Способ просмотра и анализа результатов диагностики на основе дифракции - RU2321842C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение, в общем, относится к области детектирования аналитов в среде и, более конкретно, настоящее изобретение относится к способам просмотра и/или анализа диагностических устройств на основе дифракции, которые позволяют указывать на наличие аналита в среде.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует множество систем и устройств, позволяющих обнаруживать самые разные аналиты в различных средах. Большая часть этих систем и устройств являются относительно дорогостоящими и для выполнения на них тестов требуется квалифицированный персонал. Существует множество случаев, в которых было бы предпочтительно обеспечить возможность быстрого и не дорогостоящего определения наличия аналита. Необходимо разработать систему, которая была бы простой и дешевой в производстве и которая позволяла бы обеспечить надежное и точное обнаружение аналитов.

В публикации Sandstrom и др., 24 Applied Optics 472, 1985, описано использование оптической подложки из кремния со слоем моноокиси кремния и слоя кремния, сформированных в виде диэлектрических пленок. В ней указано, что при изменении толщины пленки изменяются свойства оптической подложки с получением различного цвета, в зависимости от толщины пленки. Толщина пленки связана с наблюдаемым цветом, и пленка, сформированная поверх оптической подложки, может производить видимое изменение цвета. Авторы указывают, что можно использовать математическую модель для определения количественных характеристик изменения цвета и что "расчеты, выполненные с использованием компьютерной модели, показывают, что при использовании многослойной структуры оптические характеристики улучшаются очень незначительно..., но биослой на подложке изменяет степень отражения таких структур очень незначительно, поскольку оптические свойства, в основном, определяются границей перехода внутри многослойной структуры. Наиболее чувствительная система для детектирования биослоев представляет собой однослойное покрытие, в то время как в большинстве других вариантов применения рабочие характеристики могут быть улучшены с помощью дополнительных слоев диэлектрика".

В публикации Sandstrom и др. далее указано, что слайды, сформированные из окислов металлов, имеют некоторые недостатки, и что присутствие ионов металла также может быть пагубным для многих вариантов биохимического применения. Авторы указывают, что идеальная верхняя диэлектрическая пленка имеет толщину 2-3 нанометра из двуокиси кремния, которая спонтанно образуется, когда слой моноокиси кремния осаждают в условиях окружающей атмосферы, и что слой двуокиси кремния толщиной 70-95 нанометров на слое толщиной 40-60 нанометров моноокиси кремния можно формировать на стеклянной или пластиковой подложке. В публикации также описано формирование клина из моноокиси кремния путем избирательного травления моноокиси кремния, обработки поверхности двуокиси кремния дихлородиметилсиланом и нанесением биослоя из антигена и антитела. С помощью такой клиновидной конструкции авторы публикации смогли определить толщину пленки с помощью эллипсометра, при этом отмечено, что "максимальный контраст был получен в области приблизительно 65 нанометров, где цвет интерференции переходит от фиолетового в голубой".

В американском патенте 5512131, авторы Kumar и др. описано устройство, которое включает полимерную подложку с металлическим покрытием. Слой рецептора, специфичного к аналиту, штампуют на подложке с покрытием. Это устройство используют в процессе маркировки или в качестве переключателя. Дифракционное изображение генерируется, когда аналит соединен с устройством. Затем для определения наличия дифракционного изображения, используют устройство визуализации, такое как спектрометр.

Однако устройство, описанное авторами Kumar и др., имеет несколько недостатков. Один недостаток состоит в том, что для просмотра дифракционного изображения требуется использовать сложное устройство визуализации.

В американском патенте №5482830, авторы Bogart и др., описано устройство, которое включает подложку с оптически активной поверхностью, проявляющей первый цвет при падении на нее света. Первый цвет определяют как спектральное распределение выходящего света. Подложка также проявляет второй цвет, который отличается от первого цвета (тем, что содержит комбинацию длин волн света, которые отличаются от комбинации, присутствующей в первом цвете, или имеет отличное спектральное распределение). Второй цвет проявляется в результате облучения тем же светом, когда на поверхности присутствует аналит. Изменение от одного цвета к другому можно измерять либо с использованием инструмента, либо не вооруженным глазом. Такое детектирование с использованием органов чувств представляет собой преимущество по сравнению с устройствами, описанными выше авторами Sandstrom и Nygren, и позволяет использовать коммерчески доступные и конкурентоспособные устройства.

Однако способ и устройство, описанные в патенте авторов Bogart и др. имеют несколько недостатков. Один недостаток состоит в высокой стоимости устройства. Другая проблема этого устройства состоит в трудности управления различными слоями, размещенными на пластине так, чтобы обеспечивалось надежное считывание информации.

В публикации WO 94/13835, авторы Bogdanski и др. описаны способ и система для детектирования макромолекул. Система включает пробу, представляющую собой модель заданных размеров так, что она преломляет свет в известный узор. После связывания макромолекулой (например, аналитом) положение пиков дифракции изменяется из-за наличия такой связи.

Таким образом, система должна включать более сложный детектор и устройство анализа для обнаружения изменений в узоре дифракции. Для сравнения, система на основе дифракции по изобретению обнаруживает формирование дифракционного узора или изображения так, что должно быть обнаружено только появление дифрагированного света. Поэтому один из недостатков способа и системы, описанных авторами Bogdanski и др., состоит в том, что требуется использовать более сложное устройство для обнаружения изменений в дифракционном узоре. Другой недостаток состоит в необходимости использования более сложных способов подготовки пробы, которые включают множество стадий с использованием фоторезиста и/или травления, выполняемых на хрупкой поверхности двуокиси кремния; причем эти способы не подходят для организации полномасштабного производства из-за высоких капитальных затрат.

В американском патенте №5196350, авторы Backman и др., описан способ оптического детектирования, в котором используют устройство иммунологического анализа вместе с шаблоном, который формирует дифракционный узор. Устройство иммунологического анализа помещают между шаблоном и источником света, так, что связь с аналитом создает изменение в дифракционном или интерференционном узоре, формируемом шаблоном. Таким образом, этот патент имеет аналогичные недостатки, что и патент автора Bogdanski, поскольку в нем используют способ, основанный на детектировании изменений дифракционного узора, а не его формирование в результате соединения. Это делает анализ более сложным, поскольку такие изменения являются более тонкими, чем простое определение с результатом "да/нет" наличия дифракционного изображения, формируемого в присутствии аналита.

В американском патенте №4992385 авторов Godfrey и др., описан способ приготовления дифракционной решетки с тонкой полимерной пленкой, для последующего использования в качестве чувствительного элемента. Затем во время анализа с использованием такого чувствительного элемента требуется использовать спектрофотометрическую технику для определения изменений оптических свойств элемента в результате связывания с аналитом. Таким образом, так же, как и в предыдущих двух патентах, в этом патенте также требуется использовать более сложный способ детектирования, поскольку он должен определять изменение дифракционного узора вместо простого формирования узора в результате присутствия аналита.

В некоторых коммерческих технологиях применяют технологию латексной капли. Эти технологии используют в настоящее время во многих коммерчески доступных диагностических наборах для домашнего применения (например, в наборах для определения беременности и овуляции). В таких наборах используют цветные капли, собирающиеся в определенной "зоне захвата", пока количество этих капель не становится видимым невооруженным глазом. Однако эти системы не обладают требуемой чувствительностью для тестирования многих аналитов, поскольку требуется обеспечить соединение большего количества латексных капель в зоне захвата, с тем, чтобы их можно было видеть невооруженным глазом, чем требуется для дифракции в зоне того же размера. Теоретически необходимое количество капель на 2-3 порядка больше, чем количество капель, требуемое для датчиков по изобретению.

