CN107530035A - 用于抽取体液的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种样品架，其使用中红外光实现测试样品的中红外光谱。所述样品架包含入口孔及样品室，所述样品室包括样品区域及毛线通道，所述毛细通道将所述入口孔及所述样品区域流体地耦合。所述毛细通道的特征在于毛细力高于所述样品区域。因此，当所述入口孔被置于与含有所述测试样品的液体接触时，所述液体被抽取到所述样品区域中而不形成可阻碍光学分析的气泡。在一些实施例中，所述入口孔是具有小于患者的抽取部位处的疼痛感受器之间的最小间距的外径的抽筒的自由端，其缓解所述患者由于在所述抽取部位处插入所述抽筒而感觉到的疼痛。

Description

用于抽取体液的设备及其方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年1月14日申请的标题为“用于等分体液的无痛抽取及其分析的方法(Methods for the Painless Drawing of Aliquots of Bodily Fluids andTheir Analytics)”的第62/125,105号美国临时申请案，及2015年7月27日申请的标题为“用于等分体液的无痛抽取及其光学分析的微试管(A Micro-Cuvette for the PainlessDrawing of Aliquots of Bodily Fluids and Their Optical Analysis)”的第62/197,298号美国临时申请案(代理人案卷号：550-006PR2)，其各自以引用方式并入本文。如果本申请案与已经以引用方式并入的案例中的一或多者之间存在可能影响本案例中的权利要求书的解释的任何矛盾或或语言不一致，那么本案例中的权利要求书应当被解释为与本案例中的语言一致。

技术领域

本发明大体上涉及分析化学技术，且更特定来说，涉及流体及流体状材料的化学分析。

背景技术

对患者健康的评估通常部分地基于所述患者的一种或多种体液(例如，血液、尿液、唾液、眼泪等)的化学性质。例如，血液提供许多关键的健康标志，举例来说(例如)血红蛋白(红血细胞)计数、白血细胞计数(WBC)、氮水平、葡萄糖水平及离子浓度等等。

不幸的是，收集体积足以进行可靠测试的体液可能是有挑战性的。例如，常规的血液测试样品通常使用大型医疗注射器在体内被抽取，这可能在抽取过程之前、期间及之后导致患者相当痛苦。

抽血方法本质上是高度手动的，且通常需要可正确地选择适合于针插入的静脉并将血液提取到一或多个样品瓶中的经过培训的人员。在抽血期间，皮肤被刺穿但是找不到目标静脉并不罕见。在此类情况下，必须将针移除并重新插入，以便第二次尝试找到正确的静脉。在其它情况下，针插入目标静脉过深。因此，目标静脉的另一端壁被刺穿，这可能导致皮肤下的血液渗漏而引起血肿。

为了避免体内抽血的一些并发症，可使用刺血针在可提供足够血液量的位置(通常是指尖)处刺穿皮肤而体外获取血液样品。不幸的是，此方法也具有许多缺点。首先，基于刺血针的抽血通常在凝血发生之前仅产生少量的血液。血液样品中血凝块的存在是样品被拒绝的原因，因为对部分凝固的血液的测试可能导致一些血液测试中的不正常。其次，在被刺穿时倾向于提供更多血液的部位也倾向于具有高集中程度的疼痛感受器。因此，在此类部位处刺穿皮肤通常导致患者更痛苦。

这两种抽血方法均会对患者造成相当大的疼痛、此后在内部及外部渗出液体、引起潜在的感染部位，且易于发生瘀伤及延长的隐痛。因此，可以理解患者对他们的血液被抽取感到不安。

此外，典型的测试板需要几毫升(或几十毫升)的血液。这适用于其它体液-尿液、唾液、滑液、潮湿固体等，在许多情况下，可能难以从患者体内收集足够体积的所述体液。

目前尚不能满足仅使用少量体液实现体液的复杂分析而不使患者经受显著疼痛或并发症风险的需要。

发明内容

本发明实现了测试样品的分析，且没有现有技术的一些成本及缺点。本发明的实施例使得能够对液体或潮湿固体的小体积测试样品(例如化学溶液、石油产品(例如，燃料油、原油、废油等)、体液(例如，血液、尿液、唾液、汗液、眼泪、诞液、粪便等)、食品(例如，乳制品、糊剂、酱汁等)、化妆品化合物等)的富含量分析，由此避免了对抽取及存储大量材料的需要。

本发明涵盖两个关键的发明方面：1)样品架，其易于制造且成本低，但是使得能够使用中红外辐射对测试样品进行光谱分析；及2)微流体系统，其进行尺寸调整且经布置以促进用液体快速填充腔室，而不会在液体中引起气泡，其中将液体抽取到腔室中的力是毛细力。

本发明的说明性实施例是一种紧凑的样品架，其可操作以用于经由毛细力从患者上的抽取部位抽取血液，且在抽取期间不会引起气泡形成。样品架包括抽筒及小体积的两部分样品室，所述样品室包含样品区域及毛细通道。样品架对于中红外辐射为透射性的，这使得能够在与测试样品的短的相互作用长度内对血液进行光谱分析。因此，样品架仅需要小体积的样品室，这减轻了对从患者抽取大量血液的需要。因此，患者不用经受显著痛苦、不适或长时间的抽取。

抽筒是不锈钢皮下注射针，其外径约为125微米-小于人体疼痛感受器的正常最小间距。抽筒的内径约为50微米，其引起血液分为两个阶段流过抽筒，其中血细胞集中在血流的中心区域，而血浆鞘流围绕血细胞。

抽筒经由毛细通道与样品区域流体地耦合，所述毛细通道围绕样品区域的圆周延伸。样品室形成在由浮区硅制成的主体中。因为浮区硅由于其极低的杂质浓度而对中红外辐射基本上透明，所以其用作作为主体的结构材料的使用实现能够使用中红外光进行样品分析，此中红外光对于大多数生物材料来说是光谱信息丰富的波长区域。在一些实施例中，使用对中红外光基本上透明的不同材料作为结构材料。在一些实施例中，所述主体实现能够使用除了中红外辐射之外的辐射对测试样品进行光谱分析，且样品室对于所述辐射为透射性的。

样品室是具有相当于一滴血液的约1/50的体积的圆形区域。其由顶表面及底表面及侧壁界定，所述顶表面及底表面紧密间隔开且基本上平行，所述侧壁与顶表面及底表面定向成约45°的角度。样品区域中的顶表面及底表面的间距使得能够形成用于将液体抽取到样品区域中的毛细力，而底表面及侧壁共同地界定用于毛细通道的小的三角形横截面，所述毛细通道将样品室与抽筒流体地耦合。样品区域与毛细通道的小横截面间距产生强毛细力，其增强样品架的毛细抽取能力，且可在样品被抽取到样品室中时抑制样品中气泡的形成。在一些实施例中，侧壁相对于顶表面及底表面的角度小于45°。在一些实施例中，侧壁是非平坦表面。

在一些实施例中，样品架不包含抽筒，而是通过位于主体的一侧上的入口孔抽取液体。

一种用于分析体液样品的说明性方法包含：经由毛细力将样品抽取到样品室中；将中红外光透射通过所述主体及样品；在光已通过样品之后检测其光谱；从样本的经测量吸收光谱消除水的吸收光谱的贡献；及将所得正规化光谱与一或多种所关注的分析物的存储光谱进行比较。

在一些实施例中，样品区域包含以基于所关注的分析物产生可见信号的试剂功能化的一或多个区域。

在一些实施例中，样品室包含微流体系统，其包含一或多个微流体元件，例如过滤器、混合器、分离器等。

在一些实施例中，所述主体包含光学元件，例如衍射元件、全息元件、折射透镜等。

在一些实施例中，所述样品室包含实现对样品的电化学分析的一或多个电极。

本发明的实施例是一种用于保持测试样品的样品架，所述样品架包括：入口孔；及样品室，其包含对波长在约2.5微米到约12.5微米的范围内的辐射为透射性的第一表面，所述样品室具有样品区域及毛细通道，所述毛细通道将所述入口孔与所述样品区域流体地耦合；其中所述样品区域的特征在于用于第一液体的第一毛细力，且所述毛细通道的特征在于用于所述第一液体的第二毛细力，且其中所述第二毛细力高于所述第一毛细力，使得所述毛细通道可操作以用于将第一液体从入口孔抽取到样品室；且其中所述第一液体包含所述测试样品。

本发明的另一实施例是一种用于保持测试样品的样品架，所述样品架包括：主体，其包括对波长在约2.5微米到12.5微米的范围内的辐射为透射性的浮区硅，所述主体包含：第一表面；第二表面，其基本上平行于第一表面，其中第一表面及第二表面分离达第一分离量；及侧壁，其从所述第一表面延伸到所述第二表面；其中所述第一表面、所述第二表面及所述侧壁共同地界定样品室，所述样品室具有(1)样品区域，其体积小于或等于1微升及(2)毛细通道，其具有第一宽度；且其中所述侧壁及所述第二表面分离第二分离量，所述第二分离量沿所述第一宽度从零单调地变为所述第一分离量；及入口孔；其通过所述毛细通道与所述样品区域流体地耦合；其中所述毛细通道进行尺寸调整且经布置以引发可操作以用于将液体从所述入口孔抽取到所述样品区域中的毛细力。

本发明的又一实施例是一种方法，其包括：提供用于测试样品的样品架，所述样品架包含主体，所述主体包括对波长在约2.5微米到约12.5微米的范围内的辐射为透射性的第一材料，且所述样品架具有入口孔及包含样品区域及毛细通道的样品室，其中所述毛细通道将所述入口孔及所述样品区域流体地耦合；及在所述入口孔与含有所述测试样品的液体之间建立物理接触；其中所述入口孔与所述液体之间的物理接触产生毛细力，其经由毛细通道将测试样品抽取到样品室中。

