CN108982473A - 用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体及其检测方法，采用本发明的模体进行检测，当拉曼光谱成像系统沿着凸台或凹槽的宽度w方向进行一维扫描时，以空间距离为自变量，凸台或基底的特征光谱信号为因变量，可得到光谱信号随距离变化的曲线。根据曲线，即可判断系统的纵向分辨率是否能达到h。通过测量一系列深度不同的凹槽或高度不同的凸台，即可得出系统的纵向分辨率，或在给定对比度条件下的纵向分辨率。

Description

用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体及其检测方法
技术领域
本发明涉及拉曼光谱成像技术领域，特别是涉及一种拉曼光谱成像纵向分辨率检测方法。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，反映了分子的振动和转动信息，是一种物质分析方法。拉曼光谱成像技术是将拉曼光谱与成像技术结合，通过对被测样品进行扫描测量，获取每一个点的拉曼光谱。再从拉曼光谱中提取关键信息，并以此绘制成样品的二维或三维拉曼光谱图像。拉曼光谱图像的每个像素都包含样品在该点的完整拉曼光谱，而图像的颜色或灰度对应了样品在该点的拉曼光谱的频移、峰高、峰面积等信息。
以拉曼光谱共焦显微成像系统为例进行说明。测量时，将样品置于显微镜的样品台上，激光通过显微镜会聚在样品表面，激发样品产生拉曼光谱信号。样品发出的拉曼光谱信号通过显微镜收集，再通过光谱仪测量、分析可得到样品在该点的拉曼光谱信号。拉曼光谱信号反映了样品的分子振动信息，具有指纹特性。样品台带动样品进行水平方向(横向)上的运动，同时，仪器测量样品不同位置的拉曼光谱信息，即可获得样品的二维拉曼光谱图像。
纵向分辨率是拉曼光谱成像系统的重要技术指标，反映了系统在水平方向上的空间分辨能力。纵向分辨率受成像系统的光学结构、激光波长、针孔尺寸、物镜放大倍数等多个参数所决定，难以通过理论计算获得。由于拉曼光谱系统常与共焦显微技术结合使用，在测量样品时可以对样品内部一定深度方向的层析成像，因此其在介质中的纵向分辨率也非常重要。但是，拉曼光谱成像系统在介质中的纵向分辨率和在空气中差异较大，无法利用在空气中的纵向分辨率计算出其在介质中的纵向分辨率的方法非常复杂，需要对拉曼光谱成像系统在介质中的纵向分辨率进行直接检测。
空间分辨率：光学成像系统能分辨物体空间几何长度的最小极限。
横向分辨率：光学成像系统在水平方向上的空间分辨率。
纵向分辨率：光学成像系统在竖直方向上的空间分辨率，也叫轴向分辨率。
在发明专利“拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用”(申请号201810319151.1)中提到一种拉曼光谱点扩散函数检测模体，该模体可用于检测拉曼光谱成像系统的一维点扩散函数、二维点扩散函数和三维点扩散函数；点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统在水平和竖直方向上的空间分辨率。
在发明专利“一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法”(公布号CN 106442468A)中提到一种用于检测拉曼光谱成像分辨率板的结构及其制备方法。
其中，在发明专利“拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用”(申请号201810319151.1)中提到一种拉曼光谱点扩散函数检测模体，该模体主要用于检测拉曼光谱成像系统的点扩散函数，利用点扩散函数可以计算得到系统的纵向分辨率。这种方法检测拉曼光谱成像系统纵向分辨率存在一些缺点：1)检测模体的原理和制备方法较为复杂；2)检测前需要先准确定位模体中模拟点物的颗粒位置；3)测量耗时较长。本专利所提出的拉曼光谱纵向分辨率检测模体，可以客服上述缺点，具有制备方法简单、测量耗时短的特点，可以检测系统在空气和介质中的纵向分辨率。
在发明专利“一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法”(公布号CN 106442468A)中提到一种用于检测拉曼光谱成像分辨率板的结构及其制备方法，在该发明说明书中虽然没有明确说明分辨率是横向分辨率还是纵向分辨率，但该发明所给出的分辨率板结构不能用于检测拉曼光谱成像的纵向分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体及其检测方法。本发明所提出的检测模体可用于检测拉曼光谱成像系统在空气中的纵向分辨率和在介质中的纵向分辨率，可为生产企业研发制造和质量检验以及用户日常使用的检测工具，也可为计量部门和质检部门提供依据。
一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，包括基底，所述基底上表面设有至少一个凹槽；所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；例如可在激光激发下产生拉曼光谱信号或荧光光谱信号；所述凹槽的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凹槽的深度为h。
本发明所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，所述基底上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料。
本发明所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
或者，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，包括基底和至少一个位于基底上表面的凸台，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述基底为非透明材料制成，不能透过激光波长的光，且凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凸台的高度为h。
再或者，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，包括基底和至少一个位于基底上表面的凸台，所述凸台的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凸台的高度为h；所述基底和凸台上方设有介质；所述凸台的材料和所述基底的材料不同；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；介质的高度d大于凸台的高度h。
本发明所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，所述凸台和基底材料均有光谱信号，二者的特征光谱信号不同。
采用本发明任一所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体的检测方法，当拉曼光谱成像系统沿着凸台或凹槽的宽度w方向进行一维扫描时，以空间距离为自变量，凸台或基底的特征光谱信号为因变量，可得到光谱信号随距离变化的曲线。根据曲线，即可判断系统的纵向分辨率是否能达到h。
本发明所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体的检测方法，通过测量一系列深度不同的凹槽或高度不同的凸台，即可得出系统的纵向分辨率，或在给定对比度条件下的纵向分辨率。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
1)在4种模体中，基底无需一定有拉曼信号，只要求材料可被激光激发出比激光波长更长的光谱信号即可，模体的材料选择范围更广；
2)第1种模体和第2种模体用于检测拉曼光谱成像系统在空气中的纵向分辨率，仅需一种材料即可制作检测模体，结构非常简单，可以大大降低加工难度；
3)第3种模体和第4种模体可用于检测拉曼光谱成像系统在介质中的纵向分辨率；
4)针对4种模体结构，给出了明确的尺寸关系要求，提供了测量纵向分辨率和在给定对比度下的纵向分辨率的定量检测方法。
本发明的拉曼光谱成像纵向分辨率检测模体，可用于检测拉曼光谱成像系统的纵向分辨率，该模体达到的效果如下：
(1)提供了4种简便的可用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体结构；
(2)模体可用于定量检测拉曼光谱成像系统在空气中的纵向分辨率；
(3)模体可用于定量检测拉曼光谱成像系统在介质中的纵向分辨率；
(4)模体可用于定量检测拉曼光谱成像系统在给定对比度条件下的纵向分辨率；
(5)提供了利用本发明的模体对拉曼光谱成像系统纵向分辨率进行定量检测的方法；
(6)可用于拉曼光谱成像系统的性能测试和计量检测。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体及其检测方法作进一步说明。
附图说明
图1为实施例1的用于检测拉曼成像系统在空气中纵向分辨率的模体结构示意图；
图2为实施例2的用于检测拉曼成像系统在空气中纵向分辨率的模体结构示意图；
图3为实施例3的用于检测拉曼成像系统在介质中纵向分辨率的模体结构示意图；
图4为实施例4的用于检测拉曼成像系统在介质中纵向分辨率的模体结构示意图；
图5为实施例1的模体检测拉曼光成像系统纵向分辨率的方法示意图；
图6为拉曼光谱随距离变化的曲线；
图7为实施例2的模体检测拉曼光成像系统纵向分辨率的方法示意图；
图8为实施例3的模体检测拉曼光成像系统纵向分辨率的方法示意图；
图9为实施例4的模体检测拉曼光成像系统纵向分辨率的方法示意图。
具体实施方式
实施例1
假定拉曼光谱成像系统的横向分辨率为l，纵向分辨率为a。
如图1所示，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，包括基底1A，所述基底1A上表面设有三个宽度相同且深度不同的凹槽；所述基底1A的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述凹槽的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凹槽的深度为h。
拉曼光谱成像系统3聚焦于基底1A的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图5所示。以凸台的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，如图6所示。拉曼光谱成像系统在基底1A上表面处测得的光谱强度最大，以最大光谱强度值为1。当成像系统的纵向分辨率远大于h时，凹槽区域测得的相对强度应接近于1。当成像系统的纵向分辨率远小于凸台高度h时，凹槽区域测得的相对强度应接近于0；对于同一个凹槽区域，系统的纵向分辨率越高，则凹槽处测得的相对强度值越小。根据光学成像理论，当某个凹槽区域测得的相对强度为0.5时(对比度为0.5)，成像系统刚好能分辨高度为h的凹槽，此时成像系统的纵向分辨率即为h。此外，也可自行规定某个对比度值，获得对该对比度下的纵向分辨率。使成像系统对高度为hmin～hmax的一系列凹槽进行一维成像，即可测出系统的纵向分辨率。模体的纵向分辨率测量范围即为hmin～hmax。
实施例2
如图2所示，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，包括基底1B和三个位于基底上表面的宽度相同且高度不同的凸台，所述基底1B的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述基底1B为非透明材料制成，不能透过激光波长的光，且凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凸台的高度为h。
拉曼光谱成像系统3聚焦于基底1B的下表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图7所示。以凸台的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，如图6所示。拉曼光谱成像系统在基底1B下表面处测得的光谱强度最大，以最大光谱强度值为1。当成像系统的纵向分辨率远大于h时，凸台区域测得的相对强度应接近于1。当成像系统的纵向分辨率远小于凸台高度h时，凸台区域测得的相对强度应接近于0；对于同一个凸台区域，系统的纵向分辨率越高，则凸台处测得的相对强度值越小。根据光学成像理论，当某个凸台区域测得的相对强度为0.5时，成像系统刚好能分辨高度为h的凸台，此时成像系统的纵向分辨率即为h。此外，也可自行规定某个对比度值，获得对该对比度下的纵向分辨率。使成像系统对高度为hmin～hmax的一系列凸台进行一维成像，即可测出系统的纵向分辨率。模体的纵向分辨率测量范围即为hmin～hmax。
实施例3
如图3所示，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，包括基底1C，所述基底1C上表面设有三个宽度相同且深度不同的凹槽；所述基底1C的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；例如可在激光激发下产生拉曼光谱信号或荧光光谱信号；所述凹槽的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凹槽的深度为h。基底1C上方设有介质2C；介质2C的材料和所述基底1C的材料不同；所述介质2C为透明或半透明材料。
如果介质2C材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底1C的特征光谱信号不同。
该模体的检测方法与实施例1的模体的检测方法相同。拉曼光谱成像系统3聚焦于凸台的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图8所示。以凸台的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线。利用同样的方法，可获得成像系统在该介质中的纵向分辨率以及在给定对比度下的纵向分辨率。
实施例4
如图4所示，一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其中，包括基底1D和至少一个位于基底1D上表面的凸台，所述凸台的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l(w≥3l)；所述凸台的高度为h；所述基底和凸台上方设有介质2D；所述凸台的材料和所述基底1D的材料不同；所述介质2D的材料和所述基底1D的材料不同；所述介质2D为透明或半透明材料；介质2D的高度d大于凸台的高度h。
如果凸台和基底1D材料均有光谱信号，二者的特征光谱信号不同。
该模体的检测方法与实施例2模体的检测方法相同。拉曼光谱成像系统3聚焦于基底1D的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图9所示。以基底1D的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线。利用同样的方法，可获得成像系统在该介质2D中的纵向分辨率以及在给定对比度下的纵向分辨率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：包括基底，所述基底上表面设有至少一个凹槽；所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述凹槽的宽度w远大于系统的横向分辨率l；所述凹槽的深度为h。
2.根据权利要求1所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：所述基底上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料。
3.根据权利要求2所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
4.一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：包括基底和至少一个位于基底上表面的凸台，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述基底为非透明材料制成，不能透过激光波长的光，且凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l；所述凸台的高度为h。
5.一种用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：包括基底和至少一个位于基底上表面的凸台，所述凸台的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；凸台的宽度w远大于系统的横向分辨率l；所述凸台的高度为h；所述基底和凸台上方设有介质；所述凸台的材料和所述基底的材料不同；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；介质的高度d大于凸台的高度h。
6.根据权利要求5所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体，其特征在于：所述凸台和基底材料均有光谱信号，二者的特征光谱信号不同。
7.采用权利要求1-6任一所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体的检测方法，其特征在于：当拉曼光谱成像系统沿着凸台或凹槽的宽度w方向进行一维扫描时，以空间距离为自变量，凸台或基底的特征光谱信号为因变量，可得到光谱信号随距离变化的曲线。根据曲线，即可判断系统的纵向分辨率是否能达到h。
8.根据权利要求7所述的用于检测拉曼光谱成像纵向分辨率的模体的检测方法，其特征在于：通过测量一系列深度不同的凹槽或高度不同的凸台，即可得出系统的纵向分辨率，或在给定对比度条件下的纵向分辨率。
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