CN101868703B - 一种用于检测少量光的、包括嵌入半导体技术的电子图像转换器的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测少量光的设备，包括：电子图像转换器，嵌入有用于检测代表少量光的光子的半导体技术；以及电子电路，连接到电子图像转换器，用于读取电子图像转换器并用于产生代表电子图像转换器所接收的光子数量的信号，其中，电子图像转换器包括至少100,000个光敏单元，并且电子电路适于将位于电子图像转换器上的光敏单元发出的信号相加在一起。

Description

一种用于检测少量光的、包括嵌入半导体技术的电子图像转换器的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测少量光的装置，包括：用于检测代表少量光的光子的光学检测装置；和连接到光学检测装置上、用于读取光学检测装置和用于产生表示从光学检测装置接收到的光子数量的信号的电子电路。

背景技术

这种设备通常是众所周知的。现有技术中的这种检测设备使用光子倍增管等等，光子倍增管是一种价格昂贵，沉重和易碎的仪器，并且需要很高的工作电压，因此不适合在本领域中使用。

为了克服这些缺点，Khaled Salama，在其论文中提供了一种用来检测少量光的设备，该设备包括一个嵌入半导体技术的电子图像转换器，用于检测代表少量光的光子；以及连接到电子图像转换器的、用于读取电子图像转换器、并产生表示电子图像转换器接收到的光子数量的测量信号的电子电路。

现有技术中的该装置解决了光子倍增管相关的诸如高工作电压和易碎结构的技术问题。

但已经发现，当该设备被优化使其对光的灵敏程度达到最高时，温度对该灵敏度影响很大。这种影响如此之大以至于在现有技术中的这种设备几乎无法在实验室以外的条件下使用。而实践中，根据本发明的设备可使用在例如模型(die)实验室外，并且通常处于变化的温度中。本发明的目的是提供这样的设备，其保持高的光敏度，并且其灵敏度尽可能不受温度影响。

发明内容

这个目的是通过这样的设备实现的：该设备具有与第一电子图像转换器相同的第二电子图像转换器，并且第二电子图像转换器是光屏蔽的，并且其中处理电路也与第二电子图像转换器相连接，并且该电路适于利用从第二电子图像转换器读出的信号补偿第一电子图像转换器读出的信号，并且其中第一和第二电子图像转换器彼此热紧密耦合。

第一和第二电子图像转换器的紧密的热耦合使得它们二者处的温度相同。因为他们彼此也尽可能地相同，所以他们输出的信号包括相同温度感应分量。通过将第二电子图像转换器与光屏蔽，其输出的信号则仅包括该温度感应分量。根据本发明这个仅包括温度感应分量的输出信号将被用来对第一图像转换器输出的信号中的温度感应分量进行补偿。通过这种方式所得到的输出信号是不受温度影响的。所以该设备可以在实验室以外的环境中使用，并且保持很高的光敏度。

本发明还涉及到一种用于检测位于载体中的发光元件的方法，包括以下步骤：确定载体和第一电子图像转换器的相互位置，检测由位于载体上的发光元件发出的光，通过连接在第一电子图像转换器上的处理电路读取第一电子图像转换器，并且产生表示在一时段内电子图像转换器接受到的光子数量的信号。其中，该信号是由第二电子图像转换器发出的信号补偿后的信号，所述的第二电子图像转换器与第一电子图像转换器相同，并且是光屏蔽的，但其紧密的热耦合到第一电子图像转换器。

测试显示，光敏电路不仅对温度变化敏感，也对例如湿度和气压的变化的其他周围环境变化或外部因素敏感。为了通过“暗处”的图像转换器也可尽可能地对这些其他的因素进行补偿，所以将第一和第二图像转换器彼此相邻放置。

根据本发明中的另一个优选实施例，第一电子图像转换器包括：第一区域，并且电子电路适于读取至少放置在图像转换器第一区域内的光敏单元。位于第一区域外的单元是用于补偿的。这里需要指出的是，这里的补偿并不是第一实施例中的温度和其他外部变量所造成的差异的补偿，而是为了补偿第一图像转换器中的内部处理的。

多个光测量装置对外部的影响敏感，特别是当非常少量的光必须被测量到的时候。这些并不仅仅对电子部分的要求，如上面描述的对测量所作出的改进，还适用于光学部分。可应用本发明的对少量光的检测，特别涉及但并不排除，由化学反应所产生的光的测量。为了也能够均衡化学反应或其他光源与图像转换器之间的路径的变化，另一个优选实施例中提供了下述策略：该设备包括第三电子图像转换器，该图像转换器与第一第二电子图像转换器相同，并且适于接收用于补偿作用的光信号，处理电路也连接到第三电子图像转换器上，并且适于比较第一电子转换器的读出信号和第三电子图像转换器的读出信号，并且第一、第二和第三电子图像转换器之间彼此紧密热耦合。由于所有的三个电子图像转换器之间紧密热耦合，他们具有大致相同的温度，所以由“暗处”的第二图像转换器发出的信号可以用于补偿第一和第三电子图像转换器的信号。

通过这样的方法得到同样优点，其中生物样本被设置在载体上，生物样本与第一试剂和第二试剂发生反应，并且生物样本与第一试剂的组合形成第一发光元件，该第一发光元件相对于第一电子图像转换器放置，并且生物样本与第二试剂的组合形成第二发光元件，并且第二发光元件相对于第三电子图像转换器放置，并且其中信号由第二电子图像转换器发出的信号补偿，第二电子图像转换器与第一和第三电子图像转换器相同的，并是光屏蔽的，并且与第一和第三电子图像转换器紧密热耦合。

为了也能够对由于环境变化而变化的三个电子图像转换器的结果进行补偿，推荐将第一、第二和第三电子图像转换器之间彼此相邻设置。

呈现在第三电子图像转换器上的光敏单元被优选地分为测量组和参考组，参考组是光屏蔽的，并且处理电路适于使用属于参考组的光敏单元的读出信号补偿属于测量组的光敏单元的读出信号。

电子图像转换器优选的适用于在可调整时间段内，将由电子图像转换器中的光敏单元发出的信号相加到一起。由于大量单元使用使得例如CCD检测器或CMOS检测器的电子图像转换器市场化，而且通常还配备有用来记录图像的视频设备。但是不排除其他类型的图像转换器。这些都是大量生产的产品，并且与在现有技术中专门设计和制造的图像转换器相比较，其售价较低。由于它们的大量的光敏单元，这些可从市场上买到的图像转换器也在改进信号/噪声比方面有了很大的选择余地。当光敏单元发出的信号相加到一起的时候，信号/噪声比毕竟与光敏单元的数量的平方根成正比地增加，需要注意的是，为了在专门制造的图像转换器和通常适用于图像记录目的可从市场上购买到的图像转换器之间提供差别，选择将100,000个光敏单元的较低限制；这个差别也可被设定成为75,000光敏单元，150,000光敏单元，或200,000光敏单元。

当图像转换器适于可能针对一个可调整的时间段中将由光敏单元中的一个发出的信号相加在一起时，信号/噪声比被进一步改进。

为了能够对设置在载体上的样本进行检测，如果设备中还提供有用于定位载体的定位装置是具有吸引力的，从而由设置在载体上的第一位置中的发光元件发出的光达到第一电子图像转换器中，同时排除其他光。因此在不同载体上的样本之间的比较变为可能。

在某些情况下，对相同载体上放置的样本之间进行比较可能是具有吸引力的。为了这个目的，在一个优选实施例中提供适于定位载体定位装置的策略，从而由放置在载体的第二位置上的发光元件发出的光到达第三电子图像转换器，同时排除其他光。

本发明还涉及适于通过上述定位装置来定位的载体。

本发明进一步涉及到适于将至少一种试剂添加到样本中的载体，并且该试剂适于与致病微生物的细胞一起形成发光元件。

为了执行比较测量的目的，进一步的优选实施例中提供下述策略：该设备包括第二图像转换器，该第二图像转换器适于接收从设置在载体的第二位置的发光元件所发出的光，并且与用来读取第二图像转换器的电子电路匹配，还适于比较由第一和第二图像转换器中所发出的信号。因此可以比较两个载体中所发的光数量。在特定的环境下，样本中的一个被设置成校准样本，从而可以进行校准测量。

在该实施例的空间实现上可以有多种可能。例如，将两个发光元件设置在同一个载体上就是一种可能。尽管也可能将发光元件分别设置在单独的载体上。

本发明的重要应用领域在于确定样本(特别是生物起源的样本)发光的程度。为了这个目的，特定实施例提供下面策略：载体适于承载以生物起源的样本形式的发光元件。

生物或其他起源的样本通常本身不会发出任何光，但是将其与至少一种试剂或物质相接触后则会发出光。因此这是具有吸引力的：载体适于将至少一种试剂添加到样本中。因此一个特定的优选实施例提供如下策略：样本被排列在载体上，样本与至少一种物质或试剂相接触，并且样本与试剂和/或物质的组合形成发光元件。

