CN103196888B - 拉曼信号检测和分析系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一个拉曼信号检测和分析系统及其方法。通过发出一个激发光到样本上，而产生了拉曼信号。然后拉曼信号通过多个光滤波器和调制器，从而拉曼信号被调制了。被调制的拉曼信号包括两个正交分量，根据所述被调制拉曼信号的一次谐波而计算这两个分量的强度。然后可以根据这两个分量的强度的比率而确定样本中特定分析物的含量。

Description

拉曼信号检测和分析系统及其方法

【技术领域】

本发明涉及一种测量仪器，特别涉及通过使用内标法分析拉曼信号（Ramansignal）而检测样本中被分析物含量的测量仪器。

【背景技术】

拉曼光谱是一种对样本内某被分析物的成分和浓度进行定量分析的强大工具。在生理检测的应用中，通常会在近红外区进行这样的光学测量。拉曼信号通常很弱，例如拉曼信号强度对激励信号强度的比率要小于10^-10。而且拉曼信号对测量条件是超灵敏的，诸如激光波动、光学增白、温度变化、样本尺寸和样本形状的改变以及光学校直。因此在拉曼信号分析期间通常都采用内标法。内标法的基本原理是同时（或几乎同时）测量一个样本信号和一个标准信号，它们的比率（其在各种测量条件下都是不变的）被用做定量估计。在这些系统中通常使用光栅-CCD（或光栅光电二极管阵列）光谱仪作为检测器。但是，这些系统很昂贵，而且在所要求的光谱分辨率下，其通光效率（throughput）受限于光栅。

最近的关于基于微机电系统（MEMS）的光谱仪的发展显示，在拉曼信号检测系统中使用单个检测器来替代CCD系统是可能的，这会大大降低系统成本。但是，这种单个检测器系统的通光效率（throughput）仍然受限于光栅的使用。为了能实现高效率系统，已经披露了各种不同的设计。其中一个这样的设计是扫描光源（诸如可调激光）而得到拉曼光谱。另一个方法是使用一个可调滤波器（诸如声光可调滤波器）而得到拉曼光谱。但是，在用于家庭中监测生理参数时，这些新设计的成本是不可接受的。

【发明内容】

根据以上所述背景，本发明的一个目的是提供一种低成本的、高效率的拉曼信号检测和分析系统的设计。

因此，在一方面，本发明提供一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的方法。拉曼信号首先通过发射一个激发光到样本上而产生。然后将拉曼信号通过多个光滤波器和调制器，该拉曼信号被调制。被调制的拉曼信号包括第一分量和第二分量，其中两个分量是相互正交的。然后根据被调制的拉曼信号的一次谐波，可以计算出两个分量的强度。最后，所述分析物的含量是根据两个分量强度的比率来确定的。

在本发明的一个示例性实施例中，第一分量和第二分量分别在被调制的拉曼信号的第一象限和第二象限。

在本发明的另一个方面，提供了另一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的方法。首先产生包括第一和第二波长的激发光。然后通过将该激发光通过多个光滤波器和调制器，而调制该激发光。然后将被调制的光引导到样本上，产生拉曼信号。产生的拉曼信号包括第一分量和第二分量，其中两个分量是相互正交的。然后根据被调制的拉曼信号的一次谐波，可以计算出两个分量的强度。最后，所述分析物的含量是根据两个分量强度的比率来确定的。

在本发明的另一个方面，提供了一种基于拉曼信号而确定样本中分析物含量的测量系统。该系统包括一个激发光源用于投射到样本上并产生一个光信号；一个光学模块用于从所述光信号而产生一个调制的拉曼信号；一个检测器用于接收该调制的拉曼信号；一个微处理器连接到检测器；一个计算机可读存储介质连接到微处理器。

在本发明的一个特定实施例中，计算机可读存储介质由计算机可读指令编码，用于使所述微处理器执行以下步骤：(i)解调所述调制的拉曼信号，以根据调制的拉曼信号的一次谐波，确定第一分量和第二分量的强度；(ii)根据所述第一分量和所述第二分量的强度，计算所述分析物的含量。

由于采用了这种双信号的调制和解调的操作，使内标法拉曼检测-得以在微弱信号上实施。本发明的另一个好处是其只含有一个检测器，这能大大降低拉曼检测系统的成本。而且，和传统检测系统相比，本发明由于没有诸如光栅的色散元件，其通光效率提高了，被测量目标/标准的比率更稳定。最后还有重要的一点，简单的信号分解算法进一步降低整个系统的成本。

【附图说明】

图1显示本发明一个实施例的在(a)透射模式和(b)反射模式的测量仪器的示意图。

图2a-2f显示本发明不同实施例的滤光轮。

图3显示本发明的(a)翻转镜(b)斩波转盘(c)液晶快门的光学模块的示意图。

图4显示本发明另一个实施例的在反射模式的示意图。

图5a和5b分别显示本发明一个实施例的第一周期函数和第二周期函数的波形图。图5c显示本发明一个实施例的被调制的拉曼信号的波形图。

图6a和6b显示本发明不同实施例的确定分析物含量的方法流程图。

图7a显示使用带光谱仪的传统拉曼光谱仪得到的20g/dL葡萄糖溶液和水的拉曼光谱。图7b显示从葡萄糖溶液得到的比率和从水得到的比率的差值依葡萄糖浓度变化的函数图。

