池中分析物引起的信號的量值，用作從所述樣本出現的信號的比例因數。
24.如權利要求22所述的設備，其中，所述溶劑是水。
25.如權利要求22所述的設備，其中，所述樣本包含生物材料。
26.如權利要求22所述的設備，其中，所述樣本包含人體組織。
27.如權利要求26所述的設備，其中，所述樣本包含人體血液。
28.如權利要求22所述的設備，其中，所述樣本包含人體組織液。
29.如權利要求22所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
30.如權利要求22所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
31.如權利要求23所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
32.如權利要求26所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
33.如權利要求27所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
34.如權利要求28所述的設備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
35.如權利要求22所述的設備，其中，由水的拉曼光譜線從不存在鹽時的標稱值的移動來確定所述樣本中水的鹽度，并且，其中通過所述參比池中和所述樣本中水的拉曼光譜線的位置之間的比較來確定所述移動，以及其中通過在至少2個波長處采樣所述光譜線來確定所述移動，所述采樣波長既用于所述參比池，又用于所述樣本，并且在至少兩個波長處計算來自所述參比池和來自所述樣本的光譜的振幅之間的標準化的差，并且其中所述差用于確定由鹽的存在而引起的光譜線的光譜移動。
36.如權利要求35所述的設備，其中，假定人體血液中鹽的已知標稱濃度存在于所述樣本中，并且計算比例常數，所述比例常數把鹽濃度聯系到作為權利要求39中操作的結果而獲得的差信號，并且所述比例常數用作一個因數，但不必是唯一的因數，以便按比例確定來自一種或多種分析物的信號，從而確定它們的濃度。
37.如權利要求11所述的設備，其中，所述源中的一個在一定波長上操作，以便使用路由器中的所述等同的全息圖或多個全息圖，把來自所述樣本或來自所述參比池或來自兩者的溶劑的光譜線引導到用于測量分析物至少一個光譜線的相同檢測器，其中所述路由器用于將所述分析物的該特定光譜線轉向所述檢測器。
38.如權利要求1所述的設備，其中，所述波長路由器包含至少兩個反射全息圖，該兩個都衍射波長頻帶之內的部分光，以便不會在按超過90度的不同于入射光的方向上，所述頻帶內光的一些或全部從所述一對全息圖出現。
39.如權利要求22所述的設備，其中，具有至少2個孔徑的可移動不透明物或高反射的材料被放置在所有以下焦點附近a.被引導朝向所述樣本的源射束的焦點；b.從所述樣本出現的散射輻射的焦點；c.被引導朝向所述參比池的源射束的焦點；以及d.從所述參比池出現的散射輻射的焦點，并且其中如a.和b.中那樣的焦點大致在相同的位置，并且如c.和d.中那樣的焦點大致在相同的位置，并且其中能夠以這樣的方式平移所述孔徑通過一個孔徑傳送a.和b.的焦點，或者能夠以這樣的方式平移所述孔徑通過第二個孔徑傳送c.和d.的焦點。
40.如權利要求39所述的設備，其中，棱鏡用于偏轉來自該至少兩個孔徑中一個的光經過至少10°的角。
全文摘要
多個波長的從分析物散射的微弱信號能夠被相加以照射單個檢測器或多個檢測器，提供將光譜能量集中在較小的總檢測器面積上的可能性。另外，披露了方法，由此借助于測量樣本體積中的水數量以及借助于測量樣本體積中的液體鹽度，能夠獲得對于給定分析物的作為結果的信號的校準。
文檔編號G01J3/44GK1838911SQ200480024147
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月23日 優先權日2003年8月22日
發明者賈恩·利普森 申請人:C8公司