Способ и устройство для измерения концентрации отдельного анализируемого вещества в биологическом материале
Использование: для определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала. Сущность изобретения заключается в том, что образец размещается в контейнере для образца, который предоставляет по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца, и последовательно облучается электромагнитным излучением, например рентгеновскими лучами. Количество излучения, проходящего образец, обнаруживается, и на основании обнаруженного излучения определяется поглощательная способность. Во время облучения контейнер для образца перемещается относительно источника облучения и детектора, так что получаются наблюдения поглощательной способности на различных длинах пути. Линия регрессии определяется по значениям поглощательной способности и длинам пути, так что получается наклон линии регрессии, и на основании этого наклона определяется концентрация отдельного анализируемого вещества. Технический результат: обеспечение возможности быстро и просто производить оценку концентрации анализируемого вещества в материале образца. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала.
Предпосылки изобретения
Спектроскопический или спектрометрической анализ является широкой областью, в которой состав и свойства анализируемого вещества в любой фазе, т.е. газообразной, жидкой, твердой, определяются по остаточным электромагнитным спектрам, являющимся результатом взаимодействия (например, поглощения, люминесценции или излучения) анализируемого вещества и энергии. Одна особенность химического анализа, известная как абсорбциометрия, включает взаимодействие энергии излучения с представляющим интерес анализируемым веществом. Один такой метод известен как абсорбционная фотометрия, в котором измеряется оптическое поглощение образцов. Поглощение представляет количество энергии, поглощенной образцом. В простом спектрофотометре материал изучаемого образца помещается в контейнер, также известный как кюветка или ячейка для образца. Электромагнитное излучение (свет) известной длины волны, λ, (т.е. ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое и т.п.) и интенсивности, I0, падает на сторону кюветки. Детектор, который измеряет интенсивность проходящего света, I, располагается на противоположной стороне кюветки. Длина, которую свет проходит через образец, - это расстояние d. Большинство стандартных спектрофотометров УФ диапазона/видимого диапазона используют стандартные кюветки, которые имеют длины пути до 1 см, а часто и более короткие, и обычно вмещают от 50 до 2000 мкл жидкого образца. Для образца, состоящего из одного однородного вещества с концентрацией с, свет, проходящий через образец, соответствует отношению, известному как закон Бера-Ламберта: A=εcd, где А - это поглощательная способность (также называемая оптической плотностью (OD) образца на длине волны λ, где OD=Взятому с обратным знаком логарифму отношения пропущенного света к падающему свету), ε - это поглощаемость или коэффициент экстинкции (как правило, константа при данной длине волны), с - это концентрация образца и d - это длина пути излучения через образец. В большинстве спектрофотометров длина пути, d, является неизменной.
Известно, что обычно ε является большим, в результате чего необходимо использовать кюветки с малым d, чтобы записывать любое пропускание. Также известно, что можно изменять длину пути, d, для измерения образцов высокой концентрации. Это используется для обеспечения возможности выбора надлежащей длины пути для различных измерений, а для конкретного измерения используются измерения с одной длиной пути и одной длиной волны. Такие системы известны, например, из WO 2007/126389, US 6249345 и DE 8533381.
Также известно, что можно использовать изменяющуюся длину пути во время одного измерения и использовать анализ линии регрессии получающихся в результате зависящих от длины пути затуханий, чтобы определять концентрацию образца. Это показано в US 7808641 и называется наклонной спектроскопией. Однако наклонная спектроскопия требует движущегося зонда, который вставляется в материал образца и который приспосабливается к различным длинам пути. Сложная установка и взаимодействие с материалом образца, который необходимо исследовать, делает этот способ громоздким и дорогим, а также обеспечивает ограниченное практическое использование, поскольку описанный способ может применяться только для определенных типов жидких растворов. Кроме того, также сложно получать достаточную калибровку.
Следовательно, имеется потребность в более быстром и простом способе и устройстве для оценки концентрации анализируемого вещества в материале образца, и в частности твердого материала, такого как древесина, который устраняет вышеописанные недостатки имеющегося уровня техники.
Сущность изобретения
Следовательно, целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного способа и устройства для измерения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала, которые устраняют или по меньшей мере сокращают вышеописанные недостатки имеющегося уровня техники.
Эта цель достигается с помощью изобретения, которое определяется в прилагающейся формуле изобретения.
В соответствии с первой особенностью изобретения предоставляется способ определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала, при этом способ включает:
размещение образца биологического материала в контейнере для образца, причем геометрия контейнера для образца обеспечивает по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца;
последовательное облучение образца электромагнитным излучением, испускаемым источником излучения, расположенным на одной стороне контейнера для образца, по указанным по меньшей мере двум путям;
обнаружение количества излучения, пропущенного через указанный образец, с помощью детектора, расположенного на противоположной стороне указанного контейнера для образца;
определение поглощательной способности на основании указанного обнаруженного излучения;
причем во время указанных этапов последовательного облучения контейнер для образца перемещается относительно источника облучения и детектора, благодаря чему электромагнитное излучение проходит по меньшей мере по указанным двум путям различной длины, так что определяется показание поглощательной способности на предопределенной длине волны на указанных различных длинах путей;
создание линии регрессии с помощью значений поглощательной способности и длин пути, так что получается наклон линии регрессии; и
определение концентрации отдельного анализируемого вещества путем деления наклона линии регрессии на коэффициент экстинкции анализируемого вещества.
Термин «перемещение контейнера для образца относительно источника облучения и детектора» или «перемещение контейнера для образца» означает, что контейнер для образца перемещается относительно источника излучения. Это включает случаи, когда контейнер для образца перемещается, а источник излучения и детектор неподвижны; источник излучения и детектор перемещаются, а контейнер для образца неподвижен; и когда и контейнер для образца, и источник излучения, и детектор перемещаются.
Термин «определение поглощательной способности» означает, что любые показания поглощательной способности измеряются устройством или прибором. Это включает случаи, когда показание берется на одной длине волны и/или одной длине пути, или когда показание берется на множестве длин волн (как, например, при сканировании) и/или множестве длин пути.
Настоящее изобретение основано на том понимании, что для определения концентрации отдельного анализируемого вещества может быть использован закон Бера-Ламберта. Закон Бера-Ламберта утверждает, что A=log(I/I0)=εcd, где А - это поглощательная способность образца на определенной длине волны, ε - это поглощаемость или коэффициент экстинкции, с - это концентрация образца, и d - это длина пути излучения/энергии через образец. Из этого следует, что А*1/εс=d, что означает, что А пропорционально d, и построение зависимости А от d образует прямую линейной регрессии с наклоном 1/εс. Настоящее изобретение предоставляет очень эффективный и надежный способ определения пар значений A и d, делая возможным достоверное и надежное измерение концентрации с.
Путем измерения пропущенного через образец излучения, когда источник излучения находится на одной стороне контейнера для образца, а детектор находится на противоположной стороне, ни источнику излучения, ни детектору не нужно быть в контакте с образцом материала. Источник излучения и детектор здесь могут быть расположены близко к контейнеру для образца, или даже в контакте с контейнером для образца, или на определенном расстоянии от контейнера для образца. Это обеспечивает значительно более простую и более экономически эффективную конструкцию. Кроме того, это дает возможность исследовать гораздо более широкий ряд анализируемых веществ. Например, теперь нет необходимости, чтобы материал был в жидкой форме, и измерения могут, например, осуществляться прямо на твердых материалах. Это также делает изобретение особо полезным для исследования биологических материалов. Например, таким образом можно измерять концентрацию отдельных анализируемых веществ в древесной стружке, но его также можно использовать для других форм древесины, также как и для других типов биологического материала, такого как пульпа, топливо из биомассы, сельхозкультур, таких как кукуруза, злаковые и сахарный тростник и т.п. Изобретение особенно полезно для биологического материала в жидкой или сепарированной форме, и предпочтительно в форме стружки.
Настоящее изобретение также приводит к более простой подготовке образцов и к более быстрому и экономически эффективному анализу.
Кроме того, настоящее изобретение позволяет более простую и более надежную калибровку, что, в свою очередь, делает способ более надежным и обеспечивает более надежные результаты измерений. С помощью настоящего изобретения калибровка может осуществляться независимо от длины пути, d. Это, например, представляет особое преимущество, когда материал образца сам является неоднородным на макро уровне, т.е. когда материал образца имеет размеры формации, сравнимые с длиной волны излучения, используемого для измерения, или превышающие ее.
