CN104428643B - 集成式拉曼光谱检测器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种利用外差检测方案进行拉曼光谱的系统和方法。该外差检测方案能够将已经穿过待分析样品的辐射的经调制的部分与基准辐射组合，以生成组合的频率信号。该基准辐射的至少一部分能够被从该组合的频率信号滤出，产生经滤波的频率信号。可以根据经滤波的信号确定与样品相关的信息。然后可以分析所确定的信息以确定该样品的化学成分。
Description
背景技术
拉曼光谱是调查并确定无论是固态的、液态的或气态的形式的样品的化学成分的一种众所周知的方法。精细的激光器，通常是以单波长运行的单模激光器，是针对该样品的。分散的拉曼信号通过光学探针被收集并且在高分辨率光谱仪中进行分析。激光器以波长λi发射包括光子在内的输入信号。光子被该样品以取决于该样品的化学成分的位移的波长λo散射，其中λo>λi。该位移是在散射之前促使某些输入能量被样品吸收的依赖分子的光子的结果。散射的光子对于每个分子来说是唯一的，因此收集到的光谱是样品的化学成分的唯一表示。
只有一小部分的输入信号引起拉曼效应(总输入信号的10-9量级)，所以必须极大地加强检测。这产生了对用于检测的高分辨率和低噪音光谱仪的需求。这种光谱仪通常尺寸较大，获取和运行的成本昂贵，并需要冷却，而冷却产生额外的功耗和额外的费用。近来，一些手持式光谱仪已经出现，这种手持式光谱仪的尺寸减小，但是却以降低光谱分辨率为代价，从而限制了其有用性。
为了达到足够的分辨率，传统光谱仪需要高度地分散光，因此，传统光谱仪在进行小型化或被设计成较小的设备时功能受到限制。在典型的拉曼光谱设备中，光谱仪占成本的75％以上，并且占据相似比例的装置尺寸和重量。
发明内容
在通常的一方面，实施方式公开了一种用于进行拉曼光谱的系统。该系统包括至少一个第一辐射源，所述至少一个第一辐射源被配置为以第一频率产生第一辐射并且将所述第一辐射指向待分析的样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；至少一个第二辐射源，该至少一个第二辐射源被配置为以第二频率生成基准辐射；接收光学器件，该接收光学器件被配置为收集该第一辐射的经调制的部分；以及至少一个检测装置，该至少一个检测装置被配置为接收包括所述第一辐射的所述经调制的部分以及所述基准辐射的组合的频率信号，所述至少一个检测装置包括至少一个滤波器，所述至少一个滤波器被配置为从所述组合的频率信号中过滤所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号。
在通常的另一方面，实施方式公开了一种进行拉曼光谱的方法。该方法包括：提供待分析的样品；将来自至少一个第一辐射源的第一辐射指向所述样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；在一个或多个接收光学器件处收集所述第一辐射的所述经调制的部分；将所述第一辐射的所述经调制的部分从所述一个或多个接收光学器件指向至少一个检测装置；将所述第一辐射的所述经调制的部分与来自至少一个第二辐射源的基准辐射组合，以生成组合的频率信号；以及在至少一个滤波器处对所组合的频率信号进行滤波以除去所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号。
在通常的另一方面，实施方式公开了一种确定样品的化学成分的系统。该系统包括：至少一个第一激光器，该至少一个第一激光器被配置为产生具有第一频率的第一辐射并且将所述第一辐射指向待分析的样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；至少一个第二激光器，该至少一个第二激光器被配置产生具有第二频率的基准辐射；接收光学器件，该接收光学器件被配置为收集所述第一辐射的所述经调制的部分；检测装置，该检测装置被配置为接收包括所述第一辐射的所述经调制的部分以及所述基准辐射的组合的频率信号。所述检测装置包括：至少一个滤波器，该至少一个滤波器被配置为从所述组合的频率信号中过滤所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号，以及至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为根据所述经滤波的频率信号确定与所述样品相关的信息。所述分析装置被配置为根据所确定的信息来确定所述样品的化学成分。
在通常的另一方面，实施方式公开了一种确定样品的化学成分的方法。该方法包括以下步骤：提供待分析的样品；将来自至少一个第一激光器的第一辐射指向所述样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；在一个或多个接收光学器件处收集所述第一辐射的所述经调制的部分；将所述第一辐射的所述经调制的部分从所述一个或多个接收光学器件指向检测装置；将所述第一辐射的所述经调制的部分与来自至少一个第二辐射源的基准辐射进行组合，以生成组合的频率信号；在至少一个滤波器处对所述组合的频率信号进行滤波以除去所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号；在至少一个传感器处根据所述经滤波的频率信号确定与所述样品相关的信息；以及在分析装置处根据所确定的信息来确定所述样品的化学成分。
前述内容仅仅是说明性的，不得以任何方式用于限制。除了说明性的方面之外，上述的实施方式和特征、其他方面、实施方式和特征将通过参照附图和下面的详细说明变得明显。
附图说明
图1示出用于进行拉曼光谱的示例性系统。
图2示出用于进行拉曼光谱的示例性过程。
图3示出用于进行拉曼光谱的另选的系统。
具体实施方式
拉曼光谱提供了关于能够用于样品鉴定和定量的分子振动的信息。该技术涉及在样品上照射单色光源(即，激光器)以及检测散射光。散射光的大部分与激励源的频率相同；这被称为瑞利或弹性散射。由于入射电磁波和样品中分子的振动能量级之间的相互作用，少量散射光(约10-5％的入射光强)从激光频率开始在能量上位移。针对频率测绘该“位移的”的光的强度产生样品的拉曼光谱。通常，相对于激光频率来测绘拉曼光谱，使得瑞利谱带处于0cm-1。以这种规模，谱带位置将位于与不同的功能组振动的能量级相对应的频率处。因此能够与红外吸收光谱相似地解释拉曼光谱。
如本文中所用，“拉曼光谱”是指大约100cm-1到5000cm-1的辐射频率范围，正如从辐射源的频率所位移的那样。单位cm-1表示已经穿过正被分析的样品的所产生的信号与最初针对该样品的输入信号相比的位移。拉曼光谱位移Δω的范围可以利用下面的换算来确定：
该换算有效地使波长范围乘以(nm)/(cm)。
本公开涉及一种用于根据拉曼光谱的外差检测方案解决拉曼光谱学中的现存问题的集成式方案。该方案是基于诸如激光这样的指向辐射、在待分析的样品处发生并且以标准的方式收集拉曼信号。然而，代替使用光谱仪来使拉曼信号分散以便能够查看拉曼光谱，外差检测方案利用与拉曼信号进行组合的可调谐激光器。两种光信号都会影响光学传感器。如由光学传感器所生成的产生的电信号具有外差分量，该外差分量的频率取决于可调谐激光器与拉曼光谱之间的频率差。通过利用电子滤波器，分离出期望的信号并获得高分辨率滤光器。
图1示出用于进行拉曼光谱的示例性系统100。第一辐射源102可以被配置为以第一频率(例如fs)生成第一辐射104。该第一辐射源102可以被定位和配置为将第一辐射104指向待分析的样品106。由于该第一辐射穿过该样品，该第一辐射的至少一部分可以进行调制，产生经调制的辐射108。该经调制的辐射108可以被诸如光学传感器110的接收光学器件所接收。
系统100还可以包括第二辐射源112。该第二辐射源可以被配置为生成基准或第二辐射114并且将第二辐射指向光学传感器110。
在示例中，第一辐射源102可以是旨在以频率fs来生成激光的动态可调谐激光器。在实施方式中，第一辐射源102可以是动态可调谐激光器，该动态可调谐激光器被配置为在待分析的样品106的拉曼光谱内(例如在如从可调谐激光器的频率所位移的大约100cm-1到5000cm-1的范围内部)产生频率fs。
类似地，第二辐射源112可以是扫描激光器或动态可调谐激光器，该扫描激光器或动态可调谐激光器被配置为扫描频率的范围，以产生位于待分析的样品106的拉曼光谱的区域中的作为激光的基准辐射。在实施方式中，第二辐射源110可以是动态可调谐激光器，该动态可调谐激光器被配置为在待分析的样品106的拉曼光谱内(例如，在如从可调谐激光器的频率所位移的大约100cm-1到5000cm-1的范围内部)生成基准信号。
已经穿过样品的经调制的光(即，拉曼信号)以及基准光都会影响光学传感器。在外差检测中，在特定频率处的所关注的信号与设置在附近的频率处的基准信号非线性地进行混合。在上述的示例中，基准信号(即，第二辐射114)位于待分析的样品106的拉曼光谱内。非线性混合的所产生的信号是携带诸如原始的更高频率信号的振幅、相位和频率这样的信息但是以频率差振荡的信号。为了分离期望的关注的频率，可以将诸如直流滤波器这样的电子或射频(RF)滤波器应用于所产生的信号。可以从标准振幅检测器中获取与拉曼信号在期望频率处的振幅线性地成比例的信号的振幅。
为了进行外差检测，光学传感器110可以包括诸如用于将拉曼信号108与基准信号114进行组合以产生组合的信号的非线性混合器这样的各种滤波器和电子产品。光学滤波器110可以进一步包括诸如直流滤波器这样的滤波器，以从组合的信号中滤出基准信号的至少一部分，从而产生经滤波的信号用于进一步分析。光学传感器110能够连接到分析装置116，例如被配置为接收经滤波的信号并根据该经滤波的信号的各种属性来确定样品106的化学成分的计算机或类似的处理装置。下面将参照图2额外详细地讨论根据经滤波的信号的各种属性分析并确定样品106的化学成分的示例性过程。
图2示出用于利用诸如图1中所示的系统100这样的系统进行拉曼光谱的示例性过程。图2的下述讨论例示了可以用于如上述讨论的外差检测方案中的一组示例性的方程式。应当注意的是，下面的方程式和讨论仅仅用于说明性目的，并且其他方程式可以用来实现外差检测方案。
可以提供202样品用于分析。例如，可以提供202饮用水的样品用于分析包含在其中的任何潜在的污染物。诸如动态可调谐激光器这样的第一辐射源可以将辐射指向204样品。由于辐射穿过样品，所以该辐射的至少一部分可以通过使样品内部的分子振动来进行调制，从而产生经调制的辐射信号或拉曼辐射信号。同时，诸如扫描激光器这样的第二辐射源可以将基准辐射信号指向206传感器。
传感器可以接收208经调制的辐射信号和基准辐射信号两者。这两个信号可以例如经由非线性混合器被混合210成组合的信号。方程式1示出了示例性的组合信号S(t)：
方程式1：
其中：SR(t)是频率fR处的拉曼光谱振幅
ST(t)是频率fT处的基准辐射信号
组合的信号可以根据取决于光学传感器和分析电子产品的配置的各种方法进行滤波212。例如，为了从组合的信号中滤出210高频分量以产生归一化的检测器信号D(t)，组合的信号可以如方程式2中所示进行平方：
方程式2：D(t)＝S(t)2＝SR(t)ST(t)sin(2π(fR-fT))
由于典型的拉曼信号由多个并发的频率构成，检测器信号D(t)具有与经调制的拉曼信号相同的拉曼光谱。例如，已知的频率f1和f2可以被代入方程式2中，产生下面的方程式3：
方程式3：D(t)＝S1(t)ST(t)sin(2π(f1-fT))+S2(t)ST(t)sin(2π(f2-fT))
可以进一步利用电子滤波器对信号滤波212来实现f1和f2的分离。由于非常高分辨率的滤波器在电气领域是容易产生的，因此用利用如上述所讨论的过程和类似的方程式的外差检测方案来代替现有技术的光谱仪是可能的。
在过滤212之后，信号可以在计算机或其他类似的处理装置处进行分析214，以确定所提供202样品的化学成分。通过分析214包含在所产生的经滤波的信号中的单个的峰值的振幅，可以识别饮用水中的一个或多个潜在的污染物。
在上述的示例中，一旦选择了电子滤波器，可以通过将扫描激光器的频率fT变为超过关注的频率来对扫描激光器(即，第二辐射源)进行调谐来实现拉曼光谱的扫描。如果电子滤波器仅仅被设计为直流滤波器，则检测方案可以被称为零差(homodyne)。然而，零差检测方案可以具有几种潜在的障碍。例如，存在于全部电子产品和光检测器中的噪声在较低频率处更加突出。而且，将密封的电滤波器设计为围绕直流电比交流电更具有挑战性。
如上所述的外差检测方案的一种潜在障碍会是经调制的信号可以由两个或多个拉曼信号构成。因为该方案对频率差起作用，所以在扫描激光器信号之下的信号和之上的信号都会在滤波器之后出现。该情况的一种解决方案可以是扫描初始扫描只具有正的(或负的)拉曼分量的拉曼光谱。然后，可以通过减去先前扫描的信号来对双重信号进行卷积。
如图3中所示的系统300描述了可以被并入到拉曼光谱系统中的一组示例性部件。图3示出了包括一组特定部件的系统300，该一组特定部件可以用来减小用于进行拉曼光谱(例如，用于并入到手持式装置中)的系统的总体尺寸和成本。该系统可以包括第一辐射源302、第二辐射源304以及用于进行外差检测方案的包括非线性混合器和一个或多个滤波器的各种电子产品306。在该示例中，第一辐射源302和第二辐射源304各自可以是具有相似运行特性的可调谐激光二极管。例如，第一辐射源302可以是具有532nm波长的单模激光二极管。第二辐射源304可以是具有利用+/-2nm扫描的558nm波长的单模激光二极管。由于各个激光二极管在运行特性方面是相似的，所以第一辐射源302和第二辐射源304都可以安装在相同的例如印刷电路板这样的基板308上。此外，由于第一辐射源302和第二辐射源304都可以以类似的速率进行热漂移(thermally drift)，所以可以减少或消除任何的温度补偿需求。为了节省空间和成本，各种电子产品306还可以安装在基板308上。
第一辐射源可以经由一个或多个光纤312与聚焦装置310光学地连接。聚焦装置310可以被配置为将由第一辐射源302产生的、经由光纤312接收的辐射指向待分析的样品314。经调制的辐射的一部分可以在聚焦装置310处被样品314反射、被该聚焦装置接收并且经由一个或多个光纤316光学地传递到各种电子产品306。类似地，第二辐射源304可以生成基准信号并且经由一个或多个光纤318将该基准信号传递到各种电子产品306。通过使用光纤，可以创造辐射可在其中行进的非线性路径，从而产生系统300的各种部件的非线性排列以及当实现为诸如手持式装置的单个封装时的较小的整体尺寸。合并了用于拉曼光谱的系统(例如，系统300)的手持式装置可以进一步包括：处理装置，该处理装置用于分析各种电子产品306所生成的经滤波的信号；输入，该输入用于从装置的用户接收配置信息；显示器，该显示器用于向用户呈现结果信息；存储器，该存储器用于存储与正被分析的样品相关的结果信息；输出，该输出用于将手持式装置可操作地连接到外部计算装置；以及与手持式测试装置共有的其它类似特征。
应当注意的是，附图中所示的实施方式仅仅通过示例的方式示出。可以进行对本文中所讨论的实施方式的其它更改和/或改进。例如，上述参照图2所讨论的过程步骤和方程式仅仅通过示例的方式示出。此外，图3中所示的部件的排列仅仅用于说明目的。可以根据系统的期望应用并入其它的结构和部件。例如，用于执行外差检测方案的各种电子产品306可以被配置为执行各种电子产品的、例如非线性混合器和一个或多个滤波器这样的集体功能的现场可编程门阵列(FPGA)所代替。
示例1：手持式装置
如图3中所示，用于利用外差检测方案进行拉曼光谱的各种部件可以产生可以被并入到用于便携使用的手持式装置中的尺寸减小的系统。与图3中所示的系统300相类似，手持式装置可以包括印刷电路板，该印刷电路板包括两个或更多个可调谐激光二极管；与透镜或其它类似的聚焦装置光学连接的至少一个激光二极管，该至少一个激光二极管被配置为通过光纤将辐射指向透镜，该透镜使辐射朝向待分析的样品集中；以及被配置为扫描一范围以产生基准信号的至少一个激光二极管。印刷电路板还可以包括光学传感器，该光学传感器经由光纤与扫描激光二极管以及透镜光学地连接；处理器，该处理器包括具有用于进行样品的化学分析的指令的存储器；以及显示器，该显示器用于输出与样品的化学分析相关的信息。手持式装置可以进一步包括用户输入接口，该用户输入接口为用户提供键入与待分析的样品相关的信息的能力。
诸如国家公园部门的政府机构可以使用这样的便携式装置，以测试国家公园的各种区域的污染水平。例如，大河流可以穿过国家公园。公园部门的公园管理员或其他类似员工可以河流穿过公园而经过河流的长度，利用便携式拉曼光谱检测器在沿着该长度的各种点处测试水的污染。信息可以用来确定不需要的污染物是否正在穿过河流，可能危害鱼类或野生生物。
类似地，从井中或其它自然资源获取其饮用水的房屋拥有者可以使用便携式、手持式拉曼光谱检测器来确定其饮用水供应是否具有任何的不需要污染物，以及其是否需要过滤或另外处理其饮用水供应。
应当注意的是，这两种情形仅仅通过示例的方式示出，以例示手持式拉曼光谱装置的潜在用途。
示例2：药物生产
在典型的药物生产机构中，保持清洁的工作环境和防止任何不需要的物质进入生产流程受到极大的关注。目前公开的拉曼光谱系统是传统拉曼光谱系统的一种更便宜更小的替代物。因此，可以在沿着生产线的各种位置处放置多个拉曼光谱装置，以确保在生产期间不需要的物质不会出现在药物中。包括第一可调谐激光器和第二可调谐激光器的一组可调谐激光器可以沿着生产流水线定位，并且致力于当药物成分或混合物经过激光器时向其中照射激光。通过激光与药物成分反应而产生的经调制的信号可以在每组激光器处在当地进行收集，在当地的非线性混合器处与由扫描激光器生成的基准信号进行组合，并且作为电信号被发送到中心位置用于进一步分析。中央处理器可以从沿生产线的多个装置中接收信号，在沿生产流水线的各种位置处确定化学成分，并且向位于中心位置处的操作员报告任何异常情况或意想不到的结果。
例如，在每个成分被添加到特定的药物之前，当药物在生产线上传递时可以对该药物进行拉曼抽样，以确认该药物的组成限于所期望的成分。可以在每个成分被添加之后进行类似的过程，以确保只添加了期望的物质。类似地，由于一定量的一个或多个成分被接收到或添加到生产线中，可以确认该成分的化学组成以确保不需要的物质不会进入生产线。
在较小的规模下，并且结合上述讨论的示例1的原则，各个药剂师可以具有手持式拉曼光谱装置，以验证从供应商那里接收的任何药物都是真的并且不包含任何不需要的物质。这还可以发挥作用防止在化学上不与其真正的对应物相同的假药被意外地卖给客户。
示例3：汽油精炼
当精炼汽油时，期望准确确定汽油中包含的乙醇的量。诸如图3中所示的拉曼光谱装置可以被集成为沿着精炼工艺，以在随着汽油被精炼检测其中的乙醇水平。例如，对于特定的精炼过程，乙醇在汽油的拉曼光谱上可以产生880cm-1的峰值。将辐射指向汽油中的输入激光器具有532nm的波长。利用上述所限定的换算，880cm-1的波长位移导致26nm的位移，即558nm。为了将880cm-1处的峰值与相邻峰值(例如，920cm-1)相分离，检测器具有至少0.1nm的分辨率以及大约1.5nm的扫描范围(920cm-1-880cm-1换算成nm)。可以使用更高的分辨率来分离更接近的物质，例如0.01nm的分辨率。
示例4：癌症检测
诸如图3中所示的拉曼光谱装置可以被配置为测量并分析来自健康组织和癌变组织的血清的荧光性。根据该测量和分析的结果，可以利用拉曼光谱装置分析来自新病人的组织，并且做出该病人是否具有癌变组织的决定。例如，从488nm到514.5nm扫描的氩离子激光器可以用于血清抽样。在最初进行分析的非癌变组织样品中，由于健康血清中更高水平的胡萝卜素，始终观察到三个拉曼峰值。在癌变组织中，不会检测到峰值或者只检测到微小的拉曼峰值，这是由于低水平的胡萝卜素造成的。因此，可以对新病人的血清进行分析，以确定胡萝卜素水平以及从其中提取血清的组织是否是癌变的。
在上述的详细说明中，参照附图，附图形成本公开的一部分。在附图中，类似的符号通常表示类似的部件，除非文中另有规定。在详细的说明书、附图以及权利要求书中描述的示例性实施方式不用于限制。在不背离本文中所提出的主题的精神和范围的情况下，可以利用其他实施方式，并可以进行其他改变。容易理解的是，正如本文中一般描述的和附图中例示的那样，可以在各种不同的配置中对本发明的方面进行设置、替换、结合、分离和设计，这些配置全部都在本文中明确地考虑到。
本公开不受该申请中所述的特定实施方式的限制，这些实施方式被用作各种方面的例示。对于本领域技术人员来说明显的，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行许多修改和变型。从上述的说明中看出，除了本文中所列举的方法和装置，在本公开的范围之内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员来说是明显的。这种修改和变型应当落入所附权利要求的范围内。本公开只受所附权利要求连同这些权利要求的等同物的全部范围的限制。应当理解的是，本公开步骤特定方法、试剂、化合物、成分或生物系统的限制，这些当然可以不同。同样应当理解的是，本文所用的术语仅用于描述特定的实施方式，而不用于限制。
相对于本文中的基本上任何多个术语和/或单个术语的使用，本领域技术人员可以将多个转化成单个和/或将单个转化成多个，以适合上下文和/或申请。为了清楚起见，可以在本文中清楚地阐述各种单个或多个排列。
本领域技术人员将要理解的是，通常来说，本文中所用术语，特别是所附权利要求(例如，所附权利要求正文)中所用的术语通常用作“开放式”术语(例如，术语“包括”应当被理解为“包括但不限制于”，术语“具有”应当被理解为“具有至少”，术语“包括”应当被理解为“包括但不限制于”等)。本领域技术人员将要进一步理解的是，如果所引入权利要求中出现的具体数量是有目的的，则该目的将明确出现在该权利要求中，并且在没有出现该具体数目时，不存在该目的。例如，为帮助理解，下面的所附权利要求可以包含引语“至少一个”和“一个或多个”的使用，以引入权利要求陈述。然而，即使当同一权利要求包括引语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”应当被理解为是指“至少一个”或“一个或多个”)时，该短语的使用不应当被理解为暗示不定冠词“一”或“一个”在权利要求中的引用将包含该引入的权利要求陈述的任何特定的权利要求限制为仅包含该陈述的实施方式；同样适用用来引入权利要求陈述的定冠词的使用的情况。另外，即使所引入的权利要求陈述的具体数目被明确记载，本领域技术人员也将意识到，该陈述应当被理解为是指至少所出现的数目(例如，“两个引用”的直接引用，没有其他修饰成分，是指至少两个引用，或者两个或更多引用)。而且，在使用类似于“A、B、和C等中的至少一个”的惯例的情况下，通常来说，该结构的目的为本领域技术人员将理解该惯例(例如，“具有A、B、和C中的至少一个的系统”非限制性地包括只具有A的系统、只具有B的系统、只具有C的系统、具有A和B的系统、具有A和C的系统、具有B和C的系统、和/或具有A、B和C系统等)。在使用类似于“A、B、或C等中的至少一个”的惯例的情况下，通常来说，该结构的目的为本领域技术人员将理解该惯例(例如，“具有A、B、或C中的至少一个的系统”非限制性地包括只具有A的系统、只具有B的系统、只具有C的系统、具有A和B的系统、具有A和C的系统、具有B和C的系统、和/或具有A、B和C系统等)。本领域技术人员将要进一步理解的是，无论在说明书、权利要求书或说明书附图中的表示两个或更多可替代术语的几乎任何反意连词和/或短语应当被理解为考虑包括其中一个术语、两个术语中的一个或两个的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在本公开的特征或方面是根据马库什组进行描述的情况下，本领域技术人员将要认识到，本公开因此是依据马库什组的任何个体成员或子组的成员进行描述的。
如本领域技术人员将要理解的，对于任何的或全部的目的，诸如在提供书面说明方面，本文所公开的全部范围还包括任何或全部可能的子范围及其组合。可以将任何所列的范围容易地理解为充分描述相同的范围并且使相同的范围能够被分解成至少等同的两份、三份、四份、五份、十份等。作为非限制性示例，可以容易地将本文所讨论的每个范围分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一等。同样如本领域技术人员将要理解的，诸如“多达”、“至少”等的全部语言包括出现的数量并且是指随后可以被分解成如上述讨论的子范围的范围。最终，如本领域技术人员将要理解的，范围包括每个个体成员。因此，例如，具有1-3单元的组是指具有1、2或3单元的组。类似地，具有1-5单元的组是指具有1、2、3、4或5单元的组，等等。
由上述可知，应当理解的是，为了说明性目的，已经在本说明书中对本发明的各种实施方式进行了描述，并且在不背离本发明的范围和精神的情况下可以进行各种修改。因此，本文所公开的各种实施方式不用于限制下面的权利要求所指示的真正的范围和精神。
Claims (26)
1.一种用于进行拉曼光谱的系统，该系统包括：
至少一个第一辐射源，所述至少一个第一辐射源被配置为以第一频率产生第一辐射并且将所述第一辐射指向待分析的样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；
至少一个第二辐射源，所述至少一个第二辐射源被配置为以第二频率产生位于所述待分析的样品的拉曼光谱的区域中的基准辐射，其中，所述基准辐射不穿过所述样品；
接收光学器件，所述接收光学器件被配置为收集所述第一辐射的经调制的部分；
至少一个检测装置，所述至少一个检测装置被配置为接收被非线性混合器所组合的、包括所述第一辐射的所述经调制的部分以及所述基准辐射的、组合的频率信号，所述至少一个检测装置包括至少一个滤波器，所述至少一个滤波器被配置为从所述组合的频率信号中过滤所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号；以及
分析装置，所述分析装置被配置为根据所述经滤波的频率信号确定所述样品的化学成分。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个第一辐射源是具有可调谐分辨率的动态可调谐辐射源，使得所述至少一个第一辐射源被配置为对频率的动态范围进行扫描。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个第一辐射源是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述第一频率位于拉曼光谱内，其中，所述拉曼光谱的频率位于从所述可调谐激光器的频率所位移的100cm-1到5000cm-1范围内。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个第二辐射源是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述基准辐射位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个第二辐射源是扫描激光器，该扫描激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个第一辐射源是可调谐激光二极管，并且所述至少一个第二辐射源是可调谐激光二极管。
7.一种进行拉曼光谱的方法，该方法包括以下步骤：
提供待分析的样品；
将来自至少一个第一辐射源的第一辐射指向所述样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；
在一个或多个接收光学器件处收集所述第一辐射的所述经调制的部分；
将所述第一辐射的所述经调制的部分从所述一个或多个接收光学器件指向至少一个检测装置；
由非线性混合器将所述第一辐射的所述经调制的部分与来自至少一个第二辐射源的位于所述待分析的样品的拉曼光谱的区域中的基准辐射组合，以生成组合的频率信号，其中，所述基准辐射不穿过所述样品；
在至少一个滤波器处对所组合的频率信号进行滤波以除去所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号；以及
在分析装置处根据所述经滤波的频率信号确定所述样品的化学成分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个第一辐射源是具有可调谐分辨率的动态可调谐辐射源，使得所述至少一个第一辐射源被配置为对频率的动态范围进行扫描。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个第一辐射源是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述第一辐射位于拉曼光谱内，其中，所述拉曼光谱的频率位于从所述可调谐激光器的频率所位移的100cm-1到5000cm-1范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个第二辐射源是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个第二辐射源是扫描激光器，该扫描激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个第一辐射源是可调谐激光二极管，并且所述至少一个第二辐射源是可调谐激光二极管。
13.一种用于确定样品的化学成分的系统，该系统包括：
至少一个第一激光器，该至少一个第一激光器被配置为产生具有第一频率的第一辐射并且将所述第一辐射指向待分析的样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；
至少一个第二激光器，该至少一个第二激光器被配置产生具有第二频率的位于所述待分析的样品的拉曼光谱的区域中的基准辐射，其中，所述基准辐射不穿过所述样品；
接收光学器件，该接收光学器件被配置为收集所述第一辐射的所述经调制的部分；
检测装置，该检测装置被配置为接收被非线性混合器所组合的、包括所述第一辐射的所述经调制的部分以及所述基准辐射的、组合的频率信号，所述检测装置包括：
至少一个滤波器，该至少一个滤波器被配置为从所述组合的频率信号中过滤所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号，以及
至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为根据所述经滤波的频率信号确定与所述样品相关的信息；以及
分析装置，该分析装置与所述至少一个传感器可操作地连接，并且被配置为根据所确定的信息来确定所述样品的化学成分。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所确定的信息包括振幅、相位、频率或其组合。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个第一激光器是具有可调谐分辨率的动态可调谐激光器，使得所述至少一个第一辐射源被配置为对频率的动态范围进行扫描。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个第一激光器是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述第一频率位于拉曼光谱内，其中，所述拉曼光谱的频率位于从所述可调谐激光器的频率所位移的100cm-1到5000cm-1范围内。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个第二激光器是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个第二激光器是扫描激光器，该扫描激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个第一激光器是可调谐激光二极管，并且所述至少一个第二激光器是可调谐激光二极管。
20.一种确定样品的化学成分的方法，该方法包括：
提供待分析的样品；
将来自至少一个第一激光器的第一辐射指向所述样品，其中，所述第一辐射的至少一部分穿过所述样品并且被所述样品调制，从而产生所述第一辐射的经调制的部分；
在一个或多个接收光学器件处收集所述第一辐射的所述经调制的部分；
将所述第一辐射的所述经调制的部分从所述一个或多个接收光学器件指向检测装置；
由非线性混合器将所述第一辐射的所述经调制的部分与来自至少一个第二辐射源的位于所述待分析的样品的拉曼光谱的区域中的基准辐射进行组合，以生成组合的频率信号，其中，所述基准辐射不穿过所述样品；
在至少一个滤波器处对所述组合的频率信号进行滤波以除去所述基准辐射的至少一部分，以生成经滤波的频率信号；
在至少一个传感器处根据所述经滤波的频率信号确定与所述样品相关的信息；以及
在分析装置处根据所确定的信息来确定所述样品的化学成分。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所确定的信息包括振幅、相位、频率或其组合。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个第一激光器是具有可调谐分辨率的动态可调谐激光器，使得所述至少一个第一激光器被配置为对频率的动态范围进行扫描。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个第一激光器是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述第一辐射位于拉曼光谱内，其中，所述拉曼光谱的频率位于从所述可调谐激光器的频率所位移的100cm-1到5000cm-1范围内。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个第二激光器是可调谐激光器，该可调谐激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个第二激光器是扫描激光器，该扫描激光器被配置为使得所述基准辐射的频率位于所述第一辐射的频率的5000cm-1内。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个第一激光器是可调谐激光二极管，并且所述至少一个第二激光器是可调谐激光二极管。
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