可更換探頭－開放式樣品池螢光計的製作方法
2023-06-07 16:22:26 2
專利名稱：可更換探頭－開放式樣品池螢光計的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及用於監測和/或控制天然或工業過程或系統的分析裝置和方法。更具體地，本發明涉及用於檢測來自天然或工業過程或系統的樣品所發射的螢光，使人們可以監測、並任選地控制該過程或系統的可更換探頭-開放式樣品池螢光計。
背景技術：
螢光計是一種分析裝置，其主要包括光源、選擇所需激發波長範圍的工具、樣品池、選擇所需發射波長範圍的工具、和檢測器。螢光分光光度計是一種特殊類型的螢光計，其中選擇激發和/或發射波長範圍的工具通過光柵進行。光柵的作用是將連續的光分散成其各個組分。螢光分光光度計可被進一步細分成掃描螢光分光光度計，其使用機械工具根據光柵相對於激發光源和/或發射光的位置對波長光譜進行掃描(這裡描述的是標準實驗室型號的螢光計)，或者是固定螢光分光光度計，其中光柵相對於發射光是固定的。然後使發射光(螢光)對準檢測器陣列。檢測器陣列可以是電荷耦合裝置(通常縮寫為「CCD」)，或者檢測器陣列可以是光電二極體。然後以合適的波長單位對檢測器進行校準。與此類似的商品裝置可以獲自Ocean Optics(獲自Drysdaleand Associates，Inc.，P.O.Box 44055，Cincinnati，OH 45244(513)831-9625)。這種類型的固定螢光分光光度計仍然需要合適的激發波長選擇裝置，其可以是光柵或濾光片。
在野外條件下最適合應用的螢光計不是光柵螢光分光光度計，而是基於濾光片的螢光計。基於濾光片的螢光計使用濾光片來排除所選波長範圍以外的光。通常，現有的和已知的基於濾光片的螢光計具有一個通道，該通道含有光學上適合的樣品池。
光源和任選的激發濾光片位於光學上適合的樣品池的一側，發射光檢測器和發射濾光片位於光學上適合的樣品池的另一側。任選地，可以存在有參比檢測器。由於螢光是各向同性的，螢光計被設置成在與光源成90°角處檢測從螢光團發射的任意螢光，以使任意幹擾激發光的匯集降至最低。
激發濾光片使得所選激發波長範圍的光通過濾光片進入到樣品池中。當進行離線成批檢測時，將樣品(例如來自天然或工業水系的水)放置並保持在光學上適合的樣品池中。當進行在線檢測時，水樣品可從光學上適合的樣品池中流過。光被水樣品中的螢光團吸收，螢光團反過來發射出與激發光波長相同或波長更長的螢光(下文稱為螢光信號)。對發射濾光片(其位於發射光檢測器和光學上適合的樣品池之間)進行選擇，使得僅有螢光團發射出的光(螢光團的螢光信號)通過濾光片到達發射光檢測器。
在工業水系或水文學中使用螢光團是普遍公知的。在工業水系中使用惰性螢光示蹤劑來確定水力損失是公知的。此外，使用螢光示蹤劑來控制向再循環或直流冷卻水系統中加入的添加劑或產品的用量也是公知的(參見美國專利第4,783,314號)。在該方法中，將螢光示蹤劑與一種或多種添加劑以已知的示蹤劑/添加劑比例結合在一起，然後將混合物加到冷卻系統的水中。然後使用螢光計來檢測冷卻水中螢光示蹤劑的存在和濃度，從而檢測添加劑量的存在和濃度。
人們總是不斷地需求新式的改良螢光計，以應用於檢測並控制工業生產用水這一具有挑戰性的領域。
發明內容
本發明的第一個方面是一種可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其包括外殼和與外殼連接的可更換的螢光探針探頭，所述的探針探頭包括界定(define)開放式樣品池、並含有探針光學裝置的探針探頭外殼，所述的探針光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，其中所述的激發光源對準螢光檢測器，使得可以對樣品進行螢光檢測。
本發明的第二個方面是一種對樣品中存在的螢光團進行螢光檢測的方法，該方法包括下列步驟a)提供螢光計，該螢光計包括外殼和與外殼連接的可更換的螢光探針探頭，所述的探針探頭包括界定開放式樣品池、並含有探針光學裝置的探針探頭外殼，所述的探針光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，其中所述的激發光源對準螢光檢測器，使得可以對樣品進行螢光檢測；b)提供一種或多種來自天然或工業過程液流的樣品；c)使用螢光計檢測樣品中螢光團的螢光信號；和d)操作控制器，使螢光計檢測到的螢光信號被控制器用來監測和/或控制自其取樣的天然或工業過程。
圖1是根據本發明製造的螢光計的可更換探針探頭的橫截面剖視圖。
圖2是根據本發明製造的螢光計的另一個可更換探針探頭的橫截面剖視圖。
圖3是根據本發明製造的螢光計的再一個可更換探針探頭的橫截面剖視圖。
圖4是根據本發明製造的螢光計的又一個可更換探針探頭的橫截面剖視圖。
圖5是根據本發明製造的可更換探針探頭螢光計的截面圖。
具體實施例方式
