CN1032587A - 光声光谱技术 - Google Patents

Abstract

一个用光声光谱技术检测和测量样品中物质浓 度的装置和方法，把选择的几个离散频率的光直接照 射到样品上，然后检测该样品的声频响应。这些频率 根据被检测物质的光声光谱来选择，以使该物质同其 它物质区别开。控制激光器使其发射脉冲光，而用压 电传感器检测声频响应。用几个激光器或一个频率 可调的激光器，基本上同时发射这些脉冲，得到多个 频率的光。本装置和方法特别适于在体内检测物质 的存在，其结构适于病人穿戴和检测体外物质。

Description

本发明涉及用光声光谱技术（Opto-or    photo    acoustic    spectroscopy）测量样品中物质浓度的装置。

光声光谱技术是用于 别和分析在溶液或液体介质或气体、固体中的各种物质的技术。它是基于这样一个事实，由于一种物质的分子具有固有的特性，该物质的分子只能吸收具有若干特定频率的光能。一个分子的组成和结构确定了哪些频率的光被吸收和那些频率的光不能被吸收，即每种特定的物质只吸收一组确定频率的光能。因为每种物质都有其特有的分子结构，所以根据光吸收谱图可以

别该物质。同时吸收的强度和该物质浓度有关。当物质吸收光时，吸收了光的分子被加热，并产生声频冲击波，声传感器接收该冲击波，就表明有光被吸收。应指指出，这种加热效应是很小的，过程也是快的。根据声信号的大小能够推断出有多少入射频率的光被吸收，由此可以推断出被照射区域内的所测物质的浓度。

在实际应用上，照射到样品上的光不是用连续光，而是用脉冲或强度调制的光束。一般把应用脉冲光束的称为光声光谱技术（optoacou    stic    spectroscopy），而把应用调制光束的称为光声光谱技术（photoacoustic    spectroscopy），而在说明书和权利要求书中用光声光谱技术（opto-acoustic    spectroscpy），通常是强调指上述二种技术。

现在很多紧急和非紧急的医疗处置是根据对病人的状态的准确诊断而做出的，而诊断常常离不开病理化验，这些化验可包括：例如：血液化验或尿的化验。抽取一个血的样品，送到化验室去分析，在化验室中把样品与一些试剂混合，这些试剂能指示物质的存在和浓度，再经光学检验，所得结果作为医生诊断和处置的根据。

此外，在很多医疗情况下，需要经常地监测血液，以便根据病情调整用药量。为了根据严重糖尿病人的病情确定胰岛素的用量，需要每小时做一次血液化验。对于普遍的糖尿病人需要每周有两日按每日四次监测血液中葡萄糖浓度以确定胰岛素的用量。

到目前为止，所有基础的血液化验方法还离不开取血液样品，即要把该样品取到病人体外分析。这种化验方法给病人带来不便，并且这还是化验可能不准确的一个原因;目前还没有完全无痛的抽血装置，手提式葡萄糖测量仪，尽管用一条试剂带和只要刺破一个手指，取出一滴血后，在床边就能完成分析，但这仍是有痛苦的，并且会唤醒一些睡眠的病人。如果对于一个危重的病人需要在一昼夜内按每半小时一次重复这个操作过程，那末将会使患者们无法睡眠。

此外，由于比较复杂的病理检验要在化验室里进行，所以样品必须送到医院的化验室，而医生常常要等几个小时后才能得到化验结果。

泌尿学检验是病理检查的一个重要部分，按照医院的常规，尿的监测要经常进行，然而所采用的技术还远不如化验血有效。监测尿是一个非常繁琐的工作：

a）从病人那里收集样品;

b）只要工作人员一有时间，就要用能估算葡萄糖、酮、酸等浓度的试剂带做这些基础化验;

c）对于需要进一步结果的样品，或需要做详细分析的病人样品放入无菌容器内，并做出标记;

d）这些有标记的样品最后由医院工作人员整齐的送到传验室中。样品变质可能使结果不可靠，这与时间延误有关。在一般的操作中时间的延误可能是几天，这些样品经常冷冻过夜，由于有机体在室温下的污染速度快，所以污染可能干扰化验结果，甚至导致化验结果的无效。

e）样品送到化验室后，受过培训的人员利用昂贵的仪器和花费相当多的时间来鉴定每个样品;

f）把这些试验结果记录在标准的表格中，以便把这些结果送回到病房档案中，或者把结果送到管理部门保存的病人档案中。如果结果反常，必须把这个结果通知病人的医生，医生再转告病人。

