[发明专利]用于分析物浓度的光学测量的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年7月28日提交的临时专利申请系列号61/084100的权益，于此通过引用该申请的全部将其内容并入。

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模块。

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，本发明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。根据本发明的一个实施例，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。