一种非接触测量溶液浓度的装置及方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101430275A [43]公开日2009年5月13日
[21]申请号200810218034.2[22]申请日2008.12.04
[21]申请号200810218034.2
[71]申请人清华大学深圳研究生院
地址518055广东省深圳市南山区西丽大学城清
华校区A401
[72]发明人胡晔 何永红 [74]专利代理机构深圳创友专利商标代理有限公司代理人江耀纯
[51]Int.CI.G01N 21/31 (2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 10 页 附图 3 页
[54]发明名称
一种非接触测量溶液浓度的装置及方法
[57]摘要
本发明公开一种非接触测量溶液浓度的装置及
方法，该装置包括：吸收光源(100)、参考光源(20
0)、光电探测装置(600)和计算处理单元(700)，所
述吸收光源(100)发出，被待测浓度物质吸收却不
被被测溶液(500)中其他物质吸收或者较小吸收的
特定波长的吸收光；所述参考光源(200)发出不被
被测溶液(500)中任何物质吸收或者较小吸收的特
定波长的参考光；所述吸收光和参考光照入所述被
测溶液(500)，所述光电探测装置(600)接收射入被
测溶液(500)后的反射或透射的吸收光和参考光，
并把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理
单元(700)进行分析处理，得出被测溶液(500)中待
测浓度物质的浓度。

200810218034.2权 利 要 求 书第1/2页 1、一种非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，包括：吸收光源(100)、参考光源(200)、光电探测装置(600)和计算处理单元(700)，所述吸收光源(100)发出，被待测浓度物质吸收却不被被测溶液(500)中其他物质吸收或者较小吸收的特定波长的吸收光；所述参考光源(200)发出不被被测溶液(500)中任何物质吸收或者较小吸收的特定波长的参考光；所述吸收光和参考光照入所述被测溶液(500)，所述光电探测装置(600)接收射入被测溶液(500)后的反射或透射的吸收光和参考光，并把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理单元(700)进行分析处理，得出被测溶液(500)中待测浓度物质的浓度。

2、如权利要求1所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，还包括：光耦合器(400)，用于将所述吸收光和参考光汇合成同一光路射向所述被测溶液(500)。

3、如权利要求2所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，所述光耦合器(400)包括：分光片(410)、前透镜组(420)、毛玻璃(430)、后透镜组(430)，所述分光片(410)把所述吸收光和参考光汇合射至所述前透镜组(420)；所述前透镜组(420)包含至少一块透镜，用于将入射的光线汇合聚焦到所述毛玻璃(430)上；所述后透镜组(430)包含至少一块透镜，将所述毛玻璃(430)上透过的光汇聚为平行光，射向所述被测溶液(500)。

4、如权利要求3所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，所述吸收光和参考光相互垂直射向所述分光片(410)，所述分光片(410)的法线方向分别与入射的述吸收光和参考光的夹角为45度，所述吸收光透过所述分光片(410)射向所述前透镜组(420)，所述参考光经过所述分光片(410)发射射向所述前透镜组(420)。

5、如权利要求2、3或4所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，所述吸收光源(100)和参考光源(200)采用发出特定波长光的发光二极管。

6、如权利要求5所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，还包括：光源准直装置(300)；所述光源准直装置(300)包括：第一透镜组
200810218034.2权 利 要 求 书 第2/2页(310)和第二透镜组(320)，所述第一透镜组(310)包含至少一个透镜，设置在所述吸收光源(100)射向所述光耦合器(400)的光路上，用于将所述吸收光汇聚为平行光；所述第二透镜组(320)包含至少一个透镜，设置在所述吸参考光源(200)射向所述光耦合器(400)的光路上，用于将所述参考光汇聚为平行光。

7、如权利要求1所述的非接触测量溶液浓度的装置，其特征在于，所述光电探测装置(600)包括：探测透镜组(610)和电荷耦合器件(620)，所述探测透镜组(610)包含至少一块透镜，将射入被测溶液(500)后的反射或透射的吸收光和参考光汇聚射于所述电荷耦合器件(620)，所述电荷耦合器件(620)把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理单元(700)。

8、一种非接触测量溶液浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤： 吸收光源(100)发出，被待测浓度物质吸收却不被被测溶液(500)中其他物质吸收或者较小吸收的特定波长的吸收光；由光电探测装置(600)获取所述吸收光射入被测溶液(500)后反射或透射的吸收光的强度信号； 所述参考光源(200)发出不被被测溶液(500)中任何物质吸收或者较小吸收的特定波长的参考光；由光电探测装置(600)获取所述吸收光射入被测溶液(500)后反射或透射的参考光的强度信号；
计算处理单元(700)比较处理由光电探测装置(600)获取的吸收光和参考光的强度信号，得出被测溶液(500)中待测浓度物质的浓度。

