CN102066906A - 高通量光谱成像与光谱装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高通量光谱成像和光谱装置及方法，所述方法通过使用至少一个充分均匀的单色入射辐射源(101，102)和空间分辨阵列检测器(108)获取被测物质的紫外-可见辐射和红外辐射的特性信息。通过在库单元基底(105)上获取平行的光谱成像和光谱来实现高通量分析。该装置和方法包含了用来实现光谱成像和光谱分析的硬件和软件两者。

Description

高通量光谱成像与光谱装置及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求美国申请(申请序列号为12/105,676，申请日为2008年4月18日)的优先权，该优先权申请被完全并入本文。
技术领域
本发明总地涉及用于高通量筛选或获取被测物质的特性信息的装置和方法，所述被测物质已被放在或产生于库单元基底上的已知位置。更具体地，本发明是利用任何物质在固定的波长或频率在固体介质上的特殊漫反射光谱特性。
背景技术
物质能吸收、反射、衍射、折射、散射以及传播入射辐射光，而且还可以通过不同的激发机理被照射以发出荧光和磷光。这些现象与被测量的物质的化学结构、化学组成、表面以及形态紧密相关，并且也与使用的入射辐射光源的类型(例如不同的波长或不同的功率大小)有关。众所周知，辐射是指具有在10-14m和104m之间的波长的电磁波，它涵盖来自γ辐射、x射线光、紫外光、可见光、红外光、微波和无线电波的辐射。漫反射光谱(DRS)是收集和分析固体介质表面上的散射光能的技术。由于当入射光波长在固体颗粒尺寸的量级时，固体的散射是相当可观的，所以该技术被广泛地用于细小颗粒、粉末和粗糙表面的测量。
最近，由于高通量筛选和分析技术的进步加快了具有新型特性和应用的新材料的发现。虽然仍然需要寻找更高效、经济和系统的方法来合成和筛选具有期望的物理和化学特性的新型材料，高通量方法学已经部分解决了能够同时合成和筛选新化合物这一挑战。可以看到，制药工业已经将这种技术应用在为新药发现和药物配制而进行生产和筛选大量的库的过程中。
在用于药物发现和配制的制药工业中，在用于催化剂发现和和工艺开发的化学工业中，以及在用于新型化合物发现及其特性检测的材料工业等行业中，合成和检测技术对于库筛选过程都是非常重要的。
这些过程中主要的挑战是缺少用于讯速筛选和优化的可靠而快速的测试方法学。为了实现这个目标，首先，平行检测模式中的装置设计优于系列检测模式中的装置设计。由于高通量库阵列筛选的性质和许多化学反应的特性，同步和同等的化学环境对于基底上所有的被测物质或者反应产物提供一个合理的比较是很重要的。通过使用平行检测模式，能在一个非常短的时间内筛选数以千计的物质或产物。如此，平行检测模式明显优于系列检测模式。
第二，库筛选应通过测量新型物质或者它们的代表性化合物的独有特性来进行，并且如果额外的标记物质在筛选过程中被添加，它们将不会影响测量的结果。
第三，检测方案或方法必须精确和灵敏，因为库筛选过程常常涉及要被检测的少量物质或产品。
第四，系统中有较少的移动部件的装置是优选的。
第五，装置是可调的，并且具有通过改变入射辐射源或检测器或者两者同时改变来转换到不同测量设计的能力。
最后，装置必须性价比高，并可应用于其他现有的高通量仪器平台。
高通量筛选技术的真正好处在于同时实现大量物质的快速合成和测量。关键问题在于所述技术是否具备同时测量物质和处理大量数据的能力。通常，被测物质的表征及定量分析是很多高通量筛选技术的瓶颈。解决上面提及的挑战的部分方案包括：利用各种光源对被测物质的已知特性；利用光源、信号检测器和软件方面的杠杆技术进步；以及研究每种物质的光谱成像和光谱，同时，强调库筛选过程的独特性。显然，迫切需要寻找解决这些瓶颈的装置或者方法。本发明针对上述挑战部分地提出了解决方案。
Lee等已报道了通过同时测量多个药片的含量均一性来对近红外化学成像(NIR-CI)系统做出评估(Spectroscopy，21(11)，Nov 2006)。美国马里兰州Olney市的Spectral Dimensions，Inc.提供了一种商标为MatrixNIRTM的系统，该系统使用了一台能够同时收集数万个空间不同的近红外光谱的聚焦平面列阵检测器。该仪器使用计算机控制的样品近红外照射系统，并具有在950nm和1750nm之间的光谱范围。检测器前面安置了波长过滤器。题为“高通量红外光谱”的美国专利No.6,483,112要求保护的光谱仪包括一种红外源，这种红外源是普通的红外照射系统而不是单色辐射源。这种仪器的灵敏度通常受它的照射系统的限制。
Yi等(J.Comb.Chem，2006，8，881-889)开发了比色漫反射成像(“CDRI”)高通量分析系统。该系统的工作原理是来自源的光辐射到测试板上包含样品溶液和石英砂的阵列沉孔。入射光在溶液和石英中漫射，并在石英砂的表面上被反射，之后穿过滤光镜以被电荷耦合设备(“CCD”)照相机检测。使用两个8瓦特的白汞荧光灯作为光源。同样，该系统采用非单色辐射源，检测限照样普通。因为滤光器的局限性而很难获得全特征漫反射光谱。
题为“用于不同材料库的快速筛选的光学系统和方法”的美国专利No.6,034,775举例说明了表征材料阵列的相对辐射率、亮度和色度的实施方案。该系统使用辐射源而不是单色入射辐射源作为激发源。在亮度到达CCD检测器之前使用色度滤波器。专利中并未描述该系统的灵敏度，但很可能与前面参考所描述的系统具有相同范围。
商业上可获得的紫外和可见光(紫外-可见)高通量光谱计目前是由Molecular Devices Corp.供应(www.moleculardevice.com)的。这些仪器大部分是自动的，并且以系列分析模式操作。其中一种仪器即SpecttraMax M5/M5e，是双单色器，具有三倍模式管端口和6-384微板读取功能的多重检测微板读数器。检测模式包括紫外可见吸收、荧光强度、荧光偏振、时间分辨荧光及发光(luminescence)。这种仪器一个接着一个地测量样品，并包括移动部件。由于它是系列模式检测系统，与高通量分析的平行模式检测相比具有明显的缺点。
