CN107615045A - 高灵敏度实时细菌监测器 - Google Patents

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Abstract

用于使用对从带有孔隙的有序阵列的基底衍射的光进行的光谱分析来监测样本中的细菌水平的系统，这些孔隙具有使目标能够进入它们的直径。所捕获的孔隙阵列被通过具有不同波长的光周期性地照射，并且通过二维检测器阵列，使从该孔隙阵列衍射的光成像，该阵列具有从每个相关孔隙接收光的一个像素或像素小组。帧的时间序列提供一系列图像，每个图像都来自不同波长的反射。来自与每个孔隙区域相关的一个或多个像素的信号的时间序列读数提供了来自该孔隙区域的反射光的光谱图。对来自这系列不同波长的光强度进行的光谱分析能够提取每个孔隙的有效光学厚度(EOT)。

Description

高灵敏度实时细菌监测器
技术领域
本发明涉及宿主溶液中的细菌检测的领域，特别是用于例如在流程工艺制造中对细菌水平进行实时评估中所使用的细菌检测。
背景技术
在名为“用于细菌监测的方法和设备”的国际公开文献No.WO 2014/155381中，描述了一种用于检测细菌和细胞浓度的设备和方法。图1中示出了使用在该公开文献中描述的方法和设备的系统的示意性说明。该系统结合有一种带有有序阵列的一系列孔眼(well)或孔隙的基底20，这些孔眼或孔隙具有与目标的尺寸相符的直径。该基底可以是一种利用宽带白色光源25照射的周期性的大孔硅阵列结构(MPSiAS)，该光源在基底上产生大照射点，从而照射基底的大部分。图1的附图示出了来自光源25并从基底的孔隙区域反射回到单个检测器26的单一射线，该单个检测器26在图1的示例系统中被定位在与光源单元相同的壳体中。将会明白的是，光学照射和检测系统覆盖了基底的所有部分或大部分。将要对其测量细菌含量的宿主分析物24在基本平行于阵列表面的方向中流过基底的表面21，并且宿主分析物中的细菌通过远离流动方向的随机运动进入基底的孔眼。对从整个基底或其相当大的一部分衍射的反射光进行检测26和光谱分析27、28，以便提供孔眼的有效光学深度。快速傅立叶变换分析28、29可被用于该光学分析，并且所反射的干涉光在检测到的有效光学深度处的振幅提供了孔眼的细菌填充因子的量度。通过孔眼的有效光学深度的变化来检测孔眼中的目标成分的进入。可以实时进行该检测，使得可以实现生产线细菌监测。
然而，该公开文献中所描述的设备具有多个运行缺点，由此，在合理的时间内可测量到的细菌的最低浓度受到限制。该设备已被证明能够进行活菌浓度低至约106个细胞/毫升的细菌检测。然而，食品工业和水产业的需求为低至100个细胞/毫升，甚至更低。这可能使该装置在商业上处于不利地位。
在WO 2014/155381中，由于液体样本在大孔硅阵列结构(MPSiAS)的表面上流过且基本平行于该表面流动，因此细菌可进入这些孔隙并且通过使用其运动性将它们自身主动地引导到空隙中而将它们收集在那里。对于平行于阵列的表面的流动方向，在没有任何外部影响(例如食物浓度)的情况下，细菌进入到孔隙中的运动仅通过细菌的自发运动来实现。在细菌改变方向(每约1秒发生一次)之前，已知这种自发运动被利用约为30μ的平均路径随机地引导。这意味着以与阵列的表面相距不止30μ的方式漂浮在溶液中的细菌将具有明显更低的进入孔隙的概率。
细菌进入到孔隙中的比率可通过下列等式计算：
S进＝∫Q(I)*P(I) (1)
其中，S进是进入到孔隙中的细菌的比率，
Q(I)是在与阵列的表面相距距离I处的细菌浓度，以及
P(I)是在距离I处的细菌进入孔隙中的概率。
从阵列表面处的I＝0到I＝∞取积分。
例如，如果细菌并未受到将为其提供移动所沿的提议方向的任何外部影响，即其运动是完全随机的，它将在给定方向中移动的概率是1/4π。位于尺寸为2μ×2μ的孔隙上方30μ的细菌进入该孔隙的概率因此会是
P(30μ)＝(2μ/30μ)2/4π (2)
然而，以与细菌进入到孔隙中相同的方式，它们也有机会离开孔隙，无论是通过随机地回流到位于孔隙外侧的液体流中，还是通过主动地将其自身移动出去。
细菌离开的比率通过以下给出：
S出＝∫Q'(I)*P'(I) (3)
其中，S出是孔隙排空的比率，
Q'(m)是孔隙中的在与孔隙的顶部相距深度m处的细菌浓度，
P'(m)是在深度m处的细菌离开孔隙的概率。
从阵列平面处的m＝0到m＝D取积分，其中，D为平均孔隙深度。
细菌的填充比率是：
S＝S进-S出 (4)
