CN111491735A - 具有多种检测形式的移动生物传感仪器 - Google Patents

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Abstract

智能手机与能够以多种模式进行操作的装置光学耦合，以对适当配置的样品盒中的样品进行透射、反射、强度或散射光光谱分析。该装置包括第一照射光路，用于利用来自智能手机上的光源的光照射样品，以进行透射、反射和散射光光谱分析。该装置还包括第二照射光路，用于利用来自激光二极管的光照射样品，以进行强度光谱分析。该装置还包括收集光路，用于在各种模式下收集来自样品的光。智能手机上的图像传感器通过衍射光栅接收所收集的光，以获得光谱图像。第一照射光路基本平行于收集光路，而第二照射光路基本垂直于收集光路。

Description

具有多种检测形式的移动生物传感仪器
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求了2017年9月28日提交的美国临时申请第62/565,013号的优先权，该美国临时申请的内容通过引用合并于本文中。
关于联邦政府资助研究的声明
本发明至少部分是在美国政府的支持下、由国家科学基金会根据CBET 12-64377资助的。美国政府对本发明享有某些权利。
背景技术
自2004年推出智能手机以来，人们将智能手机与用于监测健康相关指标的可穿戴设备结合起来的兴趣日益增长，并且这种兴趣有可能发展成为每年超过150亿美元的市场，其主要关注于报告诸如心率和血压等生理参数。尽管此类消费产品的市场并未将绝大多数此类传感器归类为医疗设备，但是人们对于将附加的健康诊断方法(尤其是将对体液的体外诊断(IVD：in vitro diagnostic)测试)从实验室转移到护理点(POC：point-of-care)有着浓厚的兴趣。通过与读数仪器连接的专用测试盒，能够方便地进行测试，或者，能够通过视觉检查予以解释的试纸化验法已经获得了监管部门的批准，该批准有助于将它们用到POC环境中。
随着智能手机继续包括了更大的计算能力和更先进的成像传感器，它们补充了智能手机的用于无线通信和互联网连接的能力，IVD测试和移动设备(mobile devices)之间的接口提供了强大的新的POC测试范例。几乎所有最常见的基于实验室的诊断测试的输出都可以使用在灵敏度上可与传统的基于实验室的台式仪器相媲美的智能手机来感测。示例包括：基于智能手机的显微镜法、荧光测定法(fluorimetry)、酶联免疫吸附化验法(ELISA：Enzyme Linked Immunosorbent Assay)、聚合酶链反应法(PCR：Polymerase ChainReaction)和侧流化验法(lateral flow assays)。基于智能手机的生物传感技术已成为近期评论的主题。请参见L.Kwon,K.D.Long,Y.Wan,H.Yu and B.T.Cunningham,Biotechnology Advances,2016,34,291-304以及D.Zhang and Q.Liu,Biosens.Bioelectron.,2016,75,273-284。
然而，通常情况下，基于智能手机的IVD检测仪器只能执行单一类型的分析，并且只能进行测试的有限多路复用。长期以来，基于实验室的酶标仪(microplate reader)作为“多模式”仪器而发挥作用的能力已被公认为是理想的特性，它能够致使单个系统在光谱吸收分析(如在ELISA化验法中所使用的)、荧光分析(如在分子信标化验法、荧光偏振(FP：fluorescent polarization)化验法、和基于发光的化验法中所使用的)、以及一种产品(PerkinElmer EnSight)无标签光学生物传感器化验法的情况之间进行转换。检测系统能够在这些模式之间轻松转换的能力将会有利于使得用户能够只购买一种仪器，并且有利于使得用户能够在各种各样的应用程序中使用一种通用的液体处理格式和软件接口。
发明内容
在第一方面，示例性实施例提供了一种装置，该装置包括：结构支撑件，所述结构支撑件包括支架和盒槽，其中，所述支架被构造为将移动计算设备可拆卸地安装在工作位置，其中，所述移动计算设备包括第一光源和图像传感器，并且其中，所述盒槽被构造成容纳多个不同类型的样品盒；波长色散元件，所述波长色散元件连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于工作位置时，所述波长色散元件与所述图像传感器光学耦合；第一光纤，所述第一光纤具有近端和远端，其中，所述第一光纤连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于工作位置时，所述第一光纤的近端通过第一照射光路与所述盒槽光学耦合，且所述第一光纤的远端能够接收来自所述第一光源的光；第二光纤，所述第二光纤具有近端和远端，其中，所述第二光纤连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于所述工作位置时，所述第二光纤的近端通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述盒槽光学耦合，且所述第二光纤的远端能够通过所述波长色散元件将光引导至所述图像传感器；以及第二光源，所述第二光源连接到所述结构支撑件，使得所述第二光源通过第二照射光路与所述盒槽光学耦合，其中，所述第二照射光路基本垂直于所述收集光路。所述装置能够在至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式下操作。
在第二方面，示例性实施例提供了一种方法，该方法包括：将移动计算设备安装到一个装置上，其中，所述移动计算设备包括光源和图像传感器，并且其中，将所述移动计算设备安装到所述装置上包括：将所述光源与所述装置中的第一光纤的远端光学耦合，且将所述图像传感器与所述装置中的波长色散元件光学耦合，其中，所述波长色散元件是与所述装置中的第二光纤的远端光学耦合的；将样品盒插入所述装置的盒槽中，其中，在所述样品盒中放置有样品，其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且其中，所述盒槽(i)通过第一照射光路与所述第一光纤的近端光学耦合、(ii)通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述第二光纤的近端光学耦合、并且(iii)通过基本垂直于所述收集光路的第二照射光路与第二光源光学耦合；从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选择操作模式；将入射光引导至放置在所述样品盒中的样品中，其中，取决于所选择的操作模式，所述入射光来自所述第一光源和所述第二光源中的至少一者；利用光学系统收集来自放置在所述样品盒中的样品的光，其中，所述光学系统将所收集的光耦合到所述第二光纤的近端中；在所述波长色散元件处通过所述第二光纤接收由所述光学系统收集的光，其中，所述波长色散元件将所接收的光在所述图像传感器上色散到在空间上分离的波长分量中；以及使用所述图像传感器来获得至少一个图像，所述至少一个图像包括所述在空间上分离的波长分量。
在第三方面，示例性实施例提供了一种移动计算设备，其包括：第一光源；图像传感器；用户界面；处理器；数据存储部；以及程序指令，所述程序指令存储在存储器中、且能够由所述处理器执行以致使所述移动计算设备执行各种操作。这些操作包括：通过所述用户界面接收表示从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选出的光谱模式的输入；在所述图像传感器与一个装置的波长色散元件光学耦合的同时，使用所述图像传感器获得来自所述波长色散元件的光的至少一个图像，其中，所述至少一个图像包括一个或多个在空间上分离的波长分量，所述在空间上分离的波长分量表示放置在与所述波长色散元件光学耦合的样品盒中的样品；根据所选出的光谱模式来处理所述至少一个图像。
附图说明
图1A是根据示例性实施例的包括与智能手机连接的装置的系统的视图。
图1B是根据示例性实施例的图1A所示的系统的视图，其中在该系统的装置的盒槽中放入有样品盒。
图1C是根据示例性实施例的图1A所示的装置的分解图。
图2是根据示例性实施例的包括与智能手机连接的装置的系统的剖视图。
图3是根据示例性实施例的图2所示的分叉纤维组件(bifurcated fiberassembly)的剖视图。
图4是根据示例性实施例的在图2所示的装置中使用的、用于透射光谱的样品盒的示意图。
图5是根据示例性实施例的在图2所示的装置中使用的、用于反射光谱的样品盒的示意图。
图6是根据示例性实施例的在图2所示的装置中使用的、用于强度光谱的样品盒的示意图。
图7是根据示例性实施例的在图2所示的装置中使用的、用于散射光光谱的样品盒的示意图。
图8A是根据示例性实施例的用于透射光谱的样品盒的正视图。
图8B是根据示例性实施例的图8A所示的样品盒的剖视图。
图8C示出了根据示例性实施例的图8A所示的样品盒的各个层。
图9A是根据示例性实施例的用于反射光谱的样品盒的正视图。
图9B是根据示例性实施例的图9A所示的样品盒的剖视图。
图9C示出了根据示例性实施例的图9A所示的样品盒的各个层。
图10A是根据示例性实施例的用于强度光谱的样品盒的正视图。
图10B是根据示例性实施例的图10A所示的样品盒的剖视图。
图10C示出了根据示例性实施例的图10A所示的样品盒的各个层。
图11是根据示例性实施例的用于散射光光谱并且包含单试剂测试条的样品盒的剖视图。
图12是根据示例性实施例的用于散射光光谱并且包含单试剂测试条的样品盒的剖视图。
图13是根据示例性实施例的示例移动计算设备的框图。
图14示出了针对稀释于水中的黄色染料的各种浓度、由图1A所示的系统测量出的吸收随波长的变化。
图15示出了针对水中的乙醇的不同浓度、由图1A所示的系统测量出的峰值波长漂移。
图16示出了针对若丹明590氯化物的不同浓度、由图1A所示的系统测量出的荧光光谱。
图17A示出了由图1A所示的系统测量出的、通过使用单试剂测试条(single-reagent test strips)来检测乙酰乙酸(酮)时的散射光光谱。
图17B是从图17A所示的散射光光谱产生的剂量-响应曲线。
图18示出了由图1A所示的系统测量出的、通过使用多试剂测试条来检测多种分析物/样品特性而得到的散射光光谱的曲线下面积(AUC：area under the curve)分析的结果。
图19A示出了图19B所示的光谱图像在X和Y方向上的相对像素位置之间的关系。
图19B是通过使用图1A所示的系统、由智能手机的图像传感器获得的示例光谱图像。
图19C是图19B所示的示例光谱图像的线性化版本。
图19D示出了图19C所示的光谱随像素指数的变化，并且示出了两个激光指针的光谱。
