CN104267015B - 用于生理检测的光信号检测装置及分析样本成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种光信号检测装置及分析样本成分的方法。激发光被选择性地以一个方向射向样本用来产生透射拉曼信号(在透射模式下)，或者以另一方向射向样本用来产生反射拉曼信号(在反射模式下)。通过分析透射和反射拉曼信号，能够确定样本内的被测物含量。

Description

用于生理检测的光信号检测装置及分析样本成分的方法

【相关申请】

本发明要求美国临时申请(申请号61/933131，于2014年1月29日申请)的优先权，在此其通过引用被合并到本发明。

【发明领域】

本发明涉及一种测量装置，特别涉及一种通过分析拉曼信号来检测样本中被测物含量的测量仪器，拉曼信号是通过透射和反射模式获得的。

【背景技术】

无创检测人体血液中某种被测物，或非侵入式血液测试，在过去20多年一直都是一个梦想，因其方便、卫生、和舒适。而要将其付诸实施的方式之一是使用光学测量，如拉曼光谱诊断。

但是，在这种非侵入性测量中，拉曼信号主要来自皮肤，而且对应于血液的谱峰也不清晰。反射式拉曼信号是以从皮肤表面反射的占主导，而透射式拉曼信号则包含更多来自主体的信息。因此，对于进行非侵入性检测组织和血液，一个能够同时捕获反射和透射拉曼信号的设备是很有价值的。

至今已有许多尝试用以实现透射拉曼检测和反射拉曼检测。其中一些使用一个激光源和两个检测器、或两个激光源和一个检测器、或两者的组合。如果只使用一个激光器和一个检测器，则必须增加一个光合成器(如光纤耦合器)，或增加一个光分路器(如分光镜)；在许多情况下，必须增加一个以上的额外光学元件。这些方法都有问题，概括起来主要有三个方面。首先，使用两个检测器或两个激光器的系统近似于两套独立的系统相加，它笨重而且昂贵。其次，有额外光学元件的系统就会有额外的背景噪声，这些背景噪声比我们要检测的血液信号还要大很多。最后，为了将所有这些光学元件置放在一起，数值孔径(即朝向样本物体的聚光透镜的聚光角度)会变得更小，从而系统的灵敏度会变得更低。

因此，本发明提出了一个更好的方法以捕获透射和反射拉曼信号用来进行生理检测。

【发明内容】

鉴于上述发明背景，本发明的一个目的是提供一种简化的透射-反射可互换拉曼探测装置，其能够捕获透射和反射拉曼信号。

因此，一方面，本发明提供一种光信号检测装置，其包括(a)一个框架，(b)一个激发光源，其连接到所述框架，并被配置以生成一个激发光，(c)一个样本空间，其被布置在框架内，并被适配以在运行期间接收一个样本，(d)一个探测器，其连接到框架，并被适配以在运行期间捕获当激发光射向样本时由样本产生的透射光信号和反射光信号，以及(e)一个光学元件，其连接到框架，并位于所述样本空间和所述探测器之间，用来反射激发光，并透射透射光信号和反射光信号。本装置在透射模式和反射模式之间是可切换的。当处于透射模式时，激发光源被设置以第一方向将激发光射向样本，产生透射光信号；当处于反射模式时，框架被设置以将激发光射向光学元件；光学元件以沿着信号轴的第二方向将激发光反射到样本，用来产生反射光信号，第二方向与第一方向相反。

在一个实施例里，第一方向和第二方向基本上是相互平行的。

在另一个实施例里，透射光信号和反射光信号是沿着信号轴射向探测器的。

在另一个实施例里，光学元件选自：陷波滤波器、长通滤波器、带通滤波器和分色镜。

在另一个实施例里，光学元件的中心与信号轴对齐，并且光学元件被安置与信号轴成一个角度。

在另一个实施例里，透射光信号和反射光信号是拉曼信号。

在另一个实施例里，激发光的波长范围是900-1300nm。

在一个典型实施例里，所述框架还包括一个旋转台，其使用光学元件的中心作为旋转中心进行旋转，激发光源安装在所述框架的旋转台上。因此，当所述设备从透射模式切换到反射模式时，旋转台以所述信号轴为基线，从零度旋转至不超过90度，使得激发光射向光学元件。

在另一个典型实施例里，框架还包括一个旋转台，其使用光学元件的中心作为旋转中心进行旋转；其中样本空间、光学元件和检测器被安装在框架的旋转台上。因此当本装置从透射模式切换到反射模式时，旋转台以旋转中心与光源的连线为基线，从0度旋转至不超过90度，使得激发光射向光学元件。

