專利名稱：具有用于對(duì)多個(gè)分析物進(jìn)行化學(xué)分析的可置換元件的手持式裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一種依據(jù)分光光度測量法(spectrophotometry)對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行分析和測量的方法和設(shè)備，特別是涉及一種便攜式手持式傳感器系統(tǒng)，其利用可置換光學(xué)測試元件和光譜檢測器對(duì)多種物質(zhì)進(jìn)行定量測定。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道多種化學(xué)物質(zhì)所吸收的光與存在于樣本中的該物質(zhì)的濃度成比例。此外，透過這樣一種物質(zhì)透射的光具有吸收率光譜，該吸收率光譜由該物質(zhì)的光吸收屬性以及光所穿過的任何其他介質(zhì)的屬性來表征。為了進(jìn)行分析，可以將這種吸收率光譜用棱鏡展現(xiàn)出來。通過忽視(discount)歸因于強(qiáng)度損失和其他吸收劑的吸收率光譜部分，化學(xué)物質(zhì)的光譜可以被分離出來，并且可以確定其身份和濃度。所述忽視或“參考(referencing)”是通過在沒有所述化學(xué)物質(zhì)的情況下確定光源和任何分光光度計(jì)組分的吸收率光譜而進(jìn)行的。所述參考通常是在時(shí)間和空間上接近對(duì)化學(xué)物質(zhì)的吸收率測量時(shí)作出的，以便使誤差最小化。
眾所周知的是，用于確定化學(xué)物質(zhì)濃度的便攜式、電池供電裝置是商業(yè)上可獲得的。其實(shí)例包括Hach公司提供的便攜式光度計(jì)和Merck的便攜式反射計(jì)。光度計(jì)和反射計(jì)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)評(píng)論在Comprehensive Analytical Chemistry，Chemical Test Methods of Analysis(Y.A.Zolotov et al.，Elsevier，New York(2002))中給出，以及在Review of Scientific Instruments(Kostov，Y.and Rao，G.，Vol.71，4361(2000))的評(píng)論論文中給出。采用這些系統(tǒng)使得實(shí)驗(yàn)室外的化學(xué)分析成為可能。然而，仍然需要對(duì)下述領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)1、采用便攜式儀器的一些測試會(huì)用到有毒的或者腐蝕性的反應(yīng)物。有些測試對(duì)于單個(gè)測試使用大量的固體反應(yīng)物。例如，許多Hach測試方法對(duì)于單個(gè)分析物使用200毫克或者更多固體反應(yīng)物。
2、操作員必須將反應(yīng)物和樣本轉(zhuǎn)移到測量單元。樣本操作和反應(yīng)物處理是化學(xué)分析的不方便的部分，并且增加了從操作員到操作員的誤差。
3、由濕化學(xué)分析產(chǎn)生的液體廢品必須根據(jù)適用的法律得以安全地處置。
4、當(dāng)前可以利用的測試方法無法在單個(gè)測試中容易地確定多于一個(gè)的無關(guān)分析物。
5、盡管大多數(shù)便攜式裝置具有數(shù)據(jù)解譯和存儲(chǔ)能力，但是大多數(shù)測試結(jié)果仍然需要人工地轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)庫中。
已經(jīng)廣泛地嘗試了利用測試帶的其他方法進(jìn)行對(duì)大量分析物的半定量分析。這里，定量結(jié)果可以通過可置換的光學(xué)傳感器元件獲得，并且由光度計(jì)讀出。在大多數(shù)情況下，僅有單個(gè)分析物通過光學(xué)傳感器元件確定。由于透射吸收率被測量，因此很難生產(chǎn)用于無需校準(zhǔn)測試的可置換光學(xué)傳感器元件。
可置換化學(xué)傳感器是本領(lǐng)域公知的。例如，美國專利5,830,134描述了一種傳感器系統(tǒng)，其用于檢測被設(shè)計(jì)用于補(bǔ)償大量干擾因素的物理化學(xué)參數(shù)(例如通過利用部分地可置換的監(jiān)測單元產(chǎn)生的參數(shù))，因此不再需要校準(zhǔn)步驟。
另一個(gè)美國專利5,156,972公開了一種基于光吸收、光發(fā)射、光散射、光偏震以及電化學(xué)地和壓電地測量的參數(shù)的化學(xué)傳感器。
用于光學(xué)標(biāo)記化合物和化學(xué)傳感器的散射受控發(fā)射也已經(jīng)公開在美國專利6,528,318中。
利用參考和指示器傳感器的傳感器陣列是公知的，并且描述在美國專利4,225,410中。這里，傳感器可以被單獨(dú)地校準(zhǔn)，從而每個(gè)分析可以直接地被讀出。
美國專利5,738,992公開了一種方法，其利用參考材料來校正熒光波導(dǎo)傳感器的測量值。美國專利5,631,170教導(dǎo)了一種通過利用參考反應(yīng)物標(biāo)記波導(dǎo)的用于熒光波導(dǎo)傳感器的參考方法。應(yīng)該指出的是，在該方法中用到的內(nèi)部吸收標(biāo)準(zhǔn)方法在幾個(gè)方面完全不同于現(xiàn)有技術(shù)。
首先，本發(fā)明中用到的多角度散射引發(fā)吸收率檢測方案不同于利用具有與入射光束波長大概相同的尺寸的薄膜厚度的薄元件的傳統(tǒng)衰減全反射(ATR)傳感器。這些薄元件還可以包括用作內(nèi)部參考的熒光團(tuán)。與此相反，本發(fā)明涉及較厚的薄膜元件，其不需要接近入射光束波長的厚度，并且利用基于吸收率的可替換內(nèi)部參考。
雙波長或雙光束方法在分光光度計(jì)分析中是公知的。在“ReferencingSystems for Evanescent Wave Sensors”(Stewart，G.et al.，Proc.Of SPIE，1314，262(1990))中提出了一種雙波長方法來補(bǔ)償傳感器表面上的污染的效應(yīng)。授予Loeppert的美國專利4,760,250描述了一種光電子系統(tǒng)，其用于測量環(huán)境屬性，其中采用反饋受控光源以使得與光源穩(wěn)定性和組件老化相關(guān)的問題最小化。類似的反饋受控雙波長方法描述在授予Vurek的美國專利3,799,672中。一種雙光束反射分光光度計(jì)描述在“Optical Fiber Sensor for Detection of HydrogenCyanide in Air”(Jawad，S.M.and Alder，J.F，Anal.Chim.Acta 259，246(1991))中。在Jawad和Alder的方法中，兩個(gè)LED被交替地通電。在兩個(gè)波長下的輸出比率被用來降低由用于氰化氫檢測的傳感器元件的背景吸收所引起的誤差。這些雙波長方法是有效的，其用于使由光學(xué)或機(jī)械組件老化和光源長期穩(wěn)定性問題引起的誤差最小化。然而，與可置換測試元件的有效光學(xué)路徑長度的變化相關(guān)的誤差還是沒有被解決。
一種包含可丟棄或可置換測量裝置以及還包含一個(gè)或多個(gè)傳感器的可置換傳感器系統(tǒng)公開在美國專利5,114,859中。
此外，對(duì)于多種分析物的分析由如美國專利6,007,775中所描述的微制造傳感器進(jìn)行。
在“Application of a Plastic Evanescent-Wave Sensor to ImmunologicalMeasurements of CKMB”(Slovacek，R.E.；Love，W.F.；Furlong，S.C.，Sensors andActuators B，29，pp.67-71(1995))中表明，由非臨界表面處理的傳感器可以被制成具有改進(jìn)的魯棒性。這些傳感元件被構(gòu)造成鈍尾塑料錐形，其上沉積有傳感化學(xué)組分。這些傳感元件是由塑料注入模制的，從而使得它們?cè)谏虡I(yè)上很有吸引力。
總體上，已經(jīng)知道現(xiàn)有的傳感器具有幾個(gè)突出的缺點(diǎn)，從而限制了其對(duì)于現(xiàn)場分析應(yīng)用的適用性。這些缺點(diǎn)包括1、需要傳感器中的測試帶的臨界對(duì)準(zhǔn)來執(zhí)行準(zhǔn)確讀數(shù)。
2、需要降低由測試帶質(zhì)量變化引起的誤差(嵌入的反應(yīng)物濃度、有效光學(xué)路徑長度、以及組件老化)。
3、當(dāng)測試元件暴露于一種樣本時(shí)，需要降低由測試元件中的諸如膨脹、收縮或者/以及微裂等物理變化引起的誤差。
4、需要確定化學(xué)傳感器響應(yīng)中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)來進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。
5、不能從不可逆化學(xué)組分中收集動(dòng)態(tài)傳感器信息。
6、不能從暴露于樣本的不可逆化學(xué)組分中收集實(shí)時(shí)信息。
7、不能從多個(gè)不可逆化學(xué)組分中分析動(dòng)態(tài)傳感器信息以便提供傳感器系統(tǒng)的改進(jìn)的量化能力。
由于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)，低成本、手持式并且無需校準(zhǔn)的傳感器系統(tǒng)還沒有被展示出來。本發(fā)明所公開的傳感器系統(tǒng)致力于解決上面概述出的缺點(diǎn)。具體來說，當(dāng)樣本與傳感器起化學(xué)反應(yīng)時(shí)，本發(fā)明中的傳感器可以通過跟蹤不可逆?zhèn)鞲衅骰瘜W(xué)組分的動(dòng)力學(xué)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化率來收集動(dòng)態(tài)信息，以便量化濃度級(jí)。
考慮到前述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于分析物濃度的量化確定的便攜式、可置換的手持式傳感器系統(tǒng)。還希望提供一種不需要每次在新的一組測試前進(jìn)行校準(zhǔn)的系統(tǒng)。在這點(diǎn)上，本發(fā)明采用了在相同傳感器元件上的雙光分析，其中將樣本響應(yīng)與內(nèi)部參考相比較，從而不再需要每次在新的一組分析前進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，使用內(nèi)部參考極大地降低了對(duì)于裝置的光學(xué)和機(jī)械耦合的需要，從而在對(duì)測試結(jié)果準(zhǔn)確度的影響最小的情況下為制造和安裝過程提供了成本優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠與例如口袋式個(gè)人計(jì)算機(jī)或無線移動(dòng)電話或衛(wèi)星等信息處理單元通信的傳感器，以便可以對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行電子操作、傳輸或者存儲(chǔ)。
需要注意的是，本發(fā)明提供了一種不需要液體反應(yīng)物的通用光度計(jì)和/或光譜測試方法。這樣不僅簡化了測試，而且減少了與處理和處置有毒反應(yīng)物材料相關(guān)的昂貴的、勞動(dòng)密集的需求。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于測量化學(xué)物質(zhì)中的分析物濃度的便攜式、可置換手持式傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一種通用的光度計(jì)和/或光譜測試方法，其中不需要液體反應(yīng)物，并且不需要每次在新的一組分析前進(jìn)行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)的主要組件包括固定在可置換測試元件上的薄膜傳感反應(yīng)物；用于以可再現(xiàn)方式安裝測試元件的適配器；以及光源，其能夠激發(fā)來自于測試元件的光度響應(yīng)。因此，該系統(tǒng)包括與合適的耦合裝置、固定裝置、電源和電子電路相組合的商業(yè)上可利用的光源和光電檢測器，從而使得該系統(tǒng)能夠與計(jì)算機(jī)或者其他顯示、存儲(chǔ)或處理單元接口并且向其傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還設(shè)想了附加的設(shè)備來支持它的主要功能，例如在傳感測量期間將測試元件與周圍光隔離的擋板。還可以理解的是，本發(fā)明提供了一種高響應(yīng)傳感器系統(tǒng)，其能夠被擴(kuò)展成利用單次的多段式測試元件來測量多個(gè)分析物，并且能夠容易地搬運(yùn)到化學(xué)或生物樣本現(xiàn)場分析所需要的幾乎任何位置。這樣的位置的實(shí)例包括遠(yuǎn)距離的湖或河流，或者在高建筑物的頂部的冷卻塔。
通過參考附圖閱讀下述詳細(xì)說明以及所附權(quán)利要求書，本發(fā)明及其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)變得更明顯。
附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的手持式傳感器系統(tǒng)的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可替換實(shí)施例的多段式可置換光學(xué)元件的前視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可置換測試元件的透視圖；圖4是利用多段式測試元件的根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的手持式傳感器系統(tǒng)的透視圖；圖5是來自于單個(gè)分析物的雙波長響應(yīng)的實(shí)例；圖6是一系列吸收級(jí)的實(shí)例，其中示出了暴露于光的不同濃度的墨水的光譜響應(yīng)中的變化；圖7是根據(jù)本發(fā)明給出的實(shí)例的另一種測量配置的透視圖；圖8是利用聚碳酸酯反射元件獲得的基線光譜和樣本光譜的實(shí)例；圖9是在參考校正前的0.5ppm NaOCl樣本光譜的實(shí)例，其中光學(xué)元件位置被緊緊地控制。
圖10是在參考校正后的0.5ppm NaOCl樣本光譜的實(shí)例，其中光學(xué)元件位置被緊緊地控制。
圖11是對(duì)應(yīng)于表1中列出的參考校正后的吸收率的校準(zhǔn)曲線的實(shí)例；圖12是在參考校正前的0.5ppm NaOCl樣本光譜的實(shí)例，其中光學(xué)元件位置沒有被緊緊地控制。
圖13是在參考校正后的0.5ppm NaOCl樣本光譜的實(shí)例，其中光學(xué)元件位置沒有被緊緊地控制。
