CN113848168A - 硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法及补偿装置 - Google Patents

硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法及补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法，包括：获取SiPM传感器的流式荧光测量输出值作为非线性补偿的原始值；对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算的各补偿参数的参数值以及根据各补偿参数计算而得的补偿值；将补偿值与对应的真实值进行数值比对，以计算补偿误差；提取补偿误差小于预设误差阈值时存储的补偿参数作为计算原始值的补偿值的最优补偿参数；根据最优补偿参数，对各原始值进行补偿。本发明提升了硅光电倍增管在流式荧光检测中的线性动态检测范围和对编码微球分类的可靠性。本发明还提供了一种补偿硅光电倍增管的流式荧光测量值的补偿装置。

Description

硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法及补偿装置
技术领域
本发明涉及流式荧光检测技术领域，具体涉及一种硅光电倍增管在荧光检测中的非线性 补偿方法及补偿装置。
背景技术
流式荧光，又称悬浮阵列、液相芯片等，是近20多年逐渐发展起来的多指标联合诊断技 术。该技术以荧光编码微球为核心，集流式原理、激光分析、高速数字信号处理等多种技术 于一体，多指标并行分析，最多可一管同时定量检测2-500种不同的生物分子，具有高通量、 高灵敏度、并行检测等特点，可用于免疫分析、核酸研究、酶学分析、受体、配体识别分析 等多方面、多领域的研究。
以目前F4K流式荧光为例，流式荧光仪检测平台中包含一种直径5.6μm的聚苯乙烯微球， 其被两种光谱特性不同的荧光染料染色。如附图1所示，通过激光器激发微球上的荧光染料 产生荧光，由于荧光光强极低，所以要用PMT光电倍增管作为探测器进行荧光探测，PMT光 电倍增管是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，制作工艺复杂，应用成本较 高，同时探测精度易受电磁干扰和温度影响。硅光电倍增管(SiPM)作为一种新型的弱光感 应光电转换器件，由于其具有体积小、增益高、响应快、成本低、对磁场的不敏感性等优点， 是替代PMT光电倍增管的理想选择。但SiPM有着其本身的线性动态检测范围小、噪声大，对 编码微球的分类可靠性不高的缺陷，难以在流式荧光检测中发挥期待性作用。
发明内容
本发明以提升硅光电倍增管在流式荧光检测中的线性动态检测范围和对编码微球分类的可靠
性为目的，提供了一种硅光电倍增管在流式荧光检测中的非线性补偿方法及补偿装置。 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，获取SiPM传感器的流式荧光测量输出值作为非线性补偿的原始值；
步骤S2，对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算的各所述补偿参数的
参数值以及根据各所述补偿参数计算而得的补偿值；
步骤S3，将所述补偿值与对应的真实值进行数值比对，以计算补偿误差；
步骤S4，判断所述补偿误差是否小于预设的误差阈值，
若是，则终止对补偿参数的迭代计算，得到当前补偿值计算的最优的所述补偿参数及每个所
述补偿参数对应的参数值并转入步骤S5；
若否，则返回所述步骤S2，继续迭代计算所述补偿参数；
步骤S5，根据最优的所述补偿参数，对各所述原始值进行补偿。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2或所述步骤S5中，根据所述补偿参数计算所述补
偿值的方法可通过以下公式(1)表达：
Figure RE-GDA0003380391940000021
公式(1)中，Nfired表示所述原始值；
T表示非线性补偿系数；
P表示比例参数；
Nphoton表示所述补偿值。
本发明还提供了一种补偿硅光电倍增管的流式荧光测量值的补偿装置，所述补偿装置包括用 于进行流式荧光检测的SiPM模块和通信连接所述SiPM模块的用于对所述SiPM模块的流 式荧光测量输出值进行非线性补偿的非线性补偿模块，所述非线性补偿模块通过所述的 非线性补偿方法对所述SiPM模块的所述流式荧光测量输出值进行补偿。
作为本发明的一种优选方案，所述SiPM模块内部包括SiPM传感器、用于测量所述SiPM传感 器的工作温度的温度传感器、分别与所述SiPM传感器和所述温度传感器连接的高压温补 电源以及与所述SiPM传感器通信连接的高速跨阻放大器，
所述SiPM传感器将探测到的流式荧光测量输出值以光电流形式传输给所述高速跨阻放大器，
所述高速跨阻放大器将所述光电流转换为电压信号后输出给所述非线性补偿模块，
所述温度传感器将检测到的所述SiPM传感器的当前工作温度信息发送给所述高压温补电源；
所述高压温补电源根据所述温度信息调整提供给所述SiPM传感器的输出电压。
作为本发明的一种优选方案，所述非线性补偿模块包括：
流式荧光测量输出值获取单元，用于获取所述SiPM模块的所述流式荧光测量输出值作为非线 性补偿的原始值；
补偿参数迭代计算单元，用于对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算 的各所述补偿参数以及具体的参数值；
补偿值计算单元，连接所述补偿参数迭代计算单元，用于根据各所述补偿参数计算所述流式 荧光测量输出值对应的补偿值并存储；
补偿误差计算单元，连接所述补偿值计算单元，用于将各所述补偿值与对应的真实值进行数 值比对，以计算补偿误差；
阈值判断单元，连接所述补偿误差计算单元，用于判断所述补偿误差是否小于预设的误差阈 值；
所述补偿参数迭代计算单元，连接所述阈值判断单元，用于在判定所述补偿误差小于所述误 差阈值时终止对所述补偿参数的迭代计算，否则继续对所述补偿参数进行迭代计算；
补偿单元，分别连接所述流式荧光测量输出值获取单元和所述补偿参数迭代计算单元，用于 根据迭代完成时更新存储的所述补偿参数为当前补偿值计算的最优补偿参数对各所述原 始值进行补偿。
本发明提供的非线性补偿算法弥补了SiPM的线性动态检测范围小，难以实现对编码微球的可 靠分类的缺陷，使得硅光电倍增管能够替代制造工艺复杂价格昂贵的PMT光电倍增管， 大幅降低了流式荧光检测的成本，极大发挥了硅光电倍增管在流式荧光检测中的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作 简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。
图1是流式荧光检测的原理示意图；
图2是雪崩二极管与淬灭电阻串联连接的示意图；
图3是雪崩二极管被“击穿-淬灭-重置”的示意图；
图4是本发明实施例提供的硅光电倍增管在流式荧光检测中的非线性补偿方法的实现步骤 图；
图5是选取参与补偿参数计算的微球荧光检测数据的示意图；
图6是迭代计算补偿参数的示意图；
图7是对SiPM传感器的流式荧光测量输出值的补偿效果示意图；
图8是补偿效果验证图；
图9是本发明一实施例提供的补偿硅光电倍增管的流式荧光测量值的补偿装置的结构示意 图；
图10示出了非线性补偿模块的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限 制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表 实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可 以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要 理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，因此附图 中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连 接关系，该术语应做广义理解，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，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人 员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在具体阐述本发明实施例提供的硅光电倍增管在流式荧光检测中的非线性补偿方法之前，首 先对SiPM传感器探测荧光的工作原理进行简要阐述：
SiPM传感器由工作在盖革模式下的雪崩二极管(APD)微元阵列组成。当光子入射SiPM时， 由于雪崩效应，这些微元迅速雪崩导通，并在电场的加速下形成电流。由于雪崩效应的 放大作用，SiPM传感器的增益通常能达到105-106dB，与PMT光电倍增管相当。
雪崩效应是指SiPM传感器的反向偏压大于其击穿电压的工作状态。如果加到雪崩二极管PN 结两端的反向偏压能够使PN结的耗尽层内产生足够强的电场，则在耗尽层内产生的载流 子就会在电场的作用下获得足够大的动能，这样载流子便有一定的概率能与其他的硅原 子发生碰撞电离，并产生新的电子-空穴对。这样的过程不断持续下去，就会使载流子的 数目急剧增加，这一过程称为雪崩倍增过程。
雪崩倍增过程一旦开始，就会一直持续下去。为了能够停止雪崩，如附图2所示，通常的做 法是加入一个与雪崩二极管APD相串联的淬灭电阻R进行分压来实现降低耗尽层内的电 场强度的目的。流过淬灭电阻的电流会在淬灭电阻两端产生电压降，从而导致二极管内PN结两端的电压也会随之急剧降低，进而导致耗尽层内电场强度迅速减弱，达到停止雪崩的作用，这个过程即为淬灭。
完成淬灭之后，淬灭电阻两端的电压降消失，PN结两端的电压又达到外加偏压的水平，雪崩 二极管恢复到对光敏感的状态，准备接收下一个光子，并重复如图3所示的上述“击穿- 淬灭-重置”过程。
以下对本发明实施例提供的硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法进行具体阐述： 如图4所示，该非线性补偿方法包括如下步骤：
步骤S1，获取SiPM传感器的流式荧光测量输出值作为非线性补偿的原始值；
步骤S2，对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算的各补偿参数(包括 非线性补偿系数和比例参数)的参数值以及根据各补偿参数计算而得的补偿值；
本发明根据补偿参数计算补偿值的方法可通过以下公式(1)表达：
Figure RE-GDA0003380391940000051
公式(1)中，Nfired表示未作非线性补偿的SiPM传感器的流式荧光测量输出值；
T表示非线性补偿系数；
P表示比例参数；
Nphoton表示补偿值。
非线性补偿系数T和比例参数无法通过直接计算而得，需要经多次迭代计算，以保证补偿值的 计算精度。本发明通过迭代计算补偿参数，并应用每一次迭代计算而得的补偿参数去计 算SiPM传感器的流式荧光测量输出值对应的补偿值，然后将补偿值与真实值进行比对， 计算补偿误差，记录补偿误差低于误差阈值时的补偿值，然后通过上面的公式(1)反推 计算得到能够获得最佳补偿效果的非线性补偿系数T和比例参数P。
为了确保能够获得最佳补偿效果，计算补偿参数需要足够量的数据，数据包括SiPM传感器探 测到的关联每个微球的多个流式荧光测量输出值以及每个流式荧光输出值对应的真‘实 值。图5示出了选取参与补偿参数计算的微球荧光检测数据的示意图。图5中，“040” “031”“023”等数值代表对应的微球编号，圈选的微球为参与补偿参数计算的微球。
以下对补偿参数的迭代计算过程进行简要阐述：
首先选取一个维度进行补偿参数计算，这里的维度指的是，比如分辨荧光由两种光谱特性不 同的荧光染料产生，通过精确控制两种荧光染料的浓度配比，可以获得一个两维荧光编 码的微球阵列。可见这里的维度指的是具有不同光谱特性的荧光染料的种类数。
然后以初始确定的补偿参数对SiPM传感器的流式荧光测量输出值进行补偿，并将补偿值与真 实值进行比对，计算补偿误差，补偿误差计算方法比如可通过以下公式(2)表达：
Figure RE-GDA0003380391940000061
公式(2)中，Nphoton表示补偿值；
B表示补偿值Nphoton对应的真实值。
然后在再判断补偿误差err是否低于误差阈值，
若是，则终止补偿参数迭代计算过程，记录迭代完成时的补偿参数以及参数值；
若否，则调整补偿参数重复上述计算过程，直至误差收敛。
同理，选取另外一个维度完成对补偿参数的迭代计算。
图6示出了本发明实施例迭代计算补偿参数的示意图。图6中所示的原始值“X1”“X2”“X3” “X4”“X5”为SiPM传感器的流式荧光测量输出值，靶值“R1-R5”为与原始值“X1-X5” 一一对应的真实值；“Y1-Y5”即为经非线性补偿后的与原始值“X1-X5”一一对应的补偿值；“A”(与字符“Nphoton”含义相同)表示补偿值，“B”表示补偿值对应的真实值。
请继续参照图4，本发明实施例提供的非线性补偿方法还包括：
步骤S3，将补偿值与对应的真实值进行数值比对，以计算补偿误差；补偿误差通过以上公式 (2)计算而得；
步骤S4，判断补偿误差是否小于预设的误差阈值，
若是，则终止对补偿参数的迭代计算，得到当前最优的补偿参数及每个补偿参数对应的参数 值并转入步骤S5；
若否，则返回步骤S2，继续迭代计算补偿参数；
步骤S5，根据最优的补偿参数，对各原始值进行补偿。补偿方法可通过以上的公式(1)表 达，通过最优补偿参数计算得到SiPM的流式荧光测量输出值对应的补偿值，然后根据所 计算的补偿值和该荧光测量输出值对应的真实值，通过上述的公式(1)可反推出非线性 补偿系数T和比例参数P(比例参数的计算过程在图6中作了清楚表述，在此不再赘述)。
反推出补偿参数的参数值后即可根据上述公式(1)对各原始值进行补偿。
对SiPM传感器的流式荧光测量输出值的补偿效果图如图7所示。由图7可知，未补偿前的 SiPM传感器的探测响应存在非线性(参见图7左图)，造成微球分辨偏移无法落在对应圈 内，导致无法识别出对应的编码微球造成探测数据失效或错误。将SiPM传感器探测到的 原始值经过非线性补偿后(参见图7中右图)，得到的新值满足了检测要求的线性范围。
图8示出了非线性补偿效果验证图。图8a为补偿前的经流式荧光检测后的微球排列图，图 8b为补偿后的经流式荧光检测后的微球排列图。从图8a中我们可以发现，未补偿前的 SiPM传感器的探测响应存在非线性，造成右上角的编号为“59”的微球分辨偏移无法落 在对应圈内，导致无法识别出对应的编码微球造成探测数据失效或错误。
图8b中右上角编号为“59”的微球分辨偏移落入到了对应圈内，由此可知，将SiPM传感器 探测到的原始值经过非线性补偿后，得到的新值满足了检测要求的线性范围。
需要说明的是，非线性补偿计可以在流式荧光检测仪的检测过程中进行实时计算，也可以先 获取检测数据后续再在电脑上进行非实时计算。由于生产安装环境的不同，即便是同批 次生产的SiPM传感器可能对流式荧光检测的线性动态范围也不同，本发明以非线性补偿 方式提升了SiPM传感器的线性动态范围，使得SiPM的生产制造更加简单，安装调试更 加方便。
本发明还提供了一种补偿硅光电倍增管的流式荧光测量值的补偿装置，如图9所示，该补偿 装置包括用于流式荧光检测的SiPM模块和通信连接该SiPM模块的用于对SiPM模块的流 式荧光测量输出值进行非线性补偿的非线性补偿模块，非线性补偿模块通过上述的非线 性补偿方法对SiPM模块的流式荧光测量输出值进行补偿。
如图9所示，SiPM模块内部包括SiPM传感器1、用于测量SiPM传感器的工作温度的温度传 感器2、分别与SiPM传感器1和温度传感器2连接的高压温补电源3以及与SiPM传感器 1通信连接的高速跨阻放大器4，
SiPM传感器1将探测到的流式荧光测量输出值以光电流形式传输给高速跨阻放大器4，高速 跨阻放大器4将光电流转换为电压信号后通过信号采集电路输出给非线性补偿模块；
温度传感器2将检测到的SiPM传感器1的当前工作温度信息发送给高压温补电源3；
高压温补电源3根据该温度信息调整提供给SiPM传感器1的输出电压，以保证SiPM传感器 1具有在不同工作温度下的稳定增益。
本发明提供的SiPM模块具有温度补偿功能，不易受温度影响；较低的工作电压区别于PMT光 电倍增管千伏级的高压，配置电路简单、更为安全可靠；较小的体积，仅为PMT的1/10； 具有从近紫外到近红外的光谱响应范围；具有较高地光子探测效率；能够抵抗高强度的 机械冲击；耐受强光不容易出现感光面老化；SiPM对磁场的不敏感性，能更好应对日趋 复杂的电磁环境，如未来的5G网络电磁波；SiPM采用硅芯片生产工艺有利于大批量制造， 供货能够得到保证，适合大批量使用。
非线性补偿模块如图10所示，其内部结构包括：
流式荧光测量输出值获取单元，用于获取SiPM模块的流式荧光测量输出值作为非线性补偿的 原始值；
补偿参数迭代计算单元，用于对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算 的各补偿参数以及具体的参数值；
补偿值计算单元，连接补偿参数迭代计算单元，用于根据各补偿参数计算流式荧光测量输出 值对应的补偿值并存储；
补偿误差计算单元，连接补偿值计算单元，用于将各补偿值与对应的真实值进行数值比对， 以计算补偿误差；
阈值判断单元，连接补偿误差计算单元，用于判断补偿误差是否小于预设的误差阈值；
补偿参数迭代计算单元，连接阈值判断单元，用于在判定补偿误差小于误差阈值时终止对补 偿参数的迭代计算，否则继续对补偿参数进行迭代计算；
补偿单元，分别连接流式荧光测量输出值获取单元和补偿参数迭代计算单元，用于根据迭代 完成时更新存储的补偿参数为当前补偿值计算的最优补偿参数对各原始值进行补偿。补 偿方法通过上述的公式(1)表达，在此不再赘述。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领 域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换 只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求 书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (5)

1.一种硅光电倍增管在荧光检测中的非线性补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，获取SiPM传感器的流式荧光测量输出值作为非线性补偿的原始值；
步骤S2，对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算的各所述补偿参数的参数值以及根据各所述补偿参数计算而得的补偿值；
步骤S3，将所述补偿值与对应的真实值进行数值比对，以计算补偿误差；
步骤S4，判断所述补偿误差是否小于预设的误差阈值，
若是，则终止对补偿参数的迭代计算，得到当前补偿值计算的最优的所述补偿参数及每个所述补偿参数对应的参数值并转入步骤S5；
若否，则返回所述步骤S2，继续迭代计算所述补偿参数；
步骤S5，根据最优的所述补偿参数，对各所述原始值进行补偿。
2.根据权利要求1所述的非线性补偿方法，其特征在于，所述步骤S2或所述步骤S5中，根据所述补偿参数计算所述补偿值的方法可通过以下公式(1)表达：
Figure RE-FDA0003380391930000011
公式(1)中，Nfired表示所述原始值；
T表示非线性补偿系数；
P表示比例参数；
Nphoton表示所述补偿值。
3.一种补偿硅光电倍增管的流式荧光测量值的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置包括用于进行流式荧光检测的SiPM模块和通信连接所述SiPM模块的用于对所述SiPM模块的流式荧光测量输出值进行非线性补偿的非线性补偿模块，所述非线性补偿模块通过权利要求1-2任意一项所述的非线性补偿方法对所述SiPM模块的所述流式荧光测量输出值进行补偿。
4.根据权利要求3所述的补偿装置，其特征在于，所述SiPM模块内部包括SiPM传感器、用于测量所述SiPM传感器的工作温度的温度传感器、分别与所述SiPM传感器和所述温度传感器连接的高压温补电源以及与所述SiPM传感器通信连接的高速跨阻放大器，
所述SiPM传感器将探测到的流式荧光测量输出值以光电流形式传输给所述高速跨阻放大器，
所述高速跨阻放大器将所述光电流转换为电压信号后输出给所述非线性补偿模块，
所述温度传感器将检测到的所述SiPM传感器的当前工作温度信息发送给所述高压温补电源；
所述高压温补电源根据所述温度信息调整提供给所述SiPM传感器的输出电压。
5.根据权利要求3所述的补偿装置，其特征在于，所述非线性补偿模块包括：
流式荧光测量输出值获取单元，用于获取所述SiPM模块的所述流式荧光测量输出值作为非线性补偿的原始值；
补偿参数迭代计算单元，用于对决定补偿值的补偿参数进行迭代计算，并存储每次迭代计算的各所述补偿参数以及具体的参数值；
补偿值计算单元，连接所述补偿参数迭代计算单元，用于根据各所述补偿参数计算所述流式荧光测量输出值对应的补偿值并存储；
补偿误差计算单元，连接所述补偿值计算单元，用于将各所述补偿值与对应的真实值进行数值比对，以计算补偿误差；
阈值判断单元，连接所述补偿误差计算单元，用于判断所述补偿误差是否小于预设的误差阈值；
所述补偿参数迭代计算单元，连接所述阈值判断单元，用于在判定所述补偿误差小于所述误差阈值时终止对所述补偿参数的迭代计算，否则继续对所述补偿参数进行迭代计算；
补偿单元，分别连接所述流式荧光测量输出值获取单元和所述补偿参数迭代计算单元，用于根据迭代完成时更新存储的所述补偿参数为当前补偿值计算的最优补偿参数对各所述原始值进行补偿。
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