BRPI0609883A2 - dispositivo de ensaio - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO DE ENSAIO. Um dispositivo de ensaio (1) tendo uma plataforma giratória (2) com uma câmara de teste (6) e um sensor (20) que sofre um deslocamento quando submetido a uma substância específica tal como uma substância química, uma espécie biológica ou outro organismo. O sensor é uma viga em balanço (21) com uma seção porosa (23) para melhorar a sensibilidade.
Description
DISPOSITIVO DE ENSAIO
Campo da Invenção
A presente invenção se refere geralmente a umdispositivo de ensaio, detector em balanço e/ou método deensaio químico.
Antecedentes da Invenção
É conhecido o uso de discos a laser (CDs) parateste químico. Os CDs são providos com estruturamicrofluídica que define diversos orifícios de entrada defluido em comunicação com canais associados e câmaras demistura de fluido. Para conduzir um teste, o fluido édepositado dentro dos orifícios de entrada e o CD é giradode modo que o fluido é forçado por intermédio debombeamento centrífugo através dos canais pertinentes paraas câmaras de misturação. Ótica de CD significativamentemodificada e tecnologia de endereçamento podem ser usadaspara capturar imagens de câmaras de misturação específicaspara determinar os resultados de teste de qualquer reaçãoquímica dentro das câmaras -
Também é conhecido que vigas em microbalanço têmsido consideradas como um meio para detectar os resultadosdas reações químicas, mas a sensibilidade limitada dasvigas estudadas não resultou em qualquer aplicaçãodifundida da tecnologia.
Sumário da Invenção
De acordo com a invenção é provido um dispositivode ensaio tendo uma plataforma giratória com uma câmara deteste e um sensor com uma seção porosa, o sensor sofrendodeslocamento quando submetido a uma substância específicatal como uma substância química, espécie biológica ou outroorganismo.
Preferivelmente, o sensor é uma viga em balanço.
Preferivelmente, o dispositivo inclui caminhosmicrofluídicos em comunicação com canais associados e acâmara de teste ou uma pluralidade de câmaras de testeassociadas.
Preferivelmente, a câmara de teste ou cada câmarade teste inclui uma ou mais vigas em balanço.
A seção porosa pode fornecer ao sensor umasensibilidade que permite que seja detectada a presença dasubstância específica, isto é, uma substância química,espécie ou organismo, selecionado.
Preferivelmente, o sensor é funcionalizado comreceptores, anticorpos, antígenos ou enzimas queseletivamente atrairão e se ligação à substância específicaa ser detectada.
Preferivelmente, a seção porosa é revestida comuma camada de ouro que liga os receptores à viga,funcionalizando a viga para ligação com espécies pré-selecionadas ou organismos pré-selecionados dentro dofluido na câmara de teste.
Preferivelmente, o sensor inclui uma superfície aser monitorada, a qual está sujeita a deslocamento mediantemovimento do sensor, a posição da superfície monitoradasendo monitorada por um aparelho no qual o dispositivo deensaio é carregado.
Preferivelmente, a superfície é uma superfícierefletiva.
Preferivelmente, o aparelho é uma unidade de CDconectada a um computador permitindo que a posição dasuperfície refletiva seja determinada e exibida pelocomputador.
Preferivelmente, o dispositivo de ensaio incluium sistema microfluidico para transportar um fluido deteste a partir de um orifício de entrada para a câmara deteste contendo a viga em balanço e para uma câmara derefugo.
Preferivelmente, a câmara de refugo é separada dacâmara de teste por uma válvula micromecânica que éacionada acima de uma velocidade angular limite dodispositivo.
Preferivelmente, o dispositivo pode aceitar ofluido inteiro a ser testado e inclui um filtro parafiltrar material a partir do fluido integral após inserçãono orifício de entrada para prover fluido em uma formaadequada para teste. Mais preferivelmente, o filtro éformado de um silício poroso.
Preferivelmente, o sistema inclui provisão paracâmara secundaria conectada à câmara de teste para permitira ciclagem de fluido entre a câmara secundária e a câmarade teste.
Preferivelmente, o dispositivo está na forma deum disco a laser (CD).
Em um aspecto, é provido um aparelho de testepara receber um dispositivo de ensaio, como descrito acima,incluindo uma unidade de acionamento para girar odispositivo e uma unidade de leitura para monitorar osensor.
Preferivelmente, o aparelho é adaptado paraexibir informação derivada a partir da unidade de leitura.Mais preferivelmente, o aparelho está na forma deuma unidade de CD e a unidade de leitura forma parte de umacabeça de leitura/gravação ótica existente da unidade de CD.
Mais preferivelmente, o aparelho é conectadodiretamente a um computador, no qual é instalado umprograma de computador que controla a operação da unidadede CD para iniciar o processo de filtraçao, a transferênciade fluido entre as câmaras e o sistema de leitura óticapara medir o deslocamento do sensor.
Preferivelmente, o processo de ensaio é iniciadomediante uso de um computador para introduzir dadosdefinindo o teste a ser realizado e apresentando osresultados com essa mesma identificação.
Em outro aspecto, é provido um método de ensaioquímico incluindo introduzir fluido na câmara de detecçãoem uma plataforma giratória, em que a câmara de detecçãoinclui um sensor com uma seção porosa, o sensor sendoarranjado para deslocamento mediante detecção de umasubstância específica, tal como uma molécula selecionada,dentro da câmara, e monitoração do sensor para detectar odeslocamento.
Em ainda outro aspecto, é provido um sensor embalanço, conforme descrito acima.
Descrição Resumida dos Desenhos
A invenção é descrita agora, apenas como exemplonão limitador, com referência aos desenhos anexos nosquais:
A Figura 1 é uma representação diagramãtica deuma vista plana de um dispositivo de ensaio;A Figura 2 é uma vista em seção transversaldiagramãtica de um aparelho de teste;
A Figura 3a é uma vista lateral diagramãtica deum microbalanço;
A Figura 3b é uma vista lateral diagramãtica domicrobalanço, ilustrando deflexão;
A Figura 4 é um grafico ilustrando uma relaçãoentre a freqüência de ressonância e a porosidade de umbalanço;
A Figura 5 é uma vista em perspectivadiagramãtica de um sensor em balanço e uma cabeça deleitura/gravação de uma unidade de CD;
A Figura 6 é um gráfico ilustrando uma relaçãoentre a intensidade e tempo com o propósito de detectar odeslocamento do sensor;
A Figura 7 é um fluxograma de um procedimento deteste; e
A Figura 8 é um gráfico ilustrando a deflexãocomparativa de um balanço poroso e não-poroso.
Descrição Detalhada
Um dispositivo de ensaio 1 é ilustrado na Figura1 como incluindo uma plataforma giratória 2, na forma de umdisco a laser (CD) , com um sistema microf luidico 3incluindo um orifício de entrada 4, uma câmara secundária5, uma câmara de teste 6 e uma câmara de refugo 7,interconectados por intermédio de canais respectivos 8, 9,10. Um filtro 11 é provido em um dos canais 8, adjacente aoorifício de entrada 4 para filtrar material tal comomaterial celular a partir do fluido de teste introduzido noorifício de entrada 4. O filtro 11 é formadopreferivelmente de silício poroso 12. Uma válvulamicromecânica 13 também é provida no canal 10 separando acâmara de teste 6 e a câmara de refugo 7. A válvula 13 sedesloca de uma posição fechada, indicada por linhastracejadas 14, para uma posição aberta, indicada pela seta15, guando a velocidade angular do dispositivo 1 está acimade um limite predeterminado.
Em operação, o fluido é introduzido no orifíciode entrada 4 e o dispositivo 1 é girado em uma velocidadeexigida para efetuar o bombeamento centrífugo de modo gue ofluido é forçado através do canal 8 para dentro da câmarasecundária 5 e subseqüentemente a câmara de teste 6 onde umsensor é provido com o propósito de detectar a presença deuma substância específica, tal como um produto químicoselecionado, espécies biológicas ou outros organismosdentro do fluido. 0 dispositivo 1 é então girado emvelocidade angular superior para abrir a válvula 13 epermitir a saída do fluido a partir da câmara de teste 6.
Com referência agora à Figura 2, a câmara deteste 6 do dispositivo 1 é mostrada em seção ampliada comoincluindo um sensor em balanço 20, o qual se proj eta apartir da plataforma 2 do dispositivo 1. Maisespecificamente, o sensor em balanço poroso 20 é formado deuma viga 21 que se projeta a partir de um bloco de silício22 e inclui uma seção porosa 23 e uma superfície 24formada, por exemplo, de uma seção de ouro 25 ou outrasubstância metálica ou refletiva adequada.
O dispositivo 1 é mostrado montado em um eixo 26de uma unidade de acionamento 27 de um aparelho de teste30, o qual preferivelmente está na forma de um computador,com uma unidade de CD 29 e a unidade de acionamento 27forma parte do acionamento 29, em conjunto com uma unidadede leitura 31, a qual monitora qualquer deslocamento dasuperfície de referência 24 e desse modo do sensor embalanço 20. A unidade de leitura 31 preferivelmente formaparte de uma cabeça de leitura/gravação existente 32 daunidade de CD 31, sem modificação.
