CN117805082A - 使用标准参考材料进行的多通道拉曼系统的强度校准 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用标准参考材料进行的多通道拉曼系统的强度校准。提供了一种用于多通道拉曼分析系统的校准参考物，其中组合激发和收集光束多次通过样本体积内的焦点F0。校准参考物包括材料的主体，该主体当被组合激发和收集光束照射时具有已知光谱响应。该主体的大小或形状被选择或修改，以便当该主体出于校准目的被放置在样本体积内时，将焦点保持在该主体内的F0处。
Description
技术领域
本公开总体上涉及拉曼光谱学，并且具体地涉及多通道拉曼系统，并且更具体地涉及多通道拉曼系统的校准。
背景技术
光谱学是对物质与电磁辐射之间的相互作用的研究。拉曼光谱学是基于拉曼效应的一种形式的振动光谱学，该拉曼效应是光通过透明介质时频率和相位的更改。基本上，拉曼效应是由介质中散射的光中的一些表现出的频率和波长的改变。这种光谱技术用于检测分子系统中的振动、旋转和其它状态，能够辨别材料的化学成分。该效应是引起该效应的分子所特有的，并且因此可以用于光谱分析。
光谱仪(诸如，拉曼光谱仪)或探针用于实施这些分析技术和其它技术，并且至少包括发射源、光学系统和检测装置。每个光谱仪具有独特的光谱响应，该光谱响应受到沿光路的光学元件(诸如透镜、反射镜和/或检测器)引起的光谱修改的影响。因此，用于光谱分析的光谱仪应被校准，例如通过使用光谱参考材料来校准。也就是说，光谱仪可以收集穿过具有预定或已知光谱特征的光谱参考材料的光的光谱，以调整或校正光谱响应。这种校准对于在装置间获得一致结果是重要的。
当用拉曼光谱仪分析经认证的材料时，可以获得相对强度校正。虽然过去已使用了元素样本和气体，但美国国家标准与技术研究院(NIST)的ASTM拉曼光谱学小组委员会已开发了一套标准参考材料(SRM)，以提高准确性、均匀性和可转移性。在每种情况下，SRM都是光学玻璃的样本，当用拉曼激发激光照射时，该样品发射宽带发光光谱。例如，SRM 2241到2243是经认证的光谱标准，旨在用于校正使用785nm、532nm或488nm/514.5nm激光激发波长的仪器获得的拉曼光谱的相对强度。
在校准期间，可以用解析表达式来表征发光光谱，以产生没有来自光谱仪布置的相对干扰的光谱。更具体地，发光光谱的形状可以通过将相对光谱强度与拉曼位移相关联的多项式来描述。此多项式与标准的发光光谱的测量一起可以用于确定每个拉曼系统独特的光谱强度-响应校正。理想地，所得到的仪器强度响应校正可以用于获得针对与仪器相关的变化进行了校正的拉曼光谱。
当获得气体或其它名义上透明的流体的拉曼光谱时，希望产生尽可能多的信号。已开发了若干种技术来提高这些信号水平。第5,956,138号美国专利所述的一种方法依赖于产生多重聚焦图像的“多通道”技术。第7,692,786号美国专利所公开的另一种方法使用了回射。聚焦图像的每个副本都添加到整体信号水平并控制信号水平。某些所提议的拉曼系统使用椭球反射器，因为穿过一个点的光线被引导到另一个点。然而，与信号放大相反，现有系统中的椭球反射器通常用于光束重定向。例如，第3,704,951号美国专利使用反射镜，该反射镜可以是椭球形的，与样本区的关系使得光源光多次穿过该区中的样本，以显著提高来自样本的拉曼光发射的强度水平。
以引用方式并入本文的第8,824,042号美国专利描述了一种拉曼信号放大器，该拉曼信号放大器基于椭球反射，以提高激光激发和信号收集效率。这种设备包括提供第一实焦点f1和第二实焦点或虚焦点f2的椭球反射器，两个焦点都位于样本体积内。光学布置使得当具有初始数值孔径(NA)的输入激光激发光束聚焦到这些焦点之一上时，光束被反射器反射并重新聚焦到替代焦点上，使得反射光路的NA逐渐增大，以便较高效地收集来自多个焦点的拉曼发射。
当试图在依赖于多通道技术的拉曼系统中使用现有的、商业上可获得的SRM时，出现了问题。特别地，当将SRM玻璃作为校准光源与多通道收集装置一起使用时，采样区的两侧都用于数据收集，使得用于校准的样本阻挡了旨在用于校准的一半光线路径。由于基本上是透明的，所以当光线路径穿过SRM时，玻璃与样本的折射率失配会引起像差，这些像差扭曲了光线路径的完整性。这种现象在气体样本中特别明显，在液体中不太明显，但仍然是不可接受的。
发明内容
提供了一种用于多通道拉曼分析系统的校准参考物，其中组合激发和收集光束多次通过样本体积内的焦点F0。校准参考物包括材料的主体，当被组合激发和收集光束照射时该主体具有已知光谱响应。该主体的大小或形状被选择或修改，以便当该主体出于校准目的被放置在样本体积内时，将焦点保持在该主体内的F0处。
附图说明
下文基于附图所示的示例性实施例进一步详细解释本公开。附图中：
