CZ20024195A3

CZ20024195A3 - Způsoby a zařízení pro detekci analytů ve vzorcích o nízké propustnosti dvoupaprskovou FTIR

Info

Publication number: CZ20024195A3
Application number: CZ20024195A
Authority: CZ
Inventors: Martin P. Debreczeny; Michael P. O´Neil
Original assignee: Lifescan, Inc.
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2003-10-15
Also published as: MY133786A; IL153185A0; AR028639A1; CN1227521C; EP1301773A2; AU6329001A; HK1052216A1; KR20030004450A; PL360200A1; CN1444726A; RU2265827C2; WO2001092857A2; AU2001263290B2; WO2001092857A3; TW541417B; NO20025702L; US7079252B1; CA2410907A1; NO20025702D0; MXPA02011937A

Description

Způsoby a zařízení pro detekci analytů ve vzorcích o nízké propustnosti dvoupaprskovou FTIR

Oblast techniky

Vynález se vztahuje na detekci a kvantifikaci analytu.

Dosavadní stav techniky

Detekce analytů v fyziologických vzorcích zahrnujících tkáně nebo tekutiny jako je například krev nebo produkty pocházející z krve mají v dnešní společnosti stále se zvyšující význam. Stanovení analytů se provádí v různých oblastech zahrnujících klinická laboratorní vyšetření, vyšetřování pacientem atd., kde výsledky uvedených stanovení mají rozhodující význam při stanovení diagnózy a při léčbě různých chorobných stavů. Analyty o které se v těchto případech jedná zahrnují alkohol, formaldehyd, glukosu,' kyselinu glutamovou, glycerol, beta-hydroxybutyrát, L-laktát, leucin, kyselinu jablečnou, kyselinu .pyrohroznovou, steroidy, kyselinu askorbovou, aceton a další ketony vyskytující se v organismu, folát, amoniak, bilirubin, kreatinin, hemoglobiny, lipidy, fenylalanin, proteiny (zahrnující albumin a globuliny), triglyceridy, močovinu a rovněž léčiva a drogy. Význam stanovení analytu má tedy dnešní době stále se zvyšující význam.

Přestože koncentrace analytů v krvi je možné sledovat různými způsoby, zvyšující význam mají neinvazivní způsoby monitorování koncentrací analytů obsažených v krvi. Například rozsáhlý výzkum a mnoho úsilí bylo'věnováno vývoji neinvazivních způsobů a zařízení pro sledování koncentrace • *· • · · ···· « · · v ·« ♦·* ·· ·♦ ·· ·· glukosy v krvi a to vzhledem k významu tohoto faktoru pro léčení diabetů.

Jedním z druhů neinvazivních způsobů pro stanovení glukosy v krvi je způsob s použitím infračervené spektroskopie v blízké oblasti spektra, kde paprsek světla o vlnové délce v blízké infračervené oblasti spektra se nechá, projít vzorkem nebo se od vzorku odrazí a emitovaný signál se použije ke stanovení koncentrace analytu ve vzorku. Pracovníkům v oboru je známých více druhů neinvazivních zařízení určených k monitorovaní analytů v krvi včetně sledování obsahu glukosy v krvi s detekcí spektroskopií v blízké infračervené oblasti, zahrnujících zařízení citovaná v literatuře uvedené v tomto popisu.

K měření absorpce světla v diskrétních oblastech vlnových délek blízké oblasti infračerveného světla vzorkem je potřebné světlo požadovaného rozmezí vlnových délek vhodným způsobem separovat. Uvedené způsoby známé v oboru zahrnují použití kotoučových filtrů, spektrometrů s difrakční mřížkou, akusticko-opti.cké laditelné filtry (AOTF) a spektrometry s Fourierovou transformací (FTIR). Jestliže cílený analyt silně absorbuje světlo a je snadno spektrálně charakterízovatelný, tak je možné použít zařízení opatřené kotoučovými filtry které poskytuje dostatečně separované svazky vlnových délek ke stanovení koncentrace analytu.

Nicméně v případech jako je stanovení glukosy v tkání, kde cílený analyt je složka slabě absorbující obsažená ve složité směsi, je nutné ke stanovení analytu samostatně analyzovat velký počet (více než 10 a obvykleji více než 100) samostatných úseků vlnových délek.

Ve výše uvedených případech je možné použít spektrometry

4 4 4 4 4 4 • 4 * 4 · 4 I 4444 2 44 444 44 44 44 44 pracující na principu difrakční mřížky, AOTF nebo FTIR. Kromě rozkladu světla vhodným způsobem je u vzorků vysoce rozptylujících světlo velmi důležitým parametrem optická průchodnost nebo tok světla spektrometrem. U spektrometrů s difrakční mřížkou opatřených jedním detektorem je průchod světla spektrometrem nepřímo úměrný rozlišení vlnových délek. Jestliže se má získat více monochromatických svazků světla, množství světla dopadajícího na detektor je pak malé. Ke zvýšení optické průchodnosti spektrometrem je možné použít více detektorů tvořících detektorové pole, nicméně uvedené detekční systémy mající vysokou citlivost v blízké infračervené oblastí (1-2,5 pm) jsou velmi drahé. Kromě toho kalibrace a drift různých prvků uvedeného detekčního systému bývají při stanovení analytu zdrojem nepřesností.

V AOTF spektrometrech se provádí samostatná měření v jednotlivých oblastech vlnových délek laděním filtru.

Protože se neproměřuje celá oblast spektra najednou, - může dojít ke zkreslení spektra následkem změn probíhajících ve vzorku v závislosti na čase. Kromě toho, protože je nutné proměřovat samostatně každou oblast vlnových délek, dochází ve srovnání se způsoby současného proměřování celé oblasti spektra k omezení optické průchodnosti.

FTIR spektrometry mají výhodu ve vysoké optické průchodnosti ve spojení s vysokou rozlišovací schopností vlnových délek s použitím jednoho detektoru. Díky tomu je použití FTIR u vzorků s nízkou propustností (u vzorků vysoce světlo rozptylujících a/nebo silně světlo absorbujících) ve srovnání se spektrometry pracujícími s kotoučovými filtry,

AOTF a spektrometry s difrakční mřížkou výhodné. Přestože zařízení a způsoby pracující na principu FTIR v blízké infračervené oblasti spektra jsou pro oblast neinvazivních ·· · • * · · · ·* ·· ·· ·· způsobů detekce analytů velmi perspektivní, je nutné ještě překonat některé technické problémy aby se uvedená zařízení stala obchodně životaschopná. Uvedené technické problémy zahrnují: problémy zahrnující drift zařízení, potřebu vysoce přesných konvertorů analogových dat na digitální a podobně.

Potřeba vývoje nových zařízení pracujících v blízké oblasti infračerveného spektra a způsobů pro stanovení koncentrace analytů těmito přístroje je proto stále žádoucí.

Relevantní literatura

Dvoupaprsková infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (DB-FTIR) je popsaná U.S.patentu č.4,999,010 a rovněž v následujících publikacích: Beduhn & White, Applied Spectroscopy (1986),40:628-632; Kuehl & Griffiths, Anal.Chem. (March 1978), 50:418-422 a P.R.Griffiths a J.A. de Haseth, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Chemical Analysis,

Vol.83(1986), John Wiley and Sons, New York, str.298-311. Viz rovněž FTIR: Fourier Transform Infrared: A Constant Evolving Technology, Sean Johnston, Ellis Horwood, New York, -(1991), str.260-274. Neinvazivní způsoby detekce analytů v krvi s použitím infračervené spektroskopie jsou popsané v U.S.patentových přihláškách č: 6,016,435; 6,002,953;

5, 957,841; 5, 945, 676; 5, 830,132; 5,574,283; 5, 424,545; 5,237,178; 5,222,496; 5,204,532 a 4,882,492; které jsou všechny včleněné do tohoto textu odkazem; rovněž jako práce Klonoffa, Noninvasive blood glucose monitoring, Diabetes Care (březen 1997), 20(3):433-7.

Podstata vynálezu

Vynález poskytuje způsoby a zařízení pro stanovení přítomnosti a/nebo koncentrace nejméně jednoho analytu ve vzorku o nízké propustnosti. Ve způsobech podle vynálezu se pomocí nejméně jednoho zdroje infračerveného záření v interferometru generují přímý paprsek a zpětný paprsek nebo se do interferometru zavádějí. Přímý paprsek se vede do vzorku a poskytuje zkušební paprsek zatímco zpětný paprsek se vede do referenčního materiálu a poskytuje referenční paprsek.

Zkušební paprsek a referenční paprsek se pak spojí buď optickým způsobem do nulového paprsku který se pak detekuje v jednom detektoru nebo se nulují elektronicky po detekci ve dvou samostatných detektorech. Přítomnost a často rovněž množství nejméně jednoho analytu obsaženého ve vzorku se pak odvodí z detekovaného nulového paprsku. Rovněž jsou popsané přístroje pro provedení výše uvedených způsobů. Způsobya zařízení podle vynálezu jsou vhodné k různým aplikacím zahrnujícím detekci přítomnosti a množství nejméně jednoho nebo více analytu vyskytujících se v krvi stanovených ve fyziologickém vzorku jako je krev, tkáň nebo jejich deriváty.

Popis obrázků na připojených výkresech

Na obr.l je znázorněné difuzní reflexní spektrum sejmuté na předloktí člověka (přímý paprsek) a transmisní referenční spektrum po průchodu vodou (zpětný paprsek) a odpovídající výsledné nulové spektrum.

Na obr.2 je schématicky znázorněné zařízení podle vynálezu vhodné zejména pro vzorek vykazující interakci se světlem projevující se silným rozptylem světla.

Na obr.3 je schématicky znázorněné zařízení podle vynálezu vhodné zejména pro vzorek který vykazující interakci se světlem projevující se slabým rozptylem světla a silnou ·· ··· ·· ·· ·· ·· absorpcí světla.

Na obr.4A a obr.4B jsou znázorněné spektra vodných roztoků obsahujících více analytů měřená jednopaprskovou metodou FTIR (dosavadní stav v oboru) a dvoupaprskovou metodou

FTIR (způsob podle vynálezu).

Obr.5 představuje srovnání predikčních a referenčních koncentrací glukqsy ve vodných roztocích obsahujících více analytů změřených jednopaprskovou FTIR (dosavadní stav v oboru) a dvoupaprskovou FTIR (způsob podle vynálezu).

Obr.6 graficky znázorňuje závislost standardní chyby predikce koncentrace glukosy v závislosti na počtu faktorů odvozenou z měření vodných roztoků obsahujících více analytů jednopaprskovou FTIR (dosavadní stav v oboru) a dvoupaprskovou FTIR (způsob podle vynálezu).

0br.7A a obr.7B jsou graficky znázorněné koncentrace glukosy (predikční versus referenční) v roztocích obsahujících více analytů změřené v průběhu několika týdnů jednopaprskovou FTIR (dosavadní stav v oboru) a dvoupaprskovou FTIR (způsob podle vynálezu).

Popis specifických provedení vynálezu

Vynález poskytuje způsoby a zařízení pro stanovení přítomnosti a/nebo koncentrace nejméně jednoho analytů ve vzorku o nízké propustnosti. Ve způsobech podle vynálezu se pomocí nejméně jednoho zdroje infračerveného záření v interferometru generují přímý paprsek a zpětný paprsek nebo jsou do interferometru zaváděné. Přímý paprsek se nechá projít vzorkem a poskytuje zkušební paprsek zatímco zpětný paprsek se ··· ·· ♦ nechá projít referenčním materiálem a poskytuje referenční paprsek. Zkušební paprsek a referenční paprsek se pak spojí buď optickým způsobem do nulového paprsku který se pak detekuje v jednom detektoru nebo se nulují elektronicky po detekci ve dvou samostatných detektorech. Přítomnost a často rovněž množství nejméně jednoho analytu obsaženého ve vzorku se pak odvodí z.detekovaného nulového paprsku. Rovněž jsou popsané přístroje pro provedení výše uvedených způsobů.

Způsoby a zařízení podle vynálezu jsou vhodné k různým aplikacím zahrnujícím detekci přítomnosti a množství nejméně jednoho nebo více analytů vyskytujících se v krvi stanovených ve fyziologickém vzorku jako je krev, tkáň nebo jejich deriváty. V dalším popisu vynálezu jsou nejprve popsané způsoby podle vynálezu, pak následuje přehled typických zařízení vhodných pro provedení uvedených způsobů a přehled typických aplikací způsobů podle vynálezu.

Před dalším popisem je nutné upozornit, že vynález není omezený na jednotlivá provedení vynálezu popsaná níže, protože jsou možné různé obměny uvedených konkrétních provedení která jsou v rámci připojených patentových nároků. Také je nutné si uvědomit, že zvolená terminologie je použitá pro popis jednotlivých provedení ale vynález nijak neomezuje. Rozsah vynálezu je daný pouze připojenými patentovými nároky.

Jednotné číslo použité v tomto popisu a v připojených patentových nárocích znamená i množné číslo pokud ze souvislosti nevyplývá jinak. Pokud není uvedeno jinak, všechny technické a odborné výrazy použité v této přihlášce mají význam obvykle užívaný v oboru do kterého náleží.

Způsoby » · · « < «· • · *«·««··»» » • · · · · · · « · · ·* ··· ·« «« ··

Jak je souhrnně uvedeno výše, vynález poskytuje způsob stanovení přítomnosti a často obsahu nejméně jednoho analytu ve vzorku o nízké propustnosti. Specificky vynález poskytuje způsob stanoveni přítomnosti a dokonce koncentrace analytu ve vzorku s použitím infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR). Ještě specifičtěji se ve způsobech podle vynálezu používá dvoupaprskové provedení FTIR (DB-FTIR) ke zjištění přítomnosti a koncentrace nejméně jednoho analytu ve vzorku o nízké propustnosti například ke stanovení glukosy ve vzorku tkáně.

Prvním stupněm zahrnutým ve způsobech podle vynálezu je získání přímého a zpětného paprsku z nejméně jednoho zdroje infračerveného záření, kde přímý a zpětný paprsek se pak spojí za kompenzace (nebo nulování) střídavého (a.c.) signálu a zdvojení stejnosměrného (d.c.) signálu. Zdrojem infračerveného záření pro použití ve způsobech podle vynálezu může být každý vhodný zdroj infračerveného záření který umožňuje získat infračervené záření požadovaných vlnových délek, kde požadované vlnové délky jsou vlnové délky v rozmezí od asi 0,7 pm do 3 pm, obvykleji od asi 1,3 pm do 2,4 pm.

Podle jednoho provedení vynálezu se přímý a zpětný paprsek získá s použitím interferometru z jednoho původního zdroje záření. Přímý a zpětný paprsek jsou charakterizované tím, že při výstupu z interferometru nebo po průchodu interferometrem jsou vzájemně přesně komplementární. Zpětný paprsek jako takový je na výstupu z interferometru fázově posunutý o 180° vzhledem k přímému paprsku. Přímý paprsek a zpětný paprsek se pak vedou do vzorku a referenčního materiálu.

V alternativním provedení se k získání přímého a zpětného • 4

444 β 4 · 4 4

44 44 44 paprsku před jejich vstupem do interferometru použijí dva zdroje světla. Uvedené dva zdroje je možné nahradit jedním zdrojem světla s 'použitím děliče paprsku nebo podobných optických prostředků. Přímý a zpětný paprsek se pak vedou do vzorku a referenčního materiálu a získají se tak zkušební a referenční paprsky. Zkušební a referenční paprsek se zavedou do interferometru.

V některých provedeních má vzorek kterým prochází přímý paprsek nízkou propustnost světla. Vzorkem o nízké propustnosti světla se rozumí vzorek charakterizovaný vysokými ztrátami záření, například ztrátami záření převyšujícími asi 80 %, běžněji nejméně asi 99 % a ještě obvykleji nejméně asi

99,9 %. Vzorky o nízké propustnosti které je možné analyzovat způsoby podle vynálezu mohou být vzorky vysoce absorbující světlo, vzorky vysoce rozptylující světlo, nebo vzorky charakterizované tím, že mají obě vlastnosti.

Způsoby podle vynálezu je možné použít k analýze velkého počtu různých vzorků. Uvedené vzorky mohou být vzorky materiálů přirozeně se vyskytujících nebo to mohou být vzorky syntetických kompozic. Typické vzorky které je možné analyzovat způsoby podle vynálezu zahrnují: průmyslové výrobky, zemědělské produkty, odpady a produkty vyskytující se v životním prostředí a podobně. Významné specifické předmětné materiály zahrnují: tuhé a tekuté léčivé přípravky, čisté chemikálie, plastické hmoty, polymery, membrány jako jsou zejména membrány obsahující stopové cílené analyty jako jsou enzymy, barvy a další chemické nebo fyzikální potahy, tekuté produkty jako je ropa a její různé destilační frakce jako je topný olej a benzin, minerály, přirozené a syntetické drahé kameny jako je diamant zejména v jeho práškové formě, tekuté odpady vznikající při výrobě, přírodní a syntetická vlákna, •I» * · ·* 1*4 ·*· ·**·** « • · · · * · · »*«· ·· ··· ·· ·· ·« «· pšenici a další obilniny, mléko a mléčné výrobky, vejce, maso a další potraviny, tekutá a tuhá hnojivá, jezerní a jiné limnologické sedimenty a histologické vzorky. Ve více provedeních vynálezu je hodnoceným vzorkem fyziologický vzorek. Fyziologickým vzorkem se rozumí vzorek materiálu se rozumí vzorek obsažený, odebraný nebo pocházející z živého vícebuněčného organismu. Ve více provedeních je uvedený vzorek tkáně nebo vzorek z tkáně odvozený. V ještě dalším provedení je vzorkem vzorek fyziologické tekutiny například krve nebo vzorek z krve získaný. V závislosti na konkrétním použitém postupu může vzorek být součástí vícebuněčného orgánu nebo od něj může být oddělený.

Referenčním materiálem může být každý materiál nebo směs poskytující referenční paprsek který při spojení se zkušebním paprskem ruší efekt přinejmenším části a ve více provedeních v podstatě všech balastních složek obsažených ve zkušebním paprsku jak je- popsané dále. Podstata referenčního materiálu nebo obsahu referenční kyvety značně závisí na podstatě vzorku aby byla splněna výše uvedená vlastnost. Ve více provedeních je referenčním materiálem vodná kompozice, přičemž uvedenou kompozicí může být čistá voda, vodný roztok nebo vodná disperze. V provedeních kde vzorkem je tkáň, referenční materiál může obsahovat čistou vodu nebo vodu obsahující jednu nebo více složek které jsou obsažené v tkání tvořící vzorek jako jsou například metabolity, proteiny, lipidy, nukleové kyseliny atd, a rovněž další rozptyl světla vyvolávající složky napodobující rozptylové vlastnosti tkáně např. prostředek (prostředky) imitující rozptylové vlastnosti tkáně. Ve více provedeních ve kterých vzorkem je vzorek tkáně, referenční materiál je tuhý materiál jehož hlavní složku tvoří voda. Jestliže referenční materiál je tekutá kompozice, obecně je takový materiál obsažený ve vhodném obalu. Prostředky • · · « · « « « · » · ·· ·· *· ·« · «ν vhodné jako obaly pro výše uvedený účel zahrnují prostředky vyrobené z křemíku, fluoridu vápenatého, infrasilu, krystalického křemíku a podobně.

Referenční materiál vhodný k použití ve způsobech podle vynálezu může být tekutina umístěná v kývete o proměnné tloušťce vrstvy nebo o konstantní tloušťce vrstvy. Jestliže tloušťka vrstvy referenční kyvety je statická nebo konstantní, tak tloušťka vrstvy referenční kyvety,.tj. vzdálenost kterou zpětný paprsek urazí při svém průchodu kyvetou, je obecně nejméně asi, 5 pm, obvykle nejméně asi 100 pm a ještě obvykleji nejméně asi 1 mm, přičemž tato délka může být až 1 m nebo delší, ale v mnoha provedeních nepřevyšuje asi 1 cm a obvykle nepřevyšuje asi 2 mm. Jestliže kyveta má volitelnou tloušťku, tloušťku referenční kyvety je možné volit v rámci její velikosti, a v některých provedeních je kyveta obecně nastavitelná do vzdálenosti asi 1 cm, obvykle nejméně asi 1 mm a nejběžněji do vzdálenosti nejméně asi 100 pm. Tloušťku vrstvy je tedy možné volit tak jak to umožní velikost kyvety. Nicméně ve více provedeních se tloušťka kyvety, pokud je vůbec měnitelná, mění o velikost vyjádřitelnou faktorem nepřevyšujícím asi 100 %, obvykle nepřevyšujícím asi 30 % a ještě běžněji nepřevyšujícím asi 10 %.

Alternativně může referenční materiál tvořit tuhý materiál rozptylující světlo. Referenční materiály se volí tak, aby jejich vlastnosti rozptylovat a absorbovat světlo byly srovnatelné s vlastnostmi vzorku. Pro vzorky jako jsou tkáně je možné použít tuhý referenční materiál obsahující jako hlavní složku vodu jako je želatina. Další typ referenčního materiálu může obsahovat více samostatných materiálů. Referenční paprsek je možné získat například průchodem a odrazem zpětného paprsku různými materiály.