本发明使用至少一个充分均匀的单色辐射源，所述单色辐射源包括提供库单元基底充分均匀照射的多个辐射源，并且在库单元基底和空间分辨检测器之间的区域中的辐射路径中不存在波长过滤单元。这些测量与上面提到的相关现有技术相比已显示出许多的优点。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明的高通量光谱成像和光谱装置包括：至少一个充分均匀的单色入射辐射源；包括限定多个空腔的多个沉孔的库单元基底；被排列为将辐射源引导到库单元基底上的一个或更多个光学元件；与库单元基底可操作地接合的移动台；以及响应于辐射源的空间分辨检测器。
根据本发明的另一个方面，在库单元和空间分辨检测器之间的区域中的辐射路径中不存在波长过滤单元。
根据本发明的另一个方面，辐射源包括提供库单元基底充分均匀照射的多个辐射源。
根据本发明的另一个方面，所述装置包括盛放入射辐射源的成像箱、数据采集系统和数据简化系统。
根据本发明的另一个方面，由单色辐射源提供的单色辐射选自由紫外、紫外-可见和红外辐射组成的组，并且辐射源提供具有在约200nm和约800nm之间，以及在约800nm和约40,000nm之间的波长的辐射。
根据本发明的另一个方面，单色入射辐射源包括一个或更多个灯、一个或更多个单色器、一个或更多个透镜以及一个或更多个反光镜。
根据本发明的另一个方面，单色入射辐射源相对于成像箱远离地放置，并且被排列为将辐射源引导到库单元基底上的元件包括光缆和光纤准直器。
根据本发明的另一个方面，单色入射辐射源包括一个或更多个灯、一个或更多个单色器、两个或更多个光缆以及两个或更多个光纤准直器。
根据本发明的另一个方面，库单元基底是漫反射库单元，其中多个沉孔的一个或更多个包含漫反射辐射源的物质，并且所述物质是选自由粉末和细小颗粒组成的组的固相物质。
根据本发明的另一个方面，所述物质为液相物质与漫反射固体介质颗粒的混合物，并且所述漫反射固体介质颗粒基本上不吸收来自辐射源的辐射。所述漫反射固体介质颗粒选自硅石和SPECTRALON
Figure BPA00001277231200041
材料。
根据本发明的另一个方面，多个沉孔以圆形、三角形、矩形或正方形的方式排列在库单元上，并且所述多个沉孔适合于在其中进行期望的化学反应。所述化学反应是湿化学反应或干化学反应。
根据本发明的另一个方面，所述高通量光谱装置包括用于将反应物转移到库单元中的所述多个沉孔的一个或更多个的设备，并且所述用于转移反应物的设备包括机械系统或管道系统。
根据本发明的另一个方面，库单元基底没有阵列沉孔。
根据本发明的另一个方面，所述装置中的移动台可以沿X轴、Y轴、Z轴或相对于所述装置的垂直轴成θ角的至少一个方向移动，并且还包括用于将移动台移动到期望位置的计算机操作的控制器。
根据本发明的另一个方面，所述装置中的空间分辨检测器选自由紫外-可见光检测器和红外光敏感的CCD照相机、红外光敏感的光电二极管阵列检测器及其组合组成的组。
根据本发明的另一个方面，进行所述高通量光谱成像和光谱的方法包括：提供充分均匀的单色辐射的源；提供包括限定多个空腔的多个沉孔的库单元基底，所述空腔具有在其中的一种或更多种物质，所述物质包含在其中的一种或更多种漫反射固体介质颗粒，其中所述漫反射固体介质颗粒基本上不吸收由所述源提供的辐射；将库单元基底移动到移动台；引导所述辐射到库单元基底上；以及经由空间分辨检测器检测与所述辐射的反射部分相关联的一个或更多个信号。
根据本发明的另一个方面，所述方法不包括在库单元基底和空间分辨检测器之间的一个或更多个点过滤所述辐射的反射部分。
根据本发明的另一个方面，所述方法中的被测物质为液相或固相的，并且所述固相物质为金属或非金属的氧化物、金属或非金属的卤化物、金属或非金属的卤氧化物或其混合物。
根据本发明的另一个方面，所述方法还包括将漫反射固体介质颗粒与液相或固相物质混合。
根据本发明的另一个方面，所述方法还包括用手动过程或自动吸液管系统或多个导管将物质转移到多个沉孔。
根据本发明的另一个方面，所述方法具有如下特点：空间分辨检测器是安装在成像箱顶部的CCD照相机或光电二极管阵列，并捕捉从库单元基底反射的辐射的部分；以及由检测器获取的数据通过数据处理程序处理，所述数据处理程序被配置来以图形格式报告包括反射强度、波长或波数或标准曲线的信息。
附图说明
图1图示本发明用于进行漫反射光谱成像和光谱的装置的实施方案。
图2图示本发明用于进行漫反射光谱成像和光谱的装置的另一实施方案。
图3图示本发明用于进行漫反射光谱成像和光谱的装置的另一实施方案。
图4a图示本发明用于进行漫反射光谱成像和光谱的装置的另一实施方案。
图4b为光纤准直器盘的俯瞰视图。
图5图示本发明用于进行漫反射光谱成像和光谱的装置的另一实施方案。
图6图示本发明库单元基底的实施方案。
图7为图示固体颗粒的漫反射的简图。
图8a为典型的被测物质的漫反射光谱成像。
图8b为典型的被测物质的全漫反射光谱。
图9为不同V2O5浓度的V2O5/MgF2光催化剂的全可见光区特征漫反射光谱。
图10a为KMnO4的全可见光区特征漫反射光谱。
图10b为硅石的全可见光区漫反射光谱。
图11a为从被测物质反射的辐射强度作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。
图11b为被测物质的吸光度作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。
图11c为从被测物质反射的辐射强度比作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。
图11d为Kubelka-Munk单位对KMnO4浓度的标准曲线。
图12为Kubelka-Munk单位对KMnO4浓度的扩展标准曲线。
具体实施方式
以下描述通过实例而非限制的方式阐明了本发明的实施方案。由此，以下描述的实施方案代表本发明的优选的实施方案。
以下术语意图具有如本文使用的以下一般含义：
单色入射辐射源：单色入射辐射源是由单色器或单色灯产生的单色光，作为用于辐射库单元基底上的被测物质的入射辐射源。在本发明的一个实施方案中，所述源可以包括灯、单色器、透镜、反光镜、光缆和光纤准直器等。
