專利名稱：用于分析物濃度的光學測量的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量分析物濃度的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及使得能夠使用 基于相位的協(xié)議(protocol)來測量分析物濃度的微型傳感器和傳感器接口模塊。
背景技術：
光致發(fā)光感測已經(jīng)用于基于輻射源對光傳感器的激發(fā)來測量該傳感器的發(fā)射特 性。光致發(fā)光感測能夠用于例如測量熒光團的光致發(fā)光壽命、分析物的濃度、光致發(fā)光強度 或其它化學參數(shù)。使用光致發(fā)光感測來檢測這些參數(shù)的設備典型地使用基于振幅、基于時 間或基于相位的協(xié)議來獲得期望的參數(shù)。該設備典型地體積大、昂貴、且不容易運輸。這些設備可以花費約10000美元并且 可以近似于大屏幕陰極射線管電視機的大小并包括多個裝置。雖然這些設備中的一些標注 為便攜式的，但是典型地需要諸如兩擱板圖書館手推車的移動裝置來將這些設備運輸至各 個位置。這至少部分歸因于需要結合有重要的技術訣竅的擴展電路和復雜的數(shù)據(jù)處理以獲 得期望的結果。另外，這些設備典型地需要大的功率量來操作。存在當前系統(tǒng)的這些和其它缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及測量分析物的濃度的設備和方法。更具體地，本發(fā)明涉及傳感器和與 該傳感器通信以測量介質中的分析物的濃度的傳感器接口模塊(SIM)。傳感器和SIM可以 用于各種氣體環(huán)境，諸如例如生化需氧量、惰性化、燃燒、環(huán)境的、化學的、潛水/生命支持、 以及諸如麻醉學、呼吸和氧集中器的醫(yī)學應用。傳感器和SIM也可以用于各種浸沒環(huán)境，諸 如例如生化氧需量、可植入傳感器、養(yǎng)魚、金魚缸、污染監(jiān)測、化學處理、以及釀造/發(fā)酵。這 些應用中的每一個可以用于確定各種分析物的濃度，各種分析物諸如是例如介質中的氧、 葡萄糖、二氧化碳、毒素、或溫度，介質諸如是例如空氣、血液、水或其它氣體或液體介質的。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明包括光傳感器和傳感器接口模塊(SIM)。傳感器包括輻 射源、光電變換器和指示器分子。傳感器接口模塊包括與傳感器通信以驅動輻射源并接收 由傳感器獲得的數(shù)據(jù)的微控制器。微控制器使得輻射源輻照指示器分子。歸因于輻射源發(fā) 射的光，指示器分子發(fā)冷光并基于存在于介質中的分析物表現(xiàn)出某些特性。傳感器將關于 此冷光的數(shù)據(jù)傳輸至微控制器進行處理。基于接收的數(shù)據(jù)、已知數(shù)據(jù)以及斯特恩-沃爾默 (Stern-Volmer)關系，微控制器確定分析物的濃度。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器接口 模塊包括使得模塊能夠將數(shù)據(jù)傳輸至外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)以便數(shù)據(jù)可以呈現(xiàn)給系統(tǒng)用戶的接口。在一方面，本發(fā)明提供用于測量分析物濃度的設備，該設備具有微控制器，該微控制器配置為在微控制器的數(shù)字輸出總線上輸出預定頻率的周期性數(shù)字信號，并計算存在于 微控制器的模擬輸入端的激勵波形與響應波形之間的相位差。該設備還包括數(shù)字-模擬轉換器，以將周期性數(shù)字信號轉換為周期性電壓波形； 低通濾波器，以平滑周期性電壓波形并輸出激勵波形；以及電壓-電流轉換器，用于將激勵 波形轉換為周期性電流波形并驅動輻射源，其中，輻射源輻射到指示器分子上。該設備還包括帶通互阻抗放大器，以將來自光電變換器的電流轉換為響應電壓波 形。來自指示器分子的輻射入射到光電變換器上并且相位差為指示器分子本地的分析物濃 度的函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種測量介質內的分析物的濃度的方法。該方 法使用設置有多個指示器分子的傳感器。當存在特定分析物時，指示器分子表現(xiàn)出預定特 性。傳感器生成用于驅動激發(fā)源的激勵波形。指示器分子由激發(fā)源激發(fā)，基于使用的傳感器的類型，表現(xiàn)出與分析物相關聯(lián)的 特性，分析物的濃度是被期望確定的。生成針對表現(xiàn)的特性的響應波形作為特性的表示。對 激勵波形和響應波形進行過采樣并且確定取決于分析物的濃度的相位延遲。于是可以使用 確定的相位延遲和斯特恩-沃爾默關系確定分析物濃度。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，用于確定分析物的濃度的方法包括在微控制器的輸入 端產(chǎn)生周期性數(shù)字輸出信號的步驟。周期性數(shù)字輸出信號被轉換為平滑的驅動器電流波 形，其中平滑的驅動器電流波形與周期性數(shù)字輸出信號具有相同頻率。該方法還包括如下步驟以平滑的驅動器電流驅動輻射源，其中，來自輻射源的輻 射入射到指示器分子上；以光電變換器檢測指示器分子的輻射激發(fā)能量，其中，光電變換器 輸出與平滑的驅動器電流波形具有相同頻率的波形；以及測量平滑的驅動器電流波形與輸 出的光電變換器波形之間的相位差。相位差與指示器分子本地的分析物濃度相關聯(lián)。以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的以上和其它特征和優(yōu)點以及本發(fā)明的優(yōu)選實 施例的結構和操作。


