СПОСОБЫ ДВУХЛУЧЕВОЙ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО ВЕЩЕСТВА В ПРОБАХ С НИЗКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/35 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к области обнаружения и количественного анализа веществ.

Предпосылки создания изобретения

Обнаружение исследуемого вещества в физиологических пробах тканей или жидкостей, например в крови или производных крови, в современном обществе приобретает все большее значение. Анализы на наличие различных веществ проводятся в различных областях, включая клинические лабораторные исследования, исследования на дому и пр., где результаты таких исследований играют заметную роль в диагностике и лечении различных заболеваний. К веществам, которые подлежат обнаружению, относятся алкоголь, формальдегид, глюкоза, глутаминовая кислота, глицерин, бета-гидроксибутират, L-лактат, лейцин, яблочная кислота, пировиноградная кислота, стероиды, аскорбиновая кислота, ацетон и другие кетоновые тела, фолат, аммиак, билирубин, креатинин, гемоглобины, липиды, фениланилин, протеины (включая альбумин и глобулины), триглицериды, мочевина, а также лекарственные вещества и наркотики. Таким образом, исследование обнаруженного вещества играет все большую роль в современном обществе.

Хотя содержание различных веществ в крови можно определять различными способами, растет интерес к бесконтактным способам мониторинга концентрации различных веществ в крови. Например, в связи с важностью лечения диабета большие усилия и ресурсы были направлены на разработку бесконтактных способов и устройств для мониторинга концентрации глюкозы в крови.

В одном из типов бесконтактных способов измерения уровня глюкозы в крови используется метод спектроскопии в диапазоне ближней ИК-области спектра, где свет ближней ИК-области спектра пропускается через пробу или отражается от нее, и излученный сигнал используется для получения информации о концентрации исследуемого вещества в пробе. Специалистам известны устройства для бесконтактного определения концентрации различных веществ в крови, включая глюкозу, в которых используется спектроскопия в ближней ИК-области спектра, включая устройства, перечисленные в разделе описания, в котором представлены аналоги заявляемого изобретения.

Для измерения поглощения света пробой в дискретных участках длин волн ближней ИК-области спектра необходим способ, позволяющий раздельно оценивать эффект для отдельных длин волн. К таким способам, описанным в известных источниках информации из уровня техники, относятся сменные светофильтры, спектрометры на базе дифракционных решеток, акустооптические перестраиваемые фильтры (АОПФ) и инфракрасные Фурье-спектрометры (ИКФС). Если исследуемое вещество сильно поглощает свет и легко определяется методами спектроскопии, устройство со сменными светофильтрами может обеспечить достаточную дискретность длин волн для определения концентрации вещества. Однако в таких случаях, как глюкоза в ткани, где исследуемое вещество является слабопоглощающим компонентом сложной смеси, необходимо раздельно проанализировать большое количество (более 10, чаще более 100) дискретных регионов длин волн для определения концентрации исследуемого вещества.

В таких случаях можно использовать спектрометр на базе дифракционной решетки, АОПФ или ИКФС для разбиения спектра на множество участков длин волн. Помимо технологии разбиения спектра по длине волны очень важным фактором для сильнорассеивающих проб, таких как ткань или кровь, является оптическая пропускная способность или поток через спектрометр. В спектрометре на базе дифракционной решетки с единственным детекторным элементом пропускная способность обратно пропорциональна разбиению спектра. Таким образом, если требуется разложить большое количество участков длин волн, количество света, достигающее детектор, будет невелико. Для увеличения пропускной способности спектрометра можно использовать матрицы детекторов, но такие матрицы имеют высокую чувствительность к волнам ближней ИК-области спектра (1-2,5 мкм) и будут дороги. Далее калибровка и дрейф различных детекторных элементов в матрице становится источником неточности при анализе исследуемого вещества.

В спектрометрах с АОПФ отдельные участки длин волн измеряются раздельно, путем перестройки фильтра. Поскольку измерение осуществляется не во всем спектре одновременно, изменения в пробе, происходящие во времени, могут исказить результаты измерений. Кроме того, необходимость в раздельных измерениях участков длин волн приводит к потере оптической пропускной способности по сравнению со способами, в которых измерения проводятся по всему спектру одновременно.

ИКФС-спектрометры обладают высокой оптической пропускной способностью наряду с высоким разрешением по длине волны при использовании единственного детектора. В результате для малопрозрачных проб (с высоким рассеиванием или поглощением), содержащих сложную смесь исследуемых веществ, ИКФС-спектрометры обладают преимуществом по сравнению со спектрометрами со сменными светофильтрами, АОПФ-спектрометрами и спектрометрами на базе дифракционных решеток. Несмотря на то, что ИКФС-устройства и способы являются многообещающими в области бесконтактного исследования проб, предстоит преодолеть еще много технических препятствий, чтобы такие устройства стали коммерчески жизнеспособными. К таким техническим препятствиям относятся проблемы с дрейфом прибора, необходимость в сверхвысокоточных аналого-цифровых преобразователях и пр.

Тем не менее интерес к разработке новых устройств и способов определения концентраций исследуемого вещества с помощью ближней ИК-области спектра сохраняется.

Ниже представлены источники информации, являющиеся аналогами заявляемого изобретения.

Двухлучевая инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (ИКФС) описывается в патенте США №4,999,010, а также в других источниках: Beduhn & White, Applied Spectroscopy (1986) 40: 628-632; Kuehl & Griffiths, Anal. Chem. (March, 1978) 50:418-422 P.R.Griffiths and J.A.de Haseth, Furier Transform Infrared Spectroscopy, Chemical. Analisys. Vol.83 (1986) John Wiley and Sons, New York, pp.298-311. См. также FTIR: FURIER TRANSFORM INFRARED: A CONSTANTLY EVOLVING TECHNOLOGY, Sean Johnston, Ellis Horwood, New York (1991), pp.260-274. Протоколы бесконтактного обнаружения веществ в крови на базе инфракрасной спектроскопии описаны в патентах США №№6,016,435; 6,002,953; 5,945,676; 5,957,841; 5,945,676; 5,830,132; 5,574,283; 5,424,545; 5/237,178; 5,222,496; 5,204,532 и 4,882,492, которые включены в настоящее описание путем отсылки, а также Klonoff "Noninvasive blood glucose monitoring". Diabetes Care (March, 1997) 20(3):433-7.

