KR20220024190A

KR20220024190A - 호기 호흡을 위한 수집 디바이스

Info

Publication number: KR20220024190A
Application number: KR1020217042809A
Authority: KR
Inventors: 헬레 펀치-닐슨
Original assignee: 엑설레이션 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US20220322962A1; CN114144670A; JP2022537183A; WO2020254819A1; GB201908784D0; EP3986273A1; CA3143155A1; AU2020296340A1

Abstract

본 명세서에 개시된 발명은 호기 디바이스에 통합하기에 적합한 호흡 응축수 분석 카트리지를 제공한다. 상기 카트리지는 호기 호흡을 수용하기 위한 응축 구역을 포함하고, 상기 응축 구역은 주변 영역을 갖는다. 응축된 호흡 샘플이 분석되는 분석 챔버가 포함된다. 상기 응축 구역의 표면은 상기 주변 영역에서 유체 흐름 경로를 생성하는 작용을 한다. 상기 주변 영역을 통해 유체 흐름 경로는 상기 응축 구역을 상기 분석 챔버에 연결한다. 립은 상기 주변 영역을 적어도 부분적으로 덮고, 상기 립은 상기 응축 구역과 협력하여 유체 흐름을 제어하는 모세관을 형성한다.

Description

호기 호흡을 위한 수집 디바이스

본 명세서에 설명된 발명은 일반적으로 통상적인 신용 카드와 유사한 크기를 갖고 의료 진단에 사용하도록 설계된 마이크로 유체 카트리지에 관한 것이다. 상기 카트리지는 보다 상세하게는 호기 호흡 응축수를 수집하고 동일한 카트리지 내에서 정해진 샘플 체적의 호흡 응축수를 즉시 분석하기 위한 것이다. 상기 카트리지 내에서 상기 샘플은 상기 카트리지의 하나 이상의 표면과 항상 접촉한다.

본 발명은 주로 인간 피험자뿐만 아니라 동물, 일반적으로 포유동물 피험자로부터 호기 호흡을 수집하는 것과 관련된다. 본 발명의 제1 양태에서, 호기 호흡을 수집하고 분석하는 일회용 마이크로 유체 카트리지가 개시된다. 카트리지는 호기 호흡을 수용하고 이를 카트리지로 보내는 유체 경로를 제공하면서도 카트리지에 의해 결정된 데이터를 처리하는 처리 기능도 갖는 더 큰 디바이스에 통합하여 사용하는 것으로 의도된다. 카트리지는 일단 사용된 후에는 다른 샘플을 수용할 준비가 된 다른 카트리지로 교체될 수 있다.

호기 호흡, 특히 호기 호흡의 폐포 부분을 분석하면 피험자의 건강에 대한 양호한 지표를 제공할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 특히, 과산화수소, NOx 등과 같은 질병에 대한 특정 표지 화합물이 존재하거나 부재하는 것을 통해 특정 의료 질환을 진단하거나 배제할 수 있다.

그러나 호흡의 원치 않는 부분을 포함하여 오염 없이 샘플을 올바르게 채취하면서도 상당한 호흡 곤란, 너무 많은 고통을 이미 겪고 있을 수 있는 피험자를 야기하지 않고 샘플을 채취하는 것이 필요하다.

호흡 분석 분야에서 마이크로 유체 카트리지가 알려져 있지만 다수의 단점이 있다. 첫째, 분석에 사용된 샘플 크기가 항상 잘 제어되는 것은 아니다. 이것은 계산 시에 취한 체적이 정확하지 않거나 응축된 호흡에 용해된 시약의 간주 농도가 부정확할 수 있기 때문에 획득된 결과에 에러를 발생할 수 있다.

추가적으로, 통상적인 카트리지의 크기는 분석 온도에 영향을 주기에 충분한 구성 요소의 질량과 잠열 용량으로 인해 분석 온도를 잘 제어할 수 없게 한다. 본 발명은, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 특히 신용 카드를 제조하는 데 사용되는 것과 유사한 물질을 이용하는 경우, 신용 카드 등을 제조하는 데 사용되는 통상적인 기술에 기초하여 비교적 쉽고 비용 효율적으로 제조될 수 있으면서도 열 용량이 낮은 통상적인 신용 카드 크기를 갖는 카트리지를 제공한다.

경량의 일회용 단일 사용 진단 스트립은 수년 동안 알려져 왔으며, 잘 알려진 특정 예로는 자가 모니터링 혈당 스트립(SMBG)이 있다.

이러한 포도당 스트립은 연간 수십억 개 생산되며, 현재 약 15%에 달하는 합리적인 정도의 정확도를 갖고 있다. 대량으로 제조할 경우 SMBG 스트립을 생산하는 데 2센트 내지 5센트가 들 수 있다. 이렇게 낮은 생산 비용은 부분적으로는 생산량으로 인한 것이고 부분적으로는 사용되는 제조 기술로 인한 것이다. 제조 기술은 물질을 스크린 인쇄, 증기 증착, 레이저 식각, 및 층상화(lamination)하여 챔버와 채널을 형성하는 것을 포함할 수 있다. SMBG 스트립은 일반적으로 사출 성형, 적층 또는 절삭 공정으로 제조되지 않는다는 것을 주목해야 한다. SMBG 스트립에 사용되는 기판은 일반적으로 마이크로 유체 채널과 챔버가 있는 디바이스를 구축하도록 얇은 박판(laminate) 물질이 적층된 유연한/반 유연한 중합체이다.

따라서, 본 발명의 목적은 알려진 호흡 분석기의 상기 문제를 해결하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 호기 디바이스에 통합하기에 적합한 호흡 응축수 분석 카트리지로서, 상기 호흡 응축수 분석 카트리지는,

주변 영역을 갖고 호기 호흡을 수용하기 위한 응축 구역;

샘플이 분석되는 분석 챔버; 및

상기 주변 영역을 적어도 부분적으로 덮는 립(lip)을 포함하고,

상기 응축 구역의 표면은 상기 주변 영역에서 유체 흐름 경로를 생성하는 작용을 하고;

상기 응축 구역은 상기 주변 영역을 통해 유체 흐름 경로에 의해 상기 분석 챔버에 연결되고,

상기 립은 상기 응축 구역과 협력하여 유체 흐름을 제어하는 모세관을 형성하는, 상기 호흡 응축수 분석 카트리지가 제공된다.

바람직하게는 상기 응축 구역은 원형이고, 더 바람직하게는 15.0mm 내지 25.0mm, 더욱 더 바람직하게는 20.0mm의 직경을 갖는다.

상기 응축 구역의 표면은 바람직하게는 응축된 유체가 상기 표면에 걸쳐 막을 형성할 수 있도록 친수성 물질로 코팅되거나 형성된다.

상기 응축 구역 표면의 친수성은 바람직하게는 호흡 응축수와 20.0° 미만, 더 바람직하게는 5.0° 내지 15.0°의 각도를 형성하도록 선택된다. 이렇게 하면 호흡 응축수가 응축 구역으로부터 감지 구역으로 자유롭게 흘러갈 수 있다.

대안적으로, 상기 감지 구역은 공기 통기구를 포함하고, 상기 응축 구역의 표면의 친수성은 호흡 응축수와 23.0° 내지 35.0° 미만 및 추가로 선택적으로 24.0° 내지 26.0°의 호흡 응축수와 각도를 형성하도록 선택적으로 선택된다. 이렇게 하면 임계 질량의 응축수가 형성되어 결합된 질량으로 감지 구역으로 흘러갈 수 있다.

바람직하게는, 상기 립은 상기 분석 챔버에 인접하거나 접촉하는 제1 단부를 갖는 좁은 스트립을 포함한다. 상기 스트립의 폭은 바람직하게는 125㎛ 내지 400㎛, 특히 바람직하게는 125㎛ 내지 300㎛이다.

상기 응축 구역으로부터 상기 스트립의 거리는 바람직하게는 125㎛ 내지 350㎛, 특히 바람직하게는 250㎛ 내지 300㎛이다.

선택적으로, 상기 응축 구역의 일부는 소수성 물질로 형성되거나 코팅되고, 상기 일부는 상기 분석 챔버 및 상기 주변 영역에 인접하게 위치된다.

유리하게도 상기 카트리지의 전체 치수는 통상적인 신용 카드의 치수이다.

선택적으로, 상기 카트리지는 상기 카트리지가 구부러져서 이 기술 분야에서 이용되는 통상적인 카트리지보다 더 유연하도록 하는 데 도움이 되는 층상 구조(laminar structure)를 가진다.

본 발명은 이제 단지 예로서 카트리지의 2개의 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 카트리지의 제1 실시예의 구성 부품을 도시한다.
도 2는 응축 구역의 주변에 보유된 유체를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 카트리지 내 유체 흐름을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 베이스 카드(base card)의 측면도, 평면도 및 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 커버 시트(cover sheet)의 평면도 및 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 4 및 도 5의 조립된 베이스 카드와 커버 시트의 사시도 및 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 커버 판(cover plate)의 사시도 및 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 도 4 내지 도 7의 조립된 요소의 사시도 및 평면도이다.
도 9 내지 도 12는 카트리지의 제2 실시예의 작용을 도시한다.

본 발명은 호흡 응축수를 분석하는 디바이스에 사용하기 위한 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 호기 호흡을 수집하는 냉각 가능한 수집 구역이 카트리지에 통합되어 있다. 수집 구역은 일반적으로 정해진 체적의 호흡을 수집하여 시약과 혼합한 다음 분석하여 필요한 분석물의 존재 및/또는 농도를 결정하기 위해 하나 이상의 분석 영역에 유체적으로 연결된다. 카트리지가 통합된 디바이스에는, 예를 들어, 샘플이 카트리지에 들어간 때를 식별하고, 충분한 샘플이 수집되었을 때, 프로세서가 수행 중인 검정(assay)과 관련하여 카트리지로부터 오는 신호에 계산을 수행하고, 통신 수단이 판독값 또는 결과를 디바이스 장착 디스플레이 또는 원격 디스플레이에 전송하는 것을 포함하는 기능이 제공될 수 있다.

본 명세서에 설명된 카트리지는 판독기 디바이스에 맞도록 설계되었다. 디바이스 내에서 수집 구역은 디바이스 내에 장착된 펠티에 냉각기와 같은 열 싱크(thermal sink)와 냉각 가능하게 결합된다. 호흡 샘플의 냉각, 응축 구역 상의 막으로 호흡 샘플의 응축, 샘플의 처리 및 최종 분석을 포함하는 모든 공정은 카트리지 내에서 수행된다. 응축 구역은 샘플이 중력의 영향으로 수집 구역으로부터 감지 구역으로 이동하는 것을 촉진하고 액적이 형성되는 것을 방지하는 친수성 표면을 가진다.

카트리지는 내부에 수집 구역과 감지 구역의 두 가지 주요 구역을 가진다. 수집 구역의 응축 구역은 호기 호흡이 응축되는 곳인 반면, 수집 구역과 고도로 통합된 감지 구역은 분석물을 검출하고 정량화하는 것이 일어나는 곳이다. 분석물(들)을 검출하고 정량화하는 것은 UV-Vis 분광법, 형광 분광법, 표면 플라즈몬 공명, 임피던스 분광법 또는 전기 분석 화학법을 포함하는 다수의 분석 기술에 의해 수행될 수 있다. 전기 분석 화학법 및 임피던스 분광법을 포함하는 기술의 경우 감지 구역 내에 전극이 있을 필요가 있다. 이러한 전극은 전도성 호일의 접착, 증기 증착, 후막 인쇄 등을 포함하는 다수의 기술로 만들어질 수 있다. 이 전극은 카트리지의 '베이스'를 형성하는 기판에 직접 적용되거나, 또는 제2 물질에 인쇄된 다음 카트리지의 '베이스'에 투입될 수 있다.

카트리지는 신용 카드 형식 및 크기로 제공되는 것이 바람직하고, 이는 신용 카드가 대부분의 사람이 취급하기에 친숙하고 최적인 크기와 형상을 가지므로 사용자 관점과 제조 비용 관점 모두에서 이점을 제공하고 또한 대규모 및 저비용으로 제조하는 데 도움이 되는 플랫폼을 제공한다. 신용카드는 ISO/IEC 7810을 준수하며, 공급망이 고도로 발달되고 성숙해짐에 따라 연간 수십억 개의 생산이 가능하여 매우 최적화된 비용 구조를 갖는다.

위에서 설명한 SMBG 스트립과 유사하게 본 명세서에 설명된 카트리지는 인쇄 및 층상화 공정(lamination process)으로 만들어질 수 있지만 SMBG 스트립과 달리 신용 카드 형식으로 제공된다. 이러한 공정을 사용하면 보다 연성 물질을 사용할 수 있어서 카트리지를 제조할 수 있는 허용 오차를 줄일 수 있다. 더욱이, 보다 연성인 물질은 압축 가능성을 제공하고, 카트리지가 구부러질 수 있는 능력을 층상 구조에 제공하여, 카트리지가 디바이스에 더 쉽게 끼워질 수 있도록 한다.

카트리지는 호기 호흡 응축수를 수집하는 것을 포함하는 여러 기능을 가진다. 호흡을 응축하고 수집하려면 샘플의 상 변화가 필요하고, 이것은 의료 진단 적용을 위해 설계된 선행 기술의 일회용품에서는 발생하지 않는 요구 사항을 카트리지에 부과한다. 응용에 의해 부과되는 이러한 요구 사항 중 하나는 호기 호흡을 수집하기 위해 넓은 표면적을 요구한다는 것이다. 초당 수집될 수 있는 호기 호흡의 양은 응축 구역의 표면적에 비례한다. 카트리지가 작아서 SMBG 스트립과 유사한 치수(일반적으로 7mm x 20mm)인 경우 여기에는 합리적인 시간 내에 환자의 호흡을 수집할 만큼 충분한 공간이 없다. 본 발명에서 신용 카드 형식을 사용하면 직경이 약 20.0mm인 원형의 호흡 수집 구역이 허용되지만 직경이 15.0mm 내지 25.0mm인 것이 고려될 수 있다. 이것은 냉각되어 환자의 호흡을 수집할 수 있는 응축을 위한 표면적이 넓은 것을 제공한다.

본 발명에서는 환자의 호흡을 60초 내에 수집하는 것만으로 충분할 수 있다. 의료 및 의료 연구 시장을 위해 배치된 선행 기술의 호기 호흡 응축 수집기는 적절한 양의 샘플을 수집하기 위해 환자가 몇 분 동안 호흡할 것을 요구한다. 이는 많은 임상 적용 및 환자 그룹에서 허용되지 않는다. 천식, 만성 폐 폐색 질환, 낭포성 섬유증 등의 환자를 고려하면 이러한 유형의 환자는 호흡에 어려움을 겪을 수 있으므로 환자가 몇 분 동안 호흡하도록 하는 다른 호흡 수집 카트리지/디바이스의 요구 사항은 모두 비윤리적이며 임의의 다운스트림 검정 결과에 영향을 미칠 수 있다.

본 명세서에 설명된 카트리지는 호기 호흡에 대한 저항을 최소화하고 환자의 스트레스를 줄이기 위해 최적화되고, 필요한 큰 수집 구역과 작은 샘플 볼륨은 디바이스로 호흡하는 데 필요한 시간을 줄인다. 따라서 환자는 정상적인 상시 호흡만을 수행하면서 카트리지에 호기 호흡 응축수 샘플을 신속히 제공한다.

큰 응축 표면과 함께 카트리지는 또한 디바이스에 통합된 마이크로 유체 특징부, 채널 및 챔버로 인해 환자에게 추가적인 이점을 제공한다. 기존의 호기 호흡 응축수 수집 디바이스는 약 수 100 마이크로리터 내지 수 밀리리터의 샘플을 수집한다. 선행 기술 디바이스에 의한 이러한 체적 요구 사항은 호흡의 응축이 아무리 효율적이더라도 100 마이크로리터 이상의 호기 호흡 응축수를 응축하는 데 일정 시간이 걸린다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 논의되는 카트리지는 4 마이크로리터의 감지 체적을 갖고, 필요한 샘플의 실제 체적이 감소한다는 것은 샘플을 수집하는 시간이 상당히 단축된다는 것을 의미한다. 감지 구역에 대한 응축 구역의 체적은 약 10:1이므로 충분한 체적을 신속히 수집하는 데 도움이 된다.

본 명세서에 논의된 디바이스는 응축 구역에 친수성 표면이 제공되기 때문에 응축하는 데 필요한 샘플을 추가로 줄인다. 친수성 표면의 장점은 응축 구역의 표면에 액적이 형성되지 않는다는 것이다. 액적 형성의 문제는 액적의 체적이 일반적으로 10 마이크로리터 이상이라는 것이다. 따라서 액적 형성을 촉진하는 소수성 표면을 제공하면 액적이 형성되기 전에 환자가 약 10 마이크로리터의 체적을 제공할 필요가 있게 된다. 그런 다음 이 액적은 질량이 소수성 힘을 극복하기에 충분할 때까지 표면에 '놓이고' 나서 흐르기 시작할 수 있다. 친수성 표면을 사용하면 액적이 아닌 응축수 막이 표면에 형성되고, 호흡이 처음으로 응축된 후 막이 매우 빠르게 흐르기 시작할 수 있다.

수집 모드에 있을 때 카트리지는 바람직하게는 수직면으로 유지되고 중력은 샘플을 수집 구역으로부터 감지 구역을 향해 아래쪽으로 이동하기에 충분하다. 호기 호흡 응축수 막이 이동하는 것은 무작위적이지 않고, 샘플은 수집 구역의 둘레 주위에 있는 립이 응축 구역의 벽 및 응축 표면과 함께 샘플을 라우팅하는 모세관 채널을 제공하는 에지 쪽으로 향하는 경향이 있다. 샘플은 처음에 중력 하에서 아래쪽으로 이동한 후 샘플은 카트리지가 이 배향으로 있을 때 수집 구역의 최하위 지점에 있는 모세관 챔버에 들어가기 전에 수집 구역의 에지를 따라 이동한다. 이 제2 챔버는 감지 구역/챔버라고 지칭된다. 이 챔버는 챔버의 덮개를 제공하는 상부 커버와 함께 절단된 박판에 의해 일반적으로 4개의 측면 주위에서 폐쇄된다. 감지 구역은 효과적으로 경계가 정해지지만 수집 구역으로는 개방되어 있다. 또한 챔버는 수집 모드에 있을 때 그리고 환자가 디바이스로 호흡을 하는 동안 수직면으로 유지된다.

본 명세서의 다른 곳에서 설명된 일부 호기 호흡 응축 디바이스에서 수집 구역은 수직면으로 위치하지만 센서는 수평면으로 위치하여 샘플이 하나의 표면으로부터 다른 표면으로 떨어진다. 이 구성은 하나의 표면으로부터 다른 표면으로 액적으로 이동하기 위해 액적은 액적을 형성하고 액적이 표면으로부터 떨어져 나가기 위한 임계 질량을 가져야 한다는 단점을 가진다. 다시 말해, 신용 카드 형식을 갖고 동일한 평면에 있는 카트리지 내 수집 구역과 감지 구역을 통해 호기 호흡 응축수 막은 수집 구역으로부터 감지 구역으로 쉽게 흘러간다. 샘플은 응축 구역의 에지에 형성된 모세관 채널의 에지의 벽을 따라 감지 구역으로 안내된다.

이 실시예의 감지 구역은 샘플이 아래에서 위로 채우기 전에 챔버의 측면을 따라 아래로 흐르기 때문에 아래에서 위로 채운다. 이것은 SMBG 스트립에서 출발하고, 여기서 샘플이 종종 모세관 튜브(capillary tube)를 균일하게 채우고 모세관의 전면으로부터 채워, 액체 샘플의 전면에 갇힌 공기의 전면을 효과적으로 밀어내는 것이 권장된다. SMBG 스트립은 종종 갇힌 공기가 탈출하는 경로를 제공하기 위해 공기 통기구를 가진다. 이러한 공기가 갇히는 문제는 신용 카드 디바이스의 이 실시예에서는 액체 샘플이 벽 아래 챔버 바닥으로 안내되어 바닥으로부터 챔버를 채우기 때문에 방지되고, 이 공정은 샘플을 수집하는 동안 카트리지를 수직으로 배치하는 것에 의해 도움을 받는다.

이 감지 챔버 내에 시약을 샘플에 추가할 수 있다. 샘플에 전기화학적 측정을 수행하려면 pH 및 전도율을 포함하는 여러 파라미터를 제어하는 것이 유리하므로 챔버 내에 완충 및 전해질을 추가를 위해 건조된 시약이 제공된다. 또한 특이성을 갖기 위해 분석물 또는 관심 파라미터를 측정하도록 설계된 검정을 챔버 내에서 수행하는 것이 필요하다. 산화질소, pH, 과산화수소 등과 같은 분석물의 경우 특정 신호를 제공하도록 설계된 검정이 종종 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 검정은 샘플 체적에 시약을 추가할 것을 요구할 수 있고, 이에 따라 추가 시약이 미리 결정된 농도를 제공하기 위해 이후 분산될 것을 요구하기 때문에 유체 체적을 제어하는 능력이 훨씬 더 중요하다. 예를 들어, 많은 체외 진단 검정(IVDS)에서 광학적 또는 전기화학적 활성 물질이 샘플에 추가된다. 이러한 종의 농도는 최종 측정값에 영향을 미쳐 검정의 정밀도과 정확도에 모두 영향을 미칠 수 있다. 검정에 포함된 이들 물질의 질량은 먼저 제조 공정을 통해 제어되고, 예를 들어, 알려진 질량의 물질을 챔버 또는 웰(well)에 제어된 방식으로 증착하지만 샘플 내의 최종 농도는 물질이 분산 및/또는 용해되는 샘플의 체적에 따라 다르다. 샘플 체적의 차이는 이 샘플 내 추가된 물질의 농도에 영향을 미치고, 체적의 변화는 이후 검정 결과의 정확도에 영향을 미친다.

체적 제어는 고정 체적 챔버, 펌프 및 밸브 등을 사용하여 달성할 수 있으며, 이러한 거시 세계의 솔루션 중 일부는 밀리리터보다 큰 체적에서 잘 작동하지만 표면 상호 작용이 벌크 속성에 비해 더 상당한 마이크로리터 규모의 체적에서는 덜 효과적일 수 있다. 본 명세서에 설명된 발명에 따르면 중력의 영향 하에 채워지고 샘플이 고정 체적 챔버로 들어가는 카트리지가 있다. 마이크로 유체 카트리지는 챔버에 정확한 체적이 채워지면 더 이상 액체가 챔버에 들어가지 않고 오히려 초과 유체가 챔버 외부에 유지되어 챔버 내부의 샘플과 챔버 외부의 샘플 사이에 매우 작은 접촉점이 존재하는 특징을 갖는다. 이 작은 접촉점은 챔버 내부의 유체와 챔버 외부의 유체 사이에 질량 또는 열 교환이 거의 일어나지 않는 결과를 초래하는 초크 지점(choke point)으로 작용한다.

디바이스의 일 실시예에서 호흡과 같은 증기 샘플이 응축되는 수집 구역이 제공되며, 응축이 발생하는 표면이 친수성인 것으로 인해 샘플은 중력 하에 연속적인 막으로서 수집 구역 아래 감지 구역으로 흘러간다. 수집 구역의 에지 주위에 부분적인 덮개를 포함하면 샘플이 이동하는 막이 쉽게 따라가는 채널이 생성된다. 흐르는 막은 감지 구역의 챔버로 이동하고; 용액은 챔버의 측면을 따라 흐르며 표면 장력에 의해 챔버의 측면에 '들러붙고', 연속적으로 아래에서 위로 챔버를 효과적으로 채운다. 유체가 계속 흐르는 시나리오에서 챔버는 오버플로하여, 오버플로는 샘플과 직접 접촉하여 총 체적을 불분명하게 할 것으로 예측될 수 있다. 본 명세서에 설명된 디자인에서 오버플로는 하나 이상의 모세관 싱크에 의해 챔버 내의 샘플과 자유롭게 접촉하는 것이 방지된다. 챔버를 채우기 전에 싱크는 유체 샘플을 챔버로 안내하는 부분이지만 이제 채워진 챔버의 압력을 채울 때 챔버에 추가 유체가 들어가는 것을 방지한다. 유체가 오버플로하고 챔버의 상부에 직접 쌓이는 대신, 오버플로는 모세관 싱크들로 분할되고 추가 샘플은 모세관 오버플로 싱크 내에 보유된다.

더욱이, 수집 구역 사이의 계면은, 오버플로 싱크와 샘플을 포함하는 챔버 사이의 습식 접촉이 0.2mm² 미만의 표면적을 가져서 이것이 챔버 내의 샘플과 모세관 오버플로 싱크 내에서 오버플로되어 캡처된 샘플 사이에 매우 작은 계면을 제공도록 하는 물질로 구성되고/되거나 형성된다. 시약이 감지 챔버 내에서 수동적으로 또는 능동적으로 추가되는 상황에서 시약이 용해되는 샘플의 체적은 챔버의 치수에 의해 제어되는 반면, 미지의 샘플 볼륨 오버플로는 작은 계면을 통해서만 샘플과 접촉하여, 챔버 내 샘플에 추가되는 물질의 농도를 보다 정확히 제어하는 것을 보장한다.

계면은 모세관 튜브 형태 등의 구조와 같은 형태를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수집 구역과 감지 구역의 표면은 챔버 내부의 체적을 챔버 외부의 오버플로 샘플에 연결하는 친수성 스트립 또는 채널을 제외하고 소수성 물질로 형성될 수 있다. 초과 샘플은 샘플이 흡착할 표면적을 제공하는 모세관 구조에 의해 챔버 외부에 남아 있도록 더욱 권장되어서, 이에 따라 샘플이 감지 챔버로 다시 흘러가거나 흘러가려고 시도하는 것을 방지하기에 충분한 에너지 이득을 제공할 수 있다.

본 발명은 초기에 감지 챔버 내 샘플의 체적 및 이후 챔버 내 샘플에 수동적으로 또는 능동적으로 추가되는 임의의 물질의 농도를 더 잘 제어하는 것을 제공한다. 샘플의 최종 감지 체적은 제어되고 초과 샘플은 감지 챔버 외부에 저장된다. 그 결과 분석을 향상시키기 위해 감지 챔버 내 샘플에 추가되는 물질을 용해 및 분산시켜 제어된 최종 농도를 제공할 수 있다.

오버플로 싱크 모세관 챔버에 결합된 샘플용 모세관 제어식 주 챔버를 사용하면 유체 레벨 감지, 능동적인 밸브 조절 및/또는 펌핑 등의 요구 없이 샘플 체적을 제어할 수 있다.

도면을 구체적으로 참조하면, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 카트리지의 내부 작동 특징부를 도시한다. 카트리지(10)의 전체 외부 치수는 약 38mm의 폭 및 약 80mm의 길이를 갖는 베이스 층(11)의 치수와 유사하다.

이 위에 분석 층(12)이 놓인다. 분석 층(12)은 직경이 약 20mm인 응축 구역(13)을 포함하고, 이 응축 구역은 그 표면의 대부분을 따라 노출되고, 사용 시 디바이스의 마우스피스(미도시)에 유체적으로 연결되어, 사용자로부터 호기 호흡을 수용하고, 이 호기 호흡은 응축 구역(13)에서 유체로 응축된다. 응축 구역(13)의 표면은 응축된 호흡이 표면에 걸쳐 막으로 확산되도록 친수성 물질로 형성되거나 코팅된다. 제1 실시예에서 이 물질은 응축된 유체와 물질 사이의 접촉각이 20.0° 미만이 되도록, 바람직하게는 5.0° 내지 15.0°가 되도록 하는 친수성을 갖는다. 막 구조는 카트리지(10)가 유지될 때 분석 영역이 최하위에 있도록 응축 구역(13)의 에지를 따라 분석 챔버(15)를 향하여 아래쪽으로 유체가 흐흐게 하는 작용을 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 분석 챔버(15) 내의 유체의 체적은 잘 정해진 체적을 갖는 것이 중요하다. 따라서, 정확한 체적이 달성되는 것을 보장하기 위해, 일단 정확한 체적에 도달하면, 응축 구역(13)에 유체가 더 유입되거나 응축 구역에 있는 유체와 더 혼합되는 것이 최소화된다.

이를 위해, 응축 구역(13)의 에지(14) 영역에서 응축 구역(13)의 표면 위에 이 표면과 평행하게 립(16a, 16b)이 제공된다. 립(16a, 16b)은 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 립(16a, 16b)은 분석 챔버(15)에 인접하여 종료되는 제2 단부를 각각 갖는 좁은 스트립(19a, 19b)보다 폭이 넓은 구획(17a, 17b)을 갖는다. 이에 의해, 분석에 필요하지 않은 유체가 분석 챔버(15)의 유체와 접촉하거나 또는 분석 챔버의 유체에 흘러 들어가는 것이 제한된다. 분석 챔버(15)는 지붕(18)으로 덮여 있고, 이 지붕은 분석 챔버(15)의 베이스 및 벽과 함께 분석 챔버(15) 내 유체에 필요한 정확한 체적을 제공한다.

바람직하게는, 립은 분석 챔버에 인접하거나 접촉하는 제2 단부를 갖는 좁은 스트립을 포함하고, 스트립은 바람직하게는 125㎛ 내지 400㎛의 폭, 특히 바람직하게는 125㎛ 내지 300㎛의 폭을 갖는다.

도 3a 내지 도 3c에 요약된 바와 같이 유체는 응축 구역(13)에서 응축된다. 응축된 유체는 응축 구역(13)의 에지 주위로 흘러 분석 챔버(15)의 하위 영역(20)으로 들어간다. 흐름은 필요한 양의 유체가 분석 챔버(15)에 있을 때까지 계속된다. 그런 다음, 추가 유체가 립(16a, 16b)의 구조부 아래에 제한된다. 선택적인 실시예에서 이러한 제한은 소수성 물질로 형성되거나 코팅된 응축 구역(13)의 소수성 영역(21)이 립(16a, 16b) 아래의 표면을 분리시키는 것에 의해 도움을 받는다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지의 조립 상태를 도시하는 도 4 내지 도 8을 참조한다. 조립된 카트리지는 이 기술 분야에 알려진 수단에 의해 함께 유지되는 다수의 층으로 형성된 층상 구조를 갖는다. 이 층상 구조는 카트리지에 유연성과 강도를 제공하고, 이는, 또한 예를 들어, 농업 환경에서 카트리지를 사용할 수 있는 경우, 의료 환경만큼 조건이 잘 제어되는 것은 아닌 경우 일반적으로 중요하다. 도 4에는 카트리지의 다른 요소를 지지하기 위한 베이스 카드(40)가 도시되어 있다. 베이스 카드(40)는 일반적으로 직사각형이고, 카트리지의 작업 요소를 수용하기 위해 다수의 절개부 및 구멍을 갖는다.

베이스 카드(40)는 도시된 실시예에서 10.5mm의 반경을 갖는 대략 원형의 중심 구멍(41)을 갖는다. 구멍의 벽은 응축 구역의 둘레의 일부를 형성한다. 추가 구멍(42)은 분석 영역을 포함하는 감지 구역을 수용하도록 형성된다. 폭이 2.0mm인 채널(43)은 중심 구멍(41)을 추가 구멍(42)과 연결하여 유체가 수집 구역과 감지 구역 사이를 흐르게 하고, 일부 실시예에서, 분석을 수행하는 시약, 전극 등을 포함하는 센서 카드를 수용하게 한다. 반경이 3.0mm인 구멍(44)을 통해 베이스 카드(40)는 알려진 고정 수단에 의해 카트리지의 다른 요소에 고정될 수 있다.

사용 시에, 베이스 카드(40)는 베이스 카드(40)가 통합되어야 하는 디바이스의 본체에 고정된다. 디바이스에는 유체 경로가 제공되고, 유체 경로의 일 단부는 사용자로부터 호흡을 수용한다. 유체 경로의 제2 단부는 호기 호흡 또는 그 성분이 진입하도록 구멍(42)과 정렬된다.

도 5a 및 도 5b는 사용 시에 베이스 카드(40)의 표면(45) 위에 놓여 이 표면(45)에 고정되는 제1 커버 시트(50)를 도시한다. 베이스 카드(40)와 유사하게, 제1 커버 시트(50)는 사용 시에 응축기 판의 벽을 형성하는 중심 구멍(51)을 갖는다. 중심 구멍(51)은 눈물방울(teardrop) 형상을 갖지만 중심 구멍(41)의 반경과 일치하는 반경을 갖는 실질적으로 원형 부분을 갖는다. 구멍(54)을 통해 커버 시트(50)는 제 위치에 고정될 수 있고, 채널(55)을 통해 커버 시트(50)는 제 위치에 있을 수 있는 임의의 나사, 핀 또는 다른 고정 수단에 대해 활주할 수 있다.

도 7 및 도 8은 커버 시트(50) 위에 고정되는 최종 커버 판(70)을 도시한다. 종종 투명한 물질로 형성되는 커버 판(70)은 편평하고, 고정 수단이 통과할 수 있는 구멍(74)에 의해 고정될 수 있다. 커버 판(70)의 일측은 호기 호흡이 도달하여 응축되어 막을 형성하는 친수성 물질로 더 많이 덮이거나 일부 실시예에서 친수성 물질로 형성된다. 커버 판(70)은 친수성 표면이 구멍(44, 54)과 사용자로부터 오는 호흡 흐름을 향하도록 전술한 카트리지의 다른 요소에 고정된다.

사용 시에, 이 실시예에서, 커버 판(70)은 응축기 판으로서 기능하고, 따라서 최종 조립된 디바이스에서 냉각 수단과 동작 가능하게 연결된다. 따라서 구멍(41, 51) 내에 놓이는 커버 판(70)의 부분(71)은 냉각되어 이 부분에 도달하는 호기 호흡을 냉각시키는 히트 싱크로서 작용하여 호기 호흡을 액체 상으로 응축시킨다.

도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 부분(71)으로부터 감지 구역으로 가는 출구의 영역에서 베이스 카드(40)를 형성하는 물질은 일반적으로 삼각형 구획(45, 46)에서 커버 시트(50)의 물질을 넘어 연장된다. 삼각형 구획(45, 46)은 응축기 판(70)의 표면 및 구멍(41, 51)의 벽과 결합하여 감지 구역으로부터 초과 액체를 끌어내어 감지 구역 내에 정확한 체적을 제공하는 작용을 하는 모세관 튜브를 형성한다. 응축 구역으로부터 삼각형 구획의 거리는 양호한 모세관 효과를 제공하기 위해 바람직하게는 125㎛ 내지 350㎛, 특히 바람직하게는 250㎛ 내지 300㎛이다.

바람직하게는, 립은 분석 챔버에 인접하거나 접촉하는 제1 단부를 갖는 좁은 스트립을 포함한다. 스트립의 폭은 바람직하게는 125㎛ 내지 400㎛, 특히 바람직하게는 125㎛ 내지 300㎛이다.

도 9 내지 도 12와 관련하여, 이들 도면은 분석 구역에 필요한 양의 액체를 제공하기 위해 본 발명의 제2 실시예에 따라 동작하는 카트리지(90)를 도시한다. 제2 실시예는 이 응축된 호흡이 응축기 판(91)의 표면 상에 막을 형성하도록 이 표면이 형성된다는 점에서 본 발명의 제1 실시예와 유사하게 동작한다. 또한, 디바이스에는 립(92), 얇은 스트립(93), 및 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 정확한 체적의 액체가 분석 영역 내에 있는 것을 보장하기 위해 표시된 기타 특징부가 제공된다.

친수성 물질은 제2 실시양태에서 응축된 호흡과 23.0° 내지 35.0°의 높은 접촉각, 바람직하게는 24.0° 내지 26.0°, 더욱 바람직하게는 25.0°의 각도를 제공하도록 선택된다. 사용될 수 있는 일반적인 부류의 화합물은 폴리에스테르이다. 이에 의해 응축된 호흡이 초기에 응축기 판(91)으로부터 분석 영역(94)으로 흐르는 것이 억제되고 판(91)에 축적될 수 있다.

응축된 호흡은 친수성 물질의 표면에 여전히 막을 형성하지만 임계 질량이 축적되면 막이 붕괴되어 액체가 분석 영역(94)으로 흘러들어간다. 액체가 빠르게 흐르기 때문에 분석 영역(94)의 공기가 응축기 판(91)으로 탈출할 가능성이 감소하고, 액체가 분석 영역(94)으로 들어갈 때 공기가 액체의 유입을 저항하게 된다. 따라서, 공기 통기구(95)가 제공되고, 이 공기 통기구는 이 공기 통기구를 통해 액체가 흐르기에는 불충분한 직경을 갖는다. 공기 통기구(95)는 0.2mm의 길이에 걸쳐 3mm x 0.12mm의 치수의 채널을 포함하고, 4mm x 0.45mm의 치수 및 3mm의 길이를 갖는 출구 영역으로 이어진다. 따라서 액체가 분석 영역(94)에 들어갈 때 공기는 도 11에서 화살표 A로 도시된 바와 같이 공기 통기구를 통해 빠져나간다. 따라서 분석 영역(94)은 공기 포켓 없이 완전히 채워지며, 초과 액체는 얇은 스트립(93)과 립(92)에 의해 제거된다.

Claims

호기 디바이스에 통합하기에 적합한 호흡 응축수 분석 카트리지로서,
주변 영역을 갖고 호기 호흡을 수용하기 위한 응축 구역;
샘플이 분석되는 분석 챔버; 및
상기 주변 영역을 적어도 부분적으로 덮는 립(lip)을 포함하고,
상기 응축 구역의 표면은 상기 주변 영역에서 유체 흐름 경로를 생성하는 작용을 하고;
상기 응축 구역은 상기 주변 영역을 통해 유체 흐름 경로에 의해 상기 분석 챔버에 연결되고,
상기 립은 상기 응축 구역과 협력하여 유체 흐름을 제어하는 모세관을 형성하는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항에 있어서,
상기 응축 구역은 원형인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제2항에 있어서,
상기 응축 구역은 15.0mm 내지 25.0mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제3항에 있어서,
상기 직경은 20.0mm인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축 구역은 친수성 물질로 코팅되거나 형성되는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축 구역의 표면의 친수성은 호흡 응축수와 20.0° 미만의 각도를 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제6항에 있어서,
상기 각도는 5.0° 내지 15.0°인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
감지 구역은 공기 통기구를 포함하고, 상기 응축 구역의 표면의 친수성은 호흡 응축수와 23.0° 내지 35.0° 미만의 각도를 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제8항에 있어서,
상기 각도는 24.0° 내지 26.0°가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 립은 상기 분석 챔버에 인접하거나 접촉하는 제1 단부를 갖는 좁은 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제10항에 있어서,
상기 스트립의 폭은 125㎛ 내지 400㎛인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제11항에 있어서,
상기 스트립의 폭은 125㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축 구역으로부터 상기 스트립의 거리는 바람직하게는 125㎛ 내지 350㎛인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제13항에 있어서,
상기 거리는 250㎛ 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축 구역의 일부는 소수성 물질로 형성되거나 코팅되고, 상기 일부는 상기 분석 챔버 및 상기 주변 영역에 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카트리지의 전체 치수는 통상적인 신용 카드의 치수인 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카트리지는 상기 카트리지가 구부러지도록 하는 데 도움이 되는 층상 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 호흡 응축수 분석 카트리지.