专利名称：荧光测定传感器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总体上涉及用于测试液态样本的光学测量装置，并且更具体地说，涉及用于确定和监测液态样本中的一种或多种物质的浓度的突光测定(fluorometric)传感器和突光测定计(fluorometer)。
背景技术：
在清洁和杀菌操作中，商业用户(例如，餐馆、旅馆、食品和饮料工厂、杂货店等)依靠清洁或杀菌产品的浓度来使产品有效工作。清洁或杀菌产品无法有效工作(因浓度问题造成)可能使商业用户察觉该产品质量低。终端消费者也可以察觉商业用户在提供低劣服务。另外，商业用户可能被政府管理和卫生机构调查和/或制裁。因此，存在针对可以确定产品浓度是否处于指定浓度范围内的系统的需要。这对于其它应用(如水护理、害虫防治、饮料和装瓶操作、包装操作等)来说同样是真实的。 监测产品浓度的一种方法依靠监测产品的荧光，该荧光在将样本(和样本内的产品)暴露至预定波长的光时出现。例如，产品内的化合物或添加至产品的荧光示踪剂在被暴露至特定波长的光时可以发荧光。产品的浓度接着可以利用荧光测定计来确定，该荧光测定计测量化合物的荧光，并且基于所测量的荧光来计算化学物质的浓度。荧光测定光谱涉及检测由关注样本发射的荧光。其涉及利用光束，通常为紫外(UV)光，其激发样本中特定化合物的分子中的电子，并使它们发射具有更低能量的光(SP，“荧光”)。存在几种类型的、用于测量所发射的荧光的荧光测定计。荧光测定计通常具有激发辐射能的源、激发波长选择器、用于包含样本材料的样本单元、发射波长选择器、具有信号处理器的检测器以及读出装置。过滤器荧光测定计使用滤光器来隔离入射光和荧光。荧光分光光度计使用衍射光栅单色器来隔离入射光和荧光。
发明内容
本发明的一些实施例一般涉及针对能够将激发光发射到关注的样本中，并接着检测和测量来自该样本的荧光发射的荧光测定传感器的各种设计。荧光测定传感器的一些实施例包括与控制器耦接的传感器端头，该传感器端头接收所测量的荧光并且计算样本内产品的浓度。该传感器端头包括在样本与传感器端头内的电子装置之间透射光的一个或多个窗口，并且在一些情况下，包括改进传感器端头的效率的一个或多个特征部。根据本发明的一个方面，提供了一种荧光测定传感器，其包括浸入式传感器端头和控制器，该控制器耦接至传感器端头，并且适于基于所检测的荧光发射来计算水样本中的化学物质的浓度。该传感器端头包括外壳，该外壳包括具有平坦的第一外表面的第一壁部，和具有平坦的第二外表面的第二壁部。该传感器端头还包括光源室和检测器室。紫外(UV)光源定位在光源室中，并且发射第一 UV波长以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本。UV检测器定位在检测器室内，并且检测来自分析区域的具有第二 UV波长的荧光发射。该UV检测器与控制器耦接。该传感器端头还包括:光源窗口，该光源窗口位于第一壁部中，将来自光源室的第一 UV波长传送到分析区域中；和检测器窗口，该检测器窗口位于第二壁部中，将来自分析区域的第二 UV波长传送到检测器室中。该光源窗口包括延伸穿过第一壁部的第一通道和位于该第一通道中的第一球透镜。该第一球透镜具有半径R1，并且第一通道具有小于2 的标称直径，以使第一通道环绕第一球透镜变形，这使第一球透镜固定在第一通道内，并且在光源室与分析区域之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封。该检测器窗口包括延伸穿过第二壁部的第二通道和位于该第二通道中的第二球透镜。该第二球透镜具有半径R2,并且第二通道具有小于2R2的标称直径，以使第二通道环绕第二球透镜变形，这使第二球透镜固定在第二通道内，并且在检测器室与分析区域之间生成环绕第二球透镜的连续不渗透密封。根据本发明的另一方面，提供了一种荧光测定传感器，其包括浸入式传感器端头和控制器，该控制器耦接至传感器端头，并且适于基于所检测的荧光发射来计算水样本 中的化学物质的浓度。该传感器端头包括塑料外壳，该塑料外壳具有沿该外壳的侧表面(lateral surface)的切口。该切口限定具有平坦的第一外表面的第一壁部、和具有平坦的第二外表面的第二壁部，该第二外表面以大约60度至大约120度的第一角度与第一外表面相交。该传感器端头还包括光源室和检测器室。紫外(UV)光源定位在光源室中并且发射第一 UV波长，以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本。UV检测器定位在检测器室内，并且检测来自分析区域的具有第二 UV波长的荧光发射。该传感器端头还包括光源窗口，该光源窗口位于第一壁部中，将来自光源室的第一 UV波长传送到分析区域中；和检测器窗口，该检测器窗口位于第二壁部中，将来自分析区域的第二 UV波长传送到检测器室中。该光源窗口包括延伸穿过第一壁部的第一通道和位于该第一通道中的第一球透镜。该第一球透镜具有半径R1,并且第一通道具有小于2 的标称直径，以使该第一通道环绕第一球透镜变形。这使第一球透镜固定在第一通道内，并且在光源室与分析区域之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封。该检测器窗口包括延伸穿过第二壁部的第二通道和位于该第二通道中的第二球透镜。该第二球透镜具有半径R2,并且第二通道具有小于2R2的标称直径，以使第二通道环绕第二球透镜变形。这使第二球透镜固定在第二通道内，并且在检测器室与分析区域之间生成环绕第二球透镜的连续不渗透密封。第二通道的轴在分析区域中的一交点处与第一通道的轴相交。在某些情况下，从该交点至第一外表面的第一距离为大约R1至大约3 ，从该交点至第二外表面的第二距离为大约R2至大约3R2，从第一球透镜的中心至该交点的第三距离为大约I. 2 至大约3. 2 ，而从第二球透镜的中心至该交点的第四距离为大约1.2R2至大约3. 2R2。根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造浸入式荧光测定传感器端头的方法。该方法包括以下步骤设置塑料工件，和在该工件中形成光源室和检测器室。还在该工件的侧表面中形成切口。该切口和光源室限定具有第一外平坦表面的第一壁部，并且该切口和检测器室限定具有第二外平坦表面的第二壁部。第一和第二外平坦表面以第一角度相交。该方法还包括以下步骤在第一壁部中形成光源窗口，和在第二壁部中形成检测器窗口。形成光源窗口包括形成延伸穿过第一壁部的第一通道和将第一球透镜定位在该第一通道中的步骤。该第一球透镜具有半径R1，并且第一通道具有小于2 的标称直径。在某些情况下，通过将第一球透镜从光源室推入第一通道中来定位该第一球透镜。第一通道环绕第一球透镜变形，以固定该第一球透镜，并且在光源室与传感器端头的外部之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封。形成检测器窗口包括形成延伸穿过第二壁部的第二通道，和将第二球透镜定位在第二通道中。该第二球透镜具有半径R2,并且第二通道具有小于2R2的标称直径。在某些情况下，通过将第二球透镜从检测器室推入第二通道中来定位该第二球透镜。这使第二通道环绕第二球透镜变形，以固定第二球透镜并且在检测器室与传感器端头的外部之间生成环绕第二球透镜的连续不渗透密封。该方法还包括将紫外(UV)光源定位在光源室中，和将UV检测器定位在检测器室中。UV光源发射穿过光源窗口的第一 UV波长，以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本，而UV检测器检测来自分析区域的、穿过检测器窗口的具有第二 UV波长的荧光发射。本发明的实施例可以提供以下特征和/或优点中的一个或多个。一些实施例例如通过并入用于与激发光束方向成一角度(例如，60度-120度)地测量荧光信号的有效微型光学装置构造，来提供具有改进灵敏度的荧光测定计传感器端头。在一些实施例中，微型光学装置部件被布置成使测量荧光信号的分析区域更靠近聚焦球透镜。更短的距离可以大大地增加传感器端头的效率和/或灵敏度。在一些实施例中，分析距离可以按5-10倍短于之前的设计。在一些实施例中，该分析距离可以为大约2_。
这些和各个其它特征以及优点通过阅读下列详细描述而将显而易见。
下列图例示了本发明的特定实施例，并由此不对本发明的范围进行限制。附图不按比例(除非规定外)，并且旨在用于与下面详细描述中的说明相结合。下面，结合附图，对本发明的实施例进行描述，其中，相同数字指示相同部件。图I是根据本发明一些实施例的手持式荧光测定计的立体图。图2是根据本发明一些实施例的激发和发射光谱强度的标绘图。图3是根据本发明一些实施例的手持式荧光测定计的分解图。图4是根据本发明一些实施例的控制器板的示意图。图5A是根据本发明一些实施例的光源板的立体图。图5B是根据本发明一些实施例的光源板的一部分的截面图。图5C是根据本发明一些实施例的光源板的一部分的截面图。图6A是根据本发明一些实施例的发射检测器板的立体图。图6B是根据本发明一些实施例的发射检测器板的一部分的截面图。图6C是示出根据本发明一些实施例的过滤器光谱透射的示例的标绘图。图6D是示出根据本发明一些实施例的、已过滤激发光谱与已过滤发射光谱之间的光谱分离的标绘图。图7A是根据本发明一些实施例的传感器端头的顶部立体图。图7B是图7A的传感器端头的底部立体图。图7B是图7A的传感器端头的立体截面图。图8是描绘根据本发明一些实施例的、用于确定水样本中的物质的浓度的方法的流程图。图9A是根据本发明一些实施例的传感器端头的立体截面图。图9B是示出图9A的传感器端头的截面图。
10A-10C是根据本发明一些实施例的传感器端头的截面图。图11是例示根据本发明一些实施例的、制造传感器端头的方法的流程图。图12A-12C是根据本发明一些实施例的、例示定位球透镜的传感器端头的截面图。图13A是根据本发明一些实施例的、传感器端头室和用于定位球透镜的定位工具的截面图。图13B是根据本发明一些实施例的、传感器端头和用于定位球透镜的定位工具的立体图。·图13C是根据本发明一些实施例的、图13B的传感器端头和定位工具的截面图。
具体实施例方式下面的详细描述在性质上是示例性的，而非以任何方式对本发明的范围、适用性或构造进行限制。相反，下面的描述提供了用于实现本发明的示例性实施例的一些实践例示。针对选择部件提供了结构、材料、尺度、以及制造工序的示例，并且所有其它部件采用了本领域普通技术人员所已知的。本领域技术人员将认识到，许多所提到的示例具有各种合适的另选例。本发明的实施例一般提供了一种具有浸入式传感器端头的手持式光学测量装置和利用这种装置的方法。在一些实施例中，该手持式光学测量装置的组件按手持式构造有利地自包含，提供了一种针对各种用途的便利工具。在本发明的一些实施例中，提供了一种采用手持式荧光测定计形式的光学测量装置。虽然在此参照荧光测定计(手持式或其它)，对本发明的一些实施例进行描述，但应当明白，本发明的多个方面可以按多种光学测量装置(例如，浊度计、光吸收仪等)来具体实施，并且本发明不限于任何特定形式的装置。图I是根据本发明一些实施例的、采用手持式荧光测定计100的形式的光学测量装置的立体图。荧光测定计100通常包括连接至手持式控制器模块104的浸入式传感器端头102。控制器模块104还包括用于向用户显示传感器读数和计算的电子显示器110，和采用小键盘112的形式的输入接口，其允许用户与荧光测定计100交互(例如，输入变量、设置参数、访问菜单项等)。根据一些实施例,控制器模块104具有通常为长条状的外壳106,该外壳106提供与手柄或杆类似的、用于容易用手抓住或握持荧光测定计100的便利形式。