專利名稱：淚膜滲透壓測定法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及測定流體的滲透壓，尤其是涉及測定淚膜的滲透壓。
背景技術：
眼淚在維持眼表面的完整性、避免微生物的攻擊和保持視覺靈敏度方面起到實質(zhì)性的作用。而這些作用又嚴重依賴于淚膜結(jié)構的組成和穩(wěn)定性，其中淚膜結(jié)構包括下面的黏液素基礎、中間的含水成分以及上面覆蓋的脂質(zhì)層。淚膜的破裂、不足或缺乏都能夠嚴重影響眼睛。如果這些紊亂用人工眼淚代用品或淚膜保守治療方法都不能治愈，那么可導致角膜上皮細胞頑固的干燥、角膜的潰瘍和穿孔、傳染病的侵入增大，并且最終導致嚴重的視覺損傷和失明。
干性角膜結(jié)膜炎(KSC)或“干眼病”是上述一種或多種淚膜結(jié)構成分的存在量不足或者與其它成分失去平衡時的一種狀況。已知，KCS病人的眼淚流體張力或滲透壓增大。KCS與影響身體全面健康的狀況(例如斯耶格倫綜合癥、衰老和雄激素缺乏)有關。因此，淚膜的滲透壓是診斷KCS及其它疾病狀況的靈敏特異的指征。
利用被稱作“冰點下降”的體外技術能夠測定樣品流體(例如眼淚)的滲透壓，其中溶劑(即水)中的溶質(zhì)或離子導致流體的冰點下降(從沒有離子的狀態(tài)下降)。在冰點下降的分析中，通過檢測一定量樣品(一般在約幾毫升的數(shù)量級上)在容器(例如試管)中最先開始凍結(jié)的溫度，可找出離子化樣品流體的冰點。為了測定冰點，將一定體積的樣品流體收集在容器(例如試管)中。其次，將溫度探頭浸漬到樣品流體中，并且使容器開始與冷凍池或帕貼耳(Peltier)冷卻裝置接觸。持續(xù)攪拌樣品以獲得其冰點之下的超冷卻液態(tài)。機械誘導之后，樣品固化，其冰點由于融化的熱力學熱量而上升。樣品冰點與0℃的偏差和樣品流體中的溶質(zhì)含量成正比。這種測定設備有時稱作滲透壓力計。
目前，通過利用微量移液管或毛細管從眼中取出眼淚樣品并測定由于滲透壓升高而導致的冰點下降，而在體外實施冰點下降測定法。然而，這些體外測定法經(jīng)常受到許多困難的干擾。例如，為了實施眼淚樣品冰點下降的分析，必須收集相當大量的淚膜樣品，一般為20微升(μL)的數(shù)量級。由于從KSC病人一次只能獲得不超過約10-100納升(nL)的眼淚樣品，因此為常規(guī)體外技術收集足量的流體需要醫(yī)生誘導病人反射性流淚。通過對眼表面進行尖銳或長時間刺激來引發(fā)反射性流淚，這與大片污物寄存在眼睛中的情況類似。反射性眼淚更多是稀釋的，即與正常出現(xiàn)在眼中的眼淚相比具有更少的溶質(zhì)離子。對淚膜的任何稀釋都可導致滲透壓實驗對干眼病診斷的失敗，因此目前禁止體外方法在臨床上應用。
類似的體外技術是蒸汽壓滲透壓測定法，這種方法需要將一小片圓形濾紙寄存在病人的眼皮下面，直到吸收足夠的流體為止。然后將濾紙片放入一個密封室內(nèi)，用冷卻的溫度傳感器測定蒸汽在濾紙表面上的濃縮。最后將溫度傳感器提高到樣品的露點。然后將與水成正比的露點下降值轉(zhuǎn)換成滲透壓。由于現(xiàn)存的蒸汽壓滲透壓力計需要誘導反射性流淚以及大量的眼淚樣品，因此目前將其用于測定干眼病還不實際。
在實驗室中已經(jīng)廣泛地采用Clifton Nanoliter Osmometer(從Clifton Technical Physics of Hartford，New York，USA獲得)來定量KCS病人的溶質(zhì)濃度，但是這種機器需要經(jīng)過大量的訓練才能操作。為了產(chǎn)生可接受的數(shù)據(jù)，這種機器需要長時間校正和訓練有素的技術人員。而且Clifton Nanoliter Osmometer還具有體積大和相當昂貴的特點。這些特征都嚴重阻礙其用作臨床滲透壓力計。
與測定從眼表面取出的眼淚滲透壓的體外技術相反，一種試圖直接測定眼表面上的滲透壓的體內(nèi)技術采用一對直接放在病人眼皮下面的柔性電極對。然后將這對電極插入LCR計以測定電極周圍的流體的電導率。雖然長期以來都知道電導率與離子濃度直接相關，但是由于將傳感器放在眼皮下面達半分鐘之久，因此溶液的滲透壓可能誘發(fā)反射性流淚。而且，這些電極難以生產(chǎn)，并且與用毛細管簡單地收集眼淚相比，對病人健康所造成的危險性更大。
從以上論述中明顯看出，目前的滲透壓測定技術都不能用于臨床，并且對于干眼病人不能獲得必需的樣品量。因此，需要改進的、臨床上切實可行的納升級滲透壓測定法。本發(fā)明滿足了這個需求。

發(fā)明內(nèi)容
通過將等分體積的樣品流體沉積在具有基底和基底樣品區(qū)的微芯片級，而實現(xiàn)樣品流體例如淚膜的滲透壓測定，其中所述體積的樣品流體可操作地覆蓋足夠部分的樣品區(qū)，以至于從樣品區(qū)檢測到賦予樣品流體的能量，從而產(chǎn)生表示樣品流體滲透壓的輸出信號。于是，由所檢測的體積樣品的能量可獲得樣品流體的滲透壓測定值。甚至從干眼病人都能夠快速容易地獲得等分大小的樣品體積。等分體積可包括例如不超過20微升(μL)的體積，但也可如1nL那么小。滲透壓傳感器系統(tǒng)能夠接收微芯片和樣品體積，并檢測來自樣品的能量，以顯示準確的滲透壓測定值。以這種方式，能夠獲得可靠的滲透壓測定值，而對病人造成的不便和不舒適最小，也無需大量技術人員來獲得測定值，并且重復程度和準確度都較高。
