CN115605744A - 多源拉曼探针中拉曼激发波长的选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱领域，更具体地，涉及一种用于为过程控制提供增强的定量分析的紧凑型拉曼光谱系统和方法。本发明还涉及一种在拉曼光谱系统中使用的拉曼探针装置。该方法包括以下步骤：基于目标对象的至少一个特性选择第一激发波长；确定与所述第一激发波长相关联的第一拉曼信号的范围；在与所述光谱仪相关联的量子效率曲线的确定范围内确定峰量子效率值；确定目标对象的感兴趣的拉曼位移峰；以及基于峰量子效率值和感兴趣的拉曼位移峰确定第二激发波长。

Description

多源拉曼探针中拉曼激发波长的选择方法
技术领域
本发明涉及光谱领域，更具体地，涉及一种用于为过程控制提供增强的定量分析的紧凑型拉曼光谱系统和方法。
相关申请
本文所公开的本发明涉及USP 10,359,313中所述和教导的主题，其内容通过引用包含于此。
背景技术
拉曼光谱是公知的技术，其可用于观察分子中的振动、旋转和其它低频模式。拉曼散射是一种非弹性过程，其中通常由激光器提供的单色光与分子振动、声子或其它激发相互作用，导致激光光子的能量向上或向下移动。由于能量守恒，发射的光子获得或损失的能量等于振动态的能量。
许多拉曼测量受到荧光的影响，这迫使使用较长波长(较低能量)的激发激光器来减轻荧光信号压倒拉曼信号而使后者不可能被提取。使用较长的激发波长有利于从荧光样品中提取拉曼信号，但代价是捕获光谱仪信号的硅CCD检测器的灵敏度降低。
捕获覆盖从0cm-1到4000cm-1的整个波数范围的拉曼光谱的已知拉曼探针可以通过使用以下来完成：
(1)单个激光源，其具有结合长传感器的大光谱仪，以足够的分辨率捕获所有相关波数的光子；
(2)具有多个光谱仪/检测器的单个激光源，每个光谱仪/检测器覆盖不同的波长范围(例如，硅和InGaAs)；
(3)具有单个光谱仪的多个激光源，或
(4)具有单独的光谱仪的多个激光源，被配置成捕获多个拉曼光谱，每个拉曼光谱覆盖较小范围的波数。
使用多种激光技术的示例公开如下：
“Novel Pressure-Induced Molecular Transformations Probed by In SituVibrational Spectroscopy”,Yang Song，
“Applications of Molecular Spectroscopy to Current Research in theChemical and Biological Sciences”,Mark T.Stauffer(编),2016年10月5日,第八章，
“Spatially Compressed Dual-Wavelength Excitation Raman Spectrometer”,J.B.Cooper,S.Marshall,R.Jones,M.Abdelkader,和K.L.Wise，Applied Optics，53，3333(2014)；
“Dual Wavelength Raman Spectroscopy:Improved Compactness and SpectralResolution”,J.Kiefer,https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/354604-Dual-Wavelength-Raman-Spectroscopy-Improved-Compactness-and-Spectral-Resoluti on/,发布于2018年10月16日。
“Raman Fusion Spectroscopy:Multiwavelength Excitation for CompactDevices”,J.Kiefer,SciX 2019.(2019年10月13日至18日)。
“Apparatus and Method for Composite Raman MultispectralSpectrometry”,BRUNEEL,Jean-Luc,BUFFETEAU,Thierry,DAUGEY,Nicolas,RODRIGUEZ,Vincent,WO 2019220047(2019)以及
美国专利10,359,313，该专利转让给本申请的受让人，其内容通过引用包含于此。
所引用的每一篇参考文献都集中在使用双激光配置捕获多个拉曼光谱。然而，这些参考文献没有公开根据所选择的材料和所用光谱仪的特性来选择光谱分析中所用波长的方法。因此，在产业中需要一种紧凑型拉曼探针和光谱仪系统，其使用两个或更多个探针激光波长提供改进的定量分析，以及需要一种用于选择激光探针波长的方法，以针对不同的应用增强所研究的目标材料的定量分析。
发明内容
本文所述的拉曼光谱相关概念允许使用单个相对紧凑型光谱仪来收集指纹和拉伸拉曼光谱(即，所收集的拉曼波长)，以及一种用于选择激光源波长以提供对所研究的目标材料的增强的定量分析的方法。根据本发明的原理，使用一个激发波长来捕获指纹光谱，而使用基于光谱仪的量子效率选择的第二波长和第一波长来捕获拉伸光谱。以本文所公开的方式选择一个或多个激光源波长提供了增强的信噪比，从而增强了所研究的目标材料的定量分析的性能。
本文公开了一种紧凑型双波长拉曼探针，其被配置为提供两个或更多个单独的激光波长，所述激光波长以提供对所研究的材料的增强的定量分析的方式选择。
本文描述的实施例中，两个激光源可以集成在拉曼探针的壳体内(或内部)和/或拉曼探针的壳体外部。
本文描述的实施例中，由两个激光源发射的光输出可以在公共光路中组合，其中发射的光可以使用组合有分色镜的波长光束组合或几何光束组合来组合。
本文描述了利用相同光轴的激发光和收集光的共对准的拉曼探针的实施例。
本文描述了利用单独的光路在空间上偏移激发光和收集光的拉曼探针的实施例。
本文描述了用于选择由拉曼探针中的两个激光源发射的光的波长的方法的实施例，其中以部分地基于用于分析由目标材料反射的光的光谱仪的量子效率的方式来选择激光源或探针的波长。
根据本发明的原理，基于光谱仪的量子效率来选择双波长拉曼探针中使用的探针激光的波长，所述光谱仪包括光谱仪内的单个检测器阵列(硅、InGaAs或任何其它检测器阵列)。检测器的量子效率是收集的光子与入射光子的比率相对于波长的度量，是制造商提供的光谱仪的常见特性。
本文描述了一种用于确定在双激光光谱仪系统中使用的第一激发波长和第二激发波长的方法。这种系统可以包括配置成发射第一激发波长的第一激光源和配置成发射第二激发波长的第二激光源；以及光谱仪，其被配置为接收第一拉曼信号和第二拉曼信号，其中所述第一拉曼信号与所述第一激发波长相关联，所述第二拉曼信号与所述第二激发波长相关联。所述方法包括：
-基于目标对象的至少一个特性选择所述第一激发波长，其中所述至少一个特性优选地与通过第一激发波长与所述目标对象的相互作用而生成的荧光相关联；
-确定与所述第一激发波长相关联的第一拉曼信号的范围，优选为指纹区域；
-在与所述光谱仪相关联的量子效率曲线QE(λ)的所确定的范围内，优选地在指纹区域内确定峰量子效率值(λQE)，优选地确定波长(λQE)，在该波长处，量子效率曲线QE(λ)的范围内的量子效率呈现与所述光谱仪相关联的峰值；
-确定目标对象的感兴趣的拉曼位移峰(vpoi)；以及
-基于峰量子效率值和感兴趣的拉曼位移峰来确定所述第二激发波长。
本文还描述了一种诊断系统，其可选地包括：光谱仪，所述光谱仪具有已知的量子效率；以及拉曼探针装置，其被配置为向光谱仪提供拉曼光波长，所述拉曼光波长是响应于激发光照射目标对象而生成的，
其中所述激发光包括具有第一波长λp 2的第一光和具有第二波长λp 1的第二光中的至少一种，所述第一激发波长基于所述目标对象的至少一个特性来选择，所述第二激发波长是基于所述第一激发波长和与所述已知量子效率的峰值基本上相关联的波长而确定的。
该诊断系统可以包括控制单元，其适于确定第二激发波长，优选地适于执行基本上如上所述的方法。
本文描述了一种计算机程序，其包括指令以使如上所述的系统确定第二激发波长，优选地通过执行基本上如上所述的方法。
根据本发明的原理，可以基于光谱仪的量子效率和目标对象中的材料来确定用于不同应用的探针激光波长，使得期望的拉曼光谱基本上与检测器量子效率的峰一致，并且因此实现更高的信噪比。
