CN102317768A - 用于测量样本中的带电粒种浓度的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于测量样本(10)中的带电粒种浓度的装置(1)。该样本(10)包括多种类型的带电粒种和至少一种不溶解成分。该装置(1)包括具有电压控制装置(54)的第一电路和具有电导检测装置(55)的第二电路，所述电压控制装置(54)可连接到沿着容纳样本(10)的通道(12)设置的两个第一电极(30，30′)，所述电导检测装置(55)可连接到设置在通道(12)中的两个第二电极(5，5′)。第一电路和第二电路彼此直流和交流电隔离。

Description

用于测量样本中的带电粒种浓度的装置
其它申请的交叉引用
本申请涉及2006年11月21日提交的名称为“Ion Sensor for Fluid andMethod for Its Manufacture(用于流体的离子传感器及其制造方法)”的国际专利申请PCT/EP2006/011148。
技术领域
本发明涉及用于检测生物、化学、工业或环境样本中的带电粒种(charged species)的装置和方法。特别是，本发明涉及用于测量在样本诸如血浆中的带电粒种浓度，特别是离子浓度，例如锂离子浓度的方法和装置。
背景技术
无机离子是生命的基本需要并大量出现在饮用水、有机体的血液和每个细胞以及环境中。例如，细胞内部和外部的很多离子，即钠、钾、镁和钙的浓度对于任何活的有机体至关重要。因此，动物和人类的血液和血细胞中的离子浓度对于各种不同的身体机能来说也非常重要。
通常，锂作为痕量元素出现在血浆中。锂还被用作治疗双极情绪失调(bipolar mood disorder)的药物。估计在世界范围内超过一百万人每天摄取锂。使用锂的缺点是治疗指数，即中毒浓度和治疗浓度之比很低。多数病人对于0.4-1.2mmol/L锂的血浆浓度响应良好，而中毒效应可能出现在高于1.6mmol/L的锂浓度。长期的高血液锂水平甚至会对神经系统永久损害造成甚至造成死亡。因此治疗期间对锂浓度的监测至关重要，需每几个月进行常规检查以将锂水平保持在期望的水平。
为了避免大量的操作者处理，常规地使用离子选择性电极(ISE，Ion-Selective Electrodes)以自动方式测量血液参数。这些离子选择性电极速度快并提供较大的动态范围。然而，其响应是对数级的，对于锂所需的高敏感性成为问题。另外，在锂中毒的情况下，需要有快速的血液分析过程。目前，静脉血液样本必须由专门训练过的人员从病人抽取并传送到中心实验室，且需要在进行测量之前去除血细胞。该过程可能需要多至45分钟。为了最小化样本通过时间(sample throughput time)并允许现场测量，使用离子敏感场效应晶体管的小型装置可用于确定钾和钠在全血中的浓度，其甚至可作为手持式分析器。然而，由于其它带电粒种，特别是钠离子的高背景浓度，锂离子浓度与之相比小得多，这样的分析器未被用于锂的确定。
直接测量全血中的锂和确定血浆中的无机阳离子已由E·沃韦(E.Vrouwe)等人在Electrophoresis(电泳)2004，25，1660-1667和Electrophoresis(电泳)2005，26，3032-3042中描述和演示。对定义的样本负载使用微芯片毛细管电泳(CE，capillary electrophoresis)并应用柱耦联(column coupling)的原理，可以确定一滴全血中的碱金属浓度。将手指采血器(finger stick)收集的全血传输到微芯片上而不提取或去除全血中的成分。可以确定在进行锂疗法的病人的血浆中的锂浓度而不进行样本预处理。使用具有电导检测的微芯片，对于140mmol/L的钠基体中的锂可以获得0.1mmol/L的检测限制。
在现有技术中已知有其它现有技术文献了公开用于测量血液样本中的离子浓度的几种类型的微芯片。例如，(曼兹的)美国专利申请US2005-0150766公开了一种毛细管电泳微芯片。
(诺思拉普(Northrup)等人的)美国专利5,882,496号公开了一种制造和使用多孔硅结构以增加电泳装置中的一个的表面积的方法。
(昌治(Shoji)等人转让给日立高新技术公司的)美国专利7,250,096号教导了一种用于在电泳期间测量电流承载通路以检测电流承载通路状态的方法和装置。
现有技术中的一个问题是由于在装置的微通道中电极处的电解，电极处的电解质中会形成气泡(如US 7,250,096所述)和/或不期望的氧化还原(氧化—还原)反应。这是因为传输通过装置的电荷由电通路中的电子和化学通路中的离子承载。在电极和电极处的离子之间交换电荷。
微通道中的电解质具有特定气体容量。最大量的特定气体容量称为气体限制。当在微通道内局部地达到气体限制时会形成气泡。气泡的形成会直接影响测量。
