TW201808228A - 固定光學光熱光譜讀取器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種適用於檢測被感染病人的體液中之疾病的存在之低成本可攜式光熱光譜(PTS)讀取器。該(PTS)讀取器被設計成：耐用，易於使用，且以迅速的結果提供來自側流層析(LFA)的判讀。本發明也提供了使用方法。

Description

固定光學光熱光譜讀取器及使用方法 [相關申請案之交互參考]

本申請案聲明擁有於2016年1月25日提出申請的美國臨時專利申請案62/286482"Intergated,Low Cost Photo-Thermal Spectroscopy Reader and Method of Use，本申請案特此引用該臨時專利申請案之全部揭露以供參照。

本發明揭露了一種適用於檢測被感染病人的體液中之疾病的存在之低成本可攜式光熱光譜(Photo Thermal Spectroscopy；簡稱PTS)讀取器。該PTS讀取器被設計成：耐用，易於使用，且在1-6分鐘內提供來自側流層析(Lateral Flow Assay；簡稱LFA)的判讀。

典型的快速診斷測試(RDT)採用試紙(dipstick)或卡匣(cassette)格式。自病人收集的生物試樣(例如，血 液)連同某些試劑(reagent)被施加到測試片(test strip)(或測試卡)上的樣品墊(sample pad)。經過一段時間(取決於測試)之後，測試片(卡)觀察窗(window)中之特定光譜帶的出現指示病人的樣品中是否出現了某一相關的抗原(antigen)。

通常，將一滴樣品(例如，血液)通過一孔(樣品槽(sample well))加入該RDT，然後通常通過另一孔(緩衝液槽(buffer well))加入數滴緩衝液。該緩衝液沿著該RDT的長度攜帶該樣品。在目前銷售的用於瘧疾的RDT中，紅血球中出現的血紅素(hemoglobin)通常造成背景有殘留背景，因而使測試的品質降低。側向層析(lateral flow assay)是快速診斷測試(Rapid Diagnostic Test；簡稱RDT)中之一重要工具。快速診斷測試(RDT)是一種迅速且易於執行的醫療診斷測試。RDT適用於初步或緊急醫療篩檢(medical screening)，以供用於資源有限的醫療設施，且在無法使用或無法立刻使用可靠的顯微鏡診斷之情況中，提供了一種顯微鏡檢查術的有用替代方案。在以前只有實驗室測試可提供診斷的情況中，RDT也在基層醫療中允許定點照護(Point-Of-Care；簡稱POC)測試。RDT不需要諸如酶聯免疫吸附試驗(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay；簡稱ELISA)或聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction；簡稱PCR)等的臨床診斷方法，可由經過最低限度訓練的人員以不依賴實驗室之方式執行RDT，且RDT提供即時的結果。RDT在兩小時內提供結果，且通常在大約 30分鐘內提供結果。

然而，為了實現快速診斷，也需要一種用於執行分析的讀取器及方法。在許多情況中，該讀取器本身是昂貴的，為了品質管制而需要維護及測試，且為了準確度而需要廣泛的操作員訓練。在某些區域中，尤其是在偏遠的醫院及第三世界國家中，此種要求是不切實際的。因此，需要一種在這些類型的環境中是穩健的、低成本的、可攜的、且易於維護的讀取器。

本發明揭露了一種適用於檢測被感染病人的體液中之疾病的存在之低成本可攜式光熱光譜(Photo Thermal Spectroscopy；簡稱PTS)讀取器。該PTS讀取器被設計成：耐用，易於使用，且在1-6分鐘內提供來自側流層析(Lateral Flow Assay；簡稱LFA)的判讀。

在某些實施例中，提供了一種與側流層析(LFA)分析搭配使用的光熱光譜(PTS)讀取器。該PTS讀取器包含：一雷射源，該雷射源被配置成發射具有400至900奈米的波長之一雷射光束；以及被定位在該雷射源的前方且在一發射雷射光束的路徑內之一聚焦透鏡，該聚焦透鏡被配置成將該發射雷射光束聚焦。該讀取器也包含：一檢流計，該檢流計具有可沿著x-y方向旋轉的一鏡，用以使該發射雷射光束沿著一大致向下的方向偏轉，而形成可自該向下的方向沿著x-y位置調整的一雷射光束路徑；以及 被定位在該雷射光束路徑之外的一長波長紅外光(Long Wavelength InfraRed light；簡稱LWIR)檢測器陣列，該LWIR檢測器陣列被配置成捕獲該PTS讀取器內之熱變化(thermal change)。該等組件被封裝在一光學艙壁(optical bulkhead)中，該光學艙壁具有被定位在其基部的一開口，用以插入在該偏轉雷射光束路徑之下的一LFA測試片。該PTS讀取器進一步包含：一微處理器，該微處理器被配置成操作該檢流計且記錄自該LWIR檢測器接收的熱資料；一電源；以及一被動熱控制(passive thermal control)，用以控制與電氣操縱有關的該PTS讀取器之溫度波動。

