螢光測定傳感器的製作方法

2023-12-06 13:25:26 2

專利名稱：螢光測定傳感器的製作方法
技術領域：
本發明的實施例總體上涉及用於測試液態樣本的光學測量裝置，並且更具體地說，涉及用於確定和監測液態樣本中的一種或多種物質的濃度的突光測定(fluorometric)傳感器和突光測定計(fluorometer)。
背景技術：
在清潔和殺菌操作中，商業用戶(例如，餐館、旅館、食品和飲料工廠、雜貨店等)依靠清潔或殺菌產品的濃度來使產品有效工作。清潔或殺菌產品無法有效工作(因濃度問題造成)可能使商業用戶察覺該產品質量低。終端消費者也可以察覺商業用戶在提供低劣服務。另外，商業用戶可能被政府管理和衛生機構調查和/或制裁。因此，存在針對可以確定產品濃度是否處於指定濃度範圍內的系統的需要。這對於其它應用(如水護理、害蟲防治、飲料和裝瓶操作、包裝操作等)來說同樣是真實的。 監測產品濃度的一種方法依靠監測產品的螢光，該螢光在將樣本(和樣本內的產品)暴露至預定波長的光時出現。例如，產品內的化合物或添加至產品的螢光示蹤劑在被暴露至特定波長的光時可以發螢光。產品的濃度接著可以利用螢光測定計來確定，該螢光測定計測量化合物的螢光，並且基於所測量的螢光來計算化學物質的濃度。螢光測定光譜涉及檢測由關注樣本發射的螢光。其涉及利用光束，通常為紫外(UV)光，其激發樣本中特定化合物的分子中的電子，並使它們發射具有更低能量的光(SP，「螢光」)。存在幾種類型的、用於測量所發射的螢光的螢光測定計。螢光測定計通常具有激發輻射能的源、激發波長選擇器、用於包含樣本材料的樣本單元、發射波長選擇器、具有信號處理器的檢測器以及讀出裝置。過濾器螢光測定計使用濾光器來隔離入射光和螢光。螢光分光光度計使用衍射光柵單色器來隔離入射光和螢光。

發明內容
本發明的一些實施例一般涉及針對能夠將激發光發射到關注的樣本中，並接著檢測和測量來自該樣本的螢光發射的螢光測定傳感器的各種設計。螢光測定傳感器的一些實施例包括與控制器耦接的傳感器端頭，該傳感器端頭接收所測量的螢光並且計算樣本內產品的濃度。該傳感器端頭包括在樣本與傳感器端頭內的電子裝置之間透射光的一個或多個窗口，並且在一些情況下，包括改進傳感器端頭的效率的一個或多個特徵部。根據本發明的一個方面，提供了一種螢光測定傳感器，其包括浸入式傳感器端頭和控制器，該控制器耦接至傳感器端頭，並且適於基於所檢測的螢光發射來計算水樣本中的化學物質的濃度。該傳感器端頭包括外殼，該外殼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。該傳感器端頭還包括光源室和檢測器室。紫外(UV)光源定位在光源室中，並且發射第一 UV波長以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本。UV檢測器定位在檢測器室內，並且檢測來自分析區域的具有第二 UV波長的螢光發射。該UV檢測器與控制器耦接。該傳感器端頭還包括:光源窗口，該光源窗口位於第一壁部中，將來自光源室的第一 UV波長傳送到分析區域中；和檢測器窗口，該檢測器窗口位於第二壁部中，將來自分析區域的第二 UV波長傳送到檢測器室中。該光源窗口包括延伸穿過第一壁部的第一通道和位於該第一通道中的第一球透鏡。該第一球透鏡具有半徑R1，並且第一通道具有小於2 的標稱直徑，以使第一通道環繞第一球透鏡變形，這使第一球透鏡固定在第一通道內，並且在光源室與分析區域之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封。該檢測器窗口包括延伸穿過第二壁部的第二通道和位於該第二通道中的第二球透鏡。該第二球透鏡具有半徑R2,並且第二通道具有小於2R2的標稱直徑，以使第二通道環繞第二球透鏡變形，這使第二球透鏡固定在第二通道內，並且在檢測器室與分析區域之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封。根據本發明的另一方面，提供了一種螢光測定傳感器，其包括浸入式傳感器端頭和控制器，該控制器耦接至傳感器端頭，並且適於基於所檢測的螢光發射來計算水樣本 中的化學物質的濃度。該傳感器端頭包括塑料外殼，該塑料外殼具有沿該外殼的側表面(lateral surface)的切口。該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，該第二外表面以大約60度至大約120度的第一角度與第一外表面相交。該傳感器端頭還包括光源室和檢測器室。紫外(UV)光源定位在光源室中並且發射第一 UV波長，以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本。UV檢測器定位在檢測器室內，並且檢測來自分析區域的具有第二 UV波長的螢光發射。該傳感器端頭還包括光源窗口，該光源窗口位於第一壁部中，將來自光源室的第一 UV波長傳送到分析區域中；和檢測器窗口，該檢測器窗口位於第二壁部中，將來自分析區域的第二 UV波長傳送到檢測器室中。該光源窗口包括延伸穿過第一壁部的第一通道和位於該第一通道中的第一球透鏡。該第一球透鏡具有半徑R1,並且第一通道具有小於2 的標稱直徑，以使該第一通道環繞第一球透鏡變形。這使第一球透鏡固定在第一通道內，並且在光源室與分析區域之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封。該檢測器窗口包括延伸穿過第二壁部的第二通道和位於該第二通道中的第二球透鏡。該第二球透鏡具有半徑R2,並且第二通道具有小於2R2的標稱直徑，以使第二通道環繞第二球透鏡變形。這使第二球透鏡固定在第二通道內，並且在檢測器室與分析區域之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封。