CN114112947A - 光谱分析设备、光学系统及方法 - Google Patents

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猿谷敏之
渡边芙美枝
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Abstract

本公开提供了一种光谱分析设备，该光谱分析设备包括：膜，该膜与接受光谱分析的样品接触；第一照射器，该第一照射器照射具有跃迁能量的第一照射光，以分解附着于膜的边界表面上的附着材料；以及光波导，该光波导传输从第一照射器照射的第一照射光。在光波导的前表面上生成基于第一照射光的第一倏逝波，然后使该第一倏逝波投射在附着材料的附着区域上。

Description

光谱分析设备、光学系统及方法
技术领域
总体而言，本发明涉及一种光谱分析设备、一种光学系统以及一种方法。
背景技术
传统上，已知有基于光谱方法来分析包括溶液等的样品的状态的技术。
例如，非专利文献1公开了一种表面等离子共振近红外光谱法，其中使用光来激发金属中的自由电子并使该自由电子共振，表面等离子体的共振光谱和样品的吸收光谱重叠，并且样品的吸收光谱强度看起来增加。
非专利文献
非专利文献1：Appl.Phys.Lett.83,2232(2003)；https://doi.org/10.1063/1.1610812
在这样的传统技术中，当附着材料附着于接受光谱分析的样品所接触的金属薄膜的边界表面时，仅能够获得基于附着材料的光谱信息。为了改进获得光谱信息的技术，可通过进行包括擦拭、使用表面活性剂的清洁和表面抛光等的清洁处理来去除边界上的附着材料。然而，由于这样的清洁处理，不可能使用光谱分析连续地进行样品的测量，从而导致测量效率降低。
发明内容
本发明的一个或多个实施例提供了一种光谱分析设备、一种光学系统和一种方法，其中提高了使用光谱分析的样品测量效率。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备包括：膜，在该膜上接触接受光谱分析的样品；第一照射单元，该第一照射单元用于照射具有跃迁能量的第一照射光，附着于所述膜的边界表面的附着材料在所述第一照射光中发生分解；以及光波导，该光波导用于传输从所述第一照射单元照射的所述第一照射光，其中：基于所述第一照射光在所述光波导的前表面上生成第一倏逝波，然后所述第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上。
因此，使用所述光谱分析设备提高了使用光谱分析来测量样品的效率。例如，所述光谱分析设备可以通过在所述光波导的前表面上生成的第一倏逝波来分解附着于所述金属薄膜的边界表面的所述附着材料。所述倏逝波基于所述第一照射光，然后所述倏逝波投射在附着材料的附着区域上。例如，所述光谱分析设备可以分解和分离粘附或积聚在所述金属薄膜的边界表面上的高分子有机物(例如蛋白质)。分解后的附着材料由接触所述金属薄膜的样品流冲走。根据上述内容，所述光谱分析设备可以省略传统技术中所需的包括擦拭、使用表面活性剂的清洁和表面抛光等的清洁处理。因此，所述光谱分析设备可以使用光谱分析连续地进行样品测量。
在根据一个或多个实施例的光谱分析设备中，所述光波导可以具有用于全反射的反射表面，使得入射在所述光波导上的第一照射光在所述光波导中被全反射的同时进行传输。因此，可以抑制在所述光波导中传输的所述第一照射光入射在所述光波导的外部(例如棱镜)。结果，例如，抑制了所述第一照射光在与第二检测单元相关的光路中的污染，并且抑制了所述第一照射光的串扰。因此，当使用所述第二检测单元进行样品的光学测量时，降低了基于所述第一照射光的噪声。此外，例如，抑制了由于基于所述第一照射光的过度曝光等引起的棱镜劣化。类似地，例如，抑制了在所述棱镜的光波导侧的前表面上形成的针对所述第二照射光的抗反射膜上发生基于所述第一照射光的劣化。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备可以设置有第一检测单元，该第一检测单元基于由所述第一照射单元照射的第一照射光来检测从所述光波导发射的第一测量光；所述第一测量光包含所述附着材料的吸收光谱的第一信息。因此，所述光谱分析设备可以识别所述吸收光谱的变化。因此，所述光谱分析设备基于所述吸收光谱的变化检测所述附着材料的附着，并且可以在适当的时机基于所述第一照射光进行分解所述附着材料的处理。此外，所述光谱分析设备可以基于所述吸收光谱的变化容易地检测是否确实实现了所述第一照射光对所述附着材料的分解。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备可以设置有用于从所述第一检测单元获得所述第一信息的控制单元，其中所述控制单元基于所获得的第一信息确定所述吸收光谱的峰值是否已经达到与光谱强度相关的阈值，当确定达到所述阈值时，使用所述第一照射单元改变所述第一照射光的照射强度。因此，所述光谱分析设备可以例如适当地控制所述第一照射光的照射强度，将所述第一照射光的照射强度区分为用于针对大量附着材料的步骤和用于针对少量附着材料的步骤。例如，在针对大量附着材料的步骤中，所述光谱分析设备可以照射能够高效地分解所述附着材料的高强度的第一照射光，而在针对少量附着材料的步骤中，可以以能够抑制所述光波导的劣化所需的最小强度来照射所述第一照射光。
