多色散光谱仪的制作方法

多色散光谱仪
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年3月25日提交的美国临时申请no.62/823,089的权益，该美国临时申请特此通过引用并入，如同在本文中完全阐明。
技术领域
3.本公开的实施例总体上涉及光谱学和可用于诸如拉曼光谱学之类的光谱学的激光源。


背景技术：

4.光谱学是测量电磁辐射束(例如，光)中的能量或强度随波长变化的过程的总称。许多常规的光谱仪包括诸如用于产生平行辐射束的狭缝和准直仪、用于通过基于波长使偏差角不同来使辐射色散的一个或多个棱镜或光栅以及用于收集和测量经色散的辐射的特性的装置之类的基本特征和组件。光谱学利用分子或离子对电磁辐射的吸收、发射或散射来定性和定量地研究物质的物理性质和过程。
5.在光谱仪系统的操作期间，引导到物理物质的样品或目标处的光或辐射可以被称为入射辐射。入射辐射与样品接触后的重定向一般被称为辐射的散射。就样品中的原子或分子吸收了全部或部分入射辐射而不是反射入射辐射来说，样品可变得被激励，并且样品的能级可增加到较高的能级。经过样品的电磁辐射可产生一小部分在各种方向上散射的光。被散射但继续具有与入射辐射相同的波长的光也将具有相同的能量-常常被称为瑞利(rayleigh)或弹性散射光的条件。在分子振动状态变化期间散射的入射辐射可以以不同的能量被散射，并且这种散射光可以被称为拉曼(raman)散射光。这种现象与光谱学结合用来定性和定量地研究物理性质和过程，包括样品的化学性质、成分和结构的识别。
6.电磁辐射波可以由波长(一次完整振荡的物理长度)和波的频率(每秒经过给定点的振荡次数)来表征。在散射辐射中，样品上的入射辐射的波长可以基本上保持不变。可替换地，散射辐射中的波长可以相对于入射波长移位到一个或多个不同的波长。入射辐射与散射辐射之间的波长差异可以被称为拉曼位移。拉曼散射光的光谱测量是这种散射光的所得波长的测量。
7.拉曼散射可出现在从入射光移位了分子振动量的波长处。因此，拉曼散射光的现象在光谱学应用中是有用的，以用于研究物理性质和过程的质量和数量，包括样品中的化学性质、成分和结构的识别。
8.散射辐射的测量可以使得能够识别与样品关联的一个或多个频率以及这些经移位的频率的强度。该频率可以被用于识别样品的化学成分。例如，如果在y轴上绘制强度并且在x轴上绘制一个频率或多个频率，则一个频率或多个频率可以被表示为波数(以厘米表示的波长的倒数)。表示一个频率或多个频率的x轴可以被转换为以波数为单位的拉曼位移(观察到的光谱带的波数位置之间的差异)与入射辐射中出现的辐射的波数。
9.拉曼散射为物理性质和过程的定性和定量的研究(包括物理物质的样品中的化学
成分和结构的识别)提供了重要的机会。然而，当与瑞利或弹性散射相比较时，拉曼散射是相对弱的效应。在约106至约108个光子中，只有约一个散射光子倾向于发生拉曼位移。
10.拉曼光谱学中的检测极限因采样期间的环境光和背景干扰而降低。环境光通常呈可以压制甚至最强的散射样本的室内照明或日光的形式。因此，检测器和正被扫描的样品通常是全封闭的，以屏蔽环境光。不能被全封闭的样品存在特殊的挑战。
11.用于拉曼光谱学的激励源包括诸如氦-氖、氦-镉、氩离子、氪离子之类的气体激光器以及包括nd-yag的固态激光器、以及二极管激光器、固态可调谐激光器、液体染料激光器、光纤激光器和其他激光器。
12.背景干扰还源自来自诸如荧光之类的某些类型的样品的非自发发射。当吸收的辐射因内部分子过程而频率降低并作为更接近可见光光谱的红色端的辐射发射时，出现荧光。与拉曼位移相比较，荧光有时可能足够强，以淹没或基本上压制较弱的拉曼信号。荧光降低了从样品获得的数据的动态范围和最终的信噪比。
13.可以通过以诸如1064nm之类的较高的波长激励来减少荧光，但代价是昂贵的组件和对于所有样品(即，即使不受荧光问题困扰的那些样品)的信噪比的损失。信噪比的损失是由于该波长处的检测器差并因为拉曼散射随波长的负四次方(λ-4
)变化。
14.还可以通过以下步骤来减少荧光：用多个不同的波长激励样品，针对多个不同的波长中的每个从样品获得拉曼信号，以及从多个拉曼信号分解拉曼光谱以获得经分解的拉曼信号，该经分解的拉曼信号减少或消除了诸如荧光和背景辐射之类的噪声。通过使用在相应的多个不同的波长下操作的多个激光光源或通过使用可调谐激光器以提供与不同温度对应的不同波长来提供多个不同的波长。


技术实现要素：

15.在各种实施例中，提供了一种多色散光谱仪。光谱仪包括光学系统，光学系统被配置为将来自激励光源的激励信号朝向样品引导，从样品接收光谱信号，并将光谱信号朝向检测器引导。光学系统包括可移动光学组件，可移动光学组件适于将光谱信号相对于检测器的至少一个传感器移动，并且检测器适于检测多个分立的经移位的光谱信号。
16.可移动光学组件可以例如包括色散元件、衍射光栅、检测器、滤波器、光学平面、微机电系统(mems)元件和镜子中的至少一个。在各种实施例中，可移动元件可以通过在光谱仪的光学系统内旋转和/或平移来移动。移动可以是相对于光学系统的检测器、相对于光学系统的光路或相对于光谱仪光学系统的一个或多个其他组件。
17.还提供了一种用于旋转光谱仪的光学系统内的可移动元件的压电底座。
18.在一些实施例中，从多个检测到的分立的经移位的光谱信号推导出数学分解后的光谱信号。数学分解后的光谱信号可以被用于减少诸如荧光和/或背景辐射的噪声。可以在不使用适于针对多个分立的经移位的光谱信号改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器的情况下减少噪声。也可以在不改变激励信号的频率的情况下减少噪声。激励光源例如可以包括以大体一致的操作频率操作的单个激光器。