在另一个典型实施例里，框架还包括一个可移动可旋转平台，且激发光源被安装在框架的所述可移动可旋转平台上。在透射模式时，可移动可旋转平台安置激发光源以与信号轴对齐，而在反射模式时，可移动可旋转平台安置激发光源到一个预设位置，使得激发光源能够将激发光与信号轴成一个角度射向光学元件，该角度不超过90度。

在另一个典型实施例里，光信号检测装置还包括(a)一个光学装置，其连接到框架，以在透射模式和反射模式之间切换装置；和(b)第一反射镜，其连接到框架的第一预设位置。此外，在透射模式时，光学装置被设置以将激发光沿着第一方向射向样本，在反射模式时，将激发光射向第一反射镜，第一反射镜还将激发光反射到光学元件。

在另一个典型实施例里，光学装置还包括一个分光器、第一遮光器和第二遮光器。分光器被设置以将一部分激发光射向样本，并将其它部分的激发光射向第一反射镜。第一遮光器安置在分光器和样本之间的一条光路径上。第二遮光器安置在分光器和第一反射镜之间的一条光路径上，第一遮光器和第二遮光器是交替开合的，当第一遮光器打开而第二遮光器闭合时，将激发光射向样本，当第二遮光器打开而第一遮光器闭合时，将激发光射向第一反射镜。

在另一个典型实施例里，光学装置还包括第二反射镜，其被设置以在第一预设位置和第二预设位置之间切换。当第二反射镜位于第一预设位置时，第二反射镜将激发光反射到样本，当第二反射镜在第二预设位置时，第二反射镜不会与激发光相交，从而使得激发光能够射向第一反射镜。

在另一个典型实施例里，光学装置还包括第二反射镜，其被设置以在第三预设位置和第四预设位置之间切换。当第二反射镜位于第三预设位置时，第二反射镜不会与激发光相交，从而使得激发光能够射向样本，而当第二反射镜在第四预设位置时，第二反射镜将激发光反射到第一反射镜。

在另一个实施例里，光信号检测装置还包括一个信号收集器，其沿着信号轴在样本空间和光学元件之间对齐，从而能够收集透射光信号和反射光信号到检测器。

在另一个实施例里，信号收集器选自：复合抛物面聚光器、透镜。

在另一个实施例里，信号收集器选自：复合抛物面聚光器，并且复合抛物面聚光器的较小孔径的一端被安置靠近样本空间。

根据本发明的另一个方面，披露了一种分析样本成分的方法。其包括步骤(a)提供一个激发光源，其连接到第一装置，其能够在透射运行模式和反射运行模式之间切换；(b)当第一装置在透射运行模式时，将来自激发光源的激发光以第一方向射向样本；从而产生一个透射光信号；(c)当第一装置在反射运行模式时，将来自激发光源的激发光以第二方向反射到样本；从而产生一个反射光信号；和(d)分析透射光信号和反射光信号以获得样本成分。上述第一方向和第二方向是沿着信号轴几乎互相平行的，但方向相反；透射光信号和反射光信号都沿着信号轴射向一个检测器。

在以上方法的一个变化中，第一装置包括一个旋转台在框架内，激发光源安装在框架上。本方法还包括以下步骤(a)在透射运行模式时，将旋转台旋转到第一位置，使得激发光以第一方向射向样本；和(b)在反射运行模式时，将旋转台旋转到第二位置，使得激发光射向一个光学元件，光学元件将激发光反射到样本；其中旋转步骤使用光学元件的中心作为旋转中心。

在以上方法的另一个变化中，第一装置包括第一反射镜，其连接到框架的第一预设位置，以及一个光学装置，其连接到框架。光学装置还包括至少一个光学元件和一个控制器。以上方法还包括以下步骤：(a)在透射模式时，命令控制器将激发光以第一方向射向样本；和(b)在反射模式时，命令控制器将激发光射向第一反射镜，第一反射镜再将激发光反射到一个光学元件，使得光学元件以第二方向将激发光反射到样本。

本发明有许多优点。特别是，本发明优于之前提到的传统方法。本发明使用同样的激发光源、光学元件和检测器，能够在透射模式和反射模式之间快速切换。而在两种运行模式上，信号经过同一光学路径从样本行进到检测器。这种装置便于在透射和反射信号之间进行精确比较。在本发明披露的许多实施例里，使用机械元件如旋转台，来代替多个光学元件，用于在两种运行模式之间执行切换，而在其它实施例里，当在两种模式之间切换时，激发光要经过1个或2个反射镜反射。因此，在此披露的光信号检测装置既经济又小型化。由于其仅需要最少的光学器件进行运行，因此这些器件产生的信号损失和噪声也被最小化。