并入于此并形成說明書的一部分的附圖示例本發(fā)明的各個實施例，并與描述一起 還用于解釋本發(fā)明的原理，并使得本領域技術人員能夠實現(xiàn)并利用本發(fā)明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量分析物濃度的系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的傳感器接口模塊的示意圖；圖3和4分別為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基于光致發(fā)光的傳感器的頂視圖和截 面圖；圖5是示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量分析物濃度的方法的流程圖；圖6是示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量分析物濃度的方法的流程圖；圖7A-7E示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的存在于用于測量分析物濃度的設備的 電路中的某些點的范例波形；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基于光致發(fā)光的傳感器的示例。
具體實施例方式根據(jù)一個實施例，本發(fā)明涉及測量分析物濃度的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法使用 光傳感器和傳感器接口模塊(SIM)利用光致發(fā)光來測量分析物的濃度。傳感器和SIM以使 得傳感器和SIM非常小并便攜的方式通信并處理光致發(fā)光信息。在一些實施例中，傳感器 和SIM小的足夠安裝于人手的手掌中，并且能夠甚至更小。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于測量分析物濃度的設備100的示意圖。設 備100包括分析物源110、傳感器120、傳感器接口模塊(SIM) 130、以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)140。分析 物源110可以是例如介質，該介質包括濃度被期望測量的分析物。介質可以是例如空氣、血 液、水或其它氣體或液體介質。傳感器120優(yōu)選地為光傳感器，其使用熒光指示器分子(以 下更詳細描述)以使得能夠測量分析物的濃度，分析物諸如是例如介質中的氧、葡萄糖、和 毒素。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器120可以使用任何已知的有線或無線連接與SIM 130通信。傳感器120可以與SIM 130通信以測量例如氣體介質中或植入有傳感器120的 患者的血液中的氧濃度。數(shù)據(jù)系統(tǒng)140可以是例如數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、微處理器或微計算機。傳感器120優(yōu)選地包括輻射源150和變換器160。根據(jù)一個實施例，輻射源150包 括發(fā)光二極管(LED)，發(fā)光二極管(LED)輻照包含分析物的介質。傳感器120從微控制器 170獲得用于控制輻射源150的指令并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸至微控制器170進行處理。傳感 器120使用接口 180與SIM130進行通信。變換器160將傳感器120接收的模擬信息轉換 為由微控制器170處理的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器120和SIM 130可以設置于電路板190上，電路 板190使得能夠進行測試、校正以及待由設備100執(zhí)行的其它功能。電路板190包括使得 能夠在SIM 130與數(shù)據(jù)系統(tǒng)140之間進行通信的接口 200。SIM 130可以與數(shù)據(jù)系統(tǒng)140 進行通信，使得能夠由數(shù)據(jù)系統(tǒng)140處理、顯示或存儲傳感器120和SIM 130獲得或生成的 讀數(shù)、測量結果、和其它數(shù)據(jù)。如上面所討論的，傳感器120和SIM 130優(yōu)選地具有適于安裝到人手的手掌中的 大小，并且能夠甚至更小。根據(jù)一個非限制性實施例，SIM 130占有約0.34立方英寸或更 小的空間，且傳感器120占有約0. 009立方英寸或更小的空間，具有約1至200毫安的范圍 內的直流(DC)均方根(RMS)功耗，以小于約一百(100)毫秒(ms)或更短的時間響應于分 析物濃度變化，并在從真空水平范圍至數(shù)千磅每平方英寸(Psi)的環(huán)境壓力下操作。