在本專利申請中，下列術語具有指定含義「螢光團」是一種分子，其在吸收能量為(hv)的光子時，這一能量導致電子從分子電子基態(S0)躍遷至電子激發態(S1或S2或S3)、並隨後馳豫至激發態S1的最低振動態，釋放出能量「E」(hv)低於所吸收能量(儘管波長更長)的光子。注意，這種關係可以用如下方程來描述E(吸收)＞E(螢光)。這種能量的釋放會導致分子的電子態返回基態(S0)。整個過程導致各向同性分布的螢光光子的發射。能夠被本發明的螢光計檢測到的螢光團必須能夠吸收波長為大約200nm至大約1200nm之間的激發光、並在較激發光更長的波長下發射。
「惰性」是指下列事實惰性螢光團幾乎不受冷卻水系統中任何其他化學性質或其他系統參數(如冶金組合物、微生物活性、殺生物劑濃度、熱交換或總熱量)的影響或者受其影響不明顯。為對「幾乎不受影響或影響不明顯」的含義進行量化，這一說法是指惰性螢光團的螢光信號變化在冷卻水系統通常遇到的條件下不超過10％。冷卻水系統通常遇到的條件是冷卻水系統領域普通專業技術人員公知的。
「各向同性」是指下列事實如果將一部分視為點光源，激發光對準該部分，則螢光向所有方向同等發射，事實上形成三維球體。
「nm」是指納米；其為10-9米。
本發明提供一種可更換探頭-開放式樣品池螢光計。這種可更換探頭-開放式樣品池螢光計包括一個或多個可以在同一臺螢光計上可更換使用的探針探頭。至少一個探針探頭包括光學裝置，其使得可以在與螢光計相連的檢測池(如開放或流動式樣品池構造的檢測池)中對樣品進行螢光檢測。通常，探針探頭光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，使激發光源對準螢光檢測器，例如直接排列成180°或排列成基本上近似180°對準檢測器。這可以有效地提供簡潔和簡單的設計，其根據來自其工業或天然液流的樣品的螢光測量結果，有效地對其進行檢測、監測和/或控制。應當認識到，本發明就激發光源和螢光檢測器考慮了一種偏離180°排列的裝置，下文對此進行詳述。
本發明的可更換探頭-開放式樣品池螢光計可以為傳統螢光計提供低成本的替換選擇。在一個實施方式中，本發明的螢光計提供成可以手持、並可呈任意適當形狀(例如圓柱管形)的手電筒型。就此而言，可以通過下列方法進行測量將本發明的螢光計的可更換探頭浸入生產用水樣品(例如用化學物質處理的冷卻水)中，使用螢光劑對螢光團進行檢測，按下按鈕，讀出產物水平，例如顯示屏上顯示的百萬分率(ppm)。
對於這種螢光計，設計重點在於經濟成本最低、且便於不熟練的操作者使用。圓柱管形具有許多合乎需要的功能特徵，其包括電池操作、數字讀數、兩點式校準、樣品溫度、濁度和光學表面汙垢的校正、與掌上電腦(Palm computer)或類似裝置通信下載儲存數據、獨特的自識別螢光計探針探頭、和類似特徵。本發明的螢光計可以用過程控制輸出裝置和連接頭製成，以控制化學品給料泵、數據記錄，和/或執行其他適合監測和/或控制活動的過程。例如，本發明的螢光計可以適合於在探頭需要清洗時向用戶報警。
本發明的一個重要方面是可更換的探針探頭。通常，探針探頭裝備著小型、整裝的螢光計，其具有內置的光學元件和電路，如類型識別、檢測器、光源、溫度測量和類似的元件或電路。探頭的構造使其很容易插入螢光計的外殼。無論何時，當需要具有不同光學元件的不同探針探頭解決取樣環境的變化(如測量來自不同螢光團的螢光)、探頭損壞和/或類似情況，這一點使得非常容易用另一個探針探頭來更換。將一個可更換探頭換成另一個探頭時，螢光計隨時可用，要求操作者進行的工作最少，或者實際上不要求操作者進行額外的工作。這一點是本發明一個非常實用的優勢，特別是當與安裝和使用兩個不同的螢光計所需要的工作量比較時。
在這點上，探針探頭實際上包含所有的電子和光學元件以進行螢光測量。例如，可以將適當的增益置入與探針探頭相連的電子結構中，由此使主機不用對增益設置進行調節。此外，可以通過在探針探頭內部具有電子元件使噪聲幹擾儘可能地小。激發光源(例如發光二極體(LED)光源)的構造中可以具有自己的串聯電阻器，使得主機無需對LED電流進行調節。
任選地，探針探頭還可包括熱敏電阻器。優選探針探頭包括熱敏電阻器，以便測量樣品的溫度以校正螢光強度。選擇不同的熱敏電阻器電阻(例如基於溫度25℃)，探針探頭可以有效地在無需更多成本或複雜過程的情況下進行自識別。換句話說，每個探針探頭可以包括具有特定於各個探針探頭的電阻的熱敏電阻器。當探頭插入螢光計外殼且熱敏電阻器電阻被分辨時，特定於探針探頭的光學和電子裝置即可被識別，由此使得可更換探頭-開放式樣品池螢光計可即時使用。
如上文所述，探針探頭具有為螢光計提供線性、狹長輪廓線的光學裝置。在這一方面，探針探頭的激發光源對準螢光檢測器。例如，激發光源和/或從其發出的光與螢光檢測器可以設置成以180°或其可接受的偏移度安置。這一點與傳統的單通道-樣品螢光計不同，如上文所述，傳統螢光計在與光源成90°角處對螢光團發射的螢光進行檢測。基於這些差異，本發明的可更換探頭-開放式樣品池螢光計可以提供若干優於傳統單通道-樣品螢光計的優勢，其包括設計簡潔簡單、靈敏度可選擇、對濁度和檢測窗汙垢的準確校正、以及下文所述的類似優勢。