根据本发明的原理，基于光谱仪的量子效率选择拉曼激发波长允许将拉曼光谱的指纹和拉伸区域移动到硅检测器(或类似的检测器)具有相对高的量子效率的波长处。
在本发明的一个方面中，两个激光源中的每一个的拉曼光谱可以被单独捕获，并且随后被串接或拼接在一起，以提供包含整个数据范围的单个光谱扫描，包括指纹区域和拉伸区域，其中拉伸区域中的拉曼信号的信噪比被增强。
根据本发明的一个方面，独立地分析每个数据集也是可能的，而同时从两个激发波长收集光谱也是可能的。
本文公开的紧凑型双波长拉曼探针可以包括光学器件，以将每个激光源的输出光束配置为具有圆形、椭圆形或细长的横截面，近似于激光近场的圆形形状或细长发射区域的形状。
在本发明的一个方面中，由激光源生成的光可以朝向所研究的目标对象或材料发射，并且所得到的散射信号光由紧凑型拉曼探针经由也可以具有相应椭圆形横截面的光束传输。激发和收集路径可以是共线的(即，共对准)或单独的(例如，空间偏移(参见USPPA20080076985)或传输几何形状(参见USP 8085396))。包含具有与返回的散射光束的尺寸近似的尺寸的纤芯的光纤将返回的散射光传输到光谱仪的入射孔径。
根据本文公开的双波长拉曼探针的发明原理，双波长拉曼探针可以包括外腔激光器(ECL)，其可以集成到探针中作为波长稳定的激光源。例如，参见US 9,059,555，“Wavelength-Stabilized Diode Laser”，其内容通过引用包含于此。或者可以将ECL保持在拉曼探针的外部。
根据本文公开的紧凑型拉曼探针的原理，分布式布拉格反射器(DBR)或分布式反馈(DFB)激光器可以包括波长稳定的激光源，该激光源可以整体地结合到拉曼探针中或者可以保持在拉曼探针的外部。
根据本文公开的紧凑型双波长拉曼探针的原理，激光器发射的光可以用作非线性光学(NLO)转换的泵浦源，以产生不同的波长，例如通过二次谐波生成(SHG)、三次谐波生成(THG)或任何其它非线性光学过程。
根据紧凑型双波长拉曼探针的发明的原理，第二波长的选择部分地基于第一波长和用于收集拉曼信号的光谱仪的光谱效率。
附图说明
为了更好地理解示例性实施例并示出如何实现示例性实施例，参考附图。需要强调的是，所示出的具体实施方式仅是示例性的，是为了说明性地讨论本发明的优选实施方式，并且是为了提供被认为是最有用的和最容易理解的本发明的原理和概念方面的描述而提出的。在这点上，没有试图比基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节。结合附图进行的描述使本领域技术人员明白如何在实践中实施本发明的几种形式。在附图中：
图1A示出了使用外部激光源的双波长共对准/反射拉曼探针的示例性实施例的框图。
图1B示出了使用内部激光源的双波长共对准/反射拉曼探针的示例性实施例的框图。
图1C示出了使用外部激光源的双波长共对准/传输拉曼探针的示例性实施例的框图。
图1D示出了双波长空间偏移/传输拉曼探针的示例性实施例的框图。
图2示出了根据本发明原理的双波长拉曼探针中的激光波长选择的图示。
图3A示出了根据本发明原理的用于在双波长拉曼探针中选择激光波长的示例性过程的流程图。
图3B示出了根据本发明原理的与双波长拉曼探针相关联的示例性过程的流程图。
图4A和图4B示出了对于两个不同拉曼激光泵浦源的具有300nm色散的硅检测器线性阵列的示例性量子效率响应。
图5A和图5B示出了根据本发明原理的对于两个不同拉曼激光泵浦源的具有300nm色散的硅检测器线性阵列的第二示例性量子效率响应。
图6A示出了根据本发明的原理在选择和不选择激发波长的情况下对含有环己烷的目标材料的示例性光谱分析。
图6B示出了图6A中所示的光谱分析的展开部分。
图6C示出了包含尿素的目标材料的示例性光谱分析。
图6D示出了包含水的目标材料的示例性光谱分析。
图7示出了基于距离的空间偏移拉曼探针配置的示例性实施例的框图。
图8示出了空间偏移拉曼探针的另一个实施例的框图。
图9A和图9B示出了用于传输激发波长和收集拉曼波长的示例性一维和二维线性阵列。
图10A-10F示出了用于传输激发波长和收集拉曼波长的示例性圆形或环形配置。
应当理解，本文描述的本发明的附图和描述已经被简化，以示出与清楚理解本发明相关的元件，同时为了清楚起见，省略了许多其它元件。然而，因为这些省略的元件在本领域中是公知的，并且因为它们不便于更好地理解本发明，所以在此不提供对这些元件的讨论。本文的公开内容还涉及本领域技术人员已知的变化和修改。
具体实施方式
图1A示出了紧凑型双波长共对准/反射拉曼探针配置的示例性实施例的框图，其中，由所示的两个激光源中的相应激光源输出的光使用利用分色镜的波长光束组合而沿着相同的光路组合，这类似于USP 10,359,313的图5中所示出和公开的配置，其公开了在拉曼光谱中使用二极管激光器作为光源。
在该示例性实施例中，双波长拉曼探针100包括壳体105和分别经由光纤113和123耦合到壳体100内的内部光学器件的两个外部光源110和120(下文中称为激光器或激光源。然而，应当认识到，光源110和120可以类似地是非激光源，例如超发光二极管)。激光器110和120可以以单一空间模式或以多个空间模式发射光。光耦合器111、112、121和122是用于将光纤耦合到设备或装置的已知装置。
激光源110和120可以是任何激光装置或系统；优选地，激光源110和120是具有窄带宽的波长稳定的激光源。
可用作波长稳定的激光源的一类激光器是外腔激光器。例如，参见US 9,059,555和US 9,577,409，它们被转让给本申请的受让人，并且其内容整体通过引用包含于此，并且描述了示例性的外部波长稳定的二极管激光器。源110、120还可以是在其结构中结合了光栅的半导体激光器，例如分布反馈(DFB)或分布布拉格反射(DBR)激光器。
激光源110、120也可以是耦合到非线性光学元件的DFB或DBR激光器，用于较短波长激光的二次或三次谐波生成，如本领域所公知的。
紧凑型双波长拉曼探针100还包括光学器件115、125，用于配置激光源110、120的输出光束。图1A中所示的示例性部件是透镜116、117和118(光学器件115)，用于对与激光器110相关联的光束进行整形，以形成例如适于由感兴趣的目标160激发拉曼信号(或波长)的光束横截面，以及相应的部件126、127和128(光学器件116)，用于对与激光器120相关联的光束进行整形。窄带滤光器119和129抑制来自激光器110和120的输出的自发发射。
通过使用第一分色镜135和反射镜136，准直光束131和132被组合成单个准直光束138，其中反射镜136使光束132改向而朝向第一分色镜135。第一分色镜135还使光束132通过并使光束131改向以形成准直光束138。
在本发明的一个方面中，截止波长被设计成使由第一激光器110和第二激光器120发射的波长通过但阻挡超过两个波长(即光束131、132)中较长的波长的波长的单个短通滤光器(未示出)可以在光束131、132被组合成准直光束138之后放置。
探针(激发、照射)光束138通过第二短通分色镜140(其传输特性在插图141中示意性地示出)传输到透镜150，透镜150聚焦组合光，包括由第一激光器110和第二激光器120沿光路145发射到目标对象160上的波长。
从目标对象160散射的光将包括拉曼、瑞利和荧光分量，这些分量可以由透镜150收集并通过光路145被引导回第二分色镜140。在所示的这种情况下，分色镜140被配置为将较长的斯托克斯位移拉曼光子反射成准直光束155。在比滤光器截止波长长的波长处的光，包括在两个激发波长处的光，将在很大程度上通过第二分色镜140，并从光束155中大量消除。
在本发明的一个方面中，附加的光学元件(未示出)可以被包括在光束138的光路中，以使光束138成形。例如，光束138可以成形为圆形光束，从而光束138(即，组合的第一激发波长和第二激发波长)在所述目标对象160上形成环形区域。在附加的一个方面中，光学元件可以被配置为调整被投影到目标对象上的环形区域的直径。根据本发明的另一个方面，附加光学元件(未示出)可以包括在光束138的光路中，以将光束138成形为椭圆形或细长形。
