具有用于对多个分析物进行化学分析的可置换元件的手持式装置的制作方法

专利名称：具有用于对多个分析物进行化学分析的可置换元件的手持式装置的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种依据分光光度测量法(spectrophotometry)对化学物质进行分析和测量的方法和设备，特别是涉及一种便携式手持式传感器系统，其利用可置换光学测试元件和光谱检测器对多种物质进行定量测定。
背景技术：
已经知道多种化学物质所吸收的光与存在于样本中的该物质的浓度成比例。此外，透过这样一种物质透射的光具有吸收率光谱，该吸收率光谱由该物质的光吸收属性以及光所穿过的任何其他介质的属性来表征。为了进行分析，可以将这种吸收率光谱用棱镜展现出来。通过忽视(discount)归因于强度损失和其他吸收剂的吸收率光谱部分，化学物质的光谱可以被分离出来，并且可以确定其身份和浓度。所述忽视或“参考(referencing)”是通过在没有所述化学物质的情况下确定光源和任何分光光度计组分的吸收率光谱而进行的。所述参考通常是在时间和空间上接近对化学物质的吸收率测量时作出的，以便使误差最小化。
众所周知的是，用于确定化学物质浓度的便携式、电池供电装置是商业上可获得的。其实例包括Hach公司提供的便携式光度计和Merck的便携式反射计。光度计和反射计系统的细节评论在Comprehensive Analytical Chemistry，Chemical Test Methods of Analysis(Y.A.Zolotov et al.，Elsevier，New York(2002))中给出，以及在Review of Scientific Instruments(Kostov，Y.and Rao，G.，Vol.71，4361(2000))的评论论文中给出。采用这些系统使得实验室外的化学分析成为可能。然而，仍然需要对下述领域进行改进1、采用便携式仪器的一些测试会用到有毒的或者腐蚀性的反应物。有些测试对于单个测试使用大量的固体反应物。例如，许多Hach测试方法对于单个分析物使用200毫克或者更多固体反应物。
2、操作员必须将反应物和样本转移到测量单元。样本操作和反应物处理是化学分析的不方便的部分，并且增加了从操作员到操作员的误差。
3、由湿化学分析产生的液体废品必须根据适用的法律得以安全地处置。
4、当前可以利用的测试方法无法在单个测试中容易地确定多于一个的无关分析物。
5、尽管大多数便携式装置具有数据解译和存储能力，但是大多数测试结果仍然需要人工地转移到数据库中。
已经广泛地尝试了利用测试带的其他方法进行对大量分析物的半定量分析。这里，定量结果可以通过可置换的光学传感器元件获得，并且由光度计读出。在大多数情况下，仅有单个分析物通过光学传感器元件确定。由于透射吸收率被测量，因此很难生产用于无需校准测试的可置换光学传感器元件。
可置换化学传感器是本领域公知的。例如，美国专利5,830,134描述了一种传感器系统，其用于检测被设计用于补偿大量干扰因素的物理化学参数(例如通过利用部分地可置换的监测单元产生的参数)，因此不再需要校准步骤。
另一个美国专利5,156,972公开了一种基于光吸收、光发射、光散射、光偏震以及电化学地和压电地测量的参数的化学传感器。
用于光学标记化合物和化学传感器的散射受控发射也已经公开在美国专利6,528,318中。
利用参考和指示器传感器的传感器阵列是公知的，并且描述在美国专利4,225,410中。这里，传感器可以被单独地校准，从而每个分析可以直接地被读出。
美国专利5,738,992公开了一种方法，其利用参考材料来校正荧光波导传感器的测量值。美国专利5,631,170教导了一种通过利用参考反应物标记波导的用于荧光波导传感器的参考方法。应该指出的是，在该方法中用到的内部吸收标准方法在几个方面完全不同于现有技术。
首先，本发明中用到的多角度散射引发吸收率检测方案不同于利用具有与入射光束波长大概相同的尺寸的薄膜厚度的薄元件的传统衰减全反射(ATR)传感器。这些薄元件还可以包括用作内部参考的荧光团。与此相反，本发明涉及较厚的薄膜元件，其不需要接近入射光束波长的厚度，并且利用基于吸收率的可替换内部参考。
双波长或双光束方法在分光光度计分析中是公知的。在“ReferencingSystems for Evanescent Wave Sensors”(Stewart，G.et al.，Proc.Of SPIE，1314，262(1990))中提出了一种双波长方法来补偿传感器表面上的污染的效应。授予Loeppert的美国专利4,760,250描述了一种光电子系统，其用于测量环境属性，其中采用反馈受控光源以使得与光源稳定性和组件老化相关的问题最小化。类似的反馈受控双波长方法描述在授予Vurek的美国专利3,799,672中。一种双光束反射分光光度计描述在“Optical Fiber Sensor for Detection of HydrogenCyanide in Air”(Jawad，S.M.and Alder，J.F，Anal.Chim.Acta 259，246(1991))中。在Jawad和Alder的方法中，两个LED被交替地通电。在两个波长下的输出比率被用来降低由用于氰化氢检测的传感器元件的背景吸收所引起的误差。这些双波长方法是有效的，其用于使由光学或机械组件老化和光源长期稳定性问题引起的误差最小化。然而，与可置换测试元件的有效光学路径长度的变化相关的误差还是没有被解决。
一种包含可丢弃或可置换测量装置以及还包含一个或多个传感器的可置换传感器系统公开在美国专利5,114,859中。
此外，对于多种分析物的分析由如美国专利6,007,775中所描述的微制造传感器进行。
在“Application of a Plastic Evanescent-Wave Sensor to ImmunologicalMeasurements of CKMB”(Slovacek，R.E.；Love，W.F.；Furlong，S.C.，Sensors andActuators B，29，pp.67-71(1995))中表明，由非临界表面处理的传感器可以被制成具有改进的鲁棒性。这些传感元件被构造成钝尾塑料锥形，其上沉积有传感化学组分。这些传感元件是由塑料注入模制的，从而使得它们在商业上很有吸引力。
总体上，已经知道现有的传感器具有几个突出的缺点，从而限制了其对于现场分析应用的适用性。这些缺点包括1、需要传感器中的测试带的临界对准来执行准确读数。
2、需要降低由测试带质量变化引起的误差(嵌入的反应物浓度、有效光学路径长度、以及组件老化)。
3、当测试元件暴露于一种样本时，需要降低由测试元件中的诸如膨胀、收缩或者/以及微裂等物理变化引起的误差。
4、需要确定化学传感器响应中的稳态响应来进行准确的分析。
5、不能从不可逆化学组分中收集动态传感器信息。
6、不能从暴露于样本的不可逆化学组分中收集实时信息。
7、不能从多个不可逆化学组分中分析动态传感器信息以便提供传感器系统的改进的量化能力。
由于现有技术中的上述缺点，低成本、手持式并且无需校准的传感器系统还没有被展示出来。本发明所公开的传感器系统致力于解决上面概述出的缺点。具体来说，当样本与传感器起化学反应时，本发明中的传感器可以通过跟踪不可逆传感器化学组分的动力学或动态响应的变化率来收集动态信息，以便量化浓度级。
考虑到前述问题，本发明的一个目的是提供一种用于分析物浓度的量化确定的便携式、可置换的手持式传感器系统。还希望提供一种不需要每次在新的一组测试前进行校准的系统。在这点上，本发明采用了在相同传感器元件上的双光分析，其中将样本响应与内部参考相比较，从而不再需要每次在新的一组分析前进行校准。此外，使用内部参考极大地降低了对于装置的光学和机械耦合的需要，从而在对测试结果准确度的影响最小的情况下为制造和安装过程提供了成本优势。
本发明的另一个目的是提供一种能够与例如口袋式个人计算机或无线移动电话或卫星等信息处理单元通信的传感器，以便可以对分析数据进行电子操作、传输或者存储。
需要注意的是，本发明提供了一种不需要液体反应物的通用光度计和/或光谱测试方法。这样不仅简化了测试，而且减少了与处理和处置有毒反应物材料相关的昂贵的、劳动密集的需求。
发明概述本发明提供了一种用于测量化学物质中的分析物浓度的便携式、可置换手持式传感器系统。该系统提供了一种通用的光度计和/或光谱测试方法，其中不需要液体反应物，并且不需要每次在新的一组分析前进行校准。该系统的主要组件包括固定在可置换测试元件上的薄膜传感反应物；用于以可再现方式安装测试元件的适配器；以及光源，其能够激发来自于测试元件的光度响应。因此，该系统包括与合适的耦合装置、固定装置、电源和电子电路相组合的商业上可利用的光源和光电检测器，从而使得该系统能够与计算机或者其他显示、存储或处理单元接口并且向其传输数据。该系统还设想了附加的设备来支持它的主要功能，例如在传感测量期间将测试元件与周围光隔离的挡板。还可以理解的是，本发明提供了一种高响应传感器系统，其能够被扩展成利用单次的多段式测试元件来测量多个分析物，并且能够容易地搬运到化学或生物样本现场分析所需要的几乎任何位置。这样的位置的实例包括远距离的湖或河流，或者在高建筑物的顶部的冷却塔。
通过参考附图阅读下述详细说明以及所附权利要求书，本发明及其相对于现有技术的优势将会变得更明显。
附图的简要说明

图1是根据本发明一个实施例的手持式传感器系统的透视图；图2是根据本发明一个可替换实施例的多段式可置换光学元件的前视图；图3是根据本发明一个实施例的可置换测试元件的透视图；图4是利用多段式测试元件的根据本发明一个实施例的手持式传感器系统的透视图；图5是来自于单个分析物的双波长响应的实例；图6是一系列吸收级的实例，其中示出了暴露于光的不同浓度的墨水的光谱响应中的变化；图7是根据本发明给出的实例的另一种测量配置的透视图；图8是利用聚碳酸酯反射元件获得的基线光谱和样本光谱的实例；图9是在参考校正前的0.5ppm NaOCl样本光谱的实例，其中光学元件位置被紧紧地控制。
图10是在参考校正后的0.5ppm NaOCl样本光谱的实例，其中光学元件位置被紧紧地控制。
图11是对应于表1中列出的参考校正后的吸收率的校准曲线的实例；图12是在参考校正前的0.5ppm NaOCl样本光谱的实例，其中光学元件位置没有被紧紧地控制。
图13是在参考校正后的0.5ppm NaOCl样本光谱的实例，其中光学元件位置没有被紧紧地控制。
