包括图案化光学被分析物传感器和光学读出器的过滤器系统技术领域
本发明涉及过滤器系统，所述过滤器系统包括：过滤介质；图案化光
学被分析物传感器，其被设置成与过滤介质流体连通；以及光学读出器，
其被配置和设置成询问所述图案化光学被分析物传感器。
背景技术
过滤器系统通常在存在蒸气和其他经空气传播的有害物质的情况下使
用。示例性过滤器系统包括集体防护系统、一次性个人呼吸器、可重复使
用的个人呼吸器、动力式空气净化呼吸器、危害物质隔离服以及其他防护
装置。
已提出各种化学、光学或电子指示器，以用于就存在废弃材料的情况
警告防护装置的用户。例如，使用寿命终止指示器（“ESLI”）可以就此
类装置中的过滤元件可能接近饱和或者可能对特定材料无效的情况进行警
告。
检测化学被分析物（尤其是有机化学被分析物）的能力在许多应用
（包括环境监测等）中是重要的。已开发出用于检测化学被分析物的一些
装置，例如，光学装置、重量测定装置、微电子装置、机械装置以及比色
装置。
发明内容
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种过滤器系统，所述过滤器系
统包括壳体；设置在所述壳体内的过滤介质；光学被分析物传感器；以及
光学读出器。所述光学被分析物传感器的特征在于，具有对所关注的被分
析物做出第一响应的第一区域以及对所关注的被分析物做出不同的第二响
应的第二区域。所述光学被分析物传感器包括检测介质并且设置在所述壳
体内，以使检测介质与过滤介质流体连通。所述光学读出器包括至少一个
光源和至少一个检测器。
在一些实施例中，所述光学读出器包括第一组件和第二组件，每个组
件包括至少一个光源和至少一个检测器。所述光学读出器可附接到壳体，
以使由第一组件的至少一个光源发出的光的至少一部分从光学被分析物传
感器的第一区域反射，并由第一组件的至少一个检测器捕集，而由第二组
件的至少一个光源发出的光的至少一部分从光学被分析物传感器的第二区
域反射，并由第二组件的至少一个检测器捕集。第一组件和第二组件中的
至少一者可包括第一模块和第二模块，其中第一模块包括第一光源和第一
检测器，第二模块包括第二光源和第二检测器。
在其他实施例中，由至少一个光源发出的光的至少一部分从光学被分
析物传感器的第一区域反射，并由至少一个检测器捕集。另外，由至少一
个光源发出的光的至少一部分从光学被分析物传感器的第二区域反射，并
由至少一个检测器捕集。
附图说明
结合附图参阅以下对各个实施例进行的详细说明可以更全面地理解本
发明，其中：
图1示出了根据本发明的一个示例性过滤器系统；
图2示出了可用于根据本发明的过滤器系统的滤筒；
图3A和3B示意性地示出了适于与本发明的一些示例性实施例一起使
用的示例性光学被分析物传感器；
图4示出了根据本发明的示例性光学读出器；
图5A示出了在不存在目标分析物的情况下，示例性光学读出器的示例
性光源的光谱，以及示例性光学被分析物传感器的光谱；
图5B示出了表示示例性光电检测器对入射光波长灵敏度的曲线；
图6示意性地示出了根据本发明的光学读出器的另一示例性实施例；
图7A示出了使用一个或多个宽带光源的光学读出器的示例性实施例；
图7B示意性地示出了过滤器，该过滤器具有光谱透射不同的区域；
图8A和8B示出了根据本发明的光学读出器的示例性实施例的不同侧
面；
图9A示出了根据本发明的示例性光学读出器，该示例性光学读出器被
配置成询问图案化的光学被分析物传感器；
图9B示出了根据本发明的另一示例性光学读出器，该示例性光学读出
器被配置成询问图案化光学被分析物传感器；
图10示出了根据本发明的光学读出器的运行的示意图；
图11A到11D示意性地示出了根据本发明的另一示例性过滤器系统以
及此种过滤器系统的一些示例性部件；
图12示出了根据本发明的可移除壳体部分的实施例；
图13A和13B示出了附接机构的示例性实施例；
图14A-14C示意性地示出了不同类型的配准特征结构；
图15示出了示出了根据本发明的过滤器系统的再一实施例；
图16示出了适用于本发明的示例性实施例的呼吸器滤筒；
图17A和17B示出了根据本发明的再一示例性过滤器系统；
图18A和18B示出了可用于根据本发明的过滤器系统的合适的附接机
构；以及
图19示出了根据本发明的另一示例性过滤器系统。
各图中的类似参考标记表示类似元件。除非另外指明，否则本文档中
的所有图和附图均未按比例绘制，并且被选择用于示出本发明的不同实施
例。具体地讲，除非另外指明，否则仅用示例性术语描述各种部件的尺
寸，并且不应从附图推断各种部件的尺寸之间的关系。尽管在本发明中可
能使用了“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“下方”、“上
方”、“前部”、“背部”、“向外”、“向内”、“向上”和“向下”
以及“第一”和“第二”等术语，但应当理解，除非另外指明，否则这些
术语仅以它们的相对意义使用。
具体实施方式
在以下说明中参考附图，附图形成说明的一部分,并且其中通过举例说
明的方式示出若干具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围或精神
的前提下,可以设想出其他实施例并进行实施。因此，以下的具体实施方式
不应被理解成具有限制性意义。
除非另外指明，否则本文所用的所有科技术语具有在本领域中通常使
用的含义。本文给出的定义旨在方便理解本文中频繁使用的某些术语，而
并无限制本发明的范围之意。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用于表示特征尺寸、数
量和物理特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均由术语“约”来进
行修饰。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中
列出的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本领域的技术人员利用
本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。
除非内容另外明确指明，否则本说明书和所附权利要求书中使用的单
数形式“一（“a”，“an”）”及“该（the）”涵盖具有多个所指对象的
实施例。除非内容另有明确规定，否则本说明书和所附权利要求书中使用
的术语“或”一般以包括“和/或”的意思使用。
本发明涉及可用于指示使用寿命终止或者为用户提供与过滤介质（例
如，在有害环境中使用以抵御挥发性有机化合物的呼吸过滤器或滤筒的过
滤介质）的使用寿命终止相关的信息的系统和装置。预期本发明将有助于
对不同过滤器系统提供更为准确的使用寿命终止指示。可预想到，一些示
例性实施例可作为呼吸器滤筒和过滤器的配件提供，而其他示例性实施例
则包括整个呼吸器和滤筒。本发明适用于各种过滤器系统，例如，个人呼
吸器（包括动力式空气净化呼吸器）、可重复使用的个人呼吸器、一次性
个人呼吸器、危害物质隔离服、集体防护过滤器以及本领域的技术人员所
熟悉的其他应用。
本发明的示例性实施例可用于检测和/或监测一个或多个所关注的被分
析物。此类被分析物可包括可存在于需要受监测的环境（通常为空气气
氛）中的蒸气或气体。在一些实施例中，被分析物是有机蒸气（例如，挥
发性有机化合物）。代表性的有机被分析物可包括（但不限于）取代或未
取代的碳化合物，其中包括烷烃、环烷、芳香烃化合物、醇类、醚、酯、
酮、卤代烃、胺、有机酸、氰酸酯、硝酸盐以及腈，例如，正辛烷、环己
烷、甲基乙基酮、丙酮、乙酸乙酯、二硫化碳、四氯化碳、苯、甲苯、苯
乙烯、二甲苯、甲基氯仿、四氢呋喃、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、叔
丁醇、2-乙氧基乙醇、乙酸、2-氨基吡啶、乙二醇单甲醚、甲苯-2,4-二异氰
酸酯、硝基甲烷、乙腈等等。虽然有机蒸气传感器作为根据本发明的一种
特定类型的光学被分析物传感器而被提及，但是可以采用的其他类型的光
学被分析物传感器包括那些响应于有机蒸气、诸如酸性（例如，SO2、
Cl2、HCl、ClO2、HCN、HF、H2S以及氮氧化物）及碱性气体等反应性气
体以及其他气体（例如，氯化氰和甲醛）的光学被分析物传感器。
根据本发明的一种示例性过滤器系统在图1示出，图1示意性地示出
了动力式空气净化呼吸器（PAPR）1。PAPR 1包括头帽（head top）（例
如，罩子12）、涡轮单元14、呼吸管13以及束带15。罩子12被配置成戴
在用户11的头部上并且至少部分包封用户的头部以形成呼吸区17，即用户
的鼻部和口部周围的区域，从而将已过滤空气引导至该呼吸区17。尽管图
1中示出了罩子，但也可用任何其他合适的头帽来取罩子12，例如，面
罩、头盔或全隔离服，前提条件是形成将空气引导至用户的呼吸区17的封
闭用户环境，其至少覆盖用户面部的口鼻区域。涡轮单元14可附接到束带
15以使其能够固定在用户躯干周围。
涡轮单元14容纳有鼓风机系统（未示出），该鼓风机系统使用由电机
提供动力的风扇（也未示出）来吸引空气通过PAPR系统。该涡轮单元还
可包括电源，例如，电池组10。涡轮单元14通过连接在涡轮单元14的出
口18与罩子12的入口19之间的呼吸管13向罩子12供应空气。涡轮单元
14包括滤筒（在图2中示出），该滤筒被设置成使其中包含的过滤介质位
于气流通道中，优选地设置在鼓风机的风扇开口的上游。在本发明的典型
实施例中，所述滤筒能够从涡轮单元移除并且可以替换。提供滤筒的目的
在于，在将空气输送给用户11之前，去除环境空气中的至少一定量的污染
物，例如，颗粒和/或气体和/或蒸气。
本发明的实施例可采用多种过滤介质中的任何一种或多种，一个合适
的种类是吸附剂介质。吸附剂介质将能够吸附预期存在于拟定使用条件下
的所关注的蒸气。有利的是，吸附剂介质具有足够多的孔以允许准备好的
空气流或其他气体流从其中通过，并且其可以采用细碎固体（例如，粉
末、小球、薄片、颗粒剂或团聚物）或多孔固体（例如，开孔泡沫）的形
式。优选的吸附剂介质材料包括：活性炭、沸石、氧化铝以及可以通过吸
附来去除所关注的蒸气的其他金属氧化物；用酸性溶液（例如，乙酸）或
碱性溶液（例如，含水氢氧化钠）处理过的粘土和其他矿物；分子筛和其
他沸石；其他无机吸附剂（例如，二氧化硅）；以及有机吸附剂，其中包
括超高交联体系，例如称作“苯乙烯吸附剂（Styrosorbs）”的高度交联的
苯乙烯聚合物（如V.A.Davankov和P.Tsyurupa在Pure and Appl.Chem.,
vol.61,pp.1881-89(1989)（《纯粹与应用化学》，第61卷，第1881-89
页，1989年）以及L.D.Belyakova、T.I.Schevchenko、V.A.Davankov和
M.P.Tsyurupa在Adv.in Colloid and Interface Sci.vol.25,pp.249-66,(1986)
（《胶体与界面科学进展》，第25卷，第249-66页，1986年）等中所
述）。
优选吸附剂介质的实例有活性炭、沸石和氧化铝。可采用多种吸附剂
介质的混合物或层来（例如）吸收所关注的蒸气或其他被分析物的混合
物。如果采用细碎的形式，则吸附剂粒子大小可以发生很大变化，并且通
常将部分根据拟定使用条件进行选择。作为一般性指导原则，细碎的吸附
剂介质颗粒的粒度可在约4至约3000微米的平均粒径范围内变动，例如，
在约30至约1500微米的平均粒径范围内变动。也可采用具有不同粒度范
围的吸附介质颗粒的混合物（例如，吸附介质颗粒的双峰混合物形式，或
上游层采用较大的吸附剂颗粒而下游层采用较小的吸附剂颗粒的多层布
置）。还可采用与合适的粘结剂（例如，粘合碳）组合的吸附剂介质，或
捕集到合适的载体上（或其中）的吸附剂介质，例如在美国专利第
3,971,373号（Braun等人）、第4,208,194号（Nelson）和第4,948,639号
（Brooker等人）中以及在美国专利申请公开第US 2006/0096911A1号
（Brey等人）中描述的吸附剂介质。
图2示出了滤筒100，其可在PAPR的涡轮单元中使用，例如，结合图
1进行描述的涡轮单元14。滤筒100包括壳体120以及设置在壳体120内的
过滤介质122，例如，活性炭等吸附剂材料。光学被分析物传感器128（在
下文中更详细地描述）也设置在壳体120内，与过滤介质122流体连通，
如下文中更详细地说明。图2所示的壳体120包括具有多个开口125的后盖
124a以及同样具有多个开口（未示出）的前盖124b。前盖124b和后盖
124a中的开口可分别用作气体入口和出口，使得环境空气从外部环境流入
滤筒100中，通过过滤介质122并随后进入涡轮单元的鼓风机的风扇开口
中，其中滤筒100是所述涡轮单元的一部分。如果需要，可使用（例如）
会在使用之前移除的可移除盖（未示出）来对盖124a和124b中的一个或两
个中的开口进行密封，直到要使用这些开口为止。
壳体120的壁126可包括观察口，例如透明部分127（其对光源和检测
器所调谐到的特定光谱范围是透明的），通过该透明部分即可询问光学被
分析物传感器128（如下文中进一步说明）。如果需要，可任选地使用可移
除或可替换的罩或其他覆盖物（未示出），以使透明部分127免受涂料或
泡沫过喷、粉尘或其他模糊化行为。或者，所述观察口可包括壳体120中
的开口。在一些示例性实施例中，壳体的整个壁126或整个壳体120可以
是透明的。光学被分析物传感器128在以光学方式响应于被分析物，例
如，方法是在过滤介质122在暴露条件下与被分析物达到平衡时改变自己
的至少一种光学性质（例如，可表现为色度改变，反射光的亮度、强度发
生改变等）。
随后，进入透明部分127和光学被分析物传感器128的光通过透明部
分127反射回。当光学被分析物传感器128的光学特性中的至少一种特性
的可识别变化（例如，反射光谱的变化，例如从绿色到红色；色彩的出现
或消失，例如从白色或黑色到彩色或从彩色到白色或黑色；或者从白色变
到黑色或从黑色到白色的变化）指示位于光学被分析物传感器128下方的
过滤介质122已经在暴露条件下与蒸气达到平衡时，将滤筒100移除，并
用新的滤筒替换。换句话说，光学被分析物传感器可被配置成使光学变化
指示出滤筒100的剩余使用寿命或其使用寿命的终止。在一个实施例中，
光学被分析物传感器128可放置在流动通道的预定位置处，以便仅在处于
所需剩余使用寿命百分比时发出警告。
图3A示出了适于与本发明的一些示例性实施例结合使用的示例性光学
被分析物传感器的示意图。多层光学被分析物传感器32设置在透明基底33
（其对光源和检测器所调谐到的特定光谱范围透明）与过滤介质38之间。
示例性光学被分析物传感器32包括局部反射层34、检测介质35以及被分
析物可透过的反射层36。介质38的至少一部分与所关注的被分析物在所使
用的被分析物浓度下达到平衡时或不久之后，被分析物可穿过被分析物可
透过的反射层36，例如，穿过孔37进入检测介质35中。检测介质35能够
以层的形式提供，并且可以由合适的材料制成或以合适的结构制成，使得
当暴露于所关注的被分析物时，该检测介质的光学特征中的至少一种特征
（例如，层的光学厚度）就会改变。所述改变可（例如）通过基底33从外
部检测到。
用光线39a表示的环境光的一部分穿过基底33，作为光线39b从局部
反射层34反射，回传穿过基底33，并且随后穿出基底33。环境光线39a的
另一部分穿过基底33、局部反射层34以及检测介质35，并且作为光线39c
从反射层36反射。光线39c回传穿过检测层35、局部反射层34以及基底
33，并且随后穿出基底33。如果已经为检测层35选择适当的初始厚度或改
变厚度，并且假设层34和36足够平坦，那么类似于光线39b和39c的光线
将会产生相长干涉或相消干涉，并且光学被分析物传感器32的一种或多种
光学特性的可识别改变可通过局部反射层34检测到。
可使用多种技术将根据本发明的光学被分析物传感器附接到过滤器壳
体或其他载体，这些技术包括膜或块粘合剂、机械插件、热粘结、超声焊
接以及它们的组合。基底是可选的，但当其存在时，可由能够为薄膜指示
器提供适当透明载体的多种材料制成。基底可以是刚性的（例如，玻璃）
或柔性的（例如，可以通过一个或多个辊轧工序处理的塑料膜）。如果由
柔性材料（例如，适当透明的塑料）制成，则基底有利地具有足够低的蒸
气渗透性，以使所关注的蒸气不会通过局部反射层渗透到或渗透出检测介
质。如果省略基底，则局部反射层应具有足够的不可渗透性，以阻碍或防
止这种蒸气渗透。如果需要，可将多孔基底放置在可渗透反射层与吸附剂
介质之间。例如，可允许所关注的蒸气从吸附剂介质传输穿过可渗透基底
和反射层，并由此进入检测介质。
局部反射层和反射层均可以由可提供漫反射或优选地提供镜面光反射
的多种材料制成，并且这些材料可以在适当地间隔开时相互配合，从而提
供轻松可见的、明显的指示器外观变化。合适的局部反射层和反射层材料
包括：金属，例如铝、铬、钛、金、镍、硅、银、钯、铂、钛以及包含这
些金属的合金；金属氧化物，例如氧化铬、氧化钛和氧化铝；以及在美国
专利第5,699,188号（Gilbert等人）、第5,882,774号（Jonza等人）和第
6,049,419号（Wheatley等人），以及PCT公开专利申请案第WO 97/01778
号（Ouderkirk等人）中描述的多层光学膜（包括双折射多层光学膜）。局
部反射层与反射层可以相同或不同。如同时待审的美国专利公开案第
2008/0063874A1号（Rakow等人）中所述，金属纳米颗粒涂层（例如，金
属纳米颗粒油墨）可用于形成反射层。
局部反射层的反射性小于反射层，并且透射一些入射光。局部反射层
可以具有（例如）约2到约50nm的物理厚度，500nm情况下约20%到约
80%的透光率，并且500nm情况下约80%至约20%的反射率，或者两者间
的任何数字。局部反射层本身可以是不被蒸气渗透的（并且如果是这样，
则期望是连续的）并且可任选地涂覆在合适的基底上，或以其他方式邻近
合适的基底。局部反射层也可以是可渗透蒸气的（并且如果是这样，例
如，则可以是不连续或半连续的），并且涂覆在或以其他方式邻近适当的
蒸气不可渗透的基底。有利地，局部反射层中与检测层相邻的表面的平坦
度在约±10nm以内。
反射层可（例如）具有约1至约500nm的物理厚度、在500nm的情况
下约0%至约80%的透光率，以及在500nm的情况下约100%至约20%的反
射率。反射层优选为多孔的、图案化的、不连续的、半连续的或者能够以
其他方式充分渗透的，从而使得蒸气能够从吸附剂介质传输穿过反射层而
进入检测介质。可通过合适的沉积技术或通过适当的沉积后处理（例如，
选择性蚀刻、反应性离子蚀刻或图案化激光烧蚀）来获得所需的孔或不连
续性。也可以通过沉积蒸气可渗透的金属纳米颗粒层（如上文提及的美国
专利公开案第2008/0063874A1号中所述）来形成反射层，从而形成堆积的
纳米颗粒的蒸气可渗透层，其中纳米颗粒之间的空隙形成所述孔。
检测介质混合物可以是均匀的或不均匀的，并且可以（例如）由无机
组分的混合物、有机组分的混合物或者无机和有机组分的混合物制成。由
多种组分的混合物制成的检测介质可改善对被分析物群组的检测。有利
地，检测介质选择一定范围内的孔大小或表面积，以提供与吸附剂介质的
蒸气吸附特征类似的蒸气吸附特征。可以通过使用多孔材料（例如，由高
内相乳液制成的泡沫）获得适合的孔隙率，例如在美国专利第6,573,305B1
号（Thunhorst等人）中所述的那些。还可以通过二氧化碳发泡来产生微孔
材料以获得孔隙率（参见“Macromolecules”,2001,vol.34,pp.8792-8801
（《大分子》，2001年，第34卷，第8792-8801页）），或者可以通过共
混聚合物的纳米相分离以获得孔隙率（参见“Science”,1999,vol.283,p.