传感器端头102优选地包括水密外壳，使得其能够在部分或全部浸入关注的液态样本中时进行测量和其它功能。因此，在某些情况下，传感器端头102具有与浸入式探头相似的某些特征和/或特性。例如，在本发明的一些实施例中，浸入式传感器端头102具有与在共同受让的美国专利No. 7550746和美国专利申请公报2009/0212236中描述的那些相似的一个或多个特征和/或组件，其每一个的全部内容通过引用并入于此。浸入式传感器端头102的构造还可以按某些方式与荧光测定计和定位传感器和在包含关注的样本的光学单元外部的其它组件的其它光学仪器进行对比。在某些情况下，传感器端头102与显示器110相对地连接至(例如，接合至或者集成至)控制器外壳106的底表面108，并且接近控制器外壳的远端部120定位。按一种典型方式，用户可以在控制器外壳的近端部122附近抓住控制器外壳106，以从样本进行测量、阅读显示器110、和/或操纵小键盘112。例如，用户可以通过将控制器模块104保持在液态样本(例如，现场的储蓄器/容器、实验室的烧杯等中的液态样本)表面上方并且使传感器端头102部分或完全浸入样本中，而将传感器端头102浸入到样本中。在一些实施例中,用户可以抓住控制器模块104的第二端部，同时绕浸入式传感器端头102固定充满样本的样本杯。当然，控制器模块和传感器端头的其它构造也是可以的，并且本发明不限于任何特定物理构造。一般来说，手持式荧光测定计100以最低限度测量来自包括关注的物质(例如，化学溶液、如杀菌或清洁产品)的样本的荧光发射，计算样本中的物质的浓度，以及向用户显示所确定的浓度。接着，用户可以基于所确定的浓度可选地执行任何希望动作，举例来说，如将更多物质加入工业系统，以便增加该物质的浓度。这样，荧光测定计可以是人工反馈回路的一部分。如果荧光测定计确定浓度小于或高于阈值浓度，则用户将看到差异，并且可以通过分配更多或更少产品而适当地调节产品分配。另外，荧光测定计可以充任产品缺乏(out-of-product)警报的一部分。当产品耗尽时,突光(其反映产品的浓度)将降低至预定阈值水平之下。此时，传感器可以向用户警告分配器缺乏产品。该信号可以是可视或音频信号、或者振动信号。因此，这种反馈将确保存在足够的清洁剂、杀菌剂或其它成分，以实现希望效果(清洁度、减少微生物、润滑等)。 荧光测定计的基本操作是公知的，并由此，为简洁和清楚起见，在这里省略了各种细节。一般来说，荧光测定计100基于物质的荧光特性来计算液态样本中的特定物质的浓度。如在此更详细描述的，荧光测定计100包括在选定波长范围内发射光的光源。当传感器端头102被浸入液态样本中时，光遇到关注的物质的颗粒，其激发物质的某些分子中的电子，并使它们发射处于另一波长范围的、具有更低能量的光(即，“荧光”)。传感器端头102包括光学传感器，如光检测器，其检测荧光发射，并且生成指示荧光发射的强度的对应电信号。荧光测定计100包括与光学传感器耦接的控制器，接着，其可以基于荧光发射的强度与物质的浓度之间的已知关系来计算该物质的浓度。对于涉及荧光测定计的本发明的实施例来说，设想了该一般处理的许多变型例和特定细节。例如，关注的物质可以是具有荧光特性的任何希望化学溶液。示例包括但不限于，诸如杀虫剂和杀菌产品的生物杀灭剂、防腐、防垢以及防污产品、消毒剂、以及其它清洁产品、洗涤剂、添加剂等。为方便起见，在此，将这些和其它这种物质另选地简称为“产品”、“化学溶液”，和/或“处理溶液”。另外，尽管在此呈现了涉及确定在各种工业系统(例如，冷却塔)中使用的冷却水样本(例如，水样本)内的水处理溶液的浓度的示例，但应当清楚，手持式荧光测定计100可以在确定在用于处理水和其它液体的许多设置中所使用的产品的浓度方面有用。仅仅作为几个示例，手持式荧光测定计100可以用于确定洗衣、自动餐具洗涤、人工餐具洗涤、第三代散热器应用、功率耗散器、车辆护理、就地清洁操作、健康护理应用、硬表面应用等中的一种或多种物质的浓度。因为制造许多产品的化合物中许多都有荧光特性，所以这些产品在存在从传感器端头102辐射的光时发荧光。例如，具有苯成分的化合物或分子可以并入一种或更多种取代基供电子基团(如-OH、-NH2以及-OCH3),和展示荧光特性的多环化合物。在上述应用中使用的许多化合物包括像这些的化学结构，如表面活性剂、润滑剂、抗菌剂、溶剂、水溶物、抗再沉积剂、染料、防腐剂以及漂白添加剂。这些化合物可以并入这样的产品，像餐具洗涤齐U、漂洗助剂、洗衣剂、就地清洁清洁剂、抗菌剂、地板涂料、肉类、家禽以及海鲜尸体处理、杀虫剂、车辆护理成分、水护理成分、游泳池和水疗中心(spa)成分、无菌包装成分、洗瓶成分等。这些化合物和对应应用中的一些的示例可以在美国专利No. 7550746中找到，其全部内容通过引用并入于此。另外，或者另选的是，荧光示踪剂(在此还称为“荧光标记”)可以被并入可能已经自然地包括或者尚未自然地包括突光化合物的产品。示踪剂的一些非限制例包括萘二横酸盐(naphthalene disulfonate) (NDSA)、2_ 萘横酸(2-naphthalenesulfonic acid)、酸性黄 7，1，3，6，8-花四横酸钠盐(Acid Yellow 7, I, 3, 6, 8-pyrenetetrasulfonic acidsodium salt),以及突光素。在一些实施例中，将突光不踪剂按已知比例加入产品，这样，一旦确定了该示踪剂的浓度，就使得可以估算该产品的浓度。例如，在某些情况下，荧光示踪剂的浓度可以通过比较当前荧光信号与来自在校准过程期间测量的已知示踪剂浓度的荧光信号来确定。接着，可以根据荧光示踪剂的已知标称比例和荧光示踪剂的测量浓度来估算化学产品的浓度。在某些情况下，液态样本中一产品的当前浓度C。通过下式来确定
