TW202229823A - 光學吸光度光譜儀、光學裝置及光學吸光度光譜測定之方法 - Google Patents

光學吸光度光譜儀、光學裝置及光學吸光度光譜測定之方法 Download PDF

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Abstract

一種光學吸光度光譜儀(100)，包括樣品箱(200)、光源(300)和光譜感測器(400)。樣品箱(200)包括至少兩個樣品池(201、202、203、204)，分別配置為容納樣品，並且包括光學波導(205)，其配置為引導來自輸入側(210)的光，通過樣品池到達輸出側(211)。光源(300)可操作以發射寬帶光並且連接到輸入側(210)以將發射的光耦合進入光學波導(205)。光譜感測器(400)連接到輸出側(211)並且可操作以接收來自光學波導(205)的光並偵測多個波長處的接收到的光的強度。

Description

光學吸光度光譜儀、光學裝置及光學吸光度光譜測定之方法
本揭露相關於一種光學吸光度光譜儀、光學裝置及光學吸光度光譜測定之方法。
本專利申請要求德國專利申請102020132726.9的優先權，其揭露內容以引用方式併入本文。
吸收光譜法通常使用於分析化學中，用於定量測定不同分析物。光譜分析通常利用放置在給定路徑長度的微量比色槽(mirco-cuvette)中的分析物來進行。普通的光學吸光光譜儀包括光源、比色槽支架、用於分離不同波長光的繞射元件、及偵測器。測量吸光度光譜允許確定各種參數，例如通過朗伯比爾定律(Lambert Beer law)確定濃度。然而，在常見的設置中，一種或多種分析物的多個參數需要相應數量的單次測量。或者，可以並行使用相應數量的光源及/或偵測器。因此，使用單個光源只能依序測量多個參數。多個參數的並行測量需要多個光源和偵測器。同時，每次 測量都受到比色槽之相應單元的路徑長度之限制。例如，四個不同的膽固醇參數可以通過四個單獨的模組來測量，其中每模組包括一個光學照明源、一個微量比色槽和一個光譜感測器。
本發明之目的在於提供一種光學吸光度光譜儀、一種光學裝置和一種光學吸光度光譜測定方法，以克服現有技術之不足。
這些目的通過獨立請求項的主題來實現。在從屬請求項中描述了進一步的發展和實施例。
應當理解的是，關於任何一個實施例描述的任何特徵可以單獨使用，或與本文描述的其他特徵結合使用，並且可以與任何其他實施例的一個或多個特徵結合使用，或任何其他實施例任何組合，除非被描述為替代。此外，在不脫離所附請求項中限定的吸光度光譜儀、光學裝置和吸光度光譜測定方法的範圍的情況下，也可以採用下文未描述的等效物和修改。
以下涉及光學吸光度光譜測定領域中的改進概念。改進的概念提出了一種光學吸光度光譜儀，該光譜儀包括具有兩個或更多樣品池的樣品箱。光學波導引導光通過樣品池，使得最終單個光源和單個光譜感測器能足以允許對多個參數進行光譜測定。
光學波導能實現為線性或圓形結構，其中樣品池能被依次被照射，例如通過連續添加或填充/清空每個樣品池。光學波導能實現為平行結構，其中樣品池能被平行照射，例如，使用分裂的光束。例如，所提出 的光學吸光度光譜儀能與確定填充/排空比色槽時間的微流體相結合。吸收光譜能使用組合光譜或微分光譜來計算。例如，能在專用ASIC或外部主機系統上計算吸收光譜。
光學波導允許不同的光徑耦合和微流體的時序。這為多參數應用提供了具有成本效益的解決方案。可以減少光源和/或光譜感測器的數量。除了微流體外，可能不存在移動部件。每個比色槽所需的體積(例如，1到2mm3)能小型化，同時仍然具有1到25mm或更長的光徑長度。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀包括樣品箱、光源和光譜感測器。樣品箱包括配置為分別容納樣品的至少兩個樣品池。此外，樣品箱包括具有輸入側和輸出側的光學波導。光源連接到輸入側，光譜感測器連接到輸出側。光學波導配置為將來自輸出側的光通過樣品池引導到輸出側。
在使用中，光源發射耦合進入光學波導中的寬帶光。借助光學波導，光被引導通過輸入側和輸出側之間的樣品池。然後通過光譜感測器從光學波導接收光，該光譜感測器可操作以偵測在多個波長處的接收到的光的強度。
光學波導將樣品池與光源和光譜感測器光學連接。這樣，由光源發射的光束能平行或串聯地通過幾個或所有樣品池。可以根據一個或多個樣品池中存在的樣品記錄透射光譜。事實上，吸光度光譜儀能與多種測量程序一起使用，例如確定填充和/或清空樣品池的時間之測量程序。這些測量程序允許分離單獨的光譜或組合光譜以導出多個參數，例如特定樣 品中樣品的濃度。此外，由於光學波導，一個或多個樣品池能共享光源或光譜感測器。
樣品箱包含樣品池，能用作體積約為1至2μl的微量比色槽。然而，由於光學波導，光譜透射或吸光度能以光徑長度仍然能在1到25mm範圍內的方式測量。樣品池(或微量比色槽)的數量僅受手頭上應用的限制。如果在下文中，描述涉及四個樣品池，則這僅旨在作為示例，但決不能將其視為對所提出概念的限制。
所提出的概念的一些優點包括多個樣品池(或微量比色槽)能佈置成以一種成本有效的方式單獨測量和確定每個樣品的吸光度，最終只有一個光源和一個光譜感測器。這允許將光譜儀設置為沒有可移動機械部件的一次性組件，在此可更換樣品箱和/或偵測器系統(光源和/或感測器)。一個應用領域涉及定點照護(point-of-care)設備的生物診斷。測量例如吸光度中的四個膽固醇參數，使用者能簡單地採取四次單一的吸光度定點照護(absorbance point of care，Abso PoC)模組來做到這一點。然而，也能組合測量其他參數。該應用程序不僅能用於醫療PoC，還能用於環境和獸醫診斷。還能設想用於化學和生物學的一般領域，如食品質量等。
