CN103403538B - 利用共振传感器测量结合动力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用可浸入流体样品中的至少一个共振传感器检测流体样品中对象材料的存在的装置和方法。利用具有分析物材料的结合位点的共振传感器测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力。在将共振传感器暴露于流体样品之前，起动共振传感器的操作，产生表示共振传感器的共振特性的传感输出信号。可选择地，利用产生参考输出信号的参考共振器。参考共振器无分析物的结合位点。基于传感器输出信号或参考输出信号之一或者二者的特性变化的检测自动检测流体样品向共振传感器的引入。响应于流体样品的引入的检测，测量分析物材料与共振传感器的结合动力的自动测量。

Description

利用共振传感器测量结合动力的装置和方法

技术领域

本发明涉及测量和测试，更具体地涉及利用响应于传感器暴露于某些材料由初始共振点相移或频移的原理来进行诊断测量或测试的压电共振式传感器和相关方法。

背景技术

目前存在用于与人类健康、兽医学、环境、生物危害、生物恐怖主义、农产品和食品安全有关的材料的诊断测试的多种仪器和测量技术。尽管如此，在需要时用于对化学或生物材料的诊断测试和分析的解决方案仍然有限。诊断测试获得有意义的数据传统上需要长的反应时间，包括位于中心实验室的价值数千美元的昂贵的远程或笨重的实验室设备、需要大样品量、利用多种试剂、需要训练有素的使用者、可能需要多个步骤和/或包括可观的直接或间接花费。例如，在兽医和人类诊断市场中，大多数测试需要从患者那里收集试样并将试样送至实验室，但其结果无法在几个小时或几天内得到。结果，患者会在没有确认诊断并且没有开始立即治疗的机会的情况下离开护理者的办公室。

与便携式装置有关的其它问题包括与实验室内测试相比在灵敏性和再现性方面有限的诊断结果。对于在提供及时医疗看护或避免公共健康威胁的传播或暴露等方面的化学和/或生物材料的鉴定，快速反应时间是理想的并且通常至关重要。直接花费涉及每种类型的分析需要的劳动、程序和设备。间接花费部分地产生于可以从例如医学分析或对化学过程的监测中获得的可行的信息之前的延迟时间。许多专家相信通过高效率的需求点诊断测试系统实现的同时的诊断和治疗将产生临床的、经济的和社会的利益。

基于材料的压电性能的生物传感器已经用于检测非常小量的材料。在这样的应用中用作传感器的压电共振器有时也称为“微量天平（micro-balances）”。压电共振器典型地构建为夹在两个电极层之间的薄平面层晶体压电材料。当用作传感器时，用结合层涂覆共振器，当该结合层暴露于待检测的材料时，该结合层允许该材料结合到共振器的表面。现代共振器利用MEMS技术制造并且可以构建得极小以至于其的共振频率在千兆赫范围内。一般而言，具有较高共振频率的共振器更加灵敏。

检测结合到传感共振器的表面上的材料的量的传统方式是将共振器在其共振频率下操作为振荡器。由于待检测的材料结合在共振器表面上，共振器的质量增加并且振荡的共振频率因此减小。可假定为由共振器表面上的材料的结合导致的共振器的共振频率随时间的变化指示结合在共振器上的材料的量或材料在共振器表面上累积的速率。根据该数据，可以计算存在于样品中的相关材料或分析物的浓度。

照惯例，该类型的生物传感器总体上包括总成（assembly），其中的固有生物传感器（intrinsicbiosensor）被至少一条流体通道围绕，该流体通道耦接到样品池以便以可控的方式向生物传感器提供样品。大多数传统生物传感器构造还包括在将样品提供给给固有生物传感器时控制和保持样品的期望的温度的机构。操作中，通过在真空口施加真空或者类似的驱动压力以使样品通过流体通道并且穿过固有生物传感器。时常地，在将样品导入总成之前，必须通过添加缓冲液或移除会干扰测量的准确性的全细胞或其它颗粒物之类的特定成分来提纯样品。该提纯步骤繁琐且昂贵，使得对现场应用来说这样的测量不切实际。此外，样品的引入改变了在其中进行测量的物理环境。例如，与暴露之前当共振器处在自由空气振荡时相比，当暴露于液态样品时，共振器在不同的共振频率下振荡，原因在于两种流体之间存在粘度上的差异。

另一种方法包含在引入样品试剂之前稳定测量环境。例如，一种类型的仪器具有两个分开的液体池，其中第一液体池包含缓冲溶液，第二液体池包含样品试剂。操作中，首先将缓冲溶液引入生物传感器并且允许系统稳定。接着，阀切换至样品试剂并且进行测量。缓冲溶液的引入允许根据与样品的粘度和温度非常近似的缓冲液的粘度和温度条件调谐或调整传感器的振荡。该调谐的目的是为了尽可能接近其最高灵敏度的理想振动频率地操作共振器。该方法的一个缺点是引入的复杂性以及处理时间要求，会导致昂贵、易错和费时的测试结果。

共振生物传感器的设计者面临的另一个挑战是对高浓度样品进行定量浓度测量。具有微尺度（或较小）共振器的增加的灵敏度的一种折衷是它们对分析物快速饱和的敏感性。在某些测试中，传感器可以在几秒钟内甚至不到一秒内饱和。在这种情况下，尽管可以将传感器操作为分析物存在的简单检测器，但其不能够精确地测量通常被称为结合动力的分析物结合到传感器的速率。对分析物的浓度的定量需要结合动力的测量，利用使用传统技术几乎不可能获得具有任何适当的准确性或重复性的对高浓度样品的结合动力的测量。此外，当从将共振传感器引入样品那一刻起，分析物立即开始大量地结合到共振器，此时，仪器在进行测量之前没有时间实现其需要的稳定性，或者仪器在进行测量之前或之后没有时间完成共振器的调谐，由此进一步加剧了该问题。

鉴于以上所述，需要一种能够在灵敏仪器中实现结合动力测量、尤其是从样品引入传感器的时刻起的前期结合动力测量的实用解决方案。此外，最好在不必承受利用缓冲溶液或专门提纯的样品来稳定共振传感器的复杂性的情况下完成这样的测量。

发明内容

本发明的一方面针对利用可浸入流体样品中的至少一个共振传感器检测流体样品中对象材料的存在。利用具有分析物材料的结合位点的共振传感器测量存在于流体样品中的分析物材料相互作用的结合动力。在共振传感器暴露于流体样品之前，起动共振传感器的操作，其产生表示共振传感器的共振特性的传感器输出信号。可选择地，利用产生参考输出信号的参考共振器。参考共振器无分析物的结合位点。基于传感器输出信号或参考输出信号或者基于其二者的特性变化的检测，自动检测流体样品向共振传感器的引入。响应于流体样品的引入的检测，测量分析物材料对共振传感器的结合动力的自动测量。

根据本发明的另一个方面，提供一种测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力的装置。该装置包括适合于与一个或多个共振装置操作地耦接的共振器接口，一个或多个共振装置中的至少一个是具有分析物材料的结合位点的传感共振器。适合于通过驱动电路驱动一个或多个共振装置进行振动。测量电路设置为通过共振器接口耦接到一个或多个共振装置。测量电路用于测量表示一个或多个共振装置的振动的共振特性的一个或多个共振器输出信号。控制器操作地耦接到驱动和测量电路，并且控制器配置为基于一个或多个共振器输出信号的特性变化的检测来检测流体样品与一个或多个共振装置接触的引入；并且响应于流体样品的引入的检测，起动分析物材料与至少一个传感共振器的结合动力的测量。