显然这是一项浪费时间和人力的工作，在泌尿检验试验室中所用仪器费用昂贵。即使利用计算机处理试剂的仪器，也还需要相当繁琐的劳动。

在科研和工业部门中有很多要求详细分析液体中化学成分的情况，例如，为了监测在水中的污染物质中的分散体，必须取很多样品，并把这些样品送到化验室中，进行一系列的化验。在制造工业中的液体浓度要求限制在一个很窄的范围内，所以必须频繁地抽取样品，同时所用的设备也要相应地调整。一般食品加工过程中涉及到大量的流体，要求这些流体的成分必须符合规定的标准，例如：它们的盐浓度、酒精或者糖的含量等要符合规定的标准。若用通常的方法在制造过程中要完成这些化验，需要花费较长的时间，也增加了产生的成本。

到目前为止，化学试验在很大程度上还离不开基础试验的试剂，也离不开需要有专门工作人员和设备的大量昂贵的仪器的光谱方法。为了取样，有时要中断生产过程，在取样得到符合重新起动装置的数据之间出现一般长时间延迟。这些情况表明，一般说来，只有绝对需要时，检验才能进行，而对极其重要的化验，在最大时间间隔进行。如果接收一个不正确的循环，就会把它的后果“加入”到最终的产品中去，这就意味着：最终的产品纯度明显地不符合规定。在每个完成化验的结果之间，生产工程师实际上是盲目地工作的。如果在化验过程中一个予想不到的变化导致组分明显地变化，则就可能造成很大的浪费。在现场取出的样品会随着时间的推移逐渐变质。如果在取样和化验之间时间耽隔过长，那么到实际进行分析时，该液体已经发生了化学变化。

本发明提供一个用光声光谱技术检测样品中物质浓度的装置，该装置包括一个检测组件，该组件由一个向样品发射光的光源和一个接收来自被检测样品的声频响应的声检测器所组成。其中光源所发射光的频率为一个或几个离散的频率，该频率根据被检测物质的光声光谱来确定。

最好是发射脉冲光，而不发射连续光，如果用几个不同频率的光照射样品，应保证不同频率的脉冲光基本上同时发射，其发射时间差最好在10微秒之内。

通常用的光源是半导体激光器，该激光器装在带有声检测元件的座里，例如，该声检测器可以是压电器件，它用来接收被测试样品中的声响应，该声检测器的一种布置是固定在光源的周围，另一种布置是把一些物理上分开的检测器分开固定在座里，而将这些检测器的输出端连到一起。

检测器最好还包括一个光电二极管和光电管，以便能够在一些实施例中对样品的反射光和透射光进行测量。该装置还包括一个温度传感器，即一个快速动作的半导体器件，以便能够测量被测试的样品温度。

本发明的进一步的任务是提供一个测试人体中流体的物质的液度装置，该装置适合于在体内进行测试，这是由于它有一个能向被测人体发射光的光源和一个检测人体声频响应的声检测器，从而就能利用光声光谱技术测量所述物质的浓度。

本发明还提供一种用于检测体液中物质的方法，该方法包括用光声光谱技术检测在体内物质的步骤。

该装置的大小和形状最好适合于个人携带，它包括一个能附在人或动物身体上的组件，即一个手镯，该装置还包括一个监测人的心脏跳动的组件，这可以通过监测来自用在光声检测试验中的压电器件的信号来完成，也可以通过分开的光电二极管和光电管监测被血液所吸收的某一频率的从人体反射出的光来完成。而且控制光声光谱技术中光源激发的电路可以包括一个使光源激发同心脏跳动保持同步的电路。

本发明还提供一个检测人和动物体内的物质的装置，用光声光谱技术检测其中物质，同时还能控制被检测者照射和被检测者的心脏跳动保持同步关系。

对于光声光谱测量的光源最好能够发射一个或若干离散的不同频率，该频率根据被测物质的光声光谱图来确定。

该装置还提供一个记录光声光谱试验结果的组件，还提供一个记录与被测者在试验时心跳有关的时间的部件。

通常还包括一个微处理机，它控制各个二极管的激发，并对接收的信号进行译码，这些信号可以经校准并显示，或者传送到其它控制和记录装置上，这样一来，该装置可以对一定血液组成的浓度给出相当快的和/或连续的显示。

微处理机还能够自动地检测激光二极管的故障，并显示“故障”警报。

要使激光器或激光器组调谐，不仅要调谐到被检测物质的特征频率上，还应使激光器治疗窗口对准被检测者的皮肤。

根据本发明的方案，可以检测如血、尿、眼泪、骨髓、脑骨髓液、粪便和鼻涕等物质，它还可以用来检测药物、气体、毒素、污染物和金属的存在，它还可以检测整个疾病状态的光声光谱响应图形，这些疾病包括：如关节炎、狼疮、紫质症、糖尿病、癌、艾滋病和贫血症等，它还可以检测细菌的存在，并能提供有关细菌种群密度、发育阶段、类型以及对抗菌素的敏感性等情报。