【发明详述】

在此以及在权利要求中使用的“包括”意指包括以下要素但不排除其他的。

参见图1，图1显示本发明装置处于后置滤波的透射模式。

透射模式的系统大致上包括激发光源28、激光线滤波器30、准直透镜32、光学模块42、检测器24、信号处理单元40、微处理器26和计算机可读存储介质44。检测器24连接到信号处理单元40，其又连接到微处理器26。计算机可读存储介质44连接到微处理器26。

激发光源28用于发出至少一个激发波长λ_E的激发光，穿过一个或两个激光线滤波器30后到达被测量的样本20上。由于该激发光，从样本20上会发出一个光信号，特定为拉曼信号。在一个实施例中，光学模块42a还包括滤光轮34、一个或两个陷波滤波器36和会聚透镜38。然后发出的拉曼信号穿过准直透镜32到达滤光轮34，准直透镜用于准直从样本发出的拉曼信号。滤光轮34连接到一个马达（未显示），其以一个预定的周期或频率旋转该滤光轮34。拉曼信号被两个光滤波器在两个预定频谱区上滤波，并在滤光轮34旋转一圈期间，拉曼信号周期性地通过滤光轮n个周期（其中n>=1）。滤光轮34旋转，使得其允许拉曼信号在第一象限通过在样本信号λ_S1光谱范围内的第一光滤波器48a，得到第一分量（即样本信号）。滤光轮34还允许拉曼信号在第二象限通过在标准信号λ_S2光谱范围内的第二光滤波器50a，得到第二分量（即标准信号）。另外，滤光轮34在其余时间内不允许拉曼信号到达检测器24。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是

当滤光轮34以周期T旋转时，样本信号和标准信号就被同一周期调制，但是相位相差π/2。因此滤光轮34用第一周期函数调制拉曼信号而得到第一分量，用第二周期函数调制拉曼信号而得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数有相同周期，但是相互正交。然后被调制的拉曼信号通过一个或两个陷波滤波器36和会聚透镜38，到达检测器24。会聚透镜38将被调制的拉曼信号聚焦到检测器24上。然后被调制的拉曼信号在检测器24上转换成电信号。然后该电信号传输到信号处理单元40。信号处理单元40过滤并放大该模拟电信号，并转换成数字信号。然后该数字信号在微处理器26处被解调，即根据所述被调制拉曼信号的一次谐波而计算第一分量和第二分量的强度（intensities）。最后，通过计算第一分量强度和第二分量强度之间的比率，而计算出样本内被分析物的含量。计算机可读存储介质44连接到微处理器26。计算机可读存储介质44由计算机可读指令编码，用于使微处理器26执行上述解调和比率计算。

在一个特定实施例中，如果激发光斑没有足够小的话，需要在激光线滤波器30和样本20之间加入一个聚焦透镜。在另一个特定实施例中，为了降低成本，可以用一个或两个短通滤波器（short-passedgefilter）代替一个或两个激光线滤波器30。在另一个特定实施例中，为了降低成本，可以用一个或两个长通滤波器（long-passedgefilter）代替一个或两个陷波滤波器36。在又一个特定实施例中，为了提高光收集效率并减少从透镜产生的不需要的拉曼或荧光光线，可以用反射光学部件（诸如凹面镜）来代替准直透镜32和会聚透镜38。在又一个特定实施例中，马达是一个步进电机。在又一个特定实施例中，信号处理单元40和微处理器26集成在一起。

参考图1b，图1b显示本发明装置处于后置滤波的反射模式。

反射模式的系统大致上包括透射模式中所有元件，除了用反射模块62代替准直透镜32。多个分色镜46和一个会聚透镜64包含在反射模块62中。

至少一个激发光以激发波长λ_E从激发光源28中发出，该激发光在通过激光线滤波器30后被反射模块62引导以激发样本的一个预定表面。由于该激发光，会从样本20的被激发表面发出一个光信号，特别是拉曼信号。然后发出的拉曼信号通过反射模块62中的会聚透镜64和分色镜46d而到达滤光轮34。该滤光轮和反射模式系统中的所有元件都和以上描述的传输模式系统以同样的方式运行。

在另一个特定实施例中，为了降低成本，可以用一个或两个短通滤波器代替一个或两个激光线滤波器30。在另一个特定实施例中，为了降低成本，可以用一个或两个长通滤波器代替一个或两个陷波滤波器36。在又一个特定实施例中，为了提高光收集效率并减少从透镜产生的不需要的拉曼或荧光光线，可以用反射光学部件（诸如凹面镜）来代替会聚透镜64和会聚透镜38。在又一个特定实施例中，三个分色镜46a-c可以用三个引导激光束的反射镜来替代。

图2a-f显示本发明中使用的滤光轮34的不同实施例。所示滤光轮34有至少一个隔间66。隔间66包括四个相邻部分。第一光滤波器48和第二光滤波器50安装在隔间66的首两个相邻部分上。

图2a显示滤光轮34a有一个隔间66a。第一光滤波器48a和第二光滤波器50a安装在第一和第二部分上，隔间66a的第二部分紧邻第一部分。其他部分则填有材料52a，使得拉曼信号不能通过该滤光轮34a。用于阻挡拉曼信号的材料52a可以是，但不限于，非透明塑料或纸品。本领域技术人员将理解，可以使用其他任何材料，只要其能阻挡拉曼信号通过。图2b显示滤光轮34b有两个隔间66b和66c。第一光滤波器48b和第二光滤波器50b安装在隔间66b的第一和第二部分上，第三光滤波器48c和第四光滤波器50c安装在隔间66c的第一和第二部分上。在图2c中，滤光轮34c有三个隔间66d、66e和66f。第一和第二光滤波器48d、50d，第三和第四光滤波器48e、50e，以及第五和第六光滤波器48f、50f分别安装在隔间66d、66e和66f的第一个第二部分上。在滤光轮34a-c中的光滤波器48和50几乎都完全覆盖了隔间的整个第一和第二部分。在另一个实施例中，在图2d-2f中显示的滤光轮34d、34e和34f和图2a-2d中显示的滤光轮34a、34b和34c的结构一致，除了滤光轮34d-34e内的光滤波器只是部分地覆盖隔间的第一和第二部分。光滤波器可以是任何形状。在一个实施例中，光滤波器是圆形的。在另一个实施例中，光滤波器是弧形的。在一个特定实施例中，滤光轮34可以是其他形状。

图3a-3c显示本发明的光学模块42的不同实施例。

图3a显示另一个实施例的光学模块42b包括第一镜54a、第二镜54b、第一光滤波器48、第二光滤波器50和翻转镜56。第一镜54a用于反射从样本发出的拉曼信号到翻转镜56上。然后拉曼信号在预定的时隙上被翻转镜56引导到在样本信号λ_S1光谱范围内的第一光滤波器48、引导到在标准信号λ_S2光谱范围内的第二光滤波器50、或引导到一个空白空间。翻转镜56连接到一个马达（未显示），其在不同时间翻转该翻转镜56到不同的位置上，以实现上述目的。在一个特定实施例中。翻转镜56是以一个预定周期翻转的。马达首先在第一象限翻转该翻转镜56到第一位置，使得拉曼信号被引导通过第一光滤波器48，而得到第一分量。然后第一分量通过会聚透镜38到达检测器24。然后，马达在第二象限翻转该翻转镜56到第二位置，使得拉曼信号被引导通过第二光滤波器50，而得到第二分量。然后第二分量通过第二镜54b和会聚透镜38到达检测器24。最后，在该周期的其余时间，马达翻转该翻转镜56到第三位置，以至没有分量能够到达检测器24。总之，翻转镜56翻转，使得其允许拉曼信号在第一象限通过在样本信号λ_S1光谱范围内的第一光滤波器48，而得到第一分量（即样本信号）。翻转镜56还允许拉曼信号在第二象限通过在标准信号λ_S2光谱范围内的第二光滤波器50，而得到第二分量（即标准信号）。另外，翻转镜56不允许拉曼信号在其余周期时间内到达检测器24。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是

当翻转镜56以周期T翻转时，样本信号和标准信号就以相同周期T被调制，但是相位相差π/2。所以，翻转镜56、第一光滤波器48、第二光滤波器50互相合作，以第一周期函数来调制拉曼信号，得到第一分量，以第二周期函数来调制拉曼信号，得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数有相同的周期T，但是互相正交。

图3b显示另一个实施例的光学模块42c，包括第一分色镜46e、第二分色镜46f、第一镜54c、第二镜54d、在样本信号λ_S1光谱范围上的第一光滤波器48、在标准信号λ_S2光谱范围上的第二光滤波器50、斩波转盘58。从样本发出的拉曼信号首先被分色镜46e分成两束拉曼信号。然后第一束拉曼信号通过第一光滤波器48，得到第一分量（即样本信号），然后第二束拉曼信号被第一镜54c引导通过第二光滤波器50，得到第二分量（即标准信号）。斩波转盘58连接到一个马达（未显示），以一个预定周期旋转，用于在一个预定时间内阻挡第一和第二分量到达检测器24。斩波转盘58有一个开口部分，其允许第一分量在第一预定周期时间通过，允许第二分量在第二预定周期时间通过。在一个特定实施例中，斩波转盘58以一个预定周期旋转。开口部分占据斩波转盘58的一部分，使得：在第一象限，开口部分允许第一分量通过，使得第一分量通过第二分色镜46f和会聚透镜38到达检测器24，在第二象限，开口部分允许第二分量通过，使得第二分量通过第二分色镜46f和会聚透镜38到达检测器24。第二镜54d用于引导第二分量在通过斩波转盘58的开口部分后到达第二分色镜46f；并且，在该周期其余时间，没有分量能到达检测器24。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是

