改进多个拉曼分析仪装置之间的校准传递的系统和方法与流程

1.本公开主要涉及光谱学，并且特别涉及使用光谱参考材料来确保可靠、可重复且准确的结果的设备和方法。


背景技术：

2.诸如拉曼散射(raman scattering)和荧光的诱发辐射效应已成为与分子成分的非破坏性确定相关联的极其有价值的工具。任何拉曼系统都包含三个主要部件：激发源、采样设备和检测器。现代拉曼仪器使用激光作为激发源，使用光谱仪作为检测器，使用显微镜或光纤探针作为采样设备。
3.每个拉曼仪器都具有独特的光谱响应度，使得单个样品的光谱形状和绝对强度在每个仪器上都不同，甚至在同一个仪器上的不同时间也不同。因而，使用例如光谱参考材料来校正拉曼光谱的相对强度的程序变得越来越重要。在该程序中，使用具有已知相对辐照度的强度标准的发光来建立仪器响应函数。然后使用该函数将样品光谱校正为真实的相对拉曼强度。
4.美国国家标准与技术研究院(nist)已经开发了一系列用于校准拉曼强度的标准参考材料(srm)。特别地，nist提供了一类可以作为强度校准光源而与拉曼系统一起使用的荧光玻璃。这些srm玻璃与诸如卤素灯泡(属于一般类别的黑体辐射器)的更传统的校准光源(相比具有一些优势，因为它们不会随时间老化或漂移，不需要电源(因而使其更适合现场工作)，并且允许更直接地校正样品系统光学元件。
5.但是，nist的srm对温度和激发波长敏感。而且，每块srm的光谱分布轮廓(spectral profile)略有不同。因而，每块srm玻璃都必须根据温度和波长进行表征，以获得允许每块都被有效地“归一化”的校正曲线。虽然在理论上，所有实际srm发射光谱，在用于生成那些曲线的相同条件下(即，由nist)测量时，经认证都落入nist文档中公布的不确定带内，但是这些带在整个发射光谱中变化，从而允许大约几个百分比的带形状可变性。为了确保可靠、可重复且准确的结果，有利的是，具有一种系统和方法来确定是否正在使用用于每块srm的正确校正曲线文件，由此实现优于几个百分比的带形状可变性。


技术实现要素：

6.本发明改进了多个拉曼分析仪装置(installation)之间的校准传递，由此在无需依赖于标准参考材料(srm)提供的已公布校准光谱和信息的情况下提高分析仪到分析仪的一致性。即使在不同环境中使用不同设备时，使用本发明也提供了改进程度的分析仪到分析仪的可变性，其基于跨运行相同拉曼分析的多个装置部署在现场生成的srm的实际发射光谱。目标是当在现场分析相同参考样品时实现一致的结果，其精度比公布的srm光谱单独所能提供的精度更高。
7.本发明考虑了影响系统到系统的结果的多种因素，包括：1.srm公布的标准光谱的不确定带内的样品到样品的可变性；2.与表征srm的温度不同时的样品温度；3.照射几何形
状，特别是焦深和数值孔径；以及4.激光激发波长，其灵敏度是所使用的srm的类型的函数。
8.本发明并未实际上调整或校正由nist所公布的srm曲线，而是替代地基于在相同条件下对每块参考玻璃的独立测量，以改进的准确度替换那些曲线。尽管可以通过减法获得该方法关于标准nist曲线赋予的有效“调整”，但是本发明实际上导出了参考材料的独立表征，这可能固有地包含其他考虑因素，诸如照射几何形状。
9.至于诸如温度和/或激光波长依赖性的分析校正，本发明考虑了拉曼校准工具(rct)和相关联的软件的分配和使用，以帮助跨多个分析仪装置的强度校准。使用该模块提供了分析调整，该分析调整基于样品在现场测量的温度与在实验室中表征时的温度。可以使用与nist文档中公布的相同的温度校正变换方程，但是在比nist认证的温度范围更广的温度范围内，其中在更广的温度范围内通过实验证实了改进的温度表征的有效性。
10.总之，本发明通过温度校正、聚焦控制和多源交叉验证提高了拉曼分析仪校准的精度。将校准材料(即，srm)放置在密封体积中，并且将光转接到模块中和传出模块减少了(如果不是消除的话)环境污染和随时间推移的退化。作为又进一步的可替代方案，srm材料可以形成波导或混频棒的一部分，以降低位置灵敏度并提高校准信号电平。
11.一种改进多个拉曼分析仪装置之间的校准传递的方法，包括提供多个标准参考材料(srm)样品的步骤。在工厂控制的条件下，使用相同的测量仪器和测量参数为每个srm样品生成拉曼参考光谱。将至少一个srm样品连同为每个srm样品生成的测量参数和拉曼参考光谱一起提供给多个拉曼分析仪装置中的每一个。在这些拉曼分析仪装置中的相应一个拉曼分析仪装置处分析每个srm参考样品，以生成该srm样品的拉曼校准光谱，并且使用拉曼校准光谱和拉曼参考光谱校准装置处的拉曼光谱仪的强度轴。
12.在优选实施例中，srm样品是现有的荧光玻璃，每个都被提供有所公布的校准光谱。
13.测量参数可以包括在生成拉曼参考光谱时srm样品的温度，在这种情况下，该方法可以包括以下步骤：在生成校准光谱时测量srm样品的温度；以及根据校准期间的样品温度与生成拉曼参考光谱时样品温度之间的差异来校正装置校准。
14.测量参数可以包括用于生成拉曼参考光谱的激光的照射几何形状。例如，激光的照射几何形状可以包括激光在srm样品中的焦深。该方法可以包括以下步骤：在生成校准光谱时测量srm样品的照射几何形状；以及根据校准期间用于照射样品的几何形状与在生成拉曼参考光谱时用于照射样品的几何形状之间的差异来校正装置校准。
15.测量参数可以包括用于生成拉曼参考光谱的激光的波长，由此，该方法可以包括以下步骤：测量在生成校准光谱时用于照射srm样品的激光的波长；以及根据校准期间用于照射样品的激光的波长与在生成拉曼参考光谱时用于照射样品的激光的波长之间的差异来校正装置校准。
16.可以将拉曼参考光谱存储在存储器中或以其他方式存储到正被校准的拉曼分析仪。分析仪然后可以将拉曼参考光谱与在照射srm样品期间由拉曼分析仪生成的校准光谱进行比较，以便基于参考光谱和校准光谱之间的差异来调整拉曼分析仪的强度轴。
17.该方法和系统可以包括将srm样品封装在密封的现场校准器装置中以分配给多个拉曼分析仪装置。现场校准器装置可以包括用于插入温度探针的端口，以在生成校准光谱时测量srm样品的温度。现场校准器装置还可以包括用于插入拉曼探针的端口，以在srm样
品中建立焦点的预定深度。
附图说明
18.参考下面结合附图对本公开的各种实施例的说明，所述实施例和本文包含的其他特征、优点和公开内容以及获得它们的方式将变得显而易见，并且本公开将被更好地理解，其中：
19.图1示出了参考光源和光谱仪的简化示意图，其被配置成使用参考光源对光谱仪进行强度轴响应校准；
20.图2示出了激光和光谱仪的简化示意图，其被配置成使用经校准的光谱仪测量激光的激光波长；
21.图3示出了包括图1和图2的光谱仪和激光的光谱学系统(spectroscopy system)的示意图，其被配置成测量多个标准参考材料样品中的每一个的荧光光谱；
22.图4示出了描绘由光谱仪测量的示例性荧光光谱和示例性温度校正的荧光光谱的曲线图；
23.图5示出了多个拉曼分析仪，该多个拉曼分析仪被配置成使用标准参考材料样品以及标准参考材料样品中的相应一个的经校正的荧光光谱来校准；
24.图6示出了根据本公开的用于该多个拉曼分析仪的协调响应的方法的流程图；
25.图7a示出了包含nist荧光玻璃标准参考材料(srm)的现场校准器模块，以提供用于拉曼仪器和分析仪的强度标准化的工厂表征的光谱输出；以及
26.图7b描绘了包括温度探针插入的图7a的现场校准器模块，以在校准程序期间测量srm的温度。
具体实施方式
27.现在将结合示出实施例的附图来呈现和/或讨论本公开的各种实施例。应理解，本公开内容的范围并非旨在限制。
28.本公开描述了一种用于确保拉曼分析仪的准确性的系统和方法，包括协调多个拉曼分析仪部署的响应，特别是针对类似的过程分析。本公开可以应用于多种不同类型的光谱仪和/或分析仪中的任何一种，其中每一个通常可以包括或利用产生光谱的发射源、准直和分散光谱的光学系统以及测量发射线强度的检测装置。本文中提供的实施例无意以任何方式限制本发明。