Ряд новых изобретений был направлен на использование биочувствительных устройств для обнаружения аналитов. Некоторые из этих биочувствительных элементов содержат самособирающийся монослой, который используют для обнаружения аналитов. Устройства этих типов описаны в американских патентах №5922550 и 6060256. Другие устройства, имеющие самособирающийся монослой, в которых используют технологию микрочастиц, используют для обнаружения меньших количеств аналитов, как описано в американском патенте №6221579 В1. Наконец, были предложены чувствительные элементы, в которых используются материалы "не обладающие свойствами самособирания" и которые обеспечивают формирование дифракционного узора, который можно видеть невооруженным глазом. Устройство этого типа описано в американском патенте №09/213,713, однако, настоящее изобретение улучшает простоту использования и/или точность этих биочувствительных устройств, поскольку, в общем, обеспечивает более быструю и более точную интерпретацию результатов этих устройств.

В соответствии с этим необходимо разработать устройство для анализа, которое можно использовать с различными системами диагностики на основе дифракции для улучшения быстрого и точного определения наличия аналита. Кроме того, необходимо разработать способ использования устройства анализа для быстрого и точного определения наличия аналита в заданном образце.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает систему и способ просмотра и/или анализа результатов систем диагностики на основе дифракции, которые являются более быстрыми и более точными, и/или более простыми в применении, чем способы и системы, в которых требуется применять сложные устройства визуализации. Настоящее изобретение можно использовать с рядом различных систем и способов диагностики для улучшения эффективности и/или расширения вариантов использования этих устройств при обнаружении меньших количеств аналитов, которые нельзя обнаружить с помощью только диагностической системы.

В соответствии с этим одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции.

Настоящее изобретение, предпочтительно, также обеспечивает систему просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции.

Предпочтительно, настоящее изобретение также обеспечивает способ просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции с использованием устройства, которое обеспечивает результаты, независимые от зрения пользователя.

Кроме того, настоящее изобретение, предпочтительно, обеспечивает способ просмотра и/или анализа результатов диагностической системы на основе дифракции, который регулярно обеспечивает точные результаты и снижает уровень ошибки.

Настоящее изобретение также, предпочтительно, обеспечивает способ просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции, которой можно автоматически управлять.

Предпочтительно, настоящее изобретение также обеспечивает систему просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции с использованием устройство анализа, которая позволяет хранить предыдущие результаты в запоминающем устройстве, при этом позволяя пользователю просматривать результаты, полученные для предыдущих образцов.

Кроме того, настоящее изобретение, предпочтительно, обеспечивает систему просмотра и/или анализа результатов системы диагностики на основе дифракции, которая позволяет обеспечить удаленный доступ к данным.

В настоящем изобретении достигается, по меньшей мере, одна из этих целей путем создания нового устройства просмотра и/или анализа, которое можно использовать совместно с диагностическими системами на основе дифракции для определения наличия аналита в данном образце. Устройство просмотра и/или анализа можно использовать для определения наличия аналита в образце путем просмотра и/или анализа, или для определения того, было ли сформировано дифракционное изображение из-за присутствия аналита при вводе в систему диагностики.

Кроме того, устройство просмотра и/или анализа можно использовать для количественного или полуколичественного анализа. Устройства, описанные в документах, ссылки на которые приведены выше, могут быть получены путем печати реактивов, которые соединяются, реагируют или другим образом связываются на поверхности с представляющим интерес аналитом и обозначаются здесь как "связующее вещество". Реактивы, которые связываются, реагируют или другим образом соединяются с аналитом, представляющим интерес, обозначаются здесь как связующее вещество и могут включать любые химические вещества, соединения, составы, компоненты, частицы и т.д., которые соединяются, реагируют или другим образом связываются с представляющим интерес аналитом.

Предпочтительно, связующее вещество является специфическим к представляющему интерес аналиту или классу представляющих интерес аналитов и не соединяется, не реагирует или в существенной степени не связывается другим образом с другими химическими веществами, которые могут присутствовать в образце, представляющем интерес.

Обычно связующее вещество наносят посредством печати на подложку, например, пластиковую пленку, с использованием определенной структуры, так, что пленка с напечатанным на ней связующим веществом не приводит к дифракции электромагнитного излучения, когда электромагнитное излучение отражается от пленки или проходит через пленку с напечатанным на ней связующим веществом, но приводит к дифракции электромагнитного излучения после того, как пленка с напечатанным на ней связующим веществом подвергается воздействию аналита, и аналит связывается, реагирует или другим образом соединяется со связующим веществом. В качестве альтернативы, пленка или поверхность с напечатанным на ней связующим веществом, могут проявлять измеримое увеличение или уменьшение степени дифракции после воздействия аналита. Например, на пленку посредством печати может быть нанесено связующее вещество, так что пленка с напечатанным связующим веществом первоначально производит дифракцию света, но не производит дифракцию света или приводит к меньшей степени дифракции, когда аналит соединяется, связывается или другим образом реагирует с поверхностью, на которой напечатано связующее вещество. В другом примере на пленку посредством печати может быть нанесено связующее вещество так, что пленка с напечатанным на ней связующим веществом первоначально производит дифракцию света, но образует дифракцию света в измеримо большей степени, когда аналит соединяется, связывается или другим образует реагирует с поверхностью, на которой напечатано связующее вещество. Присутствие аналита можно определить по измеримому изменению дифракции света, который проходит через поверхность подложки или отражается от нее.

Обычно аналит может представлять собой определенное стимулирующее вещество, включая любые химические или биологические вещества, соединения, составы, компоненты, частицы и т.д., которые могут связываться, реагировать или другим образом соединяться со связующим веществом, или на которые может реагировать связующее вещество, но не ограничивается ими. Аналиты, которые рассматриваются как детектируемые, включают: бактерии, дрожжи, грибки, вирусы, протозоа или антигены, специфические к этим микроорганизмам, ревматоидный фактор, антитела, включая, без ограничений антитела IgG, IgM, IgA и IgE, онкофентальный антиген, антиген стрептококка группы А, вирусные антигены, антигены, связанные с аутоиммунными заболеваниями, аллергены, опухолевые антигены; антиген стрептококка группы В, антиген ВИЧ I или ВИЧ II, или реакция хозяина (антитела) на эти и другие вирусы, антиген, специфический к респираторно-синцитиальному вирусу (RSV) или реащии хозяина (антителам) на вирус, антиген, фермент, гормон, полисахарид, белок, липид, углевод, лекарственное средство или нуклеиновую кислоту, разновидности сальмонеллы; разновидности бактерий Candida, включая, без ограничения Candida albicans и Candida tropicalis, разновидности сальмонеллы, Neisseria meningitides групп А, В, С, Y и W sub 135, Streptococcus pneumoniae, E. coli K1, Haemophilus influenza типа В, антиген, получаемый из микроорганизмов, гаптен, лекарственное средство при неправильном употреблении, терапевтическое лекарственное средство, агент окружающей среды, антигены, специфические к гепатиту и т.д. но не ограничиваются ими.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - вид в перспективе устройства для просмотра по одному варианту выполнения изобретения.

Фиг.2 - вид в перспективе устройства для просмотра по другому варианту выполнения изобретения.

Фиг.3 - схематичный вид анализирующего устройства по одному варианту выполнения изобретения.

Фиг.4 - схематичный вид шаблона, используемого для измерения интенсивности света дифракционного изображения нулевого и первого порядка, который представляет собой массив х, у.

Фиг.5 - схематичный вид шаблона, используемого для измерения интенсивности света дифракционного изображения второго порядка, который представляет собой массив х, у.

Фиг.6 - схематичный вид шаблона, используемого для измерения интенсивности света дифракционного изображения третьего порядка, который представляет собой массив х, у.

Фиг.7 - схематичный вид шаблона, используемого для измерения интенсивности света дифракционного изображения четвертого порядка, который представляет собой массив х, у.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает устройство для анализа, систему и способ просмотра и/или анализа результатов систем диагностики на основе дифракции. Настоящее изобретение можно использовать с различными устройствами и системами диагностики для повышения эффективности и/или расширения вариантов применения этих устройств, благодаря обеспечению быстрого и точного обнаружению аналитов, выполняемому с помощью способа, который обеспечивает простоту использования для пользователя.

