用于监测试剂浓度的系统和方法与流程

本公开涉及并要求保护2016年5月3日提交的美国临时专利申请号62/331,198的优先权益，其内容通过引用结合于本文。本发明涉及用于监测试剂浓度上的改变的系统和方法，并且特别地涉及用于监测在与置于诸如显微镜载玻片之类的基板上的生物样本相接触的小体积液体内的试剂浓度上的改变的系统和方法。
背景技术：
基于组织和细胞的诊断通常涉及针对各种生物结构和/或标记对生物样本进行染色以确定样本的疾病状态。染色通过对组织样本的某些部分而不是其它部分进行着色增强了由病理学家（例如，通过显微镜）看到的图像，以便在不同类型的结构之间提供对比。在一些化验类型中也可得到样本内特定分子实体的数量、位置和/或分布信息。自动化试图通过维持更可靠和一致的染色环境来改善染色过程的质量。染色过程通常包括其中溶液与安装在基板（诸如显微镜载玻片）上的样本相接触的步骤。在染色过程中，使样本与一系列预先确定的液体试剂接触长达预先确定的时间长度，其中每种液体试剂一般具有特定浓度的组分。然而，由于溶剂的蒸发或由在液体试剂的体积内的分子水平上发生的反应和相互作用所引起的试剂组分的消耗，这些溶液内的组分的浓度可以随着时间改变。例如，由于溶剂蒸发，缓冲溶液的浓度可以随着时间增加，当在特定协议中采用样本的加热时这可能更容易发生。由于浓度可以影响液体试剂与样本之间发生的反应和相互作用，因此将合期望的是具有一种方法来监测液体试剂在与样本反应/相互作用时其内的改变。特别地，一种用以在样本处理期间监测试剂浓度而不破坏脆弱的组织样本的方法将对于手动地或自动地控制染色过程而言是有益的。浓度评估的当前方法缺乏实时反馈，并且反而依赖有关蒸发的数学模型来预测这些改变。提供实时反馈将为用户提供在给组织样本染色的同时控制溶液浓度的能力。解剖病理学领域通常涉及关于色彩饱和度的个人偏好，色彩饱和度通常是溶液浓度和染色时间的直接产物。因此，一种向用户提供关于浓度的实时信息的系统将提供染色的实时可调节性。此外，由于每一个样本可能是不同的，所以这样的控制有助于使跨样本、系统和实验室的染色色彩标准化，使也有利于使取决于一致性的数字病理学方法的特征标准化。附加地，实时监测染色过程可以帮助防止不必要的试剂使用，这不仅节约资金，而且可以减少有害废物量。技术实现要素：在一个方面中，公开了一种用于监测利用流体处理生物样本的系统，其中生物样本安装在基板的表面上。所公开的系统包括电磁辐射源和至少一个棱镜，该棱镜被定位成接收来自源的电磁辐射并且将该电磁辐射引导向基板的第一表面。该第一表面与安装生物样本的基板的第二表面相反。在处理期间，流体覆盖被安装在第二表面上的生物样本的至少一部分。离开棱镜的电磁辐射进一步穿过基板传到基板与流体之间的界面，其中一些光从基板与流体之间的界面往回反射到棱镜中。棱镜将被基板与流体之间的界面反射的电磁辐射引导到检测器上。电磁辐射的特性上的改变指示流体组分的浓度上的改变，并且系统的处理器接收来自检测器的信号并且将该信号转换成流体组分的浓度的度量。在特定实施例中，公开了一种用于利用一种或多种流体处理安装在基板上的生物样本的系统。本实施例的系统包括至少一个基板支架、至少一个电磁辐射源和至少一个棱镜，该棱镜被定位成接收来自源的电磁辐射并且将电磁辐射引导向基板的第一表面。该第一表面与第二表面相反，并且将生物样本安装在第二表面上。在处理期间，流体覆盖被安装在第二表面上的生物样本的至少一部分，并且电磁辐射穿过基板传到基板与流体之间的界面。检测器被定位成检测从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射，其往回穿过基板并且穿过棱镜，其中从基板与流体之间的界面反射并且撞击在检测器上的电磁辐射的特性上的改变指示流体组分的浓度上的改变。该实施例的系统进一步包括至少一个自动化流体分配器，其被配置成向基板输送附加的一种或多种流体。控制系统的是处理器，其接收来自检测器的信号并且将该信号转换成流体的组分浓度的度量，并且如果组分浓度的度量已经从初始浓度改变了超过预先确定的量，则处理器指导自动化流体分配器将第一和/或第二流体中的任一或二者分配到安装生物样本的基板的第二表面。在另一方面中，公开了一种用于监测在基板上发生的生物样本的染色过程的方法。所公开的方法包括使电磁辐射穿过棱镜传到基板的第一侧，其中第一表面与第二表面相反。将生物样本安装在第二表面上，并且流体覆盖被安装在第二表面上的生物样本的至少一部分。电磁辐射传过基板并且传到基板与流体之间的界面，其中电磁辐射中的至少一部分被从基板与流体之间的界面往回穿过基板、往回穿过棱镜反射，并且被反射到检测器上。该方法进一步包括测量从基板与流体之间的界面反射的光的特性，其中电磁辐射的特性包括受流体成分影响的特性。附图说明图1是示出了所公开系统的实施例的示意图。图2是示出了所公开系统的特定实施例的组件的示意图。图3是示出了用于所公开系统的实施例的控制器、壳体和用户界面的组件的示意图。图4是示出了可以在所公开方法中采用的所公开系统的光学耦合单元的特定实施例的示意图。图5是根据特定公开实施例的用户界面的表示。图6是低成本激光led驱动器的电路图。图7a、7b和7c是可以与所公开系统和方法一起使用的根据特定实施例的改良达夫棱镜（doveprism）的透视图。图8图示了随着流体组分的基板上浓度改变，所公开系统的实施例如何产生电磁辐射的特性上的可检测改变。图9示出了根据所公开系统和方法的特定实施例，电磁辐射如何与置于基板上的流体相互作用。图10a、10b、10c和10d示出了利用所公开系统的特定实施例获得的图像和图像分析结果。图11a、11b、11c和11d是使用所公开系统的特定实施例获得的针对若干个不同流体试剂的浓度对比图像方位的图表。图12是示出了在根据本公开的特定实施例中图像位置对流体试剂浓度和温度二者的依赖的3d绘图。图13是根据特定实施例获得的浓度随着时间的绘图。具体实施方式在一个实施例中，公开了一种用于监测利用流体处理生物样本的系统。将生物样本安装在基板的表面上，并且该系统包括电磁辐射源和至少一个棱镜，该棱镜被定位成接收来自源的电磁辐射并且将该电磁辐射引导向基板的第一表面。第一表面与安装生物样本的第二表面相反，并且在样本的处理期间，将流体施加于安装在第二表面上的生物样本的至少一部分。电磁辐射穿过基板从第一表面传到第二表面，并且然后进一步传到基板与流体之间的界面。在界面处，电磁辐射中的至少一部分被穿过基板并且穿过棱镜往回反射到检测器位置，以捕获该反射电磁辐射。从基板与流体之间的界面反射并撞击在检测器上的电磁辐射的特性上的改变指示流体组分的浓度上的改变。处理器接收来自检测器的信号，并且将该信号转换成流体组分的浓度的度量。根据一个实施例，传过基板并且在基板与流体之间的界面处从流体的底部表面反射的电磁辐射也可以传过处于基板与位于样本上的流体之间的生物样本的一部分。在实践中，由于安装在基板上的样本通常是非常薄的组织切片——一层或多层细胞或者粘附到基板表面的单个分子（诸如在蛋白质或核酸微阵列中），所以生物样本将在可忽略的程度上影响电磁辐射。因此，是电磁辐射与处于基板与流体之间的界面处的流体的底部表面的相互作用确定了所检测到的特性。因此，如本文中所使用的，短语“基板与流体之间的界面”意味着涵盖其中生物样本置于基板与流体之间的情况。然而，在一些实施例中，情况可能是这样，即电磁辐射与基板上没有生物样本存在的点处的流体相互作用。替换地，可能是撞击在流体的底部表面上的电磁辐射在其去往基板与流体之间的界面的路径上传过生物样本，但是在其往回朝向检测器穿过基板的路径上没有传过生物样本。并且相反的情况可能是这样：电磁辐射仅在往回穿过基板的路径上传过生物样本。在特定实施例中，电磁辐射源可以是激光辐射源，诸如例如在电磁波谱的可见部分（在约400nm与约700nm之间）中或在电磁波谱的近红外部分（在约700nm与约1100nm之间）中操作的激光led。在其他特定实施例中，系统的光路进一步包括定位在电磁辐射源与棱镜之间的聚焦透镜。如本文中所使用的，术语“聚焦”包括聚焦、准直和散焦，以在电磁辐射进入棱镜时以不同角度提供较小或较宽范围的光路，如在特定实施例中需要的那样。在另一特定实施例中，棱镜是经改良达夫棱镜，其被配置成使电磁辐射以一定角度撞击到基板与流体之间的界面上，使得电磁辐射的至少一部分通过从基板与流体之间的界面的全内反射被朝向检测器穿过棱镜往回反射。在其他特定实施例中，检测器是检测器阵列，例如，cmos阵列。一般而言，检测器阵列包括马赛克式间隔开的检测器元件和读出电路，该马赛克式间隔开的检测器元件将入射电磁辐射转换成电信号，该读出电路将来自每个检测器元件（或像素）的电信号中继且多路复用到一个或多个输出放大器。检测器阵列的其他示例包括ccd（电荷耦合器件）相机元件、mofset器件（包括cmos阵列）、cid（电荷注入）器件和cim（电荷成像矩阵）器件。因此，在一些实施例中，从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的特性是从基板与流体之间的界面反射并且撞击在检测器阵列上的电磁辐射的二维形状。在其他特定实施例中，所公开的系统进一步包括液体温度传感器，以用于监测流体的至少一部分的温度。在更特定的实施例中，液体温度传感器包括与流体和/或棱镜相接触的热电偶。替换地，液体温度传感器包括红外液体温度传感器，诸如非接触式红外温度计，其被定位成测量流体和/或棱镜的温度。在其他实施例中，棱镜通过从电磁辐射源引向棱镜表面的至少一个第一电磁波导光学连接到电磁辐射源。并且，同样地，棱镜可以通过从棱镜引向检测器的至少一个第二电磁波导光学连接到检测器。在特定实施例中，第一和第二电磁波导均包括至少一个光纤，并且在甚至更特定的实施例中，第一和第二电磁波导均包括光纤束。在仍其他实施例中，系统进一步包括棱镜致动器，其被配置成相对于基板的第一表面移动棱镜，以便将电磁辐射至少部分地引导朝向基板与流体之间的界面的不同部分，或者使电磁辐射以不同角度撞击在基板的第一表面上。在更特定的实施例中，棱镜致动器用于使电磁辐射以一定角度撞击到基板中，其中电磁辐射的至少一部分从基板与流体之间的界面反射并且然后被引导朝向检测器。在甚至更特定的实施例中，在棱镜与基板之间存在折射率匹配物质，诸如折射率匹配流体。在其他实施例中，系统包括反馈模块，其被配置成检测流体的改变，并且响应于所检测到的流体组分的浓度上的改变，通过使分配器将第二量的相同或不同流体分配到基板上来使系统调整流体的成分。在某些实施例中，流体成分上的改变被检测为到达检测器的电磁辐射的特性上的改变。该特性可以是以任何组合的下述各项中的一个或多个：从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的量、从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的图案、从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的方位以及从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的偏振。当检测到特性上的改变时，这可以被转换成流体组分的浓度上的改变，并且可以采取适当的步骤来补偿流体组分的浓度上的改变。