CN107003230B - 用于光学检查小体积的液体样品的设备和其比色杯 - Google Patents

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Abstract

一种浊度计(590)，其使用透射通过样品和/或由样品散射的光的测量来测量低体积悬浮液的浊度。样品悬浮液放置在适于促进测量低体积样品的浊度的分层的比色杯(500)中。比色杯(500)的下部部分(540)在水平横截面中具有比顶部部分更小的尺寸。下部部分和上部部分二者均具有成角度的表面。通过浊度计(590)探测比色杯(500)的下部较小部分。

Description

用于光学检查小体积的液体样品的设备和其比色杯
相关申请的交叉引用
本申请案要求2014年9月29日提交的美国临时申请号62/056,911的申请日的权益，其公开内容由此通过引用并入本文中。
技术领域
背景技术
细菌培养物通常在专用的介质平板中生长。平板生成块状集落和一些隔离集落。隔离集落通常具有最纯形式的细菌，因为集落通常从有限数目的细菌生长并且与其它细菌生长隔离。通常期望测试最小数目的集落以确保样品纯度。然而，当前的实验室实践需要从介质收集细菌样品并且在包含相对大体积的流体的管中稀释样品。在流体悬浮液中获得足够浓度的细菌物质需要从介质平板采集大量细菌集落，以便制作悬浮液。一个缺点是此技术可能降低样品纯度。
一种方法是使用小流体体积(例如，200-500μL)从低细菌样品产量产生高度浓缩的悬浮液。当自动集落拾取系统用于采集样品和产生悬浮液时，这在机器自动化中是尤其重要的。例如，当生成悬浮液时，自动集落拾取机(picker)可能需要若干次经过介质平板以便拾取集落。如果拾取机从相对低数目的集落(例如，5个或更少)进行选择以便产生具有充分细菌浓度的悬浮液，则获得了最佳结果。此方法需要300μL或更少的悬浮流体体积。一个缺点在于难以测定具有高度浓缩的悬浮液的小流体体积中的细菌浓度。因此，对用于准确地测定小流体体积中的细菌浓度同时将样品自动地稀释至期望浓度的系统和方法存在需要。
可以通过测量培养物的浊度或“浑浊度(cloudiness)”并且随后将此测量值转换为细胞数目(CFU)来测定细菌浓度。估算样品的浊度的标准微生物学方法基于获得被称为麦氏值(McFarland value)的定量值。麦氏值是本领域技术人员熟知的并且在本文不详细地描述。麦氏标准物(McFarland standard)是用于使微生物学实验室、临床实验室和其它相似实验室中的培养物密度标准化的已知浊度的溶液。
通常通过仪器比如浊度计或密度计测定微生物悬浮液的浊度。仪器使其测量基于由光与悬浮液中的颗粒(一个或多个)的相互作用引起的光散射的物理原理。样品的浊度影响光的透射和散射，并且允许对透射通过样品的光的强度的测量。浊度计是用于通过使光以角度穿过样品和测量散射光的强度来测量样品的浊度的自动仪器。这样的测量基于小颗粒的稀悬浮液将散射由颗粒通过(不吸收)的光的原理。通过在30或90度角处收集光来测定散射量。
当前用于实验室的浊度计被设计以在圆形管/器皿内接纳样品。只要在使用之前清洁管或器皿并且针对每种各自的样品以相同的取向放置在设备内部，此实践就产生可接受的结果。对于浊度测定法，圆形管具有若干缺点。一个缺点是管不是一次性的，并且必须在再使用之前清洁，其带来交叉污染的风险。另一个缺点是通过圆形管的光程是更多变的，使得难以获得从样品到样品和管到管的光程一致性。
在几乎所有实例中，对于放置在用于测量浊度的浊度计内的每种样品，需要具有唯一配置的器皿。使用具有多种大小和形状的器皿可以对每种样品提供不一致的浊度读数。需要被设计以使器皿之中的测量值可变性最小化以及当光在穿过不同介质和在不同介质之间通过时使衍射和折射对光的影响最小化的设备和方法。
另外，大多数浊度计比如PhoenixSpecTM(Becton Dickinson)在其相关联的管中需要至少一(1)厘米(cm)的比色皿长度，并且因此不适用于非常小体积的微生物悬浮液，比如，例如，大约200或大约500微升(μL)的悬浮液。在标准试管(例如，15mL试管)中，低至大约500μL的悬浮液可以产生小于1cm的比色皿长度，其将不足以使用市售浊度计测量麦氏值。例如，较窄的试管可以用于将样品的高度增加至可检测的水平。然而，这样的试管通常不用于浊度计和/或密度计，因为这些仪器被设计以容纳特定大小和配置的试管。因此，需要可以允许快速和准确测量具有小于大约500μL并且优选地低至大约200μL的体积的悬浮液的浊度的设备和方法。另外，需要其中可以在器皿内纯化和稀释样品来估算浊度的设备和方法，其中器皿配置为稀释样品和提供对低样品体积的准确的和一致的浊度测量。
发明内容
本文描述的设备和比色杯协作以提供小体积样品的准确光学探测。如本文使用的光学探测是使光学信号透射入光学透明的比色杯内的样品。光学探测的实例包括光谱测定法和浊度测定法。在浊度测定法的方面描述本发明，但是本文描述的比色杯的方面适用且适于用于光学探测的其它装置。在一个实施方式中，根据本发明的设备和方法通过利用电子检测器/传感器和专用器皿提供了用于具有答约100μL至大约500μL的体积和该范围内的所有体积和范围的样品体积的微生物悬浮液的麦氏值的准确估算。在本文其它地方定义了小体积。检测器/传感器和浊度计协作以提供使用本文描述的检测器/传感器测量的所有样品的均匀的光程。本文描述的方法利用浊度测定法的原理，其测量通过样品的散射和/或透射光的量以提供浊度测量。
在描述的方法中，器皿的直径、体积和相对于光源在浊度计内的取向被选择以提供用于浊度测量的有利的样品池长度。根据本文描述的实施方式，直接在设计以测量样品浊度的自动系统或设备(即，浊度计)中放置的器皿内使生物样品与悬浮流体混合。在某些实施方式中，配置为接纳器皿(器皿具有多种大小、体积和比色皿长度)的容器的连续阵列连续地转位(index)通过设备。因为设备是自动的，所以便于在多种微生物环境、临床环境和实验室环境中使用。
根据本发明的设备是邻近专用比色杯/器皿——其使用来自LED或激光源的选定波长(一种或多种)的光进行照射——放置的电子传感器的布置。比色杯被设计用于探测小体积的样品(在本文其它地方定义)进行浊度测量。首先制备微生物悬浮液。随后将悬浮液引入器皿。在一个实施方式中，设备获得小体积器皿中的样品的浊度测量值，所述器皿使样品集中于其中探测样品的器皿的区域中。在一些实施方式中，器皿具有正方形或矩形配置。正因如此，器皿的壁彼此成大约90度角。此布置允许对壁厚度的更均匀控制，其减少器皿之中麦氏读数的可变性，如果从器皿到器皿的壁厚度变化较大则将产生所述可变性。并且，器皿的正方形形状允许光与器皿的表面平面成直角进入器皿。这减小了在探测光进入(或离开)器皿时其衍射或折射的量。
在本文描述的其它实施方式中，描述了自动浊度计设备，其具有基座、配置为接纳器皿的容器、散射检测器、透射光检测器、光衰减过滤器、光源和聚焦透镜。浊度计适于接纳具有低体积部分和较大体积稀释部分的器皿，浊度测定法测量从所述低体积部分进行，所述较大体积稀释部分被提供以允许将悬浮液稀释至期望浓度。适于由本文描述的浊度测定法设备接纳的器皿可互换地称为“器皿”或“比色杯”。在一个实施方式中，设备配置为一次接纳和处理一个器皿。在另一个实施方式中，设备具有滑动通道，其配置为接纳放置在线性容器内的连续系列的器皿。线性容器配置为具有孔，其被设计以接纳器皿。器皿可以接纳体积范围从大约200μL至大约500μL的液体样品。
在一个实施方式中，将样品悬浮液分配入单个器皿，并且通过浊度计单独地探测器皿。在处理样品悬浮液并获得麦氏值后，从浊度计移除器皿并且将新器皿放置在浊度计中用于评估。在此实施方式中，浊度计可以具有一个比色杯容器或多个比色杯容器。每个容器配置为如本文中描述的进行浊度测定法测量。在其中浊度计接纳一系列比色杯用于测量的实施方式中，提供一系列比色杯容器以促进若干悬浮液的并行的浊度测定法测量。
在可选的实施方式中，比色杯以二维阵列提供。比色杯的较窄的下部部分在阵列支座的下方延伸。阵列被放置在接纳阵列和单独检查每个比色杯的基座中。在一个实施方式中，阵列由机器人放置在基座中。
关于器皿或比色杯，在一个实施方式中，比色杯具有较窄的下部部分和较宽的上部部分。任选地，存在从较宽的上部部分到下部部分的锥形部分过渡。下部部分适于由浊度计接纳用于测量。上部部分和下部部分共享共同的轴线。在说明的实施方式中，两个部分是正方形或矩形，并且因此二者具有平的面。在一个实施方式中，上部部分的面的平面平行于下部部分中的面的平面。在另一个实施方式中，下部部分的面的平面以45度角与上部部分的面的平面相交。然而，本文预期的比色杯不需要具有矩形或正方形顶部部分。在其它实施方式中，根据需要，顶部部分可以是圆形或椭圆形。底部部分(通过其进行测量)出于在本文其它地方描述的原因需要是矩形或正方形。
在一个实施方式中，浊度计具有两个检测器，其同时捕获从悬浮液的颗粒——其被光学信号透射通过——透射和/或散射的光。侧向散射检测器被定位以接收与在比色杯上入射的光束成90度角的光。透射光检测器被定位以接收透射通过比色杯并且继续通过悬浮液的直接来自光源的光。在一些实施方式中，透射光检测器垂直于入射光束定位。在可选的实施方式中，透射光检测器与光源相对但是成角度定位，其减少了由检测器表面和周围结构引起的反射折射和衍射的影响。在一些实施方式中，光衰减过滤器定位在器皿与透射光检测器之间。在示例性实施方式中，部署聚焦透镜。聚焦透镜直接定位在光源的前方并且用于使光聚焦为沿着光程的窄光束。在一些实施方式中，光束通过孔口或一系列孔口(例如，两个孔口)校准。
本文描述的多种实施方式进一步提供了测量悬浮液的浊度的准确方法，其中所述悬浮液具有不足以被大多数浊度计或密度计装置读取的体积。本文描述的方法获得具有在约大200μL至大约500μL范围内的低体积的液体悬浮液的浊度估算值。本文描述的方法和设备也可以用于测量较高体积样品悬浮液的浊度。本文描述的方法进一步允许在根据本发明设计的器皿内自动稀释样品悬浮液。方法包括将悬浮流体放置入器皿，将疑似包含微生物的生物样品添加至悬浮流体，混合样品，并且测量样品的初始浊度。初始流体悬浮液的体积优选地是大约300μL或更小。以此方式，如果需要稀释，则稀释将不引起总体积超过大约3.6mL许多。也就是说，本文描述的设备和方法不限于测量仅仅小体积的浊度。如果初始样品悬浮液的浊度小于预定的目标浊度，则使用本发明的自动系统添加额外的悬浮流体以进一步稀释样品，并且针对稀释的悬浮液重复浊度测量。多种实施方式的方法使得能够与方法比如质谱法(例如，基质辅助激光解吸/电离-飞行时间质谱仪，MALDI-TOF)一起使用来测量样品的麦氏水平。
