TW541417B - Dual beam FTIR methods and devices for use in analyte detection in samples of low transmissivity - Google Patents

Description

1541417 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 )【發明領域】 本發明之領域係為分析物檢測與定量。【發明背景】 例如血液或血液衍生產品之組織或流體的生理樣本之 5刀析物核測’對於今日社會總是具有逐漸增加之重要性。 分析物檢測分析法找到在各種應用之使用 ，包含臨床實驗 至測4、豕庭測喊等，其中這種測試之結果在診斷與管理 各種疾病狀況下扮演著卓越角色。吾人有興趣之分析物包 含醇類、甲醛、葡萄糖、麩胺酸、甘油、P_經丁酸鹽、L· 礼酸鹽、売胺酸、蘋果酸、丙酮酸、類固醇、抗壞血酸、 丙酮與其他酮體、葉酸、4、膽紅素、肌酸酐、血紅素、 脂質、苯基丙胺酸、蛋白質（包含白蛋白與球蛋白）、三酸 甘油脂、尿素，與濫用之藥物和藥品❶如此，分析物測試 對今日社會具有增加之重要性。 當可利用各種方式監視血液分析物之濃度時，具有增 加興趣的係為監視血液分析物之濃度的非侵入性方法。舉 例而言，因為其在糖尿病管理之重要性，所以很多研究與 努力已著手發展用以監視血液葡萄糖之濃度的非侵入性方法與裝置。 用以測s血液葡萄糖之一種型式的非侵入性方法，需 要近紅外線光譜學之使用，於其中之近紅外線波長區域: 光通過樣本或從樣本反射，且發射信號係用以導出樣本中 之分析物的濃度。利用近紅外線光譜學以監視包含血液葡 萄糖之血液分析物之一些非侵入性（n〇nMnvasive)裝置葡 ίο 15 20 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]0 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) €

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、發明說明（2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 係為熟習本項技藝者所熟知的，並包含揭露於參考文獻（列 於上述相關文獻段落）中之那些非侵入性裝置。 為了在近紅外線光譜之離散波長區域藉由樣本以測量 光之及收舄要一種分離波長基值（contribution)之方法。 I 5習知技術所說明之這種方法包含濾光輪、繞射光柵參照之 光譜儀、聲光調變濾光器（A0TF)與傅利葉轉換紅外線 (FTIR)光譜儀。如果有興趣之分析物是強烈吸光且可容易 區別光譜，則濾光輪設備可提供足夠的離散波長以允許決 定分析物濃度。，然而，在例如組織中之葡萄糖的情況下（其 10中有興趣之分析物係為複雜混合物中的微弱吸收成分）， 必須分別分析很多離散波長區域（大於1〇,更通常是大於 100)以便測量分析物濃度。 在諸如此類的情況下’可使用繞射光栅參照、A〇tf 或FTIR光譜儀以將光譜分解成多重波長區域。除了測量 15技術之波長解析度以外’用以高度散射例如組織與血液之 樣本的一項重要考量，係為經由光譜儀之光通過量或通 量。·在具有單一檢波器元件之繞射光柵參照光譜儀中，光 谱儀之通過量係與波長解析度成反比。因此，如果要分解 多數波長區域，則到達檢波器之光量將變少。檢波器之陣 20列可用以增加光譜儀之通過量，但此種對近紅外線波長 (1-2.5//m)具有高靈敏度之陣列傾向具有昂貴價位。又， 陣列中不同檢波器元件之校準與漂移，會變成分析物測定 之不準確性的根源。 在AOTF光譜儀中，係藉由調整濾波器而分別測量個 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]〇χ 297公釐） --------^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •線丨i I n 1 .1 541417

別的波長區域。因為並非同時測量全部之光譜，所以樣本 對於時間之改係可扭曲測量的光譜。又，與同時測量全 部光譜之技術相較之下，分別測量波長區域之必要性會導 致光通過量之損失。 FTIR光碏儀係藉由單一檢波器之使用，而提供高光 通過里與咼波長解析度之優點。因此，對於包含分析物之 複雜混合物的低透射率樣本（高散射及/或強吸收）而言， FTIR提供相較於濾光輪、A〇TF肖光橋|照光譜儀之下 的一項優點。雖然近紅外線FTIR裝置與方法在非侵入性 分析物檢測之領域方面顯示大幅之承諾，假如這種裝置要 成為商業上可行的產品，則尚須克服技術障礙。這種技術 障礙包含：儀器漂移，需要超高準確度類比數位轉換器等 等之問題。 --------1----,¾--------II ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 如此，在供近紅外線參照之分析物濃度偵測用之新裝 置與方法的發展方面，存在有持續的重要性。 [相關文獻]雙光束傅利葉轉換紅外線（DB-FTIR)光譜學係說明於 美國專利第4,999,010號公告，並說明於：Beduhn & White，應用光譜學（Applied Spectroscopy)(1986 年）40 : 628-632;Kuehl & Griffiths，Anal· Chem.( 1978 年 3 月）50 : 418-422 以及 P.R·Griffiths 與 J.A.de Haseth，傅利葉轉換 紅外線光譜學（FOURIER TRANSFORM INFRARED SPECTROSCOPY)，化學分析，卷 83(1986 年）John WUey 與 Sons，New York，第 298-3 ] 1 頁。亦參照 FTIR :傅利 線 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]〇x 297公釐） i、發明說明（4)

葉轉換紅外線：固定進化技術（FOURIER TRANSFORM infrared： a constantly evolving TECHNOLOGY)，Sean Johnston, Ellis Horwood，New York，（1991年），第260-274頁。紅外線光譜學參照非侵入 性血液分析物檢測協定係說明於美國專利第：6,〇 16,435 ; 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;以及 4,882,492 號中；其揭露書係於此列入作為參考資料；以及Kl〇n〇ff， 非入性血液葡萄糖監視（Noninvasive blood glucose monitoring)，’’糖尿病照顧（Diabetes Carex1997 年 3 月） 20(3) : 433-7。 【發明之概述】 本發明提供一種用以決定低透射率樣本中的至少一 析物之存在及/或濃度之方法與裝置。在本方法中，順 光束與逆向光束係從至少一紅外線輻射源而由干涉儀所 生或被導人至干涉❹。順向光束係進人樣本巾，然後: 收集以產生樣本光束，而逆向光束係、進人參考物，然 收集以提供參照光束。樣本與參照光束係於光學上再社 ^於單-檢波器受到_之空光束（_ beam)，或在兩° 为離檢波器上㈣後在電子上被清空。樣本中之至少一 斤物^在與通常之數量，_著㈣ ^ 出。本發明亦提供實現上述方法 t· 其衍生物之生理樣=包含須測例如血液、組織; 樣本中的一個或更多血液分析物之存在$ 541417 A7 B7

五、發明說明（S 5 10 15 20 數量。 【圖式之簡單說明】 圖1提供人類前臂擴散反射率光譜（順向光束）、水傳 輸參照光束（逆向光束）、及它們的合成零值（时11)。 圖2依據本發明提供裝置之示意圖，特別是使用於與 八有強政射之光交互作用之樣本。 圖3依據本發明提供裝置之示意圖，特別是使用於盘 具有弱散射與強吸收之光交互作用之樣本。 圖4A與4B提供分別由單一光束(習知方法声 =雙光束簡（本發明）所測量之多種分析物水解液之光 圖5提供由單一光束FTIR(習知方法）與由雙光束 (本發明）所測量之多種分析物水解液的預測與參照葡 萄糖濃度之比較。 圖6提供葡萄糖濃度預測之標準差對於從以單一光束 FTIR(習知技術）與以雙光束FTIR(本發明）技術測量多種分 析物水解液所推導出的因子之數目之示意圖。 圖7A與7B提供在幾個星期期間内，由單一光束 FTIR(習知技術）與由雙光束FTIR(本發明）技術所測量之多 種分析物溶液的葡萄糖濃度（預測對於參照）之示意圖。 【發明之詳細說明】 θ 本發明提供一種用以決定低透射率樣本中的至少一分 析物之存在及/或濃度之方法與裝置。在本方法中，順向 光束與逆向光束係從至少一紅外線輻射源而由干涉儀所產 線 7 本紙張尺度適用中國國家標準（C_NS)A4規格⑵G χ视公£ 541417 五、發明說明（6 生或被導入至+、、牛後+ 光束，而i^丄中。順向光束係通過樣本以產生樣本 先束心向光束係通過參照以提供參照光 照光束係於光學上玉处人 、 ，本-、多 “ ηκ 合成於單一檢波器受到偵測之空光 5 10 15 清：。樣ΓΓ或在兩個分離檢波器上偵測後在電子上被 著從偵測到的空光戾“…、通吊之數置’係接 =述本…:二 =:== 中，首先m 士 里在更進一步的說明本發明 、成月本方法，接著概述本方法 述本發明找到在各種代表應用之使用。代衣衣置與概 步地說明本發明之前，吾人應理解到因為可 此對特疋貝轭例進行變化且仍 範轉内，所以本發明並未受限 ^月專利祀圍之 例。吾人亦應理解到所採用的用：二發明之特定實施 你,*、’土立回用语係用以說明特定實施 例’而亚未圖限制本發明。取而代之的 嚀將由以下申請專利範圍所界定。 月之乾 …在本說明書與以下申請專利範圍中，除非上下 和疋，否則早數參考符號包含複數詞。除非已經清楚定義， 否則於此所使用之所有技術與科學用語都具有與熟習 明所屬之技藝者一般所理解之相同意思。 χ [方法] 如上所述，本發明提供—種用以決定具有低 樣本之至少-分析物的存在與通常是濃度之方法。明^ 20 541417 五 、發明說明（7 10 15 妓本^明係藉由使用傅利茶轉換紅外線（ftir)光譜學， 供-種用以決定樣本之分析物的存在與甚至是濃度之方 八更明確έ之’本方法係為決定低透射率樣本之至少一 刀例如組織樣本之葡萄糖)的存在與濃度之ftir(db-ftir)方法。 在實現本方法時’第-步驟係用以從至少—紅外線輕 =產生順向光束與逆向光束，其中當結合順向與逆向光 會產生一個取消（或清空）的交流信號與一個加倍的 爱流信號。本方法所採用之紅外線㈣，係可從能夠提供 ::望紅外線波長之輻射的任何適當之紅外線輻射源而獲 侍’其中特別重要的波長之範圍大約是從〇 7 # m至3 # m， 通常是大約從1.3/zm至2.4//m。 在個貝化例中，係採用干涉儀以從初始、單一紅外 線輻一射源產生順向與逆向光束。順向與逆向光束之特徵 為·它們在離開或退出干涉儀之時係完全彼此互補。如此， 在離開干涉儀時，$向光束之相位係與順 錯開了 又’、、、:後由干涉儀所產生之順向光束|齊邊啤作束分 別進入樣本與參考物，以產生樣本與參照光務5 20 在另一個實施例中，係採用雙光源以在進入干涉儀 月·』產生順向與逆向光束。藉由使用分光鏡或類似的光學 置’雙光源可能源自於單一光源。接著，順向與逆向光 分別進入樣本材料與參考材料，以產生樣本與參照光束 然後’將樣本與參照光束導入干涉儀。 在某些實施例中，順向光束所進入之樣本係為一種, 9 本紙張尺度適用中國國家標準公髮) 541417 A7 五、發明說明（8 射損m超n的約低透射率樣本，所指的是特徵為高輻 m丄 約8〇%，通常至少大約更通當 5 析之低读春9<9/°之輻射損失）之樣本。可依據本方法作分 皆具之樣本于率樣本可能為屬於高度吸收、高度散射或兩: 是自能用以分析各種不同的樣本。這些樣本可能 表樣本包二 之代 10 之特定樣本材料包含:固二:體。重要 訂 二物、薄膜(特別那些包含例如酵素、油漆 '、 于或物理塗層之重要的微量分析物）、液體i σ 油及其各種包含燃料油與汽油之蒸館物) ::時)合石(例如錢石’特別是當其乃以粉末狀型式 15 = i體工業廢物、自然與合成纖維、小㈣他 二乳路製品、蛋、肉與其他食物、液體與固體 肥科爿與其他湖㈣沈積物、以及組織標本。在本方法 =實:：中，樣本係為一種生理樣本。所謂的生理樣 有機體、從活的多細胞有機體獲 20 == 在多數實施例中，樣本係為-種 、，且、，我k本或其仿生物。在其他實施例中，樣本係為—種例 二血：：其衍生物之生理流體樣本。依據使用的特殊協 疋’樣本可能為從樣本所衍生出的多細胞有機體之—部份 或與多細胞有機體分離。 參考物可能為任何種類的材料或其複合材料，其在結 10 本紙張尺度_ 準（CNS)A4祕⑵Qx 297公复）|_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 JM417 gr- _____________IJi —__ 五、發明說明（？） - --- 光束夕時’提供清空樣本光束之非樣本成分之至少之 卩知（在夕數實施例中，實質上是清空所有樣本光束之 數樣本2分）的參照光束，如以下所述。只要滿足上述參 5改變則3::或細胞之本質可能隨著樣本之本質而大幅 夕數具施例中，參考物將是一種含水成分，其中 之f分可能為純水、水溶液或水分散體。在樣本係為組織 之A施例中，參考物可包含純水或水（包含一個或更多存 在於例如代謝物、蛋白質、脂質、核酸等等之組織樣本中 10 成分’與其他摹擬組織之散射品質之散射成分(例如摹 心、且、、哉之政射特性的試劑）。在多數樣本係為組織之實施 例中、，參考物包含以水作為主成分之固體材料。當參考材 料係為一種流體成分時，其一般係存在於適當的容器裝置 I:適當的容器裝置包含那些由矽、氟化鈣、紅外線級溶 15凝氧化矽（mfrasl1)、晶體石英等等所製造的容器。 在所本方次中所採用之參考材料可能為一種包含於具 有可變路fe長度或固定路徑長度之細胞中的流體。當參昭 細胞具有靜態或固定路徑長度時，參照細胞之路徑長度（亦' 即，當逆向光束行進經由參照細胞時，逆向光束通過的距 離)-般至少大約1 5"m，通常至少大約是1〇〇"m，而 20更通吊至少大約是1公釐，雖然距離可能如i公尺那麼長 或更長，但在多數實施例中，⑬離並不超過大、約1公分且 通吊亚不超過大約2 &釐。當參照細胞具有可變路徑長 度時，參照細月包之長度一般係可調整至一樣大小，而在某 些實施例中，參照細胞之長度一般係可調整超過至少大約 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -----I______ 丨.------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-------------線 541417 Λ7 B7 五、發明說明（⑺ 10 15 20 是1公分’通常至少大約是1公釐，而更通常至少大約是 H)—之距離。如此，路徑長度可改變至大小之等級一 樣。然而，在多數實施例中，路徑長度即使改變也改變_ 個因子，此因此-般並不超過大約1〇〇%，通常並不超過 大約30%，而更通常並不超過大約]〇%。 或者，參考材料可能為一種固體散射材料。參考材料 之光學散射與吸收特性可能與樣本之光學散射與吸收特性 相匹配。、關於例如組織之樣本，參考材料可能為-種以水包含多重分3:。：=:另;::參考材料可能 ♦例而§，可旎耩由傳送與反射逆向 光束經由各種材料而產生參照光束。 ϋϋίΐ施例中，於此時點所作之調整係用以使兩個 纖： ;芬==::=鳒 與樣本光束。所謂的，，最佳零值”意指清空比率 =:::Η 擊佳清空比率，可作SSf )。為了達到最 /或在再結合或對.㈣參壯胞路徑長度及 -、準至早一工光束之時，調整重疊之樣本 n — — — — III n I ! · I I I I . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) II訂---------線 I---- w 本纸張度適用 12 541417 A7 五 10 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 社 印 製 20 、發明說明（"） 與參照光束；藉由使用可變衰減器（在本領域中一般所知 的可變衰減器之兩個例子為：圓形梯度金屬塗佈衰減器與 爪形衰減杰）’調整樣本或參照光束之強度；以及調整參 考材料之成分（譬如，如果參照細胞包含多重成分，則改 變參照細胞之成份的相對濃度）。當調整參照細胞路徑長 度時，其可被調整至大小之等級一樣。然而”在多數實施 例中，大小芝5周整一般並不超過大約1公釐，通常大約是 0.5公釐，而更通常大約是5〇微米。 本方法之下一個步驟係用以偵測空光束。於一個實施 例中，參照與樣本光束係於檢波器前之點以足以產生空光 束成單一光束，#中空光束之特徵為：非分析 物仏参养至少一部份不存在（亦即，它們已被抵銷）。 一般而言，光束係藉由使用例如反射裝置、分光鏡/準直 官、光纖元件等之任何適當之光束引導裝置而再結合成單 二光束又參知與樣本光束可能分別受到彳貞測以及電 子結合。在本發明之冑光源實施射’ #照與樣本光束係 注入至干涉儀之順向與反向埠中，然後偵測輸出光束。 在檢波器偵測光束以後，下一個步驟係用以導出關於 樣本中之有興趣的一個或更多分析物之存在（與通常數量） 的資訊。於此步驟中，偵測到的交流信號—般會被放大， 而信號之直流成分會退回，信號之交流成分係藉0由使用ad 轉換器而從類比信號轉換成數位信號，與合成的數位信號 係由電腦處理以提供關於存在樣本的分析物中之存在^ 度之資訊。 & (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 鐮 線丨# 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公爱） 541417 Λ7 B7 五、發明說明（Λ? 纖個!束，度在單-檢波器上呈現平衡 10 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 20 消 費 合 社 印 製 的减嫌峨，可能, 、並結合順向與逆 束。電子信號可藉由使^%^器而結合。於本實 =例中，如果欲達成高清空比兩個檢波器之頻譜 θ應類似是很重要的。在本發明之又另-實施例中，可使 用雙光源與兩個檢波器。 上述方法可能藉由使用任何適當裝置而實行，此適當 =能狗提供必要的順向與逆向光束，支持興趣之樣本與 ^物，並使參照與樣本光束再結合進入空光束。以下將 更砰細說明適合使用在實現本發明之代表裝置。[裝置] ~ 、吾人發現實現本方法用的本發明之裝置係為具有至少 下述疋件之裝置：⑷紅外線輻射源；⑻用以產生順向盘 逆向光束或將順向與逆向光料人至干涉叙干涉儀裝 置’⑷參考材料；⑷取樣設備或裝置，例如容器，或取 決於樣本之本f的其他裝置；_以從參照與樣本光束 產生空信號之裝置；以及⑴檢波器。此裝置可更包含發 :::見本發明用的一個或更多的額外元件，例如類比數‘ H(ADC)與數位資料處理或計算裝置等。現在將分 更詳細地從圖2與3(概要說明依據本發明之代 ^ 角度說明本裝置之這些構成部分。 、' 在圖2與3中’裝置20包含紅外線輕射源21。只要 能夠放射具有興趣之波長光謹的紅外線光（亦即，具有大 約〇·7至5〇微米波長範圍之光），紅外線輕射源訪能為 14 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵〇 χ 297公楚） 541417 Λ7 __ 137五、發明說明（Θ ) 10 15 20 任何之適當光源，包含白光源、加熱式燈絲、金屬碳化物 桿等。 在圖2之裝置的情況下，亦存在於裝置20中的係為 邁克森（Michelson)干涉儀22，其能夠接收光之順向光束32 與逆向光束33，而在圖3之裝置中，其能夠轉換來自紅 外線輻射源2 1之光3 1的入射光束並將其轉換成順向光束32與逆向光束33。邁克森干涉儀一般包含分光鏡22a、 移動鏡22b與固定鏡22c，以及用以將順向光束引導進入 或離開干涉儀之任意之額外鏡。圖2中亦顯示有光學組織 取樣器24、可變路徑參考23與檢波器26。 一參見圖3之裝置，干涉儀22之分光鏡22a產生順向 光束32與逆向光束33。順向光束32係朝一個方向被引 導離開干涉儀，而逆向光束33係沿著來自輻射源21之入 射光的路徑被引導離開干涉儀。逆向光束並不需要與入射 光之路徑重豐。舉例而言，如果使用角隅稜鏡光學元件以 取代干涉儀之固定與移⑽，則逆向光束路徑會偏離入射 光之路徑。於此情況下，可在不需要分光鏡的情況下收集、力：光f 具有下述優點：在收集逆向光束時， 射光幽且相較於單一光束方法，所收集的光 係為兩倍。一種設置供干涉儀鏡用之角隅稜鏡光學 =提供簡易存取逆向光束之商業干涉儀，係為β〇_任何適當的干涉儀亦可採用，其中適當的干 Ϊ儀^。·在Per — er胸FTIR光譜儀所找到之干 ----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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x n ffi I III. 本紙― 541417 Λ7 B7 10 15 20 五、發明說明（/《） 仍然參見圖3所示之裝置，分光鏡25係被設置於與 離開干涉儀時之逆向光束相同的輻射源入射光束。分光鏡 係足以再引導逆向光束之一部份離開入射光路徑，俾能使 退出干涉儀之逆向光束之至少之一部份可被引導經由可變 路徑長度參照細胞23。一般而言，分光鏡25係為3%反 射鏡，通常至少是1%反射鏡，其中分光鏡可反射最多達 大約M)%或更高，但是一般不會超過大約5〇%。任何適 當的分光鏡亦可採用，例如無塗層的CaF2，局部金屬化 之玻璃或石英等等。然後，藉由使用例如反射鏡、鏡等之 任何適當裝置，將逆向光束之再被引導的部分引導至參考 材料。 ^在許多實施例中，可變路徑長度參照細胞23係為可 變路徑長度水細胞，其中存在參照細胞之水的成分可以或 無法包含如所希望之例如蛋白質、脂f、代謝物、糖等之 頜外成刀。可旎存在本裝置的可變路徑長度水細胞之代表 例子，係、為與氟化㈣密接之可變路徑長度傳輸水細胞。 多’’、、光束34 可變路徑長度參照細胞顯現。逆向光束與 參照光束係透過抛物面反射鏡41a與4lb與鏡4u之使用 而被引導。 理想上，參考材料之光學特性將緊密配合樣本之光 特性。舉例而言，在樣本係為組織的狀況下，逆向光束可 =引導進人高度散射的參切料（發散之反射光係從龙 =收集並被使用作為參照光束)。除了被高度散:、 參考材料可包含類似於水的吸收特徵，且亦可包含例如那 (___ 16 本紙張I度適用中國國家(CNS)A7i：ir^Q χ挪~ --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

毯濟部智慧財產局員工消費合作社印製 541417 五、發明說明（/5 ) 些由於膠原、彈力蛋白與脂質以更進一步地配合組織特性 之其他吸收特徵。包含水、膠原、及/或許其他材料之膠 貝材料可作為一種適當的參考材料。為了達到最佳之配 合’可調整水與膠原内容與參考材料之其他成分，以配合 5待檢查之特定組織樣本。 使參考材料之光學特性匹配例如組織之複雜樣本之光 车特（'生的替代方法’係用以傳輸及/或反射逆向光束經由 夕重材料。舉例而言，可將逆向光束傳輸經由兩個可變路 4二長度細胞’一個包含水而另一個包含水中之脂質，然後 1〇反射並收集來自散射材料之發散之反射光。包含傳輸細胞 之水與脂質之路徑長度，係可被調整以配合樣本之光學特 性。 在由分光鏡25c引導之後，順向光束32係藉由拋物 面反射鏡42而從干涉儀被引導至包含待分析樣本之樣本 15容器24。樣本容器可隨著即將包含於其中之樣本的本質 與所抓用之參照的本質而改變。由任何適當材料所做成的 任何適當樣本容器構造都可能採用。在多數實施例中，樣 本容器係為組織樣本容器，或用以將順向光束引導至組織 樣本之衣置樣本光束3 5係從樣本顯現，並被抛物面反 20 射鏡42b與鏡42c所引導。 光纖裝置特別相當適合於傳送與收集來自組織與其他 散射材料之光。順向光束一般是聚焦至單一光學纖維或— 綑纖維之上，以使輸入光束之焦點適當匹配於單一纖維或 數綑纖維之數值孔隙。在有興趣之光學區域中，纖維材料 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

訂---------丨------- 17 541417 Λ7 B7 10 15 20 五、發明說明（％ 本身實質上應該是透明的。為了有效地引入光，單 或數綑纖維接著變成與樣本相當接近，或者最好是變成直 接與樣本接觸。然後，以分離之單一纖維或數網纖維收集 引入的光。收集綑一般是環狀配置，並包圍輸入纖維。又， 收集纖維或綑可能被中心地.配置在輸入纖維之環孔之内。 輸入與收集纖維亦可被配置成隨機或有序之袼子。作為辦 加光通過量之助手的是，可能以相對於樣本之平面之非^ 直角而配置輸入或輸出纖維。不透明的屏蔽可能置於輸入 與輸出纖維之間並與樣本㈣，用以在不需要最先通過樣 本的情況下，避免光直接從輸入纖維通過輸出纖維。 如圖3所示，參照與樣本光束34與35接著分別於第 二分光鏡25b再結合，第二分光鏡25b可以是或可以不是 與第一分光鏡25相同型式之分光鏡。分光鏡2讣係為一 個足以再結合樣本與參照光束以產生空光束之分光鏡。 又，參照與樣本光束可能在沒有分光鏡的情況下，直 接再結合於檢波器之表面上。直接再結合之適當方法係用 以使利用光纖取樣器而獲得之參照與樣本光束相當接近檢 波益或直接與檢波器接觸。只要樣本與參照光束之強度配 合良好，且檢波器面積係等於或大於被樣本與參照纖維所 照明之面積，就可達到優越零值。 在圖2所描繪之裝置中，順向與逆向光束係藉由使用 單一光源與分光鏡而在干涉儀之前產生。關於圖3所描繪 之裝置，順向與逆向光束分別與樣本與參考材料進行光學 父互作用，以產生樣本與參照光束。然而，與其如圖3所 18 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】0 X 297公釐） ^--------t---------線丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541417 五、發明說明（，7 ) 描繪之裝置是在干涉儀之後再結合樣本與參照光束，吾人 寧可現在藉由將兩個光束注入至邁克森干涉儀之兩個蜂而 將樣本與參照光束結合在干涉儀之内。 在圖2與3兩圖所描繪之裝置巾，出射空光束36係 5接著隨便經由將空光束聚焦至檢波器之上的透鏡26a而被 引導至檢波器26之上。此檢波器係為能夠將入射空光束 轉換成類比信號之檢;皮器M壬何適當的檢波器，亦可採用， 其中適當的檢波器包含氧化銦錫鎵砷化物（InGaAs)、氧化 銦錫録化物（InSb)、鎵等等。 1〇 纟生類比信號之檢波器之交流成分係接著藉由放大器 27而放大，同日’剔除直流成分，其中放大器之增益係 被設定成以填滿亦存在於裝置中的類比數 “。任何適當之放大器都可能存在此裝置二、;=) 之代表放大器包含：AD 797等等。此ADC可能為任何適 15當的ADd為裝置之本f，此屢不需要是超高準確 度之jDC。如此，此ADC只需要是16位元之ADC。然 後，錯由例如計算裝置（能夠得到數位信號並求出存在樣 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本的分析物之存在和通常數量）之資料處理裝置Μ以處理 ADC之數位式輸出。 20 處理數位信號之較佳方法包含下述步驟： ⑴可選擇的初始步驟：從與順向光束之樣本和參照 光束之背景材料比較的雙光束樣本干涉圖譜，減去盘順向 和逆向光束兩者之背景材料比較的雙光束背景干涉圖謹， 而產生校正的雙光束樣本干涉圖譜。 19 )41417

10 15 製 所校（2)傅利葉雙光束樣本干涉圖譜之轉換（如在步驟1中 譜Γ正的或未校正的）’使干涉圖講轉換成雙光束樣本光 續步現可選擇的初始㈣1的情形而定的可選擇的後 傅^葦.與受到阻礙之順向光束和逆向光束之樣本比較的 本光ί早一光束樣本干涉圖譜之轉換’而產生單一光束樣 偽吸光束樣本光譜之對數，而產生雙光束樣本 βο (5)視步驟3的情形而定的可選擇的後續步驟：計算 早一光束樣本光譜之對數，接著從雙光束樣本偽吸收率: 瑨減去這個光譜，而產生雙光束樣本吸收率光譜。 (6) 吸收率或偽吸收率光譜乘以比例函數（scaled function)，而產生比例吸收率光譜。 (7) 從比例吸收率光譜減去平均光譜，產生以平均值 為中心之比例吸收率光譜。 (8) 在以平均值為中心之比例吸收率光譜中之每個光 譜點乘以迴歸係數。 (9) 合計所有光譜點之步驟8之結果，而產生樣本的 20 分析物濃度之預測。 比例函數、平均光譜與迴歸係數係在校準階段期間決 定。校準階段包含測量已知其分析物濃度之樣本的雙光； FTIR光譜。比例函數、平均光譜與迴歸係數係以下述方 式決定：使已知分析物濃度與從雙FTIR光譜所預測之分 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】〇x297公釐） -----.—^---------線 —Φ------------------------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541417 Λ7 ~~"~" -----_— 五、發明說明（/f ) 析物/辰度之間的差異最小化。用以達成這個的技術係為此 領域所熟知’並包含局部最小平方與主要分量迴歸。這兩 技衔係在書籍多元校準（Multivariate Calibration)，， H.Martens 與 T.Naes，Wiley 與 Sons，New York (1989)中有 5 深度探討。 上述衣置可此為實驗室規模之裝置，或被小型化以供 例如醫師診療室、家庭使用等之領域使用。[效用] 本方法與裝置發現在各種不同的應用中之使用，於其 中希望偵測並測定低透射樣本中的一個或更多分析物之濃 度。如此，本方法與裝置發現以下之用處：偵測多種不同 3L式之樣本（例如環境樣本（例如土壤或水）中之污染物或 毒素、農產品與食品之毒素或病菌）中的分析物；偵測工 業製π口中之雜質等等。特別感興趣之一項應用係為使用本 方法與裝置，以偵測例如血液、組織或其衍生物之體内戋 體外生理樣本中的一個《更多血液分析物之存在。 各種的分析物可能藉由使用本方法而受到偵測，其中 代表之分析物包含：醇類、甲越、葡萄糖、麩胺酸、甘油、 β L 丁馱鹽、L-乳酸鹽、亮胺酸、蘋果酸、丙酮酸、類固 醇、抗壞血酸、丙，與其他酮體、t酸、氨、膽紅素、肌 酸針、血紅素、脂質、苯基丙胺酸、蛋白質（包含白蛋白 與球蛋白）、三酸甘油脂、尿素，與濫用之藥物與藥品。 雖然大體上本方法可能用以決定例如尿液、眼淚、唾㈣ 等之各種生理樣本的分析物之存在與通常之濃度，它們尤 10 15 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂---------線—i 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 社 20 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSM7i^(210^^ 21 541417 A7 137 五、發明說明（ ;:=ΓΓ或血液百分率或組織或組織百分率的 組成物以：:在體像應用係為使用本方法與 並決定葡萄外_本中的葡萄糖之存在’ 用(/=1!之血液分析物之谓測發現於各種的醫學應 (匕$疾病钐斷、疾病管理等等）之使用。 卜提供下述例子以作為圖例而不作為限制之意味。 I貝驗] 10 I.弱散射水樣本之分析物檢測 :於弱散射與強吸收之樣本(例如於靠近中間紅外線 訂 斑長^父互作用之分析物（例如血清）的水解液），順向 與逆向光束兩者可能被運用在傳輪模式上。舉例而古，我 ::比較水樣本(包含三個生理相關之分析物：肌酸針' 葡词糖與尿素）之單一光束（習知技術）與雙光束FTIR之預 15 測能力。 π 20 用以完成實驗之儀器構造係顯示於圖3中。吾人修改 一種商業上之單一光束FTIR光譜儀（perkin mmer Spectnmi 2000)以發揮雙光束儀器之功能。此儀器係敞開 於大氣壓（21± lt、40± 5% RH)。5〇%之"圓點花紋⑽似 dot)”分光鏡（〇riel Instruments，381〇6型）係用以分離光源 與逆向光束。亦從50%圓點花紋分光鏡反射順向光束， 以使兩個光束之強度相等。塗佈金之拋物面反射鏡將順向 逆向光束刀別焦至樣本與參照細胞。樣本與參照細胞 具有0.5公釐之路徑長度，如由它們的石英透明石英窗間 1__ 22 &狀㈣用中關家標準（CN^j見格⑵G χ 297公餐） 541417 五、 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 發明說明（2ί ) 之間距所定義。樣本與參照細胞之溫度係調整於22.0°c 土 〇· 1 °C。塗佈金之拋物面反射鏡接著用以再使順向與逆向 光束平行。然後，兩個光束係藉由使用50%圓點花紋分 光鏡而結合，並藉由使用矽透鏡（2，，直徑、大約25公釐焦 距）而聚焦至InSb檢波器（7公釐直徑有效區域，冷卻至77 K)之上。 信號之直流成分會被移除，而交流成分會被放大，以 成乎填滿類比數位（AID)轉換器。這組實驗之清空比率大 約為40 : 1。因此，以雙光束信號填滿A/D轉換器所需之 放大量係大約為單一光束信號的4〇倍。每個樣本之單一 光束與雙光束干涉圖譜係交互交插。此光譜係依據已說明 (參見裝置”段）之程序（包含可選擇的步驟）而受到處理。 這些樣本係由27種溶液所組成，這些溶液包含以三 種濃度水準（肌酸酐-370、650與93〇 mg/dL ;尿素_23〇、 585 與 940 mg/dL ;葡萄糖-〇、25〇 與 5〇〇 mg/dL)溶解於 水中之肌酸酐、尿素與葡萄糖。參照細胞含有純水。整組 j 27種溶液係在三天中之每一日接受測量一次。三個測 量：長達大約7個星期之期間。包含純水之樣本係用以作 為背景樣本。背景樣本象豫數2Z種溶液之初期與末期 受到測量。27種溶液且在每個實驗 艮依照不同隨機化的順序受到測量由三個分析物所造成之光學吸收係比水來得弱。因 此27 #樣本之單一光束光譜幾乎是眼睛無法辨別的。 相車乂之下’雙光束光瑨(憑藉光學清空效應，已從雙光束 _____ 23 本紙張尺度用中標準（CNS)A4規格⑵G χ挪 I I ϋ ϋ n n n n ϋ n ϋ I n · ϋ ϋ n n n n n 一φν I n n n k— n n ft— I I I I I n I I 1 I I n — — — — i! — ! — . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} M1417 Λ7 137 五 發明說明（22 光％大里私除燈官發射光譜與水吸收效應）顯示清晰與顯 易見的頻4改變’其乃Pi|著改變的分析物濃度而改變。 圖4A與4B分別顯示在三個樣本之4000-5000 cm.1區域 二的單π光束與雙光束光譜，肌酸酐與尿素濃度係固定於 的最低位準’而葡萄糠濃度係在三個位準之間改變。 逍著改變中的葡萄糖濃度而改變之最大頻譜區域（A?⑽ 對應至水中的葡萄糖之已知吸收頻帶。 10 訂 1邛刀最小平方法（PLS)係用以分析遍佈4000-8000 cnr 頻”曰I巳圍的NIR光譜之預測内容。在既定實驗日内的 ^析物預測，係藉由選擇供制用之特定樣本與使用供校 ’用之剩下的26種樣本而進行評估。藉由這種方式以對 所有27種樣本進行循環，即可評估”交叉驗證”的預測性 月匕。在單-光束與雙光束模式中所獲得之光譜的葡萄糖濃 度之預測係在圖5中作比較。來自雙光束 15之葡萄糖濃度的預測（SEP)之桿$ " 不旱在（亦即，預測之標準差 線 =在預測濃度與參照濃度之間的平均平方差異之平方根） 為U.3與22.8 mg/dL。除了與單一光束膽作比 ^增進的預測性能以外，雙光束打汉校準模型是較為 間早。廷可在SEP對PLS模铟m μ 士 a 20 中看出。只有5因子係被使用，雙==: 單一光束校準模型^^^達到最小sEp 橫跨數日之分析物預測係藉由係 一 校準組並預測後來兩天而進行 ^的貝料作為 於12與4因子處之 本紙依K度過用中國國家標準（CNS)A4規格（2】0 x 297 24 五、 發明說明（8 5 10 15 20 單—光束與雙光束技術的結果係分別總結於圖7A至7B 概括&之，與單一光束FTIR比較而言，在短期（同— 曰)與長期（超過7個星期）兩者之期間内，雙光束技術顯 不較佳的水解液中之分析物濃度之預測能力。. ， II·組織之葡萄糖偵測 關於包含例如哺乳類組織中的葡萄糖之弱吸收的分析 物之強散射樣本，可將順向或樣本光束運用在反射模式 上，而將反向或參照光束運用在傳輸模式上。 一用以執行此種測量之儀器構造係顯示於圖2中。一種 f氟化約板可用以將光分離成順向與逆向光束。因為大部 的光將s在同度散射組織中損失，干涉儀之總通過量的 96%係用於順向光束，且剩下的4%係用於受引導經由參 照細胞之反向光束。 " 因為在光譜之近紅外線部分中的水之光譜對於溫度係 強烈敏感，所以當測量組織之表面時，參照細胞之溫度應 被調整於相同溫度。衰減器可能❹於任—光束或兩光束 以平衡檢波器之能量。順向光束係利用氟化鈣透鏡而聚焦 至光纖綑之輸入之上。這綑光纖將順向光束引導至例如接 二測里之人類患者之手掌前臂之上。將散射與局部吸收的 光從、、且織引導至檢波裔之輸出纖維係與輸入纖維交插於組 織之表面。亦將已通過參照細胞之光引導至檢波器之上的 參知、（反向光束）纖雉，係與輸出纖維交插於檢波器。吾人 4擇檢波器’以使其表面積略微大於由交插的輸出纖維綑 所照明之總面積。樣本與參照光束係因此直接結合於檢波 L___ 25

本紙張尺度刺帽_鮮（C:NS)A4規格(2i〇；7if7iT 541417 A7 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 、發明說明（改 器之表面以形成零值。 仏號之直流成分係接著被電子式地移除，而交流成分 係被包子式地放大以幾乎填滿類比數位（A/D)轉換器。縱 使樣本光束係由來自組織之散射光所組成，而參照光束係 由不用政射實質上已被傳輸經由參照細胞之光所組成，清 空比率亦可輕易地接近大約2(K1。以雙光束信號貧滿a/d 轉換器所需之放大量將是大約高於單一光束信號 〇 =準係藉由以與類似於下述光譜校準之解決方法愿々〕 隨機測量患者之零值光譜（非已知葡萄糖位準）而產生。 從上述結果與討論顯而易見到本發明提供分析物檢側 用的FTIR之使用上的重大突破。明確言之，本方法鱼穿 置克服前面遭遇FTIR測定組織中之葡萄糖之問題，例如 1 關於儀器漂移、使用超高準確度ADC之需求等等之問題。 重要$是<，本方法與裝置能夠提供例如葡萄糖之血液分析 物之高度正確的非侵入性測量。如此，本發明代表對本項 技藝有顯著的貢獻。 、 猶如每個個別公告或專利係詳細與個別地表示而列入 為參考資料，所有於本說明書中所引證的公告與專利係於 此列入作為參考資料。任何公告之引證係因為其揭露㈠ 在申請曰之前，而不應解釋為承認本發明並非憑藉先;發 明而給予早於這些公開文獻之權力。 為了清楚理解之目的，雖然經由圖例與例子已相 細說明上述發明，那些熟習本項技藝者亦可輕易明白^ 據本發明之教導，吾人可在不背離以下巾請專利範圍之精 26

請 先 閱 讀 背 S 之 注 意 事f #ί嗓 頁I

I I I訂 Β I I r 線 1紙張尺度朝巾關家標準（CNS)A4規格（& x 297公爱1 541417 Λ7

五、發明說明（25 ) 神或範疇之下作成某種程度的改變與修改。 【圖式之代號說明】 20〜裝置 21〜輕射源 22〜干涉儀 22a〜分光鏡 5 22c〜固定鏡 22b〜移動鏡 23〜可變路徑長度參照細胞 24〜光學組織取樣器 25〜分光鏡 25b〜分光鏡 25c〜分光鏡 26a〜透鏡 26〜檢波器 10 27〜放大器 28〜類比數位轉換器（ADC) 29〜資料處理裝置 31〜光 32〜順向光束 33〜逆向光束 34〜參照光束 35〜樣本光束 36〜出射空光束 41a〜拋物面反射鏡 15 41b〜抛物面反射鏡 41c〜鏡 42〜抛物面反射鏡 42c〜鏡 42b〜拋物面反射鏡 -------------¾ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線"！ 經濟部智慧財產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（210 x 297公釐）

Claims (1)

1. 541417 1?/年〉月作卜 A8 B8 C8 D8 、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 專利申請案第901 13283號 ROC Patent Application No.90113283 中文申請專利範圍修正本-附件一 Amended Claims in Chinese - Enel. I (民國91年7月8日送呈） (Submitted on July 8, 2002) 1. 一種決定低透射率樣本的分析物濃度之方法，該 方法包含： (a) 從低透射率樣本產生樣本光束並從參考物產生 參考光束； (b) 從該樣本與參考光束產生空信號；以及 (c) 從該空信號求出該低透射率樣本的該分析物之 存在。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法 包含：使用從至少一紅外線輻射源所產生之順向與逆向 光束以產生該樣本光束與參考光束。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法 更包含使光通過干涉儀。 4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該方法 更包含使光通過干涉儀。 5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該順向 與逆向光束係從單一紅外線輻射源產生。 6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該順向 與逆向光束係從兩個紅外線韓射源產生。 7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該空信號 係在以單一檢波器偵測之前，藉由光學結合該樣本光束 與參考光束而產生。 -28 - 90242B 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐） 541417 A8 B8 C8 D8__ 六、申請專利範圍 '^~" 8·如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該空信 號係在以兩個分離檢波器偵測該樣本光束與參考光束以 後而電子式地產生。 9·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法 包含： (a) 利用干涉儀從單一紅外線輻射源產生順向光束 與逆向光束； (b) 將该順向光束引導進入該低透射率樣本，並將 該逆向光束引導進入參考物，且分別收集樣本光束與參 考光束； (c) 結合該樣本光束與參考光束以產生空光束； (d) 利用單一檢波器偵測該空光束以獲得偵測的空 ^號，以及 0)從該偵測的空信號求出該低透射率樣本的該分 析物之存在。 1 〇.如申请專利範圍第1每所述灸方法，其中該方 法包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 0)從至少一紅外線輻射源產生順向光束與逆向光 束， (b) 將該順向光束引導通過該低透射率樣本，並將 該逆向光束引導通過參考物以分別產生樣本光束與參 光束； / (c) 將該樣本光束與參考光束導引進入干涉儀，並 在它們從該干涉儀退出以後，從該等樣本與參考光束產 _ - 29 - 本纸張尺度適財國^^^(CNS)A4規格⑵q X 297公髮） - --- \ 圍 範 利 專 請 中 A B c D 生空信號；以及 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ()彳& X工彳°旒求出該低透射率樣本的該分析物 〇 :1·如刖述申睛專利範圍中之任一項所述之方法， 。亥低透射率樣本係為高反射與高吸收之至少其一。 12·如申請專利範圍第u項所述之方法，其中該樣 本係為一種生理樣本。 賴Γ·如申請專利範，12項所述之方法，其中該生 "係认自由血液、組織或其衍生物所組成之群組。 14·如前述中請專利範圍第1至1G項中之任-項所 述之方法，其中該參考物包含水。 、 、、丨5·如前述申請專利範圍第1至10項中之任一項所 述之方法，其中該分析物係為葡萄糖。 16·—種用於決定低透射率樣本的分析物之濃度的 雙光束紅外線光譜儀裝置，該裝置包含： a 用以從至少一紅外線光源產生順向光束與逆向光束 之裝置； 用以從該順向與逆向光束產生樣本光束與參考光 之裴置；以及 用以從該樣本光束與參考光束產生空信號之穿置 存在 之 -3 0 - 本紙張尺度適用令國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐）