Сенсорное устройство для определения целевого вещества



Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества
Сенсорное устройство для определения целевого вещества

 


Владельцы патента RU 2519505:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Изобретение предназначено для определения целевого вещества в исследуемой области. Сенсорное устройство (100) содержит сенсорную поверхность (112) с исследуемой областью (113) и контрольной областью (120), а также контрольный элемент (121), размещенный в контрольной области (120). При этом контрольный элемент (121) адаптирован для защиты контрольной области (120) от целевого вещества (2), так чтобы свет, отраженный в контрольной области (120), при условии полного внутреннего отражения оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2). Это позволяет измерять свойство, обычно интенсивность света, отраженного на контрольную область (120), независимо от присутствия или отсутствия целевого вещества (2), что может быть использовано для выполнения улучшенной коррекции света, отраженного в исследуемой области (113). 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к сенсорному устройству и анализирующему устройству для определения целевого вещества в исследуемой области. Кроме того, изобретение относится к соответствующему способу определения для определения целевого вещества в исследуемой области.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Патентная заявка США № 7317534 B2 предоставляет способ измерения, содержащий измерительный блок со слоем пленки, имеющей зону определения, где целевая молекула прикреплена к ее поверхности и контрольную зону, где к ее поверхности не прикреплен лиганд. Фотодетектор обнаруживает интенсивность световых лучей, отраженных при полном внутреннем отражении в зоне определения и контрольной зоне соответственно. Кроме того, результат измерения в зоне определения калибруется на основе результата измерения в контрольной зоне.

Патентная заявка США № 2005/0052655 A1 описывает интерферометр, содержащий оптическое тело, адаптированное в процессе работы подключать измерительную зону, содержащую пленку, которая способна выполнять функцию двумерной среды для поверхностных плазмонов, и примыкающую контрольную зону, средства генерирования светового луча для облучения контрольной и измерительной зон излучением, способным генерировать поверхностный плазмонный резонанс, оптические средства для объединения излучения, отраженного от контрольной и измерительной зон, и пиксельные средства обнаружения для генерирования данных, представляющих двумерные изображения объединенных лучей излучения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Однако часто сложно гарантировать, что контрольная зона останется свободной от какой-либо целевой молекулы или иным образом не подвергнется воздействию за счет присутствия целевой молекулы в среде. В частности, когда используются системы определения целевых молекул на основе бусин, сложно установить, что такие бусины не вступят в неспецифический контакт с контрольной зоной и не повлияют на обнаруженный сигнал от контрольной зоны. Таким образом, измерения должны предоставляться для гарантии того, что контрольная зона останется свободной от какой-либо целевой молекулы во время калибровки, которая достаточно сложно выполняет процедуру калибровки.

Цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить сенсорное устройство и анализирующее устройство для определения целевого вещества в исследуемой области, что допускает более простую калибровку. Кроме того, цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить соответствующий способ определения.

В аспекте настоящего изобретения предоставляется сенсорное устройство для определения целевого вещества в исследуемой области, содержащее:

- подложку, имеющую на ней сенсорную поверхность для воздействия целевого вещества, с исследуемой областью и контрольной областью,

- источник света, генерирующий падающий световой луч, чтобы отразиться в исследуемой области и/или контрольной области, тем самым генерируя отраженный свет.

- контрольный элемент, размещенный в контрольной области, адаптированный для защиты контрольной области от вещества, так чтобы свет, отраженный в контрольной области, при условии полного внутреннего отражения, оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия вещества.

- калибратор для сравнения интенсивности отраженного света как контрольной области, так и исследуемой области,

- где контрольный элемент имеет такой коэффициент преломления и такие размеры, что рассеянное поле, выявленное в контрольной области, остается не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества.

Изобретение основано на идее, что сигнал, соответствующий присутствию вещества в контрольной области, полученный посредством обнаружения света, отраженного от исследуемой области при условии полного внутреннего отражения, может быть откалиброван посредством сигнала, соответствующего стандартному отражению при условии полного внутреннего отражения. Таким образом, контрольный элемент, эффективно защищающий контрольную область от воздействия веществ, потенциально присутствующих в исследуемой области, позволяет измерять интенсивность света, отраженного в исследуемой области в стандартизированной форме, то есть независимо от присутствия или отсутствия вещества для анализа. Таким образом, отраженный в контрольной области свет является по существу только функцией факторов, отличных от присутствия или отсутствия вещества, и таким образом отражает ошибки, обусловленные ошибками измерения, например увеличение температуры или колебания при достижении выходным светом контрольной области.

В рамках настоящего изобретения отраженный в контрольной области свет, при условии полного внутреннего отражения, считают не подвергшимся воздействию за счет присутствия или отсутствия вещества, когда интенсивность света не изменяется за счет присутствия или отсутствия вещества более чем на 10%, предпочтительно не более 1%, и еще более предпочтительно не более 0,1%. В частности, предпочтителен диапазон от 0,05% до 0,3%.

Кроме того предпочтительно, чтобы контрольный элемент защищал контрольную область не только от анализируемого вещества, но также и от других веществ, потенциально воздействующих на присутствие рассеянного поля в контрольной области. Это преимущественно позволяет анализировать присутствие вещества в подкрашенной среде, в то время как окрашивание среды не будет мешать отраженному на контрольную область свету при условии полного внутреннего отражения. Таким образом, даже для окрашенной среды контрольная область может служить в качестве надежного стандарта. Способ по настоящему изобретению и сенсорные устройства по настоящему изобретению могут также преимущественно использоваться для дополнительных аналитических способов, используя измерение переданного света, например измерение абсорбции света и оптической плотности. Таким образом, желательно, чтобы контрольный элемент был предпочтительно цельным, гелеобразным или иным образом противостоял смыванию средой.

Необходимо отметить, что термин "полное внутреннее отражение" должен включать в себя случай, часто называемый "ослабленным полным внутренним отражением", где некоторый падающий свет теряется во время процесса отражения. Отраженный световой луч, возникающий в исследуемой области, обычно будет состоять из или содержать свет падающего светового луча, который был полностью внутренне отражен в исследуемой области сенсорной поверхности, которая может быть связывающей поверхностью для связывания целевого вещества. Однако он может также содержать свет от других источников, таких как флуоресценция, стимулируемая в исследуемой области.

Коэффициент преломления и размеры контрольного элемента предпочтительно выбираются так, чтобы размеры превышали длину экспоненциального затухания рассеянного поля, выявленного там, то ест, чтобы это рассеянное поле по существу не было размещено за пределами контрольного элемента и подложки, но которой размещен контрольный элемент. Толщина и латеральные размеры контрольного элемента затем выбираются таким образом, чтобы рассеянное поле, сгенерированное при условии полного внутреннего отражения внутри контрольного элемента, являлось по существу задемпфированным для выбранной длины волны и угла падения света. Длина экспоненциального затухания ζ вычисляется как

,

где λ и θ являются длиной волны используемого света и углом падения соответственно, а n1 и n2 являются коэффициентами преломления материала, в котором проходит свет, и контрольного элемента соответственно. Угол θкрит определяет критический угол. Таким образом, профессионал может выбрать подходящие материалы для производства контрольного элемента для заранее выбранной длины волны, угла падения и материала для проходящего в нем светового луча.

Латеральная форма контрольного элемента может быть выбрана произвольно, таким образом позволяя настоящему устройству быть адаптированным к множеству дополнительных условий. Предпочтительно, чтобы контрольный элемент являлся пленкой или слоем, имеющим толщину по меньшей мере 200 нм, более предпочтительно 500 нм-1 мм и наиболее предпочтительно 500 нм-100 мкм. Такие элементы могут преимущественно содержаться в микросенсорах, позволяя анализировать незначительное количество среды.

В дополнительно предпочтительном сенсорном устройстве исследуемая область содержит связывающее вещество для связывания мишени. Мишень может быть целевым веществом, которое может воздействовать на свое рассеянное поле. Однако в случае определения концентрации вещества, требующего метки для воздействия на рассеянное поле для его определения, которое далее в настоящем документе обозначают "анализируемое вещество", мишенью будет такая метка. Тогда обычно мишенью будет являться вещество, предпочтительно магнитная бусина, содержащая соединительную часть для прикрепления анализируемого вещества, предпочтительно посредством прикрепления со специфичностью к анализируемому веществу ввиду других веществ, которые предположительно содержатся в среде. Соединительная часть может быть ковалентно или не ковалентно присоединена к анализируемому веществу и остальному целевому веществу соответственно. Предпочтительно, мишень содержит одно, два, три или более антител или их Fab фрагментов, включая F(ab')2 фрагменты, которые могут быть привязаны к анализируемому веществу в той же самой или другой секциях анализируемого вещества.

Типичным примером связывающего вещества исследуемой области является антитело или его Fab фрагмент, включая F(ab')2 фрагменты. Такие связывающие вещества могут производиться для огромного разнообразия целевых молекул и их антигенов и учитывают специфичные связи мишеней и/или анализируемых веществ, где применимо, в исследуемой области сенсорного устройства. Таким образом возможно выборочно обогащать эти мишени/анализируемые вещества в исследуемой области. При этом нежелательные мишени могут быть удалены с исследуемой области с помощью подходящих сил отталкивания (например, магнитные или гидродинамические силы), что не должно по существу разрушить связь между желаемыми целевыми молекулами и связывающими веществами. Связывание мишени может воздействовать на рассеянное поле, выявленное в исследуемой области и, таким образом, воздействовать на интенсивность света, отраженного оттуда при условии полного внутреннего отражения. Также дополнительные вещества могут быть добавлены для усиления воздействия, оказываемого связывающей мишенью в исследуемой области, на рассеянное поле, выявленное там. Кроме того, исследуемая область может содержать один, два или более типов связывающих веществ. Типы связывающих веществ могут быть специфичными для разных типов молекул или для разных секций и антигенов одной или более целевых молекул. Таким образом, сенсорная поверхность по настоящему изобретению пригодна для разных видов биосенсоров и способов измерения.

Другим типом анализа для определения концентрации анализируемого вещества в среде может быть конкурентно-связывающий анализ. В таком анализе количественное определение концентрации анализируемого вещества может быть выполнено посредством анализа присутствия или отсутствия мишени в соответствующей исследуемой области, как результат конкуренции между анализируемым веществом и веществом, подобным анализируемому веществу, для связывания с помощью связывающего вещества и/или мишени или ее соответствующей соединительной части.

Сенсорное устройство настоящего изобретения предпочтительно адаптировано для анализа присутствия вещества (то есть мишени или, если применимо, анализируемого вещества) в среде в концентрации, меньшей чем или равной 1 нМ, даже более предпочтительно от 1 до 100 пМ и наиболее предпочтительно от 10 до 1000 фМ. Такие низкие концентрации обычно требуют длительного времени измерения, равно как и полученные от среды сигналы малы. Сигналы, сгенерированные типичным оптическим сенсорным устройством, могут смещаться во времени без изменений в анализируемой композиции. Например, вывод света из источника света может изменяться, например, в результате температурных изменений среды или внутри биосенсорного устройства. Смещение может привести к значительным отклонениям полученного сигнала по сравнению с реальным количеством целевых молекул, связанных в исследуемой области. Таким образом, калибровка сигнала, принятого детектором от исследуемой области, необходима для получения значительных результатов. Чрезвычайно важным преимуществом настоящего изобретения является позволение такой калибровки, основанной на контрольной области и отраженном там свете, которая позволяет надежно анализировать присутствие или отсутствие вещества при низких концентрациях, упомянутых ранее. Это является чрезвычайно важным преимуществом при измерении присутствия вещества, подобного, например, сердечному тропонину-I, гормону околощитовидной железы (PTH) и BNP (мозговому натрийуретическому пептиду), в физиологических образцах, например крови, которое требует предел определения менее 1 пМ.

В предпочтительном сенсорном устройстве сенсорная поверхность в контрольной области повернута относительно сенсорной поверхности исследуемой области, чтобы сделать возможным падение падающего светового луча в контрольную область под меньшим углом, чем у параллельного падающего светового луча в исследуемой области. Для достижения условий полного внутреннего отражения в интерфейсе контрольного элемента сенсорной поверхности коэффициент преломления материала контрольного элемента должен быть выбран достаточно низким для данного коэффициента преломления материала, в котором проходит отраженный свет. Таким образом, для некоторых материалов сложно найти подходящий материал контрольного элемента. Посредством небольшого поворота поверхности в контрольной области возможно достигнуть меньшего угла падения на контрольный элемент, чем в исследуемой зоне, таким образом позволяя использовать материалы контрольного элемента со сравнительно большим коэффициентом преломления.

В дополнительно предпочтительном сенсорном устройстве контрольная область предпочтительно примыкает к исследуемой области. Таким образом, могут быть минимизированы ошибки в измерениях интенсивности света, отраженного при условии полного внутреннего отражения, например, в результате небольших изменений в композициях материала подложки. В рамках настоящего изобретения контрольную область считают примыкающей, когда она отделена от исследуемой области, предпочтительно, вдобавок исследуемая область прикрепляет связывающее вещество, как указано выше, самое большее на 5 мм, более предпочтительно от 0,5 до 1 мм и наиболее предпочтительно от 0,1 до 0,5 мм.

Материал контрольного элемента может быть выбран произвольно, при условии что он позволяет полное внутреннее отражение в контрольной области для заранее выбранной длины волны и угла падения света и достаточно защищает контрольную область как сообщено выше. Предпочтительно, чтобы контрольный элемент был цельным, даже более предпочтительно, чтобы контрольный элемент был пленкой. В рамках настоящего изобретения линзы считают цельными. Кроме того, предпочтительные материалы контрольного элемента выбраны из полимеров, биомолекул и, в частности, протеинов, нуклеиновых кислот и полисахаридов, гелей, золь-гелей и других пластиков.

Предпочтительно выбирать материал, который может быть нанесен простым образом, например струйной печатью. Доступно множество полимеров, которые могут быть УФ-отвержденными или полимеризованными другими подходящими средствами для быстрой, надежной и автоматической полимеризации.

Также предпочтительно, чтобы контрольная область содержала зеркало для отражения падающего света. Такое зеркало, часто называемое истинным зеркалом, может применяться в виде диэлектрического многоуровневого или металлического покрытия и является пригодным, в частности, как контрольный элемент при таких условиях, где затруднен поиск материала контрольного элемента с достаточно низким коэффициентом преломления.

Во многих причастных на практике вариантах осуществления изобретения сенсорного устройства сенсорная поверхность будет содержать две или более исследуемые области, на которых разные падающие световые лучи могут быть полностью внутренне отражены. Так, одно устройство позволяет обрабатывать несколько исследуемых областей и, таким образом, например, осуществлять поиск разных целевых веществ, наблюдение за теми же целевыми веществами при разных условиях и/или выборка нескольких измерений для целей статистики. "Разные падающие световые лучи" опционально могут быть компонентами одного широкого луча света, который однородно сгенерирован одним источником света, они могут быть индивидуальными отдельными световыми лучами, направленными на исследуемые области и/или контрольные области одновременно (опционально через одни и те же или разные оптические окна), и/или они могут быть временно разными (то есть быть сгенерированными одним основным световым лучом, сканирующим исследуемые области). Предпочтительно, чтобы "разные падающие световые лучи" являлись частью одного широкого светового луча, одновременно освещающего одну, две или более контрольных областей и одну, две или более исследуемых областей. Детектор может затем отдельно измерить свет, отраженный от соответствующих областей, ниже все будет описано более подробно.

Сенсорное устройство предпочтительно является картриджем, имеющим подложку, содержащую на ней сенсорную поверхность. Такие картриджи могут быть преимущественно использованы с помощью анализирующих устройств, чтобы адаптировать анализирующие устройства для конкретных задач измерения.

