CN106062547A - 高灵敏度多通道检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及待检验的样本的检测设备(1)，包括：处理模块(2)；连接到所述处理模块(2)的检测模块(3)；支承件(7)，其中可以放置所述待检验的样本，所述支承件(7)包括多个传感器，优选为生物传感器和/或纳米传感器，并且可插入在所述检测模块(3)内；以及封闭壳(11)，其包括被布置在所述处理模块(2)内的主体(12)，以及传感器部分(13)，其中布置检测模块(3)，其特征在于，所述处理模块(2)包括具有多个处理通道(5)和处理器(6)的处理单元(4)，所述处理通道(5)中的每一个被连接到所述传感器中的相应的一个并且适用于放大且滤波所述传感器的信号，所述处理器(6)处理由所述处理通道(5)放大且滤波的所述信号。

Description

高灵敏度多通道检测设备
本发明涉及高灵敏度多通道检测设备。
更具体地，本发明涉及以上类型的装置，该装置被完全封闭在具有电磁保护功能的紧凑金属壳体中，被设计为容纳含有传感器(或生物传感器)的卡，通过该装置有可能进行观察或测量。
在下文中，将针对离子通道的检测进行描述，但应该清楚的是其不应该被认为限于这种特定的使用。
正如当前众所周知的，离子通道负责用于细胞内环境和细胞外环境之间的跨膜蛋白的交换。离子通道在许多的生物过程中起着至关重要的作用，并且它们的功能障碍与许多的疾病或严重的疾病有关。
因此，为了许多的药类化合物的实现和制备，离子通道正在研究中。
离子通道响应于不同的化学物理刺激的能力已刺激了混合传感器的设计，其中它们被采用为检测单元。这种方法已经用于溶液中分子的检测以及用于DNA测序。
出于生物学目的，以高准确度和精确度来表征离子通道的电特性是必要的。
这通过低噪声采集设备来实现，该低噪声采集设备能够放大皮安的量级的离子通道的电流。
当前市场上可得的能够检测离子通道的响应的放大器提供笨重的仪器，并且在同时由于离散电子结构的限制所同时获得的通道数量上受限，利用该离散电子结构来制造放大器。
在使用效率以及商业方面，明显的是这个过程是如何昂贵的。
根据现有技术，便携式检测设备的另一个问题通过待测试的液体和溶液向电子元件的渗透来给出，其组装在其上有电子元件的印刷电路上。这极大地限制了它们的扩散。
根据上文，因此，本发明的目的是提出一种高灵敏度多通道检测系统，其呈现了缩小的尺寸，以便允许可携带性，并且能进行正确的多通道测量。
本发明的另一个目的是提供封装，其允许测量的简单实现，以及印刷电路与待检验的液体溶液的渗透的最佳隔离。
这些目的通过紧凑的多通道系统的组合获得，以用于读取来自耦合到要求使用流体的装置的传感器的纳安或皮安(pA或nA)量级的信号。这暗示了检测系统的“湿”部分与电子器件的分隔，以及电磁屏蔽(屏蔽)的适当措施以便优化信噪比。
因此，本发明的特定对象是待检验的样本的检测设备，其包括：处理模块；检测模块，其连接到所述处理模块；支承件，其中可以放置所述待检验的样本，所述支承件包括多个传感器(优选为生物传感器和/或纳米传感器)，并且可插入在所述检测模块内；以及封闭壳，其包括被布置在所述处理模块内的主体以及传感器部分，所述检测模块被布置在该传感器部分中，其特征在于，所述处理模块包括具有处理器和多个处理通道的处理单元，所述处理通道中的每一个被连接到所述传感器的相应的一个并且适用于放大且滤波所述传感器的信号，所述处理器处理由所述处理通道放大且滤波的所述信号。
始终根据本发明，所述处理模块可以被放置在所述封闭壳的所述主体中，可以具备印刷电路板以及输出连接器(优选为USB类型)，在印刷电路板中布置输入连接器，该输入连接器具有多个端子(优选为弹簧类型)，该输出连接器被连接到所述处理器以用于到个人电脑或处理器的连接，所述封闭壳优选地由导电材料制成(如，金属等)。
