極小侵入的侵入式傳感器的製作方法
2023-05-25 02:58:01
專利名稱：極小侵入的侵入式傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種測定流體中分析物的傳感器裝置，尤其是涉及到一種用來測量血液中與生物流體中的葡萄糖和其它分析物的極小侵入的侵入式傳感器。
在含水流體中化學與生化成分的定量，尤其是在生物流體如全血或者尿以及生物流體衍生物例如血清和血漿的定量，其重要性日益提高。在醫學診斷和治療中以及暴露在治療藥品，麻醉劑，危險化學製品等中的定量有大量的應用。這些應用包括檢測和定量種類日益增加的某些循環抗體，與癌有關的代謝物，遺傳地衍生的化學示蹤劑，以及在例如懷孕期間釋放的荷爾蒙。在許多例子中，被確定物質的量是很少的—在一個微克或小於每分升的範圍內--並只有熟練的實驗人員操作複雜的裝置才能容易地分析出來。在這些情況下，採樣後的幾小時或幾天才出來的這些結果一般是不能利用的。另其他例子中，經常強調的是外行操作員例行公事地，迅速地進行分析檢測的能力以及在非實驗室設置中的重現性，而迅速或立即顯示出信息。
糖尿病患者血液葡萄糖含量的檢測是一種普通的醫學檢測。現行學說建議對糖尿病患者，根據他們各自病情的特點和嚴重性每天測量他們血液葡萄糖的含量2到7次。根據在檢測的血液葡萄糖含量中觀察的模式，該患者與醫生一起調整飲食，體育鍛鍊以及攝入胰島素以便更好地控制該疾病。顯然，在採樣的時候這些信息對於患者應該是可以利用的。
這種葡萄糖測定一般需要用柳葉刀刺穿糖尿病患者手指的皮膚，接著擠或壓出血滴。然後將血滴放在試劑片或者測試條上。從刺破的手指方便地擠壓出血量是通過柳葉刀刺破的大小和深度來控制的。切口太小導致要分析血樣的量不足。在刺破過程中遭受的疼痛，疼痛的程度與柳葉刀刺破的大小和深度有關。遺憾的是，採用常規技術，柳葉刀的尺寸以及刺破的深度使患者遭受較重的疼痛。患者手指尖天天連續地用柳葉刀切開使糖尿病患者每天必須忍受一次或兩次疼痛。然而，如果需要比此更頻繁的檢測，將引起患者不服從這樣的嚴重問題。
如果能夠顯著地降低測定血糖的所需血滴大小，則刺破手指產生的疼痛能夠因為較小的柳葉刀與/或減小切入手指肉的深度而大大地減小。這的確需要有一種適合於糖尿病患者使用，比現行裝置和方法需要較少血樣的分析採樣方法，從而減小產生的疼痛。
測定在全血中的分析物通常包括利用固定在試劑片或多孔介質中的顏色-產生試劑的比色法確定。血液中紅細胞或者其它有色成分的存在經常幹擾這些測量。已經利用具有在其上特殊形成或層疊的過濾或膜層的試劑片來排除紅細胞與/或其它血細胞成分，這將增加這種裝置的複雜性，也增加必須使用的血量。因此，除了需要較小的血樣外，還需要有一種排除血液和體液的細胞成分而不增加流體採樣量的方法。
本發明的目的是提供一種檢測和測定全血和其它生物流體中的分析物的極小侵入的侵入方法。關於全血，本發明的另一個目的是提供一種能夠檢測和/或定量這些分析物而在血液接觸該裝置之前不需要先前的除去細胞血液成分步驟的裝置。
本發明的另一個目的是提供一種能夠檢測和/或定量一滴體液中的多種分析物的裝置。
本發明的另一個目的是提供給糖尿病患者一種顯著降低為葡萄糖分析提供有效血樣產生的疼痛的分析血液葡萄糖濃度的方法。
對本領域技術人員來說，從本發明下面所提供的實施例的詳細描述中將更清楚本發明的這些和其它目的。
這種新式的傳感器是用作診斷分析，包括具有局部紋理表面位點的光導纖維，在光纖上，或在該局部紋理位點內沉積有分析物-反應試劑，當與含易與它們反應的分析物的流體接觸時，這些試劑產生可觀察的物理或化學反應，通過在一個或多個頻率改變經過光纖的傳輸光的光束特性其中的物理或化學反應是可觀察的和/或可定量的。尤其是，提供與這些屬性一致的新式傳感器，其中流體的某些膠質或細胞成分進入到紋理表面點的滲透被紋理限制或者禁止。
本發明的範例是一種光導纖維，該光導纖維具有一個位點位於沿著其長或者在其末端的地方，這個位點依靠離子束濺蝕結構化為一個錐型區域，該錐型區域突起之間的空間被有效地變窄以限制或禁止紅細胞進入錐型突起之間的開口，一種分析物-反應試劑沉積在錐型區域內，其產生一個由經過光纖可傳輸光能檢測出的反應。由於試劑沉積在錐型區域上，或在其內，通過改變在光纖中通過的光束頻率或幅度改變可測量顏色反應表現的程度，該反應就是一個在錐形區域內與血糖反應的比色反應。
