基于顯微拉曼的手持式檢測儀器及檢測方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年8月7日提交的美國臨時申請No.61/893,095的權益。上述申 請的全部公開內容通過引用并入到本文中。
技術領域
[0003] 本公開內容設及用于快速檢測和鑒定包括細菌、病毒、藥物或組織異常的蛋白質 基化合物（protein-based compound)的方法和裝置，并且更具體地設及基于拉曼光譜術 (spectroscopy)的便攜式光譜儀，其適合于對于包括MRSA或其他病原體的蛋白質基化合物 檢查粘膜表面(鼻孔、口部、耳朵）、檢驗（interrogate)傷口部位和/或檢查可能被污染的對 象或表面。該裝置可W適合于檢驗組織試樣、糞便、尿、血清或分泌物。
【背景技術】
[0004] 該部分提供了與本公開內容有關的背景信息，其不一定是現有技術。
[0005] 通過由叫做葡萄球菌盒式染色體mec(staphylococcal cassette chromosome mec ,SCCmec)的移動遺傳元件攜帶的mecA基因確定了金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，MRSA)的甲氧西林(methicillin)耐藥性。MecA編碼稱為PBP2a(或PBP2'）的耐0-內 酷胺的盤尼西林結合蛋白質。e-內酷胺抗生素通常與細胞壁中的PBP結合，擾亂膚聚糖層的 合成，運導致了細菌死亡。然而，由于e-內酷胺抗生素不能與PBP2a結合，因此膚聚糖層和細 胞壁的合成繼續(xù)進行。雖然對于mecA轉移的機制仍然不清楚，但是證據支持了不同的葡萄 球菌種類之間的mecA基因的水平轉移。通常使用基于培養(yǎng)的方法來診斷MRSA。
[0006] 臨床和實驗室標準協(xié)會（Clinical and LaboratoiT Standards Institute, 化SI)推薦對于PBP^i的補充膠乳凝集測試（latex agglutination test)的頭抱西下-紙片 擴散測試(cefoxitin disk difTusion test)。耐藥性的表型表現可W根據生長條件W及 存在的葡萄球菌亞種群而不同，所述葡萄球菌亞種群可W在培養(yǎng)物內共存(敏感和耐藥）， 從而使得通過標準微生物方法進行的敏感性測試可能存在問題。另外，培養(yǎng)花費時間，通常 為1至5天。已經開發(fā)了通過諸如聚合酶鏈反應(PCR)的分子方法篩選MRSA的更快的技術W 測試賦予對甲氧西林、苯挫西林、糞夫西林W及雙氯西林和其他類似抗生素之耐藥性的 mecA基因。雖然運種技術更快，但是運種技術仍然花費數個小時并且被送至實驗室。另外， 市售的分子方法(用于篩選)不能檢測MRSA的mecA變體。
[0007] 拉曼光譜術是無試劑、非破壞性的技術，其可W在沒有樣品制備的情況下提供化 學品和/或分子的獨特的光譜指紋W實現目標鑒定。采用該技術，使用特定波長的光福射樣 品，由此小部分（大約107分之一的光子）被非彈性散射（in-elastically scattereK W從 入射福射頻移的波長）。由于改變分子極性化的分子振動，光子的非彈性散射提供了獨特地 表征目標物質的化學和結構信息。拉曼光譜術在完全表征材料的組成中可W是極其有用 的，并且使得能夠采用拉曼光譜數據庫相對快速的鑒定未知材料。另外，由于拉曼光譜是非 接觸并且非破壞的技術，因此其非常適合于原位、體外和體內分析。
[0008] 拉曼光譜術具有用于篩選細菌、病毒、藥物W及組織異常的高潛力，運是由于其： 1)對于大量的分子種類來說是實用的；2)可W提供快速的鑒定；W及3)可W用于定性和定 量分析兩者。基于顯微拉曼(micro Raman)的便攜式或手持式檢測儀器將用于可靠并且快 速地評估傷口或鼻道中的金黃色葡萄球菌菌株。快速評估和分型將能夠跟蹤運種病原體的 傳播并且可W顯著減少醫(yī)院獲得性感染的數目及其治療相關的費用。

【發(fā)明內容】

[0009] 該部分提供了本公開內容的總體概述，并且不是其全部范圍或者其所有特征的全 面公開內容。
[0010]用于粘膜檢查(鼻孔、口部、耳朵)和傷日檢驗的基于拉曼光譜術的手持式裝置系 統(tǒng)提供了用于快速并且有成本效益地篩選細菌、病毒、藥物和組織異常的方法。該裝置是非 侵入式自動化近乎實時的護理點檢測系統(tǒng)（near-real-time-point-of-care detection system),其可W使醫(yī)護人員能夠提供更好的患者管理和最優(yōu)的臨床結果。該裝置包括可棄 型尖端元件，所述可棄型尖端元件具有足夠小W適合放入小體腔(例如鼻孔）中的尺寸。本 系統(tǒng)可W與S種類型的尖端元件一起使用一一一種用于直接鼻部檢驗，一種具有真空抽吸 器(suction)和濾器，W及一種具有用于傷口檢驗的鄰近光學器件(optics)。尖端元件和裝 置包圍了實現拉曼光譜測量的光學部件的組合體(assembly)，所述拉曼光譜測量可W在沒 有樣品制備的情況下提供化學和/或分子的獨特的光譜指紋W實現目標鑒定。
