通过衰减全反射(ATR)进行的成像发明内容
本发明涉及一种用于衰减全反射红外光谱分析分析(ATR-红外光谱分析)
的装置。
背景技术
在红外光谱分析中，通过使用波长范围位于红外线的光得到要进行光谱
分析的样本的分子光谱。在有机和无机材料中，红外射线典型地通过一个或
者多个分子的机械振动的激发被吸收。在比较小的分子的情况下也有可能激
发转动能级。因为作为量子力学本征态的振动能量或者转动能量对于分子来
说是特征性的，所以从吸收光谱可以得出分子和分子的键。红外光谱分析因
此实现物质的定量的结构说明，对其的认定基于基准光谱进行。
红外光谱分析的一个特殊的实施是衰减全反射红外光谱分析(ATR-红外
光谱分析)。在此，按照现有技术是在反射元件中通过全反射引导红外射线。
如果这种全反射在样本和反射元件之间的界面上进行，那么在全反射的地方
红外线光就指数地进入样本中。这些进入的易消散的波和样本相互作用，以
此，对于该样本为特征性的频率范围被吸收。因此，被吸收的频率范围现在
就在全反射光线的光谱中缺失。有利的是，在ATR红外光谱分析中也可以对
所使用的红外射线不可穿透和以此不能得到透射光谱的物质或者样本进行
光谱分析。此外，ATR红外光谱分析适合用于液态的和/或粉末的样本。对ATR
红外光谱分析的很多应用来说，除了光谱信息之外还需要位置分辨，也就是
说样本的成像。然而按照现有技术，这种成像的缺点是受强烈噪声影响。尤
其ATR红外光谱分析在外科中的应用的情况下，需要有较高的信号强度和以
此对健康和患病组织的较高的区分锐度。在外科中应用时，已知的ATR红外
光谱的另外的缺点在于，样本始终被液体、尤其水和/或血液包围。周围的水
会导致在约4μm到10μm的光谱范围中的强烈吸收，这和组织的真正的测量信
号重叠。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于ATR红外光谱分析的装
置，所述装置实现含水的或者粉末的样本的信号良好和位置分辨的测量。此
外本发明要解决的技术问题在于提供一种相应的方法。
所述技术问题通过具有独立权利要求1的特征的装置解决。在从属权利
要求中给出了本发明的有利的扩展方案和改进方案。在方法方面通过权利要
求11解决所述技术问题。
按照本发明的用于衰减全反射红外光谱分析的装置包括光源、射束成型
部和探测器，所述光源用于发射光线、尤其红外光线，所述探测器用于要进
行光谱分析的样本的图像的探测。此外，所述装置包括反射矩阵，所述反射
矩阵具有多个反射元件，所述反射元件设计用于通过内部全反射进行光线引
导。所述反射元件有规律地布置在一个面的两个相互垂直的方向上，以便其
形成矩阵。尤其地，所述面可以弯曲。由此，在和所述面的两个相互垂直的
方向垂直的方向上反射元件是相互错移的。此外，第一部分区域中的各个反
射元件具有突出成形的压紧面，所述压紧面朝向要进行光谱分析的样本、尤
其含水的或者粉末的样本。所述压紧面由此形成在样本和反射元件之间的边
界面。
由压紧面的凸出的形状可以得到多个优点。一方面凸出的形状实现光线
通过内部全反射的引导。另一方面通过压紧面的凸出的形状结合为矩阵的规
则布置，把不可压缩的液体、尤其水和/或血液在压紧到样本上的情况下挤到
通过凸出的形状形成的通道中。以此，在红外光谱分析中干扰性的液体、尤
其水和/或血液，可以通过形成的通道流走。以此例如可以显著地减小水吸收
的干扰性影响，所述水吸收位于整个中间的红外线波长范围中、尤其在从
4μm到10μm的范围内。有利的是，以此可以不需要高准备开销地对含水的和
/或粉末的样本进行光谱分析。
这在外科中的应用情况下是尤其有利的，手术期间的组织检查不允许进
行准备，并且组织大多由复杂的液体、尤其被血液包围。在要进行光谱分析
的组织上的水和/或血液被有意地通过凸出的压紧面的压紧被挤压并且通过