单色器：单色器是传播可机械选择的窄波段的光或辐射的光学设备，所述光或辐射来自光源或灯源。
入射辐射源：本发明中的入射辐射源意指电磁波长在200nm和40,000nm之间或者波数在50,000和250cm-1之间的光，所述光覆盖了紫外-可见光和中红外范围的光辐射之间的光谱。
库单元基底：库单元基底是承载被测物质(如粉末、颗粒、碎片、薄片、片状等)的载板，具有M行N列的阵列沉孔，其中M和N为整数。
阵列沉孔：阵列沉孔为库单元基底上为方便被测物质漫反射的具有M行N列的阵列。阵列沉孔可以为具有M行N列的圆形、三角形、方形或任何其他几何形状，其中M和N为整数。
被测物质：被测物质为待测试的样品或化学品，所述样品或化学品被转移到库单元基底上已知或确定的位置，或者在该位置发生化学反应。
根据本发明的另一个方面，本发明的高通量光谱装置包括：
a.至少一个充分均匀的单色入射辐射源；
b.库单元基底，所述库单元基底包括限定多个空腔的多个沉孔；
c.被排列为将辐射源引导到库单元基底上的一个或更多个光学元件；
d.与库单元基底可操作地接合的移动台；以及
e.响应于辐射源的空间分辨检测器。
根据本发明的另一个方面，充分均匀的单色入射辐射源通过组合灯、单色器和反光镜来获得。辐射源的充分均匀性通过如下详细的实验设计和解释来确定：
a.使用型号为71LT75/250的钨灯(波长范围为300～2,500nm，北京七星设备有限公司)，并且管电流为11.10A；
b.使用型号为7ISW30的单色器(焦距300nm，色散2.7nm/mm，光栅1200g/mm，北京七星设备有限公司)，并且入口狭缝宽度和出口狭缝宽度分别为1mm和3mm。单色器波长为580nm；
c.安置尺寸为100mm x 100mm的光学反光镜用于产生均匀的单色入射辐射源；
d.形成尺寸为80mm x 80mm的方形光斑；
e.辐射器被定位，并在方形光斑上移动，以获得表I中的在16个点的16个读数(辐射器：FGH-I型光子测量器，北京师范大学光电子仪器厂)，并且读数单位为μW/cm2；以及
f.由于精确度可以提供分析的随机性、模糊性或误差的测量。上述16个读数或测量值的相对标准偏差(RSD)经计算为2.61％。因此相对标准偏差(RSD)揭示了本实验设计中单色入射辐射源充分均匀的程度。
表I
  0.018   0.019   0.018   0.019
  0.018   0.018   0.019   0.018
  0.018   0.018   0.018   0.019
  0.018   0.019   0.018   0.018
根据本发明的另一个方面，充分均匀的单色入射辐射源通过组合灯、单色器、透镜和反光镜来获得。辐射源的充分的均匀性通过如下详细的实验设计和解释来确定：
a.使用型号为71LT75/250的钨灯(波长范围为300～2,500nm，北京七星设备有限公司)，并且管电流为11.10A；
b.使用型号为7ISW30的单色器(焦距300nm，色散2.7nm/mm，光栅1200g/mm，北京七星设备有限公司)，并且入口狭缝宽度和出口狭缝宽度分别为1mm和3mm。单色器波长为580nm；
c.直径为75mm的光学透镜(凸透镜：焦距为150mm)被安置于单色器的出口狭缝和反光镜之间；
d.安置尺寸为100mm x 100mm的光学反光镜用于产生均匀的单色入射辐射源；
e.形成尺寸为30mm x 50mm的矩形光斑；
f.辐射器被定位，并在方形光斑上移动，以获得表II中的在16个点的16个读数(辐射器：FGH-I型光子测量器，北京师范大学光电子仪器厂)，并且读数单位为μW/cm2；以及
g.由于精确度可以提供分析的随机性、模糊性或误差的测量。上述16个读数或测量值的相对标准偏差(RSD)经计算为0.87％。因此，相对标准偏差(RSD)揭示了本实验设计中单色入射辐射源充分均匀的程度。
表II
  0.051   0.051   0.052   0.051
  0.051   0.051   0.051   0.052
  0.052   0.051   0.051   0.051
  0.051   0.052   0.051   0.051
根据本发明的另一方面，高通量漫反射成像和光谱装置中的充分均匀的单色入射辐射源具有在库单元基底上产生充分均匀的光源的至少一个辐射源。在图1中图示的一个实施方案中，灯101、单色器102、透镜103和反光镜104被用于在库单元基底105上产生均匀的光源，物质在库单元基底上被检测和测量。库单元基底被固定或安置在由计算机107控制的移动台106顶上。如果库单元基底面积太大时，平台能够实现快速、定域分析。漫反射光谱成像和光谱通过空间分辨检测器例如CCD照相机108来获得，该检测器也由计算机107控制。成像和数据也能通过计算机107获取、处理并简化。所有101、102、103、104、105、106和108都被安置于成像箱109中。根据本发明的另一方面，装置中充分均匀的单色入射辐射源由包括灯、单色器和反光镜的光学元件来产生，所述光学元件如图1所图示的排齐，但是没有透镜。本设计中光源的均匀性在上面具有8x 8阵列沉孔的10cmx 10cm的库基底单元上测量。本实验中漫反射固体介质颗粒为硅石。表III为从每个沉孔测量的反射强度。平均值计算为929,638，表IV给出了每个沉孔的相对误差。本实验设计的最大相对误差为2.48％。
表III
  917605   918246   921147   926844   930223   935382   946876   952656
  921151   921041   923384   926828   932846   936115   945531   946347
  924563   924938   929457   930225   933739   932658   938476   941904
  928003   929690   933403   932776   930181   927977   932528   941046
