專利名稱：拉曼信號檢測和分析系統(tǒng)及其方法
拉曼信號檢測和分析系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，特別涉及通過使用內(nèi)標(biāo)法分析拉曼信號(Ramansignal)而檢測樣本中被分析物含量的測量儀器。
背景技術(shù)：
拉曼光譜是一種對樣本內(nèi)某被分析物的成分和濃度進(jìn)行定量分析的強(qiáng)大工具。在生理檢測的應(yīng)用中，通常會在近紅外區(qū)進(jìn)行這樣的光學(xué)測量。拉曼信號通常很弱，例如拉曼信號強(qiáng)度對激勵(lì)信號強(qiáng)度的比率要小于10,。而且拉曼信號對測量條件是超靈敏的，諸如激光波動、光學(xué)增白、溫度變化、樣本尺寸和樣本形狀的改變以及光學(xué)校直。因此在拉曼信號分析期間通常都采用內(nèi)標(biāo)法。內(nèi)標(biāo)法的基本原理是同時(shí)(或幾乎同時(shí))測量一個(gè)樣本信號和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號，它們的比率(其在各種測量條件下都是不變的)被用做定量估計(jì)。在這些系統(tǒng)中通常使用光柵-CCD (或光柵光電二極管陣列)光譜儀作為檢測器。但是，這些系統(tǒng)很昂貴，而且在所要求的光譜分辨率下，其通光效率(throughput)受限于光柵。

最近的關(guān)于基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的光譜儀的發(fā)展顯示，在拉曼信號檢測系統(tǒng)中使用單個(gè)檢測器來替代CCD系統(tǒng)是可能的，這會大大降低系統(tǒng)成本。但是，這種單個(gè)檢測器系統(tǒng)的通光效率(throughput)仍然受限于光柵的使用。為了能實(shí)現(xiàn)高效率系統(tǒng)，已經(jīng)披露了各種不同的設(shè)計(jì)。其中一個(gè)這樣的設(shè)計(jì)是掃描光源(諸如可調(diào)激光)而得到拉曼光譜。另一個(gè)方法是使用一個(gè)可調(diào)濾波器(諸如聲光可調(diào)濾波器)而得到拉曼光譜。但是，在用于家庭中監(jiān)測生理參數(shù)時(shí)，這些新設(shè)計(jì)的成本是不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容根據(jù)以上所述背景，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種低成本的、高效率的拉曼信號檢測和分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此,在一方面，本發(fā)明提供一種基于拉曼信號而確定樣本中分析物含量的方法。拉曼信號首先通過發(fā)射一個(gè)激發(fā)光到樣本上而產(chǎn)生。然后將拉曼信號通過多個(gè)光濾波器和調(diào)制器，該拉曼信號被調(diào)制。被調(diào)制的拉曼信號包括第一分量和第二分量，其中兩個(gè)分量是相互正交的。然后根據(jù)被調(diào)制的拉曼信號的一次諧波，可以計(jì)算出兩個(gè)分量的強(qiáng)度。最后，所述分析物的含量是根據(jù)兩個(gè)分量強(qiáng)度的比率來確定的。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一分量和第二分量分別在被調(diào)制的拉曼信號的第一象限和第二象限。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了另一種基于拉曼信號而確定樣本中分析物含量的方法。首先產(chǎn)生包括第一和第二波長的激發(fā)光。然后通過將該激發(fā)光通過多個(gè)光濾波器和調(diào)制器，而調(diào)制該激發(fā)光。然后將被調(diào)制的光引導(dǎo)到樣本上，產(chǎn)生拉曼信號。產(chǎn)生的拉曼信號包括第一分量和第二分量，其中兩個(gè)分量是相互正交的。然后根據(jù)被調(diào)制的拉曼信號的一次諧波，可以計(jì)算出兩個(gè)分量的強(qiáng)度。最后，所述分析物的含量是根據(jù)兩個(gè)分量強(qiáng)度的比率來確定的。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種基于拉曼信號而確定樣本中分析物含量的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)激發(fā)光源用于投射到樣本上并產(chǎn)生一個(gè)光信號；一個(gè)光學(xué)模塊用于從所述光信號而產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的拉曼信號；一個(gè)檢測器用于接收該調(diào)制的拉曼信號；一個(gè)微處理器連接到檢測器；一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)連接到微處理器。在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)由計(jì)算機(jī)可讀指令編碼，用于使所述微處理器執(zhí)行以下步驟:(i)解調(diào)所述調(diào)制的拉曼信號，以根據(jù)調(diào)制的拉曼信號的一次諧波，確定第一分量和第二分量的強(qiáng)度；(ii)根據(jù)所述第一分量和所述第二分量的強(qiáng)度，計(jì)算所述分析物的含量。