Cc = CmX (C0/Cf)，其中，Cm = KmX (Sx-Z0)，并且其中，Cm是当前荧光标记浓度，Km是斜率修正系数，Sx是当前荧光测量值，Z0是零点偏移，C0是广品的标称浓度，而Cf是突光不踪剂的标称浓度。参照图2，示出了根据本发明一些实施例的激发光谱强度202和发射光谱强度204的标绘图200。在这个示例中，具有采用紫外(UV)发光二极管(LED)的形式的光源的荧光测定计将在大约280nm至大约310nm范围内的激发光发射到具有添加了荧光示踪剂NDSA的产品的冷却塔水样本中。所添加的NDSA吸收这种UV辐射，并且产生从大约310nm至大约400nm范围的荧光。荧光测定计的发射检测器检测这种发射的辐射，并且荧光测定计确定NDSA示踪剂的浓度，并且最终确定冷却塔水样本内该产品的浓度。图3是与图I所示的手持式荧光测定计相似的手持式荧光测定计300的分解图。荧光测定计300通常包括连接至控制器模块部分303的浸入式传感器端头301。控制器模块303包括外壳和该外壳内的几个组件。该外壳由顶部部分302和底部部分304形成，并且控制器外壳的底部部分304在该底部部分的外部上限定底表面305。传感器端头301包括传感器端头外壳316,该传感器端头外壳被配置成固定地接合至控制器外壳的底表面305。在一些实施例中，传感器端头外壳316可以与控制器外壳的一个或多个部分整体地形成。在一些实施例中，控制器模块303通常包括基于从传感器端头301接收到的信号来确定产品浓度所必需的那些组件。如图3所示，控制器模块303包括控制板306，该控制板经由显示板线缆312与显示板308耦接。显示板308包括向用户显示信息的电子显示器309 (例如，IXD屏)。控制器模块303还包括采用薄膜键盘覆盖310的形式的输入接口，其允许用户输入供控制器模块303使用的各种信息。控制器模块303还包括便携式电源(例如，电池)314，以向荧光测定计300内的电路供电。在一些实施例中，浸入式传感器端头301具有与在共同受让的美国专利No. 7550746和美国专利申请公报2009/0212236中描述的那些相似的一个或多个特征和/或组件，其中每一个的全部内容通过引用并入于此。返回参照图3，在一些实施例中，传感器端头301包括容纳光源板320和发射检测器板322的外壳316。第一 O形环318在传感器端头外壳316与控制器外壳的底部部分304之间提供密封。光源板320和发射检测器板322上的组件被基本上包围每一个板的黄铜管326屏蔽。每一个管326都包括处于该管的远端部的切口，并且传感器端头外壳316包括延伸贯穿外壳的窗口 330。这些切口和窗口330允许位于光源板320上的光源(例如，LED)和位于发射检测器板322上的发射检测器(例如，光检测器)与传感器端头外壳316外侧的分析区域连通。电缆324将光源板320和发射检测器板322耦接至控制板306，其允许板306上的控制器控制光源和接收从发射检测器返回的信号。在一些实施例中，传感器端头301还包括能够测量水样本的温度的一个或多个温度传感器。例如，光源板320和/或发射检测器板322可以包括延伸到传感器端头外壳316中的一个或多个温度传感器。位于传感器外壳316的远端面中的盖子332连同附加O形环334 —起提供环绕温度传感器的密封。图4是根据本发明一些实施例的、用于手持式荧光测定计的控制器板400的示意图。控制器板400可以包括在印刷电路板401上定位(例如，焊接)并耦接在一起(连接未示出)的多个离散组件。图4呈现了一个示例性控制板400的基本组件的简化示意图，并且本领域技术人员应当清楚，这些组件之间的各种连接和/或有关组件的细节可以改变。控制板400包括控制器402，其基于来自发射检测器的强度信号来计算水样本内的产品的浓度。 控制器402可以提供各种其它功能，包括而不限于，执行校准例程，接受并执行在输入接口处输入的指令，和/或格式化数据，以供在荧光测定计的显示器上观看。控制器402可以按任何合适形式被实现如软件驱动微处理器、微控制器或现场可编程门阵列、或者诸如专用集成电路等的固定硬件设计。另外，控制器402可以具有板上存储器，或者控制板可以具有存储用于由控制器402执行的指令的存储器(未示出)。控制板还包括具有连接器410的电力电缆，其用于将板400连接至诸如图3所示的电池314的电源。板400还包括控制器电源412、模拟电源414、以及用于向传感器端头中的光源供电的光源电源416。在一些实施例中，控制板400包括实时时钟电池418,锁相放大器420，基准光电二极管放大器422，以及用于显示板424、光源板404、以及发射检测器板406的连接器。在某些情况下，控制板400还可以具有发声器426、USB或其它类型的数据连接器428、用于与其它计算装置通信的无线部件430、以及可选的模拟输出部432和逻辑输出部434。图5A是根据本发明一些实施例的光源板500的立体图。板500 (在图3中还示出为320)通常包括印刷电路板502，该印刷电路板502具有光源504和基准光电二极管506，连同前置放大器508和用于耦接板500与控制板的连接器510。图5B是示出一个实施例的截面图，其中，光源504和基准光电二极管506处于由固定在印刷板502上的过滤器保持器514所形成的光学腔516内部。来自光源504的光的一小部分到达基准光电二极管506，提供基准信号以补偿光源输出强度随着时间和随着温度变化的变化。在某些情况下，该基准信号由从激发过滤器512的反射和腔516内部的散射光生成。在某些情况下，该基准信号是稳定的并且与光源504的总输出成比例。在一些实施例中，基准光电二极管506因光学腔516中的光的自然衰减而在不需要光学衰减器或分束器的情况下工作。激发过滤器512通过过滤器保持器514被定位在光源504上方，以在来自光源504的光离开浸入式传感器端头之前对其进行过滤。