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于測量分析物濃度的設備220的示意圖。設 備220包括傳感器230和傳感器接口模塊(SIM) M0。傳感器230設置于介質內，該介質含 有濃度被期望測量的分析物。傳感器230和SIM 240相互之間進行關于用于確定分析物濃 度的數(shù)據(jù)的通信。傳感器230包括輻射源250、變換器沈0、以及指示器分子270，并且以下 將更詳細描述。傳感器接口模塊(SIM) 240包括微控制器觀0。微控制器280生成用于驅動輻射 源250的激發(fā)信號，輻射源250使得指示器分子270發(fā)冷光。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，指 示器分子270可以是復合三(4，7_聯(lián)苯-1，10-鄰菲啰啉)釕(II)脂(complex Tris (4, 7-diphenyl-l, 10-phenanthroline) ruthenium (II) perchlorate)、諸如箱或鋪復合物的基 于鑭系元素的指示器、芳烴或用于分析物的任何指示器或分子變換系統(tǒng)，分析物具有足夠 長的發(fā)冷光壽命以使得在利用相位調制進行測量時具有可檢測的差異。分析物的范例包括但不限于氧、二氧化碳、葡萄糖以及溫度。輻射源250可以根據(jù)使用的指示器的類型變化。例如，如果指示器是具有約四(4) 毫秒的衰減時間的復合三(4，7-聯(lián)苯-1，10-鄰菲啰啉)釕(II)脂，則可以使用藍色發(fā)光 二極管(LED)。這是因為來自藍色LED的光發(fā)射具有約460納米的峰值波長，該波長與復合 三(4，7-聯(lián)苯-1，10-鄰菲啰啉)釕(II)脂的最佳激發(fā)光譜匹配良好。也可以使用諸如綠 色和紅色LED的其它LED或其它輻射源。通常，輻射源或LED優(yōu)選地具有與指示器的最佳 激發(fā)光譜匹配的峰值發(fā)射。如果使用鑭系元素指示器，則可以使用具有約360-380納米的 峰值發(fā)射波長的紫色LED。US專利6344360號中描述了基于鑭系元素的指示器的范例，通 過引用將該專利全部并入于此。US專利5517313號中描述了指示器分子的另外的范例，通 過引用將該專利全部并入于此?；谖⒖刂破?80處理的參數(shù)生成激發(fā)信號。激發(fā)信號基于被測量的分析物表現(xiàn) 的已知特性。這提供了參考信號，測得的信號可以與該參考信號進行比較(以下更詳細描 述)。根據(jù)一個實施例，微控制器280配置為具有數(shù)字輸出通道290和一個或多個模擬輸入 通道300。數(shù)字輸出通道290可以用于將激發(fā)信號傳輸至傳感器230的輻射源250。模擬 輸入通道300可以用于接收傳感器230的變換器260傳輸?shù)男盘?。微控制器，諸如微芯科 技公司(Microchip Technoloty Inc.)的PIC24家族中的那些，或其它兼容微控制器，可以 用作微控制器觀0。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，微控制器280包括數(shù)字信號處理器。傳感器接口模塊(SIM) 240還包括數(shù)字-模擬轉換器(DAC) 310，用于使用微控制器 280的數(shù)字輸出通道290將傳輸?shù)男盘栟D換為模擬電壓。在一個實施例中，微控制器280的 數(shù)字輸出通道290是具有biV . . bit3的4位總線，且數(shù)字-模擬轉換器310是簡單的電阻 器梯形(resistor ladder)。在一個范例性非限制性實施例中，數(shù)字-模擬轉換器310包括 連接至bit3的IllkQ電阻器、連接至bU2的270kQ電阻器、連接至bi、的400kΩ電阻 器、以及連接至MtciWSOOk Ω電阻器。數(shù)字-模擬轉換器310的輸出端是每個電阻器引線 (相對微控制器的引線)連接的節(jié)點。本領域技術人員已知的其它電阻器梯形和網(wǎng)絡可以 用作數(shù)字-模擬轉換器310。此外，數(shù)字-模擬轉換器310可以實施于集成電路上。傳感器接口模塊(SIM) 240還包括低通濾波器320，其將來自數(shù)字-模擬轉換器 310的電壓波形輸出轉換為該電壓波形輸出的正弦波近似。低通濾波器320可以是本領域 技術人員已知的電阻器-電容器(RC)設計。在一個范例實施例中，選擇電阻(R)和電容 (C)以通過例如IOkHz的頻率f的信號并抑制任何更高頻率的噪聲源。低通濾波器320的 電壓波形輸出傳輸至微控制器觀0的模擬輸入端300。低通濾波器320可以包括可變電容 電容器。根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性實施例，形成低通濾波器的電容器和電阻器分別具有 約470pF禾口 15k Ω的值。傳感器接口模塊(SIM) 240還包括電壓-電流轉換器330。在一個實施例中，電 壓-電流轉換器330將其輸入，即低通濾波器320的電壓波形輸出的正弦波近似，轉換為與 輸入電壓成比例的電流。電壓-電流轉換器330的輸出包括驅動輻射源250的激發(fā)信號。 輻射源250安置為使得其輻射輸出達到指示器分子270。輻射源250發(fā)射的光使得指示器 分子270基于存在的被測量的分析物以特定方式發(fā)冷光。由變換器260將此冷光檢測為信 號。變換器260輸出為從指示器分子270輻照的冷光的函數(shù)的信號。變換器260可以是例 如光電二極管、光電晶體管、光電倍增管或其它光電檢測器。
