荧光感测系统的制作方法

本发明涉及一种荧光感测系统。更具体地，本发明涉及一种能够适于可变测量条件的荧光感测系统。

背景技术：

目前存在许多不同类型的感测系统，并且它们被用于范围广泛的应用。一种已知类型的感测系统是荧光感测系统。荧光感测系统可以用于检测多种元素，包括例如氧、pH、二氧化碳和重金属化合物。

典型的荧光感测系统包括光源和光电检测器。在使用中，来自光源的入射光激发传感器材料。传感器材料包括存在于用于检测的样本中的荧光物质。荧光物质可以是样本中固有的(即，自体荧光)，或者该荧光物质可以是人工添加到样本中的比如例如荧光素和丹酰等荧光团。然后，传感器材料发射荧光信号，该荧光信号具有与入射光的波长不同的波长。此荧光信号由光电检测器收集，并从信号中提取数据。这些数据可以包括例如关于荧光信号的寿命、相移或强度的信息。根据此信息，可以识别由感测系统检测的化合物的水平。

与常规荧光感测系统相关联的一个问题涉及这样的事实：一个感测系统在其寿命期间可能经受各种不同的测量条件。对于适于在户外使用或是手持式的那些感测系统尤其如此。可能改变的测量条件包括光源与传感器材料之间的距离，以及传感器材料与光电检测器之间的距离。可能改变的其他测量条件包括光衰减和环境光。

测量条件的变化影响从传感器材料发射的荧光信号的强度。例如，在传感器材料与光电检测器之间的距离减小的情况下，由光电检测器收集的光信号可能足够强以导致光电检测器的饱和，这导致化合物的错误检测。在系统在明亮的环境光下操作的情况下，也可能发生光电检测器的饱和。相反，在传感器材料与光电检测器之间的距离增加的情况下，由光电检测器收集的荧光信号将变弱，并且因此导致信噪比(SNR)降低。

因此，将理解的是，感测系统所经历的测量条件的变化可能导致荧光信号的收集不稳定性。这种不稳定性可能进而降低系统的准确度。

日本专利公开号JP2004325174公开了一种荧光显微镜检查装置，其包括荧光检测单元、包括多个LED光源的LED光源单元、LED光源单元驱动电路、以及设置有监视器的个人计算机。在该发明的一个实施例中，来自样本的荧光发射由检测单元检测并发送到计算机以进行分析并显示在监视器上。基于该分析，计算机向LED光源单元驱动电路发送控制命令，以控制提供给LED光源单元中的每个LED光源的各个电流。在替代实施例中，可以手动控制LED光源驱动电路。此控制命令仅在设置期间而不是在数据收集期间由计算机发送到LED光源驱动电路。此专利文献进一步解释了控制提供给每个LED光源的各个电流的优点是来自每个LED光源的光可以校准为相同的亮度，并且因此可以防止样本表面上的不均匀照射。将进一步理解的是，所公开的安排包括分布式荧光系统，因此其仅适用于实验室环境。

美国专利公开号US 2012/0145924描述了一种荧光发射检测系统，该系统包括激发源和荧光发射检测电路。在此系统中，通过借助于控制信号调整放大器的增益来防止检测电路中放大器的饱和。然而，此技术的一个缺点涉及这样的事实：由于放大器还接收呈环境光信号形式的噪声，因此放大器增益的任何增加都将导致系统检测到的噪声的相应放大。

本发明的目的是克服上述问题中的至少一个问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，如所附权利要求中所述，提供了一种便携式荧光感测设备，该设备包括：

用于激发传感器材料的光源；

用于收集从该传感器材料发射的荧光的光电检测器；以及

耦合到该光电检测器的控制器；

其中，该控制器被配置为：

分析由该光电检测器收集的荧光信号；并且

基于该分析来调整该光源的输出功率。

在一个实施例中，该控制器被配置为分析该荧光信号的峰值强度Vp和有效荧光强度信号V有效强度，并且基于该分析来调整该光源的输出功率。

在实施例中，该荧光信号的有效荧光强度信号V有效强度通过等式V有效强度＝Vp-Vb来计算，其中，Vb对应于环境光的强度。

在实施例中，该控制器进一步被配置为在该光源通电之前测量该环境光的强度。

在实施例中，该控制器被配置为将该荧光信号的经测量的峰值强度Vp与饱和度强度阈值进行比较；和，如果确定该荧光信号的峰值强度大于该饱和度强度阈值，则降低该光源的输出功率。

在实施例中，如果该控制器确定该荧光信号的峰值强度小于该饱和度强度阈值，则该控制器被配置成确定该荧光信号的经测量的有效荧光强度信号V有效强度是否在预定义操作范围内，和；

