CN106461548A - 对液体和气体调制的流体分析器 - Google Patents

对液体和气体调制的流体分析器 Download PDF

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Abstract

一种流体分析器，所述流体分析器包括光源和光学探测器，所述光源和光学探测器限定通过流体流动室的检查区域的光束路径。流动控制装置引导穿过通道和检查区域的分析物和基准物流体，并且响应于控制信号以操作流体流动，以在检查区域中移动将分析物和基准物流体分离的流体边界。控制器生成控制信号以(1)导致流体边界相应地在检查区域中移动，(2)以第一间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，在第一间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，以及(3)从输出信号的样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。

Description

对液体和气体调制的流体分析器
背景技术
由于中红外(Mid-IR)中可访问的唯一光谱指纹，Mid-IR光谱是用于有机材料的定性和定量测量的有力工具。然而，由于包括以下各项的许多原因，使用Mid-IR光谱测量分析物的较低浓度可能存在挑战：(1)由于较强的吸收背景基质的较强的背景吸收率，吸收背景基质诸如为水或其它的较强极性溶剂，所述较强极性溶剂限制容许的样本路径长度，(2)与分析物重叠的干涉，该干涉使得直接测量分析物吸收特征是困难的，(3)较弱和较宽的光谱特征，所述较弱和较宽的光谱特征难以或不可能与仪器光源、探测器和电子器件中的低频漂移区分开。
处理这些限制中的一些的一个方法是在系统中引入两个测量通道，一个测量通道具有分析物以及背景基质(例如液体样本中的溶剂)，即“样本通道”，另一个测量通道包括没有分析物的背景基质，即“基准物通道”。样本通道和基准物通道然后分别被相继或平行测量，并且结果被按比率变换以获得需要的“透射”光谱。在较低的分析物浓度下，样本通道和基准物通道中的背景基质基本是相同的，并且因而抵消，使得更容易理解分析物的微弱吸收特征的提取。该方法可以通过多个方式或途经来实现。
一个技术是实时“伪”双光束(对于FTIR)。在这种情况下仅具有一个测量通道，并且样本室和基准物室交替地放置在测量通道中。(计算机存储的)样本测量值和基准物测量值然后按比率变换以获得透射光谱。由于任何较小的漂移将向测量值增加噪声，所以该方法要求非常稳定的系统，该系统包括源、电子器件和探测器。该方法还要求与相同的采样室匹配，或冲洗和再填充单个室。
另一方法是在两个光学路径之间切换光束。尽管该方法可以是更快的，但是非常难以精确地匹配两个通道，光学上较复杂，并且采样室必须也紧密匹配。
双光束光学相减涉及来自干涉仪的180°异相的两个输出光束的光学差分测量。又难以使通道匹配，光学上较复杂，并且仍然需要两个匹配室。
具有两个探测器和通道的双光束是另一方法。尽管两个光束可以被同时地测量，但是除了匹配两个光学通道，探测器必须还被匹配，使得测量甚至更困难。
在常规的基于光栅的扫描仪器或可调谐激光器的情况下，双光束系统可以被使用，其中随着系统扫描整个光谱，机械斩波器使光束路径在两个光学路径之间快速交替。该快速调制改进了信噪比，但是仍然遭受匹配光学路径和采样室的困难。
这些方法都要求非常稳定的源、探测器和电子器件、两个光学通道和采样室的精确光学匹配、或这些要求的一些组合。另外，它们都增加了测量的复杂度。
最小化这些限制的一个非常有效的方法是调制光谱。在调制光谱中，一次或多次调制施加在测量装置或样本上。借此，这允许检测方法仅调制特定频率，和/或其高频泛音需要被检测到。通过这样做，该方法消除了影响位于调制频率外的测量值的噪声源。这还能够消除所述常规的双光束比率方法所固有的低频漂移问题。
调制光谱的示例在于测量激光光谱的狭窄气体线(如在本领域已知的波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS))。在WMS中，在比被测量气体线的线宽小很多的波长范围中调制激光波长。在兴趣线上扫描以及在调制频率下，或优选地在更高阶频率下，使用锁定放大器将限制信号的测量带宽并且显著地改善信噪比。这仍然不完全地消除源、探测器和电子器件中的低频漂移作用，但是如果狭窄光谱区域被测量，则其可以被足够快速地扫描以最小化该噪声源。调制测量装置的其它方法包括振幅调制、使用机械斩波器的机械调制、和诸如利用光测弹性调制器的光学调制。通过在不同频率下同时地调制所有的测量波长，干涉仪固有地工作。但是干涉仪仍然遭受长期漂移的问题。
如果背景与测量的线相比是显著地较宽的，则源的频率调制将也有助于最小化背景干涉。这通过使用从调制方案获得的高阶导数而被实现。
对于较宽的光谱特征，由于难以在非常大的频率范围中以可重复功率快速调制，以及在较宽的光谱范围中干涉带的额外挑战，频率调制技术失效。由于测量必须通常延伸以覆盖距离峰值吸收率较远的基线点，如此较少的时间用于测量兴趣分析物的最大信号，所以在较宽的光谱范围中扫描也不是高效的。
Mid-IR激光器，诸如QCL，提供具有多阶振幅以及比用于常规的FTIR和扫描光谱仪中的传统的Mid-IR热源更高亮度的可调谐Mid-IR光源。另外，如果在连续波长(CW)模式中操作，则激光线宽可能是非常狭窄的，与典型的较小分子气体的转动线宽相比窄许多。由于多个原因，这使得其理想地适于测量该气体。首先，较高的亮度允许非常长的路径长度被使用，非常长的路径长度将增加测量样本的量，从而凭借比尔-朗伯定律以增加灵敏度。第二，因为测量的分辨率大于测量线宽，因此线的测量振幅大许多，并且因而与较低的分辨率测量相比时更容易检测，其中例如光谱仪分辨率小于样本线宽，然后测量振幅更小。这直接地说明，为什么当测量0.1cm-1宽的气体吸收线时，相对于具有小于0.001cm-1的线宽的激光器，具有8cm-1线宽的典型的FTIR仪器的性能显著地是不利的。
对于较宽线的测量，典型的凝相样本或更高分子量的气相样本(其中，急剧的转动结构未被分辨)，Mid-IR光源没有从其更高的分辨率中获益。然而，在诸如水、较强极性溶剂的强烈吸收基质中或在存在高浓度强烈吸收物的情况下，增加的亮度可以使得增强微量样本的灵敏度。例如，在通过水室的凝相测量中，由于基质的强烈吸收，用于使用红外热源的常规FTIR和扫描IR的路径长度可能受限于约5-20um。
Mid-IR激光的亮度使得能够使用较大路径长度透射室，较大路径长度透射室允许更长的光学路径长度室(100+um)用于测量在诸如水的液体中的样本。这将改善测量灵敏度，并且提供当用于在线测量时更不易于堵塞和具有较高回压的更稳健的采样系统。同样地，对于其中具有诸如天然气中的甲烷的强烈吸收背景的其它系统，更长的路径长度可以用于改善诸如H2O或H2S的微量成分的检测。
易于具有较高回压和堵塞的用于水相测量的较短的路径长度透射室的替换例是减弱全反射(ATR)室。ATR方法可以用于改善流动，同时提供使用常规的IR光谱必需的较短的路径长度。然而，ATR方法引入更复杂的光学器件，通常地更大的室体积，是更昂贵的，不总是提供良好的层流，并且难以清洗。
然而，使用Mid-IR激光器用于较宽的线宽测量是有问题的。对于该测量，最优的可以是在其峰值振幅处测量较宽线。但是，基线点必须也被测量，这表示在峰值和基线之间来回地扫描。当在峰值和基线之间扫描时，在每个测量值的时间点处的激光器功率必须精确地被知道，以精确地测量分析物浓度的较低浓度。另外，激光器、探测器、电子器件、以及甚至样本可以在峰值测量值和基线测量值之间在时间方面漂移，并且误差不能从峰值振幅中的改变区分，并且因此是噪声源。最后，由于难以在较高频率(例如100Hz)下在该较大线宽中调制激光器，所以较宽线限制诸如频率调制的仪器调制技术的使用。
发明内容
流体分析器被公开，所述流体分析器包括光源和光学探测器，所述光源和光学探测器限定通过流体流动室的检查(interrogation)区域的光束路径。流动控制装置引导穿过通道和检查区域的分析物和基准物流体，并且响应于控制信号以操作流体流动，以移动在检查区域中分离分析物和基准物流体的流体边界。控制器生成控制信号以(1)导致流体边界相应地移动经过检查区域，(2)以第一间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，在第一间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，并且(3)从输出信号样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。
附图说明
根据本发明的如图所示的特定实施例的以下描述，前述的和其它的目的、特征和优点将是显而易见的，其中在所有不同视图中，类似的附图标记表示相同的部件。
图1是流体分析器的示意图；
图2–3是流体分析器的流动路径的示意图；
图4–16是流体分析器的示意图；
图17是示出水和油的光谱光学吸收特性的曲线图；
图18是流体分析器的示意图；
图19–22是流动室中的流体合并位置的示意图；
图23是流体分析器的示意图；
图24是流体流动室的示意图；
图25–27是流体分析器的示意图；
图28–29是流动室中的流体合并位置的示意图；
图30–37是流体分析器的示意图；
图38–42是流体流动通道的部分的示意图。
具体实施方式
该描述使用某些术语，在下文所述术语被提供用于以下总体描述，但是每项术语在特定实施例中可以被进一步地描述或以其它方式改变：
溶剂–大量液体(或气体)，在大量液体(或气体)中，分析物被溶解在溶液中或悬浮为乳状液
分析物-有兴趣对其表征、量化或识别的化合物，所述化合物溶解在溶剂中的乳状液中或混合为溶剂中的乳状液
溶液-构成溶剂、兴趣分析物和可能地干涉和非干涉的其它化合物的大量液体(或气体)。液体还可以包括其它的类似液体的物理状态，诸如超临界流体。液体还可以包括在溶液中的悬浮颗粒或活细胞、乳状液、和生物液体，诸如全血、尿或细胞间流体。
背景或背景基质-样本的除了分析物外的所有成分
基准物–在差分测量系统中用于提供基线的物质
样本–在差分测量系统中包括一个或多个分析物(缺乏一个或多个分析物)的物质。样本流也可以称为分析物流。
路径长度–光束行进通过流体室的流体通道的距离，该距离可以例如通过以下各项确定，(1)在检查区域处流体室的内顶部和底部窗口表面的间隔，或(2)在检查区域中穿过待测量流体的光束的行程长度。由于其它流体或物质在检查区域中的存在，行程长度可以称为有效的路径长度并且可以小于窗口间隔。
检查区域(或地区)-被测试的物质(例如分析物)和光源之间的相互作用的区域。例如，检查区域可以通过光束的直径乘以路径长度而被确定。
微流体室、流体流动室或光学室–包括流体或气体的物体，其中流体或气体可以移动进入检查区域中。
分析器–用于测量分析物的光源、光学室和光学探测器或换能器的组合
流体边界或界面–基准物流体和样本流体所接触的区域。
在该说明书中，中红外(Mid-IR)量子级联激光(QCL)源可以称为光源。应该说明，源不一定是Mid-IR源或甚至不一定是激光器。尽管Mid-IR激光被用作示例，但是方法还适用于其它类型的光谱，包括但是不受限于，紫外可见光谱、近红外光谱、拉曼光谱和荧光光谱。仪器可以是可调谐源，诸如激光器或其它的较高强度源，或可以是常规的光谱仪，诸如扫描光栅系统、基于滤波器的系统或使用常规源的FTIR。
还应该认识到，该技术还可以适用于非光学技术测量，其中有利的可以是比较样本和基准物。示例可以包括使用电极或感应回路的电导率测量、热量测定和pH。在该示例中，检查可以不是光学的而是替代地通过检测机构与溶液的相互作用而被确定，诸如当测量电导率时的电气或磁性路径。
新方法被描述，新方法允许快速调制被测量样本以改善测量较低水平的分析物的灵敏度和精度。在样本和基准物流体的测量之间进行调制。基准物流体可以是空白(即透明的或非常弱的吸收物)介质，其中基准物提供零基准物，或基准物流体可以是没有兴趣分析物的典型的样本背景基质，从而有效地抵消背景干涉并且允许在摆脱背景的情况下直接测量兴趣分析物。除包括在已知浓度(例如其中分析器测量与目标值的偏差的目标水平)下测量的分析物或多个分析物外，基准物可以与样本相同。
图1示出了第一实施例，其中包括兴趣分析物的液体样本溶液10以连续流动流的方式，或以流动-停止-测量-开始-流动重复序列的方式，被引入流体流动室(或"流动室")12。在流动流中，基准物溶液14(样本和基准物的顺序可以是相反的)被引入流动流中，以此方式在样本10和基准物14材料的流动流中产生交替区段或塞部。这些交替区段被示出为用于样本的S和用于基准物的R。Mid-IR源16，诸如如图所示的固定频率或可调谐QCL激光器16，或一个或多个激光器，被调谐成用于测量感兴趣的分析物的适当波长，诸如选择成最小化背景干涉的吸收率特征的峰值。Mid-IR源16可以通过光纤连接到流体流动室12。基准物材料被选择为适当的空白物，诸如纯溶剂、气体或适当的基准物材料或代表样本背景的混合物。使用诸如阀、混合器、泵的微流体技术，或使用压力以使样本流和基准物流交替，基准物可以插入样本流中，所有技术在本领域是已知的。在图示的示例中，切换阀18被使用。
在本实施例中，激光频率(或等效地，波长)被设置成如下的值，在该值处，分析物相对于基准物流体具有较强的差分吸收率，并且在一个实施例中，干扰(即在测量中来自无兴趣物质的吸收)是最少的。因为在该频率下基准物14具有与样本10不同的吸收率，因此随着样本和基准物穿过光束24，探测器20处的信号被调制。由探测器生成的调制波形26然后可以被部件28处理，部件28可以是产生与分析物浓度成比例的值的锁定放大器或数字信号处理系统。由系统控制器生成的流体调制波形可以控制样本和基准物溶液如何被引入。例如，穿插有相对长期的稳定流动的阀18的快速切换可以在最少混合的情况下在样本和基准物之间产生较明显的边界，导致可以是更偏向正方形形式的波形。阀也可以以此方式被控制，使得进行混合，所述混合将基准物溶液和样本溶液以缓和的梯度混合，产生交替的波形，例如正弦或三角形的波形。其它的波形也可以以这种方式产生。
关键的优点是用于对室12采样的激光束可以保持不动。激光器，特别是可以具有比脉冲激光器更高的信噪比的CW激光器，在存在可能使性能退化的光束运动的情况下易于受到许多光学影响。这些包括斑点、衍射、对激光器的反馈、机械可重复性等。如果激光束在两个样本室或样本室中的区域之间交替地转向或平移，从而性能可能退化。
因而，该实施例允许背景基准物14和分析物样本10在激光束没有运动或激光源16或探测器20的波长没有改变的情况下进行差分测量或比率变换。
流行进通过流体流动室12，并且随着流的样本区段和基准物区段穿过其中光束24与流体流动室12相遇的检查区域22，分析器连续或间歇地测量流的样本区段和基准物区段的透射。样本和基准物的吸收比率的计算可以被使用，从而确定兴趣分析物的浓度。可选地，探测器20处的激光强度的连续调制的振幅可以用于确定分析物的浓度。类似地，如在波长调制光谱中那样，利用更高阶调制频率(样本和基准物穿过室的速度)的检测方案可以用于最小化期望频率带宽，因而排除噪声并且改进测量的灵敏度。
如果样本10和基准物14是没有混合的不连续的塞部，则通过在交替区段中引入基准物14而生成的调制波形可以是方波。也可以在样本流10中以一定方式引入基准物14，使得以控制方式实现混合，以产生其它的调制波形，诸如可以通过液体的注入的可变控制而实现的调制波形。在一个实施例中，混合被设计成实现分析物浓度的正弦调制。调节调制波形可以改善某些信号处理算法的性能。探测器20测量的波形的采样可以包括，在用于样本集成的基准物和样本的流体调制过程中，选择时间间隔，使得采样占空比小于100％。为了累加测量值，采样时间和位置可以被选择成提供最好的测量稳定性，以实现更好的信噪比和灵敏度。用于基准物14和样本10的采样时间可以是不相同的，以实现需要的初始差分透射值(例如1)。通过分析或测量基准物和样本之间的边界区域的位置，基准物14和样本10的采样的计时可以被选择。通过分析或测量基准物14和样本10之间的边界区域的宽度(即，基准物和样本之间的混合的宽度)，基准物14和样本10的采样的计时可以被选择。
探测器20可以是用于将光学信号转换成电信号的任何适当的换能器。举例来说，对于mid-IR源，探测器可以是焦热电探测器、辐射热测量计探测器或带隙探测器，诸如HgCdTe光电池。光学信号可以通过光纤连接到探测器。
为改善调制速度，样本流10和基准物流14可以多次快速地来回地被泵送通过室12。这可以使用泵或通过活塞式泵(未示出)而完成。在一个实施例中，透射室12的通道可以比激光束24的直径长，并且可以包括通过活塞来回地穿过激光束24的样本10和基准物14的多个区域。在本实施例中，例如由于扩散、弥散或湍流混合，基准物14和样本10可以被混合。在一个实施例中，通路的数量可能受限于扩散速度，使得混合的样本10和基准物14小于初始未混合塞部的尺寸的50％。
可选地，取代连续流动流，利用样本流10和基准物流14交替地快速填充室12以及在样本/基准物在静态(非流动)状态时执行吸收率测量可以被使用。可以使用包括切换阀的各种方法。
样本调制的该方法可以在用于在线连续测量的系统中执行，或样本可以用“批量模式”引入系统中，借此静态导管填充有兴趣样本，并且样本(和基准物)被从导管引入室中。
对于测量过程，多个激光器可以为了测量多个分析物而同时地或有序地用于测量多个波长，或为了校正和改进被测量分析物的精度而用于测量样本干涉。为了相同目的，一个或多个可调谐激光器可以用于在多个吸收线之间有序地切换。
当进行乳状液、“脏样本”或可能在室中留下污染残余物的样本的测量时，可以向基准物流和/或样本流添加清洗剂，诸如表面活化剂以移除诸如脂肪或油的疏水材料，或通过添加适当的溶剂进行，在一个实施例中清洗剂是光学非干涉的。可选地，清洗溶液可以周期性地引入室中以冲洗系统并且清洗室。清洗溶液或另一第三背景样本可以具有100％的透射，以提供总激光功率的测量，从而将之前的相对振幅测量值校准成更精确的和被校准的绝对测量值。
公开的技术允许多个分析物样本和基准物样本引入流中，分析物样本的数量和基准物的数量根据测量系统的要求而确定。
另外地，多个探测器20和多个光源16可以用于系统中以同时地分析多种成分。在一些示例中，单个探测器20可以同时地用于测量多个波长源，波长源可以被源或多个源的额外调制辨别，该调制诸如为波长或振幅调制。另一实施例使用多个探测器20，对于每个探测器20在合适位置处具有滤波元件，以选择性地测量需要的源波长。
微流体领域的技术人员将认识到，微流体流的交叉还可以用于通过交叉流的压力变化而生成基准物流体和样本流体的块(slug)或包(packet)。
图2和图3示出流动室30的另一实施例，其中图2示出了侧视图并且图3示出了正视图。流动室30包括前窗口32、液体流动区域34、穿过检查区域的光束路径36和后窗口38。待测量液体通过入口管道40流动进入室中，并且通过出口管道42流出。密封隔离件和垫片44、凸缘或在本领域是已知的其它装置提供防泄露密封件，同时最小化涡流。室30被设计成在湍流过渡(transition)下高效流动。室30可以比激光束的尺寸更宽或更长，这可以有利于实现最优的流动特性。与管道40、42组合的室30和切换阀(未示出)以及室形状被设计成避免可以扰乱测量的气泡、混合和流动人工痕迹。窗口32、28的表面可以是防反射涂覆的，并且室30可以相对于光束路径36成角度，以避免无用的反射或激光回反射。一个或多个光学孔或挡板可以用于限制采样区域。流体性挡板或通道可以构造在室中，以实现需要的流动特性。阀可以构造在室30中，从而提供包括流动室和阀的单个组件。采样室窗口壁可以成楔形(见如下示例)以避免标准具(etaloning)效应。前窗口32和后窗口38可以相对于彼此类似地是非平行的，以避免室前窗口表面和室后窗口表面之间的光学标准具。室被设计成足够刚性的，以不由于流动或压力而变形，从而否则危害测量。
图4示出，在可替换的实施例中，多个激光器50和/或多个探测器52可以用于同时地测量多个分析物。光束组合器54可以用于发送多个光束以通过相同样本区域，或激光器50可以被构造成用于同时地或有序地对不同的空间区域采样。分光器55可以用于分离光束并且将光束引导至不同的探测器52。不同的激光器50可以被频率调制，如此通过在本领域已知的信号处理技术，单个探测器可以用于在紧接的间隔内对多个光束采样。多个样本56和基准物58还可以用于提供对单个室59中的多个分析物的分析。多个样本56和基准物58经由泵61提供到室59。在一个实施例中，包括已知浓度的分析物(或另一分析物)的第二基准物可以用于校准系统。
在另一实施例中，一系列测量值被组合(例如，累加或平均)以改善测量灵敏度，并且颗粒或气泡在流体通道中的可能存在通过光学测量、压力测量或其它检测方法被检测到，并且可能具有被颗粒或气泡干扰的值的探测器输出信号的样本被从一系列测量值排除。颗粒或气泡可以在进入检查区域中之前被检测，或可以在检查区域中被检测，并且如果在检查区域之前检测到，则可以从流体或颗粒运动(例如，流体速度以及检测点和检查区域之间的距离)中估计气泡进入检查区域中的时间。气泡或颗粒可以不进入检查区域中，并且(例如通过影响流体边界的运动)仍然影响检查区域中的流体运动的动力，并且因而值仍然可以被排除。气泡或颗粒可以沿着通道通过或可以处于室通道中，或在进入室通道中之前在流体路径或通道中，并且因而仍然影响测量并且需要被排除的值。
图5示出另一实施例，其中采样60和基准物62的交替流通过两个切换阀66、68被引入室64中。一旦采样和基准物在室64中，则切换阀2被切换以将注射泵69连接到样本入口，并且样本流和基准物流被停止。注射泵69，或其它适当的装置，然后用于在室64中以较高速率来回地快速移动流体流。这允许样本/基准物流的更高调制速度。因而，扫描通过激光束的液体的一个方法是(1)将流动室64(或其附接管道)装载有基准物和采样的区域，并且(2)将基准物62和采样60的区域移动通过激光束70，使得在没有激光器72或探测器74的相对机械运动的情况下，至少一个基准物或样本区域被测量超过一次以上。
图6示出使用具有未混合流体的两个流动室80、82的样本调制器。在本实施例中，两个室80、82被背靠背叠放，并且样本84溶液和基准物86溶液分别被引入交替地具有光学透明的气体或液体88的透射室80、82中的相应的一个(即，当测量室82中的基准物86时，室80包括非干涉的或大致地非吸收的流体88)。多个室可以是有利的，以用于在多个样本被测量时，分离出口废物流或避免室污染。室80、82可以物理地分离或，为了最小化反射，室80、82可以共用样本室壁。超过两个室的阵列可以用于超过两个的液体。
图7示出使用IR透反射采样室90的样本调制器的实施例，IR透反射采样室具有在前侧92的IR透明窗口和在后侧94内的IR反射材料。IR激光束96穿过透明窗口92，通过室90中的检查区域处的样本溶液或基准物溶液，然后(在从后侧94反射之后)返回通过样本溶液或基准物溶液以到IR探测器98。与仅透射室系统相比，该实施例可以是更紧凑的。室有效地是两个传输室，要求一半(或根据入射角小于一半)的室样本厚度以提供与单个仅传输透射室相同的路径长度。反射可以在如图7所示的流流动的方向上，或反射可以(例如在通道的整个宽度上)与流流动的方向正交。当反射在流流动的方向上时，当液体之间的边界穿过光学室的后表面上的反射区域时，可以同时测量基准物和样本，并且测量结果可以用于校准分析器。
作为变型，未示出，室可以具有部分地反射的后侧表面，使得能够同时进行半路径长度测量和全路径长度测量，并且可以使用一对探测器。这可以有利于改善测量动态范围，或改善与较宽范围的样本分析物、基准物或波长测量的兼容性。
图8示出以下实施例，其中样本100和基准物102与悬浮液体中的散射或反射颗粒的溶液104混合。随着样本和基准物穿过光束106，光被颗粒散射。散射光可以被如图所示的一维或二维探测器阵列108检测，或可选地散射光可以利用透镜或反射镜在一些角度内重新聚焦和聚焦在单个探测器上。颗粒尺寸或浓度可以被改变，以在没有改变流动室的几何尺寸的情况下，在流体中提供不同的平均路径长度。例如，这可以用于为分析物、基准物或样本吸收率或其它特性提供增强的动态范围。在另一实施例中，探测器阵列108可以用于通过跟踪室中的颗粒的运输时间而计算颗粒或测量流流动的速度。
与诸如参考图1描述的可调谐源相对，图9示出使用宽频带源110的实施例，宽频带源诸如为热源、灯、FTIR或宽频带法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器。通过诸如与单个探测器或探测器阵列114连接的棱镜或光栅的光谱分析器112、具有单个探测器的干涉仪或其它这种光谱测量部件，来自宽频带源110的光被解码。如果干涉仪或单个探测器光栅或棱镜被使用，则解码装置可以放置在样本之前，即在源110和室116之间，的光学路径中。解码装置可以放置在样本之前，以减少室116中的光学功率，并且从而减少流体在其它波长下的任何吸收。
图10示出使用与用于傅里叶变换IR(FTIR)测量中的那些ATR流动室类似的ATR流动室120的样本调制器的实施例。以大于相对于水晶124的后表面的临界角度的角度，经由一个小面126，IR光束122被引入IR透射水晶124中。光被沿着水晶124反射多次，并且从相反的小面128离开。样本/基准物溶液流动通过水晶124的背面，并且渐逝的IR波与样本和基准物相互作用，并且由样本和基准物吸收。在本实施例中，样本/基准物塞部的长度可以超过ATR水晶124的渐逝区域的长度以实现较高的信号强度。在另一实施例中，光源是FTIR干涉仪的输出光束，并且探测器是FTIR红外探测器(例如，光学室120以及任何必要的聚焦或准直光学元件放置在FTIR分析器的样本隔间中)。
气体分析
图11示出使用气体取代液体的样本调制器的实施例。样本气体130和基准物气体132被交替地引入气体室134中，以调制光束136。气体室134可以是单通路或任何多通路气体室。超过一个的样本气体和基准物气体可以被使用。
可以期望使用具有高效流动特性的较小体积的气体室134作为采样室。一个该室可以是中空光纤，如果有必要该光纤在内孔上涂覆有材料以确保在兴趣频率范围中的较高反射比。使用更常规的室的其它室构造是可以的，诸如多通路白色室或赫里欧室或甚至外腔室。样本气体130和基准物气体132被交替地引入室中。室完全地或近似完全地由基准物气体或样品气体的开始(proceeding)区段冲洗。Mid-IR激光138在中空光纤或室的一个端部处聚焦，并且适当的聚场光学器件(图11的实施例中未示出)被用于收集来自光纤或室的另一个端部并且聚焦在探测器140上的透射光。
通过切换阀，或通过使用各种压力控制机构以交替地引入两种气体，样本气体130和基准物气体132可以引入室中。
基准物气体132可以是空白的，诸如Mid-IR透明气体(N2、He)，或不干涉兴趣分析物的一些其它气体。基准物气体还可以包括样本背景的典型基质。典型基质甚至可以是样品气体自身，其中分析物通过一些化学制品、催化反应、过滤器或分析物移除的其它适当的方法被移除。
一个或多个固定频率激光器或可调谐激光器又被设置成用于每个兴趣线的需要频率。随着样本气体130和基准物气体132传输通过室134，激光吸收在样本/基准物引入的频率下被调制。可以直接地测量两个流之间的吸收率差值，或信号处理方案或锁定放大器可以用于检测信号并且过滤噪声。
可选地，对于具有狭窄线旋转微细结构的较低分子量气体，激光器138也可以在分析物兴趣线上被频率调制以直接地检测气体种类，并且基准物也以相同方式被扫描，这可以允许校正来自样本背景的干涉种类。激光波长调制可以包括每个分析物或基准物采样的多个循环。在一个实施例中，基准物和样本可以分别以每100毫秒穿过激光器一次，并且激光器可以用20Hz的频率被波长调制。
在另一实施例中，例如通过使用光学斩波器、光学调制器或通过改变激光器电功率，激光器光学功率可以在恒定波长下被振幅调制。在另一实施例中，例如通过改变QCL芯片的驱动电流，激光器光学功率和波长可以同时地被调制。
图12示出使用气体和管室的样本调制器的实施例。该系统中的气体室包括在内侧涂覆有较强反射涂层的中空毛细管140。样本气体142和基准物气体144被交替地切换至流过毛细管140的流中。聚焦光学器件146聚焦来自激光器150的激光束，并且将被聚焦光引导进入毛细管140的一个端部中。在另一个端部处，相反端部处的聚场光学器件152收集离开管140的光154并且在探测器156上聚焦光。毛细管140是挠性的并且可以方便地盘绕在紧凑空间中。
图13示出了以下实施例，其中第二计时光源，诸如发光二极管(LED)160，用于确定何时样本材料和基准物材料被QC激光器162测量。计时光源160可以在与QC激光器162相比不同的光学波长下。在一个实施例中，计时光源160被设计成用于在可见波长中检测。计时光源波长被选择成在较高信噪比下提供在样本和基准物之间的差分吸收测量。在QC激光器162的测量波长下是透明的染料或其它材料可以混合进入基准物或样本中，成为分析物，以提供较高信噪比的计时测量，从而使得计时光源160和其探测器164能够确定何时基准物被IR激光器162测量。如果计时分析物用于基准物中，则不同的分析物，或不同浓度下的相同的分析物，可以插入样本中以测量样本和基准物的计时。例如如果基准物的传导性和信号被选择成不同的，则非光学换能器可以用作计时基准。可以在与流体流动的方向大致地垂直的方向上进行传导性测量。
如上所述，计时光源160还可以用于进行过渡计时区域测量和系统反馈功能。
图14示出以下实施例，其中室窗口170、172相对于彼此成楔形，使得将室174相对于光源光束在空间上定位或沿着室174的高度移动光束，产生用于样本/基准物测量的不同路径长度。这允许在没有改变样本室的情况下，针对不同的路径长度最优化系统。另外，多个源176和多个探测器178可以沿着室的高度放置，以便以对于每个分析物最优的不同路径长度测量不同分析物，或用于测量在不同浓度下的相同分析物，从而延伸系统的动态范围。超过两个激光器176的阵列和超过两个探测器178的阵列可以用于提供许多路径长度或测量许多分析物。路径长度梯度可以是连续的或成不连续的阶梯，例如通常使用半导体处理方法而实现。
图15示出其中室180的内表面涂覆有反射薄膜的实施例。未涂覆的部分182提供端口，以使激光束184在需要角度下进入室180中。光束184沿着室180来回地反射，直到遇到未涂覆出射端口186，未涂覆出射端口186允许光束184从室180出射并且行至探测器188。激光角度、室高度和窗口间隔确定反射的次数。该布置可以允许针对较弱的吸收样本使用更长的路径长度，例如更长的路径长度可能用于在可见或近红外波长下测量的水基液体。在另一实施例中，在室180一侧的反射表面和出射端口186可以在室外，并且位置可平移以选择哪个光学反射通过端口186出射以用于通过探测器188进行的测量。通过这种方式，仪器可以在单个室中包括多个路径长度，能够根据液体吸收率、激光功率、探测器性能或其它操作参数来选择最优路径长度。类似于其它的实施例，反射可以在流流动的方向或与流流动的方向正交的方向上。与流流动并行，基准物和样本的每个塞部或每个包的长度可以在通道中具有超过光学反射的长度的相同几何长度。包的长度可以根据选择的光学反射的数量而被调节。
图16示出以下实施例，其中室190的内表面在后窗口192的内侧涂覆有半反射薄膜，并且在前窗口194的内侧涂覆有反射薄膜。光束106成角度地穿过窗口的未涂覆部分198而进入室190中，并且沿着室190来回地反射，并且在每次反射时，光束196的一些部分透射通过半反射涂层。激光角度、窗口间隔和室高度确定反射的次数。探测器阵列200定位成测量被透射的光线。这允许不同路径长度和功率水平被选择，以用于针对不同样本条件和类型来最优化系统功率和路径长度。多个激光器，或甚至激光器阵列可以用于为不同的分析物提供不同的波长。
图17示出水和油的光谱吸收的示例。其中水作为溶剂，并且油作为传输通过流动室的溶液中的兴趣分析物，在探测器上入射的激光功率将通过透射室中的吸收而被调制。在该示例中，因为溶液中的分析物将替代溶剂，因此随着样本(油和水)和基准物(仅水)穿过室，分析物和溶剂之间的差分吸收将确定探测器处的差分信号。用于检测分析物的光谱区域可以被选择在其中溶剂和分析物差分吸收率最大的地方，或在图17的示例中，约为2900cm-1。根据应用的要求(例如水包油或油包水)，溶剂和分析物的角色可以是相反的。
可替换实施例可以使用其中溶剂吸收率超过分析物吸收率的光谱区域。在一个实施例中，光谱区域可以被选择在其中一个或多个分析物分别具有比溶剂更小的吸收率的地方。因而系统将是如下的系统，即由于吸收溶剂被较弱的吸收分析物替代，所以系统在室路径长度中有效地检测吸收溶剂的缺乏。该实施例具有如下优点，即因为在任何兴趣分析物浓度下没有分析物总吸收率的累加组合，其中差分吸收接近零，因此能够在单个波长下检测一个或多个分析物的存在。
另一实施例可以利用分析物对溶剂的替代以检测样本和基准物之间的差异。在本实施例中，基准物通道包括具有一个或多个分析物的“标准”溶液，“标准”溶液将与“样本”溶液进行对比。两个通道的吸收率的任何差异可以表示通道之间的一个或多个分析物的浓度的差异或杂质的存在。这在任何液体产品的制造中提供了质量控制检查，或可以提供对产品的纯度的质量控制检查。期望的分析物、不期望的分析物(即污染物)和波长的各种组合因而可以用于测量样本液体性质。
因而，一个实施例可以包括一个或多个采样室，一个或多个采样室(1)在一个光谱波长下检测一个或多个分析物的存在，在所述光谱波长下，一个或多个分析物具有小于溶剂的组合吸收率，并且然后(2)在分析物之间识别(speciate)品种，并且在一个或多个其它光谱波长下确定其在溶液中的浓度。该系统的一个优点是，系统可以在单个波长下更快地检测多种分析物的总浓度，或在不存在其它分析物或干涉物质的情况下，更容易地检测单种分析物的浓度。在一个实施例中，样本在单个波长下被测量并且如果分析物吸收率超过阈值，则样本被保持更长时间，并且可调谐激光器用于在另外波长下测量吸收率，以识别一个或多个分析物的品种。应该认识到，可以针对特定应用选择波长、溶剂吸收率和分析物吸收率的替换组合。在另一实施例中，所有兴趣分析物在选择波长下具有超过溶剂吸收率的吸收率，并且因而再次没有(而不是一点也没有)分析物浓度的组合，其中组合分析物吸收率等于溶剂吸收率。
在上述实施例中，泵用于向流动室提供溶液。在其它的实施例中，溶液可以从加压源抽吸，并且阀用于调节透射室中的溶液的压力和速度。在另一实施例中，加压溶液源和第二溶液之间(例如在样本和基准物之间)的挠性膜用于加压第二溶液并且从而消除第二泵。在另一实施例中，没有压力增加泵用于室的入口侧，但是压力减少泵用于出口侧面以在室入口和室出口之间产生需要的压差。
分析物和溶剂可以是不可混液体。有利的可以是，通过诸如均化作用、摇动、添加乳化器的方法或通过产生湍流流动，确保分析物在溶剂中的乳状液的形成。使用乳化器210的示例在图18中示出。乳状液可以具有目标水平的统计分布或颗粒尺寸。目标颗粒尺寸可以通过激光的相对于颗粒尺寸的波长而确定。目标颗粒尺寸可以比激光的波长大或小至少五倍。然后系统可以包括光源212和用于测量颗粒尺寸或颗粒密度的探测器214。该颗粒测量系统可以用于向乳化器具提供反馈。该反馈系统也可以用于改变室中的流速或吸收测量时间或二者。
图19和20图示了以下实施例，其中采样光束检查区域220(即，流动室通道的透射激光束并且是吸收检测区域的区域)放置在样本流222和基准物流224在流体通道228中的集中部处或附近，在流体通道228中，样本流222和基准物流224通过流体边界226分离。在这些图中，激光束正交于页面行进。通过改变两个流222、224的相对压力，流体通道228中的流222、224的宽度可以改变，使得激光束交替地穿过一个流224(图19)并且然后穿过另一个流222(图20)。通过按时间改变两个流222、224之间的压差，样本和基准物的测量频率或速度可以被改变，基准物224和样本22的区域在检查区域220中时的过渡时间也可以改变。如在图19和20示出的示例中那样，检查区域220的大致地与激光束直径相同的尺寸可以小于单独的流222、224的宽度，使得能够不连续采样每个流222、224。可选地，激光束直径可以超过单独的流222、224的宽度，并且多个探测器可以用于在空间上在过渡区域或样本内对基准物和过渡区域流采样。
如在微流体中已知，与逐渐接近室通道的侧面或壁有关，在室通道中的流的速度降低。因而在图19和20示出的类型的实施例中，将具有靠近室光学窗口的区域，在该区域中，基准物流或样品流不在压力下来回地移动。该静止区域的存在减少基准物和样本之间的测量吸收率差异。非圆形光束可以被使用，其中相对于室通道的光束定向可以被控制，以相对于利用名义上相同的光学功率的圆形光束实现的测量吸收率差值而增加测量吸收率差值(或测量信噪比)。例如，在流体的方向上，与正交于流体流动的方向相比，检查可以是更长的。
在一个示例中，随着样本液体或分析物扩散进入基准物液体中，静止区域可以随着时间减少。光学信号的随着时间的测量值因而可以提供对一个液体或混合物进入另一液体中的扩散速度的测量。样本和基准物测量的频率可以被控制以能对扩散速度测量。检查区域直径在通过通道的光学路径长度上的纵横比(aspect ratio)可以大于一，以增加光束路径中的“静止区域”液体的量，并且因而改善测量精度。
图21-22图示了图19-20的流体调制方案的变化，其中光束230相对于流转动90°，并且同时地探测样本流222和基准物流224。随着压力在两个流中改变，样本流体和基准物流体的由光束230穿过的路径长度相应地改变。在本实施例中，光束230不撞击静止区域。压力可以例如以正弦方式被连续调制，以在样本流体和基准物流体中引起有效路径长度的类似调制。
尽管已经使用光学激光器描述了许多实施例，但是FTIR也可以用作光源以实现改进的测量性能，其中干涉仪和仪器计时可以同步，以对样本和基准物在室中的运动计时。干涉仪可以使用移动反射镜或在本领域已知的其它调制机构。在一个实施例中，扫描反射镜的运动可以与流体调制信号同步，并且控制器可以使用用于分析物(例如样本)和基准物流体的相应的探测器输出信号样本的比率，以根据干涉仪的光学波长确定流体的测量值。因而，利用FTIR的测量可以包括以下步骤：
1)在FTIR照射检查区域中定位(静态的或流动的)基准物液体(例如，在FTIR的样本隔间中，利用准直、聚焦或光学孔以将FTIR干涉仪的光学输出传输至检查区域)
2)对基准物进行一次或多次干涉测量扫描
3)在FTIR照射检查区域中定位(静态的或流动的)样本液体
4)对样本进行一次或多次干涉测量扫描
5)依据基准物和样本干涉测量扫描的比率，根据穿过检查区域的光学波长计算透射率
6)(可选择地)在定位基准物液体、样本液体或完成一次或多次干涉测量扫描时生成同步信号。
在另一实施例中，利用FTIR进行测量可以包括以下步骤：
1)连续调制基准物液体和样本液体，以在调制频率X下将基准物液体和样本液体进送至FTIR照射检查区域
2)生成指示连续调制的计时的同步信号
3)在频率Y下连续扫描FTIR干涉仪以将频率调制光连续进送到检查区域
4)在X与Y的比率甚至是整数的情况下，使得针对液体的每个调制循环具有甚至固定数量的干涉测量扫描
5)计时电路，所述计时电路使液体和干涉测量扫描同步
6)信号处理电路，所述信号处理电路用于根据样本吸收率和基准物吸收率并且根据波长计算穿过光学室的相对透射率，其中透射率根据基准物和样本的一次或多次干涉测量扫描以被计算
7)使用液体的多次调制来累加(coadding)相对透射率，其中被累加的样本相对于同步信号具有固定关系(例如，累加透射率处于液体调制的相同时间点时)
在多个实施例中，可以有利的是，与对激光信号入射其上的样本流位置调制同步地调制激光信号的振幅或波长。例如，当过渡区域经过室窗口时，激光信号可以被关断，使得系统功率被保存，并且仅针对未混合的基准物和样品流进行吸收测量。可以使用一个或多个准直透镜在光传输通过样品室之前准直激光。在另一实施例中，没有使用准直透镜，并且聚场透镜用于室的探测器侧以收集透射光并且将透射光转向至探测器。在另一实施例中，既不使用准直光学器件也不使用聚场光学器件，激光器和探测器在采样室窗口附近对准，以最大化系统的光通量。在实施例的变化中，样品室的侧壁是金属化的，或以其它方式光学地涂覆以将光从激光器引导到探测器。在另一实施例中，菲涅耳透镜被构造至微流体装置的表面或附接到该表面，以改善从激光器至探测器的光通量。在另一实施例中，激光器被定向成使得非对称地发散的激光输出的较短轴线与流量的方向对准。在另一实施例中，使用指标匹配材料，激光器或探测器直接地附接至透射室。
图23示出以下实施例，其中一系列样本通过采样管241被提供至基于微流体激光器的分析器240，这可以根据一个上述实施例被实现。特别地，所述一系列样本通过在多个采样点处对流242采样而获得，多个采样点可以是空间分散的，以此方式确保收集的样本表示被采样物体中的液体(例如，管道或容器中的水)。通过这种方式，较小体积的微流体透射室可以有效地对更大物体中的液体采样。通过顺序地操作采样阀244确定样本的顺序。采样点的空间定位可以通过液体在采样物体中(例如，管道中的流水)的时间变化特性和吸收测量的计时而确定。例如，如图23所示，采样点可以分散在水流动的方向上，使得样本在室中被测量，好像样本在与水流动的方向垂直的平面中被同时地收集。在另一实施例中，每个样本点都可以进送单独的采样室，每个采样室都具有其自己的激光器和探测器，或共用使用本领域技术人员已知的分光束技术的相同的激光器。在另一实施例中，每个样本都被混合以在通过吸收而测量之前产生“平均”样本。在另一实施例中，由每个采样点收集的样本在测量窗口下有序地传输，从而允许每个采样点的单独吸收测量。在信号处理电子器件中，单独的吸收点然后可以被平均。在另一实施例中，多个样本可以在较高流速通道中组合，然后较高流速通道在较低流速下被流动室采样。在另一实施例中，在与样本241不同的位置处，基准物流体可以从采样流242中提取，并且因而提供流动流中的随着时间改变的测量。
样品室或进送管线或二者可以被温度控制，以使得在被测量之前溶液很好地控制成恒温。精确的温度控制减轻依赖温度的光谱改变(在诸如水的极性溶剂中非常常见，在奶测量中非常有问题)。
微流体流通道的长度和相对空间定位可以被部分地确定，以确保被测试的溶液的所需温度均匀性。微流体室可以包括加热器(或安装在热电冷却器上)和温度传感器以控制室的温度以及由此控制室中流动的溶液的温度。通过使得能够调节由于温度引起的被计算的特性，温度传感器可以用于提供流温度的读数，以用于确定流体特性(例如吸收率)。
许多液体对光的吸收率依赖温度。在一个实施例中，室中的基准物或信号液体的温度随着时间以控制方式改变，以提供基准物或校准信号。例如，可以通过在两个不同的基准物液体温度下测量基准物液体的已知吸收率，以确定系统的“增益”。
图24示出微流体装置241可以构造有硅基板243，硅基板243包括使用已知半导体处理技术在其一个表面上制成的电阻加热器245和温度传感器247。加热器245和温度传感器247可以被放置以加热和感测整个微流体装置，或可以被放置以加热和感测单独的微流体通道，或可以被放置以在调制检查区域249中的流体的过程中交替地感测基准物流体温度和样本流体温度。在一个实施例中，微流体装置、样本或基准物的温度被改变以在分析物和溶剂或样本和基准物之间产生不同的或非零的差分吸收。在另一实施例中，液体的温度被测量(具有或没有温度稳定性)，并且校正因子应用于测量，从而说明液体温度的改变。
在另一实施例中，激光器可以用于在吸收测量之前或与吸收测量在相同时间对流进行温度调制。调制频率可以是小于或大于基准物和样本测量的交替频率的频率。
基准物液体可以从贮存器取出，贮存器要求补充和由此需要日常维护。在一个实施例中，基准物液体可以是已经被过滤或以其它方式处理以移除分析物并且然后再循环以便作为基准物液体使用的样本液体。基准物溶液可以用于基准物流和样品流中，以提供系统的“零”点或系统的其它校准。在另一实施例中，除在不同的时间点外，基准物流体可以从与样本流体相同的源提取，即基准物流体可以是样本流体的时间延迟版本(或反之亦然)。该实施例可以有利于检测流体或溶液随着时间的改变，该改变例如由于污染物的引入或由于化学或生物学过程而可以发生。随着时间的改变可以被累加或集成以不仅示出随着时间增加的改变，还示出从过程开始(例如从基准物流体被获得的时间)的总改变。
在另一实施例中，流体分析器可以用于执行液相色谱仪(LC)探测器的功能。在LC中，可能的基准物流体可以与多个分析物溶剂共用以用于恒溶剂LC(单种溶剂)。LC可以使用梯度淋洗。在梯度淋洗的情况下，“基准物”连续地改变，并且可以不与样本溶剂区分。在一个实施例中，洗提液在到达检测点之前分开，并且通过延迟环路行进进入流体分析器的基准物侧，同时未延迟的洗提液输入样本侧中。延迟可以大约是目标分析物的吸收率峰值宽度的1/2，并且因而提供背景补偿，并且导出(derivative)光谱可以通过如前所述的基准物流体和样本流体分析器技术生成。其它的或可变的延迟可以用于补偿额外分析物或干涉物的存在，或可以用于补偿淋洗随着时间的延长。
在另一实施例中，微流体室被设计成现场可更换构件，从而促进维护。
如在微流体中所已知，两个或多个并排的液体流(即在其之间没有屏障)由于扩散而相对缓慢地混合。在一个实施例中，平行的基准物流和样品流穿过激光束检查区域，并且使用多个探测器或探测器的阵列来测量在每个流中所产生的光吸收率。在另一实施例中，利用屏障与流动流分离的不流动基准物区域可以被测量并且用作基准物。
在诸如感测水中的油的应用中，经过一段时间，油(即分析物)可以粘附至室的光学表面并且污染该光学表面。如本文中所述的基准物技术的一个优点是，该静态污染存在于基准物测量和样本测量中，并且因而可以不在测量中考虑。在测量基准物的过程中，对基准物流透射率随着时间的改变的测量可以用于确定何时窗口污染达到要求清洗或冲洗(例如，清洁剂冲洗)室内部表面的阈值。对透射率的改变的测量可以包括通过使用独立的激光功率测量探测器对发出的激光功率的测量。对透射率的改变的测量可以包括对当基准物和样本是相同流体时的吸收率的测量。利用可调谐激光器测量多个波长也可以用于确定室污染物的水平、特定污染的类型或二者。
图25示出以下实施例，其中样本流和基准物流被包封在由包层流体252形成的包层流250中。包层流250防止样本流接触和污染微流体室的表面，诸如光学窗口表面。包层流250可以是光学透明的或吸收材料。包层流250可以是圆柱形的，完全地包封如图24所示的流，其中样本流和基准物流交替地注入包层流250的中心中并且形成复合流的芯部。在一个实施例中，流可以是圆柱形形状，其中包层流250具有包括基准物流/样本流芯部的圆形横截面。在另一实施例中，包层流250可以具有包括矩形或圆形基准物流/样本流芯部的矩形横截面。在另一实施例中，包层可以在基准物流/样品流的两个侧面上(即，一个包层流、基准物流或样本流和第二包层流的"三明治")，其中激光光学轴线行进通过每层。在另一实施例中，包层流和基准物流可以是相同的物质。
在另一实施例中，微滴可以引入流的中心中。微滴可以是样本液体，并且周围的围绕流可以是基准物液体。流中的液滴之间的距离可以超过光束的宽度，液滴尺寸可以大于光束，并且可以在液滴之间进行基准物测量，随着液滴穿过光束，可以进行样本测量。在另一实施例中，基准物和样本可以作为液滴引入流中。
图26图示了以下实施例，所述实施例包括具有第二源260的"成像器"和成像探测器262，以同时地观察穿过在第二操作波长下的检查激光束264的流。在本实施例中，采样室窗口大致地在激光器和成像器波长下是透射的。成像器可以包括放大光学器件并且使用比激光器266(即，可见成像器和IR激光器266)更短的波长。来自成像探测器262和激光探测器268的信号传输至信号处理电子器件(未示出)，信号处理电子器件使用成像通道中的信息以改善吸收测量的灵敏度或分辨率。例如，第二通道成像装置可以查找流中的具有特定特性的区域(即，没有颗粒或乳状液、期望的乳状液特性、流量等)，并且在该区域的内侧或外侧开启吸收率的测量。第二通道装置可以用于查找在流中由激光束引起的作用，诸如激光引起的荧光或由于液体流的加热而引起的热作用。第二通道装置可以用于监控透射室通道，以用于维护目的，诸如确定何时室应该被清洗或替换。第二通道装置可以用于量化流中的颗粒或其它物体。第二通道光学信号可以通过使用诸如照射器、LED或激光器的光源而被增强。
设计考虑因素
如上所述，用于微流体分析器系统的基础是“T通道”几何形状，其中进入的分析物流体和基准物流体的单独流在微通道的测试段中的光学检查区域处接合。用于对带有与基准物溶液相比稀释的分析物溶液的水基溶剂采样的机构将在用作探针的IR激光束的检查区域中侧向地调制流体界面。探针光束然后以高速(例如1-100Hz)对溶液有序地和重复地采样，并且被透射通过装置的光由探测器俘获。为以高速驱动流体界面可以要求经由具有快速电子切换阀的加压气体系统来暂时调制分析物流和基准物流的流量。
IR激光器的需要的光学检查体积可以在较大程度上设置通道测试段几何形状。用于各种参数的示例性值在如下的表格1中给出。目标分析物可以包括较小的分子，诸如己烷和戊烷或更大的分子，其中溶剂具有与水类似的力学性质。另外地，当IR光束被使用时，装置可以由IR透明材料(3μm-15μm)制成，IR透明材料例如包括氟化硅和氟化钙，其中在可见光谱(400nm-700nm)中，至少一个窗口可以是透明的，以用于微流体诊断和分析物检测的额外方法。
表格1–微流体系统设计示例
图27示出整体的压力驱动微流体系统设计概念和通道几何形状。A栏示出压力系统和微流体通道概览示意图。B栏示出微通道结合部几何形状，示出了与检查光束相关的分析物和界面。C栏示出用于分析物流和基准物流的在整个检查光束中偏转流体界面的流量调制方案。
由于用于微流体装置和压力系统的较大的可能参数空间，数个几何变量和物理变量可以被限制以简化设计过程。在表格2中示出范围和设计值的示例。这些可以基于用于微流体和压力系统的常见产品和材料的可得性和成本以及在一些情况下其物理极限而被选择。这些可以包括以下各项：
·分析物流和基准物流部件的几何形状和微通道尺寸被假设成对称的。因为两个流体流都具有类似的力学性质(‘类似水的’粘性)并且在微通道的测试段中的每个流体的流动被调制成与另一个流体的流动对称，所以载送每个流的部件的物理尺寸应该也是相等的。
·系统的驱动压力被优先选择。驱动压力是系统中的更关键设计选择中的一个：太高，则具有泄露/损坏微通道的危险，太低，则压力变得难以调节并且调节成本昂贵。
·分析物溶剂和基准物流体具有水的力学性质。
·分析物具有类似于水中的较小气体分子的输送性质。
表格2–用于装置和压力系统部件的示例值
一旦在微通道中的结合部处发生在分析物流和基准物流之间的接触，则分析物将由于进入基准物流中的分子扩散而迁移。在两个流之间的界面处起初陡直的分析物浓度梯度驱动扩散通量，使得分析物界面随着时间而更多地扩散，最终污染整个基准物流。
可以使用流体电路模拟执行流动系统分析，借此管和通道在驱动压力下向流体流动提供‘水动阻力’，并且气体压缩性和管道顺应性提供‘水动电容’。
生成足够的水动阻力的替换的然而简单的方法是向微流体装置上游的流体传输系统的入口管道的每个分支增加较小(～50μm直径)的毛细管。通道中的较低水动阻力的合适结果是压力驱动流动系统设计相对地独立于微流体通道尺寸。通道尺寸因而可以被选择以最优地适应要求，同时保持较低的雷诺数流动。
考虑到需要足够的流体流动阻力以精确地控制驱动压力。不充足的阻力可以由相对较大的通道横截面区域引起，这将不可行地要求较长的通道长度(Wi～1m)以充分增加通道阻力。尽管该尺寸可以利用常规装置实现，但是可能需要避免复杂的通道设计。考虑到这些因素，可能的通道和压力系统参数被提供在表格3中。为补偿微流体通道的水动阻力的缺乏，较小直径的毛细管可以添加在微流体装置的上游。该方法的额外优点是可以在没有额外微细加工的情况下，粗调系统动力(流速、水动阻力)。该装置的最终组装完成时，由于装置尺寸(例如微流体装置厚度)的轻微变化可能对性能具有较大影响，所以可以凭经验相应地测量和调节水动性能。
表格3-示例性微流体通道和压力系统参数
用于压力控制系统的关键部件可以包括具有调节器的压缩氮或空气槽、和/或双通道功能发生器或类似的电子控制器。
最终微流体装置设计的复杂度和尺寸可以表示制造方法的复杂度和成本。可能的设计可以要求IR透明(硅、氟化钙、硒化锌或硫化锌、锗)基板，圆片或窗口≈1毫米厚，至少一个在用于流动诊断的可见范围中是透明的(例如，氟化钙)。一个基本方法是产生‘三明治’，‘三明治’包括由垫圈分离的具有限定微通道的150μm深度的厚度的两个IR透明窗口。垫圈材料将通过微加工、激光切割或光刻法(如下所述)而具有装置设计的图案，其中垫圈将形成侧壁，并且IR透明窗口将形成微通道的顶壁和底壁。垫圈或其它流体室材料可以被选择以用于与流体或光源化学兼容。上IR透明窗口可以包括三个微加工孔：两个用于分析物流和基准物流入口，并且一个用于测试通道出口。另外地，夹紧机构可以制成以防止在操作过程中装置的分层。由与另一平坦的基板接合的硅基板中的刻蚀通道组成的所有硅装置制造物也可以用于光学室构造中。
在光谱测量过程中可以同时地提取分析物扩散率或其它的流体边界特性。例如，在调制分析物基准物流体界面的过程中，光谱仪器测量在沿着通道的固定位置处(例如在检查区域处)或类似地在流体流汇合之后的固定时间时的分析物浓度。考虑到界面在检查光束中被及时调制，随着时间被测量的分析物浓度信号实际上是分析物的空间浓度分布曲线。浓度分布曲线依赖于扩散系数，在给出扩散时间的情况下，扩散系数可以直接地从浓度分布曲线自身确定。检查光束的直径可以减少以改善测量精度。例如，光束直径可以是检查区域处的相互扩散的预期宽度的十分之一。如关于多个检查区域所述，在流体通道中的检查区域的位置(即，选择恒流速度下更长或较短的混合时间)可以通过机械装置或利用多个静态检查区域而改变。在其它的实施例中，流体速度可以被改变以改变在到达检查区域之前流体相互作用(例如，相互扩散)的时间。
大部分微流体应用使用分开量的材料以分批操作而非连续操作模式筛查样本。对于来自管线过程的分析物流的连续采样，分析物流可以需要被从初始过程虹吸，并且在没有扰乱通道中的压力/流量平衡的情况下引入微流体装置中。一个选项是消除通道一侧(例如分析物侧)的压力调制，而是选择将压力调制保持在稳定压力下或通过微流体装置的可能稳定的流量下。该稳定压力或流量可以由被监控的管线过程提供。基准物流经由压力改变的调制将仍然继续调制测试通道中的流体界面，但是将以非线性方式进行并且也将调制流量。还可以通过添加与测试通道平行的旁通通道实现样本流偏转，样本流偏转与压力调制成线性关系。
额外实施例
在其它的实施例中，可以期望以物理屏障分开分析物流和基准物流。这可以有利于防止流体流例如通过扩散而混合。
图28和29示出如前述的在基准物流和样品流之间附加屏障的微流体室。在图28中，屏障270是挠性膜，使得流中的压差变化以使基准物流和样品流进入检查区域中，膜具有足够的弹性以能使流被分析。流之间的压差可以大于在没有屏障的情况下需要的压差。如在本领域中所已知，微流体室可以构造有被夹在两个板(或如前述的窗口)之间的聚合物或需要厚度的其它材料。聚合物材料可以使用照相平版印刷或在本领域已知的其它技术而形成图案，并且相同方法可以用于使屏障利用聚合物形成图案，聚合物足够薄并且具有足够的弹性以在遭受流之间的压差时变形。可选地，非常薄的弹性材料可以附接至基准物流和样品流的结合部附近。
如图29所示，屏障280可以构造成仅附接在一个端部282处，以产生“波动”屏障，“波动”屏障响应于两个流之间的压差改变而来回地移动通过检查区域284。屏障282可以被构造以具有小于光学顶部窗口和底部窗口之间的间隔的厚度(和通道侧的聚合物厚度)，以避免与窗口接触。在另一实施例中，屏障282将被设计成轻微地接触窗口。屏障282可以用于移除接近窗口的一些、大部分或所有零流动区域液体(如上所述)。这可以有利于在具有减少的零流动区域的情况下进行光学测量，零流动区域可以包括扩散的或不扩散的基准物液体或样本液体。
气泡、颗粒、不溶解分析物和流中的其它物体可能妨碍室中的液体的流动。更高密度流体的颗粒的可以被添加至流，并且流相对于非清洗操作在增加的雷诺数下操作以从室逐出或移除物体，并且该颗粒可以作为专用“清洗流”的部分或作为分散颗粒被引入分析物流和/或基准物流中，其中在颗粒之间进行测量。流速可以周期性地增加以执行相同功能。激光源还可以用于加热物体以从检查区域耗散、逐出或移除物体。激光器还可以对准或平移(或室相对于激光器平移)，以在除检查区域的位置处执行相同功能。
探测器可以具有光学滤波器以传输来自光源的光并且防止位于其它波长下的光，例如其它波长下的光可以通过黑体辐射从由光源加热的物体或液体发出。
当流中的物体具有大于或小于包含有该物体的液体的光学吸收率时，差温加热可以发生。例如，在水包油的测量中，其中一些油可以是不能混合的，油滴可以被加热成高于水的温度。通过黑体辐射，当被红外点或成像探测器收集时，该差分信号可以被观察到。红外探测器可以具有光学滤波器以滤除来自光源的发射物。光学滤波器还可以是被设计成传输在特定波长下的光的带通滤波器，其中液体具有更高的光学透射率。通过这种方式，位于一个波长下的光源可以用于区别地加热液体中的物体以通过黑体辐射在液体和物体之间产生差分光学信号，黑体辐射然后被在不同于光源的波长下的滤波器和探测器收集。因而，在一个实施例中，透射率和发射物检测可以被执行，其中透射率用于检测不能混合的分析物，并且红外线发射物用于检测非不可混合的分析物或使非不可混合的分析物成像。可以在室的一侧(例如与光源相同的一侧)进行发射物测量以最小化液体的吸收率(即，较短的路径长度)，并且在相反表面上进行透射率测量以实现通过室的全部透射。
额外实施例可以使用如可以用于微流体室分类器中那样的水动聚焦或流体束转向，以在光学检查区域处产生振荡的基准物流和分析物流。
图30-31示出以下实施例，在两个流已经合并以将基准物流和分析物流移动通过检查区域之后，所述实施例在所述区域中使用一个(或可选地更多个)PZT活塞式侧面注入泵300(或如在本领域已知的等同物)。因为PZT泵可以不是注入液体的传统意义上的泵，所以PZT泵可以是有利的。PZT泵可以仅以振荡方式置换体积(例如，通过使顺从的微通道基板变形或通过使用工业中已知的压电膜片微型泵)以移动流边界。PZT泵的使用和泵的位置可以被选择，以相对于在合并之前使用基准物流和分析物流的压差(如前所述)对通过检查点的基准物和分析物进行的调制提供增加的振荡速度。其它类型的泵可以被使用。在一个实施例中，振荡可以以1kHz的速度发生。透镜或孔可以用于产生较小的检查区域。采样室和流体通道可以被设计成在流体通道的长度上支持流体边界的多个侧向“一侧至一侧”(例如，图30中的右侧至左侧至右侧)振荡。
不同类型的微型泵可以被使用，包括(例如，静电振动膜片的、压电蠕动的、恒温气动的、双金属的、聚合物薄膜和电磁的)机械位移泵以及某些类型的非机械微型泵，诸如那些基于水动力学的微型泵。使用MEMS技术，微型泵和微流体通道可以一体形成到单个装置上。举例来说，通道可以用硅形成，并且泵膜片可以形成为通道的侧面的一部分，在通道的侧面后方可以是液体或空气的贮存器。贮存器的压力变化或膜片的静电运动然后可以引起界面层在通道中的运动。因而，微流体装置可以包括泵和可选择的贮存器、具有基准物和分析物流体流的微流体通道、并且在一个实施例中包括半导体光源。
PZT具有如下的运动，所述运动在许多应用中在闭合反馈系统中被测量，以实现更加可重复的或改进的性能。该反馈系统可以用于确保PZT泵操作在较大程度上是可重复的，以增加分析物测量的精度。一个精确的测量技术可以是从膜或其它表面反射光源，膜或其它表面的运动通过PZT的运动而确定，并且使用被反射光向PZT控制器提供反馈或，在另一实施例中，以在测量其它表面或膜的运动的情况下在信号处理中纠正分析物特性的计算。相同的光源可以用于分析物测量和运动测量。
在另一实施例中，PZT可以将流体从贮存器注入流体室通道中。在检查区域的数次测量的时段内，贮存器可以具有静态流体(例如，基准物液体或分析物液体)。贮存器可以随着时间被补充，并且补充可以防止由通道中的其他流体污染贮存器。贮存器也可以用于注入已知性质(例如，浓度)的含有分析物的流体。在另一实施例中，特别如图31所示，PZT泵可以移动挠性膜。挠性膜可以形成流体室的侧壁，并且相对于微流体通道长度在室中的长度，室壁可以邻近或在物理上十分接近检查区域。
在另一实施例中，在合并两个流之前，泵可以定位在第一入口通道中(例如A)，以在一个流上提供振荡压力，同时第二流具有额定恒定压力(例如B)。额定第二流压力可以大于、等于或小于第一振荡流上的平均压力，以优化两个流在检查点处的界面的平均位置。在另一实施例中，流动室和PZT泵之间的连接可以通过振动隔离连接件(例如，挠性软管)实现。在另一实施例中，如图所示，泵可以直接地连接到室，或构造为室的一体式构件，诸如在本领域已知的基于微机电系统(MEMS)的微型泵中。
在另一实施例中，在两个流合并之前，PZT调制泵可以用于每个流。多个泵的引起的调制可以是同步的，并且成固定的相位关系。泵可以在相同调制频率或不同频率或相位下操作，以在并列放置的或下游的检查区域处实现液体的需要调制。
在另一实施例中，第三入口流C(未示出)可以用于将第三液体引入组合流中。第三流可以是用于测量的额外分析物或也可以是基准物液体(例如A)，并且可以执行为如上所述的“包层”液体，以提供例如对流中的分析物流B空间位置的额外控制。
PZT泵或压力换能器可以向一组控制电子器件提供信号，以为了使来自光学检查区域处的探测器或换能器的光学信号的压力变化解调或相位锁定。
图32-33示出另一实施例，其中侧面通道泵或两个流中的压差可以用于将基准物流A和B交替地引导进入单独的出口通道中，包括具有检查通道的一个出口通道。这可以有利于提供泵下游的检查点。在另一实施例中，有利的可以是，使检查流通道的宽度成锥形或选择该宽度。间隔通道的宽度可以大于或小于上游组合通道中的流边界的偏向。通过这种方式，流动特性和光学检查区域可以从检查区域的需要宽度分离。本领域的技术人员认识到上游压差也可以用于将流引导进入单独的检查通道中。
图34–35示出了可以利用多个检查区域的实施例。检查区域可以在单独的下游通道(图34)中或在相同的通道(图35)中。检查点可以位于不同的光学波长下。检查区域可以用于通过额外的检测方法测量液体的不同物理特性，例如荧光、在需要的光学波长下的反射率或温度。PZT流调制频率、液体B进入液体A中的有效扩散速度和流的流量可以用于确定检查点之间的物理间隔。实质上，调制频率可以是正弦波或方波，或可以是任意波形，其可以至少部分地由于用于检查点处的换能器测量的信号处理考虑因素而确定。在一个实施例中，通过使用光学部件以分开源辐射并且将源辐射引导至多个检查区域，相同光源(例如激光器)可以用于多个检查区域。探测器可以用于每个检查区域中以收集被透射的源辐射，并且然后探测器信号用于信号处理以计算流过室的液体的特性(例如，分析物浓度)。
多个PZT泵(未示出)还可以用于注入额外的分析物以用于测量。泵可以是同步的，以在下游测量点处实现需要的液体序列。
图36-37示出了以下实施例，其中PZT泵可以用作用于分析物B的进入基准物液体A中的注入点(相反的情况也可以)。基准物流A的速度和PZT注入孔的物理尺寸、PZT泵压力和调制频率都可以被优化以实现检查点的某个特性，诸如其物理尺寸。在一个实施例中，基准物液体A可以不是流动的，并且在测量周期中可以是静止的，并且然后被冲洗以移除液体A和分析物B。冲洗之间的时间可以根据分析物扩散进入基准物液体中的速度。冲洗之间的时间也可以涉及粘弹性和表面粘附性质。
如前所述，测量点可以包括激光器和用于测量激光信号在穿过液体之后的强度的探测器。测量点可以包括定位成检测激光信号的额外探测器，激光信号可以被所测量的液体中的颗粒散射、被反射或衍射。可以使用超过一个的激光器或光学波长。
本领域技术人员应该清楚，在其它的实施例中，基于前述实施例中描述的设计原理，基准物流和分析物流的不同组合和数量可以被包括。在一个实施例中，外部流体开关可以用于在流体通道中在空间上交换基准物入口流和分析入口流，因而提供“镜像”测量，其中在图30-31中，位于入口处的A和B流是周期性地相反的，以导致流的可以随着时间改变的不对称性。在一个实施例中，通过示例的方式，流体A在左侧入口通道中可以在一个压力下，并且流体B在右侧入口通道中在较低的第二压力下，以用于进行第一检查点测量。然后对于第二检查点测量并且通过使用阀，流体B在左侧入口通道中可以在所述一个压力下，并且流体A在右侧入口通道中在较低的第二压力下。通过这种方式，检查点将可选地包括流体A和流体B以用于测量。该实施例可以有利于减轻室的侧壁例如被分析物流体中的油污染的作用。通过测量被透射通过检查区域的信号，或与其穿过检查区域之前的信号强度相比，可以随着时间测量污染物的量。
在一个实施例中，分析物流体和基准物流体在流体通道中的空间位置是周期性相反的，并且根据光学特性的相反和不相反的测量值确定样本光学特性的校正值。
在一个实施例中，入口通道可以被管道或管进送，管道或管的长度比包括入口通道和检查区域的微流体室中的流体通道长度大致地更长，以从微流体室分离远程定位泵和/或阀的位置。检查区域中的基准物液体和分析物液体之间的边界区域可以同时地移动通过检查区域(或与测量值成比例地基本同时)，其中由于室中的流体的不可压缩性，远程泵或阀处产生压力改变(例如在图19的实施例中)。在另一实施例中(例如相对于图19中的“平行流”，图1中称为“连续流”)，其中在一系列流体“包”或“脉冲”或“不同的单元”或“块”中，第一流体和然后第二流体交替地传输通过检查区域，通过检查区域的流体包之间的边界区域的运动可以与远程阀或泵处的压力改变同步，但是不与远程阀或泵处的压力改变同时，这例如由于管道的顺应性而可以发生。
在一个实施例中，图1的流体通道长度可以同时地包括如图1所示的样本流体和基准物流体的多个不同单元。在其它的实施例中，流体通道可以同时地包括以下各项中的一个：(1)仅样本或基准物、(2)具有流体边界的基准物和样本的局部不同单元、或(3)具有两个流体边界的样本或基准物的不同单元、和不处于样本或基准物的不同单元中的流体的两个局部不同单元。
在另一实施例中，入口通道可以被管道或管进送，管道或管大致地约为流体通道长度在包括入口通道和检查点的微流体室中的长度，或小于该长度。
本领域技术人员应该清楚，不同的微流体参数，包括物理几何形状、包括流体阻力和电容的使用、不同雷诺数流动、和流速以及压力用于在检查区域处实现性能和信号调制的期望水平。
流偏转也可以通过非机械装置被实现，包括例如通过使用铁磁流体和磁场，使用时变电磁场以在检查点处使流偏转。
图38-41示出流体通道横截面310的示例，示出了流体边界、特别是流体边界的形状，随着流体边界随着时间侧向地移动穿过流体通道和通过检查区域312，流体边界的形状可以通过无滑动边界条件而产生。在一个实施例中，流体调制可以在检查区域中是时间上足够快速的，从而在测量流体光学特性的过程中，在检查区域中具有不同的无滑动边界，即，在无滑动区域中具有不完全相互扩散的流体。应该注意，由光束探测的检查区域可以主要是样本314或基准物流体316，但是可以包括具有是所述液体的路径长度和流体体积的路径长度和流体体积的子区域以及其中具有两个流体的混合物或另一个流体的其它子区域。主要是几乎仅与第二流体交替的一个流体的子区域体积中的光学检查可以提供最大的信号对照。检查区域中的不同子区域的流体组成随着时间随着流体边界的运动而改变。无滑动区域318的存在产生流体边界，流体边界不是直线或平面，而是具有表面区段的弧形表面，表面区段可以与流体边界的运动方向正交和非正交，并且随着时间改变并且改变流体边界的位置，如图38-41中在二维上所示。在一个实施例中，流体边界具有以下区段，在光学探测器采样的过程中，所述区段在定向上相对于检查区域中的流体流动方向是非平行的，并且在流体调制信号的周期中改变。
多个不同的实施例因而可以被构造，根据流体条件和被测量的分析物和测量系统的整体性能要求，所述实施例可以具有某些优点。流体边界的位置(例如，其在如图所示的通道中的平均值位置)、调制计时波形、边界运动的幅度、由于无滑动条件在检查区域中的流体量、和在流体流动的方向上或与流体流动的方向正交的方向上由于无滑动条件在检查区域中流体体积的变化，可以在测量系统中改变。液体之间的流体边界的平均位置可以位于检查区域中或在检查区域外。测量的计时(例如，光学换能器或探测器信号集成时间)可以改变或依赖于边界区域相对于检查区域的实时位置。应该注意，图38–41是用于图19–20平行流的常规实施例的附图，并且本领域技术人员将看到连续流的实施例也可以具有流体边界形状，流体边界形状由无滑动条件确定，并且对于连续流，无滑动引起的流体边界出现在流体通道的所有四个侧面，然而对于平行流，不同流体之间的无滑动流体边界可以仅发生在通道的两个侧面上(例如，如剖视图中的顶部和底部所示)。
图42图示了可以在具有光束的更小吸收率的情况下用于流体的增加测量灵敏度的替换构造，并且因而可以优选增加的路径长度。增加的路径长度可以通过沿着通道320在流体流动的方向上引导光束而被实现，而不是在流体流动的方向上大致地在整个通道中引导光束。通道的一个或多个表面322可以反射光束以辅助沿着通道引导光束，或流体通道可以是集成的光学波导。在一个实施例中，光束可以准直并且沿着通道320行进，以此方式使得大致地没有或很少的光束撞击在通道的侧壁上，使得检查区域324避免任何无滑动引起的边界区域。在通道的一个光束入口或出口中的一个处，检查区域324可以与流A和B之间的边界区域交叉。因而，在流体流动的方向上，检查区域可以主要在通道的中部，以避免对在通道侧面上的无滑动区域采样并且从而改善测量系统灵敏度。光源和探测器可以构造到采样室中，以产生集成组件，或(例如通过使用反光镜)光束可以引导进入通道中。使用MEMS工艺，反光镜可以构造到室中。在另一实施例中并且以类似方式，光束可以在如图34–35所示的出射采样通道中。
还如上所述，第二光束可以在通道上入射，并且在一个实施例中，第二光束可以在相同或不同波长下，可以与第一光束正交(即，在图中从室右侧穿过至左侧，或在另一实施例中从顶部侧行进至图中)或可以测量通道的不同光学特性或特征(例如，不同的分析物或流体边界区域随着时间的位置和运动)。两个光束可以用于同时测量或非同时测量，和可以源自相同光源。
在另一实施例中，测量参数和检查区域可以改变以发现用于测量的最优条件，这作为用于每个系统的工厂组装和校准的方法的一部分，或动态地作为在使用条件下的系统操作的部分。优化可以被执行以减少来自相干光源的附加作用(fringing effect)。优化可以被执行以发现用于最优测量信噪比的条件。
本文中描述的是利用以下各项中的一个或多个测量液体(称为“分析物”的组合)中的分析物(例如油或污染物)的方法：
1.产生基准物液体和分析物液体的邻近的空间区域(例如水基准物和作为分析物液体的水包油，除存在油外，基准物和液体是相同的流体)
2.移动基准物液体和分析物液体之间的边界区域通过检查区域，使得检查区域主要地包括基准物液体然后和分析物液体
3.利用在一个或多个光学波长(例如，红外激光的波长)下的光源照射检查区域
4.利用换能器(例如，测量调制的透射或反射光的红外探测器)测量因而产生的时变检查信号
5.使用控制电子器件以在边界区域位置的一个或多个振荡中处理时变换能器信号，以计算需要的分析物特性(例如，分析物油在分析物液态水中的以ppm为单位的成光谱形式的量)
方法可以另外地包括以下各项中的一个或多个：
1.调制检查光源以改善分析物检测灵敏度
2.添加多个检查区域，每个检查区域都具有其自己的在不同光谱波长下的照射光源或不同的换能器以用于测量物理性质
3.添加多个检查区域，每个检查区域都具有相同的照射光源
4.在检查区域处测量基准物液体或分析物液体的光学厚度
a.同时地或有序地使用信号处理，以校正被测量的分析物特性，以说明基准物液体、分析物液体或二者的光学厚度的变化。
5.通过改变基准物液体、分析物液体或二者的压力而移动边界区域
a.通过使用阀或泵或二者生成压力变化，其中在泵或阀处的压力变化的情况下，边界区域同时地或同步地移动或二者。
6.在强度或波长(或二者)方面调制光源，并且使用来自电子器件的该调制信号以改善分析物特性的测量精度。
应该注意，如上所述，基准物流和分析物流之间的流体边界区域作为并行流可以主要地实质上是连续的，即边界区域在流量的总方向上，在与流体流动的方向正交的方向上被调制(即穿过通道而不是沿着通道)，并且存在于液体通道的横截面中(即，在至少测量周期或时间内如图30-31所示进入页面中截取的2-D片，其中当行进通过流体通道时，边界区域大致地是平行于或平均平行于(忽略表面附近的无滑动边界)流体流动的方向)。流体边界区域也可以实质上是不连续的(忽略在表面附近的无滑动边界)，即边界可以大致地或平均正交于流流动方向并且在可以是如在连续流中的流体流动的方向上行进，并且因而在测量过程中或在测量之间，一个或多个边界过渡可以与检查区域交叉(即，流体A和B之间的边界区域周期性地与检查区域交叉，其中定向主要正交于流体流动的速度矢量，忽略任何无滑动边界情况的影响)。边界区域也可以被产生，其中除了流体A在分析物测量样本的周期内静止，不具有通过如图36所示的检查区域的液体的连续流动。
如前所述，在包括流体的室的侧面处具有无滑动速度边界条件。结果，即使当两个液体之间的界面边界在光学路径的中心处在整个检查区域中被完全地调制时，检查区域因而和通过室的光学路径可以包括基准物液体和分析物液体。知道在测量分析物的浓度时一个可能的误差源是包括分析物的液体中的实际路径长度。在一个实施例中，分析物的已知浓度可以用于计算检查区域中的有效路径长度，以便于之后用于电子信号处理，以用于计算未知样本的分析物浓度。有效路径长度可以根据以下各项而改变：调制深度(即，边界移动多远)、调制频率、分析物液体和基准物液体接触的时间量(即，与流速结合的情况下从通道合并到检查区域的距离)、通道尺寸、分析物和液体的化学或物理性质。校准可以包括用于这些参数以及室中的液体温度的变化的校正因子，校正因子通过对参数变化进行的测量和已知液体样本的使用而确定。
在一个实施例中，有效路径长度可以利用对具有已知分析物浓度的流体的吸收测量而被确定，并且有效路径长度用于信号处理中以确定未知分析物浓度。通过将已知浓度C1的分析物X1插入分析物或基准物流体中，并且测量位于波长Y1而不是具有未知浓度CU的未知分析物XU的期望吸收率波长YU下的吸收率，可以测量路径长度。在Y1和YU下，分析物XU和X1可以具有较大的测量差分吸收差值。
在没有XU(标注:X2可以是已知浓度的XU)的情况下，已知浓度C2的分析物X2可以插入第一分析物流体中，以用于确定波长Y1下(例如，在用于XU的最优波长下)的路径长度。因而，确定的路径长度可以用于在测量CU时确定路径长度。因而，更通常地，分析物流体或基准物流体可以包括具有用于光学特性的已知值C1的分析物X1，并且C1的测量值和C1的实际已知值用于确定(例如，通过计算的路径长度)具有未知值的光学特性CU的分析物流体中的分析物XU的测量值。
检查区域中的基准物液体的路径长度(或相反地分析物液体的路径长度)可以在检查区域的尺寸上改变。一个可调谐光源或多个光源可以在每个波长下使用。使用相同光源以测量光学路径长度从而测量兴趣分析物特性的一个优点是相同的物理尺寸，即相同的检查区域，可以被测量。路径长度也可以在检查区域的一部分上，或甚至在检查区域外侧，被测量，并且然后在该“间接的”路径长度测量值和在检查区域中的有效路径长度之间的之前确定的关系可以用于计算有效路径长度。有效路径长度可以考虑检查区域中液体的光学强度以及光学厚度的变化，以获得平均光学厚度，所述平均光学厚度可以等于均匀厚度和光学强度的平均光学厚度。
可以使用测量有效路径长度并且然后在分析物特性的计算中应用路径长度的其它方法。基准物液体和分析物液体可以具有不同的光学性能，光学性能包括在某些光学波长下不同的折射指数或不同的光学反射率。由于无滑动速度边界条件，这可以用于测量基准物液体的空间尺寸，包括光学路径长度。空间尺寸可以直接地在检查区域中测量或在检查区域外侧测量，并且用于计算检查区域中的尺寸。测量空间尺寸的方法可以包括观察由于折射指数的差异而从液体边界区域被反射的光，或在光学波长下由于两个液体之间的较高反射率差异而被反射的光。方法可以进一步地包含测量入射光束和反射光束的物理位移，并且使用与入射角相关的位移以计算基准物液体的光学厚度。在另一实施例中，在一个波长下反射并且在分析物吸收率测量的需要波长下大致地非吸收的物质可以插入一个液体中。
如上所述，检查区域中的光源可以由相干光或干涉仪或其它非相干光源生成，每个光源由辐射的时变波长组成(例如，如FTIR仪器中找到的)。流体边界区域的调制、流体阀的切换频率、或响应于控制器调制信号而在流体泵处产生的压力变化可以与时变输入辐射同步地或异步地改变。
随着红外光源穿过微流体室，当透射通过吸收性较高的液体时红外光源将强烈地减弱。随着光被吸收，这将导致液体的加热。根据比尔-朗伯定律，在室的最靠近光源的侧面附近，液体加热将是最大的，并且随着光穿过液体，由于光的衰减，液体加热在相反侧是最弱的。室窗口材料可以被选择以用于更高的导热率，以减少液体的光学加热，或可以涂覆有具有比下面的窗口材料更高传导性的材料。
由于吸收率的温度系数，通过光学吸收率加热液体可以导致光学透射的改变。如果在检查区域中，基准物流的流动特性是不相同的，则特别由于不同的热式加热，加热可以导致基准物和样本之间的透射率差异。在一个实施例中，通道中的检查区域的位置被调节以最小化(或消除)透射率的差异。这可以是工厂或现场校正。在另一实施例中，通过例如改变基准物和样本之间的压差，以实现不存在兴趣分析物的情况下的相同零条件(即，零针对基准物与之相对的基准物条件来实现)，可以调节差分流动特性。
以相同方式，另一个流不对称性可以被调节以在基准物流和样品流之间实现需要的零或非零差分透射率。例如，样本和基准物之间的折射率的差异可以改变由探测器收集的有效信号，并且流动特性可以被调节以实现需要的差分探测器信号。
在另一实施例中，接近一个入口通道的加热器可以用于区别地加热基准物流或样本流。差温加热可以用于归零或减少检查区域中的光学地引起的差分信号。
在另一实施例中，光学功率可以根据光学波长而被调节。光学功率可以被探测器测量(即通过使用分光器以分接光束的部分)，并且激光器操作参数根据可调谐波长光源中的光束波长被调节以保持恒定功率。光学功率可以被改变成“零”热光学引起差分信号。
尽管呈现的实施例的一个优点是，在测量周期中，其允许检查区域特别和相干光源保持在恒定空间位置处，也可以有利的是能够在系统的组装和校准过程中或在测量之间移动检查区域的位置，或选择如前述的多个检查区域。在系统操作过程中，这可以通过使用转向反光镜或其它已知光学技术而动态完成，以用于改变光束的方向使得光束穿过通道中的不同位置。通过这种方式，系统可以定位通道的区域，区域提供用于计算兴趣分析物参数的最好测量。由于液体上的表面污染物或泵性能、被测试液体、基准物液体、液体性质(例如，雷诺数、速度)、通道的两个侧面上的流体压力的不对称性、流体的热吸收率或诸如环境或流体温度的环境条件的改变，最好的位置可以随着时间改变。通道也可以被设计成在不同的位置对具有不同的尺寸(例如光学路径长度)，因而能够移动的检查区域可以是有利于，例如，改变通过流体的光学路径长度。这可以延伸测量的动态范围以适应不同的分析物浓度或不同的流体吸收率。单个光源也可以被引导至如图34所示的不同的通道分支。系统可以具有搜索通道中的最好检查区域地点以用于兴趣测量的方法，方法包括进行测量，在流体通道中移动检查区域，进行另一测量，计算更好的测量点，并且然后在优选的测量点处进行一系列测量。光学测量点可以是提供基准物和样本强度的比率等于需要值(例如，当基准物和样本在检查波长下具有相同吸收率时，1例如可以是目标值)的光学测量点。在一个实施例中，检查区域在流体通道中的位置、尺寸或形状可以在超过一个的流体调制信号周期(即一个信号和基准物测量的循环)中在反馈回路中被调节，以将测量的光学特性设定在需要值处以用于流体分析器的随后操作。通过使用透镜或其它光学元件，或通过流体室和光源相对于彼此或相对于分析器中的其它光学元件的空间运动，检查区域的尺寸或形状可以被改变。
在另一实施例中，系统可以被操作，使得检查区域的位置是静态的，并且其它系统参数被改变以确定用于如上所述的给出系列的测量条件的最优参数。系统可以具有搜索用于进行兴趣测量的最好参数的方法，所述方法包括进行测量，改变系统的操作状态(例如，泵压力、流体速度、流体边界位置、流体边界调制振幅、流体调制波形、相对于流体调制波形的计时的探测器测量采样周期、光束性质(例如，波长、焦点或光束空间尺寸、脉冲振幅、线宽、波长调制波形等)、测量周期(例如，光学探测器集成时间)等)，计算两个测量条件中的更好的一个，根据需要多次重复过程，并且然后在优选的测量点处进行一系列测量。
包含ATR技术的实施例以及使用多个内反射的实施例已经被描述。连续流可以有利于两种情况，以提供更“纯的”(即在换能器采样时间过程中更高百分比的基准物流体或分析物流体被测量到)，但是可以具有减少的测量占空比或部分地依赖于检查区域中的通道长度要求减少流体速度。对于ATR和平行流，ATR流体采样可以在较低占空比下执行并且在检查区域中被选择，以确保有效消除检查区域中的无滑动流体区域。
测量系统被描述以用于确定包括分析物的液体(例如水包油或污染物)的性质，包括以下各项中的一个或多个：
1.在流动室的流体通道中的基准物液体和分析物液体的邻近空间区域(例如水基准物和作为分析物液体的水包油，除存在油外，基准物和液体是相同的流体)
2.基准物液体和分析物液体之间的边界区域，边界区域移动通过检查区域，使得检查区域主要地包括基准物液体然后和分析物液体
3.检查区域，利用在一个或多个光学波长(例如，红外激光或干涉仪的输出光束的波长)下的光源照射所述检查区域
4.由于边界区域的运动由换能器(例如测量调制的透射或被反射光的红外探测器)生成的因而产生的时变检查信号
5.在穿过光学室之前或之后，在一个或多个光学波长下的光源功率的测量值
6.电子器件，所述电子器件处理在边界区域位置的一个或多个振荡中从已知分析物浓度生成的时变换能器信号以计算光学室的有效路径长度
7.电子器件，所述电子器件在边界区域位置的一个或多个振荡和有效路径长度中处理时变换能器信号，以计算需要的分析物特性(例如，成光谱形式的分析物油在分析物水溶剂中的以ppm为单位的量)
测量系统也可以包括以下各项中的一个或多个：
8.检查光源，所述检查光源在振幅或波长方面被调制以改善分析物检测灵敏度
9.多个检查点，每个检查点都具有其自己的在不同光谱波长下的照射光源或不同的换能器以用于测量物理性质
10.多个检查点，每个检查点都具有相同的照射光源
11.多个检查点，每个检查点都具有通过检查区域的不同光学路径长度
12.微流体通道，其中基准物液体或分析物液体或二者具有随着时间改变的速度，和(例如，通过换能器或流体流动的光学测量)表示液体速度的测量值，测量值被提供到电子器件以调节检测信号的处理
13.微流体通道，其中基准物液体或分析物液体或二者具有随着时间改变的速度，和(例如，通过换能器或流体流动的光学测量)表示液体速度的测量值，测量值被提供到电子器件以针对速度变化调节检测到的光学信号的处理
14.信号处理，所述信号处理可操作以在检查区域中或附近计算基准物液体或分析物液体的光学厚度
a.同时地或有序地进一步地计算，以校正被测量的分析物特性，以说明基准物液体、分析物液体或二者的光学厚度的变化。
15.边界区域，通过改变基准物液体、分析物液体或二者的压力而在空间上移动所述边界区域
a.通过使用阀或泵或二者生成压力变化，其中在泵或阀处的压力变化的情况下，边界区域同时地或同步地移动。
b.通过使用膜或表面(1-D泵)(例如PZT式微型泵)的一维机械运动生成压力变化
i.1-D泵被定位成邻近检查区域或大致地与检查区域并列
1.1-D泵有效地移动流动室的挠性膜
ii.1-D泵包括流体贮存器
1.流体贮存器在低于压力变化速度的速度下被补充
2.流体贮存器用于注入已知分析物溶液
iii.实施例进一步地包括接近第一泵定位的流体贮存器或第二泵
1.包括基准物液体的贮存器或第二泵和包括分析物液体的第一泵
16.反馈系统，所述反馈系统包括用于测量流体通道中的边界区域的至少一个空间位置(或，在另一实施例中一些其它操作参数)的测量系统、用于使用边界测量值以计算测量系统的新操作参数的信号处理器和用于改变操作参数的控制系统
17.可以包括以下各项的测量系统操作参数或特性：流体速度；流体雷诺数；流体压力；流体通道尺寸、孔或阀；光束功率；检查区域横截面积或体积；清洗流体的体积或ppm；通道中的检查区域位置；流体调制的计时；换能器信号采集的计时；光束波长、功率或频率变化的计时；在检查区域中聚焦的光束的量；相对于室的换能器位置；在换能器阵列中用于计算兴趣分析物特性的换能器的选择；光源的选择；入口或出口通道的选择；室或通道温度；用于控制微流体室或单独的通道温度的元件的功率；使用已知输入流体或分析物特性进行校准的频率；相干光束的相位；在换能器上入射的光学条纹；在多个路径长度室中的光学路径长度的选择；相对于换能器信号集成周期的流体调制的相位；在连续流包中的液体的体积；在通道表面上的污染物的量；在室上入射的光学功率的由于反射或其它方式而不是分析物吸收引起的未被透射通过检查区域以到达换能器的量，；1-D泵的冲程长度；挠性膜的运动
18.在强度或波长(或二者)方面调制光源，并且使用电子器件中的该调制以改善分析物特性的测量精度。
19.计时信号，所述计时信号被生成以指示流体压力的改变，所述计时信号用于信号处理电子器件中以改善分析物测量的灵敏度
20.计时信号，所述计时信号被生成以指示流体压力改变，所述计时信号用于调制检查光源振幅、频率或二者。
a.计时信号和光源调制同步
21.换能器，所述换能器是点探测器、线性探测器阵列或二维阵列中的一个
a.其中如果线性阵列被定向成平行于或正交于流体流动的主方向
b.其中如果线性阵列被定向成平行于或正交于两个流体(例如，包含基准物和分析物的流体)之间的边界区域
22.时变信号的过程，所述时变信号的过程进一步包括测量检查区域中的基准物液体，检查区域中的分析物液体，计算两个测量值(例如透射率)的比率或差值，并且然后部分地基于比率或差值计算，计算随着时间的平均测量值
23.微流体室，所述微流体室包括加热器或冷却器(例如热电冷却器)，以用于平衡基准物流体和分析物流体的温度
24.微流体室，所述微流体室包括加热器或冷却器(例如热电冷却器)，以用于生成基准物流体和分析物流体的温度之间的温差
25.微流体室，所述微流体室包括加热器或冷却器(例如热电冷却器)，以用于生成流体的温度改变
a.温度改变在分析物特性的测量之间产生
b.温度改变沿着流动室中的流体通道的长度引起
i.温度改变，所述温度改变在与第一检查区域不同的第二检查区域处提供不同温度
26.包括以下步骤的微流体差分分析器的校准：
a.根据微流体室、基准物液体或样本液体的温度，测量样本中已知浓度的分析物特性
b.计算校正因子
c.在微流体室、基准物液体或样本液体的测量温度下，测量样本中未知浓度的分析物特性
d.利用校正因子调节分析物特性的测量值以实现分析物特性的第二测量值。
27.检查区域中的光学路径长度，其在与流体流动的方向大致正交的方向上改变，并且还包括(1)具有仅第一流体的大部分(例如>95％)的光学路径的至少第一空间区域和(2)具有主要(例如>60％)通过第二流体并且其次(例如至少5％但是小于40％)通过第一流体的光学路径的第二空间区域
a.其中第一区域和第二空间区域一起构成利用光源测量的大部分(例如>60％)检查区域
28.具有有效光学路径长度的检查区域，有效光学路径长度利用光束的反射而增加
a.其中从微流体室或流体通道表面反射
b.其中检查区域包括光学谐振腔
c.其中从一个或多个光学表面的多个弹射(bounce)增加路径长度
i.为形成本领域已知的气体测量的一个信号增强室(白色室、轴偏移腔等)
调节光学室上的光源入射的相对空间位置、光学室、光室探测器或光学器件，以在测量具有不同折射指数的流体时优化分析器性能(例如以在光以非垂直角度穿过光室时，在探测器上再定中心光，并且探测器处的光束位置取决于室中的液体的折射指数)。
29.调节用于操作的微流体分析器的方法包括
a.测量基准物流和样品流之间的光吸收引起的差分透射率
b.调节聚焦元件以改变光学室中的检查区域的三维体积
c.测量基准物流和样品流之间的光吸收引起的差分透射率
d.选择用于操作分析器的焦点，所述焦点导致光吸收引起的差分透射率的需要水平
30.调节用于操作的微流体分析器的方法包括
a.测量基准物流和样品流之间的光吸收引起的差分透射率，基准物流和样品流包括具有名义上相同的零或非零的分析物浓度的液体
b.调节微流体分析器操作参数条件
c.测量基准物流和样品流之间的光吸收引起的差分透射率
d.选择分析器的操作参数条件，操作参数条件导致光吸收引起的差分透射率的需要水平
优点和其它的点
光学室窗口可以精确地垂直于光学传播的方向，或被倾斜以防止折回反射，从而返回到光源(例如以防止激光反馈)。成楔形的窗口和窗口表面上的防反射也可以用于减少分析器中的反射和杂散光。
根据激光功率、分析物和溶剂吸收率，室的路径长度可以被优化，并且被匹配到探测器和电信号数字转换器。如在本领域中所已知，对于在较强吸收背景中的分析物的透射率测量，具有用于测量的最优路径长度，最优路径长度可以取决于以下参数，诸如背景和分析物的吸收率、基准物或样本的热式加热、激光功率以及感测探测器和激光器的噪声。例如，对于Mid-IR激光，用于含水背景的最优路径长度可以在40微米到数百微米的范围中。
在较低雷诺数(例如<10)下的简单的透射室可以提供良好的层流，二者对于样本和基准物分段和最小化的混合很有必要。
在室之前立刻引入样本和基准物可能由于扩散而限制混合。
较小检查光束直径允许较小体积的室。更宽的通道可以被应用，同时保持较低的雷诺数。
以下方式可以用于多组分分析和/或针对干涉进行调节：
1.利用多个激光器有序地对多个频率采样，一个频率用于基准物和样本测量，或
2.利用在较宽范围内可调谐的激光器有序地对多个频率采样，一个频率用于基准物和样本测量，或
3.在每个基准物和样本测量过程中，利用快速扫描激光器对多个波长的至少一个频率扫描采样，
并且然后使用化学计量方法以计算值。
另外地，在不使用化学计量学的另一实施例中，通过在不同波长下有序地定位激光器以测量不同的分析物，采样方法可以以一定方式用于测量多个分析物的单个不连续样本。
室中的压力可以被控制以避免例如通过室或室壁的压力引起的机械运动所导致的光学后生现象。
较小的室体积可以使得液体的温度控制和稳定性更快速和精确。
熟悉微观/宏观应用流体学的技术人员认识到多种技术可以用于获得需要的体积、层流、温度控制、采样速度、最小化的声学作用、样本混合的量等。
出口阀可以用于辅助停止流动并且然后允许室的排空和待测量的下一个液体的注入。
更高的样本调制允许使用窄带滤波，以从包括低频噪声(漂移)的调制频率中排除噪声。
示例性应用包括以下各项：
1.奶中的脂肪/蛋白质/糖等，现在利用非常昂贵仪器的较大市场
2.要求较高敏感性和良好温度控制的奶和乳制品；由于样本的快速温度稳定性和较高敏感性，所以微流体测量是更快的和更精确的
3.在不需要化学提取的情况下，具有微流体的水包油使用与ASTM方法7678相同的方法学来提供直接测量，并且也适合于在线测量
4.血液和血清中的分析物、细胞间流体、尿、汗
5.直接测量血清或全血中的重要血液分析物
6.饮用水和水加工工厂中的污染物
7.液态医药品的质量控制
8.液态食物产品(例如，汁饮料)的质量控制
9.啤酒和葡萄酒的质量控制和表征
尽管本发明的各种实施例已经被具体示出和描述，但是本领域的技术人员将理解，可以在没有脱离随附权利要求所限定的本发明的范围和精神的情况下，对形式和细节进行各种改变。

Claims (28)

1.一种流体分析器，包括：
限定光束的光束路径的光源和光学探测器；
流体流动室，所述流体流动室设置在光束路径上，光束路径在流体流动室中的流体通道中限定检查区域，在所述检查区域中，光束与流体相互作用；
一个或多个流动控制装置，所述一个或多个流动控制装置被构造成用于将分析物流体和基准物流体流传导通过流体通道和检查区域，流动控制装置被构造成用于响应于流体调制信号而操作相应流体的流动以移动流体边界穿过检查区域，所述流体边界使分析物流体和基准物流体在一起流动通过流体通道时分离；和
控制器，所述控制器能够操作以(1)生成具有时变特性的流体调制信号，从而导致流体边界相应地移动穿过检查区域，(2)以流体调制信号的一个间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，从而生成对应的输出信号样本，在所述一个间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在所述第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，并且(3)从输出信号样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。
2.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流动控制装置被构造成，响应于流体调制信号而在分析物流体和基准物流体之间切换，从而以交替序列在流过流体通道的流体流中产生分析物流体和基准物流体的不同单元，当流过流体通道时，相继的不同单元被与流的流动方向实质上不平行的相应流体边界分离。
3.根据权利要求2所述的流体分析器，其中：
流体通道同时地包括分析物流体或基准物流体的不同单元，以及除所述不同单元的流体之外的流体的至少两个局部不同单元。
4.根据权利要求2所述的流体分析器，其中：
光源是扫描反射镜干涉仪，扫描反射镜的运动与流体调制信号同步，并且控制器使用用于分析物流体和基准物流体的相应输出信号样本的比率，以根据光学波长确定测量值。
5.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
分析物流体和基准物流体一起流动通过流体通道，所述流体通道具有与流体通道中的流体的流动方向大致平行的流体边界部件，并且其中流动控制装置被构造成响应于流体调制信号而改变分析物流体和基准物流体之间的相对压力，从而在与流体通道中的流动方向正交的方向上改变流体边界的位置。
6.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：
流体边界具有以下区段，在对输出信号采样的过程中，所述区段的方向不平行于检查区域中的流体流动的方向，并且在流体调制信号的周期中，所述区段改变。
7.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：
光束的传播方向和流体流动的方向是大致平行的。
8.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：
检查区域包括在包含基准物流体的区域之间的分析物流体的区域，并且用于确定测量值的光学路径长度针对包括基准物流体的区域被调节。
9.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
在对输出信号采样的过程中，相对于在流体调制的多个重复循环中的一个循环内的平均流体流速，在检查区域中，流体流速被降低。
10.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
光源以多个波长生成与流体调制信号同步的时变相干红外光。
11.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流体通道包括多个检查区域，每个检查区域都具有用于光束的不同光学透射路径长度，并且控制器能够操作以(1)根据分析物或基准物的特性而选择检查区域，并且(2)根据被选择出的检查区域的输出信号的样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。
12.根据权利要求11所述的流体分析器，其中：
通过使用(1)用以产生同时静止的光束的光束引导光学部件或(2)光源或光束引导光学部件的机械运动，光束被引导至所述多个检查区域中的每个。
13.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
在流体调制信号的多个重复循环中的一个循环的过程中，检查区域位于通道中的静止点处。
14.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流体流动室包括至少部分地反射光束的表面，并且探测器包括用于检测多个流体路径长度中的光学透射率的探测器阵列。
15.根据权利要求1所述的流体分析器，还包括换能器，所述换能器用于检测流体边界并且生成流体边界运动信号，所述流体边界运动信号用于确定输出信号相对于流体调制信号的采样的时序。
16.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流体流动室是通过温度进行控制的，流体流动室温度确定检查区域中的分析物流体和基准物流体的温度，并且测量值被根据分析物流体和基准物流体的相应温度确定。
17.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
分析物流体或基准物流体包括具有光学特性的已知值的分析物，并且分析物流体光学特性或基准物流体光学特性的测量值和光学特性的已知值用于确定具有光学特性的未知值的分析物流体的测量值。
18.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
一系列测量值被组合以改善测量灵敏度，并且颗粒或气泡在流体通道中的可能存在被检测，并且可能具有被颗粒或气泡干扰的值的输出信号的样本被从所述一系列测量值排除。
19.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流体流动室包括对于光束透明的光学窗口，并且分析物流体包括黏附至光学窗口的污染物，从而从在没有黏附污染物的情况下能够具有的功率降低检查区域中的光束的功率，并且其中用于流体和基准物流体的输出信号的相应样本的比率基本上不依赖于窗口黏附污染物的数量的改变。
20.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
对于光束大致透明的包层液体用于将分析物流体和基准物流体与检查区域中的流体通道的表面分离。
21.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
控制器能够操作以(1)在流体边界位于检查区域内的间隔中，对来自探测器的输出信号采样，并且(2)根据输出信号确定指示分析物流体和基准物流体的相互作用的光学测量特性的测量值。
22.根据权利要求21所述的流体分析器，其中：
光学测量特性是扩散系数。
23.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
通过(1)以第一光学波长操作光源，并且(2)确定分析物流体或基准物流体中的已知浓度的分析物的测量值，来确定有效光学路径长度，所述有效光学路径长度用于在光束的第二光学波长下确定分析物流体的测量值。
24.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
分析物流体和基准物流体被选择成大致具有相同的光学特性，并且流体分析器的操作状态在超过一个的流体调制信号周期内在反馈回路中被调节，以将测量的光学特性设置成用于流体分析器的随后操作的需要值。
25.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
流体边界的表面积通过利用屏障而被减少，所述屏障响应于流动控制装置的操作而移动通过检查区域。
26.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
测量值的确定使用分析物信号样本和基准物信号样本的比率以生成基本上不依赖于光束功率的测量值。
27.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：
检查区域在流体通道中的位置、尺寸或形状在超过一个的流体调制信号周期中在反馈回路中被调节，以将测量的光学特性设置成用于流体分析器的随后操作的需要值。
28.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：
分析物流体和基准物流体在流体通道中的空间位置是周期性相反的，并且根据相反和不相反的测量值确定校正的测量值。
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