如在WO 2014/155381参考文献中所描述的光信号是介于被包括在光束内的来自所有孔隙的底面的宽带光和来自基底的位于孔隙之间的表面的宽带光的共同反射之间产生的干涉图案。当孔隙开始填充有细菌时，该共同反射图案从正好填充有样本溶液的EOT(n)孔隙的图案(其中，n是光束中所包括的孔隙数量)变化到：
EOT＝EOT'(m)+EOT(n-m) (5)
其中，EOT'(m)是来自填充有细菌的m个孔隙的反射。细菌占用的孔隙数量越多，EOT变化就越大，直到几乎所有的孔隙都被填充，并且并未预料到EOT的进一步改变。变化率与占用率S成比例，并且随着浓度Q降低而明显地降低。对于较低浓度，使用WO 2014/155381参考文献的设备，所得知的是，EOT的变化率是非常低的，以致于这在实践时间范围内不容易被检测到。使用该WO 2014/155381现有技术系统，由于检测过程的集成性质，导致在对从基底的整个照射区域反射的集成光进行的光谱分析中定量地检测出细菌浓度的变化之前，达到若干百分比的细菌填充系数可能是必需的。由于对诸如在食品生产线上之类的过程进行在线检测需要在低于102个细胞/毫升(这比通过WO2014/155381系统实现的检测水平低四个数量级或更多)的水平下并且在足够短以并不导致不必要的损耗的时间范围中对细菌浓度进行检测，因此，在应该对污染进行检测的情况下，通过现有技术系统提供的灵敏度水平对于这种用途可能是不够的。
因此，需要一种用于提高细菌的检测灵敏度并由此克服现有技术系统和方法的至少某些缺点的方法和设备。
在本专利说明书的本部分中和其它部分中所提及的每篇公开文献的公开内容被由此通过参引全部结合到本文中。
发明内容
本公开描述了用于使用对从带有孔眼或孔隙的有序阵列的基底所衍射的光进行的光谱分析来检测和监测样品中的细菌水平的新示例性系统，其中孔眼或孔隙具有被选择成使得目标可进入它们的直径。本公开首先呈现了用于与利用现有技术中(例如在WO2014/155381的系统中)所示的设备所获得的相比针对样本中的细菌的给定浓度提高细菌捕获率的方法和设备，这通过在本公开中所描述的四种方法来实现–
(i)瞄准宿主分析物的流动方向，使得它以不同于与阵列表面平行的入射角撞击所捕获的阵列孔隙。
(ii)将一层培养基添加到孔隙的底部，使得具有在其自身的推进力的作用下在食物源的方向中移动的能力的细菌将主动地移动到孔隙中，而非随机地进入。
(iii)通过使用选择性的膜滤光器以在远离孔隙入口的方向中引导宿主分析物，来于宿主溶液中的相比增大朝向孔隙流动的细菌的浓度，但阻止细菌在该方向中的行进，使得细菌在剩余分析物中以较高的浓度撞击孔隙入口。
(iv)垂直于基底的平面并横过满载细菌的分析物的流动路径的宽度施加电场，使得作用在细菌上的自然自带电荷上的场致使细菌优先地在基底的方向中移动，从而提高它们进入孔隙的机会。
然而，系统灵敏度的最为有效的提高在当前描述的系统中通过使用一种新型的光学检测构造而产生，在该新型的光学检测构造中，捕获的孔隙阵列被有序地且周期性地通过具有不同波长的光进行照射，并且在从孔隙阵列反射后接收到的光被引导到二维检测器阵列上，该二维检测器阵列利用从每个相关孔隙接收光的一个像素或像素小组使光成像。帧的时间序列随后提供一系列图像，每个图像都来自不同波长的反射。由此，从基底的每个孔隙区域反射的光的时间排序的输出表示来自那个区域的反射沿时间轴展开的光谱图，使得来自与每个孔隙区域相关的一个或多个像素的信号的时间排序的读数提供了来自该孔隙区域的反射光的光谱图。对来自针对每个像素或像素组的这一系列不同波长帧的光强度进行收集并且例如通过使用快速傅里叶变换对该光强度进行光谱分析能够提取每个孔隙的有效光学厚度(EOT)。被选择以针对每个像素或像素组实施光谱分析的连续帧的数量与顺序地用于照射该基底的单独波长的数目同步，并且因此与波长序列的周期时间同步，使得针对每个像素或像素组以及对于每个波长变化周期，每个光谱分析在改变波长的同一序列上发生。通过每个EOT的变化，可以获得每个孔隙中的细菌存在的百分比。通过独立于检测器阵列的不同像素或像素组来检测基本上每个孔隙的EOT，变得可能的是，基于各个孔隙的EOT的变化来检测细菌浓度的任何上升，这基本上早于使用WO 2014/1553 81参考文献中所示出的现有技术系统的情况，在注意到反射光谱中的将能够确定平均EOT的变化的任何变化之前，该现有技术系统必须等待基底的整个照射表面上的强度的集成变化。本公开的系统的新型光学构造由此明显不同于现有技术光学检测方法，在该现有技术光学检测方法中，宽的白光束被用于照射整个孔隙阵列或其相当大的部分，并且来自整个照射区域的合成干涉光谱被收集在单一检测器中，并且对光谱进行傅里叶变换以产生孔隙阵列的集成有效光学厚度与时间的标绘图，并且因此产生所捕获的细菌的浓度。
