CN104718448A - 眼科电化学传感器中的微电极 - Google Patents

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Abstract

一种眼睛安装式装置包含嵌入于经配置以用于安装到眼睛的表面的聚合物材料中的电化学传感器。所述电化学传感器包含工作电极、参考电极及试剂，所述试剂选择性地与分析物反应以产生与在所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中所述分析物的浓度相关的传感器测量值。所述工作电极可具有小于25微米的至少一个尺寸。所述参考电极可具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积。所述聚合物材料的一部分可环绕所述工作电极及所述参考电极，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述透明聚合物材料的所述至少部分环绕部分。

Description

眼科电化学传感器中的微电极
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2012年10月12日提出申请的第13/650,418号美国申请案的优先权，所述美国申请案特此以全文引用方式并入。
背景技术
除非本文中另有指示，否则本章节中所描述的材料并非本申请案中的权利要求书的现有技术且并不因包含于本章节中而承认为现有技术。
电化学安培传感器通过在传感器的工作电极处测量通过分析物的电化学氧化或还原反应产生的电流而测量所述分析物的浓度。当电子从电极转移到分析物时发生还原反应，而当电子从分析物转移到电极时发生氧化反应。电子转移的方向取决于恒电位仪向工作电极施加的电位。反电极及/或参考电极用于与工作电极一起完成电路且允许所产生电流流动。当工作电极被适当地偏置时，输出电流与反应速率成比例，此提供对工作电极周围的分析物的浓度的测量。
在一些实例中，试剂被局部化于接近工作电极处以选择性地与所要分析物反应。举例来说，葡萄糖氧化酶可被固定于工作电极附近以与葡萄糖反应且释放过氧化氢，所述过氧化氢接着由工作电极以电化学方式检测以指示葡萄糖的存在。可使用其它酶及/或试剂来检测其它分析物。
发明内容
本发明的一些实施例提供一种包含透明聚合物材料、衬底、天线、双电极电化学传感器及控制器的眼睛安装式装置。所述透明聚合物材料可具有凹表面及凸表面。所述凹表面可经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面可经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应。所述衬底可至少部分地嵌入于所述聚合物材料内。所述天线可安置于所述衬底上。所述双电极电化学传感器可安置于所述衬底上。所述双电极电化学传感器可包含具有小于25微米的至少一个尺寸的工作电极及具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积的参考电极。所述控制器可电连接到所述电化学传感器及所述天线。所述控制器可经配置以：(i)在所述工作电极与所述参考电极之间施加电压，所述电压足以产生与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；及(iii)使用所述天线来指示所述所测量安培电流。所述透明聚合物材料的一部分可环绕所述工作电极及所述参考电极，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述透明聚合物材料的所述至少部分环绕部分。
本发明的一些实施例提供一种包含眼睛安装式装置及读取器的系统。所述眼睛安装式装置可包含透明聚合物材料、衬底、天线、双电极电化学传感器及控制器。所述透明聚合物材料可具有凹表面及凸表面。所述凹表面可经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面可经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应。所述衬底可至少部分地嵌入于所述聚合物材料内。所述天线可安置于所述衬底上。所述双电极电化学传感器可安置于所述衬底上。所述双电极电化学传感器可包含具有小于25微米的至少一个尺寸的工作电极及具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积的参考电极。所述控制器可电连接到所述电化学传感器及所述天线。所述控制器可经配置以：(i)在所述工作电极与所述参考电极之间施加电压，所述电压足以产生与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；及(iii)使用所述天线来指示所述所测量安培电流。所述透明聚合物材料的一部分可环绕所述工作电极及所述参考电极，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述透明聚合物材料的所述至少部分环绕部分。所述读取器可包含一或多个天线，及处理系统。所述一或多个天线可经配置以：发射射频辐射以给所述眼睛安装式装置供电，及经由在所述一或多个天线处接收的反向散射辐射接收对所述所测量安培电流的指示。所述处理系统可经配置以基于所述反向散射辐射确定泪膜分析物浓度值。
本发明的一些实施例提供一种方法，其包含在工作电极与参考电极之间施加电压，通过所述工作电极测量安培电流及无线地指示所述所测量安培电流。在工作电极与参考电极之间施加的所述电压可足以在所述工作电极处引起电化学反应。所述工作电极及所述参考电极可嵌入于具有凹表面及凸表面的眼睛安装式装置内。所述凹表面可经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面可经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应。所述工作电极可具有小于25微米的至少一个尺寸且所述参考电极可具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积。所述工作电极及所述参考电极可布置于所述眼睛安装式装置中，使得所述电化学反应与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关。可在于所述电极之间施加所述电压时通过所述工作电极测量所述安培电流。所述眼睛安装式装置可包含聚合物材料，所述聚合物材料具有至少部分地环绕所述工作电极及所述参考电极的一部分，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述至少部分环绕部分。所述方法可包含经由嵌入于所述眼睛安装式装置内的天线无线地指示所述所测量安培电流。
所属领域的技术人员通过在适当情况下参考所附图式阅读以下实施方式将明了这些以及其它方面、优点及替代形式。
附图说明
图1是包含与外部读取器无线通信的眼睛安装式装置的实例性系统的框图。
图2A是实例性眼睛安装式装置的仰视图。
图2B是图2A中所展示的实例性眼睛安装式装置的形态图。
图2C是图2A及2B中所展示的实例性眼睛安装式装置在安装到眼睛的角膜表面时的侧视横截面图。
图2D是经放大以展示实例性眼睛安装式装置在如图2C中所展示安装时环绕其表面的泪膜层的侧视横截面图。
图3是用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的实例性系统的功能框图。
图4A是用于操作眼睛安装式装置中的电化学传感器以测量泪膜分析物浓度的实例性过程的流程图。
图4B是用于操作外部读取器以询问眼睛安装式装置中的电化学传感器以测量泪膜分析物浓度的实例性过程的流程图。
图5A展示其中电化学传感器检测穿过聚合物材料从泪膜扩散的分析物的实例性配置。
图5B展示其中电化学传感器检测泪膜中的经由聚合物材料中的通道接触传感器的分析物的实例性配置。
图5C展示其中电化学传感器检测穿过聚合物材料的经薄化区域从泪膜扩散的分析物的实例性配置。
图5D展示其中电化学传感器检测穿过聚合物材料从泪膜层扩散的分析物的另一实例性配置。
图5E展示其中电化学传感器检测泪膜层经由聚合物材料中的通道接触传感器的分析物的另一实例性配置。
图5F展示其中电化学传感器检测穿过聚合物材料的经薄化区域从泪膜层扩散的分析物的另一实例性配置。
图6A图解说明电化学传感器中的电极的一种实例性布置。
图6B图解说明电化学传感器中的电极的另一实例性布置。
图7A图解说明电化学传感器中的电极的实例性共面布置。
图7B图解说明电化学传感器中的电极的实例性非共面布置。
具体实施方式
在以下实施方式中，参考形成本文的一部分的附图。在各图中，除非上下文另有规定，否则相同符号通常识别相同组件。在实施方式、图及权利要求书中所描述的说明性实施例并非意在加以限制。在不背离本文中所呈现的标的物的范围的情况下可利用其它实施例且可做出其它改变。将容易地理解，如本文中所大体描述及图中所图解说明的本发明的各方面可以各种各样的不同配置布置、替代、组合、分离及设计，本文中明确地预期所有所述不同配置。
I.概述
眼科感测平台可包含传感器、控制电子器件及天线，其全部设置于嵌入于经形成以接触安装到眼睛的聚合物材料中的衬底上。控制电子器件可操作传感器以执行读取且可操作天线以经由天线将来自传感器的读数无线地传递到外部读取器。
聚合物材料可呈经配置以安装到眼睛的角膜表面的具有凹曲率的圆形镜片的形式。衬底可嵌入于聚合物材料的周边附近以避免干涉在较靠近于角膜的中心区域处接收的入射光。传感器可布置于衬底上以向内面向角膜表面以便产生来自角膜的表面附近及/或来自间置于隐形眼镜与角膜表面之间的泪液的临床相关读数。在一些实例中，传感器完全嵌入于隐形眼镜材料内。举例来说，传感器可悬置于镜片材料中且经设置使得工作电极距经配置以安装到角膜的聚合物表面不到10微米。传感器可产生指示穿过镜片材料扩散到嵌入式传感器的分析物的浓度的输出信号。
眼科感测平台可经由在所述感测平台处收获的辐射能量供电。可通过给包含于感测平台上的光伏电池光供能而提供电力。另外或替代地，可由从天线收获的射频能量提供电力。可与控制电子器件一起并入整流器及/或调节器以产生稳定DC电压以从所收获能量给感测平台供电。天线可布置为具有连接到控制电子器件的引线的导电材料环圈。在一些实施例中，此环形天线还可通过修改环形天线的阻抗以便修改来自天线的反向散射辐射而将传感器读数无线地传递到外部读取器。
人体泪液含有各种无机电解质(例如，Ca2+、Mg2+、Cl-)，有机溶质(例如，葡萄糖、乳酸盐等)，蛋白质及脂肪。具有可测量这些组份中的一或多者的一或多个传感器的隐形眼镜提供方便的非入侵性平台以诊断或监测健康相关问题。一实例为可潜在地用于糖尿病患者以监测且控制其血糖水平的葡萄糖感测隐形眼镜。
实例性电化学传感器安装到嵌入于隐形眼镜中的感测平台且包含工作电极及反电极/参考电极(即，还可充当参考电极的反电极)。工作电极可具有小于25微米的至少一个尺寸。在一些实例中，工作电极具有约10微米的至少一个尺寸。反电极/参考电极可具有为工作电极的至少五倍大的面积。所述电极可设置成各种几何形状，包含共面平行棒、同心环、同轴圆盘等。工作电极及组合参考反电极可由铂、钯、碳、银、金、其它适合导电材料及/或这些材料的组合等形成。恒电位仪可连接到两个电极以相对于反电极/参考电极将电位施加到工作电极，同时通过工作电极测量电流。更特定来说，施加到工作电极的电位可足以产生目标分析物的氧化及/或还原反应，在此情形中，所测量电流提供对分析物浓度的指示。控制电子器件操作天线以将对电流的指示无线地传递到外部读取器。
采用微电极(例如具有大致10微米的尺寸的工作电极)产生呈几毫微安的典型信号电流的电流。在此类低电流下且在具有此类电极尺寸的情况下，分析物分子到电极的扩散是充分高效的，使得由于通过扩散进行的分析物分子到工作电极的可持续补充，安培电流容易地达到稳定状态。
此外，低电流允许传感器对由于电极之间的电解质材料的电阻导致的电压损耗较不敏感。即，甚至在电极之间的材料具有相对高电阻时，具有低操作电流的传感器仍由于其传感器电流而在其电极之间产生较少电压损耗。因此，在电极嵌入于与作为电解质采用的典型水溶液相比具有相对高电阻的镜片的聚合物材料中的情况下，可通过将工作电极配置为微电极(例如，具有小于25微米、约10微米或甚至小于10微米的尺寸)而增强电化学传感器的操作。
II.实例性眼科电子器件平台
图1是包含与外部读取器180无线通信的眼睛安装式装置110的系统100的框图。眼睛安装式装置110的经暴露区域由经形成以接触安装到眼睛的角膜表面的聚合物材料120制成。衬底130嵌入于聚合物材料120中以给电力供应器140、控制器150、生物交互电子器件160及通信天线170提供安装表面。生物交互电子器件160由控制器150操作。电力供应器140将操作电压供应到控制器150及/或生物交互电子器件160。天线170由控制器150操作以传递去往及/或来自眼睛安装式装置110的信息。天线170、控制器150、电力供应器140及生物交互电子器件160可全部设置于嵌入式衬底130上。由于眼睛安装式装置110包含电子器件且经配置以接触安装到眼睛，因此其还在本文中称为眼科电子器件平台。
为了方便接触安装，聚合物材料120可具有经配置以粘附(“安装”)到经弄湿角膜表面(例如，通过涂覆角膜表面的泪膜的毛细血管力)的凹表面。另外或替代地，眼睛安装式装置110可由于凹曲率而通过角膜表面与聚合物材料之间的真空力粘附。尽管在安装时凹表面抵靠眼睛，但聚合物材料120的面向外表面可具有经形成以在将眼睛安装式装置110安装到眼睛时不干涉眼睑运动的凸曲率。举例来说，聚合物材料120可为类似于隐形眼镜成形的实质上透明曲面聚合物圆盘。
聚合物材料120可包含一或多个生物兼容材料，例如经采用以供在隐形眼镜或涉及与角膜表面直接接触的其它眼科应用中使用的那些材料。聚合物材料120可任选地部分由此类生物兼容材料形成或可包含具有此类生物兼容材料的外涂层。聚合物材料120可包含经配置以使角膜表面湿润的材料，例如水凝胶及类似物。在一些实例中，聚合物材料120可为可变形(“非刚性”)材料以增强佩戴者舒适度。在一些实例中，聚合物材料120可经成形以提供预定视力矫正光学倍率，例如可由隐形眼镜提供。
衬底130包含适合于安装生物交互电子器件160、控制器150、电力供应器140及天线170的一或多个表面。衬底130可经采用作为用于基于芯片的电路(例如，通过倒装芯片安装)的安装平台及/或作为用于将导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、其它导电材料、这些材料的组合等)图案化以形成电极、互连件、天线等的平台两者。在一些实施例中，可在衬底130上将实质上透明导电材料(例如，氧化铟锡)图案化以形成电路、电极等。举例来说，天线170可通过在衬底130上沉积金或另一导电材料的图案而形成。类似地，分别在控制器150与生物交互电子器件160之间及控制器150与天线170之间的互连件151、157可通过在衬底130上沉积导电材料的适合图案而形成。可采用抗蚀剂、掩模及沉积技术的组合来将衬底130上的材料图案化。衬底130可为相对刚性材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)或足以在结构上支撑聚合物材料120内的电路及/或电子器件的另一材料。眼睛安装式装置110可替代地布置有若干未连接衬底的群组而非单个衬底。举例来说，控制器150及生物传感器或其它生物交互电子组件可安装到一个衬底，而天线170安装到另一衬底，且两个衬底可经由互连件157电连接。
在一些实施例中，生物交互电子器件160(及衬底130)可定位于远离眼睛安装式装置110的中心处且借此避免干涉穿过眼睛安装式装置110的中心到眼睛的光透射。举例来说，在眼睛安装式装置110成形为凹曲面圆盘的情况下，衬底130可围绕所述圆盘的周边(例如，在外圆周附近)嵌入。在一些实施例中，生物交互电子器件160(及衬底130)可定位于眼睛安装式装置110的中心区域中。生物交互电子器件160及/或衬底130可对于传入可见光为实质上透明的以减轻对到眼睛的光透射的干涉。此外，在一些实施例中，生物交互电子器件160可包含根据显示指令发出及/或透射将被眼睛感知的光的像素阵列164。因此，生物交互电子器件160可任选地定位于眼睛安装式装置的中心中以便产生对眼睛安装式装置110的佩戴者的可感知视觉提示，例如通过经由像素阵列164显示信息。
衬底130可成形为具有足以提供用于嵌入式电子器件组件的安装平台的半径宽度尺寸的扁平环。衬底130可具有充分小以允许衬底130在不影响眼睛安装式装置110的轮廓的情况下嵌入于聚合物材料120中的厚度。衬底130可具有充分大以提供适合于支撑安装于其上的电子器件的结构稳定性的厚度。举例来说，衬底130可成形为具有约10毫米的直径、约1毫米的半径宽度(例如，比内半径大1毫米的外半径)及约50微米的厚度的环。衬底130可任选地与眼睛安装式装置110的眼睛安装表面(例如，凸表面)的曲率对准。举例来说，衬底130可沿着界定内半径及外半径的两个圆形区段之间的虚锥的表面成形。在此实例中，衬底130沿着虚锥的表面的表面界定大致与眼睛安装表面在所述半径处的曲率对准的倾斜表面。
电力供应器140经配置以收获周围能量以给控制器150及生物交互电子器件160供电。举例来说，射频能量收获天线142可从入射无线电辐射捕获能量。另外或替代地，太阳能电池144(“光伏电池”)可从传入紫外、可见及/或红外辐射捕获能量。此外，可包含惯性功率回收系统以从周围振动捕获能量。能量收获天线142可任选地为还用于将信息传递到外部读取器180的两用天线。即，通信天线170及能量收获天线142的功能可以同一物理天线实现。
整流器/调节器146可用于将所捕获能量调解为供应到控制器150的稳定DC供应电压141。举例来说，能量收获天线142可接收入射射频辐射。天线142的引线上的变化的电信号输出到整流器/调节器146。整流器/调节器146将变化的电信号整流为DC电压且将经整流DC电压调节为适合于操作控制器150的电平。另外或替代地，可将来自太阳能电池144的输出电压调节为适合于操作控制器150的电平。整流器/调节器146可包含用以减轻周围能量聚集天线142及/或太阳能电池144中的高频率变化的一或多个能量存储装置。举例来说，一或多个能量存储装置(例如，电容器、电感器等)可连接到整流器146的输出且经配置以充当低通滤波器。
控制器150在DC供应电压141被提供到控制器150时接通，且控制器150中的逻辑操作生物交互电子器件160及天线170。控制器150可包含经配置以操作生物交互电子器件160以便与眼睛安装式装置110的生物环境交互的逻辑电路。所述交互可涉及使用生物交互电子器件160中的一或多个组件(例如分析物生物传感器162)来获得来自生物环境的输入。另外或替代地，所述交互可涉及使用一或多个组件(例如像素阵列164)来将输出提供到生物环境。
在一个实例中，控制器150包含经配置以操作分析物生物传感器162的传感器接口模块152。举例来说，分析物生物传感器162可为包含工作电极及参考电极的安培电化学传感器。可在工作电极与参考电极之间施加电压以致使分析物在工作电极处经历电化学反应(例如，还原及/或氧化反应)。电化学反应可产生可通过工作电极测量的安培电流。安培电流可取决于分析物浓度。因此，通过工作电极测量的安培电流量可提供对分析物浓度的指示。在一些实施例中，传感器接口模块152可为经配置以在工作电极与参考电极之间施加电压差同时通过工作电极测量电流的恒电位仪。
在一些实例中，还可包含试剂以使电化学传感器对一或多种所要分析物敏感。举例来说，接近于工作电极的一层葡萄糖氧化酶(“GOD”)可催化葡萄糖氧化以产生过氧化氢(H2O2)。过氧化氢可接着在工作电极处被电氧化，此将电子释放到工作电极，从而产生可通过工作电极测量的安培电流。
H2O2→2H++O2+2e-
通过还原或氧化反应产生的电流大致与反应速率成比例。此外，反应速率取决于到达电化学传感器电极的分析物分子直接或通过试剂以催化方式给还原或氧化反应供燃料的速率。在其中分析物分子以与额外分析物分子从周围区域扩散到经取样区域的速率大致相同的速率从所述经取样区域扩散到电化学传感器电极的稳定状态中，反应速率大致与分析物分子的浓度成比例。通过工作电极测量的电流因此提供对分析物浓度的指示。
控制器150可任选地包含用于操作像素阵列164的显示驱动器模块154。像素阵列164可为布置成若干行及若干列的可单独编程光透射、光反射及/或光发出像素的阵列。个别像素电路可任选地包含液晶技术、微机电技术、发出型二极管技术等以根据来自显示驱动器模块154的信息选择性地透射、反射及/或发出光。此像素阵列164还可任选地包含一种以上色彩的像素(例如，红色、绿色及蓝色像素)以在色彩上再现视觉内容。举例来说，显示驱动器模块154可包含将编程信息提供到像素阵列164中的经单独编程像素的一或多个数据线及用于设定用以接收此编程信息的像素群组的一或多个寻址线。设置于眼睛上的此像素阵列164还可包含用以将来自像素阵列的光引导到可被眼睛感知的焦平面的一或多个镜片。
控制器150还可包含用于经由天线170发送及/或接收信息的通信电路156。通信电路156可任选地包含一或多个振荡器、混频器、频率注射器等以对待由天线170发射及/或接收的载波频率上的信息进行调制及/或解调。在一些实例中，眼睛安装式装置110经配置以通过以可被外部读取器180感知的方式调制天线170的阻抗而指示来自生物传感器的输出。举例来说，通信电路156可致使来自天线170的反向散射辐射的振幅、相位及/或频率变化，且此类变化可由读取器180检测。
控制器150经由互连件151连接到生物交互电子器件160。举例来说，在控制器150包含实施于集成电路中以形成传感器接口模块152及/或显示驱动器模块154的逻辑元件的情况下，经图案化导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、这些材料的组合等)可将芯片上的端子连接到生物交互电子器件160。类似地，控制器150经由互连件157连接到天线170。
应注意，为了说明方便而结合功能模块描述图1中所展示的框图。然而，眼睛安装式装置110的实施例可布置有实施于单个芯片、集成电路及/或物理特征中的功能模块(“子系统”)中的一或多者。举例来说，尽管整流器/调节器146是图解说明于电力供应器块140中，但整流器/调节器146可实施于还包含控制器150的逻辑元件及/或眼睛安装式装置110中的嵌入式电子器件的其它特征的芯片中。因此，从电力供应器140提供到控制器150的DC供应电压141可为由一芯片整流器及/或调节器组件在同一芯片上提供的供应电压。即，图1中展示为电力供应器块140及控制器块150的功能块不必实施为单独模块。此外，图1中所描述的功能模块中的一或多者可由彼此电连接的单独封装的芯片实施。
另外或替代地，能量收获天线142及通信天线170可以同一物理天线实施。举例来说，环形天线既可收获入射辐射以用于电力产生又可经由反向散射辐射传递信息。
外部读取器180包含用以将无线信号171发送到眼睛安装式装置110及从所述眼睛安装式装置接收所述无线信号的天线188(或一个以上天线的群组)。外部读取器180还包含具有与存储器182通信的处理器186的计算系统。存储器182为非暂时性计算机可读媒体，可包含但不限于磁盘、光盘、有机存储器及/或可由处理器186读取的任何其它易失性(例如，RAM)或非易失性(例如，ROM)存储系统。存储器182可包含用以存储数据指示(例如传感器读数(例如，来自分析物生物传感器162)、程序设定(例如，用以调整眼睛安装式装置110及/或外部读取器180的行为)等)的数据存储装置183。存储器182还可包含程序指令184以用于由处理器186执行以致使外部读取器180执行指令184所规定的过程。举例来说，程序指令184可致使外部读取器180提供允许检索从眼睛安装式装置110传递的信息(例如，来自分析物生物传感器162的传感器输出)的用户接口。外部读取器180还可包含用于操作天线188以将无线信号171发送到眼睛安装式装置110及从所述眼睛安装式装置接收所述无线信号的一或多个硬件组件。举例来说，振荡器、频率注射器、编码器、解码器、放大器、滤波器等可根据来自处理器186的指令驱动天线188。
外部读取器180可为智能电话、数字助理或具有足以提供无线通信链路171的无线连接性的其它便携式计算装置。外部读取器180还可实施为可插入到便携式计算装置中的天线模块，例如在其中通信链路171以便携式计算装置中不常采用的载波频率操作的实例中。在一些实例中，外部读取器180为经配置以佩戴于相对靠近佩戴者的眼睛处以允许无线通信链路171以低电力预算操作的专用装置。举例来说，外部读取器180可集成于一件首饰(例如项链、耳环等)中或集成于佩戴于头部附近的一件服饰(例如帽子、头巾等)中。
在其中眼睛安装式装置110包含分析物生物传感器162的实例中，系统100可经操作以监测眼睛的表面上的泪膜中的分析物浓度。因此，眼睛安装式装置110可配置为用于眼科分析物生物传感器的平台。泪膜为从泪腺分泌以涂覆眼睛的含水层。泪膜通过眼睛的结构中的毛细血管与血液供应接触且包含存在于血液中的经分析以表征人的健康状况的许多生物标记。举例来说，泪膜包含葡萄糖、钙、钠、胆固醇、钾、其它生物标记等。泪膜中的生物标记浓度可系统性地不同于血液中的生物标记的对应浓度，但所述两种浓度水平之间的关系可经确立以将泪膜生物标记浓度值映射到血液浓度水平。举例来说，葡萄糖的泪膜浓度可经确立(例如，经验性地确定)为对应血液葡萄糖浓度的大致十分之一。因此，与通过在人的身体外部切开待分析的一定量的血液而执行的血液取样技术相比，测量泪膜分析物浓度水平提供用于监测生物标记水平的非入侵性技术。此外，此处所揭示的眼科分析物生物传感器平台可实质上连续地操作以使得能够实时监测分析物浓度。
