CN113447443A - 用于通过光声检测来检测分析物的设备 - Google Patents

用于通过光声检测来检测分析物的设备 Download PDF

Info

Publication number
CN113447443A
CN113447443A CN202110312298.XA CN202110312298A CN113447443A CN 113447443 A CN113447443 A CN 113447443A CN 202110312298 A CN202110312298 A CN 202110312298A CN 113447443 A CN113447443 A CN 113447443A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cavity
medium
tube
light source
acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110312298.XA
Other languages
English (en)
Inventor
让-纪尧姆·库塔尔
劳伦·迪拉富尔
阿兰·格里埃尔
亚历山大·特莱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of CN113447443A publication Critical patent/CN113447443A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
    • A61B5/0095—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy by applying light and detecting acoustic waves, i.e. photoacoustic measurements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14532—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/09—Analysing solids by measuring mechanical or acoustic impedance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G01N2021/1731—Temperature modulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/024—Mixtures
    • G01N2291/02466—Biological material, e.g. blood
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/49—Blood

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

一种旨在通过接触面(3)施加于待分析介质的光声检测设备(1)，该设备包括：‑空心腔(20)，其包括设置在所述接触面中的第一开口(22)，所述腔被围绕所述第一开口延伸的约束罩(21)限定，该约束罩包括横向壁(231)和侧向壁(232)，所述侧向壁在所述横向壁与接触面之间延伸；‑脉冲或调幅光源(10)，其构造为发射处于发射谱带(Δλ)中的入射光波(11)穿过所述腔(20)，直至所述第一开口；‑声换能器(28)，其连接到所述腔并构造为检测穿过所述腔延伸的光声波(12)。所述光声检测设备被优化为增大由所述声换能器检测到的光射波的幅度。

