(57)【要約】  スマートフォンは、複数のモードで動作し適切に構成されたサンプルカートリッジに提供されたサンプルに透過、反射、強度、又は散乱光分光を行うことができる装置に光学的に結合される。本装置は、透過、反射、及び散乱光分光のためにスマートフォン上の光源からの光によってサンプルを照明するための第１照明光学経路を含む。本装置はまた、強度分光のためにレーザダイオードからの光でサンプルを照明するための第２照明光学経路を含む。本装置は更に、モードの各々でサンプルからの光を収集する収集光学経路を含む。スマートフォン上の画像センサは、回折格子を介して収集された光を受け取ってスペクトル画像を取得する。第１照明光学経路は、収集光学経路に実質的に平行であり、第２照明光学経路は、収集経路に実質的に直交する。【選択図】図１Ａ
2020536235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
マウント及びカートリッジスロットを含む構造的支持部であって、前記マウントが作動位置においてモバイルコンピュータデバイスを取り外し可能に取り付けるよう構成され、前記モバイルコンピュータデバイスが、第１光源及び画像センサを含み、前記カートリッジスロットが、反射スロット面を含み且つ複数の異なるタイプのサンプルカートリッジを受け入れるよう構成される、構造的支持部と、
前記モバイルコンピュータデバイスが前記作動位置にあるときに、波長分散要素が前記画像センサに光学的に結合されるように前記構造的支持部に結合された波長分散要素と、
近位端及び遠位端を有する第１光ファイバであって、前記第１光ファイバは、前記モバイルコンピュータデバイスが前記作動位置にあるときに、前記第１光ファイバの近位端が第１照明光学経路を介して前記カートリッジスロットに光学的に結合され且つ前記第１光ファイバの遠位端が前記第１光源から光を受け取ることができるように前記構造的支持部に結合される、第１光ファイバと、
近位端及び遠位端を有する第２光ファイバであって、前記第２光ファイバは、前記モバイルコンピュータデバイスが前記作動位置にあるときに、前記第２光ファイバの近位端が前記第１照明光学経路に実質的に平行である収集光学経路を介して前記カートリッジスロットに光学的に結合され且つ前記第２光ファイバの遠位端が前記波長分散要素を介して前記画像センサに光を向けることができるように前記構造的支持部に結合される、第２光ファイバと、
第２照明光学経路を介して前記カートリッジスロットに光学的に結合されるように前記構造的支持部に結合される第２光源であって、前記第２照明光学経路は、前記収集光学経路に実質的に直交する、第２光源と、
を備え、
前記装置は、少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モード動作可能である、
ことを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記モバイルコンピュータデバイスは、スマートフォンである、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１光源は、白色光ＬＥＤである、
ことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記波長分散要素は、回折格子を含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２光源は、レーザダイオードを含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１光ファイバの近位端は、アラインメントスリーブ内の前記第２光ファイバの近位端に隣接して位置付けられる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
第１及び第２光ファイバは、前記アラインメントスリーブ内で実質的に平行である、
ことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記アラインメントスリーブは、ガラス毛管を含む、
ことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
光学システムを更に備え、
前記光学システムが、
（ｉ）前記光学システムが、前記第１光ファイバの近位端を通って透過された前記第１光源からの光をコリメートして、前記コリメートされた光を前記カートリッジスロットに向け、反射されたコリメート光を前記第２光ファイバの近位端に結合するコリメート構成と、
（ｉｉ）前記光学システムが、前記カートリッジスロット内の焦点領域から光を収集して、前記収集した光を前記第２光ファイバの近位端に結合する集束構成と、
の間で調節可能である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記光学システムは、第１レンズ及び第２レンズを含み、前記光学システムが前記コリメート構成にあるときに、前記第２レンズではなく前記第１レンズは、前記第１照明光学経路及び前記収集光学経路に配置され、前記光学システムが前記集束構成にあるときに、前記第１レンズ及び前記第２レンズの両方は、前記収集光学経路に配置される、
ことを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記透過分光モードは、第１タイプのサンプルカートリッジにおいてサンプルの透過分光を提供し、前記第１タイプのサンプルカートリッジは、透明前面、前記透明前面の反対側の透明後面、及び前記透明前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバを含み、前記サンプルは、前記サンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記動作の第１モードは、
前記透明後面が前記反射スロット面及び前記第１照明経路を覆って前記収集光学経路が前記透明前面を通って延びるように、前記第１タイプのサンプルカートリッジが前記カートリッジスロットに配置され、
前記光学システムが前記コリメート構成である、
ことによって特徴付けられ、
前記光学システムからのコリメート光が、前記透明前面を通って前記サンプルチャンバに入り、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記透明後面を通過して、反射されたコリメート光として前記反射スロット面から反射し、
前記反射されたコリメート光は、前記透明後面を通って前記サンプルチャンバに入り、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記透明前面を通過し、前記光学システムによって前記第２光ファイバの近位端に結合される、
ことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記反射分光モードは、第２タイプのサンプルカートリッジにおいて前記サンプルの反射分光を提供し、前記第２タイプのサンプルカートリッジは、透明前面、前記透明前面と反対側の反射後面、及び前記透明前面と前記反射後面の間のサンプルチャンバを含み、前記サンプルは、前記サンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記反射分光モードは、
前記反射後面が前記反射スロット面を覆って前記第１照明及び前記収集光学経路が前記透明前面を通って延びるように、前記第２タイプのサンプルカートリッジが前記カートリッジスロットに配置され、
前記光学システムが前記コリメート構成である、
ことによって特徴付けられ、
前記光学システムからのコリメート光は、前記透明前面を通って前記サンプルチャンバに入り、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、反射されたコリメート光として前記反射後面から反射し、
前記反射されたコリメート光は、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記透明前面を通過し、前記光学システムによって前記第２光ファイバの近位端に結合される、
ことを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記強度分光モードは、第３タイプのサンプルカートリッジにおいてサンプルの強度分光を提供し、前記第３タイプのサンプルカートリッジは、透明前面、前記透明前面と反対側の透明後面、前記透明前面に直交する透明底面、及び前記透明前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバを含み、前記サンプルは、前記サンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記強度分光モードは、
前記収集光学経路が前記透明前面を通って延びて前記第２照明光学経路が前記透明底面を通って延びるように、前記第３タイプのサンプルカートリッジが前記カートリッジスロットに配置され、
前記光学システムが、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプル内に位置付けられた焦点領域を備えた前記集束構成である、
ことによって特徴付けられ、
前記第２光源からの励起光が、前記透明底面を通って前記サンプルチャンバに入り、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記サンプルに存在するフルオロフォアに蛍光光を放出させ、
前記光学システムが、前記焦点領域における前記サンプルから放出された蛍光光を収集し、前記収集した蛍光光を前記第２光ファイバの近位端に結合する、
ことを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記散乱光分光モードは、第４タイプのサンプルカートリッジに包含された試験ストリップのサンプルパッドに加えられるサンプルの散乱光分光を提供し、前記第４タイプのサンプルカートリッジは、ウィンドウが形成された前面、前記前面と反対側の後面、及び前記前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバを含み、前記試験ストリップは、前記サンプルパッドが前記ウィンドウと位置合わせされるように前記サンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記散乱光分光モードは、
前記後面が前記反射スロット面を覆って、前記第１照明及び前記収集光学経路が前記前面の前記ウィンドウから延びるように、前記第４タイプのサンプルカートリッジが前記カートリッジスロットに配置され、
前記光学システムが、前記サンプルチャンバに配置された前記試験ストリップのサンプルパッドに集束する前記集束構成である、
ことによって特徴付けられ、
前記光学システムからの集束された光が、前記前面のウィンドウを通って前記サンプルチャンバに入って前記サンプルパッドを照明し、前記サンプルパッドが、前記集束光の一部を散乱して散乱光を提供し、前記散乱光の一部が前記ウィンドウを通過し、
前記光学システムが、前記ウィンドウを通過する前記サンプルパッドからの散乱光を収集し、前記収集した散乱光を前記第２光ファイバの近位端に結合する、
ことを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記波長分散要素は、スペクトル次元で空間的に分離された波長成分に光を分散するよう構成され、これによって前記モバイルコンピュータデバイスが前記作動位置にあるときに、様々な波長成分が前記画像センサ上の様々な位置で受け取られるようになる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記第２光ファイバの遠位端の間に非球面レンズ及び円柱レンズを更に備え、前記非球面レンズは、前記第２光ファイバの遠位端から放出された光をコリメートし、前記円柱レンズは、非スペクトル次元に前記コリメート光を集束させ、前記非スペクトル次元は、前記スペクトル次元にほぼ垂直である、
ことを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
モバイルコンピュータデバイスを装置に取り付けるステップであって、前記モバイルコンピュータデバイスは光源及び画像センサを含み、前記モバイルコンピュータデバイスを前記装置に取り付けるステップが、前記光源を前記装置の第１光ファイバの遠位端に光学的に結合するステップ、及び前記画像センサを前記装置の波長分散要素に光学的に結合するステップを含み、前記波長分散要素は、前記装置の第２光ファイバの遠位端に光学的に結合される、ステップと、
サンプルカートリッジを前記装置のカートリッジスロットに挿入するステップであって、前記サンプルカートリッジにサンプルが配置され、前記カートリッジスロットは、反射スロット面を含み、前記カートリッジスロットは、（ｉ）第１照明光学経路を介して前記第１光ファイバの近位端に光学的に結合され、（ｉｉ）前記第１照明光学経路に実質的に平行である収集光学経路を介して前記第２光ファイバの近位端に光学的に結合され、（ｉｉｉ）前記収集光学経路に実質的に直交する第２照明光学経路を介して第２光源に光学的に結合される、ステップと、
少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モードの中から動作モードを選択するステップと、
入射光を前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルに向けるステップであって、前記入射光は、前記選択された動作モードに応じて、前記第１光源又は前記第２光源の少なくとも１つから提供される、ステップと、
光学システムによって、前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルからの光を収集するステップであって、前記光学システムは、前記収集した光を前記第２光ファイバの近位端に結合する、ステップと、
前記波長分散要素にて、前記第２光ファイバを介して、前記光学システムによって収集された光を受け取るステップであって、前記波長分散要素は、前記受け取った光を前記画像センサ上の空間的に分離された波長成分に分散する、ステップと、
前記画像センサを用いて、前記空間的に分離された波長成分を含む少なくとも１つの画像を取得するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記選択された動作モードは、前記透過分光モードであり、前記サンプルカートリッジは、透明前面と前記透明前面の反対側の透明後面とを含み、前記サンプルは、前記透明前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記入射光を前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルに向けるステップが、