仍然根据本发明，所述处理通道中的每一个可以包括模拟部分以及数字部分，该模拟部分包括具有连接到所述输入连接器的输入端的放大器、被插入在所述放大器和微分器或有源高通滤波器之间的加法器，该数字部分包括模数转换器以及第二数模转换器，该模数转换器具有连接到所述处理器的输出端，该第二数模转换器具有其连接到所述处理器的输入端，以及连接到所述加法器以及所述放大器的输入端的输出端，以便实现施加到输入连接器的电位的控制系统。
还根据本发明，所述处理通道(优选为四个)可以被集成到一个或多个电子设备中，该电子设备在ASIC(专用集成电路)中实现，并且所述处理器是FPGA(现场可编程门阵列)。
根据本发明有利的是，所述封闭壳的所述传感器部分可以包括耦合或铰接到所述封闭壳的门，该门可以被打开或关闭。
始终根据本发明，所述传感器模块可以包括基座以及阻挡元件，该基座部分地被布置在所述印刷电路板下面、对应于所述输入连接器，在所述基座上设置有导槽，该导槽可插入在所述支承件中，该阻挡元件与该基座一起形成外壳(35)，在该外壳中放置所述输入连接器。
仍然根据本发明，所述检测模块的所述基座可以具有旨在容纳第一密封件的第一纵向槽，该第一密封件被布置为与所述印刷电路板的第一面接触，以及所述检测模块的所述阻挡元件可以具有旨在容纳第二密封件的第二纵向槽，该第二密封件被布置为与相对于所述印刷电路板的所述第一面的第二面接触。
还根据本发明，所述基座和/或所述阻挡元件可以由疏水性塑料材料组成。
根据本发明有利的是，所述封闭壳可具有至少一个检查开口，用于光学控制的显微镜可适用于该检查开口和/或通过该检查开口能够提供用于执行实验和测量的溶液。
始终根据本发明，所述检查开口可以在所述基座之下、在所述传感器部分中获得，并且所述基座还可以具有布置为对应于所述检查开口的开口。
仍然根据本发明，所述支承件可以是双层类型，其包括上层和下层，该上层具有多个主孔、公共孔及一系列的表面接触件，在该下层上布置多个电极，每个电极被布置在所述上层的各自主孔中，所述电极中的每一个被连接到所述传感器的相应的一个，以及另一个公共电极被布置为对应于所述公共孔，所述电极和所述公共电极被连接到所述表面接触件。
根据本发明有利的是，当所述支承件被插入在所述基座的所述导槽中时，所述表面接触件中的每一个可以与所述输入连接器的对应的端子接触。
还根据本发明，所述检测设备可包括电磁屏蔽装置。
始终根据本发明，所述屏蔽装置可以靠近所述一个或多个电子设备或者在所述一个或多个电子设备上被布置，并且被连接到不同于模拟接地和/或数字接地的公共电位，优选地，所述公共电位被包括在1伏特和2伏特之间，更优选地等于大约1.65伏特，以便将屏蔽效应最大化，所述公共电位在内部用于所述处理通道被集成在其中的所述一个或多个电子设备，用作所述检测设备的所有其它电压的参考。
仍然根据本发明，所述处理模块可包括模拟接地和数字接地。
还根据本发明，所述电磁屏蔽装置可包括用于所述模拟接地和所述数字接地之间的连接的铁氧体，所述封闭壳被连接到所述模拟接地。
根据本发明有利的是，所述输入连接器和所述处理通道的所述模拟部分可以由所述印刷电路板的内层上的模拟接地平面封闭，该模拟接地平面构成所述模拟接地或者被连接到公共电位，以及所述屏蔽装置包括第一金属或法拉第笼，以及所述处理通道的数字部分和所述处理器可以由印刷电路板内的数字接地平面封闭，该数字接地平面构成所述数字接地，以及所述屏蔽装置包括在所述印刷电路板的上面和下面的第二法拉第笼。
本发明现在将根据其优选的实施方案、特别参考所附附图中的附图进行描述，以用于说明性而不是限制性目的，其中：
图1示出了根据本发明的高灵敏度多通道检测设备的整体透视图；
图2示出了根据图1的装置的透明的透视图；以及
图3示出了用于在根据图1的装置中待检验的样本的插入的座；
图4示出了根据图1的装置的电连接器的细节；
图5示出根据本发明的检测设备的电路图；
图6和图7示出了用于将待分析的样本的支承件插入在根据本发明的多通道检测设备中的步骤；
图8示出了根据本发明的高灵敏度多通道检测设备的第二实施方案的透视装配图；
图9示出了检测设备，待分析的样本的支承件被插入到该检测设备中；
图10示出了根据本发明的高灵敏度多通道检测设备的第三实施方案的透视装配图；以及
图11示出了根据图10的检测设备的细节的透明的视图。
在各个附图中，相似的部件将由相同的参考数字表示。
参考图1-4，看到的是根据本发明的高灵敏度多通道检测设备1，其基本包括处理模块2及连接到所述处理模块2的检测模块3，两者均被布置在封闭壳11中。所述封闭壳11优选地由金属制成并且具有主体12和传感器部分13，其提供与所述封闭壳11耦合且可能与其铰接的门14。
处理模块2包括放置在所述封闭壳11的主体12中的处理单元4，其具备印刷电路41，其中布置了输入连接器42。所述输入连接器42依次具备多个弹簧类型的端子42’。所述处理单元4还包括USB类型的输出连接器43，用于装置1到个人电脑或处理器的连接。
所述处理单元4(其处理电路图在图5中示出)还包括四个处理通道5(在图5中，示出单个处理通道5的图)以及处理器6，该处理器6连接在所述输出连接器43的输出端中。
所述处理通道5中的每一个包括放大器51、加法器52和微分器53，该放大器51优选为具有连接到所述输入连接器42的其反相输入端的运算放大器，该加法器52被插入在所述放大器51和微分器53或高通有源滤波器之间。连接到所述微分器53，所述处理通道5包括模数转换器54，该模数转换器54具有其连接到所述处理器6的输出端。最后，所述处理通道5中的每一个包括第二数模转换器55，该数模转换器55具有输入端输出端，该输入端被连接到所述处理器6，该输出端连接到所述加法器52的反相端子中以及连接到所述放大器51的输入端中的非反相端子。
处理通道5在四个的情况下被集成到单个电子设备中，该电子设备被制成为ASIC(专用集成电路)，同时所述处理器6是FPGA(现场可编程门阵列)，即，集成电路的特征是由软件可编程。
图5还示出了法拉第笼8的示意性布置(看虚线)，该法拉第笼8保护检测设备1的四个处理通道5。
以上实现了最小化来自外面的干扰及来自处理器6的数字电路的干扰。换言之，法拉第笼8允许获得对区分由噪声另外隐藏的信号适当且必要的信噪比(S/N)。
在优选的实施方案中，检测设备1包括屏蔽装置，并且提供用于模拟接地和数字接地之间的分隔，通过铁氧体磁芯(未在图中示出)相互连接在一起。此外，外部的封闭壳11被连接到模拟接地。
具有弹簧类型的端子42’的输入连接器42和模拟处理通道5的元件(即，放大器51、加法器52及微分器53)被模拟接地平面封闭在其中安装电子器件的印刷电路41的内层上。还提供了以上的金属笼(即，上述的法拉第笼8)，以便利用对模拟接地的屏蔽体来完全封闭敏感部件。更具体地，所述法拉第笼可以被连接到不同于所述模拟接地的公共固定电位和/或数字块(mass)，优选地被包括在1伏特和2伏特之间，更优选地等于大约1.65伏特。连接到所述法拉第笼的所述公共电位在所述处理通道5被集成在其中的电子设备的内部使用，且用作检测设备1的所有其它电压的参考。所选择的指示1.65伏特的值等于Vdd/2，即，所述电子设备的电源电位的一半。
处理通道5的数字部分的全部(即，模数转换器54和第二数模转换器55)和所述处理器6以相似的方式从数字接地平面被连接到印刷电路41。
考虑的是，对于读取这么小强度的信号，采取这样屏蔽的特殊技术(屏蔽)是必要的，物体的简单分隔(接地)是不足够的。
在实验上，实际观察到的是，只有对屏蔽进行优化，才能获得对于这种类型的系统(低噪声读出)所要求的性能。特别地，通过将所述法拉第笼8适当地放置成与所述电子设备(以ASIC技术制成)直接接触，获得期望的信噪比特性。
此外，这种特定的屏蔽结果是在不同于两个块(模拟和数字两者)中的一个的模拟点位处。这区分了涉及常规接地系统的系统。这种屏蔽技术可扩展到使用具有混合信号(混合的模拟/数字信号)的低噪声读出芯片的所有应用。
传感模块3被布置在封闭壳11的传感器13的部分中，对应于所述门14，并且在内部包括基座31以及部分重叠在所述基座31上的阻挡元件34，该基座31在所述输入连接器42处部分地布置在所述印刷电路板41下面，该阻挡元件34与基座一起形成外壳35，所述输入连接器42被放置到该外壳35中。
在所述基座31上获得导槽32，该导槽32可插入在用于待分析的样本的双层支承件7中。所述双层支承件7包括上层，其具有四个主孔71、公共孔72以及一组表面接触件73；以及下层，在其上布置四个电极(未在图中示出)，每个电极对应于各自的主孔71布置，并且另一个公共电极(未在图中示出)对应于所述公共孔72布置。
上面提到的电极的阵列分别被连接到传感器或生物传感器和/或纳米传感器的阵列，由于布置在相同的待检验的样本(未在图中示出)的所述双层支承件7上，该电极的阵列也可能以液体形式或在溶液中与待检验或测量的样本接触。
自然地，所述电极被连接到对应的表面接触件73。当双层支承件7被完全插入到所述导槽32中时，表面接触件73中的每一个与所述输入连接器42的对应的端子42’接触。
以上描述的高灵敏度多通道检测设备1的操作如下。
初步地，有必要进行分析的几滴溶液(如，含有特定单分子种类或感兴趣的药物的溶液)被放置在所述双层支承件7上。以这种方式，由于微流体现象(例如，通过毛细管作用)，所述溶液经过传感器或纳米传感器或者与传感器或纳米传感器接触，诸如，蛋白质、离子通道、细胞等。因此，在对应于孔71和孔72的电极上以及因此在所述表面接触件73上可检测到适当的电信号。
当双层支承件7被插入到导槽32中时(还参见图6和图7)，在打开所述门14之后，电极被插入在所述输入连接器42的下面，使得所述端子42’可以与所述表面接触件73接触。
随后，关闭所述门14以便保护样本免受周围电磁环境影响。
输入连接器42的所述端子42’的检测到的信号通过所述放大器51放大，通过所述微分器53滤波，并且通过所述模数转换器54转换，随后将通过所述处理器6处理。一旦进行不同的(在四个的该情况中)测量且获得每个生物传感器的特征响应，则结果信号可以容易地由所述输出连接器43检测到。
图8和图9示出了检测设备1的第二实施方案，其中封闭壳11具有在基座31之下的、在传感器13的部分中获得的圆形开口15。另外，基座31也具有对应于所述开口15布置的圆形开口33。
这些孔15和33允许通过显微镜查看，其允许具有小系统(并且因此容易地与不同的实验设置相互作用)，该小系统允许通过同时对研究的可能的生物传感器对象的电气性质和光学性质进行分析的双重调查。
现在参考图10和图11，示出了高灵敏度多通道检测设备1，其中存在旨在防止放置在双层支承件7上的试验溶液的渗透的特定结构。
特别地，所述检测模块3的基座31具有旨在容纳对应的第一绝缘密封件36(优选为由橡胶制成)的第一纵向槽31’，该第一绝缘密封件36与所述印刷电路板41的下表面接触，同时阻挡元件34反过来具有旨在容纳对应的第二绝缘密封件37(也优选为由橡胶制成)的第二纵向槽34’，该第二绝缘密封件37与所述印刷电路板41的上表面接触。
所述第一纵向槽31’和所述第二纵向槽34’可以有可能地平行且重叠地布置。
除了其他方面，所述基座31和所述阻挡元件34由疏水性塑料材料制成，以便防止任何渗透。
使用描述的组件，存在沉积在所述双层支承件7上的液体和溶液向安装在印刷电路支柱41上的电子元件的渗透的高度预防。
本发明的优点在于在由ASIC技术制成的单芯片中的处理通道5的电路的集成连同法拉第笼的存在允许获得非常高水平的灵敏度的仪器。