Настоящее изобретение, прежде всего, направлено на устройство просмотра, в котором используют источник света для пропускания света через образец или отражения от образца, соединенного с устройством просмотра. Если аналит соединен с чувствительным элементом на основе дифракции, пропускаемый или отраженный свет будет формировать дифракционное изображение или узор. Это изображение можно просматривать непосредственно невооруженным глазом. Или это изображение можно проецировать на экран, что позволяет пользователю определять наличие дифракции.

Настоящее изобретение также обеспечивает устройство для анализа, в котором используют алгоритм или последовательность алгоритмов и/или компьютерное программное обеспечение для анализа чувствительного элемента на основе дифракции, для определения присутствия аналита или аналитов на чувствительном элементе и, таким образом, присутствия аналита в проверяемом образце. Хотя чувствительный элемент на основе дифракции можно использовать без устройства анализа, такое устройство анализа, предпочтительно, позволяет получить результаты более быстро, более просто и/или более точно, чем без использования устройства анализа.

Используемый алгоритм или алгоритмы были разработаны на основе параметров системы, в которой используется такое устройство анализа. Кроме того, если используют программный элемент, он может быть отрегулирован, в случае необходимости, так, что устройство анализа становится более простым и/или более точным при определении присутствия аналита в образце.

Устройство анализа, предпочтительно, преобразует дифракционное изображение от образца в результат "да/нет" для пользователя. Таким образом, пользователь не обязательно должен рассматривать дифракционное изображение, но он будет видеть дисплей, представляющий пояснение: например, "аналит присутствует", "аналит отсутствует" или "ошибка". Варианты устройства анализа включают генераторы слышимого тона, загорающиеся лампочки, светодиоды или дисплеи на основе ЖКИ, предназначенные для индикации результатов; принтер для получения распечаток результатов; запоминающее устройство для записи предыдущих результатов; или другие функции, такие как нагрев или перемешивание, которые можно использовать, помимо прочего, для улучшения результатов проверки, повышения надежности и/или удобства.

Помимо устройства просмотра и/или анализа настоящее изобретение также включает способ обнаружения аналита с использованием устройства просмотра и/или анализа. Как описано в настоящем описании, в устройстве анализа можно использовать алгоритм или алгоритмы, и/или программный элемент для определения присутствия аналита в данном образце.

Кроме того, настоящее изобретение включает систему детектирования аналита с использованием чувствительного элемента на основе дифракции и устройства просмотра или анализа. Как описано в настоящем описании, в устройстве анализа можно использовать алгоритм или алгоритмы, и/или программный элемент для определения присутствия аналита в данном образце.

Настоящее изобретение также включает замену сложных устройств визуализации известного уровня техники, таких, как спектрометры, которые использовали до настоящего времени в некоторых системах на основе дифракции. При этом пользователь, вместо использования сложного устройства визуализации, такого как спектрометр, в настоящем изобретении использует простое устройство просмотра, которое позволяет пользователю видеть дифракционное изображение, или устройство для анализа, которое отображает легко интерпретируемый сигнал, в зависимости от присутствия аналита и обеспечивает простую интерпретацию результатов. Устройство для анализа работает на основе использования средства сбора света от создающих дифракцию образцов и, в случае, когда происходит дифракция достаточного количества света, это приводит в действие устройство для обнаружения присутствия аналита. Такое небольшое устройство также может повысить точность, поскольку оно обеспечивает возможность калибровки результатов так, что количество ложных положительных результатов может быть снижено. Это может быть обеспечено путем разработки блока, который блокирует слабые сигналы видимой дифракции с использованием некоторых элементов управления. При этом обеспечивается детектирование образующих большую степень дифракции, действительно положительных результатов.

Настоящее изобретение основано на использовании чувствительных элементов на основе дифракции. Как в системе, так и в способах в соответствии с настоящим изобретением предполагается использовать устройство для анализа с этими чувствительными элементами на основе дифракции для расширения возможностей применения этих устройств. Существует большое количество различных типов чувствительных элементов на основе дифракции и при этом предусматривается, что устройство для анализа по изобретению можно использовать с любыми из этих чувствительных элементов на основе дифракции.

Предполагается, что используемый здесь термин "чувствительный элемент на основе дифракции" включает любой чувствительный элемент, который после связывания аналита с этим элементом производит дифракцию пропускаемого или отражаемого света с формированием дифракционного изображения. Чувствительный элемент на основе дифракции предпочтительно не производит дифракцию света при отсутствии аналита, но действительно производит дифракцию света в присутствии аналита. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что измерение различий между двумя или несколькими дифракционными изображениями также можно использовать для обнаружения присутствия аналита по изобретению. Для специалистов в данной области техники также будет понятно, что чувствительный элемент на основе дифракции может включать первое дифракционное изображение и, после того, как аналит будет связан с устройством, второе, не дифракционное изображение.

Чувствительные элементы на основе дифракции, используемые по изобретению, обычно содержат подложку, на которую помещают материал, который соединяется с выбранным аналитом. Другие элементы могут быть использованы для улучшения эффективности чувствительных элементов на основе дифракции, таких как дополнительные покрытия, блокирующие слои, элементы, улучшающие дифракцию и т.д.

В соответствии с этим один из объектов изобретения включает устройство для просмотра, которое позволяет пользователю легко интерпретировать присутствие аналита в системе благодаря обеспечению возможности визуальной проверки пользователем присутствия дифракционного изображения. Устройство для просмотра обычно включает средство для удержания чувствительного элемента на основе дифракции, средство для пропускания света через чувствительный элемент или отражения от него и, возможно, корпус для установки средства для удержания и средства для передачи света. Устройство для просмотра также может включать средство для включения света и средство для более простой проверки присутствия дифракционного изображения, такое как проекционный экран.

На фигурах 1 и 2 представлены два возможных варианта выполнения устройства для просмотра по изобретению. На фигуре 1 устройство 100 для просмотра включает корпус 110, который содержит источник света (не показан). В качестве источника света можно использовать свет лазера, светодиоды, лампочку или любые другие средства, позволяющие генерировать свет. Корпус содержит отверстие 120, через которое может смотреть пользователь. Корпус 110 содержит щель 130 или другое средство, в которое устанавливают рассматриваемый образец. Образец также можно удерживать на месте с использованием зажимов, гнезда или другого подходящего средства. Источник света может включаться автоматически, когда образец помещают в щель 130, или для включения источника света можно использовать кнопку 140 или другое средство. Затем свет либо пропускают через образец, либо свет отражается от него. Пользователь устройства может затем просто смотреть через отверстие 120. Если аналит присутствует, пользователь будет видеть дифракционную картину, и если аналит отсутствует, то пользователь будет видеть только источник света.

На фигуре 2 представлен альтернативный вариант выполнения устройства для просмотра по изобретению. Устройство 200 для просмотра включает корпус 210, источник света (не показан) и щель 230 или другое средство для удержания образца, а также кнопку 240 или другое средство включения источника света. Однако вместо отверстия 120, используемого по Фиг.1, устройство 200 для просмотра содержит экран 250, на который проецируется пропускаемый или отраженный свет. При использовании устройства источник света включают, и свет затем либо проходит через образец, либо отражается от него. При наличии аналита пользователь будет видеть дифракционную картину, проецируемую на экран 250, и если аналит отсутствует, то пользователь будет видеть только источник света, проецируемый на экран 250.

В качестве дополнительного компонента устройства для просмотра, описанного выше, используют непрозрачный объект (например, маску) для блокирования луча света с дифракцией нулевого порядка или без дифракции. В результате пользователь будет видеть только порядки дифракции, если аналит присутствует, и не будет видеть свет вообще, при отсутствии аналита.

