CN109715066A - 基于硅氧烷水凝胶的荧光测定和接触镜片 - Google Patents

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Abstract

一种材料、制品、系统和方法包括探针组合物，所述探针组合物包括疏水性部分、亲水性部分、分析物结合部分以及荧光团部分。分析物结合部分被配置成与水溶液中的分析物结合。荧光团部分被配置成当探针组合物在分析物未结合分析物结合部分的第一状态与分析物结合分析物结合部分的第二状态之间改变时，改变响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性。材料包括探针组合物和硅氧烷水凝胶基质，所述硅氧烷水凝胶基质具有允许水溶液流过溶液的水凝胶网络和占据水凝胶网络的空隙的硅氧烷网络。具有所述材料的接触镜片能够实现受试者的泪液中的葡萄糖浓度的远程检测。

Description

基于硅氧烷水凝胶的荧光测定和接触镜片
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求提交于2016年7月20日的临时申请62/364,444的权益，并且要求提交于2017年1月30日的临时申请62/451,824的权益，所述申请中的每一个的全部内容据此以引用方式并入，如同在本文完全阐述一样。
政府利益声明
本发明是在由美国国立卫生研究院授予的基金号EB006521、EB018959、GM107986和OD019975下借助政府支持完成的。政府对本发明拥有某些权利。
背景技术
对于一些病状，诸如干眼症、角膜炎和糖尿病，检测泪液中分析物(诸如电解质、生物分子或葡萄糖)的存在或浓度是有用的。然而，目前测量眼泪分析物的实用方式有限，因为样品收集引起的刺激干扰泪液中的静止分析物浓度。目前测量这些分析物的原位方法(包括使用具有电子传感器的接触镜片)伴随着包括不稳定性、低效率、复杂性或费用或某种组合的代价。
发明内容
提供了用于基于硅氧烷水凝胶的荧光测定的技术，其可用于微流体装置、可佩戴接触镜片、DNA或蛋白质阵列、任何固体基质(优选具有光学透明度)上的临床测定中，或通过浸泡测定进行，由此目标分子结合至目标特异性硅氧烷水凝胶。如本文所用，术语“浓度”是指确定一定体积的流体中分析物的量(重量或体积)的数值，包括二元确定该量是否高于样品中某个可测量阈值，即是否存在。
在第一组实施方案中，一种探针组合物包括疏水性部分、亲水性部分、分析物结合部分以及荧光团部分。分析物结合部分被配置成与水溶液中的分析物结合。荧光团部分被配置成当探针组合物在分析物未结合分析物结合部分的第一状态与分析物结合分析物结合部分的第二状态之间改变时，改变响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性。
在第二组实施方案中，一种材料包括探针组合物和硅氧烷水凝胶基质，所述硅氧烷水凝胶基质具有允许水溶液流过溶液的水凝胶网络和占据水凝胶网络的空隙的硅氧烷网络。
在第三组实施方案中，一种系统包括材料和远程监测器子系统，所述远程监测器子系统被配置成检测响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性的变化，而无需机械接触材料。
在第四组实施方案中，一种方法包括获得硅氧烷水凝胶基质以及使基质与包含如上所述的探针组合物的水溶液接触以形成探针-基质材料。该方法还包括使探针-基质材料与含水样品溶液接触。此外，该方法包括使用光源照射与样品溶液接触的探针-基质材料。甚至更进一步地，该方法包括测量由与样品溶液接触的探针-基质材料响应于照射而发射的荧光的特性的值。甚至更进一步地，该方法包括基于荧光的特性的值确定含水样品溶液中分析物浓度的值。
在第五组实施方案中，一种非暂态计算机可读介质被配置成使系统执行以上方法的一个或多个步骤。
简单地通过例示多个特定实施方案和具体实施，包括预期用于实践本发明的最佳模式，其他方面、特征和优点由以下详细描述显而易见。其他实施方案也能够具有其他和不同的特征和优点，并且可以在各种明显的方面修改其若干细节，所有这些均不脱离本发明的精神和范围。因此，附图和详述应被视为在本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
实施方案在附图的各图中以举例而非限制的方式例示，并且附图中的相似附图标号指代相似元件，并且其中：
图1A和图1B是示出根据一个实施方案的示例性探针-基质材料的框图；
图1C是示出根据一个实施方案的示例性探针组合物的框图；
图1D是示出根据各种实施方案的可以测量的示例性荧光特性的框图；
图2是示出根据一个实施方案的用于基于如图1A所描绘的探针-基质材料测量分析物浓度的示例性方法的流程图；
图3A和图3B是示出根据一些实施方案的检测来自受试者的流体中的分析物浓度的示例性系统的框图；
图4是根据一个实施方案的SiHG接触镜片中存在的单体；
图5A和图5B是示出根据各种实施方案的接触镜片的图像，所述接触镜片可使用包含探针组合物的材料制作以检测一种或多种各种分析物，包括葡萄糖；
图6A是示出根据一个实施方案的示例性羧基SNARF-6吸收光谱和pH对光谱的影响的图；
图6B和图6C是示出根据一个实施方案在总稳态强度接近相等的pH下从全频域测量和分析中恢复的示例性时间依赖性衰减的图；
图7A是示出根据一个实施方案的用于测量和检测接触镜片中的pH的探针组合物的示例性合成方案的化学图；
图7B是示出根据一个实施方案，当暴露于UV光时，示例性Quin C-18探针在各种pH水平下如何发荧光的一组图像；
图8是示出根据一个实施方案，在水中的BiofinityTM接触镜片中的6-OH-N-C18H37-QBr的示例性激发光谱(左)和发射光谱(右)的图；
图9是示出根据一个实施方案，在水中的BiofinityTM接触镜片中的6OH-N-C18H37-QBr的示例性强度衰减的图；
图10是示出根据一个实施方案的6-OH-N-烯丙基-QBr的示例性合成方案的化学图；
图11是示出根据一个实施方案的可以并入所公开的特定pH检测探针组合物中使得疏水性部分将探针组合物结合在SiHG镜片中的界面处的示例性疏水性侧链，以及具有疏水性侧链的示例性pH探针的化学图；
图12是示出根据各种实施方案的Na+探针和用于与UV光一起使用的紫外(UV)类似物(即SBFI)的示例性化学结构的一组化学图；
图13A是示出根据各种实施方案的SBFI的示例性Na+和K+依赖性发射光谱的图；
图13B是示出根据一个实施方案的PBFI的示例性Na+和K+依赖性发射光谱的图；
图14是示出根据各种实施方案的钙和镁离子检测探针组合物和用于将探针组合物结合到接触镜片中的所提出的lyso-PE衍生物的示例性结构的一组化学图；
图15A和图15B是分别示出根据一个实施方案的对镁的示例性吸收和发射响应以及镁检测探针组合物的结构的图；
图16是示出根据一个实施方案的用于检测氯离子的示例性探针组合物结构的化学图；
图17A是示出根据一个实施方案的Stenfilcon(Aspire TM)接触镜片中的SPQ-18的示例发射光谱的图；
图17B是示出根据一个实施方案在氯离子存在下SPQ-18的示例性时间依赖性衰减的图；
图18是示出根据一个实施方案在水中的SPQ-C3和在Stenfilcon(AspireTM)接触镜片中的SPQ-C18的寿命Stern-Volmer迹线的示例性比较的图；
图19是示出根据一个实施方案处于糖结合和糖未结合构象的示例性通用二硼酸分子的化学图；
图20是示出根据一个实施方案的更详细的示例性反应方案的化学图，所述反应方案示出硼酸与糖的结合，示出各种硼酸部分的不同形式；
图21A和图21B是分别示出根据一个实施方案THF和BiofinityTM接触镜片中的示例性强度衰减和各向异性衰减的图；
图22是示出硼酸部分的几何形状的变化可通过其影响附近荧光团的光谱、强度或寿命的各种示例性机制的一组图；
图23是示出根据一个实施方案的用于制备探针组合物Quin C-18的示例性反应方案的化学图；
图24A是示出根据一个实施方案BiofinityTM SiHG接触镜片内的Quin-C18的示例性葡萄糖依赖性发射光谱的图；
图24B是示出根据一个实施方案Dailies(HG)镜片和三种SiHG，即BiofinityTM、Stenfilcon A(AspireTM 1天)和Optix-AquaTM镜片中的示例性标准化强度的图；
图25是具有图像插图的图，其示出根据一个实施方案，荧光探针在洗涤后的SiHG接触镜片中的示例性持续存在(通过示出重复洗涤后Quin-C-18的发射光谱)，以及镜片在室内光中和UV入射光下的照片；
图26是示出根据一个实施方案的用于结合在SiHG接触镜片中的界面处的使用喹啉鎓核的示例性二硼酸Glu-SF结构的化学图；
图27是示出根据一个实施方案，用于结合在SiHG镜片中的界面处的示例性二硼酸PET Glu-SF的化学图，其中下方的两个结构用于将二硼酸(DiBA)更多地置换到水相中；
图28是示出根据一个实施方案的用于结合在SiHG镜片中的界面处的二硼酸ICTGlu-SF的一组化学图；
图29是示出根据一个实施方案的利用FRET机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构和根据一个实施方案的利用碰撞猝灭机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构的一组化学图；
图30是示出根据一个实验性实施方案的示例性测量系统的框图；
图31是示出可依据来实施本发明的实施方案的计算机系统的框图；
图32示出可在其上实施本发明的实施方案的芯片组；
图33是根据一个实施方案的能够在系统中操作的用于通信的移动终端(例如，蜂窝电话手持机)的示例性部件的图；并且
图34是示出根据一个实施方案的可如针对基于表面的测试诸如DNA和蛋白质阵列、免疫测定或其他临床测定所示进行使用的探针(其为本文的探针组合物的实施方案)的图。
具体实施方式
描述了用于基于硅氧烷水凝胶的测定和接触镜片的组合物、材料、方法、设备和系统。在以下描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，将显而易见的是本发明可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，众所周知的结构和装置以框图形式示出，以避免不必要地混淆本发明。
尽管阐述宽泛范围的数值范围和参数是近似值，在具体的非限制性实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，在撰写本文时，任何数值固有地含有某些误差，这些误差是由它们各自测试测量中的标准偏差所不可避免地产生的。此外，除非从上下文另外清楚获知，否则本文呈现的数值具有由最低有效数位给出的隐含精度。因此，值1.1意味着从1.05至1.15的值。术语“约”用于指示以给定值为中心的更宽范围，并且除非从上下文另外清楚获知，否则意味着围绕最低有效数位的更宽范围，诸如“约1.1”意味着1.0至1.2的范围。如果最低有效数位不清楚，那么术语“约”意味着因子2，例如，“约X”意味着在0.5X至2X范围内的值，例如，约100意味着在50至200范围内的值。此外，本文公开的所有范围应理解为涵盖归入在本文中的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可包括在最小值0与最大值10(含1及10)之间的任何和所有子范围，即具有等于或大于0的最小值以及等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至4。
下面在接触镜片的背景下描述本发明的一些实施方案，所述接触镜片由包括硅氧烷水凝胶基质和被吸引至基质的水-硅氧烷界面的荧光探针(对其远程测量荧光)的材料制成。然而，本发明不限于这种背景。在其他实施方案中，所述材料是微流体装置或与受试者的一种或多种流体接触的其他医疗装置的一部分，或荧光测量通过嵌入基质中或与基质机械接触的子系统执行。在实施方案中，本发明与基于表面的测试诸如DNA和蛋白质阵列或基质上的临床测定一起使用，或通过将硅氧烷水凝胶浸泡到样品中然后进行此类测量进行。
1.概述