本發明的螢光計使用特殊類型的濾光片，例如具有提高螢光檢測性能所必需的光學、機械和化學特性的薄膜濾光片。與石英、玻璃樣品池、比色杯或類似物相比，濾光片的物理特性也可以提高檢測靈敏度，前者可能導致不希望的光散射，使靈敏度和濃度量程降低。在這一方面，待測樣品與限定測量體積的濾光片直接接觸。因此，使用術語「open cell(開放式樣品池)」描述下列事實正是濾光片本身形成樣品池的外邊界，除外殼本身的外壁之外沒有其它涉及樣品池的結構。
濾光片要求用化學上呈惰性的材料或材料的組合製成，其提供有硬質表面，這樣，必要時可以對樣品池進行化學清洗和刷洗。對樣品側水界面和內側空氣界面的濾光片進行設計，可以優化濾光片的性能，以分析低水平的螢光團。
本發明的螢光計可以包括多種不同組件，其可以根據應用而製作成任何適當的構造。它的構造可以是孤立的裝置，或者與一個或多個其它進程組件連接，以便以任何已知、合適的方式用於監測和/或控制目的。可更換探頭-開放式樣品池螢光計可以適合於以任何合適的方式用於檢測目的，例如用於簡單取樣、在線檢測、進程內檢測和/或類似目的。
概括地說，螢光計包括與外殼連接的可更換的螢光探針探頭。螢光計探針探頭包括激發光源。激發源可以包括任何合適類型的光源，例如單色光源、多色光源和類似物。例如，激發光源可以包括LED光源、雷射光源和類似光源。LED光源可以發射不同波長的光，例如IRLED、UV LED、藍光LED和/或類似物。
激發光源生成激發光準直光束。激發光穿過探針探頭中的濾光片，進入構造為開放式樣品池的測量池，其由探針外殼和激發光濾光片的表面和發射光濾光片的表面界定。如上文所述，樣品與濾光片直接接觸。這使激發光投射到測量池中的樣品中，從而由於樣品中存在有一種或多種螢光團而產生螢光。然後發射出的螢光穿過其它濾光片，指向螢光檢測器以進行檢測。其它濾光片的作用也可以是有效地阻擋激發光通過螢光檢測器。這樣，即使激發光對準螢光檢測器，例如以180°光學設置對準螢光檢測器，樣品的螢光也能夠被精確、靈敏、準確地測量。如上文所述，這種光學設置與使用傳統90°光學設置的螢光計相比具有許多優勢。
如上文所述，由於樣品中存在有一個或多個螢光團，樣品可以發射螢光。關於能夠被本發明要求保護的螢光計檢測的螢光團的描述，必須注意到，為了可被本發明要求保護的螢光計檢測，螢光團必須能夠吸收從波長為大約200nm至大約1200nm的光，並在稍微長一些的波長下將其發射。優選地，螢光團吸收波長為大約350nm至大約800nm的光。螢光檢測器測量螢光的量與樣品中螢光團的濃度相關。在實施方式中，如本領域技術人員普遍理解，螢光檢測器測量的螢光強度可以換算成螢光團的濃度。
濾光片可以由任何合適的材料製成。通常，可以如下根據實施方式需要和提供濾光片的光學、機械和化學性質。關於光學性質，濾光片需要在通帶區域內對激發光(即UV LED)或發射的螢光具有很高的透射率。如上文所述，第一個濾光片實質上可以允許所有的激發光通過並進入樣品。然後，來自樣品的發射螢光可以通過第二個濾光片，同時始終有效地阻止激發光通過第二個濾光片並必然進入檢測器。因此，這便確保激發光對螢光測量的幹擾作用被有效消除，或者至少大為減少。如果濾光片的通帶是尖銳的深切面，則這種作用可以得以進一步增強。
如果使用第二個光源，濾光片的光學性質使得足量的第二種光通過兩個濾光片，其波長不用於激發光源發射的光。以這種方式，第二個光源可以用來對汙垢、濁度和/或類似的對螢光計檢測能力有不利影響的其它作用進行校正，下文將對這一點更詳細地說明。
關於機械性質，濾光片包括硬質裸露表面，其可以承受一般的應用，如清洗、刷洗、樣品中的磨粒和類似物。這一性質非常重要，原因在於下列事實根據本發明的實施方式，濾光片起到界定測量池的開放式樣品池構造的作用。在這一方面，樣品與濾光片直接接觸，因此必須能夠在正常的工藝條件下進行有效操作。濾光片實際上還是化學惰性的。這樣，濾光片不應當具備對諸如樣品、清洗溶液和類似物的反應性。由於用濾光片來界定測量池，有效地消除了傳統螢光計中由於玻璃樣品池造成的光散射。
濾光片還可以用來調節螢光檢測的靈敏度。在這一方面，可以改變濾光片之間的距離，從而有效地用來調節靈敏度。如果待測樣品需要不同的檢測靈敏度水平，這一點可能非常。例如，螢光團樣品的濃度越高，可能需要的靈敏度則越低，以提高檢測性能。在這一方面，可以減少濾光片之間的間隔，使待測樣品的體積減少，從而降低對其進行檢測的靈敏度。對於濃度較低的樣品，可以增加間隔以提高靈敏度。因此，本發明可以很容易地適合於根據應用情況來調節不同水平的靈敏度。這種對靈敏度的調節是傳統的90°光學設置所不能實現的。
優選地，濾光片包括層狀結構。通常，濾光片具有通過基板層(如玻璃基板)隔開的低通濾光片層和高通濾光片層。這種結構使得螢光發射光經由濾光片穿過到達檢測器，而激發光被其有效阻止通過。濾光片例如市售的BrightlineTM，購自Semrock，Incorporated，3625 BuffaloRoad，Suite 6，Rochester，NY 14624(585)594-7017。應當認識到，市售的濾光片材料可能需要根據應用情況對濾光片的光學、機械和化學性能進行修飾和定製。