Description

用于通过光声检测来检测分析物的设备
技术领域
本发明的技术领域是根据光声检测原理检测分析物。
背景技术
光声检测基于检测由被分析介质吸收脉冲或调幅电磁入射波的效应下生成的声波。在加热存在于被分析介质中的吸收性分子之后，在吸收入射波的效应下形成声波。加热导致介质的受调节的热膨胀，该热膨胀是声波的起源。
通过将电磁入射波的波长调节到分析物的吸收波长，光声检测可以专用于具体分析物。由此，已将光声检测应用于检测气体中的气态种类，或用于检测生物组织中具体分子的存在。入射波的波长经常处于红外线中。
然后，光声检测则构成一种非入侵式分析技术，可在扩散或不透明的介质中实施。
在例如以下公开中描述了将光声检测应用于生物组织：
-Bauer AJ.“IR-spectroscopy for skin in vivo：Optimal skin sites andproperties for non-invasive glucose measurement by photoacoustic andphotothermal spectroscopy”；Journal of biopohtonics 11(2018)；
-“Windowless ultrasound photoacoustic cell for in-vivo mid-IRspectroscopy of human epidermis:Low interference by changes of air pressure,temperature,and humidity caused by skin contact opens the possibility for anon-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid”，Rev.Sci.Instrum.84,084901(2013)。
在这些公开中，使用根据数十Hz至数十kHz的频率激活的脉冲激光光源。目的在于估计在使用者的皮肤下方10μm至50μm的深度处，体质液中的葡萄糖浓度。为此使用布置为抵着使用者皮肤的光声检测设备。
本发明人追求改善现有设备，以解决更大的深度并增大所检测的声波的幅度。
发明内容
本发明的第一主题在于一种旨在通过接触面施加于待分析介质的光声检测设备，该设备包括：
-空心腔，其通向第一开口，所述第一开口设置在接触面中；
-脉冲或调幅光源，其构造为发射处于发射谱带中的入射光波穿过腔，直至第一开口；
-声换能器，其连接到腔并构造为检测穿过腔延伸的光声波，
以使得在通过入射光波对介质照明的效应下，声换能器检测由对介质的加热产生的声波。
该设备可以包括单独地或根据技术可实现组合采用的以下特征中的任一个。
-光源是激光源。
-腔的体积小于50μL(微升)或30μL。腔的体积可以为5μL至30μL。
-该设备包括按照1至20mm的长度在腔与位于所述腔之外的空气之间延伸的开口管，该管的直径如下：
·当腔的体积小于或等于15μL时，管的直径为150μm至300μm；
·当腔的体积为15μL至30μL时，管的直径为200μm至350μm；
·当腔的体积大于30μL时，管的直径为250μm至500μm。
-腔由横向壁和侧向壁限定，侧向壁在横向壁与接触面之间延伸。
-管从横向壁穿过延伸或穿过侧向壁延伸。
-该设备包括在声换能器与腔之间延伸的声通道。
-该设备包括构造为将由光源发射的入射光波引导向第一开口的光学构件，该光学构件可以是反射器。
-光源是激光源，该设备则可包括从接触面延伸到光源的支撑件，该支撑件构造为将所分析介质发射的热量向光源传导。
-该设备包括从接触面延伸到光源的支撑件，该支撑件构造为将所分析介质发射的热量向光源传导。该支撑件包括导热金属，例如铜或铝。
-腔的体积小于20μL。
本发明的第二主题在于一种用于估计介质中的分析物的浓度的方法，该方法包括以下步骤：
a)使根据本发明的第一主题的设备施加于介质，以使得接触面被保持抵靠所述介质；
b)激活光源，光源发射处于与分析物的吸收波长相对应的波长中的根据激活或调制频率的脉冲或调幅入射光波；
c)根据等于光源的激活频率的声频，检测在入射光波的效应下由介质发射的声波；
d)测量声波的幅度；
e)基于在步骤d)期间测得的幅度，检测分析物和/或估计介质中的分析物的浓度。
结合以下列出的附图，阅读本说明书下文中的对所说明的实施例的介绍，将更好地理解本发明。
附图说明
图1A和1B示出根据本发明的设备的两个实施方式。
图2A示出已经模型化的腔。
图2B示意性地示出图2A中模型化的腔的等效电路。
图3A示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的幅度的相对变化的模型化结果。
图3B示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的归一化平均幅度的模型化结果。
图3C示出分别考虑图2A中示意性示出且由图2B中示意性地示出的电路模型化的腔的开口管的不同构造，如在图2A中所述的腔中的声波的幅度(纵轴)根据频率(横轴)的变化。
在图3A、3B和3C中，腔的体积等于5μL。
图4A示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的幅度的相对变化的模型化结果。
图4B示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)的在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的归一化平均幅度的模型化结果。
图4C示出分别考虑图2A中示意性示出且由图2B中示意性地示出的电路模型化的腔的开口管的不同构造，如在图2A中所述的腔中的声波的幅度(纵轴)根据频率(横轴)的变化。
在图4A、4B和4C中，腔的体积等于10μL。
