反射式光纖生化傳感模塊的製作方法
2023-05-30 12:32:41 1
專利名稱：反射式光纖生化傳感模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學傳感器技術領域，特別涉及了一種反射式光纖傳感模塊，結合不同生化試條傳感器，可實現對血紅蛋白(HB)和谷丙轉氨酶(ALT)等生化參數的測量。
背景技術：
光學傳感器具有相應速度快，靈敏度高，抗電磁幹擾能力強等特點，是傳感器領域內的重要分支。反射式光學傳感器的基本測量原理是待檢測物質對某一特定波長的光波具有特徵吸收，待檢測物經對應波段的光照射後，其濃度不同，對光波的吸收程度不同，造成光反射強度隨檢測物濃度變化，利用光電敏感元件，將光強變化轉換為電信號變化，根據特定關係即可反推待檢測物的濃度。
血紅蛋白(HB)和谷丙轉氨酶(ALT)是人體兩個重要的生化參數，其濃度測定具有廣泛意義。醫院一般採用大型生化分析儀，其缺點是儀器貴重，操作複雜，不便於攜帶等。目前，可攜式光學生化分析儀器的研究與開發倍受關注，並有相關產品面世，但仍存在一些不足1.多數小型儀表的光路部分採用發光二極體(LED)和積分球結合，優點是光分布均勻，且利於同時監測光源穩定性；但缺點是照射到試條敏感區的光強減弱，使檢測靈敏度下降，且光源與光電探測器集成於積分球內，如有損壞，不易更換，而且由於採用積分球，使生產成本增高。
2.部分儀表採用微型光學元件，包括微透鏡，微分束鏡等對光波進行匯聚和分束，優點是結構簡單；缺點是光路穩定性差，且靈敏度低。
實用新型內容針對上述分析，本實用新型的目的是提供一種小型，穩定且靈活性、靈敏度高的反射式光纖傳感模塊，其結合相應生化試條傳感器，可對人體血紅蛋白(HB)和谷丙轉氨酶(ALT)等生化參數進行快速測量。
為達上述目的，本實用新型的技術解決方案是提供一種反射式光纖生化傳感模塊，為三個相互獨立的功能部分組成，分別為光源/探測部分，光路部分和試條加載架部分，其光源/探測部分位於光路部分的正上方，光路部分位於試條加載架部分的正上方，三者疊加後，通過螺釘連接，並對光電耦合定位；其光源/探測部分，由殼體，發光二極體，光電探測器組成，其中，倒置的T形殼體，從底面向上開有四個盲孔，四個盲孔可任意排列，從左至右，各盲孔內順序裝設有光電探測器、發光二極體、發光二極體和光電探測器，發光二極體和光電探測器各自的導線從上方伸出，與相關部件電連接；光路部分，包括第二殼體，複數根光纖和相對應的複數個光纖探頭，其中，第二殼體為封閉的柱體，柱體內有空腔，其上端面開有四孔，孔的大小與位置，和光源/探測部分的殼體的四個盲孔相適配；其下端面開有兩孔；第二殼體的空腔內設有六路光纖，第二殼體的上、下端面的孔內固設有光纖探頭，其中，第二殼體端面左側的探頭連接耦合有第一光纖上端，第二殼體上端面中間的第一探頭連接耦合有第二光纖、第三光纖上端，中間的第二探頭連接耦合有第四光纖、第五光纖上端，第二殼體上端面右側的探頭連接耦合有第六光纖上端；其中，第一、第二、第四光纖下端與下端面的左側光纖探頭耦合相連，第三、第五、第六光纖下端與下端面的右側光纖探頭耦合相連，下端面的右側光纖探頭下方，在開孔下口內壁固設有全反鏡；試條加載架部分，由第三殼體和檢測槽組成，平板狀的第三殼體左端與光路部分的第二殼體左側平齊相配，右端凸出於第二殼體右側，第三殼體上表面開有水平的檢測槽，檢測槽右端敞口，敞口與生化試條傳感器的待測物儲槽相連，檢測槽位於第二殼體下端面兩孔的下方，且從下方覆蓋於兩孔下口。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述兩個發光二極體，為同中心波長或不同中心波長的發光二極體。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述兩個光電探測器，型號完全相同，為光敏電阻或光電二、三極體，其中之一用於測量傳感器試條的反射光信號，其中之二用於監測光源及整個裝置的穩定性。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述第二殼體下端面的右側光纖探頭內，兩路入射光纖隨機排列，並被反射光纖在外周圈包圍；第二殼體上端面中間的第一、第二探頭內，兩路光纖隨機排列。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述第二殼體上端面開的四個通孔，與第一殼體上的四個盲孔中心對齊。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述發光二極體、光纖、光電探測器相互之間的連接，均採用直接耦合方式。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述三個部分的殼體材料皆為聚四氟乙烯。
所述的反射式光纖生化傳感模塊，其所述光纖為多模光纖，纖芯的材料為石英玻璃。
本實用新型反射式光纖傳感模塊，LED與光纖及光纖與光電探測器均採用直接耦合方式，這種方式具有最高的耦合效率，保證光路穩定性的同時，也提高了檢測的靈敏度。
本實用新型採用光纖作為傳光及分光元件，使系統更易調節；採用發光二極體作為光源，保證了系統的小型化；採用集成模塊化結構，使本實用新型更具靈活性。
綜上所述，本實用新型的特點是體積小，靈敏度高，且具有模塊化特點，使整套裝置具有更高的靈活性和實用性。
圖1為本實用新型反射式光纖生化傳感模塊結構示意圖；圖2為本實用新型中光纖結構示意圖；圖3為本發明中光纖探頭內光纖纖芯排列示意圖，其中圖3(a)為入射光纖隨機排列，反射光纖包圍入射光纖；圖3(b)為信號光纖與參考光纖隨機排列；圖4為使用本實用新型模塊的傳感器對全血中血紅蛋白濃度測試結果示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型反射式光纖生化傳感模塊，為三個相互獨立的功能部分組成，分別為光源/探測部分1，光路部分2和試條加載架部分3，其光源/探測部分1位於光路部分2的正上方，光路部分2位於試條加載架部分3的正上方，三者疊加後，通過螺釘連接，並對光電耦合定位。光源/探測部分1，由殼體1a，發光二極體(LED)4、5，光電探測器6、7組成，其中，倒置的T形殼體1a，從底面向上開有四個盲孔，四個盲孔可任意排列，圖1中四盲孔為一字形排列。從左至右，各盲孔內順序裝設有光電探測器6、發光二極體4、發光二極體5和光電探測器7，盲孔底部有二個通孔，光電探測器6、發光二極體4、發光二極體5和光電探測器7各自的電極導線15從上方通孔伸出，與相關部件電連接。兩個光電探測器6、7的型號完全相同，其中光電探測器6用於測量傳感器試條的反射光信號，光電探測器7用於監測光源及整個裝置的穩定性。
光路部分2，包括殼體2a，複數根光纖8和相對應的複數個光纖探頭，其中，殼體2a為封閉的柱體，可為方形、圓形、多邊形柱體，柱體內有空腔16，其上端面開有四孔，孔的大小與位置，和光源/探測部分1的殼體1a的四個盲孔相適配，且共一中心軸；其下端面開有兩孔。殼體2a的空腔16內設有複數根光纖8，圖1所示為採用六路光纖。殼體2a的上、下端面的孔內固設有光纖探頭，其中，殼體2a上端面左側的探頭12連接耦合有光纖8a上端，殼體2a上端面中間的兩個探頭11、13分別連接耦合有光纖8b、8c和光纖8d、8e上端，殼體2a上端面右側的探頭14連接耦合有光纖8f上端。六根光纖8的下端，分別與殼體2a下端面的兩個孔內的光纖探頭耦合相連，其中，光纖8a、8b、8d下端與左側光纖探頭10耦合相連，光纖8c、8e、8f下端與右側光纖探頭9耦合相連。右側光纖探頭9下方，在開孔下口內壁固設有全反鏡9a，參見圖2。