附图说明
为了帮助相关领域普通技术人员制作和使用其主题，参考附图。
图1A图解了低体积单比色杯浊度计的一个实施方式。
图1B是沿着图1A的线1-1的单比色杯浊度计的剖视图。
图2A是图1B的系列细节视图。
图2B是连续比色杯浊度计的透视图。
图3图解了用于连续系列比色杯浊度计的线性低体积多比色杯阵列/条带设计。
图4A图解了根据本发明的一个实施方式的比色杯。
图4B图解了根据本发明的可选的实施方式的比色杯。
图5是图解使用本文描述的浊度计制备样品的过程的一个实施方式的过程流程图。
图6图解了堆叠的比色杯。
图7是本发明的一个实施方式的透射光检测器路径的剖视图。
图8是本发明的一个实施方式的散射光检测器路径的剖视图。
图9是图7的实施方式的剖视图，但是图解了光源和透射光检测器。
图10是根据一个实施方式的浊度计的透视图。
具体实施方式
本文描述的实施方式提供了使用器皿测量液体悬浮液的浊度的自动方法，所述器皿配置为接纳和测量低样品体积还适应个别器皿内的悬浮液的稀释。公开的方法进一步允许使用常规器皿和设备测量具有不足以测量的体积的悬浮液中的浊度水平。本文描述的浊度测定法设备配置为集成入其中悬浮液稀释和浊度测量被自动化的系统。
本文的具体实施方式和权利要求内的所有数值由“大约”或“近似”指示值修饰，并且考虑了本领域普通技术人员将预期的实验误差和变化。
如本文所使用，“低体积”和/或“小体积”样品指的是具有大约100μL至大约500μL的体积和该范围内的所有体积和范围(即，大约100μL至大约200μL；大约100μL至大约300μL；大约100μL至大约400μL；大约200μL至大约500μL；大约200μL至大约300μL；大约200μL至大约400μL，大约300μL至大约500μL，大约300μL至大约340μL，大约400μL至大约500μL等)的样品。
如本文所使用，术语“液体悬浮液”和/或“液体样品”指的是分散于液体中的可溶和/或不可溶颗粒和/或固体物质的混合物。在一些实施方式中，液体样品是生物样品。生物样品的实例是本领域技术人员熟知的并且在本文不详细地描述。代表性实例包括生物组织、体内获得的流体、新鲜血液、全库存血液(whole banked blood)等。
如本文所使用，“比色杯”和/或“微量比色杯”和/或“低体积比色杯”和/或“LVC”和/或“样品器皿”或“器皿”是适合于接纳液体悬浮液的容器。容器优选地由光学透明塑料或玻璃制成，其被设计以在特定空间和曲线中持有测试样品用于测试或处理。
如本文所使用，“算法”是一个或多个数学指令，其用于操纵数据的值以基于数学值做出决定，并且随后产生表示期望输出的校准或较准确的数据值。
如本文所使用，“放大器”是电子电路，其用于取得较小的原始电子信号并且增加其幅度以产生表示原始信号的成比例更大的新信号。合适的放大器是本领域技术人员熟知的并且本文不详细地描述。
如本文所使用，“模/数转换器”或“A/D转换器”是能够取得可变电信号和将其变为表示原始信号的幅度的数字的电子装置。
如本文所使用，“稀释液”意思是通过将液体稀释剂添加至浓缩溶液或悬浮液产生的溶液或悬浮液，其导致新的悬浮液或溶液比原始溶液或悬浮液具有溶液或悬浮液中的更低的均匀浓度的样品。
如本文所使用，“激光器”或“激光二极管”是当施加电流时产生集中且聚焦的光束的电子装置。
如本文所使用，“光衰减过滤器”是放置入光程以在光通过过滤器时吸收和减少光量，从而导致通过过滤器的光具有比原始光源成比例低的强度的装置。
如本文所使用，“发光二极管”或“LED”是当施加电流时发射特定类型和取向的光的电子装置。
如本文所使用，“麦氏单位(McFarland)”是分散于流体或液体悬浮液中的固体颗粒的量的测量单位。
如本文所使用，“浊度计”是能够测量悬浮液中的固体颗粒的量的仪器。如本文所使用，“浊度测定法”指的是可以测量悬浮液中的悬浮固体的量的方法。
如本文所使用，“光电二极管”和/或“检测器”是用于测量给定环境中的光的强度的电子装置。
如本文所使用，“饱和的”和/或“饱和”是检测器已经达到其能够产生的输出信号的最大量的点。例如，在饱和之后将更多的光添加到光检测器不在已经达到其最大操作能力的检测器输出信号中产生任何进一步的改变。
如本文所使用，“悬浮液”是其中固体均匀地分布于液体中的溶液。
如本文所使用，“浊度”是溶液中悬浮的固体的量的测量值(即，液体样品的浑浊度)。
在下面描述的实施方式中，在配置为检测透射通过比色杯中的样品和被比色杯中的样品散射的光二者的装置方面描述设备。本文预期的是这样的装置和方法，其中仅仅由样品散射的光、仅仅透射通过比色杯中的样品的光，或二者被测量以测定浊度。在一些实施方式中，可以提供额外的光检测器至通向散射光检测器、透射光检测器之一或二者的光程的侧面。在其中光源是LED的那些实施方式中，由此额外的光检测器完成的测量用于控制回路以调节LED的功率并且维持一致的和可重复的光强度。使用这样的检测器控制LED输出，解决热漂移和补偿信号输出中的任何降级对本领域技术人员是熟知的，并且在本文中不详细地描述。
图1图解了使用浊度计和浊度测定法的原理测量液体样品的浊度的本文描述的一个实施方式的系统。样品系统被设计以容纳在浊度计基座100内放置的单个比色杯110，其具有悬浮流体120，如图1A中所示。系统还包含光源130、聚焦透镜170、侧向散射检测器140、透射光检测器150和光衰减过滤器160(图1B)。具有样品120的比色杯110在设备的中心处和浊度计基座100内定位。光源130、散射检测器140和透射光检测器150在比色杯110周围彼此成90度角定位。将散射检测器140紧密接近包含样品悬浮液120的比色杯并且平行于入射光源定位，使衍射、折射和反射对散射光的影响最小化。透射光检测器150与光源130成180度或与其相对定位。检测器150也可以垂直于入射光束或成不同的角度取向以减少从其表面的反射效应。光衰减过滤器160定位在比色杯110和透射光检测器150之间。用于测量浊度的系统检测以角度通过测试样品的散射和/或透射光。在此配置中，在器皿110内单独地处理样品悬浮液。
本发明预期使用适用于低体积浊度计的低体积器皿/比色杯(或微量比色杯)，其被设计以处理相对少量的生物和流体悬浮液。在示例性实施方式中，比色杯是由光学透明塑料模制而具有最低限度锥形侧面，所述侧面具有光学平滑抛光以在本文公开的浊度计内方便地取向。比色杯可以配置为用于单次使用应用的个体单元。在其中使用一系列比色杯制备悬浮液的实施方式中，比色杯可以配置用于这样的应用的线性阵列条带。可选地，比色杯可以配置用于矩阵阵列，其被设计用于同时处理多个样品。在矩阵实施方式中，并行地制备多个系列的悬浮液。图4A-B图解了适用于本文描述的浊度计的低体积比色杯设计的可选的实施方式。比色杯110具备具有小体积的下部部分410。在小体积部分中初始地制备悬浮液。悬浮液因此首先安置在比色杯的下部部分410内。接着，将疑似包含目标微生物(一种或多种)的生物样品添加至流体悬浮液和与其混合以提供测试样品悬浮液120。测量下部部分410中的悬浮液的浊度。使光130通过安置在下部部分410内的样品悬浮液120。测量设备配置为测量比色杯的下部部分410中的样品的浊度。下部部分410的下方是“大颗粒”收集区域420，其被设计以接纳从样品悬浮液沉降的大颗粒，否则其将不利地影响浊度计进行的浊度测量的准确性。低体积样品原本不具有足够的体积以允许颗粒污染物从由浊度计探测的悬浮液的部分沉降。例如，通过包含颗粒杂质的低体积悬浮液的光无法在悬浮液中的样品和杂质之间进行区分，并且可能产生不准确的麦氏值，其又将引起样品被不恰当地处理。例如，不准确的麦氏值可能告知错误的稀释。不准确的麦氏值可能引起样品在下游被处理(例如，通过AST或Maldi)，当已经知道真实的麦氏值时，则样品将不被进一步处理。即，真实的麦氏值将告知操作者样品不适合Maldi或AST。另外，样品中杂质的存在可能干扰被测试的样品的准确的浓度测量。根据本发明的比色杯提供了单独的收集区域420，其在通过下部部分410的直接光程之外。颗粒污染物沉降入收集区域420并且并不保留在样品悬浮液的测试区域中，其在下部部分410中发生。下部部分的比色皿长度在大约5.5mm的范围中，并且被设计以给低体积样品提供足够的比色皿长度，以获得充分的浊度测量。下部部分被设计为一旦测试样品悬浮液被制备即提供足够的比色皿长度，以便光通过样品和被检测器140和150捕获。优选地，下部部分410由高度抛光的光学材料或具有近似光学透明度的材料和本领域技术人员已知的其它光学透射材料制成。这样的材料允许光通过比色杯的下部部分的壁而无干扰。
本领域技术人员将了解，存在三个尺寸的设计自由度以配置比色杯的小体积部分。小体积的尺寸是主要的设计选择问题。在一个实施方式中，小体积部分的尺寸配置为接纳将把样品引入到比色杯的下部部分的装置(即拾取工具)。例如，并且不借助限制，比色杯的下部部分被设定尺寸以给3mm直径拾取工具提供充分的空间，以使其在下部部分内浸没且旋转，以便它不接触比色杯的侧面，所述接触产生将使比色杯的光学透明度降级的刮擦和表面畸变。
当然，下部部分的尺寸必须适应样品的光学检查。具体地，比色杯的下部部分被设定尺寸以与光学检查装置的光源和检测器一起工作。比色杯设计上的尺寸约束因此是将光学探测样品的装置的配置的函数。
下部部分410的上方是上部部分400，其用于稀释放置在器皿内的样品悬浮液以用于下游应用中的进一步处理。上部部分400具有比下部部分410大的宽度和长度。优选地，器皿的内部尺寸被设计以适应生物样品与悬浮流体的自动混合，以在需要时进一步在器皿内直接稀释测试样品悬浮液。在操作中，分层的器皿设计允许测量样品悬浮液的浊度，并且如果尚未达到目标浊度则进一步稀释样品和重复浊度测量。这样的配置允许实时地(即在样品正在被光学探测时)稀释样品。另外，分层的器皿设计使得可能测量低体积样品悬浮液(例如具有大约200μL至大约500μL的体积的悬浮液)的浊度，还具有适应样品稀释的较大体积的益处。
在示例性实施方式中，器皿是两层的比色杯。顶层具有近似正方形或矩形或圆形周长。顶部部分的几何配置基本上是设计选择问题。底层也具有近似正方形周长。比色杯从顶部至底部“收缩”，因为顶层具有比下部部分更大的尺寸(在水平横截面中)。比色杯的可选的形状也是预期的，只要比色杯的底部部分的壁彼此成角度(例如，比色杯不是圆柱形、椭圆形等)。已经发现，使比色杯的下部部分(即由浊度计接纳的部分)的壁彼此成角度定位(与圆形管相比)允许光学信号的较少像差以及测试样品的较好混合。在一个说明的实施方式中，上部部分400已经被选择以具有彼此垂直的四个侧面430，从而限定了正方形。下部部分410也具有彼此垂直的四个侧面440，不同的是侧面440的尺寸比侧面430更窄。较小的下部部分410配置为由浊度计基座和/或线性比色杯阵列接纳。比色杯的顶部具有用于接纳样品和稀释剂的开口450。上部部分和下部部分的侧壁430和440分别配置为平面表面。不受任何具体理论限制，认为平面表面使通过比色杯的表面的光的衍射和折射最小化。另外，比色杯/器皿的正方形配置允许光程与器皿的表面平面成直角通过并且进入样品悬浮液和器皿。此配置还使它进入和离开比色杯时光源130的衍射或折射的可能性最小化。
比色杯的多种配置是预期的。在一个实施方式中，比色杯的顶部部分至下部部分成锥形。顶部部分的拐角与下部部分的拐角对准，如通过直边缘401(图4A)可见。锥形边缘401界定较宽的上部部分400与较窄的下部部分410之间的过渡。在另一个实施方式中，上部部分400的边缘从下部部分410的边缘偏移，图4B中图解了偏移边缘402。例如，边缘402从顶部部分的边缘偏移45度。有利地，此配置允许当比色杯放置在浊度计基座内时光源和检测器布置在比色杯的任一侧上。具有边缘402的比色杯在线性阵列300内的放置允许更高效地输送比色杯通过浊度计，因为它们可以串行处理并且由浊度计接纳和测量而无需对比色杯进行额外的操纵。
如在下列实施方式中描述的操作用于测量浊度的比色杯/浊度计部件。比色杯110放置在浊度计基座100内。比色杯自动地或手动地放置在浊度计基座内。参考图5，初始悬浮流体(无微生物)放置在比色杯100内。流体体积是大约200μL至大约500μL。优选地，初始悬浮流体体积是大约300μL。如果需要稀释则可以将额外的流体添加至比色杯以获得规定的麦氏值。接着，将疑似包含微生物的生物样品添加至比色杯110并且与悬浮流体混合以产生测试样品悬浮液。本文描述的设备测量测试样品的初始浊度并且记录麦氏值。如果初始浊度读数过高，则通过添加额外的悬浮流体而进一步稀释样品悬浮液。稀释在一个实施方式中是自动的。上部部分允许悬浮流体的体积超过下部部分的体积。设备测量被稀释悬浮液的浊度。一旦获得预定的麦氏值，则处理悬浮液用于下游测试、储存悬浮液或丢弃悬浮液。可以根据需要多的次数稀释悬浮液，以便获得期望的麦氏值。
来自光源130的光探测安置在比色杯110内的悬浮液120(例如，测试样品)。照射在表面(例如，比色杯/器皿的平的侧壁)上的光在本文中被称为入射光。从悬浮液120的颗粒散射的光在本文称为散射光。入射光的一部分被比色杯表面反射。折射或透射光是入射光的透射通过表面(例如，比色杯/器皿的平的侧壁)的部分。
在操作中，透射光由透射光检测器150接收。在示例性实施方式中，透射光检测器150在入射光程上定位以最大化透射通过悬浮液的光的检测。在其中检测器150的表面为高度反射的实例中，检测器150可以被定位以使得检测器表面相对于光程轴线成微小的角度(非90度)定位。使检测器150成角度定位优化了透射光的检测而不使光反射回悬浮液120或将光引至浊度计的其它部分。由检测器收集的光的强度与悬浮液的浊度成比例。
光衰减过滤器160直接定位在透射光检测器150前方。过滤器使入射在检测器上的光的强度减少与入射光束的强度成比例的量。在示例性实施方式中，过滤器允许检测器150操作而不饱和，并且提供足够的检测器操作强度带宽以检测透射光的强度的轻微变化。
根据本发明的设备还测量散射光的量。放置散射检测器140，其检测表面平行于入射光程并且沿着比色杯的一个侧面。通过悬浮液样品的部分光被悬浮液中的颗粒散射。侧向散射检测器140收集散射光中的一些。检测器140收集的散射光的量提供与测试悬浮液120中的颗粒的量成比例的信号。测量悬浮液120的浊度的一种方法是通过本领域熟知的多种算法处理由散射检测器140收集的散射光的量。从散射检测器140收集的数据可以多种方式与从透射检测器150收集的数据组合。例如，可以物理地组合信号或数学地操纵检测器值以进一步增强初始信号的准确性和可靠性的方式来组合它们。信号或数据值可以被加法地、减法地、差分地等组合以提供表示组合信号的所得的信号。当以此方式组合检测器值的信号时，可能增强用于测量浊度的收集的数据的分辨率和准确性。有利地，从两个单独的检测器收集的数据(散射和透射数据)可以提供小体积样品的较准确的结果。双重测量在散射测量不足够的那些实施方式中是有利的。虽然申请人不希望保持于具体理论，但是在申请人看来，由于通过小体积的样品的光程的有限长度，透射光和散射光产生二者的测量都是较准确的。