可將樣品流體容易地沉積在基底的樣品區(qū)。將能量傳遞給樣品，以便檢測樣品流體的能量特性，從而提供準確的樣品滲透壓測定值。所傳遞的能量可包括電能。例如，將基底電極隔開，以便等分大小的樣品體積能夠橋接至少兩個電極。通過電極的電能可用來測定導電率并由此提供滲透壓測定值。所傳遞的能量可包括光能。例如，用發(fā)光離子敏感的化學物質(zhì)涂布納米大小的球。當將這些球暴露到淚膜樣品中并用光能例如激光激發(fā)時，這些球?qū)l(fā)光，從而所發(fā)的光與樣品的滲透壓相關。所傳遞的能量可包括熱能。持續(xù)冷卻樣品導致樣品由于凍結(jié)而導電率下降，從而使得所測得的冰點與樣品的滲透壓相關。
一種用于測定樣品流體滲透壓的滲透壓傳感器系統(tǒng)包括樣品流體接收裝置和數(shù)據(jù)傳輸平臺。樣品流體接收裝置諸如利用半導體制造技術來生產(chǎn)。微處理器制造技術使得接收裝置象一組印制在微芯片級的電極那樣簡單，或者象能夠在樣品流體接收部件上測定動力學的邏輯使能微處理器那樣復雜。微制造技術還能夠直接在樣品流體接收裝置上進行溫度探測和溫度控制。數(shù)據(jù)傳輸平臺從樣品流體接收裝置接收輸出信號，并通過LCD或等效顯示機構向用戶解釋和顯示作為樣品流體滲透壓的這個信息。
從下面對優(yōu)選實施例的描述中應該明顯看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，該描述以舉例的方式闡述了本發(fā)明的原理。


圖1示出了用于測定樣品流體滲透壓的等分大小的樣品接收芯片。
圖2示出了樣品接收芯片的一個替換型實施例，其包括具有用光刻技術印制的電極陣列的電路區(qū)域。
圖3示出了圖1芯片的另一替換型實施例，其中電路區(qū)域包括布置成多個同心圓形式的印制電極。
圖4是圖2所示芯片的頂視圖。
圖5是圖3所示芯片的頂視圖。
圖6是按照本發(fā)明構建的滲透壓測定系統(tǒng)的方框圖。
圖7是按照本發(fā)明構建的淚膜滲透壓測定系統(tǒng)的透視圖。
圖8是表示出外封裝上的開口的樣品收集芯片的側(cè)剖面圖。
圖9是表示樣品流體的鈉濃度與電導率關系的校正曲線。
圖10示出了采用圖1-5所述樣品接收芯片的滲透壓力計的鉸鏈式底座單元。
圖11示出了樣品接收芯片和處理單元的探針板構造。
圖12示出了按照本發(fā)明構建的光學滲透壓測定系統(tǒng)。
圖13是描述按照本發(fā)明的示范性滲透壓測定技術的流程圖。
具體實施例方式
以下描述用于測定等分體積的樣品流體(例如淚膜、汗液、血液和其它流體)滲透壓的示范性實施例。這些示范性實施例的構建相當快速、非侵入式的、廉價且容易使用，而且對病人造成的損害危險最小。用象納升體積那么小的樣品流體就能夠獲得準確的測定值。例如，按照本發(fā)明構建的測定裝置能夠用不超過20μL的樣品流體實現(xiàn)滲透壓的測定，并且一般能夠成功地測定小得多的樣品體積。在下面進一步描述的一個實施例中，滲透壓測定的準確度不受所收集的樣品流體體積差異的影響，因此滲透壓的測定基本上與所收集的樣品體積無關。樣品流體可包括淚膜、汗液、血液或其它流體。然而，應該注意，樣品流體還可包括其它流體例如奶液或其它飲料。
圖1示出了能夠用來測定樣品流體102(例如淚膜樣品)滲透壓的滲透壓芯片100的一個示范性實施例。在圖1的實施例中，芯片100包括具有樣品區(qū)的基底104，樣品區(qū)具有印制在基底上的傳感器電極108，109和電路連接件110。電極和電路連接件優(yōu)選地利用公知的光刻技術來印制。例如，目前的技術能夠使電極108，109具有約一(1)至八十(80)微米的直徑，并且間隔得足夠?qū)?，從而在樣品流體缺乏時不存在導電路徑。然而，目前有用的技術能夠提供小于1微米直徑的電極，并且這些對于按照本發(fā)明構建的電極是足夠的。測定所需的樣品量不超過從一個電極延伸到另一個電極所需的量，由此提供可操作的導電路徑。芯片100的光刻標度使得能夠在微-或納-標度水平上對等分大小的樣品進行測定。例如，用小于20μL的淚膜樣品體積就能夠獲得可靠的滲透壓測定值。典型的樣品體積小于一百納升(100nL)?？深A期，即使從患干眼病的病人也能夠非常容易地收集10nL的淚膜樣品。
芯片100的構建能夠?qū)⒛芰總鬟f給樣品流體102并且能夠檢測樣品流體的能量特性。關于這一點，可通過連接件110橫穿電極108，109施加電流源。通過探測樣品流體102的能量傳遞特性可測定樣品流體的滲透壓。能量傳遞特性可包括例如電導率，從而測定樣品流體的阻抗，如果給定通過連接件110和電極108，109傳遞到樣品中的電力(例如電流)的具體量。
如果要測定樣品流體的電導率，那么就施加約10kHz、10伏數(shù)量級的正弦信號。測定從一個電極108通過樣品流體102到達另一個電極109的電路路徑復合阻抗的實部和虛部。在感興趣的頻率，有可能大部分電信號都在復合面的實部那一半，從而歸為樣品流體的電導率。該電信號(此后稱作電導率)與樣品流體102的離子濃度直接相關，且能夠確定滲透壓。而且，如果樣品流體102的離子濃度改變，流體的電導率和滲透壓將以相應的方式改變。因此，可靠地獲得滲透壓。此外，由于阻抗值不依賴于樣品流體102的體積，因此滲透壓的測定基本上與樣品體積無關。
作為上述輸入信號的替換形式，將更復雜的信號施加到其響應有助于更徹底地估算滲透壓的樣品流體中。例如，通過在一個頻率范圍內(nèi)測定阻抗可完成校正。這些阻抗既可同時測定(經(jīng)合成波形輸入及傅里葉分解)也可依次測定。頻率-阻抗數(shù)據(jù)將提供有關樣品的信息以及樣品流體測定電路的相對性能。
