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CN113557424A - 对样本执行光谱分析的系统和方法 - Google Patents

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CN113557424A
CN113557424A CN202080014192.5A CN202080014192A CN113557424A CN 113557424 A CN113557424 A CN 113557424A CN 202080014192 A CN202080014192 A CN 202080014192A CN 113557424 A CN113557424 A CN 113557424A
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electromagnetic radiation
sample
lens array
incident electromagnetic
scattered
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CN202080014192.5A
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洪明辉
李阳
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National University of Singapore
Original Assignee
National University of Singapore
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Abstract

提供了一种用于对样本执行光谱分析的系统，以及一种对样本执行光谱分析的方法，该系统包括与样本的表面相邻定位的透镜阵列，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，并且其中透镜阵列还被配置为引导入射电磁辐射穿过其中以形成多个入射电磁辐射，所述多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。

Description

对样本执行光谱分析的系统和方法
技术领域
本公开广泛地涉及对样本执行光谱分析的系统和方法。
背景技术
Raman光谱是一种有用的技术，用于观察分子中的振动、旋转和其它低频模式。Raman光谱依赖于光子的非弹性散射，称为Raman散射。通常，激发光源(例如，单色激光)被用于照亮样本，从而与分子中的振动、旋转和其它低频模式交互。与激光对应的波长处的弹性散射辐射(即，Rayleigh散射)被过滤，而其余的散射辐射被收集以获得光谱。一般而言，化学键的振动或旋转对于不同类型的分子是不同的。照此，Raman光谱仪可以提供可以通过其识别分子的指纹。
但是，与Rayleigh散射相比，Raman散射信号往往弱。一方面，弱Raman散射信号使得难以将Raman散射光与反射的激发光分开。通常，在可以检测Raman散射光之前，使用陷波滤波器、边缘通滤波器或带通滤波器过滤掉反射的激发光。另一方面，Raman散射信号的功率非常低，以至于检测中的信噪比(SNR)也低。
增加Raman散射信号强度的一种方式是增加用于照亮样本的激光功率。但是，如果激光功率太高，那么会损坏一些样本。更糟糕的是，如果样本是易燃的，那么增加的激光功率会破坏样本。
对于台式/桌面Raman系统，Raman散射信号弱的问题可能不会构成重大挑战，因为通常采用具有相对高灵敏度和相对低背景噪声检测器的Raman光谱仪。但是，Raman散射弱的问题在便携式Raman光谱仪中变得更加严重。对于此类便携式设备，通常采用尺寸和空间有限的检测器，从而导致相对低的灵敏度和高噪声。虽然这种类型的光谱仪对于透射/反射的光谱和荧光信号的检测可以足够灵敏，但如果输入功率低，那么这些光谱仪的噪声会与Raman信号一样高，从而导致低SNR。对于这些光谱仪，经由增加激光功率来增加Raman信号可能是不可行的。
因此，需要对样本执行光谱分析的系统和方法，其寻求解决或至少改善一个或多个上述问题。
发明内容
一方面，提供了一种用于对样本执行光谱分析的系统，该系统包括与样本的表面相邻定位的透镜阵列，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，并且其中透镜阵列还被配置为引导入射电磁辐射穿过其中以形成多个入射电磁辐射，多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
在本文公开的系统的一个实施例中，透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
在本文公开的系统的一个实施例中，透镜阵列被配置为接触样本的表面；或被配置为距样本的表面不超过1000μm定位。
在本文公开的系统的一个实施例中，透镜阵列包括焦平面，使得样本的表面被布置为基本平行于焦平面。
在本文公开的系统的一个实施例中，系统还包括被配置为发射入射电磁辐射的单色电磁波发射器，其中入射电磁辐射具有选自紫外、可见或红外光谱的频率。
在本文公开的系统的一个实施例中，透镜阵列还被配置为将来自样本的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元，所述散射电磁辐射包括从样本反射或散射的辐射。
在本文公开的系统的一个实施例中，散射电磁辐射包括Raman信号，与入射电磁辐射的频率相比，所述Raman信号具有更高或更低的频率。
在本文公开的系统的一个实施例中，系统还包括光学组件，其被配置为将来自发射器的入射电磁辐射朝着透镜阵列引导，该光学组件还被配置为将来自透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
在本文公开的系统的一个实施例中，光学组件包括分束器，其被配置为接收来自发射器的入射电磁辐射并将其朝着透镜阵列反射，所述分束器还被配置为将来自透镜阵列的散射电磁辐射反射到光谱仪的检测器单元；滤波器，其被配置为从散射电磁辐射中滤除具有与入射电磁辐射基本相同频率的电磁波；以及聚焦透镜，其被配置为将散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
一方面，提供了一种对样本执行光谱分析的方法，该方法包括将透镜阵列定位成与样本的表面相邻，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，引导入射电磁辐射穿过透镜阵列以形成多个入射电磁辐射，使得多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
在本文公开的方法的一个实施例中，透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
在本文公开的方法的一个实施例中，将透镜阵列定位成与样本的表面相邻包括使透镜阵列接触样本的表面，或将透镜阵列定位在距样本的表面不超过1000μm处。
在本文公开的方法的一个实施例中，方法还包括将透镜阵列定位成使得样本的表面基本平行于透镜阵列的焦平面。
在本文公开的方法的一个实施例中，方法还包括从单色电磁波发射器发射入射电磁辐射，其中入射电磁辐射具有选自紫外、可见或红外光谱的频率。
在本文公开的方法的一个实施例中，方法还包括将穿过透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元，其中散射电磁辐射包括从样本反射或散射的辐射。
在本文公开的方法的一个实施例中，散射电磁辐射包括与入射电磁辐射的频率相比具有更高或更低频率的Raman信号。
在本文公开的方法的一个实施例中，方法还包括提供光学组件以将来自发射器的入射电磁辐射朝着透镜阵列引导，并将来自透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
在本文公开的方法的一个实施例中，方法还包括接收来自发射器的入射电磁辐射并将其朝着透镜阵列反射；将散射电磁波辐射从透镜阵列反射到检测器单元；过滤散射电磁波辐射以从散射电磁波辐射中滤除具有与入射电磁波辐射基本相同波长的电磁波；以及将过滤后的散射电磁辐射聚焦到光谱仪的检测器单元中。
一方面，提供了一种用于对样本执行光谱分析的系统的附件，该附件包括透镜阵列，该透镜阵列被配置为定位成与样本的表面相邻，使得用于照射样本的表面的入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，并且其中透镜阵列还被配置为引导入射电磁辐射穿过其中以形成多个入射电磁辐射，多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
在本文公开的附件的一个实施例中，透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
附图说明
通过以下书面描述仅作为示例并结合附图，本发明的示例实施例将被更好地理解并且对本领域普通技术人员而言是显而易见的，其中：
图1是示例实施例中用于对样本执行光谱分析的系统的示意图。
图2A是示例实施例中用于对样本执行光谱分析的系统的透视图。
图2B是示例实施例中的系统的侧视图。
图3是示出示例实施例中用于对样本执行光谱分析的系统的照片。
图4是比较由图3的微透镜阵列(MLA)设置测得的第一Raman光谱与由传统单透镜设置测得的第二Raman光谱的曲线图。
图5A是示例实施例中用于对样本执行光谱分析的系统的透视图。
图5B是示例实施例中的系统的侧视图。
图5C是示例实施例中的MLA的放大视图。
图6A是示出在示例实施例中分布在聚(ε-己内酯)(PCL)膜上的微球的照片。
图6B是示出示例实施例中分布在SERS(表面增强的Raman散射)基板上的微球的照片。
图7是比较由图5的MLA设置检测到的第一Raman光谱与由常规透镜设置检测到的第二Raman光谱的曲线图。
图8是用于图示在示例实施例中执行样本的光谱分析的方法的示意性流程图。
图9是适于实现所描述的示例实施例的计算机系统的示意图。
具体实施方式
示例非限制性实施例可以提供用于执行样本的光谱分析的系统和执行样本的光谱分析的方法。
图1是示例实施例中用于对样本102执行光谱分析的系统100的示意图。系统100包括透镜阵列，例如微透镜阵列(MLA)104，其定位成与样本102的表面106相邻，使得用于照射样本102的表面106的第一入射电磁辐射108在照射样本102的表面106之前穿过MLA 104。MLA 104还被配置为引导第一入射电磁辐射108穿过其中以形成多个入射电磁辐射，例如聚焦斑阵列。多个入射电磁辐射中的每一个照射样本102的表面106上的不同的聚焦斑/焦斑，例如114。MLA 104还可以被配置为将第二散射电磁辐射110朝着光谱仪的检测器单元112引导远离样本102的表面106。
第一入射电磁辐射108包括电磁波，例如能够激发样本102的目标区域的激发光或激发激光束。第一入射电磁辐射108可以从源(例如电磁波发射器116)发射。第二散射电磁辐射110包括被样本102散射(例如反向散射)、发射和/或反射的电磁波，例如Raman散射信号和Rayleigh散射信号。反向散射(或反方向散射)可以被理解为波、粒子或信号反射回它们来自的方向。反方向散射也被定义为当辐射或粒子以与原始运动方向成大于90度的角度(例如，大约180度，或90到180度之间)散射时发生的现象。在替代示例实施例中，第二散射电磁辐射可以包括透射通过样本的电磁波。即，第一入射电磁辐射(例如激发激光)可以照射样本表面的第一侧并且可以从样本表面的第二相对侧收集包含Raman信号的第二电磁辐射。
