TW202137937A - 光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法 - Google Patents

光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202137937A
TW202137937A TW110110493A TW110110493A TW202137937A TW 202137937 A TW202137937 A TW 202137937A TW 110110493 A TW110110493 A TW 110110493A TW 110110493 A TW110110493 A TW 110110493A TW 202137937 A TW202137937 A TW 202137937A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
cavity
medium
wave
light source
photoacoustic
Prior art date
Application number
TW110110493A
Other languages
English (en)
Inventor
吉安·紀堯姆 庫塔
勞倫特 杜拉佛
阿蘭 格里埃爾
亞歷山大 托勒
Original Assignee
法國原子能源和替代能源委員會
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 法國原子能源和替代能源委員會 filed Critical 法國原子能源和替代能源委員會
Publication of TW202137937A publication Critical patent/TW202137937A/zh

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • 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
    • 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

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)
  • Public Health (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (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

一種光聲檢測裝置（1），旨在用於透過接觸面（3）緊靠待測的介質，該裝置包含：空腔（20）包含被製造為位於接觸面中的第一孔徑（22）上，空腔被沿第一孔徑周圍延伸的密閉殼（21）限界；脈衝或振幅調變光源（10）用於在發射頻譜帶（Δλ）中發射入射光波（11）經由空腔（20）至該第一孔徑；聲波轉換器（28）連接於空腔且用於偵測延伸過空腔的光聲波（12）。光聲檢測裝置被最佳化以增加被聲波轉換器偵測的光聲波的振幅。

Description

光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法
本發明的技術領域為使用光聲檢測的技術對分析物的檢測。
光聲（photoacoustic）檢測基於對在被分析的介質吸收的脈衝或振幅調變的電磁入射波的作用下產生的聲波的檢測。聲波是在吸收入射波的作用下加熱被分析介質中存在的吸收劑分子後形成的。加熱會導致介質的調變熱膨脹，所述的熱膨脹即聲波產生的原因。
通過將入射電磁波的波長調整為一種特定的分析物的吸收波長，可以使光聲檢測對該分析物具有特異性。因此，光聲檢測已被應用於檢測氣體中的氣態物質，或檢測生物組織中特定分子的存在。入射波波長通常位於紅外光中。
光聲檢測是一種可應用於散射或不透明（opaque）介質的非侵入式分析技術。
光聲檢測應用於生物組織的例子描述於下列期刊中：Bauer AJ. "IR-spectroscopy for skin in vivo: Optimal skin sites and properties for non-invasive glucose measurement by photoacoustic and photothermal spectroscopy"; Journal of Biopohtonics 11 （2018）；"Windowless ultrasound photoacoustic cell for in-vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis: Low interference by changes of air pressure, temperature, and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid", Rev. Sci. Instrum. 84, 084901 （2013）。
於上述期刊中所述，包含在幾十赫茲至幾十千赫茲之間的頻率活化的脈衝光源被使用。此目的為估算人體皮膚下在10 μm至50 μm之間深度處包含的組織液中葡萄糖的濃度。為此，使用了緊靠著使用者皮膚放置的光聲檢測裝置。
發明人已尋求改進現存的光聲檢測裝置，以增加偵測深度和所偵測到的聲波強度。
本發明的第一發明主體為一種光聲檢測裝置，旨在用於透過一接觸面緊靠待測的一介質，該裝置包含：一空腔，位於一第一孔徑上，該第一孔徑被製造為位於該接觸面中；一脈衝或振幅調變光源，用於在一發射頻譜帶中發射一入射光波經由該空腔至該第一孔徑；一聲波轉換器，連接於該空腔且用於偵測延伸過該空腔的一光聲波；使得在該入射光波對該介質的光照作用下，該聲波轉換器偵測由加熱該介質所製造的一聲波。
光聲檢測裝置可包含任一下列所述的特徵，以單獨或任何技術上可達成之組合實現，所述特徵為：該光源為一雷射光源；該空腔的體積小於50 μL（微升）或30 μL，該空腔的體積可以包含於5 μL及30 μL之間。該裝置包含一開口管延伸於該空腔及該空腔外部的空氣之間，且延伸長度包含在1及20 mm之間，該開口管的直徑為：當該空腔的體積小於或等於15μL，該開口管的直徑包含在150μm及300μm之間；當該空腔的體積包含在15μL及30μL之間，該開口管的直徑包含在200μm及350μm之間；當該空腔的體積大於30μL，該開口管的直徑包含在250μm及500μm之間。該空腔由一橫牆及一側牆所限界，該側牆延伸於該橫牆和該接觸面之間；該開口管經由或從橫牆延伸或經由側牆延伸；該裝置包含一聲傳通道延伸於該聲波轉換器及該空腔之間；該裝置包含一光學元件用於導引由該光源所發射的該入射光波至該第一孔徑，該光學元件可能為一反射器；該光源為一雷射光源，該裝置可能接著包含從該接觸面延伸至該光源的一容器，該容器將該被分析介質輻射出的熱傳導至該光源；該裝置包含從該接觸面延伸至該光源的一容器，該容器用於將由該被分析介質所輻射出的熱傳導至光源，該容器包含一熱傳導金屬，例如為銅或鋁；該空腔的體積小於20 μL。
本發明的第二發明主體為一種估算方法，用於估算一介質中一分析物的一濃度，包含下列步驟：（a）將根據第一發明主體的該裝置靠在該介質上，使得該接觸面緊靠該介質；（b）啟動該光源，該光源以對應於該分析物的一吸收波長，發射在一啟動頻率或一調變頻率的脈衝或振幅調變的一入射光波；（c）在該入射光波的作用下，在與該光源的該啟動頻率相同的一頻率下，偵測由該介質發射的該光聲波；（d）測量該光聲波的一振幅；以及（e）偵測該分析物及/或從在步驟（d）中所量測得的該振幅估算該介質中該分析物的該濃度。
通過閱讀示例性實施例的描述將更好地理解本發明，其中，示例性實施例將在下面的說明中參考附圖進行描述。
圖1A示意性地示出使本發明能夠實現的光聲檢測裝置1。光聲檢測裝置 1用於緊靠待測的一介質2。光聲檢測裝置 1包含一接觸面 3，接觸面 3旨在用於被緊靠在待測的介質2上。接觸面 3被設計為吻合其旨在被壓附的介質。此接觸面例如為一平面。在此例子中，介質2為一使用者的皮膚。光聲檢測裝置1包含一光源10，用於發射傳播至待測的介質2的一光波11。光源10為脈衝或振幅調變（pulsed or amplitude-modulated）的光源。光波11以包含存在介質2中的一分析物4的一吸收波長λa的一發射頻譜帶Δλ發射。光聲檢測裝置1的一個發明目的為偵測分析物4的存在及潛在地估算其濃度。
分析物4可為存在於體液中的分子。分析物4可例如為葡萄糖，或身體分析物如膽固醇、三酸甘油酯、尿素、白蛋白、酒精（如乙醇）或四氫大麻酚。
發射頻譜帶較佳地位於可見光或紅外光中，例如位於3 μm 和15 μm波長之間。較佳地，發射頻譜帶Δλ的寬度窄到足以使得光聲檢測裝置 1特定於單一的分析物。例如，發射頻譜帶Δλ的寬度為0.1 μm。當分析物是葡萄糖時，發射頻譜帶以葡萄糖的吸收波長為中心，例如為對應於波數為1034 cm-1 的波長。光源10尤其可為脈衝雷射光源，且可例如為波長可調量子級聯雷射（quantum cascade laser，QCL）。如此發射頻譜帶Δλ則會位於紅外光中。
依據其它實施例，光源10可為燈絲光源或發光二極體。依據這些實施例，較佳地以一帶通濾波器與光源10連結以界定以吸收波長為中心的寬度足夠窄的發射頻譜帶。然而，最好使用雷射光源。
於如圖1A所示的實施例中，光聲檢測裝置 1包含一光學元件15，光學元件15用於將由光源10所發射的光波11偏向待測的介質2。
光聲檢測裝置 1旨在用於緊靠待測的介質2。其包含一密閉殼21，密閉殼21設置為與介質2接觸且其形成一空腔20。空腔20表露於一第一孔徑22上，第一孔徑22被製造於接觸面3中，以表露於介質2上。在入射光波11被光學元件15反射之後，會經由空腔20和第一孔徑22傳播至介質2。光聲檢測裝置 1包含一透明窗17，透明窗17用於傳輸入射光波11。
如圖1A所示的光聲檢測裝置 1中，光學元件15為反射稜鏡形式的一反射器。光學元件15透過一支架15’與一外殼31相連接。於其他實施例中，光學元件15可為具有曲線的一光纖，如此入射光波11可以正交或實質上正交的方式入射達介質2。所述的實質上正交是指與正交之間的角度公差為±30°。
在介質2中具有分析物4的情況下，形成一光聲（photoacoustic）波12。光聲波12為透過入射光波11對介質2週期性的加熱所形成的聲波，其中入射光波11為脈衝或振幅調變。部分光聲波12會經由空腔20延伸以被一聲波轉換器28偵測。聲波轉換器28經由一聲傳通道25與空腔20連接。聲波轉換器28可為具有具有包含光聲波頻率的偵測光譜範圍的一麥克風。
如Kottmann所著論文“Mid-infrared photoacoustic detection of glucose in human skin: towards non-invasive diagnostics", Sensors 2016, 16, 1663”（此論文在隨後的描述中會以「Kottmann 2016」表示）所述，在頻率
Figure 02_image001
下，光聲波12的振幅
Figure 02_image003
及空腔20的體積
Figure 02_image005
間的關係可以如下的關係式所表示：
Figure 02_image007
其中
Figure 02_image009
表示比例關係；
Figure 02_image011
為波長為
Figure 02_image013
時入射光波11的強度；
Figure 02_image015
為待測介質2在波長為
Figure 02_image013
下的吸收係數；
Figure 02_image005
為空腔20的體積，在適當觸還包含聲傳通道25；
Figure 02_image001
為光聲波12的頻率。
當給光波的頻率
Figure 02_image001
以及強度
Figure 02_image011
，則由聲波轉換器28所偵測到光聲波的振幅
Figure 02_image003
會正比於介質2的吸收係數
Figure 02_image015
。介質2的吸收係數
Figure 02_image015
可以被認為正比於介質2中分析物4的濃度。因此，以聲波轉換器28所量測出的振幅
Figure 02_image003
，透過介質2的吸收係數
Figure 02_image015
，使介質2中分析物4的濃度可以被估算出。
於關係式（1）中，介質2的厚度
Figure 02_image017
被假設為：
Figure 02_image019
，其中，
Figure 02_image021
為光穿透的深度，且
Figure 02_image021
為：
Figure 02_image023
Figure 02_image025
為熱擴散長度，且
Figure 02_image025
可以為：
Figure 02_image027
於關係式（4）中，
Figure 02_image029
為熱擴散的係數且
Figure 02_image029
可以為：
Figure 02_image031
其中，
Figure 02_image033
為介質2的濃度；
Figure 02_image035
為介質2的熱容量；
Figure 02_image037
為介質2的熱導係數。
可以看到的是，
Figure 02_image021
並不取決於頻率
Figure 02_image001
，且
Figure 02_image025
與頻率
Figure 02_image001
的平方根成反比。在Kottmann 2016中，已成立的是當介質2為生物組織時，例如為皮膚，上述條件：
Figure 02_image039
成立於當頻率
Figure 02_image001
高於50 Hz。
關係式（1）示出，使用低頻率讓光聲波12的波長增加。因此，本案發明人得出的結論為，當介質2為生物組織時，光聲波12的頻率低於1 kHz將是有利的，且較佳低於500 Hz。其較佳包含於50 Hz 和500 Hz之間。
由關係式（4）可知，頻率
Figure 02_image001
的降低亦可以讓熱擴散長度
Figure 02_image025
增加。如此可增加介質2的檢測深度。
當分析物4為葡萄糖或其它藉由血液傳輸的營養物時，增加判定分析物的濃度的深度是有利的。具體來說，光聲偵測不允許達到大的檢測深度，例如，毫米級的深度。然而，微血管就是位於這些深度。藉由光聲檢測，可以通過估算微血管和表皮細胞之間的組織液中的葡萄糖濃度來間接地估算葡萄糖濃度。已確立的是，組織液中的葡萄糖濃度隨著血液中的葡萄糖濃度變化，其兩者間的時間間隔為約20分鐘。藉由增加被檢測介質2的檢測深度，可減少血液中葡萄糖濃度與使用關係式（1）所估算的葡萄糖濃度之間的時間差。
依據關係式（1），空腔20的體積必須盡可能的小以增加光聲波的振幅。然而，隨著空腔20體積的越小，頻率
Figure 02_image001
就越高。
由於關係式（1），必須取得折衷以降低體積同時保持頻率，目的為增加光聲波振幅以提高檢測方法的靈敏度。
發明人已達到滿足上述的折衷方式，藉由設計小體積的空腔20（包含於1μL和50 μL之間，且較佳為5 μL和30 μL之間）。密閉殼21包含限界空腔20的一實心內牆23。實心內牆23包含一側牆231 及一橫牆232 ，其中，側牆231 較佳地以與Z軸呈平行且與接觸面3呈垂直的方向延伸，橫牆232 以與接觸面3平行或實質上平行且面向接觸面3的方向延伸。橫牆232 以與第一孔徑22平行或實質上平行的方向延伸。於圖1A及1B所示的實施例中，橫牆232 包含透明窗17。
所述實質上平行是指角度公差介於±30° 或 ±20°內的平行。側牆231 延伸於接觸面3及橫牆232 之間。
光聲檢測裝置 1包含一開口管26從空腔20延伸並表露（emerge）至空腔20外部的空氣中。開口管26形成使空腔20可透過其與空腔20外的空氣在室壓（room pressure）下接觸的孔徑。開口管26以長度
Figure 02_image041
延伸且具有直徑為Φ的橫截面。於圖1A中，開口管26延伸穿過內牆23的橫牆232 。於圖1B中，開口管26延伸穿過內牆23的側牆231 。
於圖1A所示的配置中，開口管26伸進由外殼31所限界的一空間30。外殼31包含至少一孔口32以與外部空氣5連通。於圖1B所示的配置中，開口管26直接伸至光聲檢測裝置 1外的空氣5上。因此，開口管26間接或直接地伸至外部的空氣5。
發明的其中一個重要元素是發明人所做的觀察，若開口管26的幾何形狀改變，則空腔20的頻譜響應會隨之改變。發明人為自身設定的目標為取得盡可能一致並且介於100 Hz 和1000 Hz之間的頻譜響應。所謂頻譜響應，是指空腔20內聲壓的振幅為頻率的函數。
發明人考慮了如圖2A所示的空腔。圖2A所示的尺寸
Figure 02_image043
、ε 及
Figure 02_image045
分別為2.6 mm、1.2 mm 及1.5 mm。
已知的是，這樣的空腔可以一等效電路圖模擬。這使得在待，模擬的聲波的存在下空腔內部的壓力可被模擬，如Dehé A.等人所著的論文「"The Infineon Silicon MEMS microphone", AMA conferences 2013 - Sensor 2013, Opto 2013」所述。
圖2B示出了圖2A中空腔的等效電路圖。由激發聲波所造成的激發以在一激發頻率進行振幅調變的一電流源I0 進行模擬。空腔的響應，即對應於電壓U，空腔中聲波的振幅，其也會在激發頻率下被進行振幅調變。
假設
Figure 02_image047
是空腔中聲波的壓力，依據關係式：
Figure 02_image049
可知電流
Figure 02_image051
取決於雷射的功率，其中，
Figure 02_image053
為空氣的絕熱係數而
Figure 02_image055
為雷射的功率。
Figure 02_image057
為關係式（4）中所描述的熱擴散長度；
Figure 02_image059
為單位長度的吸收係數。
空腔的效應由一電容器
Figure 02_image061
所模擬，其中
Figure 02_image061
可以如下關係式表示：
Figure 02_image063
其中
Figure 02_image005
為空腔20的體積，在適當處包含聲傳通道25。
開口管26的效應由一電容器
Figure 02_image065
及一電感器
Figure 02_image067
所模擬，其中電容器
Figure 02_image065
與電容器
Figure 02_image061
為並聯連接，電感器
Figure 02_image067
與一電阻器
Figure 02_image069
為串聯連接，且
Figure 02_image065
可以如下的關係式表示：
Figure 02_image071
其中
Figure 02_image041
和
Figure 02_image073
分別對應開口管26的長度及截面積。
Figure 02_image067
可以如下關係式表示：
Figure 02_image075
其中，
Figure 02_image077
對應於空氣的密度。
Figure 02_image069
可以如下關係式表示：
Figure 02_image079
其中，
Figure 02_image081
對應於空氣的黏性係數。
當考慮包含於102 Hz和104 Hz之間的一雷射調變頻率，及功率為1 mW的一雷射功率
Figure 02_image055
時，發明人使用了如圖2B所示的模型。發明人估算了在雷射調變頻率進行調變的電壓U的振幅。其被認為可代表空腔內部的壓力。藉由考慮各種激發頻率進行電壓U的計算，可建立空腔20的頻譜響應。
發明人陸續考慮了四種不同的空腔體積，分別為5 μL、10 μL、20 μL及50 μL。對於每個體積，發明人研究了改變開口管26的直徑及長度對於空腔20中的頻譜響應所造成的影響。每個模擬的配置的表現考慮到以下條件（1）及（2）而被檢驗：
（1）於光譜帶100 Hz – 1 kHz中的相對壓力變化ΔP0 ，其對應於如下的關係式：
Figure 02_image083
Figure 02_image085
、
Figure 02_image087
及
Figure 02_image089
分別為於光譜帶100 Hz – 1 kHz中的最大壓力、最小壓力及平均壓力。目標為取得可能的最小的相對壓力變化。
（2）當被藉由封閉的空腔 （即不具有開口管26的空腔）所獲得的平均壓力正規化的平均壓力。正規化平均壓力標示為
Figure 02_image091
，其中：
Figure 02_image093
其中
Figure 02_image089
及
Figure 02_image095
分別為於光譜帶100 Hz – 1 kHz中，模擬的空腔20及在相同光譜帶中同樣尺寸但為封閉的空腔中的平均壓力。正規化平均壓力代表偵測訊號的大小，且對應於測量的靈敏度的指標。其越高越佳。
為決定
Figure 02_image097
及
Figure 02_image091
，發明人模擬了如參考圖2A中所述的空腔。對於每一體積，發明人考慮了不同的空腔體積及開口管的尺寸，尤其考慮直徑變化介於50 μm及500 μm間及長度變化介於1 mm 及10 mm間的開口管。發明人使用如參考圖2B中所描述的電路圖來模擬空腔。發明人估算了包含於100 Hz至10 kHz之間各種頻率的電壓U，其中電壓U代表壓力
Figure 02_image047
。基於此模擬，發明人估算了如式 （11）及（12）中
Figure 02_image097
及
Figure 02_image091
的數值，這些數值被認為性能好壞的指標。
圖3A及圖3B示出了相對壓力變化ΔP0 及正規化平均壓力
Figure 02_image091
分別為開口管26長度（x軸-單位為毫米）及開口管26直徑（y軸-單位為毫米）的函數。空腔20的體積為5 μL。於每一圖中，所討論數量的數值對應於灰階。圖3C示出了空腔的體積為5 μL且開口管的長度為10 mm時開口管的直徑分別為110 μm、220 μm及440 μm時的模擬頻譜響應。可以看到的是，當開口管的長度長於3 mm或5 mm且開口管的直徑包含於150 μm及300 μm之間時，可以獲得最佳的性能（低
Figure 02_image097
值及高
Figure 02_image091
值）。
圖3C的分析示出當開口管的直徑為小時（110 μm），頻譜響應會接近於封閉空腔的頻譜響應。當直徑達到220 μm時，頻譜響應可以被認為是相對平坦的，其中所述相對平坦即表示頻譜響應包含於100 Hz和1000 Hz之間的頻譜範圍內是均勻的，此對應於所要求的目標。壓力P0 的值是足夠高到容易被量測。當直徑進一步增加（360 μm）時，空腔的頻譜響應會接近共振腔的頻譜響應，此時會出現共振峰。壓力P0 的數值會減少，造成其更難以被測量。
圖4A、圖4B及圖4C分別相似於圖3A、圖3B及圖3C，然而所考慮的空腔的體積為10 μL。在圖4C中，所考慮的開口管的直徑為120 μm、240 μm及360 μm，且其長度為9.4 mm。由此可推斷出，當開口管的長度大於3 mm 或5 mm且開口管的直徑包含於150 μm及300 μm之間時，可以獲得最佳性能（低
Figure 02_image097
值和高
Figure 02_image099
值）。
圖5A、圖5B及圖5C分別相似於圖3A、圖3B及圖3C，然而所考慮的空腔的體積為20 μL。在圖5C中，所考慮的開口管的直徑為140 μm、280 μm及560 μm，且其長度為9.6 mm。由此可推斷出，當開口管的長度大於2 mm 或5 mm且開口管的直徑包含於200 μm及350 μm之間時，可以獲得最佳性能（低
Figure 02_image097
值和高
Figure 02_image099
值）。
圖6A、圖6B及圖6C分別相似於圖3A、圖3B及圖3C，然而所考慮的空腔的體積為50 μL。在圖6C中，所考慮的開口管的直徑為170 μm、340 μm及680 μm，且其長度為9.4 mm。圖6D示出了考慮分別對應於開口管26直徑為160 μm、320 μm及640 μm的情況下，空腔20的體積等於50 μL、開口管長度為5 mm所模擬的頻譜響應結果。
由圖6A到6D可推斷出，當開口管的長度大於1 mm或5 mm且開口管的直徑包含於250 μm及500 μm之間時，可以獲得最佳性能（低
Figure 02_image097
值和高
Figure 02_image099
值）。
圖7A、圖7B、圖7C、圖7D、圖7E、圖7F、圖7G及圖7H分別類似於圖3A、圖3B、圖4A、圖4B、圖5A、圖5B、圖6A及圖6B，但其具有更大的開口管的長度範圍（變化於0 mm及20 mm間）。這些圖示出了上述定義的開口管直徑範圍適用於至少20 mm的管長
Figure 02_image041
。圖7I示出了對應於開口管直徑分別為200 μm、400 μm 及800 μm，考慮空腔的體積等於50 μL且開口管的長度為19 mm時所模擬的頻譜響應。如圖6C和6D示出的結果，可以看出當對於直徑包含於250 μm及500 μm之間的開口管的長度為19 mm時，可以獲得最佳性能（低
Figure 02_image097
值和高
Figure 02_image099
值）。
一般來說，不論所考慮的空腔體積為何，當開口管的直徑為小時，頻譜響應的接近於封閉空腔的頻譜響應。當開口管的直徑為大時，空腔的頻譜響應接近於共振腔的頻譜響應，並出現共振峰。前述直徑及長度的取值範圍，在封閉空腔的頻譜響應和共振腔的頻譜響應之間對應於相對平坦的光譜響應。
基於所執行的模擬，發明人已針對各種的空腔的體積範圍，確定了開口管的較佳尺寸：
當空腔的體積小於或等於15 μL，開口管直徑可以包含於150 μm及300 μm之間。
當空腔的體積包含於15 μL及30 μL之間，開口管直徑可以包含於200 μm及350 μm之間。
當空腔的體積大於30 μL，開口管直徑可以包含於250 μm及500 μm之間。
不論體積為何，開口管的長度較佳大於1 mm大於或3 mm，且較佳小於20 mm。
如本發明圖1A及圖1B中的實施例，光源10是形成於一基板上的QCL雷射光源。為達到簡化設計，較佳地，光源10發出的光波平行延伸於形成該光波的基板的平面。光聲檢測裝置1包含光學元件15用於導引全部或一部分入射波11至第一孔徑22。光學元件15可為一反射器或一光纖。
QCL雷射光源的較佳工作溫度通常包含在30°C及40°C之間。當光聲檢測裝置1被置於貼著活體對象的皮膚時，該對象身體的熱可以作為QCL雷射光源的熱源。本發明的光聲檢測裝置1更包含一容器16，其中光源10靠在容器16上。容器16用於與該對象的皮膚接觸。容器16是由具有良好熱傳導特性的材料製成，例如金屬，尤其是銅或鋁。容器16延伸於接觸面3及光源10之間。容器16沿著Z軸的厚度例如包含於1 mm及10mm之間。容器16因此作為受測對象皮膚及光源10之間的熱緩衝器。
本發明將可能被用於檢測介質中分析物的存在，該介質可能為受測對象的皮膚。為達檢測之目的，需應用以下步驟：將光聲檢測裝置靠在介質上，使接觸面緊靠介質；以啟動頻率或調變頻率啟動光源；在入射光波的作用下，在與該光源的啟動頻率相同的聲頻下，偵測由該介質發射的光聲波；測量聲波的振幅，此等同於估算參考式（1）描述的振幅A；檢測分析物的存在和/或從所測量的振幅估算介質中分析物的濃度。此步驟是通過估計參考式（1）描述的吸收係數α來執行的，且分析物的濃度與吸收係數之間的關係是已知的。
1:光聲檢測裝置 10:光源 11:入射光波 12:光聲波 15:光學元件 15’:支架 16:容器 17:透明窗 2:介質 20:空腔 21:密閉殼 22:第一孔徑 23:內牆 231 :側牆 232 :橫牆 25:聲傳通道 26:開口管 28:聲波轉換器 3:接觸面 30:空間 31:外殼 32:孔口 4:分析物 5:外部空氣 L:厚度 Φ:直徑
Figure 02_image043
、ε、
Figure 02_image045
:尺寸 C1、C2:電容器 L1:電感器 U:電壓 I0 :電流源
圖1A和1B 示出了依據本發明兩個實施例的裝置。圖2A示出了已建模的空腔。圖2B示出了圖2A中建模的空腔的等效電路圖。圖3A示出了如圖2A繪示的於光譜帶100 Hz至1 kHz中空腔中聲波的振幅相對變化的模擬結果，其中空腔中聲波的振幅相對變化為空腔的表露管長度的函數（x軸-毫米），及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖3B示出了圖2A中所示的於光譜帶100 Hz至1 kHz中空腔中聲波的標準化平均振幅的模擬結果，其中空腔中聲波的正規化平均振幅為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖3C示出了對於圖2A示意性示出的空腔的表露管且由圖2B所示的電路圖建模的各種配置，圖2A中所示的空腔中聲波的振幅變化（y軸），其中空腔中聲波的振幅變化為頻率（x軸）的函數，圖3C繪示了如圖2A所繪示的空腔在具有不同開口管結構底下且經由圖2B的等效電路模擬的空腔中聲波的壓力變化。於圖3A、3B及3C中，空腔的體積為5 μL。圖4A示出了於光譜帶100 Hz至1 kHz中圖2A所示的空腔中聲波的相對振幅變化的模擬結果，其中空腔中聲波的相對振幅變化為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖4B示出了於光譜帶100 Hz至1 kHz中圖2A中空腔中聲波的正規化平均振幅的模擬結果，其中空腔中聲波的標準化平均壓力為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖4C示出了對於圖2A示意性示出的空腔的表露管且由圖2B所示的電路圖建模的各種配置，圖2A中空腔中聲波的振幅變化（y軸），其中空腔中聲波的振幅變化為頻率（x軸）的函數。於圖4A、4B及4C中，空腔的體積為10 μL。圖5A示出了於光譜帶100 Hz至1 kHz中圖2A中空腔中聲波的振幅的相對變化的模擬結果，其中空腔中聲波的振幅的相對變化為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的開口管直徑（y軸-微米）的函數。圖5B示出了於光譜帶100 Hz至1 kHz中圖2A中空腔中聲波的正規化平均振幅的模擬結果，其中空腔中聲波的正規化平均振幅為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖5C示出了對於圖2A示意性示出的空腔的表露管且由圖2B所示的電路圖建模的各種配置，圖2A示出的空腔中聲波的振幅變化（y軸），其中空腔中聲波的壓力變化為頻率（如圖中x軸）的函數。於圖5A、5B及5C中，空腔的體積為20 μL。圖6A示出了圖2A繪示的於光譜帶100 Hz至1 kHz中空腔中聲波的振幅的相對變化的模擬結果，其中空腔中聲波的振幅的相對變化為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖6B示出了圖2A中所示的於光譜帶100 Hz至1 kHz中空腔中聲波的標準化平均振幅的模擬結果，其中空腔中聲波的正規化平均振幅為空腔的表露管長度（x軸-毫米）的函數，及表露管的直徑（y軸-微米）的函數。圖6C及6D示出了對於圖2A示意性示出的空腔的表露管且由圖2B所示的電路圖建模的各種配置，圖2A中空腔中聲波的振幅變化（y軸），其中空腔中聲波的振幅變化為頻率（x軸）的函數。於圖6A、6B、6C及6D中，空腔的體積為50 μL。圖7A、圖7B、圖7C、圖7D、圖7E、圖7F、圖7G及圖7H分別相似於圖3A、圖3B、圖4A、圖4B、圖5A、圖5B、圖6A及圖6B，但其管的長度範圍較大（於0 mm及20 mm之間變化）。圖7I對於圖2A示意性示出的空腔的表露管且由圖2B所示的電路圖建模的各種配置，示出了圖2A中空腔中聲波的振幅變化（y軸），其中空腔中聲波的振幅變化為頻率（x軸）的函數。於圖7I中，管的高度為19 mm而空腔的體積為50 μL。
1:光聲檢測裝置
2:介質
3:接觸面
4:分析物
5:外部空氣
10:光源
11:入射光波
12:光聲波
15:光學元件
15’:支架
16:容器
17:透明窗
20:空腔
21:密閉殼
22:第一孔徑
23:內牆
231:側牆
232:橫牆
25:聲傳聲道
26:開口管
28:聲波轉換器
30:空間
31:外殼
32:孔口
L:厚度
Φ:直徑

Claims (10)

  1. 一種光聲檢測裝置（1），旨在用於透過一接觸面（3）緊靠待測的一介質，該裝置包含：一空腔（20），表露於一第一孔徑（22）上，該第一孔徑（22）被製造為位於該接觸面中；一脈衝或振幅調變光源（10），用於在一發射頻譜帶（Δλ）中發射一入射光波（11）經由該空腔（20）至該第一孔徑；一聲波轉換器（28），連接於該空腔且用於偵測延伸過該空腔的一光聲波（12）；使得在該入射光波對該介質的光照作用下，該聲波轉換器偵測由加熱該介質（2）所製造的一聲波；其中：該空腔（20）的體積小於50 μL；該裝置包含一開口管（26）延伸於該空腔（20）及該空腔外部的空氣之間，且延伸長度包含在1至20 mm之間，該開口管為：當該空腔的體積小於或等於15μL，該開口管的直徑包含在150μm至300μm之間；當該空腔的體積包含在15μL至30μL之間，該開口管的直徑包含在200μm至350μm之間；且當該空腔的體積大於30μL，該開口管的直徑包含在250μm至500μm之間。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中：該空腔由一橫牆（231 ）及一側牆（232 ）所限界，該側牆延伸於該橫牆和該接觸面之間；該開口管由該橫牆或該側牆延伸出。
  3. 如請求項1或2任一項所述之裝置，更包含一聲傳通道（25），延伸於該聲波轉換器（28）及該空腔（20）之間。
  4. 如請求項1所述之裝置，更包含一光學元件（15），用於導引由該光源（10）所發射的該入射光波（11）至該第一孔徑（22）。
  5. 如請求項4所述之裝置，其中該光學元件為一反射器。
  6. 如請求項4所述之裝置，其中該光源為一雷射光源。
  7. 如請求項6所述之裝置，更包含一容器（16），由該接觸面（3）延伸至該光源（10），該容器用於將該介質輻射出的熱傳導至該光源。
  8. 如請求項7所述之裝置，其中該容器包含一熱傳導金屬，該熱傳導金屬為銅或鋁。
  9. 如請求項1所述之光聲檢測裝置，其中該空腔的體積小於20μL。
  10. 一種估算方法，用於估算該介質中一分析物的一濃度，包含下列步驟：（a）將根據前述任一請求項的該光學檢測裝置（1）靠在該介質（2）上，使得該接觸面（3）緊靠該介質；（b）啟動該光源（10），該光源以對應於該分析物的一吸收波長，發射在一啟動頻率或一調變頻率的脈衝或振幅調變的一入射光波；（c）在該入射光波的作用下，在與該光源的該啟動頻率相同的一聲頻下，偵測由該介質發射的該光聲波（12）；（d）測量該光聲波（12）的一振幅；以及（e）偵測該分析物的存在及/或從在步驟（d）中所量測得的該振幅估算該介質中該分析物的該濃度。
TW110110493A 2020-03-24 2021-03-24 光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法 TW202137937A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2002883 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
TW202137937A true TW202137937A (zh) 2021-10-16

Family

ID=70978176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110110493A TW202137937A (zh) 2020-03-24 2021-03-24 光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法

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
US20210302387A1 (en) 2021-09-30
KR20210119332A (ko) 2021-10-05
EP3885765B1 (fr) 2024-05-01
EP3885765A1 (fr) 2021-09-29
CN113447443A (zh) 2021-09-28
US11674931B2 (en) 2023-06-13
JP2021167808A (ja) 2021-10-21
FR3108725A1 (fr) 2021-10-01
FR3108725B1 (fr) 2022-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW202137937A (zh) 光聲檢測裝置及其估計介質中分析物濃度的方法
TW408219B (en) Method and apparatus for noninvasive measurement of blood glucose by photoacoustics
JP4104456B2 (ja) 光音響を調べること及びイメージングシステム
EP1346684B1 (en) Apparatus and method for non-invasively measuring bio-fluid concentrations by using photoacoustic spectroscopy
US7020506B2 (en) Method and system for non-invasive determination of blood-related parameters
US20100174197A1 (en) Biological information imaging apparatus
JP2001025465A (ja) 物質を検出する装置及び方法
JP2008544291A (ja) 光音響自由場検知器
CN104706363A (zh) 一种复合型光声无损动态血糖检测仪
Camou et al. Detection of aqueous glucose based on a cavity size-and optical-wavelength-independent continuous-wave photoacoustic technique
US11774347B2 (en) Photoacoustic detecting device comprising a protective membrane
Myllylä et al. Pulsed photoacoustic techniques and glucose determination in human blood and tissue
JP4773390B2 (ja) 成分濃度測定装置
JP2023183826A (ja) 生体分析装置
JPH01191040A (ja) 光音響測定装置
WO2020137515A1 (ja) 成分濃度測定装置
Thakur et al. Physics and techniques of photoacoustic spectroscopy of liquids
CN116067890A (zh) 一种光声光谱测声器及气体探测装置
JP2023509000A (ja) 光トランスデューサを備える光音響検出器又は光熱検出器
JP2020101480A (ja) 成分濃度測定装置
JPH09292327A (ja) 光音響セル
JP2002228577A (ja) 光音響セル