Вместо использования устройства просмотра, которое позволяет пользователю видеть с помощью невооруженного глаза, была ли сформирована дифракционная картина, настоящее изобретение также может быть направлено на устройство для анализа, которое позволяет пользователю с помощью чувствительного элемента на основе дифракции более быстро и эффективно определять присутствие аналита в данном образце. Хотя пользователь чувствительного элемента на основе дифракции может определять присутствие аналита с использованием невооруженного глаза, устройство для анализа предназначено либо для подтверждения определения, сделанного пользователем, или для исходного определения с возможным подтверждением пользователем, с помощью невооруженного глаза, в зависимости от возможностей пользователя и/или типа генерируемого дифракционного изображения.

Если устройство для анализа используют отдельно или его используют для исходного определения присутствия аналита в образце, тогда алгоритмы дифракции обычно используют для установки стандартов, по которым определяют положительный результат, указывающий на присутствие аналита, или отрицательный результат, указывающий на отсутствие аналита. Тип используемого алгоритма, помимо прочего, может быть определен с учетом различных факторов, по отдельности или в комбинации, включающих, без ограничений, детектируемый аналит, тип используемого чувствительного элемента на основе дифракции, испытуемый образец, генерируемую дифракционную картину, размер элементов дифракционного изображения, размер дифракционного изображения и/или элементов, и/или формы этого изображения, тип используемого устройства анализа, требуемый уровень чувствительности и всю систему, в которой используется данное устройство. В соответствии с этим представленные здесь алгоритмы предназначены только для использования в качестве представительных примеров алгоритмов, которые можно использовать в настоящем изобретении. Предполагается, что можно использовать другие алгоритмы, если только они позволяют определять присутствие аналита с использованием чувствительного элемента на основе дифракции с обеспечением требуемой точности и надежности. Кроме того, предпочтительно, такие алгоритмы позволяют быстро определять присутствие аналита, хотя обеспечение соответствующей точности является более предпочтительным.

Структура устройства для анализа может изменяться с учетом одного или нескольких факторов, включая, помимо прочего, без ограничений, детектируемый аналит, тип используемого чувствительного элемента на основе дифракции, проверяемый образец, генерируемое дифракционное изображение, требуемый уровень чувствительности и всю систему, в которой используют устройство. В общем случае, устройство для анализа включает корпус для установки в нем составляющих компонентов, средство освещения чувствительного элемента на основе дифракции таким образом, что генерируется дифракционное изображение, средство измерения количества дифрагированного света и/или недифрагированного света, средство преобразования результата измерения, поступающего от средства измерения количества получаемого дифрагированного света в результат, указывающий на присутствие или отсутствие аналита, и/или средство для информирования пользователя о присутствии аналита в образце.

Средство для освещения чувствительного элемента на основе дифракции таким образом, что генерируется дифракционное изображение, может включать источник света или несколько объединенных источников света. Предпочтительно, используют источник света. В качестве источника света можно использовать источник, установленный внутри корпуса (например, светодиод, лазерный диод или галогенную лампу), или внешний источник (например, естественное освещение). Кроме того, источник света может быть источником света видимого спектра или невидимого для глаза человека. Источник света выбирают таким образом, что устройство для анализа позволяет обнаружить наличие дифракции света, из-за присутствия аналита на чувствительном элементе на основе дифракции. Предполагается, что светодиод, лазер или любой фокусируемый источник света будет наиболее предпочтительным источником света в соответствии с настоящим изобретением, хотя также можно использовать другие источники света. Кроме того, свет от источника света может проходить непосредственно через чувствительный элемент на основе дифракции или свет от источника света может освещать поверхность устройства, обычно под углом, так, что дифракционное изображение отражается от поверхности.

В качестве средства измерения количества дифрагированного света и/или недифрагированного света в устройстве для анализа можно использовать один или несколько фотодетекторов. Возможные фотодетекторы включают фотоэлектрические или фотопроводящие полупроводниковые переходы (фотодиод), болометры или пироэлектрические детекторы. Детекторы могут быть расположены по отдельности или в виде матрицы с мультиплексированием (таких, как приборы с зарядовой связью или наборы чувствительных элементов и с интерфейсом на основе КМОП (CMOS - комплементарных металлооксидных полупроводников)).

В предпочтительных вариантах выполнения устройство для анализа содержит микропроцессор или аналогичное устройство, используемое в качестве средства преобразования результатов измерений средством измерения количества дифрагированного света, в результат, указывающий на присутствие или отсутствие аналита.

После того, как будет определен положительный или отрицательный результат, этот результат может быть представлен пользователю через средство информирования пользователя о наличии аналита в образце. Это средство, предпочтительно, содержит дисплей или аналогичные средства, позволяющие информировать пользователя. Дисплей может представлять собой любой стандартный дисплей, такой как жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Дисплей, возможно, может отображать дифракционное изображение, что позволяет пользователю видеть наличие дифракции. Или дисплей может просто предоставлять сообщение, такое, как "да" или "нет", или "аналит присутствует", или "аналит отсутствует", или некоторое аналогичное сообщение, которое позволяет пользователю узнавать, присутствует ли аналит в образце без необходимости интерпретации самим пользователем наличия дифракции, что снижает ошибку человека. В другом варианте выполнения, в случае ошибки или, если устройство анализа не позволяет определить присутствие аналита, сообщение об этом может быть отображено на дисплее.

В качестве альтернативы, для формирования сигнала о присутствии аналита можно использовать, по меньшей мере, один световой индикатор. Например, такой световой индикатор будет загораться только тогда, когда аналит присутствует или отсутствует, в зависимости от требуемых установок. В качестве альтернативы, можно использовать два или большее световых индикаторов, причем на одном написано "да", и на другом написано "нет", и устройство анализа может включать соответствующий световой индикатор. Или световые индикаторы могут представлять закодированные с использованием цвета сообщения, так, что один цвет, такой, как зеленый, можно использовать для указания того, что аналит присутствует, в то время как второй цвет, например, красный, можно использовать для указания того, что аналит отсутствует.

Устройство для анализа может дополнительно включать один или несколько дополнительных элементов, которые позволяют пользователю более точно и/или быстро определять присутствие аналита. Например, устройство для анализа может включать средство для удержания образца на месте так, что может быть получен более точный результат или может быть более быстро определено присутствие аналита. Такое средство может включать гнездо, зажимы, щель или любое другое аналогичное средство, позволяющее удерживать образец на месте.

Устройство для анализа также может содержать средство направления, фокусирования и/или усиления источника света. Это средство может отражать свет, как описано выше, или может усиливать свет, повышая, таким образом, уровень дифракции и, благодаря этому, увеличивая чувствительность и/или точность устройства. Средство для направления и/или усиления света может включать зеркала и/или линзы или любые аналогичные средства. Благодаря использованию средств этого типа, можно исключить микропроцессор или аналогичные элементы, поскольку повышенная степень дифракции света может позволить пользователю определять присутствие аналита невооруженным глазом.

Кроме того, в настоящем изобретении можно использовать маску, которая помогает снизить вероятность ложного положительного результата определения, когда фотодиод вместо дифрагированного света детектирует диффузионный или рассеянный свет, который проходит через чувствительный элемент или отражается от него. Маска представляет собой непрозрачный объект с отверстиями, которые совмещаются с дифракционным изображением, или в качестве альтернативы, отверстия совмещаются с некоторыми представляющими интерес участками дифракционного изображения. Маску можно использовать для блокирования всего света, за исключением дифрагированного света, для измерения количества дифрагированного света, например, с использованием фотодиода. Держатель или узел маски также может включать средство для поворота маски, используемое в зависимости от применяемого чувствительного средства на основе дифракции, или по каким-либо другим причинам.

При использовании устройства маску устанавливают между чувствительным элементом на основе дифракции и фотодиодом или другим средством измерения света. Маска содержит сплошную часть и отверстия, пропускающие свет. Узор отверстий выбирают так, что он соответствует дифракционному изображению, формируемому чувствительным элементом на основе дифракции, если аналит соединился с чувствительным элементом. Как таковая, маска блокирует весь свет, кроме дифрагированного света, и пропускает дифрагированный свет; в результате становится возможным измерять интенсивность только дифрагированного света.