在如上所述的系统中，已经通过利用连续系列的不同波长来照射该基底，并利用可以是黑白阵列的二维成像阵列检测这些波长，获得了光谱分辨的光反射光谱。然而，在二维成像阵列上进行检测之前，可同样通过利用白光照射基底并在反射光上实施该时间排序的波长检测方案，获得时间排序的光谱图。在这种方案中，选择顺序检测的波长的波长滤光器设置在反射光光学路径中，最为便利地处于成像阵列的前部。波长选择部件的位置可由该系统的最为便利的结构布置来确定。波长选择器可以是旋转滤光轮或液晶可调谐滤光器或任何其它适用的可调谐波长滤光器部件。
因此，根据本公开中所描述的装置的示例性实施方案，提供了一种用于检测宿主分析物中的目标成分的方法，该方法包括：
(i)提供一种包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列的基底，孔隙中的至少某些具有使目标成分能够放置于其中的横向尺寸，
(ii)引导宿主分析物越过基底的表面，使得目标成分中的至少一钟可进入孔隙中的至少一个，
(iii)通过包含不同波长的光照射该孔隙阵列，
(iv)通过二维检测器阵列利用从相关孔隙接收光的一个像素或像素组使从孔隙阵列衍射的光成像，
(v)产生帧的时间序列，每个帧都来自不同波长的衍射，
(vi)从与孔隙区域相关的该像素或像素组产生信号的时间排序的读数，
(vii)对时间排序的读数进行光谱分析，以便能够确定相关孔隙的有效光学厚度。
在这种方法中，通过过滤照射以产生照射波长的序列，或通过过滤从该孔隙阵列衍射的光以产生检测到的波长的序列，可产生帧的时间序列，每个帧都来自不同波长的衍射。在这些情况中的任一种中，可通过滤光轮或可调谐液晶滤光器来实施该过滤。
在上述方法的其它实施方案中，可通过在来自与孔隙相关的该像素或像素组的信号的时间排序的读数上实施傅立叶变换来确定相关孔隙的有效光学厚度。
此外，在这些方法中的任一种中，在被引导越过基底的表面之前，包括目标成分的宿主分析物可被在与滤膜接触的流中加以引导，使得该流中的目标成分的浓度随着该流朝向基底的表面的穿过而增大，该滤膜使宿主分析物而非目标成分能够穿过其中。此外，包括目标成分的宿主分析物可被在一个方向中朝向基底的表面引导，使得它以基本上不同于掠射角的角度撞击该表面。
附加实施方案可涉及上述方法中的任一种，其中，孔隙设置有优先地吸引目标成分的物质，该物质被远离该基底的表面设置在孔隙中。
方法中的任一种都可进一步包括基本上垂直于基底的平面施加电场，使得携带电荷的任何目标成分都被优先地吸引以进入孔隙。最后，在上述方法中的任一种中，目标成分可以是细菌。
其它示例实施方案可涉及一种用于检测宿主分析物中的目标成分的系统，该系统包括：
(i)基底，其包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列，孔隙中的至少某些具有使目标成分能够放置于其中的横向尺寸，
(ii)用于引导宿主分析物越过基底的表面的流动系统，
(iii)产生包含不同波长的光的光源，该光源被设置成使得该基底位于照射的光路径中，
(iv)利用从相关孔隙接收光的一个像素或像素组使从基底衍射的光成像的二维像素化阵列，
(v)被设置在介于光源和检测器阵列之间的光路径中的可调谐滤光器，该滤光器从照射产生波长的时间序列，
(vi)帧记录系统，其被构造成产生像素化阵列的图像帧的时间序列，每个帧均在不同波长处被记录，
(vii)光谱分析仪，其被构造成从图像帧的时间序列中提取来自从相关孔隙接收光的像素或像素组的光谱信号序列，以及
(viii)适于通过光谱信号序列确定与该像素或像素组相关的孔隙的有效光学厚度的测量值的处理器。
在这种系统中，从照射产生波长的时间序列的可调谐滤光器可被设置在被入射到基底上的光的路径中或在从基底衍射的光的路径中。在任一种情况下，滤光器可以是滤光轮或可调谐液晶滤光器。
在上述系统的其它实施方案中，可通过在来自与孔隙相关的该像素或像素组的信号的光谱信号序列上实施傅立叶变换来确定相关孔隙的有效光学厚度。
此外，在这些系统中的任一种中，在被引导越过基底的表面之前，包括目标成分的宿主分析物可被在与滤膜接触的流中加以引导，使得该流中的目标成分的浓度随着该流朝向基底的表面的穿过而增大，该滤膜使宿主分析物而非目标成分能够穿过其中。此外，包括目标成分的宿主分析物可被在一个方向中朝向基底的表面引导，使得它以基本上不同于掠射角的角度撞击该表面。
附加实施方案可涉及上述系统中的任一种，其中，孔隙可包括优先地吸引目标成分的物质，该物质被远离基底的表面设置在孔隙中。
上述系统中的任一种都可进一步包括电极，这些电极用于基本上垂直于基底的平面施加电场，使得携带电荷的任何目标成分都被优先地吸引以进入孔隙。最后，在上述系统中的任一种中，目标成分可以是细菌。
本公开中所描述的另一方法可出于检测宿主分析物中的目标成分的目的，该方法包括：
(i)提供一种包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列的基底，孔隙中的至少某些具有使目标成分能够放置在其中的横向尺寸，
(ii)引导包括目标成分的宿主分析物越过基底的表面，使得目标成分中的至少一种可进入孔隙中的至少一个，
(iii)利用光照射基底的至少一部分，
(iv)利用二维像素阵列检测从基底衍射的照射，以便提供时间排序的光谱编码的一系列帧，每个帧都示出了处于连续时间间隔处的从基底衍射的照射，
(v)从时间排序的一系列帧产生用于该阵列的单独像素或预定像素组的反射光谱信号序列，以及
(vi)通过反射光谱信号序列确定与单独像素或预定像素组相关的那些孔隙的有效光学深度的测量值，
其中，通过过滤光以产生照射波长的序列，或通过过滤检测到的照射以产生检测到的波长的序列，来产生光谱编码。
此外，本公开的任一系统的替代实施方案可以是一种用于检测宿主分析物中的目标成分的系统，该系统包括：
(i)包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列的基底，孔隙中的至少某些具有使目标成分能够放置在其中的横向尺寸，
(ii)用于引导包括目标成分的宿主分析物越过基底的表面的流动系统，
(iii)光源，其被设置成使得基底位于由光源发出的光的路径内，
(iv)检测从基底衍射的照射的二维像素化阵列，
(v)被设置在介于光源和检测器阵列之间的光路径中的可调谐滤光器，该滤光器产生检测到的照射的波长的时间序列，
(vi)帧记录系统，其被构造成产生像素化阵列的图像帧的时间序列，每个帧均在时间序列的不同波长处被记录，使得这些帧示出了处于波长的时间序列的不同波长处的从基底衍射的照射，
(vii)光谱分析仪，其被构造成从图像帧的时间序列中提取用于阵列的单独像素或预定像素组的反射光谱信号序列，以及
(viii)适于通过反射光谱信号序列确定与单独像素或预定像素组相关的那些孔隙的有效光学深度的测量值的处理器。
附图说明
将从结合附图进行的下列详细描述更为充分地理解和了解当前要求保护的本发明，在附图中：
图1示出了如在国际公开文献No.WO 2014/155381中所示的现有技术系统的示意图；
图2示出了如何通过对准流动方向以便以一定角度撞击在该孔隙阵列的表面上来提高细菌含量对于孔隙阵列的影响的概率；
图3示出了用于通过在孔隙的底部处使用培养基层，在朝向孔隙的优选方向中建立细菌的运动的另一实施方案；
图4示意性地示出了一种通过增加在越过孔隙的入口流动的分析物流体中的细菌的有效浓度，使用滤膜以增加在孔隙中捕获细菌的概率的装置；
图5是一种用于使用用于照射样本的顺序扫描的波长源进行细菌监测的完整的光学检测系统的示意图；以及
图6是示出了可如何使用对来自阵列像素的时间变化的反射干涉光进行的分析，以便确定各个孔隙的EOT，并由此确定正监测的溶液的细菌浓度的示意图；以及
图7示出了图5中所示的细菌监测系统的简洁实施方案。
具体实施方式
现在参考图1，其示出了一种例如在国际公开文献No.WO 2014/155381中所描述的系统之类的现有技术系统。在本发明的背景技术部分中已经给出了该系统的结构的细节。光学上，宽带白色光源照射该阵列，并且零级反射光被从该阵列的宽广区域收集并被从检测器元件26引导到分光计。该分光计将光转换成与包括在入射光中的每个波长的强度成正比的一组电信号。检测到的光是来自光束下的所有孔隙的反射光的组合。由细菌占据的孔隙百分比以与光束下的孔隙的总数量成比例地改变了EOT信号的强度。在注意到EOT的明显改变之前，需要等待直到至少几个百分比的孔隙由于细菌种群而改变它们的反射图案。
现在参考图2，其示出了根据第一示例性布置结构，如何通过对准流动方向22以便以远离图1的现有技术实施方案中所使用的掠射角的角度撞击在孔隙阵列的表面上，使得涂改了细菌进入到孔隙中的概率，来提高细菌含量对孔隙阵列的影响的概率。在图2的实施方案中，细菌进入到孔隙中可不仅通过其自身的运动性，也通过迫使其撞击在孔隙上并进入到孔隙中的分析物的流动方向22来实现。该流动应该是足够慢的，使得在细菌可通过流动力而被再次扫出孔隙之前，孔隙内的溶液流将保持适中以允许细菌附接于孔隙的壁。孔隙内侧的速度应小于30μ/秒，这是细菌自发运动速度的数量级。
现在参考图3，其示出了用于在朝向孔隙的优选方向中形成细菌的运动的另一实施方案。众所周知，非中性溶液中的细菌的运动可被用于促使细菌朝向或远离溶液的具有较高浓度的某些化学物质的部分运动。该运动被称为化学趋化运动(Chemotaxing)。例如，就细菌培养基(其为被细菌用作食物的物质)的浓度梯度而言，细菌运动将并非在所有方向中是完全随机的，而是细菌将倾向于朝向培养基的更高浓度移动。就对细菌具有中毒效应的物质而言，观察到了远离高浓度的优选方向的运动。
图3示出了一种方法，通过该方法，该效应可被用于通过在孔隙23中形成培养基的高浓度，而形成细菌的朝向该阵列的优选运动。在孔隙的底部处，例如通过使孔隙延伸穿过其底端并将一层培养基30定位在基底20的下方来提供一层培养基物质，如图3中所示。培养基层30可被定位于仅单一直径孔隙的底部，或可使用从孔隙23的底部到阵列基底20的底部具有微通道31的阶梯式孔隙结构。这可很容易地通过孔隙蚀刻工艺之外的附加蚀刻步骤来实现。将孔隙阵列基底20定位在包括培养基物质30的附加基底的顶部上将致使培养基从培养基基底扩散32到孔隙中，从而使孔隙培养基富有营养成分。位于阵列上方的溶液中的细菌现在将具有动力以朝向阵列移动到孔隙中。细菌朝向阵列移动的概率P(I)现在比它们远离阵列移动的概率高，并且另外，在细菌改变方向之前的一段线性运动的长度也基本上较长。
现在参考图4，其示意性地示出了用于通过提高流过孔隙的入口的分析物流体中的细菌的有效浓度来提高将细菌捕获在孔隙中的概率的另一实施方案。在图4的分析物单元(analysis cell)中，使用特定的过滤系统以便在宿主分析物将撞击在孔隙阵列的顶部上的方向中引导细菌浓度增大的宿主分析物，同时允许宿主溶液本身(被称为渗透物)优先地在另一方向中移动，从而避免在基底上通过，使得朝向基底移动的分析物(被称为渗余物)的细菌含量随着分析物本身被朝向基底过滤出该流体而增大。
参考图4，溶液40穿过装置图的左手侧上的进入端口41进入，穿过MPSiAS的有孔基底20的表面，并穿过该装置图的右手侧上的出口端口42离开该装置。入口流体被沿通道43朝向有孔基底向下引导。通道43可逐渐变细，使得通道的断面收缩致使溶液的压力增大。溶液穿过其中的通道43的包层(envelope)包括允许溶液的分子穿过44但阻止细菌通过的滤膜，细菌朝向MPSiAS 20继续向下行进。因此，首要(Primate)溶液往往使从输入端口到输出端口穿过该装置的路径短路47，从而在通过其来实施光学照射和检测的中心开口45的周围流动，并且这样一来增加了渗余物溶液的细菌浓度，该渗余物溶液继续沿输入通道43向下流过有孔基底20的表面。当最终到达有孔阵列20时，溶液中的细菌浓度可以是比进入该装置的溶液40的浓度高的数量级，从而通过增加相同的浓度比，提高了进入孔隙的细菌的概率。
数值示例定量地示出了这一效应。假设该单元位于该阵列上方的高度为0.1mm，并且阵列宽度为10mm，则位于该阵列上方的流体的横截面积为1mm2。如果入口被设计成使得流过输入端口的溶液的横截面积是100mm2，则通过使用适当的膜设计(孔隙尺寸和表面积)，在到达该阵列之前，细菌浓度可提高两个数量级，从而将该装置的检测灵敏度同样提高两个数量级。
现在参考图5，其是用于对宿主溶液进行细菌监测的完整的光学检测系统的示意图。该系统与WO 2014/155381现有技术中所示的系统的不同之处主要在于，在光源25中产生的白色光的宽带光源光束50穿过旋转中的滤光轮51或用于产生顺序变化的波长光束的任何其它可调谐的滤光器装置。可顺序变化的波长光束可被穿过分束器52朝向阵列20引导。来自所有孔隙的零级反射光被向后引导穿过分束器并在CCD阵列53上成像，该DDC阵列53可以是“黑白”检测器阵列。在CCD上接收到的帧(frame)现在是在选定波长下的阵列上的每个点的干涉反射的二维映射图。所使用的CCD可便利地是一种具有1或多兆像素并且具有几十赫兹的刷新率的可广泛使用的常规阵列，尽管将会明白的是，这些值并不旨在限制本发明的范围，而是仅表示当前容易获得的低成本技术。在帧栈式存储器54中存储帧并利用每个新波长来重复该操作产生来自该阵列的反射的二维图像的帧的时间设置，不同波长处各有一个时间设置，如由样本帧图像55、56、57所示，每个时间设置分别表示处于连续时间间隔下的二维阵列图像，不同的照射波长存在于每个连续的时间间隔处。对图像进行处理并收集每个像素在不同波长处的反射产生了所有像素的光谱的三维阵列，二维是每个帧中的像素的二维阵列，而第三维度为时间尺度，在该时间尺度上，帧序列被存储在帧栈式存储器54中。
