本发明涉及允许流体中，尤其是有机流体(例如血液、血清、血浆、唾液)中粒子的光学检测的传感系统和方法。这些粒子的检测可以用于不同目的，例如液体的状态、物理、机械和/或化学参数的测量，或者在这些粒子被官能化以特异性地与对应于该诊断的一些物质结合或反应的情况下的医疗保健诊断，例如(扩增的)含核酸分子的免疫测定或检测。
背景技术：
根据流体中粒子的不同光学检测，从wo2008/072156已知受抑全内反射(“ftir”)。ftir包括利用一角度处的入射射束照射传感器表面，使得所述入射射束在其上完全反射。在传感器表面上相应地形成几十到几百纳米的瞬逝光场。由于在这个瞬逝场中存在粒子，全反射光变得“受抑”。全反射光的该下降取决于所述粒子的数量和光学性质。粒子可以通过各种类型的元素保持在传感器表面处，例如键合到传感器表面的生物材料。因此可以将光的受抑程度与所述元素的浓度关联起来。
备选的已知光学检测是表面等离子共振(“spr”)型检测(b.liedberg和k.johnsen，affinitybiosensingbasedonsurfaceplasmondetection(“methodsinbiotechnology，vol.7：affinitybiosensors：techniquesandprotocols”)，k.r.rogers和a.muchandani(eds.)，humanapressinc.(totowa，nj，第31-53页))，其包括经由涂覆在透明载体(例如棱镜)上的金属层创建表面等离子共振，并在接收到的信号中检测该共振。取决于存在于金属表面上的分子的质量和数量，净介电函数或折射率在表面处改变，并且检测到的spr信号相应地改变。然后可以评估感测表面上的分子的存在以及与浓度的关系。
另一种备选的已知光学检测涉及要检测的每个粒子与光学标签(即荧光标签或染料)的结合，并检测由这些光学标签的特性特征发射的光并因此评估流体中的分子的存在和/或数量。具体地，已知使用瞬逝波激发进行荧光免疫测定(kronick和little，1975-“newimmunoassaybasedonfluorescenceexcitationbyinternal-reflectionspectroscopy”(j.immunol.meth.8,235-240))。
技术实现要素：
本发明的主要目的之一是增强现有测定和/或光学检测系统的灵敏度。
本发明的另一目的是将这种光学检测系统集成于手持设备中，例如，进行护理点测试。该约束还涉及一个非繁琐的系统、鲁棒性和可靠性(即，即使其可以用手容易地从一个地方移动到另一个地方其仍然足够准确)。
为了解决这些问题和目的，本发明提出了根据权利要求1所述的ftir系统。
发明人实际上已经注意到，位于金属粒子表面上的等离子共振不仅可以通过明场散射(即，检测局部等离子激元激发后散射的光)被检测到，而且也可以在根据权利要求1所述的ftir系统中被检测到，根据权利要求1所述的ftir系统致力于在检测到的全反射波中专门检测这种局部等离子共振。
用于粒子的材料是金属材料，如果以激发波长激发，则其能够实现共振波长处的局部等离子共振。共振波长通常与激发波长相同。用于局部等离激元共振的金属通常具有良好的导电性，反映在自由传导电子的可用性上，导致材料具有介电常数的负实部(低于等离子体频率)。通常，贵金属是良导体，但其他金属材料也示出等离子激元效应，例如，铟锡氧化物(ito)。特此给出可用于粒子的金属材料的非穷尽性清单：金、银、钛、铬、铜、ito或铟锡氧化物。这种材料可以提供在大部分的粒子中，或者可以涂覆在粒子的表面上。根据权利要求1所述的ftir技术中的这种纳米粒子或微粒具有如下优点：通过由于在以(一个或多个)激发波长激发的情况下在(一个或多个)共振波长处的局部等离子激元激发而引起的粒子与瞬逝场的增加的相互作用来增强测定灵敏度；该等离子激元信号是由于在(一个或多个)共振波长或频率周围的每个粒子的表面上产生局部等离子激元而产生的。这种局部等离子共振的发生导致增加的光散射和/或粒子的吸收。这种增加的散射和/或吸收将通过引起增强的“负”或“反转”强度而减少(一个或多个)共振波长周围的受抑全内反射光。由于瞬逝波中存在粒子，该负强度直接导致ftir强度下降(反射信号下降)。与相同尺寸但不包括任何金属材料的粒子相比，反射光中的该共振信息的存在增强了所接收ftir信号中的粒子的特征。该增强相应地增加了检测ftir信号中所述粒子的存在的可能性，并且增加了整个ftir系统的灵敏度。
特别地，该ftir系统一方面被布置为发射和透射具有适当波长的光以共振频率等离子激元地激发粒子的金属表面，并且另一方面用于检测与反射到传感器表面上的光中的局部等离子共振有关的信息。
本发明的检测器还可以被布置为在反射光中更具体地识别与要检测的(一个或多个)粒子的(一个或多个)共振波长有关的(一个或多个)低强度，例如，通过被配置为对于所考虑的低强度在(一个或多个)共振波长周围具有高光谱分辨率。在特定的实施例中，本发明的检测系统具有存储在其存储器中的(一个或多个)粒子的(一个或多个)共振值(频率或波长)的先验知识(这些性质主要与粒子尺寸以及粒子中提供的金属材料层的厚度有关)，其可以用于帮助识别ftir信号中的共振信息。
这种检测器可以是多光谱成像传感器或相机，或具有可调谐光谱滤波器(例如光栅、棱镜、电介质涂层)的相机。
此外，应注意，这样的ftir系统可以被视为特别不繁琐的系统(特别是与明场检测系统相比)，因为其仅被定位在平台的一侧上并且具有倾斜的角度，特别有利于分析器的壳体的集成。
此外，这样的ftir系统需要低成本的部件，并且需要低na、低放大率的光学器件，从而得到大的视场。
该系统的检测布置包括硬件和/或软件类型的处理器(或处理模块)，其适于根据所检测到的光谱检索所述至少一个粒子的存在，但是考虑到ftir信号中的局部共振分量。在ftir信号中可识别的这些局部共振分量尤其允许确定在传感器表面上或附近的包含一些金属材料的粒子的存在，特别是通过识别共振分量的强度或通过确定反射光的变化(由局部等离子共振增强)。例如，如果“负”强度比可以从单个粒子预期的负强度高三倍，则可以推断出已经检测到三个粒子。
由于粒子的存在，利用共振分量增强ftir信号的衰减因此显着改进了感测系统的灵敏度，因为信噪比较高，所以错过检测信号中的一些粒子的概率较低，并且因此与现有技术的ftir系统相比可以检测到更低数量的粒子。
本发明可以相应地基于要检测的较低量的粒子进行新型信号分析，并且因此适用于新的应用。
此外，本发明涉及检测布置成稀释在流体(通常为液体，例如生物样本：血液、唾液等)中的粒子。这意味着系统以这样的方式保持这样的粒子，使得一旦流体被提供给系统(例如，流体是从患者采集的生物样本)，粒子可以在该流体的大部分中移动并且因此与流体的一些组分相互作用。样本体积中的这些相互作用是本发明的一个非常有趣的方面，因为它们可以实现许多不同的应用。具体地，可以向粒子的表面提供具有特异性结合或转换流体的一些分析物的表位或序列的化学组分、酶、其他生物材料(例如抗体、核酸)。与这些粒子(包含金属材料)将直接且固定地键合到传感器表面上-并且因此仅暴露于与传感器表面接触的流体部分的情况相比，大量流体中的这些倍增的相互作用进一步增强了传感器及其分析的可靠性。这与传感器表面的结合只能二维地进行的已知的表面等离子共振(“spr”)传感器有实际差异。
在这些粒子在流体中充分温育之后，检测它们在传感器表面上或附近的存在。“接近”意味着足够接近，从而至少在一定程度上与瞬逝波相互作用。
所述(一个或多个)粒子可以通过随机布朗运动、扩散、沉降、重力或任何其他方式与传感器表面接触(或靠近)。
任选地，那些粒子包含磁性材料，或者结合到磁性材料，特别是超顺磁性材料。具体地，磁性材料可以包含在粒子的核心中，并且沿着粒子的连续外表面提供金属材料。这种磁性材料被布置为如果由外部供应的磁场适当地磁性激活的话，则向粒子提供足够高以在流体中被磁性操纵的一些磁性(进一步其等离子激元性质)。这种操纵可用于混合流体中的粒子并增强它们与一些流体物质的相互作用。该激活可以进一步或备选地用于吸引和/或排斥朝向或远离传感器表面的粒子。为此目的，该系统还可以包括第一磁源和/或第二磁源，第一磁源被布置为磁性地吸引流体中的所述至少一个粒子到传感器表面，和/或第二磁源被布置为磁性排斥流体中的所述至少一个粒子远离传感器表面。在特定实施例中，所述第一磁源和第二磁源是在第一模式下工作以吸引并且在第二模式下工作以排斥的相同磁源。所述(一个或多个)磁源中的至少一个可以被定位于ftir系统的光发射器和光检测器以及对应的电路之间，从而将整个系统集成到分析器的壳体中，同时允许分析器的合理的体积小，适用于手持式应用。此外，这样的分析器的整体布置可以是紧凑的，使得部件更鲁棒。
作为一种选择，本发明还可以被布置为实现临床化学、免疫测定、临床化学或核酸测定：为此目的，所述至少一个粒子可以用特异性结合剂(例如抗体、核酸、结合蛋白或能够结合分析物的任何其他分子或分子组合)或与流体中的目标分析物(例如蛋白质、核酸、细胞、病毒、dna、rna、pna、脂质、激素或任何其他分子或感兴趣的分子组合)的化学反应(例如酶、底物、着色剂)官能化。在那种情况下，这样的粒子还可以被布置为捕获一些流体元素或与一些其他元素进行化学反应以产生光学可检测的化学变化，使得传感器表面上的这种粒子的检测与在流体中这些元素的存在相关。如果这些元素表示患者、动物或其他生物体(已经从其收集流体)的疾病或疾病概率或功能障碍，则本发明的系统可以是用于临床或预临床诊断的强大且敏感的系统。其他应用可以是研究生物或研究模型(例如细胞培养、无细胞系统等)以获得对生命科学的疾病或其他方面的洞察。在更具体或备选实施方式中，传感器表面可以用与存在于流体中目标分析物或的目标分析物的类似物的特异性键合进一步官能化。该具体实施例连同粒子的官能化可以实现本领域公知的三明治或竞争性测定。由于本发明，该测定将以更高的灵敏度进行检测。
作为选择，本发明还可以被布置为使得在将流体提供给系统之前，将包含所述金属材料的所述至少一个粒子保持在干燥测定装置中。该保持可以位于平台内部，例如，在一次性物品中，在传感器表面之上或之外。该平台还可以适于将流体驱动到发生检测的检测腔室，并且将干燥的粒子保持在检测腔室的上游或检测腔室的内部。以干燥格式保持粒子允许平台被保持，加载有嵌入的粒子，随时可以使用。备选地或组合地，那些粒子可以以湿式保持。
作为本发明的另一选择，平台材料可以布置成在所述至少一个共振波长周围对于窄波段的入射波是透明的。备选地或组合地，检测器和/或处理器可以在所述至少一个共振波长周围被提供有窄带滤波器。该实施例和/或(一个或多个)其他实施例允许系统仅保留在局部等离子共振频率周围的ftir信号的部分。该实施例对于改进来自ftir信号的剩余部分的共振信号的信噪比能够是有意义的。它也可以用于只关注局部共振现象，同时滤除局部共振之外的任何不愿意的信息。备选地或与前述任何组合，系统的光源或光源上游的滤波器将入射光限制到在所述至少一个共振波长周围的窄带。
系统还可以包括一个或若干个第二类型的其他粒子，与根据权利要求1的所述“至少一个粒子”相比，其也布置为稀释在流体中，并且包括金属材料，其如果以(一个或多个)第二激发波长激发，则实现至少一个第二共振波长处的局部等离子共振，并且其中，所述第二共振波长分别与所述共振波长(权利要求中的“至少一个粒子”)不同。这两个粒子之间的共振波长的这种差异能够是由于(i)两个类型的粒子上提供的金属材料涂层的尺寸和形状，和/或(ii)厚度的差异。这对于其中使用两个或更多个不同种类的粒子使得能够检测两个或更多种不同分析物的系统而言是特别有意义的。在上述特定情况下，其中，粒子被官能化以特定捕获或结合流体中的分析物，系统可以被配置为检测不同种类的分析物。并且根据本发明的实施例，存在不同类型的粒子(即，如上所述，每个类型具有适当的局部等离子共振值)，每种类型的粒子被官能化以允许与一种类型的分析物特异性结合或反应，使得通过在ftir信号中检测两个不同的共振信号并测量它们各自的强度，我们可以识别和区分两个相应类型的分析物，并相应地在流体中检测到它们(或确定它们的浓度)。该实施例可以由相同的初始波(即宽带光源)或者随时间分开发射的不同入射波(即可调谐窄带光源)来实现。该实施例因此允许快速并以低成本检测不同的分析物。这是一个多路复用系统。ftir特别有利于使用并适用于这种“多路复用”实施例，因为通常在大视场上检测到ftir(例如对于明场显微检测几何结构而言不是这种情况)。该系统可以被布置成或者同时或者顺序地检测具有不同共振波长的两个或更多个粒子。
本发明还涉及根据权利要求10至12中的任一项所述的一次性物品、根据权利要求13所述的分析器以及根据权利要求14或15所述的方法。应当清楚的是，所述系统的所有上述特征和实施例也适用于那些一次性物品、分析器和方法，一次性物品和分析器是该系统的两个互补设备，并且该方法由该系统实施。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得到阐述。在以下图中：
图1示出了ftir系统的示意性侧视图。
图2示出了根据本发明的在操作中的ftir系统的传感器表面。
图3示出了在血液样本中通过philipsminicare平台照射的具有50nm金粒子涂层的500nm磁珠的散射模拟结果。
具体实施方式
图1示出了已知ftir系统1的示意图，其包括嵌入粒子400并具有传感器表面350的平台300以及读取器100，传感器表面350被布置为接收流体200。平台300和读取器100被布置为紧密相互操作，使得读取器100可以将光发送到平台300的传感器表面350并从平台300的传感器表面350接收光。
具体而言，读取器100包括：
光发射器101，例如，至少一个发光二极管(led)，以将光束或波10发射到平台300上；
接收传感器平台300的布置，使得传感器表面350可以接收从光发射器101发射的光；
光检测器102，例如，2d相机，例如可调谐以检测不同波长的cmos相机或多光谱相机，其被定位成任选地通过透镜或棱镜104或本领域技术人员已知的任何其它适当的光学元件检测已由平台300反射的反射光20的至少部分；一般而言，光发射器101、所述布置和光检测器102被配置并且相互定位成使得由光发射器101发射的光可以由位于布置中的传感器平台300接收，并且由传感器表面350反射的光由光检测器102接收；
处理器(未示出)，其位于检测器102下游并且被布置成基于从接收到的光检索到的并且与由于粒子400的存在的全内反射波的受抑有关的信息确定所述粒子400的存在，该检索的信息还包括粒子400的一些局部等离子共振信息；处理器可以与光发射器101、光检测器102和磁源103-103’(在下文中描述)一起被提供在读取器100的单个壳体(未示出)中，和/或设置在与读取器进行近距离通信和/或位于远程位置中经由通信网络与读取器100通信的对接站中或本地计算机(未示出)中。
磁源103-103’，其用于在流体200中生成磁场以在稀释的粒子400上施加力以到这样的程度：这些粒子400包括适当的磁性材料(例如超顺磁性材料)并且其控制允许朝向传感器表面350和/或从传感器表面350向外和/或通过更复杂的运动操纵流体200内部的粒子400。
平台300可以是一次性的，任选地主要由聚合物材料或经受实施本发明所需的光学性质的任何种类的材料制成。
平台300包括：
基部310，其被提供有对于入射光10的至少某些波长透明的平台材料，所述基部从传感器表面350延伸并在其下方延伸；
任选地盖320，例如，层压箔，其被定位在基部310上。
基部310和/或盖320可以被构造成限定它们之间的微流体部件，诸如检测腔室330、微通道、其他腔室和结构等，以在检测腔室330的下游和上游处理流体200(未示出)。基部310和/或盖320的表面部分可以被使用并构造成在流体200被提供用于检测目的之前保持一些粒子400，优选地在检测腔室330的上游或检测腔室330中。
所述平台材料的折射率n1高于流体200的折射率n2，从而限定与传感器表面350的法线的光学临界角θc，使得在该平台材料中传播并且以大于临界光学角度θc的角度θi入射到传感器表面350的电磁波10在传感器表面350上被全反射。众所周知，该全反射的结果是在传感器表面350上产生瞬逝波30，通常从数十到数百纳米的高度。
光发射器101、光检测器102和平台300被配置并相互定位成使得事实上入射光10被反射到传感器表面350上并且反射光20被光检测器102接收。
如上所述，粒子400可以以干燥状态保持，并且被布置为悬浮在流体200中(通常为液体，例如生物样本：血液、唾液等)。一旦将流体200提供给系统1(例如，从患者取得生物样本)，粒子400可以在该流体200的大部分中移动并因此与流体200的一些组分相互作用。粒子400被提供为与金属材料(例如金、银)接触，使得一旦被入射光10激发就以合适的共振波长生成局部共振等离子激元40。该金属材料可以提供在大部分的粒子400中或者作为连续层410提供在粒子400的表面上。用于所考虑的选择的金属的粒子400的尺寸和层410的厚度将主要确定局部等离子激元的共振波长。
那些粒子400还包含磁性材料，或者键合到磁性材料，特别是超顺磁性材料。该磁性材料可以包含在粒子400的芯中，并且沿着这种粒子400的连续外表面提供金属材料。具体地，这种磁性材料以这样的方式布置在(一个或多个)粒子400中：如果通过由(一个或多个)磁源103-103’供应到其的磁场适当地激活，则粒子400可以在流体200中被磁性地操纵。
粒子400的表面可以用化学组分、酶、其他生物材料(例如抗体、核酸、结合蛋白质或能够结合分析物的任何其他分子或分子组合)进一步提供或官能化，这些化学组分、酶、其他生物材料被提供有与流体200的分析物(例如蛋白质、核酸、细胞、病毒、dna、rna、pna、激素、脂质或两个或多个这些分析物的任何组合或缀合物)特异性结合的表位/受体或序列。另外或备选地，传感器表面350可以利用与流体中的目标分析物或目标分析物的类似物特异性键合来官能化。该具体实施例与粒子400的官能化一起可以导致如图2中的键合420描绘的本领域公知的夹层结构(或者备选地，此处未示出的竞争性测定法)，使得结合的粒子的量能够与分析物的浓度或活性有关。
平台310的平台材料可以被布置成仅对在粒子400的(一个或多个)所述共振波长周围的入射波10的光谱的窄带是透明的。例如，平台材料可以是仅使得蓝光通过其的材料，已知粒子400的共振波长处于蓝色光谱中。该实施例对于过滤掉一些不想要的波长或丢弃其他类型的粒子400的共振(例如，当其他类型的一些粒子400在红光谱中具有局部共振时)能够是有意义的。
备选地或组合地，检测器102和/或处理器可以被提供有在粒子400的所述至少一个共振波长周围的窄带滤波器。该实施例和/或(一个或多个)其他实施例允许系统1仅保留在对应于局部共振等离子激元的波长周围的ftir信号的部分。该实施例对于改进来自ftir信号的剩余部分的共振信号的信噪比能够是有意义的。它也可以用于只关注局部共振现象，同时滤除局部共振之外的任何不想要的信息。
如已经指示的，系统可以包括不同类型的粒子400，每种类型都能够实现适当的局部等离子共振，即具有用于激发的(一个或多个)合适的共振波长。在上述粒子被官能化以特异性捕获或结合流体中的分析物的特定情况下，每个粒子有一种分析物，由于本发明，通过在ftir信号中检测ftir光谱中不同的对应共振信号并测量它们相应的强度，可以清楚地识别和检测不同种类的分析物。该实施例可以从相同的初始波10或者随时间分离地发射的不同入射波10实现。
图3示出了可以如何检测共振信号-此处所考虑的粒子400的共振波长为大约0.62微米-并且其检测还取决于粒子400距传感器表面350的距离，即粒子在瞬逝波30中的存在。该数字已经从光散射模拟中获得，其中，磁性粒子被放置在瞬逝场内，具有(“底部”)且没有(“顶部”)金属金涂层。此处，“顶部”标记的曲线描绘了其中金属涂层在瞬逝场外的整体消光(散射和吸收)效率，并且不预期等离子激元效应。“底部”标记的曲线图示了等离子激元激发的效应，其中，总消光效率增加3倍(在该具体示例中)，这将通过ftir信号的减少或受挫的对应增加来反映。
尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。例如，本发明的系统不仅可以与根据本发明的粒子一起使用，而且可以结合本发明的粒子与其他类型的粒子一起使用。