CN115667880A

CN115667880A - 光学吸收光谱仪

Info

Publication number: CN115667880A
Application number: CN202180036170.3A
Authority: CN
Inventors: R.弗多尔德; D.P.卡莱罗; I.基尔伯恩; E.J.劳斯; G.曼兹
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2023-01-31
Also published as: US20230236115A1; DE112021003029T5; WO2021239536A1

Abstract

一种光学吸收光谱仪(300)，包括被配置为保持样本(318)的样本壳体(316)、被配置为将宽带光发射到样本壳体中的光源(302)、被配置为反射光使得光多次穿过样本壳体的样本保持容积的一个或多个反射器(330、332)、以及被布置为在反射之后从样本壳体接收光的传感器(324)。该传感器包括多个检测器，该多个检测器被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度。

Description

光学吸收光谱仪

技术领域

本公开属于光学吸收光谱测定法领域。

背景技术

光学吸收光谱测定法是一种成熟的分析技术。它用于分析例如血液、尿液或其他体液的取自患者的样本等用途。它还用于例如环境水质和化学实验室分析。样本的分子吸收是在通过样本的已知光路长度上测量的。分子吸收由构成样本中分子的原子结构和它们的键决定，并且不同的分子将在不同的波长处具有吸收最大值。光学吸收光谱仪可用于通过寻找吸收处于最大值时的波长(根据比尔定律)来识别样本中的分子。

在常规的光学吸收光谱仪中，将至少50μl、但通常远超过100μl的样本放入比色皿中。来自白光源的光束穿过单色仪。在该上下文中，术语“白光源”可以被解释为意指发射跨所有期望波长(例如，一些紫外、所有可见和一些红外波长)的光的源。单色仪将光转换成具有期望波长的光束，并且使光束步进通过波长范围(例如，以1nm的步长)。从单色仪输出的光束被引导通过比色皿中的样本。光束从比色皿的一侧到另一侧行进10mm的距离(10mm可以被认为是吸收光谱测定法中光束的标准路径长度)。光电二极管(例如雪崩光电二极管或光电倍增管)用于检测已经穿过比色皿中的样本的光。这提供了作为波长的函数的光吸收的记录。由此可以识别样本中的分子。

常规光吸收光谱仪的缺点是它们复杂且昂贵。另外，在一些情况下，可能难以获得具有足够大的体积以用于常规光学吸收光谱仪中的样本。

因此，本公开的目的是解决上述问题中的一个或多个或至少提供有用的替代方案。

发明内容

一般而言，本公开提出通过提供一种光学吸收光谱仪来克服上述问题，在该光学吸收光谱仪中，宽带光源将光束发射到样本壳体中的样本中，反射器使光束多次反射通过样本，并且传感器检测以多个不同波长入射在传感器上的光的强度。

根据本发明的第一方面，提供了一种光学吸收光谱仪，其包括被配置为保持样本的样本壳体、被配置为将宽带光发射到样本壳体中的光源、被配置为反射光使得光多次穿过样本壳体的样本保持容积的一个或多个反射器、以及被布置为在反射之后从样本壳体接收光的传感器；其中该传感器包括多个检测器，该多个检测器被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度。

所公开的光学吸收光谱仪是有利的，因为光束多次穿过样本允许使用比其他情况更小的样本。例如，可以使用1-2μl的样本代替50μl的样本。这是重要的，因为它允许例如分析血液的针刺(pinprick)(否则可能需要血液插管)。此外，如果需要对样品进行一些准备，例如过滤或化学转化，则当样本体积小时，准备会更快且更高效。

所公开的光学吸收光谱仪的另一个优点是，与常规的光学吸收光谱仪相比，它可以使用更低成本的组件来构造，并且可以不太复杂。这可以允许光学吸收光谱仪在临床实验室之外使用。这又可以避免将样本送至实验室进行分析的需要。相反，所公开的光学吸收光谱仪可以例如由医院中的医生使用或在临床环境之外使用(例如，由用户在他们的家中使用)。

光源可以被配置为提供光束。反射器可以被配置为多次引导光束通过样本保持容积。

样本保持容积可以是细长的。反射器可以设置在样本壳体的相对侧上。

光源和反射器可以被配置为使得光束在沿着样本保持容积传播时多次越过样本保持容积。

反射器中的至少一个可以是凹面的。

反射器可以是锯齿形的。

光源可以被配置为使得光束通过样本保持容积的壁以非正交角度进入样本保持容积。

光源可以包括孔，该孔被配置为将来自光源的发散光转换成光束。

光学吸收光谱仪还可以包括光束收集光学器件，其被配置为接收离开样本保持容积的光束，以及在光束入射到传感器上之前增加光束的横截面积。

光束收集光学器件可以与样本壳体一体形成。

光束收集光学器件可以包括具有弯曲反射表面的棱镜和透镜。

样本壳体的一侧上的区域可以是不反射的，以便允许光束进入样本保持容积。样本壳体的一侧上的区域可以是不反射的，以便允许光束离开样本保持容积。

样本保持容积可以是细长的。反射器可以设置在样本壳体的相对端。

反射器中的一个可以是部分透射的，使得当光束入射在反射器上时，光束的一部分穿过反射器到达传感器。

反射器中的至少一个可以是凹面的。

样本保持容积可以具有小于10μl的容积。

检测器可以是光电二极管，在其上可以设置用于不同波长的过滤器。检测器可以是单光子雪崩光电二极管(SPAD)，在其上可以提供用于不同波长的过滤器。

样本保持容积可以是具有反射表面的球形。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学吸收光谱测定方法，其包括：在样本壳体中提供样本，将宽带光束引导到样本壳体中，使用一个或多个反射器反射光束，使得光束多次穿过样本，以及在光束离开样本壳体之后检测多个不同波长的光束的强度。

光束可以被调制。

根据本发明的第三方面，提供了一种样本壳体，其包括样本接收容积、围绕样本接收容积的至少一部分设置的一个或多个反射器、以及样本接收开口。

一个或多个反射器可以形成在样本壳体的一个或多个壁上。

反射器中的至少一个可以包括被配置为允许光束进入样本壳体的非反射区域。

根据本发明的第四方面，提供了一种光学吸收光谱仪，其包括样本壳体、光源和传感器，样本壳体包括细长通道，细长通道包括多个弯曲部，光源被配置为将光发射到细长通道中，传感器被配置为从细长通道接收光。

细长通道的表面可以是反射性的。

细长通道的弯曲部中的至少一些弯曲部可以使通道的方向转向大致180度。

细长通道可包括三个或更多个弯曲部。

细长通道可设置有第一开口和第二开口。

第一开口可邻近细长通道的一端。第二开口可邻近细长通道的相对端。

光源和传感器可以结合到样本壳体。

细长通道可至少部分地形成为块中的凹部。

样本壳体还可以包括盖，该盖装配到块以便覆盖凹部。

光源可以被配置为发射宽带光。

传感器可以包括被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度的多个检测器。

根据本发明的第五方面，提供了一种样本壳体，其包括细长通道，该细长通道包括多个弯曲部、与细长通道的一端相邻的第一开口和与细长通道的相对端相邻的第二开口。

细长通道的侧面可以是反射性的。

本发明的不同方面的特征可以组合在一起。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的这些和其他方面，在附图中：

图1A是根据本公开的实施例的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图1B是根据图1A的实施例的修改实施方式的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图2A是可以形成光学吸收光谱仪的一部分的传感器的俯视示意图；

图2B是示出图2的传感器对不同波长的光的响应的曲线图；

图3A是根据本公开的替代实施例的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图3B是图3A的光学吸收光谱仪的光束收集光学器件的示意性横截面图；

图3C是图3A的光学吸收光谱仪的光束传输光学器件的示意性截面图；

图4是根据本公开的另一替代实施例的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图5是根据本公开的又一替代实施例的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图6是根据本公开的又一替代实施例的光学吸收光谱仪的示意性横截面图；

图7以分解透视图描绘了根据本公开的又一替代实施例的光学吸收光谱仪；

图8描绘了图7的光学吸收光谱仪的透视图；以及

图9描绘了如使用建模软件确定的通过图7和图8的光学吸收光谱仪的光线的路径。

具体实施方式

如上所述，本公开提供了一种光学吸收光谱仪，其中反射器使光束多次反射通过样本。这有利地增加了被样本吸收的光量。

图1A以横截面示意性地描绘了根据本发明的实施例的光学吸收光谱仪100。吸收光谱仪100包括光源102、耦合光学器件106、样本壳体116、第一曲面镜114和第二曲面镜120。在一些实施例中，第一镜子114可以是平坦的而不是弯曲的(第二镜子120仍然应该是弯曲的)。第一曲面镜114是部分透射的(例如，具有95％的反射率)。

光源102可以例如是宽带LED(例如，发射在从大约450nm到大约850nm的范围内的光)。可以使用其他光源，其可以例如在至少300nm(或至少400nm)的波长范围内发射光。

耦合光学器件106包括位于壁105中的孔104、以及镜子110。孔104与光源102间隔开，并且这具有将由光源102发射的光从强烈发散的光转换为相对准直的光束108的效果。在穿过孔104之后，光束108被形成耦合光学器件106的一部分的镜子110反射。可以被称为第一光束转向镜的镜子110被布置为将光束108朝向第一曲面镜114反射。第一光束转向镜110可以例如相对于通过孔104接收的光束108成45°角设置。

在被第一光束转向镜110反射之后，光束108入射到第一曲面镜114上。非反射区域109设置在第一曲面镜114上，光束108穿过该非反射区域进入样本壳体116。选择孔104的位置以及第一光束转向镜110的角度，使得光束108穿过非反射区域109。还选择孔位置和光束转向镜角度，使得光束以期望的方向传播通过样本壳体116。可以选择方向，使得光束108穿过样本壳体116的中心(例如，在从镜子114、120的一次或多次反射之后)。

在使用中，样本118保持在样本壳体116中。光束108行进通过样本壳体116和样本118，到达样本壳体的相对端，在此入射到第二曲面镜120上。第二曲面镜120是全反射的(例如，具有100％的反射率)。光束108从第二曲面镜120反射，并行进通过样本壳体116(和样本118)返回到第一曲面镜114。

因为第一曲面镜114具有95％的反射率，所以5％的光束108穿过第一曲面镜，其余95％被反射。穿过第一曲面镜114的光束108的5％进入耦合光学器件106并被耦合光学器件106的镜子122反射。该镜子122可以被称为耦合光学器件的第二光束转向镜。光束从镜子122朝向传感器124反射。下面进一步更详细地描述传感器124。第二光束转向镜114可以例如相对于通过第一曲面镜114接收的光束108成45°角设置。

耦合光学器件106可以例如包括由塑料、玻璃、石英或对由光源102发射的光是透射性的其他材料形成的块107。第一光束转向镜110和第二光束转向镜114可以通过在块107的平坦表面上提供反射层来形成。其中设置有孔104的壁105可以从块107延伸并且可以与块一体地形成。第一曲面镜114可以设置有平坦后表面，该平坦后表面与块107的对应平坦表面接合(可以设置第一曲面镜114和块107之间的其他替代连接)。

从第一曲面镜114反射的光束108的95％再次穿过样本118，从第二曲面镜120反射并再次穿过样本，再次入射到第一曲面镜114上。再次地，5％的光束穿过第一曲面镜114并且入射到传感器124上。再次地，95％的光束被反射。这发生多次。在大约20次穿过之后，平均来说，所有进入样本壳体116的光都已经被透射到传感器124。穿过的数量可以不同(例如，大于约20)，但是这不会改变实施例起作用的方式。

