CN112041658B - 用于确定沉降或乳析的速率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定悬浮混合物沉降或乳析的速率的方法，包括：将所述悬浮混合物的测试样品施加至光子微谐振器，将第一光系统施加至承载所述悬浮混合物的所述测试样品的所述光子微谐振器的输入端，采集和记录在承载所述悬浮混合物的所述测试样品的所述微谐振器的输出端上传送的第二光信号，以及使用所述第二光信号的光谱分析的连续迭代，由记录的第二信号确定表示混合物沉降或乳析的速率的信息。
Description
1.发明领域
本发明涉及用于确定沉降或乳析速率的方法。本发明更具体地涉及通过光子表征进行沉降或乳析速率的测量。
2.现有技术
根据数量和比例变化的因子，沉降表征物质的颗粒在层中的逐步定位。颗粒或元素的运动对沉降的速率有很大影响，并且流体力学在沉降过程中整体上起重要作用。介质的粘度和粒度也对沉降速率具有强烈影响。这次通过测量悬浮液中滴状元素的上升，同样的考量可适用于乳析。
沉降和乳析实际上是两种“类似的”现象。在一种情况下，液体中的“颗粒”具有大于液体密度的密度，而在另一种情况下具有较低的密度。换而言之，在一种情况下，颗粒(或元素)在重力的主要作用下下降(沉降)，而在另一种情况下，它们在浮力的主要作用下上升(乳析)。
例如，在健康领域中，沉降速率定义了血沉的现象，即红细胞在悬浮液中下降的机理。该参数已知用于反映例如炎性综合征的存在(例如风湿病或动脉炎)或者感染性综合征的存在。这是因为，当存在炎症时，红细胞相互粘附，然后其下降速率加快。因此，可以证明对沉降速率的快速测量是非常有用的，特别是在医学定向测试的情况下。
存在用于测量沉降或乳析速率的解决方案。这些解决方案使用穿过悬浮液的光或X射线的强度变化的测量，或者借助于声波装置(压电薄膜技术)的质量的确定。
然而，根据现有技术确定沉降或乳析速率不是非常快速，并且在给定的时间间隔内的测量精度可以被改善。
3.发明内容
通过提出用于确定悬浮混合物的沉降或乳析速率的方法，使得本发明可以改善现有技术中的至少一些缺点，所述方法包括：将悬浮混合物的样品施加至光子微谐振器，在承载悬浮混合物的样品的光子微谐振器的输入端处发射第一光信号，采集并且记录在承载悬浮混合物的样品的微谐振器的输出端处传送的第二光信号，以及通过第二光信号的光谱分析的连续迭代，由记录的第二光信号确定表示悬浮混合物的沉降或乳析速率的信息。
有利地，分析的第二光信号的动态变化表示在重力的作用下包括在样品中的颗粒层逐渐增加。形成具有预定厚度的层所花费的时间表示悬浮混合物的沉降或乳析的速率。
有利地，在微谐振器中谐振的量化的第二光信号与以此作为参考操作的第一光信号的比较允许识别光谱纯度峰，其幅度、位置和变化使得可以在短时间间隔内限定对于给定的粘度，表示放置在微谐振器上的悬浮混合物的样品在重力下的沉降或乳析的速率的信息。
根据本发明的方法巧妙地使用了通过设置在微谐振器上的在沉降或乳析期间(因此作为时间的函数)样品的存在和性质，利用共振的循环反向传播现象，测量了在微谐振器中修改的光信号的每个颜色(或光谱分量)的颜色、强度和光谱纯度的变化。
根据本发明的一个实施方案，第一光信号是从包括单个光谱分量的参考光源产生的，例如广谱或可调谐激光器。
根据实施方案的变型，第一光信号包括组合在同一第一光信号中的多个光谱分量，使得这些分量中的每一个均将由微谐振器变换成色梳并且在微谐振器的输出端处可见。
根据本发明的一个实施方案，所述光学微谐振器是具有复合结构的纳米谐振器，所述复合结构包含限定了通过微技术方法制造的环形(例如，在两个平面维度上呈圆形、椭圆形或卵形形状)的腔的聚合物树脂。
有利地，由此产生的腔在光谱水平上作为谐振光传感器工作，其然后产生色梳(多个颜色分量)，并且在接收和分析由此修改且在微谐振器的输出端处传送的第二光信号之后，使得可以清楚地并且根据本发明，随着时间的变化并且因此以对悬浮混合物中的颗粒层的生长的动态监测模式，逐个分量地比较由微谐振器传送的第二光信号的颜色、颜色强度和颜色光谱纯度的变化。
有利地，在层的厚度从最初200nm的厚度增加(沉降或乳析)期间，这种类型的谐振器提供了对在微谐振器的输出端处传送的第二光信号的高分辨率分析。换而言之，微谐振器的使用和相对于时间的动态分析的巧妙组合，以及在各自具有约一秒(0.5秒至2秒)持续时间的周期内的计算迭代，使得可以非常快速地获得表示样品的沉降或乳析的速率的信息。因此，与已知技术相比，可以非常快速地检测沉降期间层的累积。根据现有技术的技术无法使其能够如根据本发明使用的方法一样，在几分钟之后获得表示沉降或乳析速率的信息。
本发明还涉及实践上述方法的装置，并且其包括：光子微谐振器(或纳米谐振器)，其配置成在沉降或乳析(并且因此层生长)期间接收悬浮混合物的样品；定向(施加)在光子谐振器的输入端处的第一光信号的发射器；用于采集并且记录在承载悬浮混合物的样品的微谐振器的输出端处传送的第二信号的模块；以及用于通过对第二光信号的光谱分析的连续迭代，由记录的第二光信号确定表示悬浮混合物的沉降或乳析的速率的至少一项信息。
与以上描述的信号处理链的其它元件组合并且与之整合在一起的微谐振器的使用，使得可以检测从开始，在重力的作用下，在放置在微谐振器上的样品中，在悬浮液中的颗粒层的逐渐增厚，并且可以通过在微谐振器的输出端处可获得的信号的光谱分析来从中推导出悬浮混合物的沉降或乳析的速率。
根据本发明的一个实施方案，用于采集并且记录在微谐振器的输出端处可获得的信号的模块包括例如CCD(电荷耦合装置)型的光学传感器，以及数字采样和记录模块以及光谱分析器
有利地，在根据本发明的装置中实施的上述方法使得当悬浮混合物的样品是血滴或小血滴时，可以动态地并且在短时间内测量血浆的沉降速率。
然而，描述的方法有效用于测量任何类型的悬浮混合物的沉降或乳析(层厚度的增加)。
4.附图列表
通过阅读以下描述、参考附图的描述，本发明将更好理解，并且将呈现其它特性和优点，在附图中：
-图1是描述根据本发明的方法的基本步骤的图。
-图2描述根据本发明的具体且非限制性的实施方案，配置成实施所述方法的系统。
-图3描述根据在图2的系统中实施的方法，布置成用于测量沉降或乳析的速率的光子微谐振器。
5.本发明的具体实施方式
在图2和图3中，描述的模块是功能单元，其对应于或不对应于物理上可区分的单元。例如，这些模块或它们中的一些被组合在一起在单个组件中，或者由相同软件的功能组成。另一方面，根据其它实施方案，一些模块由单独的物理实体构成。
图1是描述根据本发明的方法的基本步骤的图。
步骤S0构成初始步骤，在此期间，激光型的参考光源LID被配置成在微谐振器ONRES的输入端处发射第一光信号OSIG1(称为参考信号)。微谐振器ONRES是横向耦合型的，并且例如根据平版方法在UV210型聚合物中使用UV(紫外)辐射来限定亚微米图案来开发的。然后，由光源LID发射的第一光信号OSIG1在微谐振器中的色梳中被修改，这抑制了某些颜色分量的存在。
使用常规方式将第一光信号OSIG1施加至微谐振器ONRES，例如，可选地，光纤、集中器、或者一个或多个偏振器，所有这些元件被设置和对准以便能够将光信号插入到微谐振器ONRES的输入端分支中。在该初始步骤期间，还配置了适于从微谐振器ONRES的输出端分支捕获第二光信号OSIG2的光学元件。根据本发明的一个实施方案，一组光学透镜允许在微谐振器ONRES的输出端与连接至采集和记录模块RSEC的高清晰度CCD微传感器之间第二光信号OSIG2的传输随时间而改变。模块RSEC可选地(并且根据从CCD传感器输出端的信号的性质)包括快速模拟数字采样器，所述快速模拟数字采样器被配置成传送表示在微谐振器ONRES的输出端处传送的改变的第二光信号OSIG2的数字数据流。
采集和记录装置是可操作的，并且包括通常用于实现数字信号处理的所有元件，即一个或多个微控制器、用于储存可由一个或多个微控制器执行的代码的非易失性存储器、用于储存功能参数和表示数字化的第二光信号OSIG2的数据的一个或多个随机存取存储器模块、电源电路、一个或多个调零电路以及一个或多个时钟电路，该列表不是穷举的。由于它们是常规的并且对于理解本发明不是那么有用，所以根据本发明的系统的各种光学结构元件不再进一步详细描述。
仍然在该初始步骤，在确定悬浮混合物的沉降或乳析的速率之前，连接至采集和记录模块SREC的光谱分析模块SPECTAN被配置成进行将第二光信号OSIG2的频域变换成该同一信号的谱域的操作。出于此目的，光谱分析模块SPECTAN包括连接至控制单元的内部计算机，所述内部计算机被配置成处理先前由模块SREC记录的表示第二光信号OSIG2的数据。该模块能够通过使用傅立叶变换来进行这种变换。它还被配置成以表示由微谐振器ONRES传送的第二光信号OSIG2的光谱形式的数据的形式记录由傅立叶变换得到的数据。以与采集和记录模块SREC相似的方式，光谱分析模块SPECTAN包括通常用于进行信号的数字处理的元件组，即一个或多个微控制器、用于储存可由一个或多个微控制器执行的代码的非易失性存储器、用于储存功能参数和表示数字化的第二光信号的数据的一个或多个随机存取存储器模块、电源电路、一个或多个调零电路以及一个或多个时钟电路，该列表也是非穷举的。
模块SPECTAN的控制单元被配置成在内置软件或先前下载的软件的控制下进行纯度峰的检测，所述纯度峰表示由微谐振器ONRES产生并且包含在第二光信号OSIG2中的颜色分量。由于微谐振器及其所支撑的悬浮混合物的样品液滴的组合，由于悬浮物质混合物的样品的沉降或乳析以及沉积在微谐振器ONRES的腔上方的层中的颗粒的增加的累积，这些纯度峰会变化。
最后，在初始步骤S0，配置并且准备好围绕光学微谐振器ONRES构建的整个信号处理链。然而，第一光信号OSIG1(激光源)在该阶段被禁用。
在步骤S1，将以悬浮混合物的形式的材料样品放置在微谐振器ONRES的腔上。
例如，样品是包含血浆和在该血浆中的悬浮细胞的血滴，其在放置之后且在没有样品的杂散运动的情况下，将成为沉降现象(重力作用)的对象。在放置悬浮物质混合物的样品之后，激活第一光信号OSIG1，而整个系统保持不动。可以使用其它类型的样品以便测量并且然后确定沉降或乳析速率。
步骤S2对应于通过光学微谐振器ONRES看到的捕获参考光信号OSIG1的“图像”的步骤。在该步骤，采集和记录模块SREC进行光信号OSIG2的采集，所述光信号OSIG2在微谐振器ONRES的输出端处传送并且通过高清晰度第一CCD传感器捕获。在适用的情况下，CCD传感器会进行模拟信号的数字转换，然后将其记录在采集模块SREC的存储器模块中，然后通过光谱分析模块SPECTAN进行后续处理。
在步骤S3，表示信号OSIG2的数据(其本身表示在放置在微谐振器ONRES的腔上的样品的沉降或乳析的作用下，由微谐振器ONRES对参考第一光信号OSIG1的修改)被储存在模块SREC的存储器中，并且然后信号OSIG2被传输至光谱分析模块SPECTAN。根据实施方案的变型，模块SPECTAN适于直接在采集和记录模块SREC的存储器中进行读取操作。模块SPECTAN通过连续时间窗(通过迭代)实现傅立叶变换，并且对于每个计算迭代，将表示这些变换的数据记录在其存储器中。控制单元在如此定义的谱域中进行对表示第二光信号的数据的仔细检查，并且然后检测在时程内且随着沉降或乳析过程继续而在位置、幅度和宽度上动态变化的峰。
最后，分析已知为“纯度峰”的峰在幅度、光谱位置和/或细度上的变化，使得通过以约一秒(大约)的典型频率迭代地操作，可以以分别表示沉降或乳析速率的至少一项信息的形式逐步限定放置在微谐振器ONRES的腔上的悬浮混合物的沉降或乳析的速率(即，在这两种情况下，颗粒层的生长或分别在向下或向上方向上聚集的滴状元素)。根据本发明的优选实施方案，然后将该信息传输至用户界面模块，所述用户界面模块例如以数值、条形图或可听信息的形式在屏幕上进行显示。根据变型，可以将表示样品的沉降或乳析的速率的信息经由电缆或无线接口传输至远程系统。有利地，连接至光信号处理链的微谐振器的巧妙使用使得可以快速地并且在几分钟内限定悬浮混合物的沉降或乳析的速率，例如，血液样品的沉降速率，或在食品工业中两种流体的乳析速率。
图2描述了根据本发明的具体非限制性实施方案，配置成实施所述方法的系统，所述系统包括作为参考源LIG的上述元件，所述参考源LIG传送第一光信号OSIG1并且连接至微谐振器ONRES的输入端，所述微谐振器ONRES的(微谐振器的)输出端连接至采集和记录模块SREC，所述模块用于采集和记录第二光信号OSIG2。第二光信号OSIG2表示由承载在沉降或乳析期间的悬浮混合物的样品的谐振器ONRES进行的信号OSIG1的变化。在沉降的情况下，混合物的颗粒(例如红细胞)的逐渐下降引起在微谐振器ONRES中产生的信号OSIG的颜色分量梳在谱域中的强度和位置上的变化。在乳析的情况下，混合物的颗粒或滴状元素的逐渐上升引起信号OSIG的颜色分量梳的变化。光谱分析模块SPECTAN被配置成在捕获和记录之后检测这些变化。
图3描述了用于图2的系统中实践的测量沉降或乳析的速率的光子微谐振器ONRES。微谐振器ONRES是横向耦合型的，并且例如根据平版方法在UV210型聚合物中使用UV辐射来限定亚微米图案来开发的。
本发明不仅仅局限于以上描述的实施方案，并且涉及使用以下方法进行的对悬浮混合物的沉降或乳析的速率的任何测量：将悬浮混合物的样品施加至光子微谐振器，将第一光信号施加至承载悬浮混合物的样品的光子微谐振器的输入端，采集和记录在承载悬浮混合物的样品的微谐振器的输出端处传送的第二光信号，以及通过第二光信号的光谱分析的连续迭代，由记录的第二光信号确定表示悬浮混合物的沉降或乳析的速率的至少一项信息。
Claims (4)
1.用于确定悬浮混合物的沉降或乳析的速率的方法，所述方法特征在于其包括：
-将所述悬浮混合物的样品施加(S1)至光子微谐振器(ONRES)，
-在承载所述悬浮混合物的所述样品的所述光子微谐振器(ONRES)的输入端处施加(S1)第一光信号(OSIG1)，
-采集并且记录(S2)在承载所述悬浮混合物的所述样品的所述微谐振器(ONRES)的输出端处传送的第二光信号(OSIG2)，以及
-通过所述第二光信号(OSIG2)的光谱分析的连续迭代，由所述记录的第二光信号(OSIG2)确定(S3)表示所述悬浮混合物的沉降或乳析的速率的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于所述光谱分析的连续迭代各自具有0.5秒至2秒的持续时间。
3.用于确定悬浮混合物的沉降或乳析的速率的系统，特征在于其包括：
-配置成接收悬浮液体的样品的光子微谐振器(ONRES)，
-配置成在所述光子微谐振器(ONRES)的输入端处发射的第一光信号(OSIG1)的发射器，
-用于采集并且记录在承载所述悬浮混合物的所述样品的所述微谐振器的输出端处传送的第二光信号(OSIG2)的模块(SREC)，以及
-用于通过所述第二光信号(OSIG2)的光谱分析的连续迭代，由所述记录的第二光信号(OSIG2)确定表示所述悬浮混合物的沉降或乳析的速率的信息的模块(SPECTAN)。
4.根据权利要求3所述的用于确定悬浮混合物的沉降或乳析的速率的系统，特征在于由源(LID)发射的所述第一光信号(OSIG1)包括多个光谱分量。
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