在示例性实施方式中，散射检测器140和透射检测器150是标准的高效率光电二极管检测器。然而，也可以使用具有相似特性的其它检测器。合适的检测器包括跨越从紫外(UV)到红外(IR)的可见光光谱操作的那些。可以基于检测器的线性响应曲线、大小、结果再现性以及在低光条件内操作/检测光程和以可测量分辨率检测光强度的微小变化的能力来选择合适的检测器。实例包含光电二极管、光倍增管、雪崩检测器、太阳能电池、光电阻器、光传感器等。这样的检测器是市售的、本领域技术人员熟知的并且在本文不详细地描述。
在示例性实施方式中，光源是高强度发光二极管(LED)或二极管激光器。优选地，LED光的频率是大约650nm。优选地，检测器光的波长在红色频带(即大约620至750nm)内。然而，本领域技术人员可以使用不同频率的可见光下的探测光。任选地，聚焦透镜170(图1B)用于使光聚焦为窄光束(例如，直径大约3mm的光束)。聚焦透镜170定位在光源130前方。聚焦透镜170的使用使来自光源130的光集中于器皿/比色杯的样品区域410内并且使可从测试区域散射的光量最小化。本领域技术人员知道，在测试区域(即，比色杯的下部部分410)之外散射的光由于高的背景信号使散射不可用于测量样品浊度的目的。被聚焦的光随后从聚焦透镜170(未显示)通过而以垂直于比色杯的面的角度进入比色杯的下部部分410。垂直角度减轻了当光束从一种介质(例如，空气)通过至另一种介质(例如，比色杯的平的表面侧面)时发生的不希望的衍射和折射。在光朝向检测器140和150透射通过悬浮液时维持被聚焦的光束的路径。在其中光源是二极管激光器的实施方式中，可以不需要额外透镜来聚焦光束。这部分是由于提供准直且聚焦的光以探测悬浮液的激光器的性质。在其中光源是LED并且期望或需要光的准直或聚焦的实施方式中使用聚焦透镜或一系列孔口。
图3图解了适用于本发明的设备的一个实施方式的串联比色杯阵列/容器。串联比色杯阵列是沿着导向通道220移动的串联比色杯条带。LED光源130放置在引导条带300的导向通道220的一个侧面上。条带300与通道220可滑动地接合。条带300还包括方便堆叠、封装和装运的支架或其它结构530(图6)。条带300前进通过浊度计并且比色杯孔320定位在光源130与检测器140和150(未显示)之间用于处理。在处理完成后，线性条带300可以转位并前进至下一个比色杯，并且使用相同的浊度计对后续样品继续处理。可以基于个别用户的需要而储存或丢弃比色杯条带300。在此实施方式中，单个浊度计被设计以高效地处理多个样品而不需要移除个体比色杯和将它们替换为新的比色杯。线性比色杯条带300可以设计有多种比色杯形状、大小和配置。例如，取决于比色杯设计，条带300的孔320可以被设计为更深、更浅、更宽、更窄、更长、更短等。另外，孔可以跨越个别孔彼此附接，或个别地插入在彼此旁边定位的孔。
在一个实施方式中，比色杯条带是可堆叠的，并且可以取决于浊度计配置分离为个体比色杯或比色杯的线性条带。图6中图解了此实施方式。比色杯500由托架510承载。托架510具有平的表面，比色杯从平的表面悬置。平的表面被刻痕(未显示)以允许将比色杯分离为个体比色杯或比色杯的条带。可堆叠的比色杯还具有如上所述的支架530。注意，为了促进堆叠，比色杯500的下部部分540由较宽的上部部分550接纳。
图2图解了其中比色杯串行前进通过浊度计的实施方式。系统被设计用于以连续方式前进通过浊度计的一系列比色杯。如图2B中显示的，通过将比色杯的下部部分放置入通道220，可以将个体比色杯110直接放置在浊度计基座100内。可选地，可以首先将个体器皿110放置在线性器皿阵列300内，并且容纳多个器皿的线性阵列300(图3A)可以经由通过通道220被放置在浊度计内。在容器被分别地放置在浊度计基座内或放置在线性阵列内后，如上文所述在比色杯中制备悬浮液并且测量浊度。
容纳器皿的线性阵列(图2)的系统还包括光源130、聚焦透镜170、散射检测器140、透射光检测器150和光衰减过滤器160(如上文描述的图1B)。具有样品120的比色杯110在设备的中心处和浊度计基座100内定位。如上文所述，光源130、散射检测器140和透射光检测器150围绕比色杯110彼此成90度角定位。侧向散射检测器表面140平行于来自光源130的入射光束定位。将散射检测器140紧密接近测试样品120和平行于入射光源定位，使衍射、折射和反射对散射光的影响最小化。透射光检测器150与光源130相对定位，并且来自光源的入射光朝向透射光检测器传播。检测器150还可以垂直于入射光程或偏离垂直几度定位以减少从其表面的反射效应。光衰减过滤器160定位在比色杯110与透射光检测器150之间。
图7是显示光透射通过比色杯500的下部部分540的路径的浊度计的横截面。光源(570，图9)由浊度计590的比色杯容器580的一个侧面上的孔口575接纳。孔口575接纳光源。传感器600(图9)在与孔口575直接相对的孔口605中定位，比色杯540的下部部分定位于其间。浊度计具有盖620。
图8是显示光散射通过比色杯500的下部部分540的路径的浊度计的横截面。光源(570，图9)在浊度计590的比色杯容器580的一个侧面上。传感器630(图10)在正交于光源570的孔口635中定位，比色杯540的下部部分定位于其间。