第二通道的軸在分析區域中的一交點處與第一通道的軸相交。在某些情況下，從該交點至第一外表面的第一距離為大約R1至大約3 ，從該交點至第二外表面的第二距離為大約R2至大約3R2，從第一球透鏡的中心至該交點的第三距離為大約I. 2 至大約3. 2 ，而從第二球透鏡的中心至該交點的第四距離為大約1.2R2至大約3. 2R2。根據本發明的另一方面，提供了一種用於製造浸入式螢光測定傳感器端頭的方法。該方法包括以下步驟設置塑料工件，和在該工件中形成光源室和檢測器室。還在該工件的側表面中形成切口。該切口和光源室限定具有第一外平坦表面的第一壁部，並且該切口和檢測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。該方法還包括以下步驟在第一壁部中形成光源窗口，和在第二壁部中形成檢測器窗口。形成光源窗口包括形成延伸穿過第一壁部的第一通道和將第一球透鏡定位在該第一通道中的步驟。該第一球透鏡具有半徑R1，並且第一通道具有小於2 的標稱直徑。在某些情況下，通過將第一球透鏡從光源室推入第一通道中來定位該第一球透鏡。第一通道環繞第一球透鏡變形，以固定該第一球透鏡，並且在光源室與傳感器端頭的外部之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封。形成檢測器窗口包括形成延伸穿過第二壁部的第二通道，和將第二球透鏡定位在第二通道中。該第二球透鏡具有半徑R2,並且第二通道具有小於2R2的標稱直徑。在某些情況下，通過將第二球透鏡從檢測器室推入第二通道中來定位該第二球透鏡。這使第二通道環繞第二球透鏡變形，以固定第二球透鏡並且在檢測器室與傳感器端頭的外部之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封。該方法還包括將紫外(UV)光源定位在光源室中，和將UV檢測器定位在檢測器室中。UV光源發射穿過光源窗口的第一 UV波長，以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本，而UV檢測器檢測來自分析區域的、穿過檢測器窗口的具有第二 UV波長的螢光發射。本發明的實施例可以提供以下特徵和/或優點中的一個或多個。一些實施例例如通過併入用於與激發光束方向成一角度(例如，60度-120度)地測量螢光信號的有效微型光學裝置構造，來提供具有改進靈敏度的螢光測定計傳感器端頭。在一些實施例中，微型光學裝置部件被布置成使測量螢光信號的分析區域更靠近聚焦球透鏡。更短的距離可以大大地增加傳感器端頭的效率和/或靈敏度。在一些實施例中，分析距離可以按5-10倍短於之前的設計。在一些實施例中，該分析距離可以為大約2_。
這些和各個其它特徵以及優點通過閱讀下列詳細描述而將顯而易見。


下列圖例示了本發明的特定實施例，並由此不對本發明的範圍進行限制。附圖不按比例(除非規定外)，並且旨在用於與下面詳細描述中的說明相結合。下面，結合附圖，對本發明的實施例進行描述，其中，相同數字指示相同部件。圖I是根據本發明一些實施例的手持式螢光測定計的立體圖。圖2是根據本發明一些實施例的激發和發射光譜強度的標繪圖。圖3是根據本發明一些實施例的手持式螢光測定計的分解圖。圖4是根據本發明一些實施例的控制器板的示意圖。圖5A是根據本發明一些實施例的光源板的立體圖。圖5B是根據本發明一些實施例的光源板的一部分的截面圖。圖5C是根據本發明一些實施例的光源板的一部分的截面圖。圖6A是根據本發明一些實施例的發射檢測器板的立體圖。圖6B是根據本發明一些實施例的發射檢測器板的一部分的截面圖。圖6C是示出根據本發明一些實施例的過濾器光譜透射的示例的標繪圖。圖6D是示出根據本發明一些實施例的、已過濾激發光譜與已過濾發射光譜之間的光譜分離的標繪圖。圖7A是根據本發明一些實施例的傳感器端頭的頂部立體圖。圖7B是圖7A的傳感器端頭的底部立體圖。圖7B是圖7A的傳感器端頭的立體截面圖。圖8是描繪根據本發明一些實施例的、用於確定水樣本中的物質的濃度的方法的流程圖。圖9A是根據本發明一些實施例的傳感器端頭的立體截面圖。圖9B是示出圖9A的傳感器端頭的截面圖。
10A-10C是根據本發明一些實施例的傳感器端頭的截面圖。圖11是例示根據本發明一些實施例的、製造傳感器端頭的方法的流程圖。圖12A-12C是根據本發明一些實施例的、例示定位球透鏡的傳感器端頭的截面圖。圖13A是根據本發明一些實施例的、傳感器端頭室和用於定位球透鏡的定位工具的截面圖。圖13B是根據本發明一些實施例的、傳感器端頭和用於定位球透鏡的定位工具的立體圖。·圖13C是根據本發明一些實施例的、圖13B的傳感器端頭和定位工具的截面圖。
具體實施例方式下面的詳細描述在性質上是示例性的，而非以任何方式對本發明的範圍、適用性或構造進行限制。相反，下面的描述提供了用於實現本發明的示例性實施例的一些實踐例示。針對選擇部件提供了結構、材料、尺度、以及製造工序的示例，並且所有其它部件採用了本領域普通技術人員所已知的。本領域技術人員將認識到，許多所提到的示例具有各種合適的另選例。本發明的實施例一般提供了一種具有浸入式傳感器端頭的手持式光學測量裝置和利用這種裝置的方法。在一些實施例中，該手持式光學測量裝置的組件按手持式構造有利地自包含，提供了一種針對各種用途的便利工具。在本發明的一些實施例中，提供了一種採用手持式螢光測定計形式的光學測量裝置。雖然在此參照螢光測定計(手持式或其它)，對本發明的一些實施例進行描述，但應當明白，本發明的多個方面可以按多種光學測量裝置(例如，濁度計、光吸收儀等)來具體實施，並且本發明不限於任何特定形式的裝置。圖I是根據本發明一些實施例的、採用手持式螢光測定計100的形式的光學測量裝置的立體圖。螢光測定計100通常包括連接至手持式控制器模塊104的浸入式傳感器端頭102。