ES2911114T3 - Sistemas y métodos para recoger la película lagrimal y medir la osmolaridad de la película lagrimal - Google Patents

Abstract

Un chip (1700) receptor de la muestra, que comprende: un sustrato (1704) que recibe un volumen de un fluido de muestra, en el que el sustrato (1704) está conformado operativamente para recibir el volumen de un fluido de muestra a través de la acción capilar, un canal (1402) capilar del sustrato (1704) conformado operativamente para recolectar el fluido de la muestra, y una región de la muestra del canal (1402) capilar, caracterizado porque la región de la muestra tiene un tamaño tal que está operativamente cubierta por un volumen de fluido de muestra de menos de 100 nL cuando el fluido de la muestra es recogido por el canal (1402) capilar, y comprende al menos un transductor (1710) que está integrado en el canal (1402) capilar y transfiere energía al fluido de la muestra para producir una lectura de fluido de la muestra que indica (i) la osmolaridad del fluido de la muestra, y (ii) la presencia o cantidad de un solo analito de interés en el fluido de la muestra seleccionado de un proteína, un péptido, un oligonucleótido, una inmunoglobulina, una citocina o una mucina, si alguna está presente.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos para recoger la película lagrimal y medir la osmolaridad de la película lagrimal

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a la medición de la presión osmótica de fluidos y, más particularmente, a la medición de la osmolaridad de la película lagrimal.

Estado de la técnica

Las lágrimas cumplen un papel esencial en el mantenimiento de la integridad de la superficie ocular, la protección contra el desafío microbiano y la preservación de la agudeza visual. Estas funciones, a su vez, dependen de manera crítica de la composición y la estabilidad de la estructura de la película lagrimal, que incluye una base de mucina subyacente, un componente acuoso medio y una capa lipídica suprayacente. La ruptura, la deficiencia o la ausencia de la película lagrimal pueden afectar gravemente al ojo. Si no se tratan con sustitutos de lágrimas artificiales o terapia de conservación de la película lagrimal, estos trastornos pueden provocar una desecación intratable del epitelio corneal, ulceración y perforación de la córnea, una mayor incidencia de enfermedades infecciosas y, en última instancia, discapacidad visual pronunciada y ceguera.

La queratoconjuntivitis seca (KCS), u "ojo seco", es una afección en la que uno o más de los componentes de la estructura de la película lagrimal enumerados anteriormente están presentes en un volumen insuficiente o están desequilibrados con los demás componentes. Se sabe que la tonicidad del fluido u osmolaridad de las lágrimas aumenta en pacientes con KCS. La KCS está asociada con condiciones que afectan la salud general del cuerpo, tal como el síndrome de Sjogren, el envejecimiento y la deficiencia de andrógenos. Por lo tanto, la osmolaridad de una película lagrimal puede ser un indicador sensible y específico para el diagnóstico de KCS y otras condiciones.

La osmolaridad de un fluido de la muestra, por ejemplo, una lágrima, se puede determinar mediante una técnica ex vivo llamada "depresión del punto de congelación", en la que los solutos o iones en un disolvente, es decir, agua, causan una disminución del punto de congelación del fluido de lo que sería sin los iones. En el análisis de depresión del punto de congelación, el punto de congelación del fluido de la muestra ionizado se encuentra detectando la temperatura a la cual una cantidad de la muestra, normalmente del orden de aproximadamente varios mililitros, comienza primero a congelarse en un recipiente, por ejemplo, un tubo. Para medir el punto de congelación, se recoge un volumen del fluido de la muestra en un recipiente, tal como un tubo. A continuación, se sumerge una sonda de temperatura en el fluido de la muestra y el recipiente se pone en contacto con un baño de congelación o un dispositivo de enfriamiento Peltier. La muestra se agita continuamente para lograr un estado líquido sobreenfriado por debajo de su punto de congelación. Tras la inducción mecánica, la muestra se solidifica, alcanzando su punto de congelación debido al calor termodinámico de fusión. La desviación del punto de congelación de la muestra de 0 °C es proporcional al nivel de soluto en el fluido de la muestra. Este tipo de dispositivo de medición a veces se denomina osmómetro de depresión del punto de congelación.

Actualmente, las mediciones de la depresión del punto de congelación se realizan ex vivo extrayendo muestras de lágrimas del ojo con una micropipeta o un tubo capilar, expulsando las muestras de lágrimas en una copa y midiendo la depresión del punto de congelación que resulta de la osmolaridad elevada. Sin embargo, estas mediciones ex vivo a menudo están plagadas de muchas dificultades. Por ejemplo, para realizar un análisis de depresión del punto de congelación de la muestra de lágrimas, se debe recolectar un volumen relativamente grande, típicamente del orden de 1 - 5 microlitros (|jL) de película lagrimal. Debido a que no se pueden obtener más de aproximadamente 10 a 100 nanolitros (nL) de la muestra de lágrimas en cualquier momento de un paciente con KCS, la recolección de cantidades suficientes de fluido para las técnicas ex vivo convencionales requiere que un médico induzca el lagrimeo reflejo en el paciente. El lagrimeo reflejo es causado por una irritación aguda o prolongada en la superficie ocular, similar a cuando una gran cantidad de suciedad se aloja en el ojo. Las lágrimas reflejas son más diluidas, es decir, tienen menos iones de soluto que las lágrimas que normalmente se encuentran en el ojo. Cualquier dilución de la película lagrimal invalida la capacidad de diagnóstico de una prueba de osmolaridad para el ojo seco y, por lo tanto, hace que los métodos ex vivo actualmente disponibles sean prohibitivos en un entorno clínico.

Una técnica ex vivo similar es la osmometría de presión de vapor, en la que se coloca un pequeño trozo circular de papel de filtro debajo del párpado del paciente hasta que se absorbe suficiente fluido. El disco de papel de filtro se coloca en una cámara sellada, donde un sensor de temperatura enfriado mide la condensación de vapor en su superficie. Finalmente, la temperatura se eleva hasta el punto de rocío de la muestra. La reducción del punto de rocío proporcional al agua se convierte luego en osmolaridad. Debido a la inducción del lagrimeo reflejo y los requisitos de gran volumen para los osmómetros de presión de vapor existentes, actualmente no son prácticos para la determinación del ojo seco.

El osmómetro de nanolitros Clifton, disponible a través de Clifton Technical Physics de Hartford, N.Y., EE. UU., es un osmómetro de depresión del punto de congelación y se ha utilizado ampliamente en entornos de laboratorio para cuantificar las concentraciones de soluto de los pacientes con KCS, pero la máquina requiere una cantidad significativa de capacitación para funcionar. Por lo general, requiere calibraciones de una hora y un técnico capacitado para generar datos aceptables. El osmómetro Clifton de nanolitros también es voluminoso y relativamente costoso. Estas características invalidan su uso como osmómetro clínico.

A diferencia de las técnicas ex vivo que miden la osmolaridad de las muestras de lágrimas extraídas de la superficie ocular, una técnica in vivo que intentó medir la osmolaridad directamente sobre la superficie ocular utilizó un par de electrodos flexibles que se colocaron directamente debajo del párpado del paciente. Luego, los electrodos se conectaron a un medidor LCR para determinar la conductividad del fluido que los rodea. Si bien se sabe desde hace mucho tiempo que la conductividad está directamente relacionada con la concentración iónica y, por lo tanto, con la osmolaridad de las soluciones, colocar el sensor debajo del párpado durante medio minuto probablemente indujo lagrimeo reflejo. Además, los electrodos son difíciles de fabricar y suponen mayores riesgos para la salud del paciente en comparación con la simple recolección de lágrimas con un capilar. Además, muchos pacientes con DES exhiben un lago lagrimal discontinuo, de modo que la curvatura de la discontinuidad alteraría sustancialmente la conductividad medida usando una sonda expuesta, aumentando la variabilidad de usuario a usuario.

El documento US. 2003/211625 A1 (COHAN BRUCE E) divulga un método y un aparato para determinar de forma no invasiva la concentración de una sustancia en la sangre, tal como la glucosa, mediante el automuestreo de las lágrimas. El aparato incluye una porción de la muestra dispuesta para contactar la región del ojo de un usuario para obtener una muestra de fluido lagrimal, un sensor en comunicación con la porción de la muestra para generar una señal relacionada con la concentración de sustancia lagrimal y un procesador en comunicación con el sensor para determinar una concentración de una sustancia en sangre correspondiente a la concentración de una sustancia en las lágrimas.

El documento US 5143080 A (YORK KENNETH K) divulga un osmómetro para la medición in vivo de la osmolaridad de un fluido corporal tal como lágrimas o sudor que comprende una sonda desmontable, preferiblemente desechable, en combinación con medios para medir la conductividad entre dos electrodos de la sonda. El osmómetro comprende además medios para convertir el valor medido de conductividad de la muestra in vivo en un valor correspondiente de osmolaridad y medios de visualización para visualizar una representación visible de ese valor. En otro ejemplo, un sensor de alguna cantidad física (tal como la temperatura del punto de rocío) relacionada con la presión de vapor de un fluido corporal se monta dentro de un caparazón de confinamiento generalmente cóncavo que se coloca junto a una parte del cuerpo humano para realizar una medición. Al medir la osmolaridad lagrimal en el ojo abierto, la cubierta de confinamiento puede adoptar la forma de una copa ocular convencional. El sensor puede ser un termopar o termistor controlado por un microprocesador para medir la presión de vapor por el método de depresión del punto de rocío.

El documento US 2004/036485 A1 (SULLIVAN BENJAMIN D) divulga la medición de la osmolaridad de un fluido de la muestra, tal como una película lagrimal, depositando una muestra del tamaño de una alícuota sobre un sustrato receptor de la muestra. El fluido de la muestra se coloca en una región de la muestra del sustrato. Se imparte energía al fluido de la muestra y las propiedades energéticas del fluido pueden detectarse para producir una lectura de fluido de la muestra que indica la osmolaridad del fluido de la muestra. Un volumen del tamaño de una alícuota puede comprender, por ejemplo, un volumen de no más de 20 microlitros (|jL). El volumen de la muestra del tamaño de una alícuota se puede obtener rápida y fácilmente, incluso de personas que padecen ojo seco. La energía impartida puede comprender energía eléctrica, óptica o térmica. En el caso de la energía eléctrica, la propiedad energética del fluido de la muestra puede comprender la conductividad eléctrica. En el caso de la energía óptica, la propiedad de la energía puede comprender fluorescencia. En el caso de la energía térmica, la propiedad medida puede ser el punto de congelación del fluido de la muestra. El sustrato se puede empaquetar en un chip, por ejemplo, utilizando técnicas de fabricación de semiconductores. Un sistema sensor de osmolaridad ex-vivo puede usar el chip para detectar energía de la región de la muestra y puede proporcionar una medición precisa de la osmolaridad sin la intervención del usuario.