A estrutura do sensor em balanço 20 é descritaagora em mais detalhe com referência à Figura 3. A Figura3a mostra uma parte ampliada 33, do sensor 20, comoincluindo uma camada porosa 35 e uma camada de silício 34,ambas revestidas com ouro, que é provida com receptores deanticorpo 3 6 para capturar moléculas 37 tais como ligantesde antígeno. A ligação das moléculas 37 aos receptores 36levará a uma deflexão da viga 21, como ilustrado na Figura3b, a qual pode ser então detectada.
Mediante formação da viga em balanço de materialporoso, a deflexão é acentuada. Mais particularmente, ascaracterísticas do sensor em balanço 20 se baseiam nosprocessos de superfície tal como adsorção, dessorção,reconstrução de superfície e reorganização para induzir umatensão de superfície na camada de superfície ativa da vigaem balanço 39, Modificar a tensão de superfície nasuperfície 39 da viga 21 induzira uma tensão diferencialatravés do sensor em balanço 20, fazendo com que ela sejaflexionada.
A curvatura da viga 21 é proporcional aogradiente de tensão diferencial através da viga. Aumentar atensão de superfície na superfície 39 em comparação com asuperfície 40 ou camada 34 aumenta o gradiente de tensãodiferencial. Silício poroso na superfície 39 pode ser usadocomo a camada 35 para aumentar a área de superfície e,portanto, a sensibilidade. De sã consciência, nenhumapesquisa ou desenvolvimento se concentrou no aumento dasensibilidade da técnica de detecção baseada em balançomediante modificação da estrutura material ou geometria daviga. A viga 21 aumenta a tensão de superfície máxima quepode ser induzida pelo analito químico mediante introduçãoda camada porosa 35 e modificando-se a geometria da viga.
Análise e testes mostraram que mediantemodificação da viga, da geometria e das estruturasmateriais, conforme descrito, a deflexão aumentada da vigapara maior porosidade pode ser variada como mostrado naFigura 8.
Conseqüentemente, na Figura 5, o sensor 20permite maior deflexão da viga em balanço 21, em comparaçãocom uma viga convencional da mesma espessura e comprimento,mediante fabricação de uma seção porosa na superfície 23 daviga 21. Isso tem três efeitos sobre a resposta mecânica daviga 21:
1. É reduzida a espessura efetiva da viga ondeela é porosa, reduzindo o segundo momento deinércia da viga, tornando a viga menos rígida;
2. A constante elástica da viga também é reduzidaonde ela é porosa; e
3. A área de superfície da viga também éaumentada devido à porosidade aumentada daviga em balanço.
Esses três efeitos físicos têm um efeitocombinado para aumentar a deflexão da viga e asensibilidade aos eventos de combinação de superfície emrelação aos biosensores atuais baseados em balanço. Oaumento da tensão diferencial induzida entre as camadas 35,34 da viga, Figura 3b, leva a um aumento na deflexao. Alémdisso, a área de superfície a ser funcionalizada, isto é,provida com receptores para ligação com moléculasselecionadas, é aumentada, permitindo que uma maiordensidade dos grupos funcionalizados seja fixada àsuperfície, desse modo aumentando a sensibilidade e tensãode superfície induzida para a mesma concentração desubstância química ou espécie biológica.
Isso permite uma ligação mais concentrada dasespécies e também permite menos variação em deflexao para amesma substância química, ou para o mesmo concentrado deespécies.
Outro efeito da modificação da geometria da vigaé que a freqüência de ressonância da viga é alterada umavez que a freqüência de ressonância é uma medida direta dograu de porosidade.
A alteração de freqüência de ressonância deacordo com a geometria da viga tem a seguinte relação:
<formula>formula see original document page 10</formula>
onde fo = freqüência de ressonânciak = constante elástica m = massa da viga
Uma alteração da porosidade altera a freqüênciade ressonância da viga em balanço 21 e é uma capacidade dedetecção adicional do sensor, que poderia ser empregadapara detecção da corrosão ou reação química causada pelofluido, por exemplo, medição da corrosão em um recipientemarítimo ou detecção de chuva ácida ou eventos similarespara monitoração ambiental.