可更換的探針探頭可以包括附加的其它可以進一步提高其檢測性能的合適組件。例如，探頭探針可以包括參比檢測器。這用於在螢光檢測過程中檢測部分激發光源。在這一方面，參比檢測器可以用來校正激發光發射中的偏差，該偏差由於諸如激發光源相關的電流變化、溫度變化、老化、裝置之間的差異性、生產公差(tolerance)和/或類似原因而造成。這一點可以多種合適的方式完成。例如，可以用與螢光檢測器相關的螢光測量值除以參比檢測器的檢測值，得到歸一化的螢光檢測值。實質上，這樣減去了上述激發光源相關的偏差作用。在一個實施方式中，參比檢測器和螢光檢測器包括相同類型的檢測器。這樣有效地減少了參比檢測器和螢光檢測器之間由於所用檢測器類的差別而造成的任何檢測差異性。應當認識到，參比檢測器也可以用來以任何合適的方式有效地消除第二個光源的任何差異性，例如通過類似於上文所述關於激發光源的方式。
此外，可更換探針探頭包括窗孔。窗孔可以由任何合適的材料製成，可以是以任何合適方式的大小和構造，其包括圓柱管形。在一個實施方式中，螢光發射光經由窗孔穿過到達檢測器。以這種方式，可以有效地使窗孔的大小和形狀將濁度對螢光計螢光檢測性能的影響降至最低。濁度可以造成可被檢測並因而幹擾螢光測量的光散射。窗孔的大小減小時，這應當將濁度造成的光散射作用降至最低。然而，窗孔大小不能太小，否則將會阻止發射出的螢光或其足夠多的部分穿過到達螢光檢測器。
在一個實施方式中，可更換探針探頭包括兩個光源激發光源和第二個不會誘發螢光的光源。第二個光源可以用來校正由於汙垢、濁度和/或類似情況對螢光測量的影響。激發光源用於直接進行螢光測量。該光源發射出光的準直光束進入樣品，由此基於樣品中螢光團的量而發射出螢光。然後螢光發射光經由濾光片到達螢光檢測器，在此如上文所述有效地阻止激發光到達螢光檢測器。
一經螢光檢測已經完成，關閉激發光源，打開第二個光源。第二個光源發射的光與激發光源發射的光波長不同，這樣便不會誘發螢光。在一個實施方式中，激發光源包括UV LED，第二個光源包括IR LED。第二個光源發射出的光經由濾光片和樣品進入螢光檢測器。優選地，第二束光的發射方向是沿著對應於激發光源發射的光經過的相同光路的路徑。在一個實施方式中，第一束和第二束光的發射沿著相同或基本相同的路徑通過。這樣使得第二束光在被檢測時提供對應於汙垢量、濁度和/或其它影響螢光測量的作用的準確指示。以這種方式，可以用任何合適的方式對螢光測量進行校正，以消除這些作用，由此提高螢光檢測性能。這些校正無法用傳統的90°光學裝置完成。
另外可選地，第一束和第二束光的發射可以偏離相同或基本相同的發射途徑。因此，第一束和第二束光的發射可以設置如下其足夠多的部分沿相同的途徑經過，使得可以有效地對汙垢、濁度和/或類似情況進行校正，儘管稍欠準確。應當認識到，可以用多種合適的不同方式設置第一個和第二個光源，其中一些在下文中得以詳細說明。
如上文所述，本發明的可更換探頭-開放式樣品池螢光計可以用多種合適的方式配置。如下文詳述，提供了若干可更換探針探頭的實施例對本發明進行說明。
實施例實施例1具有標準、平行光束構造的可更換探針探頭參考圖1，說明本發明的一個實施方式。可更換探針探頭10包括激發光源12和第二個光源14。激發光源12包括紫外光發光二極體16(UV LED)。激發光源12發射出對準反射元件20(例如分色鏡或類似物)的激發光準直光束18，如圖1所示。反射元件20可以反射激發光束18的主要部分，例如反射大約98％或更少。反射元件20還能透射激發光束的剩餘部分，例如透射大約2％或更多。激發光源12相關激發光的反射部分22以垂直於或基本垂直於第一個濾光片24的角度射向第一個濾光片24。激發光束26進入測量池28中，其中在開放式樣品池裝置中提供樣品30。激發光26的投射基於樣品30中螢光團的量引起螢光發射光32。螢光發射光32穿過第二個濾光片34，經由窗孔38進入螢光檢測器36，該窗孔具有開口40，其大小可接受至少相當大量螢光發射光32的準直光束。然後螢光檢測器36開始測量螢光量以實現監測和/或控制目的，該螢光量與樣品中一個或多個目標螢光團的濃度可以用任何合適方式相關聯。
為提高螢光檢測的檢測性能，可更換探針探頭包括經由反射元件20接收部分激發光18的參比檢測器42，如上文所述。參比檢測器42可以用來校正上述激發光發射的偏差。
可更換探針探頭10進一步包括用於對汙垢、濁度和/或類似情況進行校正的第二個光源14，如上文所述。第二個光源14包括IR LED光源。這樣產生射向反射元件20的準直光束46。相當大量的光束46通過反射元件20，沿著與被反射的激發光束22相同或基本相同的途徑，透射成光束48。在一個實施方式中，大約98％或更多的光束通過反射元件20透射，並進入測量池28。第二個光源14相關的剩餘部分光束50經由反射元件20反射進入參比檢測器42，以校正第二個光源發射類似於上文所述激發光源發射的偏差。
來自第二個光源14的透射光束48穿過樣品30，並進一步至少相當大量地沿著與螢光發射光32穿過第二個濾光片34的途徑相同或基本相同的途徑，穿過第二個濾光片34。然後與第二個光源相關的透射光量通過螢光檢測器36檢測。這種測量可以用於通過任何已知的方式校正上述由於汙垢、濁度和/或類似情況引起的螢光測量的變化。
實施例2具有直通光束構造的可更換探針探頭參考圖2，提供根據本發明的可更換探針探頭的另一個實施方式。可更換探針探頭60包括單個光源62，其包括UV LED光源。激發光源62發射的準直光束64通過第一個濾光片66進入其中放置樣品70的測量池68。這導致樣品中一定數量的螢光團發生螢光。螢光發射光72穿過第二個濾光片74，並進入螢光檢測器76用於檢測。螢光發射光72穿過窗孔78，使濁度對可檢測螢光的影響降至最低。窗孔78的大小使得全部或相當大部分的螢光發射光穿過其中，並進入檢測器。可更換探針探頭進一步包括參比檢測器80，其可以用來測量來自激發光源的一部分光。如上文所述，這可以用來消除激發光源的偏差。
實施例3具有倍角光束構造的可更換探針探頭參考圖3，提供可更換探針探頭的另一個實施方式。可更換探針探頭90包括激發光源92，其包括UV LED光源。它可用來對測量池193內樣品94的螢光進行測量，其方式與實施例2提供的方式類似。這樣，激發光源92發射準直光束96，其經由第一個濾光片98進入樣品94，這樣產生的螢光發射光100接下來穿過第二個濾光片102，經由窗孔106進入檢測器104。由於上文所述濾光片的光學性質，激發光96可以被有效地遮蔽，或者其相當大部分被阻止進入檢測器104。因此，螢光測量即使受激發光的影響，該影響也會被降至最小。探針探頭進一步包括檢測來自激發光源的一部分激發光的參比檢測器107。如上文所述，這也可以提高探針探頭的檢測性能。
此外，探針探頭90包括第二個光源108。第二個光源108包括生成準直光束110的IR LED。光110以偏離第一個濾光片垂直方向的角度通過第一個濾光片98。例如，角度偏離垂直方向或法線大約12°或更小。這樣，第二個光源的光110沿著足量地相當於激發光和螢光發射光通過途徑的途徑，通過樣品，通過第二個濾光片102，經由窗孔106進入檢測器104。然後檢測器對如上文所述用於校正的第二個光源的強度進行測量。這說明第二個光源的光並不是必須沿著與激發光和/或其發射光相同的途徑通過，以便有效地起到對汙垢、濁度和/或類似情況進行校正的作用。參比檢測器107可以用來測量來自光源108的一部分光，以消除光源108的偏差。
實施例4具有複合角光束構造的可更換探針探頭參考圖4，提供說明可更換探針探頭的另一個實施方式。概括地說，本實施例提供有關對可用來提高可更換探針探頭螢光檢測性能的一對光源進行安置的另一種變化形式。
可更換探針探頭120包括激發光源122，該激發光源包括UV LED光源。它用於對測量池126內樣品124的螢光進行測量。這樣，激發光源122發射準直光束128，其經由第一個濾光片130進入樣品124，這樣產生的螢光發射光131接下來穿過第二個濾光片132，經由窗孔136進入檢測器134。激發光128以偏離垂直方向(例如大約9°或更小)的角度通過第一個濾光片130。由於上文所述濾光片的光學性質，激發光128被有效地遮蔽，或者其至少相當大部分被阻止進入檢測器134。因此，螢光測量即使受激發光的影響，該影響也會被降至最小。
此外，探針探頭120包括第二個光源137。第二個光源137包括生成準直光束138的IR LED。光138以偏離第一個濾光片130垂直方向的角度(例如偏離大約9°或更小)通過第一個濾光片130。這樣，第二個光源的光138沿著足量地相當於螢光發射光通過途徑的途徑，通過樣品124，通過第二個濾光片132，經由窗孔136進入檢測器134。然後檢測器134可以對如上文所述用於校正的第二個光源的強度進行測量。這進一步說明，第二個光源的光並不是必須沿著與激發光和/或其發射光相同的途徑通過，以便有效地起到對汙垢、濁度和/或類似情況進行校正的作用。
探針探頭120進一步包括對來自激發光源的一部分激發光進行檢測的參比檢測器140。如上文所述，這也可以提高探針探頭的檢測性能。參比檢測器140可以用來測量來自光源137的一部分光，以消除光源137的偏差。
實施例5自識別的可更換探頭-開放式樣品池螢光計如上文所述，本發明的螢光計具有自識別特性，其使得螢光計在一個探頭與另一個探頭互換時可以即時使用。參考圖5，螢光計150包括外殼152和探針探頭154。外殼的電子元件(未顯示)可以用任何合適的方式配置，以便為螢光計150供電。在這一面，螢光計可用電池工作。另外可選地，螢光計可可以通過外接電源工作，該電源與螢光計(例如，通過外殼)電連接。外殼152可以包括監測螢光測量用的顯示屏156。螢光計的至少若干功能可以是自動的，如通過開關。例如，外殼152可以包括打開/關閉開關158和校正模式下用的校正開關160，如圖5所示。來自外殼152的電子元件的接線通向任何合適類型的電連接頭162。
可更換探針探頭154具有帶開口166的外殼164，該外殼界定測量池168，可以如上文所述對其中的樣品170進行螢光測量。探針外殼內含有探針探頭的光學和電子元件，其可以用例如上文所述的任何合適的方式進行配置。電子元件的接線(如檢測器、光源和類似元件的導線169)與探針探頭154的電連接頭172連接。這使得探針探頭154可以通過探針探頭154的電連接頭172和外殼152的電連接頭162的嚙合(mating)而插入到外殼152中。
一經探針探頭插入到外殼中，螢光計實際上即可備用。探針探頭包括熱敏電阻器(未顯示)。探針探頭的光學和電子裝置與各自具特定電阻的熱敏電阻器相連，如上文所述。這使得一個探針探頭與另一個探針探頭互換時，螢光計可以識別出正在使用的是何種類型的探針探頭，從而使其能夠即時使用。
應當認識到，可更換探頭-開放式樣品池螢光計的自識別特性可以通過任何合適的方式設置。例如，本發明的自識別特性包括與2003年4月29日授權的美國專利第6,556,027號公開的「智能(smart)」探針相同或相似的特性，在此併入該專利的全部內容作為參考。
可更換探針探頭可以包括任何合適類型的用於螢光檢測的光學和電子元件，其例子已經在上文討論。除螢光之外，螢光計可以適合於採取額外的其它測量方法，如對濁度的測量、比色法和類似測量法。在這一方面，濁度和比色測量方法可以採用設置成專用於該應用的探針探頭。因此，本發明考慮到探針探頭的可更換性，其可以分別對螢光、濁度和比色度進行測量。
例如，濁度探針探頭可以配置成與上述螢光探針探頭類似的方式。二者之間的差異在於光源的類型。對於濁度探頭，光源不能產生螢光。為使靈敏度最高，將窗孔去掉。可以使用任何合適的光源，例如UVLED、藍光LED或類似光源。就濁度探針探頭而言，優選藍光光源。然而，如果具有上文所述的自識別特性，螢光探針探頭可以用濁度探針探頭更換，反之亦然。
對於比色探針探頭，這種設計與螢光和/或濁度探頭類似，其不同之處在於僅需要一個濾光片。光源選擇成對應於待測樣品中材料的吸收譜帶。通常，可以通過下列方法對樣品相關的比色量進行測量使激發光源(如UV LED)的光通過第一個濾光片，然後進入構造成用於該具體類型檢測的檢測器。
應當認識到，反射鏡、濾光片、檢測器、激發光源和其它的合適組件包括可以包括許多種不同、合適的市售或已知產品。例如，購自Hamamatsu Corporation，360 Foothill Road，Bridgewater，NJ 08807(PartNo.S2386-44K)的檢測器；購自Nichia America Corporation，3000 TownCenter Drive，Southfield，Mi 48075(Part No.NSHU590A)的UV LED光源；購自Optek Technology，Inc.，215 W.Crosby Road，Carrollton，TX75006(Part No.OP265B)的IR LED光源。
本發明可以包括許多種不同的附加組件，以優化過程的控制、監測和/或自動化。在一個實施方式中，螢光計包括與控制器連接的印刷電路板組件，其每一個均具有合適、已知的結構(未顯示)。例如，獲自Tecnova，1486 St.Paul Ave.，Gumee，IL 60031(847)662-6260的控制器。
可用於該裝置的印刷電路板(PCB)組件必須製成允許通過控制器或螢光計其它組件裝置供電，所述的其它裝置包括，例如，激發光源驅動器和進行電流-電壓轉變和光電檢測器信號放大的放大器。處理信號和傳遞信號幅度的電路也是PCB的組成部分。可以包括測量溫度和/或流量開關狀態的附加電路。
螢光計可以進一步通過通信電纜與控制器連接，使得控制器可以與螢光計進行電通信，以控制上文所述的螢光計組件。必須選擇合適的通信協議使螢光計運行。合適的通信協議標準包括，但不限於RS-232、I2C、CAN、TCP/IP和標準RS-485串行通信協議。優選的通信協議為標準RS-485串行通信協議。還可以在螢光計和控制器之間使用無線通信協議。一種這樣的合適的無線通信協議是藍牙。
控制器可以包括多個獨立的模擬輸入裝置。這些輸入裝置根據其信號幅度經由4-20mA連接電路提供信息。通過對控制器邏輯電路進行控制用的模擬輸入裝置來讀取信號，為諸如工業水系提供額外水平的控制。在一個優選實施方式中，控制器具有20個分立的模擬輸入裝置。
如上文所述，本發明的螢光計可以用來監測和/或檢測樣品中一種或多種螢光團的存在，所述的樣品來自任何合適的過程或系統，其包括天然水系，工業水系或其它類似來源。工業水系包括但不限於冷卻塔水系(包括敞開式循環、封閉式和直流系統)；油井、井底形成水(downhole formation)、地熱井和其它油田應用；鍋爐和鍋爐水系；礦物加工用水，包括礦物衝洗、浮選和初選；造紙蒸煮器、洗滌機、漂白車間和白水系統；紙漿工業中的黑液蒸發器；氣體洗滌器和空氣洗滌器；冶金工業中的連續澆鑄過程；空氣調節和製冷系統；工業和石油加工用水；間接接觸冷卻和加熱用水，例如巴氏滅菌用水；水回收和淨化系統；膜過濾水系；食品加工水流(肉類、蔬菜、甜菜、甘蔗、穀物、家禽、水果和大豆)；以及淨化器、液體-固體應用、市政汙水處理和工業或市政用水系統中的廢水處理系統。
本發明的螢光計可以用於許多種不同的工業水系應用，例如，下列美國專利申請所公開的應用。
本發明要求保護的螢光計和控制器能夠用來控制冷卻水系，如2001年11月13日授權的題為「USE OF CONTROL MATRIX FORCOOLING WATER SYSTEMS CONTROL(冷卻水系控制中控制矩陣的應用)」的美國專利第6,315,909B1號所公開並要求保護，在此併入其全部內容作為參考。
本發明要求保護的螢光計和控制器能夠用來控制鍋爐，如2002年1月1日授權的題為「USE OF CONTROL MATRIX FOR BOILERCONTROL(鍋爐控制中控制矩陣的應用)」的美國專利第6,336,058B1號所公開並要求保護，在此併入其全部內容作為參考。
應當理解到，本文所述的優選實施方式可以做出多種變化和修改，這對本領域技術人員來說是顯而易見的。可以在不偏離本發明的精神和範圍、並不削弱其附屬優勢的前提下做出這些變化和修改。因此，所附權利要求意圖涵蓋這些變化和修改。
權利要求
1.一種可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其包括外殼和與外殼連接的可更換的螢光探針探頭，所述的探針探頭包括界定開放式樣品池、並含有探針光學裝置的探針探頭外殼，所述的探針光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，其中所述的激發光源對準所述的螢光檢測器，使得可以對開放式樣品池中的樣品進行螢光檢測。
2.根據權利要求1所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其進一步包括激發濾光片和發射濾光片，二者均與樣品接觸。
3.根據權利要求2所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的激發濾光片包括激髮帶，所述的發射濾光片包括發射帶，其中所述的激髮帶和發射帶被充分地隔開，使得至少相當大量的來自激發光源的光束不能穿過發射濾光片而到達螢光檢測器。
4.根據權利要求2所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的探針光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，其每一個發射的光束都經由反射元件以垂直於激發濾光片的角度到達樣品。
5.根據權利要求4所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的反射元件包括分色鏡。
6.根據權利要求4所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的第二個光源發射的光束可以穿過激發濾光片和發射濾光片，使得可以對螢光檢測進行出於汙垢或濁度中至少一種的校正。
7.根據權利要求2所述的可更換探頭-開放式樣品池的螢光計，其中所述的激發光源包括單個激發光源，該激發光源使激發光束穿過激發濾光片，從而使樣品產生螢光發射光，其中所述的螢光發射光在激發光束被有效地阻止穿過發射濾光片的情況下穿過發射濾光片而進行檢測，其中所述的單個激發光源對準所述的螢光檢測器。
8.根據權利要求2所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的探針光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，其中所述的激發光源以垂直於激發濾光片的角度發射出激發光束，其中所述的第二個光源以偏離激發濾光片垂直方向的角度發射出第二條光束。
9.根據權利要求8所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的第二條光束偏離激發濾光片垂直方向的角度為大約12°或更小。
10.根據權利要求8所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的第二條光束可以穿過所述的激發濾光片和發射濾光片，使得可以對螢光檢測進行濁度和汙垢中至少一種的校正。
11.根據權利要求2所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的探針光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，使得每個光源的光均以偏離激發濾光片垂直方向的角度穿過所述的激發濾光片。
12.根據權利要求11所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的角度為大約9°或更小。