由于每个像素已经从阵列的单一点收集到了光谱，因此从该特定像素产生的EOT的变化表示该阵列的相应孔隙区域处的变化。可能的是，对光学器件进行设计，使得它将表示小组孔隙，一直到每个像素一个孔隙。在一个孔隙中捕获一个细菌现在来自仅几个像素的区域的共同反射率方面产生巨大变化，就每个像素一个孔隙的情况而言，甚至为100％。应该注意到的是，用于通常被监测的细菌的孔隙尺寸与通常可用的CCD或CMOS成像阵列的像素间距具有相同的数量级，标准像素为约7μ×7μ，而用于这种细菌的适当孔隙尺寸为约2μ-4μ，并且孔隙之间的空隙同样为3μ-5μ。因此，可能的是，在成像路径中插入放大光学器件，并且使一个孔隙在一个或若干个像素上成像或使一个像素成像若干个孔隙。
在基底上入射的照射光束是白光且光谱解码被通过定位在照射光的反射路径中的滤光器来实施的实施例中，滤光轮51或替代的可调谐滤光器装置可被定位在CCD检测器阵列53的前方，而非定位于光源25的输出端，如图5的实施方案中所示。
现在参考图6，其为示出了可如何使用对于来自2D成像阵列的像素的时间变化的反射干涉光进行的分析，以便确定各个孔隙的EOT，并由此确定正被监测的溶液的细菌浓度的示意图。从有孔基底20反射的光61撞击在诸如CCD之类的2-D成像阵列的像素上。为了解释信息提取过程，像素都被根据它们的列和行以下标标记如下：11、12、13…；21、22、23…；31、32、33…；等等。每个像素的时间序列输出被通过由该像素测量到的光强度的阵列表示为时间的函数，如由强度/时间图表的集合62所示，每个曲线将该阵列的单一像素的时间相关的输出表示如下：对于整个阵列，I11、I12、I13…；I21、I22、I23…；等。这些时间相关的时标绘图中的每一个因此表示每个像素的光谱输出，这是因为所检测的波长是每个波长扫描周期中流逝的时间的直接函数。因此，如果在帧栈式存储器中收集到每个时间序列输出帧，则可对各个像素强度/时间表(其表示来自每个孔隙区域的光谱强度输出)进行分析，以提供由每个像素成像的孔隙区域的EOT，如由EOT的集合63示出如下：EOT11、EOT12、EOT13…；EOT21、EOT22、EOT23…；等等。
周期性地顺序变化的波长照射光束的结果因此导致一系列的反射的零级干涉信号，每个信号来自一个像素，每个信号都具有与输入照射相同的时间变化的波长序列。现在对于每个像素都给出呈时变光谱迹线形式的干涉光谱，并通过顺序地存储来自每个单独像素的信号输出，针对来自入射照射的干涉图案的每个像素获得一个光谱迹线。被存储以产生单一光谱迹线的顺序帧的数量与滤光轮的旋转同步，或在使用了另一类型的时变滤光器的情况下，与所使用的波长周期同步。例如通过傅里叶变换对来自每个像素的时间迹线进行光谱分析能够分别获得用于每个像素的EOT值。
该方法和WO 2014/155381现有技术的方法之间的区别是，在现有技术中，对于从整个孔隙阵列以及从整个光源光谱收集到的光在单一时刻反复地实施光谱分析，而在当前设备中，在变化输入的照射波长的时间周期上，在对从时间选定的帧序列积累的光谱上实施光谱分析。表示2D图像的每个像素的EOT变化的合成输出现在表示在该特定像素上成像的孔隙或孔隙组的占用率的变化。将清楚地描绘了由于细菌对特定孔隙的反射方面的影响所导致的在一个孔隙中捕获细菌的单一事件。现在，利用单一孔隙的EOT变化的大量测量值来代替大量孔隙的组合EOT变化的一个测量值。因此，与现有技术系统的106个细胞/毫升相比，现在可以检测小于100个细胞/毫升的细菌浓度。
由于当前使用的常见CCD阵列的帧率为约30赫兹，并且对每个像素进行的处理可由此在若干毫秒内完成，因此具有通常30种不同测量波长的完整波长标绘图可在1秒内完成。实际上，信噪比限制并不能够在通常为一秒的单一波长周期上实施有用的信号分析，并且需要约一分钟的积累时间以获得足够好的信号水平，从而进行低至100个细胞/毫升的可靠的细菌浓度测量。
最后，现在参考图7，其示出了图5中所示的细菌监测系统的特别简洁的实施方案。在该系统中，光学部件被装配在流动池70的顶部上，以致于使该监测系统的尺寸最小化。光源71通过液晶可调谐滤光器72投射其光束并且从这里通过分束器73投射到流动池70上，该液晶可调谐滤光器是一种没有移动零件的非常小型的可调谐滤光器。从流动池70内的孔隙反射的光谱编码光由分束器73通过成像透镜布置结构74引导到CCD检测器阵列75上。所有的这些光学部件可被便利地安装在流动池本身的顶部上的小体积中。最后，电场可被例如通过在流动池的顶表面76和底表面77上安装电极而越过流动池施加，以便增强带电细菌进入基底的孔隙的概率。
本领域技术人员了解到的是，本发明并不受限于上文中已经具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文中所描述的多种特征的组合和子组合以及对其进行的本领域技术人员在阅读上述说明时会设想到的且并非处于现有技术中的变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于检测宿主分析物中的目标成分的方法，所述方法包括：
提供一种基底，所述基底包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列，所述孔隙中的至少某些具有使所述目标成分能够放置于其中的横向尺寸；
引导所述宿主分析物越过所述基底的所述表面，使得所述目标成分中的至少一种能够进入所述孔隙中的至少一个；
通过包含不同波长的光照射孔隙阵列；
通过二维检测器阵列利用从相关孔隙接收光的一个像素或像素组使从所述孔隙阵列衍射的光成像；
产生帧的时间序列，每个帧都来自不同波长的衍射；
从与所述孔隙区域相关联的所述一个像素或像素组产生信号的时间序列读数；以及
对所述时间序列读数进行光谱分析，以便能够确定所述相关孔隙的有效光学厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过过滤所述照射光以产生照射波长的序列，或通过过滤从所述孔隙阵列衍射的所述光以产生检测到的波长的序列，产生帧的所述时间序列，每个帧都来自不同波长的衍射。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过滤光轮或可调谐液晶滤光器来实施所述过滤。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过在来自与所述孔隙相关的所述一个像素或像素组的信号的所述时间序列读数上实施傅立叶变换来确定所述相关孔隙的所述有效光学厚度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在被引导越过所述基底的所述表面之前，包括所述目标成分的所述宿主分析物在与滤膜接触的流中被引导，使得所述流中的所述目标成分的浓度随着所述流朝向所述基底的表面的穿过而增大，所述滤膜使所述宿主分析物而非所述目标成分能够穿过其中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，包括所述目标成分的所述宿主分析物被在一个方向中朝向所述基底的所述表面引导，使得它以基本上不同于掠射角的角度撞击所述表面。
7.根据所述前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述孔隙设置有优先地吸引所述目标成分的物质，所述物质被远离所述基底的所述表面设置在所述孔隙中。
8.根据所述前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括基本上垂直于所述基底的平面施加电场，使得携带电荷的任何目标成分都被优先地吸引以进入所述孔隙。
9.根据所述前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述目标成分是细菌。
10.一种用于检测宿主分析物中的目标成分的系统，所述系统包括：
基底，所述基底包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列，所述孔隙中的至少某些具有使所述目标成分能够放置于其中的横向尺寸；
流动系统，所述流动系统用于引导所述宿主分析物越过所述基底的所述表面；
光源，所述光源产生包含不同波长的光，所述光源被设置成使得所述基底位于所述照射的光路径中；
二维像素化阵列，所述二维像素化阵列利用从相关孔隙接收光的一个像素或像素组使从所述基底衍射的光成像；
可调谐滤光器，所述滤光器被设置在介于所述光源和所述检测器阵列之间的所述光路径中，所述滤光器从所述照射中产生波长的时间序列；
帧记录系统，所述帧记录系统被构造成产生所述像素化阵列的图像帧的时间序列，每个帧被在不同的波长下记录；
光谱分析仪，所述光谱分析仪被构造成从图像帧的所述时间序列中提取来自从所述相关孔隙接收光的所述一个像素或像素组的光谱信号序列；以及
处理器，所述处理器适于通过所述光谱信号序列确定与所述一个像素或像素组相关的孔隙的有效光学厚度的测量值。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，从所述照射产生波长的时间序列的所述可调谐滤光器被设置在入射在所述基底上的光的路径中或在从所述基底衍射的光的路径中。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述滤光器是滤光轮或可调谐液晶滤光器。
13.根据权利要求10到12中的任一项所述的系统，其中，所述相关孔隙的所述有效光学厚度被通过在来自与所述孔隙相关的所述一个像素或像素组的所述信号的所述光谱信号序列上实施傅立叶变换加以确定。
14.根据权利要求10到13中的任一项所述的系统，其中，包括所述目标成分的所述宿主分析物在被引导越过所述基底的所述表面之前，被在与滤膜相接触的流中进行引导，使得所述流中的所述目标成分的浓度随着所述流朝向所述基底的所述表面的穿过而增大，所述滤膜使所述宿主分析物而非所述目标成分能够穿过其中。
15.根据权利要求10到14中的任一项所述的系统，其中，包括所述目标成分的所述宿主分析物被在一个方向中朝向所述基底的所述表面引导，使得它以基本上不同于掠射角的角度撞击所述表面。
16.根据权利要求10到15中的任一项所述的系统，其中，所述孔隙包括优先地吸引所述目标成分的物质，所述物质被远离所述基底的所述表面设置在所述孔隙中。
17.根据权利要求10到16中的任一项所述的系统，其中，所述系统进一步包括电极，所述电极用于基本上垂直于所述基底的平面施加电场，使得携带电荷的任何目标成分都被优先地吸引以进入所述孔隙。
18.根据权利要求10到17中的任一项所述的方法，其中，所述目标成分是细菌。
19.一种用于检测宿主分析物中的目标成分的方法，所述方法包括：
提供一种基底，所述基底包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列，所述孔隙中的至少某些具有使所述目标成分能够放置于其中的横向尺寸；
引导包括所述目标成分的所述宿主分析物越过所述基底的所述表面，使得所述目标成分中的至少一种能够进入所述孔隙中的至少一个；
利用光照射所述基底的至少一部分；
利用二维像素阵列检测从所述基底衍射的照射，以便提供时间排序的光谱编码的一系列帧，每个帧都示出了在连续的时间间隔处的从所述基底衍射的所述照射；
从所述时间排序的一系列帧产生用于所述阵列的单独像素或预定像素组的反射光谱信号序列；以及
通过所述反射光谱信号序列确定与所述单独像素或预定像素组相关的那些孔隙的有效光学深度的测量值，
其中，通过过滤所述光以产生照射波长的序列，或通过过滤检测到的所述照射以产生检测到的波长的序列，来产生所述光谱编码。
20.一种用于检测宿主分析物中的目标成分的系统，所述系统包括：
基底，所述基底包含形成在其表面中的孔隙的有序阵列，所述孔隙中的至少某些具有使所述目标成分能够放置于其中的横向尺寸；
流动系统，所述流动系统用于引导包括所述目标成分的所述宿主分析物越过所述基底的所述表面；
光源，所述光源被设置成使得所述基底位于由所述光源发出的光的路径内；
二维像素化阵列，所述二维像素化阵列检测从所述基底衍射的照射；
可调谐滤光器，所述滤光器被设置在介于所述光源和所述检测器阵列之间的所述光路径中，所述滤光器产生检测到的所述照射的波长的时间序列；
帧记录系统，所述帧记录系统被构造成产生所述像素化阵列的图像帧的时间序列，每个帧被在所述时间序列的不同波长处记录，使得所述帧示出了处于波长的所述时间序列的不同波长处的从所述基底衍射的所述照射；
光谱分析仪，所述光谱分析仪被构造成从图像帧的所述时间序列中提取用于所述阵列的单独像素或预定像素组的反射光谱信号序列；以及
处理器，所述处理器适于通过所述反射光谱信号序列确定与所述单独像素或预定像素组相关的那些孔隙的有效光学深度的测量值。
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