光學吸光度光譜儀允許傳導吸收光譜法或光譜測定。例如，光譜感測器偵測多個波長處的接收到之光的強度。偵測是通過一個或多個樣品池(例如裝滿樣品的樣品池)的光透射的結果。透射被偵測為波長的函數，其能表示為光譜，例如透射(transmission)、吸收(absorption)或吸光度(absorbance)光譜。吸光度或光譜吸光度是通過材料的入射(incident)光譜 輻射功率與透射(transmitted)光譜輻射功率之比的常用對數。吸光度是無因次(dimensionless)的量度，並且作為光程長度的函數單調增加。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀包括單個光源。最終，光學波導能佈置成使得單個光源能足以使用至少兩個或更多樣品池進行多個參數的光譜測量。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀包括單個光譜感測器。最終，光學波導能佈置成使得單個光譜感測器能足以使用至少兩個或更多樣品池進行多個參數的光譜測量。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀還包括一個或多個反射器，其被配置為反射光，使得光多次穿過樣品池。反射器允許延長樣品池的光程長度，例如到1至25毫米的範圍。此能增加含有衰減物質的樣品的光學衰減。例如，此允許測量高度稀釋的樣品或如果樣品沒有反射器則不會顯示可偵測吸光度的樣品。反之，反射器能減小樣品池的尺寸，最終實現緊湊的設計，例如用於移動應用，或允許在給定空間中高密度樣品池的設計。
在至少一個實施例中，光源配置為提供一束發射的寬帶光。光束從輸入側沿著光學波導傳播，通過一個或多個樣品池，到達輸出側。寬帶光允許在大光譜範圍內激發樣品，例如在可見光、紫外/可見光和/或紅外光中。這些術語與電磁光譜的可見(vis)、紫外(UV)和紅外(IR)範圍相關。然而，如果只測量一個特定的樣品，那麼光源的光譜範圍可能會被限制在一個較小的激發波長範圍內，甚至是單一線。可能的光源包括發光二極體、雷射二極體(例如VCSEL激光器)和其他類型的激光器、白熾光源或 光譜學中已知的其他光源。然而，光學吸光度光譜儀能與適合於集成在半導體工藝中的光源一起使用，以實現緊湊且具有成本效益的製造。
在至少一個實施例中，光源和反射器配置成使得光束在光束沿著樣品池行進時多次穿過樣品池。光束能在進入另一個樣品池之前多次穿過給定的樣品池。此外，或可替代地，光束能在另一次行進相同的樣品池之前從一個樣品池行進到另一個樣品池。在這兩種情況下，都能增加光程長度。
在至少一個實施例中，光學波導配置為將光束分成部分光束。每個部分光束穿過一個專用的樣品池。借助光學波導能將光分成部分光束。例如，可能存在需要不止一個光源或單個光譜感測器的情況。通過將光束分裂(例如通過光學波導的專用的部分)，能接收或引導來自光源或光譜感測器的光束。
在至少一個實施例中，光束穿過所有樣品池。可能存在光學波導提供將光源(或多個光源)與光譜感測器(或多個光譜感測器)光學連接之光徑，以使光束以平行地或順序地穿過所有樣品池，而非分裂光束的情況。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀還包括微流體系統，該微流體系統可操作以利用樣品物質填充和清空樣品池。微流體系統能確定填充和排空一個或多個樣品池的時間。例如，能在填充一個樣品池並將剩餘的樣品池留空後記錄光譜。
藉由先清空所述填充的樣品池並填充下一個樣品池，或藉由使所述樣品池充滿並繼續填充另一個樣品池，可測量不同的樣品池和液體 /氣體。微流體能確定比色槽填充和排空的時間。流體控制可以是帶有閥門的主動式或帶有微流體保持室的被動式(毛細管)。預設開始條件可以是先測量空樣品池以及每個光源和/或光譜感測器的響應。每個組合可能是已知的並且能用於吸光度計算。
在至少一個實施例中，光學吸光度光譜儀還包括積體電路，該積體電路可操作以控制光源、微流體系統和/或光譜感測器的操作。控制能由微流體系統觸發，例如通過接收來自微流體系統的啟動信號或通過偵測微流體系統的操作，例如通過光學、電容或任何其他偵測手段。
然後，積體電路啟動並控制光源和光譜感測器以執行測量工作流程。積體電路能包括電子元件以控制光源和/或光譜感測器和/或微流體系統的操作。積體電路能包括微處理器或ASIC以允許操作控制。微處理器或ASIC可用於對記錄的光譜進行計算，例如光譜。取差分來獲得差分光譜等。集成能例如使用CMOS後端技術或使用封裝技術在半導體晶片上形成系統來實現。此外，光學吸光度光譜儀能與微流體匣一起集成在一個封裝中。
在至少一個實施例中，樣品池的體積小於10μl。例如，樣品池的體積約為1到2μl。在至少一個實施例中，光學波導包括光管和/或光纖結構。光管能具有反射的內表面，例如塗層或金屬化反射壁，以增加反射率和訊噪比。
在至少一個實施例中，光學裝置包括根據上述一個或多個方面的光學吸光度光譜儀。此外，光學裝置包括主機系統，其中主機系統包括移動裝置、一次性系統或實驗室測量裝置、需求點(point-of-need)系統或 任何能將測量結果傳輸到移動電話的系統，PC、筆記本電腦、平板電腦或手錶。
在至少一個實施例中，一種光學吸光度光譜測定之方法包括以下步驟。首先，在樣品箱的至少兩個樣品池中提供樣品。樣品箱包括光學波導。而後，寬帶光從光學波導的輸入側通過樣品池被引導到光學波導的輸出側。最後，在光激發樣品池中的樣品後，在多個波長處偵測穿過波導的光的強度。
在至少一個實施例中，通過順序地或平行地填充和/或清空樣品池來提供樣品。根據偵測到的多個波長處的光的強度計算吸光度光譜。
該方法的進一步實施很容易從光學吸光度光譜儀和光學裝置的各種實施和實施例中得到，反之亦然。
示例實施例之附圖的如下描述能進一步說明和解釋改進概念的態樣。具有相同結構和相同作用的組件和部件分別以等效的參考符號出現。只要部件和部件在不同附圖中的功能相互對應，則不一定對以下各附圖重複其描述。
100:光學吸光度光譜儀
200:樣品箱
201~204:樣品池
205:光學波導
206~209:(光學波導的)部分
210:輸入側
211:輸出側
212:載體
213:主軸
214:反射器
215:反射器
216:表面
217:表面
218:第一安裝位點
219:第二安裝位點
226~229:(光學波導的)部分
300~303:光源
400~403:光譜感測器
於圖式中：
圖1顯示光學吸光度光譜儀的示例實施例，
圖2顯示光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例，
圖3顯示光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例，
圖4顯示光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例，以及
圖5顯示光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例。
圖1顯示了光學吸光度光譜儀的示例實施例。光學吸光度光譜儀100包括樣品箱200、光源300和光譜感測器400。
光源300發射寬帶光，例如在大約400nm到大約850nm(vis)的範圍內。發光還能延伸到紅外(IR)或近紅外(NIR)光，例如780至1400nm或進入波長小於400nm之紫外線(UV)。例如，光源能實現為寬帶發光二極體或雷射二極體。能使用其他光源，例如白熾燈或任何其他適用於光譜學的光源，並且能例如在至少300nm(或至少400nm)的波長範圍內發射光。
光譜感測器400偵測接收到的多個波長處的光的強度。例如，光譜感測器包括光電二極體陣列或其他類型的光敏組件。陣列的每個光電二極體都輔以一個定義通帶的光譜濾波器。光譜過濾器只允許特定波長或波長範圍的光通過其相應的光電二極體。例如，每個光譜濾波器具有不同的通帶，其與陣列中的任何其他光譜濾波器可能只有很小的光譜重疊或沒有光譜重疊。這允許高光譜解析度，並且不需要諸如光柵或稜鏡之類的色散元件來實現光譜分離。在另一個示例中，能為成對或成組的光電二極體提供相同的光譜濾光器，因此陣列能感測到許多不同的波長。這允許對每個偵測到的波長獲得的訊號進行平均，並提供改進的訊噪比。
樣品箱200包括至少兩個樣品池。在此實施例中，樣品箱包括四個樣品池201、202、203、204，作為示例。樣品池配置為容納樣品， 例如要測量的液體或氣體。樣品箱還包括光學波導205，例如光管和/或光纖結構。光學波導包括輸入側210和輸出側211。輸入側與光源300光學連接而輸出側與光譜感測器400光學連接。術語「光學連接(optically connected)」表示光可以耦合進入光學波導(通過輸入側)或耦合離開光學波導(通過輸出側)。光源和光譜感測器能簡單地放置在輸入和輸出側的前面，以將光耦合進入和耦合離開光學波導。然而，能使用附加的耦合光學器件(例如，透鏡、反射鏡、稜鏡等，未示出)來提高耦合效率。
光源和光譜感測器能設置在共同的半導體基板上，或能設置在不同的半導體基板上。能使用光學透明黏合劑將光源和光譜感測器固定到輸入側和輸出側，或者固定到耦合光學器件(如果存在)。
在此實施例中，輸入側210的光學波導205被分割成光學分離的部分。在此實施例中，作為示例，光學波導包括四個部分206、207、208、209。術語「光學分離(optically separated)」表示光可以沿著一個部分傳播，而不影響光波學導之其他的部分(如通過光學串擾)。光學波導能被黑色模具包圍以增加光學分離。通過其輸入側進入光學波導的一束光被分成部分光束。在這個例子中，一束光被分成四個部分的光束。
光學分離的部分展開且每個部分係與各自的樣品池光學連接。在此實施例中，作為示例，第一部分206光學連接到第一樣品池201。第二部分207光學連接到第二樣品池202。第三部分207光學連接到第三樣品池203。第四部分208光學連接到第四樣品池204。
輸出側211與樣品池光學連接。在此實施例中，作為示例，輸出側211沒有被進一步分割，因此配置為接收已經通過任何樣品池的任 何光束。然而，輸出側211能被分割成光學分離的部分，類似於輸入側的部分。例如，通過此種方式，專用的部分能引導通過相應樣品池的光束朝向光譜感測器。
在使用中，一個或多個樣品池容納樣品。下面將更詳細地討論光學吸光度光譜測定的方法之可能順序。基本上，光源300提供一束發射的寬帶光束，該光束通過輸入側210耦合進入光學波導205。光束被在光學波導的輸入側之部分206、207、208和209分成部分光束。。每個部分光束穿過一個專用的樣品池201、202、203和204。在通過樣品池之後，部分光束通過輸出側211被收集並被引導出光學波導。光束耦合離開光學波導且光最終被光譜感測器400接收。接收到的光或接收到的光束的強度在多個波長處被偵測。