目标160上的激发光的空间范围可以足够长以生成离轴散射光，这可能导致第二分色镜140将一定范围的波长(包括将被优先排除的那些波长)反射到光束155中。分色镜140的设计优选地使得尽可能多地消除不需要的光。
分色镜140可以是边缘滤光器，其被设计成将拉曼散射光的波长沿着单条光纤或轴(即，共对准)导向光谱仪190，并基本上去除泵浦波长附近的其它光。
在所公开的本发明的实施例中，其中斯托克斯信号波长将被检测，分色镜140是短通滤光器，其反射比泵浦波长长的波长，并且基本上从光束155中去除在泵浦波长处和比泵浦波长短的波长，如图所示。
在所公开的本发明的实施例中，其中反斯托克斯信号将被检测，分色镜140是长通滤光器，其反射比泵浦波长短的波长，并且基本上从光束155中去除在泵浦波长处和比泵浦波长长的波长。
分色镜140通常以45°入射角使用，并且在图1A所示的实施例中，分色镜140将来自激光源110和120的光朝向所研究的目标160传输。示例性的分色镜是Semrock的RAZOREDGE分束器。RAZOREDGE是IDEX Health&Science LLC(加利福尼亚州罗内特园区)的注册商标。
为了检测斯托克斯信号，长通分色滤光器170被设计成传输比其截止波长更长的波长，如插图171所示。透镜180将滤波后的光聚焦到光纤185的入射面上，光纤185将光传输到紧凑型光谱仪190的狭缝191。
滤光器170可以是以下之一：分色滤光器、体全息光栅滤光器和光纤布拉格光栅滤光器，它们与聚焦和收集光学器件或提供所需的波长相关的阻挡和传输能力的任何滤光器组合使用。示例性滤光器包括用于斯托克斯检测的
Figure BDA0003943555130000091
单陷波滤光器和
Figure BDA0003943555130000092
超陡长通边缘滤光器以及用于反斯托克斯检测的超陡短通边缘滤光器。STOPLINE和RAZOREDGE是IDEX Health&Science LLC(加利福尼亚州罗内特园区)的注册商标。
光谱仪190被设计成将通过狭缝191输入的光衍射到线性硅检测器阵列(未示出)。衍射到阵列上的光的范围受到光谱仪衍射光栅的设计和检测器阵列的线性范围的限制，这在本领域中是众所周知的。因此，光谱仪的光栅和检测器可以被配置成使得检测器接收有限范围的波长，例如，对于斯托克斯信号，约为791nm至934nm。若单独检测，示例性2048元件线性检测器可以在光谱的指纹和拉伸区域均具有大约1cm-1的分辨率(即，1波数，其中波数是光学领域内的技术术语)。
在本发明的另一个实施例中，来自图1A的激光器110和120的光可以在被提供给分色镜140之前被组合到单条光纤(未示出)上。生成和组合来自激光器110和120的光的元件不需要包含在主体105内，而是可以通过几何或分色组合的方式在主体105外组合，并且随后在被提供给分色反射镜140之前组合到单条光纤上。
图1B示出了双激光共对准/反射拉曼探针的示例性实施例，其中激光源110、120被结合在拉曼探针壳体105内。在该双激光拉曼探针的第二示例性实施例中，图1B所示的拉曼探针的元件(部件)和操作类似于关于图1A所示的双波长拉曼探针所讨论的元件和操作。由于图1B中所示的配置的部件和操作与图1A中所示的双激光拉曼探针的部件和操作相似，因此本领域技术人员通过阅读图1A中的部件和操作，将理解图1B中所示的配置的部件和操作的细节，并且因此，相信不需要进一步讨论图1B。
图1C示出了具有拉曼探针的双激光共对准拉曼/传输探针的示例性实施例，其中，如前所述，使用利用分色镜135和反射镜136的波长光束组合，将外部激光源110、120输出的光组合成单个光束138。在该第三示例性实施例中，第二分色滤光器140用于将激光源的激发光通过透镜150引导到目标对象160上。透镜150进一步收集响应于激发波长的相互作用而生成的拉曼波长，并将其传输到分色滤光器140。然后，分色滤光器140将收集的拉曼光作为光束155传输到滤光器170。在这种情况下，滤光器170用于去除激光源110和120的光，使其不提供至光谱仪190的狭缝191。
在双激光拉曼探针的第三示例性实施例中，图1C所示的其余元件(部件)和操作类似于关于图1A所示的双波长拉曼探针所讨论的元件和操作。由于图1C所示配置的部件和操作与图1A所示双激光拉曼探针的部件和操作相似，本领域技术人员通过阅读图1A的部件和操作可以理解图1C所示配置的部件和操作的细节，因此，相信不需要进一步讨论图1C。
图1D示出了双激光空间偏移/传输拉曼探针的示例性实施例，其中，如前所述，由两个外部激光源110、120输出的光使用利用分色镜135和反射镜136的波长光束组合而沿着相同的光路组合。组合光138然后由反射镜152引导通过聚焦透镜150到目标对象160上。收集透镜151收集响应于用组合的激发(或照射光)光138照射目标对象160而生成的拉曼光，并将收集的拉曼光，即，光束155引导到滤光器170，如前所述，滤光器170用于从收集的拉曼光中去除激发波长。
在双激光拉曼探针的第四示例性实施例中，图1D所示的其余元件(部件)和操作类似于关于图1A所示的双波长拉曼探针所讨论的元件(部件)和操作。由于图1D所示配置的其余部件和操作均与图1A所示的双激光拉曼探针的其余部件和操作相似，本领域技术人员通过阅读图1A的部件和操作可以理解图1D所示配置的其余部件和操作的细节，因此，相信不需要进一步讨论图1D。
本发明还涉及一种诊断系统，其包括：光谱仪，所述光谱仪包括已知的量子效率，以及拉曼探针装置，其被配置为向所述光谱仪提供拉曼光波长，所述拉曼光波长响应于激发光照射目标对象而生成，其中所述激发光包括具有第一波长λp 2的第一光和具有第二波长λp 1的第二光中的至少一种，所述第一激发波长是基于所述目标对象的至少一个特性选择的，并且所述第二激发波长是基于所述第一激发波长和与所述已知量子效率的峰值基本上相关联的波长确定的。
在优选实施例中，在上述系统中，所述第二激发波长被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在由第一激发波长限定的范围内与所述量子效率的所述峰基本上相关联的所述波长；νpoi是目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。更准确地说，νpoi是感兴趣的拉曼位移峰的波数，与1/λQE的维数相同。优选地，感兴趣的拉曼位移峰(νpoi)是在用第二激发波长处的第二激光照射时由目标对象发射的拉伸峰。
在优选实施例中，在上述系统中，所述拉曼探针包括：第一透镜，被配置为将所述第一光和所述第二光聚焦到所述目标对象上；以及滤光器，其被配置为使所述拉曼光波长通过并阻挡所述第一波长和所述第二波长通过所述光谱仪。
在优选实施例中，在上述系统中，所述第一透镜被配置为收集所述拉曼光波长，并将所述收集的拉曼光波长提供给所述滤光器。
在优选实施例中，上述系统包括第二透镜，所述第二透镜被配置为收集所述拉曼光波长，并将所述拉曼光波长提供给所述滤光器。
在优选实施例中，该系统包括光学装置，其包括：至少一条光纤，其被配置为接收所述激发光，并且将所述接收的激发光引导到所述目标对象；以及多条光纤，配置成接收所述拉曼光波长并将所述接收的拉曼光波长引导到所述第二透镜。
在优选实施例中，该系统包括掩模，其中所述掩模防止接收所述拉曼光波长的所述多条光纤中的选定光纤接收所述拉曼光波长。
在优选实施例中，在上述系统内，所述光学装置包括：多条光纤，其布置成以下之一：一维光纤阵列和二维光纤阵列。
在优选实施例中，在上述系统内，所述光学装置包括围绕中心光纤环形布置的多条光纤，其中中心光缆是以下之一：所述传输光学装置和所述接收光学装置。
在优选实施例中，在上述系统内，目标对象的所述至少一个特性与当所述目标对象被所述第一激发波长照射时生成的荧光相关联。优选地，第一激发波长被选择为使得荧光对拉曼光谱信号的影响最小化。
所述第一光和所述第二光可以并发发射。所述第一激发波长和所述第二激发波长可以顺序发射。
在优选实施例中，如上所述的系统包括被配置为生成所述第一光的第一激光器，其中所述第一激光器是以下之一：在所述拉曼探针内部和所述拉曼探针装置外部；和/或第二激光器，其被配置为生成所述第二光，其中所述第二激光器是以下之一：在所述拉曼探针内部和在所述拉曼探针装置外部。
本发明还涉及包括第一透镜的拉曼探针装置，所述第一透镜被配置为接收以下至少一个：第一激发波长λp 2和第二激发波长λp 1，所述第一激发波长基于目标对象的至少一个特性来确定；并且所述第一透镜被配置为将所述第一激发波长和所述第二激发波长中的所述至少一个聚焦到所述目标对象上，其中，响应于所述目标对象被所述第一激发波长和所述第二激发波长中的至少一个的相应一个波长照射而生成拉曼波长；并且其中拉曼探针装置还包括滤光器，所述滤光器被配置为将响应于所述目标对象被所述第一激发波长和所述第二激发波长中的至少一个的相应激发波长照射而生成的所述拉曼波长传递到光谱仪；并且其中所述光谱仪包括已知的量子效率，并且所述第二激发波长被确定为：λp 1＝1/[vpoi+1/λQE]；其中λQE是在由第一激发波长限定的范围内与所述量子效率的峰相关联的波长；vpoi是目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
在如上所述的拉曼探针的优选实施例中，所述第一透镜被配置为收集所述拉曼波长，并将所收集的拉曼波长提供给所述滤光器。
在优选实施例中，如上所述的拉曼探针包括第二透镜，所述第二透镜被配置为收集所述拉曼波长并将所收集的拉曼波长提供给所述滤光器。
在优选实施例中，如上所述的拉曼探针包括：第一激光源，其被配置为发射所述第一激发波长；以及第二激光源，其被配置为发射所述第二激发波长，其中所述第一激光源和所述第二激光源中的至少一个在所述拉曼探针的外部。可替换地，所述第一激光源和所述第二激光源中的至少一个可以在所述拉曼探针内部。
在如上所述的拉曼探针的优选实施例中，所述第一激发波长和所述第二激发波长可以以下之一方式发射：并发地和顺序地。
在优选实施例中，如上所述的拉曼探针包括光学装置，其包括多条光纤，其中所述光纤中选定的光纤接收所述第一激发波长和所述第二激发波长；并且所述光纤中的选定光纤接收所述拉曼光波长。
在如上所述的拉曼探针的优选实施例中，所述多条光纤以矩阵配置和环形配置中的一种布置。
图7示出了基于距离的空间偏移拉曼探针配置的示例性实施例的框图，其中激发光波长702和收集光波长704之间的空间间隔(或距离)710允许检测目标对象160的表面下区域。在下文中，包括第一激发波长220和第二激发波长210的组合光138将被称为激发光702，拉曼光波长将被称为收集光波长704。通过增加激发光波长702和收集光波长704之间的距离710，可以观察到目标对象160的表面下的区域。
图8示出了根据本发明原理的基于距离的空间定向拉曼探针的第二实施例的框图。在类似于图1D中所示的实施例的该示意性实施例中，进一步包括光学装置810，其与透镜150和151光学连通。在该第二实施例中，由透镜150发射的光(或激发波长)通过光学透明材料(例如光纤)被引导到光学装置810，并且响应于激发光702照射目标对象160而生成的拉曼光704可以由光学装置810收集并通过第二组光学透明材料(例如，光纤)提供给收集透镜151。
例如，光学装置810可以包括光学探针，其可以用于扫描目标对象160，同时发射激发波长702并收集拉曼波长704。光学探针的尖端可以包括光学透明材料(例如，多条光纤)，其接收来自透镜150的激发波长，以及第二、单独的、光学透明材料(例如，光纤)，其收集拉曼光波长并将收集的拉曼波长提供给收集透镜151。可替代地，光学装置810可以是包括平台的固定装置，目标对象可以放置或包含在该平台上。在本发明的一个方面中，光学装置810可以包括例如接收激发波长702的多条光纤，以及例如收集拉曼光波长704并将收集的拉曼光波长提供给收集透镜151的第二多条光纤。此外，第一组光纤和第二组光纤可以例如如图7所示定向。在另一方面，第一组光纤可定向成使得激发波长702成角度投射到目标对象160上，并且第二组光纤可定向成相对于目标对象160成角度。在本发明的又一方面，第一组光纤(或透明材料)可定位在目标对象160的一侧上，而第二组光纤可定位在目标对象160的第二侧上。
虽然光学装置810被示出在壳体110的外部，但是应当认识到，光学装置810可以在壳体110的内部。
图9A示出了光学装置810的第一示例性实施例，其中第一组多条光纤(或其它光学透明材料)910并且第二组光纤920被布置成一维阵列。在该示例性实施例中，光纤910表示可用于向目标对象160提供激发波长或光702的传输装置，而光纤920表示可用于收集拉曼光或波长704并向收集透镜151提供所收集的光的接收装置(参见图8)。
激发波长702和拉曼波长704之间的空间距离710可以例如通过使用收集光纤920中不同的光纤而变化。
图9B示出了光学装置810的第二示例，其包括二维阵列，该二维阵列包括以矩阵布置的第一和第二组光纤910、920。
与图9A所示的布置一样，激发波长或光702可以通过光纤910提供给目标对象160，而拉曼光704可以通过光纤920收集。
在所示实施例中，空间距离710可以相对于传输光纤和接收光纤水平地、竖直地或对角地测量。
在本发明的一个方面中，可以利用掩模来限制接收拉曼光波长的接收装置的数量。掩模可用于确定最小间隔(或最大间隔距离)。回到图9A，掩模(未示出)可以定位在接收光纤电缆920的第二和第五行之间，以在传输光纤电缆910和接收光纤电缆920之间建立最小间隔距离。因此，可以使间隔距离可变。
图10A-10F示出了光学装置810的示例性实施例，其中光纤910、920布置成圆形或环形配置。
图10A示出了由多条收集光纤920围绕的中心传输光纤910的示例。
图10B示出了由多条收集光纤920的两行围绕的中心传输光纤910的示例。
图10C示出了以中心收集光纤920为中心的多条传输光纤910的示例。
图10D示出了由光学透明材料1020的环围绕的基于中心的传输光纤910的示例，其用于收集拉曼光704。
图10E示出了由多条收集光纤920围绕的基于中心的传输光纤910的示例。
图10F示出了由光学透明材料1010围绕的基于中心的收集光纤920的示例。
在本发明的一个方面中，激发波长702与收集波长704的物理间隔710可以通过使用中心照射(激发)区域和环形收集区域来实现。在本发明的另一个方面中，激发波长702与收集波长704的物理间隔710可以通过使用环形照射(激发)区域和中心收集区域来实现。在另一方面，收集波长区域可以从激发波长区域物理地移动或掩蔽，以允许激发波长照射区域和收集光波长区域之间的距离可变。
在本发明的另一个方面，激发波长区域和收集波长区域可以以所谓的传输配置定向在目标对象160的相对侧上。
在本发明的另一个实施例中，激发波长702可以成角度地指向目标对象160。类似地，收集波长704可以相对于目标对象160成角度地收集。
尽管讨论了具有外部激光器的双波长共对准/反射拉曼探针(图1A)、具有内部激光器的双波长共对准/反射n拉曼探针(图1B)、具有外部激光器的双波长共对准/传输拉曼探针(图1C)、以及具有外部激光器的双波长空间定向/反射拉曼探针(图1D)的示例性实施例，但应当理解，本文给出的选择激发波长的方法可应用于其它类型的双波长拉曼探针(例如，具有外部激光器或内部激光器的空间定向/反射拉曼探针)，并且被认为在本发明要求保护的范围内。
此外，本领域技术人员应当理解，所讨论的激发波长的组合可以通过已知数量的已知波长组合方法(例如，利用分色镜的波长光束组合或几何光束组合，参见USP 7,420,996)中的任何一种来执行。
根据本发明的原理，本文公开的激发激光器110、120可以同时、并发或顺序地操作。顺序操作消除了伪信号，例如当两个激光源同时工作时可能生成的荧光。然而，应当理解，已经考虑了同时或并发的操作，并且激光源的同时和并发的操作都被认为在本发明的范围内。因此，当光源并发操作时，两个光源的激光可以结合在一起，形成由两个波长组成的单个光束。然而，当(例如，波长光束、几何光束组合(例如，参见US 7420,996)。
在光源顺序操作的情况下，一个光源的激光被认为与不存在的第二个激光光源的光“组合”，从而形成单个波长的单个光束。
