CN112166317A - 膜增强传感器 - Google Patents

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詹森·C·海肯费尔德
袁玉婵
M·德布罗斯
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Abstract

提供一种用于检测样品溶液中的分析物的特性的感测装置及制造其的方法。该装置包括配置为测量样品中分析物的特性的一个或更多个传感器。该装置还包括含有分析物和一种或更多种干扰溶质的样品溶液，其中干扰溶质降低一个或更多个传感器的性能特征。该装置还包括与一个或更多个传感器流体连通的传感器溶液。该装置还包括使样品溶液与一个或更多个传感器分开的疏水屏障，其中疏水屏障对分析物是可渗透的，而对干扰溶质则是不可渗透的，并且其中疏水屏障与样品溶液和溶液流体连通。

Description

膜增强传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月4日提交的美国临时申请62/666,921的优先权，其公开内容全部地通过引用特此并入本文。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
本发明是在由美国能源部研究所(Institute of United States Department ofEnergy)的橡树岭科学与教育学院(Oak Ride Institute for Science and Education)(ORISE)授予的政府资助号F4FBRE6098G001下在政府支持下完成的。本发明是在由美国空军(United States Air Force)操控的组织Human Performance Wing的美国空军研究实验室授予的合同号为FA8650-14-D-6516下在政府进一步支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
使用传感器监测分析物是对于化学感测和生物感测的有吸引力的方式，但是传感器可能难以达到对于小型分析物检测的低限度，特别是对于结构上(例如，均一的疏水性或均一的亲水性)没有化学的不同的小型分析物。这对于浸没在液体样品例如生物流体或环境水，可能包含不仅关注的分析物而且会产生背景噪声或降低传感器对关注的分析物的灵敏度的样品中的传感器尤其如此。例如，对于电化学酶传感器和适体传感器，生物流体样品中的大量其他溶质是氧化还原活性的，并且增加背景电流或噪声。此外，样品可能包含干扰分析物传感器操作的成分，例如离子。例如，酸碱度(pH)、盐度和其他可变生物流体或环境因素可能导致比由目标分析物引起的变化大的传感器信号的变化。此外，溶质和/或溶剂还会例如通过降低适体探针化学性能削弱传感器。需要可以利用传感器技术的新技术，以允许检测复杂液体样品中的小分子和疏水性分析物。
发明内容
在本公开的发明的各种实施方式中，疏水屏障可以用于将传感器与样品溶液例如生物流体或环境流体分离，允许关注的分析物到达传感器，同时防止样品中的亲水性物种，例如pH、盐或氧化还原活性分子到达并削弱传感器。
附图说明
根据以下详细描述和附图，将进一步解释本公开的发明的目的和优点，其中：
图1A是本公开的发明的膜增强传感器的至少一部分的截面图。
图1B是本公开的发明的传感器的至少一部分的另一截面图。
图2是本公开的发明的传感器的至少一部分的截面图。
图3是本公开的发明的完全封装的传感器的至少一部分的截面图。
图4是本公开的发明的传感器的疏水屏障的至少一部分的截面图。
图5是本公开的发明的传感器的至少一部分的截面图。
图6A描绘了对于本公开的发明的传感器酸碱度(pH)随时间的变化。
图6B描绘了本公开的发明的传感器的信号随时间的变化。
定义
如本文所使用的，“连续传感器”或“连续感测”意指装置通过连续或重复收集和感测样品流体的性能提供随时间的多个测量的能力。
如本文所使用的，“可逆传感器”是指传感器配置为测量样品流体中分析物的增加和减小的浓度，而除了分析物浓度的改变之外，传感器的刺激物或环境没有任何其他改变。
如本文所使用的，“分析物特定传感器”是能够选择性地并且灵敏地测量流体样品中的至少一种分析物的用于连续监测的任何传感器(化学的、电的、光学的、机械的等)。
如本文所使用的，“干扰溶质”是样品溶液中显著干扰目标分析物的感测和/或削弱分析物特定传感器的溶质。
如本文所使用的，“疏水屏障”是指不带电的、非亲水性的或疏水性的溶质能扩散通过，但是干扰传感器的带电的或亲水性的溶质不能扩散通过的材料。例如，碳氢化合物或植物油可以允许疏水性分析物，例如乙醇、皮质醇或对乙酰氨基酚扩散通过它们，但是可以阻挡离子，例如Ca+、K+、Na+以及Cl－和OH－、H+或乳酸(例如，阻挡pH改变的溶质)。简而言之，疏水性溶质尽管尺寸可能更大，但是更快地扩散通过疏水材料。疏水屏障也可以是半固体或固体，例如碳氢化合物、硅脂或聚合物的层。疏水屏障也可以定义为具有显著干扰分析物的感测和/或削弱传感器的至少一种干扰溶质的渗透系数(cm/s)的材料，其中至少一种溶质的渗透系数至少为以下中的一个：大于(>)10X、>100X或>1000X小于至少一种目标分析物的渗透系数。非限制性目标分析物的实例包括乙醇、皮质醇、对乙酰氨基酚或环孢菌素A。疏水屏障为至少一种疏水性分析物和至少一种亲水性干扰溶质提供上述指定的选择性的渗透性。相比之下，可能存在穿过亲水性和/或带电的疏水屏障但不显著干扰传感器和/或削弱传感器的溶质。本文所定义的疏水屏障不只是尺寸选择膜。
