拉曼光谱术是一种可以被用来识别样本中的分子的光谱技术。该技术依赖于所发射的单色光的拉曼(非弹性)散射。所发射的光与样本中的分子振动、声子或其他激发相互作用，这使所发射声子的能量被向上偏移或向下偏移。可以根据能量上的偏移来推断有关样本中的振动模式的信息。由于振动信息特定于分子的化学键和对称性，所以这种信息进而可以被用来识别样本中的分子。
虽然自发拉曼光谱术是一种强大的分子检测技术，但是拉曼散射的信号趋向于是非常微弱的。可以通过使用特殊图案化的结构来将这些信号增强许多数量级，这些特殊图案化的结构局部地增强光源和所发射的光的电场。这种技术被称为表面增强拉曼光谱术(sers)。在sers中，样本分子被吸附在粗糙金属表面上和/或被纳米结构吸附。例如，可以将液体样本沉积到具有纳米结构化的贵金属表面的硅或玻璃表面上。
附图说明
图1是本公开的示例光谱仪的高层级框图；
图2是本公开的示例光谱仪的更详细的框图；
图3图示了可以使用相应的全息光学元件由图1和图2的光谱仪来产生的激发光的示例二维图案；
图4图示了可以结合图1和图2中图示的光谱仪而使用的包括空间变化区域的阵列的示例基板；以及
图5图示了用于分子检测的示例方法的流程图。
具体实施方式
本公开宽泛地描述了用于使用表面增强拉曼光谱术(sers)来同时检测多重拉曼光谱的光谱仪和相关联的方法。具有相似拉曼特征(signature)的不同分析物的存在可能使得难以识别样本的分子内容。此外，当与不同sers表面相互作用时，一些分子可能不同地进行表现(例如，展现出不同水平的增强或者产生不同的散射信号)。因此，当处理具有未知组成的样本时，有帮助的是从处于许多不同条件下的样本收集拉曼光谱，以便改善捕获到每种分子组分的可区分特征的可能性。
本公开的示例将全息光学元件定位在光源与空间变化的sers基板区域的阵列之间，以便将激发光的二维图案投射到空间变化的表面上。在一个特定示例中，图案的每个投射点入射在基板区域中的不同的一个区域上。基板区域中的每个将与样本的不同分子不同地进行相互作用，从而当暴露于激发光时产生针对同一样本的不同光谱(所发射的拉曼散射)。在被传递到检测器之前，所发射的拉曼散射被收集、滤波和色散。色散使光的二维图案的每个投射点对于检测器而言表现为光带，其中沿着该带的不同水平坐标对应于光的不同频率。因而，可以由光谱仪在单次测量(即，所测量的数据向检测器的单次传递)中同时产生多个光谱。可以进而将这些光谱中的每个与针对不同基板区域的参考测量所对应于的不同数据库进行比较，以便识别样本中的分子。因此，在不增加所做出的测量的数量的情况下，极大地增加了识别样本的组成的可能性。
图1是本公开的示例光谱仪100的高层级框图。在一个示例中，光谱仪100是拉曼光谱仪。在一个示例中，光谱仪100一般包括光源102、采样装置104和检测器106。此外，全息光学元件108被定位在光源102与采样装置104之间。
在一个示例中，光源102是在可见、近红外或近紫外范围内发射激发光束的激光二极管。
将全息光学元件108定位成拦截激发光束并且将该激发光束转换成以不同角度行进的多个激发光束。在一个示例中，全息光学元件包括衍射掩模，其包含具有不同空间频率的衍射光栅的叠加。
采样装置104被配置成将多个激发光束作为激发光的二维图案而投射到样本110上。图3中图示了可以被投射的激发光的示例二维图案。采样装置104进一步被配置成响应于激发光的二维图案的入射来收集由样本110发射的散射辐射。在一个示例中，采样装置104可以包括显微镜或光纤探头。
检测器106被配置成检测由采样装置104收集的散射辐射中的频率偏移。如上文所讨论的，可以根据频率中向上或向下的偏移来检测振动模式(以及因此检测分子身份)。在一个示例中，检测器包括电荷耦合器件(ccd)检测器。
图2是本公开的示例光谱仪200的更详细的框图。光谱仪200可以包括图1中图示的光谱仪100的具体实现方式。因此，在一个示例中，光谱仪200是拉曼光谱仪。在一个示例中，光谱仪200一般包括光源202、第一透镜204、激光清理滤波器206、全息光学元件208、分束器210、物镜212、样本港(sampleport)或样本盘214、激光阻塞滤波器216、衍射光栅218、折叠反射镜220、聚焦透镜222和检测器224。
在一个示例中，光源202是在可见、近红外或近紫外范围内发射激发光的激光二极管。第一透镜204被正好定位在光源的发射路径中，并且被进一步定位成将由光源202发射的激发光束聚焦到激光清理滤波器206上。