Пока в принципе возможно, чтобы подложка имела некоторую выделенную структуру со множественными компонентами разных материалов, предпочтительно, чтобы подложка была однородно изготовлена из прозрачного материала, например из стекла или прозрачного пластика. Таким образом, подложка может быть легко изготовлена, например, посредством литьевого формования.

Картридж может быть использован в комбинации со многими разными устройствами, в том числе с биосенсорными устройствами и способами. Для практически важного применения в процедуре исследования картридж предпочтительно содержит первое и второе оптическое окно, так чтобы падающий световой луч мог войти в подложку через первое оптическое окно, так что он полностью внутренне отражен в исследуемой области и/или контрольной области на сенсорной поверхности, и где отраженный световой луч, возникающий в исследуемой области и/или контрольной области, может выйти из подложки через второе оптическое окно.

Сенсорное устройство по настоящему изобретению предпочтительно дополнительно содержит:

- детектор для обнаружения отраженного света, для выдачи первого характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области, и второго характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области, и

- калибратор для калибровки первого характеристичного сигнала, принимая во внимание второй характеристичный сигнал.

Такое устройство использует преимущество настоящего изобретения, то есть сенсорное устройство позволяет калибровать первый характеристичный сигнал, принимая во внимание второй характеристичный сигнал. Таким образом, сенсорное устройство особенно облегчает надежные, важные измерения, ограничивает ошибки измерения и позволяет обнаруживать целевое вещество в исследуемой(ых) области(ях) при низких концентрациях за счет более длительного времени измерения.

В практических вариантах осуществления такого устройства калибратор предпочтительно адаптирован корректировать или улучшать смещение в первом характеристичном сигнале, принимая во внимание второй характеристичный сигнал. Преимуществом такого устройства является то, что может быть достигнуто особенно длительное время измерения без значительного влияния смещения, таким образом облегчая или даже позволяя обнаруживать целевые вещества при низких концентрациях в исследуемой области или вопреки зашумленному фону среды.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения сенсорное устройство адаптировано для совместной работы с анализирующим устройством для того, чтобы определять целевое вещество, где анализирующее устройство содержит:

- анализируемую область, чтобы вмещать сенсорное устройство,

- источник света для направления падающего света в анализируемую область, так что падающий свет направляется в исследуемую область и контрольную область сенсорной поверхности и так что падающий свет отражается, при условии полного внутреннего отражения, в исследуемую область и контрольную область, тем самым генерируя отраженный свет, когда сенсорное устройство помещено в анализируемой области,

- детектор, для обнаружения отраженного света, для выдачи первого характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области, и второго характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области,

- калибратор, для калибровки первого характеристичного сигнала принимая во внимание второй характеристичный сигнал.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения предоставлено анализирующее устройство для определения целевого вещества, адаптированное для совместной работы с сенсорным устройством для обнаружения целевого вещества, где сенсорное устройство содержит:

- сенсорную поверхность с исследуемой областью и контрольной областью на ней,

- контрольный элемент, размещенный в контрольной области, адаптированный для защиты контрольной области от целевого вещества, так чтобы свет, отраженный в контрольной области, при условии полного внутреннего отражения, оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества, где анализирующее устройство содержит:

- анализируемую область, чтобы вмещать сенсорное устройство,

- источник света для направления падающего света в анализируемую область, так что падающий свет направляется в исследуемую область и контрольную область сенсорной поверхности и так что падающий свет отражается, при условии полного внутреннего отражения, в исследуемую область и контрольную область, тем самым генерируя отраженный свет, когда сенсорное устройство помещено в анализируемой области,

- детектор для обнаружения отраженного света, для выдачи первого характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области, и второго характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области,

- калибратор, для калибровки первого характеристичного сигнала, принимая во внимание второй характеристичный сигнал.

Такое анализирующее устройство преимущественно адаптировано к сенсорному устройству, в частности картриджу, настоящего изобретения и использует контрольную область для калибровки характеристичного сигнала, полученного из контрольной области. Характеристический сигнал является сигналом интенсивности света. Сенсорное устройство предпочтительно является биосенсором.

Снова, калибратор предпочтительно адаптирован корректировать или улучшать смещение в первом характеристичном сигнале света исходящего из исследуемой области сенсорного устройства, в частности картридж, принимая во внимание второй характеристичный сигнал света, исходящий из контрольной области сенсорного устройства.

Таким образом, анализирующее устройство позволяет уменьшить ошибку измерения для измерений интенсивности света в исследуемой области. Таким образом, возможно анализировать свет, отраженный от исследуемой области в течение длительного периода времени без существенного примешивания первого характеристичного сигнала, полученного из указанной исследуемой области за счет ошибочных смещений интенсивности света. Таким образом, такое анализирующее устройство облегчает обнаружение веществ в исследуемой области при очень низких концентрациях, что обычно требует длительного времени облучения исследуемой области.

Согласно дополнительному аспекту изобретения предоставляется способ определения для определения целевого вещества в исследуемой области, содержащий этапы:

- предоставление сенсорной поверхности с исследуемой областью и контрольной областью на ней,

- предоставление контрольного элемента, размещенного в контрольной области, адаптированного для защиты контрольной области от целевого вещества, так чтобы свет, отраженный в контрольной области, при условии полного внутреннего отражения оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества,

- освещение исследуемой области и контрольной области при условии полного внутреннего отражения для одновременного или последовательного получения первого характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области, и второго характеристичного сигнала, зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области,

- калибровка первого характеристичного сигнала принимая во внимание второй характеристичный сигнал.

Способ определения может также содержать этапы:

a) облучение исследуемой области сенсорного устройства по изобретению светом и получение первого характеристического сигнала полностью внутренне отраженного от нее света,

b) облучение исследуемой области сенсорного устройства изобретения светом и получение первого характеристического сигнала полностью внутренне отраженного от нее света,

c) калибровка первого характеристического сигнала, полученного на этапе a), посредством второго характеристического сигнала, полученного на этапе b).

Способ определения позволяет обнаруживать присутствие целевого вещества в исследуемой области и также позволяет определять другое свойство исследуемой области, например определять температуру посредством анализа воздействия термохромного материала на интенсивность света, отраженного при условии полного внутреннего отражения в исследуемой области.

Предпочтительно, чтобы этапы a) и c), этапы b) и c) или этапы a), b) и c) повторялись. Такое повторение может быть выполнено для одной исследуемой области, чтобы сделать возможным разрешенный во времени анализ связывания целевого вещества с исследуемой областью. Этапы могут быть также повторены посредством их последовательного применения к разным исследуемым областям, позволяя определять количество целевых(ого) веществ(а), связанных в разных исследуемых областях.

Особенно важно, по меньшей мере, последовательно выполнить этапы a) и b) для, по меньшей мере, одной контрольной области и одной исследуемой области. Таким образом, калибровка может быть выполнена при очень низком количестве ошибок измерения.

Кроме того, предпочтителен способ определения, содержащий:

I) предоставление анализирующего устройства настоящего изобретения,

II) предоставление сенсорного устройства, предпочтительно картриджа, настоящего изобретения в анализируемой области указанного анализирующего устройства,

III) связывание целевого вещества в исследуемой области указанного сенсорного устройства,

IV) выполнение этапов измерительного способа a), b) и c), как описано выше.

Такой способ использует преимущества настоящего изобретения и, в частности, позволяет анализировать целевое вещество при очень низкой концентрации в исследуемой области, как описано выше.

