用于检测和描述流体中的单个微粒的传感器系统的制作方法

专利名称：用于检测和描述流体中的单个微粒的传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对流体中的单个粒子进行检测和描述的传感器系统。
背景技术：
在许多应用当中(例如在供水领域)，都希望能够以经济、快捷的方式对微生物进行检测。较为普遍的方法是让微生物在营养土中生长，以进行检测。这种方法通常需要持续24至48小时，因此是相当缓慢的。尤其是在供水时，以食品行业为例，最好能够尽可能快地发现细菌，以便必要时能够停止生产。近年来，已经找到其他不同的方法来确认和量化细菌。这些方法能够更快地工作。 然而，此时的问题在于，非常简单的运作方法往往需要大量的细菌，而能够确认少量细菌的方法又都非常昂贵。专利文献US 5811251公开了一种基于CXD系统对存活的微生物的数量进行计量的系统。专利文献US 597沈41和US 5518894公开了基于统计方法的快速测试系统，以确定现存的细菌数量。为了确认最小数量的细菌，这些方法需要多达十一个小时的时间。另外，专利文献US 5891394,US 5858697,US 5763203,US 5751839 和 US 5663057 提出了以荧光和激光灯为基础检测微生物的方法。这些方法的缺点在于需要费用昂贵的激光光源。此外，还公知有免疫测试，它们用于检测某些类型的微生物。但是，运用这些测试是有条件的，并且每个待检测的微生物都会产生抗体，因此它既耗时又昂贵。

发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种低成本的传感器系统，用于检测和描述流体中的单个粒子。本发明的目的通过具有本发明特征的传感器系统得以实现。优选的实施方式由在下面的说明以及附图给出。根据本发明的传感器系统是以位于流体中的粒子的不同的光吸收特性为基础而建立的。根据本发明的传感器系统具有测量单元，待检测的流体流过该测量单元。在测量单元上设置光源，以便使光源产生的光束通过测量单元。也就是说，穿过测量单元的光束由光源产生。此外还设置有强度传感器(IntensitStssensor)。该强度传感器与光源相对地设置在测量单元上。也就是说，由强度传感器来检测由光源发出并穿过测量单元的光束。测量单元优选构造为，可以使流体连续地流过。因此，测量单元可以例如直接集成于例如饮用水的输水管道中，或集成于例如用于水的泵系统中，从而使所输送的流体，优选是所输送的全部流体，连续通过测量单元。此时可以对流经的流体进行连续分析，从而有可能例如在饮用水供应中对流体，也就是水进行连续的监测。此外，强度传感器设计用于在至少两个不同的波长范围内对光束强度进行独立的检测，由光源发出的光包含在该波长范围内。这样就能够在至少两个不同的波长范围内对强度变化以及特别是对在测量单元中穿过的光的粒子的光吸收进行检测。通过这种方式，可以根据粒子在不同波长下的吸收率来确定各个粒子的特征。特别是可以在流体中将有机分子与无机污染物区分开来。因此， 微生物的吸收率在特定的波长范围内具有最小值，而在另一个特定的波长范围内则具有最大值。通过这些特征就能够进行检测。通过利用强度传感器检测这些波长范围，就可以相应地识别各个微生物并进行描述。特别是微生物的DNA和蛋白质的吸收光谱关于吸收光谱的局部最小值和局部最大值是独一无二的，从而可以区分无机污染物和其他粒子。因此，在根据本发明的传感器系统中，如果在两个不同的波长范围内利用强度传感器对为分析系统预先给定的特征最大值或最小值进行检测，那么，该传感器系统可以由此推断出在流过测量单元的流体中所存在的微生物。这种检测的精度是非常大的。如果各微生物或细菌在测量单元中通过光束，那么就可以在流体中证实它们的存在。为了对微生物或细菌进行检测，相应地将强度传感器构造为敏感的，以便能够检测单个粒子形式的较小的粒子，优选为小于ΙΟμπι的粒子，进一步优选为小于5μπι的粒子。