光纖探頭10內，兩路入射光纖隨機排列，並被反射光纖在外周圈包圍，如圖3(a)所示；光纖探頭11、13內，兩路光纖隨機排列，如圖3(b)所不。
試條加載架部分3，由殼體3a和檢測槽3b組成，平板狀的殼體3a左端與光路部分2的殼體2a左側平齊相配，右端凸出於殼體2a右側，殼體3a上表面開有水平的檢測槽3b，檢測槽3b右端敞口，敞口與生化試條傳感器的待測物儲槽相連，檢測槽3b位於光路部分2殼體2a下端面兩孔的下方，且從下方覆蓋於兩孔下口。
上述殼體1a、2a、3a的材料皆為聚四氟乙烯；光纖8a、8b、8c、8d、8e、8f為多模光纖，纖芯的材料為石英玻璃。
採用上述結構方式，可方便的對各功能部分進行單獨維護，不影響其他部分的正常工作和精度，從而使整個光纖生化傳感模塊具有很高的靈活性。
本實用新型的反射式光纖傳感模塊，根據血紅蛋白(HB)和谷丙轉氨酶(ALT)不同的吸收特性，選擇兩款具有不同中心波長的發光二極體(LED)4、5作為光源，光電探測器則完全相同以準確反映光源及系統的不穩定性。
本實用新型的實施例是測量全血中血紅蛋白的濃度。
檢測反應原理如方程式(1)描述。全血中血紅蛋白與鐵氰化鉀發生氧化反應，生成高鐵血紅蛋白。
(1)利用光譜儀獲得高鐵血紅蛋白在整個可見光波段的反射光譜，分析發現高鐵血紅蛋白對570nm附近的光具有最大反射率，其反射光強隨血紅蛋白濃度變化具有最大的梯度變化。因此本實用新型選取中心波長為570nm的發光二極體(LED)作為光源。
測量時，在傳感器試條敏感區滴加全血後，插入本實用新型試條加載架模塊3中。發光二極體4、5發出中心波長為570nm的黃綠光，經光纖探頭11或13直接耦合進光纖8b、8c、8d、8e。耦合光被分為兩路，其中一路光纖8b、8d的光波，經反射式光纖探頭10入射到傳感器試條的敏感區，光纖探頭10同時採集試條反射光，並由光電探測器6記錄，此即為樣品信號光；另一路光纖8c、8e的光波，經光纖探頭9至全反鏡9a反射後，經光纖探頭14與光電探測器7耦合，此為參考光信號。參考信號光路與樣品信號光路完全對稱，光電傳感器亦完全相同，因此參考信號能夠實時監測光源及整個系統，利用差分原理，消除各方面的不穩定因素，提高系統的穩定性及靈敏度。差分信號強度值與全血中血紅蛋白濃度成特定函數關係，因此根據獲得的差分信號即可反推全血中血紅蛋白的濃度。附圖4為使用本實用新型獲得的全血中血紅蛋白的濃度與實際濃度相關度關係。
以上針對血紅蛋白測試為實例說明。本實用新型包括兩個發光二極體4、5，選取不同的波長，結合不同傳感試條，可同時測量兩種不同的生化參數，並不限與血紅蛋白濃度測量；另外，由於本系統採用模塊化設計，發光二極體4、5易於更換，因此選用其他不同波長發光二極體可在不影響整個系統穩定性的基礎上，實現更多參數的測量，使本實用新型更具靈活性。