此处描述了用于荧光测定的新技术，其利用硅氧烷水凝胶的结构将测定特异性荧光探针(也称为“探针组合物”)附连至水凝胶纳米通道之间的硅氧烷空隙，所述空隙允许具有分析物的含水样品溶液流过固定探针。探针至少需要用以附接至硅氧烷空隙的疏水性部分、用以保持与含水样品溶液接触的亲水性部分、用以捕获来自样品溶液的分析物的分析物结合部分、以及当分析物结合分析物结合部分时将改变其荧光发射的至少一个可测量特性的荧光团部分。在一些实施方案中，荧光团部分由若干单独的亚部分构成。在一些实施方案中，探针中包括一个或多个间隔物部分，以确保分析物结合部分和荧光团部分具有适当的空间关系以便相互作用并展示出期望的功能性。因为探针不必是单个分子，所以探针在本文也称为探针组合物。
这些技术使得能够使用低成本的商业接触镜片作为基质并且使用易得的成像技术作为远程监测子系统来确定受试者眼睛的泪液中的分析物的浓度。至少由于这些原因，新技术优于先前的方法。另外，新技术可用在部署于受试者眼睛内部或外部的微流体装置中，以测量相同或不同受试者的除泪液之外或代替泪液的其他流体。如本文所用，受试者是有生命或无生命的物体，包括地质构造、机器或包括植物或动物的活有机体，后者包括人。
已经成为确定泪液中的浓度的先前方法的目标的特定感兴趣的分析物包括：患有糖尿病的受试者的葡萄糖；干眼综合征(DRY，又称干眼病，DED)的电解质失衡；以及防御素和感染的其他生物标志物。(防御素是具有29至42个氨基酸的小肽，其被六个保守性半胱氨酸残基约束成为折叠形式。)
一种避免泪液收集且因此最小化眼睛刺激的尝试是使用由Alphabet,Inc,(Mountain View,California)的Google X项目开发的被称为GLUCOLENSTM的特制接触镜片进行的眼泪葡萄糖的原位电化学检测。GLUCOLENSTM包括电子部件和葡萄糖传感器以允许连续的葡萄糖测量，并且由也嵌入镜片中且被放置成环绕佩戴镜片的受试者的瞳孔的感应线圈供电。葡萄糖自测试剂盒和GLUCOLENSTM的操作原理基于与第一葡萄糖电极和现有血糖仪相同的原理；即葡萄糖氧化酶和电化学H202检测。对复杂的嵌入式电子设备的需要增加了该方法的成本，并且可能妨碍该方法成为日用产品。由于安全和患者选择的原因，尤其是在发达国家，优选使用日用产品。该方法对分析物和生物标志物的适用性尚未得到证实，并且可能再次受到嵌入式电子设备成本的阻碍。
接触镜片最初由玻璃制成，然后发现聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有比玻璃更高的光学透明度且制造成本更低。PMMA镜片从20世纪40年代到70年代使用。这些硬性接触镜片不能长时间佩戴，因为角膜的大部分氧气从空气中获得，而这些硬性接触镜片是氧气不可渗透的。使用水凝胶聚合物诸如交联的聚羟基甲基丙烯酸甲酯(HEMA)开发了氧气可渗透的软性接触镜片。水凝胶的氧气渗透性由它们的Dk值表示并且纯水具有接近80的Dk值。低于22的Dk值过低并导致角膜缺氧。高于66的Dk值适于日常或连续佩戴。水凝胶聚合物的Dk值可通过较少的交联来增加，但是镜片变得易碎并且Dk值不可增加到高于纯水的Dk值。
使用对商业接触镜片内的分析物浓度作出响应的荧光团的尝试已经由于不能将荧光探针固定在接触镜片中以及当处于接触镜片化学环境中时分析物依赖性荧光的变化而受到阻碍。此外，典型的探针在HEMA型接触镜片中不能作出响应。
例如，关于葡萄糖感测的大多数出版物集中于硼酸探针(作为当前电化学血糖仪中使用的葡萄糖氧化酶的替代物)，其中硼酸与葡萄糖可逆结合。这种结合改变了可以与感兴趣的样品中的葡萄糖水平相关联的从几种荧光团获得的荧光光谱特征。除了一个例外，开发用于在缓冲条件中进行葡萄糖感测的先前的硼酸(BA)荧光探针中任一个均不能对接触镜片内的葡萄糖水平作出响应。一个例外是基于喹啉鎓衍生物的探针，其使用水凝胶聚合物(Nelfilcon A)对接触镜片中的葡萄糖给出小的响应并从接触镜片中洗掉。许多其他硼酸探针对水凝胶镜片中的葡萄糖没有响应。
设计适用于包括在葡萄糖敏感性接触镜片(Glu-CL)中且适用于眼泪葡萄糖的远程光学测量的葡萄糖敏感性荧光团(Glu-SF)已经遇到了几个障碍。已知的Glu-SF需要紫外(UV)或近紫外激发，并且实用的便携式光源在那些先前的尝试时尚不存在。用于较长波长激发的Glu-SF不可获得或显示出最小光谱变化。Glu-SF设计的一个障碍是接触镜片的快速变化的聚合物化学。来自20世纪90年代的在聚羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)水凝胶(HG)中作出响应的Glu-SF可能在2000年后出现的基于硅氧烷水凝胶(SiHG)的当前镜片中没有响应。
通过使用硅氧烷水凝胶(SiHG)解决了水凝胶接触镜片的这个问题，即它们易碎并且Dk值不可增加到高于纯水的Dk值。典型的单体在图4中示出并包含长硅氧烷主链和末端处用于聚合的含碳反应基团。使用了许多不同的单体组合。这些软性接触镜片包含可变比例的交联剂，以控制水含量和结构刚度。硅氧烷水凝胶(SiHG)最重要的特征是与非硅氧烷HG相比，用于氧传输的Dk值急剧增加。Dk值现在比相当厚度的水大约3倍。第一商业SiHG镜片(出现于1998年)由于舒适和柔软而受到患者的欢迎，但一些患者描述了眼睛干燥和炎症的问题。发现这些不利影响是由硅氧烷的疏水性和对泪层的干扰造成的。通过使用化学或等离子体表面氧化使镜片表面亲水解决了这些问题。所得镜片被大部分患者所接受。此类镜片被批准用于日常或长期佩戴。现在，超过70％的接触镜片新处方是针对SiHG镜片(SiHG-CL)。由于大规模生产，此类SiHG-CL已经变得非常便宜。因此，在发达国家，一天使用-并-丢弃已经成为优选使用模式--即使是在长期佩戴型镜片的情况下。
通过在接触镜片中包括荧光团，并使用远程电子设备来确定分析物的浓度，可以将Glu-CL的成本降低到与普通的SiHG-CL相当。
1.1探针和材料概述
图1A和图1B是示出根据一个实施方案的示例性探针-基质材料100的框图。探针-基质材料100(在下文中也简称为材料)包括SiHG基质(SiHG)110和由星形符号表示的探针组合物150，所述探针组合物150的浓度优选地为当分析物以期望的量存在于接触材料的流体中时，在远程监测器子系统处可观察到。SiHG基质110固有地包括允许水溶液流动的水凝胶通道112的网络和填充通道112的网络的空隙的硅氧烷主链，在下文称为硅氧烷空隙114。水凝胶通道为纳米级，宽度在一些SiHG中在约10纳米(nm，1nm＝10-9米)与约100nm之间变化，并且在其他SiHG中在5-75nm之间。应当指出的是，由于通道尺寸的这个范围小于在进行本文描述的测量时使用的光的波长，因此没有光的散射。圆和椭圆表示通道112的横截面，因为它们与所描绘的材料100的立方体的面相交。在一个实施方案中可存在许多探针组合物150，或用以检测不同分析物的不同探针组合物150，如下文进一步描述的。应注意，探针组合物150中的每一个包括亲水性部分和疏水性部分，以使探针组合物150存在于水凝胶通道112与硅氧烷空隙114之间的边界(也称为界面或硅氧烷-水界面)上。图1B是这种界面的特写横截面，其示出由穿过水凝胶通道112的点线箭头表示的流体流190和流体内的分析物192，分析物192的每个拷贝由点表示。此处硅氧烷空隙114用灰色填充物指出。应注意，所描绘的探针组合物150设置在硅氧烷空隙114与水凝胶通道112中的流体流190和分析物192之间的界面上。尽管被示出以例示操作期间的配置，但是流体流190和所包括的分析物192不是材料100的一部分。
图1C是示出根据一个实施方案的示例性探针组合物150的框图。探针组合物(也称为探针150)包括几个部分，每个部分包括一个或多个原子。探针150包括疏水性(非极性)部分151和亲水性(极性)部分152，所述疏水性部分151优选与硅氧烷空隙的非极性区域在一起并且所述亲水性部分152优选与其他极性分子(诸如水凝胶通道112中的水)在一起。由于这种双重吸引，探针组合物倾向于驻留在水凝胶通道112和硅氧烷空隙114的界面处，并且不会自由地穿过通道并被流体流190冲洗出材料100。这意味着材料基质110可以装载有探针组合物150以形成材料100；并且然后，材料100在材料100用于不同的样品流体中时保持稳定，所述样品流体流过水凝胶通道，而不移开许多探针150。
为了在测定中使用，探针组合物还包含至少一个分析物结合部分153，以捕获和结合流体流190中的分析物192的分子，如果存在的话。另外，探针150包括至少一个荧光团部分154a，其被配置成当分析物与分析物结合部分153结合时与当分析物未与分析物结合部分153结合时其所发射的荧光的特性的值相比改变其所发射的荧光的特性的值。在一些实施方案中，为了确保荧光团部分154a与结合部分153适当地间隔开，在探针150中包括间隔物部分156。在一些实施方案中，荧光特性的变化取决于荧光团部分154a与一种或多种其他荧光团或其他功能部分的相互作用，诸如电子供体部分或电子受体部分或光子猝灭部分或FRET配偶体部分，在下文称为荧光团B部分154b。在此类实施方案中，间隔物部分还确保荧光团B部分154b与荧光团A部分154a或分析物结合部分153或两者适当地间隔开。然而，荧光团B通常不限于FRET。例如，荧光团B部分也可以指PET对的另一部分，或荧光的猝灭剂。
图1D是示出根据各种实施方案的可以测量的示例性荧光特性的框图。在每个实施方案中，来自光源160的特定波长或波段的光161入射到样品162(诸如其中具有流体190和分析物192的材料100)上。处于不同波长或波段的荧光163作为响应被发射并且在光学检测器164处被检测，所述光学检测器164输出可在模数转换器(ADC)处数字化的数字电信号或模拟电信号。尽管为了图示清楚起见，发射荧光163被描绘成处于与入射光相同的方向上，但是发射荧光163可处于与所描绘的角度不同的角度。除本领域已知的其他特性之外，可以测量的发射荧光163的示例性不同特性包括：发射光的强度，由图的左列表示；在两个或更多个不同波长处的强度比率，如图的第二列所指出；强度随时间的衰减，如图的第二列所指出；以及相对于入射光的相移或调制。后两个特性均反映了在入射光关闭之后发射荧光163的寿命，例如，在入射光脉冲之后的荧光寿命。
现在参考图1D的图，如果对于感兴趣的分析物浓度范围(例如，糖尿病受试者的从40mg/mL至300mg/mL的葡萄糖)，发现来自探针组合物150的任何可测量的特性取决于流体190中的分析物192的浓度，那么探针组合物150适于形成材料100。每列中的顶部图示出对于两个不同分析物浓度的不同响应的实例，假设出于说明的目的，存在该特性对分析物浓度的有用依赖性。每列中的底部图描绘每种特性的校准曲线，假设出于说明的目的，存在所述特性对有用范围的分析物浓度的有用依赖性。
仍然参考图1D的图，例如，左列的顶部图示出荧光强度在低分析物192浓度(在图中标记为“-anal”)下在一定波段中形成峰。同一图示出荧光强度在高分析物浓度(在图中标记为“+anal”)下在同一波段形成峰；但是，该图示出高浓度的峰强度值大于低浓度的峰强度值。如果这种关系在感兴趣的分析物浓度范围内持续存在，那么将得到具有校准曲线171的该列中的底部图。此处，峰的强度在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度增加。在此实例中，该波段中的强度是用于确定分析物浓度的荧光特性。
类似地，且仍然参考图1D的图，左起第二列的顶部图示出荧光强度在低分析物浓度(在图中标记为“-anal”)下在两个独立波段(在图中称为波段A和波段B)中形成峰。第一峰(波段A)的强度小于第二峰(波段B)的强度。同一图示出在高分析物浓度(在图中标记为“+anal”)下处于相同的两个独立波段中的荧光强度峰；但是，第一峰(波段A)的强度大于第二峰(波段B)的强度。通过将第一峰(波段A)的强度除以第二峰(波段B)的强度定义的比率对于低分析物浓度较低而对于高分析物浓度较高。如果这种关系在感兴趣的分析物浓度范围内持续存在，那么将得到具有校准曲线172的该列中的底部图。此处，两个峰的强度的比率在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度增加。在其他实施方案中，两个峰的强度的比率在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度减小。在这些实例中，两个波段中的强度的比率是用于确定分析物浓度的荧光特性。
