一種生理試樣採集裝置的製造方法

2023-08-02 13:31:26 1

專利名稱：一種生理試樣採集裝置的製造方法
技術領域：
本發明的技術領域涉及生理試樣的採集和生理試樣中分析物濃度的測定。
確定生理試樣中分析物的濃度，首先必須獲取生理試樣。獲取試樣常常涉及笨重和複雜的裝置，這些裝置可能難以使用或製造成本昂貴。而且，用來獲取試樣的過程可能使人感到疼痛。比如，疼痛常常與周來獲取生理試樣的針的大小以及針的插入深度有關。取決於分析物和所採用的測試類型，通常採用相對較大的單個針或類似器具來取得所需數量的試樣。
分析物濃度測定過程還涉及多個步驟。首先，利用皮膚穿刺機構如針或柳葉刀來接觸試樣，接觸試樣還涉及到採樣機構如毛細管的使用。接著，必須將試樣輸送給測試裝置如試驗片或類似裝置，而試驗片往往又輸送到測量裝置，如測量儀。因此，接觸試樣、採集試樣、試樣輸送到生物傳感器、以及試樣中分析物濃度的測試等步驟常常是以獨立且連續步驟來進行，並要用到各種裝置和儀器。
由於這些缺點，對需要經常監測某種分析物水平的病人來說，其自我監測過程往往會很不方便。比如糖尿病患者，如果不能按照規定經常測量其葡萄糖水平，就會缺少適當控制葡萄糖水平所必需的信息。不控制葡萄糖水平是十分危險的，甚至會危及生命。
已經嘗試將柳葉刀型裝置與分析物濃度測定過程中所涉及的各種其它部件結合在一起，以簡化測試過程。比如，美國專利No.6,099,484中公開了一種取樣裝置，其包括與彈簧機構相連的單個針、與推動器相連的毛細管、以及試驗片。還可以將分析器安裝在該裝置中對試樣進行分析。於是，通過使彈簧處於非壓下位置可使單針向皮膚表面移動，然後用另一個彈簧使單針縮回。接著移動推動器推動毛細管與試樣連通，然後釋放推動器將液體輸送到試驗片上。
美國專利No.5,820,570中公開了一種儀器，其包含帶有空心針的底部和帶有薄膜的頂部，其中底部和頂部鉸接在一起。當處於閉合位置時，針與薄膜連通，使液體可以通過針抽上來並放置到頂部的薄膜。
上述各種裝置和技術都存在某些缺點。比如，上述專利中公開的裝置十分複雜，因此降低了易用性和增大了生產成本。而且，如上所述，單針設計可能使疼痛增加，因為單針必須足夠大以抽取所需的樣本數量。還有，對於美國專利No.6,099,484，針的驅動和縮回步驟以及毛細管的驅動和縮回步驟都增加了用戶介入程度，因而降低了易用性。
因此，非常需要研製出一種測定生理試樣中分析物濃度的新裝置和方法。具體地說，就是要研製出高效的集成裝置及其使用方法，使疼痛減到最小、易於使用，並能用於各種分析物濃度測定系統中。
每個皮膚穿刺件都帶有空間形成結構，當刺入皮膚時，該結構在刺入的組織內形成空間或容積。該空間可作為儲液器或聚集區，使得當皮膚穿刺件在刺入位置時，體液能聚集到裡面。從該開放空間延伸到試驗片的毛細管通道或液體路徑將聚集區中的液體輸送給生物傳感器。在某些實施例中，空間形成結構是在皮膚穿刺件表面的凹槽。凹槽具有凹進的形狀。在其它實施例中，空間形成結構是橫向於皮膚穿刺件某一尺寸方向延伸的開口，佔據了微型針寬度或直徑尺寸以及長度尺寸相當大部分。
在本發明試驗片裝置的一個實施例中，生物傳感器具有電化學電池的電化學生物傳感器，電化學電池帶有兩個隔開的電極。每個皮膚穿刺件或結構都與其中一個電極平行或共面延伸，其中，皮膚穿刺件與電極最好成為一體結構，並用相同材料製造。
在試驗片裝置的另一個實施例中，生物傳感器是一種光度測定或比色分析生物傳感器，帶有構成光度測定基體的平面基片，該基片由光度測定薄膜覆蓋並設計成可容納所要測試的試樣。對於光度測定生物傳感器實施例，每個皮膚穿刺件或結構是基片的平面延伸部分，其中，皮膚穿刺件與基片最好成為一體結構，並且用相同材料製成。
延伸的皮膚穿刺件以及相連的電極(在電化學生物傳感器中)或基片(在光度測定生物傳感器中)構成至少一個路徑，其中，所述至少一個路徑的近端位於整體構件的電極或基片部分，而所述至少一個路徑的遠端則位於皮膚穿刺件或結構。所述至少一個液體路徑遠端的至少一部分向外部環境開放。而且，路徑的遠端與皮膚穿刺件的空間形成區液體相通。路徑的遠端延伸到至少一部分空間形成區域中或終止在空間形成區域處。因此，該液體路徑形成毛細管通道，由皮膚穿刺件構成的聚集區中的液體通過毛細管通道可以抽出並輸送到試驗片裝置的生物傳感器部分進行測試。
本發明的系統包含一個或多個試驗片裝置和一個測量儀，可容納試驗片以及測定採樣液體的特性，如採集在試驗片的生物傳感器的至少一種分析物的濃度。而且，這種測量儀還可以帶有驅動及操作試驗片的機構，使得皮膚刺穿結構能夠刺穿皮膚。另外，測量儀可以帶有貯存一個或多個試驗片的機構或放置若干個試驗片的盒子。
本發明還提供了使用上述裝置的方法，以及包含用來實施本發明方法的裝置和/或系統的用具箱。本發明的裝置、系統和方法尤其適合於採集生理試樣及測定其中分析物的濃度，更具體地，是血液、血液組分或組織間隙液中的葡萄糖濃度。
本發明還包括用來製造本發明試驗片裝置的方法，其中微型針或皮膚穿刺件是作為具有試驗片結構的生物傳感器的一個整體部件來製造的。這種裝置具有完全集成的功能，包括接觸皮膚中的生理液體、抽取這種液體、將液體輸送到測量區，以及提供測定試樣中分析物濃度的必要元件。除了用來製造完全集成的試驗片裝置之外，本發明的製造方法還適合製造帶有十分複雜的功能和結構部件，如上面所提到的微型針，的這種裝置。舉例來說，具有複雜形狀或結構、多維的、小尺寸和/或具有十分尖銳頂端的微型針藉助於本發明的製造方法可以大批量地生產。本發明的方法還具有一定的通用性，因為可用來製造加工工藝有變化的電化學或光度測定結構形式的生物傳感器。本發明的製造方法可用來製造獨立的試驗片裝置或在適當薄片材料上的多個這種試驗片裝置。
通過閱讀將在下面更詳細介紹的本發明方法和系統，所屬技術領域的技術人員將更加清楚本發明的這些和其它目的、優點及特徵。
當給出數值範圍時，應當知道該範圍的上下限和其它任何該範圍內的給定值或插入值之間的插入值也包括在本發明中，除非上下文另外明確指示插入值可小到下限單位的十分之一。除非已明確排除，這些較小範圍的上下限也包括在本發明中，這些較小範圍的上下限可獨立地包括在較小範圍內。當所述範圍包含一個或兩個極限值時，去掉極限值的範圍也包括在本發明中。
除非另加說明，本文使用的技術術語的意義與本發明所屬技術領域中普通技術人員通常理解的意義相同。雖然類似於本文介紹的或等效的任何方法和材料都可以用於本發明的實施或試驗中，但是下面介紹的是優選的方法和材料。
必須指出除非在上下文中另外明確指示，在這裡和所附權利要求中所使用的單數形式「一」和「該」包括複數個涉及對象。因此，當提及「一試驗片」時包括多個試驗片，而提及「該裝置」則包括本領域技術人員都知道的一個或多個裝置和其等效形式。
在這裡所介紹的專利文獻是在本申請提交日期之前公開的文獻。不能認為由於有了早先發明，本發明的日期就沒有資格先於這些專利。此外，所提供的公告日期可能與實際公告日期不同，這需要單獨加以確認。