  925510   929505   932272   928833   925443   923964   931143   937836
  925212   926962   929657   924771   922808   926943   930356   935818
  924209   924086   928298   926338   925286   929973   931412   934052
  918002   920908   922160   926245   924715   929346   930164   930807
表Ⅳ
  -1.29％   -1.23％   -0.91％   -0.30％   0.06％   0.62％   1.85％   2.48％
  -0.91％   -0.92％   -0.67％   -0.30％   0.35％   0.70％   1.71％   1.80％
  -0.55％   -0.51％   -0.02％   0.06％   0.44％   0.32％   0.95％   1.32％
  -0.18％   0.01％   0.41％   0.34％   0.06％   -0.18％   0.31％   1.23％
  -0.44％   -0.01％   0.28％   -0.09％   -0.45％   -0.61％   0.16％   0.88％
  -0.48％   -0.29％   0.00％   -0.52％   -0.73％   -0.29％   0.08％   0.66％
  -0.58％   -0.60％   -0.14％   -0.35％   -0.47％   0.04％   0.19％   0.47％
  -1.25％   -0.94％   -0.80％   -0.36％   -0.53％   -0.03％   0.06％   0.13％
图1中图示的另一实施方案中，本装置的充分均匀的单色入射辐射源由包括灯、单色器、透镜和反光镜的光学元件产生，所述光学元件如图1所图示的排列。本设计中光源的均匀性同样如上述测量。表V为从每个沉孔测量的反射强度。平均值计算为1,168,569，表VI给出了每个沉孔的相对误差。本实验设计的最大相对误差为3.91％。
表V
  1143410   1147771   1157630   1164358   1168006   1180477   1200751   1214211
  1148453   1150851   1158809   1165732   1169665   1181006   1198330   1209836
  1152092   1152578   1161206   1169327   1171894   1178003   1194751   1206081
  1154817   1155548   1162904   1169716   1168728   1173469   1192553   1204578
  1153512   1156022   1162765   1167871   1163179   1170506   1187782   1201038
  1151768   1153724   1159709   1161379   1160089   1168907   1182069   1197626
  1149426   1147919   1150666   1156744   1159642   1166888   1177803   1195324
  1146459   1145188   1142432   1151222   1155331   1161359   1169528   1187339
表VI
  -2.15％   -1.78％   -0.94％   -0.36％   -0.05％   1.02％   2.75％   3.91％
  -1.72％   -1.52％   -0.84％   -0.24％   0.09％   1.06％   2.55％   3.53％
  -1.41％   -1.37％   -0.63％   0.06％   0.28％   0.81％   2.24％   3.21％
  -1.18％   -1.11％   -0.48％   0.10％   0.01％   0.42％   2.05％   3.08％
  -1.32％   -1.07％   -0.50％   -0.06％   -0.46％   0.17％   1.64％   2.78％
  -1.44％   -1.27％   -0.76％   -0.62％   -0.73％   0.03％   1.16％   2.49％
  -1.64％   -1.77％   -1.53％   -1.01％   -0.76％   -0.14％   0.79％   2.29％
  -1.89％   -2.00％   -2.24％   -1.48％   -1.13％   -0.62％   0.08％   1.61％
在图2中图示的另一实施方案中，两个灯201A和201B，两个单色器202A和202B，两个透镜203A和203B，两个反光镜204A和204B被用于在库单元基底205上产生均匀的光源，物质在库单元基底上被检测和测量。库单元基底被固定或安置在移动台206顶上，该平台由计算机207控制。如果库单元基底面积太大时，平台能够实现快速、定域分析。漫反射光谱成像和光谱通过空间分辨检测器例如CCD照相机208来获得，该检测器也由计算机207控制。成像和数据也能通过计算机207获取、处理并简化。所有201A、201B、202A、202B、203A、203B、204A、204B、205、206和208都被安置于成像箱209中。
根据本发明的另一方面，装置中充分均匀的单色入射辐射源具有在库单元基底上产生均匀的光源的至少一个辐射源。在图3中图示的一个实施方案中，灯301、单色器302、两个光缆303A和303B以及两个光纤准直器304A和304B被用于在库单元基底305上产生均匀的光源，物质在库单元基底上被检测和测量。库单元基底被固定或安置在移动台306顶上，该平台由计算机307控制。如果库单元基底面积太大时，平台能够实现快速、定域分析。漫反射光谱成像和光谱通过空间分辨检测器例如CCD照相机308来获得，该检测器也由计算机307控制。成像和数据也能通过计算机307获取、处理并简化。除301、302、303A和303B位于成像箱309外面以外，所有304A、304B、305、306和308都被安置于成像箱309里面。
图4a中图示的另一实施方案中，灯401、单色器402、多于两个的光缆403A、403B以及更多，和多于两个的光纤准直器404A、404B以及更多被用于在库单元基底405上产生均匀的光源，物质在库单元基底上被检测和测量。多于两个的准直器通过准直器底盘406被均匀地排列在空间分辨检测器周围。使用空间分辨检测器例如CCD照相机407来获得漫反射光谱成像和光谱。库单元基底被固定或安置在移动台408顶上，该平台由计算机409控制。如果库单元基底面积太大，平台能够实现快速、定域分析，所述平台也由计算机409控制。成像和数据也能通过计算机409采集、处理并简化。除401、402和光缆的部分长度位于成像箱410外面以外，所有的光纤准直器(404A、404B以及更多)、405、406、407和408都被安置于成像箱410里面。图4b为光纤准直器底板406的俯瞰视图，光纤准直器底板406持住光纤准直器404A、404B、404C和404D，以在库单元基底上产生均匀的光源。CCD照相机407在中间，并被许多准直器包围。
进一步，在图5中图示的另一实施方案中，两个灯501A和501B，两个单色器502A和5002B，更多个光缆，和更多个光纤准直器可以被用于产生均匀的单色入射辐射源。不再进一步阐述，但本发明并不限于上面所述的实施方案。
根据本发明的另一个方面，在如图1、图2、图3、图4和图5中图示的一个实施方式中，取决于商业上是否能够获得以及被测物质的要求，灯101、201A、201B、301、401、501A和501B为任意类型的紫外、紫外-可见或红外灯，或者紫外、紫外-可见和红外灯的任意组合类型。进一步，单色器102、202A、202B、302、402、502A和502B，它们的相应的光学元件，以及空间分辨检测器例如CCD照相机108、208、308和407也必须对它们的相应灯的波长敏感。更优选地，红外灯为近红外灯或中红外灯。
根据本发明的另一个方面，库单元基底为被测物质漫反射单色入射辐射源的载板。在一个实施方案中，被测物质为固相的，例如粉末、细小颗粒、粗糙的薄片、粗糙的碎片、小块状等。在图6中图示的另一实施方案中，当物质为粉末601时，该物质被放入库单元基底603上的阵列沉孔602中。库单元基底有许多阵列沉孔，而沉孔的形状可以为M行N列的圆形、三角形、方形或任意其他几何形状，其中M和N为整数。库单元基底的材料为塑料、橡胶、陶瓷或金属。在另一实施方案中，被测物质为薄片或碎片形式，并且被测物质被直接安置在库单元基底上。该实施方案中库单元基底没有阵列沉孔。库单元基底的材料为塑料、橡胶、陶瓷或金属。在另一实施方案中，被测物质为液相的，并且为方便漫反射光谱成像和光谱，需要将在测量波长范围内不吸收或几乎不吸收辐射源的漫反射固体介质颗粒添加到阵列沉孔中。漫反射固体介质颗粒为硅石，或其他商业上可以获得的漫反射固体介质如SPECTRALON
Figure BPA00001277231200101
。在另一实施方案中，添加或转移两种或更多中任意形式的材料的多个来促进在库单元基底上的阵列沉孔中的某些化学反应，并且所述化学反应可以为湿化学反应或干化学反应。用于反应的材料可以手动地，或机械地，或者通过导管系统被转移。从而可以测量生成的产品。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，库单元基底在基底上的阵列沉孔中提供复数种被测物质，并且所述被测物质以固相从其他源物理转移到库单元基底上，和/或以液相通过导管系统，和/或手动转移过程，和/或如吸液管或药匙的手持设备，和/或自动吸液管自动机械设备，和/或其他材料处置技术。在另一实施方案中，库单元基底在基底上的阵列沉孔中提供复数中被测物质，并且库单元基底被物理地从其他高通量库系统或设施移动到移动台。在另一实施方案中，当复数中产品物质为液相时，库单元基底上添加有不吸收或几乎不吸收辐射源的漫反射固体介质颗粒，并且所述漫反射固体介质颗粒有利于漫反射过程。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，移动台在X，Y和Z轴是可调节的，所述移动台受计算机控制以优化“最佳”位置，并在库单元基底上获得均匀的入射辐射。在另一实施方案中，移动台在X，Y，Z轴以及θ角是可控的，以优化“最佳”位置，并在库单元基底上获得均匀的入射辐射。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，空间分辨检测器为紫外-可见光和/或红外光敏感的CCD照相机。在另一实施方案中，空间分辨检测器为紫外-可见光和/或红外光敏感的光电二极管阵列检测器等。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，成像箱为黑箱，能够容纳入射辐射源例如灯和单色器，避免对环境和操作者的任何潜在的伤害，并且可以容纳光学元件例如透镜、反光镜、漫反射库单元基底和空间分辨检测器。在另一实施方案中，成像箱是能容纳光纤准直器、漫反射库单元基底和空间分辨检测器的壳体。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，作为控制器和数据采集系统两者的计算机控制单色入射辐射源、移动台和空间分辨检测器，并记录库单元基底上的被测物质的漫反射积分强度。
根据本发明的另一方面，在一个实施方案中，作为数据简化系统的计算机包括绘制被测物质作为扫描波长或波数范围的函数的全特征漫反射谱图。在另一实施方案中，作为数据简化系统的计算机包括绘制被测物质的标准曲线，计算未知浓度以及报告误差分析。
漫反射光谱