19.可移动光学组件可以适于将光谱信号以多个步长相对于光学系统的光路移动，以提供多个分立的经移位的光谱信号，和/或适于将经色散的光谱信号以多个步长跨检测器的多个传感器移位。
20.在其他变形中，还提供了一种从样品获得拉曼光谱的方法。该方法包括：将来自激励光源的激励信号朝向样品引导；从样品接收光谱信号；以及将光谱信号朝向检测器引导，其中，光谱信号相对于检测器的至少一个传感器移动，以提供多个分立的经移位的光谱信号。
21.在各种实施例中，该方法包括经由光学系统的可移动组件相对于检测器的至少一个传感器移动光谱信号。
22.光学系统的可移动组件可以包括适于将光谱信号相对于检测器、相对于光谱仪的光路和/或相对于光谱仪光学系统的一个或多个其他组件移动的任何组件。例如，可移动组件可以包括色散元件、衍射光栅、检测器、滤波器、光学平面、微机电系统(mems)元件和镜子中的至少一个。
23.在一些实施例中，该方法可以从多个检测到的分立的经移位的光谱信号推导出数学分解后的光谱信号。数学分解后的光谱信号可以被用于减少诸如荧光和/或背景辐射的噪声。可以在不使用适于针对多个分立的经移位的光谱信号改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器的情况下减少噪声。也可以在不改变激励信号的频率的情况下减少噪声。激励光源例如可以包括以大体一致的操作频率操作的单个激光器。
24.该方法还可以包括叠加来自多个分立的经移位的光谱信号中的每个的数据以创建向量，建立数学矩阵运算符以及使用数学矩阵运算符求解线性问题。该方法还可以使用迭代方法来求解确定拉曼信号的线性问题，该拉曼信号可以包括基线拉曼信号。该方法还可以求解噪声的未知向量，以至少基本上去除荧光和/或背景噪声。
25.提供另一种确定拉曼光谱信号的方法。该方法包括：在拉曼光谱仪的光学系统内获得与多个分立的移位对应的多个分立的光谱；叠加来自多个分立的经移位的光谱信号中的每个的数据，以创建向量；建立数学矩阵运算符；以及使用数学矩阵运算符来求解线性问题。该方法还可以使用迭代方法来求解确定拉曼信号的线性问题。迭代方法也可以被用于求解诸如荧光和背景辐射中的至少一个之类的噪声的未知向量。数学矩阵运算符可以表示来自多个分立的经移位的光谱信号的非移位的噪声光谱元素的单位矩阵。
26.在各种实施例中，光谱仪包括光学系统，该光学系统适于接收光谱信号，并通过将光学系统的组件移动以将光谱信号相对于光学传感器(例如，ccd阵列传感器)移位来改变信号。在一个实施例中，例如，提供了可以将光谱信号相对于光学传感器移位的诸如旋转光栅之类的可移动光栅。在另一实施例中，光学传感器适于相对于光学系统的一个或多个组件移动，以将接收的拉曼信号相对于传感器的元件移位。在其他实施例中，光栅和传感器二者可以相对于彼此移动。在其他实施例中，光学系统的一个或多个其他组件可以被用于单独地将光谱信号相对于光学传感器移位或与光栅和传感器中的一者或二者相结合地将光谱信号相对于光学传感器移位。
27.在一些实施例中，可以通过以大体一致的激励频率操作的单个激光器获得多个激励周期。光谱仪的光学系统的一个或多个可移动组件可以适于将接收的光谱信号相对于光谱仪光学系统的光学传感器移位。(例如，通过光学传感器的不同对应位置或感测元件)可以在光学传感器的不同相对位置接收多个单独感测的光谱信号，以提供多个单独感测的光谱信号。可以基于接收的多个单独光谱信号来获得数学分解后的光谱信号。经分解的光谱信号例如可以减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声，而不需要适于针对多个单独感
测的光谱信号中的每个改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器。
28.在一个实施例中，从多个单独感测的光谱信号组装矩阵，该多个单独感测的光谱信号是从自样本接收的光谱信号的多个移位检测中检测到的。该矩阵被用于分解多个单独感测的光谱信号并减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声。
29.在一个实施例中，基于压电的元件可以被用于移动(例如，旋转)光谱仪光学系统的光栅，以将接收的光谱信号相对于光学传感器移动，从而提供来自样品的多个单独感测的光谱信号。
30.在一个实施例中，例如，多个单独感测的光谱信号可以包括多个单独递增的测量值，该多个单独递增的测量值适于提供与单独感测的光谱信号的数量和接收的光谱信号相对于光谱仪的光学检测器的移位数量对应的分辨率。因此，通过将接收的光谱信号以单独递增量移位，由于相对于单独激光波长之间的波长差，接收的光谱信号中的相对轻微的移位可以在光谱仪的传感器实现，因此所得的经分解的光谱信号中的分辨率可以在不同激光波长的系统内增加(无论是由不同的单独激光器还是单个激光器的可调谐波长得到的)。
31.通过阅读下面的描述和权利要求书以及通过回顾附图，本发明的以上和其他方面、特征、细节、用途和优点将是清楚的。
附图说明
32.图1是包括适于将光谱信号相对于光学系统的光学检测器移动的光谱仪的光学系统的诸如衍射光栅之类的可移动色散元件的示例光谱仪的示意图。
33.图2是适于在光谱仪中使用的示例多通道检测器的示意图。
34.图3示出了表示适于移动光谱仪的光学元件的基于压电的元件的分解图的示意图。
35.图4示出了表示适于移动光谱仪的光学元件的组装好的基于压电的元件的透视图的示意图。
36.图5示出了光谱仪的替代示例实施例的框图。
37.图6示出了光谱仪的另一示例实施例的框图。
38.图7示出了光谱仪的又一示例实施例的框图。
39.图8a示出了在大体与光谱仪光学系统的光路垂直的方向上定向的可旋转光学平面的示例实施例的框图。
40.图8b示出了图8a中示出的光学平面相对于光路旋转从而得到光谱仪光学系统内的光束的线性平移的框图。
41.图9a示出了从光谱仪的光学系统内相对于彼此移位的多个光谱信号中去除或消除诸如荧光和/或背景辐射之类的噪声的示例方法的流程图。
42.图9b是示出针对4-氨基-6-氯-1,3-苯二磺酰胺的检测的拉曼光谱和通过图9a中示出的方法确定的底层基线拉曼光谱的曲线图。
43.图9c是示出针对对乙酰氨基酚的检测的拉曼光谱和通过图9a中示出的方法确定的底层基线拉曼光谱的曲线图。
44.图10示出了样品的多个单独地感测的经移位的光谱信号的曲线图。
45.图11示出了样品的多个单独地感测的经移位的光谱信号的另一曲线图。
46.图12示出了样品的多个单独地感测的经移位的光谱信号的又一曲线图。
47.图13a至图13b示出了表示用于l-甲状腺素样品的多个激励波长系统与包括多个单独地感测的经移位的光谱信号的系统的分辨率比较的曲线图。
48.图14示出了图示由荧光导致的造成不正确或不确定光谱确定的示例问题的曲线图。
49.图15示出了表示图示荧光抑制的价值的示例的曲线图。
50.图16是适于提供用于将光学系统的可移动组件返回到一致的初始位置的方法的光谱仪的示例实施例的示意图。
51.图17示出了在光学系统的可移动组件的不同位置处的氖发射的多个光谱。
具体实施方式
52.提供了减少由诸如荧光或背景辐射之类的噪声导致的干扰的光谱仪(例如，拉曼或发光(例如，荧光、磷光、化学发光)光谱仪)。在各种实施例中，例如，本文中描述的方法和系统可以用于在不调整激励激光器的操作条件的情况下顺序地测量来自同一样品的多个拉曼光谱。多个拉曼光谱可以在光谱仪的光学系统内移位，使得单独地感测的光谱可以被比较并分解为具有减少的噪声或甚至基本上不含噪声(例如，背景辐射和荧光)的单个光谱。尽管下面描述了特定类型的光谱仪(例如，拉曼和荧光)，但这些仅仅是可以以类似的方式用于减少光谱信号中的干扰的光谱仪的示例。
53.图1示出了光谱仪20的示例实施例的简化的示意性框图，光谱仪20被配置为通过引导激励信号(例如，激励光信号)来照明样品，从样品接收返回的光谱信号并确定与复杂样品的一个或多个成分对应的光谱信号的光谱分量。尽管特定示例示出了拉曼光谱仪，但基于本文中的描述，可以容易地设计出诸如发光光谱仪之类的其他类型的光谱仪。
54.如图1中所示，光谱仪20包括激励源22。在拉曼光谱仪中，例如，激励源22通常包括激光光源。在一个实施例中，例如，激励源22包括二极管激光器。在图1的示例实现方式中，例如，光谱仪可以提供来自诸如以相对一致的波长(例如，λ1)操作的激光器(例如，二极管激光器)之类的激励源22的激励信号(例如，入射光束26)。
55.光谱仪20还包括光学系统25。光学系统25将入射光束26朝向样品28引导，并从样品28接收光谱信号36。在图1中示出的实施例中，例如，光学系统25包括二向色分束镜30。然而，入射光束26可以被引导到样品28处，而没有位于入射光束26的路径中的任何介入的仪器组件。入射光束26还可以被引导到镜子、全息透射元件、在镜子中形成有孔的镜子或本领域已知的用于引导入射光束的任何其他部件。
56.入射光束26还可以被引导通过透镜34。在一个实施例中，透镜34在入射光束26的路径中包括聚焦透镜。聚焦透镜将入射光束26与样品28耦合并从样品收集光谱信号(例如，拉曼散射光)。在另一实施例中，在入射光束26接触样品28之前，超过一个的透镜34可以位于入射光束26的路径中。在各种实施例中，光谱仪20可以包括用于将入射光束26朝向样品引导并从样品收集光谱信号的其他光学元件。例如，光谱仪20的光学系统可以包括诸如准直光束管或光纤波导之类的元件。参见例如美国专利no.7,403,281中的可以用于各种光谱仪的光学系统中的准直光束管或光纤波导的示例，该美国专利通过引用并入，如同在本文中完全阐明。
57.入射光束26在与样品28接触时引起或产生要由光谱仪20检测的光谱信号。在拉曼光谱学中，例如，入射光束26在与样品28接触时引起或产生散射辐射或拉曼位移(为了方便起见，在该文献中被描述为拉曼光束或拉曼信号)，该散射辐射具有与入射辐射26不同的能量差以及与入射辐射26不同的一个或多个波长。如上所述，并且如图1中所示，在一个实施例中，光谱仪20包括诸如二向色分束镜30之类的分束器。光谱信号36(例如，拉曼光束)以180度反向散射几何形状被引导回来通过透镜34和二向色分束镜30。入射光束26和光谱信号36都不需要是共线的。然而，在图1中示出的实施例中，光谱信号36经过二向色分束镜30返回，并且然后经过滤波器元件38。在一个实施例中，滤波器元件38包括长通滤波器，该长通滤波器在将光谱信号36色散成光谱之前去除(例如，来自光源22或另一源的)无关辐射。可替代地，滤波器元件38可以包括陷波滤波器或能够抑制弹性散射辐射的任何其他滤波器。
58.光谱信号36还可以经过输入聚焦透镜40，输入聚焦透镜40将光谱信号36聚焦到空间滤波器41处的点。例如，在一个实施例中，空间滤波器41包括光圈、狭缝或凹口，并位于输入聚焦透镜40的焦点处。空间滤波器41对输入聚焦透镜的焦点处的光束进行空间滤波。
59.图1中示出的光谱仪20还包括准直透镜42，准直透镜42在发散光谱信号36经过空间滤波器41的光圈(例如，光圈、狭缝或凹口)之后对其进行准直。准直透镜42还将经重新准直的拉曼光束朝向诸如衍射光栅44之类的色散元件引导。衍射光栅44包括将拉曼光束划分为空间分离波长的光学元件。衍射光栅44还将经划分的拉曼光束46朝向检测器48引导。经划分的拉曼光束46经过检测器聚焦透镜50，检测器聚焦透镜50将经划分的拉曼光束46的空间分离波长聚焦到检测器48上。
60.检测器48包括将光能转换为电信号的换能器。在一个实施例中，例如，检测器48包括创建表示拉曼光谱的空间分离波长的电图案的单个换能器的阵列。在本发明的一个实施例中，例如，电荷耦合器件(ccd)阵列可以被用作检测器48。在另一实施例中，铟镓砷化物(ingaas)检测器48。在本发明的光谱仪内，也可以使用本领域中已知的诸如cmos传感器之类的其他检测器。
61.一个或多个致动器54适于移动衍射光栅，诸如以将经色散的拉曼信号相对于检测器48的一个或多个传感器元件移位。例如，致动器可以包括适于将衍射光栅相对于诸如检测器48之类的光学系统的其他元件旋转、移位或以其他方式移动的马达或诸如基于压电的元件之类的其他致动器。以这种方式，经色散的拉曼信号可以相对于检测器48的一个或多个传感器元件移位。在另一实施例中，致动器可以适于将检测器(或检测器48的传感器元件)相对于光谱仪的光学系统移动。同样，致动器可以包括适于将检测器(或检测器内的传感器元件)相对于检测器的光学系统移位、旋转或以其他方式移动的马达或诸如基于压电的元件之类的其他致动器。
62.光谱仪20还包括用于控制光谱仪20的操作的控制电子器件52。例如，控制电子器件52可以包括一个或多个处理器、存储器或被编程为控制光谱仪20的一个或多个操作的其他硬件。例如，控制电子器件52可以控制光源22、一个(多个)致动器组件54、检测器48、(例如，用于光源或检测器的)温度控制元件的操作以及到达光谱仪和/或来自光谱仪的数据传送。在一个实施例中，控制电子器件52可以被集成到光谱仪的壳体内的单个pc板上。控制电子器件52还可以包括一个或多个分立的组件和/或一个或多个集成电路组件。
63.在一个实施例中，控制电子器件52可以包括用于与外部设备通信的部件。用于通信的部件(例如，形成通信的部件)可以包括用于与外部计算机、个人数据助理(pda)、网络等通信的有线或无线通信端口。例如，有线通信端口可以包括并行、串行、通用串行总线(usb)、火线(firewire).tm.、ieee 1394、以太网、调制解调器、线缆调制解调器或本领域中已知的其他有线通信端口。例如，无线通信端口可以包括用于诸如经由红外线、蓝牙、ieee 802.1la/b/g、irda之类的与外部设备进行无线通信的天线、无线调制解调器或本领域中已知的其他无线通信端口。控制电子器件52可以由便携式设备的电池供电，或者可以包括用于从本领域中已知的外部电源接收电力的电力输入。电池或电源电路(例如，整流器)可以位于光谱仪20的壳体内。
64.在拉曼光谱学中，光谱仪20进行操作以检测样品28的拉曼光谱。为了检测拉曼光谱，光源22被激活以产生激励辐射的入射光束26，诸如在激光光源中产生激光入射光束。在一个实施例中，例如，光源22的温度被控制为以控制由光源22产生的入射光束26的输出频率。激励辐射的入射光束26经过滤波器24，滤波器24去除来自入射光束的杂散发射。入射光束26从分束镜30朝向样品28反射。入射光束26通过输出聚焦透镜34被聚焦到样品28上。
65.入射光束26从样品28产生拉曼散射光。拉曼散射光被输出聚焦透镜34接收并通过分束镜30传输回来。在该实施例中，分束镜30使拉曼散射光通过镜30到滤波器38。从滤波器38起，拉曼散射光经过输入聚焦透镜40，并聚焦到诸如光圈、狭缝或凹口之类的空间滤波器41上。拉曼散射光被空间滤波并朝向准直透镜42发散。准直透镜42将发散的拉曼散射光进行准直并将该光传输到衍射光栅44，衍射光栅44将拉曼散射光划分成空间分离波长并将这些波长引向检测器元件48。拉曼散射光的空间分离波长经过检测器聚焦透镜50，并被聚焦成表示拉曼散射光的空间分离波长的聚焦辐射带。聚焦的辐射带进一步由检测器聚焦透镜50引导到检测器48上。
66.在该特定实现方式中，检测器48包括单独换能器的阵列，单独换能器均生成与每个单独换能器处接收的辐射的强度对应的电信号。在检测器的单独换能器处生成的电信号表示样品28的拉曼光谱的空间分离波长。通过控制电子器件52从检测器读取电信号。在一个实施例中，例如，光谱仪20接着可以诸如经由光谱仪本身上的显示器或指示器向用户呈现检测到的拉曼光谱。在另一实施例中，光谱仪20的控制电子器件可以包括存储在数据存储元件(例如，存储器、磁带或磁盘驱动器、存储棒等)中的查找表。在该实施例中，控制电子器件52将来自检测器的信号与存储在查找表中的值进行比较，以确定拉曼扫描的结果。光谱仪20接着诸如经由光谱仪上的显示器或指示器向用户呈现结果。例如，该结果可以指示样品中的一种或多种化学品或物质的存在或不存在，并还可以指示由光谱仪检测的化学品或物质的量或浓度。
67.在其他实现方式中，检测器48可以包括快速扫描一个或多个预期的光谱特征(例如，拉曼特征)的一个或多个单独换能器。在标题为“spectrometer(光谱仪)”并由carron等人在2011年6月15日提交的的美国专利申请no.13/161,485中公开了这种系统的示例，该美国专利申请关于其教导和建议的全部内容特此通过引用并入本文中。
68.如上所述，光谱仪包括光学系统，该光学系统适于接收光谱信号，并通过将光学系统的一个或多个组件相对于光学系统的一个或多个其他元件移动以将光谱信号相对于光学传感器(例如，ccd阵列传感器)移位来改变该信号。在一个实施例中，例如，致动器54适于
移动光学系统的一个或多个组件(例如，诸如旋转光栅之类的可移动光栅，或诸如光圈之类的光学系统组件)，被设置为可以将光谱信号相对于光学传感器移位。在另一实施例中，致动器适于将光学传感器相对于光谱仪的光学系统移动，以将接收的拉曼信号相对于传感器的元件移位。在其他实施例中，光学传感器和光学系统的一个或多个组件(例如，光栅和/或光圈)二者可以相对于彼此移动。在其他实施例中，光学系统的一个或多个其他组件可以被用于单独地相对于光学传感器移位光谱信号或与光栅和传感器中的一者或二者相结合地相对于光学传感器移位光谱信号。
69.在一些实施例中，可以通过以大体一致的激励频率操作的单个激光器获得多个激励周期。光谱仪的光学系统的一个或多个可移动组件可以适于将接收的光谱信号相对于光谱仪光学系统的光学传感器移位。(例如，通过光学传感器的不同对应位置或感测元件)可以在光学传感器的不同相对位置接收多个单独感测的光谱信号，以提供多个单独感测的光谱信号。可以基于接收的多个单独光谱信号来获得经分解的光谱信号。经分解的光谱信号例如可以减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声，而不需要适于针对多个单独感测的光谱信号中的每个改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器。
70.在一个实施例中，从多个单独感测的光谱信号组装矩阵，该多个单独感测的光谱信号是从自样本接收的光谱信号的多个移位检测中检测到的。该矩阵被用于分解多个单独感测的光谱信号并减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声。
71.图2a和图2b分别示出了适于用第一光谱信号和相对于第一光谱信号移位的第二光谱信号成像的光谱仪的示例多通道检测器的示意图。在该示例中，图2a示出了在第一位置(对应于第一光学系统中间组件位置(例如，光栅旋转位置)和/或检测器位置)处第一单独感测的光谱信号被衍射到多通道检测器上，使得第一光谱信号的一个或多个峰或其他衍射分量在第一位置处在检测器的传感器元件上成像。图2b示出了在第二位置(对应于第一光学系统中间组件位置和/或检测器位置)衍射到多通道检测器上的第二单独感测光谱。在图2b中，第二光谱信号的一个或多个峰或其他衍射分量在与图2a中示出的第一光谱信号的对应的峰或其他衍射分量不同的多通道检测器的传感器元件/通道对应的第二移位/位移后的位置处在检测器的传感器元件上成像。
72.图3示出了适于移动诸如衍射光栅14之类的光谱仪的光学元件的基于压电的元件10的分解透视图。图4示出了适于移动光谱仪的光学元件的基于压电的元件10的组装透视图。在该特定实施例中，例如，基于压电的元件10包括用于支撑光谱仪的光学系统内的衍射光栅14的光栅底座。压电元件12耦接到光栅底座16并由光栅底座16支撑。压电元件被部署为诸如基于(例如，从光谱仪的一个或多个控制电子器件52接收的)电信号沿着轴线15提供线性力。线性力被施加在也安装于光栅底座的柔性元件18上。在一个实施例中，例如，柔性元件18(例如，可弯曲金属片元件、弯曲聚合物元件)与压电元件12相邻地部署，并固定到光栅底座16，以像悬臂梁一样起作用。在该实施例中，衍射光栅14被安装或耦接到柔性元件18，使得当压电元件12沿着轴线移动时，压电元件12使柔性元件18弯曲，从而导致柔性元件18相对于柔性元件18的固定部分弯曲，并导致衍射元件14相对于光谱仪光学系统的一个或多个其他元件(例如，检测器)旋转。在一个实现方式中，例如，衍射光栅14(例如，经由粘合剂或连接器)被固定到柔性元件18。柔性元件18的一部分(例如，端部)连接(例如，螺栓连接、螺纹连接、焊接、熔接、粘合或以其他方式连接)到光栅底座16。压电元件12(例如，经由
粘合剂或连接器)固定到光栅底座16。光栅底座16连接到光谱仪(例如，连接到光谱仪的框架或其他部分)。在该示例中，光栅底座16相对于光谱仪的其余光学组件是可移动的。
73.尽管图3和图4示出了压电元件和/或堆叠件12作为致动器，但也可以使用其他设备，诸如但不限于马达、扭动马达(squiggle motor)、音圈、检流计、pcb马达、旋转马达或适于将光栅相对于光谱仪的传感器旋转的任何其他机械设备。类似地，尽管图3和图4示出了附接到柔性元件的色散元件14，但诸如光学平面、镜子等的光学系统的其他旋转组件也可以安装到柔性元件。
74.图5示出了光谱仪60的替代示例实施例的框图，光谱仪60被配置为通过引导激励信号(例如，激励光信号)来照明样品，从样品接收返回的光谱信号并确定与样品的一个或多个成分对应的光谱信号的光谱分量。尽管特定示例示出了拉曼光谱仪，但基于本文中的描述，可以容易地设计出诸如发光光谱仪之类的其他类型的光谱仪。用相同的参考标号标记与关于图1的光谱仪所示出的组件类似的光谱仪60的组件。
75.光谱仪60包括激励源22，激励源22经由光学系统65向样品提供激励入射光束26。光学系统65将入射光束26朝向样品28引导，并从样品28接收光谱信号36。
76.光学系统65包括输入聚焦透镜40，输入聚焦透镜40将光谱信号36聚焦到空间滤波器66处的点。例如，在一个实施例中，空间滤波器66包括光圈、狭缝或凹口，并通常位于输入聚焦透镜40的焦点处。空间滤波器66对输入聚焦透镜的焦点处的光束进行空间滤波。
77.在图5中，致动器68适于将空间滤波器66相对于诸如光学检测器48之类的光学系统65的一个或多个其他组件移动。例如，在图5中示出的实施例中，滤波器66相对于行进通过光学系统65的光谱信号的光路是可平移的。致动器70适于移动诸如图5中所示的滤波器66。致动器可以包括任何类型的致动器，诸如但不限于马达、蠕动马达、音圈、电流计、pcb马达、旋转马达或适于将滤波器66相对于光学系统65的光路和/或检测器平移的任何其他机械设备。
78.准直透镜42在发散光谱信号36经过空间滤波器66的光圈之后对其进行准直。准直透镜42还将经重新准直的拉曼光束朝向诸如衍射光栅64之类的色散元件引导。衍射光栅64包括将拉曼光束划分为空间分离波长的光学元件并将经划分的拉曼光束46朝向检测器48引导。经划分的拉曼光束46经过检测器聚焦透镜50，检测器聚焦透镜50将经划分的拉曼光束46的空间分离波长聚焦到检测器48上。
79.光谱仪60还包括用于控制光谱仪60的操作的控制电子器件52。例如，控制电子器件52可以控制光源22、一个(多个)致动器组件70、检测器48、(例如，用于光源或检测器的)温度控制元件的操作以及到光谱仪和/或来自光谱仪的数据传送。
80.光谱仪60包括光学系统65，光学系统65适于接收光谱信号，并通过将光学系统的一个或多个组件相对于光学系统的一个或多个其他元件移动以将光谱信号相对于光学传感器(例如，ccd阵列传感器)移位来改变该信号。在该实施例中，例如，适于移动光学系统的一个或多个组件(例如，线性平移空间滤波器66)的致动器70被设置为将光谱信号相对于光学传感器移位。
81.可以通过以大体一致的激励频率(例如，λ1)操作的单个激光器获得多个激励周期。可线性平移的空间滤波器66适于将接收的光谱信号相对于光谱仪光学系统65的光学传感器48移位。(例如，通过光学传感器的不同对应位置或感测元件)可以在光学传感器的不
同相对位置接收多个单独感测的光谱信号，以提供多个单独感测的光谱信号。可以基于接收的多个单独光谱信号来获得经分解的光谱信号。经分解的光谱信号例如可以减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声，而不需要适于针对多个单独感测的光谱信号中的每个改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器。
82.图6示出了光谱仪80的另一示例实施例的框图，光谱仪80被配置为通过引导激励信号(例如，激励光信号)来照明样品，从样品接收返回的光谱信号并确定与样品的一个或多个成分对应的光谱信号的光谱分量。用相同的参考标号标记与关于图1和图5的光谱仪所示出的组件类似的光谱仪80的组件。
83.光谱仪80包括激励源22，激励源22经由光学系统65向样品提供激励入射光束26。光学系统65将入射光束26朝向样品28引导，并从样品28接收光谱信号36。
84.光学系统65包括输入聚焦透镜40，输入聚焦透镜40将光谱信号36聚焦到空间滤波器66处的点。例如，在一个实施例中，空间滤波器66包括光圈、狭缝或凹口，并通常位于输入聚焦透镜40的焦点处。空间滤波器66对输入聚焦透镜的焦点处的光束进行空间滤波。
85.准直透镜42在发散光谱信号36经过空间滤波器66的光圈之后对其进行准直。准直透镜42还将经重新准直的拉曼光束朝向诸如衍射光栅64之类的色散元件引导。衍射光栅44包括将拉曼光束划分为空间分离波长的光学元件并将经划分的拉曼光束46朝向检测器86引导。经划分的拉曼光束46经过检测器聚焦透镜50，检测器聚焦透镜50将经划分的拉曼光束46的空间分离波长聚焦到检测器86上。
86.在图6中，致动器90适于将检测器86相对于诸如衍射光栅64之类的光学系统85的一个或多个其他组件移动。例如，在图5中示出的实施例中，检测器86相对于朝向光学系统85的检测器86行进的光谱信号的光路是可平移的。致动器90适于移动诸如图6中所示的检测器66。致动器可以包括任何类型的致动器，诸如但不限于马达、扭动马达、音圈、检流计、pcb马达、旋转马达或适于将检测器86相对于光学系统85内的光路平移的任何其他机械设备。
87.光谱仪80还包括用于控制光谱仪80的操作的控制电子器件52。例如，控制电子器件52可以控制光源22、一个或多个致动器组件90、检测器88、(例如，用于光源或检测器的)温度控制元件的操作以及到光谱仪和/或来自光谱仪的数据传送。
88.光谱仪80包括光学系统85，光学系统85适于接收光谱信号，并通过将光学系统的一个或多个组件相对于光学系统的一个或多个其他元件移动以将光谱信号相对于光学传感器(例如，ccd阵列传感器)移位来改变该信号。在该实施例中，例如，适于移动光学系统的一个或多个组件(例如，线性平移检测器88)的致动器70被设置为将光谱信号相对于光学传感器移位。
89.可以通过以大体一致的激励频率(例如，λ1)操作的单个激光器获得多个激励周期。可线性平移的检测器88适于将接收的光谱信号相对于光谱仪光学系统85的光路移位。(例如，通过光学传感器的不同对应位置或感测元件)可以在光学传感器的不同相对位置接收多个单独感测的光谱信号，以提供多个单独感测的光谱信号。可以基于接收的多个单独光谱信号来获得经分解的光谱信号。经分解的光谱信号例如可以减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声，而不需要适于针对多个单独感测的光谱信号中的每个改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器。
90.图7示出了光谱仪100的又一示例实施例的框图，光谱仪100被配置为通过引导激励信号(例如，激励光信号)来照明样品，从样品接收返回的光谱信号并确定与样品的一个或多个成分对应的光谱信号的光谱分量。用相同的参考标号标记与关于图1、图5和图6的光谱仪所示出的组件类似的光谱仪100的组件。
91.光谱仪100包括激励源22，激励源22经由光学系统105向样品提供激励入射光束26。光学系统105将入射光束26朝向样品28引导，并从样品28接收光谱信号36。