例如，如果检测到组分浓度上的增加在预先确定范围之外（诸如当溶剂从缓冲溶液中蒸发时可能发生），则可以由分配器添加附加的溶剂（例如，水）以补充溶剂损失，并且使流体恢复成在预先确定的范围内的成分。补充量可以通过基于流体中（一种或多种）组分的所检测到的浓度的计算来确定，或者可以利用反馈回路来反复滴定流体浓度直到其位于预先确定的范围内为止。作为另一示例，流体的组分可以在检测反应期间消耗（诸如在检测方案中色原体被酶消耗），并且其在流体中的浓度可以降低。作为响应，可以由分配器添加包含所消耗组分的附加量的流体试剂，以补偿损失的组分。被用于这样的补充方案的分配器可以是已知或之后开发的任何类型的分配器，并且虽然可能手动地补充流体和溶剂，但是分配器可以处于处理器控制之下。可以被计算机控制的分配器的示例包括机器人移液器、流体供给线、喷墨分配器、注射泵以及利用柱塞或锤子致动的一次性机械分配器。在另外的实施例中，系统包括基板支架，其中基板支架对电磁辐射是至少部分地光学透明的，或者通过基板的至少一个外边缘支撑基板。可以通过包括光学透明材料或者通过在基板支架中包括电磁辐射可以通过的端口将基板支架制成对电磁辐射是至少部分地光学透明的。在特定实施例中，基板支架进一步被配置成诸如通过并入加热元件或帕耳帖元件来加热和/或冷却基板。此外，基板支架可以被配置成施加声波或振动以帮助流体在基板的第二表面上混合。在特定示例中，流体可以是缓冲液、染料和特异性结合分子中的至少一种。在更特定的示例中，特异性结合分子包括核酸、核酸类似物、抗体、抗体片段和适体中的至少一种。特异性结合部分可以进一步与诸如半抗原、酶、荧光分子和纳米颗粒之类的检测部分偶联。在另一实施例中，公开了一种用于监测在基板上发生的生物样本的染色过程的方法。该方法包括使电磁辐射穿过棱镜传到基板的第一表面。第一表面与基板的第二表面相反，并且将生物样本安装在第二表面上。流体覆盖被安装在第二表面上的生物样本的至少一部分。电磁辐射传过基板并且传到基板与流体之间的界面，并且电磁辐射中的至少一部分被从基板与流体之间的界面往回穿过基板、往回穿过棱镜反射，并且被反射到检测器上。该方法进一步包括测量被从基板与流体之间的界面往回穿过基板、往回穿过棱镜反射并且被反射到检测器上的电磁辐射的特性。电磁辐射的特性包括受流体成分影响的特性。在特定实施例中，该方法进一步包括根据所测量的特性计算流体的成分。在更特定的实施例中，受流体成分影响的特性可以是受流体折射率影响的特性。在其他特定实施例中，该方法进一步包括针对温度上的改变补偿所测量的电磁辐射特性上的改变。替换地或此外，该方法可以进一步包括补偿基板的成分和/或补偿流体的起始成分。在另一特定实施例中，检测器包括检测器阵列，并且所测量的电磁辐射的特性包括从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的二维图案。在更特定的实施例中，该方法进一步包括应用图像分析来锐化二维图像的线性边缘，其中线性边缘的方位与流体的成分成比例。在仍另一特定实施例中，该方法可以进一步包括随着时间计算流体的成分。在更特定的实施例中，当达到电磁辐射的特性上的预先确定的改变时或者当电磁辐射的特性已经在预先确定的范围内维持了预先确定的时间长度时，可以停止染色过程。替换地或此外，该方法可以进一步包括响应于从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的特性上的改变来调整流体的成分。例如，可以通过下述两项中的任一项或两者来调整流体的成分：包括向在其上安装生物样本的基板的第二表面施加附加量的流体的调整流体的成分和包括施加附加量的流体溶剂以补偿由于蒸发而损失的溶剂的调整流体的成分。在甚至更特定的实施例中，该方法可以包括警告用户需要对流体成分做出调整，以便确保在整个运行过程中维持适当的染色条件。替换地，可以在染色过程之后警告用户在染色过程期间没有维持特定的流体成分，或者系统可以提供在染色过程期间流体成分如何变化的显示。在染色过程的一个或多个步骤期间关于流体成分的信息可以为重要的质量控制功能服务。在特定实施例中，公开了一种用于利用第一流体处理安装在基板上的生物样本的系统，该系统包括至少一个基板支架、至少一个电磁辐射源、至少一个棱镜，该棱镜被定位成接收来自源的电磁辐射并且将该电磁辐射引导向基板的第一表面。基板的第一表面与基板的第二表面相反，并且将生物样本安装在第二表面上。流体覆盖被安装在第二表面上的生物样本的至少一部分，并且电磁辐射进一步穿过基板传到基板与流体之间的界面。检测器被定位成检测从基板与流体之间的界面穿过基板并且穿过棱镜往回反射的电磁辐射。从基板与流体之间的界面反射并且撞击在检测器上的电磁辐射的特性上的改变指示流体组分的浓度上的改变。该实施例的系统进一步包括至少一个自动化流体分配器，其被配置成将第一流体或第二流体输送到基板的第二表面。系统的处理器接收来自检测器的信号并且将信号转换成流体组分的浓度的度量，并且如果组分浓度的度量已经从初始浓度改变了超过预先确定的量，则处理器指导自动化流体分配器将第一和/或第二流体中的任一或二者分配到安装生物样本的基板的第二表面。在特定实施例中，至少一个基板包括玻璃显微镜载玻片。在其他特定实施例中，至少一个棱镜包括改良达夫棱镜。在又特定的实施例中，至少一个电磁辐射源包括在电磁波谱的近红外部分中操作的光纤耦合激光二极管。在仍进一步的特定实施例中，电磁辐射的特性包括从基板与流体之间的界面反射的电磁辐射的二维图案，检测器包括cmos阵列检测器，并且处理器进一步被配置成分析从基板之间的界面反射的电磁辐射的二维图案的图像并且锐化该二维图像的线性边缘。线性边缘的方位与流体组分的浓度成比例，并且可以被监测以跟随流体成分上的改变。