如本文所使用的，“传感器溶液”是指分析物能扩散通过并且传感器浸入、容纳或部分地形成传感器的材料。例如，电化学适体传感器可以被浸入含有pH缓冲液、盐和保存剂的传感器溶液中。作为另一实例，代替浸入溶液中，传感器可以被与分子印迹聚合物组合，该分子印迹聚合物在其多孔网络内包含具有pH缓冲剂和/或盐溶质的传感器溶液。
如本文所使用的，“样品溶液”是指包含至少一种分析物的任何液体或流体，该分析物被通过特定于该分析物的传感器测量存在、变化、浓度或其他测量值。样品或样品溶液可以是生物流体，但也可以是来自环境的水，用于食品的制造液或将从本公开的发明中得到的其他类型的样品溶液。
如本文所使用的，“生物流体”意指源自人体中的分析物的流体源。例如，汗液是来自外分泌腺或顶泌腺的分析物的生物流体源。又例如，生物流体可以是浸入并围绕组织细胞例如组织液的溶液。本公开的发明的实施方式可以集中于在通过微针提取的皮肤中发现的组织液，尤其是在真皮中发现的组织液。生物流体还可以包括血液、唾液、眼泪或其他可能的生物流体。
具体实施方式
本公开的发明的实施方式应用于用于测量分析物浓度的传感器装置和方法。此外，本公开的发明的实施方式可以应用于感测装置，其可以采取包括盒、暗盒、贴片、环、带、衣服的一部分、可穿戴物或任何可靠地使感测技术接近包含目标分析物的生物流体的适合机构的形式。
汗液刺激或汗液激活可以通过已知方法来实现。例如，可以通过简单的热刺激、化学加热垫、红外光、通过口服给药、通过皮内注射例如卡巴胆碱、甲基胆碱或毛果芸香碱的药物，以及通过使用离子电渗将此类药物皮肤引入、通过sudo-motor-axon反射出汗，或通过其他方式来实现对汗液的刺激。用于离子电渗的装置，例如，可以提供直流电并使用衬有多孔材料的大型铅电极，其中正极用2％的盐酸匹罗卡品或碳酰胆碱润湿，负极用0.9％的NaCl溶液润湿。也可以通过要求装置佩戴者进行或增加导致其出汗的活动或条件来控制或产生汗液。
本领域技术人员将认识到，可以在没有本文描述的一个或更多个具体细节的情况下，或者在有其他替换和/或附加方法、材料或成分的情况下实践各种实施方式。在其他实例中，公知的结构、材料或操作本文中未示出或详细描述，以避免使本发明的各个实施方式的各方面不清楚。类似地，为了解释的目的，具体的数字、材料和配置本文中被阐述，以便提供本发明的透彻理解。此外，应当理解，附图中所示的各种实施方式是说明性的表示，不一定按比例绘制。
在整个说明书中，对“一个(one)实施方式”或“一个(an)实施方式”的引用意指结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方式中，但并不表示它们存在于每个实施方式中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”或“在另一个实施方式中”不一定是指本发明的相同实施方式。此外，“一种(a)成分”可以代表一种或更多种成分，因此在本文中可以用来表示“至少一种”。
本发明的某些实施方式将传感器示出为单个的独立部件。应当理解，许多传感器需要两个或更多个电极、参考电极或附加支持技术或在本文的描述中未捕获的特征。传感器本质上优选地是电的，但是也可以包括光学的、化学的、机械的或其他已知的生物传感机制。传感器可以一式两份、一式三份或更多份，以提供改进的数据和读数。传感器可以涉及传感器感测到的事物，例如：汗液传感器；阻抗传感器；流体体积传感器；汗液产生速率传感器；和溶质产生速率传感器。本公开的发明的某些实施方式示出了会是流体感测装置的子部件，该流体感测装置具有在各种应用中对于该装置的使用所需的更多子部件，这些子部件是显而易见的(例如电池)，并且为了简洁和集中于的目的，本发明的这些方面在附图中未明确示出或未在本发明的实施方式中描述。作为进一步的实例，本发明的许多实施方式可以从对于戴着可穿戴装置、贴片、绷带以及粘贴至皮肤的其他技术或材料的技术人员已知的、以保持皮肤的这些装置或子部件牢固地固定至皮肤或以有利于与皮肤持续接触或与皮肤中均匀的脊或凹槽共形接触的压力的机械手段或其他手段中得到，并且包括在本公开的发明的精神内。
所公开的汗液感测装置还包含足以操作该装置的计算和数据存储能力，其包含在系统部件之间进行通信、执行数据聚合以及实行能够产生通知消息的算法的能力。该装置可以具有不同等级的机载计算能力(即，处理和数据存储能力)。例如，所有计算资源可以位于装置上，或者某些计算资源可以位于装置的可移除部分上，而其他处理能力位于装置的可重用部分上。替代地，装置可以依赖于便携式的、固定的或基于云的计算资源。
参考图1A，装置100包括基底110、分析物特定传感器120，传感器溶液140、疏水屏障160和电极150。如图1B所示，该装置可以放置在样品溶液180中或附近。基底110是适合于支撑传感器120的任何材料，并且通常是固体和惰性材料。示例性基底110可以包括玻璃或PET。电极150可以是例如银、氯化银、金、碳、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)或适合用作电极的其他材料的反电极。