控制器模塊104還包括用於向用戶顯示傳感器讀數和計算的電子顯示器110，和採用小鍵盤112的形式的輸入接口，其允許用戶與螢光測定計100交互(例如，輸入變量、設置參數、訪問菜單項等)。根據一些實施例,控制器模塊104具有通常為長條狀的外殼106,該外殼106提供與手柄或杆類似的、用於容易用手抓住或握持螢光測定計100的便利形式。傳感器端頭102優選地包括水密外殼，使得其能夠在部分或全部浸入關注的液態樣本中時進行測量和其它功能。因此，在某些情況下，傳感器端頭102具有與浸入式探頭相似的某些特徵和/或特性。例如，在本發明的一些實施例中，浸入式傳感器端頭102具有與在共同受讓的美國專利No. 7550746和美國專利申請公報2009/0212236中描述的那些相似的一個或多個特徵和/或組件，其每一個的全部內容通過引用併入於此。浸入式傳感器端頭102的構造還可以按某些方式與螢光測定計和定位傳感器和在包含關注的樣本的光學單元外部的其它組件的其它光學儀器進行對比。在某些情況下，傳感器端頭102與顯示器110相對地連接至(例如，接合至或者集成至)控制器外殼106的底表面108，並且接近控制器外殼的遠端部120定位。按一種典型方式，用戶可以在控制器外殼的近端部122附近抓住控制器外殼106，以從樣本進行測量、閱讀顯示器110、和/或操縱小鍵盤112。例如，用戶可以通過將控制器模塊104保持在液態樣本(例如，現場的儲蓄器/容器、實驗室的燒杯等中的液態樣本)表面上方並且使傳感器端頭102部分或完全浸入樣本中，而將傳感器端頭102浸入到樣本中。在一些實施例中,用戶可以抓住控制器模塊104的第二端部，同時繞浸入式傳感器端頭102固定充滿樣本的樣本杯。當然，控制器模塊和傳感器端頭的其它構造也是可以的，並且本發明不限於任何特定物理構造。一般來說，手持式螢光測定計100以最低限度測量來自包括關注的物質(例如，化學溶液、如殺菌或清潔產品)的樣本的螢光發射，計算樣本中的物質的濃度，以及向用戶顯示所確定的濃度。接著，用戶可以基於所確定的濃度可選地執行任何希望動作，舉例來說，如將更多物質加入工業系統，以便增加該物質的濃度。這樣，螢光測定計可以是人工反饋迴路的一部分。如果螢光測定計確定濃度小於或高於閾值濃度，則用戶將看到差異，並且可以通過分配更多或更少產品而適當地調節產品分配。另外，螢光測定計可以充任產品缺乏(out-of-product)警報的一部分。當產品耗盡時,突光(其反映產品的濃度)將降低至預定閾值水平之下。此時，傳感器可以向用戶警告分配器缺乏產品。該信號可以是可視或音頻信號、或者振動信號。因此，這種反饋將確保存在足夠的清潔劑、殺菌劑或其它成分，以實現希望效果(清潔度、減少微生物、潤滑等)。 螢光測定計的基本操作是公知的，並由此，為簡潔和清楚起見，在這裡省略了各種細節。一般來說，螢光測定計100基於物質的螢光特性來計算液態樣本中的特定物質的濃度。如在此更詳細描述的，螢光測定計100包括在選定波長範圍內發射光的光源。當傳感器端頭102被浸入液態樣本中時，光遇到關注的物質的顆粒，其激發物質的某些分子中的電子，並使它們發射處於另一波長範圍的、具有更低能量的光(即，「螢光」)。傳感器端頭102包括光學傳感器，如光檢測器，其檢測螢光發射，並且生成指示螢光發射的強度的對應電信號。螢光測定計100包括與光學傳感器耦接的控制器，接著，其可以基於螢光發射的強度與物質的濃度之間的已知關係來計算該物質的濃度。對於涉及螢光測定計的本發明的實施例來說，設想了該一般處理的許多變型例和特定細節。例如，關注的物質可以是具有螢光特性的任何希望化學溶液。示例包括但不限於，諸如殺蟲劑和殺菌產品的生物殺滅劑、防腐、防垢以及防汙產品、消毒劑、以及其它清潔產品、洗滌劑、添加劑等。為方便起見，在此，將這些和其它這種物質另選地簡稱為「產品」、「化學溶液」，和/或「處理溶液」。另外，儘管在此呈現了涉及確定在各種工業系統(例如，冷卻塔)中使用的冷卻水樣本(例如，水樣本)內的水處理溶液的濃度的示例，但應當清楚，手持式螢光測定計100可以在確定在用於處理水和其它液體的許多設置中所使用的產品的濃度方面有用。僅僅作為幾個示例，手持式螢光測定計100可以用於確定洗衣、自動餐具洗滌、人工餐具洗滌、第三代散熱器應用、功率耗散器、車輛護理、就地清潔操作、健康護理應用、硬表面應用等中的一種或多種物質的濃度。因為製造許多產品的化合物中許多都有螢光特性，所以這些產品在存在從傳感器端頭102輻射的光時發螢光。例如，具有苯成分的化合物或分子可以併入一種或更多種取代基供電子基團(如-OH、-NH2以及-OCH3),和展示螢光特性的多環化合物。在上述應用中使用的許多化合物包括像這些的化學結構，如表面活性劑、潤滑劑、抗菌劑、溶劑、水溶物、抗再沉積劑、染料、防腐劑以及漂白添加劑。這些化合物可以併入這樣的產品，像餐具洗滌齊U、漂洗助劑、洗衣劑、就地清潔清潔劑、抗菌劑、地板塗料、肉類、家禽以及海鮮屍體處理、殺蟲劑、車輛護理成分、水護理成分、遊泳池和水療中心(spa)成分、無菌包裝成分、洗瓶成分等。這些化合物和對應應用中的一些的示例可以在美國專利No. 7550746中找到，其全部內容通過引用併入於此。另外，或者另選的是，螢光示蹤劑(在此還稱為「螢光標記」)可以被併入可能已經自然地包括或者尚未自然地包括突光化合物的產品。示蹤劑的一些非限制例包括萘二橫酸鹽(naphthalene disulfonate) (NDSA)、2_ 萘橫酸(2-naphthalenesulfonic acid)、酸性黃 7，1，3，6，8-花四橫酸鈉鹽(Acid Yellow 7, I, 3, 6, 8-pyrenetetrasulfonic acidsodium salt),以及突光素。在一些實施例中，將突光不蹤劑按已知比例加入產品，這樣，一旦確定了該示蹤劑的濃度，就使得可以估算該產品的濃度。例如，在某些情況下，螢光示蹤劑的濃度可以通過比較當前螢光信號與來自在校準過程期間測量的已知示蹤劑濃度的螢光信號來確定。接著，可以根據螢光示蹤劑的已知標稱比例和螢光示蹤劑的測量濃度來估算化學產品的濃度。在某些情況下，液態樣本中一產品的當前濃度C。通過下式來確定