图9是显示光透射通过比色杯500的下部部分540的路径的浊度计的横截面。光源570由浊度计590的比色杯容器580的一个侧面上的孔口575接纳。传感器600和比色杯500之间是光衰减过滤器640，其放置于透射检测器前方以将光强度减小至可用的水平，以便不使传感器饱和。孔口575接纳光源570和用于聚焦光学信号的透镜650。传感器600在与孔口575直接相对的孔口605中定位，比色杯540的下部部分定位于其间。
图10是显示用于光源570的孔口575、用于散射光传感器的孔口635和用于透射光传感器的孔口605的浊度计590的透视图。
在一个实施方式中，样品被安置在比色杯内并且当放置入浊度计时被个别地处理。在处理样品并获得麦氏值后，从浊度计移除比色杯并且替换为新的比色杯。在此实施方式中，独立地操作所述一个或多个浊度计。在可选的实施方式中，浊度计配置为将连续系列的比色杯递送至浊度计用于测量。线性比色杯通道220接纳个体比色杯孔320的条带300(图3B)。条带被输送通过浊度计，停止以便光学探测每个比色杯，进行如在本文其它地方详细描述的测量。
根据本发明的测量浊度的方法是自动的。可以进一步处理从测量收集的数据以生成有意义的结果。在这些实施方式中，来自检测器的信号被馈送至信号放大器。放大器输出被通信至模/数转换器电路，所述电路输出输入信号的数字表示，所述数字表示随后使用多种算法被处理以测定测量的值是否处于目标值下。如果测量的值高于目标值，则如上文所述的稀释样品，并且重新测量浊度。这样的重新测量可以由操作者手动地完成或以自动方式完成，其中比色杯被传送出浊度计用于稀释并且输送回浊度计用于另外的测量。使用多种生物和非生物样品的不同稀释和使麦氏值与悬浮液浓度关联来开发用于将信号处理为可用的输出的方法。这些数据随后用于产生使用算法被进一步分析的数据集，所述算法校正数据曲线的线性度和偏移以产生浊度值的代表性输出值，并且与目标值进行比较。重复此过程直到获得目标浊度。
虽然在本文已经参考具体的实施方式描述了本发明，但是应当理解，这些实施方式仅仅说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，在不背离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对说明性实施方式做出众多修改并且可以设计出其它布置。

Claims (28)

1.一种用于光学探测样品的设备，其包括：
用于光学信号的光源；
基座，其中具有比色杯容器，其中所述比色杯容器适于接纳比色杯，所述比色杯包括较窄的下部部分和较宽的上部部分，所述较窄的下部部分和所述较宽的上部部分包括多个侧壁，每个侧壁与相邻侧壁成角度，所述较宽的上部部分的周长大于所述下部较窄部分的周长，所述比色杯进一步包括从所述较宽的上部部分到所述较窄的下部部分的过渡区域，其中所述基座适于接纳所述过渡部分并与其相适应，所述基座适于定位所述比色杯，以使得所述光源被定位在所述基座的第一孔口中，所述第一孔口限定用于发射直接透射通过所述比色杯的所述较窄的下部部分的平的侧壁的光学信号的光程；
散射光检测器，其被定位在所述基座的第二孔口中以接收由所述比色杯的所述下部部分中的内含物散射的来自所述光源的所述光学信号，所述散射光检测器表面近似平行于从所述光源的光程定位；
其中所述光源和散射光检测器至少部分地安置在所述设备中的孔口中，并且其中所述基座具有光源。
2.根据权利要求1所述的设备，其包括：
通道，其配置为使线性系列的比色杯前进，每个比色杯被连续地前进至测量位置，其中所述比色杯的所述下部部分邻近于所述光源和散射光检测器用于测量。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备是浊度计。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备配置为接纳比色杯的阵列，所述比色杯的阵列配置为所述比色杯的所述下部部分从其悬置的托架。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括定位在所述基座的第三孔口中的透射光检测器和定位在所述比色杯和所述透射光检测器之间的光衰减过滤器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一孔口包括定位在所述光源和所述比色杯的所述较窄的下部部分之间的中间的聚焦透镜、孔口或一系列孔口中的一种。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述聚焦透镜、孔口或一系列孔口准直透射通过其的光。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源选自激光光源和LED。
9.根据权利要求5所述的设备，其中所述透射光检测器和所述散射光检测器二者彼此成90度角定位。
