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Schnelldiagnosetestsätze sind
gegenwärtig verfügbar zum
Testen einer großen
Vielzahl von medizinischen und umgebungsbedingten Zuständen. Üblicherweise
verwenden solche Testsätze
eine analytspezifische Binde-Untersuchung, um einen spezifischen
umgebungsbezogenen oder biologisch relevanten Verbund zu erfassen
oder zu messen, wie z. B. ein Hormon, einen Metabolit, ein Toxin
oder ein pathogenhergeleitetes Antigen.
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Eine
bequeme Struktur zum Ausführen
einer Binde-Untersuchung
ist ein „Lateraler-Fluss"-Streifen, wie z.
B. ein Teststreifen 100, dargestellt in 1.
Der Teststreifen 100 umfasst verschiedene „Zonen", die entlang eines
Flusswegs einer Probe angeordnet sind. Genauer gesagt umfasst der
Teststreifen 100 eine Probeaufnahmezone 110, eine
Etikettierzone 120, eine Aufnahme- oder Erfassungs-Zone 130 und
eine absorbierende Zone oder Senke 140. Die Zonen 110, 120, 130 und 140,
die an einem gemeinsamen Träger 150 angebracht
sein können,
sind allgemein aus einem Material hergestellt, wie z. B. chemisch
behandelter Nitrozellulose, die einen Fluidfluss durch Kapillarwirkung
ermöglicht.
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Ein
Vorteil des Teststreifens 100 und von einer Lateraler-Fluss-Immununtersuchung
ist allgemein die Leichtigkeit des Testverfahrens und die schnelle
Verfügbarkeit
von Testergebnissen. Genauer gesagt wendet ein Benutzer einfach
eine flüssige Probe,
wie z. B. Blut, Urin oder Speichel an die Probenaufnahmezone 110 an.
Eine Kapillarwirkung zieht dann die flüssige Probe abwärts in die
Etikettierungszone 120, die eine Substanz für eine indirekte
Etikettierung eines Zielanalyten enthält. Zum medizinischen Testen
sind die Etikettiersubstanzen im Allgemeinen Immunglobulin mit angebrachten
Farbmolekülen,
können
aber alternativ ein nicht mit Immunglobulin etikettierter Verbund
sein, der den Zielanalyten spezifisch bindet.
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Die
Probe fließt
von der Etikettierungszone 120 in die Erfassungszone 130,
wo die Probe eine Test-Region oder einen -Streifen 132 kontaktiert,
der einen immobilisierten Verbund enthält, der in der Lage ist, den
etikettierten Zielanalyten oder einen Komplex zu binden, den der
Analyt und die Etikettiersubstanz bilden. Als ein spezifisches Beispiel
können analytenspezifische
Immunglobuline in der Aufnahmezone 130 immobilisiert werden.
Etikettierte Zielanalyten binden die immobilisierten Immunglobuline, so
dass der Teststreifen 132 die etikettierten Analyten hält. Das
Vorhandensein des etikettierten Analyten in der Probe führt allgemein
zu einer visuell erfassbaren Färbung
bei dem Testreifen 132, die innerhalb von Minuten vom Beginn
des Tests erscheint.
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Ein
Steuerstreifen 134 in der Aufnahmezone 130 ist
nützlich
zum Anzeigen, dass ein Verfahren ausgeführt wurde. Der Steuerstreifen 134 ist
in Verarbeitungsrichtung abwärts
von dem Teststreifen 132 und wirksam, um die Etikettiersubstanz
zu binden und zu halten. Eine sichtbaren Färbung des Steuerstreifens 134 zeigt
das Vorhandensein der Etikettiersubstanz an, die daraus resultiert,
dass die Flüssigkeitsprobe
durch die Aufnahmezone fließt 130.
Wenn der Zielanalyt nicht in der Probe vorhanden ist, zeigt der
Teststreifen 132 keine sichtbare Färbung, aber die Ansammlung
der Etikettiersubstanz in dem Steuerstreifen 134 zeigt
an, dass die Probe durch die Aufnahmezone 130 geflossen
ist. Die Absorbierzone 140 nimmt dann jegliche überschüssige Probe
auf.
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Ein
Problem bei diesen Immununtersuchungsverfahren ist die Schwierigkeit
bei dem Bereitstellen quantitativer Messungen. Genauer gesagt kann
eine quantitative Messung das Bestimmen der Anzahl von etikettierten
Komplexen erfordern, die in dem Teststreifen 132 gebunden
sind. Eine Messausrüstung
für solche
Bestimmungen kann teuer sein und ist anfällig für eine Verschmutzung, da die
Aufnahmezone 120, die die Probe enthält, im Allgemeinen für die Messung
freiliegend ist. Ferner verschlechtert sich die Intensität der Farbstoffe,
die bei dem Test verwendet werden, üblicherweise sehr schnell (z.