Настоящее изобретение представляет интерактивное устройство с переменной длиной пути и способ для спектроскопического исследования образца. Устройства настоящего изобретения могут использоваться для измерения концентрации очень концентрированных образцов или менее концентрированных образцов. Кроме того, устройства и способы настоящего изобретения могут предоставлять наблюдения спектра в двух или трех различных областях длин пути. Это позволяет пользователям определять оптимальные пики поглощения в образце за один проход. Таким образом, это может предоставлять информацию по оптимизации измерений концентрации путем сравнения данных о пиках поглощения на множестве длин пути и множестве длин волн, поскольку эти величины могут отличаться из-за содержимого образца.
Устройство и способы настоящего изобретения могут использоваться вместе со стандартным спектрофотометром, который может использоваться, чтобы предоставлять электромагнитный источник и/или детектор для измерения электромагнитного излучения.
Контейнер для образца предпочтительно содержит периферическую стенку, имеющую часть стенки падения излучения и часть стенки выхода излучения, часть стенки выхода излучения располагается напротив указанной части стенки падения излучения, причем указанный отсек для образца спроектирован так, что он имеет по меньшей мере две различных длины оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения.
В соответствии с одним рядом вариантов осуществления, контейнер для образца спроектирован так, что он имеет множество дискретных длин оптического пути между частью стенки падения светового излучения и частью стенки выхода излучения. Таким образом, имеется ступенчатый переход между частями контейнера для образца, имеющего различные длины пути, и путем перемещения контейнера для образца, излучение последовательно проходит через указанные дискретные длины пути. В этом ряду вариантов осуществления у контейнера для образца может, например, быть по меньшей мере одна из частей стенки, которая устроена в виде ступенчатой стенки. Соответствующая противоположная стенка может быть плоской. Однако в другом случае обе стенки могут иметь ступенчатую конфигурацию, обеспечивая форму сужающегося ступенчатого клина.
Альтернативно или дополнительно, контейнер для образца может быть спроектирован так, что он имеет непрерывно изменяющуюся длину оптического пути между по меньшей мере сегментом части стенки падения излучения и соответствующим сегментом части стенки выхода излучения по высоте и/или ширине контейнера для образца. Таким образом, при измерении может быть получен непрерывный переход между различными длинами пути, при перемещении контейнера для образца в направлениях длины или ширины, соответственно. Контейнер для образца может здесь иметь одну плоскую, вертикальную, стенку и противоположную стенку, также плоскую стенку, но расположенную наискосок, под углом относительно первой стенки. В другом случае наклонная стенка может быть расположена под двумя или более различными углами относительно первой стенки. Кроме того, обе стенки могут быть наклонными. Таким образом, контейнер для образца может иметь форму клина, сужаясь в направлении к одному концу. Контейнер для образца также может иметь форму призмы с треугольным поперечным сечением. Треугольное поперечное сечение может представлять собой прямоугольный треугольник, равносторонний треугольник или иметь другие угловые очертания.
Сужающаяся форма контейнера для образца может иметь, например, форму клина, конуса или усеченного конуса. Таким образом, длина пути облучения может изменяться путем перемещения луча излучения, который может, как правило, быть перпендикулярным направлению сужения, в направлении сужения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления контейнер для образца приспособлен обеспечивать по меньшей мере пять различных путей облучения через образец во время облучения, указанные пути облучения все имеют различную длину через указанный образец. Даже более предпочтительно устройство может быть приспособлено проводить лучом облучения через часть контейнера для образца, тем самым предоставляя множество изменяющихся путей облучения через указанный минеральный образец во время облучения.
Этап определения концентрации анализируемого вещества предпочтительно основан на получении наклона линии на основании значений отношения длины пути к поглощательной способности.
Электромагнитное излучение находится предпочтительно в рентгеновском диапазоне. Использование рентгеновских лучей обеспечивает ряд преимуществ. Поскольку оно проникает через большинство материалов, оно дает возможность исследовать практически любой материал. Кроме того, поскольку глубина проникновения для энергии рентгеновских лучей очень велика, по сравнению с видимым и инфракрасным (ИК) светом, появляется возможность использовать гораздо более крупные контейнеры для образцов, что делает возможным анализ относительно крупных образцов и сводит к минимуму рутинную работу по подготовке образцов и т.п. Кроме того, появляется возможность производить измерения на значительно более отличающихся длинах пути, что делает измерение очень надежным.
Количество излучения, пропущенного через образец материала, предпочтительно определяется относительно калибровочного эталонного образца материала известного состава. Калибровочная эталонная величина может определяться измерением пропускания излучения через эталонный материал, указанное калибровочное измерение предпочтительно осуществляется непосредственно перед и/или после измерения через материал образца.
В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения предоставляется устройство для определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала, содержащее:
контейнер для образца, который может содержать материал образца, и геометрия которого обеспечивает по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца;
источник излучения, расположенный на одной стороне контейнера для образца, для генерации электромагнитного излучения;
детектор, расположенный напротив источника излучения и на другой стороне контейнера для образца, так что детектор может обнаруживать электромагнитное излучение, пропускаемое через указанный контейнер по указанным по меньшей мере двум путям; и
мотор, функционально связанный с контейнером для образца, так что контейнер для образца может перемещаться относительно источника излучения, чтобы обеспечивать переменные длины пути;
контроллер, имеющий программное обеспечение для расчета концентрации образца на основании информации, предоставляемой детектором при предопределенных длинах пути; создания линии регрессии по поглощательной способности и длине пути, так что получается наклон линии регрессии; и определения концентрации отдельного анализируемого вещества путем деления наклона линии регрессии на коэффициент экстинкции образца.
Термин "двигатель" означает любое устройство, которым можно управлять, чтобы обеспечивать переменную длину пути через образец.
Таким образом, можно получить подобные преимущества и предпочтительные варианты осуществления, как обсуждались выше относительно первой особенности изобретения.
Контейнер для образца предпочтительно содержит периферическую стенку, имеющую часть стенки падения излучения и часть стенки выхода излучения, часть стенки выхода излучения располагается напротив указанной части стенки падения излучения, причем указанный отсек для образца спроектирован так, что он имеет по меньшей мере две различных длины оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения.
Контейнер для образца может быть спроектирован так, что он имеет множество дискретных длин оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения. Предпочтительно, по меньшей мере одна из указанных частей стенки представляет собой ступенчатую стенку.
Дополнительно или альтернативно, отсек для образца может быть спроектирован так, что он имеет непрерывно изменяющуюся длину оптического пути между по меньшей мере сегментом части стенки падения излучения и соответствующим сегментом части стенки выхода излучения по высоте и/или ширине контейнера для образца.
В предпочтительном варианте осуществления контейнер для образца имеет клиновидную форму.
Программное обеспечение, выполняемое контроллером, предпочтительно приспособлено рассчитывать концентрацию на основе получения наклона линии на основании значений отношения длины пути к поглощательной способности.
Контейнер для образца предпочтительно приспосабливается так, чтобы непрерывно перемещаться по предопределенному пути таким образом, что в процессе измерения луч излучения проходит по, по меньшей мере, указанным двум различным путям излучения. В одном варианте осуществления контейнер для образца может быть приспособлен вращательным образом и предпочтительно вращаться во время указанного облучения. Однако предпочтительно контейнер для образца может передвигаться линейно и предпочтительно в направлении, соответствующем продольному направлению указанного контейнера для образца. В другом случае контейнер для образца может передвигаться линейно в направлении, соответствующем направлению ширины контейнера для образца.
Электромагнитное излучение предпочтительно находится в рентгеновском диапазоне, так что источник излучения представляет собой источник рентгеновских лучей.
Устройство также может содержать управляющее устройство, чтобы регулировать напряжение рентгеновской трубки указанного источника рентгеновских лучей в соответствии с длиной путей облучения.
Источник рентгеновских лучей предпочтительно работает в диапазоне энергий 20-150 пиковых кВ и предпочтительно 40-160 пиковых кВ. Здесь пиковые кВ (пиковое напряжение в киловольтах) означает максимальное напряжение, прикладываемое на рентгеновской трубке. Оно определяет кинетическую энергию электронов, ускоряемых в рентгеновской трубке, и пиковую энергию спектра испускания рентгеновских лучей. Фактическое напряжение на трубке может изменяться.
Длина самого длинного из путей облучения через указанный образец предпочтительно составляет по меньшей мере 50 мм, и более предпочтительно - по меньшей мере 80 мм и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 100 мм. Использование такого большого контейнера для образца позволяет применять способ, например, на биологических материалах, имеющих относительно большие структурные признаки, а также делает измерение очень надежным. Длина путей облучения через образец предпочтительно равномерно распределена между самым коротким путем облучения, который может, например, приближаться к 0 или лишь нескольким мм, и указанным самым длинным путем облучения, так что она изменяется между существенно указанными конечными значениями.
Предпочтительно, разница длин между самым коротким путем и самым длинным путем из по меньшей мере двух путей, используемых для измерения, составляет по меньшей мере 20 мм и даже более предпочтительно - по меньшей мере 30 мм, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 50 мм. Это делает возможным очень надежное и достоверное измерение.
Хотя предпочтительные варианты осуществления способов и устройства настоящего изобретения предназначены для определения поглощательной способности, коэффициента экстинкции или концентрации анализируемого вещества в конкретном образце или наборе образцов, устройство и способ настоящего изобретения могут также дополнительно использоваться в различных режимах, таких как рассеивание, также как и в других модальностях. Устройства и способы настоящего изобретения могут применяться для определения оптических величин одного или более образцов в данный момент времени.
Эти и другие особенности изобретения будут понятны по вариантам осуществления, описанным ниже, и объяснены со ссылкой на них.
Краткое описание графических материалов
С иллюстративными целями изобретение будет далее описано более подробно со ссылкой на его варианты осуществления, представленные на прилагающихся графических материалах, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение сбоку измерительного устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 2 представляет собой упрощенные изображения сбоку альтернативных контейнеров для образцов.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Обращаясь к фиг. 1, показательное измерительное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит источник 1 излучения для обеспечения излучения одного или нескольких энергетических уровней/длин волн. Предпочтительно, источник излучения представляет собой рентгеновскую трубку для обеспечения рентгеновского излучения двух или более различных длин волн. Предпочтительно, рентгеновская трубка работает в диапазоне пикового напряжения 20-150 кВ. Выходное излучение из источника излучения предпочтительно направляется в целевую область через коллиматор 2 и линзу 3. Источник излучения управляется посредством контроллера 4.
На противоположной стороне целевой области располагается детектор 5, чтобы принимать излучение, пропущенное через материал, расположенный в целевой области. Детектор содержит любой механизм, способный преобразовывать энергию из обнаруженного излучения в сигналы, которые могут обрабатываться устройством. Детектор предпочтительно представляет собой полупроводниковый детектор, содержащий массив полупроводниковых детекторных областей. Детектор(ы) используются для измерения поглощательной способности, но в дополнение детектор(ы) могут использоваться для измерения фотолюминесценции и рассеивания. Устройство может содержать один или несколько детекторов. Детектор соединен с управляющим элементом 6 с процессором, например, обычным персональным компьютером. Управляющий элемент получает данные обнаружения от детектора через подходящий интерфейс, такой как порт USB.
Контроллер 4, управляющий источником излучения, также может быть соединен с управляющим элементом 6 или быть образован в виде неотделимой части управляющего элемента.
Материал, подлежащий исследованию, располагается в контейнере 10 для образца. Контейнер для образца располагается на тележке 11, которая является подвижной таким образом, что контейнер для образца перемещается через целевую область и через путь 14 излучения. Тележка может, например, перемещаться с помощью линейного двигателя 12. Однако также возможны и другие средства для перемещения тележки, такие как конвейеры, винтовые устройства, рельсовые устройства и т.п. Двигатель может, например, представлять собой шаговый двигатель, серво, пьезо, электрические и магнитные двигатели или любое устройство, которым можно управлять для обеспечения переменной длины пути через образец. Тележка может поддерживаться столиком. Двигатель двигает тележку точными шагами, чтобы изменять длину пути через образец, или же непрерывно.
Как будет обсуждаться более подробно далее, контейнер 10 для образца предоставляет по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца. Источник 1 излучения располагается на одной стороне контейнера 10 для образца, а детектор 5 располагается напротив источника излучения, на противоположной стороне контейнера для образца. Таким образом, детектор может засекать электромагнитное излучение, пропускаемое через контейнер для образца, и путем перемещения контейнера для образца можно измерять по меньшей мере на двух длинах пути.
Управляющий элемент 6 также снабжается программным обеспечением для расчета концентрации отдельного анализируемого вещества в образце на основании информации, предоставляемой детектором на предопределенных длинах пути. Для этого программное обеспечение создает линию регрессии по поглощательной способности и длине пути, так что получается наклон линии регрессии, и определяет концентрацию отдельного анализируемого вещества путем деления наклона линии регрессии на коэффициент экстинкции образца. Такое программное обеспечение per se ранее известно и описано в US 7808641, указанный патент таким образом включается ссылкой во всей своей полноте.
Управляющее программное обеспечение предпочтительно приспосабливает поведение устройства на основе различных критериев, таких как, но без ограничения, длина волны, длина пути, режимы получения данных (как для длины волны, так и длины пути), кинетика, триггеры/цели, дискретные длины пути/диапазоны длин волн, чтобы обеспечивать различные динамические диапазоны/разрешения для различных областей спектра, график поперечного сечения, чтобы создавать кривые поглощательная способность/длина пути, регрессионные алгоритмы и определение наклона, определение концентрации по величинам наклона, определение коэффициента экстинкции, коррекция базовой линии и коррекция рассеяния. Программное обеспечение предпочтительно приспособлено предоставлять варианты сканирования или считывания дискретных длин волн, времена усреднения сигнала, интервал длин волн, варианты сканирования или считывания дискретных длин пути, вариант обработки данных, такой как коррекция базовой линии, коррекция рассеяния, профиль длин волн в реальном времени, варианты пороговых значений (таких как длина волны, длина пути, поглощательная способность, наклон, отсечение, коэффициент определения и т.п.) и кинетические/непрерывные варианты измерения.
Множественные измерения поглощательной способности, сделанные при различных длинах пути, позволяют точно вычислять концентрацию путем расчета линии регрессии по информации о поглощательной способности и длине пути. Наклон линии регрессии затем можно использовать, чтобы вычислять концентрацию образца. Каждую длину пути не нужно знать точно, благодаря тому, что программное обеспечение, используемое для расчета линии регрессии, может быть запрограммировано выбирать наиболее точную линию из представленного набора данных.
Таким образом, вычисление концентрации основывается на расчете коэффициента экстинкции конкретного образца на одной или нескольких различных длинах волн. Коэффициент экстинкции, также известный как поглощаемость, представляет поглощательную способность раствора на единицу длины пути и концентрации на данной длине волны. Если коэффициент экстинкции для данного образца известен на первой длине волны, то можно рассчитать коэффициент экстинкции на второй длине волны. Это делается путем измерения отношения поглощательная способность/длина пути на первой длине волны к поглощательной способности/длине пути на второй длине волны и приравниванию этого отношения к отношениям коэффициентов экстинкции. Также можно измерять компоненты в сложной смеси/образце одновременно, если можно разделить длины волн, которые идентифицируют множественные компоненты в образце. Например, таким образом можно определить концентрацию отдельного анализируемого вещества образца, когда в материале образца имеется два или более материалов. Это возможно, поскольку длину пути можно изменять так, что концентрацию различных компонентов можно определять вместе. Очевидно, пока имеются пики, которые уникальным образом идентифицируют компонент в образце, способы настоящего изобретения могут измерять концентрацию компонентов очень сложных образцов. Дополнительно, поскольку устройство способно генерировать данные в реальном времени, взаимодействие компонентов в образце можно отслеживать, чтобы создавать кинетические данные или любые данные, для которых необходима зависимость от времени.
Таким образом, для измерения контейнер для образца перемещается относительно источника излучения и детектора, чтобы последовательно облучать образец электромагнитным излучением, испускаемым источником облучения, через по меньшей мере два пути в контейнере для образца. Последовательное измерение может быть непрерывным измерением, выполняемым во время непрерывного перемещения контейнера для образца, или прерывистым измерением, по мере того как контейнер для образца непрерывно перемещается. В другом случае контейнер для образца также может перемещаться дискретными шагами.
Таким образом, измерение на переменных длинах пути осуществляется весьма эффективно. Величины поглощательной способности на различных длинах пути затем могут использоваться, чтобы рассчитывать концентрацию составного вещества в растворе. Кроме того, обеспечиваемый широкий динамический диапазон позволяет пользователям определять концентрации своих образцов без изменения (разжижения или концентрирования) образцов путем выбора надлежащих длин пути сканирования.
