УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АНАЛИЗАТОР КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ С ВЫСОКИМИ ВХОДНОЙ УГЛОВОЙ АПЕРТУРОЙ, РАЗРЕШЕНИЕМ, ПРОПУСКАНИЕМ, КВАНТОВЫМ ЭФФЕКТИВНЫМ И ФОНОПОДАВЛЕНИЕМ
IMPROVED RAMAN SCATTER WITH HIGH ACCEPTANCE CONE, RESOLUTION, TRANSMISSION, QUANTUM EFFICIENCY AND BACKGROUND REDUCTION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет на основе предварительной заявки на патент США №61/299,555, поданной 29 января 2010 года, которая инкорпорирована настоящим документом путем отсылки во всей ее полноте для всех целей.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение предусматривает создание анализатора спектров комбинационного рассеяния для измерения рассеянного светового излучения из ячейки комбинационного рассеяния. В частности, настоящее изобретение предусматривает создание анализатора спектров комбинационного рассеяния, способного измерять изотопные соотношения нескольких соединений.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Комбинационное рассеяние представляет собой тип неупругого рассеяния электромагнитного излучения, такого как видимый свет, открытого в 1928 году Чандрасехара Раманом. При прохождении луча монохроматического света через вещество происходит рассеяние части излучения. Несмотря на то, что частота значительной части рассеянного излучения аналогична частоте падающего излучения («рэлеевское рассеяние»), частоты части излучения будут выше частоты (излучение антистоксового типа) и ниже частоты (излучение стоксового типа) падающего луча света. Указанный эффект известен как комбинационное рассеяние и обусловлен неупругим столкновением между фотонами и молекулами, что приводит к изменению колебательного и вращательного энергетических уровней молекул. Спектроскопия комбинационного рассеяния света представляет собой спектрофотометрическое обнаружение неупруго рассеянного светового излучения.
-1
[0004] Стоксово излучение характеризуется более низкими энергетическими уровнями (более низкими частотами, или более низким волновым числом (см)) по сравнению с падающими фотонами лазерного излучения, и стоксово излучение возникает в том случае, когда молекула поглощает энергию падающего лазерного луча и релаксирует в возбужденное вращательное и (или) колебательное состояние. Каждая молекулярная частица генерирует набор характерных стоксовых линий, которые смещены от частоты возбуждения (частота линии комбинационного рассеяния), интенсивности которых являются линейно пропорциональными плотности частиц в образце.
[0005] Антистоксово излучение характеризуется более высокими частотами по сравнению с падающими фотонами лазерного излучения, и оно возникает только в том случае, когда фотон сталкивается с молекулой, находящейся, например, первоначально в колебательно-возбужденном состоянии ввиду повышенной температуры образца. В том случае, когда конечное молекулярное состояние характеризуется более низкой энергией, чем начальное состояние, рассеянный фотон обладает энергией падающего фотона плюс разница энергии между начальным и конечным состоянием молекулы. Как и стоксово излучение, антистоксово излучение создает спектральные «дактилоскопические отпечатки»» молекулы, участвующей в процессе рассеяния. Указанную часть спектра редко используют для аналитических целей, т.к. спектральные признаки являются более слабыми.
Тем не менее, соотношение стоксова рассеяния к антистоксову рассеянию может быть использовано для определения температуры образца, когда последний находится в термическом равновесном состоянии.
[0006] Стоксово и антистоксово излучение совместно называют спонтанным «рамановским» излучением. Ввиду того, что частота возбуждения и частота стоксова (и антистоксова) рассеянного светового излучения обычно отдалены от резонанса любого компонента в образце, флюоресценция при частотах, представляющих интерес, является минимальной. Образец является оптически тонким и не изменяет интенсивностей стоксова излучения (отсутствие первичных и вторичных возбуждений), что является разительным контрастом по сравнению с инфракрасной спектроскопией.
[0007] Спектроскопия комбинационного рассеяния света является общепризнанной технологией для определения наличия следовых соединений и их изотопомеров вплоть до уровней одной части на миллион во множестве смесей. С помощью анализа комбинационного рассеяния могут быть определены абсолютные концентрации, рассеянные спектры минимизируют помехи, и осуществляется эффективное подавление гармоник и линий комбинационного рассеяния.
[0008] Тем не менее, для функционирования известных спектрометров комбинационного рассеяния может потребоваться точная настройка частоты падающего потока лазерного излучения. Кроме того, известные анализаторы комбинационного рассеяния могут не обладать необходимой чувствительностью, для них требуется длительное время интегрирования, они могут иметь слишком большие габариты и (или) являться слишком дорогостоящими для широкого применения. Таким образом, в данной области техники существует необходимость в относительно дешевом и компактном спектрометре комбинационного рассеяния, обладающем повышенной чувствительностью и менее длительным временем интегрирования и способным функционировать при высоком давлении окружающей среды (до 800 бар).
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Цели настоящего изобретения в соответствии с приведенными примерами осуществления и подробным описанием в данном документе и в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусматривают создание анализатора комбинационного рассеяния для проведения анализа светового излучения, испускаемого из ячейки комбинационного рассеяния. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения анализатор комбинационного рассеяния может включать расщепитель оптического пучка, предназначенный для расщепления светового излучения, испускаемого из ячейки комбинационного рассеяния, на первый пучок и второй пучок. В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения фильтр на атомных парах способен фильтровать линию комбинационного рассеяния из первого пучка. В соответствии с дополнительными аспектами настоящего изобретения прерыватель способен периодически прерывать первый и второй пучки, и фотодетектор может преобразовывать световое излучение из первого и второго пучков в электрический сигнал. В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения сигнал, поступающий из фотодетектора, может быть усилен, оцифрован и отфильтрован для удаления большей части фоновых сигналов. В некоторых случаях интенсивности результирующего сигнала могут быть получены с помощью Фурье-анализа электронной цифровой обработки сигнала.
[0010] Дополнительные преимущества будут частично изложены в нижеследующем описании и частично будут очевидны из описания или могут быть изучены, применяя на практике аспекты раскрытия изобретения в соответствии с описанием в данном документе. Преимущества могут быть реализованы и достигнуты с помощью компонентов и их сочетаний, указанных, в частности, в прилагаемой формуле. Очевидно, что как выше приведенное краткое описание, так и ниже приведенное подробное описание изобретения являются иллюстративными и пояснительными и не являются ограничительными для аспектов настоящего изобретения, как заявлено.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
[0011] Особенности, сущность и преимущества раскрытого предмета изобретения очевидны из следующего ниже его подробного описания, ведущегося со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором:
[0012] ФИГ.1 - блок-схема анализатора комбинационного рассеяния в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Более полное понимание настоящего изобретения может быть достигнуто путем ссылки на нижеприведенное подробное описание изобретения, примеры, рисунки и формулу изобретения, а также на их предшествующее и последующее описание. Тем не менее, прежде чем будут раскрыты и описаны настоящие устройства, системы и (или) способы, очевидно, что настоящее изобретение не ограничено конкретными раскрытыми устройствами, системами и (или) способами, если не указано иное, и, безусловно, как таковые, они могут быть изменены и модифицированы. Также очевидно, что используемая в настоящем описании терминология предназначена для целей описания только конкретных аспектов настоящего изобретения, и данная терминология не является ограничивающей.
[0014] В соответствии со значением, используемым в описании настоящего изобретения и в прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа "a," "an" и "the" включают ссылки на форму множественного числа, если иное четко не указано в контексте. Таким образом, например, ссылки на «анализатор» могут включать два или несколько таких анализаторов, если иное не указано в контексте.
[0015] Диапазоны могут быть выражены в данном контексте как от «приблизительно» одного конкретного значения и (или) до «приблизительно» другого конкретного значения. При выражении такого диапазона другой пример осуществления настоящего изобретения включает от одного конкретного значения и (или) до другого конкретного значения. Соответственно при выражении значений в виде приближений за счет использования предыдущего термина «приблизительно», очевидно, что конкретное значение образует другой пример осуществления изобретения. Кроме того, очевидно, что конечные токи каждого из диапазонов являются значимыми как в отношении другой конечной точки, так и независимо от другой конечной точки.
[0016] В соответствии со значением, используемым в настоящем контексте, термины «выборочный» или «в некоторых случаях» означают, что описанное в последующем событие или обстоятельство может или не может произойти (иметь место), и что описание включает примеры, в которых событие или обстоятельство происходят или имеют место, и примеры, в которых они не происходят или не имеют место.
[0017] Ниже будет приведено подробное описание некоторых примеров осуществления настоящего изобретения, примеры которого проиллюстрированы на прилагаемом чертеже. В тех случаях, когда это возможно, одинаковые детали обозначены одними и теми же позициями.
[0018] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения анализатор комбинационного рассеяния 10 предназначен для проведения анализа светового излучения, испускаемого из ячейки комбинационного рассеяния, именно такой анализатор комбинационного рассеяния описан в патенте США №6,778,269, который инкорпорирован путем отсылки в настоящее описание во всей своей полноте. Как проиллюстрировано на Фиг.1, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения анализатор 10 может включать, по меньшей мере, расщепитель оптического пучка 20, фильтр на атомных парах 30, прерыватель 40 и фотодетектор 50.
[0019] Расщепитель оптического пучка 20 может представлять собой известный расщепитель оптического пучка, предназначенный для расщепления одного пучка света на несколько пучков. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения расщепитель оптического пучка может представлять собой поляризационно-чувствительный расщепитель оптического пучка. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения расщепитель оптического пучка может представлять собой расщепитель оптического пучка 90/10, в котором 90% первоначального пучка расщепляется на первый пучок света и 10% первоначального пучка расщепляется на второй пучок. В соответствии с другими различными аспектами настоящего изобретения расщепитель оптического пучка может представлять собой расщепитель оптического пучка 80/20, расщепитель оптического пучка 70/30, расщепитель оптического пучка 60/40, расщепитель оптического пучка 50/50 и т.д. При использовании и в соответствии с более полным описанием, приведенным ниже, второй пучок образует постоянный стандарт, по которому обеспечивается нормализация первого пучка, и, следовательно, все изменения детектора, такие как изменения мощности, могут быть исключены при проведении анализа соотношений двух сигналов.
[0020] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фильтр на атомных парах 30 может быть предназначен для полного удаления определенной линии комбинационного рассеяния (излучение стоксового типа) без ослабления других спектрально близких линий комбинационного рассеяния. Таким образом, доминантная линия соединения может быть удалена с помощью фильтра на атомных парах, в то время как остальные линии могут полностью пройти через фильтр. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения фильтр на атомных парах может выборочно поглощать изотоп на основе частоты оптического потока, проходящего через фильтр. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фильтр на атомных парах 30 включает стеклянную ячейку, заполненную, например, без ограничения моноатомным паром, таким как моноатомный пар цезия. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения пар может быть выбран таким образом, чтобы он обладал резонансом поглощения при частоте равной частоте лазерного источника за минусом частоты сдвига частот комбинационного рассеяния конкретной целевой молекулы, которая является частотой линии комбинационного рассеяния, т.е. спектрально близкой другой линии комбинационного рассеяния. Безусловно, предполагается, что фильтр на атомных парах может быть нагрет. Вместо паров цезия в качестве среды фильтра на атомных парах могут быть использованы другие атомные пары в сочетании с надлежащим образом выбранными источниками лазерного излучения. Например, могут быть использованы без ограничения другие пары металлов или благородного газа в качестве среды фильтра, а также легированное ионами стекло, при этом осуществляется выбор соответствующего монохроматического источника света для создания пучка при частоте, выбранной с целью фильтрования конкретной линии комбинационного рассеяния. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фильтр на атомных парах способен осуществлять отделение вплоть до доплеровской ширины образца и пара фильтра на атомных парах.
[0021] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения прерыватель 40 может содержать несколько оптических прерывателей 42, предназначенных для выборочной блокировки первого и (или) второго пучков света, тем самым выборочно предотвращая прохождение первого и (или) второго пучков через оптические прерыватели. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения каждый оптический прерыватель может включать затвор, предназначенный для модулирования с несоизмеримой частотой. В некоторых случаях предполагается, что затворы способны модулировать с произвольной частотой, либо постоянно с предварительно заданной частотой. Например, затвор первого оптического прерывателя может модулировать с частотой 100 Гц, в то время как затвор второго оптического прерывателя может модулировать с частотой 47 Гц. В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения прерыватель может включать систему управления затвором, предназначенную для управления модуляцией затворов.
[0022] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения фотодетектор 50 может включать по меньшей мере один известный фотодетектор, предназначенный для преобразования светового излучения в электрический сигнал. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фотодетектор 50 может включать только один известный фотодетектор, предназначенный для преобразования светового излучения в электрический сигнал. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фотодетектор может включать фотодиод. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения фотодетектор 50 может включать лавинный фотодиод. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фотодетектор может преобразовывать свет от первого пучка в первый электрический сигнал и свет от второго пучка во второй электрический сигнал.
[0023] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения электрический сигнал, выходящий из фотодетектора 50, может быть направлен по меньшей мере на одно известное усилительное устройство для усиления. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения по меньшей мере одно усилительное устройство может включать по меньшей мере один цифровой синхронизирующий усилитель.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения система управления затвором оптических прерывателей может быть синхронизирована по меньшей мере с одним усилителем таким образом, чтобы в определенном случае сигнал, поступивший на усилитель, мог быть согласован с соответствующим первым или вторым пучком. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения может быть проведено сравнение первого электрического сигнала со вторым электрическим сигналом (из неотфильтрованного второго пучка) для нормализации первого электрического сигнала. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения усиленный сигнал, поступающий из по меньшей мере одного усилителя, может быть оцифрован и отфильтрован с помощью Фурье-фильтра для удаления большей части фонового сигнала. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения интенсивности результирующего сигнала могут быть получены с помощью Фурье-анализа электронной цифровой обработки сигнала.
[0024] На практике световое излучение, рассеянное из ячейки комбинационного рассеяния, в соответствии с описанием, приведенным в патенте США №6,778,269, может быть собрано с помощью большой входной угловой апертуры и отфильтровано с помощью фильтра 60 с точечной апертурой для фильтрования светового излучения, испускаемого из ячейки комбинационного рассеяния (сигнал комбинационного рассеяния), и для вывода пучка, имеющего сглаженный поперечный профиль интенсивности.
12
13
13
2
2
2
2
[0025] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения фотоны света, выходящие из фильтра с точечной апертурой, фокусируют на бесконечность, пересекающую узкополосный фильтр 70 под прямым углом, который может установить спектральное окно, представляющее интерес, и отфильтровать помехи из сигнала комбинационного рассеяния. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения средняя длина волны узкополосного фильтра может совпадать с длиной волны линии D1 пара, например цезия (894,35 нм), фильтра на атомных парах. Световой поток расщепляется на первый пучок и второй пучок с помощью расщепителя оптического пучка 20. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения первый пучок светового потока проходит через фильтр на атомных парах 30, который позволяет удалить сильные линии комбинационного рассеяния избыточного соединения (например, СО из СО) путем установки длины волны падающего первичного лазерного излучения, λ, лазерного излучения, поступающего соответствующим образом в ячейку комбинационного рассеяния. Например, нижняя ветвь диады Ферми СO λ составляет 795,779 нм. В соответствии с данным аспектом настоящего изобретения соседняя более слабая линия комбинационного рассеяния (для СО, λ - 893,0 нм) находится внутри окна узкополосного фильтра 70 и может полностью пройти через фильтр на атомных парах 30 независимо от углов падения. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения второй пучок может оставаться неотфильтрованным фильтром на атомных парах.
[0026] В соответствии с одним иллюстративным аспектом настоящего изобретения световой поток первого и второго пучков может быть прерван оптическими прерывателями 42, работающими на несоизмеримой частоте, и может быть сфокусирован линзой 80 на фотодетектор 50. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения световой поток, поступающий в фотодетектор, может быть преобразован в электрический сигнал, который после усиления может быть оцифрован и отфильтрован с помощью Фурье-фильтра для удаления, по меньшей мере, части фонового сигнала с целью получения результирующего сигнала. В некоторых случаях предполагается, что интенсивности результирующего сигнала могут быть получены с помощью Фурье-анализа электронной цифровой обработки сигнала.
[0027] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения анализатор 10 способен одновременно измерять соотношение изотопов других соединений путем замены диодного лазера, генерирующего световое излучение, испускаемое ячейкой комбинационного рассеяния, на лазер, имеющий требуемую длину волны. Сигналы от всех соединений сохраняют свою идентификацию благодаря использованию оптического прерывателя и дополнительного комплекта синхронизирующих усилителей перед ячейкой комбинационного рассеяния таким образом, чтобы в определенном случае световое излучение, испускаемое ячейкой комбинационного рассеяния, могло быть сопоставлено с соответствующим соединением.
[0028] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения после установки лазерного диода в систему отпадает необходимость в тонкой настройке или регулировке в отношении всех анализируемых соединений. Тонкая настройка потребуется только на начальном этапе использования лазерного диода, которая задается каждым исследуемым соединением. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения анализатору, приведенному в настоящей заявке, может не потребоваться калибровка, он обладает исключительно широким диапазоном динамической интенсивности, низкой зависимостью от температуры окружающей среды, способен одновременно проводить измерения нескольких соединений и имеет ограниченное разрешение доплеровской ширины. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения разрешение прибора установлено на основе доплеровской ширины фильтра атомных паров 30. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения большой апертурный угол, высокая пропускная способность, а также высокий квантовый выход фотодетектора и эффективное фоноподавление экспресс-анализатора комбинационного рассеяния позволяют достичь более высокой чувствительности по сравнению с известными анализаторами комбинационного рассеяния. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения при сравнении с известными анализаторами комбинационного рассеяния экспресс-анализатор комбинационного рассеяния 10 способен регистрировать данные по всем исследуемым соединениям при менее длительном времени интегрировании. Также предполагается, что ввиду использования недорогостоящих доступных компонентов анализатор, приведенный в настоящей заявке, позволяет снизить до минимума производственные издержки. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения анализатор 10 может иметь небольшие габариты и, следовательно, представлять собой переносной прибор, в котором используются батарейки для его питания.
12
13
14
13
2
2
4
3
4
3
2
2
[0029] В соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения анализатор комбинационного рассеяния 10 может быть использован для неинвазивного тестирования в целях преобразования изотопно-меченого субстрата, такого как, например, без ограничения, СO, CO, NH NO, H NO, Н, HD, D и т.д. В области оптической спектроскопии предусматривается создание общедиагностического инструмента, позволяющего проводить оценку состояния здоровья пациента без использования рентгеноскопии, сканирования всего организма с помощью радиоактивных маркеров, без взятия образцов крови или биопсии.
12
13
13
2
2
[0030] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения способ диагностирования состояния здоровья пациента медицинским работником включает использование анализатора комбинационного рассеяния 10 для определения изотопного соотношения в пробе выдыхаемого человеком воздуха. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения изотопное соотношение в пробе выдыхаемого человеком воздуха может представлять собой соотношение СO/СO. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения после введения пациенту органического, обогащенного С- изотопом соединения, которое распадается с высокой вероятностью на исследуемом участке, может быть определено наличие конкретных заболеваний.
13
17
3
13
13
13
12
12
13
13
13
13
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0031] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения способ диагностирования состояния здоровья дополнительно включает введение соединения, меченого С изотопом, которое распадается в конкретной области человеческого организма. Воздух, выдыхаемый человеком, обычно содержит приблизительно 7 мбар СO(2,2-10 молекул/см), из которых приблизительно 1% составляет СO. Продукты распада будут содержать СO, который будет полностью представлять собой СO. Дополнительный вклад в соотношение СO/СO изменяется как функция времени, т.к. введенная доза была усвоена пациентом. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения изотопное соотношение СO/СO как функция времени, позволяет сделать непосредственное заключение относительно признаков заболевания. Повторные обследования позволяют продемонстрировать развитие процесса выздоровления или прогрессирования заболевания. В одном примере моча, меченая С(NH CONH), может быть использована для обнаружения наличия Helicobacter pylori в слизистой верхних отделов желудочно-кишечного тракта. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения с помощью анализа пробы выдыхаемого воздуха, содержащей индикаторный изотоп С, может быть определено по меньшей мере десять различных заболеваний, используя спектроскопию комбинационного рассеяния.
[0032] Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предполагается, что анализатор 10, приведенный в настоящей заявке, позволяет диагностировать процесс выздоровления пациента без использования радиоактивных веществ или биопсии, а также сократить время проведения анализов. Используемые соединения могут быть безвредными (то есть, нерадиоактивными) и приемлемыми для детей и беременных женщин. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения период времени, необходимый для диагностирования состояния здоровья каждого пациента, может составлять приблизительно 2 часа, и в течение указанного периода времени можно получить практически немедленные результаты.
[0033] Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что возможны различные изменения изобретения, не выходящие за пределы его сущности и объема. Другие примеры осуществления настоящего изобретения должны быть очевидны специалистам в данной области техники при рассмотрении описания изобретения и исходя из практического использования изобретения, раскрытого в настоящем документе. Необходимо понять, что описание изобретения и примеры рассматриваются как исключительно иллюстративные, при этом истинные объем и сущность изобретения раскрыты в нижеследующей формуле изобретения.