作为图1D的另一个实例，左起第三列的顶部图示出特定波段中的荧光强度随时间降低。对于不同的分析物浓度，衰变速率是不同的。荧光响应的寿命(τ)通过波段中的强度的对数相对于时间的图中的线的斜率的倒数给出。寿命τ对于低分析物浓度较低且对于高分析物192浓度较高。如果这种关系在感兴趣的分析物浓度范围内持续存在，那么将得到具有校准曲线173的该列中的底部图。此处，寿命(τ)在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度增加。在此实例中，寿命τ是用于确定分析物浓度的荧光特性。
在图1D的另一个实例中，左起第四列的顶部图示出了与调制频率f相关联的时间中的电场变化。该方法使用在远小于光频的某个调制频率f下的强度调制的光。光调制频率f通常在10兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹(Hertz))至300MHz的范围内，但可为1MHz至10千兆赫(GHz，1GHz＝109Hz)；而光频在太赫(THz，1THz＝1012赫兹)的范围内。实线曲线示出所测量的光调制的计时(相位，φ)，相对于所述参考光束-对于通过1/f给出的波周期，连续调制峰在相位上分隔开2π。该图还示出波的被称为调制的振幅，其与强度相关。来自发射荧光的测量场通过虚线曲线给出并且具有与参考场略微不同的相位Δφ和调制Δm。如果与参考的相位差Δφ或调制差Δm随着不同分析物192浓度而变化，并且如果其中一个或两个在感兴趣的分析物浓度范围内持续存在，那么将得到该列中的底部图。此处，通过点线给出的相位差Δφ在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度增加，从而提供校准曲线174a；并且，通过实线给出的调制差Δm在感兴趣的浓度范围内随分析物浓度降低，从而提供校准曲线174b。在此实例中，相位差Δφ或调制差Δm是用于确定分析物192的浓度的发射荧光163的特性。
1.2方法概述
图2是示出根据一个实施方案的用于基于如图1A所描绘的材料测量分析物的浓度的示例性方法200的流程图。尽管步骤在图2中出于说明目的被描绘为特定顺序的整体步骤，但是在其他实施方案中，一个或多个步骤或其部分以不同顺序执行，或在时间上重叠、按顺序或并行，或被省略，或添加一个或多个附加步骤，或该方法以方式的某种组合改变。
在步骤201中，获得硅氧烷水凝胶基质，诸如SiHG-CL或微流体装置，所述微流体装置具有沉积在一个或多个通道的一个或多个区段或一个或多个腔室或一个或多个贮库或某种组合中的硅氧烷水凝胶。在一些实施方案中，基质的表面(例如，接触镜片的表面)已经经过处理，以使其更加亲水，例如通过氧化。在一些此类实施方案中，当希望探针附接至材料的一个或多个表面而不是或除水凝胶通道与硅氧烷空隙之间的内部界面之外时，对一个或多个表面进行处理以增强表面的疏水特性。下面参考具体的示例性实施方案更详细地描述所述处理的实例。在一些实施方案中，步骤201包括形成微流体装置，其具有沉积在一个或多个通道的一个或多个部分或一个或多个腔室或一个或多个贮库或某种组合中的硅氧烷水凝胶。
在步骤203中，使SiHG基质与具有探针组合物150的水溶液接触足够的持续时间，以在材料中或上获得探针的目标浓度。对于任何特定应用，可通过实验确定持续时间。作为结果，形成了探针-基质材料100。在一些实施方案中，步骤203包括将材料在溶液中浸泡所述持续时间。在一些实施方案中，步骤203包括用包括探针的溶液冲洗材料或包括材料的微流体装置，或以其他方式搅拌或加热流体，以在可用持续时间内在材料中实现期望的探针浓度。
步骤205之后的步骤取决于是否存在期望分析物和来自探针的荧光响应的期望校准曲线，诸如上述曲线171、172、172、174a或174b中的一个或多个，或某种组合。因此，该方法包括步骤205处的分支点，以确定是否存在完成的校准曲线或是否必须生成或改进校准曲线。如果已经存在可以使用的具有期望可靠性的校准曲线，那么控制直接转到下文描述的步骤206。否则，如果没有校准曲线或如果现有校准曲线缺乏范围或统计收敛，那么控制首先转到步骤207。
在步骤207中，制备具有已知分析物浓度的水溶液作为样品溶液。可以使用任何方法产生已知浓度，诸如将已知量添加到已知体积的血液或盐水或人工眼泪中，以模拟待用作来自受试者的样品的流体。然后控制转到下文描述的步骤209。
如果已经存在具有期望可靠性的校准曲线，那么控制转到步骤206而不是步骤207。在步骤206中，制备含水样品溶液。例如，抽取血液或尿液样品。在原位放置材料的实施方案中，诸如将接触镜片放入包覆受试者眼睛的泪液中，则省略步骤206并且控制直接转到步骤209。
在步骤209中，使探针-基质材料与含水样品溶液(例如，具有已知分析物浓度，来自步骤207，或具有未知分析物浓度，来自步骤206)接触。例如，在一些实施方案中，使流体样品在重力、压力或毛细管作用下流入微流体装置中，或在一些实施方案中，将材料或包括材料的微流体装置浸没在样品中。在下文描述的示例性实施方案中，将至少一部分是探针-基质材料的接触镜片插入眼睑下方且在受试者眼睛的角膜前面。
在步骤211中，响应于入射光的激发，测量从与样品流体接触的材料发射的荧光的校准曲线特性。激发荧光并确定和使用与分析物浓度相关的特性的值的系统在本文中称为监测器子系统。已知用于激发、测量和使用特性的任何装置均可用作监测器子系统，如下一部分所描述。
在步骤211之后，执行的下一步骤基于是否已经存在适当的校准曲线，如平行于上述步骤205的步骤213中所指示。如果校准曲线未完成，那么样品具有已知分析物浓度，并且控制转到步骤215，以将从样品发射的荧光的所测特性和相关联的已知分析物浓度添加至校准曲线。然后，控制回到步骤207以制备具有已知分析物浓度的下一样品溶液。在由步骤207、209、211和215表示的循环重复足够次数之后，数据收敛于可用于由从具有未知分析物浓度的样品发射的荧光的特性的测量结果推导出分析物的浓度的校准曲线或迹线，并且认为校准曲线完成。
如果校准曲线完成，那么样品来自受试者并且具有未知的分析物浓度；并且，控制转到步骤217。在步骤217中，基于上文所述的校准曲线和在步骤21中测量的荧光的特性值确定样品中分析物的浓度。
在步骤219中，基于分析物的浓度操作装置。例如，分析物浓度的值呈现在计算机或蜂窝电话显示装置上，如下文参考图31或图33所描述的。在一些实施方案中，浓度的值用于确定受试者是否患有病状，诸如DED、角膜炎或糖尿病性低血糖症或高血糖症；并且，用于在显示装置上呈现指示病状的数据，或操作装置以施用治疗性处理，诸如向具有糖尿病性高血糖症的病状的受试者施用胰岛素。在步骤219中操作的装置在下文称为分析物响应装置，或简称为“响应装置”。
1.3系统概述
图3A和图3B是示出根据一些实施方案的检测来自受试者的流体中的分析物的浓度的示例性系统的框图。图3A描绘了使用微流体装置(向其中引入样品溶液)的示例性系统；并且，图3B描绘了使用在角膜前面和闭合眼睑后面原位放置在受试者眼睛的泪液中的接触镜片的示例性系统。
图3A是示出根据一些实施方案的检测来自受试者的流体中的分析物浓度的示例性微流体系统301的框图，系统301包括微流体装置310和监测器子系统320。微流体装置包括非水凝胶基质，诸如玻璃或PDMS，通过蚀刻或注塑或其他已知的工艺在其中形成流体输入端口312、宽度和深度均在1至1000微米(μm，也称为微米，1微米＝10-6米)范围内的微通道314，以及与腔室或其他承盘或废物处置件(未示出)流体连通的流体输出端口319。在被称为观察区域318的区段中，设置了诸如材料100的探针-基质材料316。在一些实施方案中，例如在基于使用如171的校准曲线测量荧光强度的一些实施方案中，有利的是包括在荧光波段中具有已知强度的标准317。在操作期间，样品溶液被引入流体输入口312，流过微通道324并遇到探针-基质材料316。
监测器子系统320提供激发光，进行荧光测量并确定经过材料316的流体中的分析物的浓度。为了避免污染样品流体，如果监测器子系统的部件不接触微流体装置310中的流体，则是有利的。监测器子系统320包括入射光源322、光检测器324、处理系统330以及响应装置333。分析物检测模块332在处理系统330中被实施为硬件、固件或软件或某种组合，以操作处理系统330和光源322和检测器324以及响应装置333，如图2的方法200中所描述。尽管描绘了入射光391和发射的荧光392以说明子系统的操作，但是除了在操作期间它们不是子系统的一部分。在所例示的实施方案中，处理系统330通过一个或多个有线或无线连接与入射光源322、光检测器324和响应装置333通信。在一些实施方案中，这些部件中的一个或多个被包括在如图31所描绘的计算机系统中、如图32所描绘的芯片组中、或如图33所描绘的移动终端或蜂窝电话中。
监测器子系统320，如上所述并且如图31、32和33中所描绘，包括入射光源322、光检测器324、处理系统330以及响应装置333。光源322包括光源，诸如激光器、发光二极管(LED)、脉冲激光二极管(LD)、UV LED、白炽灯、荧光灯，包括任何紫外(UV)源，以及用于调理光(例如，以偏振、滤光、修改波长、修改振幅、修改相位或者延迟)并将光引导到材料316上的任何光学耦合器。光学耦合器单个或总体包括光学滤光器、偏振控制器、光学放大器、倍频器、注入锁定光纤环行器、光纤耦合器以及自由空间光学部件(例如，镜子、透镜、偏振器、开放空间、真空空间等等)中的一个或多个。光检测器324包括一个或多个光学耦合器和输出模拟或数字电信号的单个、成对检测器或单个或成对检测器的一维或二维阵列，以及任何模数转换器(ADS)、滤光器或可用于调理电数据以通过处理系统330处理的其他电子部件。处理系统包括图31中描绘的计算机系统、图32中描绘的芯片组或图33中描绘的智能蜂窝电话中的一个或多个。分析物检测模块332被配置成：操作光源322以产生入射光的期望特性以引导到材料316上，包括操作任何马达或致动器以指向或调谐光；确定将在检测器324处进行的测量的持续时间和频率；在从检测器324接收数据之后对数据进行调理，包括确定荧光的特性；使用或构建校准曲线；确定分析物浓度；并且基于分析物浓度的值操作响应装置333。
图3B是示出根据一些实施方案的检测来自受试者的流体中的分析物的浓度的示例性原位系统302的框图，系统302包括监测器子系统，与上文针对系统301所描述的大多相同，以及具有包括探针-基质材料366的至少一部分的接触镜片360，代替微流体装置310。例如，在基于使用如171的校准曲线测量荧光强度的一些实施方案中，有利的是包括在荧光波段中具有已知强度的标准367。在操作期间，当眼睑闭合时，将接触镜片360插入通常为接触镜片位置的受试者的眼球399的角膜的前面。原位泪液构成样品溶液。监测器子系统370由入射光源372、光检测器374、处理系统380、响应装置383以及分析物检测模块382构成，它们被配置成与接触镜片360的材料366一起操作，但在其他方面分别类似于上文所述的那些项目320、322、324、330、333和332。类似地，入射光395和发射的荧光396对于接触镜片360的材料366是特定的，但在其他方面类似于上文所述的入射光391和发射的荧光392。
尽管进程、设备和数据结构在图3A和图3B中出于说明的目的被描绘为处于特定布置方式的整体块，但是在其他实施方案中，一个或多个进程或数据结构或其部分以不同方式布置在相同或不同主机上、一个或多个数据库中，或被省略，或一个或多个不同的进程或数据结构包括在相同或不同的主机上。例如，在一些实施方案中，光源322处于自主模式并且独立于处理系统330操作，使得省略了它们之间的通信连接。
2.示例性分析物实施方案
硅氧烷水凝胶接触镜片(SiHG-CL)和荧光探针的最新发展为使用特别标记的(探针组合物注入的)接触镜片进行电解质浓度的测量以用于干眼病的检测提供了机会。如本公开之前提到的，这些发展之一是在硅氧烷水凝胶内存在水凝胶通道或纳米通道(硅氧烷空隙)，从而允许水溶液流过镜片。下文公开的实施方案包括探针组合物，其可锚定在硅氧烷空隙内，而仍然具有可用于测量一种或多种分析物的暴露于通过这些纳米通道的含水流的部分。应注意，可测量的分析物192中的一种是葡萄糖，并且这些实施方案在下文的第3部分中更全面地讨论。
干眼病的两种主要形式是水液缺乏型干眼症(ADDE)和蒸发过强型干眼症(EDE)。ADDE和EDE与眼泪中的电解质失衡高度相关。高电解质浓度被认为是DED最准确和客观的生物标志物。为此，已经开发了在SiHG-CL中使用的用于检测各种电解质浓度的探针组合物150。
图5A和图5B是示出根据各种实施方案的接触镜片的图像，所述接触镜片可使用包含探针组合物的材料制作以检测一种或多种各种分析物，诸如所示出的分析物，包括葡萄糖。多离子镜片是本文公开的实施方案中的一个，并且其使用本文所公开的并入各种探针组合物的材料，以使可以检测以下电解质中的一种或多种的浓度：pH(H+的浓度)，使用探针组合物509；Na+，使用探针组合物511；K+，使用探针组合物513；Ca2+，使用探针组合物505；Mg2 +，使用探针组合物507；Cl-，使用探针组合物503；以及葡萄糖，使用探针组合物515。具有检测这些电解质中的一种或多种的能力的镜片可以使用其中嵌有被设计用于检测这些电解质的浓度的探针组合物150的材料构造。
以下是用于检测各种电解质的探针组合物的具体实施方案。
2.1.可用于基于SNARF探针测量pH的探针组合物
如在图1C的讨论中提到的那样，用于测量眼泪中的pH水平的所公开的探针组合物150的实施方案包括至少亲水性部分152、疏水性部分151、分析物结合部分153。
在SiHG-CL中使用的探针的实施方案可包括半萘并荧光素(SNAFL)和半萘并罗丹荧(seminaphtorhodafluor)(SNARF)系列的已知pH探针。SNARF和SNAFL探针表现出其吸收和发射光谱的变化，并且还表现出在pH诱导的离子化时的寿命变化。公开了具有疏水性烷基侧链的探针组合物的实施方案，所述疏水性烷基侧链与能够结合镜片的富含硅氧烷的区域的基于SNARF的探针附接或化学连通。SNARF家族探针本身是包含所述侧链的这些探针组合物的有用组分。图6A是示出根据一个实施方案的示例性羧基SNARF-6吸收光谱和pH对光谱的影响的图。图6B和图6C是示出根据一个实施方案，在总稳态强度接近相等的pH下从全频域测量和分析中恢复的示例性时间依赖性衰减的图。图6A至图6C简单地证实了商业上称为羧基-SNARF-6的SNARF探针家族是探针组合物实施方案的有用组分。如在图6A中可以看到的，吸收光谱峰振幅或波长随着不同的pH水平而变化很大(分别示出pH值9.5、8.4、7.9、7.4和6.2的迹线)。因此，用此组分合成的探针组合物可用于使用激发-比率计量(ratiometric)或发射-比率计量测量来测定pH。图6B示出在平均寿命中存在pH依赖性变化，这是使用单调制频率从全频域恢复的。相位角的这种变化表明平均衰减时间从低pH下的4.51纳秒(ns)变为高pH下的0.95ns。
出于这个原因，这些差异被用于将这些变化与眼泪中的给定pH水平相关。向这些探针中添加疏水性碳侧链得到可用于Si-HG接触镜片(SiHG-CL)的探针组合物150实施方案。
2.2.替代的pH检测探针组合物
除了上文提到的经过修饰的SNARF探针组合物之外，基于喹啉鎓的(例如，羟基喹啉)探针组合物可用于检测pH。图7A是示出根据一个实施方案的可用于测量和检测接触镜片中的pH的探针组合物的示例性合成方案的化学图。图7B是示出根据一个实施方案当暴露于UV光时，示例性Quin C-18探针在各种pH水平下如何发荧光的一组图像。据发现，8-18烷基或烯丙基侧链可用于将探针组合物结合在SiHG接触镜片的特定硅氧烷空隙中。在图7A和7B的实施方案中，使用18碳侧链。
图7A示出用于测量和检测接触镜片中的pH(氢离子H+的浓度)的探针组合物的实施方案的合成方案701。羟基喹啉703与1-溴-十八烷反应，形成探针组合物150形式705、707、709。如本文所用，705、707、709统称为“6OH-N-C18H37-QBr”或HQ-C18。
结构705、707和709基于羟基基团中的氧的离子化水平而不同。取决于pH，羟基基团将处于OH-(705)、O-(707)或OH(709)形式。图7B示出当暴露于UV光时探针150在各种pH水平下如何不同地发荧光。图像711指出在4.0的pH下在环境光中的透明镜片。图像715指出在10.0的pH下在环境光中的黄色色调。图像717指出在10.0的pH下在UV光中的黄辉光。图像713指出在4.0的pH下在UV光中的蓝辉光。
6OH-N-C18H37-QBr探针组合物已显示出可用于检测SiHG-CL中的pH变化。此探针组合物150表现出吸收和发射光谱的变化。因为发射和吸收光谱都发生变化，所以可以使用激发或发射强度比率来测量pH。图8是示出根据一个实施方案，在水中BiofinityTM接触镜片中的6-OH-N-C18H37-QBr的示例性激发光谱(左)和发射光谱(右)的图。由于在各种pH水平下的光谱差异，探针组合物150适于检测SiHG-CL中的pH，因为它不仅响应于pH的变化，而且由于其疏水性侧链，它不会从接触镜片中洗掉。探针组合物与SiHG-CL强烈结合并且不可因重复冲洗而被洗掉。
不仅实施方案探针组合物6OH-N-C18H37-QBr在不同的pH水平下表现出光谱偏移的变化，而且还存在pH对荧光强度寿命的显著影响。图9是示出根据一个实施方案，在水中BiofinityTM接触镜片中的6OH-N-C18H37-QBr的示例性强度衰减的图。点簇901、903和905分别表示在450nm、550nm和580nm下监测到的发射。
可用作pH探针的替代结构是6OH-N-烯丙基-QBr或HQ-C3，如下：
图10是示出根据一个实施方案的6-OH-N-烯丙基-QBr的示例性合成方案的化学图。此合成方案类似于图9中所示的方案。羟基喹啉1001与三碳烃反应形成6-OH-N-烯丙基-QBr的三种形式，彼此平衡存在。这些被表示为结构1003、1005和1007，并且在本文中统称为6-OH-N-烯丙基-QBr。与6OH-N-C18H37-QBr一样，6-OH-N-烯丙基-QBr探针组合物已经显示出可用于检测SiHG-CL中的pH变化。此探针组合物表现出吸收和发射光谱的变化。因为发射和吸收光谱都发生变化，所以可以使用激发或发射强度比率来测量pH。
图11是示出根据一个实施方案的可并入所公开的特定pH检测探针组合物中的示例性疏水性侧链，以及具有疏水性侧链以使疏水性部分将探针组合物结合在SiHG镜片的界面处的示例性pH探针的化学图。图11的R基团是疏水性侧链，其可并入所公开的特定pH检测探针组合物中，以使疏水性部分将探针组合物结合在SiHG-CL中的界面处。在此实施方案中，侧链含有聚乙二醇或精氨酸肽的单独单元。图11所示的主分子是由与溶血磷脂酰胆碱(lyso-PE)结合的SNARF-1组成的探针组合物。探针组合物的此实施方案在本文中称为SNARF-1-PE。此结构通过将SNARF-1的可商购获得的活性酯与lyso-PE偶联而形成。此实施方案的优点是它可以更容易和自发地结合至SiHG-CL。lyso-PE带电荷并且因此探针组合物不太可能完全进入镜片的硅氧烷区域。这是有用的，因为探针组合物有利地骑跨通道，以使分析物结合部分暴露于含水环境。如果探针组合物完全可溶于SiHG-CL的硅氧烷部分，那么它将不可用于结合(以及因此检测)各种分析物。SNARF-1PE探针组合物的另一个优点是lyso-PE胶束的直径为大约4nm，其足够小以进入各种SiHG-CL的纳米通道(其宽度为约50nm)。
2.3示例性Na+和K+检测探针组合物
推测K+在DED中具有特定作用，因为与其他电解质相比，K+在眼泪中的浓度比在血清中高大约5倍。还据信，Na+浓度可能影响DED病状的严重程度。因此，探针组合物实施方案可检测这些分析物。与之前的探针组合物一样，这些实施方案被定制适用于接触镜片或类似材料。
Na+和K+的荧光探针基于使用氮原子附接至荧光团的氮杂冠醚。图12是示出根据各种实施方案的Na+探针和用于与UV光一起使用的紫外(UV)类似物(SBFI)的示例性化学结构的一组化学图。结构1201是基于Sodium Green基体(base)的可见波长Na+探针组合物，但其中R基团可以是lyso-PE。与上文相同，lyso-PE的目的是保持探针组合物部分暴露于含水环境，而不是完全浸没在接触镜片的疏水性部分内。结构1203和1205是探针组合物的其他实施方案并且分别包括钠结合型苯并呋喃间苯二甲酸酯(SBFI)分子(用于检测Na+)和钾结合型苯并呋喃间苯二甲酸酯(PBFI)(用于检测K+)，在相应的R基团处用lyso-PE修饰。用于检测K+的探针组合物的另一实施方案由在“R”位置用lyso-PE侧链修饰的可商购获得的称为CD222的基于香豆素的探针(结构1207)组成，如图12所示。
对应地，图13A和13B分别示出SFBI和PBFI的发射光谱。图13A是示出根据各种实施方案的SBFI的示例性Na+和K+依赖性发射光谱的图。图13B是示出根据一个实施方案的PBFI的示例性Na+和K+依赖性发射光谱的图。可以看出，发射光谱基于在图中以各种(mM)水平指出的不同的浓度水平而变化。因此，这些探针组合物将可用于将光谱与浓度水平相关。
2.4示例性Mg2+和Ca2+检测探针组合物
Mg2+和Ca2+在DED中的作用尚不明确，因为以前没有用于测量这些离子的装置。但是，已经提出增加的Ca2+浓度可表明某种形式的眼部缺陷，因为眼泪中的钙水平通常比血液中低5倍。由于用于检测眼泪中的Mg2+和Ca2+的手段可能出于任何原因变得必要，已经开发了可用于检测这些元素的浓度的探针组合物的实施方案。与先前的实施方案相同，开发探针组合物，使得它们利用锚定在硅氧烷空隙中的疏水性部分和处于水凝胶纳米通道中的分析物结合部分而横贯SiHG-CL中的硅氧烷-水凝胶界面以检测含水流中的分析物。
图14是示出根据各种实施方案的钙和镁离子检测探针组合物和用于将探针组合物结合到接触镜片中的所提出的lyso-PE衍生物的示例性结构的一组化学图。图14示出用于检测这些离子的四个结构1401、1403、1405和1407。结构1401、1403和1405检测钙水平并且结构1407检测Mg2+。与上述探针组合物实施方案相同，将lyso-PE添加到各种探针中与图14中的R基团相对应的位置。应当指出的是，结构1401也可以通过添加8-18烷基侧链代替lyso-PE来修饰。
图15A和图15B是分别示出根据一个实施方案的对镁的示例性吸收和发射响应以及镁检测探针组合物的结构的图。图15A包括插图，其示出用于检测Mg2+的探针Mag-quin-21505的另一个实施方案。可以通过添加疏水性侧链(诸如具有8-18个之间的碳的烷基基团)或lyso-PE基团来修饰此探针，以使其能够结合在硅氧烷-水界面处。吸收光谱1501和发射光谱1503显示，Mag-quin-2的修饰型式可用作激发波长比率计量探针，其原因与公开的其他探针组合物相同。另一个优点是通过将激发波长从340nm变成365nm，可以将结合常数从0.2mM变成20mM。这种效果在制造镁敏感性接触镜片时是有价值的；如果在硅氧烷-水凝胶界面处的结合改变了生理范围之外的镁亲和力，那么通过使用具有不同波长的LED，表观结合常数可以偏移到镁最敏感范围。
2.5示例性Cl-检测探针组合物
能够确定眼泪中的氯离子浓度是重要的，因为需要这些浓度来计算患者眼泪的总渗透压。通过典型的探针进行的氯离子的检测通过碰撞猝灭过程发生。在下文参考图22讨论了碰撞猝灭，但实质上是指处于激发态的探针在由于扩散而与氯离子接触时立即返回到基态而不发射光子。探针不被猝灭过程破坏，并且仍可用于进一步激发。
先前已知的所报道的氯化物探针不能用作在SiHG-CL中使用的探针组合物中的组分。图16和17A展示了各种氯化物探针及其各种特性。图16是示出根据一个实施方案的用于检测氯离子的示例性探针组合物结构的化学图。在图16中，探针SPQ-3 1601对氯离子过于敏感，因为它在低于氯离子的典型眼浓度的浓度下几乎完全猝灭。这是一个问题，因为在这种情况下不可能得到眼泪中的实际氯离子浓度的准确读数。为了开发对猝灭不太敏感的氯离子探针，人们认识到，碳侧链(长度优选为8-18个碳)的添加，如在探针组合物实施方案1603(SPQ-C18)中那样，将减少探针对氯离子的猝灭敏感性。
在测试时，SPQ-C18 1603在与SiHG-CL结合时表现出猝灭敏感性的7倍降低。图17A是示出根据一个实施方案的Stenfilcon(Aspire TM)接触镜片中的SPQ-18的示例发射光谱的图。如图17A所示，在450nm处在各种氯离子浓度(来自NaCl盐，范围为0-100mM)下的荧光强度在约20-40％的范围内(分别参见迹线1711和1701)。相反，对于0至100mM范围内的浓度，在450nm处荧光强度SPQ-C3在约20-100％的范围内(未示出)。这是一个问题，因为眼泪中的正常氯离子浓度为约118-138mM。因此，与SPQ-C31601不同，SPQ-C18 1603在眼泪中的典型氯离子浓度下仅约50％猝灭，从而保留检测眼睛中是否存在异常升高的氯离子浓度的剩余能力。猝灭的这种减少使得所公开的探针组合物适于其预期目的，并且还通过图18中的SPQ-C3相对于SPQ-C18的寿命Stern-Volmer图的比较进行证实。图18是示出根据一个实施方案，在水中的SPQ-C3和在Stenfilcon(AspireTM)接触镜片中的SPQ-C18的寿命Stern-Volmer迹线的示例性比较的图。
应当指出的是，这些测量结果利用探针在Stenfilcon A(AspireTM)接触镜片(通常为SiHG-CL)中获得。图17B是示出根据一个实施方案，在氯离子存在下SPQ-18(1603)的示例性时间依赖性衰减的图。包括图17B以示出，该探针组合物实施方案1603的该光谱特性也可用于与各种氯离子浓度相关。例如，0mM氯离子(迹线1713)不同于在100mM浓度下获得的迹线1715。
此外，探针组合物实施方案C18-SPQ 1605具有另外的水溶性磺酸基团，其允许更大的氯离子敏感性，因为探针组合物的该部分在将存在氯离子的含水纳米通道中将取向。
硅氧烷水凝胶接触镜片(SiHG-CL)和荧光探针的最新发展还为使用特别标记的(探针组合物注入的)接触镜片进行生物标志物浓度的测量以用于角膜炎的检测提供了机会。角膜炎是与佩戴接触镜片相关联的眼睛感染。在过去的40年中，接触镜片的组成发生了许多变化，从玻璃到PMMA，再到HEMA聚合物、SiHG和具有增加的氧传输的SiHG。即使有所有这些变化，接触镜片引起的角膜炎的发病率还是保持不变。该结果表明，角膜炎源于在接触镜片的内表面与角膜的外层之间的泪液层表面中发生的化学变化。没有在体积远小于眼睛的泪液体积且在不干扰样品本身的情况下任何类型的样品收集均不可接近的这一区域中执行测量的典型方式。
水凝胶的纳米多孔聚合物网络(NPN)中的水通道可能太小而不能渗透大蛋白质，诸如溶菌酶、细菌铁蛋白(bacteroferrin)和IgA。然而，水通道可以大到足以允许较小分子进入，所述分子诸如防御素，其通常是具有29至42个氨基酸的小肽并且被六个保守性半胱氨酸残基约束成为折叠形式。人β-防御素-2[HBD-2]在上皮细胞刺激后迅速产生，并且增大的HBD-2浓度通常是感染的最早迹象，甚至是在眼科医生可以看出感染之前。角膜上皮对感染的强抵抗力最可能是由于响应于一些细菌(例如，铜绿假单胞菌(P.aeruginosa))和特定的脂多糖而迅速产生的HBD-2。防御素可以通过适体或肽适体检测，所述适体或肽适体比抗体小得多并且可以在NPN中或在镜片表面上并入SiHG-CL中。
3.接触镜片中的示例性葡萄糖实施方案
硅氧烷水凝胶接触镜片(SiHG-CL)和荧光探针的最新发展为使用特别标记的(探针组合物注入的)接触镜片进行葡萄糖浓度的测量以用于糖尿病性高血糖症(用于疾病控制)和糖尿病性低血糖症(由胰岛素的过量给药造成)的检测提供了机会。
如先前在本公开中提到的，Glu-SF基于含有硼酸的分子，其中硼酸与葡萄糖可逆结合。图19是示出根据一个实施方案的含有处于糖结合和糖未结合构象的二硼酸部分的示例性通用分子的化学图。图19示出含有两个硼酸部分1901的通用分子。包括图19以示出处于糖结合状态1903、1905、1909相对于糖未结合状态1901的硼酸构象。(该图中的术语“糖”可表示葡萄糖的分子)。
在一些实施方案中，该通用组合物是探针组合物150，在这种情况下，R基团1905是荧光团部分154a和/或154b、连同间隔物部分156(如果适当的话)、疏水性部分151以及亲水性部分152的组合。在那种情况下，硼酸部分1901、1903将是分析物结合部分153。
在此实例中，待结合的分析物是葡萄糖。如图19所示，硼酸部分1901处于三角形(糖未结合)形式。当处于糖结合形式时，硼酸部分1903呈四面体构象。这些结构可以在结构1907(糖结合两个硼酸部分)或结构1909(通过另一个葡萄糖的添加，可结合两个分子的葡萄糖-每个硼酸结合一个分子)之间改变构象。
葡萄糖结合改变硼酸的电子供-受(路易斯碱-酸)能力，其继而影响相邻的荧光团部分1905。葡萄糖与本文公开的任何实施方案的硼酸部分的这种结合通过不同的机制改变附近荧光团的荧光光谱、强度或寿命。这些荧光特征可以与感兴趣的样品中的葡萄糖水平相关。
Glu-SF通常具有与葡萄糖结合的一个或多个硼酸部分(尽管出于说明目的，在图20中示出一个，但是已经制备了具有多于一个硼酸部分的探针组合物)。当结合发生时，硼的三角形几何形状变为四面体几何形状，硼酸部分上具有更大的电子密度。
几何形状和/或电子密度的这种变化可以通过不同的机制影响附近荧光团的光谱、强度或寿命，这汇总于图22中。应注意，图20示出硼酸结构，但本文的探针组合物150的实施方案采用二硼酸。取决于探针组合物中所用的荧光团部分，这些特性(光谱、强度或寿命)中的一个或多个受到影响。例如，碰撞猝灭过程可导致强度变化而对发射光谱没有显著影响。强度测量对于将分析物的浓度与荧光的强度相关是有用且简单的，然而，一般来说，光谱峰的波长的偏移是比强度更优选测量的特性。虽然强度测量简单且直接，但在实际情况中它们有时可能是不足的，这是由于例如，样品的浑浊、非光学表面可能未对准、对测量几何的依赖性，以及通常，基于强度的感测对强度的微小变化不是特别敏感。最后，基于寿命的感测测量响应于分析物的荧光团寿命的变化，并且有利的是较少的探针表现出光谱偏移，但是多种猝灭剂和/或分子相互作用导致荧光团寿命的变化。
目标之一是设计可用于检测各种分析物浓度的探针组合物，但其使用这些各种类型的特性并通过不同的电子密度影响机制进行。
图22是示出各种示例性机制的一组图，通过所述机制，硼酸部分的几何形状的改变可影响附近荧光团的光谱、强度或寿命。图22示出五种不同的机制，通过所述机制，所公开的各种探针组合物表现出待检测的其给定光谱特性(从而与给定分析物浓度相关)。这些光物理机制包括猝灭(例如，FRET或碰撞猝灭)、光诱导的电子转移(PET)，以及分子内电荷转移(ICT)，当与葡萄糖结合时，由于不同的电子分布，其可导致寿命和光谱偏移的变化。在SiHG-CL中，这些光物理过程将发生在SiHG-CL内的水-硅氧烷界面处，并且需要不同量的分子运动。
此处应注意，图22中的各种带圆圈的B符号是前述图20中所示的硼酸的各种形式。此外，应注意，图20示出硼酸结构以用于示出硼酸与糖的结合，并示出可采取的各种硼酸部分的不同形式。然而，本文的探针组合物150的实施方案使用二硼酸，例如图19所示的二硼酸。因此，一起参考图20和图22是适当的。以下是本文所述的探针组合物150用于操作的各种机制的汇总。
转到图20和22所示的第一机制，喹啉机制2201在某些基于喹啉鎓的探针组合物的情况下发生，并且简单指当葡萄糖与硼酸部分结合时在所公开的基于喹啉鎓的探针组合物中发生的电子供体-受体相互作用。这种类型的探针组合物中的硼酸呈处于未结合形式的形式2001。当与葡萄糖结合时，硼酸部分获得另外的羟基基团并采取形式2005。该机制中的电子移动通过从硼酸部分的结合形式2005移动至喹啉鎓结构的电荷密度的偏移进行。应注意，图22将机制1称为“喹啉”，然而，这应被理解为意指用于下文公开的基于“喹啉鎓”的探针组合物的机制。
图20和图22所示的第二机制2203是光诱导的电子转移(PET)。PET是激发态电子转移过程，通过所述过程，受激电子从供体转移到受体。在实例2203中，电子供体是氨基基团，表示为带圆圈的“N”。在葡萄糖结合时，该图示出电子取自氮并且硼酸部分采取构象2003。由于PET猝灭，一些Glu-SF表现出强度变化。这些Glu-SF通常含有具有附近氨基基团的芳族荧光团。通过该机制工作的探针组合物的具体实例一般在对机制的这一讨论之后给出。氨基基团将电子转移到激发态荧光团，从而导致猝灭，因为激基复合物通常是非荧光的。然而，猝灭不是PET的必然结果。电子转移可导致形成被称为激基复合物的激发态复合物。激基复合物可在非极性溶剂中表现出强发射。在一些SiHG中可发生激基复合物发射，但在HG镜片中程度要小得多(或根本不发生)。
仍然参考图20和22，机制3，分子内电荷转移(ICT)2205是指分子具有分子内电子转移，其发生在激发态的推拉电子结构中，导致分子中的正和负电荷分离过程。通常，基于ICT的探针分子通常包括连接在一起的供电子基团(羟基基团、氨基基团等)和吸电子基团(醛基、苯并噻唑等)。在所示实例中，探针组合物的“无葡萄糖”形式具有比结合形式更长的偶极矩。如下文更详细提供的，已经设计了将导致荧光团部分的总电荷分布在葡萄糖结合时发生变化的探针组合物。
图22中的机制2207和2209分别是指FRET和碰撞猝灭机制。两者都是猝灭过程。“猝灭”是指降低发光分子的荧光强度的任何过程。多种过程可导致猝灭，诸如激发态反应、能量转移、复合物形成以及碰撞或动态猝灭。氯离子是奎宁荧光的公知猝灭剂。
典型的荧光显微镜技术依赖于荧光团对一个波长(激发)的光的吸收，接着较长波长的次级荧光的后续发射。FRET涉及处于激发电子态的供体荧光团，其可将其激发能量转移至附近受体。FRET机制2207的一个优点是它独立于供体(D)和受体(A)对的直接环境。
碰撞猝灭类似于FRET且不依赖于局部化学环境。与FRET相反，碰撞猝灭需要荧光团与猝灭剂之间的直接分子接触。由于相互作用距离短，碰撞猝灭通常需要一些扩散运动以使分子接触。
FRET是由在1至10nm的距离内发生的通过空间相互作用(through-spaceinteraction)造成的。供体与受体之间的分子接触不是必需的。FRET还取决于供体和受体的吸收和发射光谱。机制2209示出，碰撞猝灭需要探针与猝灭剂的分子接触，距离小于0.5nm。FRET需要在供体发射波长处吸收的受体。猝灭剂不需要具有与探针重叠的吸收，并且通常不具有这种吸收。
3.1极性敏感性探针的开发
在开发所公开的探针组合物时的一个问题是它们被设计成最常驻留在水-硅氧烷边界中。如果探针组合物过于溶于水，那么它将被从镜片中洗掉而不能用于长期分析物监测。同时，探针组合物不应具有如此多的非极性特征，使其在接触镜片材料的基于硅氧烷的空隙中高度可溶。除非探针组合物驻留在水-硅氧烷边界处，否则它将不能既与含水分析物接触，又在水溶液流过时持续存在于适当位置。
图21A和图21B是分别示出根据一个实施方案的THF和BiofinityTM镜片中的示例性强度衰减和各向异性衰减的图。在此实施方案中，BiofinityTM SiHG镜片与连接至C18链的小的水溶性探针硝基苯-氧杂-二唑(NBD)2111一起使用。众所周知，如果荧光团与富含硅氧烷的区域结合，这将通过它们的长相关时间来检测。在BiofinityTM SiHG(2103)镜片中，该探针表现出与非极性环境(使用THF 2101示出的非极性环境)一致的单个长衰减时间。在非硅氧烷HG镜片中，发射强度非常弱(迹线2105)并且衰变是强非指数的，这被认为是由于与HG镜片的弱和/或非均匀结合。图21所示的SiHG镜片中的各向异性衰减显示出接近6ns的相关时间，这与对于细胞膜中的荧光团所发现的相关时间相当。
与以上数据一致，还证实了NBD-C18 2111完全结合且不会洗掉。镜片外部不存在信号指出周围溶液中不存在可检测的荧光团，表明了这一点。因此，单个C18侧链足以使Glu-SF与SiHG镜片完全结合。
3.2喹啉鎓Glu-SF
标准的喹啉鎓探针表现出响应于光的激发的有用光谱变化，但是它不能用于预期目的，因为它太容易从接触镜片中洗掉。图23是示出根据一个实施方案的用于制备探针组合物Quin C-18 2301的示例性反应方案的化学图。Quin C-18是羟基喹啉，其已经过修饰以包括C18烷基侧链。与单独的喹啉相比，Quin-C18即使在重复洗涤后也不能从SiHG镜片中洗掉。图25是具有图像插图的图，其示出根据一个实施方案，荧光探针在洗涤后的SiHG接触镜片中的示例性持续存在(通过示出重复洗涤后Quin-C-18的发射光谱)，以及镜片在室内光中和在UV入射光下的照片。重复洗涤在图25中示出，其示出即使在6次洗涤后荧光强度仍保持相对不变。在室内光中利用UV手灯可以容易地看到镜片中Quin-C18的蓝色发射，如图25的下方插图中的混浊镜片。Quin-C18的结合也没有改变镜片的视觉外观。
图24A是示出根据一个实施方案的BiofinityTM SiHG镜片内的Quin-C18的示例性葡萄糖依赖性发射光谱的图。图24B是示出根据一个实施方案的Dailies(HG)镜片和三种SiHG，即Biofinity TM、Stenfilcon A(AspireTM 1天)和Optix-AquaTM镜片中的示例性标准化强度的图。Quin-C18在四种类型的CL聚合物、3种SiHG镜片和1种标准HG中进行测试。葡萄糖的添加导致3种SiHG镜片中Quin-C18的强度降低，但是在标准HG镜片中弱发射强度没有变化(图24B)。此结果证明Glu-SF可以设计成与水-硅氧烷界面结合并保持对葡萄糖的功能。
3.3光诱导的电子转移Glu-SF
用于检测和结合葡萄糖的已知探针称为ANDBA，如下所示。
该探针对葡萄糖浓度具有强烈响应，但据确定这些ANDBA探针对HG或SiHG镜片中的葡萄糖没有响应。
为了弥补这一点，合成了ANDBA样探针组合物。差异包括这些ANDBA样探针组合物包括烷基侧链，所述烷基侧链倾向于使二硼酸部分朝向水相取向。示出了这些探针组合物实施方案(图26)。图26是示出根据一个实施方案的用于结合在SiHG镜片中的界面处的使用喹啉鎓核的示例性二硼酸Glu-SF结构的化学图。这些侧链含有聚乙二醇或羟基基团的间隔物部分。
这些实施方案探针组合物还可包括另外的基团，诸如极性或带电荷的侧链。这些侧链也将添加到ANDBA或图26的其他PET探针中。具有靠近蒽的亲水性区域的疏水性侧链被设计成使二硼酸区域更充分地暴露于水相。ANDBA的葡萄糖响应可能受到限制，因为硼酸基团相距太远。图27是示出根据一个实施方案的用于结合在SiHG镜片中的界面处的示例性二硼酸PET Glu-SF的化学图，其中下方的两个结构用于将diBA更多地置换到水相中。在此实施方案中，对结构进行修饰，使得侧链在蒽环上更靠近-描绘为结构2701。可替代地，苯环可含有极性或带电荷的侧链，以使该区域保持在水相中。带正电荷的侧链可能由于硼酸酯基团上的负电荷而在与葡萄糖结合时增加葡萄糖亲和力。也可通过苯环上的吸电子基团增加对葡萄糖的亲和力。
PET基探针组合物2703和2705的另外结构示于图27中。这些探针组合物含有六碳链接头，但荧光团仍然靠近氮以允许PET发生。已知C6接头提供硼酸基团之间的最佳距离，以获得高葡萄糖特异性和亲和力。
ANDBA不表现出激基复合物发射，这使其不能用作波长-比率计量探针。如果需要激基复合物发射，或如果在SiHG中不发生PET猝灭，那么可以改变结构以含有增加PET趋势的部分。例如，通过向电子接受荧光团中添加卤素(Cl或Br)或通过使用咔唑作为电子供体，可以提高电子转移速率。许多替代结构诸如芴可用于开发在SiHG镜片中使用的Glu-SF。
与基于Quin的探针相反，PET探针的响应可能需要更多的弯曲，以使苯基侧链朝中心荧光团移动。对于具有C6接头的结构(2703、2705)，探针运动的所需量可能大于结构2701。这表明探针响应取决于水-硅氧烷界面处的微粘度。如果该界面对于蒽的7ns衰变时间而言太粘，那么可以使用芘核，其具有接近200ns的衰减时间且因此为激基复合物的形成提供更多时间。
图27示出用于结合在SiHG镜片中的界面处的二硼酸PET Glu-SF。引入下方的两个结构以将diBA更多地置换到水相中。R是长烷基链，其可以是或类似图26中所示的R链。
图28是示出根据一个实施方案的用于结合在SiHG镜片中的界面处的二硼酸ICTGlu-SF的一组化学图。R是长烷基链，其可以是或类似图26中所示的R链。图29A示出利用FRET机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构。R是长烷基链，其可以是或类似图26中所示的R链。
3.4ICT探针组合物实施方案
许多Glu-SF在激发时经历分子内电荷转移(ICT)。电荷转移的程度取决于葡萄糖与硼酸的结合，这改变其电子亲和力。这些探针是基于二苯基多烯的已知特性和分子各末端处的基团的电负性设计的。这些探针在缓冲液中与葡萄糖结合时表现出大的光谱峰波长偏移。然而，当将ICT探针放入常规HG(未示出)时，观察不到这种光谱偏移。为了在SiHG-CL中使用，将这些化合物合成为包括用于在SiHG-CL中使用的疏水性侧链。图28示出用于结合在SiHG镜片中的界面处的二硼酸ICT Glu-SF，其可被合成用于此用途。葡萄糖依赖性光谱偏移将由于探针的总电荷在结合葡萄糖时发生变化，因此其相对于界面的位置将改变而发生。如果发射光谱与在水中的光谱相当，那么在一些实施方案中，在氮上添加更具疏水性的部分以使其位置朝向界面偏移。葡萄糖响应不需要ICT探针的分子弯曲。探针周围的直接环境响应于探针的新电荷分布而重新取向。
3.4猝灭探针组合物实施方案(FRET和碰撞猝灭机制)
图29是示出根据一个实施方案的利用FRET机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构和根据一个实施方案的利用碰撞猝灭机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构的一组化学图。基于FRET的Glu-SF在图29中示出为结构2901。接头可以是6个碳长，已知这是对于葡萄糖选择性最佳的长度，并且已经证实了该接头在葡萄糖结合时的FRET变化。还可以采取使用脂族接头代替芳族接头，并且将允许改变D-A距离以在各种SiHG中使用。在一些实施方案中，香豆素用作供体和受体，因为它们具有两个芳环并含有各种极性基团，这使得探针保持在SiHG的富含水的区域中。大量香豆素是可用的，从而覆盖宽泛的波长范围。在各种实施方案中，至少两种类型的FRET探针组合物适用于此目的。在一个实施方案中，具有荧光受体的Glu-SF用作波长比率计量探针，其发射接近460nm和560nm。在一些实施方案中，使用供体发射将具有非荧光受体的Glu-SF用作基于寿命的传感器(未示出)。与强度比率相比，供体寿命是FRET的更可靠量度。FRET对背景发射和其他潜在的伪影诸如没有受体的供体；或D和A发射光谱的不完全分离敏感。供体衰减时间测量具有提供FRET效率的最可靠测量的优点。
对于基于FRET的Glu-SF，供体和受体(D和A)非常接近，因此具有小Ro值的D-A对是一个优点。仅使用单个供体的具有在6至33范围内的Ro值的D-A对是合适的。Ro值可使用具有较少光谱重叠的受体降低。香豆素探针的使用所提供的另一个机会是它们对局部极性的高度敏感性。供体或受体发射可响应于葡萄糖结合由于D或A的重新定位而改变，并因此提供波长-比率计量响应。图29在2903处示出利用碰撞猝灭机制的在C6接头上使用二硼酸的Glu-SF结构。R是长烷基链，其可以是图26中所示的R链或类似的链。
可用作供体和受体并且将适用于产生基于FRET的探针组合物的替代对包括以下对(首先列出供体亚部分，然后是受体亚部分)：
萘配对丹磺酰基；
丹磺酰基配对荧光素-5-异硫氰酸酯(FITC)；
丹磺酰基配对十八烷基罗丹明(ODR)；
1-N6-亚乙烯基腺苷(ε-A)配对NBD；
IAF配对四甲基罗丹明(TMR)；
芘配对香豆素；
FITC配对TMR；
5-(2-((碘代十六烷基)氨基)乙基)氨基)萘-1-磺酸(IAEDANS)配对FITC；
IAEDANS配对5-碘代乙酰氨基荧光素(IAF)；
IAF配对酶免疫测定(EIA)(参见图34)；
羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CF)配对德克萨斯红(TR)；
4,4-二氟-4-硼杂-3a,4a-二氮杂-s-吲哒生(Bodipy)配对Bodipy；
B-藻红蛋白(BPE)配对花青染料(Cy)；
铽配对罗丹明；
铕配对Cy；以及
铕配对别藻蓝蛋白(APC)。
3.5荧光测量系统
图30是示出根据一个实验性实施方案的示例性测量系统3000的框图。系统3000包括设置在受试者的角膜上的探针材料接触镜片3010，其中旋转对称轴限定z方向以及从z轴逆时针旋转90度的正x方向。来自受试者的泪液渗透接触镜片3010，并且任何分析物结合至在水凝胶通道与硅氧烷空隙之间的界面处的探针组合物。
光学分析仪3020诸如PicoQuant仪器(来自West Springfield,Massachusetts的PicoQuant Photonics International的PQ FT 300)包括被激励以产生激光二极管(LD)源光的脉冲激光二极管(LD)，所述激光二极管(LD)源光穿过LD输出端口322，通过光纤3032和光学耦合器诸如光束扩展器(BE)和可变光圈(VA)3036，以产生投射在接触镜片3010上的定向激发光3081。例如，入射角经过选择以便以一定角度照射接触镜片3010，以避免直接入射到受试者的眼中。VA 3036用于照射部分虹膜(1-2mm直径)、瞳孔的中心外表面(1-2mm)或整个虹膜(约10mm)，以便以最小背景获得最大信号。
荧光发射光(如果有的话)从接触镜片3010发出，并通过光学耦合器(诸如透镜3040)聚焦到发射光纤3044中，在其中它被馈入光学输入端口3024处的光学分析器3020中。分析器3020包括LED源和控制电路，以及光学检测器、模数转换器和傅立叶分析器。例如，发射使用被定位距离眼睛约1英寸的1英寸透镜收集并聚焦到光纤中。观察角度接近垂直于眼睛或略微偏离z轴。发射被引导至PicoQuant仪器，以用于强度、发射光谱或寿命的测量。可以使用从眼睛反射或散射的光作为寿命分析的计时参考。
数字输入端口(未示出)提供来自独立处理系统380(诸如计算机系统3100中的处理器、芯片组3200或移动终端3300，或某种组合)的数字信号，以控制那些部件。数字输出端口(未示出)输出携带数据的数字信号，所述数据指示馈入LED的功率和接收光的光谱。所述输出信号在独立处理系统380处接收，所述独立处理系统380诸如计算机系统3100中的处理器、芯片组3200或移动终端3300，或某种组合。在处理系统处，数字信号用于使用如上所述对于探针材料和检测方法适当的校准曲线确定受试者的泪液中分析物的浓度。
4.计算硬件概述
图31是示出可依据来实施本发明的实施方案的计算机系统3100的框图。计算机系统3100包括用于在计算机系统3100的其他内部和外部部件之间传递信息的通信机构诸如总线3110。信息表示为可测量现象的物理信号，通常是电压，但在其他实施方案中包括诸如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子相互作用的现象。例如，北南磁场或零和非零电压表示二进制位(比特)的两种状态(0,1)。其他现象可以表示更高基准的数位。测量之前的多个同时量子态的叠加表示量子比特(量子位)。一个或多个数位的序列构成用于表示字符的编号或代码的数字数据。在一些实施方案中，被称为模拟数据的信息由特定范围内的可测量值的近连续体(near continuum)表示。计算机系统3100或其一部分构成用于执行本文所述的一种或多种方法的一个或多个步骤的装置。
二进制数位的序列构成用于表示字符的编号或代码的数字数据。总线3110包括信息的一个或多个并联导体，以使可在耦合到总线3110的装置之间快速传送信息。用于处理信息的一个或多个处理器3102与总线3110耦合。处理器3102对信息执行一组操作。该组操作包括从总线3110引入信息并将信息放置在总线3110上。该组操作通常还包括比较两个或更多个信息单元、移位信息单元的位置，以及组合两个或更多个信息单元，诸如通过加法或乘法。将由处理器3102执行的一系列操作构成计算机指令。
计算机系统3100还包括耦合至总线3110的存储器3104。存储器3104(诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置)存储包括计算机指令的信息。动态存储器允许存储在其中的信息通过计算机系统3100改变。RAM允许存储在被称为存储器地址的位置处的信息单元独立于相邻地址的信息进行存储和检索。存储器3104还被处理器3102用于在执行计算机指令期间存储临时值。计算机系统3100还包括只读存储器(ROM)3106或耦合至总线3110的用于存储未被计算机系统3100改变的包括指令的静态信息的其他静态存储装置。还耦合至总线3110的是非易失性(永久性)存储装置3108，诸如磁盘或光盘，用于存储即使在计算机系统3100关闭或以其他方式断电时仍然存在的信息，包括指令。
从外部输入装置3112向总线3110提供包括指令的信息以供处理器使用，所述外部输入装置3112诸如包含由人用户操作的字母数字键的键盘，或传感器。传感器检测其附近的状况并将那些检测转化成与用于表示计算机系统3100中的信息的信号兼容的信号。主要用于与人交互的耦合至总线3110的其他外部装置包括用于呈现图像的显示装置3114，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，以及用于控制在显示器3114上呈现的小光标图像的位置并发出与在显示器3114上呈现的图形元素相关联的命令的指向装置3116，诸如鼠标或轨迹球或光标方向键。
在所示实施方案中，诸如专用集成电路(IC)3120的专用硬件耦合至总线3110。专用硬件被配置成针对特殊目的足够快地执行处理器3102不执行的操作。专用IC的实例包括用于生成显示器3114的图像的图形加速器卡、用于对网络上发送的消息进行加密和解密的密码板、语音识别以及用于特殊外部装置的接口，所述特殊外部装置诸如机器臂和医学扫描设备，其用于重复执行通过硬件能更为有效地实施的一些复杂操作序列。
计算机系统3100还包括耦合至总线3110的通信接口3170的一个或多个实例。通信接口3170提供耦合至以其自身的处理器进行操作的多种外部装置的双向通信，所述外部装置诸如打印机、扫描仪和外部盘。通常，耦合是通过网络链路3178实现，所述网络链路3178连接至本地网络3180，具有其自身处理器的多种外部装置连接至所述本地网络3180。例如，通信接口3170可为个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(USB)端口。在一些实施方案中，通信接口3170是综合服务数字网络(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或向对应类型的电话线提供信息通信连接的电话调制解调器。在一些实施方案中，通信接口3170是电缆调制解调器，其将总线3110上的信号转换成用于同轴电缆上的通信连接的信号或转换成用于光纤电缆上的通信连接的光学信号。作为另一个实例，通信接口3170可以是向相容的LAN诸如以太网提供数据通信连接的局域网(LAN)卡。还可实施无线链路。载波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波，通过空间传播而无需电线或电缆。信号包括载波的振幅、频率、相位、偏振或其他物理特性的人为变化。对于无线链路，通信接口3170发送并接收电、声或电磁信号，包括红外和光学信号，其携带有信息流，诸如数字数据。
术语计算机可读介质在本文用于指参与向处理器3102提供信息的任何介质，所述信息包括用于执行的指令。这种介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储装置3108。易失性介质包括例如动态存储器3104。传输介质包括例如同轴电缆、铜线、光纤电缆以及通过空间而无需电线或电缆传播的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波。术语计算机可读存储介质在本文用于指除传输介质之外的参与向处理器3102提供信息的任何介质。
计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其他磁性介质、压缩盘ROM(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、FLASH-EPROM或任何其他存储芯片或盒式磁带、载波或计算机可从中读取的任何其他介质。术语非暂态计算机可读存储介质在本文用于指除载波和其他信号之外的参与向处理器3102提供信息的任何介质。
编码在一个或多个有形介质中的逻辑包括计算机可读存储介质上的处理器指令和诸如ASIC 313120的专用硬件中的一个或两者。
网络链路3178通常通过一个或多个网络向使用或处理信息的其他装置提供信息传送。例如，网络链路3178可通过本地网络3180提供与主机计算机3182或互联网服务提供商(ISP)所操作的设备3184的连接。ISP设备3184继而通过现在通常被称为互联网3190的网络的公共、全球分组交换通信网络提供数据通信服务。连接至互联网的被称为服务器3192的计算机响应于在互联网上接收的信息而提供服务。例如，服务器3192提供表示用于在显示器3114上呈现的视频数据的信息。
本发明涉及计算机系统3100用于实施本文所述的技术的用途。根据本发明的一个实施方案，那些技术是由计算机系统3100响应于执行主存储器3104中含有的一个或多个指令的一个或多个序列的处理器3102来执行。可将此类指令，也称为软件和程序代码，从另一个计算机可读介质诸如存储装置3108读入存储器3104。执行存储器3104中含有的指令的序列使得处理器3102执行本文所描述的方法步骤。在替代性实施方案中，诸如专用集成电路3120的硬件可以用于代替软件或与软件组合以实施本发明。因此，本发明的实施方案不限于硬件和软件的任何具体组合。
在网络链路3178和其他网络上通过通信接口3170传输的信号携带去往和来自计算机系统3100的信息。计算机系统3100可以通过网络3180、3190等、通过网络链路3178和通信接口3170发送和接收信息，包括程序代码。在使用互联网3190的实例中，服务器3192通过互联网3190、ISP设备3184、本地网络3180和通信接口3170传输由从计算机3100发送的消息所请求的用于特定应用的程序代码。当被接收时，接收的代码可由处理器3102执行，或可存储在存储装置3108或其他非易失性存储装置中以用于随后执行，或这两者。以此方式，计算机系统3100可获得呈载波上信号形式的应用程序代码。
在向处理器3102携带指令或数据或两者的一个或多个序列以供执行时可涉及各种形式的计算机可读介质。例如，指令和数据可初始携带在远程计算机诸如主机3182的磁盘上。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中并使用调制解调器在电话线上发送指令和数据。位于计算机系统3100本地的调制解调器接收电话线上的指令和数据，并使用红外发射器将指令和数据转换成充当网络链路3178的红外载波上的信号。充当通信接口3170的红外检测器接收红外信号中所携带的指令和数据，并将表示指令和数据的信息置于总线3110上。总线3110将信息携带至存储器3104，其中处理器3102使用与指令一起发送的数据中的一些检索并执行指令。在处理器3102执行之前或之后，可任选地将存储器3104接收的指令和数据存储在存储装置3108上。
图32示出可在其上实施本发明的实施方案的芯片组3200。芯片组3200被编程以执行本文所述方法的一个或多个步骤，并且包括，例如，参考图3131所描述的并入一个或多个物理封装(例如，芯片)中的处理器和存储器部件。举例来说，物理封装包括在结构组件(例如，基板)上的一种或多种材料、部件和/或导线的布置，以提供一个或多个特征，诸如物理强度、尺寸保护和/或电交互限制。预期在某些实施方案中，芯片组可以在单个芯片中实施。芯片组3200或其一部分构成用于执行本文所述方法的一个或多个步骤的装置。
在一个实施方案中，芯片组3200包括通信机构，诸如用于在芯片组3200的部件之间传递信息的总线3201。处理器3203具有与总线3201的连接性，以执行存储在例如存储器3205中的指令和进程信息。处理器3203可包括一个或多个处理核，其中每个核被配置成独立执行。多核处理器能够实现单个物理封装内的多处理。多核处理器的实例包括两个、四个、八个或更多数量的处理核。可替代地或除此之外，处理器3203可包括通过总线3201串接配置的一个或多个微处理器，以实现指令、流水线和多线程的独立执行。处理器3203还可附带有一个或多个专用部件以执行特定的处理功能和任务，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)3207或一个或多个专用集成电路(ASIC)3209。DSP 3207通常被配置成独立于处理器3203而实时处理真实世界信号(例如，声音)。类似地，可将ASIC 3209配置成执行通过通用处理器难以执行的专用功能。用于辅助执行本文所述的创造性功能的其他专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)或一个或多个其他专用计算机芯片。
处理器3203和附带部件经由总线3201具有与存储器3205的连接性。存储器3205包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，R0M、CD-R0M等)两者，其中在被执行时，所述指令执行本文所述方法的一个或多个步骤。存储器3205还存储与本文所述方法的一个或多个步骤的执行相关联或由其生成的数据。
图33是根据一个实施方案的能够在系统中操作的用于通信的移动终端3300(例如，蜂窝电话手持机)的示例性部件的图。在一些实施方案中，移动终端3301或其一部分构成用于执行本文所述的一个或多个步骤的装置。一般来说，无线电接收器通常是根据前端和后端特征定义的。接收器的前端涵盖所有的射频(RF)电路系统，而后端涵盖所有的基带处理电路系统。如本申请中所用，术语“电路系统”是指以下两者：(1)仅硬件的具体实施(诸如仅在模拟和/或数字电路系统中的具体实施)，以及(2)电路系统和软件(和/或固件)的组合(例如，如果适用于特定背景，则为一个或多个处理器(包括一个或多个数字信号处理器)、软件和一个或多个存储器的组合，它们一起工作以使诸如移动电话或服务器的设备执行各种功能)。“电路系统”的这一定义适用于此术语在本申请中的所有使用，包括在任何权利要求中。作为另一个实例，如本申请所用且如果适用于特定背景，术语“电路系统”还将涵盖仅一个处理器(或多个处理器)及其(或它们的)附带软件/或固件的具体实施。如果适用于特定背景，那么术语“电路系统”还将涵盖例如移动电话中的基带集成电路或应用处理器集成电路，或蜂窝网络装置或其他网络装置中的类似集成电路。
电话的相关内部部件包括主控制单元(MCU)3303、数字信号处理器(DSP)3305以及接收器/发射器单元，所述接收器/发射器单元包括麦克风增益控制单元和扬声器增益控制单元。主显示单元3307向用户提供显示以支持执行或支持如本文所述的步骤的各种应用和移动终端功能。显示器3307包括显示电路系统，其被配置成显示移动终端(例如，移动电话)的用户接口的至少一部分。另外，显示器3307和显示电路系统被配置成便于用户对移动终端的至少一些功能的控制。音频功能电路系统3309包括麦克风3311和对从麦克风3311输出的语音信号进行放大的麦克风放大器。从麦克风3311输出的放大语音信号馈入编码器/解码器(CODEC)3313。
无线电区段3315放大功率并转换频率，以便通过天线3317与包括在移动通信系统中的基站进行通信。如本领域已知的那样，功率放大器(PA)3319和发射器/调制电路系统在操作上响应于MCU 3303，其中来自PA 3319的输出耦合至双工器3321或循环器或天线开关。PA 3319还耦合至电池接口和功率控制单元3320。
在使用中，移动终端3301的用户对着麦克风3311讲话，并且他或她的话音连同任何检测到的背景噪声被一起转换成模拟电压。然后通过模数转换器(ADC)3323将模拟电压转换成数字信号。控制单元3303将数字信号路由到DSP 3305中以在其中进行处理，诸如语音编码、信道编码、加密和交织。在一个实施方案中，使用蜂窝传输协议以及任何其他合适的无线介质，通过未独立示出的单元对经过处理的话音信号进行编码，所述蜂窝传输协议诸如全球演进增强数据速率(EDGE)、通用分组无线电服务(GPRS)、全球移动通信系统(GSM)、互联网协议多媒体子系统(IMS)、通用移动电信系统(UMTS)等，所述无线介质例如微波存取(WiMAX)、长期演进(LTE)网络、码分多址(CDMA)、宽带码分多址(WCDMA)、无线保真(WiFi)、卫星等或其任何组合。
然后将经过编码的信号路由至均衡器3325，以补偿通过空气传输期间出现的任何频率依赖性减损，诸如相位和振幅失真。在对比特流进行均衡之后，调制器3327将信号与RF接口3329中生成的RF信号进行组合。调制器3327通过频率或相位调制生成正弦波。为了准备好信号用于传输，上变频器3331将从调制器3327输出的正弦波与合成器3333生成的另一正弦波进行组合以实现期望的传输频率。然后通过PA 3319发送信号以将信号增加到适当的功率电平。在实际系统中，PA 3319充当可变增益放大器，DSP 3305根据从网络基站接收的信息控制所述PA 3319的增益。然后在双工器3321内对信号进行滤波，并且任选地发送给天线耦合器3335以匹配阻抗，从而提供最大功率传送。最后，通过天线3317将信号传输到本地基站。可提供自动增益控制(AGC)来控制接收器的末级增益。可将信号从此处转发到远程电话，所述远程电话可为另一蜂窝电话、任何其他移动电话或连接至公共交换电话网络(PSTN)或其他电话网络的陆线。
传输到移动终端3301的话音信号通过天线3317接收并通过低噪声放大器(LNA)3337立即放大。下变频器3339降低载波频率，而解调器3341去掉RF，仅留下数字比特流。然后信号通过均衡器3325并且由DSP 3305进行处理。数模转换器(DAC)3343转换信号并且将所得输出通过扬声器3345传输至用户，所有这些均在可实施为中央处理单元(CPU)(未示出)的主控制单元(MCU)3303的控制之下。
MCU 3303接收各种信号，包括来自键盘3347的输入信号。键盘3347和/或MCU 3303结合其他用户输入部件(例如，麦克风3311)包括用于管理用户输入的用户接口电路系统。MCU 3303运行用户接口软件以便于用户控制移动终端3301的至少一些功能，如本文所述。MCU 3303还分别将显示命令和开关命令传输至显示器3307和语音输出切换控制器。此外，MCU 3303与DSP 3305交换信息并且可以访问任选地并入的SIM卡3349和存储器3351。此外，MCU 3303执行终端所需的各种控制功能。取决于具体实施，DSP 3305可对话音信号执行多种常规数字处理功能中的任一种。另外，DSP 3305由麦克风3311检测到的信号确定本地环境的背景噪声等级，并将麦克风3311的增益设定为所选的用于补偿移动终端3301的用户的自然趋势的等级。
CODEC 3313包括ADC 3323和DAC 3343。存储器3351存储包括来电音调数据的各种数据，并且能够存储其他数据，包括通过例如全球互联网接收到的音乐数据。软件模块可以驻留于RAM存储器、闪存存储器、寄存器或本领域已知的任何其他形式的可写存储介质中。存储器装置3351可以是但不限于单个存储器、CD、DVD、ROM、RAM、EEPROM、光学存储装置、磁盘存储装置、闪存存储装置或能够存储数字数据的任何其他非易失性存储介质。
任选地并入的SIM卡3349携带例如重要信息，诸如蜂窝电话号码、载波供应服务、订购细节和安全信息。SIM卡3349主要用于在无线电网络上识别移动终端3301。卡3349还包含用于存储个人电话号码注册、文本消息和用户专用移动终端设定的存储器。
在一些实施方案中，移动终端3301包括数字相机，所述数字相机包括光学检测器的阵列，诸如电荷耦合装置(CCD)阵列3365。阵列的输出是图像数据，所述图像数据被传送至MCU以进一步处理或存储在存储器3351中或两者。在所例示的实施方案中，光透过透镜3363投射在光学阵列上，所述透镜3363诸如针孔透镜或由光学级玻璃或塑料材料制成的材料透镜。在例示的实施方案中，移动终端3301包括光源3361，诸如LED，以照射受试者，以由光学阵列(例如CCD 3365)捕获。光源由电池接口和功率控制模块3320供电，并通过MCU3303基于存储或加载到MCU 3303中的指令进行控制。
5.替代和修改
在前面的说明书中，已经参考本发明的具体实施方案描述了本发明。然而，将显而易见的是：在不脱离本发明的更宽广精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和改变。因此，应以说明性意义而不是限制性意义来理解本说明书和附图。贯穿本说明书和权利要求，除非上下文另有要求，词语“包含(comprise)”及其变型诸如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”将被理解成暗示包括所陈述的项目、元件或步骤或项目组、元件组或步骤组，但不排除任何其他项目、元件或步骤或项目组、元件组或步骤组。此外，不定冠词“一个”或“一种”意在指示一个或多个由该冠词修饰的项目、元件或步骤。

Claims (33)

1.一种探针组合物，其包含：
疏水性部分；
亲水性部分；
分析物结合部分，其被配置成与水溶液中的分析物结合；以及
荧光团部分，其被配置成当所述组合物在所述分析物未结合所述分析物结合部分的第一状态与所述分析物结合所述分析物结合部分的第二状态之间改变时，改变响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性。
2.根据权利要求1所述的探针组合物，其中所发射的荧光的所述光学特性选自由强度、多个频率之间的强度比率、发射寿命以及与所述入射激发光的相位差组成的组。
3.根据权利要求1所述的探针组合物，还包含间隔物部分，其被配置成当所述疏水性部分被吸引至具有疏水性结构的界面时将所述分析物结合部分置于水溶液中并且将所述荧光团置于所述分析物结合部分的一定距离之内，由此使得所述荧光团部分受到所述分析物与所述分析物结合部分的结合的影响。
4.根据权利要求1所述的探针组合物，其中所述荧光团部分包括电子供体亚部分和单独的电子受体亚部分。
5.根据权利要求1所述的探针组合物，其中所述荧光团部分包括电子供体亚部分和单独的受体亚部分，两个亚部分均参与Forster共振能量转移(FRET)。
6.根据权利要求4所述的探针组合物，其为模块组合物，其中所述供体亚部分和所述受体亚部分是通过脂族接头连接的单独部分，所述接头包括二硼酸。
7.根据权利要求1所述的探针组合物，其具有结构式；
其中Fl是所述荧光团部分；
AB是所述分析物结合部分；
SC是所述疏水性部分，所述疏水性部分包含C8-C18烷基基团；
S是在AB与Fl之间提供足够间隔的基团，以使当AB结合所述分析物时，所述荧光团部分在所述探针组合物在所述分析物不结合所述分析物结合部分的第一状态与所述分析物结合所述分析物结合部分的第二状态之间改变时改变响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性；
其中n表示1至20的整数；并且
并且其中所述荧光团部分经由选自下组的光物理机制在所述组合物在所述分析物未结合所述分析物结合部分的第一状态与所述分析物结合所述分析物结合部分的第二状态之间改变时改变响应于入射激发光而发射的荧光的光学特性：猝灭、光诱导的电子转移(PET)以及分子内电荷转移(ICT)。
8.根据权利要求7所述的探针组合物，其中SC还包括聚乙二醇、羟基基团或精氨酸肽的单独单元。
9.根据权利要求7所述的探针组合物，其中所述分析物结合部分包含硼酸或二硼酸。
10.根据权利要求7所述的探针组合物，其中待被所述分析物结合部分结合的所述分析物选自：葡萄糖、第I族和第II族金属的阳离子以及第VIIA族的阴离子。
11.一种材料，其包括：
具有水凝胶网络的硅氧烷水凝胶基质，其允许水溶液流过所述水凝胶网络，其中硅氧烷网络占据所述水凝胶网络的空隙；以及
根据权利要求1所述的探针组合物，其中所述探针组合物的所述疏水性部分被吸引至所述水凝胶网络与所述硅氧烷网络之间的界面。
12.根据权利要求11所述的材料，还包括所述材料的经处理表面，其中所述经处理表面具有比所述材料的未处理表面更强的疏水性吸引，由此所述探针组合物的浓度在所述材料的所述经处理表面上比在所述材料的未处理表面上或所述材料的内部更大。
13.根据权利要求11所述的材料，其中将所述材料并入接触镜片中。
14.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物是模块组合物，其中所述供体亚部分和所述受体亚部分是通过脂族接头连接的单独物类，所述脂族接头包括二硼酸；并且
其中所述单独的供体亚部分和所述单独的受体亚部分是选自由以下各项组成的一组对的一对单独物类：
喹啉鎓C-18配对具有C18侧链的7-硝基苯-2-氧杂-1,3-二唑-4-基(NBD)(NBD C-18)；
萘配对丹磺酰基；
丹磺酰基配对荧光素-5-异硫氰酸酯(FITC)；
丹磺酰基配对十八烷基罗丹明(ODR)；
1-N6-亚乙烯基腺苷(ε-A)配对NBD；
IAF配对四甲基罗丹明(TMR)；
芘配对香豆素；
FITC配对TMR；
5-(2-((碘代十六烷基)氨基)乙基)氨基)萘-1-磺酸(IAEDANS)配对FITC；
IAEDANS配对5-碘代乙酰氨基荧光素(IAF)；
IAF配对酶免疫测定(EIA)；
羧基荧光素琥珀酰亚胺酯(CF)配对德克萨斯红(TR)；
4,4-二氟-4-硼杂-3a,4a-二氮杂-s-吲哒生(Bodipy)配对Bodipy；
B-藻红蛋白(BPE)配对花青染料(Cy)；
铽配对罗丹明；
铕配对Cy；以及
铕配对别藻蓝蛋白(APC)。
15.根据权利要求14所述的材料，其中所述受体亚部分还包括一个或多个卤素基团。
16.根据权利要求11所述的材料，其中当所述分析物未结合所述分析物结合部分时，所述探针组合物具有在2-8nm之间的纵轴长度。
17.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自由以下各项组成的组的所述物类中的一个：
C8-C18烷基基团；
(-CH2)16-CH＝CH2；
以及
并且
其中R’为氢或酮官能团。
18.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自包括以下各项的组的所述物类中的一个：
C8-C18烷基基团；
(-CH2)16-CH＝CH2；
以及
19.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自包括以下各项的组的所述物类中的一个：
C8-C18烷基基团；
(-CH2)16-CH＝CH2；以及
20.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自包括以下各项的组的所述物类中的一个：
C8-C18烷基基团
(-CH2)16-CH＝CH2；以及
21.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自由以下各项组成的组的所述物类中的一个：
C8-C18烷基基团；
(-CH2)16-CH＝CH2；以及
22.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自包括以下各项的组的所述物类中的一个：
C1-C8烷基基团；
(-CH2)16-CH＝CH2；以及
23.根据权利要求11所述的材料，其中所述探针组合物具有结构式：
其中R是选自包括以下各项的组的所述物类中的一个：
一个或多个C8-C18烷基基团
(-CH2)16-CH＝CH2；以及
24.根据权利要求11所述的材料，其被配置成检测pH水平，其中所述探针组合物是具有包括8-18个之间的碳原子的疏水性侧链的基于喹啉鎓的探针组合物。
25.根据权利要求11所述的材料，其被配置成检测至少一种第I族、第II族或第VIIA族元素的离子浓度。
26.根据权利要求25所述的材料，其中所述探针组合物被配置成检测第I族金属的阳离子，并且其中所述探针组合物具有选自下组的结构式：
27.根据权利要求25所述的材料，其中所述探针组合物被配置成检测第II族金属的阳离子，并且其中所述探针组合物具有选自下组的结构式：
28.根据权利要求25所述的材料，其中所述探针组合物被配置成检测第VIIA族元素的阴离子，并且其中所述探针组合物具有选自下组的结构式：
以及
29.一种方法，其包括：
获得硅氧烷水凝胶基质；
使所述基质与包含根据权利要求1所述的探针组合物的水溶液接触，其中所述组合物是探针，以形成探针-基质材料；
使探针-基质材料与含水样品溶液接触；
使用光源照射与所述样品溶液接触的所述探针-基质材料；
测量由与所述样品溶液接触的所述材料响应于所述照射而发射的所述荧光的特性的值；以及
基于所述特性的所述值确定所述含水样品溶液中所述分析物的浓度的值。
30.根据权利要求34所述的方法，其中确定所述分析物的所述浓度的所述步骤在处理器上自动执行。
31.根据权利要求34所述的方法，还包括基于所述含水样品溶液中所述分析物的所述浓度的所述值操作分析物响应装置。
32.一种携带一个或多个指令序列的非暂态计算机可读介质，其中通过一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列使得所述一个或多个处理器执行以下步骤：
操作入射光源以照射根据权利要求11所述的材料，
操作光检测器以获得指示响应于操作所述入射光源而发射的荧光的特性的数据，以及
基于指示所述发射荧光的所述特性的所述数据确定所述分析物的浓度。
33.根据权利要求37所述的计算机可读介质，其中通过一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列还使得所述一个或多个处理器执行基于所述分析物的所述浓度操作分析物响应装置的所述步骤。
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