CN111194403B - 用于确定样品成分的荧光测量装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

单波长光源(104)被配置为产生激发光束(106)。限定内腔的样品保持器(102)能够保持样品，并且包括对激发光束透明的表面。一个或多个安装件附接到光源(104)或样品保持器(102)中的至少一个。安装件被配置为改变激发光束(106)在样品保持器的表面上的入射角。一个或多个光学组件定位在从表面发射的荧光发射(110)的路径中，并将荧光发射(110)引导至检测器(112)。检测器(112)检测荧光发射(110)的强度。

Description

用于确定样品成分的荧光测量装置、系统和方法

优先权声明

本申请要求于2017年8月21日递交的美国专利申请No.15/681,940的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及流体荧光。

背景技术

一些流体可以发出荧光，即当受到来自外部源的某个波长的光激发时，它们会发出光。当受激或被激发时，不同的流体对不同波长的光敏感，并且不同的流体发出不同波长的荧光。

发明内容

本公开涉及确定样品的成分。

本公开中描述的主题内容的示例实现方式是具有以下特征的荧光测量装置。单波长光源被配置为产生激发光源。限定内腔的样品保持器能够保持样品，并且包括对激发光源透明的表面。一个或多个安装件附接到光源或样品保持器中的至少一个。安装件被配置为改变激发光源在表面上的入射角。一个或多个光学组件定位在从表面发射的荧光发射的路径中，并将荧光发射引导至检测器。检测器检测荧光发射的强度。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。一个或多个安装件包括附接到样品保持器的基座的可旋转安装件，并且可以使样品保持器的表面相对于激发光源旋转。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。样品保持器的旋转轴线垂直通过样品保持器的中心定位。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。样品保持器的旋转轴线垂直通过样品保持器的表面的中心定位。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。表面相对于垂直轴线在0°-80°的范围内倾斜。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。光源包括限定波长处的紫外光谱中的激光。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。检测器包括耦接到光电倍增管的单色仪。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。滤波器定位在表面和检测器之间，且被配置为使指定范围的波长通过并滤除与指定范围不同的波长。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。一个或多个光学组件可以包括定位在表面和检测器之间的透镜，该透镜被配置为将荧光发射聚焦在光缆的入口上。光缆可以定位在透镜和检测器之间，并具有入口和出口，入口被配置为接收聚焦的荧光发射，出口定位为将聚焦的荧光发射引导至检测器。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例实现方式的方面包括以下内容。样品可以包括烃类流体。

本公开中描述的主题的示例是具有以下特征的方法。由限定内腔的样品保持器接收流体样品，该内腔能够保持样品并且包括对激发光源透明的表面。由单波长光源产生的光在流体样品中引起荧光。改变样品保持器的表面与光之间的入射角。当入射角改变时，由检测器检测荧光强度的改变。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。绘制荧光强度与入射角的绘图。将绘图与绘图库进行比较。响应于比较绘图来确定流体样品的内含物。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。改变入射角包括旋转样品保持器。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。旋转样品保持器可以包括绕垂直通过样品保持器的中心定位的样品保持器的旋转轴线旋转样品保持器。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。旋转样品保持器可以包括绕垂直通过样品保持器的面的中心定位的样品保持器的旋转轴线旋转样品保持器。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。改变入射角由微处理器控制。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。流体样品包括烃类流体。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例方法的方面包括以下内容。改变入射角包括使角度在0°-80°之间变化。

本公开中描述的主题的示例实现方式是具有以下特征的流体识别系统。样品保持器填充有未知流体。样品保持器对指定波长的光是透明的。激光器能够将激光束朝向样品保持器的面引导。将检测器朝向样品保持器的面引导。检测器能够检测来自样品保持器内的未知流体的荧光发射。还包括微处理器。计算机可读存储介质存储可由微处理器执行的指令。这些指令包括：将来自激光器的激光束发射在样品保持器的面处；由激光器在特定波长处产生的激光束在流体中引起荧光；改变样品保持器的面和激光束之间的入射角；当入射角改变时，检测荧光强度的改变；绘制荧光强度与入射角的绘图；将绘图与绘图库进行比较；以及响应于比较绘图来确定流体的成分。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例系统的方面包括以下内容。未知流体包括烃类流体。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例系统的方面包括以下内容。旋转样品保持器包括绕垂直通过样品保持器的中心定位的样品保持器的旋转轴线旋转样品保持器。