离子和其它不带电的分子由于电极处的氧化还原反应和变化的浓度而发生变化。由于不带电分子的形成而形成气泡，该不带电分子的形成超出了气体限制并形成气泡。这些气泡局限在装置的微通道内且因此会扭曲测量。
如现有技术所述，如果有单个电路用于毛细电泳测量或单个电路用于接触电导检测并充分地控制电压和/或电流，则可以避免气泡的形成。然而，如果有用于组合的测量方法的两个电路，则两个电路的电干扰会增加复杂性。
现有技术中解决该单个电路问题的方法包括在电极之间使用交流电、限制电流、控制氧化还原反应的类型，和使电压降低至低于氧化还原电位。可以例如通过使用电流源、小的通道几何尺寸、和通道中电解质的低浓度来实现限制电流。还可以在通道中使用低浓度的背景电解质。此外，电极的设计也能够起作用。具有大表面积的电极较不容易形成气泡，因为电荷浓度改变分布在较大的面积上。
发明内容
本发明涉及一种测量样本中的带电粒种浓度的装置。该样本包括多种类型的带电粒种和至少一种不溶解成分。该装置包括具有电压控制装置的第一电路和具有电导检测装置的第二电路，该电压控制装置可连接到沿着容纳样本的通道设置的至少两个第一电极，该电导检测装置可连接到设置在通道中的至少两个第二电极，其中第一电路和第二电路彼此电隔离。
电隔离意味着两个电路互不干扰且因此能够进行准确测量。
附图说明
参考附图和对优选实施方案的详细说明可以更好地理解本发明，附图和详细说明只是示意性的且不是对本发明的限制，在附图中：
图1a示出根据本发明的一个方面的装置的主要部件。
图1b和1c示出微通道附近的电极的设置。
图2a和2b示出通道附近的电极的其它设置。
图3a和3b示出一个电极处或电极之间的可能的电流通路。
图4a和4b示出装置的部件到微通道附近的电极的连接。
图5a至5d示出隔离部件的不同设置。
图6示出测量装置的示例。
图7示出具有膨胀室的装置的示例。
图8示出包括样本电导测量的装置的示例。
在附图中，相同的参考标号表示相同或相似的对象。
具体实施方式
现参考附图和示例对本发明进行说明。应注意本发明一方面的特征可以和本发明另一方面的特征组合。
图1a至1c示出根据发明一方面的测量系统1的部件。
测量系统1包括测量和处理来自传感器18的电信号的测量装置17。传感器18测量液体样本10中的带电粒种浓度(如图1b和1c所示)并更加完整地在共同待审的国际专利申请WO 2008/061542中公开，该专利申请教导的内容完整结合在本文中。最常见的液体样本10是血液样本。
传感器18具有芯片座15和取样装置9。芯片座15更加完整地在国际专利申请PCT/EP2007/004468中公开，该申请教导的内容完整结合在本文中。取样装置9在图1b和1c中更详细地示出并结合这些附图更详细地说明。
测量装置17具有样本电导测量装置53、电压控制和电流检测装置54及电导检测和细胞控制装置55。电导测量装置53通过电通路连接到取样装置9上的样本电导电极4和4′。电压控制和电流检测装置54分别通过电通路60和60″′连接到取样装置9上的池电极30和30′以及阱电极30″和30″′。类似地，电导检测和细胞控制装置55通过电通路65和65′连接到取样装置9上的通道电极5和5′。
测量装置17中的主控制装置43包括用于执行计算的处理器44。主板43通过电通路75连接到电导测量装置53，通过电通路76连接到电压控制和电流检测装置54，并通过电通路77连接到电导检测和细胞控制装置55。
测量装置17具有连接到操作面板69的LCD显示器和按钮。操作面板69通过电通路72连接到主板43。通过连接到电源79的电源68对测量装置17供电。串口67通过电通路73连接到主板43且连接到外部连接78。
取样装置9包括通道12形成于其中的基体(未示出)，如图1a且更详细地如图1b和1c示出。该基体可以由玻璃或塑料制成。可以使用可用于制造通道12的任何其他材料。在玻璃作为基体材料的情况下，在第一池8、第二池8′和第三池8″之间将通道12蚀刻到基体13中。通道12的侧壁可以涂覆有聚合物。通道12可以具有厘米以下的尺寸；特别是，通道12可以具有小于1cm的宽度和小于100μm的深度。第一池8、第二池8′和第三池8″可以在尺寸上明显大于通道12的宽度(例如100μm至1cm)。这可以从图1b和1c看出。可以有一个或多个池包括在通道12中。
通道12和第一池8、第二池8′和第三池8″可以在使用之前充注有电解质11。通常，池的容积约为10ul。
图1b和1c示出取样装置9的侧视图。该取样装置在本发明的一个示例实施方案中具有30mm的宽度、4mm的高度和1.4mm的厚度。芯片可以由玻璃制成。
可以看到，通道12以及第一池8、第二池8′和第三池8″具有多个电极。通道12在本发明的一个示例实施方案中具有小于100um的宽度、小于100um的深度和小于3cm的长度。还应注意，部分19连接在取样装置9的顶部表面3和通道12之间。样本10放置在取样装置9的顶部表面3上。该样本10通过顶部表面3中的开口2与通道12的部分19流体连通。开口2和部分19具有圆形的形式，但可以使用适合用于将液体输入通道12的任何形式。