現在將詳細介紹本發明。在進一步介紹本發明時，首先將介紹本發明裝置的各個實施例，包括帶有電化學或比色分析/光度測定生物傳感器的試驗片裝置，接著將詳細介紹可用於任何一種類型生物傳感器的各種微型針結構。然後將介紹本發明系統，其包括可用於本發明裝置的測量儀，使用本發明試驗片裝置的方法。其後是製造本發明試驗片裝置的方法。最後，將簡要介紹本發明的用具箱，這種用具箱包含用來實施本發明方法的本發明裝置和系統。
在下面的說明中，將結合分析物濃度測量的應用來介紹本發明；然而，這並不是限制性的，本領域的技術人員應當知道本發明的裝置、系統和方法可用來測量生物物質的其它的物理和化學特性，如凝血時間、血膽固醇水平等。試驗片裝置如上所述，本發明的試驗片裝置包括一個生物傳感器和至少一個在結構上與該生物傳感器形成整體的皮膚穿刺件或微型針。本發明的生物傳感器可以具有電化學結構形式，如

圖1A、1B、1C和圖3所示，或者可以是比色分析或光度測定的(在這裡可互換使用)，如圖2A和2B以及圖4A和4B所示。同樣，本發明的皮膚穿刺件也可以具有各種結構形式，其中在圖1A、1B、1C和3中示出了第一個示例性實施例，而在圖2A、2B、4A和4B中示出了第二個示例性在任一實施例中，本發明的試驗片裝置和生物傳感器都可用來測定各種不同分析物的濃度，其中典型的分析物包括，但並不限於，葡萄糖、膽固醇、乳酸鹽、酒精等物質。在許多實施例中，本發明的試驗片可用來測定生理試樣如組織間隙液、血液、血液組分、血液成分等類似試樣中的葡萄糖濃度。電化學試驗片現在參見圖1A、1B、1C和3，其中相同的標號表示相同的部件，圖中分別示出了本發明的兩個電化學試驗片裝置2和100。試驗片2和100具有相同的電化學生物傳感器結構形式，因此在這裡一起介紹，但是，各自的皮膚穿刺件或微型針6和102具有不同的構造。在每個試驗片裝置2和100中，生物傳感器由通常帶有兩個隔開的相對電極3和5的電化學電池構成，這兩個電極在這裡分別被稱作底電極3和頂電極5。至少相互面對的電極3和5的表面分別是由導電層8和16構成的，如金屬。
在本發明電化學生物傳感器的某些實施例中，電極一般來說設計成細長矩形條的形狀，但也可以是其它任何適當的形狀或構造。一般來說，電極的長度在從大約0.5至4.5釐米的範圍內，且通常為大約1.0至2.8釐米。電極的寬度在從大約0.07至0.8釐米的範圍內，通常為大約0.20至0.60釐米，更為常見的是大約0.1至0.3釐米。導電層及其相連基片的組合厚度一般為大約100至500微米，且通常為大約125至250微米。
整個電極可以由金屬構成，或者可以由基片或底板4和18構成，在其表面上分別設有金屬層8和16。在一特定實施例中，基片4和18由瑪拉(Mylar)塑料薄膜構成。惰性基材的厚度一般從大約25至500微米，且通常為大約50至400微米，而金屬層的厚度一般從大約10至100納米，且通常為大約10至50納米。
如上所述，電極3和5一般是相互面對的並且只隔開很短的距離，因此兩個電極之間的空隙非常狹窄。這種極小的空隙是由於有間隔層12布置或夾在電極3和5之間而形成的。間隔層12的厚度可以在從10至750微米的範圍內，通常小於或等於500微米，更為常見的是從大約25至175微米的範圍內。間隔層12最好帶有雙面粘合劑以便將電極3和5固定在一起。
在某些實施例中，將間隔層12形成或切成一個反應帶或反應區9，在許多實施例中，反應帶或反應區9的體積在大約0.01至10微升的範圍內，通常為大約0.1至1.0微升，更為常見的是大約0.05至1.0微升。不過，反應區可以包括試驗片2和100的區域或者一起位於其它位置，如位於液體通道中或類似位置，這將在下面更加詳細地介紹。間隔層12可以構成任何適當形狀的反應區9，如圓形、正方形、三角形、矩形或不規則形狀，而且還可以包括側邊進氣和出氣口。
不論反應區9位於何處，在許多實施例中，氧化還原試劑系統或合成物14都處於反應區9中，其中應選擇試劑系統14可與試樣化驗時液體試樣中的目標成分相互作用。氧化還原試劑系統14沉積在頂電極5的導電層16上，其中，當處於完全裝配狀態時(在圖1C中示出)，氧化還原試劑系統14位於反應區9中。在這種構造方式中，底電極3作為平衡/參考電極，而頂電極5作為電化學電池的工作電極。不過，在其它實施例中，取決於施加到電池上的電壓序列，電極的作用可以顛倒過來，因此底電極3作為工作電極，而頂電極5作為平衡/參考電極。在雙脈衝電壓波形的情況下，分析物濃度測定過程中每個電極都充當一次平衡/參考電極和工作電極。
所研究的試劑系統一般包括酶和氧化還原活性成分(媒劑)。試劑合成物中的氧化還原成分，當存在時，由一種或多種氧化還原試劑構成。在本技術領域中已知許多種不同的氧化還原試劑即媒劑，包括鐵氰化物、吩嗪硫酸乙脂、吩嗪硫酸甲酯、苯二胺、1-甲氧基-吩嗪硫酸甲脂、2，6-二甲基-1，4-苯醌、2，5-二氯-1，4-苯醌、二茂鐵衍生物、鋨二吡啶合成物、釕合成物等物質。在許多實施例中，所使用的氧化還原活性成分是鐵氰化物及類似物質。所選擇的酶可以根據待測分析物的濃度而變化。比如，用於全血中葡萄糖測定的適當的酶包括葡糖氧化酶或脫氫酶(NAD或PQQ基)。用於全血中膽固醇測定的適當酶包括膽固醇氧化酶和酯酶。
反應區中可能存在的其它試劑包括緩衝劑(如檸康酸鹽、檸檬酸鹽、蘋果酸、馬來酸、磷酸鹽、「Good」緩衝劑及類似物質)；二價陽離子(如氯化鈣和氯化鎂)；表面活性劑(如Triton、Macol、Tetronic、Silwet、Zonyl和Pluronic)；以及穩定劑(如清蛋白、蔗糖、海藻糖、甘露醇和乳糖)。
適用於本發明的電化學生物傳感器的實例包括共同未決的美國專利申請序列號No.09/333,793；09/497,304；09/497,269；09/736,788和09/746,116中介紹的電化學生物傳感器，其內容在此引用參考。比色分析/光度測定試驗片現在參見圖2A、2B、4A和4B，其中相同的標號表示相同的部件，圖中分別示出了兩個本發明的兩個光度測定/比色分析試驗片裝置80和120。試驗片裝置80和120具有不同的光度測定/比色分析生物傳感器構造方式，且各自的皮膚穿刺件或微型針86和122也分別有不同的構造。更具體地說，試驗片裝置80的一部分是用惰性材料製成，而試驗片裝置120的對應部分則是用金屬材料製成。
在圖2A和2B的試驗片裝置80中，比色分析或光度測定(在這裡可互換使用)生物傳感器一般由至少以下部件構成惰性材料製成的支承件或基片82、容納試樣的基體84、在基體84中的試劑合成物(未作為結構部件示出)，基體一般包括分析物氧化信號發生系統的一個或多個部件；通氣孔(未示出)、和至少覆蓋基體84的頂部透明層85。在其它實施例中，頂層85可以是充滿試劑合成物的薄膜，而基體84可以含有或者不含有試劑合成物。
構成支承基片82的惰性材料提供了這樣的物理構造，使得試驗片80能夠插入測量儀中而不會產生不當的彎曲或彎折。基片82以及試驗片80一般都基本是矩形或正方形片條形狀。一般來說，基片82的長度是從大約1至1000毫米，通常從大約10至100毫米，更為常見的是大約20至60毫米。一般來說，基片82的寬度是從大約1至100毫米，通常大約1至10毫米，更為常見的是大約5至7毫米。一般來說，基片82的高度或厚度為大約0.01至1毫米，通常為大約0.1至1毫米，更為常見的是大約0.1至0.2毫米。
