CN112334769B - 水中碳氢化合物污染的测量 - Google Patents
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Abstract
一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的方法，包括：从光源提供光；引导来自光源的光通过实验水样本；检测从实验水样本传输的光；以及基于约5700cm‑1和6300cm‑1之间范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的装置，包括控制器，该控制器可操作以确定通过样本池的光损失，并基于约5700cm‑1和6300cm‑1之间范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
Description
技术领域
本申请总体上涉及碳氢化合物污染，更具体地，但非排他地，涉及用于测量水中碳氢化合物污染的装置和方法。
背景技术
用于测量水中碳氢化合物污染的方法和装置仍是一个感兴趣的领域。一些现有装置具有与特定应用相关的各种缺陷、缺点和不足。例如，对于一些方法和装置，测量水中碳氢化合物污染的当前方法采用从已知量的水中溶剂提取或膜提取碳氢化合物，然后通过使用红外透明溶剂(例如氯氟烃)对提取的碳氢化合物进行红外分析来确定碳氢化合物的量，这是耗时的。因此，仍然需要在这一技术领域做出进一步贡献。
发明内容
本发明的一个实施例是用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的独特方法。另一个实施例是用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的独特装置。其他实施例包括用于水中油污染的红外分析的装置、系统、装置、设备、硬件、方法和组合。本申请的其他实施例、形式、特征、方面、益处和优点将从本申请提供的描述和附图中变得显而易见。
附图说明
这里的描述参考了附图，其中在所有视图中相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的用于测量水中碳氢化合物污染的装置的非限制性示例的一些方面。
图2是示出基于10μm和100μm样本路径长度的近红外光谱中的水吸收的非限制性示例的一些方面的图。
图3是示出近红外光谱中的水吸收和碳氢化合物吸收的非限制性示例的一些方面的图，突出了低水吸收和高碳氢化合物吸收的区域。
图4示出了5毫米路径长度的水样本在近红外中的透射光谱的非限制性示例的一些方面，其在约5700cm-1至6300cm-1区域中提供了约5％的透射率。
图5示出了在约5700cm-1至6300cm-1处的透射率区域的非限制性示例的一些方面，该透射率区域由该区域的高频侧和低频侧的水吸收限定。
图6示出了四(4)痕量20ppm异丙醇在水中的吸收光谱和纯水的三(3)痕量吸收的吸收光谱的非限制性示例的一些方面。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用特定的语言对其进行描述。然而，应当理解，本发明的范围并不因此受到限制。对所述实施例的任何变更和进一步修改，以及对在此所述的本发明原理的任何进一步应用，都是本发明相关领域的技术人员通常会想到的。
参见图1，示意性地示出了根据本发明实施例的用于测量水中碳氢化合物污染的装置10的非限制性示例的一些方面。装置10包括光源12、样本池14；检测器16和控制器18。一些实施例可包括滤波器20，例如，设置在样本池和检测器16之间的光路中。其他实施例可以不包括滤波器，或者可以包括滤波器20之外的其他滤波器或代替滤波器20的其他滤波器。在一些实施例中，光源12可包括一个或多个滤波器，或者一个或多个滤波器可设置在光源12和样本池之间，使得样本池仅接收一个或多个期望波长或波段的光。一些实施例可包括第二个或后续样本池22，而其他实施例可仅采用单个样本池。一些实施例可包括分光镜、光谱仪、光谱分析仪、色散二极管阵列光谱仪、可调谐波长源或设备或可调谐激光器24。
装置10可操作以通过使光通过包含在样本池14内的实验样本(例如，实验样本是被碳氢化合物污染或可能被碳氢化合物污染的水样本，例如痕量碳氢化合物量或更高)，并通过分析通过样本传输的光以确定特定波长或以波数或频率表示的波长倒数或近红外(NIR)光谱中的频率或波数范围内的光损失，来测量水中的碳氢化合物污染，例如水中的油和/或油脂污染。在一些实施例中，将实验样本分析的结果与参考样本(例如纯水)的红外分析结果进行比较，以确定碳氢化合物污染的存在，并且在一些实施例中，确定碳氢化合物污染的量。例如，与参考样本相关的特定波数的光损失可以被从与实验样本相关的相同波数的光损失中减去，从而产生与实验样本中的杂质相关的光损失。如本文所述，所分析的NIR波数是与碳氢化合物吸收相关的波数，因此，与这些频率相关的光损失反映了碳氢化合物污染。在一些实施例中，样本池14可用于顺序分析参考样本和实验样本，例如，通过分析参考样本、将参考样本从样本池中冲洗出来并用实验样本替换参考样本，并随后分析实验样本。其他实施例可以颠倒分析顺序。
在一些实施例中，实验样本可以包含在样本池14中，参考样本可以包含在样本池22中，并且可以单独分析样本。例如，一些实施例可以采用单个光路，并且可以顺序分析样本，例如通过分析样本池14中的参考样本，其中样本池14设置在光路内；用包含实验样本的样本池22替换样本池14，使得样本池22设置在光路内；然后分析实验样本。在其他实施例中，顺序可以颠倒。在一些实施例中，可以采用双光路，每个光路具有相同的光学特性，从而无需更换样本池。
在本发明的一些实施例中，光谱分析包括引导由红外源(例如，光源12)产生的光通过样本，并测量针对不同波长的由样本引起的光损失，例如，通过将光分离成不同波长或频率的光谱仪或光谱分析仪以及将光转换成可测量信号的红外检测器来确定。在一些实施例中，通过使用参考光谱，例如分析参考样本，例如同一样本池或同一类型(即具有相同的光学特性)样本池中的纯水样本，将样本引起的光损失与光强度的其他变化隔离开。例如，如上所述，参考样本的分析可以采用相同的光路，除了缺少实验样本，在一些实施例中，实验样本被参考样本代替。如果要确定实验样本中的杂质，例如水中的油或其他碳氢化合物杂质，可以使用纯水样本作为参考样本。
虽然可以使用红外分析来测量水中的碳氢化合物污染，但是先前的装置和方法不允许直接测量非常低的浓度，例如以百万分之几十(ppm)或更低测量的痕量。例如，10微米(0.01毫米)的水膜在很宽的光谱范围内是红外透明的，并且可以通过普通的红外透射光谱进行分析。当通过样本的红外光束路径长度限制在10微米或更小时，水-碳氢混合物样本可通过红外分析进行分析。根据比尔-兰伯特定律，测得的吸收度与吸收介质的浓度和厚度成比例。对于水样本而言，路径长度非常短(例如，10μm)，只有相对较高浓度的碳氢化合物可以通过普通的红外透射光谱进行测量。水中典型的可测量碳氢化合物浓度大于1％。目前的红外光谱仪不具备使用现有方法将可测量的碳氢化合物浓度降低至痕量或ppm水平所需的极高灵敏度和稳定性。水中痕量或ppm水平的碳氢化合物污染包括例如数十ppm范围内的污染，即100ppm或更低，在某些情况下低至1-20ppm(0.0001％-0.0020％)或更低。将红外光束路径长度增加至例如100微米(0.1毫米)可能允许测量较低浓度的碳氢化合物，但不幸的是，水在较高的水样本路径长度下可能不再透明，这可能削弱或阻止使用现有方法测量痕量的碳氢化合物污染。例如，参考图2，示出了10μm和100μm路径长度的水吸收，分别由附图标记30和32表示。尽管将路径长度从10μm增加到100μm可能会导致对10倍小的碳氢化合物污染浓度进行测量，但水样本在宽光谱范围内不再透明，并且红外分析能力可能会显著降低。应当理解，样本路径长度的进一步增加将进一步大幅减少水样本透明的光谱区域，并进一步削弱或阻止使用现有方法测量较低污染量。
通常，确定水中碳氢化合物ppm水平浓度的实践包括首先从已知量的水中提取碳氢化合物，然后确定提取的碳氢化合物的量。提取可以通过例如溶剂提取或膜提取进行。使用红外透明溶剂(例如氯氟烃(CFC))允许通过使用通过CFC样本的几厘米路径长度的红外分析确定提取的碳氢化合物。
发明人已经确定，NIR光谱中的特定区域对于水中痕量水平碳氢化合物污染的红外分析可能特别有用，而无需在分析前从水中提取碳氢化合物的耗时步骤。
在一种形式中，装置10被构造成测量低水平的光谱分辨吸收，例如，与适当明亮的红外源和适当灵敏的红外检测器元件结合的FT IR光谱仪或适当稳定的可调谐激光器或能够提供高度灵敏和稳定的光谱数据的其他设备。通过增加通过水和碳氢化合物样本的路径长度，使得大部分红外光谱不再透明，同时保留与大多数碳氢化合物(油、脂肪和油脂)具有特征吸收带的光谱区域一致的有限透明光谱区域，可以进行痕量碳氢化合物污染的测量。例如，参考图2-5，尽管可以认为归因于许多碳氢化合物的最强的特征光谱吸收带之一是约3450纳米(2900cm-1)的C-H拉伸带，但是在该光谱区域中，由于2770纳米(3600cm-1)的水的O-H拉伸带的宽性质，水吸收(图2)仍然非常高，因此这对于水中碳氢化合物污染的痕量或ppm水平的确定不提供有利的光谱区域。
另一方面，C-H拉伸带在近红外1770纳米(5700cm-1)处的一次谐波与该区域的残留水吸收相比更强。通过将水传输限制在一个较小但足够的水平，使样本路径长度最大化，从而可以测量最低的碳氢化合物浓度。图3示出了三种不同碳氢化合物的水吸收40和碳氢化合物吸收42、44和46。如图3所示，约5700cm-1至约6300cm-1的区域，特别是约5700cm-1至约6000cm-1的区域，即包括C-H拉伸第一泛音的区域，不仅包括相对低的水吸收，还包括相对高的碳氢化合物吸收的区域，其中碳氢化合物吸收与水吸收的比率最大。从绝对尺度来看，这些区域的碳氢化合物吸收较低，因此对于使用现有方法进行红外分析而言，这不是传统上理想的区域。然而，本发明人发现，该区域中的碳氢化合物吸收与水吸收之比率相对较高，这是以前未曾开发过的，该比率允许测量痕量的碳氢化合物污染。图4和图5示出了5毫米路径长度的水样本的透射率50，其中水透射率在5700cm-1的范围内约为5％。C-H拉伸第一泛音(例如碳氢化合物)的吸收在较短的波长下比近红外波段强得多，因此图4中的高于7000cm-1的频率下的高透射率是没有用的。一些实施例采用滤光器，例如滤光器20，例如1500纳米长波滤波器，其阻挡了高于约7000cm-1的区域，产生了接近约5700cm-1至约6300cm-1的窄透射区域，如图5所示。在图4和图5中，为清晰起见，C-H拉伸泛音以下的区域(例如，低于约5500cm-1)也被过滤掉。C-H拉伸泛音的一次谐波附近的碳氢化合物吸收与水吸收的高比率允许对低的或痕量的碳氢化合物污染量具有更高的红外分析灵敏度，特别是当路径长度增加到例如5毫米时，允许在低ppm范围内测量痕量的碳氢化合物污染，例如在一些实施例中低至5ppm或更低，在其他实施例中低至1ppm或更低。
参考图3，尽管在约4200cm-1至4400cm-1范围内的碳氢化合物吸收在绝对意义上大于在约5700cm-1至约6300cm-1范围内的碳氢化合物吸收，但是在约4200cm-1至4400cm-1范围内的碳氢化合物吸收与水吸收之比率并不像在约5700cm-1至约6300cm-1范围内的碳氢化合物吸收与水吸收之比率那样大，特别是在约5700cm-1至约6000cm-1的范围内，这使得后面的NIR区域特别适于检测低至痕量的碳氢化合物污染。当使用灵敏的近红外检测器时，在接近约5700cm-1至约6300cm-1的小透射率区域之外的辐射的总吸收有利于FTIR光谱仪避免过载和过量噪声。图6示出了四(4)条20ppm异丙醇在水中的迹线62、64、66、68的吸收光谱，以及三(3)条5毫米样本路径长度的纯水的吸收迹线70、72、74的吸收光谱。图6示例中的检测极限估计为<5ppm。应当理解，在其他实施例中可以实现更低的检测极限，例如，取决于光源特性和检测器特性，以及用于如此配备的实施例的光谱仪特性。
因此，本发明的实施例旨在对光谱范围在约5700cm-1至约6300cm-1或波数范围在约5700至6300之间的水样本进行红外分析。在一些实施例中，仅在约5700至6300之间的波数范围内的频率下进行红外分析。在一些实施例中，可以采用更窄的区域，例如，在大约5700和6000之间的波数处或仅在大约5700和6000之间的波数处进行红外分析。
光源12可操作以向样本池14提供光或辐射，用于对置于样本池14内的样本进行红外分析，包括NIR光谱中约5700cm-1和6300cm-1之间的光。超出该范围的光也可以由光源12提供。在一种形式中，光源12是基于丝的白炽光源，例如商业上可获得的石英卤素灯泡，例如石英卤素汽车灯泡。在其他实施例中，光源12可以采取其他形式，并且可以是例如一个或多个激光器和/或发光二极管(LED)或能够产生约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的红外光的任何光源，并且在一些实施例中，可以产生约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的红外光的任何光源。
分光镜24被构造成调制从光源12接收的光的频率。例如，分光镜24被构造成将光分离成单独的频率或波长，并在期望的范围内扫描光或辐射的期望频率或波数，例如在大约5700cm-1和6300cm-1之间范围内顺序扫描，并且在一些实施例中在大约5700cm-1和6000cm-1之间范围内顺序扫描。在一些实施例中，分光镜24可操作以仅通过约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的频率，并且在其他实施例中仅通过约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的频率，对从光源12接收的光或辐射进行调制。频率增量可能因应用需求而变化。例如，在一些实施例中，分光镜24可以以10cm-1的增量扫描频率范围，而其他实施例可以采用100cm-1的增量。在一些实施例中，可仅采用期望范围内的特定选定频率。在一种形式中，分光镜24是色散二极管阵列光谱仪或可变滤波器光谱仪。在另一种形式中，源12可以是可调谐二极管激光器，在这种情况下不需要分光镜24。在特定形式中，分光镜24是傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析仪。合适的分光镜24的一个非限制性示例是商业上可获得的FTIR光谱分析仪，例如由加拿大魁北克的ABB Bomem制造的MB3000 FTIR光谱分析仪。在其他实施例中，可以使用其他分光镜或光谱分析仪。
在一种形式中，分光镜24设置在光源12和被分析的样本池(例如样本池14)之间的光路中，这避免了对样本的自发射(例如长波长红外区域中的自发射)进行光谱分析。在其他实施例中，分光镜24可设置在样本池和检测器18之间的光路中，例如样本池和滤波器20之间或滤波器20和检测器16之间。一些实施例可能不使用分光镜。例如，在一些实施例中，检测器16可以被构造和操作为测量离散的频率或频带，而不需要分光镜来调制或分散从光源12发出的光或辐射。一些实施例可以仅测量两个离散的波长或两个离散的波段的光损失，以确定池14中实验样本中碳氢化合物污染物的存在和数量，由此放弃原本允许确定碳氢化合物污染物的类型或化学性质的详细光谱分析。例如，可以使用多个发射器，例如离散的NIR激光和/或LED和/或其他光源，其中每个发射器以约5700cm-1和6300cm-1之间范围内或在一些实施例中约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的离散的频率或频带发射光或辐射。
样本池14被构造成允许并保持所需量的水作为待分析的样本S，例如纯水(参考样本)或表面上被污染的水(实验样本)。在红外分析过程中，样本池14被放置和定位在光路中，以接收由光源12产生的光，例如由分光镜24分解或调制的光。在一种形式中，样本池14由石英形成，即具有石英窗14A。在其他实施例中，可以使用其他红外透明材料作为窗14A，例如，在一些实施例中在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内或在其他实施例中在约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的频率上透明的材料。在一种形式中，样本池14具有的通过水样本的光路径长度P1为5毫米或约5毫米。在其他实施例中，光路径长度可以根据应用的需要而变化，例如可以在0.5毫米至20毫米的范围内，或更优选在0.5毫米至10毫米的范围内，或甚至更优选在2毫米至8毫米的范围内。在其他实施例中，光路径长度可以在这些范围之外。用于如此配备的实施例的样本池22类似于样本池14。
检测器16是光或电磁辐射检测器，其定位成接收通过样本和样本池传输的光或辐射。在一些实施例中，检测器16可操作以用于检测至少在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的红外辐射，在其他实施例中，检测器16用于检测至少在约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的红外辐射。检测器16也可以检测其他频率的光或辐射。检测器16可操作以响应于检测到光或辐射而产生电子信号，其中该信号指示检测器16接收到的光或辐射的振幅或强度。合适的检测器的一个示例是商业上可获得的TE冷却的扩展波长InGaAs检测器，其截止波长至少为2000纳米。在一些实施例中，检测器16可以被配置为分辨其检测到的IR辐射的频率。
控制器18通信耦接到检测器16和分光镜24。控制器18可操作以用于控制分光镜24对光的调制。在一些实施例中，控制器18还通信耦接到光源12，并可操作以控制光源12的输出。控制器18可操作以接收检测器16输出的信号，并使用该信号确定在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的通过样本池的光损失cmcm。在一种形式中，光损失以吸收度测量表示，例如图6的吸收光谱。在其他实施例中，光损失可以采取其他形式，包括例如透射率。在一些实施例中，光损失的确定可以基于初始校准或参考值，该初始校准或参考值在将样本池或样本引入光路之前建立光的初始特征，例如期望频率下的振幅。在一些实施例中，控制器18可操作以确定仅在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失。在其他实施例中，控制器18可操作以确定仅在约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失。在其他实施例中，控制器18也可操作以确定其他频率的光损失。
控制器18可操作以基于光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。在一些实施例中，控制器18可操作以将当填充参考水样本(例如纯水)时通过样本池的光损失与当填充实验水样本(即表面上被污染的水)时通过样本池的光损失进行比较，以确定光损失差异，并基于该差异确定碳氢化合物污染的水平。在各种实施例中，控制器18可操作以基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失、或基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失、或仅基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失、或仅基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失来确定碳氢化合物污染水平。控制器18可操作以生成指示实验水样本中碳氢化合物污染水平的输出。输出可以例如显示在显示器(未示出)上和/或可以是打印输出。
滤波器20是光学滤波器。在一种形式中，滤波器20设置在样本池和检测器16之间的光路中。在一种形式中，滤波器20可操作以阻挡波数高于约7000，即频率高于约7000cm-1时的透射率。在一种形式中，滤波器20是1500纳米长波滤波器。在其他实施例中，其他滤波器可与1500纳米长波滤波器一起被使用或代替1500纳米长波滤波器被使用。在一些实施例中，也可采用滤波器来还阻挡或替换地阻挡低于期望范围(例如低于约5000-5500cm-1)的波数，在一些实施例中，该滤波器可被视为滤波器20的一部分。
用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的方法的非限制性示例包括：将来自光源12的光引导至样本池并通过样本池，例如包含实验水样本的样本池14。光包括约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的近红外辐射。在一些实施例中，光包括约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的近红外辐射。检测器16检测从或通过水样本传输的光。然后确定通过实验水样本的光损失，即约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失。在一些实施例中，可以确定通过实验水样本的约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失。在一些实施例中，可仅确定约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失或约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失。
然后基于约5700cm-1至6300cm-1范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。在一些实施例中，可以基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。在其他实施例中，仅基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失，或在其他实施例中，仅基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失来确定碳氢化合物污染水平。然后生成指示碳氢化合物污染水平的输出，该输出可包括例如在显示器(未示出)上显示污染水平和/或使用打印设备(未示出)打印污染水平。
在一些实施例中，实验样本中碳氢化合物污染水平的确定不仅基于通过实验样本的光损失，还基于通过参考样本(例如纯水)的光损失。例如，来自光源12的光可以被引导通过参考水样本，例如纯水；并且可以检测离开参考水样本的光。然后确定在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内或在一些实施例中在约5700cm-1和6000cm-1之间范围内通过参考水样本的光损失。从通过实验水样本的光损失中减去通过参考水样本的光损失，以生成光损失差异。然后，基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失差异，确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。在一些实施例中，可以基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失差异来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。在其他实施例中，仅基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失差异，或在其他实施例中，仅基于约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的光损失差异确定碳氢化合物污染水平。在其他实施例中，仅基于在5700cm-1和6300cm-1之间范围内选择的一个或两个离散波长或波段的光损失来确定碳氢化合物污染水平。
各种实施例可包括在到达实验样本(和参考样本，对于采用参考样本的实施例)之前对光进行调制，或在一些实施例中，在从实验样本(和参考样本，对于采用参考样本的实施例)传输后对光进行调制。在一些实施例中，调制包括调制或扫描通过约5700cm-1和6300cm-1之间范围内或约5700cm-1和6000cm-1之间范围内的期望光频率，例如，将样本顺序暴露于期望范围内的不同频率。例如，光可以通过傅立叶变换IR光谱分析仪进行调制，例如，如上所述。在其他实施例中，光源12可以用被引向样本的不同波长独有的调制频率对光进行调制。在其他实施例中，光可以不被调制，而是检测器16可以被构造和操作以分辨通过样本传输并在检测器处接收的频率分量的振幅。在一些实施例中，在到达检测器16之前，使用滤波器20过滤光或辐射，例如1500纳米长通滤波器，其可操作以阻挡在高于约7000cm-1的波数的透射率。在其他实施例中，可以采用其他滤波器参数。一些实施例还可以过滤掉低于约5000-5500cm-1的光或辐射。在其他实施例中，可以采用其他滤波器参数。
在一些实施例中，实验样本的污染水平还通过将测量或确定的光损失(或在一些实施例中的光损失差异)与期望范围(例如，在一些实施例中，在约5700cm-1和6300cm-1之间范围或在约5700cm-1和6000cm-1之间范围)内的已知光损失(例如，已知光损失值或分布或特性)进行比较来确定。然后基于该比较确定实验样本的污染水平。例如，已知的光损失值或分布可通过测量具有已知碳氢化合物污染水平的样本获得，以获得在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内(或在一些实施例中在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内)的对应光损失特性，从而获得与已知碳氢化合物污染水平或已知光损失特性相关的光损失特性。然后，可以将与实验样本相关联的光损失特性(或光损失差异特性)与已知的光损失特性进行比较，以确定实验样本的污染水平，例如通过比较，并且在一些实施例中，通过内插。图6示出了已知光损失特性的一个例子，以及四(4)条20ppm异丙醇在水中的迹线62、64、66、68和三(3)条针对纯水的吸收迹线70、72、74的吸收光谱，样本路径长度为5毫米。
在一种形式中，基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内(或在其他实施例中约5700cm-1和6000cm-1之间范围内)的光损失(或光损失差异)确定碳氢化合物污染水平。在一些实施例中，仅基于在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内(或在其他实施例中仅在约5700cm-1和6000cm-1之间范围内)的光损失(或在一些实施例中，光损失差异)来确定碳氢化合物污染水平。
本发明的实施例包括一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的方法，包括：从光源提供光，该光包括在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的近红外(NIR)辐射输出；引导来自光源的光通过实验水样本；检测从实验水样本传输的光；确定在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内通过实验水样本的光损失；基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平；并生成指示实验水样本中碳氢化合物污染水平的输出。
在一个改进中，该方法还包括将光损失与已知水中碳氢化合物污染水平相关的约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失进行比较；以及基于光损失和已知光损失确定碳氢化合物污染水平。
在另一个改进中，该方法还包括在光到达实验样本之前或从实验样本传输之后，以与不同波长唯一相关的开关频率调制光，其中该调制包括通过至少一些在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的频率进行调制。
在又一个改进中，该方法还包括选择光源以在光到达实验样本之前或从实验样本传输之后，仅具有一个或两个波长或波段，其中波长或波段出现在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内。
在又一个改进中，所述光源是可调谐激光器或具有不同可变波长的多个激光器，其中所述可调谐激光器允许在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率上进行调谐，或者其中所述多个激光器以约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率输出光。
在又一个改进中，光源是一个或多个固定波长的激光器，其以与约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的不同波长唯一相关的开关频率调制光。
在另外的改进中，红外分析是用色散二极管阵列光谱仪进行的。
在又一改进中，使用色散扫描光谱仪进行红外分析。
在又一改进中，使用傅里叶变换红外光谱分析仪进行红外分析。
在又一改进中，该方法进一步包括：引导来自光源的光通过参考水样本；检测离开参考水样本的光；确定在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内通过参考水样本的光损失；从通过实验水样本的光损失中减去通过参考水样本的光损失，以生成光损失差异；以及基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失差异确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
在另一改进中，该方法还包括：将光损失差异与和已知水中碳氢化合物污染水平相关的约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失进行比较；以及基于该比较确定碳氢化合物污染水平。
在又一改进中，实验水样本的路径长度在0.5毫米和10毫米之间。
在另一改进中，实验水样本的路径长度约为5毫米。
在又一改进中，该方法还包括在检测光之前，用长波滤波器过滤光，该长波滤波器可操作以阻挡高于约7000的波数的透射率。
在另一改进中，该方法还包括：测量具有已知碳氢化合物污染水平的水样本，以获得与已知碳氢化合物污染水平相关的约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失特性；以及基于光损失和已知的光损失特性确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
本发明的实施例包括一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的装置，包括：提供输出的光源，该输出包括在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的近红外(NIR)光谱输出；样本池，其被构造成允许水进入并被定位成接收来自光源的光，其中样本池具有等于或大于约0.5毫米的样本路径长度；检测器，其被定位成接收通过样本池传输的光，其中所述检测器可操作以检测至少在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的辐射；以及通信耦接到检测器的控制器，其中控制器可操作以确定通过样本池的约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失，基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平，并产生指示实验水样本中碳氢化合物污染水平的输出。
在一个改进中，该装置被构造成在光到达实验样本之前或从实验样本传输之后以与不同波长唯一相关的开关频率调制光，其中该调制包括通过至少一些在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的频率进行调制。
在另一个改进中，光源被构造成在光到达实验样本之前或从实验样本传输之后仅产生一个或两个波长或波段；其中波长或波段出现在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内。
在又一改进中，光源是可调谐激光器或具有不同可变波长的多个激光器，其中可调谐激光器允许通过约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率进行调谐，或者其中多个激光器输出约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率的光。
在又一改进中，光源是一个或多个固定波长的激光器，其以与约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的不同波长唯一相关的开关频率调制光。
在又一改进中，使用色散二极管阵列光谱仪进行红外分析。
在又一改进中，使用色散扫描光谱仪进行红外分析
在又一改进中，使用傅里叶变换红外光谱分析仪进行红外分析。
在又一改进中，样本路径长度在0.5毫米和10毫米之间。
在又一改进中，样本路径长度为5毫米。
在另一改进中，该装置进一步包括位于光源和样本池之间或样本池和检测器之间的光调制器，其中该光调制器可操作以通过至少一些在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光频率对光进行调制。
在又一改进中，光调制器是傅里叶变换红外光谱分析仪。
在又一改进中，控制器仅基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
在又一改进中，控制器可操作以仅基于在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内仅一个或两个离散波长或波段的光损失来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
在另一个改进中，该装置进一步包括设置在样本池和检测器之间的长波滤波器，其中该滤波器可操作以在检测光之前阻挡高于约7000的波数的透射率。
在另一个改进中，控制器可操作以比较当填充参考水样本时通过样本池的光损失与当填充实验水样本时通过样本池的光损失。
在又一改进中，控制器可操作以基于当填充参考水样本时通过样本池的光损失和当填充实验水样本时通过样本池的光损失之间的差异来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平。
本发明的实施例包括一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的装置，包括：光源；样本池，其被构造成允许水进入并被定位成接收来自光源的光，其中样本池具有约2毫米和约8毫米之间的样本路径长度；检测器，其被定位成接收通过样本池传输的光，其中所述检测器可操作以检测至少在约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的辐射；位于光源和样本池之间或样本池和检测器之间的光调制器，其中光调制器可操作以通过约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一个或两个光频率或光频率范围对光进行调制；以及通信耦接到检测器的控制器，其中控制器被配置为执行程序指令以确定通过样本池的约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失，仅基于约5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平，并生成指示实验水样本中碳氢化合物污染水平的输出。
尽管已在附图和前述说明中详细说明和描述本发明，但本发明应被视为说明性的而非限制性的，应理解，仅示出和描述了优选实施例，且所有落入本发明精神内的变化和修改均希望得到保护。应当理解，尽管在上述描述中使用的词语(例如优选的、优选地、优选的或更优选的)表明如此描述的特征可能更可取，但这可能不是必要的，并且缺少该特征的实施例可被认为在本发明的范围内，该范围由所附权利要求书限定。在阅读权利要求时，除非权利要求中有相反的明确说明，否则当使用“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”等词语时，无意将权利要求限制为仅一项。当使用“至少一部分”和/或“一部分”时，除非另有明确说明，否则项目可包括一部分和/或整个项目。
除非另有规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变体被广泛使用，包括直接和间接安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械连接或耦接。
Claims (33)
1.一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的方法，包括：
从光源提供光，所述光包括在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的近红外(NIR)辐射输出；
引导来自所述光源的光通过实验水样本；
检测从所述实验水样本传输的所述光；
确定在5700cm-1和6300cm-1之间范围内通过所述实验水样本的光损失；
基于仅在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的所述光损失来确定所述实验水样本中的碳氢化合物污染水平；并且
生成指示所述实验水样本中所述碳氢化合物污染水平的输出。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述光损失与和已知水平的水中碳氢化合物污染相关的5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失进行比较；并且
基于所述光损失和所述已知光损失来确定碳氢化合物污染水平。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述光到达所述实验水样本之前或从所述实验水样本传输之后，以与不同波长唯一相关的开关频率调制所述光，其中所述调制包括通过5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率进行调制。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：选择所述光源以在所述光到达所述实验水样本之前或从所述实验水样本传输之后，仅具有一个或两个波长或波段，其中所述波长或波段出现在5700cm-1和6300cm-1之间范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源是可调谐激光器或具有不同可变波长的多个激光器，其中所述可调谐激光器允许通过5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率进行调谐，或者其中所述多个激光器输出5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率的光。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源是一个或多个固定波长激光器，所述激光器以与在5700cm-1和6300cm-1之间范围内出现的不同波长唯一相关的开关频率调制所述光。
7.根据权利要求1所述的方法，其中用色散二极管阵列光谱仪进行所述红外分析。
8.根据权利要求1所述的方法，其中用色散扫描光谱仪进行所述红外分析。
9.根据权利要求1所述的方法，其中用傅里叶变换红外光谱分析仪进行所述红外分析。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
引导来自所述光源的光通过参考水样本；
检测离开所述参考水样本的所述光；
确定在5700cm-1和6300cm-1之间范围内通过所述参考水样本的光损失；
从通过所述实验水样本的所述光损失中减去通过所述参考水样本的所述光损失，以产生光损失差异；并且
基于5700cm-1和6300cm-1之间范围内的所述光损失差异，确定所述实验水样本中的所述碳氢化合物污染水平。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将所述光损失差异与和已知水中碳氢化合物污染水平相关的5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失进行比较；并且
基于所述比较来确定所述碳氢化合物污染水平。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述实验水样本具有0.5毫米和10毫米之间的路径长度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述实验水样本具有5毫米的路径长度。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括在检测所述光之前，用长波滤波器过滤所述光，所述长波滤波器可操作以阻挡高于7000cm-1的波数的透射。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
测量具有已知碳氢化合物污染水平的水样本，以获得与所述已知碳氢化合物污染水平相关的5700cm-1和6300cm-1之间范围内的已知光损失特性；并且
基于所述光损失和所述已知光损失特性，确定所述实验水样本中的所述碳氢化合物污染水平。
16.一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的装置，包括：
光源，所述光源提供输出，所述输出包括5700cm-1和6300cm-1之间范围内的近红外(NIR)光谱输出；
样本池，被构造成允许水进入并被定位成接收来自所述光源的光，其中所述样本池具有等于或大于0.5毫米的样本路径长度；
检测器，被定位成接收通过所述样本池传输的光，其中所述检测器可操作以检测至少在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的辐射；和
控制器，所述控制器通信耦接到所述检测器，其中所述控制器可操作以确定通过所述样本池的5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失，基于仅在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的所述光损失确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平，并生成指示所述实验水样本中所述碳氢化合物污染水平的输出。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述装置被构造成，在所述光到达所述实验水样本之前或从所述实验水样本传输之后，以与不同波长唯一相关的开关频率调制所述光，其中所述调制包括通过在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率进行调制。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述光源被构造成，在所述光到达所述实验水样本之前或从所述实验水样本传输之后，仅产生一个或两个波长或波段；并且其中所述波长或波段出现在5700cm-1和6300cm-1之间范围内。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述光源是可调谐激光器或具有不同可变波长的多个激光器，其中所述可调谐激光器允许通过5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率进行调谐，或者其中所述多个激光器输出5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些频率的光。
20.根据权利要求16所述的装置，其中所述光源是一个或多个固定波长激光器，所述激光器以与发生在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的不同波长唯一相关的开关频率来调制所述光。
21.根据权利要求16所述的装置，其中使用色散二极管阵列光谱仪进行所述红外分析。
22.根据权利要求16所述的装置，其中使用色散扫描光谱仪进行所述红外分析。
23.根据权利要求16所述的装置，其中使用傅里叶变换红外光谱分析仪进行所述红外分析。
24.根据权利要求16所述的装置，其中所述样本路径长度在0.5毫米和10毫米之间。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述样本路径长度为5毫米。
26.根据权利要求16所述的装置，还包括位于所述光源和所述样本池之间或所述样本池和所述检测器之间的光调制器，其中所述光调制器可操作以通过在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些光频率对所述光进行调制。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述光调制器是傅里叶变换红外光谱分析仪。
28.根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器可操作以仅基于5700cm-1和6300cm-1之间范围内的所述光损失，来确定所述实验水样本中的所述碳氢化合物污染水平。
29.根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器可操作以仅基于在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的仅一个或两个离散的波长或波段的所述光损失，来确定所述实验水样本中的所述碳氢化合物污染水平。
30.根据权利要求16所述的装置，还包括设置在所述样本池和所述检测器之间的长波滤波器，其中所述滤波器可操作以在检测所述光之前阻挡高于7000cm-1的波数的透射。
31.根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器可操作以将当填充参考水样本时通过所述样本池的光损失与当填充所述实验水样本时通过所述样本池的光损失进行比较。
32.根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器可操作以基于当填充参考水样本时通过所述样本池的所述光损失与当填充实验水样本时通过所述样本池的所述光损失之间的差异，来确定所述实验水样本中的所述碳氢化合物污染水平。
33.一种用于进行红外分析以测量水中碳氢化合物污染的装置，包括：
光源；
样本池，被构造成允许水进入并被定位成接收来自所述光源的光，其中所述样本池具有2毫米至8毫米之间的样本路径长度；
检测器，被定位成接收通过所述样本池传输的光，其中所述检测器可操作以检测至少在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的辐射；
光调制器，位于所述光源和所述样本池之间或所述样本池和所述检测器之间，其中所述光调制器可操作以通过在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的至少一些光频率对所述光进行调制；和
控制器，与所述检测器通信耦接，其中所述控制器被配置为执行程序指令，以确定通过所述样本池的5700cm-1和6300cm-1之间范围内的光损失，仅基于在5700cm-1和6300cm-1之间范围内的所述光损失来确定实验水样本中的碳氢化合物污染水平，并生成指示所述实验水样本中所述碳氢化合物污染水平的输出。
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