Краткое описание изобретения

Предлагаются способы и устройства для определения наличия и/или концентрации, по меньшей мере, одного вещества в пробе с низкой проницаемостью. В этих способах прямой и обратный пучки формируются или вводятся в интерферометр от, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения. Прямой пучок попадает на пробу и затем собирается для получения измеряющего пучка, а обратный пучок проходит через эталон и затем собирается для формирования эталонного пучка. Измеряющий и эталонный пучки либо оптически рекомбинируются в нулевой пучок, который принимается единственным детектором, любо обнуляются электронными средствам после детектирования двумя разными детекторами. Затем из детектированного обнуленного пучка извлекают информацию о наличии и часто о количестве, по меньшей мере, одного исследуемого вещества в пробе. Также предлагаются устройства для реализации указанных способов. Предлагаемые способы и устройства могут использоваться для решения разных задач, включая определение наличия и количества одного или более веществ в физиологической пробе, например крови, ткани или их производных.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен спектр диффузного отражения предплечья человека (прямой пучок) и эталонный пучок пропускания через воду (обратный пучок) и их результирующий нуль.

На фиг.2 представлена схема устройства согласно изобретению, в частности для использования с пробой с сильным рассеиванием света.

На фиг.3 представлена схема устройства согласно настоящему изобретению, в частности, для использования с пробами со слабым рассеиванием и сильным поглощением света.

На фиг.4А и 4В представлен спектр водного раствора, содержащего множество веществ, измеряемого способом однолучевой ИКФС (способ, известный из уровня техники) и многолучевой ИКФС (настоящее изобретение).

На фиг.5 представлены диаграммы сравнения прогнозируемой и эталонной концентрации глюкозы в вводных растворах множества веществ, полученных способом однолучевой ИКФС (способ, известный из уровня техники) и многолучевой ИКФС (настоящее изобретение).

На фиг.6 представлено графическое представление стандартной ошибки прогноза концентрации глюкозы по ряду факторов, полученное измерением комплексных водных растворов способом однолучевой ИКФС (способ, известный из уровня техники) и многолучевой ИКФС (настоящее изобретение).

На фиг.7А и 7В представлено графическое представление концентрации глюкозы (прогноз и эталон) в комплексных растворах, измеряемое в течение нескольких недель способом однолучевой ИКФС (способ, известный из уровня техники) и многолучевой ИКФС (настоящее изобретение).

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Предлагаются способы и устройства для определения наличия и/или концентрации, по меньшей мере, одного вещества в пробе с низкой проницаемостью. В предлагаемых способах формируют или вводят в интерферометр прямой пучок и обратный пучок, по меньшей мере, от одного источника инфракрасного излучения. Прямой пучок пропускают сквозь пробу для получения измеряющего пучка, а обратный пучок пропускают сквозь эталон для получения эталонного пучка. Измеряющий и эталонный пучки рекомбинируют либо оптическими способами в нулевой пучок, который детектируется единственным детектором, либо обнуляют электронными средствами после детектировании двумя детекторами. Затем определяют по полученному нулевому сигналу наличие и часто количество, по меньшей мере, одного исследуемого вещества в пробе. Также предлагаются устройства для реализации вышеуказанных способов. Предлагаемые способы и устройства могут использоваться для решения различных задач, включая определение наличия и количества одного или более веществ в физиологической пробе, например в крови, в ткани или их производных. В последующем описании настоящего изобретения сначала будут описаны способы, а затем устройства для реализации этих способов и различные задачи, для решения которых используется настоящее изобретение.

Прежде чем продолжить описание настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами, описанными ниже, поскольку могут существовать различные версии конкретных вариантов, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения. Следует также понимать, что терминология, используемая для описания конкретных вариантов, не является ограничивающей. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой.

В настоящем описании и прилагаемой формуле единственное число также определяет и множественное, если контекст не требует иного. Все технические и научные термины, если не дается иного определения, используются в общепринятом смысле среди специалистов данной области.

СПОСОБЫ

Как указано выше, настоящее изобретение относится к способу определения наличия и часто концентрации, по меньшей мере, одного исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью. Более конкретно согласно настоящему изобретению предлагается способ определения наличия и концентрации исследуемого вещества в пробе с использованием метода инфракрасной Фурье-спектроскопии (ИКФС). Более конкретно предлагаемые способы относятся к двухлучевой ИКФС (ДЛ-ИКФС) для определения наличия и концентрации, по меньшей мере, одного исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью, например глюкозы в пробе ткани.

При реализации предлагаемых способов на первом этапе формируют прямой пучок и обратный пучок от, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения, где прямой и обратный пучки при объединении дают погашение (или обнуление) переменного сигнала и удвоение постоянного сигнала.

Инфракрасное излучение, используемое в этих способах, может быть получено от любого обычного источника ИК-излучения, способного излучать в требуемом диапазоне длин волн, где особый интерес представляют волны длиной от 0,7 до 3 мкм, обычно от 1,3 до 2,4 мкм.

В одном из вариантов для получения прямого и обратного пучка от первичного единственного источника ИК-излучения используется интерферометр. Прямой и обратный пучки характеризуются тем, что при выходе из интерферометра они являются точным дополнением друг друга. Обратный пучок при выходе из интерферометра смещен по фазе на 180° относительно прямого пучка. Прямой и обратный пучки, сформированные с интерферометром, затем проходят пробу и эталон соответственно для получения измерительного и эталонного пучков.