至少一个分析物特定传感器120能够检测关注的分子，并且可以是光学的、机械的、电子的或其他合适的感测工具。例如，在各种实施方式中，传感器120可以包括电化学传感器，例如酶传感器、具有氧化还原标记的适体、阻抗滴定传感器、分子印迹聚合物传感器或其他类型的传感器。在一些实例中，传感器120直接联接至基底110。传感器120可以是连续传感器、或者是连续且可逆传感器，例如，如美国专利号7,803,542和8,003,374中公开的电化学适体传感器。示例性分析物可以包括但不限于类固醇激素，例如皮质醇、雌激素，分子药物，例如对乙酰氨基酚、华法林，或肽，例如环孢菌素A，转录反式激活剂(TAT)。
传感器溶液140配置为支持目标分析物扩散成与传感器流体连通，并支持传感器120的可靠操作。例如，传感器溶液140中的溶剂可以是水、乙二醇、乙醇、离子液体、油或其他合适的液体或流体。溶剂可包含溶质。例如，水性溶剂可包含蔗糖、氧化还原部分，例如亚甲基蓝，盐，例如氯化钾，缓冲剂，例如以使pH达到8.0的柠檬酸盐或10mM三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)和HCl，防腐剂或其任何组合，或一种或更多种不同的溶质或溶质类型。例如，可以在溶剂中控制传感器溶液140的pH，使得pH总是大于7或接近7。或者，可以控制盐浓度，使得传感器溶液中的氯离子含量始终大于10mM。因此，传感器溶液可以包含至少一种盐、至少一种缓冲溶质或至少一种其他溶质，例如防腐剂。
疏水屏障160能够使至少一种目标分析物通过至至少一个特定于目标分析物的传感器120，并且能够阻挡样品溶液150中的至少一种干扰溶质。疏水屏障160是具有至少一种干扰溶质的渗透系数(cm/s)的材料，其中至少一种干扰溶质的渗透系数是至少一种目标分析物的渗透系数的小于十分之一、小于百分之一或小于千分之一中的至少一个。
例如，疏水屏障160可以是碳氢化合物或植物油的层，其允许疏水性分析物扩散通过它们，但是阻挡离子，例如Ca+、K+、Na+、Cl－、OH－、H+或乳酸(即屏障可以阻挡改变pH的溶质)。疏水屏障也可以是半固体或固体，例如硅脂或聚合物。每个目标分析物可以具有对于该目标分析物或装置应用理想的不同疏水屏障，这可以根据例如表面张力、溶解度限度，log10(分配系数)(logP)、厚度、孔隙率、溶质、表面活性剂、多种可混溶或不可混溶的疏水材料、滞后时间等的特性来表征。通常，对特定目标分析物设计良好的或理想的疏水屏障160将具有以下特性：1)促进分析物从样品溶液180分配到屏障中；例如，通过减少所需的时间和/或能量；2)促进分析物扩散通过疏水屏障，例如通过减少所需时间和/或疏水屏障中的可以阻碍分析物的扩散速率的油或流体的粘度；以及3)促进分析物从疏水屏障分配到传感器溶液140和传感器中，例如通过减少所需的时间和/或能量。此外，对于基于适体的传感器和其他可逆传感器，疏水屏障必须完全且允许分析物迅速地离开传感器并返回样品溶液180。
进一步参考图1，尽管疏水屏障160可以包括固体或半固体材料(聚合物、油脂等)，但是在一些实施方式中，疏水屏障160可以包括由固体支架支撑的流体。例如，疏水性径迹蚀刻膜可以具有浸有蓖麻油的孔，从而形成合适的疏水屏障(请参见以下实例)。此外，所描述的疏水屏障可具有如表1所列材料所概述的性能，但并不限于所有可能的实施方式。本文中使用的特定术语，例如流体或油，并不限制本发明的实施方式。例如，为了方便起见使用油，并且以其最广泛的含义来使用，例如，与水或其他极性流体不可混溶的流体。
表1
Figure BDA0002756467290000061
Figure BDA0002756467290000071
Figure BDA0002756467290000081
参考表1和本公开的发明的实施方式，尽管logP通常用于表征流体，但是logP在这里更广泛地用于解释疏水屏障的有效性，即使疏水屏障不是液体，是多层的、多种材料的，或与单一流体有一些其他偏差。logP是在1-辛醇和水之间的油的分配系数，它用于相对于分析物或溶质快速地筛选相对疏水性和/或亲水性的流体。进一步参考表1，列出的logP值是针对水/辛醇的。本公开的发明可以从具有大于-3、大于-1、大于1、大于3或大于5中的至少一个的logP的疏水屏障得到。表1中未示出，logP还可以相对于在样品溶液180、传感器溶液140或疏水屏障160中发现的分析物浓度被测量，在本文中称为“分析物logP”。为了最大化分析物进出装置100的输送速率，分析物logP将在-1与1之间、-3与3之间、-5与5之间中的至少一个。
使用logP解释疏水屏障的有效性，将水溶解度为50mg/100g(50ug/g)的油流体视为疏水屏障。如果此油流体被嵌入10％体积孔隙且10μm厚的膜中，则油流体的有效厚度为～1μm。接下来，假定与油流体相邻的10μm厚的样品溶液在整个装置(例如，连续汗液生物感测装置)上流动，使得每10分钟使新的样品流体带入传感器。在油流体耗尽(即完全溶解到样品溶液中)之前，新鲜的样品流体然后可以被带入传感器的总量为0.1*100/50E-3＝200次。该装置将因此在油流体耗尽之前持续33.3小时。本公开的发明因此可以包括至少部分地由在样品溶液中具有溶解度限度的流体构成的疏水屏障，该溶解度限度为每克样品溶液小于500微克流体、每克样品溶液小于50微克流体、每克样品溶液小于5微克流体或每克样品溶液小于0.5微克流体中的至少一个，导致疏水屏障寿命大于3小时、大于30小时、大于300小时或大于3000小时中的至少一个。