Cc = CmX (C0/Cf)，其中，Cm = KmX (Sx-Z0)，並且其中，Cm是當前螢光標記濃度，Km是斜率修正係數，Sx是當前螢光測量值，Z0是零點偏移，C0是廣品的標稱濃度，而Cf是突光不蹤劑的標稱濃度。參照圖2，示出了根據本發明一些實施例的激發光譜強度202和發射光譜強度204的標繪圖200。在這個示例中，具有採用紫外(UV)發光二極體(LED)的形式的光源的螢光測定計將在大約280nm至大約310nm範圍內的激發光發射到具有添加了螢光示蹤劑NDSA的產品的冷卻塔水樣本中。所添加的NDSA吸收這種UV輻射，並且產生從大約310nm至大約400nm範圍的螢光。螢光測定計的發射檢測器檢測這種發射的輻射，並且螢光測定計確定NDSA示蹤劑的濃度，並且最終確定冷卻塔水樣本內該產品的濃度。圖3是與圖I所示的手持式螢光測定計相似的手持式螢光測定計300的分解圖。螢光測定計300通常包括連接至控制器模塊部分303的浸入式傳感器端頭301。控制器模塊303包括外殼和該外殼內的幾個組件。該外殼由頂部部分302和底部部分304形成，並且控制器外殼的底部部分304在該底部部分的外部上限定底表面305。傳感器端頭301包括傳感器端頭外殼316,該傳感器端頭外殼被配置成固定地接合至控制器外殼的底表面305。在一些實施例中，傳感器端頭外殼316可以與控制器外殼的一個或多個部分整體地形成。在一些實施例中，控制器模塊303通常包括基於從傳感器端頭301接收到的信號來確定產品濃度所必需的那些組件。如圖3所示，控制器模塊303包括控制板306，該控制板經由顯示板線纜312與顯示板308耦接。顯示板308包括向用戶顯示信息的電子顯示器309 (例如，IXD屏)。控制器模塊303還包括採用薄膜鍵盤覆蓋310的形式的輸入接口，其允許用戶輸入供控制器模塊303使用的各種信息。控制器模塊303還包括可攜式電源(例如，電池)314，以向螢光測定計300內的電路供電。在一些實施例中，浸入式傳感器端頭301具有與在共同受讓的美國專利No. 7550746和美國專利申請公報2009/0212236中描述的那些相似的一個或多個特徵和/或組件，其中每一個的全部內容通過引用併入於此。返回參照圖3，在一些實施例中，傳感器端頭301包括容納光源板320和發射檢測器板322的外殼316。第一 O形環318在傳感器端頭外殼316與控制器外殼的底部部分304之間提供密封。光源板320和發射檢測器板322上的組件被基本上包圍每一個板的黃銅管326屏蔽。每一個管326都包括處於該管的遠端部的切口，並且傳感器端頭外殼316包括延伸貫穿外殼的窗口 330。這些切口和窗口330允許位於光源板320上的光源(例如，LED)和位於發射檢測器板322上的發射檢測器(例如，光檢測器)與傳感器端頭外殼316外側的分析區域連通。電纜324將光源板320和發射檢測器板322耦接至控制板306，其允許板306上的控制器控制光源和接收從發射檢測器返回的信號。在一些實施例中，傳感器端頭301還包括能夠測量水樣本的溫度的一個或多個溫度傳感器。例如，光源板320和/或發射檢測器板322可以包括延伸到傳感器端頭外殼316中的一個或多個溫度傳感器。位於傳感器外殼316的遠端面中的蓋子332連同附加O形環334 —起提供環繞溫度傳感器的密封。圖4是根據本發明一些實施例的、用於手持式螢光測定計的控制器板400的示意圖。控制器板400可以包括在印刷電路板401上定位(例如，焊接)並耦接在一起(連接未示出)的多個離散組件。圖4呈現了一個示例性控制板400的基本組件的簡化示意圖，並且本領域技術人員應當清楚，這些組件之間的各種連接和/或有關組件的細節可以改變。控制板400包括控制器402，其基於來自發射檢測器的強度信號來計算水樣本內的產品的濃度。 控制器402可以提供各種其它功能，包括而不限於，執行校準例程，接受並執行在輸入接口處輸入的指令，和/或格式化數據，以供在螢光測定計的顯示器上觀看。控制器402可以按任何合適形式被實現如軟體驅動微處理器、微控制器或現場可編程門陣列、或者諸如專用集成電路等的固定硬體設計。另外，控制器402可以具有板上存儲器，或者控制板可以具有存儲用於由控制器402執行的指令的存儲器(未示出)。控制板還包括具有連接器410的電力電纜，其用於將板400連接至諸如圖3所示的電池314的電源。板400還包括控制器電源412、模擬電源414、以及用於向傳感器端頭中的光源供電的光源電源416。在一些實施例中，控制板400包括實時時鐘電池418,鎖相放大器420，基準光電二極體放大器422，以及用於顯示板424、光源板404、以及發射檢測器板406的連接器。在某些情況下，控制板400還可以具有發聲器426、USB或其它類型的數據連接器428、用於與其它計算裝置通信的無線部件430、以及可選的模擬輸出部432和邏輯輸出部434。圖5A是根據本發明一些實施例的光源板500的立體圖。板500 (在圖3中還示出為320)通常包括印刷電路板502，該印刷電路板502具有光源504和基準光電二極體506，連同前置放大器508和用於耦接板500與控制板的連接器510。圖5B是示出一個實施例的截面圖，其中，光源504和基準光電二極體506處於由固定在印刷板502上的過濾器保持器514所形成的光學腔516內部。來自光源504的光的一小部分到達基準光電二極體506，提供基準信號以補償光源輸出強度隨著時間和隨著溫度變化的變化。在某些情況下，該基準信號由從激發過濾器512的反射和腔516內部的散射光生成。