专利名称：：识别和量化悬浮于液体中的生物样品的系统及方法
技术领域：
：本发明总体上涉及一种识别和量化悬浮于液体中生物样品的系统及方法。更确切的说，本发明涉及一种对生物样品的焚光激发发射矩阵运用多元分析来识别量化生物样品的系统及方法。相关领域的说明细菌学中，染色法被用来识别革兰氏阳性和革兰氏阴性这两种通用的细菌组，而不能识别细菌种类。使用显色培养基可以分离和识别人类病理的一些微生物，但不能识别所有可能种类。目前使用化学染色法能识别大约20000种不同细菌种类。然而，这些方法在细菌识另'J的时间方面仍存在着巨大的问题，例如，使用自动化设备应用标准化学方法需要18-24小时才能获得分离的有机体(大约额外花费24小时)。为了获得更快的响应时间，各种光谱技术被开发出来。例如，傅立叶变换红外光谱(FTIR)就被用在生物样品的分析中以获得更快的响应时间。FITR光谱法的步骤如下。首先，收集从泌尿道感染(UTI)病人尿样中分离出的细菌组。对50。C下烘干30分钟的样品进行分析，在4000cm—:到600，_1的波长范围内采集样品光谱，光谱采集要在20Hz的频率下进行。为了提高信噪比，对256光谱进行叠加和平均。对信息的分析表明样品识别是可行的。经研究拉曼光谱也可能可用于识别和定量细菌样品的方法。拉曼光谱的步骤如下。首先，利用具有低功率(30mW)近红外780nm的半导体激光器的色散拉曼光谱仪(Ramascope)在采样点下收集光谱，采样点典型值为3mW。样品为细菌悬浮液(3x109个细胞每毫升)。光谱采样60秒。信息分析表明，生物样品的识别是可行的。然而，识别的置信度并不高。进一步的研究提出了使用荧光光谱进行快速细菌识别。例如，使用多激发荧光光谙以选择最佳的激发波长，接着再对生物分子组进行选择激发以进行最佳的细菌种类识别。Noergaard等人发明的美国专利No.6834237>开了一种追踪分类系统在包含一分离的动物生物样品的环境的条件下表征分离的生物样品的方法。分离的生物样品选自体液或组织样品。组织样品与条件无关。本方法的一个例子为取吸烟者和非吸烟者的尿样，如果尿样中检测到发射光，则为吸烟者。Jeng等人发明的美国专利No.6773922、6426045、6365109和6087182公开了一种用于测定参数如至少一种生物样品分析物的浓度的仪器和方法。该仪器和方法使用可见光吸收光谱获得某些分析物的浓度值，使用红外吸收光谱获得其他分析物的浓度值。Vo-Dinh发明的美国专利No.59386177>开了一种利用不同波长的光激发样品，并同步采样发射强度以识别样品生物病原的系统。该系统采用的机理为将样品暴露在激发辐射下，以获得发射辐射。生物病原可为病毒和细菌。然而，上述每个方法和/或系统不是使用试剂就是需要复杂的样品制备，这使得方法和/或系统更难于操作，以及更易于操作失误。样品制备所需的时间也使得上述方法和/或系统不适用于快速的诊断
发明内容相应地，本发明的目的是提供一种识别和量化液体中生物样品的系统。本发明更进一步目的是提供一种快速分析系统。本发明的另一个目的是提供一种不需要使用试剂而识别和量化液体中生物样品的系统以降低材料费用。本发明是针对悬浮于液体中的生物样品进行识别和量化的系统。该系统包括至少有一激发光源的荧光激发模块；一个与荧光激发模块光学耦合的样品接口模块，该模块用于定位生物样品以接受至少一个激发光源的激发光；一个与样品接口模块光学耦合的荧光发射模块，该模块包括至少一个用于检测生物样品荧光激发-发射矩阵的检测装置；一个与荧光发射模块有效耦合的计算机模块。该计算机模块对生物样品的荧光激发-发射矩阵进行多元分析以识别和量化生物样品。多元分析可包括扩展偏最小二乘法分析以识别和量化生物才羊品。系统可进一步包括一个吸收模块以及一个漫反射模块。吸收模块使用从至少一激发光源或者单独调制光源发出的光来实现生物样品的吸收测量。吸收测量可以和生物样品的荧光激发-发射矩阵结合在一起来识别和量化生物样品。吸收模块既可以是单色仪也可以是具有光电倍增管的滤光轮。漫反射模块使用从至少一激发光源或者单独调制光源发出的光来实现生物样品的漫反射测量。漫反射测量可以和生物样品的荧光-激发发射矩阵结合在一起来识别和量化生物样品。漫反射模块可以是具有半导体探测器或者光电倍增管的单色仪。至少一激发光源可以是连续光源、脉冲闪光灯、半导体激光器、可调激光器或者上述光源的任意组合。至少一激发光源可以通过使用光栅单色仪、带有窄带滤光器的滤光轮、声光可调滤光器、液晶可调滤光器、圓形可变滤光片、线形可变滤光片或者上述的任意组合来选择波长。荧光发射模块的至少一检测装置既可以是具有固态检测器的扫描光栅单色仪也可以是具有多通道阵列探测器的非扫描光栅单色仪。焚光发射模块还可以进一步包括用来控制液体中光学采样深度和优化信噪比特征的门控电子。所属系统还可以进一步包括显示装置，该显示装置用来显示生物々羊品的识别和量4匕。本发明还进一步涉及一种用于检测和量化悬浮于液体中生物样品的方法。所述方法包括步骤a)提供一激发光源；b)使用激发光源激发生物样品；c)检测生物样品的光谱信息，光谱信息的形式为激发-发射矩阵、吸收测量、漫反射测量或者上述的任意组合；d)对光谱信息进行多元分析以识别和量化生物样品，所述多元分析可包括扩展偏最小二乘法分析以识别和量化生物才羊品。激发光源可以是连续光源、脉冲闪光灯、半导体激光器、可调激光器或者上述光源的任意组合。至少一激发光源可以通过使用光栅单色仪、带有窄带滤光器的滤光轮、声光可调滤光器、液晶可调滤光器、圓形可变滤光片、线形可变滤光器或者上述的任意组合来选择波长。所述方法还可以进一步包括步骤e)显示生物样品的识别和量化。数据格式编排和数据预处理可以在步骤d)之前进行，所述多元分析可包括扩展偏最小二乘法分析以识别量化生物样品。参考下列参照附图的描述以及附加的权利要求，本发明的这些和其他特征以及操作的方法和相关单元结构的功能变得更为清楚。下列描述以及附图的附加说明也为本说明书的一部分，其中附图标记表示各附图中的相应部分。说明书和权利要求书中的单数"一"也包括其复数形式，除非其内容清楚地说明了相反情况。图1是根据本发明的一种识别和量化悬浮于液体中生物样品系统的总体示意图图2是根据本发明的一种识别和量化悬浮于液体中生物样品系统的正交(right-angle)配置示意图图3是根据本发明的一种识别和量化悬浮于液体中生物样品系统的正面(front-face)配置示意图图4是图3中正面配置的样品接口模块的详图图5是消减正面荧光强度与磷酸盐緩冲液中克雷白氏杆菌浓度的关系图表图6是消减荧光发射强度与磷酸盐緩冲液中克雷白氏杆菌的激发波长的关系图表图7是消减正交荧光强度与水中大肠埃希菌浓度关系的图表图8是消减正面荧光强度与磷酸盐緩冲液中大肠埃希菌浓度的关系图表图9是消减正交荧光强度与人体尿液中大肠埃希菌浓度的关系图表具体实施例方式出于描述的目的，下文中的术语"上""下""右""左""水平""垂直""顶端""底端""侧面""纵向"以及上述的衍生词均与发明有关，指的是附图中位置。然而，应当理解为，本发明也可采取除相反声明外的不同可替代变化值。也可理解为附图中以及下列说明中所描述的规定装置仅为本发明的示范例。因此，这里所公开的实施例中涉及的具体尺寸和其他物理特征不应理解为对本发明的限制。本发明的系统和方法可以快速识别和量化液体中生物样品并且不需向液体中添加试剂。本发明可用于以下环境对人体体液中细菌和病毒的及时现场护理生物医学分析、识别海水中微生物以控制在美国沿海海域的航行、检测和识别生物战剂、食品和饮料业以及饮用水和废水的含量监控。图1为识别和量化液体中生物样品的系统1，包括荧光激发模块3、样品接口模块5、荧光发射模块7、计算机模块9、显示装置11、吸收模块13以及漫反射模块15。荧光激发模块3、样品接口模块5、荧光发射模块7、吸收模块13以及漫反射模块15相互间光电耦合。计算机模块9与荧光激发模块3、荧光发射模块7、吸收模块13、漫反射模块15以及显示装置11有效耦合。