專利名稱：使用波長路由器從電磁波譜中測(cè)量分析物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及測(cè)量樣本中的分析物，并且更加具體地，涉及根據(jù)作為分析物特征的電磁波譜來測(cè)量分析物，例如像能夠用于在生物有機(jī)體中進(jìn)行分析物的非侵入測(cè)量那樣。
背景技術(shù)：
已進(jìn)行了許多嘗試以制造合適的設(shè)備，用于對(duì)生物有機(jī)體內(nèi)的重要物質(zhì)進(jìn)行非侵入性測(cè)量。這種測(cè)量能力的重要性不僅起因于需要在這樣的有機(jī)體中觀察生化反應(yīng)而不干擾該系統(tǒng)，而且還是為了幫助控制諸如糖尿病之類的慢性病，其中，與實(shí)際當(dāng)中所應(yīng)用的需要穿刺皮膚的檢測(cè)相比，非常希望可以更頻繁地測(cè)量患者血糖水平。已經(jīng)建議利用分子光譜學(xué)來進(jìn)行這樣的測(cè)量。然而，血液和組織液(interstitialfluid)中包含了非常大量的必須加以區(qū)別的復(fù)合物?？梢娀蚪t外區(qū)中的吸收光譜學(xué)遭遇到下述困難存在于血液和其他組織中的許多復(fù)合物的光譜在這個(gè)區(qū)域中基本上重疊。中紅外區(qū)光譜學(xué)產(chǎn)生對(duì)單獨(dú)分子更加獨(dú)特的光譜，但是遭遇到兩個(gè)嚴(yán)重的問題(1)如果需要檢測(cè)器足夠靈敏，其必須在低溫下操作，以及(2)水強(qiáng)烈吸收中紅外區(qū)輻射，并且這樣的輻射僅能夠穿透到有機(jī)體中幾十微米。
已經(jīng)建議采用拉曼光譜學(xué)(Raman spectroscopy)來消除某些這類困難。在拉曼光譜學(xué)中，按照作為照射輻射頻率和分子特征光譜頻率的差或和的頻率產(chǎn)生散射光譜。差頻生成(Difference frequencygeneration)被稱作斯托克斯散射，而和頻生成(sum frequencygeneration)則被稱作反斯托克斯散射。作為結(jié)果的光譜信號(hào)是所關(guān)注分析物所特有的。然而，用于拉曼散射的橫截面很小，并且作為結(jié)果的散射信號(hào)很微弱。微弱的信號(hào)還可能是由于使用了其他非線性過程的光譜學(xué)或者來自光源的可用功率很小。其他代表性的例子包括四波混和、頻率加倍以及多光子熒光。
名稱為“Sensor utilizing Raman spectroscopy for non-invasivemonitoring of analytes in biological fluid and method of use”的美國專利號(hào)6,064,897，提議使用多個(gè)帶通濾光器和檢測(cè)器來監(jiān)視從所關(guān)注的分析物中顯現(xiàn)的多個(gè)重要光譜線。該方法的前提是，當(dāng)存在可能具有混雜光譜的其他物質(zhì)的情況下，和單個(gè)光譜線相比，多個(gè)光譜線可更好地與任何特定的分析物相關(guān)聯(lián)。另外，該專利介紹了使用離散透射濾光器的系統(tǒng)，可具有小的衰減。但是，檢測(cè)器噪聲會(huì)限制這種系統(tǒng)的靈敏度。檢測(cè)器的暗電流不利地與增加的檢測(cè)器面積成比例。因此，多個(gè)檢測(cè)器總計(jì)具有單獨(dú)檢測(cè)器的總暗電流的近似Nd倍，其中Nd是檢測(cè)器的數(shù)目。因?yàn)槟軌蛴么鷶?shù)方法從信號(hào)減去暗電流，所以噪聲成分起因于其方差，而不是均值。方差與(Nd)1/2成比例。美國專利號(hào)6,064,897中說明的方法因此遭遇到下述困難合成噪聲與檢測(cè)器的數(shù)目成比例。
還建議采用拉曼散射在眼睛的房水(aqueous humor)中來測(cè)量葡萄糖濃度，如美國專利號(hào)6,181,957中的那樣。房水具有諸如高透明度之類的有用光學(xué)性質(zhì)。然而，非常希望通過皮膚進(jìn)行這樣的監(jiān)視，以便能夠連續(xù)測(cè)量有關(guān)分析物。同樣，所建議的方法必然伴有眼睛安全性的嚴(yán)重問題。不考慮測(cè)量位置的選擇，美國專利號(hào)6,181,957也沒有給出方法來解決用實(shí)際的檢測(cè)器測(cè)量微弱散射信號(hào)的問題。
在2001年8月由MIT出版的“Measurement of blood analytes inturbid biological tissue using near infrared Raman spectroscopy”的論文中，T.W.Koo以論文工作的形式報(bào)告了測(cè)量血液中多種分析物的拉曼散射。該論文說弱拉曼信號(hào)對(duì)于葡萄糖每10秒鐘的計(jì)數(shù)少至6個(gè)。因此需要長測(cè)量時(shí)間和高激光功率(300秒和280mW)。這些參數(shù)對(duì)許多應(yīng)用而言是不實(shí)際的。
在其他工作中，使用拉曼散射在活的有機(jī)體中進(jìn)行葡萄糖測(cè)量，其中通過指尖引入光(“Noninvasive blood analysis by tissue modulatedNIR Raman spectroscopy”，J.Chaiken et al.，in Proceedings of SPIE Vol.4368，p.134(2001))。該方法改進(jìn)了信號(hào)大小，但是仍然使用冷卻的檢測(cè)器、高激光功率以及昂貴的低f數(shù)字分光計(jì)。弱信號(hào)的基本問題依然沒有得到解決。
非侵入測(cè)量中十分重要的另一個(gè)困難是，對(duì)各種各樣的患者建立可靠的校準(zhǔn)，并隨著條件的變化和時(shí)間的推移保持有效。變化起因于包括以下方面的許多源(1)溫度，(2)具有重疊光譜的混雜物質(zhì)的變化濃度的存在，(3)在光譜線的幅度、形狀或位置方面影響該分析物光譜的其他物質(zhì)的存在，(4)采樣位置的變化，特別是可能在那里的血液以及組織液的部分，以及(5)儀器中的漂移，包括源或光譜光學(xué)部件的波長。
根據(jù)通過測(cè)量許多光譜線的單獨(dú)幅度而獲得的多種物質(zhì)的光譜，已通過回歸技術(shù)尋找校準(zhǔn)。這樣的技術(shù)對(duì)樣本體積的大小和構(gòu)成的變化保持靈敏，并且同樣導(dǎo)致更加復(fù)雜的分光計(jì)。Chaiken等人的工作還引入了一種方法，該方法根據(jù)使用從沒有壓力的手指獲得的光譜關(guān)于加壓的手指得到的光譜的相減信號(hào)。參考前述參考文獻(xiàn)的圖11，在葡萄糖的拉曼測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量之間的關(guān)聯(lián)中仍然存在很大的分散，這樣很不利地導(dǎo)致該技術(shù)不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