根据一个优选实施例，试剂和/或物质适于与患病细胞结合形成发光元件。

在生物领域应用的一个例子是对被微生物感染细胞的检测和分析。样本被排列在载体上，并且样本与设置在载体上的第一物质相互接触。这个物质例如可以由所考虑的被致病细胞感染的物质组成，因此ATP被释放。该ATP在试剂的影响下发出光子。根据光子数量可以确定样本中存在多少ATP，并且因此可知样本中存在多少患病细胞。

该优选实施例还提供了一种方法，其中生物样本为奶液细胞形成，例如牛、绵羊和山羊的产奶动物的乳腺经常会受到例如乳腺炎病菌的感染，而导致由这些被感染的动物所产的奶不能被消费和处理。抛开受感染的动物不论，这种感染将带来很大的经济危害。对该感染尽早检测和诊断能够使该感染得到及早治疗，由此可防止或减轻这些缺点。如上所述，可以证实被乳腺炎细菌感染的奶液细胞存在，并且被感染细胞的浓度可被测量出来。需注意的是，根据本发明的措施在生物学领域的应用并不仅限于乳腺炎病毒的检测和定量分析，还可以对被其他微生物感染的细胞进行检测和定量分析。例如被可导致尿路系统感染的微生物感染的细胞进行检测和定量分析。

附图说明

以下，将参照下列附图描述本发明，其中：

图1为本发明实施例的方框图。

图2示出作为图1中所示实施例的部分的CCD芯片视图。

图3为本根据本发明的测量设备的立体图。

图4为图3中所示的测量设备的截面图。

具体实施方式

图1的方块图示出了根据本发明的检测设备，其整体以1指示，该检测设备适于用作检测少量光的检测器。该检测设备1示出了定位元件2，用来定位载体3，载体3上布置着样本4。如需要，也可将试剂布置在载体3上，该试剂3与样本4共同作用，促使或增强样本4发光的发光行为。

该设备还包括例如为管状的导向装置5，，可选择地与一个过滤器相组合，用来仅引导由设置在载体上的样本所发出的光谱的那些部分。该导向装置朝向连接在电子电路7中的CCD检测器5。在此该CCD检测器提供有330,000光敏元件(像素)。也可以使用CMOS检测器来替代CCD检测器。

电子电路7连接到用来存储测量结果的存储器8，显示器9用来显示测量结果，键盘10用来操作该装置。

图2中所示的是CCD芯片5，在芯片5中的区域13中排列着光敏单元，位于CCD芯片5上的该激活区域13中的是区域14，其中，来自载体的光子只能够到达区域14。位于区域13内和区域14外的该芯片的部分用作基于光敏单元的温度补偿。在此，这些光敏单元是完全光屏蔽的，从而它们的输出信号代表温度敏感分量等。

图3所示的是根据本发明的检测装置的实施例。该实施例包括容纳有显示屏9和键盘10的外壳20。外壳20由两个可分离的半壳组成，以方便进入外壳内部。外壳20的形状还适于手持。

在外壳20下部设置卡盒22，图4中详细地显示了卡盒22。卡盒22包括槽23，可移动的门19可将槽23封闭，并且槽内可放置一些用于待检测的样本的条状载体24。进一步在卡盒22内还可设置传输机构(图中未显示)可以将载体24逐个移出卡盒22。载体通过弹簧18压在传输机构上。

所述传输机构通过按压键盘10上的一个按钮来进行操作。传输机构接下来将最上面的条带24传输到图4中所示位置，其中，条带24中的样本部分24伸出到卡盒的外部。在载体的样本部分26中排列的物质是有选择地变质被微生物影响的细胞壁，从而在这些细胞中存在的APT被释放。载体24带有毛细结构，从而释放出的APT通过毛细作用排列在载体24的检测部分27。在该处放置有与通过毛细作用输送过来的被释放的APT同时发出光子的试剂。从其上发出的这些光子的检测部分27直接被定位在以该设备的CCD芯片5为形式的光学检测器的下方，从而检测器5能够确定光子的强度并且据此确定APT的浓度，并且据此得出受到相关微生物影响的细胞浓度。需要注意的是，CCD检测器5被设置在与载体24中的检测部分27最接近的位置，以达到最佳的灵敏度。为了基于温度的补偿，补偿CCD芯片17也被设置在同一个载体上，用来获得好的热耦合。在测量已经结束后，使用过的载体24被弹出，之后可开始使用新的载体。