200810218034.2说 明 书第1/10页
一种非接触测量溶液浓度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种非接触测量溶液浓度的装置及方法。

背景技术
目前，不需要直接取样测量溶液浓度的技术，在生化领域将得到极大的利用。

例如，测量如房水内的物质浓度的方法有两种：第一种方法是有损检测方法，即在每次测量前，用针尖刺穿角膜插入房水里抽取房水，对取出的房水做特定物质浓度的分析测量(有物理的，化学的测量方法)。

该方法的优点是准确，缺点是给活体生物的眼睛带来了伤害，而且该方法限制了检测频率。

第二种方法是微损检测方法，如分光光谱测量房水内的药物浓度(Miller，J.，C.G.Wilson，and D.Uttamchandani，Minimally Invasive Spectroscopic System for Intraocular Drug Detection.Journal of Biomedical Optics，2002.7(1)：p.27-33.)。

其方法是用手动的传感器至于眼睛角膜上，传感器由两跟光纤探头和定制的接触镜组成，该装置需要接触眼睛，给活体检测带来不便，会让活体感觉眼部不适或者给活体带来或多或少的接触性伤害。

人们急需一种非接触无损伤方便的检测方法。

因此无损伤检测方法是物质浓度检测技术发展的必然趋势。

相关文献报道了一种无损检测方法：利用旋光法测量眼前房液内葡萄糖浓度(Cote，G.，M.Fox，and R.Northrop，Noninvasive optical polarimetric glucose sensing using a true phasemeasurement technique.Biomedical Engineering，IEEE Transactions on，1992.39(7)：p.752-756.)。

但是由于信号的偏转角度极小，且眼球的房液中具有20多种生化物质，具有旋光效应其中最主要的是葡萄糖和全蛋白，这些都会产生测量偏差，加之角膜的双折射和旋光度不仅产生干扰而且降低了透射的光强进一步增加了检测的难度。

因此尽管此法在体外测量人生理浓度的葡萄糖溶液
时取得了很好的试验效果，然而对离体人眼的实测效果不佳。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不直接对溶液取样，并尽量与被测溶液留有一定的距离，却能精确的测量溶液中特定物质浓度的装置和方法。

本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题的：
一种非接触测量溶液浓度的装置，包括：吸收光源、参考光源、光电探测装置和计算处理单元，所述吸收光源发出，被待测浓度物质吸收却不被被测溶液中其他物质吸收或者较小吸收的特定波长的吸收光；所述参考光源发出不被被测溶液中任何物质吸收或者较小吸收的特定波长的参考光；所述吸收光和参考光照入所述被测溶液，所述光电探测装置接收射入被测溶液后的反射或透射的吸收光和参考光，并把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理单元进行分析处理，得出被测溶液中待测浓度物质的浓度。

其中，被被测溶液中物质较小吸收是指与所述吸收光被待测浓度物质吸收相比，被吸收量小；而不被被测溶液中物质吸收是指与所述吸收光被待测浓度物质吸收相比，被吸收量极小。

被测溶液中不仅包含待测浓度物质，还有其他物质，待测浓度物质指该被测溶液中被测定其浓度值的物质。

依据朗伯——比尔(Lambert-Beer)定律：一定温度下，一定波长的单色光通过均匀的、非散射的溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和厚度的乘积成正比。

当样品厚度为d时，式中，I0，I t分别为入射和出射光强，ε为样品的吸光系数，c为被测组分浓度，针对眼睛房水内的各种成分，针对一种成分为需要测定的物质，其余为背景溶液。

如果知道该物质的吸收谱以及各浓度的吸光度；同时知道背景介质的吸收谱，就可以选择两种波长的光作为光源，利用两种波长的光照对成像物质的像的光强比和几何光学知识计算得到物质的浓度c。

因此通过上述技术方案，可实现非接触无损检测眼球的房水中特定物质的浓度。

当然，此装置不仅仅应用于对眼球的房水中特定物质的浓度的检测方面，也可以应用于任何非接触地测量溶液浓度的场合，只要符合溶液能射入相应的光线，相应的光线收射入被测溶液后的反射或透射出该溶液的条件，都能用上述技术方案获得溶液的浓度。