在某些情況下，該基準信號是穩定的並且與光源504的總輸出成比例。在一些實施例中，基準光電二極體506因光學腔516中的光的自然衰減而在不需要光學衰減器或分束器的情況下工作。激發過濾器512通過過濾器保持器514被定位在光源504上方，以在來自光源504的光離開浸入式傳感器端頭之前對其進行過濾。光源504可以包括各種可能部件。例如，光源504可以是氣體放電燈、汞燈、汞燈、氘燈、金屬蒸氣燈、發光二極體(LED)或多個LED。另外，光源504可以按根據選定部件和希望光譜的多個可能光譜來發射激發輻射。在一些實施例中，光源是紫外LED，其能夠發射具有從大約280nm至大約310nm的波長的光。圖5C示出了光學腔516的另一實施例。激發過濾器512被直接固定在UV LED 504的頂部上。蓋子520創建環繞UV LED和基準光電二極體506的光學腔516。蓋子520具有出口開口 530，以耦接UV LED與激發窗口(例如，如圖3上所示的一個窗口 330)。在某些情況下，由UVLED發射的UV光的主要部分從UV LED 504起行進通過出口開口 530直至激發窗口。在某些情況下，UV光的較小部分在光學腔516內部被反射並散射，以提供與UV LED強度成比例的穩定基準信號。在一些實施例中，蓋子520和/或過濾器保持器518由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)製成，以改進散射信號的強度和基準信號的長期穩定性。在一些實施例中，蓋子520可以具有帶金屬化反射層的拋光內表面，和/或過濾器保持器518具有帶金屬化反射層的拋光外表面以改進反射信號的強度和基準信號的穩定性。圖6A和6B示出了根據本發明一些實施例的發射檢測器板600。圖6A是發射檢測 器板600的立體圖。檢測器板600通常包括許多組件，包括位於印刷電路板602上的發射檢測器604。在本發明的一些實施例中，發射檢測器604包括UV敏感光電二極體。例如，檢測器604可以基於它從傳感器端頭外側的分析區域檢測到的從大約310nm至大約400nm的光來生成強度信號。檢測器板600還包括前置放大器606和溫度傳感器608。環繞發射檢測器604定位的發射過濾器保持器610支承一個或多個過濾器，用於篩選(screen)輻射能量並按希望波長將其傳遞至檢測器604。在圖6B所示實施例中，過濾器包括幹涉過濾器612和UG-Il玻璃過濾器614。在一些實施例中，還將附加聚酯膜過濾器616定位在發射檢測器604的前面。在某些情況下，聚酯膜過濾器616具有大約O. 5+/-0.2_的厚度。在某些情況下，光學設計可以提供增加的光學效率(例如，利用球透鏡、高發散光束等)，但也可能在具有針對準直光束的高效率和高排除值的幹涉過濾器的性能方面折衷。併入這種聚酯膜在某些情況下可以最小化雜散光程度，以允許以和100個比濁法濁度單位(NTU) —樣高的濁度來測量樣本中的NDSA螢光。圖6C是示出根據本發明一些實施例的、激發過濾器512的光譜透射650、幹涉過濾器612的光譜透射652、UG-11玻璃過濾器614的光譜透射654以及聚酯膜過濾器616的光譜透射656的示例的標繪圖。在一些實施例中，過濾器的這種組合在來自UV LED的激發光譜與來自樣本內的螢光示蹤劑的發射光譜之間提供了有效的光譜分離。圖6D是示出利用激發過濾器512、幹涉過濾器612、UG-Il玻璃過濾器614以及聚酯膜過濾器616的經過濾的激發光譜660與經過濾的發射光譜662之間的光譜分離的標繪圖。圖7A-7C呈現了根據本發明一些實施例的、可以接合至諸如先前討論的那些的手持式螢光測定計的控制器模塊的離散浸入式傳感器端頭700的各種視圖。圖7A是傳感器端頭700的頂部立體圖，圖7B是傳感器端頭700的底部立體圖，而圖7C是傳感器端頭700的立體截面圖。傳感器端頭700可以由塑料製成，並且可以被模製和/或軋制以實現希望形狀和特徵。一般來說，傳感器端頭700包括外殼702，該外殼702包括第一垂直腔或室712，其被配置成接納光源電路板(例如，圖3的光源板320或圖5的光源板500)。在某些情況下，光源室712以筒狀構造形成，其可以向圖3所示的筒狀黃銅屏蔽326提供滑動配合。在一些實施例中，光源室712具有包括沿室712的一個橫側的平坦壁部726的局部柱狀構造。返回至圖7A-7C，傳感器端頭外殼702包括第二垂直腔或室714，與光源室712相似，其用於接納發射檢測器電路板(例如，圖3的發射檢測器板322或圖6的發射檢測器板600)。在某些情況下，光源室712和發射檢測器室714可以關於傳感器端頭700的縱軸對稱地形成和定位，儘管在所有實施例中不需要這樣。傳感器端頭外殼702還包括處於外殼702的外表面中的角狀切口 752。在一些實施例中，切口 752的角大約為90度，儘管應當明白，本發明針對該切口不限於特定角。切口752通過第一壁部754在傳感器端頭700的縱軸處與第二壁部756相交而限定。第一壁部754限定光源窗口 720，其提供貫穿第一壁部754的、用於由光源發射的激發能量的路徑。第二壁部756類似地限定發射檢測器窗口 722，其提供貫穿第二壁部756的、使螢光發射到達位於傳感器端頭外殼702內的發射檢測器的路徑。在一些實施例中，光源窗口 720和/或發射檢測器窗口 722包括延伸穿過傳感器端頭外殼702的通道。在一些實施例中，窗口 720、722還包括透鏡、稜鏡、或者對於光源輻射和/或螢光發射來說光學透明的其它材料。例如，在一些實施例中，將玻璃或藍寶石球透鏡定位在每個通道內。還可以使用本領域已知的其它合適材料。球透鏡提供光源/檢測器窗口，而且還提供用於引導光源/檢測器與傳感器 端頭700的外殼702外側的分析區域750之間的光的聚焦部件。在此，如圖所示，包括光源窗口 720和發射檢測器窗口 722的角狀切口 752針對控制器模塊取向，以使該角狀切口和窗口面向控制器模塊的遠端部。