本发明涉及使用正反馈的水质传感器。
背景技术：
使用致动器和传感器的传统水质感测系统恒定地保持在致动器中产生的输入信号的幅值以检测由致动器形成的介质的变化。根据现有技术的感测系统使用单端信号方案和/或负反馈构造以使结构更稳定。
例如，当致动器照射含有利用一定量的光测量其浓度的物质的介质时，浊度传感器检测通过该介质传输的光并将光转换成电信号以测量该介质中的物质的浓度。
技术实现要素：
技术问题
现有的感测系统具有检测极限(LOD)。例如，当感测系统用作水质传感器时，即使包含非常少量的要检测的材料(即，所包含的材料的量小于LOD)，也确定不包含该材料，这是因为感测系统的LOD特性较差。
本发明旨在解决根据现有技术的传统感测系统的上述问题，因此本发明的一个目的是提供一种能够以高灵敏度检测微量物质的具有优异LOD特性的感测系统。
技术方案
根据本发明的实施方式的感测系统包括：光学致动器，所述光学致动器被构造成向检测目标物质施加光学刺激；光电检测器，所述光电检测器被构造成响应于根据被施加有所述光学刺激的所述检测目标物质的浓度产生的光学响应而输出具有快速恢复(snapback)形式的电信号；放大器，所述放大器被构造成将从所述光电检测器输出的所述电信号放大并将所放大的电信号作为正反馈提供给所述光学致动器；以及检测单元，所述检测单元被构造成响应于所述电信号而检测所述检测目标物质。
有益效果
根据本发明的实施方式的感测系统提供了检测难以由传统传感器检测到的微量检测目标物质的优点。
附图说明
图1例示了示出根据本发明的实施方式的感测系统的框图。
图2例示了根据本发明的实施方式的感测系统的电路图。
图3例示了当根据本发明的实施方式的感测系统检测到作为检测目标物质的牛血清白蛋白(BSA)时从光电检测器输出的电信号的电流-电压特性曲线。
图4例示了检测目标物质在快速恢复区域中根据浓度的变化的电流-电压特性的测量结果。
图5a例示了通过使用根据现有技术的传感器测量的BSA的测量结果。图5b例示了通过本发明测量的BSA的测量结果。图5c例示了根据当前实施方式的感测系统的BSA检测能力。
图6a至图6c例示了通过使用270纳米(nm)发光二极管(LED)、280nmLED和340nmLED中的每一种测量的NADH(烟酰胺-腺嘌呤-二核苷酸氢化酶)的电流-电压特性曲线。图6d例示了根据当前实施方式的感测系统的NADH测量能力。
图7例示了关于氧化石墨烯的浓度测量结果的电流-电压特性曲线。
图8a至图8c例示了关于通过使用880nm红外(IR)LED、405nmIRLED、280nmIRLED中的每一种进行的浊度测量结果的电流-电压曲线。图8d例示了根据当前实施方式的感测系统的LOD(检测极限)。
具体实施方式
由于本发明的描述仅用于实施方式的结构和功能描述，所以本发明的范围不应被解释为受到本文描述的实施方式的限制。也就是说，因为各种实施方式可以改变并且能够具有许多不同形式，所以本发明的范围应该理解为包括用于实现技术构思的等价物。
此外，本文描述的术语的含义应该理解如下。
如本文描述的，单数形式的表达应该理解为包括复数含义，除非在上下文中有明显不同的含义，并且术语“包含”和/或“包括”等规定存在所阐述的特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合，但是不排除存在或添加一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
在例示了本公开的实施方式的附图中，为了容易理解和方便描述，部件的尺寸、高度、厚度等可能通过设计而被夸大，并且可以不按照比例放大或缩小。将进一步理解的是，附图中所示的一个部件可以通过设计而缩小，或者附图中的另一个部件可以通过设计而放大。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语都具有由本发明所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。在字典中定义的上位术语应该解释为具有与相关技术的环境中一致的含义，并且不应该被解释为具有理想的或过于形式化的含义，除非在本申请中明确地进行了定义。