根据本发明的进一步方案，提供了一个应用光声光谱技术在体内检测物质的装置。在这种装置中，检测器可以沿着一个腔的四周放置，该腔中装有一个盛试样的容器，例如试管。该腔中最好还装有一个用于探测样品有无的检测器和一个部件，该部件能在腔中的其它检测运动到检测位置时，响应该样品检测器，通常它对着试管的一侧面。此外，该装置中的检测器是通过弹性支撑固定的，样品管与同检测器接触的座紧密配合。该装置最好是一个封闭式的、便携式的单独的组件，以便在台上使用。在该装置中除装有光声光谱技术所需要的激光器和压电检测器外，还可以装其它的检测器。这在上述体内测量装置中已经提到。这样，就可以测试样品的透射光、反射光和温度。

信号处理和激光驱动电路大体上和本发明的上述方案相同，可以设想，这个台式体外检测装置装有若干个能发射不同频率的激光器，就能测试具有复杂光声谱带的物质。

在装若干个激光器时，最好安排它们偏移压电检测器，以使没有激光器直接对着压电检测器。这就是说，激光不能直接射入压电检测器。

根据本发明的这个方案，能够对药物合理或不合理的服用量进行测量，以及测量金属、具有清晰光谱特征的激素和甾个化合物。把该装置和上述的第一方案结合起来，就可以测试体液的寄生感染，整个疾病状态和细菌。

为了检测光谱技术难于直接检测的物质的存在。本发明的装置，可能包括一个测量周期，这包含把一种或多种试剂加入到样品中，与试剂发生的化学反应相当于把存在的靶物质放大到能发现的程度，与光谱技术结合起来，由于允许测量低浓度或反应早期阶段的浓度，这将增加试剂的通用性。

根据本发明的进一步方案，还提供一个从连续生产过程中取样，并对这些样品进行光声光谱分析的装置。该装置最好包括一个与工艺流程干线相通的取样管，在该取样管中可以装一个使通过该管流量平稳的部件，以便减少样品中噪音。这个部件可以是折流板，或者是在试验进行期间使流体暂时停止流动的装置。为了完成光声光谱测量，最好将激光二极管和压电换能器沿取样管周围安装，本装置的信号处理和激光器控制电路基本上与本发明的第二个实施例所述电路相同。本发明的分析电路可以连接到连续生产过程的主控设备上，以便建立一个连续控制回路。

本发明用在生产过程中可以在线运行，根据分析结果，可以用电子学的方法控制设备上的有关调节化学浓度的组件。利用这种方法，可以在生产过程中选定的若干点，提供瞬时反馈，以便能够保证全自动化的质量控制。本发明的这个实施例特别适合于石油工业、啤酒制造业和很多化学工艺。

将上述的任何一个或所有的方案具体化，就可以使该装置适应完成对各种物质分析的具体需要。显然，测试不同的物质需要发射不同频率的激光器，因此可以通过把激光器和压电检测器装在插接式的组件上来实现这种匹配，该插接式组件上还可以包括为被检测物质所需要的特定的电路，该电路和这个组件一起投入使用。通过对微处理机编制程序，以便在指定的间隔内完成取读数的操作，这样可以进一步改进本装置。

上述的体外检测装置中，光导纤维元件可用于把检测器放到对操作者和装置是危险的环境中，激光二极管的输出馈到通往样品和用于接受声频响应的轻微音器的光导纤维电缆，并通过光导纤维把声频响应馈送到分析和处理电路。

此外，在上述的任何方案中，通过采用若干个光源，并借助安排和控制光源形成一个相阵列来测试样品的不同部分是可能的。

根据本发明的进一步的方案，提供一个用光声光谱技术检测样品中物质浓度的方法，该方法包括：发射光进入样品和检测样品的声频响应，它包括根据被检测物质的光声吸收光谱而选择一组离散频率，至少选择其中的一个频率向样品发射光。

发射到样品上的光最好是一组离散频率的光，这些频率的光最好是以脉冲形式，并且基本上同时发射的，其发射时间应在约10微秒范围内。

保证基本上同时发射这些脉冲光，有如下的优点：首先，使各种不同频率光程上的样品没有扩散的时间（这对易受激光影响的样品是重要的）。其次，因为所有测量都是在较短的时间内完成的，所以减轻了样品随时间变质的效应。最后，也减轻或消除了在不同激光器之间的声频干扰。

根据本发明的每一个方案，利用光声光谱技术可以测量在样品中某些物质的存在和浓度。所用的激光频率通常是在红外区，即700-2500nm，这个频率应根据被测物质的吸收光谱来事先具体确定。在很多情况下，例如，血液中的葡萄糖的测量，为了把葡萄糖与其它物质区分开，要测量几个频率的声频响应，为此，既可以把一个可调频激光器对准若干个离散频率，也可以采用发射不同频率光的若干个激光器。为了消除噪声，可用两个或多个频率的光测定，然后把试验结果相减。最好是用几个激光器，以便能有效地控制这些激光器同时发射光脉冲（彼此之间在几微秒内），在这些频率上的测量基本上是同时完成的，这对于易随时间变质和在激光作用下发生变化的尿样品来说是一个突出的优点。在本发明中不需要对一个完整的连续频率进行扫描，而只要发射对被分析物质检测，并把它同其他物质区别开的频率的光。把声频响应信号经电子学处理以后，就可以得出样品中该物质浓度的读数，即，是整理的试验结果，而不是谱图。这意味着本发明能提供一个容易操作的、由不太熟练的或没有光声光谱技术基础知识的人所能操作的装置。它比已有技术方便。

此外，应用脉冲光源不仅能增加信噪比，而且在必要的情况下，还能给出一个给定物质的深度图（即指示出样品的不同深度的浓度）。

下面通过非限定的例子和参考附图来详细说明本发明。

图1示出了本发明的第一个实施例。

图2示出了本发明的第二个实施例。

图3是本发明的第三个实施例的侧视图。

图4是图3中所示实施例的顶视图。

图5是本发明的第四个实施例的视图。

图6是本发明的一个实施例的电子电路方框图。

图7是本发明的一个实施例的进一步的方框图。

图1和图2示出了在体内检测血液中物质的装置。在这两个实施例中，一个装有发射光的激光器和用于检测由该光束所引起的声频响应的声频检测器的检测头紧靠在皮肤上，这样就可以获得在该皮肤表面下面的血液的光谱读数。在图1中所示的实施例中，检测头是同处理和显示电路一起装在一个手镯（3）里，因此它可以一直带到手臂上。这对于需要经常或连续监测血中糖含量的糖尿病人是方便的。图2中所示的实施例中是把检测头图定在操作台上，病人把身体的某一部分，例如把手靠在该操作台上。

该装置的检测头及其控制电路的方框图如图6和7所示，从图中可以看到检测头（4）包括一个半导体激光器（6）和压电传感器（7）。在工作时为了使半导体激光器发射脉冲激光，需要激发半导体激馄鳎霉饽鼙谎?液中的分子所吸收以后，而使其加热，由于加热又产生能被压电传感器（7）所接受的声波。半导体激光器（6）由激光器驱动组件（8）和与主控装置中的微处理机（12）相连的控制器（10）所控制。来自压电传感器（7）的信号经过一个开关组件（14）馈到二个信号通道之一的通道中，其中每一个通道中包含一个宽带选通放大器（16）、（18）。放大器（18）的输出由分析器（19）进行分析和处理（分析器（19）可是微处理机（12）中的一部分，也可以是一个分开的电路），然后作为光谱数据经过模数转换器（20）馈给微处理机（12）。经过放大器（16）的另一个信号通道被用于表示提供病人心脏跳动信号的特征。经过低通滤波器（22）的信号滤去噪声后又经峰值检测电路（24）和取样保持电路（26）馈到模数转换器（20）后再馈到微处理机（12）。采样保持电路的输出代表了病人脉动强度，而直接馈到微处理机（12）的峰值检测电路（24）的输出代表了心脏脉跳动的峰值。控制器（10）用于选通放大器（16）和（18），它的作用是提高噪比。心脏跳动的信号可以用来与半导激光器（6）的激励同步，以便使激光器在心脏跳动的一个特定时刻发射激光，和/或为了精确知道所测量结果是对心脏跳动的那一时刻。

来自低通滤波器（22）的输出也馈到一阀值调整电路，该电路由比较器（28）、微处理机（12）和数模转换器（30）组成。它将允许人们为心脏所能达到的跳动信号预设一个电平。

在另一个实施例中，所用的激光器是频率可调的，还装有一个控制器，这样激光器频率可调，而且测量可以在一组频率上进行。还可以在激光器上专门设计一个透镜组，以便通过成形光束达到特殊的穿透效果，例如控制穿透深度、强度、波长选择过滤、病人皮肤在伤害易损限度内扩散、所研究组织在一定深度的浓度和为了获得校准数据的目的即对活化区的定量。

在本发明图1和图2所示的两个实施例中检测头（4）装有为在人体上作其它测量的不同的检测器。从图7中可以看出，该检测头包括一个由驱动器（46）驱动的半导体光源（32），光电检测器（34）和一个温度传感器（36）。半导体光源和光电检测器通过测量人体的反射光可以测量在皮肤表面下流动血的数量。半导体光源频率的选择应使这些光能被血吸收，从而使光检测器的信号与皮肤下面的血液的数量有关，来自光电检测器（34）的信号也馈到开关组件（14），以便用上述处理电路对该信号进行处理。这个信号可以用来测量在皮肤下面血的数量，心脏跳动或简单地指出装置已经正确放在病人身体上，它可以控制电路中其它部件的通电，保证只有当装置和皮肤接触好以后，这些部件才能通电。它还能提供装置是否使用正确和光声测量是否有意义。快速动作的温度传感器（36）最好是半导体类型的，它通常用来测量病人的体温。来自传器（36）的信号输出被馈到一个放大器/调节器（38），而后馈到模数转换器（20），最后一组8或10bit数据代码输入到微处理机（12）。

皮肤下血的数量可以测量这件事本身意味着，还可以推断出病人的血压，因此本发明还提供一种测量病人血压的方法，而病人的身体没有受到任何压缩。

微处理机（12）同操作者控制台（40）和显示装置（42），即在图1和2中所示示的LCD显示相连接。

为了控制该装置和根据标准组件的校准测试结果，要为微处理机编制程序，将这些结果存储在存储器中（没有单独画出），该存储器可以存储1000个读数，并能在显示装置中显示，通过编制程序，也能使微处理机给出几次测谱操作的平均结果。

应用微处理机还能使该装置完成一定程度上的自校功能。很明显，来自检测头的绝对测量要受到各种因素的影响，例如，因病人而异的皮肤厚度，然而可以根据来自具有已知数值的物质信号来校准测量结果，这些已知数值是事先存储在微处理机中的。

在检测头中的压电传感器（7）可以象指出的那样由几个分开的传感器组成，或者可以是一个固定在半导体激光器周围的环形传感器组，安排压电传感器的要点是应保证传感器和被测人体之间的紧密和直接声联接。这对已经讨论过的体内测量和在下面要讨论的体外测都是适用的。

该装置可以包括一个接口（未示出）以便把数据传输到一个能把某一物质供给病人的控制装置上。例如该装置可以监测一个糖尿病人的血糖量，把这个数据传给一个能控制一个给病人供胰岛素的泵的电路。

上述与图1有关的装置特别适合于测量血液中葡萄糖水平，因此它为需要经常监测血糖量的糖尿病人提供一个方便的装置，目前监测血糖含量需要通过刺入皮肤和应用试剂带-这是凌乱的，特别是在频繁监测时，又是有痛苦的。本装置可以方便地带到手上，并可以随时得到读数。此外还可以把试验结果储存在装置中，不存在病人有意、无意修改测试结果的问题。它同其它装置一起能够监测本身电池的电平、激光二极管的状态、装置的位置是否同皮肤紧密接触、病人的体温和进行检测时心脏跳动的时刻。本装置可以给出代表光谱数据置信度的数字，也可以存储一个或多个供同实际结果相比较的标准检测谱图，以便再一次给出代表该测试数据置信度的数字。

光谱读数可能与心脏跳动有关这个事实意味着，该读数的信噪比可能改进。为了进一步提高信噪比，要用脉冲激光，而不能用连续激光照射样品表面。应用脉冲激光还能得到一个被检测物质浓度的深度分布，深度分布通过计算声波到达和激光脉冲结束之间的时间间隔来得到。

虽然上面描述的是检测血液中葡萄糖含量的装置，但是本装置还适合检测血液中的其他物质。根据需要，检测头中可以装若干个工作在不同频率下的激光器，而其中的一些或全部是可调谐的，以便对一组频率同时检测，这对于具有复杂光谱的被检测物质来说可能是必需的。在具有若干个激光器的改型装置中，可以把激光器装在一个插接式组件中，它还包括为这些激光器或对来自被测物质的信号进行处理所专用的电路，以使本装置适合于对若干不同物质中的一种物质进行检测。这样可以通过编制程序来检测血中的各种抗体，例如艾滋病抗体等。用本装置在短时间内，提供了使大量的人或动物进行普查的可能性，这对改进目前的卫生管理计划是很重要的。

本发明还可以用于在体外检测样品，图3、图4和图5示出了适合于这种应用的实施例。

在图3和4中所示的实施例是一个用于检测如装在试管（50）里样品的台式装置。该装置包括一个试管支架（52），该支架中间是一个容纳试管的空腔;一个安装在空腔内周围的辐射器和接收器阵列，这些辐射器和接收器包括激光器（54）和压电传感器（56）。如上所述，在检测某些物质时，可能需要检测样品对一组频率光的响应，因而需要一组激光器和压电传感器。每个激光器被调谐到测试时所用的频率中的一个频率。可以选几个或全部的激光器是可调的，以便使它们能够在几个频率上检测。从图3和4中可以看出，压电传感器的位置是错开的，即它们彼此之间不是正好对着，以便使来自激光器的激光不直接射向任何一个压电传感器。

支架（52）固定在座组件（58）上，该座组件包括一个显示装置（60），用户操作控制台（64）和一个任选的打印机（62），底座组件还包括一个电源电路，信号处理电路和微处理机。

控制该装置的电路基本上和图6、7相同，不同的是激光器的驱动器要适合于驱动若干个激光器和要对每个压电传感器都提供一个信号处理电路。

在使用时，发射所要测试频率的激光器都被驱动，以便同时发射，或在几微秒内完成这些发射。这意味着在各种不同频率下所检测的结果是同时得到的或在很短时间内得到的，对于随时间易变质的样品（例如尿，变质相当快）这点是非常重要的;这还意味着既使在激光作用于样品，样品产生杂质，这些杂质也来不及从一个激光发射的路径上向另一激光发射路径上扩散。在测量运动或流动的样品时，例如流体血的场合下测量的快速性保证了同一试样的所有测试结果都是有效的。

在激光器上可以有特制一组透镜，以便把光束成形提高穿透效果，这和上述的体内检测装置相类似。

在该装置的另一实施例中，能够对一个样品做几种不同的物质分析，这是通过选择适合发射要检测的每个样品所需要的不同频率的激光器，或选用有足够数量可调谐的激光器，通过程序来控制这些激光器，以便先使激光器发射为特定物质和声频响应检测需要的所有频率的光，然后再发射下一个被检测物质所需要的频率的光。对于第三种被检测物质等可依此类推。在进一步改进的实施例中，为了覆盖住几种物质的特征光谱，可以不用频率不同的几个激光器或可调谐的激光器，而是把固定激光器和压电传感器的支架做成插接组件，使该组件中包括有足够数量的为一种或几种物仕枰德使獾募す馄鳎米榧谢箍梢园ㄎ觳饽骋惶囟ㄎ镏仕枰目刂坪托藕糯淼缏贰Ｔ谕?和4中，底座组件中装有对所有被检物质通用的电路，这个组件可能包括处理来自检测器的信息的电路，以及在一个通用的、预先确定的形式中把处理的信息送到显示这一结果的底座组件上的电路。因此医护人员只要利用该台式底座组件和一个为供检测不同物质所用的插接件的程序库，就能够方便和快速地检测来自病人的样品，并立刻得到一个明确的结果。

在图3和4中所示的台式装置中，可以和体内的检测装置相类似，也包括一些其他的传感器，它可以装一个测量样品温度传感器，装个光电二极管，它有一个对着它的用于测量透射光的光电管和另一个靠着它的用于测量反射光的光电管。处理电路还可以包括监测激光二极管状态的和如果有故障时向用户显示故障的电路。

为了检测试管的物理状态和为了驱动使激光二极管、压电传感器同试管紧密接触的机构，在该装置的支架（62）的空腔底部装有一个压力传感器。

另一个实施例中有一个没有移动部件的检测头，其中的检测器是靠弹性固定在座里，而试管是用手压到该座里的。

该装置还可以测试非医学样品，例如水（被污染的等）、液态食品的成分、工业流体、在液体里的气体、农产品、植物、动物中的农药，甚至于还可以检测固体产品，这时只要把固体同合适的液体混合制成溶液或悬浮体，所示的装置还包括一个能打印测试结果的打印机和一个储存结果的存储器。

由于该装置是一个轻便的台式仪器，所以它可以用于分析这样的流体，如血液、尿、眼泪、骨髓、脑骨髓液、粪便和鼻涕等。它能迅速地给出样品中的物质浓度的精确结果，它不需要具有专门技术的人员操作。因为在检测的特定物质所需要的全部频率的读数是同时或在很短时间内获得的，所以这些读数是精确的。该装置的通用性在于只要知道物质的特定的光声光谱，就可以编制程序检测若干种物质或若干组物质。被检测的物质可以是病理学或泌尿学有关的任何物质，这些物质的目录收集在（诊断和治疗Merck手册）第14版P·2184-2201，包含的（附录1）中。此外该装置能够有效检测的物质还有合理或不合理服用的药物、法律上允许的或禁止的药物、气体、毒素，污染物、金属以及其他可以用光声光谱技术检测的物质。

