基于显微拉曼的手持式检测仪器及检测方法技术

用于检查和检验的基于拉曼光谱的系统和方法提供了一种用于快速并且有成本效益的筛选例如细菌、病毒、药物和组织异常的各种蛋白质基化合物的方法。手持式光谱仪包括：用于生成拉曼频移采样信号的激光器和光学组件、用于信号条件处理和目标检测的信号处理和识别算法，其与超高分辨率显微滤光器和成像检测器阵列组合以提供在与目标病原体相关联的离散光谱带内的目标光谱峰的特异性分析。

Handheld detection device and detection method based on micro Raman

For inspection and testing system and method based on Raman spectroscopy provides a method for rapid screening and cost-effective such as protein based compound bacteria and virus, drugs and the abnormal tissue. The handheld spectrometer includes: for generating Raman lasers and optical components, sampling signal for signal processing and recognition algorithm of signal processing and target detection conditions, with the ultra high resolution micro filter and imaging detector array combination to provide specific analysis in the pathogen and target disease target spectral peak discrete band spectroscopy the.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年8月7日提交的美国临时申请No.61/893,095的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入到本文中。
本公开内容涉及用于快速检测和鉴定包括细菌、病毒、药物或组织异常的蛋白质基化合物(protein-basedcompound)的方法和装置，并且更具体地涉及基于拉曼光谱术(spectroscopy)的便携式光谱仪，其适合于对于包括MRSA或其他病原体的蛋白质基化合物检查粘膜表面(鼻孔、口部、耳朵)、检验(interrogate)伤口部位和/或检查可能被污染的对象或表面。该装置可以适合于检验组织试样、粪便、尿、血清或分泌物。
技术介绍
该部分提供了与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。通过由叫做葡萄球菌盒式染色体mec(staphylococcalcassettechromosomemec，SCCmec)的移动遗传元件携带的mecA基因确定了金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，MRSA)的甲氧西林(methicillin)耐药性。MecA编码称为PBP2a(或PBP2’)的耐β-内酰胺的盘尼西林结合蛋白质。β-内酰胺抗生素通常与细胞壁中的PBP结合，扰乱肽聚糖层的合成，这导致了细菌死亡。然而，由于β-内酰胺抗生素不能与PBP2a结合，因此肽聚糖层和细胞壁的合成继续进行。虽然对于mecA转移的机制仍然不清楚，但是证据支持了不同的葡萄球菌种类之间的mecA基因的水平转移。通常使用基于培养的方法来诊断MRSA。临床和实验室标准协会(ClinicalandLaboratoryStandardsInstitute，CLSI)推荐对于PBP2a的补充胶乳凝集测试(latexagglutinationtest)的头孢西丁-纸片扩散测试(cefoxitindiskdiffusiontest)。耐药性的表型表现可以根据生长条件以及存在的葡萄球菌亚种群而不同，所述葡萄球菌亚种群可以在培养物内共存(敏感和耐药)，从而使得通过标准微生物方法进行的敏感性测试可能存在问题。另外，培养花费时间，通常为1至5天。已经开发了通过诸如聚合酶链反应(PCR)的分子方法筛选MRSA的更快的技术以测试赋予对甲氧西林、苯唑西林、萘夫西林以及双氯西林和其他类似抗生素之耐药性的mecA基因。虽然这种技术更快，但是这种技术仍然花费数个小时并且被送至实验室。另外，市售的分子方法(用于筛选)不能检测MRSA的mecA变体。拉曼光谱术是无试剂、非破坏性的技术，其可以在没有样品制备的情况下提供化学品和/或分子的独特的光谱指纹以实现目标鉴定。采用该技术，使用特定波长的光辐射样品，由此小部分(大约107分之一的光子)被非弹性散射(in-elasticallyscattere)(以从入射辐射频移的波长)。由于改变分子极性化的分子振动，光子的非弹性散射提供了独特地表征目标物质的化学和结构信息。拉曼光谱术在完全表征材料的组成中可以是极其有用的，并且使得能够采用拉曼光谱数据库相对快速的鉴定未知材料。另外，由于拉曼光谱是非接触并且非破坏的技术，因此其非常适合于原位、体外和体内分析。拉曼光谱术具有用于筛选细菌、病毒、药物以及组织异常的高潜力，这是由于其：1)对于大量的分子种类来说是实用的；2)可以提供快速的鉴定；以及3)可以用于定性和定量分析两者。基于显微拉曼(microRaman)的便携式或手持式检测仪器将用于可靠并且快速地评估伤口或鼻道中的金黄色葡萄球菌菌株。快速评估和分型将能够跟踪这种病原体的传播并且可以显著减少医院获得性感染的数目及其治疗相关的费用。
技术实现思路
该部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是其全部范围或者其所有特征的全面公开内容。用于粘膜检查(鼻孔、口部、耳朵)和伤口检验的基于拉曼光谱术的手持式装置系统提供了用于快速并且有成本效益地筛选细菌、病毒、药物和组织异常的方法。该装置是非侵入式自动化近乎实时的护理点检测系统(near-real-time-point-of-caredetectionsystem)，其可以使医护人员能够提供更好的患者管理和最优的临床结果。该装置包括可弃型尖端元件，所述可弃型尖端元件具有足够小以适合放入小体腔(例如鼻孔)中的尺寸。本系统可以与三种类型的尖端元件一起使用——一种用于直接鼻部检验，一种具有真空抽吸器(suction)和滤器，以及一种具有用于伤口检验的邻近光学器件(optics)。尖端元件和装置包围了实现拉曼光谱测量的光学部件的组合体(assembly)，所述拉曼光谱测量可以在没有样品制备的情况下提供化学和/或分子的独特的光谱指纹以实现目标鉴定。该装置并入了用于信号条件处理(signalconditioning)和目标检测的信号处理和鉴定算法(identificationalgorithm)。在成像检测器阵列上的区域(area)的离散区域(例如，四分之一区域(quadrant))中的超高分辨率显微滤光器(micro-filter)的组合提供了对目标光谱峰的特异性分析。每个区域或者四分之一区域允许离散光谱带检测，其中每个显微滤光器提供用于光谱分析的特定波数检测。区分目标物质与背景干扰的离散拉曼光谱带被用于开发用作检测和目标鉴定基础的学习算法。通过在离散的光谱区域处获得数据来替代在整个光谱范围内获得数据，采集时间(acquisitiontime)以及来自混杂背景干扰的光谱贡献将得以减小或者消除以实现近乎实时评估。使用拉曼光谱术的在流体样品中鉴定病原体的方法也形成了本公开内容的一部分。这些方法示出使用有限数目的离散光谱峰以对广泛的潜在目标的关键分子标识符(identifier)进行采样来用于特定病原体检测。因此，本文中所描述的装置和方法可以对于许多目标材料进行定制，并且在相对小的、便携式外形(formfactor)中实现。本质上，提供了适合的系统，其可以借助内置学习算法容易地被修改以改变目标需要。在美国国防部计划下开发了用于水中的实时病原体检测以及用于从组织样品中实时鉴定癌症细胞的示例性学习算法，并且其可以适用于检测方案。在预处理完成之后，使用判别函数分析(DiscriminantFunctionAnalysis，DFA)对样品进行分类。DFA预测组群(group)中的成员数(membership)。基于多变量正态性的假设，独立变量为预测因子并且从属变量为组群。所得数据被用于修改本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于病原体检测的手持式拉曼光谱仪器，其包含：壳体，所述壳体具有手柄部、头部和末端执行器；拉曼光谱探测器，所述拉曼光谱探测器被封闭在所述壳体中并且包括：激光器，所述激光器设置在所述手柄部中并且能够操作以发射相干光束；激光线滤光器，所述激光线滤光器能够操作以沿着光路传输所述光束并且抑制环境光；分束器，所述分束器被设置在所述头部中并且能够操作以反射来自所述激光线滤光器的所述光束穿过在所述末端执行器中形成的孔到达样品上，以产生拉曼频移的采样信号；采集器，所述采集器采集所述采样信号并且传输所述采样信号通过所述分束器；扩束器，所述扩束器使来自所述分束器的所述采样信号准直并且生成直径扩张的采样信号；超高分辨率、窄范围、空间分级型滤光器，所述超高分辨率、窄范围、空间分级型滤光器基于针对目标病原体的离散光谱带预定组对所述直径扩张的采样信号在至少一个窄光谱带中进行过滤；以及成像器，所述成像器用于将所述直径扩张的采样信号转换成代表所述拉曼频移采样信号的图像数据，以及电子组件，所述电子组件包括：微控制器，所述微控制器封闭在所述壳体中，所述微控制器用于：控制所述拉曼光谱探测器，从所述成像器读取所述图像数据，以及分析在所述离散光谱带处的所述图像数据以检测所述目标病原体的存在，比较所述图像数据与基线拉曼光谱，以及通信基于所述分析和所述比较的测试结果；以及电源，所述电源能够操作地耦接至所述微控制器和所述拉曼光谱探测器。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.07 US 61/863,0951.用于病原体检测的手持式拉曼光谱仪器，其包含：
壳体，所述壳体具有手柄部、头部和末端执行器；
拉曼光谱探测器，所述拉曼光谱探测器被封闭在所述壳体中并且包
括：
激光器，所述激光器设置在所述手柄部中并且能够操作以发射相
干光束；
激光线滤光器，所述激光线滤光器能够操作以沿着光路传输所述
光束并且抑制环境光；
分束器，所述分束器被设置在所述头部中并且能够操作以反射来
自所述激光线滤光器的所述光束穿过在所述末端执行器中形成的孔到达
样品上，以产生拉曼频移的采样信号；
采集器，所述采集器采集所述采样信号并且传输所述采样信号通
过所述分束器；
扩束器，所述扩束器使来自所述分束器的所述采样信号准直并且
生成直径扩张的采样信号；
超高分辨率、窄范围、空间分级型滤光器，所述超高分辨率、窄
范围、空间分级型滤光器基于针对目标病原体的离散光谱带预定组对所述
直径扩张的采样信号在至少一个窄光谱带中进行过滤；以及
成像器，所述成像器用于将所述直径扩张的采样信号转换成代表
所述拉曼频移采样信号的图像数据，以及
电子组件，所述电子组件包括：
微控制器，所述微控制器封闭在所述壳体中，所述微控制器用于：
控制所述拉曼光谱探测器，从所述成像器读取所述图像数据，以及分析在
所述离散光谱带处的所述图像数据以检测所述目标病原体的存在，比较所
述图像数据与基线拉曼光谱，以及通信基于所述分析和所述比较的测试结
果；以及
电源，所述电源能够操作地耦接至所述微控制器和所述拉曼光谱
探测器。
2.根据权利要求1所述的检测仪器，其中所述滤光器对所述直径扩

\t张的采样信号在选自640cm-1至740cm-1、1200cm-1至1260cm-1、1520
cm-1至1560cm-1以及1640cm-1至1740cm-1中的至少一个窄光谱带中进
行过滤。
3.根据权利要求1所述的检测仪器，其中所述滤光器对所述直径扩
张的采样信号在多个窄光谱带中进行过滤。
4.根据权利要求3所述的检测仪器，其中所述滤光器对所述直径扩
张的采样信号在选自640cm-1至740cm-1、1200cm-1至1260cm-1、1520
cm-1至1560cm-1以及1640cm-1至1740cm-1中的多个窄光谱带中进行过
滤。
5.根据权利要求3所述的检测仪器，其中所述滤光器对所述直径扩
张的采样信号在640cm-1至740cm-1、1200cm-1至1260cm-1、1520cm-1至1560cm-1以及1640cm-1至1740cm-1处的每个光谱带中进行过滤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的检测仪器，其中所述滤光器
被划分成离散的区域，每个所述区域提供在所述光谱带中之一处的过滤。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的检测仪器，其中所述拉曼光
谱探测器还包含介于所述分束器与所述末端执行器孔之间的1180度背向
散射元件，所述背向散射元件具有：
位于中心的采集光纤，所述采集光纤用于将所述拉曼频移采样信号传
输至所述分束器；
多个激发光纤，所述多个激发光纤相对于所述采集滤光器径向地布置
以传输所述相干光束；以及
镜，所述镜用于反射从所述多个激发光纤发射的所述相干光束。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的检测仪器，其中所述拉曼光
谱探测器还包含在所述分束器与所述检测器之间的激光阻挡滤光器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的检测仪器，其中所述末端执
行器还包含可弃型窥镜，所述可弃型窥镜具有可拆卸地固定至所述壳体的
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里·威廉·奥纳，查尔斯·尚利，米歇尔·布鲁萨托里，塔拉·图梅，戴维·桑特，
申请(专利权)人：撒拉弗生物科学有限责任公司，韦恩州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US