CN115552205A - 用于检测气体和悬浮物的光学检测器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测其中的气体和悬浮物的光学检测器(100、200、300)，包括测试腔室(111、113)、至少一个光源(12)、感测物件(131、133)、测试光学传感器(141)和处理器(19)。测试腔室(111、113)容纳待分析的气体。至少一个光源(12)发射进入测试腔室(111、113)的入射光。感测物件(131、133)暴露于测试腔室(111、113)中的气体，接收入射光，并反射或透射入射光的一部分以形成测试光。测试光学传感器(141)接收测试光并产生检测光谱信号。处理器(19)接收检测光谱信号并根据检测光谱信号计算检测结果。

Description

用于检测气体和悬浮物的光学检测器

技术领域

本发明涉及光学检测器，并且具体地涉及检测气体和其中的悬浮物的光学检测器。

背景技术

气体检测器已被用于动态监测环境污染，这是日常生活、工业、学术界和研究界中普遍关注的问题。目前在气体检测器中使用的三种主要技术包括金属氧化物半导体(MOS)、红外(IR)和电化学。MOS是指由金属半导体氧化物材料制成的部件。使用MOS技术的气体检测器通常检测由MOS器件和气体的相互作用产生的表面吸附或反应。基于MOS的气体检测器可以使用微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)工艺大规模生产，并且通常用于空气质量检测。具有IR检测的气体检测器通常依赖于特定气体在红外光的特定波长下的吸收特性。特别地，IR气体检测器通常测量IR吸收的量，其与吸收红外光的气体的浓度成比例。使用IR检测的气体检测器可以用作食物识别或检测的微型光谱仪。使用电化学的气体检测器通常驱动特别地与目标气体发生的化学反应，并且测量所生成的电流，该电流与气体浓度成比例。使用电化学的气体检测器通常用于健康和疾病测量。

使用IR检测的气体检测器通常需要在红外光的特定波长下测量气体样品的吸收特性。为了增加吸收量并促进测量，气体检测器可能需要大的气体样品，或者可能需要通过气体多次反射红外光，以提供待准确测量的气体对红外光的足够吸收。然而，反射吸收光，并且IR检测器可能需要大的气体样品和高质量的反射器，从而增加反射材料的成本、气体腔室的体积以及气体检测器中使用的检测时间。

可能影响检测结果的气体检测器的附加关注因素包括：不作为检测目标的其他气体的存在、外部环境的湿度、外部环境的温度、气体检测器的温度、外部环境中的空气运动以及用于检测的时间。这些因素或问题可能导致气体检测器具有以下问题：(1)检测精度可能受到外部温度和湿度的极大影响；(2)气体组成分辨率可能较差；(3)气体检测器在启动之后可能需要很长时间来稳定以进行准确检测；以及(4)气体检测器可能消耗大量电力以供长时间使用。期望一种新型气体检测器来解决现有气体检测器中发现的问题。

发明内容

用于检测气体和其中的悬浮物的光学检测器可以使用来自反射器(或发射器/吸收器)的单次反射(或通过反射器(或发射器/吸收器)的透射)来提供稳定的检测，该反射器(或发射器/吸收器)具有取决于与反射器(或发射器/吸收器)相邻的气体样品的组分或成分的光学特性。

在本公开的一个示例中，光学检测器包括测试腔室、至少一个光源、反射感测物件、测试光学传感器和处理器。所述测试腔室被配置为容纳气体样品，所述气体样品可以包含一种或多种待检测的目标组分，例如特定气体或颗粒。所述至少一个光源耦合至所述测试腔室并且被配置为将入射光发射到所述测试腔室中。所述至少一个光源可以被配置为发射具有特定光谱的入射光。所述反射感测物件可以是反射器，当所述测试腔室中的气体样品中存在一种或多种目标组分时，所述反射器改变其反射特性。所述反射感测物件可以设置在所述测试腔室中并且定位成接收所述入射光并反射所述入射光以形成测试反射光。所述测试光学传感器接收所述测试反射光并生成检测光谱信号。所述处理器耦合至所述测试光学传感器，接收所述检测光谱信号，并根据所述检测光谱信号计算检测结果。

所述光学检测器还可以包括参考腔室、参考物件和参考光学传感器，其配置与所述测试腔室、所述感测物件和所述测试光学传感器的配置对称。所述至少一个光源还耦合至所述参考腔室，并且被配置为将所述入射光发射到所述测试腔室和所述参考腔室中。所述参考腔室可以容纳被采样的相同气体，并且所述参考物件被设置在所述参考腔室中以接收所述入射光并反射所述入射光以形成参考反射光。所述参考光学传感器接收并检测所述参考反射光以生成参考光谱信号。测试元件和参考元件的对称性可能导致所述参考光谱信号和所述检测光谱信号之间的差异是来自所述感测物件的反射和来自所述参考物件的反射之间的差异的结果。所述处理器还耦合至所述参考光学传感器，接收所述检测光谱信号和所述参考光谱信号，并根据所述检测光谱信号和所述参考光谱信号计算校准结果。