Контейнер для образца может иметь различные конфигурации и формы, как будет ясно для специалиста. В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, контейнер для образца имеет форму призмы, с поперечным сечением в форме прямоугольного треугольника. Таким образом, контейнер для образца имеет горизонтальную основную плоскость 101, вертикальную первую боковую плоскость 102, расположенную ближе к источнику излучения и таким образом работающую в качестве стенки падения излучения, и расположенную наискосок вторую боковую плоскость 103, расположенную ближе к детектору и таким образом работающую в качестве стенки выхода излучения. Эта конфигурация обеспечивает множество различных длин пути через материал, протягивающихся от очень коротких длин пути в верхней части до очень длинных длин пути в нижней части. Длина пути может изменяться постепенно вдоль любого сечения одной из частей стенки. Она может меняться в любом выбранном направлении, например, по высоте и/или ширине контейнера для образца. Длина пути может меняться непрерывно по всей высоте и/или по всей ширине контейнера для образца, или только по части высоты и/или ширины.
В альтернативной показательной конфигурации, представленной на фиг. 2А, наклонная вторая плоскость 103 заменяется ступенчатой стенкой 103', предоставляя несколько горизонтальных частей стенки, каждая располагается на различных расстояниях от первой стенки 102. Таким образом, получается контейнер для образца, предоставляющий множество дискретных длин оптического пути. В качестве еще одной альтернативы обе части стенки могут иметь множество перпендикулярных ступеней.
Еще одна альтернативная показательная конфигурация представлена на фиг. 2В. Здесь наклонная вторая плоскость 103" содержит первую и вторую части, расположенные под углом друг к другу, так что длины пути непрерывно возрастают сверху вниз, до пересечения между первой и второй частями, а затем снова уменьшаются. В этой конфигурации контейнер для образца снабжается поперечным сечением, подобным равностороннему треугольнику.
Контейнер для образца, или по меньшей мере боковые стенки, через которые должно входить или выходить излучение, изготавливается из материала, который позволяет используемому электромагнитному излучению проходить через него. Контейнер для образца также содержит отверстие, например, расположенное на боковой стенке, параллельной пути излучения, чтобы позволять вводить образцы в контейнер для образца или выводить их из него.
Калибровочный шаг предпочтительно используется перед, во время или после измерения, с помощью которого определяется количество излучения, пропущенного через эталонный образец материала известного состава.
Выше структура была описана как ориентированная так, что источник излучения находится на одной стороне, а детектор - на другой стороне, и контейнер для образца перемещается вертикально вверх и вниз. Однако возможны и другие ориентации, и, например, контейнер для образца может перемещаться вместо этого в горизонтальном направлении. Кроме того, излучению не нужно пересекать контейнер для образца в вертикальном направлении, но также возможны наклонные направления. Независимо от абсолютной пространственной направленности источника излучения и детектора, источник излучения и детектор предпочтительно располагаются на одной линии.
Были описаны конкретные варианты осуществления изобретения. Однако возможен ряд альтернатив, как будет ясно для специалиста в данной области техники. Например, излучение не обязано быть рентгеновским, но также могут использоваться и другие типы электромагнитного излучения. Кроме того, контейнер для образца может иметь различные формы и конфигурации. Кроме того, относительное движение между контейнером для образца и лучом (лучами) излучения могут обеспечиваться различными способами. Также кроме того реализация способа управления и обработки может выполняться различными способами, как, например, в специальном аппаратном обеспечении или в программном обеспечении для управления уже существующими устройствами управления.
Такие и другие очевидные модификации должны рассматриваться в объеме настоящего изобретения, как оно определяется прилагающимися пунктами формулы изобретения. Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления представляют, а не ограничивают изобретение, и что специалист в данной области техники может спроектировать многие альтернативные варианты осуществления, не отклоняясь от объема прилагающихся пунктов формулы изобретения. В пунктах формулы любые знаки ссылок, расположенные в скобках, не следует рассматривать как ограничивающие формулу изобретения. Слово «содержит» не исключает наличия других элементов или этапов, отличающихся от перечисленных в пункте. Единственное число в описании элемента не исключает наличия множества таких элементов. Кроме того, один элемент может выполнять функции нескольких устройств, перечисленных в формуле изобретения.
1. Способ определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала, при этом способ включает:
размещение образца биологического материала в контейнере для образца, причем геометрия контейнера для образца обеспечивает по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца;
последовательное облучение образца электромагнитным излучением и предпочтительно в рентгеновском диапазоне, испускаемым источником облучения, расположенным на одной стороне контейнера для образца, по указанным по меньшей мере двум путям;
обнаружение количества излучения, пропущенного через указанный образец, с помощью детектора, расположенного на противоположной стороне контейнера для образца;
определение поглощательной способности на основании указанного обнаруженного излучения;
при этом во время указанных этапов последовательного облучения контейнер для образца перемещают относительно источника облучения и детектора, благодаря чему электромагнитное излучение проходит по меньшей мере по указанным двум путям различной длины, так что определяют показание поглощательной способности на предопределенной длине волны на указанных различных длинах путей;
создание линии регрессии с помощью значений поглощательной способности и длин пути, так что получают наклон линии регрессии; и
определение концентрации отдельного анализируемого вещества путем деления наклона линии регрессии на коэффициент экстинкции анализируемого вещества.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контейнер для образца спроектирован так, что он имеет множество дискретных длин оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения, при этом предпочтительно по меньшей мере одна из указанных частей стенки имеет вид ступенчатой стенки.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанный контейнер для образца спроектирован так, что он имеет непрерывно изменяющуюся длину оптического пути между по меньшей мере сегментом части стенки падения излучения и соответствующим сегментом части стенки выхода излучения по высоте и/или ширине контейнера для образца.
4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что количество излучения, пропущенного через образец биологического материала, определяют относительно калибровочного эталонного образца известного состава.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что калибровочную эталонную величину определяют измерением пропускания излучения через эталонный образец материала известного состава, при этом указанное калибровочное измерение предпочтительно осуществляют непосредственно перед и/или после каждого измерения через биологический материал.
6. Устройство для определения концентрации отдельного анализируемого вещества в образце биологического материала, содержащее:
контейнер для образца, выполненный с возможностью содержать материал образца, и геометрия которого обеспечивает по меньшей мере два пути облучения с различными длинами через контейнер для образца;
источник излучения, расположенный на одной стороне контейнера для образца, для генерации электромагнитного излучения;
детектор, расположенный напротив источника излучения и на другой стороне контейнера для образца, так что детектор выполнен с возможностью обнаруживать электромагнитное излучение, пропускаемое через указанный контейнер по указанным по меньшей мере двум путям; и
мотор, функционально связанный с контейнером для образца, так что контейнер для образца выполнен с возможностью перемещения относительно источника излучения, для обеспечения переменных длин пути;
контроллер, имеющий программное обеспечение для расчета концентрации образца на основании информации, предоставляемой детектором при различных длинах пути; создания линии регрессии по поглощательной способности и длине пути, так что получается наклон линии регрессии; и определения концентрации отдельного анализируемого вещества путем деления наклона линии регрессии на коэффициент экстинкции образца.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что контейнер для образца содержит периферическую стенку, имеющую часть стенки падения излучения и часть стенки выхода излучения, при этом часть стенки выхода излучения расположена напротив указанной части стенки падения излучения, причем указанный отсек для образца спроектирован так, что он имеет по меньшей мере две различных длины оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что контейнер для образца спроектирован так, что он имеет множество дискретных длин оптического пути между частью стенки падения излучения и частью стенки выхода излучения, и причем по меньшей мере одна из указанных частей стенки имеет вид ступенчатой стенки.
9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что указанный отсек для образца спроектирован так, что он имеет непрерывно изменяющуюся длину оптического пути между по меньшей мере сегментом части стенки падения излучения и соответствующим сегментом части стенки выхода излучения по высоте и/или ширине контейнера для образца.
10. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что контейнер для образца непрерывно перемещается по предопределенному пути таким образом, что в процессе измерения луч излучения проходит по меньшей мере по указанным двум различным путям излучения.
11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что контейнер для образца выполнен с возможностью линейного передвижения и предпочтительно в направлении, соответствующем продольному направлению указанного контейнера для образца.
12. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что электромагнитное излучение находится в рентгеновском диапазоне и указанный источник излучения представляет собой источник рентгеновских лучей.
13. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее управляющее устройство для регулирования напряжения рентгеновской трубки указанного источника рентгеновских лучей в соответствии с длиной путей облучения.
14. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что длина самого длинного из путей облучения через указанный образец предпочтительно составляет по меньшей мере 50 мм, и более предпочтительно - по меньшей мере 80 мм, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 100 мм.
15. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что разница длин между самым коротким путем и самым длинным путем из по меньшей мере двух путей, используемых для измерения, составляет по меньшей мере 20 мм и предпочтительно - по меньшей мере 30 мм, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 50 мм.
