[发明专利]用于具有深度选择性的拉曼光谱法的设备

说明书

技术领域

本发明涉及拉曼光谱法(Raman spectroscopy)领域，具体地说，涉 及用于非破坏性地从宏观漫散射样本内的次表面(sub-surface)区域探测 拉曼光谱特征的设备。

背景技术

在许多分析应用中经常会遇到漫散射介质。所述分析应用的示例包 括但不限于对通常的食品、胶体、聚合物、催化剂、粉末的监测，涂层 技术，以及涉及医学研究与治疗中的组织探测和生化识别的医学应用。 在这种分析应用中遇到的样本常常高度相异并可能由化学组成各自不同 的各种层构成。因此，分析科学的主要目的是提供一种能够以非破坏性 方式确定次表面层的化学组成的方法。

从化学组成分析得到的好处可以用对骨骼进行非侵入性拉曼探测为 例加以说明，在该示例中，来自骨骼的信号质量对于获得关于是否存在 疾病的精准诊断是至关重要的(参见A.Carden和M.D.Morris，J.Biomed. Optics 5,259(2000))。骨胶原的常规拉曼信号被来自重叠组织的不期望的 拉曼信号所屏蔽，因此，通常借助活体组织检查来获得关于化学组成的 数据。

在许多分析应用中非常希望将从样本表面层得到的拉曼光谱成分与 来自同一样本的次表面层的拉曼光谱成分分离。然而，该任务极为复杂， 这是因为利用诸如共焦显微镜法等常规光学方法不能从重叠材料的浑浊 介质内部形成清晰的光学图像，常规光学方法通常仅适用于散射介质的 传输长度(transport length)级别的深度(该传输长度描述了光子在显著 偏离其原始传播方向之前所行进的平均距离)。该长度通常约为光子在介 质中的平均自由散射路径的10倍。例如，在生物组织中，该长度与约数 百微米的长度相对应。

已知红外光谱法和拉曼光谱法提供了丰富的与宽范围的生物组织和 流体的生化状态有关的信息(例如，参见US 6,681,133或WO 01/52739)。 不幸的是，利用这些方法进行的分析很大程度上局限于表面研究。

弹性散射光子已经用于探测散射次表面组成信息。例如，B.B.Das 等人在Rep.Prog.Phys.60，227(1997)中描述了一种采用时间选通 (temporal gating)的方法。该技术依赖于下述事实，即光需要耗费有限的 时间来穿透漫散射介质。因此稍后将在较低的深度发生散射事件，因而， 监测散射信号随时间的变化从理论上讲应当提供关于在逐渐变深的深度 处的散射中心的性质的信息。然而，Das等人的弹性散射技术不能直接应 用于拉曼光谱法。光子的非弹性散射的截面小得多，从而导致信号弱得 多。此外，拉曼信号更加容易受到来自冷光(1uminescence)特别是分析 组织时的荧光的干扰。

发明内容

因而，本发明的一个目的是提供一种能够提取次表面化学组成信息 的基于拉曼光谱法的分析技术。

因此，本发明提供了一种测量通过漫散射样本或介质的次表面拉曼 散射，由此确定该次表面区域的特性的方法。在一个方面中，所述方法 包括：(a)例如使用由激光器提供的光探针，在所述样本的表面上的进 入区提供入射辐射；(b)从所述表面上的收集区收集在所述样本内散射 的光，所述收集区与所述进入区间隔开；和(c)在所收集的光中探测与 所述入射辐射在光谱上相关的一个或更多个拉曼特征。

如果可以得到足够的现有知识，例如样本的近表面区域的预期拉曼 特征的强度，则可能仅需要所述进入区与收集区之间的单个间隔就可获 得关于次表面层的信息。然而，通过例如使用将在下面进行更详细描述 的技术以不同间隔来确定拉曼光谱强度，可以获得更为准确的信息。

为了与间隔开的收集区进行比较，还可以在基本上与进入区相同的 位置或与进入区重叠的位置设置基准收集区。有利的是，这种处于相同 位置的基准收集区可以与提供入射辐射的光源共用共同的光学器件。

收集区和进入区可以呈各种几何形状。在一个优选实施方式中，收 集区形成围绕进入区的环。多个这种环形收集区或者单个可变半径区域 可用于得到更多深度相关数据，并且通过围绕中心收集区放置单个固定 或可变的或者多个环形进入区，可以将所述布置反转。应当注意，所述 环形区域可以是断开或不完整的，并且在这些区域中通常将不会包括全 光学覆盖率(full optical coverage)。例如，紧密捆扎的光纤的圆形单厚度 阵列可获得60％的覆盖率。