圖2示出了測定樣品流體202滲透壓的樣品接收芯片200的一個替換型實施例，其中芯片包括具有樣品區(qū)206的基底層204，樣品區(qū)206包含包括電極陣列208的印制電路。在圖2所示出的實施例中，樣品區(qū)206具有用光刻技術印制的5×5電極陣列，每個電極208具有通向基底204一側(cè)的連接件210。為了圖示簡單，并不是所有圖2中的電極208都示出有連接件。這些電極將測定值提供給單獨的處理單元(將在下面進一步描述)。
圖2的電極陣列通過檢測導電電極208的延伸范圍(extent)并由此確定液滴的延伸范圍，而提供了一種測定淚滴202的大小的方式。具體地說，處理回路能夠確定正在導電的電極數(shù)目，并因此確定淚滴202所覆蓋的相鄰電極的數(shù)目。由此確定樣品流體所覆蓋的基底的平面面積。利用樣品流體的已知額定表面張力，能夠可靠地估算平面面積上樣品流體量的高度，并因此確定淚滴202的體積。
圖3示出了其上沉積有樣品流體302的樣品接收芯片300的另一個替換型實施例。芯片包括基底層304，其中樣品區(qū)域306配有以多個同心圓形式構建的電極308。以與圖2的方形陣列類似的方式，圖3的電極308的環(huán)形分布也提供了對樣品流體302體積大小的評估，因為液滴一般覆蓋樣品區(qū)302的圓形或橢圓形區(qū)域。處理回路能夠檢測正在導電的最大(最外面的)電極圓，并由此確定流體樣品覆蓋的平面面積。與前述一樣，所確定的平面面積結(jié)合樣品流體302的公知的表面張力和相應體積高度，提供了一個體積估算值。在圖3所示的實施例中，電極308能夠利用公知的光刻技術來印制，這些技術目前使電極具有一(1)至八十(80)微米的直徑。這使得亞微升的液滴基本上覆蓋電極。這些電極能夠印制在其尺寸適合接收樣品流體的區(qū)域上，流體一般覆蓋1mm2-1cm2的區(qū)域。
圖1、圖2和圖3所示的電極和連接件都能夠利用光刻技術作為具有接觸焊盤的電極印制在各自的基底層上。例如，電極可用不同的導電金屬例如鋁、鉑、鈦、鈦-鎢和其它類似材料形成。在一個實施例中，電極可形成有介電圈(rim)，以保護電極邊緣的場密度。這又能夠減小電極圈處的不穩(wěn)定電場。
芯片200和300的示范性實施例的頂視圖分別在圖4和圖5中示出。這些實施例表示出電極和連接件的詳細布局，并且表示出為了測定樣品液滴的電特性，每個電極是如何電連接的。如上所述，電極和連接件的布局可利用公知的光刻技術印制在基底100、200、300上。
圖6是按照本發(fā)明一個實施例構建的滲透壓測定系統(tǒng)600的方框圖，其表示出信息是如何被確定并用在確定樣品流體滲透壓的處理過程中的。滲透壓測定系統(tǒng)600包括測定裝置604和處理裝置606。測定裝置從收集裝置608接收一定體積的樣品流體。收集裝置可包括例如微量移液管或毛細管。收集裝置608諸如通過利用來自固定體積的微量移液管的負壓或來自毛細管的電荷吸引從病人眼表面附近抽取少量眼淚，來收集病人的樣品淚膜。
測定裝置604可包括將能量傳遞給樣品區(qū)中的流體并檢測所賦予的能量的系統(tǒng)。例如，測定裝置604可包括這樣的回路其將特定波形(例如來自函數(shù)發(fā)生器)的電能提供給包括由樣品流體橋接的兩個電極的電路。處理裝置606檢測賦予樣品流體的能量并確定滲透壓。處理裝置可包括例如包含RLC萬用表和處理器的系統(tǒng)，所述萬用表產(chǎn)生與在兩個電極之間形成導電路徑的流體電抗相關的數(shù)據(jù)，所述處理器通過表格查閱方案確定滲透壓。如果需要的話，處理裝置能夠容納在接收上述一個芯片的底座單元內(nèi)。
如上所述，足以提供滲透壓測定的樣品可含有少于20微升(μL)的流體。按照本發(fā)明的典型淚膜樣品用流體收集器例如毛細管來收集，該樣品經(jīng)常含有少于1微升的淚膜。醫(yī)務人員對微量移液管和毛細管的使用很熟悉，能夠容易地收集此處所述的小樣品量，甚至在干眼患者的情形中也如此。
將所收集的樣品流體從收集裝置608中驅(qū)逐到測定裝置604中。收集裝置通過醫(yī)務人員人工操作或通過機械引導到樣品區(qū)之上，可位于芯片基底樣品區(qū)上面。在一個實施例中，例如，將收集裝置(例如毛細管)機械引導到在底座單元上具有注模塑料孔的位置，或者匹配到一組具有精確螺桿的夾具(例如具有用于微芯片界面的針頭的微型操縱器)上。在另一個實施例中，引導器是容納毛細管并將其自動降到合適位置的計算機導向反饋控制回路。
芯片的電極和連接件測定樣品流體的能量特性例如電導率，并且能夠使所測得的特性被處理裝置606接收。樣品流體的測定能量特性包括電導率并且還包括其它參數(shù)，例如樣品復合阻抗的兩部分、輸出信號中的噪聲變化、以及由于樣品流體的耐熱而造成的測定漂移。所測得的能量特性在處理裝置606中進行處理，以提供樣品的滲透壓。在一個實施例中，處理裝置606包括能夠接受芯片并提供芯片與處理裝置606之間的電連接的底座單元。在另一個實施例中，底座單元可包括用于顯示滲透壓值的顯示單元。應該注意，處理裝置606以及尤其是底座單元可以是手持式單元。
圖7是按照本發(fā)明構建的淚膜滲透壓測定系統(tǒng)700的透視圖。在圖7所示的實施例中，示范性系統(tǒng)700包括含有芯片(例如上述的一個芯片)的測定單元701和提供合適測定輸出信號的連接器或插座底710。系統(tǒng)700通過測定樣品流體的電導率來確定滲透壓。因此，測定芯片701包括具有基底的半導體集成電路(IC)芯片，所述基底與以上結(jié)合圖1-圖5描述的芯片基底類似的結(jié)構。因此，芯片701包括具有由印制在其上的至少兩個電極限定出的樣品區(qū)的基底層(這些細節(jié)在圖7中比例小得不可見，參見圖1-圖5)?；缀蜆悠穮^(qū)以本領域技術人員公知的方式封裝在惰性封裝內(nèi)。具體地說，芯片701用常規(guī)的半導體制造技術制造在IC封裝707內(nèi)，IC封裝707包括使電信號被芯片701接收以及使輸出值被輸送到芯片外面的電連接腿708。封裝707提供使芯片的操縱更便利以及有助于減少樣品流體蒸發(fā)的外套。