本發明也揭露了使用具有LFA的裝置之方法。

1、16‧‧‧側向層析測試片

6、26‧‧‧檢流計

3‧‧‧紅外攝影機

7‧‧‧紅外物鏡

4‧‧‧雷射源

5‧‧‧聚焦透鏡

10‧‧‧電子組件

12‧‧‧光學隔艙

18‧‧‧冷卻風扇

20‧‧‧使用者介面

21‧‧‧電源分配板

22‧‧‧電池

23‧‧‧微處理器

25‧‧‧控制板

27‧‧‧雷射操作

第1A圖是本發明的一實施例之一圖式，圖中示出具有一LWIR透鏡的一PTS讀取器。

第1B圖是第1A圖中之PTS讀取器的一前視圖。

第2圖是示出激發照射的偏轉之圖式。

第3圖示出使用該PTS讀取器分析含有一生物樣品的一側流層析(LFA)測試片之一代表性方法。

第4圖示出允許快速診斷的一代表性工作流程。

第5圖示出測試來自瘧疾病人的血液樣品之代表性樣品。

第6圖是示出藉由掃描被選擇的區域而減少掃描時間的適應性掃描之圖式。

第7A圖是一PTS讀取器的光學及艙壁組件的配置的一實施例諸一上視圖。

第7B圖是第7A圖所示的PTS讀取器之一橫斷面圖。

第8圖是示出一PTS系統的通訊之一實施例之圖式。

除非前後文中另有清楚的指示，否則單數形式"一"("a"、"an")及"該"("the")包括複數指示對象。在整份說明書及申請專利範圍的用法中，可將近似詞語用於修飾可容許變更而不會導致相關基本功能的改變之任何定量表示法。因此，被諸如"大約"等的術語修飾之一值將不限於被指定的該精確值。除非另有指示，否則本說明書及申請專利範圍中使用的諸如分子量、反應條件等的表示成分、特性的量之所有數字將被理解為在所有的情況中被術語"大約"修飾。因此，除非有相反的指示，否則在下文的說明書及最後的申請專利範圍中述及的數值參數是可根據本發明尋求獲得的所需特性而改變之近似值。至少應根據報告的有效數位之數目且應用一般的捨入技術而詮釋每一數值參數。

在一觀點中，提供了一種用於檢測被感染病 人的諸如但不限於血液、唾液、或尿液等的體液中之疾病的存在之低成本固定光學可攜式光熱光譜(PTS)讀取器。該PTS讀取器被設計成易於使用且提供來自側流層析(LFA)的判讀，其中該LFA將測試片(LFA測試片)用於沈積通過側流的生物樣品，分離且擷取該樣品的成分以供分析。在本說明書的用法中，LFA可以只是意指測試片。完成側向層析讀出的時間通常在10分鐘內，且在較佳實施例中是在3分鐘內。讀出意指自LFA測試片被插入該讀取器以供分析時算起的測試。在某些實施例中，該PTS讀取器被設計成堅固耐用且可攜的，因而可在包括寬廣的溫度及濕度範圍之各種環境條件下使用該PTS讀取器，不需要在移動時進行冗長的重新校準或設置。

雖然使用了與LFA測試片搭配使用的PTS讀取器，但是該設計需要使用一機械平移台(translation stage)以機械方式移動PTS光學組件。一種類似的設計可以相對於光學組件之方式進行LFA測試片的移動。根據測試片，此種機械移動導致通常涉及10至15分鐘的一掃描計劃。此外，因為需要機械移動，所以移動零件可能也需要與對齊有關的特定校準及維護。因此，與光學掃描系統相比時，利用機械平移台在諸如雷射等的光源之下移動LFA測試片的PTS讀取器耗用了額外的時間，且對熱串擾(thermal cross talk)更敏感。

如第1A及1B圖所示，在一實施例中，該固定光學PTS讀取器被配置成使LFA測試片(1)及雷射聚焦光學 組件是固定的；利用一檢流計(6)使一雷射光點(laser spot)在該測試片之表面上偏轉。第1B圖是第1A圖所示的讀取器之一前視圖。

如第1A圖及第1B圖所示，在某些實施例中，一紅外(IR)攝影機(3)在通過被定位在該攝影機之前的一紅外物鏡(7)聚焦影像時，實質上同時監視該LFA測試片的整個表面。因此，可以邊緣至邊緣的方式監視全部的測試片。在該測試片是不均勻或過大的某些實施例中，該監視可大於表面積的90%或更大，而涵蓋測試表面的大部分(在不是測試表面的全部之情形下)。

進一步如第1A及1B圖所示，在某些實施例中，與根據病人血液中之抗原而測試疾病的LFA搭配使用該系統。在一實施例中，該雷射聚焦光學組件利用被配置成發射具有400至900奈米的波長的一雷射光束之一雷射源(4)。在某些實施例中，該雷射光束通過被定位在該雷射源與該檢流計之間的一聚焦透鏡(5)。該檢流計具有一鏡(6)，用以將該雷射光束偏轉到該LFA測試片的表面之上。

在某些實施例中，該雷射源是一雷射二極體或二極體驅動固態(Diode-Pumped Solid-State；簡稱DPSS)雷射；該雷射被配置成產生具有在大約400奈米與900奈米之間的波長的一脈衝聚焦雷射光束。

在某些實施例中，該雷射源是發射綠光(波長532奈米)的一DPSS雷射。

在某些較佳實施例中，使用一紅光雷射二極 體，以便避免來自該測試片中之殘餘血紅素的吸收。值得注意的是：可藉由使用雷射二極體而不使用二極體驅動固態(DPSS)雷射，而在該裝置的整體設計中可實現成本節省。紅光雷射二極體(波長640奈米)是低成本且小尺寸，而DPSS往往是有較高的性能，但是昂貴了許多，因而減少了該裝置在某些場所的可購性。在某些實施例中，該裝置進一步包含具有用於儀器控制、影像擷取、及資料分析的軟體之一嵌入式微處理器。在某些實施例中，可透過具有被預先配置的需求及例行程序的一觸控式螢幕類型之顯示器而使用該等儀器控制。因此，諸如現場醫療技術員等的使用者可被訓練，且能夠在很少的介入及最低限度的訓練下使用該裝置。該顯示器亦可被用於顯示測試結果。在某些實施例中，該讀取器也能夠被連接到一網路系統，以便分享結果或容許遠程操作。該連接可以是固線的或無線的。

在某些實施例中，藉由自一病人取得生物樣品，且將該生物樣品施加到LFA測試片，而使該儀器工作。在某些實施例中，該生物樣品可包括但不限於全血(whole blood)、血清(serum)、血漿(plasma)、鼻分泌物(nasal secretion)、痰(sputum)、尿液、糞便、唾液(saliva)、透皮滲出組織液(transdermal exudate)、腦脊髓液(cerebrospinal fluid)、以及陰道或尿道分泌物(urethral secretion)。

在某些實施例中，該生物樣品是全血。在某 些實施例中，於該等LFA測試片內，可溶解血球，以便將任何存在的抗原釋出到緩衝溶液。如果抗原存在於血液，則標靶抗體(targeted antibody)隨即將該等抗原接合成奈米粒子(nanoparticle)。該等奈米粒子擴散通過該緩衝溶液，且流到該LFA的測試部分。針對被檢測的疾病之抗體在該該LFA基板上產生圖案。在某些實施例中，該疾病是瘧疾。如果瘧疾抗原(或標靶蛋白質(targeted protein))存在於該緩衝溶液，則該等瘧疾抗原將在該測試片上與該等抗體結合。當該等抗原被結合成奈米粒子時，該測試片將捕獲該等奈米粒子。當該等奈米粒子吸收可見光且產生熱時，所產生的熱量是可測量的，且與病人血液中之疾病抗原的量成正比。

在某些實施例中，利用對溫度接近大約攝氏22度的室溫之標靶產生的長波長紅外光(LWIR)敏感的紅外攝影機。應注意，在溫度是環境條件的較高或較低溫度下之校準也是可以的。藉由利用該紅外攝影機觀測該LFA測試片，本發明可藉由觀測該測試片的溫度升高，而檢測疾病標記(disease marker)的存在。在某些實施例中，為了保持本發明的小型化及低成本，該感測器可以是一無冷卻式LWIR輻射熱計(bolometer)。在某些實施例中，該LWIR輻射熱計能夠檢測有利於識別疾病標記的範圍內之微小溫差。在某些實施例中，該溫度範圍可大約小至攝氏0.05度。藉由利用該LWIR攝影機觀測整個測試片的溫度分佈，可檢測可進一步指示疾病的嚴重性之奈米粒子的濃度 或奈米粒子的缺乏。

在某些實施例中，藉由產生具有多個測試區且該等多個測試區包含不同的抗體、多種疾病、或相同疾病的多種變形之測試片，可利用相同的LFA及PTS讀取器系統檢測疾病。

當以雷射光照射一測試片時，該等奈米粒子產生的熱被傳導到該測試片的該等相鄰區。此種熱將影響以先前技術的PTS讀取器對該測試片的該等相鄰區的溫度之讀取。因此，為了克服此種缺陷，在某些實施例中，使用該裝置的方法可包含將熱串擾最小化的技術。可使該PTS讀取器系統包含用於照射的一掃描檢流計鏡(galvanometer mirror)(振鏡(galvo mirror或galvo))、以及能夠針對該全測試片的整個表面上的疾病標記而監視陽性測試(positive test)的全溫度範圍之一紅外攝影機，而使此種技術為可能。

在某些實施例中，該等掃描鏡在一段短時間(0.01-1秒)中將該雷射光束照射聚焦到該測試片的一特定區域，同時該紅外攝影機決定該局部溫度。被照射的測試點中產生的熱迅速散逸；在某些實施例中，於0.5-2內完成熱散逸。因此，在某些實施例中，藉由利用該檢流計使雷射偏轉到離開最後測試點大於1毫米的一區域，將減少來自該最後測試點的熱串擾，且在多數情況下將消除該熱串擾。然後可以該等掃描鏡將該雷射光束導向到在該最後測試的熱傳導區之外的另一測試區。然後可進行一新的測試 及後續的測試。例如，如第2圖所示，該雷射光束的偏轉足以照射該等LFA測試片的特定區域，以便避免串擾且使照射重疊。在所示之例子中，如第2圖所示，光路徑的偏轉被控制在自該測試片表面的法線傾斜的平面上之正或負10度，以便將該光束聚焦到該測試片的中心(A)與自該中心點朝向該測試片的末端離開正或負7毫米(B及C)之間的任何位置，然後可由該紅外攝影機檢測器這些位置。此種離軸照射因而避免與光檢測器機架(透鏡或攝影機)間之干擾，且提供了相對於聚焦點或光軸的對稱掃描。在大部分的實施例中，可進行較大的旋轉，以便涵蓋該LFA測試片的整個表面。在某些實施例中，測試片的長度可以是5至25毫米，因而在某些實施例中，此種組態能夠循序地執行多個測試，而不會有熱串擾以及來自最後測試點的干擾。由於使用了掃描鏡，所以可在數毫秒內改變測試位置，而不是使用機械平移台移動測試片時需要數秒來改變測試位置。

在某些實施例中，該LWIR攝影機可被定位成使其光軸垂直於該LFA測試片的平面，而使整個測試片面積將同時焦點對準(in focus)。因此，可在不需要重新調整該物鏡的焦點之情形下使該雷射光束照射的位置周圍之不同的感興趣區域成像。在某些實施例中，可使朝向該樣品測試片向下偏轉的該雷射光束被定位在偏離該樣品表面的法線有一微小的角度，以便避免阻礙照射到該紅外物鏡孔徑的該紅外光。

在某些實施例中，可沿著以該測試片的長尺寸為基準之"滾動"方向("roll"direction)選擇該雷射光束相對於該樣品法線的傾斜；其中該滾動"方向垂直於該測試片的長尺寸。此種定向提供了勝過圍繞"俯仰"軸("pitch"axis)而傾斜的定向之優勢，這是因為該振鏡與該樣品上的雷射光點之間的距離在該樣品的長度上改變很小。例如，在該振鏡被定位在該樣品表面之上40毫米且沿著(垂直於該樣品的長軸之)該"滾動"方向離開該攝影機的光軸(樣品法線)7毫米的一實施例中，在該樣品的中心上之振鏡至樣品的光束傳播長度是大約40.6毫米，且在14毫米掃描的邊緣(自掃描中心算起為7毫米)上之振鏡至樣品的光束傳播長度是大約41.2毫米，只長了大約0.6毫米。

相反地，如果使該振鏡沿著俯仰方向(沿著該樣品的長軸)移動相同的7毫米，則振鏡至樣品的光束傳播長度自14毫米掃描的一端上之40毫米改變到該14毫米掃描的另一端上之大約42.4毫米，這是2.4毫米的改變。對於一聚焦雷射光束而言，光束傳播的改變將導致光點的改變，而光點的改變又將導致光熱加熱效率的改變。對於大約50微米的雷射光點尺寸而言，光束傳播長度的0.6毫米之偏差將導致光束面積的大約4%增加以及光功率密度(optical power density)的大約4%減少；而對於2.4毫米的改變而言，光束面積的增加以及功率密度的減少是大約38%。

為了將紅外物鏡的收集效率(collection efficiency)最佳化，可將攝影機感測器定向成使該樣品片 的影像沿著感測器圖框的對角線被對齊。此種定向能夠在較大的光學放大率下擷取整個測試片的影像，而導致較小的縮小，此種方式可增加該系統的有效數值孔徑(Numerical Aperture；簡稱NA)，且因而增加該攝影機擷取的光熱信號。

在某些實施例中，可取得形式為一串數位影像圖框的溫度資料。可將每一圖框配置成代表該LFA測試片的面積中之局部溫度的二維陣列之數值。一旦完成了該掃描，且該軟體接收且儲存了來自該LWIR攝影機的資料之後，可將與該硬體資料獲取系統協調的一演算法用於擷取線掃描(line-scan)資料。例如，可探測代表沿著該LFA測試片上的一線(沿著該線存在了奈米粒子的分佈輪廓)的溫度之一信號。然後可將該資料用於決定測試結果(例如，產生該測試的二進制"正/負"結果)。在某些實施例中，該方法可包含圖框資料的獲取，且該圖框資料被載入一處理器，而在該處理器中剪裁該等圖框，以便只保留在該LFA測試片面積的界限內之相關資訊。

因此，在某些實施例中，如第3圖所示，可將植入一生物樣品的一側流層析測試片放置到一光熱光譜(PTS)讀取器的一基部開口(步驟A)，然後以脈衝方式將一聚焦雷射光束自該DPSS雷射經由該檢流計而施加到該LFA測試片之上(步驟B)，而實現分析含有一生物樣品的一側流層析(LFA)測試片之一方法。該LFA包含一些測試線(test line)，該等測試線具有用於指示該生物樣品中之疾病 狀態之接合標靶抗體的光吸收束縛奈米粒子。藉由以該LWIR檢測器檢測該等奈米粒子發射的熱痕跡(thermal signature)(步驟C)，可執行對疾病狀態的診斷。

第3圖所示的該方法中使用之該PTS讀取器包含：一雷射源，該雷射源被配置成發射一雷射光束；以及被定位在該雷射源的前方且在來自該雷射的一發射雷射光束的路徑內之一聚焦透鏡，該聚焦透鏡被配置成將該發射雷射光束聚焦。該PTS讀取器也包含：一檢流計，該檢流計具有可沿著x-y方向旋轉的一鏡，用以使通過該聚焦透鏡的該發射雷射光束沿著一大致向下的方向偏轉，且該偏轉雷射光束形成可自該向下的方向沿著x-y位置調整的一雷射光束路徑。也包含一被定位在該雷射光束路徑之外的一長波長紅外光(LWIR)檢測器陣列，用以擷取該PTS讀取器內之熱變化。該讀取器也具有一光學艙壁，用以封裝該雷射二極體、該聚焦透鏡、該檢流計、以及該LWIR檢測器，以便保持該發射雷射光束及該偏轉雷射光束路徑的對齊。該艙壁的基部上之一開口可插入在該偏轉雷射光束路徑之下的一LFA測試片。

所述之該PTS讀取器也包含與該檢流計及LWIR檢測器通訊的一微處理器，用以操作該檢流計且記錄自該LWIR檢測器接收的熱資料。該微處理器可被定位在該光學艙壁之內或之外。亦可提供用於操作該雷射二極體、檢流計、LWIR檢測器、及微處理器的一電源、以及用於控制與電氣操縱有關的該PTS讀取器的溫度波動之一 被動熱控制。

第4圖示出一個此種實施例的一更詳細之例子，該例子是對一LFA測試片的一整個表面提供迅速且準確的檢測之一方法。如第4圖所示，影像資料可被轉換為一線光熱掃描資料。自儲存媒體載入自該LWIR攝影機收集的資料，且該等資料在邏輯上被分成一陣列的個別圖框(步驟A)。然後，可自該裝置或處理電腦的永久記憶體擷取用於指定該攝影機感測器上的雷射光點的預期坐標(x_pixel,y_pixel)之一查詢表(步驟B)。該裝置支援之不同類型的LFA的查詢表可以是唯一的，具有測試片觀察窗內之不同的測試片尺寸及測試線位置。可由使用者輸入卡匣的類型，或由該讀取器經由對卡匣的一條碼、數位影像的檢測而自動地決定卡匣的類型，或經由其他手段而決定卡匣的類型。該查詢表亦可被個性化成一特定的讀取器單元或(諸如共用相同的硬體版本之)一組單元，用以應對各單元中之可能的對齊變異性或各硬體版本中之設計差異。可經由一校準程序而在生產過程中產生此種個性化查詢表。然後，將該圖框序列分割成捕獲等於雷射脈衝重複週期(pulse repetition period)的一時間間隔之一些nWindow圖框子群，且該等nWindow圖框子群被稱為單脈衝子群或序列(步驟C)。由於同步雷射脈衝與攝影機的圖框捕獲同步，所以保證各nWindow圖框永遠捕獲該樣品對一脈衝的光熱回應(photo-thermal response)，而該等nWindow圖框包括暴露於雷射脈衝之前的至少一圖框、以及暴露於雷射脈衝 期間及之後的一或多個圖框。如果該掃描包含k(其中k代表一些空間位置)且該掃描被重複nRepeats次，則單脈衝區塊的總數將是k*nRepeats。在一實施例中，nWindow可以是5，k可以是100，且nRepeats是介於2與10之間。例如，如果被重複5次，則k*nRepeats將是500，且被捕獲圖框的總數將是nWindo*k*nRepeats=2500。重複的掃描可被用於提高光熱影像的信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio；簡稱SNR)，且因而減少對分析物的檢測限制，以及提高疾病的可檢測性。

在某些實施例中，可修改圖框資料，而消除溫度分佈(temperature profile)中與抗體檢測不直接相關的改變。例如，在某些實施例中，該圖框序列被分割成諸如所示的五個子群等的一些短子群，每一子群捕獲緊接個別雷射脈衝之前以及之後的時間之溫度分佈。為了消除溫度分佈中之諸如由於沈積光功率在掃描期間的積聚對該測試片的徐緩加熱而造成的緩慢改變、或流經該測試片的液體成分的蒸發所引發之緩慢溫度改變，以該雷射脈衝的後續圖框減掉該雷射脈衝的前一圖框，因而只捕獲由於該雷射脈衝的加熱所造成之快速改變。在第4圖的步驟D中，可使用步驟B中所述的一查詢表剪裁一影像，而針對每一子群的脈衝選擇該測試片上被現行脈衝照射且出現一熱點(hot spot)的光點周圍之一較小的感興趣區域(Region Of Interest；簡稱ROI)。因為該雷射光束的位置是確定的，所以該ROI可諸如小至3×3或5×5像素(xBox乘以yBox的像 素，其中對於子群k而言，中心像素位置被定義為x_pixel,y_pixel)，而只隔離了對現行脈衝產生的熱最有貢獻的像素。攝影機放大率及與攝影機感測器上的光點影像尺寸比較下之像素尺寸、以及測試序列中之測試點與先前或後續測試點間之距離決定了該ROI窗尺寸的選擇。該ROI可大到足以捕獲被測試的該點上的溫度峰值，且小到足以排除來自相鄰點的溫度。

在一實施例中，熱點影像尺寸可以是大約150微米，且成像放大率可以是大約0.113。此種配置導致攝影機感測器上之大約17微米的熱點影像，而該尺寸在一實施例中可以是大約攝影機像素的尺寸。在該點暴露於雷射之後的時間，過量之光誘發的熱散逸到樣品的周圍材料，且使熱影像尖峰變得寬度較大且峰值較小，而且因而選擇一ROI的寬度為數個像素時，可保留熱尖峰形狀的大部分以及攝影機捕獲的動態。另一方面，如果掃描中之先前暴露點與現行測試點之間隔離了大約2.5毫米(在本實施例中大約為16個像素)，則該ROI排除了大部分有來自先前掃描點的殘餘熱之像素。在該ROI內，可將與標記奈米粒子的濃度有關的所產生的熱之量擷取為一最大像素值、以及平均值或諸如一函數擬合(functional fit)的一參數等的其他更專門的方法。

在某些實施例中，每一測試位置在該測試的持續期間中被照射nRepeats次，且以相對於雷射脈衝具有相同時序的所有nRepeats個圖框的逐個像素的平均值之方 式計算所得到的影像。

進一步如第4圖所示，在某些實施例中，在將影像剪裁成雷射光點周圍的較小區域(如前文中之步驟D所述)之後執行此種平均值計算可能是有利的。此種方式可大幅減少資料的量，且加速分析，因而此種方式在小型處理器平台上是尤其重要的。因此，在步驟E中，屬於與雷射脈衝有關的相同光點位置及時間延遲且在該等重複掃描中取得的該等圖框被分組在一起，且計算該位置的逐個像素的平均影像(步驟F)。

因為有用的PTS信號來自由於雷射誘發的熱而造成的溫度之局部改變，所以前文所述的被剪裁到該ROI的nWindow圖框構成的一單脈衝序列中之第一圖框可被其餘的圖框減掉，以便消除該圖框中之靜態及緩慢改變的溫度模式。在該第一圖框減法計算之後，可找到nWindow內之其餘圖框中之一絕對最大值，且該絕對最大值可被用來作為該光熱回應信號。

在進一步如第4圖所示的一較佳實施例中，該光熱回應的量可被決定作為一特定單脈衝子序列內之任何相鄰圖框(與圖框i比較下之圖框(i+1))之間的最大信號增加。在該例子中，於步驟G中，該等相鄰(被剪裁且被計算過平均值的)圖框可被執行減法，而產生I_(i+1)-I_i差分圖框(differential frame)，然後執行該單脈衝差分圖框序列內之最大值檢測(最大像素值Imax_k)(步驟H)，且該最大像素值Imax_k可被用來作為該光熱回應信號。

因為以空間上非循序方式取得光熱資料，所以可按照單調空間順序(增加位置坐標x_k的值)儲存該等資料點，以供進一步的處理或視覺化(步驟I)，且該等資料點可被傳遞給診斷決定演算法或使用者，以供資料視覺化(步驟J)，其中可以Imax_k相對於x_k之形式報告該等資料點。

在某些實施例中，因為非循序地探測空間中之不同的位置，所以可將該等資料點排序成遵循一單調空間順序，然後可以一線掃描設定檔(line scan profile)的形式報告或顯示該等資料點。可以第5圖所示的一曲線的二維圖形之方式報告該線掃描。如圖所示，x軸是以毫米為單位，且是沿著該測試片的相對位置。y軸是與該測試片上捕獲的奈米粒子的濃度成正比之相對強度。三個尖峰自左到右對應於測試線2(TL2)、測試線1(TL1)、及控制線(Control Line；簡稱CL)。圖中示出：與熱回應有關的背景被標示為BG3-1。

可對該線掃描設定檔執行測試結果分析。在某些實施例中，該分析可能需要測試片幾何結構(例如，該控制線的大約位置、該控制線與該等測試線間之間隔、以及法線厚度)的先驗知識。由於一般測試片的製造變異性(manufacturing variability)，所以控制線及測試線的位置可能隨著不同的單位或不同的批次而改變。在第一步驟中，可分析線掃描的一部分(例如，第5圖中之掃描的右半部)，以便找出該控制線的中心，其中可執行最近鄰域平 滑(nearest neighbor smoothing)，且尋找平滑曲線(smooth curve)的最大值，而執行該控制線中心的尋找。或者，可以方程式(1)所示之方式計算一形心(centroid)位置：<x>=總和(x*強度)/總和(強度) 方程式(1)。

然後，選擇該掃描在該一或多條測試線的預期位置上之一或多個部分，且計算該等部分的平均值，並將該平均值與該等"背景"區的平均值比較，其中該等"背景區"是在各線之間且預期沒有奈米粒子之有意累積的部分。可將一般統計方法用於決定測試線值是否顯著地不同於背景，而此種顯著的不同將簡單地構成該測試的"陽性"判讀("positive"reading)。可將更複雜的方法用於應對不均勻的背景信號值，而此種不均勻的背景信號值可能由於諸如奈米粒子的非專一性結合(non-specific binding)或流經該測試片的側流中之意外的非同質性而發生。

表1示出對來自第5圖中之掃描的代表性資料執行的所述分析之結果。計算其中包含該測試片上的測試線及控制線以及該等線之間的背景信號之該等指定部分的平均信號值。統計T測試可被用於計算p評分(p-score)，該p評分估計錯誤地拒絕陳述該等線帶(控制、測試1、及測試2)中之每一線帶的平均值與每一線周圍的背景帶(背景1、2、及3)無法區分的虛無假設(null hypothesis)之機率，其中另有假定來自該等線的信號高於來自背景的信號之對立假設(alternate hypothesis)。可藉由設定一機率評分(probability score)臨界值，而作出二進制診斷決定(例 如，如果p<0.05，則結果被視為陽性，否則為陰性。線強度的其他自動量化方式也是可能的：表1所示的PTS評分依賴對不同的掃瞄帶中之信號及雜訊位準的估計，且可為超過一特定值(可使用統計假設檢定(statistical hypothesis testing)決定該特定值)的評分建立一陽性測試結果。在第5圖及表1所示之例子中，所有三條線都有意味著有效結果(陽性的控制線)以及測試線1及2測試的兩種抗體的陽性測試之低p評分。同樣地，該等PTS評分高於大約1的截止值，而支持相同的詮釋。

在某些實施例中，可藉由掃描該測試片多次，且計算該等掃描的平均值，而增加檢測靈敏度及信號雜訊比。為了補償總掃描時間的增加，可採用第6圖所示的一方法("減少掃描時間及適應性掃描")。在第一步驟中，執行一完整的掃描，以便以對資料的即時分析而識別控制線的存在及強度。在次一步驟中，該儀器只在含有相 關資訊的區域中選擇性地掃描；例如，只掃描第6圖中被標示為1至5的區域。將在後續的掃描循環(下表2中之掃描2至6)中掃描該等被標示的區域。該等位置在該儀器中被程式化，且係取決於被分析的測試片，這是因為不同的測試有將出現測試結果之不同的區域，因而也將為每一區域提供不同數目的資料點(第6圖所示之總共35個資料點)。因此，採用一適應性掃描方法時，可以有即時的資料分析，且在信號較強時只需要較少的掃描。因此，如第6圖所示，線性地操作的一初始掃描將需要2.5至6.5分鐘的總時間，該總時間可被減少到1.33至2.66分鐘的總掃描時間。表2中示出該比較。

可利用被連接到一檢流計、或一伺服馬達、或具有用於增加角解析度(angular resolution)的齒輪頭(gear head)之一低成本步進馬達(stepper motor)的一掃描鏡實現雷射光束檢測的各實施例。

因此，示出了一代表性PTS裝置的一上視圖 (第7A圖)以及一橫斷面圖(第7B圖)。該裝置被設計成：藉由將電子組件(10)封裝在用於減少抵達測試區之熱空氣量的一光學艙壁(12)，而將來自電子組件產生的熱之熱串擾最小化。然後可經由基部(14)中之一開口將一LFA測試片(16)放置在該讀取器中。在某些實施例中，可藉由將產生熱的電子組件連接到具有在該儀器的外殼之外的冷卻風扇(18)的散熱器，而將該裝置被動地冷卻。在另外的其他實施例中，可使用排氣式冷卻風扇(圖中未示出)。此種方式可允許該儀器的被動冷卻及熱管理。

在某些實施例中，該裝置可被設計成具有足以在操作期間將該裝置的內部溫度維持在低於攝氏55度的被動冷卻，因而改善了軟體組件及雷射檢測。在某些實施例中，一外部排氣式散熱器可被連接到該檢流計，以便能夠自艙壁外殼進行被動熱散逸。值得注意的是：該艙壁外殼亦可被用來於屏蔽包括灰塵及其他污染物的環境因素。

在某些實施例中，由於連同發射紅光的雷射而使用奈米粒子，所以由於血紅素在紅光區的低吸收而可減少殘餘血紅素對測試片的吸收之影響，且避免產生與抗原結合的奈米粒子不相關且因而只對雜訊有貢獻之額外的光熱背景。亦可使用紅光雷射二極體，紅光雷射二極體是非常穩健的，且由於其大量製造以供用於雷射印表機及DVD播放器而是低成本的。因此，在某些其他實施例中，藉由利用其吸收已被調整成在紅色光譜區中吸收的奈米粒子，且使用紅光產生光熱回應，亦可大幅減少該系統對該 測試片中之殘餘血紅素的敏感度。

然而，在另一實施例中，藉由將該LFA修改成不容許血紅素擴散到測試片區上，或者中和血紅素在光譜的綠光部分的自然吸收，該裝置亦可使用綠光二極體驅動固態(DPSS)雷射。

在某些實施例中，提供了一種使用方法，該方法可以一種低成本的可攜式儀器迅速檢測諸如瘧疾等的血源性寄生蟲(blood borne parasite)產生的疾病抗原及/或蛋白質。該方法可被用於出現了諸如瘧疾等的疾病之偏遠地區。

值得注意的是：藉由使用一基於鏡的雷射偏轉器，該裝置能夠迅速地測試一測試片的全長，而無須等候機械平移台移動該測試片。此種方式大幅減少完成完整測試的時間，且減少該系統的機械組件的磨損，這是因為唯一的移動零件是具有一輕負載的鏡之穩健的檢流計軸。此外，該設計提供了利用被安裝在一檢流計的一可調整之鏡將雷射光束定位到該LFA測試片的不同點，而不是移動該LFA測試片或整個雷射總成。

在某些實施例中，該基於鏡的偏轉亦可藉由在先前的測試區正在冷卻時，將該測試片上分離大於1毫米之不同區域的溫度取樣，而可避免熱串擾。

在某些實施例中，提供了一種減少及限制串擾的方法，且該方法包含下列步驟：照射該LFA測試片上的一點；以及然後藉由以一檢流計偏轉該雷射，而將該雷 射光點移動數毫米到次一測試位置。由於移動一預定距離，所以可讓先前測試點內所含的熱散逸，而不會影響到在次一測試位置上的讀取。在某些實施例中，所產生的熱之散逸耗用大約1秒鐘，且熱散逸發生在300-1000微米的長度尺度。藉由迅速地移動測試位置離開大於1毫米的距離，該裝置避免重疊的熱讀取。藉由增加各空間相鄰測試點間之時間分隔，且在先前測試點完全冷卻之前，先在該測試片上的其他空間上遙遠的位置中執行測量，以便減少總掃描時間，而仍然可實現一高密度的空間取樣(例如，各空間相鄰點接近到150微米或更小)。

在某些實施例中，可使用無冷卻式LWIR感測器檢測該測試片的溫度，而實現熱成像。此種方式避免與冷卻式紅外攝影機的使用相關聯之高許多的成本及尺寸。

在某些實施例中，該等組件的組合可提供適當的溫度控制、光學組件的定位、以及測試時間的減少。在某些實施例中，該LFA測試片並未被耦合到該檢流計，而是只被定位在該檢流計之下。例如，在某些實施例中，該檢流計可在該LFA測試片之上大約50至75毫米，因而可藉由將一類比控制電壓施加到該檢流計的輸入，而將雷射光點定位在沿著該15毫米的測試片之任何位置。該偏轉器可在小於一毫秒的時間內越過該整個測試片，該段時間遠短於一般的暴露時間或或攝影機圖框持續時間。

因此，在某些實施例中，提供了一種低成本且堅固耐用的可攜式光熱光譜(PTS)讀取器，該PTS讀取器 被設計成易於使用，且提供迅速(短於3分鐘)的側流層析(LFA)分析。該裝置包含：被一檢流計詢問的一固定LFA測試片、將相鄰測量點之間的串擾最小化的一掃描方法、將來自其他組件及環境的熱串擾最小化的一光學隔艙設計、以及一被動冷卻系統。

如第8圖所示，在某些實施例中，該裝置也包含針對熱帶環境中之耐久性及操作的一些特徵。這些特徵可包括諸如可在幾分鐘內訓練使用者的一使用者介面(20)、諸如一電源分配板(21)及一可充電的大容量鋰離子電池(22)(例如，12小時的運行時間)等的具有電源管理之一電池供電系統、以及亦可被稱為一微控制器(23)的一內建微處理器等的一或多個特徵。可以啟用該裝置的操作之軟體配置微處理器(23)。在某些實施例中，使用者介面(20)可以是用於儀器控制、資料分析、及通訊的一觸控式螢幕。在某些實施例中，由於使用了低成本且低功率消耗的組件，所以能夠實現小形狀因數(form factor)及長電池運行時間。與該PTS系統的組件介接之一控制板(25)提供了諸如對檢流計(26)、雷射操作(27)、及一紅外攝影機之控制等的操作。

在某些實施例中，該讀取器操作時，係以脈衝方式將一聚焦雷射光束(直徑為50微米至1毫米)自一低成本雷射二極體或DPSS雷射(波長為400-900奈米)經由一檢流計而施加到LFA測試線之上，而測試線上之結合的奈米粒子吸收該光。然後由被定位在該LFA測試片正上方的 具有聚焦透鏡之一紅外檢測器檢測該等粒子發射的熱痕跡。在讀出一點之後，該檢流計可將該光束移到次一位置，而以一種將相鄰點間之熱串擾最小化的空隙交織模式(interstitial weaving pattern)繼續進行。在某些實施例中，該空隙交織模式是一種在該LFA測試片的表面上移動的蛇形模式。可被嵌入該讀取器的一微處理器經由能夠執行所需程序的軟體而控制該整個儀器。包含一觸控式螢幕且載入該LFA的抽屜及開啟/關閉開關圖像的一簡單且堅固耐用之使用者介面允許在幾分鐘內迅速地訓練使用者。該系統提供結果的直接讀出、或可經由一無線網路而傳送該等結果。單一LFA的掃描時間是短於3分鐘。該PTS讀取器系統的解析度容許利用經適當設計的測試對蛋白質濃度的半定量測定或定量測定(quantitative determination)。

在另一實施例中，該PTS讀取器將以取代檢流計的步進馬達建構之一低成本x-y線性滑台(x-y stage)用於控制測量點位置。在進一步的實施例中，該PTS讀取器採用取代聚焦雷射光點的雷射線。

Claims (26)

1. 一種與側流層析(lateral flow assay；LFA)分析搭配使用的光熱光譜(Photo thermal Spectroscopy；PTS)讀取器，該(PTS)讀取器包含：一雷射源，該雷射源被配置成發射具有400至900奈米的波長之一雷射光束；被定位在該雷射源的前方且在來自該雷射源的一被發射的雷射光束的路徑內之一聚焦透鏡，該聚焦透鏡被配置成將該被發射的雷射光束聚焦；一檢流計，該檢流計包含可沿著x-y方向旋轉的一面鏡，用以使通過該聚焦透鏡的該被發射的雷射光束沿著一大致向下的方向偏轉，且其中該被偏轉的雷射光束導致可自該向下的方向沿著x-y位置調整的一雷射光束路徑；被定位在該雷射光束路徑之外的一長波長紅外光(Long Wavelength Infrared light；LWIR)檢測器陣列，該LWIR檢測器陣列被配置成捕獲該(PTS)讀取器內之熱變化；一光學艙壁，該光學艙壁被配置成：封裝該雷射源、該聚焦透鏡、該檢流計、以及該LWIR檢測器，以便保持被該發射的雷射光束及該被偏轉的雷射光束路徑的對齊；以及具有被定位在其基部的一開口，用以在該被偏的雷射光束路徑之下插入一(LFA)測試片； 與該檢流計及LWIR檢測器通訊的一微處理器，該微處理器被配置成操作該檢流計且記錄自該LWIR檢測器接收的熱資料，該微處理器被定位在該光學艙壁之內或之外；一電源，用以操作該雷射源、該檢流計、該LWIR檢測器、及該微處理器；以及一被動熱控制，用以控制與電氣操縱有關的該(PTS)讀取器之溫度波動。
2. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該電源是一鋰離子電池。
3. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該微處理器能夠進行無線通訊。
4. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該雷射源是一雷射二極體或二極體泵激發固態(Diode-Pumped Solid-State；DPSS)雷射，且被配置成產生具有在大約400奈米與900奈米之間的波長的一脈衝聚焦雷射光束。
5. 如申請專利範圍第4項之讀取器，其中該雷射二極體是被配置成產生大約640奈米波長之脈衝雷射光束的一紅光雷射。
6. 如申請專利範圍第4項之讀取器，其中該聚焦雷射光束具有大約50微米至1毫米的一直徑。
7. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該被動溫度控制包含被連接到該(PTS)讀取器的電子組件之散熱器、被設置在該光學艙壁的側部之冷卻風扇、排氣式冷卻風扇，且係以一脈衝序列或脈衝序列的一組合之方式操作該雷射源。
8. 如申請專利範圍第7項之讀取器，其中該被動溫度控制是一散熱器。
9. 如申請專利範圍第1項之讀取器，進一步包含與該微處理器通訊的一使用者介面，該使用者介面被配置成操作該(PTS)讀取器。
10. 如申請專利範圍第9項之讀取器，其中該使用者介面被進一步配置成顯示該檢流計的至少一操作參數、該LWIR檢測器的至少一操作參數、自該LWIR檢測器接收的熱資料、或以上各項的一組合。
11. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該LWIR攝影機被定位成使該LWIR攝影機的光軸垂直於一被插入的(LFA)測試片的平面，且該被偏轉的雷射光束被定位在偏離該 (LFA)測試片的法線有一微小的角度。
12. 如申請專利範圍第11項之讀取器，其中該LWIR攝影機的感測器被定位成沿著感測器圖框的一對角線對齊自該被插入的(LFA)測試片產生之一影像。
13. 一種分析含有生物樣品的側流層析(LFA)測試片之方法，包含下列步驟：將植入一生物樣品的一側流層析測試片放置到一光熱光譜(PTS)讀取器的一基部開口，該(PTS)讀取器包含：一雷射源，該雷射源被配置成發射一雷射光束；被定位在該雷射源的前方且在來自該雷射源的一被發射的雷射光束的路徑內之一聚焦透鏡，該聚焦透鏡被配置成將該被發射的雷射光束聚焦；一檢流計，該檢流計包含可沿著x-y方向旋轉的一面鏡，用以使通過該聚焦透鏡的該被發射的雷射光束沿著一大致向下的方向偏轉，且其中該被偏轉的雷射光束導致可自該向下的方向沿著x-y位置調整的一雷射光束路徑；被定位在該雷射光束路徑之外的一長波長紅外光LWIR檢測器陣列，該LWIR檢測器陣列被配置成捕獲該(PTS)讀取器內之熱變化；一光學艙壁，該光學艙壁被配置成：封裝該雷射源、該聚焦透鏡、該檢流計、以及該LWIR檢測器，以便保持該被發射的雷射光束及該被偏轉 的雷射光束路徑的對齊；以及具有被定位在其基部的一開口，用以在該被偏轉的雷射光束路徑之下插入一(LFA)測試片；與該檢流計及LWIR檢測器通訊的一微處理器，該微處理器被配置成操作該檢流計且記錄自該LWIR檢測器接收的熱資料，該微處理器被定位在該光學艙壁之內或之外；一電源，用以操作該雷射源、該檢流計、該LWIR檢測器、及該微處理器；以及一被動熱控制，用以控制與電氣操縱有關的該(PTS)讀取器之溫度波動；以脈衝方式將一聚焦雷射光束自該雷射源經由該檢流計而施加到該(LFA)測試片之上，其中該(LFA)測試片包含一些測試線，該等測試線具有用於指示該生物樣品中之疾病狀態之接合標靶抗體的光吸收束縛奈米粒子；以及以該LWIR檢測器檢測該等奈米粒子發射的熱痕跡。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該雷射光束是具有在大約400奈米與900奈米之間的波長的一脈衝聚焦雷射光束，且具有大約50微米至1毫米的一直徑。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該雷射源是被配置成產生大約640奈米波長之脈衝雷射光束的一雷射二極體。
16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該檢流計以一空隙交織模式使該雷射光束路徑在該(LFA)測試片的表面上移動。
17. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該交織模式被限制在包含一測試線的區域。
18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中檢測該熱痕跡包含下列步驟：計算來自該LWIR攝影機拍攝的一串數位影像框的熱變化；以及將該熱變化轉換為對應於該(LFA)測試片的奈米粒子分佈輪廓之線掃描資料。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中以下列步驟調整該熱痕跡：將該(LFA)測試片分割成一個以上的影像框部分，其中該影像框部分對應於該LWIR檢測器取得的框影像；檢測該以脈衝方式施加聚焦雷射光束的該步驟期間來自每一影像框的熱資料；處理該熱資料，而只保留該(LFA)測試片區域內之資料、以及其在該(LFA)測試片上之對應位置；將該等被保留的資料分割成一些圖框序列，而產生一 些子群，其中該等子群捕獲緊接個別雷射脈衝之前以及之後的時間之溫度分佈；以及以該等後續圖框減掉該雷射脈衝先前捕獲的前一圖框，因而只捕獲由於該雷射脈衝的加熱所造成之快速改變。
20. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該熱痕跡對應於該生物樣品中之標靶抗體的濃度，且被用於診斷疾病狀態。
21. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該雷射光束路徑是非循序的，且該熱痕跡遵循一單調空間順序。
22. 如申請專利範圍第13項之方法，其中以一線掃描設定檔之形式顯示該熱痕跡。
23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該熱痕跡對應於該生物樣品中之標靶抗體的濃度，且被用於診斷疾病狀態。
24. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該(PTS)讀取器進一步包含與被配置成操作該(PTS)讀取器的該微處理器通訊之一使用者介面，且該使用者介面顯示該檢流計的至少一操作參數、該LWIR檢測器的至少一操作參數、自該 LWIR檢測器接收的熱資料、或以上各項的一組合。
25. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該生物樣品是血液。
26. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該疾病狀態是瘧疾。