TW400432B - Analytical apparatus - Google Patents

Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 技術私辞 本發明係關於一種偵測分析物之裝置，更特別地關於採 用此裝置之方法。 背景#爇

使用表面卵胞體漿遺傳因子共振（s p R)以偵測可溶小分 析物已廣為人知（凊見如"Advances in Bi〇sens〇rs_A

Research Annual Vol 1· 1991” Ed. A P F Turner, Pub. Jai

Press Ltd，London)。 簡單地說，SPR裝置一般包括一產生偏光之光源；一感 應器，其外部有金屬塗層，並可與一樣本溶液接觸，及用 以偵測自内感應器表面加以内部反射之光線裝置。 右我結合之分析物出現，光線完全以樣本溶液與感應器 之折射率（RI)的入射角特徵進行内部折射，一特定内射角 (•SPR角|)上，由.偏光之内部反射引起之消散波與金屬之 互相作用’造成所反射光線強度之降低，此降低現象可使 用光偵測器加以觀察。 消散波區内分析物對偵測器表面之結合，改變了感應器 之折射率’且這將微優到S P R角，此微擾可使用光感應器 加以觀察，並與分析物之表面濃度相關。 文獻中之S P R偵測’ 一般限於配合可溶分子尺寸分析物 使用’例如使用適當配位體特定結合消散區内之核酸與蛋 白質等之生化分子。 PCT專利申請案第w〇9,005,295號，美國專利第 5,485,277號及由？^以1丨112等人所著作且刊登於1996年 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇χ 297公釐） ---------1----^---..訂------^ {讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局—工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 1〇月 1 曰之光學通訊（Optics Communications)"第 130 卷4/06號第260-266頁之"用以決定使用SPR光譜學之薄 膜之厚度及介電常數之雙色方法"敘述了不同種類之SPr裝 置，美國專利第5,43 7,840號則敘述—裝置，其並非基於 S P R且藉由偵測折射率或共振頻率之變化而決定分析物之 含量。 然而’上述這些裝置及技術，並不適合以該處中乏可溶 及不可溶分析物精確地偵測樣本材料，尤其是，由於較受 限制I方式’其中（如）數微米直徑之大致呈球面細胞與消 散區相互作用，使用S p R僅能測出相當高之濃度（如丨〇7_ 1 〇8/毫升）’因此’為了偵測出細胞，相對於（如）蛋白質 抗原’需要有進一步之裝置，因此亦需要更高成本'時 間、及實驗，譬如細胞經常利用培養物技術，接著用特定 之偵測法加以偵測。 本發明之描示 本發明揭示了 一表面卵胞體漿遗傳因子共振裝置，用以 偵測單一顆粒分析物，該裝置包括： (a) —感應器，提供一能夠結合該分析物之金屬化表面； (b ) —光源，能夠在感應器表面上產生一消散波； (c ) 一债測器，用以偵測由結合於感應器表面上之單一顆 粒分析物所散射之光線。 孩偵測器較佳係位於該光源所發出光可射至之該感應器 表面之相反侧上。適宜的感應器為載玻片（s丨i d e s )。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公整） (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝. 訂 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 可能之分析物可包括了含有或由生化分子組成之顆粒或 不可溶分析物，如細菌或其他細胞、抱子、病毒或病毒粒 I等’或如蛋白質或多核甞酸等生化分子本身可能之細 菌目標包括Cryptosporidium、大腸桿菌、沙門氏菌等。 該裝置較佳係包括-第二偵測器，能夠偵測自該感應器 表面内部反射之光源的光線。 該裝置可因此配合廣泛疑似或已知含有分析物之樣本使 用，譬如水或生物樣本等環境樣本。 廣義而言，該裝置以下列方式作業：使料，第二侦測 器係以偵測自感應器表面内部反射之光強度變化，測得可 =分析物結合至感應器表面，而第_偵測器係藉由偵測該 處結5之分析物所散射或射出之光線，對於顆粒分析物缺 合至感應器表面加以偵測，本發明之裳置因而能夠敏銳地 偵測可溶及顆粒分析物’並因此提供了一更快更經濟或更 敏銳地相對本技藝中目前使用方法與裝置之替代方〆 務必強調該裝置中偵測器之不同功能，第二偵 =器之配 置必須能偵測從感應器表面加以内部 | ^人剛光線，此夹總 之強度依據當分析物（尤其是可溶分析物）結合 表 面上改變了感應器/樣本介面之折射率時，所發 效應’偵測器可為-如下例中詳述之2_D陣列僧叫器 相反地，第-嫌將偵測從分析物散射或二: 之光線（視需要可藉由螢光），其與於咸 ”、、為射出 場相互作，，這可能比起純粹用對與= SR所獲得之結果，提供了 —高出數次方量值之 -6 本紙張尺度適财關家鮮（CNS) M規格（21GX297公楚j〜 ----_____ ^^ --IT------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 顯然所使用第一偵測器之本質將決定該偵測之敏感度及敏 銳度，但較佳實施例中，結合至消散區内之單細胞可利用 第一偵測器加以偵測及分析’同時可溶分子之大量妹人咬 應可用第一偵測器加以偵測。 第一偵測器較佳為一攝影機（如一充電聯結偵測器[c c D ] 攝影機）’但任意種類適用於偵測從分析物散射或射出光線 之光偵測器皆可使用，如2 - D二極體陣列、倍光器等。 於一實施例中，第一偵測器位於與光源相同侧上，以能 夠當該處結合一分析物時’偵測反散射或射出之光線。 此處使用之"光源"代表任意之幅射光源，包括當情沉適 合時，附接至一遠幅射源之一光纖。 另一不同實施例中，第一偵測器位於與光源偵測器相反 側上，以能夠當該處結合一分析物時，偵測散射或射出之 光線。 ％ 兩情況其中任一者中，可能需要令第一偵測器之位置能 夠測得以一預定角度散射或射出之光線，例如常見情^

下，射至感應器表面，這將使從表面内部反射光線之干平 達到最小。 V 通常感應器組將包括一稜鏡或半圓柱，如S p R技藝中所 熟知，感應器组適可接收提供金屬化表面之可脫離=感應 器，該適用裝配方式可簡易地，以提供一般區域以安ϋ' 滑板等足感應器而加以構成，或該滑板可具有特殊形狀或 構造，以將其接收，如槽中或適當尺寸之井中。 3 該組或感應器可另外適可形成所有或部分之流通道之一 ( CNS~Ta4^ ( ζΓ〇Χ297^ ) 'I I ； 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（5 ) 壁，通過該處之-液體樣本可與金屬化表面液體接觸，包 含此一流通道之裝置形成了本發明之第—型態之一實施 例。 金屬化感應器表面較佳加以適用裝配或不然則加以功炉 化，以有助於特別使生化分子結合至該處之高分子固^ 化二譬如該感應器可具有一親水性右旋糖酐表面，抗體可 接著固定化至該處，以特別結合抗原分析物，另一^式 為，可固定化-多核芬酸探針以特別結合一多核芬酸分: 如抗體等較佳僅結合至表面之斷續部，以方便偵測當分 析物結^至該處時所教射或射出之光線，當將斷續亮區二 於未有子結合至其之表面暗部加以對比時，這些部分 可能接著以第二偵測器觀视（及可能進一步加以解像）。刀 該表面可有多於-型之高分子固定化至該處，以特別結 合多於-型之抗原，如抗體之不同型可結合於已知之斷： 區域中，以方便地判別特定結合之抗原為何者。 本發明之另-實施财，該裝置包括—第二光源，告八 析物結合至該處時’可用此舉增加從感應器表面散射= 出之光線強度，雖然此實施例需要額外之组件，對於光散 射及或螢光，亦具有光源可加以最佳化之優點（如波長 對感應器表面之入射角、強度）。 可能需要將第二光源定位，以使葬忐筮 以便猎由罘一偵測器加以偵 、自該處射出之漫射光量達到最小化。 ’、 此舉之達成可藉由將第二m位，使該處射出之 A7 B7 五、發明説明（6 ) 麵濟部中失樣隼局員工消費合作.杜印製 沿相同光徑行進，但與自感應器表面加以内部 一 偵測器之第一光源為相反方向，如下列附圖所示。 /悉本技藝者可選擇使用之單一或多數光源而不帶有不 負擔，為了使強度且因此之敏感度盡量達到最大化， 孩所有或各光源可為—雷射光源或光射二極體。 本發明之第二型態中 掘 ^ ,^ 宁揭777 了一於樣本中偵測分析物之 万法’包έ將-裝置之感應器表面如上述曝露至該 邊刀析物可接著藉由第一或第二偵測器加以偵測。 譬如，藉由從感應器表面加以内部反射之 ^可制樣本中之-可溶分析物，藉由從結合至咸應器 表面分析物所散射或射出光線之㈣，可_樣本^之: :分，物’該裝置之配置方式較佳使其可同時偵測可溶 或顆粒分析物。 適可固定Κ貞測器之裝置可包含—夾或钳，定位接收 及或其尺寸得以接收如一攝影機及相關光學器材，使立可 偵測從感應器表面散射或射出之光線，該夾或鉗可以1預 ^万式移動，以當位於適當位置時，便利第二偵測器之功 月匕，以如使其得以對焦。 該裝置較佳適可固定第一偵測器，使其得以债測以預定 角度如大致垂直一射出至感應器表面之光線。 孩裝置之第二偵測器亦可適用以譬如接收第二光源，該 ，用万式使第二光源於適當位置時，將其設定為藉由自立 ，而'第二偵測器之干涉達到最小化，如上述。 罘五型態為—設有金屬化I面並適用於上述裝置之感應 請 先 閲 % 背 面 之 注 意 事 項 再 会 裝 訂 線 9 >><297 公釐） A7 B7 五、發明説明（7 ) 器，並特別使光線得以傳送至第—偵測器， 尔1貝剩器，如上述，該感 應器可包含-載玻片，且該表面可於斷續段中加以功能 化。 附圖 圖1顯示將於範例1中詳述、用以偵測—可溶或顆粒分析 物之表面卵胞體漿遗傳因子共振裝置之一示意圖。、刀 圖2顯示範例1中完整儀器之一方塊圖。 圖3顯示可如何使用該裝置以偵測多重分析物，圖與 3 (b)以示意方式顯示光源、半圓柱（加上偵測表面）、及 C C D陣列偵測器，圖3 ( c )顯示C C D陣列之細部。 圖4顯示將光線自半圓柱感應器之金屬化偵測表面散射之 結合粒子，該光線可由一攝影機（未圖示）加以偵測。 圖5顯示來自於銀表面上之細菌粒子之散射；光點表示來 自Erwinia herbicola之散射光線。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 、-=5 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 元件符號說明 10 C C D攝影機 28 可見雷射二極體 12 聚進透鏡 3 0 C C D陣列 14 半圓柱 32 攝影機 16 聚進透鏡 34 監視器 18 視準透鏡 3 6 樣本 20 光束分相器 3 8 光源 22 偏光透鏡 4 0 聚焦透鏡 24 光源 42 半圓柱 26 參考偵測器 4 4 視準透鏡 -10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 五、發明説明（8 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 46 C CD陣列 48 多重偵測點 50 偵測表面 5 2 光源 54 偵測器 範例 葱用以偵測一可^析物夕 搜子共振跫冒 圖1顯示用以偵測一可溶或顆乒八4 义稍釦为析物足表面卵胞體漿遺 傳因子共振裝置之一示意圖，可由熟悉本技藝者加以建造 (根據本揭示），圖2顯示該裝置之組件之—方塊圖。 若需要時可重新配置此系統，譬如若需要時，可將偏光 透鏡配置於半圓柱之後方。 現印考量圖1，到第一偵測器之光徑（，c C D，）從左方上之 光源通過光束分相器（其將一部分分相至該參考偵測器）， 通過一偏光透鏡及聚焦透鏡，離開半圓柱之内表面，通過 视準透鏡並進入c C D陣列。 该光技以示意方式顯示於圖3 (a)中，可使用一延伸视準 源以在入射角範圍上連續照亮半圓柱表面，如圖3 (b)所 示’該C C D陣列由個別光源感應器之一格點化陣列组成， 如圖3 ( c )所示，各偵測一不同反射角或用以偵測一不同樣 本分析物（此情況中為4不同樣本），這使其得以快速監视而 不必移動元件。 現請考量圖1，到第二偵測器之光徑（· C C D ’攝影機）從左 56 58 60 62 64 C C D陣列 樣本區域 抗體 金屬表面 光線散射 _面卵胞體荦播 抽衣----.---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐〉 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 f上之光源通過光束分相器（其將一部分分相至該參考偵測 器），通過一偏光透鏡及聚焦透鏡，並到達半圓柱上。 此實施例中，藉由來自右侧可見雷射二極體之光線增補 強度，其行進離開c c D陣列並通過右侧視準透鏡到達半圓 柱上，半圓柱上金屬化表面上產生之消散場造成該處結合 之顆粒如圖4所示般散射光線，所散射光線透過—透鏡聚 焦並由該c C D攝影機加以偵測。 當然粒子若使用熟悉本技藝者所知之試劑（如螢光黃）及 方向，以螢光方式加以標示，則當消散場激發粒子時，該 C C D攝影機可偵測所射出之光線。 建造根據範例1之裝置可依照既有SPR機器，但同時設有 上述之額外组件，其中機器及舨件可為目前市售之項目， 譬如光源可有利地為如光纖通訊中所用之緣射L E D (如 EG&G類型S86018)，可使用一穩定化電源供應器以盡量 減少人工製品。 感應器可為金屬塗層顯微鏡滑板（或相似厚度介電），其 以相似折射率之流體分度配合到半圓柱上，可磨去一部分 半圓柱以容納滑板。 该C C D陣列（具有約2 0平方微米之，格點，）可為一發展用 表攝W機之類型’藉由將一樣本區域列傳到一讀取計或列 記錄器達成自CCD之讀取，可使用相關雙抽樣（CDS)以消 除雜訊，類比輸出可藉由ADC通到一數位訊號處理器，適 嘉之處理器為一類比裝置ADSP-2105，這樣可透過一雙向 性平行埠與一外部個人電腦主機溝通。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2I0X297公釐） I n n tn n tn n I n I n I d n i— T n I— n I n II U3 ·-卩 备 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _____ B7 i、發明説明i 1〇) ' ~~~ CCD攝影機可為一傳統市售如（曰本）Hamamatsu銷隹 者。 範_例2 :表面卻胞體f i青傳固共振奘g乏祛m 士1 使用時，為了修正沿视準光束之源強度的差異，實驗前 可進行一校準，感應器表面接著曝露至單一或多數樣本，* 主機透過使用反射率相對角度掃瞄加以選擇監视角，接著 對一設定時間長度獲取資料’並由個人電腦主機加以= 示。 範例3 :使用第二俏測器偵測顆耘公畔物 為了顯示光線散射技術，—玻璃顯微鏡載玻片塗有銀， 以達到最佳表面卵胞體漿遣傳因子共振（4 8毫微米），接著 該滑板安裝至一玻璃半圓柱棱鏡上，並以3毫瓦氦_氖雷射 照射，該滑板覆蓋一層於磷酸鹽緩衝鹽溶液中之1 χ 1 〇 6/ 毫升濃度細菌（Erwinia herbicola)之薄膜。 接著細菌得以吸進銀顯微鏡滑板之表面上，S p R表面上 方來自CCD陣列之輸出為一具有256階亮度之正常攝影機 輸出’銀表面上方之觀察顯示了開始時，C C D攝影機上之 所有格點出現一低讀數（1-2〇)，且該表面顯得黑暗，當細 菌迫近表面時’特別與表面上帶有細菌區域校準之格點之 cTc度增加’由表面上細菌所散射光線加以記錄之最大亮度 值為2 3 0表面之外觀為一具有與表面上細菌相關之亮點 其一暗背景（請見圖5 )。 作為控制之用，使用一層不具有細菌之磷酸鹽緩衝鹽之 薄膜’以覆蓋相似顯微鏡滑板之銀表面，此時，未觀察到 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇x 297公釐） 奸衣------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（11) 來自表面之散射。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_ !訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 4004S2 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 夂、申請專利範圍 h —種表面卵胞體漿遗傳因子共振裝置，用以偵測—單一 顆粒分析物，該裝置包含：（a)—感應器，用以提供一能 夠結合該分析物之金屬化表面；（b)一光源，能夠在感應 器表面上產生一消散波；（c) 一偵測器，用以偵測由結合 於m感應器表面之單一顆粒分析物所散射之光線。 2. 如申請專利範園第1項之裝置，其中該偵測器係位於該 光源所發出光可射至之該感應器表面之相反侧上。 3. 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該感應器包括光學 聚焦裝置。 4·如申請專利範園1或2項之裝置，包括一第二偵測器，能 夠债測自該金屬化表面内部反射之光源的光線。 5. 如申請專利範圍第i或2項之裝置，其中該偵測器為一攝 影機。 6. 如申请專利範園第丨或2項之裝置，其中該偵測器係定位 以使其能偵測散射或以一預定角度射至感應器表面之光 線。 7_申請專利範園第丨項之裝置，其進一步特徵為其包含一 第二光源，用以增加自結合至感應器表面分析物所散射 或射出之光線強度。 8. 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該第二光源係定位 以使自該處傳送之光線沿相同光徑行進，但與來自第— 光源從感應器表面内部反射至第一偵測器之光線反向。 9. 如申請專利範圍第7或8項之裝置，其中該第二光源將不 同波長之光線傳送至第一光源。 ---------^-------1T------.ii (#先閱讀背面之注意事矽再填寫本頁)

   400432 AS B8 C8 D8 7、申請專利範圍 ίο.種偵測單一顆粒分析物之方法，包含： (a)將該分析物結合至一感應器，該感應器包含一能夠 結合該分析物之金屬化表面； (b )提供一能夠在感應器表面上產生一消散波之光源； (c)偵測由該分析物散射或射出之光線，該偵測係於光 射入之感應器表面之相反侧上進行。 11.如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該分析物係自下列 中選擇.一原核的（prokaryotic)細胞；一真核. (eukaryotic)細胞；一病毒或病毒粒子蛋白質；核酸。 (請先閲讀背面之注意事項真填寫本貫) -----装· ·"·* 線. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）