多通道荧光传感器及其使用方法_3

文档序号:9816239阅读:来源:国知局
混浊效应。另外,光学检测器234可测量响应于第二光学发射器224发射的光而被流体样本230散射的光的量并且确定流体样本的其它特性。例如,光学传感器202可基于被流体样本散射的光的量和例如存储在存储器中的校准数据,确定流体样本中的非发荧光物质(例如,污染物)的浓度。例如,如果被分析的流体样本230具有第一浓度的一种或多种非发荧光化学化合物,则光学检测器234可检测第一幅度的被散射光。然而,如果流体样本具有大于第一浓度的第二浓度的一种或多种非发荧光化学化合物,则光学检测器234可检测大于第一幅度的第二幅度的被散射光。
[0062]光学传感器202包括至少一个(可选地,多个)光学检测器,以检测响应于第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光从流体样本230接收的光。为了测量第一光学发射器220和/或第二光学发射器224射入被分析的流体样本230中的光的量,光学传感器202还可包括至少一个参考检测器。参考检测器可被定位在外壳203内并且被构造成测量第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光。响应于第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光从流体样本230接收的光的量可基于第一光学发射器和第二光学发射器原本发射的光的量而改变。因此,参考检测器进行的光测量可用来调节光学检测器234进行的光测量。
[0063]在图2的实施例中,光学传感器202包括可用作参考检测器的第二光学检测器238。第二光学检测器238与第二光学路径236光学通信并且被构造成从第二光学路径236接收光。在一些实施例中,第二光学检测器238被构造成例如以交替顺序从第一光学发射器220和第二光学发射器224二者接收光。这样的光可在第二光学检测器238测量,以确定传感器的操作状况、校准传感器、或者执行与传感器关联的任何其它可用功能。在示例性实施例中,第二光学检测器238可检测从第一光学发射器220接收的光,然后检测从第二光学发射器224接收的光。光学传感器202然后可确定从两个光学发射器发射的光之间的相对强度或强度比率。这个信息可用来补充所确定的有关被分析的流体样本的信息,诸如,调整基于与第一光学检测器234所接收的光确定的流体特性。
[0064]光学传感器202被构造成测量被分析的流体样本230的至少一种光学特性。为了补充光学传感器202产生的光学特性信息,传感器可包括被构造成测量被分析的流体样本230的非光学性质的一个或多个非光学传感器。非光学传感器硬件/软件可被容纳在外壳203内并且包括延伸通过外壳的外表面的接触件(例如,与光学透镜228相邻),用于测量被分析的流体样本的非光学性质。举例来说,光学传感器202可包括温度传感器、pH传感器、电导率传感器和/或流速传感器。当在使用时,温度传感器可感测与传感器相邻的流体的温度;PH传感器可确定与传感器相邻的流体的pH;电导率传感器可确定与传感器相邻的流体的导电率;流速传感器可监测流过传感器的流体的速率。在一个示例中,光学传感器202既包括温度传感器又包括电导率传感器。光学传感器202可包括额外或不同的非光学传感器,本公开不限于利用任何特定类型的非光学传感器的光学传感器。
[0065]图2的传感器202可具有很多不同的物理构造。图3是可用于图2的光学传感器的组件的示例布置的示意图。图3示出用于测量流体样本的至少一种性质的传感器302。类似于图2的传感器,传感器302包括第一光学发射器320和第二光学发射器324。第一光学发射器320和第二光学发射器324可包括任何适宜的光源,包括以上有关图2所讨论的那些光源。在操作期间,第一光学发射器320可发射第一波长的光而第二光学发射器324可发射第二波长的光。第一波长可以是与第二波长相同的波长或波长范围,或者第一波长可以是与第二波长不同的波长或波长范围。根据应用,第一光学发射器320和第二光学发射器324可发射紫夕KUV)、红外(IR)和/或可见光光谱内的光。在如上所述的一些示例中,第一波长可致使被分析的流体样本(例如,流体样本230)中的分子激发并且发荧光,而第二波长可经被分析的流体样本230散射。