如在此進一步討論的，在一些實施例中，該角狀切口和窗口可以按不同方向取向。例如，在一些實施例中，該角狀切口和窗口面向控制器模塊的近端部。在一些實施例中，傳感器端頭700包括近端部704和遠端部706，在其間延伸傳感器端頭700的縱軸708和長度。如圖I和3所示，在一些實施例中，傳感器端頭700在傳感器端頭700的近端部704處或附近連接至控制器模塊外殼的底表面。在某些情況下，可以用緊固件將傳感器端頭700固定地接合至控制器外殼。該緊固件可以包括但不限於，螺絲釘、螺栓和/或插針，或者粘合劑或焊接(該圖中未示出)。在一些實施例中，傳感器端頭700用四個螺絲釘固定，其壓縮定位在傳感器端頭700與控制器模塊之間的凹槽710中的O形環。在一些實施例中，傳感器端頭外殼702可以與控制器模塊整體地形成，以使得在傳感器端頭的近端部704與控制器模塊的底表面之間存在無縫過渡。在一些實施例中，傳感器端頭700還包括緊固件的一部分或全部，其可去除地圍繞傳感器端頭700固定樣本杯。僅僅作為一個示例，該緊固件可以包括圍繞傳感器端頭外殼702定位的一個或多個插針740和樣本杯上的對應插槽。在一些實施例中，插針740和插槽形成卡口緊固件，其圍繞傳感器端頭固定樣本杯，並且還圍繞傳感器端頭700沿優選取向(例如，旋轉)對準樣本杯。也可以包括其它緊固件(例如，螺絲扣、對壓部件等)。在一些實施例中，傳感器端頭700還可以包括孔730，其用於插入一個或多個溫度傳感器蓋，如圖3所描繪的那些。返回至圖7A-7C，孔730可以帶螺紋或以其它方式配置成接納並固定溫度傳感器。溫度傳感器(圖7A-7C中未示出)適於感測水樣本的當前溫度並生成對應信號，該信號可以被用於基於例如因可接受範圍之外的溫度而造成的誤差來修正濃度計算。另外，傳感器端頭700優選為浸入式傳感器端頭，意指其在進行螢光發射測量時被部分地或全部浸入水樣本的表面之下。因此，傳感器端頭外殼702、針對控制器外殼的連接、以及外殼702中的任何窗口或其它潛在空間在浸入之前被有效密封。例如，在某些情況下，外殼702包括處於傳感器端頭的近端部704處的第一 O形環凹槽710，和環繞溫度傳感器孔730的第二 O形環凹槽732。在包括樣本杯的一些實施例中，還可以在傳感器端頭700的近端部704附近，圍繞傳感器端頭700的圓周形成第三O形環凹槽742，以便在樣本杯與傳感器端頭700之間提供基本上不滲透的密封。另外，光源窗口 720和發射檢測器窗口 722還可以利用O形環等密封。在一些實施例中，光源窗口 720和發射檢測器窗口 722因窗口通道與放置在通道內的球透鏡之間的壓配合而密封。圖8是描繪根據本發明一些實施例的、確定水樣本中的產品的濃度的方法的流程圖。一般來說，螢光測定計測量該產品中的活性分子的螢光發射，其與水樣本中該產品的實際濃度成比例。在提供具有控制器模塊和連接至該控制器模塊的傳感器端頭的手持式螢光測定計(802)之後，提供包含關注的產品的水樣本。將傳感器端頭浸入水樣本中(804)並且該水樣本佔據傳感器的分析區域。接下來，通過傳感器端頭中的光源生成具有第一 UV波長的紫外(UV)激發光，並將其引導到水樣本和分析區域中(806)。接著，傳感器端頭檢測並測量樣本的第二 UV波長的螢光發射(808)。傳感器端頭包括控制器(例如，圖4中的402)，其基於所測量的螢光發射來計算樣本中產品的濃度(810)。第一波長可以處於280nm-310nm 的範圍中。第二 UV波長可以處於310nm-400nm的範圍中。傳感器還可以測量樣本的第一波長的基準螢光發射。該傳感器還可以測量具有零濃度化學品的零溶液的螢光發射。在該情況下，樣本中化學品的濃度可以基於包含該化學品的樣本的所測量螢光發射與零溶液的所測量螢光發射中的計算差來計算。樣本的濃度還可以基於針對校準樣本中產品的已知濃度所確定的校準常數來計算。作為一示例，在某些情況下，樣本濃度可以基於來自兩個UV檢測器的信號來評估。基準檢測器測量由光源生成的UV激發的強度，而螢光發射檢測器測量由產品發射的螢光發射的強度。該計算使用下面的方程
f rS rO \
Γηηββ — Vr I E E
LUUDbJ
R 』MJ其中，Cc是樣本溶液中產品X (例如，表面活性劑、抗菌劑等)的當前實際濃度；Kx是校準係數；是來自發射檢測器的、針對該樣本溶液的輸出信號；是來自基準檢測器的、針對該樣本溶液的輸出信號；/:是來自發射檢測器的、針對零溶液(S卩，具有零濃度產品的溶液)的輸出信號；而g是來自基準檢測器的、針對零溶液的輸出信號。
I ( j CALIBR、 Kx = Ccalibr ' _
I KJ R! K J其中，Ccaubk是校準溶液中產品的濃度；是來自發射檢測器的、針對校準溶液的輸出信號；而
JtL
I ^是來自基準檢測器的、針對校準溶液的輸出信號。在一些實施例中，螢光輸出信號是產品濃度的非線性函數。例如，樣本溶液中產品X的線性化的當前濃度Q可以利用下列的方程來計算Cl = A · R · (1+B · R+C · R2+D · R3)其中，A、B、C以及D是可以在校準期間發現的線性係數，而
權利要求
1.一種螢光測定傳感器，該螢光測定傳感器包括 浸入式傳感器端頭，該浸入式傳感器端頭包括 外売，該外殼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，該光源室包括紫外(UV)光源，該紫外光源發射第一 UV波長，以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本； 光源窗ロ，該光源窗ロ位於第一壁部中，將來自光源室的第一 UV波長透射到分析區域中，該光源窗ロ包括延伸穿過第一壁部的第一通道和位於該第一通道中的第一球透鏡，該第一球透鏡具有半徑R1,並且第一通道具有小於2も的標稱直徑，以使得第一通道環繞第一球透鏡變形，將第一球透鏡固定在第一通道內，並且在光源室與分析區域之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封； 檢測器室，該檢測器室包括UV檢測器，該UV檢測器檢測來自分析區域的具有第二 UV波長的突光發射；以及 檢測器窗ロ，該檢測器窗ロ位於第二壁部中，將來自分析區域的第二 UV波長透射到檢測器室中，該檢測器窗ロ包括延伸穿過第二壁部的第二通道和位於該第二通道中的第二球透鏡，該第二球透鏡具有半徑R2,而第二通道具有小於2R2的標稱直徑，以使第二通道環繞第二球透鏡變形，將第二球透鏡固定在第二通道內，並且在檢測器室與分析區域之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封；和 控制器，該控制器耦接至UV檢測器，並且適於基於所檢測的螢光發射來計算分析區域內的水樣本中的化學物質的濃度。
2.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，第一通道的軸與第二通道的軸以從大約60度至大約120度的第一角度在分析區域中的一交點處相交。
3.根據權利要求2所述的突光測定傳感器,其中,第一通道的軸垂直於第一外表面,而第二通道的軸垂直於第二外表面。
4.根據權利要求2所述的螢光測定傳感器，其中，第一角度為大約90度。
5.根據權利要求2所述的螢光測定傳感器，其中，從該交點至第一外表面的第一距離為大約R1至大約3も，從該交點至第二外表面的第二距離為大約R2至大約3R2，從第一球透鏡的中心至該交點的第三距離為大約I. 2R:至大約3. 2も，而從第二球透鏡的中心至該交點的第四距離為大約I. 2R2至大約3. 2R2。
6.根據權利要求2所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡和第二球透鏡中的每ー個距該交點都小於大約2mm。
7.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，R1等於R2，並且R1和R2為大約Imm至大約4mm。
8.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，第一通道的標稱直徑為大約I.75 至大約I. 95も，而第二通道的標稱直徑為大約I. 75R2至大約I. 95R2。
9.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡從第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面與第一球透鏡相交，並且第二球透鏡從第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面與第二球透鏡相交。
10.根據權利要求9所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡與第二球透鏡接觸。
11.根據權利要求9所述的螢光測定傳感器，其中，第一壁部包括與第一球透鏡的外表面相切的平坦的第一內表面，而第二壁部包括與第二球透鏡的外表面相切的平坦的第二內表面。
12.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，第一壁部和第二壁部包括彈性材料，而第一球透鏡和第二球透鏡包括玻璃或藍寶石。
13.一種螢光測定傳感器，該螢光測定傳感器包括 浸入式傳感器端頭，該浸入式傳感器端頭包括 塑料外殼，該塑料外殼包括該外殼的側表面中的切ロ，該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，該光源室包括紫外(UV)光源，該紫外光源發射第一 UV波長，以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本； 光源窗ロ，該光源窗ロ位於第一壁部中，將來自光源室的第一 UV波長透射到分析區域中，該光源窗ロ包括延伸穿過第一壁部的、與第一外表面垂直的第一通道，和位於該第一通道中的第一球透鏡，該第一球透鏡具有半徑R1，而第一通道具有小於2Ri的標稱直徑，以使第一通道環繞第一球透鏡變形，將第一球透鏡固定在第一通道內，並且在光源室與分析區域之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封； 檢測器室，該檢測器室包括UV檢測器，該UV檢測器檢測來自分析區域的具有第二 UV波長的突光發射；以及 檢測器窗ロ，該檢測器窗ロ位於第二壁部中，將來自分析區域的第二 UV波長透射到檢測器室中，該檢測器窗ロ包括延伸穿過第二壁部的、與第二外表面垂直的第二通道，和位於該第二通道中的第二球透鏡，該第二球透鏡具有半徑R2,並且第二通道具有小於2R2的標稱直徑，以使第二通道環繞第二球透鏡變形，將第二球透鏡固定在第二通道內，並且在檢測器室與分析區域之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封；和 控制器，該控制器耦接至UV檢測器，並且適於基於所檢測的螢光發射來計算分析區域內的水樣本中的化學物質的濃度；其中， 該第一角度為大約60度至大約120度， 第一通道的軸和第二通道的軸在分析區域中的一交點處相交， 從該交點至第一外表面的第一距離為大約R1至大約3も， 從該交點至第二外表面的第二距離為大約R2至大約3R2， 從第一球透鏡的中心至該交點的第三距離為大約I. 2R:至大約3. 2も，而 從第二球透鏡的中心至該交點的第四距離為大約I. 2R2至大約3. 2R2。
