專利名稱：一種用于檢測少量光的、包括嵌入半導體技術的電子圖像轉換器的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于檢測少量光的裝置，包括用于檢測代表少量光的光子的光 學檢測裝置；和連接到光學檢測裝置上、用于讀取光學檢測裝置和用于產生表示從光學檢 測裝置接收到的光子數量的信號的電子電路。
背景技術：
這種設備通常是眾所周知的。現有技術中的這種檢測設備使用光子倍增管等等， 光子倍增管是一種價格昂貴，沉重和易碎的儀器，并且需要很高的工作電壓，因此不適合在 本領域中使用。為了克服這些缺點，Khaled Salama，在其論文中提供了一種用來檢測少量光的設 備，該設備包括一個嵌入半導體技術的電子圖像轉換器，用于檢測代表少量光的光子；以及 連接到電子圖像轉換器的、用于讀取電子圖像轉換器、并產生表示電子圖像轉換器接收到 的光子數量的測量信號的電子電路。現有技術中的該裝置解決了光子倍增管相關的諸如高工作電壓和易碎結構的技 術問題。但已經發現，當該設備被優化使其對光的靈敏程度達到最高時，溫度對該靈敏度 影響很大。這種影響如此之大以至于在現有技術中的這種設備幾乎無法在實驗室以外的條 件下使用。而實踐中，根據本發明的設備可使用在例如模型(die)實驗室外，并且通常處于 變化的溫度中。本發明的目的是提供這樣的設備，其保持高的光敏度，并且其靈敏度盡可能 不受溫度影響。
發明內容
這個目的是通過這樣的設備實現的該設備具有與第一電子圖像轉換器相同的第 二電子圖像轉換器，并且第二電子圖像轉換器是光屏蔽的，并且其中處理電路也與第二電 子圖像轉換器相連接，并且該電路適于利用從第二電子圖像轉換器讀出的信號補償第一電 子圖像轉換器讀出的信號，并且其中第一和第二電子圖像轉換器彼此熱緊密耦合。第一和第二電子圖像轉換器的緊密的熱耦合使得它們二者處的溫度相同。因為他 們彼此也盡可能地相同，所以他們輸出的信號包括相同溫度感應分量。通過將第二電子圖 像轉換器與光屏蔽，其輸出的信號則僅包括該溫度感應分量。根據本發明這個僅包括溫度 感應分量的輸出信號將被用來對第一圖像轉換器輸出的信號中的溫度感應分量進行補償。 通過這種方式所得到的輸出信號是不受溫度影響的。所以該設備可以在實驗室以外的環境 中使用，并且保持很高的光敏度。本發明還涉及到一種用于檢測位于載體中的發光元件的方法，包括以下步驟確 定載體和第一電子圖像轉換器的相互位置，檢測由位于載體上的發光元件發出的光，通過 連接在第一電子圖像轉換器上的處理電路讀取第一電子圖像轉換器，并且產生表示在一時
4段內電子圖像轉換器接受到的光子數量的信號。其中，該信號是由第二電子圖像轉換器發 出的信號補償后的信號，所述的第二電子圖像轉換器與第一電子圖像轉換器相同，并且是 光屏蔽的，但其緊密的熱耦合到第一電子圖像轉換器。測試顯示，光敏電路不僅對溫度變化敏感，也對例如濕度和氣壓的變化的其他周 圍環境變化或外部因素敏感。為了通過“暗處”的圖像轉換器也可盡可能地對這些其他的 因素進行補償，所以將第一和第二圖像轉換器彼此相鄰放置。根據本發明中的另一個優選實施例，第一電子圖像轉換器包括第一區域，并且電 子電路適于讀取至少放置在圖像轉換器第一區域內的光敏單元。位于第一區域外的單元是 用于補償的。這里需要指出的是，這里的補償并不是第一實施例中的溫度和其他外部變量 所造成的差異的補償，而是為了補償第一圖像轉換器中的內部處理的。多個光測量裝置對外部的影響敏感，特別是當非常少量的光必須被測量到的時 候。這些并不僅僅對電子部分的要求，如上面描述的對測量所作出的改進，還適用于光學 部分。可應用本發明的對少量光的檢測，特別涉及但并不排除，由化學反應所產生的光的測 量。為了也能夠均衡化學反應或其他光源與圖像轉換器之間的路徑的變化，另一個優選實 施例中提供了下述策略該設備包括第三電子圖像轉換器，該圖像轉換器與第一第二電子 圖像轉換器相同，并且適于接收用于補償作用的光信號，處理電路也連接到第三電子圖像 轉換器上，并且適于比較第一電子轉換器的讀出信號和第三電子圖像轉換器的讀出信號， 并且第一、第二和第三電子圖像轉換器之間彼此緊密熱耦合。由于所有的三個電子圖像轉 換器之間緊密熱耦合，他們具有大致相同的溫度，所以由“暗處”的第二圖像轉換器發出的 信號可以用于補償第一和第三電子圖像轉換器的信號。通過這樣的方法得到同樣優點，其中生物樣本被設置在載體上，生物樣本與第一 試劑和第二試劑發生反應，并且生物樣本與第一試劑的組合形成第一發光元件，該第一發 光元件相對于第一電子圖像轉換器放置，并且生物樣本與第二試劑的組合形成第二發光元 件，并且第二發光元件相對于第三電子圖像轉換器放置，并且其中信號由第二電子圖像轉 換器發出的信號補償，第二電子圖像轉換器與第一和第三電子圖像轉換器相同的，并是光 屏蔽的，并且與第一和第三電子圖像轉換器緊密熱耦合。為了也能夠對由于環境變化而變化的三個電子圖像轉換器的結果進行補償，推薦 將第一、第二和第三電子圖像轉換器之間彼此相鄰設置。呈現在第三電子圖像轉換器上的光敏單元被優選地分為測量組和參考組，參考組 是光屏蔽的，并且處理電路適于使用屬于參考組的光敏單元的讀出信號補償屬于測量組的 光敏單元的讀出信號。電子圖像轉換器優選的適用于在可調整時間段內，將由電子圖像轉換器中的光敏 單元發出的信號相加到一起。由于大量單元使用使得例如CCD檢測器或CMOS檢測器的電 子圖像轉換器市場化，而且通常還配備有用來記錄圖像的視頻設備。但是不排除其他類型 的圖像轉換器。這些都是大量生產的產品，并且與在現有技術中專門設計和制造的圖像轉 換器相比較，其售價較低。由于它們的大量的光敏單元，這些可從市場上買到的圖像轉換器 也在改進信號/噪聲比方面有了很大的選擇余地。當光敏單元發出的信號相加到一起的時 候，信號/噪聲比畢竟與光敏單元的數量的平方根成正比地增加，需要注意的是，為了在專 門制造的圖像轉換器和通常適用于圖像記錄目的可從市場上購買到的圖像轉換器之間提供差別，選擇將100，000個光敏單元的較低限制；這個差別也可被設定成為75，000光敏單 元，150, 000光敏單元，或200，000光敏單元。當圖像轉換器適于可能針對一個可調整的時間段中將由光敏單元中的一個發出 的信號相加在一起時，信號/噪聲比被進一步改進。為了能夠對設置在載體上的樣本進行檢測，如果設備中還提供有用于定位載體的 定位裝置是具有吸引力的，從而由設置在載體上的第一位置中的發光元件發出的光達到第 一電子圖像轉換器中，同時排除其他光。因此在不同載體上的樣本之間的比較變為可能。在某些情況下，對相同載體上放置的樣本之間進行比較可能是具有吸引力的。為 了這個目的，在一個優選實施例中提供適于定位載體定位裝置的策略，從而由放置在載體 的第二位置上的發光元件發出的光到達第三電子圖像轉換器，同時排除其他光。本發明還涉及適于通過上述定位裝置來定位的載體。本發明進一步涉及到適于將至少一種試劑添加到樣本中的載體，并且該試劑適于 與致病微生物的細胞一起形成發光元件。為了執行比較測量的目的，進一步的優選實施例中提供下述策略該設備包括第 二圖像轉換器，該第二圖像轉換器適于接收從設置在載體的第二位置的發光元件所發出的 光，并且與用來讀取第二圖像轉換器的電子電路匹配，還適于比較由第一和第二圖像轉換 器中所發出的信號。因此可以比較兩個載體中所發的光數量。在特定的環境下，樣本中的 一個被設置成校準樣本，從而可以進行校準測量。在該實施例的空間實現上可以有多種可能。例如，將兩個發光元件設置在同一個 載體上就是一種可能。盡管也可能將發光元件分別設置在單獨的載體上。本發明的重要應用領域在于確定樣本(特別是生物起源的樣本)發光的程度。為 了這個目的，特定實施例提供下面策略載體適于承載以生物起源的樣本形式的發光元件。生物或其他起源的樣本通常本身不會發出任何光，但是將其與至少一種試劑或物 質相接觸后則會發出光。因此這是具有吸引力的載體適于將至少一種試劑添加到樣本中。 因此一個特定的優選實施例提供如下策略樣本被排列在載體上，樣本與至少一種物質或 試劑相接觸，并且樣本與試劑和/或物質的組合形成發光元件。根據一個優選實施例，試劑和/或物質適于與患病細胞結合形成發光元件。在生物領域應用的一個例子是對被微生物感染細胞的檢測和分析。樣本被排列在 載體上，并且樣本與設置在載體上的第一物質相互接觸。這個物質例如可以由所考慮的被 致病細胞感染的物質組成，因此ATP被釋放。該ATP在試劑的影響下發出光子。根據光子 數量可以確定樣本中存在多少ATP，并且因此可知樣本中存在多少患病細胞。該優選實施例還提供了一種方法，其中生物樣本為奶液細胞形成，例如牛、綿羊和 山羊的產奶動物的乳腺經常會受到例如乳腺炎病菌的感染，而導致由這些被感染的動物所 產的奶不能被消費和處理。拋開受感染的動物不論，這種感染將帶來很大的經濟危害。對 該感染盡早檢測和診斷能夠使該感染得到及早治療，由此可防止或減輕這些缺點。如上所 述，可以證實被乳腺炎細菌感染的奶液細胞存在，并且被感染細胞的濃度可被測量出來。需 注意的是，根據本發明的措施在生物學領域的應用并不僅限于乳腺炎病毒的檢測和定量分 析，還可以對被其他微生物感染的細胞進行檢測和定量分析。例如被可導致尿路系統感染 的微生物感染的細胞進行檢測和定量分析。
以下，將參照下列附圖描述本發明，其中圖1為本發明實施例的方框圖。圖2示出作為圖1中所示實施例的部分的CXD芯片視圖。圖3為本根據本發明的測量設備的立體圖。圖4為圖3中所示的測量設備的截面圖。
具體實施例方式圖1的方塊圖示出了根據本發明的檢測設備，其整體以1指示，該檢測設備適于用 作檢測少量光的檢測器。該檢測設備1示出了定位元件2，用來定位載體3，載體3上布置 著樣本4。如需要，也可將試劑布置在載體3上，該試劑3與樣本4共同作用，促使或增強樣 本4發光的發光行為。該設備還包括例如為管狀的導向裝置5，，可選擇地與一個過濾器相組合，用來僅 引導由設置在載體上的樣本所發出的光譜的那些部分。該導向裝置朝向連接在電子電路7 中的CXD檢測器5。在此該CXD檢測器提供有330，000光敏元件(像素)。也可以使用CMOS 檢測器來替代CCD檢測器。電子電路7連接到用來存儲測量結果的存儲器8，顯示器9用來顯示測量結果，鍵 盤10用來操作該裝置。圖2中所示的是CXD芯片5，在芯片5中的區域13中排列著光敏單元，位于CXD芯 片5上的該激活區域13中的是區域14，其中，來自載體的光子只能夠到達區域14。位于區 域13內和區域14外的該芯片的部分用作基于光敏單元的溫度補償。在此，這些光敏單元 是完全光屏蔽的，從而它們的輸出信號代表溫度敏感分量等。圖3所示的是根據本發明的檢測裝置的實施例。該實施例包括容納有顯示屏9和 鍵盤10的外殼20。外殼20由兩個可分離的半殼組成，以方便進入外殼內部。外殼20的形 狀還適于手持。在外殼20下部設置卡盒22，圖4中詳細地顯示了卡盒22。卡盒22包括槽23，可 移動的門19可將槽23封閉，并且槽內可放置一些用于待檢測的樣本的條狀載體24。進一 步在卡盒22內還可設置傳輸機構(圖中未顯示)可以將載體24逐個移出卡盒22。載體通 過彈簧18壓在傳輸機構上。所述傳輸機構通過按壓鍵盤10上的一個按鈕來進行操作。傳輸機構接下來將最 上面的條帶24傳輸到圖4中所示位置，其中，條帶24中的樣本部分24伸出到卡盒的外部。 在載體的樣本部分26中排列的物質是有選擇地變質被微生物影響的細胞壁，從而在這些 細胞中存在的APT被釋放。載體24帶有毛細結構，從而釋放出的APT通過毛細作用排列在 載體24的檢測部分27。在該處放置有與通過毛細作用輸送過來的被釋放的APT同時發出 光子的試劑。從其上發出的這些光子的檢測部分27直接被定位在以該設備的CCD芯片5 為形式的光學檢測器的下方，從而檢測器5能夠確定光子的強度并且據此確定APT的濃度， 并且據此得出受到相關微生物影響的細胞濃度。需要注意的是，CCD檢測器5被設置在與 載體24中的檢測部分27最接近的位置，以達到最佳的靈敏度。為了基于溫度的補償，補償CCD芯片17也被設置在同一個載體上，用來獲得好的熱耦合。在測量已經結束后，使用過的 載體24被彈出，之后可開始使用新的載體。同時要注意的是，條帶優選的帶有兩種結構，如上所述，其中條帶能夠移動并且破 壞所有細胞壁的試劑可在放置用來檢測的液體位置的一側存在。因此被釋放的ATP平行于 兩個路徑移動到達試劑和ATP在一起的區域，形成發光樣本。因為在最初細胞壁破壞中使 用的兩種類型試劑之間的差異的基礎上獲得全部細胞和病理細胞之間的比較結果，因此， 創建用于測量結果的參考值。
本方法特別用來確定例如牛、綿羊和山羊的產奶動物對奶液造成的乳腺炎的感染 程度。在此向載體提供導向裝置，用于引導載體上的奶液，例如，將載體浸入到奶液中，到 達載體上的第一位置，在該位置存在第一試劑，第一試劑在此與奶液接觸，并依據感染了乳 腺炎的細胞數量發光，并且到達第二位置，第二位置上存在第一和第二試劑，第一和第二試 劑與奶液接觸，釋放出所定義的光通量。在僅有第一試劑存在的位置，形成具有由感染了乳 腺炎的細胞數量決定的光強的第一光源，在第一和第二兩種試劑同時存在的位置，形成第 二光源，第二光源的光強是由感染了乳腺炎的細胞數量和奶液與第二試劑之間的反應決定 的。顯然，針對生物或其它種類的其他多個目的，也可以應用根據本發明的方法。
權利要求
一種用于檢測少量光的設備，包括第一電子圖像轉換器，嵌入有半導體技術并具有用于檢測代表少量光的光子的大量光敏單元，并用于提供讀出信號；以及處理電路，用于處理該讀出信號為代表所接收的光子數量的測量信號，其特征在于該設備包括與第一電子圖像轉換器相同的至少一個第二電子圖像轉換器，其是光屏蔽的；該處理電路還連接到第二電子圖像轉轉器并適于通過第二電子圖像轉換器的讀出信號來補償第一電子圖像轉換器的讀出信號；以及第一和第二電子圖像轉換器彼此熱緊密耦合。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于第一和第二電子圖像轉換器的位置彼此相鄰。
3.如權利要求1或2所述的設備，其特征在于在第一和第二電子圖像轉換器的每一 個上存在的光敏單元被分成測量組和參考組，且參考組是光屏蔽的，并且處理電路適于通 過屬于參考組的光敏單元的讀出信號來補償屬于測量組的光敏單元的讀出信號。
4.如權利要求1或2所述的設備，其特征在于所述設備包括與第一和第二電子圖像 轉換器相同的、適于接收用作比較的光信號的第三電子圖像轉換器；處理電路還連接到第三電子圖像轉換器以將第一電子圖像轉換器的讀出信號與第三 電子圖像轉換器的讀出信號比較；以及第一、第二和第三電子圖像轉換器彼此熱緊密耦合。