图14是用于实例1的测量配置的示意性描述；图15是用于实例5的手持式传感器系统的示意性描述；图16是用于实例5的手持式传感器的透视图；以及图17是利用实例5中描述的手持式传感器获得的校准曲线。
发明的详细描述本发明涉及一种用于通过利用特定化学物质的反应属性来测量化学物质浓度的方法和设备；例如，与另一种化学品(例如选择分析物)反应的物质的属性引起在第一反应物中的化学变化，并且导致原始的含有化学品的材料的光吸收属性的变化。在操作中，本发明通过光吸收、发光、光散射或者其他基于光的响应中的变化来测量测试元件对于特定分析物的响应。在本发明中描述的分析物是化学物类，但是还可以预见本发明包括生物物种，其中生物分析物的相互作用刺激类似的测试元件响应。作为一个实例，这种生物系统可以是固定的酶，其刺激与分析物浓度成比例的光响应，例如，响应于三磷酸腺甙(ATP)的荧光素酶。
现在参考附图，图1显示了一个基本的传感器系统，其包含可置换测试元件2，其大体上是显微镜载玻片的尺寸，并且可拆卸地安置在适配器4上。测试元件2由诸如玻璃或有机聚合材料等适当的透明物质制成，其具有通常大于1的折射率(n1)。在测试元件的一部分的一侧或两侧上涂有含有反应物的薄的透明聚合物薄膜，所述反应物需要与分析物发生反应以便产生颜色产物(colorproduct)。该反应物薄膜可以通过浸渍涂覆或者旋涂测试元件或者通过现有技术中已知的其他方法而被固定到测试元件上。应该可以理解的是，除了涂覆一部分测试元件外，还可以涂覆整个测试元件。与上述反应物物质相组合，所述反应薄膜涂层还包括参考染料，其用来提供内部光吸收率标准(或者内部参考)，其中该反应物染料薄膜混合物的折射率(n2)可以小于或大于n1。该参考染料与薄膜涂层混合在一起，从而提供具有恒定的内部光吸收率标准的反应物薄膜复合物。换句话说，该反应物薄膜复合物的参考染料组分提供第一光吸收率响应，并且该反应物本身提供第二光吸收率响应，从而允许该反应物薄膜复合物提供对于输入光能的双光吸收率响应(即双光响应)。然而，不像反应物本身，参考染料不与分析物发生反应。因此，如果测试元件的光学或机械属性没有改变，在测试元件暴露于样本之前和之后，该染料的光谱轮廓在各测试元件间保持不变。此外，由于参考染料和反应物具有不同的光吸收率光谱，所以参考染料的光谱轮廓不会明显地与目标检测波长(或波长范围)重叠，其中所述目标检测波长(或波长范围)被用来测量测试元件对于所述反应物和分析物之间发生的反应的响应。通过在参考染料和反应物之间提供这样一种非重叠的基准响应差别，反应物薄膜混合物提供了内部光吸收标准或者内部参考，从而提供了内部双光响应，其消除了每次在新的一组分析之前进行外部校准和装置校准的需要。如下面更详细讨论的那样，还应该可以理解的是，所述内部参考还使各装置之间的响应变化最小化，从而在对测试结果精度影响最小的情况下提供了显著的制造和维护成本优势。因此，本系统的特点和特征很适合于成本有效的生产、组装和小型化。上面引述的内部参考是比色染料，但是这仅是许多可能实施例当中的一种。任何不与分析物检测化学组分发生反应并且具有在检测光谱外的光谱响应的标准均可以用作内部标准。该材料可以是无机复合物、颜料、染料或者微粒或纳米粒子，其产生期望的光谱响应并且可以用来校正由薄膜变化引起的误差。
仍然参考图1，安装适配器4包含至少一个光源6，其可以是能够发射光能21的任何器件，例如LED、激光二极管或者小型灯泡。适配器4还包含至少一个光电检测器8，其可以是能够检测光能22的任何器件并且将所述能量转换成表示测试元件对于一种或多种目标分析物的响应的电输出信号。这些电输出信号经由电路线14被传送到信号转换器5。应该可以理解的是，可以采用许多商业上可获得的光电检测器来获得所期望的性能，例如光电二极管、微电机光电倍增管或者光电池，并且它们在现有技术中是公知的。
适配器4还包括固定器件44，其用来对准测试元件2并且关于光源6和光电检测器8将其定位在合理的可再现的位置。如以下所述，本发明不需要固定器件44严格地定位和控制测试元件。相反，已经发现，关于光源和光电检测器适度或合理地控制测试元件2对于获得准确的、可再现的吸收率结果是很有效的，因此在制造、维护和组装需求方面具有成本优势。
在操作中，随着电源开关9被激活，光源6产生未校准并且未聚焦的光束。如图3最好地显示的那样，该未校准并且未聚焦的光束以不同角度照射测试元件；也就是说，以小于和大于测试元件临界角度的角度照射测试元件。如下面更详细讨论的那样，该入射光能的一部分与固定在测试元件上的反应物薄膜复合物发生反应。一旦这种入射光能通过反应物薄膜复合物，光电检测器就能够检测一对光响应光谱；也就是说，光电检测器检测仅来自内部参考染料的第一光响应以及来自反应物薄膜本身的第二光响应，从而允许该装置检测来自于入射光测试元件相互作用的双光响应。这样，在测试元件光响应光谱中的任何变化可以被检测并测量出来，而不需要每次在新的一组分析前进行外部校准。此外，可以示出，由于入射光束的未校准并且未聚焦的性质，不需要通过固定器件44对测试元件进行严格的控制和定位来提供相对准确的测试结果。相反，固定装置44仅需要对测试元件2提供适度或合理的位置控制，从而在制造过程中节约了成本。
