具有多种检测形式的移动生物传感仪器制造技术

智能手机与能够以多种模式进行操作的装置光学耦合，以对适当配置的样品盒中的样品进行透射、反射、强度或散射光光谱分析。该装置包括第一照射光路，用于利用来自智能手机上的光源的光照射样品，以进行透射、反射和散射光光谱分析。该装置还包括第二照射光路，用于利用来自激光二极管的光照射样品，以进行强度光谱分析。该装置还包括收集光路，用于在各种模式下收集来自样品的光。智能手机上的图像传感器通过衍射光栅接收所收集的光，以获得光谱图像。第一照射光路基本平行于收集光路，而第二照射光路基本垂直于收集光路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有多种检测形式的移动生物传感仪器相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求了2017年9月28日提交的美国临时申请第62/565,013号的优先权，该美国临时申请的内容通过引用合并于本文中。关于联邦政府资助研究的声明本专利技术至少部分是在美国政府的支持下、由国家科学基金会根据CBET12-64377资助的。美国政府对本专利技术享有某些权利。
技术介绍
自2004年推出智能手机以来，人们将智能手机与用于监测健康相关指标的可穿戴设备结合起来的兴趣日益增长，并且这种兴趣有可能发展成为每年超过150亿美元的市场，其主要关注于报告诸如心率和血压等生理参数。尽管此类消费产品的市场并未将绝大多数此类传感器归类为医疗设备，但是人们对于将附加的健康诊断方法(尤其是将对体液的体外诊断(IVD：invitrodiagnostic)测试)从实验室转移到护理点(POC：point-of-care)有着浓厚的兴趣。通过与读数仪器连接的专用测试盒，能够方便地进行测试，或者，能够通过视觉检查予以解释的试纸化验法已经获得了监管部门的批准，该批准有助于将它们用到POC环境中。随着智能手机继续包括了更大的计算能力和更先进的成像传感器，它们补充了智能手机的用于无线通信和互联网连接的能力，IVD测试和移动设备(mobiledevices)之间的接口提供了强大的新的POC测试范例。几乎所有最常见的基于实验室的诊断测试的输出都可以使用在灵敏度上可与传统的基于实验室的台式仪器相媲美的智能手机来感测。示例包括：基于智能手机的显微镜法、荧光测定法(fluorimetry)、酶联免疫吸附化验法(ELISA：EnzymeLinkedImmunosorbentAssay)、聚合酶链反应法(PCR：PolymeraseChainReaction)和侧流化验法(lateralflowassays)。基于智能手机的生物传感技术已成为近期评论的主题。请参见L.Kwon,K.D.Long,Y.Wan,H.YuandB.T.Cunningham,BiotechnologyAdvances,2016,34,291-304以及D.ZhangandQ.Liu,Biosens.Bioelectron.,2016,75,273-284。然而，通常情况下，基于智能手机的IVD检测仪器只能执行单一类型的分析，并且只能进行测试的有限多路复用。长期以来，基于实验室的酶标仪(microplatereader)作为“多模式”仪器而发挥作用的能力已被公认为是理想的特性，它能够致使单个系统在光谱吸收分析(如在ELISA化验法中所使用的)、荧光分析(如在分子信标化验法、荧光偏振(FP：fluorescentpolarization)化验法、和基于发光的化验法中所使用的)、以及一种产品(PerkinElmerEnSight)无标签光学生物传感器化验法的情况之间进行转换。检测系统能够在这些模式之间轻松转换的能力将会有利于使得用户能够只购买一种仪器，并且有利于使得用户能够在各种各样的应用程序中使用一种通用的液体处理格式和软件接口。
技术实现思路
在第一方面，示例性实施例提供了一种装置，该装置包括：结构支撑件，所述结构支撑件包括支架和盒槽，其中，所述支架被构造为将移动计算设备可拆卸地安装在工作位置，其中，所述移动计算设备包括第一光源和图像传感器，并且其中，所述盒槽被构造成容纳多个不同类型的样品盒；波长色散元件，所述波长色散元件连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于工作位置时，所述波长色散元件与所述图像传感器光学耦合；第一光纤，所述第一光纤具有近端和远端，其中，所述第一光纤连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于工作位置时，所述第一光纤的近端通过第一照射光路与所述盒槽光学耦合，且所述第一光纤的远端能够接收来自所述第一光源的光；第二光纤，所述第二光纤具有近端和远端，其中，所述第二光纤连接到所述结构支撑件，使得当所述移动计算设备处于所述工作位置时，所述第二光纤的近端通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述盒槽光学耦合，且所述第二光纤的远端能够通过所述波长色散元件将光引导至所述图像传感器；以及第二光源，所述第二光源连接到所述结构支撑件，使得所述第二光源通过第二照射光路与所述盒槽光学耦合，其中，所述第二照射光路基本垂直于所述收集光路。所述装置能够在至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式下操作。在第二方面，示例性实施例提供了一种方法，该方法包括：将移动计算设备安装到一个装置上，其中，所述移动计算设备包括光源和图像传感器，并且其中，将所述移动计算设备安装到所述装置上包括：将所述光源与所述装置中的第一光纤的远端光学耦合，且将所述图像传感器与所述装置中的波长色散元件光学耦合，其中，所述波长色散元件是与所述装置中的第二光纤的远端光学耦合的；将样品盒插入所述装置的盒槽中，其中，在所述样品盒中放置有样品，其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且其中，所述盒槽(i)通过第一照射光路与所述第一光纤的近端光学耦合、(ii)通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述第二光纤的近端光学耦合、并且(iii)通过基本垂直于所述收集光路的第二照射光路与第二光源光学耦合；从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选择操作模式；将入射光引导至放置在所述样品盒中的样品中，其中，取决于所选择的操作模式，所述入射光来自所述第一光源和所述第二光源中的至少一者；利用光学系统收集来自放置在所述样品盒中的样品的光，其中，所述光学系统将所收集的光耦合到所述第二光纤的近端中；在所述波长色散元件处通过所述第二光纤接收由所述光学系统收集的光，其中，所述波长色散元件将所接收的光在所述图像传感器上色散到在空间上分离的波长分量中；以及使用所述图像传感器来获得至少一个图像，所述至少一个图像包括所述在空间上分离的波长分量。在第三方面，示例性实施例提供了一种移动计算设备，其包括：第一光源；图像传感器；用户界面；处理器；数据存储部；以及程序指令，所述程序指令存储在存储器中、且能够由所述处理器执行以致使所述移动计算设备执行各种操作。这些操作包括：通过所述用户界面接收表示从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选出的光谱模式的输入；在所述图像传感器与一个装置的波长色散元件光学耦合的同时，使用所述图像传感器获得来自所述波长色散元件的光的至少一个图像，其中，所述至少一个图像包括一个或多个在空间上分离的波长分量，所述在空间上分离的波长分量表示放置在与所述波长色散元件光学耦合的样品盒中的样品；根据所选出的光谱模式来处理所述至少一个图像。附图说明图1A是根据示例性实施例的包括与智能手机连接的装置的系统的视图。图1B是根据示例性实施例的图1A所示的系统的视图，其中在该系统的装置的盒槽中放入有样品盒。图1C是根据示例性实施例的图1A所示的装置的分解图。图2是根据示例性实施例的包括与智能手机连接的装置的系统的剖视图。图3是根据示例性实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：/n结构支撑件，其包括支架和盒槽，其中，所述支架被配置为将移动计算设备可拆卸地安装在工作位置，其中，所述移动计算设备包括第一光源和图像传感器，并且其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且所述盒槽被构造成容纳多个不同类型的样品盒；/n波长色散元件，所述波长色散元件连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述波长色散元件与所述图像传感器光学耦合；/n第一光纤，所述第一光纤具有近端和远端，其中，所述第一光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述第一光纤的近端通过第一照射光路与所述盒槽光学耦合，且所述第一光纤的远端能够接收来自所述第一光源的光；/n第二光纤，所述第二光纤具有近端和远端，其中，所述第二光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于所述工作位置时，所述第二光纤的近端通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述盒槽光学耦合，且所述第二光纤的远端能够通过所述波长色散元件将光引导至所述图像传感器；以及/n第二光源，所述第二光源连接到所述结构支撑件，并且所述第二光源通过第二照射光路与所述盒槽光学耦合，其中，所述第二照射光路基本垂直于所述收集光路，/n其中，所述装置能够在至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式下操作。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170928 US 62/565,0131.一种装置，包括：
结构支撑件，其包括支架和盒槽，其中，所述支架被配置为将移动计算设备可拆卸地安装在工作位置，其中，所述移动计算设备包括第一光源和图像传感器，并且其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且所述盒槽被构造成容纳多个不同类型的样品盒；
波长色散元件，所述波长色散元件连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述波长色散元件与所述图像传感器光学耦合；
第一光纤，所述第一光纤具有近端和远端，其中，所述第一光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，所述第一光纤的近端通过第一照射光路与所述盒槽光学耦合，且所述第一光纤的远端能够接收来自所述第一光源的光；
第二光纤，所述第二光纤具有近端和远端，其中，所述第二光纤连接到所述结构支撑件，并且当所述移动计算设备处于所述工作位置时，所述第二光纤的近端通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述盒槽光学耦合，且所述第二光纤的远端能够通过所述波长色散元件将光引导至所述图像传感器；以及
第二光源，所述第二光源连接到所述结构支撑件，并且所述第二光源通过第二照射光路与所述盒槽光学耦合，其中，所述第二照射光路基本垂直于所述收集光路，
其中，所述装置能够在至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式下操作。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述移动计算设备是智能手机。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光源是发光二极管(LED)。


4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一光源是白光LED。


5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波长色散元件包括衍射光栅。


6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二光源包括激光二极管。


7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光纤的近端被定位成在对准套管内与所述第二光纤的近端相邻。


8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一光纤和所述第二光纤在所述对准套管内基本平行。


9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述对准套管包括玻璃毛细管。


10.根据权利要求1所述的装置，还包括光学系统，其中，所述光学系统能够在以下两者之间进行调节：
(i)准直构造，在该准直构造中，所述光学系统对通过所述第一光纤的近端传输过来的来自所述第一光源的光进行准直，将准直光引向所述盒槽，并将反射的准直光耦合到所述第二光纤的近端；以及
(ii)聚焦构造，在该聚焦构造中，所述光学系统从所述盒槽内的聚焦区域收集光，并将所收集的光耦合到所述第二光纤的近端。


11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述光学系统包括第一透镜和第二透镜，
其中，当所述光学系统处于所述准直构造时，所述第一透镜而非所述第二透镜被设置在所述第一照射光路和所述收集光路中，
并且其中，当所述光学系统处于所述聚焦构造时，所述第一透镜和所述第二透镜都被设置在所述收集光路中。


12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透射光谱模式为第一类型样品盒中的样品提供透射光谱，
其中，所述第一类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的透明后表面、以及在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。


13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一操作模式的特征在于：
所述第一类型样品盒设置在所述盒槽中，并且所述透明后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述透明前表面；以及
所述光学系统处于所述准直构造，
其中，来自所述光学系统的准直光通过所述透明前表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明后表面，并且被所述反射槽表面反射为反射的准直光，并且
其中，所述反射的准直光通过所述透明后表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明前表面，并且通过所述光学系统耦合到所述第二光纤的近端。


14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述反射光谱模式为第二类型样品盒中的样品提供反射光谱，
其中，所述第二类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的反射后表面、以及在所述透明前表面与所述反射后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。


15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述反射光谱模式的特征在于：
所述第二类型样品盒设置在所述盒槽中，并且所述反射后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述透明前表面；以及
所述光学系统处于所述准直构造，
其中，来自所述光学系统的准直光通过所述透明前表面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，且被所述反射后表面反射为反射的准直光，并且
其中，所述反射的准直光穿过放置在所述样品室中的所述样品，穿过所述透明前表面，且通过所述光学系统耦合到所述第二光纤的近端。


16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述强度光谱模式为第三类型样品盒中的样品提供强度光谱，
其中，所述第三类型样品盒包括透明前表面、与所述透明前表面相对的透明后表面、与所述透明前表面垂直的透明底面、以及在所述透明前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述样品被放置在所述样品室中。


17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述强度光谱模式的特征在于：
所述第三类型样品盒放置在所述盒槽中，并且所述收集光路延伸穿过所述透明前表面，且所述第二照射光路延伸穿过所述透明底面；以及
所述光学系统处于所述聚焦构造，并且所述聚焦区域位于放置在所述样品室中的所述样品内，
其中，来自所述第二光源的激发光通过所述透明底面进入所述样品室，穿过放置在所述样品室中的所述样品，且致使所述样品中存在的荧光团发出荧光，并且
其中，所述光学系统收集所述聚焦区域中从所述样品发出的荧光，并将所收集的荧光耦合到所述第二光纤的近端。


18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述散射光光谱模式为第四类型样品盒中所含的涂抹至测试条的样品垫上的样品提供散射光光谱，
其中，所述第四类型样品盒包括形成有窗口的前表面、与所述前表面相对的后表面、以及在所述前表面与所述透明后表面之间的样品室，并且其中，所述测试条放置在所述样品室中，且所述样品垫与所述窗口对准。


19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述散射光光谱模式的特征在于：
所述第四类型样品盒放置在所述盒槽中，并且所述后表面覆盖所述反射槽表面，且所述第一照射光路和所述收集光路延伸穿过所述前表面中的所述窗口；以及
所述光学系统处于所述聚焦构造，且聚焦到放置于所述样品室中的所述测试条的所述样品垫上，
其中，来自所述光学系统的聚焦光通过所述前表面的所述窗口进入所述样品室并照射所述样品垫，其中，所述样品垫散射所述聚焦光的一部分以提供散射光，并且其中，所述散射光的一部分穿过所述窗口，并且
其中，所述光学系统收集穿过所述窗口的来自所述样品垫的散射光，并将所收集的散射光耦合到所述第二光纤的近端。


20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波长色散元件被配置为在光谱维度中将光色散到在空间上分离的波长分量中，并且当所述移动计算设备处于工作位置时，在所述图像传感器上的不同位置处接收不同的波长分量。


21.根据权利要求20所述的装置，还包括在所述第二光纤的远端之间的非球面透镜和柱面透镜，其中，所述非球面透镜对从所述第二光纤的远端发射过来的光进行准直，并且其中，所述柱面透镜将该准直光聚焦在非光谱维度中，其中，所述非光谱维度基本垂直于所述光谱维度。


22.一种方法，包括：
将移动计算设备安装到一个装置上，其中，所述移动计算设备包括光源和图像传感器，并且其中，将所述移动计算设备安装到所述装置上包括：将所述光源与所述装置中的第一光纤的远端光学耦合，并且将所述图像传感器与所述装置中的波长色散元件光学耦合，其中，所述波长色散元件是与所述装置中的第二光纤的远端光学耦合的；
将样品盒插入所述装置的盒槽中，其中，将样品放置在所述样品盒中，其中，所述盒槽包括反射槽表面，并且其中，所述盒槽(i)通过第一照射光路与所述第一光纤的近端光学耦合，(ii)通过基本平行于所述第一照射光路的收集光路与所述第二光纤的近端光学耦合，以及(iii)通过基本垂直于所述收集光路的第二照射光路与第二光源光学耦合；
从至少透射光谱模式、反射光谱模式、强度光谱模式和散射光光谱模式中选择操作模式；
将入射光引导...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩·T·坎宁翰，肯尼斯·D·朗，
申请(专利权)人：伊利诺斯大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US