前記第１光ファイバを介して、前記第１光源からの光を前記光学システムに向けるステップであって、前記光学システムは、前記第１光源からの光をコリメートして、前記コリメート光を前記透明前面を介して前記サンプルに向ける、ステップを含み、
前記コリメート光は、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記透明後面を通過し、反射されたコリメート光として前記反射スロット面から反射し、
前記反射されたコリメート光は、前記透明後面を通って前記サンプルチャンバに入り、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記透明前面を通過して、
前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルからの光を収集するステップは、前記光学システムによって、前記透明前面を通過した前記反射されたコリメート光の少なくとも一部を収集するステップを含む、
ことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記選択された動作モードは、前記反射分光モードであり、前記サンプルカートリッジは、透明前面及び前記透明前面と反対側の反射後面とを含み、前記サンプルは、前記透明前面と前記反射後面との間のサンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
入射光を前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルに向けるステップは、
前記第１光ファイバを介して、前記第１光源からの光を前記光学システムに向けるステップであって、前記光学システムは、前記第１光源からの光をコリメートし、該コリメート光を前記透明前面を介して前記サンプルに向ける、ステップを含み、
前記コリメート光は、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、反射されたコリメート光として前記反射スロット面から反射し、
前記反射されたコリメート光は、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過して前記透明前面を通過し、
前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルからの光を収集するステップは、前記光学システムによって、前記透明前面を通過した前記反射されたコリメート光の少なくとも一部を収集するステップを含む、
ことを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記選択された動作モードは、強度分光モードであり、前記サンプルカートリッジは、透明前面、前記透明前面と反対側の透明後面、及び前記透明前面に直交する透明底面を含み、前記サンプルは、前記透明前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバに配置される、
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
入射光を前記サンプルカートリッジに配置されたサンプルに向けるステップが、
前記第２光源からの励起光を前記透明底面を介して前記サンプルに向けるステップを含み、前記励起光は、前記サンプルチャンバに配置された前記サンプルを通過し、前記サンプルに存在するフルオロフォアに蛍光光を放出させ、前記放出した蛍光光の少なくとも一部は、前記透明前面を通過し、
前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルからの光を収集するステップは、  前記光学システムによって、前記透明前面を通過する蛍光光の少なくとも一部を収集するステップを含む、
ことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記選択された動作モードは、前記散乱光分光モードであり、前記サンプルカートリッジは、ウィンドウが形成された前面、前記前面と反対側の後面、及び前記透明前面と前記透明後面との間のサンプルチャンバを含み、前記サンプルは、前記サンプルパッドが前記ウィンドウと位置合わせされるように前記サンプルチャンバに配置された試験ストリップのサンプルパッドに加えられる、
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記サンプルカートリッジに配置された前記サンプルに入射光を向けるステップは、
前記第１光ファイバを介して、前記第１光源からの光を前記光学システムに向けるステップを含み、前記光学システムは、前記第１光源からの光を前記前面のウィンドウを介して前記サンプルパッドに集束させ、前記サンプルパッドは、前記第１光源からの光の一部を散乱させて散乱光を提供し、前記サンプルパッドからの散乱光の一部は前記ウィンドウを通過し、
前記サンプルカートリッジに配置されたサンプルからの光を収集するステップは、前記光学システムによって、前記ウィンドウを通過する前記サンプルパッドからの散乱光を収集するステップを含む、
ことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記サンプルカートリッジは、直線シーケンスで配列された複数のサンプル位置に配置された複数のサンプルを包含し、前記サンプルカートリッジは、前記直線シーケンスのサンプル位置を区切る区切り構造を含み、
前記画像センサを用いて少なくとも１つの画像を取得するステップは、
前記サンプルカートリッジが前記カートリッジスロットを通って移動したときに前記画像センサを用いて画像の時間シーケンスを取得するステップを含み、
前記画像の時間シーケンスは、前記サンプルカートリッジの前記区切り構造の画像に対応する複数の暗画像と、前記サンプルカートリッジのサンプル位置の画像に対応する複数の明画像とを含む、
ことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
前記複数のサンプル位置の特定のサンプル位置に対して、（ｉ）前記画像の前記時間シーケンスにおける前記少なくとも１つの明画像の前に起こる少なくとも１つの暗画像及び（ｉｉ）前記画像の前記時間シーケンスにおける前記少なくとも１つの明画像の後に起こる少なくとも１つの暗画像に対して、前記画像の時間シーケンスにおける前記少なくとも１つの明画像の位置に基づいて前記特定のサンプル位置に対応する少なくとも１つの明画像を識別するステップと、
前記少なくとも１つの明画像を用いて、前記特定のサンプル位置に配置された特定のサンプルのスペクトル特徴を決定するステップと、
を含む、ことを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
モバイルコンピュータデバイスであって、
第１光源と、
画像センサと、
ユーザインタフェースと、
プロセッサと、
データストレージと、
前記モバイルコンピュータデバイスに動作を実行させるために前記メモリに格納され前記プロセッサによって実行可能なプログラム命令と、
を備え、
前記動作は、
前記ユーザインタフェースを介して、少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モードの中から選択された分光モードを示す入力を受信するステップと、
前記画像センサが装置の波長分散要素に光学的に結合されている場合に、前記画像センサを用いて前記波長分散要素から光の少なくとも１つの画像を取得するステップであって、前記少なくとも１つの画像は、前記波長分散要素に光学的に結合されたサンプルカートリッジに配置されたサンプルを示す１又は２以上の空間的に分離された波長成分を含む、ステップと、
前記選択された分光モードに従って、前記少なくとも１つの画像を処理するステップと、
を含む、ことを特徴とするモバイルコンピュータデバイス。
【請求項３４】
前記選択された分光モードに従って、前記少なくとも１つの画像を処理するステップは、
前記選択された分光モードが前記透過分光モードである場合、前記サンプルによって引き起こされた前記第１光源からの入射光の吸光度を示す少なくとも１つの波長成分を識別するステップと、
前記選択された分光モードが前記反射分光モードである場合、前記サンプルによって引き起こされた前記第１光源からの入射光の反射を示す少なくとも１つの波長成分を識別するステップと、
前記選択された分光モードが前記強度分光モードである場合、第２光源からの励起光に応答して前記サンプルから放出された蛍光光を示す少なくとも１つの波長成分を識別するステップと、
前記選択された分光モードが前記散乱光分光モードである場合、前記サンプルによって引き起こされる色変化を示す少なくとも１つの波長成分を識別するステップと、
を含む、請求項３３に記載のモバイルコンピュータデバイス。
【請求項３５】
前記動作は、
前記選択された分光モードが前記透過分光モードである場合、前記装置に光を向けるよう前記第１光源を動作するステップと、
前記選択された分光モードが前記反射分光モードである場合、前記装置に光を向けるよう前記第１光源を動作するステップと、
前記選択された分光モードが前記強度分光モードである場合、前記第２光源を動作するよう前記ユーザインタフェースを介して命令を提供するステップと、
前記選択された分光モードが前記散乱光分光モードである場合、前記装置に光を向けるよう前記第１光源を動作するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項３４に記載のモバイルコンピュータデバイス。
【請求項３６】
前記サンプルカートリッジは、直線シーケンスで配列された複数のサンプル位置に配置された複数のサンプルを包含し、前記サンプルカートリッジは、前記直線シーケンスの前記サンプル位置を区切る区切り構造を含み、
前記画像センサを用いて少なくとも１つの画像を取得するステップは、
前記サンプルカートリッジが前記装置のカートリッジスロットを通って移動したときに前記画像センサを用いて画像の時間シーケンスを取得するステップを含み、
前記画像の時間シーケンスは、前記サンプルカートリッジの区切り構造の画像に対応する複数の暗画像と、前記サンプルカートリッジのサンプル位置の画像に対応する複数の明画像と、を含む、
ことを特徴とする、請求項３３に記載のモバイルコンピュータデバイス。
【請求項３７】
前記選択された分光モードに従って、前記少なくとも１つの画像を処理するステップは、
前記複数のサンプル位置の特定のサンプル位置に対して、（ｉ）前記画像の前記時間シーケンスにおける前記少なくとも１つの明画像の前に起こる少なくとも１つの暗画像及び（ｉｉ）前記画像の前記時間シーケンスにおける少なくとも１つの明画像の後に起こる少なくとも１つの暗画像に対して、前記画像の時間シーケンスにおける前記少なくとも１つの明画像の位置に基づいて前記特定のサンプル位置に対応する少なくとも１つの明画像を識別するステップと、
前記少なくとも１つの明画像を用いて、前記特定のサンプル位置に配置された特定のサンプルのスペクトル特徴を決定するステップと、
を含む、ことを特徴とする、請求項３６に記載のモバイルコンピュータデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その内容が引用により本明細書に組み込まれる、２０１７年９月２８日に出願された米国仮出願第６２／５６５,０１３号に対する優先権を米国特許法１１９（ｅ）条に基づいて主張する。
【０００２】
（連邦政府による資金提供を受けた研究に関する記載）
本発明は、ＣＢＥＴ１２−６４３７７号に基づき国家科学財団により授与された米国政府の支援を得て為された。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
２００４年のスマートフォンの導入以来、健康に関する指標をモニタするためのウェアラブルデバイスをスマートフォンと組み合わせることに関心が高まってきており、心拍及び血圧などの生理的パラメータの報告に主に焦点を当てた、年１５０億ドルを超える市場に発展する可能性がある。このような消費者製品に対する市場は、これらのセンサの大部分を医療デバイスとして分類していないが、追加の健康診断、特に体液に関する体外診断（ＩＶＤ）試験を実験室からポイントオブケア（臨床現場：ＰＯＣ）に移行することに強い関心がある。読出し計測器とインタフェース接続された試験固有カートリッジ又は視覚検査によって判読できる紙ベースアッセイを介して容易に行うことができる試験は、ＰＯＣ設定での使用を容易にする規制当局による認可を取得している。
【０００４】
スマートフォンが無線通信及びインターネット接続性に対する能力を補完するより大きな計算能力及び高度なイメージングセンサを備え続けているので、ＩＶＤ試験とモバイルデバイスとの間のインタフェースは、強力な新しいＰＯＣ試験パラダイムを提供する。最も一般的な実験室ベースの診断試験のほぼ全ての出力は、従来の実験室ベースのベンチトップ計測器に匹敵する感度を有するスマートフォンを用いて感知することができる。実施例としては、スマートフォンベースの顕微鏡、フルオロメトリー、酵素免疫測定法（ＥＬＩＳＡ）、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、及び側方流動アッセイを含む。スマートフォンベースの生体内感知は、最近の調査の主題となっている。Ｌ．Ｋｗｏｎ，Ｋ．Ｄ．Ｌｏｎｇ，Ｙ．Ｗａｎ，Ｈ．Ｙｕ及びＢ．Ｔ．Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，バイオテクノロジーアドバンス、２０１６年、３４、２９１−３０４及びＤ．Ｚｈａｎｇ及びＱ．Ｌｉｕ，バイオセンスビオエレクトロン、２０１６年、７５、２７３−２８４を参照のこと。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的には、スマートフォンベースのＩＶＤ検出計測器は、単一のタイプの分析しか実行できず、試験の制限された多重化だけしか実行できない。「マルチモード」計測器として機能する実験室ベースのマイクロプレートリーダの能力は、分光吸収分析（ＥＬＩＳＡアッセイで用いられる）、蛍光分析（分子ビーコンアッセイ、蛍光分光（ＦＰ）アッセイ、及び発光ベースのアッセイで用いられる）、及び１つの製品（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ  ＥｎＳｉｇｈｔ）ラベルフリー光学バイオセンサアッセイ間を単一のシステムが移行できる望ましい特性として認識されている。これらのモダリティ間を容易に移行する検出システムの能力により、有利には、ユーザは、１つの計測器のみを購入し、多種多様な応用にわたって共通の液体処理フォーマット及びソフトウェアインタフェースを利用できるようになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様では、例示的な実施形態は、マウント及びカートリッジスロットを含む構造的支持部であって、マウントが、作動位置においてモバイルコンピュータデバイスを取り外し可能に取り付けるよう構成され、モバイルコンピュータデバイスが、第１光源及び画像センサを含み、カートリッジスロットが、複数の異なるタイプのサンプルカートリッジを受け入れるよう構成される、構造的支持部と、モバイルコンピュータデバイスが作動位置にあるときに、波長分散要素が画像センサに光学的に結合されるように構造的支持部に結合された波長分散要素と、近位端及び遠位端を有する第１光ファイバであって、この第１光ファイバは、モバイルコンピュータデバイスが作動位置にあるときに、第１光ファイバの近位端が第１照明光学経路を介してカートリッジスロットに光学的に結合され、第１光ファイバの遠位端が第１光源からの光を受け取ることができるように構造的支持部に結合される、第１光ファイバと、近位端及び遠位端を有する第２光ファイバであって、この第２光ファイバは、モバイルコンピュータデバイスが作動位置にあるときに、第２光ファイバの近位端が、第１照明光学経路に実質的に平行な収集光学経路を介してカートリッジスロットに光学的に結合され、第２光ファイバの遠位端が波長分散要素を介して画像センサに光を向けることができるように構造的支持部に結合される、第２光ファイバと、第２照明光学経路を介してカートリッジスロットに光学的に結合されるように構造的支持部に結合される第２光源であって、第２照明光学経路が収集光学経路に実質的に直交する、第２光源と、を備える。本装置は、少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モード動作できる。
