CN105745762B - 飞瓦非真空管检测器组装件 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，提供了一种使用一个或多个光电二极管的飞瓦灵敏度光学检测器，旨在作为对基于光电倍增管的光子计数单元的替代。

Description

飞瓦非真空管检测器组装件
背景技术
光电倍增管(简称PMT)——真空管类的、更具体地真空光电管类的成员——是对紫外、可见光和近红外电磁谱范围内的光极其灵敏的检测器。遗憾的是，当前制造PMT的技术是繁琐而昂贵的过程。由于这些挑战，许多制造商已经选择停止生产PMT。除了制造问题之外，虽然PMT高度敏感，但当过多的光到达PMT时，它还容易饱和。
发明内容
通过本文所述的装置和方法的至少一些实施方式，克服了关联于现有技术的至少一些缺点。
在一个实施方式中，提供了一种使用一个或多个光电二极管的飞瓦(femtowatt)灵敏度光学检测器，旨在作为对基于光电倍增管的光子计数单元的替代。
在一些实施方式中，***包括四个主要组件：多个光电二极管，其通过产生与检测到的光功率(光子数目)成比例的电流形式的电信号来充当光学传感器。1)模拟放大***，其在每个光电二极管上包含高增益跨阻抗放大器(TIA)和缓冲器，随后是全差分放大器用以结合多个TIA的输出。2)数字采集***，其包含模数转换器(ADC)，随后是可编程处理器，该可编程处理器联接至中央处理器和板载存储器。所述可编程处理器实现数据采集算法，诸如求平均算法或其他算法。3)所述可编程处理器上的多个数模转换器(DAC)，其用于提供反馈控制——一个数模转换器用于在所述差分放大器中进行偏移调整，而一个数模转换器用以设置所述ADC的参考电平。4)机械外壳模块，在其中包含所述电子器件。
提供本发明内容来以简化形式介绍挑选出的概念，所述概念在以下具体实施方式中进一步描述。本发明内容并不旨在确定请求保护的主题的关键特征或主要特征，也不旨在用于限制请求保护的主题的范围。
援引并入
本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入于此，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一个别出版物、专利或专利申请。然而，在本文明确公开的内容与通过引用并入于此的文档内容之间出现冲突的情况下，以本文明确公开的内容为准。
版权
本文档包含受到版权保护的材料。版权拥有人(在此为申请人)对于本专利文件和公开内容在美国专利商标局专利文件或记录中出现时的摹本复制不持异议，但除此之外在任何情况下均保留所有版权。以下声明应当适用：Copyright 2013-14Theranos,Inc.。
附图说明
图1至图3示出了根据本文所述实施方式的***的示意图。
图4至图5示出了根据本文所述实施方式的***的示意图。
图6示出了根据本文所述至少一个实施方式的、使用反射器的本文中一个组装件的侧视图。
图7示出了根据本文所述至少一个实施方式的、使用反射器的本文中一个组装件的透视图。
图8示出了根据本文所述实施方式的组装件的示意图。
具体实施方式
应当理解，前文的概括描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，并且不对所要求保护的本发明构成限制。可以注意到，如本说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“该”等包括复数指代对象，除非上下文另有明确规定。因此，举例而言，提到“一种材料”可以包括多种材料的混合物，提到“一种化合物”可以包括多种化合物等。本文引用的参考文献通过特此引用而全文并入于此，除非它们达到与本说明书中明确阐述的教导相冲突的程度。
在本说明书中以及在随后的权利要求书中，将会提到若干术语，这些术语应被定义为具有以下含义：
“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件可能发生或者可能不发生，从而该描述包括发生该事件的情况和不发生该事件的情况。例如，如果装置可选地包含针对样品收集单元的特征，这意味着该样品收集单元可能存在或者可能不存在，并且因此，该描述同时包括其中装置具备该样品收集单元的结构和其中不存在该样品收集单元的结构。
本文所使用的术语“基本上的”意指多于最小的或不显著的量；并且“基本上地”意指多于最小地或不显著地。因此，举例而言，本文所使用的短语“基本上不同的”表示两个数值之间足够高的差异程度，以至于本领域技术人员将会认为这两个值之间的差异在由所述值所测量的特性的背景内具有统计显著性。因此，作为基准值或比较值的函数，两个基本上不同于彼此的值之间的差异通常大于约10％，并且可大于约20％，优选大于约30％，优选大于约40％，优选大于约50％。
本文所使用的“样品”可以是但不限于血液样品或血液样品的一部分，可以是任何合适的尺寸或体积，并且优选地是小尺寸或体积。在本文公开的测定和方法的一些实施方式中，可以使用小体积血液样品或者不超过血液样品的小体积部分来进行测量，其中小体积包括不超过约5mL；或者包括不超过约3mL；或者包括不超过约2mL；或者包括不超过约1mL；或者包括不超过约500μL；或者包括不超过约250μL；或者包括不超过约100μL；或者包括不超过约75μL；或者包括不超过约50μL；或者包括不超过约35μL；或者包括不超过约25μL；或者包括不超过约20μL；或者包括不超过约15μL；或者包括不超过约10μL；或者包括不超过约8μL；或者包括不超过约6μL；或者包括不超过约5μL；或者包括不超过约4μL；或者包括不超过约3μL；或者包括不超过约2μL；或者包括不超过约1μL；或者包括不超过约0.8μL；或者包括不超过约0.5μL；或者包括不超过约0.3μL；或者包括不超过约0.2μL；或者包括不超过约0.1μL；或者包括不超过约0.05μL；或者包括不超过约0.01μL。
本文所使用的术语“服务点位置”可以包括受试者可在其中接受服务(例如，检测、监测、治疗、诊断、指导、样品收集、ID验证、医疗服务、非医疗服务等)的位置，并且可以包括但不限于受试者的住所、受试者的工作场所、医疗保健提供者(例如，医生)的位置、医院、急诊室、手术室、诊所、医疗保健专业人员的办公室、实验室、零售商[例如药房(例如，零售药房、临床药房、医院药房)、药店、超市、杂货店等]、交通工具(例如，轿车、舟船、卡车、公共汽车、飞机、摩托车、救护车、移动单元、消防车/救火车、应急车辆、执法车辆、警车或者被配置用于将受试者从一个点运送到另一点的其他载具等)、巡回医疗保健单元、移动单元、学校、日托中心、安检地点、作战地点、医疗辅助生活住所、政府机关、办公建筑、帐篷、体液样品采集地点(例如，血液收集中心)、受试者可能希望进入的地点的入口处或其附近的场所、受试者可能希望访问的装置处或其附近的场所(例如，计算机的位置——如果受试者希望访问计算机)、样品处理装置接收样品的位置，或者本文其他各处所描述的任何其他服务点位置。
现参考图1，图中示出了光电二极管(PD)相对于化学发光样品10的放置的一个非限制性示例。箭头20指示出光子的发射方向。在一个非限制性示例中，光电二极管30和40在零偏压模式下操作——这确保了噪声的来源仅有热噪声。它们位于尽可能靠近化学发光样品之处，从而允许收集尽可能多的发射光。此外，成对的光电二极管位于样品的相等且相对侧，从而确保光的对称收集。图1图示了两个光电二极管的放置，并且该设计易于扩展到多个光电二极管。
在一个非限制性示例中，每个光电二极管的输出是与光入射量成比例的电流。这对于在时间上恒定发射的样品生成DC电流。通过示例而非限制的方式而言，针对光电二极管30和40使用具有以下性质的硅光电二极管：大活性区、低噪声等效功率、高灵敏度(在量子效率百分比或响应率A/W方面)。
模拟放大***
现参考图2，将会描述适合于耦合至光电二极管30和/或40的模拟放大***。通过示例而非限制的方式而言，本实施方式中的模拟放大器***包含如图2中所示的三个级。虚线表示放大器可能扩展为包括多个光电二极管。
在该非限制性示例中，一个级是具有1010V/A或更大增益的高增益跨阻抗放大器(TIA)。***中的每个光电二极管连接至一个TIA，其输入是来自该光电二极管的DC信号电流。TIA的输出是DC电压。
在该非限制性示例中，一个级是在跨阻抗放大器之后的缓冲器级，用以将第一级与后续的级隔离开。
在该非限制性示例中，一个级是差分放大器(DA)级，其结合来自多个跨阻抗放大器的输出。该差分放大器包含正输出和负输出，使得(Vout +-Vout -)＝A(Vin +-Vin -)，其中A是增益。该增益是可调节的，并且由数字采集***所控制，以便使针对被测特定样品的输出范围最大化。
在图2中图示了用于一对光电二极管的模拟放大***。在相反的方向上连接单对或多对光电二极管。因此，Vout -的光学信号分量总是与Vout +的光学信号分量呈180度异相，从而导致当针对两个光电二极管测量差异(Vout +-Vout -)时多达两倍信号。所有其他公共信号(60Hz拾取，DC漂移等)沿着不同路径同相，并因此当测量差异时抵消。噪声正交地相加，从而在两个光电二极管的情况下产生每个路径上的噪声的1.4倍。
此外，模拟放大器的每一级可以可选地包含低通滤波器用于额外的降噪。
数字采集***
现参考图3的实施方式，将会描述完整的光电二极管检测器***的一个非限制性示例。图3的示意图示出了组件以及模拟***与数字***之间的连接。在图3中图示了有关于模拟***的数字采集***。在该非限制性示例中，模拟放大器***的输出(Vout +和Vout -)馈送到数字采集***中，该数字采集***包括：
差分模数转换器(ADC)，其具有高采样率(>1MSPS)和高精度(>16位)。ADC的输出是表示差异(Vout +-Vout -)的数字信号。
数字处理器，其在设定的时间间隔内收集来自ADC的数据，并实现算法，该算法的输出被数字处理。举非限制性示例而言，可以通过对收集到的数据执行以下一种或多种数字信号处理来处理样品：平滑数据处理、加性平滑、Savitzky–Golay平滑、位移平均值平滑、局部回归平滑、巴特沃思滤波(Butterworth filtering)、卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)、核平滑(Kernel smoothing)、拉普拉斯算子平滑(Laplacian smoothing)、展宽网格法平滑、低通滤波、递归滤波器中值、长时平均值、前述各项的任何单个或多个组合，或者其他用以移除噪声的数字处理技术。后一过程测量感兴趣的信号的DC电平，并且进一步降低噪声水平。诸如可从ARM、Texas Instruments等购得的数字处理器可被配置用于在此使用。
数字处理器还可以包含数模转换器(DAC)，所述DAC中之一用于补偿DA输出的任何DC电平偏移(由于诸如放大器漂移和泄漏电流等自然过程造成)。第二DAC用于调节ADC的范围。数字处理器还还控制DA级的增益。这三个反馈控制使针对被测特定样品的动态范围和测量精度最大化。
最后，数字处理器可选地将测得的DC信号转换成等效光子计数。
机械外壳模块
包含上述电子器件于其中的机械外壳按以下要求设计：
多个电路(和子电路)通过接地表面彼此隔离，以防止寄生电容和电感串扰。
通过确保外壳由接地的导电材料(例如铝)制成，使整个***与环境隔离开。这使得从环境中对诸如60Hz和其他电磁干扰等的拾取最小化。
控制***
图2中收集来自光电二极管的信号的模拟捕捉***的一个实施方式具有差分放大器模式。在该非限制性示例中，存在提供模拟前端的前端光电二极管电路。为了在相较于常规光(每秒数十亿个光子)的低光度(比如每秒1000个光子)下检测光子。信号非常小，其继而被放大到高于噪声水平。PMT具有内置的增益***，允许其对信号进行放大而不存在噪声。它是单光子计数器，但其难以制造并且容易饱和。
在一个实施方式中，提供使用至少一个光电二极管的飞瓦级灵敏度光学检测器。该飞瓦级灵敏度光学检测器可被配置用于提供PMT等级的灵敏度。在一个实施方式中，如图1中所见，使用至少两个光电二极管检测器检测来自样品的信号。使用控制电路以差分方式结合该信号。一种方式是将信号相加以得出总信号。另一种方式是使用差分模式，其中一个信号是正信号而另一是负信号，并且继而使它们经受减法而不是相加，以减去负信号。由于并不在乎噪声是正还是负，因此本实施方式可以在将信号相结合时使用减法函数来减去噪声(而使用加法将不会减去噪声)。可以在控件处组合具有两个、四个、六个或其他数目的结合的能力。许多光电二极管可以添加到图1的实施方式中并且由图2的模拟***所支持以供信号捕捉。这可以比PMT收集更多的光，并且理论上由于收集到更多的光而可以实现更灵敏的化学。
本文的实施方式还可以将其输出(以伏特表示)相关于PMT样品装置的输出(以光子计数输出)。光电二极管检测多10倍的光，但其可被配置成相关于PMT型输出。
应当理解，PMT将会在每半秒500000个光子时饱和(200至200k)。光电二极管每半秒可以测量200万个光子。这对于各种情况提供了大得多的容限。
如图4中所见，***的一个实施方式使用多个高增益光电二极管收集来自样品周围多个位置的光，并且继而将检测到的信号引导至具有与图2中的模拟前端类似的模拟前端的控制板以准备模拟信号，该模拟信号继而在图3中所示的数字部分中得到数字处理。一些实施方式可以设想许多多个光电二极管位置的球体或其他配置，以在许多方向上捕捉来自样品的光。
如图4中所见，控制板的一个实施方式可以将光电二极管信号结合为总和，或者差分地结合光电二极管信号。在全部两种情况下，噪声正交地相加，例如，如果使用具有噪声N1和N2的两个光电二极管，则总噪声为：
另一方面，信号线性地相加；所以在两个光电二极管的情况下总信号为S1+S2。因此，信噪比总是会提高。差分模式允许移除常见的不期望的信号；一些实施方式可以有具有交替极性(阴极接地、阳极接地)的光电二极管。
反射器***
应当理解，电子器件一般会添加噪声。因此，添加更多的光电二极管在增大光捕捉的同时还可能不利地增大噪声水平。一种选项是使电子器件最少化但增加在任一传感器处收集的光量。一种选项是将光电二极管移至更靠近样品之处。一些实施方式可以将前述两者相结合。
如图5中所见，现将描述非真空管飞瓦检测器的又一实施方式。在本实施方式中，定制设计反射器以增大光捕捉。一些实施方式可以具有一个或多个开口，以供让样品尖端下降到反射器的区域中。一些光将会穿过样品(而其不会激发样品)。这可以是非球面反射器。反射器可以是铝或者其他用于所有波长反射而不吸光的反射材料。
图5示出了本实施方式捕捉原本不会到达高增益光电二极管的光，并重新引导该光朝向一个或多个光电二极管。一些实施方式可以使用半球反射器、碟形检测器、曲面检测器等。可以定位可选的透镜116以收集发射的光和反射的光。
应当理解，如果功率分散在较大面积上，则辐照度较小。让透镜116对光进行聚焦以超过某些类型传感器的最小开启阈值或达到某些类型传感器的阈值辐照度可能有一些益处。可选地，对于CCD传感器，光分散在了过多的像素上。继而如果它不克服每一像素的光，则其可以帮助开启。CCD型应用可以有助于确定来自样品中每一位置的光有多少。在一个实施方式中，通过CCD的使用，这将该***变为成像装置。
图6示出了环绕光电二极管但可能不是反射器110的一部分的壁面100也可被配置成反射性的。图6还示出了由于各种原因，一些实施方式可以在光电二极管之上具有透明封盖120。在一个实施方式中，透明封盖120是电绝缘的。在一个实施方式中，透明封盖120是导电的。可选地，当将样品移动就位时，可以将光电二极管关闭。一旦样品就位，则光电二极管开启以进行测量。这具有额外的优点：由于在每次读取期间实质上是在重置装置，因此不允许电子器件随时间漂移或受到寄生光源影响。尽管在图5和图6中仅示出了一个光电二极管，但应当理解，可以放置多个光电二极管以使收集效率最大化。
图7示出了具有反射器110的***的一个实施方式的透视图。图7示出了在该非限制性示例中，可以存在开口112，该开口112允许将样品降低到适当位置以供分析。还可以在那里定位第二开口114以允许样品流体滴出而不被收集在反射器110内。可选地，可以存在覆盖开口112和/或114的盖板，以增大光捕捉量。还可以存在这样的实施方式：在其中整个反射器110移开以允许样品装载。可选地，可以在反射器110中安装保持器，以使得样品操作***在检测期间不保持样品10。
双重荧光光度计
现参考图8，应当理解，一些实施方式可对***加以组合以使其同时具有荧光计和光度计功能。举非限制性示例而言，可以使用LED或激光器来激发样品。一些实施方式添加光激发源并且因此不使用反射器。使用光屏障130来减少渗透。通过示例而非限制的方式而言，可以使用立方体状器皿140或具有截锥形的尖端器皿来减少散射/渗透。
应当理解，可以具有不止一个控制板以读取不止一个装置。上述图8中具有图2和图3中阐述的特征的控制板被设计成具有读取不同模式下的多个光电二极管的能力。当同时运行时，控制板可以结合来自不同光电二极管的信号。如上文所述，这能够以相加或差分模式来进行。当单个地运行时，控制板可以读取来自选定的光电二极管的信号。可选地，在这两种情况的组合中，可以选择性地读取一些光电二极管并结合其信号——例如，可以同时读取4个光电二极管中的3个，而忽略第4个光电二极管。这样的灵活性允许***控制板用单一控制板来控制荧光计和光度计两者。
荧光计可以用于执行用于细胞计数的动态稀释测量——目前这是在分光计上进行的，但荧光计将会提供更灵敏的选项。还存在进行细胞计数的附加功能的潜在选项，不过与细胞计数器的功能并非完全相同。
由于电子器件对EMI的高敏感性，因此所有电子器件均需放置在接地的金属外壳中。此外，将外壳壁的厚度设计成使得低频(60Hz)到高频(kHz至MHz)均受到阻挡。
***
在实施方式中，包含飞瓦灵敏度光电二极管组装件的装置以及包含或使用这样的装置的***和方法可以包含控制器。在实施方式中，控制器可以包含处理器。在实施方式中，控制器可以连接至装置的组件并且可以控制该装置的组件的操作；这样的组件通常安置在装置的外壳内。在实施方式中，控制器可以控制飞瓦灵敏度光电二极管组装件的操作。在实施方式中，控制器可以控制样品操作***的操作。在实施方式中，控制器可以控制检测器的操作。在实施方式中，控制器可以控制装置的任何组件或单元的操作。其他组件例如可以包括相机、化学测定单元、核酸测定单元、加热单元、通信单元、蛋白质化学单元或者其他组件或单元。在实施方式中，控制器可以根据方案来控制装置的一个或多个组件的操作。在实施方式中，控制器控制装置的任何一个或多个组件或单元的操作时所使用的方案可以是预编程的，例如，可以驻留在该装置上。在实施方式中，控制器控制装置的任何一个或多个组件或单元的操作时所使用的方案可以从另一设备、或从用户、或从实验室、或从网络、或从云获得。在实施方式中，控制器控制装置的任何一个或多个组件或单元的操作时所使用的方案可以根据来自另一设备、或来自用户、或来自实验室、或来自网络、或来自云的信息或指令而更新，或者可以是可根据所述信息或指令来更新的。在实施方式中，装置可以经由用户界面来接收信息、或指令、或更新、或方案。在实施方式中，装置可以经由通信组装件来接收信息、或指令、或更新、或方案。在一个实施方式中，***可以具有处于四个灵敏度等级下的光学传感器，其中最不灵敏的是分光计。接下来是细胞计数器。核酸比细胞计数器更灵敏。继而PMT最灵敏(灵敏度比次灵敏的传感器高3至4个数量级)。
在实施方式中，包含飞瓦灵敏度光电二极管组装件的装置以及包含或使用这样的装置的***和方法可以包含显示器，该显示器有效地为用户提供关于装置操作的信息、关于由装置执行的测定进展的信息或者关于由装置执行的测定结果的信息。在实施方式中，显示器可以包括视觉显示，或者可以包括打印显示，或者可以包括音频信号(可以包括如由用户说出的语音一样可理解的音频信号)或者可以包括这样的显示的任何组合或所有这样的显示。在实施方式中，显示器可以包含用户界面。在显示器包含用户界面的实施方式中，装置可以例如接收信息、命令、方案或其他输入。
在实施方式中，包含飞瓦灵敏度光电二极管组装件的装置以及包含或使用这样的装置的***和方法可以包含通信组装件，该通信组装件有效地与用户、另一装置、实验室、网络、云或其他通信目标中的一个或多个进行通信。在实施方式中，通信组装件可以向通信目标提供关于装置操作的信息、关于由装置执行的测定进展的信息或者关于由装置执行的测定结果的信息。在实施方式中，通信组装件可被配置用于允许装置例如接收来自外界来源(举例而言，诸如用户、另一装置、实验室、网络、云或其他通信源)的信息、命令、方案或其他输入。
本文所使用的术语“样品操作***”、“流体操作***”和语法等同物意指被配置用于获得、输送和递送流体的***。在本文所公开的实施方式中，这样的***包括移液管、管嘴、移液管尖端、被配置用于将移液管、管嘴或移液管尖端移动至期望位置的机械组件。这样的期望位置通常在装置的外壳内。在实施方式中，移液管尖端可以安装在管嘴上；在实施方式中，移液管尖端可以可移除地安装在管嘴上，有效地使管嘴可以接合并安装第一移液管尖端、使用第一移液管尖端、丢弃第一移液管尖端，并且继而接合并安装第二移液管尖端。这样的***包括用于将液体吸取至移液管尖端中的装置。这样的***包括用于从移液管尖端分发液体的装置。在这样的***的实施方式中，移液管和管嘴可以接合并安装不同于移液管尖端的元件；例如，在本文所公开的实施方式中，移液管和管嘴可以与器皿的配合插座相接合并配合。在实施方式中，与器皿的配合插座相配合的移液管和管嘴可以用于将该器皿输送至装置内的期望位置。在实施方式中，与器皿的配合插座相配合的移液管和管嘴可以用于对器皿施加力。
本文公开的方法可以容易地并入到和使用在用于处理样品的装置中或者用于处理样品的***中，该装置和***可以是自动化测定装置，或者可以是自动化测定***。这样的测定装置和测定***可以包括例如以下专利和专利申请中公开的装置和***：美国专利8,088,593；美国专利8,380,541；提交于2013年2月18日的美国专利申请序列号13/769,798；提交于2013年2月18日的美国专利申请序列号13/769,779；提交于2011年9月26日的美国专利申请序列号13/244,947；提交于2012年9月25日的PCT/US2012/57155；提交于2011年9月26日的美国申请序列号13/244,946；提交于2011年9月26日的美国专利申请13/244,949；以及提交于2011年9月26日的美国申请序列号61/673,245，上述专利和专利申请的公开内容全都特此通过引用而全文并入于此。