当斩波转盘58以周期T旋转时，样本信号和标准信号就以相同周期T被调制，但是相位相差π/2。所以，斩波转盘58、第一光滤波器48、第二光滤波器50互相合作，以第一周期函数来调制拉曼信号，得到第一分量，以第二周期函数来调制拉曼信号，得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数有相同的周期T，但是互相正交。在另一个特定实施例中，斩波转盘58置于第一光滤波器48和第二光滤波器50之前，因此通过第一和第二周期函数而调制该拉曼信号，然后才通过第一光滤波器48和第二光滤波器50。

图3c显示另一个实施例的光学模块42d。光学模块42d包括第一分色镜46g、第二分色镜46h、第一镜54e、第二镜54f、在样本信号λ_S1光谱范围上的第一光滤波器48、在标准信号λ_S2光谱范围上的第二光滤波器50、一对电子光学快门60a和60b。从样本发出的拉曼信号首先被分色镜46g分成两束拉曼信号。然后第一束拉曼信号通过第一光滤波器48，得到第一分量（即样本信号），第二束拉曼信号被第一镜54e引导通过第二光滤波器50，得到第二分量（即标准信号）。电子光学快门60a和60b被一个电子控制器（未显示）控制，选择性地切换光学快门60a和60b，以分别阻挡第一分量和第二分量到达检测器24。在一个特定实施例中，电子光学快门是液晶光学快门60a和60b。液晶光学快门60a和60b在一个预定时间周期上独立地开和闭。在第一象限，第一液晶光学快门60a打开，而第二液晶光学快门60b关闭，使得只有第一分量通过，以至第一分量通过第二分色镜46h和会聚透镜38而到达检测器24。在第二象限，第一液晶光学快门60a关闭，而第二液晶光学快门60b打开，使得只有第二分量通过，以至第二分量通过第二分色镜46h和会聚透镜38而到达检测器24。第二镜54f用于引导第二分量在通过第二液晶光学快门60b后到达第二分色镜46h。在该周期其余时间，快门60a和60b都关闭，所以在其余周期时间，没有分量能到达检测器。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是

当第一和第二电子快门60a和60b以周期T独立地或非独立地打开/关闭时，样本信号和标准信号就以相同周期T被调制，但是相位相差π/2。所以，电子快门60a和60b、第一光滤波器48、第二光滤波器50互相合作，以第一周期函数来调制拉曼信号，得到第一分量，以第二周期函数来调制拉曼信号，得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数有相同的周期T，但是互相正交。在另一个特定实施例中，第一和第二电子快门60置于第一光滤波器48和第二光滤波器50之前，因此通过第一和第二周期函数而调制该拉曼信号，然后才通过第一光滤波器48和第二光滤波器50。

在光学模块42的一个特定实施例中（如翻转镜56、斩波转盘58、或电子快门60的光学模块），微处理器26连接到光学模块42。微处理器26控制光学模块42，以产生被调制的拉曼信号，其中被调制的拉曼信号包括第一分量和第二分量，第一分量和第二分量是相互正交的。具体来说，微处理器26连接到翻转镜56或斩波转盘58的马达（未显示），以控制翻转镜56或斩波转盘58。如果是电子快门60，微处理器26就连接到控制器（未显示）以控制电子快门60（如液晶）。在另一个特定实施例中，用于光学模块42中翻转镜56或斩波转盘58的马达，是一个步进电机。

图4显示本发明装置处于前置滤波的模式。

前置滤波模式的系统大致上包括激发光源28、一个或两个激光线滤波器30、会聚透镜38、滤光轮34、一个或两个陷波滤波器36、反射模块62、检测器24、信号处理单元40、微处理器26和计算机可读存储介质44。检测器连接到信号处理单元40，其又连接到微处理器26。计算机可读存储介质44连接到微处理器26。

激发光源28用于发出一个具有至少两个波长的激发光，通过一个或两个陷波滤波器36和反射模块62后到达样本上。滤光轮34连接到一个马达（未显示），其以一个预定的周期旋转该滤光轮34。滤光轮34旋转，允许激发光在第一象限通过第一光滤波器48a而得到具有第一波长的第一子激发光。滤光轮34还允许激发光在第一象限通过第二光滤波器50a而得到具有第二波长的第二子激发光。因此，被调制的激发光是通过滤光轮34而产生的。换句话说，滤光轮34通过第一周期函数调制激发光而得到第一子激发光，通过第二周期函数调制激发光而得到第二子激发光。第一周期函数和第二周期函数有相同周期，但是相互正交。反射模块62的运行已经在上述反射模式系统中描述了，因此在这里不再重复。一旦被调制的激发光到达样本，就产生一个调制的拉曼信号。当第一子激发光与样本相互作用时，就产生被调制拉曼信号的第一分量（即样本信号），当第二子激发光与样本相互作用时，就产生被调制拉曼信号的第二分量（即标准信号）。

当滤光轮34以周期T旋转时，就以同一周期T但有相位差π/2而产生样本信号和标准信号。然后被调制的拉曼信号就通过反射模块62中的会聚透镜64和分色镜46l、一个或两个激光线滤波器30和会聚透镜38而到达检测器24。然后被调制的拉曼信号在检测器24上转换成电信号。然后该电信号传输到信号处理单元40。信号处理单元40过滤并放大该模拟电信号，并将其转换成数字信号。然后该数字信号在微处理器26处被解调，即根据所述被调制拉曼信号的一次谐波而计算第一分量和第二分量的强度。最后，通过计算第一分量强度和第二分量强度之间的比率，而计算出样本内被分析物的含量。计算机可读存储介质44连接到微处理器26。计算机可读存储介质44由计算机可读指令编码，用于使微处理器26执行上述解调和比率计算。在另一个特定实施例中，信号处理单元40和微处理器26集成在一起。

在一个特定实施例中，没有使用固定波长激光，而是使用一个含有至少两个预定波长的光源，如一个钨丝灯或一个宽带LED灯或一个双色LED灯，作为激发光源。然后激发光通过旋转的滤光轮34，滤光轮34包含用以产生样本信号光谱波长λ_E1的一个带通滤波器（如1064±5nm光滤波器），以及用以产生标准信号光谱波长λ_E2的另一个带通滤波器（如1015±5nm光滤波器）。然后被调制的双波长激发光通过一个或两个陷波滤波器36（如拒绝1210±10nm的光学陷波滤波器），陷波滤波器会拒绝那些与拉曼信号光谱波长λ_S有重叠的杂质光。从样本产生的拉曼信号被一个或两个激光线滤波器30（如1210±5nm光滤波器）滤波，然后到达检测器24。结果，样本拉曼信号和标准拉曼信号分别是

三个分色镜46i-k可以由三个引导激光束的反射镜替代。激发光可以通过但不限于使用上述光学模块42而被调制。陷波滤波器36可以由两个短通滤波器（如<1100nm光滤波器）替代。另外，前置滤波模式系统中的反射模块62可以被准直透镜32替代以构成前置滤波传输模式中的(未在图中显示)。

图5a和5b分别显示第一和第二周期函数在时间域的波形。图5c显示检测器24获取的被调制的拉曼信号在时间域的波形。

图5a显示的第一周期函数是在第一象限有单位幅值的方波。图5b显示的第二周期函数是在第二象限有单位幅值的方波。尽管图5a和5b显示的第一和第二周期函数是方波，但是周期函数可以是其他波形。波形形状是会被滤光轮34、翻转镜56、斩波转盘58或电子光学快门60的预定速度；以及光滤波器48和50的形状影响的。在后置滤波模式，拉曼信号被第一周期函数调制而得到第一分量，拉曼信号还被第二周期函数调制而得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数具有相同周期，但是相互正交。在前置滤波模式，有至少两个波长的激发光被第一周期函数调制而得到第一子激发光，激发光还被第二周期函数调制而得到第二子激发光。第一周期函数和第二周期函数具有相同周期，但是相互正交。在从样本发出的激发光被调制后，就产生被调制的拉曼信号。检测器24获取的被调制的拉曼信号在时间域的波形显示在图5c中。图5c中的实线表示第一分量，虚线表示第二分量。第一分量在第一象限，第二分量在第二象限。在时间域，如图5所示，光电二极管上获取的信号是

其中A(样本)、A(标准)、A(黑色)分别是对应样本信号、标准信号、和黑色背景的幅值的检测器24的输出，t是时间，T=1/f是一个周期时间。在频域，以上表达式可以重写成：

其中ω=2πf。关于该调制，样本信号和标准信号可以通过使用傅立叶变换而轻易地解调和分离。也就是说，获取的光电流可以通过在（第一阶）频率f上x和y分量的傅立叶变换输出，而被解码，从而再现样本信号和标准信号。通过研究这个比率[A(样本)-A(黑色)]/[A(标准)-A(黑色)]，可以补偿试验条件的变化，而实现内标法的定量分析。

现在来看本发明的测量样本内分析物的方法。

图6a和图6b显示本发明的测量样本内分析物的两个实施方法。

图6a显示本发明的后置滤波的方法实施。在步骤68a，产生至少一个激发光，并引导到样本上。在激发光投射到样本后，产生一个光信号，特别是一个拉曼信号（步骤70a）。在步骤72a和76a，拉曼信号在第一预定周期时间被引导到第一光滤波器48，拉曼信号在第二预定周期时间还被引导到第二光滤波器50，拉曼信号在第三预定周期时间被阻挡而不能到达检测器24。第一、第二和第三预定周期时间都是在一个完整周期内，而且该完整周期至少重复一次。第一预定周期时间是该完整周期的第一象限，第二预定周期时间是该完整周期的第二象限，第三预定周期时间是该完整周期的其余时间。当允许拉曼信号在第一象限通过第一光滤波器48时，就得到第一分量（即样本信号），当允许拉曼信号在第二象限通过第二光滤波器50时，就得到第二分量（即标准信号）。第一光滤波器的通带区（passregion）是在此基础上来选择的：标准信号对于样本拉曼信号的贡献在第一光滤波器48的通带区相当稳定，但是同时，通带区落入样本拉曼信号的峰值频谱区。在另一方面，第二光滤波器50通带区的选择要使得分析物对样本拉曼信号的贡献在特定波长上是可忽略不计的。鉴于以上所述，标准是一种物质，只有其拉曼频谱在样本拉曼信号的至少一个峰值频谱区内是相当稳定时，才应该选择该物质为标准。因此拉曼信号被第一周期函数调制而得到第一分量，被第二周期函数调制而得到第二分量。第一周期函数和第二周期函数具有相同周期，但是相互正交。在步骤80a，第一分量和第二分量的强度是根据被调制的拉曼信号的一次谐波而计算的。特别是，光学模块42以一个固定频率f旋转。每次测量的持续时间是一个预定时间周期。检测器24的输出通过A/D转换器在预定采样率上由一个微处理器26采集。数据处理和数据采集是并行的。基于软件的解调是通过计算样本信号和标准信号的一次谐波分量而进行的：

初始相位差是由阻挡滤光轮34上的任意一个带通滤波器而决定的。以上计算相当于在（第一阶）频率f上的x和y分量的傅立叶变换输出。因为只涉及一个频率，计算就很简单，不需要太多的计算量。

然后被调制的拉曼信号被上述方法解调，提取出第一分量和第二分量的强度。在步骤82a，样本内分析物的含量是由所述第一分量和第二分量的强度之比率决定的。在一个特定实施例中，只对分析物和标准，计算第一分量和第二分量的强度之比率。该比率可以表示为R=[A(样本)-A(黑色)]/[A(标准)-A(黑色)]。将分析物溶液的比率减去标准的比率，可以得到一个数值。换句话说，通过图7b中曲线的x轴，可以使用得到的该数值找到分析物的含量。

拉曼信号可以通过但不限于使用上述光学模块42来调制。可以使用任何其他光学模块，只要能实现上述方法。

图6b显示本发明的前置滤波的方法实施。在第一步骤68b，产生一个至少有两个波长的激发光，并引导到样本上。在步骤72b和76b，该激发光在第一预定周期时间被引导到第一光滤波器48，该激发光在第二预定周期时间还被引导到第二光滤波器50，该激发光在第三预定周期时间被阻挡而不能到达样本。第一、第二和第三预定周期时间都是在一个完整周期内，而且该完整周期至少重复一次。第一预定周期时间是该完整周期的第一象限，第二预定周期时间是该完整周期的第二象限，第三预定周期时间是该完整周期的其余时间。通过允许该激发光通过第一光滤波器48，而得到具有第一波长的第一子激发光，通过允许该激发光通过第二光滤波器50，而得到具有第二波长的第二子激发光。因此就有了一个调制的激发光。换句话说，激发光被第一周期函数调制而得到第一子激发光，激发光被第二周期函数调制而得到第二子激发光。第一周期函数和第二周期函数具有相同周期，但是相互正交。在步骤70b，一旦被调制的激发光到达样本，就产生了被调制的拉曼信号。当第一子激发光和样本相互作用时，就产生被调制激发光的第一分量，当第二子激发光和样本相互作用时，就产生被调制激发光的第二分量。在步骤80b，第一分量和第二分量的强度是根据被调制的拉曼信号的一次谐波而计算的。在一个特定实施利中，光学模块42以一个固定频率f旋转。每次测量的持续时间是一个预定时间周期。检测器24的输出通过A/D转换器在预定采样率上由一个微处理器26采集。数据处理和数据采集是并行的。基于软件的解调是通过计算样本信号和标准信号的一次谐波分量而进行的：

初始相位差是由遮蔽滤光轮34上的任意一个带通滤波器而决定的。以上计算相当于在（第一阶）频率f上的x和y分量的傅立叶变换输出。因为只涉及一个频率，计算就很简单，不需要太多的计算量。

然后被调制的拉曼信号被上述方法解调，提取出第一分量和第二分量的强度。在步骤82b，样本内分析物的含量是由所述第一分量和第二分量的强度之比率决定的。在一个特定实施例中，只对分析物和标准，计算第一分量和第二分量的强度之比率。该比率可以表示为R=[A(样本)-A(黑色)]/[A(标准)-A(黑色)]。将分析物溶液的比率减去标准的比率，可以得到一个数值。换句话说，通过图7b中曲线的x轴，可以使用得到的该数值找到分析物的含量。

激发光可以通过但不限于使用上述光学模块42来调制。可以使用任何其他光学模块，只要能实现上述方法。

计算机存储介质44连接到微处理器26，计算机可读存储介质44是由计算机可读指令来编码的，用于使微处理器26执行或运行系统中的步骤、光学模块42以及上述方法。

图7a和7b显示本发明的一个例子，一个确定溶液中葡萄糖含量的例子。

图7a显示使用带光谱仪的传统拉曼光谱仪得到的20g/dL葡萄糖溶液和水的拉曼光谱。图7a中的虚线表示标准的拉曼信号光谱。在此例子中，标准是水。图中实线是样本的拉曼信号光谱。在此例子中，样本是葡萄糖溶液。在拉曼频移1100cm-1上被调制拉曼信号（第一分量）的强度和在拉曼频移1640cm-1上被调制拉曼信号（第二分量）的强度被分别选择作为样本信号和标准信号。被调制的拉曼信号是通过以上所述方法和系统而产生的。在此显示的这对拉曼频移的频谱峰值仅仅是一个例子。其他频移的频谱峰值也可以选择作为第一分量和第二分量。在～500cm-1,～900cm-1,～1350cm-1,2900cm-1处的葡萄糖峰值也可以用作样本信号；在～3300cm-1处的水峰值也可以用作标准信号。而且，除了水，其他稳定物质也能用作标准信号。

如图1a所示，对于无光谱仪的透射拉曼设置上执行的测量，使用的激发激光是一个1064nm、300mW的二极管泵浦固态连续波激光。透镜是1英寸的BK7透镜。激光线滤波器是以1064nm为中心的，半峰全宽（FWHM）为10nm。陷波滤波器36可以由两个长通滤波器（截止在1100nm）代替。检测器是一个3mmInGaAs检测器。滤光轮34则是由图2所示的叶片构成，并由一个马达驱动，其中用于样本的带通滤波器是以1210nm为中心的，用于标准的带通滤波器是以1290nm为中心的，两个的半峰全宽（FWHM）都是20nm。滤光轮34以一个固定频率11.5Hz旋转。每次测量的持续时间是250秒。检测器的输出通过一个A/D转换器以采样率200kHz被一个膝上型电脑采集。数据处理和数据采集是并行处理的。基于软件的解调是通过计算样本信号和标准信号的一次谐波分量而进行的：

初始相位差是由阻挡滤光轮34上的任意一个带通滤波器而决定的。以上计算相当于在（第一阶）频率11.5Hz上的x和y分量的傅立叶变换输出。因为只涉及一个频率，计算就很简单，不需要太多的计算量。

然后被调制的拉曼信号被上述方法解调，提取出第一分量和第二分量的强度。然后只计算葡萄糖溶液和水的第一分量和第二分量的强度之比率。该比率可以表示为R=[A(1100cm^-1)-A(黑色)]/[A(1640cm^-1)-A(黑色)]。将葡萄糖溶液的比率减去水的比率，可以得到一个数值。换句话说，通过图7b曲线中x轴上，可以使用得到的该数值找到分析物的含量。

以上已经完全描述了本发明示例性的实施例。尽管描述都是针对特定实施例，但是对本领域技术人员来说，很清楚本发明可以通过这些具体细节的变化而实践。因此本发明不应该受限于此处的实施例。

例如，在上述实施例中，第一分量是指样本信号，第二分量是指标准信号；第一分量占据周期函数的第一象限，而第二分量占据第二象限。这仅仅是以示例为目的，应该知道这仅仅是一种实现本发明创作思想的方法。本领域技术人员可以想到第一分量可以代表标准信号，而第二分量代表样本信号。而且，第一分量可以占据周期函数的任一象限，而第二分量可以占据同一周期函数的另一个不同于第一分量占据的象限。当第二分量占据的象限与第一分量的象限相邻时，那么可以使用上述方法来再现样本和标准信号。

而且，在上述实施例中，葡萄糖是感兴趣的分析物。但是，本发明装置可以用于测量其他生理物质，如血红蛋白或血液中胡罗卜素。

Claims (20)

1.一种用于确定样本中分析物含量的方法，包括步骤：

a.通过发出至少一个激发光到所述样本上而产生一个光信号；

b.通过以下步骤得到一个被调制的拉曼信号，其包括第一分量和第二分量：

i.将所述光信号通过第一光滤波器并使用第一周期函数调制所述光信号，得到所述第一分量；

ii.将所述光信号通过第二光滤波器并使用第二周期函数调制所述光信号，得到所述第二分量；

其中所述第一周期函数和所述第二周期函数有相同的预定周期，但是相互正交；

c.根据所述被调制的拉曼信号的一次谐波，计算所述第一分量和所述第二分量的强度；

d.根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度的比率，确定所述分析物的所述含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一分量是在所述被调制的拉曼信号的第一周期象限，所述第二分量是紧邻在所述第一周期象限之后的一个周期象限。

3.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一分量和所述第二分量强度的步骤还包括步骤：根据所述周期，提取所述被调制拉曼信号的所述一次谐波的一个同相幅值和一个四分周期相幅值；其中所述同相幅值对应所述第一分量的强度，所述四分周期相幅值对应所述第二分量的强度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述被调制拉曼信号的持续时间要比所述预定周期长。

5.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一分量和所述第二分量强度的步骤还包括步骤：将所述被调制拉曼信号传输到一个放大器，得到所述第一分量和所述第二分量的所述强度。