在示例实施例中，MLA 104被配置为引导第一入射电磁辐射108穿过其中以在样本102的表面106上形成多个聚焦斑(例如114)或聚焦斑阵列。多个聚焦斑中的每个聚焦斑114在被MLA 104拆分的入射电磁辐射108照亮的样本上定义不同的区域。即，每一束入射光穿过MLA并拆分成多束光线，MLA的每个透镜用于将一束入射光线聚焦在样本上的特定/不同斑上，使得这些斑不彼此重叠。这可以允许增加入射光的总功率，同时确保多束拆分的入射光线中的每一束保持在期望的功率阈值内。第一入射电磁辐射108可以具有范围从大约1mm到大约100mm的横截面直径。在入射电磁辐射108穿过MLA 104之后，多个聚焦斑114中的每一个可以具有范围从大约1μm到大约100μm的横截面直径。
MLA 104可以被用于激发样本102的表面106处的多个斑以生成Raman信号。MLA104也可以被用于收集从样本102生成的Raman信号。通过增加信噪比，聚焦斑阵列可以有利地提供强Raman信号收集。通过使用MLA 104，可以将单个聚焦斑拆分成多个聚焦斑(例如114)，这可以降低样本表面106上的功率强度，并增加来自样本表面106的Raman信号源的数量以增加Raman信号的总强度。
将认识到的是，当样本被激发激光照射或激发时，激发激光的功率不得超过某些阈值。否则，样本可能会受到不可逆转的损坏。例如，对于耐受激发激光损坏阈值相对较低的样本，可以将用于Raman信号检测的聚焦斑的最大强度固定为常数。对于单个透镜，最大入射功率取为P0。如果电磁辐射108的入射束在包括n个透镜的MLA 104上被照亮，那么总入射功率可以增加到nP0。这是因为微透镜内的每个透镜将入射电磁辐射聚焦在样本上的不同聚焦斑上。因此，有利地，Raman信号的总功率可以增加n倍而不损坏样本。然后，来自样本的反射或散射的Raman信号可以由MLA 104准直并由光谱仪收集。因此，这种配置有利地提供多焦斑以将Raman信号检测中的SNR增加n倍。
在示例实施例中，MLA还可以显著简化Raman光谱仪的设计并提高其性能。例如，在使用常规聚焦透镜的Raman检测系统中，相对大尺寸的聚焦透镜常常要求扩束器以修改激发激光束的尺寸以便匹配聚焦透镜的尺寸。否则，激发激光束不能被很好地聚焦。但是，通过使用MLA 104，激发激光束可以照亮MLA的一部分，因为MLA中的每个透镜都能够独立工作。因此，MLA 104的聚焦效率可以显著高于没有扩束器的单个透镜。使用MLA 104的这种配置可以在便携式Raman光谱仪的设计中显著节省空间。
而且，光谱仪的输入狭缝通常具有大约20μm的宽度，这显著大于光谱仪的衍射极限。因此，输入狭缝可以能够比单个点收集更多的信号。对于常规的单透镜设计，只有聚焦点的区域对Raman信号检测有贡献，这使得光强度很好地集中。在示例实施例中，MLA可以充分利用光谱仪中狭缝的宽度。此外，光谱仪还可以收集一系列的Raman光的斑阵列。
在各种示例实施例中，透镜阵列与样本的表面相邻地定位。在这种上下文中，术语“相邻”意味着接近或抵靠。即，透镜阵列紧邻样本之前定位，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前立即穿过透镜阵列。应该认识到的是，与入射电磁辐射的源或光谱仪的检测器单元相比，透镜阵列更靠近样本的表面定位。例如，透镜阵列104可以定位成使得透镜阵列与样本的表面接触。例如，透镜阵列可以定位在距样本表面一定距离处，这允许激发电磁波在样本的表面上聚焦。应该认识到的是，透镜阵列和样本的表面之间的空间相对无障碍，以便促进入射电磁辐射传输到样本的表面。
图2A是示例实施例中用于执行样本202的光谱分析的系统200的透视图。图2B是示例实施例中的系统200的侧视图。
系统200包括透镜阵列，例如MLA 204(比较图1的104)，其被布置为与样本202的表面206相邻地定位。MLA 204可以包括多个透镜，例如部署在支撑层上的高数值孔径(NA)透镜。支撑层可以是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本202的表面206的基本柔性的层。在示例实施例中，支撑层是基本刚性的层。
MLA 204包括焦平面，使得样本202的表面206被布置为基本平行于焦平面。MLA204的焦平面也被定位成与样本202的表面206基本对齐/重合。取决于MLA 204中透镜的工作距离，MLA可以被配置为接触样本202的表面206或者可以被配置为与样本202的表面206相距一定距离。MLA 204可以被配置为定位在距样本202的表面206大约1μm至大约1000μm、大约5μm至大约950μm、大约10μm至大约900μm、大约20μm至大约850μm、大约30μm至大约800μm、大约40μm至大约750μm、大约50μm至大约700μm、大约60μm至大约650μm、大约70μm至大约600μm、大约80μm至大约550μm、大约90μm至大约500μm、大约100μm至大约450μm、大约150μm至大约400μm、大约200μm至大约350μm或约250μm至大约300μm处。
MLA 204被配置为通过允许电磁辐射穿过MLA 204的多个透镜中的全部或一部分来接收和引导电磁辐射。在示例实施例中，用于照射样本202的表面206的第一入射电磁辐射208在照射样本202的表面206之前穿过MLA 204。MLA 204还被配置为将穿过其中的第一入射电磁辐射(例如激光束208)拆分成多个入射电磁辐射(例如多个拆分束(斑))，使得每个拆分束在样本202的表面206上照射不同的斑。
MLA 204还被配置为例如通过光谱仪的光纤212将来自样本202的第二散射电磁辐射210引导至检测器单元。散射电磁辐射210包括从样本202发射、反射和/或散射的辐射。与第一入射电磁辐射的频率相比，散射、发射和/或反射的电磁波可以包括具有更高或更低频率的Raman信号。MLA 204还被配置为准直第二散射电磁辐射210，使得准直的散射电磁辐射210可以基本完全被光谱仪的检测器单元212接收。