图5A示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的幅度的相对变化的模型化结果。
图5B示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的归一化平均幅度的模型化结果。
图5C示出分别考虑图2A中示意性示出且由图2B中示意性地示出的电路模型化的腔的开口管的不同构造，如在图2A中所述的腔中的声波的幅度(纵轴)根据频率(横轴)的变化。
在图5A、5B和5C中，腔的体积等于20μL。
图6A示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的幅度的相对变化的模型化结果。
图6B示出根据腔的开口管的长度(横轴-mm)和其直径(纵轴-μm)在100Hz至1kHz的谱带中如在图2A中所述的腔中的声波的归一化平均幅度的模型化结果。
图6C和6D示出分别考虑图2A中示意性示出且由图2B中示意性地示出的电路模型化的腔的开口管的不同构造，如在图2A中所述的腔中的声波的幅度(纵轴)根据频率(横轴)的变化。
在图6A、6B、6C和6D中，腔的体积等于50μL。
图7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G和7H分别类似于图3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A和6B，它们涉及0mm至20mm的更大的管的长度范围。
图7I示出分别考虑图2A中示意性示出且由图2B中示意性地示出的电路模型化的腔的开口管的不同构造，体积为50μL的如在图2A中所述的腔中的声波的幅度(纵轴)根据频率(横轴)的变化。在图7I中，管的高度为19mm，腔的体积为50μL。
具体实施方式
在图1A中示意性地示出允许实施本发明的设备1。设备1构造为施加于待分析介质2。该设备包括旨在施加于待分析介质的接触面3。接触面被设计为与旨在放置在其上的介质相符。所述接触面例如是平坦的。在本示例中，介质2是使用者的皮肤。该设备包括光源10，该光源构造为发射传播到待分析介质2的光波11。光源10是脉冲或调幅的。光波11在包括存在于介质中的分析物4的吸收波长λa的发射谱带Δλ中发射。设备1的目的在于检测存在分析物4并可能地估计其浓度。
分析物4可以是存在于体液中的分子。它可例如涉及葡萄糖，或胆固醇、甘油三酸酯、尿素、白蛋白、醇(例如乙醇)、四氢大麻酚类型的身体分析物。
发射谱带优选地在例如波长为3μm至15μm的可见光或红外线中延伸。优选地，发射谱带Δλ足够窄，以使得设备1专用于单一分析物。例如，发射谱带的宽度为大约0.1μm。当分析物是葡萄糖时，发射谱带集中于葡萄糖的吸收波长，例如对应于1034cm-1的波数。光源10尤其可以是脉冲激光源，例如波长可调量子级联激光器(QCL)。发射谱带Δλ则位于红外线中。
根据其它实施例，光源可以是丝线类型的源，或发光二极管。根据这些实施例，优选地使得光源关联到带通滤波器以限定足够窄且集中于所考虑的吸收波长的发射谱带。然而，使用激光源是优选的。
在图1A中示出的实施例中，设备1包括构造为使得由光源发射的光波11向待分析介质2偏转的光学构件15。
设备1旨在施加于待分析介质2。该设备包括布置为与介质接触并限定腔20的约束罩21。腔20通向设置于接触面3中的第一开口22，以通向介质2。入射光波11在被光学构件15反射了之后，穿过腔20，以及穿过第一开口22，传播到介质2。设备包括构造为传输入射光波11的透明窗口17。
在图1A中所示的设备中，光学构件15是反射器，其采用反射棱镜的形式。所述光学构件通过支撑件15’连接到设备的盖31。在其它实施例中，光学构件15可以是描绘曲线的光纤，以使得入射光波11根据正交或大致正交的入射到达到介质2。“大致正交”指考虑到±30℃的角度误差的正交。
根据分析物4在介质2中存在的效应，形成光声波12。光声波12是基于介质被脉冲或调幅的入射光波11的周期性加热而形成的声波。光声波12的一部分穿过腔20延伸，以被声换能器28检测。声换能器28通过声通道25连接到腔20。声换能器可以是具有包括光声波的频率的检测谱范围的麦克风。
如在公开Kottmann“Mid-infrared photoacoustic detection of glucose inhuma skin:towards non-invasive diagnostics”，Sensors 2016,16,1663中所提及的(该公开在下文中用“Kottmann 2016”来指代)，可建立在频率f下的光声波的幅度A与腔20的体积V之间的关系，以使得：
Figure BDA0002990316770000061
其中：
-∝是比例算子；
-I10(λ)是入射光波在波长λ下的强度；
-α(λ)是被分析介质在波长λ下的吸收系数；
-V是腔的体积，其可能包括声通道；
-f是声波的频率。
当光波的强度I10(λ)和频率f固定时，由声换能器检测的光声波的幅度A与介质的吸收系数α(λ)成比例。而所述吸收系数被视为与介质中的分析物的浓度成比例。由此，声换能器28对幅度A的测量允许通过估计介质的吸收系数α(λ)，估计介质中的分析物的浓度。
表达式(1)假设介质2的厚度上如下：
L＞＞μa(λ)＞μs(λ) (2)
其中：
-μa(λ)是光学穿透深度，μa(λ)使得：
Figure BDA0002990316770000071
-μs(λ)是热扩散长度，使得：
Figure BDA0002990316770000072
在表达式(4)中，D是热扩散系数，使得：
Figure BDA0002990316770000073
其中：
-ρ是介质的密度；
-C是介质的热容量；
-k是介质的热导率。