El documento US 6 120 676 A (HELLER ADAM ET AL) divulga un sensor diseñado para determinar la cantidad y concentración de analito en una muestra que tiene un volumen de menos de aproximadamente 1 j L. El sensor tiene un electrodo de trabajo recubierto con un mediador redox no lixiviable. El mediador redox actúa como un agente de transferencia de electrones entre el analito y el electrodo. Además, se puede añadir un segundo agente de transferencia de electrones, tal como una enzima, para facilitar la electrooxidación o electrorreducción del analito. El mediador redox es típicamente un compuesto redox unido a un polímero. Los mediadores redox preferidos son oxidables por aire. La cantidad de analito se puede determinar por coulometría y una técnica coulométrica particular incluye la medición de la corriente entre el electrodo de trabajo y un contraelectrodo o electrodo de referencia dos o más veces. La carga que pasa esta corriente hacia o desde el analito se correlaciona con la cantidad de analito en la muestra. También se pueden utilizar otros métodos de detección electroquímicos, tales como técnicas amperométricas, voltamperométricas y potenciométricas. El sensor se utiliza para determinar la concentración de una biomolécula, tal como glucosa o lactato, en un fluido biológico, tal como sangre o suero. Se proporciona una enzima capaz de catalizar la electrooxidación o la electrorreducción de la biomolécula como segundo agente de transferencia de electrones.

El documento US 4123701 A (JOSEFSEN TURI LH ET AL) divulga una tarjeta de la muestra desechable para analizar fluidos tales como sangre y similares. Una tarjeta generalmente plana contiene una cámara o pozo y soporta dos electrodos aislados que terminan en la región del pozo. Se divulgan varias configuraciones de electrodos, cada una adaptada para asociarse con un instrumento para aplicar un voltaje eléctrico entre los dos electrodos y a través de la muestra en estudio. También se divulga un instrumento para recibir las tarjetas de la muestra configuradas de forma especial.

El documento US 4 951 683 A (DAVIS JEFFREY P) divulga un dispositivo para detectar queratoconjuntivitis seca (KCS) que utiliza una sonda que incluye un cuerpo que tiene un extremo terminal. Una pluralidad de contactos eléctricos están montados en configuración espaciada en el extremo terminal del cuerpo de la sonda para hacer contacto simultáneo con el fluido lagrimal de la conjuntiva ocular, o componentes de la misma. Se aplica un potencial eléctrico a al menos uno de la pluralidad de contactos eléctricos y se mide la actividad eléctrica, tal como la conductancia, entre un contacto eléctrico y otro contacto eléctrico en relación con el fluido lagrimal interpuesto.

Kohji Mitsubayashi et al., (1993) "Flexible conductometric sensor" Analytical Chemistry vol 5: 3586 - 3590 es un informe científico de un sensor flexible construido en una configuración tipo sándwich con una membrana hidrófila de poli(tetrafluoroetileno) colocada entre dos capas de oro depositadas. El sensor se evaluó para su uso como sensor conductimétrico en fluidos biológicos. La conductividad se midió con el dispositivo a frecuencias que oscilaban entre 100 Hz y 100 kHz y el dispositivo se calibró a 100 kHz frente a soluciones de cloruro de sodio en el intervalo de 0.1 -50.0 g/L, que incluye concentraciones de iones fisiológicos. El sensor se unió a una lente de contacto que permitió colocar el sensor directamente sobre la superficie del ojo del conejo para monitorizar la conductividad eléctrica de los fluidos lagrimales.

Ogasawara K et al., (1996) " Electrical conductivity of tear fluid in healthy persons and keraconjunctivitis sicca patients measured by a flexible conductimetric sensor" Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmol. Vol. 234: 542 - 546 es un artículo de investigación científica que describe un sensor conductimétrico flexible fabricado con técnicas microelectrónicas que es lo suficientemente pequeño y flexible para colocarse en la superficie ocular para medir la conductividad eléctrica y, por lo tanto, medir indirectamente la actividad electrolítica u osmolaridad. El sensor se utilizó para medir la conductividad del fluido lagrimal en pacientes con KCS y voluntarios sanos. Un sensor conductimétrico flexible, que consiste en una membrana de politetrafluoroetileno hidrófila colocada entre dos capas recubiertas de oro, se colocó directamente en el fondo del saco de la conjuntiva temporal. La conductividad del fluido lagrimal se monitorizó gráficamente en una pantalla de ordenador. La concentración de cloruro de sodio de los fluidos lagrimales se calculó a partir de la curva de calibración y se convirtió a la concentración de electrolito equivalente. La conductividad del fluido lagrimal en personas sanas y pacientes con KCS se pudo monitorizar sin daño ocular, y los valores medidos fueron consistentes con informes anteriores.

Debería ser evidente a partir de la discusión anterior que las técnicas actuales de medición de la osmolaridad no están disponibles en un entorno clínico y no pueden alcanzar los volúmenes necesarios para los pacientes con ojo seco. Por lo tanto, existe la necesidad de una medición de la osmolaridad a escala de nanolitros mejorada, clínicamente factible.

Sumario de la invención

En consecuencia, la presente invención proporciona un chip receptor de la muestra como se establece en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

La medición de la osmolaridad de un fluido de la muestra, tal como una película lagrimal, se logra recolectando un volumen de alícuota del fluido de la muestra y haciendo que el volumen de alícuota del fluido de la muestra entre en contacto con un chip receptor de la muestra de la invención.

Se puede obtener una medida de osmolaridad del fluido de la muestra a partir de las propiedades energéticas detectadas del volumen de la muestra.

Se puede obtener rápida y fácilmente un volumen de fluido de la muestra del tamaño de una alícuota, incluso de pacientes con ojo seco que utilizan un sustrato receptor de la muestra formado dentro de un microchip. En una realización, el sustrato receptor de la muestra está compuesto por un canal de microfluidos especialmente construido que absorbe la lágrima directamente a través de la región de la muestra. Esta realización elimina la necesidad de transferir el fluido, limita la cantidad de evaporación y ayuda a reducir la variabilidad de usuario a usuario.

Un volumen de alícuota puede comprender, por ejemplo, un volumen de no más de 20 microlitros (|jL), pero puede ser tan pequeño como 1 nL. Un sistema de sensor de osmolaridad puede recibir el microchip y el volumen de la muestra, y puede detectar la energía del volumen de la muestra para mostrar una medición de osmolaridad precisa. De esta forma, se puede obtener una medida de osmolaridad confiable con un mínimo de molestias e incomodidad para el paciente, sin necesidad de mucha habilidad para obtener la medida, y con un alto grado de repetibilidad y precisión.

Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción de la realización preferida, que ilustra, a modo de ejemplo, los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Las Figuras 1 a 16 y 19 a 20 de este documento no son de la invención pero se proporcionan con fines informativos.

La Fig. 1 ilustra un chip receptor de la muestra del tamaño de una alícuota para medir la osmolaridad de un fluido de la muestra.

La Fig. 2 ilustra una alternativa de un chip receptor de la muestra que incluye una región de circuito con una serie de electrodos impresos con técnicas de fotolitografía.

La Fig. 3 ilustra otra alternativa del chip de la Fig. 1, en el que una región del circuito incluye electrodos impresos dispuestos en una pluralidad de círculos concéntricos.

La Fig.4 es una vista desde arriba del chip mostrado en la Fig. 2.

La Fig.5 es una vista desde arriba del chip mostrado en la Fig. 3.

La Fig. 6 es un diagrama de bloques de un sistema de medición de osmolaridad.

La Fig.7 es una vista en perspectiva de un sistema de medición de osmolaridad de película lagrimal.

La Fig.8 es una sección lateral del chip receptor de la muestra que muestra la abertura en el empaque exterior. La Fig. 9 es una curva de calibración que relaciona el contenido de sodio del fluido de la muestra con la conductividad eléctrica.

La Fig. 10 ilustra una unidad de base articulada del osmómetro que utiliza los chips receptores de la muestra descritos en las Figs. 1 - 5.

La Fig. 11 ilustra una configuración de tarjeta de la sonda para el chip de recepción de la muestra y la unidad de procesamiento.

La Fig. 12 ilustra un sistema de medición de osmolaridad óptica.

La Fig. 13 es un diagrama de flujo que describe un ejemplo de una técnica de medición de osmolaridad.

La Fig. 14 es una sección lateral del chip receptor de la muestra que muestra la abertura en el empaque exterior. La Fig. 15 ilustra un ejemplo de un dispositivo de recolección que puede contener el chip receptor de la figura 14. La Fig. 16 es una vista en sección transversal de un canal que se puede formar en el chip receptor de la figura 14. La Fig. 17A ilustra un dispositivo de recolección de microfluidos de acuerdo con una realización.

La Fig. 17B ilustra una vista más detallada del dispositivo de la Fig. 17A.

La Fig. 17C ilustra una vista en despiece ordenado de una parte del dispositivo de la Fig. 17B.

La Fig. 18 es un diagrama que ilustra otro ejemplo de realización de un dispositivo de recolección de microfluidos. La Fig. 19 es un gráfico que ilustra el cambio de osmolaridad a lo largo del tiempo dentro de un sustrato receptor. La Fig. 20 es un gráfico que ilustra el cambio en la osmolaridad a lo largo del tiempo para tres interfaces diferentes de recolección de lágrimas.

Descripción detallada

En el presente documento se describen chips de recepción de la muestra para medir la osmolaridad de un volumen de alícuota de un fluido de la muestra (p. ej., película lagrimal, sudor, sangre u otros fluidos) que

están configurados para ser relativamente rápidos, no invasivos, económicos y fáciles de usar, con un riesgo mínimo de lesiones para el paciente. Se pueden proporcionar mediciones precisas con volúmenes de tan solo nanolitros de un fluido de la muestra. Por ejemplo, un dispositivo de medición

descrito en este documento puede permitir la medición de la osmolaridad con no más de 20 pL de fluido de la muestra y, por lo general, se pueden medir con éxito volúmenes mucho más pequeños. La precisión de la medición de la osmolaridad no se ve comprometida por las variaciones en el volumen de fluido de la muestra recolectado, por lo que la medición de la osmolaridad es sustancialmente independiente del volumen recolectado. El fluido de la muestra puede incluir película lagrimal, sudor, sangre, orina u otros fluidos corporales. Cabe señalar, sin embargo, que el fluido de la muestra puede comprender otros fluidos, tales como leche u otras bebidas.

La Fig. 1 ilustra un chip 100 de osmolaridad que se puede usar para medir la osmolaridad de un fluido 102 de la muestra, tal como una muestra de película lagrimal. En el ejemplo de la Fig. 1, el chip 100 incluye un sustrato 104 con una región de la muestra que tiene electrodos 108 y 109 sensores y conexiones 110 del circuito impresas en el sustrato. Los electrodos 108 y 109 y las conexiones 110 del circuito se imprimen preferiblemente utilizando técnicas fotolitográficas bien conocidas. Por ejemplo, las técnicas actuales permiten que los electrodos 108 y 109 tengan un diámetro en el intervalo de aproximadamente una (1) a ochenta (80) micras, y separados lo suficiente para que no exista un camino conductor en ausencia de fluido de la muestra. Sin embargo, las técnicas actualmente disponibles pueden proporcionar electrodos de menos de una micra de diámetro, y estos son suficientes para un chip construido de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento.

La cantidad de fluido de la muestra necesaria para la medición no es mayor que la necesaria para extenderse de un electrodo al otro, proporcionando así un camino conductor operativo. La escala fotolitográfica del chip 100 permite realizar la medición para muestras del tamaño de alícuotas a nivel de micro o nanoescala. Por ejemplo, se puede obtener una medición de osmolaridad confiable con un volumen de la muestra de menos de 20 pL de película lagrimal. Un volumen de la muestra típico puede ser inferior a cien nanolitros (100 nL). Se espera que sea relativamente fácil recolectar 10 nL de una muestra de película lagrimal incluso de pacientes que sufren de ojo seco.

El chip 100 puede configurarse para transferir energía al fluido 102 de la muestra y permitir la detección de las propiedades energéticas del fluido de la muestra. En este sentido, se puede aplicar una fuente de corriente a través de los electrodos 108 y 109 a través de las conexiones 110. La osmolaridad del fluido de la muestra se puede medir detectando las propiedades de transferencia de energía del fluido 102 de la muestra. Las propiedades de transferencia de energía pueden incluir, por ejemplo, conductividad eléctrica, de modo que se mida la impedancia del fluido de la muestra, dada una cantidad particular de energía eléctrica, por ejemplo, corriente, que se transfiere a la muestra a través de las conexiones 110 y los electrodos 108 y 109.

Si se va a medir la conductividad del fluido de la muestra, entonces se aplica preferiblemente una señal sinusoidal del orden de diez voltios a aproximadamente 10 kHz. Se miden las partes real e imaginaria de la impedancia compleja de la trayectoria del circuito desde un electrodo 108 a través del fluido 102 de la muestra hasta el otro electrodo 109. En las frecuencias de interés, es probable que la mayoría de la señal eléctrica esté en la mitad real del plano complejo, lo que reduce la conductividad del fluido de la muestra. Esta señal eléctrica (en adelante denominada conductividad) se puede relacionar directamente con la concentración de iones del fluido 102 de la muestra, y se puede determinar la osmolaridad. Además, si cambia la concentración de iones del fluido 102 de la muestra, la conductividad eléctrica y la osmolaridad del fluido cambiarán de manera correspondiente. Por lo tanto, la osmolaridad se puede obtener de forma confiable. Además, debido a que el valor de la impedancia no depende del volumen del fluido 102 de la muestra, la medición de la osmolaridad se puede realizar de manera sustancialmente independiente del volumen de la muestra.

Como alternativa a la señal de entrada descrita anteriormente, se pueden aplicar señales más complejas al fluido de la muestra cuya respuesta contribuirá a una estimación más completa de la osmolaridad. Por ejemplo, la calibración se puede lograr midiendo las impedancias en un intervalo de frecuencias. Estas impedancias pueden medirse simultáneamente, a través de la entrada de forma de onda combinada y la descomposición de Fourier, o medirse secuencialmente. Los datos de frecuencia frente a impedancia proporcionarán información sobre la muestra y el rendimiento relativo del circuito de medición del fluido de la muestra.

La Fig. 2 ilustra un chip 200 receptor de la muestra alternativo que se puede configurar para medir la osmolaridad de un fluido 202 de la muestra, en el que el chip comprende una capa 204 de sustrato con una región 206 de la muestra que comprende un circuito impreso que incluye una matriz de electrodos 208. En la Fig. 2, la región 206 de la muestra tiene una serie de electrodos de 5 por 5 que están impresos con técnicas fotolitográficas, y cada electrodo 208 tiene una conexión 210 a un lado del sustrato 204. No todos los electrodos 208 en la Fig. 2 se muestran con una conexión, para simplificar la ilustración. El electrodo puede proporcionar mediciones a una unidad de procesamiento independiente, que se describe más adelante.

La matriz de electrodos de la Fig. 2 puede proporcionar un medio para medir el tamaño de la gota 202 de lágrima detectando la extensión de los electrodos 208 conductores para determinar así la extensión de la gota. En particular, los circuitos de procesamiento pueden determinar el número de electrodos que están conduciendo y, por lo tanto, se puede determinar el número de electrodos adyacentes que están cubiertos por la gota 202. De este modo se puede determinar el área plana del sustrato que está cubierta por el fluido de la muestra. Con una tensión superficial nominal conocida del fluido de la muestra, la altura del volumen de fluido de la muestra sobre el área plana también se puede estimar de manera confiable y, por lo tanto, se puede determinar el volumen de la gota 202.

La Fig. 3 ilustra otro chip 300 receptor de la muestra sobre el que se deposita un fluido 302 de la muestra. El chip comprende una capa 304 de sustrato, en la que una región 306 de la muestra está provista de electrodos 308 que están configurados en una pluralidad de círculos concéntricos. De manera similar a la matriz cuadrada de la Fig. 2, la disposición circular de los electrodos 308 de la Fig. 3 también pueden proporcionar una estimación del tamaño del volumen de fluido 302 de la muestra porque la gota normalmente cubre un área circular u ovalada de la región 302 de la muestra. El circuito de procesamiento se puede configurar para detectar el círculo más grande (más externo) de electrodos que están conduciendo y, por lo tanto, determinar un área plana de cobertura por la muestra de fluido. Como antes, el área plana determinada puede proporcionar una estimación de volumen, junto con una tensión superficial conocida y la altura de volumen correspondiente del fluido 302 de la muestra. En el ejemplo de la Fig. 3, los electrodos 308 pueden imprimirse usando técnicas de fotolitografía bien conocidas que actualmente permiten que los electrodos tengan un diámetro en el intervalo de una (1) a ochenta (80) micras. Esto permite que la gotita submicrolitro cubra sustancialmente los electrodos. Los electrodos se pueden imprimir sobre un área dimensionada para recibir el fluido de la muestra, generalmente cubriendo 1 mm2 a 1cm2.

Los electrodos y conexiones mostrados en la Fig. 1, Fig. 2, y la Fig. 3 se pueden imprimir en las respectivas capas de sustrato como electrodos con almohadillas de contacto, utilizando técnicas fotolitográficas. Por ejemplo, los electrodos se pueden formar con diferentes metales conductores, tales como aluminio, platino, titanio, titanio-tungsteno y otros materiales similares. Los electrodos se pueden formar con un borde dieléctrico para proteger las densidades de campo en los bordes de los electrodos. Esto puede reducir un campo eléctrico inestable en el borde del electrodo.

Las vistas superiores de los chips 200 y 300 se ilustran en la Fig. 4 y la Fig. 5, respectivamente. Estas muestran el diseño detallado de los electrodos y las conexiones, e ilustran cómo se puede conectar eléctricamente cada electrodo para medir las propiedades eléctricas de una gota de la muestra. Como se mencionó anteriormente, la disposición de los electrodos y las conexiones se pueden imprimir en el sustrato 100, 200, 300 utilizando técnicas fotolitográficas bien conocidas.

La Fig. 6 es un diagrama de bloques de un sistema 600 de osmometría

que muestra cómo se determina y utiliza la información en un proceso que determina la osmolaridad de un fluido de la muestra. El sistema 600 de osmometría puede incluir un dispositivo 604 de medición y un dispositivo 606 de procesamiento. El dispositivo de medición puede recibir un volumen de fluido de la muestra desde un dispositivo 608 de recolección. El dispositivo 608 de recolección puede comprender, por ejemplo, una micropipeta o tubo capilar. El dispositivo 608 de recolección puede configurarse para recolectar una muestra de película lagrimal de un paciente, tal como por ejemplo mediante el uso de presión negativa de una micropipeta de volumen fijo o la atracción de carga de un tubo capilar para extraer un pequeño volumen de lágrimas de la vecindad de la superficie ocular de un paciente.

El dispositivo 604 de medición puede comprender un sistema que transfiere energía al fluido en la región de la muestra y detecta la energía impartida. Por ejemplo, el dispositivo 604 de medición puede comprender un circuito que proporciona energía eléctrica en una forma de onda específica, tal como desde un generador de funciones, al camino eléctrico que comprende dos electrodos unidos por el fluido de la muestra. El dispositivo 606 de procesamiento puede configurarse para detectar la energía impartida al fluido de la muestra y determinar la osmolaridad. El dispositivo de procesamiento puede comprender, por ejemplo, un sistema que incluya un multímetro RLC que produzca datos relacionados con la reactancia del fluido que forma el camino conductor entre dos electrodos, y que incluya un procesador que determine la osmolaridad a través de un esquema de consulta de tablas. Si se desea, el dispositivo de procesamiento se puede alojar en una unidad de la base que recibe uno de los chips descritos anteriormente.

Como se mencionó anteriormente, una muestra suficiente para proporcionar una medida de osmolaridad puede contener menos de 20 microlitros (j E) de fluido. Una muestra típica de película lagrimal se puede recolectar mediante un colector de fluidos, tal como un tubo capilar, que a menudo contiene menos de un microlitro de película lagrimal. Los profesionales médicos estarán familiarizados con el uso de micropipetas y tubos capilares, y podrán recolectar fácilmente los pequeños volúmenes de la muestra descritos en este documento, incluso en el caso de personas con ojo seco.

El fluido de la muestra recolectado se puede expulsar del dispositivo 608 de recolección al dispositivo 604 de medición. El dispositivo de recolección puede colocarse por encima de la región de la muestra del sustrato de chip, ya sea manualmente por un profesional médico o guiado mecánicamente sobre la región de la muestra. Por ejemplo, el dispositivo de recolección, por ejemplo, un tubo capilar, se guía mecánicamente a su posición con un orificio de plástico moldeado por inyección en una unidad de la base, o se ajusta a un conjunto de abrazaderas con tornillos de precisión, por ejemplo, un micromanipulador con agujas para interfaces de microchip. La guía es un circuito de control de retroalimentación guiado por ordenador que sostiene el tubo capilar y lo baja automáticamente a la posición adecuada.

Los electrodos y las conexiones de los chips miden las propiedades energéticas del fluido de la muestra, tales como la conductividad, y permiten que el dispositivo 606 de procesamiento reciba las propiedades medidas. Las propiedades energéticas medidas del fluido de la muestra incluyen la conductividad eléctrica y también pueden incluir otros parámetros, tales como las dos partes de la impedancia compleja de la muestra, la variación del ruido en la señal de salida y la desviación de la medición debido al calentamiento resistivo del fluido de la muestra. Las propiedades energéticas medidas se procesan en el dispositivo 606 de procesamiento para proporcionar la osmolaridad de la muestra. El dispositivo 606 de procesamiento comprende una unidad de la base que puede aceptar un chip y puede proporcionar una conexión eléctrica entre el chip y el dispositivo 606 de procesamiento. La unidad de la base puede incluir una unidad de visualización para visualizar los valores de osmolaridad. Cabe señalar que el dispositivo 606 de procesamiento y, en particular, la unidad de la base pueden ser una unidad portátil.

La Fig. 7 es una vista en perspectiva de un sistema 700 de medición de osmolaridad de película lagrimal que incluye una unidad 70l de medición que comprende un chip, tal como uno de los chips descritos anteriormente, y una base 710 de conector o enchufe, que proporciona la salida de medición apropiada. El sistema 700 puede configurarse para determinar la osmolaridad midiendo la conductividad eléctrica del fluido de la muestra. Por lo tanto, el chip 701 de medición puede comprender un chip de circuito integrado (CI) con un sustrato que tiene una construcción similar a la de los chips descritos anteriormente en relación con la Fig. 1 a la Fig. 5. Por lo tanto, el chip 701 puede incluir una capa de sustrato con una región de la muestra definida por al menos dos electrodos impresos sobre la capa de sustrato. Se entenderá que tales detalles son de una escala demasiado pequeña para ser visibles en la Fig. 7, pero véanse en la Fig. 1 a la Fig. 5, ejemplos de estos detalles. El sustrato y la región de la muestra se pueden encerrar dentro de un empaque inerte, de una manera que será conocida por los expertos en la técnica. En particular, el chip 701 se puede fabricar usando técnicas convencionales de fabricación de semiconductores en un empaque 707 de CI que incluye patas 708 de conexión eléctrica que permiten que el chip 701 reciba señales eléctricas y que la salida se comunique fuera del chip. El empaque 707 puede proporcionar una carcasa que hace que el manejo del chip sea más conveniente y ayuda a reducir la evaporación del fluido de la muestra.

La Fig. 8 muestra que el chip 701 de medición se puede fabricar con un orificio 720 de abertura exterior en el que se puede insertar el fluido 702 de la muestra. Por lo tanto, el orificio 720 se puede formar en el empaque 707 semiconductor para proporcionar un camino a través del exterior del chip hacia el sustrato 804 y la región 806 de la muestra. El dispositivo 808 de recolección, tal como una micropipeta o un tubo capilar, se puede colocar en el orificio 720 de manera que el fluido 702 de la muestra se expulse del dispositivo de recolección directamente sobre la región 806 de la muestra del sustrato 804. El orificio 720 se puede dimensionar para recibir la punta del dispositivo de recolección. El orificio 720 forma una abertura o embudo que conduce desde el exterior del chip a la región 806 de la muestra del sustrato 804. De esta manera, el fluido 702 de la muestra se puede expulsar del dispositivo 808 de recolección y se puede depositar directamente en la región 806 de la muestra del sustrato 804. La región de la muestra se puede dimensionar para recibir el volumen de fluido de la muestra del dispositivo de recolección. En la Fig. 8, por ejemplo, los electrodos pueden formar una región 806 de la muestra que generalmente está en un intervalo de aproximadamente 1 mm2 a 1cm2 de área.

Volviendo a la Fig. 7, el chip 701 puede incluir un circuito 704 de procesamiento que comprende, por ejemplo, un generador de funciones que genera una señal de una forma de onda deseada, que se puede aplicar a los electrodos de la región de la muestra del chip, y un dispositivo de medición de voltaje para medir la media cuadrática (RMS) del valor de voltaje que se lee de los electrodos del chip. El generador de funciones se puede configurar para producir corriente alterna (CA) de alta frecuencia para evitar efectos de corriente continua (CC) no deseados para el proceso de medición. El dispositivo de medición de voltaje puede incorporar la funcionalidad de un dispositivo de medición RLC. Por lo tanto, el chip 701 puede incorporar el circuito de medición así como los electrodos de la región de la muestra. El circuito de procesamiento puede incluir una unidad central de procesamiento (CPU) y una memoria asociada que puede almacenar instrucciones de programación (tales como firmware) y también puede almacenar datos. De esta forma, un solo chip puede incluir los electrodos y las conexiones asociadas para la región de la muestra y, en una región separada del chip, también puede incluir el circuito de medición. Esta configuración puede minimizar las resistencias parásitas asociadas de las estructuras del circuito.

Como se indicó anteriormente, el circuito 704 de procesamiento se puede configurar para aplicar una forma de onda de señal a los electrodos de la región de la muestra. El circuito de procesamiento también puede recibir las señales de propiedades energéticas de los electrodos y determinar el valor de osmolaridad del fluido de la muestra. Por ejemplo, la unidad de procesamiento puede recibir valores de conductividad eléctrica de un conjunto de pares de electrodos. Los expertos en la materia estarán familiarizados con las técnicas y los circuitos para determinar la conductividad de un fluido de la muestra que forma un camino conductor entre dos o más electrodos.

En el ejemplo de la Fig. 7, la unidad 704 de procesamiento puede configurarse para producir formas de onda de señal a una sola frecuencia, tales como 100 kHz y 10 voltios de pico a pico. El circuito 704 de procesamiento puede entonces determinar el valor de osmolaridad del contenido de sodio correlacionado con la conductividad eléctrica usando una curva de calibración, tal como la curva que se muestra en la Fig. 9. En este caso, la curva de calibración se puede construir como una función de transferencia entre la conductividad eléctrica (voltaje) y el valor de osmolaridad, es decir, el contenido de sodio. Cabe señalar, sin embargo, que también se pueden construir otras curvas de calibración para proporcionar funciones de transferencia entre otras propiedades energéticas y el valor de osmolaridad. Por ejemplo, la varianza, la autocorrelación y la deriva de la señal se pueden incluir en un cálculo de osmolaridad. Si se desea, el valor de osmolaridad también se puede construir sobre gráficos de coeficientes de correlación de múltiples variables o interpretación de redes neuronales para que el valor de osmolaridad se pueda optimizar con un conjunto arbitrariamente grande de variables medidas.

En una alternativa a lo que se muestra en la Fig. 7, la unidad 704 de procesamiento puede configurarse para producir formas de onda de señal de un barrido de frecuencia predeterminado, tales como de 1 kHz a 100 kHz en incrementos de 1 kHz, y almacenar los valores de conductividad y varianza recibidos del conjunto de pares de electrodos en cada frecuencia. La señal de salida frente a la curva de frecuencia se puede usar para proporcionar información de orden superior sobre la muestra, que se puede usar con las funciones de transferencia antes mencionadas para producir una lectura de osmolaridad ideal.

Como se muestra en la Fig. 7, el enchufe 710 de l conector de la base puede recibir las patas 708 del chip 701 en los enchufes 711 correspondientes. El conector 710, por ejemplo, puede suministrar la energía eléctrica requerida al circuito 704 de procesamiento y los electrodos del chip. Por lo tanto, el chip 701 puede incluir los electrodos de la región de la muestra y el generador de señales y el circuito de procesamiento necesarios para determinar la osmolaridad, y la salida que comprende el valor de la osmolaridad se puede comunicar fuera del chip a través de las patas 708 a través del conector 710 y a una pantalla de lectura.

Si se desea, el enchufe 710 del conector de la base puede incluir una capa 712 Peltier ubicada debajo de los enchufes que reciben las patas 708 del chip 701. Los expertos en la técnica comprenderán que una capa Peltier comprende una unión eléctrica/cerámica de manera que la corriente aplicada correctamente puede enfriar o calentar la capa Peltier. De esta forma, el chip 701 de la muestra puede calentarse o enfriarse, controlando así aún más la evaporación del fluido de la muestra. Debería ser evidente que la evaporación del fluido de la muestra debe controlarse cuidadosamente para garantizar valores de osmolaridad precisos obtenidos del fluido de la muestra.

La Fig. 10 muestra un osmómetro alternativo en el que el chip no incluye una unidad de procesamiento en el chip como la descrita anteriormente, sino que incluye un circuito limitado que comprende principalmente los electrodos de la región de la muestra y las interconexiones. Es decir, la unidad de procesamiento está ubicada por separado del chip y se puede proporcionar, por ejemplo, en la unidad de la base.

La Fig. 10 muestra en detalle un osmómetro 1000 que incluye una unidad 1004 base, que aloja el conector 710 base, y una cubierta 1006 articulada que se cierra sobre el conector 710 base y un chip 701 de la medición recibida. Por lo tanto, después de que la muestra de fluido haya sido dispensada en el chip, el chip puede insertarse en el conector 710 de enchufe de la unidad 1004 base y la cubierta 1006 articulada puede cerrarse sobre el chip para reducir la velocidad de evaporación de la muestra de fluido.

Cabe señalar que el problema con la evaporación relativamente rápida del fluido de la muestra generalmente se puede manejar de una de dos maneras. Una forma es medir el voltaje del fluido de la muestra rápidamente y tan pronto como sea posible después de colocar la gota en la región de la muestra del chip. Otra forma es permitir que la unidad de medición mida la tasa de evaporación junto con los cambios correspondientes en los valores de conductividad. La unidad de procesamiento puede luego procesar la salida para estimar el valor de osmolaridad. El procesamiento se puede realizar en el hardware y/o en el software almacenado en el hardware. Por lo tanto, la unidad de procesamiento puede incorporar diferentes técnicas de procesamiento, tal como el uso de redes neuronales para recolectar y aprender acerca de las características de las muestras de fluidos que se están midiendo para osmolaridad, así como variaciones de temperatura, cambios de volumen y otros parámetros relacionados para que el sistema pueda ser entrenado de acuerdo con las técnicas de redes neuronales para realizar mediciones de osmolaridad más rápidas y precisas.

La Fig. 11 muestra otra construcción alternativa, en la que el sistema de osmolaridad utiliza un chip 1102 de recepción de la muestra que no incluye un empaque de CI tal como se muestra en la Fig. 7. Más bien, el chip 1102 de medición de la Fig. 11, está configurado como un chip con una región de la muestra expuesta que comprende los electrodos y las conexiones asociadas, pero el circuito de procesamiento está ubicado en la unidad de la base para medir las propiedades energéticas del fluido de la muestra. En esta construcción alternativa, un conector similar al enchufe 710 del conector puede permitir la transmisión de propiedades de energía medidas a la unidad de procesamiento en la unidad de la base. Los expertos en la materia comprenderán que dicha configuración se denomina comúnmente estructura de tarjeta de la sonda.

La Fig.11 muestra una unidad 1100 de la base de tarjeta de la sonda que puede recibir una tarjeta 1102 de la sonda del chip de la muestra que comprende un sustrato 1104 con una región 1106 de la muestra en la que se forman electrodos 1108 que pueden unirse por cable a los conectores 1110 del borde de la tarjeta de la sonda. Cuando la tapa 1112 articulada de la unidad de la base se cierra sobre la tarjeta de la sonda, los dientes 1114 de conexión en la parte inferior de la tapa se pueden configurar para entrar en contacto de acoplamiento con los conectores 1110 del borde. De esta manera, los electrodos de la región 1106 de la muestra se pueden acoplar al circuito de procesamiento y se puede realizar la medición. El circuito de procesamiento de la realización de la tarjeta de la sonda de la Fig. 11 puede, por ejemplo, configurarse en cualquiera de las configuraciones descritas anteriormente. Es decir, el procesamiento para aplicar corriente a los electrodos y detectar las propiedades energéticas del fluido de la muestra y determinar la osmolaridad puede ubicarse en el chip, en el sustrato de la tarjeta 1102 de la sonda, o el circuito de procesamiento puede ubicarse fuera del chip en la unidad 1100 de la base.

En todas las alternativas descritas anteriormente, se puede colocar un nuevo chip de medición en la unidad de la base mientras la parte superior articulada está abierta. Al colocarlo en la unidad de la base, el chip se puede encender y comenzar a monitorizar su entorno. La grabación de señales de salida del chip a una velocidad de, por ejemplo, 1 kHz, debería capturar completamente el comportamiento del sistema. La colocación de una muestra en cualquier parte de la matriz de electrodos debería generar un aumento alto de la relación señal-ruido en la conductividad entre cualquier par de electrodos cubiertos por el fluido de la muestra. La unidad de procesamiento puede entonces reconocer que el cambio en la conductividad está directamente relacionado con la adición de fluido de la muestra y puede comenzar a convertir las señales electrónicas en datos de osmolaridad una vez que se identifica este tipo de cambio. Esta estrategia puede ocurrir sin la intervención de profesionales médicos. Es decir, el procesamiento del chip puede iniciarse al acoplarse a la unidad de la base y no depende necesariamente de operar la tapa de la unidad de la base o cualquier otra intervención del usuario.

En cualquiera de las configuraciones descritas anteriormente, ya sea el "chip inteligente" con circuitos de procesamiento en el chip (Fig. 7), o la configuración solo de electrodos con circuitos de procesamiento fuera del chip (Fig. 10), en un chip empaquetado (Fig. 7 y Fig. 10) o en una tarjeta de la sonda (Fig. 11), el chip de recepción de la muestra se puede desechar después de cada uso, de modo que la unidad de la base sirva como plataforma para interactuar con el chip de medición desechable. Como se ha indicado, la unidad de la base también puede incluir circuitos relevantes de control, comunicación y visualización (no mostrados), así como software, o dichas características pueden proporcionarse fuera del chip en la unidad de la base o en otro lugar. A este respecto, el circuito de procesamiento puede configurarse para proporcionar automáticamente suficiente energía a los electrodos de la región de la muestra para oxidarlos irreversiblemente después de un ciclo de medición, de modo que los electrodos queden inoperativos para cualquier ciclo de medición posterior. Al insertar un chip usado en la unidad de la base, el usuario recibirá una indicación de que los electrodos no funcionan. Esto ayuda a evitar el uso múltiple involuntario de un chip de la muestra, lo que puede generar lecturas de osmolaridad inexactas y condiciones potencialmente antihigiénicas.

Un enfoque secundario para garantizar que un chip usado anteriormente no se vuelva a colocar en la máquina incluye la codificación de números de serie o códigos directamente en el chip. La unidad de la base almacenará los números de chips usados en la memoria y los comparará con los nuevos chips colocados en el conector de la base. Si la unidad de la base encuentra que el número de serie del chip usado es el mismo que el de un chip antiguo, entonces el sistema se negará a medir la osmolaridad hasta que se inserte un nuevo chip. Es importante garantizar el uso de un nuevo chip para cada prueba porque las proteínas se adsorben y se forman cristales de sal en los electrodos después de que la evaporación ha seguido su curso, lo que corrompe la integridad de los electrodos de medición.

Como se muestra en la Fig. 12, la osmolaridad de un fluido de la muestra puede medirse ópticamente en un sistema 1200 de medición óptica usando indicadores 1202 ópticos dispuestos en una región 1212 de medición del sustrato 1204 del chip. Los indicadores 1202 ópticos pueden comprender, por ejemplo, esferas a nanoescala, también denominadas nanoperlas, que están recubiertas con productos químicos cuya luminiscencia varía con la exposición al fluido de la muestra de osmolaridad variable, es decir, ionóforos o resonancias de plasmón. Las nanoesferas 1202 se pueden depositar en el sustrato 1204 del chip encima de los electrodos descritos anteriormente para los chips de medición de conductividad. Los electrodos pueden ser útiles, por ejemplo, para determinar el volumen del fluido de la muestra, como se describió anteriormente. Sin embargo, se pueden usar otros elementos de medición de volumen para determinar el volumen del fluido de la muestra. Preferiblemente, pero no necesariamente, el chip óptico se produce con un empaque inerte como el descrito anteriormente en relación con la Fig. 7, que incluye un orificio de abertura del chip por el que se puede introducir la punta del dispositivo de recolección. El fluido de la muestra puede luego ser expulsado del dispositivo de recolección y el fluido de la muestra puede entrar en contacto con un número fijo predeterminado de nanoperlas por sitio de electrodo, que se sumergen en el fluido de la muestra.

Cuando las nanoperlas 1202 se iluminan con una fuente de energía 1210 óptica, tal como un láser, las perlas 1202 emitirán fluorescencia de acuerdo con la osmolaridad del fluido 1206 de la muestra. La fluorescencia se puede detectar usando un dispositivo 1208 de recepción de luz del detector óptico adecuado, tal como una matriz del dispositivo de acoplamiento de carga (CCD), convencional fotodiodo o similar. La señal de salida resultante de la matriz receptora de luz puede indicar el valor de osmolaridad del fluido de la muestra. Cabe señalar que las perlas a nanoescala tienen un tamaño tal que una muestra 1206 de fluido del tamaño de una alícuota, es decir, no más de 20 microlitros del fluido, normalmente producirá suficiente fluorescencia para proporcionar una señal de salida que puede ser detectada por el dispositivo 1208 del receptor de luz y que puede indicar la osmolaridad del fluido de la muestra. La cantidad de fluorescencia puede normalizarse calculando cuántas nanoperlas fueron activadas por el fluido y midiendo qué pares de electrodos fueron activados por el fluido de la muestra. Esta normalización tiene en cuenta el volumen de la muestra y permite conservar la característica de independencia del volumen de la realización anterior.

La Fig.13 es un diagrama de flujo que describe un ejemplo de técnica de medición de osmolaridad. En primer lugar, se recoge una muestra de fluido corporal, tal como una película lagrimal, en la etapa 1300. La muestra normalmente, por ejemplo, contiene menos de un microlitro. En la etapa 1302, la muestra recolectada se puede depositar en una región de la muestra de un sustrato de chip. Las propiedades energéticas de la muestra pueden medirse luego en la etapa 1304. Las propiedades energéticas medidas pueden luego procesarse, en la etapa 1306, para determinar la osmolaridad de la muestra. Si el chip funciona de acuerdo con la medición de la conductividad eléctrica, entonces el procesamiento de la medición en la etapa 1306 puede incluir la operación de "oxidación de electrodos" descrita anteriormente que hace que los electrodos del chip no funcionen para ningún ciclo de medición posterior.

En el proceso de medición para un sistema de medición de conductividad, se observa un cambio sustancialmente instantáneo desde el voltaje de circuito abierto a un valor que representa fielmente el estado de la muestra en el momento de la recolección, al colocar una película lagrimal de la muestra en una matriz de electrodos del sustrato. Posteriormente, una deriva en la conductividad de la muestra se reflejará como un cambio continuo en la salida.

La salida del chip de medición puede ser un voltaje variable en el tiempo que se traduce en un valor de osmolaridad. Por lo tanto, en un sistema basado en la conductividad, se puede obtener más información que solo la "conductividad eléctrica" de la muestra al medir la respuesta de frecuencia en una amplia gama de señales de entrada, lo que mejora el procesamiento de la etapa final. Por ejemplo, la calibración se puede realizar en múltiples frecuencias, por ejemplo, medir la relación de señales a 10, 20, 30, 40, 50, 100 Hz, etc., para hacer que el proceso de medición sea un cálculo relativo. Esto hace que la deriva de voltaje de chip a chip sea pequeña. El método estándar para mediciones basadas en electrodos a escala macro, es decir, en un medidor de pH o técnica de microcapilaridad, es confiar en tampones conocidos para establecer una curva de calibración lineal. Debido a que la fotolitografía es una técnica de fabricación extremadamente reproducible, cuando se combina con un barrido de frecuencia, la calibración se puede realizar sin la intervención de un operador.

Como se mencionó anteriormente, el procesamiento de las propiedades energéticas se puede realizar en una configuración de red neuronal, en la que los puntos de datos medidos aparentemente dispares obtenidos de las propiedades energéticas se pueden usar para proporcionar una lectura de osmolaridad más precisa que con una sola medición de propiedades energéticas. Por ejemplo, si solo se mide la conductividad eléctrica de la muestra, la curva de calibración se puede utilizar para obtener simplemente el valor de osmolaridad correspondiente a la conductividad. Sin embargo, este valor de osmolaridad generalmente no será tan preciso como la salida de la red neuronal.

La red neuronal se puede diseñar para operar en una colección de curvas de calibración que refleja una función de transferencia sustancialmente optimizada entre las propiedades energéticas del fluido de la muestra y la osmolaridad. Por lo tanto, la red neuronal se puede configurar para construir una colección de curvas de calibración para todas las variables de interés, tales como el voltaje, la velocidad de evaporación y el cambio de volumen. La red neuronal también puede construir o recibir como entrada una lista de prioridades que asigna un factor de importancia a cada variable para indicar la importancia de la variable para el resultado final o el valor de osmolaridad. La red neuronal se puede configurar para construir las curvas de calibración entrenando en ejemplos de datos reales en los que el resultado final se conoce a priori. En consecuencia, la red neuronal se puede entrenar para predecir el resultado final a partir de la mejor combinación posible de variables. Esta configuración de red neuronal que procesa las variables en una combinación eficiente puede luego cargarse en la unidad de procesamiento que reside, por ejemplo, en el chip 701 de medición o la unidad de la base. Una vez entrenada, la red neuronal se puede configurar en software y/o hardware.

Aunque la medición de la osmolaridad proporciona una ventaja sustancial sobre las técnicas convencionales de medición de la osmolaridad, tales como la técnica de depresión del punto de congelación, lo que se describe en el presente documento se puede usar para determinar la osmolaridad de una muestra de acuerdo con la técnica de depresión del punto de congelación. En consecuencia, el sistema 600 de osmometría de la Fig. 6 se puede utilizar para proporcionar un valor de osmolaridad basado en la técnica de depresión del punto de congelación.

Dicho sistema de depresión del punto de congelación implica recolectar y depositar el fluido de la muestra de manera similar a las etapas 1300 y 1302 ilustradas en el diagrama de flujo de la Fig. 13. Sin embargo, como se indicó anteriormente, el osmómetro del sistema de osmométrico puede incluir un dispositivo de enfriamiento, tal como un dispositivo de enfriamiento Peltier. En la Fig.7 descrita anteriormente, el dispositivo Peltier se puede disponer en el enchufe 710 o el chip 701 (véase la Fig. 7) para enfriar la muestra. Si se desea, el dispositivo de enfriamiento Peltier se puede usar para enfriar el fluido de la muestra hasta el punto de congelación del fluido de la muestra. Se puede usar una unión de metal fotolitografiada, o unión p-n, conocida como termopar, para monitorizar la temperatura de la muestra del tamaño de una alícuota. El termopar se puede configurar para operar en paralelo con el conjunto de electrodos y el dispositivo de enfriamiento Peltier, en el que el chip se enfriaría por debajo del punto de congelación para que la muestra se vuelva sólida. Tras la solidificación, la conductividad eléctrica de la muestra cambiará drásticamente. Debido a que el termopar mide continuamente la temperatura, el punto en el que los picos de conductividad pueden correlacionarse con el punto de congelación deprimido. Alternativamente, el chip se puede sobreenfriar inmediatamente antes de la introducción de la muestra por parte de la unidad Peltier, y luego, mediante el uso del calentamiento resistivo inherente a los electrodos, se puede pasar una corriente a lo largo del material de fase sólida. Al fundirse, la conductividad volverá a cambiar drásticamente. En la segunda técnica de medición, es probable que la evaporación sea un factor menos importante. Por lo tanto,

la depresión del punto de congelación se puede realizar con volúmenes significativamente más pequeños del fluido de la muestra de lo que era posible anteriormente.

Con referencia a la Fig. 8 anterior, se ilustra y describe un circuito integrado que comprende un orificio 720. Como se describe, se puede usar un orificio 720 para permitir que se deposite un volumen de alícuota del fluido 702 de la muestra, por ejemplo, fluido lagrimal, en la región 806 de la muestra. En el ejemplo de la Fig. 8, el orificio está configurado de tal manera que se puede usar un dispositivo de recolección, por ejemplo, un capilar 808, para depositar el fluido 702 de la muestra sobre el sustrato 806.

Sin embargo, el orificio 720 puede comprender un canal configurado para recibir el fluido 702 de la muestra a través de la acción capilar o presión negativa y hacer que se transfiera a la región 806 de la muestra.

La capacidad para incluir dicho canal puede ser importante porque puede eliminar una etapa en el proceso. Por ejemplo, como se ilustra en la Fig. 8, se requiere un proceso de dos etapas, en las que el fluido 702 de la muestra se recoge primero y luego se deposita sobre el sustrato 806 de la muestra. Este proceso de dos etapas puede ser suficiente para muchas aplicaciones; sin embargo, para algunas aplicaciones, por ejemplo, que involucran película lagrimal, tal proceso de dos etapas puede no ser suficiente. Por ejemplo, en aplicaciones de película lagrimal, la cantidad de fluido puede ser muy pequeña. En consecuencia, cualquier pérdida que ocurra durante el proceso de dos etapas, por ejemplo, debido a la evaporación, un error del operador o el proceso mismo, puede causar resultados erróneos. En consecuencia, la limitación de las posibilidades de tales pérdidas puede, en ciertas realizaciones, mejorar en gran medida la eficiencia y la precisión de la prueba, al tiempo que simplifica el proceso.

Para incluir un canal de microfluidos de este tipo, la selección del material para el empaque 707 puede desempeñar un papel importante. Esto se debe a que la capacidad del sustrato para recibir el fluido de la muestra dependerá sustancialmente del material elegido. Por lo tanto, el material elegido debe permitir la rápida recolección y transferencia del fluido de la muestra, por ejemplo, lágrimas. Por consiguiente,

se puede elegir un material polimérico o de vidrio apropiado para permitir la recolección rápida requerida del fluido de la muestra asociado, mientras que al mismo tiempo permite tolerancias de fabricación suficientes para que el CI se pueda fabricar de manera asequible. Por ejemplo, materiales o tratamientos superficiales que disminuyan el ángulo de contacto entre el fluido, por ejemplo, lágrimas, y el sustrato, preferiblemente por debajo de 90°. A continuación se presenta una descripción más detallada de los materiales y las características de los materiales que se pueden utilizar.

En consecuencia, un orificio o un canal 720 puede convertirse en una interfaz de recolección de fluido o lágrimas que puede usarse para recibir una muestra de fluido y transferirla a la región 806 de la muestra. Cabe señalar que la posición y la geometría del orificio o el canal 720 pueden variar para optimizar la recolección y medición del fluido 702 de la muestra. Por ejemplo, la Fig. 14 es un diagrama que ilustra un CI 1400 que comprende una región 701 de la muestra, un transductor dentro de la región 806 de la muestra, por ejemplo, electrodos, indicadores ópticos, etc., con los estratos superiores del sustrato 707 que encapsula la región 701 de la muestra y los estratos inferiores del sustrato 804. En el ejemplo de la Fig. 14, se forma un canal 1402 en el sustrato 804 para recibir lágrimas, por ejemplo, a través de la acción capilar. Por ejemplo, se puede formar un canal 1402 en el sustrato 804 utilizando diversas técnicas de fabricación de semiconductores. Como se describió anteriormente, las dimensiones y el material elegidos para el sustrato 707 deben seleccionarse para garantizar una rápida recolección y transferencia del fluido 702 de la muestra a la región 806 de la muestra.

Pueden usarse técnicas de procesamiento de semiconductores para formar el canal 1402 que reside en los estratos inferiores del sustrato 804. Nuevamente, las dimensiones y el diseño del canal 1402 deben seleccionarse teniendo en cuenta las tolerancias de fabricación de las técnicas de fabricación de semiconductores que se utilizan para optimizar la capacidad de fabricación. El diseño del sustrato también debe promover la recolección de lágrimas. Por ejemplo, los capilares de vidrio tradicionales, que promueven la recolección de lágrimas, a menudo se estiran para tener una sección transversal circular, con un diámetro de menos de 300 micrómetros (|jm) con diámetros exteriores de aproximadamente 1 mm. Sin embargo, tal sección transversal circular puede no ser óptima, por ejemplo, para la recolección de lágrimas.

En consecuencia, el canal 1402 se puede estrechar en cada extremo para mejorar la acción capilar. Esto también se puede lograr utilizando una construcción tipo sándwich. Tal construcción tipo sándwich se muestra en la Fig. 16, que ilustra una vista en sección transversal del canal 1402 de acuerdo con una realización. En la Fig. 16, el canal 1402 inclinado puede tener una dimensión máxima de la mitad del ancho total de menos de aproximadamente 200 jm con una elevación suave en los bordes 1602 y 1604 del canal. El ascenso puede ser sinusoidal, sigmoidal o gaussiano. Estos proporcionan geometrías de canal drásticamente menos profundas cerca del límite lateral del canal que el centro del canal y, en consecuencia, muestran una mayor fuerza capilar en estos límites, lo que reduce la barrera para la acción capilar. Esto proporciona una ventaja sustancial sobre los capilares de vidrio tradicionales, que cuentan con lúmenes cilindricos.

Las ventajas de estas geometrías incluyen un volumen total más bajo por longitud del microcanal en comparación con los canales cilíndricos, así como la capacidad de promover la recolección de lágrimas del fórnix inferior, también conocido como lago lagrimal inferior, que está compuesto por el menisco delgado de fluido que se encuentra en la interfaz entre el párpado inferior y la conjuntiva/córnea. Estos permiten que la tensión superficial del fluido lagrimal atraviese la abertura del canal cuando la interfaz de recolección de lágrimas se coloca en el lago lagrimal; el fluido "saltará" para cubrir el frente del microcanal. A diferencia de una construcción cilíndrica en la que a menudo es necesario acercarse al lago lagrimal perpendicular a la sección transversal de la luz, estas realizaciones promueven la rotación en el lago lagrimal o hacen descansar la interfaz de recolección de lágrimas en el párpado inferior, lo que luego permite que la tensión superficial atraviese la abertura de la luz.

El canal 1402 puede comprender una sección transversal triangular, una sección transversal triangular redondeada, una sección transversal semicircular, etc. De hecho, el canal 1402 puede comprender cualquier geometría que favorezca la recolección de fluidos.

Otras limitaciones de los capilares tradicionales también se superan a través de las configuraciones de sustrato indicadas en este documento. Por ejemplo, la apariencia de aguja de un capilar de vidrio no es óptima para la interacción con el paciente. -Como se describe en este documento, el sustrato se puede hacer redondeado o con bordes más romos para que resulte más atractivo para el paciente, y se puede hacer con materiales más blandos, es decir, polímero, para eliminar la posibilidad de lesión en la superficie corneal. Además, el borde del sustrato se puede configurar para que sea muy delgado cerca de la abertura del canal para promover la entrada al lago lagrimal. Por ejemplo, el chip receptor de la muestra puede colocarse paralelo al párpado inferior y luego girarse hacia arriba de modo que la punta del sustrato toque el lago lagrimal. Al moldear el sustrato de manera que los estratos superiores que cubren el canal se minimicen en extensión vertical, preferiblemente menos de aproximadamente 100 jm , el sustrato se puede girar hacia el lago lagrimal y la luz del canal se puede cubrir completamente con lágrimas, incluso si la totalidad del sustrato no se humedece. Los estratos inferiores del sustrato también se pueden configurar para la estabilidad mecánica.

Estas técnicas no son posibles con los capilares de vidrio tradicionales, que son radialmente simétricos y pierden estabilidad mecánica a medida que la luz del capilar se acerca a 100 jm . En este caso, la recolección de pequeños volúmenes de nanolitros presenta un riesgo indebido para el paciente, ya que un parpadeo en el momento adecuado podría romper la punta del capilar de vidrio e introducir fragmentos de vidrio en el ojo del paciente. La configuración asimétrica de los estratos del sustrato brinda tanto la capacidad de utilizar la recolección rotacional de lágrimas como una estabilidad mecánica superior, acción capilar e interacción con el paciente en comparación con las metodologías tradicionales de recolección de lágrimas. Estos son particularmente útiles cuando el paciente carece de un volumen sustancial de lágrimas en su superficie ocular.

El sustrato también se puede configurar para promover la acción capilar al tener una forma curva que tiene un vértice o un pico redondeado para que el sustrato se pueda mover cerca de la superficie del ojo, para atraer el fluido lagrimal a través de la acción capilar. La forma curva se puede configurar para minimizar el área del sustrato que se acerca al ojo, lo que minimiza cualquier contacto con el ojo y facilita que el médico se acerque al ojo y recoja el fluido. El vértice de la curva puede incluir una característica para promover la acción capilar y recibir el fluido. Por ejemplo, la Figura 17B muestra que un canal 1402 en el sustrato 1704 se extiende hasta el borde de la forma, en el vértice. Colocar el borde del sustrato 1704 próximo a la superficie del ojo permite que el fluido lagrimal entre en el canal 1402, utilizando una acción capilar.

Se entenderá que las técnicas de fabricación de semiconductores convencionales pueden manejar tales dimensiones y características. Por lo tanto, el canal 1402 puede modelarse y formarse, por ejemplo, usando un láser excimer, láser de Nd-YAG o fotolitografía. El material elegido debe entonces ser compatible con el proceso que se está utilizando.

Cabe señalar que los estratos superiores del sustrato 707 se pueden formar de manera que el canal 1402 se extienda hasta el borde del sustrato. De esta forma, el CI 1400 puede actuar como sustrato receptor para recoger el fluido 702 de la muestra. Por lo tanto, en lugar de usar un dispositivo de recolección separado, tal como un capilar de vidrio para recolectar el fluido, el CI 1400 puede usarse para recolección y medición. Por lo tanto, el CI 1400 puede comprender un sustrato que promueve la recolección de lágrimas. A continuación, el CI 1400 puede conectarse con un dispositivo de procesamiento, tal como el dispositivo 606, u otros eliminados del dispositivo de recolección e interconectados con un dispositivo de procesamiento.

