專利名稱：光聲檢測(cè)器中背景聲信號(hào)抑制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)光聲傳感器檢測(cè)溶液試樣組分。本發(fā)明具體涉及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中氣體檢測(cè)、環(huán)境氣體檢測(cè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中對(duì)人體所排斥的氣態(tài)、固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行非侵入性分析.一項(xiàng)主要應(yīng)用是對(duì)呼出氣體進(jìn)行非侵入性分析。
背景技術(shù)：
呼氣測(cè)試正迅速發(fā)展成為令人振奮的醫(yī)療技術(shù)。在呼出氣體中進(jìn)行組分檢查是一種非侵入性、對(duì)病人友好、低成本的醫(yī)療手段。典型呼氣測(cè)試?yán)影ㄏO(jiān)測(cè)、呼氣酒精含量監(jiān)測(cè)、腸胃不適或急性器官排斥檢查，首期臨床試驗(yàn)表明其可應(yīng)用與乳腺癌和肺癌預(yù)篩選。
已有多種解決方案用于呼氣組分診斷檢測(cè)。如果診斷發(fā)現(xiàn)異常組分或人體正常呼氣組分為異常濃度，這可能表征疾病、身體失調(diào)或病人異常狀況。根據(jù)這些組分可進(jìn)行診斷，但需要借助其他設(shè)備。這些診斷組分又稱為生物標(biāo)志，其典型濃度在百萬(wàn)分之一至萬(wàn)億分之一范圍內(nèi)。一氧化氮是一種公知的生物標(biāo)志，哮喘患者體內(nèi)可見(jiàn)一氧化氮濃度升高。目前，十億分之一濃度的呼出一氧化氮只能根據(jù)化學(xué)發(fā)光原理由昂貴且笨重的設(shè)備檢測(cè)。
本發(fā)明涉及光聲傳感器領(lǐng)域。這種傳感器根據(jù)光聲原理工作，即調(diào)制光對(duì)包含待檢測(cè)組分的試樣進(jìn)行照射將產(chǎn)生聲波。如傳聲器等聲學(xué)傳感器可采集該聲波并在輸出端產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)與氣體試樣中該組分的濃度直接相關(guān)。當(dāng)一種或多種試樣組分吸收光輻射、使得試樣發(fā)熱并膨脹時(shí)產(chǎn)生聲波。當(dāng)材料在調(diào)制光照射下膨脹和收縮時(shí)，產(chǎn)生聲波。由聲波振幅可推斷吸收組分的濃度。不同試樣組分則是通過(guò)采用對(duì)應(yīng)于組分的特定吸收波長(zhǎng)的不同波長(zhǎng)的光源加以區(qū)分。在典型的光聲氣體傳感器中，采用聲波諧振腔或樣品室放大聲波，以提高檢測(cè)靈敏度。
背景信號(hào)可限制試樣組分的最低濃度檢測(cè)水平。背景信號(hào)可能有不同來(lái)源，例如空氣流動(dòng)和空氣壓力變化、器壁效應(yīng)、在光束到達(dá)傳聲器處傳感器中傳聲器膜的振動(dòng)乃至輻射均可使氣體試樣中產(chǎn)生干擾信號(hào)。光束輻射產(chǎn)生的氣腔本身擴(kuò)大也可能導(dǎo)致一部分背景信號(hào)。已提出部分解決方案以消除至少一個(gè)背景信號(hào)源，降低由腔壁吸收部分入射光線所產(chǎn)生的背景噪聲仍是業(yè)界所需的解決方案。
一種解決方案參見(jiàn)美國(guó)專利6,006,585所提出的一種光聲氣體傳感器。該傳感器包括傳感器本體、光源、具有透氣膜的測(cè)量單元、測(cè)量傳聲器以在及光源和測(cè)量單元之間的光學(xué)測(cè)量濾波器。該傳感器還包括與測(cè)量單元分離的一個(gè)參比單元。參比單元具有參比傳聲器，其可屏蔽由通過(guò)參比單元檢測(cè)的氣體發(fā)出的光聲信號(hào)，參比單元基本不受光強(qiáng)調(diào)制且具有待檢測(cè)氣體吸收波長(zhǎng)的光輻射作用。通過(guò)將由兩個(gè)傳聲器獲得的信號(hào)相減，可獲得表征氣體濃度的測(cè)量信號(hào)。相減的結(jié)果可消除由振動(dòng)或氣壓波動(dòng)引起的干擾信號(hào)，其中前者可通過(guò)參比傳聲器不接收所測(cè)量氣體光聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)，而后者通過(guò)將參比單元與參比傳聲器空間位置相分離實(shí)現(xiàn)。
氣體室容積一半專用于背景信號(hào)抑制，類似前述消除干擾噪聲信號(hào)的已有解決方案往往笨拙而昂貴。這些缺點(diǎn)限制了該類裝置的小型化、及其市場(chǎng)接受度。小型的痕量氣體傳感器對(duì)于個(gè)人保健應(yīng)用的確非常關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的目的在于設(shè)計(jì)多功能且尺寸合理的呼氣裝置。本發(fā)明另一目的在于提供高靈敏度裝置，同時(shí)不增大裝置整體尺寸。
為此，本發(fā)明裝置首先包括用于容納試樣的樣品室腔和位于氣體室腔外側(cè)的第一光源，第一光源發(fā)射波長(zhǎng)在潛在組分吸收范圍內(nèi)的第一調(diào)制光束。氣體室包括引導(dǎo)第一光束進(jìn)入腔的腔壁。傳聲器采集潛在氣體組分吸收第一光束時(shí)所產(chǎn)生的聲波振動(dòng)。該裝置還配備了防止聲波產(chǎn)生系統(tǒng)，其產(chǎn)生與透明壁吸收第一光束所產(chǎn)生聲信號(hào)相位相反的聲信號(hào)。
本發(fā)明基于以下前提，即背景信號(hào)將降低系統(tǒng)靈敏度，非常低濃度的生物標(biāo)志可能無(wú)法由患者呼氣中檢測(cè)得到，盡管臨床顯示表明存在身體異常，如器官排斥反應(yīng)、緊張等現(xiàn)象。發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到背景噪聲的重要來(lái)源之一是激光束被腔壁吸收，具體地是被將激光束導(dǎo)入腔的透明板所吸收。激光束被入口壁所吸收產(chǎn)生第二聲波，其與呼氣中生物標(biāo)志吸收所產(chǎn)生的第一聲波相當(dāng)。本發(fā)明提出，通過(guò)產(chǎn)生與背景第二聲波相位相反的聲波信號(hào)，以抑制并消除第二聲波。本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)計(jì)較小尺寸的背景消除裝置，以產(chǎn)生反相位聲波。本發(fā)明一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即在于可提高光聲傳感器靈敏度而不會(huì)增加其尺寸。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，防止聲波產(chǎn)生系統(tǒng)包括第二光束源，所述光束源發(fā)射波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分吸收范圍之外、且與第一光束相位相反的第二光束。在該實(shí)施例中，第二激光束將由透明腔壁所吸收，由于第二激光束與第一激光束相位相反，腔壁吸收第二激光束所產(chǎn)生的聲波與腔壁吸收第一光束所產(chǎn)生的聲波相位相反。兩聲波將相互抵消，噪聲干擾則被消除。
在另一實(shí)施例中，防止聲波產(chǎn)生系統(tǒng)包括附于腔壁上的透明導(dǎo)電涂層。在涂層中通過(guò)電流產(chǎn)生聲波，使其相位和強(qiáng)度確定成能夠消除透明腔壁所產(chǎn)生的噪聲聲波。
本發(fā)明也涉及檢測(cè)氣體試樣中是否存在潛在組分的方法。
通過(guò)實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，可以使本發(fā)明這些和其他方面得到進(jìn)一步體現(xiàn)。


下面將通過(guò)示例并參考附圖對(duì)本發(fā)明加以詳述，其中圖1是本發(fā)明裝置的第一示例性實(shí)施例；以及圖2是本發(fā)明裝置的第二示例性實(shí)施例。
各圖中同一參考標(biāo)號(hào)表示同一元件、或功能基本相同的元件。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為本發(fā)明光聲傳感器100的一個(gè)示例性實(shí)施例。傳感器100包括容納氣體試樣116的腔102。氣體試樣116通過(guò)進(jìn)氣管124導(dǎo)入腔102，試樣116通過(guò)排氣管104排出腔102。在該實(shí)施例中，氣體試樣116含有至少一種組分，該至少一種組分的存在和/或組成可通過(guò)該組分的光吸收作用部分地由傳感器100分析。在該實(shí)施例中，所選擇組分使得待檢測(cè)組分的異常高的即超出正常的濃度表征一種醫(yī)學(xué)狀況，例如身體不適、疾病、器官排斥反應(yīng)、呼吸危象等。本發(fā)明裝置是非侵入性的工具，其通過(guò)向醫(yī)師提供準(zhǔn)確的病人身體數(shù)據(jù)，而幫助醫(yī)師進(jìn)行診斷。采用以下方式檢測(cè)某一組分異常濃度(十億分之一單位)，或檢測(cè)某一組分在正常狀態(tài)下不存在。
傳感器100可為管狀，在其不透明圓柱側(cè)壁118上鉆有兩開(kāi)口124、104，以使氣體可進(jìn)出腔102。傳感器100尺寸選擇為可使腔102在來(lái)自光源130的光的調(diào)幅頻率下具有聲共振。透明板106與108置于兩端，并氣密地密封容納氣體試樣116的腔102。透明板106和108可由玻璃、CaF2(氟化鈣)、ZnSe(鋅化硒)、聚合物，或任何其他導(dǎo)光材料制成。但是，材料選擇成在用于檢測(cè)氣體組分的光的波長(zhǎng)下吸收最少。透明板106將激光束114由激光源130導(dǎo)入腔102內(nèi)，激光束114通過(guò)透明板108射出腔102。待檢測(cè)氣體組分的檢測(cè)基于以下原理，即激光束114將被待檢測(cè)氣體微粒吸收，吸收作用導(dǎo)致顆粒被激勵(lì)并膨脹，因而產(chǎn)生聲波。聲波由置于腔102內(nèi)壁凹處的傳聲器110采集。傳聲器110在導(dǎo)線112上產(chǎn)生表示由傳聲器110膜所采集聲波幅值的信號(hào)。傳聲器110在腔102內(nèi)與激光束114隔離，以防止激光束114與傳聲器膜的相互作用，該相互作用將產(chǎn)生背景信號(hào)并影響整個(gè)裝置的靈敏度。
激光源130產(chǎn)生波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分吸收范圍內(nèi)的激光束。一氧化氮(NO)是人體呼氣中存在的公知?dú)怏w組分，在哮喘患者呼氣中可發(fā)現(xiàn)NO濃度升高。在5微米波長(zhǎng)附近NO顯示有多條吸收線。這些吸收線中的一條可例如通過(guò)量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器用于NO濃度的光聲檢測(cè)，量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化適用于在合適波長(zhǎng)發(fā)射。雖然許多痕量氣體顯示處于中紅外區(qū)的吸收線，通過(guò)適當(dāng)選擇光源和板材料，所述實(shí)施例也可用于可見(jiàn)光和UV(紫外)范圍。
即使板材料在激光波長(zhǎng)吸收最小，當(dāng)激光束114進(jìn)入腔102并穿過(guò)板106時(shí)，少量激光束114仍會(huì)被透明板106吸收；當(dāng)激光束114射出腔并透過(guò)板108時(shí)，少量激光束114也可由透明板108吸收。激光束吸收將導(dǎo)致在板106和108表面外的空氣薄膜少許但可測(cè)的加熱，并產(chǎn)生可由傳聲器110采集的聲壓波。所產(chǎn)生的背景信號(hào)限制了最小可檢測(cè)痕量氣體濃度，從而限制了傳感器100的靈敏度。
以下提出一解決方案以校正背景聲波。圖1所示傳感器100還配備有防止聲波產(chǎn)生系統(tǒng)。示例性防止聲波產(chǎn)生系統(tǒng)包括附于板106和108上的透明導(dǎo)電涂層120。電線122連接至相應(yīng)涂層120，并在激發(fā)時(shí)使電流流經(jīng)涂層120。流經(jīng)涂層120的調(diào)幅電流利用焦耳效應(yīng)加熱板106和108表面附近的空氣，由此產(chǎn)生聲波。采用精心選擇的幅度與調(diào)制方式周期性地加熱涂層120，可產(chǎn)生與板106和108吸收激光束114而產(chǎn)生的背景聲波相位相反的聲波，從而抵消該背景聲波。透明導(dǎo)電涂層示例包括銦錫氧化物(ITO)、氫化非晶硅及氫化非晶鍺。選用何種材料仍取決于所加光的波長(zhǎng)以及在該波長(zhǎng)的最小薄膜吸收。進(jìn)行先期實(shí)驗(yàn)以確定抵消板106和108所產(chǎn)生背景聲波所需的加熱幅度和周期。為此，腔102充填不吸收第一激光束114的氣體，使得由第一激光束114產(chǎn)生的唯一聲波是由加熱透明板106和108產(chǎn)生的聲波。通過(guò)使傳聲器110采集的總聲波最少，可獲得通過(guò)涂層120的電流的振幅和周期。
圖2所示為本發(fā)明傳感器裝置100的第二示例性實(shí)施例。傳感器100與圖1所示傳感器100相似，其包括腔102、進(jìn)氣管124、排氣管104、透明板106與108、傳聲器100及腔壁118。在該實(shí)施例中，消除背景信號(hào)的裝置包括分色鏡142和激光源140，激光源140產(chǎn)生被導(dǎo)入腔102的第二激光束。激光束140產(chǎn)生第二激光束144，其波長(zhǎng)位于氣體試樣116的待檢測(cè)組分或任何其他組分的吸收范圍之外，使得不會(huì)因第二激光束144通過(guò)腔102而產(chǎn)生另外的背景聲波。
與圖1所示實(shí)施例中先期實(shí)驗(yàn)的方式類似，進(jìn)行先期實(shí)驗(yàn)確定消除背景聲波所需的激光束144的強(qiáng)度。啟動(dòng)傳感器100，使腔102中填充與激光束114及144不發(fā)生反應(yīng)的氣體。對(duì)激光源140的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，使得激光束144在板上所產(chǎn)生聲波與穿過(guò)板106和108的激光束114所產(chǎn)生聲波相互抵消。激光束144與激光束114相位相反。兩背景聲波相互抵消，使得傳聲器100采集不到信號(hào)。完全消除背景信號(hào)實(shí)際上不是切實(shí)可行的，但使總背景信號(hào)最小也可獲得能夠使傳感器靈敏度100得以優(yōu)化的激光源140強(qiáng)度值。
前述內(nèi)容僅說(shuō)明本發(fā)明原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，盡管此處未明確詳述或說(shuō)明，依照本發(fā)明原理設(shè)計(jì)的多種裝置應(yīng)屬于以下權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
圖1所示傳感器100結(jié)構(gòu)僅為本發(fā)明示例，而不應(yīng)限制本發(fā)明范圍。例如，所提出實(shí)現(xiàn)方案包括光源130、透明板106和108裝置，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可設(shè)計(jì)鏡子和/或部分折射材料，以使激光束進(jìn)入腔102。與前述相似，傳感器100的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也僅為示例，不應(yīng)限制本發(fā)明應(yīng)用范圍。
在解釋各項(xiàng)權(quán)利要求時(shí)，應(yīng)理解的是a)用語(yǔ)“包括”并不排除未列舉的其它元件或操作；b)某元件之前的用語(yǔ)“一個(gè)”并不排除可選用多個(gè)元件；c)權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)號(hào)均不限定其范圍；d)幾個(gè)“裝置”可由同一物品或硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能表示；e)所公開(kāi)每一元件可包括硬件部分(例如包括分立和集成的電子電路)、軟件部分(例如計(jì)算機(jī)程序)或其組合；f)硬件部分可包括一個(gè)或多個(gè)模擬和數(shù)字部分；g)所公開(kāi)任一裝置或其部分，若非特別說(shuō)明，均可以相互組合，或進(jìn)一步劃分為各部分；以及h)若非特別說(shuō)明，操作順序無(wú)特別要求。
權(quán)利要求
1.一種光聲裝置(100)，用于檢測(cè)試樣(116)中是否存在待檢測(cè)組分，所述光聲裝置包括包含試樣的樣品室腔(102)；位于所述樣品室腔(102)外側(cè)的第一光源(130)，其發(fā)射波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分的吸收范圍內(nèi)的第一調(diào)制光束(114)；用于將第一光束導(dǎo)入腔的腔壁(106)；聲波采集單元(110)，用于采集部分地由待檢測(cè)組分吸收第一光束而產(chǎn)生的第一聲波；其特征在于所述光聲裝置還配備有背景聲波消除系統(tǒng)(120，122，140，144)，它產(chǎn)生與腔壁吸收第一光束所產(chǎn)生的背景聲波相位相反的第二組聲波，所述第二組聲波在聲波采集單元處抵消背景聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波由第一光束源穿過(guò)并加熱腔壁而產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，聲波采集單元包括傳聲器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波消除系統(tǒng)包括第二光束源(140)，其產(chǎn)生波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分的吸收范圍之外的第二光束(144)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，第二光束強(qiáng)度從通過(guò)背景聲波采集的總聲波最小而獲得，所述背景聲波是由于腔壁吸收試樣腔中的兩個(gè)光束所產(chǎn)生，所述試樣腔填充有不吸收兩個(gè)光束的試樣。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括用于將第二激光束導(dǎo)入腔的分色鏡(142)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波消除系統(tǒng)包括附于腔壁上的透明導(dǎo)電涂層。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，通過(guò)導(dǎo)電涂層的電流強(qiáng)度從由聲波采集單元采集的總聲波最小而獲得，所述總聲波是由于腔壁吸收第一光束、以及電流通過(guò)試樣腔中導(dǎo)電涂層而加熱腔壁所產(chǎn)生，所述試樣腔填充有不吸收第一光束的試樣。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，試樣為液態(tài)或氣態(tài)。
10.一種檢測(cè)試樣(116)中是否存在待檢測(cè)組分的方法，所述方法包括將試樣裝入樣品室腔(102)；發(fā)射波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分的吸收范圍內(nèi)的第一調(diào)制光束；通過(guò)腔壁將第一光束(114)導(dǎo)入腔；利用聲波采集單元(110)采集至少由待檢測(cè)氣體組分吸收第一光束產(chǎn)生的第一組聲波；其特征在于，還包括以下方法發(fā)射與腔壁吸收第一光束產(chǎn)生的背景聲波相位相反的第二組聲波。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光聲裝置(100)，用于對(duì)諸如人體呼氣等試樣進(jìn)行光聲檢測(cè)。所述裝置包括用于容納試樣(116)的樣品室腔(102)；位于所述樣品室外側(cè)的第一光源(130)，用于發(fā)射波長(zhǎng)在待檢測(cè)組分的吸收范圍內(nèi)的第一調(diào)制光束(114)。通過(guò)透明腔壁(106)將第一光束導(dǎo)入所述腔。待檢測(cè)氣體組分吸收第一光束，從而產(chǎn)生第一聲波并由傳聲器(110)所采集。傳聲器也接收激光束穿過(guò)腔壁所產(chǎn)生的背景聲波。該裝置還配備有噪聲消除系統(tǒng)(120，122)，產(chǎn)生與背景聲波相位相反的第二組聲波。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101095042SQ200580045418
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月3日
發(fā)明者H·范克斯特倫 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司