專利名稱：對(duì)基于衍射的診斷的結(jié)果進(jìn)行觀察和分析的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括而言，本發(fā)明屬于在介質(zhì)中檢測(cè)分析物的領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及對(duì)能夠指示介質(zhì)中分析物存在的基于衍射的診斷裝置進(jìn)行觀察和/或分析的方法。
背景技術(shù)：
有許多系統(tǒng)和裝置能用于在各種介質(zhì)中檢測(cè)多種分析物。大多數(shù)這類系統(tǒng)和裝置相對(duì)昂貴，并需要經(jīng)過(guò)專門訓(xùn)練的技術(shù)人員執(zhí)行檢測(cè)。在許多情形中如果能迅速、廉價(jià)地確定分析物是否存在則非常有利。因此需要一種能簡(jiǎn)單、廉價(jià)制造且能可靠、靈敏地檢測(cè)分析物的系統(tǒng)。
Sandstrom等人(24 Applied Optics 472，1985)描述了一種以一層一氧化硅和一層硅作為介電膜的硅光學(xué)基質(zhì)的應(yīng)用。他們指出薄膜厚度的改變會(huì)改變光學(xué)基質(zhì)的性質(zhì)，產(chǎn)生與薄膜厚度有關(guān)的不同顏色。薄膜厚度與觀察到的顏色有關(guān)，且設(shè)置在光學(xué)基質(zhì)頂部上的薄膜可以產(chǎn)生可觀察到的顏色改變。作者提出可使用數(shù)學(xué)模型對(duì)顏色變化進(jìn)行定量，并且“使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行的計(jì)算表明，使用多層結(jié)構(gòu)得到的光學(xué)效能非常微小...，不過(guò)，表面上的生物層對(duì)這種結(jié)構(gòu)反射率的改變非常小，因?yàn)楣鈱W(xué)性質(zhì)主要由多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的界面決定。用于檢測(cè)生物層的最靈敏系統(tǒng)是單層涂層，而在大多數(shù)其他應(yīng)用中，可通過(guò)加入介電層來(lái)改善性質(zhì)。”Sandstrom等人繼續(xù)指出，由金屬上的金屬氧化物形成的載片具有某些缺點(diǎn)，并且金屬離子的存在在許多生物化學(xué)應(yīng)用中還可能是有害的。他們指出，理想的頂部介電膜為2-3nm厚的二氧化硅，該薄膜是當(dāng)一氧化硅在周圍環(huán)境大氣中沉積時(shí)自然形成的，并且在玻璃或塑料基質(zhì)上可使用在40-60nm一氧化硅層上的70-95nm的二氧化硅層。他們還描述了通過(guò)選擇性蝕刻一氧化硅，用二氯二甲基硅烷處理二氧化硅表面，然后涂覆抗原和抗體生物層，從而形成楔形一氧化硅。根據(jù)這種楔形結(jié)構(gòu)，能用偏振光橢圓計(jì)測(cè)定膜厚度，并指出在最大反差見(jiàn)于約65nm的區(qū)域，在此干涉衍射由紫變藍(lán)。
授予Kumar等人的美國(guó)專利5,512,131批露了一種包括聚合物基質(zhì)的裝置，其中聚合物基質(zhì)具有金屬涂層。在經(jīng)過(guò)涂覆的基質(zhì)上壓模一個(gè)具有分析物特異性的受體層。該裝置用于沖模過(guò)程，或者作為開(kāi)關(guān)。當(dāng)分析物與該裝置結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生衍射圖像。然后使用顯象裝置如光譜儀確定衍射圖像的存在。
不過(guò)，Kumar等人描述的裝置具有多個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的顯象裝置來(lái)觀察任何衍射圖像。
授予Bogart等人的美國(guó)專利No.5,482,830描述了一種包括一種基質(zhì)的裝置，該基質(zhì)具有光學(xué)活性表面，其在光入射到其上時(shí)呈現(xiàn)出第一種顏色。所述第一種顏色定義為射氣光的光譜分布。該基質(zhì)還呈現(xiàn)出與第一種顏色不同的第二種顏色(通過(guò)具有與第一種顏色中存在的組合不同的光波長(zhǎng)組合，或者具有不同光譜分布)。當(dāng)表面上存在分析物時(shí)，響應(yīng)于相同光呈現(xiàn)出第二種顏色?？赏ㄟ^(guò)使用儀器或者通過(guò)眼睛檢測(cè)從一種顏色到另一種顏色的改變。這種靈敏的檢測(cè)優(yōu)于上面Sandstrom和Nygren所述的裝置，且該裝置的使用可商業(yè)化并具有競(jìng)爭(zhēng)力。
不過(guò)，Bograt等人專利中披露的方法和裝置具有若干缺陷。一個(gè)缺陷是裝置的成本高。該裝置的另一問(wèn)題是難以控制處于晶片上的各層以便獲得可靠讀出。
Bogdanski等人的專利WO94/13835中描述了用于檢測(cè)大分子的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括預(yù)定尺寸樣板的探針，其以已知圖案衍射光。通過(guò)結(jié)合大分子(例如分析物)，衍射峰的位置由于這種結(jié)合而改變。
因此，該系統(tǒng)必須包括更加復(fù)雜的檢測(cè)器和分析儀來(lái)檢測(cè)衍射圖樣的改變。與之相比，當(dāng)前所披露的基于衍射的系統(tǒng)檢測(cè)衍射圖樣或圖像的信息，從而必須檢測(cè)的僅為衍射光的外觀。從而，Bogdanski等人披露的方法和系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，需要更加復(fù)雜的裝置來(lái)檢測(cè)衍射圖樣的變化。另一缺點(diǎn)是需要更加復(fù)雜的方法來(lái)制備探針，包含在易碎的二氧化硅表面上進(jìn)行光刻和/或蝕刻步驟；這些方法由于費(fèi)用高而不適于全規(guī)模制造過(guò)程。
授予Backman等人的美國(guó)專利No.5,196,350描述了一種光學(xué)檢測(cè)方法，其使用免疫測(cè)定裝置和產(chǎn)生衍射圖案的掩模。免疫測(cè)定裝置處于掩模和光源之間，從而與分析物結(jié)合會(huì)引起掩模產(chǎn)生的衍射或干涉圖案改變。因此，該專利具有與Bogdanski專利相同的缺點(diǎn)，因?yàn)槠涫褂昧嘶趯?duì)衍射圖案的改變進(jìn)行檢測(cè)的方法，而不是一種由結(jié)合產(chǎn)生的信息。這使得分析更加復(fù)雜，因?yàn)榕c存在被檢測(cè)物時(shí)簡(jiǎn)單的是/否形成衍射圖像相比，這些改變更細(xì)微。
授予Godfrey等人的美國(guó)專利No.4,992,385描述了一種用薄聚合物膜制備衍射光柵的方法，該衍射光柵隨后用作傳感裝置。該傳感裝置在檢測(cè)由于結(jié)合分析物導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)改變期間需要使用分光光度技術(shù)。因此，正如前面兩個(gè)專利，該專利也涉及更加復(fù)雜的檢測(cè)方法，因?yàn)槠浔仨殭z測(cè)衍射圖案的改變，而非簡(jiǎn)單地檢測(cè)由分析物形成的圖案信息。
還使用了某些采用乳膠珠技術(shù)的商業(yè)側(cè)向流技術(shù)。目前在許多市售家用診斷試劑盒中采用這些技術(shù)(例如妊娠和排卵試劑盒)。這些試劑盒使用帶顏色的珠子，它們積聚在所限定的“捕獲區(qū)域”，直至珠子的數(shù)量可以用肉眼看到為止。不過(guò)，對(duì)于許多分析物而言這些系統(tǒng)缺乏必須的檢測(cè)靈敏度，因?yàn)闉榱耸谷庋劭梢?jiàn)，結(jié)合在捕獲區(qū)域內(nèi)的乳膠珠數(shù)量必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在同樣大小區(qū)域引起衍射所需的數(shù)量。理論上，所需的珠子數(shù)量比本發(fā)明傳感器所需的珠子數(shù)量高2到3個(gè)量級(jí)。
已經(jīng)存在多種涉及使用生物傳感裝置來(lái)檢測(cè)分析物的新裝置。某些這類生物傳感器具有自組裝單層，并且已經(jīng)用于檢測(cè)分析物。在美國(guó)專利No.5,922,550和6,060,256中提到了這類裝置。還使用具有自組裝單層并使用微粒子技術(shù)的其他裝置檢測(cè)較小分析物，并且在美國(guó)專利No.6,221,579B1中披露。最后，還提出了某些使用非自組裝材料，并且仍就提供可被肉眼看到的衍射圖像的傳感裝置。在美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/213,713中提到了這類裝置。不過(guò)，本發(fā)明通過(guò)提供這些裝置結(jié)果的更快、更精確的解釋，增強(qiáng)了這些生物傳感裝置的易用性和/或精度。
因此，需要一種可以與多種基于衍射的診斷系統(tǒng)一起使用的分析儀，用于以迅速而精確的方式確定分析物的存在。并且還需要一種使用這種分析儀快速、精確地確定給定樣品中分析物存在的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的系統(tǒng)和方法，與要求復(fù)雜觀察裝置的方法和系統(tǒng)相比，其可更加迅速、更加精確和/或更加簡(jiǎn)單地使用。本發(fā)明可以與多種不同診斷系統(tǒng)和方法一起使用來(lái)增強(qiáng)這些裝置在診斷僅使用診斷系統(tǒng)時(shí)不能檢測(cè)出的更小分析物時(shí)的效率和/或用途。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的方法。
本發(fā)明還提供一種用于對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的系統(tǒng)。
理想情況下本發(fā)明還提供一種使用能產(chǎn)生與觀察者視力無(wú)關(guān)的結(jié)果的裝置，對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的方法。
另外，本發(fā)明提供一種對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的方法，其及時(shí)提供精確的結(jié)果，并減少誤差。
本發(fā)明還提供一種對(duì)可以自動(dòng)控制的基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的方法。
理想情況下本發(fā)明還提供一種使用分析儀對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的系統(tǒng)，該分析儀在存儲(chǔ)器中保存以往的結(jié)果，從而允許用戶調(diào)用最近樣品的結(jié)果。
另外，本發(fā)明提供一種對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的系統(tǒng)，其允許遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
本發(fā)明通過(guò)提供一種可結(jié)合基于衍射的診斷系統(tǒng)、確定給定樣品中分析物存在的新型觀測(cè)儀和/或分析儀而實(shí)現(xiàn)這些目的中的至少一個(gè)?？墒褂糜^測(cè)儀和/或分析儀，通過(guò)觀察和/或分析當(dāng)采用診斷系統(tǒng)時(shí)分析物是否產(chǎn)生衍射圖像，確定樣品中分析物的存在。
另外，可使用觀測(cè)儀和/或分析儀進(jìn)行定量或半定量分析。上述參考文獻(xiàn)中描述的裝置可通過(guò)把會(huì)與有關(guān)的分析物結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)其他方式締合的物質(zhì)此處稱作“粘合劑”，印制在表面上而制得。與有關(guān)的分析物結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)其他方式締合的物質(zhì)，稱作粘合劑，并可以包括可與有關(guān)的分析物結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)其他方式締合的化學(xué)物質(zhì)、化合物、組合物、部分、粒子等。
優(yōu)選粘合劑對(duì)于有關(guān)的分析物或者有關(guān)的分析物種類是特異性的，并且一點(diǎn)也不會(huì)與感興趣樣品中存在的其他物質(zhì)結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)其他方式締合。
通常，粘合劑印制在基質(zhì)例如塑料膜上成規(guī)定圖案，從而當(dāng)電磁輻射反射或者透過(guò)印有粘合劑的薄膜時(shí)，印有粘合劑的薄膜不會(huì)衍射電磁輻射，不過(guò)當(dāng)印有粘合劑的薄膜暴露于分析物并且分析物已經(jīng)與粘合劑結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)其他方式締合之后，就衍射電磁輻射?；蛘?，印有粘合劑的薄膜或表面在暴露于分析物之后可能呈現(xiàn)出可測(cè)量的衍射增大或減小。例如，薄膜上可以印制粘合劑，使印有粘合劑的薄膜最初衍射光，不過(guò)當(dāng)分析物與印有粘合劑的表面結(jié)合、締合或者反應(yīng)時(shí)不衍射光或者衍射更少。在另一例中，薄膜上可以印制粘合劑，從而使印有粘合劑的薄膜最初衍射光，不過(guò)當(dāng)分析物與印有粘合劑的表面結(jié)合、締合或者反應(yīng)時(shí)，衍射程度更大。通過(guò)測(cè)得透過(guò)或者反射離開(kāi)基質(zhì)表面的衍射光的改變，確定分析物的存在。
通常，分析物可以為任何激勵(lì)物，包括但不限于將與粘合劑結(jié)合、反應(yīng)或者通過(guò)他方式締合，或者粘合劑對(duì)其有響應(yīng)的任何化學(xué)或生物物質(zhì)，化合物，組合物，部分，粒子等?？紤]檢測(cè)的分析物包括但不限于以下物質(zhì)細(xì)菌；酵母；真菌；病毒；原生動(dòng)物；或這些微生物的特異性抗原；類風(fēng)濕因子；抗體，包括但不限于IgG、IgM、IgA和IgE抗體；癌胚抗原；鏈球菌A族抗原；病毒抗原；與自身免疫性疾病有關(guān)的抗原；變應(yīng)原；腫瘤抗原；鏈球菌B族抗原；HIVI或HIVII抗原；或者對(duì)這些或其他病毒的宿主響應(yīng)(抗體)；對(duì)RSV具有特異性的抗原或者病毒的宿主響應(yīng)(抗體)；單個(gè)抗原；酶；激素；多糖；蛋白質(zhì)；類脂；碳水化合物；藥品或核酸；沙門氏菌類；假絲酵母類，包括但不限于白色念珠菌和念珠菌屬(Candida tropicalis)；沙門氏菌類；腦脊膜炎奈瑟氏菌型A，B，C，Y和W亞型135，肺炎鏈球菌，大腸桿菌K1，B型流感嗜血菌；從微生物衍生出的抗原；半抗原，濫用藥物；治療藥物；環(huán)境因素；肝炎特異性抗原等。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的觀測(cè)儀的透視圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的觀測(cè)儀的透視圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分析儀的示意圖。
圖4為用于測(cè)量衍射圖像中x，y陣列的第0級(jí)和第1級(jí)光強(qiáng)度的掩模的示意圖。
圖5為用于測(cè)量衍射圖像中x，y陣列的第2級(jí)光強(qiáng)度的掩模的示意圖。
圖6為用于測(cè)量衍射圖像中x，y陣列的第3級(jí)光強(qiáng)度的掩模的示意圖。
圖7為用于測(cè)量衍射圖像中x，y陣列的第4級(jí)光強(qiáng)度的掩模的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種用于對(duì)基于衍射的診斷系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行觀察和/或分析的分析儀、系統(tǒng)和方法。本發(fā)明可以與多種不同診斷裝置和系統(tǒng)一起使用，通過(guò)快速精確地檢測(cè)分析物而提高這些裝置的效率和/或用途，由此提供給用戶易使用性。
本發(fā)明首先提供一種觀測(cè)儀，其使用光源通過(guò)與觀測(cè)儀相連的樣品透射或反射光。如果分析物已經(jīng)與基于衍射的傳感裝置結(jié)合，則透射或反射光將產(chǎn)生衍射圖像或圖案?？梢杂萌庋壑苯佑^看該圖像?；蛘邎D像可以投影到屏幕上，允許用戶判斷是否發(fā)生了衍射。