由于采用了這種雙信號的調(diào)制和解調(diào)的操作，使內(nèi)標(biāo)法拉曼檢測-得以在微弱信號上實(shí)施。本發(fā)明的另一個(gè)好處是其只含有一個(gè)檢測器，這能大大降低拉曼檢測系統(tǒng)的成本。而且，和傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)相比，本發(fā)明由于沒有諸如光柵的色散元件，其通光效率提高了，被測量目標(biāo)/標(biāo)準(zhǔn)的比率更穩(wěn)定。最后還有重要的一點(diǎn)，簡單的信號分解算法進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

圖1顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在(a)透射模式和(b)反射模式的測量儀器的示意圖。圖2a_2f顯示本發(fā)明不同實(shí)施例的濾光輪。圖3顯示本發(fā)明的(a)翻轉(zhuǎn)鏡(b)斬波轉(zhuǎn)盤(C)液晶快門的光學(xué)模塊的示意圖。圖4顯示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的在反射模式的示意圖。圖5a和5b分別顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的第一周期函數(shù)和第二周期函數(shù)的波形圖。圖5c顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的被調(diào)制的拉曼信號的波形圖。

圖6a和6b顯示本發(fā)明不同實(shí)施例的確定分析物含量的方法流程圖。圖7a顯示使用帶光譜儀的傳統(tǒng)拉曼光譜儀得到的20g/dL葡萄糖溶液和水的拉曼光譜。圖7b顯示從葡萄糖溶液得到的比率和從水得到的比率的差值依葡萄糖濃度變化的函數(shù)圖。
發(fā)明詳述在此以及在權(quán)利要求中使用的“包括”意指包括以下要素但不排除其他的。參見圖1，圖1顯示本發(fā)明裝置處于后置濾波的透射模式。透射模式的系統(tǒng)大致上包括激發(fā)光源28、激光線濾波器30、準(zhǔn)直透鏡32、光學(xué)模塊42、檢測器24、信號處理單元40、微處理器26和計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)44。檢測器24連接到信號處理單元40，其又連接到微處理器26。計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)44連接到微處理器26。激發(fā)光源28用于發(fā)出至少一個(gè)激發(fā)波長\ E的激發(fā)光，穿過一個(gè)或兩個(gè)激光線濾波器30后到達(dá)被測量的樣本20上。由于該激發(fā)光,從樣本20上會發(fā)出一個(gè)光信號,特定為拉曼信號。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)模塊42a還包括濾光輪34、一個(gè)或兩個(gè)陷波濾波器36和會聚透鏡38。然后發(fā)出的拉曼信號穿過準(zhǔn)直透鏡32到達(dá)濾光輪34，準(zhǔn)直透鏡用于準(zhǔn)直從樣本發(fā)出的拉曼信號。濾光輪34連接到一個(gè)馬達(dá)(未顯示)，其以一個(gè)預(yù)定的周期或頻率旋轉(zhuǎn)該濾光輪34。拉曼信號被兩個(gè)光濾波器在兩個(gè)預(yù)定頻譜區(qū)上濾波，并在濾光輪34旋轉(zhuǎn)一圈期間，拉曼信號周期性地通過濾光輪η個(gè)周期(其中η>=1)。濾光輪34旋轉(zhuǎn)，使得其允許拉曼信號在第一象限通過在樣本信號λ Si光譜范圍內(nèi)的第一光濾波器48a,得到第一分量(即樣本信號)。濾光輪34還允許拉曼信號在第二象限通過在標(biāo)準(zhǔn)信號Xs2光譜范圍內(nèi)的第二光濾波器50a，得到第二分量(即標(biāo)準(zhǔn)信號)。另外，濾光輪34在其余時(shí)間內(nèi)不允許拉曼信號到達(dá)檢測器24。結(jié)果，樣本拉曼信號和標(biāo)準(zhǔn)拉曼信號分別是
權(quán)利要求
1.一種用于確定樣本中分析物含量的方法，包括步驟: a.通過發(fā)出至少一個(gè)激發(fā)光到所述樣本上而產(chǎn)生一個(gè)光信號； b.通過以下步驟得到一個(gè)被調(diào)制的拉曼信號，其包括第一分量和第二分量: 1.將所述光信號通過第一光濾波器并使用第一周期函數(shù)調(diào)制所述光信號，得到所述第一分量; i1.將所述光信號通過第二光濾波器并使用第二周期函數(shù)調(diào)制所述光信號，得到所述第二分量; 其中所述第一周期函數(shù)和所述第二周期函數(shù)有相同的預(yù)定周期，但是相互正交； c.根據(jù)所述被調(diào)制的拉曼信號的一次諧波，計(jì)算所述第一分量和所述第二分量的強(qiáng)度； d.根據(jù)所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度的比率，確定所述分析物的所述含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一分量是在所述被調(diào)制的拉曼信號的第一周期象限，所述第二分量是緊鄰在所述第一周期象限之后的一個(gè)周期象限。