漫反射光谱(DRS)是收集及分析散射光能量的技术。这种技术被广泛用于细小颗粒和粉末以及粗糙表面的测量。如图7中图示的，漫反射光701的强度与辐射702的入射角无关，并且这是等向性现象。在测量物质内经过多次反射703，折射704和衍射705后发生漫反射。由于颗粒尺寸706构成的层厚必须比总厚度707小得多的限制前提，这种漫反射技术对于紫外-可见、近红外和中红外光源相当合适。漫反射光谱的取样又快又容易，因为固体物质几乎不或不需要制样。
当单色入射辐射束进入物质时，所述辐射束可以或者被反射出颗粒表面或者穿过颗粒。反射出表面的辐射束有时候会损失。穿过颗粒的辐射束可以或者反射出下一个颗粒或者穿过下一个颗粒。这种穿过-反射行为可以在物质中发生许多次，这取决于物质的类型、物质的颗粒尺寸以及物质的层厚度。最后，反射光可以为光谱成像和光谱的目的通过使用空间分辨检测器例如CCD照相机被收集，从而获得物质的漫反射光谱成像和光谱(DFSIS)，如图8a(图8a是典型的被测物质光谱成像)和图8b(图8b是典型的被测物质在可见光谱区域的光谱图)所图示的。由于入射辐射光被被测物质部分吸收，这为定性和定量分析提供了物质的特性信息。
被测物质的全特征漫反射光谱
根据本发明的另一个方面，在一个实施方案中，当被测物质为固相时，如湿化学合成的不同V2O5浓度的V2O5/MgF2光催化剂时，合成的MgF2基体被用作背景测量。获得位于库单元基底上的阵列沉孔中的被测物质的全可见特征漫反射光谱，如图9所图示。在另一实施方案中，合成的V2O5/MgF2光催化剂是经过碾碎过筛的一定尺寸范围。
根据本发明的另一个方面，在一个实施方案中，被测物质的全紫外-可见、近红外、中红外特征漫反射光谱可以在如图1、2、3、4或5所图示设计的任意装置上获得。
根据本发明的另一个方面，在一个实施方案中，当被测物质为液相如KMnO4液体溶液时，漫反射固体介质颗粒(为硅石)被添加到阵列沉孔中以利于漫反射光谱成像和光谱。硅石的漫反射被用作背景测量。获得位于库单元基底上的阵列沉孔中的KMnO4的全可见特征漫反射光谱，如图10a所图示。图10b为硅石的漫反射光谱。在另一实施方案中，被测物质例如KMnO4溶液通过吸液管被物理转移到库单元基底上的阵列沉孔中。在另一实施方案中，被测物质例如KMnO4溶液通过多个导管系统，和/或自动吸液自动机械设备被物理转移到库单元基底上的阵列沉孔中。
根据本发明的另一个方面，通常，用于被测物质的全漫反射光谱的方法可以如下实现：
A.来自单色辐射源的辐射穿透物质颗粒的表面层，其中所述物质为库单元基底上阵列沉孔中的背景物质和被测物质；
B.库单元基底位于受计算机控制的移动台上。移动台可以在X，Y和Z轴方向调整以优化“最佳”位置并在库单元基底上获得均匀的入射辐射。
C.被安装在成像箱顶上的空间分辨检测器例如CCD照相机或光电二极管阵列在特定的波长扫描范围和扫描速率捕捉库单元基底上的光反射，所述空间分辨检测器由计算机中的数据采集系统控制；以及
D.数据简化系统处理获取的所有数据，并以图形格式报告，例如作为波长或波数的函数的反射系数。
反射系数的Kubelka-Munk理论
当满足如下条件时，适用反射系数的Kubelka-Munk理论：
a.入射光漫射；
b.漫射光为各向同性分配；
c.漫射颗粒在基底板上随机分布；
d.漫射颗粒尺寸远小于层厚度。
该理论非常适用于50％以上的光被反射而小于20％的光穿过的光学厚材料。Kubelka-Munk单位，K/S，可以被简化为K/S＝(1-Rij)2/2Rij。Rij被定义为反射系数(Iij/Iij 0)，是对于位于库单元基底上i行j列的特定阵列沉孔，从被测物质反射的辐射强度(Iij)对背景反射辐射强度(Iij 0)的比，其中库单元基底上的阵列沉孔为M行N列的阵列。在此，K为吸收系数，当厚度变得很小时，吸收系数是每单位厚度光能的吸收的限制分数。S为散射系数，是当厚度趋于0时每单位厚度散射回来的光能的限制分数。
根据本发明的另一个方面，通常，用于被测物质的全漫反射光谱的方法可以如下实现：
a.Iij，为对于位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从被测物质反射的辐射强度，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
b.Aij，为位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔中的被测物质的吸光度，并且是Iij和Iij 0的差值(Iij 0-Iij)，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
c.Rij，为对于位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从被测物质反射的辐射(Iij)对从背景的反射(Iij 0)的强度比(Iij/Iij 0)，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
d.Log 1/Rij，或者Ln 1/Rij，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；以及
e.Kubelka-Munk单位，K/S对在特定光谱范围扫描的波长或波数。此处，Kubelka-Munk单位表示为(1-Rij)2/2Rij。
被测物质的定量分析
根据本发明的另一个方面，在一个实施方案中，当被测物质为液相如KMnO4溶液时，漫反射固体介质颗粒(为硅石)被添加到阵列沉孔中以利于漫反射光谱成像和光谱。硅石的漫反射被用作背景测量。记录对于浓度在5x10-5M到5x10-3M的KMnO4溶液在波长540nm处的可见特征漫反射系数Iij、Aij、Rij、Log1/Rij、Ln1/Rij、Kubelka-Munk单位，并对数据进行处理。标准曲线可以为Iij、Aij、Rij、Log1/Rij、Ln1/Rij和Kubelka-Munk单位作为KMnO4浓度的函数。图11a为从被测物质反射的辐射强度作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。图11b为被测物质的吸光度作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。图11c为从被测物质反射的辐射强度比作为KMnO4浓度的函数的标准曲线。图11d为Kubelka-Munk单位对KMnO4浓度的标准曲线。该标准表明了Kubelka-Munk单位对KMnO4浓度之间良好的线性关系。标准曲线对于未知的被测物质的定量分析是非常有用的。在另一实施方案中，被测物质如KMnO4溶液通过吸液管被物理转移到库单元基底上的阵列沉孔中。在另一实施方案中，被测物质如KMnO4溶液通过多个导管系统，和/或自动吸液自动机械设备被物理转移到库单元基底上的阵列沉孔中。进一步，在另一实施方案中，还获得对于固相的被测物质的标准曲线。在另一实施方案中，当透镜被用于产生均匀的入射辐射源时，Kubelka-Munk单位对浓度之间的标准曲线的线性范围被扩展为从5x10-6M到1x10-3M，如图12所图示的。
根据本发明的另一个方面，通常，对于被测物质的漫反射绘制一系列标准曲线的方法按照如下来实现：
A.来自单色辐射源的辐射穿过物质颗粒的表面层，其中所述物质为库单元基底上阵列沉孔中的背景物质和被测物质；
B.将库单元基底定位在受计算机控制的移动台上。移动台可以在X，Y和Z轴方向被调整以优化“最佳”位置，并在库单元基底上获得均匀的入射辐射；
C.安装在成像箱顶上的空间分辨检测器例如CCD照相机或光电二极管阵列在特定的波长或波数捕捉库单元基底上的光反射，所述空间分辨检测器由计算机中的数据采集系统控制；以及
D.数据简化软件处理获取的所有数据，并在标准曲线中报告，这样被测物质的未知浓度可以被报告，并且误差分析也得以进行。
根据本发明的另一个方面，通常，被测物质的一系列漫反射标准曲线的绘制方法如下：
a.Iij，为对于位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从被测物质反射的辐射强度，作为被测物质在特征波长或波数时浓度的函数；
b.Aij，为对于位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，被测物质的吸光度，并且是Iij和Iij 0的差值(Iij 0-Iij)，作为被测物质在特征波长或波数时浓度的函数；
c.Rij，为对于位于库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从被测物质反射的辐射(Iij)对从背景的反射系数(Iij 0)的强度比(Iij/Iij 0)，作为被测物质在特征波长或波数时浓度的函数；
d.Log 1/Rij，或者Ln 1/Rij，作为被测物质在特征波长或波数时浓度的函数；以及
e.Kubelka-Munk单位，K/S，在特征波长或波数对测量物质浓度。此处，Kubelka-Munk单位表示为(1-Rij)2/2Rij。

Claims (35)

1.一种高通量光谱装置，包括：
a.至少一个充分均匀的单色入射辐射源；
b.库单元基底，所述库单元基底包括限定多个空腔的多个沉孔；
c.一个或更多个光学元件，所述光学元件被排列为将所述辐射源引导到所述库单元基底上；
d.移动台，所述移动台与所述库单元基底可操作地接合；
e.响应于所述辐射源的空间分辨检测器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述库单元和所述空间分辨检测器之间的区域中的所述辐射的路径中不存在波长过滤单元。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述辐射源包括提供所述库单元基底充分均匀照射的多个辐射源。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括盛放所述入射辐射源的成像箱。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括数据采集系统和数据简化系统。
6.根据权利要求1所述的装置，其中由所述单色辐射源提供的所述单色辐射选自由紫外、紫外-可见和红外辐射组成的组。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述辐射源提供具有在约200nm和约800nm之间的波长的辐射。
8.根据权利要求6所述的装置，其中辐射源提供具有在约800nm和约40,000nm之间的波长的辐射。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述单色入射辐射源包括一个或更多个灯、一个或更多个单色器、一个或更多个透镜以及一个或更多个反光镜。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括：
a.成像箱；
b.数据采集系统；以及
c.数据简化系统。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述辐射源远离所述成像箱放置，并且被排列为将所述辐射源引导到所述库单元基底上的所述元件包括光缆和光纤准直器。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述单色入射辐射源包括一个或更多个灯、一个或更多个单色器、两个或更多个光缆以及两个或更多个光纤准直器。
13.根据权利要求1所述的装置，所述库单元基底是漫反射库单元，其中所述多个沉孔的一个或更多个包含漫反射所述辐射源的物质。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述物质是选自由粉末和细小颗粒组成的组的固相物质。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述物质是液相物质与漫反射固体介质颗粒的混合物。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述漫反射固体介质颗粒基本上不吸收来自所述辐射源的辐射。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述漫反射固体介质颗粒选自硅石和SPECTRALON