附图说明

图1描绘了根据本发明的说明性实施例的样品架的示意图。

图2A到D分别描绘了样品架100的透视图、俯视图、侧视图及正视图的示意图。

图3A描绘了小内径导管内的鞘流的示意图。

图3B描绘了针对具有不同体积百分比的红血细胞的全血的依据导管的内径而变化的粘度的曲线图。

图3C描绘了样品室210的部分的放大横截面的示意图。

图3D描绘了包含开口孔212及入口孔206-2的样品架104的部分的示意图。

图4描绘了在2微米到15微米的波长范围内，各种厚度的浮区硅及柴氏拉硅(Czochralski-pulled silicon)的透射的曲线图。

图5A到B分别描绘了在完成蚀刻以界其特征之后的定衬底220及222的俯视图。

图6描绘了根据本发明的第一替代性实施例的样品架的示意图。

图7描绘了根据本发明的第二替代性实施例的样品架的示意图。

图8描绘了根据本发明的第三替代性实施例的样品架的示意图。

图9A描绘了根据本发明的第四替代性实施例的样品架的示意图。

图9B描绘了微流体系统902的示意图。

具体实施方式

定义以下术语以在本说明书(包含所附权利要求书)中使用：

●“中红外辐射”(MIR)被定义为电磁辐射，其波长在约2.5微米到约12.5微米的范围内。

●“透射性”被定义为透射率至少为45％。例如，对于中红外辐射为透射性的元件透射波长在约2.5微米到约12.5微米的范围内的任何光信号的至少45％。

图1描绘了根据本发明的说明性实施例的样品架的示意图。样品架100是可操作以用于保持微小体积的液体测试样品的“微试管”。样品架100使得能够使用中红外辐射(即，辐射104)对测试样品102进行光谱分析。

如通过引用并入本文中的第8,344,323号美国专利中所讨论，对光学化学分析使用中红外辐射(MIR)是非常可取的，这是因为其富含针对许多重要的化学物质及化合物材料的光谱吸收线。由于这种丰富的光谱含量，MIR通常被称为光谱的“指纹区域”。

然而，在现有技术中，MIR通常不用于基于光谱法的系统中的化学分析，因为大多数主材料(例如，溶剂流体、血液、盐水、身体组织等)在中红外波长范围中具有众所周知的吸收窗。因为此吸收窗，MIR在许多应用(例如血清分析、葡萄糖监测等)中没有显著地渗透样品材料。

相反，现有技术的光谱系统通常基于近红外光(即，波长在约800nm到约2500nm的范围内)。不幸的是，样品材料中的目标化学物质及化合物的光谱信息特性通常被与其中含有所述样品材料的主材料(例如，构成在血液中发现的大部分物质的水)相关联的背景光谱含量所淹没。事实上，目标分析物及化学物质的识别及定量分析通常被以下事实阻止：分析物及化学物质的特征信息简单地“消失在主材料的光谱信息的噪声中”。

在说明性实施例中，样品架100包括窗口区域106及108，其中的每一者对于中红外辐射(MIR)是透射性的。因此，样品架100使得辐射104能够完全通过测试样品，以在样品架的另一侧上产生吸收信号110，在所述另一侧上，所述吸收信号可经检测及分析以确定测试样品102的吸收特性并识别其化学成分。在一些实施例中，将在吸收信号106中发现的吸收光谱与查找表中的一或多个化学模板进行比较，以促进特定的化学物质及化合物的识别及定量。

在一些实施例中，样品架100仅包含窗口区域106，且吸收信号110包括由测试样品102反射的光。

图2A到D分别描绘了样品架100的透视图、俯视图、侧视图及正视图的示意图。样品架100包含抽筒202及主体204。

抽筒202是皮下注射针，其通常包括不锈钢，其外径为约125微米，内径为约50微米，且长度约2.5毫米。如所指示，入口孔206-1是由抽筒202的开口端界定。

应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下，抽筒202可具有任何合适的外径。然而，本发明的方面是，通过使用外径小于患者上的从其抽取流体的位置(即，抽取部位)处的疼痛感受器之间的最小分离量的抽筒在从患者体内提取体液(例如，血液)时可减轻疼痛。

伤害性疼痛神经感受器具有每毫米7到10(每平方毫米50到100)的最大密度-即使在人体的最敏感部分中。这使得疼痛感受器之间的最小分离量通常在约100微米到约140微米的范围内。通过将抽筒的外径限制为小于或等于抽取部位处的疼痛感受器的最小分离量的直径，本发明使得技术人员、未经训练的助手或患者自己能够在手术期间提取液体且引起极少疼痛或不引起疼痛。因此，优选地，抽筒202的外径小于或等于140微米。适合用于本发明的常规针包含(例如)超细、moshin毛发针灸针等。注意，本发明的此方面与使用约250微米直径的针以及更大的常规针灸针及常规毛细刺血针(其中的每一者均可引起相当大的疼痛)的常规抽血系统形成对比。然而，抽筒202在抽取及转移到样品室期间在表面或体内引起极少的疼痛或不引起疼痛且引起最小的痛苦。此外，抽筒202的拔出不会导致外部渗漏，且不会对身体产生可察觉的应力。

主体204是包含通道208、样品室210及开口孔212的结构元件。

通道208是用于定位抽筒202的常规凹槽。通道208具有适用于在制造抽筒之后将其插入主体204中的深度。通道208的长度足以为抽筒组合件提供机械稳定性。通道208定位抽筒202使得其与毛细通道216流体地耦合。