当前使用的示例性拉曼泵浦波长是532nm、638nm、785nm、830nm和1064nm。如本领域已知的，较短的波长泵浦波长生成较高的拉曼散射信号，因为拉曼强度与λ-4成比例。然而，较短的泵浦波长更有可能生成荧光，这会压制拉曼光谱特征。由于荧光是波长依赖性的，而拉曼信号既与λ-4成正比又相对于激发波长位移，因此拉曼串接方法提供了用较短波长的激发源来减轻荧光的负面影响的可能性。当存在高水平的荧光而不可能量化指纹区域中的拉曼信号时，这允许量化拉伸带中的拉曼信号的可能性。最后，可以选择短波长或长波长激光源的特定波长以减轻任何荧光共振效应。
此外，斯托克斯光谱通常比反斯托克斯光谱更强。如本领域所公知的，斯托克斯位移v(以波数测量，即，cm-1)将生成拉曼信号波长λs，其与探针波长λp相关：
1/λs＝1/λp+v (1)
一般来说，光谱的“指纹”区域包括小于约2000cm-1的波数，而“拉伸”区域包括约2000cm-1至4000cm-1的波数。
图2示出了确定光谱的指纹和拉伸区域的示例，该光谱可以由两个单独的波长激发，使得可以使用紧凑型光谱仪中的单个检测器阵列来检测两个所得斯托克斯信号光谱。
根据本发明的原理，被指定为λp 1 210和λp 2 220的两个探针波长分别激发拉曼光谱的拉伸区域和指纹区域。在所示的这种情况下，第二激发波长λp 1的波长比第一激发波长λp 2 220的波长短。
还示出了与指纹区域相关联的示例性波长范围Δv2 223，以波数表示。图示的指纹区域213被示出为从拉曼信号波长λs 21 225延伸到λs 22 227，其与第一激发波长λp 2 220相关联。波长λs 21 215和λs 22 217由波长λp 2 220分别通过位移值V21和V22确定，其中位移值V21和V22可以由上述等式1确定。
在所示的示例中，拉曼信号波长λs 21 225通常从第一激发波长λp 2 220位移1-2nm(纳米)，以避免光谱仪被反向散射的泵浦光饱和，而拉曼信号波长λs 22 227通过计算与指纹波数范围Δv2 223相关联的波长来确定：
1/λs 22＝1/λs 21+Δv2. (2)
还示出了与拉曼信号拉伸区域相关联的波长范围Δv1 213，以波数表示。所示的拉伸区域被示出为从拉曼信号波长λs 11 215延伸到λs12 217，所述拉曼信号波长λs 11 215和λs 12 217与第二激发波长λp 1 210相关联。波长λs 11 215和λs12 217分别由波长λp 1 210通过位移值V11和V12确定，其中值V11和V12可以由上述等式1确定。
因此，拉曼信号波长λs 11 215被选择为基本上与λs 21 225一致，以使光谱仪的检测器元件能够用于两个泵浦激光器，而拉曼信号波长λs 12 217通过计算与拉伸波数范围Δv1213相关联的波长而确定，其中λs 11和λs 12之间的差限定拉伸区域。
1/λs 12＝1/λs 11+Δv1 (3)
还示出了光谱仪的示例性量子效率曲线QE(λ)230，用于收集和分析由第一和第二激发波长生成的拉曼信号。
因此，通过适当地选择第二激发波长λp 1 210和第一激发波长λp 2 220，可以由单个光谱仪的检测器元件捕获在拉伸区域和指纹区域内生成的拉曼信号。
为了向本领域的技术人员描述本发明的主题，指纹区域波数范围和拉伸区域波数范围近似相等，即，Δv1≈Δv2，导致λs 11≈λs 21，并且λs 21≈λs 22。
此外，尽管可以选择第二激发波长λp 1 210和第一激发波长λp 2 220以使用相同的检测器阵列提供对指纹和拉伸区域的捕获，但根据本发明原理的波长λp 1 210和λp 2 220的选择提供了光谱仪的分析性能的增强。
图3示出了根据本发明原理的用于确定双波长拉曼探针的波长的示例性过程的流程图300。
根据本发明的原理，在步骤310，选择第一激发波长(即，λp 2)。第一激发波长与目标对象在第一激发波长照射下反射或散射的拉曼信号的指纹区域相关联。
第一激发波长λp 2被选择为尽可能短，以减轻由目标对象对第一激发波长的非弹性散射生成的拉曼光谱的荧光。因此，第一激发波长λp 2基于所研究的拉曼目标样品160和当被激发波长照射时其特定的荧光特性来确定。
例如，在本领域中已知的是，对于诸如重质石油(油)、生物材料、药物材料和透明液体的目标类别的材料，第一激发波长λp 2可以分别选择为1064nm、830nm、785nm和532nm。
为了教导所要求保护的本发明，可以选择诸如785nm(纳米)的波长作为第一激发波长，其中选择785nm以使当由第一激发波长照射时目标对象时生成的荧光最小化。
在步骤320，基于光谱仪的期望光谱范围和分辨率(例如，2000cm-1)选择指纹区域波数(Δv2)的期望范围。
第一激发波长λp 2和Δv2的选择将光谱仪的最长测量波长(λs22)(步骤330)限定为
λs 22＝1/[Δv2+1/λp 2] (4)
在使用785nm的第一激发波长λp 2的该示例性实例中，最长测量波长λs 22可由上述等式4确定为931nm。
然后可以执行与在拉曼信号的收集和分析中使用的与光谱仪相关联的量子效率光谱的检查，以在所确定的指纹区域(即，在波长λp 2(其约等于λs 21)和λs 22之间)确定光谱仪量子效率响应的峰波长QE(λ)(步骤340)。
量子效率曲线QE(λ)提供了光谱仪在已知波长带上收集拉曼信号的效率的测量。例如，并且为了描述所要求保护的发明的目的，在所确定的指纹区域的范围内的量子效率响应曲线(λQE)可以根据光谱仪的响应特性的当前测量或先前测量来确定。
例如，并且为了描述本领域技术人员所要求保护的发明的目的，以及参考图2，可以确定在所确定的指纹区域223内的量子效率响应曲线230的峰(最大)量子效率(λQE)235。为了教导所要求保护的本发明，在该示出的示例中的峰量子效率可以被确定为800nm。
然后可以在步骤350确定所研究的特定化合物(即，目标对象)的感兴趣的拉曼位移峰(vpoi)。例如，并且为了向本领域技术人员描述所要求保护的本发明，可以确定特定目标对象的感兴趣的拉曼位移峰与3000cm-1的波数相关联。
然后，在步骤360，可以确定用于在拉伸区域中进行定量分析的第二激发波长(λp 1)为：
λp 1＝1/[vpoi+1/λQE] (5)
因此，第二激发波长(λp 1)可以基于与特定目标对象相关联的感兴趣的拉曼位移峰和指纹区域内的光谱仪的峰量子效率来确定，所述指纹区域由第一激发波长的选择来限定。
从选择作为第一激发波长(λp 2)220的示例性波长，对于示例性3000cm-1的感兴趣的拉曼位移峰(vpoi)和峰量子效率(λQE)235，第二激发波长(λp 1)210可以确定为645nm。
可以理解，以等式5中公开的方式选择第二激发波长使感兴趣波长的拉曼峰与指纹区域中的光谱仪量子效率的峰波长(λQE)一致。
因此，与第二激发波长相关联的拉曼信号的分析在光谱仪的峰量子效率处或基本上接近于光谱仪的峰量子效率处执行，这使目标对象具有更好的分析性能。
如等式5中所表达的，尽管第二激发波长的选择是基于峰量子效率来确定的，并且当所确定的第二激发波长与峰量子效率一致时可以实现最显著的光谱性能，但是应当认识到，非峰量子效率值可以类似地用于确定第二激发波长。然而，优选确定波长λQE，在该波长处量子效率曲线QE(λ)的范围内的量子效率呈现与所述光谱仪相关联的峰值。即，根据本发明的原理，与术语“峰量子效率”相关使用的术语“峰”不需要是在普通和习惯意义上使用的“峰”或最大值。相反，本文所用的术语“峰”被认为是光谱量子效率的最大(或峰)值附近的范围。例如，该范围可以由光谱量子效率的最大值的波长数的+/-10％的范围限定。相似地，该范围可限定为光谱量子效率最大值的波长数的+/-15％。在另一个示例中，该范围可以限定为光谱量子效率的最大值的3dB内的波长数。例如，参见图2，其中点240a、240b表示相对于峰量子效率235的3db(或半功率)点。根据本发明的另一方面，特定范围可以通过所接收的拉曼光谱的信噪比的期望增加来确定。
因此，基于等式5的第二激发波长的确定可以更一般地表达为：
λp 1＝1/[vpoi+1/(λQE+(+/-δ))] (6)
其中δ表示最大(峰)量子效率值附近的范围。
因此，根据本发明的原理，术语“峰”被认为是以下之一：光谱仪的响应光谱的最大值和光谱仪的响应光谱的最大值附近的范围。
图3B示出了根据本发明原理的用于操作双波长拉曼探针的示例性过程。