圖14是用于實(shí)例1的測量配置的示意性描述；圖15是用于實(shí)例5的手持式傳感器系統(tǒng)的示意性描述；圖16是用于實(shí)例5的手持式傳感器的透視圖；以及圖17是利用實(shí)例5中描述的手持式傳感器獲得的校準(zhǔn)曲線。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及一種用于通過利用特定化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)屬性來測量化學(xué)物質(zhì)濃度的方法和設(shè)備；例如，與另一種化學(xué)品(例如選擇分析物)反應(yīng)的物質(zhì)的屬性引起在第一反應(yīng)物中的化學(xué)變化，并且導(dǎo)致原始的含有化學(xué)品的材料的光吸收屬性的變化。在操作中，本發(fā)明通過光吸收、發(fā)光、光散射或者其他基于光的響應(yīng)中的變化來測量測試元件對(duì)于特定分析物的響應(yīng)。在本發(fā)明中描述的分析物是化學(xué)物類，但是還可以預(yù)見本發(fā)明包括生物物種，其中生物分析物的相互作用刺激類似的測試元件響應(yīng)。作為一個(gè)實(shí)例，這種生物系統(tǒng)可以是固定的酶，其刺激與分析物濃度成比例的光響應(yīng)，例如，響應(yīng)于三磷酸腺甙(ATP)的熒光素酶。
現(xiàn)在參考附圖，圖1顯示了一個(gè)基本的傳感器系統(tǒng)，其包含可置換測試元件2，其大體上是顯微鏡載玻片的尺寸，并且可拆卸地安置在適配器4上。測試元件2由諸如玻璃或有機(jī)聚合材料等適當(dāng)?shù)耐该魑镔|(zhì)制成，其具有通常大于1的折射率(n1)。在測試元件的一部分的一側(cè)或兩側(cè)上涂有含有反應(yīng)物的薄的透明聚合物薄膜，所述反應(yīng)物需要與分析物發(fā)生反應(yīng)以便產(chǎn)生顏色產(chǎn)物(colorproduct)。該反應(yīng)物薄膜可以通過浸漬涂覆或者旋涂測試元件或者通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他方法而被固定到測試元件上。應(yīng)該可以理解的是，除了涂覆一部分測試元件外，還可以涂覆整個(gè)測試元件。與上述反應(yīng)物物質(zhì)相組合，所述反應(yīng)薄膜涂層還包括參考染料，其用來提供內(nèi)部光吸收率標(biāo)準(zhǔn)(或者內(nèi)部參考)，其中該反應(yīng)物染料薄膜混合物的折射率(n2)可以小于或大于n1。該參考染料與薄膜涂層混合在一起，從而提供具有恒定的內(nèi)部光吸收率標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)物薄膜復(fù)合物。換句話說，該反應(yīng)物薄膜復(fù)合物的參考染料組分提供第一光吸收率響應(yīng)，并且該反應(yīng)物本身提供第二光吸收率響應(yīng)，從而允許該反應(yīng)物薄膜復(fù)合物提供對(duì)于輸入光能的雙光吸收率響應(yīng)(即雙光響應(yīng))。然而，不像反應(yīng)物本身，參考染料不與分析物發(fā)生反應(yīng)。因此，如果測試元件的光學(xué)或機(jī)械屬性沒有改變，在測試元件暴露于樣本之前和之后，該染料的光譜輪廓在各測試元件間保持不變。此外，由于參考染料和反應(yīng)物具有不同的光吸收率光譜，所以參考染料的光譜輪廓不會(huì)明顯地與目標(biāo)檢測波長(或波長范圍)重疊，其中所述目標(biāo)檢測波長(或波長范圍)被用來測量測試元件對(duì)于所述反應(yīng)物和分析物之間發(fā)生的反應(yīng)的響應(yīng)。通過在參考染料和反應(yīng)物之間提供這樣一種非重疊的基準(zhǔn)響應(yīng)差別，反應(yīng)物薄膜混合物提供了內(nèi)部光吸收標(biāo)準(zhǔn)或者內(nèi)部參考，從而提供了內(nèi)部雙光響應(yīng)，其消除了每次在新的一組分析之前進(jìn)行外部校準(zhǔn)和裝置校準(zhǔn)的需要。如下面更詳細(xì)討論的那樣，還應(yīng)該可以理解的是，所述內(nèi)部參考還使各裝置之間的響應(yīng)變化最小化，從而在對(duì)測試結(jié)果精度影響最小的情況下提供了顯著的制造和維護(hù)成本優(yōu)勢(shì)。因此，本系統(tǒng)的特點(diǎn)和特征很適合于成本有效的生產(chǎn)、組裝和小型化。上面引述的內(nèi)部參考是比色染料，但是這僅是許多可能實(shí)施例當(dāng)中的一種。任何不與分析物檢測化學(xué)組分發(fā)生反應(yīng)并且具有在檢測光譜外的光譜響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)均可以用作內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。該材料可以是無機(jī)復(fù)合物、顏料、染料或者微粒或納米粒子，其產(chǎn)生期望的光譜響應(yīng)并且可以用來校正由薄膜變化引起的誤差。
仍然參考圖1，安裝適配器4包含至少一個(gè)光源6，其可以是能夠發(fā)射光能21的任何器件，例如LED、激光二極管或者小型燈泡。適配器4還包含至少一個(gè)光電檢測器8，其可以是能夠檢測光能22的任何器件并且將所述能量轉(zhuǎn)換成表示測試元件對(duì)于一種或多種目標(biāo)分析物的響應(yīng)的電輸出信號(hào)。這些電輸出信號(hào)經(jīng)由電路線14被傳送到信號(hào)轉(zhuǎn)換器5。應(yīng)該可以理解的是，可以采用許多商業(yè)上可獲得的光電檢測器來獲得所期望的性能，例如光電二極管、微電機(jī)光電倍增管或者光電池，并且它們?cè)诂F(xiàn)有技術(shù)中是公知的。
適配器4還包括固定器件44，其用來對(duì)準(zhǔn)測試元件2并且關(guān)于光源6和光電檢測器8將其定位在合理的可再現(xiàn)的位置。如以下所述，本發(fā)明不需要固定器件44嚴(yán)格地定位和控制測試元件。相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于光源和光電檢測器適度或合理地控制測試元件2對(duì)于獲得準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的吸收率結(jié)果是很有效的，因此在制造、維護(hù)和組裝需求方面具有成本優(yōu)勢(shì)。
在操作中，隨著電源開關(guān)9被激活，光源6產(chǎn)生未校準(zhǔn)并且未聚焦的光束。如圖3最好地顯示的那樣，該未校準(zhǔn)并且未聚焦的光束以不同角度照射測試元件；也就是說，以小于和大于測試元件臨界角度的角度照射測試元件。如下面更詳細(xì)討論的那樣，該入射光能的一部分與固定在測試元件上的反應(yīng)物薄膜復(fù)合物發(fā)生反應(yīng)。一旦這種入射光能通過反應(yīng)物薄膜復(fù)合物，光電檢測器就能夠檢測一對(duì)光響應(yīng)光譜；也就是說，光電檢測器檢測僅來自內(nèi)部參考染料的第一光響應(yīng)以及來自反應(yīng)物薄膜本身的第二光響應(yīng)，從而允許該裝置檢測來自于入射光測試元件相互作用的雙光響應(yīng)。這樣，在測試元件光響應(yīng)光譜中的任何變化可以被檢測并測量出來，而不需要每次在新的一組分析前進(jìn)行外部校準(zhǔn)。此外，可以示出，由于入射光束的未校準(zhǔn)并且未聚焦的性質(zhì)，不需要通過固定器件44對(duì)測試元件進(jìn)行嚴(yán)格的控制和定位來提供相對(duì)準(zhǔn)確的測試結(jié)果。相反，固定裝置44僅需要對(duì)測試元件2提供適度或合理的位置控制，從而在制造過程中節(jié)約了成本。