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。图1例示了根据本发明的实施方式的感测系统的示意性框图，图2示出了根据本发明的实施方式的感测系统的电路图。参照图1和图2，根据本发明的实施方式的感测系统包括光学致动器100。光学致动器100响应于施加至其的偏压而向含有检测目标物质的介质200施加光学刺激。在下文中，将提供紫外光、可见光、红外光和激光的致动器定义为光学致动器，并且将施加诸如声波、超声波、磁场、电场和放射性的非光学刺激的致动器定义为非光学致动器。例如，光学致动器可以由响应于施加至其的偏压而提供光的LED、激光二极管(LD)等实现。
LED可以照射具有可见光、紫外光或红外光的波段的光，并且LD可以照射具有在270nm至3330nm中的预定波段的激光。优选的是，可以根据要由感测系统检测的目标物质的特性来构造能够照射适当波段的光的光学致动器。
介质200包括要由根据本实施方式的感测系统检测的检测目标物质。响应于从光学致动器100施加的光学刺激，检测目标物质产生光学响应。由检测目标物质产生的关于光学刺激的光学响应例如可以是由光学刺激产生的光通过介质被传输所通过的光、以及从介质200反射或由介质200散射的光、或者可以是由光学刺激产生的荧光。例如，作为光学响应，BSA具有吸收270nm至280nm的光的特性。因此，当利用波长为275nm的激光照射含有BSA的介质时，BAS通过吸收激光而响应于施加至其的光学刺激来产生光学响应。然而，这仅仅是示例描述，因此应该理解光学响应关于检测目标物质、施加至检测目标物质的光学刺激以及根据检测目标物质产生的光学刺激可以是不同的。
光电检测器300被构造成检测响应于施加至介质200的光学刺激而产生的光学响应，并且输出电信号。例如，光电检测器300可以被构造成通过检测由检测目标物质响应于从光学致动器100施加的光学刺激而产生的要通过介质200传输的光、从介质200反射或由介质200散射的光以及由介质200响应于光学刺激而产生的荧光当中的一种或更多种光来输出电信号。根据介质200中包含的检测目标物质的浓度，光学响应可能不同，使得从光电检测器300提供的电信号也可能变化。例如，光电检测器300可以利用光电二极管来构造，并且光电二极管可以检测由于由介质200产生的光学响应而引起的光变化，以提供与光变化相对应的电信号。
作为一个实施方式，光电检测器300可以从提供偏置电流的电源PD偏压接收驱动电流ipd，根据当前实施方式的感测系统可以通过对从电源PD偏压提供的驱动电流进行扫描(sweep)来检测来自介质200的光学响应。如下所述，光电检测器300在驱动电流变化时输出具有快速恢复形式的电信号。
放大器400放大并输出从光电检测器300提供的电信号，并且放大的电信号被添加至来自致动器100的偏压以作为反馈提供给致动器100。因此，致动器100、介质200、光电检测器300和放大器400形成了正反馈路径。例如，放大器400可以利用将来自光电二极管的电流转换成电压信号的电流-电压转换器(i-v转换器)来实现，并且电流-电压转换器电路的输出电压与光学致动器100的偏压(ACT偏压)一起被正反馈。
如图2所示，从光电检测器300提供的电流ipd由放大器400转换成电压信号vfb。由于电压信号vfb具有负电位，因此与光学致动器100的连接至基准电位的一端的电位相比，光学致动器100的连接至放大器400的另一端的电位低于所述一端的电位。因此，因为施加至光学致动器100的偏压随着放大器400的电压vfb增加而增加，从而施加增大的光学刺激，所以介质200以光学方式响应施加至其的增大的光学刺激，使得光电检测器300检测光学响应，以提供增大的电流ipd。也就是说，根据当前实施方式的感测系统利用正反馈路径来构造。
检测单元500接收并分析从光电检测器300输出的电信号，以检测介质200中包含的检测目标物质的浓度。例如，检测单元500设置有读取电路，以分析来自光电检测器300的电信号OUTPUT，并且检测该检测目标物质的浓度。
图3示出了当根据当前实施方式的感测系统检测作为检测目标物质的BSA时，从光电检测器300输出的电信号的电流-电压特性曲线。在图3中，竖轴代表图1和图2中所示的施加至光电检测器300的偏置电流ipd的值，横轴代表光电检测器300两端的电压vpd的值。
参照图1至图3，将描述在将提供至光电检测器300的偏置电流从零增大的同时该光电检测器300两端电压的变化。随着提供至光电检测器300的偏置电流ipd增大，光电检测器300两端的电压vpd根据偏置电流ipd的增大而相应地增大，但是光学致动器100尚未被开启。
当施加至光电检测器300的偏置电流ipd增加时，放大器400向光学致动器100施加比开启电压更高的电压，从而将光学致动器100开启。开启的光学致动器100向介质200施加光学刺激，并且当介质200提供作为光学响应的光时，光电检测器300检测来自介质200的光并将所检测到的光转换成相对应的电流以输出该电流。在光学致动器100开启时，为了使光电检测器300提供恒定电流，可以减小光电检测器300两端的电压，从而对由于介质200的光学响应而从介质200所提供的光转换的电流进行补偿。因此，电压逐渐减小。也就是说，在从电源提供给光电检测器300的电流增大的同时，光电检测器300两端的电压减小以具有负电阻特性。
如上所述，在施加至光电检测器300的电流增大的同时光电检测器300两端的电压减小的现象被称为快速恢复现象，发生快速恢复现象的起始点被称为快速恢复点(SB点)，并且虽然电流增大，但是由于快速恢复现象电压仍然减小的区域被称为快速恢复区域。
随着光电检测器300的偏置电流进一步增大，光电检测器300两端的电压减小至接近于零。此时，该点被称为饱和点，并且饱和点之后的区域称为饱和区域。
由于当介质200由于正反馈而响应于更多的光学刺激向光电检测器300提供更多的光时光电检测器300降低其两端的电压以根据从介质200提供的增加的光而补偿相对应的电流，因此在光电检测器300的偏置电流增大使得发生饱和时，光电检测器300两端的电压在偏置电流连续地增大的同时恒定地保持在饱和区域附近，从而使得尽管电流增大，但是电压几乎没有变化。但是，如图3所示，电压可能增大几伏那么多，但是参照图4，图4示出了光电检测器300两端的电压(以100伏刻度)，相对于饱和区域中的电流变化，电压变化非常微不足道。
此外，图3中的曲线的虚线代表当信号路径利用开环而不是正反馈路径构造时获得的电流-电压特性。与曲线的虚线相比，可以理解，快速恢复特性可以通过以正反馈方式连接光学致动器100、介质200、光电检测器300和放大器400来实现。
图4例示了检测目标物质在快速恢复区域中根据浓度的变化的电流-电压特征的测量结果，更具体地，例示了通过使用根据当前实施方式的用于介质200的感测系统进行检测而获得的电流-电压曲线，其中向去离子水中添加分别为1纳克(ng)、10ng、…，1毫克(mg)的量的检测目标物质。如图4所示，当向光电检测器300施加大约2.1微安(μA)到2.15μA的电流时，发生快速恢复现象，然后在2.17μA至2.21μA处电压饱和为大约零伏。
根据检测目标物质的浓度，电流-电压特性在快速恢复区域中改变。因此，检测单元500可以通过恒定地保持光电检测器300的偏置电流而读取光电检测器300两端的电压，或者通过恒定地保持光电检测器300两端的电压而读取光电检测器300的偏置电流，由此检测该检测目标物质的浓度。例如，当光电检测器300的偏置电流被恒定地保持在2.15μA时，检测单元500读取66伏作为光电检测器300两端的电压以将检测目标物质的浓度检测为1ng。作为另一个示例，当光电检测器300两端的电压恒定地保持在40伏时，检测单元500读取2.18μA作为光电检测器300的偏置电流以将检测目标物质的浓度检测为100ng。另外，检测目标物质的浓度可以通过测量快速恢复区域之外的饱和点处的电流和/或电压来检测。
实施方式及实验结果
在下文中，将描述根据本发明的实施方式的感测系统的实现以及通过使用该实现的检测目标物质的检测结果。图2示出了根据当前实施方式的感测系统的实现的电路图，用于向光电检测器300施加偏置电流的电源为安捷伦科技有限公司(AgilentTechnologies)的型号4156，光电检测器300是AdvancedPhotonix公司的UV(紫外线)增强型硅光电二极管(型号100-13-23-222)，运算放大器400是Burr-Brown公司的用于高电压/高电流的运算放大器(型号OPA544)。包括在运算放大器400中的反馈电阻为6.1兆欧(Mohm)。光学致动器100是能够根据要测量的检测目标物质的类型而照射各种波长的光的LED。
为了测试对水中包含的蛋白质的检测可能性，测量在10皮摩尔(pM)到100微摩尔(μM)的范围内具有不同浓度的BSA。图5a中示出了根据现有技术的传感器的测量结果，图5b中示出了当前实施方式的测量结果。如上所述，可以看到由于已经发生了正反馈的快速恢复现象。基于该测量结果，在图5c中示出了BSA的检测能力。如图5c所示，当前实施方式的感测系统能够测量具有10pM到103pM的范围内的浓度的BSA蛋白质，而这通过根据现有技术的传感器是极难测量的。
为了检测水微生物的存在，测量NADH的浓度。NAD(烟酰胺-腺嘌呤-二核苷酸)是在细胞中发现的重要辅酶，NADH是NAD的还原形式并且根据下面描述的化学反应式在细胞代谢过程期间产生：
因此，通过测量NADH的存在，可以发现水中是否存在微生物。由于核苷酸是NADH的基本框架，因此NADH的最大吸收波长为260nm，这与脱氧核糖核酸(DNA)的吸收波长相同。因为340nm的波长容易被NADH吸收，因此可以通过使用具有340nm的波长的LED来测量脱水辅酶的活性。在该实验例中，NADH通过使用分别具有270nm、280nm和340nm的波长的LED进行测量，并且在图6a至6c中示出电流-电压特性。另外，基于这些测量结果，在图6d中示出NADH测量能力。如图6d所示，能够确认可以通过使用根据当前实施方式的感测系统来测量具有10nM左右的浓度的NADH。
参照图7，示出了相对于氧化石墨烯的浓度的测量结果的电流-电压特性曲线，氧化石墨烯是水生环境中的有毒物质。从图7中可以看出，可以检测4ng/ml(毫升)左右的浓度，但是根据现有技术的分光仪可以测量几ug/ml的浓度，从而能够确定根据当前实施方式的感测系统的测量能力比传统的传感器的测量能力更优异。
为了核实用于检测水中漂浮物质的测量能力，通过使用具有880nm、405nm和280nm的波长的红外LED来测量浊度。图8a至图8c示出了相对于每个波长放大的快速恢复区域，图8d示出了根据本发明的实施方式的感测系统的LOD。如图8a所示，可以在大约880nm的波长左右精确地测量非常低的浓度。基于上述测量结果考虑到LOD，如图8d所示，可以检测0.01比浊法浊度单位(NTU)左右的浓度。
尽管已经参照以上描述的实施方式描述了上述发明，但是在不脱离本发明的精神的情况下可以进行各种修改和改变。因而，所有这些修改和改变都被认为在所附权利要求的范围内。因而，把说明书和附图看作是例示性意义而非限制性意义。形成本文的一部分的附图以例示而非限制的方式示出了可以实施主题内容的具体实施方式。足够详细地描述了所例示的实施方式以使得本领域技术人员能够实施本文公开的教导。从这些实施方式可以得到和使用其它实施方式，从而在不脱离本公开的范围的情况下可以进行结构和逻辑上的替换和改变。因此，不能以限制意义来看待详细的描述，并且仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的全部范围的等同物来限定各种实施方式的范围。
附图标记
100：光学致动器200：含有检测目标物质的介质
300：光电检测器400：放大器
500：检测单元