用于光纤光热成像和光谱学的方法和设备与流程

本文公开的实施方式涉及通过使用光学系统(即，使用红外光、可见光或紫外光)来研究或分析材料。本文描述的实施方式涉及成像和光谱学，并且更具体地涉及对用于获取指示样品的光学性质和/或材料或化学组成的光谱信息(例如，与红外(ir)吸收谱相关的信息)的光热成像和光谱学系统和技术的改进。

背景技术：

1、傅立叶变换红外(ftir)光谱是ir光谱的最常见形式。ftir通过对穿过样品的红外光的透射或来自样品的ir光的反射进行测量作为波数(ir光的频率的度量)的函数来工作。基于ftir的显微镜结合了ftir光谱仪和显微镜光学器件，以提供对ir吸收、透射和/或反射的空间分辨测量。对常规ftir显微镜的基本限制是其只能实现所使用的ir光的波长量级的空间分辨率。基本限制由光衍射确定，并且由ir光的波长和ir照射和/或收集光学器件的数值孔径设置。实际限制可能进一步降低该空间分辨率。ftir显微镜的空间分辨率与波长有关，但对于中ir中的波长在10微米量级上。例如，在美国专利第7,630,081号中示出了ftir光谱学方法的示例，该美国专利描述了对ftir干涉仪的最新改进。常规的ftir光谱学可以涉及大量的样品制备以确保中ir射束适当地透射穿过样品，这对于许多不透明、易碎或生物物质是不可行或不期望的。在mark a.mackanos等人，“fiber-optic probes enablecancer detection with ftir spectroscopy”trends in biotechnology(生物技术趋势)28(6)317-323 2010中描述了用于癌症检测的常规ftir光谱学技术的示例

2、衰减全反射(atr)光谱术基于射束通过与样品直接接触的居间晶体的间接反射。使用中ir射束，atr光谱术只能实现3微米量级的分辨率。atr光谱必须要求居间晶体与样品直接接触，这可能导致样品的变形或断裂，并且atr光谱需要大量的样品制备，特别是对于有机样品。此外，晶体与样品之间的反射或折射需要二者之间的良好接触。如果没有建立良好的接触，则光可以基于样品与晶体之间的材料的折射率而不是基于样品本身的性质来反射或折射。ftir和atr二者经受可能使光谱失真的各种伪影，包括尺寸和形状相关的散射伪影和色散效应，尤其是当在反射中操作时。这些问题会使得很难将谱与ftir谱库进行比较，从而使材料识别和/或定量复杂化。

3、拉曼光谱术基于利用窄带激光源照射样品和测量从被照射区域散射的波长位移光的谱。常规拉曼光谱术通常利用可见激光源(例如532nm或633nm)，并且有时利用近ir光源(例如785nm或1064nm)，但不利用中ir光源(例如大于2500nm)。长于1064nm的波长通常不用作拉曼激发源，因为拉曼灵敏度像激发波长的4次幂一样降低，以及基于摄像装置的检测器对于较长波激发的灵敏度降低。)例如在美国专利第2,940,355中示出了拉曼光谱方法的早期示例。尽管拉曼光谱术可以实现低至几百纳米的分辨率，但是它也具有局限性，包括样品荧光和比红外小得多的谱库。

4、光纤光学通过沿通常被包层材料包围的光学透明纤芯的内部传输光而工作。(optics,第四版；eugene hecht,pearson,2002年.)纤芯和包层通常具有折射率差(或在边界处的折射率梯度)以径向限制光。在一些情况下，光纤可以是中空芯，即芯包含空气或真空。通常，将多于一个光纤组合成称为“束”的较大结构。该束可以由包括单一材料类型的纤维制成，或者可以由具有多于一种材料类型的光纤制成。分叉光纤或束在公共端具有并排的两个或更多个光纤，而在另一端分裂成两个或更多个分支。每个分支中使用的光纤类型可以相同或不同，从而允许根据应用优化光纤尺寸或光波长范围。

5、例如，在以下文献中描述了将光纤探针检测用于体内应用的拉曼光谱的示例：cordero，eliana等人的“in-vivo raman spectroscopy:from basics to applications”，j.biomed.opt.23(7),071210(2018)；stevens，oliver等人的“developing fibre opticraman probes for applications in clinical spectroscopy”，chem.soc.rev.,(2016),45,1919-1934；wang,jianfeng等人的“development of a beveled fiber-opticconfocal raman probe for enhancing in vivo epithelial tissue ramanmeasurements at endoscopy”，optics letters 38 13(2013):2321-3；以及motz,jason等人的“optical fiber probe for biomedical raman spectroscopy”，applied optics.43(2004):542-54。

6、美国公布申请第2017/0146455a1号描述了一种利用光(例如红外光)进行非侵入性物质分析的方法，其中，使用中间光学介质使光被发射穿过而朝向样品。

7、美国专利第9,091,594号描述了用于化学光谱术和成像的光热光谱术的替选非破坏性方法，该方法使用不同波长的两个光束以实现亚微米空间分辨率，但是以非接触方式并且没有与上述atr或ftir技术相关联的繁重的样品制备要求。该专利中描述的一种方法包括用具有至少2.5微米的波长的第一ir光束照射样品，以在样品内的区域中产生由于吸收来自第一射束的能量而引起的光热变化，然后用具有小于2.5微米的波长的第二光束照射样品内的区域的至少一部分，从而以小于第一射束的衍射极限的分辨率检测该区域中的光热变化。尽管在美国专利第9,091,594号中描述的替选的双射束光热光谱技术提供了相比于中ir光谱术和成像的三种一般方法的显著优点，但是对这种新的光热技术的进一步增强和改进是期望的。

8、当前ftir技术的关键限制是访问感兴趣样品的能力。常规的ftir依赖于将感兴趣的样品安装在板、晶体上，或者安装在透射单元内。然而，许多感兴趣的样品位于台式ftir系统难以接近的位置或无法从环境中取出进行分析。例如，在不移除样品并且不潜在地改变或干扰该样品的完整性的情况下，可能难以获得生物标本以用于分析。类似地，对考古文物、精美艺术、古董和法医样品的分析要求样品保持完整并且禁止或阻止将样品移到板安装件，如在常规ftir中所进行的那样。因此，对在正常环境的约束下光谱术如何能够访问和分析这些种类的样品的手段和技术的改进将是有利的。

技术实现思路

1、描述了使用多功能平台对样品(包括生物样品和体内样品)执行化学光谱术的各种实施方式，该多功能平台使用可以提供以下益处的双射束光纤系统：(1)空间分辨率比常规ir光纤探针好10倍；(2)消除了常规反射型ir光谱术中常见的散射伪影和色散伪影；以及/或者(3)同时多功能测量，例如结合了红外光谱术、拉曼光谱术和荧光检测。在本文中描述的实施方式中，将双射束系统的至少两个分离的光束用于激发和感测。

2、在各种实施方式中描述的双射束系统可以至少包括：用于激发样品中的分子共振的第一红外辐射光束，其导致由吸收的ir辐射引起的局部加热；以及分开的第二光束，其用于探测由吸收的ir辐射引起的局部加热。第一ir射束通常是可调谐的ir源和/或宽带源，使得其可以激发样品的多个分子共振。第二探测射束通常是固定波长源，并且通常具有比第一射束短的波长。第二探测射束允许以更高的空间分辨率测量红外光谱，并且避免常规ir光谱术中常见的伪影。在各种实施方式中，这些光束可以布置在平行光纤中，或者布置在单个光纤中，并且这两个不同的射束可以在空间上彼此不同，或者可以通过不同的波长来区分。

3、在各种实施方式中，探测射束可以通过感测由热引起的样品中的一个或更多个变化(例如样品的变形、膨胀和/或折射率的变化)，来感测由ir吸收引起的样品中的温度升高。在一些实施方式中，探测/感测射束还可以例如通过拉曼光谱术、荧光或这些技术的组合来检测样品的性质。拉曼光谱术和/或荧光检测的测量可以与ir吸收的测量同时进行和并置，从而为多模态化学分析提供丰富的数据集。

4、在双射束光热光谱术系统的各种实施方式中，样品区域由激发光束照射，并且由于红外吸收而引起的光热响应利用探测光束读出。测量作为红外光源的波长(或等效地，波数)的函数的光热响应以构建指示样品组成的光谱。因为探测射束通常是固定波长的，所以它避免了常规ir光谱术中常见的波长相关色散效应以及尺寸和形状散射效应。即使探测光束的一部分被散射，该散射作为ir激发波长的函数也是恒定的。因此，双射束光纤系统可以收集可以容易地用于样品识别、表征和定量的高质量的ir光谱。

5、在实施方式中，由彼此协同操作的这两个光束收集的测量结果包含更多数据，并且可以被以比将射束彼此独立地操作的分辨率更高的分辨率收集。也就是说，由于探测/感测光束的较低的阿贝衍射极限，探测/感测光束具有比加热/红外光束更精确的空间分辨率，而加热/红外光束可以引起由于光热响应而产生的光谱数据或波长移位，所述光热响应不会由孤立操作的感测光束引起。