在根据一个或多个实施例的光谱分析设备中，当确定所述吸收光谱的峰值增大并达到所述阈值时，所述控制单元可以使用所述第一照射单元来增加所述第一照射光的照射强度。由此，所述光谱分析设备能够在针对少量附着材料的步骤中抑制所述光波导的劣化，同时可以在针对大量附着材料的步骤中高效地分解所述附着材料。因此，例如，与总是将高强度的第一照射光传输至所述光波导的情况相比，可以在更长的时间内稳定地保持所述光波导的光学特性，并且在更长的时间内保持所述光谱分析设备的产品可靠性。
在根据一个或多个实施例的光谱分析设备中，所述第一照射光和所述第一测量光各自的波长带可以包含在紫外范围内。因此，可以充分获得分解高分子有机物(例如蛋白质)所需的跃迁能量。此外，与具有更短波长的光(例如X射线)相比，抑制了伴随所述第一照射光在所述光波导中的传输而引起的金属薄膜劣化。此外，因为与例如近红外的第二照射光相比波长足够短，所以第一倏逝波投射的区域被限制在金属薄膜的边界表面附近。因此，所述光谱分析设备可以抑制所述第一测量光中包含与样品相关的信息，并且可以基于所述第一测量光准确地获得所述附着材料的吸收光谱的第一信息。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备可以设置有：第二照射单元，该第二照射单元用于向所述膜照射第二照射光，该第二照射光生成投射在所述样品的区域上的第二倏逝波；第二检测单元，该第二检测单元基于由所述第二照射单元照射的所述第二照射光来检测第二测量光，该第二测量光包含所述样品的吸收光谱的第二信息；棱镜，该棱镜允许所述第二照射光和所述第二测量光穿过；以及布置在所述棱镜和所述光波导之间的滤光器，该滤光器对于所述第二照射光的透射率高于对于所述第一照射光的透射率。
由此，可以抑制在所述光波导中传输的第一照射光入射在所述棱镜上。结果，例如，抑制了所述第一照射光在与第二检测单元相关的光路中的污染，并且抑制了所述第一照射光的串扰。因此，当使用所述第二检测单元进行样品的光学测量时，降低了基于所述第一照射光的噪声。此外，例如，抑制了由于基于所述第一照射光的过度曝光等引起的棱镜劣化。类似地，例如，抑制了在所述棱镜的光波导侧的前表面上形成的针对所述第二照射光的抗反射膜上发生基于所述第一照射光的劣化。
在根据一个或多个实施例的光谱分析设备中，所述第二照射光和所述第二测量光各自的波长带可以包含在近红外范围内。因此，所述光谱分析设备可以基于源自例如分子振动的吸收光谱来分析所述样品的状态。
根据一个或多个实施例的光学系统包括：膜，在该膜上接触接受光谱分析的样品；光波导，该光波导用于传输具有跃迁能量的第一照射光，附着于所述膜的边界表面的附着材料在所述第一照射光中发生分解，并且基于所述第一照射光在所述光波导的前表面上生成第一倏逝波，然后所述第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上；以及棱镜，该棱镜布置在所述光波导的与膜相对的一侧上，其中使生成第二倏逝波的第二照射光穿过所述棱镜，所述第二倏逝波投射在所述样品的区域上并被吸收到所述样品中。
因此，在所述光学系统中提高了使用光谱分析来测量样品的效率。例如，所述光学系统可以通过在所述光波导的前表面上生成的第一倏逝波来分解附着于所述金属薄膜的边界表面的所述附着材料。所述倏逝波基于所述第一照射光。然后，所述倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上。例如，所述光学系统可以分解和分离粘附或积聚在所述金属薄膜的边界表面上的高分子有机物(例如蛋白质)。分解后的附着材料由接触所述金属薄膜的样品流冲走。根据上述内容，所述光学系统可以省略传统技术中所需的包括擦拭、使用表面活性剂的清洁和表面抛光等的清洁处理。由此，所述光学系统可以使用光谱分析连续地进行样品测量。
根据一个或多个实施例的方法包括：用于照射具有跃迁能量的第一照射光的步骤，附着于膜的边界表面的附着材料在所述第一照射光中发生分解，所述膜是在其上接触接受光谱分析的样品的膜；以及使所照射的第一照射光传输至光波导、在所述光波导的前表面上生成第一倏逝波并使所述第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上的步骤，所述第一倏逝波基于所述第一照射光。
因此，提高了使用光谱分析来测量样品的效率。例如，通过包括其中在所述光波导的前表面上生成第一倏逝波的步骤，可以分解附着于所述金属薄膜的边界表面的附着材料。所述第一倏逝波基于第一照射光并投射在所述附着材料的附着区域上。例如，可以分解和分离粘附或积聚在所述金属薄膜的边界表面上的高分子有机物(例如蛋白质)。分解后的附着材料由接触所述金属薄膜的样品流冲走。根据上述内容，可以省略传统技术中所需的包括擦拭、使用表面活性剂的清洁和表面抛光等的清洁处理。因此，可以连续地进行使用光谱分析的样品测量。
一个或多个实施例提供了一种光谱分析设备、光学系统和方法，可用于提高使用光谱分析的样品测量效率。
附图说明
图1是示出了根据一个或多个实施例的光谱分析设备的一般配置的示意图。
图2是示出了图1中的光波导的一般配置的示意图。
图3是对应于图1中的光谱分析设备的一般配置的框图。
图4是用于描述图1中的光谱分析设备的操作的第一示例的流程图。
图5是用于描述图1中的光谱分析设备的操作的第二示例的流程图。
图6是示出了图1中的光谱分析设备的变型的示意图。
具体实施方式
将详细描述传统技术的背景。
传统上，通常已知全反射光谱法(衰减全反射(ATR))用于将照射光从棱镜边缘照射到粘附在棱镜上的样品，并检测以临界角或大于临界角从棱镜全反射的发射光。ATR法是测量极少量样品的典型方法。当来自棱镜侧的照射光入射并且入射角大于临界角时，照射光在棱镜和样品之间的边界表面上全反射。此时，在边界表面上生成基于照射光的倏逝波。ATR法是使用该倏逝波来获得样品的吸收光谱的方法。
然而，倏逝波只存在于棱镜的最前表面。因此，照射到样品上的照射光可能较微弱，样品的吸收光谱强度可能较低。为了得到改进，设想用倏逝波来激发设置在棱镜和样品之间的金属薄膜中的自由电子并使其共振，以生成表面等离子体。已开发出一种表面等离子共振近红外光谱法，其中表面等离子体的共振光谱和样品的吸收光谱重叠，并且样品的吸收光谱强度看起来增加。
在使用传统的表面等离子共振近红外光谱的光学系统中，从宽带光源照射的照射光在传输通过导光部件(例如光纤)并通过透镜、反射镜等调整为平行之后，入射在接合有金属薄膜的棱镜基底上。金属薄膜包括例如金、银、铜、铝等。棱镜基底包括例如三角棱镜、圆柱棱镜、半球棱镜等。
在棱镜基底上反射的反射光由透镜、反射镜等进行聚集。所聚集的反射光传输通过导光部件(例如光纤)，并由光谱仪进行检测。处理单元基于检测到的反射光获得样品的吸收光谱信息。例如，处理单元通过对基于ATR法和表面等离子共振近红外光谱法的吸收光谱信息进行数据处理来获得样品的物理信息(例如折射率、吸收系数和膜厚)。
在照射光从金属薄膜的后表面入射的光学系统发生全反射的情况下，当倏逝波的波长和表面等离子体的波长匹配时，倏逝波和表面等离子体共振，从而实现最大的光吸收。表面等离子体的共振光谱取决于金属薄膜上样品的折射率。更具体而言，表面等离子共振光谱的最大吸收波长(即，峰值波长)或最大吸收角基于样品的折射率而偏移。类似地，通过改变照射光相对于金属薄膜的入射角，表面等离子共振光谱的峰值波长在波长轴方向上变化。
因此，通过在特定波长范围内移动共振光谱的峰值波长，可以使共振情况的最大吸收波长与样品的吸收光谱的峰值波长匹配。因此，样品的吸收光谱强度看起来增加了，并且可以高灵敏度地测量由样品引起的吸收光谱。
然而，在上述传统技术中，附着材料附着于与接受光谱分析的样品接触的金属薄膜的边界表面。例如，样品中包含的高分子有机物(例如蛋白质)粘附或积聚在金属薄膜的边界表面上。在传统技术中，仅对接合于棱镜基底的金属薄膜上的最前表面进行测量，因此，当附着材料附着于金属薄膜的边界表面时，仅能获得基于这种附着材料的光谱信息。为了得到改进，通过进行包括擦拭、使用表面活性剂的清洁、表面抛光等的清洁处理来去除边界表面上的附着材料。然而，由于这样的清洁处理，不可能使用光谱分析连续地进行样品的测量，从而导致测量效率降低。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备、光学系统和方法可以使用光谱分析来提高样品的测量效率。下面将参照附图来描述本发明的实施例。
图1是示出了根据一个或多个实施例的光谱分设备1的一般配置的示意图。光谱分析设备1具有金属薄膜3，接受光谱分析的样品S与金属薄膜3接触。金属薄膜3包括例如金、银、铜、铝等。
光谱分析设备1分析例如在规定的通道中沿一个方向流动并与生成表面等离子体的金属薄膜3接触的样品S的状态。在本说明书中，“样品S”包括例如液体。“样品S的状态”包括例如样品S的成分组成(包括成分类型和比例)以及从样品S的吸收光谱读取的任何其它物理或化学参数。样品S不限于如图1所示的沿一个方向流动的配置，可以停留在金属薄膜3上的规定区域。将参照图1主要描述根据一个或多个实施例的光谱分析设备1的配置。
光谱分析设备1具有第一照射单元10(第一照射器)，该第一照射单元10用于照射具有跃迁能量的第一照射光L1，附着材料在该第一照射光L1中发生分解。附着材料附着于金属薄膜3的边界表面上。在本说明书中，“金属薄膜3的边界表面”包括例如金属薄膜3的前表面中与样品S接触的前表面。也就是说，金属薄膜3的边界表面包括与光波导2接合的前表面和相对侧的表面。在本说明书中，“附着材料”包括附着于金属薄膜3的边界表面的任何有机材料，包括例如高分子有机物(例如蛋白质)。
例如，第一照射光L1的波长带包含在紫外范围内。第一照射单元10具有例如任何紫外光源，包括氙灯、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等。在本说明书中，“紫外范围”包括例如至少50nm且小于450nm的光波长范围。第一照射光L1的波长带可以是例如至少150nm至不大于300nm、至少175nm至不大于225nm或至少200nm至不大于260nm。
光谱分析设备1具有光波导2，该光波导2用于传输从第一照射单元10照射的第一照射光L1。在光波导2的前表面上生成投射在附着材料的附着区域中的第一倏逝波，该第一倏逝波基于第一照射光L1。光波导2例如在样品S的相对侧与金属薄膜3接合。光波导2由折射率高于下文描述的棱镜4的材料形成，以传输用于分解附着材料的第一照射光L1。例如，光波导2由折射率高于下文描述的棱镜4并且在紫外范围内具有高透射率以传输紫外光的材料形成。例如，光波导2由例如N-K5、B270的材料形成。光波导2由折射率高于下文描述的棱镜4的材料形成，从而能够在光波导2内经由全反射传输第一照射光L1。因此，光波导2可以抑制第一照射光L1入射在棱镜4上。
光谱分析设备1具有例如第一检测单元20(第一检测器)，该第一检测单元基于由第一照射单元10照射的第一照射光L1来检测从光波导2发射的第一测量光L2。该第一测量光L2包含附着材料的吸收光谱的第一信息。例如，第一测量光L2的波长带包含在紫外范围内。第一检测单元20具有例如能够检测第一测量光L2的任何光谱仪。例如，第一检测单元20设置在光波导2的与第一照射单元10相同的一侧。
图2是示出了图1中的光波导2的一般配置的示意图。如图2所示，光波导2具有位于金属薄膜3相对侧的前表面2a、相对于前表面2a以角度θ1倾斜的反射表面2b、位于金属薄膜3侧的前表面2c以及相对于前表面2a以角度θ2倾斜的反射表面2d。
从第一照射单元10照射的第一照射光L1例如从下方入射在光波导2的前表面2a上，并且在光波导2内部被反射表面2b全反射。第一照射光L1在光波导2内部全反射的同时进行传输。例如，为了在满足全反射条件的同时在光波导2中引导第一照射光L1，由反射表面2b和前表面2a形成的角度θ1为10度或更小。更具体而言，基于斯涅耳定律，从下面的公式1获取全反射角θ，例如，角θ1不大于在公式1中获取的值。
[公式1]
θ＝arcsin(n2/n1) (公式1)
在此，n1是光波导2的折射率，n2是光波导2的外部折射率。
基于第一照射光L1的第一倏逝波在光波导2的前表面2a和2c上生成。注意，在图1和图2中，第一照射光L1在光波导2中的反射次数不限于所示内容。第一照射光L1可以反射更多次。
第一倏逝波在光波导2的金属薄膜3侧的表面2c上生成，然后该第一倏逝波投射在附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的附着区域中。附着于金属薄膜3的边界表面上的附着材料吸收第一倏逝波。附着材料由第一倏逝波的跃迁能量激发，并通过化学反应分解。分解后的附着材料由样品S的流动冲走。
基于第一照射光L1的第一测量光L2包含附着材料的吸收光谱的第一信息，且第一测量光L2在光波导2内部被反射表面2d全反射并从光波导2发射。例如，由反射表面2d和前表面2a形成的角度θ2不大于10度。例如，角θ1和角θ2彼此相同。
第一测量光L2在从光波导2发射之后入射在第一检测单元20上。注意，在图1和图2中，第一测量光L2在光波导2中的反射次数不限于所示内容。第一测量光L2可以反射更多次。
如图1所示，光谱分析设备1具有棱镜4，该棱镜4设置在光波导2的与金属薄膜3相对的一侧并与光波导2接合。棱镜4例如由光学玻璃(例如BK-7)形成为半球形。棱镜4不限于此，例如可以形成为三角棱镜或圆柱棱镜。例如，棱镜4由在紫外线范围内具有低透射率的材料(例如BK-7)形成，从而能够抑制作为背景光传输通过光波导2的紫外光进入样品S的测量光路。
光谱分析设备1具有照射第二照射光L3的宽带光源31。例如，第二照射光L3的波长带包含在近红外范围内。宽带光源31包括例如具有在近红外范围内的发光元件的光源。在本说明书中，“近红外范围”包括例如至少800nm且小于2.5μm的光波长范围。
光谱分析设备1具有导光部件32，该导光部件32用于引导从宽带光源31照射的第二照射光L3。导光部件32可以包括例如光纤或自由空间光学部件(例如透镜或反射镜)。光谱分析设备1具有光平行化部件33，该光平行化部件33将从导光部件32发射的第二照射光L3调整为平行。光平行化部件33包括例如自由空间光学部件(例如透镜或反射镜)。
光谱分析设备1具有聚光部件41，该聚光部件41用于聚集从棱镜4发射的第二测量光L4。聚光部件41包括例如自由空间光学部件(例如透镜或反射镜)。光谱分析设备1具有导光部件42，该导光部件42用于引导由聚光部件41聚集的第二测量光L4。导光部件42可以包括例如光纤或自由空间光学部件(例如透镜或反射镜)。光谱分析设备1具有检测单元43，该检测单元43用于检测传输通过导光部件42的第二测量光L4。例如，第二测量光L4的波长带包含在近红外范围内。检测单元43包括例如具有近红外范围的分光元件和近红外范围的检测元件的光谱仪。
从光平行化部件33发射的第二照射光L3入射在与光波导2和金属薄膜3接合的棱镜4上。第二照射光L3穿过棱镜4，例如从下方斜对角地入射在光波导2上，并且在光波导2和金属薄膜3的边界表面上全反射。此时，基于第二照射光L3的第二倏逝波在光波导2的前表面2c上生成。
在光波导2的金属薄膜3侧的前表面2c上生成的第二倏逝波投射在金属薄膜3上样品S沿一个方向流动的区域中。在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S吸收第二倏逝波。
基于第二照射光L3并包含样品S的吸收光谱的第二信息的第二测量光L4穿过光波导2和棱镜4并从棱镜4发射。第二测量光L4在从棱镜4发射之后通过聚光部件41和导光部件42入射在检测单元43上。
在第二照射光L3从金属薄膜3的后表面入射的光学系统发生全反射的情况下，当第二倏逝波的波长和表面等离子体的波长匹配时，第二倏逝波和表面等离子体共振，从而实现最大的光吸收。这样的全反射情况包括第二照射光L3在金属薄膜3的后表面上(即，金属薄膜3与光波导2的边界表面上)全反射的情况。表面等离子体的共振光谱取决于金属薄膜3上的样品S的折射率。更具体而言，表面等离子共振光谱的最大吸收波长(即，峰值波长)或最大吸收角基于样品S的折射率而偏移。类似地，通过改变第二照射光L3相对于金属薄膜3的入射角，表面等离子共振光谱的峰值波长在波长轴方向上变化。
因此，通过在特定波长范围内移动共振光谱的峰值波长，可以使共振情况的最大吸收波长与样品S的吸收光谱的峰值波长匹配。因此，样品S的吸收光谱强度看起来增加了，并且提高了由样品S引起的吸收光谱的测量灵敏度。
图3是对应于图1中的光谱分析设备1的一般配置的框图。将参照图3进一步描述根据一个或多个实施例的光谱分析设备1的配置。
除了上述的第一照射单元10和第一检测单元20之外，光谱分析设备1还具有第二照射单元30(第二照射器)、第二检测单元40(第二检测器)、存储单元50、输入单元60、输出单元70和控制单元80(控制器)。
第二照射单元30具有用第二照射光L3照射金属薄膜3以生成投射在样品S的区域中的第二倏逝波的可选光学系统。例如，第二照射单元30具有上述的宽带光源31、导光部件32以及光平行化部件33。
第二检测单元40检测基于由第二照射单元30照射的第二照射光L3的第二测量光L4，并且具有用于检测第二测量光L4的可选光学系统，第二测量光L4包含样品S的吸收光谱的第二信息。例如，第二检测单元40具有上述的聚光部件41、导光部件42以及检测单元43。
存储单元50包括可选存储模块，该可选存储模块包括硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、只读存储器(ROM)以及随机存取存储器(RAM)。存储单元50可以用作例如主存储设备、辅助存储设备或高速缓冲存储器。存储单元50存储用于操作光谱分析设备1的任何信息。
例如，存储单元50存储由第一检测单元20对于第一测量光L2检测到的附着材料的吸收光谱的第一信息。例如，存储单元50存储由第二检测单元40对于第二测量光L4检测到的样品S的吸收光谱的第二信息。例如，存储单元50可以存储系统程序和应用程序等。存储单元50不限于安装在光谱分析设备1中，也可以包括经由数字输入/输出端口(例如通用串行总线(USB))连接的外部存储模块。
输入单元60包括用于接收来自用户的输入操作并基于用户操作获得输入信息的一个或多个输入接口。例如，输入单元60包括物理键、电容键、与输出单元70的显示器一体设置的触摸屏、用于接受音频输入的麦克风等，但不限于这些。
输出单元70包括用于向用户输出信息的一个或多个输出接口。例如，输出单元70是将信息输出为图像的显示器、将信息输出为音频的扬声器等，但不限于这些。
控制单元80包括一个或多个处理器。根据一个或多个实施例，“处理器”是通用处理器或专用于特定处理的专用处理器，但不限于这些。控制单元80以能够与构成光谱分析设备1的各部件通信的方式进行连接，并且控制整个光谱分析设备1的操作。
例如，控制单元80控制第一照射单元10照射第一照射光L1，以分解附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料。例如，控制单元80从第一检测单元20获得附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱的第一信息。
例如，控制单元80控制第二照射单元30照射第二照射光L3，以对在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的状态进行光谱分析。例如，控制单元80从第二检测单元40获得在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的吸收光谱的第二信息。
例如，控制单元80将所获得的第一信息和第二信息存储在存储单元50中。例如，控制单元80可以经由输出单元70向用户输出所获得的第一信息和第二信息。也就是说，控制单元80可以基于所获得的第一信息，通过使用输出单元70来显示附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱。控制单元80可以基于所获得的第二信息，通过使用输出单元70来显示在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的吸收光谱。
例如，控制单元80基于从第一检测单元20获得的第一信息，计算附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱的峰值强度。例如，控制单元80基于从第二检测单元40获得的第二信息，分析在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的状态。例如，控制单元80可以经由输出单元70向用户输出所计算出或所分析出的信息。
例如，控制单元80基于从第一检测单元20获得的第一信息，确定附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱峰值是否已经达到与光谱强度相关的阈值。例如，当确定已达到阈值时，控制单元80使用第一照射单元10改变第一照射光L1的照射强度。在本说明书中，“阈值”可以包括例如与通过输入信息(其基于用户使用输入单元60的输入操作)适当地确定的光谱强度相关的值，也可以包括与光谱分析设备1被制造为产品时通过初始设置预定的光谱强度相关的值。
例如，当确定吸收光谱的峰值增大并达到阈值时，控制单元80可以使用第一照射单元10来增加第一照射光L1的照射强度。相反，当确定吸收光谱的峰值减小并达到阈值时，控制单元80可以使用第一照射单元80来降低第一照射光L1的照射强度。
图4是用于描述图1中的光谱分析设备1的操作的第一示例的流程图。将参照图4主要描述光谱分析设备1的操作的第一示例。在光谱分析设备1的操作的第一示例中，假设一种情况，其中附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱的峰值增大并达到阈值。与下面类似的描述也适用于其中吸收光谱的峰值减小并达到阈值的情况。
在步骤S100中，光谱分析设备1使用第一照射单元10来照射具有跃迁能量的第一照射光L1，附着物质在该第一照射光L1中发生分解。附着材料附着于待进行光谱分析的样品S所接触的金属薄膜3的边界表面上。例如，控制单元80控制第一照射单元10，并以第一照射强度照射第一照射光L1。在本说明书中，“第一照射强度”包括例如等于或大于为了使控制单元80获得附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱的第一信息所需的第一照射光L1的最小强度的照射强度，并且该照射强度约为伴随第一照射光L1的传输的光波导2劣化被充分抑制的量。
在步骤S101中，光谱分析设备1将在步骤S100中照射的第一照射光L1传输至光波导2，基于第一照射光L1在光波导2的前表面2c上生成第一倏逝波，并使第一倏逝波投射在附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的附着区域上。
在步骤S102中，光谱分析设备1通过使用第一检测单元20，来检测基于在步骤S100中照射的第一照射光L1从光波导2发射的第一测量光L2。该第一测量光L2包含附着材料的吸收光谱的第一信息。
在步骤S103中，光谱分析设备1基于在步骤S102中由第一检测单元20检测到的第一测量光L2，获得附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱的第一信息。
在步骤S104中，光谱分析设备1基于在步骤S103中从第一检测单元20获得的第一信息，确定附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的吸收光谱峰值是否已经达到与光谱强度相关的阈值。当确定峰值已达到阈值时，光谱分析设备1进行步骤S105的处理。当确定峰值未达到阈值时，光谱分析设备1再次执行步骤S100中的处理。
在步骤S105中，当确定在步骤S104中已达到阈值时，光谱分析设备1使用第一照射单元10来增加第一照射光L1的照射强度。例如，控制单元80控制第一照射单元10以第二照射强度照射第一照射光L1。在本说明书中，“第二照射强度”包括等于或小于第一照射单元10能够照射的第一照射光L1的最大强度的照射强度，并且该照射强度约为可以高效地分解附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料的量。第二照射强度充分大于第一照射强度。
图5是用于描述图1中的光谱分析设备1的操作的第二示例的流程图。将参照图5主要描述光谱分析设备1的操作的第二示例。
在步骤200中，光谱分析设备1使用第二照射单元30来照射第二照射光L3，以对在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的状态进行光谱分析。
在步骤S201中，光谱分析设备1使步骤S200中照射的第二照射光L3在光波导2和金属薄膜3的边界表面上全反射，并生成投射在样品S的区域上的第二倏逝波。
在步骤S202中，光谱分析设备1通过使用第二检测单元40，来检测基于在步骤S200中照射的第二照射光L3从棱镜4发射的第二测量光L4。该第二测量光L4包含样品S的吸收光谱的第二信息。
在步骤S203中，光谱分析设备1基于在步骤S202中由第二检测单元40检测到的第二测量光L4，获得在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的吸收光谱的第二信息。
在步骤S204中，光谱分析设备1基于在步骤S203中从第二检测单元40获得的第二信息，分析在金属薄膜3上沿一个方向流动的样品S的状态。
根据一个或多个实施例的光谱分析设备1，如上所述，提高了使用光谱分析来测量样品S的效率。例如，光谱分析设备1可以通过在光波导2的前表面2c上生成的第一倏逝波来分解附着于金属薄膜3的边界表面的附着材料。所述倏逝波基于第一照射光L1并投射在附着材料的附着区域上。例如，光谱分析设备1可以分解和分离粘附或积聚在金属薄膜3的边界表面上的高分子有机物(例如蛋白质)。分解后的附着材料由接触金属薄膜3的样品S的流动冲走。根据上述内容，光谱分析设备1可以省略传统技术中所需的包括擦拭、使用表面活性剂的清洁和表面抛光等的清洁处理。因此，光谱分析设备1可以使用光谱分析连续地进行样品S的测量。
即使样品S停留在金属薄膜3上的规定区域，也仅需要擦拭或吸收由第一照射光L1分解的附着材料的简单工作，而不需要例如使用表面活性剂的清洁和表面抛光的复杂工作。因此，光谱分析设备1可以将停止通过使用光谱分析的样品S测量与进行清洗处理之间的时间抑制到最短，并且可以提高使用光谱分析来测量样品S的效率。
由于这样提高了使用光谱分析来测量样品S的效率，所以与传统技术相比，缩短了测量时间。此外，与传统技术相比，可以降低保持或维护光谱分析设备1所需的成本。此外，通过使用光谱分析设备1，容易去除附着于金属薄膜3的边界表面上的附着材料，并且容易防止由于附着材料引起的测量误差。因此，提高了与测量相关的长期稳定性，也提高了光谱分析设备1的产品可靠性。
因为光波导2具有全反射的反射表面2b，使得入射在光波导2上的第一照射光L1在光波导2中被全反射的同时进行传输，因此可以抑制在光波导2中传输的第一照射光L1入射到光波导2的外部(例如棱镜4)。因此，例如，抑制了第一照射光L1在与第二检测单元40相关的光路中的污染，并且抑制了第一照射光L1的串扰。因此，当使用第二检测单元40进行样品S的光学测量时，降低了基于第一照射光L1的噪声。此外，例如，抑制了由于基于第一照射光L1的过度曝光等引起的棱镜4的劣化。类似地，抑制了在棱镜4的光波导2侧的前表面上形成的针对第二照射光L3的抗反射膜上发生基于第一照射光L1的劣化。
由于光波导2具有反射表面2b，所以几乎所有从第一照射单元10照射的第一照射光L1都可以在光波导2中耦合。“在光波导2中耦合”是指第一照射光L1在光波导2中全反射的同时受到引导。例如，与其中第一照射光L1从图1中的左侧耦合于光波导2中的其它情况相比，提高了关于光学系统使第一照射光L1入射在光波导2上的设计自由度。因此，与降低第一照射光L1相对于光波导2的耦合损耗的其他情况相比，设计变得更简单。
因为光谱分析设备1具有第一检测单元20，该第一检测单元20检测包含附着材料的吸收光谱的第一信息的第一测量光L2，所以光谱分析设备1可以识别吸收光谱的变化。因此，光谱分析设备1基于吸收光谱的变化检测附着材料的附着，并且可以在适当的时机基于第一照射光L1进行分解附着材料的处理。此外，光谱分析设备1可以基于吸收光谱的变化容易地检测是否确实实现了第一照射光L1对附着材料的分解。
类似地，用户可以从例如显示在输出单元70上的吸收光谱的状态来理解这种变化。因此，用户基于吸收光谱的变化来理解附着材料的附着，并且可以使光谱分析设备1在适当的时机基于第一照射光L1进行分解附着材料的处理。此外，用户可以基于吸收光谱的变化容易地识别是否确实实现了第一照射光L1对附着材料的分解。
当确定已经达到阈值时，通过使用第一照射单元10改变第一照射光L1的照射强度，光谱分析设备1可以适当地控制第一照射光L1的照射强度，将该第一照射光L1的照射强度区分为用于针对大量附着材料的步骤和用于针对少量附着材料的步骤。例如，在针对大量附着材料的步骤中，光谱分析设备1可以照射能够高效地分解附着材料的高强度的第一照射光L1，而在针对少量附着材料的步骤中，可以以能够抑制光波导2的劣化所需的最小强度来照射第一照射光L1。
当确定吸收光谱的峰值已经增大并达到阈值时，通过使用第一照射单元10来增加第一照射光L1的照射强度，光谱分析设备1使得可以在针对少量附着材料的步骤中抑制光波导2的劣化，同时可以在针对大量附着材料的步骤中高效地分解附着材料。因此，例如，与总是将高强度的第一照射光L1传输至光波导2的情况相比，可以在更长的时间内稳定地保持光波导2的光学特性，并且在更长的时间内保持光谱分析设备1的产品可靠性。
因为第一照射光L1和第一测量光L2各自的波长带包含在紫外区域中，所以充分获得了分解高分子有机物(例如蛋白质)所需的跃迁能量。此外，与具有更短波长的光(例如X射线)相比，抑制了伴随第一照射光L1在光波导2中的传输而引起的金属薄膜3劣化。此外，因为与例如近红外第二照射光L3相比波长足够短，所以第一倏逝波投射的区域被限制在金属薄膜3的边界表面附近。因此，光谱分析设备1可以抑制第一测量光L2中包含与样品S相关的信息，并且可以基于第一测量光L2准确地获得附着材料的吸收光谱的第一信息。
因为第二照射光L3和第二测量光L4各自的波长带包含在红外区域中，所以光谱分析设备1可以基于例如源自分子振动的吸收光谱来分析样品S的状态。
尽管本公开仅针对有限数量的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员在受益于本公开的情况下将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以设计各种其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。
例如，本公开还可以实现为描述用于实现上述光谱分析设备1的各种功能的处理内容的程序或用于记录程序的存储介质。应当理解，本公开的范围还包括上述内容。
例如，上述各种部件的形状、布置、取向和数量不限于上述描述中的内容以及附图中的公开内容。只要能够实现其功能，可以以任何方式配置构成各种部件的形状、布置、取向和数量。
图6是示出了图1中的光谱分析设备1的变型的示意图。将参照图6主要描述光谱分析设备1的变型。
例如，光谱分析设备1还可以具有滤光器5，滤光器5可以布置在棱镜4和光波导2之间，并且滤光器5针对第二照射光L3的透射率高于针对第一照射光L1的透射率。例如，滤光器5可以包括不允许第一照射光L1穿过但允许第二照射光L3穿过的滤光器。
例如，滤光器5可以由层叠在棱镜4的光波导2侧的前表面上的电介质多层构成，或者取而代之或在此基础上，滤光器5可以由包括用于接合棱镜4和光波导2的UV固化树脂等的粘合剂构成。或者，滤光器5可以由在棱镜4的光波导2侧的前表面上形成的针对第二照射光L3的抗反射膜构成。也就是说，该抗反射膜不反射第二照射光L3并允许其穿过，而不允许第一照射光L1穿过。
由于光谱分析设备1具有滤光器5，所以能够抑制在光波导2中传输的第一照射光L1入射于棱镜4。因此，例如，抑制了第一照射光L1在与第二检测单元40相关的光路中的污染，并且抑制了第一照射光L1的串扰。因此，当使用第二检测单元40进行样品S的光学测量时，降低了基于第一照射光L1的噪声。此外，例如，抑制了由于基于第一照射光L1的过度曝光等引起的棱镜4劣化。类似地，抑制了在棱镜4的光波导2侧的前表面上形成的针对第二照射光L3的抗反射膜上发生基于第一照射光L1的劣化。
在上述说明中，将光谱分析设备1描述为具有第一检测单元20，但是本公开不限于此。光谱分析设备1可以具有能够吸收从光波导2发射的第一照射光L1的任何吸收体，以代替第一检测单元20。或者，光谱分析设备1可以在不具有第一检测单元20的情况下，具有设置在光波导2的反射表面2d上的能够吸收第一照射光L1的任何吸收体。由此，抑制了第一照射光L1的串扰。
在上述描述中，描述了光波导2具有反射表面2b，并且通过使光波导2的折射率高于棱镜4的折射率，第一照射光L1通过全反射在光波导2中传输，但是本公开不限于此。光波导2也可以是由芯和包层形成的光纤。此时，第一照射光L1可以从图1中的左侧入射在光波导2上，而不是从光波导2的下侧入射。
在上述描述中，描述了第一照射光L1在光波导2中被反射表面2b全反射，但是本公开不限于此。例如，反射表面2b可以不满足全反射的条件。此时，可以将能够反射第一照射光L1的反射膜(例如金属)接合于光波导2的反射表面2b。
在上述描述中，描述了光波导2具有反射表面2d，并且第一照射光L1被反射表面2d反射并发射到光波导2的外部，但是本公开不限于此。在不具有反射表面2d的情况下，光波导2还可以将在光波导2中传输的第一照射光L1发射到图1中的右侧。
在上述描述中，描述了第一测量光L2在光波导2中被反射表面2d全反射，但是本公开不限于此。例如，反射表面2d可以不满足全反射的条件。此时，可以将能够反射第一测量光L2的反射膜(例如金属)接合于光波导2的反射表面2d。
在上面的描述中，描述了控制单元80确定是否达到阈值，但是本公开不限于此。例如，用户可以在检查从输出单元70输出的附着材料的吸收光谱的同时进行这样的确定。此外，如果光波导2对第一照射光L1具有足够的抵抗力，则控制单元80可以控制第一照射单元10，使得第一照射光L1总是以第二照射强度照射。
在上述描述中，描述了金属薄膜3包括金、银、铜、铝等的薄膜，但是本公开不限于此。例如，光谱分析设备1可以具有用于生成表面等离子体的任何膜。
在上述描述中，描述了第一照射光L1和第一测量光L2各自的波长带包含在紫外区域中，但是本公开不限于此。这些波长带可以包含在另一波长带中。例如，这些波长带可以包含在可见光区域中。
在上述描述中，描述了第二照射光L3和第二测量光L4各自的波长带包含在近红外区域中，但是本公开不限于此。这些波长带可以包含在另一波长带中。例如，这些波长带可以包含在中红外范围或可见光范围中。
1 光谱分析设备
2 光波导
2b、2d 反射表面
2a、2c 前表面
3 金属薄膜(膜)
4 棱镜
5 滤光器
10 第一照射单元
20 第一检测单元
30 第二照射单元
31 宽带光源
32 导光部件
33 光平行化部件
40 第二检测单元
41 聚光部件
42 导光部件
43 检测单元
50 存储单元
60 输入单元
70 输出单元
80 控制单元
L1 第一照射光
L2 第一测量光
L3 第二照射光
L4 第二测量光
S 样品
θ1、θ2 角

Claims (10)

1.一种光谱分析设备，包括：
膜，该膜与接受光谱分析的样品接触；
第一照射器，该第一照射器照射具有跃迁能量的第一照射光，以分解附着于所述膜的边界表面的附着材料；以及
光波导，该光波导传输从所述第一照射器照射的所述第一照射光，其中，
在所述光波导的前表面上生成基于所述第一照射光的第一倏逝波，然后使该第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上。
2.根据权利要求1所述的光谱分析设备，其中，
所述光波导包括使入射在所述光波导上的所述第一照射光全反射的反射表面，并且
入射在所述光波导上的所述第一照射光在所述光波导中被所述反射表面全反射的同时进行传输。
3.根据权利要求1或2所述的光谱分析设备，还包括：
第一检测器，该第一检测器检测从所述光波导发射的第一测量光，其中，
所述第一测量光基于由所述第一照射器照射的所述第一照射光，并且
所述第一测量光包含所述附着材料的吸收光谱的第一信息。
4.根据权利要求3所述的光谱分析设备，还包括：
控制器，该控制器：
从所述第一检测器获得所述第一信息，
基于所获得的第一信息，确定所述吸收光谱的峰值是否已经达到与光谱强度相关的阈值，并且
当确定已经达到所述阈值时，使用所述第一照射器来改变所述第一照射光的照射强度。
5.根据权利要求4所述的光谱分析设备，其中，当确定所述吸收光谱的峰值增大并达到所述阈值时，所述控制器使用所述第一照射器来增加所述第一照射光的照射强度。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的光谱分析设备，其中，所述第一照射光的波长带和所述第一测量光的波长带包含在紫外范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱分析设备，还包括：
第二照射器，该第二照射器向所述膜照射第二照射光，其中，所述第二照射光生成投射在所述样品的区域上的第二倏逝波；
第二检测器，该第二检测器基于由所述第二照射器照射的所述第二照射光来检测第二测量光，其中，所述第二测量光包含所述样品的吸收光谱的第二信息；
棱镜，该棱镜允许所述第二照射光和所述第二测量光穿过；以及
滤光器，该滤光器设置在所述棱镜和所述光波导之间，其中，所述滤光器对于所述第二照射光的透射率高于对于所述第一照射光的透射率。
8.根据权利要求7所述的光谱分析设备，其中，所述第二照射光的波长带和所述第二测量光的波长带包含在近红外范围内。
9.一种光学系统，包括：
膜，该膜与接受光谱分析的样品接触；
光波导，该光波导传输具有跃迁能量的第一照射光，以分解附着于所述膜的边界表面的附着材料，其中，在所述光波导的前表面上生成基于所述第一照射光的第一倏逝波，然后使该第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上；以及
棱镜，该棱镜设置在所述光波导的与所述膜相对的一侧，其中，
所述棱镜允许第二照射光穿过，并且
所述第二照射光生成投射在所述样品的区域上并被吸收到所述样品中的第二倏逝波。
10.一种方法，包括：
用照射器照射具有跃迁能量的第一照射光，以分解附着于膜的边界表面的附着材料，其中，所述膜是与接受光谱分析的样品接触的膜；
将所照射的第一照射光传输至光波导；
在所述光波导的前表面上生成第一倏逝波，其中，所述第一倏逝波基于所述第一照射光；并且
使所述第一倏逝波投射在所述附着材料的附着区域上。
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