为了执行配置为泪膜分析物监测器的系统100的读取，外部读取器180可发出经收获以经由电力供应器140给眼睛安装式装置110供电的射频辐射171。能量收获天线142(及/或通信天线170)所捕获的射频电信号在整流器/调节器146中进行整流及/或调节，且经调节DC供应电压147被提供到控制器150。射频辐射171因此接通眼睛安装式装置110内的电子组件。一旦被接通，控制器150便操作分析物生物传感器162以测量分析物浓度水平。举例来说，传感器接口模块152可在分析物生物传感器162的工作电极与参考电极之间施加电压。所施加电压可足以致使分析物在工作电极处经历电化学反应且借此产生可通过工作电极测量的安培电流。所测量安培电流可提供指示分析物浓度的传感器读数(“结果”)。控制器150可操作天线170以(例如，经由通信电路156)将传感器读数传递回到外部读取器180。可通过(举例来说)调制通信天线170的阻抗使得所述阻抗调制被外部读取器180检测到而传递传感器读数。所述天线阻抗调制可通过(举例来说)来自天线170的反向散射辐射而检测。
在一些实施例中，系统100可操作以不连续地(“间歇地”)将能量供应到眼睛安装式装置110以给控制器150及电子器件160供电。举例来说，射频辐射171可经供应以给眼睛安装式装置110供电达足够长以执行泪膜分析物浓度测量及传递结果的时间。举例来说，所供应射频辐射可提供充足电力以在工作电极与参考电极之间施加足以在工作电极处诱发电化学反应的电位，测量所产生安培电流且调制天线阻抗以用指示所测量安培电流的方式调整反向散射辐射。在此实例中，所供应射频辐射171可视为来自外部读取器180向眼睛安装式装置110请求测量的询问信号。通过周期性地询问眼睛安装式装置110(例如，通过供应射频辐射171以暂时性地接通装置)且存储传感器结果(例如，经由数据存储装置183)，外部读取器180可在不给眼睛安装式装置110连续供电的情况下随时间积累一组分析物浓度测量值。
图2A是实例性眼睛安装式电子装置210的仰视图。图2B是图2A中所展示的实例性眼睛安装式电子装置的形态图。应注意，图2A及2B中的相对尺寸未必按比例，而是在描述实例性眼睛安装式电子装置210的布置时仅出于解释的目的再现。眼睛安装式装置210由成形为曲面圆盘的聚合物材料220形成。聚合物材料220可为实质上透明材料以在将眼睛安装式装置210安装到眼睛时允许入射光透射到眼睛。聚合物材料220可为类似于经采用以形成验光中的视力矫正及/或美容隐形眼镜的那些材料的生物兼容材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)、硅酮水凝胶、基于聚甲基丙烯酸羟乙基酯(polyHEMA)的水凝胶及这些材料的组合等。聚合物材料220可一侧形成有适合于装配于眼睛的角膜表面上的凹表面226。圆盘的相对侧可具有在将眼睛安装式装置210安装到眼睛时不干涉眼睑运动的凸表面224。圆形外侧边缘228连接凹表面224与凸表面226。
眼睛安装式装置210可具有类似于视力矫正及/或美容隐形眼镜的尺寸，例如大致1厘米的直径及约0.1毫米到约0.5毫米的厚度。然而，所述直径及厚度值仅出于解释的目的而提供。在一些实施例中，可根据佩戴者的眼睛的角膜表面的大小及/或形状选择眼睛安装式装置210的尺寸。
可以各种方式将聚合物材料220形成为具有曲面形状。举例来说，可采用类似于经采用以形成视力矫正隐形眼镜的那些技术(例如热模制、射出模制、自旋浇铸等)的技术来形成聚合物材料220。当将眼睛安装式装置210安装于眼睛中时，凸表面224向外面向周围环境而凹表面226向内面向角膜表面。凸表面224可因此视为眼睛安装式装置210的外顶表面而凹表面226可视为内底表面。图2A中所展示的“仰视”图面向凹表面226。依据图2A中所展示的仰视图，曲面圆盘的外圆周附近的外周边222弯出页面，而圆盘的中心附近的中心区域221弯入页面。
衬底230嵌入于聚合物材料220中。衬底230可经嵌入以远离中心区域221沿着聚合物材料220的外周边222设置。衬底230不干涉视力，这是因为其太靠近于眼睛而不在焦距内且远离入射光透射到眼睛的眼睛感测部分的地方处的中心区域221而定位。此外，衬底230可由透明材料形成以进一步减轻对视觉感知的任何影响。
衬底230可成形为扁平圆环(例如，具有中心孔的圆盘)。衬底230的扁平表面(例如，沿着半径宽度)为用于安装电子器件(例如芯片(例如，经由倒装芯片安装))且用于将导电材料图案化(例如，经由沉积技术)以形成电极、天线及/或连接的平台。衬底230及聚合物材料220可为关于共同中心轴大致圆柱形对称的。举例来说，衬底230可具有约10毫米的直径、约1毫米的半径宽度(例如，比内半径大1毫米的外半径)及约50微米的厚度。然而，这些尺寸仅是出于举例的目的而提供且决不限制本发明。衬底230可以各种不同外形因子实施。
环形天线270、控制器250及生物交互电子器件260安置于嵌入式衬底230上。控制器250可为包含经配置以操作生物交互电子器件260及环形天线270的逻辑元件的芯片。控制器250通过也设置于衬底230上的互连件257电连接到环形天线270。类似地，控制器250通过互连件251电连接到生物交互电子器件260。互连件251、257，环形天线270及任何导电电极(例如，用于电化学分析物生物传感器等)可由通过用于将导电材料精确地图案化的过程(例如沉积、光刻等)在衬底230上图案化的此类材料形成。举例来说，在衬底230上图案化的导电材料可为金、铂、钯、钛、碳、铝、铜、银、氯化银、由贵材料形成的导体、金属、这些材料的组合等。
如图2A(其为面向眼睛安装式装置210的凹表面226的视图)中所展示，生物交互电子器件模块260安装到衬底230的面向凹表面226的一侧。举例来说，在生物交互电子器件模块260包含分析物生物传感器的情况下，将衬底230上的此生物传感器安装于靠近于凹表面226处允许所述生物传感器感测眼睛的表面附近的泪膜中的分析物浓度。然而，设置于衬底230上的电子器件、电极等可安装到面“向内”侧(例如，设置于最靠近于凹表面226处)或面“向外”侧(例如，设置于最靠近于凸表面224处)。此外，在一些实施例中，一些电子组件可安装于衬底230的一侧上，而其它电子组件安装到相对侧，且可通过穿过衬底230的导电材料进行所述两者之间的连接。
环形天线270为沿着衬底的扁平表面图案化以形成扁平导电环的导电材料层。在一些实例中，环形天线270可形成为不完成完整环圈。例如，环形天线270可具有切口以给控制器250及生物交互电子器件260让出空间，如图2A中所图解说明。然而，环形天线270还可布置为完全包裹衬底230的扁平表面一或多次的连续导电材料条带。举例来说，具有多个绕组的导电材料条带可在衬底230的与控制器250及生物交互电子器件260相对的侧上图案化。此缠绕式天线的端之间的互连件(例如，天线引线)可穿过衬底230到达控制器250。
图2C是实例性眼睛安装式电子装置210在安装到眼睛10的角膜表面22时的侧视横截面图。图2D是经放大以展示环绕实例性眼睛安装式装置210的经暴露表面224、226的泪膜层40、42的近距离侧视横截面图。应注意，图2C及2D中的相对尺寸未必按比例，而是在描述实例性眼睛安装式电子装置210的布置时仅出于解释的目的再现。举例来说，所述眼睛安装式装置的总厚度可为约200微米，而泪膜层40、42的厚度可各自为约10微米，但此比率可能未反映在图式中。一些形态经扩大以便于图解说明且方便解释。
眼睛10包含通过在眼睛10的顶部上将上眼睑30与下眼睑32合在一起而覆盖的角膜20。入射光由眼睛10通过角膜20接收，其中光在光学上引导到眼睛10的光感测元件(例如，杆细胞及锥细胞等)以刺激视觉感知。眼睑30、32的运动使泪膜跨越眼睛10的经暴露角膜表面22分布。泪膜为由泪腺分泌以保护且润滑眼睛10的水溶液。当将眼睛安装式装置210安装于眼睛10中时，泪膜以内层40(沿着凹表面226)及外层42(沿着凸层224)涂覆凹表面224及凸表面226两者。泪膜层40、42可为约10微米厚且总计达约10微升。
泪膜层40、42通过眼睑30、32的运动而跨越角膜表面22及/或凸表面224分布。举例来说，眼睑30、32分别抬起及降下以使小体积的泪膜跨越角膜表面22及/或眼睛安装式装置210的凸表面224散布。角膜表面22上的泪膜层40也通过凹表面226与角膜表面22之间的毛细血管力方便安装眼睛安装式装置210。在一些实施例中，眼睛安装式装置210还可由于面向眼睛的凹表面226的凹曲率而通过真空力抵靠角膜表面22部分地固持于眼睛上。
如图2C及2D中的横截面图中所展示，衬底230可为倾斜的，使得衬底230的扁平安装表面大致平行于凹表面226的邻近部分。如上文所描述，衬底230为具有面向内表面232(较靠近于聚合物材料220的凹表面226)及面向外表面234(较靠近于凸表面224)的扁平环。衬底230可具有安装到安装表面232、234中的任一者或两者的电子组件及/或经图案化导电材料。如图2D中所展示，生物交互电子器件260、控制器250及导电互连件251安装于面向内表面232上，使得生物交互电子器件260与在其安装于面向外表面234上的情况下相比相对较接近于角膜表面22。然而，生物交互电子器件260(及其它组件)可安装于衬底230的面向外表面234上以与内泪膜层40相比较靠近于外泪膜层42。
III.眼科电化学分析物传感器
图3是用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的系统300的功能框图。系统300包含具有由外部读取器340供电的嵌入式电子组件的眼睛安装式装置310。眼睛安装式装置310包含用于捕获来自外部读取器340的射频辐射341的天线312。眼睛安装式装置310包含整流器314、能量存储装置316及用于产生电力供应电压330、332以操作嵌入式电子器件的调节器318。眼睛安装式装置310包含具有通过传感器接口321驱动的工作电极322及参考电极323的电化学传感器320。眼睛安装式装置310包含用于通过调制(325)天线312的阻抗而将结果从传感器320传递到外部读取器340的硬件逻辑324。类似于上文结合图1及2所论述的眼睛安装式装置110、210，眼睛安装式装置310可包含嵌入于经配置以安装到眼睛的聚合物材料内的安装衬底。电化学传感器320可设置于此衬底的安装表面上接近眼睛的表面(例如，对应于衬底230的面向内侧232上的生物交互电子器件260)以测量间置于眼睛安装式装置310与眼睛之间的泪膜层(例如，眼睛安装式装置210与角膜表面22之间的内泪膜层40)中的分析物浓度。
参考图3，电化学传感器320通过在电极322、323之间施加电压而测量分析物浓度，所述电压足以致使通过试剂催化的分析物的产物在工作电极322处以电化学方式反应(例如，还原及/或氧化反应)。工作电极322处的电化学反应产生可在工作电极322处测量的安培电流。举例来说，传感器接口321可在工作电极322与参考电极323之间施加还原电压以使来自经试剂催化分析物的产物在工作电极322处还原。另外或替代地，传感器接口321可在工作电极322与参考电极323之间施加氧化电压以使来自经试剂催化分析物的产物在工作电极322处氧化。传感器接口321测量安培电流且将输出提供到硬件逻辑324。举例来说，传感器接口321可包含连接到两个电极322、323以在工作电极322与参考电极323之间同时施加电压且通过工作电极322测量所产生安培电流的恒电位仪。
整流器314、能量存储装置316及电压调节器318操作以收获来自所接收射频辐射341的能量。射频辐射341在天线312的引线上产生射频电信号。整流器314连接到天线引线且将射频电信号转换为DC电压。能量存储装置316(例如，电容器)跨越整流器314的输出而连接以对DC电压上的高频率噪声进行滤波。调节器318接收经滤波DC电压且输出数字供应电压330以操作硬件逻辑324并且输出模拟供应电压332以操作电化学传感器320。举例来说，模拟供应电压可为传感器接口321用以在传感器电极322、323之间施加电压以产生安培电流的电压。数字供应电压330可为适合于驱动数字逻辑电路的电压，例如大致1.2伏、大致3伏等。对来自外部读取器340(或另一源，例如周围辐射等)的射频辐射341的接收致使将供应电压330、332供应到传感器320及硬件逻辑324。在被供电时，传感器320及硬件逻辑324经配置以产生且测量安培电流并且传递结果。
传感器结果可经由来自天线312的反向散射辐射343传递回到外部读取器340。硬件逻辑324从电化学传感器320接收输出电流且根据由传感器320测量的安培电流调制(325)天线312的阻抗。天线阻抗及/或天线阻抗改变由外部读取器340经由反向散射信号343检测。外部读取器340可包含天线前端342及用以将由反向散射信号343指示的信息解码且将数字输入提供到处理系统346的逻辑组件344。外部读取器340将反向散射信号343与传感器结果相关联(例如，经由处理系统346根据将天线312的阻抗与来自传感器320的输出相关联的经预编程关系)。处理系统346可接着将所指示传感器结果(例如，泪膜分析物浓度值)存储于本地存储器及/或经联网的存储器中。
在一些实施例中，展示为单独功能块的特征中的一或多者可实施(“封装”)于单个芯片上。举例来说，眼睛安装式装置310可以共同封装于单个芯片或控制器模块中的整流器314、能量存储装置316、电压调节器318、传感器接口321及硬件逻辑324来实施。此控制器可具有连接到环形天线312的互连件(“引线”)及传感器电极322、323。此控制器操作以收获在环形天线312处接收的能量，在电极322、323之间施加足以产生安培电流的电压，测量安培电流且经由天线312(例如，通过反向散射辐射343)指示所测量电流。
图4A是用于操作眼睛安装式装置中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的过程400的流程图。在包含嵌入式电化学传感器的眼睛安装式装置中的天线处接收射频辐射(402)。对由于所接收辐射产生的电信号进行整流及调节以给电化学传感器及相关联控制器供电(404)。举例来说，可将整流器及/或调节器连接到天线引线以输出用于给电化学传感器及/或控制器供电的DC供应电压。在电化学传感器上的工作电极与参考电极之间施加足以在工作电极处引起电化学反应的电压(406)。通过工作电极测量安培电流(408)。举例来说，恒电位仪可在工作电极与参考电极之间施加电压，同时通过工作电极测量所产生安培电流。以天线无线地指示所测量安培电流(410)。举例来说，可操纵反向散射辐射以通过调制天线阻抗而指示传感器结果。
图4B是用于操作外部读取器以询问眼睛安装式装置中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的过程420的流程图。从外部读取器将射频辐射发射到安装于眼睛中的电化学传感器(422)。所发射辐射足以用来自所述辐射的能量给电化学传感器供电达足够长以执行测量及传递结果(422)的时间。举例来说，用以给电化学传感器供电的射频辐射可类似于上文结合图3所描述的从外部读取器340发射到眼睛安装式装置310的辐射341。外部读取器接着接收指示由电化学分析物传感器做出的测量的反向散射辐射(424)。举例来说，所述反向散射辐射可类似于上文结合图3所描述的从眼睛安装式装置310发送到外部读取器340的反向散射信号343。接着，将在外部读取器处接收的反向散射辐射与泪膜分析物浓度相关联(426)。在一些情形中，可将分析物浓度值存储于外部读取器存储器(例如，在处理系统346中)及/或经联网数据存储装置中。
举例来说，可通过调制反向散射天线的阻抗而将传感器结果(例如，所测量安培电流)编码于反向散射辐射中。外部读取器可基于反向散射辐射中的频率、振幅及/或相移检测天线阻抗及/或天线阻抗改变。接着，可通过将阻抗值与传感器结果相关联(通过逆转在眼睛安装式装置内采用的编码例程)而提取传感器结果。因此，读取器可将所检测天线阻抗值映射到安培电流值。安培电流值大致以使安培电流与相关联泪膜分析物浓度相关的敏感度(例如，比例因子)与泪膜分析物浓度成比例。举例来说，可部分地根据经验导出校准因子确定敏感度值。
IV.到电化学传感器的分析物传输
图5A展示其中电化学传感器检测来自内泪膜层40的扩散穿过聚合物材料220的分析物的实例性配置。所述电化学传感器可类似于结合图3所论述的电化学传感器320且包含工作电极520及参考电极522。工作电极520及参考电极522各自安装于衬底230的面向内侧上。衬底230嵌入于眼睛安装式装置210的聚合物材料220中，使得电化学传感器的电极520、522完全由聚合物材料220的重叠部分512覆盖。电化学传感器中的电极520、522因此与内泪膜层40分离开重叠部分512的厚度。举例来说，重叠区域512的厚度可为大致10微米。
泪膜中的分析物穿过重叠部分512扩散到工作电极520。分析物从内泪膜层40到工作电极520的扩散由方向箭头510图解说明。通过工作电极520测量的电流基于工作电极520处的电化学反应速率，所述电化学反应速率又基于扩散到工作电极520的分析物的量。扩散到工作电极520的分析物的量又可受内泪膜层40中的分析物的浓度、聚合物材料220对分析物的渗透率及重叠区域512的厚度(即，分析物从内泪膜层40穿过其扩散到达工作电极520的聚合物材料厚度)影响。在稳定状态近似法中，由泪膜40的周围区域以与在工作电极520处消耗分析物的速率相同的速率将分析物再供应到内泪膜层40。由于将分析物再供应到内泪膜层40的经探测区域的速率大致与分析物的泪膜浓度成比例，因此电流(即，电化学反应速率)为对内泪膜层40中的分析物的浓度的指示。