如果该有效荧光强度信号大于该预定义操作范围，则该控制器被配置为降低该光源的输出功率；和

如果该有效荧光强度信号小于该预定义操作范围，则该控制器被配置为增大该光源的输出功率。

在实施例中，该饱和度强度阈值和该预定义操作范围是可编程的。

在实施例中，该光源包括可变电阻负载，并且其中，通过改变该电阻负载来调整该光源的输出功率。

在实施例中，该电阻负载包括多个通道，每个通道包括与开关串联的电阻器，并且其中，该控制器控制这些开关中的每个开关的操作以改变该电阻负载。

在实施例中，这些电阻器中的每个电阻器包括不同的电阻值。

在实施例中，该电阻负载包括五个通道，并且其中，该通道中的电阻器的值被设置为R、2R、4R、8R和16R。

在实施例中，该控制器包括现场可编程门阵列(FPGA)。

在另一个实施例中，该控制器包括微控制器。

在实施例中，该系统进一步包括耦合在该光电检测器与该控制器之间的模数转换器(ADC)。

在实施例中，该光源由该控制器生成的脉冲信号调制。

在实施例中，该光源包括发光二极管(LED)。

在另一个实施例中，该光源包括激光二极管。

在实施例中，该传感器材料包括存在于用于检测的样本中的荧光物质。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于调整便携式荧光感测设备中的入射光功率的方法，该荧光感测设备包括：用于激发传感器材料的光源，以及用于收集从该传感器材料发出的荧光的光电检测器，该方法包括以下步骤：

分析从该光电检测器收集的荧光信号；并且

基于该分析来调整该光源的输出功率。

在实施例中，分析步骤包括测量该荧光信号的峰值强度Vp和有效荧光强度信号V有效强度。

在实施例中，该荧光信号的有效荧光强度信号V有效强度通过等式V有效强度＝Vp-Vb来计算，其中，Vb对应于环境光的强度。

在实施例中，该方法进一步包括在该光源通电之前测量该环境光的强度。

在实施例中，该方法进一步包括将该荧光信号的所测量峰值强度Vp与饱和度强度阈值进行比较；以及如果确定该荧光信号的峰值强度大于该饱和度强度阈值，则降低该光源的输出功率。

在实施例中，该方法进一步包括：如果确定该荧光信号的峰值强度小于该饱和度强度阈值，则确定该荧光信号的经测量的有效荧光强度信号V有效强度是否在预定义操作范围内，和；

如果该有效荧光强度信号大于该预定义操作范围，则降低该光源的输出功率；和

如果该有效荧光强度信号小于该预定义操作范围，则增大该光源的输出功率。

在实施例中，调整该光源的输出功率的步骤包括调整该光源的电阻负载。

在实施例中，该便携式设备是手持式设备。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于调整荧光感测系统中的入射光功率的计算机实施系统，该系统配置有用于执行上述方法的一个或多个模块。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可使用介质，所述计算机可使用介质具有在其中实施的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码适于被执行以实施如本文所描述的方法。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种荧光感测系统，该系统包括：

用于激发传感器材料的光源；

用于收集从该传感器材料发射的荧光的光电检测器；以及

耦合到该光电检测器的控制器；

其中，该控制器被配置为：

对由该光电检测器收集的荧光信号进行测量；并且

基于该测量结果来调整该光源的输出功率。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于调整荧光感测系统中的入射光功率的方法，该荧光感测系统包括：用于激发传感器材料的光源，以及用于收集从该传感器材料发出的荧光的光电检测器，该方法包括以下步骤：

对从该光电检测器收集的荧光信号进行测量；并且基于该测量结果来调整该光源的输出功率。

附图说明

参考附图，将从下文仅作为示例给出的其实施例的描述中更清楚地理解本发明，在附图中：

图1示出了本发明的荧光感测系统的部件的一个实施例。

具体实施方式

本发明提供一种荧光感测系统，其智能地调整从传感器材料发射的荧光信号的强度，以提高系统的准确度和稳健性。

图1示出了本发明的荧光感测系统的主要部件一个实施例，在所描述的本发明的实施例中的该系统包括便携式荧光感测设备，比如，例如手持式设备等。其包括用于激发传感器材料10的光源5和用于收集从传感器材料10发射的荧光的光电检测器15。控制器20耦合到光电检测器15的输出端。控制器20被配置为分析由光电检测器15收集的荧光信号的强度，并基于该分析来调整光源5的输出功率。

模数转换器(ADC)25耦合在光电检测器15与控制器20之间。ADC 25将从光电检测器15输出的模拟信号转换为数字信号，以输入到控制器20。

通过包括可变电阻负载模块30的光源5来促进对光源5的输出功率的调整。负载模块30包括多个通道35，每个通道35包括与开关45串联的电阻器40，比如所示出的N-MOSFET。在所描述的实施例中，负载模块30包括五个通道35，通道中的电阻器的值被设置为R、2R、4R、8R和16R。将理解的是，这使得电流分别流过每个通道16IL、8IL、4IL、2IL和IL。通过借助于可编程数字代码55而将每个开关45配置为其断开位置或其闭合位置来改变负载模块30的电阻负载。在本发明的所描述实施例中，数字代码55包括五位数字代码(位4…位0)，每个开关45由代码中的一位来控制。因此，可以通过设置数字代码55来线性地控制流过负载模块30的电流。将理解的是，这导致光源5的输出功率的相应线性调整。

根据本发明，控制器20对数字代码55进行编程以配置开关45，从而提供适合于由光电检测器15收集的荧光信号的强度的电阻负载。控制器可以是例如现场可编程门阵列(FPGA)或微控制器。

在使用中，控制器20在光源5通电之前测量环境光的强度Vb。然后通过由控制器20生成的脉冲信号“Mod_sig”50来调制光源5，以便照射传感器材料10。在进行感测测量时，光电检测器15收集从传感器材料10发射的荧光信号。然后借助于ADC 25将收集的荧光信号从模拟信号转换为数字信号，并输出到控制器20进行处理。

控制器20测量峰值荧光信号的强度Vp。控制器20使用峰值荧光信号的强度的测量值Vp来计算有效荧光强度信号的值，V有效强度，其中：

V有效强度＝Vp-Vb

控制器20将峰值荧光信号的值Vp与预定义饱和度强度阈值进行比较。如果此种比较确定了峰值荧光信号高于饱和度强度阈值，则控制器20对数字代码55进行编程以将开关45配置成使得光源5的输出功率减小到其最低值。这进而导致从传感器材料10发射的荧光信号的强度降低，以避免光电检测器15的饱和。另一方面，如果该比较确定了峰值荧光信号小于饱和度强度阈值，则控制器20确定有效荧光强度信号V有效强度是否位于预定义期望操作范围内。此操作范围与已发现的用于保持荧光寿命计算稳定的范围相对应。

如果确定有效荧光强度信号位于此预定义操作范围内，则控制器20不对光源5的输出功率进行任何调整。然而，如果确定有效荧光强度信号大于此预定义操作范围，则控制器对数字代码55进行编程以将开关45配置成使得光源5的输出功率减小到其最低值。相反，如果确定有效荧光强度信号小于此预定义操作范围，则控制器20对数字代码55进行编程以将开关45配置成使得光源5的输出功率增大。这导致从传感器材料10发射的荧光信号的强度增大。

重复上述测量和比较步骤以用于对光源5的输出功率的每次调整。因此，响应于测量条件，根据需要来调整光源5的输出功率。结果，可以自动优化从传感器材料10发射的荧光信号的强度，以获得良好的信噪比水平和检测器的不饱和度。

最终用户可以取决于感测系统的期望应用而对饱和度强度阈值和操作范围的值进行编程。在本发明的一个实施例中，饱和度强度阈值的值被选择为2150mV，而操作范围的值被选择为在700mV与1500mV之间。

在所描述的本发明的实施例中，光源被示出为发光二极管(LED)或激光二极管。然而，应当理解的是，可以使用任何其他适合的光源。

从上面的描述将理解的是，由负载模块提供的通道的数量应该使得光源的输出功率的最低值不对应于在感测系统可能暴露的任何测量条件下使光电检测器饱和的值。因此，尽管所描述的本发明的实施例描述了包括五个通道的负载模块，但是取决于要使用感测系统的应用，可能需要更多数量的通道。

与常规荧光感测系统相比，本发明提供了许多优点。由于在常规荧光感测系统中光源通常是固定的事实，因此为了避免由光电检测器饱和或低SNR导致的读数不准确，这些系统的工作距离和感测准确度是有限的。相反，本发明系统的数字控制的负载模块使得本发明的系统能够根据系统正被使用的测量条件来提供对其光源的输出功率的线性和数字调整。这使得系统能够防止从传感器材料发射的荧光信号使光电检测器饱和，并且提供合理的SNR，并且因此提供改进准确度的感测系统。其还极大地提高了感测系统在各种测量条件下的性能。

本发明的荧光感测系统适用于各种各样的应用。一种这样的应用是环境监测，例如监测O2、pH、CO2和重金属化合物。其他应用包括临床诊断和工业制造的质量控制。

本发明的系统还非常适用于在工作条件可以容易地落在常规荧光感测系统的限制之外的户外测量和手持式便携式产品中使用。