如在图1中示出的，构建了系统10，其包括折射计和光学传感器，以非侵入式地测量覆盖被安装在基板12上的生物样本的至少一部分的溶液14的折射率。从与在基板上放置生物样本的一侧相反的一侧，电磁辐射22（在下文中为“光”）在传过基板12之后撞击到溶液14上。该系统通过利用cmos捕获从覆盖生物样本（样本环境）的流体反弹的反射光，通过周期性地从溶液收集图像数据来实时测量已知溶液的浓度。光由可以仅在图像捕获期间活动的激光器发射。光被指引穿过玻璃棱镜，该玻璃棱镜被设计成将光引至样本环境并且将反射光往回引导到cmos。图像提供可以被处理的数据以向用户（或自动化系统）返回浓度值，可以记录和/或显示该浓度值，从而允许使浓度上随着时间的改变可视化。该系统被设计成改善浓度测量的准确性，并且使获得测量结果的侵入力最小化。由于处理组织样本的敏感性质和人类活检本身的价值，有利的是设备获取准确的测量结果同时不损坏标本。图1还示出了硬件的整体组织以及组件之间的通信。在处理器34的控制之下，可以打开和关闭电源32，使得仅在需要时利用光纤耦合激光二极管16。光20从光纤耦合激光二极管16发射并且在到达与生物样本相反的显微镜载玻片一侧之前传过改良达夫棱镜18、传过显微镜载玻片、也许还传过生物样本，并且然后朝向与安装在显微镜载玻片12上的生物样本相接触的溶液。来自显微镜载玻片与溶液14之间的界面的任何反射光24被改良达夫棱镜18引导朝向cmos阵列26，该cmos阵列26通过csi总线28连接到树莓派（raspberrypi）34，并且使用一系列图像分析技术进行分析。从界面往回穿过棱镜的内部反射的光量取决于缓冲溶液的离子浓度。包括温度和溶质浓度的若干个变量影响溶液的折射率，并且使用这些原理，开发了基于撞击在cmos阵列26上的光在空间中的位置来监测折射率。该系统是围绕起处理器作用的树莓派2b型单板计算机（“片上系统”）34进行设计的。通过利用pi作为处理器，可以为全部辅助传感器（诸如温度传感器30）提供控制和功率以及安全特征二者。自定义书写图形用户界面被设计成经由适配器板40使用来自触摸屏42的输入44以操作设备。该界面使得能够实现操作该系统中的易于使用，并且在对离子溶液的浓度进行取样方面提供了直接方法。由系统收集的数据可以存储在通过sd端口36与处理器34通信的sdhc38中。树莓派的重要能力是利用触摸屏的能力。通过将屏幕与pi的dis引脚和sda/scl引脚连接，用户能够容易地与系统交互。这也允许实现基于触摸的图形用户界面。pi允许有线以太网通信，但是也支持usbwifi适配器，该设计利用该适配器能够与pi远程通信。该设计已经被配置和安装有与树莓派进行ssh或vnc通信的全部前提。dis引脚和相关联的带状电缆与充当设备的主传感器的noircmos集成。这由pi原生地支持，并且除了调用raspi-config和启用相机支持之外，不需要另外的硬件集成。pi的通用输入-输出（gpio）引脚控制全部辅助传感器。特别地，pi上的gpio引脚与热电偶对接以确定温度，与盖子传感器对接以确定盖子的状态，与继电器对接以给激光器通电，以及与屏幕对接。树莓派的电源轨为系统风扇提供电流，这有助于调节系统的温度。总而言之，用户可以通过触摸屏上提供的选择来控制设备。当用户打开设备时，光从激光二极管发射，并且从样本环境往回内部地反射到光敏互补金属氧化物传感器（cmos）上。反射到传感器上的光量随溶液的折射率变化，该溶液的折射率随浓度改变。cmos传感器将图像往回输出到树莓派，其处理该图像并且确定反射光的位置。使用模型方程来将反射到传感器上的光量与载玻片上溶液的浓度相关联。系统的温度也将影响设备操作，并且因此将温度传感器合并到设计中。在触摸屏上输出载玻片上的溶液浓度的实时数据，并且将其存储在sdhd卡（32gb）上。在检测反射光的方位的更特定的实施例中，从利用装载在载玻片上的样本所获得的反射光的图像减去由裸载玻片反射的光的图像。使用自定义编码成像处理，确定反射光的方位。针对四种不同的缓冲溶液创建关于离子浓度和反射光的位置的线性模型，并且将该线性模型编程到系统中以允许设备在针对每一种的起始浓度的0.5倍至5倍的范围内估计浓度。测试示出系统成功地在10％误差范围内确定了缓冲溶液的浓度。附加地，通过在4℃与90℃之间进行溶液的测量来确定温度对折射率的影响。开发了一个与反射光的位置、温度和浓度相关的模型。该设备可以扩展到其他溶液和基板类型。如在图2中示出的，系统100可以包括至少四个定义的子系统：封闭用以控制设备的硬件的外壳200、折射计300、用户与系统400之间的接口，以及用以驱动光纤耦合激光二极管的激光功率电路500。同时，系统捕获正在利用基板112上的一种或多种流体进行处理的样本114的图像116。图3更详细地示出了封闭系统硬件的外壳200的分解图。使用夹子204将基板112保持在基板支架202上。注意基板支架202中的通道，穿过其光可以从下面传递往返折射计子系统300。添加盖子206以改善安全性，并且磁开关208与处理器210一起工作以在盖子升高时关闭激光二极管。将处理器210，包括激光器驱动电路500、冷却风扇218和折射计300的附加电子器件安装在顶盖212和底盖214内。底盖214进一步包括可调节支脚216，其可以被用来确保整个系统是水平的并且基板112上的任何流体保持就位并且不会流出基板。用户界面400安装在顶盖212中。图4示出了折射计子系统300的分解图。选择折射计子系统是因为其设计的简单和理论准确性。该子系统包括改良达夫棱镜302，其通过固定螺钉304在棱镜支托306内保持就位。棱镜支托保持并且对齐全部其他光学组件。穿过聚焦透镜308朝向棱镜302引导来自光纤耦合激光器314的光，该聚焦透镜308通过由通过螺钉312附接到棱镜支托306的耦合器310保持就位。镜筒和带通滤光器组装件316用来将从样本上的溶液反射的光引导朝向保持在底座318中的cmos阵列检测器320。定制子系统的几何结构的尺寸以使得来自光纤耦合激光器314的激光以发生反射和折射两者的角度照射显微镜载玻片/溶液界面。然后，cmos阵列检测器320拦截反射激光，并且记录光的图像。棱镜和cmos二者可以彼此正交地移位，从而产生x和y对齐补偿，并且镜筒可以旋转，从而给出与平面（cmos传感器）对齐所需要的最终自由度。当载玻片上没有溶液时，激光的图像没有示出全内反射的边界，这意味着最大的光接触了cmos传感器表面。当将溶液添加到显微镜载玻片时，光中的一部分发生折射，这降低了到达cmos传感器表面的光量。然后可以映射反射与折射之间的边界。反射与折射之间的边界线的方位上的任何改变与溶液的折射率上的改变相对应，溶液的折射率是指示溶液组分的浓度的材料属性。聚焦透镜安装得益于非常严格的机器公差。为了将透镜设置就位，将透镜对准并且然后利用uv固化光学胶合剂将其粘合就位。将热电偶与自定义棱镜用环氧树脂胶合以监测棱镜的温度（结合adafruitmax31855热电偶放大器实现的adafruitk型热电偶，以便向树莓派有效地发送温度信息）。图5示出了用户界面400的实施例。用户界面包括与存储在处理器的存储器中的软件特征有关的元件。在该实施例中，用户可选下拉菜单402准许用户访问和利用针对若干种不同溶液的存储校准曲线。用户可选下拉菜单404进而准许用户访问和利用用于与具有不同折射率的若干种不同类型的玻璃显微镜载玻片一起使用的存储参数。滑动元件406准许调整系统的采样率。当预期溶液的浓度快速改变时，可以选择测量之间的较短时间，但是在预期浓度不快速改变的情况下，可以增加测量之间的时间，从而有助于增加激光二极管的寿命，因为在不做出测量时，二极管不打开。附加的用户可选元件408、410、412和414分别使系统记录数据、停止记录数据、访问系统校准例程以及重新绘制来自先前运行的数据。图形显示元件416可以被用来示出溶液浓度随时间的改变。数字显示元件418、420、422和424分别向用户示出了当前测量的折射率、当前浓度、在测量周期内浓度上的百分比改变以及溶液温度。除了选择采样率之外，用户具有选择他们希望确定浓度的期望溶液的能力。在采样时，系统将确定当前浓度，自初始样本以来浓度已经改变的百分比以及棱镜的温度。通过用户可选元件412访问的校准屏幕允许用户捕获载玻片的图片。所捕获的载玻片图像将针对适当的反应缓冲液自动更新对应的载玻片图像。然后，用户能够查看代码将如何处理它们的图像，使得它们可以识别样本中的任何问题，诸如气泡或不均匀的折射率匹配油放置。例示性gui为用户提供了非常简单的门户（portal），以有效地对浓度数据采样。在无效选择的情况下，gui还提供弹出式错误消息。使用python2.7完成针对所描述系统的全部编码。为了与系统的对接设备进行通信，如在图1中示出的，实行图像分析（如下面进一步描述的），并且对图形用户界面进行编程；将一些非标准python包/库安装到树莓派处理器。将以下库安装到树莓派处理器：opencv2（用于图像处理）；kivy（用于图形用户界面）；matplotlib（用于生成图形）；adafruitmax31855（用于热电偶温度）以及adafruit_gpio（用于确定系统盖子是否打开）。为了使系统在gui中运行，将python基于它们的功能平衡成若干个脚本，一个用于启动gui并调用其他脚本，一个用于确定盖子是打开的还是关闭的，一个用于生成针对样本号码和相关联的浓度的可绘制数据，一个用于返回来自热电偶的温度，一个用于图形和标签，一个用于拍摄样本的图片而不进一步处理，一个用以保存处理的每个步骤的图像以帮助调试问题，一个用以拍摄载玻片的图片并且将其正确地取向以进行遮蔽，一个用于调整图像大小所以它们可以显示在gui上，以及一个用于给定从存储器检索的数据文件来绘制图表。图6示出了图2的激光功率电路500的无需解释的电路图，该激光功率电路500被设计成在没有商用激光驱动器的帮助的情况下为20mw激光器（780nm）供电，并且使得系统便携且成本低。激光器所需要的电压为1.9v，其中电流为大约30-80ma。为了最好地确定激光器的工作电流，商用激光驱动器被用来减轻损坏的风险。通过增加提供给激光器的电流，激光器的强度增加。在初始测试之后，确定30ma是激光器的适当操作电流。该30ma减小了cmos中的光的饱和度，并且其有助于将激光器保持在较低操作温度下。标准9v墙壁插座源与电压调节器耦合，以便于使电压达到1.9v。将电位计放置在激光器前面，以便于假使需要调整激光强度时来调整提供给激光器的电流。最后，放置150ma的保险丝，以便防止可能潜在损坏激光器的电流尖峰。图7更详细地示出了在上文所描述的系统中使用的改良达夫棱镜。图7a以透视方式示出了棱镜，图7b从侧面示出了棱镜，并且图7c从一端示出了棱镜。根据计算机生成的透镜处方选择了面700、702、704、706和708以及每一个相对彼此的角度，该透镜处方将光学组件中的每一个相对彼此的几何取向考虑在内。还将cmos传感器的大小和传感器的像素密度考虑在内。该处方给出了组件中的每一个的玻璃材料类型，并且示出了有多少随机生成的光线正在以非顺序的方式通过系统。在solidworks（dassoultsystemess.a.，巴黎，法国）中创建透镜处方参考实体模型。然后将这些模型导入到zemax（zemaxllc，柯克兰，华盛顿州，美国）中并且使之具有分配给它们的玻璃属性。在特定实施例中，面700和708彼此成58.750度的角度。面700和面708彼此成56度角度。面700和面702彼此平行，并且面702和面704彼此成28度的角度。只有面700、702、706和708必须抛光。如在图8中示出的，在溶液/显微镜载玻片界面处的激光中的一些发生折射并且一些发生反射。光以这种方式的反射是已知的全内反射（tir），并且其是允许折射计起传感器作用的基本原理。折射由斯涅尔定律（下面的方程1）描述，该定律描述了光在两种材料之间传播时的行为。该现象也被称为折射，其取决于若干个因数，如温度、浓度和分子成分。仔细研究斯涅尔定律示出，当材料界面的一侧上的角度的正弦为90度时，则材料界面的另一侧上的对应角度被称为临界角。临界角是光不再发生折射并且反而被反射的角度。以大于临界角度的角度入射到材料界面的任何光将发生反射代替发生折射。该反射被称为全内反射（tir）。将反射光引导向其中可以分析反射与折射之间的边界的传感器。该界面被用来确定被分析的物质的折射率。图8在下面板中示出了在折射计设计中将出现在cmos阵列上的模拟光图案以及该图案如何取决于折射率上的改变而发生改变。在底部最左边的面板示出了纯水的图案，纯水是可以测量的最低浓度的溶液。随着浓度增加，折射率增加，并且阵列上的光图案也改变。对于非顺序射线跟踪而言，分析了200,000条射线以产生了到检测器上的图像。随着溶液的折射率增加，该直线扫过cmos阵列。通过检测该线的方位，可以确定载玻片上的流体的折射率，并且可以估计溶液的离子浓度。图9更详细地示出了光与显微镜载玻片与在其顶部表面上的溶液之间的界面如何相互作用的zemax模型。光900进入数值孔径缩小透镜902并且从下面进入改良达夫棱镜904。在光传过玻璃显微镜载玻片906撞击覆盖显微镜载玻片的顶部表面的溶液908时，光的一部分被折射并沿着显微镜载玻片910行进并且在912处出现。第二部分被穿过棱镜往回反射并且作为光束914出现，该光束914具有特定的二维形状。正是撞击cmos检测器阵列的光束914提供了可以进行分析的图像。该设计的软件组件包括建立以处理图像的图像分析算法、允许向设备的用户输入的图形用户界面、以及以python对硬件进行整体编程。将被叫做opencv的开源计算机视觉库安装到树莓派上，以便分析由树莓派noircmos捕获的图像。每次将新的显微镜载玻片装载到设备上时，捕获和存储空白载玻片的图像。一旦将缓冲液放置在显微镜载玻片上并且用户选择开始记录数据，就捕获新图像。为了提取有意义的数据，从具有样本的图像中减去空白载玻片图像。接下来，使用优化阈值将图像转换成二进制图像。然后，旋转该图像以确保照射区域的边缘是竖直的。然后，对图像矩阵的每一列求和以获得单个水平阵列。最后，找到阵列内的最大值的位置（其对应于照射区域的边缘的位置）。在图10中示出了该过程的概括描绘。图10a示出了在没有溶液覆盖显微镜载玻片并且激光朝向cmos检测器反射的情况下的cmos图像，这是由于显微镜载玻片与空气的折射率之间的较大不匹配。当将溶液放置在显微镜载玻片上时，图像被改变，因为溶液与显微镜载玻片的折射率之间存在较小不匹配，这导致了在图10b中所示出类型的图像。处理图像以如在图10c中示出的那样增强图像的边缘，并且反映在图10d中示出的强度图中。可以看到边缘的方位如在图8的底部部分中示出的那样移动。针对四种不同缓冲液制成关于图像分析的输出（照射区域的边缘的x位置）和浓度的模型：apk、sish、ssc和rxn（ventana医疗系统公司，图森）。为了创建这些模型，在0.5倍至5倍所需浓度范围内制成10倍库存缓冲液的连续稀释。使用7μl折射率匹配油和针对每一种缓冲液类型的干净显微镜载玻片设立上文所描述的设备。向载玻片添加体积为100μl的具有已知浓度的缓冲液，并且确定浓度。对照浓度绘制输出，这在针对每一种缓冲液类型的线性趋势中得到，如在图11中看到的，其中图11a示出了apk缓冲液的绘图，图11b示出了sish缓冲液的绘图，图11c示出了ssc缓冲液的绘图，并且图11d示出了rxn缓冲液的绘图。在下面的表格1中显示了根据这些绘图得到的最佳拟合方程以及针对每一种缓冲液类型的模型r2值。缓冲液类型最佳拟合方程模型r2apkc=0.005831x-3.33910.9932sishc=0.005291x-2.75820.9775sscc=0.005427x-2.68920.8889rxnc=0.006009x-3.22790.9896表格1：针对各种缓冲液的最佳拟合方程和对应的r2值。使用该设备的测量准确度通过测量每一种缓冲液（在所需范围内的）的五种不同随机浓度来确定。然后通过计算百分比误差将设备的输出值与实际浓度值进行比较。平均而言，看到的是设备能够在具有针对sish缓冲液（7.11％误差）和rxn缓冲液（7.99％误差）的小于10％的误差的情况下输出浓度读数。在模拟中，将溶液的体积示出为不是折射计的输出中的因数，而仅仅是电磁辐射撞击在流体上的棱镜区域的完全覆盖。全部曲线均利用载玻片上的100μl的体积生成。为了确保设备可以测量在所需体积范围（200μl-2ml）内的溶液浓度，使用该设备来测量2ml的1倍rxn缓冲液。在27摄氏度的固定温度下，利用溶液进行有关准确度、体积和浓度范围的测试。这适合一般目的，因为大多数测量将在室温下进行。然而，可能在各种温度下应用缓冲溶液，因此应当在20至90摄氏度的温度范围内利用溶液进行测量。为了解决这个问题，利用该设备确定rxn缓冲液的浓度、处理图像上的x方位以及温度的关系。根据在4、24、60和90摄氏度的温度下、在范围从rxn缓冲液的0.5倍至5倍的浓度下的图像所确定的x方位值的表格示出的是，可以利用该设备来测量具有在4至90摄氏度的范围内的变化温度的溶液。根据该数据，确定针对浓度的方程，作为温度和反射光的x位置二者的函数，如下面在方程2中示出的。该平面方程是使用温度范围（20至90摄氏度）创建的，并且因此示出该设备能够测量具有在该范围中的温度的溶液。测量数据的绘图也示出的是，这是相对一致的平面趋势，并且支持模型的准确性。来自该实验的数据的绘图参见图12。为了确定设备的近似采样率，使用方程3计算最大理论蒸发率。=蒸发的水（kg/s）=蒸发系数（kg/m2h）a=水表面积（m2）xs=饱和空气中的湿度比（kg/kg）x=空气中的湿度比（kg/kg）方程3为了帮助确保该近似是有效的，做出假设以使可能的蒸发率最大化。将溶液的表面积设定成最大载玻片面积，并且使用纯水的常数，因为盐水具有较慢蒸发率，并且缓冲液的盐含量可能变化。由于设备具有盖子，因此还假设表面上方空气的速度等于零。最小初始体积也假设为是200μl，因此在小至18μl损失的情况下发生10％的浓度改变。在具有这些假设的情况下，估计将在187秒（3.1分钟）内发生浓度上10％的改变。这意味着设备应当至少每3.1分钟采样一次，然而，更频繁或较不频繁的采样率将适合或多或少的易挥发流体。通过向载玻片添加1ml的1倍rxn缓冲液，然后每分钟测量浓度来测试设备的实际采样率性能。这些结果的绘图参见图13。根据该实验的结果示出了即使在比设备最大能力慢得多的速率下，该设备也可以比溶液浓度上10％的改变更快地进行采样。在其他实施例中，上文所描述的系统可以作为一个或多个子系统并入到自动化载玻片染色系统中，该自动化载玻片染色系统以机器人形式（robotically）向安装有生物样本的显微镜载玻片施加流体。自动化系统采用计算机来控制样本处理过程、监测传感器，并且可能控制样本和试剂在系统内的移动。在例如us6352861、us6783733、us7476543、us7901941、us8454908、us8877485、us8883509和us8932543（其内容均通过引用并入本文中）中公开了自动化载玻片染色系统的示例，该自动化载玻片染色系统可以作为用于染色过程监测的附加子系统而包括到所公开的用于实时监测载玻片上的浓度的系统中。计算机通常包括已知组件，诸如处理器、操作系统、系统存储器、存储器存储设备、输入-输出控制器、输入-输出设备和显示设备。本领域普通技术人员还将理解的是，存在计算机的许多可能的配置和组件，并且还可以包括高速缓存存储器、数据备份单元和许多其他设备。输入设备的示例包括键盘、光标控制设备（例如，鼠标）、传声器，扫描仪等等。输出设备的示例包括显示设备（例如，监视器或投影仪）、扬声器、打印机、网卡等等。显示设备可以包括提供视觉信息的显示设备，该信息通常可以逻辑上和/或物理地组织为像素的阵列。还可以包括界面控制器，其可以包括用于提供输入和输出界面的各种各样已知或将来的软件程序中的任何软件程序。例如，界面可以包括一般所谓的“图形用户界面”（通常被称为gui），其向用户提供一个或多个图形表示。界面通常能够使用本领域普通技术人员已知的选择或输入手段来接受用户输入。界面也可以是触摸屏设备。在相同或替换的实施例中，计算机上的应用程序可以采用包括被称为“命令行界面”（通常被称为cli）的界面。cli通常在应用程序与用户之间提供基于文本的交互。通常，命令行界面通过显示设备作为文本行来呈现输出并且接收输入。例如，一些实现方式可以包括所谓的“shell”，诸如本领域普通技术人员已知的unixshell，或者采用面向对象型编程架构（诸如微软.net框架）的微软windowspowershell。本领域普通技术人员将领会的是，界面可以包括一个或多个gui、cli或其组合。处理器可以包括商用处理器，诸如由英特尔公司制造的celeron、core或pentium处理器，由太阳计算机系统（sunmicrosystems）制造的sparc处理器，由amd公司制造的athlon、sempron、phenom或opteron处理器，或者其可以是已经可用或即将可用的其他处理器之一。处理器的一些实施例可以包括所谓的多核处理器和/或能够在单核配置或多核配置中采用并行处理技术。例如，多核架构通常包括两个或更多个处理器“执行核”。在本示例中，每个执行核可以作为使得能够实现多个线程的并行执行的独立处理器来实行。此外，相关领域普通技术人员将领会的是，处理器可以被配置为通常所谓的32或64位架构，或者现在已知的或者可以在将来开发的其他架构配置。处理器通常执行操作系统，其可以是例如来自微软公司的windows型操作系统；来自苹果计算机公司的macosx操作系统；可从许多供应商或所谓的开源获得的unix或linux型操作系统；另一或将来的操作系统；或其某种组合。操作系统以公知的方式与固件和硬件对接，并且便于处理器协调和执行可以以各种各样编程语言编写的各种计算机程序的功能。通常与处理器协作的操作系统协调和执行计算机的其他组件的功能。操作系统还提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理和通信控制及相关服务，全部这些都根据已知技术。系统存储器可以包括可以被用来存储期望信息并且可以被计算机访问的各种各样已知的或将来的存储器存储设备中的任何存储器存储设备。计算机可读存储介质可以包括以用于信息存储的任何方法或技术实现的易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质，该信息诸如计算机可读软件指令、数据结构、程序模块或其它数据。示例包括任何通常可用的随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、电可擦可编程只读存储器（eeprom）、数字多功能盘（dvd）、诸如常驻硬盘或磁带之类的磁性介质、诸如读写紧凑盘之类的光学介质或者其他存储器存储设备。存储器存储设备可以包括各种各样已知或将来设备中的任何设备，包括紧凑盘驱动器、磁带驱动器、可移动硬盘驱动器、usb或闪存驱动器、或者软磁盘驱动器。这样的类型的存储器存储设备通常从程序存储介质读取和/或写入到程序存储介质，其诸如分别是紧凑盘、磁带、可移动硬盘、usb或闪存驱动器或软磁盘。这些程序存储介质中的任何程序存储介质，或者现在正在使用或者之后可以开发的其他程序存储介质可以被认为是计算机程序产品。如将领会的是，这些程序存储介质通常存储计算机软件程序和/或数据。计算机软件程序（也被称为计算机控制逻辑）通常存储在系统存储器和/或与存储器存储设备结合使用的程序存储设备中。在一些实施例中，描述了计算机程序产品，其包括具有存储于其中的控制逻辑（计算机软件程序，包括程序代码）的计算机可用介质。控制逻辑当被处理器执行时使处理器实行本文中描述的功能。在其他实施例中，一些功能主要使用例如硬件状态机在硬件中实现。实现硬件状态机以实行本文中描述的功能对相关领域技术人员将是显而易见的。输入-输出控制器可以包括用于接受和处理来自用户(无论是人类还是机器，无论是本地的还是远程的)的信息的各种各样已知设备中的任何设备。这样的设备包括例如调制解调器卡、无线网卡、网络接口卡、声卡或用于各种各样已知输入设备中的任何输入设备的其他类型的控制器。输出控制器可以包括用于向用户(无论是人类还是机器，无论是本地的还是远程的)呈现信息的各种各样已知显示设备中的任何显示设备的控制器。在目前所描述的实施例中，计算机的功能元件经由系统总线彼此通信。计算机的一些实施例可以使用网络或其他类型的远程通信与一些功能元件通信。如对相关领域技术人员将显而易见的是，仪器控制和/或数据处理应用程序如果以软件来实现可以被加载到系统存储器和/或存储器存储设备中并且从其被执行。仪器控制和/或数据处理应用程序的全部或部分也可以驻留在存储器存储设备的只读存储器或类似设备中，这样的设备不需要首先通过输入-输出控制器加载仪器控制和/或数据处理应用程序。相关领域技术人员将理解的是，仪器控制和/或数据处理应用程序或其部分可以被处理器以已知的方式加载到系统存储器或高速缓存存储器或两者中，如有利于执行的那样。而且，计算机可以包括一个或多个库文件、实验数据文件以及存储在系统存储器中的互联网客户端。例如，实验数据可以包括与一个或多个实验或化验有关的数据，诸如所检测到的信号值，或与一种或多种合成测序（sbs）实验或过程相关联的其他值。附加地，互联网客户端可以包括能够使用网络访问另一计算机上的远程服务的应用程序，并且可以例如包括一般所谓的“网页浏览器”。在本示例中，一些常用的网页浏览器包括从微软公司可获得的微软internetexplorer、来自mozilla公司的mozillafirefox、来自苹果计算机公司的safari、来自谷歌公司的googlechrome，或者本领域当前已知的或在将来开发的其他类型的网页浏览器。而且，在相同或其他实施例中，互联网客户端可以包括使得能够经由网络访问远程信息的专用软件应用程序或者可以是其的元件，诸如用于生物应用的数据处理应用程序。网络可以包括本领域普通技术人员公知的许多不同类型的网络中的一个或多个。例如，网络可以包括局域网或广域网，其可以采用通常所谓的tcp/ip协议套件进行通信。网络可以包括包含通常被称为互联网的全球互连计算机网络系统的网络，或者还可以包括各种内联网架构。相关领域普通技术人员还将领会的是，联网环境中的一些用户可能更喜欢采用一般所谓的“防火墙”（有时也被称为包过滤器或边界保护设备）来控制往返于硬件和/或软件系统的信息通信量。例如，防火墙可以包括硬件或软件元件或其某种组合，并且通常被设计成执行由用户（诸如例如，网络管理员等）落实到位的安全策略。如本文中所使用的术语“约”指代±10%。术语“包括（comprises）”、“包括（comrising）”、“包含（includes）”、“包含（including）”、“具有”及其同源词意指“包括但不限于”。该术语包括术语“由……组成”和“基本上由……组成”。短语“基本上由……组成”意指成分或方法可以包括附加的组成部分和/或步骤，但仅在附加的组成部分和/或步骤不实质地更改要求保护的成分或方法的基本和新颖特征的情况下。如在本文中使用的，除非上下文另行明确规定，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包含其混合物。词语“示例性的”在本文中被用于意指“用作示例、实例或例示”。被描述为“示例性的”任何实施例不一定被解释为优于或好于其他实施例和/或排除来自其他实施例的特征的并入。词语“可选地”在本文中被用来意指“在一些实施例中提供而在其他实施例中不提供”。除非这样的特征冲突，本发明的任何特定实施例可以包括多个“可选的”特征。要领会的是，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的公开系统和方法的某些特征也可以在单个实施例中以组合的形式提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以在本发明的任何其他所描述的实施例中单独地或以任何适合的子组合的形式或者如适合的那样提供。虽然已经结合其具体实施例描述了本发明，但是许多替换方案、修改和变化对本领域技术人员是显而易见的。因此，意图涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的全部这样的替换方案、修改和变化。当前第1页12