专利名称：通过光漂白减少来自混浊介质的散射的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种方法，借此可通过对导致混浊介质内的折射指数不均匀性的 物质进行光漂白来减少所述介质中的光学散射。
背景技术：
在许多重要应用中，用光照射样本，且从透射、反射、弹性散射的辐射和/或非弹性 散射的辐射确定与所述样本的组分相关的信息。如果需要确定深深嵌入在所述样本中的 物质的浓度，那么过量弹性散射的存在可能会呈现无法克服的困难。在此类情况下，入 射辐射将在样本中散开，从而在所述过程中损失强度。另外，源于所述样本中例如荧光 或拉曼散射等非弹性过程的光将从起源点散开，从而在离开表面之前在穿过混浊介质时 损失强度。
前述过度散射现象在光谱学中引起实践问题。明确地说，辐射的扩展使得有必要与 在不存在散射时将为必要的相比对具有显著更大的径向尺寸的源进行成像，以便收集所 需辐射的较大部分。对于具有固定焦距的收集光学器件，在所收集辐射的角度分布中将 存在扩展，所述扩展与正被成像的光点的径向尺寸成比例。对于许多波长鉴别方法来说 根本的是，无法区别以相同角度入射的不同波长与以不同角度入射的相同波长。设备不 能够区别角度偏差与波长偏差。结果，入射在分光仪上的较大角度扩展相应地降低了仪 器的分辨率。
或者，为了维持光谱分辨率，可选择增加收集光学器件的焦距以限制角度扩展，然 而，如果想要保持收集效率，那么必须相应地按比例增加光学器件的直径。可容易展示,也必须按比例扩大分光镜仪器中的光学器件。因此，整个系统的大小和成本升高了。
在对此问题的又一方法中，可将视场划分为多个面元(其每一者具有较小的角度扩 展)，且用多重此类射束照射多个分光仪。再次，系统的大小和成本将相应地与此类面 元的数目成比例地升高。
所述问题在所关注的散射过程相对于非所要弹性散射来说相对微弱的情形下尤其 重要。此情况的实例是具有拉曼散射，所述拉曼散射可用于激发分子的振动性振荡，其 散射光谱可接着用于确定所关注分析物的浓度。拉曼散射是特别微弱的过程。为了在合 理的获取时间获得良好的信噪比，非常需要收集尽可能多的散射辐射。但是，不需要大 体上降低分光镜装备的分辨率。这在存在非所要辐射的较大宽带背景时尤其重要，如在 来自样本的荧光比所关注的拉曼光谱大得多的情况下通常如此。
所述问题的最佳说明可用例如人类皮肤等生物样本来进行。所关注的分析物可主要 存在于某有效深度处。作为实例，如果需要非侵入性地分析血液中的物质浓度，那么使 用具有相当大直径的血管是有用的，但此类脉管在大多数地方存在于大约2 mm的深度
处。另一方面，在显著小于2mm的深度处通常发生非常大的散射。以血管为目标的辐 射将在向下穿透到脉管时受到散射，且来自血液的所需散射辐射将在从皮肤出射之前受 到进一步散射。为了有效收集所述辐射，可能有必要对半径为约1到2 mm的区域进行 成像。如果需要良好的波长分辨率，例如大约lnm，且如果进一步需要良好的角度收集 效率(例如大约f/1.4)，那么可能有必要使用直径为若干英寸的光学器件。此类光学器 件尤其不适用于需要装置为便携式或由对象穿戴的情况。
发明内容
本发明解决这些和其它限制，其中有利地使用将大体上结合物质的吸收和散射性质 的物理机制以通过选择性的光漂白过程减少散射。当样本暴露到光学辐射时产生光漂 白，且所诱发的光化学改变造成对入射辐射的吸收的减少。另外，基于观测到在任何线 性耗散电磁系统中依据光学频率而变的折射指数的虚部的变化必须伴随所述指数的实 部的变化而展示在吸收与散射之间应存在某种关系。预期弹性散射与指数的实部的统计 波动相关。众所周知的是吸收直接与折射指数的虚部相关。因此证实，通过使用光漂白 修改物质总体的吸收性质，有可能造成此样本的弹性散射的实质改变。
在本发明的一个方面中，同时使用用于通过非弹性散射过程产生有用的分析物光谱 的光源以通过光漂白诱发样本的弹性散射的减少。