参见图2，3以及图1，本发明的系统1可配置有各种荧光激发和采集的光学配置。例如，系统l可配置成正交配置l'(见图2)或正面配置1〃(见图3)。荧光激发模块3包括至少一激发光源19和一波长选择装置21。激发光源19可以为任何合适的光源，例如但不限于，一连续光源例如稀有气体弧灯或者氘灯、脉冲闪光灯、半导体激光器或者可调激光器。波长选择装置21可使用户选用从激发光源19发出的指定波长的光。波长选择装置21可以为任何适合于从光源中选择波长的装置，包括但不限于，光栅单色仪、带有窄带滤光器的滤光轮、声光可调滤光器(A0TFs)、液晶可调滤光器(LCTFs)、圓形可变滤光片或者线形可变滤光器。样品接口模块5包括位于荧光激发模块3和样品比色管23中的生物样品之间的光学接口以及偏振光(未显示)。所述样品比色管在本领域为公知的，典型的为方形或矩形(具有很好的盛载样品的面积)，使用透明材料如玻璃或者聚合材料制成。光学接口包括镜25和透镜37,用来尽可能的定向和聚焦激发光源19产生的光。本发明的一个可选择的方案是，使用单支或者分支光纤作为光学接口。样品比色管23被用来在系统中的适当位置盛放悬浮于液体中的生物样品。图4为更详细的正面配置1〃的样品接口模块5的示意图。样品接口模块5包括一用来聚焦焚光发射模块3发出的光的透镜40。透镜40可以为CVIPXF-50.8-90.8-UV透镜和CVIBXF-50.8-90.8-UV透镜的联用，该透4竟由CVILaserLLC,200DoradoSE,Albuquerque,NM871237^司制造。然后透4竟40所聚焦的光被镜41和42反射到样品比色管23。镜41可以为Newport20D10.AL2,4竟42可以为Newport10D10.AL2，由NewportCorporation,1791DeereAvenue,Irvine,CA92606公司制造。样品比色管23所反射的光通过孔43且经过透镜44的聚焦、孑L45以及透镜46而指向焚光发射模块7。透镜44可以是CVIPXF-50.8-77.3-UV透镜，透4竟46可以是CVIPXF-50.8-40.7-UV透4竟，都为CVILaserLLC/^司制造。透过样品比色管23的光被镜47和48所反射。镜47可以为Newport10D10.AL2,4竟48为Newport20D10.AL2,由NewportCorporation公司制造。光接着被透镜49聚焦，通过虹膜装置50,最终指向吸收模块13。透镜49可以为由CVIPXF-50.8-90.8-UV透4竟和CVIBXF-50.8-312.0-UV透镜的耳关用，该透镜由CVILaserLLC公司制造。样品接口5的所有光学组件通过使用合适的夹持器定位，例如由Thorlabs，Inc.,435Route206North,Newton,NJ07860公司生产的夹持器和定位装置。光学接口也可以包括束流收集器51和52用来降低仪器内部的反射杂散光，其位置如图4所示。吸收模块13使用从激发光源19或者单独调制光源(未显示)发出的光对样品比色管23中的生物样品进行吸收测量。光轮。漫反射模块15也可使用从激发光源19或者单独调制光源(未显示)发出的光对样品比色管23中的生物样品进行漫反射测量。漫反射模块15可以是但不限于单色仪、半导体检测器或者光电倍增管。偏振光(未显示)为起偏镜，用于从悬浮有生物样品的液体介质中出来的激发和/或发射光束以及弹性散射光。荧光发射模块7包括一波长选择装置17、检测器29和信号处理电子33。检测器29与波长选择装置17光学耦合。检测器29和波长选择装置17可以是任何合适的检测装置，包括但不限于具有固态检测器的扫描光栅单色仪或者是具有多通道阵列探测器的非扫描光栅单色仪。荧光发射模块7可进一步包括具有窄带滤光器的滤光轮(未显示)和多模态多路光谱(MMS)单色仪(未显示)。MMS单色仪被优化用于扩展区域散射荧光源。信号处理电子33在本领域是公知的，为用于控制液体中光学扫描的深度以及优化信噪比特征的门控电子。计算机模块9用于系统操作和控制。计算机模块9对从信号处理电子33接受到的数据进行格式编排和预处理，并对数据进行分析以识别和量化生物样品。通过对信号处理电子33的数据的格式编排，计算机系统确定荧光激发-发射矩阵，并能确定在选择的波谱范围内对波长的吸收以及选择波谱范围内对波长的漫反射。接着计算机模块9通过平均值中心化(meancentering)和方差标度(variancesealing)、平滑和微分(differentiation)、最佳滤波、吸收和散射校正以获得无扰荧光镨和荧光语的整合、吸收和漫反射谱，以便进行多元分析。最后，计算机模块9对数据进行多元波谱分析以对生物样品进行识别和量化。所述多元分析最好包括扩展偏最小二乘法分析(e-PLS)以分类和量化生物样品。多路化学计量方法例如PARAFAC和Trucker法、人工神经网络法(ANN)和支持向量机法(SVM)也都可以用于数据处理。计算机模块9完成多元波谱分析后，显示装置ll向用户显示相关信息。这些信息可包括但不限于生物样品的识别和量化、识别几率和量化统计资料。显示装置11可以是任何合适的显示装置，包括但不限于CRT显示器、等离子显示器、背投显示器、LCD显示器或者类似的。运行时，系统l、F和1〃进行以下步骤。首先，激发光源19发出激发光，波长选择装置21对激发光的波长进行选择，激发光再通过镜25指向样品比色管23中的生物样品。激发光从而激发生物样品。生物样品的光谱信息通过检测器29和检测器31检测出来，光谙信息的形式为激发-发射矩阵、吸收模块13的吸收测量以及漫反射模块的漫反射测量。信号处理电子33和35对光谱信息进行处理，接着由计算机模块9对光谱信息进行数据格式编排以及预处理。然后计算机模块对编排的数据以及预处理的光谱信息进行包含扩展偏最小二乘法分析在内的多元分析，以对生物样品进行识别和量化。最后，为用户解释目的，显示生物样品的识别和量化。以下描述的为本发明的各个实施例。实施例<又用于解释而不用于限制发明的范围。实施例1下列表格为不含有克雷白氏杆菌的磷酸盐緩冲液(表l)和含有浓度为1.6x107CFU/mL的克雷白氏杆菌的磷酸盐緩沖液(表2)的激发-发射矩阵。这些激发-发射矩阵是通过使用如图3所示的正面配置系统1所产生的。表l(不含克雷白氏杆菌)荧光强度，积分计数(integratedcounts)发射波长，激发波长Dm2502602702802卯3003043.98E+023.I9E+028.26E+025.01E+022.51E+023087.33E+027.46E+028.51E+023.30E+O33.93E+023129.02E+027.85E+029.24E+027.13E+034.25E+021.38E+033167.92E+028.25E+028.卿+022.73E+035舰+021.31E+033209.61E+028.21E+028.42E+028.96E+022.44E+031.26E+033249邻E+028.87E+028.22E+027.64E+026.17E+031.23E+033289.49E+029.69E+028.58E+028.31E+022.72E+031.49E+033321.00B+039.47E+028.70E+028.66E+027.19E+023.65E+033369.卯E+028.04E+027.細+028.31E+026.62E+025.95E+033409.28E+027.60E+027.舰+027.12E+025.83E+023.67E+033449.92E+027.38E+026.67E+026.27E+025.90E+021.39E+033489.34E+026.87E-W2'6.92E+02.6.88E+02'5.63E+021..28E+033528.74E+027.79E+027.31E+026.63E+025.33E+021.67E+033569.93E+028.43E+027.16E+026.38E+025.24E+021.ME+033601.06E+039.49E+026.91E+026.54E+025.27E+021.04E+033641.04E+038.17E+026.45E+025.卿..025.16E+021.17E+033681.01E+038.47E+026.52E+025.36E+025.18E+02U9E+033729.84E+027.88E+026.13E+025.31E+024.63E+021.50B+033761.01E+037.65E+026.33E+025.12E+02楊E+022.45E+033抑1.04E+037.83E+026.34E+025.15E+024.66E+021.64E+033849.14E+027.41E+026.69E+025.15E+024.72E+02"3E+033881.00E+037.29E+025.83E+025.06E+024.35E+021.28E+033928.93E+028.30E+026.16E+024.98E+024.34E+021.46E+033969.12E+028.17E+025.84E+025細+024.51E+021.93E+034009.92E+027.56E+026.18E+024.88E+024.55E+021.22E+03柳9.50E+027.83E+025.50E+024.53E+024.15E+021.17E+034128.45E+027.57E+025.22E+02《舰+024.50E+02I.17E+034169.12E+027.5犯+025.95E+024.74E+024.23E+021.62E+03<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表2(含克雷白氏杆菌)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>上述表格的汇总见图4和图5。图4说明了消减正面荧光强度与磷酸盐緩沖液中克雷白氏杆菌浓度的关系图，图5说明了消减发射强度与磷酸盐緩冲液中克雷白氏杆菌的激发波长的关系图。实施例2下列表格为水(表3)和含有浓度为3.9x107CFU/mL的大肠埃希菌的水(表4)的激发-发射矩阵。这些激发-发射矩阵是通过使用图2所示的正交配置系统1所产生的。表3(水)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表4(含大肠埃希菌的水)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表6(含大肠埃希菌)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>上述表格的汇总见图7。图7说明了消减正面荧光强度与磷酸盐緩冲液中大肠埃希菌的浓度的关系图。实施例4下列表格为不含有大肠埃希菌的人体尿液(表7)和含有浓度为8.9x107CFU/mL的大肠埃希菌的人体尿液(表8)的激发-发射矩阵。这些激发-发射矩阵式通过使用图2所示的正交配置系统1产生的。表7(人体尿液)<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>表8(含有大肠埃希菌的人体尿液)<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>图8对上述表格进行了汇总。图8说明了消减正交荧光强度与人体尿液中大肠埃希菌浓度的关系。尽管本发明为了说明的目的，对目前认为最实用的优选的实施例进行了详细描述，可以理解为这些详细描述仅仅是为了说明的目的。本发明并不仅限于公开的实施例，相反而是为了覆盖附加要求的精神和范围内的修改和等同替换。例如，在可能范围内的对不同实施例的一个或多个技术特征的结合可以理解为在本发明的预期范围内。权利要求1.一种识别和量化悬浮于液体中生物样品的系统，包括包含至少一激发光源的荧光激发模块；与荧光激发模块光学耦合的样品接口模块，用于定位生物样品以接受从至少一激发光源发出的激发光，并传输光到荧光吸收和漫反射模块；与样品接口模块光学耦合的荧光发射模块，包含至少一检测生物样品荧光激发-发射矩阵的检测装置；以及与荧光发射模块有效耦合的计算机模块，所述计算机模块对生物样品的荧光激发-发射矩阵进行多元分析以识别和量化生物样品。2.如权利要求1所述的系统，还包括一吸收模块和一漫反射模块。3.如权利要求2所述的系统，所述吸收才莫块利用来自至少一激发光源和一单独的调制光源中的一个的光进行生物样品的吸收测量。4.如权利要求3所述的系统，所述吸收测量结合生物样品的荧光激发-发射矩阵来识别和量化生物样品。5.如权利要求2所述的系统，所述的吸^L才莫块为一单色仪或者一具有光电倍增管的滤光轮。6.如权利要求2所述的系统，所述的漫反射模块利用来自至少一激发光源和一单独的调制光源中的一个的光进行生物样品的漫反射测量。7.如权利要求6所述的系统，所述的漫反射测量结合生物样品的荧光激发-发射矩阵来识别和量化生物样品。8.如权利要求7所述的系统，所述的漫反射模块是单色仪、半导体检测器和光电倍增管中的一个。9.如权利要求1所述的系统，所述的至少一激发光源为一连续光源、一脉冲光源、一半导体激光器、一可调激光器或上述的任意组合。10.如权利要求1所述的系统，所述至少一激发光源的波长通过选择性使用光栅单色仪、带有窄带滤光器的滤光轮、声光可调滤光器、液晶可调滤光器、圆形可变滤光片、线形可变滤光器或者上述的任意组合。11.如权利要求l所述的系统，所述荧光发射;^莫块的至少一枱r测装置是具有固态检测器的扫描光栅单色仪和具有多通道阵列检测器的非扫描光栅单色仪中的一个。12.如权利要求l所述的系统，所述焚光发射模块进一步包括门控电子以控制液体中光学采样深度和优化信噪比。13.如权利要求l所述的系统，所述多元分析包括扩展偏最小二乘法分析来识别和量化生物样品。14.如权利要求1所述的系统，还进一步包括用于显示生物样品的识别和量化的显示装置。15.—种识别和量化悬浮于液体中生物样品的方法，包括下列步骤a)提供一激发光源；b)激发光源激发生物样品；c)检测生物样品的波谱信息，波i普信息为以下形式激发-发射矩阵、吸收测量、漫反射测量或者上述的任意组合；以及d)对波谱信息进行多元分析以识别和量化生物样品。16.如权利要求15所述的方法，所述激发光源为连续光源、脉沖光源、半导体激光器、可调激光器或上述的任意组合。17.如权利要求15所述的方法，所述激发光源的波长通过使用光栅单色仪、带有窄带滤光器的滤光轮、声光可调滤光器、液晶可调滤光器、圆形可变滤光片、线形可变滤光器或者上述的任意组合来选择。18.如权利要求15所述的方法，所述多元分析包括扩展偏最小二乘法分析来识别和量化生物样品。19.如权利要求15所述的方法，进一步包括步骤e)显示生物样品的识别和量化20.如权利要求15所述的方法，在步骤d)之前先进行数据格式编排和数据处理。全文摘要一种识别和量化悬浮于液体中生物样品的系统，包括包含至少一激发光源的荧光激发模块；与荧光激发模块光学耦合的样品接口模块，用于定位生物样品以接受从至少一激发光源发出的激发光；与样品接口模块光学耦合的荧光发射模块，包含至少一检测生物样品荧光激发-发射矩阵的检测装置；以及与荧光发射模块有效耦合的计算机模块。所述计算机模块对生物样品的荧光激发-发射矩阵进行多元分析以识别和量化生物样品。所述多元分析可包括扩展偏最小二乘法分析来识别和量化生物样品。本发明还公开了一种识别和量化悬浮于液体中生物样品的方法。文档编号G01J3/44GK101283241SQ200680037071公开日2008年10月8日申请日期2006年8月8日优先权日2005年8月8日发明者乔纳森·古芬克尔,盖尔·因格贝尔,罗赛尔·H·巴恩斯申请人:普凯尔德诊断技术有限公司