适配器4还包含电池7来为传感器系统供电；但是本领域技术人员会理解，可以利用许多可替换器件为传感器系统供电。此外，提供适合的电子器件来允许信号转换器5与信号处理单元10进行通信，从而由光电检测器8产生的电输出信号可以被电子地处理及存储。应该可以理解的是，可以以现有技术中公知的方式利用许多公知的配置来获得与上述实施例相同的性能，其中包括一个能够经由接口12与例如手持式计算机、PDA或者其他无线传输装置等外部处理单元10进行通信的实施例。此外，应该可以理解的是，还可以利用包含内置处理单元(未示出)的实施例。
作为实例而不是作为限制，光源6被定位成接近可拆卸测试元件2的边缘，这样从光源发射的入射光波21照射该测试元件的边缘23，其中来自于光源的未校准并且未聚焦的光束以最好如图1所示的多个不同角度照射该测试元件。公知的是测试元件的临界角度可以通过等式Θc＝sin-1(n2/n1)由基底的折射率(n2)和空气的折射率(n1)计算得出，其中Θc是临界角度。现在参考图3，发散的光束21以大约45o指向测试元件的边缘。由于光束21未被校准也未被聚焦，所以一部分入射光子21以大于该临界角的角度照射该测试元件2，同时其他入射光子以小于临界角的角度照射该测试元件。在光子21的入射角度大于临界角Θc的情况下，光束将在薄膜-空气界面处被完全反射。称这个现象为全反射。另一方面，如果光束21的入射角度小于Θc，则入射光束将在薄膜-空气界面处被部分反射。称这个现象为部分反射。
在全反射的情况下，尽管一部分入射光束21将在测试元件的薄膜-空气界面处被完全反射，被反射光能的一部分仍可以透入到薄膜中，并且再进入基底，就好像它平行于该界面行进了较短的一段距离。该能量被称为如图3所示的渐逝场或者渐逝波20E。由于反应薄膜涂层18已经被固定到测试元件的表面，渐逝波20E的一部分将在基底-薄膜界面处被薄膜涂层18吸收(衰减)。这种现象被称为衰减全反射(ATR)。在部分反射的情况下，入射光束21的部分反射光子类似地能够形成渐逝波20E，并且逐渐由薄膜涂层吸收，同时剩余的未反射光子可能丢失到周围环境中。这个现象被称为衰减部分反射(APR)。为了增加APR的有效性，反射涂层19可以被固定到测试元件的一端，借此，已经穿透到测试元件实体内的未反射的入射光20可以在反射涂层19上反射，并且通过测试元件散射回去。因此，为这些内部反射光子20的一部分提供了另一个机会(或者“第二机会”)来形成渐逝波并且与测试元件表面的薄膜涂层18发生反应。因此，由于本发明包括ATR和APR的组件，因此在不需要昂贵的光学装置或耦合需求的情况下可以提高入射光束21的效率，从而提供优于公知的ATR系统的优势。
仍参考图3，当渐逝光波20E沿着测试元件表面传播时，这些渐逝光子的一部分能够与反应薄膜18中包含的分子相互作用。该相互作用使得渐逝光子的一部分渐渐被反应薄膜的分子结构吸收。因此，足够幸运地避开渐渐被反应薄膜18吸收并且未被丢失到环境中的光子22将从测试元件透射出去，并且最终可能被光电检测器8检测到。由于最终从测试元件透射的光子22的数量取决于入射光束21的吸收率级，因此可能利用由该光电检测器产生的电信号来表示反应薄膜的吸收百分比。一旦将最终光响应的相对强度与已知的参考数据相比较，就可以检测并且确定样本物质的分析物浓度。
如上所述，当激活电源开关9并且将光束20投射到测试元件上时，所述光电检测器接收来自该测试元件的双光响应22。这种响应曲线在图5中示意性示出。这里，线100表示在测试元件暴露于样本分析物之前的薄膜涂层的光响应，线200表示在测试元件暴露于样本分析物之后的薄膜涂层的双光响应。A0表示在波长λ2下的单独的薄膜涂层的吸收级。在A1处的第一个峰值表示暴露之前在波长λ1下的内部参考染料的吸收级，A2表示在暴露之后的内部参考的吸收级。如果测试元件的光学和机械属性在测试期间没有改变，则A1和A2的值将是相同的。A3处的峰值表示在测试元件被暴露于样本分析物之后、在波长λ2下的薄膜涂层的吸收级。如果已知样本物质与存在于样本中的物质的浓度成比例地吸收光，则可以显示出吸收级A3和A0之间的差与样本物质的分析物浓度成比例。通过考虑以λ1为中心的内部参考的吸收率级(A1和A2)，可以根据下面的一般方程来校准反应物薄膜涂层的吸收率级(1)Acorrected＝A3-A0+(A1-A2)其中Acorrected表示反应物薄膜涂层的归一化吸收率级。应该可以理解的是，还可以使用许多可替换的程序来归一化该响应曲线，例如比较峰-峰比例或者曲线下方的面积。
为了计算吸收率，在反应物薄膜被涂覆之前，测试元件在λ1和λ2下的空白信号输出必须是已知的。当加载不具有聚合物薄膜的测试元件时，信号传感器响应可以通过测量光电二极管信号来获得。该空白响应可以被存储在处理器中。在下面章节将会变得清楚的是，最后的结果Acorrected是不依赖于空白响应的。已知空白响应允许在暴露前以吸收率单位来表示测试元件的吸收级，而不是用光电二极管测量的伏特或安培数来表示。
在一个优选的操作模式中，涂覆有聚合物的测试元件2通过固定器件44被可拆卸地安装在适配器4上。如上所述，固定器件44关于光源和光电检测器在合理地可再现的位置处对准并定位测试元件。不需要关于光源和光电检测器对入射光角度和测试元件的严格控制。为了补偿可变的照明条件，一旦到达样本测试地点，操作员激活光源以记录来自于被涂覆的测试元件的相应的反射强度。在该步骤期间测量的光响应光谱被称为基线强度。
在基线强度响应被建立后，操作员在给定时间周期内将被涂覆的测试元件暴露于化学或生物样本物质，例如1-3分钟，这取决于薄膜涂层的扩散率。接下来，操作员从样本中取出测试元件，使得过量的液体样本从测试元件流下去或流走。这个步骤可能需要0-5分钟。在这个阶段之后，操作员激活光源以记录来自暴露于样本的测试元件的相应的反射强度。在该步骤期间测量的光响应被称为样本强度。
继续上述分析，表示空白、基线、样本和内部参考响应强度的所积累的数据被处理，并且与对应于所研究的特定分析物的预期光谱响应的已知化学参考数据相组合。如在下面的实例1-5中更详细地显示并讨论的那样，通过将测试元件暴露于分析物之后的光响应强度与测试元件暴露于分析物之前的光响应强度进行比较，可以测量样本物质的分析物浓度。
上述系统显示了利用传统光学装置执行的光度测量。作为本发明所利用的多角度散射引发吸收率测量技术的结果，相比于传统的透射测量技术，可以利用更高灵敏度的薄膜获得准确的、可再现的吸收率测量。这是因为传统的透射吸收率测量技术可以表征为“一次通过(one pass)”；也就是说，在传统的透射技术中，入射光子“一次通过”所研究的物质，从而使得光子在以最小折射和散射传播通过基底时只有一次机会与测试元件发生反应。与此相对，最好如图3所显示的那样，本发明利用多角度散射方法，其中入射光子21在测试元件内部散射并且在反射涂层19上反射，从而允许入射光子的一部分“多次通过”测试元件。该多角度散射方法增加了渐逝光子20E最终与基底表面上的薄膜涂层发生反应的可能性。这样，如果入射光子未能在它初次通过时消散(evanesce)在基底的表面上，那么该同一光子在测试元件内部散射并且最终朝向基底表面反射回来的概率很高，从而为该光子消散在基底的表面上并且最终被薄膜涂层吸收提供了另一个机会。因此，与传统的透射技术相比，对于给定量的光能本发明有可能获得更高比例的吸收事件，从而增加入射光的相对吸收率百分比，并且提高传感装置的最终灵敏度。
应重点注意的是，相同主要组件的许多配置可以获得与上述实施例相同的性能。例如，本发明的另一个实施例示意性地在图2中示出。这里示出了一个多段式光学测试元件2A，其包含分隔区3和传感区5。分隔区通过吸收可能在几个传感区变为被反射的散射光来充当各传感区之间的屏障，从而减少各传感区之间的交互噪声。每个传感区利用包含其自己的内部化学组分的独立的反应薄膜涂层。这些反应薄膜涂层当中的每一个及其附随的化学组分有效地提供来自样本溶液中的所关注的特定分析物的独立的双光(光谱)响应。因此，多种分析物可以同时在单个测试元件上被测试。此外，已经发现为了改善分隔可以对分隔区3打孔，借此提高测试元件的效率。
为了利于多段式测试元件的操作，设想可以为每一个独立的传感区提供独立的光源和光电检测器对，其中每个光源和检测器对能够产生来自几个传感区当中的每一个的适当的双光响应。或者，可以将单个光源和光电检测器配置成产生并且检测来自每个独立传感区的适当的双光(光谱)响应。在这种情况下，由几个传感区当中的每一个产生的独立电信号可以由处理单元10按照现有技术中已知的方式组合以及多路复用，以便利用单个可置换测试元件检测并量化多个分析物。
图4描述了一个利于多段式测试元件的设备。该设备具有与图1中示出的系统相同的基本组件。图4的示例性实施例包含几对光源6和光电检测器8，其可以被安装在适配器4A的两侧。该多段式测试元件2A被安装到固定器件44上。这里，固定器件44被附着到小型运动滑板66的移动架上。该运动滑板使得测试元件能够被收回到适配器内部，并且用来将测试元件与光源/光电检测器对准以便进行吸收率测量。提供合适的电子器件77来控制所述装置，从而由所述光电检测器产生的电输出信号可以被电子地处理并存储。
本发明还设想利用附加的传感器，这些传感器可以被用来提供关于环境大气条件的信息，比如温度(例如使用热敏电阻)、相对湿度(例如使用电容湿度传感器)以及大气压力(例如使用MEMS压力传感器)，这些都是现有技术中已知的。
在另一个实施例中，所述化学传感器系统设想了一种动态模式识别系统，用以提高传感器阵列的功能性和定量能力。通过具有表示传感器暴露于所需环境结束的器件，传感器阵列的功能性得到提高。例如，所述传感器被浸入到水样本中，直到一个报警(例如蜂鸣声)表示该传感器准备好被取出，并且准备好提供定量信息。这种系统的操作原理是基于使用对传感器响应的动态信号分析。具体来说，本发明的传感器可以在指定的时间周期期间通过在样本与传感器发生反应的同时跟踪不可逆传感器化学组分的响应的变化速率来收集动态数据，以便量化浓度级。因此，与在收回传感器之后测量信号时简单地将传感器暴露于样本然后再收回相比，本发明的传感器所得到的信息更丰富。可以对于已知参数分析所收集的该动态数据，所述已知参数例如是在将传感器暴露于样本的过程中的初始的、中间的以及最后的信号斜率。这些动态参数可以被用来表示何时达到稳态响应。如果在合理的周期内不能达到稳态，则所述动态参数可以被用来量化分析物浓度。此外，化学传感器响应的斜率可能比平衡终点更灵敏，并且导致这里描述的传感器系统的灵敏度得到提高。
在另一个实施例中，所述传感器具有另一个报警，其表示在从样本中收回传感器之后分析完成的时间。该数据由来自不同传感器区的不同的信号恢复速率提供，其取决于传感器化学组分、可逆性和环境大气条件。如本领域技术人员可以理解的那样，许多适当的电子、集成电路和/或微处理器器件可以被配置成提供上面提到的传感器和定时器报警特征，以便获得上述所设想的实施例的动态传感器响应数据的集合。在图15示出的一个实施例中，开发了一个VisualBasic计算机程序来提供定时器和报警特征以及控制和读取所述传感器系统。
公知的是，可逆化学传感器常常具有响应选择性较差的缺点，并且这主要是由于来自非特定信号变化的干扰或噪声造成的。因此，化学识别的选择性可以通过不可逆的可置换传感器来改善。不可逆传感器化学组分通常在反应物和所关注的化学物类之间提供更强且更有选择性的相互反应，并且这通常被视为由不可逆传感器化学组分产生的优点的其中之一。然而，如果提高传感器的动态范围或者降低化学干扰是有利的，则可能希望利用包含不同反应物的几个传感器区或者利用组合起来增强整体系统响应的互补传感器元件来分析单一分析物。尽管已知与可逆反应物相关的缺点，但是也可以在多反应物检测方案中包括可逆反应物，以便改进整体传感器响应。可逆和不可逆平台的这种组合可以产生具有增强的能力的系统。标准的pH指示剂是通常用在可逆传感器中的化学品的一个实例，而在下面的实例中描述的氯反应物是不可逆化学组分的一个实例。作为一个非限制性实例，将可逆pH传感器与不可逆氯传感器相组合，从而使得有可能进一步限定存在于样本中的其他含氯物类。
现在参考下面的实例，已经发现，如果根据下面的等式使用内部参考吸收率标准，那么对测试元件和光学组件的耦合和定位需求的适度、合理的控制对于获得准确的、可再现的吸收率结果就是有效的，而无需对这种耦合和定位需求进行严格的或临界的控制(2)Acorrected＝Asample-Abaseline+(Abaseline_at_λreference-Abaseline_at_λsample)然而，已经认识到，利用单个内部吸收率标准不会去除由薄膜或基底质量以及测试元件关于入射光束的对准的变化引起的所有误差。这是因为每个误差源对不同波长下的吸收带具有不同的效果。例如，由入射角度变化引起的吸收率变化是波长而不是化学组分的函数，这是因为光学路径长度取决于波长。因此，在本发明中已认识到，利用具有多于一个内部标准的参考系统可以提高准确度，或者如果测量整个光谱的话则通过利用单个标准吸收带的光谱轮廓以提高准确度。但是，重要的是应当注意到，如下面的实例中所示，通过利用单个内部吸收标准与对可置换测试带和适配器之间的适度或合理的机械控制耦合相组合，已经获得了相当高水平的可再现测量。
实例1如图14所示，用白色颜料笔(UniPaint PX-20)给Fisher牌的透明载玻片(尺寸3”×1”×0.41”，Fisher目录号12-549)的四个边缘上色。靠近一端的一个区域也用白色颜料笔上色。LED和光电元件的配置在图14中示出。光源是可以从RadioShack获得的5mm、3000mcd的红色LED，其具有在660nm处的峰值发射波长以及12°的视角。用永久性的细点Sharpie标记笔绘出的蓝线的不同浓度的吸收率级在图6中示出。这里，在最初的时间间隔0-22秒期间，光被投射到空白的(没有蓝色标记)载玻片上。如所预期的那样，在线50处示出的相应的吸收率级大约是零。在大约22秒后，单条蓝线在载玻片上被绘出，并且相应的吸收率级提高到所示出的线51。在大约34秒后，第二蓝线在第一蓝线的上方被绘出，从而增加载玻片上的蓝色标记的浓度。如所预期的那样，相应的吸收率级被提高到线52。类似随，在大约45秒后，第三蓝线被加入，从而进一步增加载玻片上的蓝色标记的浓度。又如所预期的那样，相应吸收率级提高到线53。公知的是，对应于该测量的吸收率级被如下定义(3)A＝log[(对应于透明载玻片的光电元件输出-暗时的输出)/(对应于蓝线的输出-暗时的输出)]其中，暗时的输出是当光源被关闭时的检测器的稳态响应。
这个实例表明，光度测量可以以非常简单的方式执行。然而，许多设计可以出自于该简单设置。例如，干扰过滤薄膜可以被涂覆在面向光电检测器的区域，或者被混合到反射颜料中，以便可以测量给定吸收带的吸收率。图2示出了这些设计当中的一种。
实例2在第二实例中，制造3.7”×0.49”×0.21”的聚碳酸酯反射元件。该聚碳酸酯元件的一端倾斜的角度约等于51°。在该实例中使用的用于吸收率测量的测试元件配置在图7中示出。这里，Ocean Optics P400-2六光纤束被用于提供来自于Ocean Optics卤钨灯的入射光。R400-7 Ocean Optics反射探头被用来将反射光收集到Ocean Optics USB2000分光计。在包含四甲基联苯胺(TMB)的聚(甲基丙烯酸-2-羟乙酯)(PHEMA)薄膜被浸涂在该聚碳酸酯元件的一侧上之前，建立对于所有波长都具有零吸收率的空白光谱。在TMB薄膜被涂覆之后，该聚碳酸酯元件被放回到如图7所示的配置中。这里，基线光谱被首先记录。接下来，仔细地涂抹0.06ml的0.1ppm次氯酸钠溶液以便覆盖TMB薄膜上的3mm×12mm的区域。停留在TMB薄膜上1分钟之后，用纸巾仔细地将NaOCl溶液去除。在NaOCl溶液被放置到TMB薄膜上4分钟之后测量样本光谱。样本光谱110和基线光谱120均在图8中示出。
实例3实例2中的相同的Ocean Optics分光计系统被使用在该实例中。显微镜玻片夹具紧紧地控制载玻片的定位。入射光纤探头以关于载玻片平面大约45°的角度指向载玻片的一侧。大约一半的入射光照射载玻片下的白纸，另一半照射载玻片的边缘。检测探头也成大约45°角，并且调节从探头到玻片的距离，从而光量不会使分光计饱和。
包含少量红色染料的PHEMA薄膜从永久红色Sharpie标记笔被恢复。利用磁力搅拌器改装的不具有速度控制或读出的旋转器将红色染料溶液如实例1中那样旋涂在载玻片上。旋转器加速度、最终旋转速度和旋转持续时间不受控制。该红色染料被用作内部吸收率标准。其具有以λmax＝535nm为中心的吸收带，该吸收带不与对氯的TMB反应响应的吸收带(蓝色反应产物，λmax＝670nm)重叠。
在玻片被浸入到NaOCl溶液中之前，测量TMB的基线光谱。在浸入到NaOCl溶液中90秒之后，取出载玻片，并且以垂直位置保持2分钟，这样载玻片表面上的溶液可以流下去。这里，在载玻片从NaOCl溶液中移出150秒之后，对样本光谱进行记录。
根据上述程序，使用总共11个玻片来测量NaOCl溶液的三个不同浓度级下的吸收率值。玻片1-4被独立地浸入到0.10ppm溶液中，玻片5-7被独立地浸入到0.25ppm溶液中，玻片8-11被独立地浸入到0.50ppm溶液中。参考校正之前和之后的λ＝650nm下的吸收率值被列在下面的表1中。需要重点注意的是，在根据等式1执行参考校正之后，每个浓度级的标准偏差被显著地降低。
表1、参考校正之前和之后的吸收率值。
来自玻片8-11的四个光谱及其相应的基线光谱被呈现在图9中。
在根据等式1进行了参考校正之后的所有11个光谱被显示在图10中。图10用图表的方式说明了如等式1所述根据内部吸收率标准对结果进行归一化、降低了误差并且确认了表1中列出的结果。
图11显示了校准曲线，其确认了如现有技术中已知的吸收率级和浓度级之间的线性关系。
能够从该实例所获得的结果中得出几个结论1、仅有适当的位置控制不会确保低吸收率测量所需的准确度。
2、根据等式1利用内部吸收率标准来校正光谱降低了由诸如载玻片尺寸、薄膜质量和入射光束角度等实验参数的变化引起的误差。
3、多角度散射引发吸收率比透射吸收率更为灵敏。与λ＝535nm(0.014)下的透射吸收率相比，利用本发明的多角度散射引发配置使吸收率增加到10倍。需要重点注意的是，对于更长的波长可以预期更大的增加。
实例4与实例3中使用的薄膜相比，本实例中使用的薄膜包含稍微较低的内部参考染料浓度。这些薄膜由与实例3相同的程序准备，但是在不同的批次中生产。类似地，除了仅仅通过关于用Sharpie标记笔画出的两条垂直线对准玻片而松散地控制玻片位置之外，本实例的实验设置与实例3所用到的设置相同。
参考校正之前和之后的光谱响应与基线光谱响应一起被分别显示在图12和13中。明显的是，尽管根据内部吸收率标准进行了参考校正，但是在没有保持对载玻片位置的适当控制的情况下获得的测量结果导致更大的误差范围。然而，需要重点注意的是，尽管玻片位置没有被紧密控制并且薄膜在不同批次中以不同聚合物溶液准备，但是在650nm下的吸收率值0.177、0.185和0.209与从实例3中获得的0.179±0.003的平均值仍然很一致。这个一致性很重要，尤其是考虑到本发明的一个目的在没有额外校准步骤的情况下，利用可置换测试元件提供对分析物浓度的定量确定。
实例5传感器结构对于实例5使用的典型的手持式传感器系统的示意框图显示在图15中。这里示出基本传感单元150与数字总线开关152(Texas Instruments，SN74CBTLV)和计算机151(配备有Dataq CF2、C-Cubed有限数据采集卡的Dell Axiom Pocket PC)连接。数字总线开关152被用来使得计算机能够开、关LED 6，同时向光电二极管8提供DC功率，并且允许读取来自该光电二极管的输出。开发一个Visual Basic计算机程序来控制和读取传感器系统。
用于实例5的示例性传感单元150的透视图在图16中示出。这里，传感单元150可以被描述成包含三个子组件的组合部件A；部件B；部件C。
部件A包含元件160、161和162。部件B包含元件6、8、163和164。部件C包含元件18、19和167。
在构造部件A时，1/2英寸即时管对管(tube-to-pipe)适配器161的有螺纹部分被去除，并且1/4英寸压缩紧固螺母162被胶合到经改造的适配器161的表面上。4英寸长的1/2OD不锈钢管160被插入到该经改造的适配器的橡胶O形环/压缩接头(fitting)161C上，以便提供不透光的隔室。
在构造部件B时，1/4英寸管对管压缩接头163的雄性部件被去除，并且利用环氧胶把一侧被涂成黑色的聚碳酸酯薄片164固定到该经改造的接头上，从而该经改造的接头的开口如图16中最佳地示出的那样被分开。一个5mm双色LED6(LC LED N500TGR4D)被胶合到该聚碳酸酯片上。LED6的聚焦路径近似地平行于接头163的垂直中心。光电二极管8(Toas TSR257)被附着到该聚碳酸酯片的另一侧，从而使得该光电二极管的聚光透镜从该接头的轴偏移大约45°角，如图16所示。在上述构造过程之后，该LED和光电二极管被密封到1英寸直径的PVC管内部(未在图16中示出)。