5.如權利要求4所述的設備，其特征在于第一、第二和第三電子圖像轉換器的位置彼 此相鄰。
6.如權利要求4或5所述的設備，其特征在于在第三電子圖像轉換器上存在的光敏單 元被分成測量組和參考組，且參考組是光屏蔽的，并且處理電路適于通過屬于參考組的光 敏單元的讀出信號來補償屬于測量組的光敏單元的讀出信號。
7.如前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于電子電路適于將來自位于電子圖 像轉換器上的光敏單元的信號相加在一起。
8.如前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于圖像轉換器在可調整時段中將來 自任何光敏單元的信號相加在一起。
9.如前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于該設備提供有定位裝置，用于定 位載體，從而位于載體上第一位置的發光元件發射的光到達第一電子圖像轉換器，而不包 括其他光。
10.如權利要求9所述的設備，其特征在于定位裝置適于定位載體，從而位于載體上第 二位置的發光元件發射的光到達第三電子圖像轉換器，而不包括其他光。
11.用于承載光激發樣本的載體，其特征在于該載體適于通過如權利要求9或10所述 的定位裝置而被定位。
12.如權利要求11所述的載體，其特征在于該載體適于將至少第一試劑添加到該樣本 中，并且第一試劑適于與樣本中存在的致病微生物的細胞一起形成第一光發射元件。
13.如權利要求11所述的載體，其特征在于該載體適于將至少第二試劑添加到該樣本 中，并且第二試劑適于與樣本中存在的致病微生物的細胞一起形成第二光發射元件。
14.一種檢測載體中存在的光發射元件的方法，包括步驟相互定義載體和第一電子圖像轉換器的位置，檢測由載體上存在的發光元件發出的 光，通過連接到第一電子圖像轉換器的處理電路讀取第一電子圖像轉換器，并且產生代表 在一時段內電子圖像轉換器接受到的光子數量的信號，其特征在于該信號使用來自第二 電子圖像轉換器的信號進行補償，所述的第二電子圖像轉換器與第一電子圖像轉換器相 同，并且是光屏蔽的，且緊密熱耦合到第一電子圖像轉換器。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于生物樣本布置在載體上，將生物樣本與第 一試劑和第二試劑接觸；生物樣本與第一試劑的組合形成第一發光元件，第一發光元件相 關于第一電子圖像裝換器放置；生物樣本與第二試劑的組合形成第二發光元件，第一發光 元件相關于第三電子圖像裝換器放置；使用來自第二電子圖像轉換器的信號補償該信號， 所述的第二電子圖像轉換器與第一和第三電子圖像轉換器相同，并且是光屏蔽的，且緊密 熱耦合到第一和第三電子圖像轉換器。
全文摘要
本發明涉及一種用于檢測少量光的設備，包括電子圖像轉換器，嵌入有用于檢測代表少量光的光子的半導體技術；以及電子電路，連接到電子圖像轉換器，用于讀取電子圖像轉換器并用于產生代表電子圖像轉換器所接收的光子數量的信號，其中，電子圖像轉換器包括至少100,000個光敏單元，并且電子電路適于將位于電子圖像轉換器上的光敏單元發出的信號相加在一起。
文檔編號G01N21/64GK101868703SQ200880116722
公開日2010年10月20日 申請日期2008年11月19日 優先權日2007年11月20日
發明者P·T·庫珀曼 申請人:數據掃描集團公司