NL1025419C2 - Optische analyse. - Google Patents

Description

Titel: Optische analyse

Deze uitvinding heeft betrekking op optische analyse, i.h.b. gebaseerd op interferometry, bijv. waarbij het 5 analyt een wijziging veroorzaakt van de voortplantingsnel-heid van het voortplantende elektromagnetische veld (bijv. licht) dat passeert door een kanaal van de sensor, welke verandering gedetecteerd kan worden door gebruikmaking van overlappende kanaalafgiften (output) van de sensor. Het 10 toegepaste voortplantende elektromagnetische veld/elektro-magnetische straal (bijv. (semi-) monochromatisch) is bij voorkeur licht, zowel zichtbaar als ontzichtbaar (bijv. IR of UV-licht) voor het blote menselijke oog.

Het artikel "Development of a Multlchannel Integrated 15 Interferometer Immunosensor" van A. Ymeti, e.a., gepubliceerd in Sensors and Actuators B dl. 83, p 1-7 (Elsevier, 2002) and EP-A2-1.284.418 bieden rechnische achtergrond en zijn hierin volledig opgenomen door verwijzing.

De uitvinding is bijv. toepasbaar op (geïntegreerde) 20 optische sensoren, i.h.b. van interferometrisch type.

Dergelijke sensoren bieden een bijzonder hoge brekingindex- ·' .

resolutie in de orde van 10 , equivalent, aan een proteïne-massa-bereik in de orde van 10 fg/mm*. Aldus kan dit sensor-type zeer lage concentraties van een analyt meten (vast, 25 vloeistof of gas), in oplossing bij zeer hoge nauwkeurig heid. Een bijzonder aantrekkelijke toepassing is daarom het volgen van immunoreacties.

De gevoeligheid, i.h.b. bij langdurige metingen, van deze sensoren is beperkt door de zgn. drift, die veroor-30 zaakt kan worden door verschillende invloeden, zoals veranderingen in temperatuurverschil tussen referentie- en meetkanalen, trillingen van de sensor, enz. Aldus vloeit de bijdrage van drift aan de resultaten van een meting voort uit verschijnselen anders dan de analyt waaraan de sensor 35 is blootgesteld (bijv. in contact gebracht) tijdens de meting.

Experimenten door de uitvinders hebben aangetoond dat door deze drift de lange termijn-stabiliteit van deze sensortypen t.o.v. een brekingindexverandering gereduceerd 10254 1 9

I 2 I

I kan worden met tot één of twee grootte-orden in vergelij- I

I king met de korte termijn-stabiliteit. Dit reduceert de I

I toepasbaarheid van dit sensortype voor het volgen van I

I langzame bindreacties, bijv. een immunoreactie, i.h.b. in I

I 5 het geval van kleine moleculen. I

I Deze uitvinding is gericht op het vermijden of althans I

I reduceren van de invloed van drift, zodat de stabiliteit I

I van de sensor toeneemt. I

I Dienovereenkomstig is de uitvinding gericht op een I

I 10 optische analysewerkwijze zoals aangegeven in conclusie 1. I

I De uitvinding is eveneens gericht op een optische analyse- I

inrichting die in de inventieve werkwijze kan worden ge- I

I bruikt. Verdere ontwikkelingen zijn aangegeven in de afhan- I

I kelijke conclusies. I

15 In een voorkeursuitvoering wordt het resultaat gecor- I

I rigeerd door een constante voor de gehele meting, die I

I verscheidene minuten of één uur of meer kan vergen. Tijdens I

I die meting kan de sensor achteréénvolgens blootgesteld I

I worden aan verschillende monsters. Met deze uitvoering, is I

I 20 de correctie voor drift gebaseerd op de aanname dat de I

I verhouding van de drift tussen kanalen constant blijft I

I tijdens een meting. In dat geval is het gunstig de bijdrage I

van de drift te bepalen voordat een enkele meting of een I

I groot aantal opéénvolgende metingen met dezelfde sensor I

I 25 wordt gedaan, bijv. tijdens een initiatiestap. I

I Als alternatief kan een door drift veroorzaakte line-

I aire verandering van het faseverschil van een kanalenpaar I

I worden aangenomen. Experimenten door de uitvinders hebben I

I echter aangetoond, dat de beste resultaten bereikt worden I 30 door een constante drift-veroorzaakte verandering tijdens I een meting aan te nemen.

I Het zal duidelijk zijn, dat de kanalen van een materi- I aal zijn dat transparant is voor de straal/de straal de I kanalen kan passeren.

I 35 De uitvinding kan bijv. worden toegepast op detectie.

I van micro-organismen (bijv. SARS, TBC, HEPATITUS, HIV, BSE, I ANTHRAX), bijv. in menselijk bloed of afscheidingen (bijv.

I slijm), zodat bijv. (real time) screenen of diagnostiseren I 1025419- 3 mogelijk is voor bijv. vroegtijdige vaststelling van ziekte. De sensor van het instrument wordt blootgesteld aan het monster en het interferentiepatroon geanalyseerd door de computer die geprogrammeerd is zodat het de drift correctie 5 factor bepaald en die toepast op zijn analyse van het interferentie patroon en dan de aldus gecorrigeerde resultaten onderzoekt, bijv. door vergelijken met een voorafbepaalde drempelwaarde om een corresponderende attendering af te geven, bijv door activeren van een rode of groene lamp 10 of een akoestische speaker voor een bediener, of de aldus gecorrigeerde resultaten presenteren aan een bediener, bijv. op een weergave (beeldscherm).

De uitvinding wordt verder toegelicht door een momenteel voordelige uitvoering, getoond in de bijgaande teke-15 ning.

Fig. 1 toont schematisch het instrument;

Fig. 2-3 tonen een grafiek van experimentele resultaten (vertikaal faseverandering (fringes), horizontaal tijd in s.).

20 Fig. 1 toont in bovenaanzicht een driekanaals sensor 2, op zich bekend als een Young-interferometer. Een mono-chromatische lichtstraal L van een laserbron F is ingekoppeld in hoofdkanaal 3 van de sensor. De lichtstraal L wordt gesplitst door een stralen splitser 4 (beamsplitter) in 25 drie lichtstralen die zich voortplanten in resp. subkanalen 5a, 5b en 5c. Elk subkanaal 5a-c kan zijn uitgerust met een meetvenster (niet getoond) om een te analyseren fluïdum aan te brengen. De kanalen 3, 5a-c zijn golfgeleiderstructuren van glas of glasachtig materiaal, bijv. sporen bovenop een 30 substraatlaag en bedekt met een laag die geschikt is voor het binden van een specifieke analyt.

De sensor 2 kan zijn uitgevoerd op basis van de SiON-technologie, bijv. als geopenbaard in A. Ymeti, e.a. (zie boven).

35 De deklaag is bijv. uitgerust met specifieke recepto ren, bijv. antilichamen om stoffen te binden, bijv. biomoleculen, aan het oppervlak van de golfgeleider.

De einden van de subkanalen 5a-c tegenover de splitser 1025419-

4 I

4 leveren resp. kanaaluitgangen Ql, Q2, Q3 die beschouwd I

kunnen worden als puntlichtbronnen waaruit divergerende I

lichtbundels LI, L2, L3 in de vrije ruimte komen en een I

elektromagnetische of opto-elektrische detectorinrichting 8 I

5 treffen, bijv. een fotodetectorcel of fotoelektrische I

recorder of CCD (charged coupled device) camera. Bij de CCD I

8, overlappen de stralen Ll-3 wederzijds, zodat het gewens- I

te intensiteit- of interferentiepatroon ontstaat. I

De CCD is gekoppeld met een computersysteem voor het I

10 verwerken van zijn gegevens betreffende het gedetecteerde I

patroon. De afstand tussen de CCD-camera en uitgangen Q1-Q3 I

is bijv. 4,4 mm. I

De afstand A, B tussen de uitgangen Ql-3 van subkana- I

len 5a-c verschilt bij voorkeur op unieke wijze zodat I

15 unieke kanaalparen ontstaan. Typerende afstanden zijn bijv. I

60, 80 of 100 μια. De subkanalen 5a-c zijn bij voorkeur I

wederzijds gebalanceerd (bijv. van gelijke lengte en/of in I

hoofdzaak parallel) zodat eigenschappen van die kanalen I

niet het patroon bij de CCD 8 beïnvloeden. Bij voorkeur I

20 zijn althans delen van de subkanalen 5a-c in hoofdzaak I

wederzijds parallel. I

Deze uitvoering heeft drie unieke kanaalparen: paar I

5a-5b; paar 5b-5c; paar 5a-5c (hierna: paren 12, 23 en 13). I

De computer paset een FFT (fast fourier transformatie) I

25 algoritme toe op de gegevens betreffende het patroon bij de I

CCD 8, waaruit de faseinformatie voor elk paar kanalen I

wordt afgeleid. I

Gebaseerd op de aanname dat de verhouding van fase- I

afwijkingen door drift voor elke twee kanaalparen constant .1

30 blijft gedurende een meting, zijn de volgende relaties van I

kracht: ΔΦ^* _n \ δφ£* 'iu ΔΦ£' ΔΦ** ~

35 waarbij C12,13 and C23,13 constanten zijn en I

faseveranderingen zijn door de drift in paren 12, 23 en 13. I

Door bijv. kanaal 5b bloot te stellen aan een analyt, I

ontstaan f aseveranderingen (ΔΦ^'""') in paren 12 resp. 23, en I

1025419 5 het volgende is van toepassing op de gemeten faseverande-ringen (ΔΦ£“) voor alle kanalenparen: ΑΦ”Γ =ΔΦ?*ηβ'+ΔΦ£ί/1 ΔΦ^" =ΔΦ^+ΔΦ^·/) ΔΦ£“ =ΔΦ^*

Combineren van de bovenstaande formules levert de driftcorrectiefactoren.

Het resultaat van de meting kan worden weergegeven 10 door een resp. apparaat, aangesloten op de computer, bijv. een beeldscherm of een printer. On-line en/of real time weergeven verdient de voorkeur. De weergave kan ene grafische afbeelding zijn, bijv. een grafiek van de faseverande-ring in de tijd.

15 Fig. 2 toont de gemeten faseveranderingen voor alle drie kanalenparen zonder blootstelling van de kanalen aan analyt. Dus worden de gemeten faseveranderingen slechts veroorzaakt door drift. Door de corresponderende grafieken te distribueren (rationing) gevolgd door middelen over een 20 · eerste tijdverloop (bijv. 10 miri), kan de constante drift- correctie worden berekend. Wanneer deze driftcorrectie toegepast wordt op de grafieken van fig. 2, bleven de faseveranderingen nul, zoals te verwachten.

Fig. 3 toont de reactie van de sensor op een fasever-25 andering van 1,5 * 2pi, geïntroduceerd in kanaal 5b door blootstelling aan 0.924 wt% glucose in water, vóór en na driftcorrectie door de bovenstaande formules; het omkaderde gedeelte is een verduidelijkende vergroting (X = niet; Y = wel voor drift gecorrigeerd). Vergeleken met de ongecorri-30 geerde resultaten, is de resterende drift na driftcorrectie ong. 10 maal kleiner. Deze verbetering was ook bereikt wanneer het experiment werd herhaald voor kanaal 5a of 5c.

De uitvinding is ook toepasbaar op sensoren met meer dan drie subkanalen, zoals vier, vijf, enz*, of twee, bij 35 voorkeur afgesplitst van een enkel hoofdkanaal door een enkele of een groot aantal "beam splitters" (bijv. een vierkanaals sensor zoals geopenbaard door A. Ymeti, e.a. hierboven). Het is ook toepasbaar op andere typen, bijv.

1025419

I 6 I

I Mach-Zender interferometers. De afstand tussen de uitgangen I

I van de kanalen 5a-c en de detectieinrichting 8 kan gevuld I

I zijn met een materiaal anders dan lucht. I

I Indien toegepast op een aantal subkanalen verschillend I

I 5 van drie, zal de vakman gemakkelijk de benodigde vergelij- I

I kingen kunnen afleiden aan bovenstaande formules. I

I De uitvinding is tevens gericht op uitvoeringen geba- I

I - seerd op een combinatie van een gewenst aantal voorzienin- I

I gen, elk afgezonderd van deze openbaarmaking, of hun tune- I

I 10 tionele equivalenten.

H .·* I

I 1025419

Claims (8)

1. Optische analysewerkwijze waarbij in een multikanaals sensor een monochromatische lichtstraal afkomstig van een laser opgesplitst wordt in althans drie substralen die elk 5 door een resp. lichtgeleiderkanaal passeren; aan het oppervlak van althans één van die kanalen bindt een analyt die de voortplantingsnelheid van de betreffende substraal door het kanaal beïnvloedt; de uit die kanalen komende lichtstralen zijn divergent en overlappen op een CCD-camera 10 zodat die een intensiteit- of interferentiepatroon detecteert waaruit een op die camera aangesloten computer een faseverandering vaststelt en de bijdrage van drift aan die faseverandering bepaalt en de faseverandering voor die drift corrigeert. 15

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de computer voor een aantal paren kanalen met een FFT-algoritme de faseverandering bepaalt en vergelijkt tussen paren kanalen voor het bepalen van die drift-bijdrage aan die faseveran- 20 dering van een paar kanalen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij gedurende een meting de correctie wordt uitgevoerd met een constante.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij die drift-bijdrage bepaald wordt tijdens een initiatie-stap voordat de sensor wordt blootgesteld aan de analyt.

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-4, waarbij 30 de drift correctie uitgevoerd wordt op basis van de volgende formules: ΔΦ^ ΔΦ”“" = ΔΦίΓ' + ΔΦ^ 13 ΔΦ£“ = ΔΦΪΓ' + Δφ£" ΔΦ^8 _ q Λφ"*" = ΑΦ^

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-5, waarbij unieke kanaalparen gevormd worden, bijv. de afstand A, B tussen de uitgangen Q1-Q3 van kanalen 5a-c verschilt op unieke wijze. 1025419 I 8 I

7. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-6, waarbij I I de sensor blootgesteld wordt aan een analyt net een zodanig I I lage concentratie, dat de omvang van de drift correctie I I althans van de zelfde ordegrootte is als de faseverandering I I 5 die wordt teweeggebracht door de analyt. I

8. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-6, waarbij I I de sensor wordt blootgesteld aan lichaamsfluïdums afkomstig I I van levende wezens, zoals zoogdieren of mensen, en geschikt I I 10 is voor binden van micro-organismen (bijv. SAKS, TBC, HEPA- I I T1TUS, HIV, BSE, ANTHRAX), en de toegepaste drift correctie I I zodanig is dat alleen wanneer micro-organismen aan de I I sensor binden bij tussen 1 en 10 fg/mm* proteïne massa of I I meer, een faseverandering wordt gedetecteerd. I I 1025419 I