CN114674789B - 一种基于手机的生物检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于手机的生物检测方法及装置，方法包括：选择特定波长的N种量子点分别标记样本中N个待检测指标；N为1、2或3；利用激发光激发待检测指标‑量子点复合物；利用不同感光度和不同曝光时间组合对激发后的上述复合物进行多次拍照，得到16位位深的RAW格式的第一原始图像文件；分别对未标记的量子点进行拍照，得到16位位深的RAW格式的第二原始图像文件；计算第二原始图像文件中各通道接收各量子点的荧光强度的比例系数矩阵；计算第一原始图像文件各待检测指标‑量子点复合物的荧光强度；根据荧光强度获取各待检测指标的浓度，完成生物检测。本发明极大地扩展了手机的功能，可实现宽动态范围以及多重定量检测。

Description

一种基于手机的生物检测方法及装置
技术领域
本发明涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种基于手机的生物检测方法及装置。
背景技术
POCT(point-of-care testing，即时检验)技术发展迅速，已经可以定性检测和定量测定多项生化指标以帮助对人们的健康进行评估。但是到目前为止，所有的定量POCT技术都需要一个“读数仪”，对反应信号(例如荧光)进行定量化。常用的“读数仪”包括至少两部分：一是激发部分，即以某种波长的光束激发(照射)被检测物中的信号物质；二是接收部分，它接收信号物质在被激发(照射)之后发射的信号并对其进行定量。荧光读数仪就是这样一种典型的仪器。这种读数仪由于包含必要的电子器件和光学路径，存在体积和成本的下限，仍然停留在医疗机构使用，无法用于家庭和个人。很显然，普通个人不会因为检测一两个项目而买一台“读数仪”。有些POCT技术，如胶体金免疫层析技术，虽然无需“读数仪”，用裸眼即能判读，但是由于胶体金技术批间差难以控制、信号动态范围窄等原因，无法做到定量，只能定性地判断被检测物“有”或者“无”，如早孕试纸等。
另外，现在所有的即时检验产品只能做到单重检验，即每次只能针对一份样本检测一个指标。其原因在于多重指标的信号要么需要从空间上加以区分，要么需要从光谱上加以分别。简单从空间上间隔(例如多联检测卡)势必增加试剂卡体积以及样本体积等。如果从光谱上分辨各指标的信号，那么在光路上需要添加多个分光器件和滤光片，整个光路复杂而又成本高昂。
再者，现有的定量读数仪都面临着动态范围的挑战，即得到的信号强度只在某一个范围内与被检测物的浓度成正关联。大于这个范围，信号强度趋于饱和，不再增加；小于这个范围，信号强度趋于0或者某个值，不再减少。这个挑战对于即时检验的读数仪尤其明显，因为其体积和成本都受到严格的限制，所以通常的即时检验读数仪的测量动态范围只能做到2个数量级左右。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于手机的生物检测方法及装置，可以极大地扩展手机的功能，实现宽动态范围以及多重定量检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于手机的生物检测装置，包括：手机以及设置在所述手机上的紫外LED光源；
所述紫外LED光源用于发出激发光，所述激发光激发待检测样本；
所述手机用于对激发后的待检测样本进行拍照，得到原始图像文件；所述原始图像文件为16位位深的RAW格式的原始图像文件；
所述手机还用于对所述原始图像文件进行处理，得到所述待检测样本的浓度。
可选地，所述激发光为不可见光。
可选地，还包括：透镜，设置在所述紫外LED光源的出射光路上，用于使所述激发光均匀并且集中照射所述待检测样本。
可选地，所述透镜为螺纹透镜。
可选地，还包括：长通滤光片，设置在所述手机的摄像头前方，用于过滤所述激发光。