【附图说明】

图1是本发明一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图2是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图3是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图4是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图5是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图6是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图7是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图8是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图9是本发明另一个实施例的光信号检测装置在(a)透射模式和(b)反射模式时的结构示意图。

图10显示在样本支架里容纳手指的结构示意图。

图11显示测量以下而获得4nm光谱分辨率的拉曼光谱：(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(c)反射模式的拇指-食指间隔部；和(d)透射模式的拇指-食指间隔部。

图12显示测量以下而获得16nm光谱分辨率的拉曼光谱：(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(c)反射模式的拇指-食指间隔部；和(d)透射模式的拇指-食指间隔部。

图13显示测量以下而获得4nm光谱分辨率的拉曼光谱：(a)反射模式的鸡全血，和(b)反射模式的鸡血浆。

图14显示在样本支架上容纳手指进行体内测量的结构示意图。图示以指甲贴着支撑板而按压手指。

图15显示测量反射模式的指甲而获得的4nm光谱分辨率的拉曼光谱。

【具体实施方式】

在此使用的术语是为了描述特定实施例，并不是意在限制本发明概念。如在此和权利要求中所使用的“包括”，是指包括以下部分而不排除其他部分。

参照图1a和图1b，本发明一个实施例的透射-反射可互换拉曼探测装置包括一个激光源20、一个样本支架24和一个检测器36，它们沿着一个信号轴26被连接到一个框架上(为方便说明未在图中显示该连接)。线路滤波器22被安装在激光源20的前端。复合抛物面聚光器(CPC)28、第一陷波滤波器30(notch filter)、第二陷波滤波器32和透镜34分别按次序沿着信号轴26对齐在样本支架24和检测器36之间，CPC28最靠近样本支架24，而透镜34最靠近检测器36。CPC28的小孔径(图中未显示)靠近样本支架24。第一陷波滤波器30(也称为光学元件)与信号轴26成一个角度而安置。框架还包括一个旋转台38，该旋转台以第一陷波滤波器30的中心作为旋转中心而旋转。在此实施例里，激光源20和线路滤波器22也被安装在旋转台38上。

在操作时，一个将被测量的样本放置在样本支架24上。在一个实施例里，激光源20是一个1064nm二极管泵浦固态连续波激光器(diode pump solid state continuous wavelaser)，其以300mW运行。线路滤波器22的中心波长是1064nm，其半峰全宽(FWHM)值是10nm。在另一个实施例里，第一陷波滤波器30和第二陷波滤波器32反射波长中心为1064nm为、FWHM为40nm的光。因此，它们能反射波长中心为1064nm的+/-20nm的窄带光，而透射所有其它波长的光。对每个滤波器，所需要光的透射率大于85％，而不需要光的光密度(OD)大于6。透镜34是一个1-英寸的BK7透镜，焦距是1到2英寸。参照图1a，激光源20激发光，以沿着信号轴26的第一方向射向样本，以产生透射拉曼信号。当将探测装置从透射运行模式切换到反射运行模式时，旋转台38以信号轴26为基线，从0度旋转至一个小角度，该小角度不超过30度。旋转量是第一陷波滤波器30的法向矢量(图中未显示)和信号轴26之间角度的两倍。图1b显示旋转后激光源20的位置。参照此图，以反时针方向旋转激光源20，激光源20的激发光射向第一陷波滤波器30，第一陷波滤波器30以沿着信号轴26的第二方向反射激发光到样本上，从而产生反射拉曼信号，第二方向与第一方向相反。第一方向和第二方向基本上互相平行。从样本产生的透射拉曼信号或反射拉曼信号通过CPC28和透镜34被收集和聚集到检测器36上。在一个实施例里，检测器36包括一个车尔尼特纳光谱仪(Czerny Turnerspectrometer，未在图1内显示)，其装配有在-5摄氏度运行的InGaAs探测器阵列。通过调整光谱仪的入射狭缝可以控制光谱的分辨率。检测器36的输出可以由一个计算机(未在图1内显示)接收。对反射式拉曼，每次测量的持续时间是100秒。对透射式拉曼，每次测量的持续时间是100*10或1000秒。