適配器4還包含電池7來為傳感器系統(tǒng)供電；但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，可以利用許多可替換器件為傳感器系統(tǒng)供電。此外，提供適合的電子器件來允許信號(hào)轉(zhuǎn)換器5與信號(hào)處理單元10進(jìn)行通信，從而由光電檢測器8產(chǎn)生的電輸出信號(hào)可以被電子地處理及存儲(chǔ)。應(yīng)該可以理解的是，可以以現(xiàn)有技術(shù)中公知的方式利用許多公知的配置來獲得與上述實(shí)施例相同的性能，其中包括一個(gè)能夠經(jīng)由接口12與例如手持式計(jì)算機(jī)、PDA或者其他無線傳輸裝置等外部處理單元10進(jìn)行通信的實(shí)施例。此外，應(yīng)該可以理解的是，還可以利用包含內(nèi)置處理單元(未示出)的實(shí)施例。
作為實(shí)例而不是作為限制，光源6被定位成接近可拆卸測試元件2的邊緣，這樣從光源發(fā)射的入射光波21照射該測試元件的邊緣23，其中來自于光源的未校準(zhǔn)并且未聚焦的光束以最好如圖1所示的多個(gè)不同角度照射該測試元件。公知的是測試元件的臨界角度可以通過等式Θc＝sin-1(n2/n1)由基底的折射率(n2)和空氣的折射率(n1)計(jì)算得出，其中Θc是臨界角度?，F(xiàn)在參考圖3，發(fā)散的光束21以大約45o指向測試元件的邊緣。由于光束21未被校準(zhǔn)也未被聚焦，所以一部分入射光子21以大于該臨界角的角度照射該測試元件2，同時(shí)其他入射光子以小于臨界角的角度照射該測試元件。在光子21的入射角度大于臨界角Θc的情況下，光束將在薄膜-空氣界面處被完全反射。稱這個(gè)現(xiàn)象為全反射。另一方面，如果光束21的入射角度小于Θc，則入射光束將在薄膜-空氣界面處被部分反射。稱這個(gè)現(xiàn)象為部分反射。
在全反射的情況下，盡管一部分入射光束21將在測試元件的薄膜-空氣界面處被完全反射，被反射光能的一部分仍可以透入到薄膜中，并且再進(jìn)入基底，就好像它平行于該界面行進(jìn)了較短的一段距離。該能量被稱為如圖3所示的漸逝場或者漸逝波20E。由于反應(yīng)薄膜涂層18已經(jīng)被固定到測試元件的表面，漸逝波20E的一部分將在基底-薄膜界面處被薄膜涂層18吸收(衰減)。這種現(xiàn)象被稱為衰減全反射(ATR)。在部分反射的情況下，入射光束21的部分反射光子類似地能夠形成漸逝波20E，并且逐漸由薄膜涂層吸收，同時(shí)剩余的未反射光子可能丟失到周圍環(huán)境中。這個(gè)現(xiàn)象被稱為衰減部分反射(APR)。為了增加APR的有效性，反射涂層19可以被固定到測試元件的一端，借此，已經(jīng)穿透到測試元件實(shí)體內(nèi)的未反射的入射光20可以在反射涂層19上反射，并且通過測試元件散射回去。因此，為這些內(nèi)部反射光子20的一部分提供了另一個(gè)機(jī)會(huì)(或者“第二機(jī)會(huì)”)來形成漸逝波并且與測試元件表面的薄膜涂層18發(fā)生反應(yīng)。因此，由于本發(fā)明包括ATR和APR的組件，因此在不需要昂貴的光學(xué)裝置或耦合需求的情況下可以提高入射光束21的效率，從而提供優(yōu)于公知的ATR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。
仍參考圖3，當(dāng)漸逝光波20E沿著測試元件表面?zhèn)鞑r(shí)，這些漸逝光子的一部分能夠與反應(yīng)薄膜18中包含的分子相互作用。該相互作用使得漸逝光子的一部分漸漸被反應(yīng)薄膜的分子結(jié)構(gòu)吸收。因此，足夠幸運(yùn)地避開漸漸被反應(yīng)薄膜18吸收并且未被丟失到環(huán)境中的光子22將從測試元件透射出去，并且最終可能被光電檢測器8檢測到。由于最終從測試元件透射的光子22的數(shù)量取決于入射光束21的吸收率級(jí)，因此可能利用由該光電檢測器產(chǎn)生的電信號(hào)來表示反應(yīng)薄膜的吸收百分比。一旦將最終光響應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度與已知的參考數(shù)據(jù)相比較，就可以檢測并且確定樣本物質(zhì)的分析物濃度。
如上所述，當(dāng)激活電源開關(guān)9并且將光束20投射到測試元件上時(shí)，所述光電檢測器接收來自該測試元件的雙光響應(yīng)22。這種響應(yīng)曲線在圖5中示意性示出。這里，線100表示在測試元件暴露于樣本分析物之前的薄膜涂層的光響應(yīng)，線200表示在測試元件暴露于樣本分析物之后的薄膜涂層的雙光響應(yīng)。A0表示在波長λ2下的單獨(dú)的薄膜涂層的吸收級(jí)。在A1處的第一個(gè)峰值表示暴露之前在波長λ1下的內(nèi)部參考染料的吸收級(jí)，A2表示在暴露之后的內(nèi)部參考的吸收級(jí)。如果測試元件的光學(xué)和機(jī)械屬性在測試期間沒有改變，則A1和A2的值將是相同的。A3處的峰值表示在測試元件被暴露于樣本分析物之后、在波長λ2下的薄膜涂層的吸收級(jí)。如果已知樣本物質(zhì)與存在于樣本中的物質(zhì)的濃度成比例地吸收光，則可以顯示出吸收級(jí)A3和A0之間的差與樣本物質(zhì)的分析物濃度成比例。通過考慮以λ1為中心的內(nèi)部參考的吸收率級(jí)(A1和A2)，可以根據(jù)下面的一般方程來校準(zhǔn)反應(yīng)物薄膜涂層的吸收率級(jí)(1)Acorrected＝A3-A0+(A1-A2)其中Acorrected表示反應(yīng)物薄膜涂層的歸一化吸收率級(jí)。應(yīng)該可以理解的是，還可以使用許多可替換的程序來歸一化該響應(yīng)曲線，例如比較峰-峰比例或者曲線下方的面積。
為了計(jì)算吸收率，在反應(yīng)物薄膜被涂覆之前，測試元件在λ1和λ2下的空白信號(hào)輸出必須是已知的。當(dāng)加載不具有聚合物薄膜的測試元件時(shí)，信號(hào)傳感器響應(yīng)可以通過測量光電二極管信號(hào)來獲得。該空白響應(yīng)可以被存儲(chǔ)在處理器中。在下面章節(jié)將會(huì)變得清楚的是，最后的結(jié)果Acorrected是不依賴于空白響應(yīng)的。已知空白響應(yīng)允許在暴露前以吸收率單位來表示測試元件的吸收級(jí)，而不是用光電二極管測量的伏特或安培數(shù)來表示。
在一個(gè)優(yōu)選的操作模式中，涂覆有聚合物的測試元件2通過固定器件44被可拆卸地安裝在適配器4上。如上所述，固定器件44關(guān)于光源和光電檢測器在合理地可再現(xiàn)的位置處對(duì)準(zhǔn)并定位測試元件。不需要關(guān)于光源和光電檢測器對(duì)入射光角度和測試元件的嚴(yán)格控制。為了補(bǔ)償可變的照明條件，一旦到達(dá)樣本測試地點(diǎn)，操作員激活光源以記錄來自于被涂覆的測試元件的相應(yīng)的反射強(qiáng)度。在該步驟期間測量的光響應(yīng)光譜被稱為基線強(qiáng)度。
在基線強(qiáng)度響應(yīng)被建立后，操作員在給定時(shí)間周期內(nèi)將被涂覆的測試元件暴露于化學(xué)或生物樣本物質(zhì)，例如1-3分鐘，這取決于薄膜涂層的擴(kuò)散率。接下來，操作員從樣本中取出測試元件，使得過量的液體樣本從測試元件流下去或流走。這個(gè)步驟可能需要0-5分鐘。在這個(gè)階段之后，操作員激活光源以記錄來自暴露于樣本的測試元件的相應(yīng)的反射強(qiáng)度。在該步驟期間測量的光響應(yīng)被稱為樣本強(qiáng)度。
繼續(xù)上述分析，表示空白、基線、樣本和內(nèi)部參考響應(yīng)強(qiáng)度的所積累的數(shù)據(jù)被處理，并且與對(duì)應(yīng)于所研究的特定分析物的預(yù)期光譜響應(yīng)的已知化學(xué)參考數(shù)據(jù)相組合。如在下面的實(shí)例1-5中更詳細(xì)地顯示并討論的那樣，通過將測試元件暴露于分析物之后的光響應(yīng)強(qiáng)度與測試元件暴露于分析物之前的光響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，可以測量樣本物質(zhì)的分析物濃度。
上述系統(tǒng)顯示了利用傳統(tǒng)光學(xué)裝置執(zhí)行的光度測量。作為本發(fā)明所利用的多角度散射引發(fā)吸收率測量技術(shù)的結(jié)果，相比于傳統(tǒng)的透射測量技術(shù)，可以利用更高靈敏度的薄膜獲得準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的吸收率測量。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的透射吸收率測量技術(shù)可以表征為“一次通過(one pass)”；也就是說，在傳統(tǒng)的透射技術(shù)中，入射光子“一次通過”所研究的物質(zhì)，從而使得光子在以最小折射和散射傳播通過基底時(shí)只有一次機(jī)會(huì)與測試元件發(fā)生反應(yīng)。與此相對(duì)，最好如圖3所顯示的那樣，本發(fā)明利用多角度散射方法，其中入射光子21在測試元件內(nèi)部散射并且在反射涂層19上反射，從而允許入射光子的一部分“多次通過”測試元件。該多角度散射方法增加了漸逝光子20E最終與基底表面上的薄膜涂層發(fā)生反應(yīng)的可能性。這樣，如果入射光子未能在它初次通過時(shí)消散(evanesce)在基底的表面上，那么該同一光子在測試元件內(nèi)部散射并且最終朝向基底表面反射回來的概率很高，從而為該光子消散在基底的表面上并且最終被薄膜涂層吸收提供了另一個(gè)機(jī)會(huì)。因此，與傳統(tǒng)的透射技術(shù)相比，對(duì)于給定量的光能本發(fā)明有可能獲得更高比例的吸收事件，從而增加入射光的相對(duì)吸收率百分比，并且提高傳感裝置的最終靈敏度。
應(yīng)重點(diǎn)注意的是，相同主要組件的許多配置可以獲得與上述實(shí)施例相同的性能。例如，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例示意性地在圖2中示出。這里示出了一個(gè)多段式光學(xué)測試元件2A，其包含分隔區(qū)3和傳感區(qū)5。分隔區(qū)通過吸收可能在幾個(gè)傳感區(qū)變?yōu)楸环瓷涞纳⑸涔鈦沓洚?dāng)各傳感區(qū)之間的屏障，從而減少各傳感區(qū)之間的交互噪聲。每個(gè)傳感區(qū)利用包含其自己的內(nèi)部化學(xué)組分的獨(dú)立的反應(yīng)薄膜涂層。這些反應(yīng)薄膜涂層當(dāng)中的每一個(gè)及其附隨的化學(xué)組分有效地提供來自樣本溶液中的所關(guān)注的特定分析物的獨(dú)立的雙光(光譜)響應(yīng)。因此，多種分析物可以同時(shí)在單個(gè)測試元件上被測試。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了改善分隔可以對(duì)分隔區(qū)3打孔，借此提高測試元件的效率。
為了利于多段式測試元件的操作，設(shè)想可以為每一個(gè)獨(dú)立的傳感區(qū)提供獨(dú)立的光源和光電檢測器對(duì)，其中每個(gè)光源和檢測器對(duì)能夠產(chǎn)生來自幾個(gè)傳感區(qū)當(dāng)中的每一個(gè)的適當(dāng)?shù)碾p光響應(yīng)?；蛘撸梢詫蝹€(gè)光源和光電檢測器配置成產(chǎn)生并且檢測來自每個(gè)獨(dú)立傳感區(qū)的適當(dāng)?shù)碾p光(光譜)響應(yīng)。在這種情況下，由幾個(gè)傳感區(qū)當(dāng)中的每一個(gè)產(chǎn)生的獨(dú)立電信號(hào)可以由處理單元10按照現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式組合以及多路復(fù)用，以便利用單個(gè)可置換測試元件檢測并量化多個(gè)分析物。
圖4描述了一個(gè)利于多段式測試元件的設(shè)備。該設(shè)備具有與圖1中示出的系統(tǒng)相同的基本組件。圖4的示例性實(shí)施例包含幾對(duì)光源6和光電檢測器8，其可以被安裝在適配器4A的兩側(cè)。該多段式測試元件2A被安裝到固定器件44上。這里，固定器件44被附著到小型運(yùn)動(dòng)滑板66的移動(dòng)架上。該運(yùn)動(dòng)滑板使得測試元件能夠被收回到適配器內(nèi)部，并且用來將測試元件與光源/光電檢測器對(duì)準(zhǔn)以便進(jìn)行吸收率測量。提供合適的電子器件77來控制所述裝置，從而由所述光電檢測器產(chǎn)生的電輸出信號(hào)可以被電子地處理并存儲(chǔ)。
本發(fā)明還設(shè)想利用附加的傳感器，這些傳感器可以被用來提供關(guān)于環(huán)境大氣條件的信息，比如溫度(例如使用熱敏電阻)、相對(duì)濕度(例如使用電容濕度傳感器)以及大氣壓力(例如使用MEMS壓力傳感器)，這些都是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述化學(xué)傳感器系統(tǒng)設(shè)想了一種動(dòng)態(tài)模式識(shí)別系統(tǒng)，用以提高傳感器陣列的功能性和定量能力。通過具有表示傳感器暴露于所需環(huán)境結(jié)束的器件，傳感器陣列的功能性得到提高。例如，所述傳感器被浸入到水樣本中，直到一個(gè)報(bào)警(例如蜂鳴聲)表示該傳感器準(zhǔn)備好被取出，并且準(zhǔn)備好提供定量信息。這種系統(tǒng)的操作原理是基于使用對(duì)傳感器響應(yīng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析。具體來說，本發(fā)明的傳感器可以在指定的時(shí)間周期期間通過在樣本與傳感器發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)跟蹤不可逆?zhèn)鞲衅骰瘜W(xué)組分的響應(yīng)的變化速率來收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以便量化濃度級(jí)。因此，與在收回傳感器之后測量信號(hào)時(shí)簡單地將傳感器暴露于樣本然后再收回相比，本發(fā)明的傳感器所得到的信息更豐富。可以對(duì)于已知參數(shù)分析所收集的該動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，所述已知參數(shù)例如是在將傳感器暴露于樣本的過程中的初始的、中間的以及最后的信號(hào)斜率。這些動(dòng)態(tài)參數(shù)可以被用來表示何時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。如果在合理的周期內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，則所述動(dòng)態(tài)參數(shù)可以被用來量化分析物濃度。此外，化學(xué)傳感器響應(yīng)的斜率可能比平衡終點(diǎn)更靈敏，并且導(dǎo)致這里描述的傳感器系統(tǒng)的靈敏度得到提高。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器具有另一個(gè)報(bào)警，其表示在從樣本中收回傳感器之后分析完成的時(shí)間。該數(shù)據(jù)由來自不同傳感器區(qū)的不同的信號(hào)恢復(fù)速率提供，其取決于傳感器化學(xué)組分、可逆性和環(huán)境大氣條件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的那樣，許多適當(dāng)?shù)碾娮印⒓呻娐泛?或微處理器器件可以被配置成提供上面提到的傳感器和定時(shí)器報(bào)警特征，以便獲得上述所設(shè)想的實(shí)施例的動(dòng)態(tài)傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)的集合。在圖15示出的一個(gè)實(shí)施例中，開發(fā)了一個(gè)VisualBasic計(jì)算機(jī)程序來提供定時(shí)器和報(bào)警特征以及控制和讀取所述傳感器系統(tǒng)。
公知的是，可逆化學(xué)傳感器常常具有響應(yīng)選擇性較差的缺點(diǎn)，并且這主要是由于來自非特定信號(hào)變化的干擾或噪聲造成的。因此，化學(xué)識(shí)別的選擇性可以通過不可逆的可置換傳感器來改善。不可逆?zhèn)鞲衅骰瘜W(xué)組分通常在反應(yīng)物和所關(guān)注的化學(xué)物類之間提供更強(qiáng)且更有選擇性的相互反應(yīng)，并且這通常被視為由不可逆?zhèn)鞲衅骰瘜W(xué)組分產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)的其中之一。然而，如果提高傳感器的動(dòng)態(tài)范圍或者降低化學(xué)干擾是有利的，則可能希望利用包含不同反應(yīng)物的幾個(gè)傳感器區(qū)或者利用組合起來增強(qiáng)整體系統(tǒng)響應(yīng)的互補(bǔ)傳感器元件來分析單一分析物。盡管已知與可逆反應(yīng)物相關(guān)的缺點(diǎn)，但是也可以在多反應(yīng)物檢測方案中包括可逆反應(yīng)物，以便改進(jìn)整體傳感器響應(yīng)?？赡婧筒豢赡嫫脚_(tái)的這種組合可以產(chǎn)生具有增強(qiáng)的能力的系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的pH指示劑是通常用在可逆?zhèn)鞲衅髦械幕瘜W(xué)品的一個(gè)實(shí)例，而在下面的實(shí)例中描述的氯反應(yīng)物是不可逆化學(xué)組分的一個(gè)實(shí)例。作為一個(gè)非限制性實(shí)例，將可逆pH傳感器與不可逆氯傳感器相組合，從而使得有可能進(jìn)一步限定存在于樣本中的其他含氯物類。
現(xiàn)在參考下面的實(shí)例，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果根據(jù)下面的等式使用內(nèi)部參考吸收率標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)測試元件和光學(xué)組件的耦合和定位需求的適度、合理的控制對(duì)于獲得準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的吸收率結(jié)果就是有效的，而無需對(duì)這種耦合和定位需求進(jìn)行嚴(yán)格的或臨界的控制(2)Acorrected＝Asample-Abaseline+(Abaseline_at_λreference-Abaseline_at_λsample)然而，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，利用單個(gè)內(nèi)部吸收率標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)去除由薄膜或基底質(zhì)量以及測試元件關(guān)于入射光束的對(duì)準(zhǔn)的變化引起的所有誤差。這是因?yàn)槊總€(gè)誤差源對(duì)不同波長下的吸收帶具有不同的效果。例如，由入射角度變化引起的吸收率變化是波長而不是化學(xué)組分的函數(shù)，這是因?yàn)楣鈱W(xué)路徑長度取決于波長。因此，在本發(fā)明中已認(rèn)識(shí)到，利用具有多于一個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的參考系統(tǒng)可以提高準(zhǔn)確度，或者如果測量整個(gè)光譜的話則通過利用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)吸收帶的光譜輪廓以提高準(zhǔn)確度。但是，重要的是應(yīng)當(dāng)注意到，如下面的實(shí)例中所示，通過利用單個(gè)內(nèi)部吸收標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)可置換測試帶和適配器之間的適度或合理的機(jī)械控制耦合相組合，已經(jīng)獲得了相當(dāng)高水平的可再現(xiàn)測量。
實(shí)例1如圖14所示，用白色顏料筆(UniPaint PX-20)給Fisher牌的透明載玻片(尺寸3”×1”×0.41”，F(xiàn)isher目錄號(hào)12-549)的四個(gè)邊緣上色?？拷欢说囊粋€(gè)區(qū)域也用白色顏料筆上色。LED和光電元件的配置在圖14中示出。光源是可以從RadioShack獲得的5mm、3000mcd的紅色LED，其具有在660nm處的峰值發(fā)射波長以及12°的視角。用永久性的細(xì)點(diǎn)Sharpie標(biāo)記筆繪出的藍(lán)線的不同濃度的吸收率級(jí)在圖6中示出。這里，在最初的時(shí)間間隔0-22秒期間，光被投射到空白的(沒有藍(lán)色標(biāo)記)載玻片上。如所預(yù)期的那樣，在線50處示出的相應(yīng)的吸收率級(jí)大約是零。在大約22秒后，單條藍(lán)線在載玻片上被繪出，并且相應(yīng)的吸收率級(jí)提高到所示出的線51。在大約34秒后，第二藍(lán)線在第一藍(lán)線的上方被繪出，從而增加載玻片上的藍(lán)色標(biāo)記的濃度。如所預(yù)期的那樣，相應(yīng)的吸收率級(jí)被提高到線52。類似隨，在大約45秒后，第三藍(lán)線被加入，從而進(jìn)一步增加載玻片上的藍(lán)色標(biāo)記的濃度。又如所預(yù)期的那樣，相應(yīng)吸收率級(jí)提高到線53。公知的是，對(duì)應(yīng)于該測量的吸收率級(jí)被如下定義(3)A＝log[(對(duì)應(yīng)于透明載玻片的光電元件輸出-暗時(shí)的輸出)/(對(duì)應(yīng)于藍(lán)線的輸出-暗時(shí)的輸出)]其中，暗時(shí)的輸出是當(dāng)光源被關(guān)閉時(shí)的檢測器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
這個(gè)實(shí)例表明，光度測量可以以非常簡單的方式執(zhí)行。然而，許多設(shè)計(jì)可以出自于該簡單設(shè)置。例如，干擾過濾薄膜可以被涂覆在面向光電檢測器的區(qū)域，或者被混合到反射顏料中，以便可以測量給定吸收帶的吸收率。圖2示出了這些設(shè)計(jì)當(dāng)中的一種。
實(shí)例2在第二實(shí)例中，制造3.7”×0.49”×0.21”的聚碳酸酯反射元件。該聚碳酸酯元件的一端傾斜的角度約等于51°。在該實(shí)例中使用的用于吸收率測量的測試元件配置在圖7中示出。這里，Ocean Optics P400-2六光纖束被用于提供來自于Ocean Optics鹵鎢燈的入射光。R400-7 Ocean Optics反射探頭被用來將反射光收集到Ocean Optics USB2000分光計(jì)。在包含四甲基聯(lián)苯胺(TMB)的聚(甲基丙烯酸-2-羥乙酯)(PHEMA)薄膜被浸涂在該聚碳酸酯元件的一側(cè)上之前，建立對(duì)于所有波長都具有零吸收率的空白光譜。在TMB薄膜被涂覆之后，該聚碳酸酯元件被放回到如圖7所示的配置中。這里，基線光譜被首先記錄。接下來，仔細(xì)地涂抹0.06ml的0.1ppm次氯酸鈉溶液以便覆蓋TMB薄膜上的3mm×12mm的區(qū)域。停留在TMB薄膜上1分鐘之后，用紙巾仔細(xì)地將NaOCl溶液去除。在NaOCl溶液被放置到TMB薄膜上4分鐘之后測量樣本光譜。樣本光譜110和基線光譜120均在圖8中示出。
實(shí)例3實(shí)例2中的相同的Ocean Optics分光計(jì)系統(tǒng)被使用在該實(shí)例中。顯微鏡玻片夾具緊緊地控制載玻片的定位。入射光纖探頭以關(guān)于載玻片平面大約45°的角度指向載玻片的一側(cè)。大約一半的入射光照射載玻片下的白紙，另一半照射載玻片的邊緣。檢測探頭也成大約45°角，并且調(diào)節(jié)從探頭到玻片的距離，從而光量不會(huì)使分光計(jì)飽和。
包含少量紅色染料的PHEMA薄膜從永久紅色Sharpie標(biāo)記筆被恢復(fù)。利用磁力攪拌器改裝的不具有速度控制或讀出的旋轉(zhuǎn)器將紅色染料溶液如實(shí)例1中那樣旋涂在載玻片上。旋轉(zhuǎn)器加速度、最終旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間不受控制。該紅色染料被用作內(nèi)部吸收率標(biāo)準(zhǔn)。其具有以λmax＝535nm為中心的吸收帶，該吸收帶不與對(duì)氯的TMB反應(yīng)響應(yīng)的吸收帶(藍(lán)色反應(yīng)產(chǎn)物，λmax＝670nm)重疊。
在玻片被浸入到NaOCl溶液中之前，測量TMB的基線光譜。在浸入到NaOCl溶液中90秒之后，取出載玻片，并且以垂直位置保持2分鐘，這樣載玻片表面上的溶液可以流下去。這里，在載玻片從NaOCl溶液中移出150秒之后，對(duì)樣本光譜進(jìn)行記錄。
根據(jù)上述程序，使用總共11個(gè)玻片來測量NaOCl溶液的三個(gè)不同濃度級(jí)下的吸收率值。玻片1-4被獨(dú)立地浸入到0.10ppm溶液中，玻片5-7被獨(dú)立地浸入到0.25ppm溶液中，玻片8-11被獨(dú)立地浸入到0.50ppm溶液中。參考校正之前和之后的λ＝650nm下的吸收率值被列在下面的表1中。需要重點(diǎn)注意的是，在根據(jù)等式1執(zhí)行參考校正之后，每個(gè)濃度級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差被顯著地降低。
表1、參考校正之前和之后的吸收率值。
來自玻片8-11的四個(gè)光譜及其相應(yīng)的基線光譜被呈現(xiàn)在圖9中。
在根據(jù)等式1進(jìn)行了參考校正之后的所有11個(gè)光譜被顯示在圖10中。圖10用圖表的方式說明了如等式1所述根據(jù)內(nèi)部吸收率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化、降低了誤差并且確認(rèn)了表1中列出的結(jié)果。
圖11顯示了校準(zhǔn)曲線，其確認(rèn)了如現(xiàn)有技術(shù)中已知的吸收率級(jí)和濃度級(jí)之間的線性關(guān)系。
能夠從該實(shí)例所獲得的結(jié)果中得出幾個(gè)結(jié)論1、僅有適當(dāng)?shù)奈恢每刂撇粫?huì)確保低吸收率測量所需的準(zhǔn)確度。
2、根據(jù)等式1利用內(nèi)部吸收率標(biāo)準(zhǔn)來校正光譜降低了由諸如載玻片尺寸、薄膜質(zhì)量和入射光束角度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化引起的誤差。
3、多角度散射引發(fā)吸收率比透射吸收率更為靈敏。與λ＝535nm(0.014)下的透射吸收率相比，利用本發(fā)明的多角度散射引發(fā)配置使吸收率增加到10倍。需要重點(diǎn)注意的是，對(duì)于更長的波長可以預(yù)期更大的增加。
實(shí)例4與實(shí)例3中使用的薄膜相比，本實(shí)例中使用的薄膜包含稍微較低的內(nèi)部參考染料濃度。這些薄膜由與實(shí)例3相同的程序準(zhǔn)備，但是在不同的批次中生產(chǎn)。類似地，除了僅僅通過關(guān)于用Sharpie標(biāo)記筆畫出的兩條垂直線對(duì)準(zhǔn)玻片而松散地控制玻片位置之外，本實(shí)例的實(shí)驗(yàn)設(shè)置與實(shí)例3所用到的設(shè)置相同。
參考校正之前和之后的光譜響應(yīng)與基線光譜響應(yīng)一起被分別顯示在圖12和13中。明顯的是，盡管根據(jù)內(nèi)部吸收率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了參考校正，但是在沒有保持對(duì)載玻片位置的適當(dāng)控制的情況下獲得的測量結(jié)果導(dǎo)致更大的誤差范圍。然而，需要重點(diǎn)注意的是，盡管玻片位置沒有被緊密控制并且薄膜在不同批次中以不同聚合物溶液準(zhǔn)備，但是在650nm下的吸收率值0.177、0.185和0.209與從實(shí)例3中獲得的0.179±0.003的平均值仍然很一致。這個(gè)一致性很重要，尤其是考慮到本發(fā)明的一個(gè)目的在沒有額外校準(zhǔn)步驟的情況下，利用可置換測試元件提供對(duì)分析物濃度的定量確定。
實(shí)例5傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)例5使用的典型的手持式傳感器系統(tǒng)的示意框圖顯示在圖15中。這里示出基本傳感單元150與數(shù)字總線開關(guān)152(Texas Instruments，SN74CBTLV)和計(jì)算機(jī)151(配備有Dataq CF2、C-Cubed有限數(shù)據(jù)采集卡的Dell Axiom Pocket PC)連接。數(shù)字總線開關(guān)152被用來使得計(jì)算機(jī)能夠開、關(guān)LED 6，同時(shí)向光電二極管8提供DC功率，并且允許讀取來自該光電二極管的輸出。開發(fā)一個(gè)Visual Basic計(jì)算機(jī)程序來控制和讀取傳感器系統(tǒng)。
用于實(shí)例5的示例性傳感單元150的透視圖在圖16中示出。這里，傳感單元150可以被描述成包含三個(gè)子組件的組合部件A；部件B；部件C。
部件A包含元件160、161和162。部件B包含元件6、8、163和164。部件C包含元件18、19和167。
在構(gòu)造部件A時(shí)，1/2英寸即時(shí)管對(duì)管(tube-to-pipe)適配器161的有螺紋部分被去除，并且1/4英寸壓縮緊固螺母162被膠合到經(jīng)改造的適配器161的表面上。4英寸長的1/2OD不銹鋼管160被插入到該經(jīng)改造的適配器的橡膠O形環(huán)/壓縮接頭(fitting)161C上，以便提供不透光的隔室。
在構(gòu)造部件B時(shí)，1/4英寸管對(duì)管壓縮接頭163的雄性部件被去除，并且利用環(huán)氧膠把一側(cè)被涂成黑色的聚碳酸酯薄片164固定到該經(jīng)改造的接頭上，從而該經(jīng)改造的接頭的開口如圖16中最佳地示出的那樣被分開。一個(gè)5mm雙色LED6(LC LED N500TGR4D)被膠合到該聚碳酸酯片上。LED6的聚焦路徑近似地平行于接頭163的垂直中心。光電二極管8(Toas TSR257)被附著到該聚碳酸酯片的另一側(cè)，從而使得該光電二極管的聚光透鏡從該接頭的軸偏移大約45°角，如圖16所示。在上述構(gòu)造過程之后，該LED和光電二極管被密封到1英寸直徑的PVC管內(nèi)部(未在圖16中示出)。
在構(gòu)造部件C時(shí)，丙烯酸棒(0.25英寸直徑，3.20英寸長)167被涂覆PHEMA薄膜，該P(yáng)HEMA薄膜包含在實(shí)例3中使用的氯敏感反應(yīng)物18。該丙烯酸棒的端截面涂有反射白色顏料19。
測量程序?qū)τ趯?shí)例5使用的測量程序包含下述步驟1、(a)將丙烯酸棒167(部件C)裝載到壓縮接頭組件(部件A和B)中，并且將不銹鋼管160放到所述即時(shí)管對(duì)管適配器161中；(b)點(diǎn)擊口袋式PC屏幕上的按鈕；(c)所述Visual Basic計(jì)算機(jī)程序順序地接通綠光(525nm)和紅光(630nm)，并且在綠光和紅光被接通時(shí)，從光電二極管獲得對(duì)應(yīng)的讀數(shù)(G0和R0)。
2、(a)從適配器161中移除不銹鋼管160，并將丙烯酸棒167浸入到樣本溶液中60秒；(b)將該丙烯酸棒從溶液中拉出，并且用適當(dāng)?shù)牟潦梦锶コＳ嗟娜芤海?c)將該丙烯酸棒在空氣中干燥兩分鐘。
3、(a)將不銹鋼管160放回到適配器161中；(b)點(diǎn)擊口袋式PC屏幕上的適當(dāng)按鈕，以便從光電二極管讀出對(duì)應(yīng)的輸出G和R。應(yīng)當(dāng)注意，綠光和紅光被順序地接通。
4、利用等式2計(jì)算吸收率。
A＝log(R0/R)-log(G0/G) (2)應(yīng)當(dāng)注意，等式2與等式1在數(shù)學(xué)上是等效的。來自這些測量的結(jié)果被列在表2中，并且作為校準(zhǔn)曲線繪制在圖17中。
表2、實(shí)例5的結(jié)果。
*數(shù)據(jù)丟失雖然上面的說明書按照專利法規(guī)的需要包括了實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但是本發(fā)明不限于該最佳模式，也不限于在說明書中陳述的其他特定實(shí)施例。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書及其等效表述限定。
權(quán)利要求
1.一種用于測量化學(xué)或生物物質(zhì)的分析物濃度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含a、安裝適配器；b、測試元件，所述測試元件被可拆卸地安裝到所述適配器上；c、固定在所述測試元件上的反應(yīng)物薄膜，所述反應(yīng)物薄膜包括至少一個(gè)內(nèi)部參考標(biāo)準(zhǔn)；d、附著到所述適配器上的至少一個(gè)光源，所述光源能夠發(fā)射發(fā)散的光束，其中的一部分光以大于表面臨界角的反射角度照射到該表面，所述光束有效地刺激來自所述測試元件和來自所述反應(yīng)物薄膜的雙光響應(yīng)；e、附著到所述適配器上的至少一個(gè)光電檢測器，所述檢測器能夠檢測所述雙光響應(yīng)，所述檢測器能夠產(chǎn)生表示所述雙光響應(yīng)的電子信號(hào)響應(yīng)；f、用于處理、存儲(chǔ)并且傳輸所述電子信號(hào)響應(yīng)以及控制所述光源的電子電路器件。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包含集成時(shí)鐘器件，從而允許在指定的時(shí)間周期期間收集來自所述雙光響應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包含用于指示所述時(shí)間周期的集成警報(bào)器件。
4.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，所述測試元件是多段式測試元件，其包含多個(gè)分隔區(qū)和傳感區(qū)。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所述多段式測試元件是穿孔的多段式測試元件。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所述多段式測試元件所具有的所述傳感區(qū)的數(shù)量為2到500個(gè)。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，所述傳感區(qū)是不可逆的。
8.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，所述傳感區(qū)當(dāng)中的一些是可逆的，一些是不可逆的。
9.一種用于測量化學(xué)或生物物質(zhì)的分析物濃度的方法，所述方法包含以下步驟a、提供具有至少一個(gè)內(nèi)部參考標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)物薄膜；b、將一層所述薄膜固定到測試元件上，從而提供涂覆有薄膜的測試元件；c、向經(jīng)過涂覆的測試元件發(fā)射光能，其中所述光能在所述測試元件內(nèi)部經(jīng)歷內(nèi)部反射和多角度散射，所述光能有效地刺激來自所述經(jīng)過涂覆的測試元件的雙參考光響應(yīng)；d、在指定的時(shí)間周期內(nèi)將所述經(jīng)過涂覆的測試元件暴露于樣本物質(zhì)，然后從所述物質(zhì)中移除所述暴露過的測試元件，從而提供樣本測試元件；e、向所述樣本測試元件發(fā)射光能，所述光能有效地刺激來自所述樣本測試元件的雙樣本光響應(yīng)；f、收集并處理所述參考和樣本光響應(yīng)數(shù)據(jù)，以便計(jì)算光吸收響應(yīng)；g、利用所述光吸收響應(yīng)來檢測并量化所述物質(zhì)中的分析物濃度。
10.權(quán)利要求9的方法，還包含在指定時(shí)間周期期間從所述光吸收響應(yīng)收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的步驟。
11.權(quán)利要求10的方法，還包含分析所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的步驟，以便在所述時(shí)間周期期間確定所述光吸收響應(yīng)的初始斜率、中間斜率和最終斜率。
12.權(quán)利要求9的方法，其中，通過歸一化所述光吸收響應(yīng)對(duì)所述光吸收響應(yīng)進(jìn)行誤差校正。
13.權(quán)利要求12的方法，其中，所述歸一化是根據(jù)下面的公式執(zhí)行的Acorrected＝Asample-Abaseline+(Abaseline_at_λreference-Abaseline_at_λsample)。
14.權(quán)利要求9的方法，其中，所述經(jīng)過涂覆的測試元件是能夠提供多個(gè)所述光吸收響應(yīng)的多段式測試元件，所述多個(gè)光吸收響應(yīng)被處理并且被多路復(fù)用，以便檢測并量化所述物質(zhì)中的多個(gè)分析物濃度。
全文摘要
一種用于測量多個(gè)化學(xué)或生物物質(zhì)濃度的便攜式系統(tǒng)和方法，其中需要對(duì)這種物質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場分析。這種新的、原創(chuàng)的手持式傳感器系統(tǒng)使用可置換光學(xué)測試元件和光譜檢測器，其通過光吸收率、發(fā)光和其他形式的基于光的響應(yīng)的變化來測量所述測試元件對(duì)特定分析物的響應(yīng)。這樣，表示測試元件響應(yīng)的反射光強(qiáng)度可以被用來測量目標(biāo)分析物的濃度。該傳感器系統(tǒng)還能夠與信息處理單元或計(jì)算機(jī)接口，從而可以電子地操作或存儲(chǔ)分析數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK1961205SQ200580002783
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者C·肖, S·M·博伊特, R·A·波蒂雷洛 申請(qǐng)人:通用電氣公司