可选地，还包括：荧光免疫层析试纸，用于放置所述待检测样本；所述荧光免疫层析试纸包含多条质控线。
可选地，还包括：暗盒，所述荧光免疫层析试纸放置在所述暗盒内；所述手机放置在所述暗盒内或所述暗盒上。
一种基于手机的生物检测方法，所述方法应用于上述所述的基于手机的生物检测装置，所述基于手机的生物检测方法包括：
根据手机CMOS感光单元的光谱响应曲线，选择受紫外光激发，发射特定波长可见光的N种信号物质分别标记样本中N个待检测指标，得到待检测指标-信号物质复合物；N为1、2或3；
利用激发光激发所述待检测指标-信号物质复合物；
利用不同感光度和不同曝光时间组合对激发后的待检测指标-信号物质复合物进行多次拍照，得到16位位深的RAW格式的第一原始图像文件；
分别对未标记过的信号物质进行拍照，得到16位位深的RAW格式的第二原始图像文件；
根据所述第二原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算各所述通道接收各所述信号物质的荧光强度的比例系数矩阵；
根据所述比例系数矩阵和所述第一原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算所述待检测指标-信号物质复合物的荧光强度；
根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，完成生物检测。
可选地，所述根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，具体包括：
利用所述荧光强度对校准曲线进行插值，得到各所述待检测指标的浓度；其中，所述校准曲线是根据不同浓度的校准品-信号物质复合物的荧光强度建立的。
可选地，所述信号物质为量子点。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于手机的生物检测方法及装置，方法包括：根据手机CMOS感光单元的光谱响应曲线，选择受紫外光激发，发射特定波长可见光的N种信号物质分别标记样本中N个待检测指标，得到待检测指标-信号物质复合物；N为1、2或3；利用激发光激发所述待检测指标-信号物质复合物；利用不同感光度和不同曝光时间组合对激发后的待检测指标-信号物质复合物进行多次拍照，得到16位位深的RAW格式的第一原始图像文件；分别对未标记过的信号物质进行拍照，得到16位位深的RAW格式的第二原始图像文件；根据所述第二原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算各所述通道接收各所述信号物质的荧光强度的比例系数矩阵；根据所述比例系数矩阵和所述第一原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算所述待检测指标-信号物质复合物的荧光强度；根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，完成生物检测。本发明极大地扩展了手机的功能，可实现宽动态范围以及多重定量生物检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明实施例提供的基于手机的生物检测装置结构图；
图2为本发明实施例提供的CMOS光谱响应曲线和量子点波长示意图；
图3为本发明实施例提供的荧光免疫层析试纸示意图；
图4为本发明实施例提供的校准曲线图；
图5为本发明实施例提供的浓度检测范围示意图一；
图6为本发明实施例提供的浓度检测范围示意图二；
图7为本发明实施例提供的手机CMOS滤光片阵列示意图；
图8为本发明实施例提供的CMOS感光单元示意图；
图9为本发明实施例提供的CMOS感光单元组成彩色像素的示意图。
符号说明：
1-紫外LED光源，2-透镜，3-长通滤光片，41-蓝色量子点，42-绿色量子点，43-红色量子点，5-手机镜头，6-第一C线，7-第二C线，11-抗苗勒氏管激素抗体A2，12-抗黄体生成素抗体B2，13-抗卵泡刺激素抗体C2，21-抗苗勒氏管激素抗体A1，22-抗黄体生成素抗体B1，23-抗卵泡刺激素抗体C1的混合物。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
手机功能强大，本发明巧妙地利用现有手机彩色拍照的光电原理和其组成部件，对其最小限度地添加适当部件，将其转变成一个便捷的、具有宽动态范围和多重定量特征的生物检测平台。
本发明的目的是提供一种基于手机的生物检测方法及装置，可以极大地扩展手机的功能，实现宽动态范围以及多重定量检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的基于手机的生物检测装置结构图，如图1所示，基于手机的生物检测装置包括：手机以及设置在手机上的紫外LED光源1。紫外LED光源1用于发出激发光，激发光激发待检测样本，手机用于对激发后的待检测样本进行拍照，得到原始图像文件，所述原始图像文件为16位位深的RAW格式的原始图像文件，手机还用于对原始图像文件进行处理，得到待检测样本的浓度。其中，紫外LED光源1发出的激发光为不可见光。
在本实施例中，基于手机的生物检测装置还包括：
透镜2，设置在紫外LED光源1的出射光路上，用于使激发光均匀并且集中照射待检测样本。其中，透镜2为螺纹透镜。
长通滤光片3，设置在手机的摄像头前方，用于过滤激发光。
荧光免疫层析试纸，用于放置待检测样本；荧光免疫层析试纸包含多条质控线。
暗盒，荧光免疫层析试纸放置在暗盒内；手机放置在暗盒内或暗盒上。
本实施例还提供了一种基于手机的生物检测方法，方法应用于上述基于手机的生物检测装置，方法包括：
根据手机CMOS感光单元的光谱响应曲线，选择受紫外光激发，发射特定波长可见光的N种信号物质分别标记样本中N个待检测指标，得到待检测指标-信号物质复合物；N为1、2或3；
利用激发光激发所述待检测指标-信号物质复合物；
利用不同感光度和不同曝光时间组合对激发后的待检测指标-信号物质复合物进行多次拍照，得到16位位深的RAW格式的第一原始图像文件；
分别对未标记过的信号物质进行拍照，得到16位位深的RAW格式的第二原始图像文件；
根据所述第二原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算各所述通道接收各所述信号物质的荧光强度的比例系数矩阵；
根据所述比例系数矩阵和所述第一原始图像文件中像素的RGB或RYB通道的数据计算所述待检测指标-信号物质复合物的荧光强度；
根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，完成生物检测。具体包括：
利用所述荧光强度对校准曲线进行插值，得到各所述待检测指标的浓度；其中，所述校准曲线是根据不同浓度的校准品-信号物质复合物的荧光强度建立的。
其中，所述信号物质为量子点。
以下对本发明的原理进行具体说明：
1、手机硬件部分
激发部分:
如图1所示，本发明在现有手机内置一紫外LED光源1，做为激发部分。内置紫外LED光源1为贴片式LED，可以与手机背部的其他光源摆放在一起，也可分开。其具体参数如下：
为使其尽量少的占用手机空间，紫外LED光源1的每边边长<4mm；
为获得足够的光通量，紫外LED光源1的芯片功率为0.2-3W，芯片的中心波长<400nm，优选365nm、340nm或290nm；
紫外LED光源1不发出可见光。
为了使得紫外LED光源1均匀并且相对集中在被检测区域(5cm×5cm)，在紫外LED光源1前放置一透镜2(为表示清楚，图1中透镜2与LED光源1沿垂直方向拉开适当距离)，透镜2参数如下：
发散角：30-60°；