可以在顶部表面3中形成一个以上开口2。这有助于例如允许样本10在多个入口点进入通道12。这允许进行多次测量并求取平均值。一个以上开口2的另一个优点是允许从一个开口朝向另一个开口进行对流且因此提供通过开口2进入通道12的可供选择的传输机制。一个以上开口2的又一个优点是防止如国际专利申请PCT/EP2007/004468所公开的在通道12中的蒸发。
通道12具有多个电极，这些电极基本上具有圆角以避免电流集中。池电极30和30′设置在第一池8和第三池8″中。池电极30和30′允许沿着通道12产生电压。池电极30和30′通过如上所述的电通路连接到电压控制和电流检测装置54。池电极30和30′以及如下所述的阱电极通常由铂制成且为扁平细长状，通常具有小于2mm的宽度和小于2mm的长度，但具有100nm量级的高度。
顶部表面3和另一池8′具有阱电极30″和30′，其允许在通道12两端产生电压。这有助于从通过开口2进入腔19然后进入通道12的样本10中抽取带电离子。阱电极30″和30″′通过如上所述的电通路连接到电压控制和电流检测装置54。所使用的典型电压为1200V且电流小于10uA。
通道12具有两个通道电极5和5′，其基本上相对于彼此设置并测量横跨通道12的电导。电导电极5和5′通过如上所述的电通路连接到电导检测和控制装置55。两个通道电极5和5′约相距100um并且也由铂制成。其宽度小于100um，例如为40um，且两个通道电极5和5′具有中等(mildly)圆角。在横跨通道施加的信号通常为AC，并在100Hz和100kHz之间，且具有1至10V之间的顶部-顶部振幅(top-top amplitude)。
两个通道电极5和5′允许在装置1中使用接触式离子检测(in contaction detection，简称为ICCD)机构。ICCD机构为检测方法，其中通道电极5和5′与通道12中的流体具有直接电化学接口。
图1c示出在顶部表面3上的两个样本电导电极4和4′。样本电导电极4和4′由样本10覆盖，并在将带电粒种抽取到微通道的部分19中之前、期间和/或之后测量样本10中的带电粒种的电导。样本电导电极4和4′连接到样本电导测量装置53，如上所述。样本电导电极4和4′具有基本上圆形的形式，这可以降低样本电导电极4和4′顶端的电流密度。
图2a和2b更详细地示出通道12中的电极的设置。为简明起见，未详细示出第一池8、第二池8′和第三池8″。仅示出了电极30和30″′。在图2a中，通道电极5和5′未设置在通道12内部，而是在通道壁7和7′外部。换言之，通道电极5和5′都不直接接触通道12中的流体11。在图2b中，可以看到，通道电极5和5′穿过侧壁7和7′并与通道12中的流体11流体接触(且直接电接触)。图2a所示配置方面的优点包括两个通道电极5和5′都不直接接触流体11。结果，不可能在两个通道电极5和5′的表面上形成气泡。
在图2b示出的本发明的方面中，需要确保在两个通道电极5和5′处控制电压和/或氧化还原反应的类型和/或电流，从而气体的形成保持低于气体限制。在本发明的可选方面，交流电可以通过两个通道电极5和5′。
图3a和3b示出各个电极30和30′上的电流通路，为简明起见未示出电极30″和30″′上的电流通路，但这样的电流通路亦存在。图3a示出通道12内的一个示例通道电极5(5′)(即图2b示出的本发明的方面)。电流通路40a和40d沿着通道12朝向池电极30和30′延伸。电流通路40、40c和40b在横跨通道12作用。
图3b示出作用于池电极30和30′以及通道电极5和5′的电流通路。应注意，池电极30具有在通道电极5方向上的电流通路51a和在通道电极5′方向上的电流通路51c以及在另一池电极30′方向上的电流通路51b。类似地，池电极30′具有在通道电极5方向上的电流通路51d和在通道电极5′方向上的电流通路51f以及在池电极30方向上的电流通路51e。
通道电极5具有在池电极30方向上的电流通路50a和在池电极30′方向上的电流通路50c以及在通道电极5′方向上的电流通路50b。通道电极5′具有在池电极30方向上的电流通路50d和在池电极30′方向上的电流通路50f以及在通道电极5方向上的电流通路50e。
图3a和3b示出组合用于分离离子的毛细管电泳方法与接触式电导检测的一个问题。不但通道电极5和5′以及池电极30和30′之间的电位相关，而且还需要考虑由参考标号50a、50c、50d、50f和51a、51c、51d、51f表示的“交叉电极”或“交叉机构”电流通路。需要包括通道电极5和5′的电路和由包括池电极30和30′的电路形成的电路之间的隔离。该问题在小型装置诸如本发明的装置中更加突出。
这可以通过以电气方式确保没有或减少通过电子装置的共同DC(直流)或AC(交流)连接来解决。这在图4a和4b中示出，其中在上半部分示出用于电压控制的电路54附近的电隔离器80，并在下半部分示出用于电导检测的电路55附近的电隔离器80′。
池电极30至30″′由电通路60至60″′连接到电压控制和电流检测装置54。阱电极5和5′通过电通路65和65′连接到电导检测和细胞控制装置55。
在图4a中，电压控制和电流检测装置54通过电隔离器80连接到主板。在图4b中，电导检测和细胞控制装置55通过隔离器80′连接到主板43。电隔离器80和80′的目的是彼此隔离各个电极。电隔离器80和80′如所示处在图4a和4b中的示例位置，但应注意它们可以放置在其它位置。还应注意，可以包括一个以上电隔离器80和80′。总体上可以说，具有低电容的电隔离器82必须实现在与电极30至30″′和5至5″组合的电压控制电路54和电导检测电路55之间。
电隔离器80和80′可以具有如图5a至5d所示的各种配置。在图5a中，两个电通路90和91的每个的输入由电容器95和95a隔离于两个电通路90′和91′的输出。类似地在图5b中，两个电通路90和91的每个的输入由电感器96隔离于两个电通路90′和91′的输出。在图5c中，电感器97具有中心引线92、92′。在图5d中，压电元件98被引入以使得电通路90和91隔离于电通路90′和91′的输出。
隔离器80和81具有显著减小毛细管电泳电路和ICCD电路之间的DC电流的效果。可能引起的又一个问题是在毛细管电泳电路和ICCD电路之间出现AC电流。这也可以通过使用电隔离器80和80′来减少。
应注意，电容82的减小有利于该装置减少DC和AC影响。为了能够准确地测量通道12中的离子，小于100pF例如小于20pF的电容被认为是最优的。
图6示出具有显示器69的测量装置的示例。宽度16″通常小于50cm，且在一个示例实施方案中为10cm。高度16″′小于10cm，且在一个示例实施方案中为5cm。深度16′小于50cm，且在一个示例实施方案中为20cm。
本发明的又一个实施方案在图7中示出，其中膨胀室104通过开口100′和互连101在入口100′处连接到微通道19的部分19。应注意，互连101具有的横截面小于通道12的横截面。还应注意，该互连很长且曲折来回以便使用最少量的空间。这有助于增加互连101相对于通道12和其它池对膨胀室104的空气动力阻力。
膨胀室104充注有流体102，诸如电解质11。气泡103出现在流体102内部。气泡103优选地由气体，诸如惰性气体，例如氦、氩组成。
具有气泡103的膨胀室104允许微通道12中的流体由于温差而膨胀和收缩而不会损坏芯片。用这样的方式可以处理几度但也可以是例如50度的温差。对于允许装置的高效操作，这是需要的。例如如果微通道12中的流体膨胀很多，使得流体泄漏出芯片，则在冷却时微通道12可能不再充满流体，这会导致测量的改变。应注意，与池8至8″和通道12的容积相比，膨胀室104具有相当大的容积，从而所产生的气泡103能够抵抗温差并防止泄漏。
通过从取样装置9中排出空气然后增加惰性气体到微通道12中以渗透到膨胀室104中来生成气泡103。然后取样装置9再次排空且将流体放置在取样装置9中。然后对取样装置9施以大气压力且流体进入取样装置。由于膨胀室104中的残留气体，形成气泡103。在另一方法中，可以通过对水进行电解来形成气泡103。当然，这需要电极出现在膨胀室104中。膨胀室104的排空量控制气泡102的形成。互连101的较高的空气动力阻力意味着例如与从通道12中泄漏相比，气体更加缓慢地从膨胀室104泄漏出。这意味着可能基本上排空通道12但仍然有一些气体留在膨胀室104中。在用流体充注取样装置时，留在膨胀室104中的剩余气体形成气泡。
应注意，膨胀室104的使用远不限于在所述的取样装置9中。例如，膨胀室104可以用在其它微流体装置中以补偿包含在微流体装置的微通道中的流体的膨胀/收缩。
也可以用另一取样系统120测量样本电导。在图8中，示出该取样系统120的典型方面。在本发明的该方面，样本入口112实现为由通道平滑段(channel smoothening)113和样本通道111连接到样本池110。样本池110通常对空气开放。对于本发明的该方面，通常没有到通道系统12的直接连接。
取样系统120通常在使用之前是干燥的。在表面顶部上应用样本10之后对取样系统120的充注是通过样本入口112和通道平滑段113进行的。这防止形成气泡并允许正确充注电极4和4′附近的样本通道111。充注例如可以是通过样本池110中到空气的开口提供的液压实现的。
由于与已充注的通道系统12组合使用，必须注意取样系统120的正确充注。在制造期间用电解质11充注取样系统120。电解质11必须从取样系统120中去除。该去除可通过用于对电解质11进行干燥以进入空气的开放的样本池110进行。在该方面，必须注意，在电解质11的蒸发期间，在取样系统120中不要产生沉淀，因为这会影响随后的样本充注。蒸发室115实现为由蒸发通道116连接到取样系统120。蒸发通道116的入口放置于样本入口112附近。蒸发室115通常是封闭的室。由于蒸发室115和蒸发通道116，电解质11的蒸发将在蒸发室115中结束，且因此粒种的沉淀将发生在蒸发室内而不是取样通道系统120内。
应注意，取样通道系统120、蒸发通道116和蒸发室115的使用远不限于用在图1a-1c公开的取样装置9中。例如，具有蒸发通道116和蒸发室115的取样室120可以用于其它微流体装置以确定例如样本电导和血浆电导。一个示例是测量血红蛋白的水平。
已参考若干实施方案对本发明进行了说明。然而，本领域技术人员应理解，本发明不限于这些实施方案。相反，本发明的范围应结合本申请的权利要求解释。

Claims (17)

1.一种用于测量样本(10)中的带电粒种浓度的装置(1)，所述样本(10)包括多种类型的带电粒种和至少一种不溶解成分，所述装置包括：
具有电压控制装置(54)的第一电路，所述电压控制装置(54)能够连接到沿着容纳样本(10)的通道(12)设置的至少两个第一电极(30，30′)；
具有电导检测装置(55)的第二电路，所述电导检测装置(55)能够连接到设置在通道(12)中的至少两个第二电极(5，5′)；其中所述第一电路和所述第二电路彼此电隔离。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述电隔离包括直流隔离。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，所述电隔离包括一个或多个变压器(80，81)。
4.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，还包括在第一电路或第二电路的至少一个中的至少一个或多个其它变压器。
5.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，还包括电压控制装置(54)和电导检测装置(55)之间的电容器。
6.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述装置的总电容小于100pF。
7.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述装置的总电容小于20pF。
8.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述装置具有小于50×50×10cm的总体尺寸。
9.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述装置具有小于20×10×5cm的总体尺寸。
10.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述通道(12)包括流体且保持通道(12)内的气体浓度低于预先确定的限制。
11.根据如上所述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中，所述通道具有宽度和深度小于100um的微小尺寸。
12.一种装置，包括：
充注有流体的封闭的微流体通道(12)；
充注有流体(102)且其中具有气泡(103)的膨胀室(104)；及
用于流体连接所述膨胀室(104)与所述封闭的微流体通道(12)的互连(101)。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述互连(101)具有比所述微流体通道(12)基本上较高的流体阻力。
14.根据权利要求12至13中的任一项所述的装置，其中，所述气泡(103)包括惰性气体。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的装置，其中，所述互连(101)的入口(90′)接近开口(2)。
16.一种装置，包括：
开放且未充注的微流体通道(111)；
位于所述开放且未充注的微流体通道(111)处的至少两个电极(4和4′)；
取样开口(112)；
开放的样本池(110)；
封闭的蒸发室(115)。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，通道平滑段(113)位于所述取样开口(112)和所述开放且未充注的微流体通道(111)之间。
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