系统200还包括电磁波发射器(例如激光源216)，其被配置为生成/发射第一入射电磁辐射(例如激发激光束)。电磁波发射器可以是单色电磁波发射器。第一入射电磁辐射可以具有大约200nm至大约1500nm的波长。第一入射电磁辐射可以选自紫外、可见或红外光谱。在示例实施例中，从电磁波发射器发射的第一入射电磁辐射具有大约500nm至大约800nm的波长。在示例实施例中，从电磁波发射器发射的第一入射电磁辐射选自可见或近红外光谱。
系统200还包括分束器(例如分束器218)，分束器是将光束拆分成两束的光学设备。分束器218可以包括孔径和反射表面。分束器218被配置为允许入射电磁辐射(例如光路中的光)的一部分透射通过分束器218的孔径并且允许光路中入射电磁辐射的一部分从分束器218的反射面反射。在示例实施例中，分束器218被定位在分束位置，使得第一入射电磁辐射208被反射表面反射并且朝着被定位成与样本202的表面206相邻的透镜阵列204转动例如90度。来自样本202的结果所得的第二散射电磁辐射210被MLA 204收集并准直，并且分束器218被配置为允许这个准直的反向散射电磁辐射210朝着光谱仪的检测器单元212穿过分束器218。在其它实施例中，可以使用二向色镜来代替分束器218以提高能量效率。二向色镜是在两个不同波长下具有显著不同的反射或透射特性的反射镜。
系统200还包括滤波器，例如带阻陷波滤波器220。带阻陷波滤波器是原样通过大多数频率，但会将特定范围内的频率显著衰减到相对低的水平的滤波器。在示例实施例中，带阻陷波滤波器220定位在分束器218和光谱仪的穿通光纤212之间。带阻陷波滤波器220被具体地配置为拒绝来自具有与第一电磁辐射(即，Rayleigh散射信号)基本相同频率的第二散射电磁波。在其它实施例中，可以使用长通边缘滤波器代替带阻陷波滤波器。长通边缘滤波器被设计为透射大于滤波器截止波长的波长。
系统200还包括聚焦透镜222。在示例实施例中，聚焦透镜222定位在带阻陷波滤波器220和光谱仪的穿通光纤212之间。聚焦透镜被配置为将第二电磁辐射210引导到光谱仪的检测器单元212中。
在示例实施例中，分束器(例如分束器218)、滤波器(例如带阻陷波滤波器220)和聚焦透镜222形成光学组件，其被配置为朝着透镜阵列204引导来自电磁波发射器(例如激光源216)的第一入射电磁辐射208并将来自透镜阵列204的第二散射电磁辐射210引导至光谱仪的检测器单元212。
将认识到的是，透镜设计(诸如参数(例如焦距)的选择)以实现聚焦在表面上的和散射(例如反向散射)光的准直在本领域中是已知的，并且在本领域技术人员设计具有用于系统的合适参数的透镜的范围内。还将认识到的是，虽然示例性实施例公开了特定类型的分束器和滤波器，但是可以采用其它类型的分束器和滤波器来实现期望的分束和滤波功能。
在操作中，激光源216在分束器218上生成具有窄带宽的激光束形式的激发光。激发光被分束器218反射以照亮MLA 204。样本202被放置在MLA 204的焦平面处，该焦平面也基本平行于MLA 204。因此，当激光束穿过MLA 204时，激光束的多个焦斑聚焦在样本202上。此后，来自MLA 204的激发激光束与样本交互并生成来自样本202的表面206的反射或反向散射光。反向散射光的一部分穿过MLA 204并被MLA 204准直并被朝着分束器218发送。在分束器218处，反向散射光信号被允许穿过并且反向散射光可以被带阻陷波滤波器(或长通边缘滤波器)滤除。最后，经过滤的反向散射光(包括Raman信号)经由聚焦透镜222聚焦到光谱仪的检测器单元212中用于信号分析。
在示例实施例中，系统200是便携式的。便携的意思是，与台式/桌面系统相比，系统200能够相对容易地运输。系统200可以具有允许其相对容易地运输的总体尺寸和/或重量。例如，系统200可以具有不超过1kg的总重量和/或可以占据维度不超过200mm(长度)x100mm(宽度)x80mm(高度)的空间。例如，系统200可以结合到手持设备(例如便携式光谱仪或手提箱)中。
此外，系统200可以适于用在基于实验室的测试和现场/外场测试中。如本文所使用的，术语“现场”是指在特别关注的地点执行活动。例如，系统200可以被用于在获得/定位样本材料的地点/位置处执行光谱分析，使得无需将样本材料运送回实验室以使用台式光谱系统进行测试。应该认识到的是，在将样本运送到实验室进行分析期间，样本可能会发生改变，诸如污染、降解等。因此，系统200可以比台式/桌面设置更方便进行分析并且可以提供更快的现场分析，而不会对样本材料的完整性产生不期望的改变。
图3是示出示例实施例中用于对样本302执行光谱分析的系统300的照片。532nm激光器304通过分束器306和MLA 308照亮样本302。反射的Raman信号由MLA准直、由分束器306反射、穿过532nm带阻陷波滤波器310并聚焦到通向光谱仪的光纤312中。MLA与样本之间的平行和距离可以通过二维可调安装座和线性平台进行调整。用于光谱检测的积分时间被设置为10秒。激光束的尺寸大约为2mm并且MLA的间距为250μm。假设入射激光束具有直径为2mm(或半径为1mm)的圆形横截面。从这1mm开始，有可能容纳大约4个透镜(间距为250μm)。因此，可以封装以接收2mm激光横截面直径的透镜的总数大约为πx42，或50。换句话说，大约有50个微透镜被照亮。对于每个聚焦斑的相同照明强度，单个透镜的入射功率为10mW，而MLA的总输入功率为500mW。孔雀石绿(MG)样本在表面增强Raman散射(SERS)基板上的Raman信号通过传统Raman设置和图3的设置进行测量以进行比较。
图4是比较由图3的MLA设置测得的第一Raman光谱402与由传统单透镜设置测得的第二Raman光谱404的曲线图400。在传统的单透镜设置中使用10mW的入射功率，而使用500mW的入射功率，使得对于MLA中的每个透镜使用相同的10mW输入功率。在图4中，从左垂直轴读取第一Raman光谱402的信号强度，而从右垂直轴读取第二Raman光谱404的信号强度。结果表明，通过控制样本表面上每个聚焦斑的强度基本相同，由MLA设置测得的第一Raman信号402的SNR明显高于(大约高16倍)由传统单透镜设置测得的第二Raman信号404测量的SNR。