В альтернативном варианте для получения прямого и обратного пучков до их входа в интерферометр используются два источника света. Эти два источника света могут быть получены из одного источника света путем использования расщепителя пучка или подобного оптического устройства. Затем прямой и обратный пучки направляют на материал пробы и на материал эталона соответственно для получения измерительного и эталонного пучков. Затем измерительный и эталонный пучки подают в интерферометр.

В некоторых вариантах проба, на которую направляют прямой пучок, имеет низкую проницаемость. Под низкой проницаемостью пробы понимаются высокие потери на излучение, например потери на излучение превышают 80%, обычно, по меньшей мере, приблизительно 99%, и еще чаще приблизительно 99,9%. Пробы с низкой проницаемостью, которые можно анализировать с помощью предлагаемых способов, могут относиться к сильно поглощающему типу, к сильно рассеивающему типу или к обоим типам.

Предлагаемые способы могут использоваться для анализа различных проб. Пробами могут быть естественные или синтетические составы. К представительным пробам, которые можно анализировать предлагаемыми способами, относятся промышленные изделия, сельскохозяйственная продукция, отходы и пр. Особый интерес представляют твердые и жидкие лекарственные композиции, тонкие химические соединения, пластмассы, полимеры, мембраны, особенно содержащие следы исследуемого вещества, например энзимов, краски, и другие химические или физические покрытия, жидкие продукты, такие как нефть и продукты ее перегонки, включая мазут и бензин, минералы, природные и синтетические драгоценные камни, например алмазы, особенно в порошковой форме, жидкие промышленные отходы, природные и синтетические волокна, пшеница и другие зерновые, молоко и молочные продукты, яйца, мясо и прочие продукты питания, жидкие и твердые удобрения, озерные и прочие лимнологические осадки, и гистологические пробы. Под физиологической пробой понимается проба материала, который содержится в живом многоклеточном организме или получен из него. Во многих вариантах пробой является ткань или ее производные. В других вариантах пробой является физиологическая жидкость, например кровь и ее производные. В зависимости от конкретного применяемого протокола проба может являться частью многоклеточного организма или может быть отделена от него.

Эталоном может служить материал или состав любого типа, который предназначен для эталонного пучка, который обнуляет часть, а во многих случаях по существу все не относящиеся к пробе компоненты измерительного пучка, когда эти два пучка объединяют, как указано ниже. Природа эталонного материала или ячейки может изменяться в широких пределах в зависимости от природы пробы, если удовлетворяются вышеописанные условия. Во многих вариантах эталоном служит водный состав, который может быть чистой водой, водным раствором или водной дисперсией. В тех вариантах, где пробой является ткань, эталон может содержать чистую воду или воду, содержащую один или более из компонентов, присутствующих в пробе ткани, например метаболиты, протеины, липиды, нуклеиновые кислоты и пр., а также иные рассеивающие компоненты, которые имитируют рассеивающие свойства ткани, например агент(ы), эмулирующие свойства ткани. Во многих вариантах, где пробой является ткань, эталон содержит твердый материал с водой в качестве основного компонента. Если эталонным материалом является жидкая композиция, она предпочтительно содержится в подходящем контейнере. К подходящим контейнерам относятся контейнеры, изготовленные из кремния, фторида кальция, инфразила, кристаллического кварца и т.п.

Эталонный материал, применяемый в предлагаемых способах, может быть жидкостью, содержащейся в ячейке с переменной или постоянной длиной. Если эталонная ячейка имеет статическую или постоянную длину, то длина эталонной ячейки, т.е. расстояние, которое обратный пучок проходит, пересекая эталонную ячейку, в общем составляет приблизительно 5 мкм, обычно, по меньшей мере, около 100 мкм и еще чаще около 1 мм, при этом такое расстояние может доходить до 1 м или более, но во многих вариантах длина не превышает 1 см, а обычно не превышает 2 мм. Если эталонная ячейка имеет переменную длину, то длина эталонной ячейки обычно может регулироваться на порядок, а в некоторых вариантах регулируется на расстояние около 1 см, обычно, по меньшей мере, на 1 мм и еще чаще на приблизительно 100 мкм. Как таковая длина может изменяться на порядок. Однако во многих вариантах длина если и изменяется, то на коэффициент, в общем не превышающий 100%, обычно не превышающий 30% и еще чаще не превышающий 10%.

Альтернативно эталонный материал может быть твердым рассеивающим материалом. Оптические свойства рассеивания и поглощения эталонного материала могут согласовываться с подобными свойствами пробы. Для таких проб, как ткань, эталонным материалом может быть твердое вещество с водой в качестве основного компонента, например желатин. Другой тип эталонного материала может состоять из множества разных материалов. Например, эталонный пучок может быть сформирован путем передачи излучения и отражения обратного пучка от разных материалов.

Во многих материалах в этой точке проводятся регулировки для по существу уравнения энергии двух пучков и тем самым для получения оптимального нуля. Под уравниванием энергии двух пучков понимается, что различные параметры применяемого в предлагаемых способах устройства регулируются для получения эталонного и измерительного пучков, которые отличаются по энергии на величину менее приблизительно 10%, обычно менее 5% и еще чаще менее 2%. Под «оптимальным нулем» понимается нуль, в котором отношение обнуления составляет, по меньшей мере, 5:1, обычно приблизительно 20:1 и еще чаще, по меньшей мере, приблизительно 50:1, где отношение обнуления может составлять 200:1 и выше, но типично не превышает 50:1. Под отношением обнуления понимается: модулированная (переменная составляющая) энергия, присутствующая в прямом пучке, деленная на модулированную энергию (переменная составляющая), присутствующую в объединенных пучках. К регулировкам, которые могут осуществляться для достижения оптимального отношения обнуления, относятся: регулировки длины пути эталонной ячейки и/или регулировки перекрытия измерительного и эталонного пучков при рекомбинации или коллимации в единый обнуленный пучок, регулировки интенсивности либо измерительного либо эталонного пучка с использованием регулируемого аттенюатора (два примера широко известных регулируемых аттенюаторов из уровня техники: металлизированный аттенюатор с круговым градиентом и кулачковый аттенюатор), и регулировки состава эталонного материала (например, если эталонная ячейка содержит множество компонентов, изменение относительной концентрации составляющих в эталонной ячейке). Если длина эталонной ячейки регулируется, она может регулироваться на порядок. Однако во многих вариантах величина, на которую осуществляется регулирование длины ячейки, обычно не превышает 1 мм, обычно 0,5 мм и еще чаще 50 мкм.

Следующим этапом в предлагаемых способах является детектирование нулевого пучка (пучков). В одном варианте измерительный и эталонный пучки объединяются в точке перед детектором в единый пучок способом, предназначенным для получения нулевого пучка, при этом нулевой пучок характеризуется тем, что, по меньшей мере, часть сигнала, не относящегося к исследуемому веществу, отсутствует, т.е., была погашена. В целом пучки рекомбинируют в один нулевой пучок, используя любые подходящие средства для направления пучков, например отражающие поверхности, ответвители/коллиматоры, волоконную оптику и тому подобное. Альтернативно измерительный и эталонный пучки могут детектироваться раздельно и объединяться электронными средствами. В тех вариантах настоящего изобретения, где используются два источника, измерительный и эталонный пучки вводятся в прямой и обратный порты интерферометра, после чего детектируется выходной пучок (пучки).

После детектирования пучка (пучков) детектором (детекторами) следующим этапом является извлечение информации о наличии (и часто количестве) одного или более исследуемых веществ в пробе. На этом этапе детектированные переменные сигналы в целом усиливаются, а постоянные компоненты сигналов отбрасываются, при этом переменный компонент сигнала преобразуется из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, и полученный цифровой сигнал обрабатывается на компьютере для получения информации о наличии и концентрации веществ, присутствующих в пробе.

В качестве альтернативы балансировки оптической интенсивности двух пучков на одном детекторе прямой и обратный пучки могут детектироваться раздельно и подвергаться балансировке и объединению электронными средствами. Электронные сигналы можно складывать с помощью суммирующего усилителя. В этом варианте важно, чтобы спектральный отклик двух детекторов был одинаковым, если необходимо получить высокие нулевые отношения. В еще одном варианте настоящего изобретения могут использоваться два источника света и два детектора.

Вышеописанные способы можно осуществлять с помощью любого соответствующего устройства, способного создавать необходимые прямой и обратный пучки, удерживать пробу и необходимые эталоны и объединять эталонный и измерительный пучки в нулевой пучок. Ниже следует более подробное описание примеров реализации устройств, предназначенных для осуществления предлагаемого изобретения.

УСТРОЙСТВА

Устройства по настоящему изобретению, используемые для реализации предлагаемых способов, имеют, по меньшей мере, следующие компоненты: (а) источник(и) инфракрасного излучения; (b) устройство интерферометра для формирования прямого и обратного пучков или для ввода прямого и обратного пучков в интерферометр; (с) эталонный материал; (d) устройство или средство для отбора проб, например держатель или другое средство в зависимости от природы пробы; (е) устройство для получения нулевого сигнала из измерительного и эталонного пучков и (f) детектор(ы). Устройство может дополнительно содержать один или более из дополнительных компонентов, используемых для осуществления настоящего изобретения, например аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и средство для цифровой обработки данных или вычислительное средство и пр. Ниже следует более подробное описание этих элементов предлагаемого устройства со ссылками на фиг.2 и 3, где схематически представлены варианты реализации устройства согласно настоящему изобретению.

Как показано на фиг.2 и 3, устройство 20 содержит источник 21 инфракрасного излучения. Источник инфракрасного излучения может быть любым обычным источником, включая источник белого света, нагреваемую нить, стержень из карбида металла и тому подобное, способным излучать в интересующей области спектра, т.е. излучение с длиной волны от 0,7 до 50 мкм.

Кроме того, в устройстве 20 имеется интерферометр 22 Майкельсона, который в случае устройства согласно фиг.2 способен осуществлять прием прямого 32 и обратного 33 пучков, а в устройстве согласно фиг.3 выполнен с возможностью преобразования падающего пучка 31 от источника 21 инфракрасного излучения в прямой 32 и обратный 33 пучки. Интерферометр Майкельсона традиционно содержит ответвитель 22а, подвижное зеркало 22b, и неподвижное зеркало 22 с, а также, по желанию, дополнительные зеркала для направления прямого пучка на интерферометр или из него. Кроме того, на фигуре показан оптический пробоотборник 24, регулятор эталонной ячейки 23 с регулируемой длиной и детектор 26.

Как показано на фиг.3, ответвитель 22а интерферометра 22 формирует прямой пучок 32 и обратный пучок 33. Прямой пучок 32 направляется из интерферометра в одном направлении, а обратный пучок 33 направляется из интерферометра по траектории падающего излучения от источника 21. Обратный пучок не обязательно совпадает с траекторией падающего излучения. Например, если в интерферометре вместо подвижного и неподвижного зеркал используются уголковые отражатели, траектория обратного пучка отклоняется от траектории падающего излучения. В этом случае обратный пучок можно принимать без ответвителя. Такая конструкция имеет то преимущество, что при приеме обратного пучка не происходит потери падающего излучения, и общее количество собранного излучения удваивается по сравнению с однолучевыми способами. Коммерчески доступным интерферометром, имеющим оптические уголковые отражатели и обеспечивающим легкий доступ к обратному пучку, является Bomem Model MB-100. Можно использовать любые коммерчески доступные интерферометры, к которым относятся интерферометр, применяемый в спектрометре Perkin-Elmer 2000 FTIR, и тому подобные.

Как показано на схеме согласно фиг.3, ответвитель 25 установлен на пути падающего от источника излучения пучка, который совпадает с обратным пучком, когда он выходит из интерферометра. Ответвителя достаточно для отвода части обратного пучка от пути падающего излучения так, чтобы, по меньшей мере, часть обратного пучка, выходящая из интерферометра, направлялась через эталонную ячейку 23 с регулируемой длиной. Типично ответвитель 25 является 3% отражателем, обычно, по меньше мере, 1% отражателем, где ответвитель может отражать до 50% или больше, но обычно эта величина не превышает приблизительно 50%. Можно использовать любой подходящий ответвитель, например из CaF₂ без покрытия, частично металлизированное стекло или кварц и т.п. Отведенная часть обратного пучка затем направляется с помощью любых соответствующих средств, таких как рефлекторы, зеркала и тому подобное, на эталонный материал.

Ячейка 23 с переменной длиной во многих вариантах является ячейкой с водой, где водный состав, содержащийся в ней, по желанию, может содержать или не содержать дополнительные компоненты, такие как протеины, липиды, метаболиты, сахар и пр. Примером реализации ячейки с водой с переменной длиной, применяемой в предлагаемом устройстве, является пропускающая ячейка с прозрачными окнами из фторида кальция. Эталонный пучок 34 выходит из эталонной ячейки. Обратный пучок и эталонный пучок направляются параболическими рефлекторами 41а и 41b и зеркалом 41с.

В идеале оптические свойства эталонного материала должны хорошо согласовываться с оптическими свойствами пробы. Например, если пробой является ткань, обратный пучок можно направлять на сильно рассеивающий эталонный материал и диффузно отраженный свет собирать и использовать как эталонный пучок. Помимо сильного рассеивания эталонный материал может обладать свойствами поглощения, подобными свойствам воды, а также может обладать другими свойствами поглощения, например, характерными для присутствия коллагена, эластина и липидов, чтобы еще в большей степени соответствовать свойствам ткани. Желеобразный материал, содержащий воду, коллаген и, возможно, другие материалы, может служить подходящим отражающим материалом. Для оптимального согласования вода и коллаген, а также другие компоненты эталонного материала могут подбираться в соответствующих пропорциях для соответствия оптическим свойствам пробы.

Альтернативным способом согласования оптических свойств эталонного материала с комплексной пробой, такой как ткань, является передача и/или отражение обратного пучка через составные материалы. Например, обратный пучок может быть передан через две ячейки различной длины, одну, содержащую воду, и другую, содержащую в воде липид, и после отражения и собирания диффузно отраженного света от рассеивающего материала.

Прямой пучок 32 после отклонения ответвителем 25с направляется параболическим рефлектором 42 от интерферометра на держатель 24, который содержит анализируемую пробу. Держатель образца может быть различной конструкции в зависимости от природы пробы, которая должна 6 нем содержаться, и от природы используемого эталона. Можно использовать любую удобную конструкцию держателя, выполненного из любого удобного материала. Во многих вариантах держателем является держатель для ткани или средство для направления прямого пучка на пробу ткани. Измерительный пучок 35 выходит из пробы и направляется параболическим рефлектором 42b и зеркалом 42с.

Средства волоконной оптики особенно предпочтительны для направления излучения на ткань и другие рассеивающие материалы, а также для собирания отраженного от них излучения. Прямой пучок обычно фокусируют на одном оптическом волокне или на пучке волокон так, чтобы фокус входного пучка был согласован с числовой апертурой волокна или волокон. Материал волокна сам по себе должен быть достаточно прозрачен в используемом оптическом диапазоне. Для эффективного введения излучения волокно или пучок волокон подводят на небольшое расстояние к пробе или предпочтительно вводят его в контакт с пробой. Затем введенное излучение собирается отдельным волокном или пучком волокон. Собирающий пучок волокон типично является круглым в сечении и окружает волокно (волокна), в которые вводится излучение. Альтернативно собирающее волокно или пучок волокон может располагаться в центре кольца волокон, в которые вводится излучение. Для повышения оптической пропускной способности волокна (волокон) вводящие или выводящие волокна могут располагаться не под прямым углом к плоскости, в которой расположена проба. Между вводящими и выводящими волокнами может располагаться непрозрачный экран, контактирующий с пробой, для предотвращения засветки вводящих и выводящих волокон излучением, не прошедшим через пробу.

Как показано на фиг.3, эталонный и измерительный пучки 34 и 35 соответственно затем объединяются на втором ответвителе 25b, который может относиться к тому же или к иному типу, что и первый ответвитель 25. Ответвитель 25b является достаточным для рекомбинации измерительного и эталонного пучков в один нулевой пучок.

Альтернативно измерительный и эталонный пучки можно рекомбинировать непосредственно на поверхности детектора, не применяя ответвитель. Удобным способом непосредственного объединения является приведение измерительного и эталонного пучков, полученных с помощью оптоволоконных устройств, в непосредственную близость к детектору или в прямой контакт с ним. Если интенсивность измерительного и эталонного пучков хорошо согласована, а площадь детектора равна или превышает площадь, освещаемую измерительным и эталонным волокнами, можно получить идеальный нуль.

В устройстве, изображенном на фиг.2, прямой и обратный пучки формируются до того, как интерферометр использует единственный источник излучения и ответвитель. Как и в устройстве, показанном на фиг.3, прямой и обратный пучки оптически взаимодействуют с пробой и эталонным материалом соответственно для формирования измерительного и эталонного пучков. Однако вместо рекомбинации после интерферометра, как в устройстве, показанном на фиг.3, измерительный и эталонный пучки объединяются внутри интерферометра путем ввода этих двух пучков в порты интерферометра Майкельсона.