6.一种用于确定样本中分析物含量的方法，包括步骤：

a.发出一个激发光，其包括第一波长和第二波长；

b.通过以下步骤从所述激发光产生一个被调制的激发光：

i.将所述激发光通过第一光滤波器并使用第一周期函数调制所述激发光；

ii.将所述激发光通过第二光滤波器并使用第二周期函数调制所述激发光；

其中所述第一光滤波器和所述第二光滤波器分别允许所述第一波长和第二波长通过；所述第一周期函数和所述第二周期函数有相同的预定周期，但是相互正交；

c.通过引导被调制的激发光到所述样本上，产生一个光信号，所述光信号包括第一分量和第二分量；

d.根据所述光信号的一次谐波，计算所述第一分量和所述第二分量的强度；

e.根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度的比率，确定所述分析物的所述含量。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括一个步骤：将所述光信号通过至少一个激光线滤波器或光学窄带通滤波器。

8.根据权利要求6所述的方法，其中计算所述第一分量和所述第二分量强度的步骤还包括步骤：根据所述周期，提取所述被调制拉曼信号的所述一次谐波的一个同相幅值和一个四分周期相幅值；其中所述同相幅值对应所述第一分量的强度，所述四分周期相幅值对应所述第二分量的强度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述光信号的持续时间要比所述预定周期长。

10.根据权利要求6所述的方法，其中计算所述第一分量和所述第二分量强度的步骤还包括步骤：将所述被调制拉曼信号传输到一个放大器，得到所述第一分量和所述第二分量的所述强度。

11.一种用于确定样本中分析物含量的测量装置，包括：

a.一个激发光源，用于照射所述样本，因此产生一个光信号；

b.一个光学模块，用于从所述光信号产生一个被调制的拉曼信号，其中所述被调制的拉曼信号包括第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量相互正交；

c.一个检测器，用于接收所述被调制的拉曼信号，并将其转换成一个电信号；

d.一个微处理器，其连接到所述检测器；

e.一个计算机可读存储介质，其连接到所述微处理器，所述计算机可读存储介质由计算机可读指令编码，用于使所述微处理器执行以下步骤：

i.解调所述被调制的拉曼信号，以根据所述被调制的拉曼信号的一次谐波，确定所述第一分量和所述第二分量的强度；

ii.根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度，计算所述分析物的所述含量；

其中所述被调制拉曼信号的所述第一分量和所述第二分量分别对应于两个拉曼频移成分的调制信号。

12.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述分析物的所述含量是根据所述第一分量和所述第二分量的所述强度的比率来计算的。

13.根据权利要求11所述的测量装置，还包括：

a.多个反射镜；和

b.至少一个分色镜；

其中所述分色镜和反射镜的安置方式使得所述激发光源能被引导而照射到所述样本的前侧或后侧。

14.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述光学模块还包括：

a.至少一个第一光学带通滤波窗口，用于允许所述光信号的第一波长成分通过；

b.至少一个第二光学带通滤波窗口，用于允许所述光信号的第二波长成分通过；

c.一个滤光轮，其中所述滤光轮被分成至少一个隔间，每个所述隔间包含四个相连部分；其中所述第一和第二光学带通滤波窗口分别安装在前两个相邻的相连部分上，其余的相连部分用于使得所述拉曼信号不能通过；

d.一个马达，其连接到所述滤光轮，用于以一个预定速度旋转所述滤光轮；

其中所述被调制拉曼信号的所述第一分量是所述第一波长成分的一个调制，所述被调制拉曼信号的所述第二分量是所述第二波长成分的一个调制。

15.根据权利要求14所述的测量装置，其中所述第一光学带通滤波窗口占据整个第一相连部分，所述第二光学带通滤波窗口占据整个第二相连部分。

16.根据权利要求14所述的测量装置，其中所述第一和第二光学带通滤波窗口分别对称地覆盖所述前两个相邻的相连部分的各自一个预定部分。

17.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述光学模块还包括：

a.第一光学带通滤波窗口，用于允许所述光信号的第一波长成分通过；

b.第二光学带通滤波窗口，用于允许所述光信号的第二波长成分通过；

c.一个翻转镜，用于在预定时隙引导所述光信号到所述第一和第二光学带通滤波器；

其中所述被调制拉曼信号的所述第一分量是所述第一波长成分的一个调制，所述被调制拉曼信号的所述第二分量是所述第二波长成分的一个调制。

18.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述光学模块还包括：

a.一个分光器，用于从所述拉曼信号产生第一光束和第二光束；

b.第一光学带通滤波窗口，用于允许所述第一光束的第一波长成分通过；

c.第二光学带通滤波窗口，用于允许所述第二光束的第二波长成分通过；

d.一个光切换单元，用于周期性地允许所述第一光束通过所述第一光学带通滤波窗口，并周期性地允许所述第二光束通过所述第二光学带通滤波窗口；

e.一个光合并单元，用于合并所述第一波长成分和所述第二波长成分，以形成所述被调制的拉曼信号；

其中所述被调制拉曼信号的所述第一分量是所述第一波长成分的一个调制，所述被调制拉曼信号的所述第二分量是所述第二波长成分的一个调制。

19.根据权利要求18所述的测量装置，其中所述光切换单元还包括一个旋转盘，所述旋转盘上有一个开口，其选择性地允许所述光信号通过。

20.根据权利要求18所述的测量装置，其中所述光切换单元还包括两个液晶快门，其选择性地允许所述光信号通过。