【０００７】
第２の態様では、例示的な実施形態は、モバイルコンピュータデバイスを装置に取り付けるステップであって、モバイルコンピュータデバイスが光源及び画像センサを含み、モバイルコンピュータデバイスを装置に取り付けるステップが、光源を装置の第１光ファイバの遠位端に光学的に結合するステップ及び画像センサを装置の波長分散要素に光学的に結合するステップを含み、この波長分散要素は、装置の第２光ファイバの遠位端に光学的に結合される、ステップと、サンプルカートリッジを装置のカートリッジスロットに挿入するステップであって、サンプルがサンプルカートリッジに配置され、このカートリッジスロットが反射スロット面を含み、カートリッジスロットが、（ｉ）第１照明光学経路を介して第１光ファイバの近位端に光学的に結合され、（ｉｉ）第１照明光学経路に実質的に平行である収集光学経路を介して第２光ファイバの近位端に光学的に結合され、（ｉｉｉ）収集光学経路に実質的に直交する第２照明光学経路を介して第２光源に光学的に結合される、ステップと、少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モードの中から動作モードを選択するステップと、入射光をサンプルカートリッジに配置されたサンプルに向けるステップであって、入射光が選択された動作モードに応じて、第１光源又は第２光源の少なくとも１つから提供される、ステップと、光学システムによって、サンプルカートリッジに配置されたサンプルからの光を収集するステップであって、光学システムが、収集された光を第２光ファイバの近位端に結合する、ステップと、波長分散要素にて、第２光ファイバを介して光学システムによって収集された光を受け取るステップであって、波長分散要素が、受け取った光を画像センサの空間的に分離された波長成分に分散する、ステップと、画像センサを用いて空間的に分離された波長成分を含む少なくとも１つの画像を取得するステップとを含む。
【０００８】
第３の態様では、例示的な実施形態は、第１光源、画像センサ、ユーザインタフェース、プロセッサ、データストレージ、及びモバイルコンピュータデバイスに動作を実行させるために、メモリに格納されプロセッサによって実行可能なプログラム命令を含むモバイルコンピュータデバイスを提供する。本動作は、ユーザインタフェースを介して、少なくとも、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、及び散乱光分光モードの中から選択された分光モードを示す入力を受信するステップと、画像センサが装置の波長分散要素に光学的に結合される場合に、画像センサを用いて波長分散要素から光の少なくとも１つの画像を取得するステップであって、少なくとも１つの画像が、波長分散要素に光学的に結合されたサンプルカートリッジに配置されたサンプルを示す１又は２以上の空間的に分離された波長成分を含む、ステップと、選択された分光モードに従って、少なくとも１つの画像を処理するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】例示的な実施形態による、スマートフォンが結合された装置を含むシステムを示す図である。
【図１Ｂ】例示的な実施形態による、装置のカートリッジスロットに挿入されたサンプルカートリッジと共に図１Ａに示すシステムの図である。
【図１Ｃ】例示的な実施形態による、図１Ａに示す装置の分解図である。
【図２】例示的な実施形態による、スマートフォンが結合された装置を含むシステムの断面図である。
【図３】例示的な実施形態による、図２に示す２分岐ファイバ組立体を示す断面図である。
【図４】例示的な実施形態による、図２に示す装置で用いられる透過分光用に構成されたサンプルカートリッジの概略図である。
【図５】例示的な実施形態による、図２に示す装置で用いられる反射分光用に構成されたサンプルカートリッジの概略図である。
【図６】例示的な実施形態による、図２に示す装置で用いられる強度分光用に構成されたサンプルカートリッジの概略図である。
【図７】例示的な実施形態による、図２に示す装置で用いられる散乱光分光用に構成されたサンプルカートリッジの概略図である。
【図８Ａ】例示的な実施形態による、透過分光用に構成されたサンプルカートリッジの前面図である。
【図８Ｂ】例示的な実施形態による、図８Ａに示すサンプルカートリッジの断面図である。
【図８Ｃ】例示的な実施形態による、図８Ａに示すサンプルカートリッジの個々の層を示す図である。
【図９Ａ】例示的な実施形態による、反射分光用に構成されたサンプルカートリッジの前面図である。
【図９Ｂ】例示的な実施形態による、図９Ａに示すサンプルカートリッジの断面図である。
【図９Ｃ】例示的な実施形態による、図９Ａに示すサンプルカートリッジの個々の層を示す図である。
【図１０Ａ】例示的な実施形態による、強度分光用に構成されたサンプルカートリッジの前面図である。
【図１０Ｂ】例示的な実施形態による、図１０Ａに示すサンプルカートリッジの断面図である。
【図１０Ｃ】例示的な実施形態による、図１０Ａに示すサンプルカートリッジの個々の層を示す図である。
【図１１】例示的な実施形態による、散乱光分光用に構成され単一試薬試験ストリップを包含するサンプルカートリッジの断面図である。
【図１２】例示的な実施形態による、散乱光分光用に構成され単一試薬試験ストリップを包含するサンプルカートリッジの断面図である。
【図１３】例示的な実施形態による、例示的なモバイルコンピュータデバイスのブロック図である。
【図１４】図１Ａに示すシステムによって測定される、水に希釈された黄色色素の様々な濃度に対する波長の関数として吸収を示す図である。
【図１５】図１Ａに示すシステムによって測定される、水中のエタノールの様々な濃度に対するピーク波長シフトを示す図である。
【図１６】図１Ａに示すシステムによって測定される、ローダミン５９０クロライドの様々な濃度に対する蛍光スペクトルを示す図である。
【図１７Ａ】図１Ａに示すシステムによって測定される、単一試薬試験ストリップを用いたアセト酢酸（ケトン）の検出のための散乱光スペクトルを示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａに示す散乱光スペクトルから生成される用量反応曲線を示す図である。
【図１８】図１Ａに示すシステムによって測定される、マルチ試薬試験ストリップを用いた複数検体／サンプル特徴の検出のための散乱光スペクトルの濃度曲線下面積（ＡＵＣ）分析の結果を示す図である。
【図１９Ａ−１９Ｄ】図１９Ａは、図１９Ｂに示すスペクトル画像のＸ及びＹ方向の相対的画素位置間の関係を示す図であり、図１９Ｂは、図１Ａに示すシステムを用いたスマートフォンの画像センサによって取得された例示的なスペクトル画像を示す図であり、図１９Ｃは、図１９Ｂに示す例示的なスペクトル画像の線形化バージョンを示す図であり、図１９Ｄは、２つのレーザポインタのスペクトルと共に画素指数の関数として図１９Ｃに示されたスペクトルを示す図である。
【図２０Ａ】図１Ａに示すシステムを用いて取得された胎児フィブロネクチン（ｆＦＮ）のＥＬＩＳＡアッセイのサンプル透過スペクトル、広帯域透過スペクトル、及びサンプル吸収スペクトルを示す図である。
【図２０Ｂ】９６ウェルマイクロプレートリーダを用いて取得された図２０ＡのＥＬＩＳＡアッセイのサンプル透過スペクトル、広帯域透過スペクトル、及びサンプル吸収スペクトルを示す図である。
【図２０Ｃ】図２０Ａに示す測定に基づくｆＦＮの吸光度対濃度のプロットを示す図である。
【図２０Ｄ】図２０Ｂに示す測定に基づくｆＦＮの吸光度対濃度のプロットを示す図である。
【図２１Ａ】強度分光モードにおける図１Ａに示すシステムを用いて取得されたフェニルアラニンアッセイの例示的なビデオキャプチャのためのフレーム数の関数としての画素強度を示す図である。
【図２１Ｂ−２１Ｃ】図２１Ｂは、図２１Ａのフェニルアラニンアッセイの励起光に対応するピークと、蛍光光に対応するダブルピークを含む例示的スペクトルを示す図であり、図２１Ｃは、図２１Ｂに示すデータに対応し、図２１Ａに示すビデオキャプチャから取得されたスペクトル画像を示す図である。
【図２２Ａ】強度分光モードにおける図１Ａに示すシステムを用いて取得されたフェニルアラニンアッセイ（０．８ｎｍｏｌ濃度）の蛍光スペクトルを示す図である。
【図２２Ｂ】蛍光マイクロプレートリーダ及び異なる濃度（０．２ｎｍｏｌ濃度）を用いて取得された図２２Ａのフェニルアラニンアッセイのための蛍光スペクトルを示す図である。
【図２２Ｃ】強度分光モードにおける図１Ａに示すシステムによって測定されたフェニルアラニンの蛍光強度対濃度のプロットを示す図である。
【図２２Ｄ】蛍光マイクロプレートリーダによって測定されたフェニルアラニンの蛍光強度対濃度のプロットを示す図である。
【図２３Ａ】図１Ａに示すシステムによって測定されたマルチ試薬試験ストリップのｐＨ検出パッドを用いたｐＨの検出のための散乱光スペクトルを示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａに示す散乱光スペクトルから生成された用量反応曲線を示す図である。
【図２４Ａ】図１Ａに示すシステムによって測定されたマルチ試薬試験ストリップのグルコース検出パッドを用いたグルコースの検出のための散乱光スペクトルを示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａに示す散乱光スペクトルから生成された用量反応曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１．概要
本明細書で開示するのは、マルチスペクトルモダリティで動作することができるスマートフォンベースのシステムである。例示的な実施構成では、本発明のシステムは、４つの異なるタイプの分光法、すなわち、透過分光法、反射分光法、強度分光法、及び散乱光分光法を行うための４つの異なるモードで動作することができる。モードは、スマートフォンによって選択することができ、また、スマートフォンを用いてデータを収集及び分析することができる。
【００１１】
透過分光モードでは、サンプルを通過した光の透過が、１又は２以上の波長で測定される。これらの波長でのサンプルを通過した光の透過と、これらの波長でのブランク又は他の基準を通過した光の透過を比較することによって、サンプルに起因するこれらの波長の光の吸収を決定することができる。この測定モダリティは、ＥＬＩＳＡアッセイ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）及び局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を含む液相プラズモンナノ粒子ベース試験、ラテックス（又は他のナノ粒子ベース）凝集試験（ＬＡＴ）、及び透過表面ベースのＳＰＲ、ＬＳＰＲ、及び光結晶ベースの試験に共通して用いられる。注目すべきは、ＥＬＩＳＡ試験が最新の生体内感知試験の主力であり、準備完了キットが数千の様々な生物学的標的に利用可能である。
【００１２】
反射分光モードでは、サンプルに対して露出されたリフレクタの光の反射が測定される。例えば、リフレクタは、光結晶（ＰＣ）とすることができ、ＰＣに結合したサンプルから生じる共鳴反射波長を測定することができる。光結晶バイオセンサは、引用により本明細書に特許が組み込まれる、米国特許第７，４７９，４０４号、７，５２１，７６９号、７，５３１，７８６号、７，７３７，３９２号、７，７４２，６６２号、及び７，９６８，８３６号に記載されている。また、ＳＰＲ又は反射型測定干渉分光法（ＲＩＦＳ）などの他の反射ラベルフリー光学生体内感知技術を用いることもできる。これらの直接結合ラベルフリー手法では、現在のところ、これらに関連付けられる市販のアッセイキットはないが、これらの手法は、その単純さ及び速度に起因して数千もの生物学的検体に適用されてきた。
【００１３】
強度分光モードでは、例えば、蛍光、化学発光、生物発光又は量子ドット（ＱＤ）発光によってサンプル内から生じた光の強度、極性、及び／又は波長が測定される。幅広い種類の生体内感知アッセイが、蛍光又は化学発光免疫学的アッセイ（ＦＩＡ、ＣＬＩＡ）、蛍光偏光（ＦＰ）、フォルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を含む測定、並びにポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）及び関係する鎖置換反応を利用した遺伝子増幅法（ＬＡＭＰ）を含む複数の分子診断を用いる。
【００１４】
散乱光分光モードでは、物体から散乱された光の強度は、複数の波長で測定される。このモードは、例えば紙ベースの試験ストリップで具現化することができる比色アッセイの測定を行うのに有用とすることができる。このような試験ストリップは、尿中のケトン、グルコース、ｐＨ、及び他の検体を分析測定するのに利用可能である。人間のユーザが、サンプルに対して露出された試薬パッドの色と一連の基準色とを視覚的に比較することによって、半定量結果を得ることができる。しかしながら、試験ストリップから散乱された光のスペクトルを測定することにより、自動的且つより確実に結果を得ることができる。
【００１５】
