同軸漫反射率讀出頭的製作方法

2023-05-28 21:36:31 5

專利名稱：同軸漫反射率讀出頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量對生物樣品的光響應的儀器，諸如那些用於測量血液中葡萄糖含量的儀器。
背景技術：
通常在測試條的輔助下對醫學狀況進行診斷和監控，該測試條對生物樣品(例如全血中的葡萄糖)中的分析物和放置於測試條上的試劑之間的反應產生光學響應(例如顏色)。雖然可以在視覺上讀取光學響應，但他們還是往往用反射率光度學進行測量。在這種方法中，光直接引導到測試條上含試劑的區域，從測試區返回的光被檢測、並且將其與測試條上起反應的分析物的量相關聯。
很多專利公開了用於改進應用反射率光度學的儀器性能的光源和光探測器的配置。這些例子包括專利號為6181417、5611999、4890926、5155628、5449898和5477326的美國專利。一般地，發光二級管用於提供高強度、窄帶寬的光源，從測試條返回的受測試區光學特性影響的、被稱作漫射光的光被光電探測器收集並測量。防止這裡被稱作鏡面光(specular light)的不受測試區影響的返回的光到達光探測器。
當在光源和光探測器之間行進時，光以本領域技術人員熟悉的各種方法被處理，一些方法中已經應用了光纖。一個例子是專利號為5701181的美國專利，其中發光二極體以30度的角度通過光纖束提供光到測試條上的墊。反射光經由位於帶有螺紋的折流板(baffle)後面的雙凸透鏡到另一束光纖被引導到光探測器。
在專利號為6157472和6535753的美國專利中描述了另一完全不同設計的感應裝置。它在一獨立裝置中應用光纖將光引導進入一個非常小的直接與被測物體接觸的感應尖端，並接收從該感應尖端反射回的光。該感應尖端非常小，能夠以微弱感覺或者沒有感覺地進入患者皮膚。該尖端塗敷有這樣的材料，選擇所述材料使其與待測的分析物反應。專利號為6535753的美國專利中給出的一個例子應用了葡萄糖氧化酶試劑系統。已經提出用尖端帶有試劑的光纖測量諸如一氧化氮的其它分析物。專利號為6636652的美國專利給出了另一個例子。
一般的儀器有很多與光處理有關的限制。從測試區返回的漫射光的量很小，因此測試區域必須相對較大，這導致設備比期望的更大。儀器的光學元件的布置給設計者造成了難題。此外，消除鏡面光反射，即不受測試區的光響應影響的光，通常不能完全成功。因此，一直尋求對這些儀器的進一步的改進。本發明應用了纖維光學以克服傳統儀器中的限制，這將從下面的描述中看到。

發明內容
在一個實施例中，本發明是一種同軸漫反射率讀出頭，該讀出頭提供了對反射率光度法性能的改進，所述反射率光度法用於測量對生物樣品(例如全血中的葡萄糖)中的分析物和測試條上的合適的試劑之間的反應的光響應。同樣的光纖被同軸地使用，即發射準直光到測試區並返回漫射光和鏡面光。分束器將來自光源的準直光引導進入光纖，並將從測試區接收的鏡面光引導向空間濾波器，空間濾波器放置成阻止鏡面光到達光探測器。從空間濾波器周圍通過的漫射光由光探測器測量，然後將其與在測試區中反應的分析物的數量相關聯。在一優選實施例中，分束器的邊緣被斜切，優選以45度的角度斜切，相比具有90度邊緣的分束器，限制了漫反射光的損耗。
另一方面，本發明是一種測量從暴露在光源下的測試區返回的漫射光的方法。準直光經由分束器和光纖到達測試區。光纖或者與測試區接觸，或者非常接近測試區。從測試區返回的漫射光和鏡面光都經由光纖到達分束器。穿過分束器的鏡面光到達充當空間濾波器的不透明區，而漫射光在空間濾波器周圍通過併到達光探測器。
在另一實施例中，本發明是一種同軸反射率讀出頭，它改進了塗敷有用於直接與樣品接觸的試劑的光纖傳感器的性能。該光纖末端代替上述實施例使用的測試條。引導到光纖末端和樣品的光被光纖返回到光探測器，鏡面光通過分束器並被充當空間濾波器的不透明區阻止進入光探測器，而包括有關樣品的光響應信息的漫射光從空間濾波器周圍通過併到達光探測器。


圖1是本發明的光學裝置的概略圖；圖2是本發明的優選光學裝置的概略圖；圖3是本發明的讀出頭的截面圖；具體實施方式
在臨床化學中使用的用於確定某種疾病標誌的存在或不存在的測試條，通常會響應於塗敷在測試條上的樣品中感興趣的分析物的存在而產生光響應(例如改變顏色)。該測試條的光響應可以參考顏色表等被讀出，但是通常採用儀器以更精確地測量光學響應。測量全血中的葡萄糖含量尤其重要，但是其他諸如蛋白質、血液、酮、膽紅素、尿膽素原、亞硝酸鹽、膽固醇等分析物也可以同樣的方式測試。
在這樣的儀器中，光源為測試區提供光，從表面返回的光被測量並且與在測試條上反應的分析物的數量相關聯。返回的光可以分成兩種類型，第一種是僅從測試區返回而不受發生在測試區的顏色變化(或者其它光學響應)影響的光，這種光被稱作「鏡面光」。鏡面光是「噪聲」並且因此不應該到達用於檢測第二種類型的光的光探測器，第二種類型的光被稱作「漫射光」，已經知道，漫射光受測試區的影響，使得它代表了測試區中樣品對試劑的光學響應。因此漫射光提供了存在於測試區中的分析物的量的度量。例如，入射光可以在與所形成的顏色對應的波長被吸收，使得漫射光與分析物的量成比例地缺少那些波長。
在諸如先前提到的專利中所描述的那些儀器中，光學元件的各種布置用於限制鏡面光到達光探測器並恢復漫射光的最大量，以便對漫射光的測量儘可能精確。一般地，使用發光二極體或其它光源。光源和與它相關的光學裝置、測試區和光探測器被放置成限制鏡面光的恢復並使漫射光的恢復最大化。在能夠減小讀出頭的尺寸和克服先前設計的機械局限性的同時，本發明提供了改進的性能。
通過經由接近或者實際上接觸測試區的單個光纖傳輸光到測試區和從測試區傳輸光，本發明與現有技術的設計相比，減小了測試區的尺寸。在優選實施例中，該光纖直徑大約1mm。因為該光纖非常小和柔軟，所以有可能將光纖的剩餘部分定位成非常接近光源、測試區和光探測器，而不用擔心先前指出的光損耗。還可減少在讀出頭的製造中對精密機械容差的需要。最終，從整個區域收集從測試區離開的漫射光，在光通過透鏡或其它光學元件引導到與測試區有一段距離的光探測器中時，這是不容易實現的。
圖1提供了本發明主要部件的示意圖。例如由發光二極體(或其它光源)和準直透鏡提供的準直光10被引導到相對光柱以45度角放置的分束器12。分束器是光學領域技術人員所熟悉的。它們能夠將一部分它們接收的光傳遞到基準探測器，基準探測器提供對在使用一段時間後發生的照射光強度變化進行校正的裝置。剩餘的光由分束器反射進入測試區。在本發明的一個實施列中，反射光被導向位於分束器附近的光纖14，優選距離表面大約2mm。光穿過光纖直至到達測試區(未示出)。因為光纖基本上與測試區尺寸相同，所以測試區接收所有的準直光。離開測試區的光通過同一光纖14返回。鏡面光被認為僅僅是反射且不受顏色或其它由發生在測試區上的反應形成的光響應的影響。漫射光受發生在測試區內的光響應的影響，且包含確定在測試區反應的分析物的量所需的信息。這兩種類型的光通過光纖返回。當它們到達分束器時，鏡面光16被認為是保持準直的且穿過分束器。鏡面光由分束器12中使用的材料折射，如圖1和2所示。鏡面光被充當空間濾波器18的不透明區阻止進入光探測器22。漫射光20被認為是這樣的光，其離開光纖14時散開且穿過所示分束器12及從其周圍通過併到達光探測器22。到達光探測器的漫射光被轉換成為電信號，該電信號通過算法關聯，以指示測試區內反應的分析物的量。[17]從圖1可看出，由於一些漫射光掠過光探測器並且一些漫射光在分束器邊緣沒有穿過分束器，因此一部分漫射光丟失。在圖2所示的類似但優選的實施列中，更多的漫射光被光探測器捕獲和測量。在那個實施例中，為減小漫射光的損失，分束器12的外邊緣被斜切，以圖2中所示的45度角為例。優選的角度可以根據分束器的光學特性、光纖端部相對於分束器的位置和與讀出頭中光學元件的相對位置相關的其它因素而變化。
在本發明特定實施例中，光源是產生中心波長為大約400nm～約1000nm的窄帶寬光的發光二極體，由準直透鏡使該光準直。光源和相關的光學裝置距離分束器大約3mm放置，分束器可以是現有技術中已知幾種類型中的一種，優選地，可以是50/50板式分束器。分束器厚度大約0.5mm，長度大約9mm，寬度大約3.5mm。準直光的直徑小於光纖的直徑。例如，直徑0.75mm的光束對直徑1mm的光纖，當然準直光和光纖的直徑可按需要變換以對應於待讀取的測試區的尺寸。一般希望直徑為大約0.25～3mm。光纖位於樣品測試區附近以限制返回光的損失。優選該距離為0.25mm～2.0mm。如上所述，本發明的特徵在於，光纖允許測試區以一種方式與相關的照射和檢測光學裝置分離，這種方式用不具有光纖的一般儀器是不可能實現的。如果意圖光纖每一次使用後就被丟棄，光纖一般長度會很短，例如大約5～約15mm。然而，如果每一次使用後無需替換，光纖也可以更長。經由光纖返回的鏡面光和漫射光將穿過與空間濾波器相距約1mm～約2mm放置的分束器。空間濾波器直接位於光探測器前面，阻擋鏡面光。空間濾波器和光探測器的寬度為約0.5～約3.5mm，阻擋鏡面光的不透明區通常比光纖的直徑大。例如，如果光纖具有1mm的直徑，那麼空間濾波器的不透明部分將是大約1.4mm，以確保阻擋所有鏡面光。顯然，對光學領域的技術人員來說，光學元件的位置和尺寸可以變化，而並不脫離本發明的概要。例如，如果準直光束直徑是2mm，那麼光纖直徑將會是2.5mm，空間濾波器的直徑將會是3.0mm。
圖3在截面圖中顯示了本發明的讀出頭30的配置，其中光源和光探測器沒有與讀出頭集成在一起。讀出頭30的主體32可以是各種材料的，一般使用黑色ABC樹脂。除了結構整體性之外的主要設計考慮是主體32採用黑色以減少照射通道和檢測通道間的雜散光串擾。如前面討論的，讀出頭不必靠近測試區，前面的設計就是這種情況。照射測試區的光能夠由發光二極體或者諸如滷素燈這樣的白光光源提供。在該例中，光進入並通過光纖34，由透鏡系統36準直。準直光通過孔徑38，導向分束器40，分束器40將一小部分光傳遞到與準直光方向對齊的基準光探測器(未示出)。剩餘的光以45度角導入將光傳輸到測試區(未示出)的光纖42。漫射光和鏡面光經由光纖42從測試區返回併到達分束器40，分束器40將返回的光導向空間濾波器44和將漫射光聚焦到光纖48上並通向光探測器(未示出)的透鏡46。在可選實施例中，發光二極體光源可能緊密耦合到讀出頭並且光探測器也靠近讀出頭放置，這對本領域技術人員來說是顯而易見的。
兩個可選實施例涉及光纖端部相對測試區的放置。首先，光纖端部放置成靠近但不接觸包含與樣品中分析物反應的試劑的測試區。例如，光纖可以距測試區表面大約0.05mm～約0.25mm，使得光纖接收儘可能多的反射光，而汙染風險最小。在這樣的實施例中，因為是測試區使用一次就丟棄，所以光纖可以用於多次測試而無需替換。即測試區相當於包含試劑的測試條，液體樣品放置在試劑上並反應。
在第二實施例中，光纖直接與測試區內樣品接觸。與第一實施例相比，並不將樣品加到測試區以接觸先前放置在那的試劑，諸如在血液中葡萄糖的檢測中所使用的測試條那樣。相反，光纖末端載有與樣品中分析物(例如葡萄糖)反應所需的試劑。當光纖末端接觸樣品時，發生必要的反應並獲得光學響應。正如在第一實施例中那樣，準直光進入光纖末端和樣品間的界面，並且反射光經由光纖返回到光探測器。因為光纖端部實際上成為測試條，所以每次使用後光纖將被替換。
在任一實施例中，可將儀器編程為在測試條或樣品處於適當位置後開始監測離開測試區的光。從測試區返回的光突然下降就是樣品和試劑間的反應開始的指示，這能用於確定化驗的精確開始時間。由於得知化驗的確切開始時間，可以改進性能和減少測試時間。
本發明可以用於確定很多分析物。例如，在本發明的一個實施例中，測試區可以包含適用於確定葡萄糖的試劑，例如與指示劑結合的葡萄糖氧化酶(enzyme glucose oxidase)，所述指示劑例如為四甲基聯苯胺(tetramethylbenzidine)或、聯大茴香胺(dianisidine)、或在過氧化物酶存在時的4-氨基安替比林(4-aminoantipyrine)加p-羥基苯磺酸鹽。可選擇地，也能夠與諸如下列的四唑指示劑結合使用酶葡萄糖氧化酶碘硝基四唑紫(INT)、氮藍四唑(NBT)或者四氮藍四唑(TNBT)。
為了確定血液樣品中的膽固醇，測試區可以包含膽固醇酯水解酶(EnzymesCholesterol ester hydrolase)和膽固醇氧化酶(Cholesterol oxidase)再加上指示劑，所述指示劑例如為四甲基聯苯胺、或聯大茴香胺、或在過氧化物酶存在時的4-氨基安替比林加p-羥基苯磺酸鹽。
為了確定甘油三酯，脂肪酶、甘油激酶、甘油磷酸酯和心肌黃酶與諸如碘硝基四唑紫(INT)、氮藍四唑(NBT)或者四氮藍四唑(TNBT)這樣的四唑指示劑相結合，將產生指示甘油三酯水平的顏色。脂肪酶、甘油激酶、甘油磷酸酯氧化酶與諸如四甲基聯苯胺、或聯大茴香胺、或在過氧化物酶存在時的4-氨基安替比林加p-羥基苯磺酸鹽的指示劑結合，也將產生響應甘油三酯的顏色。[26]對澱粉酶敏感的測試可以由α葡萄糖苷酶和發色指示劑4，6-亞乙基(G7)硝基苯基(G1)-(α)D-maltoheptoside進行。血色素可以由鐵氰化鉀、氰化鉀和碳酸氫鈉檢測，其中血色素被轉化成高鐵血紅蛋白。
當光纖末端充當用於試劑的載體時，即變得等同於測試條時，雖然化學式可能為光纖端部的應用而按需要改變，但主要的試劑將基本上與用於測試條的試劑相同。
權利要求
1.一種同軸漫反射率讀出頭，包括(a)準直光源；(b)分束器，其適用於從所述準直光源接收準直光，並適於將所述準直光的一部分導向光纖；(c)光纖，其適用於將從位於所述光纖一端的所述分束器接收的所述準直光導向到位於所述光纖另一端的測試區，並適用於將從所述測試區返回的鏡面光和漫射光導向至所述分束器，所述光纖或者與所述測試區接觸，或者非常靠近所述測試區；和(d)空間濾波器，其適用於從所述分束器接收所述鏡面光和阻止所述鏡面光到達光探測器。
2.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，進一步包括放置於所述空間濾波器後面的光探測器，其適用於從所述分束器接收漫射光和根據所述漫射光產生電信號。
3.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，進一步包括用於接收所述準直光的第二部分的基準光探測器，所述第二部分的準直光穿過所述分束器。
4.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述分束器的外邊緣被斜切以減小從所述光纖接收的漫射光的損失。
5.如權利要求4的同軸漫反射率讀出頭，其中所述分束器的外邊緣以45度角斜切。
6.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖具有基本上等於所述測試區的直徑。
7.如權利要求6的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖和所述測試區具有約0.25～約3mm的直徑。
8.如權利要求7的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖具有大約1mm的直徑。
9.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述空間濾波器包括放置成阻止鏡面光通過所述分束器的不透明區。
10.如權利要求9的同軸漫反射率讀出頭，其中所述不透明區比所述光纖大。
11.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖在所述光纖另一端上塗敷有試劑，並且所述光纖放置成接觸所述測試區上的樣品。
12.如權利要求11的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖是一次性的。
13.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖非常靠近所述測試區放置，以最小化所述準直光的損失。
14.如權利要求12的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖放置成與所述測試區相距約0.25～2mm。
15.如權利要求13的同軸漫反射率讀出頭，其中所述測試區包含測試條，該測試條含有用於與所述測試條內的樣品反應的試劑。
16.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述準直光源包括發光二極體。
17.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述準直光源是滷素燈。
18.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述分束器是50/50分束器。
19.如權利要求1的同軸漫反射率讀出頭，其中所述光纖具有比所述準直光直徑大的直徑。
20.一種測量生物樣品中分析物的方法，該方法包括以下操作(a)從光源提供準直光；(b)用分束器將所述準直光引導到光纖的第一端中，所述光纖的另一端與測試區接觸，或者非常靠近所述測試區；(c)經由所述光纖將從所述測試區返回的漫射和鏡面光引導到所述分束器，所述鏡面反射光穿過所述分束器並接觸空間濾波器，由此防止所述鏡面光被檢測到，所述漫反射光從所述空間濾波器周圍通過並接觸光探測器；以及(d)用所述光探測器測量漫反射光，將測得的漫反射光與所述生物樣品中分析物的量相關聯。
21.如權利要求20的方法，其中所述光纖具有基本上等於所述測試區的直徑。
22.如權利要求20的方法，其中所述分束器的外邊緣被斜切以減少從所述光纖接收的漫射光的損失。
23.如權利要求20的方法，其中所述光纖在所述光纖的所述另一端上塗敷有試劑，並且所述光纖放置成接觸所述測試區上的所述樣品。
24.如權利要求20的方法，其中所述光纖放置成非常靠近所述測試區並且最小化所述準直光的損失。
25.如權利要求24的方法，其中所述光纖將準直光提供到所述測試區內的測試條。
26.如權利要求20的方法，其中監測所述測試區內漫射光的初始變化，所述漫射光的變化用於指示與所述測試區內的所述分析物反應的開始。
27.如權利要求20的方法，其中所述分析物是葡萄糖並且所述生物樣品是全血。
全文摘要
通過應用光纖將準直光導引至測試區並從測試區將漫射光和鏡面光返回，獲得反射率光度學性能上的改進。當收集和測量漫射光時，通過空間濾波器防止鏡面光到達光探測器。
文檔編號G01N21/47GK101031790SQ200580019617
公開日2007年9月5日 申請日期2005年6月16日 優先權日2004年6月17日
發明者A·J·多斯曼 申請人:拜爾健康護理有限責任公司