用于实时分析生物传感器数据的方法和系统的制作方法

专利名称：：用于实时分析生物传感器数据的方法和系统的制作方法用于实时分析生物传感器数据的方法和系统发明领域本发明涉及用于在水或空气中检测化学的、生物的和/或放射性的污染物或它们的前体的传感器。发明背景己知天然存在的藻类可以用作原始来源饮用水保护的生物传感器。例如，Greenbaum等的美国专利号6,569,384描述了用于监测生活在原始来源的水中的藻类的可变的荧光。Greenbaum等公开了使用改变的荧光诱导模式作为检测毒素存在的方法。直到现在，用于评估毒素存在的方法是使用标准的数字参数，其来源于可变荧光诱导曲线的唯一的两个(2)特异性的点。用于获得这些参数的软件通常由仪器供应商提供。图1显示来自在未处理的河水中的天然存在的藻类的典型的可变荧光诱导曲线。从图1可以看出，在光激发过程中的荧光发射是时间-依赖性的过程。特别地，存在初始荧光，F。，和最大荧光Fmw。如在图l中所示，光化学效率，Y，通常从所述初始和最大荧光值计算。己知可能伤害人类的特异性的毒素将改变光化学效率，Y。正是这种改变用作存在毒素的信号。参见，例如，Rodriguez,Jr.，M.，Sanders,C.A.Greenbaum，E.2002."Biosensorsforrapidmonitoringofprimary-sourcedrinkingwaterusingnaturallyoccurringphotosynthesis(使用天然存在的光合作用快速监测原始来源的饮用水的生物传感器)"，5/weraora朋d5/oe/ecram'(^(生物传感器和生物电子学)，17(10):843-849。因此，实际上只应用叶绿素荧光诱导数据的两个点(Fm^和F。)。结果，推导的信息在检测和鉴定潜在的毒性剂中通常缺少灵敏性和速度，因此使得所述方法具有有限的值。需要的是使用更大部分所产生的数据的方法，以在检测和鉴定潜在的毒性剂中提供提高的灵敏性和速度。概述基于生物传感器的毒素检测方法包括提供其中具有多种光合生物的待分析的流体的步骤，其中化学的、生物的或放射性的试剂改变所述光合生物的额定的(nominal)光合活性。在第一时间测量的光合活性曲线获自于光合生物。将所述测量的曲线与参照光合活性曲线自动比较，以确定它们之间的差异。然后使用所述差异，如果存在所述差异，那么鉴定在流体中存在化学的、生物的或放射性的试剂，或它们的前体。与常规的数据分析相反，所述常规的数据分析使用使实验数据与理论(参照)数据拟合的分析途径(例如，回归分析)，本发明通过将测量的曲线与参照光合作用曲线相比较而分析数据，所述参照曲线是基于所测量的数据本身，其通常随着时间而更新。自动比较步骤优选地包括非线性最小二乘方差异位移分析。最小二乘方差异分析将在所述测量的曲线和参照曲线之间的最小二乘方差异最小化。在这一实施方案中，所述自动比较步骤可以进一步包括从所述测量的曲线构建测量的变换矩阵，和从所述参照曲线构建参照变换矩阵。接着，所述确定步骤可以包括计算在所述测量的变换矩阵和所述参照变换矩阵之间的偏离程度。所述方法优选地还包括构建将所述测量的曲线映射到所述参照曲线中的变换矩阵的步骤。所述方法可以进一步包括鉴定特异性的化学的、生物的或放射性的试剂或它们的前体的步骤。在一个实施方案中，所述鉴定步骤可以包括将变换矩阵的对角矩阵单元与保存的对角矩阵单元的文库进行比较，其中所述保存的对角矩阵单元的文库与所述化学的、生物的或放射性试剂或它们的前体的分别一种相对应。所述方法可以进一步包括在相对于第一时间更早的时间获得测量的光合活性曲线的步骤，并且使用在更早的时间的测量的光合活性曲线作为参照光合活性曲线。在一个实施方案中，所述光合活性包括叶绿素荧光诱导。在这一实施方案中，所述流体取自原始来源饮用水的来源。水或空气质量分析系统包括光学检测器，其用来测量多种光合生物的光合活性，其中化学的、生物的或放射性的试剂改变所述光合生物的额定的光合活性。将包括处理器的电子器件包与用于分析光合活性的光学检测器偶联，以指示在水或空气中存在化学的、生物的或放射性的试剂。所述分析包括在第一时间获得关于所述光合生物的测量的光合活性曲线，并且将所述测量的曲线与参照光合活性曲线比较，以确定它们之间的差异。所述系统可以进一步包括这样的结构，即，所述结构通过电子器件包将所述测量的光合活性或分析之后的测量的光合活性传送到一个或多个远程位点。附图简述当结合附图参考下述详述时，将获得对本发明及本发明的特征和益处的更充分的理解，在所述附图中图1显示由天然存在的藻类提供的典型的可变荧光诱导曲线。图2举例说明正常的荧光诱导曲线和由于毒素氰化钾(KCN)的存在而改变的荧光诱导曲线。图3显示与反应数据曲线(存在KCN)绘制在一起的单一对照数据曲线(无KCN毒素的反应)，其显示使用不同的常数微分偏置水平(constantdifferentialoffsetlevels)的多重绘图(在这一实施例中5次)。图4显示第一KCN荧光数据曲线(中间)，以及通过从原始第一中间曲线加上(上部曲线)或减去(下部曲线)常数微分偏置而从第一KCN曲线获得的第二和第三KCN曲线。图5(a)显示当对照曲线和检测曲线相同时，残差平方和((R2》y-轴)与位移(x-轴)的图。获得抛物线关系，并且W在零位移处达到零。图5(b)显示当对照曲线和检测曲线不同时，W的和与位移的图。仍然获得抛物线关系。然而，在任何位移pe都不达到零。图6是实施本发明的方法的示例性的生物传感器系统的示意图。图7显示在暴露于KCN10分钟后来自Clinch河水的样品的生物传感器数据。Clinch河是田纳西州橡树桥市(OakRidge)饮用水供应的主要来源。图8显示暴露于甲基对硫磷10分钟的作用。对照显示在零分钟。还显示了三个位移水平。图9显示参照对照数据，R2作为甲基对硫磷数据的差异位移的函数的值。图10显示在5分钟的时间间隔进行的12次对照实验。显示了在顺序荧光诱导曲线之间的高重叠程度。图11显示用于特征性描述毒素对可变荧光诱导的作用的微分置换分析和对角矩阵单元。详述一种基于生物传感器的毒素检测方法包括提供其中具有多种光合生物的待分析的流体的步骤，其中化学的、生物的或放射性的试剂改变所述光合生物的额定的光合活性。在第一时间，测量的光合活性曲线获自于光合生物。将所述测量的曲线与参照光合活性曲线自动比较，以确定它们之间的差异，这通常使用自动模式识别算法。然后使用所述差异，如果在流体中存在所述差异，那么鉴定在流体中存在化学的、生物的或放射性的试剂，或它们的前体。当用于本文时，"曲线"对应测量的参数(例如，荧光)的类似物(连续的)传感器反应函数，或者更优选地，数字数据包括来自于使类似物传感器反应数字化的至少两个(2)数据点，其中所述包括至少两个(2)数据点的曲线包括除了Fmax,F。，Fs(稳定态荧光)，或来自于这些点的数据(例如，Fv=Fmax-F。;RFd=FmaxFs)之外的数据点。在一个优选的实施方案中，所述"曲线"对应从数字化的类似物传感器反应获得的至少10个点，并且更优选地数百或数千个数据点。本发明还可以用于鉴定特异性的毒素。如在下文详细描述，可以构建变换矩阵，其将测量的曲线映射到参照(正常)曲线中。己经发现所述变换矩阵的对角矩阵单元独特地对应特异性的毒素。通过将获得的对角矩阵单元与预先确定对角矩阵单元的文库相比较，可以鉴定特异性的毒素。如果存在，通常产生不能在具有单一毒素的曲线的给定文库中找到的曲线的毒素结合还可以使用线性组合算法而确定。本发明很好地适合在连续水质量检测的实际操作条件下进行操作。本发明还特别适合使用由荧光诱导分析提供的数据，以对在所述水中生存的光合生物(例如，藻类或蓝细菌)的状态进行快速客观的评估。重要地，本发明可以快速而有效地报告在预测形状的可变荧光诱导曲线中的显著改变的发生。