图5A是示例实施例中用于执行样本502的光谱分析的系统500的透视图。图5B是示例实施例中的系统500的侧视图。
系统500包括与样本502的表面506相邻定位的透镜阵列，例如MLA 504(比较图1的104)，使得用于照射样本502的表面506的第一入射电磁辐射508在照射样本502的表面506之前穿过透镜阵列504。透镜阵列504还被配置为引导穿过其中的第一入射电磁辐射508以在样本502的表面506上形成多个入射电磁辐射(例如多个焦斑/聚焦斑(未示出，比较图1的114))。
MLA 504还被配置为例如通过光谱仪的光纤512将来自样本502的第二散射电磁辐射510引导至检测器单元。第二散射电磁辐射510包括由样本502散射、发射和/或反射的电磁波。与入射电磁辐射的频率相比，散射、发射和/或反射的电磁波可以包括具有更高或更低频率的Raman信号。MLA 504还被配置为准直第二散射电磁辐射。
系统500还包括电磁波发射器，例如，用于发射第一入射电磁辐射508的激光源516(比较图2的216)。系统500还包括分束器，例如分束器518(比较图2的218)，其被定位成接收来自激光源516的入射电磁辐射508并将第一电磁辐射508从其原始路径朝着透镜阵列504反射90度。分束器518还被配置为允许第二散射电磁辐射510朝着光谱仪的检测器单元512穿过其中。系统500还包括定位在分束器518和MLA 504之间的第一聚焦透镜524，所述第一聚焦透镜524被配置为调整MLA 504上的第一入射电磁辐射508的尺寸，例如激光斑尺寸。系统500还包括滤波器，例如带阻陷波滤波器520(比较图2的220)，其定位在分束器518和光谱仪的穿通光纤512之间以拒绝第二散射电磁辐射510中的Rayleigh散射信号并允许第二散射电磁辐射510中的Raman散射信号穿过。系统500还包括定位在带阻陷波滤波器520和光谱仪的穿通光纤512之间的第二聚焦透镜522(比较图2的222)以将第二散射电磁辐射510引导到光谱仪的检测器单元512中。
除了下面参考图5C描述的透镜阵列之外，系统500基本类似于图2的系统200。
图5C是示例实施例中的MLA 504的放大视图。MLA 504包括多个透镜，例如部署在支撑层530上的528。在示例实施例中，MLA 504由微球阵列形成。将微球悬浮液滴到支撑层(例如，基材)上。由于自组装效应，微球将被紧凑地重新布置，如图5C中所示，以形成微球阵列。在来自基板侧的照明下，基板上的微球能够生成多个焦斑，使得每个微球都起到透镜的作用，这能够引导穿过其中的电磁辐射形成多个入射电磁辐射，多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。将认识到的是，基板不受二氧化硅晶片的限制并且可以由透明聚合物基板代替。
在示例实施例中，支撑层530是基本柔性的层。因此，聚合物上的MLA 504基本是柔性的并且能够基本符合样本502的表面506。如果用于Raman光谱检测的目标样本是弯曲的，那么MLA 504能够直接附着(例如，粘贴)在样本上。有利地，这种配置允许系统与其它Raman增强技术(诸如表面增强Raman散射(SERS))兼容。此外，由于MLA 504能够基本符合样本表面，因此用于光谱分析的目标样本不限于任何特定类型的表面。
在操作中，来自激光源516的激发光在分束器518上被准直并照亮，该分束器将激发光朝着样本502反射。反射的激发光被MLA 504聚焦在样本502的表面506上。在焦平面处生成多个聚焦斑，该聚焦斑聚焦在待检测的样本502的基本相同的表面506处。当入射激发光与样本交互时，在多个聚焦斑处生成包括Raman信号的反向散射或反射光。此后，包括来自每个斑的Raman信号的反向散射或反射光由MLA 504进行准直。由带阻陷波滤波器520将准直的Raman信号与激发光分离。此后，聚焦透镜522将包括Raman信号的经过滤的光耦合或引导到光纤512中，该光纤512连接到光谱仪或直接照亮在光谱仪的输入狭缝上以进行光谱分析。
图6A是示出在示例实施例中分布在聚(ε-己内酯)(PCL)膜604上的微球602的照片600。图6B是示出示例实施例中分布在SERS(表面增强的Raman散射)基板614上的微球612的照片610。为了达到相同的增强效果，可以将微球直接分布到样本上，如图6B中所示。图6B中的样本是具有预滴目标材料(1μM孔雀石绿)的SERS基板。
图7是比较由图5的MLA设置检测到的第一Raman光谱702与由常规透镜设置检测到的第二Raman光谱704的曲线图700。第一Raman光谱702在图6B中的基板上被微球覆盖的区域上执行，并且第二Raman光谱704在图6B中的基板上未被微球覆盖的裸露区域上执行。积分时间和测量的激光功率分别固定为1秒和25mW。结果表明加入微球后Raman信号增强大约6倍。
鉴于上述，将认识到的是，在示例实施例中通过使用这种类型的MLA，Raman信号可以被增强。另外，将认识到的是，与现有的商业化MLA相比，由自组装微球形成的MLA成本更低并且应用更方便。
还将认识到的是，因为微球透镜的工作距离相对短(即，微球的焦点相对短)，所以MLA可以定位成与样本直接接触。这可以有利地减轻因在微球透镜和样本之间维持设定的平行距离而引起的任何问题，以在样本上的不同斑上实现每个入射电磁辐射的良好聚焦。
图8是用于图示在示例实施例中执行样本的光谱分析的方法的示意性流程图800。在步骤802处，透镜阵列与样本的表面相邻地定位，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列。在步骤804处，穿过透镜阵列的入射电磁辐射被引导以形成多个入射电磁辐射，使得多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