本发明的另一方面，提供一种利用一个或多个共振装置测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的流体动力的方法，其中一个或多个共振装置中的至少一个是具有分析物材料的结合位点的传感共振器。根据该方法，在一个或多个共振装置暴露于流体样品之前，起动一个或多个共振装置的操作，其产生产生表示一个或多个共振传感器中的每一个的共振特性的一个或多个共振器输出信号。基于例如共振频率或相位角这样的一个或多个共振器输出信号的特性变化的检测，自动检测流体样品向一个或多个共振装置的引入。响应于流体样品的引入的检测，起动分析物材料与具有结合位点的至少一个共振传感器的结合动力的自动测量。

结合动力的测量可以基于一个或多个共振装置的共振频率的变化，在一些实施例中可以是差模测量（differentialmodemeasurement）。结合动力可以基于随时间的总变化，或者基于测量变化率。

基于优选实施例的以下说明，本发明的多种优势对所属技术领域技术人员来说将显而易见。

附图说明

结合附图、考虑本发明的各个实施例的以下详细说明，可以更加完整地理解本发明，附图中：图1A是表示根据本发明的一个实施例的手提式共振位移检测器系统的图表。

图1B是表示在传感器从内部连线上分离并且内部连线连接仪器的情况下图1A的手提式共振位移检测器系统的图表。

图2是表示根据本发明的一个实施例的实验台共振位移检测器系统的图表。

图3是根据一个实施例使用相移检测的共振位移检测器系统的示例性实施方式的方块图。

图4是根据一个实施例使用了利用单端口传感共振器和单端口参考共振器的相移检测的共振位移检测器系统的示例性实施方式的方块图。

图5是表示根据一个实施例使用频移检测的共振位移检测器系统的示例性实施方式的方块图。

图6A是根据一个实施例的共振器总成的示意俯视图。

图6B是图6A的共振器总成的局部层视图的示意图。

图7是表示在多路复用实施例中在非干扰频率下确定操作多传感器/参考共振器对的分频的频率阶梯法（frequencyladderapproach）的图表。

图8A是表示根据一个实施例的共振位移检测器系统中共振器的简化模型的示意图。

图8B是表示根据一个实施例的共振位移检测器系统中共振传感器的更详细的模型的示意图。

图9A是表示根据一个实施例的用于共振器的原位调谐的多级扫频技术的图表。

图9B是表示根据一个实施例的图9A的技术的实际实施方式的图表。

图10A和10B分别是根据本发明的实施例的频移检测生物传感器和相移检测生物传感器的系统操作过程中描述生物传感器信号随时间的演变的曲线图。

图11A和11B分别是表示控制并监测频移检测生物传感器和相移检测生物传感器的系统的示例性操作的流程图，系统的输出表示在上述根据本发明的实施例的图10A和10B中。

尽管本发明可以接受各种修改和可供选择的形式，但它们的细节已经在附图中举例说明并且将详细说明。然而，应当理解的是，其意图不是为了将本发明限制到所说明的特定实施例。相反，其意图在于涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围内的所有修改、等同物和替换物。

具体实施方式

尽管可以以多种不同的形式实施本发明，但这里详细说明了本发明具体优选的实施例。该说明是本发明的原理的示例，而非为了将本发明限制为说明的特定实施例。

本发明的一个方面针对简单、有效、有成本效益、可靠、可重复的化学和/或生物材料的共振位移检测的传感器，其补偿单独共振器中独特共振频率的改变。为了简洁起见，这些装置在这里被称为生物传感器，然而应当理解的是其可以用于检测生物样品以外的样品中的材料。在各个实施例中，共振位移检测可以基于相移或频移。一种类型的实施例包括可以补偿或调整单独共振器频率的变化以及可以影响到共振器在其共振频率下的操作的环境因素的变化的传感器和共振位移检测系统，同时提供有成本效益、可靠、可重复和精确的结果。在本发明的一些实施例中，共振位移检测系统包括避免由一对共振器产生的复杂性的系统和方法，由于每一个共振器在其自己的、可能是唯一的共振频率下操作，这对共振器无法完全匹配。通过在其理想共振下或者接近其理想共振地操作每一个共振器，可以实现增加的灵敏度的益处。这转而提供快速且更加准确的测试。

在一些实施例中，在不同的共振频率下分别地或单独地地驱动多个安装传感器的共振器。此外，执行每一个共振器的分别的相位或频率偏移测量。然后将每一次偏移与其它共振器的相位或频率偏移进行比较。在另一实施例中，相对于提供给每一个各自的共振器的驱动信号而不是相对于其它共振器的相位或频率偏移来测量相位或频率偏移。

在一些实施例中，用于化学和/或生物材料的共振位移检测的传感器包括一个或多个印刷电路板，在其上安装有一个或多个共振器印模（dies）。在一个示例性实施例中共振器印模是体声波（BAW）装置。两个或更多个共振器的极为接近确保共振器在材料传感操作过程中经受实质上相同的环境条件。其中一个共振器是传感器、另一个共振器是参考共振器的传感器/参考对的使用在利用传感总成的材料传感操作过程中有效地允许准确的共振位移测量和环境影响的消除。

根据各个实施方式，用于共振位移检测的传感器可以包括利用两个实质上不同的PCB的背靠背的PCB构造。在一种方法中，一个PCB上的共振器位于偏离中心的位置，而另一个PCB上的共振器位于中心位置。在该构造中，参考和传感共振器其间可以依然具有足够的距离从而减小两个共振器之间的串扰（crosstalk）。在本发明的另一个方面，构建两个PCB上的共振器，使得背靠背的PCB构造导致参考和传感共振器直接相对。

在一些实施例中，根据待检测的材料，将传感共振器和参考共振器涂覆以不同的材料。通过改变共振器上的涂层，共振位移检测系统在不改变任何其它系统结构组件的情况下允许化学和/或生物材料的各种诊断测试的普遍应用。用于化学和/或生物材料的共振位移检测的传感器在现场检测能力、小样品量、最低限度受训练的人员、低的直接和间接成本以及可电子传送的数据方面有效地允许各自的化学和/或生物材料检测的快速反应时间。

在一些实施例中，共振检测系统包括车载电源，例如电池、超级电容器、太阳能发电设备或它们的任意组合，用于为电子仪器供电，以及可以包含在传感器外壳总成内的容易安装的一次性传感器。传感器具有与期望的目标分子特异性结合的生物涂层并且提供检测和定量的机构。将试样（全血、尿液、唾液或任何其它液体）吸入传感器外壳总成并在传感器外壳总成中与传感器的共振器接触，其中传感器可以是或者可以不是单次使用的传感器。传感器的电测量（即射频波的相位或共振频率的变化）指示目标是否存在，并且如果存在，指示其浓度。对于每一次分析，在仪器上连接新的传感器。

在一些实施例中，可以执行传感器的调谐从而在材料传感操作之前确定共振器的精确共振频率。该调谐可以说明与仪器与传感器的物理连接以及直接的环境条件有关的各种电性能。可选择地还可以在将传感器引入标本中进行传感之后立即在原位完成第二调谐。

总体上，共振特性的变化率随目标的浓度而改变。最大浓度的样品的共振特性的变化率发生快于最低浓度的样品。然后，例如已知样品的反应曲线的斜率或者响应于样品的引入的变化总幅度作为时间的函数这样的结合动力可以用于生成校准曲线，以便可以通过传感器反应对曲线的插值（interpolation）确定未知样品的浓度。在制造过程中，传感器可以成生产批量地进行工厂校准，从而允许使用者在没有进一步校准的情况下方便地确定未知样品的浓度。

本发明的又一方面针对快速原位传感器调谐，其允许根据传感器暴露于待测样品的时间非常快速地确定驱动信号频率。

本发明的再一方面，共振传感器系统配置为即使在未提纯的样品直接引入共振传感器的表面的情况下传送准确的测试结果。生物传感器生成与分析物在传感器的表面上的结合成比例的实时电输出信号。被称为结合动力的分析物结合的速率与未提纯的样品中的分析物的浓度成比例。在这方面，样品向共振传感器的表面的引入自动地检测为传感器的共振特性的阶跃变化（stepchange）。通过响应于样品引入的检测的非常快速的初始测量，可以测量结合动力的最初速率。同样地，对于总变化测量来说，具有对应于样品向传感器的实际引入的精确起始点促进结合动力的准确测量。

在本发明的相关方面，正如应用到例如相移检测系统这样的利用具有固定频率的驱动信号的系统那样，为了生物传感器系统能够传送准确的测试结果，在未提纯的样品提供给传感器的初始时间执行快速调谐。以下说明的一些实施例在样品引入之前、几乎在样品提供到传感器的表面的电检测的瞬间通过初始空气调谐完成该快速调谐，接着是在待分析的样品存在的情况下完成快速调谐。

现在转到附图，所示为根据本发明的一些实施例的共振位移检测器系统的组件。在一些实施例中，共振位移检测器系统可以是尺寸相对小从而便携的类型，使得其可以用在特异性诊断测试应用的领域。在一些其它实施例中，共振位移检测器系统可以用于实验室环境中的诊断测试。如图1A和1B所示，共振位移检测器系统10所示为包括能够通过内部连线20与传感器总成30接口的仪器12a的手持式或便携式构造，其可以用于需要现场诊断测试时。

如图2所示，共振位移检测器系统所示为位于包括例如网络分析仪这样的能够通过内部连线20与传感器总成30接口的仪器12b的实验台或者更加持久的构造中。安装在内部连线20上并且与例如网络分析仪这样的实验台仪器12b耦接的传感器总成30允许在实验室环境下的诊断测试、在生产过程中的成批传感器的质量控制测试、和/或用于目标材料诊断测试的传感器总成30上的涂层的形成。包括但不限于手持式仪器12a和实验台仪器12b的仪器可以具有用于连接因特网或者以其他方式传输信息的装置，例如，一个或多个USB端口、无线连接等等。

在一些实施例中，内部连线20可以包含例如ROM或闪速EEPROM这样的数据存储装置。通过包括允许仪器在共振位移检测器系统10与传感器总成30关联时识别共振位移检测器系统10的特定用途的软件或识别信息，数据存储装置可以用于设定用于具体市场应用的仪器。例如，只读内存可以包含用于与传感器总成30的输出信号关联的仪器的分析逻辑的基本信息或算法指令，其可以用于将共振位移检测器系统10限制到具体应用，例如仅限制为用于以下之一：兽医应用、毒理学应用；药物滥用应用；GMO粮食应用。

数据存储装置还可以包含例如在生产后测试过程中确定的共振器的一般频率范围或近似共振频率这样的传感器类型具体信息。该信息可以在例如新的传感器耦接到仪器时减少传感器检测和校准设置时间。在相关的实施例中，数据存储装置包含通过在工厂为传感器单独确定的查找代码进行索引的校准修正常数的查找表格。在各个其它实施例中，可以通过印刷标记、条形码标记或利用RFID标签提供查找代码。

在另一相关的实施例中，传感器包括具有单独传感器总成30所特有的其自身的特定校准常数的只读内存（ROM）或小的闪存装置（flashdevice）。可以基于在从制造单独传感器总成30的制造批次中取得的代表性样品上完成的工厂校准提供该数据。在再一实施例中，仪器配置有网络接口装置和关联的固件/驱动器，其能够使装置通过网络自动起动查询从而获得具体传感器的校准常数。该实施例消除了在本地维持校准数据的需要。相反地，当连接新的传感器时，仪器确定与特定传感器关联的序列号（利用RFID、条形码扫描等等），并且利用该信息形成其查询。具有具体传感器校准数据的数据库可以存储在位于实验室设备的服务器上，或远程地存储（例如，存储在制造商的设备上），在这种情况下，查询所置于的网络是例如因特网这样的广域网络（WAN）。

传感器总成30包括在以下更加详细说明的例如体声波装置这样的一个或多个共振器。在各个实施例中，传感器总成30可以包括或不包括与一个或多个共振器接口的电路。例如，在一种类型的实施例中，使一个或多个共振器振荡的驱动电路（actuationcircuitry）合并到传感器总成30中。在该类型的另一实施例中，包括模拟-数字转换的测量电路合并到传感器总成30中。在另一类型的实施例中，驱动和测量电路位于仪器12a或12b的外壳中。

在本发明的一个实施例中，如图3所示为检测传感共振器和参考共振器的共振特性变化的系统。在该示例性实施例中，每一个共振器的相位角是被监测的共振特性。

样品共振器44和参考共振器54每一个都耦接到分离的定向耦合器52。定向耦合器52将控制频率合成器56的微控制器55和可变增益放大器58生成的信号提供给各自的共振器44、54。每一个定向耦合器52还对矢量信号检测器59输出入射信号和反射传感器信号35。每一个共振器的矢量信号检测器59处理信号从而生成指示输入和输出频率信号之间的相位差的输出信号。这些信号传送至模拟数字转换器，然后由微控制器55读取。

在各个实施例中，微控制器55将输出信号用于传感和参考共振器之一或二者以检测指示样品向共振器的引入的急剧变化，以下将更加详细的说明。

此外，将微控制器55编程为比较样品和参考共振器的入射信号和反射传感器信号35之间的相位变化或相位随时间变化的速率的任何差值。因为样品共振器44的相位的变化主要由检测到材料与传感共振器的表面的结合造成，与在参考共振器观察到的环境影响所引起的相位随时间的任何变化相比，将观察到相位随时间的更大变化。由于温度对共振器的共振频率的潜在影响，可以包括温度传感器57，从而对微控制器55提供温度数据。

根据本发明的一个方面，在其自身唯一的单独共振频率下独立地驱动分开的传感和参考共振器，它们自己唯一的单独共振频率是分开确定的。因为传感器和参考共振器是在它们各自的精准共振频率（或者在给定系统中尽可能地接近它们）下操作，不同的驱动频率的使用提供了改善的灵敏度，以及更易辨别共振频率的任何变化。

图4表示根据利用单端口传感共振器44和单端口参考共振器54的一个实施例的示例性测量设备，其中单端口传感共振器44和单端口参考共振器54中的每一个接收其自己的分开的驱动信号。单端口共振器具有用于信号输入和输出的电极46、48。每一个单端口共振器的另一个电极49、50典型地接地。

该实施例包括信号源21，信号源21包括压控振荡器60和多路复用器（multiplexer）62，并提供处于或者接近第一共振器的共振频率的共振波段的第一频率的输入信号。信号源21还提供处于或者接近第二共振器的共振频率的共振波段的第二频率的输入信号。在图4所示的设备的变体中，例如附加的VCO（未示出）这样的分开的振荡器可以为每一个各自的共振器提供某频率的输入信号，其可以消除对多路复用器62的需要。

由信号源21提供的输入信号由定向耦合器23、24引导至它们各自的传感和参考共振器44、54。共振器44、54的反射输出信号由各自的耦合器23、24引导至相位检测器25、26。每一个相位检测器25、26还接收来自对应的内部参考信号发生器27、28的参考信号。相位检测器25和26处理传感器信号和参考信号从而产生指示它们各自的共振器的输入和输出频率信号之间的相位差的输出信号。通过多路复用器63（其总体上与多路复用器62同步运转——它们都可以在具有共同控制输入的单个包装中实施，或者可以是分开的装置，每一个具有其自己的控制输入）选择相位检测器25、26的输出并且通过与控制器55接口的模拟-数字转换器（ADC）64将相位检测器25、26的输出转换为数字表示。

将控制器55编程为应用逻辑翻译输出信号。样品向共振器的引入总体上导致传感和参考共振器的输出信号的共同急剧变化，将控制器55编程为检测该变化。当检测材料存在时，检测到材料与传感共振器44的表面的结合总体上导致传感共振器和参考共振器之间的相位角的变化dΦ/dt。

在所示实施例中的相位检测器25、26可以包括接收传感器信号和参考信号的双平衡混频器（double-balancedmixer）（或数学倍增器（mathematicmultiplier））。混频器的输出通过低通滤波器，其消除时变项（timedependentterm）并且仅留下DC项作为相位检测器25的输出。正如美国第5,932,953号专利文献中详细说明的那样，所产生的测量的相移变化可以用于推导出结合在传感共振器44的表面上的材料的总量。在一些实施例中，在接收信号和参考信号并处理来自其中的信息之后，信号源21生成模拟信号并且相位检测器25生成模拟或数字输出信号。

在所示的实施例中，将来自每一个各自的共振器44、54的信号引导至分开的各自的检测器25、26，每一个各自的相位检测器25、26处理各自的传感器信号或参考信号从而产生指示相移的相位信号。相移数据通过控制器55转换为之后可以相互比较的数字数据，或者转换为它们各自的源频率，从而确定传感和参考共振器之间的相移的净差值。不同的相移由传感共振器44而不是参考共振器54的表面上检测到的材料的结合引起。控制器55可以配置为对相位检测器25、26的输出或用于观察和记录在运转过程中两个信号的相位变化的任何其它适合的机构的输出进行周期性地取样。

利用在诊断测试过程中结合或捕获要检测的分析物的测试试剂涂覆传感共振器44。利用在诊断测试过程中不结合或以其它方式捕获分析物的参考试剂涂覆参考共振器54。

图5是表示根据另一实施例的具有测试和参考共振器的测量布置的方块图，在该实施例中，将频移检测方案用于检测共振的变化。如图所示，测试共振器70和参考共振器71分别连接至放大器76和77。构建放大器76和77使得它们在利用共振器70、71操作时生成共振器70、71的共振频率的输出信号。因此，测试共振器70或参考共振器71的共振频率的变化（例如通过分析物被测试共振器的表面捕获或通过样品溶液中的局部环境变化所导致的那些，其中测试和参考共振器70、71浸入样品溶液中）将导致从放大器76、77传送至数字计数器78、79的共振频率的变化。

共振频率由放大器76、77生成并且传递到数字频率计数器78和79，它们的输出与控制器80接口。控制器80因此具有每一个共振频率的连续读数，其中的变化代表测试共振器70和参考共振器71的共振的变化。如以下将要更加详细说明的那样，在一个实施例中，将控制器80编程为检测传感和参考共振器之一或二者的共振特性的急剧变化，作为样品的引入的指示。将控制器80进一步编程为确定测试共振器70和参考共振器71之间的共振特性变化的差值，以及该差值的共振的变化率。将控制器80编程为根据该信息确定测试共振器70是否经历分析物的结合，并且将控制器80编程为根据测试共振器70共振特性的变化率（相对于参考共振器71的共振特性）确定样品流体中分析物的浓度。

在取样过程中，传感器总成30引入液态或气态样品中，或者样品等分试样（samplealiquot）可以通过传感器外壳总成引入传感和参考共振器44、54中。用于诊断测试的液态样品可以包括血液、尿液、血清、唾液、水或者可以感兴趣的任何其它液态样品。只要样品一接触传感和参考共振器44、54，来自共振器44、54的信号就出现变化。仪器12正等待接收信号的变化，并且一俟检测到信号的变化，仪器12就开始收集数据的分析程序。仪器12继续收集数据直到（i）仪器12由于信号没有变化而超时，或者（ii）根据信号变化的速度，一俟接收到可给出诊断测试的分析的足够的数据，仪器12就将停止收集数据。诊断测试的分析可以包括目标材料或分析物已经结合或捕获在传感共振器上的指示以及目标材料的定量。

现在参照图6A，所示为示例性共振器总成的顶面，其表示传感共振器总成和参考共振器总成。尽管说明同样适用于参考共振器总成54，但为了便于参考，以下说明涉及传感共振器总成44。传感共振器总成44的顶面包含一组焊料凸点（solderbump）45a-45d。焊料凸点45a-45d在共振器总成44中接地。焊料凸点45d凭借通过压电层和共振器导体之间的通路（via）连接至共振器45A，其将通过图6B中的部分层视图进行进一步说明。共振器总成44还悬臂般地伸出印刷电路板的边缘从而允许共振器45A在测试过程中暴露于周围环境。在一些实施例中，焊盘（solderpad）与共振器45A可以位于共振器总成44的不同侧，使得共振器总成44并不一定具有悬臂式构造。在另外的实施例中，可以配置PCB使得共振器总成安装在PCB中的凹陷中并且利用例如导电环氧树脂这样的导体完成共振器总成和PCB之间的电连接。

在共振器的构造中，共振器44A的相对表面积与共振器的共振频率直接相关，较高频率共振器具有较小的表面积，较低频率共振器具有较大的表面积。例如，较小尺寸的共振器（例如154.4μm的直径）具有2.25GHz的共振频率，而较大尺寸的共振器（254μm的直径）具有900MHz的共振频率。因此，可以预期的是可以根据期望的共振频率和对可使用的频率的任何调节限制来使用具有各种共振频率的共振器。压电层的厚度也影响频率，较薄的压电层比较厚的层在更高的频率下震荡。如前所讨论的，尽管类似尺寸的各种共振器总体上具有类似的共振频率，但可能由于制造中的变动引起的尺寸的微小变动可能会导致具有接近但有意义的不同的共振频率的类似共振器。

在一些实施例中，背靠背的桨式构造允许传感共振器44和参考共振器54位于相互极为靠近的位置，两个共振器在材料传感操作过程中经受实质上相同的环境条件，这样允许准确的共振位移测量和环境影响的有效的消除。可以消除的环境影响可以是粘度、pH、温度、颗粒物以及在诊断测试过程中将影响传感共振器44的样品内的任何其它环境条件的结果。

本发明的另一方面，利用多个传感器/参考共振器对。每一个传感器/共振器对可以配置为检测不同的材料，或者为提高的仪器准确性或可靠性，可以使用多个传感器/共振器对以便重复地提供。在相关的实施例中，制定减少多对传感器/参考共振器对之间的串扰的规则。

一种方法是在对之间提供物理分离。可以通过将不同的传感器/参考共振器对放置在分离的基板上以提供机械和电隔离来实现物理分离。实现物理分离的另一种方式是通过将不同的传感器/参考对放置得相隔足够远，以使任何机械或电耦联微不足道。

还可以通过按照不同的频率操作该对传感器/参考共振器对来减少或消除共振器之间的串扰。例如，可以制造安装在单个PCB上的两个或更多个共振器对，使其标称共振频率间隔开足以将任何串扰减少到可忽略水平的量。足以实现隔离的频谱间距取决于多种因素，例如振荡的品质因数（qualityfactor），振荡的品质因数转而取决于共振器本身的材料、构造和几何学；此外，将串扰减少至可接受的水平所需要的频谱间距可以取决于测量电路的选择。可以依照驱动频率的百分比限定频率间隔。例如，间隔可以是驱动频率的约1-5%。因此，在共振频率在750-1000MHz的范围内的实施例中，多个传感器/参考共振器对之间的频率间隔可以是约15MHz。

图7是表示根据一个实施例确定多共振器板上不同共振器对的共振频率的过程的图表。该实施例的方法利用固定频率（德尔塔F（DelftF））阶梯设计（Ladderdesign）。在共振器组的多路复用设计中，在邻近阶梯梯级的任意两个共振器之间的频率差值（德尔塔F（DelftF））使得其将共振器之间的串扰减少至可以忽略的数量。邻近阶梯梯级之间的频率差值可以是固定的或者可以是改变的，并且由应用或测试限定。如图7所示，在类似的频率下操作每一个传感器/参考共振器对。然而，在频率差值德尔塔F下操作每个其它传感器/参考共振器对。

在另一类型的实施例中，可以在测量设备中利用超过两个传感器的组。组可以由三个或更多个传感器组成而非成对地排列，其中存在超过一个传感共振器，和/或超过一个参考共振器。在一种类型的构造中，共振器的组设置的极为接近，以便组可以暴露于相同的测试环境。这样一个传感器组可以包括一共八个共振器，其中七个是传感器，一个是参考。作为该实施例的变体，八个共振器的不同组包括六个传感器和两个参考共振器。

操作中，对于每一组共振器，可以将每一个传感共振器的每个共振位移都与特定的单独参考共振器进行比较。作为替代地，组内的超过一个传感器的平均（或其它统计学汇总的）共振位移可以与超过一个参考共振器的平均（或其它汇总的）共振位移进行比较。在本发明的各个仪器实施方面，可以使用利用超过两个传感器/参考共振器的组的多种不同的测量设备，从而实现提高的准确度或精确度，或者提供可以检测待测的样品中多种不同材料的更加全面的测试。

还可以预期包括安装在多个连接的印刷电路板上的一个或多个共振器的不同实施例。一个这样的实施例包括具有多个PCB层的传感器，每一层或层的子群包括安装在横穿多个PCB层的交错或网格布局中的一个或多个共振器，每一个共振器具有相同的共振轴。在其它实施例中，具有一个或多个共振器的多个单独的传感器构建为任意的不同构造，这样的构造包括但不限于由三个或更多个堆叠的PCB层构成的十字形、菱形、三角形、正方形、五角形或圆形取向。可以利用适合的内部连线耦接多个PCB层和配置为操作多共振器传感器的仪器。

图8A是表示简化的共振器传感器模型40的电路图。模型40提供了共振器晶体和振荡器的物理性能之间链接。晶体的物理常数确定装置的R1、C1、L1和C0的换算值（equivalentvalue）。电阻（R1）是容积损失（bulkloss）的结果，C1是动态电容，L1是由质量确定的运动电感（motioninductance），静态电容（C0）由电极、支持物和导线组成。当远离共振地操作时，结构仅仅是具有电容C0的电容器，但在晶体的精确共振频率处，电路变成并联的电容器和电阻器。晶体的电抗在串联共振（seriesresonance）的点接近零并且在反共振频率fA处达到最大值。

确定共振器的各个性能的一个示例是集总元件方法（lumpedelementmethod），其包括对集合于SnP1-端口数据文件中的数据执行以下步骤：

1）将所有测量的频率的s11(f)转换为z11(f)。

2）最高频率(fh)下的real(z11)是接触电阻Rc=real(z11(fh))。

3）还计算最高频率(fh)下的杂散电容（straycapacitance）Co

Co=1/[2*pi*fh(hz)*imag(z11(fh))]

4）通过从z11中减去Rc从而移除Rc的影响。z11'(f)=z11(f)-Rc

5）当Imag[z11''(f)]的符号由负变为正时，可以确定串联共振频率fs。

6）动态电感计算为

Ls=(1/(4*pi))*(imag[z11''fs)]-imag[z11''(fs-Δf)]/Δf其中Δf=500kHz

7）动态电阻是Rs=real[z11''(fs)]

8）动态电容是Cs=1/[(2*pi*fs)^2*Ls]

图8B是表示包括接触电阻（Rc）的更加复杂的共振器模型42的图表。接触电阻Rc和静态电容C0都是应当去嵌入以便观察共振器表面上发生的变化的重要变量。正如所属技术领域的技术人员应当理解的那样，内部连线20还可以在共振器传感器的测量中引入平动和转动效应。因为在传感器上安装晶体的行为会影响共振器的接触电阻Rc和静态电容C0，所以重要的是在共振器传感器的校准、调谐和使用中将这些参数计算在内。

在去掉C0的情况下确定共振器的各个性能的一个示例性方法包括以下步骤：

1）将所有测量的频率的s11(f)转换为z11(f)。

2）最高频率(fh)下的real(z11)是接触电阻Rc=real(z11(fh))。

3）还计算最高频率(fh)下的杂散电容Co

Co=1/[2*pi*fh(hz)*imag(z11(fh))]

4）通过从z11中减去Rc从而移除Rc的影响。z11'(f)=z11(f)-Rc

5）通过从下式中移除Co从而移除Co的影响

y11'(f)或者z11''(f)=1/[(1/z11'(f))-j(2*pi*f*Co)]

6）当Imag[z11''(f)]的符号由负变为正时，可以确定串联共振频率fs。

7）动态电感计算为

Ls=(1/(4*pi))*(imag[z11''(fs)]–imag[z11''(fs-Δ)])/Δf其中Δf=500kHz

8）动态电阻是Rs=real[z11''(fs)]

9）动态电容是Cs=1/[(2*pi*fs)^2*Ls]

在第三实施例中可以修改以上步骤从而得到建模共振器的以下方法：

1）将所有测量的频率的s11(f)转换为z11(f)。

2）最高频率(fh)下的real(z11)是接触电阻Rc=real(z11(fh))。

3）还计算最高频率(fh)下的杂散电容Co，

Co=1/[2*pi*fh(hz)*imag(z11(fh))]

4）通过从z11中减去Rc从而移除Rc的影响。

z11'(f)=z11(f)–Rc

5）动态电感计算为

Ls=(1/(4*pi))*(imag[z11'(fs)]–imag[z11'(fs-Δf)])/Δf其中Δf=500kHz

6）动态电阻是Rs=real[z11'(fs)]

7）动态电容是Cs=1/[(2*pi*fs)^2*Ls]

共振器模型可以用来筛选制造的共振器从而评估和选择适合的共振器。

在一个实施例中，可以使用以下方法评估共振器：

1）加载所有共振器的S1p文件。

2）将所有测量的频率的s11(f)转换为Z11(f)。

3）计算最高频率(fh)下的接触电阻

Rc=real(z11(fh))

4）从z11中减去Rc从而移除Rc的影响。

z11’(f)=z11(f)–Rc

5）计算最高频率(fh)下的杂散电容C0。

C0=1/[2*pi*fh(hz)*imag(z11(fh))]

6）计算动态电感

Ls=(1/(4*pi))*(imag[z11(fs)]–imag[z11(fs–Δf)])/Δf

7）计算动态电阻

Rs=real[z11’(fs)]

8）计算动态电容

Cs=1/[(2*pi*fs)^2*Ls]

9）计算Q值

Q=1./(2*pi*Fs*C1*(Rs+Rc))

接下来可以利用变量标准偏差方法缩小共振器的选择。

10）找出具有限定的串联共振的共振器

11）找出具有Q值>80的共振器

12）找出已经通过步骤10和11的共振器的亚群。

13）计算由来自步骤12的共振器的亚群中测量的共振频率的平均值和标准差

14）计算来自步骤12的共振器的亚群的共振器计算接触电阻的平均值和标准差

15）计算来自步骤12的共振器的亚群的共振器计算动态电阻的平均值和标准差

16）计算来自步骤12的共振器的亚群的共振器计算动态电感的平均值和标准差

17）计算来自步骤12的共振器的亚群的共振器计算动态电容的平均值和标准差

18）计算来自步骤12的共振器的亚群的共振器计算静态电容的平均值和标准差

一俟如所述那样计算出平均值和标准差，就根据在来自步骤12的共振器的亚群上完成的以下步骤应用每一个参数的边界条件：

19）计算接触电阻的分布

20）计算动态电阻的分布

21）计算动态电感的分布

22）计算动态电容的分布

23）计算静态电容的分布

24）选择来自步骤19-23的每一个变量的变化的SD值

25）找出通过步骤24中所有用户选择的SD边界条件的共振器的子集

26）计算任何范围以外的共振器的产量并且目测检查其史密斯圆图圈（smithchartcircle）

27）微调步骤24中的每一个变量的SD值直到将所有不合乎需要的的共振器从亚群中排除。

计算Q值的过程的一个示例性实施方式在以下代码中实现：

以下过程是根据一个实施例确定共振器的品质因数的示例：

步骤1：计算反射损耗。

Ref_losses=10^(Mag/20);

步骤2：计算反射系数

RE=Ref_losses.*cos(Phase.*pi/180);

IM=Ref_losses.*sin(Phase.*pi/180);

步骤3：根据反射系数计算导纳（Admittance）

Admittance=(.02*(1-RE-j*IM)./(1+RE+j*IM));

Real_Adm=real(Admittance);

Imag_Adm=imag(Admittance);

步骤4：计算实部（Real）和虚部（Imaginary）IMP

DEN=1-(2*RE)+(RE.*RE)+(IM.*IM);

REZ=(50*(1-(RE.*RE)-(IM.*IM)))./DEN;

IMZ=(50*2*IM)./DEN;

步骤：计算测量的每一个频率和每一个时间点的Q

利用以下等式可以进一步修改上述方法从而提高计算速度：

1: $Z=\frac{50*(1+{10}^{(\mathrm{Mag}/20)}*e^{\left(\mathrm{iPhase}\right)}}{(1-{10}^{\mathrm{Mag}/20})*e^{\left(\mathrm{iPhase}\right)}}$

2.比例因子（ScalingFactor）：

A=(2*Freq)/(Freq(5)–Freq(1))

3: $Q=A*1.2*\frac{\mathrm{real}\left(Z\right)*\mathrm{diff}\left(\mathrm{Imag}\left(Z\right)\right)-\mathrm{Imag}\left(Z\right).*\mathrm{diff}\left(\mathrm{Real}\left(Z\right)\right)}{\mathrm{Abs}{\left(Z\right)}^{^2}}$

在例如参照图5说明的实施例这样的频移检测方案中，控制电路自动调整传感器和参考共振器的驱动频率从而总是维持它们的共振点，并且驱动频率的调整指示共振特性的变化。相反，图3和4的实施例的相移检测设备参与确定传感器和参考共振器的最佳驱动频率。

可以预期确定共振器的最佳操作频率的多种方式。根据各个实施例快速进行被称为调谐或操作点校准的该过程。这使相移检测方案的应用能够用于测量具有高浓度分析物的样品。

在一种方法中，共振器的操作频率的确定基于收集的数据的后期处理，其中确定提供至共振器的每一个信号频率的相位的群延迟，并且将操作共振频率限定为最大群延迟的频率。

在另一种方法中，可以在利用由实部和虚部反射系数表示的测量实际振荡特性的计算中有效地确定共振器的操作共振频率。在该方法中，确定频率(f1)，Real(Z)在该频率下具有其最大值，并且确定频率(f2)，Imaginary(Z)在该频率下具有其最大值。利用该方法，将共振器的操作共振频率限定为f1和f2的平均值。该方法提供超过之前使用的技术的提高的计算效率。计算效率转而允许较快的调谐，较快的调谐在被测量的材料与共振传感器快速结合的应用中非常重要。

在如何应用该计算的示例中，传感器与仪器耦接，并且仪器通过扫过宽频带宽度上的频率立即地在空气中调谐共振器。可以通过确定每一个频率下的群延迟和识别最大群延迟在其中出现的频率，或者通过利用每一个频率下的计算并且利用以上所披露的方法找到f1和f2的平均值来完成该最初的调谐。然后将空气中的操作频率用于限定每一个共振器的操作频率的窄频带宽度，例如+/-5MHz或+/-1MHz，窄频带宽度将用于只要共振器暴露于测试样品就进行的第二调谐步骤。利用对上述最初调谐步骤所说明的计算方法以及与扫过在传感器处于空气中时用于第一调谐步骤的频率窗口所使用的取样间隔相比更精细的取样间隔完成第二调谐步骤。

在相关的实施例中，执行自适应频率扫描而不是利用预先确定的采样间隔的基本扫描。例如，在自适应扫描过程中的每一个操作频率下，测量振荡特性（例如Real(Z)和Imaginary(Z)）并且将振荡特性与之前或者随后的频率下的对应数值进行比较。该比较的结果确定扫描的方向是否正接近共振点，或者确定扫描的方向是否正远离共振点。该方法可以对共振器的共振频率产生较快的共振器调谐，因为在一些情况下可以避免完全扫描。

在各个实施例中，频率扫描、计算、测量参数的分析以及调谐过程的控制由与传感和测量电路接口并且编程为执行调谐程序的控制器完成。控制器可以包括具有例如专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）这样的主要硬件装置的数字系统，或者可以包括硬件和软件的组合，例如通过微处理器系统和一组实施控制器的功能的指令。在其它实施例中，控制器可以实施为二者的结合，单独由硬件帮助实现某些功能并且由硬件和软件的结合帮助实现其它功能。根据实施控制器的功能的需要，可以利用多种适合的微处理器系统，包括但不限于一个或多个微控制器、一个或多个数字信号处理器等等，以及适合的接口电路、数据存储、功率调节系统等等。

现在参照图9A，所示为根据一个实施例用于在短时间内完成调谐扫描的高效技术。第一调谐步骤（当共振器处在空气中——即，尚未放置在样品中时完成）利用VCO或频率发生器的较大频率阶跃尺寸（frequencystepsize）的设置完成相对宽的扫描范围。后继的精调谐（在共振器放置在样品中之后完成）利用逐步减小的频率阶跃尺寸逐步降低频率扫描范围。使用的阶跃的数量基于检测特性和例如微控制器速度和总线通信性能这样的其它变量。图9B是表示利用ADF4360VCO作为频率发生器的这样的方案示例的图表。

在相关的实施例中，一俟传感器在测试样品中，利用第二调谐步骤的改进完成甚至更快的调谐，其中第二调谐步骤的改进利用介于上述示例中的用于第一和第二调谐步骤中的间隔之间的较宽取样间隔扫过+/-5MHz窗口从而识别例如1MHz窗口，在其中使用更加精细的取样间隔实现更加精确的调谐。可以根据需要以及根据硬件处理速度允许使用附加的“嵌套的”调谐步骤，以进一步提供调谐的精确度和速度。

该更加高效的方法在测试样品与传感器非常快速地结合的某些应用中很重要。当传感器与测试样品接触时，传感器表面上的捕获配体（captureligand）与样品中的目标的反应立即开始。因此在与测试样品接触之后的尽可能最短的时间内确定的最佳共振器操作频率是有利的。以非之前描述的使调谐能够在样品接触的一秒钟内或更短的时间内实现的方式，利用当在空气中调谐时确定的窄频带宽度并且之后利用以上披露的技术满足该需要。在一个实施例中，实现在10毫秒内的调谐。在另一实施例中，实现在5毫秒内的调谐。在又一实施例中，在足够处理能力的情况下，在少于一毫秒内实现传感器调谐。

在本发明的一个实施例中，正好在将传感器引入测试介质之前在空气中确定每一个共振器的精确共振频率。通过在测试之前之前扫过共振器频率的大约+/-3-5%范围的调谐共振频率，利用上述用于分析对频率扫描的反应的方法可以实现每一个共振器的共振频率的第一次逼近（firstapproximation）。

此外，在一些实施例中，根据上述示例性过程，在样品引入传感器之后（并且响应于样品引入传感器）立即完成附加的调谐过程。在本发明的一个示例性实施例中，正好在被引入测试介质的第一秒钟内将每一个共振器调谐为在其理想共振频率下进行驱动。通过扫过第一次逼近的共振频率的例如+/-5MHz的窄范围的调谐共振频率，更加精准的共振频率可以用于测试。根据共振器的基础频率，其它范围也可以是适合的。

该原位调谐具有进一步完善每一个共振器的驱动共振频率的优点，将空气向例如液态溶液这样的测试介质的过渡考虑在内。在已知的目标物质立即与传感共振器上的涂层结合的情况下，有可能无法完成原位调谐，但目前已知的涂层和目标物质确实提供了许多示例，其中结合反应花费比完成原位调谐需要的时间更长的时间。

现在将参照图10A-11B说明仪器12的相移和频移检测器实施例的操作示例。

图10A和10B是描述根据本发明的实施例在频移检测生物传感器和相移检测生物传感器的分别的系统操作过程中的生物传感器信号随时间的演变的曲线图。生物传感器信号可以是相位、频率、或者指示生物传感器的共振行为的一些其它度量标准。在这些示例中的生物传感器用于液态样品中分析物的测量。

首先参照图10A，最初，生物传感器暴露于空气（类似地，生物传感器可以最初暴露于其它介质）。在时间t1，通过电源的应用、生物传感器连接的自动检测、通过使用者的外部激活或者其它类似机构起动系统的操作。在时间t1的起动之后，通过系统的电子器件监测在90表示的生物传感器输出，同时仍处于空气或原始介质（其不是样品）中。

如前详细说明的那样，根据各个实施例的监测装置总体上包含每隔一定间隔收集生物传感器信号的基于微控制器的系统等。监测装置可以记录或者可以不记录收集的生物传感器信号。监测装置持续监测基线生物传感器输出直到测量到急剧阶跃变化91。由于引入流体样品与生物传感器表面接触，出现急剧阶跃变化，导致生物传感器的共振性能响应于介质粘度的变化而偏移。对于已知构造的给定生物传感器，对于从空气向液态介质的过渡，急剧变化的近似大小将是已知的，因此提供了阈值或数值的目标范围，其实现被视为样品引入事件。为了避免错误指示，利用阈值或数值的目标范围提供忽略小的变化或噪音的优点。

因此，在时间t2，将具有未知分析物浓度的液态样品置于与生物传感器物理接触。在一个实施例中，急剧生物传感器信号阶跃变化91用作表示液态样品暴露于生物传感器表面的开始的时间参考。急剧信号变化91典型地将在小于1秒钟内发生，并且通常在小于样品引入的0.1秒钟内发生。一俟检测到急剧阶跃变化91，监测生物传感器的输出从而测量分析物在生物传感器的表面上的结合动力，如92所示。在该实施例中，由控制电路自动处理共振器调谐。因此，一旦输出响应于样品的引入而稳定下来，就开始结合动力的测量。该稳定化可以在几毫秒内发生，并且在一些实施例中小于一毫秒。

可以通过多种方法中的任一个，利用分析物在表面上的结合确定样品中分析物的浓度。根据一个实施例的这样的方法之一包含在阶段92测量生物传感器输出的变化率。当通过变化率测量分析物浓度时，根据一个实施例优选为在液态样品最初引入到生物传感器表面之后短时间内立即测量的最初变化率。该早期测量通常被称为初始速率（initialonrate）。如上所述，尤其对于分析物的高浓度和/或分析物与生物传感器表面的捕捉配体之间的高结合速率，最初液态样品接触生物传感器表面的电子时间注册（electronictimeregistration）（来自时间t2的急剧生物传感器输出瞬变91）提供提高的测量精度和测量较快结合速率的能力。

92处的生物传感器输出的斜率与生物传感器表面上的分析物结合事件的速率成比例。在一定分析物浓度的范围内，生物传感器表面上的分析物结合事件的速率与液态样品中分析物的浓度有关。该关系可以是成比例或非线性的，然而为了实际实施例中的准确性和简明性，该关系优选为成比例。以此方式，系统利用时间t2的准确注册得到液态样品中分析物浓度的准确测量，该测量在宽范围的分析物浓度下是准确的。

根据相关的实施例确定分析物浓度的第二方法是通过生物传感器输出的总变化（即，时间t3处的水平减去时间t2处的初始水平）测量固定时间间隔t3-t2内分析物结合的总量。当通过固定时间间隔内的总变化测量分析物浓度时，优选为具有分析物和生物传感器之间的相互作用的起动开始时间的准确测量。由于固定测试时间间隔变得更小（对于例如在紧急情况下故意减少测试时间或者对于高的分析物浓度），分析物和生物传感器相互作用时间的准确测量对于进行准确的分析物浓度测量来说变得越来越重要。参照检测到的阶跃变化的时间间隔的初始时间，该实施例的系统利用时间t2的准确注册得到液态样品中分析物浓度的准确测量，该测量在宽范围的分析物浓度下是准确的。

图10B是表示利用例如以上参照图3和图4阐述的实施例的相位检测设备的类似操作的曲线图。在时间t4，起动系统的操作（例如，通过电源的应用、生物传感器连接的自动检测、通过使用者的外部激活或其它装置）。在时间t4的起动之后，系统开始完成生物传感器的调谐。为了验证正确工作或在优选条件下—例如确定共振频率—优化操作的目的，可以完成该步骤。调谐始于时间t5并在时间t6完成。94处的生物传感器输出可以录入为测试记录的一部分，并且可能有利于确定共振器或仪器的情况。在相关的实施例中，可以利用包含调谐操作的初始激活消除t4和t5之间的间隔。

基于生物传感器的调谐，在时间t6设定最佳操作的期望的操作条件，并且当仍处在原始介质中（例如空气）时，通过系统的电子器件监测在95处的生物传感器输出。监测装置持续地监测生物传感器输出直到测量到急剧阶跃变化96。在时间t7，将具有未知分析物浓度的液态样品置于与生物传感器物理接触。一俟检测到急剧的瞬变96，系统完成在液态样品中操作的再调谐。在时间t7和t8之间完成再调谐。在时间t8，设定最佳操作（例如，在共振点处）的操作条件，并且检测在97处的生物传感器输出从而测量分析物在生物传感器的表面上的结合动力。

尤其对于分析物的高浓度和/或分析物与生物传感器表面上的捕捉配体之间的高结合速率（即，亲和力），最初液态样品接触生物传感器表面的电子时间注册（来自时间t7的急剧生物传感器输出瞬变96）提供提高的测量精度和测量较快的结合速率能力。此外，优选为在短时期内完成再调谐，使得在再调谐过程中不错过初始速率。在一个实施例中，在小于1秒钟内完成再调谐，更优选地，在小于0.1秒内完成再调谐。一般而言，生物传感器输出的斜率97与生物传感器表面上的分析物结合事件的速率成比例。在一定分析物浓度的范围内，生物传感器表面上的分析物结合事件的速率与液态样品中分析物的浓度有关（优选地，成比例）。以此方式，系统利用时间t7的准确注册和快速再调谐得到液态样品中分析物浓度的准确测量，该测量在宽范围的分析物浓度下是准确的。通过测量固定时间间隔t9-t8内的分析物结合总量确定分析物浓度的第二方法也适用于相位变化检测仪器。当通过固定时间间隔内的总变化测量分析物浓度时，优选为具有分析物和生物传感器之间的相互作用的起动开始时间的准确测量。进一步优选为具有由再调谐消耗的最小的分析物-生物传感器暴露时间。由于固定测试时间间隔变得更小（对于例如在紧急情况下故意减少测试时间或者对于高的分析物浓度），分析物和生物传感器相互作用时间的准确测量对于进行准确的分析物浓度测量来说变得越来越重要。以此方式，根据该实施例的系统利用时间t8的准确注册和快速的再调谐得到液态样品中分析物浓度的准确测量，该测量在宽范围的分析物浓度下是准确的。

图11A和11B是分别表示控制和监测频移检测生物传感器和相移检测生物传感器的系统示例性操作的流程图，其中该系统的输出表示在上述根据本发明的实施例的图10A和10B中。在各个实施例中，图11A和11B中的块功能在程序控制下进行，例如在微控制器或数字信号处理器上执行的微控制器固件，其具有与电路的架构和时钟频率有关的特性执行速度。例如测量和记录生物传感器输出的方块104这样的数据采集操作还可以包括需要多个时钟循环或延迟的模拟-数字转换（ADC）。一般而言，可以预期的是可以在远小于1秒钟内、优选为小于1毫秒内执行每一个方块。通过每一个功能块的快速电子操作提供液态样品中分析物浓度的高度准确测量。

参照图11A，在102通过电源的应用、生物传感器连接的自动检测、通过使用者的外部激活或其它这样的机构起动系统的操作。在104，系统监测并记录来自生物传感器的输出，典型地测量共振频率或相对于驱动信号的相位角偏移。每一次测量之后，系统将最近的测量与之前的测量进行比较从而在判定106处确定是否已经出现急剧生物传感器信号变化。执行选择功能（典型地包括将当前和之前测量之间的差值与对应于数值的预期阶跃变化范围的最小和最大值的阈值或目标范围相比较）以判定液态样品是否已经与生物传感器表面接触。

如果急剧生物传感器信号变化没有发生，则执行循环回到方块104监测并记录额外的生物传感器输出值。106-104循环完成“等待”操作，在该操作中，系统监测生物传感器输出信号并且等待指示从空气向液态介质的过渡的生物传感器接口处的生物传感器信号的急剧变化。循环时间常数或重复速率总体上小于1秒，并且优选为小于1毫秒。较小的循环时间常数提供液体引入生物传感器表面的初始时间的更加准确的测量。

如果已经出现达到阈值或其它标准的急剧生物传感器信号变化，则执行控制转入108从而监测分析物在生物传感器表面上的结合。这里，系统在循环110-108中执行生物传感器信号输出的连续监测。在方块108中的每一次测量之后，在判定110中评估液态暴露的总时间从而确定测试是否完成。例如，在图10A所示的操作中，在时间t3完成测试。该110-108循环具有典型地小于1秒、优选为小于1毫秒的时间方面的特征周期性或者重复速率。一俟完成期望的测试时间，过程继续转到方块112，在此根据来自初始变化率或最终端点值（即图10A中的93）的记录数据计算分析物浓度。分析物浓度的计算可以包括数据的记录和传输，之后转到执行控制以在114终止或完成程序。

现在参照图11B，表示相移检测生物传感器的类似过程。编号块102-114表示上述参照图11A说明的对应编号块。然而，在该过程中，在116和118完成调谐的附加子过程。在104起动测量和记录操作之前，在116在空气中完成调谐。将该第一调谐操作置于该阶段可以最大化传感器的灵敏度，以使在确定阶跃变化中在106与阈值的比较是可靠的。在一个实施例中，响应于操作的起动，立即完成第一调谐操作。

响应于在106处共振器暴露于液态样品的检测而产生第二调谐。在优选实施例中，当检测到阶跃变化时尽快完成118处的该第二调谐操作。可以在检测到阶跃变化的一秒钟以内、优选为一毫秒内很好地完成第二调谐操作。根据一个实施例，调谐程序的持续时间本身也应当在尽可能短的可行时间内完成。因此，例如在一秒钟内、优选为在0.1秒钟内完成在118处的调谐。更优选地，在50毫秒内完成在118处的调谐。例如，在上述参照图9B说明的实施例中，在37.5毫秒内完成调谐。可以预期的是处理能力和模拟微电子学的提高将允许调谐操作的更快完成。

在相关的实施例中，响应于在118处的调谐操作的完成，立即，即，尽可能快地起动在108处的测量和记录传感器输出操作。在实际实施例中，这应当在一秒钟内完成，优选为在一毫秒内完成。在各个实施例中，可以如上述参照图9A和9B详细说明的那样完成第一和第二调谐操作116和118。

在利用传感和参考共振器的相关的实施例中，在每一个共振器上完成调谐操作116和118。在这样一个系统中，在大约相同的时间调谐共振器而不是按顺序一个接一个地调谐共振器。

在另一个传感和参考共振器实施例中，仅监测传感共振器的、仅监测参考共振器的、或者监测共模（commonmode）（即，非差模）的两个共振器的单独共振器输出，从而检测样品的引入。另一方面，如上所述的，结合动力的测量基于传感器和参考装置之间的差模（differentialmode）。

更一般地，在106检测到的阶跃变化更一般地表示从一种流体粘度特性向另一种的变化。例如，该变化可以是从液体到气体，或者从第一密度的液体到不同的第二密度的液体。在相关的实施例中，仪器配置有适合的阈值或阶跃变化数值目标范围，其与从在104处的操作起动到样品的引入的粘度的期望变化相对应。该信息可以与例如校准常数或针对生物传感器总成或测试方案的其它参数一起存储在例如以上所述这样的数据存储装置中，或者存储在例如个人电脑工作站或服务器这样的远程但可访问的位置。

以上实施例的目的是说明而不是限制。附加的实施例在权利要求的范围内。此外，尽管已经参照特定实施例说明了本发明的各个方面，但所属技术领域的技术人员将认识到在不背离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式上和细节上作出改变。

相关技术领域的技术人员将认识到本发明可以包含与上述任何单个实施例中说明的特征相比较少的特征。这里说明的实施例并不意味是本发明的各种特征的可以结合的方式的全面而彻底的说明。因此，实施例并非特征的互斥组合；相反，正如所属技术领域的技术人员应当理解的那样，本发明可以包含选自不同的单个实施例的不同单个特征的组合。

Claims (12)

1.一种利用装置测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力的方法，其特征在于，该方法包含：

将传感共振器与流体样品接触，其中，该传感共振器包含分析物材料的结合位点；

驱动传感共振器进行振荡运动；

测量表示传感共振器的振动运动的共振特性的一个或多个共振器输出信号；和

调节传感共振器的驱动频率以保持传感共振器的共振点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节传感共振器的驱动频率以保持传感共振器的共振点包含将频率调节至最大群延迟的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，驱动传感共振器的频率是基于从测量一个或多个共振器输出信号所获得的数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包含基于从测量一个或多个共振器输出信号所获得的数据确定最大群延迟的频率，并且其中，调节传感共振器的驱动频率以保持传感共振器的共振点包含将频率调节至最大群延迟的频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：

将参考共振器与流体样品接触，其中，该参考共振器不具有针对分析物材料的结合位点；

驱动参考共振器进行振荡运动；

测量表示参考共振器的振荡运动的共振特性的一个或多个共振器输出信号；和

调节参考共振器的驱动频率以保持参考共振器的共振点。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包含将表示传感共振器的振荡运动的共振特性的一个或多个共振器输出信号与表示参考共振器的振荡运动的共振特性的一个或多个共振器输出信号进行比较。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传感共振器是具有数百兆赫至数千兆赫的范围内的共振频率的体声波共振器。

8.一种测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力的装置，其特征在于，包含：

包含分析物材料的结合位点的传感共振器；

设置用于驱动传感共振器进行振荡运动的驱动电路；

测量电路，其设置为与共振装置耦接，并且设置用于测量表示共振装置的振荡运动的共振特性的一个或多个共振器输出信号；

操作地耦接驱动和测量电路的控制器，该控制器与包含指令的数据存储连接，当执行时，使该控制器：

调节驱动电路驱动传感共振器的频率，以保持传感共振器的共振点。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，驱动电路驱动传感共振器的频率是最大群延迟的频率。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，进一步包含参考共振器不具有针对分析物材料的结合位点，其中，参考共振器操作地耦接驱动和测量电路。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，驱动电路配置为单独地驱动参考共振器和传感共振器进行振荡运动。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，传感共振器是具有数百兆赫至数千兆赫的范围内的共振频率的体声波共振器。