在构造部件C时，丙烯酸棒(0.25英寸直径，3.20英寸长)167被涂覆PHEMA薄膜，该PHEMA薄膜包含在实例3中使用的氯敏感反应物18。该丙烯酸棒的端截面涂有反射白色颜料19。
测量程序对于实例5使用的测量程序包含下述步骤1、(a)将丙烯酸棒167(部件C)装载到压缩接头组件(部件A和B)中，并且将不锈钢管160放到所述即时管对管适配器161中；(b)点击口袋式PC屏幕上的按钮；(c)所述Visual Basic计算机程序顺序地接通绿光(525nm)和红光(630nm)，并且在绿光和红光被接通时，从光电二极管获得对应的读数(G0和R0)。
2、(a)从适配器161中移除不锈钢管160，并将丙烯酸棒167浸入到样本溶液中60秒；(b)将该丙烯酸棒从溶液中拉出，并且用适当的擦拭物去除剩余的溶液；(c)将该丙烯酸棒在空气中干燥两分钟。
3、(a)将不锈钢管160放回到适配器161中；(b)点击口袋式PC屏幕上的适当按钮，以便从光电二极管读出对应的输出G和R。应当注意，绿光和红光被顺序地接通。
4、利用等式2计算吸收率。
A＝log(R0/R)-log(G0/G) (2)应当注意，等式2与等式1在数学上是等效的。来自这些测量的结果被列在表2中，并且作为校准曲线绘制在图17中。
表2、实例5的结果。
*数据丢失虽然上面的说明书按照专利法规的需要包括了实施本发明的最佳模式，但是本发明不限于该最佳模式，也不限于在说明书中陈述的其他特定实施例。本发明的范围仅由所附权利要求书及其等效表述限定。
权利要求
1.一种用于测量化学或生物物质的分析物浓度的系统，所述系统包含a、安装适配器；b、测试元件，所述测试元件被可拆卸地安装到所述适配器上；c、固定在所述测试元件上的反应物薄膜，所述反应物薄膜包括至少一个内部参考标准；d、附着到所述适配器上的至少一个光源，所述光源能够发射发散的光束，其中的一部分光以大于表面临界角的反射角度照射到该表面，所述光束有效地刺激来自所述测试元件和来自所述反应物薄膜的双光响应；e、附着到所述适配器上的至少一个光电检测器，所述检测器能够检测所述双光响应，所述检测器能够产生表示所述双光响应的电子信号响应；f、用于处理、存储并且传输所述电子信号响应以及控制所述光源的电子电路器件。
2.权利要求1的系统，还包含集成时钟器件，从而允许在指定的时间周期期间收集来自所述双光响应的动态数据。
3.权利要求2的系统，还包含用于指示所述时间周期的集成警报器件。
4.权利要求2的系统，其中，所述测试元件是多段式测试元件，其包含多个分隔区和传感区。
5.权利要求4的系统，其中，所述多段式测试元件是穿孔的多段式测试元件。
6.权利要求5的系统，其中，所述多段式测试元件所具有的所述传感区的数量为2到500个。
7.权利要求6的系统，其中，所述传感区是不可逆的。
8.权利要求6的系统，其中，所述传感区当中的一些是可逆的，一些是不可逆的。
9.一种用于测量化学或生物物质的分析物浓度的方法，所述方法包含以下步骤a、提供具有至少一个内部参考标准的反应物薄膜；b、将一层所述薄膜固定到测试元件上，从而提供涂覆有薄膜的测试元件；c、向经过涂覆的测试元件发射光能，其中所述光能在所述测试元件内部经历内部反射和多角度散射，所述光能有效地刺激来自所述经过涂覆的测试元件的双参考光响应；d、在指定的时间周期内将所述经过涂覆的测试元件暴露于样本物质，然后从所述物质中移除所述暴露过的测试元件，从而提供样本测试元件；e、向所述样本测试元件发射光能，所述光能有效地刺激来自所述样本测试元件的双样本光响应；f、收集并处理所述参考和样本光响应数据，以便计算光吸收响应；g、利用所述光吸收响应来检测并量化所述物质中的分析物浓度。
10.权利要求9的方法，还包含在指定时间周期期间从所述光吸收响应收集动态数据的步骤。
11.权利要求10的方法，还包含分析所述动态数据的步骤，以便在所述时间周期期间确定所述光吸收响应的初始斜率、中间斜率和最终斜率。
12.权利要求9的方法，其中，通过归一化所述光吸收响应对所述光吸收响应进行误差校正。
13.权利要求12的方法，其中，所述归一化是根据下面的公式执行的Acorrected＝Asample-Abaseline+(Abaseline_at_λreference-Abaseline_at_λsample)。
14.权利要求9的方法，其中，所述经过涂覆的测试元件是能够提供多个所述光吸收响应的多段式测试元件，所述多个光吸收响应被处理并且被多路复用，以便检测并量化所述物质中的多个分析物浓度。
全文摘要
一种用于测量多个化学或生物物质浓度的便携式系统和方法，其中需要对这种物质进行现场分析。这种新的、原创的手持式传感器系统使用可置换光学测试元件和光谱检测器，其通过光吸收率、发光和其他形式的基于光的响应的变化来测量所述测试元件对特定分析物的响应。这样，表示测试元件响应的反射光强度可以被用来测量目标分析物的浓度。该传感器系统还能够与信息处理单元或计算机接口，从而可以电子地操作或存储分析数据。
文档编号G01N21/27GK1961205SQ200580002783
公开日2007年5月9日 申请日期2005年1月4日 优先权日2004年1月20日
发明者C·肖, S·M·博伊特, R·A·波蒂雷洛 申请人:通用电气公司