520（《科学》，1999年，第283卷，第520页））。一般来讲，孔直径优
选地为小于所需指示器着色的峰值波长。优选（例如）平均孔大小为约0.5
至约20nm、0.5至约10nm或0.5至约5nm的纳米尺寸的孔。
代表性的无机检测介质材料包括多孔二氧化硅、金属氧化物、金属氮
化物、金属氮氧化物、以及可形成厚度适当的透明多孔层以通过光学干涉
而使色彩或色度变化的其他无机材料。例如，无机检测介质材料可为氧化
硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮化钛、氮氧化钛、氧化锡、
氧化锆、沸石或上述项的组合。由于多孔二氧化硅的稳固性以及与湿式蚀
刻处理的相容性，因此该多孔二氧化硅是尤为理想的无机检测介质材料。
多孔二氧化硅可（例如）使用溶胶-凝胶处理途径制备，并且可以使用
或不使用有机模板制成。示例性的有机模板包括表面活性剂，例如，阴离
子表面活性剂或非离子表面活性剂，例如烷基三甲基铵盐、聚（环氧乙烷-
共-环氧丙烷）嵌段共聚物以及本领域的普通技术人员熟知的其他表面活性
剂或聚合物。溶胶-凝胶混合物可转化成硅酸盐，有机模板可被移除以在二
氧化硅中留下微孔网。代表性的多孔硅材料如Ogawa等人在Chem.
Commun.pp.1149-1150(1996)（《化学通讯》，第1149-1150页，1996
年）、Kresge等人在Nature,Vol.359,pp.710-712(1992)（《自然》，第
359卷，第710-712页，1992年）、Jia等人在Chemistry Letters,Vol.33(2),
pp.202-203(2004)（《化学快报》，第33卷第2期，第202-203页，2004
年）以及美国专利第5,858,457号（Brinker等人）中所述。也可采用多种有
机分子作为有机模板。例如，糖类（例如，葡萄糖和甘露糖）可以用作有
机模板以生成多孔硅酸盐，参见Wei等人在Adv.Mater.1998,Vol.10,p.
313(1998)（《先进材料》，1998年，第10卷，第313页（1998年））中
所述。溶胶-凝胶组合物中可包含有机取代的硅氧烷或有机双硅氧烷，以使
微孔更具疏水性并限制水蒸气的吸附。也可采用等离子化学气相沉积法生
成多孔无机检测材料。此方法通常涉及通过以下步骤形成被分析物检测
层：从气态前体形成等离子体，将等离子体沉积在基底上以形成非晶态无
规共价网层，然后加热此非晶态共价网层以形成微孔非晶态无规共价网
层。此类材料的实例在美国专利第6,312,793号（Grill等人）和美国专利公
开案第2007/0141580A1号（Moses等人）中进行了描述。
代表性有机检测介质材料包括聚合物、共聚物（包括嵌段共聚物）以
及上述项的混合物，它们由或者可由多种类别的单体制备，所述单体包括
疏水性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、双官能单体、乙烯基单体、烃单体（烯
烃）、硅烷单体、氟化单体、羟基化单体、丙烯酰胺、酸酐、醛官能化单
体、胺或胺盐官能化单体、酸官能化单体、环氧基官能化单体以及上述项
的混合物或组合。上面提及的美国专利申请公开第US 2004/0184948A1号
包含此类单体的详尽列表，并以此作为参考以获得更详细的描述。上文提
及的具有固有微孔性的聚合物(PIM)可形成尤为理想的检测介质。PIM通常
是形成微孔固体的非网状聚合物。由于其典型的高度刚性和扭曲的分子结
构，使得PIM无法有效地填充空间，从而形成本发明所公开的微孔结构。
合适的PIM包括（但不限于）Budd等人在“Polymers of intrinsic
microporosity(PIMs):robust,solution-processable,organic microporous
materials”（Chem.Commun.,2004,pp.230-231（具有固有微孔性的聚合物
（PIM）：稳固、可溶液处理的有机微孔材料，《化学通讯》，2004年，
第230-231页）中公开的聚合物。另外的PIM在Budd等人的J.Mater.
Chem.,2005,15,pp.1977-1986（《材料化学期刊》，2005年，15，第1977-
1986页）、McKeown等人的Chem.Eur.J.2005,11,No.9,2610-2620（《欧
洲化学》，2005年，11，第9期，第2610-2620页）以及已公布的PCT专
利申请案第WO 2005/012397A2号（McKeown等人）中公开。
有机检测介质中的一种或多种聚合物可以至少部分地交联。在一些实
施例中交联可能是所需的，因为其可以增加机械稳定性以及对某些被分析
物的敏感度。可以通过以下方式实现交联：将一种或多种多官能单体加入
检测介质中；对检测介质进行（例如）电子束或伽马射线处理；在检测介
质中添加或形成配位化合物或离子化合物；或者在检测介质中形成氢键。
在一个示例性实施例中，交联是在存在致孔剂情况下进行的，该致孔剂随
后可从交联体系中提取出来以形成多孔检测介质。合适的致孔剂包括（但
不限于）惰性有机分子，例如正构烷烃类（例如，癸烷）或芳烃类（例
如，苯或甲苯）。其他交联聚合物包括上面提及的高度交联的苯乙烯聚合
物。
如果需要，可以对检测介质材料进行处理以更改其表面特性或吸附特
征。可以进行多种此类处理，例如，使无机检测介质的微孔暴露于合适的
有机硅烷化合物。除此之外或取而代之，可以通过合适的粘附力促进材料
（例如，由钛或另一种合适的金属制成的粘结层）对检测介质进行处理，
以提高局部反射层或反射层与检测介质之间的粘附力。此类处理也可以应
用于局部反射层或反射层，以增大对检测介质的粘附力。
对于许多应用而言，检测介质有利地具有疏水性。这将减少水蒸气
（或液态水）致使检测介质光学厚度发生变化以及干扰被分析物的检测
（例如，有机溶剂蒸气的检测）的机会。检测介质可由单个层制成或者由
两个或更多个次层制成。次层可具有多种构造。例如，其可被叠堆或并列
布置。次层也可由不同的材料制成，这些材料经过选择以吸收不同的所关
注的蒸气。
图3B示出了适用于本发明的实施例的光学被分析物传感器的另一示例
性实施例。如图3B所示，光学被分析物传感器40可包括：一个或多个第
一区域42，其对所关注的被分析物做出第一响应；以及一个或多个第二区
域44，其对所关注的被分析物做出不同的第二响应。这种光学被分析物传
感器在本文中称作图案化光学被分析物传感器。在图示实施例中，光学被
分析物传感器40具有包括检测介质48、半反射层50以及反射层52的多层
构造。检测介质48能够以层的形式提供，并且其能够由合适的材料制成或
者以合适的结构制成，使得在暴露于所关注的被分析物时，该检测介质的
光学特征中的至少一种特征（例如，层的光学厚度）会改变。所述改变可
（例如）通过可包括壳体的壁的基底46从外部检测到。
预期第一区域42和第二区域44中的改变是不同的。由所采用的检测
器识别的任何可检测差异都在本发明的范围之内。例如，响应于暴露在所
关注的被分析物下，根据本发明的光学被分析物传感器的不同区域可能经
历不同幅度的光谱偏移（例如，不同的峰值波长偏移）、不同强度的反射
光或上述两者。一些检测器能够检测到小到1nm的色移差值。半反射层50
一般不会被蒸气渗透。反射层52一般可被化学品渗透并且与过滤介质60
流体连通，以使所关注的被分析物能够传输通过反射层52而进入检测介质
48中，并且可以充分地改变检测介质的至少一种光学特征（例如，其光学
厚度），从而在询问时就会发生可由根据本发明的光学读出器检测到的变
化。粘合剂53可用于将传感器40固定到壳体壁26的内表面上。
光学被分析物传感器包括对所关注的被分析物做出第一响应的一个或
多个第一区域，以及对所关注的被分析物做出不同的第二响应的一个或多
个第二区域，制造该光学被分析物传感器的一种方法是，将阻断层54设置
在与过滤介质60流体连通的光学被分析物传感器40的表面的一部分上
方。在示出的实施例中，阻断层54设置在第二区域44的相对侧上，该区
域44响应于暴露在一个或多个所关注的被分析物中而改变颜色。阻断层54
可直接在界面56处粘接到反射层52，或通过一个或多个中间层进行粘合。
界面56可为粘合剂层。
在未将惰性阻断层54粘接到光学被分析物传感器主体58的情况下，
传感器的光学特征中的至少一种光学特征在区域42和44上方通常会发生
类似变化。然而，当阻断层54设置在主体58上方时，预计在与被阻断层
54掩蔽的区域相对应的区域（例如，区域42）中，传感器的至少一种光学
特性不会改变。然而，在对应于未被阻断层54掩蔽的区域的区域（例如，
区域44）中，传感器的光学特性中的至少一种光学特性预计会发生改变。
然而，由于在一些实施例中，区域42和44可邻近或成一体，因此上文所
提及的改变可为渐进的改变。区域42与44之间的边界可为突变的或渐变
的。在其他示例性实施例中，这些区域可能并非是邻近的。根据本发明，
上述阻断层可应用于传感器，以产生可用于询问的多种不同视觉图案。
在一个实施例中，粘合剂（例如，压敏粘合剂）可用于形成阻断层。
聚异丁烯(PIB)粘合剂尤其基于其高纯度而成为这些层的可用材料。本发明
的实施例可用的此类市售的丙烯酸类压敏粘合剂转移带的一个实例是3M的
以商品名VLO 6690为人所知的粘合剂转移带。可用于膜主体掩蔽的其他压
敏粘合剂可包括丙烯酸类粘合剂。在一个实施例中，压敏粘合剂能够以压
敏胶带的形式应用于传感器，所述压敏胶带可进一步包括内衬和/或背衬。
在此实施方案中，所述内衬和/或背衬通常提供防止蒸气渗透到传感器中的
额外屏障。热熔融无溶液粘合剂也可用作掩蔽材料。还可使用聚合物材料
作为阻断层以掩蔽传感器的多个区域，例如，可被UV固化或热固化的水
溶性聚合物或环氧树脂材料。蜡、树脂或无机材料也可用于阻断层。
除此之外或取而代之，示例性光学被分析物传感器的任何其他层或一
组次层中的一个次层可为不连续的或图案化的，以形成对所关注的被分析
物做出第一响应的一个或多个第一区域以及对所关注的被分析物做出不同
的第二响应的一个或多个第二区域。也可通过提供对特定被分析物产生反
应的一个或多个部分，以及对同一被分析物不产生反应的一个或多个部分
来形成层或次层图案。也可将反应性材料的图案沉积到较大的非反应性次
层上，例如，通过将图案化的层制备为足够薄，以使得在吸收被分析物之
前光学厚度的差值并不明显。检测层的厚度也可以图案化，例如，如在美
国专利第6,010,751号（Shaw等人）中所述。这能使图案消失（例如，当
较薄部分溶胀至与较厚部分的厚度相同时）或出现（例如，当一部分收缩
至厚度小于邻近部分时）。如果需要，可以通过所需形状或形态的图案在
反射层中形成间断。这可使得在暴露于所关注的被分析物中时，可识别图
案出现或消失。在一些情况下，与检测整个指示器膜中的光学变化相比，
检测这种图案的对比光学特性可能更为容易。
本发明所公开的装置可以根据需要包括额外的层或元件。例如，可将
带吸附剂的复合物的多孔层（例如，置于原纤化PTFE基质中的活性炭粒子
幅材，如在上文提及的美国专利第4,208,194号中所述）放置在反射层和吸
附剂介质之间，以使渗透进入指示器的蒸气均质化或者以其他方式调节指
示器对吸附剂介质中的情况的响应。
适用于根据本发明的光学被分析物传感器的各种构造和材料在（例
如）名称为“Permeable Nanoparticle Reflector（可渗透纳米粒子反射器）”
的美国申请公开案第2008/0063874A1号中、名称为“Patterned Chemical
Sensor Having Inert Occluding Layer（具有惰性阻断层的图案化化学传感
器）”的美国专利申请案第12/604,565号以及名称为“Colorimetric Sensor
（色度传感器）”的美国专利第7,449,146号中进行了描述。共同拥有的美
国申请公开案第2008/0063575A1号以及名称为“Patterned Chemical Sensor
Having Inert Occluding Layer（具有惰性阻断层的图案化化学传感器）”的
美国申请案第12/604,565号描述了使用指示器外观中明显地可识别变化来
为有机蒸气吸附剂防护装置的用户提供指示滤筒的剩余使用寿命或使用寿
命终止的信息。在该应用中，可以在环境光照度下明显地监测指示器中的
外观变化。
然而，本发明的实施例包括或涉及一种光学读出器，其被配置成响应
于目标被分析物来检测光学被分析物传感器的光学特征中的至少一种特征
的变化。因此，本发明能够提供准确的使用寿命终止指示，而不依赖于用
户对色彩变化的传感器的视觉检查。虽然用户对膜的视觉检查可提供对一
些被分析物的使用寿命终止指示，但是在其他情况下，尤其是在低被分析
物浓度的条件下，一些所关注的挥发性有机化合物不会产生明显的颜色变
化。另一方面，一些被分析物会产生大规模色移，它们迫使光学被分析物
传感器返回到其原始颜色，这有时被称作环绕效果（wrap around effect）。
例如，传感器的色彩可从绿色变化到红色再变化到绿色。因此，本发明的
一些有益效果包括：增大可被检测出的挥发性有机蒸气的范围，以及防止
环绕效果对使用寿命终止指示产生影响。
图4示出了根据本发明的示例性光学读出器200。光学读出器200包括
至少一个光源（此处为212和214）以及至少一个检测器220。一个或多个
光源（例如，212和214）以及一个或多个检测器220可安装在同一载体
250上。光学读出器200可被配置成附接到根据本发明的过滤器系统的壳体
上，所述过滤器系统包括光学被分析物传感器230，以使由至少一个光源
212、214发出的光212a、214a的至少一部分由光学被分析物传感器230反
射并由至少一个检测器220捕集。
一个或多个光源（例如，212和214）可包括多种光源中的任一种光
源。例如，可使用发光二极管（LED）。在某些实施例中，一个或多个光
源可包括一个或多个相对宽带的光源（例如，白光源）。在其他实施例
中，光源可包括一个或多个窄带光源（例如，LED），所述窄带光源发出
处于特定（例如，相对较窄）波长范围内的光，所述光的峰值在该范围内
的特定波长处。在各种实施例中，此类窄带光源可通过最多约为50nm、最
多约为40nm或最多约25nm的半功率带宽来表征。可以使用的示例性LED
包括可从德克萨斯州卡罗尔顿的欧思公司（Optek,Carrollton,TX）购得的
名称为OVLBx4C7的那些LED，以及表面安装LED，例如来自欧司朗
（Osram）的LS T676、LA T676、LO T676、LY T676系列。
适用于本发明示例性实施例的检测器（例如，220）可包括能够测量入
射到装置上的光量的多种装置中的任一种装置，包括（例如）光电检测
器，例如光电倍增器管、光电池、光电二极管、光电晶体管、电耦装置
等。合适的检测器可用于提供与检测到的光量相关（例如，与从光学被分
析物传感器230接收的反射光的强度相关）并且可以如下文所述进行进一
步处理的信号（例如，电压、电流等）。在一些实施例中，一个或多个检
测器可检测特定（例如，相对较窄）波长范围的光。在其他实施例中，一
个或多个检测器可以包括宽带检测器，该宽带检测器可以检测相对较宽波
长范围上的光。在各种实施例中，此类宽带检测器能够检测至少约150nm
宽、250nm宽或500nm宽的波长范围上的光。可以使用的示例性检测器包
括可从德国雷根斯堡的欧司朗公司（OSRAM,Regensburg,Germany）购得
的名称为SFH 2430的光电二极管。
如图4所示，可使用多个光源作为光学读出器200的一部分。在图示
的示例性实施例中，第一光源212和第二光源214各自可由第一和第二光
谱（或波长）范围以及第一和第二峰值波长来表征。第一光谱范围可以不
同于第一光谱范围，并且第一和第二光源可以发射具有不同峰值波长的
光。在此设计中，不同光源212和214可安装在通用检测器220（涉及设置
在两个光源212与214之间的检测器220的示例性设计，如图4所示）附
近。
可以选择第一光源212和第二光源214，以使它们的光谱分别以对应于
峰值2001和2002（如图5A所示）的不同波长范围A和B和不同峰值波长
来表征。在此类实施例中，可以使用单个（例如，宽带）光电检测器作为
检测器220。在多个波长范围内监测从光学被分析物传感器反射的光可以提
供显著的优点。此类检测的各种细节和原理在（例如）共同拥有的美国临
时申请案第61/164,496号（Hulteen等人）中进行了阐述。在特定实施例
中，在不存在目标被分析物的情况下，波长范围A可以选择为落在光学被
分析物传感器的反射光谱中的最大峰值处（例如，图5A中所示的峰值
2000）处或附近。长范围B可以至少一定程度地远离波长范围A，并且在
一些实施例中，可以在不存在目标被分析物的情况下，处于光学被分析物
传感器的反射光谱中的最小谷值处（例如，图5A中所示的最小谷值
2003）处或附近。在特定实施例中，波长B落在紧邻所监测的波长A的峰
值的最小谷值处或该所述最小谷值附近。图5A示出了两个示例性光源的发
射谱带来示出此概念，该发射谱带添加有使用PIM膜的示例性光学被分析
物传感器的反射光谱。图5B示出光电检测器对入射光的波长的敏感度。由
于光谱一旦吸附目标被分析物就会朝右偏移，因此光电检测器对绿光源的
响应开始逐渐衰减，而对红光源的响应开始增强。需要使用第一光源与第
二光源的响应比率是，因为这样可以帮助降低光源所发射的光的强度波动
的影响。
可以根据所用特定光学被分析物传感器的特性、需要进行监测的特定
被分析物等来选择具体波长范围。在各种实施例中，波长范围A和波长范
围B被选择成使它们的中点相隔至少20纳米、至少40纳米或至少60纳
米。在其他具体实施例中，选择的波长范围A和波长范围B应使它们的中
点间隔至多140nm、至多120nm或至多100nm。在多个实施例中，第一波
长范围的中心可以在最大峰值的约10nm、20nm或40nm内，第二波长范围
的中心可以在最小谷值的约10nm、20nm或40nm内。在一些实施例中，可
以执行光学询问，其中波长范围A集中在约520nm附近，并且其中波长范
围B集中在约640nm附近。在其他实施例中，可以执行光学询问，其中波
长范围A集中在约591nm附近，并且其中波长范围B集中在约606nm附
近。如上所述，例如，可以通过使用窄带光源（例如，LED等）实现在波
长范围A和B内的询问。在其他实施例中，可以使用窄带或带通过滤器来
过滤宽带光源，以将波长范围调谐到所需光谱区域。在一些示例性实施例
中，一个或多个波长范围可处于光谱的UV或近红外区域中。PIM光学被
分析物传感器（例如）在那些区域中显现出峰值或谷值，因此，可提供被
配置成在光谱的那些区域中运行的传感器/读出器组合。如果需要，可以在
其他波长范围内执行额外光学询问。这些额外范围可在范围A与B之间、
与范围A和B重叠或者在范围A和B以外。这些额外光学询问范围（可以
通过（例如）使用额外光源来提供）可以提供增大的分辨率、动态范围、
精密度等。
在这些配置中，来自检测器的对在波长范围A内检测到的光量进行指
示的信号可与来自检测器的对在波长范围B内检测到的光量进行指示的信
号进行比较（例如，由微处理器求出比率）。这种比较/比率可提供显著的
优点。例如，可以允许确认新的或替换的光学被分析物传感器是否处于操
作条件下（例如，未过早暴露于被分析物下、未损坏、未失准等），如下
文进一步描述。因此，在一些实施例中，本文所公开的方法包括以下步
骤：获得初始比较信号，以及确定该初始比较信号是否在可接受范围内。
使用比较（例如，求出比值的）信号还可增大光学读出器的动态范围。在
本文所公开的方法的上下文中，比较第一和第二信号（例如，表示在第一
波长范围和第二波长范围内检测到的光量的信号）可以包括比较平均信号
（例如，获得多个第一信号并得出它们的平均值，以及获得多个第二信号
并得出它们的平均值，然后比较第一信号平均值与第二信号平均值），以
及比较单个第一信号与单个第二信号。
图6示意性地示出了根据本发明的光学读出器300的另一个示例性实
施例。光学读出器300包括两个光源312和314以及两个检测器322和
324。一个或多个光源以及一个或多个检测器可安装在同一载体350上。此
光学读出器还可以被配置成附接到根据本发明的过滤器系统的壳体，该壳
体包括光学被分析物传感器，以使至少一个光源312、314发出的光的至少
一部分被光学从分析物传感器330反射并由检测器322和324捕集。在此示
例性实施例中，与另一光源发出的光相比，光源312和314各自可发出具
有不同峰值波长的不同波长范围内的光。每个光源312和314可分别与光
电检测器322和324结合使用，所述光电检测器被设计成检测由对应光源
发出的特定波长范围内的光。
图7A示出了使用一个或多个宽带光源410的光学读出器400的示例性
实施例。宽带光源410可为或者可以包括一个或多个宽带光源，例如，白
光LED。当使用一个以上的宽带光源时，该光源中的至少两个可以配置成
具有不同的光谱范围和/或分布，如上文结合使用窄带光源的示例性实施例
所述。一个或多个所述宽带光源的发射光谱可进行定制，只需购买市售的
具有所需光谱的光源，或将一个或多个光谱过滤器，例如，本领域中的普
通技术人员所知的光谱过滤器放置在一个或多个所述宽带光源上方即可。
合适的光谱过滤器可包括透明基底上方的光学涂层。或者，可一起使用由
不同波长范围和不同峰值波长表征的两个或更多个窄带光源，以模拟宽带
光源。例如，可结合使用由涵盖不同原色区域的波长范围和峰值波长表征
的光源，以模拟白光源。具体而言，可结合使用以下项中的一项或多项：
红光LED、绿光LED和蓝光LED。
这些示例性实施例还可包括颜色感测检测器420。这种检测器允许对
光学被分析物传感器的色彩进行更为直接的测量，而不是简单地在特定的
照明光谱范围内反射。颜色感测检测器可以实施为包括两组或更多组（优
选为三组或更多组）光电检测器的多像素光电检测器阵列，这些光电检测
器仅对两个或更多个（优选为三个或更多个）相对较窄的不同波长范围敏
感。在一个示例性实施例中，这种色彩感测光电检测器可以包括成排的红
色、绿色、蓝色和白色光电检测器，例如，光电二极管。另一个示例性色
彩感测检测器可以包括覆盖有光谱过滤器以达到类似结果的相同或类似光
电检测器的阵列。适用于这些示例性实施例的光谱过滤器的一个实例是具
有不同光谱透射的区域的过滤器，例如，设置在检测器阵列422上方的平
铺式光谱过滤器424，如图7B所示。光谱过滤器424包括由不同光谱透射
率来表征的区域（贴片）。例如，一个或多个贴片424a可由对红光的高透
射率来表征，一个或多个贴片424b可由对蓝光的高透射率来表征，并且一
个或多个贴片424c可由对绿光的高透射率来表征。这种光谱过滤器的一个
实例是拜耳（Bayer）过滤器。
进一步参见图7A，光学被分析物传感器430由光源410进行照明，且
反射信号由检测器420进行检测。诸如微处理器等可编程逻辑装置随后可
以将检测器光学响应分解成原色，例如，R、G、B。已分解的响应可以经
过处理以使用标准算法推断出任何相关信息（例如，光学被分析物传感器
430的光学特征中的至少一种特征是否发生变化，读出器400是否对准传感
器430等)。在再一个示例性实施例中，宽带光源可结合一个或多个窄带检
测器使用。或者，以给定的预定波长范围进行询问可以通过使用窄带光源
并结合窄带或宽带检测器来实现。
使用多重或宽带光源和/或多重或宽带光电检测器可以增强光学读出器
的运行。例如，此类设计可以允许检测更宽范围的可检测被分析物，可以
允许检测更宽浓度范围的被分析物，可以允许更精确地对被分析物的浓度
进行定量，可以不必在每次安装新的或替换的光学被分析物传感器时都需
要校准光学读出器，等等。因此，在一些实施例中，采用本文所述的方法
不需要在监测可能含有被分析物的大气环境之前将感测元件暴露于包含已
知非零浓度的被分析物的校准气体中。此外，使用上述颜色测量的优点在
于，不需要对任何特定的预定光谱区域定制光学被分析物传感器。
图8A和图8B示出了根据本发明的光学读出器500的另一示例性实施
例的相对的第一侧面500a和第二侧面500b，所述光学读出器用于询问根据
本发明的光学被分析物传感器。光学读出器500包括第一光源512和第二
光源514以及检测器520。第一光源由第一光谱分布来表征，而第二光源特
征则由第二光谱分布来表征。例如，第一光源可由第一峰值波长和第一波
长范围来表征，而第二光源则可由第二峰值波长和第二波长范围来表征。
在典型的示例性实施例中，第一光谱分布不同于第二光谱分布。例如，第
一和第二峰值波长和/或第一和第二波长带可以不同。在此示例性实施例
中，第一光源512和第二光源514以及检测器520可安装在同一载体550
上，例如，印刷电路板上。光学读出器还可以包括可编程逻辑装置540，所
述可编程逻辑装置优选地也安装在载体550上。
光学读出器500还可包括电池530、一个或多个光源516和518等报警
装置，以及致动器560，所有这些均示出于图8B中。用户可触发致动器
560以引发光学读出器500对光学被分析物传感器的询问。光学读出器500
可通过无线接口或串行接口连接到另一装置，例如，计算机。因此，光学
读出器可将各种信息输送到数据库或显示器，这些信息例如是通过光学读
出器询问根据本发明的光学被分析物传感器而获得的数据。通常，串行接
口在光学读出器的测试、定量和/或校准期间使用。
优选地，第一光源512和第二光源514设置在载体550的一侧上，而
检测器520设置在载体550的相对侧上。在此示例性实施例中，载体具有
开口520a，以使得从光学被分析物传感器返回的光可以到达检测器520。
光源能够相对于印刷电路板以一个角度安装到（例如，附接到）印刷电路
板，从而在光源、检测器和光学被分析物传感器之间形成所需角度。如果
一个或多个光源是发光二极管，则它们可以通过任何已知的安装方法电连
接到印刷电路板。通孔方法可更好地形成所需角度，但如果需要，也可以
使用表面安装方法。如果需要，一个或多个定位装置（例如，夹持器、箍
等）可以用于将一个或多个光源以所需角度定位于印刷电路板上。
上文提及的光学读出器部件中的一者或多者可设置在壳体580的内
部。优选地，至少将第一光源512和第二光源514、检测器520以及载体
550设置在壳体的内部。然而，光学传感器500的任何数量的部件均可以包
封在壳体580中，在一些情况下，所有部件均包封在壳体中。根据本发明
的光学读出器壳体可以使用对可见光谱的光透明的材料构造而成，这些材
料例如是，玻璃或例如聚碳酸酯、尼龙、聚苯乙烯等透明塑料。或者，光
学读出器壳体可以由不透明材料制成，并且具有设置在检测器和一个或多
个光源上方的透明部分，以使得光学读出器能够发光并且从配置成要读出
的光学被分析物传感器接收光。壳体的形状可以是适合于将要一起使用的
过滤器系统的任何形状。在其他示例性实施例中，壳体可为或者可包括对
可见光谱的光不透明而对其他光谱区域的光透明的部分，例如，使用红外
或近红外光源以及检测器的一个或多个部分。
在本发明的典型实施例中，壳体包括配准特征结构582（此处为
槽），所述配准特征结构用以使光学读出器500与光学被分析物传感器对
准，如下文详细说明。配准特征结构的大小和形状可以随应用而改变。在
一些示例性实施例中，光学读出器中可包括不止一个相同或不同的配准特
征结构。该光学读出器可被配置成附接到根据本发明的过滤器系统的壳
体，该壳体包括光学被分析物传感器，以使至少一个光源512、514发出的
光中的至少一部分从设计成要进行询问的光学被分析物传感器反射，并且
由检测器520捕集。图8A和图8B所示的示例性实施例的构造使得能够使
用表面安装光学器件来获得薄且形状因数小的读出器，此类读出器能够固
定在滤筒等过滤器系统的表面上，如下文所图示和描述。在典型实施例
中，光学读出器非常紧凑并且是薄型的。例如，光学读出器（例如，图8A
和图8B中所示的读出器）可以具有20mm、60mm、100mm、150mm或这
些值中的任何值之间的任何数值的典型长度L。此光学读出器的典型宽度
W可以是10mm、30mm、40mm、70mm或者这些值中的任何值之间的任何
数值。根据本发明的光学读出器的典型重量可以是5g、8g、50g、100g或
者这些值中的任何值之间的任何数值。
图9A示出了根据本发明的示例性光学读出器80，所述光学读出器被
配置成询问图案化光学被分析物传感器70，所述图案化光学被分析物传感
器具有对所关注的被分析物做出第一响应的第一区域72以及对所关注的被
分析物做出不同的第二响应的第二区域74。在一些示例性实施例中，第一
响应大于第二响应。此类示例性图案化传感器（例如）参考本发明的图3B
进行了描述。在此特定的示例性实施例中，第一区域72被配置成用作参
考，即其不会对所关注的被分析物做出明显的（优选地，可检测的）响
应。然而，在第二区域74中，响应于所关注的被分析物，光学被分析物传
感器70的光学特征中的至少一种特征中发生改变。
光学读出器80包括至少一个光源82和至少一个检测器84。光学读出
器80被配置成使得在其设置成正确对准时询问光学被分析物传感器70，这
可以被认为是在第一区域72和第二区域74中同时询问光学被分析物传感
器70。在一个实施例中，光源82和检测器84分别具有光投射区域82b和
检测区域84b，如图9A所示。区域82b和84b由光源82发出的光82a的立
体角度以及检测84a的立体角度确定，这些立体角度通常由制造商设定或
设计。通过选择具有合适的立体角度的光电子器件，并且通过将它们周密
地放置在诸如PBC等载体85上，可设计出图9A所示的具有询问能力的光
学读出器。如果光源82和检测器84位于第一区域72与第二区域74之间的
边界70a处，那么通过改变读出器和传感器之间的间距以及光源和检测器
之间的间距，可增加或减少图案化膜上光源所照射的并且检测器从中捕集
光的表面积。
优选地，区域82b、84b（这两个区域可重合或不重合）的一半在光学
被分析物传感器70的第一区域72中，而区域82b、84b的另一半在光学被
分析物传感器70的第二区域72中。一般而言，由光源82发出的光的至少
一部分从第一区域72反射并由检测器84捕集。类似地，由光源82发出的
光的至少一部分从第二区域72反射并由检测器84捕集。因此，由检测器
84接收的光84a是从第一区域72和第二区域74接收的光的总和。对于未
暴露于所关注的被分析物下的光学被分析物传感器，检测器对第一区域72
和第二区域74的响应是类似的。然而，在暴露时，由于区域72和74中的
至少一者经历其光学特征中的至少一种光学特征中发生的变化，因此检测
器读数将相应变化。
图9B示出根据本发明的另一示例性光学读出器，图9B示出了光学读
出器90，所述光学读出器被配置成询问图案化光学被分析物传感器70，所
述图案化光学被分析物传感器具有对所关注的被分析物做出第一响应的第
一区域72以及对所关注的被分析物做出不同的第二响应的第二区域74。光
学被分析物传感器70的光学特征中的至少一种光学特征响应于所关注的被
分析物而发生的变化可以由一个或多个检测器92a-92d检测出。
光学读出器90包括第一组件192和第二组件191。相对于示出的实施
例，第一组件可以被称作感测组件，并且第二组件可以被称作参考组件。
参考组件包括一个或多个（此处为两个）光源93、95，以及一个或多个
（此处为一个）检测器91。光学读出器90被配置成使得在其设置成正确对
准以询问光学被分析物传感器70时，使至少一个光源93、95发出的光的
至少一部分从光学被分析物传感器70的第一区域72反射并由至少一个检
测器91捕集。感测组件192包括由一个或多个光源和一个或多个检测器形
成的一个或多个模块。在此示例性实施例中，感测组件192包括四个模
块，每个模块包括两个光源94a-d和96a-d以及检测器92a-d。光学读出器
90被配置成使得在其设置成正确对准以询问光学被分析物传感器70时，对
于感测组件192的每个模块，均使至少一个光源94a-d、96a-d发出的光的
至少一部分从光学被分析物传感器70的第二区域74的特定区域（A至D）
反射并由所述至少一个检测器92a-d捕集。具体地讲，由第一模块第一光源
94a和第二光源96a发出的光的至少一部分从光学被分析物传感器70的第
二区域74的第一区A反射，所反射的光由第一模块检测器92a捕集；由第
二模块第一光源94b和第二光源96b发出的光的至少一部分从第二区B反
射，所反射的光由第二模块检测器92b捕集；由第三模块第一光源94c和第
二光源96c发出的光的至少一部分从第三区C反射，所反射的光由第三模
块检测器92c捕集；以及由第四模块第一光源94d和第二光源96d发出的光
的至少一部分从第四区D反射，所反射的光由第四模块检测器92d捕集。
优选地，第一、第二和第四模块定位在光学被分析物传感器70的区域
A、B、C和D上方，以使不同模块所询问的区域之间不存在重叠。在此类
示例性实施例中，由于所关注的被分析物蔓延穿过与根据此示例性实施例
的光学被分析物传感器流体连通的过滤介质，因此，光学被分析物传感器
70的第二响应区域74的区域A、B、C和D将依序暴露于被分析物下，并
且因此依序经历至少一种光学特性的变化。具体地讲，如果光学变化首先
由区域A经历，随后是B，然后是C并且最后由D经历，那么感测组件
192的第一、第二、第三和第四模块将以同一顺序检测依序发生的变化。因
此，本发明的示例性实施例包括多级指示器。例如，一种此类布置将分别
提供100%、75%、50%、25%和0%剩余使用寿命的指示。
尽管四个模块示出于感测组件中，并且一个模块示出于参考组件中，
但也可以使用与本发明相符的任何其他合适数量的模块。适用于此示例性
实施例的光源、检测器、光学被分析物传感器以及其他部件和装置可为上
述任何合适的系统、元件或组件，或者可为其他任何合适的系统、元件或
组件。
当使用本文所公开的方法和装置询问光学被分析物传感器时，可以获
得与所关注的被分析物的存在情况和/或浓度相关的信号。在一些实施例
中，由光学读出器的至少一个光电检测器生成的信号是电信号，例如，采
用电压或电流的形式。该信号随后可以受到调控、处理等。根据本发明的
光学读出器可以包括一个或多个模数转换器，该模数转换器在信号最初为
模拟形式的情况下可以提供采用数字形式的信号，以便由可编程逻辑装置
（例如，微控制器、微处理器或现场可编程门阵列）进行处理。在存在多
个检测器的情况下，每个检测器可以提供单独信号。
根据需要，可以按照光学读出器的电路中存在（例如，安装到软件或
固件中）的算法对接收自一个或多个光电检测器的信号（单独地或组合
地）进行数学调控。因此，光学读出器可以包括此类部件、电路等，因为
需要这些部件、电路来执行此类所需的信号处理，还需要这些部件、电路
来控制一个或多个光源和/或一个或多个光电检测器。参见图10的框图，本
发明的光学读出器可以包括可编程逻辑装置137，例如微控制器、微处理器
或现场可编程门阵列，所述装置可对光源131进行操作并且对光电检测器
132进行操作（并从其接收信号），可对从光电检测器132接收的信号进行
处理、调控等，可将不同数据和参数保存在存储器中，可对置136（例如，
指示器或显示器）进行操作并且经由接口139（例如，无线接口或串行接
口）与用户进行通信，可经由电源135接收来自（内部或外部）电源134
的电力，以及可根据需要执行其他功能。
例如，从光电检测器132采集的信号可被保存在存储器（例如，微处
理器137的存储器）中，以便可以访问和查询信号的时间相关史。这在以
下情况中可能是有用的，例如，（如在存在一定量的被分析物时）光学被
分析物传感器反射光谱的第二峰值充分偏移成靠近A波长范围，使得在峰
值所产生的波长范围A内接收到的信号类似于在不存在被分析物时最初从
第一峰值接收到的信号。通过遵循从光电检测器132接收的信号的时间相
关史（例如，波长范围A内的信号下降，然后再次朝其初始值上升），本
发明的实施例能够将这样的条件（例如，可能由大量的被分析物而导致）
与在可能暴露于被分析物期间接收到相对恒定的反射光信号的条件区分开
来。使用比较（例如，求出比值的）信号时，可以进行类似的信号处理。
可将其他信息保存在微处理器137的存储器中，以增强本发明的示例
性实施例的功能。例如，来自一个或多个检测器的信号可以与关于一个或
多个预定条件的信息（例如，通过将感测元件暴露于已知的被分析物浓度
下而实证推导出或获得的预定响应曲线）进行比较，这些信息可以提供用
以将信号（例如，处于波长范围A的光的强度）或比较信号（例如，处于
波长范围A的光与处于波长范围B的光的强度比率）等与监测的环境中的
被分析物浓度关联。因此，示例性实施例可以通过将比较信号与预定响应
曲线相互关联以获得与被分析物浓度相关或表示被分析物浓度的浓度值而
运行。可将单条响应曲线预载入（例如，永久性地）示例性实施例的存储
器中；或者可将响应曲线定期上传到存储器中，以便用于光学被分析物传
感器的特定设计、特定被分析物等。可以使用多条响应曲线。在本文所公
开的方法的上下文中，使比较信号与响应曲线相互关联包括关联平均比较
信号（例如，获取多个比较信号并得出其平均值而得），以及关联各个比
较信号。使检测器获得的信号与存储器中保存的阈值相互关联还可以使用
户能够针对触发特定响应（例如，可视或可听指示、数据记录等）来设定
自己的标准。例如，在具有高毒性污染物的环境中，用户可能想要传感器
对极低浓度作出响应，并且相应地设定该阈值。相比之下，低毒性污染物
可能不需要设定如此低的阈值。
总之，基于按本文所述进行接收和/或处理的信号，本发明的实施例可
通过报警特征来产生与所关注的被分析物在吸附剂床层中的特定位置处的
存在相关（例如，代表所述存在）的通知信号。所述通知信号可通过报警
特征（例如，通过视觉、听觉或触觉信号）传送给本发明的示例性实施例
的用户。在一个实施例中，通知信号可为被分析物浓度的实际数值。除此
之外，和/或取而代之，可以提供尽管不是数值但与该数值相关联的通知信
号。例如，在检测到被分析物和/或检测到一定量的被分析物时，本发明的
实施例便可提供听觉信号（例如，哔哔声、啁啾声、警报信号）、视觉信
号（例如，一个或多个发光指示）和/或振动信号。在一些示例性实施例
中，报警装置能够提供视觉指示和听觉指示中的至少一种指示。在一个实
施例中，报警装置包括一个或多个不同颜色的闪光和/或发光指示（例如，
绿光表示光学读出器正在工作，而红光指示特定条件）。
本发明的一些实施例可以提供非定量性指示（例如，指示所关注的被
分析物是否以（如）高于一定浓度的量存在）。一些实施例可提供半定量
和/或定量信息（例如，对被分析物浓度的估计或指示）。一些实施例可提
供累计指示（即，源于可长达数小时的一段时间内的受监测空气中被分析
物浓度的综合指示）。这种类型的指示可用于将污染物穿过过滤器系统的
累进告知用户。在一些其他实施例中，本发明的实施例可提供周期性的或
者甚至是“实时”的读数。在一些实施例中，本发明的示例性实施例可实
时地或周期性地（例如，通过传输数据记录信息）将此类信息传送到接收
站或远程装置，例如，数据库。例如，本发明的示例性实施例可将此类信
息传输（例如，通过无线传输或红外传输）到计算机、工作站、中央处理
设备等。包括在本发明实施例上的无线接口可以无缝且透明方式经由无线
显示器将过滤器系统的实时或周期性状态更新传送给用户，或传送给管理
员或工业卫生专家。
图11A、图11B、图11C以及图11D示出了根据本发明的另一示例性
过滤器系统600。此示例性过滤器系统是滤筒600，所述滤筒可用于PAPR
的涡轮单元，例如，结合图1所述的涡轮单元14。滤筒600包括壳体620
和设置在壳体620内的过滤介质622，例如，活性炭等吸附剂材料。光学被
分析物传感器628也设置在壳体620内，与过滤介质622流体连通。如上所
述，光学被分析物传感器628可包括检测介质，所述检测介质的至少一种
光学特性响应于被分析物而改变，并且所述检测介质设置在壳体620内，
以使检测介质与过滤介质622流体连通。壳体620的壁626包括观察口，例
如，透明部分627，通过透明部分627就可询问光学被分析物传感器628。
过滤器系统600还包括能够可移除地附接到壳体620的可移除壳体部
分630。尽管在图11A到图11D中，可移除壳体部分630被显示成环绕壳
体620的外壁626的结构，但是可移除部分也可采用多种其他合适的形
状。在一些实施例中，可移除壳体部分可为卡圈或套筒（skirt），或者盖或
帽的形式。图12示出了根据本发明的可移除壳体部分635的替代性实施
例，该部分成形为盖或帽。光学读出器655可永久地或可移除地附接到可
移除壳体部分635。在其他示例性实施例中，可移除壳体部分可以仅局部地
环绕或覆盖壳体，例如，可移除壳体部分可以仅环绕壳体620的外壁626
的一部分。其他构形也在本发明的范围内。
将壳体部分630可移除地附接到壳体620可通过任何合适的附接机构
来实现，例如，一个或多个弹性扣合特征。图13A示出了附接机构660的
示例性实施例，该机构包括一个或多个凸块663以及一个或多个配合槽
662。尽管该图将接片图示为可移除壳体部分630的一部分且将狭槽图示为
壳体620的一部分，但是所述特征的位置可用任何合适的方式进行倒置和
改变。附接机构的另一示例性实施例在图12和图13B中示出。图12示出
了一个或多个（优选为多个）斜削肋665，所述斜削肋被配置成与一个或多
个（优选为多个）钩664接合。其他合适的附接机构可包括一个或多个闩
锁（例如，结合图18A和图18B所述的闩锁）、螺纹特征或单独的接合部
件，例如，接合壳体620和壳体部分630的螺钉、螺母或夹片。因此，在
一些示例性实施例中，当滤筒过期时，根据本发明的附接特征使得能够易
于卸下可移除壳体部分，并保留该部分以用于随后的滤筒。在其他示例性
实施例中，壳体部分630可（例如）通过粘合剂而永久性地附接。
进一步参照图11A到图11D，过滤器系统600包括光学读出器650。
所述光学读出器（包括其电路和电源）可永久性地或可移除地附接到壳体
部分630。壳体部分630又可永久性地或可移除地附接到壳体620。如上所
述，光学读出器650可包括至少一个光源以及至少一个检测器。随后，光
学读出器应附接到可移除壳体部分630，以使当可移除壳体部分630附接到
壳体620时，由至少一个光源发出的光的至少一部分从光学被分析物传感
器628反射，并由至少一个检测器捕集。
在所示实施例中，光学读出器650设置在可移除壳体部分630与光学
被分析物传感器628之间。然而，在其他示例性实施例中，光学读出器650
的一些部分或部件可设置在可移除壳体部分630的外部。例如，可移除壳
体部分630可包括一个或多个开口632和634。至少一个此类开口可设置在
光学读出器650上方。如果光学读出器650所包括的报警装置具有可通过
至少一个所述开口看见的视觉指示器，那么这可能是有用的。
在一些示例性实施例中，可使光学读出器650询问光学被分析物传感
器628，并且所述光学读出器可任选地，在由用户（例如通过按钮）致动
时，提供上文所提及的指示。用户可通过开口632和634中的一者触及可
操作地与光学读出器连接的用户致动器（例如，结合图8A和图8B所述的
致动器）。因此，在此类示例性实施例中，用户致动光学读出器650时，
便可针对光学被分析物传感器628的检测介质的至少一种光学特性的改
变，对由光学读出器650的至少一个检测器捕集的光的光谱进行分析。随
后，如果至少一种光学特性的改变满足预定条件，则光学读出器650可向
用户提供指示。
在本发明的典型实施例中，基于光学读出器具有至少一个光源以及至
少一个检测器，光学读出器附接到（经由壳体部分或直接永久性地或可移
除地）过滤器系统（例如，滤筒）的壳体，以使由至少一个光源发出的光
的至少一部分从光学被分析物传感器反射并由至少一个检测器捕集。为了
帮助以此方式对准光学读出器，光学读出器和壳体或可移除壳体部分（无
论光学传感器设置在哪一个上）中的至少一者包括至少一个配准特征结
构。在本发明的典型实施例中，光学读出器和壳体或可移除壳体部分中的
每一者均具有与连接零件上的对应特征相配合的配准特征结构。
具体来说，图11C和图11D示出，光学读出器650的配准特征结构
652可为槽，而可移除壳体部分630的配准特征结构可为肋636。如图11D
所示，配准特征结构652和636可配合，以在过滤器系统600如图11B所
示装配时，实现光学读出器650与光学被分析物传感器628的正确对准。
可根据本发明使用多种其他类型的配准特征结构，例如，配合凸起和
凹陷、凸块和槽等。例如，图14A示出了具有配准特征结构752a和752b
的光学读出器750。诸如肋（未示出）等配合的配准特征结构将设置于可移
除壳体部分或壳体上。其他构形也在本发明的范围之内，包括不同形状和
尺寸的槽、其他类型的凹陷或凸起、搭锁等。图14B示出了一个或多个配
准特征结构的另一示例性实施例。具体来说，光学读出器751包括一个、
两个或更多个柱753a、753b，所述柱被配置成与另一合适部件的可移除壳
体部分730（壳体本身）的一个、两个或更多个开口732a、732b相配合。
图14C示出了一个或多个配准特征结构的另一示例性实施例。具体来说，
图14C示出了光学读出器755的一部分，其中包括一个或多个横档757a、
757b和757c，所述横档被配置成与另一合适部件的可移除壳体部分735
（壳体本身）的对应凹槽737a、737b和737c相配合。两个、三个或更多个
横档以及对应凹槽的尺寸可以不同，以便确保光学读出器的定向不会颠
倒。例如，如图14C所示，横档757b比横档757a宽，并且横档757c比横
档757b宽。
根据本发明的示例性系统还可包括用于在使用过滤器系统之前确认光
学读出器与光学被分析物传感器对准的一种方法或机构。例如，一旦将光
学读出器安装到过滤器系统上以使光学读出器位于光学被分析物传感器上
方，就可通过以下方式来判断是否对准：确定检测器接收的光量、将其与
阈值进行比较，并且如果检测器接收的光量低于特定阈值，则认定光学读
出器未对准。例如，可使用如图8A和图8B所示的光学读出器来实现此特
征。除了上述特征之外，光学读出器500还包括对准指示器（例如，一个
或多个指示器516和518）。或者，可提供单独的对准指示器。
一般而言，在判断序列中，来自一个或多个光源512和514的光会被
对准反馈特征结构（例如，根据任何示例性实施例的正在进行测试的光学
被分析物传感器）反射并被检测器520检测。尽管对准反馈特征结构被举
例说明为光学被分析物传感器，但是该特征也可以是与光学被分析物传感
器分开（或附加到光学被分析物传感器）的特征，例如，任何镜面反射或
漫反射特征，例如，反射膜或白色膜、条带、标贴或圆点。所检测信号可
进行分析并与指示正确对准的一个或多个预定参数或标准（例如，检测器
接收的光量和/或其光谱特性）进行比较。如果所检测信号不满足指示正确
对准的至少一个标准，那么认为光学读出器还未对准。
在一个实施例中，对准指示器可提供对光学读出器设置在光学被分析
物传感器上方的指示，例如，闪光。检测器520将测量来自光源512和514
的光中到达光学被分析物传感器并被光学被分析物传感器反射的光量。如
果光学读出器正确对准，则检测器520将看到对于两个光源的响应是类似
的，或具有标称误差百分比的预定比率。对准指示器随后可（例如）通过
停止闪烁并持续稳定打开数秒来提供对正确对准的指示。如果检测器检测
到来自一个或两个光源的信号不与预定值对应，则将提供未对准指示。例
如，对准指示器可继续快速闪烁。在其他示例性实施例中，可使用除光源
512、514和检测器520之外的单独（额外）光源和/或检测器来执行对准测
试。
图15示出了根据本发明的过滤器系统的另一实施例-包括呼吸器滤筒
23的个人呼吸器2。示例性个人呼吸器2包括面罩20，该面罩上可安装有
一对空气净化呼吸器滤筒23，但滤筒的数目可改变。例如，一些实施例可
仅包括一个滤筒。一个或多个滤筒23可相对于面罩20移除并且可替换。
一个或多个滤筒23包括壳体22和设置在壳体22内的过滤介质21（如图16
所示），例如，活性炭等吸附剂材料。包括检测介质（未示出）的光学被
分析物传感器28也设置在壳体22内，以使检测介质与过滤介质流体连
通。示例性壳体22包括前盖24，所述前盖包括可用作气体入口的多个开口
25，使得环境空气能够从外部环境流入滤筒23中、穿过过滤介质，且因此
穿过用作滤筒23的气体出口和面罩20的入口的通道（未图示）。呼出的
空气通过呼气阀排出呼吸器2。
壳体22的壁26可包括透明部分27（其对光源和检测器所调谐到的特
定光谱范围透明），通过该透明部分，光学被分析物传感器28可由光学读
出器29读出。或者，整个壁26可为透明的。光学被分析物传感器28可包
括在滤筒23中的一个或多个中内。如在先前所述的实施例中，光学被分析
物传感器28以光学方式进行响应，例如，方法是在过滤介质在暴露条件下
与被分析物达到平衡时发生改变。具体地讲，光学被分析物传感器的检测
介质可响应于被分析物而改变其光学特征中的至少一个光学特征，这种改
变由光学读出器进行检测。此信息可以采用多种方式使用，包括处理、存
储并将其传送给穿着者或另一个体，从而有可能帮助此类个体认识到是时
候替换一个或多个滤筒23了。
图16为呼吸器滤筒23的局部剖面侧视图。如果需要，可使用（例
如）在使用之前移除的可移除盖（未示出）来密封开口25直到使用为止。
过滤介质21（例如，吸附剂材料的床层）可吸收或会吸收从开口25传送到