B. innerhalb von Minuten oder Stunden), wenn sie Licht ausgesetzt
werden, so dass quantitative Messungen basierend auf der Intensität der Farbe
irgendwie eine Farbstoffverschlechterung berücksichtigen müssen. Andrerseits
kann ein Heim-Benutzer eines einmal verwendbaren Schnelldiagnosetestsatzes
Schwierigkeiten beim Interpretieren eines Testergebnisses aus der
Farbe oder der Schattierung des Teststreifens 132 haben,
insbesondere da die Farbintensität
innerhalb von Minuten abnimmt.
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Eine
andere Testtechnik, die allgemein in Laboren ausgeführt wird,
unterzieht eine Probe gleichzeitig einer Reihe von Tests. Für diese
Art von Testverfahren können
Teile einer Probe an separate Testlösungen angewendet werden. Jede
Testlösung
enthält
allgemein einen etikettierten Verbund, der spezifisch einen Zielanalyten
bindet, der dem Test zugeordnet ist, der ausgeführt wird. Üblicherweise sind die Tests
getrennt, da die etikettierten Verbunde, die unterschiedliche Zielanalyten
binden, üblicherweise schwierig
zu unterscheiden sind, wenn sie in derselben Lösung kombiniert sind.
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Das
U.S.-Patent Nr. 6,630,307 mit dem Titel „Method of Detecting an Analyte
in a Sample Using Semiconductor Nanocrystals as a Detectable Label" beschreibt einen
Prozess, der Binde-Verbunde für unterschiedliche
Zielanalyten mit unterschiedlichen Arten von Halbleiter-Nanokristallen
oder Quantenpunkten etikettiert. Die unterschiedlichen Arten von Nanokristallen,
wenn sie einer geeigneten Lichtwellenlänge ausgesetzt werden, fluoreszieren,
um Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen. Dementsprechend
können Binde-Verbunde,
die mit unterschiedlichen Kombinationen von Quantenpunkten etikettiert
sind, durch eine Spektralanalyse des fluoreszierenden Lichts unterschieden
werden, das aus den Quantenpunkten emittiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schnelldiagnosetestsystem
und ein Verfahren zum Ausführen
desselben mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schnelldiagnosetestsystem gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zum Ausführen
desselben gemäß Anspruch
11 gelöst.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung verwendet ein Schnelldiagnosetestsystem eine
Etikettiersubstanz, die einen Quantenpunkt an einen Zielanalyten
anbringt. Wenn eine Erfassungszone, die den etikettierten Zielanalyten
bindet, beleuchtet wird, fluoreszieren die Quantenpunkte in der
Etikettiersubstanz und emittieren ein relativ helles Licht mit einer stabilen
Wellenlänge.
Die Intensität
des fluoreszierenden Lichts von den Quantenpunkten hängt allgemein
von der Anzahl von Zielanalyten ab, die in der Erfassungszone des
Testsystems gebunden sind, und zeigt dieselben an. Eine Messung
des Lichts, das bei der Wellenlänge
emittiert wird, die den Quantenpunkten zugeordnet ist, kann somit
eine quantitative Messung der Konzentration eines Zielanalyten liefern.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung endet die Beleuchtung, die verursacht,
dass Quantenpunkte fluoreszieren, vor der Messung des fluoreszierenden
Lichts. Die Verzögerung
zwischen dem Stoppen der Beleuchtung und dem Messen der Lichtintensität kann gemäß der Nachleuchtzeit
bzw. Persistenz der Fluoreszenz von den Quantenpunkten und anderen
Materialien in dem Testsystem ausgewählt sein. Eine Fluoreszenz
von anderen Materialien (z. B. typischen organischen Materialien)
in dem Testsystem nimmt allgemein schneller ab als es die Fluoreszenz
von den Quantenpunkten tut. Dementsprechend kann ein Verzögern der
Messung nach dem Abschalten der Beleuchtungsquelle ein hohes Signal-zu- Rauschen-Verhältnis, genaue
quantitative Messungen und hohe Empfindlichkeit liefern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Abklingzeit der Fluoreszenz
der Quantenpunkte, die lang genug ist, dass eine torgesteuerte Messung
ein hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erzeugt,
ausreichend kurz für
eine schnelle Wiederholung von torgesteuerten Messungen. Die Wiederholungen
der torgesteuerten Messungen liefern Statistiken für eine bessere
Messgenauigkeit, ohne eine inakzeptabel lange Messzeit zu benötigen.
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Ein
spezifisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Schnelldiagnosetestsystem, das eine Lichtquelle,
einen Photodetektor und ein Steuersystem umfasst. Die Lichtquelle
beleuchtet ein Medium, wie z. B. einen Lateral-Fluss-Streifen, der eine
Testprobe und eine Etikettiersubstanz enthält, die einen Quantenpunkt
an eine Zielanalyten bindet. Der Photodetektor misst Licht von einem
Testbereich des Mediums. Das Steuersystem ist mit der Lichtquelle
und dem Photodetektor gekoppelt und führt einen Messprozess aus,
der ein Verarbeiten eines Messsignals von dem Photodetektor umfasst,
der eine Lichtintensität
anzeigt, nachdem die Lichtquelle für eine Zeit abgeschaltet war.
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Ein
anderes spezifisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Prozess für
ein Schnelldiagnosetesten. Der Prozess umfasst: Anwenden einer Probe
an ein Medium, das eine Etikettiersubstanz enthält, die einen Quantenpunkt
an einen Zielanalyten bindet; Beleuchten eines Abschnitts des Mediums
mit Licht, das in der Lage ist, zu verursachen, das der Quantenpunkt
fluoresziert; Stoppen der Beleuchtung des Abschnitts des Mediums;
Messen des Lichts von dem Abschnitt des Mediums nachdem die Beleuchtung
für eine
Verzögerungszeit
gestoppt blieb; und Bestimmen eines Testergebnisses aus dem Messen
des Lichts.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
herkömmlichen
Teststreifen für eine
analytenspezifische Bindeuntersuchung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines optoelektronischen, Schnelldiagnosetestsystems
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 den
Tropfen bei der Intensität
von fluoreszierendem Licht nachdem eine Quelle, die die Fluoreszenz
treibt, abgeschaltet ist;
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4 ein
Flussdiagramm eines Schnelldiagnosetestverfahrens, das eine torgesteuerte
Messung des fluoreszierenden Lichts von einer Etikettiersubstanz
verwendet, die Quantenpunkte enthält;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das ein Bilderzeugungssystem verwendet, um die Intensität des fluoreszierenden
Lichts von den Quantenpunkten zu messen;
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6 ein
Testsystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das ein beugendes optisches Substrat zum Fokussieren
und Filtern verwendet; und
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7 ein
Testsystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das brechende Linsen und Dünnfilm-Farbfilter für optische Signale verwendet.
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Das
Verwenden derselben Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche
oder identische Elemente an.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung verwendet ein Schnelldiagnosetestsystem Quantenpunkte als
Etikettierungen für
einen Zielanalyten und torgesteuerte Messungen des fluoreszierenden
Lichts von den Quantenpunkten für
eine Erzeugung von quantitativen oder qualitativen Testergebnissen.
Das Testsystem kann eine Lichtquelle, die einen Testbereich mit
Licht der entsprechenden Wellenlänge
beleuchtet, um eine Fluoreszenz der Quantenpunkte zu verursachen,
einen Photodetektor, wie z. B. eine Photodiode oder ein Sensorarray,
das das resultierende fluoreszierende Licht misst, um den Zielanalyten
zu erfassen, und ein Steuersystem, das die Lichtquelle abschaltet
und ein vorbestimmtes Zeitintervall wartet, vor dem Verwenden des
Photodetektors oder Sensorarrys für eine Messung des Fluoreszenzlichts
von den Quantenpunkten, umfassen.
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2 zeigt
einen Querschnitt eines Testsystems 200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wo eine optoelektronische Vorrichtung ein Testergebnis
liest. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann das System 200 nach einem gewünschten
medizinischen oder umgebungsmäßigen Zustand
der Substanz testen, einschließlich
aber nicht beschränkt
auf Glukose, Schwangerschaft, ansteckende Krankheiten, Cholesterin,
Herzmittelmarker, Zeichen von Drogenmissbrauch, chemische Verschmutzungen
oder Biotoxine. Das System 200 umfasst ein Gehäuse 210,
einen Teststreifen 220 und eine Schaltung 240,
die eine Lichtquelle 250, eine Batterie 252, eine
Steuereinheit 254 und Photodetektoren 256 und 258 umfasst.
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Das
Gehäuse 210 kann
aus Kunststoff oder einem anderen Material hergestellt sein, das
geeignet ist für
ein sicheres Halten der flüssigen
Probe, die analysiert wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist das Gehäuse 210 eine Öffnung auf, durch
die sich ein Abschnitt des Teststreifens 220 für eine Aufbringung
der Probe auf eine Probenaufnahmezone 222 des Teststreifens 220 erstreckt.
Alternativ kann der Teststreifen 220 in dem Gehäuse 210 eingeschlossen
sein, z. B. wenn eine Aufbringung der Probe auf den Teststreifen 220 durch
eine Öffnung
in dem Gehäuse 210 erfolgt.
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Der
Teststreifen 220 kann im Wesentlichen identisch zu einem
herkömmlichen
Teststreifen sein, wie z. B. dem Teststreifen 100, der
oben im Hinblick auf 1 beschrieben wurde, aber bei
dem Teststreifen 220 umfasst die Etikettiersubstanz für den Zielanalyten
vorzugsweise einen Quantenpunkt oder eine ähnliche Struktur, die mit einer
konstanten Intensität fluoresziert,
wenn sie Licht der entsprechenden Wellenlänge ausgesetzt wird. Für einen
Test bringt ein Benutzer eine Probe auf eine Aufnahmezone 222 des
Teststreifens 220 auf. Die Probe fließt von der Aufnahmezone 222 in
eine Etikettierungszone 224 innerhalb des Gehäuses 210.
Die Etikettiersubstanz bindet die Quantenpunkte oder eine andere
persistente fluoreszierende Struktur an die Zielanalyten. Die Probe,
die die Etikettiersubstanz enthält,
tritt dann in eine Aufnahme- oder Erfassungs-Zone ein, die einen
Teststreifen 226 und einen Steuerstreifen 228 umfasst.
Der Teststreifen 226 ist eine Region, die eine immobilisierte
Substanz enthält,
die ausgewählt ist,
um einen etikettierten Komplex, der den Zielanalyten und den Quantenpunkt
enthält,
bindet und hält. Der
Steuerstreifen 228 ist eine Region, die eine immobilisierte
Substanz enthält,
die ausgewählt
ist, um an die Etikettiersubstanz gebunden und gehalten zu werden.
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Eine
Lichtquelle 250 bei der Schaltung 250 beleuchtet
den Teststreifen 226 und den Steuerstreifen 228,
um zu verursachen, dass Quantenpunkte in den Streifen 226 und 228 fluoreszieren.
Die Lichtquelle 250 ist vorzugsweise eine lichtemittierende
Diode (LED) oder eine Laserdiode, die Licht einer geeigneten Frequenz
emittiert, zur Beleuchtung des Teststreifens 226 oder des
Steuerstreifens 228. Im Allgemeinen fluoreszieren die Quantenpunkte
unter einem Licht hoher Frequenz (oder kurzer Wellenlänge), z.
B. Blau- oder Ultraviolett-Licht, und das fluoreszierende Licht
weist eine niedrigere Frequenz (oder eine längere Wellenlänge) auf
als das Licht von der Lichtquelle 250. Das Testsystem 200 und
insbesondere der Teststreifen 220 umfassen allgemein andere
Materialien, wie z. B. Nitrozellulose oder andere organische Materialien,
die ebenfalls fluoreszieren, wenn sie Licht aus der Lichtquelle 250 ausgesetzt werden.
Diese Materialien erzeugen somit ein fluoreszierendes Hintergrundlicht,
das eine präzise
Messung des fluoreszierenden Lichts von den Quantenpunkten kompliziert
machen kann.
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Photodetektoren 256 und 258 sind
in den jeweiligen Wegen des Lichts, das von dem Teststreifen 226 und
dem Steuerstreifen 228 emittiert wird, und messen das fluoreszierende
Licht von den jeweiligen Streifen 226 und 228.
Eine Ablenkplatte oder eine andere lichtrichtende Struktur (nicht
gezeigt) kann verwendet werden, um Licht von dem Teststreifen 226 auf
den Photodetektor 256 und Licht von dem Steuerstreifen 228 auf
den Photodetektor 258 zu richten. Die Photodetektoren 256 und 258 weisen
optional jeweilige Farbfilter 257 und 259 auf,
die Licht der Frequenz übertragen,
die dem fluoreszierenden Licht von den Quantenpunkten zugeordnet
ist, und andere Lichtfrequenzen blockieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann die Etikettiersubstanz zwei Typen von Quantenpunkten
umfassen. Einer der Typen der Quantenpunkte emittiert eine erste
Lichtwellenlänge und
ist an eine Substanz angebracht, die sich an den Zielanalyten und
den Testreifen 226 bindet. Der andere Typ von Quantenpunkt
emittiert Licht einer zweiten Wellenlänge und bindet sich an den
Steuerstreifen 228. Farbfilter 257 und 259 können dann
entworfen werden, so dass der Photodetektor 256 fluoreszierendes
Licht von dem Typ eines Quantenpunkts misst, den der Teststreifen 226 einfängt, wenn
der Zielanalyt vorhanden ist, und dass der Photodetektor 258 fluoreszierendes
Licht von dem Typ eines Quantenpunkts misst, den der Steuerstreifen 228 einfängt, sobald
der Flüssigkeitsfluss
den Steuerstreifen 228 erreicht hat.
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Quantenpunkte
liefern fluoreszierendes Licht, das im Allgemeinen für eine relativ
lange Zeit anhaltend ist, nachdem die Beleuchtung der Quantenpunkte
gestoppt wurde. 3 stellt schematisch eine Skizze 310 der
Intensität
des fluoreszierenden Lichts über
Zeit dar, nachdem die Beleuchtung einer Ansammlung von Quantenpunkten
gestoppt wurde. Die Skizze 320 zeigt eine ähnliche
Skizze 320 der Intensität
des fluoreszierenden Lichts von einem Material, wie z. B. Nitrozellulose.
Im Allgemeinen fällt
die Intensität
von fluoreszierendem Licht von Quantenpunkten oder einem Material
exponential mit einer charakteristischen Halbwertszeit. Für eine typischen Quantenpunkt
ist die Halbwertszeit für
das Abklingen des fluoreszierenden Lichts ungefähr 25 bis 30 ns. Organische
Materialien, wie z. B. Nitrozellulose, weisen jedoch üblicherweise
eine Halbwertszeit von weniger als ungefähr 10 ns auf.
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3 zeigt,
dass, nachdem die Beleuchtung ausgeschaltet ist, das Verhältnis der
Intensität
des fluoreszierenden Lichts von den Quantenpunkten zu der Intensität des fluoreszierenden
Lichts von anderen Materialien in dem Testsatz sich allgemein mit
der Zeit erhöht,
da die Intensität
von fluoreszierendem Licht von den anderen Materialien schneller
abfällt als
die Intensität
des fluoreszierenden Licht von den Quantenpunkten. Diese relative
Persistenz von fluoreszierendem Licht von Quantenpunkten, wie in 3 dargestellt
ist, verursacht, dass sich das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR; SNR = signal-to-noise
ratio) mit der Zeit verbessert. Eine torgesteuerte Messung, die
die Lichtintensität
nach einer Verzögerungscharakteristik
der Halbwertszeit der Fluoreszenz von den Quantenpunkten misst,
kann somit die Empfindlichkeit eines Testsystems verbessern, wie
z. B. des Testsystems 200 aus 2. Ferner
kann eine Elektronik, die eine torgesteuerte Messung mit einer geeigneten
Verzögerung
implementiert (z. B. 20 bis 100 ns), zu Kosten aufgebaut werden,
die geeignet für
die Verwendung in einer Einweg- oder Semi-Einweg-Struktur sind,
die für
verwendungsnahe Anwendungen abänderbar
ist.
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4 stellt
einen exemplarischen Prozess 400 dar, der eine torgesteuerte
Messung verwendet, um das Verhalten eines Testsystems zu verbessern. Der
Prozess 400 kann in einem Testsystem 200 implementiert
sein, z. B. in Firmware, die die Steuereinheit 254 ausführt. Der
Prozess 400 beginnt bei Schritt 410 mit der Aktivierung
einer Lichtquelle. Die Lichtquelle kann eine jeweilige Zeitlänge eingeschaltet bleiben,
ist jedoch vorzugsweise lange genug eingeschaltet, dass das fluoreszierende
Licht von Quantenpunkten in einem Teststreifen maximale Intensität erreicht.
Das System schaltet dann die Lichtquelle bei Schritt 420 ab
und wartet eine vorbestimmte Verzögerungszeit bei Schritt 430,
bevor die Lichtintensität
bei Schritt 440 gemessen wird.
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Eine
optimale Verzögerung
zwischen dem Abschalten der Quelle (Schritt 420) und dem
Messen der Intensität
des fluoreszierenden Lichts von den Quantenpunkten (Schritt 440)
hängt allgemein
von allen Rauschquellen in dem Testsystem ab. Eine lange Verzögerung erhöht das Verhältnis von
fluoreszierendem Licht von Quantenpunkten zu dem fluoreszierenden
Licht von anderen Quellen, wie oben beschrieben wurde, aber wenn
die Intensität
des fluoreszierenden Lichts von den Quantenpunkten abfällt, werden
andere Rauschquellen, wie z. B. Lichtlecken (z. B. in dem Fall 210 von
System 200) und Elektronisches-Signal-Rauschen wichtiger.
Eine optimale Verzögerung
für einen
spezifischen Testsatz kann bestimmt werden, die das höchste Signal-zu-Rauschen-Verhältnis liefert,
wenn alle Rauschquellen berücksichtigt
werden. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel
von System 200, das Farbfilter 257 und 259 an
Photodetektoren 256 und 258 umfasst, kann eine
Verzögerungszeit
von zwischen ungefähr
5 ns und ungefähr
100 ns optimal sein. Verzögerungen
jedoch von bis zu 200 ns oder sogar bis zu 500 ns könnten ebenfalls
mit Quantenpunkten verwendet werden, die längere Halbwertszeiten für Fluoreszenz aufweisen.
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Für das System 200 führen die
Detektoren 256 und 258 die Lichtintensitätsmessung
aus (Schritt 440), und die Intensität des fluoreszierenden Lichts von
jedem Streifen 256 und 258 ist proportional zu oder
anderweitig abhängig
von der Anzahl von Quantenpunkten in dem entsprechenden Streifen 226 oder 228.
Diese Intensitätsmessungen
liefern somit eine quantitative Anzeige der Konzentration des Zielanalyten.
Schritt 450 kann somit die Intensitätsmessungen verwenden, um ein
Testergebnis zu bestimmen, das aus dem Testsystem ausgegeben wird.
Zum Implementieren von Schritt 450 in dem System 200 kann
die Steuereinheit 254 ein standardmäßiger Mikrocontroller oder
Mikroprozessor sein mit einem Analog-zu-Digital-Wandler, der elektrische
Signale von den Detektoren 256 und 258 empfängt. Die
elektrischen Signale von den Detektoren 256 und 258 zeigen
jeweils die gemessenen Intensitäten
von den Streifen 226 und 228 und können in
digitale Werte umgewandelt werden. Die Steuereinheit 254 kann nachfolgend
die digitalen Messungen verarbeiten und dann ein Ausgabesystem nach
Bedarf betreiben, um Testergebnisse anzuzeigen.
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Optional
bestimmt ein Entscheidungsschritt 460, ob der Prozess der
Schritte 410–450 wiederholt wird,
um mehrere digitale Messungen der Intensität des fluoreszierenden Lichts
zu erzeugen. Ein Verarbeiten der mehreren Messungen kann empfindlichere/genauere
quantitative Messungen liefern. Ein Vorteil von Quantenpunkten ist,
dass ein typischer Quantenpunkt mehr als 106 mal
pro Sekunde erregt und gemessen werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass
torgesteuerte Messungen bei Frequenzen von ungefähr 1 MHz oder mehr ausgeführt werden.
Zum Beispiel kann eine Messfrequenz von ungefähr 200 MHz erreicht werden,
wenn die kombinierte Erregungs- und Verzögerungs-Zeit 5 ns
ist. Im Gegensatz dazu können
Phosphore mit einer Halbwertszeit für fluoreszierendes Licht von
ungefähr
1 ns oder länger auf ähnliche
Weise mit einer torgesteuerten Messung verwendet werden, um eine
Hintergrundfluoreszenz zu reduzieren, können jedoch nur ungefähr 100 mal pro
Sekunde erregt werden, unter der Annahme, dass jede Erregung und
verzögerte
Messung zusammen ungefähr
100 mal die Halbwertszeit des emittierenden Materials einnehmen.
Als ein Ergebnis können
Quantenpunkte viel „leuchtender" sein oder eine erhöhte Empfindlichkeit
um Faktoren von ungefähr 100–10.000
mal der Empfindlichkeit eines ähnlichen Systems
unter Verwendung von Phosphoren zeigen.
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Das
Ausgabesystem von System 200, gezeigt in 2,
umfasst LED-Leuchten 261 und 263. Die Steuereinheit 254 kann
eine Leuchte 261 aktivieren, wenn Messungen des fluoreszierenden
Lichts von dem Teststreifen 226 anzeigen, dass der Zählwert oder
die Konzentration des Zielanalyten in dem Teststreifen 226 über einem
Schwellenpegel ist. Die Steuereinheit 254 kann die andere
Leute 262 aktivieren, wenn die Messungen von dem Photodetektor 256 anzeigen,
dass der Zählwert
oder die Konzentration des Zielanalyten unter des Schwellenpegels
ist, aber die Intensität,
die der Photodetektor 258 vor dem Kontrollstreifen 228 misst, über einem
Schwellenpegel ist. Ein System mit drei oder mehr LEDs oder bestimmten
Strukturen zum Aufleuchten von einer oder mehreren LEDs kann auf ähnliche
Weise andere Testergebisse (z. B. einen ergebnislosen Test) oder
einen Teststatus (z. B., um einen Test im Ablauf anzuzeigen) anzeigen.
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Die
LED-Leuchten 261 und 263 können alternativ durch andere
Typen von Schnittstellen ersetzt werden. Zum Beispiel kann eine
alphanumerische Anzeige ein numerisches Testergebnis basierend auf
den Messungen des fluoreszierenden Lichts von dem Teststreifen 226 liefern.
Eine solche Anzeige könnte
ebenfalls in Verbindung mit LEDs verwendet werden, z. B. in 2 dargestellt
ist, oder mit anderen Ausgabesystemen. Eine andere Testergebnis-Ausgabetechnik
erzeugt ein elektrisches Signal über
externe Anschlüsse
(nicht gezeigt), um das Testergebnis anzuzeigen. Eine elektronische
Vorrichtung (nicht gezeigt), kann das Testergebnissignal verarbeiten,
umwandeln oder übertragen.
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5 stellt
ein Testsystem 500 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, das ähnlich
zu System 200 aus 2 ist, aber
ein Bilderzeugungssystem 555 zur Erfassung von fluoreszierendem
Licht von den Streifen 226 und 228 verwendet. Das
Bilderzeugungssystem 555 kann ein zweidimensionales LCD-
oder CMOS-Bilderzeugungsarry oder einen ähnlichen optoelektronischen
Bilderzeuger umfassen, der in der Lage ist, eine elektronische Darstellung
eines Bildes zu erzeugen (z. B. ein Array aus Pixelwerten, die ein
erfasstes Bild oder einen Rahmen darstellen). Die Rahmenrate des
Bilderzeugungssystems 555 kann wie oben beschrieben eingeschränkt sein
durch die Rate, bei der die Quantenpunkte erregt werden können, oder
alternativ durch die Geschwindigkeit der Elektronik. Die Steuereinheit 254 kann
eines oder mehrere digitale Bilder analysieren, die das Bilderzeugungssystem 455 erfasst
hat, nachdem die Lichtquelle 250 für eine gewünschte Verzögerung abgeschaltet wurde.
Die Abweichung der Intensität
und der Farbe des Lichts, das von den Streifen 226 und 228 emittiert
wird, kann dann dazu verwendet werden, um die Anzahl von Quantenpunkten
in dem Streifen 226 und daher die gewünschte Messung zu identifizieren.
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Torgesteuerte
Messungen können
ebenfalls in Testsystemen verwendet werden, die mehrere Arten von
Quantenpunkten einsetzen. 6 zeigt
z. B. einen Abschnitt eines Testsystems 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nach dem Vorhandensein von mehreren Zielanalyten
in einer Probe testet. Das Testsystem 600 umfasst einen Teststreifen 620,
eine optoelektronische Schaltung 640 und ein dazwischenliegendes
optisches System 630.
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Der
Teststreifen 620 kann im Wesentlichen identisch zu dem
Teststreifen 220 sein, der oben beschrieben wurde, aber
der Teststreifen 620 umfasst mehrere Etikettiersubstanzen,
die entsprechende Arten von Quantenpunkten enthalten. Jede Etikettiersubstanz
bindet eine entsprechende Typ eines Quantenpunkts an einen entsprechenden
Zielanalyten. Die Quantenpunkte für unterschiedliche Etikettiersubstanzen
erzeugen vorzugsweise fluoreszierendes Licht mit unterschiedlichen
charakteristischen Wellenlängen
(z. B. 525 nm, 595 nm, und 655 nm). Geeignete Quantenpunkte mit
unterschiedlichen fluoreszierenden Frequenzen und biologischen Beschichtungen,
die geeignet zum Binden an analytspezifische Immunglobuline sind,
sind handelsüblich
erhältlich
von Quantum Dot, Inc. Der Teststreifen 620 umfasst einen
Teststreifen 626, der behandelt wird, um sich an die unterschiedlichen
Komplexe zu binden und dieselben zu immobilisieren, die die Zielanalyten
und entsprechende Etikettiersubstanzen umfassen. Das Testen nach
mehreren Analyten in derselben Teststruktur ist besonders wünschenswert für ein Cholesterin-
oder Herzmittel-Paneltestsystem, das mehrere Faktoren misst.
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Die
Lichtquelle 250 beleuchtet den Teststreifen 626 mit
Licht einer Wellenlänge,
das verursacht, dass alle unterschiedlichen Quantenpunkte fluoreszieren.
Fluoreszierendes Licht von dem Testreifen 626 enthält somit
fluoreszierendes Licht von unterschiedlichen Wellenlängen, wenn
mehr als einer der Zielanalyten in dem Teststreifen 626 vorhanden
ist. Wenn die Lichtquelle 250 abgeschaltet wird, fällt die Intensität des fluoreszierenden
Lichts exponential, wie oben beschrieben wurde, so dass nach einer
kurzen Verzögerungszeit
(z. B. ungefähr
50 ns–1 μs) das fluoreszierende
Licht fast ausschließlich
von den Quantenpunkten stammt.
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Das
optische System 630 trennt die unterschiedlichen Wellenlängen des
Lichts und fokussiert jede der unterschiedlichen Wellenlängen auf
einen entsprechenden Photodetektor 642, 643 oder 644. Die
Photodetektoren 642, 643 oder 644, die
ferner entsprechende Farbfilter umfassen können, liefern somit separate
elektrische Signale, die die Anzahl von Quantenpunkten der entsprechenden
Typen in dem Testreifen 262 anzeigen, und daher Konzentrationen
der entsprechenden Zielanalyten anzeigen. Die Steuerschaltung 254 kann
dann die Testergebnisse zu einem Benutzer oder einer separaten Vorrichtung
liefern, wie oben beschrieben wurde.
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Das
optische System 630 in 6 ist ein
optisches Substrat, das eine beugende Fokussierung der unterschiedlichen
Wellenlängen
auf unterschiedliche Photodetektoren 642, 643 und 644 liefert.
Bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst das optische System 630 ein optisches
Substrat eines Materials, wie z. B. Glas oder Kunststoff, mit opaken
Regionen oder Oberflächenunregelmäßigkeiten bei
einer Struktur, die eine gewünschte
Trennung oder Fokussierung der unterschiedlichen fluoreszierenden
Wellenlängen
liefert. Beugende optische Elemente jedoch, wie z. B. das optische
System 630, können
kostengünstig
unter Verwendung anderer Prozesse und Strukturen hergestellt werden.
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7 zeigt
einen Abschnitt eines Testsystems 700, das ähnlich zu
dem Testsystem 600 aus 6 ist, aber
das Testsystem 700 umfasst ein optisches System 730,
das aus lichtbrechenden Linsen 731, 732, 733 und 734 und
Dünnfilm-Farbfiltern 736, 737 und 738 auf
Prismen gebildet ist. Genauer gesagt empfängt die Linse 731 fluoreszierendes
Licht und richtet dasselbe parallel, das von dem Teststreifen 626 emittiert
wird, wenn die Lichtquelle 250 Quantenpunkte in dem Teststreifen 626 beleuchtet. Das
Farbfilter 736 überträgt Licht
einer Frequenz, die den Quantenpunkten entspricht, die der Photodetektor 642 misst,
und reflektiert Licht der Frequenz, die aus einer Fluoreszenz der
anderen Typen von Quantenpunkten resultiert. Dünnfilme, die Licht der gewünschten
Wellenlänge übertragen
aber Licht anderer Wellenlängen
reflektieren, können
aus einem Stapel von dielektrischen Schichten entworfen und aufgebaut
sein, die Dicken und Brechungsindizes aufweisen, die die gewünschten
Charakteristika erreichen. Alternativ könnte ein Farbfilter 736 ein
Brechungsindex-Gitterfilter oder ein farbiges Material umfassen.
Die Linse 732 fokussiert das Licht, das durch das Filter 736 übertragen
wird, auf den photoempfindlichen Bereich des Detektors 642,
der ein weiteres Farbfilter für
eine zusätzliche
Selektivität
gegenüber
der gewünschten
Lichtfarbe umfassen kann.
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Reflektiertes
Licht von dem Filter 736 fällt auf das Filter 737.
Das Filter 737 ist entworfen, um Licht der Wellenlänge zu reflektieren,
die dem Detektor 643 entspricht, und andere Wellenlängen zu übertragen.
Die Linse 733 fokussiert das Licht, das von dem Filter 737 reflektiert
wird, auf den photoempfindlichen Bereich des Detektors 643.
Licht, das durch das Filter 737 übertragen wird, fällt auf
das Filter 738, das entworfen ist, um Licht der Wellenlänge zu reflektieren, die
dem Detektor 644 entspricht, und die ungewollten Wellenlängen zu übertragen.
Die Linse 734 fokussiert das Licht, das von dem Filterfilm 738 reflektiert wird,
auf den photoempfindlichen Bereich des Detektors 644.
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Optische
Systeme 630 und 730 liefern ausschließlich darstellende
Beispiele des optischen Systems unter Verwendung von beugenden Elementen oder
Dünnfilmfiltern
zum Trennen unterschiedlicher Wellenlängen des Lichts für Messungen.
Optische Systeme, die andere Techniken verwenden (z. B. ein chromatisches
Prisma) könnten
ebenfalls verwendet werden, um das fluoreszierende Licht unterschiedlicher
Frequenzen zu trennen oder zu filtern. Die Charakteristika und Geometrie
solcher optischen Systeme hängt
allgemein von der Anzahl unterschiedlicher verwendeter Typen von
Quantenpunkten und von den Wellenlängen des fluoreszierenden Lichts
ab.
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Obwohl
die Erfindung Bezug nehmend auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist die Beschreibung nur ein Beispiel der Anwendung der Erfindung
und sollte nicht als Einschränkung
genommen werden. Verschiedene Abänderungen
und Kombinationen der Merkmale der Ausführungsbeispiele, die offenbart
sind, liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, die gemäß den nachfolgenden
Ansprüchen
definiert ist.