到达所述反射感测物件的所述入射光的路径长度可以与到达所述参考物件的所述入射光的路径长度相同，并且到达所述测试光学传感器的所述测试反射光的路径长度可以与到达所述参考光学传感器的所述参考反射光的路径长度相同。

所述光学检测器还可以包括位于所述测试腔室、所述参考腔室和所述至少一个光源中的一个之间的至少一个分光透镜。所述至少一个分光器透镜中的每一个被配置为将来自所述至少一个光源中的一个光源的所述入射光分离到所述测试腔室和所述参考腔室。

所述参考物件可以被配置为在各种温度和湿度条件下保持低变色，并且可以包括陶瓷、氧化铝或氧化锆。

所述光学检测器还可以包括第一保护玻璃和第二保护玻璃，所述第一保护玻璃位于所述测试腔室和所述测试光学传感器之间，所述第二保护玻璃位于所述参考腔室和所述参考光学传感器之间。所述第一保护玻璃和所述第二保护玻璃可以被配置为将所述测试光学传感器和所述参考光学传感器与所述测试腔室和所述参考腔室隔离开，以保护所述测试光学传感器和所述参考光学传感器免受所述气体样品中的污染或所述气体样品的其他成分的影响。

所述光学检测器还可以包括温度和湿度检测器，所述温度和湿度检测器耦合至所述处理器并且被配置为检测所述气体样品的温度和湿度，并且生成温度和湿度结果。然后，所述处理器可以根据所述检测光谱信号、所述参考光谱信号以及所述温度和湿度结果来计算所述校准结果。

当所述反射感测物件接触所述气体样品(包括至少一种待检测的目标成分)时，所述反射感测物件根据至少一种目标成分的种类和至少一种目标气体的浓度改变其结构。例如，所述反射感测物件可以是不透明物件，其包括与至少一种靶成分反应的DNA修饰的噬菌体和DNA未修饰的噬菌体中的至少一种。因此，所述感测物件反射所述入射光以形成具有与所述气体样品中的至少一种目标成分的存在或浓度相对应的光谱的所述测试反射光。

在本公开的另一示例中，用于检测气体和其中的悬浮物的光学检测器包括气体腔室、光源、透射感测物件、测试光学传感器和处理器。所述气体腔室被配置为容纳待分析的气体样品。所述光源耦合至所述气体腔室并且被配置用于将入射光发射到所述气体腔室中。所述透射感测物件设置在所述气体腔室中，并且所述透射感测物件感测气体样品的一种或多种目标成分，以改变所述透射感测物件的光穿透或吸收特性，例如不透明度。所述透射感测物件可以被配置为接收所述入射光，并且所述入射光穿透或穿过所述透射感测物件以形成测试穿透光。所述测试光学传感器被配置为接收和检测所述测试穿透光以生成检测光谱信号。所述处理器耦合至所述测试光学传感器，并且处理器被配置为接收所述检测光谱信号以根据所述检测光谱信号计算检测结果。

所述光学检测器还可以包括参考物件和参考光学传感器，所述参考物件和所述参考光学传感器可以与所述感测物件和所述测试光学传感器对称地布置。所述参考物件可以包括透光物件，并且被设置在所述气体腔室中，并且被配置为接收所述入射光并形成参考穿透光。所述参考光学传感器被配置为接收和检测所述参考穿透光以获得参考光谱信号。所述处理器还耦合至所述参考光学传感器，接收所述参考光谱信号，并根据所述检测光谱信号和所述参考光谱信号计算校准结果。

到达所述透射感测物件的所述入射光的路径长度可以与到达所述参考物件的所述入射光的路径长度相同，并且到达所述测试光学传感器的所述测试穿透光的路径长度可以与到达所述参考光学传感器的所述参考穿透光的路径长度相同。

所述光学检测器还可以包括第一保护玻璃和第二保护玻璃，所述第一保护玻璃位于所述透射感测物件和所述测试光学传感器之间，所述第二保护玻璃位于所述参考物件和所述参考光学传感器之间。所述第一保护玻璃和所述第二保护玻璃可以将所述气体腔室与所述测试光学传感器和所述参考光学传感器隔离开，以保护所述测试光学传感器和所述参考光学传感器免受气体污染。

所述光学检测器还可以包括温度和湿度检测器，所述温度和湿度检测器耦合至所述处理器。所述温度和湿度检测器检测气体样品的温度和湿度，并产生温度和湿度结果。所述处理器根据所述检测光谱信号、所述参考光谱信号以及所述温度和湿度结果来计算所述校准结果。