在所描述的示例实施例中，提供了一种用于对样本执行光谱分析的系统和方法。该系统包括透镜阵列，例如能够在样本表面处激发多个斑以生成Raman信号并收集Raman信号的微透镜阵列(MLA)。与传统Raman光谱仪相比，所描述的示例实施例能够生成多个聚焦斑，而不是仅仅一个斑。这可以有利地在相同的照亮激光强度下显著增加Raman信号的总强度。对于弱Raman响应的样本，可以通过增加输入功率来检测Raman峰。但是，它受到样本的损坏阈值的限制。在系统的所述示例实施例中，Raman信号的强度可以被放大n倍，其中n是被激发激光束覆盖的微透镜的数量。这有利地增加了弱Raman信号检测的信噪比(SNR)，同时降低了在Raman光谱测量中损坏样本的可能性。
此外，所描述的系统和方法的示例实施例被用于增加用于分析材料的总Raman信号强度。照此，不需要复杂的显微成像系统来提高例如相干反stokes Raman成像、共焦Raman成像等的扫描或成像速度。所描述的系统和方法的示例实施例与其它Raman增强技术(诸如表面增强Raman散射(SERS))兼容，并且还可以扩展Raman应用以满足低激发激光强度要求。此外，系统和方法的示例实施例可以有利地应用于便携式Raman光谱仪设计，以提供基于更高信噪比的Raman光谱测量的便携式设备。
如本描述中使用的，术语“耦合”或“连接”意在既覆盖直接连接又覆盖通过一个或多个中间部件连接，除非另有说明接。
本文的描述在某些部分中可以被明确或隐含地描述为对计算机存储器或电子电路中的数据进行操作的算法和/或功能操作。这些算法描述和/或功能操作通常由信息/数据处理领域的技术人员用于高效的描述。算法一般涉及步骤的自一致序列，从而导致期望的结果。算法步骤可以包括物理量的物理操纵，其中物理量诸如能够被存储、发送、传输、组合、比较和以别的方式操纵的电、磁或光信号。
另外，除非具体地另外声明，以及通常将从以下显而易见的，否则，本领域技术人员将认识到，贯穿本说明书，利用诸如“扫描”、“计算”、“确定”、“代替”、“生成”、“初始化”、“输出”等术语的讨论是指操纵/处理并把所述系统中表示为物理量的数据变换成该系统或其它信息存储、传输或显示设备等中类似地表示为其它物理量的数据的指令处理器/计算机系统或者类似电子电路/设备/组件的动作和过程。
本描述还公开了用于执行所述方法的步骤的相关设备/装置。这种装置可以具体地为方法而构造，或者可以包括通用计算机/处理器或者由存储在存储构件中的计算机程序选择性地激活或重新配置的其它设备。本文所述的算法和显示不固有地关联到任何特定的计算机或其它装置。要理解的是，通用设备/机器可以根据本文的教导被使用。可替代地，执行方法步骤的专用设备/装置的构造可以是期望的。
此外，认为本描述还隐含地覆盖计算机程序，因为将很清楚本文所述的方法的步骤可以通过计算机代码来实践。将认识到的是，大量的编程语言和编码可以被用来实现本文描述的教导。而且，在不背离本发明范围的情况下，如果适用，那么计算机程序不限于任何特定的控制流并且可以使用不同的控制流。
此外，如果适用，那么计算机程序的一个或多个步骤可以并行和/或串行地执行。如果适用，那么这种计算机程序可以存储在任何计算机可读介质上。计算机可读介质可以包括存储设备，诸如磁或光盘、存储器芯片，或者适于与合适的读取器/通用计算机接口的其它存储设备。在这种情况下，计算机可读存储介质是非暂态的。这种存储介质还覆盖所有的计算机可读介质，例如，只短期和/或只在有电时存储数据的介质，诸如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)等。计算机可读介质甚至可以包括有线介质(诸如在互联网系统中示例的)，或者无线介质(诸如在蓝牙技术中示例的)。当在合适的读取器上加载并执行时，计算机程序有效地导致可以实现所述方法的步骤的装置。
示例实施例还可以实现为硬件模块。模块是被设计为与其它组件或模块一起使用的功能硬件单元。例如，模块可以利用数字或分立电子组件实现，或者它可以构成诸如专用集成电路(ASIC)的整个电子电路的一部分。本领域技术人员将理解的是，示例实施例还可以被实现为硬件和软件模块的组合。
此外，当描述一些实施例时，本公开可以已经公开了作为特定步骤序列的方法和/或过程。但是，除非另有要求，否则将认识到的是，方法或过程不应当限于所公开的特定步骤序列。其它步骤顺序也是可能的。本文公开的步骤的特定次序不应当被解释为不适当的限制。除非另有要求，否则本文公开的方法和/或过程不应当限于按书面次序执行的步骤。步骤的顺序可以变化并且仍然在本公开的范围内。
另外，在本文的描述中，在被使用的任何时候，“基本上”一词都被理解为包括但不限于“完全”或“完整地”等等。此外，在被使用的任何时候，诸如“包括”等术语意在是非限制性描述性语言，因为，它们广义地包括在这种术语后面陈述的元素/组件，还有未明确陈述的其它组件。例如，当使用“包括”时，对“一个”特征的引用也旨在是对那个特征的“至少一个”的引用。诸如“由......组成”等术语可以在适当的上下文中被视为诸如“包括”等术语的子集。因此，在本文公开的使用诸如“包括”等术语的实施例中，应该认识到的是，这些实施例使用诸如“由......组成”等术语来提供对应实施例的教导。另外，在被使用的任何时候，诸如“大约”、“近似地”等术语通常意味着合理的变化，例如所公开的值的+/-5％的变化、或者所公开的值的4％的变化、或者所公开的值的3％的变化、所公开的值的2％的变化或者所公开的值的1％的变化。
此外，在本文的描述中，某些值可以以范围公开。示出范围的结束点的值是要说明优选的范围。在描述范围的任何时候，该范围都要覆盖并教导所有可能的子范围以及那个范围内的各个数值。即，范围的结束点不应当被解释为僵化的限制。例如，1％至5％的范围的描述意在具有具体公开的子范围1％至2％、1％至3％、1％至4％、2％至3％等等，以及那个范围内各个值，诸如1％、2％、3％、4％和5％。以上具体公开的意图适用于任何深度/广度的范围。
可以在计算机实现的环境中执行的数据结构、程序模块、程序和计算机指令的上下文中实现不同的示例实施例。本文简要地公开了一种专门配置的通用计算环境。一个或多个示例实施例可以在一个或多个计算机系统中实施，诸如在图9中示意性地示出。
