專利名稱：光聲光譜技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用光聲光譜技術(Opto-orphotoacousticspectroscopy)測量樣品中物質濃度的裝置。
光聲光譜技術是用于
別和分析在溶液或液體介質或氣體、固體中的各種物質的技術。它是基于這樣一個事實，由于一種物質的分子具有固有的特性，該物質的分子只能吸收具有若干特定頻率的光能。一個分子的組成和結構確定了哪些頻率的光被吸收和那些頻率的光不能被吸收，即每種特定的物質只吸收一組確定頻率的光能。因為每種物質都有其特有的分子結構，所以根據(jù)光吸收譜圖可以
別該物質。同時吸收的強度和該物質濃度有關。當物質吸收光時，吸收了光的分子被加熱，并產(chǎn)生聲頻沖擊波，聲傳感器接收該沖擊波，就表明有光被吸收。應指指出，這種加熱效應是很小的，過程也是快的。根據(jù)聲信號的大小能夠推斷出有多少入射頻率的光被吸收，由此可以推斷出被照射區(qū)域內(nèi)的所測物質的濃度。
在實際應用上，照射到樣品上的光不是用連續(xù)光，而是用脈沖或強度調制的光束。一般把應用脈沖光束的稱為光聲光譜技術(optoacousticspectroscopy)，而把應用調制光束的稱為光聲光譜技術(photoacousticspectroscopy)，而在說明書和權利要求書中用光聲光譜技術(opto-acousticspectroscpy)，通常是強調指上述二種技術。
現(xiàn)在很多緊急和非緊急的醫(yī)療處置是根據(jù)對病人的狀態(tài)的準確診斷而做出的，而診斷常常離不開病理化驗，這些化驗可包括例如血液化驗或尿的化驗。抽取一個血的樣品，送到化驗室去分析，在化驗室中把樣品與一些試劑混合，這些試劑能指示物質的存在和濃度，再經(jīng)光學檢驗，所得結果作為醫(yī)生診斷和處置的根據(jù)。
此外，在很多醫(yī)療情況下，需要經(jīng)常地監(jiān)測血液，以便根據(jù)病情調整用藥量。為了根據(jù)嚴重糖尿病人的病情確定胰島素的用量，需要每小時做一次血液化驗。對于普遍的糖尿病人需要每周有兩日按每日四次監(jiān)測血液中葡萄糖濃度以確定胰島素的用量。
到目前為止，所有基礎的血液化驗方法還離不開取血液樣品，即要把該樣品取到病人體外分析。這種化驗方法給病人帶來不便，并且這還是化驗可能不準確的一個原因;目前還沒有完全無痛的抽血裝置，手提式葡萄糖測量儀，盡管用一條試劑帶和只要刺破一個手指，取出一滴血后，在床邊就能完成分析，但這仍是有痛苦的，并且會喚醒一些睡眠的病人。如果對于一個危重的病人需要在一晝夜內(nèi)按每半小時一次重復這個操作過程，那末將會使患者們無法睡眠。
此外，由于比較復雜的病理檢驗要在化驗室里進行，所以樣品必須送到醫(yī)院的化驗室，而醫(yī)生常常要等幾個小時后才能得到化驗結果。
泌尿學檢驗是病理檢查的一個重要部分，按照醫(yī)院的常規(guī)，尿的監(jiān)測要經(jīng)常進行，然而所采用的技術還遠不如化驗血有效。監(jiān)測尿是一個非常繁瑣的工作a)從病人那里收集樣品;
b)只要工作人員一有時間，就要用能估算葡萄糖、酮、酸等濃度的試劑帶做這些基礎化驗;
c)對于需要進一步結果的樣品，或需要做詳細分析的病人樣品放入無菌容器內(nèi)，并做出標記;
d)這些有標記的樣品最后由醫(yī)院工作人員整齊的送到傳驗室中。樣品變質可能使結果不可靠，這與時間延誤有關。在一般的操作中時間的延誤可能是幾天，這些樣品經(jīng)常冷凍過夜，由于有機體在室溫下的污染速度快，所以污染可能干擾化驗結果，甚至導致化驗結果的無效。
e)樣品送到化驗室后，受過培訓的人員利用昂貴的儀器和花費相當多的時間來鑒定每個樣品;
f)把這些試驗結果記錄在標準的表格中，以便把這些結果送回到病房檔案中，或者把結果送到管理部門保存的病人檔案中。如果結果反常，必須把這個結果通知病人的醫(yī)生，醫(yī)生再轉告病人。
顯然這是一項浪費時間和人力的工作，在泌尿檢驗試驗室中所用儀器費用昂貴。即使利用計算機處理試劑的儀器，也還需要相當繁瑣的勞動。
在科研和工業(yè)部門中有很多要求詳細分析液體中化學成分的情況，例如，為了監(jiān)測在水中的污染物質中的分散體，必須取很多樣品，并把這些樣品送到化驗室中，進行一系列的化驗。在制造工業(yè)中的液體濃度要求限制在一個很窄的范圍內(nèi)，所以必須頻繁地抽取樣品，同時所用的設備也要相應地調整。一般食品加工過程中涉及到大量的流體，要求這些流體的成分必須符合規(guī)定的標準，例如它們的鹽濃度、酒精或者糖的含量等要符合規(guī)定的標準。若用通常的方法在制造過程中要完成這些化驗，需要花費較長的時間，也增加了產(chǎn)生的成本。
到目前為止，化學試驗在很大程度上還離不開基礎試驗的試劑，也離不開需要有專門工作人員和設備的大量昂貴的儀器的光譜方法。為了取樣，有時要中斷生產(chǎn)過程，在取樣得到符合重新起動裝置的數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)一般長時間延遲。這些情況表明，一般說來，只有絕對需要時，檢驗才能進行，而對極其重要的化驗，在最大時間間隔進行。如果接收一個不正確的循環(huán)，就會把它的后果“加入”到最終的產(chǎn)品中去，這就意味著最終的產(chǎn)品純度明顯地不符合規(guī)定。在每個完成化驗的結果之間，生產(chǎn)工程師實際上是盲目地工作的。如果在化驗過程中一個予想不到的變化導致組分明顯地變化，則就可能造成很大的浪費。在現(xiàn)場取出的樣品會隨著時間的推移逐漸變質。如果在取樣和化驗之間時間耽隔過長，那么到實際進行分析時，該液體已經(jīng)發(fā)生了化學變化。
本發(fā)明提供一個用光聲光譜技術檢測樣品中物質濃度的裝置，該裝置包括一個檢測組件，該組件由一個向樣品發(fā)射光的光源和一個接收來自被檢測樣品的聲頻響應的聲檢測器所組成。其中光源所發(fā)射光的頻率為一個或幾個離散的頻率，該頻率根據(jù)被檢測物質的光聲光譜來確定。
最好是發(fā)射脈沖光，而不發(fā)射連續(xù)光，如果用幾個不同頻率的光照射樣品，應保證不同頻率的脈沖光基本上同時發(fā)射，其發(fā)射時間差最好在10微秒之內(nèi)。
通常用的光源是半導體激光器，該激光器裝在帶有聲檢測元件的座里，例如，該聲檢測器可以是壓電器件，它用來接收被測試樣品中的聲響應，該聲檢測器的一種布置是固定在光源的周圍，另一種布置是把一些物理上分開的檢測器分開固定在座里，而將這些檢測器的輸出端連到一起。
檢測器最好還包括一個光電二極管和光電管，以便能夠在一些實施例中對樣品的反射光和透射光進行測量。該裝置還包括一個溫度傳感器，即一個快速動作的半導體器件，以便能夠測量被測試的樣品溫度。
本發(fā)明的進一步的任務是提供一個測試人體中流體的物質的液度裝置，該裝置適合于在體內(nèi)進行測試，這是由于它有一個能向被測人體發(fā)射光的光源和一個檢測人體聲頻響應的聲檢測器，從而就能利用光聲光譜技術測量所述物質的濃度。
本發(fā)明還提供一種用于檢測體液中物質的方法，該方法包括用光聲光譜技術檢測在體內(nèi)物質的步驟。
該裝置的大小和形狀最好適合于個人攜帶，它包括一個能附在人或動物身體上的組件，即一個手鐲，該裝置還包括一個監(jiān)測人的心臟跳動的組件，這可以通過監(jiān)測來自用在光聲檢測試驗中的壓電器件的信號來完成，也可以通過分開的光電二極管和光電管監(jiān)測被血液所吸收的某一頻率的從人體反射出的光來完成。而且控制光聲光譜技術中光源激發(fā)的電路可以包括一個使光源激發(fā)同心臟跳動保持同步的電路。
本發(fā)明還提供一個檢測人和動物體內(nèi)的物質的裝置，用光聲光譜技術檢測其中物質，同時還能控制被檢測者照射和被檢測者的心臟跳動保持同步關系。
對于光聲光譜測量的光源最好能夠發(fā)射一個或若干離散的不同頻率，該頻率根據(jù)被測物質的光聲光譜圖來確定。
該裝置還提供一個記錄光聲光譜試驗結果的組件，還提供一個記錄與被測者在試驗時心跳有關的時間的部件。
通常還包括一個微處理機，它控制各個二極管的激發(fā)，并對接收的信號進行譯碼，這些信號可以經(jīng)校準并顯示，或者傳送到其它控制和記錄裝置上，這樣一來，該裝置可以對一定血液組成的濃度給出相當快的和/或連續(xù)的顯示。
微處理機還能夠自動地檢測激光二極管的故障，并顯示“故障”警報。
要使激光器或激光器組調諧，不僅要調諧到被檢測物質的特征頻率上，還應使激光器治療窗口對準被檢測者的皮膚。
根據(jù)本發(fā)明的方案，可以檢測如血、尿、眼淚、骨髓、腦骨髓液、糞便和鼻涕等物質，它還可以用來檢測藥物、氣體、毒素、污染物和金屬的存在，它還可以檢測整個疾病狀態(tài)的光聲光譜響應圖形，這些疾病包括如關節(jié)炎、狼瘡、紫質癥、糖尿病、癌、艾滋病和貧血癥等，它還可以檢測細菌的存在，并能提供有關細菌種群密度、發(fā)育階段、類型以及對抗菌素的敏感性等情報。
根據(jù)本發(fā)明的進一步方案，提供了一個應用光聲光譜技術在體內(nèi)檢測物質的裝置。在這種裝置中，檢測器可以沿著一個腔的四周放置，該腔中裝有一個盛試樣的容器，例如試管。該腔中最好還裝有一個用于探測樣品有無的檢測器和一個部件，該部件能在腔中的其它檢測運動到檢測位置時，響應該樣品檢測器，通常它對著試管的一側面。此外，該裝置中的檢測器是通過彈性支撐固定的，樣品管與同檢測器接觸的座緊密配合。該裝置最好是一個封閉式的、便攜式的單獨的組件，以便在臺上使用。在該裝置中除裝有光聲光譜技術所需要的激光器和壓電檢測器外，還可以裝其它的檢測器。這在上述體內(nèi)測量裝置中已經(jīng)提到。這樣，就可以測試樣品的透射光、反射光和溫度。
信號處理和激光驅動電路大體上和本發(fā)明的上述方案相同，可以設想，這個臺式體外檢測裝置裝有若干個能發(fā)射不同頻率的激光器，就能測試具有復雜光聲譜帶的物質。
在裝若干個激光器時，最好安排它們偏移壓電檢測器，以使沒有激光器直接對著壓電檢測器。這就是說，激光不能直接射入壓電檢測器。
根據(jù)本發(fā)明的這個方案，能夠對藥物合理或不合理的服用量進行測量，以及測量金屬、具有清晰光譜特征的激素和甾個化合物。把該裝置和上述的第一方案結合起來，就可以測試體液的寄生感染，整個疾病狀態(tài)和細菌。
為了檢測光譜技術難于直接檢測的物質的存在。本發(fā)明的裝置，可能包括一個測量周期，這包含把一種或多種試劑加入到樣品中，與試劑發(fā)生的化學反應相當于把存在的靶物質放大到能發(fā)現(xiàn)的程度，與光譜技術結合起來，由于允許測量低濃度或反應早期階段的濃度，這將增加試劑的通用性。
根據(jù)本發(fā)明的進一步方案，還提供一個從連續(xù)生產(chǎn)過程中取樣，并對這些樣品進行光聲光譜分析的裝置。該裝置最好包括一個與工藝流程干線相通的取樣管，在該取樣管中可以裝一個使通過該管流量平穩(wěn)的部件，以便減少樣品中噪音。這個部件可以是折流板，或者是在試驗進行期間使流體暫時停止流動的裝置。為了完成光聲光譜測量，最好將激光二極管和壓電換能器沿取樣管周圍安裝，本裝置的信號處理和激光器控制電路基本上與本發(fā)明的第二個實施例所述電路相同。本發(fā)明的分析電路可以連接到連續(xù)生產(chǎn)過程的主控設備上，以便建立一個連續(xù)控制回路。
本發(fā)明用在生產(chǎn)過程中可以在線運行，根據(jù)分析結果，可以用電子學的方法控制設備上的有關調節(jié)化學濃度的組件。利用這種方法，可以在生產(chǎn)過程中選定的若干點，提供瞬時反饋，以便能夠保證全自動化的質量控制。本發(fā)明的這個實施例特別適合于石油工業(yè)、啤酒制造業(yè)和很多化學工藝。
將上述的任何一個或所有的方案具體化，就可以使該裝置適應完成對各種物質分析的具體需要。顯然，測試不同的物質需要發(fā)射不同頻率的激光器，因此可以通過把激光器和壓電檢測器裝在插接式的組件上來實現(xiàn)這種匹配，該插接式組件上還可以包括為被檢測物質所需要的特定的電路，該電路和這個組件一起投入使用。通過對微處理機編制程序，以便在指定的間隔內(nèi)完成取讀數(shù)的操作，這樣可以進一步改進本裝置。
上述的體外檢測裝置中，光導纖維元件可用于把檢測器放到對操作者和裝置是危險的環(huán)境中，激光二極管的輸出饋到通往樣品和用于接受聲頻響應的輕微音器的光導纖維電纜，并通過光導纖維把聲頻響應饋送到分析和處理電路。
此外，在上述的任何方案中，通過采用若干個光源，并借助安排和控制光源形成一個相陣列來測試樣品的不同部分是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的方案，提供一個用光聲光譜技術檢測樣品中物質濃度的方法，該方法包括發(fā)射光進入樣品和檢測樣品的聲頻響應，它包括根據(jù)被檢測物質的光聲吸收光譜而選擇一組離散頻率，至少選擇其中的一個頻率向樣品發(fā)射光。
發(fā)射到樣品上的光最好是一組離散頻率的光，這些頻率的光最好是以脈沖形式，并且基本上同時發(fā)射的，其發(fā)射時間應在約10微秒范圍內(nèi)。
保證基本上同時發(fā)射這些脈沖光，有如下的優(yōu)點首先，使各種不同頻率光程上的樣品沒有擴散的時間(這對易受激光影響的樣品是重要的)。其次，因為所有測量都是在較短的時間內(nèi)完成的，所以減輕了樣品隨時間變質的效應。最后，也減輕或消除了在不同激光器之間的聲頻干擾。
根據(jù)本發(fā)明的每一個方案，利用光聲光譜技術可以測量在樣品中某些物質的存在和濃度。所用的激光頻率通常是在紅外區(qū)，即700-2500nm，這個頻率應根據(jù)被測物質的吸收光譜來事先具體確定。在很多情況下，例如，血液中的葡萄糖的測量，為了把葡萄糖與其它物質區(qū)分開，要測量幾個頻率的聲頻響應，為此，既可以把一個可調頻激光器對準若干個離散頻率，也可以采用發(fā)射不同頻率光的若干個激光器。為了消除噪聲，可用兩個或多個頻率的光測定，然后把試驗結果相減。最好是用幾個激光器，以便能有效地控制這些激光器同時發(fā)射光脈沖(彼此之間在幾微秒內(nèi))，在這些頻率上的測量基本上是同時完成的，這對于易隨時間變質和在激光作用下發(fā)生變化的尿樣品來說是一個突出的優(yōu)點。在本發(fā)明中不需要對一個完整的連續(xù)頻率進行掃描，而只要發(fā)射對被分析物質檢測，并把它同其他物質區(qū)別開的頻率的光。把聲頻響應信號經(jīng)電子學處理以后，就可以得出樣品中該物質濃度的讀數(shù)，即，是整理的試驗結果，而不是譜圖。這意味著本發(fā)明能提供一個容易操作的、由不太熟練的或沒有光聲光譜技術基礎知識的人所能操作的裝置。它比已有技術方便。
此外，應用脈沖光源不僅能增加信噪比，而且在必要的情況下，還能給出一個給定物質的深度圖(即指示出樣品的不同深度的濃度)。
下面通過非限定的例子和參考附圖來詳細說明本發(fā)明。


圖1示出了本發(fā)明的第一個實施例。
圖2示出了本發(fā)明的第二個實施例。
圖3是本發(fā)明的第三個實施例的側視圖。
圖4是圖3中所示實施例的頂視圖。
圖5是本發(fā)明的第四個實施例的視圖。
圖6是本發(fā)明的一個實施例的電子電路方框圖。
圖7是本發(fā)明的一個實施例的進一步的方框圖。
圖1和圖2示出了在體內(nèi)檢測血液中物質的裝置。在這兩個實施例中，一個裝有發(fā)射光的激光器和用于檢測由該光束所引起的聲頻響應的聲頻檢測器的檢測頭緊靠在皮膚上，這樣就可以獲得在該皮膚表面下面的血液的光譜讀數(shù)。在圖1中所示的實施例中，檢測頭是同處理和顯示電路一起裝在一個手鐲(3)里，因此它可以一直帶到手臂上。這對于需要經(jīng)?；蜻B續(xù)監(jiān)測血中糖含量的糖尿病人是方便的。圖2中所示的實施例中是把檢測頭圖定在操作臺上，病人把身體的某一部分，例如把手靠在該操作臺上。
該裝置的檢測頭及其控制電路的方框圖如圖6和7所示，從圖中可以看到檢測頭(4)包括一個半導體激光器(6)和壓電傳感器(7)。在工作時為了使半導體激光器發(fā)射脈沖激光，需要激發(fā)半導體激餛鰨霉餑鼙謊 液中的分子所吸收以后，而使其加熱，由于加熱又產(chǎn)生能被壓電傳感器(7)所接受的聲波。半導體激光器(6)由激光器驅動組件(8)和與主控裝置中的微處理機(12)相連的控制器(10)所控制。來自壓電傳感器(7)的信號經(jīng)過一個開關組件(14)饋到二個信號通道之一的通道中，其中每一個通道中包含一個寬帶選通放大器(16)、(18)。放大器(18)的輸出由分析器(19)進行分析和處理(分析器(19)可是微處理機(12)中的一部分，也可以是一個分開的電路)，然后作為光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉換器(20)饋給微處理機(12)。經(jīng)過放大器(16)的另一個信號通道被用于表示提供病人心臟跳動信號的特征。經(jīng)過低通濾波器(22)的信號濾去噪聲后又經(jīng)峰值檢測電路(24)和取樣保持電路(26)饋到模數(shù)轉換器(20)后再饋到微處理機(12)。采樣保持電路的輸出代表了病人脈動強度，而直接饋到微處理機(12)的峰值檢測電路(24)的輸出代表了心臟脈跳動的峰值?？刂破?10)用于選通放大器(16)和(18)，它的作用是提高噪比。心臟跳動的信號可以用來與半導激光器(6)的激勵同步，以便使激光器在心臟跳動的一個特定時刻發(fā)射激光，和/或為了精確知道所測量結果是對心臟跳動的那一時刻。
來自低通濾波器(22)的輸出也饋到一閥值調整電路，該電路由比較器(28)、微處理機(12)和數(shù)模轉換器(30)組成。它將允許人們?yōu)樾呐K所能達到的跳動信號預設一個電平。
在另一個實施例中，所用的激光器是頻率可調的，還裝有一個控制器，這樣激光器頻率可調，而且測量可以在一組頻率上進行。還可以在激光器上專門設計一個透鏡組，以便通過成形光束達到特殊的穿透效果，例如控制穿透深度、強度、波長選擇過濾、病人皮膚在傷害易損限度內(nèi)擴散、所研究組織在一定深度的濃度和為了獲得校準數(shù)據(jù)的目的即對活化區(qū)的定量。
在本發(fā)明圖1和圖2所示的兩個實施例中檢測頭(4)裝有為在人體上作其它測量的不同的檢測器。從圖7中可以看出，該檢測頭包括一個由驅動器(46)驅動的半導體光源(32)，光電檢測器(34)和一個溫度傳感器(36)。半導體光源和光電檢測器通過測量人體的反射光可以測量在皮膚表面下流動血的數(shù)量。半導體光源頻率的選擇應使這些光能被血吸收，從而使光檢測器的信號與皮膚下面的血液的數(shù)量有關，來自光電檢測器(34)的信號也饋到開關組件(14)，以便用上述處理電路對該信號進行處理。這個信號可以用來測量在皮膚下面血的數(shù)量，心臟跳動或簡單地指出裝置已經(jīng)正確放在病人身體上，它可以控制電路中其它部件的通電，保證只有當裝置和皮膚接觸好以后，這些部件才能通電。它還能提供裝置是否使用正確和光聲測量是否有意義。快速動作的溫度傳感器(36)最好是半導體類型的，它通常用來測量病人的體溫。來自傳器(36)的信號輸出被饋到一個放大器/調節(jié)器(38)，而后饋到模數(shù)轉換器(20)，最后一組8或10bit數(shù)據(jù)代碼輸入到微處理機(12)。
皮膚下血的數(shù)量可以測量這件事本身意味著，還可以推斷出病人的血壓，因此本發(fā)明還提供一種測量病人血壓的方法，而病人的身體沒有受到任何壓縮。
微處理機(12)同操作者控制臺(40)和顯示裝置(42)，即在圖1和2中所示示的LCD顯示相連接。
為了控制該裝置和根據(jù)標準組件的校準測試結果，要為微處理機編制程序，將這些結果存儲在存儲器中(沒有單獨畫出)，該存儲器可以存儲1000個讀數(shù)，并能在顯示裝置中顯示，通過編制程序，也能使微處理機給出幾次測譜操作的平均結果。
應用微處理機還能使該裝置完成一定程度上的自校功能。很明顯，來自檢測頭的絕對測量要受到各種因素的影響，例如，因病人而異的皮膚厚度，然而可以根據(jù)來自具有已知數(shù)值的物質信號來校準測量結果，這些已知數(shù)值是事先存儲在微處理機中的。
在檢測頭中的壓電傳感器(7)可以象指出的那樣由幾個分開的傳感器組成，或者可以是一個固定在半導體激光器周圍的環(huán)形傳感器組，安排壓電傳感器的要點是應保證傳感器和被測人體之間的緊密和直接聲聯(lián)接。這對已經(jīng)討論過的體內(nèi)測量和在下面要討論的體外測都是適用的。
該裝置可以包括一個接口(未示出)以便把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€能把某一物質供給病人的控制裝置上。例如該裝置可以監(jiān)測一個糖尿病人的血糖量，把這個數(shù)據(jù)傳給一個能控制一個給病人供胰島素的泵的電路。
上述與圖1有關的裝置特別適合于測量血液中葡萄糖水平，因此它為需要經(jīng)常監(jiān)測血糖量的糖尿病人提供一個方便的裝置，目前監(jiān)測血糖含量需要通過刺入皮膚和應用試劑帶-這是凌亂的，特別是在頻繁監(jiān)測時，又是有痛苦的。本裝置可以方便地帶到手上，并可以隨時得到讀數(shù)。此外還可以把試驗結果儲存在裝置中，不存在病人有意、無意修改測試結果的問題。它同其它裝置一起能夠監(jiān)測本身電池的電平、激光二極管的狀態(tài)、裝置的位置是否同皮膚緊密接觸、病人的體溫和進行檢測時心臟跳動的時刻。本裝置可以給出代表光譜數(shù)據(jù)置信度的數(shù)字，也可以存儲一個或多個供同實際結果相比較的標準檢測譜圖，以便再一次給出代表該測試數(shù)據(jù)置信度的數(shù)字。
光譜讀數(shù)可能與心臟跳動有關這個事實意味著，該讀數(shù)的信噪比可能改進。為了進一步提高信噪比，要用脈沖激光，而不能用連續(xù)激光照射樣品表面。應用脈沖激光還能得到一個被檢測物質濃度的深度分布，深度分布通過計算聲波到達和激光脈沖結束之間的時間間隔來得到。
雖然上面描述的是檢測血液中葡萄糖含量的裝置，但是本裝置還適合檢測血液中的其他物質。根據(jù)需要，檢測頭中可以裝若干個工作在不同頻率下的激光器，而其中的一些或全部是可調諧的，以便對一組頻率同時檢測，這對于具有復雜光譜的被檢測物質來說可能是必需的。在具有若干個激光器的改型裝置中，可以把激光器裝在一個插接式組件中，它還包括為這些激光器或對來自被測物質的信號進行處理所專用的電路，以使本裝置適合于對若干不同物質中的一種物質進行檢測。這樣可以通過編制程序來檢測血中的各種抗體，例如艾滋病抗體等。用本裝置在短時間內(nèi)，提供了使大量的人或動物進行普查的可能性，這對改進目前的衛(wèi)生管理計劃是很重要的。
本發(fā)明還可以用于在體外檢測樣品，圖3、圖4和圖5示出了適合于這種應用的實施例。
在圖3和4中所示的實施例是一個用于檢測如裝在試管(50)里樣品的臺式裝置。該裝置包括一個試管支架(52)，該支架中間是一個容納試管的空腔;一個安裝在空腔內(nèi)周圍的輻射器和接收器陣列，這些輻射器和接收器包括激光器(54)和壓電傳感器(56)。如上所述，在檢測某些物質時，可能需要檢測樣品對一組頻率光的響應，因而需要一組激光器和壓電傳感器。每個激光器被調諧到測試時所用的頻率中的一個頻率?？梢赃x幾個或全部的激光器是可調的，以便使它們能夠在幾個頻率上檢測。從圖3和4中可以看出，壓電傳感器的位置是錯開的，即它們彼此之間不是正好對著，以便使來自激光器的激光不直接射向任何一個壓電傳感器。
支架(52)固定在座組件(58)上，該座組件包括一個顯示裝置(60)，用戶操作控制臺(64)和一個任選的打印機(62)，底座組件還包括一個電源電路，信號處理電路和微處理機。
控制該裝置的電路基本上和圖6、7相同，不同的是激光器的驅動器要適合于驅動若干個激光器和要對每個壓電傳感器都提供一個信號處理電路。
在使用時，發(fā)射所要測試頻率的激光器都被驅動，以便同時發(fā)射，或在幾微秒內(nèi)完成這些發(fā)射。這意味著在各種不同頻率下所檢測的結果是同時得到的或在很短時間內(nèi)得到的，對于隨時間易變質的樣品(例如尿，變質相當快)這點是非常重要的;這還意味著既使在激光作用于樣品，樣品產(chǎn)生雜質，這些雜質也來不及從一個激光發(fā)射的路徑上向另一激光發(fā)射路徑上擴散。在測量運動或流動的樣品時，例如流體血的場合下測量的快速性保證了同一試樣的所有測試結果都是有效的。
在激光器上可以有特制一組透鏡，以便把光束成形提高穿透效果，這和上述的體內(nèi)檢測裝置相類似。
在該裝置的另一實施例中，能夠對一個樣品做幾種不同的物質分析，這是通過選擇適合發(fā)射要檢測的每個樣品所需要的不同頻率的激光器，或選用有足夠數(shù)量可調諧的激光器，通過程序來控制這些激光器，以便先使激光器發(fā)射為特定物質和聲頻響應檢測需要的所有頻率的光，然后再發(fā)射下一個被檢測物質所需要的頻率的光。對于第三種被檢測物質等可依此類推。在進一步改進的實施例中，為了覆蓋住幾種物質的特征光譜，可以不用頻率不同的幾個激光器或可調諧的激光器，而是把固定激光器和壓電傳感器的支架做成插接組件，使該組件中包括有足夠數(shù)量的為一種或幾種物仕枰德使獾募す餛鰨米榧謝箍梢園ㄎ觳餑騁惶囟ㄎ鎦仕枰目刂坪托藕糯淼緶貳Ｔ諭 和4中，底座組件中裝有對所有被檢物質通用的電路，這個組件可能包括處理來自檢測器的信息的電路，以及在一個通用的、預先確定的形式中把處理的信息送到顯示這一結果的底座組件上的電路。因此醫(yī)護人員只要利用該臺式底座組件和一個為供檢測不同物質所用的插接件的程序庫，就能夠方便和快速地檢測來自病人的樣品，并立刻得到一個明確的結果。
在圖3和4中所示的臺式裝置中，可以和體內(nèi)的檢測裝置相類似，也包括一些其他的傳感器，它可以裝一個測量樣品溫度傳感器，裝個光電二極管，它有一個對著它的用于測量透射光的光電管和另一個靠著它的用于測量反射光的光電管。處理電路還可以包括監(jiān)測激光二極管狀態(tài)的和如果有故障時向用戶顯示故障的電路。
為了檢測試管的物理狀態(tài)和為了驅動使激光二極管、壓電傳感器同試管緊密接觸的機構，在該裝置的支架(62)的空腔底部裝有一個壓力傳感器。
另一個實施例中有一個沒有移動部件的檢測頭，其中的檢測器是靠彈性固定在座里，而試管是用手壓到該座里的。
該裝置還可以測試非醫(yī)學樣品，例如水(被污染的等)、液態(tài)食品的成分、工業(yè)流體、在液體里的氣體、農(nóng)產(chǎn)品、植物、動物中的農(nóng)藥，甚至于還可以檢測固體產(chǎn)品，這時只要把固體同合適的液體混合制成溶液或懸浮體，所示的裝置還包括一個能打印測試結果的打印機和一個儲存結果的存儲器。
由于該裝置是一個輕便的臺式儀器，所以它可以用于分析這樣的流體，如血液、尿、眼淚、骨髓、腦骨髓液、糞便和鼻涕等。它能迅速地給出樣品中的物質濃度的精確結果，它不需要具有專門技術的人員操作。因為在檢測的特定物質所需要的全部頻率的讀數(shù)是同時或在很短時間內(nèi)獲得的，所以這些讀數(shù)是精確的。該裝置的通用性在于只要知道物質的特定的光聲光譜，就可以編制程序檢測若干種物質或若干組物質。被檢測的物質可以是病理學或泌尿學有關的任何物質，這些物質的目錄收集在(診斷和治療Merck手冊)第14版P·2184-2201，包含的(附錄1)中。此外該裝置能夠有效檢測的物質還有合理或不合理服用的藥物、法律上允許的或禁止的藥物、氣體、毒素，污染物、金屬以及其他可以用光聲光譜技術檢測的物質。
可以把本發(fā)明的這個典型的實施例的裝置放在醫(yī)院的每一個病房里，這樣現(xiàn)場就可以進行尿(或其它體液)的化驗，這些結果立刻載入病人的病歷中。為了把數(shù)據(jù)傳送到如醫(yī)院中心保存的計算機化的病歷中，可以在裝置上裝一個接口。
本發(fā)明的特別適合于在線連續(xù)監(jiān)測工作生產(chǎn)流程的實施例如圖6所示。在這個實施例中，一個類似于圖3和4中的激光器和壓電傳感器陣列安裝在樣品管(70)的周圍，該樣品管(70)作為一個枝路連接到裝有被測試物質的主生產(chǎn)管路上。樣品從主管路中轉移到樣品管(70)中，最好是用一種可控制的方式，以便得到?jīng)]有噪聲的平滑的流線流。如果在任何給定的狀態(tài)下，噪聲特別顯著，則必須在樣品管中安裝折流板或在檢測期間使流體停止流動裝置。
處理和控制電路裝在裝置外殼(78)中，這些電路同圖3和4實施例中的電路(58)完全類似，它也可以包括一個接口，以便把它接到控制主生產(chǎn)線的儀器上，這樣就可以實現(xiàn)連續(xù)控制回路。該接口還能輸入來自主控儀器中的數(shù)據(jù)和其它生產(chǎn)管路上的其它取樣點的數(shù)據(jù)。
這個裝置可以用于檢測包括已知光聲光譜物質的任何樣品，特別適用于監(jiān)測石油產(chǎn)品的純度和粘度，在食品工業(yè)中液體的濃度，例如鹽、糖、污染物、葡萄酒、牛奶、酒精、油、來自大量流體生產(chǎn)管中的懸浮液或溶液。
還可以予計到，把激光器和樣品/物質的特定電路裝在一個插接組件中或者這些電路是可設計的，這樣本裝置能夠方便配制以監(jiān)測不同的物質。
應該意識到，通過把樣品管連到主生產(chǎn)管路里相應位置上和根據(jù)具體應用的需要來調整檢測器和設計電路，這樣就完成了本裝置在現(xiàn)有的設備上的安裝。
不難想象，在把半導體元件用來完成裝置的檢測功能的場合下，把這些元件制造在一個單片微型電路片中，就可以提高裝置的可靠性和使裝置更加小型化。
對根據(jù)幾個波長來檢測樣品的方法和裝置已經(jīng)提涉，為了做定量分析，還應考慮測定給定物質的光聲光譜響應的峰值和非峰值波長的光聲光譜響應，以便為給出一個定量值的與第一次峰值測量相配合的第二次測量提供數(shù)據(jù)。該非峰值的參考值考慮到了激光功率和其他光聲傳輸參數(shù)的改變。作為一個例子，對于葡萄糖溶液可以在1580nm和1300nm兩個波長處測試，后者為參考值，在兩個波長使用的激光脈沖寬度，比如說為0.5微秒，脈沖的接收間隔為10微秒。得到由每一個脈沖所引起聲頻響應數(shù)據(jù)，以及為處理存儲。
權利要求
1.一個測量人體體液中物質濃度的裝置，其特征在于，為了使該裝置滿足在體內(nèi)進行測量的需要，該裝置包括一個向被檢測人體發(fā)射光的光源(6、54、74)和一個用光聲光譜技術檢測一個測量所述物質濃度的人體的聲頻響應的聲頻檢測器(7、56、76)。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其特征在于，光源(6、54、74)適合于發(fā)射至少一組離散頻率中的一個頻率，該組離散頻率根據(jù)被檢測物質的光聲光譜來確定。
3.根據(jù)權利要求2的裝置，其特征在于，光源(6、54、74)適合于發(fā)射該組離散頻率中的每個頻率和為了使光源基本上同時發(fā)射脈沖光，通過電路(8)去控制光源。
4.根據(jù)權利要求3的裝置，其特征在于，這些脈沖都是在10微秒之內(nèi)發(fā)射的。
5.一個用光聲光譜技術檢測樣品中物質濃度的裝置，它包括一個檢測組件(4、72、52)，該檢測組件包括一個向樣品發(fā)射光的光源(6、54、74)和一個接收來自被檢測樣品聲頻響應的聲頻檢測器(7、56、76)，其特征在于，該光源(6、54、74)適合于發(fā)射一個頻率或一組離散頻率的光，該頻率或該組離散頻率根據(jù)被檢測物質的光聲光譜來確定。
6.根據(jù)權利要求5的裝置，其特征在于，用一個控制光源(6、54、74)激發(fā)的驅動器(8)使光源發(fā)射脈沖光。
7.根據(jù)權利要求6的裝置，其特征在于，通過光驅動器(8)控制光源(6、54、74)，使光源基本上同時發(fā)射光脈沖。
8.根據(jù)權利要求7的裝置，其特征在于，這些脈沖是在10微秒內(nèi)發(fā)射的。
9.根據(jù)權利要求5、6、7或8的裝置，其特征在于，該光源(6、54、74)在測試時能夠適合于發(fā)射一組離散頻率的光，這組頻率是根據(jù)所測試物質的光聲光譜確定的。
10.根據(jù)權利要求5-9中的任何一項的裝置，其特征在于，檢測器組件構成一個具有一個檢測表面的檢測頭(4)，光源(6)和聲頻檢測器(7)裝在該檢測表面上，在使用時，使人、動物即患者的身體同該檢測表面相接觸，以便完成在體內(nèi)測試要測物質。
11.根據(jù)權利要求1、2、3或10的裝置，其特征在于，該裝置的大小和形狀適合于個人攜帶。
12.根據(jù)權利要求11的裝置，其特征在于，該裝置包括一個附著部件(3)，該部件能使裝置緊靠到人或動物的身體上。
13.根據(jù)權利要求12的裝置，其特征在于，所述的附著部件(3)是由一個手鐲組成。
14.根據(jù)權利要求10-13的任何一項中的、并適合于測量人和動物的裝置，其特征在于有一個監(jiān)餿嘶蚨鍰逍腦嗵牟考
15.根據(jù)權利要求14的裝置，其特征在于，所述部件(7)包括一個聲頻檢測器和一個用于處理來自導出一個與人或動物心臟跳動有關的聲頻檢測器信號的電路(16、22、24、26)。
16.根據(jù)權利要求14或15的裝置，其特征在于，有一個使光源(6)的激發(fā)和心臟跳動同步的同步電路(12)。
17.根據(jù)權利要求14、15或16的裝置，其特征在于，有一個記錄光聲測試的時間和心臟跳動時間關系的記錄電路(12)。
18.根據(jù)權利要求5-9中的任何一項的裝置，其特征在于，該檢測組件安裝在接收檢測樣品的座(52)中。
19.根據(jù)權利要求18的裝置，其特征在于，所述座(52)確定一個放樣品的腔，光源(54)和聲頻檢測器(56)固定在腔的內(nèi)表面。
20.根據(jù)權利要求18或19的裝置，其特征在于，所述的座(52)包括一個檢測樣品存在的檢測器和響應樣品檢測器使檢測器組件移動到測試位置的機構。
21.根據(jù)權利要求18、19或20的裝置，其特征在于，所述的裝置是一個帶包裝的便攜式單元。
22.根據(jù)權利要求5-9任何一項的裝置，其特征在于，它包括一個具有允許樣品通過的入口和出口的樣品營(70)，檢測器組件(72)和樣品營相鄰配置，以使光源(74)直接把光射到樣品營上。
23.根據(jù)權利要求22的裝置，其特征在于，檢測器組件(72)圍繞樣品營(70)配置。
24.根據(jù)權利要求22或23的裝置，其特征在于，樣品營(70)包括一減少樣品中噪聲的部件。
25.根據(jù)權利要求24的裝置，其特征在于，所述的部件能平滑通過樣品營(70)的樣品的流動。
26.根據(jù)權利要求24或25的裝置，其特征在于，所述的部件包括在樣品營中的若干個析流板。
27.根據(jù)權利要求24的裝置，其特征在于，所述的部件包括用于關閉樣品營(70)的入口和/或出口的閥門。
28.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于光源(6、54、74)是一個半導體激光器。
29.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，聲頻檢測器是壓電傳感器。
30.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，聲頻檢測器是微音器。
31.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，聲頻檢測器(7、56、76)裝在檢測器組件上并圍繞在光源(6、54、74)的周圍。
32.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，聲頻檢測器由一組在物理上分開固定在檢測器組件上的、而它們的輸出連在一起的一組檢測器所組成。
33.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，照射光源(66)和照射檢測器(68)這樣的配置以允許被檢測樣品的光透射比。
34.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，照射光源(32)和照射檢測器(38)在檢測器組件上這樣的配置，以允許被檢測樣品光反射。
35.根據(jù)前述的任何一項權利要求的裝置，其特征在于，檢測組件還包括一個固定在其上的溫度檢測器(36)。
36.根據(jù)權利要求35的裝置，其特征在于，所述的溫度檢測器是一個半導體器件。
37.根據(jù)前述任何一項權利要求的裝置，其特征在于，有一個存儲光聲測試結果的存儲器(12)。
38.根據(jù)前述任何一項權利要求的裝置，其特征在于，有一個顯示光聲測試結果的顯示裝置(42)。
39.根據(jù)前述任何一項權利要求的裝置，其特征在于，光源(6、54、74)裝在可更換的插接件上，以便在使用時同該裝置相連接，及對于每次按裝的光源(6、54、74)適合于發(fā)射至少一組離散頻率光中的一個，這組離散頻率的光是根據(jù)被檢測物質的光聲光譜確定的。
40.根據(jù)權利要求39的裝置，其特征在于，所述的插接件包括為了處理來自被檢測樣品的聲頻信號和產(chǎn)生一個為預定形式的輸出而設計的電路，以及把這個輸出傳輸?shù)皆撗b置的電路。
41.一種用光聲光譜技術檢測樣品中物質濃度的方法，包括向樣品發(fā)射光，檢測樣品的聲頻響應，其特征在于，還包括選擇λ射到樣品上的光的頻率，該頻率至少是根據(jù)被測物質的光聲光譜確定的一組離散頻率中的一個頻率。
42.根據(jù)權利要求41的方法，其特征在于，把所述的一組離散頻率中的每一頻率的光脈沖發(fā)射到樣品上。
43.根據(jù)權利要求42的方法，其特征在于，所述的光脈沖基本上是同時發(fā)射的。
44.根據(jù)權利要求43的方法，其特征在于，所述的光脈沖都在10微秒內(nèi)發(fā)射。
45.一個檢測人或動物體內(nèi)物質的裝置，其特征在于，用光聲光譜技術檢測物質的部件(6、7、54、56、74、76)和對被測人或動物體的照射是根據(jù)被檢測者的心臟跳動的同步來控制的。
46.一個檢測體液中某一物質的方法，其特征在于，用光聲光譜技術在體內(nèi)檢測所述物質。
47.根據(jù)權利要求46的方法，其特征在于，包括控制對用光聲光譜技術的被檢測者身體的照射與被檢測者的心臟跳動同步。
全文摘要
一個用光聲光譜技術檢測和測量樣品中物質濃度的裝置和方法，把選擇的幾個離散頻率的光直接照射到樣品上，然后檢測該樣品的聲頻響應。這些頻率根據(jù)被檢測物質的光聲光譜來選擇，以使該物質同其它物質區(qū)別開?？刂萍す馄魇蛊浒l(fā)射脈沖光，而用壓電傳感器檢測聲頻響應。用幾個激光器或一個頻率可調的激光器，基本上同時發(fā)射這些脈沖，得到多個頻率的光。本裝置和方法特別適于在體內(nèi)檢測物質的存在，其結構適于病人穿戴和檢測體外物質。
文檔編號G01N33/483GK1032587SQ8810158
公開日1989年4月26日 申請日期1988年3月3日 優(yōu)先權日1987年3月3日
發(fā)明者伊麗莎白·梅·道林 申請人:伊麗莎白·梅·道林