根据本发明的另一个优点在于所描述的配置允许支承件在非常小的空间中具有多于一个传感器，从而将在测量线路上的寄生电容并且因此成比例的测量噪声进行最小化。
除了更现代的措施和在实时中的可能性之外，本发明还有一个优点是在输入线路上的寄生电容的最小化，以便读取来自不同类型的传感器的pA(或nA)量级的信号。
除了不需要外部电源和使用具有不同的传感器系统还可互换的相同装置之外，本发明的再一个优点是检测设备的可携带性。
根据本发明的优选实施方案，出于说明性而不是限制性目的已经描述了本发明，但应该理解的是，可以由本领域的技术人员引入修改和/或变更而不偏离如所附权利要求中定义的相关范围。

Claims (17)

1.一种待检验的样本的检测设备(1)，包括
处理模块(2)，
检测模块(3)，其被连接到所述处理模块(2)，
支承件(7)，所述待检验的样本能够被放置在所述支承件(7)中，所述支承件(7)包括多个传感器，优选为生物传感器和/或纳米传感器，并且能插入到所述检测模块(3)内，以及
封闭壳(11)，其包括主体(12)以及传感器部分(13)，所述主体(12)被布置在所述处理模块(2)内，所述检测模块(3)布置在所述传感器部分(13)中，
其特征在于，所述处理模块(2)包括处理单元(4)，所述处理单元(4)具有处理器(6)和多个处理通道(5)，所述处理通道(5)中的每一个被连接到所述传感器中的相应的一个，并且适用于放大和滤波所述传感器的信号，所述处理器(6)对由所述处理通道(5)放大且滤波的所述信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的检测设备(1)，其特征在于，所述处理模块(2)被放置在所述封闭壳(11)的所述主体(12)中，具备印刷电路板(41)以及输出连接器(43)，在所述印刷电路板(41)中布置输入连接器(42)，所述输入连接器(42)具有多个端子(42’)，优选为弹簧类型，所述输出连接器(43)优选为USB类型，被连接到所述处理器(6)，用于到个人电脑或处理器的连接，所述封闭壳(11)优选地由导电材料制成，诸如金属等。
3.根据权利要求2所述的检测设备(1)，其特征在于，所述处理通道(5)中的每一个包括
模拟部分，其包括具有连接到所述输入连接器(42)的输入端的放大器(51)、插入在所述放大器(51)和微分器(53)或有源高通滤波器之间的加法器(52)，以及
数字部分，其包括具有使其输出端连接到所述处理器(6)的模数转换器(54)以及第二数模转换器(55)，所述第二数模转换器(55)使其输入端连接到所述处理器(6)，并使输出端连接到所述加法器(52)和所述放大器(51)的输入端两者，以便实现施加到所述输入连接器的电位的控制系统。
4.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述处理通道(5)优选为四个，被集成到一个或多个电子设备中，在ASIC(专用集成电路)中实现，并且特征在于所述处理器(6)是FPGA(现场可编程门阵列)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述封闭壳(11)的所述传感器部分(13)包括耦合或铰接到所述封闭壳(11)的门(14)，所述门(14)能够被打开或关闭。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述传感器模块(3)包括
基座(31)，其部分地被布置在所述印刷电路板(41)下面，对应于所述输入连接器(42)，在所述基座(31)上设置有导槽(32)，所述导槽(32)可插入到所述支承件(7)中，以及
阻挡元件(34)，其与后者一起形成外壳(35)，所述输入连接器(42)被放置在所述外壳(35)中。
7.根据权利要求6所述的检测设备(1)，其特征在于，
所述检测模块(3)的所述基座(31)具有旨在容纳第一密封件(36)的第一纵向槽(31’)，所述第一密封件(36)被布置为与所述印刷电路板(41)的第一面接触，以及
所述检测模块(3)的所述阻挡元件(34)具有旨在容纳第二密封件(37)的第二纵向槽(34’)，所述第二密封件(37)被布置为与相对于所述印刷电路板(41)的所述第一面的第二面接触。
8.根据权利要求6或7中的任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述基座(31)和/或所述阻挡元件(34)由疏水性塑料材料制成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述封闭壳(11)具有至少一个检查开口，用于光学控制的显微镜可应用于所述检查开口和/或通过所述检查开口能够提供用于执行实验和测量的溶液。
10.根据在从属于权利要求6-8中任一项时的权利要求9所述的检测设备(1)，其特征在于，所述检查开口(15)在所述基座(31)之下、设置在所述传感器部分(13)中，以及所述基座(31)具有对应于所述检查开口(15)布置的另一个开口(33)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述支承件(7)是双层类型，包括
上层，其具有多个主孔(71)、公共孔(72)以及一系列的表面接触件(73)，以及
下层，在所述下层上布置有多个电极，每个电极被布置在所述上层的各自的主孔(71)中，所述电极中的每一个被连接到所述传感器中的相应的一个，以及另一个公共电极被布置为对应于所述公共孔(72)，所述电极和所述公共电极被连接到所述表面接触件(73)。
12.根据在从属于权利要求6-11中任一项时的权利要求11所述的检测设备(1)，其特征在于，当所述支承件(7)被插入到所述基座(31)的所述导槽(32)中时，所述表面接触件(73)中的每一个与所述输入连接器(42)的对应的端子(42’)接触。
13.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述检测设备(1)包括电磁屏蔽装置(8)。
14.根据在从属于权利要求4时的权利要求13所述的检测设备(1)，其特征在于，所述屏蔽装置靠近所述一个或多个电子设备或者在所述一个或多个电子设备上布置，并且被连接到不同于所述模拟接地和/或所述数字接地的公共电位，优选地，所述公共电位被包括在1伏特和2伏特之间，更优选地等于大约1.65伏特，以便将屏蔽效应最大化，所述公共电位内部地用于所述处理通道(5)被集成在其中的所述一个或多个电子设备，用作所述检测设备(1)的所有其它电压的参考。
15.根据上述权利要求中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，所述处理模块(2)包括模拟接地和数字接地。
16.根据在从属于权利要求13或14中任一项时的权利要求15所述的检测设备(1)，其特征在于，所述电磁屏蔽装置(8)包括用于所述模拟接地和所述数字接地之间的连接的铁氧体，所述封闭壳(11)被连接到所述模拟接地。
17.根据在从属于权利要求2时的权利要求13至16中任一项所述的检测设备(1)，其特征在于，
所述输入连接器(42)和所述处理通道(5)的所述模拟部分通过所述印刷电路板(41)的内层上的模拟接地平面来封闭，所述模拟接地平面构成所述模拟接地或者被连接到公共电位，以及所述屏蔽装置(8)包括第一金属或法拉第笼(8)，以及
所述处理通道(5)的数字部分和所述处理器(6)通过所述印刷电路板(41)内的数字接地平面来封闭，所述数字接地平面构成所述数字接地，以及所述屏蔽装置(8)包括在所述印刷电路板(41)的上面和下面的第二法拉第笼。
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