Las Figs. 17A-17C son diagramas que ilustran realizaciones de ejemplo de un chip 1700 receptor de la muestra configurado de acuerdo con una realización. El circuito 1700 integrado puede comprender un sustrato 1704, que puede incluir una región 1706 de la muestra, que se muestra con mayor detalle en la Fig. 17C. El sustrato 1704 también puede incluir un canal 1402 y electrodos 1710. Los estratos superiores del sustrato 1702 se pueden colocar sobre los estratos inferiores del sustrato 1704 como se ilustra en la Fig. 17A. Como también puede verse en la Fig. 17B, el canal 1402 puede extenderse hasta el borde del dispositivo 1700 para que el sustrato 1704 pueda recibir un volumen de alícuota de lágrima y transferir el fluido a la región 1706 de la muestra para su medición. Obsérvese que el sustrato 1704 está conformado para promover la acción capilar del lago lagrimal como se describió anteriormente. El borde curvo del sustrato 1704 con el canal 1402 colocado perpendicularmente a la tangente del borde curvo promueve la acción capilar dentro del lago lagrimal con un riesgo mínimo para el paciente. La forma del sustrato incluye el borde curvo del sustrato 1704, el grosor apropiado de los estratos 1702 y 1704 y la sección transversal del canal 1402 del sustrato. La forma del sustrato también puede comprender un extremo corto y romo con el canal 1402 perpendicular al extremo romo, y luego un sustrato que se aleja linealmente para formar una forma que se aleja rectangular o triangularmente del sustrato 1704.

El sustrato 1704 también se puede moldear para facilitar la colocación cerca de la superficie del ojo, de modo que el chip receptor de la muestra se pueda girar, sumergir, presionar o trasladar linealmente al lago lagrimal mientras se expone el borde del canal del sustrato al lago lagrimal. El sustrato también se puede moldear de manera que tenga un ángulo suave para permitir que el canal sobresalga ligeramente, lo que permite una extensión más delgada que hace contacto con el lago lagrimal. Dado que el canal 1402 se extiende desde la región 1706 de la muestra hasta el borde del sustrato en el borde redondeado, la forma del sustrato por lo tanto promueve la capilaridad a través de la acción capilar desde el borde hasta la región de la muestra.

La Fig.17B es un diagrama que ilustra una vista ampliada del área 1706 en la Fig.17A. Como puede verse, los electrodos 1710 pueden formarse sobre el sustrato 1704 y en contacto con el canal 1402 en la región de la muestra. La Fig.17B también ilustra más claramente que el canal 1402 se extiende hasta el borde del sustrato 1402 y, por lo tanto, hasta el borde del dispositivo 1700.

Cabe señalar que el canal 1402 no necesita necesariamente tener la forma y la geometría ilustradas en las Figs. 17A y 17B. Como se mencionó anteriormente, el canal 1402 puede comprender cualquiera de varias dimensiones de sección transversal y, en general, el canal 1402 puede comprender cualquier geometría que promueva la recolección de fluidos. Además, el canal 1402 puede comprender realmente cualquier modificación de la superficie del sustrato 1702 que realice las funciones de recolección de fluidos.

En el ejemplo de realización de las Figs. 17A y 17B, los estratos superiores del sustrato 1704 pueden fabricarse con una película de poliéster y unirse mediante un adhesivo hidrófilo aplicado al lado inferior del sustrato 1704. El sustrato 1704 se puede formar a partir de un material de policarbonato u otro material compatible con las técnicas de fabricación de semiconductores. Los materiales del sustrato son preferiblemente hidrófilos, aunque una construcción en sándwich (véase la Fig. 16), en la que una capa hidrófila sella un canal más hidrófobo, o un sellador hidrófobo de un canal hidrófilo, también se puede fabricar para absorber las lágrimas; vidrio sobre poliimida, por ejemplo. La clase de materiales que son preferibles para el sustrato incluyen vidrio, polímeros hidrófilos, silicio, copolímeros de di y tribloque con amidas, aminas, sulfatos, fosfatos u otros grupos cargados. Por ejemplo, amidas de bloque de poliéter (PEBA), ésteres de copoliéter de bloque (PEE), ácido poliláctico (PLA), poliuretanos (PU) que incluyen poliuretanos alifáticos y termoplásticos, ácido poliglicólico (PGA) y otros poliésteres (PE), policaprolactona (PCL), polietersulfonas (PES), policarbonato (PC) o cualquier otra combinación de copolímeros hidrófilos que demuestren una estabilidad de fabricación adecuada y un ángulo de contacto que favorezca la recolección de lágrimas.

Otros medios para construir un sustrato heterogéneo incluyen una pila estratificada de materiales que promuevan la humectación en la interfaz de la película lagrimal, así como la hidrofilia en toda la extensión de la región receptora de la muestra del sustrato 1402. Por ejemplo, en una realización, se usa un adhesivo hidrófilo sensible a la presión (PSA) para sellar un canal de policarbonato a un cubreobjetos de vidrio, de modo que los estratos (vidrio, PSA, policarbonato) disminuyen en hidrofilia, pero cuando se colocan en el lago lagrimal, el fluido lagrimal humedece fácilmente la luz del canal 1402. En tal realización, los estratos superiores del sustrato 1702 pueden estar hechos de cualquiera de los materiales antes mencionados, que reducen la tensión superficial y promueven la humectación cuando se ponen en contacto con la película lagrimal. Son posibles configuraciones similares cuando se hacen hidrófilos los estratos inferiores del sustrato 1704 a través de propiedades intrínsecas del material o tratamientos superficiales.

En otras realizaciones, se puede usar un sustrato de policarbonato adherido a un PSA hidrófilo que comprende, por ejemplo, un adhesivo hidrófilo basado en poliéster de 25 pm con por ejemplo, un respaldo de tereftalato de polietileno (PET) de 100 pm. Para completar la pila, se puede aplicar un adhesivo hidrófobo alrededor del exterior del sustrato 1714 para eliminar el flujo de lágrimas alrededor del exterior del sustrato 1704. Una realización de este tipo se representa en la Fig. 18, con el sustrato 1704, el PSA 1702 hidrófilo y el adhesivo 1800 hidrófobo ilustrados. El adhesivo hidrófobo puede estar compuesto, por ejemplo, de cera de abejas, resinas epoxídicas o resinas curables por UV tales como (met)acrilato de uretano y similares. La ausencia de adhesivo 1800 puede permitir que las lágrimas fluyan alrededor del exterior del sustrato 1704 y cortocircuiten los electrodos en la parte posterior del PSA 1702.

En otra realización, la interfaz de recolección de lágrimas puede usar el canal sigmoidal, sinusoidal o semicircular del respaldo de PSA y el adhesivo de PSA hidrófilo, con los electrodos que residen en un sustrato de policarbonato plano.

Otra realización de estratos hidrófilos usa material idéntico en los estratos superior e inferior pero incluye una capa hidrófila en el medio, en contacto directo con la luz 1402 del canal. Esto puede ser una construcción menos costosa. También se pueden usar construcciones de polímeros anfifílicos, en las que se usan cadenas laterales hidrófobas para unir los estratos, mientras se exponen las cadenas laterales hidrófilas al interior del canal.

Las modificaciones a una o más de las capas del material también pueden promover la recolección de lágrimas, tal como los métodos de grabado con plasma, con nitrógeno, oxígeno, argón u otros plasmas gaseosos, tratamiento con ácido, recubrimiento exterior, aumentos en la rugosidad de la superficie a microescala o nanoescala, o comparables que reducen el ángulo de contacto. Por ejemplo, los recubrimientos de polielectrolito que comprenden polietilenimina, metacrilato de poliaminoalquilo, polivinilpiridina, polilisina, ácido poliacrílico, ácido polimetacrílico, ácido polisulfónico, sulfato de polivinilo, ácido poliacrilamido-2-metil-1-propanosulfónico y ácido poliestiren sulfónico, u otros recubrimientos o aditivos de resina conocidos para aumentar la densidad de carga en la interfaz. En general, se puede usar cualquier material, por ejemplo, polímero, resina, vidrio, etc., para el sustrato 1702 que pueda promover la acción capilar en el borde del chip receptor de la muestra.

La Fig.15 es un diagrama que ilustra un ejemplo del dispositivo 1500 de recolección que comprende, por ejemplo, un chip 1700 receptor de la muestra. El dispositivo 1500 puede, por ejemplo, tener el tamaño y la forma de un bolígrafo y puede comprender una porción 1502 de base y una porción 1504 de punta configuradas para albergar el chip 1700 receptor de la muestra. La porción 1504 de la punta se puede configurar para que se pueda colocar en contacto con el fluido de la muestra, lo que permite que el canal 1402 recolecte un volumen de alícuota del fluido de la muestra para la prueba. La porción 1504 de la punta se puede configurar para que luego se pueda quitar e interconectar con una unidad 606 de procesamiento, conectando así el dispositivo 1700 con la unidad 606 de procesamiento para que la osmolaridad del fluido de la muestra se pueda medir como se describió anteriormente. Por lo tanto, el dispositivo 1500 de recolección puede incluir un mecanismo (no mostrado) para desacoplar o expulsar la porción 1504 de la punta. El dispositivo 1500 de recolección también puede ser un dispositivo plano de extremos romos que parece menos una aguja para el paciente y utiliza un mecanismo articulado para recibir el dispositivo 1700.

La porción 1504 de la punta y/o el dispositivo 1700 se pueden desechar y la porción 1502 de la base se puede reutilizar con otra porción 1504 de la punta y/o el dispositivo 1700. Entonces se pueden usar métodos como los descritos anteriormente para garantizar que un dispositivo 1700 usado previamente no se reutilice.

Además, se puede integrar una señal 1508 de información dentro del dispositivo 1500 de recolección y configurarse para indicar si el sustrato está correctamente conectado y si se ha recolectado suficiente fluido de la muestra. Por ejemplo, los electrodos llenos de fluido, por ejemplo, los electrodos más externos que se muestran en la Fig. 17A, es decir, la más cercana a la abertura del canal y la más cercana al orificio de ventilación, puede proporcionar un transductor conveniente dentro del sustrato. Una medición de impedancia de 2 puntos a través de estos electrodos puede distinguir entre un dispositivo de circuito abierto y un sustrato adjunto con un canal vacío, con valores de impedancia típicos que cambian desde alrededor de 5 MOhm hasta alrededor de 1 MOhm al conectar el sustrato al dispositivo. La recolección de lágrimas reduce la impedancia entre los electrodos de llenado de fluidos hasta generalmente por debajo de 100 kOhm a 100 kHz, lo que proporciona dos umbrales claros para que el hardware proporcione retroalimentación al usuario.

El indicador 1508 también puede incluir, o estar acoplado con, un indicador auditivo para indicar si se ha recogido suficiente fluido de la muestra. Por ejemplo, se puede activar un diodo emisor de luz (LED) u otro indicador cuando está presente suficiente fluido de la muestra. Se puede usar un pitido u otro tono junto con la retroalimentación visible como indicación paralela de llenado del canal. Alternativamente, se puede incluir un indicador, tal como un LED rojo, para indicar que no hay suficiente fluido de la muestra presente, y un segundo indicador, tal como un LED verde, se puede usar para indicar cuando hay presente suficiente fluido de la muestra. Así, por ejemplo, el LED rojo puede estar activo hasta que haya suficiente fluido de la muestra, momento en el que el LED rojo se apaga y el LED verde se activa.

Se pueden utilizar indicadores audibles. Se pueden usar pantallas tales como LED o pantallas de cristal líquido (LCD) para transmitir el estado del fluido de la muestra.

La descripción anterior se relaciona generalmente con sistemas y métodos para detectar o determinar la osmolaridad de una muestra de fluido; sin embargo, se apreciará que los sistemas y métodos descritos en este documento no se limitan a la detección/determinación de la osmolaridad. Más bien, los sistemas y métodos descritos en este documento se pueden emplear para detectar otros parámetros asociados con un fluido de muestra. Por ejemplo, como se describe a continuación, los sistemas y métodos descritos en este documento se pueden usar para detectar cualquier analito de interés contenido en la muestra de fluido. Por ejemplo, los sistemas y métodos descritos en este documento pueden usarse para detectar analitos tales como proteínas, péptidos y oligonucleótidos. Más específicamente, los sistemas y métodos descritos en este documento pueden usarse para detectar o medir cualquier inmunoglobulina, tal como inmunoglobulina E (IgE), que puede ser útil para realizar pruebas de alergias, inmunoglobulina M (IgM), inmunoglobulina A (IgA), inmunoglobulina M (IgM), etc. Los sistemas y métodos descritos en este documento también se pueden usar para detectar cualquier citocina, proteína o mucina, tal como TGF-beta, TNF-alfa, Interleucina 1-A, MUC5 o PRG4.

En términos más generales, los sistemas y métodos descritos en este documento se pueden usar para detectar o medir varios biomarcadores en el fluido de la muestra. Por ejemplo, los sistemas y métodos descritos en este documento se pueden usar para detectar biomarcadores en lágrimas, tales como osmolaridad, IgE, lactoferrina, citocinas, etc. Por ejemplo, las señales eléctricas producidas por electrodos en la región 806 de la muestra se pueden usar para detectar analitos tales como proteínas

Sin embargo, los métodos de detección óptica se pueden utilizar para detectar analitos de interés. En general, se puede usar cualquiera de las diversas técnicas de transducción para detectar o medir un analito de interés. Por ejemplo, se pueden usar métodos de transducción electroquímicos, optoentrópicos, optomecánicos, fluorescentes, quimioluminiscentes, cromatográficos, de resonancia de plasmón superficial (SPR) para detectar analitos en una muestra de fluido que incide en la región 806 de la muestra. Las nanoesferas se pueden utilizar para detectar analitos de interés en el fluido de la muestra. Por ejemplo, las nanoesferas se pueden recubrir con una sustancia química que cambia la fluorescencia en función de la cantidad del analito objetivo presente en el fluido de la muestra. Las nanoperlas se pueden recubrir con una sustancia biológica que se une al analito de interés. Luego se puede usar luz para iluminar las perlas y detectar la presencia del analito, por ejemplo, usando SPR o detectando fluorescencia, luminiscencia u otros cambios en las propiedades energéticas de la región de la muestra. Otros mecanismos de transducción tales como métodos de transducción electroquímicos, que incluyen espectroscopia potenciométrica, amperométrica, de capacitancia e impedancia, voltamperometría cíclica, voltamperometría pulsada, etc., se pueden usar junto con los electrodos dentro de la región de la muestra. Las reacciones redox electroquímicas modificadas con enzimas, tales como las etiquetas de peroxidasa de rábano picante, las etiquetas de nanopartículas de oro y otras etiquetas electroquímicamente activas pueden usarse dentro del mecanismo de transducción.

Se incluyen los cambios de medición en los polímeros conductores potenciométricos, tales como el polipirrol, después de la exposición al fluido lagrimal.

Los polímeros conductores y los otros sistemas de transducción descritos en el presente documento pueden incorporarse directamente en la región de la muestra del sustrato para mitigar los efectos de la evaporación en un sistema abierto.

Además de ubicar físicamente el sistema de transducción dentro de la interfaz de recolección, otros dos métodos para mitigar la evaporación durante la medición de analitos de interés incluyen una tapa de sellado para la interfaz de recolección de lágrimas, así como el uso de software para normalizar el analito de interés contra la osmolaridad de la muestra. La tapa podría estar compuesta por un plástico ajustado por interferencia o un sello con junta, muy similar a la tapa de un bolígrafo normal, que se desliza sobre el orificio de ventilación del sustrato y la abertura 1402 del canal. El diseño de la tapa podría permitir un desplazamiento de aire muy pequeño, ya que no se desea el movimiento de fluido dentro del canal. Por ejemplo, los orificios de ventilación tallados a lo largo del exterior de la tapa del bolígrafo podrían terminar justo antes del sellado, de manera que se logre suficiente estabilidad mecánica y se minimice el desplazamiento de aire.

La normalización de la osmolaridad se puede calcular para compensar la evaporación intrínseca mientras las lágrimas están dentro de la película lagrimal del paciente, así como los cambios de osmolaridad durante la permanencia dentro del canal. Durante la medición de analitos de interés, los ensayos bioquímicos a menudo requieren tiempos de incubación que pueden ser significativamente más largos que los tiempos necesarios para medir la impedancia del fluido lagrimal. La Fig. 19 demuestra un cambio típico en la osmolaridad a lo largo del tiempo dentro de un sustrato receptor medido por un método de impedancia de cuatro puntos. En el transitorio inicial, dentro de los primeros 10 segundos, la impedancia aumenta como resultado del equilibrio (desaceleración) del fluido lagrimal que ingresa al canal capilar. A menudo, queda un pequeño volumen de lágrima residual fuera del sustrato inmediatamente después de la recolección de lágrimas. Como estas lágrimas están expuestas al medio ambiente con un área de superficie grande, estas lágrimas tienen una osmolaridad más alta que las lágrimas que poblaron originalmente el canal. La acción capilar continua atrae este fluido de mayor concentración hacia el canal y mezcla los fluidos, disminuyendo gradualmente la impedancia del fluido a medida que cambia la concentración. A medida que se pierde la fuente residual de lágrimas, el flujo del fluido comienza a disminuir nuevamente, por ejemplo, aproximadamente 140 segundos después, aumentando la impedancia. Si el orificio de ventilación contiene un depósito de fluido, normalmente es hipoosmolar en la base de la columna y el fluido no está expuesto al aire. Una vez que la ventilación comienza a devolver el fluido al canal, el fluido hipoosmolar reduce la concentración del fluido y aumenta la impedancia. Una vez que se han vaciado todas las fuentes, la impedancia cae de forma casi lineal, lo que indica una evaporación constante.

La Fig.20 exhibe estas dinámicas a través de tres geometrías de interfaz de recolección de lágrimas diferentes. Cuanto más pequeño es el canal, mayor es la ganancia de la dinámica. Como puede verse, un canal sinusoidal de 100 pm de ancho, por 75 pm de profundidad, por 2.5 mm de largo construido con poliéster PSA unido térmicamente a policarbonato tiene el mayor cambio porcentual en la osmolaridad durante la incubación, con un cambio de aproximadamente un 34 % en 150 segundos. Un canal de 300 pm de ancho, por 75 pm de profundidad por 5 mm de largo experimenta solo un pequeño cambio porcentual durante el tiempo de incubación.

La transducción de analitos de interés puede normalizarse frente a esta dinámica. Por ejemplo, una medición potenciométrica instantánea se puede normalizar frente a la relación del valor del estado estable inicial, por ejemplo, alrededor de 10 segundos, frente a la impedancia instantánea en el momento de la medición como uno de los métodos de normalización. Los métodos amperométricos integrales se pueden normalizar contra el promedio del desplazamiento de la curva de impedancia. En general, se pueden realizar muchas normalizaciones para ajustar el nivel informado del analito de interés a fin de mejorar el estándar de atención.

Además de la película lagrimal y la osmolaridad, los sistemas y métodos descritos en este documento pueden usarse para cualquier fluido, por ejemplo, suero, y para detectar una variedad de parámetros que incluyen la osmolaridad y la presencia o cantidad de un analito de interés.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un chip (1700) receptor de la muestra, que comprende:

un sustrato (1704) que recibe un volumen de un fluido de muestra, en el que el sustrato (1704) está conformado operativamente para recibir el volumen de un fluido de muestra a través de la acción capilar,

un canal (1402) capilar del sustrato (1704) conformado operativamente para recolectar el fluido de la muestra, y una región de la muestra del canal (1402) capilar, caracterizado porque la región de la muestra tiene un tamaño tal que está operativamente cubierta por un volumen de fluido de muestra de menos de 100 nL cuando el fluido de la muestra es recogido por el canal (1402) capilar, y comprende al menos un transductor (1710) que está integrado en el canal (1402) capilar y transfiere energía al fluido de la muestra para producir una lectura de fluido de la muestra que indica (i) la osmolaridad del fluido de la muestra, y (ii) la presencia o cantidad de un solo analito de interés en el fluido de la muestra seleccionado de un proteína, un péptido, un oligonucleótido, una inmunoglobulina, una citocina o una mucina, si alguna está presente.

2. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el canal (1402) capilar está conformado operativamente para recibir el volumen de fluido de la muestra en el borde del sustrato, para actuar como una interfaz de recolección de fluidos, o una combinación de ambos.

3. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el sustrato (1704) está formado por un material que puede tener características creadas usando un láser excimer u otras técnicas de procesamiento de semiconductores.

4. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el canal (1402) capilar tiene una sección transversal sinusoidal, una sección transversal sigmoidal, una sección transversal triangular, una sección transversal rectangular, una sección transversal gaussiana truncada o una sección transversal híbrida espacial formada a partir de una combinación de dos o más de las mismas.

5. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el sustrato (1704) se forma usando una pila estratificada de materiales que incluyen uno o más de resina formada, vidrio, un polímero hidrófilo seleccionado del grupo que consiste en amidas de bloque de poliéter (PEBA), ésteres de copoliéter de bloque (PEE), ácido poliláctico (PLA), poliuretanos (PU) que incluyen poliuretanos alifáticos y termoplásticos, ácido poliglicólico (PGA) y otros poliésteres (PE), policaprolactona (PCL), polietersulfonas (PES), policarbonato (PC), o una combinación de los mismos.

6. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 5, en el que los estratos están formados por copolímeros di y tribloque construidos con al menos uno de los bloques que comprende amidas, aminas, sulfatos, fosfatos u otros grupos cargados.

7. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 5, en el que uno o más de los estratos incluyen un adhesivo hidrófilo sensible a la presión.

8. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 5, en el que los estratos comprenden una capa hidrófila que sella una capa menos hidrófila o una capa hidrófila que sella una capa hidrófoba.

9. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 5, en el que al menos uno de los estratos se modifica para promover la recolección de fluidos, para reducir el ángulo de contacto en el borde del sustrato (1704) o en el interior del sustrato.

10. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 5, en el que al menos uno de los estratos se modifica utilizando uno de los siguientes: grabado con plasma, tratamiento con ácido, recubrimiento exterior, y aumento de la rugosidad de la superficie.

11. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el al menos un transductor comprende una pluralidad de electrodos (1710) o una pluralidad de indicadores ópticos dispuestos para hacer contacto con el fluido de la muestra.

12. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 11, en el que la pluralidad de electrodos (1710) o la pluralidad de indicadores ópticos está dispuesta en una matriz de filas y columnas.

13. El chip receptor de la muestra de la reivindicación 1, en el que el fluido de la muestra comprende un fluido corporal seleccionado del grupo que consiste en una película lagrimal, sudor, sangre y orina.