在聚合物材料相对不可渗透所关注分析物的情况下，较少分析物从内泪膜层40到达电极520、522且所测量安培电流因此系统性地较低，且反之亦然。可通过在使所测量安培电流与泪膜浓度相关时的比例因子将对所测量安培电流的系统性影响考虑在内。但在眼睛安装式装置处于眼睛上的适当位置中达一段时间之后，如果分析物为由大气供应到泪膜的分析物(例如分子氧)，那么分析物浓度自身可受聚合物材料220的渗透率影响。举例来说，如果聚合物材料220完全不可渗透分子氧，那么内泪膜层40的分子氧浓度可在眼睛被覆盖时随时间逐渐下降，例如以其中大致到内泪膜层40中的一半氧分子扩散到角膜组织中时给出半衰期的指数式衰减方式。另一方面，在聚合物材料220为完全氧可渗透的情况下，内泪膜层40的分子氧浓度可随时间在很大程度上不受影响，这是因为扩散到角膜组织中的分子氧由从大气渗透穿过聚合物材料220的分子氧取代。
图5B展示其中电化学传感器检测来自泪膜的经由聚合物材料220中的通道530接触传感器的分析物的实例性配置。通道530具有将聚合物材料220的凹表面226连接到衬底230及/或电极520、522的侧壁532。举例来说，通道530可通过对聚合物材料220进行加压模制或浇铸而形成。通道530的高度(例如，侧壁532的长度)对应于衬底230的面向内表面与凹表面226之间的间距。即，在衬底230定位于距凹表面226约10微米处的情况下，通道530为大致10微米高。通道530将内泪膜层40以流体方式连接到传感器电极520、522。因此，工作电极520与内泪膜层40直接接触。因此，到工作电极520的分析物传输不受聚合物材料220对所关注分析物的渗透率影响。凹表面226中的凹痕542还在传感器电极520、522附近形成泪膜40的局部化增加的体积。将分析物贡献给工作电极520处的电化学反应(例如，通过扩散)的分析物泪膜的体积借此增加。由于用以将分析物贡献给电化学反应的经取样区域周围的泪膜的相对较大局部体积，因此图5B中所展示的传感器较不易受扩散限制的电化学反应影响。
图5C展示其中电化学传感器检测来自泪膜40的扩散穿过聚合物材料220的经薄化区域542的分析物的实例性配置。经薄化区域542可形成为凹表面226中的凹痕540(例如，通过模制、浇铸等)。聚合物材料220的经薄化区域542实质上包封电极520、522，以便在角膜20与工作电极520、522之间维持生物兼容涂层。凹表面226中的凹痕542还在传感器电极520、522附近形成泪膜40的局部化增加的体积。方向箭头544图解说明分析物从内泪膜层40到工作电极520的扩散。
图5D展示其中电化学传感器检测从外泪膜42层扩散穿过聚合物材料220的分析物的实例性配置。工作电极520及参考电极522各自安装于衬底230的面向外侧(例如，上文结合图2所论述的面向外表面234)上。电化学传感器的电极520、522完全由聚合物材料220的重叠部分554覆盖。电化学传感器中的电极520、522因此与外泪膜层42分离开重叠部分554的厚度。举例来说，重叠区域554的厚度可为大致10微米。外泪膜层42中的分析物穿过重叠部分554扩散到工作电极520。方向箭头560图解说明分析物从外泪膜层42到工作电极520的扩散。
图5E展示其中电化学传感器检测外泪膜层42中的经由聚合物材料220中的通道562接触传感器的分析物的实例性配置。通道562将聚合物材料220的凸表面224连接到衬底230及/或电极520、522。举例来说，通道562可通过对聚合物材料220进行加压模制或浇铸而形成。通道562的高度对应于衬底230的面向外表面(例如，上文结合图2所论述的面向外表面234)与凸表面224之间的间距。即，在衬底230定位于距凸224约10微米处的情况下，通道562为大致10微米高。通道562将外泪膜层42以流体方式连接到传感器电极520、522。因此，工作电极520与外泪膜层42直接接触。因此，到工作电极520的分析物传输不受聚合物材料220对所关注分析物的渗透率影响。凸表面224中的通道562还在传感器电极520、522附近形成泪膜42的局部化增加的体积。将分析物贡献给工作电极520处的电化学反应(例如，通过扩散)的分析物泪膜的体积借此增加。由于用以将分析物贡献给电化学反应的经取样区域周围的泪膜的相对较大局部体积，因此图5E中所展示的传感器较不易受扩散限制的电化学反应影响。
图5F展示其中电化学传感器检测从外泪膜层42扩散穿过聚合物材料220的经薄化区域的分析物的实例性配置。经薄化区域556可形成为凸表面224中的凹痕564(例如，通过模制、浇铸等)。聚合物材料220的经薄化区域556实质上包封电极520、522。凸表面224中的凹痕564还在传感器电极520、522附近形成泪膜42的局部化增加的体积。方向箭头566图解说明分析物从外泪膜层42到工作电极520的扩散。
图5A到5C图解说明其中电化学传感器安装于衬底230的表面上接近凹表面226(例如，上文结合图2所论述的面向内表面232)的布置。如图5A到5C中所展示布置的电化学传感器因此经配置以检测内泪膜层40的分析物浓度，所述分析物从凹表面226扩散到聚合物材料220中。图5D到5F图解说明其中电化学传感器安装于衬底230的表面上接近凸表面224(例如，上文结合图2所论述的面向外表面234)的布置。如图5D到5F中所展示布置的电化学传感器因此经配置以检测外泪膜层42的分析物浓度，所述分析物从凸表面224扩散到聚合物材料220中。举例来说，通过如图5D到5F中所展示将电化学传感器设置于衬底230的面向外表面上，电极520、522与眼睛10的角膜20通过衬底230分离。衬底230可因此遮蔽角膜20以免受与直接暴露于电极520、522相关联的损坏，例如可由于(举例来说)刺穿或磨穿聚合物材料220而发生。
V.实例性微电极布置
图6A图解说明电化学传感器601中的电极的一种实例性布置。图6A所图解说明的布置未按比例绘制，而是替代地出于解释的目的提供以描述实例性布置。电化学传感器601可包含于眼睛安装式装置中以用于检测分析物的泪膜浓度(例如，上文结合图1到3所描述的眼睛安装式装置)。所述电化学传感器包含布置为安置于衬底上的导电棒的工作电极620及参考电极622。所述导电棒可布置为平行的，使得电极620、622之间的间距沿着电极620、622的相应长度为实质上均匀的。在一些实施例中，工作电极620的尺寸中的至少一者(例如其宽度)可小于100微米。在一些实施例中，工作电极620为具有约25微米的至少一个尺寸的微电极。在一些实施例中，工作电极620为具有约10微米的至少一个尺寸的微电极。在一些实施例中，工作电极620为具有小于10微米的至少一个尺寸的微电极。厚度(例如，在衬底上的高度)可为1微米或小于1微米。举例来说，厚度尺寸可介于约1微米与约50纳米之间，例如大致500纳米、大致250纳米、大致100纳米、大致50纳米等。举例来说，棒形工作电极620可为在衬底上图案化以具有约25微米的宽度、约1000微米的长度及约0.5微米的厚度的导电材料。在一些实施例中，参考电极622可在面积(例如，长度×宽度)上大于工作电极620。举例来说，参考电极622具有为工作电极620的面积的五倍以上大的面积。
电极620、622可各自通过在衬底上图案化导电材料(例如，通过沉积技术、光刻技术等)而形成。所述导电材料可为金、铂、钯、钛、银、氯化银、铝、碳、金属、由贵材料形成的导体、这些材料的组合等。在一些实施例中，工作电极620可实质上由铂(Pt)形成。在一些实施例中，参考电极622可实质上由银/氯化银(Ag/AgCl)形成。
电极620、622各自电连接到通过在工作电极620与参考电极622之间施加电压差ΔV而操作传感器601的恒电位仪610。电压差ΔV可为还原电压，其足以在工作电极620处引起从工作电极620释放电子且借此产生可通过工作电极620测量的安培电流的还原反应。另外或替代地，电压差ΔV可为氧化电压，其足以在工作电极620处引起将电子贡献给工作电极620且借此产生可通过工作电极620测量的安培电流的氧化反应。恒电位仪610由供应电压Vsupply供电且输出对安培电流的指示。
图6B图解说明电化学传感器602中的电极的另一实例性布置。图6B所图解说明的布置未按比例绘制，而是替代地出于解释的目的提供以描述实例性布置。电化学传感器602可包含于眼睛安装式装置中以用于检测泪膜氧浓度及/或其它分析物(例如，上文结合图1到3所描述的眼睛安装式装置)。所述电化学传感器包含布置为设置于衬底上的扁平环的工作电极630及参考电极632。所述扁平环可布置为同心的(例如，具有共同中心点)，使得电极630、632之间的间距沿着相应电极630、632的圆周边缘为实质上均匀的。参考电极632被图解说明为外环，工作电极630被图解说明为内环，但在一些实施方案中可逆转此内/外关系。在一些实施例中，工作电极630的尺寸中的至少一者(例如其半径宽度)可小于100微米。在一些实施例中，工作电极630为具有约25微米的至少一个尺寸的微电极。在一些实施例中，工作电极630为具有约10微米的至少一个尺寸的微电极。在一些实施例中，工作电极630为具有小于10微米的至少一个尺寸的微电极。厚度(例如，在衬底上的高度)可为1微米或小于1微米。举例来说，扁平环形工作电极630可为在衬底上图案化以具有约1000微米的圆周、约25微米的半径宽度及约0.5微米的厚度的导电材料。
电极630、632可由所述材料及上文结合图6A中的电极620、622所描述的图案化技术形成。电极630、632还可由恒电位仪610操作以测量安培电流，此类似于上文结合图6A对恒电位仪610的论述。
图7A图解说明双电极电化学传感器中的电极的实例性共面布置。在此配置中，两个电极(工作电极720及参考电极722)安装于由一层聚合物材料710覆盖的衬底730上。在图7A中，聚合物材料710的覆盖电极720及720的部分711由虚线指示以便展示电极720及722。因此，在此实例中，双电极电化学传感器包含安装于衬底730的同一表面上的工作电极720及参考电极722，且聚合物材料710形成包封工作电极720及参考电极722两者的层。举例来说，衬底730可成形为适合于安装于眼睛安装式聚合物材料内的扁平环，类似于上文结合图1到5所描述的衬底。聚合物材料710可具有适合于接触安装到眼睛的经暴露表面714，类似于上文结合图2所论述的眼睛安装式装置210的凹表面226。经暴露表面714还可适合于在将聚合物材料的相对表面(类似于上文结合图2所论述的眼睛安装式装置210的凸表面224)接触安装到眼睛时避免干涉眼睑运动。因此，电极720、722可安装到衬底730的面向眼睛表面及/或面向外表面。
电极720、722可各自通过在衬底上图案化导电材料(例如，通过沉积技术、光刻技术等)而形成。所述导电材料可为金、铂、钯、钛、银、氯化银、铝、碳、金属、由贵材料形成的导体、这些材料的组合等。
如图7A中所展示，工作电极720具有宽度w1且参考电极具有宽度w2。举例来说，工作电极720的宽度w1可小于25微米。在一些实施例中，宽度w1可为约10微米。在一些实施例中，宽度w1可小于10微米。宽度w2可经选择使得参考电极722的面积(例如，宽度w2×长度)为工作电极720的面积(例如，宽度w1×长度)的至少五倍大。两个电极720、722的长度可大致相等且可为(举例来说)1毫米。举例来说，电极720、722的高度(“厚度”)可为约0.5微米。在两个电极720、722的长度大致相等的情况下，电极面积之间的比率由宽度w1与w2的比率给出。因此，在一些实施例中，参考电极722的宽度w2为工作电极720的宽度w1的至少五倍大。
电极720、722之间的距离d1可沿着电极720、722的长度为实质上恒定的(例如，电极720、722的部分可定向为平行棒及/或同心环，使得将其分离的距离d1为大致恒定的)。在一些实施例中，距离d1介于约10微米与约500微米之间。
通过将工作电极720及参考电极722设置于衬底730的同一表面上，可将电极720、722配置为大致共面，且可实质上在两个电极的平面内测量将两个电极720、722分离的距离d1。
聚合物材料710包含设置于两个电极720、722之间的间置式部分712。在此配置中，在电极720、722之间输送的电流通过聚合物材料710的间置式部分712。举例来说，此电流可在通过工作电极720处的电化学反应产生安培电流时以离子方式输送(例如，通过来自泪膜的在聚合物材料710中吸收的电解质)。间置式部分712因此在电极720、722之间提供类似于含电解质的流体介质的电流载运介质。然而，聚合物材料710的间置式部分712可具有比典型含电解质流体介质大的电阻。由于间置式部分712的相对高电阻，在电极之间输送的电流引起跨越间置式部分712的电压降。然而，通过将工作电极720配置为具有充分小的尺寸(例如，具有小于25微米的宽度w1)，在电极720与722之间输送的电流可为充分小的，使得由聚合物材料710的间置式部分712的电阻引起的电压降对电化学传感器的操作无关紧要。
当在两个电极之间输送此电流时，穿过两个电极720、722的电流密度与相应电极720、722的面积成反比。因此，参考电极722经历比工作电极720小的电流密度(例如，至少为五分之一)。较小电流密度允许参考电极722上的电压相对较少受所输送电流影响，且借此方便恒电位仪(或其它控制模块)在电极720、722之间施加稳定电压差同时通过工作电极测量安培电流的操作。
试剂层724可局部化于接近工作电极720处。试剂层724可使双电极电化学传感器对所关注分析物敏感。举例来说，可采用葡萄糖氧化酶来通过催化葡萄糖氧化以产生接着在工作电极720处氧化的过氧化氢而检测葡萄糖。举例来说，试剂层724可经固定以完全或部分地环绕工作电极720。在一些实施例中，试剂层724可固定于仅接近工作电极720而不接近参考电极722处。在一些实施例中，试剂层可经叠覆以覆盖电极720、722两者。
图7B图解说明双电极电化学传感器中的电极的实例性非共面布置。特定来说，图7B展示安装于由一层聚合物材料740覆盖的衬底760上的电极的透视横截面图。因此，双电极电化学传感器包含工作电极750及参考电极752，且聚合物材料740包含覆盖电极750、752的一部分741(由虚线指示)。在一些实例中，聚合物材料740具有可为经配置以接触安装到眼睛的角膜表面的表面的经暴露表面742，类似于上文结合图2所论述的眼睛安装式装置210的凹表面226。经暴露表面742还可适合于在将聚合物材料的相对表面(类似于上文结合图2所论述的眼睛安装式装置210的凸表面224)接触安装到眼睛时避免干涉眼睑运动。因此，电极750、752可安装到衬底760的面向眼睛表面及/或面向外表面。
衬底760可成形为适合于安装于眼睛安装式聚合物材料内的扁平环，类似于上文所描述的衬底。参考电极752及工作电极750安装到衬底740，为非共面的。即，电极750、752可安装为工作电极750堆叠于参考电极752上方，使得与工作电极750相比，工作电极750距聚合物材料740的经暴露表面742的距离更大。因此，在将经暴露表面742安装于眼睛上的情况下，与参考电极752相比，工作电极750通过将两个电极750、752分离的距离d2更靠近于眼睛的表面。因此，横向于两个电极750、752的平面测量所述两个电极之间的间距距离d2。
工作电极750及参考电极752的尺寸可分别类似于上文结合图7A所描述的工作电极720及参考电极722的尺寸。举例来说，参考电极752的面积可为工作电极750的面积的至少五倍大。
电极750、752之间的电流可穿过聚合物材料740的间置式部分762输送。电流可以类似于上文结合图7A所描述的间置式部分712的方式穿过间置式部分762在电极750、752之间以离子方式载运。
试剂层754可局部化于接近工作电极750处。试剂层754可使双电极电化学传感器对所关注分析物敏感。举例来说，可采用葡萄糖氧化酶来通过催化葡萄糖氧化以产生接着在工作电极750处氧化的过氧化氢而检测葡萄糖。举例来说，试剂层754可经固定以完全或部分地环绕工作电极750。在一些实施例中，试剂层754可固定于仅接近工作电极750而不接近参考电极752处。在一些实施例中，试剂层可经叠覆以覆盖电极750、752两者。
上文结合图6A、6B、7A及7B所描述的电极布置可采用于本文中所描述的电化学传感器中的任一者中。此外，本发明的一些实施例可包含组合来自结合图6A所论述的平行棒布置及来自结合图6B所论述的同心环布置的若干方面的电极布置。另外或替代地，本发明的一些实施例可包含组合来自结合图7A所论述的共面布置及来自结合图7B所论述的非共面布置的若干方面的电极布置。举例来说，结合图5所描述的电化学分析物传感器的电极520、522可布置为非共面扁平环(举例来说，如结合图6A及7B所描述)或布置为大致共面平行棒(举例来说，如结合图6B及7A所描述)。类似地，结合图2及3所描述的电化学传感器260及320可以类似于图6A中的电极620、622，图6B中的电极630、632，图7A中的电极720、722及/或图7B中的电极750、752布置的传感器电极来实施。
当将呈本文中所描述的配置中的任一者的工作电极的尺寸制成充分小(例如，小于25微米、约10微米或小于10微米的宽度)时，通过工作电极的电流可在nA范围内。在此低电流下，在这些电极处诱发的扩散层厚度非常小(大约几微米)。因此，分析物到电极的扩散极高效，且可获得稳定状态电流。在一些实施例中，分析物的所诱发消耗(电解)也降低，且可实现传感器的连续操作模式。与小尺寸的工作电极相关联的相对小扩散层还可减小与分析物到电极表面的质量传送相关联的不利效应，例如由分析物的不规则质量传送引起的噪声。
通过将工作电极配置为具有充分小的尺寸(例如，小于25微米、约10微米或小于10微米的宽度)，可有益地减小由于电极-电解质界面的电容性效应产生的充电电流。这是因为电容性电流与与电极面积成比例。
大体来说，将工作电极配置为具有小于25微米(或小于10微米)的尺寸的微电极可提供胜过较大尺寸的电极的各种优点。此外，与微电极大小的工作电极相关联的较小电流使其特别适合于其在具有高电阻的介质(例如可用于本文中所描述的眼睛安装式装置中的聚合物材料)中的使用。
尽管本文中已揭示了各个方面及实施例，但所属领域的技术人员将明了其它方面及实施例。本文中所揭示的各个方面及实施例均是出于图解说明的目的且并不打算加以限制，其中真实范围由所附权利要求书指示。

Claims (22)

1.一种眼睛安装式装置，其包括：
透明聚合物材料，其具有凹表面及凸表面，其中所述凹表面经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应；
衬底，其至少部分地嵌入于所述聚合物材料内；
天线，其安置于所述衬底上；
双电极电化学传感器，其安置于所述衬底上且包含：
工作电极，其具有小于25微米的至少一个尺寸；及
参考电极，其具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积；及
控制器，其电连接到所述电化学传感器及所述天线，其中所述控制器经配置以：(i)在所述工作电极与所述参考电极之间施加电压，所述电压足以产生与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；及(iii)使用所述天线来指示所述所测量安培电流，
其中所述透明聚合物材料的一部分至少部分地环绕所述工作电极及所述参考电极，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述透明聚合物材料的所述至少部分环绕部分。
2.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述电化学传感器嵌入于所述透明聚合物材料内，使得所述所测量安培电流是基于扩散穿过所述透明聚合物材料以在所述工作电极处引起电化学反应的所述分析物的量。
3.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述工作电极设置于充分接近所述凹表面处以在将所述透明聚合物材料安装于所述角膜表面上时检测在间置于所述角膜表面与所述凹表面之间的泪膜层中溶解的所述分析物的量。
4.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述工作电极为具有大致等于10微米的至少一个尺寸的微电极。
5.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述工作电极为具有小于10微米的至少一个尺寸的微电极。
6.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述工作电极及所述参考电极各自安置于所述衬底上以便大致共面。
7.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述工作电极安置于所述衬底上在比所述参考电极距所述凹表面更近的距离处，使得所述工作电极与所述参考电极不共面。
8.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其进一步包括选择性地与所述分析物反应的试剂，其中所述试剂被局部化于接近所述工作电极处。
9.根据权利要求8所述的眼睛安装式装置，其中所述试剂被局部化于远离所述参考电极处。
10.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其进一步包括安置于所述衬底上且电连接到所述天线及所述控制器的电力供应器，其中所述电力供应器经配置以将来自由所述天线接收的射频辐射的功率转换为电力且将所述电力供应到所述控制器。
11.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述控制器经配置以通过调制所述天线的阻抗而指示所述所测量安培电流。
12.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述电化学传感器设置于所述衬底的安装表面上在接近所述聚合物材料的所述凹表面处。
13.根据权利要求1所述的眼睛安装式装置，其中所述聚合物材料为实质上透明视力矫正镜片且经成形以提供预定视力矫正光学倍率。
14.一种系统，其包括：
眼睛安装式装置，其包含：
透明聚合物材料，其具有凹表面及凸表面，其中所述凹表面经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应；
衬底，其至少部分地嵌入于所述聚合物材料内；
天线，其安置于所述衬底上；
双电极电化学传感器，其安置于所述衬底上且包含：
工作电极，其具有小于25微米的至少一个尺寸；及
参考电极，其具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积；及
控制器，其电连接到所述电化学传感器及所述天线，其中所述控制器经配置以：(i)在所述工作电极与所述参考电极之间施加电压，所述电压足以产生与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关的安培电流；(ii)测量所述安培电流；及(iii)使用所述天线来指示所述所测量安培电流，
其中所述透明聚合物材料的一部分环绕所述工作电极及所述参考电极，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述透明聚合物材料的所述至少部分环绕部分；及
读取器，其包含：
一或多个天线，其经配置以：
发射射频辐射以给所述眼睛安装式装置供电，及
经由在所述一或多个天线处接收的反向散射辐射而接收对所述所测量安培电流的指示；及
处理系统，其经配置以基于所述反向散射辐射确定泪膜分析物浓度值。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述工作电极设置于充分接近所述凹表面处以在将所述透明聚合物材料安装于所述角膜表面上时检测在间置于所述角膜表面与所述凹表面之间的泪膜层中溶解的所述分析物的量。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述工作电极为具有大致等于10微米的至少一个尺寸的微电极。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述工作电极为具有小于10微米的至少一个尺寸的微电极。
18.根据权利要求14所述的系统，其中所述工作电极及所述参考电极各自安置于所述衬底上以便大致共面。
19.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括选择性地与所述分析物反应的试剂，其中所述试剂被局部化于接近所述工作电极处。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述眼睛安装式装置进一步包含安置于所述衬底上且电连接到所述天线及所述控制器的电力供应器，其中所述电力供应器经配置以将来自由所述天线接收的射频辐射的功率转换为电力且将所述电力供应到所述控制器，
其中所述控制器经配置以通过调整包含于所述眼睛安装式装置中的所述天线的阻抗而指示所述所测量安培电流，且
其中所述读取器经配置以无线地感测所述天线的所述阻抗。
21.一种方法，其包括：
在工作电极与参考电极之间施加足以在所述工作电极处引起电化学反应的电压，其中所述工作电极及所述参考电极嵌入于具有凹表面及凸表面的眼睛安装式装置内，其中所述凹表面经配置以可移除地安装于角膜表面上且所述凸表面经配置以在如此安装所述凹表面时与眼睑运动相适应，其中所述工作电极具有小于25微米的至少一个尺寸且所述参考电极具有为所述工作电极的面积的至少五倍大的面积，且其中所述工作电极及所述参考电极布置于所述眼睛安装式装置中，使得所述电化学反应与所述眼睛安装式装置所暴露到的流体中的分析物的浓度相关；
在施加所述电压时，通过所述工作电极测量安培电流，其中所述眼睛安装式装置包含聚合物材料，所述聚合物材料具有至少部分地环绕所述工作电极及所述参考电极的一部分，使得在所述工作电极与所述参考电极之间输送的电流通过所述至少部分环绕部分；及
经由嵌入于所述眼睛安装式装置内的天线无线地指示所述所测量安培电流。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述工作电极为具有小于或大致等于10微米的至少一个尺寸的微电极。
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