13.根據權利要求1所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其進一步包括一種或多種螢光探針探頭之外的附加探針探頭，其中所述的螢光探針探頭可以與一種或多種附加探針探頭更換使用。
14.根據權利要求13所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的螢光探針探頭和一種或多種附加探針探頭是自識別的，使得螢光計在更換探針探頭時可以即時使用。
15.根據權利要求13所述的可更換探頭-開放式樣品池螢光計，其中所述的一種或多種附加探針探頭至少包括濁度探針探頭和比色探針探頭。
16.一種對樣品中存在的螢光團進行螢光檢測的方法，該方法包括下列步驟a)提供螢光計，該螢光計包括外殼和與外殼連接的可更換的螢光探針探頭，所述的探針探頭包括界定開放式樣品池、並含有探針光學裝置的探針探頭外殼，所述的探針光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，其中所述的激發光源對準所述的螢光檢測器，使得可以對開放式樣品池中的樣品進行螢光檢測；b)提供一種或多種來自天然或工業過程液流的樣品；c)使用所述的螢光計檢測所述樣品中螢光團的螢光信號；和d)操作控制器，使螢光計檢測到的螢光信號被所述的控制器用來監測和/或控制自其取樣的天然或工業過程。
17.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括均與樣品接觸的激發濾光片和發射濾光片。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述的激發濾光片包括激髮帶，所述的發射濾光片包括發射帶，其中所述的激髮帶和發射帶被充分地隔開，使得至少相當大量的來自激發光源的光束不能穿過發射濾光片而到達螢光檢測器。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述的探頭光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，其每一個發射的光束都經由反射元件以垂直於激發濾光片的角度、並沿基本上相同的途逕到達樣品。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述的第二個光源發射的光束可以穿過激發濾光片和發射濾光片，使得可以對螢光檢測進行出於汙垢或濁度中至少一種的校正。
21.根據權利要求17所述的方法，其中所述的光源包括單個激發光源，該激發光源使激發光束穿過激發濾光片，從而使樣品產生螢光發射光，其中所述的螢光發射光在激發光束被有效地阻止穿過發射濾光片的情況下穿過發射濾光片而進行檢測，其中所述的單個激發光源對準所述的螢光檢測器。
22.根據權利要求17所述的方法，其中所述的探針光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，其中所述的激發光源以垂直於激發濾光片的角度發射出激發光束，其中所述的第二個光源以偏離激發濾光片垂直方向的角度發射出第二條光束。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述的第二條光束可以穿過所述的激發濾光片和發射濾光片，使得可以對螢光檢測進行濁度和汙垢中至少一種的校正。
24.根據權利要求17所述的方法，其中所述的探針光學裝置包括除激發光源之外的第二個光源，使得每個光源的光均以偏離激發濾光片垂直方向的角度穿過所述的激發濾光片。
25.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括一種或多種螢光探針探頭之外的附加探針探頭，其中所述的螢光探針探頭可以與一種或多種附加探針探頭更換使用。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述的一種或多種附加探針探頭至少包括濁度探針探頭和比色探針探頭。
27.根據權利要求16所述的方法，其中所述的樣品來自工業過程液流的水，其中所述的工業過程液流是工業水系。
全文摘要
說明並要求保護一種可更換探頭－開放式樣品池螢光計，其包括外殼和與外殼連接的可更換的螢光探針探頭，所述的探針探頭包括界定開放式樣品池、並含有探針光學裝置的探針探頭外殼，所述的探針光學裝置包括激發光源和螢光檢測器，其中所述的激發光源對準所述的螢光檢測器，使得可以對開放式樣品池中的樣品進行螢光檢測。還要求保護一種使用這種可更換探頭－開放式樣品池螢光計來檢測取自天然或工業水系的樣品中一種或多種螢光團發射的螢光信號的方法。當與控制器結合時，所述螢光計能夠監測並任選地控制工業過程或系統。
文檔編號G01N21/64GK1914502SQ200580003403
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月20日 優先權日2004年1月30日
發明者R·H·班克斯 申請人:納爾科公司