图1图示了能够应用于本公开的多通道拉曼布置的简化示意图，这是在没有校准材料的情况下示出的；
图2图示了在样本体积内使用常规固体参考材料(诸如，SRM 202)时遇到的问题；
图3图示了参考材料，该参考材料被塑形成提供相反的共焦表面，从而导致双凸形状，其中限定每个表面的半径居中于原始焦点F0上。
图4图示了替代实施例，其中入射表面以居中于焦点F0上的半径弯曲，但是其中F0稍微在相反表面下方。
图5图示了薄的共焦形状的参考材料，该参考材料可以用在F0与窗口之间的任何位置。
图6图示了NSRM和NAIR的相对厚度，该相对厚度可以被平衡，使得总路径长度等于样本的总路径长度D。
具体实施方式
图1是能够应用于本公开的多通道拉曼布置的简化示意图，这是在没有校准材料的情况下示出的。该系统是光纤耦合探针配置，应理解，本公开同样能够应用于直接耦合(即，非光纤)设施。附图标记100表示名为“远程光学测量探针(Remote OpticalMeasurement Probe)”的第5,377,004号美国专利(以下称为'004专利)中所示出且描述的类型的远程光纤探针，该美国专利以引入方式并入本文。激发经由光纤102传递，由元件104准直，用带通滤波器106滤波，并使用窄带反射元件108和光束组合器110合并成组合的激发/收集光束118。激光激发在112处从收集光束陷波滤波，该收集光束由元件114聚焦到收集光纤116上。在'004专利的图4C中示出了这种几何形状，应理解，本公开在激发或收集光束配置方面不受限制。
取决于系统的布置，组合的激发/收集光束118可以穿过窗口120，其中聚焦光学器件122用于将组合光束聚焦到采样体积内的点124上。该光束接着被元件130重新聚焦回到点124上。本公开适用于使用不同元件以实现多次通过样本点124的任何这种多通道装置。例如，元件122、130可以是透射性的或反射性的。可以进一步假设，元件130如果是反射性的，则可以是普通的共焦回射器，无论是抛物线形的、双曲线形的等等。虽然此特定配置产生了拉曼信号的约四倍的理论放大(即，2X激发加上2X收集孔径)，但是本公开也能够应用于具有较高通过次数和增大的放大的配置。
继续参考图1，在由深度为D的相反的窗口126、128限定的体积内，样本可以是液体或气体，并且其中大部分或所有的光学部件设置在此样本体积之外。无论如何，应注意的是，负责多通道操作的光学元件是有意选择的，以适应样本的折射率(Ns)。
图2图示了在样本体积内使用常规固体参考材料(诸如，SRM 202)时遇到的问题。反向传播的激发/收集光束118的来源和目的地已被去除，以较好地描述该问题。如果样本空间仅填充有SRM或其它校准材料的全部或部分深度，那么该体积的临界路径长度增大，焦点位置移位并且不再在焦点124处重叠。
特别地，如图所示，在常规样本就位的情况下，第一焦点和反射焦点都在位置F0处，从而重叠。然而，因为SRM的折射率(NSRM)比周围的气体或液体样本204高，所以第一入射焦点移位到F1，并且第二反射焦点移位到F2。这种焦点移位与所使用的校准材料的相对折射率(NSRM-NS)和材料的厚度T成比例。这种情况因额外的通过和校准材料形状和大小的差异而加剧，不管所使用的材料特性如何，都会妨碍仪器之间的精确强度校准。
例如，如果玻璃用作SRM，并且待分析的样本是气体，那么SRM的折射率与样本的折射率之间存在大的差异。这种大的差异导致光线路径的较大移位。为了适应这种情况并改进校准，样本的实际光谱测量的光线路径和通过SRM的光线路径需要尽可能接近。这可以通过适当弯曲SRM玻璃外表面来实现，以减少或消除其光线路径相对于通过样本的光线路径的移位。
本公开的主题最小化并理想地防止了与多通道光谱分析系统结合使用的参考材料内的焦点移位。广义而言，将透镜技术应用于参考材料，以使该参考材料看起来与其环境具有相同的折射率。换句话说，根据本公开，参考材料被有意地设定大小或形状，使得在校准期间，组合的激发/收集光束的入射焦点和反射焦点在每次通过参考材料(初始通过和后续通过)时都保持在同一点(即F0)。
根据本公开，中心在焦点处的球形参考材料应通过使所有相关的光线路径正交于界面来完成这项任务。球体越小，这种方法就越有效。然而，在实践中，不同的形状(包括具有非球面表面的形状)对于在实际多通道拉曼计中遇到的实际焦点体积可能较有效，这与以焦点为中心的方法相反。
例如，在图3的实施例中，参考材料300被塑形成提供相反共焦表面302、304，从而导致双凸形状，其中限定每个表面302、304的半径居中于原始焦点F0上。使用本文所述的这种方法和其它方法，参考材料的大小是不重要的。
图4是替代实施例，其中入射表面402以居中于焦点F0上的半径弯曲，但是其中F0稍微在相反表面404下方。在这种情况下，反射光束(由于没有参考材料，所以角度稍大)不会因折射率失配而改变，使得焦点移位受到限制或者不会发生。应注意，表面404可以采取任何形状，因为材料内的F0接近表面是最关键的。然而，出于成本和制造的考虑，平坦表面404是足够的。
根据本公开的进一步实施例，如果参考材料足够小，那么可以减小折射率失配的影响。作为示例，如图5所描绘，薄的共焦形状的参考材料502可以用在F0与窗口126之间的任何位置。替代地，小球体504或薄部分506可以用于与焦点F0直接重叠配准。材料越小或越薄，由于参考材料的折射率失配而经历的焦点移位就越小。
如果样本是液体或含水的(与气体相反)，NSRM和NAIR的相对厚度可以被平衡，使得总路径长度等于样本的总路径长度D，如图6所示。例如，约10％的葡萄糖水溶液中具有约1.35的折射率NS。如果NS足够小于NSRM，那么折射率失配的影响可以降低到能够接受的水平。如果参考材料是NIST玻璃，那么NSRM约为1.52，这远远大于1.35。为了平衡总路径长度，NS x D＝NSRM x TSRM+(D-T)x NAIR。作为一个示例，对于4mm的路径长度D，可以使用2.6mm厚度的SRM，因为：
2.6mm x 1.52(NSRM)+(4–2.6)x 1(NAIR)～4mm x 1.33(水中的NS)
尺寸和形状将由以下决定：a)来自探头光学器件的准直路径的直径和b)流动路径的询问长度D，即聚焦透镜122的大小将被设定成接受并聚焦整个光束直径。在我们的产品的情况下，此尺寸通常是约5到10mm。流动路径D可以根据应用而变化，从接近1mm的最小值到一些非常小体积液体应用的最大值，到我们的气体探针中的40或50mm。这些与光束直径相结合将确定窗口和SRM的尺寸。
Claims (10)
1.一种用于多通道拉曼分析系统的校准参考物，其中组合激发和收集光束多次通过样本体积内的焦点F0，所述校准参考物包括：
材料的主体，所述主体当被所述组合激发和收集光束照射时具有已知的预定光谱响应；并且
其中所述主体的大小或形状被选择或修改，以便当所述主体出于校准目的被放置在所述样本体积内时，将所述焦点保持在所述主体内的F0处。
2.根据权利要求1所述的校准参考物，其中所述主体是荧光玻璃。
3.根据权利要求1所述的校准参考物，其中：
所述主体具有相反的表面，所述组合激发和收集光束通过所述表面入射和出射；并且
所述表面中的至少一个以居中于所述焦点F0上的曲率半径弯曲。
4.根据权利要求1所述的校准参考物，其中：
所述主体具有相反的表面，所述组合激发和收集光束通过所述表面入射和出射；并且
所述相反的表面两者以居中于所述焦点F0上的曲率半径来弯曲。
5.根据权利要求1所述的校准参考物，其中：
所述主体具有相反的表面，所述组合激发和收集光束通过所述表面入射和出射；并且
其中所述相反的表面之间的距离小于所述样本体积的深度。
6.根据权利要求1所述的校准参考物，其中：
所述主体是球形的，其中所述主体的中心对应于所述焦点F0。
7.根据权利要求1所述的校准参考物，其中所述主体的入射表面以居中于所述焦点F0上的半径弯曲，并且所述入射表面的相反的表面是平坦的。
8.一种用于校准多通道拉曼分析系统的方法，其中使用校准参考物，组合激发和收集光束多次通过样本体积内的焦点F0，所述方法包括：
将所述校准参考物的材料的主体放置在所述样本体积内，其中当被所述组合激发和收集光束照射时，所述材料的主体具有已知的预定光谱响应；
其中所述主体的大小或形状被选择或修改，以便当所述主体出于校准目的被放置在所述样本体积内时，将所述焦点保持在所述主体内的F0处；
通过所述组合激发和收集光束照射所述材料主体；以及
基于所述材料的主体的所述已知的预定光谱响应，调整所述多通道拉曼分析系统的光谱仪的光谱响应。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述主体具有相反的表面，所述组合激发和收集光束通过所述表面入射和出射；并且
其中所述相反的表面之间的距离小于所述样本体积的深度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述样本体积定义了深度；
所述主体具有相反的表面，所述组合激发和收集光束通过所述表面入射和出射，并且其中所述相反的表面之间的距离定义了厚度；
所述主体的折射率大于所述样本的折射率；并且
所述主体被配置成使得针对拉曼分析，所述组合激发/收集光束在所述样本体积中存在空气的情况下穿过所述主体的总路径长度对应于在所述样本体积中存在液体样本的情况。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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