專利名稱：極小侵入的侵入式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(xué)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(yī)學(xué)診斷和治療中以及暴露在治療藥品，麻醉劑，危險(xiǎn)化學(xué)制品等中的定量有大量的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括檢測和定量種類日益增加的某些循環(huán)抗體，與癌有關(guān)的代謝物，遺傳地衍生的化學(xué)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(zhì)的量是很少的—在一個(gè)微克或小于每分升的范圍內(nèi)--并只有熟練的實(shí)驗(yàn)人員操作復(fù)雜的裝置才能容易地分析出來。在這些情況下，采樣后的幾小時(shí)或幾天才出來的這些結(jié)果一般是不能利用的。另其他例子中，經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的是外行操作員例行公事地，迅速地進(jìn)行分析檢測的能力以及在非實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中的重現(xiàn)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(yī)學(xué)檢測?，F(xiàn)行學(xué)說建議對(duì)糖尿病患者，根據(jù)他們各自病情的特點(diǎn)和嚴(yán)重性每天測量他們血液葡萄糖的含量2到7次。根據(jù)在檢測的血液葡萄糖含量中觀察的模式，該患者與醫(yī)生一起調(diào)整飲食，體育鍛煉以及攝入胰島素以便更好地控制該疾病。顯然，在采樣的時(shí)候這些信息對(duì)于患者應(yīng)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。然后將血滴放在試劑片或者測試條上。從刺破的手指方便地?cái)D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(dǎo)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(guān)。遺憾的是，采用常規(guī)技術(shù)，柳葉刀的尺寸以及刺破的深度使患者遭受較重的疼痛?；颊呤种讣馓焯爝B續(xù)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(yán)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(chǎn)生的疼痛能夠因?yàn)檩^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于糖尿病患者使用，比現(xiàn)行裝置和方法需要較少血樣的分析采樣方法，從而減小產(chǎn)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(zhì)中的顏色-產(chǎn)生試劑的比色法確定。血液中紅細(xì)胞或者其它有色成分的存在經(jīng)常干擾這些測量。已經(jīng)利用具有在其上特殊形成或?qū)盈B的過濾或膜層的試劑片來排除紅細(xì)胞與/或其它血細(xì)胞成分，這將增加這種裝置的復(fù)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(xì)胞成分而不增加流體采樣量的方法。
本發(fā)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(guān)于全血，本發(fā)明的另一個(gè)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(xì)胞血液成分步驟的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)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(fā)明的另一個(gè)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(chǎn)生的疼痛的分析血液葡萄糖濃度的方法。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，從本發(fā)明下面所提供的實(shí)施例的詳細(xì)描述中將更清楚本發(fā)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(diǎn)的光導(dǎo)纖維，在光纖上，或在該局部紋理位點(diǎn)內(nèi)沉積有分析物-反應(yīng)試劑，當(dāng)與含易與它們反應(yīng)的分析物的流體接觸時(shí)，這些試劑產(chǎn)生可觀察的物理或化學(xué)反應(yīng)，通過在一個(gè)或多個(gè)頻率改變經(jīng)過光纖的傳輸光的光束特性其中的物理或化學(xué)反應(yīng)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(zhì)或細(xì)胞成分進(jìn)入到紋理表面點(diǎn)的滲透被紋理限制或者禁止。
本發(fā)明的范例是一種光導(dǎo)纖維，該光導(dǎo)纖維具有一個(gè)位點(diǎn)位于沿著其長或者在其末端的地方，這個(gè)位點(diǎn)依靠離子束濺蝕結(jié)構(gòu)化為一個(gè)錐型區(qū)域，該錐型區(qū)域突起之間的空間被有效地變窄以限制或禁止紅細(xì)胞進(jìn)入錐型突起之間的開口，一種分析物-反應(yīng)試劑沉積在錐型區(qū)域內(nèi)，其產(chǎn)生一個(gè)由經(jīng)過光纖可傳輸光能檢測出的反應(yīng)。由于試劑沉積在錐型區(qū)域上，或在其內(nèi)，通過改變?cè)诠饫w中通過的光束頻率或幅度改變可測量顏色反應(yīng)表現(xiàn)的程度，該反應(yīng)就是一個(gè)在錐形區(qū)域內(nèi)與血糖反應(yīng)的比色反應(yīng)。
再者本發(fā)明的范例是一種類似應(yīng)用的由有機(jī)聚合合成物組成的光導(dǎo)纖維，其中紋理表面由位于局部位點(diǎn)等離子體的蝕刻而產(chǎn)生，分析物-反應(yīng)試劑沉積在等離子體蝕刻的紋理表面。
還有本發(fā)明的范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(diǎn)的光導(dǎo)纖維引入并與之接觸，一種沉積在光纖上紋理位點(diǎn)內(nèi)分析物-反應(yīng)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(chǎn)生由光可檢測的可觀察的物理或化學(xué)反應(yīng)。作為這種方法的一部分，至少一個(gè)頻率的光束經(jīng)過光纖傳輸通過紋理位點(diǎn)，并且對(duì)與流體中分析物的存在和濃度相關(guān)的光束特性(例如，頻率或振幅)改變進(jìn)行分析，依靠通過試劑的上述物理或化學(xué)反應(yīng)是可以辨別出的。
附圖描述

圖1是一個(gè)使具有紋理表面位點(diǎn)的纖維的示意圖。
圖2是一個(gè)光導(dǎo)纖維表面內(nèi)部錐型區(qū)域的示意圖。
圖3是一個(gè)具有沉積試劑的錐型區(qū)域橫截面，并連同附近紅細(xì)胞在一起。
進(jìn)行本發(fā)明的最好方式現(xiàn)在與參考附圖一起進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖1圖解說明了本發(fā)明的一個(gè)普通實(shí)施方案。光導(dǎo)纖維10-12被加工以至于在不連續(xù)的，局部地方具有紋理的表面13-15。這樣一種位點(diǎn)可以位于沿著各自光導(dǎo)纖維的任意點(diǎn)，如位點(diǎn)15，但是最好是位于或者靠近光纖的末端，如位點(diǎn)13-14。通過預(yù)切割光纖以便預(yù)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(xué)蝕刻方法，通過高能光束來濺蝕或燒蝕方法，或者樹狀結(jié)構(gòu)的沉積方法。每個(gè)光導(dǎo)纖維10-12的至少一端靠近位于用來向光纖長度方向發(fā)送光束16的光源。每個(gè)光導(dǎo)纖維的至少一端還位于靠近一個(gè)用來測量來自光纖的發(fā)射光17-19的光束特性的裝置。后者一端可以與光束進(jìn)入的初始端是同一端，也可以構(gòu)成相同光纖的第二端。當(dāng)一個(gè)單獨(dú)光纖末端靠近光源和靠近用來測量光束特性的裝置時(shí)，光測量取決于從一些點(diǎn)沿著或在光纖的第二端的光束17，18的反射。紋理表面13-15被處理以致于包含一種分析物-反應(yīng)試劑(圖1中沒有顯示)?；蛘呤牵ㄟ^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(diǎn)能夠方便地利用由試劑-分析物相互作用產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光或者熒光反應(yīng)，其中化學(xué)發(fā)光部分或者熒光發(fā)光進(jìn)入光纖并且被傳輸?shù)揭粋€(gè)位于該纖維的一端用于檢測和定量的裝置中，如照度計(jì)。
圖2提供一個(gè)放大的紋理光纖截面視圖。一個(gè)紋理表面示意地被描述，在這種情況下一個(gè)陣列錐型突起21定義為一個(gè)錐型區(qū)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(gè)高能量光束，如一種電子束方便地形成一個(gè)錐型區(qū)域，用于濺蝕或者類似的燒蝕光纖基質(zhì)材料?；蛘呤?，該錐型區(qū)域可以通過表面的化學(xué)蝕刻形成，接下來根據(jù)該光纖維組合物的性質(zhì)，采用在半導(dǎo)體芯片制造中的一般技術(shù)。
圖3顯示一個(gè)典型錐型區(qū)域的橫截面30，其中一種分析物-反應(yīng)試劑的沉積物31已經(jīng)方便地置于錐型突起32之間的間隙。在圖3中還顯示一個(gè)紅細(xì)胞33(一種紅色的血細(xì)胞)，它的尺寸相對(duì)于錐型區(qū)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(qū)域中沉積的試劑與分析物容易接近，但是根據(jù)錐型區(qū)域模式選定的尺寸阻止這些紅細(xì)胞接近。試劑沉積中的變化，如通過與分析物的反應(yīng)有色的復(fù)合體的顯色，能利用經(jīng)過光纖基質(zhì)傳輸?shù)墓馐?由箭頭34指示)來便利地檢測。
在兩個(gè)所提實(shí)施例的一個(gè)中，紋理表面以錐型區(qū)域的模式依靠離子束濺蝕的電子形成。這些技術(shù)能夠用來修改陶瓷，金屬以及塑料的表面形狀。該產(chǎn)生的紋理一般是圓錐的或者高與寬幾微米脊?fàn)畹男问健Ｐg(shù)語“錐型區(qū)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，盒狀或者有棱角的突起陣列。這些陣列通常起因于濺蝕或燒蝕能量光束的設(shè)計(jì)以一種順序的形式排列，但是必須整體或者部分隨機(jī)性的陣列也是有利的，并且它們被認(rèn)為包括在這個(gè)“錐型區(qū)域”的定義中。
在另外兩個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，纖維表面通過用原子氧蝕刻形成為紋理模式。原子氧易于從有機(jī)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(dāng)粗糙。這個(gè)結(jié)果為試劑的化學(xué)附著或物理粘結(jié)增加了可利用的表面積。原子氧的產(chǎn)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(jù)在美國專利號(hào)Pat.5,560,781公開的用于從著色藝術(shù)品中去除有機(jī)涂層那樣，該專利在此引入本文作為參考。光纖的原子氧蝕刻已經(jīng)被描述為一種在光動(dòng)力治療中做作光學(xué)纖維擴(kuò)散體。在這樣的光學(xué)纖維擴(kuò)散體中，允許光從光纖經(jīng)粗糙的表面通過向外擴(kuò)散逸出光導(dǎo)纖維。然而，如本發(fā)明中描述，被檢測的光從粗糙表面的地方經(jīng)過光纖向遠(yuǎn)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(yīng)試劑接觸的界面效應(yīng)來改變，特別是當(dāng)這種試劑在光纖的表面上產(chǎn)生一種有色的或者不透明的反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)。
分析物-反應(yīng)試劑可以是許多分析物-檢測系統(tǒng)中的一個(gè)。對(duì)于血糖的測定，該分析物-檢測系統(tǒng)最好是一種包括過氧化酶和顏色-生成化學(xué)成色劑的組合物。用來測定血糖的這種化學(xué)系統(tǒng)的許多化合物都公開和發(fā)表在美國專利號(hào)Pat.4,935,346，該專利在此引入本文作為參考。對(duì)于抗原，抗體，酶，酶抑制物，以及各種其它生物化學(xué)劑，可以實(shí)現(xiàn)將親和配基附著到紋理表面上。這里，經(jīng)過光纖傳輸?shù)墓馐茉诩y理光纖表面上產(chǎn)生的親和復(fù)合物顯色的影響?；蛘呤牵梢岳没瘜W(xué)發(fā)光或者熒光技術(shù)增強(qiáng)在紋理表面上特定生物分子親和吸附亮度，一部分化學(xué)發(fā)光或者熒光被捕獲并且經(jīng)過光纖傳送給一個(gè)檢測器。配合基經(jīng)過共價(jià)結(jié)合附著到聚合表面，這在親和膜的技術(shù)中是公知的。
至于它的極小侵入的特點(diǎn)，這樣能大大地增加能夠沉積和保留的分析物-反應(yīng)試劑的水平，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)非常小的，局部的區(qū)域存在一個(gè)大的表面積。例如，假設(shè)直徑100微米(0.1mm)的光導(dǎo)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(yīng)試劑被包覆到這個(gè)末端，并且還包覆距末端2.0mm面積的光纖外圍區(qū)域，約0.0785mm2的總面積將適于試劑的沉積。然而，如果后者的面積(光纖外圍)首先使其具有錐型區(qū)域的結(jié)構(gòu)，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于0.85mm2，這就表明試劑的沉積與上述第一個(gè)例比較，至少在可用面積上增加100-倍，對(duì)于試劑的沉積與上述第二個(gè)例比較在可用面積上增加多余10-倍。采用原子氧蝕刻的結(jié)構(gòu)，與一個(gè)離子束模式錐形區(qū)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，這只需要浸濕光導(dǎo)纖維末端到2mm高，更優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)行的血液葡萄糖傳感器流體容量的1/5或者1/10。
在本發(fā)明使用的所優(yōu)選的方法中，一種在其上具有紋理位點(diǎn)的光導(dǎo)纖維位于光源附近用來傳輸進(jìn)入光纖的光束，并且還鄰近用于分析發(fā)自光纖一端的光束特性的一個(gè)裝置。在一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施方案中，光的輸入與發(fā)射兩者都是在預(yù)定長度光纖的一端，而紋理位點(diǎn)在光纖的相反端。紋理表面位點(diǎn)首先注入分析物-反應(yīng)試劑。然后用流體浸濕紋理位點(diǎn)，例如用一小滴血在這個(gè)位點(diǎn)的接觸光纖。試劑與化學(xué)分析的相互作用，假如有的話，在該流體中能夠發(fā)生的，在紋理位點(diǎn)產(chǎn)生一種可觀測的物理或化學(xué)變化。從而通過紋理位點(diǎn)區(qū)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(gè)或者多個(gè)變化通過裝置用來分析光纖發(fā)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(chǎn)生最低水平的相關(guān)疼痛情況下提供一個(gè)最小的尺寸血滴。然后患者將最好將紋理光纖觸及到血滴，光纖方便地預(yù)先固定到一個(gè)測量裝置。然后患者將讀取和記錄其由最小尺寸血滴浸濕紋理表面地方而確定的血液葡萄糖濃度。
雖然本發(fā)明已經(jīng)在糖尿病患者全血中的葡萄糖確定的上下文中特別地進(jìn)行了描述，本發(fā)明也可以用在其他分析物的確定中，或多于一個(gè)分析物-反應(yīng)試劑而同時(shí)測定兩個(gè)或更多的分析物中。此外，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)，其中光纖束的多個(gè)末端被引入與一個(gè)血液滴接觸。這樣，雖然本發(fā)明目前預(yù)期的優(yōu)選的形式如已經(jīng)表示在附圖和描述中，但因?yàn)樵趦?yōu)選的實(shí)施方案中的變化對(duì)那些本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的，本發(fā)明不應(yīng)該限制在所示和所描述的特殊形式，而是應(yīng)該象權(quán)利要求書闡明的那樣。
權(quán)利要求
1.一種含光導(dǎo)纖維(10)的傳感器，該光導(dǎo)纖維具有紋理表面位點(diǎn)(13)和一種沉積在光纖的所述位點(diǎn)上的分析物-反應(yīng)試劑(31)，所述試劑與流體內(nèi)所含的所述分析物的接觸產(chǎn)生一種物理或化學(xué)反應(yīng)，所述反應(yīng)通過經(jīng)過光纖可傳輸?shù)墓馐?16)的特性改變可以觀察到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述紋理位點(diǎn)被一種具有初始體積小于5微升的流體完全浸濕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于所述紋理位點(diǎn)靠近所述光纖的一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于所述紋理位點(diǎn)被一種具有初始體積在1到2.5微升范圍的流體完全浸濕。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述反應(yīng)包括通過所述試劑與所述分析物相互作用產(chǎn)生有色物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于所述反應(yīng)包括通過所述試劑與所述分析物相互作用產(chǎn)生有色物質(zhì)。
7.一種包括一個(gè)光源，一個(gè)光檢測器，以及一個(gè)具有第一和第二末端的光導(dǎo)纖維(10)的裝置，所述光纖具有紋理表面位點(diǎn)(13)和一種沉積在光纖的所述位點(diǎn)上的分析物-反應(yīng)試劑(31)，所述試劑與流體內(nèi)所含的所述分析物的接觸產(chǎn)生一種物理或化學(xué)反應(yīng)，所述反應(yīng)通過經(jīng)過光纖可傳輸?shù)墓馐?16)的特性改變是可以觀察的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述光源和所述檢測器位于靠近所述光纖的第一末端，以及一部分從所述光源傳輸?shù)剿龉饫w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(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述光源和所述檢測器位于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?shù)剿龉饫w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(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述紋理位點(diǎn)是靠近所述光纖的第二末端。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述紋理位點(diǎn)是靠近所述光纖的任一末端。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述檢測器是靠近所述光纖的第一末端，該紋理位點(diǎn)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(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光或熒光。
13.一種分析流體中分析物的方法，包括引導(dǎo)該流體與在其上具有紋理表面位點(diǎn)(13)的光導(dǎo)纖維(10)接觸，在所述光纖的所述位點(diǎn)上沉積一種分析物-反應(yīng)試劑(31)，通過所述試劑與所述分析物的相互作用產(chǎn)生一種物理或化學(xué)反應(yīng)，所述反應(yīng)通過光束的特性的變化是可檢測的，傳輸一個(gè)來自光源的光束(16)經(jīng)過所述光纖通過所述紋理位點(diǎn)，以及對(duì)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(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述變化與流體中所述分析物的濃度相關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于被引導(dǎo)與所述光纖接觸的流體的初始采樣體積小于5微升。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于被引導(dǎo)與所述光纖接觸的流體的初始采樣體積在1到2.5微升。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于該流體是血液而該分析物是葡萄糖。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于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(gè)局部紋理位點(diǎn)(13,14或15)的光導(dǎo)纖維(10,11或12),其中在局部紋理位點(diǎn)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(chǎn)生一種反應(yīng),如有色生成物的顯色,它依靠通過光纖可傳輸?shù)墓馐?16)的特性變化是可檢測的。利用這種紋理位點(diǎn)以及其增加的表面積,裝置的靈敏度大大地增強(qiáng),以致只需要小于5微升的流體用于分析。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(hào)G01N33/543GK1255196SQ98804888
公開日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1998年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月4日
發(fā)明者麥金利·諾米拉 申請(qǐng)人:內(nèi)奧梅克斯公司