CN101031790B - 同轴漫反射率读出头 - Google Patents

Abstract

通过应用光纤将准直光导引至测试区并从测试区将漫射光和镜面光返回，获得反射率光度学性能上的改进。当收集和测量漫射光时，通过空间滤波器防止镜面光到达光探测器。

Description

同轴漫反射率读出头

技术领域

本发明涉及用于测量对生物样品的光响应的仪器，诸如那些用于测量血液中葡萄糖含量的仪器。

背景技术

通常在测试条的辅助下对医学状况进行诊断和监控，该测试条对生物样品(例如全血中的葡萄糖)中的分析物和放置于测试条上的试剂之间的反应产生光学响应(例如颜色)。虽然可以在视觉上读取光学响应，但他们还是往往用反射率光度学进行测量。在这种方法中，光直接引导到测试条上含试剂的区域，从测试区返回的光被检测、并且将其与测试条上起反应的分析物的量相关联。

很多专利公开了用于改进应用反射率光度学的仪器性能的光源和光探测器的配置。这些例子包括专利号为6181417、5611999、4890926、5155628、5449898和5477326的美国专利。一般地，发光二级管用于提供高强度、窄带宽的光源，从测试条返回的受测试区光学特性影响的、被称作漫射光的光被光电探测器收集并测量。防止这里被称作镜面光(specular light)的不受测试区影响的返回的光到达光探测器。

当在光源和光探测器之间行进时，光以本领域技术人员熟悉的各种方法被处理，一些方法中已经应用了光纤。一个例子是专利号为5701181的美国专利，其中发光二极管以30度的角度通过光纤束提供光到测试条上的垫。反射光经由位于带有螺纹的折流板(baffle)后面的双凸透镜到另一束光纤被引导到光探测器。

在专利号为6157472和6535753的美国专利中描述了另一完全不同设计的感应装置。它在一独立装置中应用光纤将光引导进入一个非常小的直接与被测物体接触的感应尖端，并接收从该感应尖端反射回的光。该感应尖端非常小，能够以微弱感觉或者没有感觉地进入患者皮肤。该尖端涂敷有这样的材料，选择所述材料使其与待测的分析物反应。专利号为6535753的美国专利中给出的一个例子应用了葡萄糖氧化酶试剂系统。已经提出用尖端带有试剂的光纤测量诸如一氧化氮的其它分析物。专利号为6636652的美国专利给出了另一个例子。

一般的仪器有很多与光处理有关的限制。从测试区返回的漫射光的量很小，因此测试区域必须相对较大，这导致设备比期望的更大。仪器的光学元件的布置给设计者造成了难题。此外，消除镜面光反射，即不受测试区的光响应影响的光，通常不能完全成功。因此，一直寻求对这些仪器的进一步的改进。本发明应用了纤维光学以克服传统仪器中的限制，这将从下面的描述中看到。

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种同轴漫反射率读出头，该读出头提供了对反射率光度法性能的改进，所述反射率光度法用于测量对生物样品(例如全血中的葡萄糖)中的分析物和测试条上的合适的试剂之间的反应的光响应。同样的光纤被同轴地使用，即发射准直光到测试区并返回漫射光和镜面光。分束器将来自光源的准直光引导进入光纤，并将从测试区接收的镜面光引导向空间滤波器，空间滤波器放置成阻止镜面光到达光探测器。从空间滤波器周围通过的漫射光由光探测器测量，然后将其与在测试区中反应的分析物的数量相关联。在一优选实施例中，分束器的边缘被斜切，优选以45度的角度斜切，相比具有90度边缘的分束器，限制了漫反射光的损耗。

另一方面，本发明是一种测量从暴露在光源下的测试区返回的漫射光的方法。准直光经由分束器和光纤到达测试区。光纤或者与测试区接触，或者非常接近测试区。从测试区返回的漫射光和镜面光都经由光纤到达分束器。穿过分束器的镜面光到达充当空间滤波器的不透明区，而漫射光在空间滤波器周围通过并到达光探测器。

在另一实施例中，本发明是一种同轴反射率读出头，它改进了涂敷有用于直接与样品接触的试剂的光纤传感器的性能。该光纤末端代替上述实施例使用的测试条。引导到光纤末端和样品的光被光纤返回到光探测器，镜面光通过分束器并被充当空间滤波器的不透明区阻止进入光探测器，而包括有关样品的光响应信息的漫射光从空间滤波器周围通过并到达光探测器。

附图说明

图1是本发明的光学装置的概略图；

图2是本发明的优选光学装置的概略图；

图3是本发明的读出头的截面图；

具体实施方式

在临床化学中使用的用于确定某种疾病标志的存在或不存在的测试条，通常会响应于涂敷在测试条上的样品中感兴趣的分析物的存在而产生光响应(例如改变颜色)。该测试条的光响应可以参考颜色表等被读出，但是通常采用仪器以更精确地测量光学响应。测量全血中的葡萄糖含量尤其重要，但是其他诸如蛋白质、血液、酮、胆红素、尿胆素原、亚硝酸盐、胆固醇等分析物也可以同样的方式测试。

在这样的仪器中，光源为测试区提供光，从表面返回的光被测量并且与在测试条上反应的分析物的数量相关联。返回的光可以分成两种类型，第一种是仅从测试区返回而不受发生在测试区的颜色变化(或者其它光学响应)影响的光，这种光被称作“镜面光”。镜面光是“噪声”并且因此不应该到达用于检测第二种类型的光的光探测器，第二种类型的光被称作“漫射光”，已经知道，漫射光受测试区的影响，使得它代表了测试区中样品对试剂的光学响应。因此漫射光提供了存在于测试区中的分析物的量的度量。例如，入射光可以在与所形成的颜色对应的波长被吸收，使得漫射光与分析物的量成比例地缺少那些波长。

在诸如先前提到的专利中所描述的那些仪器中，光学元件的各种布置用于限制镜面光到达光探测器并恢复漫射光的最大量，以便对漫射光的测量尽可能精确。一般地，使用发光二极管或其它光源。光源和与它相关的光学装置、测试区和光探测器被放置成限制镜面光的恢复并使漫射光的恢复最大化。在能够减小读出头的尺寸和克服先前设计的机械局限性的同时，本发明提供了改进的性能。

通过经由接近或者实际上接触测试区的单个光纤传输光到测试区和从测试区传输光，本发明与现有技术的设计相比，减小了测试区的尺寸。在优选实施例中，该光纤直径大约1mm。因为该光纤非常小和柔软，所以有可能将光纤的剩余部分定位成非常接近光源、测试区和光探测器，而不用担心先前指出的光损耗。还可减少在读出头的制造中对精密机械容差的需要。最终，从整个区域收集从测试区离开的漫射光，在光通过透镜或其它光学元件引导到与测试区有一段距离的光探测器中时，这是不容易实现的。

图1提供了本发明主要部件的示意图。例如由发光二极管(或其它光源)和准直透镜提供的准直光10被引导到相对光柱以45度角放置的分束器12。分束器是光学领域技术人员所熟悉的。它们能够将一部分它们接收的光传递到基准探测器，基准探测器提供对在使用一段时间后发生的照射光强度变化进行校正的装置。剩余的光由分束器反射进入测试区。在本发明的一个实施列中，反射光被导向位于分束器附近的光纤14，优选距离表面大约2mm。光穿过光纤直至到达测试区(未示出)。因为光纤基本上与测试区尺寸相同，所以测试区接收所有的准直光。离开测试区的光通过同一光纤14返回。镜面光被认为仅仅是反射且不受颜色或其它由发生在测试区上的反应形成的光响应的影响。漫射光受发生在测试区内的光响应的影响，且包含确定在测试区反应的分析物的量所需的信息。这两种类型的光通过光纤返回。当它们到达分束器时，镜面光16被认为是保持准直的且穿过分束器。镜面光由分束器12中使用的材料折射，如图1和2所示。镜面光被充当空间滤波器18的不透明区阻止进入光探测器22。漫射光20被认为是这样的光，其离开光纤14时散开且穿过所示分束器12及从其周围通过并到达光探测器22。到达光探测器的漫射光被转换成为电信号，该电信号通过算法关联，以指示测试区内反应的分析物的量。[17]

从图1可看出，由于一些漫射光掠过光探测器并且一些漫射光在分束器边缘没有穿过分束器，因此一部分漫射光丢失。在图2所示的类似但优选的实施列中，更多的漫射光被光探测器捕获和测量。在那个实施例中，为减小漫射光的损失，分束器12的外边缘被斜切，以图2中所示的45度角为例。优选的角度可以根据分束器的光学特性、光纤端部相对于分束器的位置和与读出头中光学元件的相对位置相关的其它因素而变化。

在本发明特定实施例中，光源是产生中心波长为大约400nm～约1000nm的窄带宽光的发光二极管，由准直透镜使该光准直。光源和相关的光学装置距离分束器大约3mm放置，分束器可以是现有技术中已知几种类型中的一种，优选地，可以是50/50板式分束器。分束器厚度大约0.5mm，长度大约9mm，宽度大约3.5mm。准直光的直径小于光纤的直径。例如，直径0.75mm的光束对直径1mm的光纤，当然准直光和光纤的直径可按需要变换以对应于待读取的测试区的尺寸。一般希望直径为大约0.25～3mm。光纤位于样品测试区附近以限制返回光的损失。优选该距离为0.25mm～2.0mm。如上所述，本发明的特征在于，光纤允许测试区以一种方式与相关的照射和检测光学装置分离，这种方式用不具有光纤的一般仪器是不可能实现的。如果意图光纤每一次使用后就被丢弃，光纤一般长度会很短，例如大约5～约15mm。然而，如果每一次使用后无需替换，光纤也可以更长。经由光纤返回的镜面光和漫射光将穿过与空间滤波器相距约1mm～约2mm放置的分束器。空间滤波器直接位于光探测器前面，阻挡镜面光。空间滤波器和光探测器的宽度为约0.5～约3.5mm，阻挡镜面光的不透明区通常比光纤的直径大。例如，如果光纤具有1mm的直径，那么空间滤波器的不透明部分将是大约1.4mm，以确保阻挡所有镜面光。显然，对光学领域的技术人员来说，光学元件的位置和尺寸可以变化，而并不脱离本发明的概要。例如，如果准直光束直径是2mm，那么光纤直径将会是2.5mm，空间滤波器的直径将会是3.0mm。

图3在截面图中显示了本发明的读出头30的配置，其中光源和光探测器没有与读出头集成在一起。读出头30的主体32可以是各种材料的，一般使用黑色ABC树脂。除了结构整体性之外的主要设计考虑是：主体32采用黑色以减少照射通道和检测通道间的杂散光串扰。如前面讨论的，读出头不必靠近测试区，前面的设计就是这种情况。照射测试区的光能够由发光二极管或者诸如卤素灯这样的白光光源提供。在该例中，光进入并通过光纤34，由透镜系统36准直。准直光通过孔径38，导向分束器40，分束器40将一小部分光传递到与准直光方向对齐的基准光探测器(未示出)。剩余的光以45度角导入将光传输到测试区(未示出)的光纤42。漫射光和镜面光经由光纤42从测试区返回并到达分束器40，分束器40将返回的光导向空间滤波器44和将漫射光聚焦到光纤48上并通向光探测器(未示出)的透镜46。在可选实施例中，发光二极管光源可能紧密耦合到读出头并且光探测器也靠近读出头放置，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

两个可选实施例涉及光纤端部相对测试区的放置。首先，光纤端部放置成靠近但不接触包含与样品中分析物反应的试剂的测试区。例如，光纤可以距测试区表面大约0.05mm～约0.25mm，使得光纤接收尽可能多的反射光，而污染风险最小。在这样的实施例中，因为是测试区使用一次就丢弃，所以光纤可以用于多次测试而无需替换。即测试区相当于包含试剂的测试条，液体样品放置在试剂上并反应。

在第二实施例中，光纤直接与测试区内样品接触。与第一实施例相比，并不将样品加到测试区以接触先前放置在那的试剂，诸如在血液中葡萄糖的检测中所使用的测试条那样。相反，光纤末端载有与样品中分析物(例如葡萄糖)反应所需的试剂。当光纤末端接触样品时，发生必要的反应并获得光学响应。正如在第一实施例中那样，准直光进入光纤末端和样品间的界面，并且反射光经由光纤返回到光探测器。因为光纤端部实际上成为测试条，所以每次使用后光纤将被替换。

在任一实施例中，可将仪器编程为在测试条或样品处于适当位置后开始监测离开测试区的光。从测试区返回的光突然下降就是样品和试剂间的反应开始的指示，这能用于确定化验的精确开始时间。由于得知化验的确切开始时间，可以改进性能和减少测试时间。

本发明可以用于确定很多分析物。例如，在本发明的一个实施例中，测试区可以包含适用于确定葡萄糖的试剂，例如与指示剂结合的葡萄糖氧化酶(enzyme glucose oxidase)，所述指示剂例如为四甲基联苯胺(tetramethylbenzidine)或、联大茴香胺(dianisidine)、或在过氧化物酶存在时的4-氨基安替比林(4-aminoantipyrine)加p-羟基苯磺酸盐。可选择地，也能够与诸如下列的四唑指示剂结合使用酶葡萄糖氧化酶：碘硝基四唑紫(INT)、氮蓝四唑(NBT)或者四氮蓝四唑(TNBT)。

为了确定血液样品中的胆固醇，测试区可以包含胆固醇酯水解酶(EnzymesCholesterol ester hydrolase)和胆固醇氧化酶(Cholesterol oxidase)再加上指示剂，所述指示剂例如为四甲基联苯胺、或联大茴香胺、或在过氧化物酶存在时的4-氨基安替比林加p-羟基苯磺酸盐。

为了确定甘油三酯，脂肪酶、甘油激酶、甘油磷酸酯和心肌黄酶与诸如碘硝基四唑紫(INT)、氮蓝四唑(NBT)或者四氮蓝四唑(TNBT)这样的四唑指示剂相结合，将产生指示甘油三酯水平的颜色。脂肪酶、甘油激酶、甘油磷酸酯氧化酶与诸如四甲基联苯胺、或联大茴香胺、或在过氧化物酶存在时的4-氨基安替比林加p-羟基苯磺酸盐的指示剂结合，也将产生响应甘油三酯的颜色。

对淀粉酶敏感的测试可以由α葡萄糖苷酶和发色指示剂4，6-亚乙基(G7)硝基苯基(G1)-(α)D-maltoheptoside进行。血色素可以由铁氰化钾、氰化钾和碳酸氢钠检测，其中血色素被转化成高铁血红蛋白。

当光纤末端充当用于试剂的载体时，即变得等同于测试条时，虽然化学式可能为光纤端部的应用而按需要改变，但主要的试剂将基本上与用于测试条的试剂相同。

Claims (29)

1.一种同轴读出头，包括：

(a)准直光源；

(b)分束器，其适用于从所述准直光源接收准直光，并适于将所述准直光的一部分导向光纤；

(c)光纤，其适用于将从位于所述光纤一端的所述分束器接收的所述准直光导向到位于所述光纤另一端的测试区，并适用于将从所述测试区返回的镜面光和漫射光导向至所述分束器，所述光纤或者与所述测试区接触，或者非常靠近所述测试区；和

(d)空间滤波器，其适用于从所述分束器接收所述镜面光和阻止所述镜面光到达光探测器。

2.如权利要求1的同轴读出头，进一步包括放置于所述空间滤波器后面的光探测器，其适用于从所述分束器接收漫射光和根据所述漫射光产生电信号。

3.如权利要求1的同轴读出头，进一步包括用于接收所述准直光的第二部分的基准光探测器，所述第二部分的准直光穿过所述分束器。

4.如权利要求1的同轴读出头，其中所述分束器的外边缘被斜切以减小从所述光纤接收的漫射光的损失。

5.如权利要求4的同轴读出头，其中所述分束器的外边缘以45度角斜切。

6.如权利要求1的同轴读出头，其中所述光纤具有基本上等于所述测试区的直径。

7.如权利要求6的同轴读出头，其中所述光纤和所述测试区具有0.25～3mm范围的直径。

8.如权利要求7的同轴读出头，其中所述光纤具有1mm的直径。

9.如权利要求1的同轴读出头，其中所述空间滤波器包括设置成阻止已经通过所述分束器的镜面光的不透明区。

10.如权利要求9的同轴读出头，其中所述不透明区比所述光纤大。

11.如权利要求1的同轴读出头，其中所述光纤在所述光纤另一端上涂敷有试剂，并且所述光纤放置成接触所述测试区上的样品。

12.如权利要求11的同轴读出头，其中所述光纤是一次性的。

13.如权利要求1的同轴读出头，其中所述光纤非常靠近所述测试区放置，以最小化所述准直光的损失。

14.如权利要求12的同轴读出头，其中所述光纤放置成与所述测试区相距0.25～2mm。

15.如权利要求13的同轴读出头，其中所述测试区包含测试条，该测试条含有用于与所述测试条内的样品反应的试剂。

16.如权利要求1的同轴读出头，其中所述准直光源包括发光二极管。

17.如权利要求1的同轴读出头，其中所述准直光源是卤素灯。

18.如权利要求1的同轴读出头，其中所述分束器是50/50分束器。

19.如权利要求1的同轴读出头，其中所述光纤具有比所述准直光直径大的直径。

20.如权利要求1的同轴读出头，其中所述镜面和漫射光都是从所述测试区来的反射光。

21.一种测量生物样品中分析物的方法，该方法包括以下操作：

(a)从光源提供准直光；

(b)用分束器将所述准直光引导到光纤的第一端中，所述光纤的另一端与测试区接触，或者非常靠近所述测试区；

(c)经由所述光纤将从所述测试区返回的漫射光和镜面光引导到所述分束器，所述镜面光穿过所述分束器并接触空间滤波器，由此防止所述镜面光被检测到，所述漫射光从所述空间滤波器周围通过并接触光探测器；以及

(d)用所述光探测器测量漫射光，将测得的漫射光与所述生物样品中分析物的量相关联。

22.如权利要求21的方法，其中所述光纤具有基本上等于所述测试区的直径。

23.如权利要求21的方法，其中所述分束器的外边缘被斜切以减少从所述光纤接收的漫射光的损失。

24.如权利要求21的方法，其中所述光纤在所述光纤的所述另一端上涂敷有试剂，并且所述光纤放置成接触所述测试区上的所述样品。

25.如权利要求21的方法，其中所述光纤放置成非常靠近所述测试区并且最小化所述准直光的损失。

26.如权利要求25的方法，其中所述光纤将准直光提供到所述测试区内的测试条。

27.如权利要求21的方法，其中监测所述测试区内漫射光的初始变化，所述漫射光的变化用作与所述测试区内的所述分析物反应的开始的指示。

28.如权利要求21的方法，其中所述分析物是葡萄糖并且所述生物样品是全血。

29.如权利要求21的同轴读出头，其中所述镜面和漫射光都是从所述测试区来的反射光。

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