根据本发明的原理，分别如步骤310、365、368、371、374所示，对由第一激发波长激发目标对象而生成的第一光谱拉曼分量进行捕获、滤波、接收、处理和存储。更具体地，目标对象被第一激发波长(即，λp 2)照射，第一激发波长被选择为使目标对象在被第一激发波长照射时生成的荧光最小化。在步骤365，捕获由目标对象反射或散射的拉曼散射光。然后，在步骤368中对拉曼散射光进行滤波，并在步骤371中将其提供给光谱仪。在步骤374中，对提供给光谱仪的反射或散射信号执行的光谱分析，然后在步骤374中被存储。
在步骤360，第二激发波长(即，λp 1)是基于第一激发波长和在基于第一激发波长确定的指纹区域内的光谱仪的量子效率来确定的，如上所述。
根据本发明的原理，在基于上述等式5确定第二激发波长之后，可以针对传统激光装置的波长性能对所确定的第二激发波长进行评估，以便确定使用具有已知波长输出的传统激光器的适用性。
即，一个或多个选定的传统激光器的波长可以基于等式6来评估，以确定可以使用多个或多个选定的传统激光器中的哪一个来代替基于等式5输出波长的特别设计的激光器。
如步骤377、381、384、387、390所示，由确定的第二激发波长激发目标对象160而生成的第二拉曼分量分别被捕获、滤波、接收、处理和存储。特别地，在步骤377，目标对象160被第二激发波长照射。与第二激发波长相关联的散射或反射的拉曼波长被捕获(步骤381)，并在步骤384被滤波。在步骤387，拉曼波长被提供给光谱仪，并且在步骤390，由光谱仪执行的光谱分析的结果被存储。
在步骤395，第一和第二拉曼光谱分量数据被串接或组合在一起，其中第一拉曼光谱分量可以用于确定目标对象160的化合物的识别，而第二拉曼光谱分量可以用于确定目标对象的化合物的浓度。可替换地，第一和第二拉曼光谱可以独立地处理以提供目标对象的更详细分析。根据本发明原理的第一和第二激发波长的选择提供了增强的定量分析，因为拉曼光谱与指纹区域内光谱仪的量子效率的峰一致(或基本一致)。由拉曼信号与光谱仪的量子效率的峰的一致性所引起的接收的拉曼信号的信噪比的增加提供了目标对象(或目标对象内的被分析分量)的区别特征的增加。
因此，本文所述的双激光拉曼探针提供了监测例如药物生物反应器(即，其中细菌在含水液体中生长的密封容器)的机会。在另一方面，H拉伸带可用作校准标准，可以对照该校准标准监测CH和NH拉伸带。例如，CH和NH拉伸带可用于确定药物生物反应器内蛋白质的变化，因为细菌产生蛋白质并消耗食物(碳水化合物)。根据本文公开的双激光拉曼探针的另一应用，添加剂的浓度可以通过使用纯水的拉曼信号进行校准来确定。
图4A和4B示出了典型的硅检测器量子效率曲线(图4A)和相应的表(图4B)，该表示出了对于300nm波长色散范围的第一拉曼泵浦激光源的预期量子效率与波数的关系。
参考图4A，其示出了示例性量子效率与波数的关系，以及关联于与785nm泵浦激光源相关联的波长位移的效率，与200cm-1波数相关联的785nm激发波长的波长位移提供了96％的量子效率，而与3600cm-1波数相关联的波长位移提供1％的效率。因此，在200cm-1处与785nm激发波长相关联的拉曼位移波长的分析明显优于在3600cm-1处与785nm激发波长相关联的拉曼位移波长的分析，因为对于200cm-1处的拉曼位移波长，光谱仪的性能明显更好。
图4B列出了对于不同的波长位移，与785nm激发波长相关联的光谱仪效率的量子效率。
图5A和5B示出了根据本发明的原理的效率改进和为用于激发波长的选择而获得的相应表格。
根据本发明的原理，基于第一波长和光谱仪的光谱效率的第二激发波长的选择(例如，680nm)，在200cm-1处提供90％的量子效率，而与3600cm-1波数相关联的波长位移提供82％的量子效率。因此，根据本发明的原理的第二激发波长的选择对拉曼信号的分析提供了显著的改进。
因此，根据本发明的原理，通过使量子效率曲线的峰与感兴趣的特定波数带匹配来选择双激发波长，增强了光谱仪的信号处理能力。
第一和第二激发波长的选择的示例可以确定如下：
Figure BDA0003943555130000211
因此，根据本发明的原理选择827.0676692nm的第二激发波长提供了所分析的拉曼信号中的改进的、增强的信噪比。
此外，利用增强的拉伸带信号，整个增强的拉伸带可用于附加数据作为化学计量学算法的输入或作为正交数据以验证来自指纹区域的数据。
例如，本文所述的拉曼探针激发波长选择方法可用于医学诊断，因为脂肪和蛋白质可使用CH和NH带监测，而水可使用OH带监测。
用本文所述的改进或增强的信号分析性能分析CH和NH带，可以帮助诊断炎症或其他病理状况。
本文所述的拉曼探针激发波长选择方法可用于水(H2O)中生长的化合物的制药过程分析，因为使用近红外(NIR)光谱对这种化合物的分析是无效的。
本文所述的拉曼探针激发波长选择方法可用于分析石油化学，因为CH带是重要的，并且水通常是污染物。
一般而言，本发明包括在医学诊断和与石化加工或生物反应器相关联的分析中使用本文所述的装置。
图6A和6B示出了根据本发明的原理，对环己烷使用拉伸带区域的波长激光泵浦源增强拉曼信号处理的示例。
具体地，图6A示出了与指纹区域和与包括环己烷的目标对象相关联的拉伸区域相关联的光谱分析。图6B示出了图6A中所示的拉伸区域的扩展版本。
图6A示出了两个拉曼光谱610和615，其中光谱610是使用785nm波长的激光激发信号获得的，光谱615是使用785nm的785第一激发波长和680nm的第二激发波长获得的，其中根据本文公开的本发明的原理选择680nm波长。
根据本发明的原理，本文公开的双波长拉曼探针技术能够在过程自动化市场中实现新的应用。例如，使用-H拉伸区域与指纹区域的关系，可以提供改进的浓度变化的定量测量或浓度的预测定量。例如，具有如本文所述的波长选择的双波长拉曼探针可以直接应用于增强对以下的分析：
·水中石油产品百分比
·水中污染物百分比
·水中糖百分比
·水中蛋白质百分比
·生物制药过程反应中随时间的糖/蛋白质的百分比
·细菌副产品的鉴定(例如，你是否生产了你想要的产品？)
·一组峰与另一组峰的强度比(例如，降低系统校准的复杂性)
·监测一个或多个峰随时间变化的强度。
·由于噪声基底减少而具有更高的灵敏度(增加的S/N)
·优化感兴趣的拉曼带和检测器的量子效率(例如，放大炔带的信号)
·通过/未通过分析(例如，识别特定带的存在或缺乏)。
总之，包括第一和第二激发波长的双波长拉曼探针系统撞击目标对象，并且由目标对象反射或散射的波长被光谱仪收集和分析。根据本发明的原理，基于目标对象和光谱仪的量子效率(或在已知范围内)来选择激发波长，以便通过使拉曼信号与光谱仪的峰量子效率基本一致来提高拉曼信号的信噪比。与光谱仪的峰量子效率基本上一致的拉曼信号的收集提供了拉曼信号的改善的信噪比。
尽管已经关于由激光源发射的或由拉曼和瑞利散射操作的“波长”描述了本发明，但是应当认识到，术语“波长”是本领域的术语，并且是指在标称期望波长周围的波长或波长带。
已经参考具体实施例描述了本发明。然而，本领域的普通技术人员理解，在不脱离权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书应被认为是示意性的，而不是限制性的，并且所有这样的修改都应被包括在本发明的范围内。上面已经参照具体实施例描述了益处、其它优点和问题的解决方案。益处、优点和问题的解决方案，以及可导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更显著的任何元件不应被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的或必要的特征或元件。
出于本发明的目的，术语“波长”有时用作表达“(特定)波长的光”的缩写。本领域技术人员将意识到，在这些情况下，表述是可互换的。
本领域技术人员将理解，为了本发明的目的，波数(ν，通常以cm-1给出)和波长(λ，通常以nm给出)必须被转换成相同的尺寸以便于计算。
如本文所使用的，术语“包括”、“包含有”、“包含”、“具有”、“有”、“含有”或其任何其它变化形式旨在覆盖非排他性的包含。例如，包括一系列元件的过程、方法、物品或设备不必仅限于那些元件，而是可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或设备固有的其他元件。另外，除非明确地相反说明，否则术语“或”指的是包含性的“或”而不是排他性的“或”。例如，条件A或B满足以下任一条件：A为真(或存在)而B为假(或不存在)；A为假(或不存在)且B为真(或存在)；以及A和B都为真(或存在)。
如本文所用的术语“一”或“一个”用于描述本发明的元件和部件。这样做是为了方便读者，并使读者对本发明有一个大致的了解。在本文的描述中这些术语的使用应当被阅读和理解为包括一个或至少一个。此外，单数也包括复数，除非有相反的指示。例如，提及含有“化合物”的组合物包括一种或多种化合物。如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非内容清楚地指示其它含义。
无论是否明确指出，本文中的所有数值均假定由术语“约”修饰。术语“约”一般是指本领域技术人员认为与所述值等同的数值范围(即，具有相同的功能或结果)。在任何情况下，术语“约”可包括四舍五入(或降低)到最接近的有效数字的数字。
显然，以基本相同的方式执行基本相同的功能以实现相同结果的那些元件的所有组合都在本发明的范围内。从一个描述的实施例到另一个实施例的元件的替换也是完全符合预期的和示范性的。

Claims (38)

1.一种用于确定在双激光光谱仪系统中使用的第一激发波长(λp 2)和第二激发波长(λp 1)的方法，所述双激光光谱仪系统包括：
-第一激光源(110)，其被配置为发射第一激发波长(220)，和第二激光源(120)，其被配置为发射第二激发波长(210)；以及
-光谱仪(190)，其被配置为接收第一拉曼信号和第二拉曼信号，其中所述第一拉曼信号与所述第一激发波长(220)相关联，并且所述第二拉曼信号与所述第二激发波长(210)相关联，
所述方法包括：
-基于目标对象(160)的至少一个特性选择所述第一激发波长，其中所述至少一个特性优选地与通过所述第一激发波长(220)与所述目标对象(160)的相互作用而生成的荧光相关联；
-确定与所述第一激发波长(220)相关联的第一拉曼信号的范围，优选地为指纹区域；
-在与所述光谱仪相关联的量子效率曲线QE(λ)的所确定的范围内，优选在指纹区域内，确定峰量子效率值(λQE)，优选地确定波长(λQE)，在该波长处，量子效率曲线QE(λ)(230)的范围内的量子效率呈现与所述光谱仪相关联的峰值；
-确定所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰(vpoi)；以及
-基于所述峰量子效率值和所述感兴趣的拉曼位移峰来确定所述第二激发波长(210)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述感兴趣的拉曼位移峰(νpoi)是在用所述第二激发波长(210)处的所述第二激光照射时由所述目标对象发射的拉伸峰。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一激发波长(λp 2)是基于所述目标对象(160)的至少一个特性来选择的；以及
所述第二激光波长被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在λp 2～λs 11-λs 22范围内的峰量子效率；并且νpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述目标对象的所述至少一个特性与所述目标对象在被所述第一激发波长(220)照射时的荧光相关联。
5.一种诊断系统，包括
-可选地：光谱仪(190)，所述光谱仪具有已知量子效率；以及
-拉曼探针装置(100)，其被配置为向具有已知量子效率的光谱仪(190)提供拉曼光波长，所述拉曼光波长是响应于激发光照射目标对象(160)而生成的，
其中所述激发光包括具有第一波长λp 2(220)的第一光和具有第二波长λp 1(210)的第二光中的至少一个，所述第一激发波长(220)基于所述目标对象(160)的至少一个特性来选择，并且所述第二激发波长(210)基于所述第一激发波长(220)和与所述已知量子效率的峰值基本上相关联的波长确定。
6.根据权利要求5所述的诊断系统，其中，所述第二激发波长(210)是基于所述光谱仪在指纹区域(223)内的量子效率选择的，所述指纹区域(223)由所述第一激发波长(220)和目标对象(160)的感兴趣的拉曼位移峰限定。
7.根据权利要求5或6所述的诊断系统，其中，所述第二激发波长(210)被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在由所述第一激发波长限定的范围内，优选在指纹区域内，与所述量子效率的所述峰值基本上相关联的所述波长；并且νpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的诊断系统，其中，所述系统包括
-控制单元，其适于优选地通过执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法来确定所述第二激发波长(210)。
9.根据权利要求8所述的诊断系统，其中，所述控制单元适于通过以下步骤确定所述第二激发波长(210)：
-确定由所述目标对象(160)发射的与所述第一激发波长(220)相关联的第一拉曼信号的范围，优选地为指纹区域(223)；
-确定波长(λQE)，在该波长处量子效率曲线QE(λ)的在所确定的范围内，优选地在指纹区域(223)内的量子效率呈现与所述光谱仪(190)相关联的峰值；
-确定所述目标对象(160)的感兴趣的拉曼位移峰(νpoi)；以及
-基于所述峰量子效率值和所述感兴趣的拉曼位移峰来确定所述第二激发波长(210)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的诊断系统，其中，所述感兴趣的拉曼位移峰(νpoi)是在用包括第二波长(210)的激发光照射时由所述目标对象(160)发射的拉伸峰。
11.一种在根据权利要求5至10中任一项所述的系统中使用的拉曼探针装置(100)，所述装置包括：
-第一透镜(150)，所述第一透镜被配置为接收第一激发波长λp 2(220)和第二激发波长λp 1(210)中的至少一个，所述第一激发波长基于目标对象(160)的至少一个特性来确定；并且所述第一透镜还被配置为将所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)中的至少一个聚焦到所述目标对象(160)上；
其中响应于所述目标对象(160)被所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)中的至少一个的相应一个激发波长照射而生成拉曼波长；以及
-滤光器(171)，所述滤光器被配置为将响应于所述目标对象被所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)中的至少一个的相应一个激发波长照射而生成的拉曼光波长传输到具有已知量子效率的光谱仪(190)；
其中所述第二激发波长(210)被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在由所述第一激发波长限定的范围内与所述量子效率的所述峰值基本上相关联的所述波长；以及νpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
12.根据权利要求11所述的拉曼探针装置，包括
-第二透镜(151)，所述第二透镜被配置为收集所述拉曼光波长并将所收集的拉曼光波长提供给所述滤光器(171)。
13.一种拉曼探针装置(100)，优选地根据权利要求11或12所述的拉曼探针装置，包括：
第一激光源(110)，其用于发射第一激发波长λp 2(220)处的第一激光；
第二激光源(120)，其用于发射第二激发波长λp 1(210)处的第二激光；其中所述第二激发波长λp 1是基于与所述装置相关联的光谱仪的量子效率和所述第一激发波长λp 2来选择的；
第一分色镜(135)，其被配置为：
接收所述第一激发波长(220)；以及
接收所述第二激发波长(210)；
第二分色镜(140)，其被配置为：
接收所述第一激发波长的光(220)和所述第二激发波长(210)，
向目标对象(160)传输所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)；以及
接收与传输的所述第一激发波长(220)相关联的第一拉曼光(225)，并且接收与所述第二激发波长(210)相关联的第二拉曼光(215)，所述第一拉曼光和所述第二拉曼光分别表示所述第一激发波长和所述第一激发波长与所述目标对象(160)的相互作用；
聚焦光学器件(150)，其被配置为：
接收所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)；
将所述第一激发波长和所述第二激发波长聚焦到所述目标对象(160)上；
收集所述第一拉曼光(225)和所述第二拉曼光(215)；以及
将所收集的所述第一拉曼光和所述第二拉曼光导向所述第二分色镜(140)；
滤光器(170)，其被配置为：
从所述第二分色镜(140)接收所收集的所述第一拉曼光(225)和所述第二拉曼光(215)，
将所收集的所述第一拉曼光和所述第二拉曼光中除所述第一激发波长(220)和所述第二激发波长(210)之外的波长传输到所述光谱仪(190)。
14.根据权利要求13所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激光源和所述第二激光源中的至少一个在所述拉曼探针装置外部。
15.根据权利要求13或14所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激发波长和所述第二激发波长并发地发射。
16.根据权利要求13或14所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激发波长和所述第二激发波长顺序地发射。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激发波长λp 2的波长是基于所述目标对象的至少一个特性来确定的；并且
所述第二激发波长被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在由所述第一激发波长限定的范围内的峰量子效率；并且νpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
18.根据权利要求17所述的拉曼探针装置，其中，所述目标对象的所述至少一个特性与所述目标对象在被所述第一激发波长照射时生成的荧光相关联。
19.根据权利要求18所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激发波长被选择为使得由所述目标对象在被所述第一激发波长照射时生成的所述荧光不会遮蔽所述第一拉曼波长。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的拉曼探针装置，其中，所述目标对象与医学诊断、石化加工或生物反应器相关。
21.一种拉曼探针装置(100)，优选地根据权利要求11至20中任一项所述的拉曼探针装置，包括：
-光谱仪(190)；
-第一激光源(110)，用于发射第一激发波长λp 2(220)处的第一激光；
-第二激光源(120)，用于发射第二激发波长λp 1(210)处的第二激光，其中，基于所述光谱仪(190)在由第一激发波长(220)和目标对象(160)的感兴趣的拉曼位移峰限定的范围内，优选地在指纹区域(223)内的量子效率来选择所述第二激发波长λp 1(210)；
-聚焦光学器件(150)，其被配置为：
将所述第一激光和所述第二激光聚焦到目标对象(160)上；以及
收集由所述目标对象(160)反射的第一拉曼光(225)和第二拉曼光(215)中的相应一个；以及
-滤光器(170)，其被配置为：
接收所收集的光，
将所收集的光中具有不同于所述第一激光和所述第二光的波长的光传输到所述光谱仪(190)。
22.根据权利要求21所述的拉曼探针装置，其中，所述第二激光波长被确定为：
λp 1＝1/[νpoi+1/λQE]；
其中λQE是在λp 2～λs 11-λs 22范围内的峰量子效率；并且νpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
23.根据权利要求11至22中任一项所述的拉曼探针装置，其中，所述第一激发波长λp 2的波长是基于所述目标对象的至少一个特性确定的；并且
所述第二激发波长被确定为：
λp 1＝1/[vpoi+1/(λQE+(+/-δ))]
其中λQE是在由所述第一激发波长限定的范围内的峰量子效率；
δ是峰量子效率值附近的区域；并且vpoi是所述目标对象的感兴趣的拉曼位移峰。
24.根据权利要求11至23中任一项所述的拉曼探针装置在医学诊断或在与石化加工或生物反应器相关的分析中的用途。
25.根据权利要求5至10中任一项所述的诊断系统，其中，所述拉曼探针包括：
第一透镜，其被配置为：
将所述第一光和所述第二光聚焦到所述目标对象上；以及
滤光器，其被配置为：
使所述拉曼光波长通过；以及
阻挡所述第一波长和所述第二波长通过所述光谱仪。
26.根据权利要求25所述的诊断系统，其中，所述第一透镜被配置为：
收集所述拉曼光波长，以及
将所收集的拉曼光波长提供给所述滤光器。
27.根据权利要求25或26所述的诊断系统，包括：
第二透镜，所述第二透镜被配置为：
收集所述拉曼光波长，以及
将所述拉曼光波长提供给所述滤光器。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的诊断系统，包括：
光学装置，其包括：
至少一条光纤，其被配置为：
接收所述激发光；以及
将所接收的激发光引导到所述目标对象；以及
多条光纤，其被配置为：
接收所述拉曼光波长；以及
将所接收的拉曼光波长引导到所述第二透镜。
29.根据权利要求28所述的诊断系统，包括：
掩模，其中所述掩模防止接收所述拉曼光波长的所述多条光纤中的选定光纤接收所述拉曼光波长。
30.根据权利要求28或29所述的诊断系统，其中，所述光学装置包括：
多条光纤，其布置成以下之一：一维光纤阵列和二维光纤阵列。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的诊断系统，其中，所述光学装置包括：
围绕中心光纤环形布置的多根光纤，其中所述中心光缆是以下之一：所述传输光学装置和所述接收光学装置。
32.根据权利要求5至10中任一项所述的诊断系统，其中，所述目标对象的所述至少一个特性与所述目标对象在被所述第一激发波长照射时生成的荧光相关联。
33.根据权利要求5至10中任一项所述的诊断系统，包括：
第一激光器，其被配置为：
生成所述第一光，其中所述第一激光器是以下之一：在所述拉曼探针内部和在所述拉曼探针装置外部；
第二激光器，其被配置为：
生成所述第二光，其中所述第二激光器是以下之一：在所述拉曼探针内部和在所述拉曼探针装置外部。
34.根据权利要求11至12中任一项所述的拉曼探针装置，包括：
第一激光源，其被配置为：
发射所述第一激发波长；以及
第二激光源，其被配置为：
发射所述第二激发波长，其中第一激光源和所述第二激光源的至少一个是以下之一：在所述拉曼探针外部和在所述拉曼探针内部。
35.根据权利要求11-12或34中任一项所述的拉曼探针，其中所述第一激发波长和所述第二激发波长以以下方式之一发射：并发地和顺序地。
36.根据权利要求11-12或34-35中任一项所述的拉曼探针，包括：
光学装置，其包括：
多条光纤，其中所述光纤中的选定光纤接收所述第一激发波长和所述第二激发波长；以及
所述光纤中的选定光纤接收所述拉曼光波长。
37.根据权利要求36所述的拉曼探针，其中所述多条光纤以以下方式之一布置：矩阵配置和环形配置。
38.一种计算机程序，包括指令，所述指令使根据权利要求5至10中任一项所述的系统优选地通过执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法来确定所述第二激发波长(210)。
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