专利名称：光声检测器中背景声信号抑制的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过光声传感器检测溶液试样组分。本发明具体涉及工业生产过程中气体检测、环境气体检测和医学领域中对人体所排斥的气态、固态或液态物质进行非侵入性分析.一项主要应用是对呼出气体进行非侵入性分析。
背景技术：
呼气测试正迅速发展成为令人振奋的医疗技术。在呼出气体中进行组分检查是一种非侵入性、对病人友好、低成本的医疗手段。典型呼气测试例子包括哮喘监测、呼气酒精含量监测、肠胃不适或急性器官排斥检查，首期临床试验表明其可应用与乳腺癌和肺癌预筛选。
已有多种解决方案用于呼气组分诊断检测。如果诊断发现异常组分或人体正常呼气组分为异常浓度，这可能表征疾病、身体失调或病人异常状况。根据这些组分可进行诊断，但需要借助其他设备。这些诊断组分又称为生物标志，其典型浓度在百万分之一至万亿分之一范围内。一氧化氮是一种公知的生物标志，哮喘患者体内可见一氧化氮浓度升高。目前，十亿分之一浓度的呼出一氧化氮只能根据化学发光原理由昂贵且笨重的设备检测。
本发明涉及光声传感器领域。这种传感器根据光声原理工作，即调制光对包含待检测组分的试样进行照射将产生声波。如传声器等声学传感器可采集该声波并在输出端产生信号，该信号与气体试样中该组分的浓度直接相关。当一种或多种试样组分吸收光辐射、使得试样发热并膨胀时产生声波。当材料在调制光照射下膨胀和收缩时，产生声波。由声波振幅可推断吸收组分的浓度。不同试样组分则是通过采用对应于组分的特定吸收波长的不同波长的光源加以区分。在典型的光声气体传感器中，采用声波谐振腔或样品室放大声波，以提高检测灵敏度。
背景信号可限制试样组分的最低浓度检测水平。背景信号可能有不同来源，例如空气流动和空气压力变化、器壁效应、在光束到达传声器处传感器中传声器膜的振动乃至辐射均可使气体试样中产生干扰信号。光束辐射产生的气腔本身扩大也可能导致一部分背景信号。已提出部分解决方案以消除至少一个背景信号源，降低由腔壁吸收部分入射光线所产生的背景噪声仍是业界所需的解决方案。
一种解决方案参见美国专利6,006,585所提出的一种光声气体传感器。该传感器包括传感器本体、光源、具有透气膜的测量单元、测量传声器以在及光源和测量单元之间的光学测量滤波器。该传感器还包括与测量单元分离的一个参比单元。参比单元具有参比传声器，其可屏蔽由通过参比单元检测的气体发出的光声信号，参比单元基本不受光强调制且具有待检测气体吸收波长的光辐射作用。通过将由两个传声器获得的信号相减，可获得表征气体浓度的测量信号。相减的结果可消除由振动或气压波动引起的干扰信号，其中前者可通过参比传声器不接收所测量气体光声信号实现，而后者通过将参比单元与参比传声器空间位置相分离实现。
气体室容积一半专用于背景信号抑制，类似前述消除干扰噪声信号的已有解决方案往往笨拙而昂贵。这些缺点限制了该类装置的小型化、及其市场接受度。小型的痕量气体传感器对于个人保健应用的确非常关键。
发明内容
本发明一个或多个实施例的目的在于设计多功能且尺寸合理的呼气装置。本发明另一目的在于提供高灵敏度装置，同时不增大装置整体尺寸。
为此，本发明装置首先包括用于容纳试样的样品室腔和位于气体室腔外侧的第一光源，第一光源发射波长在潜在组分吸收范围内的第一调制光束。气体室包括引导第一光束进入腔的腔壁。传声器采集潜在气体组分吸收第一光束时所产生的声波振动。该装置还配备了防止声波产生系统，其产生与透明壁吸收第一光束所产生声信号相位相反的声信号。
本发明基于以下前提，即背景信号将降低系统灵敏度，非常低浓度的生物标志可能无法由患者呼气中检测得到，尽管临床显示表明存在身体异常，如器官排斥反应、紧张等现象。发明者已认识到背景噪声的重要来源之一是激光束被腔壁吸收，具体地是被将激光束导入腔的透明板所吸收。激光束被入口壁所吸收产生第二声波，其与呼气中生物标志吸收所产生的第一声波相当。本发明提出，通过产生与背景第二声波相位相反的声波信号，以抑制并消除第二声波。本领域技术人员可设计较小尺寸的背景消除装置，以产生反相位声波。本发明一个优点即在于可提高光声传感器灵敏度而不会增加其尺寸。
在本发明一个实施例中，防止声波产生系统包括第二光束源，所述光束源发射波长在待检测组分吸收范围之外、且与第一光束相位相反的第二光束。在该实施例中，第二激光束将由透明腔壁所吸收，由于第二激光束与第一激光束相位相反，腔壁吸收第二激光束所产生的声波与腔壁吸收第一光束所产生的声波相位相反。两声波将相互抵消，噪声干扰则被消除。
在另一实施例中，防止声波产生系统包括附于腔壁上的透明导电涂层。在涂层中通过电流产生声波，使其相位和强度确定成能够消除透明腔壁所产生的噪声声波。
本发明也涉及检测气体试样中是否存在潜在组分的方法。
通过实施例的以下详细描述，可以使本发明这些和其他方面得到进一步体现。
下面将通过示例并参考附图对本发明加以详述，其中图1是本发明装置的第一示例性实施例；以及图2是本发明装置的第二示例性实施例。
各图中同一参考标号表示同一元件、或功能基本相同的元件。
具体实施例方式
图1所示为本发明光声传感器100的一个示例性实施例。传感器100包括容纳气体试样116的腔102。气体试样116通过进气管124导入腔102，试样116通过排气管104排出腔102。在该实施例中，气体试样116含有至少一种组分，该至少一种组分的存在和/或组成可通过该组分的光吸收作用部分地由传感器100分析。在该实施例中，所选择组分使得待检测组分的异常高的即超出正常的浓度表征一种医学状况，例如身体不适、疾病、器官排斥反应、呼吸危象等。本发明装置是非侵入性的工具，其通过向医师提供准确的病人身体数据，而帮助医师进行诊断。采用以下方式检测某一组分异常浓度(十亿分之一单位)，或检测某一组分在正常状态下不存在。
传感器100可为管状，在其不透明圆柱侧壁118上钻有两开口124、104，以使气体可进出腔102。传感器100尺寸选择为可使腔102在来自光源130的光的调幅频率下具有声共振。透明板106与108置于两端，并气密地密封容纳气体试样116的腔102。透明板106和108可由玻璃、CaF2(氟化钙)、ZnSe(锌化硒)、聚合物，或任何其他导光材料制成。但是，材料选择成在用于检测气体组分的光的波长下吸收最少。透明板106将激光束114由激光源130导入腔102内，激光束114通过透明板108射出腔102。待检测气体组分的检测基于以下原理，即激光束114将被待检测气体微粒吸收，吸收作用导致颗粒被激励并膨胀，因而产生声波。声波由置于腔102内壁凹处的传声器110采集。传声器110在导线112上产生表示由传声器110膜所采集声波幅值的信号。传声器110在腔102内与激光束114隔离，以防止激光束114与传声器膜的相互作用，该相互作用将产生背景信号并影响整个装置的灵敏度。
激光源130产生波长在待检测组分吸收范围内的激光束。一氧化氮(NO)是人体呼气中存在的公知气体组分，在哮喘患者呼气中可发现NO浓度升高。在5微米波长附近NO显示有多条吸收线。这些吸收线中的一条可例如通过量子级联半导体激光器用于NO浓度的光声检测，量子级联半导体激光器的器件结构经优化适用于在合适波长发射。虽然许多痕量气体显示处于中红外区的吸收线，通过适当选择光源和板材料，所述实施例也可用于可见光和UV(紫外)范围。
即使板材料在激光波长吸收最小，当激光束114进入腔102并穿过板106时，少量激光束114仍会被透明板106吸收；当激光束114射出腔并透过板108时，少量激光束114也可由透明板108吸收。激光束吸收将导致在板106和108表面外的空气薄膜少许但可测的加热，并产生可由传声器110采集的声压波。所产生的背景信号限制了最小可检测痕量气体浓度，从而限制了传感器100的灵敏度。
以下提出一解决方案以校正背景声波。图1所示传感器100还配备有防止声波产生系统。示例性防止声波产生系统包括附于板106和108上的透明导电涂层120。电线122连接至相应涂层120，并在激发时使电流流经涂层120。流经涂层120的调幅电流利用焦耳效应加热板106和108表面附近的空气，由此产生声波。采用精心选择的幅度与调制方式周期性地加热涂层120，可产生与板106和108吸收激光束114而产生的背景声波相位相反的声波，从而抵消该背景声波。透明导电涂层示例包括铟锡氧化物(ITO)、氢化非晶硅及氢化非晶锗。选用何种材料仍取决于所加光的波长以及在该波长的最小薄膜吸收。进行先期实验以确定抵消板106和108所产生背景声波所需的加热幅度和周期。为此，腔102充填不吸收第一激光束114的气体，使得由第一激光束114产生的唯一声波是由加热透明板106和108产生的声波。通过使传声器110采集的总声波最少，可获得通过涂层120的电流的振幅和周期。
图2所示为本发明传感器装置100的第二示例性实施例。传感器100与图1所示传感器100相似，其包括腔102、进气管124、排气管104、透明板106与108、传声器100及腔壁118。在该实施例中，消除背景信号的装置包括分色镜142和激光源140，激光源140产生被导入腔102的第二激光束。激光束140产生第二激光束144，其波长位于气体试样116的待检测组分或任何其他组分的吸收范围之外，使得不会因第二激光束144通过腔102而产生另外的背景声波。
与图1所示实施例中先期实验的方式类似，进行先期实验确定消除背景声波所需的激光束144的强度。启动传感器100，使腔102中填充与激光束114及144不发生反应的气体。对激光源140的强度进行调整，使得激光束144在板上所产生声波与穿过板106和108的激光束114所产生声波相互抵消。激光束144与激光束114相位相反。两背景声波相互抵消，使得传声器100采集不到信号。完全消除背景信号实际上不是切实可行的，但使总背景信号最小也可获得能够使传感器灵敏度100得以优化的激光源140强度值。
前述内容仅说明本发明原理。本领域技术人员应理解，尽管此处未明确详述或说明，依照本发明原理设计的多种装置应属于以下权利要求的精神和范围之内。
图1所示传感器100结构仅为本发明示例，而不应限制本发明范围。例如，所提出实现方案包括光源130、透明板106和108装置，本领域技术人员也可设计镜子和/或部分折射材料，以使激光束进入腔102。与前述相似，传感器100的形状和内部结构也仅为示例，不应限制本发明应用范围。
在解释各项权利要求时，应理解的是a)用语“包括”并不排除未列举的其它元件或操作；b)某元件之前的用语“一个”并不排除可选用多个元件；c)权利要求中的任何参考标号均不限定其范围；d)几个“装置”可由同一物品或硬件或软件实现的结构或功能表示；e)所公开每一元件可包括硬件部分(例如包括分立和集成的电子电路)、软件部分(例如计算机程序)或其组合；f)硬件部分可包括一个或多个模拟和数字部分；g)所公开任一装置或其部分，若非特别说明，均可以相互组合，或进一步划分为各部分；以及h)若非特别说明，操作顺序无特别要求。
权利要求
1.一种光声装置(100)，用于检测试样(116)中是否存在待检测组分，所述光声装置包括包含试样的样品室腔(102)；位于所述样品室腔(102)外侧的第一光源(130)，其发射波长在待检测组分的吸收范围内的第一调制光束(114)；用于将第一光束导入腔的腔壁(106)；声波采集单元(110)，用于采集部分地由待检测组分吸收第一光束而产生的第一声波；其特征在于所述光声装置还配备有背景声波消除系统(120，122，140，144)，它产生与腔壁吸收第一光束所产生的背景声波相位相反的第二组声波，所述第二组声波在声波采集单元处抵消背景声波。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，背景声波由第一光束源穿过并加热腔壁而产生。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，声波采集单元包括传声器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，背景声波消除系统包括第二光束源(140)，其产生波长在待检测组分的吸收范围之外的第二光束(144)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，第二光束强度从通过背景声波采集的总声波最小而获得，所述背景声波是由于腔壁吸收试样腔中的两个光束所产生，所述试样腔填充有不吸收两个光束的试样。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括用于将第二激光束导入腔的分色镜(142)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，背景声波消除系统包括附于腔壁上的透明导电涂层。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过导电涂层的电流强度从由声波采集单元采集的总声波最小而获得，所述总声波是由于腔壁吸收第一光束、以及电流通过试样腔中导电涂层而加热腔壁所产生，所述试样腔填充有不吸收第一光束的试样。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，试样为液态或气态。
10.一种检测试样(116)中是否存在待检测组分的方法，所述方法包括将试样装入样品室腔(102)；发射波长在待检测组分的吸收范围内的第一调制光束；通过腔壁将第一光束(114)导入腔；利用声波采集单元(110)采集至少由待检测气体组分吸收第一光束产生的第一组声波；其特征在于，还包括以下方法发射与腔壁吸收第一光束产生的背景声波相位相反的第二组声波。
全文摘要
本发明涉及一种光声装置(100)，用于对诸如人体呼气等试样进行光声检测。所述装置包括用于容纳试样(116)的样品室腔(102)；位于所述样品室外侧的第一光源(130)，用于发射波长在待检测组分的吸收范围内的第一调制光束(114)。通过透明腔壁(106)将第一光束导入所述腔。待检测气体组分吸收第一光束，从而产生第一声波并由传声器(110)所采集。传声器也接收激光束穿过腔壁所产生的背景声波。该装置还配备有噪声消除系统(120，122)，产生与背景声波相位相反的第二组声波。
文档编号G01N21/17GK101095042SQ200580045418
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年1月3日
发明者H·范克斯特伦 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司