用于增强光热成像和光谱的方法和设备技术

利用结合分析和包括具有共聚焦显微镜的双光束光热谱、拉曼光谱、荧光检测、各种真空分析技术和/或质谱的成像技术的多功能平台，对纳米级到毫米级以上的样品进行化学光谱分析的系统。在本文描述的实施例中，双光束系统的光束用于加热和感测。光束用于加热和感测。光束用于加热和感测。

Method and apparatus for enhancing photothermal imaging and spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
用于增强光热成像和光谱的方法和设备
[0001]本申请是申请号为201780084916.1，申请日为2017年11月29日，专利技术名称为“用于增强光热成像和光谱的方法和设备”的分案申请。
[0002]优先权
[0003]本申请中描述的实施例和技术的各个方面在2016年11月29日提交的序列号62/427,671，2017年5月12日提交的序列号62/505,533，2017年8月1日提交的序列号62/540,008，2017年8月6日提交的序列号62/541,749，2017年10月2日提交的序列号62/567,037以及2017年10月9日提交的序列号62/569,944的美国临时申请中描述，其中每一个的公开内容在此引入作为参考。


[0004]本说明书涉及通过使用光学装置，即使用红外线、可见光或紫外光来研究或分析材料。本文描述的实施例涉及成像和光谱，并且更具体地，涉及对光热成像和光谱系统以及用于获取指示样品的光学性质和/或材料/化学组成的光谱信息(例如，与红外(IR)吸收光谱相关的信息)的技术的改进。

技术介绍

[0005]傅里叶变换红外(FTIR)光谱是最常见的IR光谱形式。FTIR通过测量红外光透过样品的透射或来自样品的IR光的反射作为波数(红外光的频率的测量)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系统，以提供红外吸收、透射和/或反射的空间分辨测量。传统的FTIR显微镜只能实现大约IR光波长的空间分辨率。基本极限由光学衍射确定，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定。实际限制可能进一步降低该空间分辨率。FTIR显微镜的空间与波长有关，但对于中IR波长，透射率大约为10微米。例如，在美国专利号7,630,081中示出了FTIR光谱法的示例，该专利描述了对FTIR干涉仪的最新改进。FTIR光谱可能不够精确，并且涉及大量样品制备以确保中IR光束适当地透过样品，这对于许多不透明、易碎或生物物质来说是不可行或不可取的。
[0006]衰减全反射(ATR)光谱是基于光束通过与样品直接接触的介入晶体的间接反射。ATR光谱只能使用中IR光束实现大约3微米的分辨率。遗憾的是，ATR光谱必然要求介入晶体与样品直接接触，这会导致样品变形或破裂，并且需要大量的样品制备，特别是对于有机样品。此外，晶体和样品之间的反射或折射需要两者之间的良好接触。如果没有建立良好的接触，则光可以基于样品和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。
[0007]拉曼光谱基于响应于中IR光束照射样品的拉曼散射的测量。拉曼光谱可以实现低至几百纳米的分辨率，但通常具有1微米或更大的实际限制。例如，在美国专利号2,940,355中示出了拉曼光谱方法的早期示例。尽管拉曼光谱可以实现低至几百纳米的分辨率，但是从该方法产生的信息包括拉曼散射中固有的噪声或色散伪像。
[0008]美国专利号9,091,594描述了用于化学光谱和成像的光热光谱的替代非破坏性方
法，其使用两束不同波长的光来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技术相关的繁重样品制备要求。该方法描述了用具有至少2.5微米波长的IR光的第一光束照射样品，以便由于吸收来自第一光束的能量而在样品内的区域中产生光热变化，然后描述了用波长小于2.5微米的光的第二光束照射样品内的至少一部分区域，用来以小于第一光束的衍射极限的分辨率检测该区域的光热变化。
[0009]尽管美国专利号9,091,594中描述的替代双光束光热光谱技术提供了优于中IR光谱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。