同时要注意的是，条带优选的带有两种结构，如上所述，其中条带能够移动并且破坏所有细胞壁的试剂可在放置用来检测的液体位置的一侧存在。因此被释放的ATP平行于两个路径移动到达试剂和ATP在一起的区域，形成发光样本。因为在最初细胞壁破坏中使用的两种类型试剂之间的差异的基础上获得全部细胞和病理细胞之间的比较结果，因此，创建用于测量结果的参考值。

本方法特别用来确定例如牛、绵羊和山羊的产奶动物对奶液造成的乳腺炎的感染程度。在此向载体提供导向装置，用于引导载体上的奶液，例如，将载体浸入到奶液中，到达载体上的第一位置，在该位置存在第一试剂，第一试剂在此与奶液接触，并依据感染了乳腺炎的细胞数量发光，并且到达第二位置，第二位置上存在第一和第二试剂，第一和第二试剂与奶液接触，释放出所定义的光通量。在仅有第一试剂存在的位置，形成具有由感染了乳腺炎的细胞数量决定的光强的第一光源，在第一和第二两种试剂同时存在的位置，形成第二光源，第二光源的光强是由感染了乳腺炎的细胞数量和奶液与第二试剂之间的反应决定的。

显然，针对生物或其它种类的其他多个目的，也可以应用根据本发明的方法。

Claims (12)

1.一种用于检测少量光的设备，包括：第一电子图像转换器，嵌入有半导体技术并具有用于检测代表少量光的光子的大量光敏单元，并用于提供读出信号；以及处理电路，用于处理该读出信号为代表所接收的光子数量的测量信号，其特征在于：

该设备包括与第一电子图像转换器相同的至少一个第二电子图像转换器，其是光屏蔽的，使其输出的信号则仅包括该温度感应分量；

该处理电路还连接到第二电子图像转换器并适于通过第二电子图像转换器的输出信号来补偿第一电子图像转换器输出信号中的温度感应分量；以及

第一和第二电子图像转换器彼此热紧密耦合。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于第一和第二电子图像转换器的位置彼此相邻。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：在第一和第二电子图像转换器的每一个上存在的光敏单元被分成测量组和参考组，且参考组是光屏蔽的，并且处理电路适于通过属于参考组的光敏单元的读出信号来补偿属于测量组的光敏单元的读出信号。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述设备包括与第一和第二电子图像转换器相同的、适于接收用作比较的光信号的第三电子图像转换器；

处理电路还连接到第三电子图像转换器以将第一电子图像转换器的读出信号与第三电子图像转换器的读出信号比较；以及

第一、第二和第三电子图像转换器彼此热紧密耦合。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于第一、第二和第三电子图像转换器的位置彼此相邻。

6.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于在第三电子图像转换器上存在的光敏单元被分成测量组和参考组，且参考组是光屏蔽的，并且处理电路适于通过属于参考组的光敏单元的读出信号来补偿属于测量组的光敏单元的读出信号。

7.如前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于电子电路适于将来自位于电子图像转换器上的光敏单元的信号相加在一起。

8.如前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于图像转换器在可调整时段中将来自任何光敏单元的信号相加在一起。

9.如前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于该设备提供有定位装置，用于定位载体，从而位于载体上第一位置的发光元件发射的光到达第一电子图像转换器，而不包括其他光。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于定位装置适于定位载体，从而位于载体上第二位置的发光元件发射的光到达第三电子图像转换器，而不包括其他光。

11.一种检测载体中存在的光发射元件的方法，包括步骤：相互定义载体和第一电子图像转换器的位置，检测由载体上存在的发光元件发出的光，通过连接到第一电子图像转换器的处理电路读取第一电子图像转换器，并且产生代表在一时段内电子图像转换器接受到的光子数量的信号，其特征在于：该信号使用来自第二电子图像转换器的信号进行温度补偿，所述的第二电子图像转换器与第一电子图像转换器相同，并且是光屏蔽的，且紧密热耦合到第一电子图像转换器。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：生物样本布置在载体上，将生物样本与第一试剂和第二试剂接触；生物样本与第一试剂的组合形成第一发光元件，第一发光元件相关于第一电子图像转换器放置；生物样本与第二试剂的组合形成第二发光元件，第二发光元件相关于第三电子图像转换器放置；使用来自第二电子图像转换器的信号补偿该信号，所述的第二电子图像转换器与第一和第三电子图像转换器相同，并且是光屏蔽的，且紧密热耦合到第一和第三电子图像转换器。

Images