可单独地或组合地与示例实现方式组合的示例系统的方面包括以下内容。旋转样品保持器包括绕垂直通过样品保持器的面的中心定位的样品保持器的旋转轴线旋转样品保持器。

在附图和以下描述中阐述了本公开中所述的主题的一个或多个实现方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得更显而易见。

附图说明

图1是示例荧光测量装置的示意图。

图2A至图2B是示出容纳样品的样品保持器的侧视截面图的示意图。

图3A至图3B是示出可旋转的样品保持器安装件的透视图的示意图。

图4A至图4B是示出可旋转的样品保持器安装件的俯视图的示意图。

图5是示出用于荧光测量装置的光源的示意图。

图6A至图6D是用于不同的可能的样品的荧光强度的示例绘图。

图7是用于使用荧光强度识别样品的示例方法的流程图。

各附图中相同的附图标记和标志指示相同的要素。

具体实施方式

在诸如离岸生产或钻井平台之类的远程工作场所和设施中，可能要求技术人员对未知物质进行识别。识别的原因可以包括检查污染物、验证混合比、确定未贴标签的容器中的物质或其他原因。通常，将样品的许多识别测试异地发送到实验室，并且可能需要几天甚至更长的周转时间。在许多情况下，现场技术人员优选地是能够快速并在现场识别物质。

本公开描述了一种用于基于流体的荧光来识别流体的方法和装置。该装置可以包括用于在样品中引起荧光的激发光源、用于保持样品的样品保持器以及用于测量荧光强度的光电检测器。可以将激发光束以与样品保持器的平坦透明表面成非垂直的角度引导至样品处。由于激光束穿透到流体中的深度，激光可以在流体中引起内滤效应。检测器检测被检测到的内滤效应的荧光强度，并且检测器可以被配置为检测期望的荧光波长。束流收集器可以捕捉从样品保持器的面反射走的光，以防止或减少对检测到的荧光的干扰。在一些实现方式中，旋转样品保持器以便使光束穿透到流体中的深度变化，因此内滤效应的荧光强度可以变化。在一些实现方式中，保持样品保持器固定，并且将激光器移动到不同的位置以使激光束穿透到样品(例如流体)中的深度变化，因此内滤效应的荧光强度可以变化。记录相对于激光和样品保持器前部之间的入射角的强度变化。该测试生成的绘图可以用于识别流体。

图1示出了根据本公开一些实现方式的荧光测量装置100。例如，荧光测量装置100可以被配置为基于激发光的入射角来测量荧光强度的变化。在较高层面上，装置100包括样品保持器102、配置为将激发光引导到样品保持器102上的激发光源104以及配置为响应于激发光而检测荧光强度的检测器112。在一些实现方式中，通过将荧光强度绘制为入射角的函数，装置100可以识别包含在样品保持器102中的样品。

样品保持器102限定了能够保持样品(例如流体)的内腔。样品保持器102包括对激发光源104透明的表面。样品保持器102可以是石英试管、玻璃样品容器或任何其他具有对光源104的指定波长透明的平坦表面的样品容器。在一些实现方式中，仅样品保持器的单侧对光源104的指定波长是透明的。

激发光源104发射单波长光束106，该光束106能够在样品中产生荧光。在一些实现方式中，激发光源104发射包含具有至少一个能够在样品中产生荧光的波长的多个波长的光束106。在一些实现方式中，光源104可以是在限定波长处发射激光束的激光器，例如，在紫外线波长中。在一些实现方式中，光束106的波长可以在266纳米和355纳米之间。光源可以具有20至50毫瓦之间的功率输出。在一些实现方式中，样品可以在暴露于光束106一秒之后发出荧光。光源可以发射连续光束或脉冲光束。

