用于分析物浓度的光学测量的系统和方法技术方案

一种测量辐射地可激发的指示器分子附近的分析物的浓度的方法和传感器。使用激励波形驱动辐射源。指示器分子暴露于辐射源。生成表示所述指示器分子发射的光致发光辐射的响应波形。激励波形与响应波形之间的相位差是使得能够确定分析物浓度的分析物的浓度的函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及测量分析物浓度的系统和方法。更具体地，本专利技术涉及使得能够使用 基于相位的协议(protocol)来测量分析物浓度的微型传感器和传感器接口模块。
技术介绍
光致发光感测已经用于基于辐射源对光传感器的激发来测量该传感器的发射特 性。光致发光感测能够用于例如测量荧光团的光致发光寿命、分析物的浓度、光致发光强度 或其它化学参数。使用光致发光感测来检测这些参数的设备典型地使用基于振幅、基于时 间或基于相位的协议来获得期望的参数。该设备典型地体积大、昂贵、且不容易运输。这些设备可以花费约10000美元并且 可以近似于大屏幕阴极射线管电视机的大小并包括多个装置。虽然这些设备中的一些标注 为便携式的，但是典型地需要诸如两搁板图书馆手推车的移动装置来将这些设备运输至各 个位置。这至少部分归因于需要结合有重要的技术诀窍的扩展电路和复杂的数据处理以获 得期望的结果。另外，这些设备典型地需要大的功率量来操作。存在当前系统的这些和其它缺点。
技术实现思路
本专利技术涉及测量分析物的浓度的设备和方法。更具体地，本专利技术涉及传感器和与 该传感器通信以测量介质中的分析物的浓度的传感器接口模块(SIM)。传感器和SIM可以 用于各种气体环境，诸如例如生化需氧量、惰性化、燃烧、环境的、化学的、潜水/生命支持、 以及诸如麻醉学、呼吸和氧集中器的医学应用。传感器和SIM也可以用于各种浸没环境，诸 如例如生化氧需量、可植入传感器、养鱼、金鱼缸、污染监测、化学处理、以及酿造/发酵。这 些应用中的每一个可以用于确定各种分析物的浓度，各种分析物诸如是例如介质中的氧、 葡萄糖、二氧化碳、毒素、或温度，介质诸如是例如空气、血液、水或其它气体或液体介质的。根据一个实施例，本专利技术包括光传感器和传感器接口模块(SIM)。传感器包括辐 射源、光电变换器和指示器分子。传感器接口模块包括与传感器通信以驱动辐射源并接收 由传感器获得的数据的微控制器。微控制器使得辐射源辐照指示器分子。归因于辐射源发 射的光，指示器分子发冷光并基于存在于介质中的分析物表现出某些特性。传感器将关于 此冷光的数据传输至微控制器进行处理。基于接收的数据、已知数据以及斯特恩-沃尔默 (Stern-Volmer)关系，微控制器确定分析物的浓度。根据本专利技术的一个实施例，传感器接口 模块包括使得模块能够将数据传输至外部数据系统以便数据可以呈现给系统用户的接口。在一方面，本专利技术提供用于测量分析物浓度的设备，该设备具有微控制器，该微控制器配置为在微控制器的数字输出总线上输出预定频率的周期性数字信号，并计算存在于 微控制器的模拟输入端的激励波形与响应波形之间的相位差。该设备还包括数字-模拟转换器，以将周期性数字信号转换为周期性电压波形； 低通滤波器，以平滑周期性电压波形并输出激励波形；以及电压-电流转换器，用于将激励 波形转换为周期性电流波形并驱动辐射源，其中，辐射源辐射到指示器分子上。该设备还包括带通互阻抗放大器，以将来自光电变换器的电流转换为响应电压波 形。来自指示器分子的辐射入射到光电变换器上并且相位差为指示器分子本地的分析物浓 度的函数。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种测量介质内的分析物的浓度的方法。该方 法使用设置有多个指示器分子的传感器。当存在特定分析物时，指示器分子表现出预定特 性。传感器生成用于驱动激发源的激励波形。指示器分子由激发源激发，基于使用的传感器的类型，表现出与分析物相关联的 特性，分析物的浓度是被期望确定的。生成针对表现的特性的响应波形作为特性的表示。对 激励波形和响应波形进行过采样并且确定取决于分析物的浓度的相位延迟。于是可以使用 确定的相位延迟和斯特恩-沃尔默关系确定分析物浓度。根据本专利技术的另一实施例，用于确定分析物的浓度的方法包括在微控制器的输入 端产生周期性数字输出信号的步骤。周期性数字输出信号被转换为平滑的驱动器电流波 形，其中平滑的驱动器电流波形与周期性数字输出信号具有相同频率。该方法还包括如下步骤以平滑的驱动器电流驱动辐射源，其中，来自辐射源的辐 射入射到指示器分子上；以光电变换器检测指示器分子的辐射激发能量，其中，光电变换器 输出与平滑的驱动器电流波形具有相同频率的波形；以及测量平滑的驱动器电流波形与输 出的光电变换器波形之间的相位差。相位差与指示器分子本地的分析物浓度相关联。以下将参照附图详细描述本专利技术的以上和其它特征和优点以及本专利技术的优选实 施例的结构和操作。附图说明并入于此并形成说明书的一部分的附图示例本专利技术的各个实施例，并与描述一起 还用于解释本专利技术的原理，并使得本领域技术人员能够实现并利用本专利技术。图1是根据本专利技术的一个实施例的测量分析物浓度的系统的示意图；图2是根据本专利技术的一个实施例的传感器接口模块的示意图；图3和4分别为根据本专利技术的一个实施例的基于光致发光的传感器的顶视图和截 面图；图5是示例根据本专利技术的一个实施例的测量分析物浓度的方法的流程图；图6是示例根据本专利技术的一个实施例的测量分析物浓度的方法的流程图；图7A-7E示例根据本专利技术的一个实施例的存在于用于测量分析物浓度的设备的 电路中的某些点的范例波形；图8是根据本专利技术的一个实施例的基于光致发光的传感器的示例。具体实施例方式根据一个实施例，本专利技术涉及测量分析物浓度的系统和方法。该系统和方法使用 光传感器和传感器接口模块(SIM)利用光致发光来测量分析物的浓度。传感器和SIM以使 得传感器和SIM非常小并便携的方式通信并处理光致发光信息。在一些实施例中，传感器 和SIM小的足够安装于人手的手掌中，并且能够甚至更小。图1是根据本专利技术的一个实施例的用于测量分析物浓度的设备100的示意图。设 备100包括分析物源110、传感器120、传感器接口模块(SIM) 130、以及数据系统140。分析 物源110可以是例如介质，该介质包括浓度被期望测量的分析物。介质可以是例如空气、血 液、水或其它气体或液体介质。传感器120优选地为光传感器，其使用荧光指示器分子(以 下更详细描述)以使得能够测量分析物的浓度，分析物诸如是例如介质中的氧、葡萄糖、和 毒素。根据本专利技术的一个实施例，传感器120可以使用任何已知的有线或无线连接与SIM 130通信。传感器120可以与SIM 130通信以测量例如气体介质中或植入有传感器120的 患者的血液中的氧浓度。数据系统140可以是例如数据收集系统、微处理器或微计算机。传感器120优选地包括辐射源150和变换器160。根据一个实施例，辐射源150包 括发光二极管(LED)，发光二极管(LED)辐照包含分析物的介质。传感器120从微控制器 170获得用于控制辐射源150的指令并将获得的数据传输至微控制器170进行处理。传感 器120使用接口 180与SIM130进行通信。变换器160将传感器120接收的模拟信息转换 为由微控制器170处理的数据。根据本专利技术的一个实施例，传感器120和SIM 130可以设置于电路板190上，电路 板190使得能够进行测试、校正以及待由设备100执行的其它功能。电路板190包括使得 能够在SIM 130与数据系统140之间进行通信的接口 200。SIM 130可以与数据系统140 进行通信，使得能够由数据系统140处理、显示或存储传感器12本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于测量分析物浓度的设备，包括：传感器，所述传感器包括与变换器通信的至少一个指示器分子；与所述传感器通信的传感器接口模块，其中，所述传感器接口模块包括微控制器；以及其中，所述传感器接口模块使得对所述至少一个指示器分子的激发发射的时域测量方便。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·E·科尔文，
申请(专利权)人：医药及科学传感器公司，
类型：发明
国别省市：US