Следует понимать, что сенсорное устройство по п. 1 формулы изобретения, анализирующее устройство по п. 11 формулы изобретения и способ определения по п. 13 формулы изобретения имеют схожие и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления изобретения, как определено в зависимых пунктах формулы изобретения. Кроме того, следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может являться любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующими независимыми пунктами формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства,

На фиг. 2 схематично и примерно показан график смещения сигнала нескорректированного сигнала обнаружения,

На фиг. 3 схематично и примерно показан в виде сбоку свет, отраженный при условии полного внутреннего отражения,

На фиг. 4 схематично и примерно показан в виде сверху вариант осуществления сенсорного устройства,

На фиг. 5 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства с фиг. 4,

На фиг. 6 схематично и примерно показан в виде сверху вариант осуществления сенсорного устройства,

На фиг. 7 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства с фиг. 6,

На фиг. 8 схематично и примерно показан график сигнала обнаружения и контрольного сигнала,

На фиг. 9 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства,

На фиг. 10 схематично и примерно показан в виде сверху вариант осуществления сенсорного устройства с фиг. 9,

На фиг. 11 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства,

На фиг. 12 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления анализирующего устройства,

На фиг. 13 схематично и примерно показаны магнитные частицы, привязанные к исследуемой области сенсорного устройства, и

На фиг. 14 схематично и примерно показан способ настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления сенсорного устройства 100 настоящего изобретения. Устройство 100 содержит подложку 110 из материала, прозрачного для падающего светового луча L1. Подложка 110 имеет сенсорную поверхность 112. На сенсорной поверхности 112 разделитель текучего вещества 101 размещен так, чтобы сделать возможным добавление среды 4 на сенсорную поверхность 112. Зона сенсорной поверхности 112 покрыта контрольным элементом 121, чтобы защитить контрольную область 120 сенсорной поверхности 112 от какого-либо целевого вещества (2) в среде 4. В окрестности контрольной области 120 находится исследуемая область 113 сенсорной поверхности 112. Исследуемая область 113 может содержать связывающее вещество 114 для прямого или непрямого связывания целевого вещества 2.

Контрольная область 120 и исследуемая область 113 могут быть освещены падающим светом (показан как падающий световой луч L1). Падающий свет L1 отражается при условии полного внутреннего отражения в контрольной области 120, чтобы произвести исходящий свет L2. Контрольный элемент 121 имеет такой коэффициент преломления и такие размеры, что рассеянное поле, выявленное полным внутренним отражением в контрольной области 120, остается не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества 2. Таким образом, интенсивность исходящего светового луча L2 контрольной области 120 не зависит от присутствия или отсутствия целевого вещества 2 в среде 4 и предпочтительно также не зависит от присутствия или отсутствия других целевых веществ среды 4. Затем, исходящий световой луч L2 контрольной области 120 может служить как стандартный световой луч и его интенсивность может быть использована как (второй) характеристический сигнал 220 в детекторе 18.

Падающий свет L1 также отражается при условии полного внутреннего отражения в исследуемой области 113, чтобы произвести дополнительный исходящий свет L2. Однако рассеянное поле, выявленное в исследуемой области 113, подвергается воздействию целевого вещества 2 среды 4 и наиболее предпочтительно только или в основном целевого вещества 2. Затем интенсивность такого дополнительного исходящего света коррелируется посредством присутствия или отсутствия целевого вещества 2 в исследуемой области 113 и может служить как (первый) характеристический сигнал 213 в детекторе 18.

Калибратор 20 сравнивает исходящий свет L2 как контрольной области 120, так и исследуемой области 113. Посредством такого сравнения может быть определено воздействие целевого вещества 2 на интенсивность света, отраженного в исследуемой области 113 при условии полного внутреннего отражения. Этот режим сравнения уменьшает или устраняет любые дополнительные источники ошибок измерения, так как сравнение может быть сделано в значительной степени независимо от изменения в интенсивности падающего света L1 посредством единовременного или последовательного быстрого измерения интенсивности исходящего света L2 контрольной области 120 и исследуемой области 113. Также и первый, и второй характеристические сигналы 213 и 220 соответственно могут быть определены в одиночном детекторе 18, дополнительно уменьшающем ошибки измерения. Таким образом, калибратор 20 эффективно корректирует или улучшает смещение в первом характеристическом сигнале 213, принимая во внимание второй характеристический сигнал 220.

Для получения контрольного элемента 121 небольшую каплю УФ-отвержденного вещества, акрилат (2,2,3,3,4,4,5,5-октафтор-гександиол-1,6-диметакрилата) с низким коэффициентом преломления можно нанести на сенсорную поверхность 112 полистиролового картриджа. Таким образом, после отверждения в среде азота, в контрольной области 120 может быть получен контрольный элемент 121 с n2 < 1,42. Для такого контрольного элемента 121 было найдено, что когда примыкающая исследуемая область 113 сенсорного устройства 112 была затемнена с помощью черной маркерной ручки, интенсивность света, отраженного (L2) при условии полного внутреннего отражения (угол падения θi: 70°) заметно снизилась в исследуемой области 113. Однако, несмотря на то что контрольный элемент 121 был также покрыт чернилами черной маркерной ручки, интенсивность света, отраженного при условии полного внутреннего отражения (угол падения θi: 70°), не снизилась заметно в контрольной области 120, как показано на фиг. 8.

Коэффициент преломления n2 отвержденного акрилата все еще достаточно высок. При вышеупомянутых специальных экспериментальных условиях входящий луч не был идеально параллельным, так что часть падающего света имела угол, меньший чем 70°. Это значит, что малая часть входящего светового луча проникла в контрольный элемент 121 и таким образом подверглась воздействию чернил черного маркера, уменьшая интенсивность отраженного света.

Это может быть решено посредством дополнительного уменьшения коэффициента преломления контрольного элемента 121, и/или посредством увеличения угла падения, и/или посредством увеличения коэффициента преломления материала картриджа, и/или посредством коллимации входящего освещающего луча. Вместо полимера могут быть пригодны другие материалы с низким коэффициентом преломления, такие как например, биомолекулы (в частности, протеины, нуклеиновые кислоты, полисахариды), гели, золь-гели и другие пластики. Способ, которым применяют эти различные контрольные элементы 121 к сенсорной поверхности 112, зависит от природы контрольного элемента 121, сенсорной поверхности 112 и материала картриджа. Например, в случае биомолекул может быть необходимо ковалентно присоединить их к сенсорной поверхности 112 картриджа.

На фиг. 2 схематично и примерно показан график смещения сигнала нескорректированного сигнала обнаружения. Ось X относится ко времени t измерения, заданному в минутах. Ось Y относится к изменению (задана в процентах) первого характеристического сигнала 213 света исследуемой области 113 сенсорного устройства 100 типа, который представлен на фиг. 1. Во время измерения, показанного на фиг. 2, в исследуемую область 113 не добавляли вещество. График показывает, что после 10 минут измерения первый характеристический сигнал 213 сместился на 0,1%. Так как это смещение не было вызвано добавлением вещества в исследуемую область 113, смещение принимают за ошибку измерения. Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, такое смещение принимают за результат произвольных изменений в интенсивности источника света 11, например LED, и чувствительности сенсора, например CMOS сенсора, в частности, в результате температурных изменений в устройстве. Такие ошибки измерения не могут быть допущены в аналитических задачах, требующих высокой чувствительности и точности обнаружения, например, определение концентрации Тропонина-I в среде 4, подобной крови. Для таких аналитических задач может требоваться предел определения менее 1 пМ, что в свою очередь требует длительного времени измерения и очень малого смещения сигнала. Устройство с фиг. 1 теперь позволяет надежно завершить эти аналитические задачи.

На фиг. 3 схематично и примерно показан в виде сбоку свет, отраженный при условии полного внутреннего отражения и изображен принцип полного внутреннего отражения. Падающий световой луч L1 проходит через среду 4 с первым коэффициентом преломления n1. Световой луч L1 достигает поверхности другой среды 4 со вторым коэффициентом преломления n2. Затем, световой луч L1 отражается при условии полного внутреннего отражения, чтобы сформировать световой луч L2, если угол падения θi больше чем критический угол θкрит, где согласно Закону Снелла θкрит=sin-1(n2/n1).

Например, материалом, пригодным для производства биосенсорных картриджей, является полистирол. Для материала полистерол n1 составляет 1,55. Кроме того, когда выбирают угол падения θi равный 70°, как будет пригодно для биосенсорного устройства, имеющего полистерол/водно-подобный сенсорный интерфейс, должна быть выбрана вторая среда 4, так чтобы n2 < 1,45. Тогда θкрит составит 69,1°, так что полное внутреннее отражение произойдет в поверхности между обоими средами.

Предпочтительные сенсорные устройства содержат некоторую границу для n2, так как часто существует некоторое угловое распределение угла падения, например, такое как у LED, который может не производить идеально параллельные лучи. Чтобы иметь угловой предел в 2°, n2 следует выбирать меньшим, чем 1,419.

На фиг. 4 и 5 схематично и примерно показано сенсорное устройство 100 в виде сверху и сбоку соответственно. Сенсорное устройство 100 содержит картридж 110 с первым коэффициентом преломления n1. Картридж 110 имеет сенсорную поверхность 112. На сенсорной поверхности 112 контрольный элемент 121 размещен для того, чтобы защитить контрольную область 120 сенсорной поверхности 112. Рядом с контрольной областью 120 находится исследуемая область 113 сенсорной поверхности 112. Исследуемая область 113 не содержит контрольный элемент 121. На фиг. 5 исследуемая область 113 заслоняется контрольным элементом 121.

И контрольная область 113, и исследуемая область 120 могут быть освещены лучом падающего света L1 LED источника света 11. Источник света может также являться лазерным диодом или сверхлюминесцентным диодом (SLED) или другим источником света 11. Падающий световой луч L1 отражается при условии полного внутреннего отражения в контрольной области 120 и в присутствии воздействия целевого вещества (2) также в исследуемой области 113 для формирования светового луча L2. Световой луч L2 обнаружен в детекторе 18, чтобы определить интенсивность света, отраженного на контрольную область 120 и исследуемую область 113 соответственно. Калибратор 20 сравнивает исходящий луч L2, и контрольной области 120, и исследуемой области 113, как подробно говориться в обсуждении фиг. 1 и как дополнительно подробно говориться в обсуждении фиг. 12.

На фиг. 6 и 7 схематично и примерно показан вариант осуществления сенсорного устройства 100 в виде сверху и сбоку соответственно. Сенсорное устройство 100 содержит подложку 110. Подложка 110 имеет сенсорную поверхность 112. На сенсорной поверхности 112 разделитель текучего вещества 101 размещен так, чтобы сделать возможным добавление предпочтительно жидкой среды 4 на сенсорную поверхность 112. Разделитель текучего вещества 101 имеет отверстия, образовывающие систему каналов текучего вещества, содержащую принимающее текучее вещество отверстие 112, ведущий к измерительной камере канал, ведущий от контрольной камеры канал и вентиляционное отверстие 119. Измерительная камера содержит исследуемую область 113 сенсорной поверхности 112. Рядом с измерительной камерой расположены две контрольные области 120, каждая содержит цельный контрольный элемент, чтобы сделать возможным полное внутреннее отражение падающего света в подложке 110.

При использовании исследуемая область 113 и одна или обе контрольные области 120 облучаются лучом падающего света (не показано) изображенным на фиг. 1 образом. Свет отражается при условии полного внутреннего отражения в контрольную(ые) область(и) 120 и/или исследуемую область 113. Среда 4 текучего вещества, предпочтительно жидкая, добавляется к сенсорному устройству 100 посредством принимающего текучее вещество отверстия 120. Воздух, содержащийся в измерительной камере и канале, туда ведущем, вытесняется через вентиляционное отверстие 119. Среда 4 направляется по каналу в измерительную камеру. В измерительной камере целевое вещество 2 может воздействовать на интенсивность света, отраженного в исследуемой области 113 сенсорной поверхности 112 при условии полного внутреннего отражения.

Интенсивности света, отраженного при условии полного внутреннего отражения в исследуемой области 113 и контрольной(ых) области(ях) 120, обнаруживаются детектором 18. Калибратор 20 сравнивает исходящий свет как контрольной(ых) области(ей) 120, так и исследуемой области 113 описанным для фиг. 1 образом.

На фиг. 8 схематично и примерно показан график сигнала обнаружения и контрольного сигнала устройства с фиг. 6 и 7. Нормализованная интенсивность сигнала sn показана на графике. Как видно, характеристический сигнал 220, полученный от света, отраженного в контрольной области 120 сенсорной поверхности 112, показывает некоторое смещение в интенсивности сигнала. Это обнаруженное смещение в интенсивности сигнала может быть использовано для корректирования и калибровки характеристического сигнала 213, полученного от света, отраженного в исследуемой области 113 сенсорной поверхности 112.

На фиг. 9 и 10 схематично и примерно показан дополнительный вариант осуществления сенсорного устройства 100 в виде сбоку и сверху соответственно. Устройство 100 содержит подложку 110, имеющую на ней сенсорную поверхность 112. Сенсорная поверхность 112 содержит серию углублений для формирования в них серий заниженных контрольных областей 120. Углубления могут быть сформированы посредством моделирования поверхности, например с помощью фокусного ионного травления или выжигания импульсным лазером. Рядом с контрольной областью 120 находится исследуемая область 113, как описано с учетом фиг. 1.

При использовании жидкая среда 4 проходит над сенсорной поверхностью 112 подложки 110. Для целей иллюстрации на фиг. 9 и 10 показана только капелька среды 4. Среда 4 не может попасть в углубления в контрольной области 120 из-за ее поверхностного натяжения, захватывая воздух между капельками среды 4 и контрольной областью 120. Тогда воздух функционирует как контрольный элемент 121, как описано с учетом фиг. 1.

Более того, также могут быть сделаны модификации в верхней гидравлической части устройства типа, изображенного на фиг. 6 и 7, например, чтобы захватить воздушные пузыри в заранее заданных зонах, предпочтительно внутри или близко к гидравлическому каналу. Такие захваченные воздушные пузыри будут функционировать как контрольный элемент 121, как описано с учетом фиг. 1.

На фиг. 11 схематично и примерно показан в виде сбоку дополнительный вариант осуществления сенсорного устройства 100. Устройство содержит подложку 110, имеющую сформированную на ней сенсорную поверхность 112. Сенсорная поверхность 112 содержит исследуемую область 113, как описано для фиг. 1, и контрольную область 120. Сенсорная поверхность 112 контрольной области 120 повернута относительно сенсорной поверхности 112 исследуемой области 113 на угол β. Таким образом параллельные падающие световые лучи L1, достигающие и исследуемой области 113, и контрольной области 120, эффективно достигнут контрольной области 120 при угле θкрит+β+δ вместо θкрит+δ для угла падения в исследуемой области 113. Затем ограничения, учитывающие коэффициент преломления nTWR контрольного элемента 121, ослабляются примерно до

,

где ожидается, что n2 является коэффициентом преломления среды 4 и коэффициентом преломления материала подложки 110. Обычно при таких ослабленных условиях проще найти подходящий материал для контрольного элемента 121.

На фиг. 12 схематично и примерно показан в виде сбоку вариант осуществления анализирующего устройства 10. Сенсорное устройство 100 было вставлено в анализирующее устройство 10. Устройство 100 содержит в этом варианте осуществления изобретения подложку 110, имеющую на ней сенсорную поверхность 112. Кроме того, разделитель текучего вещества 101 размещен на подложке 110. Верхняя гидравлическая часть 14 дополняет измерительную камеру между сенсорной поверхностью 112, разделителем текучего вещества 101 и верхней гидравлической частью 14.

Анализирующее устройство 10 дополнительно содержит магнитный элемент 13, который обеспечивает магнитное поле для нагнетания магнитных частиц 2 на сенсорную поверхность 112 сенсорного устройства. Магнитные частицы 2 обнаружены в этом варианте осуществления изобретения посредством освещения сенсорной поверхности 112 с помощью светового луча L1, сгенерированного источником света 11. Источник света 11 является, например, лазерным устройством, SLED или LED. Свет L2, отраженный от сенсорной поверхности 112, обнаруживается детектором 18. Детектор 18 является, например, фотодетектором или двумерной камерой. Оптические элементы могут быть скомбинированы в световые лучи L1 и L2 для генерирования параллельных световых лучей L1 и L2 соответственно. Такие оптические элементы предпочтительно являются линзами.

Подложка 110 помещена в анализируемой области. В анализируемой области падающий свет L1 может быть направлен и в контрольную область 120, и в исследуемую область 113, так что свет, отраженный при условии полного внутреннего отражения, может быть обнаружен детектором 18. Более того, в анализируемой области магнитное поле, созданное магнитным элементом 13, может нагнетать магнитные частицы на сенсорную поверхность 112.

Сенсорная поверхность 112 дополнительно содержит контрольную область 120 и исследуемую область 113; обе не показаны. Падающий свет L1, прибывающий в контрольную область 120 и исследуемую область 113 сенсорной поверхности 112, отражается при условии полного внутреннего отражения, чтобы стать световым лучом L2. Однако в исследуемой области 113 такое внутреннее отражение может быть при условии ослабленного полного внутреннего отражения. Другими словами, при перемещении магнитных частиц 2 на исследуемую область 113 присутствующий на ней рассеянный свет вследствие рассеивания и абсорбции падающего светового луча L1 ведет к изменению интенсивности света L2, отраженного исследуемой областью 113. Это изменение может быть обнаружено детектором 18, как описано выше.

Детектор 18 дает два характеристических сигнала 213, 220. Интенсивность света, отраженного при условии полного внутреннего отражения в исследуемой области 113, дается как первый характеристический сигнал 213, интенсивность света, отраженного при условии полного внутреннего отражения в контрольной области 120, дается как второй характеристический сигнал 220. Затем, калибратор 20 сравнивает первый характеристический сигнал 213 и второй характеристический сигнал 220, чтобы произвести скорректированный результат. Результат сравнения отображается отображающим устройством 21.

На фиг. 13 схематично и примерно показаны магнитные бусины, привязанные к исследуемой области 113 сенсорного устройства. Исследуемая область 113 сенсорного устройства 112 покрыта антителами 114. Антитела 114 могут связывать анализируемое вещество 2'. Кроме того, магнитные бусины 2 покрыты антителами, чтобы связывать анализируемое вещество 2'. При добавлении анализируемого вещества 2' в среду 4 анализируемое вещество 2' помещается посередине между антителами 114 и магнитными бусинами 2, таким образом эффективно присоединяя магнитные бусины 2 к исследуемой области 113. Затем, магнитные бусины 2 могут воздействовать на свет, отраженный в исследуемой области 113, как описано с учетом, например, фиг. 12. Магнитные бусины являются предпочтительно частицами, имеющими, по меньшей мере, один размер, находящийся в диапазоне между 3 нм и 10000 нм, предпочтительно между 10 нм и 3000 нм, и наиболее предпочтительно между 200 нм и 1000 нм.

На фиг. 14 схематично и примерно показан способ настоящего изобретения. На этапе 401 предоставлена сенсорная поверхность 112 с исследуемой областью 113 и контрольной областью 120. Контрольный элемент 121 размещен в контрольной области 120 для защиты контрольной области 120, так что свет, отраженный на контрольную область 120 при условии полного внутреннего отражения, остается не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества 2 или окрашенных частиц среды 4, содержащей целевое вещество 2 и, где применимо, анализируемое вещество. Предоставление такого контрольного элемента 121 в контрольной области 120 в некоторых вариантах осуществления изобретения, может быть выполнено как этап независимого способа.

После этапа 401 исследуемая область 113 и контрольная область 120 освещаются при условии полного внутреннего отражения на этапе 402. Детектор 18 обнаруживает свет, отраженный из исследуемой области 113 (этап 403) и контрольной области 120 (этап 404) при условии полного внутреннего отражения. Этапы 403 и 404 могут быть выполнены последовательно, например используя CCD детектор. Первый характеристический сигнал 213 получен от детектора 18 в зависимости от света, отраженного из исследуемой области 113. Второй характеристический сигнал 220 получен от детектора 18 в зависимости от света, отраженного из контрольной области 120.

На дополнительном этапе 410 первый 213 и второй 220 характеристические сигналы считываются калибратором 20. Калибратор 20 калибрует первый характеристический сигнал 213, принимая во внимание второй характеристический сигнал 220. Калиброванный первый характеристический сигнал 213 выводится калибратором 20.

В вышеописанных вариантах осуществления изобретения средой 4 предпочтительно являлась кровь. В других вариантах осуществления изобретения текучее вещество может быть любым текучим веществом, в частности любым текучим веществом тела, например слюной или мочой. Предпочтительное применение сенсорного и анализирующего устройства находится в области диагностики на месте и обнаружения наркотиков или обнаружения наличия сердечного приступа, в частности, на основе образцов крови из пальца и образцах слюны.

Устройство, способы и системы этого изобретения подходят для объединения сенсоров (то есть параллельного использования разных сенсоров и сенсорных поверхностей), объединения меток (то есть параллельного использования разных типов меток в качестве целевых веществ 2) и объединения камер (то есть параллельного использования разных реакционных камер).

Описанные в настоящем изобретении устройства и способы могут быть использованы как быстрые, надежные и простые в использовании на месте биосенсоры для образцов малого объема. Подложка может быть одноразовым элементом, используемым с компактным считывателем, содержащим одно или более средств для генерирования магнитного поля и одно или более средств обнаружения. Также устройства и способы настоящего изобретения могут быть использованы в автоматических высокопроизводительных испытаниях. В этом случае подложка, например планшет с лунками или подложка типа кюветы, вставляется в автоматический инструмент.

В вышеуказанных вариантах осуществления изобретения, устройство использует способы рассеянного поля для определения количества магнитных частиц в исследуемой области 113 сенсорной поверхности 112. В некоторых вариантах осуществления изобретения могут быть обнаружены другие вещества. В добавок к молекулярному анализу также можно обнаружить частицы большого размера, например клетки, вирусы или фракции клеток или вирусов, экстракты тканей и так далее.

В частности, описанные с учетом сэндвич-анализа варианты осуществления изобретения, как описано на фиг. 13. Однако могут быть использованы анализы других типов, например анализ ассоциации/диссоциации, сэндвич-анализ, конкурентный анализ, анализ перестройки замещения, ферментативный анализ и так далее.

Целевое вещество 2 можно непосредственно анализировать за счет его присутствия в исследуемой области 113 без использования магнитных бусин. Это особенно важно для целевых веществ 2 с высокой способностью к абсорбции или рассеиванию света рассеянного поля в исследуемой области 113. В добавок к тому или в качестве альтернативы целевое вещество 2 может быть дополнительно обработано до обнаружения. Примером дополнительной обработки является то, что добавляются дополнительные материалы, или то, что (био)химические или физические свойства целевого вещества 2 модифицируются для облегчения обнаружения. Целевое вещество 2 может, например, вступать в реакцию с реагирующим веществом, чтобы изменить его способность к абсорбции или рассеиванию света рассеянного поля в исследуемой области 113. В частности, целевое вещество 2 может быть ковалентно соединено с абсорбирующим или рассеивающим свет веществом для воздействия на рассеянное поле в исследуемой области 113.

Обнаружение может произойти со сканированием или без него сенсорного элемента с учетом сенсорной поверхности 112, в частности контрольной области 120 и/или исследуемой области 113.

В вышеуказанных вариантах осуществления изобретения контрольный элемент 121 описан как элемент, прозрачный для падающего света, но выбран для осуществления отражения при условии полного внутреннего отражения. Однако контрольный элемент 121 может быть также истинным зеркалом 121, предпочтительно металлическим слоем, для отражения падающего света. Это устраняет необходимость выбора таких материалов для производства контрольного элемента 121, который имеет достаточный коэффициент преломления, принимая во внимание коэффициент преломления материала сенсорной поверхности и падающий свет.

Другие изменения в разглашенных вариантах осуществления изобретения могут быть поняты и осуществлены профессионалами в данной области техники при применении заявленного изобретения от эскизов чертежей, разглашения и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов и неопределенные артикли "a" и "an" не исключают множественности.

Одиночный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что определенные меры перечислены в обоюдно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетания этих мер нельзя использовать с пользой.

Любые ссылки в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема формулы изобретения. Фигуры и варианты осуществления изобретения не должны толковаться как ограничивающие рамки формулы изобретения.

1. Сенсорное устройство (100) для определения целевого вещества (2) в исследуемой области (113), содержащее:
- подложку (110), имеющую сенсорную поверхность (112) для воздействия на целевое вещество (2), с исследуемой областью (113) и контрольной областью (120),
- источник света (11), генерирующий падающий световой луч (L1), чтобы отразиться в исследуемой области (113) и/или контрольной области (120), тем самым генерируя отраженный свет (L2),
- контрольный элемент (121), размещенный в контрольной области (120), адаптированный для защиты контрольной области (120) от целевого вещества (2), так чтобы свет, отраженный в контрольной области (120) при условии полного внутреннего отражения, оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2),
- калибратор (20), сравнивающий интенсивность отраженного света L2 как контрольной области (120), так и исследуемой области (113),
- где контрольный элемент (121) имеет такой коэффициент преломления и такие размеры, что рассеянное поле, выявленное в контрольной области (120), остается не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2).

2. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, где исследуемая область (113) содержит связывающее вещество (114) для связывания целевого вещества (2).

3. Сенсорное устройство (100) согласно п.2, где сенсорное устройство (100) адаптировано для анализа присутствия вещества (2, 2') в среде (4) при концентрации, меньшей или равной 1 нМ.

4. Сенсорное устройство согласно п.1, где сенсорная поверхность (112) в исследуемой области (120) повернута относительно сенсорной поверхности (112) исследуемой области (113), чтобы позволить падение падающего светового луча (L1) в контрольную область (120) под углом, меньшим, чем у параллельного падающего светового луча в исследуемой области (113).

5. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, где контрольная область (120) примыкает к исследуемой области (113).

6. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, где контрольная область (120) содержит зеркало (121) для отражения падающего света.

7. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, где сенсорное устройство (100) является картриджем (100), имеющим подложку (110), содержащую на ней сенсорную поверхность (112).

8. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, дополнительно содержащее:
- источник света (11), для направления падающего света (L1) в исследуемую область (113) и контрольную область (120) сенсорной поверхности (112), так чтобы падающий свет (L1) отражался при условии полного внутреннего отражения в исследуемую область (113) и контрольную область (120), тем самым генерируя отраженный свет (L2),
- детектор (18) для обнаружения отраженного света (L2) для выдачи первого характеристичного сигнала (213), зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области (113), и второго характеристичного сигнала (220), зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области (120), и
- где калибратор (20) адаптирован для калибровки первого характеристичного сигнала (213), принимая во внимание второй характеристичный сигнал (220).

9. Сенсорное устройство (100) согласно п.8, где устройство выполнено с возможностью одновременного или последовательного измерения интенсивности света (L2), отраженного в контрольной области (120) и исследуемой области (113).

10. Сенсорное устройство (100) согласно п.1, адаптированное для совместной работы с анализирующим устройством для определения целевого вещества (2), где анализирующее устройство содержит:
- анализируемую область, чтобы вмещать сенсорное устройство (100),
- источник света (11) для направления падающего света (L1) в анализируемую область, так что падающий свет (L1) направляется в исследуемую область (113) и контрольную область (120) сенсорной поверхности (112) и так что падающий свет (L1) отражается при условии полного внутреннего отражения в исследуемую область (113) и контрольную область (120), тем самым генерируя отраженный свет (L2), когда сенсорное устройство (100) помещено в анализируемой области,
- детектор (18) для обнаружения отраженного света (L2) для выдачи первого характеристичного сигнала (213), зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области (113), и второго характеристичного сигнала (220), зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области (120),
- где калибратор (20) адаптирован для калибровки первого характеристичного сигнала (213), принимая во внимание второй характеристичный сигнал (220).

11. Анализирующее устройство (10) для определения целевого вещества (2), адаптированное для совместной работы с сенсорным устройством (100) для определения целевого вещества (2), где сенсорное устройство (100) содержит:
- сенсорную поверхность (112) с исследуемой областью (113) и контрольной областью (120) на ней,
- контрольный элемент (121), размещенный в контрольной области (120), адаптированный для защиты контрольной области (120) от целевого вещества (2), так чтобы свет, отраженный в контрольной области (120) при условии полного внутреннего отражения, оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2),
где анализирующее устройство (10) содержит:
- анализируемую область, чтобы вмещать сенсорное устройство (100),
- источник света (11) для направления падающего света (L1) в анализируемую область, так что падающий свет (L1) направляется в исследуемую область (113) и контрольную область (120) сенсорной поверхности (112) и так что падающий свет (L1) отражается при условии полного внутреннего отражения в исследуемую область (113) и контрольную область (120), тем самым генерируя отраженный свет (L2), когда сенсорное устройство (100) помещено в анализируемой области,
- детектор (18) для обнаружения отраженного света (L2) для выдачи первого характеристичного сигнала (213), зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области (113), и второго характеристичного сигнала (220), зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области (120),
- где калибратор (20) адаптирован для калибровки первого характеристичного сигнала (213), принимая во внимание второй характеристичный сигнал (220).

12. Анализирующее устройство (10) согласно п.11, где устройство (10) выполнено с возможностью одновременного или последовательного измерения интенсивности света (L2), отраженного в контрольной области (120) и исследуемой области (113).

13. Способ определения для определения целевого вещества (2) в исследуемой области (113), содержащий этапы:
- предоставления сенсорной поверхности (112) с исследуемой областью (113) и контрольной областью (120) на ней,
- предоставления контрольного элемента (121), размещенного в контрольной области (120), адаптированного для защиты контрольной области (120) от целевого вещества (2), так чтобы свет, отраженный в контрольной области (120) при условии полного внутреннего отражения, оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2),
- освещения исследуемой области (113) и контрольной области (120) при условии полного внутреннего отражения для одновременного или последовательного получения первого характеристичного сигнала (213), зависящего от интенсивности света, отраженного в исследуемой области (113), и второго характеристичного сигнала (220), зависящего от интенсивности света, отраженного в контрольной области (120),
- калибровки первого характеристичного сигнала (213), принимая во внимание второй характеристичный сигнал (220).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптике и аналитической технике и может быть использовано для определения наличия следовых количеств летучих веществ, вызывающих поверхностную оптическую сенсибилизацию галоидного серебра.

Способ включает освещение образца, регистрацию отраженного излучения, усреднение измерений по различным точкам образца. Выбирают углы освещения образца исходя из углов наблюдения βi=αi/2, где αi - угол наблюдения i-го фотоприемника, включая αi=0.

Изобретение относится к оптическому устройству для обеспечения нераспространяющегося излучения, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем, по меньшей мере, один плоскостной размер (W1) объема регистрации меньше дифракционного предела.

Изобретение относится к системе биодатчика на основе нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). .

Изобретение относится к области измерений неоднородностей поверхностей гетероструктур. .

Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике.

Изобретение относится к микроэлектронному сенсорному устройству и способу для обнаружения целевых компонентов, например, биологических молекул, содержащих частицы-метки.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к фотометрии и спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения абсолютных значений коэффициентов отражения зеркал, особенно зеркал, обладающих высоким коэффициентом отражения.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к фотометрии и спектрофотометрии и предназначено для измерения абсолютного значения коэффициента отражения зеркал со сферической или параболической формой поверхности.

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, машиностроении, оптическом приборостроении для исследования фазовых объектов. Технический результат - уменьшение уровня когерентных шумов, снижение требований к юстировке интерферометра, повышение стабильности результатов измерений, повышение точности измерений. Согласно способу интерференционной микроскопии исследуемый микрообъект освещают некогерентным излучением, которое используют для формирования увеличенного изображения микрообъекта в передней фокальной плоскости 4f оптической системы, делят излучение с помощью светоделителя из двух идентичных призм Дове, склеенных по основаниям призм, и направляют оба пучка на одно плоское зеркало. Пучок, который прошел через обе призмы Дове, пропускают через точечную диафрагму. После обратного прохода через светоделитель оба пучка излучения направляют на уголковый отражатель и регистрируют исходное интерференционное изображение, а затем многократно смещают светоделитель и уголковый отражатель вдоль направления, перпендикулярного основаниям призм. При этом изменяется фаза интерференционных изображений по отношению к исходному и регистрируется набор интерференционных изображений, по которому методом фазовых шагов вычисляют двумерное распределение оптической разности хода излучения, прошедшего через микрообъект. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения утечек нефтепроводов, разливов нефти и нефтепродуктов на земной поверхности. Задачей изобретения является создание способа определения загрязнений нефтепродуктами земной поверхности. Дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности включает облучение земной поверхности в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны возбуждения и прием флуоресцентного излучения. В отличие от известных методов для зондирования земной поверхности регистрируют нормированную интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1), I(λ2), I(λ3) трех узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, λ3, выбранных по данным экспериментальных измерений из условия максимальной вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений. О наличии нефтяного загрязнения судят по выполнению пороговых соотношений: Технический результат - создание способа определения загрязнений нефтепродуктами земной поверхности. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении альбедо земной поверхности. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, выполняемые на двух последовательных витках орбиты, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют высоту орбиты КА, определяют угол Q полураствора видимого с КА диска Земли, на первом витке орбиты разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит к моменту времени, когда угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце≤Q, и в данный момент времени измеряют значение тока от СБ I1, на следующем витке орбиты разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир к моменту времени, отстоящему от первого момента на время периода обращения КА, и в данный момент времени измеряют значение тока от СБ I2, определяют и фиксируют значение средней высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутые моменты времени hS с последующим определением значения альбедо земной поверхности для фиксируемого значения высоты Солнца. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении альбедо земной поверхности. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (KA), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты KA β. Определяют момент времени прохождения подсолнечной точки витка орбиты tS. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и измеряют ток от СБ I1. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют ток от СБ I2. Измерения тока от СБ выполняют в моменты времени соответственно t 1,2 = t s ∓ Δ t 2 , где Δt - длительность разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ. Определяют и фиксируют значение высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутые моменты измерения токов от СБ. 1 ил.

Изобретение относится к космической технике. Способ определения альбедо земной поверхности включает развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют высоту орбиты КА, по которой определяют угол полураствора видимого с КА диска Земли Q. Выбирают интервал времени, продолжительность которого равна длительности разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ, и в течение которого угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце ≤Q. К моменту начала упомянутого интервала времени разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и измеряют значение тока от СБ I1. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют значение тока от СБ I2. Фиксируют диапазон значений высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутом интервале времени. Значение альбедо определяют по формуле. Изобретение позволяет определять альбедо для различных фиксируемых диапазонов изменения угла падения солнечной радиации на отражающую поверхность за время разворота СБ на 180°. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к измерительным устройствам, и может быть использовано не только для исследования свойств материалов, но и точности исследования износа трущихся поверхностей. Устройство содержит оптическую схему, включающую световод, осветительную систему со светодиодом, регистрирующую систему, состоящую из линзы и фотоприемника, связанные с блоком питания и управления через электронную систему, состоящую из усилителя и микропроцессора, связанные с индикатором и интерфейсом ЭВМ, и выполненную на валу лунку износа, выполняющую функцию базового участка. Устройство дополнительно содержит второй световод. Один световод, неподвижный, установлен во втулке, а другой, подвижный, установлен в валу. Оба световода предназначены для исследования износа лунки, выполненной на внутренней поверхности втулки, и износа лунок и базового участка на внешней поверхности вала, а для превращения отраженного светового потока в электрический сигнал они связаны через осветительную и регистрирующую системы оптической схемы с электронной системой и через блок питания и управления, выполняющий функцию управления режимом работы импульсного светодиода с перестраиваемой длиной волны осветительной системы. Осветительная система дополнительно снабжена линзой, регистрирующая система - светофильтром и линзой, и обе системы дополнительно снабжены установленным в них светоделителем. Технический результат: расширение возможностей, повышение точности исследования износа трущихся поверхностей и сокращение времени исследования. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и касается устройства для определения коэффициента световозвращения стеклянных микрошариков. Устройство содержит источник света, фотоприемник, стеклянные микрошарики и открытую сверху емкость. При этом стеклянные микрошарики размещены в открытой сверху емкости горизонтально расположенным слоем, исключающим прямое попадание светового потока от источника света на дно емкости. Фотоприемник установлен над центром емкости, а источник света располагается под острым углом к вертикальной оси с возможностью изменения угла наклона. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области научно-измерительного оборудования, применяемого для идентификации и комплексного анализа физико-химических свойств многокомпонентных жидкостей. Идентификация и контроль показателей качества жидкостей проводится по индивидуальным особенностям процесса развития и релаксации термокапиллярного отклика. Устройство содержит считывающий лазер (мощность десятые доли мВт), экран, на который проецируется термокапиллярный отклик, телекамеру и горизонтальную кювету с пробой жидкости, в дно которой герметично встроен проникающий сквозь дно кюветы металлический теплопроводящий элемент. Тепловые импульсы в жидкости генерируются при облучении светопоглощающей нижней поверхности теплопроводящего элемента пучком индуцирующего лазера, мощность которого составляет десятки мВт. Изобретение позволяет повысить точность и воспроизводимость результатов измерений. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и касается способа оценки световозвращающей способности стеклянных микрошариков для горизонтальной дорожной разметки. Для измерения световозвращающей способности стеклянные микрошарики засыпают в оптически прозрачный сосуд. Устанавливают сосуд со стеклянными микрошариками между источником светового потока и фотоприемником. Воздействуют на стеклянные микрошарики, расположенные в оптически прозрачном сосуде, световым потоком от источника света и измеряют величину светового потока после его прохождения через слой стеклянных микрошариков. Технический результат заключается в упрощении способа, повышении скорости и точности измерения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, а именно к определению амплитудно-фазовых спектров как самой поверхности, так и ее переходного слоя, путем измерения характеристик направляемых этой поверхностью поверхностных плазмонов (ПП). Спектрометр содержит перестраиваемый по частоте источник р-поляризованного монохроматического излучения, плоское и цилиндрическое фокусирующее зеркала, твердотельный плоскогранный проводящий образец, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмоны (ПП), размещенный в непоглощающей окружающей среде непрозрачный экран, ориентированный перпендикулярно треку ПП, и фотодетектор, сопряженный с устройством обработки информации и установленный на перемещаемой вдоль трека платформе. Обращенный к направляющей ПП грани исследуемого образца край экрана удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду. Спектрометр также содержит регулируемую линию задержки, поворачиваемый поляризатор, укрепленное на платформе плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к направляющей грани исследуемого образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив и установленную перед входным отверстием фотодетектора регулируемую диафрагму, лучеразделитель объемного излучения, расположенный на пути падающего на образец излучения на уровне наклонного зеркала. При этом торцовая грань образца, перпендикулярная плоскости падения излучения и смежная с направляющей гранью, имеет цилиндрическую форму поверхности, ось которой параллельна направляющей грани и лежит в плоскости, содержащей линию сопряжения цилиндрической и плоской граней, причем расстояние от этой линии до оси равно радиусу кривизны цилиндрической поверхности, а длина дуги, содержащей трек ПП на этой поверхности, меньше десяти длин распространения ПП. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений за счет повышения соотношения сигнал/шум. 2 ил.
Наверх