基體84構成惰性區域，該區域最好是在基片82表面中形成的凹進區域，其中基體84的四個邊都與基片82相連。基體84提供了所採集的生理試樣和信號發生系統各種成分的沉積區域，這將在下面介紹，基體84還構成由信號發生系統產生的吸光或發色產物即指示劑的沉積區域，此外基體84還提供了用來檢測由信號發生系統的指示劑所產生的吸光產物的位置。在這種實施例中，頂層85是透明的，使得能夠測量由於目標分析物和信號發生系統之間的反應而產生的發色產物的色彩強度。比如，透明層85可以用無色的薄聚酯纖維製成。在這種方法中，試劑裝入基體84，且生物傳感器被透明薄膜85覆蓋，因此可用於使用獨立於氧的酶如NAD或PQQ基葡糖脫氫酶的色彩生成系統中。
在還有一個實施例中，頂層85容許水流體流過並帶有足夠多的孔隙，即提供了足夠的孔空間，使得信號發生系統能夠進行化學反應。原則上講，多孔薄膜85的特性對於本發明的試驗片十分關鍵，因為多孔薄膜85應能支持水流體橫向流動和流經薄膜的厚度。更理想的是，薄膜孔隙結構不會支持紅血球流向薄膜的表面，即薄膜表面的色彩強度是與分析物濃度有關的一個測定對象。因此，試驗片80的尺寸和孔隙度可以變化很大，其中基體84可以具有或者不具有孔梯度和/或孔隙度梯度，比如，在取樣區及其附近的孔隙較大，而在檢測區的孔隙較小。用於製造基體薄膜85的材料可以不同，包括聚合物如聚碸、聚醯胺、纖維素或吸水紙等類似的材料，其中這些材料可以具有也可以不具有共價連接或非共價連接信號發生系統中各種成分的功能。
雖然圖4A和4B中的試驗片裝置120具有大小和形狀與圖2A和2B中試驗片裝置的基片82類似的基片140，以及構造方式與透明層85類似的薄膜142，並且採用與圖2A和2B中試驗片裝置相同的信號發生系統，但是這兩種試驗片裝置還是有一些顯著區別的。首先，基片140用金屬材料而不是惰性材料製成。而且，基體148不是凹進在基片140內而是延伸至基片140的整個寬度。還有，試驗片120帶有位於基片140和薄膜142之間的雙面粘合層144。雙面粘合層144帶有切去部分150，對應於由基體148覆蓋的區域並構成上面參照基體84所介紹的沉積區域。雙面粘合層144將薄膜142固定在基片140上。
已經研製出許多不同的可用於各種分析物測定系統的基體，這些基體在材料、尺寸等方面可能不同，其中可用於本發明光度測定/比色分析試驗片裝置的典型的基體包括但並不限於，在美國專利No.4,734,360；4,900,666；4,935,346；5,059,394；5,304,468；5,306,623；5,418,142；5,426,032；5,515,170；5,526,120；5,563,042；5,620,863；5,753,429；5,573,452；5,780,304；5,789,255；5,843,691；5,846,486；5,968,836和5,972,294中介紹的基體，這些專利的內容在本說明書中引用參考。
信號發生系統的一個或多個成分根據所存在的分析物產生一種可檢測出的產物，通過這種可檢測產物能得出分析試樣中存在的分析物數量。在本發明的試驗片中，信號發生系統的一種或多種成分與基體的至少一部分(即檢測區域)相連，如通過共價或非共價連接，而在許多實施例中與幾乎全部基體相連。所述信號發生系統是一種分析物氧化信號發生系統。所謂分析物氧化信號發生系統是指在產生可檢測信號時，從這種檢測信號可得出試樣中分析物濃度，分析物被一種適當的酶氧化而產生氧化形態的分析物和對應或相應數量的過氧化氫。接著又用過氧化氫從一種或多種指示劑化合物中產生可檢測產物，然後把由信號測量系統產生的可檢測產物的數量即信號與初始試樣中的分析物數量聯繫起來。因此，本發明試驗片中所存在的分析物氧化信號發生系統也可以恰當地稱作以過氧化氫為基礎的信號發生系統。
如上面所指出的，以過氧化氫為基礎的信號發生系統中包括一種可氧化分析物並產生對應數量過氧化氫的酶，其中對應數量是指所產生的過氧化氫的數量與試樣中所存在的分析物數量成正比。第一種酶的特性必須取決於所測定分析物的性質，但一般來說是一種氧化酶或脫氫酶。因此，第一種酶可以是葡糖氧化酶(當分析物是葡萄糖時)或使用NAD或PQQ作為輔酶的葡糖脫氫酶；膽固醇氧化酶(當分析物是膽固醇時)；醇氧化酶(當分析物是酒精時)；乳酸鹽氧化酶(當分析物是乳酸鹽時)等。本領域的技術人員所知道的其它一些可用於所涉及分析物的氧化酶也可以使用。在試劑試驗片用來檢測葡萄糖濃度的優選實施例中，所述第一種酶是葡糖氧化酶。葡糖氧化酶可以通過任何適當的來源得到，比如從天然產生源如黑麴黴或青黴素得到，或者從複合產生源得到。
信號發生系統中的第二種酶是一種在有過氧化氫的情況下促使一種或多種指示劑化合物轉化為可檢測產物的酶，其中通過這種反應所產生的可檢測產物的數量與所存在的過氧化氫的數量成正比。第二種酶一般來說是一種過氧化酶，適當的過氧化酶包括辣根過氧化酶(HRP)、大豆過氧化酶、複合產生的過氧化酶以及人造的具有過氧化活性的類似物等。可參見Y.Ci，F.Wang的分析化學學報233(1990)，299-302頁。
指示化合物如酶作用物是在有過氧化酶的情況下由過氧化氫形成或分解的物質，可產生能吸收預定波長範圍內光線的指示劑色素。指示劑色素能強烈吸收的光線的波長最好不同於試樣或測試試劑能強烈吸收的光線的波長。指示劑的氧化形態可以一種是有色、弱色或無色的最終產物，它表明薄膜測試側的顏色發生了變化。就是說，通過有色區域變白或者通過無色區域產生顏色，測試試劑可以指出試樣中有葡萄糖存在。
可用於本發明的指示劑化合物包括單組分和雙組分的發色酶作用物。單組分體系包括芳香胺、芳香酒精、吖嗪、聯苯胺如四甲基聯苯胺-氯化氫。適當的雙組分體系包括那些其中一個組分是MBTH、MBTH衍生物(參見美國專利申請序列號No.08/302,575中公開的實例，其內容本文引用參考)、或4-氨基安替比林，而另一個組分是芳香胺、芳香酒精、共軛胺、共軛酒精、芳香醛或脂基醛的發色酶作用物。雙組分體系的實例是與3-二甲氨基苯甲酸(DMAB)結合的3-甲基-2-苯並噻唑酮腙氫氯化物(MBTH)；與3，5-二氯-2-酚-磺酸(DCHBS)結合的MBTH；以及與8-苯胺基-1萘磺酸銨(ANS)結合的3-甲基-2-苯並噻唑酮腙氮-磺醯苯磺酸鹽磷酸(MBTHSB)。在某些實施例中，優先選用色素對MBTHSB-ANS。
在比色試驗片的一些實施例中，可以採用能產生可檢測螢光產物(或可檢測非螢光物質，比如在螢光背景下)的信號發生系統，比如在Kiyoshi Zaitsu，Yosuke Ohkura的「用於辣根過氧化酶的新螢光酶作用物過氧化氫和過氧化酶的快速靈敏測定」，刊登在分析生物化學(1980)109期，109-113頁所介紹的那些信號發生系統。適用於本發明的這種比色分析試劑試驗片的實例包括美國專利No.5,563,042；5,753,452；5,789,255中介紹的那些比色分析試劑試驗片，在此引用參考其內容。皮膚穿刺件/微型針分別參見圖1和2中的試驗片2和80以及圖3和4中的試驗片100和120，現在將更加詳細地介紹本發明的皮膚穿刺件/微型針的各種構造方式。如上所述，試驗片裝置100具有與圖1中試驗片2類似的電化學生物傳感器結構，而且試驗片裝置120也具有與圖2中試驗片80類似的比色分析/光度測定生物傳感器結構；然而，圖3和4中的試驗片裝置100和120分別不同於圖1和2中的試驗片裝置，因為具有不同的微型針結構。在兩個實施例中，微型針都從各自的試驗片上延伸。具體地說，在圖1和3的電化學試驗片裝置實施例中，微型針可以從兩個基片即生物傳感器電極中的任何一個上伸出，其中微型針與相連的電極相互結合成一個整體。
任何適當形狀的皮膚穿刺件都可以用於本發明的試驗片裝置中，只要這種形狀能夠使病人在皮膚被刺穿時感到的疼痛最小。比如，皮膚穿刺件可以大體上是平板或平面形狀，或者可以大體上是圓柱形、楔形、或三角形，比如大體上是一個扁平的三角形刀片形狀，或者可以是其它任何適當的形狀。皮膚穿刺件的截面形狀或至少刺入皮膚部分的截面形狀可以是任何適當的形狀，包括但不限於，基本為矩形、橢圓形、正方形、卵形、圓形、菱形、三角形、星形等。另外，皮膚穿刺件可以是錐形的，或者其頂端可以是尖的。尖端形狀可以是斜角形的、稜錐形的或三角形的等。
皮膚穿刺件的大小可以根據各種因素而變化，比如根據所要獲取生理試樣的種類、所要求的刺入深度、以及要進行化驗的具體病人的皮膚層厚度。一般來說，皮膚穿刺件應具有皮膚穿透和液體抽取功能，因此要設計的足夠堅固經得起插入皮膚中以及從皮膚中拔出。為了實現這些目的，穿入長度(由皮膚穿刺件的底部與其尖端之間的距離確定)與直徑(直徑是在皮膚穿刺件的底部測量)的比率一般為大約1比1，通常為大約2比1，更為常見的是大約5比1或10比1以及50比1。
皮膚穿刺件的總長度一般在大約1至30,000微米的範圍內，通常大約100至10,000微米，更為常見的是大約1,000至3,000微米。皮膚穿刺件的穿入長度一般在大約1至5000微米的範圍內，通常大約100至3000微米，更為常見的是大約1000至2000微米。皮膚穿刺件6和86的高度或厚度，至少皮膚穿刺件末端部分的厚度，一般在大約1至1000微米的範圍內，通常大約10至500微米，更為常見的是大約50至250微米。皮膚穿刺件底部的外徑一般大約1至2000微米的範圍內，通常為大約300至1000微米，更為常見的是大約500至1000微米。在許多實施例中，皮膚穿刺件尖端的外徑一般不超過大約100微米，通常小於大約20微米，更為常見的是小於大約1微米。然而，本領域的技術人員應當認識到皮膚穿刺件的外徑可沿其長度方向變化或者基本上是不變的。
圖1-4中的每個皮膚穿刺件都帶有形成空間的形狀或結構，當插入皮膚時，這一結構在刺入的組織內形成空間或容積。這空間可作為儲液器，使得體液在輸送給本發明試驗片裝置的生物傳感器部分之前聚集在那裡。一般來說，本發明的空間形成結構在所刺入組織內產生或形成的空間體積至少與生物傳感器反應區中所能得到的液體體積一樣大。這一聚集區域的體積在大約10至1,000納升的範圍內，通常是大約50至250納升。這一體積佔據了皮膚穿刺件全部體積的相當大的部分，一般來說佔據了皮膚穿刺件全部體積的大約50％至99％，通常為大約50％至75％。
附圖中示出了本發明微型針結構的兩個實例；然而，這些實例並不是用來限定本發明的。如圖1和2所示，微型針的空間形成結構是在皮膚穿刺件6和86的表面如上表面中的凹槽20或94。在許多實施例中，凹槽20和94具有凹進的形狀，其中凹槽的深度在大約1至1000微米的範圍內，通常為大約50至250微米。微型針6和86的特徵還在於可分別帶有開口22和90，使得由凹槽20和94所構成的聚集區域進一步暴露到外部環境中，從而增大體液進入聚集區域的體積和流量。
在其它實施例中，如圖3和4所示，空間形成結構分別是開口104和124，分別橫向於皮膚穿刺件102和122的某一尺寸方向延伸，如寬度或厚度方向。在皮膚穿刺件具有更為圓形的橫斷面的實施例中，開口橫向於皮膚穿刺件的直徑。在所示實施例中，開口104和124各自佔據其相應皮膚穿刺件102和122寬度及長度尺寸的相當大的部分。開口104和124分別構成微型針100的側壁112a和112b以及微型針120的側壁132a和132b，這些側壁的厚度應在微型針受到正常外力時足以維持微型針的結構。
凹槽20和94以及開口104和124各自在相應的皮膚穿刺件所佔據的整個空間或體積內形成開放的空間或體積。當刺入皮膚時，這個空間或體積在皮膚組織內形成相應的空間或體積，成為試樣液體的儲液器，刺入時釋放的流體收集在這個空間中。這種構造方式比傳統的皮膚刺穿針(即空心針或具有構成內部流體輸送管的封閉外表面的皮膚刺穿針)更為優越，因為傳統的皮膚刺穿針在刺入時常常會堵塞或封閉大多數被刺破的毛細血管，使得體液不能抽取而針仍然插入在皮膚內。另一方面，本發明的開放空間的微型針形狀和結構在皮膚裡面形成自由或開放的體積，使得微型針尖端刺破的毛細血管的相當大的部分暴露出來，其中微型針尖端在圖1-4中分別用參考數字24、92、106和126表示。因此，用比傳統微型針更小和/或更尖的尖端就可以得到大量的體液，從而減少疼痛。而且，較大的體液採集率也導致取樣具有更快的採集速度。試樣液體抽取通道和分路本發明的試驗片裝置還包括試樣液體傳輸或抽取的路徑或通道，在圖1、2、3和4中分別用參考數字10、88、108和128表示，這些通道從相應微型針的開放空間延伸到生物傳感器。路徑近端的至少一部分位於試驗片裝置的生物傳感器部分。路徑遠端可以剛好終止在微型針結構附近(見圖2A和2B)，或者也可以有一部分處於皮膚刺穿結構中(見圖1A、1C、3和4)。在後一種結構形式中，這樣的遠端部分可以暴露於外部環境中。
在圖1的試驗片裝置中，底電極3和微型針6中包含了試樣液體傳輸路徑或通道10，其中路徑10的近端10a位於底電極3中，具體地說位於反應區9中，而路徑10的遠端10b的一部分位於皮膚穿刺件或皮膚刺穿結構6中。類似地，在圖2的比色分析試驗片裝置80中，基片82和皮膚穿刺件86中包含液體傳輸路徑或通道88，其中路徑88的近端88a位於基片82中，具體地說位於基體84中。然而，與路徑10不同，路徑88的遠端終止在皮膚穿刺件86附近。圖3和4的試驗片裝置100和120中分別包含液體路徑108和128，在這些附圖中只可見到路徑遠端108b和128b。遠端108b和128b分別延伸到微型針102和122的一部分，而其遠端的開口110和130分別終止在相連的開口104和124處。
本發明的路徑或通道的大小最好設計成能將毛細管作用力施加到由微型針的開放空間部分所形成的聚集區域內的液體上，從而將生理試樣吸取或傳送到生物傳感器的反應區或基體區域中。因此，單個液體通道或路徑的直徑或寬度不超過1000微米，直徑通常為大約100至200微米。該直徑沿路徑長度方向可保持不變或可發生變化。在某些實施例中，液體路徑中還可以包含一種或多種試劑使採樣更加容易。比如，液體路徑中可以存在一種或多種親水性的試劑，這類試劑包括但並不限於某些表面改性劑或表面活性劑如MESA、Triton、Macol、Tetronic、Silwet、Zonyl和Pluronic。