Figure FPA00001277231100021
材料。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个沉孔以圆形、三角形、矩形或方形的方式排列在所述库单元上。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述多个沉孔适合于在其中进行期望的化学反应。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述化学反应为湿化学反应或干化学反应。
21.根据权利要求18所述的装置，还包括用于将反应物转移到所述库单元中的所述多个沉孔的一个或更多个的设备。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述用于转移反应物的设备包括机械系统或导管系统。
23.根据权利要求1所述的装置，其中所述库单元基底没有阵列沉孔。
24.根据权利要求1所述的装置，其中所述移动台沿X轴，Y轴，Z轴或相对于所述装置的垂直轴成θ角中的至少一个是可移动的，并且还包括用于移动所述移动台到期望位置的计算机操作的控制器。
25.根据权利要求1所述的装置，其中所述空间分辨检测器选自由紫外-可见光检测器和红外光敏感的CCD照相机，红外光敏感的光电二极管阵列检测器及其组合组成的组。
26.一种进行高通量漫反射光谱成像和光谱的方法，所述方法包括：
a.提供充分均匀的单色辐射的源；
b.提供库单元基底，所述库单元基底包含限定多个空腔的多个沉孔，所述空腔具有在其中的一种或更多种物质，所述物质包括在其中的一种或更多种漫反射固体介质颗粒，其中所述漫反射固体介质颗粒基本上不吸收由所述源提供的辐射；
c.将所述库单元基底移动到所述移动台；
d.将所述辐射引导到所述库单元基底上；以及
e.经由空间分辨检测器检测与所述辐射的反射部分相关联的一个或更多个信号。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述方法不包括在所述库单元基底和所述空间分辨检测器之间的一个或更多个点过滤所述辐射的反射部分。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述物质在所述液相或固相中。
29.根据权利要求28所述的方法，其中固相物质为金属或非金属的氧化物、金属或非金属的卤化物、金属或非金属的卤氧化物，或其混合物。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括将漫反射固体介质颗粒与所述液相或固相物质混合。
31.根据权利要求26所述的方法，还包括用手动过程或自动吸液管系统或多个导管将物质转移到所述多个沉孔。
32.根据权利要求26所述的方法，其中，
a.所述空间分辨检测器为安装在成像箱顶部的CCD照相机或光电二极管阵列，并且所述空间分辨检测器捕捉从所述库单元基底反射的所述辐射的一部分；并且
b.由所述检测器获取的数据被数据处理程序处理，所述数据处理程序被配置来以图形格式报告包括反射系数、波长或波数的信息。
33.根据权利要求26所述的方法，其中物质的全漫反射光谱是一系列全漫反射光谱图，所述全漫反射光谱图包括：
a.Iij，其中Iij为对于所述库单元基底的期望的沉孔，从所述物质反射的辐射的强度，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
b.Aij，其中Aij为所述库单元基底的期望的沉孔的吸光度，并且是Iij和Iij 0的差值(Iij 0-Iij)，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
c.Rij，其中Rij为对于位于所述库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从所述被测物质反射的辐射(Iij)对从背景的反射系数(Iij 0)的强度比(Iij/Iij 0)，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；
d.Log 1/Rij，或者Ln 1/Rij，作为在特定光谱范围扫描的波长或波数的函数；以及
e.Kubelka-Munk单位，K/S对在特定光谱范围扫描的波长或波数；此处，所述Kubelka-Munk单位表示为(1-Rij)2/2Rij。
34.根据权利要求26所述的方法，还包括确定一个或更多个标准曲线。
35.根据权利要求34所述的方法，其中将被测物质的漫反射系数绘制成一系列标准曲线，所述标准曲线包括：
a.Iij，其中Iij为对于位于所述库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从所述被测物质反射的辐射强度，作为被测物质在特征波长或波数的浓度的函数；
b.Aij，其中Aij为位于所述库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔的吸光度，并且是Iij和Iij 0的差值(Iij 0-Iij)，作为被测物质在特征波长或波数的浓度的函数；
c.Rij，其中Rij为对于位于所述库单元基底上i行j列的特定的阵列沉孔，从所述被测物质反射的辐射(Iij)对从背景的反射系数(Iij 0)的强度比(Iij/Iij 0)，作为被测物质在特征波长或波数的浓度的函数；
d.Log 1/Rij，或者Ln 1/Rij，作为被测物质在特征波长或波数的浓度的函数；以及
e.Kubelka-Munk单位，K/S，对在特征波长或波数对测量物质浓度；此处，Kubelka-Munk单位表示为(1-Rij)2/2Rij。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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