在本发明的第二方面中，有利地使用具有不同波长的光源以对样本进行光漂白，同时使用第二光源以通过非弹性散射过程产生分析物的光谱。
在本发明的又一方面中，在激发用于产生分析物光谱的源之前激发用于光漂白的光 源，使得由产生光漂白的源产生的荧光在正搜集分析物光谱时不存在。
为了描述其中可获得本发明的上述和其它优点及特征的方式，将通过参考在附图中 说明的其具体实施例来再现对上文简要描述的本发明的更明确描述。在了解到这些图式 仅描绘本发明的典型实施例且因此不应视为限制其范围的情况下，将通过使用附图以额 外特性和细节描述和解释本发明，在附图中
图1 (现有技术)是光学散射设备的图，其中说明样本中的过量散射的影响。 图2说明用于线性耗散电磁系统的材料的敏感性的实部与虚部之间的关系。
图3是作为时间函数的在从照射波长M移位到光谱红光侧的特定波长、F下来自人 类皮肤的荧光发射的曲线图。对于此实例，M等于785 nm。
图4是本发明的一个实施例的方框图，其中使用单个光源来用于光漂白和分析物光 谱的产生。
图5是本发明的另一实施例的方框图，其中使用两个相异光源来用于光漂白和分析 物光谱的产生。
具体实施例方式
在图1中，呈现对应于现有技术的情形。其中分布有所需分析物的样本介质20是 显著混浊的。在吴军(Jun Wu)、迈克尔.S.菲尔德(Michael S. FeW)和理査德R拉瓦 (Richard P. Rava)的"用于提取混浊介质中的本征荧光的分析模型(Analytical Model for Extracting Intrinsic Fluorescence in Turbid Media)"(应用光学，第32巻，第19号，第 3589页，1993年7月1日)中对此情形作分析上的考虑，所述文献以引用的方式并入 本文中。来自此类介质的散射具有两个有害影响。在一个实例中，在分析物所驻存的区 域22中产生且由所述分析物产生的光子由于介质20中的过量散射的缘故而不被收集 80。还展示收集不合需要的光子100,其起源于不存在所需分析物的深度21且仍然被收 集。在不存在散射的情况下，将有可能使透镜10聚焦在所需区域22上，且起源于远离 焦点的位置处的光子将不太可能被收集。由于存在散射，不可能有效排除这些光子。在 存在其光谱干涉所关注分析物的光谱且驻存在所关注区域外部的物质的情况下，有利的 是排除这些光谱。在具有较低散射的介质中且在干涉物质驻存在不同于分析物的体积的体积中的情况下，有可能通过聚焦来实现此结果，但当散射过量时，此能力受到损害。 为了理解优选实施例的恰当设计，首先有用的是为光漂白对散射的影响创建理论框架。
分析的起点是克拉茂-克朗尼希关系(Kramers-Kronig relations),其处理可参见由 A.亚里夫(A. Yariv)编著的"现代通信中的光电子学(Optical Electronics in Modern Communications)"(第5版，牛津大学出版社，1997年，第171页)，且更详细地说， 参见附录A，其以引用的方式并入本文中。
克拉茂-克朗尼希关系可写为
<formula>formula see original document page 8</formula> (1)
且
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中x'(co)是作为光学频率①的函数的电极化率的实部，x"(co)是电极化率的虚部, 且P.V.是随后积分的柯西主值。
可如下将样本的吸收系数Y(CO)与电极化率的虚部联系起来
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
其中ii是介质的折射指数。还可如下将折射指数的实部的改变An与电极化率的实 部联系起来
<formula>formula see original document page 8</formula> (4)
等式(1)到(4)适用于广泛范围的线性耗散电磁介质。有启发性的是考虑传播穿 过原子介质的单色波的简单情况，其中在层级2中具有每单位体积N2个原子，且在层级1中具有每单位体积N,个原子，N2〈N,，使得介质将为吸收性的。考虑洛伦兹线形 状的情况，针对所述情况可展示为
x =——^——^--^-^
w、加 4;r+(w-w。)-r (5)
其中c是光在真空中的速度，^。w是自发性发射寿命，co。是洛伦兹共振频率，且" 2/Av，其中Av是洛伦兹线宽。
等式(5)主要在0d c0o的范围中有效。在此情况下，等式(1)产生
乂(必)-W-，)cy 对必-必。) (6)
3n7v 4;r2 + (必一fi 。)2一
参看图2，其展示在标准化为虚数极化率的最大值(x"max，在co-co。处出现最大 值)的情况下电极化率的实部和虚部两者的曲线图。图2中的横坐标是(co-co。)t的无量纲 单位。可以看到，对于频率>(0。，指数的实部的作用是负的，且对于频率<。。，作用是 正的。这些函数的大体形状将保留用于任何线性耗散共振系统。如果存在多种拥有不同 共振的物质，那么结果将为加性的。
其中非弹性散射过程引起相对于激发源的频率红移的光谱的情况尤其重要。如果存 在吸收物质的集合体，那么每一者将在比激发波长长的波长下有助于电极化率的实部的 升高，且因此作用于折射指数的实部。致使吸收改变的任何机制将对折射指数的实部具 有对应影响。光漂白恰好是此类机制，其中与被漂白的物质相关联的吸收随时间减小。
折射指数的实部的不均匀性将引起光学辐射的散射。 一般来说，散射的量值将縮放 为(m-no)2，其中m是介质中的不均匀性指数，且no是介质的平均指数。吸收辐射的分 子可局限于生物组织中的特定结构中。实例将是血红蛋白局限于红细胞上。这些吸收性 物质所局限的区域可具有大于或小于介质的平均指数的折射指数。有用的是考虑不同情 况。第一实例是在不存在吸收性物质的情况下进行评估时吸收性物质所局限的区域的指 数将高于或等于介质的平均指数的情况。如果存在来自吸收性物质的对im的系统性正作 用，那么通过已经描述的机制，散射将进而增加。借助于光漂白实现的吸收减少将接着 导致散射减少，因为将进而减少对指数的实部的正作用。
在第二实例中，考虑到其中吸收性物质所局限的区域的指数小于介质的平均指数的
9情况。在此情况下，由于吸收性物质的存在而引起的指数的系统性增加将致使散射减少， 只要由于吸收引起的增加小于前述区域的指数与平均指数之间的初始差异。
因此看到，有可能通过光漂白增加或减少散射，这取决于所述指数的情形。然而， 在至少一个重要情况下观测到可减少散射。己针对将人类皮肤暴露于近IR激光辐射的
情况报告了此类减少的实例(例如参见史玮权(Wei-Chuan Shi)、凯特.L.贝泰(Kate L. Bechtd)和迈克尔^.菲尔德(Michael S. Feld)的"本征拉曼光谱学改进分析物浓度测 量(Intrinsic Raman Spectroscopy Improves Analyte Concentration Measurements)", 技术 文摘，生物医学光学器#专题会议，3月19到22日，伏特劳德代尔堡F1，论文MC7， 其以引用的方式并入本文中)。
在图3中，针对将皮肤样本暴露于450 mW的785 nm激光辐射的情况呈现作为时 间函数的从照射波长^移位到光谱红色侧的特定波长^下的人类皮肤的荧光。在所述 时期中观测到荧光的大幅减少。假定用吸收縮放荧光，因为吸收是从中产生荧光的机制。 因此，吸收也己随着时间大体上减少。结果，吸收对折射指数的实部的作用也已减少。
在图4中，呈现优选实施例，其中还使用用于非弹性激发所需光谱的激光来对样本 进行光漂白以便改变所述样本内的散射。非弹性激发过程可包括但不限于荧光和拉曼散 射。样本20可由任何材料组合物构成，所述材料组合物含有不均匀地分布在样本20中 的光可漂白物质。举例来说， 一些或全部所关注分析物可能驻存在大于由1/us'给出的样 本的有效弹性散射长度的深度处，其中us'是样本的各向同性散射系数。
在图4中，散射的减少由减小的锥角75表示，所述锥角75由从镜面50反射穿过 透镜10的进入激光束45形成。另外，由非弹性过程产生的光子经历较少散射。在此实 例中，图1中需要但未收集的第二光子120经展示为穿过位于图像平面31处的孔30。 不需要收集的光子100经展示为由所述孔阻挡。改进之处是散射减少的结果。受到光漂 白的区域75对应于主要限制激光束能量的区域。随着散射下降，射束的锥角将消失且 区域将变得越来越小，从而使得所述体积中的漂白越来越完整。
、 图4的实施例说明当样本具有以下性质的情况，其中介质的折射指数的实部的平均 值小于吸收所局限的区域的折射指数的实部，且其中后者指数是在不存在吸收性物质的 情况下评估的。在此情况下，通过光漂白引起的吸收减少将通过减少散射来实现。
当样本包含人类皮肤时，发现具有直径近似1 mm的光点形式的785 mn下的约450 mW光学功率的照射可产生有用的漂白。随着漂白与功率密度一起縮放，较小或较大光 点将分别需要减少或增加的功率以便以相似速率进行漂白。
在又一优选实施例中，用于光漂白的光源和用于非弹性激发所需光谱的源是不一样的。此布置的示意图在图5中呈现。当所述源相异以针对每一者选择不同的发射波长时， 这是有可能的。在特别优选的实施例中，用于漂白的源的波长经选择为短于用于光谱激 发的源的波长。在许多例子中预期，漂白将在较短波长下更有效进行，因为光子的能力 将较大。在一个实施例中，用于光漂白的源与用于非弹性激发所需光谱的源之间的发射 波长的差异在以波数表达时大于1000 cm—、发明人已观测到，人类皮肤在670 nm下的 漂白比在光谱区830到960nm中的830 nm下的漂白有效大约三倍。结果，以1 mm直 径的光点使用100mW的670nm辐射的照射可在人类皮肤中提供有用等级的漂白。
在一些实例中，有可能使用所述两个源，使得两者均可产生有用的光谱，且一者或 两者还将执行漂白。在人类皮肤的拉曼光谱学中找到良好实例，其中需要不仅确定一种 或一种以上分析物的浓度，而且还需要确定所存在的水的量。在约3400 cm"的波数下 方便地测量水，然而，其它分析物的光谱通常处于小得多的波数(对于人类皮肤最典型 的是300到1700 cm—"。结果，如果使用相同源来测量分析物的光谱线和水的光谱线两 者，那么水线可能位于经优化以用于观测其它分析物的单个光谱仪的光谱范围外部。然 而，如果针对漂白源选择较短波长，那么所述源还可用于将水线移位到光谱仪的范围内。 这是因为拉曼光谱发生在相对于激发源的固定间隔处，且因此，激发源的波长的移位将 对应地移位拉曼光谱的波长。当然，相同原理可应用于除水以外的其它物质，所述物质 具有波数比所关注的其它分析物大的有用拉曼线。
图5中所使用的源150、 160可由光学开关170选择。原则上，光学开关可选择任 一源、两个源或不选择源，且所述概念可延伸到组成进入样本20的光学功率190的任 何数目的源。在此布置的变型中，所述两个源150、 160始终在光学上组合(如同无源 波长多路复用装置)，但任一源或两个源可通过恰当电激发来激发。开关170或无源组 合器可为(例如)自由空间装置，其中在空气中传输光学辐射，或者举例来说，这些可 为光纤装置。
权利要求
1. 一种用于减少来自样本的散射的设备，所述样本包含分析物和非均匀分布的光可漂白物质，所述设备包含用于光漂白的光学辐射源，其用于对所述样本中的所述非均匀分布的光可漂白物质进行光漂白，以诱发所述样本中的弹性散射的减少；用于产生分析物光谱的光学辐射源，其用于通过诱发来自所述样本的非弹性散射而产生分析物光谱；以及光学器件，其收集所述分析物光谱。
2. 根据权利要求l所述的设备，其中所述非弹性散射包含荧光。
3. 根据权利要求l所述的设备，其中所述非弹性散射包含拉曼散射。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述分析物的一些或全部驻存在大于所述样本的 有效弹性散射长度的深度处，其中所述有效弹性散射长度为l/us'，其中us'是所述 样本的各向同性散射系数。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述用于产生分析物光谱的光学辐射源也是所述 用于光漂白的光学辐射源。
6. 根据权利要求l所述的设备，其进一步包含光学开关，其用于在所述用于产生分析物光谱的光学辐射源与所述用于光漂白的光学辐射源之间进行选择。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中所述用于产生分析物光谱的光学辐射源以与所述 用于光漂白的光学辐射源不同的波长进行操作。
8. 根据权利要求7所述的设备，其中所述用于产生分析物光谱的光学辐射源以比所述 用于光漂白的光学辐射源长的波长进行操作。
9. 根据权利要求7所述的设备，其中所述用于光漂白的光学辐射源以第一波长进行操 作，且所述用于产生分析物光谱的光学辐射源以第二波长进行操作，且所述第一与 第二波长之间的差异在以波数表达时大于1000 cirT1。
10. 根据权利要求l所述的设备，其中所述用于光漂白的光学辐射源在激发所述用于产 生分析物光谱的光学辐射源之前工作。
11. 根据权利要求IO所述的设备，其中所述用于光漂白的光学辐射源在所述用于产生 分析物光谱的光学辐射源工作时不工作。
12. 根据权利要求l所述的设备，其中所述样本包含人类皮肤。
13. —种用于减少来自样本的散射的方法，所述样本包含分析物和非均匀分布的光可漂 白物质，所述方法包含-对所述样本中的所述非均匀分布的光可漂白物质进行光漂白，以诱发所述样本中 的弹性散射的减少；从来自所述样本的非弹性散射中产生分析物光谱；以及 收集所述分析物光谱。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述非弹性散射包含荧光。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述非弹性散射包含拉曼散射。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中所述分析物的一些或全部驻存在大于所述样本 的有效弹性散射长度的深度处，其中所述有效弹性散射长度为l/us'，其中Us'是所 述样本的各向同性散射系数。
17. 根据权利要求13所述的方法，其中由执行所述产生分析物光谱的步骤的光学辐射 源执行所述光漂白的步骤。
18. 根据权利要求13所述的方法，其中由以与执行所述产生分析物光谱的步骤的源不 同的波长进行操作的光学辐射源执行所述光漂白的步骤。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述执行所述产生分析物光谱的步骤的源以比 所述执行光漂白的源长的波长进行操作。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中所述执行光漂白的光学辐射源以第一波长进行 操作，且所述执行所述产生分析物光谱的步骤的光学辐射源以第二波长进行操作， 且所述第一与第二波长之间的差异在以波数表达时大于1000 cm—1。
21. 根据权利要求13所述的方法，其中所述光漂白的步骤在所述产生分析物光谱的步 骤之前发生。
22. 根据权利要求13所述的方法，其中所述样本包含人类皮肤。
全文摘要
本发明提出一种方法，借此光漂白不仅用于改变样本的吸收和荧光，而且还用以改变其散射特征。当被漂白的化合物包含在其中折射指数的实部大于或等于介质的平均指数的若干区中时，所述漂白将导致在比漂白源的波长长的波长下减少散射。此减少可有助于测量位于混浊介质内的显著深度处的分析物的浓度。
文档编号A61B5/145GK101453948SQ200780019069
公开日2009年6月10日 申请日期2007年6月18日 优先权日2006年6月16日
发明者杰夫·伯恩哈特, 简·利普森, 罗伯特·P·麦克纳马拉 申请人:C8麦迪森瑟斯公司