CN1161602C - 极小侵入的侵入式传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种极小侵入的侵入式传感器，以及它的使用方法，该传感器利用在其上具有一个局部纹理位点(13，14或15)的光导纤维(10，11或12)，其中在局部纹理位点沉积一种试剂(31)。试剂与一种和该试剂专一的分析物相互作用产生一种反应，如有色生成物的显色，它依靠通过光纤可传输的光束(16)的特性变化是可检测的。利用这种纹理位点以及其增加的表面积，装置的灵敏度大大地增强，以致只需要小于5微升的流体用于分析。这种传感器在血液中葡萄糖测定中特别有用，比扁平带装置(flat strip device)需要较小的血液样本。

Description

极小侵入的侵入式传感器

本发明涉及到一种测定流体中分析物的传感器装置，尤其是涉及到一种用来测量血液中与生物流体中的葡萄糖和其它分析物的极小侵入的侵入式传感器。

在含水流体中化学与生化成分的定量，尤其是在生物流体如全血或者尿以及生物流体衍生物例如血清和血浆的定量，其重要性日益提高。在医学诊断和治疗中以及暴露在治疗药品，麻醉剂，危险化学制品等中的定量有大量的应用。这些应用包括检测和定量种类日益增加的某些循环抗体，与癌有关的代谢物，遗传地衍生的化学示踪剂，以及在例如怀孕期间释放的荷尔蒙。在许多例子中，被确定物质的量是很少的--在一个微克或小于每分升的范围内--并只有熟练的实验人员操作复杂的装置才能容易地分析出来。在这些情况下，采样后的几小时或几天才出来的这些结果一般是不能利用的。另其他例子中，经常强调的是外行操作员例行公事地，迅速地进行分析检测的能力以及在非实验室设置中的重现性，而迅速或立即显示出信息。

糖尿病患者血液葡萄糖含量的检测是一种普通的医学检测。现行学说建议对糖尿病患者，根据他们各自病情的特点和严重性每天测量他们血液葡萄糖的含量2到7次。根据在检测的血液葡萄糖含量中观察的模式，该患者与医生一起调整饮食，体育锻炼以及摄入胰岛素以便更好地控制该疾病。显然，在采样的时候这些信息对于患者应该是可以利用的。

这种葡萄糖测定一般需要用柳叶刀刺穿糖尿病患者手指的皮肤，接着挤或压出血滴。然后将血滴放在试剂片或者测试条上。从刺破的手指方便地挤压出血量是通过柳叶刀刺破的大小和深度来控制的。切口太小导致要分析血样的量不足。在刺破过程中遭受的疼痛，疼痛的程度与柳叶刀刺破的大小和深度有关。遗憾的是，采用常规技术，柳叶刀的尺寸以及刺破的深度使患者遭受较重的疼痛。患者手指尖天天连续地用柳叶刀切开使糖尿病患者每天必须忍受一次或两次疼痛。然而，如果需要比此更频繁的检测，将引起患者不服从这样的严重问题。

如果能够显著地降低测定血糖的所需血滴大小，则刺破手指产生的疼痛能够因为较小的柳叶刀与/或减小切入手指肉的深度而大大地减小。这的确需要有一种适合于糖尿病患者使用，比现行装置和方法需要较少血样的分析采样方法，从而减小产生的疼痛。

测定在全血中的分析物通常包括利用固定在试剂片或多孔介质中的颜色-产生试剂的比色法确定。血液中红细胞或者其它有色成分的存在经常干扰这些测量。已经利用具有在其上特殊形成或层叠的过滤或膜层的试剂片来排除红细胞与/或其它血细胞成分，这将增加这种装置的复杂性，也增加必须使用的血量。因此，除了需要较小的血样外，还需要有一种排除血液和体液的细胞成分而不增加流体采样量的方法。

本发明的目的是提供一种检测和测定全血和其它生物流体中的分析物的极小侵入的侵入方法。关于全血，本发明的另一个目的是提供一种能够检测和/或定量这些分析物而在血液接触该装置之前不需要先前的除去细胞血液成分步骤的装置。

本发明的另一个目的是提供一种能够检测和/或定量一滴体液中的多种分析物的装置。

本发明的另一个目的是提供给糖尿病患者一种显著降低为葡萄糖分析提供有效血样产生的疼痛的分析血液葡萄糖浓度的方法。

对本领域技术人员来说，从本发明下面所提供的实施例的详细描述中将更清楚本发明的这些和其它目的。

这种新式的传感器是用作诊断分析，包括具有局部纹理表面位点的光导纤维，在光纤上，或在该局部纹理位点内沉积有分析物-反应试剂，当与含易与它们反应的分析物的流体接触时，这些试剂产生可观察的物理或化学反应，通过在一个或多个频率改变经过光纤的传输光的光束特性其中的物理或化学反应是可观察的和/或可定量的。尤其是，提供与这些属性一致的新式传感器，其中流体的某些胶质或细胞成分进入到纹理表面点的渗透被纹理限制或者禁止。

本发明的范例是一种光导纤维，该光导纤维具有一个位点位于沿着其长或者在其末端的地方，这个位点依靠离子束溅蚀结构化为一个锥型区域，该锥型区域突起之间的空间被有效地变窄以限制或禁止红细胞进入锥型突起之间的开口，一种分析物-反应试剂沉积在锥型区域内，其产生一个由经过光纤可传输光能检测出的反应。由于试剂沉积在锥型区域上，或在其内，通过改变在光纤中通过的光束频率或幅度改变可测量颜色反应表现的程度，该反应就是一个在锥形区域内与血糖反应的比色反应。

再者本发明的范例是一种类似应用的由有机聚合合成物组成的光导纤维，其中纹理表面由位于局部位点等离子体的蚀刻而产生，分析物-反应试剂沉积在等离子体蚀刻的纹理表面。

还有本发明的范例是一种测量流体中分析物的方法，例如全血中的葡萄糖，包括将一种流体与在其上具有局部纹理位点的光导纤维引入并与之接触，一种沉积在光纤上纹理位点内分析物-反应试剂，以及使得这种试剂与流体中分析物相互作用，因此而产生由光可检测的可观察的物理或化学反应。作为这种方法的一部分，至少一个频率的光束经过光纤传输通过纹理位点，并且对与流体中分析物的存在和浓度相关的光束特性(例如，频率或振幅)改变进行分析，依靠通过试剂的上述物理或化学反应是可以辨别出的。

附图描述：

图1是一个使具有纹理表面位点的纤维的示意图。

图2是一个光导纤维表面内部锥型区域的示意图。

图3是一个具有沉积试剂的锥型区域横截面，并连同附近红细胞在一起。

进行本发明的最好方式：

现在与参考附图一起进一步描述本发明。图1图解说明了本发明的一个普通实施方案。光导纤维10-12被加工以至于在不连续的，局部地方具有纹理的表面13-15。这样一种位点可以位于沿着各自光导纤维的任意点，如位点15，但是最好是位于或者靠近光纤的末端，如位点13-14。通过预切割光纤以便预定长度显然能获得光纤末端。该表面可以通过几种方法的一种来使其具有纹理，其包括物理磨蚀方法，化学蚀刻方法，通过高能光束来溅蚀或烧蚀方法，或者树状结构的沉积方法。每个光导纤维10-12的至少一端靠近位于用来向光纤长度方向发送光束16的光源。每个光导纤维的至少一端还位于靠近一个用来测量来自光纤的发射光17-19的光束特性的装置。后者一端可以与光束进入的初始端是同一端，也可以构成相同光纤的第二端。当一个单独光纤末端靠近光源和靠近用来测量光束特性的装置时，光测量取决于从一些点沿着或在光纤的第二端的光束17，18的反射。纹理表面13-15被处理以致于包含一种分析物-反应试剂(图1中没有显示)。或者是，通过纹理从外部光源的传输在光纤中捕获光。特别是，在纹理位点能够方便地利用由试剂-分析物相互作用产生的化学发光或者荧光反应，其中化学发光部分或者荧光发光进入光纤并且被传输到一个位于该纤维的一端用于检测和定量的装置中，如照度计。

图2提供一个放大的纹理光纤截面视图。一个纹理表面示意地被描述，在这种情况下一个阵列锥型突起21定义为一个锥型区域20，它在光纤的表面22通过部分移去表面22和下表面材料23来形成。这样可以由表面部位暴露到一个高能量光束，如一种电子束方便地形成一个锥型区域，用于溅蚀或者类似的烧蚀光纤基质材料。或者是，该锥型区域可以通过表面的化学蚀刻形成，接下来根据该光纤维组合物的性质，采用在半导体芯片制造中的一般技术。

图3显示一个典型锥型区域的横截面30，其中一种分析物-反应试剂的沉积物31已经方便地置于锥型突起32之间的间隙。在图3中还显示一个红细胞33(一种红色的血细胞)，它的尺寸相对于锥型区域的锥体之间的开口部分是大的，这样它能够通常只是偶然与锥型的最外部突起接触。在测定小的分析物如葡萄糖中，锥型区域中沉积的试剂与分析物容易接近，但是根据锥型区域模式选定的尺寸阻止这些红细胞接近。试剂沉积中的变化，如通过与分析物的反应有色的复合体的显色，能利用经过光纤基质传输的光束(由箭头34指示)来便利地检测。

在两个所提实施例的一个中，纹理表面以锥型区域的模式依靠离子束溅蚀的电子形成。这些技术能够用来修改陶瓷，金属以及塑料的表面形状。该产生的纹理一般是圆锥的或者高与宽几微米脊状的形式。术语“锥型区域”在此定义为包括多种纹理，它们不必只是特殊的锥型形状，也可以包括各种线性，盒状或者有棱角的突起阵列。这些阵列通常起因于溅蚀或烧蚀能量光束的设计以一种顺序的形式排列，但是必须整体或者部分随机性的阵列也是有利的，并且它们被认为包括在这个“锥型区域”的定义中。

在另外两个优选的实施例中，纤维表面通过用原子氧蚀刻形成为纹理模式。原子氧易于从有机聚合光纤表面不均匀地去除材料，这样该表面微小外形一般变得相当粗糙。这个结果为试剂的化学附着或物理粘结增加了可利用的表面积。原子氧的产生可以由几种已知的方法来完成，它们包括射频，微波，或者通过氧或氧与其它气体的混合物来直流放电。也可以利用氧的直接光束如电子共振等离子源，就如根据在美国专利号Pat.5,560,781公开的用于从着色艺术品中去除有机涂层那样，该专利在此引入本文作为参考。光纤的原子氧蚀刻已经被描述为一种在光动力治疗中做作光学纤维扩散体。在这样的光学纤维扩散体中，允许光从光纤经粗糙的表面通过向外扩散选出光导纤维。然而，如本发明中描述，被检测的光从粗糙表面的地方经过光纤向远处传输。这束光，通过光纤的纹理部位或者从纹理表面反射回来，因与分析物-反应试剂接触的界面效应来改变，特别是当这种试剂在光纤的表面上产生一种有色的或者不透明的反应产物时。

分析物-反应试剂可以是许多分析物-检测系统中的一个。对于血糖的测定，该分析物-检测系统最好是一种包括过氧化酶和颜色-生成化学成色剂的组合物。用来测定血糖的这种化学系统的许多化合物都公开和发表在美国专利号Pat.4,935,346，该专利在此引入本文作为参考。对于抗原，抗体，酶，酶抑制物，以及各种其它生物化学剂，可以实现将亲和配基附着到纹理表面上。这里，经过光纤传输的光受在纹理光纤表面上产生的亲和复合物显色的影响。或者是，可以利用化学发光或者荧光技术增强在纹理表面上特定生物分子亲和吸附亮度，一部分化学发光或者荧光被捕获并且经过光纤传送给一个检测器。配合基经过共价结合附着到聚合表面，这在亲和膜的技术中是公知的。

至于它的极小侵入的特点，这样能大大地增加能够沉积和保留的分析物-反应试剂的水平，本发明的主要优点是在一个非常小的，局部的区域存在一个大的表面积。例如，假设直径100微米(0.1mm)的光导纤维在其末端具有约0.00785mm²的横截面积。如果一种分析物-反应试剂被包覆到这个末端，并且还包覆距末端2.0mm面积的光纤外围区域，约0.0785mm²的总面积将适于试剂的沉积。然而，如果后者的面积(光纤外围)首先使其具有锥型区域的结构，锥型末端直径1微米以及锥体之间深5微米，则总的可用表面积变成大于0.85mm²，这就表明试剂的沉积与上述第一个例比较，至少在可用面积上增加100-倍，对于试剂的沉积与上述第二个例比较在可用面积上增加多余10-倍。采用原子氧蚀刻的结构，与一个离子束模式锥形区域比较，可用表面积增加的更多。这种大表面的增加允许我们利用血滴，例如，这只需要浸湿光导纤维末端到2mm高，更优选的只有1mm高。这样一滴血液有1到5微升的容量，更通常的是1到2.5微升。相反地，糖尿病患者使用的现行的血液葡萄糖传感器需要约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，在此描述的装置仅需要大约现行的血液葡萄糖传感器流体容量的1/5或者1/10。

在本发明使用的所优选的方法中，一种在其上具有纹理位点的光导纤维位于光源附近用来传输进入光纤的光束，并且还邻近用于分析发自光纤一端的光束特性的一个装置。在一个最优选的实施方案中，光的输入与发射两者都是在预定长度光纤的一端，而纹理位点在光纤的相反端。纹理表面位点首先注入分析物-反应试剂。然后用流体浸湿纹理位点，例如用一小滴血在这个位点的接触光纤。试剂与化学分析的相互作用，假如有的话，在该流体中能够发生的，在纹理位点产生一种可观测的物理或化学变化。从而通过纹理位点区域中光纤的光在其特性例如频率和幅度上变化，这些可检测的和更适宜定量的一个或者多个变化通过装置用来分析光纤发出的光。

因此，想测量其血糖水平的糖尿病患者可用柳叶刀刺破手指的皮肤，刺破的尺寸与深度要在产生最低水平的相关疼痛情况下提供一个最小的尺寸血滴。然后患者将最好将纹理光纤触及到血滴，光纤方便地预先固定到一个测量装置。然后患者将读取和记录其由最小尺寸血滴浸湿纹理表面地方而确定的血液葡萄糖浓度。

虽然本发明已经在糖尿病患者全血中的葡萄糖确定的上下文中特别地进行了描述，本发明也可以用在其他分析物的确定中，或多于一个分析物-反应试剂而同时测定两个或更多的分析物中。此外，两个或更多的分析可以方便地通过利用两根或多根光纤作为一束来实现，其中光纤束的多个末端被引入与一个血液滴接触。这样，虽然本发明目前预期的优选的形式如已经表示在附图和描述中，但因为在优选的实施方案中的变化对那些本领域技术人员是明显的，本发明不应该限制在所示和所描述的特殊形式，而是应该象权利要求书阐明的那样。

Claims (16)

1.一种含光纤(10)的传感器，该光纤具有通过原子氧蚀刻制备的纹理表面位点(13)和一种沉积在光纤的所述位点上的分析物-反应试剂(31)，所述试剂能够与流体内所含的所述分析物的接触产生一种物理或化学反应，所述反应通过可经由光纤传输的光束(16)的特性改变可以观察到。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述纹理表面位点通过与一滴流体接触而被完全浸湿，所述一滴流体具有的初始采样体积约为1到5微升。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于所述纹理表面位点靠近所述光纤的一端。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于所述纹理表面位点通过与一滴流体接触而被完全浸湿，所述一滴流体具有的初始采样体积为1到2.5微升。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述反应包括通过所述试剂与所述分析物相互作用产生有色物质。

6.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于所述反应包括通过所述试剂与所述分析物相互作用产生有色物质。

7.一种检测体液中分析物的装置，该装置包括一个光源，一个光检测器，以及一个具有第一和第二末端的光纤(10)的装置，所述光纤具有通过原子氧蚀刻制备并具有锥形区域外周的纹理表面位点(13)和一种沉积在光纤的所述位点上的分析物-反应试剂(31)，所述试剂与含所述分析物的一滴流体接触产生一种物理或化学反应，所述一滴流体具有的初始采样体积为1到5微升，光源发出的光束由光纤传输，到达所述的检测器，所述反应通过经过光纤传输的光束(16)的特性改变观察到。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光源和所述检测器位于靠近所述光纤的第一末端，以及一部分从所述光源传输到所述光纤的光束是从所述光纤的第二末端反射回所述检测器。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光源和所述检测器位于所述光纤的相反的末端，以及一部分从所述光源传输到所述光纤的光束是从所述检测器可观察的。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述纹理位点靠近在检测器附近的所述光纤的末端。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述纹理位点是靠近所述光纤的任一末端。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述检测器是靠近所述光纤的第一末端，该纹理位点是靠近所述光纤的第二末端，以及来自该光源的光包括一种所述试剂和所述分析物之间相互作用产生的化学发光或荧光。

13.一种分析流体中分析物的方法，包括引导一滴初始采样体积约为1到5微升的流体与具有通过原子氧蚀刻制备的纹理表面位点(13)的光纤(10)和在所述光纤(10)的所述纹理表面位点(13)上沉积的分析物-反应试剂(31)接触，所述纹理表面位点(13)包括锥形区域外周；通过所述试剂与所述分析物的相互作用产生一种物理或化学反应；光源发出的光束(16)由所述光纤传输到达检测器，通过所述纹理表面位点的区域中的光束特性的变化检测所述反应；以及所述变化是与流体中所述分析物的存在相关的。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述变化与流体中所述分析物的浓度相关。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于被引导与所述光纤接触的流体的初始采样体积在1到2.5微升。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于该流体是血液而该分析物是葡萄糖。

Images