为了提高检测精度，尽可能的使得所述吸收光和参考光在进入被测溶液前光路重叠，所述的非接触测量溶液浓度的装置还包括：光耦合器，用于将所述吸收光和参考光汇合成同一光路射向所述被测溶液。

所述光耦合器包括：分光片、前透镜组、毛玻璃、后透镜组，所述分光片把所述吸收光和参考光汇合射至所述前透镜组；所述前透镜组包含至少一块透镜，用于将入射的光线汇合聚焦到所述毛玻璃上；所述后透镜组包含至少一块透镜，将所述毛玻璃上透过的光汇聚为平行光，射向所述被测溶液。

其中，本发明所称的平行光，并非指严格理论意义上的绝对的平行光，而是指在该光仅有尽可能小的散射，为接近于绝对平行的光。

所述吸收光和参考光相互垂直射向所述分光片，所述分光片的法线方向分别与入射的述吸收光和参考光的夹角为45度，所述吸收光透过所述分光片射向所述前透镜组，所述参考光经过所述分光片发射射向所述前透镜组。

本发明一种实施例中，所述吸收光源和参考光源采用发出特定波长光的发光二极管。

一般而言，发光二极管为点光源，所发出的光线是散射的，因此，对它们所发出的光应汇聚为平行光。

所述的非接触测量溶液浓度的装置还包括：光源准直装置；所述光源准直装置包括：第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组包含至少一个透镜，设置在所述吸收光源射向所述光耦合器的光路上，用于将所述吸收光汇聚为平行光；所述第二透镜组(320)包含至少一个透镜，设置在所述吸参考光源射向所述光耦合器的光路上，用于将所述参考光汇聚为平行光。

所述光电探测装置包括：探测透镜组和电荷耦合器件，所述探测透镜组包含至少一块透镜，将射入被测溶液后的反射或透射的吸收光和参考光
汇聚射于所述电荷耦合器件，所述电荷耦合器件把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理单元。

其中，电荷耦合器件即为Charge Coupled Device(CCD)。

本发明还提供一种非接触测量溶液浓度的方法，包括如下步骤： 吸收光源发出，被待测浓度物质吸收却不被被测溶液中其他物质吸收或者较小吸收的特定波长的吸收光；由光电探测装置获取所述吸收光射入被测溶液后反射或透射的吸收光的强度信号；
所述参考光源发出不被被测溶液中任何物质吸收或者较小吸收的特定波长的参考光；由光电探测装置获取所述吸收光射入被测溶液后反射或透射的参考光的强度信号；
计算处理单元比较处理由光电探测装置获取的吸收光和参考光的强度信号，得出被测溶液中待测浓度物质的浓度。

其中，计算处理单元往往采用微处理器等运算设备，光的强度信号往往通过电荷耦合器件转化为相应的电信号，以方便计算处理单元处理。

但是，光的强度信号与其相应的电信号是一一对应的。

与现有技术相比，本发明的优点在于，不直接对溶液取样，并尽量与被测溶液留有一定的距离，却能精确的测量溶液中特定物质浓度，尤其在对眼球的房水内浓度的测量时，不损害眼睛，并由于能较远离眼球，能够尽可能的较少了眼部的不适。

附图说明
图1是本发明非接触测量溶液浓度的装置一种实施例的框图； 图2是本发明非接触测量溶液浓度的装置测量房水内溶液浓度实施例的结构示意图；
图3是本发明非接触测量溶液浓度的装置测量房水内溶液浓度中房水模型内的被测量的物质的浓度与检测量之间的关系图。

其中，100-吸收光源，200-参考光源，600-光电探测装置，700-计算处理单元，400-光耦合器，410-分光片、420-前透镜组、430-毛玻璃、430-后透镜组，300-光源准直装置，310-第一透镜组，320-第二透镜组，610-探测
透镜组，620-电荷耦合器件，500-被测溶液。

具体实施方式
下面结合附图和较佳的实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，波长已知的点光源或近似点光源的吸收光源100和参考光源200所发出的吸收光和参考光，分别经过光源准直装置300汇聚成为平行光到光耦合器400。

所述光耦合器400将所述吸收光和参考光合为同一光路，并以平行光的形式射入被测溶液500。

光电探测装置600接收射入被测溶液500后的反射或透射的吸收光和参考光，并把光的强度信号转化为电信号送到所述计算处理单元700进行分析处理，得出被测溶液500中待测浓度物质的浓度。

由于被测溶液500中的待测浓度物质分别对吸收光有吸收，对参考光吸收较小，则分别以吸收光和参考光射入被测溶液500并成像，得到两图像，两图像的比值包含有被测溶液500中的待测浓度物质的信息，经过计算可以得出被测溶液500中的待测浓度物质的浓度。

如图2所示，被测溶液500为眼球房水内的溶液。

吸收光源100采用中心波长为405n m，功率为3W的发光二极管(L E D)，经过第一透镜组310汇聚成平行光，在所述第一透镜组310包含有一块焦距为50m m的透镜。

参考光源200采用中心波长为850n m，功率为1W的发光二极管(L E D)，经过第二透镜组320汇聚成平行光，在所述第二透镜组320包含有一块焦距为40mm的透镜。

分光片410的面积为25m m*25m m，参数为45°A O I，透射可见光并反射红外光。

射入所述分光片410的吸收光和参考光相互垂直，而分别与所述分光片410的夹角均成45°。

吸收光沿与所述分光片410的法线成45°方向入射后发生透射，参考光沿与所述分光片410的法线成45°方向入射后发生反射。

这样，参考光的反射光与吸收光的折射光合成一束平行光路射出，并由前透镜组420聚焦后在毛玻璃430上形成的光源的像。

吸收光和参考光在所述毛玻璃430上的像应为重合的。

可以将所述毛玻璃430上的所成的像视为新的光源，这样透过所述毛玻璃430的像点发出的光经过后透镜组430汇聚为平行光
后射向眼球的房水。

其中，后透镜组430包含有消色差的透镜，该透镜的焦距为50mm。

当光打到眼睛前房上时，入射到角膜外表面的光会有少量的反射，透射的部分穿过角膜进入角膜的内表面再发生少量的散射，透射部分穿过房水会打到虹膜上，在虹膜上发生背向散射，经过一系列复杂的过程，最终从虹膜外表面出射，出射的光经过探测透镜组610汇聚后在电荷耦合器件620上成像，并获得相应的电信号。

其中，吸收光和参考光与房水内的物质的吸收关系如下表：
设定I10与I20分别对应吸收光和参考光射入房水内溶液的光的强度，因
为两路光分布和传播途径相同，则I10和I20的比值为定值，即有
所述电荷耦合器件620采集虹膜的像，以瞳孔像的中心为圆心，离圆心距离为r的各像点的信号强度表示为I(r)。

若眼球前房中房水内不含待测物质，吸收光和参考光分别照射房水内
的溶液，得到虹膜的信号强度，设其分别为与，因系统的信号可
以认为与光强成正比。

当打开所述吸收光源100并关闭所述参考光源200时，吸收光入射到房水内溶液上的入射光强为I10，则所述电荷耦合器件620得到的信号强度表示为：
同理，当打开所述参考光源200并关闭所述吸收光源100时，参考光入射到房水内溶液上的入射光强为I20，则所述电荷耦合器件620得到的信号强度表示为：
其中，χ1(r)，χ2(r)为由眼前段——角膜和房水中折射率引起的光强随半径的分布。

上面(2)(3)两式相除得：
其中，为光由于折射率差别引起的光强分布差异，即所述
电荷耦合器件620接收到的两路出射于眼球的吸收光和参考光在分布上的微小的差异。

若房水内含有如表所示的待测物质，先打开所述吸收光源100并关闭所述参考光源200，吸收光入射到房水内溶液上的入射光强为I10，所述电荷耦合器件620采集到的虹膜的像，以瞳孔像的中心为圆心，离圆心距离为r的各像点的信号强度为：I1(r)。

像上不同的r处像点，其光通过吸收物质的长度是不一样的，通过几何光学计算得出，可表示为：d(r)。

因此当只有强度为I10的光入射到样品上后，所述电荷耦合器件620得到的信号强度表示为：
同理，当打开所述参考光源200并关闭所述吸收光源100时，入射到样品上的入射光强为I20，C C D采集到的虹膜上的各像点的信号强度为I2(r)，因此当只有强度为I20的光入射到房水内溶液后，所述电荷耦合器件620得到的信号强度表示为：
比较(5)、(6)两式可得：
以上是整个装置通过所述电荷耦合器件620得到的特征量κ与浓度c 的关系，理论上将上述(7)式两边取自然对数，得到：
lnκ(r)＝-2εd(r)*c+ln[aχ(r)] (8)
在上述(8)式中，l nκ(r)是能直接通过所述电荷耦合器件620上的获取的信号算出的相应的值。

其中，-2εd(r)和ln[aχ(r)]是跟浓度c无关的量。

因此只要借助软件，结合几何光学，算出像上的半径为r处像点其光通过吸收物质的长度d(r)，参考光和吸收光这两路光在整个前房(角膜加
房水)折射率差异导致的χ(r)，就可以算出房水内的特定物质浓度c。

眼睛虹膜的像是中心轴对称的，为了提高信噪比，可对(8)式的两边均对r 沿圆周取平均后计算c的值。

其中，以上的整个计算是基于两个前提，即所述吸收光源100和参考光源200是稳定的，即光源的发光强度不随时间波动。

但是如果随着L E D 发热，或者电源不稳定等都会导致比值a不能稳定为常数。

这时就需要在(8)式上继续计
其中，
是所述电荷耦合器件620上的数据直接计算来的特征量，用几何光学计算出k、b后就能算出相应的c值。

另外，以上的情况的假设前提是，虹膜对所述吸收光和参考光没有任何吸收。

但是虹膜上富含色素，往往某些色素对其中的一路或两路光都有吸收时，经过虹膜吸收后的光强值与没有虹膜吸收的光强值之比只跟色素的单位面积浓度和色素分布纵向深度有关，这里只考虑色素在虹膜上的分布是均匀的情形，则有(11)，(12)式，：
I1(r)＝σ1*I10′(r)e-2εd(r)*c (10)
I2(r)＝σ2*I20′(r) (11)
σ1，σ2为常数。

此时(7)式修改为：
因为(9)式中不含a，所以虹膜对其中所述吸收光和参考光中任一路
或者两路都有均匀吸收时，用(9)式计算待测物质的浓度c。

以上的所示的实施例，不仅应用于测眼睛前房，分析房水的物质浓度。

该非接触测量溶液浓度的装置还可作用于与眼睛前房结构相似的结构内的物质浓度检测。

将上面在要在房水内检测其浓度的吸光物，置于一个眼睛前房模型中。

模型是一个玻璃半球壳，半球的内外半径为12m m和16m m。

将水以及一定浓度的药物充入半球内，这样，玻璃球壳模拟的是角膜，里面充的液体模拟的是眼睛房水，再固定上防水的表面对光散射的纸模拟虹膜，中间的黑色的圆模拟瞳孔。

用上面的装置和方法，得到的房水模型内的被测量的物质的浓度与S之间的关系为图2。

测量的S—c关系曲线如图3所示。

同时，由于非接触测量溶液浓度的装置为非接触测量，类似于常规的眼科检查，因此容易被接受，使用操作亦比较方便。

并且，由于采用了双波长吸收度比值法，能够求解吡诺克辛钠浓度。

由于传统的单波长吸光光度测定法要求试液本身透明，不能有混浊，否则就无法正确测定。

单波长测定法对于吸收峰相互重叠的组分或背景很深的试样，也难于得到正确的结果。

如果采用双波长技术，就可以从分析波长的信号中减去来自参比波长的信号，从而消除上述影响，提高方法的灵敏度和选择性，简化分析手续，扩大吸光光度法的应用范围。

只要知道眼睛房水或类似前房模型中的房水模型内的待测物质和背景物质的吸收关系，就可以选出两个合适波长的的光源作为装置的光源，用上面提到的方法测出待测物质浓度。

装置和方法的使用范围能得到能扩展到很多物质，很多种波长的光源。

因此，除了测眼睛房水内以及类似眼睛前房的结构内的液体的特定物质浓度外，本发明的非接触测量溶液浓度的装置还可测量其它结构的溶液内特定物质浓度。

只要被测物质的光学吸收性质满足下表：
对已知结构和形状的透光容器或透光组织内的物质浓度检测，对此类
的结构，如果透光容器或透光组织有一个面能发生散射，就可以利用用该装置对该散射面利用散射面的背向散射回来的光成像，让吸收光源100和参考光源200的入射和反射回来的光均穿过被测溶液，计算出光在被测物质中走过的路程-2εd(r)和光源以及折射导致的ln[aχ(r)]，就可以得到被测物质浓度。

进而，如果透光容器或透光组织没有哪个面发生散射，可人为在透明溶液或透明组织后加上某散射体作为成像时的散射面，让吸收光源100和参考光源200的入射和反射回来的光均穿过被测溶液。

当结构或形状不能确定的透光样品，当已知两个浓度的电荷耦合器件的图像时，就可以得到相应的上述(8)式，此时，也可测出任意浓度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。

对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。