專利名稱：：基于光學顯微針的光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的領(lǐng)域是基于光學顯微針探測的光譜儀。
背景技術(shù)：
：存在對于諸如乳酸鹽、葡萄糖和尿素等的臨床分析物進行連續(xù)監(jiān)控的需要。需要針對葡萄糖的傳感器[1]來對全世界3億名糖尿病患者進行治療。但是迄今，仍然沒有穩(wěn)定的、高準確性的并且連續(xù)可植入的葡萄糖生物傳感器來對糖尿病或任何其它疾病進行監(jiān)控或治療[1]。乳酸鹽活體測量對于病危護理[2]和代謝率確定[3]也非常重要。當前軍隊部署中不存在用于對生理液體和條件進行選擇性監(jiān)控的非創(chuàng)傷性裝置。與諸如葡萄糖監(jiān)控的民用廣泛應(yīng)用不同，在戰(zhàn)場上，個體戰(zhàn)斗員需要對由乳酸鹽水平預(yù)測的諸如脫水的危害大得多的條件進行早期檢測，否則將消耗或暴露于諸如瘧疾的傳染病。以高可靠程度遠程檢測軍人的醫(yī)學狀態(tài)的能力代表著能夠顯著減少時間，從而醫(yī)務(wù)人員能夠有更有效的反應(yīng)方法。光學顯微針和近紅外或中紅外光譜傳感的公開組合是獨創(chuàng)的，并且是兩種技術(shù)的創(chuàng)新性進展。我們的光學顯微針設(shè)計是非創(chuàng)傷生物采樣技術(shù)的下一步，與微機電系統(tǒng)(MEMS)、大或中尺寸制作[4-6]兼容。近來的相關(guān)進展包括微型化的乳酸鹽傳感器，這包括用于導尿管的薄膜電極和用于現(xiàn)場分析的一次性的電流測量傳感器[7]。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了光學顯微針，尤其適用于近紅外或中紅外活體內(nèi)光譜傳感；并且特別通過皮膚貼中的近紅外或中紅外光學顯微針陣列提供了基于MEMS的光譜儀，以用于連續(xù)的乳酸鹽、葡萄糖或其它分析物監(jiān)控。在一種實施方式中，本發(fā)明提供了最小創(chuàng)傷性的裝置以經(jīng)由皮膚分析生理液體(例如，血液、唾液、尿、汗，以及在優(yōu)選實施方式中為間質(zhì)流體)，該裝置包括(a)光學顯微針和(b)光學連接器，其中，所述光學顯微針包括適用于穿透皮膚和對生理液體進行光學探測的尖端，并且所述光學顯微針和連接器光學連接，從而在操作中，來自光源的光被導向為通過連接器、然后通過所述光學顯微針的尖端并從所述光學顯微針的尖端出來，然后與所述生理液體交互，該生理液體通過吸收和反射修改所述光。一些經(jīng)修改的信號反射回顯微針，然后通過所述連接器至檢測器(例如，光譜檢測器)，用于提供生理液體的信息的光學信號分析。在特定的實施方式中，尖端包括導光槽，該導光槽被調(diào)整以使得所述光被導出并進入不同位置的尖端。所述槽還充當生理液體的收集區(qū)域，在該槽處僅有少量組織干擾光學測量。在另一種實施方式中，本發(fā)明提供了一種最小創(chuàng)傷的裝置來經(jīng)由皮膚分析生理液體，該裝置包括(a)光學顯微針陣列和(b)光學連接器，其中，所述光學顯微針包括傳光顯微針和相對應(yīng)的接光顯微針，并包括被調(diào)整朝向以穿透皮膚并且對生理液體進行光學探測的尖端，所述光學顯微針和所述連接器光學連接，從而在操作中，來自光源的光被導向為通過所述連接器、然后通過所述光學顯微針的尖端并從所述光學顯微針的尖端出來，然后在進入所述尖端之前與所述生理液體交互，并且被導向為通過所述接光顯微針，然后通過所述連接器至光譜儀檢測器，用于提供生理液體的信息的光學信號分析。在另選的實施方式中，光譜儀在所述尖端的源側(cè)而不是接收機側(cè)。在特定的實施方式中，尖端是消過毒的；尖端是經(jīng)過消毒包裝的；陣列包括優(yōu)選的2至10,000之間或者優(yōu)選的100至10,000之間個顯微針，可選地按序排列在表面上并與該表面正交，所述尖端遠離所述表面；光反射器覆蓋或者包裹在所述顯微針尖端上，以將所述光導入或?qū)С鲲@微針；所述裝置可以是MEMS制作或機器加工的芯片；所述裝置是透皮貼片；所述光是近紅外或中紅外光，波長在700nm至20,000nm范圍內(nèi)；所述裝置適于連續(xù)的葡萄糖和乳酸鹽監(jiān)控；所述裝置配置在監(jiān)控系統(tǒng)中，該裝置還包括所述光源和所述檢測器，該裝置可選地被調(diào)整為對所述生理液體的分析物進行多元分析；所述顯微針的直徑為1至500iim，優(yōu)選的為10至100iim，間隔為10至5000ym，優(yōu)選地為100至500iim，長度為10至1000iim，優(yōu)選地為100至500ym，以及這些特定實施方式的組合。在另一種實施方式中，本發(fā)明提供了一種利用所討論的最小創(chuàng)傷性裝置來經(jīng)由皮膚分析生理液體的方法，該方法包括(a)利用所述顯微針尖端穿透皮膚表面；(b)從光源通過發(fā)光顯微針、通過皮膚表面下方的生理液體，通過所述接光顯微針向光譜儀檢測器傳輸光；以及(c)分析在所述檢測器處入射的光作為所述生理液體的信息。在另一種實施方式中，本發(fā)明提供了一種利用所討論的最小創(chuàng)傷性裝置來經(jīng)由皮膚分析生理液體的方法，該方法包括(a)利用所述顯微針尖端穿透皮膚表面；(b)從光源通過光發(fā)送顯微針、通過皮膚表面下方的生理液體，向附近的為向光發(fā)送顯微針提供回射而被加工并金屬化或者被涂敷的顯微針發(fā)光，從而提供兩次通過所述生理液體；所述光進入初始的發(fā)光針并到達光譜儀檢測器；以及(c)分析在所述檢測器處入射的光作為所述生理液體的信息。在另一種實施方式中，本發(fā)明提供了一種利用所討論的最小創(chuàng)傷性裝置來經(jīng)由皮膚分析生理液體的方法，該方法包括(a)利用由具有高折射率的紅外發(fā)射材料組成的顯微針穿透皮膚表面；(b)從光源發(fā)光，以削弱的全反射通過所述紅外透明的、高折射率的顯微針，并通過所述皮膚表面下方的生理液體，倏逝波(evanescentwave)延伸進入所述生理液體，與所述生理液體交互，以改變反射率，從而改變被導向回到所述檢測器的光的返回信號；以及(c)分析在所述檢測器處入射的光作為所述生理液體的信息。在特定的實施方式中，所討論的方法還包括通過選擇長度相同或不同的多個并行或串行的顯微針來調(diào)整所述光路的長度的步驟，以增強用于給定目標分析物或干擾物的所述顯微針的信號/噪聲性能；具體地說，由于光的吸收正比于給定波長處并且用于具有特性消光系數(shù)的給定目標分析物的通路長度；因此，可以利用針對給定的測量來物理地或自動地選擇通路長度的能力來輔助針對目標以及干擾物拒絕的最優(yōu)性能；所以，使用多個通路長度和多個深度來提供更豐富的數(shù)據(jù)，以增強響應(yīng)。在一些情況下，在組織中的散射導致所述吸收以與距離成正比的方式偏離嚴格的比爾定律(Beerslaw)。即使在這些情況下，所述吸收也將隨著通路長度單調(diào)增加。在其它實施方式中，盡管這里單獨闡釋了各種具體實施方式，但是，所討論的裝置和方法包括這里闡釋的各種具體實施方式的全部組合。圖1示出了非創(chuàng)傷性的MEMS實施方式，其中具有光學詢問器(激光、檢測器、電子儀器組件)和無線通信顯示裝置。圖2A-圖2B示出單個針的實施方式圖2A是沒有取決于內(nèi)部散射的槽口的單個針；圖2B是有槽口的單個針。圖3A-圖3B示出了另選的光學顯微針實施方式圖3A是顯微針對；圖3B是充當削弱的全反射裝置的顯微針。圖4示出了NIR光學顯微針對原理驗證裝置，我們利用該裝置展示了測量水中的葡萄糖。圖5示出利用NIR顯微針測量水中的葡萄糖。圖6示出了包括波導的MEMS光學詢問器，該波導將光從機載量子級聯(lián)激光導向顯微針陣列貼片中的各個針，并再次返回機載檢測器。具體實施例方式在一種實施方式中，本發(fā)明提供了使用具有創(chuàng)新性的紅外光電裝置的光學顯微針的組合來利用一體的MEMS裝置來對葡萄糖、丙氨酸、乳酸鹽、抗壞血酸鹽、乙酸甘油酯、尿素、油脂和藥物或者它們的組合進行光學感測。所述顯微針穿透皮膚并探測生理液體，而所述光電裝置收集高信號噪聲比(SNR)的光譜數(shù)據(jù)。在一種實施方式中，所述MEMS芯片提供了顯微針，所述顯微針與所述表面正交，并且在尖端和表面層中覆蓋或包裹了光反射器，使得光從光源導向針尖。該光在進入相對的顯微針之前與所述生理液體交互，然后反射離開顯微針的下斜面并離開反射器至檢測器。背光反射器可選地澆鑄在支撐芯片基板內(nèi)。在一種實施方式中，我們將光導向芯片的背面，并從該芯片背面導回。以各種適當?shù)闹睆?例如，l-SOOiim，優(yōu)選地10-100iim)、間隔(例如，10-5000請，優(yōu)選地100-500ym)和長度(例如，10-1000um,優(yōu)選地100-500iim)來設(shè)計和制造立柱。另選地，從組織的散射可用來從光源立柱向接收機立柱反射光。立柱可選地包裹了犧牲層以提供立柱支撐。利用當前最新的立銑刀型加工來常規(guī)地切割斜面，以確保多對針上的斜面具有合適的朝向，以使得光能夠高效地出入?？捎墒炀毤脊碇圃焖芰献⒛２⒆罱K制造單個塑料芯片。在芯片的特定實施方式中，我們在芯片中使用波導結(jié)構(gòu)來將光從光源引入各個單獨的針，并將光從顯微針陣列中的各個針引入檢測器。在特定的實施方式中，本發(fā)明是基于MEMS的光譜儀，利用透皮貼片(transdermalpatch)中的紅外光學顯微針陣列來進行連續(xù)的乳酸鹽和葡萄糖監(jiān)控。圖1示出了非創(chuàng)傷性MEMS實施方式，該非創(chuàng)傷性的MEMS包括基于MEMS的光譜儀，其利用透皮貼片中的紅外光學顯微針陣列來進行連續(xù)的葡萄糖監(jiān)控；一次性的低成本無痛或痛感最小、最小創(chuàng)傷的顯微針貼片，其具有可重用的讀出器或報警器，包括光纖光譜儀或可調(diào)諧的激光和檢測器，并具有可選的無線發(fā)射器和腕表或蜂窩電話讀出器和報警器。圖2示出了單針的實施方式，其允許針充當光源和檢測器管道。光傳輸通過針，與周圍的組織和生理液體進行交互。從液體反射的一些光通過同一個針被引導回檢測器。公開了單針裝置的幾種另選的實施方式，諸如圖2B所示的有槽口的版本。對于常規(guī)的光吸收測量，光直接通過被測量的樣本。這是在兩個光學顯微針光導被插入皮膚的情況下所通常使用的方法。然而，存在與單個光顯微針兼容的其它光學測量；例如(a)利用倏逝波(evanescentwave)來探測吸收率，(b)通過從波導漏出的光的側(cè)面或底面回射來探測折射率，或者(c)通過回射來探測吸收率和折射率這兩者?？梢岳孟魅醯娜瓷?ATR)方法來在單個光導顯微針中測量生理液體中的吸收，在該方法中使用倏逝波的吸收。[8]對于ATR，光停留在針的內(nèi)部，但是倏逝波探測針的外部。該方法有利地用在中紅外光的情況中，在該情況下，葡萄糖、乳酸鹽和其它分析物的吸收很強[9]，即使在倏逝波所探測的短距離上也允許測量具有很好的信號噪聲比。我們已經(jīng)利用ATR方法計算出在使用中波紅外(MWIR)光的情況下倏逝波進入組織的穿透深度大約是2-5微米。在這種情況下，為了執(zhí)行倏逝波測量，可以使用在底面具有高反射涂層的顯微針光導或波導，所述底面通過同一光導將光回射回去。使用分束器或波片偏振器組合來分離進入和回射的光束，使得回射的光束傳向光譜儀/檢測器組合。在使用傳統(tǒng)光源的情況下，傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀是用于中紅外波長區(qū)的優(yōu)選的檢測器，這是由于改善了信號噪聲比。如本文所進一步說明的，還可以利用顯微針外部的光模式場的擴展來測量吸收率。還可以使用折射率測量利用單個光導或顯微針監(jiān)控葡萄糖或其它分析物。在這種情況下，將光導顯微針配置為對于周圍環(huán)境的折射率敏感。可以通過選擇通道中的光的角度或針折射率來進行此處理，使得從針中泄漏出的光的量對于周圍的折射率敏感。這與倏逝波的情況不同，在倏逝波的情況下，光并不傳播而從通道中泄漏出來；倏逝光在光并不實際離開通道的情況下感測周圍環(huán)境。在這種情況下，從針到周圍介質(zhì)的光的損失取決于介質(zhì)的折射率。還可以在回射中監(jiān)控折射率，在此情況下，通道的折射率和周圍環(huán)境的折射率的比率決定了回射的量。在任一情況下，使用回射來通過單個光導將光耦合回去。使用折射率來以兩種方式確定諸如葡萄糖的分析物的量。全部波長處的折射率隨著葡萄糖的濃度而變化[10]，并隨著諸如溫度和脫水的其它因素而變化。一種優(yōu)選的方法利用折射率隨波長的變化來監(jiān)控葡萄糖。根據(jù)克拉默斯_克勒尼希(Kramers-Kranig)關(guān)系所述，葡萄糖中紅外吸收在折射率的實部中產(chǎn)生對應(yīng)的變化。折射率的實部的測量特征趨向于比吸收特征更寬。通過對光譜進行微分來獲得更尖銳的特征。盡管由于微分而導致特征的形狀發(fā)生變化，但是，在使用化學計量方法(例如，偏最小二乘(PLS)、主分量分析(PCA)或其它多線性回歸)來分析光譜時，該形狀變化不作為限制。單個光導針測量的另一種方法使用通過針的末端獲取的反射光譜。該測量探測吸收率(針對通過組織的光通路)和折射率(針對從針的末端反射的光的量以及在組織中傳播的光的量)這兩者的影響。[11]針對執(zhí)行相對無痛插入所必需的光導的小直徑，該直徑優(yōu)選在10-90微米的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選為10-50微米。由于該直徑并沒有比光的波長大很多，在光導中將不會有非常多的空間模式。利用V數(shù)字來確定空間模式的個數(shù)，該V數(shù)字又涉及光纖數(shù)字孔徑、光纖芯半徑和光導的直徑。數(shù)字孔徑又由光纖芯的折射率和光導的覆層的折射率的比率來確定。由于在光導中沒有很多模式并且光導直徑相對較小，所以，單個針中的光的量相對較小。亮度理論限制了從非激光源耦合到小直徑光導的光的量?？梢岳酶喙鈱碓黾庸獾牧?。然而，光導的光軸間隔(pitch)被穿透組織的能力所限制。對于諸如輝光棒(glowbar)的傳統(tǒng)光源，亮度不是非常高。因此，在這樣的實施方式中，優(yōu)選地在可以得到時采用諸如激光或超發(fā)光二極管的更亮的光源。在本裝置的另一種實施方式中，可以使用諸如量子級聯(lián)激光器的可調(diào)諧光源來作為光源。在這種情況下，通過對光源進行調(diào)諧而不是使用檢測器處的光譜儀來進行波長區(qū)分。圖6示出使用量子級聯(lián)激光器、平面波導、到針陣列的部分反射器、微型MWIR檢測器和控制電子元件的裝置的實施方式。圖6示出了波導的幾種實施方式。如果使用諸如Lee等人[12]所說明的激光器，則可以如圖6面板b所示，在波導結(jié)構(gòu)上組合來自多個元件的光束，該波導結(jié)構(gòu)以錐形引導將光源和檢測器連接到顯微針。如果將外腔激光與單個波長可調(diào)諧輸出波束一起使用，則可以使用單個波導通道，諸如圖6中的面板c。如圖6面板d所示，用于來自光源的基準信號的波導通道可包括在波導結(jié)構(gòu)中。通過電子柵或者利用輸出處的光柵，光源的波長對于檢測器是已知的，檢測器具有檢測器陣列，在該檢測器陣列中，各個元件捕獲單獨的波長柱，如圖6d所示。在單個實施方式中組合這些方法中的一些或者全部。不使用如圖6所示的平面波導(面板d)，顯微針貼片也可以通過紅外發(fā)射光纖電纜連接到光源和檢測器。根據(jù)正實現(xiàn)的檢測方案使用了多少顯微針以及是否需要不同的返回針可以實現(xiàn)比這些附圖中更多或更少的通路。圖3a示出了光學顯微針，該光學顯微針用作將光導作為芯并將組織作為覆層的單模式波導。在這種情況下，模式場直徑大于芯(光導)的直徑。因此，可以使用芯(光導)直徑外部的光場的量來測量組織的吸收及其組成。一般地說，希望控制通過光導的側(cè)面和末端的光的量。當不希望光對于光導側(cè)面的組織敏感時，可以使用與光纖上的覆層類似的覆層。該覆層的折射率比光導的芯(中心)的折射率更低，以便導光。當希望在側(cè)面與組織交互時，則不應(yīng)當使用覆層。那么，如果光導中的光的角度足夠小并且光導和組織之間的折射率之比足夠大，則光將包含在光導中，并且敏感度受限于由倏逝波探測的深度。可以使用光泄漏來感測折射率變化。圖3b示出了作為多模式削弱全反射裝置的光學顯微針實施方式。通過經(jīng)由倏逝波與周圍的生理液體交互的針來發(fā)射紅外光。由該交互削弱了的光不與通過同一針引導回檢測器的反射光一起返回，減小了信號，從而允許傳感器測量吸收。用于光導的材料或用于中紅外的針包括但不限于高密度聚乙烯(HDPE)、硒化鋅(ZnSe)、鉆石、多晶紅外(PIR)光纖、藍寶石和硫?qū)倩锊Ａ?。圖4示出了我們用來證明在動物模型中對葡萄糖的檢測的光學針原型裝置。該光學針利用標準實踐由PolyIR5材料(FresnelTechnologiesInc.，F(xiàn)ortWorth,德克薩斯)加工而成，在斜面上進行鋁金屬化，以向檢測器反射光。右邊的光譜接口包含顯微針。來自近紅外傅利葉變換光譜儀(具有光纖-光接口的雙片干涉計)經(jīng)由光譜儀接口，該光譜儀接口將光導入針中，并且，該光譜儀接口插入在活體內(nèi)動物模型中。針之間的距離是可調(diào)的，而在展示的實驗中是1.5mm。光譜儀的分辨率是8cm1，增益是4,256個干涉圖被平均。圖5示出了利用圖4所示的近紅外光學顯微針原型測量的凈分析物葡萄糖信號。利用凈分析物信號(NAS)理論、與背景矩陣的光譜變量正交的分析物光譜的分量，針對多元近紅外感測來調(diào)整所討論的裝置。為成功的活體內(nèi)組織測量建立NAS，該NAS表示選擇性的特定于分析物的光譜簽名，并根據(jù)活體內(nèi)光譜提供了絕對量。我們還為利用近紅外光譜的非創(chuàng)傷性經(jīng)由皮膚監(jiān)控展示了概念驗證的原型MEMS分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)由生物適合的、光學透明的、機械穩(wěn)定的材料制成的顯微針光管，其被部分地金屬化，以引導光；(2)與顯微針和光學檢測器有接口的光譜儀；以及⑶多元處理算法(multivariateprocessingalgorithm)，以從組織/血液內(nèi)的信號提取葡萄糖水平。圖6示出包含波導的MEMS芯片，該波導將光從量子級聯(lián)激光器引導到顯微針陣列貼片中的各個針，并再次引導回檢測器。量子級聯(lián)激光可調(diào)諧，以在期望的光譜頻段(例如，8至10ym)上給出完整的光譜，或者可以使用來自單個激光的固定波長來協(xié)商適當?shù)姆逯滴恢?，以利用嵌入在傳感器上的微處理器中的信號處理算法來區(qū)分不同的分析物。參考文獻[l]Guiseppi-Elie,A.,Brahim,S.，Slaughter,G.andWard,K.R.,2005,"Designofasubcutaneousimplantablebiochipformonitoringofglucoseandlactate，"IEEESensorsJournal,5(3),PP.345-55.[2]Lillis,B.，Grogan,C,Berney,H.andLane,B.，2000，"Developmentofanamperometricbiosensorforlactate,"presentedat1stAnnuallnternationalIEEE-EMBSSpecialTopicConferenceonMicrotechnologiesinMedicineandBiology,Proceedings[3]Meyerhoff,C,Bischof,F.，Mennel,F.J.,Sternberg,F.，Bican,J.andPfeiffer,E.F.,1993,"Onlinecontinuousmonitoringofbloodlactateinmenbyawearabledevicebaseduponanenzynaticamperometriclactatesensor,"BiosensorsandBioelectronics,8(9—10)，PP.409.[4]Vestel,MichaelJ.,Grummon,DavidS.,Gronsky,RonaldandPisano,AlbertP.,2003,"EffectofTemperatureontheDevitrificationKineticsofNiTiFilms,“ActaMaterialia,51(18)，PP.5309-5318.[5]Vestel,MichaelJ.andGrummon,DavidS.,2004,“PrecipitatesandLamellarMicrostructuresInNiTiFilms,"MaterialsScienceandEngineeringA,378PP.437-442.[6]Vestel,MichaelJ.,2002,“EffectofDevitrificationTemperatureontheMicrostructureofNiTiFilms,"Ph.D.thesis,UniversityofCaliforniaatBerkeley,Berkeley.[7]Rohm,Ingrid，Genrich,Meike，Collier,WendyandBilitewski,Ursula,1996,"Developmentofultraviolet-polymerizableenzymepastesbioprocessapplicationsofscreen-printedL-lactatesensors,"TheAnalyst,121(6),PP.877-881.[8]JDKrase-Jarres,GJanatsch,andUGless,ReagentlessdeterminationofglucoseandotherconstituentsinbloodbyATR-FT-IR-spectroscopy，ClinChem1989351854—1856.[9]C.Petibois,G.Cazorla，A.Cassaigne，andG.Deleris，"PlasmaproteincontentsdeterminedbyFourier-transforminfraredspectrometry,ClinicalChemistry47；4,730-738，(2001)[10]J.S.Maier,S.A.Walker,S.Fantini,M.A.Franceschini,andE.Gratton,"Possiblecorrelationbetweenbloodglucoseconcentrationandthereducedscatteringcoefficientoftissuesinthenearinfrared,"Opt.Lett.19,2062-(1994)[11]WalterM.Doyle,Apparatusandmethodfornormalincidencereflectancespectroscopy,USPatent5015100IssuedonMay14,1991[12]B.G丄ee，M.A.Belkin,R.Audet,J.MacArthur,L.Diehl,C.Pflugl,andF.Capasso,"Widelytunablesingle-modequantumcascadelasersourceformid-infraredspectroscopy",AppliedPhysicsLetters,91,231101,(2007).通過闡釋方式而不是限制方式提供了具體實施方式和示例的以上說明。本說明書中提到的所有公開和專利申請以及本文所提到的全部參考文獻都通過引用并入本文，就像每個單獨的公開或?qū)＠暾埢騾⒖嘉墨I被具體地單獨指出以通過引用并入本文一樣。盡管為便于理解，通過闡釋的方式和示例詳細說明了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的教導可以在不脫離所附權(quán)利要求的精神或范圍的情況下進行一些改變和修改。權(quán)利要求1.一種用于經(jīng)由皮膚分析生理液體的最小創(chuàng)傷性的裝置，所述裝置包括光學顯微針和光學連接器，其中，所述光學顯微針包括適于穿透皮膚并對生理液體進行光學探測的尖端，所述光學顯微針和所述光學連接器處于光路中，從而在操作中，來自光源的光通過連接器、然后通過所述光學顯微針的尖端并從所述光學顯微針的尖端出來，然后在一些光被所述組織和生理液體散射并重新進入所述光學顯微針的所述尖端之前與所述生理液體交互，然后經(jīng)過所述光學顯微針，然后通過所述連接器至檢測器，所述檢測器用于提供生理液體的信息的光學信號分析。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述尖端包括導光槽，所述導光槽被調(diào)整以使得所述光被弓I導離開并在不同位置進入所述尖端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置利用所述光源側(cè)或檢測器側(cè)的光譜儀、可調(diào)諧光源或多波長光源陣列來提供多波長測量。4.一種經(jīng)由皮膚分析生理液體的最小創(chuàng)傷性的裝置，所述裝置包括光學顯微針陣列和光學連接器，其中，所述光學顯微針包括傳光顯微針和相對應(yīng)的接光顯微針，并包括被調(diào)整朝向以穿透皮膚并且對生理液體進行光學探測的尖端，所述光學顯微針和所述光學連接器在光路中，從而在操作中，來自光源的光經(jīng)過所述連接器、然后通過所述傳光顯微針的尖端并從所述傳光顯微針的尖端出來，然后在進入所述尖端之前與所述生理液體交互，并且經(jīng)過所述接光顯微針，然后通過所述連接器至光譜儀檢測器，所述光譜儀檢測器用于提供生理液體的信息的光學信號分析。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，所述裝置利用所述光源側(cè)或檢測器側(cè)的光譜儀、可調(diào)諧光源或多波長光源陣列來提供多波長測量。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述尖端是消過毒的。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述尖端是經(jīng)過消毒地包裝的。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述陣列包括2至10,000之間個顯微針。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述陣列包括2至10,000之間個顯微針，其排列在表面上并與該表面正交，所述尖端遠離所述表面。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述陣列是一對顯微針。11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述光反射器覆蓋或者包裹在所述顯微針尖端上，以將所述光導入或?qū)С鏊鲲@微針。12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述顯微針包括從由高密度聚乙烯HDPE、硒化鋅、鉆石、多晶紅外PIR光纖、藍寶石和硫?qū)倩锊ＡЫM成的群組中選出的材料。13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述顯微針包括鉆石材料。14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述裝置是微機電系統(tǒng)制作芯片。15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，所述裝置還包括一次性的平面和/或微機電系統(tǒng)波導結(jié)構(gòu)，將所述光耦合引導到所述顯微針、光源和檢測器，并從所述顯微針、光源和檢測器耦合引導光。16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述裝置是透皮貼片。17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述光是近紅外或中紅外光。18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述光是中紅外光。19.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述光是中紅外光，并且，所述顯微針包括從由高密度聚乙烯HDPE、硒化鋅、鉆石、多晶紅外PIR光纖、藍寶石和硫?qū)倩锊ＡЫM成的群組中選出的材料。20.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述光是中紅外光，并且，所述顯微針包括鉆石材料。21.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其適用于連續(xù)的葡萄糖、丙氨酸、抗壞血酸鹽、乳酸鹽、乙酸甘油酯、尿素和藥物監(jiān)控或者它們的任意組合。22.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括所述光源和所述檢測器。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述光源是波長可調(diào)諧的。24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述光源是可調(diào)諧的激光裝置而不是必須在所述檢測器階段掃描的寬帶源。25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述光源包括量子級聯(lián)激光器。26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，所述裝置還包括量子級聯(lián)激光器、平面波導、針陣列的部分反射器、微型中波紅外檢測器和控制電子元件。27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，寬帶源或可調(diào)諧源與波長區(qū)分檢測器或其它單元，例如，所述光源側(cè)或檢測器側(cè)上的FTIR或具有光柵的檢測器陣列，一起使用。28.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，所述裝置配置在監(jiān)控系統(tǒng)中，所述裝置還包括所述光源和所述檢測器，所述裝置被調(diào)整為對包括但不限于葡萄糖和乳酸鹽的所述生理液體的分析物進行多元分析。29.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述顯微針的直徑為1至500μm，間隔為10至5000μm，長度為10至1000μm。30.一種利用根據(jù)權(quán)利要求4所述的最小創(chuàng)傷性裝置來經(jīng)由皮膚分析生理液體的方法，所述方法包括利用所述顯微針尖端穿透皮膚表面；從光源通過傳光顯微針、通過皮膚表面下方的生理液體、通過所述接光顯微針向能夠區(qū)分所述傳輸相關(guān)波長的檢測器傳光，所述檢測器利用波長區(qū)分光源或儀器輸出端處的光譜儀區(qū)分所述傳輸相關(guān)波長；以及分析在所述檢測器處入射的光作為所述生理液體的信息。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述顯微針充當微型衰減全反射波導或晶體，產(chǎn)生與所述生理液體交互的倏逝波，并且利用所述檢測器來區(qū)分由所述倏逝波吸收的光，所述檢測器能夠?qū)⑺鑫仗卣骰癁椴ㄩL的函數(shù)。32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，所述方法還包括通過選擇長度相同或不同的多個并行或串行的顯微針來調(diào)整所述光路的長度的步驟，以增強用于給定目標分析物或干擾物的所述顯微針的信號/噪聲性能。33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述顯微針充當單模式波導，其中，附加覆層來包含所述模式，或者由所述組織充當覆層來包含所述模式。34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，來自所述顯微針尖端的回射用來監(jiān)控所述組織中的吸收率和/或折射率這兩者。35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述顯微針利用具有或者不具有吸收測量的折射率測量來通過克拉默斯_克勒尼希關(guān)系探測所述生理液體中的吸收。36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述顯微針通過折射率的變化來探測所述分析物濃度。全文摘要光學顯微針適用于活體內(nèi)光譜感測近紅外或中紅外光；并通過經(jīng)由透皮貼片中的近紅外或中紅外光學顯微針陣列來針對連續(xù)乳酸鹽和葡萄糖監(jiān)控提供基于MEMS的光譜儀。文檔編號A61B5/1477GK102014746SQ200980115830公開日2011年4月13日申請日期2009年5月2日優(yōu)先權(quán)日2008年5月2日發(fā)明者克里斯多佛·霍蘭德,卡倫·M·納什奧德,戴安娜·P·沃爾特,格雷戈里·W·法里斯,約瑟夫·R·斯泰特,羅杰·施密特,邁克爾·J·維斯特申請人:Sri國際公司