10.根据权利要求5所述的设备，其中所述散射光检测器和所述透射光检测器跨越从紫外(UV)到红外(IR)的可见光光谱操作。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述检测的光的波长在620至750 nm的范围内。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述比色杯是光学透明的。
13.一种用于光学探测样品的设备，其包括：
基座；
用于光学信号的光源，所述光源在所述基座的第一孔口中定位，使得所述基座限定来自所述光源的光程；
第一检测器，其在所述基座的第二孔口中定位以接收由样品散射的所述光学信号，所述样品安置在由所述设备接纳的比色杯中，其中所述设备具有容器，其适于接纳比色杯，其中所述容器和所述比色杯二者都具有较窄的下部部分和较宽的上部部分，所述较宽的上部部分的周长大于所述下部较窄部分的周长，并且其中所述较窄的下部部分和所述较宽的上部部分各自包括多个平的侧壁，每个侧壁与相邻侧壁成角度，所述比色杯进一步包括从所述较宽的上部部分至所述下部较窄部分的锥形部分，其中所述基座适于接纳所述锥形部分并与其相适应，所述设备进一步适于定位所述比色杯，使得所述比色杯的较窄的下部部分悬置在来自所述光源的光程中，以使得所述第一检测器检测由所述第一孔口透射的和由所述比色杯的所述较窄的下部部分中的所述样品散射的所述光学信号；
其中所述光源和第一检测器至少部分地安置在所述基座中的孔口中。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述设备是光谱仪。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述设备是浊度计，所述浊度计进一步包括第二检测器，所述第二检测器被定位在所述基座的第三孔口中以接收透射通过所述比色杯的所述下部部分中的所述样品的来自所述光源的所述光学信号，所述第二检测器表面具有近似平行于从所述光源至所述第一检测器的光程定位的表面。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述基座配置为接纳比色杯的阵列，所述比色杯的阵列配置为所述比色杯的所述下部部分从其悬置的托架。
17.根据权利要求15所述的设备，进一步包括定位在所述比色杯和所述第一检测器之间的光衰减过滤器。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述第一孔口包括定位在所述光源和所述比色杯的所述较窄的下部部分之间的中间的聚焦透镜、孔口或一系列孔口中的一种。
19.根据权利要求18所述的设备，其中准直透射至所述比色杯的光。
20.根据权利要求15所述的设备，其中所述光源选自激光光源和LED。
21.根据权利要求15所述的设备，其中所述第一检测器和第二检测器彼此成90度角定位。
22.根据权利要求15所述的设备，其中所述检测器跨越从紫外(UV)到红外(IR)的可见光光谱操作。
23. 根据权利要求22所述的设备，其中所述检测的光的波长在620至750 nm的范围内。
24.根据权利要求15所述的设备，其中所述比色杯是光学透明的。
25.一种用于测量样品的浊度的方法，其包括：
将至少一个比色杯与堆叠的比色杯分开；
给浊度设备提供分开的比色杯，所述比色杯包括较窄的下部部分和较宽的上部部分，所述较宽的上部部分的周长大于所述下部较窄部分的周长，使得第一比色杯的较窄的下部部分将适合在第二比色杯的较宽的上部部分，从而允许所述第一比色杯堆叠到所述第二比色杯上，其中所述较窄的下部部分和所述较宽的上部部分各自包括多个平的侧壁，每个侧壁与相邻侧壁成角度，所述比色杯进一步包括从所述较宽的上部部分至所述下部较窄部分的锥形部分，所述比色杯具有用于检查的样品，所述样品安置在至少所述下部较窄部分中；
在基座容器中接纳所述比色杯，其中所述基座容器与所述锥形部分相适应并且所述基座定位所述比色杯，以便所述比色杯的所述下部较窄部分的平的侧壁定位在由孔口或一系列孔口限定的从光源的光程中，所述光源通过所述孔口或所述一系列孔口发射仅引入所述比色杯的所述下部较窄部分的光；
使来自所述光源的光透射通过所述比色杯的所述下部部分的平的侧壁的沿着所述基座限定的光程的所述孔口或所述一系列孔口并进入所述比色杯的所述下部较窄部分；和
使用散射信号检测器检测由所述比色杯的所述下部部分中的内含物散射的来自所述光源的光学信号，所述散射信号检测器表面定位在与其中放置所述光源的孔口正交的孔口中，其中所述检测器表面近似平行于从所述光源的光程。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述比色杯定位在比色杯的阵列中，并且所述阵列被放置在所述浊度设备中，以便测量安置在每个比色杯中的样品的浊度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述比色杯的阵列是托架。
28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括准直引导至所述比色杯的所述下部较窄部分的光。
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