光源504可以包括各种可能部件。例如，光源504可以是气体放电灯、汞灯、汞灯、氘灯、金属蒸气灯、发光二极管(LED)或多个LED。另外，光源504可以按根据选定部件和希望光谱的多个可能光谱来发射激发辐射。在一些实施例中，光源是紫外LED，其能够发射具有从大约280nm至大约310nm的波长的光。图5C示出了光学腔516的另一实施例。激发过滤器512被直接固定在UV LED 504的顶部上。盖子520创建环绕UV LED和基准光电二极管506的光学腔516。盖子520具有出口开口 530，以耦接UV LED与激发窗口(例如，如图3上所示的一个窗口 330)。在某些情况下，由UVLED发射的UV光的主要部分从UV LED 504起行进通过出口开口 530直至激发窗口。在某些情况下，UV光的较小部分在光学腔516内部被反射并散射，以提供与UV LED强度成比例的稳定基准信号。在一些实施例中，盖子520和/或过滤器保持器518由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)制成，以改进散射信号的强度和基准信号的长期稳定性。在一些实施例中，盖子520可以具有带金属化反射层的抛光内表面，和/或过滤器保持器518具有带金属化反射层的抛光外表面以改进反射信号的强度和基准信号的稳定性。图6A和6B示出了根据本发明一些实施例的发射检测器板600。图6A是发射检测 器板600的立体图。检测器板600通常包括许多组件，包括位于印刷电路板602上的发射检测器604。在本发明的一些实施例中，发射检测器604包括UV敏感光电二极管。例如，检测器604可以基于它从传感器端头外侧的分析区域检测到的从大约310nm至大约400nm的光来生成强度信号。检测器板600还包括前置放大器606和温度传感器608。环绕发射检测器604定位的发射过滤器保持器610支承一个或多个过滤器，用于筛选(screen)辐射能量并按希望波长将其传递至检测器604。在图6B所示实施例中，过滤器包括干涉过滤器612和UG-Il玻璃过滤器614。在一些实施例中，还将附加聚酯膜过滤器616定位在发射检测器604的前面。在某些情况下，聚酯膜过滤器616具有大约O. 5+/-0.2_的厚度。在某些情况下，光学设计可以提供增加的光学效率(例如，利用球透镜、高发散光束等)，但也可能在具有针对准直光束的高效率和高排除值的干涉过滤器的性能方面折衷。并入这种聚酯膜在某些情况下可以最小化杂散光程度，以允许以和100个比浊法浊度单位(NTU) —样高的浊度来测量样本中的NDSA荧光。图6C是示出根据本发明一些实施例的、激发过滤器512的光谱透射650、干涉过滤器612的光谱透射652、UG-11玻璃过滤器614的光谱透射654以及聚酯膜过滤器616的光谱透射656的示例的标绘图。在一些实施例中，过滤器的这种组合在来自UV LED的激发光谱与来自样本内的荧光示踪剂的发射光谱之间提供了有效的光谱分离。图6D是示出利用激发过滤器512、干涉过滤器612、UG-Il玻璃过滤器614以及聚酯膜过滤器616的经过滤的激发光谱660与经过滤的发射光谱662之间的光谱分离的标绘图。图7A-7C呈现了根据本发明一些实施例的、可以接合至诸如先前讨论的那些的手持式荧光测定计的控制器模块的离散浸入式传感器端头700的各种视图。图7A是传感器端头700的顶部立体图，图7B是传感器端头700的底部立体图，而图7C是传感器端头700的立体截面图。传感器端头700可以由塑料制成，并且可以被模制和/或轧制以实现希望形状和特征。一般来说，传感器端头700包括外壳702，该外壳702包括第一垂直腔或室712，其被配置成接纳光源电路板(例如，图3的光源板320或图5的光源板500)。在某些情况下，光源室712以筒状构造形成，其可以向图3所示的筒状黄铜屏蔽326提供滑动配合。在一些实施例中，光源室712具有包括沿室712的一个横侧的平坦壁部726的局部柱状构造。返回至图7A-7C，传感器端头外壳702包括第二垂直腔或室714，与光源室712相似，其用于接纳发射检测器电路板(例如，图3的发射检测器板322或图6的发射检测器板600)。在某些情况下，光源室712和发射检测器室714可以关于传感器端头700的纵轴对称地形成和定位，尽管在所有实施例中不需要这样。传感器端头外壳702还包括处于外壳702的外表面中的角状切口 752。在一些实施例中，切口 752的角大约为90度，尽管应当明白，本发明针对该切口不限于特定角。切口752通过第一壁部754在传感器端头700的纵轴处与第二壁部756相交而限定。第一壁部754限定光源窗口 720，其提供贯穿第一壁部754的、用于由光源发射的激发能量的路径。第二壁部756类似地限定发射检测器窗口 722，其提供贯穿第二壁部756的、使荧光发射到达位于传感器端头外壳702内的发射检测器的路径。在一些实施例中，光源窗口 720和/或发射检测器窗口 722包括延伸穿过传感器端头外壳702的通道。在一些实施例中，窗口 720、722还包括透镜、棱镜、或者对于光源辐射和/或荧光发射来说光学透明的其它材料。例如，在一些实施例中，将玻璃或蓝宝石球透镜定位在每个通道内。还可以使用本领域已知的其它合适材料。球透镜提供光源/检测器窗口，而且还提供用于引导光源/检测器与传感器 端头700的外壳702外侧的分析区域750之间的光的聚焦部件。在此，如图所示，包括光源窗口 720和发射检测器窗口 722的角状切口 752针对控制器模块取向，以使该角状切口和窗口面向控制器模块的远端部。如在此进一步讨论的，在一些实施例中，该角状切口和窗口可以按不同方向取向。例如，在一些实施例中，该角状切口和窗口面向控制器模块的近端部。在一些实施例中，传感器端头700包括近端部704和远端部706，在其间延伸传感器端头700的纵轴708和长度。如图I和3所示，在一些实施例中，传感器端头700在传感器端头700的近端部704处或附近连接至控制器模块外壳的底表面。在某些情况下，可以用紧固件将传感器端头700固定地接合至控制器外壳。该紧固件可以包括但不限于，螺丝钉、螺栓和/或插针，或者粘合剂或焊接(该图中未示出)。在一些实施例中，传感器端头700用四个螺丝钉固定，其压缩定位在传感器端头700与控制器模块之间的凹槽710中的O形环。在一些实施例中，传感器端头外壳702可以与控制器模块整体地形成，以使得在传感器端头的近端部704与控制器模块的底表面之间存在无缝过渡。在一些实施例中，传感器端头700还包括紧固件的一部分或全部，其可去除地围绕传感器端头700固定样本杯。仅仅作为一个示例，该紧固件可以包括围绕传感器端头外壳702定位的一个或多个插针740和样本杯上的对应插槽。在一些实施例中，插针740和插槽形成卡口紧固件，其围绕传感器端头固定样本杯，并且还围绕传感器端头700沿优选取向(例如，旋转)对准样本杯。也可以包括其它紧固件(例如，螺丝扣、对压部件等)。在一些实施例中，传感器端头700还可以包括孔730，其用于插入一个或多个温度传感器盖，如图3所描绘的那些。返回至图7A-7C，孔730可以带螺纹或以其它方式配置成接纳并固定温度传感器。温度传感器(图7A-7C中未示出)适于感测水样本的当前温度并生成对应信号，该信号可以被用于基于例如因可接受范围之外的温度而造成的误差来修正浓度计算。另外，传感器端头700优选为浸入式传感器端头，意指其在进行荧光发射测量时被部分地或全部浸入水样本的表面之下。因此，传感器端头外壳702、针对控制器外壳的连接、以及外壳702中的任何窗口或其它潜在空间在浸入之前被有效密封。例如，在某些情况下，外壳702包括处于传感器端头的近端部704处的第一 O形环凹槽710，和环绕温度传感器孔730的第二 O形环凹槽732。在包括样本杯的一些实施例中，还可以在传感器端头700的近端部704附近，围绕传感器端头700的圆周形成第三O形环凹槽742，以便在样本杯与传感器端头700之间提供基本上不渗透的密封。另外，光源窗口 720和发射检测器窗口 722还可以利用O形环等密封。在一些实施例中，光源窗口 720和发射检测器窗口 722因窗口通道与放置在通道内的球透镜之间的压配合而密封。图8是描绘根据本发明一些实施例的、确定水样本中的产品的浓度的方法的流程图。一般来说，荧光测定计测量该产品中的活性分子的荧光发射，其与水样本中该产品的实际浓度成比例。在提供具有控制器模块和连接至该控制器模块的传感器端头的手持式荧光测定计(802)之后，提供包含关注的产品的水样本。将传感器端头浸入水样本中(804)并且该水样本占据传感器的分析区域。接下来，通过传感器端头中的光源生成具有第一 UV波长的紫外(UV)激发光，并将其引导到水样本和分析区域中(806)。接着，传感器端头检测并测量样本的第二 UV波长的荧光发射(808)。传感器端头包括控制器(例如，图4中的402)，其基于所测量的荧光发射来计算样本中产品的浓度(810)。第一波长可以处于280nm-310nm 的范围中。第二 UV波长可以处于310nm-400nm的范围中。传感器还可以测量样本的第一波长的基准荧光发射。该传感器还可以测量具有零浓度化学品的零溶液的荧光发射。在该情况下，样本中化学品的浓度可以基于包含该化学品的样本的所测量荧光发射与零溶液的所测量荧光发射中的计算差来计算。样本的浓度还可以基于针对校准样本中产品的已知浓度所确定的校准常数来计算。作为一示例，在某些情况下，样本浓度可以基于来自两个UV检测器的信号来评估。基准检测器测量由光源生成的UV激发的强度，而荧光发射检测器测量由产品发射的荧光发射的强度。该计算使用下面的方程
f rS rO \
Γηηββ — Vr I E E
LUUDbJ
R 』MJ其中，Cc是样本溶液中产品X (例如，表面活性剂、抗菌剂等)的当前实际浓度；Kx是校准系数；是来自发射检测器的、针对该样本溶液的输出信号；是来自基准检测器的、针对该样本溶液的输出信号；/:是来自发射检测器的、针对零溶液(S卩，具有零浓度产品的溶液)的输出信号；而g是来自基准检测器的、针对零溶液的输出信号。
I ( j CALIBR、 Kx = Ccalibr ' _
I KJ R! K J其中，Ccaubk是校准溶液中产品的浓度；是来自发射检测器的、针对校准溶液的输出信号；而
JtL
I ^是来自基准检测器的、针对校准溶液的输出信号。在一些实施例中，荧光输出信号是产品浓度的非线性函数。例如，样本溶液中产品X的线性化的当前浓度Q可以利用下列的方程来计算Cl = A · R · (1+B · R+C · R2+D · R3)其中，A、B、C以及D是可以在校准期间发现的线性系数，而
权利要求
1.一种荧光測定传感器，该荧光測定传感器包括 浸入式传感器端头，该浸入式传感器端头包括 外売，该外壳包括具有平坦的第一外表面的第一壁部和具有平坦的第二外表面的第二壁部； 光源室，该光源室包括紫外(UV)光源，该紫外光源发射第一 UV波长，以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本； 光源窗ロ，该光源窗ロ位于第一壁部中，将来自光源室的第一 UV波长透射到分析区域中，该光源窗ロ包括延伸穿过第一壁部的第一通道和位于该第一通道中的第一球透镜，该第一球透镜具有半径R1,并且第一通道具有小于2も的标称直径，以使得第一通道环绕第一球透镜变形，将第一球透镜固定在第一通道内，并且在光源室与分析区域之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封； 检测器室，该检测器室包括UV检测器，该UV检测器检测来自分析区域的具有第二 UV波长的突光发射；以及 检测器窗ロ，该检测器窗ロ位于第二壁部中，将来自分析区域的第二 UV波长透射到检测器室中，该检测器窗ロ包括延伸穿过第二壁部的第二通道和位于该第二通道中的第二球透镜，该第二球透镜具有半径R2,而第二通道具有小于2R2的标称直径，以使第二通道环绕第二球透镜变形，将第二球透镜固定在第二通道内，并且在检测器室与分析区域之间生成环绕第二球透镜的连续不渗透密封；和 控制器，该控制器耦接至UV检测器，并且适于基于所检测的荧光发射来计算分析区域内的水样本中的化学物质的浓度。
2.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，第一通道的轴与第二通道的轴以从大约60度至大约120度的第一角度在分析区域中的一交点处相交。
3.根据权利要求2所述的突光测定传感器,其中,第一通道的轴垂直于第一外表面,而第二通道的轴垂直于第二外表面。
4.根据权利要求2所述的荧光測定传感器，其中，第一角度为大约90度。
5.根据权利要求2所述的荧光測定传感器，其中，从该交点至第一外表面的第一距离为大约R1至大约3も，从该交点至第二外表面的第二距离为大约R2至大约3R2，从第一球透镜的中心至该交点的第三距离为大约I. 2R:至大约3. 2も，而从第二球透镜的中心至该交点的第四距离为大约I. 2R2至大约3. 2R2。
6.根据权利要求2所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜和第二球透镜中的每ー个距该交点都小于大约2mm。
7.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，R1等于R2，并且R1和R2为大约Imm至大约4mm。
8.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，第一通道的标称直径为大约I.75 至大约I. 95も，而第二通道的标称直径为大约I. 75R2至大约I. 95R2。
9.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜从第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面与第一球透镜相交，并且第二球透镜从第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面与第二球透镜相交。
10.根据权利要求9所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜与第二球透镜接触。
11.根据权利要求9所述的荧光測定传感器，其中，第一壁部包括与第一球透镜的外表面相切的平坦的第一内表面，而第二壁部包括与第二球透镜的外表面相切的平坦的第二内表面。
12.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，第一壁部和第二壁部包括弹性材料，而第一球透镜和第二球透镜包括玻璃或蓝宝石。
13.一种荧光測定传感器，该荧光測定传感器包括 浸入式传感器端头，该浸入式传感器端头包括 塑料外壳，该塑料外壳包括该外壳的侧表面中的切ロ，该切ロ限定具有平坦的第一外表面的第一壁部、和具有平坦的第二外表面的第二壁部，第一外表面和第二外表面以第一角度相交； 光源室，该光源室包括紫外(UV)光源，该紫外光源发射第一 UV波长，以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本； 光源窗ロ，该光源窗ロ位于第一壁部中，将来自光源室的第一 UV波长透射到分析区域中，该光源窗ロ包括延伸穿过第一壁部的、与第一外表面垂直的第一通道，和位于该第一通道中的第一球透镜，该第一球透镜具有半径R1，而第一通道具有小于2Ri的标称直径，以使第一通道环绕第一球透镜变形，将第一球透镜固定在第一通道内，并且在光源室与分析区域之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封； 检测器室，该检测器室包括UV检测器，该UV检测器检测来自分析区域的具有第二 UV波长的突光发射；以及 检测器窗ロ，该检测器窗ロ位于第二壁部中，将来自分析区域的第二 UV波长透射到检测器室中，该检测器窗ロ包括延伸穿过第二壁部的、与第二外表面垂直的第二通道，和位于该第二通道中的第二球透镜，该第二球透镜具有半径R2,并且第二通道具有小于2R2的标称直径，以使第二通道环绕第二球透镜变形，将第二球透镜固定在第二通道内，并且在检测器室与分析区域之间生成环绕第二球透镜的连续不渗透密封；和 控制器，该控制器耦接至UV检测器，并且适于基于所检测的荧光发射来计算分析区域内的水样本中的化学物质的浓度；其中， 该第一角度为大约60度至大约120度， 第一通道的轴和第二通道的轴在分析区域中的一交点处相交， 从该交点至第一外表面的第一距离为大约R1至大约3も， 从该交点至第二外表面的第二距离为大约R2至大约3R2， 从第一球透镜的中心至该交点的第三距离为大约I. 2R:至大约3. 2も，而 从第二球透镜的中心至该交点的第四距离为大约I. 2R2至大约3. 2R2。
14.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，第一角度为大约90度。
15.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜和第二球透镜中的每一个距该交点小于大约2mm。
16.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，R1等于R2,并且R1和R2为大约Imm至大约4mm。
17.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，第一通道的标称直径为大约I.75 至大约I. 95 ，而第二通道的标称直径为大约I. 75R2至大约I. 95R2。
18.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜从第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面与第一球透镜相交，并且第二球透镜从第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面与第二球透镜相交。
19.根据权利要求18所述的荧光測定传感器，其中，第一球透镜与第二球透镜相接触。
20.根据权利要求18所述的荧光測定传感器，其中，第一壁部包括与第一球透镜的外表面相切的平坦的第一内表面，而第二壁部包括与第二球透镜的外表面相切的平坦的第二内表面。
21.根据权利要求13所述的荧光測定传感器，其中，第一壁部和第二壁部包括弹性塑料，而第一球透镜和第二球透镜包括玻璃或蓝宝石。
22.一种用于制造浸入式荧光测定传感器端头的方法，该方法包括以下步骤 提供塑料エ件； 在该エ件中形成光源室； 在该エ件中形成检测器室； 在该エ件的侧表面中形成切ロ，该切口和光源室限定具有第一外平坦表面的第一壁部，该切口和检测器室限定具有第二外平坦表面的第二壁部，所述第一外平坦表面和第二外平坦表面以第一角度相交； 在该第一壁部中形成光源窗ロ，包括形成延伸穿过第一壁部的第一通道并且在该第一通道中定位第一球透镜，该第一球透镜具有半径R1，并且第一通道具有小于2も的标称直径，该定位包括将第一球透镜从光源室推入第一通道中并使第一通道环绕第一球透镜变形，以固定第一球透镜，并且在光源室与传感器端头的外部之间生成环绕第一球透镜的连续不渗透密封； 在该第二壁部中形成检测器窗ロ，包括形成延伸穿过第二壁部的第二通道并且在该第二通道中定位第二球透镜，该第二球透镜具有半径R2,而第二通道具有小于2R2的标称直径，该定位包括将第二球透镜从检测器室推入第二通道中并使第二通道环绕第二球透镜变形，以固定第二球透镜，并且在检测器室与传感器端头的外部之间生成环绕第二球透镜的连续不滲透密封； 将紫外(UV)光源定位在光源室中，该紫外光源发射穿过光源窗ロ的第一 UV波长，以激发接近传感器端头的分析区域内的水样本；以及 将UV检测器定位在检测器室中，该UV检测器检测来自分析区域的、穿过检测器窗ロ的具有第二 UV波长的荧光发射。
23.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括将第一球透镜推入第一通道中，使得第一球透镜从第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面与第一球透镜相交，并且还包括将第二球透镜推入第二通道中，使得第二球透镜从第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面与第二球透镜相交。
24.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括将第一球透镜推入第一通道中，使得第一壁部的平坦的第一内表面与第一球透镜的外表面相切，并且还包括将第二球透镜推入第二通道中，使得第二壁部的平坦的第二内表面与第二球透镜的外表面相切。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，该第一角度为大约60度至大约120度。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，第一通道的轴垂直于第一外表面，而第二通道的轴垂直于第二外表面。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，R1等于R2,并且R1和R2为大约1_至大约4_。
28.根据权利要求22所述的方法，其中，第一通道的直径为大约I.75も至大约I. 95札，而第二通道的直径在大约I. 75R2至大约I. 95R2之间。
29.根据权利要求22所述的方法，其中，第一球透镜与第二球透镜相接触。
30.根据权利要求22所述的方法，其中，第一壁部和第二壁部包括弾性材料，而第一球透镜和第二球透镜包括玻璃或蓝宝石。
31.根据权利要求I所述的荧光測定传感器，其中，光源室包含用于监测UV光源的強度的基准检测器。
32.根据权利要求31所述的荧光測定传感器，其中，UV光源和基准检测器放置在光学腔内部，以使基准检测器測量在光学腔内部反射和散射的UV光。
33.根据权利要求32所述的荧光測定传感器，其中，该光学腔由过滤器保持器形成，并且将激发过滤器与UV光源和基准检测器相对地固定在光学腔内部。
34.根据权利要求32所述的荧光測定传感器，其中，该光学腔由用于UV光源和基准检测器的盖子形成，并且将激发过滤器在光学腔内部固定在UV光源上。
全文摘要
本发明实施例提供了一种光学传感器端头和制造光学传感器端头的方法。在某些情况下，该传感器端头可以被用作荧光测定传感器，以测量关注的液态样本内的物质的浓度。该传感器端头包括在传感器端头与分析区域之间透射光的光源窗口和检测器窗口。在某些情况下，这些窗口包括位于通道内的球透镜，以使该球透镜与通道在传感器端头的内部与外部之间生成密封。
文档编号G01N21/33GK102803935SQ201180014862
公开日2012年11月28日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年3月31日
发明者E·托克图夫, W·M·克里斯腾森, C·J·欧文, V·斯洛博登, A·斯柯达 申请人:埃科莱布美国股份有限公司