在一个示例中，激光清理滤波器206是激光线滤波器或窄带通滤波器。激光清理滤波器206被定位成去除激发光中不想要的能量(诸如二次透射、背景等离子体以及其他伪像(artifact))，以及将“经清理的”激发光束传递到全息光学元件208。
在一个示例中，全息光学元件208是衍射掩模，其包括具有不同空间频率的衍射光栅的叠加。全息光学元件208被定位成将经清理的激发光束转换成以不同角度行进的激发光束的叠加，以及将这些激发光束传递到分束器210。
在一个示例中，分束器210是二向色镜式棱镜。分束器210被定位成拦截以不同角度行进的激发光束，以及将激发光束反射到物镜212上。分束器210可以以四十五度进行取向，以便计及光源202与物镜212之间的近似九十度的角度。
物镜212被定位成接收来自分束器210的激发光束，以及将激发光束正在行进所处的不同角度转换成样本港214上的不同方位或位置。这在样本港214处创建了激发光的二维图案，该激发光的二维图案可以入射在定位于样本港214处的样本(例如，被吸附到sers基板上的样本)的表面上。图3中图示了可以被投射的激发光的示例二维图案。
样本港214可以包括光谱仪输出路径，其被定位成向诸如被吸附到sers基板上的样本之类的样本提供激发光。此外，样本港214可以包括被配置成在测量期间支撑样本的托盘或其他机构。如上文所讨论的，激发光作为投射点的二维图案入射在样本上。
被定位在样本港214处的样本将响应于激发光的二维图案的入射来产生所发射的拉曼散射(即，非弹性的散射辐射)。上文所描述的物镜212被进一步定位成收集所发射的拉曼散射以及将所发射的拉曼散射传递到分束器210。分束器210被进一步定位成将所发射的拉曼散射传递到激光阻塞滤波器216。
在一个示例中，激光阻塞滤波器216是长通边缘滤波器或激光斥拒滤波器。激光阻塞滤波器216被定位成通过去除所发射的拉曼散射中不想要的散射能量(诸如在与激光线相对应的波长下的弹性散射辐射(即，瑞利散射))来隔离拉曼信号，以及将经隔离的拉曼信号传递到衍射光栅218。
衍射光栅218被定位成接收来自激光阻塞滤波器216的经隔离的拉曼信号，以及将经隔离的拉曼信号进行色散，之后将被色散的经隔离的拉曼信号传递到折叠反射镜220。
折叠反射镜220被定位成接收来自散射光栅218的被色散的经隔离的拉曼信号，以及将被色散的经隔离的拉曼信号传递到聚焦透镜222。
聚焦透镜222被定位成接收来自折叠反射镜220的被色散的经隔离的拉曼信号，以及将被色散的经隔离的拉曼信号投射到检测器224上。
在一个示例中，检测器224是电荷耦合器件(ccd)检测器。由于经隔离的拉曼信号被衍射光栅色散，所以入射在样本上的激发光的二维图案的每个投射点将对于检测器224而言表现为光带。沿着光带的不同水平坐标将对应于不同频率，可以根据该不同频率来检测频率上的偏移(以及，因此检测振动模式和分子身份)。
在一个示例中，激发光的二维图案相对于衍射光栅218的取向角可以被配置成优化检测器区域的对有用光谱数据进行收集的部分。例如在一个示例中，以十五度来配置该取向角。
图3图示了可以使用相应的全息光学元件108和208由图1和2的光谱仪100和200所产生的激发光的示例二维图案300。如图示的，在一个示例中，二维图案包括投射点(例如，圆点或斑点)的矩形阵列，诸如四乘四阵列。
角度θ表示二维图案300对于光谱仪200的衍射光栅218的相对取向。该角度可以被配置成优化检测器区域的对有用光谱数据进行收集的部分，如上文所讨论的那样。在一个示例中，该角度是近似十五度。
图4图示了示例基板400，其包括可以结合图1和图2中图示的光谱仪100和200而使用的空间变化区域a1-d4的阵列。如图示的，基板400包括被布置在(由字母a-d标识的)多个行和(由数字1-4标识的)多个列中的多个空间区域a1-d4。虽然图示的基板400包括针对总共十六个空间区域的四个行和四个列，但是可以部署以任何数量的行和/或列布置的任何数量的空间区域。
在一个示例中，空间区域a1-d4中的每个包括sers基板。例如，空间区域a1-d4中的每个可以包括图案化的表面结构。可以在一个示例中通过利用金属纳米颗粒覆盖的聚合物指状物的图案来创建该图案化的表面结构。在一个示例中，图案化的表面针对空间区域a1-d4中的每个是不同的。例如，聚合物指状物的几何结构可以通过改变以下各项来根据不同空间区域而不同：聚合物指状物之间的距离、聚合物指状物的空间布置、聚合物指状物的大小和/或其他参数。此外，聚合物指状物的功能化学性质可以根据不同空间区域而不同。
在图4中图示的示例中，例如基板400的每个行(a-d)与聚合物指状物的不同空间布置相对应(即，针对行a的五聚体、针对行b的三聚体、针对行c的二聚体以及针对行d的单体)。此外，基板400的每个列(1-4)与聚合物指状物之间的不同间隔相对应(如由箭头指示的)。通过以不同方式组合这些参数，可以在基板400上产生十六个唯一的空间区域。
在一个示例中，基板400上的空间区域的数量等于投射在基板400上的二维图案中的投射点的数量(即，在空间区域的数量与投射点的数量之间存在一对一的对应性)。采样装置104(或更具体地，物镜212)可以投射二维图案，以使得每个投射点入射在空间区域中的不同的一个区域上。
在另外的示例中，图案化的表面结构的功能化学性质可以跨越基板400而变化。例如，可以利用被设计成与不同分析物相互作用的不同表面功能化来制造空间区域a1-d4中的一个或多个空间区域中的指状物，以及因此该指状物提供不同的光谱。
图5图示了用于分子检测的示例方法500的流程图。可以例如通过图1中图示的示例光谱仪100来实行方法500。这样，在方法500的讨论中对光谱仪100的各种部件做出参考。然而，方法500不限于具有图1中图示的光谱仪的实现方式。
方法500在框502中开始。在框504中，例如由光源102来提供激发光束。在一个示例中，激发光束是可见、近红外或近紫外辐射的射束。
在框506中，激发光束例如被全息光学元件108转换成以不同角度行进的多个激发光束。在一个示例中，在被转换成多个激发光束之前，单个激发光束可以被“清理”来去除不想要的能量，诸如二次透射、背景等离子体以及其他伪像。
在框508中，多个激发光束作为投射点的二维图案而例如由物镜212投射到基板上。要识别其分子组成的样本被吸附到基板上。二维图案的投射可以涉及将多个激发光束正在行进所处不同角度转换成基板上的不同方位或位置。例如在一个示例中，基板包括空间变化区域的阵列，诸如图4中图示的基板400。在这种情况下，二维图案的投射包括将多个激发光束中的一个正在行进所处的每个角度转换成入射在基板的空间区域之一上的点位置。
在框510中，例如由物镜212来从基板收集所发射的拉曼散射。所发射的拉曼散射是由基板响应于二维图案的激发光的入射而发射的。特别地，通过容纳于基板上的样本的分子与激发光的相互作用来产生所发射的拉曼散射。可以由基板的局部表面形貌来增强所发射的拉曼散射。当基板的每个区域具有不同的局部形貌时，所发射的拉曼散射可以根据不同区域而不同。在这种情况下，在框510中可以同时收集多重拉曼光谱。
在框512中，所发射的拉曼散射被传递到检测器，诸如检测器224。随后，检测器可以根据所发射的拉曼散射的(一个或多个)特征来识别包含在样本中的一种或多种分子。例如，通过将所发射的拉曼散射的频率偏移与针对基板的空间区域(从该基板的空间区域收集所发射的拉曼散射)的参考测量所对应于的数据库进行比较，可以识别样本的一种或多种分子。在一个示例中，在被传递到检测器之前，将所发射的拉曼散射与不想要的散射能量隔离，该不想要的散射能量诸如是在与激光线相对应的波长下的弹性散射辐射(即，瑞利散射)。还可以在被传递到检测器之前，例如通过散射光栅218来对所发射的拉曼散射进行色散。
方法500在框514中结束。
应当注意的是，虽然没有明确地指定，但是上文所描述的方法500的框、功能或操作中的一些可以包括针对特定应用进行存储、显示和/或输出。换言之，取决于特定应用，在方法中所讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果可以被存储、显示和/或输出到另一设备。此外，图5中记载了判定操作或者涉及决策的框、功能或操作并不暗示判定操作的两个分支都被实践。换言之，取决于判定操作的结果，可以不实行判定操作的分支之一。
上文公开的以及其他的特征和功能的变体或者其替换方式可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。可以随后做出其中的各种目前预见不到的或未预料到的替换方式、修改或变化，其也意图由所附权利要求所涵盖。