В устройствах согласно фиг.2 и 3 выходящий нулевой пучок 36 затем направляется на детектор 26, по желанию, через линзу 26 (а), которая фокусирует нулевой пучок на детекторе. Детектор выполнен с возможностью преобразования падающего на него нулевого пучка в аналоговый сигнал. Можно использовать любой удобный детектор, к которому относятся индий-арсенид галлия (InGaAs), антимонид индия (InSb), германий и т.п.

Переменная составляющая вырабатываемого детектором аналогового сигнала затем подвергается усилению, а постоянная составляющая отбрасывается посредством усилителя 27, коэффициент усиления которого задан для введения в устройство АЦП 28. В устройстве может использоваться любой подходящий усилитель, например AD 797 и ему подобные. В качестве АЦП можно использовать любой удобный АЦП.В связи с характером этого устройства АЦП не требует сверхвысокой точности. Достаточно использовать 16-разрядный АЦП. Цифровой выход АЦП затем обрабатывается средством 29 для обработки данных, например вычислительным средством, которое может принять цифровой сигнал и определить наличие и часто количество исследуемого вещества в пробе.

Предпочтительный способ обработки цифрового сигнала содержит следующие этапы:

1. Необязательный первоначальный этап: вычитание фоновой интерферограммы двойного пучка, полученной на фоновом материале, и в прямом и в обратном пучке из измерительной интерферограммы двойного пучка, полученной на пробе прямым пучком и на фоновом материале обратным пучком, что дает скорректированную интерферограмму пробы, полученную двойным пучком.

2. Осуществляют преобразование Фурье интерферограммы пробы, полученной двойным пучком (либо скорректированной на этапе 1 либо нескорректированной), преобразуя интерферограмму в спектр пробы, полученной двойным пучком.

3. Необязательный дальнейший этап в зависимости от осуществления этапа 1: осуществляют преобразование Фурье интерферограммы пробы, полученной одним пучком, при измерении пробы прямым пучком и при блокированном обратном пучке, что дает спектр пробы, полученный одним пучком.

4. Вычисляют логарифм спектра пробы, полученного двойным пучком, получая спектр псевдопоглощения пробы, полученный двойным пучком.

5. Необязательный дополнительный этап в зависимости от осуществления этапа 3: вычисляют логарифм спектра пробы, полученного одним пучком после вычитания этого спектра из спектра псевдопоглощения, полученного двойным пучком, что дает спектр поглощения, полученный двойным пучком.

6. Умножают спектр поглощения или псевдопоглощения на функцию масштабирования, что дает масштабированный спектр поглощения.

7. Вычитают средний спектр из масштабированного спектра поглощения, получая средний центрированный спектр поглощения.

8. Умножают каждую спектральную точку в среднем центрированном спектре поглощения на коэффициент регрессии.

9. Суммируют результаты этапа 8 по всем спектральным точкам, что дает прогноз концентрации исследуемого вещества в пробе.

Функция масштабирования, средний спектр и коэффициенты регрессии определяются на фазе калибровки. Фаза калибровки заключается в измерении двойным пучком ИК-Ф спектров проб с известными концентрациями исследуемого вещества. Функция масштабирования, средний спектр и коэффициенты регрессии определяют таким способом, который минимизирует разницу между известными концентрациями исследуемого вещества и концентрациями, прогнозируемыми по двойным спектрам ИК-Ф. Эти способы хорошо известны и включают метод дробных наименьших квадратов и метод регрессии главного компонента. Оба этих метода глубоко описаны в книге "Multivariate Calibration" Н.Martens and T.Naes, Wiley and Sons, New York (1989).

Вышеописанные устройства могут быть лабораторными аппаратами или миниатюризированными устройствами для полевого применения, например, в кабинете врача, домашнего применения и пр.

ПРИМЕНЕНИЕ

Предлагаемые способы и устройства применяются в различных областях, где требуется обнаружить и определить концентрацию одного или более исследуемых веществ в пробе с низкой проницаемостью. Предлагаемые способы и устройства применяются для обнаружения исследуемых веществ в пробах различных типов, таких как загрязняющие вещества или токсины в экологических пробах, например почвы и воды, токсины и патогены в сельскохозяйственных и пищевых продуктах, обнаружение примесей в промышленной продукции и т.п. Одной из задач, представляющих особый интерес, является применение предлагаемых способов и устройств для исследования состава крови in vivo и ex vivo физиологической пробы, т.е. крови, ткани или их производных.

С помощью предлагаемых способов можно обнаружить множество веществ, к которым относятся алкоголь, формальдегид, глюкоза, глутаминовая кислота, глицерин, бета-гидроксибутират, L-лактат, лейцин, яблочная кислота, пировиноградная кислота, стероиды, аскорбиновая кислота, ацетон и другие кетоновые тела, фолат, аммиак, билирубин, креатинин, гемоглобины, липиды, фенилаланин, протеины (включая альбумин и глобулины), триглицериды, мочевину, а также лекарственные и наркотические вещества. Хотя в принципе предлагаемые способы могут использоваться для обнаружения и часто определения концентрации исследуемого вещества в различных физиологических пробах, таких как моча, слезы, слюна и т.п., они особенно пригодны для определения концентрации исследуемого вещества в крови или во фракциях крови, или в ткани, или фракциях ткани.

Одной из задач, вызывающих особый интерес, является применение предлагаемых способов и составов для обнаружения и определения концентрации глюкозы в пробах ткани in vivo или ex vivo.

Обнаружение веществ в крови по предлагаемым способам применяется для решения различных медицинских задач, включая диагностику и лечение заболеваний и т.п.

Нижеследующие примеры приводятся для иллюстрации и не являются ограничивающими.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ

I. Обнаружение исследуемого вещества в слаборассеивающей водной пробе

Для пробы со слабым рассеиванием и сильным поглощением, такой как водный раствор исследуемых веществ (например, плазма крови), можно использовать взаимодействие с излучением ближнего или среднего инфракрасного диапазона, при этом и прямой и обратный пучки можно использовать в режиме передачи. Например, сравнивались возможности однолучевого (уровень техники) и двухлучевого ИКФС для водных проб, содержащих три физиологически значимых вещества: креатинина, глюкозы и мочевины.

Конфигурация прибора, использовавшегося для проведения экспериментов, показана на фиг.3. Коммерческий однолучевой ИК-Ф спектрометр (Perkin Elmer Spectrum 2000) был модифицирован так, чтобы работать в качестве двухлучевого прибора. Прибор находился в атмосфере (21+/-1С°, относительная влажность 40+/-5%). 50% перфорированный ответвитель (Oriel Instruments, модель 38106) использовался для разделения прямого и обратного пучков. Прямой пучок также отражался от 50% перфорированного ответвителя для выравнивания интенсивности двух пучков. Покрытые золотом параболические рефлекторы фокусировали прямой и обратный пучки на ячейке с пробой и эталонной ячейке соответственно. Ячейка с пробой и эталонная ячейка имели длину 0,5 мм, определяемую расстоянием между окнами из супрасила кварца (quartz suprasil). Температура ячеек с пробой и эталоном поддерживалась на уровне 22+/-0,1°С. Для коллимации прямого и обратного пучков использовались покрытые золотом параболические рефлекторы. Затем два пучка объединялись с помощью 50% перфорированного ответвителя и фокусировались на детекторе из InSb (диаметр активной зоны 7 мм, охлажден до 77К) с помощью силиконовой линзы (диаметр 2 дюйма, фокусное расстояние приблизительно 25 мм).

Постоянная составляющая сигнала отбрасывалась, а переменная составляющая усиливалась для почти полного заполнения АЦП. Отношение нуля для этой серии экспериментов составило приблизительно 40:1. Таким образом, усиление, необходимое для заполнения АЦП сигналом от двойного пучка, было приблизительно в 40 раз больше, чем для сигнала от одного пучка. Интерферограммы одного пучка и двойного пучка чередовались для каждой пробы. Спектр обрабатывался в соответствии с методом (включая необязательные этапы), описанным в разделе «УСТРОЙСТВА».

Пробы состояли из 27 растворов, содержащих креатинин, мочевину и глюкозу, растворенных в воде с тремя различными уровнями концентрации (креатинин - 370, 650 и 930 мг/дл; мочевина - 230, 585 и 940 мг/дл; глюкоза - 0, 250 и 500 мг/дл). Эталонная ячейка содержала чистую воду. Измерения проводились по всему комплекту из 27 проб один раз в день в 3 различных дня. Эти три дня измерений были разбросаны на периоды приблизительно 7 недель. Пробы, содержащие чистую воду, использовались как фоновые пробы. Фоновые пробы измерялись в начале и в конце измерений каждого из 27 растворов. Эти 27 растворов освежались и измерялись в случайном порядке в каждый день проведения экспериментов.

Оптическое поглощение тремя исследуемыми веществами по сравнению с водой невелико. В результате однолучевой спектр 27 проб на глаз почти неразличим. В отличие от этого двухлучевой спектр, из которого в силу оптического обнуления были в значительной степени удалены спектр излучения лампы и эффекты поглощения воды, показал четкие и очевидные изменения спектра при изменении концентрации исследуемого вещества. На фиг.4А и 4В соответственно показаны однолучевой и двухлучевой спектры в области 4000-5000 см^-1 для трех проб, для которых концентрации креатинина и мочевины была фиксированной на самом низком уровне, а концентрация глюкозы менялась между тремя уровнями. Область максимального спектрального изменения при изменении концентрации глюкозы (4700 см^-1) соответствует известной полосе поглощения глюкозы в воде.

Для анализа предиктивного содержания спектра NIR в спектральной области 4000-8000 см^-1 использовался метод дробных наименьших квадратов. Прогноз содержания исследуемого вещества в данный экспериментальный день давался по одной пробе с использованием остальных 26 проб для калибровки. После проведения таким образом ротации всех 27 проб были получены рабочие характеристики с «перекрестной оценкой». Прогнозы концентрации глюкозы для спектра, полученного в однолучевом и двухлучевом режимах, показаны на фиг.5. Стандартная ошибка прогноза (СОП) (т.е. стандартная ошибка прогноза есть корень квадратный среднеквадратичной разницы между прогнозной и эталонной концентрациями) для глюкозы по двухлучевому и однолучевому спектру составила 11,3 и 22,8 мг/дл соответственно. Помимо повышения точности прогноза по сравнению с однолучевым ИКФС модель калибровки двухлучевого ИКФС была значительно проще. Это видно по кривой СОП против количества факторов в модели дробных частичных квадратов (фиг.6). В лучшей двухлучевой модели калибровки использовалось лишь 5 факторов, тогда как однолучевая модель калибровки и при 13 факторах не достигла минимальной величины СОП.

Прогноз содержания исследуемого вещества за несколько дней оценивался с использованием данных за первый день в качестве калибровочного набора для прогноза в два последующих дня. Результаты для однолучевого и двухлучевого способов при 12 и 4 факторах соответственно сведены на фиг.7А и 7В. В итоге по сравнению с однолучевой ИКФС двухлучевые способы показывают лучшую способность прогнозирования концентрации исследуемого вещества в водном растворе как за короткий (тот же день), так и длительный период (более 7 недель).

II. Обнаружение глюкозы в ткани

Для сильнорассеивающей пробы, содержащей слабопоглощающее исследуемое вещество, например глюкозу в ткани млекопитающих, можно использовать прямой или измерительный пучок - в режиме отражения, а обратный или эталонный пучок - в режиме передачи.

Конфигурация прибора, использовавшегося для проведения таких измерений, показана на фиг.2. Для разделения пучка на прямой и обратный пучки можно использовать тонкую пластинку из фторида кальция. Поскольку большая часть излучения будет потеряна в сильнорассеивающей ткани, 96% общей пропускной способности интерферометра используется для прямого пучка, а остальные 4% - для обратного пучка, который пропускается через эталонную ячейку.

Температуру эталонной ячейки необходимо поддерживать на той же величине, что и температуру измеряемой ткани, поскольку спектр воды в ближней инфракрасной области очень чувствителен к температуре. Для любого из пучков или для обоих пучков можно использовать аттенюатор для балансировки энергии на детекторе. Прямой пучок фокусируется линзой из фторида кальция на входе пучка оптических волокон. Этот пучок оптических волокон направляет прямой пучок, например, на предплечье обследуемого человека. На поверхности ткани с входными волокнами чередуются выходные волокна, которые направляют рассеянное и частично поглощенное излучение на детектор. У детектора с выходными волокнами чередуются волокна эталонного (обратного) пучка, которые направляют на детектор излучение, прошедшее через эталонную ячейку. Детектор выбирается таким, чтобы его площадь была чуть больше общей площади, освещаемой чередующимися выходными волокнами. Таким образом, измерительный и эталонный пучки объединяются непосредственно на поверхности детектора для обнуления.

Затем постоянная составляющая сигнала электронными средствами удаляется, а переменная составляющая усиливается для почти полного заполнения АЦП. Нулевое отношение может легко достигать 20:1, даже если измерительный пучок состоит из рассеянного излучения от ткани, а эталонный пучок состоит из излучения, прошедшего без какого-либо рассеивания через эталонную ячейку. Усиление, необходимое для заполнения АЦП двухлучевым сигналом, может быть в 20 раз больше, чем усиление для однолучевого сигнала. Калибровка осуществляется путем измерения нулевого спектра объектов со случайным, но известным уровнем глюкозы так же, как и калибровка при использовании растворов, описанная выше.

Из приведенных выше результатов и описания очевидно, что предлагаемое изобретение является важным прорывом в применении ИКФС для обнаружения исследуемых веществ. Более конкретно предлагаемые способы и устройства преодолевают существующие проблемы, встречающиеся при ИКФС-обнаружении глюкозы в ткани, такие как проблемы с дрейфом прибора, необходимость применения сверхвысокоточных АЦП и т.п. Важно, что предлагаемые способы и устройства позволяют проводить точное бесконтактное измерение веществ, присутствующих в крови, например глюкозы. Таким образом, настоящее изобретение представляет собой существенный вклад в эту область.

Все публикации и патенты, процитированные в настоящем описании, включены в него путем отсылки, как если бы каждая отдельная публикация и патент были конкретно и индивидуально указаны как включенные путем отсылки. Цитаты из любой публикации берутся на момент до даты подачи и не должны толковаться как допущение, что настоящее изобретение не может предшествовать таким публикациям.

Хотя некоторые детали настоящего изобретения описаны со ссылками на иллюстрации и примеры для большей ясности и облегчения понимания, специалистам очевидно, что в него могут быть внесены некоторые изменения и модификации, не выходящие за пределы прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к измерительной технике. Предлагаются способы, в которых создают или вводят в интерферометр прямой пучок и обратный пучок от, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения. Прямой пучок пропускают сквозь пробу и собирают для получения измерительного пучка, а обратный пучок пропускают сквозь эталон для получения эталонного пучка. Измерительный и эталонный пучки либо объединяют оптическими способами для получения нулевого пучка, который детектируется на единственном детекторе, либо обнуляют электронными способами после детектирования на двух отдельных детекторах. Затем по нулевому пучку определяют наличие и часто количество, по меньшей мере, одного исследуемого вещества в пробе. Также предлагаются устройства для реализации указанных способов. Технический результат - возможность обнаружения и определения количеств одного или более веществ в крови и в физиологической пробе, такой как кровь, ткань и их производные. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ определения концентрации исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью, при котором обеспечивают пробу с низкой проницаемостью, формируют прямой и обратные пучки путем прохождения указанной пробы с низкой проницаемостью через излучение, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения, используют указанные прямой и обратные пучки для формирования измерительного пучка от пробы с малой проницаемостью и эталонного пучка от эталона, получают нулевой сигнал из измерительного и эталонного пучков и определяют присутствие исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью по полученному нулевому сигналу.2. Способ по п.1, в котором осуществляют формирование прямого и обратного пучков от одного источника инфракрасного излучения.3. Способ по одному из п.1, в котором осуществляют формирование прямого и обратного пучков от двух источников инфракрасного излучения.4. Способ по одному из пп.1, 2 или 3, в котором нулевой сигнал формируют оптическим способом путем объединения измерительного и эталонного пучков до детектирования на единственном детекторе.5. Способ по одному из пп.1-3, в котором нулевой сигнал формируют электронными средствами после детектирования измерительного и эталонного пучков на двух отдельных детекторах.6. Способ по одному из пп.1-3, в котором проба с низкой проницаемостью является, по меньшей мере, одной из проб с высокой отражающей способностью или с высокой поглощающей способностью.7. Способ по п.6, в котором пробой является физиологическая проба.8. Способ по п.7, в котором физиологическая проба выбирается из группы, включающей кровь, ткань или их производные.9. Способ по одному из пп.1-3, в котором эталон содержит воду.10. Способ по одному из пп.1-3, в котором исследуемым веществом является глюкоза.11. Двухлучевой инфракрасный спектрометр для определения концентрации исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью, содержащий устройство для формирования прямого пучка и обратного пучка от, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения при прохождении указанной пробы с низкой проницаемостью через излучение указанного, по меньшей мере, одного источника инфракрасного излучения, устройство для формирования измерительного пучка и эталонного пучка из указанных прямого и обратного пучков, устройство для получения нулевого сигнала из измерительного и эталонного пучков и устройство для определения присутствия исследуемого вещества в пробе с низкой проницаемостью по полученному нулевому сигналу.