基于显微拉曼的手持式检测仪器及检测方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年8月7日提交的美国临时申请No.61/893,095的权益。上述申 请的全部公开内容通过引用并入到本文中。
技术领域
[0003] 本公开内容设及用于快速检测和鉴定包括细菌、病毒、药物或组织异常的蛋白质 基化合物（protein-based compound)的方法和装置，并且更具体地设及基于拉曼光谱术 (spectroscopy)的便携式光谱仪，其适合于对于包括MRSA或其他病原体的蛋白质基化合物 检查粘膜表面(鼻孔、口部、耳朵）、检验（interrogate)伤口部位和/或检查可能被污染的对 象或表面。该装置可W适合于检验组织试样、粪便、尿、血清或分泌物。
【背景技术】
[0004] 该部分提供了与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0005] 通过由叫做葡萄球菌盒式染色体mec(staphylococcal cassette chromosome mec ,SCCmec)的移动遗传元件携带的mecA基因确定了金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，MRSA)的甲氧西林(methicillin)耐药性。MecA编码称为PBP2a(或PBP2'）的耐0-内 酷胺的盘尼西林结合蛋白质。e-内酷胺抗生素通常与细胞壁中的PBP结合，扰乱肤聚糖层的 合成，运导致了细菌死亡。然而，由于e-内酷胺抗生素不能与PBP2a结合，因此肤聚糖层和细 胞壁的合成继续进行。虽然对于mecA转移的机制仍然不清楚，但是证据支持了不同的葡萄 球菌种类之间的mecA基因的水平转移。通常使用基于培养的方法来诊断MRSA。
[0006] 临床和实验室标准协会（Clinical and LaboratoiT Standards Institute, 化SI)推荐对于PBP^i的补充胶乳凝集测试（latex agglutination test)的头抱西下-纸片 扩散测试(cefoxitin disk difTusion test)。耐药性的表型表现可W根据生长条件W及 存在的葡萄球菌亚种群而不同，所述葡萄球菌亚种群可W在培养物内共存(敏感和耐药）， 从而使得通过标准微生物方法进行的敏感性测试可能存在问题。另外，培养花费时间，通常 为1至5天。已经开发了通过诸如聚合酶链反应(PCR)的分子方法筛选MRSA的更快的技术W 测试赋予对甲氧西林、苯挫西林、糞夫西林W及双氯西林和其他类似抗生素之耐药性的 mecA基因。虽然运种技术更快，但是运种技术仍然花费数个小时并且被送至实验室。另外， 市售的分子方法(用于筛选)不能检测MRSA的mecA变体。
[0007] 拉曼光谱术是无试剂、非破坏性的技术，其可W在没有样品制备的情况下提供化 学品和/或分子的独特的光谱指纹W实现目标鉴定。采用该技术，使用特定波长的光福射样 品，由此小部分（大约107分之一的光子）被非弹性散射（in-elastically scattereK W从 入射福射频移的波长）。由于改变分子极性化的分子振动，光子的非弹性散射提供了独特地 表征目标物质的化学和结构信息。拉曼光谱术在完全表征材料的组成中可W是极其有用 的，并且使得能够采用拉曼光谱数据库相对快速的鉴定未知材料。另外，由于拉曼光谱是非 接触并且非破坏的技术，因此其非常适合于原位、体外和体内分析。
[0008] 拉曼光谱术具有用于筛选细菌、病毒、药物W及组织异常的高潜力，运是由于其： 1)对于大量的分子种类来说是实用的；2)可W提供快速的鉴定；W及3)可W用于定性和定 量分析两者。基于显微拉曼(micro Raman)的便携式或手持式检测仪器将用于可靠并且快 速地评估伤口或鼻道中的金黄色葡萄球菌菌株。快速评估和分型将能够跟踪运种病原体的 传播并且可W显著减少医院获得性感染的数目及其治疗相关的费用。
【发明内容】
[0009] 该部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是其全部范围或者其所有特征的全 面公开内容。
[0010]用于粘膜检查(鼻孔、口部、耳朵)和伤日检验的基于拉曼光谱术的手持式装置系 统提供了用于快速并且有成本效益地筛选细菌、病毒、药物和组织异常的方法。该装置是非 侵入式自动化近乎实时的护理点检测系统（near-real-time-point-of-care detection system),其可W使医护人员能够提供更好的患者管理和最优的临床结果。该装置包括可弃 型尖端元件，所述可弃型尖端元件具有足够小W适合放入小体腔(例如鼻孔）中的尺寸。本 系统可W与S种类型的尖端元件一起使用一一一种用于直接鼻部检验，一种具有真空抽吸 器(suction)和滤器，W及一种具有用于伤口检验的邻近光学器件(optics)。尖端元件和装 置包围了实现拉曼光谱测量的光学部件的组合体(assembly)，所述拉曼光谱测量可W在没 有样品制备的情况下提供化学和/或分子的独特的光谱指纹W实现目标鉴定。