进一步参考表1以及图1A和图1B，疏水屏障160的厚度将影响装置的操作。如果疏水屏障太厚，它可能充当目标分析物的隐藏或存储位置，并且可能延长目标分析物必须穿过才能到达传感器120的扩散路径。因此，疏水屏障厚度可以是小于1毫米、小于100微米、小于10微米、小于1微米或小于0.1微米中的至少一个。
进一步参考表1以及图1A和图1B，疏水屏障160的孔隙率将影响装置100的操作。例如，聚四氟乙烯膜或径迹蚀刻膜可以用作支撑油流体的固体支架，从而形成疏水屏障。如果孔隙率低，目标分析物的扩散和输送将受到限制。因此，疏水屏障可以具有大于0.1％、大于1％、大于10％或大于30％中的至少一个的孔隙率。
参考表1以及图1A和图1B，传感器溶液140的厚度将影响装置100的正确操作。传感器溶液的厚度越大，到达传感器120的扩散路径越长，并且必须与样品溶液180中的分析物浓度平衡的体积越大。因此，传感器溶液厚度为小于3毫米、小于1毫米、小于300微米、小于100微米、小于30微米或小于10微米中的至少一个。
参考表1以及图1A和图1B，以及以下实例，装置100将表现出浓度滞后时间，该浓度滞后时间表示传感器溶液140中的浓度变化达到样品溶液180中浓度的90％所需的时间。假设皮质醇作为目标分析物，具有数百微米厚度的传感器溶液以及包括填充有蓖麻油的孔隙率10％的径迹蚀刻膜的疏水屏障160，浓度滞后时间可以在30分钟左右。优化以上参数(logP、油的选择、厚度等)会导致浓度滞后时间为小于300分钟、小于100分钟、小于30分钟、小于10分钟、小于3分钟或小于1分钟中的至少一个。
参考表1以及图1A和图1B，可以以可混溶的形式共混两种或更多种油以获得具有如上概述的最佳性能的油流体，但如此不限于上述所列出的特定油或性能。例如，附加的性能可以包括用于油共混物的较宽的工作温度范围，即，在具有变化的链脂肪酸的磷脂膜中发现的那些，脂肪酸链不饱和的度以及胆固醇提供有利的机械性能和化学性能。也可以使用第三或多种油以获得所需的一组性能。因此，本发明的实施方式可以包括至少部分地由多种可混溶的油构成的疏水屏障160。油也可能是不可混溶的，例如，在10μm的径迹蚀刻膜中填充有第一油，其部分地蒸发以形成2μm厚的填料，然后在第一油填料的一侧或两侧添加第二油以形成至少部分地由多种不可混溶的油构成的疏水屏障。如所构造的，与单一油相比，多种不可混溶的油可以提供对亲水性溶质的优异的阻挡(例如，一种油在阻挡一种类型的亲水性溶质方面可能比其它更好)。此外，这可能允许分析物输送的能量更有利的步进(例如，油1：logP＝2，油2：logP＝4，然后油3：logP＝2，这比直接弥合由logP＝4的单一油产生的能量间隙更有利)。疏水膜160内部的油或流体还可以混入至少一种改变其logP值或某些其他性能的溶质，和/或可以包括至少一种有助于输送进入油流体或从油流体向外输送的表面活性剂。例如，一种或更多种磷脂可以使油作为溶质和/或作为表面活性剂。油或流体的其他实例可以包括氯化或氟化溶剂(其是疏油的)和芳族溶剂(即二甲苯)。此外，这可以允许通过多相选择除去干扰化合物(即，在二甲苯和三氯乙烯两者中均具有>0.001的分配系数的化合物相比于对于一种或两种油具有＜0.001的分配系数的干扰物)。
进一步参考表1以及图1A和图1B，本发明可以包括包含具有低蒸气压的油的疏水屏障160，使得装置的保存限期(达到在72°F，+/-5°F的室温下由油蒸发速率设定的程度)为大于24小时、大于1周、大于1个月或大于1年中的至少一个。
参考表1以及图1A和图1B，本公开的发明可以包括包含具有低粘度的油的疏水屏障160，以允许分析物迅速扩散通过油。由于分析物扩散相对容易，因此需要较低的粘度。因此，在疏水屏障中使用的流体具有小于1000厘泊、小于100厘泊或小于10厘泊中的至少一个的粘度。疏水屏障油的实例包括蓖麻油(粘度为650厘泊(cP))和十二烷(粘度为1.4cP)。
进一步参考图1以及图1A和图1B，通过例如样品溶液180或传感器溶液140中的pH等因素电离的分析物在输送通过疏水屏障160中将具有更大的困难。pH可以通过缓冲溶质来控制。因此，样品溶液180和/或传感器溶液140可以包含将分析物保持在不带电状态中的至少一种溶质。例如，虽然妥布霉素可以在生物的pH范围(例如6.8至7.2)内被带电(被电离)，但是在一些实施方式中，样品溶液180可以被缓冲以改变pH在6.8至7.2范围之外，导致样品溶液180中将包含一定量的不带电的妥布霉素。不带电的妥布霉素可以穿过疏水屏障160，以被传感器120检测。
进一步参考图1A和图1B，疏水屏障160可以是聚合物的固体层，例如5μm厚的聚甲基二硅氧烷(PDMS)层，其对于某些目标分析物，例如皮质醇，是可渗透的。硅酮聚合物在分子结构上以比其他聚合物更高的速率重构，因此能够输送亲水性分析物。然而，有机硅聚合物仍可以充当本文中所使用的疏水屏障160，只要该屏障充分地排斥干扰性溶质。
参考图1B，将装置100放置成与样品溶液180接触，样品溶液180为例如血液、眼泪、汗液、组织液、尿液、环境(例如河水)的水、食品溶液或其他类型的样品溶液。样品溶液180的体积可以是小的，例如，从单个液滴到大约10μm厚的膜，或者是大的，例如一杯或更多的流体。因为水和其他亲水性溶剂仍可以扩散通过疏水屏障，尽管缓慢，所以传感器溶液140可能会被样品溶液中的水或其他溶剂污染。在这样的情况下，装置传感器120将暴露于混合有来自样品溶液180的水(或其他溶剂)和一定量的目标分析物的传感器溶液140。在某些情况下，应避免这种情况以获得样品溶液180中存在的分析物的更精确测量，因为传感器溶液140中增加的水或其他溶剂可能会改变pH或盐度或其他会干扰传感器120性能的因素。一种解决方案是通过施加压力、渗透或其他方式来调节传感器溶液的压力。例如，传感器120可以是用于测量汗液中的皮质醇的基于电化学适体的传感器，并且传感器溶液140可以是具有固定pH的至少1MMgCl的稳定溶液。如果疏水屏障是足够刚性的或由例如不锈钢网的刚性材料支撑，并且疏水屏障对皮质醇和水均是可渗透的，则即使样品溶液180具有传感器溶液140的摩尔渗透压浓度(osmolarity)的十分之一，水也将不能够通过渗透扩散到传感器溶液中，因为传感器溶液的体积由刚性疏水屏障在物理上限制。例如，刚度可以支持例如15psi的压力或高达100或1000psi的压力，该压力是在样品溶液180和传感器溶液140的摩尔渗透压浓度不同时产生的。类似地，该装置可以在加压条件例如两倍于标准大气压(atm)下构造，使得当疏水屏障与样品溶液相互作用时，这种内置压力减少能够进入或离开传感器溶液的水的量。因此，传感器溶液的压力或摩尔渗透压浓度可以为大于或小于样品溶液的压力的一倍半、二倍或十倍中的至少一个。类似地，样品溶液的盐度可以为大于或小于传感器溶液的盐度的一倍半、五倍、十倍或一百倍中的至少一个。此外，样品溶液和传感器溶液的pH的差可以是大于0.5、大于1、大于2或大于5pH单位中的至少一个。
进一步参考图1A和图1B，在光学感测设计中，传感器120可以是光学光谱仪，并且样品溶液140可以是分子信标适体或其他光学探针，其响应于与目标分析物的结合而改变光学透射或荧光或其他光学性能。因此，装置100可以包括一个或更多个传感器，该传感器是光学传感器，并且传感器溶液可以包含用于感测分析物的光学探针。
参考图2，其中相同的附图标记指代先前针对图1描述的相同特征，疏水屏障260也可以包括脂质或磷脂分子的至少一个膜或其他复合物，类似于在细胞膜中发现的那些。这些脂质或磷脂分子或膜可以以单层、双层或多层排列。例如，堆叠的液滴或胶束可以包括疏水屏障。所描述的脂质膜和分子复合物可以配置为包括非常薄的疏水屏障，其促进疏水性分析物的快速扩散和高扩散通量。
进一步参考图1B，由于其电绝缘特性，疏水屏障160可能潜在地阻挡DC电流并阻碍传感器120的操作。因此，电绝缘的疏水屏障材料可以配置为例如通过嵌入带有导电纳米颗粒、纳米线、碳网、金属或PEDOT的PDMS，或者通过嵌入其他导电材料来提高导电性。或者，如果疏水屏障太过电阻抗而不能促进直接的电荷转移，则可以使用交流电压将电荷电容性地耦合到屏障。也就是说，疏水屏障至少部分地是具有在屏障外部的一个或更多个电极150和在屏障内部的一个或更多个电极(例如传感器120)的电容器。
进一步参考图2，装置200可以包括被疏水屏障260包围的多个传感器或电极220、222、224。由于参考电极250的读数会随样品溶液性能，例如pH或盐度，的变化而波动，因此使参考传感器以及工作电极和对电极(传感器220、222、224中的任何一个)密封在疏水屏障内部可以是有利的。该传感器配置还消除了对导电疏水屏障的需要。
进一步参考图2，在疏水屏障260的使用的情况下可能引起的另一个问题是，物理上薄的传感器溶液240会导致在传感器电极之间产生的电阻增加，从而降低传感器的功能。例如，如果两个或多个传感器220、222、224具有共享的电极，或者一起工作以进行电化学感测的电极(例如，工作电极和对电极)，并且电极通过1mm距离被间隔，则100μm厚度的物理上薄的传感器溶液会增加电极之间的电阻，并会妨碍传感器的功能。因此，多个传感器电极可以相互交叉，或者可以配置为具有在其边缘之间的比疏水屏障和电极之间的物理距离小于百分之一、小于十分之一或小于相同量中的至少一个的物理距离。
进一步参考图1和图2，如上所述的疏水屏障160、260在电噪声的生物流体中显示传感器功能的具体优点。例如，对于电化学酶传感器和适体传感器，阻抗传感器和其他传感器当放入关注的生物流体样本，例如汗液、血液、组织液或唾液中时，含有大量具有氧化还原活性的非目标溶质，氧化还原活性溶质增加背景电流或噪声。幸运地，这些非目标溶质中的大多数是带电荷的或亲水性的，使得它们不能够扩散通过疏水屏障，从而使传感器溶液240中的传感器220的背景电流，相比于样品溶液280中的背景电噪声，降低至少两倍、五倍、十倍、一百倍或一千倍。另外，蛋白酶和DNA酶的降解会影响传感器的坚固性，并且也可能被疏水屏障160、260阻挡。
进一步参考图1，如果疏水屏障160是油基的或可能污染或损坏传感器120的另一种材料，则所公开的装置的一些实施方式可以进一步包括亲水涂层140，例如蔗糖或胶原水凝胶，以保护传感器120在使用或制造期间不受疏水屏障的污染。在其他实施方式中，传感器120还可以包括隔离件，例如多个SU-8可光界定的环氧树脂的模式柱，其将疏水屏障与传感器表面分开以防止传感器与疏水材料之间的接触。因此，本公开的发明可以包括在疏水屏障和传感器之间的一个或更多个亲水涂层或隔离件。
参考图3，其中相同的附图标记指代先前描述的相同特征，装置300具有溶剂、溶液或流体340以及传感器或感测材料320，传感器或感测材料320被疏水屏障360完全包围，形成至少一个包围的体积344。例如，感测材料是用于睾酮的光学适体探针，溶剂340是水溶液。如先前针对图1和图2所教导的，当该装置暴露于样品时，来自样品的睾酮扩散通过疏水屏障到溶剂和感测材料。睾酮与感测材料的结合导致传感器的光学透射波长(比色法)或光学荧光(荧光法)变化。在这样的实施方式中，传感器可以是基于分子信标的适体传感器，其中结合的标签和猝灭剂被添加至适体(荧光法)。在其他情况下，感测材料基于适体和金纳米颗粒(比色法)。此外，这些实施方式还将传感器和溶剂封装在减少或防止离子或其他带电或亲水物质的扩散的疏水屏障中。因此，这样的实施方式得益于先前针对膜增强传感器所描述的相同优点，即对目标分析物浓度的增加的响应性，对pH或盐度波动或其他混杂因素的较低的敏感性，
装置300可以通过从疏水屏障的液体前体开始，向前体材料添加乳化剂或表面活性剂，然后将前体材料与溶剂和感测材料混合以使得溶剂和感测材料344的液滴悬浮在固体疏水屏障中而简单地制造。可以通过干燥、交联、熔融然后固化或从液体形成固体材料的其他已知手段，例如用于制造聚合物分散的液晶膜的工艺，将液体前体转变成如上所述的疏水屏障。使用这样的方法，装置300可以包括单个的“涂装(paint-on)”传感器，该传感器在具有变化的pH和盐度的样品溶液中是稳定的。
因为暴露于紫外线会损坏或降低传感器功能，所以该装置可以进一步包括紫外线吸收涂层，例如Kapton(未显示)，或者疏水屏障可以包括紫外线吸收材料或防止紫外线的光到达感测材料的其他合适的材料或方法。
参考图4，其中相同的数字表示先前描述的相同的特征，疏水屏障460可以包括第一层460a，例如硅酮聚合物，和第二层460b，例如具有挥发油的径迹蚀刻膜。聚合物层460a抑制或防止挥发油层460b的蒸发，而挥发油层460b的作用是阻止亲水性溶质与传感器相互作用。因此，疏水屏障460可以包括多个层，例如层460a、460b，并且在多个层之间是一种或更多种固体材料和一种或更多种流体材料的交替层。
参考图5，其中相同的附图标记指代先前描述的相同特征，描绘了简化的实施方式以说明如本文所述的膜增强传感器装置不限于以上所示的特定设计，并且本发明广泛地包括疏水屏障的性能和功能特性。在此简化的装置500中，玻璃毛细管510的直径为0.5毫米，并包含传感器520。如箭头16的方向所指的，在传感器的上游，疏水屏障560包括蓖麻油的单一填料，该填料是1毫米长，并跨越毛细管的直径，使得样品溶液中的目标分析物必须穿过疏水屏障到达传感器。这样的简单装置将包括如本文所述的疏水屏障的功能。
实例1
酶最常在体内作为实时传感器使用，因为它们将目标底物转化为副产物，同时还使辅因子(通常是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐或黄素腺嘌呤二核苷酸)的氧化状态发生变化。这些化合物的生成可以通过电化学氧化/还原使用电流分析法或电量分析法直接测量，也可以通过从更靠近电极的辅因子转移电子/氧化态的氧化还原介体间接测量。配置的典型介体包括普鲁士蓝、二茂铁、亚甲基蓝或其他固定在传统的3-电极装置的工作电极上的介体。
分子生物学方面的进展现已通过商业途径或通过难以测量疏水性分析物的重组蛋白表达的可溶性酶可获得，包括用于皮质醇(11β-羟类固醇脱氢酶)和睾酮(睾酮17β-脱氢酶)的酶。这些酶的相对不稳定性和成本，连同酶检测到的低浓度分析物(微摩尔至纳摩尔)，需要在疏水屏障后面隔离酶，以便去除干扰溶质，例如带电的干扰氧化还原活性化合物(微摩尔浓度)。另外，由于这些酶可逆地运作，因此在许多情况下必须采取附加的步骤以用于放大检测的信号。
可以通过多种方式在膜后面获得信号的放大，例如：1)随着皮质醇继续转化为皮质酮，皮质醇的分析物浓度会降低，皮质酮会增加，从而导致皮质醇的持续流入，副产物皮质酮的外排，由此改变平衡浓度，并继续产生还原的副产物(NADH或NADPH)。NADH/NADPH(由于其-2电荷)保持被捕获在疏水屏障后面，直到电化学氧化通过施加还原电势重整NAD+/NADP+；脉冲之间的时间延迟可以被改变，以用测量的灵敏度替换测量的时间分辨率。
由于涉及样品溶液中的溶质的氧化或还原反应，本发明的疏水屏障还能减小背景电流，因为更少的这些溶质会到达传感器表面。具有较小的背景信号改善传感器的检测限度以及测量的可重复性。例如，本发明可以使用于燃料暴露的检测酶乙醇传感器的超低限度成为可能，或者可以允许通过检测酶促皮质醇反应的副产物的酶促皮质醇浓度测量。皮质醇被11-β羟类固醇脱氢酶系统(11-βHSD)代谢，其包括以下两种酶：11-βHSD1和11-βHSD2。11-βHSD1使用辅因子NADPH将生物惰性的皮质酮转化为生物活性的皮质醇。11-βHSD2使用辅因子NAD+将皮质醇转化为皮质酮。总体而言，净效果是11-βHSD1和11-βHSD2分别用于增加和减小在给定组织中的生物活性皮质醇的局部浓度。皮质醇也被代谢为5-α四氢皮质醇(5-αTHF)和5-β四氢皮质醇(5-βTHF)，用于反应的5-α还原酶和5-β还原酶分别是速率-限制因子。5β还原酶还是皮质酮向四氢皮质酮转化的速率-限制因子。
实例2
电化学适体传感器通常是具有对目标分析物的低检测限度的可逆传感器。然而，电化学适体传感器可以是对溶质例如pH和盐度的变化敏感的，对样品中的氧化还原活性溶质敏感的，并且容易地被原始的生物流体中的其他溶质降解。大多数干扰溶质是亲水性的，并且可以通过本文所述的疏水膜的使用与传感器保持分开。用于皮质醇的电化学适体传感器被在金电极上制造，并且用50mM NaCl和pH为6.5的传感器溶液密封。然后进行几次测试以测试疏水屏障的有效性。首先，如图6A所示，在多个小时内测试在疏水屏障后面(针对传感器)的pH值。在此实例中，疏水性径迹蚀刻膜在其孔中填充有蓖麻油，并且该膜用间隔环使用环氧树脂胶合在传感器上。在图6A中，传感器是具有pH为6.5的传感器溶液的单一pH电极。图6A所示的顶部绘线是蓖麻油，即使当装置放置在酸性溶液中时，在长时间段内pH也几乎没有变化。图6A中的底部绘线是相同的装置结构，但在径迹蚀刻膜中未使用蓖麻油，因此不产生疏水屏障，并且如预期的，pH随时间减小。
在图6B中，使用类似的设置进行以下测试。该传感器是用于皮质醇的电化学适体传感器，由具有径迹蚀刻膜的疏水屏障保护，径迹蚀刻膜具有在膜的孔中的蓖麻油。传感器溶液为pH6.5和50mMNaCl。在t＝0分钟，然后将传感器放置在pH6.5且没有皮质醇的溶液中，在t＝24分钟，然后将传感器放置在pH3且没有皮质醇的溶液中，在t＝48分钟，将传感器放置在pH6.5且10μM皮质醇的溶液中。还在类似的24分钟间隔重复该实验(未示出)，并且再次改变pH和皮质醇水平，包括pH3和10μM皮质醇，并且传感器仅响应皮质醇浓度的变化而不响应pH的变化。该测试表明，即使样品溶液pH变化超过会降低或干扰传感器的水平，传感器也能可靠地运行。简单地说，疏水屏障对目标分析物(皮质醇)是多孔的，对干扰性溶质例如pH是无孔的。

Claims (45)

1.一种感测装置，包括：
一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器配置为测量样品中的分析物的特性；
样品溶液，所述样品溶液包含分析物和一种或更多种干扰溶质，其中所述干扰溶质降低所述一个或更多个传感器的性能特性；
传感器溶液，所述传感器溶液与所述一个或更多个传感器流体连通；
疏水屏障，所述疏水屏障使所述样品溶液与所述一个或更多个传感器分开，其中所述疏水屏障对所述分析物是可渗透的，而对所述干扰溶质是不可渗透的，并且其中所述疏水屏障与所述样品溶液和所述传感器溶液流体连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器是以下中的至少一个：连续传感器和可逆传感器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器是电化学传感器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器是具有附着的氧化还原对的电化学适体传感器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述分析物是以下至少一种：类固醇激素、药物或肽。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样品溶液包含以下至少一种：盐、缓冲溶质或防腐剂。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障具有对于所述干扰溶质的渗透系数(cm/s)，所述渗透系数是对于所述分析物的渗透系数(cm/s)的小于十分之一、小于百分之一或小于千分之一中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障至少部分地包括由固体支架支撑的流体。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障具有辛醇和水log10(分配系数)(logP)，所述辛醇和水log10为大于-3、大于-1、大于1、大于3或大于5中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障具有分析物logP，所述分析物logP为以下中的至少一个：-1与1之间、-3与3之间、-5与5之间。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括在所述样品溶液中具有溶解度限度的流体，所述溶解度限度为每克所述样品溶液小于500微克所述流体、每克所述样品溶液小于50微克所述流体，每克所述样品溶液小于5微克流体或每克所述样品溶液小于0.5微克所述流体中的至少一种。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述疏水屏障具有大于3小时、大于30小时、大于300小时或大于3000小时中的至少一个的工作寿命。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障具有小于1毫米、小于100微米、小于10微米、小于1微米或小于0.1微米中的至少一个的厚度。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述疏水屏障具有大于0.1％、大于1％、大于10％或大于30％中的至少一个的孔隙率。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器溶液具有小于3毫米、小于1毫米、小于300微米、小于100微米、小于30微米或小于10微米中的至少一个的厚度。