图20A示出了通过使用图1A所示的系统获得的、针对胎儿纤维连接蛋白(fFN：fetal fibronectin)的ELISA化验的样品透射光谱、宽带透射光谱和样品吸收光谱。
图20B示出了通过使用96-孔酶标仪而获得的、针对图20A的ELISA化验的样品透射光谱、宽带透射光谱和样品吸收光谱。
图20C是基于图20A所示的测量值的吸光度与fFN浓度的关系图。
图20D是基于图20B所示的测量值的吸光度与fFN浓度的关系图。
图21A示出了在强度光谱法模式下、使用图1A所示的系统获得的苯丙氨酸化验的示例视频拍摄的像素强度与帧数的关系图。
图21B是针对图21A的苯丙氨酸化验的、包括与激发光对应的峰和与荧光对应的双峰的示例光谱。
图21C是与图21B所示的数据相对应的并且从图21A所示的视频拍摄获得的光谱图像。
图22A示出了在强度光谱模式下、通过使用图1A所示的系统获得的苯丙氨酸化验的荧光光谱(浓度为0.8nmol)。
图22B示出了图22A的苯丙氨酸化验的荧光光谱，但是该光谱是使用荧光酶标仪和不同的浓度(浓度为0.2nmol)获得的。
图22C是在强度光谱模式下、由图1A所示的系统测得的荧光强度与苯丙氨酸浓度的关系图。
图22D是由荧光酶标仪测量出的荧光强度与苯丙氨酸浓度的关系图。
图23A示出了由图1A所示的系统测量出的、通过使用多试剂测试条的pH检测垫来检测pH的散射光光谱。
图23B是从图23A所示的散射光光谱产生的剂量-响应曲线。
图24A示出了由图1A所示的系统测量出的、通过使用多试剂测试条的葡萄糖检测垫来检测葡萄糖的散射光光谱。
图24B是从图24A所示的散射光光谱产生的剂量-响应曲线。
具体实施方式
1.概述
本文公开了一种能够在多种光谱模式下操作的基于智能手机的系统。在示例实施方式中，该系统能够在四种不同模式下工作从而执行四种不同类型的光谱：透射光谱；反射光谱；强度光谱和散射光光谱。所述模式能够由智能手机选择，并且智能手机还能够用于收集数据和分析数据。
在透射光谱模式中，在一个或多个波长处测量出光穿过样品的透射。通过将在那些波长处的光穿过样品的透射与在那些波长处的光穿过空白或其他参照物的透射进行比较，能够确定在那些波长处的归因于样品的光吸收。这种测量方式通常被用在ELISA化验、包括表面等离子体共振(SPR：surface plasmon resonance)和局部表面等离子体共振(LSPR：localized surface plasmon resonance)的基于液相等离子体纳米颗粒的测试、胶乳(或基于其他纳米颗粒的)凝集测试(LAT：latex agglutination tests)、基于透射表面的SPR和LSPR、以及基于光子晶体的测试中。值得注意的是，ELISA测试是当代生物传感测试的主要手段，为数千种不同的生物靶标提供了现成的试剂盒。
在反射光谱模式中，测量出暴露给样品的反射器的光的反射率。例如，反射器可以是光子晶体(PC：photonic crystal)，并且可以测量出由于样品与该PC结合而产生的共振反射波长。在美国专利号为7,479,404、7,521,769、7,531,786、7,737,392、7,742,662和7,968,836中记载了光子晶体生物传感器，这些专利通过引用而并入本文中。也可以使用其他的无反射标签的光学生物传感技术，例如SPR或反射式干涉光谱法(RIFS：reflectometricinterference spectroscopy)。虽然这些无直接结合标签的方法目前尚无与之相关的商业化化验试剂盒，但由于它们的简便性和速度，它们已被应用于数千种生物分析物中。
在强度光谱模式中，测量出例如通过荧光、化学发光、生物发光或量子点(QD：quantum-dot)发射等从样品内产生的光的强度、偏振和/或波长。各种各样的生物传感化验都利用这类测量，包括荧光或化学发光免疫化验(FIA、CLIA：fluorescence orchemiluminescent immunoassays)、荧光偏振(FP：fluorescent polarization)、福斯特共振能量转移(FRET：Forster resonance energy transfer)、以及几种分子诊断，这些分子诊断包括聚合酶链反应(PCR：polymerase chain reaction)和相关的环介导等温扩增(LAMP：loop-mediated isothermal amplification)。
在散射光光谱模式下，在多个波长处测量出从物体散射的光的强度。该模式非常适用于执行比色化验法的测量，这些比色化验法的测量例如可以体现在纸质的测试条上。这种测试条可用于化验出尿液中的酮、葡萄糖、pH和其他分析物。通过人类用户在视觉上将暴露给样品的试剂垫的颜色与一系列参考颜色进行比较，能够获得半定量结果。但是，通过测量出从测试条散射的光的光谱，能够自动且更可靠地获得结果。
在示例性实施例中，基于智能手机的系统包括：用支持不同操作模式的软件予以编程的智能手机(或其他移动计算设备)、与智能手机光学耦合的“摇篮式(cradle)”装置、以及插入该装置的槽中的样品盒。该装置提供了两个不同的光路，用于照射所插入的样品盒。在透射、反射和散射光模式下，来自第一光源(例如，智能手机上的白光LED)的光能够通过第一照射光路被引导至所插入的样品盒。在强度模式下，来自第二光源(例如，容纳在上述装置内的激光二极管)的光能够经由第二照射光路被引导至所插入的样品盒。该装置还提供了收集光路，通过该收集光路收集来自所插入的样品盒的光。所收集的光被引导至波长色散元件(例如，衍射光栅)，该波长色散元件是与智能手机上的图像传感器(例如，相机)光学耦合的。结果，在图像传感器上的不同位置(像素)处接收到不同的波长。一旦经过校准，就能够将图像传感器的像素与波长相关联。
不同类型的样品盒能够用于不同的模式。不同类型的样品盒可以基于用于不同模式的光路而具有不同的构造(例如，关于哪些部分是不透明的、透明的或反射的)，但是具有相同的整体形状因子。在示例性实施例中，第一照射光路基本平行于收集光路，第二照射光路基本垂直于收集光路。因此，用于透射、反射和散射光模式的样品盒能够被构造为使用基本平行的第一照射光路和收集光路，而用于强度模式的样品盒能够被构造为使用基本垂直的第二照射光路和收集光路。
用于透射模式的样品盒能够具有透明前表面、与该透明前表面相对的透明后表面、以及位于前表面与后表面之间的样品室。来自第一照射光路的光通过透明前表面进入样品室，穿过样品室中的样品，穿过透明后表面，然后在盒槽中的反射面(例如，镜子)上被反射。反射光通过透明后表面进入样品室，穿过放置在样品室中的样品，穿过透明前表面，并通过收集光路被收集。
用于反射模式的样品盒能够具有透明前表面、与该透明前表面相对的反射后表面、以及位于前表面与后表面之间的样品室。例如，反射后表面可以是充当波长选择性共振镜的PC生物传感器。来自第一照射光路的光通过透明前表面进入样品室，穿过样品室中的样品，并在反射后表面上反射。反射光穿过样品室，穿过透明前表面，并通过收集光路被收集。
用于强度模式的样品盒能够具有透明前表面、与该透明前表面相对的透明后表面、与该透明前表面垂直的透明底面、以及位于前表面与后表面之间的样品室。来自第二照射光路的光通过透明底面进入样品室，穿过样品室中的样品，并致使样品中存在的荧光团(fluorophores)发出荧光。该荧光的一部分穿过透明前表面，并通过收集光路被收集。
用于散射光模式的样品盒能够具有带透明窗口的前表面、透明后表面、以及位于前表面与后表面之间的空间，该空间围住测试条，该测试条包括暴露于一个或多个样品的一个或多个样品垫。来自第一照射光路的光通过窗口进入并照射样品垫。从样品垫散射的光(其指示了暴露于样品的样品垫的颜色)穿过窗口，并通过收集光路被收集。
对于许多临床相关的化验，使用了多个测试样品、重复样品、阳性/阴性对照物和/或标准校准溶液。为了便于这样的化验，样品盒能够包括多个样品室，例如布置成线性阵列的样品室。可以将不同的测试样品、重复样品、对照物、校准溶液等放置于线性阵列中的不同样品室中。能够通过将样品盒滑过盒槽，从而使线性阵列中的各个样品室依次穿过照射光路和收集光路，来实现多路复用(multiplexing)。通过将此线性运动与智能手机的视频拍摄能力配合使用，就能够通过视频后处理来重构将样品盒中的各样品室分离的空间维度，从而允许通过一次运动就能快速、便利地测量多个样品，这类似于将信用卡的磁条在磁读头上扫过。例如，在智能手机以60帧/秒来录制视频的时候，用户可以将样品盒“扫过”盒槽。智能手机上的软件可以识别视频中的各帧，这些帧代表当各个样品室的中心与收集光路对准时所获取的图像。
2.基于智能手机的示例系统
图1A和图1B说明了示例系统100，该示例系统100包括安装在支架装置104上并与支架装置104光学耦合的智能手机102。在该示例中，支架装置104包括壳体106和侧板108，侧板108通过螺栓110固定在壳体106上。通过将智能手机102从左侧滑入壳体106的安装槽112中，直到智能手机102抵靠侧板108并到达工作位置，就能够将智能手机102可拆卸地安装在装置104上。在该工作位置处，智能手机102前侧的显示器/触摸屏114朝外，并且用户可以使用。智能手机102的背侧(未示出)包括图像传感器(例如，后置摄像头)和光源(例如，白光LED)，如图1A和图1B所示，当智能手机102被安装到装置104上处于工作位置时，上述图像传感器和上述光源就与安装在装置104内的光学组件光学耦合。在该工作位置中，智能手机102上的光源与第一照射光路光学耦合，而智能手机102上的图像传感器与收集光路光学耦合，详见下文。通过将智能手机102向左滑过安装槽112，能够将智能手机102从装置104中移除。
如图1A所示，侧板108包括盒槽120，多个不同类型的样品盒可插入该盒槽120中。例如，为透射模式配置的样品盒、为反射模式配置的样品盒、为强度模式配置的样品盒、以及为散射光模式配置的样品盒都能够容纳在盒槽120中。图1B示出了在盒槽120中插入有示例性样品盒122。在该示例中，样品盒122包括以线性阵列布置着的多个样品室。多个样品室以图1B所示的样品室124-136为例。尽管在该示例中示出了七个样品室，但是应当理解的是，样品盒可以包括更多或更少数量的样品室。通过沿插入方向移动样品盒122，能够将样品盒122插入盒槽120中，插入方向在图1B中用标有“I”的箭头表示。通过沿插入方向移动样品盒122，每个样品室能够穿过收集光路以进行测量。该测量能够包括：智能手机102的背侧上的图像传感器捕获当样品盒122沿插入方向移动时经由收集光路收集到的光的视频帧。装置104还能够包括出口槽(未示出)，该出口槽在装置104的左侧并且与盒槽120对准。通过这种布置，样品盒122能够通过右侧的盒槽120进入装置104，并通过左侧的出口槽退出装置104。
图1A和图1B还示出了设置在侧板108上的拨动开关140和滑动块142。拨动开关140能够用于打开和关闭装置104内的内部光源(例如，激光二极管)。该内部光源与第二照射光路光学耦合，稍后将会更详细说明。滑动块142可滑动地安装在侧板108上的插槽144内以及装置104左侧的相应插槽(未示出)内。该滑动块能够用于将透镜移入到收集光路中和从收集光路中移出，稍后将会更详细说明。
图1C是图1A和图1B所示的支架装置104的移除了智能手机110后的分解图。在图1C中，壳体106被示出为是与侧板108分离开的。图1C还示出了壳体106包括内部空间150，在内部空间150中设置有内部支撑件152。壳体106、侧板108和内部支撑件152一起起到智能手机110和装置106的各种光学部件的结构支撑件的作用，稍后将会更详细说明。
内部支撑件152包括与侧板108中的盒槽140对准的盒槽154。当样品盒通过盒槽140和盒槽154插入以使得样品盒中的样品室居中于盒槽154内时，该样品室将会与照射光路和收集光路对准以进行测量。内部支撑件152还包括与侧板108中的插槽144对准的插槽156。滑动块142可滑动地安装在插槽144和插槽156内。电池壳体158能够被固定到内部支撑件152上，并且容纳用于为内部光源(例如，激光二极管)供电的多个电池(例如，三个AAA尺寸的1.5伏电池)。
图1C示出了：安装槽112包括安装表面162，当智能手机110安装到装置104上处于工作位置时，该安装表面162支撑智能手机110的背面。如图所示，该安装表面包括开口164和狭槽166。当装置104被组装时，在开口164中设置衍射光栅(或其他波长色散元件)，使得该衍射光栅(或其他波长色散元件)与智能手机110背面的图像传感器相邻并光学耦合，当智能手机110安装在工作位置时，狭槽166容纳光纤的远端，使得该光纤与智能手机110背面的光源光学耦合，并且能够将来自该光源的光引导至第一照射光路。
图1C还示出了侧面支撑件168(图1A和图1B中未示出)，在将智能手机110从左侧插入安装槽112中之后，该侧面支撑件168可以被固定到壳体106的左侧。当以这种方式进行固定时，侧面支撑件168能够将智能手机110牢固地保持在工作位置，因此，如果装置104发生移动、颠簸或受到其他干扰，智能手机110也不会错位。
在示例性实施例中，图1C所示的一些或全部组件(壳体106、侧板108、内部支撑件152等)能够由塑料制成并且可以使用3D打印工艺来制造。然而，应当理解，也可以使用其他材料和制造方法。
图2是示例系统200的剖视图，该示例系统200包括安装在装置204上并与该装置204光学耦合的智能手机202。智能手机202可以与图1A和图1B所示的智能手机102类似。因此，智能手机202能够包括：前表面206，该前表面206包括显示器/触摸屏；以及后表面208，该后表面208与前表面206相对。后表面208能够包括光源210和图像传感器212。图像传感器212可以是能够被操作用来拍摄静止图像和/或视频图像的相机的一部分。例如，图像传感器212可以是具有二维像素阵列的CCD或其他光传感器。相机可以进一步包括透镜或其他光学器件(未示出)以在图像传感器212上形成图像。光源210可以是白光LED或者能够以“闪光”或以其他方式照射由图像传感器212成像的场景的其他光源。
装置204可以与图1A-图1C所示的装置104类似。因此，装置204能够包括具有内部空间222的壳体220。装置204还能够包括内部支撑件224，该内部支撑件224设置在内部空间222内并与壳体220连接。壳体220还包括用于智能手机202的支架，该支架包括：安装槽226和安装表面228。安装表面228包括开口230，在开口230中设置有衍射光栅232。安装表面228还包括开口234，来自光源210的光能够通过该开口234进入装置204。当智能手机202被安装到装置204上处于工作位置时，智能手机202位于安装槽226内，并且后表面208抵靠安装表面228。在该工作位置中，图像传感器212位于开口230上方并与衍射光栅232光学耦合，光源210位于开口234上方。壳体220与内部支撑件224一起为智能手机202和设备内的各种光学组件提供了结构支撑，如下所述。
内部支撑件224包括盒槽240，可将样品盒(例如，样品盒122)插入该盒槽240中。盒槽240具有反射表面242(例如，镜子)。内部支撑件224还支撑着能够将光引导至盒槽240中并从盒槽240收集光的各种组件。在这方面，第一光纤244和第二光纤246通过分叉纤维组件248安装到内部支撑件上。第一光纤244具有在分叉纤维组件248内的近端和经由套管250安装在开口234内的远端。通过这种布置，当智能手机202处于工作位置时，第一光纤244的远端与光源210光学耦合。第二光纤246具有在分叉纤维组件248内的近端和通过套管252安装到内部支撑件224上的远端。在该安装位置处，第二光纤246的远端通过衍射光栅232与图像传感器212光学耦合。
图3是分叉纤维组件248的剖视图。在该示例中，分叉纤维组件248包括玻璃毛细管260，第一光纤244和第二光纤246通过环氧树脂珠262牢固地定位在玻璃毛细管260内。在玻璃毛细管260内，光纤244和246被定位成彼此平行并且彼此相邻。环氧树脂珠262环绕光纤244和246，并填充这两个光纤与玻璃毛细管260之间的空间。分叉纤维组件248具有近端268和远端270。如图所示，由于玻璃毛细管260的倾斜部分，近端268比远端270窄。第一光纤244的近端264和第二光纤246的近端266位于分叉纤维组件248的近端268处。分叉纤维组件248的近端268可以被光学打磨，使得光纤的近端264和266与分叉纤维组件248的近端268齐平。光纤244和246以及环氧树脂珠262的一部分从分叉纤维组件248的远端270伸出。
在实施例中，光纤244和246是具有石英芯、掺杂二氧化硅包层和提供了大约125μm外直径的聚酰亚胺涂层的多模光纤(例如，Polymicro Technologies部件编号FVP100110125)。因此，在分叉纤维组件248中的光纤244和246彼此相邻的情况下，近端264的中心点和近端266的中心点之间的距离可以约为125μm。光纤244和246也可以由一小层环氧树脂隔开，该一小层环氧树脂优选小于100μm，更优选小于10μm。在该示例性实施例中，玻璃毛细管的外直径约为1.8mm，内直径为0.128mm，长度约为7mm。应当理解，以上针对光纤244和246以及玻璃毛细管260提出的尺寸和材料仅是示例性的。也可以使用其他尺寸和材料。例如，代替玻璃毛细管的是，可以将其他结构用作对准套管，在其中将光纤244和246定位成彼此基本平行和相邻。
再次转到图2，分叉纤维组件248提供了第一照射光路272和收集光路274。第一照射光路272从第一光纤244的近端264延伸到盒槽240中。收集光路274从盒槽240延伸到第二光纤246的近端266。通过这种布置，来自智能手机202上的光源210的光能够进入第一光纤244的远端(如开口234中所示的箭头所示)，穿过第一光纤244，穿过近端264后离开，并通过第一照射光路272到达盒槽。此外，来自盒槽240的光能够穿过收集光路274，并由第二光纤246的近端266收集。然后，所收集的光穿过第二光纤246，并从第二光纤的远端朝向衍射光栅232发射(如由从套管252延伸到衍射光栅232的箭头所示)。
从第二光纤246的远端发射出的光被非球面透镜276准直，然后该准直光被柱面透镜278聚焦在非光谱维度(其与衍射光栅232的光谱维度垂直)上。由柱面透镜278聚焦的光到达衍射光栅232，衍射光栅232将该光色散在光谱维度上，从而在图像传感器212上在不同位置处接收不同的波长。在衍射光栅232和图像传感器212之间示出的两个箭头旨在说明由衍射光栅232在不同方向上衍射的并在不同位置处被图像传感器212接收的两个不同波长。在一个示例中，衍射光栅232是1200线/毫米的透射光栅(Edmund Optics 49-578)，非球面透镜的焦距为19mm，而柱面透镜的焦距为9mm。
第一照射光路272和收集光路274基本彼此平行。在一个示例中，第一照射光路272和收集光路274之间的夹角小于5°，优选小于2°，最优选地小于1°。
装置204还提供了延伸到盒槽242中的第二照射光路280。来自内部光源282的光能够经由第二照射光路280到达盒槽242。内部光源282能够包括例如激光二极管和用于准直来自激光二极管的光的相关光学器件。在一个示例中，激光二极管发射出峰值波长约在532nm处、功率水平约为10mW的光。安装到内部支撑件224上的透镜284能够聚焦来自内部光源282的准直光，并在盒槽240内提供了聚焦区域。在一个示例中，透镜284是焦距为8mm的平凸透镜。内部光源282能够被设置在内部空间222内(例如，安装到内部支撑件224上)。
第二照射光路280与收集光路274基本垂直(即，与收集光路274成大约90°)。在一个示例中，第二照射光路280与收集光路274之间的角度跟90度之差小于5°，优选小于2°，最优选小于1°。
内部光源282能够由设置在装置204中的电池壳体(例如，像图1C所示的电池壳体158一样)内的电池(例如，三个AAA电池)供电。这些电池能够经由设置在该装置中的电源电路286为内部光源282供电。电源电路286被配置为能够调节在内部光源282中的激光二极管中流过的电流，从而提供从内部光源282发出的光的均匀强度。在一个示例中，电源电路286包括可从德州仪器公司(Texas Instruments)购得的TPS61165白色LED驱动器。电源电路286与使得用户能够打开和关闭内部光源282的开关(例如，像图1A和图1B所示的拨动开关140一样)电气耦合。
在透射光谱模式、反射光谱模式和散射光光谱模式下，来自光源210的光被用于经由第一照射光路272照射放置在盒槽240中的样品盒。来自光源210的光从第一光纤244的近端264出来，并由安装在内部支撑件224上的透镜288准直。透镜288被定位成这样：第一照射光路272和收集光路274都穿过透镜288延伸。优选地，收集光路274位于透镜288的光轴上，并且第一照射光路略高于透镜288的光轴。来自放置在盒槽240中的样品盒的光经由收集光路272被收集，并且所收集的光通过透镜288聚焦到第二光纤246的近端266上。
附加的透镜290也能够放置在收集光路274中。如下所述，附加的透镜290不用于透射光谱模式或反射光谱模式，而是用于强度光谱模式和散射光光谱模式。附加的透镜290安装在滑动块上(例如，图1A-图1C所示的滑动块142)，这样，当在强度光谱模式或散射光光谱模式下工作时，能够将附加的透镜290移入收集光路274中以收集光，而当在透射光谱模式或反射光谱模式下工作时，能够将附加的透镜290从收集光路274移出。
在强度光谱模式下，使用来自内部光源282的光代替智能手机202上的光源210来照射盒槽240中的样品盒，并且通过第二照射光路280代替第一照射光路272进行该照射。如上所述，透镜284将来自内部光源282的光聚焦到盒槽240内的聚焦区域。来自该聚焦区域的光(例如，响应于来自内部光源282的光而从荧光团发出的荧光)经由收集光路274被收集，其中透镜288和附加的透镜290都位于收集光路274中。透镜290的焦点与盒槽240内的聚焦区域相对应，并且透镜290准直从聚焦区域收集的光。透镜288接收到该准直光，并且将该准直光聚焦到第二光纤246的近端266上。
应当理解，以上针对图1A、图1B、图1C、图2和图3给出的说明只是示例性的，在本文中还可以使用和构想出其他结构、元件、配置等。例如，虽然以上说明是指将智能手机连接至该装置，但是应当理解，该装置可以被配置为接纳其他类型的移动计算设备，例如平板电脑。其他变型也是可以的。
3.示例样品盒
图4、图5、图6和图7示出了当将不同的样品盒插入图2所示的装置204的盒槽240中时，这些不同的样品盒分别用于透射光谱、反射光谱、强度光谱和散射光光谱的使用。
图4示出了为透射光谱模式配置的示例样品盒300的剖视图。在该示例中，样品盒300具有透明前表面302、透明后表面304、不透明顶面306和不透明底面308，所有这些面限定了用于容纳样品的内部样品室310。透明后表面304覆盖盒槽240中的反射表面242。
对于透射光谱模式，如图4所示，将透镜288(而不是透镜290)放置在样品盒300与分叉纤维组件248之间的第一照射光路和收集光路中。光312从第一光纤244的近端(在图4中用虚线表示的光312)朝向透镜288发射。透镜288使所发射的光312准直，以便提供被引导向样品盒300的入射准直光314。入射准直光314通过透明前表面302进入样品室310，穿过样品室310，然后穿过透明后表面304，且被反射表面242反射为反射的准直光314。反射的准直光314通过透明后表面304进入样品室310，穿过样品室310，通过透明前表面302从样品盒300中出来，并到达透镜288。透镜288将反射的准直光314作为所收集的光316聚焦到第二光纤246的近端上。在图4中，由于入射的准直光束与反射的准直光束几乎重合，因此附图标记314既表示入射的准直光，又表示反射的准直光。
图5示出了为反射光谱模式配置的示例样品盒320的剖视图。在该示例中，样品盒320具有透明前表面322、反射后表面324、不透明顶面326和不透明底面328，所有这些面限定了用于容纳样品的内部样品室330。反射后表面324覆盖盒槽240中的反射表面242。
对于反射光谱模式，如图5所示，将透镜288(而不是透镜290)放置在样品盒320与分叉纤维组件248之间的第一照射光路和收集光路中。光332从第一光纤244的近端(在图5中用虚线表示的光332)朝向透镜288发射。透镜288准直所发射的光332，以提供被引导向样品盒320的入射准直光334。入射准直光334通过透明前表面322进入样品室330，穿过样品室330，然后被反射后表面324反射为反射的准直光334。反射的准直光334穿过样品室330，通过透明前表面322从样品盒320中出来，并到达透镜288。透镜288将反射的准直光334作为所收集的光336聚焦到第二光纤246的近端上。在图5中，由于入射的准直光束和反射的准直光束几乎重合，因此附图标记334既表示入射的准直光，又表示反射的准直光。
图6示出了为强度光谱模式配置的示例样品盒340的剖视图。在该示例中，样品盒340具有透明前表面342、透明后表面344、不透明顶面346和透明底面348，所有这些面限定了用于容纳样品的内部样品室350。透明后表面344覆盖盒槽240中的反射表面242。
对于强度光谱模式，如图6所示(在强度光谱模式下，不使用第一照射光路)，透镜288和透镜290均位于样品盒340与分叉纤维组件248之间的收集光路中。准直光352从内部光源282发射并由透镜284聚焦，以提供聚焦光354，该聚焦光354通过透明底面348进入样品室350。聚焦光354聚焦到样品室350内的焦点356上。在该示例中，样品室350中的聚焦光354激发样品中存在的荧光团，从而使荧光团发射荧光。所发射的荧光的一部分358由透镜290收集。透镜290使所收集的光准直，以提供被引导向透镜288的准直光360。透镜288将准直光360作为所收集的光362聚焦到第二光纤246的近端上。
在图6所示的示例中，透镜284和透镜290共同聚焦在样品室350内的焦点356上。实际上，透镜290可以从焦点356周围的聚焦区域收集荧光。此外，由透镜290收集的荧光的一部分可以是在焦点356附近产生的，这部分光穿过透明后表面344，从反射表面242反射，并再次穿过透明后表面344，然后再被透镜290收集。
图7示出了为散射光光谱模式配置的示例性样品盒370的剖视图。在该示例中，样品盒370具有：包括不透明部分371和透明部分(窗口)373的前表面372、透明后表面374、透明顶面376和透明底面378，所有这些面限定了用于容纳样品的内部样品室380。在该示例中，样品被设置在测试条中，该测试条包括设置在条形衬垫384上的样品垫382。窗口373与样品垫382对准。窗口373可以是前表面372的透明部分，也可以是在前表面372中形成的开口。在使用时，将样品(例如，尿液样品)施加到样品垫382上，在样品垫382上，样品与试剂相互作用并产生颜色变化。然后将测试条插入样品盒中，其中样品垫382面向透明前表面372，并且条形衬垫384被定位成紧靠透明后表面374(以便覆盖盒槽240中的反射表面242)。
对于散射光光谱模式，如图7所示，透镜288和透镜290均位于样品盒370与分叉纤维组件248之间的第一照射光路和收集光路中。光386从第一光纤244的近端(在图7中用虚线表示的光386)朝向透镜288发射。透镜288使所发射的光386准直，并将该准直光引导至透镜290。透镜290通过窗口373将来自透镜288的光聚焦到样品垫382上，并通过窗口373收集来自样品垫382的散射光388。透镜290还使散射光388准直，并将准直的散射光引导至透镜288。透镜288将准直的散射光作为所收集的光390聚焦到第二光纤246的近端。
图8A-图8C示出了为透射光谱模式配置的示例性样品盒400的构造。图8A是穿过透明前表面402的样品盒400的正视图，图8B是样品盒400沿着图8A所示的线B-B的剖视图，图8C示出了样品盒400中的各个层。
图8A示出了形成在盒体412中并在透明前表面402后方可见的样品室404-410。如图8B所示，透明前表面402经由前粘合层414连接到盒体412上。图8B还示出了通过后粘合层418连接到盒体上的透明后表面416。样品室404-410各自能够通过一对进入端口从样品盒400的外部进入，在图8A和图8B中通过连接到样品室404的进入端口420和422来举例说明。进入端口420和422可以用于将样品引入到样品室404中，例如，样品流经其中一个进入端口，而另一个进入端口充当通风口。在一个示例中，相邻样品室的进入端口之间的间隔被选择为对应于8通道多移液管中相邻通道之间的间隔。
在图8C中分别示出了透明前表面402、前粘合层414、盒体412、后粘合层418和透明后表面416。前粘合层414、盒体412和后粘合层418中所示的开口对准在一起，以形成组装后的样品盒400中的样品室404-410。进入端口(例如，进入端口420和422)是通过在透明前表面402中形成与组装后的样品盒400中的样品室对准的开口来创建的。
在示例性实施例中，透明前表面402被设置为薄的丙烯酸板(例如，厚度约为1/16英寸)，盒体412被设置为较厚的丙烯酸板(例如，厚度约为3/8英寸)，前粘合层414和后粘合层418被设置为50μm厚的双面粘合剂(DSA)(3M，光学透明粘合剂8212)，透明后表面416被设置为切割的玻璃片(例如，厚度约为1毫米)。利用这些材料，能够通过激光切割来形成图8C所示的透明前表面402、前粘合层414、盒体412和后粘合层418中的开口。
能够用不透明黑色染料(Dykem 81724)对盒体412进行染色，因而防止相邻样品室之间发生光学连通，并且因而在样品室之间提供了清晰的边界，以便在基于视频的盒扫描过程中将样品盒插入到盒槽中时，能够自动感测样品室。
图9A-图9C示出了为反射光谱模式配置的示例性样品盒500的构造。图9A-图9C所示的样品盒500类似于图8A-图8C所示的样品盒400，但是其具有反射后表面而不是透明后表面。因此，图9A-图9C示出了透明前表面502、样品室504-510、盒体512、前粘合层514、后粘合层516、反射后表面518、以及进入端口522和520。在示例性实施例中，反射后表面是涂覆PC的聚碳酸酯膜(例如，约200μm厚)。
图10A-图10C示出了为强度光谱模式配置的示例样品盒600的构造。图10A-图10C所示的样品盒600类似于图8A-图8C所示的样品盒400。因此，图10A-图10C示出了透明前表面602、样品室604-610、盒体612、前粘合层614、后粘合层616、反射后表面618、以及进入端口622和624。然而，盒体612与盒体412的不同之处在于，并非整个盒体612都被染成不透明的。取而代之的是，盒体612的底部未染色以提供透明底面624。此外，在示例性实施例中，与上述透明后表面416形成对比的是，透明后表面616被设置为丙烯酸薄膜(例如，约200μm厚)。
图11是示例性样品盒700的剖视图，该样品盒700被配置用于设置在样品盒700内的单试剂测试条702的散射光光谱。单试剂测试条702包括条形衬垫706和样品垫704。样品盒700包括：前层710，其限定样品盒700的前表面；空腔层712，其包括放置有测试条702的空腔或其他空间；以及后层714，其限定样品盒700的后表面。在一个示例中，前层710是厚度约为0.03英寸的丙烯酸层，空腔层712是厚度约为0.375英寸的丙烯酸层，后层714是聚碳酸酯薄膜。除了位于样品垫704上方的窗口716之外，前层710能够被染色以使其不透明。在图11所示的示例中，前层710在窗口716的左侧具有染色部分718，并且在窗口716的右侧具有染色部分720。例如，窗口716可以是前层710中的激光切割开口或是前层中的透明未染色部分。空腔层712可具有激光切割空腔，测试条702能够插入该激光切割空腔中。前层710和后层714可以通过各自的双面粘合剂层而被连接到空腔层712。在一些实施方式中，可以在将测试条702插入到空腔层712中之后，将各层710、712和714连接在一起。在其他实施方式中，空腔层712可以在侧面上有开口，使得在各层710、712和714连接在一起之后，测试条702能够插入到样品盒700中。在任何一种情况下，例如借助于将条形衬垫706的一部分与后层714粘合的粘合剂，可以将测试条702保持在样品盒700内的特定位置。
一旦测试条702已经被定位在样品盒700内，就能够将样品盒700插入该装置的盒槽中。窗口716允许来自第一照射光路的光照射样品垫704，并且允许通过收集光路收集来自样品垫704的散射光(例如，如图7所示)。当将样品盒700插入盒槽中时，智能手机的相机能够在视频模式下操作。如图11所示，对前层710进行染色后，当染色部分718通过第一照射光路和收集光路时，所得到的视频帧将变暗。然而，当窗口716通过第一照射光路和收集光路时，所得到的视频帧将包括与来自样品垫704的散射光相对应的光谱。然后，当染色部分720通过第一照射光路和收集光路时，所得到的视频帧将再次变暗。将与通过窗口716对散射光的收集对应的多个视频帧可以一起被平均。
图12是示例样品盒800的剖视图，该样品盒800被配置为用于设置在样品盒800内的多试剂测试条802的散射光光谱。在该示例中，多试剂测试条包括设置在条形衬垫814上的十个样品垫804-813。样品盒800的构造能够类似于样品盒700的构造，但是样品盒800具有多个窗口，使得能够分别区分多个样品垫804-813。在该示例中，样品盒800包括前层820、空腔层822和后层824。除了与样品垫804-813对应的窗口834-843之外，前层820可以被染成不透明的。窗口834-843可以通过例如前层820中的激光切割开口或通过使前层820的一部分不染色来形成。前层820的染色部分，例如染色部分844、856和846，能够用于界定与不同样品垫相对应的视频帧。例如，可以将样品盒800插入到盒槽中，其中智能手机的相机用于拍摄视频。然后，所得到的视频将包括与染色部分844对应的一个或多个暗帧，然后是具有与样品垫804的散射光对应的光谱的一个或多个帧，然后是与染色部分845对应的一个或多个暗帧，然后是具有与样品垫805的散射光对应的光谱的一个或多个帧，然后是与染色部分846对应的一个或多个暗帧，依此类推。以这种方式，能够识别出与样品垫804对应的帧，然后将它们一起平均成为单个合成图像。能够类似地识别出与测试条802中的样品垫805以及其他样品垫对应的各帧，并且将它们一起平均，以形成每个样品垫的单独的合成图像。
应当理解，上面仅以示例的方式给出了样品盒的说明。还可以使用其他的材料、尺寸、构造和制造方法。
4.移动计算设备示例
图13是示出示例移动计算设备900的框图。移动计算设备900可以是智能手机、手持式计算机、平板电脑或其他便携式计算设备。例如，移动计算设备900可以对应于图1A和图1B所示的智能手机102或图2所示的智能手机202。
移动计算设备900包括用于经由天线904进行无线通信的通信接口902。无线通信可以包括发送或接收语音、图像、视频、数据或其他信息。无线通信可以使用任何类型的无线通信协议，例如3G或4G蜂窝通信协议、WiFi或蓝牙。代替通信接口902或除了通信接口902之外，移动计算设备900可以包括用于通过USB、以太网或其他有线连接进行通信的通信接口。
移动计算设备900还包括显示器906和一个或多个用户输入设备908。显示器906能够显示文本、图像、图形或其他视觉信息。用户可以通过用户输入设备908进行输入(例如，信息、命令等)或以其他方式与移动计算设备900进行交互。在一个示例中，用户输入设备908可以包括显示器906上的触摸屏。可替代地或另外地，用户输入设备908可以包括键盘、按钮或其他控件。
移动计算设备900能够通过使用相机910来拍摄静止图像和/或图像。相机910包括镜头和图像传感器，例如CCD。相机910可以位于移动计算设备900的与包括显示器906的一侧相反的一侧。移动计算设备900在相机910旁边还可以包括光源，例如白光LED 912。例如，LED 912可以是预期的或闪光灯摄影。
移动计算设备900可以由控制器914来控制，控制器914包括处理器916和存储器918。存储器918可以包括随机存取存储器(RAM：random access memory)、只读存储器(ROM：read-only memory)、闪存或任何其他类型的非暂时性介质。存储器918可以存储程序指令920和数据922。处理器916可以执行程序指令920以使移动计算设备900执行操作，所述操作可以包括本文描述的任何操作。所述操作可以包括：经由通信接口902进行通信、在显示器906上显示输出、经由用户输入设备908接收用户输入、使用相机910来获得图像(静止图像或视频)、和/或控制LED912的照射。在一些示例中，程序指令920可以包括用户可以访问的一个或多个应用程序(通常称为“App”)的软件。
参考下面讨论的测量，开发了一个定制的安卓(Android)App(应用程序)来协助数据收集。该App允许用户将包括曝光时间和焦距在内的参数设置为恒定值，以提供批间一致性并促进数据收集。在已经完成了所选择的化验并准备好进行测量之后，App允许用户选择样品、标准品和重复样品的数量，然后再引导用户完成每个液室和/或样品盒的采集步骤。
通常，智能手机(或其他移动计算设备)上的App或其他程序可以通过用户界面接收表示从智能手机所连接的设备支持的各种光谱模式中选择的光谱模式的输入。因此，用户可以选择透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式或散射光光谱模式。一旦用户选择了操作模式，App就会提示用户提供更多信息，例如与要运行的化验有关的信息、待测样品的类型、和/或其他参数(可替代地，App可以基于用户选择的检测方法来选择光谱模式)。然后，用户可以将样品盒滑入盒槽中，而App则控制图像传感器来获取一个或多个光谱图像，无论是静止图像还是视频帧。一个或多个光谱图像可以对应于样品盒中的不同样品。每个光谱图像都包含一个或多个在空间上分离的波长分量，这些波长分量可以表示光穿过样品的透射、来自与PC相互作用的样品的光的反射、来自样品的光的发射或来自样品的散射光，这取决于所选模式。
对于透射、反射和散射光模式，App还能够在获取光谱图像时控制智能手机上的光源。对于强度模式，App可以提示用户打开设备中的内部光源(例如激光二极管)。一旦获得一个或多个光谱图像，App就能够根据所选择的模式对其进行处理。对于透射模式，App可以在光谱图像中确定一个或多个表示样品吸收的波长。对于反射模式，App可以确定表示受到样品影响的反射的波长(例如，来自PC的共振反射波长的偏移)。对于强度模式，App可以确定表示样品中荧光团发出的荧光的波长。对于散射光模式，App可以在光谱图像中确定可用于表征测试条的样品垫的颜色的波长范围。在这些模式的每一者中，App可以分析相关波长以确定检测结果(例如，确定样品中分析物的浓度)，并可以将结果显示给用户。
App还可以支持基于视频的数据收集。在这种方法中，当样品盒以滑动的方式移动通过盒槽时，相机910会以视频模式运行。例如，相机可以以每秒60帧的速率拍摄视频，从而获得按时间序列的图像。在此时间序列中，当样品盒移动通过盒槽时，不同的图像对应于样品盒的不同部分。有利地，样品盒能够被构造成这样：样品被放置在以线性序列布置直着的一个或多个样品位置(例如，样品室或测试条的样品垫)处，并且样品盒具有用于界定或限定该序列中的单个样品位置的边界的界定结构。在图8A-图8C、图9A-图9C和图10A-图10C、图11和图12中示出了这种样品盒。此外，能够将样品盒中的界定结构形成为使得能够容易地将界定结构与图像中的样品位置区分开。在一种方法中，界定结构吸收光(例如，染成黑色)，使得界定结构的图像将会相对较暗，而样品位置的图像将相对较亮。在图8A-图8C、图9A-图9C和图10A-图10C中说明了这种方法，其中界定结构吸收光，其中，盒体的染色部分位于相邻的样品室之间，而在图12中，其中，前表面的染色部分位于测试条的相邻样品垫之间。
利用这种方法，能够对拍摄视频中的按时间序列的图像进行处理，以确定每个样品位置的一个或多个图像。特别地，与特定样品位置对应的一个或多个亮图像将在以下时间序列中出现：(i)在特定样品位置的一侧对应于界定结构的至少一个先前暗图像之后，以及(ii)在特定样品位置的另一侧对应于界定结构的至少一个后续暗图像之前。时间序列中的先前暗图像和后续暗图像的位置可用于选择在时间序列中出现在它们之间的亮图像，该亮图像对应于特定样品位置的中心或近似中心。然后，所选择的亮图像可以用于确定特定样品在特定样品位置处的光谱特性。在一些实施方式中，所选择的亮图像可以在时间序列上与一个或多个相邻图像平均，以获得合成图像，然后该合成图像可以用于确定光谱特性。如上所述，光谱特性可以是透射光、反射光、发射光(例如，荧光)或散射光的特性，这取决于所选择的光谱模式。
5.测量示例
a.概念验证测量
使用上述带有使用上述自定义App编程的智能手机的设备，使用相应样品盒腔中的测试样品完成了四种模式下的定性概念验证测量。
为了演示透射光谱模式，将黄色食用染料(McCormick)在水中稀释，浓度范围为1：1000至1：64000，即64倍浓度范围。通过从水的透射率中减去样品透射率来测量吸收。如图14所示，在光谱的蓝色区域(400nm-500nm)发生了可观察到的吸收。因此，观察到浓度依赖性吸收。
为了演示反射光谱模式，使用具有基于PC的反射后表面的样品盒。制备了0％、20％、40％、60％和80％的乙醇(EtOH)水溶液，并将其引入样品盒中，以观察改变与PC接触的液体的体积折射率的影响。PC仅有效地反射了波长的窄波段，所述窄波段表示由智能手机的图像传感器获得的光谱图像中的窄的亮红色波段(图15包括此类光谱图像的示例)。将样品盒装满水，然后填充5个EtOH浓度，以使传感器内部起始共振波长的变化标准化。通过从原始图像中获取中间行的像素，可以观察到从PC反射的峰值波长(PWV)随添加EtOH溶液而发生的变化与流体室内液体的折射率之间存在着明显的关系，这种关系对应于114.0nm/RIU的体积折射率灵敏度。图15示出了在不同EtOH浓度下观察到的峰值波长漂移(ΔPWV)。
为了演示强度光谱模式，使用内部光源(激光二极管)激发用于强度测量的样品盒内的若丹明590氯化物(R6G)(激子)的荧光发射。将染料稀释到10-6至10-7.5g/mL之间的浓度，并对所得图像进行处理以生成荧光强度光谱，如图16所示。在整个浓度范围内，R6G发出的绿光清晰可见。这种绿光发射的强度取决于浓度。另外，由于垂直照射，即使在低R6G浓度下，在荧光发射光谱内也存在来自激光二极管照射源的最小量的光。
为了演示散射光光谱模式，使用单试剂测试条和多试剂测试条进行测试。用于验证的单试剂测试条是设计用于检测尿液中的乙酰乙酸(酮)的市售测试条(Bayer Ketostix测试条)。这些测试条具有对应于0、5、15、40和80md/dL浓度的参考色。本研究中使用的智能手机(三星Galaxy S3)包括各种预设的白平衡选项，用于根据环境光“温度”调整相机。选择“多云”设置是因为它产生最高的总体强度，并且是区分五种参考颜色的最佳设置。另外，将589nm-612nm的波长范围确定为在参考色之间具有最大的分离度。该波长范围的曲线下面积(AUC)用于单试剂测试条的测量。
为了验证单试剂测试条的临床相关浓度范围，制备了浓度为0、5、15、40和80mg/dL的乙酰乙酸锂(Sigma Aldrich)在水中的系列稀释液，以匹配与参考颜色对应的浓度。将三个测试条浸入每种浓度的溶液中，让每个测试条干燥40分钟，然后再放入如图11所示构造的样品盒中。将装有测试条的样品盒插入装有智能手机的支架的盒槽中。如图17A所示，从暴露于每种浓度的测试条的样品垫中获得散射光的光谱。如图17B所示，使用波长范围在589nm-612nm的AUC值以及针对每种浓度测量的三个测试条的标准偏差，创建了剂量-响应曲线。估计的检出极限(LOD：Limit of Detection)约为3.5mg/dL，低于通过色图比较进行人眼分析的5mg/dL LOD。
用于验证的多试剂测试条是商业上可用的测试条(
Figure BDA0002513528870000261
尿液试剂条10SG)。每个测试条均包含十个样品垫，用于检测尿液中的以下物质：葡萄糖(GLU)、胆红素(BIL)、乙酰乙酸(KET)、比重(SG)、血液(BLO)、pH(PH)、蛋白质(PRO)、尿胆素原(URO)、亚硝酸盐(NIT)和白细胞(LEU)。为了验证区分高浓度和低浓度的能力，在水中重构了代表正常和异常分析物浓度的人尿基对照组(Kova)。将三个测试条浸入每种浓度中，并将它们在目标读取时间(30至120秒)内的颜色变化与测试条附带的参考色进行比较，以估算每种分析物的相对浓度。将每个条带干燥后，放置在如图12所示构造的样品盒中。将装有测试条的样品盒插入装有智能手机的支架的盒槽中。从暴露于每种浓度的测试条的样品垫获得散射光的光谱，并对三个测试条的特定分析区域的AUC值进行平均。图18示出了结果。使用不配对的双样品t检验，发现除了比重和pH值外，所有分析物在每个浓度下的平均值的分离均具有统计学意义(p<0.05)。
b.透射模式测量：胎儿纤连蛋白ELISA化验
胎儿纤连蛋白(fFN)是一种对自发性早产具有很高的阴性预测价值的糖蛋白。尤其是当结合宫颈长度的物理测量结果时，胎儿纤连蛋白是重要的诊断指标，可促进高危母亲的治疗、持续监测或转诊。尽管存在着基于快速侧流的化验法，但它们不是定量的，需要专门的专有阅读器。fFN的血清学检测在实验室环境中是常规的，而将fFN检测转换为即时诊断服务将为医疗服务提供者提供有用的信息，尤其是对于早产高危人群。
对于fFN检测，购买了市售的ELISA试剂盒(CUSABIO)，该ELISA试剂盒用于生成标准曲线，以及测量生理相关范围内的加标血清浓度。按照制造商的说明制备试剂盒试剂，并在随附的96孔微孔板中完成反应。将标准浓度溶液连续稀释，一式三份，浓度范围为4ng/mL至1000ng/mL。从人血浆中提取浓度为50ng/mL的加标血浆样品(n＝3)。将所有样品添加到微孔板中，并按照制造商的说明完成ELISA步骤。加入终止溶液后，立即在台式96孔板读数器(BioTek，Synergy HT)中读取样品，然后用多通道移液管将其转移到样品盒中。
当样品盒滑入盒槽时，使用开发的App测量已填充的样品盒，并对每个样品拍摄五个图像。将光谱的非光谱维度扩展到图像传感器上的柱面透镜引入球差，从而导致所得光谱图像出现弯曲的外观。如图19A所示，图19A示出了在X和Y方向上的相对像素位置之间的关系，而图19B示出了通过智能手机的图像传感器获得的相应光谱图像。这种弯曲的外观是内部光学器件的功能，而不是智能手机和支架的对准方式。因此，在多次测量和多次手机拆卸/插入过程中，观察到的曲率是恒定的。如图19C所示的线性光谱图像所示，通过将每个光谱行中红色滤光片下降的像素位置(约580nm)拟合为圆弧，能够将光谱线性化，然后在非光谱维度上求和。结果是其中像素距离直接对应于波长的光谱。像素距离和波长之间的关系可以通过使用智能手机系统测量来自两个不同的已知波长的光源中的光，并在两者之间的波长进行插值来插值。在这种情况下，使用在532nm(绿色)处发射的激光笔和在633nm(红色)处发射的激光笔。所得光谱以及来自两个激光笔的响应如图19D所示。为了调整由于不正确的样品盒与光路对准而导致的总体强度变化，与宽带光谱(用超纯水测得的)相比，对500nm以上的光谱(与色原吸光度有关的区域之外)进行了线性缩放最小二乘拟合。从相同的宽带光谱中减去所得的归一化透射光谱，得到吸收光谱。
图20A和图20B示出了使用智能手机系统(图20A)和96孔酶标仪(图20B)获得的样品透射光谱、宽带透射光谱和样品吸收光谱的示例。图20C和图20D示出了使用智能手机系统(图20C)和96孔酶标仪(图20D)针对不同浓度测量的吸光度，其中每组测量都标出了3σ的检出极限(LOD:Limit of Detection)。对于智能手机系统和96孔酶标仪，都观察到相似的检出极限。
c.强度模式测量：苯丙氨酸化验法
苯丙氨酸化验法通常用于筛查新生儿苯丙酮尿症。用于量化人体苯丙氨酸的市售化验试剂盒(Sigma Aldrich)用于验证本文所述智能手机系统的操作的强度模式。将苯丙氨酸标准品重新溶解在水中，并连续稀释至0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.05和0nmol/孔的浓度。使用10kDa MWCO旋转过滤器将人血清样品脱蛋白，然后用化验缓冲液稀释并一式三份(n＝3)加入孔中。样品在室温下用酪氨酸酶预处理10分钟，以控制背景干扰。按照生产商的说明，将显影剂、酶混合物和缓冲液的样品/标准反应混合物添加到每个孔中。使溶液在37℃下孵育、覆盖和避光20分钟。使用市售的96孔酶标仪(BioTek，Synergy HT)，针对荧光来测量出完整化验，在λ＝535nm处激发并在λ＝587nm处测量。如前所述，然后将样品转移到试剂盒中，并使用本文所述的智能手机系统测量荧光。
为了获取荧光数据，开发了一种改进的数据收集程序。对于基于吸收的测量，光输出的稳定性对时间不敏感。但是，对于荧光染料，由商用激光二极管(甚至在基于电路的反馈控制之后)和荧光团光漂白引起的激发强度变化都会导致测量值随时间变化。为了减轻这些差异，开发了一种后处理方法，即当用户将样品盒滑过支架时将数据捕获为视频。通过分析视频的每个帧的平均像素值，可以确定与样品盒中每个样品室相对应的信号的连续帧集，如图21A所示。将这些帧的中心80％取平均值，并用作生成光谱的图像。如图21B和图21C所示，示例光谱包括：与来自激光二极管的激发光对应的较短波长峰；以及响应于激光二极管的激发光，在化验中与从荧光团发出的荧光对应的较长波长双峰。测量与荧光对应的光谱部分的积分面积，然后使用与来自激光二极管的激发光对应的光谱部分的积分面积进行归一化。使用Bland-Altman分析验证了此归一化方法。所得的荧光光谱产生清晰的剂量-响应曲线，其检出极限与市售酶标仪的检出极限相当。
图22A示出了在0.8nmol浓度时使用智能手机系统获得的光谱。图22B示出了在0.2nmol浓度时使用酶标仪读取的的光谱。图22C是使用智能手机系统的荧光强度与苯丙氨酸浓度的关系图。图22D是使用酶标仪的荧光强度与苯丙氨酸浓度的关系图。每组测量均指示3σ的检出极限(LOD)。基于智能手机系统的检出极限小于最低检测浓度(0.05nmol)，而酶标仪的检出极限在0.05nmol至0.1nmol之间。使用智能手机系统获得的测量结果似乎在较高浓度下会饱和，这表明智能手机系统的动态范围可能比酶标仪的动态范围低。
d.散射光测量：pH和葡萄糖
进一步评估了用于上述验证研究的多试剂测试条的pH(pH)和葡萄糖(GLU)样品垫的剂量-响应特性。对于pH测量，通过将NaHCO3添加到正常的尿液对照溶液中，制得五种pH值在6.0至8.4之间的校准溶液。使用台式pH计(Thermo，Orion 4-Star)测量校准溶液的pH值。将三个测试条浸入每种校准溶液中，并将其在目标读取时间为60秒时的颜色变化与测试条提供的参考颜色进行比较。干燥后，将测试条放置在样品盒中，并插入仪器中以获得光谱图。将每种校准溶液的光谱图一起平均。所得光谱在图23A中示出。这些测试条中的pH检测垫包括双指示器系统，其中颜色变化是由活性范围为pH 4.4至6.2的甲基红和由活性范围为pH6.0至7.6的溴百里酚蓝引起的。较高的pH值(在7.5至8.4范围内)在视觉上是无法区分的，但可以通过光谱上的红色波长的散射显著减少来区分。这样，选择所得散射光光谱的两个部分用于AUC分析。460nm-470nm波长范围用于所有校准溶液的AUC分析。对于pH大于7的校准溶液，还使用630nm-640nm的额外波长范围进行AUC分析。这些校准溶液的所得校准曲线如图23B所示。如图所示，在此pH值范围(6.0至8.4)内，AUC强度变化是相当线性的。区分看起来与人眼几乎相同的读数的能力证明了散射光光谱分析的价值超过了人眼与参考色比较的常规方法。
上述多试剂测试条的验证证明了使用该仪器区分高浓度和低浓度葡萄糖的散射光测量能力。对多试剂测试条的葡萄糖检测垫进行了进一步的定量研究。通过在正常对照尿液中连续稀释葡萄糖，制备浓度为0、25、50、100、200和400mg/dL的校准溶液。由于已知原始对照溶液的葡萄糖浓度仅在100mg/dL以下，因此这些浓度仅代表已知的葡萄糖添加量。将三个测试条浸入每种浓度中，并将其在施加样品后15秒的颜色变化与测试条提供的参考颜色进行目测比较。干燥后，将测试条放置在样品盒中，并插入仪器中以获得光谱图。将每种校准溶液的光谱图一起平均。所得光谱在图24A中示出。使用430nm-440nm波长范围的平均AUC值以及这三个试验中每个试验的标准偏差，创建了剂量-响应曲线。所得的剂量-响应曲线如图24B所示。检出极限(LOD)估计约为60mg/dL，低于通过比色表进行人眼分析的100mg/dL LOD。
6.结论
本文所述的基于多模式智能手机的系统展示了IVD分析可能性的广度以及可以在单个仪器内实现的应用。每种模式都提供了一系列针对实验室环境而开发的现有检测方法，这些检测方法可以快速转化以与此类POCT设备一起使用。所描述的实施例能够利用对智能手机硬件和软件的快速改进以及基于SLA的3D打印的分辨率和可负担性的显著改进。例如，3D打印的光学安装座可以增加甚至取代传统的台式光学组件和对准。特别地，在为现场护理点而设计的光学生物传感器领域中，这对于创建新的光学系统表现出巨大的潜力，这些光学系统可以直接从计算机仿真发展到手持式原型。
公开的实施例还提供了一种与移动生物传感设备一起使用的用于微型流控盒和毫流控盒的快速原型友好方法。在多个样品盒中流体腔的线性排列支持多路复用，所述多路复用对于需要多个标准品或对照品的分析，或可能一次运行多个样品的情况都非常有用。激光切割丙烯酸板和DSA组件的使用为众多其他可能的试剂盒配置打开了大门，包括增加每个试剂盒的样品室数量以进行进一步的多路复用，或并入其他微流体分析步骤，例如基于微流体芯片技术的样品裂解、混合或其他主要步骤。
基于智能手机的系统可以与商业检测结合使用，以促进将实验室级的测试转移到护理点。例如，该系统可以使用依赖于吸光度或基于荧光的报告分子(ELISA，FIA，CLIA)的夹心免疫化验法的光学读数的试剂盒，以及许多基于其他新技术而开发的新检测方法，包括使用生物发光、SPR、PC或其他选择性共振现象的检测方法。
线性样品盒还支持基于视频的样品信号捕获，从而进一步简化了多分析物多路复用，使其成为更加用户友好的接口。所开发的图像处理技术有潜力进一步扩展到可以利用这种基于“滑动”的接口的未来新型设备。与典型的基于比色杯的测量系统相比，信用卡的刷卡是一种普遍存在的动作，可以轻松地简化多路采样测量。
fFN和苯丙氨酸化验的结果表明，基于智能手机的系统可以复制传统台式实验室仪器的灵敏度。在两种化验中，基于智能手机的系统所检测到的被分析物的浓度都比常规实验室仪器上检测到的浓度低，尽管动态范围可能会减小。在fFN化验中，高浓度下在450nm处的光几乎完全吸收，导致信号饱和。对于此特定检测，这可能是可以接受的，因为文献范围的阈值范围为10ng/mL-200ng/mL。类似地，在苯丙氨酸化验中，基于智能手机的系统没有产生线性的剂量-响应曲线，而是证明了在较高浓度下的饱和度曲线关系。然而，使用4参数逻辑增长曲线代替线性拟合可以使使用基于智能手机的系统能够确定适当的未知浓度。Bland-Altman分析证明了所有浓度下这两种化验法的一致性，从而表明所公开的基于智能手机的系统可以成功地从相同样品中复制出预期的化验测量值。

Claims (37)

1.一种装置，包括：
结构支撑件，其包括支架和盒槽，其中，所述支架被配置为将移动计算设备可拆卸地安装在工作位置，其中，所述移动计算设备包括第一光源和图像传感器，并且其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且所述盒槽被构造成容纳多个不同类型的样品盒；
波长色散元件，所述波长色散元件连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述波长色散元件与所述图像传感器光学耦合；
第一光纤，所述第一光纤具有近端和远端，其中，所述第一光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述第一光纤的近端通过第一照射光路与所述盒槽光学耦合，且所述第一光纤的远端能够接收来自所述第一光源的光；
第二光纤，所述第二光纤具有近端和远端，其中，所述第二光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于所述工作位置时，所述第二光纤的近端通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述盒槽光学耦合，且所述第二光纤的远端能够通过所述波长色散元件将光引导至所述图像传感器；以及
第二光源，所述第二光源连接到所述结构支撑件，并且所述第二光源通过第二照射光路与所述盒槽光学耦合，其中，所述第二照射光路基本垂直于所述收集光路，
其中，所述装置能够在至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式下操作。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述移动计算设备是智能手机。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光源是发光二极管(LED)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一光源是白光LED。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波长色散元件包括衍射光栅。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二光源包括激光二极管。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光纤的近端被定位成在对准套管内与所述第二光纤的近端相邻。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一光纤和所述第二光纤在所述对准套管内基本平行。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述对准套管包括玻璃毛细管。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括光学系统，其中，所述光学系统能够在以下两者之间进行调节：
(i)准直构造，在该准直构造中，所述光学系统对通过所述第一光纤的近端传输过来的来自所述第一光源的光进行准直，将准直光引向所述盒槽，并将反射的准直光耦合到所述第二光纤的近端；以及
(ii)聚焦构造，在该聚焦构造中，所述光学系统从所述盒槽内的聚焦区域收集光，并将所收集的光耦合到所述第二光纤的近端。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述光学系统包括第一透镜和第二透镜，
其中，当所述光学系统处于所述准直构造时，所述第一透镜而非所述第二透镜被设置在所述第一照射光路和所述收集光路中，
并且其中，当所述光学系统处于所述聚焦构造时，所述第一透镜和所述第二透镜都被设置在所述收集光路中。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透射光谱模式为第一类型样品盒中的样品提供透射光谱，
其中，所述第一类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的透明后表面、以及在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一操作模式的特征在于：
所述第一类型样品盒设置在所述盒槽中，并且所述透明后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述透明前表面；以及
所述光学系统处于所述准直构造，
其中，来自所述光学系统的准直光通过所述透明前表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明后表面，并且被所述反射槽表面反射为反射的准直光，并且
其中，所述反射的准直光通过所述透明后表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明前表面，并且通过所述光学系统耦合到所述第二光纤的近端。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述反射光谱模式为第二类型样品盒中的样品提供反射光谱，
其中，所述第二类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的反射后表面、以及在所述透明前表面与所述反射后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述反射光谱模式的特征在于：
所述第二类型样品盒设置在所述盒槽中，并且所述反射后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述透明前表面；以及
所述光学系统处于所述准直构造，
其中，来自所述光学系统的准直光通过所述透明前表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，且被所述反射后表面反射为反射的准直光，并且
其中，所述反射的准直光穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明前表面，且通过所述光学系统耦合到所述第二光纤的近端。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述强度光谱模式为第三类型样品盒中的样品提供强度光谱，
其中，所述第三类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的透明后表面、与所述透明前表面垂直的透明底面、以及在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述强度光谱模式的特征在于：
所述第三类型样品盒放置在所述盒槽中，并且所述收集光路延伸穿过所述透明前表面，且所述第二照射光路延伸穿过所述透明底面；以及
所述光学系统处于所述聚焦构造，并且所述聚焦区域位于放置在所述样品室中的所述样品内，
其中，来自所述第二光源的激发光通过所述透明底面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，且致使所述样品中存在的荧光团发出荧光，并且
其中，所述光学系统收集所述聚焦区域中从所述样品发出的荧光，并将所收集的荧光耦合到所述第二光纤的近端。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述散射光光谱模式为第四类型样品盒中所含的涂抹至测试条的样品垫上的样品提供散射光光谱，
其中，所述第四类型样品盒包括形成有窗口的前表面、与所述前表面相对的后表面、以及在所述前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述测试条放置在所述样品室中，且所述样品垫与所述窗口对准。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述散射光光谱模式的特征在于：
所述第四类型样品盒放置在所述盒槽中，并且所述后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述前表面中的所述窗口；以及
所述光学系统处于所述聚焦构造，且聚焦到放置于所述样品室中的所述测试条的所述样品垫上，
其中，来自所述光学系统的聚焦光通过所述前表面的所述窗口进入所述样品室并照射所述样品垫，其中，所述样品垫散射所述聚焦光的一部分以提供散射光，并且其中，所述散射光的一部分穿过所述窗口，并且
其中，所述光学系统收集穿过所述窗口的来自所述样品垫的散射光，并将所收集的散射光耦合到所述第二光纤的近端。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波长色散元件被配置为在光谱维度中将光色散到在空间上分离的波长分量中，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，在所述图像传感器上的不同位置处接收不同的波长分量。
21.根据权利要求20所述的装置，还包括在所述第二光纤的远端之间的非球面透镜和柱面透镜，其中，所述非球面透镜对从所述第二光纤的远端发射过来的光进行准直，并且其中，所述柱面透镜将该准直光聚焦在非光谱维度中，其中，所述非光谱维度基本垂直于所述光谱维度。
22.一种方法，包括：
将移动计算设备安装到一个装置上，其中，所述移动计算设备包括光源和图像传感器，并且其中，将所述移动计算设备安装到所述装置上包括：将所述光源与所述装置中的第一光纤的远端光学耦合，并且将所述图像传感器与所述装置中的波长色散元件光学耦合，其中，所述波长色散元件是与所述装置中的第二光纤的远端光学耦合的；
将样品盒插入所述装置的盒槽中，其中，将样品放置在所述样品盒中，其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且其中，所述盒槽(i)通过第一照射光路与所述第一光纤的近端光学耦合，(ii)通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述第二光纤的近端光学耦合，以及(iii)通过基本垂直于所述收集光路的第二照射光路与第二光源光学耦合；
从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选择操作模式；
将入射光引导至放置在所述样品盒中的所述样品中，其中，取决于所选择的操作模式，所述入射光来自所述第一光源和所述第二光源中的至少一者；
通过光学系统收集来自放置在所述样品盒中的所述样品的光，其中，所述光学系统将所收集的光耦合到所述第二光纤的近端；
在所述波长色散元件处通过所述第二光纤接收由所述光学系统收集的光，其中，所述波长色散元件将所接收的光在所述图像传感器上色散到在空间上分离的波长分量中；以及
使用所述图像传感器来获得至少一个图像，所述至少一个图像包括所述在空间上分离的波长分量。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所选择的操作模式是所述透射光谱模式，并且
其中，所述样品盒包括透明前表面和与所述透明前表面相对的透明后表面，并且其中，所述样品被放置在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室中。
24.根据权利要求23所述的方法，
其中，将入射光引导至放置在所述样品盒中的所述样品中包括：
经由所述第一光纤，将来自所述第一光源的光引导至所述光学系统，其中，所述光学系统对来自所述第一光源的光进行准直，并且将该准直光经由所述透明前表面引导至所述样品中，
其中，该准直光穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明后表面，且被所述反射槽表面反射为反射的准直光，以及
其中，所述反射的准直光通过所述透明后表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，且穿过所述透明前表面，并且其中，收集来自放置在所述样品盒中的所述样品的光包括：
通过所述光学系统收集穿过所述透明前表面的所述反射的准直光的至少一部分。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所选择的操作模式是所述反射光谱模式，并且
其中，所述样品盒包括透明前表面和与所述透明前表面相对的反射后表面，并且其中，所述样品被放置在所述透明前表面与所述反射后表面之间的样品室中。
26.根据权利要求25所述的方法，
其中，将入射光引导至放置在所述样品盒中的所述样品中包括：
经由所述第一光纤，将来自所述第一光源的光引导至所述光学系统，其中，所述光学系统对来自所述第一光源的光进行准直，并且将该准直光经由所述透明前表面引导至所述样品中，
其中，该准直光穿过放置在所述样品室中的所述样品，且被所述反射槽表面反射为反射的准直光，并且
其中，所述反射的准直光穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明前表面，并且其中，收集来自放置在所述样品盒中的所述样品的光包括：
通过所述光学系统收集穿过所述透明前表面的所述反射的准直光的至少一部分。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，所选择的操作模式是所述强度光谱模式，并且
其中，所述样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的透明后表面、以及与所述透明前表面垂直的透明底面，并且其中，所述样品被放置在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室中。
28.根据权利要求27所述的方法，
其中，将入射光引导至放置在所述样品盒中的所述样品中包括：
将来自所述第二光源的激发光通过所述透明底面引导至所述样品中，其中，所述激发光穿过放置在所述样品室中的所述样品，且致使所述样品中存在的荧光团发出荧光，其中，所述发出的荧光的至少一部分穿过所述透明前表面，并且其中，收集来自放置在所述样品盒中的所述样品的光包括：
通过所述光学系统收集穿过所述透明前表面的所述荧光的至少一部分。
29.根据权利要求22所述的方法，其中，所选择的操作模式是所述散射光光谱模式，并且
其中，所述样品盒包括形成有窗口的前表面、与所述前表面相对的后表面、以及在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室，
并且其中，将所述样品涂抹在放置于所述样品室中的测试条的样品垫上，并且所述样品垫与所述窗口对准。
30.根据权利要求29所述的方法，
其中，将入射光引导至放置在所述样品盒中的所述样品中包括：
经由所述第一光纤，将来自所述第一光源的光引导至所述光学系统，其中，所述光学系统将来自所述第一光源的光通过所述前表面中的所述窗口聚焦到所述样品垫上，其中，所述样品垫散射来自所述第一光源的光的一部分以提供散射光，并且来自所述样品垫的所述散射光的一部分穿过所述窗口，并且其中，收集来自放置在所述样品盒中的所述样品的光包括：
通过所述光学系统收集穿过所述窗口的来自所述样品垫的散射光。
31.根据权利要求22所述的方法，其中，所述样品盒包含多个样品，所述多个样品放置在呈线性序列布置着的多个样品位置处，
其中，所述样品盒包括界定结构，各所述界定结构界定所述线性序列中的各所述样品位置，
并且其中，使用所述图像传感器来获得至少一个图像包括：
随着所述样品盒移动穿过所述盒槽，使用所述图像传感器来获得按时间序列的图像，其中，所述按时间序列的图像包括与所述样品盒中的各所述界定结构的图像对应的多个暗图像和与所述样品盒中的各所述样品位置的图像对应的多个亮图像。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
针对所述多个样品位置中的特定样品位置，识别与所述特定样品位置对应的至少一个亮图像，该识别基于所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像相对于(i)在所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像之前出现的至少一个暗图像和(ii)在所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像之后出现的至少一个暗图像的位置；以及
使用所述至少一个亮图像来确定放置在所述特定样品位置处的特定样品的光谱特性。
33.一种移动计算设备，包括：
第一光源；
图像传感器；
用户界面；
处理器；
数据存储部；以及
程序指令，所述程序指令存储在所述存储器中，并且可由所述处理器执行以致使所述移动计算设备执行操作，所述操作包括：
通过所述用户界面，接收表示从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选择的光谱模式的输入；
当所述图像传感器光学耦合至一个装置的波长色散元件时，使用所述图像传感器获得来自所述波长色散元件的光的至少一个图像，其中，所述至少一个图像包括一个或多个在空间上分离的波长分量，所述在空间上分离的波长分量表示放置在与所述波长色散元件光学耦合的样品盒中的样品；以及
根据所选择的光谱模式来处理所述至少一个图像。
34.根据权利要求33所述的移动计算设备，其中，根据所选择的光谱模式来处理所述至少一个图像包括：
如果所选择的光谱模式是所述透射光谱模式，则识别表示由所述样品引起的来自所述第一光源的入射光的吸收的至少一个波长分量；
如果所选择的光谱模式是所述反射光谱模式，则识别表示由所述样品引起的来自所述第一光源的入射光的反射的至少一个波长分量；
如果所选择的光谱模式是所述强度光谱模式，则识别表示响应于来自第二光源的激发光而从所述样品发出的荧光的至少一个波长分量；以及
如果所选择的光谱模式是所述散射光光谱模式，则识别表示由所述样品引起的颜色变化的至少一个波长分量。
35.根据权利要求34所述的移动计算设备，其中，所述操作还包括：
如果所选择的光谱模式是所述透射光谱模式，则操作所述第一光源以将光引导至所述装置中；
如果所选择的光谱模式是所述反射光谱模式，则操作所述第一光源以将光引导至所述装置中；
如果所选择的光谱模式是所述强度光谱模式，则通过所述用户界面提供指令以操作所述第二光源；以及
如果所选择的光谱模式是所述散射光光谱模式，则操作所述第一光源以将光引导至所述装置中。
36.根据权利要求33所述的移动计算设备，其中，所述样品盒包含多个样品，所述多个样品放置在呈线性序列布置着的多个样品位置处，
其中，所述样品盒包括界定结构，各所述界定结构界定所述线性序列中的各所述样品位置，
并且其中，使用所述图像传感器来获得至少一个图像包括：
随着所述样品盒移动穿过所述装置的盒槽，使用所述图像传感器来获得按时间序列的图像，其中，所述按时间序列的图像包括与所述样品盒中的各所述界定结构的图像对应的多个暗图像和与所述样品盒中的各所述样品位置的图像对应的多个亮图像。
37.根据权利要求36所述的移动计算设备，其中，根据所选择的光谱模式来处理所述至少一个图像包括：
针对所述多个样品位置中的特定样品位置，识别与所述特定样品位置对应的至少一个亮图像，该识别基于所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像相对于(i)在所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像之前出现的至少一个暗图像和(ii)在所述按时间序列的图像中的所述至少一个亮图像之后出现的至少一个暗图像的位置；以及
使用所述至少一个亮图像来确定放置在所述特定样品位置处的特定样品的光谱特性。
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