權利要求1.一種反射式光纖生化傳感模塊，為三個相互獨立的功能部分組成，分別為光源/探測部分，光路部分和試條加載架部分，其光源/探測部分位於光路部分的正上方，光路部分位於試條加載架部分的正上方，三者疊加後，通過螺釘連接，並對光電耦合定位；其特徵在於，光源/探測部分1，由殼體，發光二極體，光電探測器組成，其中，倒置的T形殼體，從底面向上開有四個盲孔，四個盲孔可任意排列，從左至右，各盲孔內順序裝設有光電探測器、發光二極體、發光二極體和光電探測器，發光二極體和光電探測器各自的導線從上方伸出，與相關部件電連接；光路部分，包括第二殼體，複數根光纖和相對應的複數個光纖探頭，其中，第二殼體為封閉的柱體，柱體內有空腔，其上端面開有四孔，孔的大小與位置，和光源/探測部分的殼體的四個盲孔相適配；其下端面開有兩孔；第二殼體的空腔內設有六路光纖，第二殼體的上、下端面的孔內固設有光纖探頭，其中，第二殼體端面左側的探頭連接耦合有第一光纖上端，第二殼體上端面中間的第一探頭連接耦合有第二光纖、第三光纖上端，中間的第二探頭連接耦合有第四光纖、第五光纖上端，第二殼體上端面右側的探頭連接耦合有第六光纖上端；其中，第一、第二、第四光纖下端與下端面的左側光纖探頭耦合相連，第三、第五、第六光纖下端與下端面的右側光纖探頭耦合相連，下端面的右側光纖探頭下方，在開孔下口內壁固設有全反鏡；試條加載架部分，由第三殼體和檢測槽組成，平板狀的第三殼體左端與光路部分的第二殼體左側平齊相配，右端凸出於第二殼體右側，第三殼體上表面開有水平的檢測槽，檢測槽右端敞口，敞口與生化試條傳感器的待測物儲槽相連，檢測槽位於第二殼體下端面兩孔的下方，且從下方覆蓋於兩孔下口。
2.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述兩個發光二極體，為同中心波長或不同中心波長的發光二極體。
3.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述兩個光電探測器，型號完全相同，為光敏電阻或光電二、三極體，其中之一用於測量傳感器試條的反射光信號，其中之二用於監測光源及整個裝置的穩定性。
4.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述第二殼體下端面的右側光纖探頭內，兩路入射光纖隨機排列，並被反射光纖在外周圈包圍；第二殼體上端面中間的第一、第二探頭內，兩路光纖隨機排列。
5.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述第二殼體上端面開的四個通孔，與第一殼體上的四個盲孔中心對齊。
6.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述發光二極體、光纖、光電探測器相互之間的連接，均採用直接耦合方式。
7.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述三個部分的殼體材料皆為聚四氟乙烯。
8.如權利要求1所述的反射式光纖生化傳感模塊，其特徵在於，所述光纖為多模光纖，纖芯的材料為石英玻璃。
專利摘要本實用新型涉及一種反射式光纖生化傳感模塊，針對血紅蛋白(HB)和谷丙轉氨酶(ALT)生化傳感試條在不同波段的特徵吸收，利用測量反射光強可實現對上述兩個生化參數的測量。本模塊由光源/探測部分，光路部分及試條加載架部分組成，三者通過螺孔與螺釘連接並精確定位。本實用新型的三個組成模塊相互獨立，既便於系統各部分的元件更換及維護，也便於該裝置與其他檢測單元結合組成完整的傳感模塊器或儀表；另外，光路部分採用光纖，光源與光纖及光纖與光電探測器之間均直接耦合，未使用微透鏡等分立光學元件，使光路的調節更簡便、靈活且具有高的穩定性。本實用新型整體設計體積小，靈活性高，在基於光反射原理基礎上的傳感領域具有廣泛應用。
文檔編號G01N33/48GK2854577SQ20052014226
公開日2007年1月3日 申請日期2005年12月1日 優先權日2005年12月1日
發明者嶽偉偉, 蔡新霞, 何保山, 周愛玉 申請人:中國科學院電子學研究所