紫外光透过率：>80％；
焦距：10-25cm。
接收部分：
本发明在手机摄像头前增加一长通滤光片3做为接收部分(为表示清楚，图1中长通滤光片3与手机镜头5沿垂直方向拉开适当距离)，长通滤光片3参数如下：
中心波长：400nm+/-5nm
截止深度：OD～4.0
透过率：>95％
入射角度：0°
这样紫外激发光都被截止，而绝大部分的可见光都可以通过长通滤光片3，不会对手机现有的拍照或摄影造成任何影响。另外，为了获得近似垂直的激发和接收，本发明中接收部分与激发部分距离在2cm以内。
2、手机拍照检测控制流程及宽动态、多重定量检测过程
在本实施例中，使用APP负责控制手机拍照，APP具有调取手机拍照“专业”模式和存储所获取图像为RAW格式文件的权限。流程为：
(1)用户启动APP。
(2)APP扫描检测用试剂卡(试纸条、芯片等)的识别码，识别该特定检测项目(该检测项目可以是多个指标同时检测)。
(3)APP提示用户确认项目。
(4)APP自动识别环境光强，提示用户进入一个低光强的环境。
(5)如果环境光强符合拍照要求，引导和提示用户将检测试剂卡(试纸条、芯片等)放在手机紫外LED光源正下方最近清晰成像处，即5-10cm处。
(6)调取已存取的拍照参数，开启紫外LED光源，以不同拍照硬件参数(如曝光时间和感光度ISO的组合)对检测试剂卡(试纸条等)进行多次拍照，获取图像，并以RAW格式存储文件。
为了实现宽动态检测范围，针对低浓度的待检测指标，采用长曝光时间(可长达1-2s)和高感光强度(可高至ISO800-1600)获取图像。针对高浓度的待检测指标，采用短曝光时间(可短至1/200s)和低感光强度(ISO50)获取图像。最后根据特定拍照硬件参数下的校准品信号强度，计算出相同条件下待检测指标的信号强度和待检测指标的浓度。由于在实施过程中，检测项目是已知的，试剂卡(试纸条、芯片等)也是制备好的，所以针对每一个项目和每一种试剂卡(试纸条、芯片等)，本发明预先存储好为了所需动态范围已经优化的硬件参数(ISO值和曝光时间等)，检验时只需通过试剂卡(试纸条、芯片等)上的条码识别检测项目，从而调用已存储的相应的拍照硬件参数即可实现对每个项目的宽动态范围检测。
(7)如果是多指标同时检测(多重检测)，则利用手机摄像头感光CMOS的三个通道(RGB通道或RYB通道，本实施例中以RGB通道为例)的响应光谱曲线选择三种特定发射波长的量子点作为信号物质对待检测指标进行标记。这三种量子点的发射波长分别对应RGB三个通道的光谱响应峰值，并且处于其他通道光谱响应的最低值。如图2所示，为某手机CMOS三个通道单个感光单元的光谱响应曲线。选用发射波长峰值为～450nm的蓝色量子点41，峰值为～550nm的绿色量子点42和峰值为～630nm的红色量子点43作为标记信号物质。需要强调的是，只要是能受紫外激发，发射特定波长可见光的信号物质均可以，在本实施例中以量子点为例说明。
手机对这三种待检测指标-量子点复合物的混合物进行拍照，从RAW文件得到各像素RGB通道的读数，通过换算矩阵M，即得到各信号物质各自的荧光强度：
其中B、G和R分别为B通道、G通道和R通道接收的荧光强度。S1、S2和S3为量子点41、42和43发出来的荧光强度，M矩阵为换算矩阵。M获取过程如下：
不难看出，对于任何感光单元，有：
即：
其中，A为各通道接收各量子点的荧光强度的比例系数矩阵，
A矩阵的对角线元素远大于其余元素。其中A矩阵的各元素通过以下对单个信号物质进行拍照获得。即先对量子点41进行拍照，然后从B通道获取读数a11，从G通道获取读数a21，从R通道获取读数a31，然后归一化(除以a11)；再对量子点42进行拍照，然后从B通道获取读数a12，从G通道获取读数a22，从R通道获取读数a32，然后归一化(除以a12)；最后对量子点43进行拍照，然后从B通道获取读数a13，从G通道获取读数a23，从R通道获取读数a33，然后归一化(除以a13)。
得到A矩阵后，M矩阵为A矩阵的逆，对A取逆后即获得M矩阵各元素，M＝A-1。
需要强调的是，本发明多重定量检测分析用的数据是手机各感光单元的直接读数，即RAW文件的数据，而不是通常经过算法和校正标定后的，用于显示的JPEG图像文件的每个像素的RGB值。
得到各信号物质的荧光强度S1、S2和S3后，从APP中调取在相同拍照硬件参数下各待检测指标的校准曲线，分别进行插值，即S1对校准曲线1进行插值，S2对校准曲线2进行插值，S3对校准曲线3进行插值，最终获得各信号物质对应的检测指标的浓度。
校准曲线1-3获取过程如下：
按照上述流程分别对信号物质1标记的不同浓度的检测指标1的校准品(校准品-量子点复合物)进行拍照和换算，得到校准品1A、1B、1C…1N的信号强度S1A、S1B、S1C...S1N进而做出校准曲线。对信号物质2标记的不同浓度的检测指标2的校准品进行拍照和换算，得到校准品2A、2B、2C…2N的信号强度S2A、S2B、S2C...S2N进而做出校准曲线2。对信号物质3标记的不同浓度的检测指标3的校准品进行拍照和换算，得到校准品3A、3B、3C…3N的信号强度S3A、S3B、S3C...S3N进而做出校准曲线3，做好各校准曲线后预存储在APP中。
(8)根据各个检测指标的浓度，结合该项目的临床医学应用，对结果进行分析和解释，向用户出具报告。
3、免疫层析试纸条(试剂卡)
免疫层析试纸是POCT最常用的一种方式。荧光免疫层析试纸定量时，通常采取T线信号除以C线信号的方法(T/C)测量被检测物的浓度。
为了实施较宽的动态检测范围，配合不同的曝光时间和ISO值(感光度)组合，本发明采用两条质控线。如图3所示，即第一C线6和第二C线7。第一C线6比较弱，第二C线7比较强。在长曝光时间和高ISO时，用第一C线6计算T/C。在短曝光时间和低ISO时，用第二C线7计算T/C。在一个具体实施例中，本发明用630nm的量子点对抗苗勒氏管激素(AMH)抗体进行标记。采用两条C线对AMH标准品进行检测。如图4所示，使用的是某安卓手机，图中曲线A为感光度100和曝光时间2s时的校准曲线，曲线B为感光度50和曝光时间0.5s时的校准曲线。合并起来，本发明可以得到抗苗勒氏管激素0.04-16ng/ml的动态检测范围，大于2个数量级，优于大多数POCT产品用荧光读数仪的动态检测范围。
在实施多重检测时，与普通的多指标(或多重)免疫层析试纸不同，本发明的免疫层析试纸只需要一条测试T线，此测试线包含了多个检测指标的抗原或抗体。
在一个具体实施例中，本发明可以利用荧光免疫层析试纸条同时检测女性血液中抗苗勒氏管激素、黄体生成素和卵泡刺激素。这三种激素都是蛋白分子，并且都可以通过夹心法进行检测：
(1)本发明的T线上同时划有这三个指标的抗体，即在T线上划的是抗苗勒氏管激素抗体A1(图3中21)、抗黄体生成素抗体B1(图3中22)和抗卵泡刺激素抗体C1的混合物(图3中23)。
(2)本发明的标记垫上同时包含分别被红色量子点标记抗苗勒氏管激素抗体A2(图3中11)，蓝色量子点标记的抗黄体生成素抗体B2(图3中12)和绿色量子点标记的抗卵泡刺激素抗体C2(图3中13)。其中，本发明也可以有三层标记垫，依次搭接，每层分别包含被红色量子点标记抗苗勒氏管激素抗体A2(图3中11)，蓝色量子点标记的抗黄体生成素抗体B2(图3中12)和绿色量子点标记的抗卵泡刺激素抗体C2(图3中13)。
可以理解的是，荧光免疫层析试纸是作为本发明的可选项，本发明中的生物检测还可以用其他试纸、试剂卡或芯片等形式。
4、暗盒
在比较暗的环境，如夜晚避光的室内环境，由于环境可见光足够低，不会对量子点发射的光造成任何干扰，本发明可直接利用手机进行定量的即时检验。
在白天的环境下，作为可选项，本发明用一暗盒保证手机相对检测试剂卡的位置固定和整个光路不受环境光线的影响。由于环境光线强弱和方向都难以控制，为了获得一个均匀的视场并且不受环境干扰，本发明可配置一个手机专用的暗盒，使手机摄像头和紫外LED光源1置于在暗盒顶面，或手机设置在暗盒内，试剂卡置于暗盒底部，并且摄像头和紫外LED光源1对准试剂卡。在整个拍照检测过程中，可以获得一个均一的光照环境；手机与试剂卡在一个最佳距离，可以获得清晰的图像；手机和试剂卡的位置都固定不动，可以防止抖动，拍摄长时曝光的稳定图像。整个暗盒不含任何光电器件。
为了便于携带，本发明中的暗盒为可折叠式暗盒。
本实施例还提供了一个具体实施方式，如下：
为了获得宽动态检测范围，本发明利用荧光量子点作为信号物质。与其它荧光分子比，量子点用紫外光激发而发射可见光，两者波长间距(斯托克斯位移)大，易于光路设计和信号的检测。另外，量子点具有很好的光稳定性，能够经受激发光源长时间照射而没有明显的光性能损失，适合于本发明的长时曝光及多次曝光。另外，同样的激发强度下，量子点的荧光强度高，有利于宽动态范围的实现。量子点比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”荧光强度高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。
为了获得宽动态检测范围，本发明采用现在手机普遍提供的RAW格式存储图像文件而不是用来显示的JPEG格式文件。RAW格式的文件是手机CMOS每个感光单元记录的原始数据，直接反应了每个感光单元接收到的光信号。而且，RAW格式的文件存储位深为16位，远高于JPEG格式的8位。
为了获得宽动态检测范围，本发明使用手机拍照的HDR(高动态范围)的算法。手机通常用的CMOS感光单元动态范围有限，在特定的拍照条件下(如曝光时间和ISO)，太强的信号表现为饱和，太弱的信号表现为0或某个低值(器件的噪音)。为了实现更宽动态范围的定量检测，本发明用不同的曝光时间和ISO组合，对检测试剂卡(例如荧光免疫层析试纸条)进行多次拍照获取图像，然后采用不同的图像对不同的浓度范围进行定量。
如图5-6所示，利用某安卓手机，用紫外光源(365nm，3w)对在硝酸纤维素膜上不同浓度的量子点斑进行拍照，每一个量子点斑的体积均为0.5ul，浓度为上一个量子点斑的1/2.5。
图5的拍照参数为：
ISO：50；
曝光时间：0.5S；
存储格式：RAW。
图6的拍照参数为：
ISO：100；
曝光时间：5S；
存储格式：RAW。
可以看出在图5中，本发明可以检测到第1-5个浓度范围，图6中，本发明可以检测到第4-9个浓度范围。合并起来，本发明可以得到对量子点2.58＝1.5×103倍，超过3个数量级的动态检测范围。与大多数的专业免疫荧光读数仪相比，动态检测范围毫不逊色。
由于在实施过程中，各个检测项目是预先知道的，试剂卡(试纸条、芯片等)也是制备好的，所以针对每一个项目和每一种试剂卡(试纸条、芯片等)，本发明预先存储好为了所需动态范围已经优化的硬件参数(ISO值和曝光时间等)。检验时只需通过试剂卡(试纸条、芯片等)上的条码便知道检验项目，从而调用已存储的相应的拍照硬件参数即可实现对每个项目的宽动态范围检测。
手机镜头彩色CMOS最常用的工作原理为彩色单CMOS。即在一块CMOS阵列上覆盖RGB(红绿蓝)三色滤光片，通常以1：2：1的构成(如图7-8示)，由四个感光单元构成一个彩色像素(即红蓝滤光片分别覆盖一个感光单元，剩下的两个感光单元都覆盖绿色滤光片，如图9所示)。为了得到与人眼感觉相近的图像，在CMOS输出RAW格式的文件后，往往还要通过一系列的算法和标定，才能恢复这一组感光单元每个单元的RGB信号，存储在文件中，从而显示在手机屏幕或显示器上。但是作为定量检测，更关心的是每种信号物质的光强，而不是恢复后所呈现的图像的对人眼的“颜色真实度”。
本发明巧妙地利用摄像头感光CMOS里的RGB感光单元的光谱响应曲线来选用的三种颜色的量子点作为信号物质，并且充分利用手机现有的光学器件和RAW格式文件的输出，不用额外的滤光片便可知光强来自哪种颜色的信号物质，从而实现多种指标同时检测，即多重检测。
如图2所示，如果是多重检测，本发明选用发射波长峰值为～450nm的蓝色量子点41，峰值为～550nm的绿色量子点42和峰值为～630nm的红色量子43点作为标记信号物质。一方面，这样三种颜色的波长分得比较开，互不干扰。另一方面，这三种颜色分别对应该手机摄像头感光CMOS里的RGB三个通道的峰值，并且处于其他通道响应的最低值(图2箭头所指)。
利用某安卓手机(曝光时间1/100s，ISO200)先对量子点41(100nM)进行拍照，然后从B通道获取读数a11，从G通道获取读数a21，从R通道获取读数a31，然后进行归一化(例如都除以a11)；再对量子点42(100nM)进行拍照，然后从B通道获取读数a12，从G通道获取读数a22，从R通道获取读数a32，然后进行归一化(例如都除以a22)；最后对量子点43(100nM)进行拍照，然后从B通道获取读数a13，从G通道获取读数a23，从R通道获取读数a33，然后进行归一化(例如都除以a33)。由此得到系数矩阵A为：
从而得到换算矩阵M：
此实施例的原理和实验方法也可以应用于RYB(红黄蓝)滤光片阵列。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明极大地扩展了手机的功能，使其成为个人的健康检测移动平台。个人能完成样本(例如指尖血、尿液和唾液等)采集的很多项目(例如女性抗苗勒氏管激素检测等)都可以利用手机完成定量检测。
2、本发明调节手机拍照的硬件参数和利用多个RAW格式文件的输出作为原始数据来进行定量检测，动态范围通常可以达到两个数量级以上。例如利用本发明对女性指尖血抗苗勒氏管激素进行检测，检测范围为0.04-16ng/mL，从而使得精准预测女性绝经年龄和评估女性卵巢储备功能成为可能。
3、本发明选用特殊发射光谱的荧光量子点和特殊的荧光免疫层析试纸设计，可以对多个指标同时进行定量检测。这对一些项目是极其有用的，例如利用本发明只需采集80μl指尖血，便可同时对女性的抗苗勒氏管激素、卵泡刺激素和黄体生成素进行多重检测，从而对女性的卵巢功能进行一个全面的评估。
4、本发明提供了一种从RAW格式文件的RGB通道读数换算成各信号物质荧光强度的算法，以及在该算法中获取换算矩阵各元素的实验步骤。该换算矩阵仅有9个元素，且各元素可以预先获得，因此该算法具有换算简单，实施速度快的特点。
5、本发明对手机的硬件要求很低，并且无需改动手机现有的光路，只需增加一个紫外LED光源，一个螺纹聚光透镜和一个滤光片，成本极低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于手机的生物检测装置，其特征在于，包括：手机以及设置在所述手机上的紫外LED光源；
所述紫外LED光源用于发出激发光，所述激发光激发待检测样本；所述激发光为不可见光；所述紫外LED光源的芯片功率为0.2-3W，芯片的中心波长<400nm；
所述手机用于对激发后的待检测样本进行拍照，得到原始图像文件；所述原始图像文件为16位位深的RAW格式的原始图像文件；
所述手机还用于对所述原始图像文件进行处理，得到所述待检测样本的浓度；具体包括：
多指标同时检测，以所述手机摄像头感光CMOS的三个通道的响应光谱曲线选择三种特定发射波长的量子点作为信号物质对待检测指标进行标记；三种量子点的发射波长分别对应RGB三个通道的光谱响应峰值，并且处于其他通道光谱响应的最低值；所述手机对这三种待检测指标-量子点复合物的混合物进行拍照，从RAW文件得到各像素RGB通道的读数，通过换算矩阵M，得到各信号物质各自的荧光强度：
其中B、G和R分别为B通道、G通道和R通道接收的荧光强度；S1、S2和S3分别为三种量子点发出来的荧光强度，M矩阵为换算矩阵；
M矩阵获取过程如下：
其中，A为各通道接收各量子点的荧光强度的比例系数矩阵；
A矩阵的对角线元素远大于其余元素；A矩阵的各元素通过以下对单个信号物质进行拍照获得；先对第一种量子点进行拍照，然后从B通道获取读数a11，从G通道获取读数a21，从R通道获取读数a31，然后归一化；再对第二种量子点进行拍照，然后从B通道获取读数a12，从G通道获取读数a22，从R通道获取读数a32，然后归一化；最后对第三种量子点进行拍照，然后从B通道获取读数a13，从G通道获取读数a23，从R通道获取读数a33，然后归一化；
得到A矩阵后，M矩阵为A矩阵的逆，对A取逆后即获得M矩阵各元素，M＝A-1；
针对低浓度的待检测指标，采用长曝光时间和高ISO值；针对高浓度的待检测指标，采用短曝光时间和低ISO值；
所述基于手机的生物检测装置还包括：荧光免疫层析试纸；所述荧光免疫层析试纸用于放置所述待检测样本；所述荧光免疫层析试纸包含多条质控线；
在所述多指标同时检测过程中，配合不同的曝光时间和ISO值组合，采用两条质控线；所述两条质控线具体包括：第一C线和第二C线；所述第一C线比较弱，所述第二C线比较强；在长曝光时间和高ISO值时，用第一C线计算T/C；在短曝光时间和低ISO值时，用第二C线计算T/C；
所述原始图像文件中各像素的RGB通道的数据为直接读数；所述直接读数未经过算法和校正标定。
2.根据权利要求1所述的基于手机的生物检测装置，其特征在于，还包括：透镜，设置在所述紫外LED光源的出射光路上，用于使所述激发光均匀并且集中照射所述待检测样本。
3.根据权利要求2所述的基于手机的生物检测装置，其特征在于，所述透镜为螺纹透镜。
4.根据权利要求1所述的基于手机的生物检测装置，其特征在于，还包括：长通滤光片，设置在所述手机的摄像头前方，用于过滤所述激发光。
5.根据权利要求1所述的基于手机的生物检测装置，其特征在于，还包括：暗盒，所述荧光免疫层析试纸放置在所述暗盒内；所述手机放置在所述暗盒内或所述暗盒上。
6.一种基于手机的生物检测方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1-5任意一项所述的基于手机的生物检测装置，所述基于手机的生物检测方法包括：
根据手机CMOS感光单元的光谱响应曲线，选择受紫外光激发，发射特定波长可见光的N种信号物质分别标记样本中N个待检测指标，得到待检测指标-信号物质复合物；N为3；
利用激发光激发所述待检测指标-信号物质复合物；所述激发光为不可见光；
利用不同感光度和不同曝光时间组合对激发后的待检测指标-信号物质复合物进行多次拍照，得到16位位深的RAW格式的第一原始图像文件；
分别对未标记过的信号物质进行拍照，得到16位位深的RAW格式的第二原始图像文件；
根据所述第二原始图像文件中像素的RGB通道的数据计算各所述通道接收各所述信号物质的荧光强度的比例系数矩阵；
根据所述比例系数矩阵和所述第一原始图像文件中像素的RGB通道的数据计算所述待检测指标-信号物质复合物的荧光强度；
根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，完成生物检测；
所述第一原始图像文件中像素的RGB通道的数据为直接读数；所述第二原始图像文件中像素的RGB通道的数据为直接读数；所述直接读数未经过算法和校正标定；
所述根据所述荧光强度计算各所述待检测指标的浓度，具体包括：
利用所述荧光强度对校准曲线进行插值，得到各所述待检测指标的浓度；其中，所述校准曲线是根据不同浓度的校准品-信号物质复合物的荧光强度建立的；
所述信号物质为量子点。
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