Затем маску поворачивают так, что дифрагированный свет блокируется, и снова измеряют интенсивность света. Некоторое количество диффузионного или рассеянного света, если такой присутствует, проходит через отверстия в маске, в то время как дифрагированный свет при этом будет блокироваться. После того, как будут сняты показания интенсивности второго света, сравнивают количество света, детектируемого при установке маски на месте, с количеством света, детектируемым при повороте маски, что позволяет определить присутствие аналита в образце. Устройство анализа выполняет сравнение результатов измерений и на основе используемого алгоритма формирует результат. Если в устройстве анализа используют маску, эта маска может быть установлена внутри корпуса устройства анализа вместе со средством для поворота маски на требуемую величину, для измерения как дифрагированного света, так и недифрагированного света.

Если в качестве средства преобразования результатов измерения, получаемых с помощью фотодиода или аналогичного устройства, в результат, обозначающий присутствие или отсутствие аналита, используют микропроцессор, тогда микропроцессор может содержать запоминающее устройство, что позволяет пользователю вызывать несколько последних результатов из устройства анализа. Количество вызываемых результатов можно изменять по желанию. Обычно, однако, запоминающее устройство должно обеспечивать возможность вызова, по меньшей мере, приблизительно пяти результатов. Для специалистов в данной области будет понятно, что подходящие считываемые компьютером запоминающие устройства включают ОЗУ (RAM), ПЗУ (ROM), СППЗУ (EPROM), электронно-перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM), карты памяти типа флэш, цифровые видеодиски, картриджи Бернулли и т.д. Однако любая компьютерная микросхема, включающая запоминающее устройство, может быть установлена в устройство анализа или по-другому соединена с ним.

На Фиг.3 показан еще один вариант выполнения устройства для анализа по изобретению, причем этот вариант выполнения имеет несколько дополнительных элементов. Этот вариант выполнения обеспечивает путь направления света так, что его можно использовать в компактном считывающем устройстве. Как показано на Фиг.3, образец 310 устанавливают на держатель 312, предназначенный для удержания образца 310 на месте. Свет источника 314 света проходит через образец 310. Если образец содержит аналит, происходит дифракция света, и он выходит из источника света в виде набора лучей 316, который включает как дифрагированный свет, так и недифрагированный свет.

Дифрагированный свет 316 отражается зеркалом 318, и при этом можно использовать маску 320 для блокирования света 322, который, по существу, состоит из недифрагированного света. Остальной свет 324, который, по существу, состоит из дифрагированного света, снова отражается другим зеркалом 326 и собирается на фотодиоде 328, и микропроцессор (не показан) интерпретирует результат и передает соответствующий результат на дисплей 330, на котором, в данном варианта выполнения, представляется последовательность изображений.

В одном варианте выполнения маску 320 используют для блокирования недифрагированного света 322. При этом эта маска пропускает большую часть дифрагированного света на фотодиод, который измеряет интенсивность света. В еще одном варианте выполнения измеряемое значение интенсивности света передают в микропроцессор, в котором используется определенный алгоритм обработки. Результат выполнения алгоритма затем поступает на дисплей 330 в виде набора световых изображений, которые могут отображаться в качестве простого способа индикации для пользователя положительного или отрицательного результата анализа образца (например, красный свет=отрицательный результат; голубой или зеленый свет=положительный результат). Если свет не дифрагируется, тогда весь свет будет блокирован, и фотодиод 328 не будет детектировать свет, и поэтому устройство для анализа будет указывать, что аналит в образце отсутствует. При этом на наличие аналита в системе будет указывать определенное количество света, детектируемого фотодиодом 328. Однако, поскольку может происходить незначительная ошибочная дифракция, например, при попадании в систему пыли, фотодиод 328 может детектировать некоторый свет, даже если аналит в образце 312 отсутствует. В соответствии с этим можно учитывать степень дифракции при использовании устройства анализа, при определении, указывает ли фотодиод и микропроцессор на наличие или отсутствие аналита в образце.

В дополнительном варианте выполнения в способе анализа дифракции образца также используют маску. При этом, однако, производят два измерения интенсивности света. При первом измерении измеряют дифрагированный свет, который проходит через маску. Маску затем поворачивают так, что дифрагированный свет блокируется; в результате этого через маску проходит только рассеянный свет, уровень которого измеряют. Отношение этих двух измерений затем используют для определения положительного ("да", аналит присутствует) или отрицательного ("нет", аналит отсутствует) результата. Таким образом, этот способ позволяет учитывать рассеянный свет, так, что "загрязненный" образец, который определяется как образец, который диффундирует или рассеивает свет, но не приводит к его дифракции, не влияет на положительный результат измерений.

Можно использовать множество алгоритмов различных типов, которые можно изменять в зависимости от одного или нескольких факторов, включая, без ограничений, детектируемый аналит, используемый образец, компоненты устройства анализа, степень требуемой чувствительности, систему, в которой используют устройство анализа, и другие. В одном варианте выполнения настоящего изобретения используемый для системы алгоритм позволяет пользователю обрабатывать данные (данные, представляющие интенсивность света дифракции при различном порядке дифракции) так, что в качестве образца дифракции будут учитываться только высшие порядки дифракции. Это позволяет повысить точность системы.

Алгоритм должен содержать два основных компонента: 1) способ измерения интенсивности света и 2) расчет, используемый для включения "положительного" результата или результата "да", или отрицательного результата или результата "нет". Алгоритм представляет собой один из предпочтительных компонентов настоящего изобретения, поскольку он обеспечивает повышение точности, в частности, благодаря исключению ложных положительных результатов. Пример алгоритма может представлять собой:

(Интенсивность дифрагированного света 2-го или более высокого порядка)/(Интенсивность падающего света)

В одном случае интенсивность падающего света можно измерять до того, как он пройдет через образец. В предпочтительном варианте выполнения интенсивность падающего света измеряют после его прохождения через образец и сбора луча дифрагированного света и луча нулевого порядка, используемых в качестве результата интенсивности. В алгоритме может быть установлено значение отсечки для этого отношения так, что результаты измерений для образцов, превышающие это значение, соответствуют "положительному" результату анализа, и результаты для образцов, которые ниже этого значения, соответствуют "отрицательному" результату анализа. В одном из примеров значение отсечки может составлять приблизительно 0,3. И вновь, значение отсечки может изменяться в зависимости от детектируемого аналита, типа используемого чувствительного элемента на основе дифракции, испытуемого образца, формируемого дифракционного изображения, размера элементов дифракционного изображения, размера дифракционного изображения, и/или его элементов, и/или формы этого изображения, типа используемого устройства анализа, требуемого уровня чувствительности, и/или от всей системы, в которой используется данное устройство.

Можно использовать другие алгоритмы и примеры некоторых из них приведены в примерах, представленных ниже.

Настоящее изобретение также включает системы и способы определения присутствия аналита в образце. В этих системах и способах, в устройстве анализа используют чувствительный элемент на основе дифракции. Испытуемый образец помещают на чувствительный элемент на основе дифракции. В зависимости от типа используемого чувствительного элемента на основе дифракции, возможно, потребуется устанавливать образец на несколько минут, чтобы обеспечить время для соединения аналита, если он присутствует, с чувствительным элементом на основе дифракции. Либо чувствительный элемент на основе дифракции и образец можно просматривать немедленно.

Затем свет либо пропускают непосредственно через чувствительный элемент на основе дифракции или отражают от него. Если детектируемый аналит присутствует в образце, тогда этот аналит дифрагирует свет. Если аналит отсутствует, тогда дифракция света не возникает. Однако также предусмотрена возможность построения и установки чувствительного элемента на основе дифракции так, что дифракция света не будет происходить в присутствии аналита, но свет будет образовывать дифракцию, если аналит отсутствует. Кроме того, чувствительный элемент на основе дифракции может быть разработан так, что если аналит отсутствует, будет происходить дифракция света с первым значением степени дифракции, и если аналит присутствует, свет будет образовывать дифракцию во второй степени, и устройство анализа при этом позволяет измерять различие и определять присутствие аналита.