電壓-電流轉換器330可以可選地與電流鏡通信，該電流鏡反射(mirror)驅動輻 射源250的電流以驅動發(fā)光二極管(LED);340。在一個實施例中，LED 340是紅色LED，該紅 色LED可以用于測試傳感器接口模塊(SIM) M0。變換器沈0的輸出端連接至帶通互阻抗放大器350。帶通互阻抗放大器350包括 帶通增益響應并生成為其電流輸入的函數(shù)的電壓波形。帶通互阻抗放大器350的輸出傳輸 至微控制器觀0的模擬輸入端300。設備220可以包括通信接口 360，使得微控制器280能夠發(fā)送和接收至外部數(shù)據(jù)系 統(tǒng)370的關于分析物濃度的數(shù)據(jù)。微控制器280和數(shù)據(jù)系統(tǒng)370可以通過諸如是例如微控 制器串行通道的通信通道380進行通信。數(shù)據(jù)系統(tǒng)370可以例如是數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、微處理 器、微計算機或其它設備。使用例如存儲的程序的微控制器280可以配置為接收傳輸通過其通信通道380 的命令代碼并對其進行作用，生成周期變化的數(shù)字輸出，在模擬輸入端對電壓進行采樣，并 通過通信通道380計算并傳輸關于分析物濃度的數(shù)據(jù)。傳感器接口模塊(SIM) 240可以設 定為進行單個測量，或連續(xù)運行，即在特定延遲后重復測量。圖3和4分別是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的傳感器400的平面圖和截面圖。傳感 器400可以是例如光傳感器。傳感器400包括基底410，基底410配置有用于輻射源430的 井420和用于光電變換器450的井440。輻射源430可以是例如發(fā)光二極管(LED)，且變換 器450可以是例如光電變換器、光電二極管或其它變換器。除其它優(yōu)點外，此配置減小了輻 射源430對變換器450的直接照明。傳感器400還可以包括優(yōu)化傳感器400的透射和反射特性的波導460。在一個實施例中，指示器分子470位于波導460的上表面的至少一部分上。傳感 器接口模塊(SIM)480位于輻射源430和變換器450附近。通信通道490可以連接傳感器 400與外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)(圖2中所示)。在其它實施例中，傳感器400與外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)無線通
fn °圖5示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量分析物濃度的方法。該方法包括在步驟 510選擇傳感器類型，以用于確定分析物的具體特性。例如，可以使用光傳感器來感測患者 血液中的氧的濃度。在步驟520將指示器分子設置于傳感器上。指示器分子優(yōu)選地對能夠由傳感器檢 測的分析物特性作出反應。例如，輻射源可以用于激發(fā)指示器分子，使得指示器分子冷光被 光傳感器檢測到。例如，可以使用藍色發(fā)光二極管(LED)激發(fā)復合三(4，7-聯(lián)苯-1，10-鄰 菲啰啉)釕(II)脂指示器分子。在步驟530基于濃度被期望測量的分析物的類型生成激勵波形。例如，如果使用 光傳感器，則這可以包括使用激勵波形以引導LED發(fā)射具有預定形狀的輻射。在步驟M0， 其具體特性可以被傳感器檢測的設備用于激發(fā)指示器分子。如果使用光傳感器，該設備可 以是例如輻射源。在步驟550，傳感器于是檢測指示器分子表現(xiàn)的特性。如果使用光傳感器和輻射 源，則光傳感器檢測指示器分子發(fā)射的光致發(fā)光輻射。光致發(fā)光輻射由傳感器的濾波器接 收并由傳感器的光電二極管變換。在步驟560，基于接收的指示器分子的特性生成響應波 形，接收的指示器分子的特性諸如是例如從指示器分子接收的光致發(fā)光輻射。在光傳感器范例中，來自光電二極管的電流與激勵波形具有相同形狀，僅僅是相位延遲了。然后在步驟570對生成的激勵和響應波形進行過采樣，使得在步驟580可以確定 該兩個波形之間的相位延遲。使用相位延遲，可以在步驟590確定分析物濃度。這是因為 相位延遲與分析物濃度成比例。具體地，發(fā)熒光分子將在已知時段內發(fā)熒光，該時段即去除 輻射激勵后的衰減時間或激發(fā)態(tài)壽命。熒光的強度和衰減時間均按照線性關系隨給定的熒 光淬滅劑的濃度變化。在一個非限制性范例中，能夠基于斯特恩-沃爾默等式中描述的關
系根據(jù)相位延遲確定感興趣的分析物的濃度 j^ = — =\ + Κη.