29.现在参考图1，其中示出了参考光源12和光谱仪14的简化示意图10。还示出了信号处理器16，其可以与光谱仪14集成或不与光谱仪14集成。参考光源12可以是任何专用的、稳定的且校准的光源。光谱仪14可以包括用于记录和测量光谱的各种部件。信号处理器16可以包括为光谱处理提供各种选项的软件。参考光源12、光谱仪14以及信号处理器16可以用于校准光谱仪14对参考光源12的强度轴响应。为了校准光谱仪14，可以将校准数据内插并应用于被测光谱，以去除系统响应。
30.在曲线图18上示出了由参考光源12、光谱仪14和信号处理器16产生的示例性光谱20，以及对应于参考光源12(诸如由nist提供的)的预定光谱分布轮廓22。可以对光谱仪14进行校正，以基于示例性光谱20与预定光谱分布轮廓22的比较来校准强度轴响应，或者可
以基于该比较生成校正曲线(未示出)以供与光谱仪14一起使用。强度校准的主要目标是校准y轴，从而允许光谱仪14独立于系统的光谱响应来检测和分析样品或光源。
31.参考图2，其中示出了包括激光32以及光谱仪14和信号处理器16的简化示意图30。激光32是示例性装置，该激光通过基于电磁辐射的模拟发射的光学放大过程来发射光。根据图2的图30，可以将激光32、经校准的光谱仪14和信号处理器16配置成使用经校准的光谱仪14来测量激光32的激光波长34。
32.示例性光谱学系统40在图3中示出，并且通常包括激光32、样品42、温度测量装置44、衍射光栅46、检测器48以及信号处理器16。经校准的光谱仪14可以由样品42的检测器支架、温度测量装置44、衍射光栅46、检测器48以及信号处理器16表示。如上所述，经校准的光谱仪14的强度轴响应已经针对参考光源12进行过校准，并且已经使用光谱仪14测量了激光32的激光波长34。
33.样品42可以是多个标准参考材料样品42a、42b和42c中的一个，它们具有样品到样品的变化，从而使用光谱学系统40进行分析。根据示例性实施例，标准参考材料样品42a、42b和42c可以包括nist可追踪的发光材料，诸如荧光srm玻璃片。在一些情况下，标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个可以设置有独特的标准温度和经波长校正的光谱。
34.光谱学系统40可以用于使用经校准的光谱仪14测量多个标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的独特的标准参考材料荧光光谱50，如曲线52所示，其中该标准参考材料荧光光谱是由激光32在激光波长34下诱发的。激光32和经校准的光谱仪14可以通过受控的激发/收集数值孔径和焦点位置与该多个标准参考材料样品42a、42b和42c接合，代表将用于使用该多个标准参考材料样品42a、42b、42c对多个拉曼分析仪进行现场校准，如下所述。
35.光谱学系统40还可以包括温度测量装置44，该温度测量装置44被定位并配置成在使用光谱学系统40对标准参考材料样品42a、42b和42c中的一个进行分析时测量该标准参考材料样品42a、42b和42c中的一个的温度。特别地，当光谱学系统40正在测量相应的标准参考材料样品42a、42b和42c的荧光光谱50时，可以测量每个标准参考材料样品42a、42b和42c的温度。然后，可以基于相应的温度来校正标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的荧光光谱50。例如，并参考图4的曲线图60，可以基于标准温度(诸如通过使用先前表征的荧光光谱62的温度依赖性)将标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的荧光光谱62调整为经校正的荧光光谱64。
36.接下来，标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个可以部署在多个现场校准器装置70a、70b和70c中的一个中，如图5中所示，以便校准多个拉曼分析仪72a、72b和72c。根据一个实施例，现场校准器装置70a、70b和70c中的每一个可以包括标准参考材料样品42a、42b和42c中的一个、温度测量装置以及光机接口，其中该光机接口确保在相应的标准参考材料样品42a、42b和42c中的相应的拉曼分析仪72a、72b和72c的收集探针的公共焦深。