为了改变激发光的入射角，装置100还可以包括一个或多个安装件，一个或多个安装件附接到光源104、样品保持器102或两者。安装件可以被配置成改变光束106相对于样品保持器102的表面的入射角。例如，安装件可以使光源104在样品保持器102周围的圆形路径中移动。在一些实现方式中，入射角可以在0°-80°的范围内。入射角可以连续改变或逐步改变。例如，在测量之间可以采取5°的步进。

装置100还可以包括一个或多个光学组件108，一个或多个光学组件108位于样品保持器102和检测器112之间。例如，一个或多个光学组件定位在从样品保持器102的表面发射的荧光发射110的路径中。在这些实例中，一个或多个光学组件108被配置为将荧光发射110引导至检测器112或以其他方式将荧光发射110传递至检测器112。如图所示，一个或多个光学组件108包括定位在样品保持器102的表面和检测器112之间的滤波器118。滤波器118可以使指定范围的波长通过，并且滤除或以其他方式阻挡与指定范围不同的波长。滤波器118可以是陷波滤波器或任何其他光学滤波器。光学组件108还可以包括定位在滤波器118和光缆122之间的透镜120。透镜120被配置为将荧光发射110聚焦在光缆122的入口上。光缆122被配置为将聚焦的光从入口引导至出口或以其他方式将聚焦的光从入口传递至出口。在不脱离本公开的范围的情况下，一个或多个光学组件108可以使用与所示出的组件不同或更少的组件。例如，透镜120可以将光直接聚焦到检测器112上，而不包括光缆122。透镜可以包括石英凸透镜，或适合于所测量波长的任何其他透镜。

检测器112可以检测荧光发射110的强度。检测到的强度的示例稍后在本公开中描述。在一些实现方式中，检测器112可以包括耦接到光电倍增管116的单色仪114。单色仪114在空间上使荧光发射110分散到光谱成分中，而光电倍增管则起到放大检测到的荧光发射110的作用。

在一些实现方式中，装置100可以包括微处理器124和计算机可读存储介质126，计算机可读存储介质126可以存储可由微处理器124执行的指令。稍后将在说明书中描述有关此类过程的细节。

在操作的一些方面，激发光源104朝向样品102发射光束106。在光束106冲击样品102之后，反射光128被导向束流收集器130，同时荧光110朝向检测器112发射。当光束冲击样品102时，可以移动、旋转或调整样品102或光源104以改变光束106到样品保持器102的表面的入射角。可以将角度与发射的荧光110的强度一起记录。可以将所有前面描述的组件组合成可以在现场操作中使用的紧凑的便携式单元。

图2A至图2B示出了朝向示例样品保持器102的表面导向的示例光束106的详细截面图。样品保持器102可以是石英试管、玻璃样品容器或任何其他具有对光束106的指定波长透明的平坦表面的样品容器。如图2A所示，以较浅角度朝向样品保持器102的表面导向的光束可能会形成进入到样品中的某个穿透深度(d1)。如图2B所示，如果角度相对于表面变陡，则可能产生更大的穿透深度(d2)。变化的穿透深度可以导致所发射的荧光发射110的强度的变化程度。通过使入射角变化并利用检测器112记录荧光强度的改变，可以创建绘图。不同的流体可以产生不同的绘图，从而可以对不同的流体进行识别。这种绘图的细节稍后将在本公开中讨论。为了使角度(和穿透深度)变化，可以移动(例如，旋转)样品或光源中的至少一个。例如，光束106相对于样品保持器102的表面的入射角可以在0°-80°之间变化。

图3A至图3B是示例样品保持器安装件300的详细透视图。在该示例中，样品保持器102是矩形形状并且由垂直支撑件302支撑。样品保持器102可以通过带304或其他类型的附件连接到垂直支撑件。在该示例中，样品保持器102通过其基座连接到旋转台306。如前所述，为了改变入射角，可以移动样品保持器102，可以移动光源104，或者可以移动样品保持器102和移动光源104两者。所示示例展示了一种通过移动样品保持器102来调整入射角的实现方式。即，旋转台306可以附接到样品保持器102的基座，并且能够使样品保持器102的表面相对于激发光的传播轴线旋转。在所示的实现方式中，样品保持器102可以绕垂直穿过样品保持器102的中心的中心垂直轴线308a旋转。在一些实现方式中，样品保持器102可以绕偏离样品保持器102的中心轴线的垂直轴线308b旋转。图4A至图4B是定位在旋转台306上的样品保持器102的俯视图。如图4A所示，样品保持器102的旋转轴线308a可以通过样品保持器102的中心垂直放置。如图4A所示，样品保持器102的旋转轴线308b可以垂直通过样品保持器102的表面的中心定位。

图5是示出其中光源104移动而非样品保持器102移动以便调整入射角的示例实现方式的示意图。即，可移动安装件502可以附接到光源104。可移动安装件502可以改变激发光源104相对于样品保持器102的表面的入射角。这通过将激发光源104从第一位置504a移动到第二位置504b来实现。在一些实现方式中，束流收集器130可以与光源104或样品保持器102一起移动。

图6A至图6D是可以基于相对于入射角的从样品保持器102内的样品发射的荧光发射110的强度而绘制的示例绘图。在一些实例中，样品可以包括烃类流体。测试装置可以利用透明或不透明的样品来生成绘图。一旦记录了绘图，就可以将其与已知绘图库进行比较以确定样品的内含物。

图7是示出可以用于确定样品的内含物的示例方法700的流程图。在702处，由样品保持器接收样品，样品保持器限定了配置用于保持样品的内腔。样品保持器102包括对激发光源104透明的表面。在一些实现方式中，样品可以是流体。在704处，由光源104产生的单波长光束106在流体样品中引起荧光。在706处，改变样品保持器的表面与光之间的入射角。可以通过调整光源104的角度和位置、样品保持器102的角度或两者来改变入射角。入射角的改变可以在0°-80°之间变化。在708处，当入射角改变时，由检测器112检测荧光强度的改变。在710处，绘制荧光强度与入射角的绘图。在712处，将绘图与绘图库进行比较。在714处，响应于比较绘图来确定样品的内含物。在一些实现方式中，方法700的各方面可以至少部分地由微处理器124执行。

本公开中描述的主题内容和操作中的实现方式可以在数字电子电路中或在计算机软件、固件或硬件中实现，包括在本公开中公开的结构及其结构等同物、或其一个或多个的组合。本公开中描述的主题内容的实现方式可以被实现为编码在计算机存储介质上、用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的一个或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一个或多个模块。备选地或附加地，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或电磁信号)上，所述信号被生成以对信息进行编码，以传输给合适的接收机装置，以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是计算机精细存储设备，计算机扩展存储基板，随机或串行访问存储阵列或设备，或其中一个或多个的组合，或可以包括在其中。此外，尽管计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是在人工产生的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是一个或多个单独的物理组件或介质(诸如，多个CD、盘或其它存储设备)，或包括在其中。

本公开中描述的操作可以被实现为由数据处理装置对存储在一个或多个计算机可读存储设备上的数据或从其他源接收的数据执行的操作。

术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有类型的装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机、片上系统或者前述各项中的多个或者组合。所述装置可以包括专用逻辑电路，如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件以外，所述装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建运行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或者上述各项中的一项或多项的组合的代码。装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础结构，例如网络服务、分布式计算和网格计算基础结构。

可以以任何形式的编程语言来写计算机程序(也称作程序、软件、软件应用、脚本或代码)，所述编程语言包括：编译或解释语言、或者声明或过程语言，并且计算机程序可以以任何形式来部署，包括作为单独的程序或者作为适合于在计算环境中使用的模块、组件、子例程、对象或其他单元。计算机程序可以但无需与文件系统中的文件相对应。程序可以被存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、被存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或者被存储在多个协同文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上或者在位于一个站点或分布在多个站点并且通过通信网络互联的多个计算机上执行。

本公开中描述的过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器来执行，所述一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序以通过操作输入数据并且生成输出来执行动作。所述处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，并且装置也可以实现为该专用逻辑电路。