因为光束108已经多次穿过样本壳体116和样本118，这意味着与常规吸收光谱仪的常规样本壳体(光束108仅穿过其一次)相比，样本壳体的长度可以显著减小。在常规样本壳体(比色皿)中，在吸收光谱测定法期间光束沿其从一端行进到另一端的标准长度为10mm。在本发明的实施例中，由于光束穿过样本的次数，通过样本118的等效路径长度可以用短得多的样本壳体116来实现。这可以允许样本壳体例如具有0.5mm的长度。这允许执行吸收光谱测定法所需的样本的体积显著减小。这是有利的，因为可以使用小得多的样本获得具有相同灵敏度的测量。例如，也可以使用利用针刺(也称为手指针刺)得到的样本。与例如通过将血液抽取到插管中来获得更大的样本相比，这对于用户是优选的。用户可以自己执行针刺。

第一曲面镜114的反射率将确定光束108穿过样本118的次数。如果希望穿过样本的次数较少，则降低反射率，如果希望穿过样本的次数较多，则增加反射率。

入射在传感器124处的光的强度将取决于由源102发射的光的强度和样本118的吸光度。如下面进一步解释的，在不同的波长可以看到不同强度的光(由于样本118在不同波长具有不同的吸光度)。

选择第一曲面镜114和第二曲面镜120的曲率，使得光束108沿着大致相同的路径多次行进通过样本118。可以选择曲率，使得光束108在第一曲面镜114的中心和第二曲面镜120的中心之间行进。这可以对应于样本壳体116的中心。尽管光束108远离第一镜子114的中心进入样本壳体116，但是镜子114、120的曲率将光束引导到镜子的中心。

在所描绘的实施例中，样本壳体具有弯曲端。第一曲面镜114和第二曲面镜120可以通过在弯曲端上提供反射材料来形成。第一反射器114可以包括被配置为提供期望的百分比反射率的多层结构。可以在期望的波长范围(例如从紫外到可见到红外)内提供反射率。耦合光学器件106可以例如使用粘合剂固定到第一曲面镜114。

光源102和传感器124可以设置在共同的半导体基板上，或者可以设置在不同的半导体基板上。光源102和传感器124可以例如使用粘合剂固定到耦合光学器件106。可以使用机械接合机构来确保对准，例如突起和接收突起的凹部的组合。

样本接收开口126设置在样本壳体116中。样本壳体116的容积可以例如是5μl或更小，并且可以例如小于10μl。样本壳体116的容积可以例如是0.1μl或更大，并且可以例如是1μl或更大。在开口126处作为液滴提供的样本将通过毛细管作用被吸入样本壳体中。开口126可以具有类似于注射器针头直径的直径，例如高达2mm、高达1mm或小于1mm。

上述实施例的特征(诸如容积和尺寸)也可以应用于其他实施例。

图1B是根据图1A的实施例的修改实施方式的光学吸收光谱仪100a的示意性横截面图。在以下实施例中，不再描述与图1A中相同的修改实施方式的特征(仅描述差异)。第一反射器114a是平面的而不是凹面的。第二反射器120a是凹面的。平面反射器114和凹面反射器120a的组合足以控制光束108多次传播通过样本壳体116，如示意性地描绘的。第二反射器120a具有平坦的后表面而不是弯曲的后表面(这可以更容易制造)。

可以称为板的屏障130设置在第一反射器114a和块107之间(更一般地，屏障在第一反射器和耦合光学器件106之间)。屏障具有第一孔131和第二孔132。第一孔131与第一反射器114a的非反射区域109a对准，并且允许光束108进入样本壳体116。第二孔132与穿过第二反射器120a的中心的中心轴(未示出)对准。第二孔132接收穿过第一反射器114a的光束108的部分，并允许光束的该部分行进到块107中。第二孔132可以大于第一孔131，因为当光束108在样本壳体116中来回传播时，光束108可能会发生一些发散。屏障有利地防止不需要的光进入样本壳体116并防止不需要的光从样本壳体出来到达传感器124。

在图2A中示意性地描绘了传感器124。在该实施例中，传感器包括4×4阵列的光电二极管。这些标记在行和列201a-d、202a-d、203a-d、204a-d中。阵列4×4的每个光电二极管设置有光谱过滤器，该光谱过滤器仅允许特定波长(或波长范围)的光传递到该光电二极管上。在图2A中使用不同形式的阴影图案指示不同的光谱过滤器。从阴影图案可以看出，在该示例中，为光电二极管对提供相同的光谱过滤器。这些对是201a和204d、201b和204c、201c和204b、201d和204a、202a和203d、202b和203c、202c和203b、202d和203a。因此，4×4阵列感测到八个不同的波长。这种布置有利地允许对针对每个检测到的波长获得的信号进行一些平均，并且提供改善的信噪比。

较大的光电二极管210设置在传感器124的4×4阵列的一端。该较大的光电二极管被配置为检测近红外光。提供没有光谱过滤器的两个光电二极管212a、212d。这些可以用于检测入射到传感器124上的所有波长的光。在没有光谱过滤器的情况下由光电二极管212a、212d检测到的光可以用于例如校正由光源102输出的光的强度的变化。描绘传感器124的光谱响应度的图表如图2B所示。该图表描绘了作为波长的函数的光电二极管对相对于最敏感的光电二极管对(在670nm处检测的那对)的光谱响应。传感器可以例如是可从奥地利Premstaetten的AMS获得的AS7341传感器。

在未示出的替代实施例中，光源可以位于第一反射器和第二反射器之间。在这种情况下，光源可以位于样本壳体116的外部，并且反射器中的一个可以与样本壳体间隔开。该实施例可能不太优选，因为其制造更复杂。