[0066]另外,第一光学发射器320和/或第二光学发射器324的一者或二者可以除了期望发射的第一或第二波长的光之外,还发射不必要或不相干的光。为了防止这样的光会不期望地影响测量,传感器302可包括第一光学滤波器322,第一光学滤波器322被构造成限制第一光学发射器320射入被分析的样本内的光。图3的实施例示出定位在第一光学发射器320和部分反射型光学窗口 342之间的第一光学滤波器322。当流体样本发射焚光时,第一光学滤波器322可被构造成过滤掉例如在流体样本发射的荧光范围内的基本上所有波长的光。这样的滤波器322可有助于消除由于与荧光发射相同的波长范围内的光的散射导致的传感器中的检测器334的错误荧光检测。例如,如果第一光学发射器320将要发射由被分析的流体样本产生的荧光发射的波长内的光,则光学检测器334可能既检测流体样本产生的荧光发射,又检测第一光学发射器320发射的并且被散射回到光学检测器334的光。光学滤波器322可过滤掉第一光学检测器334发射的在荧光发射的波长范围内的光。
[0067]图3的示例中的传感器302还包括外壳303,外壳303容纳传感器的各种硬件/软件组件并且控制光移动通过传感器。在一些实施例中,外壳303容纳第一光学发射器320和/或第二光学发射器324中的全部或一些,而在其它实施例中,发射器位于外壳303的外部。
[0068]如同图2中示出的示意性传感器的情况一样,图3中示出的实施例包括光学检测器334、用于将光导入流体样本并且从流体样本接收光的光学窗口 328(例如,光学透镜328)和光学路径326。在图示的示例中,光学透镜328被示出为与光学路径326物理分开但与光学路径326光学连接。在其它示例中,透镜328物理连接于(例如,附接于)光学路径的末端端部。
[0069]为了控制通过光学传感器302的光移动,光学传感器包括至少一个光学路径,在图示示例中,所述至少一个光学路径被示出为三个光学路径:第一光学路径326、第二光学路径336和第三光学路径327。这些光学路径可限定控制通过传感器的光移动的有界的通道、管道、导管或腔体。光学传感器302的发射器和检测器可围绕光学路径布置,以将光导入光学路径和/或从光学路径接收光。例如,图3中的第一光学发射器320和第二光学发射器324被构造成将光导入与光学透镜328光学连接的第一光学路径326,随后导入被分析的流体样本。另外,图3中的光学检测器334被构造成从第一光学路径326接收从被分析的流体样本发出的并且行进通过光学透镜328的光。
[0070]光学传感器302可具有多种不同的光学路径构造并且这些构造可例如基于传感器中包含的光学发射器和检测器的数量而改变。在图3的示例中,光学传感器302包括定位在光学透镜328和第一光学检测器334之间的第一光学路径326。线性行进通过光学透镜328(例如,透镜的光学中心)的光可行进通过第一光学路径326并且射到第一光学检测器334(例如,检测器的光学中心)上。在这样的示例中,第一光学路径326可限定主轴340,主轴340沿着路径的长度延伸并且延伸通过光学透镜328的中心(例如,光学中心)和第一光学检测器334的中心(例如,检测器的光学中心)。第一光学路径326可以将检测器的单个光学窗口(例如,光学透镜328)光学连接到容纳在外壳303内的其它组件。
[0071 ] 第一光学发射器320和第二光学发射器324被构造成将光射入第一光学路径326,随后进入被分析的流体样本。在一些不例中,第一光学发射器320和/或第二光学发射器324将光直接射入第一光学路径326,例如,而不射入与第一光学路径相交的介入光学路径。在其它示例中,第一光学发射器320和/或第二光学发射器324将光射入与第一光学路径326光学连接的中间光学路径。也就是说,第一光学发射器320和/或第二光学发射器324可将光间接射入第一光学路径326。
[0072]在图3中的光学传感器302中,第一光学发射器320被定位以将光射入向着第一光学路径326延伸的第二光学路径336。另外,第二光学发射器324被定位以将光射入第三光学路径327,第三光学路径327向着第二光学路径336延伸,而第二光学路径336进而向着第一光学路径326。第二光学路径336与第一光学路径326相交,从而使从第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分行进通过第二光学路径、进入第一光学路径并且通过光学镜头328。第三光学路径327与第二光学路径相交,从而使从第二光学发射器324发射的光的至少一部分行进通过第三光学路径、进入第二光学路径、进入第一光学路径并且通过光学镜头328。
[0073]尽管构造可以改变,但图3中的第二光学路径336与第一光学路径326相交成大致90度的角度。另外,第三光学路径327与第二光学路径336相交成大致90度的角度。在一些示例中,第三光学路径327平行于第一光学路径326地延伸,而在其它示例中,第三光学路径没有平行于第一光学路径地延伸。通过将光学传感器302的光学发射器和光学检测器布置在与单个光学透镜328光学连接的相交的光学路径周围,传感器可提供容易在各种化学和流体工艺中安装的紧凑设计。
[0074]在光学传感器302包括用于控制光移动的相交的光学路径的示例中,光学传感器还可包括将从一个相交的光学路径接收的光导入另一个相交的光学路径的光学元件(例如,反射器、部分反射型光学窗口)。这些光学元件可有助于控制向着光学透镜328和/或向着光学检测器334、338的光移动的方向。
[0075]在图3的图不不例中,传感器包括部分反射型光学窗口 344,部分反射型光学窗口344定位在第一光学路径326和第二光学路径336的相交点处。部分反射型光学窗口 344被构造成将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分从第二光学路径336反射到第一光学路径326。在一些实施例中,部分反射型光学窗口 344还被构造成将来自流体样本和光学透镜328的光透射到光学检测器334。因此,部分反射型光学窗口可被构造成既透射入射光的一部分又反射入射光的一部分。部分反射型光学窗口 344相对于光行进通过第一光学路径的方向的角度可例如基于第一光学路径326与第二光学路径336相交所成的角度而改变。然而,在第一光学路径326与第二光学路径336相交成大致90度的角度的图3中,部分反射型光学窗口 344例如相对于光行进通过第一光学路径326和第二光学路径336二者的方向以大致45度的角度取向。
[0076]根据各种实施例,部分反射型光学窗口344可被构造成反射或透射O %至100 %的入射光,其中,反射和透射百分比取决于波长。可使用任何合适的光学元件作为部分反射型光学窗口 344。这样的部分反射型光学窗口 344可包括例如二向色滤波器、或任何其它合适的光学组件。
[0077]在操作中,图3的部分反射型光学窗口344被构造成将来自第一光学发射器320和第二光学发射器324的光从第二光学路径336反射到第一光学路径326中(例如,大致90度)。这样可将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的方向从沿着第二光学路径336的长度行进变成沿着第一光学路径326的长度行进。部分反射型光学窗口 344可将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分反射到例如被分析的流体样本中,同时,部分反射型光学窗口还可使从流体样本接收的光的至少一部分能穿过部分反射型光学窗口。例如,经被分析的流体样本散射的光和/或流体样本产生的荧光发射可进入第一光学路径326并且至少部分透射通过部分反射型光学窗口 344(例如,而没有被光学窗口反射或吸收),以被光学检测器334检测。以这种方式,部分反射型光学窗口 344可将从光学发射器接收的光反射到流体样本中并且透射从流体样本接收的光,使其被光学检测器334检测。
[0078]在一些实施例中,传感器302还包括束流收集器346,束流收集器346沿着第二光学路径336定位在与部分反射型光学窗口 344相对的远离第一光学发射器320和第二光学发射器324的一侧。束流收集器346被构造成吸收或捕获入射到它上面的任何光。例如,在一些实施例中,从第二光学路径336透射通过部分反射型光学窗口 344的任何光将被透射到束流收集器346,束流收集器346会将该光吸收,以防止该光被光学检测器334检测到。
[0079]图3中的光学传感器302还包括第二光学检测器338,第二光学检测器338可用作传感器的参考检测器。第二光学检测器338被定位以接收第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光。尽管位置可变化,但在图示的示例中,第二光学检测器338定位在第二光学路径336的与第二光学发射器324相对的一侧。具体地,第二光学检测器338定位在第三光学路径327的末端端部,与第二光学发射器324相对。在图3中不出的不例性实施例中,第一光学发射器320和第二光学发射器324基本上相互垂直地取向,使第一光学发射器320与第二光学路径336大致同轴而第二光学发射器324与第三光学路径327大致同轴并且与第二光学检测器338相对设置。在其它示例中,第二光学发射器324(在使用时)可定位在光学传感器302内的其它位置,并且应该理解,本公开不限于图3的具体构造。作为一个示例,第一光学发射器320和第二光学发射器324的位置可调换,使得第一光学发射器处于图3上示出的第二光学发射器所占据的位置而第二光学发射器处于第一光学发射器所占据的位置。
[0080]在光学传感器302包括与第二光学路径336相交的第三光学路径327的示例中,传感器可包括部分反射型光学窗口 342,部分反射型光学窗口 342定位在第二光学路径336和第三光学路径327的相交点处。部分反射型光学窗口 342可被构造成将第二光学发射器324发射的光的至少一部分从第三光学路径反射到第二光学路径336并且还透射第二光学发射器324发射的光的至少一部分,使其由第二光学检测器338接收。另外,部分反射型光学窗口342可被构造成将第一光学发射器320发射的光的至少一部分从第二光学路径反射到第三光学路径327中,使其由第二光学检测器338接收,并且还透射第一光学发射器320发射的光的至少一部分,使其经过第二光学路径336,进入第一光学路径326。可使用任何合适的光学元件作为部分反射型光学窗口 342。这样的部分反射型光学窗口 342可包括例如二向色滤波器、石英窗、和/或蓝宝石窗。在一些实施例中,部分反射型光学窗口 342包括抗反射涂层。[0081 ]部分反射型光学窗口 342相对于光通过第二光学路径336的行进方向的角度可例如基于第二光学路径336与第三光学路径327相交所成的角度而改变。然而,在第二光学路径336与第三光学路径327相交成大致90度的角度的图3中,部分反射型光学窗口 342例如相对于光行进通过第二光学路径336的方向以大致45度的角度取向。具体地,在图示的示例性实施例中,部分反射型光学窗口 342相对于第二光学路径336和第三光学路径327以及第一光学发射器320和第二光学发射器324以基本上45°取向。在这个布置中,部分反射型光学窗口 342被构造成将第一光学发射器320发射的光的一部分从第二光学路径336反射到第三光学路径327中,并且透射第二光学发射器324所发射的光的至少一部分,使其进入第三光学路径327。图3中示出的部分反射型光学窗口 342还可用于透射第一光学发射器320发射的光的一部分,使其进入第二光学路径336朝向第一光学路径326,并且将第二光学发射器324发射的光的一部分从第三光学路径327反射到第二光学路径336中并且朝向第一光学路径326。
[0082]图4是示出示例光流过图3中示出的光学传感器的概念图。为了便于描述,图4示出同时从第一光学发射器420和第二光学发射器424发出的光以及同时被第一光学检测器434和第二光学检测器438接收的光。实践中,第一光学发射器420和第二光学发射器424可同时地发射或者在不同时间发射。另外,在第一光学发射器420和第二光学发射器424中的一者或两者正在发射时或者在所述发射器中的一者或两者没有正将光射入被分析的流体样本的时间段期间,第一光学检测器434和第二光学检测器438可接收光。因此,尽管图4将各种光流动示出为如同在传感器402中同时出现的,但应该理解,根据本公开的光学传感器不限于此示例操作。
[0083]在光学传感器402的示例中,来自第一光学发射器420的第一波长的光射入第二光学路径436。来自第一光学发
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