形成的通道由测量地点排走。此外有利的是，将反射元件的布置适配于器官
的表面、例如肝脏或者肾脏的表面。以此实现反射矩阵和要检查的器官之间
的齐平的接触。通过适配，反射元件有规律地布置在弯曲的、相仿于器官的
表面的面中。
有利地，反射元件在面中形成矩阵。通过布置为矩阵，在ATR红外光谱
分析中每个反射元件对应恰好一个像素，以此实现要进行光谱分析的样本的
位置分辨。
在用于使用按照本发明的装置的红外光谱分析的按照本发明的方法的
情况下实施下面的步骤：
-使用红外光源形成红外光线，
-光线进入反射元件中，
-使用至少一个红外探测器探测由反射元件反射的光线。
所述方法实现至少一个反射元件的照射和从反射元件射出的或者由其
反射的光线的探测。以此可以得到要进行光谱分析的样本的ATR红外光谱分
析。
在有利的设计中反射元件可以在第一部分区域中构建为半圆柱形。以此
在按照本发明的作为矩阵的布置情况下构建为平行通道。在此，例如通道沿
着相互垂直的方向延伸。
有利地，通过半圆柱形状实现光线的全反射。
尤其有利的是，不可压缩的液体可以通过平行的通道流走。尤其不可压
缩的液体被从全反射位置和以此从测量地点挤走。
在尤其有利的设计中，反射元件可以在第一部分区域中构建为半球形。
以此在按照本发明的作为矩阵的布置情况下分别在矩阵的两个互相垂直的
方向上形成平行的通道。以此，通道的数量增多，以此提高液体的流量。尤
其有利的是，通过半球形的设计光线可以经历多次全反射，以此提高信号和
以此提高信噪比。
在尤其有利的设计中，反射元件可以在第一部分区域中构建为棱锥形。
以此得到和权利要求3同样的优点。有利的是，棱锥具有矩形的基面，这使
和可以构建为六面体形的第二部分区域的连接变得简单。
反射元件的第二部分区域可以构建为六面体形。第二部分区域的六面体
形状实现反射元件作为矩阵的简单和恰好匹配的或者齐平的布置。有利的
是，通过反射元件的齐平的连接，不可压缩的液体穿过通道流出并且不会被
引导到第二部分区域的背离样本的表面上。
在优选的实施形式中反射矩阵的反射元件可以具有反光、尤其例如反射
红外线的涂层。以此可以影响光线的引导，以得到多次全反射。以此提高信
噪比。例如，光线的圆周式引导也是可能的。作为对于反光的涂层的替代或
者补充，也可以使用多种具有不同的折射率的材料。通过折射率的专门的调
整，可以实现光线的预期的、尤其具有多次全反射的引导。
反射元件可以包括材料ZnSe、Ge、Si或者金刚石中的至少一种。通过所
述材料的高折射率实现光线的内部全反射。尤其有利的是Ge，其具有约为4
的折射率。以此可以在成像方法中实现较高的分辨率。
反射矩阵的有利的进一步设计包括多重反射晶体。所述多重反射晶体实
现将同一光线多次引至反射元件。以此得到在反射元件的压紧面上的多个反
复的全反射，以此提高信号强度和以此提高信噪比。根据样本以此强烈清楚
显示出特征吸收光谱带。
多重反射元件可以布置为相对于反射矩阵能够移动。以此可以将多重反
射元件定位在反射矩阵的任意的反射元件上方。该定位可以通过可移动性对
于每个反射元件依次进行，以此有利地得到具有较高信噪比的位置分辨。
在有利的进一步设计中，多重反射元件和反射元件的第二部分区域具有
基本相同的折射率。以此，可以避免在多重反射元件/反射元件的边界面上的、
对光路具有负面影响的光线折射。
按照有利的设计，光线可以沿反射矩阵移动，以便每个单个的反射元件
至少被照射一次。通过光线沿反射矩阵的移动，实现了扫描的方法。反射矩
阵的每个反射元件至少被照射一次，以此实现样本成像的方法。有利地，一
个像素对应于反射元件的一个测量信号。以此对于每个像素记录ATR红外光
谱。尤其有利的是，通过该方法和按照本发明的反射矩阵的结合实现具有较
高信号强度的样本的成像。尤其在外科中的应用情况下该方法实现肿瘤组织
和健康组织或者正常组织的足够的区分。
在有利的设计中，在该方法的情况下可以通过光源的光同时照射各个反
射元件。以此得到样本的整体成像。接着通过使用矩阵探测器(FocalPlane
Array焦平面阵列)实现探测器中的位置分辨。以此对于每个像素记录ATR红
外光谱。
在该方法情况下，反射元件可以压紧在要进行光谱分析的样本上。有利
的是以此提高信号强度。尤其有利的是，通过按照本发明的反射矩阵的压紧
形成通道，所述通道实现不可压缩液体、尤其水和/或血液的流出。在此可以
减小尤其水对于测量信号的干扰性的影响。此外，有利的是不需要含水的和
/或粉末的样本的耗费的样本准备。这在外科中的应用情况下是尤其有利的，
手术期间的组织检查不允许进行样本准备，而组织大多由液体、尤其由血液
包围。
在有利的进一步设计中，光源的光线首先进入多重反射元件并且接着进
入反射元件。以此可以有利地将光线多次地引导到反射元件中的测量地点，
以此提高信噪比。
有利的是，在红外探测器中探测之前，光线进入反射元件至少四次。尤
其有利的是，进入次数为10。这可以通过多重反射元件实现。信号强度约和
在反射元件/样本(压紧面)的边界面上的全反射数量成正比例。在压紧面上的
四次的全反射可以通过已知的多重反射元件简便地实现。
附图说明
下面根据三个优选的实施例在参照附图的情况下说明本发明，附图中；
图1示出用于ATR红外光谱分析的装置的侧视图，
图2示出反射元件和其布置为反射矩阵的三维示图，
图3示出具有多重反射元件的反射矩阵的三维示图。
具体实施方式
图1示出具有各个反射元件的反射矩阵1的沿方向12的横截面，带有多重
反射晶体16。在该实施例中所示的用于ATR红外光谱分析的装置此外包括红
外光源22、镜和/或一般的射束成型部28和红外探测器24。红外光线18从红外
光源22出发，首先到达多重反射晶体16。所述多重反射晶体16通过多个内部
全反射将光线18多次引至反射元件2之一。接着，反射的光线19从所述多重
反射晶体16出射，并通过镜和/或一般的射束成型部28被引导至用于探测的红
外探测器24。参照方向15，所述多重反射晶体16位于反射矩阵1之上并且是
可以相对于该反射矩阵在相互垂直的方向12、14上移动的。有利地，可以以
此对反射矩阵1的每个反射元件2通过探测器24记录ATR红外光谱。
通过光线18的经由多重反射元件16的多次引导，可以在此实施例中使信
号强度变成四倍。以此实现具有较高信噪比的成像。
图2示出反射元件2的三维布置。在此，反射元件2在相互垂直的方向12、
14上有规律地布置并且形成反射矩阵1。典型地，反射元件2的大小在约
0.5mm到1.5mm的范围中。由此处未示出的红外光源22出发的光线18相对于
两个方向12、14垂直地进入所述反射元件2的第二部分区域10。有利的是，
第二部分区域构建为六面体形，以便得到反射元件2的齐平的矩阵布置。在
本实施例中反射元件2在第一部分区域8中构建为半圆柱形。反射元件也可以
设计成楔形。有利的是，通过压紧面4的凸出的形状形成通道30，所述通道
30实现例如水和/或血液的流走。在此，在要进行光谱分析的样本26周围的水
和/或血液通过压紧面4的压紧被挤入通道30中并且从通道30离开测量地点
27。从第二部分区域中沿方向15出来的光线19可以被引导至此处未示出的红
外探测器24或者通过未示出的多重反射元件16再次作为光线18引导回反射
元件2。
图3示出反射矩阵1的三维显示。所示装置包括多重反射晶体16。各个反
射元件2在平面6的两个互相垂直的方向12、14上有规律地布置。所述反射元
件2以此形成反射矩阵1。在此，所述反射元件2的压紧面4在与方向12、14垂
直的方向15上位于平面6之前，以便压紧面4可以被压紧在本实施例中未示出
的样本26上。如图1中已经阐述的，光线18首先进入多重反射元件16，多次
地被引导至反射元件2并且接着再作为光线19出来。