在图3A中描绘了根据本发明的替代实施例的光学吸收光谱仪300。在该实施例中，代替光束从样本壳体的一端传递到另一端多次，光束在其从样本壳体的一端前进到另一端时从样本壳体的一侧传递到另一侧。这种布置的优点在于，因为光束不会多次穿过样本的相同部分，所以避免或减少了可能在样本中发生的饱和效应。另一个优点是，提供全反射镜可能比提供一个全反射镜和一个95％反射镜更便宜(提供95％反射镜可能相对昂贵，因为可能难以确保提供正确的反射率百分比——例如可能需要多层结构)。

在图3A中，以横截面示意性地描绘了光学吸收光谱仪300。光源302被配置为发射宽带辐射。光源可以例如是宽带LED(例如，如上面进一步描述的)。耦合光学器件306被配置为将来自光源302的光耦合到光谱仪300的样本壳体316中。耦合光学器件306在下面进一步描述。样本壳体316在形式上通常是细长的(即长度大于宽度)。镜子330设置在样本壳体316的一侧上，并且镜子332设置在样本壳体的相对侧上。镜子330、332可以通过在样本壳体316的侧面上提供反射层来形成。在该实施例中，样本壳体316的一侧331具有平面镜330，并且样本壳体的另一侧333具有凹面镜332(当从样本壳体内部观察时)。

样本318设置在样本壳体316的样本保持容积317中。样本316包括样本接收开口(未示出)，样本可以经由该样本接收开口被引入样本壳体316中。样本开口可以设置在壳体316的非镜面侧。

耦合光学器件306从由光源302发射的光形成光束308。该光束308通过样本壳体316的平坦侧331上的非反射区域350进入样本壳体316。

如示意性地描绘的，光束308穿越样本壳体316(并穿过样本318)行进到凹面侧333。然后，光束308被镜子332反射回平坦侧331，但是以一定角度反射，使得当光束308行进穿越样本壳体时，光束308沿着样本壳体316行进一部分。由于光束308以一定角度传播，因此它被平坦侧331上的镜子330以对应的角度反射并传播回凹面镜332。以这种方式，光束308沿着样本壳体316传播。由于凹面镜的形状，每次光束308从凹面镜332反射时，反射角都增加，直到光束到达凹面镜的中间。此后，反射角减小，直到光束从凹面镜332最终反射。

在从凹面镜332最终反射之后，光束308行进到样本壳体316的平坦侧331。光束308可以大致垂直于样本壳体316的平坦侧331。光束308穿过样本壳体316的平坦侧331上的非反射出口区域352并进入光束收集光学器件334。光束收集光学器件334在下面进一步描述。光束308从光束收集光学器件334输出到传感器324上。传感器324可以被配置为检测感兴趣波长的光束308的强度。在一个示例中，传感器324可以如图2所示。

在该实施例中，光束308穿越样本壳体316(并穿过样本318)十四次(在其他实施例中，可以发生不同数量的穿过)。由于光束308穿越样本壳体316的多次反射，可以使用比常规样本更小的样本，而不会相应地降低所提供的吸收光谱测量的灵敏度。例如，可以提供光束308的路径长度，其与可以在常规光学吸收光谱仪中提供的10mm路径长度相同或更大。样本壳体316可以具有比常规吸收光谱仪中使用的比色皿更小的容积。例如，样本壳体316可以具有小于10μl的容积，可以具有5μl或更小的容积，并且可以具有1-2μl的容积。这些容积可以应用于其他实施例。

在图3B中示意性地描绘了光束收集光学器件334，以及传感器324和样本壳体316的拐角。光束收集光学器件334包括棱镜336，棱镜336设置有凸反射表面338(从光束308的角度来看)。邻近棱镜336提供透镜340。透镜具有面向棱镜336的凹表面和背离棱镜的平面表面。传感器324位于透镜340附近。透镜340可以被称为投影仪，因为它被配置为将发散光线转换成平行光线。

光束收集光学器件334可以与样本壳体316一体形成。这些都可以例如由在感兴趣的波长(例如，对于可见光)下透明的塑料、由玻璃或由一些其他合适的透明材料形成。

示出了样本壳体316的平坦侧331上的镜子330的一部分。可被称为反射表面的镜子330(其它镜子也是如此)延伸远至透镜340。镜子330在提供传感器324的位置处延伸。这防止光直接泄漏出样本壳体316并泄漏到检测器324上。

光束308在图3B中被描绘为光线，以便示出光束收集光学器件334和透镜340的操作。如由光线示意性地示出的，当光束沿着样本壳体316传播时，光束相对较窄。如果传感器324设置在光束308离开样本壳体316的点处，则光束可能不够宽而不能适当地照射传感器324。光束收集光学器件308解决了这个问题。凸反射表面338使光束308发散。透镜340收集并准直发散光束。以这种方式，形成具有足够大以完全照射传感器324的面积的光束308a(尽管光的强度可以降低)。

在其他实施例中，可以在没有光束收集光学器件和透镜的情况下使用光谱传感器。

光束收集光学器件334的配置简单，并且可以容易地形成。不需要光束收集光学器件334具有与在传感器324上形成图像所需的质量相当的高质量。相反，将光束308引导到具有期望区域的传感器324上就足够的。

图3C以横截面示意性地描绘了光束耦合光学器件306。光束耦合光学器件包括光管360，其被配置为在入口端362处收集光和从出口端364发射准直光。如图所示，光管360在入口端处可以是凹面的，并且可以包括锥形部分366。光源302(参见图3A)可以是LED，其包括收集和引导从LED发射的光的透镜。与其他情况相比，这种布置可以有助于确保光管360收集更多的光。

样本壳体316的长度可以例如是样本壳体的宽度的两倍以上。样本壳体316的长度可以例如是样本壳体的宽度的三倍或更多。在实施例中，样本壳体可以具有约4mm的长度。在实施例中，样本壳体可以在至少一个方向上具有约1.3mm的宽度。

图4以横截面示意性地描绘了本发明的另一替代实施例。在该实施例中，吸收光谱仪400包括样本壳体416，样本壳体416具有设置有镜像锯齿形430、432(其可以被称为棱镜)的两个面对的侧面。样本壳体416的样本保持容积417是细长的。镜像锯齿形430、432将来自光源402的光束408沿着样本壳体416引导并引导到传感器424。该实施例的光源402、传感器424和其他特征可以如上面关于其他实施例进一步描述的那样。

样本壳体可以设置有较厚的壁419，以便容纳镜像锯齿形420、432。围绕样本保持容积417的样本壳体416的表面是平面的(以避免引起光束408的不希望的偏差)。光源402和传感器424嵌入样本壳体的壁419中。光源402可以设置有光束耦合光学器件，包括孔(例如，如上面进一步描述的)。替代地，可以仅提供孔(以便提供合理准直的光束408)。类似地，传感器424可以设置有光束收集光学器件(例如，如上面进一步描述的)。替代地，传感器424可以被布置成使得光束408直接入射在传感器上。

图4的实施例可以以与图3中描绘的实施例相同的方式操作。上面结合图3描述的优点也可以应用于该实施例。例如，光束耦合光学器件和/或光束收集光学器件可以与样本壳体416一体形成。这里不再重复其他优点。

图5以横截面示意性地描绘了本发明的另一替代实施例。在该实施例中，吸收光谱仪500包括样本壳体516，样本壳体516具有两个面对的镜像平坦侧面530、532。样本壳体416的样本保持容积517是细长的(并且可以具有如上文针对其他实施例所描述的尺寸)。光源502被配置为提供光束508，该光束508相对于样本壳体的镜像平坦侧面530、532以非正交角度被引导穿越样本壳体516。结果，光束508沿着样本壳体516传播到相对端，在那里光束入射到传感器524上。该实施例的光源502、传感器524和其他特征可以如上面关于其他实施例进一步描述的那样。

光源502可以设置有光束耦合光学器件，包括孔(例如，如上面进一步描述的)。可替代地，可以仅提供孔(以便提供合理准直的光束508)。类似地，传感器524可以设置有光束收集光学器件(例如，如上面进一步描述的)。替代地，传感器524可以被布置成使得光束508直接入射在传感器上。

图5的实施例可以以与图3和图4中描绘的实施例相同的方式操作。上面结合图3和图4描述的优点也可以应用于该实施例。例如，光束耦合光学器件和/或光束收集光学器件可以与样本壳体516一体形成。这里不再重复其他优点。

图6中描绘了本发明的另一实施例。在该实施例中，样本壳体616是球形的。样本壳体616的球形表面是反射性的。提供样本接收开口(未示出)以允许将样本618引入样本壳体616的样本保持容积617中。

光源602被配置为引导光608通过非反射入口区域650进入样本壳体616中。尽管光608被描绘为光束，但是光可以是发散的并且可以在样本保持容积617内散开。传感器624被配置为经由非反射出口区域652接收光。

在该实施例中，光608不沿着样本保持容积617被引导。相反，光608被捕获在样本保持容积617内，直到其入射在出口区域652处。光可以在入射到传感器624上之前沿着已知的平均路径长度行进通过样本618。

样本保持容积的容积可以与上文针对其他实施例描述的容积相同。

在实施例中，光源602可以如上面结合其他实施例所描述的那样(例如，宽带LED)。在实施例中，传感器624可以如上结合其他实施例所描述的那样(例如，设置有不同波长过滤器的光电二极管的阵列)。

在另一实施例中，光源602可以固定在特定波长，并且传感器624可以检测任何波长的光子。该实施例可以用于例如检测在特定波长处吸收的特定已知分子。传感器624可以例如是单光子雪崩光电二极管。

在另一实施例中，光源602可以可调谐到期望波长(例如，可以是可调谐LED或固态激光器)，并且传感器624可以检测任何波长的光子。传感器624可以例如是单光子雪崩光电二极管。

图7以分解透视图描绘了光学吸收光谱仪700，其包括形成为两个部分的样本壳体716。样本壳体716的第一部分是基部740，其中形成有细长凹部742。细长凹部742包括多个弯曲部(在该示例中为七个弯曲部)。第二部分是盖744，其被配置为固定到基部740。盖744可以例如使用层压过程、超声波焊接或使用胶水固定到基部。细长凹部742和盖744配合以在样本壳体716中形成细长通道750(参见图8)。

光源702(示意性地描绘)邻近由细长凹部742和盖744形成的细长通道750的一端设置。光源702被配置为将光发射到细长通道750中。传感器724(示意性地示出)设置在细长通道750的相对端处。传感器724被配置为从细长通道750接收光。光源702和传感器724设置在基部740下方。第一镜子746用于将由光源702发射的光反射通过第一窗口747并进入细长通道750。第二镜子748用于接收从细长通道750的相对端处的第二镜子749穿出的光，并将光引导到传感器724上。可以通过在样本壳体716的适当定向的表面(例如，基部740的表面)上提供反射材料来形成镜子。在其他实施例中，可以省略镜子。光源和/或传感器可与细长通道750的端部对准。

可选地，光学器件(例如，一个或多个透镜)可以用于在来自光源702的光进入细长通道750之前修改来自光源702的光。例如，可以使用一个或多个透镜来准直来自光源702的光束。可选地，光学器件可以用于在光入射到传感器724上之前修改光。例如，当光束入射在传感器上时，可以使用一个或多个透镜来修改光束的直径，以确保光入射穿越传感器的感测区域。

基部740和盖744可以例如由玻璃形成。玻璃可以是不透明的，以使环境光进入细长通道750最小化。细长通道750的表面可设置有反射材料(如下所述)，该反射材料用于使环境光进入细长通道最小化。这可以通过在基部740的上表面和盖744的下表面上提供反射表面来实现，使得当基部和盖放在一起时，反射表面彼此面对。在不同的方法中，反射材料可以设置在样本壳体716的外表面上。在使用反射材料的情况下，基部740和盖744的玻璃可以是透明的，不会有大量的环境光进入细长通道750。

发射器702和传感器724可以是硅器件。

可以在细长凹部742中设置反射表面。反射表面可以设置在盖上(例如，盖744的与细长凹部742配合以形成细长通道750的部分)。反射表面可以例如由细长凹部742和盖744的反射材料(例如，任何合适的反射层)形成。使细长通道750的表面具有反射性是有利的，因为它减小了光束强度在其沿着细长通道传播时将减小的程度。期望保持光束的强度，因为这可以允许传感器724提供更好的信噪比(与光束衰减更多的情况相比)。然而，即使在细长通道750中没有提供反射表面，光束仍然可以沿着细长通道被引导到传感器724(尽管比存在反射表面时具有更多的衰减)。

如图所示的细长凹部742具有七个弯曲部。然而，细长凹部可以具有不同数量的弯曲部。例如，细长凹部可以具有三个或更多个弯曲部。细长凹部742可以包括通过弯曲部连接的多个笔直部分。笔直部分可以例如彼此平行。在这种情况下，弯曲部可以使通道的方向转向大致180度。

细长凹部可以具有一些其他形状。然而，通常优选的是，细长凹部具有至少三个弯曲部，并且优选地包括彼此相邻延伸的多个部分(而不是例如单个笔直细长凹部)。这有利地允许样本壳体716的最大尺寸小于其他情况下的最大尺寸。

细长凹部742可以具有平坦的侧壁和平坦的底表面(如图所示)。盖744可为细长通道750提供平坦的上表面。所得的大致矩形形状可有利地使光更容易沿细长通道750传播，同时保持大致平行于细长通道的表面。另外，形成具有平坦侧壁和平坦底表面的细长凹部742可能比形成具有其他形状的细长凹部更容易。然而，细长通道750可具有任何其它合适的横截面形状。

细长通道750可例如具有0.3mm的宽度。细长通道750可例如具有0.2mm的高度。弯曲部之间的细长通道750的每个部分的长度可为约3.6mm。在所示示例中，细长通道具有八个长度。因此，细长通道具有约1.7mm³(8×3.6mm×0.2mm×0.3mm)的容积。这对应于约1.7μl的容积。

细长通道750的高度可例如小于1mm，例如小于0.5mm。细长通道750的宽度可例如小于1mm，例如小于0.5mm。弯曲部之间的细长通道的长度可以例如小于10mm，例如小于5mm。细长通道的总长度可例如小于1cm，例如小于50mm。

细长通道750的容积可例如小于10μl。细长通道750的容积可例如小于5μl。细长通道750的容积可例如介于1μl和2μl之间。

光源702和/或传感器724可以结合到壳体716(例如，结合到基部740)。在KailinYang，Hailong Yao，Tsung-Yi Ho，Kunze Xin，Yici Cai于2018年1月在IEEE集成电路和系统的计算机辅助设计汇刊(IEEE Transactions on Computer-Aided Design ofIntegrated Circuits and Systems)上发表的“AARF:Any-Angle Routing for Flow-Based Microfluidic Biochips”中描述了一种可以将半导体器件(例如光源和传感器(其可以由硅形成))接合到玻璃基板的接合方式，其通过引用并入本文。

盖744设置有第一开口726和第二开口728。第一开口726邻近细长通道750的一端(在这种情况下为提供光源702的端部)。第一开口726可用于将样本递送到细长通道750中。第一开口726的位置不与细长通道的开始精确地对应。提供邻近细长通道750的一端的第一开口726可以使得更容易将样本递送到细长通道中(与例如如果开口位于细长通道的中间相比)。

第二开口728邻近细长通道750的相对端(在这种情况下为传感器724所在的端部)设置。尽管该开口728定位在细长通道750的端部处，但是开口不必设置在细长通道750的端部处。第二开口728是通气孔，其允许空气在样本被递送到细长通道中时离开细长通道750。由于通道的细长形状，这是期望的(如果没有设置通气孔，则捕获的空气可能阻止样本正确地进入通道)。

在所描绘的实施例中，细长凹部742设置在基部740中，并且在盖744中不设置凹部。然而，在其他实施例中，细长凹部可以形成在盖中以及基部中(或仅在盖中)。

在实施例中，样本壳体716可以使用添加制造来形成。在这种情况下，不需要基部和盖。而是，细长通道750可设置在单个结构中。在这种情况下，可以例如通过将样本壳体716浸没在液体反射器中然后将其移除来提供用于细长通道的反射涂层。过量的液体反射器将从样本壳体排出，在细长通道750的表面上留下一层液体反射器，其干燥后在细长通道的表面上形成反射器。替代地，可依赖细长通道750内的全内反射来传播光(即，细长通道上没有反射表面)。在这种情况下，样本壳体716的外部可以设置有反射涂层。

图8是光学吸收光谱仪700的透视图，该光学吸收光谱仪700已经被制成部分透明，使得可以看到由凹部742和盖744形成的细长通道750。进入和离开光学吸收光谱仪700的样本壳体716的光由箭头示意性地描绘。

图9描绘了使用光学建模软件生成的光学吸收光谱仪700的模型的结果。这示出了被描绘为多条光线的光如何进入细长通道750，沿着细长通道传播(包括细长通道的弯曲处的反射)，然后离开细长通道。

如图9中可见，光束在其沿着细长通道传播时的尺寸大致对应于细长通道750的横截面积。结果，光束与保持在样本壳体716中的基本上所有样本相互作用。这与例如光束仅穿过样本的一小部分的现有技术系统形成对比。因为光束基本上穿过保持在样本壳体716中的所有样本，所以光穿过的样本的比例远高于常规布置。这意味着为了获得给定测量的期望信噪比所需的样本体积显著减少(这对于可能难以获得的生物样本可能是期望的)。这还意味着细长通道的容积可以小于常规样本壳体的容积。因此，样本壳体716的尺寸可以小于常规提供的尺寸。例如，样本壳体可以具有小于一立方厘米的容积。样本壳体716可以例如具有小于1厘米的最大尺寸。样本壳体可以例如具有约6mm的长度，并且可以例如具有约5mm的宽度。如上面进一步指出的，通过在细长通道中包括多个弯曲部，样本壳体716的最大尺寸保持较小。

光源702可以被配置为发射宽带光。传感器可以包括被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度的多个检测器。

吸收光谱测定法可以通过在不存在样本时测量在传感器724处接收的光、然后在存在样本时测量在传感器处接收的光来执行。这允许针对光源702和传感器724的性能来校准测量。

样本壳体716可以是一次性的。光源702和传感器724可以设置在基部结构中，该基部结构被配置为接收样本壳体和将其与光源和传感器对准(例如，经由具有与样本壳体的形状对应的形状的凹部)。

不同实施例的特征可以组合在一起。例如，结合图1至图6描述的实施例的特征可以与结合图7至图9描述的实施例组合(反之亦然)。

由本发明的实施例的光源提供的光束可以是连续的。可以例如使用声光调制器或通过调制提供给光源的电流来调制光束。光束的调制可以有利地改善由吸收光谱仪经由锁相检测提供的信噪比。

光源可以例如是LED、激光二极管或灯泡(白炽灯泡)。

根据本公开的实施例的吸收光谱仪可以用于感测医学样本(例如，来自人或动物的身体的流体样本)。根据本公开的实施例的吸收光谱仪可以用于环境感测，例如河水、池塘水、海水或饮用水。根据本公开的实施例的吸收光谱仪可以用于食品或饮料生产中的采样。根据本公开的实施例的吸收光谱仪可以用于家庭测量，例如游泳池中的水。

吸收光谱仪的实施例可以以足够低的功率操作，使得它们可以使用一个或多个电池(例如常规电池)供电。吸收光谱仪的实施例可以足够小，使得它们可以由用户携带。吸收光谱仪的实施例可以足够小，使得它们可以由用户佩戴(例如，在腕带上)。

吸收光谱仪的实施例可以是一次性的。包括光源和传感器。替代地，本公开的实施例的样本壳体可以是一次性的。在这种情况下，光源和传感器可以设置在源和传感器壳体中，该源和传感器壳体布置成接收和保持样本壳体。可以使用夹子或其他接合特征来将样本壳体保持到源和传感器壳体，然后允许移除样本壳体以进行处置。这可以有利地确保光源和传感器与样本壳体对准。

在一些情况下，可以在样本被使用之前对样本进行一些纯化分离步骤。在这种情况下，可用样本的量可以在获得的样本的五分之一和十分之一之间。本发明的实施例有利地允许在这种情况下获得较小的初始样本。

设置在传感器上的过滤器可以被配置为监测特定期望波长(例如，已知被感兴趣的分子吸收的波长)的光。尽管所描绘的传感器包括4×4阵列的光电二极管，但是传感器可以具有一些其他布置。传感器可以具有4个或更多个光电二极管、16个或更多个光电二极管，例如64个或更多个光电二极管。通常，传感器可以具有多个光电二极管。光电二极管可以被配置为检测不同波长的光(例如，通过在光电二极管上提供过滤器)。

在上述实施例中，使用孔将从光源输出的光转换成光束。这是提供光束的低成本方式。然而，可以使用任何其他合适的波束形成元件，例如透镜。

光学吸收光谱仪可以包括处理器和存储器。存储器可以被配置为存储从传感器接收的输出值。处理器可以被配置为分析存储的输出值和识别透射的下降，其指示感兴趣的分子的存在。

上文中的术语“样本保持容积”旨在表示适合于在使用中保持样本的容积。

可以在执行吸收光谱测定法之前执行光学吸收光谱仪的校准。在一个示例中，光可以从源发射，并且存储来自传感器的输出值，其中空气在样本保持容积中(即，不存在样本)。在此之后，可以引入样本并执行吸收光谱测定法测量，同时考虑当样本壳体中有空气时接收的输出值。

如果样本壳体可从光学吸收光谱仪的其他部分移除，则可以使用替代校准。可以使用保持诸如缓冲溶液的参考溶液的样本壳体来获得输出值。然后可以移除该样本壳体并用保持待分析样本的样本壳体替换。再次，吸收光谱测定法测量可以考虑样本壳体中有参考溶液时接收的输出值。

样本壳体可以被称为比色皿(尽管其具有小于常规比色皿的容积)。

光源和传感器可以设置为集成系统。这可以例如使用CMOS后端技术或使用封装技术在半导体芯片上形成系统来实现。

结合本发明的实施例公开的特征可以与本发明的其他实施例一起使用。

附图标记列表：

100，100a光学吸收光谱仪

102光源

104孔

105壁

106耦合光学器件

107块

108光束

109非反射区域

110第一光束转向镜

114，114a第一曲面镜

116样本壳体

118样本

120，120a第二曲面镜

122第二光束转向镜

124传感器

130屏障

131第一孔

132第二孔

201a-204d光电二极管

210较大光电二极管

212a，b没有光谱过滤器的光电二极管

300光学吸收光谱仪

302光源

306耦合光学器件

308光束

308a光束

316样本壳体

317样本保持容积

318样本

324传感器

330镜子

331样本壳体的平坦侧

332凹面镜

333样本壳体的凹面侧

334光束收集光学器件

336棱镜

338棱镜的凸反射表面

340透镜

350非反射区域

352非反射区域

360光管

362入口端

364出口端

366锥形部分

400光学吸收光谱仪

402光源

408光束

416样本壳体

417样本保持容积

419壁

424传感器

430镜像锯齿形

432镜像锯齿形

500光学吸收光谱仪

502光源

508光束

516样本壳体

517样本保持容积

524传感器

530镜面平坦侧

532镜面平坦侧

600光学吸收光谱仪

602光源

608光

616样本壳体

617样本保持容积

618样本

624传感器

652非反射出口区域

700光学吸收光谱仪702光源

716样本壳体

726第一开口

728第二开口

740基部

742细长通道

744盖

746第一镜子

747第一窗口

748第二镜子

749第二窗口

本领域技术人员将理解，在前述说明书和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考诸如附图中所示的概念性图示而做出的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制性质。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图中所示的取向时的对象。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

Claims

1.一种光学吸收光谱仪，包括：

样本壳体，被配置为保持样本；

光源，被配置为将宽带光发射到所述样本壳体中；

一个或多个反射器，被配置为反射所述光，使得所述光多次穿过所述样本壳体的样本保持容积；以及

传感器，被布置成在所述反射之后从所述样本壳体接收所述光；其中所述传感器包括多个检测器，所述多个检测器被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度。

2.根据权利要求1所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源被配置为提供光束，所述反射器被配置为多次引导所述光束通过所述样本保持容积。

3.根据权利要求2所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本保持容积是细长的，反射器设置在所述样本壳体的相对侧上。

4.根据权利要求3所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源和所述反射器被配置为使得所述光束在沿着所述样本保持容积传播时多次越过所述样本保持容积。

5.根据权利要求4所述的光学吸收光谱仪，其中所述反射器中的至少一个是凹面的。

6.根据权利要求4所述的光学吸收光谱仪，其中所述反射器是锯齿形的。

7.根据权利要求4所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源被配置为使得所述光束通过所述样本保持容积的壁以非正交角度进入所述样本保持容积。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源包括孔，所述孔被配置为将来自所述光源的发散光转换成所述光束。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的光学吸收光谱仪，还包括光束收集光学器件，所述光束收集光学器件被配置为接收离开所述样本保持容积的所述光束，以及在所述光束入射到所述传感器上之前增加所述光束的横截面积。

10.根据权利要求9所述的光学吸收光谱仪，其中所述光束收集光学器件与所述样本壳体一体形成。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的光学吸收光谱仪，其中所述光束收集光学器件包括具有弯曲反射表面的棱镜和透镜。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本壳体的一侧上的区域是不反射的以便允许所述光束进入所述样本保持容积，以及所述样本壳体的一侧上的区域是不反射的以便允许所述光束离开所述样本保持容积。

13.根据权利要求2所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本保持容积是细长的，反射器设置在所述样本壳体的相对端。

14.根据权利要求13所述的光学吸收光谱仪，其中所述反射器中的一个是部分透射的，使得当所述光束入射在所述反射器上时，所述光束的一部分穿过所述反射器到达所述传感器。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的光学吸收光谱仪，其中所述反射器中的至少一个是凹面的。

16.根据任一前述权利要求所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本保持容积具有小于10μl的容积。

17.根据任一前述权利要求所述的光学吸收光谱仪，其中检测器是光电二极管，在所述光电二极管上设置用于不同波长的过滤器。

18.根据权利要求1所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本保持容积是球形的，并且具有反射表面。

19.一种光学吸收光谱测定方法，包括：

在样本壳体中提供样本；

将宽带光束引导到所述样本壳体中；

使用一个或多个反射器反射所述光束，使得所述光束多次穿过所述样本；以及

在所述光束离开所述样本壳体之后，检测多个不同波长的所述光束的强度。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述光束被调制。

21.一种样本壳体，所述样本壳体包括样本接收容积、围绕所述样本接收容积的至少一部分设置的一个或多个反射器、以及样本接收开口。

22.根据权利要求21所述的样本壳体，其中所述一个或多个反射器形成在所述样本壳体的一个或多个壁上。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的样本壳体，其中所述反射器中的至少一个包括非反射区域，所述非反射区域被配置为允许光束进入所述样本壳体。

24.一种光学吸收光谱仪，包括：

样本壳体，所述样本壳体包括细长通道，所述细长通道包括多个弯曲部；

光源，被配置为将光发射到所述细长通道中；以及

传感器，被配置为从所述细长通道接收所述光。

25.根据权利要求24所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道的表面是反射性的。

26.根据权利要求24或权利要求25所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道的所述弯曲部中的至少一些使所述通道的方向转向大致180度。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道包括三个或更多个弯曲部。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道设置有第一开口和第二开口。

29.根据权利要求28所述的光学吸收光谱仪，其中所述第一开口邻近所述细长通道的一端，所述第二开口邻近所述细长通道的相对端。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源和所述传感器接合到所述样本壳体。

31.根据权利要求24至30中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道至少部分地形成为块中的凹部。

32.根据权利要求24至31中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述样本壳体还包括盖，所述盖装配到所述块以便覆盖所述凹部。

33.根据权利要求24至32中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述光源被配置为发射宽带光。

34.根据权利要求24至33中任一项所述的光学吸收光谱仪，其中所述传感器包括多个检测器，所述多个检测器被配置为检测多个不同波长的所接收光的强度。

35.一种样本壳体，包括细长通道，所述细长通道包括多个弯曲部、邻近所述细长通道的一端的第一开口和邻近所述细长通道的相对端的第二开口。

36.根据权利要求35所述的样本壳体，其中所述细长通道的侧面是反射性的。

37.根据权利要求35或权利要求36所述的光学吸收光谱仪，其中所述细长通道的所述弯曲部中的至少一些使所述通道的方向转向大致180度。