根据本发明，为了识别细菌或微生物，应该使用特征吸收频谱。但是，仅仅是借助于强度传感器确定吸收就是很困难的，因为当光击中粒子时，可能会使部分光线发生散射。 当粒子大小与光束的波长具有相同的数量级或小于光束波长时，特别会发生这种现象。这种散射是难以测量的。为此，必须使用可以对沿不同方向散射的光进行检测的传感器。因此，根据本发明，替代对吸收本身的确定，还可以通过强度传感器简单地检测强度的变化或抹消(Ausl0schung)。这种强度变化包括实际的吸收和光的散射部分。也就是说，当粒子通过光束时，强度的变化涉及到散射的光量和吸收的光量。当在下面的描述中假设要确定吸收时，这种吸收不仅应该被理解为实际的吸收，而且还应被理解为抹消或强度变化，该强度变化除了吸收之外还包括散射的光线部分。与无机污染物相比，DNA和蛋白质的特有的吸收光谱的独特之处在于，它在波长低于大约300nm时具有非常大的吸收。此外，吸收光谱中的局部最小值和局部最大值可以在紫外线范围内来确定。这些特征可以用来借助于强度传感器识别微生物，特别是识别单个的微生物或细菌。因此优选将强度传感器构造为能够检测低于300nm的波长范围。因此没有必要检测整个吸收光谱。相反，检测至少两个波长范围就足够了，其中优选至少一个波长范围位于低于300nm的紫外线范围内。优选将强度传感器构造为，在强度传感器分别检测强度的第一波长范围内，待检测或待识别的粒子具有光吸收的局部最小值。该波长范围优选为在220nm到^Onm的波长之间。在该波长范围内，微生物通常具有光吸收的局部最小值。接下来，强度传感器优选构造为，在其中单独检测强度的第二波长范围内，待检测或待识别的粒子具有光吸收的局部最大值。该波长范围优选为在240nm到^Onm的波长之间。在该波长范围内，微生物通常具有光吸收的局部最大值。由此，优选将强度传感器构造为，使其至少可以在上述两个波长范围内对由测量单元出来的光束的强度进行检测。在此，相应地将光源构造为，使其能够发出可分析的波长的光。在该波长范围内，基于强度传感器可以检测光吸收，并且例如当低于或高于预先给定的边界值时，可以推断出所存在的微生物，并在必要时还可以推断出具有特征吸收率的特定的微生物。根据另一种优选的实施方式，将强度传感器构造为，存在第三波长范围，利用强度
5传感器可以在该波长范围中单独检测从测量单元出来的光束的强度。该第三波长范围同样包括由光源发出的光线，在此优选在该波长范围内，待检测的颗粒基本上不吸收光。该波长范围的波长优选在300nm到IlOOnm之间。微生物或细菌的DNA、蛋白质和其他的组成部分在波长超过300nm时通常没有明显的吸收。为了能够在前面所述的特征波长范围内检测到局部最大值或最小值，优选还可以将强度传感器构造为，使其能够在包括上述特征波长范围的更大的光谱中对强度进行检测，并使所检测到的强度与一个波长范围相对应。传感器系统包括与强度传感器相连接的分析装置，将该分析装置设计为，能够根据所检测到的强度在至少两个已知的波长范围内确认通过光束的粒子的类型。因此，该分析装置可以在这两个波长范围内将实际检测到的强度与预先给定的边界值相比较，并在高于以及低于该边界值时推断出特定的粒子。在此，特别是总是将前面提到的两个波长范围或进一步优选将三个提到的波长范围综合考虑，即在上述波长范围内，根据特定粒子的各自的吸收率对它们进行识别。在此优选同时进行在各个波长范围内的检测，从而总是能够对所有的波长范围内的各个强度进行检测，其中，特定粒子的特征性吸收率是可以预料的。 这种同时检测使得能够对流过测量单元的流体连续地进行检测。优选将分析装置设计为，从先前检测的或存储的无粒子光束的基本强度减去实际检测到的强度，来确定所检测的波长范围的吸收率。通过这种方式可以获得在各波长范围的当前吸收率。如果光线在击中粒子后还发生了散射，那么通过这种方式不仅可以检测实际的吸收，而且还能检测由吸收和散射共同形成的强度变化。但是这种强度变化具有吸收的可分析的特征部分。也就是说，强度变化在各个波长范围内也具有典型特征，通过这些特征可以识别微生物。因此，例如可以使强度变化发生在低于300nm的波长范围内以及当第二波长大于300nm时。在此针对微生物检测到的抹消应该发生在低于300nm而高于预定的边界值的范围内，在该波长范围内显示出明显的吸收。另一方面，在300nm以上的波长范围内，所检测到的抹消应该低于确认的边界值，从中可以看出，所检测到的粒子对于微生物不会太大。此外，进一步优选在波长低于和高于300nm时所检测到的两个抹消值的比值应大于优选的边界值，例如大于3。为了确定或识别特定的微生物，可以将在两个不同的波长范围内所测得的强度值或吸收值进行比较，例如通过分析装置加以评判，这两个值是否相等或一个值大于另一个值。由这两个值彼此的比值可以推断出检测到的粒子的类型，并且特别可以确定，其是否是无机粒子，或是否是与微生物一样的有机粒子。因此优选将分析装置设计为，将对在两个不同的波长范围确定的强度变化或吸收率彼此进行比较，并将该比值与所存储的用于确定待识别的粒子的比值进行比较。当对特征波长(其中会出现吸收率的特征最小值和最大值)进行审查时，对于待检测的微生物，这两个值相互之间的比值位于给定的边界值之内。特别是通过不同的边界值还可以相互区分特定的微生物。例如，细菌的比值通常在0至1的范围内。如果该比值位于这些值之外，则可以断定这不是细菌。它必然是不同类型的粒子。此外，根据本发明还可以推断出粒子的大小。为此优选将分析装置设计为，使其基于所检测到的强度来确定粒子的大小，其中，优选使所测得的吸收率与无粒子的光束的基本强度有关。对于更大的粒子，其具有比较小的粒子更大的吸收率。通过参照基本强度可以不依赖于各自的基本强度而进行检测，从而简化对系统的校准。并不需要相互比较绝对值，而是始终只比较相对值，并且基本强度对分析结果的质量没有任何影响。由于还可以在操作过程中再次检测基本强度，因此传感器系统的变化对测量结果或分析结果基本上没有影响。传感器系统优选构造为，使光束在光源的后面聚焦，从而使其焦点位于测量单元内部，此时，光束在其焦点区域所具有的横截面面积优选小于待检测粒子的横截面面积的 60倍。通过这样的调焦可以确保系统具有足够的测量精度。接下来优选这样进行调焦，使得光束在其焦点区域内的横截面面积小于500 μ m2， 优选小于100 μ Hi2或24 μ Hi2。此外，优选光束的横截面面积从其焦点区域到强度传感器不超过100%，优选不超过 50%。在光束的光路中，优选在光源的后面以及进入测量单元之前和/或在测量单元的后面以及强度传感器之前，设置准直器和/或光圈。通过这些元件可以实现理想的光束控制，并使光束在测量单元中集中或聚焦，从而获得期望的检测单个粒子的测量精度。光源可以构造为，使其发出波长光谱，该波长光谱覆盖所有利用用于测量的强度传感器可检测的波长范围。因此，整个所需要的波长光谱由同一个光源发出。但是根据本发明的一种特别的实施方式，光源可以由多个优选为单色的、具有不同波长的单一光源聚合而成或组成。其可以是例如发光二极管。通过这种结构可以实现针对特定波长的发射， 这对于根据本发明在强度传感器的各个波长范围中的测量是需要的。通过这些基于特定波长范围的限制可以改善测量结果。单色的单一光源可以设置为，使它们所发出的光通过光导体聚集在共同的光路中，然后作为光束穿过测量单元。因此，如果粒子在测量单元中穿过由多个单光束共同组成的光束，则可以在所有的波长范围内同时检测光吸收。优选相应地，强度传感器也由多个单一强度传感器组成，并具有光束分裂器 (Strahlteiler)，该光束分裂器将由测量单元发出的光束拆解为不同波长的分光束，这些分光束分别被引向一个单一强度传感器。通过这种方式可以在不同的波长范围内对强度简单地进行同时检测。优选所有的单一强度传感器具有相同的结构，并且只通过光束分裂器就可实现对波长频谱的分配。通过这种方式可以实现更符合成本效益的传感器系统的结构。替代地，还可以设置能够检测在更宽的波长光谱上的入射光的强度的强度传感器，并能够将检测到的强度与各个波长相对应。例如，可以通过将不同波长的光通过例如棱镜这样的光导体导向传感器表面的不同区域，以实现这种对应。从光源出发的光束优选通过光导体引导至测量单元。特别是在使用多个单一光源时，来自单一光源的单光束通过光导体引导至测量单元，并在那里聚合到共同的光路中。


下面根据附图对本发明做示例性地说明。在这些附图中图1示意性示出了根据本发明的第一种实施方式，图2示出了如图1所示的测量单元和穿过测量单元的光束的详细视图，图3示意性示出了根据本发明的第二种实施方式，
图4示意性示出了如图3所示的实施方式中的测量单元的放大视图，图5示意性示出了 DNA、蛋白质和微生物的吸收曲线，这些曲线用于识别例如微生物这样的粒子，图6示意性示出了当粒子穿过测量单元时的吸收曲线，图7示意性示出了当没有被识别为微生物的粒子穿过测量单元时的吸收曲线，图8示意性示出了当粒子穿过测量单元时的强度变化，图9示意性示出了当没有被识别为微生物的粒子穿过测量单元时的强度变化。
具体实施例方式根据如图1所示的第一种实施方式，设置了光源2。光源2产生具有不同波长的带宽的光束4。光束4优选覆盖从至少200nm到IlOOnm的波长范围。从光源发出的光束 4紧接着穿过准直透镜(KollimatorlinseW，该准直透镜产生平行成束的光束并随后到达光圈8。然后，从光圈8离开的光束通过凸透镜10在焦点12上聚合成束。焦点12位于测量单元14内，流体沿箭头S的方向流过该测量单元。测量单元中的流体可以包含单个粒子 16，其随着液流一起流过测量单元14。为了能够使来自凸透镜10的光束进入测量单元14 并从相对的一侧离开(如下所述)，测量单元14的壁至少在光束4的入口和出口区域都是透明的。从焦点12开始，光束4进一步扩展并从与进入侧相对的一侧离开测量单元14。在那里，光束4又到达准直透镜18，准直透镜18又使光束平行对齐，并随后通过光圈20。从光圈20离开的光束击中起光束分裂器或波长滤波器作用的棱镜22。棱镜22 根据光束的波长以不同的角度使光束偏转，并将光束分解为不同波长的光束对。由此使这些不同波长的光束到达强度传感器26的不同区域。强度传感器沈具有传感器表面，该表面具有多个测量点或测量区域，并因此可以确定在不同区域入射的光线的强度。也就是说， 可以通过强度传感器沈分别检测到达传感器表面的不同区域的不同波长的光的强度。因此，强度传感器26可以检测各个波长范围的强度，因为这些波长范围到达传感器表面上的不同测量点或测量区域。如果现在粒子16穿过在位于测量单元14中的焦点12上聚合成束的光束4，那么在粒子6上会发生光吸收，由此使来自测量单元14的光的强度降低。此时不同波长范围内的强度的降低有所不同，通过波长范围在棱镜12上的分裂以及在强度传感器沈的不同测量区域上的检测可以检测到这种情况。在某些波长范围内的吸收率对于粒子的类型是特征性的，从而现在可以确定现有的粒子类型。为此，将强度传感器26与分析装置观相连接， 该分析装置可以对由强度传感器26产生的表示强度的信号、优选为电子信号进行分析。图2示出了光束4如何在测量单元14中聚焦的详细视图。凸透镜10具有焦距f 并在焦点12上使光束4聚焦。焦点12在此沿光束的宽度方向I位于测量单元14的中心。 测量单元14沿光束的穿过方向具有宽度I。位于焦点12处的光束4的直径为d。光束从焦点12开始朝着对面的测量单元14的离开壁(Austrittswand)放大，并通过该离开壁从测量单元14出去，所以光束在此处的直径为屯。随后光束4到达凸透镜18。待检测的粒子通常只有几Pm大小并优选是微生物。为了能够检测到单个微生物，重要的是光束直径 d在测量单元14的内部不要太大。其必须具有与待检测的粒子相同的尺寸范围，否则待测量的吸收就太小了。在焦点12处的横截面面积优选在几μ m2的范围内。在焦点处的直径d优选大约为1.22 λ X f/屯，其中，Cltl为光束离开光圈8时的直径，而λ是光的波长。在直径Cltl介于Imm和2mm之间、焦距约为30mm、测量单元宽度I约为200mm、波长约为0. 3 μ m的条件下，光束直径在焦点处约为8 μ m，在离开时约为ΙΟμπ!到Ilym0在此要认识到，有可能使光束聚焦到足够小，以便使光束直径具有与待检测粒子16的大小范围相应的数量级， 从而能够在强度传感器沈上清楚地测得光数的吸收。图3示出了根据本发明的第二种可能的实施方式，其中，在第二种实施方式中，如前面所述的相同的部件具有相同的附图标记。在第二种实施方式中，光源由三个单色的单一光源30a、30b和30c组成。由单一光源发出的光通过光导体32引入测量单元14。单色的单一光源30a、30b和30c例如可以是具有不同波长的发光二极管。也就是说，这三个单色的单一光源可以发出具有不同波长的光。在此这样选择波长，使其与在此用于研究要区分的粒子的特征区域相对应。光导体32汇入共同的光导体34中，然后通过光导体34将光束引入测量单元14。在离开光导体34时，光束36轻微展开，此时，其沿宽度方向I穿过测量单元14。但是，从光导体34发出的光束36在穿过测量单元时只是轻微的展开，从而在此可以不需要准直器。与从光导体34离开相反的是，在测量单元14中设置较小的开口或光圈38，通过该开口或光圈可以使光束离开测量单元14。随后，光束通过例如棱镜或衍射光栅(Beugimgsgitter)形式的光束分裂器40，如图1所示，该光束分裂器将光束分成不同波长的单光束42。单光束42不同程度地进一步弯曲或断裂，从而使它们以不同的角度离开光束分裂器40，并因此可以彼此分离地提供给单一强度传感器44a、44b以及44c。单一强度传感器44a、44b和Mc根据不同的波长检测光强度，在此分别向单一强度传感器提供不同的波长范围。如同第一种实施例一样，强度传感器44同样与分析装置观相连接，该分析装置对所检测到的强度进行分析，以便能够根据不同波长的吸收率来识别单个粒子。图4示出了光束36穿过测量单元14的详细视图。光导体34终止于测量单元14 的壁。光束36在那里离开光导体34并沿宽度方向I穿过测量单元到达对面的壁。光束在此发生扩展。为了实现设定的测量体积(Messvolumen)，在测量单元的离开侧在壁上设置开口或光圈38，光束通过该开口或光圈离开测量单元14。由此实现，仅使用在图4中由虚线所限定的区域46即可对粒子16进行测量或检测和描述。因此，在测量单元内部创建设定的测量体积。在该实施方式中，测量单元的宽度I优选介于200μπι到IOOOym之间。区域 46的直径(即测量体积)、从光圈38离开的光束的直径d2以及光导体34的直径d3优选介于5 μ m到20 μ m之间，即具有与待检测的粒子16类似的数量级，从而在粒子16穿过区域 46时在传感器44上发生可检测的强度变化。需要说明的是，在第二种实施方式中，代替单一强度传感器44还可以使用如图1 所示的强度传感器26。替代地也可以在第一种实施方式中使用由多个单一强度传感器组成的强度传感器。根据图5对DNA、蛋白质和微生物的特征吸收进行说明。在如图5所示的图中， X-轴为波长，y轴为检测到的吸收A。在图中示出了三条曲线48、50和52。吸收曲线48是 DNA的吸收曲线，吸收曲线50是蛋白的吸收曲线，而吸收曲线52是微生物的吸收曲线。为了确定和描述粒子16，需要考虑三个特定的波长λΑ，入，和λ。。在此可以看出，在波长λΑ 下，微生物的吸收曲线52具有局部最小值。吸收曲线52在波长具有局部最大值，并在波长Xe下基本上没有明显的吸收。对于微生物来说，在不同波长下的吸收的局部最大值和最小值的分布是独一无二的，由此可以通过传感器系统检测单个粒子并作为微生物或细菌加以描述，其中，可以在上述的波长λΑ，Xe中对局部最小值和最大值进行分析。 为此，如图ι所示的光源优选产生这样的波长光谱，其既包括波长K, λΒ，也包括波长λ。。 在第二种实施方式中，相应地使用三个单色光源30a、30b和30c，由它们发出分别具有波长 λ Α、λ B和λ e的光。相应地采用三个强度传感器44a、44b和44c，以便在三种不同的波长中对强度进行分析。波长λΑ，Xe在光束42中彼此分开，它们以不同的角度偏转，以便使上述波长中的每一个都到达一个单一强度传感器44a、44b和44c。波长λ A优选位于 220nm到^Onm之间，波长λ Β位于MOnm到^Onm之间，而波长λ c位于300nm到IlOOnm 之间。如图6和图7所示，现在根据在不同波长下对吸收所做的分析，对微生物和其他类型的粒子之间的区别进行详细说明。图6示出了两个上下叠置的图。时间t的变化用 X-轴由表示。在下图中，Y轴表示强度I，其由强度传感器26或多个强度传感器M检测。 三个水平曲线I。,A、I。,B、I。,c是在三个不同的波长λΑ，λ。(见图5)下的背景强度或基本强度(Hintergrimd-bzw. Grundintensitaten)，如它们在没有粒子16流过测量单元 14时由强度传感器沈或44测得的。这三个时间强度曲线IQ,A(t)、IQ,B(t)和IQ,c(t)描述了当粒子在测量单元14中穿过光束时，根据波长λΑ，Xe所测得的时间上的强度变化(zeitlichen Intensitatsverlaufe) 当粒子16在测量单元中穿过光路时，根据检测到的强度可以确定吸收率Aa (t)，、AB(t)和Ae(t)。该吸收根据下面的公式确定Aa (t) = I0,A_IA(t)，Ab (t) = I0,B-IB(t)，Ac (t) = I0,c-Ic(t)。在图6的上图中示出了吸收率Aa对Ab随时间变化的比值，即依赖于时间的Aa/ AB(t)。也就是说，Y轴表示吸收率的比值Aa/Ab。根据这个比值可以确定，是否涉及到粒子 16以及是否是微生物。当粒子16完全位于光束中时，比值Aa/Ab具有常数值58，其位于边界值M和56之间。边界值M和56优选位于0.2和1。为了确定是否实际上是一种微生物，还要考虑波长Xe下的强度曲线Ie(t)。强度I。(t)在整个时间变化中都位于阴影区域 60中，当粒子16穿过光束时，强度Ic(t)基本上不会减少。正如以上所述，微生物的独特之处在于，在一定的波长范围以上基本上没有吸收。因此，可以利用位于边界值M和56之间的比值Aa/Ab共同确定，通过光束的粒子16是否是微生物。图7示出了当另一种粒子16作为微生物穿过光束时与图6所示相对应的视图。 另外，当粒子16在测量单元14中完全位于光束中时，吸收率比值AA/AB(t)具有常数值58。 但是，该常数值58位于边界值M和56之外。S卩，在波长不会有预期的最大值和最小值，正如根据图5所描述的微生物的特性那样。这导致了较大的吸收比值Αα/Αβ，其值为58。此外，强度Ie(t)在这里位于区域60之外，这表明该粒子不是微生物，因为微生物在波长范围Xe中基本上是没有吸收的，从而在此不会出现强度的降低。如图6和图7所示，根据吸收率对微生物与其他类型粒子的区别进行了解释。正如上文所述，吸收率并不总是单独地根据检测到的强度变化来确定，因为它也可能导致光的散射。然而，也可以相应的方式，单独根据强度变化，即根据所发生的抹消(包括吸收和散射)，对微生物进行识别。还可以根据两个不同的波长进行区分。对此将参照图8和图9 进行示例性地说明。在如图8和图9所示的下图中，也如图6和图7 —样，绘出了关于时间 t的强度I。
在图8的下图中示出了两个关于时间t的强度曲线Id和IE。在此，强度Ie和Id分别对应两个不同的波长λΒ。此时波长入1)优选低于30011111，而波长λΕ高于300nm。 在图8中以直线表示的强度曲线Itl, Ickd描述了在上述波长时的强度变化，此时没有粒子通过光束。由该强度曲线。和Id可知，何时有微生物通过光束。可以看出，在波长λΒ 时的强度Id明显下降，也就是说，在该波长范围内，当微生物通过时会产生强烈的抹消。但是在第二波长范围内只出现细微的强度变化，该变化停留在边界值区域60的内部。由此可以识别微生物。在图8的上图中示出了关于时间t的抹消Ε。关于两个不同的波长入，和 λ D所得到的抹消分别为Ed = Iu-Id和& = Ι"-、。在图8中，上面的曲线62示出了比值&/4(0。当粒子完全进入光束中时，值62位于边界值66上方的直线64上。这时以3 为例。这个位于边界值66上方的比值同样显示，该粒子为微生物。现在，图9示出了当穿过光束的粒子不是微生物时与图8所示相对应的视图。可以看出，强度曲线Id的强度变化明显小于微生物通过光束时的强度变化。与此同时，强度 Ie急剧降低，从而使曲线离开了边界值区域60。在此还以上面所述的方式形成了抹消&和 Ed并转换为比例值，这作为曲线62在上图中示出。在此可以看到，作为直线延伸且表明粒子通过光束的区域位于常数值64'的上面，其中，常数值64'位于边界值66的下面。这表明，在这里通过光束的不是微生物，而是其他类型的粒子。如图5至图9所描述的分析在传感器系统中由分析装置28根据强度传感器28或 44的输出信号执行。附图标记列表2 光源4 光束6准直透镜8 光圈10凸透镜12 焦点14测量单元16 粒子18准直透镜20 光圈22 棱镜24 光束26强度传感器28分析装置30a, 30b, 30c 单色单一光源32,34 光导体36 光束38 光圈40光束分裂器42 光束
44a,44b,44c单一强度传感器46光束的区域48，50，52 吸收曲线54，56，58 吸收比 Aa/Ab 的值60强度Ie的边界值区域62 抹消比64,64' 抹消比^/ 的值66抹消比的边界值f 焦距I测量单元的宽度d, d。，Cl1，d2, d3 光束直径λΑ，λ β，λ。，λΒ，λ Ε 波长ΙΑ, Ib, Ic, Id, Ie在不同波长下的强度Aa，AB，AC在不同波长下的吸收ED, Ee在不同波长下的抹消t 时间S流动方向
权利要求
1.一种用于对流体中的单个粒子(16)进行检测和描述的传感器系统，其特征在于，具有能流过流体的测量单元(14)；光源O ;30)，其设置在所述测量单元(14)上并产生穿过所述测量单元(14)的光束 (4 ；36)；强度传感器06 ；44)，其在所述测量单元(14)上与所述光源O ；30)相对地设置，以检测从所述测量单元(14)离开的光束，并用于分别检测在至少两个不同的波长范围(λΑ， λ β)内的光束的强度(ΙΑ，Ib)；以及与该强度传感器06 ；44)连接的分析装置( )，其设计用于根据检测到的在所述两个波长范围(λΑ，λΒ)内的强度(ΙΑ，Ib)来识别通过所述光束的粒子(16)的类型。
2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述强度传感器06；44)设计成，使可在其中单独检测强度(Ia)的第一波长范围(λΑ)是小于300nm的波长范围(λ A)。
3.如权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，所述强度传感器06；44)设计成，使在其中可单独检测强度(Ia)的第一波长范围(λΑ)内，待检测的粒子(16)在光吸收 (Aa)下具有局部最小值，波长优选在220nm到^Onm之间。
4.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述强度传感器06;44) 设计成，在可单独检测强度(Ib)的第二波长范围(λΒ)内，待检测的粒子(16)在光吸收 (Ab)下具有局部最大值，波长(λΒ)优选在MOnm到290nm之间。
5.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述强度传感器06;44) 设计成，在可单独检测强度(I。)的第三波长范围(λ》内，待检测的粒子(16)基本上没有光吸收，波长(λ c)优选在300nm到IlOOnm之间。
6.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述分析装置08)设计成，从先前检测或存储的无粒子(16)的光束的基本强度(Ioflu、〗。,。)减去实际检测到的强度(IA，IB)，来确定关于所检测的波长范围(λΑ)的吸收率(Aa, Ab) 0
7.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述分析装置08)设计成，将对两个不同的波长范围UA，λΒ)确定的吸收率(Aa，Ab)相互比较，并将其比值与存储的用于特定的待识别粒子(16)的比值进行比较。
8.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述分析装置08)设计成，根据所测得的强度(IAdB，I。)确定粒子(16)的大小，其中，优选将所测得的吸收率(Aa， Ab, Ac)与无粒子光束的基本强度(Io.dpl。,。)相关联。
9.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，使光束在所述光源O)的后面聚焦，从而使其焦点(1 位于所述测量单元(14)内，在此，优选光束在其焦点区域 (12)中的横截面面积小于待检测粒子(16)的横截面面积的60倍。
10.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，光束在其焦点区域(12) 中的横截面面积小于500 μ m2，进一步优选小于100 μ m2或M μ m2。
11.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，光束从其焦点区域(12) 到所述强度传感器06)的横截面面积不超过100%，优选不超过50%。
12.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，在光束的光路中，在所述光源O)的后面以及在进入所述测量单元(14)之前和/或在所述测量单元(14)的后面以及在所述强度传感器06)之前，设置准直器阳，18)和/或光圈(8，20)。
13.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述光源由多个、优选为单色具有不同波长(λΑ，λΒ，λ。)的单一光源(30a，30b，30c)组成。
14.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，所述强度传感器由多个单一强度传感器(44a，44b，44c)组成并具有光束分裂器(40)，该光束分裂器将从所述测量单元(14)离开的光束分解为不同波长(λΑ，λΒ，Xe)的分光束(42)，并将每个分光束各导向一个单一强度传感器G^，44b，Mc)。
15.如前面任一项权利要求所述的传感器系统，其特征在于，通过光导体(32，34)将所述光束从所述光源(30a，30b，30c)导向所述测量单元(14)。
全文摘要
本发明涉及一种用于对流体中的单个粒子(16)进行检测和描述的传感器系统，其具有可使流体流过的测量单元(14)；光源(2；30)，其设置在测量单元(14)上并产生穿过该测量单元(14)的光束(4；36)；以及强度传感器(26；44)，其与光源(2；30)相对地设置在测量单元(14)上，以检测从测量单元(14)离开的光束，并用于分别检测在至少两个不同的波长范围(λA，λB)内的光束的强度(IA，IB)。
文档编号G01J3/427GK102239401SQ200980148777
公开日2011年11月9日 申请日期2009年12月2日 优先权日2008年12月3日
发明者安诺斯·本廷安 申请人:格伦德福斯管理联合股份公司