37.每个拉曼分析仪72a、72b和72c可以包括或使用：在激光波长下操作的相应的激光74a、74b和74c；支持标准参考材料样品42a、42b和42c中的一个的现场校准器装置70a、70b和70c中的一个；光谱仪76a、76b和76c；以及信号处理器78a、78b和78c，包括存储器80a、80b和80c。存储器80a、80b和80c可以存储经校正的荧光光谱86a、86b和86c。
38.由拉曼分析仪72a、72b和72c产生的校准光谱84a、84b和84c在图5的曲线图中连同
相应的标准参考材料样品42a、42b、42c的经校正的荧光光谱86a、86b和86c一起示出。根据本发明，使用光谱84a、84b和84c以及相应的标准参考材料样品42a、42b和42c的经校正的荧光光谱86a、86b和86c来校准拉曼分析仪72a、72b和72c。即，可以基于光谱84a、84b和84c与经校正的荧光光谱86a、86b和86c之间的差异来校正拉曼分析仪72a、72b和72c。
39.根据一个实施例，可以在校准拉曼分析仪72a、72b和72c期间测量标准参考材料样品42a、42b和42c的校准温度。可以基于校准温度来校正相应的现场校准器装置70a、70b和70c的标准温度谱。
40.根据另一实施例，可以测量拉曼分析仪72a、72b和72c的校准波长，并且可以基于校准波长来校正相应的现场校准器70a、70b和70c的标准激发波长谱。
41.如果标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个设置有独特的标准温度和经波长校正的光谱，则可以测量拉曼分析仪72a、72b和72c的校准波长，并且可以基于校准波长和相应的标准参考材料样品42a、42b和42c的独特的标准温度和经波长校正的光谱，来校正相应的现场校准器装置70a、70b和70c的独特标准参考材料样品荧光光谱。
42.下面参考图6的流程图90叙述上述方法。该方法包括在框92处的校准光谱仪14对参考光源12的强度轴响应的步骤。特别地，将由参考光源12产生的光谱20与对应于参考光源12的预定光谱分布轮廓22进行比较。光谱20和预定光谱分布轮廓22之间的差异用于调整或校正光谱仪14的光谱响应。该方法还包括在框94处的使用光谱仪14测量激光32的激光波长34的步骤，其中，激光32代表部署的拉曼分析仪72a、72b和72c中的激光。
43.然后，在框96处，该方法包括使用光谱仪14测量多个标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的由激光32在激光波长34下诱发的荧光光谱50的步骤。该方法还包括在测量荧光光谱50的步骤期间测量标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的温度的步骤(框98)，和基于相应的温度来校正标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个的荧光光谱50的步骤(框100)。
44.之后，在框102处，该方法包括在多个现场校准器装置70a、70b和70c中的一个中部署标准参考材料样品42a、42b和42c中的每一个。该方法进一步包括在框104处的使用现场校准器装置70a、70b和70c中的一个以及相应的标准参考材料样品42a、42b和42c的经校正的荧光光谱86a、86b和86c来校准拉曼分析仪72a、72b和72c中的一个的强度轴的步骤。
45.如上所述，每个光谱仪、光谱学系统或分析仪都具有独特的光谱响应，该光谱响应受到沿着光路的光学元件(例如，透镜、反射镜和/或检测器)引起的光谱修改的影响。因而，应当校准用于光谱分析的光谱仪，诸如通过使用光谱参考材料校准。即，光谱仪可以收集穿过具有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。这种校准对于获得设备到设备一致的结果很重要。但是，光谱参考材料中可能存在样本到样本变化以及其他可能导致设备到设备结果不一致的因素。
46.为了帮助分析仪到分析仪校准，本发明的设备方面包括被配置成用于在现场分配和使用的拉曼校准工具(rct)。当与附带的校准协议(包括本文中所述的那些协议)结合使用时，rct允许对不同的仪器进行标准化，使得它们在测量给定样本时生成强度方面的精确光谱。因而，“标准化”是指使用辐射测量手段对个别分析仪的相关性能进行归一化(normalize)的过程，使得光谱模型以及化学模型可以传递到多个分析仪。
47.图7a是包含nist荧光玻璃标准参考材料的rct的图，提供了用于拉曼仪器和分析
仪的强度标准化的工厂表征的光谱输出。与标准化过程相关联的每个拉曼激发波长都需要波长特定的srm。例如，srm-532用于534.5nm(纳米)至694.0nm；srm-785：790.7nm至1074.5nm；以及srm-1000：1012.6nm至1304.6nm。
48.rct装置的上部具有用于插入拉曼探针的端口，rct装置的下部(未示出)具有指示内部变色干燥剂的状态的窗口。标准rct与1/2”(英寸)探针尖端接合，但是可以将该模块设计成可替代尺寸。提供干燥剂湿度指示器以避免设置在外壳内的荧光玻璃退化。
49.rct的上部和下部能够关于彼此旋转，以便为该单元选择四种不同模式中的一种。模式选择是通过以下方式完成，将单元的两个部分稍微拉开并且使该两个部分相对于彼此旋转直到模式选择箭头指向下列模式中的一个：
50.store(收起)：该模式将防尘罩移动到位以保护探针或rct校准附件；
51.load(装载)：该模式用于将单元装载到探针上，直到它在距离参考材料固定的预定距离处触底为止；
52.cal(校准)：calibrate模式用于将荧光玻璃实际呈现给探针；以及
53.bg(背景设置)：background设置使得rct能够捕捉探针的背景信号，以在对仪器进行标准化时考量探针到探针的背景变化。
54.图7b示出了具有插入到装置700中的温度测量探针710的rct，以在校准过程期间确定nist玻璃的温度。
55.向每个rct提供源光谱文件(ssf)，该ssf描述了在探针尖端与nist srm接触时测量的装置的相对光谱输出。用于操作kaiser分析仪的软件被配置成在仪器标准化过程中直接读取装置的ssf。ssf是相对的而不是绝对的，使得使用rct仅仅校正测得的光谱的归一化形状，而不是绝对幅度。尽管如此，但强度标准化过程仍校正仪器到仪器的响应变化，包括去除由响应于单个ccd检测器的像素到像素变化所引起的固定样式的“噪声”；由于光学部件引起的信号强度的光谱变化，以及光谱仪中使用的ccd相机的量子效率的光谱变化。
56.推荐的校准/资格顺序总结如下：
57.1波长校准(氖标准)
58.2强度校准/标准化(强度标准)
59.3探针背景标准化(探针bg)
60.4激光波长校准(拉曼位移标准)
61.5校准资格(拉曼位移标准)
62.本文所述的系统和方法可用于使荧光玻璃光谱参考材料归一化，以协调多个过程拉曼分析仪部署的响应，以进行类似的过程分析。当部署荧光玻璃光谱参考材料的多个样品时，可以通过测量和校正样品到样品的可变性来获得改进的校准传递或精度。使用本文所述的系统和方法来应对该样品到样品的变化。
63.尽管在本文中已经相当详细地描述了包括系统和部件的光谱仪的特定实施例，但是这些实施例仅是作为本文所述的公开的非限制性示例提供的。因此，应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变和修改，并且可以对其元件和步骤进行等效替换。事实上，本公开并非旨在穷举或限制本公开的范围。
64.此外，在描述代表性实施例时，本公开可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤顺序。但是，就方法或过程不依赖于本文阐述的特定步骤顺序而言，方法或过程不应限于
所述的特定步骤顺序。其他步骤顺序也是可能的。这样的顺序可以变化并且仍然保持在本公开的范围内。因此，本文公开的步骤的特定顺序不应被解释为对本公开的限制。