暗場化學成像的方法和設備的製作方法

2023-04-23 16:34:11 2

專利名稱：暗場化學成像的方法和設備的製作方法
暗場化學成像的方法和設備技術領域0001本發明涉及暗場化學成像的方法和設備。
背景技術：


圖1是按照本發明一個實施例的設備示意圖；[(H)12I圖2是按照本發明另一個實施例的設備示意圖；[00131圖3表示利用按照本發明一個實施例的方法和設備產生的樣本喇曼圖像；和[0014圖4表示從圖3所示苯二甲酸聚乙烯(polyethylene naphthalate)的超光語圖像中提取的喇曼光語。
具體實施方式
00151本發明的各個實施例提供低成本的光學裝置和特別適用於 光譜成像系統的方法，其中藉助於提供較高的光傳輸並結合成像裝置 的高收集效率和減小的散射。與按照本發明原理公開的設備比較，常 規的透鏡物鏡是較複雜和成本高。由於被觀察樣本的顏色和解析度是 由可調諧濾波器和成像監測器的解析度確定，該系統不需要利用普通 顯微鏡中使用的常規高解析度和低像差透鏡。的確，較簡單的低分辨 率/像差透鏡可以設計成有較大的數值孔徑以提高系統的處理能力(光 傳輸和收集效率)，與此同時提供與常規系統相同質量的解析度。00161用於照射樣本的輻射不需要傳輸通過普通顯微鏡或宏視鏡 的光學系統。它可以從樣本的下側進行照射。這可以導致入射激勵光 子有減小的內部散射和衰減。光學系統之外照射光源定位還能夠實現 較簡單的低功率/低成本照射源以及低成本集成幾個照射源進入一個 系統。[0017I例如，在微喇曼光譜術中，照射光束和顯微鏡聚焦到衍射 受限光斑上，用於收集喇曼散射光。相同的成像系統也可用於全視場 喇曼成像。這種儀器配置已證明光學效率低和成本高。由於雷射傳數 和喇曼散射光收集的組合光損耗可以嚴重限制喇曼化學成像應用的數 目。發生光學低效率是由於當入射的雷射強度遠遠高於喇曼散射光時， 必須光譜分開相關的光信號與入射的雷射。所以，被檢測的喇曼信號 被大大地減小了 ，因為必須從光語和角度上分開這個信號。[0018圖1是按照本發明一個實施例的設備示意圖。圖1的設備 能夠在各种放大率下提供用於成像低光強度的高效光處理能力。參照 圖1，樣本100放置在基片105上。基片105可以是任何普通顯微鏡 的載物片或用於接受和任選地固定樣本100的其他裝置。[00191光源110的作用是給樣本100提供入射光。光源110可以 包括任何常規的光子源，例如，雷射器，LED和其他紅外或近紅外裝 置。還可以選取這樣的光源110，它提供樣本的倏逝光照射。在一個 實施例中，光源的波長是在15-25 cm"的範圍內。參照圖1，應當注 意，光源110的位置是給樣本IOO提供傾斜的入射光，而不是光垂直 照射到樣本100上。換句話說，用於照射樣本的輻射不需要傳輸通過 常規顯微鏡(或宏視鏡)的光學系統；相反，它可以從樣本之上或之 下傾斜地照射樣本。光子束112被反射鏡115接收並偏轉通過透鏡 120。任選地，透鏡120可用於聚焦光到樣本100。或者，在不需要反 射鏡115的情況下，光子束112可以被引向樣本100。[0020到達樣本100的光子束112中許多光子被該樣本吸收或在 到達該樣本之後發生散射。散射光子是用光束116和118表示，而光 譜反射的光子是用光束114表示。光子發出的發光也是用光束118表 示。光學透鏡125的作用是接收發射和散射的光子束116和118。術 語'發光，通常用於包括寬範圍的光學過程，例如，螢光，磷光，光致 發光，場致發光，化學發光，聲致發光，熱致發光，以及甚至升頻轉 換型發光。光學透鏡125可用於收集和聚焦被接收的光子束。這包括 收集和聚焦偏振光子和非偏振光子。 一般地說，樣本的尺寸確定光收 集光學透鏡125的選取。