用于低透射率样品分析物检测的双束傅立叶变换红外方法技术

提出了用于测定低透射率样品中至少一种分析物的存在和／或浓度的方法和设备。在这些方法中，由至少一个红外辐射源产生前向束和后向束或将其引入到干涉仪中。前向束通过样品、然后被收集、产生样品束，而后向束通过参照物、然后被收集、产生参照束。样品束和参照束或者光学重新组合成为零束、由单一检测器检测，或者通过两个单独的检测器检测后用电子方法归零。然后从检测到的零束推导出至少一种分析物的存在、更经常是推导出其浓度。还提出了实现上述方法的设备。本方法和设备适用于各种不同的应用，包括检测生理样品（如血液、组织及其衍生物）中一种或多种分析物的存在和数量。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
引言血液分析物的浓度可以用各种不同的方法监控，但越来越重要的是用非侵入性方法来监控血液分析物的浓度。例如，由于在管理糖尿病方面的重要性，许多研究和努力都用在了开发监控血液分析物浓度的非侵入性的方法和设备上。测量血糖的一种非侵入性方法涉及使用近红外分光学，其中，使近红外波长区的光通过样品或从样品反射，所发射的信号用于推导出样品中分析物的浓度。用近红外分光学监控血液分析物(包括血糖)的许多非侵入性装置在业界已众所周知，包括在有关文献部分中列出的参考资料所介绍的那些设备。为了测量在近红外光谱的各个波长区样品对光的吸收，需要一种分离波长成分的方法。先有技术中说明的这种方法包括滤光轮，基于折射光栅的分光计，声-光可调谐滤光器(AOTF)，以及傅立叶变换红外分光计。如果分析物吸收光的能力很强，而且用分光法很易区别，则滤光轮装置就可提供足够的分立的波长来测定分析物的浓度。但如果在复杂的混合物中分析物是一种对光的吸收很弱的成分，例如组织中的葡萄糖，则必须分别分析大量的(大于10个，更通常是大于100个)分立的波长区才能测定分析物的浓度。在这种情况下，可以使用基于折射光栅的、AOTF或FTIR分光计将光谱分解为多个波长区。除了测量技术的波长分辨率外，对高散射样品的一个重要考虑就是通过分光计的光通量。在具有单个检测元件的基于折射光栅的分光计中，分光计的光通量与波长分辨率成反比。于是，如果要分辨大量的波长区，到达检测器的光的数量就很小。可以使用检测器阵列以增加分光计的光通量，但这种对近红外波长具有高灵敏度的阵列通常相当昂贵。而且，阵列中不同检测器元件的校准和漂移成为分析物测定中不精确的来源。在AOTF分光计中，是用调谐滤光器的方法对各个波长区分别进行测量。由于不是同时测量整个的光谱，所以样品随时间的变化就可能使测量的光谱失真。而且，与同时测量整个光谱的技术相比，需要分别测量波长区会导致光通量的损失。FTIR分光计只使用单个检测器就具有高的光通量以及高的波长分辨率的优点。这样，对于含有分析物的复杂混合物的低透射率的样品，与滤光轮，AOTF，基于光栅的分光计等相比，FTIR更具优越性。虽然近红外FTIR装置和方法在非侵入性分析物检测领域显示了很好的前景，但如果这种装置要成为市售产品，还需要克服一些技术障碍。这些技术障碍包括仪器飘移问题，需要超高精度的模-数变换器，等等。因此，在开发基于近红外的分析物浓度检测的新方法和设备方面一直有不间断的兴趣。双束傅立叶变换红外(DB-FTIR)分光学在美国专利No.4,999,010中，以及在以下文章中有所说明Beduhn & White，AppliedSpectroscopy(应用分光学)(1986)40628-632，Kuehl & Griffiths，Anal.Chem.(分析化学)，(March 1978)50418-422，P.R.Griffiths and J.A.de Haseth，傅立叶变换红外分光学，ChemicalAnalysis，Vol.83(1986)John Wiley and Sons，New York，pp298-311。也可参考FTIR傅立叶变换红外持续发展的技术，SeanJohnston，Ellis Horwood，New York，(1991)，pp260-274。基于红外分光学的非侵入性血液分析物检测协议在以下美国专利中有所说明美国专利号6,016,435；6,002,953；5,957,841；5,945,676；5,830,132；5,574,283；5,424,545；5,237,178；5,222,496；5,204,532；以及4,882,492；这些专利的内容已作为参考包括在本文中，以及Klonoff，“非侵入性血糖监控”，Diebetes Care(March，1997)20Z(3)433-7。附图简介附图说明图1示出人体前臂漫反射光谱(前向束)和水透射参照束(后向束)以及从它们得到的零束。图2示出根据本专利技术的一种设备的示意图，对于与光起强散射相互作用的样品特别有用。图3示出根据本专利技术的一种设备的示意图，对于与光起弱散射但强吸收的相互作用的样品特别有用。图4A和4B示出分别用单束FTIR(先有技术的方法)和双束FTIR(本专利技术)测量的多分析物水溶液的光谱。图5示出用单束FTIR(先有技术的方法)和双束FTIR(本专利技术)测量的多分析物水溶液中预计的和参照的葡萄糖浓度的比较。图6示出从利用单束FTIR(先有技术的方法)和双束FTIR(本专利技术)技术测量多分析物水溶液的测量结果导出的葡萄糖浓度预计的标准误差与因素数目之间的关系的曲线表示。图7A和7B示出用单束FTIR(先有技术)和双束FTIR(本专利技术)技术在数周内测量的多分析物溶液中葡萄糖的浓度的曲线表示(预计值与参照值的关系)。在进一步说明本专利技术之前，应理解本专利技术不限于下述的具体实施例，可以对具体实施例作改动并仍属于所附的权利要求书范围之内。还应理解所使用的术语是为了说明具体实施例，而绝不是为了进行限制。本专利技术的范围由所附的权利要求书确定。在本说明书和所附权利要求书中，除非文中另有明确说明，单数的参考符号都包括多数。除非另有定义，本文所用所有技术和科学术语的意义与具有对本专利技术所属
有一般了解的人所理解的意义相同。方法如上所述，本专利技术提出了在低透射率样品中测定至少一种分析物的存在和/或浓度的方法。具体地说，本专利技术提出一种利用傅立叶变换红外(FTIR)分光学测定样品中一种分析物的存在、甚至浓度的方法。更具体地说，本方法是在低透射率样品中测定至少一种分析物(例如组织样品中的葡萄糖)的存在和浓度的双束FTIR(DB-FTIR)方法。在实现此方法时，第一步是由至少一个红外辐射源产生前向束和后向束，当前向束和后向束组合时，产生交流信号的抵消(或归零)以及直流信号的加倍。本方法采用的红外辐射可以从能在所需的红外波长内提供辐射的任何常规红外辐射源获得，特别重要的波长范围从约0.7μm到3μm，经常是从约1.3μm到2.4μm。在一个实施例中，干涉仪用于从初始的单一的红外辐射源产生前向束和后向束。前向束和后向束的特征在于，在从干涉仪出来时，它们彼此准确互补。即，在离开干涉仪时后向束的相位相对于前向束相差180°。然后，由干涉仪产生的前向束和反向束分别进入样品和参照物，产生样品束和参照束。在另一实施例中，在进入干涉仪前用两个光源产生前向束和后向束。两个光源可以用分束器或类似的光学装置从单一光源得到。然后前向束和反向束分别进入样品材料和参照材料，产生样品束和参照束。然后将样品束和参照束引入干涉仪。在某些实施例中，前向束进入的样品是低透射率的样品。低透射率样品是指样品具有高辐射损耗的特征，例如超过80％的辐射损耗，通常至少为大约99％，更经常是大约99.9％。用本方法可以分析的低透射率样品可以是高吸收的，高散射的，或是兼有二者的。本方法可以用来分析各种不同的样品。样品可以是自然发生的也可以是合成的制品。本方法可以分析的有代表性的样品包括工业产品，农业产品，环境和废弃产物等等。感兴趣的具体样品材料包括固体和液体毒品配方，精细化学制品，塑料，聚合物，薄膜特别是含有痕量分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定低透射率样品中分析物浓度的方法，所述方法包括： （ａ）从低透射率样品中产生样品束，从参照物中产生参照束； （ｂ）从所述样品束和参照束产生零信号；以及 （ｃ）从所述零信号推导出在所述低透射率样品中所述分析物的存在。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MP德布雷策尼，MP奥内尔，
申请(专利权)人：生命扫描有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]