本发明使用机械部件，如旋转台38，以代替多个光学元件如光纤或分光镜，而获得透射拉曼和反射拉曼信号。当从透射运行模式切换到反射运行模式时，不需要额外的光学器件。该系统允许透镜以大数值孔径贴近样本。从而没有额外的光信号损失，而且拉曼收集效率也很高。此外，旋转中心是第一陷波滤波器30而不是样本。由于激光源20是沿着第一陷波滤波器30进行小角度旋转，而不是沿着样本进行180度旋转，使得该系统更加紧凑，而且更容易对齐。类似地，在另一个实施例里，激光源20和线路滤波器22可以固定在框架的一个预设位置上，而框架的内里部分(即样本支架24、CPC28、第一陷波滤波器30、第二陷波滤波器32、透镜34和检测器36)被安装在一个旋转台上，旋转台以顺时针方向旋转，从而能够获得与图1b相同的效果。

在又一个实施例里，CPC28可以由多个透镜代替。参照图2a和图2b，在旋转台38上还安装有一个准直器40，其位于激光源20和线路滤波器22之间。第一透镜42和第二透镜44沿着信号轴26安置在样本支架24的两侧。第一透镜42和第二透镜44是1-英寸BK7透镜，其焦距是1到2英寸。运行时，激光源20产生的激发光被准直器40准直。参照图2a，第一透镜42沿着信号轴26的第一方向将激发光聚集到样本上，从而产生透射拉曼信号。当将探测装置从透射运行模式切换到反射运行模式时，旋转台38以信号轴26为基线，从0度旋转至一个小角度，该小角度不超过30度。图2b显示旋转后激光源20的位置。参照此图，激光源20的激发光射向第一陷波滤波器30，第一陷波滤波器30以沿着信号轴26的第二方向反射激发光到样本上，从而产生反射拉曼信号，第二方向与第一方向相反。第二透镜44将从样本产生的透射拉曼信号或反射拉曼信号引导通过第一陷波滤波器30、第二陷波滤波器32和透镜34而射向检测器36。如之前所述的，激光源20、线路滤波器22和准直器40可以固定在框架的一个预设位置上，而框架的内里部分(其它元件如第一透镜42、样本支架24、第二透镜44、第一陷波滤波器30、第二陷波滤波器32、透镜34和检测器36)被安装在一个旋转台上，旋转台被旋转以实现如图2b所示的相同效果。

在另一个实施例里，参照图3a和图3b，框架包括一个可移动可旋转的平台46。激光源20和线路滤波器22安装在该可移动可旋转的平台46上。参照图3a，得当探测装置在透射模式时，该可移动可旋转的平台46将激光源20安置得使其与信号轴26对齐。参照图3b，当探测装置在反射模式时，该可移动可旋转的平台将激光源20安置到一个预设位置上，使得激光源的激发光与信号轴26成一个角度射向第一陷波滤波器30，该角度不超过30度。当将探测装置从透射模式切换到反射模式时，该可移动可旋转的平台要么首先移动然后旋转，要么首先旋转然后移动，以便将激光源20安置到预设位置和方向。

在另一个实施例里，参照图4a和图4b，探测装置包括第一装置，其包括光学装置50和第一反射镜48，它们置于框架的一个预设位置上。图4a显示透射模式时光学装置50将激发光沿着第一方向射向样本，图4b显示在反射模式时光学装置50将激发光射向第一反射镜48。第一反射镜将激发光反射到第一陷波滤波器30，使得激发光沿着信号轴的第二方向被反射到样本上。

图5a和图5b描述当激光源20和信号轴26对齐时的情景。图5a显示在透射模式时光学装置50将激发光以第一方向射向位于样本支架24上的样本，图5b显示在反射模式时光学装置50将激发光射向第一反射镜48。第一反射镜48将激发光反射到第一陷波滤波器30。在图4和图5所述的实施例里，光学装置50可以通过多种方法而实现。例如，其包括一个半波片(half-waveplate)，半波片后跟着一个偏振分光器。旋转半波片能够改变激发光的偏振方向，使得偏振分光器根据激发光的偏振方向，将激发光要么射向样本，要么反射到第一反射镜48。

在另一个具体实施例里，参照图6a和6b，光学装置50包括第二反射镜52，第二反射镜52可以在透射模式的第一预设位置和反射模式的第二预设位置之间线性移动或翻转。在图6a中，第二反射镜52是在第一预设位置，以在透射模式时将激发光以第一方向射向样本。在图6b中，第二反射镜52是在第二预设位置，其并不与激发光相交，使得在反射模式时激发光能够射向第一反射镜48。第一反射镜48将激发光反射到第一陷波滤波器30。

图7a和图7b描述当激光源20沿着信号轴26对齐时的情景，光学装置50包括第二反射镜52，其能够在透射模式的第三预设位置和反射模式的第四预设位置之间线性移动或翻转。在图7a中，第二反射镜52是在第三预设位置，其并不与激发光相交，使得在透射模式时激发光能够射向样本。在图7b中，第二反射镜52是在第四预设位置，其在反射模式时将激发光射向第一反射镜48。第一反射镜48将激发光反射到第一陷波滤波器30。

在另一个具体实施例里，参照图8a和图8b，光学装置50包括一个分光器60、第一遮光器64和第二遮光器62，它们被设置以在透射模式时将激发光以第一方向射向位于样本支架24上的样本，或者在反射模式时将激发光射向第一反射镜48。这两个遮光器都由一个控制器控制(未在图中显示)。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被电子控制，使得其孔径交替式打开。参见图8a，在透射模式时，第一遮光器64打开，被分光器60反射的激发光以第一方向射向样本，而第二遮光器62阻挡从分光器60透过的激发光。参见图8b，在反射模式时，第二遮光器62打开，从分束器60透过的激发光射向第一反射镜48，而第一遮光器64阻挡从分光器60反射的激发光。第一反射镜48将激发光反射到第一陷波滤波器30。

图9a和图9b显示激光源20沿信号轴26对准时的情况，光学装置50包括分光器60、第一遮光器64和第二遮光器62。本实施例与图8a和8b所示实施例之间的区别是，后者的激光源20垂直于信号轴26，但是，运行原理和步骤与先前描述的相同，在此不再重复。

在本文和权利要求中使用的“框架”是一个通用术语，可以是一个基板、一个外壳或一个平台，用来承载任何固体组件在其上。在以上段落里公开的示例性实施例中，组件可包括但不限于激光器、各种光学透镜或滤波器、以及检测器。应该理解，框架可以是任何形式，并不限于本发明的示例性实施例。例如，框架可以有一个旋转平台和一个静止平台。旋转平台是框架的可旋转部分，旋转平台可以关于静止平台而旋转。

【实验结果】

根据图2所示的本发明实施例，构建出一个样机。使用的激光器、透镜、线路滤波器、陷波滤波器和检测器与段落[0046]里所述的相同。

使用该样机，以反射和透射模式测量志愿者的拉曼光谱。如图10所示，选择手指56的两个位置作为样本，一个是尾指(厚度＝～8毫米)另一个是拇指与食指之间的间隔部(厚度＝～3毫米)。手指被夹在一个支撑板58和一个盖板54之间，支撑板58和盖板54在样本支架(图中未示出)内。支撑板58固定在透镜44的焦平面上。在支撑板58的中心有一个直径为3mm的孔，使得从手指56产生的拉曼信号能够被透镜44收集。盖板54是柔性的，使得手指56能够插在两个板之间。在盖板54的中心有一个直径为6mm的孔，使得激发光能够穿过。支撑板58和盖板54被弹簧压紧，以便能安装被测试的样本。

图11显示测量(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(c)反射模式的拇指-食指间隔部，以及(d)透射模式的拇指-食指间隔部而获得的4nm光谱分辨率的拉曼光谱。尾指和拇指-食指间隔部的反射拉曼的光谱特征都或多或少是相同的，类似于通过常规方法从皮肤表面而获得的光谱特征。特别是，在这些光谱中能够清楚地看见在～1450cm^-1(CH₂弯曲振动带)的谐振频带和在～1300cm^-1和～1655cm^-1(酰胺III和酰胺I带)的谐振频带。此外，可能来自血液的在754cm^-1和1555cm^-1的小峰也是可见的。透射光谱提供更多信息。通过观察那些对应于蛋白质和脂类的强共振带，我们能够知道皮肤表面和主体之间的差异。观察血液的特征峰则更有趣。如图11b所示，在从尾指获得的透射拉曼光谱中，754cm^-1峰仍然存在，但1555cm^-1峰似乎被分成两个(1526cm^-1和1582cm^-1)。与血液的体外拉曼相比，我们发现这些特征峰可能会更好地诠释血液的存在。另一方面，如图11d所示，在754cm^-1和1526cm^-1和1582cm^-1的特征峰是不可见的，表示在拇指-食指间隔部有较少血液含量。这种结果听起来是合理的。分析这些反射和透射拉曼光谱，我们能够区分来自皮肤和来自血液的贡献。从其皮肤表面看，尾指和拇指-食指间隔部的看起来相似，但从其主体来看，它们有很大不同。

在生理检测的应用中，使用微型光谱仪的便携式装置往往是首选。然而，小型化通常会牺牲装置的分辨率。这是光栅型光谱仪的固有问题。在一个实例中，INSION(microParts)的近红外光谱仪的尺寸是61x42x16mm³，但分辨率仅为16nm。在另一实例中，Hamamatsu提供一个尺寸仅为27.6x16.8x13mm³的光谱仪。但同样，分辨率为仅有14-20nm。因此，在有限光谱分辨率下获取有用信息已经成为一个挑战。

图12显示测量(a)反射模式的尾指，(b)透射模式的尾指，(c)反射模式的拇指-食指间隔部，以及(d)透射模式的拇指-食指间隔部而获得的16nm光谱分辨率的拉曼光谱。因为入射狭缝越大，信号强度就越大。然而，由于分辨率越差，次强谱峰可能就会被隐藏。如图12a和图12c所示，在反射拉曼光谱中，在～754cm^-1和1555cm^-1上的光谱峰是模糊的。然而，如图12b所示，在从尾指所得的透射拉曼光谱里，由于来自皮肤的贡献更少，754cm^-1和在1500-1600cm^-1的谱带仍然存在。对于拇指-食指间隔部，由于有较少血液含量，对应血液的这些特征峰是看不见的。分析这些反射和透射拉曼光谱，我们能够区分来自皮肤和血液的贡献，即使是在相对较低分辨率的情况下。

为了更好地理解血液特征峰，使用相同的拉曼样机，获得鸡全血和鸡血浆的体外拉曼光谱。图13a显示测量反射模式的鸡全血而获得的4nm光谱分辨率的拉曼光谱。能够观察到在754cm^-1和1544cm^-1的特征峰。图13b显示测量反射模式的鸡血浆而得到的拉曼光谱。能够观察到在754cm^-1和1526cm^-1的特征峰。可以认识到，在754cm^-1的特征峰是相对稳定的，而在1500-1650cm^-1的光谱范围内的特征峰都更复杂，对血浆含量和血红蛋白中的氧浓度更敏感。例如，在1544cm^-1和1555cm^-1的特征峰可能被分别分配到脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白上。此外，应该警惕，显示在反射拉曼光谱中的在～754cm^-1和1555cm^-1的小峰，不一定仅仅来自于血液。这就解释了为什么血流量调节不改变反射拉曼的这两个峰的幅度(见US6389306)。这也解释了为什么从人体指甲获得的拉曼光谱，无论是体内测量(见图15)，或是体外测量(见US8535238)，总是包含这两个峰。因此，在透射拉曼中获得的1500-1650cm^-1光谱范围内的特征峰，其稍微不同于反射拉曼获得的特征峰，但可以更好地表示活体中血液的存在。

已经充分描述了本发明的示例性实施例。尽管这些描述涉及到特定的实施例，本领域普通技术人员将清楚知道，即使改变一些具体细节，本发明仍然可以实现。因此，本发明不应该被解释为只限于在此阐述的这些实施例。例如，线路滤波器22可以替换为一个边缘滤波器，其能让低于1100nm波长的光通过。激光源20可以是其它激发光源，其产生波长为900-1300nm的激发光。例如，可以使用一个半导体激光器，或者甚至使用一个近红外范围运行的高功率发光二极管。第一陷波滤波器30和第二陷波滤波器32可以替换为两个边缘滤波器、长通滤波器、带通滤波器或分色镜，用来反射激发光并透射拉曼信号。第二透镜44可以替换为反射凹镜或聚光器。检测器36可以替换为其他类型的光谱仪。例如，它可以是一个安装有InGaAs光电二极管的常规单色仪。这样的装置笨重而缓慢，但能够提供更好的分辨率，且成本低。

还有，在一个实施例中，如果激光束是准直的，那么可以去除准直器40。在另一实施例中，如果激光束光点足够小，那么可以省略第一透镜42。

此外，第二反射镜52可以是一种电-光开关，其允许光束在一种运行模式时以最小衰减穿过，同时在另一种模式时反射光束到另一个方向。

再者，本领域普通技术人员将清楚知道，激发光与信号轴26成一个角度射向光学元件，该角度并不限于不超过30度。如果第一个陷波滤波器被设计以45度的入射角上运行，该角度可以扩展至90度。此外，激光器和检测器可以替换为两个光纤耦合器，并通过光纤连接到激光器和检测器，使得激光器和检测器可以被远程配置，从而使旋转台更加小型化。

另外，在生理检测的应用中，从安装在固定朝向的样本上获得的一对透射和反射拉曼光谱可能不足以分析样本中的被测物含量。可以改变样本的朝向，例如通过翻转样本或转动样本，并获得在每个朝向的透射和反射拉曼光谱，然后利用所有这些获得的拉曼光谱分析在受试者中的被测物含量。

例如，在进行人体的体内测量时，测试位置并不限于手指或拇指-食指间隔部。可以使用其它位置如例如耳垂、手掌或手臂，通过分析透射模式和反射模式获得的拉曼信号来检测人体内的被测物含量。鉴于皮肤的厚度，血液和水的含量在不同位置会有所变化，从不同位置获得的拉曼光谱会显示略微不同的特征。人们能够选择最佳位置来检测和分析人体中的被测物。

Claims (19)

1.一种光信号检测装置，包括：

a)一个框架；

b)一个激发光源，其连接到所述框架，并被设置以产生激发光；

c)一个样本空间，其位于所述框架内，用以在操作时接收一个样本；

d)一个检测器，其连接到所述框架，在操作时当所述激发光射向所述样本时，其用以捕获从所述样本产生的透射光信号和反射光信号；和

e)一个光学元件，其连接到所述框架，并位于所述样本空间和所述检测器之间，用来反射所述激发光并透射所述透射光信号和所述反射光信号；

其中所述装置可在透射模式和反射模式之间切换；

其中在所述透射模式时，所述激发光源被安置以将所述激发光以第一方向射向所述样本，从而产生所述透射光信号；

其中在所述反射模式时，所述框架被设置以将所述激发光射向所述光学元件；所述光学元件沿着一个信号轴以第二方向将所述激发光反射到所述样本，从而产生所述反射光信号；其中所述第二方向与所述第一方向相反；

所述装置包括一个框架内的旋转台，所述旋转台使用所述光学元件的中心作为旋转中心进行旋转，所述激发光源安置在所述框架的所述旋转台上或者所述样本空间、所述光学元件和所述检测器安装在所述框架的所述旋转台上，由此当所述装置从所述透射模式向所述反射模式切换时，使得所述激发光射向所述光学元件。

2.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述第一方向和所述第二方向是互相平行的。

3.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述透射光信号和所述反射光信号都沿着所述信号轴射向所述检测器。

4.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述光学元件选自：陷波滤波器、长通滤波器、带通滤波器和分色镜。

5.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述光学元件的中心与所述信号轴对齐，所述光学元件与所述信号轴成一个角度。

6.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述透射光信号和所述反射光信号是拉曼信号。

7.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述激发光的波长在范围900-1300nm内。

8.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中在所述激发光源安置在所述框架的所述旋转台上的情形下，由此当所述装置从所述透射模式切换到所述反射模式时，所述旋转台以所述信号轴为基线，从0度旋转至不超过90度，使得所述激发光射向所述光学元件。

9.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中在所述样本空间、所述光学元件和所述检测器安装在所述框架的所述旋转台上的情形下，由此当所述装置从所述透射模式切换到所述反射模式时，所述旋转台以旋转中心与光源的连线为基线，从0度旋转至不超过90度，使得所述激发光射向所述光学元件。

10.根据权利要求1所述的光信号检测装置，其中所述旋转台为一个可移动可旋转平台，所述激发光源安装在所述框架的所述可移动可旋转平台上；其中在所述透射模式时，所述可移动可旋转平台安置所述激发光源以与所述信号轴对齐，在所述反射模式时，所述可移动可旋转平台安置所述激发光源到一个预设位置，使得所述激发光源将所述激发光以一个与所述信号轴成不超过90度的角度射向所述光学元件。

11.一种光信号检测装置，其中所述装置还包括：

a)一个框架；

b)一个激发光源，其连接到所述框架，并被设置以产生激发光；

c)一个样本空间，其位于所述框架内，用以在操作时接收一个样本；

d)一个检测器，其连接到所述框架，在操作时当所述激发光射向所述样本时，其用以捕获从所述样本产生的透射光信号和反射光信号；和

e)一个光学元件，其连接到所述框架，并位于所述样本空间和所述检测器之间，用来反射所述激发光并透射所述透射光信号和所述反射光信号；

f)一个光学装置，其连接到所述框架，以在透射模式和反射模式之间切换所述光信号检测装置；

g)第一反射镜，其连接到所述框架的第一预设位置上；

其中在所述透射模式时，所述光学装置被设置以将所述激发光沿着第一方向射向所述样本，从而产生所述透射光信号；

在所述反射模式时，所述光学装置被设置以将所述激发光射向所述第一反射镜；所述第一反射镜进一步反射所述激发光到所述光学元件；

所述光学元件沿着一个信号轴以第二方向将所述激发光反射到所述样本，从而产生所述反射光信号；其中所述第二方向与所述第一方向相反。

12.根据权利要求11所述的光信号检测装置，其中所述光学装置还包括：

a)一个分光器，其被设置以将一部分所述激发光射向所述样本，并将其它部分的所述激发光射向所述第一反射镜；

b)第一遮光器，其位于所述分光器和所述样本之间的一条光路径上；

c)第二遮光器，其位于所述分光器和所述第一反射镜之间的一条光路径上；

其中所述第一遮光器和所述第二遮光器是交替可开合的，当所述第一遮光器打开且所述第二遮光器闭合时，所述激发光射向所述样本；当所述第二遮光器打开且所述第一遮光器闭合时，所述激发光射向所述第一反射镜。

13.根据权利要求11所述的光信号检测装置，其中所述光学装置还包括第二反射镜，其被设置以在第一预设位置和第二预设位置之间切换；

其中当所述第二反射镜位于所述第一预设位置时，所述第二反射镜将所述激发光反射到所述样本上，当所述第二反射镜位于所述第二预设位置时，所述第二反射镜不会与所述激发光相交，从而使得所述激发光能够射向所述第一反射镜。

14.根据权利要求11所述的光信号检测装置，其中所述光学装置还包括第二反射镜，其被设置以在第三预设位置和第四预设位置之间切换；

其中当所述第二反射镜位于所述第三预设位置时，所述第二反射镜不会与所述激发光相交，使得所述激发光能够射向所述样本，当所述第二反射镜位于所述第四预设位置时，所述第二反射镜将所述激发光反射到所述第一反射镜。

15.根据权利要求1所述的光信号检测装置，还包括一个信号收集器，其在所述样本空间和所述光学元件之间沿着所述信号轴对齐，从而能够收集所述透射光信号和所述反射光信号到所述检测器。

16.根据权利要求15所述的光信号检测装置，其中所述信号收集器是选自：复合抛物面聚光器、透镜。

17.根据权利要求15所述的光信号检测装置，其中所述信号收集器是一个复合抛物面聚光器，所述复合抛物面聚光器的较小孔径的一端被安置靠近所述样本空间。

18.一种使用如权利要求1～10任一项所述的光信号检测装置分析样本成分的方法，包括以下步骤：

a)提供所述激发光源；

b)在所述透射模式时，将所述旋转台旋转到第一位置，将来自所述激发光源的激发光以所述第一方向射向所述样本；从而产生所述透射光信号；

c)在所述反射模式时，将所述旋转台旋转到第二位置，将来自所述激发光源的所述激发光射向所述光学元件，所述光学元件以所述第二方向将所述激发光反射到所述样本；从而产生所述反射光信号；

d)分析所述透射光信号和所述反射光信号；从而获得所述样本的所述成分；

其中所述第一方向和所述第二方向是沿着信号轴互相平行的，但是彼此方向相反；所述透射光信号和所述反射光信号都沿着所述信号轴射向所述检测器。

19.一种分析样本成分的方法，包括以下步骤：

a)提供一个激发光源，其被连接到第一装置；其中所述第一装置包括第一反射镜，其被连接到框架的第一预设位置上，和一个光学装置，其被连接到所述框架；所述光学装置包括至少一个光学元件和一个控制器；所述第一装置能够在透射运行模式和反射运行模式之间切换；

b)在所述第一装置在所述透射运行模式时，命令所述控制器将所述激发光以第一方向射向所述样本，从而产生一个透射光信号；和

c)在所述第一装置在所述反射运行模式时，命令所述控制器将所述激发光射向所述第一反射镜；所述第一反射镜进一步将所述激发光反射到所述光学元件；所述光学元件沿着一个信号轴以第二方向将所述激发光反射到所述样本，从而产生一个反射光信号；

d)分析所述透射光信号和所述反射光信号；从而获得所述样本的所述成分；

其中所述第一方向和所述第二方向是沿着信号轴互相平行的，但是彼此方向相反；所述透射光信号和所述反射光信号都沿着所述信号轴射向一个检测器。