光學吸光度光譜儀包括單個光源和單個光譜感測器。然而，光譜儀允許平行地或順序地測量多個樣品並從記錄的光譜中導出多個相關參數。例如，為了測量吸光度中的四個膽固醇參數，可以簡單地採取四次單個樣品池來完成這項工作。在現有技術的單管比色槽模組中，這需要一個光學照明源和一個光譜感測器，但需要取四次。這將使物料成本的支出乘以四倍。此可能為成本上的嚴重缺陷，且在大規模測試中可能不被接受。本實施例的光學吸光度光譜儀僅使用單個光源用於光學照明和單個光譜感測器用於偵測穿透光譜(transmission spectra)。樣品池有效地平行放置，並且能一個接一個地填充和排空，例如由微流體控制。藉由獲取差分光譜，能計算每個樣品池(即每個通道)的透射光譜和吸光度。入射到光譜感測器 的光強度取決於光源發出的光強度和样品的吸光度。由於樣品在不同波長處具有不同的吸光度，因此在不同波長處能看到不同的光強度。
關於圖1討論之光學吸光度光譜儀的實施允許建立光學吸光度光譜測定之方法的以下工作流程。由於所討論之樣品箱的設計，能假設光在通道上的分佈是已知的。
[工作流程1]
1.清空樣品池(如果尚未清空)。
2.測量所有空的樣品池的光透射。
3.將各自的透射光譜存儲為參考光譜。
4.用第一個樣品填充第一個樣品池。
5.測量所有樣品池的光透射。
6.將光透射存儲為第一透射光譜。
7.使用第一透射光譜和參考光譜計算第一個樣品池的吸光度。
8.用第二個樣品填充第二個樣品池。
9.測量所有樣品池的光透射。
10.將光透射存儲為第二透射光譜。
11.使用第一和第二透射光譜以及參考光譜計算第二個樣品池的吸光度。
12.用第三個樣品填充第三個樣品池。
13.測量所有樣品池的光透射。
14.將光透射存儲為第三透射光譜。
15.使用第一、第二和第三透射光譜和參考光譜計算第三個樣品池的吸光度。
16.用第四個樣品填充第四個樣品池。
17.測量所有樣品池的光透射。
18.將光透射存儲為第四透射光譜。
19.使用第一、第二、第三和第四透射光譜和參考光譜計算第四個樣品池的吸光度。
20.完成。
工作流程1依賴於陸續添加到樣品池中的樣品。因此，測量到的光透射將隨著各個樣品的貢獻而陸續增加。因此，第一透射光譜將僅顯示第一個樣品的吸光度。然而，第二透射光譜將顯示來自第一個和第二個樣品的吸光度。第二個樣品的吸光度能通過從第一和第二透射光譜中獲取差異來計算。此概念能通用到樣品箱中的所有樣品池和樣品。事實上，任意數量之等於或大於2的樣品池皆能以此實現，並能根據工作流程1計算相應的吸光度。
然而，光學吸光度光譜儀不限於一種工作流程。例如，以下工作流程2也能與相同的光譜儀一起使用。
[工作流程2]
1.清空樣品池(如果尚未清空)。
2.測量所有空的樣品池的光透射率。
3.將各自的透射光譜存儲為參考光譜。
4.用第一個樣品填充第一個樣品池。
5.測量所有樣品池的光透射。
6.將光透射存儲為第一透射光譜。
7.使用第一透射光譜和參考光譜計算第一個樣品池的吸光度。
8.清空第一個樣品池。
9.用第二個樣品填充第二個樣品池。
10.測量所有樣品池的光透射。
11.將光透射存儲為第二透射光譜。
12.使用第二透射光譜和參考光譜計算第二個樣品池的吸光度。
13.清空第二個樣品池。
14.用第三個樣品填充第三個樣品池。
15.測量所有樣品池的光透射。
16.將光透射存儲為第三透射光譜。
17.使用第三透射光譜和參考光譜計算第三個樣品池的吸光度。
18.清空第三個樣品池。
19.用第四個樣品填充第四個樣品池。
20.測量所有樣品池的光透射。
21.將光透射存儲為第四透射光譜。
22.使用第四透射光譜和參考光譜計算第四個樣品池的吸光度。
23.清空第四個樣品池(若為一次性使用則不需要)。
24.完成。
工作流程2依賴於陸續添加到樣品池中樣品。然而，在計算給定樣品的吸光度後，樣品池將被清空。因此，測量到的光透射不會隨著 相應樣品的貢獻而陸續增加。相反地，一次僅一個樣品的光透射被用於計算吸光度。此概念能通用到樣品箱中的所有樣品池和樣品。事實上，任意數量的等於或大於2的樣品池皆能以此實現，並能根據工作流程2計算相應的吸光度。
術語「使用第X、第Y和第Z透射光譜計算第Z個樣品池的吸光度」係認作多種數學運算的佔位符。例如，該計算能涉及幾個光譜之差異或在先前步驟中已計算的中間光譜之差異。參考光譜能作為參考，但亦能省略。
上述工作流程能通過微流體系統來輔助，該系統用樣品物質填充和清空樣品池。這些能是光譜儀的一部分或作為光譜儀主機系統的光學設備，例如移動裝置或實驗室測量裝置等。光學吸光度光譜儀或樣品箱能為一次性組件，其允許成本有效的光譜，因為樣品箱和/或光源和光譜感測器能大規模製造。
此外，光學吸光度光譜儀能實現為積體電路，其包括用於控制光源、和/或光譜感測器，或甚至微流體系統的操作之電子元件，或者能通過任何方式(例如光學，液體/氣體流量的電容偵測)來感測微流體系統的操作並觸發其操作，即啟動和執行測量工作流程。積體電路能包括微處理器或ASIC以允許操作控制。流體控制可以是帶有閥門的主動式或帶有微流體保持室的被動式(毛細管)。預設開始條件可以是先測量空樣品池以及每個光學照明器和/或光譜感測器的響應。能保存每個組合並用於吸光度計算。例如，能使用CMOS後端技術或使用封裝技術在半導體晶片上形成系 統來實現集成。例如，被視為通道(例如膽固醇的4個通道)的不同光學波導和比色槽系統藉由黑色模具而光學隔離。
至少部分光學吸光度光譜儀能實現為光子積體電路。例如，光進入和離開光學波導的耦合能通過諸如光柵耦合器的光子組件來建立。例如，光學波導能實現為波導光柵。此能進一步簡化光學吸光度光譜儀的設計複雜度，緊湊的外形尺寸，和進一步降低成本。這尤其能將這些系統用於大規模多參數測試中的一次性使用。
此外，樣品箱能基於載體212來實施。例如，光學波導能佈置在所述載體上或者能是載體的組成部分。因此，樣品箱能被認為是光學波導的一部分或包括光學波導。換言之，樣品池還能用作光學波導的輸入或輸出側，其中一個或多個光源和/或一個或多個光譜感測器連接到樣品池。樣品箱防止光通道之間的光串擾。
圖2顯示了光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例。光學吸光度光譜儀100包括樣品箱200、光源300、301、302、303和光譜感測器400。圖2的實施例是一種設計替代方案，並且在輸入側210的實施方式方面不同於圖1的實施例。
光學波導205的輸入側包括多個部分，其對應於樣品池的數量。在該示例中，光學波導包括四個部分206、207、208、209，它們將四個光源300、301、302和303光學連接到四個樣品池201、202、203和204。這些部分能與樣品池分開，如配置為將光源與樣品池光學連接的中間裝置。例如，它們也能通過耦合光學器件或通過光學透明黏合劑來實現。然而，樣品池能直接連接到光源，因此能充當光學波導的輸入側。
圖2替代設計依賴於四個光源，每個部分或樣品池一個光源，而非圖1中實現的單個光源。
在使用中，一個或多個樣品池容納樣品。下面將更詳細地討論光學吸光度光譜測定之方法的可能順序。基本上，光源300、301、302和303的每一個都提供一束發射的寬帶光，其耦合進入光學波導205的數個部分。光束由這些部分引導並且行進通過專用的一個樣品池，這些樣品池在光學隔離模具中彼此隔離。在通過樣品池之後，這些光束通過輸出側211被收集並且被引導離開光學波導。光束耦合離開光學波導並且光最終被光譜感測器400接收。接收到的光或接收到的光束的強度在多個波長處被偵測。
關於圖2討論之光學吸光度光譜儀的實施允許建立光學吸光度光譜測定之方法的如下工作流程。
[工作流程3]
1.在所有樣品池為空(或充滿已知溶劑，例如用於製備待測樣品的溶劑)的情況下，首先測量空的(或如此製備的)樣品池的透射光的強度。
2.用第一個樣品填充第一個樣品池。
3.在第一個光源打開和其他光源關閉的情況下，測量第一個樣品池的光透射。
4.存儲所測量之透射，例如作為第一透射光譜。
5.用第二個樣品填充第二個樣品池。
6.在第二個光源打開且其他光源關閉的情況下，測量第二個樣品池的光透射。
7.存儲所測量之透射，例如作為第二透射光譜。
8.用第三個樣品填充第三個樣品池。
9.在第三個光源打開和其他光源關閉的情況下，測量第三個樣品池的光透射。
10.存儲所測量之透射，例如作為第三透射光譜。
11.用第四個樣品填充第四個樣品池。
12.在第四個光源打開和其他光源關閉的情況下，測量第四個樣品池的光透射。
13.存儲所測量之透射，例如作為第四透射光譜。
14.根據存儲的所存儲之測量到的透射，計算吸光度。
15.完成。
在工作流程3的替代方案中，能一起填充所有樣品池。然後執行步驟3和4、6和7、9和10、12和13。最後，根據存儲的所測量之透射(或透射光譜)計算吸光度。替代方案亦能與工作流程3的步驟1到15結合使用。
關於工作之順序有數種可能的選擇：如通過在填充之前測量空樣品並再次測量。
圖3顯示了光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例。光學吸光度光譜儀100包括樣品箱200、光源300和光譜感測器400、401、402、403。圖3的實施例是另一種設計替代方案，並且在輸出側211的實施方式方面不同於圖1的實施例。
輸入側以與圖1中相同的方式實現。因此，光學波導205的輸入側包括多個部分，這些部分對應於樣品池的數量。在該示例中，光學波導包括四個部分206、207、208、209，它們將光源300光學連接到樣品池201、202、203和204。
光學波導205的輸出側包括多個部分，它們對應於樣品池。在該示例中，有四個部分226、227、228、229，它們將四個樣品池201、202、203和204與四個光譜感測器400、401、402和403光學連接。這些部分能與樣品池分離，如配置為將光譜感測器與樣品池光學連接的中間裝置。例如，此能通過耦合光學器件或通過光學透明黏合劑來實現。然而，樣品池能直接連接到光譜感測器，因此能充當光學波導的輸出側。
圖3的替代設計依賴於四個光譜感測器，每個部分或樣品池一個光譜感測器，而非圖1中的單個光譜感測器。
在使用中，一個或多個樣品池容納樣品。下面將更詳細地討論光學吸光度光譜測定之方法的可能順序。基本上，光源300提供一束發射的寬帶光束，該光束耦合進入光學波導205的數個部分。光束被分成數個部分光束，這些部分光束由這些部分引導並穿過一個專用的樣品池。在通過樣品池之後，光束被引導，彼此光學隔離，離開光學波導，並最終被光譜感測器400、401、402和403接收。接收到的光或接收到之光束的強度，係於多個波長下偵測。
關於圖3討論之光學吸光度光譜儀的實施允許建立光學吸光度光譜測定之方法的以下工作流程。
[工作流程4]
1.清空所有樣品池(或填充已知溶劑，例如用於製備待測樣品的溶劑)。
2.準備好所有樣品池後，使用光譜感測器測量一組透射光譜。將該組存儲為參考透射。
3.在第一個光譜感測器打開和其他光譜感測器關閉的情況下測量第一個樣品池的光透射。將測量的透射存儲為第一參考透射光譜。
4.在第二個光譜感測器打開且其他光譜感測器關閉的情況下測量第二個樣品池的光透射。將測量的透射存儲為第二參考透射光譜。
5.在第三個光譜感測器打開和其他光譜感測器關閉的情況下測量第三個樣品池的透射。將測量的透射存儲為第三參考透射光譜。
6.在第四個光譜感測器打開且其他光譜感測器關閉的情況下，測量第四個樣品池的透射。將測量的透射存儲為第四參考透射光譜。
7.用樣品填充所有樣品池。
8.在第一個光譜感測器打開而其他光譜感測器關閉的情況下，測量第一個樣品池的光透射。將測量的透射存儲為第一透射光譜。
9.在第二個光譜感測器打開且其他光譜感測器關閉的情況下測量第二個樣品池的光透射。將測量的透射存儲為第二透射光譜。
10.在第三個光譜感測器打開和其他光譜感測器關閉的情況下測量第三個樣品池的透射。將測量的透射存儲為第三透射光譜。
11.在第四個光譜感測器打開和其他光譜感測器關閉的情況下測量第四個樣品池的透射。將測量的透射存儲為第四透射光譜。
12.分別使用存儲的參考透射光譜作為參考，從存儲的透射光譜計算吸光度。
13.完成。
該光譜感測器不需要被「關閉」，即不主動進行測量。例如，如果通道具有良好的光學隔離，則光譜感測器能同時進行測量。此外，在執行程序步驟的順序上有一些可能的替代方案，例如通過在填充樣品池之前測量空樣品池並再次測量。
圖4顯示了光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例。光學吸光度光譜儀100包括樣品箱200、光源300和光譜感測器400。這種設計能被認為是使用單個光源和單個光譜感測器的圖1的替代方案。
樣品箱200包括載體，該載體包括光學波導205。載體由光學透明材料製成，且能至少在一些外表面處是光學不透明的以防止任何光學串擾進入載體。樣品池沿主軸線213佈置在載體中。
輸入側210包括用於附接光源300的第一安裝位點218。第一安裝位點配置為將由光源發射的光束引導並耦合進入光學波導(或載體)，並將所述光束引向第一個樣品池。
載體進一步包括沿著第一和第二表面216、217佈置的多個反射器214、215。第一和第二表面基本上平行於主軸線213並且彼此相對。反射器214、215配置為反射光，使得光多次穿過樣品池。
輸出側211包括用於附接光譜感測器400的第二安裝位點219。第二安裝位點配置為將光束耦合離開光學波導(或載體)，例如從最後一個反射器接收，並引導所述光束朝向光譜感測器。
反射器能以多種方式實現。例如，該圖將反射器描繪為之或Z字形(zigzags)。這樣，反射器起到「鏡子」的作用，引導光束通過光學波 導。反射器能塗有反射材料以增加反射率。此外，感測器外殼和/或光學波導的材料，例如，包括被視為「內部」介質的反射器，其折射率可能高於「外部」介質(在正常操作條件下為空氣)。反射器佈置成包括相對於彼此的角度以產生全反射。在一些實施例中，除了光束轉向之外，反射器還能具有附加的光學特性。例如，反射器能具有在穿過光學波導時形成光束的形狀。這樣能減少光束發散或使光束被准直。例如，反射器是凹面的或拋物面的。通過反射器，光束在光學波導內多次反射。這種設計被認為是圓形設計。
在使用中，一個或多個樣品池容納樣品。下面將更詳細地討論光學吸光度光譜測定之方法的可能順序。基本上，光源300提供一束發射的寬帶光束，該光束通過輸入側210耦合進入光學波導205。光束被引導到光學波導中並通過第一樣品池。事實上，光束不像在其他實施例中那樣被數個部分分割成數個部分光束。在通過第一樣品池之後，光束被引導至第一反射器。光束被所述第一反射器反射並再次穿過第一樣品池朝向第二反射器行進，在第二反射器處再次反射光束。這樣，光束在第一個樣品池內多次反射。與第一個樣品池相關的最後一個反射器接著反射並引導光束穿過第二個樣品池，在第二個樣品池中，光束再次多次反射通過池體積。這適用於所有樣品池及其相應的反射器，直到光束最終到達最後一個反射器，該反射器配置為將所述光束導向位於第二安裝位點219處的光譜感測器。光束通過輸出側211收集並引導射離開光學波導，即光束耦合離開光學波導並且光最終被光譜感測器400接收。偵測在多個波長處的接收到的光或接收到的光束的強度。
圖5顯示了光學吸光度光譜儀的另一個示例實施例。光學吸光度光譜儀100包括樣品箱200、光源300和光譜感測器400。這種設計能被認為是使用單個光源和單個光譜感測器的圖1的替代方案。
樣品池沿主軸線213排列以形成樣品池條帶。這種設計能被認為是線性的。光學波導也沿主軸佈置。輸入側210與光源300光學連接。輸出側211與光譜感測器400光學連接。樣品池通過光學波導，即通過中間部分，彼此光學連接。這樣就有一條直接的光徑(或線性光徑)連接光源、輸入側、樣品池、輸出側和光譜感測器。
除了樣品池以線性方式排列之外，它們還能捲或折疊，並且光束在反射器的幫助下通過樣品池。光學波導也能是由反射器圍繞的中空光纖或中空光管。一般來說，樣品池(或比色槽)能在一個平面上，但也能在不同的平面上，例如構建在彼此之上。因此，例如，折疊的中空管相交於數個層。
在使用中，一個或多個樣品池容納樣品。下面將更詳細地討論光學吸光度光譜測定之方法的可能順序。基本上，光源300提供一束發射的寬帶光束，該光束通過輸入側210耦合進入光學波導205。光束通過樣品池並通過輸出側211被收集並被引導離開光學波導。光束耦合離開光學波導並且光最終被光譜感測器400接收。接收到的光或接收到的光束的強度在多個波長處被偵測。此實現方式是對圖1和圖4討論的替代方案，並且也僅依賴於單個光源和單個光譜感測器，同時能夠平行地或順序地測量多個樣品池。
關於圖4或5討論之光學吸光度光譜儀的實施允許建立光學吸光度光譜測定之方法的以下工作流程。
[工作流程5]
1.測量所有樣品池的光透射，空的(或充滿已知溶劑，例如用於製備待測樣品的溶劑)。
2.用第一個樣品填充第一個樣品池。
3.測量所有樣品池的光透射。
4.存儲所測量之透射，例如作為第一透射光譜。
5.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
6.用樣品填充第二個樣品池。
7.測量所有樣品池的光透射。
8.存儲所測量之透射，例如作為第二透射光譜。
9.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
10.用樣品填充第三個樣品池。
11.測量所有樣品池的光透射。
12.存儲所測量之透射，例如作為第三透射光譜。
13.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
14.用樣品填充第四個樣品池。
15.測量所有樣品池的光透射。
16.存儲所測量之透射，例如作為第四透射光譜。
17.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
18.完成。
在此工作流程中，隨著過程進展，樣品被添加到樣品池中。因此，樣品的貢獻增加。例如，在步驟7中，所有樣品池的測量光透射具有第一和第二個樣品池的貢獻，因此，存儲的測量透射也是如此，例如第二透射光譜。為了計算吸光度，能將貢獻分離(如藉由基於第一和第二透射光譜的差異)。這個想法能相應地通用到其他樣品池。也能基於所有樣品池為空的情況下針對參考光譜校正所得光譜。
另一種工作流程可能包括以下步驟(註：填充順序可以自由選擇)：
[工作流程6]
1.測量所有樣品池的光透射，空的(或充滿已知溶劑，例如用於製備待測樣品的溶劑)。
2.用第一個樣品填充第一個樣品池。
3.測量所有樣品池的光透射。
4.存儲所測量之透射，例如作為第一透射光譜。
5.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
6.清空第一個樣品池。
7.用樣品填充第二個樣品池。
8.測量所有樣品池的光透射。
9.存儲所測量之透射，例如作為第二透射光譜。
10.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
11.清空第二個樣品池。
12.用樣品填充第三個樣品池。
13.測量所有樣品池的光透射。
14.存儲所測量之透射，例如作為第三透射光譜。
15.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
16.清空第三個樣品池。
17.用樣品填充第四個樣品池。
18.測量所有樣品池的光透射。
19.存儲所測量之透射，例如作為第四透射頻譜。
20.使用存儲的透射光譜計算第一個樣品的吸光度。
21.清空第四個樣品池(若為一次性使用則不需要)。
22.完成。
此種替代工作流程提高了獲取差分光譜的需求。由於中間排空，樣品的貢獻不會增加，並且記錄的透射光譜僅指示當時測量的樣品。
雖然本說明書包含許多細節，但這些不應被解釋為對本發明的範圍或可要求保護的內容的限制，而是對本發明的特定實施例特有的特徵的描述。在本說明書中在單獨實施例的上下文中描述的某些特徵也可以在單個實施例中組合實施。相反，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵也可以在多個實施例中單獨或以任何合適的子組合來實施。此外，儘管特徵可以在上面描述為在某些組合中起作用並且甚至最初如此要求保護，但是在某些情況下可以從要求保護的組合中去除一個或多個特徵，並且要求保護的組合可以針對子組合或子組合的變體。
類似地，雖然在附圖中以特定順序描繪了操作，但這不應被理解為要求這些操作以所示的特定順序或按順序執行，或者所有所示的操 作都被執行以獲得期望的結果。在某些情況下，多任務和並行處理可能是有利的。
本文已描述多種實現方式。然而，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種修改。因此，其他的實現方式也在本申請請求項的範圍內。以下態樣能指示關於附圖所討論的實施例的可能變化或修改的示例。
例如，對於所有樣品池，樣品池的體積能基本相同。上文中的術語「樣品池」旨在表示適合在使用中容納樣品(如液體或氣體)的體積。
一個或多個光源能固定在特定波長，光譜感測器能偵測任何波長的光子。例如，此能用於偵測在特定波長處吸收的特定已知分子。例如，光譜感測器能是單光子雪崩光電二極體。
一個或多個光源可調諧到所需波長(例如，能為可調諧LED或固態激光器、可調諧VCLSEL激光器)，並且光譜感測器能偵測任何波長的光子。光譜感測器例如能是單光子雪崩光電二極體。
由光源提供的光束可以為連續的。然而，光束能被調製(如使用聲光調製器或通過調製提供給光源的電流)。光束的調製能提高由光學吸光度光譜儀提供的訊噪比，例如通過鎖相偵測。
根據所提出概念的光學吸光度光譜儀能用於多種應用，包括分析化學或醫學樣品的感測，例如來自人或動物身體的液體樣品。其他應用涉及環境感測，例如河水、池塘水、海水或飲用水，或食品或飲料生產中的採樣。另一個應用涉及家庭測量，例如游泳池中的水或一般的水質。
所提出的光學吸光度光譜儀能在足夠低的功率下運行以使用一個或多個電池(例如傳統電池)供電。吸光度光譜儀的實施例能足夠小以至於它們能由用戶攜帶。吸光度光譜儀的實施例能足夠小，以至於它們可以被用戶佩戴(例如，在腕帶上)。
吸光度光譜儀的實施例能為一次性的(如包括光源和/或光譜感測器)。然而，在一些實施例中，只有樣品箱能是一次性的。在這種情況下，光源和/或光譜感測器能作為專用模組提供(例如，可將光源和感測器外殼安裝在樣品箱上。此能確保光源和感測器與樣品箱對齊)。
在某些情況下，在樣品能被使用之前，能對樣品進行一些分離步驟的純化。在這種情況下，可用樣品的量可能在所獲得樣品的五分之一和十分之一之間。本發明的實施例對於在這種情況下所獲得之較少的初始樣品能有效地運用。
提供在光譜感測器上的濾波器能被配置為偵測特定期望波長(例如已知被感興趣分子吸收的波長)的光。所討論的4x4光電二極體陣列的示例應僅視為示例。光譜感測器能具有另一種配置，例如能具有4個或更多光電二極體，16個或更多光電二極體，例如64個或更多光電二極體。通常，感測器能具有多個光電二極體或任何其他類型的光感測器。光電二極體或光感測器能被配置為偵測不同波長的光(例如，通過在光電二極體或光感測器上提供濾光片)。
在上述實施例中，能使用光圈或耦合光學器件(未示出)將來自光源的光輸出轉換成光束。這是提供光束的低成本方式。然而，能使用任何其他合適的波束形成元件，例如透鏡、狹縫或針孔。
光學吸光度光譜儀能包括處理器，例如微處理器和存儲器。記憶體能配置為存儲從光譜感測器接收的輸出值。處理器能配置為分析存儲的輸出值並識別透射中的峰值，該峰值指示存在感興趣的分子。
工作流程能通過光學吸光度光譜儀的校準來補充。例如，能從光源發射光並且存儲來自光譜感測器的輸出值，例如在樣品池中使用已知的校準物質。此後，能引入樣品並根據上述工作流程之一執行吸光度光譜測量，同時考慮校準期間獲得的輸出值。
如果樣品箱可自光學吸光度光譜儀之其他部件移除，則可以使用替代校準。存有參考溶液(例如緩衝溶液)的樣品箱可用於獲得輸出值。而後能移除該樣品箱並用存有待分析樣品的樣品箱替換。同樣地，吸光度光譜測量能考慮參考溶液在樣品箱中時接收到的輸出值。
樣品箱能被稱為比色槽(儘管它的體積小於傳統比色槽)。
100:光學吸光度光譜儀
200:樣品箱
201~204:樣品池
205:光學波導
206~209:(光學波導的)部分
210:輸入側
211:輸出側
212:載體
300:光源
400:光譜感測器

Claims (15)

  1. 一種光學吸光度光譜儀(100)，包括樣品箱(200)、光源(300)和光譜感測器(400)，其中：
    該樣品箱(200)包括至少兩個樣品池(201、202、203、204)，分別配置為容納樣品，並且該樣品箱(200)包括光學波導(205)，該光學波導配置為引導來自輸入側(210)的光通過該樣品池到達輸出側(211)，
    該光源(300)可操作以發射寬帶光，該光源連接到該輸入側(210)以將發射的光耦合進入該光學波導(205)，以及
    該光譜感測器(400)，該光譜感測器連接該輸出側(211)且可操作以接收來自該光學波導(205)的光，並偵測多個波長處的接收到的光之強度。
  2. 根據請求項1所述的光學吸光度光譜儀，包括單個光源(300)。
  3. 根據請求項1或2所述的光學吸光度光譜儀，包括單個光譜感測器(400)。
  4. 根據請求項1至3中任一項所述的光學吸光度光譜儀，進一步包括一個或多個反射器(214、215)，該反射器配置為反射光使得該光多次穿過該樣品池。
  5. 根據請求項1至4中任一項所述的光學吸光度光譜儀，其中，
    該光源(300)配置為提供一束發射的寬帶光，以及
    該光束從該輸入側(210)沿該光學波導(205)傳播通過一個或多個該樣品池(201、202、203、204)到達該輸出側(211)。
  6. 根據請求項5所述的光學吸光度光譜儀，其中，該光源(300)和該反射器(214、215)配置為使得該光束在沿著該樣品池傳播時，多次穿過該樣品池(201、202、203、204)。
  7. 根據請求項4或5所述的光學吸光度光譜儀，其中：
    該光學波導(205)配置為將該光束分成部分光束，以及
    每個部分光束穿過該樣品池(201、202、203、204)之一個專用的樣品池。
  8. 根據請求項4或5所述的光學吸光度光譜儀，其中，該光束傳播通過所有該樣品池(201、202、203、204)。
  9. 根據請求項1至8中任一項所述的光學吸光度光譜儀，進一步包括微流體系統，該微流體系統可操作以用樣品物質填充和清空該樣品池(201、202、203、204)。
  10. 根據請求項9所述的光學吸光度光譜儀，進一步包括積體電路，該積體電路可操作以控制該光源(300)、微流體系統和/或光譜感測器(400)的操作，及/或由該微流體系統觸發控制。
  11. 根據請求項1至10中任一項所述的光學吸光度光譜儀，其中，該樣品池(201、202、203、204)的體積小於10μl。
  12. 根據請求項1至11中的一項所述的光學吸光度光譜儀，其中，該光學波導(205)包括光管及/或光纖結構。
  13. 一種光學裝置，包括：
    根據請求項1至12中任一項所述的光學吸光度光譜儀，
    主機系統，其中，該主機系統包括移動裝置、實驗室測量裝置、一次性系統、需求點系統，或可操作以將測量數據傳輸到移動電話或PC或筆記型電腦或平板電腦或手錶之系統。
  14. 一種光學吸光度光譜測定之方法，包括以下步驟：
    在樣品箱(200)的至少兩個樣品池(201、202、203、204)中提供樣品，其中，該樣品箱包括光學波導(205)，
    將寬帶光從該光學波導(205)的輸入側(210)通過該樣品池(201、202、203、204)引導到該光學波導(205)的輸出側(211)，以及
    在該光激發該樣品池(201、202、203、204)中的該樣品之後，偵測多個波長處的光之強度。
  15. 根據請求項14所述的方法，其中：
    通過填充和/或清空該樣品池(201、202、203、204)，順序地或平行地提供該樣品，以及
    從偵測到的多個波長處的光之強度計算吸光度光譜，特別為從透射光譜計算該吸光度光譜。
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