圖8表示出測定芯片701配有供樣品流體702插入的外部開孔720。于是，孔720可形成在半導體封裝707中，以提供通過芯片外部到達基底804和樣品區(qū)806的路徑。收集裝置(例如微量移液管或毛細管)808位于孔720內(nèi)，從而樣品流體702從收集裝置被直接驅(qū)逐到基底804的樣品區(qū)806上?？?20的大小適合接收收集裝置的尖端?？?20形成從芯片外部通到基底804的樣品區(qū)806上的開口或漏斗。以這種方式，將樣品流體702從收集裝置808中驅(qū)逐并直接沉積在基底804的樣品區(qū)806上。樣品區(qū)的大小適合接收來自收集裝置的樣品流體量。在圖8中，例如，電極形成一般面積在約1mm2-1cm2范圍內(nèi)的樣品區(qū)806。
翻回到圖7，芯片701可包括處理回路704，此回路包括諸如產(chǎn)生被施加到芯片樣品區(qū)電極上的所需波形信號的函數(shù)發(fā)生器和測定從芯片電極讀取的方均根(RMS)電壓值的電壓測定裝置。函數(shù)發(fā)生器能夠產(chǎn)生高頻交流電流(AC)，以避免不需要的直流電流(DC)對測定過程的影響。電壓測定裝置能夠合并RLC測定裝置的功能性。因此，芯片701能夠?qū)y定回路和樣品區(qū)電極合并。處理回路可包括中心處理單元(CPU)以及能夠存儲編程指令(例如固件)并且還能夠存儲數(shù)據(jù)的相關存儲器。以這種方式，單個芯片可包括電極和用于樣品區(qū)的相關連接件，并且在芯片的一個單獨區(qū)域上，還可包括測定回路。該構造將使電路結(jié)構的相關雜散電阻最小。
正如以上所注意的，處理回路704將信號波形施加到樣品區(qū)電極上。處理回路還從電極接收能量特性信號并確定樣品流體的滲透壓值。例如，處理單元從一組電極對接收電導率值。本領域的技術人員對用于確定在兩個或更多電極之間形成傳導路徑的樣品流體傳導率的技術和回路是熟悉的。
在圖7的實施例中，處理單元704產(chǎn)生頻率例如100kHz和峰-峰為10伏的信號波形。處理單元704然后利用校正曲線(例如圖9所示的曲線)由與電導率相關的鈉含量來確定滲透壓值。在這種情形中，校正曲線是作為電導率(電壓)與滲透壓值(即鈉含量)之間的傳遞函數(shù)來構建的。然而，應該注意，也可構建其它校正曲線，以提供其它能量特性與滲透壓值之間的傳遞函數(shù)。例如，信號的偏差、自相關和漂移可包括在滲透壓的計算中。如果需要的話，還可根據(jù)多變量相關系數(shù)表或神經(jīng)網(wǎng)絡解釋建立滲透壓值，以便用一任意大組所測變量來優(yōu)化滲透壓值。
在圖7實施例的一個替換形式中，處理單元704產(chǎn)生預定掃頻的信號波形例如以1kHz的增量從1kHz至100kHz，并儲存在每個頻率下從該組電極對接收的傳導率和方差值。然后利用輸出信號-頻率曲線提供有關樣品的更高級信息，該信息能夠與前述的傳遞函數(shù)一起使用以產(chǎn)生理想的滲透壓讀數(shù)。
如圖7所示，插座連接器710將芯片701管腳708接收到相應的插座711內(nèi)。連接器710例如能夠?qū)⑺桦娏┙o芯片的處理回路704和電極。這樣，芯片701可包括確定滲透壓所必需的樣品區(qū)電極和信號發(fā)生器以及處理回路，并且包括滲透壓值的輸出信號可經(jīng)管腳708通過連接器710從芯片傳輸?shù)斤@示讀出器。
如果需要的話，連接器插座710可包括位于接收芯片701的管腳708的插座下面的帕貼耳(Peltier)層712。本領域的技術人員將理解，帕貼耳(Peltier)層包括電/陶瓷結(jié)，以便適當施加的電流能夠冷卻或加熱帕貼耳層。以這種方式，能夠加熱或冷卻樣品芯片701，由此進一步控制樣品流體的蒸發(fā)。應該明顯看出，應該細心控制樣品流體的蒸發(fā)，以保證從樣品流體獲得準確的滲透壓值。
圖10示出滲透壓力計的另一個實施例，其中芯片不包括諸如以上所述的芯片級處理單元，但是包括主要含有樣品區(qū)電極和互連件的限制回路。也就是說，處理單元與芯片分開定位并且配備在底座單元內(nèi)。
圖10詳細示出滲透壓力計1000，其包括容納底座連接器710的底座單元1004和封閉在底座連接器710和被接收的測定芯片701之上的鉸鏈式蓋子1006。因此，在樣品流體分配到芯片級之后，將芯片插入底座單元1004的底座連接器710內(nèi)，而鉸鏈式蓋子1006封閉在芯片之上以減小樣品流體的蒸發(fā)速率。
應該注意，樣品流體相當快速蒸發(fā)的問題能夠用兩種方式之一來處理。一種方式是，在將液滴放到芯片的樣品區(qū)之后盡可能快速地測定樣品流體的電壓。另一種方式是，使測定單元能夠隨同電導率值的相應變化一起測定蒸發(fā)速率。處理單元然后可對輸出信號進行后處理，以評估滲透壓值。該處理可用硬件或存儲在硬件中的軟件來執(zhí)行。這樣，處理單元能夠合并不同的處理技術諸如利用神經(jīng)網(wǎng)絡收集和研究接受滲透壓測定的流體樣品特征，以及溫度差異、體積變化和其它參數(shù)，以便按照神經(jīng)網(wǎng)絡技術訓練系統(tǒng)，從而實施更快速和更準確的滲透壓測定。
圖11示出另一替換型構造，其中滲透壓系統(tǒng)采用不包括IC封裝(例如圖7所示)的樣品接收芯片1102。反之，圖11的測定芯片1102被構造成具有暴露樣品區(qū)的芯片，所述樣品區(qū)包括電極和相關連接件，但是處理回路位于底座單元內(nèi)，用于測定樣品流體的能量特性。在這種替換型構造中，與連接器插座710類似的連接器使所測得的能量特性傳輸?shù)降鬃鶈卧獌?nèi)的處理單元中。本領域的技術人員將理解，這樣的構造通稱為探針板結(jié)構。
圖11示出接收樣品芯片探針板1102的探針板底座單元1100，所述探針板1102包括具有樣品區(qū)1106的基底1104，樣品區(qū)1106上形成有與探針板的邊緣連接器1110引線接合的電極1108。當?shù)鬃鶈卧你q鏈式蓋子1112向下封閉到探針板之上時，蓋子下側(cè)上的連接齒11 14就開始與邊緣連接器1110匹配接觸。以這種方式，樣品區(qū)1106的電極被耦合到處理回路中并發(fā)生測定。圖11的探針板實施例的處理回路可構建成上述任一種結(jié)構。也就是說，將電流施加給電極的處理和檢測樣品流體能量特性的處理以及確定滲透壓的處理可位于芯片級、探針板1102的基底上，或者處理回路在底座單元1100內(nèi)與芯片分開定位。
在上述所用的替換型實施例中，通過將新的測定芯片放入底座單元內(nèi)來使用滲透壓力計，同時打開鉸鏈式頂部。芯片放入底座單元內(nèi)后，就通電并開始監(jiān)測其周圍環(huán)境。以諸如1kHz的速率記錄來自芯片的輸出信號將充分捕獲系統(tǒng)的行為。將樣品放入電極陣列的任何部分都導致由樣品流體覆蓋的任何電極對之間的傳導率中的高信號-噪聲增大。處理單元將認可與樣品流體的加入直接相關的傳導率變化，并且一旦此變化被識別，就開始將電信號轉(zhuǎn)換成滲透壓數(shù)據(jù)。這種策略在沒有醫(yī)務人員介入的情況下就能發(fā)生。也就是說，芯片處理在與底座單元耦合后就被啟動，而并不依賴于底座單元蓋的操作或任何其它使用者的介入。
對于上述任一構造，在封裝芯片(圖7和圖10)或者在探針板(圖11)中，無論是具有芯片級處理回路的“智能芯片(smart chip)”(圖7)，還是具有芯片外處理回路的純電極(electrode-only)構造(圖10)，樣品接收芯片都能夠在每次使用之后棄掉，因此底座單元可用作與一次性測定芯片交界的平臺。值得注意的是，底座單元還可包括相關的控制、通信和顯示電路(未示出)以及軟件，或者這些特征在底座單元內(nèi)與芯片分開配備。關于這一點，處理回路可構建成將足夠的電力自動提供給樣品區(qū)電極，以便在測定循環(huán)之后將電極不可逆地氧化，從而這些電極對于后面任何測定循環(huán)都表現(xiàn)為無效。用戶在將用過的芯片插入底座單元之后，將收到電極無效的指示。這有助于避免樣品芯片被無意地多次使用而導致滲透壓讀數(shù)不準確和潛在的不衛(wèi)生狀況。
確保以前用過的芯片不被放回到機器內(nèi)的第二種方法包括編碼序號或者在芯片級直接編碼。底座單元將在存儲器內(nèi)儲存用過的芯片號碼并將其與放在底座連接器內(nèi)的新芯片前后對照。如果底座單元發(fā)現(xiàn)所用芯片的序號與舊芯片一樣，則系統(tǒng)就拒絕測定滲透壓直到插入新的芯片為止。重要的是，確保每次實驗使用新的芯片，因為蒸發(fā)結(jié)束之后蛋白質(zhì)就吸附并在電極上形成鹽結(jié)晶，從而腐蝕測定電極的完整。
在圖12所示的進一步實施例中，利用放置在芯片基底1204的測定區(qū)1212上的光學指示器1202，可以在光學測定系統(tǒng)1200中測定樣品流體的滲透壓。光學指示器1202可包括例如納級小球，也稱作納米珠，其涂有熒光度隨暴露給不同滲透壓的樣品流體(即離子電泳)改變的化學物質(zhì)。納米珠1202可沉積在上述用于傳導率測定芯片的電極頂部的芯片基底1204上。電極對于確定樣品流體的體積是有用的(如上所述)。然而，其它體積測定部件也可用來確定樣品流體的體積。優(yōu)選地，光學芯片帶有諸如以上結(jié)合圖7所述的惰性封裝，其包括可插入收集裝置尖端的芯片開孔。然后將樣品流體從收集裝置驅(qū)逐出來，并且樣品流體開始接觸每個電極部位的預定數(shù)目的納米珠，從而這些珠浸漬到樣品流體中。
當納米珠1202用光學能源(例如激光)1210照亮時，珠1202就根據(jù)樣品流體1206的滲透壓發(fā)出熒光。利用合適的光學檢測器光接收裝置1208(例如常規(guī)的電荷耦合器件(CCD)陣列、光電二極管等)，可檢測熒光。所得到的光接收陣列的輸出信號可指示出樣品流體的滲透壓值。應該注意，納級珠的尺寸使得等分大小的流體樣品1206(即，不超過20微升的流體)一般產(chǎn)生足夠的熒光，以提供能夠被光接收裝置1208所檢測并且能夠指示出樣品流體滲透壓的輸出信號。通過計算有多少納米珠被流體激活、通過測定哪一電極對被樣品流體激活，能夠歸一化熒光量。該歸一化考慮到樣品的體積并使以前實施例的不依賴體積的特性保留下來。
圖13是描述按照本發(fā)明的示范性滲透壓測定技術的流程圖。在框1300，收集體液樣品例如淚膜。樣品一般不超過1微升。在框1302，所收集的樣品沉積在芯片基底的樣品區(qū)上。其次在框1304，測定樣品的能量特性。然后在框1306處理所測得的能量特性，以確定樣品的滲透壓。如果芯片按照電導率測定來操作，那么在框1306的測定處理可包括上述使芯片電極對于任何后序的測定循環(huán)都無效的“電極氧化”操作。
