用於測量發光性質的設備和方法
2023-05-16 11:41:01
用於測量發光性質的設備和方法
【專利摘要】描述了一種用於測量樣品的發光性質的設備。所述設備包括用於在控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品的發光二極體。信號發生器產生用於調製所述發射輻射的強度的控制信號。所述控制信號具有第一頻率的第一分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期。所述控制信號具有第二頻率的第二分量，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期。光電二極體接收由於所述激勵而從所述樣品發光的輻射，檢測器電路產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號，並且解調所述檢測信號以產生對樣品的所述發光性質加以表示的信號。
【專利說明】用於測量發光性質的設備和方法
[0001]本發明涉及用於測量樣品的發光性質的設備和相關聯方法。具體地，本發明涉及用於測量樣品的時間分辨發光性質的設備和相關聯方法，例如諸如磷光之類的時間分辨螢光性質。
[0002]本發明具體優點在於在生物檢驗等中使用的樣品的磷光(時間分辨螢光/發光)性質的測量,但並不局限於此。
[0003]使用生物檢驗是已知的，在生物檢驗中，由於分析物的存在而改變了樣品的光學性質。然後可以通過適當校準的讀取器來檢測光學性質的變化。通常，例如，在存在分析物的情況下發生樣品顏色或吸收性質的變化。儘管這些變化對於測量相對直接，但它們可能導致達不到所要求的靈敏度。因為可以利用磷光的暫時特性將磷光與其他光學效應相區分，所以可以使用檢驗來實現較大的靈敏度，在檢驗中可以檢測光學性質的變化作為樣品磷光性質的變化。
[0004]可以通過一個波長下(例如，在超紫外區域)的間歇光學激勵以及隨後在另一個波長(通常在可見光區域)下的衰減發光信號的測量來實現磷光測量。按照這種方式，具有相對較長衰減時間(典型地在微秒至秒區域的任意區域)的磷光可以與具有相對較短衰減時間(典型地小於I微秒)的任意螢光相區分。然而，這要求在樣品的照亮與讀取器內對所得到的發光的檢測之間的精確同步。此外，磷光的強度可能是比吸收變化讀取器所測量的強度小几個數量級，使得電學設計明顯複雜化。這些實際困難限制了磷光感應檢驗在越來越多的要求低成本讀取器的應用中的可應用性。示例包括基於發光免疫測定的即時檢驗和家庭診斷。這些示例包括用於檢測心血管狀況和多種傳染病的產品。
[0005]因此，本發明試圖提供一種用於測量樣品的發光性質的設備和相關聯的方法，所述設備和方法克服或者至少部分地減輕了上述問題。
[0006]根據本發明的一個方面，提出了一種用於測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括:激勵光源，用於在控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品；信號源，用於產生調製所述發射輻射的強度的所述控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；光電檢測器，用於接收由於所述激勵而從所述樣品發光的輻射，並且用於產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號；以及解調器，用於解調所述檢測信號，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號。
[0007]樣品的發光性質可以包括樣品的磷光性質，例如諸如磷光性質等之類的持久發光性質。特徵時間常數可以是衰減時間常數。
[0008]光學濾波器可以設置在輻射發射裝置和樣品之間(和/或輻射接收裝置和樣品之間)，所述光學濾波器可以配置為阻擋具有與待測量發光性質相關聯的波長的輻射。光學濾波器可以包括UV通過濾波器或者任意其他合適的濾波器。
[0009]輻射可以包括波長在365nm左右或約265nm左右的紫外輻射。然而，輻射可以包括具有在約400nm向下至約IOnm(約3eV至約124eV的能量)範圍內的任意位置的波長的紫外輻射。例如，輻射可以是在具有約400nm和約300nm(?3.1OeV至?4.13eV)之間波長的「近」UV光譜區域、在具有約300nm和約200nm(?4.13eV至?6.20eV)之間波長的「中」UV區域、在具有約200nm和約122nm(?6.20eV至?10.2eV)之間的波長的「遠」UV區域利/或具有約12Inm和約IOnm(?10.2eV至?124eV)之間的波長的「極」 UV區域中的輻射。例如，輻射可以是在具有約400nm和約315nm (?3.1OeV至?3.94eV)之間波長的UVA輻射、在具有約300nm和約280nm(?3.94eV至?4.43eV)之間波長的UVB輻射、在具有約280nm和約100nm(?4.43eV至?12.4eV)之間波長的UVC輻射和/或在具有約200nm和約IOnm (?6.2eV至?124eV)之間波長的真空UV ( 「VUV」)輻射。
[0010]根據本發明的另一個方面，提出了一種用輻射激勵樣品從而允許測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括:激勵光源，用於在控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品；以及信號源，用於產生調製所述發射輻射的強度的控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期。
[0011]輻射發射裝置可以具有閾值電壓，使得當所述控制信號超過閾值電壓時，輻射發射裝置處於發射輻射的「接通」狀態，並且當控制信號沒有超過所述閾值電壓時，輻射發射裝置處於不發射輻射的「關斷」狀態。
[0012]所述控制信號的第一分量可以得自於第一周期性信號。第一周期性信號可以在至少兩個不同的分立電壓電平之間振蕩。在一些實施方式中，所述第一周期性信號的所述電壓電平的較低幅度電壓電平可以具有在大約IV以下的幅度，並且可以是實質上零(或近似零)電壓電平。控制信號的第二分量可以得自於第二周期性信號。
[0013]第一和第二周期性信號可以使得所述控制信號可以使輻射發射裝置按照與所述第一周期性信號的頻率近似相等的頻率在發射光的「接通」狀態和不發射光的「關斷」狀態之間切換。然而應該理解的是儘管切換頻率可以實質上等於輻射發射裝置切換的頻率，其不必嚴格等於第一周期性信號的頻率。例如，切換頻率可以是「快」第一周期性頻率「ffast」和「慢」第二周期性頻率「fsl。/兩者的函數。例如在快和慢正弦周期性信號的情況下，輻射發射裝置將按照具有頻率ffast±fsl(W的分量的頻率進行切換。
[0014]第二周期性信號可以是正弦信號。第二周期性信號可以在至少兩個不同的分立電壓電平之間振蕩。第二周期性信號可以偏移，使得所述信號在整個周期保持相同的極性，所述偏移可以使得信號的最小幅度是非零的。
[0015]在其中第二周期性信號包括多個分立的電壓電平的一些實施方式中，所述第二周期性信號的電壓電平之一(例如最小幅度電平)可以具有在大約IV以下的幅度，例如實質上零(或近似零)的電壓電平。
[0016]輻射發射裝置可以包括發光二極體，例如操作用於在紫外區域發射輻射的發光二極體。
[0017]根據本發明的另一個方面，提出了一種用於檢測從樣品發光的輻射從而允許測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括:光電檢測器，用於接收由於利用來自輻射源的輻射激勵所述樣品而從所述樣品發光的輻射，並且用於產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號，其中利用控制信號來調製來自所述輻射源的所述輻射，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；以及解調器，用於解調所述檢測信號，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表不的信號。
[0018]解調器可以包括第一(例如「快」)解調結構，用於解調所述檢測信號的第一(例如「高」)頻率分量，所述第一頻率分量可以與控制信號的所述第一分量相關聯。解調器可以包括第二(例如「慢」)解調結構，用於解調所述檢測信號的第二(例如「低」)頻率分量，所述第二頻率分量可以與控制信號的所述第二分量相關聯。
[0019]第一解調結構可以操作用於抑制(例如，約束或「切斷」)當激勵所述樣品時(例如，當輻射源處於「接通」狀態/正在發射輻射時)出現的所述檢測信號的第一分量。所述檢測信號的第一分量可以至少部分地由來自所述樣品的螢光產生。所述檢測信號的第一分量可以至少部分地由短時間常數磷光產生。
[0020]第一解調結構可以操作用於不抑制、約束或切斷當不激勵所述樣品時(例如，當輻射源處於「關斷」狀態/不發射輻射時)可能出現的所述檢測信號的第二分量。檢測信號的第二分量可以至少部分地由來自所述樣品的持久發光(例如磷光)產生。
[0021]第一解調結構可以包括:切換解調器結構，配置用於「接通」或「關斷」所述檢測信號從而解調所述信號。第一解調結構可以包括用於在高增益和低增益之間切換產生裝置的增益從而解調所述信號的裝置。第一解調結構還可以包括:濾波器，用於從檢測信號兩側濾除第一頻率的剩餘分量。濾波器包括低通濾波器。
[0022]第二解調結構可以操作用於對所述第一解調結構解的檢測信號(例如，已經被解調以抑制第一頻率分量的檢測信號版本)的第二頻率分量解調。
[0023]解調裝置還可以包括:放大器，用於對第一解調結構解調的檢測信號進行放大。第二解調結構可以操作用於對由所述第一解調結構解調的和/或由所述放大器放大的檢測信號的第二頻率分量進行解調。放大器可以包括大增益(和/或AC耦合)放大器。
[0024]第二解調結構可以包括:乘法器(例如，混頻器)，用於將檢測信號與頻率實質上與第二頻率分量的頻率相等的信號相乘。第二解調結構可以包括:包絡檢測器，操作用於抑制檢測信號的第二頻率分量。第二解調結構可以包括:濾波器，用於從檢測信號濾除第二頻率的剩餘分量。用於濾除第二頻率的剩餘分量的濾波器可以包括低通濾波器。
[0025]在這裡提到檢測信號的情況下，應該理解的是所指代的檢測信號可以是通過解調器、濾波器和/或放大器等檢測(例如在解調/濾波/放大等之前)、處理或部分處理的檢測信號。
[0026]根據本發明的另一個方面，提出了一種產生對樣品的發光性質加以表不的信號以用於測量樣品的所述發光性質的方法，所述方法包括:產生控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；在所述控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品，使得利用控制信號來調製所述發射的輻射；接收由於所述激勵而從所述樣品發光的輻射，並且產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號；以及解調所述檢測信號，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號。[0027]根據本發明的另一個方面，提出了一種用輻射激勵樣品從而允許測量樣品的發光性質的方法，所述方法包括:產生控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；以及在所述控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品，使得利用控制信號來調製所述發射的輻射。
[0028]根據本發明的另一個方面，提出了一種產生對樣品的發光性質加以表示的信號以用於測量樣品的所述發光性質的方法，所述方法包括:接收由於利用來自輻射源的輻射激勵所述樣品而從所述樣品發光的輻射，並且產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號，其中利用控制信號來調製來自所述輻射源的所述輻射，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；以及解調所述檢測信號，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號。
[0029]在本發明的一個實施例中，提出了一種用於測量樣品的磷光的檢測器。所述檢測器包括:紫外LED，適用於光學激勵；電路，所述電路能夠響應於控制信號調製LED的亮度；控制器，所述控制器產生作為兩個振蕩的乘積的調製信號，兩個振蕩相對於磷光衰減時間的一個快(或者可能是相同量級)和一個慢；光電檢測器，所述光電檢測器測量發光的亮度；以及處理器，所述處理器相對於首先高頻控制信號然後低頻控制信號來解調檢測器信號，得到了只依賴於樣品磷光的輸出。
[0030]這種檢測器可以克服或者至少減輕已知檢測器的問題。首先，使用源的快速調製有助於確保將磷光強度最大化。其次，使用第二慢調製有助於簡化即便在與磷光相關聯的信號相對較小時也能測量與磷光相關聯的信號所需的電路。再次，雙調製方法可以有助於使得與背景和其他寄生效應(例如環境照明、光電二極體洩漏和/或放大器偏移)無關地進行磷光測量。
[0031]調製信號的快分量可以在兩個電平之間振蕩，所述電平之一可以是零或非零。有利地，這可以簡化磷光信息典型地與切換解調器的隔離。
[0032]慢調製信號可以是本質上正弦的，並且利用線性乘法器來解調。有利地，這可以無需超長測量時間就使能高靈敏度。
[0033]調製信號的慢分量可以在兩個電平之間振蕩，所述電平之一可以是零或非零。有利地，這可以允許在所需的測量帶寬較低時使用簡化的切換解調。
[0034]慢調製頻率可以有利地被選擇為與幹涉光(例如可以通過白熾燈泡或螢光燈管來產生的幹涉光)的動態源區分，從而使得可以將設備對環境光的靈敏度最小化。
[0035]現在參考附圖只作為示例描述本發明，其中:
[0036]圖1示出了用於測量樣品的磷光性質的測量設備的簡化概圖；
[0037]圖2示出了說明圖1的測量設備的關鍵部件的簡化電路示意圖；
[0038]圖3a至3d和圖4a至4c示出了可以在圖2的電路的不同部分觀察的電/光波形的簡化理想圖；
[0039]圖5示出了說明本發明實施例的光電發射體驅動電路的簡化電路示意圖；以及
[0040]圖6a和6h示出了說明本發明實施例的光電接收器的簡化電路示意圖。[0041]綜述
[0042]圖1示出了用於測量樣品12的磷光(時間分辨螢光/發光)性質的測量設備10的簡化概圖。
[0043]如圖1中可以看出的，測量設備10包括:光電發射體設備14，用所需波長的輻射來激勵樣品12 ;以及光電檢測器設備16，用於檢測由於激勵而產生的磷光。
[0044]光電發射體設備14包括:輻射發射裝置18，用於發射輻射R1以激勵樣品12。在該實施例中，這種輻射發射裝置18包括發光二極體(「LED」)，所述LED發射紫外(「UV」)區域中的光。
[0045]通過驅動電路20驅動UV LED18，所述驅動電路20配置用於調製LED18發射的輻射的強度。驅動電路20接收高頻輸入信號(Vml)和低頻輸入信號(Vm2)，所述電路20將高頻輸入信號和低頻輸入信號相乘以產生控制信號，所述控制信號用於控制LED18發射的UV福射的強度。
[0046]光電檢測器16包括:輻射接收裝置22，設置用於接收來自樣品12的輻射R2，並且產生對接收的輻射加以表示的信號。在該實施例中，輻射接收裝置22包括P型/本徵/ N型(PiN) 二極體形式的光電二極體。該實施例的接收輻射在可見光譜區域，並且典型地包括多個分量，例如所述分量包括由於來自LED18的輻射激勵而由樣品12發光的光(例如螢光和/或磷光)、樣品12反射的光和/或背景/環境(寄生光)。
[0047]光電檢測器處理電路24處理對由光電二極體22接收的輻射加以表示的信號。光電檢測器處理電路24使用高頻輸入Vml的反相版本(由反相器26產生)和低頻輸入Vm2的零中心版本(Vm2ft0)(由高通濾波器28產生)解調對接收的輻射加以表示的信號，以去除與螢光、反射和背景/環境光相關聯的信號分量。因此，如下面更加詳細地描述的，光電檢測器處理電路24提取對光電二極體22接收的光的磷光分量的幅度加以表示的信號「VP」，排除與螢光、反射和背景/環境光相關聯的接收光的分量。
[0048]電路實施方式
[0049]圖2不出了說明根據一種可能實施方式的圖1的光電發射體驅動電路20和光電檢測器處理電路24的關鍵部件的簡化電路示意圖。圖3a至3d只作為說明示出了光電發射體驅動電路20中不同點處的電信號以及LED18發射的輻射的時變強度。圖4a至4c只作為說明示出了光電檢測器處理電路24中不同點處的信號。
[0050]如圖2中可以看出的，提供一對振蕩器30和32，用於分別產生高頻率輸入信號(Vml)和低頻率輸入信號(Vm2)。
[0051]該實施例的高頻率或「快」振蕩器32配置用於產生如圖3a所示的高頻輸入信號(Vnil)，包括二電平波形(例如方波)。在該實施例中，高頻波形處於比正在測試的樣品12的期望磷光等效時間常數的倒數明顯更高的頻率。然而，應該理解的是在一些實施例中，高頻波形可以具有與正在測試的樣品12的期望磷光等效時間常數可比擬的頻率。在該實施例中，Vml具有IkHz的示範頻率。由快振蕩器30產生的高頻二電平波V具有實質上零伏特(或者非常低以至於可以避免LED18被照亮)的低電平和在將Vml和Vm2相乘時足以確保當Vml為高時照亮LED18的高電平。
[0052]該實施例的低頻率或「慢」振蕩器32配置用於產生如圖3b所示的低頻率輸入信號(Vm2)，所述低頻率輸入信號包括比正在測試的樣品12的期望磷光等效時間常數的倒數明顯低的頻率的正弦波形。有利地，選擇頻率以與幹涉光的任意源的頻率(通常是幹線電源頻率的諧波)相區分。在該實施例中，Vm2具有IOHz的示範頻率。由慢振蕩器32產生的低頻率正弦Vm2具有偏移，使得波形在整個波長保持是正的。典型地，偏移的幅度足夠高，以確保當將Vml和Vm2相乘時，當Vml為高時(儘管並非總需要是這種情況)將照亮LED18。
[0053]將信號Vml和Vm2輸入到混頻器34，所述混頻器34配置用於產生如圖3c所示的輸出信號(V。)，所述輸出信號包括Vml和Vm2的乘積。將來自混頻器34的輸出信號V。提供作為驅動電路36的輸入,所述驅動電路配置用於產生與輸入信號V。成正比的輸出電流,用於驅動LED18。
[0054]LED18將光R1發射到樣品12上,所述光具有與如圖3d所示驅動的電流實質上成正比的強度。因此，LED18發射光R1，光R1具有大體上正弦的強度「包絡」，所述大體上正弦的強度「包絡」以Vm2的頻率相對於正在測試的樣品12的期望磷光等效時間常數的倒數緩慢地改變。在這種正弦「包絡」內，發射的光R1以高頻率間歇地接通和關斷。
[0055]由於入射光R1激勵，樣品12磷光以產生時變磷光波形,所述時變磷光波形與來自其他寄生源的光(例如，由於反射和/或背景/環境光而產生)一起由光電二極體22檢測。光電二極體22產生輸入到光電檢測器電路的時變電流，所述光電檢測器電路包括預放大器38，所述預放大器38產生與光電二極體22 (如圖4a所示)檢測的光R2實質上成正比的時變信號(Vdl)。
[0056]光電二極體檢測電路檢測的強度波形具有由於幾種物理效應導致的分量。在Vml為零(或者至少足夠小於LED18的閾值電壓以避免照亮)的短時間段期間，沒有照亮LED18，因此沒有激勵樣品12。由Vml為高時的先前激勵產生的任意螢光是非常短壽命的，與Vml保持為低期間的時 間相比幾乎立刻衰減。因此，從樣品發射的並且通過光電二極體22檢測的光R2與螢光和例如由環境光產生的任意背景光相關聯。因此，在Vnil為零的短時間段期間，時變信號Vdl包括由磷光產生的分量(P)和背景光和諸如光電二極體22的洩漏之類的其他寄生效應產生的分量(BG)。Vdl的磷光分量P保持近似恆定，因為通過與磷光衰減時間相比Vml的周期較短、但是當照亮LED18時通過激勵強度調製了 Vml的周期。
[0057]在Vml為高的短時間段期間，照亮LED18，並且因此激勵樣品12。因此在這些時間段期間，從樣品發射並且由光電二極體22檢測的光R2與螢光、反射和任意背景光相關聯。因此，在Vml為高的短時間段期間，時變信號Vdl包括:由螢光產生的分量(FL);背景光和諸如光電二極體22的洩漏之類的其他寄生效應產生的分量(BG);以及與入射光R1的反射相關聯的分量。當照亮LED12時光電二極體22的響應相對較大，並且因為與Vml的時間段相比螢光衰減時間相對較短，所述響應遵循由LED18發射的光波形的正弦包絡。
[0058]為了解調時變信號Vdl的高頻分量，使用高頻切換解調器結構。在切換解調器結構中，通過反相器26將高頻輸入信號Vml反相，並且將得到的反相信* V^7潰送至混頻器40，在混頻器40中將得到的反相信號^與來自預放大器電路38的輸出信號Vdl相乘以產生輸出信號(Vd2)，在輸出信號(Vd2)中去除了當照亮LED18時產生的分量(FL和BG)(如圖4h所示)。應該理解的是可以向電路添加延遲部件，以確保反相信號U的「低」(典型地零)與預放大器輸出信號Vdl的「高」同步，以確保照亮LED18時產生的分量被抑制/約束，沒有照亮LED18時產生的分量不被抑制/約束，而是通過至電路的下一個部分。[0059]然後利用低通濾波器42對來自混頻器40的輸出信號Vd2進行濾波(或者「平均」)以去除切換分量，有效地提取混頻器輸出信號Vd2的包絡。所得到的波形(Vd3)包括由磷光產生的分量(P』)和由背景光和其他寄生效應產生的分量(BG』)，但是不包括與螢光或入射光R1的反射相關聯的分量(如圖4c所示)。因此，已經有效地隔離了由於磷光和寄生效應導致的信號分量。低通濾波器42可以包括任意合適的濾波器電路，以得到適當的濾波器特性。然而典型地，低通濾波器42的截止頻率將至少是Vml的頻率的數量級或者更小(在該實施例中，使用15Hz的示範值)。
[0060]因此，由於任意背景輻射和其他寄生效應導致的低通濾波器輸出Vd3的分量BG』實質上是靜態的，而由磷光產生的分量P』是在Vm2的慢振蕩頻率下動態(在這種情況下是正弦)振蕩的。因此，由磷光產生的動態分量P』的幅度表示樣品12的磷光。
[0061]使用放大器44對低通濾波器輸出Vd3進行放大。放大器44設置用於對信號進行放大，所述信號的頻率在與低頻率輸入信號Vm2的頻率相對應區域中，帶寬由總體測量帶寬來設置。在該實施例中，放大器44包括具有5Hz至15Hz示範帶寬(S卩，以Vm2的示範IOHz頻率為中心)的AC耦合大增益放大器。有益地，因為在已知頻率的正弦信號的幅度中包含對樣品磷光加以表示的所需信息，可以將非常大的增益施加至信號，而不會遇到例如與放大器偏移或背景放大相關聯的問題。
[0062]將由慢振蕩器32產生的低頻率正弦信號Vm2也輸入至高通濾波器28，以去除靜態偏移分量並從而去除零中心低頻輸入信號Vm2，從而產生雙極信號Vm2tt)。使用包括線性乘法器4的混頻器將所得到的低頻輸入信號Vm2的雙極信號Vm2w和大增益放大器44的輸出相乘。然後使用適當的測量帶寬、通過另外的低通濾波器48將來自線性乘法器46的實現信號濾波，以產生濾波的最終輸出信號(Vp)，已經從濾波的最終輸出信號中有效地消除了線性成大器輸出信號的低頻正弦分量。因此，圖2的電路輸出的最終輸出信號Vp的幅度表示放大的正弦信號的量度，可以和與背景/環境光、其他寄生效應和樣品的螢光相關聯的任意信號獨立地從與所述放大的正弦信號中提取與樣品12的磷光有關的信息。由於大增益放大器44可以施加的大放大，可以使得這種測量技術高度靈敏。
[0063]圖5更加詳細地示出了本發明另一個實施例的光電發射體驅動電路50的示例的簡化電路示意圖。
[0064]如圖5中可以看出的，驅動電路包括一對半導體開關52-1、52_2，在該示例中所述半導體開關52-1、52-2包括雙極結型電晶體(BJT)。該示例中BJT52是NPN型BJT，儘管應該理解的是類似的電路可以適用於使用PNP型BJT。每一個BJT52具有發射極，所述發射極按照與「長尾狀對的結構類似地耦合至其他BJT52的發射極。BJT52的發射極經由電壓電流轉換器54耦合至地(或者可能地負功率軌)。
[0065]由電路50驅動的輻射發射裝置18設置在BJT51-1 ( 「驅動器』UJT)之一的集電極和高電壓軌55之間的電路50的第一電流支路53-1。另一個BJT52-1的集電極直接連接至高電壓軌55以提供電路的第二電流支路53-2。
[0066]作為如前所述的「慢」振蕩器操作的振蕩器56向電壓電流轉換器54提供低頻率輸入信號Vm2以調製流過BJT52的發射極的電流。
[0067]作為如前所述的「快」振蕩器操作的振蕩器58向BJT52-1之一的基極和反相器59提供高頻率輸入信號Vml，以產生高頻輸入信號的反相版本。將高頻輸入信號的反相版本提供給BJT52-2的另一個的基極。因此，當來自快振蕩器58的信號為高時，驅動器BJT52-1處於「導通」狀態，而另一個BJT52-2處於「截止」狀態，並且電流流過第一電流支路53-1，從而驅動輻射發射裝置18。當來自快振蕩器58的信號為低時，驅動器BJT52-1處於「截止」狀態並且另一個BJT52-2處於「導通」狀態，並且電流流過第二電流支路53-2。因此，快振蕩器58有效地切換電流流過一個電流支路53-1與另一個電流支路53-2之間的3JT對52的發射極耦合「尾」，從而調製流過輻射發射裝置18的電流。
[0068]圖6a和6b更加詳細地示出了本發明另一個實施例的光電接收機電路60的示例的簡化電路示意圖。
[0069]如圖6中可以看出，光電接收機電路60包括預放大器電路級62，所述預放大器電路級包括一對運算放大器電路，配置用於依賴於光電二極體22檢測的光來產生時變輸出信號。開關解調器級66相對於高頻調製信號解調從預放大器62輸出的信號。
[0070]當關斷LED18時，運算放大器64_1和64_2的輸出處的兩個開關閉合，連接兩個輸出的開關保持斷開。在這種狀態下，通過後續的電子裝置對來自光電二極體的信號放大和濾波。當LED18接通時，運算放大器64-1和64-2的輸出處的兩個開關斷開，連接兩個輸出的開關閉合。在這種狀態下，來自光電二極體的信號不會沿信號鏈進一步向下傳輸。通過快振蕩器的反相版本驅動運算放大器64-1和64-2的輸出處的兩個開關，而通過相同振蕩器的非反相版本驅動跨接在兩條線路上的開關。
[0071]使用高通濾波器級68對來自解調器66的解調信號進行濾波，以去除低頻率和半靜態分量(例如，比諸如與背景輻射相關聯的分量之類的慢振蕩器信號的頻率下面的分量)。然後通過放大器級70對高通濾波器68的濾波輸出進行放大，並且通過低通濾波和增益級72對所得到的放大信號進行濾波，以去除信號的剩餘高頻分量(例如，慢振蕩器信號的頻率以上的分量)。在這一級，信號等效於如上所述的AC耦合大增益放大器44的輸出。
[0072]現在參考圖6h，在該實施例中，使用模數轉換器(ADC)74將來自低通濾波器72的輸出轉換為數位訊號，並且使用解調和包括微處理器78的低通濾波器級實現進一步處理信號以提取感興趣的發光特性。
[0073]在該實施例中，將微處理器78編程以將低通濾波器72的數位化輸出與慢輸入信號的零版本相乘。微處理器78按照如前所述類似的方式對所得到的信號乘積進行濾波以去除低頻率正弦分量，以產生對輸入至ADC74的正弦輸入的幅度加以表示的結果。根據這樣得到的信號，可以與背景/環境光、其他寄生效應以及樣品的螢光相關聯的任意信號獨立地提取樣品12的磷光。由於放大器級70可以施加的較大放大，可以使得這種測量技術高度靈敏。
[0074]改進和替代
[0075]上面已經描述了詳細的實施例。如本領域普通技術人員應該理解的，可以在受益於這裡實現的部分的同時對上述實施例實現多種改進和替代。
[0076]例如，光學濾波器可以放置於LED18和樣品12之間(和/或光電二極體22和樣品之間)，使得光學濾波器將類似波長的光阻擋至磷光所期望的波長。例如，光學濾波器可以包括UV通過濾波器等。因此，這種結構有益地阻止了從設備的輻射發射側的發光對測量造成損害，因此有助於提聞靈敏度。
[0077]在所描述實施例的另一種變體中，通過使用光電二極體檢測器電路可以有利地實現檢測電路檢測的光的高頻分量的解調，所述光電二極體檢測器電路的增益可以在高模式(例當LED18關斷時)和低模式(當LED18接通時)，例如在反相高頻信號的控制下。這可以比使用針對上述實施例描述的固定增加檢測器電路和開關解調器是有利的，因為可以減小檢測動態範圍並且簡化實施方式。
[0078]應該理解的是儘管已經將信號描述為具有IOHz和IkHz的頻率，所述頻率可以是任意合適的值。例如，低頻率信號通常將是IOHz或以下，儘管在一些情況下，低頻信號可以較高。類似地，高頻信號通常將是IkHz或更高，儘管在一些情況下高頻信號可以更低。
[0079]在一個示範實施例中，例如使用具有5Hz頻率(200ms的周期)的慢方波信號和
2.5kHz的快調製信號(400 μ s的周期)。在這種示範實施例中，
[0080]在樣品中使用具有近似640 μ s光致發光磷光壽命的染料。然而在其他範實施例中使用染料，所述染料具有在1200 μ S和2400 μ S量級的時間常數、
[0081]並且所述快速調製頻率是成比例的低(在這些情況下，5Hz的慢調製頻率保持不受影響)。
[0082]還應該理解的是儘管正弦低頻率輸入信號V心具有優勢，Vbs可以是任意合適的波形，例如二電平(例如，方波)或其他形狀波形。
[0083]另外，高頻輸入信號Vml和/或低頻輸入信號Vml的頻率可以是可調至具體樣品的特性或者樣品的特定分量。在特別有益的示例中，高頻輸入信號Vml的頻率可以是在多個不同高頻率之間可調的，以允許具有不同發光性質(例如，具有不同的特徵時間常數)的樣品之間相乘和/或劇痛樣品的不同分量之間相乘，每一個分量具有不同的發光性質(例如，不同的特徵時間常數)。頻率的可調節性可以是操作者控制的或者可以是自動的，例如通過一組預設的頻率自動地(或者手動地)循環上班，以允許檢測具有特定發光特性的特定分量的存在(或不存在)。在不可能或者不需要在不同樣品之間(或具體樣品的不同分量之間)進行光譜區分和/或空間區分的應用中，這種結構是特別有利的。
[0084]儘管最終的解調步驟包括低頻率輸入信號Vm2的高通濾波版本Vm2ftl)與Vd3的放大版本的乘積是特別有利的，應該理解的是可以使用其他合適的電路執行最終解調步驟。例如，如果測量帶寬和低頻率輸入信號Vm2的頻率使得最終低通濾波器可以具有顯著小於慢振蕩頻率的截止頻率，可以有益地使用包絡檢測器。替代地，在使用二電平低頻率輸入信號來代替正弦信號的情況下，可以用簡單的切換解調器來代替線性乘法器46。
[0085]應該理解的是入射輻射R1可以包括適用於激勵樣品發光的任意輻射，儘管紫外(UV)輻射特別有益。在輻射是UV的情況下，輻射可以具有在約400nm至約IOn範圍內的波長(?3eV至?124eV的能量)。所述輻射可以是例如，輻射可以是在具有約400nm和約300nm(?3.1OeV至?4.13eV)之間波長的「近」 UV光譜區域、在具有約300nm和約200nm(?4.13eV至?6.20eV)之間波長的「中」UV區域、在具有約200nm和約122nm(?6.20eV至?10.2eV)之間的波長的「遠W區域利/或具有約121nm和約IOnm(?10.2eV至?124eV)之間的波長的「極」UV區域中的輻射。例如，輻射可以是在具有約400nm和約315nm(?3.1OeV至?3.94eV)之間波長的UVA輻射、在具有約300nm和約280nm(?3.94eV至?4.43eV)之間波長的UVB輻射、在具有約280nm和約100nm(?4.43eV至?12.4eV)之間波長的UVC輻射和/或在具有約200nm和約10nm(?6.2eV至?124eV)之間波長的真空UV ( 「VUV」 )輻射。波長在365nm左右和約265nm左右的UV可以特別有益。[0086]儘管已經參考在生物檢驗等中使用的樣品的磷光(時間分辨螢光/發光)性質測量描述了以上實施例、並且以上實施例在生物檢驗等中使用的樣品的磷光(時間分辨螢光/發光)性質測量具有特別的益處，應該理解的是上述測量方法和設備可以用於廣泛範圍的其他應用。例如，測量技術和設備可以有益地應用於防偽、認證、安全和/或法庭應用，其中包括:文件(例如許可證、證書、身份證件、護照、支持財務事項的文件和/或等等)的鑑定；通過用「智能」(並且可能不可見)化學或生物標記(可以使用上述技術進行鑑別，例如，確定被盜貨物等的所有權)對資產進行標記來實現資產核對；(在犯罪現場找到的)防偽措施的存在的查證；以及(例如，在犯罪現場找到的)法庭樣品的特徵化。類似地，可以將測量技術和設備有益地應用於工業感測應用，例如:液體洩漏測試；汙染物監測；密封完整性測試；質量控制；確定限定區域(完整封裝或空封裝)中特定物體的存在或不存在；等
坐寸ο
【權利要求】
1.一種用於測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括: 用於在控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品的裝置； 用於產生對所述發射輻射的強度進行調製的所述控制信號的裝置，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期； 用於接收由於所述激勵而從所述樣品發光的輻射並且產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號的裝置；以及 用於解調所述檢測信號從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號的裝置。
2.根據權利要求1所述的設備，其中樣品的發光性質包括持久發光性質，例如磷光性質。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中光學濾波器設置在輻射發射裝置和樣品之間，所述光學濾波器配置為阻擋波長與待測量的發光性質相關聯的輻射。
4.根據權利要求3所述的設備，其中光學濾波器包括UV通過濾波器。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的設備，其中光學濾波器設置在樣品和輻射接收裝置之間，所述光學濾波器配置為阻擋波長不同於與待測量發光性質相關聯的波長的輻射。
6.一種用輻射激勵樣品從而允許測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括: 用於在控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品的裝置；以及 用於產生對所述發射輻射的強度進行調製的控制信號的裝置，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期。
7.根據權利要求1或6所述的設備，其中所述控制信號的所述第一分量得自於第一周期性信號。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述第一周期性信號在至少兩個不同的電壓電平之間振蕩。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述電壓電平中幅度較低的一個是實質上零(或近似零)電壓電平。
10.根據權利要求7所述的設備，其中所述控制信號的所述第二分量得自於第二周期性信號。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述第一周期性信號和第二周期性信號使得所述控制信號使輻射發射裝置按照與所述第一周期性信號的頻率近似相等的頻率在接通狀態和關斷狀態之間切換，其中在接通狀態下輻射發射裝置發射光，在關斷狀態下輻射發射裝置不發射光。
12.根據權利要求1或6所述的設備，其中所述第二控制信號的所述第二分量得自於第二周期性信號。
13.根據權利要求11或12所述的設備，其中所述第二周期性信號在至少兩個不同的電壓電平之間振蕩。
14.根據權利要求13所述的設備，其中所述第二周期性信號是正弦信號。
15.根據權利要求13或14所述的設備，其中所述第二周期性信號的所述電壓電平之一是實質上零(或近似零)電壓電平。
16.根據權利要求11至15中任一項所述的設備，其中所述第二周期性信號偏移使得信號在整個周期保持相同的極性。
17.根據權利要求11至14中任一項所述的設備，其中所述第二周期性信號偏移使得信號的最小幅度是非零的。
18.根據任一前述權利要求所述的設備，其中所述輻射發射裝置包括發光二極體。
19.根據權利要求18所述的設備 ，其中所述發光二極體操作用於在紫外區域發射輻射。
20.根據任一前述權利要求所述的設備，其中所述用於產生控制信號的裝置操作用於調節所述第一分量和/或所述第二分量的頻率(或周期)。
21.根據權利要求20所述的設備，其中所述用於產生控制信號的裝置操作用於在多個不同頻率之間調節所述第一分量的頻率，所述多個不同頻率包括: 所述第一頻率，具有與所述樣品的所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期；和/或 至少一個另外的頻率，具有與所述樣品的所述發光性質的另外期望特徵時間常數相比或者與另外的樣品的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期； 從而允許在樣品的具有不同發光性質的分量之間進行區分和/或在具有不同發光性質的不同樣品之間進行區分。
22.根據權利要求21所述的設備，其中所述用於產生控制信號的裝置操作用於依次經過所述多個不同頻率的每一個進行循環。
23.一種用於檢測從樣品發光的輻射從而允許測量樣品的發光性質的設備，所述設備包括: 用於接收由於用來自輻射源的輻射來激勵所述樣品而從所述樣品發光的輻射的裝置和用於產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號的裝置，其中 利用控制信號來調製來自所述輻射源的所述輻射，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；以及 用於解調所述檢測信號從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號的裝置。
24.根據權利要求1至5或20所述的設備，其中所述解調裝置包括: 第一解調結構，用於解調所述檢測信號的第一頻率分量，所述第一頻率分量與控制信號的所述第一分量相關聯；以及 第二解調結構，用於解調所述檢測信號的第二頻率分量，所述第二頻率分量與控制信號的所述第二分量相關聯。
25.根據權利要求24所述的設備，其中第一解調結構操作用於抑制當激勵所述樣品時出現的所述檢測信號的第一分量。
26.根據權利要求25所述的設備，其中所述檢測信號的所述第一分量至少部分地由來自所述樣品的螢光或短時間常數磷光產生。
27.根據權利要求24至26中任一項所述的設備，其中第一解調結構操作用於不抑制當不激勵所述樣品時出現的所述檢測信號的第二分量。
28.根據權利要求27所述的設備，其中所述檢測信號的所述第二分量至少部分地由來自所述樣品的磷光產生。
29.根據權利要求24至28中任一項所述的設備，其中第一解調結構包括:切換解調器結構，配置用於接通和關斷所述檢測信號從而解調所述信號。
30.根據權利要求24至28中任一項所述的設備，其中第一解調結構包括:用於在高增益和低增益之間切換產生裝置的增益從而解調所述信號的裝置。
31.根據權利要求24至30中任一項所述的設備，其中第一解調結構還包括:濾波器，用於從檢測信號濾除第一頻率的任意剩餘分量。
32.根據權利要求31所述的設備，其中濾波器包括低通濾波器。
33.根據權利要求24至32中任一項所述的設備，其中第二解調結構操作用於對所述第一解調結構解調的檢測信號的第二頻率分量進行解調。
34.根據權利要求24至32中任一項所述的設備，其中解調裝置還包括:放大器，用於對所述第一解調結構解調的檢測信號進行放大。
35.根據權利要求34所述的設備，其中第二解調結構操作用於對由所述第一解調結構解調並且由所述放大器放大的檢測信號的第二頻率分量進行解調。
36.根據權利要求34或35所述的設備，其中放大器包括大增益(和/或AC耦合)放大器。
37.根據權利要求24至36中任一項所述的設備，其中第二解調結構包括:乘法器(例如，混頻器)，用於將檢測信號與頻率實質上等於第二頻率分量的頻率的信號相乘。
38.根據權利要求24至36中任一項所述的設備，其中第二解調結構包括:包絡檢測器，操作用於抑制檢測信號的第二頻率分量。
39.根據權利要求24至38中任一項所述的設備，其中第二解調結構包括:濾波器，用於從檢測信號濾除第二頻率的任意剩餘分量。
40.根據權利要求38所述的設備，其中用於濾除第二頻率的剩餘分量的濾波器包括低通濾波器。
41.一種產生對樣品的發光性質加以表示的信號以用於測量樣品的所述發光性質的方法，所述方法包括: 產生控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期； 在所述控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品，使得利用控制信號來調製所述發射的輻射； 接收由於所述激勵而從所述樣品發光的輻射，並且產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號；以及 解調所述檢測信號，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號。
42.一種用輻射激勵樣品從而允許測量樣品的發光性質的方法，所述方法包括:產生控制信號，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的所述期望特徵時間常數更大的周期；以及 在所述控制信號的控制下發射輻射以激勵所述樣品，使得利用控制信號來調製所述發射的輻射。
43.一種產生對樣品的發光性質加以表示的信號以用於測量樣品的所述發光性質的方法，所述方法包括: 接收由於利用來自輻射源的輻射激勵所述樣品而從所述樣品發光的輻射，並且產生對所述接收輻射的強度加以表示的檢測信號，其中: 利用控制信號來調製來自所述輻射源的所述輻射，所述控制信號具有第一頻率的第一分量和第二頻率的第二分量，所述第一頻率具有與所述發光性質的期望特徵時間常數相比更小或相同量級的周期，所述第二頻率具有比所述發光性質的期望特徵時間常數更大的周期；以及 解調所述檢測信號 ，從而產生對所述樣品的所述發光性質加以表示的信號。
【文檔編號】G01N21/64GK103930766SQ201280044142
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2011年7月11日
【發明者】尤金·凡維克, 馬修·海耶斯 申請人:艾克森柏奧弗魯科斯有限公司