CN110118757B - 用于共聚焦式led诱导荧光检测的光源补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法及装置，其中，方法包括：获取微流控生物芯片扫描信号和LED光源波动信号；建立坐标系，利用负指数分布拟合LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号；提取微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号、检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号；计算微流控生物芯片初步检测结果，获取光源补偿因子，以修正微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果。该方法可以有效提高检测的准确性、稳定性、一致性和重复性。

Description

用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及光源补偿技术领域，特别涉及一种用于共聚焦式LED(Light EmittingDiode，发光二极管)诱导荧光检测的光源补偿方法及装置。
背景技术
微流控技术在化学、生命科学、医学和临床诊断等领域的应用十分广泛。微流控生物芯片由加样腔、流速调节器、流道、检测区、质检区和废液池组成，其中，检测区和质检区位于流道之中。微流控生物芯片的检测方法主要有电化学、质谱和LED诱导荧光等。电化学检测具有灵敏度高、体积小、装置简单及成本低等优点，但是要求被检测物质有电化学特性而且重现性较差，适用面较窄。质谱检测能够提供试样组分中生物大分子的基本结构和定量信息，但是质谱检测仪器体积庞大、价格昂贵。LED诱导荧光检测具有灵敏度高、信噪比高、选择性好及线性范围宽等优点，已成为微流控生物芯片的主要检测手段。
LED诱导荧光检测分为扫描式和非扫描式。非扫描式LED诱导荧光检测利用CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)分别采集微流控生物芯片检测区图像和质检区图像，以检测区图像灰度与质检区图像灰度之比表示检测结果，但由于CCD灵敏度的限制，非扫描式LED诱导荧光检测灵敏度和精度较低。扫描式LED诱导荧光检测利用光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管等光电探测器对微流控生物芯片进行扫描测量，扫描过程为“流道-检测区-流道-质检区-流道”，以检测区扫描信号的面积与质检区扫描信号的面积之比表示检测结果，其灵敏度和精度较高，已被广泛应用。
LED诱导荧光检测的光路结构分为共聚焦式和非共聚焦式。非共聚焦式LED诱导荧光检测具有结构简单和易于集成化等优点，但激发光和背景杂散光对检测精度影响较大。在共聚焦式LED诱导荧光中，LED发射出来的激发光，经滤光片滤除杂散光，再由二向色镜反射至物镜，物镜将激光束聚焦在检测点上。标记有荧光染料的被测物经过检测点时在激发光的激发下产生荧光，荧光由同一物镜捕获后变成平行光，通过二向色镜和滤光片，滤除荧光以外的杂散光，被聚焦透镜聚焦至光阑，最后被光电探测器检测。光阑与聚焦在检测点的激发光斑点同处在光路的两个共扼焦点上，只有激发光焦点处产生的荧光才能通过光阑被检测，可大大减少检测点以外区域产生的背景杂散光。但LED光源的不稳定性会造成检测结果的一致性和重复性较差，故光源补偿对共聚焦式LED诱导荧光检测至关重要。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，该方法具有准确、稳定和快速等优点，可以有效提高检测的准确性、一致性和重复性。
本发明的另一个目的在于提出一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，包括以下步骤：步骤S1：提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，所述荧光信号探测器和所述参考光信号探测器使用光电二极管模块；步骤S2：通过所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同；步骤S3：建立坐标系，利用负指数分布拟合所述LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号；步骤S4：在所述坐标系下，提取所述微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取所述检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号；步骤S5：在所述坐标系下，以所述检测区扫描信号的面积和所述质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用所述检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正所述微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果。
本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，通过基于LED光源的变化趋势对微流控生物芯片的检测结果进行补偿，并且避免了因LED光源的驱动电流、工作温度及本身特性造成的LED光功率衰减和不同LED之间的差异性对检测结果的影响，有效提高共聚焦式LED诱导荧光检测的一致性、重复性和准确性。
另外，根据本发明上述实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述步骤S2中，所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，所述微流控生物芯片扫描信号的强度F与所述激发光的强度I满足以下关系：
Figure BDA0001569842720000021
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；
Figure BDA0001569842720000022
为所述荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；c为所述微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述步骤S3中，所述坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合所述LED光源波动信号，以获取在所述坐标系下的LED光源变化趋势信号，所述LED光源波动信号随时间成负指数分布，且所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (2)
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (3)
其中，k2位所述参考光信号探测器的光电转换率；m为所述二向色镜的反射率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述步骤S4中，在所述坐标系下，所述检测区扫描信号的时间长度与所述质检区扫描信号的时间长度相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述检测区扫描信号的起始时刻相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述检测区扫描信号的结束时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述质检区扫描信号的起始时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取所述峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的检测区大小有关，记其起始时刻为t1，记其结束时刻为t2，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取所述峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的质检区大小有关，记其起始时刻为t3，记其结束时刻为t4。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述步骤S5中，在所述坐标系下，所述微流控生物芯片初步检测结果
Figure BDA0001569842720000031
为：
Figure BDA0001569842720000032
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；I为所述激发光的强度；
Figure BDA0001569842720000033
为所述荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；cT为所述微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为所述微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为所述检测区扫描信号的起始时刻；t2为所述检测区扫描信号的结束时刻；t3为所述质检区扫描信号的起始时刻；t4为所述质检区扫描信号的结束时刻；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(4)，得
Figure BDA0001569842720000041
其中，k2为所述参考光信号探测器的光电转换率；m为所述二向色镜的反射率；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(5)，得
Figure BDA0001569842720000042
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure BDA0001569842720000043
为所述光源补偿因子，则所述微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure BDA0001569842720000044
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，包括：提供模块，用于提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，所述荧光信号探测器和所述参考光信号探测器使用光电二极管模块；获取模块，用于通过所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同；建立模块，用于建立坐标系，利用负指数分布拟合所述LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号；提取模块，用于在所述坐标系下，提取所述微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取所述检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号；补偿模块，用于在所述坐标系下，以所述检测区扫描信号的面积和所述质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用所述检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正所述微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果。
本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，通过基于LED光源的变化趋势对微流控生物芯片的检测结果进行补偿，并且避免了因LED光源的驱动电流、工作温度及本身特性造成的LED光功率衰减和不同LED之间的差异性对检测结果的影响，有效提高了共聚焦式LED诱导荧光检测的一致性、重复性和准确性。
另外，根据本发明上述实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述获取模块中，所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，所述微流控生物芯片扫描信号的强度F与所述激发光的强度I满足以下关系：
Figure BDA0001569842720000051
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；
Figure BDA0001569842720000052
为所述荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；c为所述微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述建立模块中，所述坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合所述LED光源波动信号，以获取在所述坐标系下的LED光源变化趋势信号，所述LED光源波动信号随时间成负指数分布，且所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (9)
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (10)
其中，k2位所述参考光信号探测器的光电转换率；m为所述二向色镜的反射率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述提取模块中，在所述坐标系下，所述检测区扫描信号的时间长度与所述质检区扫描信号的时间长度相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述检测区扫描信号的起始时刻相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述检测区扫描信号的结束时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述质检区扫描信号的起始时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取所述峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的检测区大小有关，记其起始时刻为t1，记其结束时刻为t2，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取所述峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的质检区大小有关，记其起始时刻为t3，记其结束时刻为t4。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述补偿模块中，在所述坐标系下，所述微流控生物芯片初步检测结果
Figure BDA0001569842720000053
为：
Figure BDA0001569842720000061
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；I为所述激发光的强度；
Figure BDA0001569842720000066
为所述荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；cT为所述微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为所述微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为所述检测区扫描信号的起始时刻；t2为所述检测区扫描信号的结束时刻；t3为所述质检区扫描信号的起始时刻；t4为所述质检区扫描信号的结束时刻；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(11)，得
Figure BDA0001569842720000062
其中，k2为所述参考光信号探测器的光电转换率；m为所述二向色镜的反射率；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(12)，得
Figure BDA0001569842720000063
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure BDA0001569842720000064
为所述光源补偿因子，则所述微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure BDA0001569842720000065
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的共聚焦式LED诱导荧光检测的微流控生物芯片扫描信号示意图和LED光源波动信号示意图；
图4为根据本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法及装置之前，先简单介绍下相关技术中的光源补偿方法。
相关技术中提出了一种基于LED光功率与驱动电流和工作温度之间关系的光源补偿方法，该光源补偿方法建立了LED光功率与驱动电流和工作温度之间关系的非线性数学模型，对LED光源参数不稳定性引起的漂移进行补偿，提高了LED光源在复杂工作环境下的稳定性，降低了LED光源对恒流和恒温的要求。但相关技术提出的光源补偿方法，只考虑了驱动电流和工作温度对LED光源的影响，不能避免因LED光源本身特性造成的LED光功率衰减和不同LED之间的差异性对检测结果的影响。
相关技术中还提出了一种基于光源实时监测的光源补偿方法，该光源补偿方法利用分光器将LED发射出来的光分为两路，一路作为参考光，一路作为测量信号光，测量信号光通过被测物产生被测信号光，被测信号光与测量信号光成线性关系，其中参考光和被测信号光都含有LED光源的波动信息，对参考光进行实时监测，以消除同一时刻里被测信号光的波动，提高了检测结果的准确性和稳定性。但相关技术提出的光源补偿方法，需要对参考光和被测信号光同步采集，对实时性要求高，且计算量大、耗时久。
综上所述，相关技术中的光源补偿方法难以满足共聚焦式LED诱导荧光检测的一致性好、重复性好及响应速度快等要求，因此一种准确、稳定且快速的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，亟待研究应用。
本发明正式基于上述问题，而提出的一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法及装置。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法。
图1是本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法的流程图。
如图1所示，该用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法包括以下步骤：
步骤S1：提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，荧光信号探测器和参考光信号探测器使用光电二极管模块。
可以理解的是，结合图1和图2所示，本发明实施例的荧光信号探测器和参考光信号探测器选用光电二极管模块，目的是能够将光信号转换为电信号，具体的可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择，在此不做具体限制。
步骤S2：通过荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，微流控生物芯片扫描信号与LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，参考光信号探测器获取LED光源波动信号，微流控生物芯片扫描信号与LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，微流控生物芯片扫描信号的强度F与激发光的强度I满足以下关系：
Figure BDA0001569842720000081
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；
Figure BDA0001569842720000082
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；c为微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度。
可以理解的是，如图2所示，LED发射出来的光经过共聚焦光路结构分为两路，一路作为激发光聚焦在微流控生物芯片并沿着流道进行扫描，扫描过程为“流道-检测区-流道-质检区-流道”，检测区上有被荧光染料标记的被测物，质检区上有被荧光染料标记的参考物，产生的荧光通过共聚焦光路结构被荧光信号探测器采集，获取微流控生物芯片扫描信号，另一路作为参考光被参考光信号探测器采集，获取LED光源波动信号，微流控生物芯片扫描信号与LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同。LED发射出来的光需对应荧光染料的激发光，荧光染料不限。优选地，荧光染料的斯托克斯位移需大，以减小LED发射出来的光对荧光的影响。共聚焦光路结构由激发光滤光片、二向色镜、物镜、发射光滤光片及聚焦透镜组成。激发光滤光片需对应荧光染料的激发光，且能够过滤LED发射出来的光中与荧光相同波段的成分。二向色镜需能将LED发射出来的光反射，且将荧光透射，其中二向色镜对LED发射出来的光的反射率为m，LED发射出来的光经过二向色镜反射得到激发光，LED发射出来的光经过二向色镜透射得到参考光，则激发光与参考光之比为m：(1-m)。物镜不限，只要能够将激发光聚焦到微流控生物芯片上。发射光滤光片需对应荧光，且能够过滤荧光中与LED发射出来的光相同波段的成分。聚焦透镜不限，只要能够将荧光聚焦到荧光信号探测器上。荧光信号探测器位于聚焦透镜的焦点。参考光信号探测器位于LED和二向色镜的轴线上。本发明实施例的荧光染料可以选用CY5，其激发峰值波长为648nm，产生的荧光峰值波长为666nm。LED的中心波长为635nm。激发光滤光片的中心波长为625nm，半带宽为20nm。二向色镜的中心波长为650nm，即波长小于650nm的光被反射，波长大于650nm的光被透射。发射光滤光片的中心波长为670nm，半带宽为10nm。物镜和聚焦透镜都选用平凸透镜，其焦距为35mm。在任一时刻，微流控生物芯片扫描信号的强度F与激发光的强度I满足以下关系：
Figure BDA0001569842720000091
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；
Figure BDA0001569842720000092
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；c为微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度。
步骤S3：建立坐标系，利用负指数分布拟合LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合LED光源波动信号，以获取在坐标系下的LED光源变化趋势信号，LED光源波动信号随时间成负指数分布，且LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (2)
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (3)
其中，k2位参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率。
可以理解的是，结合图2和图3所示，本发明实施例可以任取一点为原点，以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，建立直角坐标系。本发明实施例可以选取零点为原点建立直角坐标系。在坐标系下，利用最小二乘法拟合LED光源波动信号，从而获取在坐标系下的LED光源变化趋势信号。LED光源波动信号随时间成负指数分布，则LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b，
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数。
在任一时刻，LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m，
其中，k2位参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率。
另外，在图3中，曲线1为检测区扫描信号，曲线2为质检区扫描信号，曲线3为微流控生物芯片扫描信号，曲线4为检测区LED光源变化趋势信号，曲线5为质检区LED光源变化趋势信号，曲线6为LED光源变化趋势信号。
步骤S4：在坐标系下，提取微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，在坐标系下，检测区扫描信号的时间长度与质检区扫描信号的时间长度相同，检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与检测区扫描信号的起始时刻相同，检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与检测区扫描信号的结束时刻相同，质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与质检区扫描信号的起始时刻相同，质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，区域的大小与微流控生物芯片上的检测区大小有关，记其起始时刻为t1，记其结束时刻为t2，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，区域的大小与微流控生物芯片上的质检区大小有关，记其起始时刻为t3，记其结束时刻为t4。
可以理解的是，结合图2和图3所示，在坐标系下，检测区扫描信号的时间长度与质检区扫描信号的时间长度相同。优选地，检测区扫描信号与质检区扫描信号应尽可能完整。检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与检测区扫描信号的起始时刻相同，检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与检测区扫描信号的结束时刻相同。质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与质检区扫描信号的起始时刻相同，质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与质检区扫描信号的结束时刻相同。
另外，本发明实施例可以获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中区域的大小与微流控生物芯片上的检测区大小有关，记其起始时刻为t1，记其结束时刻为t2。获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，区域的大小与微流控生物芯片上的质检区大小有关，记其起始时刻为t3，记其结束时刻为t4，其中，第一预设长度可以为前一半微流控生物芯片扫描信号，第二预设长度可以为后一半微流控生物芯片扫描信号。
步骤S5：在坐标系下，以检测区扫描信号的面积和质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用检测区LED光源变化趋势信号和质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在步骤S5中，在坐标系下，微流控生物芯片初步检测结果
Figure BDA0001569842720000111
为：
Figure BDA0001569842720000112
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；I为激发光的强度；
Figure BDA0001569842720000113
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；cT为微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为检测区扫描信号的起始时刻；t2为检测区扫描信号的结束时刻；t3为质检区扫描信号的起始时刻；t4为质检区扫描信号的结束时刻；
将LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(4)，得
Figure BDA0001569842720000114
其中，k2为参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
将LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(5)，得
Figure BDA0001569842720000115
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure BDA0001569842720000116
为光源补偿因子，则微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure BDA0001569842720000117
可以理解的是，在坐标系下，微流控生物芯片初步检测结果
Figure BDA0001569842720000118
为：
Figure BDA0001569842720000119
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；I为激发光的强度；
Figure BDA00015698427200001110
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；cT为微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为检测区扫描信号的起始时刻；t2为检测区扫描信号的结束时刻；t3为质检区扫描信号的起始时刻；t4为质检区扫描信号的结束时刻。
将LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入上式，得
Figure BDA0001569842720000121
其中，k2为参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率。
经化简计算，将LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入上式，得
Figure BDA0001569842720000122
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数。
记
Figure BDA0001569842720000123
为光源补偿因子，则微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure BDA0001569842720000124
根据本发明实施例提出的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，通过基于LED光源的变化趋势对微流控生物芯片的检测结果进行补偿，并且避免了因LED光源的驱动电流、工作温度及本身特性造成的LED光功率衰减和不同LED之间的差异性对检测结果的影响，有效提高了共聚焦式LED诱导荧光检测的一致性、重复性和准确性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置。
图4是本发明实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置的结构示意图。
如图4所示，该用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置10包括：提供模块100、获取模块200、建立模块300、提取模块400和补偿模块500。
其中，提供模块100用于提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，荧光信号探测器和参考光信号探测器使用光电二极管模块。获取模块200用于通过荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，微流控生物芯片扫描信号与LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同。建立模块300用于建立坐标系，利用负指数分布拟合LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号。提取模块400用于在坐标系下，提取微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号。补偿模块500用于在坐标系下，以检测区扫描信号的面积和质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用检测区LED光源变化趋势信号和质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果。本发明实施例的装置10具有准确、稳定和快速等优点，可以有效提高检测的准确性、一致性和重复性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在获取模块中，荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，参考光信号探测器获取LED光源波动信号，微流控生物芯片扫描信号与LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，微流控生物芯片扫描信号的强度F与激发光的强度I满足以下关系：
Figure BDA0001569842720000131
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；
Figure BDA0001569842720000132
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；c为微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在建立模块中，坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合LED光源波动信号，以获取在坐标系下的LED光源变化趋势信号，LED光源波动信号随时间成负指数分布，且LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (9)
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (10)
其中，k2位参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在提取模块中，在坐标系下，检测区扫描信号的时间长度与质检区扫描信号的时间长度相同，检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与检测区扫描信号的起始时刻相同，检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与检测区扫描信号的结束时刻相同，质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与质检区扫描信号的起始时刻相同，质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，区域的大小与微流控生物芯片上的检测区大小有关，记其起始时刻为t1，记其结束时刻为t2，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，区域的大小与微流控生物芯片上的质检区大小有关，记其起始时刻为t3，记其结束时刻为t4。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在补偿模块中，在坐标系下，微流控生物芯片初步检测结果
Figure BDA0001569842720000133
为：
Figure BDA0001569842720000141
其中，k1为荧光信号探测器的光电转换率；I为激发光的强度；
Figure BDA0001569842720000146
为荧光染料的荧光量子产率；ε为荧光染料的摩尔吸光系数；l为微流控生物芯片的检测区厚度；cT为微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为检测区扫描信号的起始时刻；t2为检测区扫描信号的结束时刻；t3为质检区扫描信号的起始时刻；t4为质检区扫描信号的结束时刻；
将LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(11)，得
Figure BDA0001569842720000142
其中，k2为参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
将LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(12)，得
Figure BDA0001569842720000143
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure BDA0001569842720000144
为光源补偿因子，则微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure BDA0001569842720000145
需要说明的是，前述对用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法实施例的解释说明也适用于该实施例的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，通过基于LED光源的变化趋势对微流控生物芯片的检测结果进行补偿，并且避免了因LED光源的驱动电流、工作温度及本身特性造成的LED光功率衰减和不同LED之间的差异性对检测结果的影响，有效提高了共聚焦式LED诱导荧光检测的一致性、重复性和准确性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，所述荧光信号探测器和所述参考光信号探测器使用光电二极管模块；
步骤S2：通过所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同；
步骤S3：建立坐标系，利用负指数分布拟合所述LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号；
步骤S4：在所述坐标系下，提取所述微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取所述检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号；以及
步骤S5：在所述坐标系下，以所述检测区扫描信号的面积和所述质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用所述检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正所述微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果；
在所述步骤S2中，所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，所述微流控生物芯片扫描信号的强度F与激发光的强度I满足以下关系：
Figure FDA0003069483140000011
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；
Figure FDA0003069483140000012
为荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；c为所述微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度；
在所述步骤S3中，所述坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合所述LED光源波动信号，以获取在所述坐标系下的LED光源变化趋势信号，所述LED光源波动信号随时间成负指数分布，且所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (2)
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
所述LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (3)
其中，k2位所述参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
在所述步骤S5中，在所述坐标系下，所述微流控生物芯片初步检测结果
Figure FDA0003069483140000027
为：
Figure FDA0003069483140000021
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；I为激发光的强度；
Figure FDA0003069483140000022
为荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；cT为所述微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为所述微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为所述检测区扫描信号的起始时刻；t2为所述检测区扫描信号的结束时刻；t3为所述质检区扫描信号的起始时刻；t4为所述质检区扫描信号的结束时刻；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(4)，得
Figure FDA0003069483140000023
其中，k2为所述参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(5)，得
Figure FDA0003069483140000024
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure FDA0003069483140000025
为所述光源补偿因子，则所述微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure FDA0003069483140000026
2.根据权利要求1所述的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿方法，其特征在于，
在所述步骤S4中，在所述坐标系下，所述检测区扫描信号的时间长度与所述质检区扫描信号的时间长度相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述检测区扫描信号的起始时刻相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述检测区扫描信号的结束时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述质检区扫描信号的起始时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取所述峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的检测区大小有关，记根据第一预设长度微流控生物芯片扫描信号确定的检测区扫描信号，t1为所述检测区扫描信号的起始时刻、t2为所述检测区扫描信号的结束时刻，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取所述峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的质检区大小有关，记根据第二预设长度微流控生物芯片扫描信号确定的检测区扫描信号，t3为所述质检区扫描信号的起始时刻、t4为所述质检区扫描信号的结束时刻。
3.一种用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，其特征在于，包括：
提供模块，用于提供荧光信号探测器和参考光信号探测器，其中，所述荧光信号探测器和所述参考光信号探测器使用光电二极管模块；
获取模块，用于通过所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，且通过所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，其中，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同；
建立模块，用于建立坐标系，利用负指数分布拟合所述LED光源波动信号获得LED光源变化趋势信号；
提取模块，用于在所述坐标系下，提取所述微流控生物芯片扫描信号中的检测区扫描信号和质检区扫描信号，并提取所述检测区扫描信号时间段内的检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区扫描信号时间段内的质检区LED光源变化趋势信号；以及
补偿模块，用于在所述坐标系下，以所述检测区扫描信号的面积和所述质检区扫描信号的面积之比表示微流控生物芯片初步检测结果，利用所述检测区LED光源变化趋势信号和所述质检区LED光源变化趋势信号获取光源补偿因子，以修正所述微流控生物芯片初步检测结果，得到微流控生物芯片最终检测结果；
在所述获取模块中，所述荧光信号探测器获取微流控生物芯片扫描信号，所述参考光信号探测器获取LED光源波动信号，所述微流控生物芯片扫描信号与所述LED光源波动信号的起始时刻和结束时刻相同，其中，所述微流控生物芯片扫描信号的强度F与激发光的强度I满足以下关系：
Figure FDA0003069483140000041
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；
Figure FDA0003069483140000042
为荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；c为所述微流控生物芯片上的被测物或参考物中的荧光物质浓度；
在所述建立模块中，所述坐标系以时间为横坐标，信号强度为纵坐标，并利用最小二乘法拟合所述LED光源波动信号，以获取在所述坐标系下的LED光源变化趋势信号，所述LED光源波动信号随时间成负指数分布，且所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t满足以下关系：
P＝ke-λt+b， (9)
其中，k和λ为所述最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
所述LED光源变化趋势信号的强度P与激发光的强度I满足以下关系：
P＝k2I(1-m)/m， (10)
其中，k2位所述参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
在所述补偿模块中，在所述坐标系下，所述微流控生物芯片初步检测结果
Figure FDA0003069483140000047
为：
Figure FDA0003069483140000043
其中，k1为所述荧光信号探测器的光电转换率；I为激发光的强度；
Figure FDA0003069483140000044
为荧光染料的荧光量子产率；ε为所述荧光染料的摩尔吸光系数；l为所述微流控生物芯片的检测区厚度；cT为所述微流控生物芯片检测区上的被测物中的荧光物质浓度；cC为所述微流控生物芯片质检区上的参考物中的荧光物质浓度；t1为所述检测区扫描信号的起始时刻；t2为所述检测区扫描信号的结束时刻；t3为所述质检区扫描信号的起始时刻；t4为所述质检区扫描信号的结束时刻；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与所述激发光的强度I的关系P＝k2I(1-m)/m代入公式(4)，得
Figure FDA0003069483140000045
其中，k2为所述参考光信号探测器的光电转换率；m为二向色镜的反射率；
将所述LED光源变化趋势信号的强度P与时间t的关系P＝ke-λt+b代入公式(5)，得
Figure FDA0003069483140000046
其中，k和λ为最小二乘法拟合所得系数；e为自然常数；b为常数；
记
Figure FDA0003069483140000051
为所述光源补偿因子，则所述微流控生物芯片最终检测结果S为：
Figure FDA0003069483140000052
4.根据权利要求3所述的用于共聚焦式LED诱导荧光检测的光源补偿装置，其特征在于，
在所述提取模块中，在所述坐标系下，所述检测区扫描信号的时间长度与所述质检区扫描信号的时间长度相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述检测区扫描信号的起始时刻相同，所述检测区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述检测区扫描信号的结束时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的起始时刻与所述质检区扫描信号的起始时刻相同，所述质检区LED光源变化趋势信号的结束时刻与所述质检区扫描信号的结束时刻相同；
获取第一预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，并获取所述峰值前后相同时间段的区域作为检测区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的检测区大小有关，记根据第一预设长度微流控生物芯片扫描信号确定的检测区扫描信号，t1为所述检测区扫描信号的起始时刻、t2为所述检测区扫描信号的结束时刻，获取第二预设长度微流控生物芯片扫描信号的峰值，取所述峰值前后相同时间段的区域作为质检区扫描信号，其中，所述区域的大小与所述微流控生物芯片上的质检区大小有关，记根据第二预设长度微流控生物芯片扫描信号确定的检测区扫描信号，t3为所述质检区扫描信号的起始时刻、t4为所述质检区扫描信号的结束时刻。
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