用于使用諧振傳感器的流體分析的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及用于流體分析的系統(tǒng)和方法，以及更具體來說，涉及用于使用諧振傳感器的流體分析的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諧振傳感器通常用來提供與樣本中存在的物理、化學(xué)和生物組分有關(guān)的信息。傳感器的選擇性在傳感器性能和應(yīng)用方面是合乎需要的。缺乏選擇性通常阻礙在非限制性地諸如醫(yī)療診斷、生命科學(xué)、水、石油和天然氣以及安全性之類的應(yīng)用中感測流體中的物理、化學(xué)和生物種方面的傳感器的廣泛使用。阻抗譜常常用于材料科學(xué)和材料表征。阻抗譜提供生物種的分析方面的多個優(yōu)點(diǎn)，因為它為生物種的分析提供無創(chuàng)無毒平臺。但是，傳統(tǒng)阻抗譜的公認(rèn)局限性包括對寬頻率范圍的較低靈敏度和極長的獲取時間。
[0003]當(dāng)前實驗室技術(shù)常常將多個預(yù)處理步驟用于樣本，并且要求病理學(xué)家或技術(shù)人員手動識別樣本組成。當(dāng)前傳感器技術(shù)利用基于光、電、機(jī)械、熱和磁檢測原理的不同換能器。傳感器可以是諧振或者非諧振的。與非諧振換能器相比，諧振換能器在不受控制的周圍環(huán)境噪聲影響存在的情況下提供更準(zhǔn)確地探測任何樣本的介電性質(zhì)的機(jī)制。周圍環(huán)境噪聲影響的非限制性示例包括溫度、介質(zhì)組成以及樣本中的干擾的存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個實施例中，用于分析樣本的方法包括提供一種傳感器組合件，其包括具有多個諧振電路的感測區(qū)以及多個調(diào)諧元件。該方法還包括將傳感器組合件暴露于包括樣本的環(huán)境，并且以傳感器組合件所生成的一個或多個頻率來探測樣本。此外，該方法包括確定對傳感器組合件的所測量譜頻率范圍的傳感器響應(yīng)的阻抗，并且將傳感器組合件的阻抗的測量與樣本的至少一個環(huán)境性質(zhì)相關(guān)。
[0005]在另一個實施例中，用于分析樣本的方法包括提供一種傳感器組合件，其包括具有多個諧振電路的感測區(qū)以及多個調(diào)諧元件。該方法還包括將傳感器組合件暴露于包括樣本的環(huán)境，并且以傳感器組合件所生成的至少兩個諧振來探測樣本。該方法還包括確定對傳感器組合件的所測量譜頻率范圍的傳感器響應(yīng)的諧振阻抗譜，將多變元統(tǒng)計分析應(yīng)用于傳感器響應(yīng)的響應(yīng)阻抗譜以得到多變元響應(yīng)因子，并且將多變元響應(yīng)因子與樣本的至少一個環(huán)境性質(zhì)關(guān)聯(lián)。
【附圖說明】
[0006]通過參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述，將會更好地理解本發(fā)明的這些及其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似符號在附圖中通篇表示相似部件，附圖包括:
圖1是按照本技術(shù)的實施例、采用配置成使用多個頻率探測流體樣本的傳感器組合件的不例傳感器系統(tǒng)的一部分的不意圖；
圖2是按照本技術(shù)的實施例的諧振傳感器的一實施例的測量阻抗參數(shù)的圖表； 圖3是按照本技術(shù)的實施例、包括多個電極的示例感測區(qū)的示意圖；
圖4-6是按照本技術(shù)的實施例、具有多個電極的示例感測區(qū)的示意圖；
圖7是按照本技術(shù)的實施例、具有可重新配置設(shè)計的電極/樣本結(jié)構(gòu)的等效電路；
圖8是按照本技術(shù)的實施例、采用單個傳感器區(qū)的傳感器系統(tǒng)的示意表示；以及圖9是按照本技術(shù)的實施例、用于分析樣本的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0007]實施例涉及用于物理、化學(xué)和/或生物檢測的系統(tǒng)和方法。在某些實施例中，系統(tǒng)和方法可用于流體的分析。有利地，系統(tǒng)和方法促進(jìn)使用單個傳感器在各種頻率探測流體。在某些實施例中，諧振傳感器組合件可包括單個感測區(qū)，其配置成在多個頻率進(jìn)行諧振。在這些實施例的一部分中，單個感測區(qū)配置成在多個頻率探測流體。單個感測區(qū)中的各種子區(qū)域可配置成探測流體樣本中的不同深度，從而提供沿與傳感器平面垂直的方向、與流體樣本有關(guān)的斷層掃描信息。這個斷層掃描信息可通過使用電磁場貫穿波來提供。在一個示例中，電磁波可包括電場貫穿波和磁場貫穿波。例如，如果流體樣本包含樣本中的細(xì)胞或其他組分，則斷層掃描信息可包括與作為離感測表面的距離的函數(shù)的樣本的復(fù)介質(zhì)常數(shù)有關(guān)的信息。從細(xì)胞中的不同深度所得到的信息提供細(xì)胞粘著、新細(xì)胞的迀移、細(xì)胞活動的變化以及對外部激勵(例如環(huán)境、藥物學(xué))的響應(yīng)的指示。在一個示例中，關(guān)于細(xì)胞形態(tài)的信息可用來在快速收集活檢中跟蹤癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。
[0008]在某些實施例中，傳感器可用于醫(yī)療診斷、生命科學(xué)、水技術(shù)、石油和天然氣以及安全性的領(lǐng)域的一個或多個應(yīng)用中。在醫(yī)療診斷的情況下，諧振傳感器組合件可用來檢測或診斷感染或癌。在水技術(shù)的情況下，諧振傳感器組合件可用來檢測水樣本中的蛋白質(zhì)和細(xì)菌細(xì)胞積聚。水樣本可來自飲用水或者蒸餾或冷卻箱。
[0009]有利地，由于系統(tǒng)和方法促進(jìn)在使用單個傳感器的同時以多個頻率探測樣本，所以不要求將流體樣本設(shè)置在多個傳感器上以便以多個頻率探測樣本。
[0010]在某些實施例中，諧振傳感器組合件可包括:介電基片，其包括感測區(qū)；以及操作上耦合到感測區(qū)的多個調(diào)諧元件。此外，感測區(qū)耦合到多個調(diào)諧元件，以定義多個諧振電路。各諧振電路可用來定義單個感測區(qū)中的子區(qū)域，其中每個子區(qū)域配置成探測流體樣本中的不同深度。在一個實施例中，介電基片和感測區(qū)可以是諧振傳感器的組成部分。在某些實施例中，諧振電路可包括相結(jié)合以引起產(chǎn)生諧振傳感器響應(yīng)的組件。
[0011]在一些實施例中，諧振傳感器可耦合到多個調(diào)諧元件，以定義多個諧振電路。在一個實施例中，調(diào)諧元件可以是諧振傳感器外部的。在另一個實施例中，調(diào)諧元件可以不是諧振傳感器外部的，調(diào)諧元件可以是諧振傳感器的整體部分。
[0012]在一些實施例中，傳感器讀取器可配置成監(jiān)測來自諧振傳感器組合件的多個響應(yīng)。讀取器可通過讀取器天線與傳感器進(jìn)行操作關(guān)聯(lián)。在一個實施例中，讀取器可配置成監(jiān)測諧振傳感器的諧振性質(zhì)。來自諧振傳感器的數(shù)據(jù)可使用有線或無線傳輸來傳遞。在一個實施例中，無線傳輸是電感耦合傳輸。在某些實施例中，讀取器可以是響應(yīng)分析器，其配置成接收多個頻率的信號。
[0013]在某些實施例中，傳感器讀取器可配置成測量具有樣本的諧振傳感器的阻抗譜的實部和虛部。在某些實施例中，傳感器讀取器可配置成測量與傳感器諧振外部的樣本關(guān)聯(lián)的諧振傳感器的阻抗譜的實部和虛部。除了復(fù)阻抗譜參數(shù)的測量之外，讀取器還可測量與復(fù)阻抗譜相關(guān)的其他譜參數(shù)。譜參數(shù)的非限制性示例包括S參數(shù)(散射參數(shù))和Y參數(shù)(導(dǎo)納參數(shù))。在一些實施例中，傳感器讀取器可配置成實時地監(jiān)測傳感器。此外，讀取器可配置成間斷或連續(xù)地監(jiān)測傳感器響應(yīng)。
[0014]在某些實施例中，諧振傳感器可包括單個感測區(qū)，其中感測區(qū)配置成在多個頻率進(jìn)行諧振。在一個示例中，諧振傳感器可以是RFID傳感器。RFID傳感器可包括存儲器芯片。存儲器芯片可用于在需要時存儲和檢索數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可包括RFID傳感器的數(shù)字ID或者RFID傳感器的任何其他信息。存儲器芯片可以是讀-寫芯片，例如集成電路(1C)芯片。備選地，存儲器芯片可以是只讀芯片，例如聲波裝置芯片。存儲器芯片可以是獨(dú)立傳感器的模擬輸入。