14.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，第一角度為大約90度。
15.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡和第二球透鏡中的每一個距該交點小於大約2mm。
16.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，R1等於R2,並且R1和R2為大約Imm至大約4mm。
17.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，第一通道的標稱直徑為大約I.75 至大約I. 95 ，而第二通道的標稱直徑為大約I. 75R2至大約I. 95R2。
18.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡從第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面與第一球透鏡相交，並且第二球透鏡從第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面與第二球透鏡相交。
19.根據權利要求18所述的螢光測定傳感器，其中，第一球透鏡與第二球透鏡相接觸。
20.根據權利要求18所述的螢光測定傳感器，其中，第一壁部包括與第一球透鏡的外表面相切的平坦的第一內表面，而第二壁部包括與第二球透鏡的外表面相切的平坦的第二內表面。
21.根據權利要求13所述的螢光測定傳感器，其中，第一壁部和第二壁部包括彈性塑料，而第一球透鏡和第二球透鏡包括玻璃或藍寶石。
22.一種用於製造浸入式螢光測定傳感器端頭的方法，該方法包括以下步驟 提供塑料エ件； 在該エ件中形成光源室； 在該エ件中形成檢測器室； 在該エ件的側表面中形成切ロ，該切口和光源室限定具有第一外平坦表面的第一壁部，該切口和檢測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； 在該第一壁部中形成光源窗ロ，包括形成延伸穿過第一壁部的第一通道並且在該第一通道中定位第一球透鏡，該第一球透鏡具有半徑R1，並且第一通道具有小於2も的標稱直徑，該定位包括將第一球透鏡從光源室推入第一通道中並使第一通道環繞第一球透鏡變形，以固定第一球透鏡，並且在光源室與傳感器端頭的外部之間生成環繞第一球透鏡的連續不滲透密封； 在該第二壁部中形成檢測器窗ロ，包括形成延伸穿過第二壁部的第二通道並且在該第二通道中定位第二球透鏡，該第二球透鏡具有半徑R2,而第二通道具有小於2R2的標稱直徑，該定位包括將第二球透鏡從檢測器室推入第二通道中並使第二通道環繞第二球透鏡變形，以固定第二球透鏡，並且在檢測器室與傳感器端頭的外部之間生成環繞第二球透鏡的連續不滲透密封； 將紫外(UV)光源定位在光源室中，該紫外光源發射穿過光源窗ロ的第一 UV波長，以激發接近傳感器端頭的分析區域內的水樣本；以及 將UV檢測器定位在檢測器室中，該UV檢測器檢測來自分析區域的、穿過檢測器窗ロ的具有第二 UV波長的螢光發射。
23.根據權利要求22所述的方法，所述方法還包括將第一球透鏡推入第一通道中，使得第一球透鏡從第一通道部分地突出，以使第一外表面的平面與第一球透鏡相交，並且還包括將第二球透鏡推入第二通道中，使得第二球透鏡從第二通道部分地突出，以使第二外表面的平面與第二球透鏡相交。
24.根據權利要求22所述的方法，所述方法還包括將第一球透鏡推入第一通道中，使得第一壁部的平坦的第一內表面與第一球透鏡的外表面相切，並且還包括將第二球透鏡推入第二通道中，使得第二壁部的平坦的第二內表面與第二球透鏡的外表面相切。
25.根據權利要求22所述的方法，其中，該第一角度為大約60度至大約120度。
26.根據權利要求22所述的方法，其中，第一通道的軸垂直於第一外表面，而第二通道的軸垂直於第二外表面。
27.根據權利要求22所述的方法，其中，R1等於R2,並且R1和R2為大約1_至大約4_。
28.根據權利要求22所述的方法，其中，第一通道的直徑為大約I.75も至大約I. 95札，而第二通道的直徑在大約I. 75R2至大約I. 95R2之間。
29.根據權利要求22所述的方法，其中，第一球透鏡與第二球透鏡相接觸。
30.根據權利要求22所述的方法，其中，第一壁部和第二壁部包括弾性材料，而第一球透鏡和第二球透鏡包括玻璃或藍寶石。
31.根據權利要求I所述的螢光測定傳感器，其中，光源室包含用於監測UV光源的強度的基準檢測器。
32.根據權利要求31所述的螢光測定傳感器，其中，UV光源和基準檢測器放置在光學腔內部，以使基準檢測器測量在光學腔內部反射和散射的UV光。
33.根據權利要求32所述的螢光測定傳感器，其中，該光學腔由過濾器保持器形成，並且將激發過濾器與UV光源和基準檢測器相對地固定在光學腔內部。
34.根據權利要求32所述的螢光測定傳感器，其中，該光學腔由用於UV光源和基準檢測器的蓋子形成，並且將激發過濾器在光學腔內部固定在UV光源上。
全文摘要
本發明實施例提供了一種光學傳感器端頭和製造光學傳感器端頭的方法。在某些情況下，該傳感器端頭可以被用作螢光測定傳感器，以測量關注的液態樣本內的物質的濃度。該傳感器端頭包括在傳感器端頭與分析區域之間透射光的光源窗口和檢測器窗口。在某些情況下，這些窗口包括位於通道內的球透鏡，以使該球透鏡與通道在傳感器端頭的內部與外部之間生成密封。
文檔編號G01N21/33GK102803935SQ201180014862
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月29日 優先權日2010年3月31日
發明者E·託克圖夫, W·M·克裡斯騰森, C·J·歐文, V·斯洛博登, A·斯柯達 申請人:埃科萊布美國股份有限公司