CN104661594A - 移动智能设备红外光测量装置、π方法及分析物质的系统 - Google Patents

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Abstract

一种手持红外光谱设备及使用方法。所述设备是手持光谱设备，其可以被整合至移动电话或智能设备，例如智能电话、平板电脑、个人数字助理、计算机或便携的且能够执行应用的其他设备。在所述设备内部且非常接近所述设备光谱仪的液体样品端口执行关于液体样品的红外光谱分析，允许液体样品的可携带性以及高度复杂的和特定的光谱分析。所述设备具有无线通信能力，能够将数据和光谱图像传遍全球。

Description

移动智能设备红外光测量装置、π方法及分析物质的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2012年6月28日提交的美国临时专利申请号61/665,684的优先权。该在先申请通过参考合并于此。
技术领域
本发明涉及红外吸收光谱(infrared absorption spectroscopy)，尤其涉及使用智能设备或者独立手持移动设备在移动平台上执行红外光谱溶液分析，该独立手持移动设备可以有线或无线连接到用于附加数据分析、传输和通信的智能设备或计算机。该设备和方法使得溶液样品的远程和‘现场(field)’测试简单而有效，且具有分析和全球共享数据的能力。
背景技术
红外吸收光谱是正在发展的技术，并且在很多领域(特别是医学和执法领域)的多种应用中获得了认可。吸收光谱由于其专一性及其定量性质在化学分析中是有用的。这种IR光谱(也称傅里叶变换红外光谱)方法测量通过样品传输的红外光的量。红外光与有机和无机材料中的化学键相互作用，并且这种材料中的键将在不同频率处吸收不同强度的红外光。IR光谱仪记录由材料吸收的红外光，并以被称为红外光谱的形式对其进行显示。红外光谱区域范围为从可见光谱的红端大约650nm的波长至光谱的微波区域大约1mm的波长。该波长范围可以进一步分为近红外(大约650nm至大约1400nm)、短红外(大约140nm至大约3000nm)、中红外(大约3000nm至大约8000nm)、长红外(大约8000nm至大约15000nm)以及远红外(大于15000nm至大约1mm)。经常地，此处描述的近IR和短IR范围通常被称为具有大约650nm至大约3000nm范围的“近IR”。红外波长经常用被称为波数的单位来表示，表示为“cm-1”，其为一厘米中包含的波数。
发生在一定波长或波数处的吸收带或“峰”表示分子由于其化学键吸收了这些波长处的IR光。因此，红外光谱是通常用于通过分析分子的成分键来识别分子并量化其存在的技术。分子中的每个化学键在该键所特有的频率处振动。分子(例如，CH2)中的一组原子可具有由作为整体的组的伸展和弯曲运动引起的多个振荡模式。如果振荡导致分子中偶极的变化，那么其将吸收具有相同频率的光子。大多数分子的振动频率对应于红外光的频率。典型地，该技术用于研究有机化合物，其使用表示中红外光谱范围从大约4000cm-1至大约400cm-1的光辐射。样品中吸收的所有频率的光谱被记录。这可以用于获得关于依据现有化学组的样品组成以及其纯度的信息(例如，湿样将显示大约3200cm-1的宽O-H吸收)。
当分析合成及天然材料时，近IR吸收光谱最近已经在谷物、草料、烘焙产品、面粉、饮料、饲料、药物、乳制品、碳氢化合物和石油化工产品、精细化学品、放射性和有害物质以及医学成像和诊断的多个应用中显示出前所未有的工业成就。近红外光谱的基本用途已经用于过程控制、用于质量评估、用于原材料和过程副产品的识别以及用于复杂混合物的化学定量分析。
为了评估存在于样品中的分子和物质的存在和数量，红外光穿过该样品。穿过该样品的红外光谱的强度提供定量信息(例如根据测量的光的峰值的大小)，并且由于没有两种化合物具有相同的原子组成，样品中发生吸收的波长的频率识别某些化合物的存在，因此，基于物质中的分子结构和键，在组成材料的原子的键之间产生不同的振动频率，提供关于样品中的物质的定性信息。因此，IR测试提供存在于测试样品中的物质的分子“指纹”。通常，为了分析临床样本，产生红外光谱数据和参考化验以用作校准样品。校准样品允许已知样本的识别，并且校准样品的库还可以用于识别测试样品中的未知物质。IR光谱已经在其用途上不断发展以检测药物(例如唾液中的可卡因)、检测糖尿病病人的葡萄糖以及还检测病人的生化变化，IR光谱可以用于检测疾病。近红外光谱还用于测试池塘和湿地中的各种化合物。
可以在以下出版物中发现关于相关领域的红外光谱的附加信息，出版物中的每一个通过参考完全合并于此：T.D.RIDDER，*S.P.HENDEE和C.D.BROWN，Noninvasive Alcohol Testing Using Diffuse Reflectance Near-InfraredSpectroscopy，APPLIED SPECTROSCOPY，59卷，2期，2005；Y.Katsumoto,D.Adachi,H.Sato和Y.Ozaki,J.Near Infrared Spectrosc.10，85(2002)；Y.Katsumoto,D.Adachi,H.Sato和Y.Ozaki,J.Near Infrared Spectrosc.10,85(2002)；以及Eli S.Jacoby,Andrew T.Kicman,Paul Laidler和Ray K.Iles，Determination of the Glycoforms of Human Chorionic Gonadotropinβ-CoreFragment by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight MassSpectrometry；David A Scott,Diane E.Renaud,Sathya Krishnasamy,Pinar Meric,Nurcan Buduneli,Svetki Cetinkalp,Kan-Zhi Liu,Diabetes-related molecularsignatures in infrared spectra of human saliva,Diabetology&MetabolicSyndrome 2010，2:48.；Kerstin M.C.Hans,Susanne Muller,Markus W.Sigrist,IrSens：Sensing cocaine in saliva employing a one-step extraction and MIRspectroscopy，在http://www.nano-tera.ch/pdf/posters2011/0-0-3-1.png获得；R.Anthony Shaw和Henry H.Mantsch,Infrared Spectroscopy in Clinical andDiagnostic Analysis，Encyclopedia of Analytical Chemistry；Svetlana Khaustova,Maxim Shkumikow,Evgeny Tonevitsky,Viacheslav Artyushenko,AlexanderTonevitsky,Noninvasive biochemical monitoring of physiological stress byFourier Transform infrared saliva spectroscopy，The Royal Society of Chemistry，2010，2010年7月第16期接收，2010年9月第29期接受；Steve Bamett,WhitePaper：Evaluation of Near-IR Wavelengths for the Detection of Glucose，Acetone和Ethanol in Saliva。
目前，可用于使用红外光谱来检测、量化和分析体液或其他环境样品中的成分的设备和方法需要干燥样品或者其他样品操作、实验装置(非便携的或现场准备)、或者从活体、对象组织等中测量。例如，US8309931涉及用于使用红外光谱来诊断诸如膀胱疼痛综合症和间质性膀胱炎之类的疾病状态的快速方法。然而，该方法需要收集样品、在幻灯片上沉积一部分样品、干燥该部分样品以及收集IR光谱以识别与多种数据模型相比的测试对象的条件。US8406839涉及一种手持设备，用于测量血液或一部分对象(例如人或动物)中的化合物的浓度以及氧饱和度的值。US5361758涉及一种非侵入性设备，用于测量活人或动物的血液和组织中的葡萄糖和其它成分的浓度。US6236047还涉及用于确定活物中的血糖浓度的非侵入性方法。
在红外光谱分析的领域中仍然缺少的是一种用于提供可以在远程位置(远离诊所或实验室)的液体样品中的临床精度的设备和方法，因此，该设备和方法操作为隔离聚焦的单个或多个、窄的和宽的红外光的带宽，用于更准确的识别和量化样品中的化合物。本发明的设备和方法创建了将液体或溶液格式中的IR光谱样品测试提供给移动/手持设备平台的能力。
发明内容
根据本发明的一个实施例，所涉及的是一种整合有液体样品测试端口和用于光谱分析的光谱仪的手持设备。所述红外光谱仪可以可操作地连接至处理器，所述处理器可以是微处理器、计算机等。所述液体样品测试端口优选地非常接近所述光谱仪的所述红外光源，以及所述手持设备优选地能够经由无线通信网络来无线通信。
根据本发明的一个实施例，一种手持光谱设备包括：红外光源，发射在红外范围内的光的波长；液体样品测试端口和用于接收液体样品的样品托盘，所述液体样品测试端口和样品托盘与所述红外光源紧密相关，其中所述红外光被指引穿过所述样品托盘上的全部或部分所述样品；红外接收器，用于记录通过所述液体样本吸收所述红外光的频率的光谱；以及数据处理器，连接到所述红外光接收器以用光谱数据和/或图像的形式检测和量化所述液体样品中的一种或多种化合物的浓度。
根据本发明的另一个实施例，一种用于确定液体样品中的一种或多种化合物的浓度的方法，包括：将所述液体样品放置在样品托盘上；将所述样品托盘插入到容置在包含红外光谱仪的手持设备中的样品测试端口内；将红外光指引到所述样品；记录所述红外光吸收的频率的光谱；以及基于所述样品的红外光吸收来确定所述液体样品中的一种或多种化合物的存在或浓度。
根据本发明的又一个实施例，一种用于使用红外光谱来确定体液中的一种或多种化合物的浓度的方法，包括：将所述体液的样品放置在样品托盘上；将所述样品托盘插入到容置在包含红外光谱仪的手持设备中的样品测试端口内；将红外光指引到所述样品；检测红外光的波长作为通过所述样品吸收的红外光的结果；记录通过所述样品吸收的所述红外光的频率的光谱；以及经由无线通信网络将通过所述样品吸收的所述红外光的频率的所述光谱从所述手持设备传输至一个或多个其他设备。
根据本申请的又一个实施例，一种使用红外光谱来测试液体样品以检测或量化所述液体样品中的一种或多种物质的方法，包括：接收可滑动地连接至手持光谱设备的液体测试端口中的液体样品；将所述液体样品暴露于近距离处的红外光；记录通过所述样品吸收的所述红外光的频率的光谱；分析所述吸收的频率以检测或量化所述液体样品中的所述一种或多种物质，从而产生与所述液体样品相关联的光谱数据；以及经由无线通信网络将所述光谱数据从所述手持设备传输至一个或多个其他设备。
当前发明的设备和方法对存在的物质的非常具体的定性和定量分析以及在体液、诸如动物液体之类的其他液体或材料、或者环境样品中发生的变化是有用的。用户实质上可以在世界的任何地方测试任何有机或无机液体样品而无需其他操作(例如干燥)，或者将样品运输至实验室环境-测试和光谱分析可以在现场实时地完成。
所述设备包括红外光谱仪，作为小型手持专用光谱设置的一部分或者作为智能设备的一部分。如果IR光谱仪是智能设备的一部分，则修改该设备以内部地容置IR光谱仪，类似于，例如，商用的智能或智能设备的内部照相机。液体样品测试端口(类似于USB或大多数智能设备和计算机的充电端口)被设计为内部设备，容置以接收小样品托盘，优选地，该样品托盘可滑动地与光谱设备结合。如此处所使用的，术语“红外(或IR)光谱仪”或者“红外(或IR)光谱设备”最常用的意思是发射和检测在红外光范围内的光的波长的仪器。组成光谱仪的组件包括(但不限于)红外光源、或发射器、红外光接收器以及优选地一个或多个红外光过滤器。根据本发明的一个实施例，光谱仪被并入手持设备或智能设备中，使得红外光发射器非常接近液体样品测试端口，以便当托盘经由端口滑入到设备中时，光谱仪被策略性地(strategically)对齐以通过样品托盘上的液体样品来传输红外光。IR光谱仪的红外接收器部分被策略性地对齐在样品托盘与红外光发射器相对的一侧上或者在托盘与发射器相同的一侧上，如果在相同的一侧上，则经由反射布置通过样品来传输红外光，如光谱界中的通常理解。优选地，红外光谱仪实质上是紧凑的且可以是足够小以安装在手持设备或智能设备中的任何商用的光谱仪。
该光谱设备可使用红外过滤器来阻挡不想要的光辐射并仅允许IR辐射穿过。有时被称为“带通”过滤器的特定带或带宽过滤器可以用于仅聚焦具有一定波长或带的红外光以穿过样品。红外光由IR发射器通过一个或多个过滤器被传输，无论是IR光通过样品托盘上的样品被传输之前或之后。所述另一种方式，过滤器可以可操作地接近IR发射器和/或IR接收器放置。然后由此产生的光谱数据可以被评估并与例如校准数据进行比较，该校准数据用于固定于设备中或通过无线通信可得到的特定分析物或光谱库。光谱数据还可以用于产生校准数据。红外光谱仪可以可操作地连接至分析通过样品传输的波长测量的微处理器，产生识别样品中的一种或多种物质或成分的数据和/或光谱图像，以及量化样品中的一种或多种物质或成分的水平。从微处理器中输出的数据/图像可以显示在手持设备或智能设备上，由设备中的微处理器存储以备将来使用(例如，与其他样品数据比较)，传输至另一个设备或传输至打印机。微处理器可以与光谱仪一样安装在外壳中，并且无线数据传输单元也可以安装在外壳中，用于传输或接收来自微处理器的数据以及传输并接收至外部设备/来自外部设备的数据。该设备还可以具有电池或其他电源。根据一个实施例，手持光谱设备是小的、便携的、台式型设备，其具有连接到计算机或其他智能设备或移动电话的USB，以及用于AC电源的插头。该设备还可以设置有无线能力并且可具有用于无线操作的电池。该设备可具有用于开/关、测试、发送/接收(用于发送和接收数据)的按钮以及显示器。当前发明所涉及的无线传输形式包括但不限于：蓝牙、Wi-Fi、个人局域网、近场通信、蜂窝通信、卫星通信等。
根据本发明的一个实施例，手持设备可以是手机、个人数字助理、智能设备、智能平板电脑、笔记本电脑或具有整合的光谱仪、微处理器和无线通信能力的其他便携设备。
在各种操作模式中，本发明提供定性和定量地确定用于不需要非常接近样品的源或实验室或诊所的手持设备内的溶液或多种溶液中的一种或多种物质的光谱分析的能力。样品可以被立即拿取和测试，例如，用于药物/DUI测试的路边唾液测试、用于怀孕测试的尿检、或者环境样品(例如，水)的快速测试，以测试毒素或危险化学品，其中可能担心时间、物质降解、样品蒸发等问题。
本领域技术人员应当理解的是，本公开发明的实施例可包括通过处理系统(例如一个或多个数据处理器和存储器，其可以是光谱设备的一部分或连接至光谱设备)可得到和/或可执行的计算机程序。执行分析所吸收的红外光的波长的步骤的处理器和/或存储器可以为整合至智能手机或智能设备的光谱设备的一部分、或者与具有处理能力的一个或多个其他设备通信的手持光谱设备的一部分。包括但不限于波长测量、波长分析、干扰物质确定和/或校准常数生成的所公开的方法的步骤可以被存储为计算机可读载体介质(其可以包括拇指驱动器、硬盘、CD/DVD或者硬编程至处理器(其为设备本身的一部分))上的一个或多个计算机可读代码段或数据汇编。
当前发明具有用于特定地接收和记录在红外光的纳米的特定聚焦带中的特定波长处的数据的能力，例如，这种带范围从1纳米宽至大约1000纳米宽，波长典型地在中IR和近IR波长范围内。本发明不限于关于接收和分析/记录IR光的多个不同的带宽，这有利于测试样品中的多个成分的检测和量化。测试液体样品基本上以“显微镜”型方式被测试而无需在实验室或临床环境中。另外，GPS或蜂窝三角可以被编程至设备以使该设备能够具有定位感测/冲压以及时间冲压能力。根据另一个实施例，该设备是能够或者连接至使通过该设备记录的光谱数据和图像的位置感测/冲压和时间/冲压成为可能的设备。
附图说明
通过参考以下附图将更充分地理解本发明，附图仅用于说明的目的：
图1描述了具有整合有智能手机的光谱仪的本发明的示例性光谱设备；
图2描述了本发明的示例性光谱设备；
图3描述了图2中所示的光谱设备的内部设计的示例性侧视图；
图4描述了本发明所涉及的光谱设备的另一个实施例的示例性俯视图；
图5描述了图4中所示的光谱设备的示例性侧视图；
图6描述了图4中所示的光谱设备的示例性前视图；
图7描述了图4中所示的光谱设备的示例性仰视图；
图8描述了根据本发明的示例性样品托盘；
图9描述了整合至智能设备的本发明的光谱设备的示例性前视图和侧视图；
图10描述了根据本发明的光谱仪的方案的示例性布置；
图11描述了根据本发明的包括两个红外光过滤器和微处理器的光谱仪的方案的示例性布置；
图12描述了根据本发明的并排配置的光谱仪的方案的示例性布置；
图13描述了根据本发明的与微处理器连接的光谱仪的方案的示例性布置；
图14描述了根据本发明的IR光谱方法的示例性流程图；
图15描述了水的近IR吸收的光谱图像；
图16描述了唾液的近IR吸收的光谱图像；
图17描述了葡萄糖的近IR吸收的光谱图像；
图18描述了随着加入的水量增加的丙酮的近IR吸收的光谱图像；以及
图19描述了在从0％-8％具有根据这种数据产生的校准曲线的水中的乙醇的近IR吸收的光谱图像。
具体实施方式
本发明涉及一种手持红外光谱方法和设备。该手持设备可以是智能设备。外壳容纳光谱装置，包括红外发射器、一个或多个过滤器、红外接收器以及可选的数据处理器和数据发射器特性。外壳还具有液体测试样品端口和测试样品托盘。外壳还可以包含电池或其他具有插入充电能力的电源。数据发射器可以是与诸如近场通信、Wi-Fi、蓝牙或其他无线通信网络之类的无线通信网络相关联的无线通信设备。可替代地，数据可以经由USB连接通过设备传输到另一个计算机或设备。样品托盘优选地由诸如聚乙烯塑料、玻璃、树脂玻璃、塑料制品和/或任何其他对红外光的光谱透明之类的材料组成，使得托盘本身不干扰在IR传输之后从样品中接收到的光谱。样品托盘在顶端处具有开口以及在另一端处具有通气孔，使得液体利用毛细管作用到达(wick into)托盘上的井(well)。
根据该方法，待测试的样品被引入到样品托盘中。然后托盘经由测试端口被插入到光谱设备中。样品可以少到例如2微升，多达几毫升。红外源或发射器基于光谱系统的内部配置(例如，装配有诸如透镜之类的内部反射元件的系统)，使用标准的傅里叶变换IR光谱仪或其他商用的IR光谱仪，直接将红外光束发射穿过样品或通过反射将红外光束发射穿过样品。一个或多个过滤器可以用于匹配测试样品中期望的吸收带。校准IR发射器和校准IR接收器以及一个或多个校准过滤器被用在设备中以在每次使用设备时校准设备。校准发射器可以设置在不同于用于测试样品的波长处。通过样品(以及任何过滤器)将红外光从校准发射器发送至校准接收器。样品光谱被收集并与校准光谱和/或已知的分析物光谱数据进行比较。如果唾液的样品被测试，由于唾液是许多不同的化合物的混合物，因此唾液的红外光谱是各个分析物光谱的叠加且光谱中吸收带的强度与成分的浓度成比例。
本发明的红外光谱设备和方法利用具有0nm至大约15000nm范围内的波长的红外光，更具体地，具有大约650nm至大约15000nm范围内的波长的红外光，更具体地，具有大约650nm至大约3000nm范围内的波长的近红外光，以及具有大约3000nm至大约8000nm范围内的波长的中红外光。在3000nm以上，水强烈地吸收，因此当测量可以在3000nm以下测量的成分时，经常采用650nm至3000nm的近IR范围。
对于水溶液，已经发现从IR发射器到样品的最佳距离或路径长度为大约0.5mm-2.5mm，更具体地，大约0.75mm-1.5mm，更具体地，大约0.5mm-1.0mm，因此，根据本发明的一个实施例，待测试的样品将被放置在非常接近IR发射器和接收器的样品托盘上。样品可以被放置在反射器与接收器之间，或者可以使用反射配置以通过样品反射IR光并到达位于与发射器一致但与样品和样品托盘相对的接收器。作为用在当前设备和方法中的光谱仪的一部分的现有软件可以用于将来自测试样品的光谱波长数据转变为定量和定性数据，包括光谱图像，用于与参考数据进行比较，以及用于识别测试样品中物质和化合物的存在。然后，产生的信息、定量和定性数据以及图像优选地可以被无线传输至一个或多个设备或位置，用于进一步处理、分析、监控或记录保存。
现转至附图，图1示出整合至智能设备的光谱设备的一个实施例，更具体地，该实施例显示智能电话1，并且包括窗口2，具有形成用于内部液体测试端口(图1中未示出)的入口的溶液容器3；透镜4，用于将来自红外光发射器5、穿过样品(图1中未示出)的IR光反射至红外光接收器6(其方案和步骤发生在智能电话1内部)。图1中所示的本发明实施例还包括数据处理器7、GPS单元8以及数据发射器/接收器9，但是智能电话1中的这些特征的具体布置将取决于智能电话1的设计；图1中所示的仅是示例性的且不会限制本发明的范围。
图2a、图2b和图2c示出本发明的手持设备(二代设备10)的另一个实施例的不同的视图。本实施例是小的、便携的且形状像类似“立方体”，并且其尺寸可以是大约2.4英寸宽乘以大约2.8英寸长乘以大约2.8英寸高。当然，这些尺寸仅仅是举例，因此不会限制本发明的范围。图2a提供二代设备10的侧视图，显示与红外光发射器5与红外光接收器6之间的液体测试端口15策略性地对齐的样品托盘14，如在二代设备10的操作期间一样，使得红外光传输通过样品托盘14上的部分或全部液体样品。红外光发射器5是光谱发射器数字板16的一部分，而红外光接收器6是光谱接收器数字板17的一部分。图2b提供二代设备10的前视图，显示测试端口15。图2c显示二代设备10包括容置液体测试端口15、发射器数字板16以及接收器数字板17的外壳11。数字板16和17还可以容置微处理器以及此处所讨论的本发明的其他方案。
图3示出本发明的示例性实施例的内部示意图，特别是光谱仪22a的一个布置，其将内部地操作为本发明所涉及的手持设备之一的一部分。该图特写了容置红外发射器5和校准红外发射器18的发射器数字板16。具有附加的带通过滤器19的红外接收器6位于红外发射器5的正对面。具有附加的校准带通过滤器21的校准红外接收器20(其均连接至接收器数字板17)位于校准红外发射器18的正对面。在发射器数字板16与接收器数字板17之间的是样品托盘14，其显示为可操作地位于液体测试端口15中的可移动托盘。
图4是根据本发明的三代设备23的一个实施例的示例性俯视图。该实施例是小的、便携的且形状类似计算机鼠标，并且可以具有小到大约1.5英寸宽乘以大约2.5英寸长乘以大约0.5英寸高的尺寸。该图中示出的样品托盘14可以小到在深度上大约0.039英寸(1mm)以及在宽度上大约0.394英寸(10mm)。当然，这些尺寸仅仅是举例，因此不会限制本发明的范围。该图描述了开/关按钮24、测试/发送按钮25、用于显示光谱数据和/或图像的显示屏26。在三代设备23的两侧上是手柄27，以及样品托盘14被示出，其部分地滑入至三代设备23。
图5是三代设备23的示例性侧视图。该视图描述了在液体测试端口15的相对侧上的光谱仪发射器数字板16和接收器数字板17的布置，使得在操作中，当样品托盘14被滑入至端口15时，红外光传输通过样品托盘14上的样品。该图还描述了在三代设备23上用于电池28、电池再充电连接29、USB连接端口30以及显示屏26的可选位置。
图6示出三代设备23的示例性前视图。该视图描述了在图5所描述的配置中开/关按钮24、测试/发送按钮25、发射器数字板16和接收器数字板17以及液体测试端口15中的样品托盘14的可选布置。
图7是三代设备23的示例性仰视图，其示出电池门31相对于样品托盘14的可选布置。
图8示出根据本发明的样品托盘14的一个实施例。样品托盘14具有使用毛细管作用将待测试的样品到达托盘上的样品摄取开口32。相对于摄取开口32位于样品托盘14的末端的样品托盘清洗孔33允许填充。优选地，样品托盘14由聚合物或自然疏水的其他材料组成，使得基于等离子体的过程将用于使液体到达样品摄取孔34。样品摄取孔34保存样品并为样品的红外分析提供稳定的贮存器。
图9a和图9b示出本发明的实施例的智能设备35的前视图和侧视图。样品托盘14滑入和滑出智能设备35。图9b示出智能设备35内部的光谱组件、红外光发射器5、红外光接收器6以及两个带通过滤器19的示例性布置。图9a和图9b还显示示例性数据发射器/接收器单元9，以及内部数据处理器7和GPS单元8。
一个或多个红外光过滤器19可以被直接添加至样品托盘14(例如，形成为样品托盘14的一部分)(该样品托盘14也被称为溶液托盘、溶液容器、唾液溶液托盘、或插入托盘)或者非常接近样品托盘14。样品托盘14相对于液体样品端口15是可移动的，但可以与智能电话1、二代设备10、三代设备23或智能设备35可分开或者与智能电话1、二代设备10、三代设备23或智能设备35保持连接。样品托盘14由诸如塑料、玻璃、树脂玻璃、塑料制品和/或任何其他对红外光的光谱透明之类的材料组成(使得托盘本身不干扰IR测试)。根据一个实施例，PSA垫圈可以用于限定形成摄取孔34的通道，而一张聚合物膜可以用于形成组成摄取井34的闭合的、圆柱形通道。样品摄取孔34的高度可以是从20微米至高达250微米的范围。待测试的液体的量可以是从2微升至高达100微升的范围。样品摄取孔34的宽度可以是从2mm变为宽至10mm。样品托盘14的宽度可以是从5mm到宽至20mm的范围，而长度可以是从1cm到长至6cm的范围。样品托盘14的高度可以是从0.5mm至3mm的范围。这些尺寸是示例性的，并且摄取孔34、样品端口15以及设备的其他特征可以被修改为适当地符合本发明的任何实施例并对本发明的任何实施例有效，包括但不限于根据本发明的二代设备10、三代设备23、智能电话1或智能设备35。
图10示出可以用在本发明的实施例中的光谱仪22b的同轴布置，包括但不限于图1至图9中所描述的那些。来自红外光发射器5的光子通过红外过滤器19、然后通过溶液托盘14、第二红外过滤器19被传输至红外光接收器6。
图11示出包含可操作地连接至红外光发射器5和红外光接收器6中的每一个的数据处理器7的光谱仪22c的同轴布置。在该光谱仪22c中，光子也从红外光发射器5通过红外过滤器19、然后通过溶液托盘14、第二红外过滤器19传输至红外光接收器6。
光谱仪22d的可替代的并排布置在图12中示出。红外光发射器5和红外光接收器6为并排布置。来自红外光发射器5的光子通过红外过滤器19、然后通过溶液托盘14(其中，光子通过红外过滤器19被反弹一个角度)上的样品被传输至红外光接收器6。图13示出光谱仪22e的另一种并排布置，其中数据处理器7可操作地连接至红外光发射器5和红外光接收器6中的每一个。布置在图13中的光谱仪22e描述了什么还可以被称为‘片上’光谱系统。来自图13中的红外反射器5的光子以类似图12中的反射方式行进至红外接收器6。
本发明所设想的将图3、图10、图11、图12和图13中示出的非常接近任何光谱系统22a、光谱系统22b、光谱系统22c、光谱系统22d或光谱系统22e的可滑动的样品托盘14整合至手持/智能设备之一的独特组合提供了得到精确样品的现场IR光谱测试的快速且有效的方案。如IR光谱领域技术人员可以理解，如图13所示的光谱系统22e的片上合并的进一步优势在于通过片上其他组件的移动或调整而不是光谱系统组件的外部调整，系统在传统的辐射光阅读与光谱成像之间切换的能力。
如图10至图13所述，红外光发射器5和红外光接收器6可具有校准发射器18、校准接收器19，且校准发射器18和校准接收器19可具有校准带通过滤器21以在使用期间校准设备。
图14提供本发明的方法的说明性流程图。光谱设备被整合至智能设备或者与智能设备无线连接，使得无线连接被建立且能够进行无线数据传输(100)。样品被放置在样品托盘上的液体测试端口中并被处理(101)，其中红外光发射器通过液体样品发送红外光，红外光接收器接收并记录与通过样品吸收的红外光的波长有关的数据。与红外光接收器有关的处理器创建数据记录并处理数据(102)，其可以包括用附加位置和/或时间信息来标记数据记录。数据记录经由无线通信传输至能够用于信息的无线通信、进一步分析、处理、监控、记录保存等的一个或多个外部设备37(103)。由于光谱设备的无线通信能力，在测试样品过程中的任何时间，无线通信可以被传输至设备以及从设备传输至其他计算器或设备。例如，光谱设备可以询问另一个设备：位置、时间、光谱校准数据和病人数据。此外，光谱设备可以将用于存储的数据传输至例如‘云’存储位置。
图15描述了水的近IR吸收光谱的图像。水在1.45nm和1.95nm处显示突出的带；在近IR光谱区域的上端处近似2.9nm具有附加的带。图15中仅看见该带的短波长踪迹。这是使用本发明的光谱设备和方法生成的光谱图像和数据的类型的一个示例。
图16描述了水中HAS(人血清白蛋白)的近IR吸收光谱的图像。唾液的近IR光谱必须考虑能够影响小分子的吸收带的蛋白质在浓度上的变化。根据图16，HAS吸收发生在从大约1650nm-1750nm以及大约2150nm-2350nm的区域中。其他蛋白质将期望具有稍微不同的近IR光谱，但HSA是用于唾液中蛋白质的效果的好的模型。由于唾液中的水强有力地吸收大约3000nm，因此，在3000nm以下的波长提供用于该测试的好的选择。该图是可以通过当前发明生成的光谱图像和数据的类型的另一个示例。
图17描述了葡萄糖的近IR吸收光谱的图像。葡萄糖的检测表示临床化学中最广泛的研究目标之一。在该领域中有关于近IR检测的相当大量的工作。该领域中的大部分研究涉及反射率测量(并且特别是葡萄糖的经皮测量)。图17示出从2.05nm至2.40nm的葡萄糖的近IR光谱；在2.27nm处的带被显示为用于定量分析的最好的选择。近似2.30nm的基线应当被用于该带。
图18描述了随着逐滴添加的水的量增加的丙酮的近IR吸收光谱的图像。丙酮呈现可以被潜在地用于检测水环境的近IR光谱带。虽然图18中的光谱没有显示好的基线点，但使用近似1.72nm的基线点将是有价值的。存在其他光谱带(例如，近似1.17nm)，其在量化丙酮浓度方面也可以是有价值的。对于该带，1.10nm处的基线点将是合适的。然而，脂质和脂肪酸具有近似1.65nm和1.21nm的吸收带，因此，该带应当被认为是在1.672nm处的带的次级选择。
图19描述了在从0％-8％具有根据这种数据产生的校准曲线的水中的乙醇的近IR吸收的光谱图像。乙醇呈现可以被潜在地用于检测水环境的近IR光谱带。
根据本发明所涉及的一个示例，近IR光谱可以被用于评估血清中分析物的吸收。血清中的主要分析物为葡萄糖、全蛋白、白蛋白、甘油三酸酯、尿素和胆固醇。例如，通过近IR光谱测量的(并与参考标准进行比较)葡萄糖的光谱区域通常为大约2062nm-2353nm。根据本发明的方法，血清(液体)样品被放置在可滑动地插入到手持IR光谱仪设备的测试样品端口中的样品托盘上。红外光非常接近地穿过样品以产生血清成分的光谱数据，数据是基于通过样品吸收的IR光的波长产生的(并且，相反地，通过样品传输波长)。IR光谱仪接收数据，并且基于最佳光谱波长吸收带或区域，处理器将数据处理为识别和量化样品中的成分的光谱数据和/或图像。例如尿素的最佳范围为范围1324nm至1800nm和2304nm至2700nm的组合；甘油三酸酯的最佳范围为1635nm-1800nm和2035nm-2375nm，通过记录这些带范围中的IR波长吸收来对其进行识别和量化。
在另一个示例中，具有糖尿病的病人可能需要用于常规监控的葡萄糖测试或紧急测试。可以从唾液中检测葡萄糖。唾液的样品被快速且容易地放置在样品托盘上，并且被插入到根据本发明的手持设备的样品端口中。通过使用傅里叶变换红外光谱仪(Perkin-Elmer、Fremont、CA)的光谱仪来记录IR光谱。强烈的红外光谱带被记录在唾液中突出脂质组的2850cm-1和2925cm-1处(将与波长相反的波数用作测量)。两个突出的氨基化合物吸收被记录在1655cm-1和1545cm-1处。葡萄糖在950cm-1和1180cm-1处被检测。由于存在包含在唾液中的不同成分的重叠吸收，因此，使用工业中常用的分析方法，光谱仪和微处理器能够使重叠带宽变窄并提供通过唾液中成分测量的吸收与已知的吸收带宽之间的相互关系，其提供识别唾液中的分析物的种类的量化结果，尤其是葡萄糖的期望的量化结果。
根据本发明的另一个实施例，IR光谱被记录在中IR范围内用于诸如药物(例如可卡因)之类的溶液中的分析物。唾液样品被沉积在样品托盘上、被插入到设备中，紧凑的傅里叶变换IR光谱仪通过样品托盘上的样品传输近IR光，并在1760cm-1和1710cm-1的窄的、理想的光谱范围内对于药物(在这种情况下为可卡因)进行测量。特定的IR带宽过滤器可以用于缩小用来识别和量化唾液样品中可卡因的光谱范围。该方法允许在样品抽取的点处进行光谱分析，其可以发生在路边DUI车站。
根据又一个示例，执行唾液分析以评估响应于身体压力(例如，锻炼和运动)的存在和/或变化的成分。本发明的IR光谱仪设备对于现场准备(field-ready)、运动员唾液的样品分析的点非常有用，以评估心理和身体压力。分泌型免疫球蛋白A(sIgA)经常用于研究最初对锻炼的免疫反应。用于评估身体压力的附加生物标记(其可以在唾液中被检测)为α淀粉酶和皮质醇。这些生化组分在中IR区域中(大约4000cm-1至大约700cm-1)被识别，傅里叶变换红外光谱可以用于识别和量化这些生物标记。根据当前方法，小唾液样品被放置在样品托盘上，托盘被滑入至手持设备中的端口内，并且用中红外光辐射样品，通过IR光谱仪中的接收单元接收吸收带，并且所述光谱波长数据与校准模型进行比较以识别和量化生物标记水平。数据可以被显示在设备中和/或无线传输至一个或多个外部设备、计算机等，用于进一步分析、疾病诊断(使用其他诊断工具)等。该测试可以发生在训练设施、运动竞技场、体育馆、衣帽间等。
关于数据分析和传输，根据本发明的一个实施例，光谱图像和数据优选地经由蜂窝或卫星电话、因特网链接或其他通信形式传输至另一个设备，并且类似地，数据可以从一个或多个其他设备传输至光谱设备。数据可以包括或可以不包括处理后的光谱图像，和/或诸如名字、样品号、样品类型、数据、时间、位置等之类的用户/病人/环境样品标示符。可替代地，总处理图像/数据的一小部分而不是整个图像/数据被传输作为参考(例如，但不限于，为了减小从设备到设备传输的数据包的大小)。数据可以存储在光谱设备上用于稍后上传至内部或外部端点。数据可以通过无线通信被转移至邻近的计算机、智能设备、数据存储机器或其他端点。为了用户/病人/环境数据保护，数据和图像可以被编码，该编码可以对使用该设备的用户或组织使用公开密钥。在新样品测试前将原始记录信息输入之后，附加的用户/病人/环境数据可以通过通信连接被下载。在图像/数据的远程传输方面，本发明还涉及可以通过此处所涉及的处理器执行的以下方案：(a)带有文本、附图或图表的图像/数据的附加注释，(b)将数据附加至被传输至整合于光谱系统的智能手机或智能设备的其他图像(例如，用户/病人/环境信息、诊断、地理信息、时间信息、消息传送、广告信息、警告或其他内容等)，以及(c)对疾病诊断、材料安全、环境分析等的进一步图像/数据处理。
可以为光谱系统的用户提供具体位置提示，例如(但不限于)提示以从当地病人数据库中选择病人记录，和/或提示以访问或收集当地区域中应得到另一个测试的病人的数据。该提示能力允许针对健康和安全监控的人、动物、植物或环境条件进行数据和时间敏感分析。根据一个实施例，光谱设备配备有标准的或移动的网络浏览能力。
关于便携性，几个因素用于使光谱系统作为便携设备更有用：使用用于照明的红外发光二极管(消除大或高压电源的需求)、使用嵌入到计算机系统中的低功率以消除与计算机系统相关联的独立的需求、使用用于液体/溶液分析的低功率红外光发射器和接收器。系统的低功率特性还允许用于设计为长时间(几个小时)操作的系统中的低电池重量(例如，使用锂离子电池或其他)，而无需不连接到电网。电池可以是一次性的或者可充电的。通过使用智能电话或设备或其他便携手持设备创建该光谱系统，光谱系统的尺寸小于诊所或实验室设置中的当前高精度光谱机器。
本发明的光谱系统和方法所涉及的用途包括但不限于：远程或‘现场’医药评估、治疗、健康监控、药物检测和等级监控(例如锂等级、丙戊酸钠等级、地高辛等级等)、药物滥用筛选(例如，个人的、运动员竞争监控、法庭/法院授权的药物筛选等)、死亡、残疾或健康保险监控、或其他药物监控程序。这些用途中的一些还可以包括生物或化学的化验，例如但不限于，血液分析、血球计数、免疫测定、荷尔蒙化验、组织样品形态学或病理学的检查或记录、血液、尿液、唾液、体液、传染性液体、癌性液体、身体的副产品、毒素或其他生物介质分析。该设备和方法可以用于食物服务环境中健康或安全监控的一部分，例如，用于检查通过生命体消耗的食物或其他产品的细菌或污染物的表面。
本发明的附加应用包括但不限于诸如土壤或水样品之类的、诸如静止的水、池塘、河、湖、海洋之类的环境样品分析，用于微生物和/或污染物等的组成分析和监控。
已经以说明性的方式来对本发明进行描述，并且此处所使用的术语不应当被解释为限制本发明的范围，而仅仅是提供本发明实施例的说明。因此，应当理解的是，本发明的范围充分地包含其他实施例，并且可以被实施而不是特定地描述。除非明确地陈述，关于单数元件不旨在指“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。

Claims (34)

1.一种手持光谱设备，包括：红外光源，发射在红外范围内的光的波长；液体样品测试端口和用于接收液体样品的样品托盘，所述液体样品测试端口和样品托盘与所述红外光源紧密相关，其中所述红外光被指引穿过所述样品托盘上的全部或部分所述样品；红外接收器，用于记录通过所述液体样本吸收所述红外光的频率的光谱；以及数据处理器，连接到所述红外光接收器以用光谱数据和/或图像的形式检测和量化所述液体样品中的一种或多种化合物的浓度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述红外范围具有大约650nm至大约15000nm的波长范围。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述红外范围具有大约650nm至大约3000nm的近IR波长范围。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述红外范围具有大约3000nm至大约8000nm的中IR波长范围。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括与红外源、所述接收器或者这两者非常接近的一个或多个红外过滤器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述手持设备是无线通信设备。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括红外校准发射器和红外校准接收器。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括与校准红外发射器、校准红外接收器或者这两者非常接近的一个或多个红外校准过滤器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述样品托盘与所述设备是可分开的。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括显示器，用于显示所述光谱数据和/或图像。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括数据发射器，用于将所述光谱数据和/或图像传输至计算机、手持设备、智能设备或者接收所述光谱数据和/或图像的其他设备。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述液体样品包括体液。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述体液包括血液、尿液或唾液。
14.一种用于确定液体样品中的一种或多种化合物的浓度的方法，包括：将所述液体样品放置在样品托盘上；将所述样品托盘插入到容置在包含红外光谱仪的手持设备中的样品测试端口内；将红外光指引到所述样品；记录所述红外光吸收的频率的光谱；以及基于所述样品的红外光吸收来确定所述液体样品中的一种或多种化合物的存在或浓度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约15000nm的波长范围。
16.根据权利要求14所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约3000nm的近IR波长范围。
17.根据权利要求14所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约3000nm至大约8000nm的中IR波长范围。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括执行所述手持设备的校准。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括作为光谱数据和/或图像在所述手持设备上显示所述一种或多种化合物的所述存在或浓度。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括经由无线通信网络将所述一种或多种化合物的所述存在或浓度传输至一个或多个其他设备。
21.一种用于使用红外光谱来确定体液中的一种或多种化合物的浓度的方法，包括：将所述体液的样品放置在样品托盘上；将所述样品托盘插入到容置在包含红外光谱仪的手持设备中的样品测试端口内；将红外光指引到所述样品；检测红外光的波长作为通过所述样品吸收的红外光的结果；记录通过所述样品吸收的所述红外光的频率的光谱；以及经由无线通信网络将通过所述样品吸收的所述红外光的频率的所述光谱从所述手持设备传输至一个或多个其他设备。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述体液是血液、尿液或唾液。
23.根据权利要求21所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约15000nm的波长范围。
24.根据权利要求21所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约3000nm的近IR波长范围。
25.根据权利要求21所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约3000nm至大约8000nm的中IR波长范围。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括校准所述手持设备。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括作为光谱数据和/或图像在所述手持设备上显示所述一种或多种化合物的所述存在或浓度。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括经由无线通信网络将所述一种或多种化合物的所述存在或浓度传输至一个或多个其他设备。
29.一种使用红外光谱来测试液体样品以检测或量化所述液体样品中的一种或多种物质的方法，所述方法包括：接收可滑动地连接至手持光谱设备的液体测试端口中的液体样品；将所述液体样品暴露于近距离处的红外光；记录通过所述样品吸收的所述红外光的频率的光谱；分析所述吸收的频率以检测或量化所述液体样品中的所述一种或多种物质，从而产生与所述液体样品相关联的光谱数据；以及经由无线通信网络将所述光谱数据从所述手持设备传输至一个或多个其他设备。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述液体样品是体液的样品。
31.根据权利要求29所述的方法，其中所述液体样品是环境流体。
32.根据权利要求29所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约15000nm的波长范围。
33.根据权利要求29所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约650nm至大约3000nm的近IR波长范围。
34.根据权利要求29所述的方法，其中被指引到的红外光具有大约3000nm至大约8000nm的中IR波长范围。
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