在傳導率測定系統(tǒng)的測定過程中，在將樣品淚膜放到基底的電極陣列上之后，從開放電路的電壓到近乎代表收集時刻樣品狀態(tài)的值，可觀察到基本上瞬時的漂移。隨后，樣品電導率的漂移被反映為輸出信號的持續(xù)變化。
測定芯片的輸出值可以是能夠轉(zhuǎn)換成滲透壓值的隨時間變化的電壓。這樣，在基于傳遞率的系統(tǒng)中，通過測定大范圍輸入信號上的頻率響應可獲得比樣品“電導率”多的信息，從而改進了最后階段的處理。例如，在多個頻率上進行校正(諸如，測定10、20、30、40、50、100Hz處的信號比)，以使測定處理相對計算。這使得芯片-芯片電壓的漂移較小?；谖⒘侩姌O測定(即在pH計或微毛細管技術中)的標準方法依賴于已知的緩沖劑，以便建立線性校正曲線。由于光刻是極其可重復的制造技術，因此在與掃頻結(jié)合時，可實施校正，而無需操作者介入。
如上所述，能量特性的處理可在神經(jīng)網(wǎng)絡構造中執(zhí)行，其中從能量特性獲得的表面上全異的被測數(shù)據(jù)點可用來提供比來自單個能量特性測定更準確的滲透壓。例如，如果僅僅測定樣品的電導率，那么校正曲線可用來簡單地獲得對應于傳遞率的滲透壓值。然而，此滲透壓值通常不如神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出值那樣準確。
神經(jīng)網(wǎng)絡可設計成在反映樣品流體能量特性與滲透壓之間基本上優(yōu)化的傳遞函數(shù)的校正曲線的集合上進行操作。因此，在一個實施例中，神經(jīng)網(wǎng)絡構建所用感興趣變量(例如電壓、蒸發(fā)速率和體積變化)的校正曲線集合。神經(jīng)網(wǎng)絡還可構建或接收將重要因子指派給每個變量以顯示變量對于最終結(jié)果或滲透壓值的重要性的優(yōu)先表作為輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡通過對最終結(jié)果被稱作優(yōu)先值(priori)的實數(shù)例進行訓練，來構建校正曲線。因此，將訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，以便從變量的最佳可能組合預測最終結(jié)果。然后，處理有效組合中的變量的這種神經(jīng)網(wǎng)絡構造被裝載到寄存在測定芯片710或底座單元中的處理單元內(nèi)。神經(jīng)網(wǎng)絡一旦被訓練，就能夠構建在軟件或硬件中。
雖然上述用于測定滲透壓的實施例提供了比常規(guī)滲透壓測定技術(冰點下降技術)更多的優(yōu)點，但是本發(fā)明的教導可用來按照冰點下降技術確定樣品的滲透壓。因此，圖6的示范性滲透壓測定系統(tǒng)600可用來基于冰點下降技術提供滲透壓值。
冰點下降系統(tǒng)涉及到以與圖13所示流程圖框1300和1302中類似的方式收集和沉積樣品流體。然而，正如以上所注意的，滲透壓力計系統(tǒng)的滲透壓力計可包括冷卻裝置例如帕貼耳冷卻裝置。在上述圖7的實施例中，帕貼耳冷卻裝置位于插座710或芯片701(參見圖7)上，以冷卻樣品。如果需要的話，帕貼耳冷卻裝置可用來將樣品流體冷卻到樣品流體的冰點。光刻的金屬結(jié)或pn結(jié)(稱作熱電耦)可用來監(jiān)測等分量的樣品。熱電耦以與電極陣列及帕貼耳冷卻裝置平行的方式來操作，其中芯片被冷卻到冰點以下，從而樣品變成固體。固化之后，樣品的電導率將急劇改變。由于熱電耦繼續(xù)測定溫度，因此傳導率被抑制的那一點與下降的冰點相關?；蛘呤?，芯片在樣品引入之前用帕貼耳裝置立即超冷卻，然后通過利用電極固有的耐熱性，電流可沿固相材料流過。熔化之后，傳導率又急劇改變。在第二種測定技術中，很可能蒸發(fā)將幾乎不是一個影響因素。因此，本發(fā)明允許對比以前盡可能小得多的樣品流體體積實施冰點下降。
以上就示范性實施例而言描述了本發(fā)明，從而傳達了對本發(fā)明的理解。此處作為“示范例”描述的任何實施例都不必解釋成比其它實施例更優(yōu)選或優(yōu)越。而且，有許多本文沒有具體描述但可與本發(fā)明一起應用的滲透壓力計及相關部件構造。本發(fā)明因此不應該限定于本文所述的特定實施例，而是應該懂得，本發(fā)明關于淚膜滲透壓測定法通常具有廣泛的應用。因此，所附權利要求書范圍內(nèi)的所有修改、變型或等同布置和執(zhí)行方案都認為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種樣品接收芯片，包括接收等分體積樣品流體的基底；所述基底的樣品區(qū)，其大小使得樣品流體的量足以可操作地覆蓋樣品區(qū)的一部分，而從樣品區(qū)中檢測樣品流體的能量特性，以產(chǎn)生樣品流體讀數(shù)，其中樣品流體讀數(shù)表示出樣品流體的滲透壓。
2.如權利要求1所述的芯片，其特征在于所述樣品區(qū)包括多個設置成與樣品接觸的電極。
3.如權利要求2所述的芯片，其特征在于將所述多個電極布置成行列矩陣。
4.如權利要求2所述的芯片，其特征在于將所述多個電極布置成多個同心圓。
5.如權利要求2所述的芯片，其特征在于還包括多個與所述多個電極耦合的導電連接線，其中所述導電連接線提供用于將能量傳遞到樣品流體以及從樣品流體傳出的方式。
6.如權利要求5所述的芯片，其特征在于進一步包括處理單元，其構造成適合從所述多個導電連接線接收樣品流體的能量特性，其中所述處理單元處理所接收的能量特性并輸出樣品流體的滲透壓。
