CN1618257A

CN1618257A - 测试方法

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Publication number: CN1618257A
Application number: CN02827901.8A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·菲利皮尼; 英厄马尔·伦德斯特
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2005-05-18
Also published as: WO2003067936A8; JP2005517195A; WO2003067936A1; US20050052652A1; EP1472913B1; AU2002228571A1; ATE553366T1; JP4096046B2; EP1472913A1; US7092089B2

Abstract

本发明涉及一种实用的低成本的方法和装置，其使用几个涉及受控的光源的光学辅助的分析技术的利益。所述方法包括使用程序控制的显示器(例如计算机，移动电话或TV的显示屏)作为光源用于照射专门配置的检测器，以便捕获和测试环境发生的光相互作用，使得能够产生所述环境的不同的光谱和化学的或生化的图像。此外，可以在现场收集信息而通过互联网进行即时的在线分析。

Description

测试方法

发明背景

在化学或生物化学检测中使用多种分析技术，这些技术依赖于光和特定介质的相互作用，例如可见吸收光谱测量(VIS光谱测量)、表面光电压光谱测量(SPS)、或扫描光脉冲技术(SLPT或LAPS)。

所有这些技术都提供了目标环境(下文有时称为“分析物”)的有用的和补充的信息，但是由于这些系统的复杂性，其中主要涉及对光源的要求，它们的实际应用受到限制，一般只限于装备昂贵的实验室或者专用于特定用途的设备。

包括在这些科学仪器中的有关的光源的复杂性和精密性涉及光学元件和引导单色化的光通过输出狭缝所需的被控制的微定位。

本发明的目的在于提供一种可行的低成本的方法和相关的装置，其提供微定位、单色化和强度调制，使得能够利用上述技术和需要精密地控制的光源的其它技术的利益。

一般地说，本发明的方法由使用程序控制的显示器(如计算机监视器，移动电话或TV显示屏)作为光源来构成。机械定位由显示屏按顺序地照射邻近的像素、精确而规则地在所述的任何不同的显示器中形成图案的能力来代替。代替单色器，这个同样的精确的定位可用来单色化光，其中使用在显示屏上照射的区域作为在固定的衍射元件的前方可移动的光源，所述衍射元件在空间上位于所述光源的前方。

此外，在显示屏上按顺序显示的不同的RGB颜色提供一种适用于光谱响应测量的光源，这是比色检测方法的主要目标。此外，在该光源中的不同的像素可以被单独地对于颜色和强度编程。通过使用在光源和检测对象之间的透镜，可以照射小的检测对象。使用程序控制的显示器作为光源还使得能够使光扫描检测对象。所述的光源可以和许多类型的光检测器一起使用，用于记录照射检测对象所得的结果。

因而使用例如数字照相机、摄像机和网络照相机的检测器可能是有利的。

本发明例如使得能够使用检测试样的简化的照射与/或专门设计用于被目标环境影响的检测器。在这方面，可以使用已经研制的用于使用通常的(单色光的)光源进行光学检测的指示剂材料或分子。也可以研制被优化以便和RGB颜色一起使用的指示剂。

此外，可以由用户在现场处理信息，或者只在现场获得信息而通过互联网连接进行在线分析，其中可以提供专家解释。

上述的一般的发明原理具有一些特定的特征，这些特征和要被模拟的所考虑的分析技术有关。

例如，在VIS光谱测量的情况下，标准技术需要可见光源、单色化器、斩波器和检测器。

单色化的光具有由单色化器的狭缝宽度确定的窄的光谱宽度，使其通过透明的试管，在试管中具有试样物质，在这种情况下，试样物质是一种液体，出射光在检测器中被捕获。根据检测器的需求，可以在光路中插入一个光斩波器(图1)。

不同物质的VIS吸收性能和其成分有关，借助于引入化学剂(如载色体或荧光标记)，可以跟踪大量的化学或生化性能，并通过其光谱响应选择地进行识别。

所述原理不限于液体，而是也可以分析吸收固体、胶体或聚合物，例如标记的DAN阵列载片或气体敏感的聚合物。

光谱的获取需要一个计算机控制的系统，该系统能够调整提供的波长，其最低限度地包括可编程的单色化器，因而把这种技术局限于实验室。

在SPS或在半导体界面分析例如电场感应的SPS(EFISPS)或内部光电子放射光谱测量(IPE)的情况下，主要的原理是激发用特定波长照射的半导体结构中的载流子。扫描的光谱范围取决于半导体的带隙，但是子带隙能量也可以提供表面状态的信息。

在SPS中，使用聚焦的单色光束以被控制的斩波频率照射半导体衬底，这提供和表面或界面状态有关的瞬态光电流(SPS的完整的说明和相关的技术可以在L.Kronik，Y.Shapira，Surf.Dci.Reports 37，1-206(1999)中找到)。这种技术可以适用于检测应用，但是仍然需要昂贵的受控光源(图2)。

如果光束或激光光束在半导体上扫描，则在所谓的SLPT技术(I.Lundstrom，et al.，Nature 352，47-50(1991))中可以构成界面性能的在空间上分解的图像。只要具有在空间上分布的不同材料和厚度的在化学上敏感的偏置电极，这种技术便对气体混合物和气味提供选择的化学图像(图3)。

如果偏置电极被电解液代替，则装置成为用于化学或生化分析的有力的测量电势的工具，被称为可光寻址的电势测量传感器(LAPS，D.Hafeman，et al.，Science 240，1182-1185(1988))。

此外，在许多这些方法中，具有许多复杂的元件，用于微定位的调制的激光束，其中利用相关的聚焦光学系统，这使得现场应用是不现实的。

发明内容

本发明的目的通过由用软件控制的显示屏或显示器代替复杂的照射系统来实现。

用这种方式，已被用于使结果可视化并向用户提供在所有的计算机化的技术中所需的接口的显示器可以成为大面积的光源，其具有可以配置的性能，能够同时提供所有的技术。

首先分析VIS光谱测量，如果我们考虑到对于许多应用，要求光谱实现的仅仅是用于识别特定的分析物的指纹识别能力，则这可以通过在用作光源的显示器的一个区域内连续地显示RGB颜色(颜色扫描)来实现。

例如，阴极射线管(CRT)计算机监视器，从我们的目标的观点看来，是一个光源，其中一个扫描激光束激励涂覆在屏的内表面上的含磷的物质的点的矩阵。

含磷的物质是一种当被电子束激励时则发光的化学物质，并且不同的含磷物质发出不同颜色的光。在CRT彩色监视器的情况下，在屏上的每个点由蓝、红和绿发光荧光体的3个斑点构成，其构成所谓的一个像素。每个颜色的不同的强度可以(对于人的眼镜)产生许多不同颜色的并在一个宽的强度范围内的幻影。实际上每个颜色(红绿蓝)不由单色源构成，而由特定的强度分布(R(λ)，G(λ)，B(λ)，图4)构成。从显示器上发出的颜色是以各自的范围从0-1的r，g，b值加权的各个光谱的和(0-255用于24位的视频卡的各个rgb通道)：

发出的颜色(λ)＝r×R(λ)+g×G(λ)+b×B(λ)

不同的rgb值的组合提供大约16兆个颜色的一个范围。如果任意选择一组rgb颜色来模拟可见光谱的感觉，则发出的光谱类似于图5所示的光谱。

这一组可用于进行多波长颜色扫描，以便保持产生不同的吸收光谱的能力(图6)。

在图6中，测试试样可以是含在试管中的液体，或者是在透明衬底上的物质，它们和在测试环境中的目标物质反应。已经研制了用于检测分解的和气态的物质的许多指示剂系统(例如用于生物检测，见R.Jelinek，S.Kolusheva，Biotechnology advances 19，109-118(2001)，vapor sensitive porphyrines in N.Rakow，K.Suslick，Science 406，710-713(2000))。其中的许多不加修改便可用于本发明中。不过，我们设想能够研制对于应用基于rgb的颜色优化的指示剂。在本发明的第一个实施例中，其由可编程的光源(监视器、显示器、移动电话、电视机显示屏)构成，其提供一个rgb颜色的受控的序列，一种测试试样(液体或固体状的物质)，其被设计用于在存在要被检测的分析物(荷尔蒙、毒素、环境污物、毒气等)时改变其光谱响应，以及一个光检测器。没有提及提供一种用于使测试环境和试样接触的装置，但是显然需要一种这样的装置。

在这种新的方法中，单色化器被一种能够容易得到的系统代替，该系统没有可移动的部件，该系统还提供某种类型的光检测器所需的固有的斩波强度。

这是因为，一旦被电子束激励，像素的亮度便衰减直到在其扫描周期内光束再次照射到。对于85Hz的一个典型的像素频率(也称为刷新频率)，对于单个像素光源，这是固有的斩波频率。

借助于激励由几个像素构成的组可以产生较大的光源和在试样上的较高的总光通量。来自试样的光可被聚焦在检测器上，以便增加检测器的每个像素上的亮度。对于1024×648的像素的分辨率，利用大约14纳秒的滞后激励连续的水平像素，并利用大约14微秒(大约71kHz)的滞后激励连续的垂直像素，不过和高频重叠相比，85Hz的斩波图案处于支配地位。

关于检测器，可以是不同类型的，例如大面积的金属-氧化物-半导体装置，数字照相机或摄像机，聚合物光检测器或传导的光敏检测器，其取决于特定的应用，都可以在一个柔性的或刚性的衬底上形成图案。关于试样物质的光学性能，不仅应当具有光吸收性能，而且应当具有荧光，以便能够进行监视。

当使用液晶显示(LCD)监视器代替CRT时，刷新频率具有不同的意义。在这种显示屏中，每个像素的亮度保持恒定，直到下一个扫描周期根据要被显示的信息引起改变或不引起改变。如果检测器需要一种斩波光源，则可以借助于在每个刷新周期接通和断开被照射的区域来引入。当然这种方法也适用于CRT显示屏，如果要求低于刷新频率的激励频率的话。

表面光电压光谱测量的情况遵循上面给出的相同的考虑，但是除去可能发生的吸收之外，还具有和检测装置的化学的或生物的相互作用。这些装置例如可以是具有透明电极的半导体试样(例如铟锡氧化物-ITO)，金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，悬置门MIS装置或电化学检测器，其中和分析物的相互作用也改变光检测器本身的电性能。

光源可以被减少到一个单个的像素，而仍然保留上述的光性能，尺寸大约为250微米边长，扫描间距也在这个范围内。在这些条件下，这种微小的光源(或者也可以由几个被照射的像素构成)可以在一个大面积的检测装置上方在空间上被扫描，其扫描方式和标准的SLPT或LAPS的相同，但是消除了昂贵而复杂的微定位台和聚焦光学系统。

关于检测器本身，对于这种应用，可以用显示器辅助的型式使用在标准技术中使用的类似的装置。

此外，可以设想VIS光谱测量和大面积的通常在空间上扫描的装置相结合，例如，DNA芯片是一种媒介物，用于研究生物试样中的遗传信息。因而，DNA芯片对于这种基因研究以及医疗诊断是重要的工具。这种芯片可以包含数千个单独的测量点，通常覆盖几个平方厘米的面积。它们通常使用荧光标记的低聚核苷酸被询问，所述低聚核苷酸表达生物试样的一些特定的性能，在阵列的光谱响应的分布中产生不同的图案。

如果在较大面积的阵列中展开相同的构思，则每个单个的点可以由其光谱响应来表征，而不移动元件，只要在每个阵列元件的前方定位多波长的扫描光，并使用面向完整的阵列的一个大面积的光检测器(图7)。

一种加速获取处理并还使用已有的DAN或类似阵列的可能性是利用大面积显示屏的光源同时照射整个阵列，并利用阵列光检测器例如网络摄像机获取采集的光谱(图8)。当然在应用中，例如DNA译码、在现场获得的所获取的信息，可以通过专家系统进行在线解释。

作为一个最后的例子，还有一个获得单色化光的可能，其中使用光源的定位(例如在显示屏上的白带)，借助于在光路中插入一个光栅，以便把试样暴露于单色化光。借助于精确地在显示屏上移动光源，使衍射光在试样上移动。在一个检测器的情况下，如果衍射光通过一个窄缝被准直，则光源的移动在试样上提供单色化的光(图10)。

图10说明用于得到在光源位移和分辨率之间的简单的几何关系的有关的变量。

当然在这个用于说明构思的简图中，我们省略了一些在标准的单色化器中同样产生的一些实际问题，例如光源的有线的尺寸，或者在有限的光强度和与显示屏之间的距离的折中，以便提高颜色分离效率。

静态的单色化不仅是利用可编程的光源工作的装置的一个例子，而且是一种以标准的SLPT设置对光进行单色化的方法。

在所有的这些例子中，计算机显示屏可以通过计算机上的软件或通过互联网同时用于显示测试结果或对于这些结果的分析，这是因为只有显示屏的一部分在多任务的计算机平台中被用作光源。

应当指出，这种大面积的光源可被聚焦在小面积的试样上，从而用这种方式增加试样上的光的强度。

因而本发明的一种实施方案由使用大面积的可编程的光源以及检测器和合适设计的测试试样构成，测试试样跟踪在目标环境中和分析物的反应。测试试样例如可以是试管的形式，具有合适的液体指示剂，其是在透明的衬底上的或者直接在检测器的门上的一层指示剂。使测试试样具有用于在所在的环境中检测选择的物质所需的性能，其中通过所述物质的光谱响应的改变或者通过所述物质和检测器的相互作用进行检测，根据选择的操作方式而定(图9)。

还提供了用于产生真正的单色化光的一种方法和装置。

和现有技术相比，本发明的方法能够利用良好地建立的分析技术的廉价的和简化的型式提供实际的分析应用。

附图说明

从下面结合附图进行的已有技术的说明和本发明的技术的说明可以清楚地看出本发明的进一步的特征和优点。其中：

图1表示一种标准的可见吸收光谱测量配置；

图2是一种标准的表面光电压光谱测量配置；

图3是一种标准的扫描光脉冲技术(SLPT)配置；

图4是在CRT显示屏的一个像素中不同的GRB颜色的点的典型的光谱分布；

图5是对于不同的R，G，B值来自CRT监视器的光谱分布；

图6是一种显示屏辅助的VIS光谱测量；

图7是一种用于在吸收阵列中进行颜色识别的显示屏辅助的VIS光谱测量；

图8所示的原理和图7的相同，但是读出方法使用数字摄影机；

图9是不同的液体试样的显示屏辅助的VIS吸收光谱和不同的气体的SPLT图像；以及

图10表示静态的单色化器原理。

具体实施方式

图1是一种标准的可见吸收光谱测量配置。白色光源1由斩波器2和单色化器单色化和斩波。单色化器由输入狭缝3、位置控制的光栅4、反射镜5和输出狭缝6构成。离开单色化器的光通过试管8中的试样7。射出的光由光检测器9检测，其强度作为光谱在计算机显示屏10上显示。通过电子控制单元11，计算机12控制光栅4的位置。

图2a表示一种标准的表面光电压光谱测量配置。白色光源1被2斩波，被3-6单色化，然后由13通过试样环境17聚焦在半导体衬底15上。来自检测器的信号通过电子控制单元11被耦联到计算机12，电子控制单元控制单色化器3-6中的光栅4。检测器包括具有金属的背面的在半导体衬底15的上方的透明的振动电极14。对于波长测量的光电流作为曲线在计算机显示屏10上被显示。

图2b是另一种检测器结构，在绝缘层19的顶上具有透明的金属层18，所述绝缘层位于半导体层20的顶上。另外，可以使用图2c所示的悬挂的门检测器结构，其中透明的金属层21被设置被悬挂在半导体衬底22的上方一个短的距离处。

还可以使用图2d的检测器结构，其具有被夹在两个电极24和25之间的半导体衬底(或粉末)23，两个电极中至少一个是透明的。

图3是一种标准的扫描光脉冲技术(SLPT)配置。例如来自激光器的聚焦的斩波单色化光束31在金属-绝缘体-半导体(MIS)检测器32的上方(或者在所谓的LAPS中的一个离子敏感装置的上方)在空间上扫描，所述检测器具有透明的金属门，所述光束同时暴露于要被分析的目标环境36。测得的光电流按照检测器上的位置显示在计算机显示屏10上。检测器32被置于x-y-微定位板34上，并通过电子装置35和计算机12相连。例如使用具有成分梯度和厚度梯度的门，对于不同的分析物，将具有在空间上分布的敏感性和选择性，它们作为不同的化学图像被成像在计算机显示屏上。

图4是在CRT显示屏上显示的纯红绿蓝颜色的典型的光谱分布。

图5是当选择RGB值的不同的组用于模拟可见光谱的感知时，来自CRT监视器的一种典型的发射光谱分布。

图6a是一种编程的显示屏辅助的VIS光谱测量。作为控制接口使用的同一个显示器60提供按照图5的彩色光61，使其通过测试试样62，出射光被检测器63捕获，所述检测器通过电子装置64和计算机相连，从而在同一个计算机显示器上画出所得的光谱。在图6b中，一个不同的试样65被印刷在或沉积在玻璃或聚合物衬底66上，而以和图6a所示的相同的方式被使用。

图7是一种编程的显示屏辅助VIS光谱测量，用于化学敏感阵列的颜色识别。用作控制接口的同一显示器在面向试样阵列的各个元素的显示屏的选择的区域内提供按照图5的彩色光。例如，玻璃衬底71被悬置在显示屏72的一部分上。在这个玻璃衬底上，一个DNA标记的阵列73面向显示屏，在衬底的另一侧，设置有一个大面积的光检测器74，其覆盖DNA标记的阵列的整个区域。光检测器把其信号提供给电子接口75，电子接口把信号提供给计算机76。在玻璃衬底下方的显示屏构成一个大面积的发光窗口77，其又可以利用调制的多个波长的光照射阵列的不同的元素(一次一个)。对于玻璃衬底上的每个元素，可以记录多波长的光谱响应。所得的光谱在同一个计算机显示屏上被显示。由计算机本身或者通过互联网可以提供数据和阵列解释的专家评价。此外，如果需要，可以利用在显示屏和试样之间的衍射或折射透镜使光聚焦。

所述试样是DNA阵列，但是这种方法可以用于利用阵列的不同的点的光学性能进行分析的任何阵列。

图8所示的原理和图7的相同，但是获取处理被增强了，其中同时照射整个试样阵列，并利用摄影机(万维网摄像机(web camera))捕获由检测器阵列81提供的信息。此外，如果需要，可以利用在显示屏和试样之间与/或在试样和摄像机之间的衍射或折射透镜使来自显示屏的光聚焦。在图7和图8中也可以设想包括用于特定应用的滤光器。

图9的左面从顶部到底部是不同浓度的蓝色苯胺，橙色氮蒽和荧光荧光素-钠的VIS吸收光谱，在右边是当其暴露于作为目标环境的干燥的空气、氢气或氨气时使用Pt-Pd门检测器(gate detector)获得的SLPT图像。注意在底部左方的图表示的对于记录的光谱的荧光的分布。

图10表示静态的单色化器原理。距离原点o为x的点光源被设置在对着可变的角α的表面S₀上，使透射光栅的法线和S₀成一个恒定的角度θ。

对于每个特定的波长λ，在衍射级为m时，光栅的间距d和角度α确定出射角β。用这种方式，可以沿着距离表面S₀的距离为a0+a1的表面S₁上的一个距离Δy_m分解完整的光谱。如果在S₁上放置一个缝宽为w的准直的狭缝，当光源沿x移动时，光谱的不同的成分便通过狭缝射出，照射到检测器上。

如果省略所述狭缝，则可以使用在相同位置的阵列检测器，并且在原理上能够获得完整的光谱，其具有由所述阵列检测器的数量和尺寸给出的分辨率。

Claims

1.一种方法，其特征在于使用程序控制的显示屏作为光源，用于测试和实验。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源由计算机、TV或任何其它有源显示屏中的一个或几个被激励的像素构成。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，照射区域被移动而不需要可移动的部件。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个单个的像素的光的强度由软件单独地进行调制。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个像素的显示屏的颜色在可见光范围内由软件单独地进行扫描。

6.如权利要求1-5任何一个所述的方法，其特征在于，光源的颜色、尺寸、形状、调制和背景颜色通过用户接口配置。

7.如权利要求1-6任何一个所述的方法，其特征在于，一个程序控制的光源通过测试试样照射一个检测器，它跟踪在测试环境中和目标分析物的相互作用，从而影响检测的信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测试试样本身在化学上或生物化学上被改变，以便根据和目标分析物的相互作用改变其光谱响应。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，一个常规设计的光学系统被插在光路中，用于增加空间分辨率和检测的限制。

10.如权利要求7-9任何一个所述的方法，其特征在于，所述光检测器是一个唯一的元件或者是多个检测器的阵列，例如在网络照相机中的检测器。

11.如权利要求7-10任何一个所述的方法，其特征在于，同一个计算机控制整个装置：光源，仪器仪表和配置接口，使得提供试样物质的光谱或化学图像或任何其它的性能，它们被在同一个显示屏上显示。

12.如权利要求7-11任何一个所述的方法，其特征在于，所述计算机还在本地或者通过互联网连接提供观测到的性能的评价。

13.如权利要求7-12任何一个所述的方法，其特征在于，在现场进行的获取由专家例如通过互联网在线评价。

14.如权利要求7-13任何一个所述的方法，其特征在于，检测的结果在显示屏的不用于照射检测装置的一部分上被显示。

15.如前面任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所有的操作形式可被同时地进行。

16.如权利要求3所述的方法，其特征在于，一种衍射元件被置于移动的光源的前方，因而提供彩色的输出光谱。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的衍射光借助于光源的受控的位移通过一个准直的狭缝扫描。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述衍射元件可以是透射光栅、反射光栅或棱镜，根据选择的几何形状而定。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述准直的狭缝可以由一个阵列检测器代替。

20.一种装置，其特征在于，其被专门设计用于利用由一个程序控制的显示器提供的光，以上述的任何一种方法工作。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其是一种光学元件(透镜，光栅，滤光器等)。

22.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其是一种光检测器。

23.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其和测试环境相互作用。

24.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其含有专门设计用于根据化学或生化反应表示光谱改变的分子或物质。

25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，其含有专门设计用于和rgb彩色照射一道使用的分子或物质。

26.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其利用所述显示器作为大面积的光源，用于照射大面积的试样，然后照射在检测器的前方的一个聚焦透镜。

27.如权利要求20所述的装置，其特征在于，其利用所述显示屏作为大面积的光源，所述光被聚焦在一个小面积的试样上，在检测器的前方具有或者没有放大透镜。

28.如权利要求7所述的装置，其特征在于，其利用一个显示器作为光源，并利用一个保持器用来在离开显示器一个给定的距离处保持测试试样。

29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，一个透镜或者光栅被插在所述试样保持器和所述显示器之间。

30.如权利要求28所述的装置，其特征在于，设置一个光检测器，用于观察测试试样。

31.如权利要求28所述的装置，其特征在于，其是在显示屏和试样保持器之间的聚焦透镜。

32.如权利要求28所述的装置，其特征在于，其是在试样保持器和检测器之间的放大透镜。

33.一种装置，其特征在于，其组合权利要求31和32。

34.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述测试试样和所述测试环境相互作用。

35.如权利要求28所述的装置，其特征在于，测试试样含有专门设计用于根据化学或生化反应表示光谱改变的分子或物质。

36.如权利要求28所述的装置，其特征在于，其含有专门设计用于和rgb彩色照射一道使用的分子或物质。