一个或多个示例实施例可以被实现为软件，诸如在计算机系统900内执行并且指示计算机系统900执行示例实施例的方法的计算机程序。
计算机系统900包括计算机单元902、诸如键盘904和定点设备906之类的输入模块以及诸如显示器908和打印机910之类的多个输出设备。用户可以使用上述设备与计算机单元902交互。定点设备可以用鼠标、轨迹球、笔设备或任何类似设备来实现。一个或多个其它输入设备(未示出)(诸如操纵杆、游戏手柄、卫星天线、扫描仪、触摸屏等)也可以连接到计算机单元902。显示器908可以包括阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子显示器或产生可由用户观看的图像的任何其它设备。
计算机单元902可以经由合适的收发器设备914连接到计算机网络912，以使得能够访问例如互联网或其它网络系统(诸如局域网(LAN)或广域网(WAN)或个人网络)。网络912可以包括服务器、路由器、网络个人计算机、对等设备或其它公共网络节点、无线电话或无线个人数字助理。联网环境可以在办公室、企业范围的计算机网络和家庭计算机系统等中找到。收发器设备914可以是位于计算机单元902内或外部的调制解调器/路由器单元，并且可以是任何类型的调制解调器/路由器(诸如电缆调制解调器或卫星调制解调器)。
将认识到的是，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其它方式。假定存在各种协议(诸如TCP/IP、帧中继、以太网、FTP、HTTP等)，并且计算机单元902可以在客户端-服务器配置中操作以允许用户从基于web的服务器检索网页。此外，可以使用各种web浏览器中的任何一种来显示和操纵网页上的数据。
示例中的计算机单元902包括处理器918、随机存取存储器(RAM)920和只读存储器(ROM)922。ROM 922可以是存储基本输入/输出系统(BIOS)信息的系统存储器。RAM 920可以存储一个或多个程序模块，诸如操作系统、应用程序和程序数据。
计算机单元902还包括多个输入/输出(I/O)接口单元，例如到显示器908的I/O接口单元924，以及到键盘904的I/O接口单元926。计算机单元902的组件通常经由互连的系统总线928并以相关领域技术人员已知的方式连接地通信和接口/耦合。总线928可以是多种类型的总线结构中的任何一种，包括使用多种总线体系架构中的任何一种的存储器总线或存储器控制器、外围总线和本地总线。
将认识到的是，其它设备也可以连接到系统总线928。例如，通用串行总线(USB)接口可以被用于将视频或数码相机耦合到系统总线928。IEEE 1394接口可以被用于将附加设备耦合到计算机单元902。其它制造商接口也是可能的，诸如由Apple Computer开发的FireWire和由Sony开发的i.Link。设备到系统总线928的耦合还可以经由并行端口、游戏端口、PCI板或用于将输入设备耦合到计算机的任何其它接口。还将认识到的是，虽然图中未示出组件，但是可以使用麦克风和扬声器来记录和再现声音/音频。可以使用声卡将麦克风和扬声器耦合到系统总线928。将认识到的是，几个外围设备可以同时经由替代接口耦合到系统总线928。
可以向计算机系统900的用户供应被编码/存储在诸如CD-ROM或闪存载体之类的数据存储介质上的应用程序。应用程序可以使用数据存储设备930的对应数据存储介质驱动器被读取。数据存储介质不限于便携式并且可以包括嵌入在计算机单元902中的实例。数据存储设备930可以包括分别将硬盘驱动器和/或可移动存储器驱动器耦合到系统总线928的硬盘接口单元和/或可移动存储器接口单元(均未详细示出)。这可以启用数据的读/写。可移动存储器驱动器的示例包括磁盘驱动器和光盘驱动器。驱动器及其相关联的计算机可读介质(诸如软盘)为计算机单元902提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性存储。将认识到的是，计算机单元902可以包括几个这样的驱动器。此外，计算机单元902可以包括用于与其它类型的计算机可读介质接口的驱动器。
应用程序由处理器918在其执行中被读取并控制。程序数据的中间存储可以使用RAM 920来完成。示例实施例的(一个或多个)方法可以被实现为计算机可读指令、计算机可执行组件或软件模块。可以替代地使用一个或多个软件模块。这些可以包括可执行程序、数据链接库、配置文件、数据库、图形图像、二进制数据文件、文本数据文件、目标文件、源代码文件等。当一个或多个计算机处理器执行其中一个或多个软件模块时，软件模块交互，以使得一个或多个计算机系统根据本文的教导执行。
计算机单元902的操作可以由多种不同的程序模块控制。程序模块的示例是执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、库等。示例实施例还可以用其它计算机系统配置来实践，包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、个人数字助理、移动电话等。此外，示例实施例还可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过无线或有线通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以既位于本地又位于远程存储器存储设备中。
在所描述的示例实施例中，微透镜阵列是透镜(例如具有基本相同形状的微尺寸小透镜)的阵列。将认识到的是，透镜阵列可以以规则图案或不以规则图案布置。例如，透镜阵列可以排列成正方形阵列、六边形布置、随机布置等。例如，经由微球的自组装效果形成的透镜阵列可以具有随机布置，而不是规则图案。
在所描述的示例实施例中，透镜阵列中的透镜的形状可以是圆柱形、非圆柱形、球面、非球面、圆形、正方形、矩形、六边形或其它用户指定的形状。
在所描述的示例实施例中，透镜阵列中的每个透镜的尺寸范围可以从大约1μm到大约5000μm。
在所描述的示例实施例中，透镜阵列中透镜的材料基本是透明的并且可以包括但不限于塑料、玻璃、石英、钽、硒化锌(ZnSe)、硅、氟化钙或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
在所描述的示例实施例中，虽然描述了相同的透镜阵列被用于将穿过其中的入射电磁辐射引导至样本表面并将散射电磁辐射从样本引导至光谱仪，但是示例实施例不限于因此。将认识到的是，在用于执行样本的光谱分析的系统和方法中可以使用多于一个透镜阵列。例如，可以提供第一透镜阵列以将穿过其中的入射电磁辐射引导至样本的表面，可以提供第二或附加透镜阵列以将来自样本的散射电磁辐射引导至光谱仪。
本领域技术人员将认识到的是，在不背离如广泛描述的本发明的范围的情况下，可以对具体实施例进行其它变化和/或修改。例如，在本文的描述中，不同示例实施例的特征可以跨不同的示例实施例混合、组合、互换、合并、采用、修改、包括等等。因此，本实施例在所有方面都应当被认为是说明性而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于对样本执行光谱分析的系统，该系统包括，
与样本的表面相邻定位的透镜阵列，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，
并且其中透镜阵列还被配置为引导入射电磁辐射穿过其中以形成多个入射电磁辐射，所述多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
2.如权利要求1所述的系统，其中透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且
其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
3.如权利要求1所述的系统，其中透镜阵列被配置为接触样本的表面；或被配置为距样本的表面不超过1000μm定位。
4.如权利要求1所述的系统，其中透镜阵列包括焦平面，使得样本的表面被布置为基本平行于焦平面。
5.如权利要求1所述的系统，还包括被配置为发射入射电磁辐射的单色电磁波发射器，其中入射电磁辐射具有选自紫外、可见或红外光谱的频率。
6.如权利要求5所述的系统，其中透镜阵列还被配置为将来自样本的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元，所述散射电磁辐射包括从样本反射或散射的辐射。
7.如权利要求6所述的系统，其中散射电磁辐射包括Raman信号，与入射电磁辐射的频率相比，所述Raman信号具有更高或更低的频率。
8.如权利要求7所述的系统，还包括光学组件，所述光学组件被配置为将来自发射器的入射电磁辐射朝着透镜阵列引导，该光学组件还被配置为将来自透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
9.如权利要求8所述的系统，其中光学组件包括，
分束器，被配置为接收来自发射器的入射电磁辐射并将其朝着透镜阵列反射，所述分束器还被配置为将来自透镜阵列的散射电磁辐射反射到光谱仪的检测器单元；
滤波器，被配置为从散射电磁辐射中滤除具有与入射电磁辐射基本相同频率的电磁波；以及
聚焦透镜，被配置为将散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
10.一种对样本执行光谱分析的方法，该方法包括，
将透镜阵列定位成与样本的表面相邻，使得入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，
引导入射电磁辐射穿过透镜阵列以形成多个入射电磁辐射，使得所述多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
11.如权利要求10所述的方法，其中透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且
其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
12.如权利要求10所述的方法，其中将透镜阵列定位成与样本的表面相邻包括使透镜阵列接触样本的表面，或将透镜阵列定位在距样本的表面不超过1000μm处。
13.如权利要求10所述的方法，还包括将透镜阵列定位成使得样本的表面基本平行于透镜阵列的焦平面。
14.如权利要求10所述的方法，还包括从单色电磁波发射器发射入射电磁辐射，其中入射电磁辐射具有选自紫外、可见或红外光谱的频率。
15.如权利要求14所述的方法，还包括将穿过透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元，其中散射电磁辐射包括从样本反射或散射的辐射。
16.如权利要求15所述的方法，其中散射电磁辐射包括与入射电磁辐射的频率相比具有更高或更低频率的Raman信号。
17.如权利要求16所述的方法，还包括提供光学组件以将来自发射器的入射电磁辐射朝着透镜阵列引导，并将来自透镜阵列的散射电磁辐射引导至光谱仪的检测器单元。
18.如权利要求17所述的方法，还包括，
接收来自发射器的入射电磁辐射并将其朝着透镜阵列反射；
将来自透镜阵列的散射电磁波辐射反射到检测器单元；
过滤散射电磁波辐射以从散射电磁波辐射中滤除具有与入射电磁波辐射基本相同波长的电磁波；以及
将过滤后的散射电磁辐射聚焦到光谱仪的检测器单元中。
19.一种用于对样本进行光谱分析的系统的附件，该附件包括，
透镜阵列，被配置为定位成与样本的表面相邻，使得用于照射样本的表面的入射电磁辐射在照射样本的表面之前穿过透镜阵列，并且
其中透镜阵列还被配置为引导入射电磁辐射穿过其中以形成多个入射电磁辐射，所述多个入射电磁辐射中的每一个照射样本的表面上的不同聚焦斑。
20.如权利要求19所述的附件，
其中透镜阵列包括部署在支撑层上的多个透镜，并且
其中支撑层是基本刚性的层，或被配置为基本符合样本的表面的基本柔性的层。
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