通過一種設(shè)備處理這些和其他的限制，由此能夠相加多個(gè)波長的弱信號(hào)以照射單個(gè)檢測(cè)器或多個(gè)檢測(cè)器，提供把光譜能量集中在較小的總體檢測(cè)器面積上的可能性。另外，還公開了一種方法，由此借助于測(cè)量樣本體積中的水?dāng)?shù)量以及借助于測(cè)量樣本體積中的液體鹽度，能夠獲得對(duì)給定分析物的結(jié)果信號(hào)的校準(zhǔn)。
本發(fā)明的一個(gè)方面中，多個(gè)全息圖用于把從樣本顯現(xiàn)的散射波長路由(route)到單個(gè)檢測(cè)器或多于一個(gè)的檢測(cè)器。特別地，從待測(cè)量的分析物顯現(xiàn)的光譜能量通常出現(xiàn)在多個(gè)光譜線中。使用波長路由器，大部分或全部的這些光譜線中的能量能夠被引導(dǎo)到單個(gè)檢測(cè)器，這樣一來就極大地增加了測(cè)量的信噪比。
進(jìn)而，可以擴(kuò)展路由器的功能以結(jié)合多個(gè)波長的源的輸入能量，這樣一來就由多個(gè)相對(duì)便宜的源有益地增加了輸入光功率。此外，能夠?qū)⒉糠值墓β兽D(zhuǎn)向(divert)用于校準(zhǔn)測(cè)量的參比池(reference cell)。能夠?qū)⒙酚善鞯墓δ苄宰龅猛ㄓ茫蓪⑷魏屋斎牖蜉敵霾ㄩL的全部或部分轉(zhuǎn)向任何適當(dāng)位置或多個(gè)位置。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及校準(zhǔn)技術(shù)。由于所關(guān)注的分析物常常溶解在水中，所以樣本體積中給定分析物的量應(yīng)當(dāng)按該體積中水的量換算。通過在水的適當(dāng)拉曼激發(fā)光譜線處測(cè)量散射信號(hào)的幅度來獨(dú)立確定水量。通過使用包含水的參比池(reference cell)，能夠?qū)⑿盘?hào)大小完全校準(zhǔn)到特定水量。另外，已發(fā)現(xiàn)，水光譜線的絕對(duì)光譜位置將作為水中自由離子量的函數(shù)而變化。特別地，光譜線將和氯化鈉的濃度成比例地移動(dòng)，氯化鈉是大多數(shù)生物樣本中離子的主要來源。人體血液中氯化鈉的濃度保持在窄范圍內(nèi)。因此，可假定該測(cè)量來自已知的固定量，并從而獲得了另外的精確校準(zhǔn)。然而，光譜移動(dòng)非常小。使用含有無鹽分水的參比池，并且取兩個(gè)方便選擇的光譜位置處的差信號(hào)，精確確定仍然是可能的。參比池能夠包含其他物質(zhì)，諸如已知濃度的分析物之類，以提供其他類型的校準(zhǔn)。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明中闡明，并且部分地會(huì)從說明中得到理解，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)施而獲知。本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)可通過權(quán)利要求書中具體指出的裝置與組合來實(shí)現(xiàn)并獲得。本發(fā)明的這些與其他特征將會(huì)從隨后的說明書以及權(quán)利要求書中變得更加明顯，或者可以如在下文中闡明的那樣通過本發(fā)明的實(shí)施知道。


為了說明能夠獲得本發(fā)明的上述以及其他的優(yōu)點(diǎn)和特征的方式，通過參考在附圖中示出的其特定實(shí)施例，來實(shí)施在上面簡短說明的本發(fā)明的更加具體的說明。應(yīng)該理解這些附圖僅僅描繪了本發(fā)明的典型實(shí)施例，而不會(huì)認(rèn)為是對(duì)其范圍的限制，本發(fā)明將通過附圖用附加的特性和細(xì)節(jié)來說明并解釋，其中圖l是根據(jù)本發(fā)明的裝置的方框圖。
圖2a和2b是示出通過圖1的波長路由器的波長路由的示圖。
圖3a和3b是示出反射全息光學(xué)元件(HOE)的基本操作的示圖。
圖4是顯示分離入射光的HOE的示圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施例的圖。
圖6a和6b是示出對(duì)于圖5中裝置的源波長、分析物光譜線以及全息圖波長的布置的例子的光譜圖。
圖6c和6d是顯示基于鹽度測(cè)量的用于圖5中裝置的校準(zhǔn)方法的光譜圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的緊湊裝置實(shí)施例的圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的裝置的高級(jí)方框圖，主要顯示了裝置內(nèi)主要部件的光學(xué)功能性。在這個(gè)具體例子中，裝置包括4個(gè)源S1-S4、兩個(gè)檢測(cè)器140A-B、參比池125和快門120、樣本135和快門130以及波長路由器110。
一般而言，裝置操作如下。源S1-S4產(chǎn)生光，其由波長路由器110經(jīng)由各自的快門120、130路由到參比池125和/或樣本135。快門120、130允許照射的按時(shí)選通(time gating)。波長路由器110將從參比池125和/或樣本135散射的光路由到檢測(cè)器140。
所示出的源S1-S4具有不同的波長(圖1中的波長1-4)。波長路由器110引導(dǎo)來自源S1-S4的入射光的線性組合經(jīng)由快門120、130到達(dá)樣本135和/或參比池125。如果Ik是第k個(gè)源的強(qiáng)度，其中每個(gè)源都假定具有截然不同的波長，那么照射參比池125的強(qiáng)度Ir和照射樣本135的強(qiáng)度Is由以下公式分別給出Ir=Σk=1WBkIk---(1)]]>Is=Σk=1WAkIk---(2)]]>其中0≤Ak≤1，0≤Bk≤1，并且Ak+Bk≤1，而W則是源的總個(gè)數(shù)。波長路由器110執(zhí)行入射光到不同輸出的無源功率分離(powersplit)。系數(shù)Ak和Bk說明了以波長k發(fā)生的功率分配。在這個(gè)例子中，在波長和源之間存在一一對(duì)應(yīng)(亦即，源Sk以波長k產(chǎn)生光)，但這不是必需的?？梢赃x擇特定的功能性，通過設(shè)計(jì)波長路由器110把基本上全部的給定波長路由到參比池125或樣本135，這樣適當(dāng)?shù)南禂?shù)標(biāo)稱等于1或0。
圖2a是示出直觀圖中的波長路由選擇的示圖。左手側(cè)的4個(gè)箭頭表示4個(gè)源S1-S4產(chǎn)生的照射光。每個(gè)箭頭表示不同的波長。從源到目的地(參比池125或樣本135)的每個(gè)路徑表示轉(zhuǎn)向適當(dāng)目的地的每個(gè)輸入波長的預(yù)定部分。來自源S1、S2和S4的光由波長路由器110發(fā)送到參比池125。來自源S2和S3的光由波長路由器110發(fā)送到樣本135。在這個(gè)示圖中，每個(gè)目的地也用箭頭表示；箭頭的數(shù)目并不意味著對(duì)目的地具有特別含義。箭頭的數(shù)目同樣并不意味著暗示關(guān)于光束的物理位置或方向的特征。例如，單個(gè)箭頭不必對(duì)應(yīng)單個(gè)物理位置或單個(gè)入射角。相應(yīng)的光能夠包含在照射單個(gè)位置的單個(gè)光束中，或者照射不同位置和/或以不同角度入射的若干分開的光束中。另外，來自源的光同樣可以包含在多個(gè)光束中。
當(dāng)來自路由器110的光照射參比池125或樣本135時(shí)，生成散射信號(hào)。該信號(hào)典型地由來自參比池125或樣本135之內(nèi)的各種物質(zhì)的多個(gè)光譜線組成。生成這些光譜線的過程包括但不限于拉曼散射、二次諧波發(fā)生、三次諧波發(fā)生、四波混和以及熒光。這些過程中的任何一個(gè)都可以產(chǎn)生作為待測(cè)量分析物特征的光譜。來自源的每個(gè)入射波長都能夠通過一個(gè)或若干上述過程產(chǎn)生多個(gè)散射波長。
采用拉曼散射作為特別有用的例子，每個(gè)入射波長將按照由入射頻率和該物質(zhì)的特征拉曼頻率的差所給出的頻率生成散射波長。這個(gè)過程被稱作斯托克斯拉曼散射。還有和頻生成，并且被稱作反斯托克斯拉曼散射。
下面，使用斯托克斯過程來說明這個(gè)裝置的功能，但是它并不限于斯托克斯過程。如果在樣本135上存在N個(gè)入射波長和L個(gè)特征拉曼頻率，那么散射信號(hào)將包含N×L＝P個(gè)拉曼散射波長。每個(gè)這樣的波長都可以被路由到M個(gè)檢測(cè)器中的任何一個(gè)。如同從源到參比池/樣本的路由選擇一樣，從參比池/樣本到檢測(cè)器的路由選擇是通用的，并且能夠用以下公式表示Id=Σk=1PCdkPk---(3)]]>其中，Id是在第d個(gè)檢測(cè)器上入射的總功率，Pk是第k個(gè)散射波長處的散射功率，而Cdk則是通過路由器110轉(zhuǎn)向到第d個(gè)檢測(cè)器的第k個(gè)波長處的功率分?jǐn)?shù)。當(dāng)不存在光學(xué)放大時(shí)，能量守恒要求對(duì)于各散射波長中的任何一個(gè)系數(shù)Cdk都服從下面的不等式Σd=1MCdk≤1---(4)]]>并且其中對(duì)于d和k的所有值都有Cdk≥0。
在圖2b中示出了波長路由器110關(guān)于來自樣本135的散射波長的功能，其中每個(gè)路徑表示轉(zhuǎn)向給定檢測(cè)器的給定散射波長的部分。在這個(gè)例子中假定，在樣本中存在5個(gè)所關(guān)注的拉曼光譜線，并且照射光在兩個(gè)不同的波長處。因此，存在來自樣本的總共2×5＝10個(gè)散射波長。右手側(cè)的每個(gè)箭頭表示散射波長中的一個(gè)。假定在參比池中存在一個(gè)所關(guān)心的拉曼光譜線。因此，存在來自參比池的兩個(gè)散射波長。
在許多應(yīng)用中，優(yōu)選地，路由選擇模式是無阻塞的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向特定目的地的給定波長處的光的部分，基本上獨(dú)立于在任何其他波長處轉(zhuǎn)向的或轉(zhuǎn)向到任何其他目的地的光的部分(當(dāng)然得服從能量守恒)。這在數(shù)學(xué)上是指，對(duì)于不同的k值，系數(shù)Cdk不需要相關(guān)。類似地，系數(shù)Ak不需要相關(guān)，并且系數(shù)Bk不需要相關(guān)。在許多應(yīng)用中，同樣優(yōu)選地，該結(jié)構(gòu)還允許廣播，這可以被定義成給定波長的部分向多于一個(gè)的目的地的轉(zhuǎn)向。這樣得到的結(jié)構(gòu)因而優(yōu)選地能夠是具有廣播能力的完全通用的線性無阻塞無源網(wǎng)絡(luò)。
圖3-7給出了有關(guān)用于源的路由選擇的優(yōu)選實(shí)施例和信號(hào)波長的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。在全息介質(zhì)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面最近已取得了顯著進(jìn)展。這種工作的目的是，使可存儲(chǔ)在給定檔案膠片中的獨(dú)立全息圖的數(shù)目最大化。同樣可以使用這樣的全息圖作為具有窄帶光譜性質(zhì)的衍射光學(xué)元件。因?yàn)檫@些介質(zhì)穩(wěn)定并且較厚(1mm)，所以可以產(chǎn)生反射全息圖，在近紅外區(qū)中具有波長的全部＜1nm的基本衍射效率。因此可以使全息圖的帶寬匹配所探討的光譜線的帶寬，因此只有效地衍射所希望的信號(hào)。與透射相比，以反射的方式更加容易獲得這種類型的窄帶全息圖。這樣的全息圖不是那種以透射的方式操作的二向色濾光器。另外，這些全息圖獨(dú)立地操作。串聯(lián)的兩個(gè)通帶濾光器的總濾波函數(shù)是各濾波函數(shù)的乘積。與此相反，多個(gè)全息圖的衍射輸出基本上是來自各全息圖的衍射之和。這種性質(zhì)使得可以構(gòu)造復(fù)雜的通用路由器，因?yàn)槊總€(gè)全息圖的衍射性質(zhì)可以被認(rèn)為是基本上獨(dú)立于其他全息圖的存在。
通過對(duì)適當(dāng)波長和入射角的干涉寫入射束曝光，能夠?qū)懭脒@樣的全息圖。一旦曝光，光敏材料的折射率就與局部強(qiáng)度成比例地改變，最大值和最小值對(duì)應(yīng)于入射寫入射束的相長和相消干涉。最優(yōu)設(shè)計(jì)的材料能夠?qū)菊凵渎矢淖冏龀龇磻?yīng)，并且能夠在同樣的體積中寫入大量的獨(dú)立全息圖。多個(gè)這樣的全息圖能夠用于構(gòu)造波長路由器，并根據(jù)前述線性操作偏轉(zhuǎn)波長。
一般能夠設(shè)計(jì)每個(gè)全息圖，以沿所希望的方向在預(yù)定帶寬之內(nèi)轉(zhuǎn)向光的固定部分。能夠?qū)懭敕浅８叩难苌湫实娜D以轉(zhuǎn)向＞95％的光，如果在特定的目的地處希望基本上全部的特定波長的話?？蛇x擇地，可以寫入若干較低衍射效率的全息圖，設(shè)計(jì)每個(gè)所述全息圖以轉(zhuǎn)向基本上同樣的波長，但是其中以不同的角度布置每個(gè)全息圖，以便把任何波長處的能量中的一些轉(zhuǎn)向到若干目的地。
盡管所說明的路由選擇模式是通用的，但是當(dāng)從待測(cè)量的分析物發(fā)射的光譜能量的大部分被集中到單個(gè)檢測(cè)器上時(shí)，它尤其有利。這通過將P個(gè)不同散射波長的優(yōu)勢(shì)部分轉(zhuǎn)向到單個(gè)檢測(cè)器上來實(shí)現(xiàn)。從而能夠獲得對(duì)于希望分析物測(cè)量的信噪比的巨大改進(jìn)。創(chuàng)建對(duì)于若干物質(zhì)具有非常靈敏的檢測(cè)性質(zhì)的分光計(jì)，能夠類似地處理多種分析物。
能夠在給定介質(zhì)中寫入的高衍射效率全息圖的數(shù)目具有如下比例關(guān)系NH∝n1T (4)其中，NH是全息圖的數(shù)目，n1是由曝光誘發(fā)的折射率的最大改變，而T則是介質(zhì)的厚度。
對(duì)于反射全息圖，為了具有＞96％的衍射效率，參數(shù)必須滿足下面的不等式Vr≡πn1T/λacosΨo≥3π/4 (5)
其中，λa是入射輻射的波長，而Ψo則是輻射關(guān)于全息條紋的入射角的余角(π/2-θ0)，其中θ0是入射角。對(duì)于小的Ψo、λa＝0.9μm以及n1＝0.02，公式5得到T＞34μm。因此，如果折射率差在0.02左右，則寫入的每個(gè)高衍射效率全息圖需要大約34μm的光敏材料。
另外，同樣有必要考慮全息圖的光譜性質(zhì)。優(yōu)選地，在足以衍射大致全部能量的希望偏轉(zhuǎn)的輻射的范圍內(nèi)，全息圖具有滿意的衍射效率。在將源波長發(fā)路由它們的適當(dāng)目的地的情況下，全息圖僅需要在比源輻射的光譜寬度大的頻帶之上具有高衍射效率。然而，在散射波長的情況下，全息圖應(yīng)當(dāng)衍射最少的不與待檢測(cè)的光譜線相關(guān)的輻射。因此，希望使全息圖具有高衍射頻率的頻帶近似匹配光譜線的寬度。光譜線具有能夠顯著變化的寬度，并且拉曼光譜線能夠具有小至0.5nm的光譜寬度。
下面的關(guān)系支配著預(yù)期的光譜寬度ξr=-Δλλa(2πnoλa)Tsinθo=3.9---(6)]]>其中，no是介質(zhì)的平均折射率，并且其中指定的條件對(duì)應(yīng)于第一零反射率的波長的位置，而ξr＝3.9則對(duì)應(yīng)于恰好滿足不等式(5)的全息圖。對(duì)于較低衍射效率的反射全息圖，那些僅具有43％的衍射效率的反射全息圖，(6)的右手側(cè)的數(shù)字較小但仍然＞3。使用式(6)顯示，對(duì)于具有0.5nm半寬的全息圖，對(duì)于no＝1.55以及入射角接近90°，T＝650μm。
上述內(nèi)容提示，用于全息圖的優(yōu)選介質(zhì)應(yīng)當(dāng)是厚度不少于100μm并且優(yōu)選地接近1000μm的光敏材料系統(tǒng)。通過不少于0.005并且優(yōu)選地為0.02的曝光，應(yīng)當(dāng)可以產(chǎn)生介質(zhì)折射率的變化。如果獲得了優(yōu)選參數(shù)，那么就可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于衍射效率和光譜寬度所述的目標(biāo)。進(jìn)一步可以在給定體積中寫入高達(dá)大約30個(gè)這樣的全息圖。
有時(shí)希望產(chǎn)生具有較寬帶寬的全息圖，同時(shí)維持能夠存儲(chǔ)多個(gè)高衍射效率全息圖的厚介質(zhì)?？梢允谷D的周期或背景折射率沿著垂直于條紋的方向改變。然而，通過這樣做，不等式(5)不再足以保證高衍射效率，并且優(yōu)選地對(duì)于每個(gè)全息圖用較大的n1設(shè)計(jì)。這樣，在用完介質(zhì)總的可用折射率差之前能夠?qū)懭氲娜D的總數(shù)減少了。然而，通過模擬能夠表明，在1000μm厚的介質(zhì)中，可以寫入具有2nm帶寬和0.003折射率差的大于95％衍射效率的全息圖。因此，在具有0.02的總折射率差范圍的介質(zhì)中，能夠?qū)懭氪蠹s6個(gè)這樣的全息圖。在這個(gè)例子中，背景折射率從全息圖的前面到后面線性改變總共0.003。前述例子中說明的各種類型的全息圖足以產(chǎn)生波長路由器110的基本功能。
在這個(gè)實(shí)施例中，路由器由執(zhí)行一定功能的全息構(gòu)件組成。一個(gè)基本功能是通過角度衍射光，并且在圖3a中示出了必要的全息圖。折射率由圖3a中線的頻率表示。通常，全息圖的折射率變化在用于執(zhí)行寫入的射束具有相長干涉的地方最大(折射率用曝光負(fù)面改變的介質(zhì)同樣可以并且等效工作)。圖3b示出了在同樣的體積中以一個(gè)角度布置的兩個(gè)全息圖。如果兩個(gè)波長的平面波以適當(dāng)?shù)慕嵌仍谶@個(gè)裝置上入射，則平面波會(huì)以相同的角度顯現(xiàn)。這個(gè)裝置是波長多路復(fù)用器，并且能夠用于結(jié)合多個(gè)波長的射束。在相反的方向上它是波長多路分離器。
同樣可以將單個(gè)波長的不同部分轉(zhuǎn)向到不同的方向上，該功能性被描述為分光器。在圖4中示出了該概念。使用前述說明的類型的全息圖的組合，可以構(gòu)造波長路由器，其能夠?qū)⑷我夥质骄€性組合的波長轉(zhuǎn)向到希望的目的地。
圖5是優(yōu)選實(shí)施例的圖，可認(rèn)為是由以下組件組成1.源組件，其在這個(gè)例子中由4個(gè)不同波長的源和準(zhǔn)直透鏡組成。
2.全息光學(xué)元件(HOE)，其由多個(gè)反射全息圖組成，并且執(zhí)行波長路由選擇功能。
3.樣本以及相關(guān)的射束遞送與收集光學(xué)裝置。
4.參比池以及相關(guān)的射束遞送與收集光學(xué)裝置。
源組件用標(biāo)稱準(zhǔn)直的光照射HOE。來自源中每個(gè)不同波長的射束以不同的角度從透鏡顯現(xiàn)。HOE中的適當(dāng)全息圖在大致相同的方向上反射每個(gè)不同射束的部分。因此，當(dāng)它們穿過聚焦透鏡時(shí)，所有射束將集中在相同的光點(diǎn)。HOE同樣執(zhí)行下述功能分離每個(gè)射束的固定部分，并且將其轉(zhuǎn)向到參比池或樣本。具有共同目的地的所有射束從HOE平行顯現(xiàn)。
一旦在樣本中聚集，對(duì)于樣本體積中存在的每種物質(zhì)，入射輻射將在基本上不同于入射輻射波長的一個(gè)或多個(gè)波長處產(chǎn)生散射。散射波長由透鏡收集并被引導(dǎo)返回到HOE。HOE現(xiàn)在將每個(gè)散射波長的適當(dāng)部分路由到希望的(一個(gè)或多個(gè))檢測(cè)器。對(duì)于從參比池顯現(xiàn)的散射波長發(fā)生類似的過程。
在圖6a和6b中示出了圖5中HOE功能的例子。在這個(gè)例子中使用了4個(gè)源，其在圖6a的左手側(cè)被標(biāo)記為λ1-λ4。λ1和λ2的兩個(gè)源用于生成來自分析物的4個(gè)光譜線(圖6a的右手側(cè)顯示的4個(gè)光譜線)的拉曼信號(hào)。因此對(duì)于該散射光存在總共8個(gè)差頻信號(hào)。圖6b顯示了HOE的光譜響應(yīng)。圖6b左手側(cè)的8個(gè)光譜曲線中的每一個(gè)代表集中在一個(gè)差頻處的反射全息圖。這樣一來，8個(gè)差頻信號(hào)就由HOE轉(zhuǎn)向到檢測(cè)器。剩下的λ3和λ4的兩個(gè)源用于測(cè)量用作校準(zhǔn)的水的光譜線，如下面將更加詳細(xì)說明的那樣。在和樣本/參比池交互作用之后，這兩個(gè)源都被移動(dòng)到相同的波數(shù)。單個(gè)全息圖(圖6b中的右手側(cè)光譜曲線)將兩個(gè)信號(hào)都轉(zhuǎn)向到檢測(cè)器。
校準(zhǔn)是被設(shè)計(jì)用來進(jìn)行分析物濃度定量測(cè)量的任何裝置的重要特征。在圖5的例子中，分析物假定溶解在溶劑中。許多其他物質(zhì)也可能溶解在相同的溶劑體積中。然而，期望分析物的量與收集光的溶劑體積成比例。如果樣本體積中的所有水具有相同的分析物濃度，那么來自分析物的散射信號(hào)應(yīng)當(dāng)和來自溶劑的散射信號(hào)成比例。來自溶劑的適當(dāng)光譜線的信號(hào)大小和來自分析物的適當(dāng)光譜線的信號(hào)大小的比率，應(yīng)當(dāng)是分析物濃度的量度。通過分別測(cè)量溶劑，并取前述比率，測(cè)量結(jié)果將變得對(duì)樣本體積中可能由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)或有機(jī)體的生理變化而引起的變化不敏感。
參比池優(yōu)選地包含最少量的和樣本之內(nèi)的溶解分析物的溶劑等同的溶劑。因?yàn)榭梢哉J(rèn)為參比池的幾何形狀是嚴(yán)格固定并且穩(wěn)定的，所以來自參比池的信號(hào)應(yīng)當(dāng)在重復(fù)的測(cè)量之間是恒定的。任何變化都會(huì)被歸因于光電元件的漂移，并且因此會(huì)被檢測(cè)到并從測(cè)量結(jié)果中提取。
設(shè)備內(nèi)部固定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定提供自校準(zhǔn)特征。在優(yōu)選實(shí)施例中，溶劑以精確預(yù)定濃度包含一種或多種溶解的分析物。如同溶劑一樣，關(guān)于這些分析物的信號(hào)只能由于元件漂移而變化。通過進(jìn)行參比池的測(cè)量，可以在數(shù)學(xué)上提取漂移，這樣一來參比池測(cè)量就允許設(shè)備的總體校準(zhǔn)。
在適用于人體組織中分析物的非侵入性測(cè)量的優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)體液的鹽度引入另外的校準(zhǔn)。人體血液中氯化鈉的濃度保持在集中于0.142摩爾/升左右的非常窄的范圍(近似6％)。實(shí)際濃度因而能夠被假定為0.142摩爾/升。按與鹽濃度成比例的數(shù)量，鹽度移動(dòng)水的O-H拉伸光譜線的絕對(duì)波長。在論文“Raman Spectroscopic Study ofSodium Chloride Water Solutions”，by K.Furic et al.，in the Journal ofMolecular Structure，Volume 550-551，p.225-234(2000)中說明了這種相關(guān)性。作者描述了一種過程，由此在數(shù)學(xué)上從純水的光譜中減去包含鹽的水的光譜，以便計(jì)算由鹽的存在而引起的光譜移動(dòng)。該光譜在兩個(gè)波長的較小者處測(cè)量。
圖6c示出了水的光譜(虛線)和包含氯化鈉的溶液的光譜(實(shí)線)。圖6d顯示了這兩個(gè)光譜之間的差信號(hào)。差信號(hào)在大約3140cm-1處達(dá)到其最大正振幅，并且在大約3506cm-1處達(dá)到其最大負(fù)振幅。用620標(biāo)記這兩個(gè)波長處的差信號(hào)之間的差。它是由鹽度引起的波長移動(dòng)的良好量度，并且能夠用于計(jì)算血液中鈉離子的濃度。
在優(yōu)選實(shí)施例中，參比池包含一些無鹽水，并且在兩個(gè)波數(shù)3140和3506cm-1處采樣光譜。這些值具有標(biāo)稱比率，并且在數(shù)學(xué)上依比例決定實(shí)際讀數(shù)以保持這個(gè)標(biāo)稱值。然后將比例因數(shù)應(yīng)用于利用樣本而不是參比池而進(jìn)行的等同測(cè)量結(jié)果。這些測(cè)量結(jié)果用于估計(jì)樣本中的鹽度。
現(xiàn)在說明這種數(shù)學(xué)方法。假設(shè)R1是在參比池中的波數(shù)3140cm-1處測(cè)量的信號(hào)，并且R2是在參比池中的波數(shù)3506cm-1處測(cè)量的信號(hào)。一旦選擇了波長，比率R1/R2就是水的固定性質(zhì)。然而，某種變化可能由于測(cè)量中使用的光學(xué)裝置或兩個(gè)檢測(cè)器的差異而發(fā)生。計(jì)算值A(chǔ)，使得R2’＝AR1，并且比率AR1/R2’＝1。
將同樣的測(cè)量應(yīng)用于樣本，其具有由其鹽度引起的圖6c的移動(dòng)曲線。如果S1和S2分別是在來自樣本的兩個(gè)波數(shù)3140和3506cm-1處獲得的信號(hào)，那么就將相同的因數(shù)A應(yīng)用于信號(hào)S2。進(jìn)而，用于參比池和樣本的信號(hào)之和優(yōu)選地依比例決定如下R1+AR2＝C(S1+AS2)(7)其中C是計(jì)算滿足公式7的數(shù)學(xué)常數(shù)。公式7的數(shù)學(xué)功能被稱作標(biāo)準(zhǔn)化。
差信號(hào)為D1＝R1-CS1(8a)并且D2＝AR2-CAS2(8b)其中現(xiàn)在量(D1-D2)/R1與樣本的鹽度成比例。通過用設(shè)備測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的鹽溶液，能夠獲得比例常數(shù)。由于現(xiàn)在信號(hào)幅度已絕對(duì)相關(guān)于已知的濃度，所以上述算法對(duì)于所有其他分析物測(cè)量都能夠得到另外的校準(zhǔn)。
希望用于校準(zhǔn)的光盡可能多地穿過來自樣本的光的相同光路，并且優(yōu)選地由相同的檢測(cè)器檢測(cè)。在優(yōu)選實(shí)施例中，路由器將水光譜線轉(zhuǎn)向到單個(gè)檢測(cè)器，其也是用于測(cè)量所有希望的分析物光譜線中所有功率之和的檢測(cè)器。參考圖5、6a和6b，用于水的測(cè)量的過程如下1.打開快門1并關(guān)閉快門2，以便僅照射參比池。
2.接通源λ3以照射參比池。散射光由相應(yīng)的全息圖(亦即被設(shè)計(jì)用于特定一個(gè)波長或多個(gè)波長的全息圖)轉(zhuǎn)向，并在單個(gè)檢測(cè)器中測(cè)量。
3.關(guān)閉源λ3然后接通源λ4。選擇這個(gè)源波長以滿足以下關(guān)系1/λ3-1/λ4＝ΔKw(9)其中ΔKw是兩個(gè)測(cè)量波長之間的波數(shù)差，并且優(yōu)選地接近366cm-1。隨著斯托克斯拉曼散射在生成源和分子的特征振動(dòng)頻率之間的差頻的基礎(chǔ)上工作，服從公式9的兩個(gè)源將生成散射信號(hào)，所述散射信號(hào)在相同的波長處出現(xiàn)，但是已在期望的拉曼光譜線中采樣了兩個(gè)截然不同的波數(shù)。換言之，源λ3與波數(shù)3140cm-1之間的差成分將位于和源λ4與波數(shù)3506cm-1之間的差成分相同的波長處。如步驟2中那樣的相同全息圖會(huì)因此把所期望的光轉(zhuǎn)向相同的檢測(cè)器。
4.關(guān)閉快門1并打開快門2，以便測(cè)量樣本。
5.按照與在參比池測(cè)量中相同的方式排序源λ3和λ4，以便進(jìn)行樣本測(cè)量。
6.參比池和樣本的λ3和λ4測(cè)量的結(jié)果用于校準(zhǔn)樣本的鹽度，如上所述。
為了測(cè)量分析物，同時(shí)啟動(dòng)源λ1和λ2。在優(yōu)選實(shí)施例中，分析物同樣存在于參比池中，并且能夠通過打開快門1并關(guān)閉快門2來單獨(dú)測(cè)量。在這個(gè)實(shí)施例中，路由器將每個(gè)散射波長偏轉(zhuǎn)到相同的檢測(cè)器。因此，每個(gè)波長處的功率被相加。通過打開快門2并關(guān)閉快門1，對(duì)于樣本能夠執(zhí)行同樣的測(cè)量。使用多個(gè)源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于獲得來自相對(duì)廉價(jià)激光的更大的源功率。注意這個(gè)系統(tǒng)允許把非常大量的散射波長全部偏轉(zhuǎn)到單個(gè)檢測(cè)器。信號(hào)成比例地增加。檢測(cè)器暗電流的方差獨(dú)立于信號(hào)。因此，關(guān)于暗電流噪聲的S/N比與信號(hào)成比例地增加。
因?yàn)閰⒈瘸刂蟹治鑫锏臐舛仁且阎模詠碜詤⒈瘸氐男盘?hào)對(duì)于來自樣本的信號(hào)而言是良好的校準(zhǔn)。在將要測(cè)量多于一種分析物的情況下，優(yōu)選實(shí)施例包括對(duì)每種分析物添加另外的檢測(cè)器，并且將每種分析物添加到參比池中的溶液。
源、樣本、參比池以及檢測(cè)器關(guān)于HOE存在于光學(xué)系統(tǒng)的相同一側(cè)會(huì)產(chǎn)生擁擠現(xiàn)象。這可以通過(參考圖5沿著x方向)將一個(gè)或多個(gè)組件移出圖平面來稍微改進(jìn)。不過當(dāng)緊湊度嚴(yán)重時(shí)，擁擠問題依然能夠出現(xiàn)。
該問題起因于作為入射角函數(shù)的全息圖受光角的依賴性。對(duì)于反射全息圖，由以下公式給出從對(duì)衍射效率將變?yōu)榱愕臉?biāo)稱的角偏差δδ=Δλλatanθ---(10)]]>其中Δλ是從導(dǎo)致衍射效率變?yōu)榱愕臉?biāo)稱的波長偏差。注意這種計(jì)算出現(xiàn)于布拉格條件的一階展開，并且當(dāng)θ接近90°時(shí)，因首項(xiàng)消失，所以優(yōu)選地將展開執(zhí)行到第二階。如果全息圖將具有窄波長頻帶，其對(duì)于來自分析物的窄光譜線是最優(yōu)的，則它也將具有窄的視場(chǎng)，除非入射角比較接近π/2弧度。入射和衍射光之間的角度轉(zhuǎn)向剛好是2(π/2-θ)，當(dāng)θ變大時(shí)它變小。
對(duì)于在焦距為f的透鏡上入射的準(zhǔn)直光，發(fā)射光的光點(diǎn)和散射光集中的光點(diǎn)之間的平移偏差是2f(π/2-θ)，它也變小。因此，源和檢測(cè)器會(huì)擁擠在一起，除非焦距很大。然而，光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選地收集盡可能多的從樣本發(fā)出的光的部分。另外，不希望放大樣本中的光點(diǎn)尺寸，因?yàn)檫@會(huì)需要更大的檢測(cè)器，并將具有更高的暗電流。這樣，光學(xué)裝置的尺寸按焦距的比例決定。因此，在圖5的設(shè)計(jì)中，擁擠現(xiàn)象的減輕通常要導(dǎo)致更大的光學(xué)裝置。
在圖7中示出了對(duì)于緊湊裝置的擁擠問題的解決方案。這里引入了第二HOE。第二HOE執(zhí)行由HOE1引起的反射在其上入射的大致全部的輻射的反射功能。相對(duì)于HOE1以某一角度布置HOE2。因此，從HOE2朝向HOE1傳播返回的光在HOE1中全息圖的視場(chǎng)之外，并且不被HOE1二次衍射。這樣的布置是可能的，因?yàn)槿D的視場(chǎng)δ能夠比用于轉(zhuǎn)向光的角度小得多，并且因此光不會(huì)被二次衍射。
這樣，源能夠處于系統(tǒng)中樣本和參比池的相對(duì)側(cè)。長波濾光器(LWP)用于在將散射光向檢測(cè)器傳遞的同時(shí)反射源光。這種布置適合于斯托克斯拉曼散射。對(duì)于反斯托克斯拉曼散射，應(yīng)當(dāng)選擇短波濾光器。除了進(jìn)一步減輕擁擠之外，濾光器還幫助偏轉(zhuǎn)源光，否則源光可能被光學(xué)裝置或光路中其他折射率不連續(xù)而被散射掉，不能到達(dá)檢測(cè)器。
為了優(yōu)選地照射樣本或參比池，使用了可移動(dòng)的具有反射棱鏡的雙孔徑。當(dāng)希望照射樣本時(shí)，在Y方向上(坐標(biāo)軸定義見圖7)安置裝置，以便來自源的聚焦光和來自散射的聚焦光穿過兩個(gè)孔徑中的較低者。為了照射參比池，在Y上平移具有轉(zhuǎn)向棱鏡的雙孔徑，以便光穿過上面的孔徑。圖7示出了這個(gè)位置上的孔徑。呈現(xiàn)了在樣本的方向上穿過孔徑的射線以示出光穿過下面的孔徑時(shí)的源和散射光的路徑。棱鏡通過近似90°來偏轉(zhuǎn)源和散射光，使得參比池可遠(yuǎn)離樣本布置。
在圖7中，對(duì)于照射和散射信號(hào)呈現(xiàn)了邊緣和中心射線。為了清楚起見，角度已被夸大。位于稍微不同的Y位置的射線已被設(shè)置在適當(dāng)位置，以便在圖中可見，并且實(shí)際上能夠重疊。存在于兩個(gè)HOE之間的一些射線已被取消，以免產(chǎn)生HOE之間的射線的過于混亂的場(chǎng)面。
圖7示出了將來自參比池和樣本的散射光返回到單個(gè)檢測(cè)器的情況，但這不是設(shè)計(jì)所必要的?？梢栽趩蝹€(gè)介質(zhì)中組合HOE1和HOE2的功能。為了清楚表達(dá)起見，這里把這兩個(gè)功能分開了。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量樣本內(nèi)的分析物光譜的設(shè)備，其包括a.一個(gè)或多個(gè)光輻射源，每個(gè)源具有與所有其他源截然不同的波長；b.無源波長路由器，其能夠把用于每個(gè)源波長的功率的分式線性組合轉(zhuǎn)向到一個(gè)或多個(gè)目的地；c.收集光學(xué)裝置，用于來自包含分析物的樣本的散射光譜，所述散射光譜由與該源的波長截然不同的波長的光譜線組成；d.無源波長路由器，其能夠把每個(gè)光譜線中的功率的分式線性組合從每種分析物引導(dǎo)到單個(gè)檢測(cè)器或多個(gè)檢測(cè)器；以及e.一個(gè)或多個(gè)光學(xué)檢測(cè)器，其接收散射的光譜線。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，借助于包含至少兩個(gè)全息圖的全息光學(xué)元件完成源波長的波長路由選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述全息圖是反射全息圖。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，借助于包含至少兩個(gè)全息圖的全息光學(xué)元件完成該散射光譜線的波長路由選擇。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述全息圖是反射全息圖。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，從單個(gè)分析物發(fā)出的光譜線中的至少兩個(gè)被路由到1個(gè)檢測(cè)器。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，來自多種分析物的光譜線中的至少兩個(gè)被路由到多個(gè)檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器在任何時(shí)刻僅接收來自單個(gè)分析物的光譜線。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述分析物之一是葡萄糖。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樣本包括人體組織。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樣本包括人體血液。
11.一種用于進(jìn)行樣本內(nèi)分析物濃度的校準(zhǔn)測(cè)量的設(shè)備，其包括a.一個(gè)或多個(gè)光輻射源，每個(gè)源具有與所有其他源截然不同的波長；b.光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)置把所述輻射從所述源中的至少一個(gè)向所述樣本傳送的裝置，以及收集來自所述樣本內(nèi)分析物的散射信號(hào)的至少一個(gè)光譜線的裝置；c.至少一個(gè)檢測(cè)器，其檢測(cè)所述來自分析物的散射信號(hào)；以及d.至少一個(gè)檢測(cè)器，其不必不同于用于檢測(cè)所述來自分析物的散射光的所述一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器，并且收集來自所述樣本內(nèi)的溶解了所述分析物的溶劑的至少一個(gè)光譜線的散射光，這樣所述光譜線的振幅被用作在計(jì)算所述樣本中分析物濃度時(shí)的校準(zhǔn)因數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述溶劑是水。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述樣本包括生物材料。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述生物材料是人體組織。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述人體組織是血液。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述人體組織是組織液。
17.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，通過水的光譜線中的至少一個(gè)的移動(dòng)來確定水的鹽度，并且所述樣本由生物材料組成，其中，鹽度的正常范圍不大于25％，以便可以假定存在標(biāo)稱值，然后所述鹽度測(cè)量構(gòu)成用于一個(gè)或多個(gè)分析物濃度的另外的校準(zhǔn)參數(shù)。
18.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一個(gè)是葡萄糖。
19.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
20.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
21.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
22.一種用于進(jìn)行樣本內(nèi)分析物濃度的校準(zhǔn)測(cè)量的設(shè)備，其包括a.一個(gè)或多個(gè)光輻射源，每個(gè)源具有與所有其他源截然不同的波長；b.參比池，其包含一些溶劑，所述溶劑等同于在所述樣本內(nèi)溶解所述分析物的溶劑；c.光學(xué)系統(tǒng)，其能夠?qū)⑺鲈摧椛涞哪承┎糠洲D(zhuǎn)向到所述參比池；以及d.一個(gè)或多個(gè)光學(xué)檢測(cè)器，其接收來自所述參比池的散射光譜線，以及一種測(cè)量方法，其中，對(duì)于所述參比池和對(duì)于所述樣本，分開來測(cè)量所述溶劑的光譜線，并且，其中處理裝置執(zhí)行所述兩個(gè)信號(hào)的比較，并且產(chǎn)生用于來自所述樣本的信號(hào)的比例因數(shù)，該因數(shù)是所述信號(hào)和所述樣本中溶劑實(shí)際數(shù)量之間的比例常數(shù)，并且，其中，在計(jì)算中使用所述樣本中溶劑數(shù)量的計(jì)算值，以便按比例決定來自所述分析物的光譜線的信號(hào)，從而確定所述分析物信號(hào)和所述分析物濃度之間的比例常數(shù)。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，待測(cè)量的所述分析物還另外存在于所述參比池的溶劑中，以及一種測(cè)量方法，其中從所述參比池出現(xiàn)的由所述分析物的光譜線引起的信號(hào)，與來自所述樣本中分析物的光譜線的信號(hào)分開來測(cè)量，并且，其中由所述參比池中分析物引起的信號(hào)的量值，用作從所述樣本出現(xiàn)的信號(hào)的比例因數(shù)。
24.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述溶劑是水。
25.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述樣本包含生物材料。
26.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述樣本包含人體組織。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，所述樣本包含人體血液。
28.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述樣本包含人體組織液。
29.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
30.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
31.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
32.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
33.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
34.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中，所述分析物中的至少一種是葡萄糖。
35.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，由水的拉曼光譜線從不存在鹽時(shí)的標(biāo)稱值的移動(dòng)來確定所述樣本中水的鹽度，并且，其中通過所述參比池中和所述樣本中水的拉曼光譜線的位置之間的比較來確定所述移動(dòng)，以及其中通過在至少2個(gè)波長處采樣所述光譜線來確定所述移動(dòng)，所述采樣波長既用于所述參比池，又用于所述樣本，并且在至少兩個(gè)波長處計(jì)算來自所述參比池和來自所述樣本的光譜的振幅之間的標(biāo)準(zhǔn)化的差，并且其中所述差用于確定由鹽的存在而引起的光譜線的光譜移動(dòng)。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中，假定人體血液中鹽的已知標(biāo)稱濃度存在于所述樣本中，并且計(jì)算比例常數(shù)，所述比例常數(shù)把鹽濃度聯(lián)系到作為權(quán)利要求39中操作的結(jié)果而獲得的差信號(hào)，并且所述比例常數(shù)用作一個(gè)因數(shù)，但不必是唯一的因數(shù)，以便按比例確定來自一種或多種分析物的信號(hào)，從而確定它們的濃度。
37.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述源中的一個(gè)在一定波長上操作，以便使用路由器中的所述等同的全息圖或多個(gè)全息圖，把來自所述樣本或來自所述參比池或來自兩者的溶劑的光譜線引導(dǎo)到用于測(cè)量分析物至少一個(gè)光譜線的相同檢測(cè)器，其中所述路由器用于將所述分析物的該特定光譜線轉(zhuǎn)向所述檢測(cè)器。
38.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波長路由器包含至少兩個(gè)反射全息圖，該兩個(gè)都衍射波長頻帶之內(nèi)的部分光，以便不會(huì)在按超過90度的不同于入射光的方向上，所述頻帶內(nèi)光的一些或全部從所述一對(duì)全息圖出現(xiàn)。
39.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，具有至少2個(gè)孔徑的可移動(dòng)不透明物或高反射的材料被放置在所有以下焦點(diǎn)附近a.被引導(dǎo)朝向所述樣本的源射束的焦點(diǎn)；b.從所述樣本出現(xiàn)的散射輻射的焦點(diǎn)；c.被引導(dǎo)朝向所述參比池的源射束的焦點(diǎn)；以及d.從所述參比池出現(xiàn)的散射輻射的焦點(diǎn)，并且其中如a.和b.中那樣的焦點(diǎn)大致在相同的位置，并且如c.和d.中那樣的焦點(diǎn)大致在相同的位置，并且其中能夠以這樣的方式平移所述孔徑通過一個(gè)孔徑傳送a.和b.的焦點(diǎn)，或者能夠以這樣的方式平移所述孔徑通過第二個(gè)孔徑傳送c.和d.的焦點(diǎn)。
40.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中，棱鏡用于偏轉(zhuǎn)來自該至少兩個(gè)孔徑中一個(gè)的光經(jīng)過至少10°的角。
全文摘要
多個(gè)波長的從分析物散射的微弱信號(hào)能夠被相加以照射單個(gè)檢測(cè)器或多個(gè)檢測(cè)器，提供將光譜能量集中在較小的總檢測(cè)器面積上的可能性。另外，披露了方法，由此借助于測(cè)量樣本體積中的水?dāng)?shù)量以及借助于測(cè)量樣本體積中的液體鹽度，能夠獲得對(duì)于給定分析物的作為結(jié)果的信號(hào)的校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01J3/44GK1838911SQ200480024147
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
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