专利名称：用于分析物浓度的光学测量的系统和方法
技术领域：
本发明涉及测量分析物浓度的系统和方法。更具体地，本发明涉及使得能够使用 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�？�。
背景技术：
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。
发明内容
本发明涉及测量分析物的浓度的设备和方法。更具体地，本发明涉及传感器和与 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�？�(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，本发明包括光传感器和传感器接口�？�(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�？榘ㄓ氪衅魍ㄐ乓郧湓床⒔邮� 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。根据本发明的一个实施例，传感器接口 模块包括使得�？槟芄唤荽渲镣獠渴菹低骋员闶菘梢猿氏指低秤没У慕涌�。在一方面，本发明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。根据本发明的一个实施例，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。根据本发明的另一实施例，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发明的以上和其它特征和优点以及本发明的优选实 施例的结构和操作。
并入于此并形成说明书的一部分的附图示例本发明的各个实施例，并与描述一起 还用于解释本发明的原理，并使得本领域技术人员能够实现并利用本发明。图1是根据本发明的一个实施例的测量分析物浓度的系统的示意图；图2是根据本发明的一个实施例的传感器接口�？榈氖疽馔迹煌�3和4分别为根据本发明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是示例根据本发明的一个实施例的测量分析物浓度的方法的流程图；图6是示例根据本发明的一个实施例的测量分析物浓度的方法的流程图；图7A-7E示例根据本发明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是根据本发明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，本发明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�？�(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是根据本发明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。根据本发明的一个实施例，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。根据本发明的一个实施例，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120和SIM 130获得或生成的 读数、测量结果、和其它数据。如上面所讨论的，传感器120和SIM 130优选地具有适于安装到人手的手掌中的 大�。⑶夷芄簧踔粮�。根据一个非限制性实施例，SIM 130占有约0.34立方英寸或更 小的空间，且传感器120占有约0. 009立方英寸或更小的空间，具有约1至200毫安的范围 内的直流(DC)均方根(RMS)功耗，以小于约一百(100)毫秒(ms)或更短的时间响应于分 析物浓度变化，并在从真空水平范围至数千磅每平方英寸(Psi)的环境压力下操作。图2是根据本发明的一个实施例的用于测量分析物浓度的设备220的示意图。设 备220包括传感器230和传感器接口�？�(SIM) M0。传感器230设置于介质内，该介质含 有浓度被期望测量的分析物。传感器230和SIM 240相互之间进行关于用于确定分析物浓 度的数据的通信。传感器230包括辐射源250、变换器沈0、以及指示器分子270，并且以下 将更详细描述。传感器接口�？�(SIM) 240包括微控制器观0。微控制器280生成用于驱动辐射 源250的激发信号，辐射源250使得指示器分子270发冷光。根据本发明的一个实施例，指 示器分子270可以是复合三(4，7_联苯-1，10-邻菲啰啉)钌(II)脂(complex Tris (4, 7-diphenyl-l, 10-phenanthroline) ruthenium (II) perchlorate)、诸如箱或铺复合物的基 于镧系元素的指示器、芳烃或用于分析物的任何指示器或分子变换系统，分析物具有足够 长的发冷光寿命以使得在利用相位调制进行测量时具有可检测的差异。分析物的范例包括但不限于氧、二氧化碳、葡萄糖以及温度。辐射源250可以根据使用的指示器的类型变化。例如，如果指示器是具有约四(4) 毫秒的衰减时间的复合三(4，7-联苯-1，10-邻菲啰啉)钌(II)脂，则可以使用蓝色发光 二极管(LED)。这是因为来自蓝色LED的光发射具有约460纳米的峰值波长，该波长与复合 三(4，7-联苯-1，10-邻菲啰啉)钌(II)脂的最佳激发光谱匹配良好。也可以使用诸如绿 色和红色LED的其它LED或其它辐射源。通常，辐射源或LED优选地具有与指示器的最佳 激发光谱匹配的峰值发射。如果使用镧系元素指示器，则可以使用具有约360-380纳米的 峰值发射波长的紫色LED。US专利6344360号中描述了基于镧系元素的指示器的范例，通 过引用将该专利全部并入于此。US专利5517313号中描述了指示器分子的另外的范例，通 过引用将该专利全部并入于此。基于微控制器280处理的参数生成激发信号。激发信号基于被测量的分析物表现 的已知特性。这提供了参考信号，测得的信号可以与该参考信号进行比较(以下更详细描 述)。根据一个实施例，微控制器280配置为具有数字输出通道290和一个或多个模拟输入 通道300。数字输出通道290可以用于将激发信号传输至传感器230的辐射源250。模拟 输入通道300可以用于接收传感器230的变换器260传输的信号。微控制器，诸如微芯科 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 用作微控制器观0。根据本发明的一个实施例，微控制器280包括数字信号处理器。传感器接口�？�(SIM) 240还包括数字-模拟转换器(DAC) 310，用于使用微控制器 280的数字输出通道290将传输的信号转换为模拟电压。在一个实施例中，微控制器280的 数字输出通道290是具有biV . . bit3的4位总线，且数字-模拟转换器310是简单的电阻 器梯形(resistor ladder)。在一个范例性非限制性实施例中，数字-模拟转换器310包括 连接至bit3的IllkQ电阻器、连接至bU2的270kQ电阻器、连接至bi、的400kΩ电阻 器、以及连接至MtciWSOOk Ω电阻器。数字-模拟转换器310的输出端是每个电阻器引线 (相对微控制器的引线)连接的节点。本领域技术人员已知的其它电阻器梯形和网络可以 用作数字-模拟转换器310。此外，数字-模拟转换器310可以实施于集成电路上。传感器接口�？�(SIM) 240还包括低通滤波器320，其将来自数字-模拟转换器 310的电压波形输出转换为该电压波形输出的正弦波近似。低通滤波器320可以是本领域 技术人员已知的电阻器-电容器(RC)设计。在一个范例实施例中，选择电阻(R)和电容 (C)以通过例如IOkHz的频率f的信号并抑制任何更高频率的噪声源。低通滤波器320的 电压波形输出传输至微控制器观0的模拟输入端300。低通滤波器320可以包括可变电容 电容器。根据本发明的一个非限制性实施例，形成低通滤波器的电容器和电阻器分别具有 约470pF禾口 15k Ω的值。传感器接口�？�(SIM) 240还包括电压-电流转换器330。在一个实施例中，电 压-电流转换器330将其输入，即低通滤波器320的电压波形输出的正弦波近似，转换为与 输入电压成比例的电流。电压-电流转换器330的输出包括驱动辐射源250的激发信号。 辐射源250安置为使得其辐射输出达到指示器分子270。辐射源250发射的光使得指示器 分子270基于存在的被测量的分析物以特定方式发冷光。由变换器260将此冷光检测为信 号。变换器260输出为从指示器分子270辐照的冷光的函数的信号。变换器260可以是例 如光电二极管、光电晶体管、光电倍增管或其它光电检测器。
电压-电流转换器330可以可选地与电流镜通信，该电流镜反射(mirror)驱动辐 射源250的电流以驱动发光二极管(LED);340。在一个实施例中，LED 340是红色LED，该红 色LED可以用于测试传感器接口�？�(SIM) M0。变换器沈0的输出端连接至带通互阻抗放大器350。带通互阻抗放大器350包括 带通增益响应并生成为其电流输入的函数的电压波形。带通互阻抗放大器350的输出传输 至微控制器观0的模拟输入端300。设备220可以包括通信接口 360，使得微控制器280能够发送和接收至外部数据系 统370的关于分析物浓度的数据。微控制器280和数据系统370可以通过诸如是例如微控 制器串行通道的通信通道380进行通信。数据系统370可以例如是数据收集系统、微处理 器、微计算机或其它设备。使用例如存储的程序的微控制器280可以配置为接收传输通过其通信通道380 的命令代码并对其进行作用，生成周期变化的数字输出，在模拟输入端对电压进行采样，并 通过通信通道380计算并传输关于分析物浓度的数据。传感器接口�？�(SIM) 240可以设 定为进行单个测量，或连续运行，即在特定延迟后重复测量。图3和4分别是根据本发明的一个实施例的传感器400的平面图和截面图。传感 器400可以是例如光传感器。传感器400包括基底410，基底410配置有用于辐射源430的 井420和用于光电变换器450的井440。辐射源430可以是例如发光二极管(LED)，且变换 器450可以是例如光电变换器、光电二极管或其它变换器。除其它优点外，此配置减小了辐 射源430对变换器450的直接照明。传感器400还可以包括优化传感器400的透射和反射特性的波导460。在一个实施例中，指示器分子470位于波导460的上表面的至少一部分上。传感 器接口模块(SIM)480位于辐射源430和变换器450附近。通信通道490可以连接传感器 400与外部数据系统(图2中所示)。在其它实施例中，传感器400与外部数据系统无线通
fn °图5示例根据本发明的一个实施例的测量分析物浓度的方法。该方法包括在步骤 510选择传感器类型，以用于确定分析物的具体特性。例如，可以使用光传感器来感测患者 血液中的氧的浓度。在步骤520将指示器分子设置于传感器上。指示器分子优选地对能够由传感器检 测的分析物特性作出反应。例如，辐射源可以用于激发指示器分子，使得指示器分子冷光被 光传感器检测到。例如，可以使用蓝色发光二极管(LED)激发复合三(4，7-联苯-1，10-邻 菲啰啉)钌(II)脂指示器分子。在步骤530基于浓度被期望测量的分析物的类型生成激励波形。例如，如果使用 光传感器，则这可以包括使用激励波形以引导LED发射具有预定形状的辐射。在步骤M0， 其具体特性可以被传感器检测的设备用于激发指示器分子。如果使用光传感器，该设备可 以是例如辐射源。在步骤550，传感器于是检测指示器分子表现的特性。如果使用光传感器和辐射 源，则光传感器检测指示器分子发射的光致发光辐射。光致发光辐射由传感器的滤波器接 收并由传感器的光电二极管变换。在步骤560，基于接收的指示器分子的特性生成响应波 形，接收的指示器分子的特性诸如是例如从指示器分子接收的光致发光辐射。在光传感器范例中，来自光电二极管的电流与激励波形具有相同形状，仅仅是相位延迟了。然后在步骤570对生成的激励和响应波形进行过采样，使得在步骤580可以确定 该两个波形之间的相位延迟。使用相位延迟，可以在步骤590确定分析物浓度。这是因为 相位延迟与分析物浓度成比例。具体地，发荧光分子将在已知时段内发荧光，该时段即去除 辐射激励后的衰减时间或激发态寿命。荧光的强度和衰减时间均按照线性关系随给定的荧 光淬灭剂的浓度变化。在一个非限制性范例中，能够基于斯特恩-沃尔默等式中描述的关
系根据相位延迟确定感兴趣的分析物的浓度 j^ = — =\ + Κη.
是淬灭剂 的浓度。从而，如果能够测量τ，则能够通过例如斯特恩-沃尔默等式确定Q的浓度。图6示例根据本发明的一个实施例的测量分析物的浓度的方法。在步骤610，在微 控制器数字输出总线上产生周期性数字输出信号。例如，微控制器能够生成表示具有频率f 的量子化(quantized)正弦波的数字输出信号的系列。输出系列可以包括上升至DC基线 值的斜坡，接着是叠加于基线上的一系列量子化正弦波，以及至待机状况的返回。在步骤620，微控制器的数字输出信号转换为平滑的电流波形。通过例如经由数 字-模拟转换器传递数字输出信号以实现如图7A中所示的电压波形W201能够实现这个。 图7A-7E分别描绘范例电流或电压波形W201、W202、W203、WM0以及W206，这些波形分别是 关于图2中的部件340、350、360、270以及400的输出测得的。图7A-7E中的每一个的时间 轴的原点和刻度基本相同。这些波形示例信号通过的如下路径来自数字输出的信号至模 拟电压正弦波，至模拟电流正弦波，通过发光二极管(LED)和相位检测器，至相移电流正弦 波，至相移电压正弦波，然后至模拟-数字转换器进行过采样。电压波形W201可以传输通过低通滤波器以平滑分段线性波形为如图7B中所示的 电压变化正弦波W202。电压变化正弦波W202然后可以传输通过电压-电流转换器以产生 如图7C中所示的电流变化正弦波。在步骤630，平滑的电流波形用于驱动辐射源，即电流变化正弦波W203驱动激发 指示器分子的辐射源，来自指示器分子的光致发光入射到光电变换器上并由光电变换器变 换。在步骤640，检测例如指示器分子的冷光辐射。即光电变换器产生激发信号，即如 图7D中所示的电流波形W120。电流波形W120与波形W203具有相同正弦波形，仅仅是相位 延迟了。此相位延迟φ是冷光变换的衰减时间的函数，衰减时间取决于分析物的浓度，指示 器分子暴露于该分析物。来自光电变换器的电流可以传输通过带通互阻抗放大器。带通互阻抗放大器生成 如图7Ε中所示的电压波形W206。带通增益用于滤除噪声并在通过频率f的信号时形成峰。在步骤650，确定平滑的电流波形与光电变换器输出波形之间的相位差。电压波 形W202和W206可以用于驱动微控制器的模拟输入。内部地，微控制器的每个模拟输入驱 动模拟-数字转换器。在微控制器的控制下，对电压波形W202和W206进行数字过采样以 推导相对激发信号的相位延迟φ。
内部地，在微控制器程序的控制下，微控制器对波形W206和W202的多个完整的正 弦周期执行测量。在一个实施例中，由微控制器对测量结果进行平均以产生辐射源驱动和 来自指示器分子的响应的测量结果。对测量结果进行幅度归一化并进行DC偏移以产生驱 动正弦曲线和响应正弦曲线。两个正弦曲线之间的相位差φ提供电路对激发的响应的延迟 的测量结果。延迟是电子延迟和衰减时间的合成，衰减时间是结合至指示器分子的分析物 浓度的函数。例如，室温和21%的A时的光致发光的衰减时间测得为4. 8 μ S。使用迭代算法针对相位测量来自波形W202和W206的本地过采样数据。为微控制 器程序的一部分的迭代算法对可能的相位的相继度数进行迭代。例如，识别一对对信号的 相位分组(bracket)的相继值。然后，通过在两个分组相位值之间插值来估计信号的相位。 也可以使用线性插值以外的方法。例如，正弦函数可以产生最终相位值的精确估计。这是 因为迭代算法确定误差值或匹配量度的零交叉。算法在对通过正/负符号改变测得的数据 分组的值之间进行插值。在一个实施例中，用于迭代算法的匹配量度是以下量的乘积1)输入信号；2)对 任意相位延迟步骤值的系列生成的估计量；以及幻对间隔积分的权重函数。在一个实施例 中，积分间隔是-η至n，且权重函数是估计量相位值的余弦。估计量相位值可以是描述估 计量和权重函数的相位角的虚变量。权重函数强调接近估计量函数的零交叉的信号。这改 善了相位测量的辨别力，同时减小了噪声的影响和增益或光致发光幅度的变化。为奇函数的任何量度将用作用于迭代算法的匹配量度。原理上，针对任何η值的 估计量相位值的任何COSn函数可以用作权重函数。较高的余弦幂可以改善相位辨别力的 信-噪比。也可以使用其它权重函数。相位差φ承载与传感器化学品(chemistry)(例如指示器分子)本地的分析物浓度 的关系。忽略化学品的深度内的可以归因于扩散的任何空间分布，相位差φ表示测量时某一 点的瞬时分析物浓度。测得的相位差φ将如上述按照斯特恩-沃尔默关系变化。这源自传 感器化学品的衰减时间常数(τ)和幅度均按照此关系变化的潜在关系。对于诸如图7C中所示的正弦激发，衰减时间常数直接变换为相位延迟。衰减时间 变化，因此相位差φ，将由斯特恩-沃尔默关系决定，而和源自传感器化学品与分析物的反 应的幅度的损耗不相关。只要来自传感器化学品(例如指示器分子)的接收的信号幅度充 分高于噪声，使得相位检测算法收敛，则传感器接口模块产生相位测量结果。这是相对于基 于幅度的传感器的区别优点，基于幅度的传感器在例如基于幅度的光氧传感器的情况下， 需要分开对测得的幅度起作用的光氧化和氧浓度。然而，在实施本发明的传感器的寿命结 束时，测量结果与测量结果之间的变化将愈加变得嘈杂，然后随机。可以针对此测得的变化 设定阈值，以指示传感器替换报警。在操作中，命令可以通过通信通道从外部设备发送至微控制器，指示微控制器收 集数据。然后可以由外部设备检索(retrieve)数据。也能够传送温度测量结果。外部设 备可以测量定时，与传感器接口�？橥ㄐ牛⑾允净蚴褂貌獾玫氖�。在待机期间，不驱动辐射源和光电变换器。用于驱动传感器的短的编程的序列可 以用于大大减小传感器的占空比，依次减小传感器化学品与分析物的反应并延长传感器寿 命。图8示例根据本发明的一个实施例的光传感器800。光传感器800具有传感器主体810和基底820。在一个实施例中，传感器主体810可以涂覆有指示器分子830或传感器 主体810可以包括多层，其中一层包括含有指示器分子830的基体层(未示出)。指示器分 子830暴露于期望的环境(例如在期望的环境本地)以感测分析物。光传感器800可以是 例如豆形的或药物胶囊形的并具有类似大�。菪硖迥诨蚱渌谖挥τ谩０沧坝诨�820上的是辐射源840，例如发光二极管(LED)，其在与指示器分子830 相互作用的波长范围内发射辐射。例如，在基于光致发光的传感器的情况下，可以使用使得 指示器分子830发冷光的波长。也安装于基底820上的是光电变换器850，其可以是例如光 电检测器或光电二极管。在基于光致发光的传感器的范例情况下，光电变换器850对指示 器分子830发射的光致发光敏感，使得对其响应而生成指示指示器分子830的光致发光水 平的信号。辐射源840、光电变换器850、以及指示器分子830相对于彼此安置，使得从辐射源 840发射的辐射入射到指示器分子830上，且来自指示器分子830的辐射，例如光致发光，入 射到光电变换器850上。辐射入射可以在反射和/或透射通过介质后发生。在一个实施例 中，滤光器860可以用于将到达光电变换器850的辐射限制于与指示器分子对辐射源840 发射的辐射的响应关联的波长。光传感器800也可以包括温度探针870，用于测量光传感器800本地的温度 ’传 感器接口�？�(SIM) 880，用于生成传输至辐射源840的信号，并接收来自光电变换器850的 信号；发射器890，用于与外部系统(未示出)无线通信；以及电源900，其可以包括感应体， 通过该感应体，通过将电源900暴露于合适的电池�。梢愿杏Τ龅缌�。US专利号5517313 和6940590中描述了可以根据本发明使用的氧传感器的范例，于此通过引用该两专利的全 部并入了该两专利。根据一个实施例，通过基于配置参数校正测得的相位差，可以提高分析物浓度测 量结果的精度。一个校正步骤是确定电子延迟或偏移零(offset null)配置参数。偏移零 解决主要归因于电子部件公差的单元-单元变化。能够在固定温度和制造光传感器时或在 传感器配置期间的分析物浓度实现偏移零的确定。另一校正步骤在已知分析物浓度和各种温度测量相位差，固定其它传感器环境因 素，诸如相对于已知值的相对湿度和压力。在此校正步骤，如上述地确定相位差，并且可以 根据第一原理推导实际分析物浓度的值或经验地测得实际分析物浓度的值。实际上，存在 这些方法的一些组合，特别是在需要较高精度的应用中。可以在独立的设备、具体的SIM/ 传感器架构或其它基础上执行校正。因为在某些应用中，相位差与分析物浓度/温度的关系不是严格线性的，所以推 导基于此两个配置步骤的传递函数。包括传递函数的一部分的偏移零和温度校正表均能够 设置在微控制器外部的表中，或载入到传感器接口�？樯系拇娲⑵鞔娲⒈碇�。对于需要高 精度的应用，除校正步骤外，能够考虑诸如压力和湿度的其它湿度输入变量，并且传递函数 也能够包括这些变量。于此描述的传感器不限于氧传感器。例如，可以使用电池供电的、代谢的和大气 的传感器。还有，根据本发明的传感器可以植入人中并用于测量人体中的各种生物分析 物(例如，氧、二氧化碳、葡萄糖、毒素)。另外，于此描述的本发明也可以用于各种应用和 操作环境中。例如，本发明可以用于气体混合、惰性化、溶解的氧、环境变化率、生化氧需量(BOD)、反应监测器、加热/通风/空调(HVAC)系统、燃烧监测、以及发酵反馈和废气监测
ο根据本发明的一个实施例的传感器和传感器接口�？�(SIM)如何能够用于生化 氧需量(BOD)应用的一个范例涉及废水监测。存在于自然水路或工业废水中的可氧化物质 通过生化(细菌)或化学处理氧化。结果是水的氧含量降低。基本上，生化氧化的反应可 以写为可氧化物质+细菌+养分+02 — C02+H20+诸如N03或S04的氧化无机物根据此等式，其中细菌和氧在左边，通过监测氧浓度的变化，有效地监测了与存在 的细菌直接成比例的此整个反应的速率。因为所有自然水路含有细菌和养分，所以几乎引入该水路中的任何废弃化合物发 起生化反应(诸如上述的反应)。那些生化反应产生作为生化氧需量(BOD)测得的东西。废水的最普遍测量的成分之一是生化氧需量。废水包括各种无机和有机物。有机 物指基于碳的分子，并包括例如排泄物以及清洁剂、肥皂、脂肪、油脂等。这些大有机分子容 易由细菌分解。然而，此过程需要氧来使大分子变成较小分子并最终变成二氧化碳和水。此 过程所需的氧的量称作生化氧需量(BOD)。在一个范例中，通过五天的时段期间微生物消耗 的氧的量来测量五天BOD或B0D5，且五天BOD或B0D5是污水中的生物可分解的有机物质的 量或污水的浓度的最普遍测量。BOD传统地用于测量从常规污水处理厂排放至地表水或溪流的流出物的浓度。这 是因为BOD高的污水能够在接收水时消耗氧，使得鱼被杀死并引起生态系统变化。在一个 非限制性范例中，基于地表水排放标准，针对BOD的第二处理标准设定于30mg B0D/L(即每 升水5天消耗掉30mg的02以分解废物)。在生化氧需量(BOD)应用的一个范例中，于此描述的传感器和传感器接口模块 (SIM)可以设置于相对于废水或其它介质的合适位置，以进行期望的测量，诸如例如监测氧 浓度的变化。根据本发明的传感器和传感器接口�？�(SIM)也用于测量温度。例如，复合三(4， 7-联苯-1，10-邻菲啰啉)钌(II)脂可以用作指示器分子并嵌入于诸如塑料或玻璃的物质 中或整体封装于金属外壳内的通常不允许氧进入的传感器内。指示器分子被辐照，其引起 冷光。在固定的氧浓度，冷光作为时间的函数变化(即温度，冷光在较低温度较大，并且在 较高温度较小)，并且由传感器检测。能够基于冷光或SIM的相位的变化确定温度。虽然以上描述了本发明的各种实施例/变型，但是应当理解，它们仅是通过示例 方式提出的，而不是限制性的。从而，本发明的宽度和范围不限于任何上述范例实施例，而 应当仅由以下权利要求和其等同物限定。
权利要求
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�？椋渲校龃衅鹘涌谀？榘ㄎ⒖刂破鳎灰约捌渲校龃衅鹘涌谀？槭沟枚运鲋辽僖桓鲋甘酒鞣肿拥募し⒎⑸涞氖庇虿饬糠奖恪�
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器是光传感器。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述光传感器包括辐射源。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述辐射源包括发光二极管(LED)。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述LED包括蓝色LED、紫色LED以及红色LED中 的任一种。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器接口模块包括使得能够在所述传感器 与所述传感器接口模块之间通信的接口。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述接口包括模拟接口。
8.如权利要求1所述的设备，还包括外部数据系统。
9.如权利要求8所述的设备，还包括使得能够在所述传感器接口模块与所述外部数据 系统之间通信的接口。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个指示器分子包括复合三(4，7_联 苯-1，10-邻菲啰啉)钌(II)脂、基于镧系元素的指示器、以及芳烃中的任一种。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述基于镧系元素的指示器包括铕和铽复合物 中的任一种。
12.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个指示器分子邻近所述传感器。
13.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器和所述传感器接口�？槟芄簧柚糜诘� 路板上并使用所述电路板通信。
14.一种测量分析物的浓度的方法，包括 选择传感器；邻近所述传感器设置指示器分子； 基于所述分析物生成激励波形； 激发所述指示器分子；基于所述分析物对激发的所述指示器分子的响应特性，检测所述分析物的特性；以及 确定所述分析物的浓度。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述生成激励波形包括将电压波形近似为正弦波。
16.如权利要求14所述的方法，还包括对所述激励波形和所述响应波形进行过采样。
17.如权利要求14所述的方法，还包括确定所述激励波形与所述响应波形之间的相位 延迟。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述激发所述指示器分子包括辐照所述指示器 分子。
19.如权利要求17所述的方法，还包括检测所述指示器分子的光致发光辐射。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述选择传感器包括选择光传感器。
21.如权利要求14所述的方法，还包括以所述激励波形驱动辐射源。
22.一种测量分析物浓度的设备，包括微控制器，配置为输出预定频率的周期性数字信号并计算激励波形与响应波形之间的 相位差；数字-模拟转换器，用于将所述周期性数字信号转换为周期性电压波形；低通滤波器，用于平滑所述周期性电压波形并输出所述激励波形；电压-电流转换器，用于将所述激励波形转换为周期性电流波形，并用于驱动辐射源， 其中，所述辐射源辐射到指示器分子上；以及带通互阻抗放大器，用于将来自光电变换器的电流转换为所述响应波形，其中，来自所 述指示器分子的辐射入射到光电变换器上；其中，所述相位差是所述指示器分子本地的分析物浓度的函数。
23.如权利要求21所述的设备，其中，所述周期性数字信号具有9kHz至IlkHz范围中 的频率。
24.如权利要求21所述的设备，其中，所述微控制器还配置为与所述设备外部的装置 进行与分析物浓度的计算相关的参数的串行通信。
25.如权利要求21所述的设备，其中，所述设备与外部设备通信。
26.如权利要求M所述的设备，其中，所述外部设备包括数据收集系统。
27.如权利要求21所述的设备，其中，所述辐射源包括发光二极管。
28.如权利要求21所述的设备，其中，所述微控制器还配置为如下地在所述数字输出 总线上输出所述周期性数字信号(a)所述微控制器等待接收指令以获得浓度数据；所述指令传输至所述微控制器的串 行输入端口；(b)所述微控制器在所述数字输出总线上输出斜坡信号；(c)所述微控制器在所述数字输出总线上输出表示预定频率的量子化正弦波的信号；以及(d)所述微控制器将所述数字输出总线设定为待机值。
29.如权利要求21所述的设备，其中，所述微控制器还配置为使用传递函数将所述相 位差转换为分析物浓度值。
30.如权利要求观所述的设备，其中，所述传递函数包括温度、压力、以及湿度中的任 一个的相关变量。
31.一种分析物浓度传感器，包括如权利要求21所述的设备，其中，所述设备邻近分析物。
32.如权利要求30所述的分析物浓度传感器，其中，所述分析物是O2，所述辐射源包括 LED，所述光电变换器包括光电二极管，以及所述指示器分子在存在&时表现出光致发光淬 灭。
33.一种确定分析物的浓度的方法，所述方法包括在微控制器输出端产生周期性数字输出信号；将所述周期性数字输出信号转换为平滑的驱动器电流波形，所述平滑的驱动器电流波 形与所述周期性数字输出信号具有相同频率；以所述平滑的驱动器电流驱动辐射源，其中，来自所述辐射源的辐射入射到指示器分 子上；以光电变换器检测所述指示器分子的辐射激发，其中，所述光电变换器输出与所述平 滑的驱动器电流波形具有相同频率的波形；以及测量所述平滑的驱动器电流波形与所输出的光电变换器波形之间的相位差； 其中，所述相位差关联至所述指示器分子本地的分析物浓度。
34.如权利要求32所述的方法，其中，所述分析物是O2，所述辐射源包括LED，所述光电 变换器包括光电二极管，以及所述指示器分子在存在A时表现出光致发光淬灭。
35.一种测量分析物的浓度的方法，包括 选择传感器；邻近所述传感器设置指示器分子； 基于所述分析物生成激励波形； 激发所述指示器分子；基于所述分析物对激发的所述指示器分子的响应特性，检测所述分析物的特性；以及 确定所述分析物的浓度。
36.如权利要求34所述的方法，还包括对所述激励波形和所述响应波形进行过采样。
37.如权利要求34所述的方法，还包括确定所述激励波形与所述响应波形之间的相位 延迟。
38.如权利要求34所述的方法，其中，所述激发所述指示器分子包括辐照所述指示器 分子。
39.如权利要求37所述的方法，还包括检测所述指示器分子的光致发光辐射。
40.如权利要求34所述的方法，其中，所述选择传感器包括选择光传感器。
41.如权利要求34所述的方法，还包括以所述激励波形驱动辐射源。
42.一种确定介质内氧的存在的方法，包括 选择氧传感器；给所述传感器提供指示器分子； 将所述传感器定位于介质内；将相位调制信号从传感器接口�？榇渲了龃衅鳎� 确定所述相位调制信号的变化率；以及 确定所述介质内氧的浓度。
43.如权利要求41所述的方法，其中，所述介质包括水、血液、以及空气中的任一种。
全文摘要
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。
文档编号G01N33/48GK102132145SQ200980132982
公开日2011年7月20日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年7月28日
发明者A·E·科尔文, A·德昂尼斯 申请人:医药及科学传感器公司
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