92.光学系统105包括输入聚焦透镜40，输入聚焦透镜40将光谱信号36聚焦到空间滤波器66处的点。例如，在一个实施例中，空间滤波器66包括光圈、狭缝或凹口，并通常位于输入聚焦透镜40的焦点处。空间滤波器66对输入聚焦透镜的焦点处的光束进行空间滤波。
93.准直透镜42在发散光谱信号36经过空间滤波器66的光圈之后对其进行准直。准直透镜42还将经重新准直的拉曼光束朝向光学平面106引导并到诸如衍射光栅64的色散元件上。衍射光栅64包括将拉曼光束划分为空间分离波长的光学元件并将经划分的拉曼光束46朝向检测器48引导。经划分的拉曼光束46经过检测器聚焦透镜50，检测器聚焦透镜50将经划分的拉曼光束46的空间分离波长聚焦到检测器48上。
94.在图7中，致动器110适于将光学平面106相对于诸如检测器48和/或衍射光栅64之类的光学系统105的一个或多个其他组件移动。例如，在图7中示出的实施例中，光学平面106相对于朝向光学系统85的检测器48行进的光谱信号的光路是可旋转的。致动器110适于移动诸如图7中所示的光学平面106。致动器可以包括任何类型的致动器，诸如但不限于马达、扭动马达、音圈、检流计、pcb马达、旋转马达或适于将检测器86相对于光学系统105内的光路平移的任何其他机械设备。
95.光谱仪100还包括用于控制光谱仪100的操作的控制电子器件52。例如，控制电子器件52可以控制光源22、一个或多个致动器组件110、检测器48、(例如，用于光源或检测器的)温度控制元件的操作以及到光谱仪和/或来自光谱仪的数据传送。
96.光谱仪100包括光学系统105，光学系统65适于接收光谱信号，并通过将光学系统的一个或多个组件相对于光学系统的一个或多个其他元件移动以将光谱信号相对于光学传感器(例如，ccd阵列传感器)移位来改变该信号。在该实施例中，例如，致动器110适于移动光学系统的一个或多个组件(例如，旋转光学平面106)，被设置为将光谱信号相对于光学传感器移位。
97.可以通过以大体一致的激励频率(例如，λ1)操作的单个激光器获得多个激励周期。可旋转的光学平面106适于将接收的光谱信号相对于光谱仪光学系统105的光学传感器48移位。(例如，通过光学传感器的不同对应位置或感测元件)可以在光学传感器的不同相对位置接收多个单独感测的光谱信号，以提供多个单独感测的光谱信号。可以基于接收的多个单独光谱信号来获得经分解的光谱信号。经分解的光谱信号例如可以减少或消除诸如荧光和背景辐射之类的噪声，而不需要适于针对多个单独感测的光谱信号中的每个改变激励信号波长的可调谐激光器或多个激光器。
98.图8a和图8b示出了诸如图7中所示的可旋转的光学平面106的示例实施例的框图。图8a示出了在与光学系统105的光路大体垂直的方向上定向的光学平面106。在该定向中，如图8a中所示，光路大体笔直地继续。图8b示出了相对于光路旋转从而导致光学系统105内的光束的线性平移的光学平面106。经线性平移的光束被朝向衍射光栅引导，并在检测器48
上得到经线性平移的光束。
99.图9a示出了从光谱仪的光学系统内相对于彼此移位的多个光谱信号去除或消除诸如荧光和/或背景辐射之类的噪声的示例方法的流程图。在该方法中，对于在光谱仪的检测器上成像的第一光谱信号收集(多个光谱中的)第一光谱。对于相对于检测器移位的在检测器上成像的第二光谱信号收集(多个光谱中的)第二光谱。在一个实施例中，例如，第一光谱信号和第二光谱信号分别在第一位置和第二位置处被衍射到检测器的表面上。可以通过移动光谱仪的光学系统的一个或多个组件(例如，色散元件、检测器、滤波器、光学平面、微机电系统(mems)元件、镜子等)来实现移位。虽然描述了两个光谱，但可以获得任意数量的经移位的光谱。来自多个检测到的经移位的光谱信号的数据被叠加，以创建表示多个检测到的经移位的光谱信号的向量。还建立了数学矩阵运算符。矩阵运算符和向量被用于求解线性问题ax＝b，其中，a是矩阵，x表示未知向量，并且b表示多个检测到的经移位的光谱。在一个变形中，可以使用迭代方法来求解确定拉曼信号和噪声(例如，荧光和/或背景噪声)的未知向量的线性问题。矩阵表示来自多个经移位的光谱测量的非移位的背景光谱的单位矩阵。获得的拉曼信号是不含噪声(荧光和/或背景噪声)的，并且是基线光谱信号(例如，基线拉曼光谱信号)。
100.图9b是示出针对4-氨基-6-氯-1,3-苯二磺酰胺的检测到的拉曼光谱和通过图9a中示出的方法确定的底层基线拉曼光谱的曲线图。所测量的光谱200包括底层拉曼信号以及诸如荧光和背景噪声之类的各种噪声分量。通过将信号移位并确定分离的噪声向量和拉曼信号，示出底层基线拉曼信号205。如图9b中可以看出的，所得的拉曼信号是可以精确地与库(library)进行比较的基线光谱。
101.图9c是示出针对对乙酰氨基酚的检测到的拉曼光谱和通过图9a中示出的方法确定的底层基线拉曼光谱的曲线图。所测量的光谱210包括底层拉曼信号以及诸如荧光和背景噪声之类的各种噪声分量。通过将信号移位并确定分离的噪声向量和拉曼信号，示出底层基线拉曼信号215。如图9c中可以看出的，所得的拉曼信号是可以精确地与库进行比较的基线光谱。
102.比较图9b与图9c，可以看出，图9b中示出的针对4-氨基-6-氯-1,3-苯二磺酰胺的检测到的光谱包括比图9c中示出的针对对乙酰氨基酚的检测到的光谱强的噪声分量，该噪声分量掩盖了底层拉曼信号。然而，在任一种情况下，确定了干净的基线拉曼光谱。
103.也可以使用诸如移位激励拉曼差分光谱(serds)之类的其他方法来从多个单独感测的光谱信号中获得隔离的背景光谱。
104.图10示出了样品的多个单独感测的经移位的光谱信号的曲线图。在该曲线图中，在光谱仪检测器元件处检测到的单独检测到的光谱信号的波数在x轴上示出，而光谱信号的振幅沿着y轴示出。如图5中可以看出的，例如，可以在不使用多个激光器或可调谐激光器的情况下实现多个相对小的位移步长(shifted steps)。在各种实施例中，例如，经移位的单独光谱信号的不同测量可以包括任何数量的测量，诸如在五个和五十个样品之间、在十个和四十个样品之间、在二十个和三十个样本样品之间。
105.图11示出了样品的多个单独感测的经移位的光谱信号的另一曲线图。在该特定示例中，示出了移位27个波数的两个测量值，其中，光谱信号的主峰包括977nm和1004nm的波数。在该特定示例中，783nm和785nm处的紧密间隔的激光提供了移位27个波数的两个光谱。
106.图12示出了样品的多个单独感测的经移位的光谱信号的又一曲线图。在该特定示例中，光谱仪光学系统的旋转光栅、可移位检测器和/或其他组件提供在波数的范围内的多个移位(例如，以多个步长的21个波数的总范围内的多个移位)。
107.图13a至图13b示出了表示从用于l-甲状腺素样品的多个激励波长系统获得的结果与从包括多个单独感测的经移位的光谱信号的系统获得的结果的分辨率比较的曲线图。从多步长旋转光栅系统计算出的光谱能够比双步长双激光器系统更好地分辨峰。在该示例中，如图13b中所示，分辨率与没有荧光的1064nm拉曼光谱仪的分辨率相当。
108.图14图示了示出拉曼光谱学应用中的荧光抑制的重要性的示例。材料的识别通常是通过测量样品光谱与库光谱的相关程度来执行的。可以通过光谱曲线下方的区域的点积测量来执行该相关性。当光谱不表现荧光时，点积非常依赖于光谱之间的相似性。然而，当光谱包括荧光时，光谱下方的区域被独立于拉曼散射的信号所主导。该结果是非常不精确或不确定的相关性。例如，在图15中，从乳果糖(lactulose)提取的拉曼光谱被错误地解释为异丙醇或者是不确定的。
109.图15图示荧光抑制的价值。在这种情况下，已经通过如参考图1描述的旋转光栅获得乳果糖的光谱。应用参考图9描述的数学算法来去除荧光。结果，实现了与库光谱的精确相关性。图15还比较了当没有应用光谱移位时所得的与异丙醇的不正确匹配。
110.在各种实施例中，通过将光谱信号相对于光谱仪光学系统的检测器移动，允许光谱仪在基于特定应用而不是基于特定激光器的可用的不同激光波长和/可调谐性选择激励激光波长方面增加灵活性。例如，使用多个激光器意味着激光波长容易通过与另一紧密间隔的激光器或通过温度调谐而改变小的波长距离。这使许多系统限制在783nm和785nm，并将温度可调谐dbr激光器限制在785nm范围内。在一些应用中，可以有利地能够使用各种各样可用的激光波长，诸如在532nm或甚至405nm下操作的激光器，这是由于它们的效率高得多。这些激光器不能跳到新的波长，但如本文中所述，使用这些激励激光波长获得的光谱信号移位。这些波长也更容易产生荧光，因此使用这些波长获得的移位的独立采样的光谱信号可以为诸如这些之类的波长提供值。另外，使用单个不可调谐激光器的能力与驱动多个激光激励源或控制可调谐激励激光源的温度和驱动可调谐激励激光源相比可以提供显著的功率节省。
111.图16是包括灯的光谱仪300的示例实施例的示意图，光谱仪300适于提供用于在获取多个经移位的光谱之后将光学系统305的可移动组件(例如，诸如光栅之类的色散元件、检测器、滤波器、光学平面、微机电系统(mems)元件、镜子等)返回到一致初始位置的方法。在该实施例中，光谱仪包括光学系统305，光学系统305向样品提供激励入射信号，从样品接收光谱信号，并将光谱信号引导到诸如以上参考图1描述的检测器。
112.光谱仪300还包括不改变波长的发射光源310。一个示例是低压氖灯，该低压氖灯跨与拉曼光谱相同的波长区域发射原子发射线。当光学系统305的组件(例如，光栅色散元件)移动(例如，旋转或平移)时，发射线(例如，氖发射线)将像拉曼发射线一样移动。这在图17中被图示。图17示出了在诸如色散元件(光栅)、检测器、滤波器、光学平面、微机电系统(mems)元件、镜子等之类的光学系统的可移动部件的不同位置处提取的氖发射的多个光谱。可以使用这些位置来校准每个新的光栅位置处的光谱。还可以使用这些线来确保光学系统305的组件(例如，光栅色散元件)返回到其原点或初始位置。通过激活发射光源310并
将光谱的位置与和初始位置相关的校准信号进行比较，光谱仪300可以确定(信号的)一个或多个峰(或其他分量/特征)是否处于检测器上的正确位置以确定可移动分量是否处于其正确的初始位置，并确保在获取之后没有位错。如果光谱分量/特征未处于正确位置，则可移动组件可以移动，直到确定了正确位置。
113.虽然以上以一定特异度描述了实施例，但在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域的技术人员可对所公开的实施例进行许多改变。所有方向参照(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶、底、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)仅用识别目的，以帮助读者理解本发明，并不形成特别地关于本发明的位置、定向或使用的限制。接合参照(例如，附接、耦接、连接等)将被广义地解释，并可以包括元件的连接之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，接合参照不一定暗示两个元件直接连接并且彼此处于固定关系。以上描述中包含的或附图中示出的所有内容旨在应当被解释为仅是例示性的而非限制性的。在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的精神的情况下进行细节或结构上的改变。