16.根据权利要求1所述的装置，还包括小于300分钟、小于100分钟、小于30分钟、小于10分钟、小于3分钟或小于1分钟中的至少一个的浓度滞后时间。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括多种可混溶的油。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括多种不可混溶的油。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括至少一种溶质。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括至少一种表面活性剂。
21.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括在华氏72度持续大于24小时、大于1周、大于1个月或大于1年中的至少一个不会蒸发的流体。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障至少部分地包括具有粘度小于1000厘泊、小于100厘泊或小于10厘泊中的至少一个的流体。
23.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样品溶液还包括将所述分析物保持在不带电状态的至少一种溶质。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器溶液还包括将所述分析物保持在不带电状态的至少一种溶质。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障是固体聚合物。
26.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障是以下中的至少一个：包括刚性材料，或由刚性材料支撑。
27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述传感器溶液在其体积上由所述疏水屏障在物理上限制。
28.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器溶液的压力是大于或小于所述样品溶液的压力的一倍半、二倍或十倍中的至少一个。
29.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样品溶液的盐度是大于或小于所述传感器溶液的盐度的一倍半、五倍、十倍或一百倍中的至少一个。
30.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括以下中的至少一个：分子的单层、分子的双层、多个单层或多个双层。
31.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障是导电的。
32.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器中的每个均包括多个电极。
33.根据权利要求32所述的装置，其中，所述多个电极中的至少两个具有在其边缘之间的物理距离，所述物理距离比所述疏水屏障和至少两个所述电极之间的物理距离小百分之一、小十分之一或小相同量中的至少一个。
34.根据权利要求1所述的装置，还包括第一背景电流和第二背景电流，其中，所述第一背景电流存在于所述样品溶液中，所述第二背景电流存在于所述传感器溶液中，并且其中所述第二背景电流小于第一背景电流两倍、五倍、十倍、一百倍或一千倍中的至少一个。
35.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述一个或更多个传感器与所述疏水屏障之间的一个或更多个隔离件。
36.根据权利要求1所述的装置，其中，所述疏水屏障包括多个层。
37.根据权利要求36所述的装置，其中，所述多个层由至少一种固体材料和至少一种流体材料构成，其中，所述固体材料和流体材料沉积在交替的层中。
38.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样品溶液是生物流体。
39.根据权利要求38所述的装置，其中，所述生物流体是汗液。
40.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器是光学传感器，并且所述传感器溶液包含用于感测所述分析物的光学探针。
41.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个传感器是酶传感器。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，所述传感器溶液包含辅因子，并且所述疏水屏障对所述辅因子是不可渗透的。
43.根据权利要求41所述的装置，使用离子交换基质来去除干扰物。
44.一种制造用于检测样品中的至少一种分析物的装置的方法，包括制造至少一个用于分析物的传感器，用隔离件材料覆盖所述传感器，然后用疏水屏障覆盖所述隔离件材料，其中，所述疏水屏障将所述传感器与所述样品分开，但允许所述分析物扩散通过所述疏水膜。
45.一种制造用于检测样品中的至少一种分析物的装置的方法，包括制造包含多个液滴的膜，所述多个液滴包含用于感测分析物的材料，所述液滴分散在疏水屏障内，其中，所述疏水屏障将所述液滴与所述样品分开，但允许所述分析物扩散通过所述疏水屏障。
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