适用于执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用比较以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或者这二者接收指令和数据。计算机的必不可少的元件是用于根据指令执行动作的处理器、和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦接以便从所述一个或更多个大容量存储设备接收或向其发送数据或两者。然而，计算机不需要具有这些设备。此外，计算机可以嵌入在另一设备中，另一设备例如是移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏机、全球定位系统(GPS)接收机或者便携式存储设备(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘(比如内部硬盘和可移动盘)；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或者并入到专用逻辑电路中。

为了提供与用户的互动，可以在具有显示设备和键盘以及指向设备的计算机上实现这些特征，显示设备例如是用于向用户显示信息的CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器，指向设备例如是用户可以通过其向计算机提供输入的鼠标或轨迹球。其他类型的设备也可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；以及可以以任何形式(包括声音、语音或触觉输入)来接收来自用户的输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档或者从该设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从用户客户端设备上的web浏览器接收到的请求而向所述web浏览器发送网页。

尽管本公开包含许多具体实现细节，然而这些细节不应被解释为对所要求保护的范围构成限制，而是应被解释为对专用于特定发明的特定实现的特征的描述。在单个实现方式中，还可以组合实现本公开中在独立实现方式的上下文中描述的特定特征。反之，在个别实现方式的一部分中描述的各种特征也可以在多个实现方式中分开地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以示出的特定顺序或以顺序次序执行，或者需要执行所有示出的操作来实现期望的结果。此外，上述实现中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实现中需要这样的分离，并且应当理解，所描述的组件通常可以集成在单个产品中或被打包成多个产品。

因此，已经描述了本主题的特定实现方式。其他实现方式在可选权利要求的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以以不同顺序来执行，并且仍然实现期望结果。另外，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。

Claims (8)

1.一种荧光测量装置，包括：

单波长光源，被配置为产生激发光；

样品保持器，限定被配置用于保持样品的内腔，并且包括对所述激发光透明的表面，所述样品保持器的旋转轴线垂直通过所述样品保持器的中心定位，所述光源和所述样品保持器在空间上布置为使得在样品测试期间，入射在所述表面上的所述激发光的一部分穿过所述表面并且以距所述表面的一深度入射在所述样品保持器中的所述样品上，其中，所述样品被配置为：响应于所述激发光的所述部分以距所述表面的所述深度入射在所述样品上，发射荧光；

一个或多个安装件，附接到所述光源或所述样品保持器中的至少一个，且被配置为：在所述样品测试期间，主动地改变所述激发光入射在所述表面上的入射角，且相应地改变距所述激发光的所述部分入射在所述样品上的所述表面的深度，其中，所述一个或多个安装件包括能够旋转的安装件，所述能够旋转的安装件附接到所述样品保持器的基座，且被配置为使所述样品保持器的所述表面相对于所述激发光源旋转；

一个或多个光学组件，在空间上布置为接收由所述样品发射的且穿过所述表面的所述荧光的一部分，且被配置为将接收到的所述一部分引导至检测器；以及

所述检测器，被配置为检测荧光发射的强度。

2.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述样品保持器的旋转轴线垂直通过所述样品保持器的所述表面的中心定位。

3.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述表面相对于垂直轴线在0°-80°的范围内倾斜。

4.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述光源包括限定波长处的紫外光谱中的激光。

5.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述检测器包括耦接到光电倍增管的单色仪。

6.根据权利要求1所述的荧光测量装置，还包括：滤波器，定位在所述表面和所述检测器之间，且被配置为使指定范围的波长通过并滤除与所述指定范围不同的波长。

7.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述一个或多个光学组件包括：

透镜，定位在所述表面和所述检测器之间，且被配置为将所述荧光发射聚焦在光缆的入口上；以及

光缆，定位在所述透镜和所述检测器之间，并且具有入口和出口，所述入口被配置为接收聚焦的荧光发射，所述出口定位为将所述聚焦的荧光发射导向到所述检测器。

8.根据权利要求1所述的荧光测量装置，其中，所述样品包括烃类流体。

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