可以把本发明的这个典型的实施例的装置放在医院的每一个病房里，这样现场就可以进行尿（或其它体液）的化验，这些结果立刻载入病人的病历中。为了把数据传送到如医院中心保存的计算机化的病历中，可以在装置上装一个接口。

本发明的特别适合于在线连续监测工作生产流程的实施例如图6所示。在这个实施例中，一个类似于图3和4中的激光器和压电传感器阵列安装在样品管（70）的周围，该样品管（70）作为一个枝路连接到装有被测试物质的主生产管路上。样品从主管路中转移到样品管（70）中，最好是用一种可控制的方式，以便得到没有噪声的平滑的流线流。如果在任何给定的状态下，噪声特别显著，则必须在样品管中安装折流板或在检测期间使流体停止流动装置。

处理和控制电路装在装置外壳（78）中，这些电路同图3和4实施例中的电路（58）完全类似，它也可以包括一个接口，以便把它接到控制主生产线的仪器上，这样就可以实现连续控制回路。该接口还能输入来自主控仪器中的数据和其它生产管路上的其它取样点的数据。

这个装置可以用于检测包括已知光声光谱物质的任何样品，特别适用于监测石油产品的纯度和粘度，在食品工业中液体的浓度，例如：盐、糖、污染物、葡萄酒、牛奶、酒精、油、来自大量流体生产管中的悬浮液或溶液。

还可以予计到，把激光器和样品/物质的特定电路装在一个插接组件中或者这些电路是可设计的，这样本装置能够方便配制以监测不同的物质。

应该意识到，通过把样品管连到主生产管路里相应位置上和根据具体应用的需要来调整检测器和设计电路，这样就完成了本装置在现有的设备上的安装。

不难想象，在把半导体元件用来完成装置的检测功能的场合下，把这些元件制造在一个单片微型电路片中，就可以提高装置的可靠性和使装置更加小型化。

对根据几个波长来检测样品的方法和装置已经提涉，为了做定量分析，还应考虑测定给定物质的光声光谱响应的峰值和非峰值波长的光声光谱响应，以便为给出一个定量值的与第一次峰值测量相配合的第二次测量提供数据。该非峰值的参考值考虑到了激光功率和其他光声传输参数的改变。作为一个例子，对于葡萄糖溶液可以在1580nm和1300nm两个波长处测试，后者为参考值，在两个波长使用的激光脉冲宽度，比如说为0.5微秒，脉冲的接收间隔为10微秒。得到由每一个脉冲所引起声频响应数据，以及为处理存储。

Claims (47)

1、一个测量人体体液中物质浓度的装置，其特征在于，为了使该装置满足在体内进行测量的需要，该装置包括一个向被检测人体发射光的光源(6、54、74)和一个用光声光谱技术检测一个测量所述物质浓度的人体的声频响应的声频检测器(7、56、76)。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于，光源（6、54、74）适合于发射至少一组离散频率中的一个频率，该组离散频率根据被检测物质的光声光谱来确定。

3、根据权利要求2的装置，其特征在于，光源（6、54、74）适合于发射该组离散频率中的每个频率和为了使光源基本上同时发射脉冲光，通过电路（8）去控制光源。

4、根据权利要求3的装置，其特征在于，这些脉冲都是在10微秒之内发射的。

5、一个用光声光谱技术检测样品中物质浓度的装置，它包括一个检测组件（4、72、52），该检测组件包括一个向样品发射光的光源（6、54、74）和一个接收来自被检测样品声频响应的声频检测器（7、56、76），其特征在于，该光源（6、54、74）适合于发射一个频率或一组离散频率的光，该频率或该组离散频率根据被检测物质的光声光谱来确定。

6、根据权利要求5的装置，其特征在于，用一个控制光源（6、54、74）激发的驱动器（8）使光源发射脉冲光。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于，通过光驱动器（8）控制光源（6、54、74），使光源基本上同时发射光脉冲。

8、根据权利要求7的装置，其特征在于，这些脉冲是在10微秒内发射的。

9、根据权利要求5、6、7或8的装置，其特征在于，该光源（6、54、74）在测试时能够适合于发射一组离散频率的光，这组频率是根据所测试物质的光声光谱确定的。

10、根据权利要求5-9中的任何一项的装置，其特征在于，检测器组件构成一个具有一个检测表面的检测头（4），光源（6）和声频检测器（7）装在该检测表面上，在使用时，使人、动物即患者的身体同该检测表面相接触，以便完成在体内测试要测物质。

11、根据权利要求1、2、3或10的装置，其特征在于，该装置的大小和形状适合于个人携带。

12、根据权利要求11的装置，其特征在于，该装置包括一个附着部件（3），该部件能使装置紧靠到人或动物的身体上。

13、根据权利要求12的装置，其特征在于，所述的附着部件（3）是由一个手镯组成。

14、根据权利要求10-13的任何一项中的、并适合于测量人和动物的装置，其特征在于有一个监馊嘶蚨锾逍脑嗵牟考?

15、根据权利要求14的装置，其特征在于，所述部件（7）包括一个声频检测器和一个用于处理来自导出一个与人或动物心脏跳动有关的声频检测器信号的电路（16、22、24、26）。

16、根据权利要求14或15的装置，其特征在于，有一个使光源（6）的激发和心脏跳动同步的同步电路（12）。

17、根据权利要求14、15或16的装置，其特征在于，有一个记录光声测试的时间和心脏跳动时间关系的记录电路（12）。

18、根据权利要求5-9中的任何一项的装置，其特征在于，该检测组件安装在接收检测样品的座（52）中。

19、根据权利要求18的装置，其特征在于，所述座（52）确定一个放样品的腔，光源（54）和声频检测器（56）固定在腔的内表面。

20、根据权利要求18或19的装置，其特征在于，所述的座（52）包括一个检测样品存在的检测器和响应样品检测器使检测器组件移动到测试位置的机构。

21、根据权利要求18、19或20的装置，其特征在于，所述的装置是一个带包装的便携式单元。

22、根据权利要求5-9任何一项的装置，其特征在于，它包括一个具有允许样品通过的入口和出口的样品营（70），检测器组件（72）和样品营相邻配置，以使光源（74）直接把光射到样品营上。

23、根据权利要求22的装置，其特征在于，检测器组件（72）围绕样品营（70）配置。

24、根据权利要求22或23的装置，其特征在于，样品营（70）包括一减少样品中噪声的部件。

25、根据权利要求24的装置，其特征在于，所述的部件能平滑通过样品营（70）的样品的流动。

26、根据权利要求24或25的装置，其特征在于，所述的部件包括在样品营中的若干个析流板。

27、根据权利要求24的装置，其特征在于，所述的部件包括用于关闭样品营（70）的入口和/或出口的阀门。

28、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于光源（6、54、74）是一个半导体激光器。

29、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，声频检测器是压电传感器。

30、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，声频检测器是微音器。

31、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，声频检测器（7、56、76）装在检测器组件上并围绕在光源（6、54、74）的周围。

32、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，声频检测器由一组在物理上分开固定在检测器组件上的、而它们的输出连在一起的一组检测器所组成。

33、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，照射光源（66）和照射检测器（68）这样的配置以允许被检测样品的光透射比。

34、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，照射光源（32）和照射检测器（38）在检测器组件上这样的配置，以允许被检测样品光反射。

35、根据前述的任何一项权利要求的装置，其特征在于，检测组件还包括一个固定在其上的温度检测器（36）。

36、根据权利要求35的装置，其特征在于，所述的温度检测器是一个半导体器件。

37、根据前述任何一项权利要求的装置，其特征在于，有一个存储光声测试结果的存储器（12）。

38、根据前述任何一项权利要求的装置，其特征在于，有一个显示光声测试结果的显示装置（42）。

39、根据前述任何一项权利要求的装置，其特征在于，光源（6、54、74）装在可更换的插接件上，以便在使用时同该装置相连接，及对于每次按装的光源（6、54、74）适合于发射至少一组离散频率光中的一个，这组离散频率的光是根据被检测物质的光声光谱确定的。

40、根据权利要求39的装置，其特征在于，所述的插接件包括为了处理来自被检测样品的声频信号和产生一个为预定形式的输出而设计的电路，以及把这个输出传输到该装置的电路。

41、一种用光声光谱技术检测样品中物质浓度的方法，包括：向样品发射光，检测样品的声频响应，其特征在于，还包括选择λ射到样品上的光的频率，该频率至少是根据被测物质的光声光谱确定的一组离散频率中的一个频率。

42、根据权利要求41的方法，其特征在于，把所述的一组离散频率中的每一频率的光脉冲发射到样品上。

43、根据权利要求42的方法，其特征在于，所述的光脉冲基本上是同时发射的。

44、根据权利要求43的方法，其特征在于，所述的光脉冲都在10微秒内发射。

45、一个检测人或动物体内物质的装置，其特征在于，用光声光谱技术检测物质的部件（6、7、54、56、74、76）和对被测人或动物体的照射是根据被检测者的心脏跳动的同步来控制的。

46、一个检测体液中某一物质的方法，其特征在于，用光声光谱技术在体内检测所述物质。

47、根据权利要求46的方法，其特征在于，包括控制对用光声光谱技术的被检测者身体的照射与被检测者的心脏跳动同步。

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