例示的な実施形態において、スマートフォンベースのシステムは、様々な動作モードを支援するソフトウェアでプログラムされたスマートフォン（又は他のモバイルコンピュータデバイス）、スマートフォンが光学的に結合される「クレードル」装置、及び装置内のスロットに挿入されるサンプルカートリッジを含む。この装置は、挿入されたサンプルカートリッジを照明する２つの異なる光学経路を提供する。透過、反射、及び散乱光モードにおいて、第１光源（例えば、スマートフォンの白色光ＬＥＤ）からの光は、第１照明光学経路を介して挿入されたサンプルカートリッジに向けることができる。強度モードでは、第２光源（例えば、装置内に収容されたレーザダイオード）からの光は、第２照明光学経路を介して挿入されたサンプルカートリッジに向けることができる。本装置はまた、挿入されたサンプルカートリッジからの光が通過して収集される収集光学経路を提供する。収集された光は、スマートフォンの画像センサ（例えば、カメラ）に光学的に結合された波長分散要素（例えば、回折格子）に向けられる。この結果、様々な波長が画像センサ上の様々な位置（画素）で受け取られる。較正されると、画像センサの画素は、波長に相関付けることができる。
【００１６】
サンプルカートリッジの様々なタイプを様々なモードに用いることができる。サンプルカートリッジの様々なタイプは、様々なモードに用いられるが全体的に同じフォームファクターを有する光学経路に基づいて様々な構成（例えば、どの部分が不透明、透明、又は反射するかに関して）を有することができる。例示的な実施形態において、第１照明光学経路は、収集光学経路に実質的に平行であり、第２照明光学経路は、収集光学経路に実質的に直交する。従って、透過、反射、及び散乱光モードのためのサンプルカートリッジは、実質的に平行の第１照明及び収集光学経路を用いるよう構成することができ、強度モードのためのサンプルカートリッジは、実質的に直交する第２照明及び収集光学経路を用いるよう構成することができる。
【００１７】
透過モードに用いられるサンプルカートリッジは、透明な前面、透明な前面の反対側の透明な後面、及び前面と後面の間のサンプルチャンバを有することができる。第１照明光学経路からの光は、透明前面を通ってサンプルチャンバに入り、サンプルチャンバのサンプルを通過し、透明後面を通過して、次いで、カートリッジスロットの反射面（例えば、ミラー）によって反射される。反射された光は、透明後面を通ってサンプルチャンバに入り、サンプルチャンバに配置されたサンプルを通過し、透明前面を通過して、収集光学経路を介して収集される。
【００１８】
反射モードのためのサンプルカートリッジは、透明前面、透明前面の反対側の反射後面、及び前面と後面の間のサンプルチャンバを有することができる。反射後面は、例えば、波長選択共鳴ミラーとして機能を果たすＰＣバイオセンサとすることができる。第１照明光学経路からの光は、透明前面を通ってサンプルチャンバに入り、サンプルチャンバのサンプルを通過して、反射後面によって反射される。反射された光は、サンプルチャンバを通過し、透明前面を通過して、収集光学経路を介して収集される。
【００１９】
強度モードのためのサンプルカートリッジは、透明前面、透明前面の反対側の透明後面、透明前面に直交する透明底面、及び前面と後面の間のサンプルチャンバを有することができる。第２照明光学経路からの光は、透明底面を通ってサンプルチャンバに入り、サンプルチャンバ内のサンプルを通過して、サンプルに存在するフルオロフォアに蛍光光を放出させる。蛍光光の一部は、透明前面を通過して、収集光学経路を介して収集される。
【００２０】
散乱光モードのためのサンプルカートリッジは、透明ウィンドウを有する前面、透明後面、及び１又は２以上のサンプルに対して露出される１又は２以上のサンプルパッドを含む試験ストリップを囲む、前面と後面の間のスペースを有することができる。第１照明光学経路からの光は、ウィンドウを通って入り、サンプルパッドを照明する。サンプルに対して露出されたサンプルパッドの色を示す、サンプルパッドから散乱された光が、ウィンドウを通過して、収集光学経路を介して収集される。
【００２１】
多くの臨床的に関連するアッセイに対して、複数の試験サンプル、反復試験片、陽性／陰性対照、及び／又は標準的なキャリブレーション溶液が用いられる。このようなアッセイを容易にするために、サンプルカートリッジは、例えば、サンプルチャンバの線形アレイとして配列された複数のサンプルチャンバを含むことができる。様々な試験サンプル、反復試験片、対照、キャリブレーション溶液などは、線形アレイで様々なサンプルチャンバに配置することができる。多重化は、線形アレイ内の各サンプルチャンバが照明及び収集光学経路を順次通過するようにカートリッジを通してサンプルカートリッジをスライドさせることによって達成することができる。この線形運動とビデオを取り込むスマートフォンの能力とを組み合わせることによって、カートリッジ内のサンプルチャンバを分離する空間次元は、ビデオ後処理によって再構成することができ、磁気リードヘッドにわたってクレジットカードの磁気ストリップをスワイプすることに類似した単一の動きを有する複数のサンプルの迅速でユーザが使い易い測定を可能にする。例えば、ユーザは、スマートフォンが６０フレーム／秒のビデオを記録する間に、カートリッジスロットを介してサンプルカートリッジを「スワイプ」することができる。スマートフォンのソフトウェアは、各サンプルチャンバの中心が収集光学経路と位置合わせされている間に収集された画像を表すビデオからのフレームを識別することができる。
【００２２】
２．例示的なスマートフォンベースのシステム
図１Ａ及び１Ｂは、クレードル装置１０４に取り付けられ且つ光学的に結合されたスマートフォン１０２を含む例示的なシステム１００を示す。この実施例では、クレードル装置１０４は、ハウジング１０６と、ボルト１１０を介してハウジング１０６に固定されたサイドプレート１０８を含む。スマートフォン１０２は、作動位置を確保するためにスマートフォン１０２がサイドプレート１０８に対して当接するまで、左からハウジング１０６内の取り付けスロット１１２にスマートフォンをスライドさせることによって、装置１０４に取り外し可能に取り付けることができる。この作動位置において、スマートフォン１０２の前側のディスプレイ／タッチ画面１１４が外側に向きユーザにアクセス可能になる。スマートフォン１０２の後側（図示せず）は、スマートフォン１０２が図１Ａ及び１Ｂに示す作動位置において装置１０４に取り付けられたときに、装置１０４内に収容された光学構成要素に光学的に結合される画像センサ（例えば、背面カメラ）及び光源（例えば白色光ＬＥＤ）を含む。この作動位置では、スマートフォン１１０の光源は、第１照明光学経路に光学的に結合され、スマートフォン１１０の画像センサは、以下に詳細に説明するように収集光学経路に光学的に結合される。スマートフォン１１０は、取り付けスロット１１２を通って左に向けてスライドさせることによって装置１０４から取り外すことができる。
【００２３】
図１Ａに示すように、サイドプレート１０８は、複数の異なるタイプのサンプルカートリッジを挿入することができるカートリッジスロット１２０を含む。例えば、透過モード用に構成されたサンプルカートリッジ、反射モード用に構成されたサンプルカートリッジ、強度モード用に構成されたサンプルカートリッジ、及び散乱光モード用に構成されたサンプルカートリッジは全て、カートリッジスロット１２０に受け入れることができる。図１Ｂは、例示的サンプルカートリッジ１２２が中に挿入されたカートリッジスロット１２０を示す。この実施例では、サンプルカートリッジ１２２は、線形アレイで配列された複数のサンプルチャンバを含む。複数のサンプルチャンバが、図１Ｂに示すサンプルチャンバ１２４−１３６によって例示されている。この実施例では、７つのサンプルチャンバが示されているが、サンプルカートリッジは、より多いか又はより少ない数のサンプルチャンバを含むことができることを理解されたい。サンプルカートリッジ１２２は、矢印ラベル「Ｉ」によって図１Ｂに示される挿入方向にサンプルカートリッジ１２２を動かすことによって、カートリッジスロット１２０に挿入することができる。カートリッジサンプル１２２を挿入方向に動かすことによって、サンプルチャンバの各々が測定のための収集光学経路を通過することができる。この測定は、カートリッジサンプル１２２が挿入方向に動いているときに、スマートフォン１０２の後側の画像センサが収集光学経路を介して収集された光のビデオフレームを取り込むことを伴うことができる。装置１０４はまた、装置１０４の左側にありカートリッジスロット１２０と位置合わせされた出口スロット（図示せず）を含むことができる。この構成によって、サンプルカートリッジ１２２は、右側のカートロッジスロット１２０を通って装置１０４に入り、左側の出口スロットを通って装置１０４から出ることができる。
【００２４】
図１Ａ及び１Ｂはまた、サイドプレート１０８上に配置されたトグルスイッチ１４０及びスライダ１４２を示している。トグルスイッチ１４０は、装置１０４内の内部光源（例えば、レーザダイオード）をつけたり切ったりするのに用いることができる。この内部光源は、以下に詳細に説明するように、第２照明光学経路に光学的に結合される。スライダ１４２は、サイドプレート１０８上のスロット１４４及び装置１０４の左側の対応するスロット（図示せず）内にスライド可能に取り付けられる。スライダは、以下に詳細に説明するように、収集光学経路の内外にレンズを移動させるのに用いることができる。
【００２５】
図１Ｃは、スマートフォン１１０が取り外された、図１Ａ及び１Ｂに示すクレードル装置１０４の分解図である。図１Ｃでは、ハウジング１０６は、サイドプレート１０８から分離されて示されている。図１Ｃはまた、ハウジング１０６が、内部支持部１５２が配置される内部スペース１５０を含むことを示している。以下に詳細に説明するように、ハウジング１０６、サイドプレート１０８、及び内部支持部１５２が組み合わさって、装置１０６とのスマートフォン１１０及び他の構成要素のための構造的支持部として機能する。
【００２６】
内部支持部１５２は、サイドプレート１０８のカートリッジスロット１４０と位置合わせされたカートリッジスロット１５４を含む。サンプルカートリッジのサンプルチャンバがスロット１５４内の中心になるように、サンプルカートリッジがスロット１４０及び１５４を通じて挿入されたときに、このサンプルチャンバは、測定のために照明光学経路及び収集光学経路と位置合わせされることになる。内部支持部１５２はまた、サイドプレート１０８のスロット１４４と位置合わせされたスロット１５６を含む。スライダ１４２は、スロット１４４及び１５６内にスライド可能に取り付けられる。バッテリケース１５８は、内部支持部１５２に固定されて、内部光源（例えばレーザダイオード）に給電するのに用いられる複数のバッテリ（例えば、３つのＡＡＡサイズ１．５ボルトバッテリ）を収容することができる。
【００２７】
図１Ｃは、スマートフォン１１０が作動位置にて装置１０４に取り付けられたときのスマートフォン１１０の背面を支持する取り付け面１６２を含む取り付けスロット１１２を示す。図示のように、取り付け面は、開口部１６４及びスロット１６６を含む。装置１０４が組み付けられたときには、回折格子（又は他の波長分散要素）は、隣接するように開口部１６４内に配置され、スマートフォン１１０が作動位置に取り付けられたときにスマートフォン１１０の後側の画像センサに光学的に結合される。スロット１６６は、光ファイバがスマートフォン１１０の後側の光源に光学的に結合されるように光ファイバの遠位端に対応し、光源からの光を第１照明光学経路に向けることができる。
【００２８】
図１Ｃはまた、スマートフォン１１０が左から取り付けスロット１１２に挿入された後にハウジング１０６の左側に固定することができるサイド支持部１６８（図１Ａ及び１Ｂに図示せず）を示す。このように固定されたときに、サイド支持部１６８は、スマートフォン１１０を作動位置に確実に保持することができるので、スマートフォン１１０は、装置１０４が移動した場合、押しやられた場合、又は他の方法で妨げられた場合、整列から外れて移動することがない。
【００２９】
例示的な実施形態において、図１Ｃに示す構成要素の一部又は全部（ハウジング１０６、サイドプレート１０８、内部支持部１５２など）をプラスチックで、及び３−Ｄプリンティングプロセスを用いた製造によって作ることができる。しかしながら、他の材料及び製造方法を使用できることを理解されたい。
【００３０】
図２は、装置２０４に取り付けられ且つ光学的に結合されたスマートフォン２０２を含む例示的なシステム２００の断面図である。スマートフォン２０２は、図１Ａ及び１Ｂに示すスマートフォン１０２に類似したものとすることができる。従って、スマートフォン２０２は、ディスプレイ／タッチ画面を含む前面２０６と、前面２０６と反対側の後面２０８とを含むことができる。後面２０８は、光源２１０及び画像センサ２１２を含むことができる。画像センサ２１２は、静止画像及び／又はビデオ画像を取り込むよう動作できるカメラの一部とすることができる。例えば、画像センサ２１２は、２次元アレイの画素を有するＣＣＤ又は他の光センサとすることができる。カメラは更に、レンズ又は他の光学系（図示せず）を含み、画像センサ２１２上に画像を形成することができる。光源２１０は、画像センサ２１２によって画像化されるシーンを「フラッシュ」又は他の方法で照明することができる白色光ＬＥＤ又は他の光源とすることができる。
【００３１】
装置２０４は、図１Ａ−１Ｃに示す装置１０４に類似したものとすることができる。従って、装置２０４は、内部スペース２２２を有したハウジング２２０を含むことができる。装置２０４は更に、内部スペース２２２内に配置され且つハウジング２２０に結合された内部支持部２２４を含むことができる。ハウジング２２０はまた、取り付けスロット２２６及び取り付け面２２８を含むスマートフォン２０２のためのマウントを含む。取り付け面２２８は、回折格子２３２が配置される開口部２３０を含む。取り付け面２２８はまた、光源２２０からの光がこれを通じて装置２０４に入ることができる開口部２３４を含む。スマートフォン２０２が作動位置において装置２０４に取り付けられたときに、スマートフォン２０２は、後面２０８が取り付け面２２８に接した状態で取り付けスロット２２６内に配置される。この作動位置では、画像センサ２１２は、開口部２３０の上に位置付けられて回折格子２３２に光学的に結合され、光源２１０が、開口部２３４の上に位置付けられる。ハウジング２０４は、内部支持部２２４と共に、以下に説明するように、スマートフォン２０２及び装置内の様々な光学構成要素に構造的支持部を提供する。
【００３２】
内部支持部２２４は、サンプルカートリッジ（例えば、サンプルカートリッジ１２２）を挿入することができるカートリッジスロット２４０を含む。カートリッジスロット２４０は、反射面２４２（例えば、ミラー）を有する。内部支持部２２４は、カートリッジスロット２４０に光を向けてカートリッジスロット２４０から光を集めることができる様々な構成要素を支持する。これに関して、第１光ファイバ２４４及び第２光ファイバ２４６は、２分岐ファイバ組立体２４８を介して内部支持部に取り付けられる。第１光ファイバ２４４は、２分岐ファイバ組立体２４８内の近位端と、フェルール２５０を介して開口部２３４内に取り付けられる遠位端とを有する。この構成により、第１光ファイバ２４４の遠位端は、スマートフォン２０２が作動位置にあるときに光源２１０に光学的に結合される。第２光ファイバ２４６は、２分岐ファイバ組立体２４８内の近位端と、フェルール２５２を介して内部支持部２２４に取り付けられる遠位端と、を有する。この取り付け位置において、第２光ファイバ２４６の遠位端は、回折格子２３２を介して画像センサ２１２に光学的に結合される。
【００３３】
図３は、２分岐ファイバ組立体２４８の断面図である。この実施例では、２分岐ファイバ組立体２４８は、第１光ファイバ２４４及び第２光ファイバ２４６がエポキシビーズ２６２によって確実に位置付けられるガラス毛管２６０を含む。ガラス毛管２６０内では、光ファイバ２４４及び２４６は、互いに平行で互いに隣接して位置付けられる。エポキシビーズ２６２は、光ファイバ２４４及び２４６を囲み、光ファイバとガラス毛管２６０との間のスペースを充填する。２分岐ファイバ組立体２４８は、近位端２６８及び遠位端２７０を有する。図示のように、近位端２６８は、ガラス毛管２６０の勾配付き部分の結果として遠位端２７０よりも狭い。第１光ファイバ２４４の近位端２６４及び第２光ファイバ２４６の近位端２６６は、２分岐ファイバ組立体２４８の近位端２６８に位置付けられる。２分岐ファイバ組立体２４８の近位端２６８は、光ファイバの近位端２６４及び２６６が２分岐ファイバ組立体２４８の近位端２６８と同一平面になるように光学的に研磨することができる。光ファイバ２４４及び２４６とエポキシビーズ２６２の一部とは、２分岐ファイバ組立体２４８の遠位端２７０より外に延びる。
【００３４】
例示的な実施形態において、光ファイバ２４４及び２４６は、シリカコア、ドープシリカクラッド、及びポリイミドコーティングによるマルチモード光ファイバであり、約１２５μｍの外径を提供する（例えば、Ｐｏｌｙｍｉｃｒｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ部品番号ＦＶＰ１００１１０１２５）。従って、２分岐ファイバ組立体２４８で互いに隣接する光ファイバ２４４及び２４６では、近位端２６４及び２６６の中心ポイント間の距離は約１２５μｍとすることができる。また、光ファイバ２４４及び２４６は、好ましくは１００μｍ未満のエポキシ及びより好ましくは１０μｍ未満であるエポキシの小さな層によって分離することができる。この例示的な実施形態において、ガラス毛管は、約１．８ｍｍの外径、０．１２８ｍｍの内径、及び約７ｍｍの長さを有する。光ファイバ２４４及び２４６とガラス毛管２６０に対して上記に記載された寸法及び材料は単に例示的なものに過ぎない点を理解されたい。他の寸法及び材料を使用することもできる。例えば、ガラス毛管の代わりに他の構造を、互いに実質的に平行で隣接するように光ファイバ２４４及び２４６が位置付けられるアラインメントスリーブとして用いることもできる。
【００３５】
再度図２を参照すると、２分岐ファイバ組立体２４８は、第１照明光学経路２７２及び収集光学経路２７４を提供する。第１照明光学経路２７２は、第１光ファイバ２４４の近位端２６４からカートリッジスロット２４０に延びる。収集光学経路２７４は、カートリッジスロット２４０から第２光ファイバ２４６の近位端２６６に延びる。この構成では、スマートフォン２０２の光源２１０からの光は、第１光ファイバ２４４の遠位端に入り（開口部２３４に示された矢印によって示されるように）、第１光ファイバ２４４を通って移動して近位端２６４から出て、第１照明光学経路２７２を介してカートリッジスロットに到ることができる。更に、カートリッジスロット２４０からの光は、収集光学経路２７４を通って移動し、第２光ファイバ２４６の近位端２６６を介して第２光ファイバ２４６によって収集されるようにすることができる。次いで、収集された光は、第２光ファイバ２４６を通って移動し、その遠位端から出て回折格子２３２に向けて放出される（フェルール２５２から回折格子２３２に延びる矢印で示される）。
【００３６】
第２光ファイバ２４６の遠位端から放出された光は、非球面レンズ２７６によってコリメートされ、次いで、コリメートされた光は、円柱レンズ２７８によって非スペクトル次元（回折格子２３２のスペクトル次元に垂直な）で集束される。円柱レンズ２７８によって集束された光は、回折格子２３２に到達し、これは、様々な波長が様々な位置にある画像センサ２１２上で受け取られるようにスペクトル次元にて光を分散させる。回折格子２３２と画像センサ２１２との間に示される２つの矢印は、様々な位置にある画像センサ２１２上で受け取られるように様々な方向で回折格子２３２によって回折される２つの異なる波長を示すことを意図している。１つの実施例では、回折格子２３２は、１２００ライン／ｍｍ透過格子（Ｅｄｍｕｎｄ  Ｏｐｔｉｃｓ４９−５７８）であり、球面レンズは１９ｍｍの焦点距離を有し、円柱レンズは９ｍｍの焦点距離を有する。
【００３７】
第１照明光学経路２７２及び収集光学経路２７４は互いに実質的に平行である。１つの実施例では、第１照明光学経路２７２と収集光学経路２７４の間の角度は５度未満であり、好ましくは２度未満、より好ましくは１度未満である。
【００３８】
装置２０４はまた、カートリッジスロット２４２に延びる第２照明光学経路２８０を提供する。内部光源２８２からの光は、第２照明光学経路２８０を介してカートリッジスロット２４２に到達することができる。内部光源２８２は、例えば、レーザダイオード及びレーザダイオードからの光をコリメートする関連の光学系を含むことができる。１つの実施例では、レーザダイオードは、約５３２ｎｍのピーク波長及び約１０ｍＷのパワーレベルを有する光を放出する。内部支持部２２４に取り付けられたレンズ２８４は、内部光源２８２からのコリメートされた光を集束させて、カートリッジスロット２４０内の焦点領域を提供することができる。１つの実施例では、レンズ２８４は、８ｍｍの焦点距離を有する平凸レンズである。内部光源２８２は、内部スペース２２２（例えば、内部支持部２４４に取り付けられた）内に配置することができる。
【００３９】
第２照明光学経路２８０は、収集光学経路２７４に実質的に直交する（すなわち、収集光学経路２７４から約９０度である）。１つの実施例では、第２照明光学経路２８０と収集光学経路２７４の間の角度は、５度未満、好ましくは２度未満、及びより好ましくは１度未満だけ９０度と異なる。
【００４０】
内部光源２８２は、装置２０４内に配置されたバッテリケース（例えば、図１Ｃに示すバッテリケース１５８と同じ）内のバッテリ（例えば、３ＡＡＡバッテリ）によって給電することができる。バッテリは、装置内に配置された電力回路２８６を介して内部光源２８２を給電することができる。電力回路２８６は、内部光源２８２から放出された光の均一な強度を提供するように、内部光源２８２におけるレーザダイオードを通る電流を調整するよう構成される。１つの実施例では、電力回路２８６は、テキサスインストゥルメントから販売されているＴＰＳ６１１６５白色ＬＥＤドライバを含む。電力回路２８６は、ユーザが内部光源２８２をつけたり切ったりできるようにするスイッチ（例えば、図１Ａ及び１Ｂに示すトグルスイッチ１４０と同じ）に電気的に結合される。
【００４１】
透過分光モード、反射分光モード、及び散乱光分光モードでは、光源２１０からの光が、第１照明光学経路２７２を介してカートリッジスロット２４０内に配置されたサンプルカートリッジを照明するのに用いられる。光源２１０からの光は、第１光ファイバ２４４の近位端２６４から現れ、内部支持部２２４に取り付けられたレンズ２８８によってコリメートされる。レンズ２８８は、第１照明光学経路２７２及び収集光学経路２７４の両方がレンズ２８８を通って延びるように位置付けられる。好ましくは、収集光学経路２７４はレンズ２８８の光軸にあり、第１照明経路がレンズ２８８の光軸よりもわずかに上方にある。カートリッジスロット２４０に配置されたサンプルカートリッジからの光は、収集光学経路２７２を介して収集され、収集された光は、レンズ２８８によって第２光ファイバ２４６の近位端２６６に集束される。
【００４２】
追加のレンズ２９０もまた、収集光学経路２７４内に配置することができる。追加のレンズ２９０は、透過分光モード又は反射分光モードでは用いられないが、以下に説明するように、強度分光モード及び散乱光分光モードで用いられる。追加のレンズ２９０は、スライダ（例えば、図１Ａ−１Ｃに示すスライダ１４２）上に取り付けられ、これによって追加のレンズ２９０が収集光学経路２７４内に移動して、強度分光モード又は散乱光分光モードでの動作時に光を収集し、透過分光モード又は反射分光モードでの動作時に収集光学経路２７４の外に移動することができる。
【００４３】
強度分光モードでは、カートリッジスロット２４０内のサンプルカートリッジは、スマートフォン２０２上の光源２１０の代わりに、内部光源２８２からの光を用いて照明され、該照明は、第１照明光学経路２７２の代わりに第２照明光学経路２８０を介して起こる。上述のように、レンズ２８４は、内部光源２８２からの光をカートリッジスロット２４０内の焦点領域に集束する。この焦点領域からの光（例えば、内部光源２８２からの光に応答してフルオロフォアから放出された蛍光光）が、収集光学経路２７４を介して収集され、レンズ２８８及び追加のレンズ２９０の両方が収集光学経路２７４に位置付けられている。レンズ２９０は、カートリッジスロット２４０内の焦点領域に対応する焦点を有し、焦点領域から収集された光をコリメートする。レンズ２８８は、コリメートされた光を受け取り、該コリメートされた光を第２光ファイバ２４６の近位端２６６に集束する。
【００４４】
他の構造、要素、構成などを用いることができ、また本明細書で企図されるので、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、２、及び３に対して上記で与えられた記載は、単に例示的なものに過ぎない点を理解されたい。例えば、上記の記載は、本装置に結合されるスマートフォンに言及しているが、本装置は、タブレットコンピュータなどの他のタイプのモバイルコンピュータデバイスを受けるように構成することができる点を理解されたい。他の変形形態も同様に実施可能である。
【００４５】
３．例示的なサンプルカートリッジ
図４、５、６、及び７は、図２に示された装置２０４のカートリッジスロット２４０に挿入されたときの、透過分光、反射分光、強度分光、及び散乱光分光それぞれの異なるサンプルカートリッジの使用を示す。
【００４６】
図４は、透過分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ３００の断面図を示す。この実施例では、サンプルカートリッジ３００は、透明前面３０２、透明後面３０４、不透明上面３０６、及び不透明底面３０８を有し、これらの全てが、サンプルを包含する内部サンプルチャンバ３１０を定める。透明後面３０４は、カートリッジスロット２４０内の反射面２４２を覆う。
【００４７】
透過分光モードでは、レンズ２８８（レンズ２９０ではなく）は、図４に示されるように、サンプルカートリッジ３００と２分岐ファイバ組立体２４８との間の第１照明光学経路及び収集光学経路に位置付けられる。光３１２は、第１光ファイバ２４４の近位端からレンズ２８８に向けて放出される（光３１２は図４の点線で示される）。レンズ２８８は、放出された光３１２をコリメートして、サンプルカートリッジ３００に向けられる入射コリメート光３１４を提供する。入射コリメート光３１４は、透明前面３０２を通ってサンプルチャンバ３１０に入り、サンプルチャンバ３１０を通過し、次いで透明後面３０４を通過し、反射されたコリメート光３１４として反射面２４２によって反射される。反射されたコリメート光３１４は、透明後面３０４を通ってサンプルチャンバ３１０に入り、サンプルチャンバ３１０を通過し、サンプルカートリッジ３００から透明前面３０２を通って現れ、レンズ２８８に到達する。レンズ２８８は、反射されたコリメート光３１４を収集光３１６として第２光ファイバ２４６の近位端に集束する。図４では、入射コリメートビームと反射ビームコリメートビームがほぼ同一であるので、参照番号３１４は、入射コリメート光及び反射されたコリメート光の両方を示す。
【００４８】
図５は、反射分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ３２０の断面図を示す。この実施例では、サンプルカートリッジ３２０は、透明前面３２２、反射後面３２４、不透明上面３２６、及び不透明底面３２８を有し、これらの全てがサンプルを包含する内部サンプルチャンバ３３０を定める。反射後面３２４は、カートリッジスロット２４０の反射面２４２を覆う。
【００４９】
反射分光モードでは、図５に示すように、レンズ２８８（レンズ２９０ではない）は、サンプルカートリッジ３２０と２分岐ファイバ組立体２４８との間の第１照明光学経路及び収集光学経路に位置付けられる。光３３２は、第１光ファイバ２４４の近位端からレンズ２８８に向けて放出される（光３３２は図５の点線によって示される）。レンズ２８８は放出された光３３２をコリメートして、サンプルカートリッジ３２０に向けられる入射コリメート光３３４を提供する。入射コリメート光３３４は透明前面３２２を通ってサンプルチャンバ３３０に入り、サンプルカートリッジ３３０を通過して、反射されたコリメート光３３４として反射後面３２４によって反射される。反射されたコリメート光３３４はサンプルチャンバ３３０を通過し、透明前面３２２を通ってサンプルカートリッジ３２０から現れ、レンズ２８８に到達する。レンズ２８８は、反射されたコリメート光３３４を収集光３３６として第２光ファイバ２４６の近位端に集束する。図５では、入射コリメートビームと反射ビームコリメートビームがほぼ同一であるので、参照番号３３４は、入射コリメート光及び反射されたコリメート光の両方を示す。
【００５０】
図６は、強度分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ３４０の断面図を示す。この実施例では、サンプルカートリッジ３４０は、透明前面３４２、透明後面３４４、不透明上面３４６、及び透明底面３４８を有し、これらの全てが、サンプルを包含する内部サンプルチャンバ３５０を定める。透明後面３４４は、カートリッジスロット２４０内の反射面２４２を覆う。
【００５１】
強度分光モードでは、レンズ２８８及びレンズ２９０の両方は、図６に示されるように、サンプルカートリッジ３４０と２分岐ファイバ組立体２４８との間の収集光学経路に位置付けられる（第１照明光学経路は強度分光モードでは用いられない）。コリメート光３５２は、内部光源２８２から放出され、レンズ２８４によって集束されて、透明底面３４８を通ってサンプルチャンバ３５０に入る集束光３５４を提供する。集束光３５４は、サンプルチャンバ３５０内の焦点３５６に集束される。この実施例では、サンプルチャンバ３５０における集束光３５４が、サンプルに存在するフルオロフォアを励起して、これによってフルオロフォアが蛍光光を放出するようになる。放出された蛍光光の一部３５８は、レンズ２９０によって集められる。レンズ２９０は収集された光をコリメートして、レンズ２８８に向けられるコリメート光３６０を提供する。レンズ２８８は、コリメート光３６０を第２光ファイバ２４６の近位端に収集された光３６２として集束させる。
【００５２】
図６に示す実施例では、レンズ２８４及びレンズ２９０は、サンプルチャンバ３５０内の焦点に共通に集束される。実際には、レンズ２９０は、焦点３５６の周りの焦点領域から蛍光光を集めることができる。更に、レンズ２９０によって集められる蛍光の一部は、焦点３５６の近くで生成されて、透明後面３４４を通過し、反射面２４２から反射して、レンズ２９０によって集められる前に再度透明後面３４４を通過することができる。
【００５３】
図７は、散乱光分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ３７０の断面図を示す。この実施例では、サンプルカートリッジ３７０は、不透明部分３７１及び透明部分（ウィンドウ）３７３を含む前面３７２、透明後面３７４、透明上面３７６、及び透明底面３７８を有し、これらの全てが、サンプルを包含する内部サンプルチャンバ３８０を定める。この実施例では、サンプルは、ストリップ裏打ち３８４上に配置されたサンプルパッド３８２を含む試験ストリップにおいて提供される。ウィンドウ３７３は、サンプルパッド３８２と位置合わせされる。ウィンドウ３７３は、前面３７２の透明部分か又は前面３７２に形成された開口部の何れかとすることができる。使用中、サンプル（例えば、尿サンプル）は、サンプルパッド３８２に塗布され、ここで試薬と反応して色変化を生じる。試験ストリップは次に、透明前面３７２に面するサンプルパッド３８２及び透明後面３７４に対して位置付けられたサンプル裏打ち３８４（カートリッジスロット２４０内の反射面２４２を覆うようにする）を有するサンプルカートリッジに挿入される。
【００５４】
散乱光分光モードでは、レンズ２８８及びレンズ２９０の両方は、図７に示されるように、サンプルカートリッジ３７０と２分岐ファイバ組立体２４８との間の第１照明光学経路及び収集光学経路に位置付けられる。光３８６は、第１光ファイバ２４４の近位端からレンズ２８８に向けて放出される（光３８６は図７の点線によって示される）。レンズ２８８は、放出された光３８６をコリメートしてコリメート光をレンズ２９０に向ける。レンズ２９０は、レンズ２８８からの光をウィンドウ３７３を通してサンプルパッド３８２に集束させ、ウィンドウ３７３を通してサンプルパッド３８８からの散乱光３８８を収集する。レンズ２９０は、散乱光３８８をコリメートしてコリメートされた散乱光をレンズ２８８に向ける。レンズ２８８は、コリメートされた散乱光を収集された光３９０として第２光ファイバ２４６の近位端に集束する。
【００５５】
図８Ａ−８Ｃは、透過分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ４００の構成を示す。図８Ａは、透明前面４０２からのサンプルカートリッジ４００の前面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示す線Ｂ−Ｂに沿ったサンプルカートリッジ４００の断面図であり、図８Ｃはサンプルカートリッジ４００の個々の層を示す。
【００５６】
図８Ａは、カートリッジ本体４１２に形成され透明前面４０２の後ろに見える例示的チャンバ４０４−４１０を示す。図８Ｂに示すように、透明前面４０２は、前方接着層４１４を介してカートリッジ本体４１２に取り付けられる。図８Ｂは、後方接着層４１８を介してカートリッジ本体に取り付けられた透明後面４１６を示す。サンプルチャンバ４０４−４１０の各々は、サンプルチャンバ４０４に接続されたアクセスポート４２０及び４２２によって、図８Ａ及び８Ｂに例示した１対のアクセスポートを介してサンプルカートリッジ４００の外側からアクセスすることができる。アクセスポート４２０及び４２２を用いてサンプルチャンバ４０４にサンプルを導入することができ、例えばアクセスポートの１つにサンプルを通し同時に他のアクセスポートが排出口として動作する。１つの実施例では、隣接するサンプルチャンバのアクセスポート間の間隔が、８チャネルマルチピペットの隣接するチャネル間の間隔に対応するよう選択される。
【００５７】
透明前面４０２、前方接着層４１４、カートリッジ本体４１２、後方接着層４１８、及び透明後面４１６が図８Ｃに個々に示されている。前方接着層４１４、カートリッジ本体４１２、及び後方接着層４１８に示された開口部が共に整列して、組み付けられたサンプルカートリッジ４００におけるサンプルチャンバ４０４−４１０を形成する。アクセスポート（例えば、アクセスポート４２０及び４２２）は、組み付けられたサンプルカートリッジ４００におけるサンプルチャンバと位置合わせされる透明前面４０２の開口部を形成することによって生成される。
【００５８】
例示的な実施形態において、透明前面４０２が薄いアクリルシート（例えば、約１／１６インチの厚さ）として提供され、カートリッジ本体４１２が厚いアクリルシート（例えば、約３／８インチの厚さ）として提供され、前方接着層４１４及び後方接着層４１８が５０μｍの厚さの両面接着剤（ＤＳＡ）（３Ｍ、光学クリア接着剤８２１２）として提供され、透明後面４１６がカットガラススライド（例えば、約１ｍｍの厚さ）として提供される。これらの材料によって、図８Ｃに示される、透明前面４０２、前方接着層４１４、カートリッジ本体４１２、及び後方接着層４１８の開口部は、レーザカットによって形成することができる。
【００５９】
カートリッジ本体４１２は、不透明な黒色染料（Ｄｙｋｅｍ８１７２４）で染色して、隣接するサンプルチャンバ間の光学伝達を阻止し、またサンプルカートリッジがビデオベースのカートリッジ走査中にカートリッジスロットに挿入されたときにサンプルチャンバの自動感知のためにサンプルチャンバ間の明確な境界を提供することができる。
【００６０】
図９Ａ−９Ｃは、反射分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ５００の構成を示す。図９Ａ−９Ｃに例示したサンプルカートリッジ５００は、図８Ａ−８Ｃに示すサンプルカートリッジ４００に類似しているが、透明後面の代わりに反射後面が用いられている。従って、図９Ａ−９Ｃは、透明前面５０２、サンプルチャンバ５０４−５１０、カートリッジ本体５１２、前方接着層５１４、後方接着層５１６、反射後面５１８、及びアクセスポート５２２及び５２４を示す。例示的な実施形態において、反射後面がＰＣコーティングポリカーボネートフィルム（例えば、約２００μｍの厚さ）である。
【００６１】
図１０Ａ−１０Ｃは、強度分光モード用に構成された例示的なサンプルカートリッジ６００の構成を示す。図１０Ａ−１０Ｃに示すサンプルカートリッジ６００は、図８Ａ−８Ｃに示すサンプルカートリッジ４００に類似している。従って、図１０Ａ−１０Ｃは、透明前面６０２、サンプルチャンバ６０４−６１０、カートリッジ本体６１２、前方接着層６１４、後方接着層６１６、反射後面６１８、及びアクセスポート６２２及び６２４を示す。しかしながら、カートリッジ本体６１２は、カートリッジ本体４１２とは異なり、カートリッジ本体６１２の全てが不透明に染色されているわけではない。代わりに、カートリッジ本体６１２の底部は、染色されずに透明底面６２４を提供する。例示的な実施形態において、透明後面６１６は、上述した透明後面４１６とは対照的にアクリルフィルム（例えば、約２００μｍの厚さ）として提供される。
【００６２】
図１１は、サンプルカートリッジ７００内に配置された単一試薬試験ストリップ７０２の散乱光分光用に構成された例示的なサンプルカートリッジ７００の断面図である。単一試薬試験ストリップ７０２は、ストリップ裏打ち７０４及びサンプルパッド７０６を含む。サンプルカートリッジ７００は、サンプルカートリッジ７００の前面を定める前方層７１０、試験ストリップ７０２が配置されるキャビティ部又は他のスペースを含むキャビティ層７１２、及びサンプルカートリッジ７００の後面を定める後方層７１４を含む。１つの実施例では、前方層７１０は約．０３インチの厚さのアクリル層であり、キャビティ層７１２は約．３７５インチの厚さのアクリル層であり、後方層７１４はポリカーボネートフィルムである。前方層７１０は、サンプルパッド７０６の上に位置付けられるウィンドウ７１６を除いて、不透明であるように染色することができる。図１１に示す実施例では、前方層７１０は、ウィンドウ７１６の左側に染色部分７１８及びウィンドウ７１６の右側に染色部分７２０を有する。ウィンドウ７１６は、例えば前方層７１０におけるレーザカット開口部、又は前方層の透明な非染色部分とすることができる。キャビティ層７１２は、試験ストリップ７１２を挿入することができるレーザカットキャビティ部を有することができる。前方層７１０及び後方層７１４は、両面接着剤のそれぞれの層によってキャビティ層７１２に取り付けることができる。一部の実施構成では、試験ストリップ７０２がキャビティ層７１２に挿入された後で、層７１０、７１２、及び７１４を共に取り付けることができる。他の実施構成では、層７１０、７１２、及び７１４が共に取り付けられた後で、キャビティ層７１２は、試験ストリップ７０２をサンプルカートリッジ７００に挿入できるように側面上に開口部を有することができる。何れの場合にも、試験ストリップ７０２は、例えばストリップの裏打ち７０４の一部を後方層７１４に接着する接着剤によって、サンプルカートリッジ７００内の特定の位置に保持することができる。
【００６３】
試験ストリップ７０２がサンプルカートリッジ７００内に位置付けられると、サンプルカートリッジ７００は、本装置のカートリッジスロットに挿入することができる。ウィンドウ７１６は、第１照明光学経路からの光がサンプルパッド７０６を照明するのを可能にし、且つサンプルパッド７０６からの散乱光を収集光学経路（例えば、図７に図示）を通して集めることができるようにする。サンプルカートリッジ７００がカートリッジスロットに挿入されているので、スマートフォンカメラは、ビデオモードで動作することができる。図１１に示すように染色された前方層７１０では、染色部分７１８が第１照明及び収集光学経路を通過すると、結果として得られるビデオフレームが暗くなる。しかしながら、ウィンドウ７１６が第１照明及び収集光学経路を通過すると、結果として得られるビデオフレームは、サンプルパッド７０６からの散乱光に対応するスペクトルを含むことになる。次いで、染色部分７２０が第１照明及び収集光学経路を通過すると、結果として得られるビデオフレームはこの場合も暗くなる。ウィンドウ７１６を通った散乱光の集まりに対応する複数のビデオフレームは、共に平均化することができる。
【００６４】
図１２は、サンプルカートリッジ８００内に配置された複数試薬試験ストリップ８０２の散乱光分光用に構成された例示的なサンプルカートリッジ８００の断面図である。この実施例では、複数試薬試験ストリップは、ストリップ裏打ち８１４上に配置された１０個のサンプルパッド８０４−８１３を含む。サンプルカートリッジ８００の構成は、サンプルカートリッジ７００の構成に類似することができるが、複数のサンプルパッド８０４−８１３を個々に区別できるようにする複数のウィンドウを備える。この実施例では、サンプルカートリッジ８００は、前方層８２０、キャビティ層８２２、及び後方層８２４を含む。前方層８２０は、サンプルパッド８０４−８１３に対応するウィンドウ８３４−８４３を除いて不透明に染色することができる。ウィンドウ８３４−８４３は、例えば前方層８２０に開口部をレーザカットすることによって又は前方層８２０の一部を染色しないことによって形成することができる。染色部分８４４、８５６、及び８４６などの前方層８２０の染色部分を用いて、様々なサンプルパッドに対応するビデオフレームを区切ることができる。例えば、ビデオを取り込むよう構成されたスマートフォンカメラを用いてカートリッジスロットにサンプルカートリッジ８００を挿入することができる。結果として得られるビデオは、染色部分８４４に対応する１又は２以上の暗いフレーム、次にサンプルパッド８０４からの散乱光に対応するスペクトルを有する１又は２以上のフレーム、次に染色部分８４５に対応する１又は２以上の暗いフレーム、次にサンプルパッド８０５からの散乱光に対応するスペクトルを有する１又は２以上のフレーム、次に染色部分８４６に対応する１又は２以上の暗いフレームなどを含む。このように、サンプルパッド８０４に対応するフレームを識別して、単一の複合画像に共に平均化することができる。試験ストリップ８０２のサンプルパッド８０５及び他のサンプルパッドに対応するフレームを同様に識別し共に平均化して、各サンプルパッドの別々の複合画像を形成することができる。
【００６５】
サンプルカートリッジに関する上記の説明は単に例示として与えられる点を理解されたい。他の材料、寸法、構成、及び製造方法も用いることができる。
【００６６】
４．例示的なモバイルコンピュータデバイス
図１３は、例示的なモバイルコンピュータデバイス９００を示すブロック図である。モバイルコンピュータデバイス９００は、スマートフォン、ハンドヘルドコンピュータ、タブレットコンピュータ、又は他のポータブルコンピュータデバイスとすることができる。例えば、モバイルコンピュータデバイス９００は、図１Ａ及び１Ｂに示すスマートフォン１０２、又は図２に示すスマートフォン２０２に対応することができる。
【００６７】
モバイルコンピュータデバイス９００は、アンテナ９０４を介した無線通信のための通信インタフェース９０２を含む。無線通信は、音声、画像、ビデオ、データ、又は他の情報を送信又は受信ステップを伴うことができる。無線通信は、３Ｇ又は４Ｇセルラー通信プロトコル、ＷｉＦｉ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈなどの何れかのタイプの無線通信プロトコルを用いることができる。モバイルコンピュータデバイス９００は、通信インタフェース９０２の代わりに又はこれに加えて、ＵＳＢ、イーサネット、又は他の有線接続を通じて通信する通信インタフェースを含むことができる。
【００６８】
モバイルコンピュータデバイス９００はまた、ディスプレイ９０６及び１又は２以上のユーザ入力デバイス９０８を含む。ディスプレイ９０６は、テキスト、画像、グラフィクス、又は他の視覚情報を表示することができる。ユーザは、ユーザ入力デバイス９０８を介してモバイルコンピュータデバイス９００に対して、入力データ（例えば、情報、コマンドなど）を入力するか、又は他の方法で対話することができる。１つの実施例では、ユーザ入力デバイス９０８は、ディスプレイ９０６の上にタッチ画面を含むことができる。代替として又は付加的に、ユーザ入力デバイス９０８は、キーパッド、ボタン、又は他の制御部を含むことができる。
【００６９】
モバイルコンピュータデバイス９００は、カメラ９１０の使用を介して静止画像及び／又は画像を取り込むことができる。カメラ９１０は、レンズ及びＣＣＤなどの画像センサを含む。カメラ９１０は、ディスプレイ９０６を含む側面とは反対側にあるモバイルコンピュータデバイス９００の側面上に存在することができる。モバイルコンピュータデバイス９００は、カメラ９１０に隣接して白色光ＬＥＤ９１２などの光源を含むこともできる。ＬＥＤ９１２は、例えば意図されたもの、又はフラッシュ写真とすることができる。
【００７０】
モバイルコンピュータデバイス９００は、プロセッサ９１６及びメモリ９１８を含むコントローラ９１４によって制御することができる。メモリ９１８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又は何れかの他のタイプの非一時的媒体を含むことができる。メモリ９１８は、プログラム命令９２０及びデータ９２２を格納することができる。プロセッサ９１６は、プログラム命令９２０を実行してモバイルコンピュータデバイス９００に本明細書で説明する動作の何れも含むことができる動作を実行することができる。この動作は、通信インタフェース９０２を介して伝送するステップ、ディスプレイ９０６に出力を表示するステップ、ユーザ入力デバイス９０８を介してユーザ入力を受信するステップ、ディスプレイ９０６に出力を表示するステップ、ユーザ入力デバイス９０８を介してユーザ入力を受信するステップ、カメラ９１０を用いて画像（静止画像又はビデオ）を取得するステップ、及び／又はＬＥＤ９１２の照明を制御するステップを伴うことができる。一部の実施例では、プログラム命令９２０は、ユーザによってアクセスすることができる１又は２以上のアプリケーション（しばしば「アプリ」として知られている）のソフトウェアを含むことができる。
【００７１】
以下に説明する測定に関連して、カスタムアンドロイドアプリは、データ収集を支援するために開発された。本アプリは、ユーザが露出時間及び焦点長を含むパラメータを一定の値に設定し、アッセイ間の一貫性を提供し、データ収集を容易にするのを可能にする。選択のアッセイが完了し測定する準備ができた後、本アプリは、各液体チャンバ及び／又はカートリッジの収集ステップをユーザに行わせる前にユーザが幾つかのサンプル、規格、及び反復試験片を選択するのを可能にする。
【００７２】
一般に、スマートフォン（又は他のモバイルコンピュータデバイス）のアプリ又は他のプログラミングは、スマートフォンが結合される装置によって支援される様々な分光モードから選択された分光モードを示す入力を、ユーザインタフェースを介して受信することができる。従って、ユーザは、透過分光モード、反射分光モード、強度分光モード、又は散乱光分光モードを選択することができる。ユーザが動作モードを選択すると、本アプリは、実行されるアッセイに関する情報、アッセイされるサンプルのタイプ、及び／又は他のパラメータなどの追加の情報をユーザに促すことができる（代替として、本アプリは、ユーザによって選択されたアッセイに基づいて分光モードを選択することができる）。次いで、ユーザは、サンプルカートリッジをカートリッジスロットにスライドさせることができ、本アプリが画像センサを制御して静止画像又はビデオのフレームの何れかとして１又は２以上のスペクトル画像を取得する。１又は２以上のスペクトル画像は、サンプルカートリッジにおける様々なサンプルに対応することができる。各スペクトル画像は、選択されたモードに応じて、サンプルを通る光の透過、ＰＣと対話するサンプルからの光の反射、サンプルからの光の発生、又はサンプルからの散乱光を示すことができる１又は２以上の空間的に分離された波長成分を含む。
【００７３】
透過、反射、及び散乱光モードでは、本アプリはまた、スペクトル画像が取得されるスマートフォンの光源を制御することができる。強度モードでは、本アプリは、装置の内部光源（例えば、レーザダイオード）をつけるようユーザに促すことができる。１又は２以上のスペクトル画像が取得されると、本アプリは、選択されたモードに従って、これらを処理することができる。透過モードでは、本アプリは、サンプルによる吸収を示すスペクトル画像における１又は２以上の波長を識別することができる。反射モードでは、本アプリは、サンプルによって影響を受けた反射を示す波長（例えば、ＰＣからの共鳴反射波長におけるシフト）を識別することができる。強度モードでは、本アプリは、サンプルにおけるフルオロフォアからの蛍光光を示す波長を識別することができる。散乱光モードでは、本アプリは、試験ストリップのサンプルパッドの色を特徴付けるために用いることができるスペクトル画像における波長の範囲を識別することができる。これらのモードの各々で、本アプリは、該当する波長を分析してアッセイの結果を決定する（例えば、サンプルにおける検体の濃度を決定する）ことができ且つユーザに結果を表示することができる。
【００７４】
本アプリはまた、ビデオベースのデータ収集を支援することができる。この手法では、サンプルカートリッジがスワイプ動作でカートリッジスロットから移動すると、カメラ９１０はビデオモードで動作する。例えばカメラは、画像の時間シーケンスを取得するために１秒当たり６０フレームの速度でビデオを取り込むことができる。この時間シーケンスでは、サンプルカートリッジがカートリッジスロットを移動したときに、異なる画像がサンプルカートリッジの異なる部分に対応する。有利には、直線シーケンスで並べられた１又は２以上のサンプル位置（例えば、試験ストリップのサンプルチャンバ又はサンプルパッド）にサンプルが配置されるようにサンプルカートリッジを作ることができ、シーケンスの個々のサンプル位置の境界を区切るか又は定める区切り構造を有する。このようなサンプルカートリッジが図８Ａ−８Ｃ、９Ａ−９Ｃ及び１０Ａ−１０Ｃ、１１及び１２に示されている。サンプルカートリッジにおける区切り構造は、区切り構造が画像のサンプル位置から容易に区別できるように形成することができる。１つの方法では、区切り構造の画像が相対的に暗くなりサンプル位置の画像が相対的に明るくなるように区切り構造が光を吸収する（例えば黒に染色される）。この手法は、図８Ａ−８Ｃ、９Ａ−９Ｃ及び１０Ａ−１０Ｃに示され、カートリッジ本体の染色部分が、隣接するサンプルチャンバの間に位置付けられ、図１２では前面の染色部分が試験ストリップの隣接するサンプルパッド間に位置付けられる。
【００７５】
この手法により、取り込まれたビデオにおける画像の時間シーケンスを処理して、各サンプル位置に対する１又は２以上の画像を識別することができる。詳細には、（ｉ）特定のサンプル位置の１つの側面上の区切り構造に対応する少なくとも１つの先行する暗画像の後、及び（ｉｉ）特定のサンプル位置の他方の側面上の区切り構造に対応する少なくとも１つの次の暗画像の前に、特定のサンプル位置に対応する１又は２以上の明画像が時間シーケンスで起こることになる。時間シーケンスで先行する及び次の暗画像の位置を用いて、特定のサンプル位置の中心又はほぼ中心に対応する時間シーケンスにおけるこれらの間に起こる明画像を選択することができる。選択された明画像を用いて、特定のサンプル位置での特定のサンプルのスペクトル特徴を決定することができる。一部の実施構成では、選択された明画像を時間シーケンスの１又は２以上の隣接する画像によって平均化して複合画像を取得することができ、複合画像を用いてスペクトル特徴を決定することができる。上述のように、スペクトル特徴は、選択された分光モードに応じて、透過光、反射光、放出された光（例えば、蛍光）、又は散乱光の特徴とすることができる。
【００７６】
５．例示的な測定
ａ．概念実証測定
上述のカスタムアプリケーションによってプログラムされたスマートフォンを備えた上述の装置を用いて、４つのモダリティの各々の概念実証測定が、それぞれのサンプルカートリッジチャンバの試験サンプルを用いて完了された。
【００７７】
透過分光モードを実証するために、黄色い食用色素（ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ）が１：１，０００から１：６４，０００の範囲の濃度、６４倍の濃度範囲で水に希釈された。吸収が水の透過からサンプル透過を差し引くことによって測定された。観察可能な吸収が図１４に示すようにスペクトルの青の領域（４００−５００ｎｍ）で起こった。従って、濃度依存吸光度が観察された。
【００７８】
反射分光モードを実証するために、ＰＣベースの反射後面を備えたサンプルカートリッジが用いられた。水への０％、２０％、４０％、６０％、及び８０％エタノール（ＥｔＯＨ）の混合液が準備されＰＣに接触する液体のバルク屈折指数を変える影響を観察するためにサンプルカートリッジに導入された。波長の狭い帯域だけが効率良くＰＣによって反射され、スマートフォンの画像センサによって取得されたスペクトル画像（図１５はこのようなスペクトル画像の例を含む）における狭い明るい赤の帯域を表す。単一カートリッジが水で満たされ、次に５つのＥｔＯＨ濃度が続き開始共鳴波長におけるセンサ間の変動を正規化する。生画像から画素の中央ラインを取ることによって、ＥｔＯＨ溶液を加えられたＰＣから反射されたピーク波長値（ＰＷＶ）の変化と液体区画の内側の液体の屈折指数の間に明確な関係が観察され、１１４．０ｎｍ／ＲＩＵバルク屈折指数感度に対応する。様々なＥｔＯＨ濃度で観察されたピーク波長シフト（ΔＰＷＶ）が図１５に示されている。
【００７９】
強度分光モードを実証するために、内部光源（レーザダイオード）が、強度測定用に構成されたサンプルカートリッジ内のローダミン５９０クロリド（Ｒ６Ｇ）（エキシトン）の蛍光発生を励起するために用いられた。染料が１０-6及び１０-7.5ｇ／ｍＬの間の濃度に希釈され、結果画像が処理されて図１６に示す蛍光強度スペクトルを生成した。Ｒ６Ｇからの緑発光は、濃度の全範囲ではっきりと見ることができる。この緑発光の強度は濃度依存である。直交照明によって、低Ｒ６Ｇ濃度でも、レーザダイオード照明源からの光の最小量が蛍光発生スペクトル内に存在する。
【００８０】
光散乱分光モードを実証するために、単一試薬試験ストリップ及び複数試薬試験ストリップを用いる試験が行われた。検証のために用いられる単一試薬試験ストリップは、尿のアセト酢酸（ケトン）を検出するよう開発された市販の試験ストリップ（ＢａｙｅｒＫｅｔｏｓｔｉｘ試験ストリップ）であった。これらの試験ストリップには、０、５、１５、４０、及び８０ｍｄ／ｄＬの濃度に対応する基準色が提供される。この研究に用いられたスマートフォン（ＳａｍｓｕｎｇＧａｌａｘｙＳ３）は、周囲光「温度」に対してカメラを調節するための様々な事前設定ホワイトバランス選択肢を含んでいた。「曇り」設定が最高全体強度を生成し、５つの基準カラーを区別するための最良の設定であったので、「曇り」設定が選択された。５８９−６１２ｎｍの波長範囲は基準カラーの間の分離の最高程度を有するとして識別された。この波長範囲の曲線下のエリア（ＡＵＣ）が単一試薬試験ストリップ測定に用いられた。
【００８１】
単一試薬試験ストリップの濃度の臨床的該当範囲を検証するために、水中のリチウムアセトアセテート（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）の連続希釈が、基準カラーに対応する濃度に一致するように０、５、１５、４０、及び８０ｍｇ／ｄＬの濃度で準備された。３つの試験ストリップが濃度の各々に浸され、各ストリップが、図１１に示すように構成されたサンプルカートリッジに入れられる前に４０分間乾燥された。内側に試験ストリップを有するサンプルカートリッジが、取り付けられたスマートフォンとのクレードルのカートリッジスロットに挿入された。各濃度に曝された試験ストリップのサンプルパッドからの散乱光のスペクトルが図１７Ａに示すように取得された。用量反応曲線が５８９−６１２ｎｍ波長範囲のＡＵＣ値を用いて生成され、図１７Ｂに示すように３つの試験ストリップからの標準偏差が各濃度に対して測定された。検出限界（ＬＯＤ）が約３．５ｍｇ／ｄＬであることが推定され、これは、カラーチャート比較を介した人間の視覚分析の５ｍｇ／ｄＬＬＯＤより低い。
【００８２】
検証のために用いられた複数試薬試験ストリップは市販の試験ストリップ（ＭｏｏｒｅＢｒａｎｄ（登録商標）ＵｒｉｎｅＲｅａｇｅｎｔＳｔｒｉｐｓ１０ＳＧ）であった。各試験ストリップは、尿中のグルコース（ＧＬＵ）、ビリルビン（ＢＩＬ）、アセト酢酸（ＫＥＴ）、比重（ＳＧ）、血液（ＢＬＯ）、ｐＨ（ＰＨ）、タンパク質（ＰＲＯ）、ウロビリノゲン（ＵＲＯ）、亜硝酸塩（ＮＩＴ）、及び白血球（ＬＥＵ）を検出するための１０のサンプルパッドを含む。高濃度及び低濃度を区別する能力を検証するために、正常及び異常検体濃度を表す人間の尿ベースの対照（Ｋｏｖａ）を水で再構成した。３つの試験ストリップが濃度の各々に浸され、標的読取時間（３０から１２０秒）内のこの色の変化が各検体の相対的濃度を推定するために試験ストリップによって提供された基準カラーと比較される。乾燥後に、ストリップの各々が図１２に示すように構成されたサンプルカートリッジに配置された。内側に試験ストリップを有するサンプルカートリッジが、取り付けられたスマートフォンとのクレードルのカートリッジスロットに挿入された。各濃度に曝された試験ストリップのサンプルパッドからの散乱光のスペクトルが取得され、検体固有の領域のＡＵＣ値が３つの試験ストリップ全体で平均化された。結果を図１８に示している。比重及びｐＨを除く全ての検体の各濃度の平均値の分離は、対でない２サンプル１試験を用いて統計的に重要である（ｐ＜０．０５）であることが発見された。
【００８３】
ｂ．透過モード測定−胎児フィブロネクチンＥＬＩＳＡアッセイ
胎児フィブロネクチン（ｆＦＮ）は、自発早産の高い負の予測値を有する糖タンパクである。胎児フィブロネクチンは、頸部長の身体測定と組み合わせたときに、危険な状態にある母親の治療、継続したモニタリング、又は病院照会を容易にするための重要な診断指示子である。急速側方流動アッセイが存在するが、これらは定量的ではなく、専用のプロプラエタリリーダを必要とする。ｆＦＮの血清検出は実験室設定のルーチンであり、ｆＦＮ試験をポイントオブケア診断に移行することは、有用な情報を、特に早産のりすくがある人々と共にヘルスケアプロバイダに提供する。
【００８４】
ｆＦＮ検出では、市販のＥＬＩＳＡキットが購入され（ＣＵＳＡＢＩＯ）標準的な曲線を生成し同時に生理的に関連のある範囲内のスパイク血清濃度を測定するために用いられた。キット試薬は製造者の指示に従って、準備され、反応が、含まれた９６ウェルマイクロプレートで完了した。標準濃度を連続的に希釈し、４から１０００ｎｇ／ｍｌの範囲の濃度でトリプリケートで実施した。スパイク血漿サンプルが人間の血漿から５０ｎｇ／ｍＬの濃度で作成された（ｎ＝３）。全てのサンプルがマイクロプレートに添加され、ＥＬＩＳＡステップが製造者の指示によって完了した。停止液の添加後に、サンプルがベンチトップ９６ウェルプレートリーダ（ＢｉｏＴｅｋ、Ｓｙｎｅｒｇｙ  ＨＴ）で即座に読み取られ、マルチチャネルピペットによってサンプルカートリッジに移された。
【００８５】
充填されたカートリッジは、開発されたアプリケーションを用いて測定され、カートリッジスロットを通ってスライドされた各サンプルの５つの画像を撮影する。画像センサにスペクトルの非スペクトル次元を延びる円柱レンズが球面収差を導入し、結果として得られるスペクトル画像の湾曲外観を結果として生じる。これは、図１９Ａに示されており、Ｘ及びＹ方向の相対的画素位置間の関係を示し、図１９Ｂは、スマートフォンの画像センサによって取得された対応するスペクトル画像を示す。この湾曲外観は内部光学系の関数でありスマートフォンとクレードルのアラインメントではない。従って、観察された曲率は複数の測定及び複数のスマートフォンの除去／挿入を通して一定である。赤いフィルタが各スペクトル行で落ちる画素位置（〜５８０ｎｍ）を円弧に合わせることによって、図１９Ｃに示す線形化スペクトル画像によって示されるように、スペクトルを線形化して非スペクトル次元で合計することができる。結果は、画素距離が波長に直接対応するスペクトルである。画素距離と波長の関係は、スマートフォンシステムによって様々な公知の波長の２つの光源からの光を測定することから補間することができ、この間の波長を補間する。この場合、５３２ｎｍで発光するレーザポインタ（緑）及び６３３ｎｍで発光するレーザポインタ（赤）が用いられた。結果スペクトルは、２つのレーザポインタからの応答と共に図１９Ｄに示されている。光学経路との不完全なカートリッジアラインメントから生じる全体的な強度変動を調整するために、線形スケーリング最小二乗フィットが、広帯域スペクトル（超純水で測定）と比較した５００ｎｍの上（色原体吸光度の関心の領域の外側）で行われた。結果として得られる正規化透過スペクトルは、同じ広帯域スペクトルから減算され、吸収スペクトルを結果として生じた。
【００８６】
図２０Ａ及び２０Ｂは、スマートフォンシステム（図２０Ａ）及び９６ウェルマイクロプレートリーダ（図２０Ｂ）を用いて取得されたサンプル透過スペクトル、広帯域透過スペクトル、及びサンプル吸収スペクトルの例を示す。図２０Ｃ及び２０Ｄは、スマートフォンシステム（図２０Ｃ）及び９６ウェルマイクロプレートリーダ（図２０Ｄ）を用いて異なる濃度に対して測定された吸光度を示し、測定の各セットに対して３σ検出限界（ＬＯＤ）が示されている。類似の検出限界は、スマートフォンシステムと９６ウェルマイクロプレートリーダの間で観察された。
【００８７】
ｃ．強度モード測定−フェニルアラニンアッセイ
フェニルアラニンアッセイは、一般的に新生児のフェニールケトン尿症をスクリーニングするために用いられる。人間のフェニルアラニンの定量化のための市販のアッセイキット（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）が、本明細書で説明するスマートフォンシステムの動作の強度モードを検証するために用いられた。フェニルアラニン基準が水中で再構成され、０．８，０．６、０．４、０．２、０．１、０．０５、及び０ｎｍｏｌ／ｗｅｌｌの濃度に連続的に希釈された。人間の血清サンプルは、アッセイバッファで希釈されて三重（ｎ＝３）にウェルに添加される前に１０ｋＤａＭＷＣＯスピンフィルタを用いてタンパク質除去された。サンプルは、背景の干渉を制御するためにチロシナーゼによって室温で１０分間前処理された。顕色剤、酵素ミックス、及びバッファのサンプル／標準反応ミクスチャが製造者の指示によってウェルの各々に添加された。溶液は、３７℃で２０分間、培養され、カバーされ光から保護された。市販の９６ウェルマイクロプレートリーダ（ＢｉｏＴｅｋ、Ｓｙｎｅｒｇｙ  ＨＴ）を用いて、完了したアッセイで、λ＝５３５ｎｍで励起してλ＝５８７ｎｍで測定する蛍光が測定された。次にサンプルが前述のようにカートリッジに移され、本明細書で説明するスマートフォンシステムを用いて蛍光光を測定された。
【００８８】
蛍光データのデータ取得では、改良されたデータ収集手順が開発された。吸収ベースの測定では、光出力の安定性は時間に鈍感である。しかしながら、蛍光色素によって、商用レーザダイオードから生じる励起強度変動（回路ベースのフィードバック制御後）及びフルオロフォアの光退色の両方が測定の時間依存を結果として生じる。これらの差異を軽減するために、ユーザがクレードルを通してカートリッジをスライドさせた場合にビデオとしてデータを取り込むための後処理方法が開発された。ビデオの各フレームにわたって平均画素値を分析することによって、カートリッジのサンプルチャンバの各々に対応する信号の隣接するフレームセットを図２１Ａによって示すように識別することができる。これらのフレームの中心８０％が平均化され、スペクトルを生成するための画像として用いられた。図２１Ｂ及び２１Ｃに示すように、例示的スペクトルは、レーザダイオードからの励起光に対応する短波長ピーク及びレーザダイオードからの励起光に応答してアッセイのフルオロフォアから放出された蛍光に対応する長波長二重ピークを含む。蛍光に対応するスペクトルの部分の積分面積が測定され、レーザダイオードからの励起光に対応するスペクトルの部分の積分面積を用いて正規化された。この正規化方法は、Ｂｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎ分析を用いて検証された。結果として得られる蛍光スペクトルは、市販のプレートリーダに匹敵する検出限界を有する明確な用量反応曲線を結果として生じた。
【００８９】
図２２Ａは、０．８ｎｍｏｌ濃度に対してスマートフォンシステムを用いて取得されたスペクトルを示す。図２２Ｂは、０．２ｎｍｏｌ濃度に対してマイクロプレートリーダを用いて取得されたスペクトルを示す。図２２Ｃは、スマートフォンシステムを用いた蛍光強度対フェニルアラニンの濃度のプロットである。図２２Ｄは、マイクロプレートリーダを用いた蛍光強度対フェニルアラニンの濃度のプロットである。３σ  の検出限界（ＬＯＤ）が測定の各セットに対して示されている。スマートフォンベースのシステムの検出限界は、最低アッセイ濃度（０．０５ｎｍｏｌ）未満であったが、マイクロプレートリーダの検出限界は０．０５ｎｍｏｌと０．１ｎｍｏｌの間であった。スマートフォンシステムを用いて取得された測定は、高濃度で飽和すると見られ、スマートフォンシステムがマイクロプレートリーダよりも低いダイナミックレンジを有する可能性があることを示す。
【００９０】
ｄ．散乱光測定−ｐＨ及びグルコース
上述の検証研究に用いられた複数試薬試験ストリップのｐＨ（ｐＨ）及びグルコース（ＧＬＵ）サンプルパッドは、用量反応特徴を評価された。ｐＨ測定では、ＮａＨＣＯ3を正常尿対照溶液に加えることによって６．０から８．４の範囲のｐＨ値を有する５つのキャリブレーション溶液が生成された。キャリブレーション溶液のｐＨ値は、ベンチトップｐＨメータ（Ｔｈｅｒｍｏ、Ｏｒｉｏｎ  ４−Ｓｔａｒ）を用いて測定された。３つのストリップがキャリブレーション溶液の各々に浸され６０秒の標的読取時間のこれらの色の変化が試験ストリップで提供された基準色と比較された。乾燥後、ストリップはサンプルカートリッジに入れられスペクトルプロファイルを取得するために装置に挿入された。各キャリブレーション溶液のスペクトルプロファイルが合わせて平均化された。結果として得られるスペクトルが図２３Ａに示されている。これらの試験ストリップのｐＨ検出パッドは、色の変化がｐＨ４．４から６．２のアクティブレンジを有するメチル・レッドによって及びｐＨ６．０から７．６のアクティブレンジを有するブロモフェノール・ブルーによって起こるデュアルインジケータシステムを含む。高ｐＨ値（７．５から８．４の範囲）は視覚的に区別できないが赤波長の散乱における大幅な減少によってスペクトル的に区別することができる。このように、結果として得られる散乱光分光の２つの部分がＡＵＣ分析に選択された。４６０−４７０ｎｍ波長範囲が、全てのキャリブレーション溶液のＡＵＣ分析に用いられた。７より高いｐＨを有するキャリブレーション溶液では、６３０−６４０ｎｍの追加の波長範囲もＡＵＣ分析に用いられた。これらのキャリブレーション溶液の結果生じたアッセイ曲線が図２３Ｂに示されている。図示のように、ＡＵＣ強度変動は、ｐＨ値のこの範囲（６．０から８．４）においてかなり直線的である。人間の眼にほぼ同一に見える読取値間を区別する能力は、基準色との人間の眼の比較の従来の方法より上の散乱光分光分析の値を実証する。
【００９１】
上述した複数試薬試験ストリップの検証は、グルコースの高濃度と低濃度間を区別するために装置を用いた散乱光測定の能力を実証した。複数試薬試験ストリップのグルコース検出パッドの他の定量的研究が行われた。キャリブレーション溶液は、正常な対照尿溶液におけるグルコースの連続希釈によって、０、２５、５０、１００、２００、及び４００ｍｇ／ｄＬの濃度で準備された。オリジナル対照溶液のグルコース濃度が１００ｍｇ／ｄＬの下であることだけが公知であるので、これらの濃度はグルコースの公知の添加量だけを表す。３つのストリップが濃度の各々に浸され、サンプル塗布後１５秒の色の変化が試験ストリップで提供された基準色と視覚的に比較された。乾燥後、ストリップはサンプルカートリッジに入れられスペクトルプロファイルを取得するために装置に挿入された。各キャリブレーション溶液のスペクトルプロファイルが合わせて平均化された。結果として得られるスペクトルが図２４Ａに示されている。３つのトライアルの各々の標準偏差と共に４３０−４４０ｎｍ波長範囲の平均ＡＵＣ値を用いて用量反応曲線が生成された。結果生じた用量反応曲線が図２４Ｂに示されている。検出限界（ＬＯＤ）は、カラーチャート比較を介して人間の視覚分析に対して１００ｍｇ／ｄＬＬＯＤより低い約６０ｍｇ／ｄＬであると推定された。
【００９２】
６．結論
本明細書で説明したマルチモードスマートフォンベースのシステムは、単一の計測器内で達成することができるＩＶＤアッセイの可能性の幅及び応用の両方を実証する。モダリティの各々は、このようなＰＯＣＴデバイスによって用いられるよう迅速に変換することができる実験室設定用に開発されてきた広範囲の既存のアッセイに捧げられる。説明した実施形態は、スマートフォンハードウェア及びソフトウェアの急速な改良並びにＳＬＡベースの３Ｄプリントにおける解像度及び手頃感における大幅な改良の両方を利用することができる。例えば３Ｄプリント光学マウントは、従来のベンチトップ光学アセンブリ及びアラインメントを増補するか又は置き換えることができる。詳細には、ポイントオブケア向けの光学バイオセンサの分野内で、これは、コンピュータシミュレーションから直接にハンドヘルドプロトタイプに進行することができる新しい光学システムを作成する大きな潜在性を提供する。
【００９３】
開示する実施形態は、移動バイオセンサデバイスと共に用いるマイクロ及びミリ流体カートリッジのための急速プロトタイプの使い易い方法を提供する。マルチサンプルカートリッジの流体チャンバの線形配列は、複数の規格又は制御を必要とするアッセイ、又は多くのサンプルを一度に実行できる状況の両方で有用とすることができる多重化を支援する。レーザカットアクリルシート及びＤＳＡアセンブリの使用は、更なる多重化のための１つのカートリッジ当たりのサンプルチャンバの数を増やすか、又はサンプル溶解、混合、又は他の主力の微小流体チップベースの技術などの他の微小流体アッセイステップを組み入れるステップを含む無数の他の可能性のあるカートリッジ構成の扉を開く。
【００９４】
スマートフォンベースのシステムは市販のアッセイと共に用いて、実験室級の試験のポイントオブケアへの移行を容易にすることができる。例えば本発明のシステムは、吸光度又は蛍光ベースの報告分子によるサンドイッチ免疫学的アッセイ（ＥＬＩＳＡ、ＦＩＡ、ＣＬＩＡ）、及び生体発光、ＳＰＲ、ＰＣ又は他の選択共鳴現象などを用いるものを含む他の新しい技術に基づいて開発される多くの新しいアッセイの光学読出しに頼るキットを用いることができる。
【００９５】
サンプル信号のビデオベースの取り込みは、線形カートリッジによって支援され、マルチ検体多重化をユーザが使い易いインタフェースに単純化する。開発された画像処理は、このような「スワイプ」ベースのインタフェースを利用できる将来のデバイスへの拡張の潜在性を保持する。クレジットカードのスワイプは、一般的なキュベットベースの測定システムと比べて多重化サンプル測定を容易に単純化するユビキタスな動きである。
【００９６】
ｆＦＮ及びフェニルアラニンアッセイからの結果は、スマートフォンベースのシステムが従来のベンチトップ実験室計測器の感度を再現できることを実証する。両方のアッセイにおいて、スマートフォンベースのシステムは、ダイナミックレンジにおける可能性のある減少に関わらず、従来の実験室計測器で検出されたものより低いアッセイ検体の濃度を検出することができる。ｆＦＮアッセイでは、高濃度の４５ｎｍの光の近完全吸収が信号飽和を結果として生じた。この特定のアッセイでは、これは、１０−２００ｎｇ／ｍＬからの引用範囲からの閾値範囲として許容可能である可能性がある。同様に、フェニルアラニンアッセイでは、スマートフォンベースのシステムは、線形用量反応曲線を生成しないが、代わりに高濃度の飽和曲線関係を実証する。しかしながら、線形フィットの代わりに４パラメータ論理的成長曲線を用いることで、スマートフォンベースのシステムを用いて適切な未知の濃度を決定することができる。Ｂｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎ分析は、全濃度で両方のアッセイの一致を実証し、開示するスマートフォンベースのシステムが同一サンプルから予想されるアッセイ測定の生成を成功させられることを提言する。
【符号の説明】
【００９７】
１００  例示的なシステム
１０２  スマートフォン
１０４  クレードル装置
１０６  ハウジング
１０８  サイドプレート
１１０  ボルト
１１２  取り付けスロット
１１４  タッチ画面
１２０  カートリッジスロット
１４０  トグルスイッチ
１４２  スライダ
１４４  スロット
【図１Ａ】
2020536235.tif 000003
【図１Ｂ】
2020536235.tif 000004
【図１Ｃ】
2020536235.tif 000005
【図２】
2020536235.tif 000006
【図３】
2020536235.tif 000007
【図４】
2020536235.tif 000008
【図５】
2020536235.tif 000009
【図６】
2020536235.tif 000010
【図７】
2020536235.tif 000011
【図８Ａ】
2020536235.tif 000012
【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ−１９Ｄ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ−２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【国際調査報告】
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