再者本發明的範例是一種類似應用的由有機聚合合成物組成的光導纖維，其中紋理表面由位於局部位點等離子體的蝕刻而產生，分析物-反應試劑沉積在等離子體蝕刻的紋理表面。
還有本發明的範例是一種測量流體中分析物的方法，例如全血中的葡萄糖，包括將一種流體與在其上具有局部紋理位點的光導纖維引入並與之接觸，一種沉積在光纖上紋理位點內分析物-反應試劑，以及使得這種試劑與流體中分析物相互作用，因此而產生由光可檢測的可觀察的物理或化學反應。作為這種方法的一部分，至少一個頻率的光束經過光纖傳輸通過紋理位點，並且對與流體中分析物的存在和濃度相關的光束特性(例如，頻率或振幅)改變進行分析，依靠通過試劑的上述物理或化學反應是可以辨別出的。
附圖描述
圖1是一個使具有紋理表面位點的纖維的示意圖。
圖2是一個光導纖維表面內部錐型區域的示意圖。
圖3是一個具有沉積試劑的錐型區域橫截面，並連同附近紅細胞在一起。
進行本發明的最好方式現在與參考附圖一起進一步描述本發明。圖1圖解說明了本發明的一個普通實施方案。光導纖維10-12被加工以至於在不連續的，局部地方具有紋理的表面13-15。這樣一種位點可以位於沿著各自光導纖維的任意點，如位點15，但是最好是位於或者靠近光纖的末端，如位點13-14。通過預切割光纖以便預定長度顯然能獲得光纖末端。該表面可以通過幾種方法的一種來使其具有紋理，其包括物理磨蝕方法，化學蝕刻方法，通過高能光束來濺蝕或燒蝕方法，或者樹狀結構的沉積方法。每個光導纖維10-12的至少一端靠近位於用來向光纖長度方向發送光束16的光源。每個光導纖維的至少一端還位於靠近一個用來測量來自光纖的發射光17-19的光束特性的裝置。後者一端可以與光束進入的初始端是同一端，也可以構成相同光纖的第二端。當一個單獨光纖末端靠近光源和靠近用來測量光束特性的裝置時，光測量取決於從一些點沿著或在光纖的第二端的光束17，18的反射。紋理表面13-15被處理以致於包含一種分析物-反應試劑(圖1中沒有顯示)。或者是，通過紋理從外部光源的傳輸在光纖中捕獲光。特別是，在紋理位點能夠方便地利用由試劑-分析物相互作用產生的化學發光或者螢光反應，其中化學發光部分或者螢光發光進入光纖並且被傳輸到一個位於該纖維的一端用於檢測和定量的裝置中，如照度計。
圖2提供一個放大的紋理光纖截面視圖。一個紋理表面示意地被描述，在這種情況下一個陣列錐型突起21定義為一個錐型區域20，它在光纖的表面22通過部分移去表面22和下表面材料23來形成。這樣可以由表面部位暴露到一個高能量光束，如一種電子束方便地形成一個錐型區域，用於濺蝕或者類似的燒蝕光纖基質材料。或者是，該錐型區域可以通過表面的化學蝕刻形成，接下來根據該光纖維組合物的性質，採用在半導體晶片製造中的一般技術。
圖3顯示一個典型錐型區域的橫截面30，其中一種分析物-反應試劑的沉積物31已經方便地置於錐型突起32之間的間隙。在圖3中還顯示一個紅細胞33(一種紅色的血細胞)，它的尺寸相對於錐型區域的錐體之間的開口部分是大的，這樣它能夠通常只是偶然與錐型的最外部突起接觸。在測定小的分析物如葡萄糖中，錐型區域中沉積的試劑與分析物容易接近，但是根據錐型區域模式選定的尺寸阻止這些紅細胞接近。試劑沉積中的變化，如通過與分析物的反應有色的複合體的顯色，能利用經過光纖基質傳輸的光束(由箭頭34指示)來便利地檢測。
在兩個所提實施例的一個中，紋理表面以錐型區域的模式依靠離子束濺蝕的電子形成。這些技術能夠用來修改陶瓷，金屬以及塑料的表面形狀。該產生的紋理一般是圓錐的或者高與寬幾微米脊狀的形式。術語「錐型區域」在此定義為包括多種紋理，它們不必只是特殊的錐型形狀，也可以包括各種線性，盒狀或者有稜角的突起陣列。這些陣列通常起因於濺蝕或燒蝕能量光束的設計以一種順序的形式排列，但是必須整體或者部分隨機性的陣列也是有利的，並且它們被認為包括在這個「錐型區域」的定義中。
在另外兩個優選的實施例中，纖維表面通過用原子氧蝕刻形成為紋理模式。原子氧易於從有機聚合光纖表面不均勻地去除材料，這樣該表面微小外形一般變得相當粗糙。這個結果為試劑的化學附著或物理粘結增加了可利用的表面積。原子氧的產生可以由幾種已知的方法來完成，它們包括射頻，微波，或者通過氧或氧與其它氣體的混合物來直流放電。也可以利用氧的直接光束如電子共振等離子源，就如根據在美國專利號Pat.5,560,781公開的用於從著色藝術品中去除有機塗層那樣，該專利在此引入本文作為參考。光纖的原子氧蝕刻已經被描述為一種在光動力治療中做作光學纖維擴散體。在這樣的光學纖維擴散體中，允許光從光纖經粗糙的表面通過向外擴散逸出光導纖維。然而，如本發明中描述，被檢測的光從粗糙表面的地方經過光纖向遠處傳輸。這束光，通過光纖的紋理部位或者從紋理表面反射回來，因與分析物-反應試劑接觸的界面效應來改變，特別是當這種試劑在光纖的表面上產生一種有色的或者不透明的反應產物時。
分析物-反應試劑可以是許多分析物-檢測系統中的一個。對於血糖的測定，該分析物-檢測系統最好是一種包括過氧化酶和顏色-生成化學成色劑的組合物。用來測定血糖的這種化學系統的許多化合物都公開和發表在美國專利號Pat.4,935,346，該專利在此引入本文作為參考。對於抗原，抗體，酶，酶抑制物，以及各種其它生物化學劑，可以實現將親和配基附著到紋理表面上。這裡，經過光纖傳輸的光受在紋理光纖表面上產生的親和複合物顯色的影響。或者是，可以利用化學發光或者螢光技術增強在紋理表面上特定生物分子親和吸附亮度，一部分化學發光或者螢光被捕獲並且經過光纖傳送給一個檢測器。配合基經過共價結合附著到聚合表面，這在親和膜的技術中是公知的。
至於它的極小侵入的特點，這樣能大大地增加能夠沉積和保留的分析物-反應試劑的水平，本發明的主要優點是在一個非常小的，局部的區域存在一個大的表面積。例如，假設直徑100微米(0.1mm)的光導纖維在其末端具有約0.00785mm2的橫截面積。如果一種分析物-反應試劑被包覆到這個末端，並且還包覆距末端2.0mm面積的光纖外圍區域，約0.0785mm2的總面積將適於試劑的沉積。然而，如果後者的面積(光纖外圍)首先使其具有錐型區域的結構，錐型末端直徑1微米以及錐體之間深5微米，則總的可用表面積變成大於0.85mm2，這就表明試劑的沉積與上述第一個例比較，至少在可用面積上增加100-倍，對於試劑的沉積與上述第二個例比較在可用面積上增加多餘10-倍。採用原子氧蝕刻的結構，與一個離子束模式錐形區域比較，可用表面積增加的更多。這種大表面的增加允許我們利用血滴，例如，這只需要浸溼光導纖維末端到2mm高，更優選的只有1mm高。這樣一滴血液有1到5微升的容量，更通常的是1到2.5微升。相反地，糖尿病患者使用的現行的血液葡萄糖傳感器需要約5到50微升的一滴血液，更通常的是容量在10到15微升。所以，在此描述的裝置僅需要大約現行的血液葡萄糖傳感器流體容量的1/5或者1/10。
在本發明使用的所優選的方法中，一種在其上具有紋理位點的光導纖維位於光源附近用來傳輸進入光纖的光束，並且還鄰近用於分析發自光纖一端的光束特性的一個裝置。在一個最優選的實施方案中，光的輸入與發射兩者都是在預定長度光纖的一端，而紋理位點在光纖的相反端。紋理表面位點首先注入分析物-反應試劑。然後用流體浸溼紋理位點，例如用一小滴血在這個位點的接觸光纖。試劑與化學分析的相互作用，假如有的話，在該流體中能夠發生的，在紋理位點產生一種可觀測的物理或化學變化。從而通過紋理位點區域中光纖的光在其特性例如頻率和幅度上變化，這些可檢測的和更適宜定量的一個或者多個變化通過裝置用來分析光纖發出的光。
因此，想測量其血糖水平的糖尿病患者可用柳葉刀刺破手指的皮膚，刺破的尺寸與深度要在產生最低水平的相關疼痛情況下提供一個最小的尺寸血滴。然後患者將最好將紋理光纖觸及到血滴，光纖方便地預先固定到一個測量裝置。然後患者將讀取和記錄其由最小尺寸血滴浸溼紋理表面地方而確定的血液葡萄糖濃度。
雖然本發明已經在糖尿病患者全血中的葡萄糖確定的上下文中特別地進行了描述，本發明也可以用在其他分析物的確定中，或多於一個分析物-反應試劑而同時測定兩個或更多的分析物中。此外，兩個或更多的分析可以方便地通過利用兩根或多根光纖作為一束來實現，其中光纖束的多個末端被引入與一個血液滴接觸。這樣，雖然本發明目前預期的優選的形式如已經表示在附圖和描述中，但因為在優選的實施方案中的變化對那些本領域技術人員是明顯的，本發明不應該限制在所示和所描述的特殊形式，而是應該象權利要求書闡明的那樣。
權利要求
1.一種含光導纖維(10)的傳感器，該光導纖維具有紋理表面位點(13)和一種沉積在光纖的所述位點上的分析物-反應試劑(31)，所述試劑與流體內所含的所述分析物的接觸產生一種物理或化學反應，所述反應通過經過光纖可傳輸的光束(16)的特性改變可以觀察到。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述紋理位點被一種具有初始體積小於5微升的流體完全浸溼。
3.根據權利要求2所述的傳感器，其特徵在於所述紋理位點靠近所述光纖的一端。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其特徵在於所述紋理位點被一種具有初始體積在1到2.5微升範圍的流體完全浸溼。
5.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述反應包括通過所述試劑與所述分析物相互作用產生有色物質。
6.根據權利要求4所述的傳感器，其特徵在於所述反應包括通過所述試劑與所述分析物相互作用產生有色物質。
7.一種包括一個光源，一個光檢測器，以及一個具有第一和第二末端的光導纖維(10)的裝置，所述光纖具有紋理表面位點(13)和一種沉積在光纖的所述位點上的分析物-反應試劑(31)，所述試劑與流體內所含的所述分析物的接觸產生一種物理或化學反應，所述反應通過經過光纖可傳輸的光束(16)的特性改變是可以觀察的。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述光源和所述檢測器位於靠近所述光纖的第一末端，以及一部分從所述光源傳輸到所述光纖的光束是從所述光纖的第二末端反射回所述檢測器。
9.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述光源和所述檢測器位於所述光纖的相反的末端，以及一部分從第一末端所述光源傳輸到所述光纖的光束是從在所述光纖的第二末端所述檢測器可觀察的。
10.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述紋理位點是靠近所述光纖的第二末端。
11.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於所述紋理位點是靠近所述光纖的任一末端。
12.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於所述檢測器是靠近所述光纖的第一末端，該紋理位點是靠近所述光纖的第二末端，以及該光源包括一種與所述試劑和所述分析物之間相互作用產生的化學發光或螢光。
13.一種分析流體中分析物的方法，包括引導該流體與在其上具有紋理表面位點(13)的光導纖維(10)接觸，在所述光纖的所述位點上沉積一種分析物-反應試劑(31)，通過所述試劑與所述分析物的相互作用產生一種物理或化學反應，所述反應通過光束的特性的變化是可檢測的，傳輸一個來自光源的光束(16)經過所述光纖通過所述紋理位點，以及對所述變化分析所述光束，所述變化是與流體中所述分析物的存在相關。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述變化與流體中所述分析物的濃度相關。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於被引導與所述光纖接觸的流體的初始採樣體積小於5微升。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於被引導與所述光纖接觸的流體的初始採樣體積在1到2.5微升。
17.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於該流體是血液而該分析物是葡萄糖。
18.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於該流體是血液而該分析物是葡萄糖。
全文摘要
公開了一種極小侵入的侵入式傳感器,以及它的使用方法,該傳感器利用在其上具有一個局部紋理位點(13,14或15)的光導纖維(10,11或12),其中在局部紋理位點沉積一種試劑(31)。試劑與一種和該試劑專一的分析物相互作用產生一種反應,如有色生成物的顯色,它依靠通過光纖可傳輸的光束(16)的特性變化是可檢測的。利用這種紋理位點以及其增加的表面積,裝置的靈敏度大大地增強,以致只需要小於5微升的流體用於分析。這種傳感器在血液中葡萄糖測定中特別有用,比扁平帶裝置(flat strip device)需要較小的血液樣本。
文檔編號G01N33/543GK1255196SQ98804888
公開日2000年5月31日 申請日期1998年4月3日 優先權日1997年4月4日
發明者麥金利·諾米拉 申請人:內奧梅克斯公司