样品室210是用于容纳测试样品102的两部分腔体。样品室210包含样品区域214及毛细通道216。通过使用MIR对测试样品102进行光学分析，仅需要与测试样品的短的相互作用长度来开展对样品的高质量分析。因此，样品室的厚度可非常小(通常为几十微米)，且因此，样品室210需要仅几微升(μL)的总体积。通常，样品室210的体积在约0.2μL到约5μL的范围内。在所描绘的实例中，样品室210的体积约为1微升。然而，应当注意，只要样品区域214的厚度保持足够小以产生足够的毛细力，样品室210就可具有几乎任何实际的体积，而不脱离本发明的范围。

开口孔212是用于将样品室210与样品架100外部的环境流体地耦合的导管。因此，当流体被抽取到样品架104中时，开口孔212使得能够从样品室210排出空气。在一些实施例中，不包含抽筒202，且流体沿着位于开口孔212的边缘处的入口孔206-2被抽取到样品室210中，同时允许空气通过开口孔的其余部分逸出。

本发明的另一方面是，样品架100使得能够将测试样品102抽取到样品室210中，而不在液体中产生气泡。在测试样品102中存在气泡会干扰其光学分析。例如，在光度测定中，气泡的形成对全血(或任何其它流体)测量特别不利。在横越测量区的光路中存在大气泡导致总体测量的血液值低于实际水平，这是因为光度计将气泡解释为极低血液成分浓度的贡献者。因此，样品室210进行尺寸调整且经布置以在流体被抽取时减轻气泡流体的形成。

样品架100经设计使得测试样品102经由毛细力被装载到样品室210中，所述毛细力是通过将入口孔206-1放置成与液体218物理接触而起始。抽筒202及毛细通道216的尺寸经选择使得液体218在其从抽筒202行进到毛细通道214进而行进到样品区域214时保持弯液面，以及在液体上产生强的毛细力，使得其被从入口孔206-1快速地抽取到样品室210中而不形成气泡。

在一些实施例中，抽筒202的非常小的尺寸提高了样品架100凭借某些流体(例如全血)的有效粘度的显著降低而使用毛细力来抽取某些流体(例如全血)的能力。除其它之外，这使得能够显著地缩短样品室210的无气泡填充时间。具体地，使用内径在约10微米到约50微米的范围内的抽筒导致流体在管内的“鞘流”，这降低了其有效粘度，由此在液体上产生高毛细力且实现通过抽筒的较高流率。出于包含所附权利要求书的本说明书的目的，“鞘流”被定义为含成分流体的流动，其特征在于在管壁附近的基本上无成分层及主要由成分组成的流核。例如，全血的鞘流的特征在于围绕主要由血细胞组成的流核的管壁附近的基本上无血细胞的流动区域(主要仅为血浆)。

图3A描绘了小内径导管内的鞘流的示意说明。布置300包含导管302，全血流过所述导管302。

导管300类似于抽筒202且具有基本相同的尺寸(即，内径约为50微米)。如图中所示，红血细胞集中在导管302的中心部分以形成核心304。核心由外层306包围，所述外层主要仅包含血浆。纯血浆与RBC核心以及总体流动条件下的全血相比具有较低的粘度。因此，血浆用作降低血液的有效粘度的润滑层。此外，在一些情况下，在没有形成外层306的情况下，悬浮成分(例如，血细胞)可在液体218被抽取到样品架100中时抑制弯液面保留在液体218的最前部。因此，在此类情况下，只有形成鞘流才使得可通过管202及毛细通道216成功地抽取液体218，且用测试样品102将样品区域214完全填充。

图3B描绘针对具有不同体积百分比的红血细胞的全血的依据导管的内径而变化的粘度的曲线图。曲线图308表明，从约75微米的内径开始，随着内径的缩小，全血的有效动态粘度β急剧下降。

曲线图308证明导管300中的全血由于其小的圆形横截面积而具有约1.5mPa*sec的有效动态粘度。因此，抽筒202中全血的有效动态粘度也为1.5mPa*sec。

以类似方式，选择毛细通道214的尺寸使得其能够形成更高的毛细压力，且在一些情况下能够降低有效粘度。然而，样品区域214的尺寸大于毛细通道216的尺寸，从而在此区域中产生较低的毛细压力，这在液体218填充腔室时减轻气泡形成。

泊肃叶方程式对于矩形截面通道来说是不断改变的，其中代替半径的4次幂，对于～20μL/sec的流率，所述尺寸促成了较小尺寸的3次幂及较大尺寸的一次幂(对于样品室210，它们为25微米及3mm)。例如，如果样品室210从被引入到三角形毛细通道216的角部边缘的一滴血开始填充，那么其将在约0.012秒内填满。20μL/sec的流率表示在约相同的驱动毛细压力下，抽筒202与样品室210之间的通过量的两个数量级的差异。基本上，抽筒的流体阻力比样品室210约高一百倍。由于它们串联连接，所以这两者将以由抽筒202的流体阻力主导的方式运行。样品室的体积约为0.25μL，因此在0.1μL/sec(有效血液粘度的毛细管流率)下，样品室将在约2.5秒内填满。

图3C描绘了样品室210的部分的放大横截面的示意图。图3C展示了通过线a-a截取的横截面，如图2B中所示。

样品区域214被界定为位于基本上平行的表面310与312之间的样品室210的区域。表面310及312分离达距离t1，所述距离在区域内基本上是均匀的。在所描绘的实例中，t1等于25微米；然而，t1的任何合适的值均在本发明的范围内。

毛细通道216被定义为样品室210的位于侧壁314与表面312之间的边缘区域。在所描绘的实例中，侧壁314是与表面312定向成角度θ的基本平坦的表面，其中θ约为45°。因此，毛细通道216是具有25微米的宽度w1的三角形区域。毛细通道216的厚度t2小于t1，且跨毛细通道的宽度w1从零线性地变为t1。在一些实施例中，侧壁314具有除平坦之外的形状，例如弯曲。然而，在此类实施例中，厚度t2仍然跨宽度w1从零单调地增加0到t1。

由于其较小的尺寸，毛细通道216中产生的毛细力高于样品区域214中产生的毛细力。毛细通道216围绕样品室210的整个内周边延伸，且在开口孔212处朝样品架100周围的大气敞开，如下所述。

可通过假设入口孔206-1处的最大润湿来确定可用于将液体218抽取到样品室210中以形成测试样品102的毛细力的大小。此使得抽筒202的内径与液体的弯液面的半径相同。对于毛细压力使用泊肃叶定律，在具有0.05mm内径的圆形横截面的管中，所形成的毛细压力为600mm。因为抽筒202与三角形毛细通道216流体地耦合，所以存在充足的毛细压力以在两个方向上馈入样品室210的整个内周边，以用液体218填充整个腔室。

然而，通过量相对于动态粘度是线性的，因此上述结果应当按等于水与全血的粘度比的因子缩放。37℃下的全血的典型总体动态粘度为20℃下的水的粘度的3到4倍-具体为3mPa*sec到4mPa*sec，这将使得用全血填满样品室210所需的时间为0.2秒。

液体218被抽取到样品室210中，直到腔室完全充满且液体的弯液面到达开口孔212。开口孔212的特征在于施加在液体218上的显著较低的毛细力大小，这是由于以下事实：所述开口孔的特征在于其顶表面与底表面之间的分离量太大而不能形成显著的毛细力。因此，一旦液体218到达开口孔，液体212上的毛细力就会下降，且液体到样品室210中的抽取自动停止。

图3D描绘了包含开口孔212及入口孔206-2的样品架104的部分的示意图。图3D展示了贯穿线b-b截取的样品架的横截面，如图2B所示。

如图中所见，入口孔206-2包含毛细通道216及通道316，它们共同地使得能够经由毛细力将液体218抽取到样品室210中。

如上所述，通道316具有与样品区域214相同的厚度t1。选择通道316的宽度w2以促进形成足够的毛细力以使得能够填充样品室。通常，w2在几微米到几百微米的范围内。

通道316终止于具有厚度t3的开口孔212。厚度值t3被选择为足够大以产生太弱而不能将液体抽取到样品室210中的毛细力。在所描绘的实例中，厚度t3约为100微米；然而，所属领域的技术人员将认识到，在阅读本说明书之后，所述t3可具有任何合适的实际值。

现在返回到图2A到D，主体204包括衬底220及222，其中的每一者包括对于MIR为透射性的材料。在一些实施例中，衬底中的仅一者对于MIR为透射性。衬底220及222中的每一者包含共同地界定通道208、样品室210及开口孔212的凹陷特征。

不幸的是，现有技术中可用于窗口区域106及108的材料板由于在2.5微米到12.5微米波长范围内的通常较差的透射率差而极其有限。因此，如以引用方式并入本文中的第8,541,743号美国专利中所揭示，特种材料(例如，加工硬化卤化银及硒化锌)已经通常用作此类组件中的结构材料。

本发明的又一方面是，使用未掺杂的FSZ提供了优于现有技术的显著优点。具体地且与普遍认为的观点相反，具有500微米或更小的厚度的浮区硅可向外透射到远红外波长。

图4描绘了在2微米到15微米的波长范围内，各种厚度的浮区硅及柴氏拉硅(Czochralski-pulled silicon)的透射的曲线图。

曲线图400表明，对于0.38mm及0.5mm的厚度，通过FZS的透射在中红外范围内保持在45％以上。FZS的高透射源于以下事实：在浮区精炼过程中，基本上所有杂质(包含例如硼、磷、砷、锑及金属杂质以及氧及任何碳的轻质杂质的取代掺杂剂)通过被推到熔融区域前面且以非常低的浓度重新合并成单晶锭而被消除。

然而，对于柴氏拉硅(OCz-Si)，对于每一测试厚度(即，0.5mm、1mm及5mm)，在约9微米波长下看到大的吸收带。吸收带是由于材料中的氧杂质而引起的。应注意的是，在约5.8微米处还存在较小的吸收带，这是由于材料中存在其它掺杂剂。

对于MIR中的操作，关键是窗口区域106及108基本上不吸收光信号104。FSZ对于MIR为透射性的、容易得到且易于处置及处理。虽然其它MIR透射材料(例如卤化银及硒化锌)可用于本发明的实施例，但是这些材料是特殊且昂贵的，且它们难以处置及并入到主体204中。因此，FSZ优选地用于窗口区域106及108。

由于FSZ易于蚀刻，可使用常规的平面处理技术来制造主体204。在所描绘的实例中，主体204以三个步骤制造。

首先，在样品区域214及通道208的区域中将衬底220蚀刻到25微米深度(即，深度t1)。所属领域的技术人员将认识到，通过使用适当的蚀刻技术，此操作也形成侧壁216。在一些实施例中，侧壁216在随后的蚀刻或研磨操作中形成或进一步塑形。

其次，在通道208及开口孔212的区域中将衬底222蚀刻到约100微米的深度。如下文所讨论，一旦衬底220及222结合到完整主体204，此深度经选择以提供125微米的通道208的总高度。

应当注意，虽然本发明的实施例对用于使用中红外辐射询问测试样品的系统提供了特定优点，但是本发明的方面在使用其它波长的辐射(例如，可见光、X射线辐射等)询问测试样品的系统中提供优点。因此，在一些实施例中，窗口区域106及108中的一或两个包括对于其它波长为透射性的材料，例如玻璃、塑料、石英、复合材料等。在一些实施例中，窗口区域106及108中的一或两个是与主体204分开形成且接着贴附到主体的元件。

图5A到B分别描绘了在完成蚀刻以界定其特征之后的衬底220及222的俯视图。

衬底220以两个蚀刻步骤制造。首先，将新生样品室504及新生孔区域506从衬底的原始表面(即，表面502)蚀刻到t1的深度。新生样品室504及新生孔区域506的形成暴露了界定如上所述的样品区域214的顶表面的表面310。

接着使用第二蚀刻来界定新生通道区域508及新生切割道510。通常，这些特征被蚀刻到基本上等于抽筒202的外径的深度。因此，在所描绘的实例中，这些特征被蚀刻到约63微米的深度。

以类似方式，衬底222从其原始顶表面(即，表面312)被蚀刻到抽筒202的外径的约一半的深度(即，63微米)，以界定新生通道区域512、新生开口孔区域514及新生切割道516。

一旦衬底220及222中的每一者的制造完成，就将衬底中的一者翻转以配合表面312及502，所述表面使用常规的结合方法永久地结合，所述结合方法例如氧辅助等离子体接合、热阳极接合、熔接、粘合层等。这完成了通道208、样品室210及开口孔212。接着，将个别裸片单切，并将抽筒202插入通道208中并将其贴附以完成样品架100。因为新生通道508及512中的每一者的深度约是抽筒202的外径的一半，所以抽筒的中心基本上与侧壁314的中心对准。

一旦完全成形，就将单个主体204就从多裸片衬底单切出来。为了促进裸片单切，在所描绘的实例中，新生切割道510围绕衬底220上的主体204的区域的周边形成。

所属领域的技术人员将认识到，图5A到B描绘了在每一衬底上同时形成的多个样品架裸片中的单个裸片。通常，通过在裸片之间锯割经处理晶片从所述晶片单切出集成电路裸片。然而，对于本发明的实施例，这将产生显著的颗粒问题且优选地被避免。分别在衬底220及222上添加切割道510及516使得能够通过在切割道的区域中集中断裂应变来单切个别裸片。因此，可在颗粒产生最少的情况下单切个别裸片。

在一些实施例中，加热器被包含在样品室210内以使得能够在入口孔206-1与液体218接触时将测试样品102的背景溶剂通过开口孔212蒸发。此类实施例使得能够通过在除去溶剂时引起额外的毛细管流入而增加测试样品中的组分溶质的浓度。

图6描绘了根据本发明的第一替代性实施例的样品架的示意图。样品架600类似于样品架100；然而，样品架600包含光学元件602，其安置在窗口区域106上以使得能够对辐射104执行光学功能。

光学元件602是用于准直辐射104的折射透镜。在一些实施例中，光学元件602是另一种光学元件，例如微透镜阵列、衍射光栅、全息元件、菲涅耳波带板、布拉格光栅、棱镜等。在一些实施例中，光学元件安置在窗口区域106及108中的每一者上。

图7描绘了根据本发明的第二替代性实施例的样品架的示意图。样品架700类似于样品架100；然而，样品架700包含区域702-1及702-2，其中的每一者包含干燥试剂，其可与测试样品102混合且发生化学反应以产生可通过窗口区域106观察到的光学效应，例如颜色变化。在一些实施例中，区域702中的一或多者位于将其反应与样品室210的其它区域隔离的微通道内。因此，实现了多个同时独立的观察。

在一些实施例中，期望测试样品102中的离子浓度的精确测量。这种分析在例如新生儿护理的许多临床环境中是重要的。在现有技术中，经由例如原子吸收或火焰发射光谱法的复杂且昂贵的方法执行此离子测量。本发明实现用于测量样品区域102内的离子浓度的低成本简单电化学方法。

图8描绘了根据本发明的第三替代性实施例的样品架的示意图。样品架800类似于样品架100；然而，样品架800包含彼此电独立的电极802-1及802-2以及抽筒202。

在一些实施例中，监测电极802-1与802-2之间的电阻并将其用作测试样品102的离子含量的指示物。

包含电极802-1及802-2也使得能够使用法拉第原理以将不同的离子电化学地“电镀”到电极802-1及802-2中的每一者上。所属领域的技术人员将认识到，不同的离子需要不同的电化学势以进行电镀。因此，通过使电极802-1及802-2中的每一者以不同电压相对于例如抽筒202偏置，每一电极选择性地电镀不同的离子，实现独立地确定每一离子的浓度。在一些实施例中，样品架800包含不同数量的电极802。

电镀难以完成且在使用大量的溶液的情况下是非常耗时的。然而，因为测试样品102的体积非常小，所以可快速地执行此电解分析。

系统800使得能够测量例如钠(132mg/dl到140mg/dl)、钾(3.5mg/dl到6mg/dl)、钙(8mg/dl到10mg/dl)及pH(7.3到7.45)的血液化学参数。此外，纯盐可在系统800中一次一种地且通过一定范围的加标浓度来评估。接着，所有的盐都将由传感器同时评估。

在一些实施例中，替代或除电极802之外的电子电路(例如集成电路装置)包含在主体204中。因此，样品架800可包含例如无线通信、信号放大及预处理、信号处理、样品分析等能力。此外，在一些实施例中，电子电路可经由感应电力耦合而实现对此电路的远程供电。

在一些实施例中，微流体装置或系统包含在样品室210中以使得能够对测试样品102的不同部分进行操纵。

图9A描绘了根据本发明的第四替代性实施例的样品架的示意图。样品架900类似于样品架100；然而，样品架900包含多个样品区域214-1到214-3及微流体系统902。在所描绘的实例中，微流体系统902是错流过滤系统，其物理地分离全血组分并在样品区域214中的每一者内提供不同的测试样品。因此，每一测试样品可使用例如中红外光谱学来单独特征化。

图9B描绘了微流体系统902的示意图。微流体系统902包含入口孔904、通道906-1到906-3、过滤器908及910以及出口孔912-1到912-3。微流体系统902使得本发明的实施例能够按大小分离细胞，这可用于监测异常血细胞的浓度等。

系统902利用红血细胞(RBC)及白血细胞(WBC)的大小显著不同的事实。RBC通常为6微米到8微米直径的环形结构，其厚度为2微米到2.5微米且其中心处的最小厚度为0.8微米到1微米。WBC更具球形，对于约85％的细胞具有约10微米到20微米的直径分布，且对于约15％的细胞具有约7微米到8微米的直径分布。

过滤器908位于通道906-1与906-2之间的侧壁中。过滤器908的特征在于沿着过滤器均匀分布的约5微米的过滤孔。当血液流过其表面时，由于其大小，WBC被阻挡而无法通过过滤器908。因此，WBC保持在通道906-1中并流到出口孔912-1。出口孔912-1与样品区域214-1流体地耦合。因此，样品区域214-1装载有富含白血细胞的测试样品。RBC及血浆容易地通过过滤器908进入通道906-2。

过滤器910位于通道906-2与906-3之间的侧壁中。过滤器910的特征在于沿着过滤器均匀分布的约1.5微米的过滤孔。当RBC及血浆流过通道906-2且跨过滤器910的表面时，由于其大小，RBC被阻挡而无法通过过滤器910。因此，RBC保持在通道906-2中并流到出口孔912-2。出口孔912-2与样品区域214-2流体地耦合。因此，样品区域214-2装载有富含红血细胞的测试样品。应当注意的是，虽然发生镰状细胞病变的红血细胞具有改变的环形形状，但是这些细胞仍然具有2微米到2.5微米的厚度，且也被阻挡而无法通过过滤器910。

血浆通过过滤器910进入通道906-3以被载送到出口孔912-3，以用基本上为纯血浆的测试样品装载样品区域214-3。

在一些实施例中，微流体系统902包含除过滤器之外的微流体装置，例如混合器、加热器、分离元件等。所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将清楚如何制造及使用本发明的替代实施例，其中微流体系统902包含任何实际的微流体装置或更大的微流体系统的部分。

应当理解的是，本发明仅教示根据本发明的实施例的一些实例，且在阅读本发明之后，所属领域的技术人员可容易地设计出本发明的许多变型，且本发明的范围本发明由所附权利要求书来确定。

Claims (30)

1.一种用于保持测试样品的样品架，所述样品架包括：

入口孔；及

样品室，其包含第一窗口区域，所述第一窗口区域对于第一辐射具有透射性，所述第一辐射的特征在于约2.5微米到约12.5微米的范围内的波长，所述样品室具有样品区域及毛细通道，所述毛细通道将所述入口孔及所述样品区域流体地耦合；

其中所述样品区域的特征在于用于第一液体的第一毛细力，且所述毛细通道的特征在于用于所述第一液体的第二毛细力，且其中所述第二毛细力高于所述第一毛细力使得所述毛细通道可操作以用于将所述第一液体从所述入口孔抽取到所述样品室；且

其中所述第一液体包含所述测试样品。

2.根据权利要求1所述的样品架，其进一步包括主体，所述主体包含：

所述第一窗口区域，所述第一窗口区域具有第一表面；

第二窗口区域，其包括对于所述第一辐射为透射性的第二窗口区域，所述第二表面基本上与所述第一表面平行；及

侧壁，其从所述第一表面延伸到所述第二表面；

其中所述第一表面及第二表面共同地界定所述样品区域，且其中所述样品区域具有第一厚度；且

其中所述第一表面、所述第二表面及所述侧壁共同地界定所述毛细通道使得所述毛细通道具有第一宽度及第二厚度，所述第二厚度沿所述第一宽度从零单调地变为所述第一厚度。

3.根据权利要求2所述的样品架，其中所述侧壁与所述第一表面及第二表面中的一者形成等于或小于45°的角度。

4.根据权利要求2所述的样品架，其中所述主体进一步包括光学元件。

5.根据权利要求2所述的样品架，其中所述主体进一步包括微流体系统，所述微流体系统位于所述样品室内。

6.根据权利要求2所述的样品架，其中所述主体进一步包括试剂，所述试剂位于所述样品室内。

7.根据权利要求1所述的样品架，其中所述第一窗口区域包括浮区硅。

8.根据权利要求1所述的样品架，其进一步包括包含所述入口孔的抽筒，所述抽筒具有小于抽取部位处的疼痛感受器的最小间距的外径。

9.根据权利要求1所述的样品架，其中所述入口孔进行尺寸调整且经布置以使得所述样品能够从所述入口孔鞘流到所述样品室。

10.一种用于保持测试样品的样品架，所述样品架包括：

主体，其包括：

第一表面；

第二表面，其基本上与所述第一表面平行，其中所述第一表面及第二表面分离达第一分离量；及

侧壁，其从所述第一表面延伸到所述第二表面；

其中所述第一表面、所述第二表面及所述侧壁共同地界定样品室及具有第一宽度的毛细通道；且

其中所述侧壁及第二表面分离达第二分离量，所述第二分离量沿所述第一宽度从零单调地变为所述第一分离量；及

入口孔，其通过所述毛细通道与所述样品区域流体地耦合；

其中所述毛细通道进行尺寸调整且经布置以引发毛细力，所述毛细力可操作以用于将液体从所述入口孔抽取到所述样品区域。

11.根据权利要求10所述的样品架，其中所述主体包括浮区硅，其对于中红外辐射为透射性的。

12.根据权利要求10所述的样品架，其进一步包括包含所述入口孔的抽筒，所述抽筒具有小于或等于140微米的外径，其中所述抽筒将所述入口孔及所述毛细通道流体地耦合。

13.根据权利要求12所述的样品架，其中所述抽筒进行尺寸调整且经布置以实现所述样品的鞘流。

14.根据权利要求10所述的样品架，其中所述主体包含所述入口孔。

15.根据权利要求14所述的样品架，其中所述入口孔进行尺寸调整且经布置以使得所述样品能够从所述入口孔鞘流到所述样品室。

16.根据权利要求10所述的样品架，其进一步包括微流体系统，所述微流体系统至少部分驻留在所述样品室内。

17.根据权利要求10所述的样品架，其进一步包括光学元件，所述光学元件安置在所述主体的第三表面上，所述第三表面与所述样品室光学地耦合。

18.根据权利要求10所述的样品架，其进一步包括电极，所述电极位于所述样品室内。

19.根据权利要求10所述的样品架，其进一步包括包含第一试剂的第一区域，所述第一区域位于所述样品室内。

20.根据权利要求19所述的样品架，其进一步包括包含第二试剂的第二区域，所述第二区域位于所述样品室内。

21.一种方法，其包括：

提供用于测试样品的样品架，所述样品架包含包括对于中红外辐射为透射性的第一窗口区域的主体，且所述样品架具有入口孔及样品室，所述样品室包含样品区域及毛细通道，其中所述毛细通道将所述入口孔及所述样品区域流体地耦合；及

在所述入口孔与含有所述测试样品的液体之间建立物理接触；

其中所述入口孔与所述液体之间的物理接触产生毛细力，其经由所述毛细通道将所述测试样品抽取到所述样品室。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述样品架是由包括以下项的操作提供：

在包括所述第一窗口区域的第一衬底中形成第一腔体，所述第一腔体包含侧壁及基本上平坦的第一表面；及

将所述第一衬底及包含具有第二表面的第二窗口区域的第二衬底结合，其中所述第一表面、第二表面及侧壁共同地界定所述样品室使得所述样品区域的特征在于用于所述第一液体的第一毛细力，且所述毛细通道的特征在于用于所述第一液体的第二毛细力，且其中所述第二毛细力高于所述第一毛细力。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一窗口区域包括浮区硅。

24.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述样品架使得其进一步包含抽筒，所述抽筒包括所述入口孔及经由所述毛细通道与样品区域流体地耦合的第二孔，且其中所述抽筒具有小于抽取部位处的疼痛感受器的最小分离量的外径。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述外径小于或等于140微米。

26.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括通过蒸发溶剂增大所述样品区域内的分析物的浓度，所述测试样品包含所述溶剂及所述分析物。

27.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括在所述样本室内的第一区域中使试剂与所述测试样品进行反应。

28.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述样品架使得其进一步包含光学元件。

29.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述样品架使得所述样品室包含微流体系统的至少部分。

30.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：

提供第一电极，其位于所述样品室内；及

在所述第一电极与第二电极之间提供具有第一量值的电场，其中所述电场横越所述测试样品的至少部分；

其中所述电场的所述量值是基于电镀第一分析物所需要的电化学势。