專利名稱：用于液體的離子傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物、化學、工業(yè)或環(huán)境樣品中帶電粒種的傳感器。特別 地，本發(fā)明涉及用于測量樣品如血液中的帶電粒種濃度，特別是離子濃度 如鋰離子濃度的方法和傳感器。本發(fā)明也涉及用于制造這種傳感器的方 法。
背景技術：
無機離子是生命的基本需求，并發(fā)現(xiàn)其大量存在于飲用水、血液和有 機體的每個細胞中以及環(huán)境中。例如，細胞內(nèi)部和外部的許多離子如鈉、 鉀、鎂和鈣的濃度對任何生物機體來說是必不可少的。因此，動物和人類 的血液和血細胞中的離子濃度對大量機體功能也是非常重要的。
通常，鋰是存在血漿中的痕量元素，但可將它用作藥物來治療兩極性 精神障礙癥。據(jù)估計，全世界超過一百萬的人在日常用藥中攝取鋰。使用 鋰的缺點是極低的治療指數(shù)，即毒性濃度和治療濃度之間的比值。大部分
病人對0.4-1.2 mmol/L鋰濃度的血漿反應很好，而在1.6mmol/L以上的鋰 濃度發(fā)生毒性作用。長時間的高鋰水平血液甚至可以導致神經(jīng)系統(tǒng)的永久 性損傷，乃至死亡。因此，在治療中監(jiān)控鋰濃度是必要的，每兩個月進行 定期檢查以將鋰數(shù)量保持在期望水平。
為了避免操作者大量的手動處理，通常使用離子選擇性電極(ISEs) 來自動測量血液參數(shù)。這些離子選擇性電極是快速的并能提供大的動態(tài)量 程，但是，它們的響應是對數(shù)形式且對鋰所需要的高選擇性也是一個問題。 此外，在鋰中毒的情況下，需要一種血液分析的快速方法。目前，靜脈血 樣品必須通過特殊訓練的人員從病人抽取并運送到中心實驗室，在進行測 量之前需要除去血細胞。這一方法要花費45分鐘。為了減少樣品處理時間并能就地測量，使用離子敏感的場效應晶體管的小型裝置可用來測定全 血中鉀濃度和鈉濃度，如手握分析器。然而，這種分析器并不用于鋰測量， 因為與較小濃度的鋰離子相比，存在高基底濃度的其他帶電粒種，特別是 鈉離子。
全血中鋰的直接測定和血漿中無機陽離子的測定已經(jīng)描述和顯示在E.
Vrouwe等E7ec^qp/zoms^ 20似，25, /(560-7<567禾口 5/ecfra/ /zoms7s 2005, 26' 3W2-3似2中。使用確定樣品載荷的微芯片毛細管電泳(CE)并應用層析柱 偶聯(lián)原理，測定一滴全血中的堿金屬。指刺(finger stick)收集的血液傳 送到芯片上，無需浸出或除去組分。無需樣品預處理就能夠測定來自鋰治 療病人的血漿中的鋰濃度。使用具有導電率檢測的微芯片，已經(jīng)在 140mmol/L的鈉基質(zhì)中獲得了 0.1mmol/L的鋰檢測極限。
在這些公開內(nèi)容中，血樣的組分在微通道內(nèi)部電泳分離。雙T型注射 幾何結構用來選擇關心的離子組分并將它們導向檢測電極。
在這些系統(tǒng)中，樣品載荷不得不清楚限定以保證血槳組分正確分離在 雙T幾何結構中。此外，雙T幾何結構應用起來復雜并不很適合容易地使 用這些應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于樣品中帶電粒種濃度的測量方法，所述樣品具 有多種類型的帶電粒種和至少一種不溶組分。該方法包括提供樣品在部 分可滲透層的表面上；使樣品的組分穿過該部分可滲透層進入通道；并將 組分分離成部分，使得至少一個部分的每個基本上包含所述多種類型的帶 電粒種中的單一種類；且確定所述至少一個部分中的電荷濃度。
因此，本發(fā)明提供了一種方法，用于將樣品特別是生物樣品如血漿分 離成部分,每部分包含基本上一種或一組帶電粒種，并隨后確定該部分中帶 電粒種的濃度。
本發(fā)明也提供了一種樣品中帶電粒種濃度的測量裝置，所述樣品包括 多種類型的帶電粒種和至少一種不溶組分，該裝置包括至少一個帶有至少 一個開口的通道，覆蓋所述至少一個開口的部分可滲透層，沿開口每側至少一個通道上排列的至少兩個電泳電極，以及用于測量至少一個通道內(nèi)至 少一種帶電粒種的至少一個傳感器。
該方法和裝置特別適用于測量生物樣品如血漿的離子濃度。測量的離 子包括但不限制于鈉、鉀、鎂、鈣等。在本發(fā)明的一個應用中，樣品也可 包含鋰。這種情況下，優(yōu)選的待測量離子是鋰，但也可以是樣品中存在的
其他離子。本發(fā)明同樣適用于其他帶電粒種，例如脂類、DNA或其他高分 子電解質(zhì)或電荷傳送聚合物。
相對于第二種多種類型的帶電粒種，第一種多種類型的帶電粒種的濃 度是能夠確定的。第一種帶電粒種可以是鋰離子，第二種帶電粒種可以是 鈉離子，因此能夠確定樣品中鋰與鈉離子之間的比值。
至少一個通道可具有由部分可滲透的層覆蓋的單一開口。使用用于樣 品施加的單一開口 ，能夠有效地避免通道內(nèi)部的電子滲透壓力或液體壓力 和任何水動力流動。這樣，擴散為主要的或唯一的傳送機制。
在一實施方式中，至少一個通道在另外密封通道系統(tǒng)中可具有兩個開 口。使用液體壓力，通過從一個開口到另一個的對流實現(xiàn)了樣品注射。在 這種特定情況下， 一個開口覆蓋有樣品而另一個開口并沒有。
部分可滲透的層可以是膜，將樣品與至少一個通道分離開。該膜對離 子或其他帶電粒種可以是可滲透的，同時該膜對較大組分可以是不滲透 的。特別地，該膜是不滲透所述不溶組分的。該膜也可以是不滲透液體的 透氣膜。部分可滲透的層可以是設置在第一覆蓋層至少一個開口頂部或下 方的獨立層。
膜支架可用在第一覆蓋層上以放置第一覆蓋層上的膜。膜支架可以附 著，即粘合第一覆蓋層或直接形成在第一覆蓋層中。
可滲透的層也可以是被制成部分可滲透的第一覆蓋層的一個區(qū)域?？?滲透的層可包括至少一個具有親水性表面的區(qū)域。此外，可滲透的層或第 一覆蓋層可包括至少一個具有疏水性表面的區(qū)域。
可滲透的層也可由通道內(nèi)一個或多個孔組成。樣品因而可與通道內(nèi)的 溶液直接接觸。樣品也包括至少一種不溶組分，例如在生物樣品如通常血液中存在的 血、紅血球、白血球、血小板等的情況下。因此，本發(fā)明無需在先純化或 處理的情況下就能方便地測定全血中的離子濃度，因而避免了樣品的任何 實驗室預處理。因此本發(fā)明特別適合用于不需要特別訓練的醫(yī)師或醫(yī)療護 理人員的病人手術系統(tǒng)中。
至少一個傳感器包括一對或多對導電率電極，用于確定所述至少一個 部分內(nèi)的帶電粒種，該至少一個部分基本上包含所述多種類型的帶電粒種 的單一種類。例如，第一對導電率電極以相距至少一個開口的一定距離排 列在通道內(nèi)或其附近來測量第一極性的帶電粒種濃度。第二對導電率電極 可以排列在通道的相對端以測量與第一極性相對極性的第二帶電粒種的 濃度。
本發(fā)明也提供了一種用于測量樣品中帶電粒種濃度的裝置的制造方 法，所述方法包括提供一基底，形成進入到基底內(nèi)的通道，在基底上設置 第一覆蓋層，使得第一覆蓋層覆蓋通道，由此第一覆蓋層包括至少一個通 向通道的開口，并且在至少一個開口上設置部分可滲透的層。
使用該方法來制造該裝置，可以在將第一覆蓋層設置在基底之前、之 后或同時將第一覆蓋層設置在至少一個開口上。
在裝置使用之前，至少一個通道可充滿電解質(zhì)。在一實施方式中，填 充通道包括抽空和吸入電解質(zhì)到通道中。在第二覆蓋層覆蓋通道之前，將 電解質(zhì)裝入至少一個通道中。


.參閱附圖和優(yōu)選實施方式的詳細說明可更好地理解本發(fā)明，這僅僅是 示例性的，并不用來限制本發(fā)明，其中
圖la-ld顯示了本發(fā)明裝置的主要組件俯視圖，圖le顯示了裝配本發(fā) 明裝置的圖la-ld的組件的側視圖。
圖2更詳細地顯示了圖le的剖面圖。
圖3a-3f顯示了提供待測量樣品到圖2放大和詳細視圖的微通道中的 主要步驟。圖4a和4b分別顯示了本發(fā)明裝置實施例的俯視圖和側視圖。圖4c 和圖4d顯示了用于電導率檢測的電極結構，無接觸(圖4c)和接觸電導 率檢測(圖4c和圖4d)兩種是可實現(xiàn)的。圖4e顯示了例如在兩種不同的 測量溫度下兩種可能的基底測量信號。
圖5a和5b顯示了本發(fā)明的另一實施方式，圖5c顯示了相應測量信號 的實施例。
圖6a顯示了具有基本上為U形通道的裝置的另一實施方式。 圖6b顯示了單一通道中具有兩開口的又一實施方式。 圖7顯示了具有膜支架的本發(fā)明的又一實施方式。 圖8a和8b顯示了具有額外電極的本發(fā)明的一實施方式。 圖9a-9d例示了本發(fā)明的方法，其中，液體真空插入到通道內(nèi)。 圖10顯示了本發(fā)明的又一實施方式，其中，液體利用通道的第二開 口插入通道中。
在附圖中，相同的參考數(shù)字描述了相同或相似的物體。
具體實施例方式
圖la-ld顯示了本發(fā)明裝置的組件俯視圖。
本裝置包括其中形成有通道12的基底10，如圖la所示。基底10可 由玻璃或塑料材料制成?？梢允褂媚軌蛑圃焱ǖ?2的任何其他材料。在 玻璃作為基底材料的情況下，通道12在第一儲備器(reservoir) 14和第二 儲備器16之間刻蝕到基底中，且通道12的側壁涂覆有聚合物。通道12 具有亞厘米的尺寸，特別是通道12的寬度小于lcm，深度小于100|_im。 第一儲存器14和第二儲存器16的尺寸顯著地大于通道12的寬度(例如 lOOpm-lcm)，但可具有基本上相同的深度。通道12和第一儲存器14和 第二儲存器16在使用前可填充有電解質(zhì)。例如這可通過排空通道12、第 一儲存器14和第二儲存器16，然后使電解質(zhì)被吸入通道12、第一儲存器 14和第二儲存器16中來進行。第一儲存器14和第二儲存器例如能夠用于 平衡壓力差以保證通道12總是充滿電解質(zhì)。通道12也可由多個寬度在l-500nm之間的納米通道。微小納米通道 壓制了通道12內(nèi)的液體壓力和電子滲透壓力。
該裝置進一步包括顯示在圖lb中作為覆蓋層的第一層20，用于覆蓋 使用中的基底10和用于關閉通道12來防止通道12內(nèi)部中使用的任何液 體如電解質(zhì)和樣品蒸發(fā)或泄露出通道12。第一層20可由例如玻璃、聚丙 烯薄膜或疏水性膜如Pall公司提供的名稱為Supor Membrane Disk Fillers(親水性聚醚砜)或Millipore Durapor(聚乙二烯-PVDE)的那些制成， 并可具有小于imm的厚度，特別是小于lpm。第一層20是不可滲透的。 第一層20提供了設置在通道12頂部上的第一開口 22，以將樣品提供到通 道12中。
進入開口 22可具有圓形的形狀，但也可使用適合將液體插入到通道 內(nèi)的任何形狀。
此外，根據(jù)本發(fā)明提供了膜30，如圖3c所示。在所示實施例中，膜 30在使用中設置在第一層20的開口 22的頂部或下部。膜30可由1 一 10(Vm 厚度的可滲透親水聚合物和/或半透性的生物相容聚合物例如硝化纖維 制成。在第一層20之前，能夠?qū)⒛?0設置在通道12上。因此，膜30也 可設置在第一層20和基底10之間。膜30也可結合到第一層20中。在任 何情況下，膜30是親水性的，且例如能夠由硝化纖維制成。
膜30的尺寸和性能要適合能夠使粒種的擴散或特定體積的樣品從樣 品側轉(zhuǎn)移到通道12內(nèi)部，以進行可比較的測量。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，膜30可滲透血漿和樣品中的它的組分，但過 濾出較大的不溶組分如樣品中的細胞物質(zhì)等。這樣，細胞物質(zhì)如紅血球、 白血球、血小板等被濾出且只有血漿進入通道12進行進一步檢査。其他 組分也能夠過濾出。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，膜30可滲透血漿內(nèi)的帶電粒種，覆蓋第一 開口 22的膜30是進入通道的唯一開口。它也是能夠使對流流動進入通道 12的唯一開口。這樣，對流流動被抑制，并防止至少是血漿和所有種類的 細胞物質(zhì)進入通道，同時只有帶電粒種，特別是離子擴散進通道12以進 一步檢査。在本發(fā)明的又一實施方式中，膜30和第一層20可能是一步制成的， 其中第一層20是制成局部用作膜的聚合物膜或者第一層20是聚合物膜， 其中整個聚合物膜是疏水性發(fā)生改變的膜。在后面的情況下，膜的疏水性 是變化的，使得在樣品將要噴射位置處的膜是親水性的。
在第一層20中能夠制造一個以上的進入開口 22。這例如可用于使樣 品在多個入口點處進入通道12。這能夠進行多次測量并求平均數(shù)。 一個以 上的進入開口 22的另一優(yōu)點是允許從一個開口向另一個開口的對流流動， 因而提供了通過開口 22進入通道12的另一傳送機構。
膜30在其表面上也可設置顯微探針以刺穿皮膚更容易地獲得樣品。 此外，膜30本身能夠被刺穿以實現(xiàn)、改變或改善其多孔性。
圖ld中所示的第二聚合物膜40提供用于覆蓋第一層20和半滲透膜 30以便保護第一層20和半滲透膜30被污染，以在使用前保持它們無菌和 /或潔凈且防止液體從通道泄露。如果半滲透膜30具有探針，這些微觀 探針也可由第二聚合物膜40進行保護。第二聚合物膜40例如由聚丙烯制 成。使用前立即除去第二聚合物膜40，使用中可將血樣，也就是全血液滴 設置在半滲透膜30的頂部。第二聚合物膜40可具有松軟的端部，以便它 能容易地抓住，在使用裝置2前被除去。
圖le顯示了裝配成本發(fā)明的裝置2的圖la—ld組件的側視圖。第一 層20設置在基底10的頂部，因而覆蓋通道12的頂部。第一層20具有設 置在通道12頂部上的開口22。開口22由膜30覆蓋。在圖ld所示的情況 下，裝置2由覆蓋裝置2的整個或部分表面的第二聚合物層40覆蓋，因 而防止裝置2損壞、灰塵、蒸發(fā)等等。
第一層20也可包括可滲透氣體的疏水膜?？蓾B透氣體的疏水膜的作 用是防止通道12內(nèi)可能累積的過壓，這將在下文進行說明?？蓾B透氣體 的疏水膜可單獨使用，但也可嵌入第一層20中。
圖2更詳細地顯示了圖le中圓圈標記的區(qū)域的分解圖。膜30設置在 第一層20內(nèi)的開口22的頂部。第一層20覆蓋基底10內(nèi)的通道12，通過 開口22留下通道12的入口。開口22由膜30覆蓋。因此，使用中，只有 能夠擴散或以其他方式通過膜30的組分能夠達到通道12。為了保護和阻止不想要的通向膜30或其污染，膜30由第二高分子膜40覆蓋。膜可膠 粘或者固定在第一層20之下或之中。將膜30設置在支架中并將該支架插 入第一層20的開口 22中將是可能的。參照圖7下文描述了支架的實施例。 通道12可覆蓋有聚合物以便抑制如現(xiàn)有技術中己知的電滲透流動。 圖3a-3f顯示了用于提供待測量樣品到圖2放大和詳細視圖的通道12 中的主要步驟。
圖3a例示了圖2的裝置的細節(jié)圖。其中通道12、開口22和膜30裝 有背景溶液(如圖中的灰色區(qū)域)。為了檢測鋰，背景溶液可以是例如包 含5Ommol/L的2- (N-嗎啉代)乙磺酸和5Ommol/L組氨酸的pH為6.1的 背景電解質(zhì)(BGE)溶液?？梢蕴砑悠咸烟?，例如約200mmol/L來調(diào)整背 景溶液的滲透強度。根據(jù)帶電粒種，即待測量的離子能夠使用其他背景溶 液。第二聚合物膜40保護裝置2和溶液，并防止溶液在使用前被污染。 圖3a示例了能夠?qū)⒀b置2運輸給用戶的形狀。
圖3b顯示了在裝置2使用之前除去第二聚合物膜40。第二聚合物膜 40用作保護層以在運輸和保存裝置2期間保護膜30和第一聚合物層20。 如圖3b所示，第二聚合物膜40從裝置2除去以便為樣品提供通過膜30 的進口。第二聚合物膜40具有快速脫扣機構如拉環(huán)，以能夠容易地除去 第二聚合物膜40的至少一部分。
在將樣品放置在圖3c所示的膜上之前，可以測量一個或多個裝置參數(shù) 如電解質(zhì)的導電率或溫度來校準或作為系統(tǒng)校驗。
純電解質(zhì)的導電率測量也可作為系統(tǒng)校驗，也就是說校驗通道中是否 存在電解質(zhì)以及測量系統(tǒng)是否正確工作來進行。最好在實施測量之前對通 道12電動力沖洗。這將除去通道12中樣品的第一擴散部分。導電率測量 可以用于溫度測量。導電率測量也可用作裝置2的條件的內(nèi)部校驗。后者 可以用裝置2內(nèi)或周圍某處實施的另外的溫度測量方法來實現(xiàn)。
加熱元件可設置在通道12內(nèi)部或周圍或者裝置周圍以改變通道12內(nèi) 的液體溫度。作為溫度函數(shù)的導電率的改變可用于控制或校準。
在圖3c中，樣品50,即未處理的全血樣品，設置在膜30的上表面上。 膜30是親水性的且是可滲透的。因此，樣品50將被吸收并通過膜30，如圖3d所示，其中細胞物質(zhì)如紅血球、白血球等被濾出。這會隨著細胞物
質(zhì)在通道12內(nèi)部分解和改變通道12內(nèi)部的濃度而完成。膜30的孔徑也 可進行調(diào)整來濾出例如脂類或其他較大的組分，以僅僅使電解質(zhì)進入通道 12中。擴散通過膜30，過濾的樣品50與第一層20相接觸并進入開口 22 中。
如圖3d和3e所示，過濾的樣品50擴散通過開口 22進入基底10的通 道12。到達通道12的過濾樣品50的數(shù)量由開口 22的尺寸、膜30的性能、 樣品50的性能以及通道12中存在的電解質(zhì)確定。
圖3f例示了當沿著通道12施加電場時，擴散進入通道中的一部分過 濾樣品50電泳如何分離在通道12中。電場將會分離過濾樣品中所有的帶 電粒種并將帶電粒種移向通道12端部的儲存器14和16。
沿著通道12提供電場的電極可包埋或插入在第一儲存器14和第二儲 存器16中。沿著通道12設置多個電極也是可能的，以在需要分離離子的 那些地點通過將電場從一個區(qū)域轉(zhuǎn)換到另一個區(qū)域來產(chǎn)生特別強的場。正 如上面說明的，氣體可滲透的疏水膜可用于裝置中來防止廢氣超壓。該超 壓由于電解發(fā)生在電極處。
測量可重復進行。
圖4a和4b分別顯示了本發(fā)明的裝置2實施例的俯視圖和側視圖，其 中第一儲存器14包括第一電泳電極64，第二儲存器16包括第二電泳電極 66。通過向電泳電極64、 66施加電壓，通道12內(nèi)部的帶電粒子可以分離 或沿著通道12移動。電泳電極64、 66可由任何導電材料制成。使用的電 極實施例包括但不限制于具有鉻層或銀/氯化銀電極的鈦電極。電泳電極 64、 66能夠組合到基底10中或以其他方式設置到儲存器14和16中或通 道12內(nèi)的任何地方。
在另一實施方式中，電泳電極64、 66和/或?qū)щ娐孰姌O72、 74可設置 到測量裝置上，其上能夠設置裝置2來測量。
電極72、 74并不限制于單獨的雙向電極排列，也可以存在多個電極 排列。
通過電源或本領域中己知的任何裝置向電泳電極64、 66施加電壓。圖4c顯示了圖4a中圓圈標記區(qū)域分解俯視圖且圖4d顯示了同樣由圖 4b中的圓圈標記的相同區(qū)域側面方向的分解側視圖。在該區(qū)域中，兩個導 電率電極72和74緊鄰設置或者設置在通道12內(nèi)以測量導電率電極72、 74位置處的通過通道12的液體導電率。導電率電極72和74可結合在基 底10中且至少部分地延伸進通道12中。如圖4d中所示，導電率電極72、 74可設置在通道12的底部，但通道12的任何其他位置是可能的。電導率 電極72、 74可以連接到現(xiàn)有技術中已知的電導率測量裝置上。
在本發(fā)明的一實施方式中，使用了兩對導電率電極72和74。 一對導 電率電極測量通道12內(nèi)的正離子，另一對導電率電極測量負離子。兩對 導電率電極72和74設置在開口 22的兩側，樣品通過該開口進入通道12 中。
在裝置2的制造中或之后可以進行導電率電極72和74以及電解電極 64、 66的放置。例如，導電率電極72和74以及電解電極64、 66可通過 聚合物層20的表面或基底10進入通道12，因而能夠避免芯片中導電率電 極72和74以及電解電極64、 66的高成本安裝。
導電率電極72和74之間的通道12內(nèi)的導電率可隨時間進行監(jiān)控。 假如在通道內(nèi)不存在電荷組分或者存在等量的帶電粒子分布，例如BGE 溶液，那就會如圖4e中所示測量和監(jiān)控出恒量或較慢變化的導電率。
在使用涉及圖3描述的方法將帶電粒種如離子等插入通道12的情況 下，通過施加在電泳電極64和66之間的電場沿著通道12移動帶電粒種。 帶電粒種在沿著通道12移動的同時將會電解分離。例如血樣50的Na離 子要比血樣50中也存在的Li離子移動的更快。因此，通過導電率電極72 和74將會連續(xù)的測量出兩個峰。第一峰表示通過導電率電極72和74的 更快移動的Na離子，第二峰表示通過導電率電極72和74的較慢移動的 Li離子。對本領域的技術人員而言顯而易見的是能夠測量兩種類型以上的 離子，且通過電解方式分離的任何電荷組分都能以那種方式監(jiān)控。
本發(fā)明可用于測量絕對離子濃度或者用于測量相對離子濃度，也就是 用于測量Na/Li濃度比。其他測量電極或其他類型的傳感器，即光學傳感器如本領域中已知的 熒光傳感器可進行添加以測量相同測量中樣品內(nèi)的其他種類的濃度或存 在。也可以使用電容傳感器。
在帶電粒種如離子的濃度測量之前，結合裝置的溫度測量電解質(zhì)的導 電性是有效的，以保證裝置正確地運行。
圖5a和5b顯示了本發(fā)明的替換實施方式。這些實施方式例如可用于 校準目的。
圖5a顯示了本發(fā)明裝置102并基于上述描述的裝置2。在本發(fā)明的該 實施方式中，第一儲存器114和第二儲存器116之間的通道112分枝成第 一通道支路111和第二通道支路113。通道112的第一通道支路111和第 二通道支路113兩者在第二儲存器116之前再會和。第一通道支路111顯 著長于第二通道支路113。第一通道支路111和第二通道支路113分別具 有開口 122和123。開口 122和123每個都分別覆蓋有膜130和131。
如果兩個不同的樣品150和151每個都設置在分開的那些膜130和131 上且沿著通道112施加電場時，每個樣品的離子將會分離開并沿著通道112 移動。因為第一通道支路111長于第二通道支路113，第二樣品151的帶 電粒種即離子將會首先到達通道112，而第一樣品150的帶電粒種需要稍 微長點時間。因此，帶電粒種兩者能夠用相同對的導電率電極(未示出) 相繼獨立地進行測量，產(chǎn)生如圖5c頂部線條中所示的信號。
通過給膜130提供已知的樣品150而產(chǎn)生相應的用于校準的第一信 號，該實施方式也可用于校準。來自提供給膜131的未知樣品151的第二 信號由于較長的通道支路111將會在時間上更晚到達。第二信號的強度能 夠與第一校準信號比較，未知樣品中的帶電組分濃度能夠根據(jù)現(xiàn)有技術中 已知的進行確定。
該實施方式也可能使用提供給膜130和膜131的相同樣品以例如通過 求平均數(shù)實現(xiàn)更高的精確度。
圖5b顯示了本發(fā)明的另一實施方式，其中兩個通道212和213平行 排列。每個通道212和213基本上與圖l-4的實施方式相同，優(yōu)點是兩個樣品250和251分別平行設置在膜230和231，使得兩樣品平行測量。因 為兩通道212和213相同，可以比較測量。實施例顯示在圖5c的下線中。 為了校準目的， 一個樣品例如第一樣品250可以是具有已知離子濃度 的已知樣品。因此，第一樣品250的信號可用于校準并與來自第二通道213 中的第二樣品251的信號進行比較，帶電粒子的濃度可以現(xiàn)有技術中已知 的方式加以確定。
很顯然，能夠平行排列多個通道，例如進行多個測量以加速處理量或 增加測量統(tǒng)計數(shù)字。
圖6a顯示了用于樣品中離子濃度測量的裝置的又一實施方式，其中通 道312基本上為曲線，包括第一電解電極364的第一儲存器314設置在與 包括第二電解電極366的第二儲存器316相同的基底側面上。電解電極364 和366兩者的觸點可導向裝置的側面以容易地接觸裝置的側面。此外，導 電率電極372和374設置第二儲存器366的附近以測量該位置處通道312 中的電荷組分的導電率。導電率電極372和374可通過觸點連接，觸點排 列在與導電率電極的觸點相同的裝置或基底的側面上。這樣，只有具有觸 點的裝置的一部分需要與測量設備進行接觸并能保證自由進入設置在開 口 322中的膜330中。利用這種裝置，例如用指尖套能夠容易地進出膜330， 同時使裝置插入或接觸測量設備和/或控制設備。通道312在開口 322和導 電率電極372、 374之間進一步是直的，使得包含樣品的通道312不必要 彎曲，這可能會影響測量精度或難以進行其他測量。
圖6b顯示了圖6a中顯示的實施方式的變型。進一步在通道412中設 置了第二開口 423，該開口由作為第一開口 422的相同膜430覆蓋。因此， 膜430上的樣品將會以基本上相同的時間擴散過通道412中的兩開口 422 和423。向電泳電極464和466施加電場將會根據(jù)電壓的符號使得例如正 帶電粒種或離子移動到通向第二電解電極466的第一通道部分411中。相 同地，負帶電粒種移動到通向第一電解電極464的通道部分412中。導電 率電極472、 474和471、 473能夠測量正帶電粒種和負帶電粒種兩者。因 此，兩種電荷的帶電粒種能夠平行測量。圖7顯示了圖2中所示的本發(fā)明裝置的變型。膜支架32設置在第二 層20的頂部。膜30設置在，例如膠粘到或膠粘在膜支架32中。因此， 在將膜支架設置在裝置上之前，能夠?qū)⒛ぱb配在膜支架上。
膜支架32可由塑料材料制成。
在所示的實施方式中，膜支架32形成"杯形"或環(huán)形結構，為膜30提 供容納部分。膜的上部表面基本上是平的，具有膜支架的"杯形"結構的上 邊緣。膜支架因而提供給膜30的框架一界限分明的膜表面積，該面積保 留下來與樣品接觸。這樣，能夠簡單且有效地控制與膜接觸的樣品的數(shù)量，
即使在樣品比膜大很多的時候。
膜支架的壁也可高于膜的厚度，從而為樣品提供杯形或環(huán)形結構(未 示出)，"杯"的底部具有膜。杯可以用于收集膜上的樣品。
膜支架32使得能夠快速且容易的替換或更換膜30。通過替換膜30， 裝置能夠容易地適合不同的測量設備，例如通過使用不同孔徑的膜。被濾 出或容納到通道中組分的尺寸可根據(jù)特殊測量的需要進行調(diào)整。
例如通過棘爪(click)和固定方法能夠進一步使膜支架32容易地固定 膜30在第一覆蓋層上。
膜支架32在頂上可具有第二覆蓋層40以防止?jié)B漏、蒸發(fā)等。
圖8a和圖8b顯示了顯示了本發(fā)明的一實施方式，具有另外的抗尾料 電極65以防止通道12內(nèi)的樣品或組分尾料?？刮擦想姌O65顯示在第一 覆蓋層20和膜30之間。然而，抗尾料電極65也可不同地設置在第一覆 蓋層20的開口 22上側或者開口處。圖8a顯示了與圖3e顯示和描述的裝 置相同狀態(tài)下的具有抗尾料電極65的裝置。相應地使用了圖1-3描述的裝 置和方法且如上所述過濾的樣品因而可擴散地通過膜30和第一開口 22進 入通道12。
沿著通道12施加電場以電解分離圖3f例示和描述的過濾樣品部分之 前或之時，另外向抗尾料電極65施加電壓。因而一部分樣品組分也被向 后驅(qū)動，通過通向膜30的第一開口 22，如圖8b中的箭頭800所示。電場 分離過濾樣品中的帶電粒種且將帶電粒種移向通道12端部的儲存器14和16以及移向膜30。因此，在開始分離后沒有樣品組分進入通道。該結果 增加了測量精度。
額外的電極65也可由多個電極組成并也可能在測量之前或期間用于 參數(shù)檢測。
圖9a-9d顯示了怎樣使用通道12中的唯一一個開口 22將液體如背景 電解質(zhì)溶液(BGE)或任何其他溶液插入到圖1-3描述的裝置的通道12中。 圖9a例示了在插入任何液體之前的圖2的裝置。如圖9b示例一滴液體14 放置在膜30上。然后液體14流入膜30中，直到它覆蓋通道12的開口 22。 這里，如圖9c所示，液體本身由于通道12內(nèi)部的空氣或其他而不進一步 進入通道12中。通道12內(nèi)的空氣或氣體僅能通過液體14覆蓋的單個開 口 22從通道12排出。圖9d表明，通過使用真空(箭頭900所示)能夠 從通道吸出通道12內(nèi)部的空氣或氣體，使得液體14進入到通道12中。
圖IO顯示了用于將液體如血液或任何其他樣品取樣到微通道12中的 又一方法。第二開口 23也可設置在第一開口 22的一定距離處。開口 22 和23兩者通過通道12相連。優(yōu)選地，通道12除了所述開口 22和23不 具有另外的開口，此外通道被密封。然而，第二開口 23并不由膜進行覆 蓋。當將樣品施加在第一開口 22上時，通道12內(nèi)的液體可通過第二開口 23排出。
在將液體已經(jīng)裝滿通道12后，第二開口 23可由聚合物層覆蓋或者其 他方式關閉。在取樣第二開口 23不得不以任何方式連通到空氣上，并可 能不由樣品直接覆蓋。
電極的連接件也可排列在裝置的一側。能夠容易的附加和連接到測量 設備上。當裝置是可處理芯片形式時，可處理芯片能夠被插入測量設備中 進行一次測量，容易進出是特別重要的，其中所述測量設備可由病人操作。
裝置2能夠包裝在包裝內(nèi)，具有適當?shù)哪軌蜻B接到用于測量和控制電 子器件的接口 、通信接口和顯示器接口以及用于功率電子器件的接口 。
開口 22已經(jīng)描述為制作在基底10的上表面中。然而，開口 22也能 夠在裝置2的任何位置處，例如側面中加以實現(xiàn)。裝置2也能夠由病人容易地使用以測量血液中的離子濃度。例如，對 于患有兩極性精神障礙癥的那些病人來說，病人能夠定期地測量血液中鋰
離子的濃度。如果濃度低于臨界水平(例如0.4mmol/L)，那么病人能夠服 用額外的鋰。如果濃度超過臨界水平(1.0mmol/L)，那么病人能夠停止或 減少給藥，必要時住院。
裝置2的用途己經(jīng)描述了涉及鋰離子的測量。裝置2也能用于測量鉀 和/或磷酸鹽離子以觀察腎功能或者測量鈉和/或鉀以測定脫水。
本發(fā)明的裝置具有醫(yī)學領域外的應用。例如希望在環(huán)境和其他領域中 使用該裝置，以便能夠在一段時間內(nèi)使用該裝置。這種情況下，該裝置可 具有多個開口22，每個開口都具有其自己的蓋子。自身的蓋子將會從不同 的那些多個開口 22中周期性地除去以能夠重復地測量。
本發(fā)明已經(jīng)就多個實施方式進行了描述。但對本領域的技術人員顯而 易見的是本發(fā)明并不限制于此。相反，本發(fā)明的范圍應該結合以下的權利 要求進行解釋。
權利要求
1、一種檢測樣品中帶電粒種濃度的方法，所述樣品具有多種類型帶電粒種，所述方法包括-設置樣品在部分可滲透的層(30)的表面上；-使樣品的組分穿過部分可滲透的層(30)進入通道(12)；-將通道(12)內(nèi)的組分分離成部分，使得至少一個部分的每個基本上包含所述多種類型帶電粒種中的單一種類；以及-確定所述部分中的電荷濃度。
2、 權利要求l所述的方法，進一步包括測量至少一個部分的導電率。
3、 根據(jù)權利要求1或2的方法，進一步包括由測量的導電率確定樣 品中帶電粒種的濃度。
4、 根據(jù)權利要求3所述的方法，其中確定多種類型帶電粒種的第一 種相對于多種類型帶電粒種的第二種的濃度。
5、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中根據(jù)毛細管電泳將組分 分離成部分。
6、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中部分可滲透的層(30) 基本上不滲透細胞物質(zhì)。
7、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中部分可滲透的層(30) 是親水性的。
8、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中部分可滲透的層(30) 在覆蓋通道(12)的層中包括一個或多個孔。
9、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中樣品基于擴散穿過部分 可滲透的層(30)進入通道(12)中。
10、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中樣品基于通道(12)中 第二開口 (23)引起的對流流動穿過部分可滲透的層(30)進入通道(12)。
11、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中樣品是哺乳動物的血液， 且其中至少一種不溶的組分包括細胞物質(zhì)。
12、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中，在將樣品設置在可滲 透的層(30)表面上之前，通道(12)填充電解質(zhì)。
13、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中至少一種電解質(zhì)是無機鹽。
14、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，其中帶電粒種的類型包括至 少一種離子。
15、 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中至少一種離子的一種類型為鋰。
16、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，還包括重復以下步驟使樣 品組分穿過部分可滲透的層(30)進入通道(12)，并將通道內(nèi)的組分分 離成部分。
17、 根據(jù)前述任一權利要求所述的方法，還包括在使樣品的組分穿過 部分可滲透的層(30)之前，確定至少一個裝置參數(shù)。
18、 一種檢測樣品中帶電粒種濃度的裝置，所述樣品包括多種類型的 帶電粒種和至少一種不溶組分，所述裝置包括一具有至少一個開口 (22)的至少一個通道(12)， -覆蓋至少一個開口 (22)的部分可滲透的層(30) -沿開口 (22)每側上至少一個通道(12)排列的至少兩個電極(64、66);-以及至少一個用于測量至少一個通道(12)中至少一種帶電粒種的傳 感器。
19、 根據(jù)權利要求18所述的裝置，其中部分可滲透的層(30)為可 滲透的膜。
20、 根據(jù)權利要求18或19所述的裝置，其中部分可滲透的層(30) 不滲透細胞物質(zhì)。
21、 根據(jù)權利要求18-20任一項所述的裝置，其中部分可滲透的層(30) 是親水性的。
22、 根據(jù)權利要求18-20任一項所述的裝置，其中部分可滲透的層(30) 包括通道(12)中的一個或多個孔。
23、 根據(jù)權利要求18-22任一項所述的裝置，其中通道(12)填充有 電解質(zhì)。
24、 根據(jù)權利要求18-23任一項所述的裝置，其中至少一個通道(12) 的寬度為1.00cm或更小。
25、 根據(jù)權利要求18-24任一項所述的裝置，其中至少一個通道(12) 的高度為100pm或更小。
26、 根據(jù)權利要求18-25任一項所述的裝置，其中至少一個通道(12) 涂覆有聚合物。
27、 根據(jù)權利要求18-26任一項所述的裝置，其中至少一個通道(12) 在所述至少一個開口 (22)和所述至少一個傳感器之間基本上是直的。
28、 根據(jù)權利要求18-27任一項所述的裝置，其中至少一個傳感器包 括導電率電極。
29、 根據(jù)權利要求18-28任一項所述的裝置，還包括排列在至少一個 開口 (22)側面上的至少一個電極(65)，開口與通道(12)相對。
30、 根據(jù)權利要求18-29任一項所述的裝置，其中，至少一個通道(12) 包括在至少一個通道(12)的第一端處的第一儲存器(14)和在至少一個 通道(12)的第二端處的第二儲存器(16)，其中第一儲存器(12)和第 二儲存器(14)各包含有一個電解電極。
31 、根據(jù)權利要求18-30任一項所述的裝置，其中，至少一個通道(12)、 電解電極(64,66)、至少一個傳感器和部分可滲透的層組合成微芯片。
32、 根據(jù)權利要求18-31任一項所述的裝置，其中，至少一個通道(12) 具有由部分可滲透的層覆蓋的單個開口 (22)。
33、 根據(jù)權利要求18-32任一項所述的裝置，其中，至少一個通道(12) 具有由部分可滲透的層覆蓋的一個第一開口 (22)和一個第二開口，其中 所述至少一個通道是另外密封的通道。
34、 根據(jù)權利要求18-33任一項所述的裝置，其中，多種類型的帶電 粒種包括無機鹽的至少一種離子。
35、 根據(jù)權利要求34所述的裝置，其中，樣品的至少一種離子中的 一種類型是鋰。
36、 用于制造裝置(2)的方法，包括 -提供一基底(10); -提供第一覆蓋層(20);-基底(10)或第一覆蓋層(20)中形成通道(12);-設置所述第一覆蓋層(20)在基底(10)上，使得第一覆蓋層(20) 和基底封閉通道(12)，其中第一覆蓋層(20)包括至少一個開口 (22) 為通道(12)提供進口；以及-設置部分可滲透的層(30)在至少一個開口 (22)上。
37、 根據(jù)權利要求36所述的用于制造裝置(2)的方法，進一步包括 在部分可滲透的層(30)和第一覆蓋層(20)上設置保護覆蓋。
38、 根據(jù)權利要求36或37所述的用于制造裝置(2)的方法，進一 步包括在通道(12)上設置第一覆蓋層(20)之前將通道(12)的內(nèi)部涂 覆聚合物。
39、 根據(jù)權利要求36-38任一項所述的用于制造裝置(2)的方法，進 一步包括通道(12)填充有電解質(zhì)。
40、 根據(jù)權利要求39所述的方法，其中通道(12)的填充包括抽空 空氣并將電解質(zhì)吸入通道(12)中。
41、 用于治療疾病的方法，包括-使用權利要求1-17任一項所述的方法檢測體液中帶電粒種的濃度；-確定檢測的帶電粒種的濃度是否在特定水平內(nèi)；-如果檢測的帶電粒種濃度低于特定水平，就增加帶電粒種的濃度。
42、 根據(jù)權利要求41所述的方法，其中所述疾病為兩極性精神障礙癥。
43、 根據(jù)權利要求41或42所述的方法，其中檢測的帶電粒種的濃度 為血液中鋰離子濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種檢測樣品中帶電粒種濃度的方法，所述樣品具有多種類型的帶電粒種和至少一種不溶組分。該方法包括提供樣品在部分可滲透的層(30)的表面上；使樣品的組分通過該部分可滲透的層(30)進入通道(12)；并將組分分離成部分，使得至少一個該部分的每個基本上包含有所述多種類型帶電粒種中的單一種類；并確定至少一個該部分中的電荷濃度。
文檔編號G01N27/40GK101568828SQ200680056743
公開日2009年10月28日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權日2006年11月21日
發(fā)明者史蒂文·施塔爾, 揚·弗洛里斯, 阿爾貝特·范登堡 申請人:麥迪美特控股有限公司