是淬滅劑 的濃度。從而，如果能夠測量τ，則能夠通過例如斯特恩-沃爾默等式確定Q的濃度。圖6示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量分析物的濃度的方法。在步驟610，在微 控制器數(shù)字輸出總線上產(chǎn)生周期性數(shù)字輸出信號。例如，微控制器能夠生成表示具有頻率f 的量子化(quantized)正弦波的數(shù)字輸出信號的系列。輸出系列可以包括上升至DC基線 值的斜坡，接著是疊加于基線上的一系列量子化正弦波，以及至待機狀況的返回。在步驟620，微控制器的數(shù)字輸出信號轉換為平滑的電流波形。通過例如經(jīng)由數(shù) 字-模擬轉換器傳遞數(shù)字輸出信號以實現(xiàn)如圖7A中所示的電壓波形W201能夠實現(xiàn)這個。 圖7A-7E分別描繪范例電流或電壓波形W201、W202、W203、WM0以及W206，這些波形分別是 關于圖2中的部件340、350、360、270以及400的輸出測得的。圖7A-7E中的每一個的時間 軸的原點和刻度基本相同。這些波形示例信號通過的如下路徑來自數(shù)字輸出的信號至模 擬電壓正弦波，至模擬電流正弦波，通過發(fā)光二極管(LED)和相位檢測器，至相移電流正弦 波，至相移電壓正弦波，然后至模擬-數(shù)字轉換器進行過采樣。電壓波形W201可以傳輸通過低通濾波器以平滑分段線性波形為如圖7B中所示的 電壓變化正弦波W202。電壓變化正弦波W202然后可以傳輸通過電壓-電流轉換器以產(chǎn)生 如圖7C中所示的電流變化正弦波。在步驟630，平滑的電流波形用于驅動輻射源，即電流變化正弦波W203驅動激發(fā) 指示器分子的輻射源，來自指示器分子的光致發(fā)光入射到光電變換器上并由光電變換器變 換。在步驟640，檢測例如指示器分子的冷光輻射。即光電變換器產(chǎn)生激發(fā)信號，即如 圖7D中所示的電流波形W120。電流波形W120與波形W203具有相同正弦波形，僅僅是相位 延遲了。此相位延遲φ是冷光變換的衰減時間的函數(shù)，衰減時間取決于分析物的濃度，指示 器分子暴露于該分析物。來自光電變換器的電流可以傳輸通過帶通互阻抗放大器。帶通互阻抗放大器生成 如圖7Ε中所示的電壓波形W206。帶通增益用于濾除噪聲并在通過頻率f的信號時形成峰。在步驟650，確定平滑的電流波形與光電變換器輸出波形之間的相位差。電壓波 形W202和W206可以用于驅動微控制器的模擬輸入。內部地，微控制器的每個模擬輸入驅 動模擬-數(shù)字轉換器。在微控制器的控制下，對電壓波形W202和W206進行數(shù)字過采樣以 推導相對激發(fā)信號的相位延遲φ。
內部地，在微控制器程序的控制下，微控制器對波形W206和W202的多個完整的正 弦周期執(zhí)行測量。在一個實施例中，由微控制器對測量結果進行平均以產(chǎn)生輻射源驅動和 來自指示器分子的響應的測量結果。對測量結果進行幅度歸一化并進行DC偏移以產(chǎn)生驅 動正弦曲線和響應正弦曲線。兩個正弦曲線之間的相位差φ提供電路對激發(fā)的響應的延遲 的測量結果。延遲是電子延遲和衰減時間的合成，衰減時間是結合至指示器分子的分析物 濃度的函數(shù)。例如，室溫和21%的A時的光致發(fā)光的衰減時間測得為4. 8 μ S。使用迭代算法針對相位測量來自波形W202和W206的本地過采樣數(shù)據(jù)。為微控制 器程序的一部分的迭代算法對可能的相位的相繼度數(shù)進行迭代。例如，識別一對對信號的 相位分組(bracket)的相繼值。然后，通過在兩個分組相位值之間插值來估計信號的相位。 也可以使用線性插值以外的方法。例如，正弦函數(shù)可以產(chǎn)生最終相位值的精確估計。這是 因為迭代算法確定誤差值或匹配量度的零交叉。算法在對通過正/負符號改變測得的數(shù)據(jù) 分組的值之間進行插值。在一個實施例中，用于迭代算法的匹配量度是以下量的乘積1)輸入信號；2)對 任意相位延遲步驟值的系列生成的估計量；以及幻對間隔積分的權重函數(shù)。在一個實施例 中，積分間隔是-η至n，且權重函數(shù)是估計量相位值的余弦。估計量相位值可以是描述估 計量和權重函數(shù)的相位角的虛變量。權重函數(shù)強調接近估計量函數(shù)的零交叉的信號。這改 善了相位測量的辨別力，同時減小了噪聲的影響和增益或光致發(fā)光幅度的變化。為奇函數(shù)的任何量度將用作用于迭代算法的匹配量度。原理上，針對任何η值的 估計量相位值的任何COSn函數(shù)可以用作權重函數(shù)。較高的余弦冪可以改善相位辨別力的 信-噪比。也可以使用其它權重函數(shù)。相位差φ承載與傳感器化學品(chemistry)(例如指示器分子)本地的分析物濃度 的關系。忽略化學品的深度內的可以歸因于擴散的任何空間分布，相位差φ表示測量時某一 點的瞬時分析物濃度。測得的相位差φ將如上述按照斯特恩-沃爾默關系變化。這源自傳 感器化學品的衰減時間常數(shù)(τ)和幅度均按照此關系變化的潛在關系。對于諸如圖7C中所示的正弦激發(fā)，衰減時間常數(shù)直接變換為相位延遲。衰減時間 變化，因此相位差φ，將由斯特恩-沃爾默關系決定，而和源自傳感器化學品與分析物的反 應的幅度的損耗不相關。只要來自傳感器化學品(例如指示器分子)的接收的信號幅度充 分高于噪聲，使得相位檢測算法收斂，則傳感器接口模塊產(chǎn)生相位測量結果。這是相對于基 于幅度的傳感器的區(qū)別優(yōu)點，基于幅度的傳感器在例如基于幅度的光氧傳感器的情況下， 需要分開對測得的幅度起作用的光氧化和氧濃度。然而，在實施本發(fā)明的傳感器的壽命結 束時，測量結果與測量結果之間的變化將愈加變得嘈雜，然后隨機?？梢葬槍Υ藴y得的變化 設定閾值，以指示傳感器替換報警。在操作中，命令可以通過通信通道從外部設備發(fā)送至微控制器，指示微控制器收 集數(shù)據(jù)。然后可以由外部設備檢索(retrieve)數(shù)據(jù)。也能夠傳送溫度測量結果。外部設 備可以測量定時，與傳感器接口模塊通信，并顯示或使用測得的數(shù)據(jù)。在待機期間，不驅動輻射源和光電變換器。用于驅動傳感器的短的編程的序列可 以用于大大減小傳感器的占空比，依次減小傳感器化學品與分析物的反應并延長傳感器壽 命。圖8示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光傳感器800。光傳感器800具有傳感器主體810和基底820。在一個實施例中，傳感器主體810可以涂覆有指示器分子830或傳感器 主體810可以包括多層，其中一層包括含有指示器分子830的基體層(未示出)。指示器分 子830暴露于期望的環(huán)境(例如在期望的環(huán)境本地)以感測分析物。光傳感器800可以是 例如豆形的或藥物膠囊形的并具有類似大小，容許體內或其它在位應用。安裝于基底820上的是輻射源840，例如發(fā)光二極管(LED)，其在與指示器分子830 相互作用的波長范圍內發(fā)射輻射。例如，在基于光致發(fā)光的傳感器的情況下，可以使用使得 指示器分子830發(fā)冷光的波長。也安裝于基底820上的是光電變換器850，其可以是例如光 電檢測器或光電二極管。在基于光致發(fā)光的傳感器的范例情況下，光電變換器850對指示 器分子830發(fā)射的光致發(fā)光敏感，使得對其響應而生成指示指示器分子830的光致發(fā)光水 平的信號。輻射源840、光電變換器850、以及指示器分子830相對于彼此安置，使得從輻射源 840發(fā)射的輻射入射到指示器分子830上，且來自指示器分子830的輻射，例如光致發(fā)光，入 射到光電變換器850上。輻射入射可以在反射和/或透射通過介質后發(fā)生。在一個實施例 中，濾光器860可以用于將到達光電變換器850的輻射限制于與指示器分子對輻射源840 發(fā)射的輻射的響應關聯(lián)的波長。光傳感器800也可以包括溫度探針870，用于測量光傳感器800本地的溫度 ’傳 感器接口模塊(SIM) 880，用于生成傳輸至輻射源840的信號，并接收來自光電變換器850的 信號；發(fā)射器890，用于與外部系統(tǒng)(未示出)無線通信；以及電源900，其可以包括感應體， 通過該感應體，通過將電源900暴露于合適的電池場，可以感應出電流。US專利號5517313 和6940590中描述了可以根據(jù)本發(fā)明使用的氧傳感器的范例，于此通過引用該兩專利的全 部并入了該兩專利。根據(jù)一個實施例，通過基于配置參數(shù)校正測得的相位差，可以提高分析物濃度測 量結果的精度。一個校正步驟是確定電子延遲或偏移零(offset null)配置參數(shù)。偏移零 解決主要歸因于電子部件公差的單元-單元變化。能夠在固定溫度和制造光傳感器時或在 傳感器配置期間的分析物濃度實現(xiàn)偏移零的確定。另一校正步驟在已知分析物濃度和各種溫度測量相位差，固定其它傳感器環(huán)境因 素，諸如相對于已知值的相對濕度和壓力。在此校正步驟，如上述地確定相位差，并且可以 根據(jù)第一原理推導實際分析物濃度的值或經(jīng)驗地測得實際分析物濃度的值。實際上，存在 這些方法的一些組合，特別是在需要較高精度的應用中。可以在獨立的設備、具體的SIM/ 傳感器架構或其它基礎上執(zhí)行校正。因為在某些應用中，相位差與分析物濃度/溫度的關系不是嚴格線性的，所以推 導基于此兩個配置步驟的傳遞函數(shù)。包括傳遞函數(shù)的一部分的偏移零和溫度校正表均能夠 設置在微控制器外部的表中，或載入到傳感器接口模塊上的存儲器存儲表中。對于需要高 精度的應用，除校正步驟外，能夠考慮諸如壓力和濕度的其它濕度輸入變量，并且傳遞函數(shù) 也能夠包括這些變量。于此描述的傳感器不限于氧傳感器。例如，可以使用電池供電的、代謝的和大氣 的傳感器。還有，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以植入人中并用于測量人體中的各種生物分析 物(例如，氧、二氧化碳、葡萄糖、毒素)。另外，于此描述的本發(fā)明也可以用于各種應用和 操作環(huán)境中。例如，本發(fā)明可以用于氣體混合、惰性化、溶解的氧、環(huán)境變化率、生化氧需量(BOD)、反應監(jiān)測器、加熱/通風/空調(HVAC)系統(tǒng)、燃燒監(jiān)測、以及發(fā)酵反饋和廢氣監(jiān)測
ο根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的傳感器和傳感器接口模塊(SIM)如何能夠用于生化 氧需量(BOD)應用的一個范例涉及廢水監(jiān)測。存在于自然水路或工業(yè)廢水中的可氧化物質 通過生化(細菌)或化學處理氧化。結果是水的氧含量降低?；旧?，生化氧化的反應可 以寫為可氧化物質+細菌+養(yǎng)分+02 — C02+H20+諸如N03或S04的氧化無機物根據(jù)此等式，其中細菌和氧在左邊，通過監(jiān)測氧濃度的變化，有效地監(jiān)測了與存在 的細菌直接成比例的此整個反應的速率。因為所有自然水路含有細菌和養(yǎng)分，所以幾乎引入該水路中的任何廢棄化合物發(fā) 起生化反應(諸如上述的反應)。那些生化反應產(chǎn)生作為生化氧需量(BOD)測得的東西。廢水的最普遍測量的成分之一是生化氧需量。廢水包括各種無機和有機物。有機 物指基于碳的分子，并包括例如排泄物以及清潔劑、肥皂、脂肪、油脂等。這些大有機分子容 易由細菌分解。然而，此過程需要氧來使大分子變成較小分子并最終變成二氧化碳和水。此 過程所需的氧的量稱作生化氧需量(BOD)。在一個范例中，通過五天的時段期間微生物消耗 的氧的量來測量五天BOD或B0D5，且五天BOD或B0D5是污水中的生物可分解的有機物質的 量或污水的濃度的最普遍測量。BOD傳統(tǒng)地用于測量從常規(guī)污水處理廠排放至地表水或溪流的流出物的濃度。這 是因為BOD高的污水能夠在接收水時消耗氧，使得魚被殺死并引起生態(tài)系統(tǒng)變化。在一個 非限制性范例中，基于地表水排放標準，針對BOD的第二處理標準設定于30mg B0D/L(即每 升水5天消耗掉30mg的02以分解廢物)。在生化氧需量(BOD)應用的一個范例中，于此描述的傳感器和傳感器接口模塊 (SIM)可以設置于相對于廢水或其它介質的合適位置，以進行期望的測量，諸如例如監(jiān)測氧 濃度的變化。根據(jù)本發(fā)明的傳感器和傳感器接口模塊(SIM)也用于測量溫度。例如，復合三(4， 7-聯(lián)苯-1，10-鄰菲啰啉)釕(II)脂可以用作指示器分子并嵌入于諸如塑料或玻璃的物質 中或整體封裝于金屬外殼內的通常不允許氧進入的傳感器內。指示器分子被輻照，其引起 冷光。在固定的氧濃度，冷光作為時間的函數(shù)變化(即溫度，冷光在較低溫度較大，并且在 較高溫度較小)，并且由傳感器檢測。能夠基于冷光或SIM的相位的變化確定溫度。雖然以上描述了本發(fā)明的各種實施例/變型，但是應當理解，它們僅是通過示例 方式提出的，而不是限制性的。從而，本發(fā)明的寬度和范圍不限于任何上述范例實施例，而 應當僅由以下權利要求和其等同物限定。
權利要求
1.一種用于測量分析物濃度的設備，包括傳感器，所述傳感器包括與變換器通信的至少一個指示器分子；與所述傳感器通信的傳感器接口模塊，其中，所述傳感器接口模塊包括微控制器；以及其中，所述傳感器接口模塊使得對所述至少一個指示器分子的激發(fā)發(fā)射的時域測量方便。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述傳感器是光傳感器。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述光傳感器包括輻射源。
4.如權利要求3所述的設備，其中，所述輻射源包括發(fā)光二極管(LED)。
5.如權利要求4所述的設備，其中，所述LED包括藍色LED、紫色LED以及紅色LED中 的任一種。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述傳感器接口模塊包括使得能夠在所述傳感器 與所述傳感器接口模塊之間通信的接口。
7.如權利要求6所述的設備，其中，所述接口包括模擬接口。
8.如權利要求1所述的設備，還包括外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
9.如權利要求8所述的設備，還包括使得能夠在所述傳感器接口模塊與所述外部數(shù)據(jù) 系統(tǒng)之間通信的接口。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個指示器分子包括復合三(4，7_聯(lián) 苯-1，10-鄰菲啰啉)釕(II)脂、基于鑭系元素的指示器、以及芳烴中的任一種。
11.如權利要求10所述的設備，其中，所述基于鑭系元素的指示器包括銪和鋱復合物 中的任一種。
12.如權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個指示器分子鄰近所述傳感器。
13.如權利要求1所述的設備，其中，所述傳感器和所述傳感器接口模塊能夠設置于電 路板上并使用所述電路板通信。
14.一種測量分析物的濃度的方法，包括 選擇傳感器；鄰近所述傳感器設置指示器分子； 基于所述分析物生成激勵波形； 激發(fā)所述指示器分子；基于所述分析物對激發(fā)的所述指示器分子的響應特性，檢測所述分析物的特性；以及 確定所述分析物的濃度。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述生成激勵波形包括將電壓波形近似為正弦波。
16.如權利要求14所述的方法，還包括對所述激勵波形和所述響應波形進行過采樣。
17.如權利要求14所述的方法，還包括確定所述激勵波形與所述響應波形之間的相位 延遲。
18.如權利要求14所述的方法，其中，所述激發(fā)所述指示器分子包括輻照所述指示器 分子。
19.如權利要求17所述的方法，還包括檢測所述指示器分子的光致發(fā)光輻射。
20.如權利要求14所述的方法，其中，所述選擇傳感器包括選擇光傳感器。
21.如權利要求14所述的方法，還包括以所述激勵波形驅動輻射源。
22.一種測量分析物濃度的設備，包括微控制器，配置為輸出預定頻率的周期性數(shù)字信號并計算激勵波形與響應波形之間的 相位差；數(shù)字-模擬轉換器，用于將所述周期性數(shù)字信號轉換為周期性電壓波形；低通濾波器，用于平滑所述周期性電壓波形并輸出所述激勵波形；電壓-電流轉換器，用于將所述激勵波形轉換為周期性電流波形，并用于驅動輻射源， 其中，所述輻射源輻射到指示器分子上；以及帶通互阻抗放大器，用于將來自光電變換器的電流轉換為所述響應波形，其中，來自所 述指示器分子的輻射入射到光電變換器上；其中，所述相位差是所述指示器分子本地的分析物濃度的函數(shù)。
23.如權利要求21所述的設備，其中，所述周期性數(shù)字信號具有9kHz至IlkHz范圍中 的頻率。
24.如權利要求21所述的設備，其中，所述微控制器還配置為與所述設備外部的裝置 進行與分析物濃度的計算相關的參數(shù)的串行通信。
25.如權利要求21所述的設備，其中，所述設備與外部設備通信。
26.如權利要求M所述的設備，其中，所述外部設備包括數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。
27.如權利要求21所述的設備，其中，所述輻射源包括發(fā)光二極管。
28.如權利要求21所述的設備，其中，所述微控制器還配置為如下地在所述數(shù)字輸出 總線上輸出所述周期性數(shù)字信號(a)所述微控制器等待接收指令以獲得濃度數(shù)據(jù)；所述指令傳輸至所述微控制器的串 行輸入端口；(b)所述微控制器在所述數(shù)字輸出總線上輸出斜坡信號；(c)所述微控制器在所述數(shù)字輸出總線上輸出表示預定頻率的量子化正弦波的信號；以及(d)所述微控制器將所述數(shù)字輸出總線設定為待機值。
29.如權利要求21所述的設備，其中，所述微控制器還配置為使用傳遞函數(shù)將所述相 位差轉換為分析物濃度值。
30.如權利要求觀所述的設備，其中，所述傳遞函數(shù)包括溫度、壓力、以及濕度中的任 一個的相關變量。
31.一種分析物濃度傳感器，包括如權利要求21所述的設備，其中，所述設備鄰近分析物。
32.如權利要求30所述的分析物濃度傳感器，其中，所述分析物是O2，所述輻射源包括 LED，所述光電變換器包括光電二極管，以及所述指示器分子在存在&時表現(xiàn)出光致發(fā)光淬 滅。
33.一種確定分析物的濃度的方法，所述方法包括在微控制器輸出端產(chǎn)生周期性數(shù)字輸出信號；將所述周期性數(shù)字輸出信號轉換為平滑的驅動器電流波形，所述平滑的驅動器電流波 形與所述周期性數(shù)字輸出信號具有相同頻率；以所述平滑的驅動器電流驅動輻射源，其中，來自所述輻射源的輻射入射到指示器分 子上；以光電變換器檢測所述指示器分子的輻射激發(fā)，其中，所述光電變換器輸出與所述平 滑的驅動器電流波形具有相同頻率的波形；以及測量所述平滑的驅動器電流波形與所輸出的光電變換器波形之間的相位差； 其中，所述相位差關聯(lián)至所述指示器分子本地的分析物濃度。
34.如權利要求32所述的方法，其中，所述分析物是O2，所述輻射源包括LED，所述光電 變換器包括光電二極管，以及所述指示器分子在存在A時表現(xiàn)出光致發(fā)光淬滅。
35.一種測量分析物的濃度的方法，包括 選擇傳感器；鄰近所述傳感器設置指示器分子； 基于所述分析物生成激勵波形； 激發(fā)所述指示器分子；基于所述分析物對激發(fā)的所述指示器分子的響應特性，檢測所述分析物的特性；以及 確定所述分析物的濃度。
36.如權利要求34所述的方法，還包括對所述激勵波形和所述響應波形進行過采樣。
37.如權利要求34所述的方法，還包括確定所述激勵波形與所述響應波形之間的相位 延遲。
38.如權利要求34所述的方法，其中，所述激發(fā)所述指示器分子包括輻照所述指示器 分子。
39.如權利要求37所述的方法，還包括檢測所述指示器分子的光致發(fā)光輻射。
40.如權利要求34所述的方法，其中，所述選擇傳感器包括選擇光傳感器。
41.如權利要求34所述的方法，還包括以所述激勵波形驅動輻射源。
42.一種確定介質內氧的存在的方法，包括 選擇氧傳感器；給所述傳感器提供指示器分子； 將所述傳感器定位于介質內；將相位調制信號從傳感器接口模塊傳輸至所述傳感器； 確定所述相位調制信號的變化率；以及 確定所述介質內氧的濃度。
43.如權利要求41所述的方法，其中，所述介質包括水、血液、以及空氣中的任一種。
全文摘要
一種測量輻射地可激發(fā)的指示器分子附近的分析物的濃度的方法和傳感器。使用激勵波形驅動輻射源。指示器分子暴露于輻射源。生成表示所述指示器分子發(fā)射的光致發(fā)光輻射的響應波形。激勵波形與響應波形之間的相位差是使得能夠確定分析物濃度的分析物的濃度的函數(shù)。
文檔編號G01N33/48GK102132145SQ200980132982
公開日2011年7月20日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權日2008年7月28日
發(fā)明者A·E·科爾文, A·德昂尼斯 申請人:醫(yī)藥及科學傳感器公司