如圖1和2的裝置所示，通道10和88還分別可以包含一個或若干個支路或分通道15和96，這些支路從相應通道的近端部分延伸到反應區9或基體區域84的一部分或整個區域中。這樣的支路15和96是通過在相應的基片4和82中和/或在構成電化學試驗片2的底電極3的金屬層中形成隆起或肋部而形成。這些隆起可以在微型針的微組裝過程中形成。在試驗片2中，電極5充當隆起部分的覆蓋層以形成支路15。類似地，在試驗片80中，基體薄膜或無色薄膜(未示出)充當隆起部分的覆蓋層以形成支路96。支路15和96的直徑大小足以對位於通道10和88中的液體產生毛細管作用力。因此，支路使反應區9和基體區域84能更加容易地充滿樣本液體。支路15和96的橫斷面直徑在大約1至200微米的範圍內，通常大約20至50微米。在所示實施例中，毛細管支路15和96分別垂直於通道10和88延伸；但是，也可以傾斜於相應的通道延伸。系統如上所述，本發明的裝置可以用於本發明的系統中，一般來說該系統能夠獲取生理試樣並測定試樣的特性，其中測定特性可以通過自動化裝置如測量儀來自動實現。將結合分析物濃度測定來更加詳細地介紹本發明的系統。因此，如圖5所示，本發明的分析物濃度測定系統包括至少一個試驗片裝置60(具有如上所述的電化學或比色分析構造形式)和一個測量儀40，其中試驗片裝置60帶有至少一個如上所述的與其相連的本發明皮膚穿刺件64。本發明的試驗片裝置，不管是電化學的還是比色分析的，都設計成可插入測量儀40中。更具體地，如圖5所示，試驗片裝置60帶有第一端62和第二端66，其中皮膚穿刺件64與第一端62相連，且至少第二端66設計成能插入測量儀40中。
測量儀40的外殼42最好根據人機工程學設計的，其尺寸使得用一隻手就能夠舒適地握住和操作。外殼42可以用金屬、塑料或其它適當的材料製成，最好是重量輕的材料，但也應十分耐用。外殼42的遠端部分56設有圓孔68，試驗片裝置60通過圓孔68可以從測量儀40中的縮進位置移動到伸出位置，在伸出位置，試驗片微型針的至少一部分從圓孔68向外面伸出一段距離。遠端部分56還構成腔室，試驗片裝置60容納在其中的測量儀40的試驗片容納機構70中。通過將外殼遠端部分56從外殼42上取下並將試驗片裝置60插入試驗片容納機構70中，可以把試驗片裝置60插入測量儀40中。或者，可以通過圓孔68將試驗片裝置60插入測量儀40並容納在機構70中。外殼遠端部分56最好是透明或半透明的，使得用戶在進行分析物濃度測定之前能夠用肉眼確認試驗片裝置60和容納區域70之間已適當接合，而且還使用戶在測定過程中能夠看到測試部位以及用肉眼確認片條60中已充滿體液。當試驗片裝置60適當地固定在容納機構70中時，試驗片裝置60的生物傳感器與測量儀的測試部件有效地接合。換言之，對於電化學試驗片的實施例來說，生物傳感器的電極與測量儀的電子裝置有效地接合；而對於比色分析試驗片的實施例來說，帶有信號發生系統的基體區域與測量儀的光學部件有效地對準。測量儀的電子裝置或光學元件在進行傳感時，如果試驗片裝置60中的反應區或基體區域充滿樣本液體，就將輸入信號輸送給生物傳感器並從那裡接收輸出信號，該輸出信號表示所測量的試樣液體的特性。
壓力環58沿圓周布置在圓孔68周圍，其遠端面在測試過程中施加到皮膚上並將皮膚的刺穿部位包圍起來。通過壓力環58施加在皮膚上的壓力使得從周圍組織抽取體液以及將這一液體輸送到試驗片裝置60更加容易。
外殼遠端部分56本身與測量儀40可移動地接合，其中外殼遠端部分56可沿測量儀40的縱向軸輕微移動移或壓下。在外殼42的遠端部分56和近端部分之間的是壓力傳感器54，在壓力環58壓到皮膚上時，壓力傳感器54可感應並測量施加在外殼遠端部分56上的壓力。壓力傳感器54是電子技術領域中共知的一種電動型傳感器。與壓力傳感器54電聯接的壓力傳感器指示器72用來指示施加到遠外殼端部分56的壓力水平，因此如果必要的話，用戶可以調整所施加的壓力，使壓力達到最佳水平。
在許多實施例中，測量儀40帶有顯示屏44，比如液晶顯示屏，用於顯示數據如輸入的參數和測驗結果。而且，測量儀40還帶有各種控制器和按鈕，用來將數據輸入到測量儀的處理部件中以及控制試驗片裝置60的刺穿動作。舉例來說，控制杆46用來將試驗片裝置60縮回到測量儀40中的加載位置，從而對彈簧機構(未示出)預加負荷，然後可以在需要時通過按下按鈕48將試驗片裝置60從圓孔68中伸出或彈出。在外殼遠端部分56適當地放置在皮膚上時，試驗片裝置60的彈射使得微型針64能夠立即刺穿皮膚，接觸裡面的體液。在按下按鈕50和52時，可分別把指示進行的測量是用於測試/獲取信息的目的(以及用來從測量儀電子裝置的存儲器中取得測試結果)還是用於校正目的的信號輸入到測量儀的處理部件中。
作為一種選擇，測量儀40還可以設計成能接收和保持可更換的盒子，盒子中裝有若干個本發明的試驗片裝置。在使用試驗片裝置之後，測量儀40可以將用過的試驗片從測量儀中排出或是貯存起來待以後再作處理。這種構造使得用戶不必操作試驗片，從而將損壞試驗片和不經意傷害病人的可能性減到最小。而且，由於避免了手工操作試驗片，所以可以將試驗片做得更小，從而減少所需要的材料數量，節省了成本。
在與本申請同日提交的代理人文件號為LIFE-054的題為「步驟最少的分析物測試系統」的美國專利申請書序列號No.＿＿＿＿所公開的測量儀與本發明緊密相關並且適用於本發明。另外，在美國專利No.6,193,873以及在共同未決的美國專利申請序列號No.09/497,304、09/497,269、09/736,788、09/746,116和09/923中公開了適用於本發明系統的測量儀的某些功能特徵，其內容納入本說明中作為參考。當然，在那些使用比色測定系統的實施例中，可以採用分光光度計或光學測量儀，這類適用的測量儀器的某些功能特徵在美國專利No.4,734,360、4,900,666、4,935,346、5,059,394、5,304,468、5,306,623、5,418,142、5,426,032、5,515,170、5,526,120、5,563,042、5,620,863、5,753,429、5,773,452、5,780,304、5,789,255、5,843,691、5,846,486、5,968,836和5,972,294中作了介紹，其內容納入本說明中作為參考。方法如上所述，本發明提供了用來測定試樣特性如試樣中分析物濃度的方法。本發明的方法可用來測定許多種不同的分析物濃度，其中典型的分析物包括葡萄糖、膽固醇、乳酸鹽、酒精及類似的物質。在許多實施例中，本發明的方法用來測定生理試樣中的葡萄糖濃度。
雖然原則上講本發明的方法可用來測定許多種不同生理試樣如尿液、眼淚、唾液及類似試樣中的分析物濃度，但是本發明的方法尤其適合於用來測定血液或血液組分中的分析物濃度，特別是全血或組織間隙液中的分析物濃度。
現在將參考附圖來詳細介紹本發明的方法。在實施本發明的方法時，準備至少一個如上所述的本發明試驗片裝置，然後將試驗片裝置上的本發明微型針6插入目標皮膚區域中。一般來說，將皮膚穿刺件刺入手指或前臂的皮膚中大約1至60秒，通常為大約1至15秒，更為常見的是大約1至5秒。取決於所要獲取生理試樣的種類，本發明的皮膚穿刺件6可以穿透到各皮膚層中，包括真皮層、表皮層和角質層，但是在許多實施例中的刺穿深度不超過皮下層。
雖然可以手工操作將本發明的試驗片刺入皮膚中，但是本發明的試驗片最好與圖5中的手持式測量儀40一起使用。因此，首先通過圓孔68將試驗片裝置60插入試驗片容納機構70中，或者將外殼42的遠端部分56臨時拆去然後將試驗片放入測量儀40的容納機構70中。另一種方法是，可以將試驗片裝置60預裝在容納機構70中。還有，如上面所提到的，可以將試驗片裝置60與若干個相同的試驗片一起預裝在試驗片盒(未示出)中。在這種實施例中，盒子可拆卸地與測量儀40接合。用過的片條可以自動處理，比如從測量儀中排出或是存放在盒子的單獨間格中，同時可自動將未使用的試驗片從盒子中取出並插入測量儀40的容納區域70。
當試驗片裝置60適當地容納在機構70中之後，就可以利用測量儀40的控制杆46對機構70進行彈簧加載或使其處於待發狀態。因此，機構70和試驗片裝置60處於縮進位置。接著將測量儀40基本上垂直放置到目標皮膚表面上，使得外殼遠端部分56，更準確地說壓力環58，接觸目標皮膚區域。可以用手將壓力施加到目標皮膚區域上，即，把測量儀40的遠端壓緊到目標皮膚區域上以確保皮膚穿刺件64適當地刺入皮膚中。由於施加了這樣的壓力，所以有反作用力使外殼遠端部分56壓到測量儀40的壓力傳感器54上。接著反相壓力的相對值(即，高、正常和低)被測量並顯示在壓力傳感器指示器72上。一般來說，所施加的壓力值最好在「正常」範圍內。指示器72使用戶知道何時施加了太大或太小的壓力。當指示器72指示所施加的壓力「正常」時，用戶就可以按下彈簧釋放按鈕48。由於釋放的彈簧力，使容納/承載機構70和試驗片裝置60向前衝，從而使皮膚穿刺件65從圓孔68伸出並刺穿目標皮膚區域。
不管是通過手動方法還是利用測量儀40，皮膚穿刺件64刺入皮膚後會在鄰近上述液體路徑處形成液體試樣聚集區域(由皮膚穿刺件中的凹槽或開口形成)。試樣液體從皮膚穿刺件64的兩側通過皮膚穿刺件64中的開放空間結構如凹槽或開口進入聚集區域。接著，聚集的試樣液體至少由於毛細管作用力而通過液體路徑傳輸到試驗片裝置60的生物傳感器的反應區或基體上。如上面所提到的，還可以通過用壓力環58在刺入部位周圍施加物理正壓力來促進液體的傳輸，或者可以在液體通道中使用負壓源以抽取暴露在通道遠端的體液。進入流體路徑的液體首先送入路徑的遠端部分，接著依靠毛細管作用力(或通過施加真空力)繼續前進到路徑的近端部分，其中，路徑的近端部分位於反應區或基體區域中。然後使液體分別經過支路15或96在反應區或基體區域上橫向遷移，於是反應區或基體區域中的整個有效體積都可以充滿試樣液體。
一旦測量儀40感應到反應區或基體區域中已完全充滿試樣體液，就可以起動測量儀的電子裝置或光學裝置對抽取的試樣進行分析。此時，病人可以將測量儀從刺入部位移開或是保持在皮膚表面上直至顯示屏上顯示出測試結果。或者，測量儀40可以帶有在反應電池充滿體液試樣後使微型針片條從皮膚上自動縮回的機構。
當生物傳感器反應區或基體區域完全充滿試樣液體時，可以測定採樣液體中所關心分析物的濃度。對於以電化學為基礎的分析物濃度測定法，可利用平衡/參考電極和工作電極來進行電化學測量。所進行的電化學測量可以根據具體的測定特性以及電化學試驗片所用的測量儀而變化，比如根據該測定是電荷測量、電流測量的還是電位測量而變化。一般來說，電化學測量將測量電荷(電荷測量)、電流(電流測量)或電位(電位測量的)，這通常是在試樣加入試驗片後在一段給定的時間進行。進行上述電化學測量的方法在美國專利No.4,224,125；4,545,382；5,266,179以及國際專利申請WO97/18465和WO 99/49307中作了進一步介紹，其內容被納入本說明中作為參考。在對上述反應區中產生的電化學測量值或信號進行檢測之後，通過將電化學信號與試樣中分析物的數量聯繫起來，測定進入反應區的試樣中分析物的存在和/或濃度。
對於比色分析或光度測定的分析物濃度測定法來說，施加到本發明試驗片上的，更確切地說，施加到試驗片反應區上的試樣可與反應區中信號發生系統的成分起反應以產生一種代表所關心分析物的可檢測產物，這種產物的數量與試樣中所存在分析物的初始數量成正比。接著測定可檢測產物，即由信號發生系統產生的信號，的數量，並將其與初始試樣中的分析物數量聯繫起來。對於這種比色測定法，用光學型測量儀進行上述檢測和聯繫步驟。在美國專利No.4,734,360；4,900,666；4,935,346；5,059,394；5,304,468；5,306,623；5,418,142；5,426,032；5,515,170；5,526,120；5,563,042；5,620,863；5,753,429；5,773,452；5,780,304；5,789,255；5,843,691；5,846,486；5,968,836和5,972,294中進一步介紹了上述反應、檢測和聯繫步驟，以及進行這些步驟的儀器，其內容納入本說明中作為參考。適用於本發明的這種比色分析或光度測定的試劑試驗片的實例包括美國專利No.5,563,042；5,753,452；5,789,255中介紹的那些試驗片，在此引用參考其內容。製造試驗片裝置的方法如上面所提到的，本發明的皮膚穿刺件最好與相應的基片(對於比色分析實施例)或基片/電極組合體(對於電化學實施例)作為一個整體部件或結構來製造，而且是用相同的材料製成。或者，皮膚穿刺件可以作為單獨的組件或部件來製造，然後用任何適當的方法，比如本技術領域中常用的粘合劑，將其粘貼或固定在相應的基片或基片/導電層組合體上。
根據本發明，可以用任何適當的技術來製造試驗片裝置，這些技術包括但不限於，包括注射模製、光化學蝕刻(PCE)、微衝壓、模壓和鑄造工藝等微複製技術。
由於本發明的試驗片裝置是平面的，所以可以用適當的薄片、薄膜或薄板材料來製造和加工。這種製造本發明試驗片裝置的薄片製造工藝比許多傳統的方法節約了大量成本，在傳統方法中每次只產生一個試驗片等類似的裝置。圖6A-C和7A-C分別示出了製造具有電化學和光度測定/比色分析結構的試驗片裝置所用的薄片。
雖然以下介紹的本發明製造方法是關於薄片製造工藝的，但是所介紹的技術也可以用來製造單個試驗片裝置。另外，雖然只強調了某些製造技術，但是本領域的專業人員應當知道在形成具有複雜細節的細微結構，如上述微型針和本發明試驗片裝置反應區中的試樣液體通道和支路時，也可以使用能夠降低製造成本的其它已知製造技術。製造電化學試驗片裝置圖6A-C中的電化學試驗片裝置的薄片200包含若干個獨立的試驗片裝置201(在圖6C中示出了完全裝配好的情況)，這些獨立的試驗片裝置是沿薄片長度方向以側面接側面的布置方式來製造的。每個試驗片裝置201中包含兩個隔開的電極，底電極202和頂電極204，以及之間的一個絕緣間隔層206。間隔層206帶有一切去部分208，構成包含氧化還原試劑系統的電化學生物傳感器的反應區。所示具有與圖4A和4B中微型針122類似結構的微型針212從底電極202上延伸出並與底電極202在同一平面。底電極202的一部分和微型針212的近端部分中形成通道214，用來輸送聚集在微型針212開口中的液體。若干個支路216從通道214的兩側橫向伸出，以促進所採樣的液體傳輸和分布到電化學生物傳感器的反應區中。
電極202和204以及相連的微型針可以全部用金屬製成，或者可以由用金屬層覆蓋的惰性基片或支承結構構成。當電極主要是用金屬製成時，光化學蝕刻(PCE)(亦稱光化學研磨、化學研磨和光蝕刻)或微衝壓技術是適合的製造技術。
對於光化學蝕刻來說，適當的金屬包括但並不限於，鋁、銅、金、鉑、鈀、銥、銀、鈦、鎢、石墨和不鏽鋼。製造可以在金屬片材或連續的金屬卷材上進行。這種片材形成了用於蝕刻加工的薄金屬基體，其厚度一般在從大約10至1,000微米的範圍內，更加典型的是大約50至150微米。接著，需要時可將光阻層加到金屬基體的一側或兩側上。然後，用平版印刷技術來精確地形成幾何形狀，幾何形狀蝕刻到部分金屬基體中形成比如液體通道214和支路216，或者完全蝕刻金屬基體而形成微型針的開口。具體地，基體金屬被有選擇地掩蔽以保護不蝕刻的金屬區域及暴露要蝕刻的金屬區域。
蝕刻是通過電化學溶解法來實現的，其中酸性物質施加到基體金屬的表面上並使電流通過該金屬。於是沒有掩蔽起來的金屬表面區域被酸溶解掉。在蝕刻步驟之後，將光阻層從金屬部分的表面上剝去，如圖8所示，薄片300上仍然帶有一排完全製造好的微型針302以及相連的空間形成結構312、液體傳輸通道304和支路306。要從底部基片切出的部分308仍然保持連續金屬區域，而薄片300中的區域310已被完全蝕刻掉。
微衝壓是另一種適合於製造全金屬電極或非常堅固的塑料部件製成電極的技術，它涉及使用精密加工如放電加工(EDM)而成的衝模。長的基片金屬薄片或薄條，比如通常用於光化學蝕刻工藝的金屬連續或半連續地送入衝壓機的模具之間，選擇性地進行衝切(即，衝孔)、壓花(即，金屬的一側變形)和/或從兩側使金屬基片變形。這種衝壓工藝可以1,200衝程/分鐘的速率進行，而且每一衝程可以製造多個電極。
當電極202和204包含惰性基片材料時，熱模壓和注塑模製技術適合於製造本發明的裝置，尤其當基片材料是塑料時。基片材料應有足夠剛性以形成電極和整個電化學試驗片的支承結構。適當的材料包括聚合物(塑料)和無機材料如矽、陶瓷、玻璃等類似物質。適當的聚合物包括，舉例來說，聚酯纖維，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETG)；聚醯亞胺，如聚醚醯亞胺；聚碳酸酯；賽珞玢(再生纖維素)；氟化高聚物，如聚氟乙烯、烷氧基全氟和氟化乙丙烯共聚物；離聚物；聚醯胺，如尼龍6、尼龍6，6、耐綸11、尼龍12、聚乙烯及其共聚物；聚苯乙烯及其共聚物；聚丙烯及其共聚物；聚甲基戊烯；聚氯乙烯及其共聚物；聚碸；聚偏二氯乙烯及其共聚物；以及用礦物質或納米微粒增強的聚合物複合材料。基片的優選材料是瑪拉(Mylar)塑料薄膜。
在熱模壓的情況下，將一種母體材料如適當的熱塑性母體材料放入模壓設備中，其中母體材料的厚度在大約25至650微米的範圍內，通常從大約50至625微米，更為常見的大約75至600微米，這種設備包括帶有細節的模具，所述細節通常為皮膚穿刺件細節的負像。接著在加熱和適當壓力的情況下用模具擠壓母體材料。一般來說，所使用的溫度在大約20℃至1500℃的範圍內，通常大約100℃至1000℃，更為常見的大約200℃至500℃。加熱時間為大約0.1至1000秒，通常為大約0.1至100秒，更為常見的是大約0.1至10秒。所施加的壓力從大約1至50大巴的範圍內，通常大約10至40大巴，更為常見的從大約20至30大巴。加壓時間為大約0.1至100秒，通常為大約0.1至10秒，更為常見的是大約0.1至1秒。加熱和加壓可以同時或不同時進行。在材料冷卻之後，將其從設備中取出，接著可以進行後加工處理。
然後，在底部基片的上側和頂部基片的下側用真空濺射或絲網印刷敷上一層金屬導電層。導電層可以延伸覆蓋微型針212，於是微型針構成相連電極的一部分。更具體地說，在某些電化學生物傳感器實施例中，沉積在惰性基片上以形成一個電極的導電材料還可以沉積在試樣液體路徑或通道上，包括液體路徑延伸到相連的皮膚穿刺件中的部分。用於導電層的適當金屬包括鈀、金、鉑、銀、銥、不鏽鋼及類似的材料，或者可以是金屬氧化物如摻銦氧化錫，或石墨如導電碳墨。在一優選實施例中，電極202的金屬層是金，而電極204的金屬層是鈀。可以將一個附加的絕緣層印刷在導電層上面，使精確形成的電極圖案暴露出來。
通過上述任何一種製造技術，底電極202構成電化學電池中的平衡/參考電極，而頂電極204構成電化學電池中的工作電極。在製造電極之後，選擇一種氧化還原試劑系統並將其沉積在底電極202的反應區210中。這種沉積可以用本技術領域中眾所周知的狹槽塗敷、針孔塗敷或噴墨印刷技術來實現。氧化還原試劑系統也可以沉積在試樣抽取通道中。作為一種選擇，可以用親水性的試劑處理電極202的導電錶面，以促進液體試樣通過試樣抽取通道輸送到反應區210中。適當的親水性試劑組分包括，舉例來說，商標為PluorinicTMF68的環氧乙烷-共-氧化丙烯(apoly)嵌段共聚物、商標為AerosolTMOT 100％的二辛基琥珀酸鈉、商標為TRITONTMX-100的聚乙氧基苯氧基(9-10)乙醇、商標為TWEENTM20的聚氧乙烯(20)單月桂酸山梨醇酐酯、商標為TWEENTM80的聚氧乙烯(20)單油酸山梨醇酐酯、以及2-巰基乙醇磺酸鈉鹽(MESA)。在另一個實施例中，可以用相同的沉積技術將氧化還原試劑系統沉積在頂電極上，即沉積在層204中對應於底層202中區域210的區域上。在還有一個實施例中，氧化還原系統可以沉積在兩個電極即相對的層202和204上，使得所塗敷的化學試劑相互面對。
如上面所提到的，電極202和204(及其相應的薄片)由布置在或夾在電極202和204之間或其薄片結構之間的間隔層206或這種間隔層的薄片隔開。間隔層206可以用任何適當的材料製造，其中典型的適當材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚醯亞胺、聚碳酸酯等類似的物質。間隔層206的兩個表面上都帶有粘合劑，使其能夠粘貼到相應的電極上。通過稱作薄片製造法的工藝，使所有三個層以層疊的關係對齊並層壓在一起，形成裝配好的薄片200，接著將其切成分開的試驗片裝置201。製造光度測定/比色分析試驗片裝置上述用於製造本發明電化學試驗片裝置的許多技術和工藝也可以用來製造本發明的光度測定/比色分析試驗片裝置。
現在參見圖7A-C，圖中介紹了本發明光度測定/比色分析裝置的製造方法。薄片220(在圖7C中示出了裝配好的情況)中包含若干個獨立的試驗片裝置221，這些獨立的試驗片裝置是沿薄片220的長度方向以側面接側面的布置方式來製造的。這種試驗片裝置221具有在圖4A和4B中介紹的金屬基片結構。然而，本發明的製造技術也可應用於圖2A和2B中所述的具有惰性材料基片的光度測定試驗片裝置中。
薄片220由至少三個薄層形成，即金屬基片層222、薄膜層224、以及在其間的雙面粘合層226。雙面粘合層226帶有與光度測定生物傳感器的基體區域230對準的切去部分228，在基體區域230包含信號發生系統。所示具有與圖4A和4B中微型針122類似結構的若干個微型針232從基片層222延伸出並與基片層222在同一平面。在每個基片222的一部分和微型針232的近端部分中形成通道238，用來輸送聚集在微型針232開口234中的液體。若干個支路230從每個通道238的兩側橫向伸出，以促進所採樣的液體傳輸和分布到光度測定生物傳感器的基體236中。
如上面所提到的，基片層222和相連的微型針232是用金屬製成的，但也可以用惰性材料製成。當基片由金屬製成時，光化學蝕刻(PCE)和微衝壓是適合的製造技術。與電化學試驗片裝置一樣，用於基片的適當金屬包括但並不限於，鋁、銅、金、鉑、鈀、銥、銀、鈦、鎢、石墨和不鏽鋼。這種金屬層形成了用於蝕刻加工的薄金屬基體，其厚度一般在大約10至1,000微米的範圍內，更加典型的是大約50至150微米。接著，需要時可將光阻層加到金屬基體的一側或兩側上。然後，用平版印刷技術來精確地形成幾何形狀，這些幾何形狀蝕刻到部分金屬基體中，形成比如液體通道238和支路230，或者完全蝕刻金屬基體而形成微型針232的開口234。具體地說，基體金屬被有選擇地掩蔽以保護不蝕刻的金屬區域以及暴露要蝕刻的金屬區域。用參考圖6A-6C中電化學試驗片裝置進行介紹的電化學溶解法加工薄片222，製造出圖8中的薄片結構300。
當基片層222是用惰性基片材料製成時，上面根據電化學試驗片裝置製造方法所介紹的熱模壓和注塑技術可以用來製造本發明的光度測定試驗片裝置。基片材料應足夠剛性以形成電極和整個電化學試驗片的支承結構。用於製造支承基片層222的適合惰性材料包括但並不限於聚烯烴類，如聚乙烯或聚丙烯、聚苯乙烯或聚酯纖維。
如上所述，在製造基片222之後，選擇一種信號發生系統並將其沉積在基體230中。這種沉積可以用本技術領域中眾所周知的狹槽塗敷、針孔塗敷或噴墨印刷技術來實現。信號發生系統也可以沉積在試樣抽取通道238中。作為一種選擇，可以用含有表面活性劑的親水性試劑處理基體230和通道238的表面，以促進液體試樣通過試樣抽取通道238輸送到基體230中。
如上面所提到的，基片層222和薄膜層224由雙面粘合層226隔開。雙面粘合層226可以用任何適當的材料製成，其中典型的適合材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚醯亞胺、聚碳酸酯等類似的物質。間隔層226的兩個表面上都帶有粘合劑，使其能夠粘貼到基片層222和薄膜層224上。在基片層222是用惰性材料製成的實施例中，不使用間隔層。但是，要接觸基片層222的薄膜層224上塗有粘合劑，使其能夠粘貼到基片層222上。通過稱作薄片製造方法的工藝，使所有層，即視情況而定有兩層、三層或更多層以層疊的關係對齊並層壓在一起而形成裝配好的薄片230，接著將其切成分開的光度測定試驗片裝置221。用具箱本發明還提供了用來實施上述方法的用具箱。本發明的用具箱中包括至少一個本發明的試驗片裝置，一般來說包括若干個試驗片裝置，其中所述至少一個試驗片裝置包含至少一個皮膚穿刺件。用具箱中也可以包括一個可重複使用或一次性使用的測量儀，該測量儀可用於一次性使用的試驗片裝置。當有若干個試驗片裝置時，可以將它們一起封裝在可重複使用或一次性使用的盒子中。某些用具箱中可以包括各種類型的試驗片裝置，如電化學和/或比色分析試驗片裝置。這些不同類型的試驗片裝置中可以包含相同或不同的試劑。最後，用具箱中還可以包含用來指導如何使用本發明的試驗片裝置和測量儀來測定生理樣本中分析物濃度的說明書。這些說明書可以裝在一個或多個包裝袋中，標籤插入袋，或者可以放在用具箱的分格中或類似的物體中。
從上面的介紹和說明可以看出，本發明提供了一種簡單、快速、安全和方便的方法來獲取生理試樣以及測定其中的分析物濃度。上述發明具有許多優點，包括容易使用、測試時間短、效率高以及很少疼痛。因此，本發明對所屬技術領域作出了重大貢獻。
在本說明書中引述的所有文獻和專利都被本說明參考引用，如同各文獻或專利分別顯示出被參考引用。所引用的所有文獻都是在本申請提交日期之前公開的，而且不應該認為由於有了早先的發明，本發明的日期就沒有資格先於這些公報。
雖然為了便於清楚理解已通過圖示和實例較詳細地介紹了上述發明，但是所屬領域中的普通技術人員根據本發明內容很容易明白在不違背所附權利要求精神或範圍的情況下可以對其作出某些修改和變化。
權利要求
1.一種製造至少一個採集生理液體試樣並測量其特性的試驗片裝置的方法，所述方法包括整體形成基片和與所述基片共面延伸的至少一個微型針；和在所述至少一個微型針中形成開口，其中，所述開口佔據了所述微型針寬度、直徑或長度尺寸相當大的部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基片和所述至少一個微型針由金屬材料製成。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基片和所述至少一個微型針由惰性材料製成。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括形成從所述空間形成結構延伸到所述基片中某位置的液體路徑。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括形成從所述生物傳感器中所述液體路徑延伸的支路。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法包括使用薄片製造技術，所述基片和所述至少一個微型針由適當材料的薄片製成。
7.一種製造若干個測試片裝置的方法，所述方法包括準備好第一薄片並在所述第一薄片材料中形成若干個皮膚穿刺件，其中，所述若干個皮膚穿刺件從所述第一薄片材料共面延伸，每個所述皮膚穿刺件包含開口，所述開口佔據了所述各皮膚穿刺件寬度、直徑或長度尺寸相當大的部分；準備好第二薄片；將所述第一和第二薄片層壓在一起；和切割所述層壓薄片以形成所述若干個測試片裝置。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，一種氧化還原試劑系統設置到所述第一薄片。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，一種信號發生系統設置到所述第一薄片。
全文摘要
一種採集生理試樣及測定所採集生理試樣的特性，如分析物濃度的裝置的製造方法。所述裝置具有試驗片形式，包括一個生物傳感器和至少一個皮膚穿刺件，其中皮膚穿刺件與生物傳感器的一部分共面延伸。本發明的製造方法可提供了多種試驗片和皮膚穿刺件。
文檔編號A61B5/15GK1456886SQ0313091
公開日2003年11月19日 申請日期2003年5月7日 優先權日2002年5月9日
發明者V·V·於扎科夫, D·V·麥克阿利斯特, L·奧爾森, K·-W·梁, M·特奧多爾茨克, E·基澤爾 申請人:生命掃描有限公司