光学测量仪器转让专利
申请号 : CN200880013366.5
文献号 : CN101688840A
文献日 : 2010-03-31
发明人 : 罗曼·格鲁勒 , 康拉德·福尔斯蒂克
申请人 : ESE嵌入式系统工程有限责任公司
摘要 :
本发明提供光学测量仪器和测量设备。所述光学测量仪器用于检查包含在样本中的标本，包括：至少一个源，用于提供至少一束电磁波束，该电磁波束旨在照射所述样本并与所述样本中的所述标本相互作用；至少一个传感器，用于检测所述标本和所述电磁波束之间相互作用的输出；整体形成的用于所述光学和电子部件的机械平台；用于所述样本的样本保持器，其中，所述至少一个源，所述至少一个传感器以及所述机械平台集成在一个单片光电模块中，并且所述样本保持器可以连接到所述模块。
权利要求 :
1.一种用于检查包含在样本中的标本的光学测量仪器，包括：至少一个源，用于提供至少一束电磁波束，该电磁波束旨在照射所述样 本并与所述样本中的所述标本相互作用；
至少一个传感器，用于检测所述标本和所述电磁波束之间相互作用的输 出；
整体形成的用于所述光学和电子部件的机械平台；
用于所述样本的样本保持器，
其中，所述至少一个源，所述至少一个传感器以及所述机械平台集成在 一个单片光电模块中，并且所述样本保持器可以连接到所述模块。
2.如权利要求1所述的光学测量仪器，其特征在于，所述至少一个源 和所述至少一个传感器布置成可以进行共焦点测量。
3.如权利要求1或2所述的光学测量仪器，其特征在于，所述模块包 括接口，用于连接各种样本格式所用的不同类型的样本保持器。
4.如权利要求1至3其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，所 述源为发光二极管。
5.如权利要求1至3其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，所 述源为激光器或激光二极管。
6.如权利要求1至5其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，所 述传感器是电荷耦合设备。
7.如权利要求1至5其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，所 述传感器是CMOS晶体管。
8.如权利要求1至7其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，至 少一个滤波器设置在所述模块中。
9.如权利要求1至8其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于，设 置监控元件。
10.如权利要求9所述的光学测量仪器，其特征在于，所述监控元件是 监控二极管。
11.如权利要求1至10其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于， 电子存储元件集成在所述模块中。
12.如权利要求1至11其中一项所述的光学测量仪器，其特征在于， 所述仪器是手持仪器。
13.一种用于检查包含在样本中的标本的光学测量设备，包括：至少一个源，用于提供至少一束电磁波束，该电磁波束旨在照射所述样 本并与所述样本中的所述标本相互作用；
至少一个传感器，用于检测所述标本和所述电磁波束之间相互作用的输 出；
整体形成的用于所述光学和电子部件的机械平台；
其中，所述至少一个源，所述至少一个传感器以及所述机械平台集成在 一个单片光电模块中。
14.如权利要求13所述的光学测量设备，其特征在于，所述至少一个 源和所述至少一个传感器布置成可以进行共焦点测量。
15.如权利要求13或14所述的光学测量设备，其特征在于，所述模块 包括接口，用于连接各种样本格式所用的不同类型的样本保持器。
16.如权利要求13至15其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 所述源为发光二极管。
17.如权利要求13至15其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 所述源为激光器或激光二极管。
18.如权利要求13至17其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 所述传感器是电荷耦合设备。
19.如权利要求13至18其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 所述传感器是CMOS晶体管。
20.如权利要求13至19其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 至少一个滤波器设置在所述模块中。
21.如权利要求13至20其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 设置监控元件。
22.如权利要求21所述的光学测量设备，其特征在于，所述监控元件 是监控二极管。
23.如权利要求13至22其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 电子存储元件集成在所述模块中。
24.如权利要求13至23其中一项所述的光学测量设备，其特征在于， 所述设备可以叠置。
25.一种利用权利要求13至24其中一项所述光学测量设备进行光学测 量的方法，其中，由所述源向所述样本发射电磁波束，并且该电磁波束与所 述样本中的所述标本相互作用；和利用所述传感器检测该相互作用的输出。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一个源和所述 检测器布置成能进行共焦点测量。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述样本相对于所 述模块移动。
28.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述模块相对于所 示样本移动。
29.如权利要求25至28其中一项所述的方法，其特征在于，进行发光 测量。
30.如权利要求25至28其中一项所述的方法，其特征在于，进行反射 或反光测量。
31.如权利要求25至28其中一项所述的方法，其特征在于，进行吸收 测量。
32.如权利要求25至28其中一项所述的方法，其特征在于，进行测光 密度测量。
33.如权利要求25至32其中一项所述的方法，其特征在于，进行样本 的二维扫描。
34.如权利要求25至33其中一项所述的方法，其特征在于，焦点距离， 即，模块与样本之间的距离可以变化。
35.如权利要求25至34其中一项所述的方法，其特征在于，显示测量 结果。
36.如权利要求25至35其中一项所述的方法，其特征在于，进行环境 光补偿。
37.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，标本包含 在液体中。
38.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，标本包含 在固体中。
39.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，标本包含 在凝胶中。
40.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，标本包含 在液滴中。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，包含标本的液滴由移液 管保持。
42.如权利要求40所述的方法，其特征在于，液滴自由下落，并经过 所述源发出的电磁波束。
43.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，所述标本 包含在液体喷流中。
44.如权利要求25至36其中一项所述的方法，其特征在于，所述标本 包含在间歇液体喷流中。
45.如权利要求25至44其中一项所述的方法，其特征在于，周期性地 进行校准。
46.一种带有程序编码装置的计算机程序，在该计算机程序在计算机或 相应的计算单元上运行的时候，用来执行权利要求25至45其中一项所述的 全部过程步骤。
47.一种带有程序编码装置的计算机程序，存储在计算机可读的数据载 体中，在该计算机程序在计算机或相应的计算单元上运行的时候，用来执行 权利要求25至45其中一项所述的全部过程步骤。
说明书 :
技术领域
本发明涉及光学测量仪器以及光学测量设备。此外，本发明提供一种进 行光学测量的方法以及用来实施该方法的计算机程序。
背景技术
光学测量仪器以及实施光学测量的方法是已知的。
横流免疫测定作为光学测量技术的例子，在过去已经变成各种诊断应用 的宝贵工具。这种发展的最为显著原因是这些工具对于许多应用而言具有合 理的灵敏性以及针对性，并且能快速获得结果，以为内它们直接应用于样本 而不需要前置的耗时的样本制备步骤。横流免疫测定容易操作，而且它们并 不需要读取设备，因此他们成本低且可以移动。
但是，和每一种技术一样，横流免疫测定也存在局限，并且缺乏重要的 特征来进一步开发这种技术。这些限制主要是缺乏自动存档；主观解释结果 导致大量的错误阳性和错误阴性；缺乏精确的量化以及复式操作能力受到限 制以及因手动操作而限制了大规模诊断。目前技术中的抗体-抗原耦合的Kd 以及利用金珠的比色读取限制了灵敏性。而且，抗体的交叉反应影响了针对 性，并且影响了对良好稳定的化合物的适用性。
而且，公司热衷于在这种高度竞争的行业中区别于竞争对手，并提供更 高质量的产品以及更为便利客户。为了克服一些限制，设备以及新颖的生物 化学技术目前正在研制。
由于存在大量需求，所以用于实验室和现场测试的少数能负担得起且高 性能的横流免疫测定设备令人惊讶：虽然横流免疫测定容易负担，因为可以 可视地实施，而不需要金珠或乳胶珠分析，但是手动存档的不便以及主观解 释结果通常导致错误的阴性和错误的阳性结果，产生了对自动系统较大需 求。
但是，这些系统需要满足客户要求的特征，并且与横流技术的优势相当。 第一位的是他们的移动性、操作简单性、速度、低成本以及避免耗时的样本 制备步骤。此外，趋势是强烈地导向以荧光染料取代金珠来改善灵敏性。荧 光染料无法用肉眼直接读取，这就产生了对读取器的需求。同样的要求适用 于基于顺磁颗粒的横流免疫测定。
最近，若干设备可以投入商业使用，并且可以分为比色、荧光和磁性读 取器：也可以区分为基于CCD的成像系统以及扫描系统。
已知的用于横流免疫测定的设备通常是连接到掌上PC或便携式PC的 基于CCD的系统。但是，存在有关基于CCD的系统的小型化的限制，因为 相机需要特定的试场来从整个狭片捕捉图像。最重要的关注点可能是横流市 场的价格敏感性。
此外，基于CCD的系统需要记录的数据点非常多，尤其是在要求合理 的分辨率的时候。这样可能导致内部存储器容量受到非常大的限制，或者因 此而价格高昂。此外，总是需要计算机。
另一方面，扫描系统的优势在于，可以非常迅速的实施，包括数据评估。 不需要运行成像软件和过程，存储器尺寸可以非常小，并且可以再设备上直 接存储更多的扫描结果。这样就带来了完全独立于任何与计算机的联系而操 作或实施的可能性，并且为现场测试提供了简单的方案以及真正的手持设 备。这种特征也体现在价格方面。而且，客户可以选择将这些设备连接到计 算机，用于进一步的数据存储和分析。
但是，扫描设备的缺陷在于，更加难于扫描整个狭片，并且无法获取测 试狭片的图像。数据看起来不同于客户习惯的从视觉读取获得的图像。而且， 在大多数情况下，客户要求以是/否；阳性/阴性甚至推荐动作等格式表示的 数据输出。图像记录仅仅被当做是一个中间步骤。扫描系统的另一项缺陷是 其运动部件，这些部件可能发生失效，特别是在较长的使用寿命过程中。
此外，发光，例如荧光，长期被看做是生物学、临床诊断以及细胞学研 究中的重要工具。最近，市场已经从传统实验室环境向使用移动仪器方向转 变。最简单的例子是护理点诊断，存在从集中的测试实验室向区域诊断的清 晰范式转移。
此外，急症诊断、流行病防治以及高成本的健康护理系统增强了对能负 担的起且移动的护理点设备的需求，这些设备需要有最高的灵敏性、针对性 以及短时间内获得结果。
通常，获取结果的时间从样本到达实验室算起。但是，更为现实的观点 是考虑全部工作流程，其中分析测试过程仅仅是一小部分：样本采集；样本 存储；样本运输；样本制备；样本测试、数据存档、数据解释以及数据通信。 如果现场采集样本，这种观点尤其重要。
EP0088636公开了一种用于量化确定液体中的被分析物的方法和装置。 该装置采用可透过液体的固体介质来限定液体流动路径。该介质包括许多包 含反应剂的反应区域，这些区域沿着流动路径隔开，并且在所述区域中与被 分析物发生反应，产生预定的产物。可以检测所述产物，并且进行这种检测 的反应区域的数目量化地表示出所述流体中被分析物的数量。
US6611326公开了一种用来评估波形干燥技术有效性的系统和装置，其 中激光器在激光能量接收在镜片的图案表面之前，将激光能量穿过局部反射 器、双色反射镜以及聚焦透镜，并且反射的激光能量以及从镜片表面发出的 荧光能量通过聚焦透镜返回到经过能量所经过的双色反射镜，反射激光能量 积蓄到达局部反射器。
EP1550872A2公开了一种横流量化分析方法和狭片，一种激光感生的外 荧光检测设备以及用于该检测设备的小型扫描器。该扫描器与检测设备一起 集成到单一主体中。检测设备的部件布置在一种结构中，以便激光经过激励 器滤波器。小型扫描器允许检测设备通过比较三重分析物耦合体的荧光强度 与基准耦合物的基准荧光强度来确定样本中的被分析物数量。
横流免疫测定作为光学测量技术的例子，在过去已经变成各种诊断应用 的宝贵工具。这种发展的最为显著原因是这些工具对于许多应用而言具有合 理的灵敏性以及针对性，并且能快速获得结果，以为内它们直接应用于样本 而不需要前置的耗时的样本制备步骤。横流免疫测定容易操作，而且它们并 不需要读取设备，因此他们成本低且可以移动。
但是，和每一种技术一样，横流免疫测定也存在局限，并且缺乏重要的 特征来进一步开发这种技术。这些限制主要是缺乏自动存档；主观解释结果 导致大量的错误阳性和错误阴性；缺乏精确的量化以及复式操作能力受到限 制以及因手动操作而限制了大规模诊断。目前技术中的抗体-抗原耦合的Kd 以及利用金珠的比色读取限制了灵敏性。而且，抗体的交叉反应影响了针对 性，并且影响了对良好稳定的化合物的适用性。
而且，公司热衷于在这种高度竞争的行业中区别于竞争对手，并提供更 高质量的产品以及更为便利客户。为了克服一些限制，设备以及新颖的生物 化学技术目前正在研制。
由于存在大量需求，所以用于实验室和现场测试的少数能负担得起且高 性能的横流免疫测定设备令人惊讶：虽然横流免疫测定容易负担，因为可以 可视地实施，而不需要金珠或乳胶珠分析，但是手动存档的不便以及主观解 释结果通常导致错误的阴性和错误的阳性结果，产生了对自动系统较大需 求。
但是，这些系统需要满足客户要求的特征，并且与横流技术的优势相当。 第一位的是他们的移动性、操作简单性、速度、低成本以及避免耗时的样本 制备步骤。此外，趋势是强烈地导向以荧光染料取代金珠来改善灵敏性。荧 光染料无法用肉眼直接读取，这就产生了对读取器的需求。同样的要求适用 于基于顺磁颗粒的横流免疫测定。
最近，若干设备可以投入商业使用，并且可以分为比色、荧光和磁性读 取器：也可以区分为基于CCD的成像系统以及扫描系统。
已知的用于横流免疫测定的设备通常是连接到掌上PC或便携式PC的 基于CCD的系统。但是，存在有关基于CCD的系统的小型化的限制，因为 相机需要特定的试场来从整个狭片捕捉图像。最重要的关注点可能是横流市 场的价格敏感性。
此外，基于CCD的系统需要记录的数据点非常多，尤其是在要求合理 的分辨率的时候。这样可能导致内部存储器容量受到非常大的限制，或者因 此而价格高昂。此外，总是需要计算机。
另一方面，扫描系统的优势在于，可以非常迅速的实施，包括数据评估。 不需要运行成像软件和过程，存储器尺寸可以非常小，并且可以再设备上直 接存储更多的扫描结果。这样就带来了完全独立于任何与计算机的联系而操 作或实施的可能性，并且为现场测试提供了简单的方案以及真正的手持设 备。这种特征也体现在价格方面。而且，客户可以选择将这些设备连接到计 算机，用于进一步的数据存储和分析。
但是，扫描设备的缺陷在于，更加难于扫描整个狭片，并且无法获取测 试狭片的图像。数据看起来不同于客户习惯的从视觉读取获得的图像。而且， 在大多数情况下，客户要求以是/否；阳性/阴性甚至推荐动作等格式表示的 数据输出。图像记录仅仅被当做是一个中间步骤。扫描系统的另一项缺陷是 其运动部件，这些部件可能发生失效，特别是在较长的使用寿命过程中。
此外，发光，例如荧光，长期被看做是生物学、临床诊断以及细胞学研 究中的重要工具。最近，市场已经从传统实验室环境向使用移动仪器方向转 变。最简单的例子是护理点诊断，存在从集中的测试实验室向区域诊断的清 晰范式转移。
此外，急症诊断、流行病防治以及高成本的健康护理系统增强了对能负 担的起且移动的护理点设备的需求，这些设备需要有最高的灵敏性、针对性 以及短时间内获得结果。
通常，获取结果的时间从样本到达实验室算起。但是，更为现实的观点 是考虑全部工作流程，其中分析测试过程仅仅是一小部分：样本采集；样本 存储；样本运输；样本制备；样本测试、数据存档、数据解释以及数据通信。 如果现场采集样本，这种观点尤其重要。
EP0088636公开了一种用于量化确定液体中的被分析物的方法和装置。 该装置采用可透过液体的固体介质来限定液体流动路径。该介质包括许多包 含反应剂的反应区域，这些区域沿着流动路径隔开，并且在所述区域中与被 分析物发生反应，产生预定的产物。可以检测所述产物，并且进行这种检测 的反应区域的数目量化地表示出所述流体中被分析物的数量。
US6611326公开了一种用来评估波形干燥技术有效性的系统和装置，其 中激光器在激光能量接收在镜片的图案表面之前，将激光能量穿过局部反射 器、双色反射镜以及聚焦透镜，并且反射的激光能量以及从镜片表面发出的 荧光能量通过聚焦透镜返回到经过能量所经过的双色反射镜，反射激光能量 积蓄到达局部反射器。
EP1550872A2公开了一种横流量化分析方法和狭片，一种激光感生的外 荧光检测设备以及用于该检测设备的小型扫描器。该扫描器与检测设备一起 集成到单一主体中。检测设备的部件布置在一种结构中，以便激光经过激励 器滤波器。小型扫描器允许检测设备通过比较三重分析物耦合体的荧光强度 与基准耦合物的基准荧光强度来确定样本中的被分析物数量。
发明内容
与此相对照，本发明提出了一种光学测量仪器，用来检查包含在样本中 的标本，该仪器包括：至少一个源，用来提供至少一束电磁波束，所述电磁 波束用来照射所述样本，并与样本中的标本发生反应；至少一个传感器，用 来检测所述标本与所述电磁波束之间发生的反应的输出；用于所示光学和电 子部件的集成机械平台；和用于保持样本的样本保持器，其中所述至少一个 源、所示至少一个传感器以及所述机械平台集成在一个单片光电子模块中， 并且所述样本保持器可以连接到该模块。
所述机械平台制成一件式，承载全部必要的光学和电子元件，其中包括 形成一个单片光电子模块的所述源和所述传感器。
因此，提供了一种单片测量仪器，其包括安装到制成一件式的刚性下搜 星平台的全部必要部件，从而单片意味着所示光电子模块一旦与必要部件装 配，就建立了紧凑的自包含单元，适配成器应该发挥的全部光学和电子功能， 并且可以连接到样本保持器，可以用于不同格式的样本。
输出包括至少一个输出信号。所述输出信号可以是光学、声学和/或光声 信号。
所述机械平台可以是注射模制过程构造的统一模块。
此外，所述机械平台允许各种光学部件诸如过滤器和反射镜固定和精确 定位。从而，所述光学和电子部件容易更换。所述光学部件可以是滤波器和 反射镜。所述电子部件实施信号处理等操作。可以选择的是，所述光学和电 子部件可以永久安装在所述模块中。
根据一种特征，所述至少一个源和所述至少一个传感器器布置成使得， 可以进行共焦点测量。共焦点测量意味着照明光学件或者所述源固有地分别 与检测光学件或传感器的焦点相同。单片模块的这种特殊构造在三个维度上 预先确定了照明光学件的焦点和检测光学件的焦点相同。
共焦点测量不仅提供了较大深度的焦点，而且提供了较高的灵敏性和较 低的背景噪声。此外，共焦点测量对于样本和光学件之间的距离不敏感。
根据另外一种特征，单片电光模块包括接口，用于连接不同样本格式所 用的不同类型的样本保持器。样本可以是液体、固体或凝胶状。
液体样本的样本格式包括但不限于单井、多井、微量滴定板格式、管和 试管、软管和毛细管、腔体、孔或通孔、比色环、流通比色环和流通单元、 生物血管和细胞、植入活体组织的血管和细胞、液滴、喷流和间歇喷流、反 应容器和发酵桶、微流体槽、独立于实际尺寸和形状的容器或腔体、体积无 限大于测量仪器照射体积的液体，液体样本格式的体积从小于毫微升到毫升 和升，但是不排除更小或更大的体积。
固体样本的样本格式包括但不限于：表面、三维表面诸如孔隙表面；色 谱稳定材料；膜；滤材和滤材状材料；包含在流通设备或层流设备中的色谱 稳定材料；膜、滤材或滤材状材料；化学或生物传感器表面；光导表面；纳 米结构表面；mm到pm范围内的颗粒；nm范围内的颗粒；印刷或以其他方 法沉积在表面上的材料，例如单斑或多斑；这种斑的阵列；所谓的微阵列或 晶片；内在包含可检测标本的样本或故意掺杂可检测标本的样本；恒定或瞬 时接触静态或流动液体的固体材料；纤维和/或纤维状材料，诸如纤维状毛细 管、中空纤维，填充或不填充液体，凝胶状或固体材料，径向或轴向存在； 包含在容器内的纤维和/或纤维状材料；被各种体积的液体包围的纤维和/或 纤维状材料；在气体、液体和/或固体材料和/或真空中用作探头的纤维，固 体样本尺寸从小于毫米的范围到厘米和米，但是不排除更小或更大尺寸的样 本格式。
表现出凝胶特征的样本的样本格式包括但不限于：一维、二维或三维凝 胶床，例如用来分离标本：色谱凝胶(一维、二维或三维)；毛细管；微流 体槽、独立于实际尺寸和形状的容器和腔体；在测量过程之前、之中或之后 其特征变成凝胶状材料的固体材料；在测量过程之前、之中或之后其特征变 为凝胶状材料的液体材料；与液体恒定或瞬时接触的凝胶；体积无限大于测 量仪器照射体积的凝胶，凝胶体积从小于毫微升到若干毫升或升，但是不排 除更小或更大体积的样本格式。
根据一种实施方式，所述源是发光二极管。可以选择的是，所述源可以 是激光器或激光二极管。
在符合本发明的仪器的实施方式中，传感器是电荷耦合设备。可以选择 的是，传感器是光电二极管或CMOS晶体管。一般来说，传感器可以是任 何类型的光敏光电部件，例如雪崩光电二极管、光电倍增管等。
根据一项特征，至少一个滤波器设置在所述模块中。
在符合本发明仪器的实施方式中，设置至少一个监控元件例如监控二极 管。
此外，电子和光电子部件可以集成在该模块中。
根据另外一项特征，电子存储元件诸如EEPROM集成在所述模块中。 这种存储元件可以包含程序和主要数据诸如设备专用校准数据，能使信号处 理与测量一起进行。因此，电子计算单元可以用来准备测量并且确认和处理 测量结果。这种电子计算单元可以集成在所述模块中。
符合本发明的仪器可以是手持仪器。
此外，本发明提供一种用来检查包含在样本中的标本的光学测量设备， 包括：至少一个源，用于提供至少一束电磁波束，目的是照射所述样本并与 所述样本中的标本相互作用；至少一个传感器，用于检测所述标本和所述电 磁波束之间相互作用的输出；整体形成的用于光学和电子部件的机械平台， 其中所述至少一个源、所述至少一个传感器和所述机械平台集成在一个单片 光电模块中。
所述机械平台作为符合本发明的设备的主要部件，制成一件式，并且承 载全部必要光学和电子元件，其中包括形成一个单片光电模块的所述源和所 述传感器。
因此，设置了单片测量设备，其包括安装到制成一件式的刚性小型平台 的全部必要部件，其中单片意味着所述光电模块一旦装备有必要部件，则建 立紧凑的自包含单元，适配于其应该实施的全部光学和电子功能，并且可以 连接到样本保持器，可以用于格式不同的样本。
由于符合本发明的设备可以叠置，所以许多这种设备可以叠置，形成测 量单元，用于同时测量多个样本。这种特征因该设备的尺寸紧凑而成为可能。 设备宽度可以在10mm到8mm之间。
输出包括至少一个输出信号。输出信号可以是光学、声学和/或光声信号。
机械平台可以是通过注射模制过程构造的统一模块。
此外，机械平台允许各种光学部件诸如滤波器和反射镜固定和精确定 位。从而，光绪二合电子部件容易更换。可以选择的是，光学和电子部件可 以永久安装在所述模块中。光学部件可以是滤波器和反射镜。电子部件实施 信号处理等。
根据一种特征，所述至少一个源和所述至少一个传感器器布置成使得， 可以进行共焦点测量。
根据另外一种特征，单片电光模块包括接口，用于连接不同样本格式所 用的不同类型的样本保持器。
根据一种实施方式，所述源是发光二极管。可以选择的是，所述源可以 是激光器或激光二极管。
在符合本发明的仪器的实施方式中，传感器是电荷耦合设备。可以选择 的是，传感器是光电二极管或CMOS晶体管。一般来说，传感器可以是任 何类型的光敏光电部件，例如雪崩光电二极管、光电倍增管等。
根据一项特征，至少一个滤波器设置在所述模块中。
在符合本发明仪器的实施方式中，设置至少一个监控元件例如监控二极 管。
此外，电子和光电子部件可以集成在该模块中。
根据另外一项特征，电子存储元件诸如EEPROM集成在所述模块中。 这种存储元件可以包含程序和主要数据诸如设备专用校准数据，能使信号处 理与测量一起进行。因此，电子计算单元可以用来准备测量并且确认和处理 测量结果。这种电子计算单元可以集成在所述模块中。
一种利用权利要求13至23其中一项所述的光学测量设备实施光学测量 的方法，其中电磁波束由所述源射向所述样本并与该样本内的所述标本相互 作用，和由所述传感器检测这种相互作用的输出。
在符合本发明的方法实施方式中，至少一个源和传感器布置成，可以实 施共焦点测量。
所述样本可以相对于所述模块移动和/或所述模块可以相对于所述样本 移动。在提供若干样本进行测量时，所述样本可以相对于所述模块移动，反 之亦然。所示样本可以布置在微阵列中。这种相对移动可以在各种坐标系统 中朝向任何方向。
根据本发明，可以实施发光测量诸如荧光测量和/或反射测量和/或吸收 测量和/或测光密度测量。
可以选择的是，或者另外，可以实施折光测量和/或反射测量。
符合本发明的方法允许对样本进行二维扫描。在实践中，所述模块可以 通过样本和模块之间的相对运动来扫描所述样本，以发现最大输出并在该最 大点继续进行测量，进行二维测量，随后在该最大点对输出进行积分。
此外，至少一个滤波器作为光学部件可以设置在所述模块内，用于确定 所用的波长。此外，可以设置不同的光学部件诸如波束塑形器和反射镜。
此外，焦点距离，即模块和样本之间的距离可以变化。
测量结果可以显示和/或声觉再现。此外，所述结果可以经由通用电子接 口和数据线诸如USB、RS232或FireWire并且经由无线传输系统诸如IR传 输、蓝牙、GSM、GPRS、RSID等发送。
经由通用电子接口和数据线诸如USB、RS232或FireWire并且经由无线 传输系统诸如IR传输、蓝牙、GSM、GPRS、RSID等，可以进行编程、重 新编程、校准和重新校准以及设备的系统诊断。
此外，可以实施环境光补偿。
根据符合本发明的方法的一项特征，所述标本包含在液体中。
可以选择的是，所述标本包含在固体或凝胶中。
在本发明进一步的方面，所述标本包含在液滴中。
包含标本的该液滴或者一系列液滴可以由移液管保持。
液滴可以自由下落，并经过所述源发出的电磁波束。可以选择的是，液 体射流或者间歇液体射流可以作为包含待检查标本的介质。
在符合本发明的方法实施方式中，周期性地进行校准。
所提出的仪器和设备可以用作核酸诊断中。由此，本发明可以用于任何 的免疫测定、临床、医疗、兽医和植物诊断；护理点/测试分析；环境和食物 /饲料分析；药物及其代谢性分析；和/或品牌安全性测试。应该注意，这些 例子仅仅是为了说明而给出的，本发明并不受上述例子的限制。
符合本发明的计算机程序带有程序编码装置，设计成当该计算机程序在 计算机或相应的计算单元中运行的时候，实施权利要求15至30其中一项所 述的过程步骤。该计算单元可以集成所述模块中。
带有程序编码装置的该计算机程序存储在计算机可读数据载体中，设计 成在当该计算机程序在计算机或相应的计算单元中运行的时候，执行权利要 求15至30其中一项所述的过程的全部步骤。计算机可以集成在单片电光模 块中，或者可以通过数据线或无线接口连接到该模块。
总之，本发明，至少所述的实施方式为客户和使用者，例如横流免疫测 定领域的使用者，提供了除精确性能之外的若干特征：手持或移动设备，操 作便利和结实可靠；显示阳性、阴性或无效测试结果(对于是/否答案)；显 示精确的量化或无效测试结果(对于量化测试)；可以连接到USB端口；用 于大量记录的内部存储器；可以向该设备添加打印机；可以为不同的批次添 加校准数据，而不需要计算机；价格低；诱人的工业设计；较少延伸的音频 视频显示阳性、阴性或无效测试结果；高生产力功能；自动启动或者重复狭 片记录；动态记录测试带；和无线传输。
本发明至少提供了移动、便携尺寸的系统，适用于横流和管式格式，用 于基于荧光读取的测试点/护理点测试。这些测试利用样本直接工作，不需要 耗时的样本存储、样本运输和样本制备。将会示出的例子由蛋白质以及核酸 测试和小分子诸如药品。核心包括电池操作的90g电光单元，带有任选的无 线数据传输，该单元可以优化，以实现最高的精度和灵敏性，以及使用的简 便性。
鲁棒性系统已经示出了与分子诊断技术相结合，在11分钟内，检测出 了低至17个带有子类型的核酸分子(MRSA III)。利用横流测试狭片，对于 传染性疾病和药品测试，该移动设备在较低的分钟范围内，将来自全血和尿 液的精确结果记录到完全存档的数据中。可以负担的设备理想地适合服务于 护理点和家庭护理市场，因为它们具有针对性、速度和使用简单以及由于重 量轻尺寸小而适合专业用途诸如载人航天飞行。
本发明的进一步特征和实施方式将从说明书和附图中变得明确。
应该理解，上述特征和以下所述特征不仅可以以所指出的方式组合，而 且可以以其他方式组合，或者独立存在，这样并不背离本发明的范围。
本发明在附图中借助示例通过实施方式示出，并且以下参照附图进行解 释。应该理解，说明书并不以任何方式限制本发明的范围，并且仅仅是本发 明优选实施方式的说明。
所述机械平台制成一件式，承载全部必要的光学和电子元件，其中包括 形成一个单片光电子模块的所述源和所述传感器。
因此，提供了一种单片测量仪器，其包括安装到制成一件式的刚性下搜 星平台的全部必要部件，从而单片意味着所示光电子模块一旦与必要部件装 配，就建立了紧凑的自包含单元，适配成器应该发挥的全部光学和电子功能， 并且可以连接到样本保持器，可以用于不同格式的样本。
输出包括至少一个输出信号。所述输出信号可以是光学、声学和/或光声 信号。
所述机械平台可以是注射模制过程构造的统一模块。
此外，所述机械平台允许各种光学部件诸如过滤器和反射镜固定和精确 定位。从而，所述光学和电子部件容易更换。所述光学部件可以是滤波器和 反射镜。所述电子部件实施信号处理等操作。可以选择的是，所述光学和电 子部件可以永久安装在所述模块中。
根据一种特征，所述至少一个源和所述至少一个传感器器布置成使得， 可以进行共焦点测量。共焦点测量意味着照明光学件或者所述源固有地分别 与检测光学件或传感器的焦点相同。单片模块的这种特殊构造在三个维度上 预先确定了照明光学件的焦点和检测光学件的焦点相同。
共焦点测量不仅提供了较大深度的焦点，而且提供了较高的灵敏性和较 低的背景噪声。此外，共焦点测量对于样本和光学件之间的距离不敏感。
根据另外一种特征，单片电光模块包括接口，用于连接不同样本格式所 用的不同类型的样本保持器。样本可以是液体、固体或凝胶状。
液体样本的样本格式包括但不限于单井、多井、微量滴定板格式、管和 试管、软管和毛细管、腔体、孔或通孔、比色环、流通比色环和流通单元、 生物血管和细胞、植入活体组织的血管和细胞、液滴、喷流和间歇喷流、反 应容器和发酵桶、微流体槽、独立于实际尺寸和形状的容器或腔体、体积无 限大于测量仪器照射体积的液体，液体样本格式的体积从小于毫微升到毫升 和升，但是不排除更小或更大的体积。
固体样本的样本格式包括但不限于：表面、三维表面诸如孔隙表面；色 谱稳定材料；膜；滤材和滤材状材料；包含在流通设备或层流设备中的色谱 稳定材料；膜、滤材或滤材状材料；化学或生物传感器表面；光导表面；纳 米结构表面；mm到pm范围内的颗粒；nm范围内的颗粒；印刷或以其他方 法沉积在表面上的材料，例如单斑或多斑；这种斑的阵列；所谓的微阵列或 晶片；内在包含可检测标本的样本或故意掺杂可检测标本的样本；恒定或瞬 时接触静态或流动液体的固体材料；纤维和/或纤维状材料，诸如纤维状毛细 管、中空纤维，填充或不填充液体，凝胶状或固体材料，径向或轴向存在； 包含在容器内的纤维和/或纤维状材料；被各种体积的液体包围的纤维和/或 纤维状材料；在气体、液体和/或固体材料和/或真空中用作探头的纤维，固 体样本尺寸从小于毫米的范围到厘米和米，但是不排除更小或更大尺寸的样 本格式。
表现出凝胶特征的样本的样本格式包括但不限于：一维、二维或三维凝 胶床，例如用来分离标本：色谱凝胶(一维、二维或三维)；毛细管；微流 体槽、独立于实际尺寸和形状的容器和腔体；在测量过程之前、之中或之后 其特征变成凝胶状材料的固体材料；在测量过程之前、之中或之后其特征变 为凝胶状材料的液体材料；与液体恒定或瞬时接触的凝胶；体积无限大于测 量仪器照射体积的凝胶，凝胶体积从小于毫微升到若干毫升或升，但是不排 除更小或更大体积的样本格式。
根据一种实施方式，所述源是发光二极管。可以选择的是，所述源可以 是激光器或激光二极管。
在符合本发明的仪器的实施方式中，传感器是电荷耦合设备。可以选择 的是，传感器是光电二极管或CMOS晶体管。一般来说，传感器可以是任 何类型的光敏光电部件，例如雪崩光电二极管、光电倍增管等。
根据一项特征，至少一个滤波器设置在所述模块中。
在符合本发明仪器的实施方式中，设置至少一个监控元件例如监控二极 管。
此外，电子和光电子部件可以集成在该模块中。
根据另外一项特征，电子存储元件诸如EEPROM集成在所述模块中。 这种存储元件可以包含程序和主要数据诸如设备专用校准数据，能使信号处 理与测量一起进行。因此，电子计算单元可以用来准备测量并且确认和处理 测量结果。这种电子计算单元可以集成在所述模块中。
符合本发明的仪器可以是手持仪器。
此外，本发明提供一种用来检查包含在样本中的标本的光学测量设备， 包括：至少一个源，用于提供至少一束电磁波束，目的是照射所述样本并与 所述样本中的标本相互作用；至少一个传感器，用于检测所述标本和所述电 磁波束之间相互作用的输出；整体形成的用于光学和电子部件的机械平台， 其中所述至少一个源、所述至少一个传感器和所述机械平台集成在一个单片 光电模块中。
所述机械平台作为符合本发明的设备的主要部件，制成一件式，并且承 载全部必要光学和电子元件，其中包括形成一个单片光电模块的所述源和所 述传感器。
因此，设置了单片测量设备，其包括安装到制成一件式的刚性小型平台 的全部必要部件，其中单片意味着所述光电模块一旦装备有必要部件，则建 立紧凑的自包含单元，适配于其应该实施的全部光学和电子功能，并且可以 连接到样本保持器，可以用于格式不同的样本。
由于符合本发明的设备可以叠置，所以许多这种设备可以叠置，形成测 量单元，用于同时测量多个样本。这种特征因该设备的尺寸紧凑而成为可能。 设备宽度可以在10mm到8mm之间。
输出包括至少一个输出信号。输出信号可以是光学、声学和/或光声信号。
机械平台可以是通过注射模制过程构造的统一模块。
此外，机械平台允许各种光学部件诸如滤波器和反射镜固定和精确定 位。从而，光绪二合电子部件容易更换。可以选择的是，光学和电子部件可 以永久安装在所述模块中。光学部件可以是滤波器和反射镜。电子部件实施 信号处理等。
根据一种特征，所述至少一个源和所述至少一个传感器器布置成使得， 可以进行共焦点测量。
根据另外一种特征，单片电光模块包括接口，用于连接不同样本格式所 用的不同类型的样本保持器。
根据一种实施方式，所述源是发光二极管。可以选择的是，所述源可以 是激光器或激光二极管。
在符合本发明的仪器的实施方式中，传感器是电荷耦合设备。可以选择 的是，传感器是光电二极管或CMOS晶体管。一般来说，传感器可以是任 何类型的光敏光电部件，例如雪崩光电二极管、光电倍增管等。
根据一项特征，至少一个滤波器设置在所述模块中。
在符合本发明仪器的实施方式中，设置至少一个监控元件例如监控二极 管。
此外，电子和光电子部件可以集成在该模块中。
根据另外一项特征，电子存储元件诸如EEPROM集成在所述模块中。 这种存储元件可以包含程序和主要数据诸如设备专用校准数据，能使信号处 理与测量一起进行。因此，电子计算单元可以用来准备测量并且确认和处理 测量结果。这种电子计算单元可以集成在所述模块中。
一种利用权利要求13至23其中一项所述的光学测量设备实施光学测量 的方法，其中电磁波束由所述源射向所述样本并与该样本内的所述标本相互 作用，和由所述传感器检测这种相互作用的输出。
在符合本发明的方法实施方式中，至少一个源和传感器布置成，可以实 施共焦点测量。
所述样本可以相对于所述模块移动和/或所述模块可以相对于所述样本 移动。在提供若干样本进行测量时，所述样本可以相对于所述模块移动，反 之亦然。所示样本可以布置在微阵列中。这种相对移动可以在各种坐标系统 中朝向任何方向。
根据本发明，可以实施发光测量诸如荧光测量和/或反射测量和/或吸收 测量和/或测光密度测量。
可以选择的是，或者另外，可以实施折光测量和/或反射测量。
符合本发明的方法允许对样本进行二维扫描。在实践中，所述模块可以 通过样本和模块之间的相对运动来扫描所述样本，以发现最大输出并在该最 大点继续进行测量，进行二维测量，随后在该最大点对输出进行积分。
此外，至少一个滤波器作为光学部件可以设置在所述模块内，用于确定 所用的波长。此外，可以设置不同的光学部件诸如波束塑形器和反射镜。
此外，焦点距离，即模块和样本之间的距离可以变化。
测量结果可以显示和/或声觉再现。此外，所述结果可以经由通用电子接 口和数据线诸如USB、RS232或FireWire并且经由无线传输系统诸如IR传 输、蓝牙、GSM、GPRS、RSID等发送。
经由通用电子接口和数据线诸如USB、RS232或FireWire并且经由无线 传输系统诸如IR传输、蓝牙、GSM、GPRS、RSID等，可以进行编程、重 新编程、校准和重新校准以及设备的系统诊断。
此外，可以实施环境光补偿。
根据符合本发明的方法的一项特征，所述标本包含在液体中。
可以选择的是，所述标本包含在固体或凝胶中。
在本发明进一步的方面，所述标本包含在液滴中。
包含标本的该液滴或者一系列液滴可以由移液管保持。
液滴可以自由下落，并经过所述源发出的电磁波束。可以选择的是，液 体射流或者间歇液体射流可以作为包含待检查标本的介质。
在符合本发明的方法实施方式中，周期性地进行校准。
所提出的仪器和设备可以用作核酸诊断中。由此，本发明可以用于任何 的免疫测定、临床、医疗、兽医和植物诊断；护理点/测试分析；环境和食物 /饲料分析；药物及其代谢性分析；和/或品牌安全性测试。应该注意，这些 例子仅仅是为了说明而给出的，本发明并不受上述例子的限制。
符合本发明的计算机程序带有程序编码装置，设计成当该计算机程序在 计算机或相应的计算单元中运行的时候，实施权利要求15至30其中一项所 述的过程步骤。该计算单元可以集成所述模块中。
带有程序编码装置的该计算机程序存储在计算机可读数据载体中，设计 成在当该计算机程序在计算机或相应的计算单元中运行的时候，执行权利要 求15至30其中一项所述的过程的全部步骤。计算机可以集成在单片电光模 块中，或者可以通过数据线或无线接口连接到该模块。
总之，本发明，至少所述的实施方式为客户和使用者，例如横流免疫测 定领域的使用者，提供了除精确性能之外的若干特征：手持或移动设备，操 作便利和结实可靠；显示阳性、阴性或无效测试结果(对于是/否答案)；显 示精确的量化或无效测试结果(对于量化测试)；可以连接到USB端口；用 于大量记录的内部存储器；可以向该设备添加打印机；可以为不同的批次添 加校准数据，而不需要计算机；价格低；诱人的工业设计；较少延伸的音频 视频显示阳性、阴性或无效测试结果；高生产力功能；自动启动或者重复狭 片记录；动态记录测试带；和无线传输。
本发明至少提供了移动、便携尺寸的系统，适用于横流和管式格式，用 于基于荧光读取的测试点/护理点测试。这些测试利用样本直接工作，不需要 耗时的样本存储、样本运输和样本制备。将会示出的例子由蛋白质以及核酸 测试和小分子诸如药品。核心包括电池操作的90g电光单元，带有任选的无 线数据传输，该单元可以优化，以实现最高的精度和灵敏性，以及使用的简 便性。
鲁棒性系统已经示出了与分子诊断技术相结合，在11分钟内，检测出 了低至17个带有子类型的核酸分子(MRSA III)。利用横流测试狭片，对于 传染性疾病和药品测试，该移动设备在较低的分钟范围内，将来自全血和尿 液的精确结果记录到完全存档的数据中。可以负担的设备理想地适合服务于 护理点和家庭护理市场，因为它们具有针对性、速度和使用简单以及由于重 量轻尺寸小而适合专业用途诸如载人航天飞行。
本发明的进一步特征和实施方式将从说明书和附图中变得明确。
应该理解，上述特征和以下所述特征不仅可以以所指出的方式组合，而 且可以以其他方式组合，或者独立存在，这样并不背离本发明的范围。
本发明在附图中借助示例通过实施方式示出，并且以下参照附图进行解 释。应该理解，说明书并不以任何方式限制本发明的范围，并且仅仅是本发 明优选实施方式的说明。
附图说明
在附图中，
图1是未装配电光模块的示意图；
图2是图1所述电光模块的装配状态；
图3是符合本发明的光学测量仪器的第一实施方式；
图4是符合本发明的光学测量仪器的第二实施方式；
图5是符合本发明的光学测量仪器的第三实施方式；
图6是图3所示的光学测量仪器，局部打开；
图7是单片模块的实施方式；
图8是单片模块的另一视图；
图9是横流狭片的代表性扫描；
图10是示出再现性研究原始数据的扫描；
图11是测量原理的示意图；
图12是不同样本保持器的示意图；
图13是示出共焦点和离轴设计原理的视图；
图14是示出环境光下测量结果的曲线；
图15是示出MRSA III实时检测的曲线；
图16是示出MRSA III端点检测的曲线；
图17是测量设置；
图18是另一种测量设置；
图19是免标记测量的原始数据的曲线。
图1是未装配电光模块的示意图；
图2是图1所述电光模块的装配状态；
图3是符合本发明的光学测量仪器的第一实施方式；
图4是符合本发明的光学测量仪器的第二实施方式；
图5是符合本发明的光学测量仪器的第三实施方式；
图6是图3所示的光学测量仪器，局部打开；
图7是单片模块的实施方式；
图8是单片模块的另一视图；
图9是横流狭片的代表性扫描；
图10是示出再现性研究原始数据的扫描；
图11是测量原理的示意图；
图12是不同样本保持器的示意图；
图13是示出共焦点和离轴设计原理的视图；
图14是示出环境光下测量结果的曲线；
图15是示出MRSA III实时检测的曲线；
图16是示出MRSA III端点检测的曲线；
图17是测量设置；
图18是另一种测量设置；
图19是免标记测量的原始数据的曲线。
具体实施方式
附图是相结合地说明并以复用方式说明，相同的附图标记指代相同的部 件。
图1示出了用作光学测量仪器主要部件的单片电光模块10以及符合本 发明且处于未装配状态的光学测量设备。
单片模块包括形成一个部件的机械平台12，用来承载全部必须的光学和 电子元件，例如电磁波束源和检测发出的电磁波束与待调查标本之间任何相 互作用的输出的传感器。
机械平台12设置在承载电子元件和导电迹线的印刷电路板(PCB)14 上。此外，设置盖板16来覆盖机械平台12并保护机械平台12内的部件(在 该视图中未示出)。盖板16可以借助螺丝18固定到光学平台12。
在机械平台12内，设置许多凹槽20和支撑件22，用来接收电气和光学 部件。应该注意，符合本发明的机械平台12允许多个光学、电气和电子部 件固紧并预定地定位，而这些部件可以借助PCB14的迹线电气连接。
孔24设置在机械平台12的前部，允许产生的电磁波束和输出信号通过。
模块10前方的样本位置26限定了任何样本的位置。在测量过程中，样 本位置26可以相对于模块10移动和/或模块10可以相对于样本位置26移动。
在样本位置26的地方，存在反射镜、棱镜或任何偏转或延伸往来模块 10的电磁波束路径的光学元件。
在模块10的后部，设置电子接口28，用来将获得的结果传递给计算和/ 或显示单元。所示的接口28可以是有线或无线接口。
图2示出了图1中的模块10处于装配状态，例如包括两个源24和26 以及两个传感器27和30。该附图示出了许多电子和光学部件接收在机械平 台12中，例如位于凹槽20和支撑件22内。
第一源24产生电磁波束，电磁波束沿着由第一波束分裂器32和第二波 束分裂器34预定的预定路径通过机械平台12，到达孔36，用于照射样本位 置38处的样本。此外，设置第一监控二极管40来监控第一源24。
第二源26产生电磁波束，该电磁波束沿着第三双色波束分裂器42预定 的预定路径通过机械平台12，到达孔36，用于照射样本位置38处的样本。 此外，设置第二监控二极管44来监控第二源26。
电磁波束和样本中待调查标本之间相互作用的输出信号经过孔24，分别 被导向第一传感器27和第二传感器30。传感器27和30检测输出信号，该 输出信号被机械平台12内的电子部件处理，产生期望的结果，该结果经由 板载电子接口28传递。波束再一次经过分别双色波束分裂器32、34、42以 及反射镜29。
实施监控、测量和检测数据处理的全部电子件都集成在所示模块10中。
因此，所示模块10连同机械平台12内的光学和电子部件形成符合本发 明的光学测量设备。模块10连同必要部件形成紧凑的自包含单元，具有实 施测量的全部功能，包括实施测量和获取结果的信号处理功能。
图3示出了符合本发明的光学测量仪器的第一实施方式。
该测量仪器50包括单片电光模块52，其包括用来进行测量的光学和电 子部件。该模块52对应于图1和2中所示的模块10。
此外，仪器50包括样本保持器54，用于接收样本56，该样本在本例中 是层流设备。
样本56可以插入样本保持器54中并可以相对于模块52移动。此外， 模块52可以相对于样本56移动。
此外，仪器50设置有用来控制测量的键盘58和显示测量所获得的结果 的显示器60。
一般来说，该仪器包括彼此连接的主体62和样本保持器54。主体62 包括键盘58和显示器60，并且对于任何类型的样本保持器54而言基本保持 不变。样本保持器54接收样本56，该样本在本例中是层流设备。同样嵌入 样本保持器54内的是单片电光模块52。模块52可以相对于样本56移动(移 动设备未示出)。
图4示出了符合本发明的光学测量仪器的第二实施方式。该仪器70包 括设置有键盘74和显示器76的主体72，与图3所示的仪器50相同。
主体72在本例中连接到用于至多8个试管/PCR管80的样本保持器78。 单片模块82可以借助扫描机构84在x方向相对于PCR管80移动。模块82 对应于图3中的模块52和图1和2中的模块10。
图5示出了符合本发明的手持测量仪器100。仪器100包括具有键盘104 和显示器106的主体102。承载单片电光模块108的主体102可以借助接口 110连接到用于层流测量的样本保持器112。包含层流设备的样本保持器可 以沿着x方向相对于单片模块108移动。
所示测量仪器至少可以用于比色横流免疫测定以及发光例如荧光测量 或者核酸分析。
结果例如经由USB传输，提供了完整的PC功能，用于进一步的存档、 打印和数据存储。无线通信是一种选择。
该设备的电磁实施可以定制于UV和可见光波长范围。尤其是对于荧光 模式场合，即其中一种优选操作模式，该设备可以定制用于特定的荧光染料 和暗盒格式，激励波谱处于365nm到720nm的UV和可见光范围内。目前 的可用光源滤波器和可用染料允许在365到720nm的范围内进行定制。这样 就覆盖了横流市场的全部应用场合。
图6以局部打开方式示出了图3中的测量仪器50。该视图示出了主体 62和样本保持器54之间可以连接。因此，主体62可以根据需要进行的测量 的种类，与不同种类的各种样本保持器54结合。
为测量仪器50提供了容易更换样本保持器54的这种能力，该测量仪器 可以用于多种测量原理以及多种样本格式。
因此，样本保持器54设置有连接件90，该连接件与主体62上的相应构 件相互作用，将样本保持器54连接到主体62，从而配置仪器50。因此，对 应于图4中的主体72的主体62根据需要进行的测量以及所用的样本格式可 以连接到各种样本保持器54。
样本保持器54设计为接收采用各种样本格式的组件。
图7示出了符合本发明的机械平台的可能实施方式，一般表示为400。
可以看出，全部部件集成在壳体402中，提供了第一源404和第二源406， 第一源404与第一监控二极管408关联，第二源406与第二监控二极管410 关联。
在第一源404和第一监控二极管408之间，设置光学模块，即第一滤波 器412。同样，第二滤波器414布置在第二源406和第二监控二极管410之 间。
同样示出了第一传感器416和第二传感器148，它们分别检测通过相关 的波束分裂器422和反射镜420反射的波束。第一滤波器412和第二滤波器 414在光学特性方面对应于第一波束分裂器424和第二波束分裂器426，所 以监控二极管408和410暴露于波长匹配传感器416和418所暴露的波束的 波束中。
箭头430表示所述源产生的波束的光学路径，而光阱432显著减少杂散 光，因此能获得非常明确的信号。
由于专门研制的具有集成光阱432的壳体形状，所以在样本位置433通 过孔431从样本收集的光在光学元件诸如波束分裂器422、424和426处被 反射多次，这些光学元件限定了传感器416和418用来从样本中检测所述信 号的光线的波长，而非特定波长以及杂散光则因存在光阱432而减弱到不明 显的水平。因此，对于样本而言，非特定的光分量被导向光阱432，如箭头 434所示。
在图8中，示出了出口区域在边界440内侧。在该区域内，另外的光阱 442以肋的形式包含在内。这样减弱了从外侧通过孔431进入系统的杂散光。 此外，可以在所述肋之间或者由所述肋形成的凹部内插入阻挡不希望的波谱 范围的额外滤波器。
比色测量
所示的仪器和设备可以用于比色横流免疫测定或者例如核酸分析的发 光例如荧光测量。
通过光源移动横流狭片或者相反操作，可以实施横流狭片比色扫描的原 理。该仪器经过调节，以便从狭片膜反射的光回到检测器中，并产生表示基 线的高信号。当控制带经过光束时，反射光的强度降低，因为占据该带的金 珠吸收了该波长的光。这种情况可以看到负信号。
用于横流技术的金颗粒通常尺寸为40nm，并且在540nm处具有最大的 吸收性。控制带经过光束之后，狭片材料反射的光强度返回到基线水平。相 同的说明适用于测试带。反射光的强度与测试带的光吸收性成反比。吸收性， 理论上取决于包含在带中的样本内的吸收标本的浓度。因此，可以非常方便 地实现精确量化的比色横流测试。
应该指出，上述测量过程并不是传统的吸收性测试，因为光源和检测器 布置成共焦点的(0度角)而非180度几何布置。测量可以最准确地描述为 反射或对比测试。
投射在狭片表面的光斑直径大约为1mm，光源到狭片表面的距离大约 为6mm到9mm，这样允许形成良好的数值孔径。简单的LED作为光源， 以及小型化的光电子芯体提供了一种节约成本的设备。数据获取率为每秒每 次扫描1500个数据点：一次扫描耗时1秒。该设备可以自动发现控制带和 测试带的波峰，并将这些数据存储在内部存储器中。这样，在不需要外部计 算机的情况下，可以存储至多2000次扫描。
该设备例如可以经由USB端口连接到任何计算机。根据需要，然后可 以进行测量曲线、峰值强度、波峰位置、波峰比率的数据存储以及任何进一 步的数据分析。无线数据传输，例如经由蓝牙进行，是一种可选的附加方案。
图9示出了代表性的利用40nm金珠作为标记的比色横流狭带扫描。掺 杂有40ng/ml的THC2的50μl尿液样本应用于暗盒中的狭片的样本填充端 口。THC是大麻醇(cannabinoid)，用于测试血液和尿液中的药品摄入量。 这种横流测试可以进行。在应用样本9min之后，记录扫描结果。记录1500 个数据点。扫描为1秒钟。控制带和测试带清晰可见，并且取决于被分析物 的浓度。参考数字指代基线。
这种独特的光学测量设备以移动和手持形式提供了灵敏度高的横流狭 带读取器。这种技术对于进行可用于许多新场合的新一代免疫测定非常重 要。利用最新的显微光学技术和高度集成的电子件，该设备的灵敏性可以相 当于昂贵的台式仪器。该设备的操作简单地只要插入狭片并按下一个按键。 接下来，该设备控制自动扫描、计算结果并且完全记录测量值。可以存储至 多2000次扫描。
另一种再现性研究通过扫描暗盒而这样实施：在每次扫描之间取下暗 盒，并且在下一次扫描之前再将暗盒在其放回该设备。图10示出了该实验 的结果。
在该实验中，掺杂有25ng/ml的TCH2的尿液样本应用于横流免疫测定， 并且利用称为金珠扫描的手持设备扫描10次。在每次扫描之后，取下暗盒， 在下一次扫描之前将新的暗盒放入仪器。
荧光测量
全部附图中示出的设备也可以用于发光特别是荧光读取。荧光标记几乎 应用于当今所有的工业和研究领域。将横流分析中的金珠以荧光标记替换， 则可以实现更为灵敏的读取。灵敏性提高100-1000倍。这种设备将横流免 疫测定带入了ppt(万亿分之几)的灵敏度范围，并且为横流分析增加了新 的维度，因为它们现在可以应用于新的领域和市场。基本上可以以各种方式 读取发光，例如包括荧光强度测量值、时间分辨发光、相位调制、两次光子 激发之后的荧光以及荧光各向异性和极化。其中，简单的强度测量实施起来 最便宜和容易，并且最适合横流狭片。
受让人已经研制出了用于金珠比色读取(金珠扫描-参见上例)以及荧 光读取的横流免疫测定手持设备，以高性能和便携性方便操作者。该设备还 用于反射测定法(吸收、反射干涉光谱法)。
荧光扫描设备在设计和性能上与上述金珠扫描设备相同，并且具有相同 的特征。从所述源发射的光投射到横流狭片表面上。该仪器经过调整，以便 狭片的自动荧光和杂散光因共焦点设计而产生非常低的信号。一旦狭片经过 光束或者所述设备经过狭片，并且一旦光束到达控制带，将会记录高荧光信 号，因为荧光标记占据了控制带的区域。在控制带之后，荧光强度处于背景 水平，直到光束到达测试带并且样本信号根据样本带中包含的荧光标记的量 而升高。一次扫描耗时1秒，并且记录1500个数据点。
在控制带之后，荧光强度处于背景水平，直到光束到达测试带测试带并 且样本信号根据样本带中包含的荧光标记的量而升高。一次扫描耗时1秒， 并且记录1500个数据点。
该仪器例如提供至多两种不同的激励源，并且可以在两个不同的发射波 长处进行检测。复式分析扫描因此变得简单，因为多条测试带和多种染料可 以记录在同一片狭片上。被分析物或病原体板的筛查不再是一种限制，相反 因为存在这种测量设备而变得可能。
在图11中示出了测量原理的示意图，表示工作流程以及获取峰值数据。
样本550应用于结合有被分析物的狭片552。箭头554示出了样本流动 和扫描方向。在556和558点，可以看见控制带和测试带。狭片扫描560在 控制带和测试带上产生波峰。借助这种定性测量，该结果可以电子再现。
荧光扫描手持横流设备还适合扫描荧光乳胶颗粒。在进行的实验中， MDMA(Ecstasy)以不同的浓度(0、125、150、250、500、750和1000ng/ml 的MDMA)掺杂到尿液样本中，为量化目的获取标准曲线。每种浓度有4 条狭片用来均化偏差。15μl的掺杂样本应用到测试狭片，并且15分钟后利 用荧光手持设备扫描该狭片。
结果的量化可以利用上述标准曲线来进行，但是也可以使用内部标准。 控制带和测试带的强度比率表示量化结果。数据可以在控制带峰值强度处归 一化。一旦对于不同浓度，以控制带强度相对于测试带强度表示出测试结果， 则该参数可以用于量化，因为该比率对于给定的被分析物浓度来说，是恒定 的。不需要再进行额外的评测。这种情况在以下实验中得到证明：不同的被 分析物浓度应用于横流狭片并且扫描该狭片。计算控制带和测试带的强度比 率。
连接到计算机时，荧光扫描设备可以通过对使用者友好或者自解释软件 界面进行操作。图形化的使用者界面通过按压连接按钮而连接到USB端口， 通过启动按钮启动扫描，并且在称为类型的下拉菜单中选择波长。使用者还 可以向循环域输入数字来重复实施扫描。其他参数由制造商默认设置，并且 应用于不同的暗盒格式。由仪器自动发现峰值强度以及位置。这里需要强调 的是，对于常规应用来说，更希望得到量化值或者基于动作的数据输出，因 为使用者不希望陷入解释数据的困境中。
图12示出了可以用在所公开的设备和仪器中的样本保持器的不同实施 方式。
该幅图示出了用于工业应用的专用比色环保持器600。也可以使用另一 个比色环保持器602和用于环境分析的专用比色环保持器604。
箭头606、608和610示出了单片模块的插入方向。
共焦点几何布置
为了提高传感器的定位容差以及将传感器调节到不同的焦距，所述设备 根据共焦点原理设计，而非离轴几何布置。非静止设备，诸如用于现场测试 的表面测量需要应对较高的定位容差。在液体中，传感器已经表明在标准比 色环中检测0.5pM的溶液，因此表明其最高的灵敏性。目前正在进行的努力 是将灵敏性进一步提高100到1000倍。所述设备的共焦点光学特性使其对 于样本的机械不均匀性不敏感，保证了共焦点设计的最高信号和最低背景内 在特征。
图13示出了共焦点设计650和离轴设计652的原理。共焦点设计650 包括LED654作为所述源，和光电二极管作为传感器。相应地，离轴设计652 包括LED658和光电二极管660。共焦点设计650中的样本位置以662表示， 而离轴设计652中的样本位置以664表示。
在其他因素当中，共焦点几何布置允许定位精度具有最高容差，定位精 度对于非静止传感器是需要考虑的重点。如果位置662垂直移动，则离轴设 计652离开焦点，并且不能产生信号。
虽然灵敏性与被分析物浓度有关，但是电子部件必须处理毫微微安培范 围内的电流。标准光电子单元可以测量低至10毫微微安培的数量级，正如 图3所述的实验所表明。该单元因此也理想地适合用于其他分析技术，诸如 灵敏度和精度最高的电化学测量。同样，数据输出对于传感器环境温度的依 赖性也较低。
手持与移动测试平台
所示的设备和仪器满足了手持和移动测试平台的需要。目前，现代医学 已知存在1415种传染病。此外，还存在用于以下各项的诊断测试的需求： 药品摄入、食品和农产品中的毒素确定、检测基因改良的组织、癌症标记、 生物威胁试剂、过敏病学和免疫反应参数、人类同一性以及许多其他应用。 这些测试中的许多测试是由非专业人员在现场或在实验室的实验台上进行 的。对于小型设备的需求受到简单的因素诸如空间资源稀缺的驱动。更重要 的是，移动和手持设备允许在现场探索目标。需求范围从生物威胁试剂和国 家安全扩展到流行病监控、临床测试、远程医疗，扩展到家庭护理市场。使 用这种系统的推动力是成本、便利性、快速的出结果(turnaround)时间、 风险降低、隐私、教育水平、流行病解决方案、缺乏电力以及空间制约。通 常，所述设备由非专业人员操作，而实验室人员通常受过训练来操作精密设 备。如果通过现场测试设备能提供高分辨率的流行病监控结果，则例如可以 避免军营中传染病的爆发。临床测试允许抢救室、救护车或医院得出结果， 并且让送样本到参考实验室成为陈年旧事。节约出结果时间和操作成本可以 显著得到改善，如果可以避免样本存储和运输的话。商业案例是怀孕测试以 及葡萄糖监控设备。
用于这些市场的设备需要提供精确的结果，耐用、能负担得起，容易操 作，并且提供快速的出结果时间等(表1)。
表1：手持/移动测试平台的一些动力、理由和结论特征
动力 理由 带来的测试平台特征 成本 减少工作流程步骤数目节省时 可以负担
间和金钱 快速出结果时间 现场测试避免了样本存储和样 本运输 移动性、提供快速测试程序，优 选避免了样本制备、结果自动存 档 使用便利 移动性将测试带向样本 移动性，小尺寸，重量轻，结构 结实，操作鲁棒性 降低样本污染风险 减少工作流程步骤 移动性 降低人员感染风险 减少工作流程步骤 移动性 降低样本退化风险 不需要样本存储 移动性 降低错误阳性和错 误阴性结果的风险 由于涉及的步骤较少而使污染 的可能性降低 移动性、灵敏性和针对性 教育水平 操作者通常是普通人，非专家 操作鲁棒性(简单的一键式操 作)、自动解释数据、存储和存 档、无线数据传输 流行病方案和监控 监控流行病 移动性，自动无线数据传输 生物威胁监控 可以负担，小尺寸，快速测试， 灵敏性，专用性 缺少电力 现场没有电力插座 电池操作 隐私 怀孕是个人的事 移动性 空间限制 空间是稀缺资源 移动性，小尺寸
目前的技术显示限制了组合重要的参数。表1中列出的参数阻碍了大多 数技术进入，并且经常限制开发现有技术。例如，在子类型特性层面上精确 检测病毒、细菌和真菌种类需要核酸扩大。需要这种技术例如区别危险的 H5N1型禽流感子类型与其他不太危险的流感病毒子类型。
但是，在众多因素中，第一步应该是精确的诊断，以避免不必要地使用 抗生素。抗生素的泛滥使用导致了出现变异的病原菌种，耐受那些治疗方法。 突出的例子是耐受盘尼西林的葡萄球菌Aureus(PRSA)菌种。虽然聚合酶 链反应(PCR)，一种核酸放大方法极其灵敏且具有针对性，但是在手持或 移动型仪器中实施不太理想，特别是在需要快速出结果时间的时候。广泛的 加热和冷却步骤要求精密且沉重的仪器诸如热循环器、大量电力以及至少一 个小时的时间，还不包括耗时且麻烦的样本制备过程。此外，温度一致性对 于获得精确的结果是非常关键的，而且需要样本纯度很高。
对于广泛且耗时的样本制备过程的需求是家庭护理和护理设施点应用 诊断测试最大的限制因素之一。需要考虑整个工作流程，不仅仅是实际的分 析(表2)。出结果时间是关键因素，并且包括诸如样本存储和运输步骤，它 们在某些情况下可能花费数天到数周。持续且不精确的样本存储和运输可能 导致样本退化和污染，由于样本处理步骤数目，将导致错误阳性和错误阴性 率升高以及增加处理样本的人员感染的风险。还加重了健康护理系统的成本 负担。
表2：样本测试的步骤和时间
步骤 时间 样本采集和存档 数分钟到数天 样本存储 数小时到数周 样本运输 数小时到数天 目标富集培养(对于某些应 用) 数小时到数周 样本制备和浓缩 数小时 分析测试 数分钟到数小时 获取数据 数秒到数分钟 数据存储和读取 数秒或更少 数据解释 数秒到数分钟 数据通信和传递(到病人、 流行病中心、管理机构等) 数秒到数小时
从表2中所列内容来看，移动系统必须满足上述全部要求。移动测试一 并避免了样本存储和运输。移动性仍然无法单独解决样本制备部分。虽然许 多小组已经尝试压缩目前程序中的样本制备步骤，但是受让人采用了另一种 策略：就是将其移动和手持设备与这些分析方法结合，自然避免了最耗费时 间的步骤，诸如广泛的样本制备过程。这样允许现场测试和结果的快速，而 且降低人员风险以及错误的阳性或错误的阴性率。移动系统必须直接理想地 从样本工作，并且操作简单。仅有一些测试过程，它们可以实现这种范式。 横流分析例如已经显示出可以对血液、尿液或唾液直接起作用。
符合本发明的系统满足了表1和2所示的现场测试所需的全部其他标 准。
核酸和放大(amplification)分析
文中讨论的另一种方法是新颖的核酸放大技术，称为重酶聚合酶放大 (RPA)。
RPA是等温核酸放大技术。在评价新颖的核酸放大方法时，可以重新考 虑样本中抑制剂的本质以及减少他们的影响的方案。例如，并非提纯核酸以 去除可能的抑制剂，而是可以将其稀释。这要求一种在体积方面可以扩大的 方法。PCR在大体积时难以实施，因为加热和冷却步骤不适应时间-结果要 求。此外，在高温下处理临床样本可能导致蛋白质凝结以及样本脱气。在这 种方法中，广泛的样本制备过程是必须的。但是，每一个步骤的效率小于 100％，导致损失目标。
当处理较低份数的样本时，这种做法引起了特别的兴趣。但是，如果方 法可以扩大，抑制剂可以稀释，则不必应用浓缩过程，并且可以使用全部体 积，且不会损失单一目标分子。富集步骤诸如细胞培育生长可以显著缩短。 较少的步骤也意味着降低了样本污染的风险。对于处理目标运输问题，较大 的样本体积也是期望的：这样向测试过程输送了统计学上相关且有代表性的 目标分子数量。血液测试例如经常需要抽取0.5ml的样本体积，以避免漏掉 浓度极低的目标并且得到有意义的结果。食品测试的管理规则甚至要求25g 的样本以避免目标输送问题。目前仍采用耗时的浓缩或富集步骤。
可以扩展的等温核酸放大工具因此在克服目前针对简单、迅速、灵敏且 有针对性的诊断测试中的瓶颈问题，抱有最强的信心。这种测试特别是现场、 护理点或家庭护理设施所希望的，在这些场所不具备笨重且精密的仪器，或 者无法操作这些仪器，并且在任何地方，成本都是一个问题。但是，大多数 等温方法缺乏可缩放性、灵敏性、快速获得结果能力、针对性或者这些参数 的组合。
此外，分子诊断技术已经获得了常规诊断测试方面重要的市场份额。例 如这种病原体抗生素耐受菌群的出现已经增加到了警戒水平，并且非常需要 这种测试。在参考实验室中，基于DNA/RNA的测试是增长最快的产品和服 务。这归因于极高的灵敏性和针对性，可以用于种群的子类型。这种较高的 针对性仅有耗时的微生物过程可以匹敌，并且可以持续数天到数周。目前的 分子诊断测试显示出可以在1小时的范围内快速获得结果。但是，大多数最 新的进展表明分子诊断测试获取结果的时间可以减少到大约30分钟，同时 保持较高的灵敏性和针对性(重酶聚合酶放大，RPA)并且这里表明应用于 全血。RPA可以适用于临床样本(全血)，而不需要前置的样本制备步骤。 MRSA DNA以不同的浓度(1000、100、10和0份)掺杂在血液中，然后在 37℃下进行RPA。在该实验中，体积为100μl，并且在反应剂直接加入血液 时，血液稀释到30％。RPA的这种特征对于现场测试来说是理想的：基于 RPA的现场测试可以提供快速的出结果时间，因为它们避免了样本存储、样 本运输和广泛的样本制备。符合本发明的测量仪器能在所述条件下实施 RPA，满足所述应用场合的全部需要。
由于手持荧光读取器较低的干扰和较高的灵敏性，我们可以仅在11分 钟(图15，实时)证实2000份耐受盘尼西林的葡萄球菌Aureus隔离DNA 副本的检测结果，并且检测结果减少到17个副本(图16，端点)。有意思的 是，在这些副本数目下，端点分析提供了可量化的结果。
图15示出了MRSA III的实时检测结果，以利用重酶聚合酶放大以及移 动荧光扫描设备判断抗生素耐受性。利用荧光扫描传感器在11分钟内检测 到了2000份MRSA III。
上述这种分析已经在反应管(PCR试管)中提出，并且直接从所述管中 获取读出值。手持管扫描原型设备提供了动态管读出值，同时测量由FRET 机构引起的反应随着时间的荧光增加量。所述管移动经过光源，并且从底部 被照亮。由于该设备为共焦点几何布置，所以在发生激励时，通过相同的光 学件记录荧光值。可以每5分钟进行一次扫描，持续若干小时。在手持管扫 描中，峰值数据存储在内部存储器中。数据目前在内部显示器上显示为数字。 可以根据需要提供图形用户界面。虽然这是一种电池操作的独立设备，但是 它可以经由USB端口连接到计算机，用于开发分析方法的目的，并且用来 图示数据。
图16示出了MRSA III的端点检测。端点分析：利用重酶聚合酶放大 (RPA)放大0、17、170和1700份隔离MRSA III，持续60分钟，并利用 移动荧光扫描系统检测。有意思的是，在这样的份数范围内，端点读出值提 供了可量化的结果。
环境光补偿
LED用作光源，而光电二极管用作检测器。在传感器中实施闭环反馈， 从而独立于LED的温度提供恒定的光输出。电子电路的长度保持非常小。 在LED通电时检测一次样本，在LED关断时检测一次样本，以消减环境光。 在表面以及液体中存在和不存在环境光的情况下，这种测量原理允许快速测 量而且干扰较小。
图14中示出了在环境光下进行的测量，其中示出了光电子单元的一个 测量周期的示波曲线。该曲线真实地显示出适合测量两种不同的染料和波长 的两个通道中的并行荧光检测结果。没有进行信号积分，因为在特定的延时 之后，仅获取一个值。在左侧：不存在环境光的情况下两个通道中的测量值。 在右侧：存在环境光的情况下两个通道中的测量值。通过减去光源通电时记 录的一次值以及光源关断时记录的一次值，补偿了通道二中由环境光引起的 信号偏移。因此，传感器能在存在环境光的情况下，精确地检测信号。
由于受让人的横流读取器的模块化设计，该设备可以用于荧光读取(荧 光扫描)以及金珠比色读取(金珠扫描)，并且调整到不同的横流暗盒格式。 横流暗盒承载件可以被适合扫描多个管中的荧光运动特性的管支架所取代， 诸如用于实时核酸放大。模块化设计方案能节约成本以及快速定制，以及将 所述设备用于多种场合。而且构建了位于手提箱中的灵活移动系统以及真正 的手持和电池操作的系统。根据需要，可以采用无线数据传输。该设备构造 的结实可靠，并且容易用单一按钮进行操作。手持设备的内部存储器和显示 器提供了现场数据输出，并且在不需要计算机的情况下，存储至多2000次 扫描结果。数据输出可以是定性的(是/否/无效)，半量化的(高、中、低、 无效)，量化的或基于动作的(推荐药物剂量、清空建筑物、等)。
与集成手持设备相比，移动系统可以放入手提箱中，并且包含各种传感 器、电子测量设备、用来连接到膝上计算机、便携式PC的线缆、软件、横 流狭片、电源适配器和附件诸如比色换保持器等。移动设备通常更为灵活并 且手提箱的内容物可以适配特定场合。
在液滴中测量
在许多情况下，需要测量样本体积非常小的液体样本中的标本。许多标 本容易吸收到样本容器的表面。这种吸收性可能导致错误的分析结果。在固 有地显示出较大的表面与体积比的非常小的容器中，这种影响甚至可能导致 错误的阴性结果，因为全部的标本可能吸收到表面上。这个问题的解决方案 是在例如由液滴提供的无壁样本舱中进行测量。在以下的测试溶液荧光测量 中，悬挂于移液管端部的液滴或下落中的液滴可以用作无壁容器。结果与管 中的测量结果相比。在各种情况下，都采用符合本发明的测量仪器。
进行的实验显示出，荧光强度取决于获取率、暴露时间、pH值、体积、 测量仪器距离样本的距离以及利用所示传感器记录的浓度。数据可以作为基 于PCR的应用场合以及其他场合的基础。为了获得毫秒级的暴露时间，液 滴自由下落，经过激励光束(以大约0.3m/s的速度)。一旦液滴经过光束， 则可以触发荧光测量。这样允许高度测量多个样本，而不需要精确定位和运 动的精确速度。数据记录在非优化系统中，并且认为是初步结果。优化和定 制可以带来明显的改善。条件为：
-15nM到500nM的荧光溶液
-pH8.5和pH12
-5μl体积
-暴露时间4ms到20ms(在50％峰值高度)
-获取率1.5kHz
-样本与传感器之间的距离：6mm到30mm
-室温测量
-通过塑料从侧面检测100μlPCR管
-研究/报告说明灵敏性、干扰水平、速度(获取率)和信噪比(表示信 号与噪声的标准偏差)
此项研究中的数据表明，从15nM到500nM、pH8.5的5μl荧光溶液可 以在标准PCR管内以1.5kHz的获取率检测以及在液滴中，在毫秒级的暴露 时间范围内，进行检测，都远高于噪声水平。噪声水平通常小于0.5％。仪 器距离样本的距离示出为6mm到30mm。较大距离时，由数值孔径变化导 致的损失完全被较大的应用因子所完全补偿，在PCR管内测量时，没有显 著增大噪声。体积和pH值对于荧光信号强度的依存性竟然非常低。获取率 为1秒的荧光强度与获取率为1毫秒的荧光强度相比，保持非常类似。这是 因为所用系统在记录荧光强度时并未使用时间积分。数据强烈地显示出，所 述仪器非常适合在下落液滴中测量标本。
利用荧光素NIST-Standard制备荧光素稀释液作为50nM浓度的储备溶 液。最终溶液浓度从280nM到10nM。在第一实验中，溶液制备为1M的 NaOH，以提高染料的最大荧光强度。激励波长为470nm，在520nm及以上 波长处检测辐射。图中示出体积为悬挂在移液管末端的液滴。图17示出了 进行该项测试的实验设置。该图示出了所述设备进行的测量过程中，悬挂在 移液管末端702的液滴700。
5μl荧光素液滴700定位在移液管末端702的底部。利用符合本发明的 仪器照射液滴700。
下表3示出了荧光素溶液的浓度(栏1)，在正常模式记录的荧光强度 (“强度”，栏2)以及相应的噪声(栏3)和1.5kHz获取率模式下的荧光强 度(“范围”，栏4)以及噪声(栏5)。在正常模式下，记录并平均了10个 数据点(每个数据点1秒暴露时间)。在范围或1.5kHz模式下，利用1秒的 暴露时间记录了1500个数据点(每毫秒1.5个数据点)。
表3
c(nM) 强度 正常模式 (mV) 绝对噪声 【+/-mV】 范围 (1.5kHz模式) (mV) 绝对噪声 【+/-mV】 280 1962 4 2000 6 240 1279 3 1310 4 200 1062 4 1090 4 160 772 2 792 4 120 612 2 634 6 80 395 2 420 4 40 178 2 200 4 10 25 1.5 45 5
此项实验的参数：
染料：1M的NaOH中的荧光素
体积：5μl(移液管末端的液滴)
样本到传感器的距离：6mm
放大因子： 20*106
pH： ＞pH 12
Ex/Em： 470/＞520nm
获取率(范围模式)：1.5kHz
暴露时间：1秒
为了实现毫米级的暴露时间而不高速机械移动装置，使用了图18所示 的实验设置。液滴720从移液管末端722落下，经过所述设备的激励光束的 光路724。对于不同的浓度，设置了液滴720到光束的不同垂直高度距离为 5mm和10mm。液滴720到光束中的传感器726的水平距离为18mm。从波 峰宽度看，液滴720的速度大约为0.3m/s，假设液滴的直径为2.1mm，且光 束724的宽度大约为1mm。
在另一个实验中，在传感器726分别接收到高于60mV和30mV阈值的 荧光信号时，触发荧光测量。数据显示液滴的暴露时间大约为20ms，这是 液滴在光束中的总时间，记录为波峰周围的基线到基线的值。在液滴进入光 束后，基线向上移动，并且在液滴离开光束后，基线向下返回。最大值的50％ 处的波峰高度显示出暴露时间仅为7.3ms(在1.5kHz的获取率下，11个数据 点)。50％的值更为接近地表示了液滴的最大亮度。表4总结了此项试验的 记录数据。在基线水平上测量噪声。
表4
荧光素 浓度 (nM) pH 用于下 落的液 滴到光 束的垂 直高度 距离 荧光 触发 的阈 值 (mV ) 最大峰值强度 (mV) 最大 峰值 强度 位置 (数 据点) 峰值宽 度(基 线到基 线) (数据 点) 整个液滴 的总暴露 时间(ms) 在50％ 峰值高 度处的 峰值宽 度(数据 点) 50％高 度处的 液滴暴 露时间 (ms) 250 8.5 5 60 1360 18 40 26.7 20 12 250 8.5 5 60 1979 17 43 28.7 18 12 250 8.5 5 60 1514 15 38 25.3 19 12 250 8.5 10 60 1594 11 30 20.0 11 7 250 8.5 10 60 1461 8 30 20.0 13 8 250 8.5 10 60 1636 10 31 20.7 11 7 15.63 8.5 10 60 80.0+/-0.15 2 20 13.3 7 4 15.63 8.5 10 60 93.9+/-0.10 3 23 15.3 8 5 15.63 8.5 10 60 95.3+/-0.15 5 26 17.3 9 6 15.63 8.5 10 30 82.6+/-0.15 5 22 14.7 7 4 500 12 10 30 1791.8+/-0.15 16 38 25.3 14 9
实验参数和液滴720下落经过光束724过程中记录的实验数据。对于一 些例子来说，在基线水平记录噪声，因为在最大峰值处仅有一个数据。噪声 具有一致的低值。但是，从实验1、2、3和4知道，采用1.5kHz模式的噪 声为0.6％到0.1％范围。相同条件下的输入表示重复的实验。在众多因素中， 差异归因于手动释放液滴以及由于手动操作导致的移液管在光束上方的位 置变化。而且，在5mm的垂直下落距离处，由带有上标的峰值表示下落经 过光束时的液滴的不同形状。
此项试验的参数为：
染料： 100mM的NaHCO3中的荧光素
体积： 5μl(从移液管末端下落的液滴)
样本到传感器的距离： 18mm
液滴到光束的下落距离：5mm和10mm
放大因子： 3*109
pH： pH8.5和＞12pH
Ex/Em： 470/＞520nm
触发阈值： 30mV和60mV
获取率(范围模式)： 1.5kHz
暴露时间： 毫秒级
反射式测量
另一个例子是在将阿尔法黄体酮抗体粘结到黄体酮的领域。
被分析物：阿尔法黄体酮抗体粘结到黄体酮；
样本：缓冲剂中的隔离抗体；样本格式：表面；目标族：荷尔蒙/小分子； 检测：一波长反射干涉分光测试(1-λ RIFS)；传感器/光学表面厚度。
通过将阿尔法黄体酮结合到束缚于表面的黄体酮，利用一波长干涉分光 测量法【3】确定样本中的阿尔法黄体酮抗体的浓度。这种测量不需要任何标 记。因此，抗体-抗原耦合不会受到不良影响。额外的优势是节约成本以及 快速获取结果，因为不需要进行标记步骤。将样本泵送到涂覆黄体酮的玻璃 表面，并且通过选定波长处的强度随着时间偏移来判断表面的光学厚度变化 (图19)。当被分析物俘获于表面时，光学厚度发生变化。在大约8到10 分钟(600秒)后，测试结束。该技术提供了广泛独立于温度的精确结果。
图19示出了30μgmL-1抗体(a-黄体酮)的免标记测量结果，表示出 了指数拟合的kobs(可观测速率常数)和kd(离解速率常数)。这种抗体/抗 原相互作用的典型测量示出了在结合阶段的开始，由于质量传输受限条件而 具有线性特性，随后是动态受控阶段(以红色指数拟合表示)以及双指数阶 段。离解阶段由蓝色指数拟合表示。
图1示出了用作光学测量仪器主要部件的单片电光模块10以及符合本 发明且处于未装配状态的光学测量设备。
单片模块包括形成一个部件的机械平台12，用来承载全部必须的光学和 电子元件，例如电磁波束源和检测发出的电磁波束与待调查标本之间任何相 互作用的输出的传感器。
机械平台12设置在承载电子元件和导电迹线的印刷电路板(PCB)14 上。此外，设置盖板16来覆盖机械平台12并保护机械平台12内的部件(在 该视图中未示出)。盖板16可以借助螺丝18固定到光学平台12。
在机械平台12内，设置许多凹槽20和支撑件22，用来接收电气和光学 部件。应该注意，符合本发明的机械平台12允许多个光学、电气和电子部 件固紧并预定地定位，而这些部件可以借助PCB14的迹线电气连接。
孔24设置在机械平台12的前部，允许产生的电磁波束和输出信号通过。
模块10前方的样本位置26限定了任何样本的位置。在测量过程中，样 本位置26可以相对于模块10移动和/或模块10可以相对于样本位置26移动。
在样本位置26的地方，存在反射镜、棱镜或任何偏转或延伸往来模块 10的电磁波束路径的光学元件。
在模块10的后部，设置电子接口28，用来将获得的结果传递给计算和/ 或显示单元。所示的接口28可以是有线或无线接口。
图2示出了图1中的模块10处于装配状态，例如包括两个源24和26 以及两个传感器27和30。该附图示出了许多电子和光学部件接收在机械平 台12中，例如位于凹槽20和支撑件22内。
第一源24产生电磁波束，电磁波束沿着由第一波束分裂器32和第二波 束分裂器34预定的预定路径通过机械平台12，到达孔36，用于照射样本位 置38处的样本。此外，设置第一监控二极管40来监控第一源24。
第二源26产生电磁波束，该电磁波束沿着第三双色波束分裂器42预定 的预定路径通过机械平台12，到达孔36，用于照射样本位置38处的样本。 此外，设置第二监控二极管44来监控第二源26。
电磁波束和样本中待调查标本之间相互作用的输出信号经过孔24，分别 被导向第一传感器27和第二传感器30。传感器27和30检测输出信号，该 输出信号被机械平台12内的电子部件处理，产生期望的结果，该结果经由 板载电子接口28传递。波束再一次经过分别双色波束分裂器32、34、42以 及反射镜29。
实施监控、测量和检测数据处理的全部电子件都集成在所示模块10中。
因此，所示模块10连同机械平台12内的光学和电子部件形成符合本发 明的光学测量设备。模块10连同必要部件形成紧凑的自包含单元，具有实 施测量的全部功能，包括实施测量和获取结果的信号处理功能。
图3示出了符合本发明的光学测量仪器的第一实施方式。
该测量仪器50包括单片电光模块52，其包括用来进行测量的光学和电 子部件。该模块52对应于图1和2中所示的模块10。
此外，仪器50包括样本保持器54，用于接收样本56，该样本在本例中 是层流设备。
样本56可以插入样本保持器54中并可以相对于模块52移动。此外， 模块52可以相对于样本56移动。
此外，仪器50设置有用来控制测量的键盘58和显示测量所获得的结果 的显示器60。
一般来说，该仪器包括彼此连接的主体62和样本保持器54。主体62 包括键盘58和显示器60，并且对于任何类型的样本保持器54而言基本保持 不变。样本保持器54接收样本56，该样本在本例中是层流设备。同样嵌入 样本保持器54内的是单片电光模块52。模块52可以相对于样本56移动(移 动设备未示出)。
图4示出了符合本发明的光学测量仪器的第二实施方式。该仪器70包 括设置有键盘74和显示器76的主体72，与图3所示的仪器50相同。
主体72在本例中连接到用于至多8个试管/PCR管80的样本保持器78。 单片模块82可以借助扫描机构84在x方向相对于PCR管80移动。模块82 对应于图3中的模块52和图1和2中的模块10。
图5示出了符合本发明的手持测量仪器100。仪器100包括具有键盘104 和显示器106的主体102。承载单片电光模块108的主体102可以借助接口 110连接到用于层流测量的样本保持器112。包含层流设备的样本保持器可 以沿着x方向相对于单片模块108移动。
所示测量仪器至少可以用于比色横流免疫测定以及发光例如荧光测量 或者核酸分析。
结果例如经由USB传输，提供了完整的PC功能，用于进一步的存档、 打印和数据存储。无线通信是一种选择。
该设备的电磁实施可以定制于UV和可见光波长范围。尤其是对于荧光 模式场合，即其中一种优选操作模式，该设备可以定制用于特定的荧光染料 和暗盒格式，激励波谱处于365nm到720nm的UV和可见光范围内。目前 的可用光源滤波器和可用染料允许在365到720nm的范围内进行定制。这样 就覆盖了横流市场的全部应用场合。
图6以局部打开方式示出了图3中的测量仪器50。该视图示出了主体 62和样本保持器54之间可以连接。因此，主体62可以根据需要进行的测量 的种类，与不同种类的各种样本保持器54结合。
为测量仪器50提供了容易更换样本保持器54的这种能力，该测量仪器 可以用于多种测量原理以及多种样本格式。
因此，样本保持器54设置有连接件90，该连接件与主体62上的相应构 件相互作用，将样本保持器54连接到主体62，从而配置仪器50。因此，对 应于图4中的主体72的主体62根据需要进行的测量以及所用的样本格式可 以连接到各种样本保持器54。
样本保持器54设计为接收采用各种样本格式的组件。
图7示出了符合本发明的机械平台的可能实施方式，一般表示为400。
可以看出，全部部件集成在壳体402中，提供了第一源404和第二源406， 第一源404与第一监控二极管408关联，第二源406与第二监控二极管410 关联。
在第一源404和第一监控二极管408之间，设置光学模块，即第一滤波 器412。同样，第二滤波器414布置在第二源406和第二监控二极管410之 间。
同样示出了第一传感器416和第二传感器148，它们分别检测通过相关 的波束分裂器422和反射镜420反射的波束。第一滤波器412和第二滤波器 414在光学特性方面对应于第一波束分裂器424和第二波束分裂器426，所 以监控二极管408和410暴露于波长匹配传感器416和418所暴露的波束的 波束中。
箭头430表示所述源产生的波束的光学路径，而光阱432显著减少杂散 光，因此能获得非常明确的信号。
由于专门研制的具有集成光阱432的壳体形状，所以在样本位置433通 过孔431从样本收集的光在光学元件诸如波束分裂器422、424和426处被 反射多次，这些光学元件限定了传感器416和418用来从样本中检测所述信 号的光线的波长，而非特定波长以及杂散光则因存在光阱432而减弱到不明 显的水平。因此，对于样本而言，非特定的光分量被导向光阱432，如箭头 434所示。
在图8中，示出了出口区域在边界440内侧。在该区域内，另外的光阱 442以肋的形式包含在内。这样减弱了从外侧通过孔431进入系统的杂散光。 此外，可以在所述肋之间或者由所述肋形成的凹部内插入阻挡不希望的波谱 范围的额外滤波器。
比色测量
所示的仪器和设备可以用于比色横流免疫测定或者例如核酸分析的发 光例如荧光测量。
通过光源移动横流狭片或者相反操作，可以实施横流狭片比色扫描的原 理。该仪器经过调节，以便从狭片膜反射的光回到检测器中，并产生表示基 线的高信号。当控制带经过光束时，反射光的强度降低，因为占据该带的金 珠吸收了该波长的光。这种情况可以看到负信号。
用于横流技术的金颗粒通常尺寸为40nm，并且在540nm处具有最大的 吸收性。控制带经过光束之后，狭片材料反射的光强度返回到基线水平。相 同的说明适用于测试带。反射光的强度与测试带的光吸收性成反比。吸收性， 理论上取决于包含在带中的样本内的吸收标本的浓度。因此，可以非常方便 地实现精确量化的比色横流测试。
应该指出，上述测量过程并不是传统的吸收性测试，因为光源和检测器 布置成共焦点的(0度角)而非180度几何布置。测量可以最准确地描述为 反射或对比测试。
投射在狭片表面的光斑直径大约为1mm，光源到狭片表面的距离大约 为6mm到9mm，这样允许形成良好的数值孔径。简单的LED作为光源， 以及小型化的光电子芯体提供了一种节约成本的设备。数据获取率为每秒每 次扫描1500个数据点：一次扫描耗时1秒。该设备可以自动发现控制带和 测试带的波峰，并将这些数据存储在内部存储器中。这样，在不需要外部计 算机的情况下，可以存储至多2000次扫描。
该设备例如可以经由USB端口连接到任何计算机。根据需要，然后可 以进行测量曲线、峰值强度、波峰位置、波峰比率的数据存储以及任何进一 步的数据分析。无线数据传输，例如经由蓝牙进行，是一种可选的附加方案。
图9示出了代表性的利用40nm金珠作为标记的比色横流狭带扫描。掺 杂有40ng/ml的THC2的50μl尿液样本应用于暗盒中的狭片的样本填充端 口。THC是大麻醇(cannabinoid)，用于测试血液和尿液中的药品摄入量。 这种横流测试可以进行。在应用样本9min之后，记录扫描结果。记录1500 个数据点。扫描为1秒钟。控制带和测试带清晰可见，并且取决于被分析物 的浓度。参考数字指代基线。
这种独特的光学测量设备以移动和手持形式提供了灵敏度高的横流狭 带读取器。这种技术对于进行可用于许多新场合的新一代免疫测定非常重 要。利用最新的显微光学技术和高度集成的电子件，该设备的灵敏性可以相 当于昂贵的台式仪器。该设备的操作简单地只要插入狭片并按下一个按键。 接下来，该设备控制自动扫描、计算结果并且完全记录测量值。可以存储至 多2000次扫描。
另一种再现性研究通过扫描暗盒而这样实施：在每次扫描之间取下暗 盒，并且在下一次扫描之前再将暗盒在其放回该设备。图10示出了该实验 的结果。
在该实验中，掺杂有25ng/ml的TCH2的尿液样本应用于横流免疫测定， 并且利用称为金珠扫描的手持设备扫描10次。在每次扫描之后，取下暗盒， 在下一次扫描之前将新的暗盒放入仪器。
荧光测量
全部附图中示出的设备也可以用于发光特别是荧光读取。荧光标记几乎 应用于当今所有的工业和研究领域。将横流分析中的金珠以荧光标记替换， 则可以实现更为灵敏的读取。灵敏性提高100-1000倍。这种设备将横流免 疫测定带入了ppt(万亿分之几)的灵敏度范围，并且为横流分析增加了新 的维度，因为它们现在可以应用于新的领域和市场。基本上可以以各种方式 读取发光，例如包括荧光强度测量值、时间分辨发光、相位调制、两次光子 激发之后的荧光以及荧光各向异性和极化。其中，简单的强度测量实施起来 最便宜和容易，并且最适合横流狭片。
受让人已经研制出了用于金珠比色读取(金珠扫描-参见上例)以及荧 光读取的横流免疫测定手持设备，以高性能和便携性方便操作者。该设备还 用于反射测定法(吸收、反射干涉光谱法)。
荧光扫描设备在设计和性能上与上述金珠扫描设备相同，并且具有相同 的特征。从所述源发射的光投射到横流狭片表面上。该仪器经过调整，以便 狭片的自动荧光和杂散光因共焦点设计而产生非常低的信号。一旦狭片经过 光束或者所述设备经过狭片，并且一旦光束到达控制带，将会记录高荧光信 号，因为荧光标记占据了控制带的区域。在控制带之后，荧光强度处于背景 水平，直到光束到达测试带并且样本信号根据样本带中包含的荧光标记的量 而升高。一次扫描耗时1秒，并且记录1500个数据点。
在控制带之后，荧光强度处于背景水平，直到光束到达测试带测试带并 且样本信号根据样本带中包含的荧光标记的量而升高。一次扫描耗时1秒， 并且记录1500个数据点。
该仪器例如提供至多两种不同的激励源，并且可以在两个不同的发射波 长处进行检测。复式分析扫描因此变得简单，因为多条测试带和多种染料可 以记录在同一片狭片上。被分析物或病原体板的筛查不再是一种限制，相反 因为存在这种测量设备而变得可能。
在图11中示出了测量原理的示意图，表示工作流程以及获取峰值数据。
样本550应用于结合有被分析物的狭片552。箭头554示出了样本流动 和扫描方向。在556和558点，可以看见控制带和测试带。狭片扫描560在 控制带和测试带上产生波峰。借助这种定性测量，该结果可以电子再现。
荧光扫描手持横流设备还适合扫描荧光乳胶颗粒。在进行的实验中， MDMA(Ecstasy)以不同的浓度(0、125、150、250、500、750和1000ng/ml 的MDMA)掺杂到尿液样本中，为量化目的获取标准曲线。每种浓度有4 条狭片用来均化偏差。15μl的掺杂样本应用到测试狭片，并且15分钟后利 用荧光手持设备扫描该狭片。
结果的量化可以利用上述标准曲线来进行，但是也可以使用内部标准。 控制带和测试带的强度比率表示量化结果。数据可以在控制带峰值强度处归 一化。一旦对于不同浓度，以控制带强度相对于测试带强度表示出测试结果， 则该参数可以用于量化，因为该比率对于给定的被分析物浓度来说，是恒定 的。不需要再进行额外的评测。这种情况在以下实验中得到证明：不同的被 分析物浓度应用于横流狭片并且扫描该狭片。计算控制带和测试带的强度比 率。
连接到计算机时，荧光扫描设备可以通过对使用者友好或者自解释软件 界面进行操作。图形化的使用者界面通过按压连接按钮而连接到USB端口， 通过启动按钮启动扫描，并且在称为类型的下拉菜单中选择波长。使用者还 可以向循环域输入数字来重复实施扫描。其他参数由制造商默认设置，并且 应用于不同的暗盒格式。由仪器自动发现峰值强度以及位置。这里需要强调 的是，对于常规应用来说，更希望得到量化值或者基于动作的数据输出，因 为使用者不希望陷入解释数据的困境中。
图12示出了可以用在所公开的设备和仪器中的样本保持器的不同实施 方式。
该幅图示出了用于工业应用的专用比色环保持器600。也可以使用另一 个比色环保持器602和用于环境分析的专用比色环保持器604。
箭头606、608和610示出了单片模块的插入方向。
共焦点几何布置
为了提高传感器的定位容差以及将传感器调节到不同的焦距，所述设备 根据共焦点原理设计，而非离轴几何布置。非静止设备，诸如用于现场测试 的表面测量需要应对较高的定位容差。在液体中，传感器已经表明在标准比 色环中检测0.5pM的溶液，因此表明其最高的灵敏性。目前正在进行的努力 是将灵敏性进一步提高100到1000倍。所述设备的共焦点光学特性使其对 于样本的机械不均匀性不敏感，保证了共焦点设计的最高信号和最低背景内 在特征。
图13示出了共焦点设计650和离轴设计652的原理。共焦点设计650 包括LED654作为所述源，和光电二极管作为传感器。相应地，离轴设计652 包括LED658和光电二极管660。共焦点设计650中的样本位置以662表示， 而离轴设计652中的样本位置以664表示。
在其他因素当中，共焦点几何布置允许定位精度具有最高容差，定位精 度对于非静止传感器是需要考虑的重点。如果位置662垂直移动，则离轴设 计652离开焦点，并且不能产生信号。
虽然灵敏性与被分析物浓度有关，但是电子部件必须处理毫微微安培范 围内的电流。标准光电子单元可以测量低至10毫微微安培的数量级，正如 图3所述的实验所表明。该单元因此也理想地适合用于其他分析技术，诸如 灵敏度和精度最高的电化学测量。同样，数据输出对于传感器环境温度的依 赖性也较低。
手持与移动测试平台
所示的设备和仪器满足了手持和移动测试平台的需要。目前，现代医学 已知存在1415种传染病。此外，还存在用于以下各项的诊断测试的需求： 药品摄入、食品和农产品中的毒素确定、检测基因改良的组织、癌症标记、 生物威胁试剂、过敏病学和免疫反应参数、人类同一性以及许多其他应用。 这些测试中的许多测试是由非专业人员在现场或在实验室的实验台上进行 的。对于小型设备的需求受到简单的因素诸如空间资源稀缺的驱动。更重要 的是，移动和手持设备允许在现场探索目标。需求范围从生物威胁试剂和国 家安全扩展到流行病监控、临床测试、远程医疗，扩展到家庭护理市场。使 用这种系统的推动力是成本、便利性、快速的出结果(turnaround)时间、 风险降低、隐私、教育水平、流行病解决方案、缺乏电力以及空间制约。通 常，所述设备由非专业人员操作，而实验室人员通常受过训练来操作精密设 备。如果通过现场测试设备能提供高分辨率的流行病监控结果，则例如可以 避免军营中传染病的爆发。临床测试允许抢救室、救护车或医院得出结果， 并且让送样本到参考实验室成为陈年旧事。节约出结果时间和操作成本可以 显著得到改善，如果可以避免样本存储和运输的话。商业案例是怀孕测试以 及葡萄糖监控设备。
用于这些市场的设备需要提供精确的结果，耐用、能负担得起，容易操 作，并且提供快速的出结果时间等(表1)。
表1：手持/移动测试平台的一些动力、理由和结论特征
动力 理由 带来的测试平台特征 成本 减少工作流程步骤数目节省时 可以负担
间和金钱 快速出结果时间 现场测试避免了样本存储和样 本运输 移动性、提供快速测试程序，优 选避免了样本制备、结果自动存 档 使用便利 移动性将测试带向样本 移动性，小尺寸，重量轻，结构 结实，操作鲁棒性 降低样本污染风险 减少工作流程步骤 移动性 降低人员感染风险 减少工作流程步骤 移动性 降低样本退化风险 不需要样本存储 移动性 降低错误阳性和错 误阴性结果的风险 由于涉及的步骤较少而使污染 的可能性降低 移动性、灵敏性和针对性 教育水平 操作者通常是普通人，非专家 操作鲁棒性(简单的一键式操 作)、自动解释数据、存储和存 档、无线数据传输 流行病方案和监控 监控流行病 移动性，自动无线数据传输 生物威胁监控 可以负担，小尺寸，快速测试， 灵敏性，专用性 缺少电力 现场没有电力插座 电池操作 隐私 怀孕是个人的事 移动性 空间限制 空间是稀缺资源 移动性，小尺寸
目前的技术显示限制了组合重要的参数。表1中列出的参数阻碍了大多 数技术进入，并且经常限制开发现有技术。例如，在子类型特性层面上精确 检测病毒、细菌和真菌种类需要核酸扩大。需要这种技术例如区别危险的 H5N1型禽流感子类型与其他不太危险的流感病毒子类型。
但是，在众多因素中，第一步应该是精确的诊断，以避免不必要地使用 抗生素。抗生素的泛滥使用导致了出现变异的病原菌种，耐受那些治疗方法。 突出的例子是耐受盘尼西林的葡萄球菌Aureus(PRSA)菌种。虽然聚合酶 链反应(PCR)，一种核酸放大方法极其灵敏且具有针对性，但是在手持或 移动型仪器中实施不太理想，特别是在需要快速出结果时间的时候。广泛的 加热和冷却步骤要求精密且沉重的仪器诸如热循环器、大量电力以及至少一 个小时的时间，还不包括耗时且麻烦的样本制备过程。此外，温度一致性对 于获得精确的结果是非常关键的，而且需要样本纯度很高。
对于广泛且耗时的样本制备过程的需求是家庭护理和护理设施点应用 诊断测试最大的限制因素之一。需要考虑整个工作流程，不仅仅是实际的分 析(表2)。出结果时间是关键因素，并且包括诸如样本存储和运输步骤，它 们在某些情况下可能花费数天到数周。持续且不精确的样本存储和运输可能 导致样本退化和污染，由于样本处理步骤数目，将导致错误阳性和错误阴性 率升高以及增加处理样本的人员感染的风险。还加重了健康护理系统的成本 负担。
表2：样本测试的步骤和时间
步骤 时间 样本采集和存档 数分钟到数天 样本存储 数小时到数周 样本运输 数小时到数天 目标富集培养(对于某些应 用) 数小时到数周 样本制备和浓缩 数小时 分析测试 数分钟到数小时 获取数据 数秒到数分钟 数据存储和读取 数秒或更少 数据解释 数秒到数分钟 数据通信和传递(到病人、 流行病中心、管理机构等) 数秒到数小时
从表2中所列内容来看，移动系统必须满足上述全部要求。移动测试一 并避免了样本存储和运输。移动性仍然无法单独解决样本制备部分。虽然许 多小组已经尝试压缩目前程序中的样本制备步骤，但是受让人采用了另一种 策略：就是将其移动和手持设备与这些分析方法结合，自然避免了最耗费时 间的步骤，诸如广泛的样本制备过程。这样允许现场测试和结果的快速，而 且降低人员风险以及错误的阳性或错误的阴性率。移动系统必须直接理想地 从样本工作，并且操作简单。仅有一些测试过程，它们可以实现这种范式。 横流分析例如已经显示出可以对血液、尿液或唾液直接起作用。
符合本发明的系统满足了表1和2所示的现场测试所需的全部其他标 准。
核酸和放大(amplification)分析
文中讨论的另一种方法是新颖的核酸放大技术，称为重酶聚合酶放大 (RPA)。
RPA是等温核酸放大技术。在评价新颖的核酸放大方法时，可以重新考 虑样本中抑制剂的本质以及减少他们的影响的方案。例如，并非提纯核酸以 去除可能的抑制剂，而是可以将其稀释。这要求一种在体积方面可以扩大的 方法。PCR在大体积时难以实施，因为加热和冷却步骤不适应时间-结果要 求。此外，在高温下处理临床样本可能导致蛋白质凝结以及样本脱气。在这 种方法中，广泛的样本制备过程是必须的。但是，每一个步骤的效率小于 100％，导致损失目标。
当处理较低份数的样本时，这种做法引起了特别的兴趣。但是，如果方 法可以扩大，抑制剂可以稀释，则不必应用浓缩过程，并且可以使用全部体 积，且不会损失单一目标分子。富集步骤诸如细胞培育生长可以显著缩短。 较少的步骤也意味着降低了样本污染的风险。对于处理目标运输问题，较大 的样本体积也是期望的：这样向测试过程输送了统计学上相关且有代表性的 目标分子数量。血液测试例如经常需要抽取0.5ml的样本体积，以避免漏掉 浓度极低的目标并且得到有意义的结果。食品测试的管理规则甚至要求25g 的样本以避免目标输送问题。目前仍采用耗时的浓缩或富集步骤。
可以扩展的等温核酸放大工具因此在克服目前针对简单、迅速、灵敏且 有针对性的诊断测试中的瓶颈问题，抱有最强的信心。这种测试特别是现场、 护理点或家庭护理设施所希望的，在这些场所不具备笨重且精密的仪器，或 者无法操作这些仪器，并且在任何地方，成本都是一个问题。但是，大多数 等温方法缺乏可缩放性、灵敏性、快速获得结果能力、针对性或者这些参数 的组合。
此外，分子诊断技术已经获得了常规诊断测试方面重要的市场份额。例 如这种病原体抗生素耐受菌群的出现已经增加到了警戒水平，并且非常需要 这种测试。在参考实验室中，基于DNA/RNA的测试是增长最快的产品和服 务。这归因于极高的灵敏性和针对性，可以用于种群的子类型。这种较高的 针对性仅有耗时的微生物过程可以匹敌，并且可以持续数天到数周。目前的 分子诊断测试显示出可以在1小时的范围内快速获得结果。但是，大多数最 新的进展表明分子诊断测试获取结果的时间可以减少到大约30分钟，同时 保持较高的灵敏性和针对性(重酶聚合酶放大，RPA)并且这里表明应用于 全血。RPA可以适用于临床样本(全血)，而不需要前置的样本制备步骤。 MRSA DNA以不同的浓度(1000、100、10和0份)掺杂在血液中，然后在 37℃下进行RPA。在该实验中，体积为100μl，并且在反应剂直接加入血液 时，血液稀释到30％。RPA的这种特征对于现场测试来说是理想的：基于 RPA的现场测试可以提供快速的出结果时间，因为它们避免了样本存储、样 本运输和广泛的样本制备。符合本发明的测量仪器能在所述条件下实施 RPA，满足所述应用场合的全部需要。
由于手持荧光读取器较低的干扰和较高的灵敏性，我们可以仅在11分 钟(图15，实时)证实2000份耐受盘尼西林的葡萄球菌Aureus隔离DNA 副本的检测结果，并且检测结果减少到17个副本(图16，端点)。有意思的 是，在这些副本数目下，端点分析提供了可量化的结果。
图15示出了MRSA III的实时检测结果，以利用重酶聚合酶放大以及移 动荧光扫描设备判断抗生素耐受性。利用荧光扫描传感器在11分钟内检测 到了2000份MRSA III。
上述这种分析已经在反应管(PCR试管)中提出，并且直接从所述管中 获取读出值。手持管扫描原型设备提供了动态管读出值，同时测量由FRET 机构引起的反应随着时间的荧光增加量。所述管移动经过光源，并且从底部 被照亮。由于该设备为共焦点几何布置，所以在发生激励时，通过相同的光 学件记录荧光值。可以每5分钟进行一次扫描，持续若干小时。在手持管扫 描中，峰值数据存储在内部存储器中。数据目前在内部显示器上显示为数字。 可以根据需要提供图形用户界面。虽然这是一种电池操作的独立设备，但是 它可以经由USB端口连接到计算机，用于开发分析方法的目的，并且用来 图示数据。
图16示出了MRSA III的端点检测。端点分析：利用重酶聚合酶放大 (RPA)放大0、17、170和1700份隔离MRSA III，持续60分钟，并利用 移动荧光扫描系统检测。有意思的是，在这样的份数范围内，端点读出值提 供了可量化的结果。
环境光补偿
LED用作光源，而光电二极管用作检测器。在传感器中实施闭环反馈， 从而独立于LED的温度提供恒定的光输出。电子电路的长度保持非常小。 在LED通电时检测一次样本，在LED关断时检测一次样本，以消减环境光。 在表面以及液体中存在和不存在环境光的情况下，这种测量原理允许快速测 量而且干扰较小。
图14中示出了在环境光下进行的测量，其中示出了光电子单元的一个 测量周期的示波曲线。该曲线真实地显示出适合测量两种不同的染料和波长 的两个通道中的并行荧光检测结果。没有进行信号积分，因为在特定的延时 之后，仅获取一个值。在左侧：不存在环境光的情况下两个通道中的测量值。 在右侧：存在环境光的情况下两个通道中的测量值。通过减去光源通电时记 录的一次值以及光源关断时记录的一次值，补偿了通道二中由环境光引起的 信号偏移。因此，传感器能在存在环境光的情况下，精确地检测信号。
由于受让人的横流读取器的模块化设计，该设备可以用于荧光读取(荧 光扫描)以及金珠比色读取(金珠扫描)，并且调整到不同的横流暗盒格式。 横流暗盒承载件可以被适合扫描多个管中的荧光运动特性的管支架所取代， 诸如用于实时核酸放大。模块化设计方案能节约成本以及快速定制，以及将 所述设备用于多种场合。而且构建了位于手提箱中的灵活移动系统以及真正 的手持和电池操作的系统。根据需要，可以采用无线数据传输。该设备构造 的结实可靠，并且容易用单一按钮进行操作。手持设备的内部存储器和显示 器提供了现场数据输出，并且在不需要计算机的情况下，存储至多2000次 扫描结果。数据输出可以是定性的(是/否/无效)，半量化的(高、中、低、 无效)，量化的或基于动作的(推荐药物剂量、清空建筑物、等)。
与集成手持设备相比，移动系统可以放入手提箱中，并且包含各种传感 器、电子测量设备、用来连接到膝上计算机、便携式PC的线缆、软件、横 流狭片、电源适配器和附件诸如比色换保持器等。移动设备通常更为灵活并 且手提箱的内容物可以适配特定场合。
在液滴中测量
在许多情况下，需要测量样本体积非常小的液体样本中的标本。许多标 本容易吸收到样本容器的表面。这种吸收性可能导致错误的分析结果。在固 有地显示出较大的表面与体积比的非常小的容器中，这种影响甚至可能导致 错误的阴性结果，因为全部的标本可能吸收到表面上。这个问题的解决方案 是在例如由液滴提供的无壁样本舱中进行测量。在以下的测试溶液荧光测量 中，悬挂于移液管端部的液滴或下落中的液滴可以用作无壁容器。结果与管 中的测量结果相比。在各种情况下，都采用符合本发明的测量仪器。
进行的实验显示出，荧光强度取决于获取率、暴露时间、pH值、体积、 测量仪器距离样本的距离以及利用所示传感器记录的浓度。数据可以作为基 于PCR的应用场合以及其他场合的基础。为了获得毫秒级的暴露时间，液 滴自由下落，经过激励光束(以大约0.3m/s的速度)。一旦液滴经过光束， 则可以触发荧光测量。这样允许高度测量多个样本，而不需要精确定位和运 动的精确速度。数据记录在非优化系统中，并且认为是初步结果。优化和定 制可以带来明显的改善。条件为：
-15nM到500nM的荧光溶液
-pH8.5和pH12
-5μl体积
-暴露时间4ms到20ms(在50％峰值高度)
-获取率1.5kHz
-样本与传感器之间的距离：6mm到30mm
-室温测量
-通过塑料从侧面检测100μlPCR管
-研究/报告说明灵敏性、干扰水平、速度(获取率)和信噪比(表示信 号与噪声的标准偏差)
此项研究中的数据表明，从15nM到500nM、pH8.5的5μl荧光溶液可 以在标准PCR管内以1.5kHz的获取率检测以及在液滴中，在毫秒级的暴露 时间范围内，进行检测，都远高于噪声水平。噪声水平通常小于0.5％。仪 器距离样本的距离示出为6mm到30mm。较大距离时，由数值孔径变化导 致的损失完全被较大的应用因子所完全补偿，在PCR管内测量时，没有显 著增大噪声。体积和pH值对于荧光信号强度的依存性竟然非常低。获取率 为1秒的荧光强度与获取率为1毫秒的荧光强度相比，保持非常类似。这是 因为所用系统在记录荧光强度时并未使用时间积分。数据强烈地显示出，所 述仪器非常适合在下落液滴中测量标本。
利用荧光素NIST-Standard制备荧光素稀释液作为50nM浓度的储备溶 液。最终溶液浓度从280nM到10nM。在第一实验中，溶液制备为1M的 NaOH，以提高染料的最大荧光强度。激励波长为470nm，在520nm及以上 波长处检测辐射。图中示出体积为悬挂在移液管末端的液滴。图17示出了 进行该项测试的实验设置。该图示出了所述设备进行的测量过程中，悬挂在 移液管末端702的液滴700。
5μl荧光素液滴700定位在移液管末端702的底部。利用符合本发明的 仪器照射液滴700。
下表3示出了荧光素溶液的浓度(栏1)，在正常模式记录的荧光强度 (“强度”，栏2)以及相应的噪声(栏3)和1.5kHz获取率模式下的荧光强 度(“范围”，栏4)以及噪声(栏5)。在正常模式下，记录并平均了10个 数据点(每个数据点1秒暴露时间)。在范围或1.5kHz模式下，利用1秒的 暴露时间记录了1500个数据点(每毫秒1.5个数据点)。
表3
c(nM) 强度 正常模式 (mV) 绝对噪声 【+/-mV】 范围 (1.5kHz模式) (mV) 绝对噪声 【+/-mV】 280 1962 4 2000 6 240 1279 3 1310 4 200 1062 4 1090 4 160 772 2 792 4 120 612 2 634 6 80 395 2 420 4 40 178 2 200 4 10 25 1.5 45 5
此项实验的参数：
染料：1M的NaOH中的荧光素
体积：5μl(移液管末端的液滴)
样本到传感器的距离：6mm
放大因子： 20*106
pH： ＞pH 12
Ex/Em： 470/＞520nm
获取率(范围模式)：1.5kHz
暴露时间：1秒
为了实现毫米级的暴露时间而不高速机械移动装置，使用了图18所示 的实验设置。液滴720从移液管末端722落下，经过所述设备的激励光束的 光路724。对于不同的浓度，设置了液滴720到光束的不同垂直高度距离为 5mm和10mm。液滴720到光束中的传感器726的水平距离为18mm。从波 峰宽度看，液滴720的速度大约为0.3m/s，假设液滴的直径为2.1mm，且光 束724的宽度大约为1mm。
在另一个实验中，在传感器726分别接收到高于60mV和30mV阈值的 荧光信号时，触发荧光测量。数据显示液滴的暴露时间大约为20ms，这是 液滴在光束中的总时间，记录为波峰周围的基线到基线的值。在液滴进入光 束后，基线向上移动，并且在液滴离开光束后，基线向下返回。最大值的50％ 处的波峰高度显示出暴露时间仅为7.3ms(在1.5kHz的获取率下，11个数据 点)。50％的值更为接近地表示了液滴的最大亮度。表4总结了此项试验的 记录数据。在基线水平上测量噪声。
表4
荧光素 浓度 (nM) pH 用于下 落的液 滴到光 束的垂 直高度 距离 荧光 触发 的阈 值 (mV ) 最大峰值强度 (mV) 最大 峰值 强度 位置 (数 据点) 峰值宽 度(基 线到基 线) (数据 点) 整个液滴 的总暴露 时间(ms) 在50％ 峰值高 度处的 峰值宽 度(数据 点) 50％高 度处的 液滴暴 露时间 (ms) 250 8.5 5 60 1360 18 40 26.7 20 12 250 8.5 5 60 1979 17 43 28.7 18 12 250 8.5 5 60 1514 15 38 25.3 19 12 250 8.5 10 60 1594 11 30 20.0 11 7 250 8.5 10 60 1461 8 30 20.0 13 8 250 8.5 10 60 1636 10 31 20.7 11 7 15.63 8.5 10 60 80.0+/-0.15 2 20 13.3 7 4 15.63 8.5 10 60 93.9+/-0.10 3 23 15.3 8 5 15.63 8.5 10 60 95.3+/-0.15 5 26 17.3 9 6 15.63 8.5 10 30 82.6+/-0.15 5 22 14.7 7 4 500 12 10 30 1791.8+/-0.15 16 38 25.3 14 9
实验参数和液滴720下落经过光束724过程中记录的实验数据。对于一 些例子来说，在基线水平记录噪声，因为在最大峰值处仅有一个数据。噪声 具有一致的低值。但是，从实验1、2、3和4知道，采用1.5kHz模式的噪 声为0.6％到0.1％范围。相同条件下的输入表示重复的实验。在众多因素中， 差异归因于手动释放液滴以及由于手动操作导致的移液管在光束上方的位 置变化。而且，在5mm的垂直下落距离处，由带有上标的峰值表示下落经 过光束时的液滴的不同形状。
此项试验的参数为：
染料： 100mM的NaHCO3中的荧光素
体积： 5μl(从移液管末端下落的液滴)
样本到传感器的距离： 18mm
液滴到光束的下落距离：5mm和10mm
放大因子： 3*109
pH： pH8.5和＞12pH
Ex/Em： 470/＞520nm
触发阈值： 30mV和60mV
获取率(范围模式)： 1.5kHz
暴露时间： 毫秒级
反射式测量
另一个例子是在将阿尔法黄体酮抗体粘结到黄体酮的领域。
被分析物：阿尔法黄体酮抗体粘结到黄体酮；
样本：缓冲剂中的隔离抗体；样本格式：表面；目标族：荷尔蒙/小分子； 检测：一波长反射干涉分光测试(1-λ RIFS)；传感器/光学表面厚度。
通过将阿尔法黄体酮结合到束缚于表面的黄体酮，利用一波长干涉分光 测量法【3】确定样本中的阿尔法黄体酮抗体的浓度。这种测量不需要任何标 记。因此，抗体-抗原耦合不会受到不良影响。额外的优势是节约成本以及 快速获取结果，因为不需要进行标记步骤。将样本泵送到涂覆黄体酮的玻璃 表面，并且通过选定波长处的强度随着时间偏移来判断表面的光学厚度变化 (图19)。当被分析物俘获于表面时，光学厚度发生变化。在大约8到10 分钟(600秒)后，测试结束。该技术提供了广泛独立于温度的精确结果。
图19示出了30μgmL-1抗体(a-黄体酮)的免标记测量结果，表示出 了指数拟合的kobs(可观测速率常数)和kd(离解速率常数)。这种抗体/抗 原相互作用的典型测量示出了在结合阶段的开始，由于质量传输受限条件而 具有线性特性，随后是动态受控阶段(以红色指数拟合表示)以及双指数阶 段。离解阶段由蓝色指数拟合表示。