出口24的所关注的蒸气。在此类装置中常见的是，单向吸气阀可安装在柱
上，从而防止呼出的空气进入滤筒23。一个或多个螺纹式或优选地卡口式
连接器（例如，本领域的普通技术人员所知的那些）可用于将滤筒23可移
除地连接到面罩20。如结合图1至图3所述，当光学被分析物传感28的至
少一种光学特性的改变指示出位于光学被分析物传感器28下方的过滤介质
21已在暴露条件下与被分析物达到平衡时，滤筒23将被移除并被新滤筒替
换。所述改变可用于指示滤筒23的剩余使用寿命、使用寿命终止，或者在
处于所需的剩余使用寿命百分数时发出警告。
图17A和图17B示出了根据本发明的另一示例性过滤器系统800。在
此示例性实施例中，示例性过滤器系统为滤筒800，所述滤筒可用于个人呼
吸器，例如，结合图15所述的个人呼吸器2。滤筒800包括壳体820以及
设置在壳体820内的过滤介质822，例如，活性炭等吸附剂材料。光学被分
析物传感器828也设置在壳体820内，与过滤介质822流体连通。如上所
述，光学被分析物传感器828可包括检测介质，所述检测介质的至少一种
光学特性响应于被分析物而改变，并且所述检测介质设置在壳体820内，
以使检测介质与过滤介质822流体连通。壳体820的壁826可包括观察口，
例如，透明部分827，通过该透明部分即可询问光学被分析物传感器828。
过滤器系统800还包括能够可移除地附接到壳体820的可移除壳体部
分830。将可移除壳体部分830可移除地附接到壳体820可通过任何合适的
附接机构来实现，例如，一个或多个弹性扣合特征，例如图18A和图18B
中所示的那些。因此，在一些示例性实施例中，当滤筒过期时，用户可容
易地将可移除壳体部分移除，并将其保留以用于随后的滤筒。其他合适的
附接机构可包括一个或多个闩锁、螺纹特征（例如，周边螺纹）、卡口式
锁定机构、单独的接合部件，例如，接合壳体820与壳体部分830的螺
钉、螺母或夹片。在其他示例性实施例中，壳体部分830可（例如）通过
粘合剂而进行永久附接。
过滤器系统800包括光学读出器850。所述光学读出器（包括其电路和
电源）可永久性地或可移除地附接到壳体部分830。壳体部分830又可永久
性地或可移除地附接到壳体820。如上所述，光学读出器850可包括至少一
个光源以及至少一个检测器。随后，光学读出器应附接到可移除壳体部分
830，以使在可移除壳体部分830附接到壳体820时，由至少一个光源发出
的光的至少一部分从光学被分析物传感器828反射并由至少一个检测器捕
集。光学读出器850可设置在可移除壳体部分830与光学被分析物传感器
828之间，或者光学读出器850的一些部分或部件可设置在可移除壳体部分
830的外部。
图18A和图18B示出了可用于（例如）过滤器系统800的一个合适的
附接机构。图18A示出了从壳体820拆卸下来的可移除壳体部分830。在
此示例性实施例中，壳体826的侧壁上附接有闩锁结构829。闩锁结构829
可包括大体上沿壁826的方向延伸的凸起829a以及从壁826向外突出的保
持构件829b。闩锁结构829被配置成接合可移除壳体部分830的配合结
构，例如，可移除壳体部分的边缘832的凸起833，如图17B所示。
尽管在图16A至16B以及图17A至17B中，可移除壳体部分830被显
示成环绕壳体820的外壁826的结构，但是可移除部分可采用多种其他合
适的形状（参见图18）。尽管在一些实施例中，可移除壳体部分可采用卡
圈或套筒，或者盖或帽的形式，但是在其他示例性实施例中，可移除壳体
部分可仅覆盖壳体的外壁的一部分。
这种配置在图19中被示意性地示出，该图示出了根据本发明的示例性
过滤器系统900。过滤器系统900包括壳体920。过滤器系统900还包括能
够可移除地附接到壳体920上的可移除U形壳体部分930。将可移除壳体
部分930可移除地附接到壳体920可通过以下方法来实现：用弹性材料制
成可移除壳体部分930，使得可移除壳体部分的端932和934用作活动铰
链，每个活动铰链均对壳体920施加力，从而将可移除壳体部分保持在适
当位置。也可使用其他合适的附接机构，例如，上文结合其他实施例所述
的那些或任何其他合适的附接机构。
包括可移除壳体部分（例如，卡圈或套筒）的示例性实施例提供了一
种方便的装置，该装置用于将光学读出器固持在靠近并对准作为呼吸器滤
筒的一部分的光学被分析物传感器处。在这些示例性实施例中，可根据需
要从滤筒壳体和/或从可移除壳体部分卸下光学读出器，并替换成可进行高
重复性定位的组件。壳体部分还可用于在使用时以机械方式保护光学读出
器。如果用不透明塑料构造并且/或者涂覆有吸光材料，则过滤器组件的各
个部分可防止光的射入，从而为光学读出器维持一致的照明。
因此，本领域的技术人员将显而易见的是，本文所公开的具体示例性
结构、特征、细节、配置等可在许多实施例中可被取代、修改和/或组合。
例如，本文所述的光学读出器和/或光学被分析物传感器可用于本文所述的
多种过滤器系统或任何其他合适的过滤器系统。发明人设想所有此类变化
和组合均在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应限于本文所述的特
定说明性结构，而应该由权利要求书的语言所描述的结构以及这些结构的
等同形式来限定。如果在本说明书和通过引用而并入本文的任何文件中的
公开内容之间存在冲突或矛盾之处，则以本说明书为准。
实例
1.光学被分析物传感器制备
表2：用于PIMS合成的材料
缩写
说明
BC
双儿茶酚；5,5′,6,6′-四羟基-3,3,3′,3′-四甲基-1,1′-螺双茚
FA
氟化芳烃；四氟对苯二甲腈
DMF
N,N-二甲基甲酰胺
THF
四氢呋喃
此实例的光学被分析物传感器是如图3A所示的薄膜指示器。其制备方
法是，将固有微孔性的聚合物（PIM）用作检测层、Ni局部反射层以及银
纳米粒子蒸气可渗透的反射层。PIM聚合物是用单体BC和FA制备的，制
备工艺大致如Budd等人在Advanced Materials,2004,Vol.16,No.5,pp.456-
459（《先进材料》，2004年，第16卷，第5期，第456-459页）中所
述。将9.0g BC与5.28g FA、18.0g碳酸钾以及120毫升DMF混合，并让该
混合物在70℃下反应24小时。将所得的聚合物溶解在THF中，从甲醇沉
淀三次，然后在室温下真空干燥（PIM样本50-2）。
通过将10nm厚的Ni金属以蒸发方式沉积到Melinex ST505透光PET
上来制备金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底。将PIM聚合物以4%的
浓度溶解在氯苯中，并将溶液沉积到由涂覆有Ni的PET构成的基础基底
上。
最后，将银纳米颗粒层沉积到PIM上。100克的储备纳米银溶液（来
自韩国先进纳米产品公司（Advanced Nanoproducts,Korea）的DGP-40LT-
15C，含40wt%的银）通过150克的1-甲氧基-2-丙醇进行稀释，然后涂在
PIM层上。沉积之后，将整个传感器构造在130摄氏度下加热12小时以烧
结银纳米粒子。
2.滤筒制备
通过以下步骤来制备呼吸器滤筒：首先，使用转移粘合剂（明尼苏达
州圣保罗市（St.Paul）3M公司（3M Company）的8172），将一片12mm
×25mm的传感器膜（在实例1中描述）粘附到透光聚碳酸酯滤筒主体的内
壁上。随后，用800cc Kuraray GC碳（12×20目尺寸）填充滤筒主体，并
将护圈板超声焊接到主体以容纳碳并封闭滤筒。滤筒的构造如图2所示。
3.光学读出器和壳体制备
为了通过电子学方法询问呼吸器滤筒内的膜传感器，制备包括两个表
面安装发光二极管（LED）以及硅光电检测器的光学读出器。检测光学器
件（即，LED和检测器）安装在印刷电路板的相对侧上，该印刷电路板内
设有一个腔。来自LED的光被膜反射并照射检测器。此构造使得读出器具
有薄的形状因数并且还能防止受LED的直接干扰。所选LED具有591nm
和606nm的峰值发射波长。读出器通过以这些所选波长连续地照射传感器
来产生作用。反射光强度由光电检测器进行测量，以根据其可见反射光谱
中的偏移来确定传感器响应。
使用立体光照型技术（SLA）制成透光塑料壳体，以容纳光学读出
器。使用得自DSM Somos（分水岭（Watershed）11120）的透光树脂来形
成暗盒。这种读出器如图8所示。
4.用来容纳可拆卸光学读出器的滤筒套筒
用于图10D所示的呼吸器滤筒的塑料套筒是由黑色ABS树脂形成的。
图10A至图10D示出的是套筒，以及其将可拆卸读出器固持在传感器附近
方面的用途。尽管将套筒被描绘成可拆卸地连接到滤筒，但在此实施例
中，套筒可能永久性地附接到过滤器，其中读出器可拆卸地连接到过滤器/
套筒组件。以这种方式使用时，套筒提供附接读出器的稳固装置，并且还
避免读出器被机械滥用，或者抵御工作环境中的污染（粉尘、烟雾、喷
雾）。使用双面粘合胶带将读出器附接到套筒。
5.可拆卸滤筒套筒
此实施例类似于实例4，但此处的读出器永久性地附接到套筒，从而
形成能够可移除地连接到过滤器系统的组件。使用读出器/套筒组件能够将
使用期间丢失读出器的几率最小化，不用对空的读出器滤筒进行处理，并
且让整个系统更稳固。
6.用于适于可重复使用的负压呼吸器的滤筒的可拆卸套筒或套管
此实施例类似于实例5，但被调整成与用于可重复使用的负压呼吸器
的呼吸器滤筒一起使用。读出器永久性地附接到能够与滤筒可拆卸地连接
的套筒或套管。用户会从滤筒上移除读出器/套筒组件以及将读出器/套筒组
件附接到滤筒。这样就将使用期间丢失读出器的几率最小化，不用对空的
读出器滤筒进行处理，并且能够更方便地组装和使用整个系统。预期的
是，此类装置具有与卡圈一体化并容纳在保护壳中的光学读出器，所述保
护壳具有可透视空腔，以便对滤筒上的膜进行读数。