[0011] 該裝置并入了用于信號條件處理(signal conditioning)和目標檢測的信號處理 和鑒定算法（identification algorithm)。在成像檢測器陣列上的區(qū)域(area)的離散區(qū)域 (例如，四分之一區(qū)域(quaclrant))中的超高分辨率顯微濾光器(micro-filter)的組合提供 了對目標光譜峰的特異性分析。每個區(qū)域或者四分之一區(qū)域允許離散光譜帶檢測，其中每 個顯微濾光器提供用于光譜分析的特定波數檢測。區(qū)分目標物質與背景干擾的離散拉曼光 譜帶被用于開發(fā)用作檢測和目標鑒定基礎的學習算法。通過在離散的光譜區(qū)域處獲得數據 來替代在整個光譜范圍內獲得數據，采集時間(acquisition time)W及來自混雜背景干擾 的光譜貢獻將得W減小或者消除W實現近乎實時評估。
[0012] 使用拉曼光譜術的在流體樣品中鑒定病原體的方法也形成了本公開內容的一部 分。運些方法示出使用有限數目的離散光譜峰W對廣泛的潛在目標的關鍵分子標識符 (identifier)進行采樣來用于特定病原體檢測。因此，本文中所描述的裝置和方法可W對 于許多目標材料進行定制，并且在相對小的、便攜式外形(form factor)中實現。本質上，提 供了適合的系統(tǒng)，其可W借助內置學習算法容易地被修改W改變目標需要。在美國國防部 計劃下開發(fā)了用于水中的實時病原體檢測W及用于從組織樣品中實時鑒定癌癥細胞的示 例性學習算法，并且其可W適用于檢測方案。在預處理完成之后，使用判別函數分析 (Discriminant Function Analysis，DFA)對樣品進行分類。DFA預測組群（group)中的成員 數(membership)?；诙嘧兞空龖B(tài)性的假設，獨立變量為預測因子并且從屬變量為組群。所 得數據被用于修改在手持式裝置中實施的基于拉曼光譜的分析。
[0013] 根據本文中所提供的描述，適用范圍的另外領域將變得明顯。在該概述中的描述 和特定實施例僅旨在用于說明的目的，并且不旨在限制本公開內容的范圍。
【附圖說明】
[0014] 本文中所描述的附圖僅用于所選擇的實施方案的示例性目的，而不是所有可能的 實現方案，并且不旨在限制本公開內容的范圍。
[0015] 圖1示出了對于各種細菌在作為波長之函數的相對強度方面的平均光譜；
[0016] 圖2示出了采用DFA區(qū)分被測試細菌確定的波數或光譜帶；
[0017] 圖3示出了細菌的拉曼光譜的聚類分析；
[001引圖4示出了對于接種了鼻拭子樣品（淺色)和MRSA IR(深色）的平均光譜的比較； [0019]圖5示出了葡萄球菌在最低阻擋光譜區(qū)域600至740(cnfi)的經擴張視圖中的平均 光譜；
[0020]圖6示出了葡萄球菌在最低阻擋光譜區(qū)域1200至1300(cnfi)的經擴張視圖中的平 均光譜；
[0021 ]圖7示出了對于=種流感病毒所采集的拉曼光譜的樣品；
[0022] 圖8示出了在2850cnfi至2950cnfi之間的拉曼頻移處的=種流感病毒的光譜峰；
[0023] 圖9示出了在700cnfi至1700cnfi之間的拉曼頻移處的S種流感病毒的光譜峰；
[0024] 圖10示出了使用背景減除技術的經固定流感病毒的光譜；
[0025] 圖11示出了已經使用包括UV、熱和化學處理的不同滅活過程滅活的流感病毒的光 譜；
[0026] 圖12示出了基于顯微拉曼的手持式檢測儀器的示例性外形；
[0027] 圖13示出了圖12中所示的光譜儀的功能特性；
[0028] 圖14示出了圖12中所示的裝置的部件；
[0029] 圖15是用于傷口和/或鼻部檢驗的裝置的可棄型末端執(zhí)行器(end effector);
[0030] 圖16示出了具有用于真空吸引應用之過濾功能的裝置的可棄型末端執(zhí)行器；
[0031] 圖17是圖16中所示的末端執(zhí)行器的端視圖；
[0032] 圖18A和圖18B示出了圖14中所示的擴束器(beam expander)的簡單實施例；
[0033] 圖19示出了圖14中所示的濾光器元件；
[0034] 圖20示出了拉曼探測器和檢測系統(tǒng)的另一實施方案；
[0035] 圖21A至圖21C示出了圖20中所示的拉曼探測器的光學組件；
[0036] 圖22A至圖22C示出了圖20中所示的光學組件的詳細方面；
[0037] 圖23A至圖23D示出了用于圖22中所示的拉曼探測器的激光線濾光器（laser line filter)、離軸拋物面鏡系統(tǒng)（off-axis parabolic mirror system)和六角錐形透鏡 (hex曰gon曰1 conic曰1 lens);
[0038] 圖24示出了圖20中所示的裝置的便攜式外形；W及
[0039] 圖25是示出了在病原體檢測過程期間使用基于顯微拉曼的手持式檢測儀器執(zhí)行 操作過程的流程圖。
[0040] 貫穿附圖的數個視圖中，相應的附圖標記指示相應的部件。
【具體實施方式】
[0041] 通過下面更詳細描述的初步研究，證明了使用實驗室拉曼光譜儀來評估包含眾多 病原體的各種蛋白質基化合物的拉曼光譜的可行性。對于運些研究，在不存在背景干擾的 情況下評估了下面的病原體：
[0042] 參MSSA-1S:金黃色葡萄球菌金黃亞種（Sl:a曲ylococcus aureus subsp.aureusK ATCC 狼 6538?);
[0043] ?MSSA-SS:金黃色葡萄球菌金黃亞種（ATCC?BAA1721?);
[0044] 參MRSA-1R:金黃色葡萄球菌(ATCC液BAA1683?);
[0045] 參MRSA-2R:金黃色葡萄球菌金黃亞種（AT€C?700787?);
[0046] 參棒狀桿菌屬（C