通过红外吸收的宽场光热传感的超快化学成像的制作方法

本文公开的实施例涉及通过使用光学手段(即，使用红外光、可见或紫外光)对材料进行研究或分析。更具体地，实施例涉及在基板上的光热效应的快速检测，其促进跨宽场的热反射率的测量以进行化学键分析。

背景技术：

1、振动成像方法基于化学键的光谱特征为表征样品提供了新窗口。拉曼光谱和红外(ir)光谱长期以来一直用于通过探测分子振动而无需外源标记来检验材料。

2、自发的拉曼显微技术提供亚微米空间分辨率成像能力，但受到低采集率的影响。随着相干拉曼散射技术的出现，视频率(video-rate)成像速度已被证明可以表征生物和药物样品。然而，极小的拉曼截面(10-30cm2sr-1)的检测限制了灵敏度。

3、红外吸收提供了更大的截面(10-22cm2sr-1)，可实现足够的灵敏度。傅里叶变换红外(ftir)光谱仪及其衰减全反射附件是该技术的典型仪器，并且已广泛应用于从高分子科学、制药到生物研究等领域。将焦平面阵列检测器耦合到ftir系统允许同时获取空间分辨光谱，极大地提高了用于非均匀样品的表征的通量。与基于干扰度量法和低亮度碳化硅棒激发进行操作的传统ftir仪器不同，离散ir光谱成像技术利用具有更高的每波数光子通量的可调谐量子级联激光器(qcl)，实现实时红外成像。然而，中红外区域中的长入射波长将空间分辨率限制在几到几十微米，这不足以解析微结构，例如在生物细胞中的微结构。

4、为了解决分辨率问题，近场方法通过将原子力显微技术(afm)与ir光谱相结合，提供了超越基本限制的方法，其中由于中红外光的吸收引起的表面热膨胀，afm悬臂改变振荡幅度。通过记录振幅变化同时扫描中红外光源的波长以获得纳米级定位的光谱。凭借提供高空间分辨率化学映射的能力，afm-ir已成为研究域尺寸通常为数十纳米的嵌段共聚物系统的重要工具。这种技术共有低采集速度的基于尖端的成像形式的固有缺点。此外，虽然一些工作表明使用ir棱镜的全内反射来研究水相环境中的样品以最小化水的影响的能力，但复杂的设置和数据处理程序使其不适合常规使用。

5、期望进行带有增强的分辨率的超快化学成像，在一些实施例中其还能够在水相环境中使用，但是上述解决方案都不能实现该结果。

技术实现思路

1、根据实施例，用于检测样品中的光热效应的系统包括配置为产生泵浦脉冲序列的泵浦源、配置为产生与泵浦脉冲序列同步的探测脉冲序列的探测源、以及相机。相机配置为收集对应于热帧的第一信号，其中热帧包括由泵浦光束修改的探测光束的脉冲；以及收集对应于冷帧的第二信号，其中冷帧包括未经泵浦光束修改的探测光束的脉冲。系统还包括配置为从第一信号确定第二信号以检测光热效应的处理器。

2、根据另一实施例，一种用于检测样品中的光热效应的方法包括提供泵浦脉冲序列、提供与泵浦脉冲序列同步的探测脉冲序列、收集对应于热帧的第一信号(其中热帧包括由泵浦光束修改的探测光束的脉冲)、收集对应于冷帧的第二信号(其中冷帧包括未被泵浦光束修改的探测光束的脉冲)、以及从第一信号确定第二信号以检测光热效应。

3、以上概述并非旨在描述其主题的每个图示实施例或每个实施方式。下面的附图和详细描述更具体地举例说明了各种实施例。

技术特征：

1.一种使用光热效应对样品的红外吸收性质进行宽场成像的系统，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括至少一个脉冲发生器，其配置为启动红外泵浦光束和探测光束的一系列同步脉冲。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，脉冲发生器进一步配置为管理泵浦源和探测源的时序和操作频率。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，脉冲发生器电耦合至图像传感器和探测源，以控制图像传感器和探测源的操作频率。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，脉冲发生器配置为提供在泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的相对延迟。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，调整相对延迟以使指示样品的红外吸收水平的多个信号基本上最大化。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，在多个相对延迟下测量指示红外吸收水平的多个信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，在多个相对延迟下测量的指示红外吸收水平的多个信号包括样品的衰减常数。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦源是可调谐量子级联激光器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦源是纳秒中红外激光器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，探测源为可见光源或紫外光源或led中的一种。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统能够在用于药物性质或细胞生物学性质的无试剂、高通量筛选中使用。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统配置为区分样品的化学特征或形态特征，其中化学或形态特征与诸如红外吸收系数的性质直接相关。

14.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括物镜，所述物镜配置为将探测光束聚焦以在样品处与泵浦光束相交，以及配置为接收来自样品的反射探测光，所述反射探测光被按路径输送到图像传感器。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，处理器配置为通过从第一信号中减去第二信号，或者通过从第二信号中减去第一信号来测量第二信号和第一信号之间的差异。

16.根据权利要求3所述的系统，其中，通过处理器控制图像传感器，所述处理器具有对泵浦源和探测源的操作频率的时间门控锁定。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，通过处理器能够修改红外探测光束的功率，以在热帧和冷帧之间进行调制。

18.根据权利要求17所述的系统，所述系统进一步包括斩波器，其中红外探测光束配置为由斩波器调制。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，在冷帧中降低的红外泵浦光束的强度大致为零。

20.根据权利要求2所述的系统，其中，脉冲发生器配置为控制泵浦脉冲序列、探测脉冲序列和图像传感器中的每一个的操作频率。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，探测光束和红外泵浦光束从样品的同一侧起照射样品。

22.根据权利要求21所述的系统，所述系统进一步包括物镜，所述物镜配置为聚焦探测光束和红外泵浦光束以在样品处相交，以及配置为接收来自样品的反射探测光，所述反射探测光被按路径输送到图像传感器。

23.一种使用光热效应在样品的大面积上测量红外吸收性质的方法，所述方法包括：

24.根据权利要求23所述的方法，还包括使用至少一个脉冲发生器产生红外泵浦光束的脉冲序列和探测光束的脉冲序列。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，脉冲发生器配置为使泵浦脉冲序列和探测脉冲序列同步，并且其中，脉冲发生器进一步配置为在以泵浦脉冲序列的频率和探测脉冲序列的频率为基础的频率下触发图像传感器。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，脉冲发生器电耦合到图像传感器和探测源，以控制图像传感器和探测源的操作频率。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，脉冲发生器进一步耦合到斩波器和泵浦源之一，以控制泵浦脉冲序列的频率。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，进一步包括配置为控制泵浦脉冲序列、探测脉冲序列和图像传感器中的每一个的操作频率的处理器。

29.根据权利要求24所述的方法，其中，检测器用于捕获泵浦探测序列的ir激光脉冲以生成主时钟频率。

30.根据权利要求29所述的方法，所述方法进一步包括使用脉冲发生器以频率f发送一系列触发脉冲，所述频率f是主时钟频率的函数，使得：

31.根据权利要求30所述的方法，其中，由斩波器调制红外泵浦光束的功率。

32.根据权利要求23所述的方法，其中，由于样品的光热效应，样品对来自红外泵浦光束的红外光的吸收水平改变被图像传感器收集的探测光。

33.根据权利要求23所述的方法，其中，处理器配置为通过从第一信号中减去第二信号或者通过从第二信号中减去第一信号来测量第二信号和第一信号之间的差异。

34.根据权利要求24所述的方法，其中，所述方法包括调节泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的相对延迟，以大体上最大化指示样品的红外吸收水平的多个信号中的信号。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，在多个相对延迟下测量指示红外吸收的信号。

36.根据权利要求35所述的方法，所述方法进一步包括分析在多个相对延迟下测量的指示红外吸收的信号，以提取样品的衰减常数。

37.根据权利要求23所述的方法，其中，红外泵浦脉冲光束和探测光束共同传播从而在共同的方向上朝着样品传送。

38.根据权利要求24所述的方法，其中，第一帧包括探测脉冲序列的第一数目的脉冲，第二帧包括探测脉冲序列的第二数目的脉冲。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，第一数目与第二数目相等。

40.根据权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括在水相环境中探测光热效应。

41.根据权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括在药物或细胞生物学的无试剂、高通量筛选中检测光热效应。

42.根据权利要求23所述的方法，所述方法进一步包括区分样品的化学和形态特征，所述化学和形态特征与诸如红外吸收系数等性质直接相关。

43.根据权利要求28所述的方法，所述方法进一步包括使用处理器将伴有时间门控锁定的图像传感器和探测源控制到期望的频率。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，泵浦脉冲周期小于100μs，更优选地小于75μs，甚至更优选地小于50μs。

45.根据权利要求1所述的系统，其中，红外泵浦配置为通过在样品处产生光热效应，以修改由图像传感器收集的探测光。

46.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦光束的脉冲周期小于100μs，更优选地小于75μs，甚至更优选地小于50μs。

技术总结本文描述了用于检测样品中的光热效应的系统和方法。在这些系统和方法中，泵浦源配置为生成泵浦脉冲序列、配置为生成探测脉冲序列且其与泵浦脉冲序列同步的探测源、以及收集所得数据的相机。相机配置为收集对应于热帧的第一信号和对应于冷帧的第二信号，其中热帧包括由泵浦光束修改的可见探测光束，冷帧包括未经过泵浦光束修改的可见探测光束。处理器可以从第一信号中减去第二信号以检测光热效应。技术研发人员：程继新,Y·白,D·张,A·沙库里,D·K·梅兹受保护的技术使用者：普渡研究基金会技术研发日：技术公布日：2024/7/25