例如，顯微鏡透鏡可用於分析亞微米至微米 樣本。對於較大的樣本，可以使用宏透鏡。光學透鏡125(以及透鏡 120)可以包括有較大數值孔徑的簡約解析度/像差透鏡，從而提高系 統的光處理能力和效率。[00211反射鏡130的作用是引導發射或散射的光子束118到可調 諧濾波器140。應當注意，放置反射鏡130是任選的，且在可調諧濾 波器放置在樣本100之上的某些配置中，反射鏡可能不是必需的。0022雷射帶阻濾波器135可以放置在可調諧濾波器140之前， 用於濾出用光束116表示的散射照射光並用於優化系統的性能。換句 話說，帶阻濾波器135能夠光鐠濾波照射波長下的光。為了實現最佳 的性能，計算機可用於控制圖1中所示的任何光學裝置，其中包括透 鏡(120, 125， 135)，反射鏡(115， 130)和可調諧濾波器140。[0023包括液晶可調諧濾波器("LCTF")和聲光可調諧濾波器 ("AOTF")的常規可調諧濾波器(包括電光可調諧濾波器)可用於 擴展本發明的原理。電光濾波器(或可調諧濾波器)允許特定波長或 波長範圍的光傳輸通過作為圖像，它取決於控制器(未畫出)對該裝 置的控制信號。可以傳輸通過可調諧濾波器140的波長是在200 nm(紫外光)至2000 nm (即，遠紅外光)的範圍內。波長的選擇取決於所 需的光學區和/或被分析樣本的性質。[0024I圖像傳感器145可以是數字式裝置，例如，二維圖像焦平 面陣列("FPA")。用於描述相關樣本特徵的光學區控制FPA檢測器 的選擇。例如，矽電荷耦合器件("CCD")檢測器可用於可見光波長 螢光和喇曼光諉成像，而砷化鎵(GaAs )和砷化鎵銦(GalnAs ) FPA 檢測器可用於近紅外波長的圖像分析。這種裝置的選擇取決於被分析 的樣本類型。在利用可調諧濾波器140處理時，圖像傳感器"5產生該樣本整個視場的數字圖像。[0025j圖2表示按照本發明另一個實施例的設備示意圖。更具體 地說，圖2表示具有高處理能力的光學配置，用於成像有各种放大率 的低光強度。收集光學元件類似於圖1所示的收集光學元件，但是照 射是從樣本IOO之下實現的。0026應當注意，在圖1和圖2中，樣本IOO是在傾斜角下被照 射的。具體地說，參照圖2，光子束120和樣本100的平面軸確定傾 斜角。我們發現，通過傾斜照射，可以發生所謂的"暗場喇曼成像"。 與常規的明場喇曼配置不同，暗場喇曼成像可以去耦圖像捕獲光學元 件與激勵輻射的傳遞。因此，可以使入射輻射的內部散射和衰減最小 化。此外，光學系統以外的光源定位還能夠較簡單和低成本地集成幾 個照射源到系統中。這種配置的應用不局限於喇曼和發光成像，而且 還可以成功地應用於常規的光鐠術。0027此處公開的配置特別適用於喇曼成像微流管路或經受變化 的生物樣本。這些變化可以包括下列的各種變化位移，化學相互作 用，化學態變化，相變，生長，收縮，化學分解，化學代謝，和物理 應變。0028圖3表示利用按照本發明實施例方法和設備形成的樣本喇 曼圖像。更具體地說，圖3表示利用按照本發明實施例的單透鏡成像 設備得到在1389 cm"下的苯二甲酸聚乙烯顆粒的喇曼圖像。入射的功 率約為100 mW,它是532 nm波長的光照射到直徑為3 mm的圓形區。 利用有2x2小格子的512x512 CCD積分2.0秒捕獲喇曼圖像。圖4表 示從圖3所示苯二甲酸聚乙烯的超光譜圖像中提取的喇曼光譜。圖4 所示的喇曼光譜基本上沒有在利用常規測試配置時出現的光學噪聲。[00291雖然此處公開的原理是結合以上提供的非專用典型實施 例，但是應當注意，本發明的原理不局限於以上所描述的內容，而可 以包括這些內容的任何置換和改動。
權利要求
