[发明专利]具有光导的光声样本检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测样本混合物中样本分子浓度的光声样本检测 器，所述光声样本检测器包括用于接收样本混合物的输入端、用于容纳样 本混合物的声腔、用于向声腔中发送光以激励样本分子并由此在声腔中诱 发声波的光源，以及用于将声波转换成电信号的拾取元件。

本发明还涉及一种包括这种光声样本检测器的呼吸分析装置。

背景技术

光声光谱学是一种测量气体中不同分子的低至ppb(十亿分之几)水平 的浓度的公知技术。这使其适于测量人呼吸中存在的不同分子。通常将激 光器用作光声光谱学中的光源。对激光进行准直并调谐激光波长以将样本 分子激励到较高能级。这种激励导致热能增加，使得声腔之内的温度和压 力局部升高。如果在声单元的谐振频率处调制激光强度，压力变化会导致 声驻波。由拾取元件检测声波。

已知光声样本检测器的缺点在于，在声谐振器直径很小以用于获得低 检测极限时，光学准直变得非常关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种光声样本检测器，其中，系统的光学准直不 再那么关键。根据本发明的第一方面，该目的是通过提供一种根据开篇段 落所述的光声样本检测器来实现的，该光声样本检测器还包括光导，所述 光源被设置成对所述光导照明，所述光导包括位于光导和声腔界面处的透 明内壁以及位于光导外侧的用于反射光来回通过光导和声腔的反射外壁。

当光到达光导和声腔之间的界面时，它将通过透明壁，通过声腔前进 并在声腔另一侧的光导-腔界面处再次进入光导。在光导的外壁，光将被反 射。反射光可以直接地或经由光导之内一次或多次额外反射返回声腔。因 为光来回通过光导和声腔反射，所以它多次通过声腔。每次光通过声腔， 都有机会激励样本分子。在光更频繁通过声腔时，检测器的灵敏度显著提 高。

在根据本发明的配置中，光线的方向不像现有技术中那样关键，从而 能够使用发散的光源，而不是现有技术光声样本检测器的准直激光束。要 指出的是，已知使用准直激光束和多次通过配置的组合。然而，该组合需 要高度精确的光学准直。此外，为了能够使多个光束通过声谐振器，必需 要增大其直径，这使得检测极限变差。根据本发明，使用具有透明的光导- 腔界面和反射外壁的光导消除了现有技术那些严格的对准要求，并允许使 用小直径的声谐振器，从而改善检测极限。

根据本发明的光声样本检测器可以使用准直的或未准直的二极管激光 器作为光源，但优选地，光源包括至少一个发光二极管(LED)。LED应当 具有与样本分子的吸收谱交迭的发射谱。用于已知光声样本检测器的二极 管激光器具有依赖于温度的波长。在激光器未进行温度稳定时，测量对温 度波动敏感。例如对于NO₂浓度检测而言，蓝色LED形成非常有吸引力的 光源，因为NO₂的吸收谱非常宽(因此所有LED光都可用于感测)，而LED 与NO₂吸收谱中微细结构相比更宽的光谱获得了对LED的中心波长和温度 较不敏感的平均光谱响应。此外，LED通常比二极管激光器更便宜，且可 以有更高的输出功率。现有技术的光声样本检测器通常不使用LED光，因 为其不能被容易地准直并沿着声腔的管路发送。

光导优选由光吸收低的材料制成，以防止在光导中产生光声信号，这 会引起在样本的光声检测期间的背景光声信号。光导的外侧反射壁可以由 金属制成，或可以利用光导壁处的全内反射。在使用金属时，在反射期间 将吸收小部分光，导致光热响应。然而，由于光学光导将金属反射体从声 腔热隔离，这将不会引入光声背景信号。

根据本发明的光声样本检测器的实施例还包括额外的发光二极管，其 发射谱主要位于样本分子吸收谱之外。因为来自额外LED的光不会通过激 励样本分子而对检测器信号做出贡献，所以可以将该额外LED用于补偿由 光导-声腔界面附近的光吸收导致的背景信号。

优选地，所述拾取元件被光学屏蔽于来自所述光导的光，以便减少所 述拾取元件的直接激励。

在一个实施例中，设置所述光导的截面以提供螺旋形光路，用于螺旋 地通过所述光导和所述声腔从所述光导的外半径到内半径引导所述光，使 得每次旋转光通过声腔两次。在本实施例中，将光向声腔引导，并防止光 在光导中来回反射而根本不通过声腔，从而优化光通过声腔的次数。