7.如權利要求6所述的芯片，其特征在于所述處理單元包括神經(jīng)網(wǎng)絡，所述網(wǎng)絡被訓練成有效組合所接收的樣品流體的能量特性。
8.如權利要求1所述的芯片，其特征在于所述基底上樣品區(qū)的面積小于約1cm2。
9.如權利要求1所述的芯片，其特征在于進一步包括與所述基底相聯(lián)的溫度控制部分。
10.如權利要求9所述的芯片，其特征在于所述溫度控制部件包括帕貼耳冷卻裝置。
11.如權利要求1所述的芯片，其特征在于所述區(qū)域包括多個設置成與樣品接觸的光學指示器。
12.如權利要求11所述的芯片，其特征在于所述多個光學指示器包括多個納米級珠，所述珠涂有熒光度隨不同滲透壓改變的化學物質(zhì)。
13.如權利要求1所述的芯片，其特征在于所述樣品流體包括體液。
14.如權利要求13所述的芯片，其特征在于所述體液是淚膜。
15.如權利要求1所述的芯片，其特征在于所述樣品流體包括飲料。
16.一種用于測定樣品流體滲透壓的滲透壓測定系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括包括樣品接收芯片的測定裝置，所述芯片包括具有樣品區(qū)的基底，所述樣品區(qū)被構造成與樣品流體接觸，以測定樣品流體的能量特性，其中所述區(qū)域的大小基本上被等分量的樣品流體所覆蓋；以及與所述測定裝置耦合的處理裝置，所述處理裝置被構造成接收和處理所測得的能量特性，并由所處理的能量特性估算樣品流體的滲透壓。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理裝置包括被構造成用于封裝所述測定裝置的底座單元。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述底座單元包括適合基本上減少樣品流體從基底蒸發(fā)的蓋子。
19.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基底被封裝在集成電路(IC)芯片中。
20.如權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述IC芯片是一次性的，從而所述芯片在用于固定次數(shù)的測定之后就棄掉。
21.如權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述底座單元包括用于接收IC芯片的插座。
22.如權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述IC芯片包括位于所述基底的所述區(qū)域之上的開口，以確保將樣品流體引到所述基底上。
23.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述底座單元包括用于顯示滲透壓值的顯示單元。
24.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括收集裝置，其被構造成用于收集適量的樣品流體并將樣品流體分配到所述基底的所述區(qū)域上。
25.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基底包括電導率測定電路。
26.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述測定裝置包括多個電極。
27.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電極是用鋁材料形成的。
28.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電極是用鉑材料形成的。
29.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電極是用鈦材料形成的。
30.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電極是用鈦-鎢材料形成的。
31.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于每個電極都包括用于保護電極邊緣的場密度的介電圈。
32.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述測定裝置還包括芯片級溫度傳感器。
33.如權利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于所述芯片級溫度傳感器包括被構造成與所述多個電極一起工作的pn結(jié)或涂金屬的熱電耦，
34.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述測定裝置包括多個暴露于不同滲透壓的樣品流體中時就發(fā)熒光的納米級小球。
35.如權利要求34所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括被構造成用光能照射所述納米級小球的光源。
36.如權利要求35所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括被構造成用于從所述被照射的納米級小球接收光能的光學檢測器，其中所述光能隨著滲透壓改變。
37.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基底包括探針板。
38.如權利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于所述探針板包括多個電極以及與所述電極引線接合的多個邊緣連接器。
39如權利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理裝置包括具有鉸鏈式蓋的底座單元。
40.如權利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于所述鉸鏈式蓋包括一個開口和多個位于所述開口內(nèi)的連接齒，從而所述連接齒被構造成在所述鉸鏈式蓋向下閉合到所述探針板之上時，就與所述探針板的所述邊緣連接器匹配接觸。
41.一種用于測定樣品流體滲透壓的光學測定系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括包括適合接收樣品流體的基底的樣品接收芯片，其中所述基底包括尺寸適合被等分量的樣品流體可操作地覆蓋的樣品區(qū)；照射含有樣品流體的所述樣品區(qū)的光能量源；以及光學檢測器，所述檢測器從所述被照射的樣品區(qū)接收光能并處理所接收的光能，以確定樣品流體的光學特性并估算樣品流體的滲透壓。
42.如權利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括用于確定樣品流體的等分體積的體積測定部件。
43.如權利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于所述體積測定部件包括多個電極。
44.如權利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括位于測定區(qū)上的多個納米級小球，所述納米級小球涂有熒光度隨著暴露于不同滲透壓的樣品流體中而改變的化學物質(zhì)。
45.如權利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光源包括激光。
46.如權利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光學檢測器包括電荷耦合器件(CCD)。
47.如權利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光學檢測器包括光電二極管。
48.一種用于確定樣品流體的滲透壓值的方法，包括將等分體積的樣品流體沉積在基底的樣品區(qū)上；測定樣品流體的能量特性；以及處理所測得的能量特性以提供樣品流體的滲透壓值。
49.如權利要求48所述的方法，其特征在于測定能量特性的步驟包括測定樣品流體的電導率。
50.如權利要求48所述的方法，其特征在于還包括收集適量的樣品流體。
51.如權利要求50所述的方法，其特征在于所述適量的樣品流體不超過20微升。
52.如權利要求48所述的方法，其特征在于所述測定能量特性的步驟包括在基底區(qū)上提供多個電極；以及使樣品流體與所述多個電極接觸。
53.如權利要求52所述的方法，其特征在于還包括通過所述多個電極將電流施加給樣品流體。
54.如權利要求53所述的方法，其特征在于所述施加電流的步驟包括將電流有選擇地施加給不同組的電極對，以確定樣品流體的物理延伸范圍。
55.如權利要求53所述的方法，其特征在于處理步驟包括將足夠的電流施加給所述多個電極，以使其相對于后序的測定循環(huán)是無效的。
56.如權利要求48所述的方法，其特征在于處理所測得的能量特性的步驟包括構建神經(jīng)網(wǎng)絡，所述網(wǎng)絡對由所測能量特性得出的感興趣的經(jīng)驗確定變量集合進行訓練，以便所述神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構能夠從感興趣變量的最有效組合中最佳預測滲透壓值。
57.如權利要求48所述的方法，其特征在于所述測定能量特性的步驟不依賴于沉積在基底樣品區(qū)上的樣品流體的體積。
58.如權利要求48所述的方法，其特征在于所述測定能量特性的步驟包括在基底的樣品區(qū)上提供光學納米球，所述球涂有根據(jù)滲透壓來發(fā)熒光的材料；用能源照射所述納米球；以及用光接收裝置檢測樣品流體中的納米球的熒光度。
59.如權利要求48所述的方法，其特征在于所述測定能量特性的步驟包括使所述基底和樣品區(qū)具有適當?shù)臒崮?，以便固化樣品流體；檢測樣品流體電導率與由于施加能量而導致的上述凍結(jié)相關地發(fā)生改變時的溫度。
全文摘要
通過將大小等分的樣品沉積在樣品接收基底上，而實現(xiàn)樣品流體例如淚膜的滲透壓測定。將樣品流體放在基底的樣品區(qū)上。將能量賦予樣品流體并檢測流體的能量特性，以產(chǎn)生指示樣品流體滲透壓的樣品流體讀數(shù)。等分體積可包括例如不超過20微升(μL)的體積。甚至從干眼病患者也能夠快速容易地獲得等分的樣品體積。所賦予的能量可包括電能、光能或熱能。在電能的情形中，樣品流體的能量特性可包括電導率。在光能的情形中，能量特性可包括熒光。在熱能的情形中，所測定的特性是樣品流體的冰點。諸如通過采用半導體制造技術將基底封裝在芯片中。采用這種芯片的體外滲透壓傳感器系統(tǒng)能夠檢測來自樣品區(qū)的能量并提供準確的滲透壓測定值，而無需使用者的介入。
文檔編號G01N27/02GK1675532SQ03819011
公開日2005年9月28日 申請日期2003年3月25日 優(yōu)先權日2002年8月6日
發(fā)明者本杰明·D·沙利文 申請人:加利福尼亞大學董事會