1. 一種用於得到樣本的空間準確波長分辨圖像的方法，該方法包括以下步驟提供一個樣本；利用多個光子照射樣本，從而產生該樣本散射的光子；和 通過光學裝置收集散射光子，從而得到該樣本的空間準確波長分 辨圖像，其中照射光子並不傳輸通過光學裝置。
2. 按照權利要求1的方法，其中散射光子包括樣本發射的光子。
3. 按照權利要求l的方法，其中波長分辨圖像包括喇曼圖像。
4. 按照權利要求l的方法，其中波長分辨圖像包括發光發射圖像。
5. 按照權利要求l的方法，其中收集散射光子的步驟包括收 集有預定波帶內的波長的散射光子。
6. 按照權利要求5的方法，其中收集散射光子的步驟包括得到多組散射光子，定波帶中的光子，和其中從每組散射光子中得到該樣本的空間準確波長分辨圖像。
7. 按照權利要求l的方法，其中收集散射光子的步驟發生在預 定的時間間隔內。
8. 按照權利要求6的方法，其中在所述時間間隔內，樣本經歷 選自下列構成的變化組中的變化空間位移，化學相互作用，化學態， 相，生長，收縮，化學分解，化學代謝，和物理應變。
9. 按照權利要求l的方法，其中照射樣本的步驟包括利用相 對於一個平面傾斜一個角度傳輸的光子照射樣本，樣本的取向基本上 是在該平面內。
10. 按照權利要求1的方法，其中散射光子的波長不同於照射光子的波長。
11. 按照權利要求l的方法，其中照射樣本的步驟包括照射 與光學裝置相對著的樣本的一側。
12. 按照權利要求l的方法，其中照射樣本的步驟包括來自 倏逝光源的光子。
13. 按照權利要求l的方法，其中收集散射光子的步驟包括 收集散射的偏振光子。
14. 按照權利要求1的方法，其中收集散射光子的步驟包括 收集散射的非偏振光子。
15. 按照權利要求1的方法，還包括步驟通過光濾波器濾波 被收集的光子。
16. 按照權利要求l的方法，還包括步驟光譜分開被收集的光子。
17. —種用於得到樣本的空間準確波長分辨圖像的系統，包括樣本；光子發射源，利用多個光子照射樣本，從而產生該樣本散射的光子；光學透鏡，用於收集散射光子；濾波器，用於接收收集的散射光子並提供由此形成的濾波光子；和電荷耦合器件，用於接收被濾波的光子並由此得到該樣本的空間 準確波長分辨圖像，其中照射光子並不傳輸通過光學透鏡。
18. 按照權利要求17的系統，其中散射光子包含樣本發射的光子。
19. 按照權利要求17的系統，其中波長分辨圖像包括喇曼圖像。
20. 按照權利要求17的系統，其中波長分辨圖像包括發光發 射圖像。
21. 按照權利要求17的系統，其中收集散射光子的步驟包括: 收集有預定波帶內的波長的散射光子。
22. 按照權利要求21的系統，其中收集散射光子的步驟包括 得到多組散射光子，定波帶中的光子，和' 、5 、 '"、、 、其中從每組散射光子中得到該樣本的空間準確波長分辨圖像。
23. 按照權利要求17的系統，其中收集散射光子的步驟發生 在預定的時間間隔內。
24. 按照權利要求22的系統，其中在所述時間間隔內，樣本 經歷選自下列構成的變化組中的變化空間位移，化學相互作用，化 學態，相，生長，收縮，化學分解，化學代謝，和物理應變。
25. 按照權利要求17的系統，其中照射樣本的步驟包括利用相對於一個平面傾斜一個角度傳輸的光子照射樣本，樣本的取向基 本上是在該平面內。
26. 按照權利要求17的系統，其中散射光子的波長不同於照 射光子的波長。
27. 按照權利要求17的系統，其中照射樣本的步驟包括照 射與光學裝置相對著的樣本的一側。
28. 按照權利要求17的系統，其中照射樣本的步驟包括來 自倏逝光源的光子。
29. 按照權利要求17的系統，其中收集散射光子的步驟包括: 收集散射的偏振光子。
30. 按照權利要求17的系統，其中收集散射光子的步驟包括收集散射的非偏振光子。
31. 按照權利要求17的系統，還包括步驟通過光濾波器濾波被收集的光子。
32. 按照權利要求17的系統，還包括步驟光譜分開被收集 的光子。
33. 按照權利要求17的系統，其中可調諧濾波器包括 一個 或多個光子晶體，反射鏡，固態光學裝置和微機械加工的可調諧濾波 器。
34. 按照權利要求17的系統，其中濾波器是可調諧濾波器。
35. 按照權利要求34的系統，其中可調諧濾波器是光濾波器。
36. 按照權利要求17的系統，還包括插入在光學透鏡與該 濾波器之間的陷波濾波器。
37. 按照權利要求17的系統，其中光子照射源的放置相對於 樣本和濾波器形成的軸成一個角度。
38. 按照權利要求17的系統，其中樣本的一個或多個波長分 辨圖像限定一個喇曼圖像。
39. —種用於形成樣本的圖像的設備，包括 光子發射器，用於發射多個照射光子到樣本；用於從所述多個照射光子中產生散射光子的所述樣本；用於收集散射光子並形成樣本圖像的透鏡；和可調諧濾波器，用於接收被收集的光子， 其中光子發射器，樣本和可調諧濾波器之間有相對的位置，因此， 照射光子與散射光子之間的角度形成傾斜角。
40. 按照權利要求39的設備，其中散射光子包含樣本發射的光子。
41. 按照權利要求39的設備，還包括插入在可調諧濾波器 與透鏡之間的光濾波器。
42. 按照權利要求39的設備，其中透鏡基本上不收集照射光子。
43. 按照權利要求39的設備，其中形成的圖像是喇曼圖像。
44. 按照權利要求39的設備，其中可調諧濾波器是液晶可調 諧濾波器。
45. 按照權利要求39的設備，還包括電荷耦合器件。
46. 按照權利要求39的設備，其中形成的圖像是發光發射圖像。
47. —種用於得到樣本的空間準確波長分辨圖像的方法，該方 法包括以下步驟提供一個樣本；利用多個光子照射樣本，從而產生該樣本發射的光子；和 通過光學裝置收集散射光子，從而得到該樣本的空間準確波長分 辨圖像，其中照射光子並不傳輸通過光學裝置。
48. 按照權利要求47的方法，其中波長分辨圖像包括喇曼圖像。
49. 按照權利要求47的方法，其中波長分辨圖像包括發光發 射圖像。
50. 按照權利要求47的方法，其中收集發射光子的步驟包括 收集有預定波帶內的波長的發射光子。
51. 按照權利要求50的方法，其中收集發射光子的步驟包括 得到多組發射光子，定波帶中的光子，和其中從每組發射光子中得到該樣本的空間準確波長分辨圖像。
52. 按照權利要求47的方法，其中收集發射光子的步驟發生 在預定的時間間隔內。
53. 按照權利要求51的方法，其中在所述時間間隔內，樣本 經歷選自下列構成的變化組中的變化空間位移，化學相互作用，化 學態，相，生長，收縮，化學分解，化學代謝，和物理應變。
54. 按照權利要求47的方法，其中照射樣本的步驟包括利 用相對於一個平面傾斜一個角度傳輸的光子照射樣本，樣本的取向基本上是在該平面內。
55. 按照權利要求47的方法，其中發射光子的波長不同於照 射光子的波長。
56. 按照權利要求47的方法，其中照射樣本的步驟包括照 射與光學裝置相對著的樣本的一側。
57. 按照權利要求47的方法，其中照射樣本的步驟包括來 自倏逝光源的光子。
58. 按照權利要求47的方法，其中收集發射光子的步驟包括 收集發射的偏振光子。
59. 按照權利要求47的方法，其中收集發射光子的步驟包括 收集發射的非偏振光子。
60. 按照權利要求47的方法，還包括步驟通過光濾波器濾 波被收集的光子。
61. 按照權利要求47的方法，還包括步驟光譜分開被收集 的光子。
62. —種用於得到樣本的空間準確波長分辨圖像的系統，包括樣本；光子發射源，利用多個光子照射樣本，從而產生該樣本發射的光子；光學透鏡，用於收集發射的光子；濾波器，用於接收被收集的發射光子並由此提供被濾波的光子；和電荷耦合器件，用於接收被濾波的光子並由此得到該樣本的空間 準確波長分辨圖像，其中照射光子並不傳輸通過光學透鏡。
63. 按照權利要求62的系統，其中波長分辨圖像包括喇曼圖像。
64. 按照權利要求62的系統，其中波長分辨圖像包括發光發 射圖像。
65. 按照權利要求62的系統，其中收集發射光子的步驟包括 收集有預定波帶內的波長的發射光子。
66. 按照權利要求65的系統，其中收集發射光子的步驟包括: 得到多組發射光子，定波帶中的光子、，和 、5 、 ' °' '其中從每組發射光子中得到該樣本的空間準確波長分辨圖像。
67. 按照權利要求62的系統，其中收集發射光子的步驟發生 在預定的時間間隔內。
68. 按照權利要求66的系統，其中在所述時間間隔內，樣本 經歷選自下列構成的變化組中的變化空間位移，化學相互作用，化 學態，相，生長，收縮，化學分解，化學代謝，和物理應變。
69. 按照權利要求62的系統，其中照射樣本的步驟包括利 用相對於一個平面傾斜一個角度傳輸的光子照射樣本，樣本的取向基 本上是在該平面內。
70. 按照權利要求62的系統，其中發射光子的波長不同於照 射光子的波長。
71. 按照權利要求62的系統，其中照射樣本的步驟包括照射與光學裝置相對著的樣本的一側。
72. 按照權利要求62的系統，其中照射樣本的步驟包括來自倏逝光源的光子。
73. 按照權利要求62的系統，其中收集發射光子的步驟包括收集發射的偏振光子。
74. 按照權利要求62的系統，其中收集發射光子的步驟包括收集發射的非偏振光子。
75. 按照權利要求62的系統，還包括步驟通過光濾波器濾波被收集的光子。
76. 按照權利要求62的系統，還包括步驟光譜分開被收集的光子。
77. 按照權利要求62的系統，其中可調諧濾波器包括 一個或多個光子晶體，反射鏡，固態光學裝置和微機械加工的可調諧濾波 器。
78. 按照權利要求62的系統，其中濾波器是可調諧濾波器。
79. 按照權利要求78的系統，其中可調諧濾波器是光濾波器。
80. 按照權利要求62的系統，還包括插入在光學透鏡與濾 波器之間的陷波濾波器。
81. 按照權利要求62的系統，其中光子照射源的放置相對於 樣本和濾波器形成的軸成一個角度。
82. 按照權利要求62的系統，其中樣本的一個或多個波長分 辨圖像限定一個喇曼圖像。
83. —種用於形成樣本的圖像的設備，包括 光子發射器，用於發射多個照射光子到樣本； 用於從所述多個照射光子中產生發射光子的所述樣本； 用於收集發射光子並形成樣本的圖像的透鏡；和 可調諧濾波器，用於接收被收集的光子，其中光子發射器，樣本和可調諧濾波器之間有相對的位置，因此， 照射光子與發射光子之間的角度形成傾斜角。
84. 按照權利要求83的設備，還包括插入在可調諧濾波器與透鏡之間的光濾波器。
85. 按照權利要求83的設備，其中透鏡基本上不收集照射光子。
86. 按照權利要求83的設備，其中形成的圖像是喇曼圖像。
87. 按照權利要求83的設備，其中可調諧濾波器是液晶可調 諧濾波器。
88. 按照權利要求83的設備，還包括電荷耦合器件。
89. 按照權利要求83的設備，其中形成的圖像是發光發射圖像。
全文摘要
本發明一般涉及用於提供樣本圖像的方法和設備。該設備包含用於發射光子到樣本的照射源。發射光子照射樣本或在到達樣本之後發生散射。透鏡收集被散射的光子並傳輸散射光子到可調諧濾波器以形成圖像。從照射源傳輸到樣本的照射光子並不傳輸通過透鏡。
文檔編號G01J3/44GK101124461SQ200580021791
公開日2008年2月13日 申請日期2005年5月6日 優先權日2004年6月30日
發明者戴維·圖謝爾, 梅爾·P·貝克曼, 維斯利·H·哈切森 申請人:凱米映像公司