要指出的是，μa(λ)不取决于频率f，而μs(λ)则根据频率f的平方根的倒数变化。在“Kottman 2016”中，已经确定当介质是生物组织(例如皮肤)时，只要频率高于50Hz，就达到条件L＞＞μa(λ)＞μs(λ)。
表达式(1)显示出使用低频率允许增大光声波12的幅度。而且，本发明人考虑到当介质2是生物组织时，有利的是光声波的频率低于1kHz，优选地低于500Hz。所述频率有利地为50Hz至500Hz。
根据表达式(4)，可得出减小频率f还允许增大热扩散长度μs(λ)。这允许在深度上更进一步地询问介质。
当分析物4是葡萄糖或血液输送的其它养分时，根据其确定分析物的浓度的深度的增大构成一个优点。实际上，光声检测不允许通达大的深度，例如数毫米。毛细血管延伸到这些深度。通过光声检测来估计葡萄糖的浓度是通过估计在毛细血管与表皮细胞之间延伸的间隙液中的葡萄糖浓度来间接地确定的。已确定间隙液中的葡萄糖浓度对应于血液中的葡萄糖浓度，具有大约20分钟的时间差。通过增大根据其检查介质2的深度，减小血液中的葡萄糖浓度与使用表达式(1)估计的浓度之间的时间差。
根据表达式(1)，腔20的体积必须小，以增大光声波的幅度。然而，腔的体积越小，频率f就越高。
考虑到表达式(1)，要获得折中以减小体积，同时控制频率f，目的在于增大光声波幅度以改善所述方法的敏感度。
本发明人通过设计1至50μL、优选地5至30μL的小体积的腔20，已获得了令人满意的折中。约束罩21包括限定腔20的实心内壁23。内壁包括：
-侧向构件231，其优选地与和接触面3正交的轴线Z平行地延伸；
-横向构件232，其与接触面3平行或大致平行地面对该接触面延伸。横向构件232与第一开口22平行或大致平行地延伸。在图1A和1B中所示的实施例中，横向构件232包括窗口17。
“大致平行”指平行，同时容许±30°或±20°的角度容差。侧向构件231在接触面3与横向构件232之间延伸。
设备包括从腔20延伸并通向腔20外的空气的管26。管26形成开口，腔20穿过该开口与腔外的大气压下的空气接触。管26根据长度l和直径为Φ的横截面延伸。在图1A中，管26穿过内壁的横向构件232延伸。在图1B中，管26穿过内壁的侧向构件231延伸。
在图1A中所示的构造中，管26通向由盖31限定的空间30。盖31包括允许与设备1外的空气5连通的至少一个孔32。在图1B中所示的构造中，管26直接通向设备1外的空气。由此，管26直接或间接地通向外部空气5。
本发明的一个重要元素是本发明人这样的观察：通过改变管26的几何形状，腔20的谱响应变化。本发明人的目的在于获得在100Hz至1000Hz之前尽可能均匀的谱响应。“谱响应”指根据频率的腔中的声压的幅度。
本发明人考虑到了如图2A所示的腔。在图2A中示出维度l、ε和h分别为2.6mm、1.2mm和1.5mm。
已知可用等效电气模型来模型化这样的腔。如在公开DehéA.等人“The InfineonSilicon MEMS microphone”，AMA conferences 2013-Sensor 2013，Opto 2013中所述的，这允许模拟在存在声波的效应下的腔内的压强。
在图2B中示出了图2A中所示的腔的等效电气模型。用激励频率下的调幅电流源I0来模型化借助于激励声波的激励。腔的响应、即腔中的声波的幅度对应于激励频率下的也是调幅的电压U。
根据以下表达式，如果P0是腔中的声波的压强，强度I0取决于激光的功率：
Figure BDA0002990316770000091
其中，γ是空气的绝热系数，Plaser是激光的功率。
μs是结合表达式(4)说明的热扩散长度；
α是单位长度吸收系数。
腔的效应由电容C2来模型化，因此：
Figure BDA0002990316770000101
其中，V是腔20的体积，其可能包括声通道25。
管26的效应由与电容C2并联安装的电容C1以及与电阻R1串联安装的电感L1来模型化，因此，
Figure BDA0002990316770000102
其中，l和S分别对应于管26的长度和横截面积。
Figure BDA0002990316770000103
其中，ρ0对应于空气的体积密度。
Figure BDA0002990316770000104
其中，μ对应于空气的粘度。
本发明人使用了图2B中示意性地示出的模型，考虑102Hz至104Hz的激光调制频率，和等于1mW的激光功率Plaser。本发明人估计了调制为激光的调制频率的电压U的幅度。该幅度视为表征腔中的压强。考虑到不同激励频率的对电压U的计算允许确定腔20的谱响应。
本发明人相继地考虑了分别等于5μL、10μL、20μL和50μL的4个不同的腔体积。对于每个体积，本发明人研究了管的直径以及其长度的变化对腔的谱响应的影响。在考虑到以下的同时，检查了每个模型化的构造的性能：
-在100Hz至1kHz的谱带中的压强的相对变化ΔP0：它对应于以下表达式：
Figure BDA0002990316770000111
其中，P0,max、P0,min和
Figure BDA0002990316770000112
分别是100Hz至1kHz谱带中的最大压强、最小压强，和平均压强。目的在于获得尽可能小的压强的相对变化。
-通过使用封闭(即没有管26)的腔获得的平均压强来归一化的平均压强。归一化的平均压强记为
Figure BDA0002990316770000113
它是如下的：
Figure BDA0002990316770000114
其中，
Figure BDA0002990316770000115
和
Figure BDA0002990316770000116
分别是在100Hz至1kHz谱带中的模型化的腔中的平均压强，和在同一谱带中的具有相同维度但封闭的腔中的平均压强。归一化平均压强代表所检测的信号的强度，并对应于关于测量敏感度的指标。优选的是该归一化平均压强尽可能地高。
为了确定ΔP0和
Figure BDA0002990316770000117
本发明人模型化了如结合图2A所述的腔。本发明人考虑了不同的体积，并且对于每个体积，管的不同维度：尤其是在50μm至500μm之间变化的直径，和在1mm至10mm之间变化的长度。本发明人根据结合图2B所述的电气模型，模型化了腔。本发明人对于100Hz至10kHz的不同频率，估计了表征压强P0的电压U。基于这些模型化，本发明人估计了结合表达式(11)和(12)所述的量ΔP0和
Figure BDA0002990316770000118
这些量视为性能指标。
图3A和3B分别示出根据管26的长度(横轴-单位为mm)和管的直径(纵轴-单位为μm)的压强的相对变化ΔP0和归一化平均压强
Figure BDA0002990316770000119
腔的体积为5μL。在每个附图中，所考虑的量的数值对应于灰度。图3C示出对于分别等于110μm、220μm、440μm的不同的管直径，在管的长度等于10mm时，考虑等于5μL的腔体积的模型化谱响应。结果是当管的长度大于3mm或5mm并且管的直径为150μm至300μm时，获得最优性能(低ΔP0值和高
Figure BDA00029903167700001110
值)
图3C的分析示出当管的直径小(110μm)时，谱响应接近封闭腔的谱响应。当直径升高到220μm时，谱响应可视为相对“平”，即在100Hz至1000Hz的谱带中均匀，这对应于所追求的目的。压强P0的值足够高以便容易地测量。当直径进一步升高(360μm)，腔的谱响应接近共振腔的谱响应，出现共振峰值。压强P0的数值减小，这使其更难以测量。
图4A、4B和4C分别类似于图3A、3B和3C，它们考虑等于10μL的腔体积。在图4C中，所考虑的管的直径为120μm、240μm和360μm，长度为9.4mm。由此推导出当管的长度大于3mm或5mm且管的直径为150μm至300μm时，获得最优性能(低ΔP0值和高
Figure BDA0002990316770000121
值)。
图5A、5B和5C分别类似于图3A、3B和3C，它们考虑等于20μL的腔体积。在图5C中，所考虑的管的直径为140μm、280μm和560μm，长度为9.6mm。由此推导出当管的长度大于2mm或5mm且管的直径为200μm至350μm时，获得最优性能(低ΔP0值和高
Figure BDA0002990316770000122
值)。
图6A、6B和6C分别类似于图3A、3B和3C，它们考虑等于50μL的腔体积。在图6C中，所考虑的管的直径为170μm、340μm和680μm，长度为9.4mm。图6D示出对于分别等于160μm、320μm和640μm的不同的管直径，在管的长度等于5mm时，考虑等于50μL的腔体积的模型化谱响应。
由图6A至6D推导出当管的长度大于1mm或5mm且管的直径为250μm至500μm时，获得最优性能(低ΔP0值和高
Figure BDA0002990316770000123
值)。
图7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G和7H分别类似于图3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A和6B，它们涉及在0mm至20mm直径变化的更大的管长度范围。这些图示出上文确定的管直径数值范围至少适用达到20mm的管长度l。图7I示出对于分别等于200μm、400μm和800μm的不同的管直径，在管的长度等于19mm时，考虑等于50μL的腔体积的模型化谱响应。与结合图6C和6D相似地，观察到当管的长度达到19mm且管的直径为250μm至500μm时，获得最优性能(低ΔP0值和高
Figure BDA0002990316770000124
值)。
通常，无论所考虑的体积如何，当管的直径小时，谱响应接近封闭腔的谱响应。当管的直径大时，腔的谱响应接近共振腔的谱响应，出现共振峰值。上述长度和直径范围与在表征封闭腔的谱响应与表征共振腔的谱响应之间的相对平的谱响应相对应。
通过基于所实现的模型化，对于不同的腔体积范围，本发明人确定了管的最优维度：
-当腔的体积小于或等于15μL时，管的直径可以为150μm至300μm；
-当腔的体积为15μL至30μL时，管的直径可以为200μm至350μm；
-当腔的体积大于30μL时，管的直径可以为250μm至500μm。
无论体积如何，管的长度优选地大于1mm或3mm。管的长度优选地小于20mm。
在图1A和1B中所示的实施例中，光源10是形成于衬底上的QCL类型的激光源。出于设计简单原因，优选的是光源发射的光波与其上形成该光源的衬底的平面平行地延伸。设备包括用于将入射光波11全部或部分引导向第一开口22的光学构件15。光学构件可以是反射器或光纤。
QCL类型的激光源的最佳工作温度一般为30℃至40℃。当设备施加于有生命的使用者的皮肤时，使用者的体温可以用作QCL激光源的热量源。设备则包括支撑件16，激光源10布置在该支撑件上。支撑件16构造为与使用者的皮肤接触。支撑件根据具有良好的导热特性的材料(例如金属，尤其是铜或铝)来制成。支撑件16在接触面3与光源10之间延伸。支撑件16的沿着Z轴的厚度例如为1mm至10mm。支撑件16由此用作使用者的皮肤与光源之间的热缓冲。
可实施本发明以检测在介质中存在分析物，该介质可以是使用者的皮肤。为此，施加以下步骤：
-使得设备施加于介质，以使得接触面保持抵靠所述介质；
-根据激活频率或调制频率，激活光源；
-根据等于光源的激活或调制频率的声频，检测在入射光波的效应下由介质发射的光声波；
-测量声波的幅度，其相当于估计结合表达式(1)所述的幅度A；
-基于测得的幅度，检测存在分析物和/或估计介质中的分析物的浓度。该步骤是通过估计结合表达式(1)所述的吸收α来实施的，分析物的浓度与吸收之间的关系是已知的。

Claims (10)

1.一种旨在通过接触面(3)施加于待分析介质的光声检测设备(1)，该设备包括：
-空心腔(20)，其通向第一开口(22)，所述第一开口设置在接触面中；
-脉冲或调幅光源(10)，其构造为发射处于发射谱带(Δλ)中的入射光波(11)穿过所述腔(20)，直至所述第一开口；
-声换能器(28)，其连接到所述腔并构造为检测穿过所述腔延伸的光声波(12)，
以使得在通过所述入射光波对介质照明的效应下，所述声换能器检测由对介质(2)的加热产生的声波；
所述设备的特征在于：
-所述腔(20)的体积小于50μL；
-所述设备包括按照1至20mm的长度在腔(20)与位于所述腔之外的空气之间延伸的开口管(26)，该管的直径如下：
·当所述腔的体积小于或等于15μL时，所述管的直径为150μm至300μm；
·当所述腔的体积为15μL至30μL时，所述管的直径为200μm至350μm；
·当所述腔的体积大于30μL时，所述管的直径为250μm至500μm。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
-所述腔由横向壁(231)和侧向壁(232)限定，所述侧向壁在所述横向壁与接触面之间延伸；
-所述管穿过横向壁或穿过侧向壁地延伸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其包括在所述声换能器(28)与腔(20)之间延伸的声通道(25)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其包括构造为将由所述光源(10)发射的入射光波(11)引导向第一开口(22)的光学构件(15)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学构件是反射器。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的设备，其中，所述光源是激光源。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光源是激光源，所述设备包括从接触面(3)延伸直至光源(10)的支撑件(16)，所述支撑件构造为将由所分析介质发射的热量向所述光源传导。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述支撑件包括导热金属，例如铜或铝。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述腔的体积小于20μL。
10.一种用于估计介质中的分析物的浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)施加于介质(2)，以使得所述接触面(3)被保持抵靠所述介质；
b)激活所述光源(10)，所述光源发射处于与分析物的吸收波长相对应的波长中的根据激活或调制频率的脉冲或调幅入射光波；
c)根据等于所述光源的激活频率的声频，检测在所述入射光波的效应下由介质发射的声波(12)；
d)测量所述声波的幅度；
e)基于在所述步骤d)期间测得的幅度，检测所述分析物的存在和/或估计所述介质中的分析物的浓度。
CN202110312298.XA 2020-03-24 2021-03-24 用于通过光声检测来检测分析物的设备 Pending CN113447443A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2002883 2020-03-24
FR2002883A FR3108725B1 (fr) 2020-03-24 2020-03-24 Dispositif de détection d'un analyte par détection photoacoustique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113447443A true CN113447443A (zh) 2021-09-28

Family

ID=70978176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110312298.XA Pending CN113447443A (zh) 2020-03-24 2021-03-24 用于通过光声检测来检测分析物的设备

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11674931B2 (zh)
EP (1) EP3885765B1 (zh)
JP (1) JP2021167808A (zh)
KR (1) KR20210119332A (zh)
CN (1) CN113447443A (zh)
FR (1) FR3108725B1 (zh)
TW (1) TW202137937A (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3131375B1 (fr) 2021-12-26 2024-04-05 Commissariat Energie Atomique Dispositif de détection photoacoustique comportant une membrane formant une face de contact
EP4292516A1 (en) 2022-06-16 2023-12-20 Eclypia Photoacoustic detecting device for measuring a parameter of interest in a medium
EP4365575A1 (en) 2022-11-02 2024-05-08 Eclypia Photoacoustic detecting device comprising a housing kit

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7398672B2 (en) * 2006-07-12 2008-07-15 Finesse Solutions, Llc. System and method for gas analysis using photoacoustic spectroscopy
US20140073899A1 (en) * 2012-09-12 2014-03-13 Nellcor Puritan Bennett LLC. Photoacoustic sensor system
US20190159705A1 (en) * 2017-11-29 2019-05-30 Electronics And Telecommunications Research Institute Non-invasive glucose prediction system, glucose prediction method, and glucose sensor
WO2019110084A1 (de) 2017-12-04 2019-06-13 Diamontech Gmbh Vorrichtung und verfahren zum analysieren eines stoffs

Also Published As

Publication number Publication date
EP3885765B1 (fr) 2024-05-01
US11674931B2 (en) 2023-06-13
FR3108725B1 (fr) 2022-03-25
KR20210119332A (ko) 2021-10-05
US20210302387A1 (en) 2021-09-30
JP2021167808A (ja) 2021-10-21
EP3885765A1 (fr) 2021-09-29
FR3108725A1 (fr) 2021-10-01
TW202137937A (zh) 2021-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113447443A (zh) 用于通过光声检测来检测分析物的设备
JP3210632B2 (ja) 光音響による血液中グルコースの非侵襲性測定のための装置
EP1346684B1 (en) Apparatus and method for non-invasively measuring bio-fluid concentrations by using photoacoustic spectroscopy
US10261011B2 (en) Device and method for analyzing a material
JP4104456B2 (ja) 光音響を調べること及びイメージングシステム
JP5646337B2 (ja) 被分析物の濃度を決定するための光学センサ
JP2001025465A (ja) 物質を検出する装置及び方法
CN108369182A (zh) 用于分析材料的装置和方法
US11774347B2 (en) Photoacoustic detecting device comprising a protective membrane
JP4901432B2 (ja) 成分濃度測定装置
Tajima et al. Linearization technique for dual-wavelength CW photoacoustic detection of glucose
JP4773390B2 (ja) 成分濃度測定装置
JP2011078819A (ja) 非侵襲生体情報計測装置
JP2023183826A (ja) 生体分析装置
Kottmann et al. New photoacoustic cell with diamond window for mid-infrared investigations on biological samples
Hejazi et al. A comparison of laser-ultrasound detection system sensitivity with a broad-band ultrasonic source for biomedical applications
JP5313016B2 (ja) 成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法
JP4786174B2 (ja) 非侵襲生体情報計測装置
CN114868007A (zh) 包括光学换能器的光声或光热检测器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination