專利名稱：光聲檢測器中背景聲信號抑制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過光聲傳感器檢測溶液試樣組分。本發(fā)明具體涉及工業(yè)生產過程中氣體檢測、環(huán)境氣體檢測和醫(yī)學領域中對人體所排斥的氣態(tài)、固態(tài)或液態(tài)物質進行非侵入性分析.一項主要應用是對呼出氣體進行非侵入性分析。
背景技術：
呼氣測試正迅速發(fā)展成為令人振奮的醫(yī)療技術。在呼出氣體中進行組分檢查是一種非侵入性、對病人友好、低成本的醫(yī)療手段。典型呼氣測試例子包括哮喘監(jiān)測、呼氣酒精含量監(jiān)測、腸胃不適或急性器官排斥檢查，首期臨床試驗表明其可應用與乳腺癌和肺癌預篩選。
已有多種解決方案用于呼氣組分診斷檢測。如果診斷發(fā)現(xiàn)異常組分或人體正常呼氣組分為異常濃度，這可能表征疾病、身體失調或病人異常狀況。根據(jù)這些組分可進行診斷，但需要借助其他設備。這些診斷組分又稱為生物標志，其典型濃度在百萬分之一至萬億分之一范圍內。一氧化氮是一種公知的生物標志，哮喘患者體內可見一氧化氮濃度升高。目前，十億分之一濃度的呼出一氧化氮只能根據(jù)化學發(fā)光原理由昂貴且笨重的設備檢測。
本發(fā)明涉及光聲傳感器領域。這種傳感器根據(jù)光聲原理工作，即調制光對包含待檢測組分的試樣進行照射將產生聲波。如傳聲器等聲學傳感器可采集該聲波并在輸出端產生信號，該信號與氣體試樣中該組分的濃度直接相關。當一種或多種試樣組分吸收光輻射、使得試樣發(fā)熱并膨脹時產生聲波。當材料在調制光照射下膨脹和收縮時，產生聲波。由聲波振幅可推斷吸收組分的濃度。不同試樣組分則是通過采用對應于組分的特定吸收波長的不同波長的光源加以區(qū)分。在典型的光聲氣體傳感器中，采用聲波諧振腔或樣品室放大聲波，以提高檢測靈敏度。
背景信號可限制試樣組分的最低濃度檢測水平。背景信號可能有不同來源，例如空氣流動和空氣壓力變化、器壁效應、在光束到達傳聲器處傳感器中傳聲器膜的振動乃至輻射均可使氣體試樣中產生干擾信號。光束輻射產生的氣腔本身擴大也可能導致一部分背景信號。已提出部分解決方案以消除至少一個背景信號源，降低由腔壁吸收部分入射光線所產生的背景噪聲仍是業(yè)界所需的解決方案。
一種解決方案參見美國專利6,006,585所提出的一種光聲氣體傳感器。該傳感器包括傳感器本體、光源、具有透氣膜的測量單元、測量傳聲器以在及光源和測量單元之間的光學測量濾波器。該傳感器還包括與測量單元分離的一個參比單元。參比單元具有參比傳聲器，其可屏蔽由通過參比單元檢測的氣體發(fā)出的光聲信號，參比單元基本不受光強調制且具有待檢測氣體吸收波長的光輻射作用。通過將由兩個傳聲器獲得的信號相減，可獲得表征氣體濃度的測量信號。相減的結果可消除由振動或氣壓波動引起的干擾信號，其中前者可通過參比傳聲器不接收所測量氣體光聲信號實現(xiàn)，而后者通過將參比單元與參比傳聲器空間位置相分離實現(xiàn)。
氣體室容積一半專用于背景信號抑制，類似前述消除干擾噪聲信號的已有解決方案往往笨拙而昂貴。這些缺點限制了該類裝置的小型化、及其市場接受度。小型的痕量氣體傳感器對于個人保健應用的確非常關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明一個或多個實施例的目的在于設計多功能且尺寸合理的呼氣裝置。本發(fā)明另一目的在于提供高靈敏度裝置，同時不增大裝置整體尺寸。
為此，本發(fā)明裝置首先包括用于容納試樣的樣品室腔和位于氣體室腔外側的第一光源，第一光源發(fā)射波長在潛在組分吸收范圍內的第一調制光束。氣體室包括引導第一光束進入腔的腔壁。傳聲器采集潛在氣體組分吸收第一光束時所產生的聲波振動。該裝置還配備了防止聲波產生系統(tǒng)，其產生與透明壁吸收第一光束所產生聲信號相位相反的聲信號。
本發(fā)明基于以下前提，即背景信號將降低系統(tǒng)靈敏度，非常低濃度的生物標志可能無法由患者呼氣中檢測得到，盡管臨床顯示表明存在身體異常，如器官排斥反應、緊張等現(xiàn)象。發(fā)明者已認識到背景噪聲的重要來源之一是激光束被腔壁吸收，具體地是被將激光束導入腔的透明板所吸收。激光束被入口壁所吸收產生第二聲波，其與呼氣中生物標志吸收所產生的第一聲波相當。本發(fā)明提出，通過產生與背景第二聲波相位相反的聲波信號，以抑制并消除第二聲波。本領域技術人員可設計較小尺寸的背景消除裝置，以產生反相位聲波。本發(fā)明一個優(yōu)點即在于可提高光聲傳感器靈敏度而不會增加其尺寸。
在本發(fā)明一個實施例中，防止聲波產生系統(tǒng)包括第二光束源，所述光束源發(fā)射波長在待檢測組分吸收范圍之外、且與第一光束相位相反的第二光束。在該實施例中，第二激光束將由透明腔壁所吸收，由于第二激光束與第一激光束相位相反，腔壁吸收第二激光束所產生的聲波與腔壁吸收第一光束所產生的聲波相位相反。兩聲波將相互抵消，噪聲干擾則被消除。
在另一實施例中，防止聲波產生系統(tǒng)包括附于腔壁上的透明導電涂層。在涂層中通過電流產生聲波，使其相位和強度確定成能夠消除透明腔壁所產生的噪聲聲波。
本發(fā)明也涉及檢測氣體試樣中是否存在潛在組分的方法。
通過實施例的以下詳細描述，可以使本發(fā)明這些和其他方面得到進一步體現(xiàn)。


下面將通過示例并參考附圖對本發(fā)明加以詳述，其中圖1是本發(fā)明裝置的第一示例性實施例；以及圖2是本發(fā)明裝置的第二示例性實施例。
各圖中同一參考標號表示同一元件、或功能基本相同的元件。
具體實施例方式
圖1所示為本發(fā)明光聲傳感器100的一個示例性實施例。傳感器100包括容納氣體試樣116的腔102。氣體試樣116通過進氣管124導入腔102，試樣116通過排氣管104排出腔102。在該實施例中，氣體試樣116含有至少一種組分，該至少一種組分的存在和/或組成可通過該組分的光吸收作用部分地由傳感器100分析。在該實施例中，所選擇組分使得待檢測組分的異常高的即超出正常的濃度表征一種醫(yī)學狀況，例如身體不適、疾病、器官排斥反應、呼吸危象等。本發(fā)明裝置是非侵入性的工具，其通過向醫(yī)師提供準確的病人身體數(shù)據(jù)，而幫助醫(yī)師進行診斷。采用以下方式檢測某一組分異常濃度(十億分之一單位)，或檢測某一組分在正常狀態(tài)下不存在。
傳感器100可為管狀，在其不透明圓柱側壁118上鉆有兩開口124、104，以使氣體可進出腔102。傳感器100尺寸選擇為可使腔102在來自光源130的光的調幅頻率下具有聲共振。透明板106與108置于兩端，并氣密地密封容納氣體試樣116的腔102。透明板106和108可由玻璃、CaF2(氟化鈣)、ZnSe(鋅化硒)、聚合物，或任何其他導光材料制成。但是，材料選擇成在用于檢測氣體組分的光的波長下吸收最少。透明板106將激光束114由激光源130導入腔102內，激光束114通過透明板108射出腔102。待檢測氣體組分的檢測基于以下原理，即激光束114將被待檢測氣體微粒吸收，吸收作用導致顆粒被激勵并膨脹，因而產生聲波。聲波由置于腔102內壁凹處的傳聲器110采集。傳聲器110在導線112上產生表示由傳聲器110膜所采集聲波幅值的信號。傳聲器110在腔102內與激光束114隔離，以防止激光束114與傳聲器膜的相互作用，該相互作用將產生背景信號并影響整個裝置的靈敏度。
激光源130產生波長在待檢測組分吸收范圍內的激光束。一氧化氮(NO)是人體呼氣中存在的公知氣體組分，在哮喘患者呼氣中可發(fā)現(xiàn)NO濃度升高。在5微米波長附近NO顯示有多條吸收線。這些吸收線中的一條可例如通過量子級聯(lián)半導體激光器用于NO濃度的光聲檢測，量子級聯(lián)半導體激光器的器件結構經優(yōu)化適用于在合適波長發(fā)射。雖然許多痕量氣體顯示處于中紅外區(qū)的吸收線，通過適當選擇光源和板材料，所述實施例也可用于可見光和UV(紫外)范圍。
即使板材料在激光波長吸收最小，當激光束114進入腔102并穿過板106時，少量激光束114仍會被透明板106吸收；當激光束114射出腔并透過板108時，少量激光束114也可由透明板108吸收。激光束吸收將導致在板106和108表面外的空氣薄膜少許但可測的加熱，并產生可由傳聲器110采集的聲壓波。所產生的背景信號限制了最小可檢測痕量氣體濃度，從而限制了傳感器100的靈敏度。
以下提出一解決方案以校正背景聲波。圖1所示傳感器100還配備有防止聲波產生系統(tǒng)。示例性防止聲波產生系統(tǒng)包括附于板106和108上的透明導電涂層120。電線122連接至相應涂層120，并在激發(fā)時使電流流經涂層120。流經涂層120的調幅電流利用焦耳效應加熱板106和108表面附近的空氣，由此產生聲波。采用精心選擇的幅度與調制方式周期性地加熱涂層120，可產生與板106和108吸收激光束114而產生的背景聲波相位相反的聲波，從而抵消該背景聲波。透明導電涂層示例包括銦錫氧化物(ITO)、氫化非晶硅及氫化非晶鍺。選用何種材料仍取決于所加光的波長以及在該波長的最小薄膜吸收。進行先期實驗以確定抵消板106和108所產生背景聲波所需的加熱幅度和周期。為此，腔102充填不吸收第一激光束114的氣體，使得由第一激光束114產生的唯一聲波是由加熱透明板106和108產生的聲波。通過使傳聲器110采集的總聲波最少，可獲得通過涂層120的電流的振幅和周期。
圖2所示為本發(fā)明傳感器裝置100的第二示例性實施例。傳感器100與圖1所示傳感器100相似，其包括腔102、進氣管124、排氣管104、透明板106與108、傳聲器100及腔壁118。在該實施例中，消除背景信號的裝置包括分色鏡142和激光源140，激光源140產生被導入腔102的第二激光束。激光束140產生第二激光束144，其波長位于氣體試樣116的待檢測組分或任何其他組分的吸收范圍之外，使得不會因第二激光束144通過腔102而產生另外的背景聲波。
與圖1所示實施例中先期實驗的方式類似，進行先期實驗確定消除背景聲波所需的激光束144的強度。啟動傳感器100，使腔102中填充與激光束114及144不發(fā)生反應的氣體。對激光源140的強度進行調整，使得激光束144在板上所產生聲波與穿過板106和108的激光束114所產生聲波相互抵消。激光束144與激光束114相位相反。兩背景聲波相互抵消，使得傳聲器100采集不到信號。完全消除背景信號實際上不是切實可行的，但使總背景信號最小也可獲得能夠使傳感器靈敏度100得以優(yōu)化的激光源140強度值。
前述內容僅說明本發(fā)明原理。本領域技術人員應理解，盡管此處未明確詳述或說明，依照本發(fā)明原理設計的多種裝置應屬于以下權利要求的精神和范圍之內。
圖1所示傳感器100結構僅為本發(fā)明示例，而不應限制本發(fā)明范圍。例如，所提出實現(xiàn)方案包括光源130、透明板106和108裝置，本領域技術人員也可設計鏡子和/或部分折射材料，以使激光束進入腔102。與前述相似，傳感器100的形狀和內部結構也僅為示例，不應限制本發(fā)明應用范圍。
在解釋各項權利要求時，應理解的是a)用語“包括”并不排除未列舉的其它元件或操作；b)某元件之前的用語“一個”并不排除可選用多個元件；c)權利要求中的任何參考標號均不限定其范圍；d)幾個“裝置”可由同一物品或硬件或軟件實現(xiàn)的結構或功能表示；e)所公開每一元件可包括硬件部分(例如包括分立和集成的電子電路)、軟件部分(例如計算機程序)或其組合；f)硬件部分可包括一個或多個模擬和數(shù)字部分；g)所公開任一裝置或其部分，若非特別說明，均可以相互組合，或進一步劃分為各部分；以及h)若非特別說明，操作順序無特別要求。
權利要求
1.一種光聲裝置(100)，用于檢測試樣(116)中是否存在待檢測組分，所述光聲裝置包括包含試樣的樣品室腔(102)；位于所述樣品室腔(102)外側的第一光源(130)，其發(fā)射波長在待檢測組分的吸收范圍內的第一調制光束(114)；用于將第一光束導入腔的腔壁(106)；聲波采集單元(110)，用于采集部分地由待檢測組分吸收第一光束而產生的第一聲波；其特征在于所述光聲裝置還配備有背景聲波消除系統(tǒng)(120，122，140，144)，它產生與腔壁吸收第一光束所產生的背景聲波相位相反的第二組聲波，所述第二組聲波在聲波采集單元處抵消背景聲波。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波由第一光束源穿過并加熱腔壁而產生。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，聲波采集單元包括傳聲器。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波消除系統(tǒng)包括第二光束源(140)，其產生波長在待檢測組分的吸收范圍之外的第二光束(144)。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，第二光束強度從通過背景聲波采集的總聲波最小而獲得，所述背景聲波是由于腔壁吸收試樣腔中的兩個光束所產生，所述試樣腔填充有不吸收兩個光束的試樣。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括用于將第二激光束導入腔的分色鏡(142)。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，背景聲波消除系統(tǒng)包括附于腔壁上的透明導電涂層。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，通過導電涂層的電流強度從由聲波采集單元采集的總聲波最小而獲得，所述總聲波是由于腔壁吸收第一光束、以及電流通過試樣腔中導電涂層而加熱腔壁所產生，所述試樣腔填充有不吸收第一光束的試樣。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，試樣為液態(tài)或氣態(tài)。
10.一種檢測試樣(116)中是否存在待檢測組分的方法，所述方法包括將試樣裝入樣品室腔(102)；發(fā)射波長在待檢測組分的吸收范圍內的第一調制光束；通過腔壁將第一光束(114)導入腔；利用聲波采集單元(110)采集至少由待檢測氣體組分吸收第一光束產生的第一組聲波；其特征在于，還包括以下方法發(fā)射與腔壁吸收第一光束產生的背景聲波相位相反的第二組聲波。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光聲裝置(100)，用于對諸如人體呼氣等試樣進行光聲檢測。所述裝置包括用于容納試樣(116)的樣品室腔(102)；位于所述樣品室外側的第一光源(130)，用于發(fā)射波長在待檢測組分的吸收范圍內的第一調制光束(114)。通過透明腔壁(106)將第一光束導入所述腔。待檢測氣體組分吸收第一光束，從而產生第一聲波并由傳聲器(110)所采集。傳聲器也接收激光束穿過腔壁所產生的背景聲波。該裝置還配備有噪聲消除系統(tǒng)(120，122)，產生與背景聲波相位相反的第二組聲波。
文檔編號G01N21/17GK101095042SQ200580045418
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2005年1月3日
發(fā)明者H·范克斯特倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司