После пропускания света через образец или отражения от него и образования дифракции дифрагированный свет измеряют с использованием соответствующего детектора, такого как фотодиод. Детектор измеряет интенсивность дифрагированного света. В случае необходимости детектор может измерять интенсивность падающего света как перед помещением образца в инструмент, так и после удаления образца. В качестве альтернативы, для одновременного измерения интенсивности падающего света и дифрагированного света можно использовать второй детектор и расщепитель луча. Кроме того, в устройстве установлено средство определения присутствия аналита, такое как микропроцессор, предназначенное для определения положительного или отрицательного результата анализа образца. При использовании микропроцессора предпочтительно используют код или программу, содержащую алгоритм для анализа входного сигнала, поступающего с выхода фотодиода. Для работы алгоритма может быть установлен программный элемент, который выполняет необходимые расчеты и обеспечивает получение конечного результата. Этот результат затем передают пользователю с использованием средства информирования пользователя о присутствии аналита в образце, такого как ЖКИ или дисплей, или последовательность световых индикаторов.

Если в настоящем изобретении используют программный элемент, он, предпочтительно, содержит выполняемые на компьютере инструкции для интерпретации количества измеряемого с помощью фотодиода света и формирования выходного результата, представляющего присутствие или отсутствие аналита в образце. Микропроцессор осуществляет выполняемые на компьютере инструкции программного элемента.

Система также формирует входной интерфейс и выходной интерфейс. Благодаря использованию входного интерфейса, микропроцессор может получать с выхода фотодиода данные, относящиеся к количеству света. Использование выходного интерфейса позволяет микропроцессору под управлением программного элемента передавать на средство информирования пользователя данные о присутствии аналита в образце для передачи результата пользователю.

Для специалистов в данной области техники будет понятно, что программный элемент также может быть выполнен в виде отдельной системы, такой как компьютерная система на основе настольного, переносного или портативного компьютера, который соединен и работает совместно с устройством анализа.

Чувствительные элементы на основе дифракции могут включать множество различных элементов в зависимости от ранее описанных факторов.

Обычно в чувствительных элементах на основе дифракции используется подложка. Подложка может содержать любой материал, который является, по существу, оптически прозрачным, включая, без ограничений, стекло и пластик. Однако предпочтительная подложка выполнена на основе полимерной пленки. Кроме того, для улучшения связывания на подложке подложка обычно содержит тонкую пленку металла или окисла металла, нанесенную в виде покрытия на пленку. Однако при использовании отраженного света можно использовать непрозрачные оптические материалы.

Любая пленка, на которую можно нанести металлическое покрытие, пригодна для целей настоящего изобретения. Она включает такие полимеры как: полиэтилентерефталат (MILAR®), акрилонитрил-бутадиен-стирол, сополимер акрилонитрила-метилакрилата, целлофан, целлюлозные полимеры, такие как этилцеллюлоза, ацетилцеллюлоза, ацетат бутират целлюлозы, пропионат целлюлозы, триацетат целлюлозы, полиэтилен, сополимеры полиэтилена - винилацетата, сополимеры иономеров полиэтилена (полимеры этилена) - нейлона, полипропилен, полимеры метилпентена, поливинилфторид и ароматические полисульфоны, но не ограничивается ими. Предпочтительно, пластиковая пленка имеет степень оптической прозрачности больше 80%. Другие подходящие пластмассы и поставляющие их компании можно найти, например, в ссылочных работах, таких как Modem Plastic Encyclopedia (McGraw-Hill Publishing Co., New York, 1923-1996).

В одном из вариантов выполнения изобретения пленка с нанесенным на нее металлическим покрытием имеет оптическую прозрачность от приблизительно 5% до 95%. Более предпочтительная оптическая прозрачность пленки с металлически покрытием по изобретению составляет от приблизительно 20% до 80%. В предпочтительном варианте выполнения изобретения пленка имеет оптическую прозрачность, по меньшей мере, приблизительно 80%, и толщина металлического покрытия такова, что обеспечивается значение оптической прозрачности больше приблизительно 20%, так, что дифракционные изображения могут быть получены в отраженном или в проходящем свете. Однако в других вариантах выполнения изобретения толщина металлического покрытия может составлять от приблизительно 1 нанометра до 2000 нанометров.

Металлы, которые можно использовать для нанесения в виде покрытия на пленку, включают золото, серебро, алюминий, хром, медь, железо, цирконий, платину и никель, а также оксиды этих металлов.

Кроме подложки, чувствительные элементы на основе дифракции также содержат материал рецептора, нанесенный на нее, который является специфическим для представляющего интерес аналита или аналитов. Такой материал рецептора обычно помещают на подложку в виде определенной структуры так, что, когда аналит связывается с материалом рецептора, формируется определенное дифракционное изображение.

В одном их возможных вариантов выполнения материал рецептора прикрепляют к слою прикрепления, который расположен на подложке. В некоторых случаях материал рецептора может быть пассивно прикреплен к слою прикрепления. Если требуется, можно использовать свободные функциональные группы, введенные в проверочную поверхность с помощью соединительного слоя, для ковалентного закрепления материала рецептора на проверочной поверхности. Химические соединения, пригодные для закрепления материалов рецептора, хорошо известны специалистам в данной области техники.

В другом варианте выполнения в качестве слоя прикрепления используют белки, связующие антитела, расположенные в определенном узоре. Слои белка, связующие антитела, расположенные в определенном узоре, обеспечивают размещение в определенном узоре связываемых с ними антител или связываемых аналитов.

В одном варианте выполнения изобретения слой прикрепления представляет собой самособирающийся монослой. Самособирающиеся монослои органических соединений на неорганических или металлических поверхностях представляют собой один из объектов одного из вариантов выполнения настоящего изобретения. Хотя существует множество различных систем самособирающихся монослоев на основе различных органических соединений и подложек, предпочтительные системы представляют собой алканетиолаты, HS(CH₂)_nR на пленках из золота. Обычно золотую пленку, толщиной от 1 до 2000 нанометров, закрепляют на затравленной титаном подложке из Si/SiO₂ или на листе стекла. Титан используют как средство, способствующее сцеплению между золотом и подложкой. Алканетиолы хемосорбируются на поверхности золота из раствора, в который погружают пленку из золота, и формируют адсорбированные алканетиолаты с потерей водорода. Адсорбция также может происходить из паров. Широкое разнообразие функциональных групп (R) можно внедрять на поверхность или внутрь монослоя.

Самособирающиеся монослои поэтому можно приспособить для получения широкого разнообразия свойств материала: таких как смачиваемость и защита от коррозии химическими травителями. Кроме того, функциональные группы могут быть химически активными и могут обеспечивать ковалентное присоединение материала рецептора к самособирающемуся монослою.

В другом варианте выполнения материал рецептора может быть непосредственно нанесен на подложку. В конкретном варианте выполнения с таким принципом действия материал рецептора представляет собой антитело. Материал рецептора характеризуется способностью образования специфических связей с представляющим интерес аналитом или аналитами. Различные материалы, которые можно использовать в качестве материала рецептора, ограничиваются только типами материала, которые можно избирательно комбинировать (в отношении любого выбранного образца) со вторичным партнером. Подклассы материалов, которые могут быть включены в общий класс материалов рецептора, включают токсины, антитела, антигены, рецепторы гормонов, паразиты, клетки, гаптены, метаболиты, аллергены, нуклеиновые кислоты, ядерные материалы, автоантитела, клеточные остатки органических веществ, ферменты, белки тканей, подложки ферментов, коферменты, нейронные передатчики, вирусы, вирусные частицы, микроорганизмы, белки, полисахариды, комплексоны, лекарственные вещества и любой другой элемент конкретной связующей пары. Этот список содержит только некоторые из множества различных материалов, которые можно использовать в качестве материала рецептора для получения тонкопленочной системы анализа. Независимо от выбранного интересующего аналита материал рецептора разрабатывают для специфического соединения с представляющим интерес аналитом.

Чувствительные элементы на основе дифракции с рецепторами, расположенными на них с определенной структурой, можно использовать одним из двух способов, в зависимости от размера аналита. Для аналитов, которые позволяют самостоятельно образовывать дифракцию, таких как микроорганизмы, используют систему, в которой чувствительный элемент на основе дифракции вначале помещают в среду, содержащую выбранный аналит, и затем после соответствующего инкубационного периода через пленку пропускают свет, такой как свет лазера, или отражают его от пленки. Если аналит присутствует в среде и он соединился со слоем рецептора, будет происходить дифракция света таким образом, что получится видимое изображение.

В случае необходимости, для очень малых аналитов, таких как белки, в системе можно использовать "элементы, улучшающие дифракцию", которые могут соединяться с целевым аналитом и позволяют получить существенные изменения по высоте и/или по коэффициенту преломления, что повышает эффективность дифракции биосенсора и позволяет детектировать аналиты меньших размеров. При использовании целевой аналит прикрепляют либо к элементу, улучшающему дифракцию, который затем прикрепляют к чувствительному элементу на основе дифракции, либо непосредственно в выбранные области полимерной пленки, на которую посредством печати нанесен рецептор, и элемент, улучшающий дифракцию, затем соединяется с аналитом. Дифракция проходящего и/или отраженного света возникает в соответствии с физическими размерами и определенным точным размещением аналита и/или элемента, улучшающего дифракцию. В результате получают дифракционное изображение, которое можно легко видеть невооруженным глазом или, в случае необходимости, при использовании чувствительного элемента.

Другой вариант использования этого датчика включает обнаружение аналитов, которые представляют собой антитела. Чувствительный элемент может содержать только расположенные в определенном узоре белки, связывающие антитела, которые затем могут подвергаться воздействию среды, содержащей частицы, улучшающие дифракцию, которые содержат антитело, специфичное к детектируемому антителу. Выбор антитела на частице, предпочтительно, производят так, что она не связывается специфически с расположенном в определенном узоре белком, связывающим антитела, но вместо этого связывается только, когда антитело аналита также связано. Таким образом, элементы, улучшающие дифракцию, приводят к существенному изменению по высоте и/или коэффициенту преломления, если антитело аналита присутствует, в результате чего формируется дифракционное изображение.

Частицы элемента, улучшающего дифракцию, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают, стекло, целлюлозу, синтетические полимеры или пластмассы, латекс, полистирол, поликарбонат, металлические частицы (например, микрочастицы золота, наночастицы золота, агент, осаждающий серебро, или микрочастицы серебра, бактериальные или грибковые клетки и т.д.), но не ограничиваются ими. Частицы, предпочтительно, по существу, имеют сферическую форму, но структурная и пространственная конфигурация частицы не критична для целей настоящего изобретения. Например, частицы могут иметь удлиненную форму, эллипсоидную, кубическую форму и т.д. Размер частиц по диаметру может находиться в диапазоне от приблизительно 0,1 мкм до приблизительно 100,0 мкм, предпочтительно, от приблизительно 0,3 мкм до приблизительно 1 мкм. Состав частиц элемента является не критичным для целей настоящего изобретения. Предпочтительно, разница в коэффициенте преломления между средой и улучшающим элементом превышает 0,1.

Чувствительный элемент на основе дифракции также может включать использование капиллярного агента, который используют для удаления не соединившихся помеченных микрочастиц, а также остаточной жидкости из образца. Капиллярный агент исключает необходимость использования дополнительной промывки. Кроме того, в центре капиллярного агента может быть выполнено небольшое отверстие так, что после того, как образец и избыточные частицы будут отведены по капиллярам, отверстие позволяет пользователю немедленно проверять присутствие дифракционного изображения, без необходимости удаления капиллярного материала. Примеры капиллярных агентов включают нитроцеллюлозные мембраны, мембраны из ацетата целлюлозы, мембраны из PVDF (поливинилиден фторида), полипропиленовые структуры и структуры на основе микроволокон из стекла.

Кроме того, размер пор капиллярной мембраны можно изменять для управления скоростью и силой капиллярного затекания. Это может влиять на точность диагностического устройства и при этом также можно получить преимущество, состоящее в возможности создания устройства одноэтапного использования. С этой целью устройство одноэтапного использования включает нанесенное на подложку способом контактной печати антитело захвата, такое как золото/MILAR®, на поверхности которого затем предварительно высушивают помеченные частицы. Кроме того, поверх устройства для окончания его формирования устанавливают мембрану, обеспечивающую медленное капиллярное затекание, в которой вырезано отверстие. Пользователь просто добавляет испытуемый образец и затем рассматривает дифракционное изображение после окончания капиллярного затекания. Использование малых размеров пор и/или гидрофобных материалов или покрытий позволяет в достаточной степени замедлить капиллярное затекание, что обеспечивает точную инкубацию, необходимую для взаимодействия антитело-антиген. В качестве альтернативы скорость капиллярного затекания может быть замедлена благодаря использованию эродируемого реагента по внешнему контуру круга капиллярного агента. Регент постепенно растворяется или образует производные соединения так, что при этом обеспечивается капиллярное затекание через определенный период времени.

Для нанесения материала рецептора на подложку можно использовать различные технологии. Проверочные поверхности могут быть покрыты материалом рецептора путем нанесения раствора в отдельных последовательностях или узорах, напыления, в виде струи чернил или других способов нанесения печатного изображения или с использованием способа контактной печати. Выбранная технология должна снизить количество материала рецептора, требуемого для покрытия большого количества испытательных поверхностей и поддерживать стабильность/функциональность материала рецептора при нанесении. Технология также должна обеспечивать возможность нанесения или закрепления материала рецептора на подложке с высокой степенью равномерности и воспроизводимости.

В одном из таких вариантов выполнения материал рецептора печатают с использованием микроконтактной печати. Для контактного переноса "чернил" с материалом рецептора на поверхность используют эластомерный штамп; если штамп имеет некоторый узор, формируется слой материала рецептора с узором. Штамп может быть изготовлен путем отливки из полидиметилсилоксана (PDMS) на матрице, имеющей требуемый узор. Матрицу изготовляют с использованием стандартных технологий фотолитографии, вытравливания или она может быть получена из существующих материалов, обладающих свойствами поверхностных микроэлементов.

В другом варианте выполнения материал рецептора путем печати наносят на подложку, такую как подложка из золота/MILAR®, с определенной структурой, с использованием струйного принтера. При разрешающей способности 720 точек на дюйм получают массив, позволяющий формировать дифракционное изображение при связывании с целевым аналитом и мечеными микрочастицами. Однако также можно использовать другие значения разрешающей способности. Струйный принтер при этом обеспечивает подходящие малые размеры элементов (диаметром 40-100 микрон) для получения дифракционного изображения.

Аналиты, для которых предусматривается возможность обнаружения с использованием настоящего изобретения, включают бактерии, дрожжи, грибки, вирусы, ревматоидный фактор, антитела, включая, без ограничений антитела IgG, IgM, IgA и IgE, онкофентальный антиген, антиген стрептококка группы А, вирусные антигены, антигены, связанные с аутоиммунными заболеваниями, аллергены, опухолевые антигены; антиген стрепротокка группы В, антиген ВИЧ I или ВИЧ II, или реакция хозяина (антитела) на эти и другие вирусы, антигены, специфические к респираторно-синцитиальному вирусу (RSV) или реакции хозяина (антителам) на вирус, антиген, фермент, гормон, полисахарид, белок, липид, углевод, лекарственное средство или нуклеиновую кислоту, разновидности сальмонеллы; разновидности бактерий Candida, включая, без ограничения Candida albicans и Candida tropicalis, разновидности сальмонеллы, Neisseria meningitides групп А, В, С, Y и W sub 135, Streptococcus pneumoniae, E. coli K1, Haemophilus influenza типа В, антиген, получаемый из микроорганизмов, гаптен, лекарственное средство при неправильном употреблении, терапевтическое лекарственное средство, агент окружающей среды и антигены, специфические к гепатиту и т.д., но не ограничиваются ими

Настоящее изобретение дополнительно иллюстрируется следующими примерами, не ограничивающими его объем. И, наоборот, следует понимать, что можно выполнить различные другие варианты выполнения, модификации и их эквиваленты, которые, при чтении настоящего описания, будут понятны для специалистов в данной области техники, без отхода от сущности настоящего изобретения.

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕРЫ 1-3

В Примерах 1-3 определяли алгоритм и способ для получения ответа да/нет в результате прямого измерения (измерений) интенсивности дифрагированных лучей света.

Экспериментальные установки включали: лазерный луч, используемый в качестве источника света, чувствительный элемент на основе дифракции, маску, фотодиод и несколько линз. Когда образец соответствовал необходимым условиям для дифракции (например, присутствовал аналита), лучи дифрагированного света соответствующих порядков пропускали через маску в положении 0° (без поворота), и интенсивность измеряли с помощью фотодиода. Затем маску поворачивали для блокирования лучей дифрагированного света, так что они не регистрировались фотодиодом, и таким образом, измеряли диффузионный или рассеянный свет. Измерение интенсивности света в обоих положениях маски позволило исключить часть диффузионного и рассеянного света путем учета его значения.

Оценку точности различных алгоритмов проводили с использованием сотен образцов. Измерения проводили для каждого порядка дифракции, начиная с 1-ого порядка, который ближе всего к основному недифрагированному лучу (лучу нулевого порядка), и до 2-го, 3-его порядков и т.д. Поскольку некоторые контрольные образцы показали дифракцию 1-ого порядка, это учитывали путем установления большего весового коэффициента для интенсивности дифрагированного света 2-ого и более высоких порядков. На основе данных, полученных по сотням изученных образцов, выбрали удельную потерю интенсивности при повороте маски для уровня среза, обеспечивающего точное решение да/нет. Искусственную коррекцию можно провести для задания нейтральной зоны между положительными и отрицательными результатами. Обобщенная формула включает отношение М к R, где М представляет собой интенсивность дифрагированного света, и R представляет собой интенсивность недифрагированного света; при этом можно использовать обобщенные формулы Х=(M-R) или Х=(M-R)/M, где значение "X", превышающее определенный пороговый уровень, будет указывать на положительный образец, содержащий аналит, который дифрагирует свет.

В более конкретном примере значение М представляет интенсивность дифрагированного света 2-ого и более высоких порядков в положении 0° маски, и

R представляет интенсивность недифрагированного света. Такой недифрагированный свет можно измерять при повороте той же маски, которую используют для сбора дифрагированного света 2-ого и более высоких порядков так, что при этом дифрагированный свет блокируется маской, и при повороте маски измеряют только рассеянный свет. И снова можно использовать формулу X'=(M-R) или X'=(M-R)/M. Кроме того, можно измерять потерю интенсивности (X) всего источника света в результате поворота маски.

В одном варианте выполнения, в котором использовали 30% потерю интенсивности, использовали следующую формулу:

Если Х>30%-(M-R)^{1, 6} результат определяется, как "положительный",

Если Х 30%-(M-R)^1,6 - результат определяется, как "отрицательный".

В другом варианте выполнения использовали следующую формулу:

Если ((M-R)>0,027-(M-R)^1,6) - результат определяется, как "положительный",

Если ((M-R)<0,027-(M-R)^1,6 ) - результат определяется, как "отрицательный"

В других вариантах выполнения использовали постоянно улучшающиеся алгоритмы, которые включали множители, основанные на среднеквадратичном отклонении усредненных значений считываемых уровней интенсивности. Один из примеров представляет собой:

Если ((M-R)>0,014-((-1)(0,12-Х)^1,7)) для Х 0,12 - результат определяется, как "положительный"

Если ((M-R)>0,014-Х³) для Х>0,12 - результат определяется, как "положительный"

Если оба вышеописанных критерия для (M-R) не выполняются, результат определяется, как "отрицательный".

ПРИМЕР 4

Как показано на фигуре 3, переносное устройство для анализа было подготовлено со следующими компонентами: лазерный диод, используемый в качестве источника света, средство установки чувствительного образца на основе дифракции с пропусканием света через него, маска, блокирующая весь свет, за исключением дифракции 1-ого, 2-ого, 3-ого и 4-ого порядков, фотодиод, линзы и/или зеркала для направления света, микропроцессор с запоминающим устройством, набор световых индикаторов для индикации результата и ЖКИ. Все эти компоненты были установлены в небольшом переносном корпусе.

После включения устройства анализа на ЖКИ отображается подсказка для пользователя для выполнения требуемых этапов, таких, как "Установить образец", затем "Нажать кнопку проверки". Когда в держателе образца был установлен образец, образующий дифракцию, интенсивность дифрагированного света измеряли с помощью фотодиода, и микропроцессор преобразовывал результат интенсивности этого света в "положительный".

Микропроцессор был запрограммирован с использованием следующего алгоритма:

А=считывание канала 1/считывание канала 2, где

в канале 1 измеряли интенсивность дифрагированного света 2-ого и более высоких порядков, в то время как в канале 2 измеряли интенсивность дифрагированного света 1-ого порядка.

В одном варианте выполнения, в котором был установлен уровень среза 2,0, использовали следующую формулу:

Если Х>2,0 - результат "положительный",

Если Х<2,0 - результат "отрицательный"

В одном наборе образцов такое значение среза 2,0 было определено, как позволяющее получить точные результаты для образцов, содержащих 1 мкг/мл IgE (результат = "положительный"), и для контрольных образцов, содержащих 0 мкг/мл IgE (результат = "отрицательный"). Положительные результаты обозначались красным светом, который включался вместе с сообщением на ЖКИ "Образец положительный". Отрицательный результат обозначался зеленым светом, который включался вместе с сообщением на ЖКИ "Результат отрицательный". Результаты могли быть получены в течение приблизительно 5 секунд после установки образца в держатель.

Конечно, микропроцессор устройства для анализа также можно было запрограммировать для регистрации образцов, образующих дифракцию, как "отрицательные", при установке биодатчика другого типа.

Устройство для анализа, способы и системы по изобретению можно использовать как анализатор с однократной проверкой для обнаружения аналита, или можно применять конфигурацию устройства для множества проверок. Такие устройства можно использовать для обнаружения загрязнений впитывающих продуктов, таких как подгузники, и для обнаружения заражений микроорганизмами.

В настоящем изобретении чувствительный элемент на основе дифракции можно прикреплять к наклейке, на обратную сторону которой нанесен адгезив, или к ней может быть прикреплен ярлык, который затем помещают на твердую поверхность стенки контейнера. Чувствительный элемент на основе дифракции может быть установлен на внутреннюю поверхность контейнера, такого как упаковка для продуктов или стеклянная бутылочка. Чувствительный элемент на основе дифракции затем можно подвергать анализу для определения присутствия аналита.

Как можно видеть, настоящее изобретение позволяет получить улучшенную систему и способ для детектирования аналита благодаря повышению точности системы, что позволяет пользователю более легко рассматривать дифракционное изображение с использованием устройства для просмотра или путем анализа генерируемого дифракционного изображения, с получением положительных или отрицательных результатов проверки, в зависимости от присутствия аналита в образце.

Реферат

(57) Изобретение относится к области детектирования аналитов в среде. Система обнаружения аналита в образце содержит чувствительный элемент на основе дифракции, содержащий подложку; и устройство для анализа, содержащее источник света, предназначенный для подачи света на устройство на основе дифракции, в котором чувствительный элемент на основе дифракции дифрагирует свет, когда аналит присутствует, и не дифрагирует свет, когда аналит отсутствует, средство для измерения количества дифрагированного света, средство для преобразования результатов измерений средства для измерения количества дифрагированного света в результат, указывающий на присутствие аналита в образце, и средство для информирования пользователя о присутствии аналита в образце. Технический результат - улучшение точности и расширение возможности использования этих устройств при обнаружении аналитов, повышение простоты и удобства для пользователя. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула