用于测量光谱样品响应的方法和仪器技术

一种测量生物样品(1)的光谱响应的方法，包括以下步骤：生成具有初始光谱的探测光；用所述探测光照射所述样品(1)，包括所述探测光与所述样品(1)的相互作用；光谱解析检测所述探测光，由于所述探测光与所述样品(1)的相互作用，所述探测光具有偏离所述初始光谱的改变后的光谱，所述改变后的光谱是所述样品(1)的光谱响应的特性，其中，所述探测光包括用fs激光源装置(10)生成的探测光脉冲(2)。另外，描述了光谱测量仪器，所述光谱测量仪器被配置用于测量生物样品(1)的光谱响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量光谱样品响应的方法和仪器
本专利技术涉及一种测量生物样品的光谱响应的方法。特别地，本专利技术涉及一种通过用宽带探测光照射样品并感测由探测光与样品的相互作用而产生的探测光的光谱变化，来测量光谱响应的方法，如同一种测量探测光在样品处的吸收和/或反射的方法。另外，本专利技术涉及一种用于测量生物样品的光谱响应的光谱测量仪器，所述光谱测量仪器特别是包括宽带光源，所述宽带光源用于利用探测光照射样品；和检测器装置，所述检测器装置用于光谱解析检测由探测光与样品的相互作用而产生的探测光的变化。可在样品的光谱中应用本专利技术，特别是用于分析样品的组成和/或状况。可分析的生物样品包括例如来自人或动物生物体的样品或取自自然环境的样品。
技术介绍
为说明关于以下技术的
技术介绍
，所述技术用于分析物质样品，特别是生物样品用于诊断目的，参考了以下现有技术文献：[1]B.deLacyCostelloetal.,“Areviewofthevolatilesfromthehealthyhumanbody”,J.BreathRes.8,014001(2014)；[2]T.H.Risbyetal.,“Currentstatusofclinicalbreathanalysis”,Appl.Phys.B85,421-426(2006)；[3]W.Caoetal.,“Breathanalysis:Potentialforclinicaldiagnosisandexposureassessment”,ClinicalChemistry52,800-811(2006)；[4]US2012/0266653A1；[5]US7,101,340B1；[6]WO2011/117572A1；[7]US5,222,495；[8]US8,022,366B2；[9]US6,236,047B1；[10]US7,403,805B2；[11]US7,203,345B2；[12]EP0,680,273B1；[13]P.Dumasetal.,“Addingsynchrotronradiationtoinfraredmicrospectroscopy:what′snewinbiomedicalapplications？”TRENDSinBiotechnology25,40(2006)；[14]I.Znakovskayaetal.,“Dualfrequencycombspectroscopywithasinglelaser”,Opt.Lett.39,5471(2014)；[15]A.Sponringetal.,“ReleaseofvolatileorganiccompoundsfromthelungcancercelllineNCI-H2087InVitro”,AnticancerResearch29,419(2009)；[16]M.Diemetal.,“MolecularpathologyviaIRandRamanspectralimaging”,J.Biophoton.6,855(2013)；[17]W.Parzetal.,“Time-domainspectroscopyofmid-infraredquantumcascadelasers”,Semicond.Sci.Technol.26(2011)014020；[18]WO2007/121598A1；[19]US2013/0221222A1；[20]B.Bernhardtetal.,“Mid-infrareddual-combspectroscopywith2.4μmCr2+:ZnSefemtosecondlasers”,Appl.Phys.B(2010)3；和[21]Sh.Liuetal.,“Mid-infraredtime-domainspectroscopysystemwithcarrier-envelopephasestabilization“,Appl.Phys.Lett.103,181111(2013)。在医学中，迫切需要在早期阶段对疾病进行微创、快速、可靠和成本有效的诊断(筛查)，并监测其对治疗的反应。众所周知，分析包括从身体排出的体液和气体的生物样品，非常适合于此目的，因为它们含有大量的人的健康状态的化合物特性。已知有约1760种不同的这样的成分，特别是呼出气中的874种，皮肤散发中的504种，尿液顶部空间中的279种，血液中的130种，粪便中的381种以及唾液中的353种[1]。重要的是，一些化合物只存在于液相中，一些存在于气相和液相中。特别地，呼吸气溶胶潜在地富含大量化合物。人类细胞的分子组成的结构的任何变化总是导致细胞本身的或细胞本身的代谢散发的中红外(MIR：mid-infrared)吸收光谱的变化。因此，光谱中的小的改变提供了早期检测和诊断许多疾病的手段。疾病的经统计学证实的光谱轨迹将为其早期诊断提供可靠的“指纹”信息。在经典诊断中，生物样品的化合物通过化学分析或通过气相色谱法与质谱法结合[2,3]来检测。然而，这些方法i)不允许快速分析，ii)可改变或甚至破坏一些化合物，和iii)对DNA的结构中的构象变化(这可在质量上不产生任何变化地，引发严重疾病)无法知晓。另外，已经提出了许多光谱方法来检查体液和气体[4-12,16]。在[4]中，仅提出气体分析，而实际上所有相(气体、液体、固体、气溶胶)都可有助于诊断知识。在[5]中，提出了通过cw激光器对呼吸进行光谱分析，因此可用的光谱数据点的数量及其信息值非常有限的。在[6]中，使用窄范围的波长，并且仅检测三种气体，这限制了对糖尿病的诊断范围。[7]和[8]中描述了处理体液、例如血液或唾液的光谱分析的其他常规方法。专利[7]提出了通过比较血液中两个紧密间隔波长的吸收的无创血液分析。在[8]中，提出了一种紧凑的MIR光谱仪用于测量血糖(葡萄糖)和其他血液和体液分析物。它由调制的热发射器和低分辨率光谱仪组成，所述低分辨率光谱仪包含四分之一波片作为干涉滤光片。在[9]中使用在1100至5000nm范围内的波段的漫反射辐射，以通过化学计量技术确定血液分析物的浓度。另一种技术使用放置在眼睛之上的接触装置来研究结膜和泪液膜中的光谱变化[10]。为此目的，采用来自眼睛本身的热辐射或由光纤所提供的外部辐射。[11]中使用光谱学通过分析来自人体组织的近红外辐射的反射来识别个体。在[12]中，将含有光纤束的导管插入胃肠腔中，以便检测荧光和通过其内含物对光的吸收。作为一个普遍的缺点，没有常规方法能够提供原则上可获得的关于人的健康状况的完整信息。常规技术专门使用单一相仅用于诊断。另外，它们在整个的MIR带宽内仅使用窄的光谱范围，并且它们不足够敏感以检测疾病的光谱指示中的微小变化。换句话说，已知的方法仅提供获取完整分子指纹的一小部分，甚至具有不足以可靠地识别和诊断疾病的灵敏度和信噪比。最近，已经探究了使用同步加速器辐射用来对细胞以各种不同排序进行光谱成像[13]。这种辐射是宽带，比热源强大约两个数量级。然而，应用同步加速器用于常规诊断和用于筛查大量患者似乎不实用。在分析生物样品仅用于诊断目的时，没有上述限制。对例如环境样品或激光介质的其他光谱研究具有类似的缺点，特别是关于敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量生物样品(1)的光谱响应的方法，包括以下步骤：‑生成具有初始光谱的探测光，‑用所述探测光照射所述样品(1)，包括所述探测光与所述样品(1)的相互作用，和‑光谱解析检测所述探测光，由于所述探测光与所述样品(1)的相互作用，所述探测光具有偏离所述初始光谱的改变后的光谱，所述改变后的光谱是所述样品(1)的光谱响应的特性，其特征在于‑所述探测光包括用fs激光源装置(10)生成的探测光脉冲(2)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.23 EP 14004401.71.一种测量生物样品(1)的光谱响应的方法，包括以下步骤：-生成具有初始光谱的探测光，-用所述探测光照射所述样品(1)，包括所述探测光与所述样品(1)的相互作用，和-光谱解析检测所述探测光，由于所述探测光与所述样品(1)的相互作用，所述探测光具有偏离所述初始光谱的改变后的光谱，所述改变后的光谱是所述样品(1)的光谱响应的特性，其特征在于-所述探测光包括用fs激光源装置(10)生成的探测光脉冲(2)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测光脉冲(2)具有以下特征中的至少一个-所述探测光脉冲(2)具有低于包括出现在所述改变后的光谱中的光谱响应特征的光谱的频率倒数宽度的脉冲持续时间，-在照射所述样品(1)之前，所述探测光脉冲(2)具有低于50fs，特别是低于20fs的脉冲持续时间，-在照射所述样品(1)之前，所述探测光脉冲(2)具有50mW以上，特别是500mW以上的平均功率，-所述初始光谱涵盖至少一个频率倍频程，特别是至少两个频率倍频程，-所述初始光谱涵盖以下波长范围：所述波长范围包括至少5μm，优选至少3μm和/或至多15μm，优选至多30μm的波长，和-所述初始光谱是连续的或拟连续的光谱。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中-所述光谱响应是所述样品(1)的吸收光谱和反射光谱中的至少一个。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，具有以下特征中的至少一个-所述样品(1)包括固体、液体、气溶胶、气体和蒸汽中的至少一种，和-所述样品(1)布置在多程室或增强腔中。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述fs激光源装置(10)包括-产生驱动脉冲的驱动源(11)，和-通过所述驱动脉冲的脉冲内频率差生成所述探测光脉冲(2)的差频生成(DFG)单元(12)。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述fs激光源装置包括-纤维激光器，-Yb-YAG盘形激光器，或-Ho-YAG盘形激光器。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中-检测步骤包括时域采样与所述样品(1)相互作用之后的所述探测光脉冲的时域变化，其中-基于所述探测光脉冲的时域变化的傅里叶变换来获得所述样品(1)的光谱响应。8.根据权利要求7所述的方法，其中-所述时域采样步骤包括电光采样所述探测光脉冲(2)，其中-所述探测光脉冲(2)和采样脉冲(5)在电光探测元件(21)中以变化的时间关系叠加，用于对所述探测光的时域变化进行采样。9.根据权利要求8所述的方法，其中-所述采样脉冲(5)包括驱动脉冲(3)的用于生成所述探测光脉冲(2)的部分，所述采样脉冲(5)以相对于所述探测光脉冲(2)变化的延迟被引导到所述电光探测元件。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括另外的步骤-评估来自受研究对象的所述样品(1)的光谱响应以获得诊断相关信息(6)。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述评估步骤包括以下中的至少一个-基于所述改变后的光谱中的特定频段(7)来识别诊断相关物质，-将所述改变后的光谱的至少一部分与先前用所述受研究对象的另一样品(1)收集的所存储的光谱响应进行比较，和-将所述改变后的光谱的至少一部分与其他对象的参考数据进行比较。12.一种被配置用于测量生物样品(1)的光谱响应的光谱测量仪器，包括-fs激光源装置(10)，其被布置成用于利用具有初始光谱的探测光脉冲(2)照射所述样品(1)，和-检测器装置(20)，其被布置成用于在所述探测光脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿波隆斯基，I·普佩扎，F·克劳斯，E·菲尔，
申请(专利权)人：马克斯普朗克科学促进学会，路德维希马克西米利安慕尼黑大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE