CN118817648A - 用于多参数水质监测的多激发-多发射荧光计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于监测水质的荧光计，该荧光计具有激发源的阵列、多个发射探测器的阵列和信号处理器。在激发源的阵列中，每个激发源以相应的照射波长提供相应的激发源光学信令。多个发射检测器的阵列检测从水发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的信息，该多个共存荧光物质在被由激发源的阵列提供的相应照射波长照射时、以至少两个不同波长发射光辐射，并且多个发射检测器的阵列提供包含关于多个共存荧光物质的信息的多个发射检测器信令。信号处理器接收多个发射检测器信令，并且基于接收到的多个发射检测器信令、使用接近同时识别技术来确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。
Description
本申请是于国际申请日2016年8月2日提交的、2018年2月5日进入中国国家阶段的、申请号为201680045959.4、发明名称为“用于多参数水质监测的多激发-多发射荧光计”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月3日提交的临时专利申请序列号62/200,336(911-023.1-1//N-YSI-0031)的权益；其全部内容通过引用包含在本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于确定水质的技术；并且更具体地涉及一种用于基于检测水中存在的多个共存荧光物质来确定水质的技术。
背景技术
本领域已知用于监测水的技术，包括监测污水和废水的存在。例如特别是当使用单个发射波长时，对受到污水影响的水的确认是一个复杂的过程，发现这种复杂的过程不能明确地确定存在的废水。鉴于此，业界需要有用于监测水的更好的方法。
发明内容
作为示例，本发明包括用于监测水质的新的且独特的技术。
根据一些实施例，本发明可以包括例如呈荧光计形式的、用于监测水质的装置，其特征在于包含激发源的阵列、多个发射检测器的阵列和信号处理器或处理模块的组合。
激发源阵列中的每个激发源可以被配置为例如相对于被监测的水而在相应的照射波长处提供相应的激发源光学信令。
多个发射检测器的阵列可以被配置为检测从水中发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的信息，该多个共存荧光物质在由从激发源阵列提供的相应照射波长照射时、以至少两个不同波长发射光辐射，并且多个发射检测器的阵列提供包含关于多个共存荧光物质的信息的多个发射检测器信令。
信号处理器或处理模块可以被配置为接收多个发射检测器信令，并且基于接收到的多个发射检测器信令、使用接近同时识别技术来确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。
所述装置可以包括以下附加特征中的一个或多个：激发源的阵列可以包括例如像激发LED的激发源，并且照射波长可以是280纳米；以及多个发射检测器的阵列可以包括第一发射检测器和第二发射检测器，第一发射检测器被配置为检测340纳米处的光辐射以用于检测水中的峰值-T蛋白样(例如包括峰值T-色氨酸)的存在，第二发射检测器被配置成检测450纳米处的光辐射以检测水中的峰值A腐殖质/富里酸样的存在。
多个发射检测器的阵列可以包括多个光电二极管和光学带通滤波器，其被配置为感测和过滤从水发射的多个发射波长，并且提供多个发射检测器信令。
光学带通滤波器例如可以包括：第一光电二极管和光学带通滤波器，被配置为过滤340纳米处的光辐射以检测水中峰值-T蛋白样的存在；以及第二光电二极管和光学带通滤波器，被配置为过滤450纳米处的光辐射以检测水中峰值A腐殖质/富里酸样的存在。
激发源的阵列可以包括多个激发源，诸如多个激发LED，该多个激发源被配置为以多个照射波长提供多个激发源光学信令。
多个发射检测器的阵列可以包括频谱集中在感兴趣的荧光发射波长的光学带通滤波器。
多个发射检测器的阵列可以包括一个或多个光学纤维或聚焦透镜和光谱分析器的组合，以用于荧光捕获和荧光分析。
多个激发源可以被配置为响应于合适的控制信令并且被配置为几乎同时提供多个激发源光信号，以产生多个照射波长并且检测多个发射波长。备选地，多个激发源可以被配置为响应于对应的合适的控制信令并且选择性地提供多个激发源光信号，以产生多个照射波长并且检测多个发射波长。换句话说，多个激发源和多个发射检测器的阵列可以被配置为响应于控制信令、并且近似同时地或选择性地提供多个激发源光信号，以产生激发波长或检测到的荧光发射的任何组合。
荧光计可以配置在单个传感器主体中，或者形成单个传感器主体的一部分。单个传感器主体可以包括或者采取具有包围荧光计的防水壳体的探测器的形式。探测器可以包括端口；并且荧光计可以包括配置成插入探测器的端口中的电连接器。电连接器可以被配置成附接到例如包含传感器电子器件的印刷电路板(PCB)上。传感器电子器件可以包括信号处理器或处理模块。荧光计可以包括光机械头，该光机械头包含电光机械部件，该电光机械部件包括激发源的阵列和多个发射检测器的阵列。防水壳体可以包括窗口，该窗口被配置为允许在被监测的水中、在待被测量多种共存荧光物质与包含在探测器中的电光机械部件之间的光传输/相互作用。作为示例，窗口可以由蓝宝石以及多种其他窗口材料制成。
作为示例，信号处理器或处理模块可以被配置为使用近似同时识别技术来提供对应信令以用于进一步处理，该对应信令包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息。作为示例，进一步处理可以包括或者采取这样的形式，即提供用于进一步处理被监测的水的控制信令；或者，进一步处理可以包括提供用于适应水监测过程本身的控制信令以用于监测水。作为进一步的示例，对应信令可以包括用于提供与识别有关的视觉显示、和/或音频/视觉警报等的信息。
荧光计可以包括配置有电光机械部件的光机械头，该光机械头包括激发源的阵列和多个发射检测器的阵列。
多个激发源可以围绕多个发射检测器的阵列周向地配置或布置。
根据一些实施例，本发明可以包括采取信号处理器或处理模块的形式的设备，被配置为：
接收由激发源的阵列提供的包含关于激发源信令的信息的信号、以及由多个发射检测器的阵列提供的多个发射检测器信令，每个激发源配置为以相应的照射波长提供相应的激发源光学信令，该多个发射检测器的阵列配置为检测从水中发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存的荧光物质的信息，当被从激发源阵列提供的相应的照射波长照射时、该多个共存的荧光物质以至少两个不同的波长发射光辐射，多个发射检测器信令包含关于多个共存的荧光物质的信息的信号；并且
基于接收到的信号，使用近似同时识别技术来确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。
作为示例，信号处理器或信号处理器模块可以采取信号处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器的某种组合的形式，其中信号处理器和至少一个存储器被配置为使装置实现本发明的功能，例如，响应于接收到的信号、并且基于接收到的信号来确定对应信令。此外，这样的装置还可以包括上述的特征中的一个或多个特征。
根据一些实施例，本发明可以包括一种方法，该方法包括以下步骤：
在信号处理器或处理模块中接收由激发源阵列提供的包含关于激发源信令的信息的信号、以及由多个发射检测器的阵列提供的多个发射检测器信令，每个激发源配置为在相应的照射波长处提供相应的激发源光学信令，，该多个发射检测器的阵列配置为检测从水中发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于所述水中的多个共存的荧光物质的信息，当被由激发源阵列提供的相应的照射波长照射时、多个共存的荧光物质以至少两个不同的波长发射光辐射，多个发射检测器信令包含关于所述多个共存的荧光物质的信息的信号；并且
基于接收到的信号、使用近似同时识别技术在信号处理器或信号处理模块中确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。所述方法可以包括上面阐述的特征中的一个或者多个。
根据一些实施例，本发明可以包括设备，该设备包括：
接收装置，该接收装置用于在信号处理器或处理模块中接收由激发源的阵列提供的包含关于激发源的信息的信号、以及由多个发射检测器的阵列提供的多个发射检测器信令，每个激发源被配置为在相应的照射波长处提供相应的激发源光，该多个发射检测器的阵列配置为检测从水中发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存的荧光物质的信息，当被从激发源的阵列提供的相应的照射波长照射时、该多个共存的荧光物质以至少两个不同的波长发射光辐射，该多个发射检测器信令包含关于多个共存的荧光物质的信息的信号；以及
确定装置，该确定装置用于基于接收到的信号、在信号处理器或处理模块中使用近似同时识别技术来确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。这样的装置还可以包括上述特征中的一个或多个特征。
根据本发明的一些实施例，所述设备还可以采取具有用于执行前述方法的步骤的计算机可执行部件的计算机可读存储介质的形式。
计算机可读存储介质还可以包括上述特征中的一个或多个特征。
在申请本专利申请时，其他类似产品是已知的，例如由诸如Turner Designs和UviLux Tryptophan Fluorometer等公司制造。
本发明与这些已知产品之间的相似之处可以包括：废水的基于荧光的光学感测，色氨酸的发射波长将仅与本文所述的发射波长中的一个重叠。
本发明与这些已知产品之间的区别可以包括：根据本发明在此阐述的传感器具有以下关键优点和创新，即，利用双发射波长全部在单个感测体中进行有意义且增加信心的废水检测。
附图说明
附图包括不一定按比例绘制的图1至图4，其中：
图1示出了根据本发明的一些实施例的呈传感器主体形式的设备的图。
图2包括图2A和图2B，其中图2A是根据本发明的一些实施例的可以形成图1中的传感器主体的一部分的光机械头的主视图，并且其中图2B是根据本发明的一些实施例的图2A中的光机械头的截面(或剖视)图。
图3包括图3A和3B，其中图3A是根据本发明的一些实施例的用于多参数感测的、可以形成图1中的传感器主体的一部分的光机械头的主视图，并且其中图3B是根据本发明的一些实施例的图3A中的光机械头的截面图。
图4示出了根据本发明一些实施例的例如具有用于实现信号处理功能的信号处理器或信号处理模块的设备的框图。
具体实施方式
总体基本技术
在第一个典型中，根据本发明通常指示为20的荧光计可以被配置为用于测量峰值T-色氨酸样(λex/em＝280/340nm)和峰值A腐殖质/富里酸样(λex/em＝280/450nm)，例如使用单个激发源/双发射检测作为识别受污水影响的水的一般手段。受污水影响的水的肯定性确认是复杂的，因为通过多荧光物质的接近同时识别可以更准确地确定污水。对于手头的特定情况，并且根据本发明的一些实施例，可以设法在单个感测体内接近同时地识别两种物质，该两种物质需要两个检测到的荧光发射波长。多荧光的组合信息用于解决废水识别的单一问题。本发明人已经认识到单一的发射波长单独不能明确地确定存在废水，并且提供本文公开的新的和独特的技术来解决本领域中的这种“单一发射波长”问题。
此外，本发明的精神并不旨在限于仅仅两种荧光物质的识别，而是旨在涵盖多荧光物质(例如包括三种或更多种荧光物质)的近似同时检测的可能性。根据一些实施例，这个概念可以被扩展为包括多激发源和多个发射波长检测，以近似同时地检测单个感测体内的多荧光物质。对于水质监测，多荧光物质的存在往往会模糊或干扰任何特定的期望被测物。本文公开或呈现的多物质的近似同时识别用于分离和更单独地描述/识别感兴趣的水质参数。
图1-3
图1和图2示出了第一实施例，其基于在单个感测体内接近同时地识别需要两种检测到的荧光发射波长的两种物质的意图，所述感测体例如可以采取图1中大致示出的设备10的形式，该设备10具有荧光计20，该荧光计20具有在图2中详细示出的光机械头26。这种观念可以扩展到包括多个激发源和多个发射波长检测，以使用例如与图3中公开的一致的光机械头40来接近同时地检测单个感测体内的多荧光物质。
传感器或感测体10和荧光计20的实施方式主要涉及在图2所示的光机械头26和图3所示的光机械头40的细节上不同。在本专利申请中公开的传感器或传感器主体10至少具有以下共同点：传感器主体10通常包括或包含荧光计20的防水壳体15a(图1)——该防水壳体包围荧光计20，并且具有插入传感器主体10上的端口15b中的电连接器22的至少一部分。传感器或感测体10可以包括探测器(Sonde)结构或者采取探测器结构的形式。荧光计20可以配置有通常以附图标记24指示的印刷电路板(PCB)，并且电连接器22还可以附接到包含传感器电子器件的印刷电路板(PCB)24上，该传感器电子器件例如可以包括信号处理器或处理模块类元件100(图4)，以例如用于实现与本文公开的一致的信号处理功能。荧光计20可以配置有可以附接到PCB 24的光机械头类元件26或40。光机械头类元件26或40可以包含电光机械部件(例如包括发光二极管(LED)类元件30)、以及发射检测器类元件32、34，该发射检测器具有光电检测器(PD)类元件32a、34a，以及光学带通滤波器32b、34b。防水壳体15a的一端/一侧还可以包含窗口15c(图1)，该窗口15c可以被构造成允许荧光团(即，待测量的荧光物质)与光学感测部件(像与图2的实施例相关的元件30、32和34，或与图3的实施例相关的元件42或44)之间的光学传输/相互作用。作为示例，窗口可以由蓝宝石制成，尽管本发明的范围旨在不限于此。可以设想使用本领域现在已知的或将来开发的其他类型或种类的窗口材料的实施例，例如，如本领域技术人员将理解的那样。
具体而言，图1示出或描绘了单个传感器主体10，其具有在其底部的电连接22、PCB24(例如，图1中示出为传感器10的主体中的电气填充的电路板)、以及(图1中圈出的)光机械头类元件26或40，光机械头类元件例如包含LED类元件30(图2)、PD、和关于图2公开的光学带通滤波器类元件32、34。在图1中，传感器主体10以作为典型的传感器主体的代表示例性地示出，并且其本身并不旨在在比例或工程细节上是精确的。区分本文所有公开的实施例的基本部件之一是光机械头26或40(如图1中圈出的)。鉴于此，并且为此，图2A、2B、3A和3B仅示出了与光机械头26或40相关的细节。
图2：特定实施例的例子
图2A和图2B示出了根据本发明的一些实施例的光机械头26的第一实施例，其可以形成传感器类元件10(图1)的一部分。作为示例，光机械头26包括光机械头主体26a和两个发射检测器类元件32、34，该光机械头主体26a可以包含激发波长为280nm的单个LED类元件30。作为示例，两个发射检测器32、34可以包括两个硅光电检测器或其他合适的光电检测器32a、34a，这两个光电检测器各自的光学带通滤波器32b、34b光谱集中在340nm和450nm。该光机械配置被设计成检测两种共存的荧光物质，这两种共存的荧光物质在被像元件30的280nm光源照射时分别发射出340nm和450nm的光辐射。作为示例，光电二极管32a、34a和LED30可以被配置为或可以采用球透镜配置以最大化荧光收集，例如，与图2A和2B中所示的一致。
图3：一般实施例的示例
图3A和3B示出了根据本发明的一些实施例的第二个更一般化的实施例，其具有光机械头40，该光机械头40具有可以形成传感器类元件10(图1)的一部分的光机械头主体40a。作为示例，光机械头40可以包含许多激发LED的阵列42。在图3A中，尽管阵列42被示出为具有16个激发LED，但是本发明的范围并不限于任何特定数量的激发LED。可以选择激发波长和LED数量以适应所需的应用。例如，取决于特定的应用，可以使用不同数量的激发LED。在操作中，每个激发LED被配置为以相应的照射波长提供相应的激发LED光学信令，例如与本文所述的一致。此外，光机械头40可以包括接收光学器件44、诸如光电二极管阵列——该光电二极管阵列与光谱集中于感兴趣的荧光发射波长的光学带通滤波器相关联，或备选地可以包括诸如像所示的(图3B)光谱分析器类元件46。这两种接收光学技术都用作光谱区分通常指示为Fc的被收集/捕获的荧光光学信令的手段。荧光可以通过聚焦透镜类元件44(图3B)——其将聚焦透镜光学信令44a提供到光谱分析器类元件46上——被捕获，或者通过使用一个或多个光学纤维波导——其例如包括一束光学纤维(也由附图标记44指示)——被捕获。光机械配置40可以被配置或设计成检测多个独立的或共存的荧光物质，该多个独立的或共存的荧光物质在被LED阵列42照射时发射在发射波长范围或分布中的光辐射。LED阵列42和光电二极管(或像光谱分析器46)不需要被接近同时地激活，而是可以被选择性地使能或扫描以产生激发波长的或检测到的荧光发射的任意组合。
在图4中，多个LED激发源42可以围绕多个发射检测器44的阵列周向地配置或布置。
图4：信号处理功能的实现
作为另一示例，图4示出了根据本发明的一些实施例的、用于实现相关联的信号处理功能的设备或传感器主体10。设备或传感器主体10可以包括信号处理器或处理模块100，其被配置成至少用于：
接收由激发源的阵列提供的包含关于激发源信令的信息的信号——每个激发源均被配置为以相应的照射波长提供相应的激发源光学信令，以及接收包含由多个发射检测器的阵列提供的多个发射检测器信令，该多个发射检测器的阵列被配置为检测由水发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存的荧光物质的信息，当被从激发源的阵列提供的相应的照射波长照射时，该多个共存的荧光物质以至少两个不同的波长发射光辐射，多个发射检测器信令包含关于多个共存的荧光物质的信息；以及
基于接收到的信号，使用接近同时识别技术来确定包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令。
在操作中，信号处理器或处理模块100可以被配置为使用接近同时识别技术来提供包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令，以例如与本文阐述一致地用于进一步处理。本发明的范围不旨在限于进一步处理的任何特定类型、种类或方式，并且可以包括现在已知的或将来开发的其他处理技术。
信号处理器或处理模块100可以配置在例如探测器的传感器主体中，或形成传感器主体的一部分。
作为示例，信号处理器或处理模块100的功能可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现。在典型的软件实现中，信号处理器或处理模块100将包括一个或多个基于微处理器的体系架构，该体系架构例如具有至少一个信号处理器或微处理器，例如单元100。本领域的技术人员将能够利用诸如基于微控制器或基于微处理器的合适的编程代码编程以执行本文公开的信号处理功能，而无需过度实验。例如，信号处理器或处理模块100例如可以由本领域技术人员在没有过度实验的情况下配置成接收包含关于激发源信令的信息的信号，该激发源信令由激发源阵列提供，每个激发源被配置为在相应的照射波长处提供相应的激发源光信号，并且由多个发射检测器提供的多个发射检测器信令被置为检测从水发射的多个发射波长，该多个发射波长包含关于存在于水中的多个共存荧光物质的信息，当被来自激发源阵列提供的相应照射波长照射时，该多个共存荧光物质以至少两个不同的波长发射光辐射，多个发射检测器信令包含关于多个共存荧光物质的信息，与本文公开的一致。
此外，信号处理器或处理模块100例如可以由本领域技术人员在没有过度实验的情况下配置为使用接近同时识别技术确定对应信令，该对应信令包含关于水中存在的多个共存荧光物质的识别的信息，本文公开的一致。作为示例，本发明的范围不旨在限于用于接近同时识别存在于水中的多个共存荧光物质的信号处理实现和/或技术的任何特定类型或种类。本发明的范围旨在包括现在已知的或将来开发的、用于接近同时识别水中存在的多个共存的荧光物质的信号处理实现和/或技术，如本领域技术人员将理解和明白的。
本发明的范围不旨在限于使用现在已知或将来开发的技术的任何特定实现。
本发明的范围旨在包括将(多个)信号处理器100的功能实现为独立处理器、信号处理器或信号处理器模块，单独的处理器或处理器模块，以及它们的一些组合。
信号处理器或处理模块10例如还可以包括其他信号处理器电路或部件102，包括随机存取存储器或存储器模块(RAM)和/或只读存储器(ROM)，输入/输出设备和控制以及连接它们的数据和地址总线，和/或至少一个输入处理器和至少一个输出处理器，例如本领域技术人员将理解的。
光学部件
作为示例，如本领域技术人员将理解的，光学部件，诸如LED、光电二极管、光学带通滤波器、光学纤维或多个光学纤维、LED阵列、聚焦透镜、光谱分析器在本领域中都是已知的，并且本发明的范围并不旨在限于可以在本文使用的光学部件的任何特定类型或种类。本发明的范围旨在包括使用本领域已知的或将来开发的光学部件。
本发明的范围
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行修改以使特定的情况或材料适应于本发明的教导。因此，本发明旨在不限于本文公开的、作为预期实施本发明的最佳模式的特定实施例。
Claims (10)
1.一种用于监测水质的荧光计(20)，其特征在于，包括：
激发源的阵列(42)，每个激发源均被配置为以相应的照射波长提供相应的激发源光学信令；
一个聚焦透镜(44)和光谱分析器(46)的组合，被配置成：检测从水中发射的多个发射波长，所述多个发射波长包含关于水中存在的多个共存荧光物质的信息，所述多个共存荧光物质在被由所述激发源的阵列(42)提供的相应的照射波长照射时、以至少两个不同波长发射光辐射；并且提供包含关于所述多个共存荧光物质的信息的多个发射检测器信令；以及
信号处理器或处理模块(100)，所述信号处理器或处理模块(100)被配置为接收所述多个发射检测器信令，并且基于接收到的所述多个发射检测器信令、使用接近同时识别技术来确定包含关于存在于水中的所述多个共存荧光物质的识别的信息的对应信令；
其中所述激发源的阵列(42)围绕所述光谱分析器(46)周向地布置；
其中单个所述聚焦透镜(44)将透镜光学信令(44a)聚焦在所述光谱分析器(46)上；
其中所述荧光计(20)被配置为在单个传感器主体中或形成所述单个传感器主体的一部分，并且其中所述单个传感器主体包括具有包围所述荧光计(20)的防水壳体(15a)的探头；以及
其中所述荧光计(20)被配置为在所述单个传感器主体内通过所述接近同时识别技术来识别所述水中的至少峰值T-色氨酸样和峰值A腐殖质/富里酸样的荧光。
2.根据权利要求1所述的荧光计(20)，其中，
所述激发源的阵列(42)包括激发源，并且所述照射波长为280纳米。
3.根据权利要求2所述的荧光计(20)，其中所述激发源包括激发LED。
4.根据权利要求1所述的荧光计(20)，其中所述多个激发源和所述光谱分析器(46)被配置为接近同时地响应于控制信令。
5.根据权利要求1所述的荧光计，其中所述探头包括端口；并且所述荧光计包括被配置成插入所述探头的所述端口中的电连接器。
6.根据权利要求5所述的荧光计(20)，其中所述电连接器被配置为附接到包含传感器电子器件的印刷电路板(24)上。
7.根据权利要求6所述的荧光计(20)，其中所述传感器电子器件包括所述信号处理器或处理模块(100)。
8.根据权利要求6所述的荧光计(20)，其中所述荧光计(20)包括光机械头(26、40)，所述光机械头包含电光机械部件，所述电光机械部件包括所述激发源的阵列(42)和所述多个发射检测器的阵列。
9.根据权利要求8所述的荧光计(20)，其中所述防水壳体(15a)包括窗口(15c)，所述窗口被配置成允许待测量的多个共存荧光物质与所述电光机械部件之间的光学传输/相互作用，其中所述窗口由蓝宝石制成。
10.根据权利要求1所述的荧光计(20)，其中所述荧光计(20)包括配置有电光机械部件的光机械头(26、40)，所述电光机械部件包括所述激发源的阵列(42)和所述光谱分析器(46)。
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