CN102483375A - 具有变换器刚性元件的分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在的分析装置。该装置包括变换器，其由夹在第一和第二电极层之间的热电或压电材料层形成，该变换器布置成响应于热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压。该装置还包括用于变换器的第一和第二刚性元件，该变换器夹在刚性元件之间。刚性元件中每个都限定了用于将变换器保持在平的条件下的平表面。刚性元件中的每一个都暴露变换器的相应的电极层的一部分，以用于将变换器电连接到外部测试设备。暴露的部分彼此侧向地偏移，使得该暴露的部分均在其整个区域上由变换器的相对侧上的刚性元件支撑。已经发现的是，这样的布置可以降低由环境影响所引起的噪声。

Description

具有变换器刚性元件的分析装置
技术领域
本发明涉及分析装置，其包括热电或压电变换器或者传感器。这样的装置可以例如用来进行多种医学病症或疾病的体外诊断(IVD)。更具体地(但是非排它地)，本发明涉及这样的装置，其使用试剂，该试剂在存在被分析物时经受色彩变化，通过用合适波长的电磁辐射辐照该试剂来检测这种变化，然后随着变换器微观加热而检测辐射吸收。本发明还涉及这样的装置，其中通过分析样品的辐照与接下来的变换器的微观加热之间的时间延迟可以检测有色物质朝向变换器的迁移。
本发明还涉及制造具有热电或压电变换器的分析装置的方法。
背景技术
应用广泛的诊断和其它生物化学测试采用试剂，该试剂在存在被分析物的情况下经受可检测到的色彩变化。试剂通常便利地承载在测试带上。可以设置有光学结构来辅助将观察到的色彩变化与标准色彩表进行比较。或者，可以以一个或多个选择的波长来测量光学吸收。
例如，在免疫测定法的特定领域中，使用内部反射光谱。根据这种技术，在透明光学元件的表面上形成薄的样品材料层，并且在与样品的界面处测量光的内部反射。
许多已知分析技术的缺陷在于，它们依赖于发射的、反射的或传递的光或荧光的光学检测，随后的信号处理提供所需的吸收测量。据信，这已经妨碍了敏感的、紧凑的和不平的分析设备的发展。在某些情况下，例如被分析物可能是毒性的或具有微生物污染或健康风险的情况下，还期望的是具有在每次分析之后可以被处理掉的分析设备。
美国专利no.5,622,868公开了生物化学分析装置，其包括为带形式的热电变换器。该变换器设置有薄膜电极，一种或多种试剂设置在变换器表面上。当试剂与正被检测的被分析物接触时，试剂经受色度变化。然后，分析装置通常插入到测试设备中，并且通过提供预定波长的光的发光二极管照射该试剂。随着在变换器的表面处的微观加热而检测试剂对光的吸收，并且从变换器输出的电信号被处理，以得到正被检测的被分析物的浓度。压电变换器也可以用于分析装置。
WO2004/090512A1公开了一种类似的分析装置，其中通过分析电磁辐射对样品的脉冲辐照与接下来由有色物质的辐射吸收引起的变换器的微观加热之间的时间延迟可以检测有色物质朝向变换器表面的迁移。
美国专利no.5,622,868和WO2004/090512A1的生物化学分析装置避免了需要复杂的光学检测系统和信号处理电子器件，并且由此能够制造为单次使用的一次性形式。然而，与包括热电和压电变换器的生物化学分析装置相关的明显问题在于，变换器对于机械运动和振动非常敏感，环境的影响将在电子输出信号中导致高水平的噪声。
因此，需要一种分析装置，其包括热电或压电变换器，降低由环境影响引起的噪声。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在的分析装置，该装置包括：
变换器，其由夹在第一和第二电极层之间的热电或压电材料层形成，该变换器布置成响应于热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压；以及
第一和第二刚性元件，其用于变换器，该变换器夹在刚性元件之间，刚性元件中的每一个都限定了用于将变换器保持在平的条件下的平表面，
其中刚性元件中的每一个都暴露变换器的相应的电极层的一部分，以用于将变换器电连接到外部测试设备，暴露的部分彼此侧向地偏移，使得该暴露的部分均在其整个区域上由变换器的相对侧上的刚性元件支撑。
本发明已经公开了，通过将热电或压电变换器夹在平面刚性元件之间，可以降低环境影响引起的噪声。发明人还提出了尤其有效的装置，其用于支撑具有刚性元件的变换器，同时使得能够触及变换器的电极层，以用于进行电连接。
在具有变换器的已知分析装置中，变换器的一部分通常暴露为使得弹簧触点能够回弹性地抵靠相对的电极层。发明人已经发现，未被支撑的变换器被夹在面对的弹簧触点之间的这种布置能够进行振动或者甚至谐振，由此引起高水平的噪声。根据本发明，变换器的连接部分侧向地偏移，并且均由刚性元件支撑在一侧上，由此降低噪声。
这种新型的布置不仅在整个电极层的电连接部分上机械地支撑变换器，而且方便了在侧向地偏移的位置处进行电连接。已经发现的是，这些特征均显著地降低由环境因素引起的噪声。在本文中，术语“侧向地”指的是与变换器的平面平行的方向。
在优选实施例中，第一和第二电极层的暴露的部分由在相应的第一和第二刚性元件中形成的切口限定。该切口可以具有任何形状，但是矩形切口通常是优选的。设置切口可以使得暴露的部分的尺寸较小，由此限制变换器仅仅被支撑一侧上的区域范围。该切口可以设置在刚性元件的边缘处。
切口可以侧向地间隔开，使得切口之间的变换器的区域由第一和第二刚性元件两者支撑。这样，可以提高变换器的机械稳定性。切口可以沿着变换器的一个直边缘布置，其形状例如可以基本上为矩形。
优选地，变换器的整个区域都由刚性元件支撑。换言之，该装置优选地布置成使得在任何位置处，变换器由刚性元件中的至少一个支撑。刚性元件优选地通过粘合剂(例如压敏粘合剂)附接到变换器。作为另外一种选择或除此之外，刚性元件和变换器可以通过合适的夹持机构而夹持在一起。
变换器的热电或压电材料层可以包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。如本领域中已知的，当合适地形成极性时，PVDF具有热电和压电材料两者的性质。
第一和第二电极层由导电材料形成，优选的材料基本上能透过特定波长的电磁辐射。电极层可以由例如铟锡氧化物(ITO)形成。变换器的组合的厚度可以在10μm到200μm的范围内，优选地在20μm到120μm的范围内，还更优选地在25μm到75μm的范围内。
该装置还可以包括至少一种试剂，其布置在变换器的附近，例如在变换器的表面上。该装置还可以包括平面间隔元件，其布置在变换器和第一刚性元件之间。在这种情况下，间隔元件可以设置有至少一个孔，其限定了分析腔室，该分析腔室能够触及变换器表面并且容纳试剂。间隔元件可以比第一和第二刚性元件中任一个薄。例如，保持刚性元件的厚度可以在0.1mm到10mm的范围内，优选地在0.2mm到1.0mm的范围内。间隔元件的厚度可以在0.05mm到1.0mm的范围没，优选地是在0.1mm到0.5mm的范围内。
第一和第二刚性元件中的一个或两个可以由例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物材料形成。包括复合材料的其它材料也可能是合适的，前提条件它们足够刚性以便为变换器提供一些机械支撑。刚性元件可以模制而成或者通过其它工艺形成，例如由供应的材料片材切割而成。这样的工艺通常是合适的，前提条件所得刚性元件具有用于支撑变换器的至少一个平坦表面。刚性元件优选地为基本上能透过电磁辐射的。
在优选的实施例中，第一刚性元件为由模制塑性材料形成的主体的一体部分。主体可以限定凹部，变换器和第二刚性元件布置在凹部内，使得变换器的第一和第二电极层的暴露的部分保持暴露。主体可以限定用于接纳测试样品的流体通道。主体可以由例如聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物材料形成。
根据本发明的另一个方面，提供一种生物化学分析系统，其包括：生物化学分析装置，其包括上述分析装置；以及测试设备，其电连接到变换器的第一和第二电极层的暴露的部分，该测试设备具有微处理器，以用于处理从第一和第二电极层接收的电信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在的分析装置的制造方法，该方法包括：
通过在热电或压电材料层的相对表面上形成第一和第二电极层而形成变换器，该变换器布置成响应于热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压；以及
在相应的变换器的电极层上提供第一和第二刚性元件，刚性元件中的每一个都限定了用于将变换器保持在平的条件下的平表面，
其中该刚性元件被布置成使得刚性元件中的每一个都暴露变换器的相应的电极层的一部分，以用于将变换器电连接到外部测试设备，暴露的部分彼此侧向地偏移，使得该暴露的部分均在其整个区域上由变换器的相对侧上的刚性元件支撑。
形成变换器的步骤优选地包括在形成电极层之前使得热电或压电材料层形成极性。
从以下提供的本发明的详细描述中，进一步的特征和优点将会变得明显。
附图说明
本发明的具体实施例将结合附图进行说明，其中：
图1为已知的分析系统的示意图；
图2示出了实施图1所示已知系统的测试设备和测试元件；
图3为根据本发明的分析装置的透视图；
图4为更详细地示出图3所示的分析装置的元件的透视图；以及
图5为图3所示的分析装置的分解图。
具体实施方式
本发明提供一种分析装置，其将用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在。该装置包括变换器，该变换器由夹在第一和第二电极层之间的热电或压电材料层形成。变换器布置成响应于热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压。该装置还包括用于变换器的第一和第二刚性元件，该变换器夹在刚性元件之间。刚性元件中每个都限定了用于将变换器保持在平的条件下的平表面。
根据本发明，刚性元件中的每一个都暴露变换器的相应的电极层的一部分，以用于将变换器电连接到外部测试设备。电极层的暴露的部分彼此侧向地偏移，使得该暴露的部分均在其整个区域上由变换器的相对侧上的刚性元件支撑。
本发明的优选实施例基于美国专利no.5,622,868和WO2004/090512A1中公开的已知的生物化学分析系统。该已知的系统采用试剂，该试剂经受可检测的色彩变化和/或引起有色物质朝向变换器的迁移，以提供生物流体样品中被分析物的指示。该系统可以被布置成通过用合适波长的电磁辐射辐照试剂来检测色彩变化，然后随着布置在试剂附近的热电变换器的微观加热而检测辐照的吸收。该系统可以被布置成通过分析样品的辐照与接下来的变换器的微观加热之间的时间延迟而检测有色物质朝向变换器的迁移。
图1为已知的系统的示意图，其包括携带有热电变换器的分析装置。参见该图，变换器包括PVDF膜10，该PVDF膜10在上表面和下表面上分别具有电极涂层12、14。电极涂层由铟锡氧化物(ITO)形成，具有的厚度在5nm至100nm的范围内。试剂带16利用任何合适的技术设置在变换器的上部电极涂层12上。
电极涂层12和14经由分析装置的暴露的电连接器连接到外部测试设备。连接器(未示出)联接到具有高输入阻抗的电荷放大器20的输入端，并且电荷放大器的输出端连接到锁相放大器22。测试设备的光源24(为发光二极管(LED)的形式)定位成通过热电膜10及其相关的电极涂层照射试剂带。光源通过调制器26供电，该调制器提供通常高达大约15Hz的方波输出。基准信号在线28上从调制器26传递至锁相放大器22。
使用该已知系统时，生物流体样品被收集并沉积在分析装置的热电变换器的上表面上，滴剂的轮廓在图中如30处所示。在存在被分析物的水平的情况下，适当地选择的试剂经受光学吸收的变化，或者有色物质朝向变换器的表面迁移。来自光源24的合适波长的光在试剂中被吸收，引起局部区域18上的微观加热。该加热被变换器感测到，并且引起来自放大器20的输出的变化。通过线28上基准信号的锁相，放大器22能够提供敏感输出信号，该敏感输出信号表示加热，并且由此表示试剂中的光吸收以及生物流体样品内存在被分析物。锁相放大器22的输出被数字化并且在合适的总线上被送到微处理器。
所选的试剂的类型将根据分析程序而宽泛地改变。例如，在离子测试中，可以采用pH和重金属指示染料，其在离子整合/粘结时改变色彩。用于分析血液和尿液中的代谢物、药物和生物化学的多种试剂是已知的。一个实例是通过酰胺酶从扑热息痛制备氨基苯酚的扑热息痛分析。在免疫学分析中，试剂可以采取蛋白或微生物抗原的形式。试剂也可以是抗体。该技术还能够应用于酶联免疫吸附测定(ELISA)。
图2示出了实施图1所示的已知系统的远程测试设备70和分析装置50。分析装置50为单次使用的盒状物形式，从而清除了杂质的问题以及清理可能的危害性样品材料的问题。分析装置50包括为矩形形式的惰性透明基板。在一个端部处，基板设置有电连接器54，该电连接器使得测试元件能够插入到测试设备70中。基板承载有包括PVDF膜10的热电变换器，PVDF膜10具有电极涂层12、14。井部60限定在变换器的表面上，以用于接纳生物流体样品。
进一步参考图2，测试设备70包括壳体，该壳体设置有狭槽72，分析装置50可以滑动地接合到该狭槽中。在内部，壳体提供边缘连接器74，该边缘连接器74设计成与分析装置50上的电连接器54匹配。以76示意性地示出的光源定位在壳体70内，以便当分析装置50完全接合时与井部60对准。
测试设备70包含提供调制信号源的电路(未示出)、电荷放大器和锁相放大器，如上文中参考图1所述。还进一步设置有微处理器，该微处理器可以是商业上可获取的形式，被连接成接收锁相放大器的输出并且控制显示器78。
本发明基于上文所述的已知的分析装置，但是具有降低由环境影响所引起的噪声的新型布置。图3为根据本发明的生物化学分析装置的透视图。图4为图3所示装置的放大视图。图5为图3所示装置的分解图，更清晰地示出了其主要组成部分。
参照这些图，根据本发明的生物化学分析装置101设置为单次使用的、一次性的盒状物。分析装置101的外形由聚甲基丙烯酸甲酯模制而成的透明主体103限定。主体103设置有流体通道105和端口(未示出)，该流体通道105布置成接纳生物流体样品，例如全血、血清、血浆或尿液，该端口布置成接纳真空源，以通过流体通道105吸取样品。主体103还在其上表面上限定了用于接纳变换器组件的矩形凹部107。凹部107的基部形成第一(下部)刚性元件111a。
变换器组件包括布置在平面间隔元件108和第二(上部)刚性元件111b之间的变换器109。
变换器109由为夹在第一(下部)和第二(上部)电极层之间的聚偏二氟乙烯的形式的两个热电材料薄膜形成。热电膜根据本领域中众所周知的技术形成极性，并且布置成使得它们的极性相反，以用于提供通常模式的抗噪。电极层由铟锡氧化物(ITO)形成。
变换器109具有矩形外形，热电膜和电极层是共同扩张的。变换器109的组合厚度为大约70μm，每个电极层占大约35nm的厚度。变换器109形成为可透过特定波长的电磁辐射。以这种方式构造的变换器109能够响应于热电膜之一的微观加热而横跨电极层产生电压。
刚性元件111a、111b形成为薄且刚性的聚甲基丙烯酸甲酯(丙烯酸类树脂)的层，具有面向变换器109的平面的(平的)表面。第一刚性元件111a与主体103一体地形成，并且具有大约1.5mm的厚度。为单独部件的第二刚性元件111b具有大约0.75mm的厚度。
布置在第一刚性元件111a和变换器109之间的平面间隔元件108设置有三个孔113并且具有大约0.25mm的厚度。间隔元件111a的孔113限定了分析腔室，该分析腔室暴露了变换器109的表面，并且在该分析腔室内设置有合适的试剂(未示出)。
刚性元件111a、111b具有的外形和尺寸(长度和宽度)与变换器109的外形和尺寸相同，除了每个刚性元件111a、111b的边缘设置有小的切口115a、115c，该小的切口暴露变换器109的相应电极层的表面。切口115a、115c沿着刚性元件111a、111b的对应边缘设置并且彼此侧向地间隔开。切口115a、115c具有的形状为基本上矩形。
间隔元件108具有的外形和尺寸(长度和宽度)与第一刚性元件111a的外形和尺寸相同，并且包括切口115b，该切口115b与第一刚性元件111a的切口115a对准。
刚性元件的切口115a、115c和间隔元件的切口115b允许触及变换器109的电极层，以用于将变换器109电连接至外部测试设备(未示出)。
当变换器组件接纳在形成于主体103内的凹部107中时，变换器组件的上表面与主体103的上表面平齐。第一刚性元件111a与变换器组件的部件通过压敏粘合剂在它们的整个区域上彼此附接。
分析装置101还包括上部密封件117，该上部密封件117利用粘合剂附接到主体103。纸标签119施加在上部密封件117之上，并且可以提供该装置101的产品信息、说明书和规章数据。纸标签119和上部密封件117设置有与分析腔室113对准的窗口以及与形成在第二刚性元件111b中的切口115c对准的切口。
在使用该装置101采样和测试全血时，患者手指末端的皮肤被刺穿，并且流体通道105的收集端部取得由此引出的血液。然后，通过毛细管作用将血液抽吸到流体通道105中。
为了进行分析，包含收集的血液样品的分析装置101插入到外部测试设备(未示出)中，从而使得布置在测试设备内侧的电触点与变换器109的电极层的暴露的部分接合。由于分析装置的独特布置，电极层的暴露的部分由刚性元件111a、111b从相对侧支撑。
然后，血液样品经由流体通道105通过施加真空源而被抽吸至形成于主体103内的端口，或者通过施加正压而被抽吸至流体通道105的收集端部。血液样品被接收在分析腔室113中，由此其与试剂接触，该试剂经受可检测的色彩变化或引起有色物质朝向变换器109的表面迁移，以提供生物流体样品中被分析物的指示。通过用合适波长的电磁辐射辐照试剂来检测色彩变化或迁移，然后随着热电变换器109的微观加热而检测辐照的吸收。
如上所述，与已知装置相比，分析装置101的独特布置，尤其是方便变换器109与外部测试设备电连接的方式，提供了电噪声的显著降低。
尽管在本文中已经参考具体实施例描述了本发明，但是应当理解，这些实施例仅仅只是用来说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对所示实施例进行各种修改，并且可以想到其它布置。

Claims (20)

1.一种用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在的分析装置，所述装置包括：
变换器，其由夹在第一电极层和第二电极层之间的热电或压电材料层形成，所述变换器布置成响应于所述热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压；以及
第一刚性元件和第二刚性元件，其用于所述变换器，所述变换器夹在所述刚性元件之间，所述刚性元件中的每一个都限定了用于将所述变换器保持在平的条件下的平表面，
其中所述刚性元件中的每一个都暴露所述变换器的相应的电极层的一部分，以用于将所述变换器电连接到所述外部测试设备，暴露的部分彼此侧向地偏移，使得所述暴露的部分均在其整个区域上由所述变换器的相对侧上的所述刚性元件支撑。
2.根据权利要求1所述的分析装置，其中所述第一电极层和所述第二电极层的所述暴露的部分由在相应的第一刚性元件和第二刚性元件中的切口限定。
3.根据权利要求2所述的分析装置，其中所述切口侧向地间隔开，使得所述变换器的在所述切口之间的区域由所述第一刚性元件和所述第二刚性元件两者支撑。
4.根据权利要求2或3所述的分析装置，其中所述切口沿着所述变换器的一个直的边缘布置。
5.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述刚性元件中的至少一个和所述变换器的形状为矩形。
6.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述变换器的整个区域由所述刚性元件中的至少一个支撑。
7.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述变换器的所述热电或压电材料层包括聚偏二氟乙烯(PVDF)。
8.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述变换器的所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个覆盖所述热电或压电材料层的区域的至少90％。
9.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述第一电极层和所述第二电极层由铟锡氧化物(ITO)形成。
10.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其还包括布置在所述变换器附近的至少一种试剂。
11.根据权利要求10所述的分析装置，其还包括布置在所述变换器与所述第一刚性元件之间的间隔元件，其中所述间隔元件设置有限定了分析腔室的至少一个孔，所述至少一种试剂设置在所述分析腔室中。
12.根据权利要求11所述的分析装置，其中所述间隔元件比所述第一刚性元件和所述第二刚性元件中任一个薄。
13.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述第一刚性元件和所述第二刚性元件中的至少一个由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。
14.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述第一刚性元件为主体的一部分，所述主体限定了凹部，所述变换器和所述第二刚性元件布置在所述凹部内，使得所述变换器的所述第一电极层和所述第二电极层的暴露的部分保持暴露。
15.根据权利要求14所述的分析装置，其中所述主体限定了用于接纳测试样品的流体通道。
16.根据权利要求中任一项所述的分析装置，其中所述第一刚性元件和所述第二刚性元件粘合到变换器。
17.一种生物化学分析装置，其包括根据前述权利要求中任一项所述的分析装置。
18.一种生物化学分析系统，其包括：
根据权利要求17中所述的生物化学分析装置；以及
测试设备，其电连接到所述变换器的所述第一电极层和所述第二电极层的暴露的部分，所述测试设备具有微处理器，以用于处理从所述第一电极层和所述第二电极层接收的电信号。
19.一种用于外部测试设备以检测测试样品中被分析物的存在的分析装置的制造方法，所述方法包括：
通过在热电或压电材料层的相对表面上形成第一电极层和第二电极层而形成变换器，所述变换器布置成响应于所述热电或压电材料层的加热或应变而横跨电极层产生电压；以及
在相应的变换器的电极层上提供第一刚性元件和第二刚性元件，所述刚性元件中的每一个都限定了用于将所述变换器保持在平的条件下的平表面，
其中所述刚性元件被布置成使得所述刚性元件中的每一个都暴露所述变换器的相应的电极层的一部分，以用于将所述变换器电连接到所述外部测试设备，暴露的部分彼此侧向地偏移，使得所述暴露的部分均在其整个区域上由所述变换器的相对侧上的所述刚性元件支撑。
20.根据权利要求19所述的方法，其中形成所述变换器的步骤包括在形成所述电极层之前使得所述热电或压电材料层形成极性。
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