技术实现思路

[0010]描述了用于使用多功能平台对样品进行化学光谱的各种实施例，所述多功能平台将双光束光热光谱的分析和成像技术与共聚焦显微镜、拉曼光谱、荧光检测、各种真空分析技术和/或质谱联用。在本文描述的实施例中，双光束系统的光束用于加热和感测。在各种实施例中描述的双光束系统可以包括至少用于加热的的第一红外辐射光束和用于探测/感测的单独的第二光束，该第二光束具有比第一光束短的波长。在各种实施例中，这些光束可以彼此平行布置，或者沿着共同路径布置，并且这两个不同的光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。
[0011]加热/红外光束可以是例如调谐以引起样品中的分子振动的光束。探测/感测光束可以是调谐用于样品的特征的高分辨率检测的光束，并且在一些实施例中可以具有比加热光束更低的波长。可以通过探测/感测光束测量的样品的特征包括折射率以及样品的折射率的变形、膨胀和/或变化。在一些实施例中，探测/感测光束还可以检测样品的性质，例如通过拉曼光谱、荧光或那些技术的组合。
[0012]对于双光束光热光谱，通过加热光束照射样品区域，并且利用探测/感测光束读出由于红外吸收产生的光热响应作为未失真的光谱。由这两个彼此协调操作的光束收集的测量包含更多数据，并且可以以比彼此独立操作光束更高的分辨率收集。也就是说，探测/感测光束由于其较低的阿贝(Abbe)衍射极限而具有比加热/红外光束更精确的空间分辨率，而加热/红外光束可以启动光谱数据或由于光热响应引起的波长漂移，光热响应不是由隔离操作的感测光束引起的。
[0013]定义
[0014]出于本说明书的目的，以下术语具体定义如下：
[0015]“光学性质”是指样品的光学性质，包括但不限于折射率、吸收系数、反射率、吸收率、折射率的实部和/或虚部，样品介电函数的实部和/或虚部和/或从这些光学性质中的一个或多个数学上可导出的任何性质。
[0016]“照射(illuminate)”、“照射(illuminating)”和“照射(illumination)”意指将辐射引导到物体，例如样品的表面、探头尖端和/或探头
‑
样品相互作用的区域。照射可以包括红外波长范围内、可见光和从紫外到毫米或更多的其他波长的辐射。照射可以包括辐射源、反射元件、聚焦元件和任何其他光束操纵或调节元件的任何配置。
[0017]“红外光源”是指产生或发射红外波长范围内的辐射的一个或多个光源。例如，它可以包括中IR(2
‑
25微米)内的波长。红外光源可以在这些波长子区域的大部分上产生辐
射，或者具有作为波长范围之一的子集的调谐范围，可提供跨多个离散波长范围的发射，例如2.5
‑
4微米或5
‑
13微米。辐射源可以是大量源中的一种，包括热源或Globar源、超连续谱激光源、频率梳、差频发生器、和频发生器、谐波发生器、光参量振荡器(OPO)、光参量发生器(OPG)、量子级联激光器(QCL)、纳秒、皮秒、飞秒和阿秒激光系统、CO2激光器、加热悬臂探头或其他微观加热器，和/或产生辐射束的任何其他源。源可以是窄带，例如光谱宽度<10cm
‑1或<1cm
‑1，或者可以是宽带，例如光谱宽度&gt本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分析样品的方法，所述方法包括：a.用红外辐射光束照射样品区域；b.用具有比红外辐射光束短的波长的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的红外吸收的测量值；以及d.响应于探测光束对样品的刺激，从样品收集荧光。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在红外辐射光束的多个波长处重复a
‑
c。3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过样品的子区域产生红外吸收光谱。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在样品上的多个位置处重复a
‑
d。5.根据权利要求4所述的方法，还包括产生样品上的多个位置的红外吸收图。6.根据权利要求5所述的方法，还包括使用从样品收集的荧光来产生样品的荧光响应图。7.根据权利要求1所述的方法，还包括产生指示来自测量的样品的红外吸收和荧光响应的重叠图，所述测量指示IR吸收和从样品收集的荧光。8.根据权利要求1所述的方法，还包括分析探测光以获得指示样品的子区域的拉曼散射的测量。9.根据权利要求1所述的方法，其中，指示红外吸收的测量和从样品收集的荧光在基本上相同的样品区域上进行。10.一种在真空环境中用红外光分析样品的方法，所述方法包括：a.在真空环境中布置样品；b.用红外辐射光束照射样品区域；c.用具有比红外辐射光束短的波长的探测光束照射样品的至少一个子区域；以及d.分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的红外吸收的测量值。11.根据权利要求10所述的方法，其中，在红外辐射光束的多个波长处重复a
‑
d。12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过样品的子区域产生红外吸收光谱。13.根据权利要求10所述的方法，其中，在样品上的多个位置处重复a
‑
d。14.根据权利要求13所述的方法，还包括产生样品上多个位置的红外吸收图。15.根据权利要求10所述的方法，还包括响应于探测光束对样品的刺激，从样品中收集荧光。16.根据权利要求10所述的方法，还包括分析探测光以获得指示样品的子区域的拉曼散射的测量。17.根据权利要求10所述的方法，其中，真空环境是以下中的至少一个的样品室：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射系统、X射线光电子能谱系统、能量色散X射线光谱系统、质谱仪和飞行时间二次离子质谱仪。18.一种在宏观区域上分析样品材料的方法，所述方法包括：a.用红外辐射光束照射至少1mm2区域样品材料的大面积区域；b.用探测光束照射样品材料的至少一个子区域；c.分析从样品收集的探测光，以获得指示样品材料的子区域的红外吸收光谱的测量值，其中红外吸收光谱基本上没有色散伪影。19.根据权利要求18所述的方法，还包括用聚焦的红外辐射光束照射样品的宽区域的
较小子集区域，并在样品的较小子集区域上重复步骤b
‑
c。20.根据权利要求19所述的方法，其中，探测光束聚焦到小于或等于700nm的光斑直径。21.根据权利要求19所述的方法，其中，将探测光束聚焦以实现小于或等于700nm的红外吸收光谱的空间分辨率。22.根据权利要求19所述的方法，其中，将探测光束聚焦以实现小于或等于300nm的红外吸收光谱的空间分辨率。23.根据权利要求19所述的方法，还包括通过基于原子力显微镜的红外(AFM
‑
IR)检查样品，以实现小于或等于100nm的AFM
‑
IR空间分辨率。24.根据权利要求18所述的方法，其中将样品浸入液体中。25.根据权利要求18所述的方法，还包括使用从样品的宽区域获得的红外吸收光谱作为输入来执行过程控制。26.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法是非接触分析技术。27.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法对样品是非破坏性的。28.根据权利要求18所述的方法，其中，样品的宽区域直径为至少25mm。29.一种用红外辐射表征样品的方法，所述方法包括：a.用多个波长的红外辐射光束照射样品区域；b.用具有比红外辐射光束短的波长的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的红外吸收光谱的测量值，其中红外吸收光谱基本上没有色散伪影。30.根据权利要求29所述的方法，其中，样品对红外辐射基本上是不透明的。31.根据权利要求29所述的方法，其中，照射区域不涉及使用衰减的内反射晶体。32.一种用手持装置分析样品的方法，所述方法包括：a.用红外辐射光束照射样品区域；b.用波长比红外辐射光束短的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.从样品收集探测光；以及d.分析从样品中收集的探测光，以获得指示样品子区域的红外吸收的测量值，其中手持装置用于执行至少照射和收集。33.根据权利要求32所述的方法，其中，手持装置包括手持传感器单元，所述手持传感器单元可操作地连接到执行分析探测光的附加控制和分析单元。34.一种用亚波长空间分辨率的太赫兹(THz)辐射分析样品的方法，所述方法包括：a.用中心波长为λ的THz辐射光束照射样品区域；b.用波长比中心波长λ短的探测光束照射样品的THz照射区域的至少一个子区域；c.从样品收集探测光；以及d.分析从样品收集的探测光以获得指示样品的子区域的THz吸收的测量值，其中以小于λ/2的空间分辨率测量指示THz吸收的信号。35.根据权利要求34所述的方法，其中，THz辐射的中心波长在1mm至0.1mm的范围内。36.根据权利要求34所述的方法，还包括分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的拉曼散射的测量值。37.根据权利要求34所述的方法，还包括：
e.用红外辐射光束照射样品区域；f.分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的红外吸收的测量值。38.根据权利要求34所述的方法，还包括分析从样品收集的探测光，以获得指示样品的子区域的荧光响应的测量值。39.根据权利要求34所述的方法，其中，将至少一部分样品浸入液体中。40.根据权利要求37所述的方法，其中，对样品的重叠区域进行红外吸收和THz吸收的测量。41.根据权利要求34所述的方法，其中，通过THz辐射照射的区域包括至少1平方毫米的面积。42.根据权利要求34所述的方法，其中，将样品置于真空环境中。43.根据权利要求42所述的方法，其中，真空环境是以下中的至少一个的样品室：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、x射线衍射系统、X射线光电子能谱系统、能量色散X射线光谱系统、质谱仪和飞行时间二次离子质谱仪。44.一种用红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：a.用红外辐射光束照射样品区域；b.用具有比红外辐射光束短的波长的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.收集从样品反射的探测光；d.动态地操纵红外辐射光束和探测光束中的至少一个，以保持光束之间的大量重叠；e.在多个波长的红外辐射下重复步骤a
‑
d；以及f.分析从样品收集的探测光作为红外波长的函数，以构建样品的子区域的红外吸收光谱。45.根据权利要求44所述的方法，还包括在一系列红外波长上编程扫描并使动态转向步骤与编程波长扫描同步。46.根据权利要求44所述的方法，其中，动态转向遵循取决于编程的扫描范围内的红外波长的预校准的光束操纵值的查找表。47.根据权利要求46所述的方法，还包括通过测量多个光束操纵坐标上的一系列红外吸收光谱来构建查找表。48.根据权利要求44所述的方法，还包括选择用于查找表的光束操纵坐标，所述坐标基本上对应于在选定数量的红外波长下探测光束的最大偏转。49.根据权利要求45所述的方法，其中，扫描在不到一秒的时间内完成。50.根据权利要求44所述的方法，其中，红外吸收光谱的光谱分辨率小于或等于4cm
‑1。51.一种分析样品的方法，所述方法包括：a.用红外辐射光束照射样品区域；b.用具有比红外辐射光束短的波长的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.用物镜从样品收集一部分探测光；d.阻挡从样品收集的探测光的一部分并将剩余部分的探测光通过检测器；以及e.分析检测到的探测光以构建指示样品的子区域的红外吸收的信号。52.根据权利要求51所述的方法，其中被阻挡的探测光部分被光圈阻挡。53.根据权利要求52所述的方法，其中，光圈是机动的。
54.根据权利要求51所述的方法，其中，被阻挡的探测光部分被中心遮蔽阻挡。55.根据权利要求51所述的方法，其中，被阻挡的探测光部分被刀刃阻挡。56.根据权利要求51所述的方法，其中，样品区域的光热变形引起从样品收集的探测光中探测光分布的周期性变化，并且其中中心遮蔽定位成基本上阻挡探测光束的区域，这些区域通过样品吸收红外辐射而最小程度地失真。57.一种分析样品的方法，所述方法包括：a.用物镜聚焦的红外辐射光束照射样品区域；b.用探测光束照射样品的至少一个子区域，所述探测光束的波长短于被物镜聚焦的红外辐射束；c.用物镜从样品收集一部分探测光；d.以与红外辐射光束的调制频率相对应的频率解调从样本收集的探测光，以产生解调信号；以及e.在多个高度上移动样品和物镜中的至少一个，以确定观察到基本上最大的解调信号的高度。58.根据权利要求57所述的方法，还包括确定焦点位置，在所述焦点位置处样品的表面基本上由物镜聚焦，并计算焦点位置和基本上最大的解调信号的位置之间的偏移。59.根据权利要求58所述的方法，还包括在随后的样品上重复步骤a
‑
d，并且还包括：f.将物镜聚焦在随后的样品上；g.应用偏移来抵消物镜和样品表面之间的相对间隔，其中应用计算的偏移基本上最大化后续样品上的解调信号。60.一种分析样品的方法，所述方法包括：a.用物镜聚焦的红外光束照射样品区域；b.用具有比红外光束短的波长并由物镜聚焦的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.用物镜从样品收集至少一部分探测光；d.以对应于红外光束的调制频率的频率解调从样本收集的探测光，以产生解调信号；以及e.在多个操纵位置上操纵红外光束和探测光束中的至少一个，以确定观察到基本上最大的解调信号的位置。61.一种分析样品的方法，所述方法包括：a.用物镜聚焦的红外光束照射样品区域；b.用具有比红外光束短的波长并由物镜聚焦的探测光束照射样品的至少一个子区域；c.用物镜从样品收集至少一部分探测光；d.以对应于红外光束的调制频率的频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：光热光谱股份有限公司，
类型：发明
国别省市：