СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛИЗИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЕ И КОАКСИАЛЬНАЯ СЧИТЫВАЮЩАЯ ГОЛОВКА, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ДЛЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ
METHOD OF MEASURING ANALYSED SUBSTANCE IN BIOLOGICAL SAMPLE AND COAXIAL READING HEAT USED IN SAID MEASUREMENT METHOD

Область техники
Изобретение относится к инструментам, измеряющим оптический отклик на биологические пробы, например к инструментам, измеряющим содержание глюкозы в крови.
Медицинские состояния часто диагностируют и контролируют индикаторными полосками, обеспечивающими оптический отклик (например, цвет) на реакции между анализируемыми веществами в биологической пробе (например, с глюкозой в цельной крови) и реагентами на индикаторной полоске. Несмотря на то, что оптический отклик можно считывать визуально, все же его нередко измеряют фотометрией коэффициента отражения. В этом способе свет направляют на участок индикаторной полоски, содержащий реагент, и возвращающийся от анализирующего участка свет детектируют и соотносят с количеством анализируемого вещества, реагировавшего на индикаторной полоске.
Многие патенты излагают устройства, состоящие из источников света и фотоприемников и предназначенные для повышения рабочих показателей инструментов, применяющих фотометрию коэффициента отражения, например патенты США №№6,181,417; 5,611,999; 4,890,926; 5,155,628; 5,449,898 и 5,477,326. Обычно для обеспечения источника света высокой интенсивности и с узкой шириной полосы используют светодиоды (СИД). Свет, вернувшийся от индикаторной полоски и на который воздействовали оптические свойства анализирующего участка, называется диффузным светом; этот свет воспринимается и измеряется фотоприемником. При этом предотвращают попадание в фотоприемник возвращающегося света, называемого здесь зеркально отраженным или зеркальным светом, на который анализирующий участок не повлиял.
Свет во время его прохождения между источником света и фотоприемником обрабатывается различными способами, подобными способам известного уровня техники. В некоторых способах используют оптические волокна. Например, согласно патенту США №5,701,181 светодиод направляет свет по жгуту оптических волокон под углом 30 градусов на подложку индикаторной полоски. Отражаемый свет направляется в фотоприемник через двояковыпуклую линзу, установленную позади резьбового оптического экрана, во второй жгут оптических волокон.
Еще одно чувствительное устройство совершенно другой конструкции изложено в патентах США №№6,157,472 и 6,535,753. Оно использует оптические волокна в автономном блоке, и направляет свет в очень небольшую концевую часть световода для обнаружения непосредственно в контакте с анализируемым объектом, и воспринимает свет, отражаемый назад от концевой части. Концевая часть волокна для обнаружения очень небольшая и предназначена для проникновения в кожу пациента, создавая у него очень незначительное ощущение или вообще его не создавая. Концевая часть покрыта материалами, которые подобраны с возможностью реагирования с определяемым анализируемым веществом. Приводимый в патенте США №6,535,753 пример использует систему, в которой используется реагент глюкозоксидазы. Световоды, на концевой части которых находятся реагенты, предлагались для измерения таких других анализируемых веществ, как оксид азота. Еще один пример приводится в патенте США №6,636,652.
Типичные инструменты имеют некоторые ограничения в отношении обработки света. Количество диффузного света, возвращающегося от анализирующего участка, небольшое, и поэтому анализирующий участок должен быть относительно большим, в результате чего требуется более крупное, чем желательно, оборудование. Расположение оптических элементов инструментов представляет собой конструкторскую проблему. Причем технические решения по устранению отражений зеркального света, т.е. света, на который не повлиял оптический отклик анализирующего участка, не дают полного успеха - как правило. Вследствие чего постоянно ведутся разработки по усовершенствованию этих инструментов. Данное изобретение применяет волоконную оптику для устранения ограничений, присущим инструментам известного уровня техники, согласно приводимому ниже описанию.
Сущность изобретения
Согласно одному из вариантов осуществления изобретение представляет собой коаксиальную считывающую головку коэффициента диффузного отражения, которая обеспечивает улучшенные рабочие показатели фотометрии коэффициента отражения, используемой для измерения оптического отклика на реакции между анализируемыми веществами в биологических пробах (например, глюкоза в цельной крови) и соответствующими реагентами на индикаторной полоске. Одно и то же оптическое волокно используется коаксиально, т.е. для пропускания коллимированного света в анализирующий участок и для возвращения и рассеянного (диффузного) света, и отраженного света. Светоделитель направляет коллимированный свет от источника света в оптическое волокно и направляет также отраженный свет, принимаемый от анализирующего участка, в фильтр пространственных частот, который блокирует доступ отраженного света в фотоприемник. Рассеянный свет проходит вокруг фильтра пространственных частот, измеряется фотоприемником и затем соотносится с количеством анализируемого вещества, реагирующего в анализирующем участке. В одном предпочтительном варианте осуществления края светоделителя скошены предпочтительно под углом 45 градусов, чтобы ограничивать потерю диффузного отражаемого света: по сравнению со светоделителем с краями, расположенными под углом 90 градусов.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает способ измерения рассеянного света, возвращающегося от анализирующего участка, освещаемого источником света. Коллимированный свет направляют через светоделитель и оптическое волокно на анализирующий участок. Оптическое волокно либо контактирует с анализирующим участком, либо находится вблизи анализирующего участка. И рассеянный свет, и зеркальный свет возвращаются от индикаторного участка по оптическому волокну в светоделитель. Зеркальный свет, проходящий через светоделитель, направляют в светонепроницаемый участок, действующий как фильтр пространственных частот, при этом диффузный свет проходит вокруг фильтра пространственных частот в фотоприемник.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретение представляет собой коаксиальную считывающую головку коэффициента отражения, улучшающую характеристики волоконно-оптических датчиков, покрытых реагентами для непосредственного контакта с пробами. Концевая часть оптического волокна заменяет индикаторные полоски, используемые в описываемом выше варианте осуществления изобретения. Свет, направляемый к концевой части (наконечнику) оптического волокна и к пробе, возвращается в фотоприемник по оптическому волокну. Зеркальный свет проходит через светоделитель, и его вхождение в фотоприемник блокируется светонепроницаемым участком, действующим как фильтр пространственных частот; при этом диффузный (рассеянный) свет, содержащий информацию об оптическом отклике пробы, проходит вокруг светонепроницаемого участка на фотоприемник.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - принципиальная схема оптической системы согласно изобретению.
Фиг.2 - принципиальная схема предпочтительной оптической системы согласно изобретению.
Фиг.3 - поперечное сечение считывающей головки согласно изобретению.
Описание предпочтительных осуществлений
Реагентные полоски, используемые в клинической химии для определения наличия или отсутствия определенных маркеров заболевания, обычно проявляют оптический отклик (например, изменение цвета) при реагировании на наличие данного анализируемого вещества в пробе, нанесенной на индикаторную полоску. Оптический отклик индикаторной полоски можно считывать с обращением к справочным цветовым таблицам и т.п., но для более точного измерения оптического отклика обычно используют инструменты. Измерение содержания глюкозы в цельной крови имеет особую важность, но аналогичным образом можно проверять и другие вещества, такие как белок, кровь, кетоны, билирубин, уробилиноген, нитриты, холестерин и пр.
В этих инструментах источник света направляет свет на анализирующий участок, и возвращающийся от поверхности свет измеряют и соотносят с анализируемым веществом, прореагировавшим на индикаторной полоске. Возвращающийся свет можно подразделить на два типа. Первый: свет, возвращающийся с анализирующего участка и не подвергшийся воздействию в виде изменения его цвета (или давший другой оптический отклик), возникшего на анализирующем участке. Этот свет называется «зеркальным светом». Зеркальный свет является «шумом», и поэтому он не должен поступать в фотоприемник, используемый для измерения второго типа света, называемого «диффузным светом». Под диффузным светом понимается свет, на который повлиял анализирующий участок и который поэтому характеризует оптический отклик пробы на реагенты на анализирующем участке. Поэтому диффузный свет представляет собой меру количества анализируемого вещества, присутствующего на анализирующем участке. Например, падающий свет может поглощаться на длинах волн, соответствующих проявившемуся цвету, в результате чего будет иметь место уменьшение диффузного света при этих длинах волн пропорционально количеству анализируемого вещества.
В инструментах, описываемых в упомянутых выше патентах, используются различные компоновки оптических элементов для ограничения доступа зеркального света в фотоприемник и для получения максимального количества диффузного света, поэтому измерение диффузного света, по возможности, точное. Обычно используют светодиоды (СИД) или другие источники света. Источник света и его соответствующие оптические системы, анализирующий участок и фотоприемник располагают таким образом, чтобы ограничить получение зеркального света и довести до максимума получение диффузного света. Данное изобретение обеспечивает повышение рабочих характеристик с одновременным обеспечением возможности уменьшения размера считывающей головки и устранения механических ограничений, характерных для технических решений известного уровня техники.
Изобретение обеспечивает уменьшение размера анализирующего участка по сравнению с техническими решениями известного уровня техники за счет пропускания света в анализирующий участок, и от него по единому оптическому волокну, расположенному вблизи анализирующего участка, или непосредственно контактирующему с ним. В предпочтительном варианте осуществления диаметр оптического волокна приблизительно равен 1 мм. Поскольку оптическое волокно является небольшим и гибким, поэтому остальные оптические компоненты можно разместить без проблемы потери света, из-за которой в известных технических решениях непосредственная близость источника света, анализирующего участка и фотоприемника была бы необходимой. Также менее строгой стала необходимость соблюдения узких механических допусков. При изготовлении оптической головки диффузный свет от анализирующего участка собирается со всей площади, и эта особенность была трудно осуществимой в технических решениях, согласно которым свет направлялся через линзу или другие оптические средства в фотоприемник, расположенный на некотором расстоянии от анализирующего участка.
Фиг.1 схематически показывает основные признаки изобретения. Коллимированный свет 10, обеспеченный от, например, светодиода (или другого источника света) и от коллимирующей линзы, направляется в светоделитель 12, расположенный под углом 45 градусов к столбу света. Светоделители известны из уровня техники. Они выполнены с возможностью пропускания части принимаемого ими света в эталонный приемник, который обеспечивает средство корректирования изменений интенсивности света освещения, возникающих во время использования. Остальной свет отражается от светоделителя в анализирующий участок. В одном из вариантов осуществлений данного изобретения отражаемый свет направляют в оптическое волокно 14, расположенное вблизи светоделителя, предпочтительно около 2 мм от поверхности. Свет проходит через оптическое волокно и на анализирующий участок (не показан). Поскольку оптическое волокно имеет по существу одинаковый с анализирующим участком размер, то весь коллимированный свет воспринимается анализирующим участком. Выходящий от анализирующего участка свет возвращается по тому же оптическому волокну 14. Зеркальный свет считается просто отраженным и считается, что на него не повлиял цвет или другой оптический отклик, созданный реакциями, возникшими на анализирующем участке. На диффузный свет воздействовал оптический отклик, возникший на анализирующем участке, и этот свет содержит информацию, нужную для определения количества анализируемого вещества, прореагировавшего на анализирующем участке. Оба типа света возвращаются по оптическому волокну. При достижении ими светоделителя зеркальный свет 16 будет рассматриваться как свет, который остается коллимированным и проходит через светоделитель. Зеркальный свет преломляется материалом, использованным в светоделителе 12, как показано на Фиг.1 и 2. Поступление зеркального света в фотоприемник 22 блокируется светонепроницаемым участком, действующим как фильтр 18 пространственных частот. Диффузный свет 20 рассматривается как свет, который распространяется при выходе из оптического волокна 14, проходит через и вокруг светоделителя согласно чертежу и поступает в фотоприемник 22. Поступающий в фотоприемник диффузный свет преобразуется в электрический сигнал, коррелируемый алгоритмом, для указания количества анализируемого вещества, прореагировавшего на анализирующем участке.
Согласно Фиг.1 часть диффузного света теряется, т.к. он проходит через фотоприемник, и некоторая часть диффузного света не проходит через светоделитель на его крае. В аналогичном, но предпочтительном, варианте осуществления согласно Фиг.2 большая часть диффузного света захватывается и измеряется фотоприемником. В этом варианте осуществления внешние края светоделителя 12 скошены для уменьшения потери диффузного света, например, под углом 45 градусов согласно Фиг.2. Предпочтительное значение этого угла можно изменять в зависимости от оптических свойств светоделителя, от положения конца оптического волокна относительно светоделителя и от других факторов, относящихся к взаимному расположению оптических элементов в считывающей головке.
В некоторых примерах изобретения источником света является светодиод (СИД), создающий узкую ширину полосы света, в которой центральные значения длины волны находятся в пределах 400-1000 нм; эту узкую ширину полосы света коллимируют коллимирующей линзой. Источник света и соответствующие оптические компоненты расположены на расстоянии около 3 мм от светоделителя, который может быть одним из нескольких типов известного уровня техники, например пластинчатый расщепляющий пополам (50/50) светоделитель. Толщина светоделителя составляет около 0,5 мм, длина - около 9 мм и ширина - около 3,5 мм. Диаметр коллимированного света меньше диаметра оптического волокна. Например, пучок диаметром 0,75 мм по сравнению с оптическим волокном диаметром 1 мм; хотя диаметр коллимированного света и оптического волокна можно изменять по желанию, чтобы соответствовать размеру считываемого анализирующего участка. Обычные значения диаметра находятся в пределах около 0,25-3 мм. Оптическое волокно расположено в непосредственной близости с проверяемым участком для ограничения потери возвращающегося света. Предпочтительное расстояние при этом будет составлять 0,25-2,0 мм. Как упомянуто выше, особенность настоящего изобретения заключается в том, что оптическое волокно обеспечивает возможность отделения анализирующего участка от соответствующих оптических элементов освещения и детектирования, и осуществление этой особенности невозможно в обычных инструментах, не имеющих оптического волокна. Если предполагается, что оптическое волокно каждый раз заменяется после использования, то длина обычно будет меньше, и составлять например, около 5-15 мм. Однако длина оптического волокна может быть большей, если его замена после каждого использования не требуется. Зеркальный и диффузный свет, возвращающийся по оптическому волокну, будет проходить через светоделитель, установленный на приблизительном расстоянии 1-2 мм от фильтра пространственных частот. Фильтр пространственных частот блокирует зеркальный свет и расположен непосредственно перед фотоприемником. Значения ширины фильтра пространственных частот и фотоприемника составляет около 0,5-3,5 мм, и величина светонепроницаемого участка, блокирующего зеркальный свет, обычно будет больше диаметра оптического волокна. Например, если диаметр оптического волокна составляет 1 мм, то светонепроницаемая часть фильтра пространственных частот будет составлять около 1,4 мм, чтобы обеспечивать блокирование всего зеркального света. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что размер и размещение оптических элементов могут отличаться от указываемых выше - в рамках общего описания настоящего изобретения. Например, если диаметр коллимированного пучка равен 2 мм, то диаметр оптического волокна составит 2,5 мм, и диаметр фильтра пространственных частот - 3,0 мм.
Фиг.3 показывает, в поперечном сечении, конфигурацию считывающей головки 30 в соответствии с настоящим изобретением, в которой источник света и фотоприемник не выполнены как одно целое со считывающей головкой. Корпус 32 считывающей головки 30 может быть выполнен из различных материалов, обычно - из сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола. Помимо конструкционной целостности главные конструкторские соображения заключаются в том, что корпус 32 выполнен черным для снижения перекрестных искажений рассеянного света между каналами освещения и детектирования. Как упомянуто выше, считывающая головка не должна обязательно находиться вблизи анализирующего участка, как это обычно предусматривается в конструкциях известного уровня техники. Свет для освещения анализирующего участка можно обеспечивать светодиодом или таким источником белого света, как галогенная лампа. В этом примере свет поступает через оптическое волокно 34 и коллимируется системой 36 линз. Коллимированный свет проходит через апертуру 38 и направляется в светоделитель 40, который пропускает часть этого света в эталонный фотоприемник (не показан), выравненный в направлении коллимированного света. Остальной свет направляется под углом 45 градусов в оптическое волокно 42, которое пропускает свет в анализирующий участок (не показан). Диффузный и зеркальный свет возвращается от анализирующего участка по оптическому волокну 42 в светоделитель 40, который направляет возвращающийся свет в фильтр 44 пространственных частот и в линзу 46, которая фокусирует диффузный свет в оптическом волокне 48, ведущем в фотоприемник (не показан). Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в альтернативных вариантах осуществления светодиодный источник света можно близко соединить со считывающей головкой, и фотоприемник можно расположить вблизи считывающей головки.
Два альтернативных варианта осуществления относятся к позиционированию концевой части оптического волокна относительно анализирующего участка. В первом альтернативном варианте осуществления концевая часть оптического волокна расположена вблизи анализирующего участка, содержащего реагенты для реагирования с анализируемыми веществами в пробе, но не контактирует с ним. Например, волокно может отстоять на расстоянии около 0,05-0,25 мм от поверхности анализирующего участка, и поэтому оптическое волокно будет принимать максимально возможное количество света, но риск загрязнения при этом будет минимальный. В этом варианте осуществления оптическое волокно можно использовать для множества анализов без необходимости его замены, поскольку именно анализирующий участок однократно используется и выбрасывается. То есть анализирующий участок соответствует индикаторным полоскам, содержащим реагенты, в которые вводят для реагирования с ними жидкую пробу.
Во втором варианте осуществления оптическое волокно находится в непосредственном контакте с пробой на анализирующем участке. В противоположность первому варианту осуществления пробу не вводят в анализирующий участок в контакт с заранее размещенными на нем реагентами, как на индикаторных полосках, используемых для измерения глюкозы в крови. Вместо этого на оптическом волокне находятся реагенты, нужные для реагирования с анализируемым веществом (например, с глюкозой) в пробе. Когда концевая часть оптического волокна касается пробы, то инициируются необходимые реакции, и получают оптический отклик. Коллимированный свет входит в область контакта между концевой частью оптического волокна и пробой, и отраженный свет возвращается по оптическому волокну в фотоприемник, как в первом варианте осуществления. Поскольку конец оптического волокна фактически становится индикаторной полоской, поэтому оптическое волокно будет заменяться после каждого его использования.
В обоих вариантах осуществления инструмент можно запрограммировать на начало контролирования света, выходящего из анализирующего участка, после того, как будут установлены индикаторная полоска или проба. Резкое сокращение количества света, возвращающегося от анализирующего участка, указывает на начало реакции между пробой и реагентами и может быть использовано для определения точного времени начала анализа. Поскольку точное время начала анализа будет известно, поэтому улучшатся рабочие показатели и сократится время анализа.
Настоящее изобретение можно использовать для определения многих анализируемых веществ. Например, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения анализирующий участок может содержать реагенты, предназначенные для определения глюкозы, например ферментную глюкозооксидазу в сочетании с такими индикаторами, как тетраметилбензидин или дианизидин, или 4-аминоантипирин, плюс р-гидроксибензолсульфонат в присутствии пероксидазы. Либо ферментную глюкозодигидрогеназу можно использовать в сочетании с такими тетразолий-индикаторами, как р-иодонитротетразолий фиолетовый (INT), тетразолий нитросиний (NBT) или тетразолий тетранитросиний (TNBT).
Для определения холестерина в пробе крови анализирующий участок может содержать ферментную гидролазу эфиров холестерина и оксидазу холестерина плюс такие индикаторы, как тетраметилбензидин или дианизидин, или 4-аминоантипирин плюс р-гидроксибензолсульфонат в присутствии пероксидазы.
Для определения триглицеридов: ферментные липаза, глицерокиназа, глицеролфосфатдегидрогеназа и диафораза в сочетании с такими тетразолий-индикаторами, как р-иодонитротетразолий фиолетовый, тетразолий нитросиний или тетразолий тетранитросиний, дадут цвет, характеризующий уровни триглицерида. Ферментные липаза, глицерокиназа, глицеролфосфатоксидаза в сочетании с такими индикаторами, тетраметилбензидин или дианизидин, или 4-аминоантипирин, плюс р-гидроксибензолсульфонат, в присутствии перокосидазы, также дадут цвет, реагируя на присутствие триглицеридов.
Проверку на наличие ферментной амилазы можно выполнить при помощи ферментной альфа-глюкозидазы и цветового индикатора: 4,6-этилиден (G7) нитрофенил (G1)-(альфа) D-мальтагептозид. Гемоглобин можно детектировать при помощи феррицианида калия, цианида калия и бикарбоната натрия с превращением гемоглобина в метаглобин.
Если конечную часть оптического волокна использовать как носитель реагентов, т.е. когда он станет эквивалентом индикаторной полоски, то основные реагенты будут по существу теми же, что и те, которые используются на индикаторных полосках, хотя состав реагентов, наносимых на конец оптического волокна, можно видоизменять в соответствии с необходимостью.