• 4 • 4« • 4 ♦ ♦

4· *4 ··

Více provedení zařízení zahrnuje v tomto místě vyrovnání energie obou paprsků tak, aby jejich energie byla v podstatě stejná a získal se tak optimální nulový paprsek. Významným vyrovnáním energie obou paprsků se rozumí nastavení různých parametrů zařízení použitého ve způsobech podle vynálezu k získání referenčního a zkušebního paprsku které se liší svojí energií o méně než asi 10 %, obvykle o méně než asi 5 % a ještě běžněji o méně než asi 2 %. Výraz optimální nulový paprsek znamená nulový paprsek jehož nulovací poměr je nejméně asi 5:1, obvykle nejméně asi 20:1 a ještě obvykleji nejméně asi 50:1, přičemž nulovací poměr může být až tak vysoký jako je poměr 200:1 ale obvykle nepřevyšuje asi 50:1. Výraz nulovací poměr znamená: modulovanou (a.c. složku) energii obsaženou v přímém paprsku dělenou modulovanou (a.c. složkou) energií obsaženou ve spojených paprscích. Možnosti regulace kterými je možné docílit optimální nulovací poměr zahrnují: nastavení délky referenční kyvety a/nebo nastavení překrytí zkušebního paprsku a referenčního paprsku při jejich rekombinaci nebo kolimaci do jednoho nulového paprsku, úpravy intenzity buď zkušebního nebo referenčního paprsku s použitím zeslabovacího zařízení s volitelnou intenzitou zeslabení (dva příklady zařízení s proměnnou intenzitou zeslabení obecně známé v této oblasti zahrnují: otočný zeslabovač s gradientovým kovovým potahem a štěrbinový zeslabovač) a úpravy složení referenčního materiálu (jestliže například referenční kyveta obsahuje více složek, tak změnu vzájemných koncentrací složek v referenční kyvetě). Jestliže se regulace provádí úpravou délky referenční kyvety, délku je možné upravit tak jak to velikost kyvety umožňuje. Nicméně'v mnoha provedeních rozsah úpravy délky kyvety obvykle nepřevyšuje asi 1 mm, obvykle asi 0,5 mm a ještě běžněji asi 50 μπι.

Další stupeň zahrnutý ve způsobech podle vynálezu zahrnuje detekci 'nulového paprsku (paprsků), Podle jednoho provedení vynálezu se referenční a zkušební paprsek spojí v místě před detektorem do jednoho paprsku způsobem dostatečným k získání nulového paprsku, kde nulový paprsek je charakterizovaný tím, že přinejmenším části signálu odpovídající balastním příspěvkům neodpovídajícím analytu nejsou v nulovém paprsku zahrnuté, tj. byly odstraněné. Obecně se paprsky spojí s použitím jakýchkoli prostředků pro vedení paprsků jako jsou například reflexní prostředky, děliče paprsků/kolimátory, optická vlákna atd. do jednoho nulového paprsku. Alternativně je možné referenční a zkušební paprsek samostatně detekovat a spojit elektronicky. V provedení podle vynálezu s použitím dvou zdrojů se referenční a zkušební paprsek zavádějí 'do přímé a zpětné vstupní dráhy interferometru a následně se detekuje výstupní paprsek (paprsky).

Po detekci paprsku (paprsků) detektorem (detektory) následuje stupeň ve kterém se ze signálu odvodí informace týkající se přítomnosti (a v mnoha případech i množství) jednoho nebo více cílených analytů ve vzorku. Obecně se v tomto stupni střídavý (A.C.) signál (signály) zesílí, zatímco stejnosměrná (D.C.) složka se odstraní, A.C.složka signálu se pak převede z analogové formy na digitální formu s použitím AD konvertoru, a výsledný digitální signál se počítačem zpracuje k získání informací vztažených na přítomnost a koncentrace analytů obsažených ve vzorku.

Jako alternativu k provedení zahrnujícímu vyvážení optické intenzity dvou uvedených paprsků s použitím jednoho detektoru lze použít provedení kde přímý a zpětný paprsek se detekují odděleně a vyvážení a spojení se provede • · · ·· · · · • · ··«·»·»·· · • · · W · > ♦ * « · « ·· ··· ·· ·· « *· elektronicky. Elektronické signály je možné spojit s použitím sumačního zesilovače. V tomto provedení je pro dosažení vysokých nulových poměrů důležité, aby spektrální odezva obou detektorů byla podobná. Podle ještě dalšího provedení vynálezu se použijí dva zdroje světla a dva detektory.

Výše popsané způsoby je možné realizovat s každým vhodným zařízením umožňujícím získat přímý a zpětný paprsek, obsahujícím držák vzorku a referenčního materiálu, a umožňujícím spojit referenční a zkušební paprsek do nulového paprsku. Typická zařízení vhodná pro použití způsobů podle vynálezu jsou podrobněji popsaná níže.

Zařízení

Zařízení podle vynálezu vhodná k realizaci způsobů podle vynálezu zahrnují zařízení obsahující nejméně následující složky: a) zdroj .(zdroje) infračerveného záření; b) interferometr pro tvorbu přímého a zpětného paprsku nebo zavedení přímého a zpětného paprsku do interferometru; c) referenční materiál; d) zařízení nebo prostředky pro kontakt se vzorkem například držák vzorku nebo další prostředky v závislosti na charakteru vzorku; e) prostředky pro získání nulového signálu z referenčního a zkušebního paprsku; a f) detektor (detektory). Zařízení může dále obsahovat jeden nebo více dalších složek vhodných k provedení způsobů podle vynálezu jako je analogově digitální převodník (ADC) a prostředky pro zpracování digitálních dat nebo prostředky výpočetní techniky. Uvedené složky obsažené v zařízení podle vynálezu jsou podrobněji popsané samostatně pomocí symbolů uvedených v obr, 2 a 3, kde na uvedených obr.2 a 3 jsou znázorněná reprezentativní zařízení podle vynálezu.

• φ · φ * φ φ • · φ φ φ ·· ·*

Zařízení 20 znázorněné na obr.2 a obr.3 obsahuje zdroj infračerveného záření 21. Zdrojem infračerveného záření muže být libovolný vhodný zdroj, zahrnující zdroj bílého světla, žhavené vlákno, tyčinku z karbidu kovu atd., pokud je tento zdroj schopný emitovat infračervené spektrum o vlnových délkách požadovaného rozmezí, tj. světla o vlnových délkách od asi 0,7 do 50 pm.

Zařízení 20 rovněž zahrnuje Michelsonův interferometr 22 umožňujícího v případě zařízení znázorněného na obr.2 vstup přímého světelného paprsku 32 a zpětného světelného paprsku 33 a v případě zařízení znázorněného na obr.3 umožňuje konverzi dopadajícího svazku paprsků světla 31 generovaného zdrojem záření 21 na přímý paprsek 32 a zpětný paprsek 33. Michelsonův interferometr obvykle obsahuje dělič paprsku 22a, pohyblivé zrcadlo 22b a pevné zrcadlo 22c a případně obsahuje další zrcadla pro vedení přímého paprsku do interferometru nebo z interferometru. Rovněž je znázorněný optický držák vzorku tkáně 24, referenční materiál o volitelné tloušťce vrstvy 23 a detektor 26.

V zařízeni znázorněném na obr.3 dělič paprsků 22a interferometru 22 produkuje přímý paprsek 32 a zpětný paprsek 33. Přímý paprsek 32 je vedený z interferometru jedním směrem, zatímco zpětný paprsek 33 je vedený po dráze po které je vedený svazek generovaný zdrojem záření 21. Dráha zpětného paprsku se nemusí nutně překrývat s dráhou vstupujícího světla. Například jestliže se místo pevných a pohyblivých zrcadel v interferometru použije trojboký hranol, dráha zpětného paprsku je mimo dráhu světla vstupujícího do interferometru. V tomto případě je možné zpětný paprsek získat bez děliče paprsků. Toto uspořádání má výhodu v tom, že při separaci zpětného paprsku nedochází k žádným ztrátám a celkové • · · ·· · » · • · ······»·· « •· * ·«·· ···« ₁₆ .............

množství odděleného světla ve srovnání se způsoby s jedním svazkem paprsků je dvojnásobné. Obchodně dostupný interferometr vybavený optickým trojbokým hranolem pro zrcadla interferometru a poskytující snadno získatelný zpětný paprsek je typ Bomem Model MB-100. Je však možné použít každý vhodný interferometr jako jsou interferometry zahrnující typ PerkinElmer 2000 FTIR a podobné typy.

Dále ještě pokud jde o zařízení znázorněné na obr.3, uvedené zařízení obsahuje dělič paprsků 25 umístěný v dráze paprsků generovaných zdrojem záření která koinciduje se zpětným paprskem na jeho výstupu z interferometru. Dělič paprsků umožňuje přesměrovat část zpětného paprsku mimo dráhu světla generovaného zdrojem záření tak, aby alespoň část zpětného paprsku opouštějícího interferometr byla vedena přes referenční kyvetu s volitelnou tloušťkou vrstvy 23. V obvyklém provedení dělič paprsků je 3% reflektor, obvykle nejméně 1% reflektor schopný odrážet až asi 50 % nebo více, ale obecně ne více než asi 50 %. Je možné použít libovolný dělič paprsků jako je dělič z nepotaženého CaF₂, dělič z částečně metalizovaného skla nebo z křemíku a podobně. Přesměrovaná část zpětného paprsku se pak vede s použitím libovolných prostředků jako jsou reflektory, zrcadla a podobně do referenčního materiálu.

Referenční kyveta s proměnnou tloušťkou vrstvy je ve více provedeních vodní kyveta s proměnnou tloušťkou vrstvy, kde vodná kompozice obsažená v referenční kyvetě může nebo nemusí obsahovat další složky jako jsou např. proteiny, lipidy, metabolity, cukry atd., tak jak je to žádoucí. Typickým příkladem vodní kyvety kterou je možné použít v zařízení podle vynálezu je vodní kyveta s měnitelnou tloušťkou vrstvy opatřená okénky z fluoridu vápenatého, Z referenční kyvety o « φ φ φ φφ φ * • ♦ φ · ·φ · φφφ» ₁₇ .............

proměnné tloušťce vrstvy vychází referenční paprsek 34. Zpětný paprsek a referenční paprsek jsou zařízením vedené prostřednictvím parabolických reflektorů 41a a 41b, a zrcadla 41c.

V ideálním případě má referenční materiál optické vlastností blízce se shodující s optickými vlastnostmi zkoušeného vzorku. Například jestliže zkoušený vzorek je vzorek tkáně, zpětný paprsek je možné vést na materiál vysoce rozptylující světlo, ze kterého se difusně odražené světlo snímá a použije se jako referenční paprsek. Kromě uvedené vlastnosti vysoce rozptylovat světlo může referenční materiál vykazovat absorpční vlastnosti podobné vodě a rovněž může vykazovat podobné absorpční vlastnosti·jaké vykazují kolagen, elastin a lipidy, aby se jeho vlastnosti dále přiblížily vlastnostem tkáně. Jako vhodný referenční materiál je možné použít želatinový materiál obsahující vodu, kolagen a případně další materiály. K optimálnímu přiblížení vlastností je možné obsah vody a kolagenu a rovněž dalších složek referenčního materiálu upravit tak aby byly srovnatelné s konkrétní tkání určenou k hodnocení.

Alternativní způsob přiblížení optických vlastností referenčního materiálu ke vzorku tvořenému komplexem složek jako je tkáň zahrnuje průchod a/nebo odraz zpětného paprsku více materiály. Například je možné nechat projít zpětný paprsek dvěma kyvetami s proměnnou tloušťkou vrstvy z nichž jedna obsahuje vodu a druhá obsahuje lipid ve vodě a následně paprsek nechat odrazit od materiálu rozptylujícího světlo difusně odražené světlo snímat. Tloušťky vrstev v kyvetách obsahujících vodu a lipid je možné upravit tak, aby optické vlastnosti systému byly podobné jako optické vlastnosti vzorku.

• · · ·· · · · • · ··»«»·»·· · • ♦ « * 4 · · «·»· ·* ··· ·* ·· »· ··

Přímý paprsek 32 se z děliče paprsků 25c vede do parabolického reflektoru 42, který paprsek směruje z interferometru do držáku vzorku 24 který obsahuje vzorek určený k analýze. Druh použitého držáku vzorku se může lišit v závislosti na podstatě vzorku pro který je určený a na druhu použitého referenčního materiálu. Je možné použít každé vhodné uspořádání držáku vzorku vyrobeného z libovolného vhodného materiálu. Ve více provedeních se jako držák vzorku použije držák' na tkáň nebo prostředky umožňující zavedení přímého paprsku na vzorek tkáně. Dráha zkušebního paprsku 35 se po kontaktu se vzorkem směruje parabolickým reflektorem 42b a zrcadlem 42c.

K vedení a snímaní'světla z tkáně a z dalších materiálů rozptylujících světlo jsou zvláště vhodná optická vlákna.

Přímý paprsek se obvykle zaostří na jedno optické vlákno nebo na svazek vláken tak, aby ohnisko vstupního svazku odpovídalo číselné apertuře vlákna nebo vláken. Vlastní materiál vlákna by měl být v použité oblasti spektra v podstatě transparentní. K účinnému přenosu světla se vlákno nebo svazek vláken umístí do těsné blízkosti vzorku nebo výhodně přímo do styku se vzorkem. Světlo zavedené do vzorku se pak sejme samostatným vláknem nebo svazkem vláken. Sběrný svazek je obvykle prstencovitě uspořádaný okolo vstupního vlákna (vláken). Alternativně je možné uspořádání, ve kterém sběrné vlákno nebo vlákna jsou umístěná centrálně v prstenci tvořeným vstupními vlákny. Vstupní a výstupní vlákna mohou být rovněž uspořádaná v náhodně nebo pravidelně uspořádané mřížce. Ke zvýšení optické propustnosti může přispět umístění vstupních a výstupních vláken v jiném než pravém úhlu vzhledem k rovině vzorku. Mezí vstupní a výstupní vlákna a v kontaktu se vzorkem je možné rovněž umístit neprůhledné stínění umožňující «·»···* » · ···«»*··* a • « ♦ ···· · a « ·

......... ·· ·· zabránit, aby světlo procházelo přímo ze vstupních vláken do výstupních vláken, bez toho že by nejprve paprsky světla prošly vzorkem.

Jak je znázorněné na obr.3, referenční paprsek a zkušební paprsek se pak spojí na druhém děliči paprsků 25b, kterým může být stejný typ děliče paprsků jako je dělič paprsků 25 nebo to může být jiný typ. Dělič paprsků 25b je dělič umožňující spojit zkušební a referenční paprsek a získat tak nulový paprsek.

Alternativně je možné referenční paprsek a zkušební paprsek přímo spojit na povrchu detektoru bez použití děliče paprsků. Vhodný způsob pro přímé spojení referenčního a zkušebního paprsku které byly získané vzorkováním pomocí optických vláken do těsné blízkosti nebo přímo do kontaktu s detektorem. Pokud intenzity zkušebního a referenčního paprsku si vzájemně odpovídají a plocha detektoru je stejná nebo větší než je plocha ozářená zkušebními a referenčními vlákny, je možné uvedeným způsobem získat optimální nulu.

V zařízení znázorněném na obr.2 jsou přímý a zpětný paprsek generované před vstupem do interferometru s použitím jednoho zdroje záření a děliče paprsků. Stejně jako v zařízení znázorněném na obr.3 přímý a zpětný paprsek opticky reagují se vzorkem a s referenčním materiálem a získají se tak zkušební a referenční paprsky. Nicméně na rozdíl od spojení paprsků po výstupu z interferometru znázorněném na obr.3, zkušební paprsek a referenční paprsek se v tomto případě spojí v interferometru zavedením obou paprsků do dvou částí

Michelsonova interferometru.

V obou zařízeních znázorněných na obr.2 a obr.3 se « t »4 • · získaný nulový paprsek 36 vede na detektor 26 případně přes čočku 26a, zaměřující nulový paprsek na detektor. Jako detektor je možné použít detektor umožňující konverzi získaného nulového paprsku na analogový signál. Je možné použít libovolný vhodný detektor mezi které patří detektory pracující na bázi arsenidu india s galiem (InGaAs), antimonidu inditého (InSb), germania a podobně.

Střídavá (A.C.složka) detektorem získaného analogového signálu se pak zesilovačem 27 zesílí, zatímco stejnosměrná (D.C. složka) se odstraní a zesílený signál se zavede do analogově digitálního převodníku (ADC) 28 který zařízení rovněž zahrnuje. Jako zesilovač je možné použít libovolný vhodný zesilovač kde jako reprezentativní příklad je možné uvést typ AD 797 a podobné typy. ADC může být libovolný vhodný typ ADC. Vzhledem k podstatě zařízení, uvedený ADC nemusí být ADC o ultra-vysoké přesnosti. Vhodný ADC může být pouze 16hitový ADC. Digitální výstup z ADC se pak vede do systému pro zpracování dat 29, například do výpočetní stanice umožňující přijmout digitální signál a získat z něj informaci o přítomnosti a v mnoha případech o množství analytu obsaženého ve vzorku.

Výhodný způsob zpracování signálu zahrnuje následující stupně:

1) Případný první stupeň zahrnující odečtení dvoupaprskového interferogramu pozadí změřeného s materiálem tvořícím pozadí jak pro přímý tak pro zpětný paprsek.od dvoupaprskového interferogramu vzorku změřeného s použitím vzorku pro přímý paprsek a s materiálem pozadí pro referenční paprsek, a tím získání korigovaného dvoupaprskového interferogramu vzorku.

• 9 • » ·· «

·· • · *« • · ♦ · « « « * * · ·· ·· •a • · • « • · a •a

2) Fourierovu transformaci dvoupaprskového interferogramu vzorku (buď korigovaného jak je popsaný ve stupni 1 nebo nekorigovaného) vedoucí k transformaci interferogramu na dvoupaprskové spektrum vzorku.

3) Případně použitý stupeň související s případném stupněm (1) zahrnující Fourierovu transformaci jednopaprskového interferogramu změřeného s použitím vzorku pro přímý paprsek a se zablokovaným zpětným paprskem a tím získání jednopaprskového spektra vzorku.

4) Zlogaritmování dvoupaprskového spektra vzorku a získání pseudo-absorbančního dvoupaprskového spektra vzorku.

5) Případný použitý stupeň související s případném stupněm (3) zahrnující zlogaritmování jednopaprskového spektra vzorku a jeho odečtení od dvoupaprskového pseudo-absorbančního spektra vzorku a získání dvoupaprskového absorbančního spektra vzorku.

6) Vynásobení absorbančního nebo pseudo-absorbančního spektra scalling funkcí získání absorbančního spektra upraveného scalling funkcí.

7) Odečtení průměrného spektra od absorbančního spektra upraveného scalling funkcí a získání průměrného centrovaného absorbančního spektra upraveného scalling funkcí.

8) Vynásobení každého bodu spektra průměrného centrovaného absorbančního spektra upraveného scalling funkcí regresním koeficientem.

9} Sumaci výsledků stupně (8) v celé oblasti spektra a získání tak predikce koncentrace analytu ve vzorku.

Scalling funkce, průměrné spektrum a regresní koeficienty se stanoví v průběhu kalibrace. Kalibrační fáze zahrnuje změření dvoupaprskových FTIR spekter vzorků o známých koncentracích hledaného analytu. Scalling funkce, průměrné spektrum a regresní koeficienty se stanoví způsobem minimalizujícím rozdíl mezi známými koncentracemi analytu a koncentracemi analytu predikcí z dvoupaprskového FTIR spektra. 2působy pro provedení výše uvedených způsobů jsou v oboru známé a zahrnují metodu nejmenších čtverců a regresní analýzu hlavní složky. Oba výše uvedené způsoby jsou podrobně popsané v práci Multivariate Calibration, H.Martens a T.Naes, Wiley and Sons, New York (1989) .

Výše popsaná zařízení mohou být v provedení pro použití v laboratoři nebo mohou být v miniaturizovaném provedení pro použití v ordinaci lékařem nebo pacientem doma.

Využití

Způsoby a zařízení podle vynálezu se,uplatní v různých aplikacích ve kterých se požaduje stanovení koncentrace jednoho nebo více analytu ve vzorku o nízké propustnosti. Způsoby a zařízení podle vynálezu je možné použít pro detekci analytů ve velkém množství různých vzorků zahrnujících detekci kontaminantů nebo toxinů ve vzorcích životního prostředí například v půdě nebo ve vodě, toxinů nebo patogenů v zemědělských a 'potravinářských produktech, detekci nečistot v průmyslových výrobcích podobně. Jednou z aplikací, která má zvláštní význam, je použití způsobů a zařízení podle vynálezu k detekci přítomnosti jednoho nebo více analytů obsažených ·· «»······* * ·· · ···· » · · * •· ·«· ·· ·· ·· ·· v krvi ve fyziologickém vzorku in vivo nebo ex vivo, například ve vzorku krve, tkáně nebo jejích derivátů.

S použitím výše uvedených způsobů je možné detekovat mnoho různých analytů jejichž typické příklady jsou: alkohol·, formaldehyd, glukosa, kyselina glutamová, glycerol, betahydroxybutyrát, L-laktát, leucin, kyselina jablečná, kyselina pyrohroznová, steroidy, kyselina askorbová, aceton a další ketonické sloučeniny, folát, amoniak, bilirubin, kreatinin, hemoglobiny, lipidy, fenylalanin, proteiny (zahrnující albumin a globuliny), triglyceridy, močovina a rovněž léčiva a zneužívané drogy. I když je v zásadě možné způsoby podle vynálezu použít ke stanovení přítomnosti a v mnoha případech koncentrace analytu v různých fyziologických vzorcích jako je moč, slzy, sliny a podobně, zvláště jsou uvedené způsoby vhodné ke stanovení koncentrace analytu v krvi nebo v krevních frakcích nebo v tkáních nebo ve frakcích tkání. Jednou z aplikací která je, zvláště významná je použití způsobů a kompozic podle, vynálezu k detekci přítomnosti a stanovení množství glukosy ve vzorku tkáně způsoby in vivo nebo ex vivo.

Detekce analytů obsažených v krvi způsoby podle vynálezu najde uplatnění ve více různých lékařských aplikacích zahrnujících dignostiku chorob, léčbu chorob a podobně,

K dalšímu znázornění vynálezu slouží níže uvedené příklady, které však vynález žádným způsobem neomezují.

Příklady provedení vynálezu

Příklad I - Detekce analytu ve vodném vzorku slabě rozptylujícím světlo • ·· * · ··· · · ··· · · » a · ···· · · · · ·« «·· ·· ·♦ · ··

U vzorku, který světlo jen slabě rozptyluje a silně absorbuje, jakým je vodný roztok analytů (např. krevní sérum) vykazující interakci se světlem o vlnových délkách v blízké a střední infračervené oblasti je možné použít jak pro přímý tak pro zpětný paprsek transmisní uspořádání. V tomto příkladu bylo provedené srovnání stanovení s použitím jednopaprskové FTIR (dosavadní stav v oboru) a dvoupaprskové FTIR ve vodných vzorcích obsahujících tři analyty fyziologického významu: kreatinin, glukosu a močovinu.

Konfigurace přístroje použitého k provedení uvedených pokusů je znázorněná na obr.3. Byl použit jednopaprskový obchodně dostupný spektrometr FTIR (Perkin Elmer Spectrum 2000) který byl modifikovaný pro použití jako dvoupaprskový spektrometr. Přístroj byl umístěný v normální atmosféře (21 ± 1 °C, 40 ± 5 % relativní vlhkost). K separaci paprsků ze světelného zdroje a zpětného paprsku byl použitý 50% polka dot dělič paprsků (Oriel Instruments model č.38106). Přímý paprsek byl získaný reflexí rovněž na polka dot děliči paprsků tak, aby oba paprsky měly stejnou intenzitu. Přímý a zpětný paprsek se v tomto provedení pomocí parabolických reflektorů opatřených vrstvou zlata zaměřují do příslušných kyvet obsahujících zkoušený a referenční materiál. Zvolená tloušťka vrstvy zkušební a referenční kyvety měřená vzdáleností mezi okénky kyvety z křemenného suprasilu byla 0,5 mm. Teplota zkušební zkušební a referenční kyvety byla nastavená na 22,0 °C ± 0,1 °C. K rekolimaci přímého a zpětného paprsku byly použité parabolické reflektory se zlatým potahem. Pak se oba paprsky spojí s použitím 50% “polka dot děliče paprsků a zaměří se do InSb detektoru (o průměru aktivní oblasti 7 mm, chlazeného na 77 K) s použitím křemíkových čoček (o průměru 2, ohniskové délky asi 25 mm).

• · ·· · · * «» · · ··« · · • »· · « · · · »· ·· ·* ··

Stejnosměrná složka (D.C.složka) signálu se odstraní a střídavá složka (A.C.složka) se zesílí pro vstup do analogově digitálního (A/D) měniče. Nulový poměr v této sérii pokusů byl přibližně asi 40:1. Zesílení potřebné pro vstup do A/D měniče je proto při použití signálu získaného dvoupaprskovým signálem ve srovnání s jednopaprskovým signálem asi 40násobné. Při provedení byly pořízené ínterferogramy s použitím jednoho paprsku a s dvěma paprsky pro každý vzorek provedené po sobě. Spektra byla zpracovaná způsoby (včetně případně zařazených stupňů) způsobem popsaným výše (viz sekce Zařízení).

Hodnocenými vzorky bylo 27 roztoků obsahujících tři různé koncentrace kreatininu, močoviny a glukosy (kreatinin - 370, 650 a 930 mg/dl; močovina - 230, 585 a 940 mg/dl; glukosa 0, 25Ό a 500 mg/dl). Referenční kyveta byla naplněná'čistou vodou. Celá sada všech 27 roztoků byla měřená vždy v jednom dni ve třech samostatných dnech. Uvedená tři měření proběhla od sebe odděleně o dobu asi 7 týdnů. Pro vzorky pozadí byla použitá čistá voda. Vzorky pozadí byly měřené vždy na počátku a na konci měření každé sady měřených 27 vzorků. Uvedených 27 vzorků bylo vždy připraveno čerstvě a měření byla provedená v různém randomizováném pořadí každý pokusný den.

Optická absorpce uvedených tří analytů je ve srovnání s vodou slabá. Výsledkem je, že jednopaprsková spektra uvedených 27 vzorků nelze téměř okem rozlišit. Na rozdíl od toho dvoupaprsková spektra, ve kterých díky optickému nulování jsou vlivy způsobené emisí zdroje a vlivy vyvolané absorpcí vody z velké části odstraněné, vykazují ve spojení se změnami koncentrací analytů jasné a zřejmé spektrální změny. Na obr.4A a obr.4B jsou znázorněná spektra v oblasti 4000-5000 cm^-1 tří vzorků pořízených způsobem s jednopaprskovým a dvoupaprskovým « ·« záznamem u tří vzorků s konstantní nejnižší koncentrací kreatininu a glukosy a s proměnnou koncentrací glukosy v rámci výše uvedených tří koncentrací glukosy. Oblast maximální spektrální změny spojená s měnící se koncentrací glukosy (4700 cm¹) odpovídá známému absorpčnímu svazku pro glukosu ve vodě.

K analytické predikcí obsahu analytu pomocí NIR spektra v rozsahu spektra 4000-8000 cm’¹ byla použita parciální metoda nejmenších čtverců. Prediktivní obsahy analytu v daném pokusném dnu byly stanovené tak, že se zvolil konkrétní vzorek pro predikci a zbylých 26 vzorků bylo použito pro kalibraci.

K predikci tak byla použita křížová validace s použitím rotace všech 27 vzorků. Predikce koncentrací glukosy získané z jednopaprskového spektra a dvoupaprskového spektra jsou srovnané na obr.5. Standardní chyba predikce (SEP) (tj. druhá odmocnina z druhé mocniny střední diference mezi prediktivní a referenční koncentrací) koncentrace glukosy při použití dvoupaprskového a jednopaprskového spektra je 11,3 a 22,8 mg/dL.. Kromě zlepšené predikce dvoupaprskové FTIR vůči jednopaprskové FTIR je kalibrační model pro dvoupaprskovou FTIR významně jednodušší. To je patrné ze závislosti SEP na počtu faktorů v PLS modelu (obr.6). Pro nejlepší kalibrační model v dvoupaprskovém provedení bylo použito pouze 5 faktorů zatímco v kalibračním modelu pro jednopaprskové provedení ani s použitím 13 faktorů nebylo dosaženo minimální hodnoty SEP.

Predikce obsahu analytu v průběhu více dnů byla stanovená způsobem, kdy hodnoty získané první den byly použité jako kalibrační hodnoty a v následujících dvou dnech byla zjištěna predikce hodnot. Výsledky pro jednopaprskové spektrum s použitím 12 faktorů a dvoupaprskové spektrum s použitím 4 . faktorů jsou sumarizované na obr.7A a 7B. Souhrnně dvoupaprskový způsob měření FTIR vykazuje ve srovnání • ·· s jednopaprskovým způsobem měření FTIR lepší predikci koncentrace analytu ve vodném roztoku jak z krátkodobého hlediska (stejný den) tak z dlouhodobého hlediska (během 1 týdnů). '

Příklad II - Detekce glukosy ve tkáni

Pro vzorky významně rozptylující světlo obsahující slabě absorbující analyt jakým je glukosa obsažená v tkáni savce je možné použít způsob, kde přímý nebo zkušební paprsek se použije v reflexním uspořádání zatímco zpětný nebo referenční paprsek se použije v transmisním uspořádání.

Konfigurace přístroje použitá k výše uvedenému stanovení je znázorněná na obr.2. K separaci světla na přímý a zpětný paprsek je možné použít tenký kotouč z fluoridu vápenatého. Protože většina světla se ztratí rozptylem na tkáni působící vysoký rozptyl světla, 96 % světla procházejícího interferometrem se použije pro přímý paprsek a zbylé 4 % se použijí pro přímý paprsek který se vede do referenční kyvery.

Teplota referenční kyvety by měla být upravená na stejnou teplotu jakou má povrch tkáně určené k měření, protože spektrum vody v blízké infračervené oblasti spektra je velmi citlivé na teplotu. V jednom nebo v obou paprscích je možné použít zeslabovací zařízení k vyvážení energií na detektoru. Přímý paprsek se zaměří pomocí čoček z fluoridu vápenatého na vstup svazku optických vláken. Uvedený svazek pak vede přímý paprsek například na volární stranu předloktí vyšetřovaného člověka. Mezi vstupní vlákna umístěná na povrchu tkáně jsou vložená výstupní vlákna, která snímají rozptýlené a částečně absorbované světlo z tkáně do detektoru. Do detektoru jsou společně s výstupními vlákny proložením do výstupních vláken

4 4 · · « · 4 • 4 ·· 4 zavedená referenční vlákna (zpětný paprsek), která snímají světlo prošlé referenční kyvetou a zavádějí ho do detektoru. Detektor je zvolený tak, aby jeho povrchová plocha byla o něco větší než je celková plocha ozářená proloženým svazkem výstupních vláken. Zkoušený a referenční paprsek se tak spojí přímo na povrchu detektoru a vytvoří tak nulový paprsek.

Stejnosměrná (D.C.) složka signálu se pak elektronicky odstraní a střídavá (A.C.) složka se zesílí na téměř plný vstup analogově digitálního (A/D) měniče. Snadno se docílí nulový poměr asi 20:1 i když zkušební paprsek tvoří světlo rozptýlené tkání a referenční paprsek tvoří světlo prošlé v podstatě bez rozptylu referenční kyvetou. Zesílení potřebné pro vstup do A/D měniče pro dvoupaprskový signál je ve srovnání se zesílením potřebným pro jednopaprskový signál asi 20krát vyšší. Kalibrace se provede změřením nulových spekter vzorků zvolených v náhodném pořadí ale o známých koncentracích glukosy podobným způsobem jako při kalibraci spekter zjištěných v roztoku jak je popsané výše.

Z výše uvedených výsledků a popisu je zřejmé, že předložený vynález poskytuje významný pokrok v používání FTIR při detekci analytů. Specificky, způsoby a zařízení podle vynálezu překonávají problémy spojené se stanovením glukosy v tkáních metodou FTIR jako jsou problémy zahrnující drift přístroje, požadavky na ultra-přesné ADC atd. Významné je, že způsoby a zařízení podle vynálezu umožňují vysoce přesná neinvazivní stanovení analytů obsažených v krvi například glukosy. Vynález tedy představuje významný příspěvek oboru.

Všechny publikace a patenty citované v tomto popisu jsou včleněné do tohoto popisu odkazem stejně tak jako kdyby včlenění odkazem bylo uvedené jednotlivě u každé citované • * * · · · · · t · · «« ·· ·· ·· práce. Všechny citované publikace jsou uvedené z hlediska jejich význaků před datem podání a jejich citace by neměla vést k námitce, že není přípustné předjímat takovou publikaci vzhledem k dřívějšímu vynálezu.

I když předložený vynález je důvodů jasného objasnění vynálezu podrobněji popsaný pomocí ilustrací a příkladu, pracovníkům v oboru bude z popisu vynálezu zřejmé, že jsou možné určité změny a modifikace provedení aniž by došlo k odchýlení od myšlenky vynálezu nebo od rozsahu připojených patentových nároků.

Claims

1. Způsob stanovení koncentrace analytu ve vzorku o nízké propustnosti světla vyznačující se tím, že uvedený způsob zahrnuje:

a) získání zkušebního paprsku pocházejícího ze vzorku o nízké propustnosti a referenčního paprsku pocházejícího z ho materiálu;

b) získání nulového signálu z uvedeného zkušebního a referenčního paprsku; a

c) odvození přítomnosti uvedeného analytu ve vzorku o nízké propustnosti ze získaného nulového signálu.

2. Způsob podle nároku lvyznačující se^tím, že k získání uvedeného zkušebního a referenčního paprsku uvedený způsob zahrnuje použití přímého a zpětného paprsku, které jsou generované nejméně jedním zdrojem infračerveného záření.

3. Způsob podle nároku 1 nebo nároku 2vyznačuj ící se t í m , že uvedený způsob dále zahrnuje průchod světla interferometrem.

4. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačuj ící se t í m , že přímý a zpětný paprsek jsou generované jedním zdrojem infračerveného záření.

• · ·♦ • φ φ «φφφ φ φ φ φ

21 φφ «φφ ·φ φφ ··

5. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačuj ící se t í m , že přímý a zpětný paprsek jsou generované dvěma zdroji infračerveného záření.

6. Způsob podle kteréhokoli nároku 1 až 5 vyznačující se tím, že nulový signál se získá optickým spojením uvedeného zkušebního a referenčního paprsku před detekcí jedním detektorem.

7. Způsob podle kteréhokoli nároku 1 až 5 vyznačující se tím, Že nulový signál se získá elektronicky po detekci uvedeného zkušebního a referenčního paprsku dvěma samostatnými detektory.

8. Způsob podle nároku Ivyznačující se tím, že uvedený způsob zahrnuje:

a) tvorbu přímého paprsku a zpětného paprsku pomocí interferometru z jednoho zdroje infračerveného záření;

b) zavedení uvedeného přímého paprsku do uvedeného vzorku o níz.ké propustnosti a zavedení uvedeného zpětného paprsku do referenčního materiálu a sejmutí příslušného zkušebního a referenčního paprsku;

o) spojení uvedeného zkušebního a referenčního paprsku za získání nulového paprsku;

d) detekci získaného nulového paprsku jedním detektorem a získání odpovídajícího nulového signálů; a

e) odvození přítomnosti sledovaného analytů v uvedeném vzorku o nízké propustnosti z uvedeného nulového signálu.

·φ· • # φφ φ · · • * · * · * * · • « · I φ · · · «· φφ ·Φ ··

9. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že uvedený způsob zahrnuje:

a) tvorbu přímého paprsku a zpětného paprsku z nejméně jednoho zdroje infračerveného záření;

b) vedení uvedeného přímého paprsku uvedeným vzorkem o nízké' propustnosti a vedení uvedeného zpětného paprsku referenčním materiálem a tím získání příslušného zkušebního paprsku a referenčního paprsku;

c) zavedení uvedeného přímého a referenčního paprsku do interferometru a po jejich výstupu z interferometru ze zkušebního a referenčního paprsku získání nulového signálu; a

e) odvození přítomnosti sledovaného analytu v uvedeném vzorku o nízké propustnosti z uvedeného nulového signálu.

10. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků vyznačující se tím, že uvedený vzorek o nízké propustnosti má nejméně jednu vlastnost ze skupiny zahrnující schopnost vysoce odrážet světlo a vysoce absorbovat světlo.

11. Způsob podle nároku 10 vyznačující se tím, že uvedený vzorek je fyziologický vzorek.

12. Způsob podle nároku 11 vyznačující se tím, že uvedený fyziologický vzorek je vzorek zvolený ze skupiny zahrnující krev, tkáň nebo jejich deriváty.

13. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků vyznačující se tím, že uvedený referenční

4 4 4 44 4 4 4

4 · 4 44 444 4 4

4« 4 4444 4 4 4 4

44 444 44 »* 44 44 materiál obsahuje vodu.

14. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků vyznačující se tím, že uvedený analyt je glukosa.

15. Dvoupaprskový infračervený spektrometr k použití pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku o nízké propustností vyznačující se tím, že uvedený přístroj obsahuje:

prostředky pro získání přímého paprsku a zpětného paprsku z nejméně jednoho zdroje infračerveného záření;

prostředky pro získání zkušebního paprsku a referenčního paprsku z uvedeného přímého paprsku a zpětného paprsku; a prostředky pro získání nulového signálu z uvedeného zkušebního a referenčního paprsku.