本發(fā)明還提供一種分析儀，其使用一種算法或一系列算法和/或計(jì)算機(jī)軟件分析基于衍射的傳感裝置，判斷在傳感裝置上是否存在一種或多種分析物，從而檢測(cè)出樣品中分析物的存在。雖然也可以使用不帶分析儀的基于衍射的傳感裝置，不過(guò)與不使用分析儀的情形相比，分析儀可更加迅速、更加容易和/或更加精確地產(chǎn)生結(jié)果。
基于分析儀將要使用的系統(tǒng)參數(shù)得出所用算法?；蛘?，如果使用軟件元件，則可以按照需要進(jìn)行調(diào)整，使分析儀在判斷樣品中是否存在分析物時(shí)更加簡(jiǎn)單和/或更加精確。
理想情況下分析儀必須將樣品的衍射圖像轉(zhuǎn)變成是/否結(jié)果給用戶。因此，用戶不必觀察衍射圖像，而看到給出以下解釋的顯示例如，“分析物存在”，“分析物不存在”或者“錯(cuò)誤”。分析儀的選項(xiàng)包括聲音發(fā)生器，照明燈，用于顯示結(jié)果的LED或LCD顯示器；用于提供結(jié)果的打印輸出的打印機(jī)；用于保存早先結(jié)果的存儲(chǔ)器；或者可以采用其他功能如加熱或混合來(lái)增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果、可靠性和/或方便性。
除了觀測(cè)儀和/或分析儀以外，本發(fā)明還包括使用觀測(cè)儀和/或分析儀檢測(cè)分析物的方法。正如討論的，分析儀可以使用一個(gè)或多個(gè)算法和/或軟件元件來(lái)確定給定樣品中分析物的存在。
并且，本發(fā)明包括一種使用基于衍射的傳感裝置和觀測(cè)儀或分析儀來(lái)檢測(cè)分析物的系統(tǒng)。正如所討論的，分析儀可以使用一個(gè)或多個(gè)算法和/或軟件元件來(lái)確定給定樣品中分析物的存在。
本發(fā)明還包括替代某些基于衍射的系統(tǒng)中所使用的復(fù)雜的現(xiàn)有技術(shù)觀察裝置，如光譜儀的裝置。不需要用戶使用復(fù)雜的觀察裝置如光譜儀，本發(fā)明使用簡(jiǎn)單的觀測(cè)儀使用戶能觀察衍射圖像，或使用根據(jù)分析物是否存在而顯示易于解釋的信號(hào)，提供易于理解的結(jié)果的分析儀。分析儀使用裝置采集來(lái)自衍射樣品的光；如果足夠多的光被衍射，則觸發(fā)該裝置指明分析物存在。小裝置還可以增大精度，因?yàn)槠淠苄?zhǔn)結(jié)果，從而可減小假陽(yáng)性。這可通過(guò)將裝置設(shè)計(jì)成遮蔽某些弱衍射信號(hào)，如用一些對(duì)照品可看到的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)。因此，衍射越強(qiáng)，則越能檢測(cè)到真陽(yáng)性。
本發(fā)明是基于基于衍射的傳感裝置的使用。在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，分析儀與這些基于衍射的傳感裝置一起使用，以擴(kuò)展這些裝置的用途。有大量種類的基于衍射的傳感裝置，本發(fā)明的分析儀可考慮與這些基于衍射的傳感裝置中的任何一個(gè)一起使用。
如此處使用的，“基于衍射的傳感裝置”意在包括任何通過(guò)將分析物與裝置結(jié)合而衍射透射或反射光、形成衍射圖像的傳感裝置?；谘苌涞膫鞲醒b置優(yōu)選在不存在分析物時(shí)不衍射光，不過(guò)當(dāng)存在分析物時(shí)衍射光。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，在本發(fā)明中還可以使用兩個(gè)或多個(gè)衍射圖像之間的差異檢測(cè)分析物的存在。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可知，基于衍射的傳感裝置可以包括第一衍射圖像，并且在分析物與裝置結(jié)合之后，包括第二非衍射圖像。
本發(fā)明中使用的基于衍射的傳感裝置通常提供一個(gè)基板，在基板上放置與所選擇的分析物結(jié)合的材料?？梢蕴峁┢渌卣鱽?lái)增強(qiáng)基于衍射的傳感裝置的效率，如附加涂層，阻擋層，衍射增強(qiáng)元件等。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種觀測(cè)器，通過(guò)允許用戶觀察是否存在衍射圖像而使用戶很容易地了解系統(tǒng)中是否存在分析物。該觀測(cè)器通常包括用于支持基于衍射的傳感裝置的裝置，用于使光透過(guò)傳感裝置或從傳感裝置反射的裝置，并且可能還包括用于容納支持裝置和光傳輸裝置的外殼。觀測(cè)儀還可以包括用于激勵(lì)光的裝置，和用于更簡(jiǎn)單地判斷是否存在衍射圖像的裝置，如投影屏。
圖1和2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的觀測(cè)器的兩種可能實(shí)施方案。在圖1中，觀測(cè)器100包括包含有光源(未示出)的外殼110。光源可以為激光，LED，電燈泡，或者任何其他能發(fā)光的裝置。外殼包括孔120，使用者可通過(guò)該孔進(jìn)行觀察。外殼110包括狹縫130或放入被觀察樣品的其他裝置。樣品也可以使用夾具，托盤或者其他適當(dāng)裝置保持在適當(dāng)位置。當(dāng)樣品放入狹縫130中時(shí)，光源可被自動(dòng)激勵(lì)，或者可以使用按鈕140或其他裝置來(lái)激勵(lì)光源。然后光透過(guò)樣品或者通過(guò)樣品反射。從而裝置使用者只需通過(guò)孔120觀察。如果存在分析物，則使用者將觀察到衍射圖像，如果不存在分析物，則使用者將僅能看到光源。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的觀測(cè)儀的備選實(shí)施方案。觀測(cè)儀200包括外殼210，光源(未示出)和用于容納樣品的狹縫230或其他裝置，以及用于激勵(lì)光源的按鈕240或其他裝置。不過(guò)，取代圖1中所用的孔120，觀測(cè)儀200包括透射光或反射光投影的屏幕250。在使用時(shí)，激勵(lì)光源，然后光透過(guò)樣品或從樣品反射。如果存在分析物，則使用者將看到投射到屏幕250上的衍射圖像，如果不存在分析物，則使用者將僅看到投影到屏幕250上的光源。
上述觀測(cè)儀可選擇設(shè)置的一個(gè)部件是使用不透明物體(例如掩模)以阻擋零級(jí)或非衍射光束。由此，如果存在分析物則使用者將僅看到衍射級(jí)，如果不存在分析物，則根本不能看到光。
用肉眼取代允許使用者進(jìn)行觀察的觀測(cè)儀，無(wú)論是否產(chǎn)生衍射圖像，本發(fā)明還提供一種分析儀，使基于衍射的傳感裝置的用戶能迅速、有效地確定給定樣品中是否存在分析物。盡管基于衍射的傳感裝置的使用者可以用肉眼和觀測(cè)儀確定分析物的存在，不過(guò)分析儀可以證實(shí)由使用者進(jìn)行的判斷，或者可用于進(jìn)行初始判斷，而使用者可用肉眼證實(shí)，這取決于使用者的能力和/或所產(chǎn)生的衍射圖像類型。
如果分析儀單獨(dú)使用或者用于作出樣品中分析物存在的初始判斷，則通常使用衍射算法設(shè)定用于判斷表明分析物存在的陽(yáng)性結(jié)果或表明分析物不存在的陰性結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。所使用的算法的類型可以考慮眾多因素，可以單獨(dú)或者結(jié)合，并且包括但不限于被檢測(cè)的分析物，所使用的基于衍射的傳感裝置的類型，被檢測(cè)的樣品，所產(chǎn)生的衍射圖像，衍射圖像中特征的尺寸，圖案中的衍射圖像和/或特征尺寸和/或形狀，所使用的分析儀類型，所需靈敏度大小，和使用該裝置的整個(gè)系統(tǒng)。因此，此處提供的算法僅為本發(fā)明中可以使用的算法的代表例。可以預(yù)見(jiàn)可以使用其他算法，只要這些算法能精確、可靠地使用基于衍射的傳感裝置確定分析物的存在。另外，希望算法能快速地確定分析物的存在，不過(guò)最好具有足夠大的精度。
考慮到一種或多種因素包括但不限于被檢測(cè)的分析物，所使用的基于衍射的傳感裝置的類型，被檢測(cè)的樣品，所產(chǎn)生的衍射圖像，所需靈敏度大小，和使用該裝置的整個(gè)系統(tǒng)等，分析儀的結(jié)構(gòu)可以不同。通常，分析儀包括容納內(nèi)部元件的外殼，用于照射基于衍射的傳感裝置以便產(chǎn)生衍射圖像的裝置，用于測(cè)量衍射和/或非衍射光量的裝置，用于將用于測(cè)量衍射光量的裝置的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成表示分析物存在或缺乏的結(jié)果的裝置，和/或用于通知使用者樣品中是否存在分析物的裝置。
用于照射基于衍射的傳感裝置以便產(chǎn)生衍射圖像的裝置，可以包括光源或某些相關(guān)照明裝置。希望使用光源。光源可以處于外殼內(nèi)部(例如LED，激光二極管或鹵燈)或者外部(例如環(huán)境光)。另外，光源可以處于人眼可見(jiàn)或不可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)。選擇光源使分析儀能檢測(cè)是否由于在基于衍射的傳感裝置上存在分析物而發(fā)生光源的衍射。預(yù)計(jì)在本發(fā)明中，LED，激光器或者任何聚焦光源將是最有效的光源，不過(guò)可以使用其他光源。此外，光源發(fā)出的光可以直接透過(guò)基于衍射的傳感裝置，或者光源發(fā)出的光通?？梢砸砸欢ń嵌热肷湓谘b置表面上，從而衍射圖像從表面反射。
分析儀可以采用一個(gè)或多個(gè)光電探測(cè)器作為測(cè)量衍射和/或非衍射光量的裝置?？捎玫墓怆娞綔y(cè)器包括光電壓或光電導(dǎo)半導(dǎo)體結(jié)(光電二極管)，熱輻射計(jì)或熱電探測(cè)器。探測(cè)器可以單獨(dú)設(shè)置或者設(shè)置成多元陣列(如電荷耦合裝置或CMOS接口探測(cè)器陣列)。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，分析儀采用微處理器或類似裝置，作為將用于測(cè)量衍射光量的裝置的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)變成表示分析物存在或缺乏的結(jié)果的裝置。
一旦確定出結(jié)果，無(wú)論陽(yáng)性還是陰性，該結(jié)果都通過(guò)用于通知使用者樣品中是否存在分析物的裝置顯示給使用者。該裝置最好包括能通知使用者信息的顯示器或類似裝置。顯示器可以為任何標(biāo)準(zhǔn)顯示器，如液晶顯示器(LCD)。顯示器可能顯示出衍射圖像，從而使使用者可以觀察是否已經(jīng)發(fā)生衍射?；蛘撸@示器可簡(jiǎn)單地提供信息，如“是”或“否”或“分析物存在”或‘分析物不存在“或者類似信息，使使用者無(wú)需了解是否已經(jīng)發(fā)生衍射即可獲悉樣品中是否存在分析物，從而減少人為誤差。在另一實(shí)施方案中，在發(fā)生誤差或者如果分析儀不能確定分析物存在時(shí)，那么可以顯示這種效果的信息。
或者，可使用至少一個(gè)燈發(fā)出是否存在分析物的信號(hào)。例如，可以使用一個(gè)燈，根據(jù)所需設(shè)置該燈僅在存在或不存在分析物時(shí)發(fā)光?；蛘撸梢允褂脙蓚€(gè)或多個(gè)燈，其中一個(gè)燈標(biāo)示為“是”。另一燈標(biāo)示為“否”，分析儀將點(diǎn)亮適當(dāng)?shù)臒簟；蛘呖梢詫暨M(jìn)行彩色編碼，從而可使用一種顏色如綠色表示分析物存在，可使用第二種顏色如紅色表示分析物不存在。
分析儀還可以包括一個(gè)或多個(gè)有助于使用者更加精確和/或快速確定分析物是否存在的附加特征。例如，分析儀可以包括用于將樣品保持在適當(dāng)位置的裝置，從而可獲得更佳精確的結(jié)果，或者可更加快速地確定分析物是否存在。該裝置可以包括托盤，夾具，狹縫或著任何其他能將樣品保持在適當(dāng)位置的類似裝置。
分析儀還可以包括用于引導(dǎo)、聚焦和/或加強(qiáng)光源的裝置。如前面所述，該裝置可以反射光，或者可以加強(qiáng)光，從而增強(qiáng)衍射水平，因此增大裝置的靈敏度和/或精度。該用于引導(dǎo)和/或強(qiáng)化光的裝置可以包括反射鏡和/或透鏡或者任何類似裝置。通過(guò)使用這類裝置，可無(wú)需使用微處理器等，因?yàn)樵鰪?qiáng)光衍射允許使用者用肉眼判斷分析物是否存在。
另外，本發(fā)明可以使用掩模幫助消除光透過(guò)傳感裝置或從傳感裝置反射時(shí)光電二極管檢測(cè)漫射或散射光而非衍射光導(dǎo)致的假陽(yáng)性的概率。掩模包括不透明物體，不透明物體具有與衍射圖像對(duì)準(zhǔn)的孔，或者與有關(guān)的衍射圖像的某些部分對(duì)準(zhǔn)的孔。可以使用掩模來(lái)阻擋除衍射光以外的所有被用于測(cè)量衍射光量的裝置如光電二極管檢測(cè)的光。掩模支架或組件也可以包括根據(jù)所使用的基于衍射的傳感裝置，或者為了任何其他期望的原因，而用于旋轉(zhuǎn)掩模的裝置。
在使用時(shí)，掩模設(shè)置在基于衍射的傳感裝置與光電二極管或其他用于測(cè)量光的裝置之間。掩模包括固體部分和允許光透過(guò)的孔。選擇孔的圖案，使其與如果分析物與基于衍射的傳感裝置結(jié)合時(shí)傳感裝置所產(chǎn)生的衍射圖像相應(yīng)。由此，掩模阻擋非衍射光，同時(shí)使衍射光通過(guò)；通過(guò)這種方式，可僅測(cè)量衍射光的強(qiáng)度。
然后，旋轉(zhuǎn)掩模從而阻擋衍射光，并且再次測(cè)量光強(qiáng)大小。某些漫射或散射光，如果有的話，將穿過(guò)掩模中的孔，同時(shí)衍射光被阻擋。由此，當(dāng)?shù)诙巫x出光強(qiáng)時(shí)，比較掩模處于適當(dāng)位置時(shí)檢測(cè)出的光量與掩模旋轉(zhuǎn)時(shí)檢測(cè)出的光量，判斷樣品中是否存在分析物。分析儀將根據(jù)所使用的算法比較讀出，產(chǎn)生結(jié)果。如果在分析儀中使用掩模，則掩?？梢耘c用于旋轉(zhuǎn)掩模所需量的裝置一起包含在分析儀中，用于測(cè)量衍射或非衍射光。
如果使用微處理器作為用于將光電二極管或類似裝置的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成表示分析物存在或缺乏的結(jié)果的裝置，則微處理器可以包括存儲(chǔ)能力，允許使用者調(diào)用分析儀的最近幾次結(jié)果。可以依照需要改變所調(diào)用的結(jié)果數(shù)量。不過(guò)通常，存儲(chǔ)器能調(diào)用至少大約5次結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)裝置包括RAM，ROM，EPROM，EEPROM，閃存卡，數(shù)字視頻盤，柏努利(Bernoulli)磁帶等。包含存儲(chǔ)器的任何類型的計(jì)算機(jī)芯片，可以安裝或者可以通過(guò)其他方式與分析儀相關(guān)聯(lián)。
圖3表示本發(fā)明分析儀的另一實(shí)施方案，該實(shí)施方案具有若干任選的特征。該實(shí)施方案提供一種引導(dǎo)光的方法，使其可以用于小型閱讀機(jī)裝置中。如圖3中所示，樣品310放置在用于將樣品310保持在適當(dāng)位置的支架312上。光源314透過(guò)樣品310。如果樣品含有分析物，則光被衍射并以一系列包括衍射光和非衍射光的光316的形式發(fā)射出光。衍射光316反射離開(kāi)反射鏡318，并使用掩模320阻擋所有主要由非衍射光組成的非衍射光322。其余的光324，即主要由衍射光組成的光，再次反射離開(kāi)另一反射鏡326，并被光電二極管328收集，微處理器(未示出)翻譯該結(jié)果，并在顯示器330上提供適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，在本實(shí)施方案中顯示器為一系列燈。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用掩模320阻擋非衍射光322。因此，掩模允許大多數(shù)衍射光進(jìn)入光電二極管，而光電二極管測(cè)量光強(qiáng)度。在另一實(shí)施方案中，測(cè)得的光強(qiáng)度發(fā)送到采用某種算法的微處理器。然后算法結(jié)果輸入顯示器330，如點(diǎn)亮一組燈，以簡(jiǎn)單的方式顯示給用戶樣品為陽(yáng)性還是陰性(例如紅光＝陰性；藍(lán)或綠光＝陽(yáng)性)。如果光沒(méi)有被衍射，則所有光都將被阻擋，光電二極管328將檢測(cè)不到光，從而分析儀將顯示出樣品中不存在分析物。由此，無(wú)論系統(tǒng)中是否存在分析物都將顯示出光電二極管328所檢測(cè)出的光量。不過(guò)，如果發(fā)生誤差如灰塵進(jìn)入系統(tǒng)中而可能產(chǎn)生某些少量衍射光時(shí)，盡管樣品312中不存在分析物，光電二極管328也可以檢測(cè)到某些光。因此，當(dāng)使用分析儀時(shí)，在決定光電二極管和微處理器是否指示樣品中存在或缺乏分析物時(shí)，可以考慮衍射程度。
在可選擇的實(shí)施方案中，用于分析衍射樣品的方法也使用掩模。不過(guò)，對(duì)光強(qiáng)度測(cè)量?jī)纱?。第一次測(cè)量使掩模光亮的衍射光。然后旋轉(zhuǎn)掩模，阻擋衍射光；結(jié)果僅漫射光(如果有的話)穿過(guò)掩模得到測(cè)量。然后使用兩次測(cè)量結(jié)果的比值確定樣品是陽(yáng)性(“是”，分析物存在)還是陰性(“否”，分析物不存在)。通過(guò)這種方式，該方法可將漫射光考慮在內(nèi)，從而 “臟”樣品，即定義為漫射或散射光但不衍射光的樣品，不會(huì)引起陽(yáng)性讀出。
可使用的算法類型有許多種，可根據(jù)包括但不限于被檢測(cè)的分析物、所使用樣品、分析儀的部件、所需靈敏度、使用分析儀的系統(tǒng)等的一個(gè)或多個(gè)因素而改變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)的優(yōu)選算法允許用戶處理數(shù)據(jù)(各衍射級(jí)的衍射光強(qiáng)度數(shù)據(jù))，從而僅將高階衍射級(jí)視作衍射樣品。這樣可以增大系統(tǒng)精度。
算法具有兩個(gè)基本構(gòu)成1)測(cè)量光強(qiáng)度的方法；和2)用于引起“陽(yáng)性”或“是”讀出和相反的“陰性”或“否”讀出的計(jì)算。該算法是本發(fā)明的一個(gè)所需構(gòu)成部件，因?yàn)樗峁┝艘环N特別是通過(guò)消除假陽(yáng)性而增大精度的方法。
算法的一個(gè)例子為(大于等于2級(jí)的衍射光強(qiáng)度)/(入射光強(qiáng)度)在一種情形中，入射光可以在穿過(guò)樣品之前進(jìn)行測(cè)量。在優(yōu)選實(shí)施方案中，入射光在透過(guò)樣品之后進(jìn)行測(cè)量，并且收集衍射和零級(jí)光束獲得這種強(qiáng)度讀出。算法可以設(shè)定該比值的截止值，從而高于該值的測(cè)量樣品＝“陽(yáng)性”，低于該值的測(cè)量樣品＝“陰性”。截止值的一個(gè)例子為大約0.3。而且，截止值可以取決于被檢測(cè)的分析物，所使用的基于衍射的傳感裝置的類型，被檢測(cè)的樣品，所產(chǎn)生的衍射圖像，衍射圖像中特征的尺寸，該圖案中的衍射圖像和/或特征尺寸和/或形狀，所使用的分析儀類型，所需靈敏度大小，和/或使用該裝置的整體系統(tǒng)而變。
可以使用其他算法，下面在實(shí)施例中給出可使用的算法的一些例子。
本發(fā)明還包括用于確定樣品中分析物存在的系統(tǒng)和方法。在這些系統(tǒng)和方法中，與分析儀一起使用基于衍射的傳感裝置。將待檢測(cè)的樣品放置在基于衍射的傳感裝置上。根據(jù)所使用的基于衍射的傳感裝置的類型，樣品可能需要靜止幾分鐘，使分析物如果存在的話有時(shí)間與基于衍射的傳感裝置結(jié)合。或者，可以立即觀察基于衍射的傳感裝置和樣品。
然后光或者直接通過(guò)基于衍射的傳感裝置或者從基于衍射的傳感裝置反射。如果樣品中存在被檢測(cè)的分析物，則分析物衍射光。如果不存在分析物，則光不被衍射。不過(guò)，基于衍射的傳感裝置還可以構(gòu)造和設(shè)置成，如果存在分析物則光不衍射，如果不存在分析物則衍射。而且，基于衍射的傳感裝置可以設(shè)計(jì)成如果不存在分析物，則光以第一數(shù)量衍射，如果存在分析物，則光以第二數(shù)量衍射，且分析儀能測(cè)量這種差異，判斷是否存在分析物。
在光透過(guò)或通過(guò)樣品反射和衍射之后，使用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器如光電二級(jí)管測(cè)量衍射光。探測(cè)器測(cè)量衍射光強(qiáng)。探測(cè)器可以任選在樣品設(shè)置在儀器中之前或者在去除樣品之后測(cè)量入射光強(qiáng)?；蛘?，可使用第二探測(cè)器和分束器裝置，在測(cè)量衍射光的同時(shí)測(cè)量入射光強(qiáng)度。然后使用用于確定是否存在分析物的裝置如微處理器，確定該樣品是陽(yáng)性還是陰性。如果使用微處理器，則最好使用包含算法的代碼或軟件程序分析來(lái)自光電二極管的輸入。為了運(yùn)行算法，可以安裝軟件元件，運(yùn)行必要的計(jì)算并確定最終結(jié)果。然后使用用于通知用戶樣品中是否存在分析物的裝置，如LCD顯示器或一系列燈，將該結(jié)果提供給用戶。
如果在本發(fā)明中使用軟件元件，則提供計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的指令，用于翻譯光電二極管測(cè)量出的光量，并產(chǎn)生輸出表示樣品中是否存在分析物。微處理器執(zhí)行軟件元件的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。
該系統(tǒng)還包括輸入界面和輸出界面。使用輸入界面，微處理器可從光電二極管接收與光量有關(guān)的數(shù)據(jù)。使用輸出界面，使通過(guò)軟件元件控制的微處理器與用于指示用戶樣品中是否存在分析物的裝置通信，將結(jié)果提供給用戶。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，也可以由與分析儀通信并與分析儀一起操作的分離系統(tǒng)，如臺(tái)式電腦、膝上型電腦或手持式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行軟件元件。
取決于前面所討論的因素，基于衍射的傳感裝置可以包括多種不同特征。
通常，基于衍射的傳感裝置將使用基質(zhì)。基質(zhì)可以包括任何大體上光學(xué)透明的材料，包括但不限于玻璃和塑料。不過(guò)，優(yōu)選基質(zhì)為聚合物薄膜。另外，為了有助于結(jié)合到基質(zhì)上，基質(zhì)優(yōu)選具有涂覆在薄膜上的金屬或金屬氧化物薄膜。不過(guò)，如果使用反射光，則可使用非光學(xué)透明材料。
其上可以沉積金屬涂層的任何薄膜都適合于本發(fā)明。這些薄膜包括但不限于聚合物如聚乙烯-對(duì)苯二酸酯(MYLAR)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，丙烯腈-甲基丙烯酸共聚物，玻璃紙，纖維素聚合物如乙基纖維素、醋酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、丙酸纖維素、三乙酸纖維素，聚乙烯，聚乙烯-醋酸乙烯共聚物，離聚物(乙烯聚合物)，聚乙烯-尼龍共聚物，聚丙烯，甲基戊烯聚合物，聚氟乙烯和芳香聚砜。優(yōu)選塑料薄膜的光學(xué)透明度高于80％。在參考文獻(xiàn)例如Modern PlasticsEncyclopedia(McGraw-Hill出版公司，紐約1923-1996)中可以找到其他適當(dāng)?shù)乃芰虾凸?yīng)商。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，其上具有金屬涂層的薄膜的透光度在大約5％至95％之間。本發(fā)明中所使用的其上具有金屬涂層的薄膜的更加優(yōu)選的透光度在大約20％至80％之間。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，薄膜具有至少大約80％的透光度，并且金屬涂層的厚度為保持透光度大于大約20％的厚度，從而可由反射或透射光產(chǎn)生衍射圖像。不過(guò)，在本發(fā)明其它實(shí)施方案中，金屬厚度可以處于大約1nm至2000nm之間。
可用于沉積在薄膜上的金屬包括金、銀、鋁、鉻、銅、鐵、鋯、鉑和鎳，以及這些金屬的氧化物。
除了基質(zhì)以外，基于衍射的傳感裝置上還包括對(duì)于感興趣分析物具有特異性的受體材料。受體材料通常在基質(zhì)上設(shè)置成圖案，從而當(dāng)分析物與受體材料結(jié)合時(shí)，形成特殊衍射圖像。
在一個(gè)可能的實(shí)施方案中，受體材料附著到位于基質(zhì)上的附著層。在某些情形中，受體材料可以被動(dòng)地結(jié)合到附著層。如果需要，則可以使用通過(guò)附著層引入到檢測(cè)表面上的自由官能團(tuán)，將受體材料共價(jià)附著到檢測(cè)表面。用于附著受體材料的可用化學(xué)物質(zhì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
在另一實(shí)施方案中，使用經(jīng)過(guò)構(gòu)圖的抗體結(jié)合蛋白作為附著層。具有被束縛抗體的經(jīng)過(guò)構(gòu)圖的抗體結(jié)合蛋白層，使其上的分析物構(gòu)圖設(shè)置或結(jié)合。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，附著層為自組裝單層。無(wú)機(jī)或金屬表面上的自組裝有機(jī)化合物單層是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)方面。雖然存在多種基于不同有機(jī)化合物和載體的自組裝單層系統(tǒng)，不過(guò)優(yōu)選的系統(tǒng)為處于金膜上的鏈烷硫醇鹽，HS(CH2)nR。通常，在涂鈦底涂層的Si/SiO2晶片或玻璃片上負(fù)載1至2000nm厚的金膜。鈦?zhàn)鳛榻鹋c載體之間的結(jié)合促進(jìn)劑。鏈烷硫醇從金膜浸入的溶液中化學(xué)吸附到金表面上，形成損失了氫的吸附鏈烷硫醇鹽。也可從蒸汽產(chǎn)生吸附。單層的表面或內(nèi)部中可以包括多種官能團(tuán)(R)。
從而自組裝單層被定制來(lái)提供多種材料性質(zhì)諸如可濕性和防止化學(xué)蝕刻劑腐蝕。另外，官能團(tuán)可以反應(yīng)，允許受體材料與自組裝單層共價(jià)附著。
在另一實(shí)施方案中，受體材料可以直接施加給基質(zhì)。在該原理的一個(gè)特定實(shí)施方案中，受體材料為抗體。受體材料的特征在于能特異性結(jié)合有關(guān)的分析物?？捎米魇荏w材料的材料種類僅受與從動(dòng)部分選擇性結(jié)合(相對(duì)于任何選定樣品)的材料種類的限制。全部受體材料種類中所能包含的材料的子類包括毒素，抗體，抗原，激素受體，寄生蟲(chóng)，細(xì)胞，半抗原，代謝物，過(guò)敏源，核酸，核物質(zhì)，自體抗體，細(xì)胞碎片，酶，組織蛋白，酶作用物，輔酶，神經(jīng)元傳導(dǎo)物，病毒，病毒粒子，微生物，蛋白質(zhì)，多糖，螯合劑，藥物和任何其他特異性結(jié)合對(duì)元件。該列表僅包含可以用作受體材料產(chǎn)生薄膜化驗(yàn)系統(tǒng)的多種不同材料中的一部分。無(wú)論選擇哪一種有關(guān)的分析物，都將受體材料設(shè)計(jì)成特異性與該有關(guān)的分析物結(jié)合。
可根據(jù)分析物大小，通過(guò)兩種方式中的一種使用所產(chǎn)生的具有構(gòu)圖受體的基于衍射的傳感裝置。對(duì)于自身能引起衍射的分析物，如微生物，通過(guò)首先將基于衍射的傳感裝置暴露于含有所選擇分析物的介質(zhì)，然后在適當(dāng)保溫培養(yǎng)周期之后，使光如激光透過(guò)薄膜或者從薄膜反射，這樣使用該系統(tǒng)。如果介質(zhì)中存在分析物并與受體層結(jié)合，則光被衍射產(chǎn)生可見(jiàn)圖像。
或者，對(duì)于非常小的分析物如蛋白質(zhì)，系統(tǒng)可以利用能與目標(biāo)分析物結(jié)合并能產(chǎn)生高度和/或折射率相當(dāng)大變化的“衍射增強(qiáng)元件”，從而增大生物傳感器的衍射效率，從而能檢測(cè)較小的分析物。在使用中時(shí)，目標(biāo)分析物吸附于衍射增強(qiáng)元件，從而吸附于基于衍射的傳感裝置，或者直接吸附到印有受體的聚合物膜的選定區(qū)域，使衍射增強(qiáng)元件與分析物結(jié)合。然后通過(guò)物理尺寸和所定義的精確設(shè)置分析物和/或衍射增強(qiáng)元件，透射和/或反射光發(fā)生衍射。產(chǎn)生易于用眼睛觀察或者通過(guò)傳感裝置觀察的衍射圖像。
該傳感器的另一可選用途包括檢測(cè)抗體分析物。傳感裝置可以僅包含經(jīng)過(guò)構(gòu)圖的抗體結(jié)合蛋白，然后暴露于具有衍射增強(qiáng)粒子的介質(zhì)，其具有對(duì)于被檢測(cè)抗體具有抗體特異性。優(yōu)選選擇抗體粒子，使其不會(huì)非特異性地與經(jīng)過(guò)構(gòu)圖的抗體結(jié)合蛋白結(jié)合，而是僅當(dāng)還結(jié)合有分析物抗體時(shí)進(jìn)行結(jié)合。通過(guò)這種方法，如果存在分析物抗體，則衍射增強(qiáng)元件將引起高度和/或折射率發(fā)生極大改變，從而形成衍射圖像。
本發(fā)明中可使用的衍射增強(qiáng)元件粒子包括但不限于，玻璃，纖維素，合成聚合物或塑料，乳膠，聚苯乙烯，聚碳酸酯，金屬粒子(例如金微粒子，金納米粒子，銀沉積劑或銀微粒子)，細(xì)菌或真菌細(xì)胞等。粒子優(yōu)選基本上為球形，不過(guò)對(duì)于本發(fā)明而言粒子的結(jié)構(gòu)和空間形態(tài)不重要。例如，粒子可以為長(zhǎng)條形，橢圓體，立方體等。粒子直徑為大約0.1μm至大約100.0μm，優(yōu)選處于大約0.3μm至大約1μm之間。元件粒子的組成對(duì)于本發(fā)明并不重要。優(yōu)選介質(zhì)與增強(qiáng)元件之間的折射率差為0.1以上。
基于衍射的傳感裝置還可以包括使用毛細(xì)作用劑(wickingagent)，以從樣品中去除未結(jié)合的標(biāo)簽微粒子，以及任何殘留液體。毛細(xì)作用劑使得不再需要任何附加清洗。另外，可以在毛細(xì)作用劑的中心打出小孔，從而一旦樣品和過(guò)量粒子通過(guò)毛細(xì)作用被帶走，則孔允許用戶直接檢測(cè)衍射圖像，無(wú)需去除毛細(xì)作用材料。毛細(xì)作用劑的例子包括硝化纖維薄膜，醋酸纖維素薄膜，PVDF薄膜，聚丙烯和玻璃微纖維結(jié)構(gòu)。
此外，可以改變毛細(xì)作用薄膜的孔尺寸以控制毛細(xì)作用的速度和毛細(xì)作用力。這可能會(huì)影響診斷裝置的精度，并且也可以利用其產(chǎn)生一步式裝置。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，一步式裝置包括在基質(zhì)如金/MYLAR上的接觸印制的俘獲抗體，然后標(biāo)簽粒子在其表面上預(yù)干燥。另外，將切掉孔的慢毛細(xì)作用薄膜放置在裝置頂部，完成該裝置。用戶僅僅加入被檢測(cè)樣品，然后一旦發(fā)生毛細(xì)作用時(shí)就觀察衍射圖像。使用小孔尺寸和/或疏水材料或者涂層，可以延緩毛細(xì)作用足夠長(zhǎng)的時(shí)間使之可以充分培養(yǎng)，如發(fā)生抗體-抗原相互作用所需的培養(yǎng)時(shí)間?；蛘撸诿?xì)作用劑圓周處可使用易蝕試劑來(lái)延遲毛細(xì)作用。試劑最終將溶解或衍生，從而在特定時(shí)間周期之后允許毛細(xì)作用進(jìn)行。
可使用多種技術(shù)將受體材料施加到基質(zhì)上。試驗(yàn)表面可通過(guò)將溶液涂覆成分離陣列或圖案；濺射；噴墨打印或者其他印制方法，或者通過(guò)接觸印制而涂覆受體材料。所選擇的技術(shù)將使涂覆大量試驗(yàn)表面所需的受體材料量最小，并在涂覆期間保持受體材料的穩(wěn)定性/功能性。該技術(shù)必須能將受體材料以非常均勻和可再現(xiàn)的方式涂覆或粘接到基質(zhì)上。
在一個(gè)這種實(shí)施方案中，使用微接觸印刷印制受體材料。使用彈性圖章將受體材料“墨水”通過(guò)接觸轉(zhuǎn)印到表面；如果圖章經(jīng)過(guò)構(gòu)圖，則形成圖案化的受體材料層。可通過(guò)在具有所需圖案的主盤上澆鑄聚二甲基硅氧烷(PDMS)而制造圖章。使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)，蝕刻方法制備主盤，或者由具有微觀表面特征的現(xiàn)有材料構(gòu)成。
在另一實(shí)施方案中，使用噴墨打印機(jī)將受體材料印制在基質(zhì)如金/MYLAR上成規(guī)定的圖案。720點(diǎn)每英寸(dpi)的分辨率產(chǎn)生能通過(guò)結(jié)合目標(biāo)分析物與標(biāo)記微觀粒子而產(chǎn)生衍射圖像的陣列。不過(guò)，也可以使用其他分辨率。噴墨打印機(jī)還產(chǎn)生足夠小的特征尺寸(40-100微米直徑)，產(chǎn)生衍射圖像。
使用本發(fā)明進(jìn)行檢測(cè)的分析物包括但不限于細(xì)菌；酵母；真菌；病毒；類風(fēng)濕因子；抗體，包括但不限于IgG，IgM，IgA和IgE抗體；癌胚抗原；鏈球菌A族抗原；病毒抗原；與自體免疫疾病有關(guān)的抗原；過(guò)敏原；腫瘤抗原；鏈球菌B族抗原；HIV I或HIV II抗原；或者這些和其他病毒的宿主響應(yīng)(抗體)；特異于RSV的抗原或者病毒的宿主響應(yīng)(抗體)；單個(gè)抗原；酶；激素；多糖；蛋白質(zhì)；類脂；碳水化合物；藥物或核酸；沙門氏菌類；假絲酵母類，包括但不限于白色念珠菌和念珠菌屬；沙門氏菌類；腦脊膜炎奈瑟氏菌型A，B，C，Y和W亞型135，肺炎鏈球菌，大腸桿菌K1，B型流感嗜血菌；從微生物衍生出的抗原；半抗原，濫用藥品；治療藥物；環(huán)境因素；和肝炎特異性抗原。
通過(guò)下面的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，這些實(shí)施例并非以任何方式構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限定。相反，可以清楚理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本說(shuō)明書(shū)之后在不超出本發(fā)明范圍的條件下，可以提出各種其他實(shí)施方案，改進(jìn)及其等同方案。
實(shí)施例實(shí)施例1-3在實(shí)施例1-3中，確定用于通過(guò)衍射光強(qiáng)的直接測(cè)量結(jié)果提出是/否答案的算法和方法。
試驗(yàn)裝置包括以下部件作為光源的激光束，基于衍射的傳感樣品，掩模，光電二極管和多個(gè)透鏡。當(dāng)樣品符合衍射的必要條件時(shí)(例如存在分析物)，各級(jí)衍射光束透過(guò)處于0°(未旋轉(zhuǎn))位置的掩模，并使用光電二極管測(cè)量強(qiáng)度。然后旋轉(zhuǎn)掩模，用掩模阻擋衍射光束，使其不到達(dá)光電二極管；由此，測(cè)量漫射和散射光。測(cè)量掩模處于兩個(gè)位置時(shí)的光強(qiáng)，通過(guò)考慮這些數(shù)值而將漫射光和散射光部分排除。
用數(shù)百樣品評(píng)價(jià)各算法的精度。測(cè)量各衍射級(jí)，從最靠近主要的非衍射光束(0級(jí)光束)的第1級(jí)開(kāi)始，到第2級(jí)，第3級(jí)等。由于有些控制樣品呈現(xiàn)出第1衍射級(jí)，通過(guò)將從第2到更高級(jí)衍射光的強(qiáng)度賦予更大權(quán)重而將其考慮在內(nèi)。根據(jù)從所研究的數(shù)百樣品收集的數(shù)據(jù)，選擇掩模旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致強(qiáng)度的特定損耗，作為精確的是/否判斷的截止值?？蛇M(jìn)行人為校正，給出處于陽(yáng)性和陰性結(jié)果之間的中性區(qū)域。通式包括M與R的比值，其中M為衍射光的強(qiáng)度，R為非衍射光的強(qiáng)度；因此，可使用通式X＝(M-R)或X＝(M-R)/M，其中大于某一閾值的’X’表示衍射光的陽(yáng)性，含有分析物的樣品。
更具體的例子用M表示掩模處于0°位置時(shí)第2級(jí)和更高衍射級(jí)的衍射光強(qiáng)度，R為非衍射光強(qiáng)度?？赏ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)用于采集第2級(jí)和更高級(jí)的相同掩模測(cè)量非衍射光，使衍射光被掩模阻擋，僅測(cè)量通過(guò)掩模的漫射光。同樣，公式為X′＝(M-R)或X′＝(M-R)/M。此外，可測(cè)量掩模旋轉(zhuǎn)引起的整個(gè)光源的強(qiáng)度(X)損失。
在一個(gè)實(shí)施方案中，其中使用30％的強(qiáng)度損耗，使用下述公式如果X＞30％-(M-R)1.6，則結(jié)果為“陽(yáng)性”，如果X≤30％-(M-R)1.6，則結(jié)果為“陰性”在另一實(shí)施方案中，使用下述公式如果((M-R)＞0.027-(M-R)1.6)，則結(jié)果為“陽(yáng)性”，如果((M-R)＜0.027-(M-R)1.6)，則結(jié)果為“陰性”其他實(shí)施方案使用均值細(xì)化算法，包括基于強(qiáng)度讀數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的因子。一個(gè)例子為對(duì)于X≤0.12，如果((M-R)＞0.014-((-1)(0.12-X)1.7))，則結(jié)果為“陽(yáng)性”，對(duì)于X＞0.12，如果((M-R)＞0.014-X3)，則結(jié)果為“陽(yáng)性”如果不滿足上述(M-R)的條件，則結(jié)果為“陰性”實(shí)施例4如圖3中所示，用下述部件制備手持式分析儀作為光源的激光二極管；用于保持基于衍射的傳感樣品使光透過(guò)該樣品的裝置；阻擋除第1，第2，第3和第4衍射級(jí)以外所有光的掩模；光電二極管；用于引導(dǎo)光的透鏡和/或反射鏡；具有存儲(chǔ)能力的微處理器；一組顯示結(jié)果的燈；以及LCD。所有這些部件都包含在小的手持式外殼中。
一旦打開(kāi)分析儀，則LCD就提示用戶必要步驟，如“插入樣品”，然后“點(diǎn)擊試驗(yàn)按鈕”。如果衍射樣品插入樣品支架中，則光電二極管收集衍射光強(qiáng)度，微處理器將該結(jié)果轉(zhuǎn)換成“陽(yáng)性”。
用下述算法編程微處理器A＝通道1讀數(shù)/通道2讀數(shù)其中通道1測(cè)量2級(jí)和衍射光更高衍射級(jí)的強(qiáng)度，通道2測(cè)量1級(jí)衍射光的強(qiáng)度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，其中截止值設(shè)定為2.0，使用下述公式如果X＞2.0，則結(jié)果為“陽(yáng)性”，
如果X小于或等于2.0，則結(jié)果為“陰性”在一組樣品中，發(fā)現(xiàn)2.0的截止值對(duì)于樣品產(chǎn)生峰值為1μg/mL IgE(讀出＝“陽(yáng)性”)的精確結(jié)果，并對(duì)于對(duì)照品產(chǎn)生0μg/mL IgE的值(讀出＝“陰性”)。用打開(kāi)的紅燈表示陽(yáng)性讀出，并在LCD上顯示信息“樣品陽(yáng)性”。用打開(kāi)的綠燈表示陰性讀出，并在LCD上顯示信息“樣品陰性”。可在樣品放置于支架后大約5秒內(nèi)獲得讀出。
當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)相反類型的生物傳感器，也可以將分析儀的微處理器編程將衍射樣品表示為“陰性”。
本發(fā)明的分析儀，方法和系統(tǒng)可以用單次試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)分析物，或者可以設(shè)計(jì)成多次試驗(yàn)裝置?？梢杂糜跈z測(cè)吸收品如尿布中的污染物，并檢測(cè)微生物的污染。
在本發(fā)明中，基于衍射的傳感裝置可以附著到背面粘性標(biāo)簽，或者附著到可以放置到硬表面或容器壁的貼花紙上?；谘苌涞膫鞲醒b置可以設(shè)置在容器如食品包裝或玻璃瓶的內(nèi)表面上。然后可以分析基于衍射的傳感裝置，確定分析物的存在。
可以看出，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的檢測(cè)分析物的系統(tǒng)和方法，通過(guò)允許用戶更容易地使用觀測(cè)儀觀察衍射圖像而增大系統(tǒng)精度，或者取決于樣品中是否存在分析物，通過(guò)分析所產(chǎn)生的衍射圖像而產(chǎn)生陽(yáng)性或陰性讀出。
權(quán)利要求
1.一種用于在樣品中檢測(cè)分析物的方法，包括步驟將樣品插入基于衍射的傳感裝置；使光源透過(guò)或從基于衍射的傳感裝置反射，產(chǎn)生衍射圖像；以及用分析儀觀察衍射圖像；其中該分析儀用于透過(guò)或反射光源；測(cè)量衍射圖像的光強(qiáng)度；并確定樣品中是否存在分析物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該基于衍射的傳感裝置包括聚合物膜；和印制在聚合物膜上面的成圖案的受體層，其中該受體層為特異性結(jié)合分析物的受體材料。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中受體材料選自抗原，抗體，核苷，螯合劑，酶，細(xì)菌，酵母，真菌，病毒，細(xì)菌纖毛，細(xì)菌鞭毛材料，核酸，多糖，類脂，蛋白質(zhì)，碳水化合物，金屬，激素和所述材料的受體。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中使用對(duì)分析物具有特異性的衍射增強(qiáng)元件。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該分析儀包括光源；光電檢測(cè)器；微處理器；顯示系統(tǒng)；和用于包含該光源，該光電檢測(cè)器，該微處理器和該顯示系統(tǒng)的外殼。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該光源處于可見(jiàn)光譜內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中光源選自LED光，激光，激光二極管，通過(guò)光纖，通過(guò)針孔的自然光，或燈絲燈泡或無(wú)燈絲燈泡。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中光源包括反射光。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該微處理器還包括用于運(yùn)行算法的軟件元件，根據(jù)光電二極管的測(cè)量結(jié)果判斷樣品中是否存在分析物。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其中顯示系統(tǒng)選自液晶顯示器(LCD)，聲音發(fā)生器，照明燈，LED，提供結(jié)果打印輸出的打印機(jī)，光敏材料，或者至少一個(gè)指示結(jié)果的燈。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少一個(gè)燈包括兩個(gè)或多個(gè)燈。
12.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括用于將樣品保持在適當(dāng)位置的支架。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中支架選自托盤、夾具、狹縫或其組合。
14.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括用于引導(dǎo)或增強(qiáng)光的裝置，選自反射鏡、透鏡、波導(dǎo)、光纖或其組合。
15.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括專用于衍射圖像并用于阻擋特定光的掩模。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該掩模構(gòu)造和設(shè)置成主要僅允許衍射光通過(guò)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該掩模還包括用于旋轉(zhuǎn)掩模的裝置。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中掩模旋轉(zhuǎn)使其主要允許非衍射光通過(guò)，并阻擋衍射光。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該掩模具有至少兩個(gè)取向，其中在第一取向，主要使衍射光能通過(guò)掩模，在第二取向，主要使非衍射光能通過(guò)掩模，其中衍射光強(qiáng)度與非衍射光強(qiáng)度之間的比值或差異表示是否存在分析物。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中衍射光量比非衍射光更高表明存在分析物。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中非衍射光量比衍射光量更高表明存在分析物。
22.一種用于在樣品中檢測(cè)分析物的方法，包括步驟將樣品放入基于衍射的傳感裝置；使光源透過(guò)或者從基于衍射的傳感裝置反射，產(chǎn)生衍射圖像；以及通過(guò)觀測(cè)儀觀察衍射圖像；其中觀測(cè)儀用于透過(guò)或反射光源，并確定樣品是否衍射光。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該基于衍射的傳感裝置包括聚合物膜；和印制在聚合物膜上的成圖案的受體層，其中該受體層為與分析物特異性結(jié)合的受體材料。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中受體材料選自抗原，抗體，核苷，螯合劑，酶，細(xì)菌，酵母，真菌，病毒，細(xì)菌纖毛，細(xì)菌鞭毛材料，核酸，多糖，類脂，蛋白質(zhì)，碳水化合物，金屬，激素和所述材料的受體。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其中使用對(duì)分析物具有特異性的衍射增強(qiáng)元件。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該光源處于可見(jiàn)光譜。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其中光源選自LED光，激光，激光二極管，通過(guò)光纖，通過(guò)針孔的自然光，或有燈絲燈泡或無(wú)燈絲燈泡。
28.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該光源包括反射光。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括用于將樣品保持在適當(dāng)位置的支架。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中支架選自托盤、夾具、狹縫或其組合。
31.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括用于引導(dǎo)或增強(qiáng)光的裝置，選自反射鏡、透鏡、波導(dǎo)、光纖或其組合。
32.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括專用于衍射圖像并用于阻擋特定光的掩模。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中該掩模構(gòu)造和設(shè)置成主要僅允許衍射光通過(guò)。
全文摘要
一種使用基于衍射的傳感裝置以及使用該裝置的方法和系統(tǒng)，確定分析物存在的分析儀。該分析儀可以與多種不同的基于衍射的診斷方法和系統(tǒng)一起使用。該分析儀增大這些裝置在檢測(cè)分析物時(shí)的精度和/或用途，同時(shí)為使用者提供更加容易的使用性和方便性。該分析儀可以包括光源，光電二極管，微處理器和用于將結(jié)果顯示給用戶的顯示系統(tǒng)。其他特征包括反射鏡，透鏡，樣品支架，和用于阻擋某些光的掩模。該分析儀和相關(guān)方法及系統(tǒng)可以用于多種環(huán)境下，包括商業(yè)、專家和個(gè)人應(yīng)用中。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1697974SQ02827995
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者R·M·凱洛, D·楊, Z·S·阿塔納索夫, M·E·克諾茨 申請(qǐng)人:金伯利-克拉克環(huán)球有限公司