当所述透射感测物件接触所述气体样品(包括至少一种待检测的组分)时，所述透射感测物件根据所述至少一种气体组分的种类和所述至少一种组分的浓度改变其结构。因此，所述入射光穿透所述透射感测物件以形成具有对应于所述至少一种成分的种类和浓度的光谱的所述测试穿透光。例如，所述透射感测物件可以是包括DNA修饰的噬菌体和DNA未修饰的噬菌体中的至少一种的透光物件。

与现有技术相比，本文公开的光学检测器的示例可以具有以下优点：(1)光学检测器具有用于各种环境因素(诸如温度和湿度)、光学检测器的温度和来自光源的发射的内置校准；(2)内置校准允许使用诸如LED的光源，而不需要打开后的稳定或预热时间；(3)光学检测器具有检测特异性，以避免其他未检测到的气体的影响，因此其具有高气体成分分辨率；(4)光学检测器可以使用反射或透射配置；(5)气体检测器不需要具有用于多次反射的足够大体积的气体腔室，从而允许光学检测器小型化；以及(6)光学检测器可以在没有多次反射的情况下检测准确的检测结果，从而缩短检测时间并降低功耗。

附图说明

图1是根据本公开的示例的使用反射感测物件的光学检测器的透视图。

图2是图1的光学检测器的分解图。

图3是示出图1的光学检测器的部件的另一侧的分解图。

图4是示出图1的光学检测器的A-A'截面线和B-B'截面线的示意图。

图5A是沿图4的A-A'剖面线的剖视图。

图5B是沿图4的B-B'剖面线的剖视图。

图6是示出根据本公开的示例的使用多个光源的光学检测器的分解图。

图7是示出图6的光学检测器的另一侧视图的分解图。

图8是示出图6的光学检测器的C-C'截面线和D-D'截面线的示意图。

图9A是沿着图8的光学检测器的C-C'截面线的截面图。

图9B是沿着图8的光学检测器的D-D'截面线的截面图。

图10是根据本公开的示例的使用透射感测物件的光学检测器的透视图。

图11是图10的光学检测器的分解图。

图12是示出图10的光学检测器的另一侧视图的分解图。

图13是示出图10的光学检测器的E-E'剖面线和F-F'剖面线的示意图。

图14A是沿着图13的光学检测器的E-E'截面线的截面图。

图14B是沿着图13的光学检测器的F-F'剖面线的截面图。

附图出于解释的目的示出了示例，而不是本发明本身。在不同附图中使用相同的附图标记指示相似或相同的事项。

具体实施方式

以下详细的说明书和讨论参考附图描述了具体示例。应注意，这些实施例仅仅是代表性的，并且具体的方法、装置、条件、材料等并不旨在将本发明限制于这些具体实施例。此外，图中的装置仅用于表示它们的相对位置，并且可能不以它们的实际比例绘制。

图1示出了根据本公开的第一示例的光学检测器100。检测器100可以用于检测一种或多种目标气体或可以是气体样品的成分的悬浮物。为了清楚地解释其原理和结构，以下主要描述检测一种或多种目标气体的示例。然而，应当理解，所公开的光学检测器也可以用于检测悬浮物，例如悬浮在气体样品中的颗粒。

图1示出了根据本公开的第一示例的光学检测器100的透视图。图2和图3是示出图1的光学检测器100的部件的不同侧面的分解图。图4是示出图1的光学检测器100的剖面线A-A'和B-B'的示意图，并且图5A和5B分别示出了沿着光学检测器100的剖面线A-A'和B-B'的横截面图。如图1至图5B所示，光学检测器100包括测试腔室111、光源12、反射感测物件131、测试光学传感器141和处理器19。测试腔室111被配置为容纳气体样品，该气体样品可以从光学检测器100周围的环境中抽取。光源12耦合至测试腔室111并且被配置为将入射光发射到测试腔室111中。反射感测物件131设置在测试腔室111中或与测试腔室111相邻，并且暴露于测试腔室111中的气体样品。当存在目标气体时，反射感测物件131通过改变反射感测物件131的反射特性来感测待检测的气体(有时称为目标气体)。通常，感测物件可以对多种不同的目标气体敏感，并且感测物件132的反射特性的变化可以根据存在哪些目标气体和目标气体的浓度而不同。反射感测物件131还被定位或配置为接收入射光并反射入射光以形成测试反射光。测试光学传感器141被配置为接收测试反射光以生成检测光谱信号。处理器19耦合至测试光学传感器141，接收检测光谱信号，并根据检测光谱信号计算检测结果。特别地，处理器19执行软件或固件以分析检测光谱信号(以及如下面进一步描述的其他数据输入)以生成检测结果，例如，气体样品中一种或多种目标气体或颗粒的存在或浓度的指示。

光学检测器100使用反射感测物件131的已知或校准的特性(例如，当目标组分以指定浓度存在时反射感测物件130的反射率的预期预定变化)来确定检测结果。当反射感测物件131接触气体样品(包括至少一种目标成分)时，反射感测物件131根据成分的种类和成分的浓度改变其结构。因此，反射感测物件131反射并且可以改变入射光以形成具有取决于感测物件131的反射特性的变化的光谱分布的测试反射光。与使用常规IR检测的气体检测器相比，光学检测器100可以检测气体成分而不需要多次反射，因此光学检测器100可以降低反射材料的成本、气体腔室的体积和检测时间。

外部环境的特性(诸如温度和湿度)可以转变或改变检测光谱信号，使得可能需要进行校正以避免检测结果中的环境误差。为了避免检测结果的环境误差，光学检测器100还可以包括与测试腔室111、反射感测物件131、测试光学传感器141对称布置的参考腔室112、参考物件132和参考光学传感器142。参考腔室112被配置为容纳一些待分析的气体，即具有与测试腔室111中的气体样品相同的组成的气体。参考物件132安置于参考腔室112中或邻近于参考腔室112，且参考物件132被配置为接收入射光且反射入射光以形成参考反射光。参考光学传感器142被配置为接收和检测参考反射光以生成参考光谱信号。光源12可以耦合至测试腔室111和参考腔室112，并且可以将入射光发射到测试腔室111和参考腔室112两者中。处理器19进一步耦合至参考光学传感器142，接收检测光谱信号和参考光谱信号，并使用检测光谱信号和参考光谱信号来计算校准结果。

参考物件132可以包含在各种温度和湿度条件下保持低变色的材料，使得参考物件132的反射率在很大程度上不受环境的温度和湿度的影响。在实践中，参考物件132可以包括陶瓷、氧化铝或氧化锆，其对温度和湿度的变化具有低响应。在入射光和参考反射光接触参考腔室112中的待分析的气体之后，参考光学传感器142接收并产生参考光谱信号。因此，参考光谱信号表示来自光源12的光在环境的当前温度和湿度以及检测器100的温度下穿过待分析的气体的效果之后的参考光谱分布，因此参考光谱信号提供空白校准信号，而反射器的特性没有任何变化。当处理器19一起使用测试光谱信号和参考光谱信号计算检测结果时，处理器19计算校准结果，其考虑温度和湿度的影响。

为了紧固上述部件，光学检测器100进一步包括物件保持器151、传感器保持器152和传感器保护盖153。如图2至图5B所示，物件保持器151保持反射检测物件131和参照物件132，传感器保持器152保持光源12、测试光学传感器141和参照光学传感器142。传感器保护盖153位于物件保持器151和传感器保持器152之间，并分别与物件保持器151和传感器保持器152连接。当物件保持器151、传感器保持器152和传感器保护盖153组装在一起时，测试腔室111和参考腔室112形成在物件保持器151和传感器保护盖153之间。空间162、163和164形成在传感器保护盖153和传感器保持器152之间，并且分别容纳测试传感器141、参考传感器142和光源12。在所示构造中，测试腔室111与参考腔室112隔离，并且测试传感器容纳空间162、参考传感器容纳空间163和光源容纳空间164彼此隔离。此外，传感器保护盖153构造成将测试腔室111与测试传感器容纳空间162隔离，并且还构造成将参考腔室112与参考传感器容纳空间163隔离，以防止待分析的气体进入测试传感器容纳空间162和参考传感器容纳空间163。待分析的气体可以包含影响或损坏测试光学传感器141和参考光学传感器142的成分，空间162和163的隔离避免了可能影响感测精度的因素。

如图1至图5B所示，物件保持器151具有两个物件容纳槽155(一个保持反射感测物件131，另一个保持参考物件132)。当反射感测物件131和参考物件132被紧固在物件容纳槽155中时，在反射感测物件131和物件保持器151之间形成两个开口161，并且在参考物件132和物件保持器151之间形成两个开口161(如图1所示)。开口161被构造成将测试腔室111与外部环境连通并且将参考腔室112与外部环境连通，以允许待分析的气体自由地进入和离开检测器100。

为了均匀地分离从光源12发射的进入两个室(测试腔室111和参考腔室112)的入射光，光学检测器100进一步包括分光透镜17。分光器透镜17可以是光学元件，诸如具有或不具有聚焦或准直分光光束的光学特性的分束器。如图2所示，传感器保护盖153进一步包括容纳分光器透镜17的透镜容纳槽156。如图5B所示，当组装光学检测器100时，分光透镜17位于光源12的正上方，并且位于测试腔室111、参考腔室112和光源容纳空间164之间。分光透镜17被配置为将来自光源12的入射光分离到测试腔室111和参考腔室112。容纳在传感器保护盖153的透镜容纳槽156中的分光透镜17抵靠物件保持器151，使得测试腔室111、参考腔室112和光源容纳空间164彼此隔离，但是可以通过光彼此传送光。

为了通过光使测试腔室111与测试传感器容纳空间162连通，并且通过光使参考腔室112与参考传感器容纳空间163连通，光学检测器100进一步包括第一保护玻璃181和第二保护玻璃182。如图2和5B所示，传感器保护盖153进一步包括两个玻璃容纳槽157。其中，一个玻璃容纳槽位于测试腔室111和测试传感器容纳空间162之间，并且被构造成容纳第一保护玻璃181。另一个玻璃容纳槽位于参考腔室112和参考传感器容纳空间163之间，并且被配置为容纳第二保护玻璃182。为了使测试光学传感器141平滑地接收测试反射光，第一保护玻璃181位于测试反射光的光路上。出于同样的原因，为了使参考光学传感器142平滑地接收参考反射光，第二保护玻璃182位于参考反射光的光路上。因此，测试腔室111可以通过光与测试传感器容纳空间162连通，并且参考腔室112可以通过光与参考传感器容纳空间163连通。第一保护玻璃181和第二保护玻璃182还将测试光学传感器141和参考光学传感器142与测试腔室111和参考腔室112隔离开，以保护测试光学传感器141和参考光学传感器142免受气体污染。

在实践中，光源12可以是发光二极管，并且被配置为发射具有特定光谱的入射光，例如，宽光谱功率分布或包括具有反射感测物件131根据目标气体的浓度改变其光学特性(例如，改变反射率)的波长的光的光谱功率分布。基于IR的气体检测器使用红外光作为光源，并且红外光源需要时间来预热和稳定。光学检测器100不需要红外光，并且可以使用LED作为光源12，使得可以在没有稳定时间和激活后的预热时间的情况下使用光学检测器100。(参考传感器142还测量指示来自光源12的光的光谱的光谱分布，这进一步减少了对精确稳定光源12的需要。)传感器保持器152可以是印刷电路板(PCB)，并且处理器19可以是中央处理单元、微控制器单元或计算机，其可以通过传感器保持器152耦合至测试光学传感器141和参考光学传感器142。

可以通过物件保持器151、传感器保持器152和传感器保护盖153处理、紧固或安装光学检测器100以供使用。所公开的检测器100具有以下优点：由于感测和对应的参考部件相对于光源12的对称布置，到达反射感测物件131的入射光的路径长度与到达参考物件132的入射光的路径长度相同。出于同样的原因，到达测试光学传感器141的测试反射光的路径长度与到达参考光学传感器142的参考反射光的路径长度相同。

-除了图2至图5B的仅具有一个光源12的示例检测器100之外，光学检测器可以可替代地包括多于一个光源。图6至图9B示出了具有多个光源12的检测器200的替代示例。光源12可以发射具有相同光谱功率分布或不同光谱功率分布的光，例如，光学检测器200中的不同光源12可以发射具有在不同波长处达到峰值的光谱分布的光。图6是示出根据本公开的另一示例的光学检测器200的分解图。图7是示出图6的光学检测器200的另一侧的分解图。图8是示出图6的光学检测器200的剖面线CC'和D-D'的示意图。图9A是沿着图8的剖面线C-C'的光学检测器200的截面图，并且图9B是沿着图8的剖面线D-D'的光学检测器200的截面图。光学检测器200中的大多数部件与光学检测器100的部件相同，并且下面不再重复对这些部件的讨论。如图6至图9B所示，光学检测器200特别地包括两个光源12和两个分光透镜17。传感器保护盖153包括两个光源壳体槽154、两个透镜容纳槽156和两个玻璃容纳槽157。一个透镜容纳槽156位于一个光源容纳槽154的正上方，并且透镜容纳槽156大于光源容纳槽154以形成梯形结构。每个分光透镜17位于光源容纳槽154、测试腔室111和参考腔室112之间，因此可以将从光源12发射的入射光平滑地分到测试腔室111和参考腔室112中。在实践中，梯形结构的靠近传感器保护盖153的边缘的一侧与透镜容纳槽156和光源容纳槽154垂直(如图9A所示)。

在光学检测器200中，测试光学传感器141和参考光学传感器142紧固在传感器保持器152上，并且容纳在传感器容纳空间165中，该传感器容纳空间165形成在传感器保护盖153和传感器保持器152之间。应当注意，本领域技术人员可以根据上述教导对多个光源12进行改变，或者调整部件的位置而不妨碍上述功能的执行。

光学检测器100和200都使用反射型感测物件131。反射感测物件131是不透明和反射的，并且可以包括DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体中的至少一种。题为“BIOMIMETIC VIRUS-BASED COLORIMETRIC SENSORS(基于仿生病毒的比色传感器)”的美国专利申请公开号2016/0312262(其通过引用整体并入本文)描述了具有包括丝状噬菌体的纤维束自组装纤维束的比色检测层如何可以被配置为在与感兴趣的分析物(例如，目标气体或颗粒)相互作用时经历颜色变化。特别地，一部分纤维束在与感兴趣的分析物相互作用时可以经历从第一构象到第二构象的变化，从而经历颜色变化。这样的技术可以用于感测物件132，使得颜色变化改变反射感测物件132的反射特性，特别是导致反射光的光谱分布与入射光的光谱分布不同。反射传感物件131可以根据不同的DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体，或者根据相同的DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体来检测不同的气体组分及其浓度。更一般地，感测物件131可以使用任何变色材料，并且不限于使用噬菌体的材料。

除了光学检测器100和200的反射型结构的实施例之外，根据本公开的其他示例的光学检测器可以使用用于感测物件的穿透或透射型结构。图10至图14B特别示出了使用用于感测物件的穿透或透射型结构的光学检测器300的示例。更具体地，图10示出了光学检测器300的透视图。图11和图12是示出图10的光学检测器300的部件的不同侧面的分解图。图13是示出图10的光学检测器300的剖面线E-E'和F-F'的示意图。图14A和14B分别是沿着图13的剖面线E-E'和F-F'的光学检测器300的横截面图。光学检测器300的大多数部件与光学检测器100或200的对应部件相同，并且下面不再重复相同部件的完整说明。

如图10至图14B所示，光学检测器300包括气体腔室113、光源12、透射感测物件133、测试光学传感器141和处理器19。透射感测物件133感测待分析的气体样品的目标成分，并改变透射感测物件133的光穿透特性。透射感测物件133被定位成接收入射光，并且入射光穿过透射感测物件133以形成测试穿透光。特别地，透射感测物件133可以根据气体样品中的一种或多种目标成分的浓度优先吸收特定波长的入射光，以产生测试穿透光。测试光学传感器141被配置为接收和检测测试穿透光以生成检测光谱信号。处理器19耦合至测试光学传感器141，接收检测光谱信号，并根据检测光谱信号计算检测结果。

当透射感测物件133接触待分析的气体(包括至少一种待检测的目标成分)时，透射感测物件133根据目标气体成分的种类和浓度改变其结构。在实践中，参考物件132可以包括透光物件或材料，诸如具有添加的变色结构的玻璃。例如，透射感测物件133可以是包括如上所述的DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体中的至少一种的光透射物件。因此，入射光穿透透射感测物件133以形成测试穿透光，该测试穿透光具有取决于感测物件133的光学特性的变化的光谱。透射感测物件133根据不同的DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体，或者可以根据相同的DNA修饰的噬菌体或DNA未修饰的噬菌体检测不同的气体组分及其浓度，但不限于此。

为了校正环境因素的检测结果，光学检测器300还可以包括参考物件132和参考光学传感器142。参考物件132被配置和对称地布置成接收入射光并形成参考穿透光。参考光学传感器142被配置为接收和检测参考穿透光以获得参考光谱信号。处理器19还耦合至参考光学传感器142，并且被配置为接收参考光谱信号，以根据检测光谱信号和参考光谱信号计算校准结果。

为了紧固上述部件，光学检测器300还可以包括光源保持器150、物件保持器151、传感器保护盖153和传感器保持器152。如图10至图14B所示，光源保持器150被配置为紧固光源12，物件保持器151被配置为紧固透射感测物件133和参考物件132，并且传感器保持器152被配置为紧固测试光学传感器141和参考光学传感器142。物件保持器151位于光源保持器150和传感器保持器152之间，并且耦合至光源保持器150。传感器保护盖153位于物件保持器151和传感器保持器152之间，并分别耦合至物件保持器151和传感器保持器152。当光源保持器150、物件保持器151、传感器保护盖153和传感器保持器152组装在一起时，在光源保持器150和物件保持器151之间形成气体腔室113，并且在传感器保护盖153和传感器保持器152之间形成传感器容纳空间165。气体腔室113可以通过传感器保护盖153与传感器容纳空间165隔离，以避免待分析的气体进入传感器容纳空间165。

光源保持器150具有一个光源容纳槽154和两个开口161。光源容纳槽154被构造成容纳光源12，并且开口161被构造成使气体腔室113与外部环境连通，以允许待分析的气体自由地进入和离开。

为了在气体腔室113与传感器容纳空间165之间传送光，光学检测器300进一步包括第一保护玻璃181和第二保护玻璃182。如图11和图14B所示，传感器保护盖153进一步包括两个玻璃容纳槽157；一个被构造成用于容纳第一保护玻璃181，并且另一个被构造成用于容纳第二保护玻璃182。为了使入射光平滑地穿透透射感测物件133，第一保护玻璃181位于入射光的光路中和测试穿透光的光路中。出于同样的原因，为了使入射光平滑地穿透参考物件132，第二保护玻璃需要位于入射光的光路和参考穿透光的光路之间。另外，为了使测试光学传感器141平滑地接收测试穿透光，测试光学传感器141需要位于测试穿透光的光路上。出于同样的原因，为了使参考光学传感器142平滑地接收参考穿透光，参考光学传感器142需要位于参考穿透光的光路上。第一保护玻璃181和第二保护玻璃182还被配置为将气体腔室113与测试光学传感器141和参考光学传感器142隔离，以保护测试光学传感器141和参考光学传感器142免受气体污染。

根据上述说明书，光学检测器300由光源保持器150、物件保持器151、传感器保护盖153和传感器保持器152紧固，以提供对称布置，使得从光源12到达透射感测物件133的入射光的路径长度与到达参考物件132的入射光的路径长度相同。出于同样的原因，到达测试光学传感器141的测试穿透光的路径长度与到达参考光学传感器142的参考穿透光的路径长度相同。

在实践中，为了使精度更好，光学检测器300还可以包括耦合至处理器19的温度和湿度检测器143。温度和湿度检测器143可以被配置为检测待分析的气体的温度和湿度，并且生成温度和湿度结果。处理器19还根据温度和湿度结果计算校准结果，以提高测量精度。

在实践中，反射感测物件131和透射感测物件133可以感测包括NH₃和挥发性有机化合物(诸如烃、卤代烃、氧烃和氮烃)的气体组分。详细地，目标气体成分可以包括来自苯系列、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物的化合物。当包括对应于待检测气体成分的DNA修饰的噬菌体的反射传感物件131或透射传感物件133接触包括待检测目标气体成分的待分析的气体时，DNA修饰的噬菌体改变结构。因此，当入射光进入DNA修饰的噬菌体的结构时，DNA修饰的噬菌体的结构改变入射光的光谱并形成测试反射光或测试穿透光。

此外，反射感测物件131或透射感测物件133的噬菌体不仅可以检测气体，而且可以检测悬浮物，例如包括可以由相应噬菌体检测的成分的固体和液体。该组分可以是有机化学物质、无机化学物质和病毒。由于噬菌体在液体中的检测机制类似于上述在气体中的检测机制，因此这里不再重复。

与现有技术相比，光学检测器100、200或300提供光源发射、各种环境因素(诸如温度和湿度)以及光学检测器的温度的同时校准。光学检测器具有检测特异性，以避免其他未检测到的气体的影响，从而提供高气体成分分辨率。不需要具有用于多次反射的足够体积的气体腔室，使得光学检测器可以小型化。另外，与具有IR的气体检测器相比，光学检测器100、200或300可以具有更短的检测时间段和更少的功耗。

尽管已经公开了特定的示例实施方式，但是这些实施方式仅是示例，并且不应被视为限制。所公开的实施方式的特征的各种修改和组合在所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种光学检测器，所述光学检测器包括：

气体腔室；

光源，所述光源耦合至所述气体腔室且被配置为发射进入所述气体腔室的入射光；

感测物件，所述感测物件暴露于所述气体腔室中的气体，所述感测物件具有取决于所述气体的成分的光学特性，所述感测物件被配置为接收所述入射光，其中所述光学特性将所述入射光转换为测试光；

测试光学传感器，所述测试光学传感器被配置为接收所述测试光并且从所述测试光生成检测光谱信号；以及

处理器，所述处理器耦合至所述测试光学传感器，所述处理器被配置为接收所述检测光谱信号并根据所述检测光谱信号计算检测结果。

2.根据权利要求1所述的光学检测器，进一步包括：

暴露于所述气体的参考物件，所述参考物件被配置为接收所述入射光并产生参考光；以及

参考光学传感器，所述参考光学传感器被配置为接收和检测所述参考光以获得参考光谱信号，其中

所述处理器还耦合至所述参考光学传感器，所述处理器被配置为接收所述参考光谱信号，以根据所述检测光谱信号和所述参考光谱信号计算所述检测结果。

3.根据权利要求2所述的光学检测器，其中到达所述感测物件的所述入射光的路径长度与到达所述参考物件的所述入射光的路径长度相同，并且到达所述测试光学传感器的所述测试光的路径长度与到达所述参考光学传感器的所述参考光的路径长度相同。

4.根据权利要求2所述的光学检测器，进一步包括在所述感测物件和所述测试光学传感器之间以及在所述参考物件和所述参考光学传感器之间的保护玻璃，其中所述保护玻璃将所述气体腔室与所述测试光学传感器和所述参考光学传感器隔离开。

5.根据权利要求1所述的光学检测器，其中所述感测物件包括DNA修饰的噬菌体和DNA未修饰的噬菌体中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的光学检测器，进一步包括耦合至所述处理器的温度和湿度检测器，所述温度和湿度检测器被配置为检测所述气体的温度和湿度并生成温度和湿度结果，其中所述处理器根据检测光谱信号、所述参考光谱信号以及所述温度和湿度结果来计算校准结果。

7.根据权利要求1所述的光学检测器，其中所述感测物件接触所述气体并根据至少一种气体组分的浓度改变颜色，使得所述感测物件变换所述入射光以形成具有对应于所述至少一种气体组分的所述浓度的光谱分布的所述测试光。

8.根据权利要求1所述的光学检测器，其中所述感测物件包括反射感测物件，所述反射感测物件具有取决于所述气体腔室中的所述气体的组成的反射特性，所述反射感测物件被配置为接收所述入射光并反射所述入射光以形成所述测试光。

9.根据权利要求1所述的光学检测器，其中所述感测物件包括透射感测物件，所述透射感测物件具有取决于所述气体腔室中的所述气体的组成的透射特性，所述透射感测物件被配置为接收所述入射光并透射所述入射光的一部分以形成所述测试光。

10.一种光学检测器，包括：

至少一个光源，所述至少一个光源被配置为发射入射光；

测试腔室，所述测试腔室被配置为容纳待分析的气体并且被耦合以接收来自所述至少一个光源的所述入射光的至少一部分；

反射感测物件，所述反射感测物件暴露于所述测试腔室中的所述气体，所述反射感测物件具有取决于所述气体的成分的反射特性，所述反射感测物件被配置为接收所述测试腔室中的所述入射光并反射所述入射光以形成测试反射光；

测试光学传感器，所述测试光学传感器被配置为接收所述测试反射光以生成检测光谱信号；以及

处理器，所述处理器耦合至所述测试光学传感器，所述处理器被配置为接收所述检测光谱信号并根据所述检测光谱信号计算检测结果。

11.根据权利要求10所述的光学检测器，进一步包括：

参考腔室，所述参考腔室被配置为容纳所述待分析的气体并且被耦合以接收来自所述至少一个光源的所述入射光的一部分；

参考物件，所述参考物件设置在所述参考腔室中，所述参考物件被配置为接收所述参考腔室中的所述入射光并反射所述入射光以形成参考反射光；以及

参考光学传感器，所述参考光学传感器被配置为接收和检测所述参考反射光以生成参考光谱信号，

其中所述处理器进一步耦合至所述参考光学传感器，并且被配置为接收所述检测光谱信号和所述参考光谱信号，并根据所述检测光谱信号和所述参考光谱信号计算校准结果。

12.根据权利要求11所述的光学检测器，其中到达所述反射感测物件的所述入射光的路径长度与到达所述参考物件的所述入射光的路径长度相同，并且到达所述测试光学传感器的所述测试反射光的路径长度与到达所述参考光学传感器的所述参考反射光的路径长度相同。

13.根据权利要求11所述的光学检测器，进一步包括位于所述测试腔室、所述参考腔室和至少一个光源中的一个光源之间的至少一个分光透镜，所述至少一个分光透镜中的每一个被配置为将来自所述至少一个光源中的一个光源的所述入射光分离到所述测试腔室和所述参考腔室。

14.根据权利要求11所述的光学检测器，其中所述参考物件被配置为在各种温度和湿度条件下保持低变色。

15.根据权利要求14所述的光学检测器，其中所述参考物件包括陶瓷、氧化铝或氧化锆。

16.根据权利要求11所述的光学检测器，进一步包括：

第一保护玻璃，所述第一保护玻璃在所述测试腔室和所述测试光学传感器之间，以及

第二保护玻璃，所述第二保护玻璃在所述参考腔室和所述参考光学传感器之间，其中

所述第一保护玻璃和所述第二保护玻璃将所述测试光学传感器和所述参考光学传感器与所述测试腔室和所述参考腔室隔离开。

17.根据权利要求11所述的光学检测器，进一步包括耦合至所述处理器的温度和湿度检测器，所述温度和湿度检测器被配置为检测所述待分析的气体的温度和湿度，并且生成温度和湿度结果，其中，所述处理器根据所述检测光谱信号、所述参考光谱信号以及所述温度和湿度结果来计算所述校准结果。

18.根据权利要求10所述的光学检测器，其中当所述反射感测物件接触所述待分析的气体并根据至少一种气体组分的浓度改变颜色，使得所述反射感测物件反射所述入射光以形成具有对应于所述至少一种气体组分的浓度的光谱分布的所述测试反射光。

19.根据权利要求10所述的光学检测器，其中所述反射感测物件是不透明物件，所述不透明物件包括DNA修饰的噬菌体和DNA未修饰的噬菌体中的至少一种。

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