[0015]如本文所使用的術(shù)語“RFID標(biāo)簽”表示數(shù)據(jù)存儲和報告技術(shù)，其將電子標(biāo)簽用于存儲數(shù)據(jù)，并且包含至少兩個組件，其中第一組件是用于存儲和處理信息并且對射頻信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的集成電路(存儲器芯片)。這個存儲器芯片還可用于其他專門功能，例如它能夠包含電容器。在一個實施例中，存儲器芯片還可包含用于模擬信號的輸入。第二組件是用于接收和傳送射頻信號的天線。天線也可配置成用作感測區(qū)。在某些實施例中，具有感測功能的RFID標(biāo)簽是RFID傳感器。在某些實施例中，具有感測區(qū)的RFID標(biāo)簽是RFID傳感器。
[0016]在某些實施例中，諧振傳感器可包括具有例如當(dāng)RFID標(biāo)簽的天線還通過作為環(huán)境變化的函數(shù)而改變其復(fù)阻抗參數(shù)來執(zhí)行感測功能時的增加感測功能的RFID標(biāo)簽。采用這類諧振傳感器對環(huán)境變化的確定通過分析復(fù)阻抗來執(zhí)行。在一個實施例中，RFID標(biāo)簽可通過跨RFID標(biāo)簽的天線和/或存儲器芯片耦合互補(bǔ)傳感器來轉(zhuǎn)換為RFID諧振傳感器。通過耦合互補(bǔ)傳感器，所附連傳感器的電氣響應(yīng)可轉(zhuǎn)化為諧振傳感器的復(fù)阻抗響應(yīng)的一個或多個的對應(yīng)變化。諧振傳感器的復(fù)阻抗響應(yīng)的非限制性示例可包括諧振傳感器的復(fù)阻抗響應(yīng)的諧振峰值位置、峰值寬度、峰值高度和峰值對稱性、復(fù)阻抗的實部的幅值、復(fù)阻抗的虛部的諧振頻率、復(fù)阻抗的虛部的反諧振頻率、零電抗頻率、相位角和阻抗的幅值。
[0017]在某些實施例中，諧振傳感器可用來測量多種物理、化學(xué)和生物參數(shù)。在RFID諧振傳感器中，用于集成詢問的方法和系統(tǒng)可用來從RFID傳感器收集數(shù)字和模擬信號，以得至IJ與RFID標(biāo)簽對應(yīng)的數(shù)字或模塊數(shù)據(jù)(例如標(biāo)簽ID、最終用戶存儲信息、感測信息、從標(biāo)簽可得到的任何其他數(shù)字信息)以及與RFID傳感器對應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)(例如感測測量、反射功率測量)。在一個實施例中，RFID傳感器的RFID標(biāo)簽可以是無源標(biāo)簽。無源RFID標(biāo)簽不需要電池來使其起作用，并且包括連接到傳感器天線的存儲器芯片。
[0018]在一些實施例中，可處理諧振傳感器阻抗譜，以提取若干“譜參數(shù)”。譜參數(shù)是Fp、&、匕或？2等等。可將傳感器阻抗譜傳送給中央計算中心供處理。在一個示例中，中央計算中心可使用來自阻抗讀取器的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)響應(yīng)來分析阻抗譜或譜特征的至少一部分。穩(wěn)態(tài)傳感器響應(yīng)是在所確定的時間期間來自傳感器的響應(yīng)，其中響應(yīng)在測量時間上沒有細(xì)微變化。因此，穩(wěn)態(tài)傳感器響應(yīng)在時間上的測量產(chǎn)生相似值。動態(tài)傳感器響應(yīng)是在所測量環(huán)境參數(shù)(溫度、壓力、化學(xué)濃度、生物濃度等)的突然變化時來自傳感器的響應(yīng)。因此，傳感器響應(yīng)在測量時間上顯著變化。因此，動態(tài)傳感器響應(yīng)在時間上的測量產(chǎn)生響應(yīng)的動態(tài)簽名。響應(yīng)的動態(tài)簽名的非限制性示例包括平均響應(yīng)斜率、平均響應(yīng)幅值、信號響應(yīng)的最大正斜率、信號響應(yīng)的最大負(fù)斜率、信號響應(yīng)的平均變化、信號響應(yīng)的最大正變化以及信號響應(yīng)的最大負(fù)變化。
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