A mudança na freqüência de ressonância com aporosidade é ilustrada na Figura 4 que indica que há umafreqüência de ressonância mínima para uma faixa de níveisde porosidade. No aparelho 30, contudo, apenas a deflexãoda viga 21 é que precisa ser monitorada. Sistemasconvencionais para detectar tal deflexão utilizam um lasere um detector sensível à posição para detectar a deflexão.O sistema de detecção é uma montagem externa e requer que olaser seja oticamente alinhado com a viga em balanço. Osistema de detecção usado no aparelho 30, por outro lado,utiliza o sistema de detecção ótica inerente da unidade deCD 2 9. A cabeça de leitura/gravação (RWH) 32 da unidade 29é usada para interrogar o sensor em balanço 20 e monitorara posição da superfície de referência 24. Além do laser aRWH pode ser usada para controlar a temperatura de teste eas câmaras secundarias 5, 6.
Mais especificamente, para detectar a deflexão dosensor 20, a RWH é deslocada para a posição da viga porosaem balanço 21, como ilustrado na Figura 5. O dispositivo deCD 1 pode estar girando enquanto detectando a deflexão. 0laser da RWH é focalizado na viga em balanço 21 e aintensidade refletida a partir da superfície de referência24 da viga 21 é medida antes do carregamento de um fluidode teste na câmara de teste 4, para fins de calibração. Ofluido de teste então é induzido a entrar na câmara deteste 6 e subseqüente descarregado para a câmara de refugo7. A mudança na intensidade ref letiva a partir da viga embalanço 21, após a remoção do fluido de teste da câmara deteste 6, é medida. A mudança na intensidade refletida é umamedida da deflexão do sensor. Secundariamente a isso, adeflexão também pode ser medida como uma mudança em foco.
Quando o laser é inicialmente focalizado na viga 21 antesdo carregamento do fluido de teste na câmara de teste 6, aposição do foco pode ser medida. Após o fluido de teste tersido removido da câmara de teste a viga 21 terá sidodefletida e a superfície refletiva 24 terá se deslocadopara fora de foco. Uma representação gráfica ilustrando oefeito de uma mudança em foco em relação à intensidademedida da luz de laser refletida é ilustrada na Figura 6. Amudança em foco é uma medida indireta da deflexão e podeser medida como uma mudança na saída de voltagem oucorrente a partir da RWH.
Aplicação do Dispositivo de Ensaio para Teste de Sangue
Um exemplo detalhado do uso do dispositivo deensaio 1 e aparelho 20 é descrito com referência à Figura7. Especificamente, um procedimento de teste dediagnóstico, 40, é mostrado como incluindo uma etapa 41 deretirar sangue de um cliente e inserir o sangue no orifíciode entrada 4 do dispositivo 1 na etapa 42. O dispositivo deCD 1 então é inserido em um computador na etapa 4 3 einformação de disco é lida a partir do CD. Softwarepertinente é então empregado na etapa 44 para iniciar ostestes que começam na etapa 45 com a intensidade refletidaa partir do sensor em balanço 2 0 sendo medido para fins decalibração. O CD é então girado na etapa 4 6 para forçar osangue para dentro do primeiro canal 8 e através do filtro11, onde material celular é removido. O soro resultante épassado então através da câmara secundária 5 (se exigida) epara dentro da câmara de teste 6. Se for exigido, o soro éentão aquecido na etapa 4 7 por um laser da RWH resultandono soro realizando ciclos para frente e para trás entre acâmara de teste 6 e a câmara secundária 5 para melhorar ainteração com os receptores. O CD é então girado em umavelocidade angular superior na etapa 48, para mover aválvula 13 para a posição aberta de modo que o soro podesair da câmara de teste 6 e passar para a câmara de refugo7 na etapa 49. A RWH pode então ser usada para medir aintensidade refletida da viga em balanço deslocada 21 naetapa 5 0 e a saída da RWH é então retornada na etapa 51para análise na etapa 52, onde a intensidade medida é lidae comparada com os dados calibrados para determinar apresença de um produto químico relevante ou molécula. Osresultados de teste são então registrados, um usuário énotificado dos resultados na etapa 53, e o CD é ejetado naetapa 54, conforme exigido. O CD pode ser então descartadoou guardado com o propósito de um registro permanente doresultado de teste.
Outras Aplicações
A tecnologia permite que patologia de saúdepróxima ao paciente seja realizada, evitando a necessidadede uso de equipamento de laboratório dispendioso e atrasoassociado na provisão dos resultados. Exemplos da faixa deaplicações incluem:
• Patologia de Saúde Humana
Detecção de: - Antígeno Específico da Próstata - Enzimas Cardíacas - Doenças infecciosas (Hepatite,HIV)
- Veneno de picada de cobra
• Patologia de Ambiente
Detecção de:
- Bactéria Leionella
- Hepatite em cursos de água
Níveis de E-coli
• Patologia de Saúde de Animal
Detecção de
- Doença de Johne
• Medição de Qualidade de Fluido
Detecção de
- Fermentação de vinho
• Medição Industrial
Detecção de deterioração de isolamento elétricoA invenção foi descrita apenas por intermédio deexemplo não-limitador e muitas modificações e variaçõespodem ser feitas na mesma sem se afastar do espírito eescopo da invenção descrita.
Claims (21)
1. Dispositivo de ensaio caracterizado por teruma plataforma giratória com uma câmara de teste e umsensor com uma seção porosa, o sensor sofrendo umdeslocamento quando submetido a uma substância especificatal como uma substância química, uma espécie biológica ououtro organismo.
2. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor éuma viga em balanço.
3. Dispositivo de ensaio, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato deque o dispositivo inclui caminhos microfluídicos emcomunicação com canais associados e a câmara de teste ouuma pluralidade associada de câmaras de teste.
4. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a câmara deteste ou cada câmara de teste inclui uma ou mais vigas embalanço.
5. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor éfuncionalizado com receptores, anticorpos, antígenos ouenzimas que seletivamente atrairão e se unirão à substânciaespecifica a ser detectada.
6. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seçãoporosa é revestida com uma camada de ouro que prende osreceptores à viga, funcionalizando a viga para união comespécies ou organismo pré-selecionados dentro do fluido nacâmara de teste.
7. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensorinclui uma superfície a ser monitorada, a qual esta sujeitaa deslocamento mediante movimento do sensor, a posição dasuperfície monitorada sendo monitorada por um aparelho noqual o dispositivo de ensaio é carregado.
8. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que asuperfície é uma superfície refletiva.
9. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o aparelhoé uma unidade de CD conectada a um computador permitindoque a posição da superfície refletiva seja determinada eexibida pelo computador.
10. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que odispositivo de ensaio inclui um sistema microfluídico paratransportar um fluido de teste a partir de um orifício deentrada para a câmara de teste contendo a viga em balanço eadiante para uma câmara de refugo.
11. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a câmarade refugo é separada da câmara de teste por uma válvulamicromecânica que é acionada acima de uma velocidadeangular limite do dispositivo.
12. Dispositivo de ensaio, de acordo com qualqueruma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato deque o dispositivo pode aceitar o fluido integral a sertestado e inclui um filtro para filtrar o material a partirdo fluido integral após inserção no orifício de entradapara prover fluido em uma forma adequada para teste.
13. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o filtro éformado de um silício poroso.
14. Dispositivo de ensaio, de acordo com areivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o sistemainclui provisão para câmara secundária conectada à câmarade teste para permitir a ciclagem de fluido entre a câmarasecundaria e a câmara de teste.
15. Dispositivo de ensaio, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o dispositivo está na forma de um disco a laser (CD).
16. Aparelho de teste para receber um dispositivode ensaio de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caracterizado por incluir uma unidade de acionamento para girar o dispositivoe uma unidade de leitura para monitorar o sensor.
17. Aparelho de teste, de acordo com areivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o aparelhoé adaptado para exibir informação derivada da unidade deleitura.
18. Aparelho de teste, de acordo com qualquer umadas reivindicações 16 ou 17, caracterizado pelo fato de queo aparelho esta na forma de uma unidade de CD e a unidadede leitura forma parte de uma cabeça de leitura/gravaçãoótica existente da unidade de CD.
19. Aparelho de teste, de acordo com qualquer umadas reivindicações 16 ou 17, caracterizado pelo fato de queo aparelho é conectado diretamente a um computador, no qualé instalado um programa de computador que controla aoperação da unidade de CD para iniciar o processo defiltração, a transferência de fluido entre as câmaras e osistema de leitura ótica para medir o deslocamento dosensor.
20. Método de ensaio químico caracterizado porincluir a introdução de fluido em uma câmara de detecção emuma plataforma giratória, em que a câmara de detecçãoinclui um sensor com uma seção porosa, o sensor sendoarranjado para deslocamento mediante detecção de umasubstância específica, tal como uma molécula selecionada,dentro da câmara, e monitoração do sensor para detectar odeslocamento.
21. Sensor em balanço caracterizado por ter umaseção porosa conforme reivindicado em qualquer uma dasreivindicações precedentes.
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