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算所述第一分量和所述第二分量強(qiáng)度的步驟還包括步驟:根據(jù)所述周期，提取所述被調(diào)制拉曼信號的所述一次諧波的一個(gè)同相幅值和一個(gè)四分周期相幅值；其中所述同相幅值對應(yīng)所述第一分量的強(qiáng)度，所述四分周期相幅值對應(yīng)所述第二分量的強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述被調(diào)制拉曼信號的持續(xù)時(shí)間要比所述預(yù)定周期長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算所述第一分量和所述第二分量強(qiáng)度的步驟還包括步驟:將所述被調(diào)制拉曼信號傳輸?shù)揭粋€(gè)放大器，得到所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度。
6.一種用于確定樣本中分析物含量的方法，包括步驟: a.發(fā)出一個(gè)激發(fā)光，其包括第一波長和第二波長； b.通過以下步驟從所述激發(fā)光產(chǎn)生一個(gè)被調(diào)制的激發(fā)光: 1.將所述激發(fā)光通過第一光濾波器并使用第一周期函數(shù)調(diào)制所述激發(fā)光； i1.將所述激發(fā)光通過第二光濾波器并使用第二周期函數(shù)調(diào)制所述激發(fā)光； 其中所述第一光濾波器和所述第二光濾波器分別允許所述第一波長和第二波長通過；所述第一周期函數(shù)和所述第二周期函數(shù)有相同的預(yù)定周期，但是相互正交； c.通過引導(dǎo)被調(diào)制的激發(fā)光到所述樣本上，產(chǎn)生一個(gè)光信號，所述光信號包括第一分量和第二分量; d.根據(jù)所述光信號的一次諧波，計(jì)算所述第一分量和所述第二分量的強(qiáng)度； e.根據(jù)所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度的比率，確定所述分析物的所述含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括一個(gè)步驟:將所述光信號通過至少一個(gè)激光線濾波器(或光學(xué)窄帶通濾波器)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中 計(jì)算所述第一分量和所述第二分量強(qiáng)度的步驟還包括步驟:根據(jù)所述周期，提取所述被調(diào)制拉曼信號的所述一次諧波的一個(gè)同相幅值和一個(gè)四分周期相幅值；其中所述同相幅值對應(yīng)所述第一分量的強(qiáng)度，所述四分周期相幅值對應(yīng)所述第二分量的強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光信號的持續(xù)時(shí)間要比所述預(yù)定周期長。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中計(jì)算所述第一分量和所述第二分量強(qiáng)度的步驟還包括步驟:將所述被調(diào)制拉曼信號傳輸?shù)揭粋€(gè)放大器，得到所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度。
11.一種用于確定樣本中分析物含量的測量裝置，包括: a.一個(gè)激發(fā)光源，用于照射所述樣本，因此產(chǎn)生一個(gè)光信號； b.一個(gè)光學(xué)模塊，用于從所述光信號產(chǎn)生一個(gè)被調(diào)制的拉曼信號，其中所述被調(diào)制的拉曼信號包括第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量相互正交； c.一個(gè)檢測器，用于接收所述被調(diào)制的拉曼信號，并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號； d.一個(gè)微處理器，其連接到所述檢測器； e.—個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì),其連接到所述微處理器,所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)由計(jì)算機(jī)可讀指令編碼，用于使所述微處理器執(zhí)行以下步驟: 1.解調(diào)所述被調(diào)制的拉曼信號，以根據(jù)所述被調(diào)制的拉曼信號的一次諧波，確定所述第一分量和所述第二分量的強(qiáng)度； i1.根據(jù)所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度，計(jì)算所述分析物的所述含量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量裝置，其中所述分析物的所述含量是根據(jù)所述第一分量和所述第二分量的所述強(qiáng)度的比率來計(jì)算的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量裝置，還包括: a.多個(gè)反射鏡；和 b.至少一個(gè)分色鏡； 其中所述分色鏡和反射鏡的安置方式使得所述相干光源能被引導(dǎo)而照射到所述樣本的前側(cè)或后側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量裝置，其中所述光學(xué)模塊還包括: a.至少一個(gè)第一光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述光信號的第一波長成分通過； b.至少一個(gè)第二光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述光信號的第二波長成分通過； c.一個(gè)濾光輪，其中所述濾光輪被分成至少一個(gè)隔間，每個(gè)所述隔間包含四個(gè)相連部分；其中所述第一和第二光學(xué)帶通濾波窗口分別安裝在前兩個(gè)相鄰的相連部分上，其余的相連部分用于使得所述拉曼信號不能通過； d.一個(gè)馬達(dá)，其連接到所述濾光輪，用于以一個(gè)預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)所述濾光輪； 其中所述被調(diào)制拉曼信號的所述第一分量是所述第一波長成分的一個(gè)調(diào)制，所述被調(diào)制拉曼信號的所述第二分量是所述第二波長成分的一個(gè)調(diào)制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的測量裝置，其中所述第一光學(xué)帶通濾波窗口占據(jù)整個(gè)第一相連部分，所述第二光學(xué)帶通濾波窗口占據(jù)整個(gè)第二相連部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的測量裝置，其中所述第一和第二光學(xué)帶通濾波窗口分別對稱地覆蓋所述前兩個(gè)相鄰的相連部分的各自一個(gè)預(yù)定部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量裝置，其中所述光學(xué)模塊還包括: a.第一光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述光信號的第一波長成分通過；b.第二光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述光信號的第二波長成分通過； C.一個(gè)翻轉(zhuǎn)鏡，用于在預(yù)定時(shí)隙引導(dǎo)所述光信號到所述第一和第二光學(xué)帶通濾波器； 其中所述被調(diào)制拉曼信號的所述第一分量是所述第一波長成分的一個(gè)調(diào)制，所述被調(diào)制拉曼信號的所述第二分量是所述第二波長成分的一個(gè)調(diào)制。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量裝置，其中所述所述光學(xué)模塊還包括: a.—個(gè)分光器,用于從所述拉曼信號產(chǎn)生第一光束和第二光束； b.第一光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述第一光束的第一波長成分通過； c.第二光學(xué)帶通濾波窗口，用于允許所述第二光束的第二波長成分通過； d.一個(gè)光切換單元， 用于周期性地允許所述第一光束通過所述第一光學(xué)帶通濾波窗口，并周期性地允許所述第二光束通過所述第二光學(xué)帶通濾波窗口 ； e.一個(gè)光合并單元，用于合并所述第一波長成分和所述第二波長成分，以形成所述被調(diào)制的拉曼信號； 其中所述被調(diào)制拉曼信號的所述第一分量是所述第一波長成分的一個(gè)調(diào)制，所述被調(diào)制拉曼信號的所述第二分量是所述第二波長成分的一個(gè)調(diào)制。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的測量裝置，其中所述光切換單元還包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤，所述旋轉(zhuǎn)盤上有一個(gè)開口，其選擇性地允許所述光信號通過。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的測量裝置，其中所述光切換單元還包括兩個(gè)液晶快門，其選擇性地允許所述光信號通過。
全文摘要
本發(fā)明披露了一個(gè)拉曼信號檢測和分析系統(tǒng)及其方法。通過發(fā)出一個(gè)激發(fā)光到樣本上，而產(chǎn)生了拉曼信號。然后拉曼信號通過多個(gè)光濾波器和調(diào)制器，從而拉曼信號被調(diào)制了。被調(diào)制的拉曼信號包括兩個(gè)正交分量，根據(jù)所述被調(diào)制拉曼信號的一次諧波而計(jì)算這兩個(gè)分量的強(qiáng)度。然后可以根據(jù)這兩個(gè)分量的強(qiáng)度的比率而確定樣本中特定分析物的含量。
文檔編號G01N21/65GK103196888SQ201310113670
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者郭嘉祥, 張春, 朱聿熹, 梁立慧 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司