待监测或分析的气体或液体基质在气体的情形中通常是空气，并且在液体的情形中通常是水。所述水可以是原始来源的饮用水。在本发明的一个优选的实施方案中，藻类是用于产生时间-依赖性生物传感器信号如荧光诱导曲线的生物传感器，所述生物传感器信号允许基于特征性载体对表面来源的饮用水中的不同的毒性剂进行分类。本发明人先前已经阐明了使用从初始和最大荧光值计算的光化学效率(Y)而对Clinch河(OakRidge，田纳西州，美国)和具有实验室生长的莱茵衣藻(C/z/am_^omowmm/"/wW"0的样品中的试剂的检测和鉴定，所述试剂包括甲基对硫磷(MPt)、氰化钾(KCN)、敌草隆(DCMU)、和百草枯。生物传感器通常是基于细胞的，并且可以包括遗传修饰的细胞。例如，可以使用用/w基因修饰的细菌。这一实施方案去除了对外部光源的需要。在荧光诱导的情形中，可以使用藻类，不管是天然存在的还是遗传修饰的藻类。天然存在的水藻通常不需要培养。暴露于阳光的每种天然的水源含有成群的光合作用微生物(例如，浮游植物和藻类)，浓度在10至高达100,000个生物体/ml的范围。尽管总是存在于水中，这些微生物通常是肉眼看不见的。浮游植物发射特征性的荧光信号，如果在具有低微生物浓度的溶液中是可检测的话，所述信号可以用作可以加入到水源中的化学的和/或生物战剂(warfareagent)的原位指示剂。当在气体或液体基质中时，生物传感器提供时间-依赖性的信号，所述信号可以进行监测或分析选自化学的、生物的或放射性试剂的一种或多种毒素的存在。例如，可以溶于水的毒性化学和/或生物试剂可以包括血液试剂(例如，氰化物)、杀虫剂(例如，甲基对硫磷)、和除草剂(例如，DCMU)，或可能形成对原始来源饮用水源的威胁的放射性核素(例如，袖，参见，AliciaC.Hogan,Rick.A.vanDam,ScottJ.Markich禾口CarolineCamilleri，"Chronictoxicityofuraniumtoatropicalgreenalga(c/z/we〃asp.)innaturalwatersandtheinfluenceofdissolvedorganiccarbon(铀对天然7jC中的热带绿藻(小球藻属(c/^w^sp.))的慢性毒性和溶解的有机碳的影响)",爿^加'c7bx/co/ogv(水生毒物学)，75(4):343-353,2005.)。当与不存在毒素时的对照信号相比较时，所述时间-依赖性生物传感器信号被所述毒素改变。使用本发明可以分析各种信号类型。例如，所述信号可以是分光镜的(例如，荧光)。关于分光镜信号，参见，例如，Huang，G.G"Yang,J.2005"Developmentofinfraredopticalsensorforselectivedetectionoftyrosineinbiologicalfluids(选择性检测生物流体中的酪氨酸的红外光学传感器的开发)"，说owrao"朋d所oe/ec的w'cs(生物传感器和生物电子学)，21(3):408-418。关于声学信号，参见，例如，Doron,等的美国专禾U6,486,588，"Acousticbiosensorformonitoringphysiologicalconditionsinabodyimplantationsite(监测机体移植位点的生理条件的声学传感器)"；"Acousticimmunosensorforreal-timesensingofneurotransmitterGABA(实时感应神经递质GABA的声学免疫传感器)"，尸racee^"^so/Y/ze25"^w"wa//"fer"a"owa/Co"/ere"ce(第25次IEEE年度国际会议学报)，4:2998-3000.十Khraiche，ML"Zhou,A.,Muthuswamy,J.2003,和"Acousticsensorsformonitoringneuronaladhesioninreal-time(实时监观!j神经元黏附的声学传感器)"，Praceecfe^so/Ae25^/￡五￡」wzwa//"fer"(^W7a/Co"/we"ce(第25次IEEE年度国际会议学报)，3:2186-2188.)。关于电化学信号，参见，例如，Asanov,等的美国专利6,511,854，"Regenerablebiosensorusingtotalinternalreflectionfluorescencewithelectrochemicalcontrol(使用具有电化学对照的总内部反射荧光的可再生的生物传感器)",禾口"Developmentandevaluationofelectrochemicalglucoseenzymebiosensorsbasedoncarbonfilmelectrodes(基于碳薄膜电极的电化学葡萄糖酶生物传感器的开发和评价)"T^"to,65(2):306-312.+Xu,J.,Z.,等.2004。关于热检领!j，参见，例如，"Calorimetricbiosensorswithintegratedmicrofluidicchannels(具有结合的微流体通道的量热计式生物传感器).所oeraora祝oe/e"ram'"(生物传感器和生物电子学)19(12):1733-1743.十Towe,B.C.,Guilbeau,E丄1996。关于基于磁性的传感器，参见，deOliveira,J.F.，等，2005"MagneticresonanceasatechniquetomagneticbiosensorscharacterizationinNeocapritermesopacustermites'(在Neocapritermesopacus白蚁中磁性共振作为磁性生物传感器特征性描述的技术)，，-/owr""/q/"Afo^g/fj/wTlfa^T^ricAfo/en'fl/s(磁力禾口磁性物质的杂志)，292(2):el71匿e174.+Chemla，Y.R.,等.2000,"Ultrasensitivemagneticbiosensorforhomogeneousimmunoassay(用于同源免疫观!j定的超灵敏磁性生物传感器)",Prac.A^/.Jed5W.(美国国家科学院学报)，97(26):14268-72。关于使用酶或抗体的表面等离振子共振(SPR)，参见，例如，Shinoki,等的美国专禾廿6,726，881."Measurementchipforsurfaceresonancebiosensor(表面共振生物传感器的测定芯片)"，Bowen，等的美国专利6,573,107."Immunochemicaldetectionofanexplosivesubstanceinthegasphasethroughsurfaceplasmonresonancespectroscopy(通过表面等离振子共振光谱免疫化学检测气相中的爆炸性物质)"，Ivarsson，等的美国专利5,313,264."Opticalbiosensorsystem(光学生物传感器系统)"。在使用基于藻类的生物传感器进行监测气体的情形中，所述藻类通常需要进行培养。在这一实施方案中，待分析的空气可以通过在其上具有培养的藻类的滤纸采集。参见，例如，Sanders,C.A.,Rodriguez,Jr.，M.，Greenbaum，E.2001."Stand-offtissue-basedbiosensorsforthedetectionofchemicalwarfareagentsusingphotosyntheticfluorescentinduction(使用光合作用荧光诱导检测化学战剂的基于离体组织的生物传感器)"，Ao^raoMa"d所oe/ec^owb(生物传感器和生物电子学)，16(7-8):439-446。本发明在下文中综合描述关于由水中的藻类生物传感器提供的荧光诱导。然而，如上文所示，本发明决不限于这一具体的实施方案。如用于饮用水的水质量传感器示例，按照本发明的示例性步骤可以总结如下1.原始来源的饮用水在规则性的时间间隔进行监测，例如每3到5分钟。2.将每一时间间隔获得的每个(类似物)叶绿素荧光诱导曲线数字化并且保存。每一曲线的形状是藻类在所述时间点的生理状态的记录。3.对于每次后续的记录，诸如3-5分钟后，在所述时刻的可变的叶绿素荧光诱导曲线可以与在早3-5分钟时记录的曲线进行比较。4.通过使用本数据与先前的曲线的非线性最小二乘方拟合，可以做出定量评估，其确定与其前体比较时本曲线的偏离程度。105.基于算法，诸如本文所述的算法，在所述可变荧光曲线之间获得客观的实时的背离程度评估，和所述背离与在水中可能存在毒素的相关性。图2举例说明正常的荧光诱导曲线和在存在氰化钾(KCN)时改变的荧光诱导曲线。当暴露于KCN时，不但光化学产量如预测那样发生变化，而且还可以看出所述曲线的分析形状改变。本发明优选地确定两条曲线之间的差异程度，其不但基于可以从所述曲线上选择的许多参数，诸如光化学产量，而且基于各个曲线的整个数据组彼此之间的差异程度，所述差异程度依据差异位移分析，以将所述曲线之间的最小二乘方差异最小化，然后构建变换矩阵，以将改变的(毒性的)曲线映射到对照(无毒的)曲线上。最小二乘方最小化方法优选地用来在构建所述变换矩阵之前确定顺序曲线的相对位置。对于大部分实际应用，每条曲线进行实时评估，作为在后的曲线，典型地3-5分钟后的曲线的参照。优选地为两条顺序的曲线构建变换矩阵，其将所述在后的曲线变换或者映射回到在前的曲线上。数字组，典型地所述矩阵的对角单元，包含从所述在后的虚线的数据单元重建在前曲线所需要的所有的信息。由于已知毒素对可变荧光诱导曲线的作用发生在比所述藻类的生理变化的特征性每日变化快得多的时间，所以这种微分作用用来做出关于在原始来源的饮用水中存在毒素的客观的确定。数据分析典型地包括三个步骤。例如，第一，进行微分最小二乘方位移分析，以确定在两条顺序的曲线之间优选的相对位置。第二，构建线性变换矩阵，其对角单元包含从在后的曲线重建在前的曲线的乘法系数(参见图ll)。第三，通过常规软件关于分析的具体模式分析包括变换系数的数字组，以检测特异性毒素诸如化学毒素的"指纹"。由于，本文提供的样品数据表明，不同的位置以不同的、特异性的方式改变天然荧光诱导曲线，所以特异性的毒素的分析是可能的。例如，特别简单的情形是这样的情形，即，其中没有加入毒素，并且在参照和测量(检测)曲线之间没有统计学差异。在这种理想的情形中，抛物线还将具有零的最小值，并且所述变换矩阵的单元都将等于l。图3显示与反应数据(存在KCN)—起多次绘制的对照数据(无KCN毒素的传感器反应)。所述多条曲线用来举例说明所述检测数据(使用位移)与所述参照(对照)数据的相对位置。所示的每条KCN曲线对应于所述测量的检测数据关于所述参照(对照)的常数微分偏置。对于每条KCN曲线，计算总计的残差平方R2，以确定将Fe最小化的所述对照和KCN曲线的相对位置。然后从这两条曲线构建变换矩阵，以确定对角矩阵单元。正是这组对角矩阵单元包含这样的信息组，即通过所述信息组正常的荧光诱导曲线被KCN改变。图3所示的关于对照的KCN数据的位移(偏置)范围对应在10秒标记附近的渐近线(在右手边)的匹配。这对应更低的KCN数据曲线。位移上限对应对于对照和KCN数据的最大荧光值的匹配。在这一分析中，每个KCN数据点保持其关于在同一组中每个其它数据点的相对位置，原因在于对于给定数据组中的每个数据值使用相同的常数微分(偏置)。图3所示的微分偏置的范围对应上文所讨论的渐近线和峰值荧光值的匹配，加上其它的偏置，其对应在下限和上限值之间选择的四分之一、二分之一、和四分之三的位置。在实践中，其它的偏置可以用于检测数据，以选择相对于差异位移绘制W的足够多的点。对于参照和检测数据相同的特殊情形，残差平方R，n相对位移(偏置)的绘图在形状上是抛物线，并且具有关于在所述对照数据组的上方和下方的位移的零最小值。这对应于在不将毒素引入到生物传感器的反应随时间总是恒定的水中的典型的情形。图4显示KCN荧光数据(中间曲线)以及从原始(中间)KCN数据加上(上部曲线)或减去(下部曲线)常数微分偏置而获得的新的曲线。如果在本实施例中，残差平方计算为位移的函数，那么存在对照和"检测"是相同的特殊的情形。基于所述分析，在W和位移之间预测到抛物线关系。随着所述位移达到零，W达到零。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>曲线符合图5(a)显示当对照曲线和检测曲线相同时，基于残差平方和((R";y-轴)和位移(x-轴)的上表数据的图。获得抛物线关系，并且W在零位移处达到零。图5(b)显示当对照曲线和检测曲线不同时，f的和与位移的图，诸如在毒素的情形中获得的。仍获得抛物线关系。然而，在任何位移处，R2不达到零。图5(a)和(b)中所示的平滑的曲线是使用MICROSOFTEXCEL程序的线性倾向性特征的二阶多项式拟合。基于本发明的各种检测系统可以提高检测和鉴定潜在的毒性剂的灵敏性和速度。一个实施方案是有效的可应用系统领域。实施本发明的方法的自动化生物传感器系统10在图6中示例性显示。光检测器12，诸如光度计或荧光计，附着到小室14上，以致小室窗口16朝向光检测器入口18。所述小室具有进口20，和水从其中流过的排水口(outlet)26，进口20具有任选的微粒过滤器36。泵24从排水口26汲取水，并且将水从出口28排出。小室14可以具有置换泵，其将水汲取到所述小室中，并且将水通过常规入口/排水口开关(类似于20)避开排水口26和出口28而排出。将水引入到所述小室中并且将水从所述小室排出的任何方式都适合实施本发明。光检测器12必须足够灵敏地检测随样品水汲取到小室14中的天然存在的、自由生存的、内在的光合生物的光合活性。本发明人已经使用WalzXEPAM脉冲-调幅-调制荧光计，其可从HeinzWalzGmbH'Eichenring6*D-91090EffeltrichGERMANY获得。光检测器12通过连接器32与电子器件包30电连接，电子器件包30包括电源，操作光检测器12和泵24的系统，数据处理电子器件，和通过天线34传输信号的传导器。所述电子器件包30包含本领域公知的常规使用的装置，其包括数字转换器的类似物(ADC)。其中所用的特别的成分，以及集中并且传递数据的具体方法对于实施本发明不是关键的。用于分析数据的处理器可以与电子器件包30共同放置，或者在具有天线24的远程位点。生物传感器10的操作可以是持续的取样或间歇性取样。间歇性操作可以是随机取样或定时取样。泵24使得水流过小室14。激活光检测器12，以测量流过小室14的水中的荧光。在一个优选的实施方案中，所述电子器件包30实施处理器运行算法，以分析来自光检测器12的原始数据，并且通过天线34发射表示在水中存在和/或不存在化学战剂的信号，以及所述试剂的性质。所述信号通过显示和/或记录所述数据的装置接收。尽管本发明一般描述分析叶绿素荧光诱导曲线，但是本发明具有广泛得多的应用。使用本发明可以特征性描述比较第一曲线或表面与第二曲线或表面的任何2D或3D曲线或表面。例如，除了时间-依赖性反应，反应可以是波长-依赖性的，诸如吸收相对于波长光谱数据。在这一实施方案中，将曲线2作为波长的函数映射到曲线1上的变换矩阵将包含完全特征性描述这两条曲线之间的变化的一组对角单元。这组数字包含可以用于鉴定所述变化的起因的信息。实施例应该理解，下文所述的实施例仅为了举例说明的目的提供，决不是限制本发明的范围。图2显示在暴露于KCNlO分钟后来自Clinch河水样品的分析数据。图5(b)举例说明通过关于对照数据逐渐置换KCN数据和在计算f的差异位移的每一步骤的最小二乘方(^)最小化。在图5(a)(无毒素)中，W达到零，而在图5(b)(毒素；KCN)中，W不达到零。如上文关于图5(a)所示，当14两条曲线精确重合时，发生W达到零。在那种情形中，每个数据点等于另一条曲线的对应的值。变换矩阵的对角单元都等于l。在图5(b)中，在另一方面，尽管W达到最小值，但是它不是零，原因在于KCN显著地改变了获得的曲线的分析形状。不存在关于KCN数据的使得所有的数据点同时完全重合的差异位移。因此，即使获得了关于W的最小值，所述最小值将不再是零。在这一KCN的情形中，最小值W偏离零的程度是由所述毒素引起的作用数量级的测量。所述最小值用于将从中构建变换矩阵的两条曲线的相对位置固定。进一步査看图7，提供了关于使用本发明的这一实施方案进行数据分析的优点的其它信息。本图关于KCN数据选择的位移位置对应RS的近似最小值。图7显示了在KCN值的那些点的上方和下方存在对照数据点的平衡分布。已经发现由这两个数据组限定的区域和几何形状是所检测的特异的毒素所特有的。因此，这种偏爱感应和毒素检测的方法可以用于将化学性质变换为几何模式。因此，本发明不但可以用于检测毒素的存在，还可以用于通过使用分析几何学原理、模式识别、和基于交叉曲线的几何学的图像转换而鉴定它们。图8显示甲基对硫磷检测数据以及对照数据。图8的数据代表对照和暴露于甲基对硫磷10分钟后的测试数据。对于甲基对硫磷数据的位置已经选择了三个位移水平。最低的曲线对应在对照和甲基对硫磷在右侧渐近线水平处(在约t-IO秒)之间的匹配。上部曲线与峰值匹配，并且黄色曲线是这两条曲线之间的中间位置。R、目对位移的图在图9中显示。在图9中可以看出，W的渐进值(progressivevalue)经过最小值。但是由于甲基对硫磷的作用是改变可变荧光诱导曲线的形状，所以在任何点这两条曲线都不同时重合。因此，W从不到达零(最小值约0.05)。图10进一步举例说明使用一系列与甲基对硫磷实验相关的对照测量的分析原理。其举例说明在5分钟的时间间隔采集的12条可变荧光诱导曲线的顺序的高重合程度。由于所有的曲线实际上彼此重合，所以，当进行上文所述的分析时，对于这些曲线中的任一条，W基本上等于零。因此，为了实际实施本发明，没有毒素存在的信号产生高重合度，接近(或等于)零的f值，和接近或等于l的变换矩阵的对角矩阵单元。因此，从一种载体(正常背景)到另一种载体(毒性背景)的线性映射可以用于毒素的快速自动检测和鉴定。图ll进一步举例说明其。在"原始数据"中上部的曲线和"正常"曲线对应来自健康藻类的反应，而在"原始数据"中下部的曲线和"毒素"曲线对应来自在Clinch河原始来源的饮用水中的藻类暴露于毒素后的反应。所述毒素曲线表明叶绿素可变荧光诱导曲线的变换。上部抛物线对应没有毒素的数据。在那一情形中，对照和检测数据是相同的，并且这两条曲线的差异位移导致绝对的最小值，其中残差平方和(f)达到零。这由"正常"抛物线在零的最小值而说明。然而，图ll中氰化物荧光诱导曲线的简单显示表明在"原始数据"下所示的两条曲线的形状是根本不同的。因此，如由毒素抛物线所示，残差平方和从不达到零，尽管随着氰化物曲线在垂直方向逐渐位移，可以获得最小值和关于每一位移计算的残差平方。本附图左下角举例说明变换矩阵，其对角单元独特地特征性描述KCN对荧光诱导曲线的作用。在按照本发明的典型的系统中，所述荧光数据是数字化的。单一荧光诱导曲线通常对应大约1000个数据点。因此，在这样的情形中，每条曲线——对照或毒素…-对应约1000个单元的单列载体。所述载体和变换矩阵对应毒素载体与正常或对照载体的线性变换。所述变换矩阵，关于毒素的最小残差平方，可以用来将毒素载体的每个成分映射回到正常的载体。对于毒素载体的每个成分的映射系数包含在变换矩阵的相应的对角单元中。正是包括变换矩阵的对角单元(tu,t22...U)的这组数字包含怎样将一个载体映射到另一个载体的全部信息之和。应该理解，尽管本发明己经结合其优选的具体实施方案进行了描述，前文的描述以及其后的实施例目的是举例说明，并不意欲限制本发明的范围。对于本发明所属领域的那些技术人员，在本发明范围内的其它方面、优点和修改将是显而易见的。权利要求1.一种基于生物传感器检测毒素的方法，其包括下述步骤提供其中具有多种光合生物的待分析的流体，其中化学的、生物的或放射性的试剂改变所述光合生物的额定光合活性；在第一时间获得关于所述光合生物的测量光合活性曲线；自动比较所述测量的曲线与参照光合活性曲线，以确定其中的差异，和使用所述差异确定所述化学的、生物的或放射性的试剂或它们的前体中的至少一种在所述流体中的存在。2.权利要求1的方法，其中所述自动比较步骤包括非线性最小二乘方差异位移分析，所述最小二乘方差异分析将所述测量曲线和所述参照曲线之间的最小二乘方差异最小化。3.权利要求2的方法，其中所述自动比较步骤进一步包括从所述测量曲线构建测量的变换矩阵，和从所述参照曲线构建参照变换矩阵。4.权利要求3的方法，其中所述确定步骤包括计算所述测量变换矩阵和所述参照变换矩阵之间的偏离程度。5.权利要求4的方法，其还包括构建将所述测量曲线映射到所述参照曲线中的变换矩阵的步骤。6.权利要求1的方法，其还包括鉴定所述化学的、生物的或放射性试剂、或它们的前体中的具体的一种的步骤。7.权利要求6的方法，其中所述鉴定步骤包括将所述变换矩阵的对角矩阵单元与保存的对角矩阵单元的文库进行比较，所述保存的对角矩阵单元的文库对应所述化学的、生物的或放射性的试剂、或它们的前体中的分别一种。8.权利要求1的方法，其还包括在相对于所述第一时间更早的时间获得测量的光合活性曲线，并且使用所述更早时间的所述测量的光合活性曲线作为所述参照光合活性曲线的步骤。9.权利要求l的方法，其中所述光合活性包括叶绿素荧光诱导。10.权利要求9的方法，其中所述流体采自原始来源的饮用水源。11.一种水或空气质量分析系统，其包括光检测器，其用于测量多种光合生物的光合活性，其中化学的、生物的或放射性的试剂改变所述光合生物的额定的光合活性，和电子器件包，其包括与所述光检测器偶联的处理器，所述处理器用于分析所述光合活性，以指示所述化学的、生物的或放射性的试剂在所述水或空气中的存在，其中所述分析包括在第一时间获得关于所述光合生物体的测量光合活性曲线，和比较所述测量的曲线与参照光合活性曲线，以确定其中的差异。12.权利要求11的系统，其还包括这样的结构，即，所述结构通过所述电子器件包将所述测量的光合活性或分析之后的所述测量的光合活性传送到一个或多个远程位点。全文摘要水或空气质量分析系统(10)及相关方法是基于生物传感器而检测毒素的。待分析的水或空气在其中包括多种光合生物，其中包括化学的、生物的或放射性的试剂的毒素改变所述光合生物的额定的光合活性。光检测器(12)用于测量多种光合生物的光合活性。电子器件包(30)包括与光检测器偶联的处理器，其用于分析所述光合活性，以指示毒素在所述水或空气中的存在。所述分析包括在第一时间获得关于所述光合生物的测量光合活性曲线，并且比较所述测量的曲线与参照光合活性曲线，以确定其中的差异。然后，使用所述差异，如果存在所述差异，那么鉴定在空气或水中存在特异性的毒素，或它们的前体。文档编号C12Q1/22GK101331234SQ200680047217公开日2008年12月24日申请日期2006年12月13日优先权日2005年12月14日发明者埃利亚斯·戈林鲍姆,米格尔·Jr·罗德里格斯申请人:Ut巴特勒有限公司