这样的装置和这样的***可用于实施本文中公开的方法。例如，装置可用于接收样品。装置可用于制备或处理样品。装置可用于对样品进行测定。装置可用于从样品获得数据。装置可用于传输从样品获得的数据。装置可用于在样品的处理或测定后处置样品。
装置可以是***的一部分，该***的组件可以是样品处理装置。装置可以是样品处理装置。样品处理装置可配置用于促进样品的收集、制备样品以供临床检测，或实现与一种或多种试剂的化学反应或者其他化学或物理处理，如本文所公开。样品处理装置可配置用于从样品获得数据。样品处理装置可配置用于传输从样品获得的数据。样品处理装置可配置用于分析来自样品的数据。样品处理装置可配置用于与另一装置、实验室或隶属于实验室的个人进行通信，以分析从样品获得的数据。
样品处理装置可配置用于放置在受试者体内或身上。样品处理装置可配置用于直接或间接地从受试者接纳样品。样品例如可以是生物样品，例如，血液、尿液、痰，从鼻拭子、咽拭子、脸颊拭子获得的材料或其他样品，(例如，从手指针刺获得的样品、或从静脉穿刺获得的样品，或者动脉生物样品，例如，血液、尿液、痰，从鼻拭子、咽拭子、脸颊拭子获得的材料或其他样品)、尿液样品、活检样品、组织切片、粪便样品或其他生物样品；水样品、土壤样品、食物样品、空气样品；或其他样品。生物样品——例如，血液、尿液、痰，从鼻拭子、咽拭子、脸颊拭子获得的材料或其他样品，可例如包括全血、血浆或血清。样品处理装置可通过该装置的外壳接收来自受试者的样品。样品收集可发生在样品收集场所或其他地方。样品可在样品收集场所提供给该装置。
在一些实施方式中，样品处理装置可配置用于接纳或容纳筒匣(cartridge)。在一些实施方式中，样品处理装置可包括筒匣。筒匣可以是可从样品处理装置移除的。在一些实施方式中，可将样品提供给样品处理装置的筒匣。或者，可将样品提供给样品处理装置的另一部分。筒匣和/或装置可包含样品收集单元，该样品收集单元可被配置用于接纳样品。
筒匣可包含样品，并且可包含用于处理或检测样品的试剂，用于处理或检测样品的一次性用品，或其他材料。在将筒匣置于样品处理装置上或将筒匣***样品处理装置中之后，筒匣的一个或多个组件可与样品处理装置的其他组件流体连通。例如，如果在筒匣处收集样品，则可将样品转移到样品处理装置的其他部分。类似地，如果在筒匣上提供一种或多种试剂，则可将该试剂转移到样品处理装置的其他部分，或者样品处理装置的其他组件可被带到试剂处。在一些实施方式中，筒匣的试剂或组分可留在筒匣上。在一些实施方式中，不包含需要管路或需要维护(例如，手动或自动化维护)的流体部件(fluidics)。
样品或试剂可转移到装置，诸如样品处理装置。样品或试剂可在装置内转移。可以在不提供从筒匣到装置的连续流体路径的情况下实现这样的样品或试剂的转移。可以在不提供装置内的连续流体路径的情况下实现这样的样品或试剂的转移。在实施方式中，这样的样品或试剂的转移可通过样品操作***(例如，移液管)来完成；例如，可以将样品、试剂或其等分试样吸取到尖端开放的转移组件如移液管尖端中，该组件可以可操作地连接到样品操作***，该***将尖端连同该尖端内所含的样品、试剂或其等分试样转移到样品处理装置之上或之内的位置。样品、试剂或其等分试样可以存放在样品处理装置之上或之内的位置。样品和试剂，或多种试剂，可使用样品操作***以类似的方式混合。筒匣的一种或多种组分能够以自动化的方式转移到样品处理装置的其他部分，并且反之亦然。
装置，如样品处理装置，可具有流体操作***(本文亦称为样品操作***)。流体操作***可以执行或者可以帮助执行流体(诸如样品)的输送、稀释、提取、等分、混合和其他动作。在一些实施方式中，流体操作***装可包含在装置外壳内。流体操作***可允许收集、递送、处理和/或输送流体，溶解干试剂，将液体和/或干试剂与液体混合，以及收集、递送、处理和/或输送非流体组分、样品或材料。该流体可以是样品、试剂、稀释剂、洗涤剂、染料或其他任何可由所述装置使用的流体，并且可包括但不限于均质流体、不同液体、乳液、悬浮液和其他流体。流体操作***，包括但不限于移液管，也可用于在所述装置周围输送器皿(内含或不含流体)。所述流体操作***可分发或吸取流体。样品可包含漂浮在流体内的一种或多种微粒或固体物质。
在实施方式中，流体操作***可包含移液管、移液管尖端、注射器、毛细管或其他组件。该流体操作***可具有拥有内表面和外表面的部分和开口端。该流体操作***可包含移液管，该移液管可包括移液管主体和移液管嘴，并且可包含移液管尖端。移液管尖端可以是或者可以不是可从移液管嘴移除的。在实施方式中，流体操作***可使用与移液管尖端配合的移液管；移液管尖端可以是一次性的。尖端在与移液管配合时可形成流体密封。移液管尖端可被使用一次、两次或更多次。在实施方式中，流体操作***可使用具有或没有移液管尖端的移液管或类似装置来吸取、分发、混合、输送或以其他方式操作流体。需要时，流体可从流体操作***分发出去。流体在从例如移液管尖端中的孔口分发之前可容纳在移液管尖端内。在实施方式或使用期间的实例中，可以分发所有流体；在其他实施方式或使用期间的实例中，可以分发尖端内的流体的一部分。移液管可以选择性地吸取流体。移液管可以吸取选定量的流体。移液管可以能够致动搅拌机构来混合尖端内或容器内的流体。移液管可结合尖端或器皿，从而创造出连续的流动环路以供混合，包括混合非液体形式的材料或试剂。移液管尖端也可通过同时或顺序地按计量递送多种液体来促进混合，如由两部分组成的底物反应。
流体操作***可包括一个或多个流体隔离或液压独立的单元。例如，该流体操作***可包括一个、两个或更多个移液管尖端。该移液管尖端可被配置用于接纳和约束流体。该尖端可彼此为流体隔离或液压独立的。容纳在每个尖端内的流体可与其他尖端内的流体和该装置内的其他流体为流体隔离或液压独立的。该流体隔离或液压独立的单元相对于该装置的其他部分和/或相对于彼此可以是可移动的。该流体隔离或液压独立的单元可以是可单独移动的。流体操作***可包含一个或多个底座或支撑物。底座或支撑物可支撑一个或多个移液管或移液管单元。底座或支撑物可将流体操作***的一个或多个移液管彼此相连。
样品处理装置可被配置用于对从受试者获得的样品执行处理步骤或动作。样品处理可包括样品制备，包括例如样品稀释、样品等分、提取、与试剂接触、过滤、分离、离心或其他预备或处理的动作或步骤。样品处理装置可被配置用于对样品执行一个或多个样品制备动作或步骤。可选地，可以为化学反应和/或物理处理步骤准备样品。样品制备动作或步骤可包括以下一个或多个：离心、分离、过滤、稀释、富集、纯化、沉淀、温育、移液、输送、色谱分析、细胞裂解、细胞计数、粉碎、研磨、活化、超声处理、微柱处理、磁珠处理、纳米颗粒处理或其他样品制备动作或步骤。例如，样品制备可包括一个或多个步骤来将血液分离成血清和/或微粒部分，或将任何其他样品分离成各种组分。样品制备可包括一个或多个步骤来稀释和/或浓缩样品，诸如生物样品，例如，血液、尿液、痰，从鼻拭子、咽拭子、脸颊拭子获得的材料或其他样品，或其他生物样品。样品制备可包括向样品添加抗凝剂或其他成分。样品制备还可包括样品的纯化。在实施方式中，所有样品处理、制备或测定动作或步骤均由单一装置执行。在实施方式中，所有样品处理、制备或测定动作或步骤均在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，大部分样品处理、制备或测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，许多样品处理、制备或测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，样品处理、制备或测定动作或步骤可以由不止一个装置来执行。
样品处理装置可被配置用于对样品运行一个或多个测定，并且从样品获得数据。测定可包括一个或多个物理或化学处理，并且可包括运行一个或多个化学或物理反应。样品处理装置可被配置用于对小的体液样品执行一个、两个或更多个测定。一个或多个化学反应可在具有如本文其他地方描述的体积的样品上发生。例如，一个或多个化学反应可在体积小于飞升的丸粒中发生。在一个实例中，样品收集单元被配置用于接收体积相当于一滴或更少的血液或组织液的体液样品。在实施方式中，样品的体积可以是小体积，其中小体积可以是小于约1000μL、或小于约500μL、或小于约250μL、或小于约150μL、或小于约100μL、或小于约75μL、或小于约50μL、或小于约40μL、或小于约20μL、或小于约10μL的体积或其他小体积。在实施方式中，所有样品测定动作或步骤均在单一样品上执行。在实施方式中，所有样品测定动作或步骤均由单一装置执行。在实施方式中，所有样品测定动作或步骤均在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，大部分样品测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，许多样品测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，样品处理、制备或测定动作或步骤可由不止一个装置来执行。
样品处理装置可被配置用于对样品执行多个测定。例如，样品处理装置可被配置用于检测或鉴别或测量样品中的病原体标识性物质。在实施方式中，样品处理装置可被配置用于对单一样品执行多个测定。在实施方式中，样品处理装置可被配置用于对单一生物样品执行多个测定，其中该生物样品是小样品。例如，小样品可具有为小于约1000μL、或小于约500μL、或小于约250μL、或小于约150μL、或小于约100μL、或小于约75μL、或小于约50μL、或小于约40μL、或小于约20μL、或小于约10μL的小体积或其他小体积的样品体积。样品处理装置可以能够对单一样品执行多重测定。多个测定可同时运行；可顺序运行；或者一些测定可同时运行而其他测定顺序运行。一个或多个对照测定和/或校准物(例如，包括具有用于该测定/试验的校准物对照的配置)也可并入该装置内；对照测定和对校准物的测定可与对样品进行的测定同时进行，或者可在对样品进行的测定之前或之后进行，或其任意组合。在实施方式中，所有样品测定动作或步骤均由单一装置执行。在实施方式中，所有多个测定动作或步骤均在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，多个测定的大部分样品测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，多个测定的许多样品测定动作或步骤由单一装置执行，而且可在单一装置的外壳内执行。在实施方式中，样品处理、制备或测定动作或步骤可由不止一个装置执行。
在实施方式中，所有多个测定可在短时间段内执行。在实施方式中，这样的短时间段包括小于约3小时、或小于约2小时、或小于约1小时、或小于约40分钟、或小于约30分钟、或小于约25分钟、或小于约20分钟、或小于约15分钟、或小于约10分钟、或小于约5分钟、或小于约4分钟、或小于约3分钟、或小于约2分钟、或小于约1分钟，或者其他短时间段。
样品处理装置可被配置用于检测一个或多个与样品相关的信号。样品处理装置可被配置用于鉴别样品的一种或多种性质。例如，样品处理装置可被配置用于检测样品中(例如在体液、分泌物、组织或其他样品中或在其整体中)一种分析物或多种分析物的存在或浓度或疾病状况。或者，样品处理装置可被配置用于检测一个或多个信号，可以分析该信号以检测样品中一种或多种分析物(其可指示疾病状况)的存在或浓度或疾病状况。该信号可在该装置上或在另一位置处分析。运行临床检测可包括或者可不包括对所收集的数据的任何分析或比较。
化学反应或其他处理步骤可在使用或不使用样品的情况下进行。可由所述装置准备或运行的步骤、检测或测定的示例可包括但不限于免疫测定、核酸测定、基于受体的测定、细胞计数测定、比色测定、酶测定、电泳分析、电化学测定、光谱分析、色谱分析、微观测定、地形测定(topographic assay)、量热测定、浊度测定(turbidmetric assay)、凝集测定、放射性同位素测定、粘度测定、凝结测定、凝固时间测定、蛋白质合成测定、组织学测定、培养测定、摩尔渗透压浓度测定和/或其他类型的测定，离心、分离、过滤、稀释、富集、纯化、沉淀、粉碎、温育、移液、输送、细胞裂解或其他样品制备动作或步骤，或其组合。可由所述装置准备或运行的步骤、检测或测定可包括成像，包括显微术、细胞计数和其他准备或使用图像的技术。可由所述装置准备或运行的步骤、检测或测定还可包括对样品的组织学、形态学、运动学、动力学和/或状态的评估，其可包括对细胞的这类评估。
装置可以能够在短时间量内执行所有在装置上的步骤(例如，由单一装置执行的步骤或动作)。装置可以能够在短时间量内对单一样品执行所有在装置上的步骤。例如，从由受试者收集样品到传输数据和/或到分析可用时约3小时或更少、2小时或更少、1小时或更少、50分钟或更少、45分钟或更少、40分钟或更少、30分钟或更少、20分钟或更少、15分钟或更少、10分钟或更少、5分钟或更少、4分钟或更少、3分钟或更少、2分钟或更少，或者1分钟或更少。从在装置内接纳样品到传输数据和/或到从该装置关于该样品进行分析的时间量可取决于在对样品执行的步骤、检测或测定的类型或数目。从在装置内接纳样品到传输数据和/或到从该装置关于该样品进行分析的时间量可用时约3小时或更少、2小时或更少、1小时或更少、50分钟或更少、45分钟或更少、40分钟或更少、30分钟或更少、20分钟或更少、15分钟或更少、10分钟或更少、5分钟或更少、4分钟或更少、3分钟或更少、2分钟或更少，或者1分钟或更少。
装置可被配置用于在样品处理或测定之后准备样品以供处置，或处置样品，如生物样品。
在实施方式中，样品处理装置可被配置用于传输从样品获得的数据。在实施方式中，样品处理装置可被配置用于通过网络进行通信。样品处理装置可以包括可与网络相接的通信组装件。样品处理装置可经由有线连接或无线地连接至网络。所述网络可以是局域网(LAN)或广域网(WAN)，诸如因特网。在一些实施方式中，所述网络可以是个人局域网。所述网络可包括云。样品处理装置可无需中间装置而连接至网络，或者可能需要中间装置将样品处理装置连接至网络。样品处理装置可通过网络而与另一设备通信，该设备可以是任意类型的网络设备，包括但不限于个人计算机、服务器计算机或膝上型计算机；个人数字助理(PDA)，诸如Windows CE设备；电话如蜂窝电话、智能手机(例如，iPhone、Android、Blackberry等)或位置感知便携式电话(如GPS)；漫游设备，诸如联网的漫游设备；无线设备如无线电子邮件设备或其他能够与计算机网络进行无线通信的设备；或者任何其他类型的可以有可能通过网络而通信和处理电子事务的网络设备。这样的通信可包括将数据提供至云计算基础架构或任何其他类型的可由其他设备访问的数据存储基础架构。
样品处理装置可将关于样品的数据例如提供给医疗保健专业人员、医疗保健专业场所，如实验室，或其附属机构。实验室、医疗保健专业人员或受试者中的一个或多个可具有能够接收或访问由样品处理装置提供的数据的网络设备。样品处理装置可被配置用于将关于样品的数据提供至数据库。样品处理装置可被配置用于将关于样品的数据提供至电子病历***、提供至实验室信息***、提供至实验室自动化***或者其他***或软件。样品处理装置可以按报告的形式提供数据。
实验室、装置或者其他实体或软件可实时地对关于样品的数据进行分析。软件***可执行化学分析和/或病理分析，或者这些分析可分布在实验室、临床和专门或专业人员的组合中。分析可包括对样品的定性和/或定量评估。数据分析可包括对样品的后续定性和/或定量评估。可选地，可以基于原始数据、经预处理的数据或分析后的数据生成报告。可以准备这样的报告以便保持从样品获得的数据的保密性，关于从中获得样品的受试者的身份和其他信息，数据的分析，和其他保密信息。所述报告和/或数据可传输至医疗保健专业人员。由样品处理装置获得的数据，或对此类数据的分析，或报告，可提供至数据库、电子病历***、实验室信息***、实验室自动化***或者其他***或软件。
尽管已经通过参考其某些特定实施方式而描述并说明了本发明，但本领域技术人员将会明白，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出对规程和方案的各种改制、改变、修改、替代、删除或添加。例如，对于以上任何实施方式而言，应当理解，可以使用不同形状的反射器。一些反射器可以具有的横截面形状诸如但不限于椭圆形、三角形、四边形(例如，正方形、矩形、梯形、平行四边形)、五边形、六边形、七边形、八边形、正方形、圆形、星形、其他二维图案或者前述各项的单个或多个组合。应当理解，反射器可被配置成处于某些三维配置下，所述三维配置诸如但不限于管状、圆柱状、碟形、棱锥状、台状等，也可以适于在本文使用。尽管本文的示例是在光电二极管的背景下描述的，但应当理解，其他固态或半导体(非真空管)检测器也可以适于在本文使用。
此外，浓度、量和其他数值数据可在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅仅是为了方便和简洁而使用的，并且应当被灵活地解释为不仅包括被明确表述为范围界限的数值，而且还包括被包含于该范围内的单个数值或子范围，犹如明确表述了每个数值和子范围。例如，约1nm至约200nm的尺寸范围应当解释为不仅包括明确表述的约1nm和约200nm的界限，而且还包括单个尺寸诸如2nm、3nm、4nm，以及子范围诸如10nm至50nm、20nm至100nm等。
本文所讨论或引用的出版物只是为了它们在本申请的申请日之前的公开内容而提供的。本文中的任何事项均不应解释为承认本发明无权凭借在先发明而提前于这样的出版物。此外，所提供的公开日期可能不同于实际公开日期，实际公开日期可能需要独立确认。本文提到的所有出版物均通过引用而并入于此，以便公开和描述与引用的出版物相关联的结构和/或方法。下述申请通过引用而全文并入于此用于所有目的：美国专利8,088,593；美国专利8,380,541；提交于2013年2月18日的美国专利申请序列号13/769,798；提交于2013年2月18日的美国专利申请序列号13/769,779；提交于2013年2月18日的美国专利申请序列号61/766,113，提交于2011年9月26日的美国专利申请序列号13/244,947；提交于2012年9月25日的PCT/US2012/57155；提交于2011年9月26日的美国申请序列号13/244,946；提交于2011年9月26日的美国专利申请13/244,949；以及提交于2011年9月26日的美国申请序列号61/673,245，提交于2013年3月15日的美国专利申请序列号61/786,351，提交于2012年9月6日的美国专利申请序列号61/697,797，提交于2013年3月15日的美国专利申请序列号61/801,996，以及提交于2012年12月5日的美国专利申请序列号61/733,886，上述专利和专利申请的公开内容全都特此通过引用而全文并入于此用于所有目的。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。任何特征(无论是否优选)均可与任何其他特征(无论是否优选)相结合。所附权利要求书不应解释为包括“装置+功能”限定，除非在给定权利要求中使用短语“用于……的装置”明确阐述了这样的限定。应当理解，除非上下文另有明确规定，否则在本文说明书和随后的整个权利要求书中使用的“一个”、“一种”和“该”的含义包括复数的提及物。例如，提到“一个测定”可以指单个测定或多个测定。另外，除非上下文另有明确规定，否则在本文的说明书和随后的整个权利要求书中使用的“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。最后，除非上下文另有明确规定，否则在本文的说明书和随后的整个权利要求书中使用的“或”的含义包括连接性和转折性的含义。因此，除非上下文另有明确规定，否则术语“或”包括“和/或”。

Claims (13)

1.一种用于光学信号检测的装置，包括：
至少一个光电二极管；
模拟放大***，其在每个光电二极管上包括高增益跨阻抗放大器TIA和缓冲器，随后是全差分放大器用以结合多个TIA的输出；
数字采集***，其包括至少一个模数转换器ADC，随后是可编程处理器，该可编程处理器联接至中央处理器和板载存储器；以及
至少一个塑形的反射器，用以将光引导到所述光电二极管中的至少一个，其中所述塑形的反射器包括至少一个开口，所述至少一个开口被尺寸设计并被定位成允许样品器皿被放置在腔中的期望位置处，所述腔至少部分地由所述塑形的反射器限定。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述可编程处理器实现数据采集算法。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括所述可编程处理器上的多个数模转换器(DAC)，用于提供反馈控制——一个数模转换器用于在所述差分放大器中进行偏移调节，而一个数模转换器用以设置所述ADC的参考电平。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述塑形的反射器具有半球形状。
5.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：平滑数据处理。
6.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：Savitzky–Golay平滑。
7.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：移动平均值平滑。
8.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：局部回归平滑。
9.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：递归滤波器中值。
10.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：长时平均值。
11.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：巴特沃思滤波。
12.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：卡尔曼滤波。
13.根据权利要求2所述的装置，其中数据采集算法使用下列数字信号处理：核平滑。
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