[0011] 该装置并入了用于信号条件处理(signal conditioning)和目标检测的信号处理 和鉴定算法（identification algorithm)。在成像检测器阵列上的区域(area)的离散区域 (例如，四分之一区域(quaclrant))中的超高分辨率显微滤光器(micro-filter)的组合提供 了对目标光谱峰的特异性分析。每个区域或者四分之一区域允许离散光谱带检测，其中每 个显微滤光器提供用于光谱分析的特定波数检测。区分目标物质与背景干扰的离散拉曼光 谱带被用于开发用作检测和目标鉴定基础的学习算法。通过在离散的光谱区域处获得数据 来替代在整个光谱范围内获得数据，采集时间(acquisition time)W及来自混杂背景干扰 的光谱贡献将得W减小或者消除W实现近乎实时评估。
[0012] 使用拉曼光谱术的在流体样品中鉴定病原体的方法也形成了本公开内容的一部 分。运些方法示出使用有限数目的离散光谱峰W对广泛的潜在目标的关键分子标识符 (identifier)进行采样来用于特定病原体检测。因此，本文中所描述的装置和方法可W对 于许多目标材料进行定制，并且在相对小的、便携式外形(form factor)中实现。本质上，提 供了适合的系统，其可W借助内置学习算法容易地被修改W改变目标需要。在美国国防部 计划下开发了用于水中的实时病原体检测W及用于从组织样品中实时鉴定癌症细胞的示 例性学习算法，并且其可W适用于检测方案。在预处理完成之后，使用判别函数分析 (Discriminant Function Analysis，DFA)对样品进行分类。DFA预测组群（group)中的成员 数(membership)。基于多变量正态性的假设，独立变量为预测因子并且从属变量为组群。所 得数据被用于修改在手持式装置中实施的基于拉曼光谱的分析。
[0013] 根据本文中所提供的描述，适用范围的另外领域将变得明显。在该概述中的描述 和特定实施例仅旨在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
【附图说明】
[0014] 本文中所描述的附图仅用于所选择的实施方案的示例性目的，而不是所有可能的 实现方案，并且不旨在限制本公开内容的范围。
[0015] 图1示出了对于各种细菌在作为波长之函数的相对强度方面的平均光谱；
[0016] 图2示出了采用DFA区分被测试细菌确定的波数或光谱带；
[0017] 图3示出了细菌的拉曼光谱的聚类分析；
[001引图4示出了对于接种了鼻拭子样品（浅色)和MRSA IR(深色）的平均光谱的比较； [0019]图5示出了葡萄球菌在最低阻挡光谱区域600至740(cnfi)的经扩张视图中的平均 光谱；
[0020]图6示出了葡萄球菌在最低阻挡光谱区域1200至1300(cnfi)的经扩张视图中的平 均光谱；
[0021 ]图7示出了对于=种流感病毒所采集的拉曼光谱的样品；
[0022] 图8示出了在2850cnfi至2950cnfi之间的拉曼频移处的=种流感病毒的光谱峰；
[0023] 图9示出了在700cnfi至1700cnfi之间的拉曼频移处的S种流感病毒的光谱峰；
[0024] 图10示出了使用背景减除技术的经固定流感病毒的光谱；
[0025] 图11示出了已经使用包括UV、热和化学处理的不同灭活过程灭活的流感病毒的光 谱；
[0026] 图12示出了基于显微拉曼的手持式检测仪器的示例性外形；
[0027] 图13示出了图12中所示的光谱仪的功能特性；
[0028] 图14示出了图12中所示的装置的部件；
[0029] 图15是用于伤口和/或鼻部检验的装置的可弃型末端执行器(end effector);
[0030] 图16示出了具有用于真空吸引应用之过滤功能的装置的可弃型末端执行器；
[0031] 图17是图16中所示的末端执行器的端视图；
[0032] 图18A和图18B示出了图14中所示的扩束器(beam expander)的简单实施例；
[0033] 图19示出了图14中所示的滤光器元件；
[0034] 图20示出了拉曼探测器和检测系统的另一实施方案；
[0035] 图21A至图21C示出了图20中所示的拉曼探测器的光学组件；
[0036] 图22A至图22C示出了图20中所示的光学组件的详细方面；
[0037] 图23A至图23D示出了用于图22中所示的拉曼探测器的激光线滤光器（laser line filter)、离轴抛物面镜系统（off-axis parabolic mirror system)和六角锥形透镜 (hex曰gon曰1 conic曰1 lens);
[0038] 图24示出了图20中所示的装置的便携式外形；W及
[0039] 图25是示出了在病原体检测过程期间使用基于显微拉曼的手持式检测仪器执行 操作过程的流程图。
[0040] 贯穿附图的数个视图中，相应的附图标记指示相应的部件。
【具体实施方式】
[0041] 通过下面更详细描述的初步研究，证明了使用实验室拉曼光谱仪来评估包含众多 病原体的各种蛋白质基化合物的拉曼光谱的可行性。对于运些研究，在不存在背景干扰的 情况下评估了下面的病原体：
[0042] 参MSSA-1S:金黄色葡萄球菌金黄亚种（Sl:a曲ylococcus aureus subsp.aureusK ATCC 狼 6538?);
[0043] ?MSSA-SS:金黄色葡萄球菌金黄亚种（ATCC?BAA1721?);
[0044] 参MRSA-1R:金黄色葡萄球菌(ATCC液BAA1683?);
[0045] 参MRSA-2R:金黄色葡萄球菌金黄亚种（AT€C?700787?);
[0046] 参棒状杆菌属（C