(57)【要約】  浸透圧モル濃度測定システムは、電気的プロファイル内の不正信号を計上するナノリットルの流体の電気的プロファイル内のパターンを認識する能力を含む。これらの不正信号は、電極に亘る供給又は蒸発後の試料流体の機械的緩和によって主として引き起こされる。
2007530953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試料の浸透圧モル濃度を決定する方法であって、
前記流体試料のための試料データを生成するステップと、
該試料データ中の過渡効果を計上するステップと、
前記過渡効果が計上されるや否や、前記流体試料のための初期配置地点と関連する値を決定するステップと、
前記流体試料のための浸透圧モル濃度測定値を得るために決定された値を使用するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記試料データが生成された後に前記初期配置地点を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記初期配置地点に関連する前記値を決定する前に蒸発効果を計上するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記浸透圧モル濃度測定値を得るために決定された値を使用するステップは、前記決定された値から基線値を減算するステップと、前記浸透圧モル濃度測定値を決定するために結果として得られる相違値を使用するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記浸透圧モル濃度測定値を得るステップは、較正曲線に基づく浸透圧モル濃度値を調べるために前記結果として得られる相違値を使用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記浸透圧モル濃度測定値を決定するステップは、中立ネットワークを用いて遂行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記浸透圧モル濃度測定値を決定するステップは、埋設回路を用いて遂行される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記初期配置地点と関連する値を決定するステップは、前記過渡効果が計上されるや否や曲線を前記試料データの一部に適合するステップと、前記曲線を用いて前記値を外挿するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記曲線を試料データの一部に適合するステップは、線形回帰を遂行するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記過渡効果は、前記流体試料の機械的緩和に起因する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記機械的緩和を計上するステップは、
前記流体試料の導入後に前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップと、
前記流体試料の導入後に前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数の決定に基づき、前記試料データの一部に曲線を適合するステップとを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップは、定数の試料を使用するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップは、前記試料データが前記試料データに基づき定常状態に安定する地点を決定するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記試料データが定常状態に安定する地点を決定するステップは、前記試料データの振幅が最大値の２％未満に落ちる地点を決定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記信号波形が定常状態に安定する地点を決定するステップは、中立ネットワークを用いて遂行される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記初期配置地点を決定するステップは、前記信号波形の微分を取るステップと、該微分がその最大である前記試料を見い出すステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
流体試料の浸透圧モル濃度を決定する方法であって、
前記流体試料のための試料データを生成するステップと、
該試料データ内の過渡効果を計上するステップと、
初期配置地点と関連する値を決定する前に蒸発効果を計上するステップと、
前記過渡効果及び前記蒸発効果が計上されるや否や、前記流体試料のための初期配置地点と関連する値を決定するステップと、
前記流体試料のための浸透圧モル濃度測定値を得るために前記決定された値を使用するステップとを含む方法。
【請求項１８】
前記試料データが生成された後に前記初期配置地点を決定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記浸透圧モル濃度測定値を得るために決定された値を使用するステップは、前記決定された値から基線値を減算するステップと、前記浸透圧モル濃度測定値を決定するために結果として得られる相違値を使用するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記浸透圧モル濃度測定値を得るステップは、較正曲線に基づく浸透圧モル濃度値を調べるために前記結果として得られる相違値を使用するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記初期配置地点に関連する値を決定するステップは、前記過渡効果及び前記蒸発効果が計上されるや否や、曲線を前記試料データの一部に適合するステップと、前記曲線を用いて前記値を外挿するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記曲線を試料データの一部に適合するステップは、線形回帰を遂行するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記過渡効果は、前記流体試料の機械的緩和に起因する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記機械的緩和を計上するステップは、
前記流体試料の導入後に前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップと、
前記流体試料の導入後に前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数の決定に基づき、前記試料データの一部に曲線を適合するステップとを含む、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップは、固定数の試料を使用するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定するステップは、前記試料データに基づき、前記試料データが定常状態に安定する地点を決定するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記試料データが定常状態に安定する地点を決定するステップは、前記試料データの振幅が最大値の２％未満に落ちる地点を決定するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記初期配置地点を決定するステップは、前記信号波形の微分を取るステップと、該微分がその最大にある前記試料を見い出すステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
流体試料を受け取り、且つ、該流体試料のための試料データを生成するよう構成された測定装置と、
該測定装置と結合された処理装置とを含み、
該処理装置は、前記試料データ中の過渡効果を計上し、該過渡効果が計上されるや否や、前記流体試料のための初期配置地点と関連する値を決定し、且つ、前記流体試料のための浸透圧モル濃度測定値を得るために、前記決定された値を使用するよう構成される、
浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３０】
前記測定装置は、試料受容チップを受け取るよう構成され、該試料受容チップは、アリコート容量の流体試料を受け取る基板と、該基板の試料領域とを含み、該試料領域は、前記流体試料の前記容量が、前記試料領域の一部を動作的に被覆するのに十分な大きさとされ、前記流体試料のエネルギー特性は、前記試料データを生成するために、前記試料領域から検出され得る、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３１】
前記処理装置は、前記試料データが生成された後の試料データに基いて前記初期配置地点を決定するようさらに構成される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３２】
前記処理装置は、前記初期配置地点と関連する値を決定する前に蒸発効果を計上するようさらに構成される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３３】
前記プロセッサは、前記決定された値から基線値を減算することによって、並びに、浸透圧モル濃度測定値を決定するよう、結果として生じる相違値を使用することによって浸透圧モル濃度測定値を得るために、前記決定された値を使用するよう構成される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３４】
前記浸透圧モル濃度測定値を得るステップは、較正曲線に基づく浸透圧モル濃度値を調べるために、前記結果として生じる相違を使用するステップを含む、請求項３３に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３５】
前記処理装置に結合されたメモリをさらに含み、該メモリは前記較正曲線値を記憶するよう構成される、請求項３３に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３６】
前記処理装置は、中立ネットワークを含む、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３７】
前記処理装置は、前記初期配置地点に関連する値を決定するよう構成され、該値は、前記過渡効果が計上されるや否や、曲線を前記試料データの一部に適合することによって、並びに、前記曲線を用いて前記値を外挿することによって決定される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３８】
前記曲線を試料データの一部に適合するステップは、線形回帰を遂行するステップを含む、請求項３７に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項３９】
前記過渡効果は、前記流体試料の機械的緩和に起因し、前記処理装置は、前記流体試料が導入された後に前記試料データが定常状態に達するために取る前記試料の数を決定することによって、並びに、前記流体試料が導入された後、前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数の決定に基づき、曲線を前記試料データの一部に適合することによって前記機械的緩和を計上するよう構成される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項４０】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定することは、定数の試料を使用することを含む、請求項３９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項４１】
前記試料データが定常状態に達するために取る試料の数を決定することは、前記試料データが前記試料データに基づき定常状態に安定する地点を決定することを含む、請求項３９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項４２】
前記試料データが定常状態に安定する地点を決定することは、前記試料データの振幅が最大値の２％未満に落ちる地点を決定することを含む、請求項４１に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【請求項４３】
前記処理装置は、信号波形の微分を取ることによって、並びに、該微分がその最大にある前記試料を見い出すことによって、前記初期配置地点を決定するよう構成される、請求項２９に記載の浸透圧モル濃度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の情報）
本出願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９条の下で２００２年８月６日に出願された米国仮特許出願第６０／４０１，４３２号の優先権を主張する、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１２０条の下の一部継続出願として２００３年３月２５日に出願された「涙液膜浸透圧計」と題する関連する米国特許出願番号第１０／４００，６１７号の優先権を主張する。本出願は、２００４年２月３日に出願された「浸透圧モル濃度測定装置を較正するシステム及び方法」と題する米国特許出願第１０／７７２，０８４号、２００３年１１月１９日に出願された「涙液膜浸透圧モル濃度を測定するシステム及び方法」と題する米国特許出願第１０／７１８，４９８号、２００４年３月１２日に出願された「試料流体を受容基板に供給するためのシステム及び方法」と題する米国特許出願第１０／８００，３９８号、及び、２００４年３月１２日に出願された「累液膜浸透圧モル濃度データを収集し且つ分析するためのシステム及び方法」と題する米国特許出願第１０／８００，３９２号にも関し、それらの全文を参照として本発明に引用する。
【０００２】
本発明は、概して、流体の浸透圧モル濃度を測定する方法に関し、より具体的には、涙液膜の浸透圧モル濃度を測定する方法、及び、そのような測定値をより正確に得るための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
涙は、眼表面の完全性を維持すること、微生物の挑戦に対して保護すること、及び、可視的な視力を保全することにおいて本質的な役割を充足する。次いで、これらの機能は、涙液膜構造の組成及び安定性に重大に依存し、それは下に位置するムチン基礎、中間の水性成分、及び、上に位置するリピド層を含む。涙液膜の破裂、欠乏、又は、欠如は、眼にひどく影響を及ぼし得る。もし人工涙代替物又は涙液膜保存療法で扱い難いならば、これらの障害は、角膜上皮の難治の乾燥、角膜の潰瘍化及び穿孔、感染症の発生の増大、並びに、最終的に顕著な視覚的欠陥及び盲目を引き起こし得る。
【０００４】
乾燥角膜結膜炎（「ＫＣＳ」）又は「乾燥眼」は、上記に列挙された１つ又はそれよりも多くの涙液膜構造成分が不十分な容量で存在する、或いは、さもなければ他の成分と不均衡にある状態である。ＫＣＳを有する涙の流体張性又は浸透圧モル濃度が患者内で増大することは既知である。ＫＣＳは、シェーグレン症候群、老化、及び、男性ホルモン欠乏のような、身体全体の健康に影響を及ぼす状況と関連する。従って、涙液膜の浸透圧モル濃度は、ＫＣＳ及び他の条件の診断のための敏感且つ特別な表示であり得る。
【０００５】
溶液（即ち、水）中の溶質又はイオンがイオンなしならばそうであろうものからの流体凝固点の低下を引き起こす「凝固点降下」とも呼ばれる生体外技法によって、試料流体（例えば、涙）の浸透圧モル濃度を決定し得る。凝固点降下分析において、イオン化された試料流体の凝固点は、試料の量（典型的には、約数ミリリットルのオーダにある）が第一に領域（即ち、管）内で凝固し始める温度を検出することによって見い出される。凝固点を測定するために、試料流体の容量は、管のような容器内に収集される。次に、温度プローブが試料流体中に浸漬され、容器は凝固槽又はペルチエ冷却装置と接触させられる。その凝固点未満の過冷液体状態を達成するために、試料は連続的に撹拌される。機械的誘導後、試料は凝固し、熱力学の溶解熱の故に、その凝固点に上昇する。０℃からの試料凝固点の偏差は、試料流体中の溶液レベルと比例する。この種類の測定装置は、時々、浸透圧計と呼ばれる。
【０００６】
現在、凝固点降下測定は、微量ピペット又は毛状管を用いて、眼から涙試料を除去し、且つ、高められた浸透圧モル濃度に起因する凝固点の降下を測定することによって生体外で行われる。しかしながら、これらの生体外測定は、多くの困難によってしばしば悩まされる。例えば、涙試料の凝固点降下分析を行うために、比較的大きな容量が、典型的には、涙液膜の２０マイクロリットル（μＬ）のオーダで収集されなければならない。涙試料のわずか約１０〜１００ナノリットル（ｎＬ）だけをＫＣＳ患者から常に得ることができるので、従来的な生体外技法のための十分な量の流体の収集は、医者が患者内に反射流涙を引き起こすことを必要とする。反射流涙は、大片のゴミが人の眼に引っかかるときと類似して、眼表面への鋭い或いは長い刺激によって引き起こされる。反射流涙はより希釈されている、即ち、眼の上に通常発見されるよりも少ない溶剤イオンを有する。涙液膜の如何なる希釈も、乾燥眼のための浸透圧モル濃度試験の診断能力を無効にし、従って、現在利用可能な生体外方法を診療設定において禁止的にする。
【０００７】
類似の生体外技法は、十分な流体が吸収されるまで小さな円形片のフィルタ紙が患者の瞼の下に引っかけられる蒸気圧浸透圧測定法である。フィルタ紙ディスクは、封止室内に配置され、然る後、冷却された温度センサがその表面上の上記の凝縮を測定する。最終的には、温度センサは試料の露点まで上昇する。次に、水と比例する露点の減少は、浸透圧モル濃度に変換される。反射流涙の誘導、及び、既存の蒸気圧浸透圧計の存在のための大容量の要求の故に、現在それらは乾燥眼の測定のためには実用的でない。
【０００８】
（Clifton Technical Physics of Hartford, New
York, USAから入手可能な）クリフトンナノリットル浸透圧計(Clifton Nanoliter Osmometer)が、ＫＣＳ患者の溶剤濃度を定量化するために、実験室設定において広範に用いられているが、機械は動作のために著しい量の溶剤を必要とする。許容可能なデータを生成するために、それは概して１時間の長さの較正及び熟練技術者を必要とする。クリフトンナノリットル浸透圧計は嵩張り比較的高価でもある。これらの特性は医療用浸透圧計としてのその使用を重く損ねている。
【０００９】
眼表面から除去される涙試料の浸透圧モル濃度を測定する生体外技法と対称的に、眼表面上で直接的に浸透圧モル濃度を測定することを試みる生体内技法は、患者の瞼の下に直接的に配置される一対の可撓な電極を使用する。次に、それらを取り囲む流体の伝導性を決定するために、電極はＬＣＲメータにプラグ接続される。伝導性はイオン濃度、故に、溶剤の浸透圧モル濃度に直接的に関連することは長く既知であるが、センサを瞼の下に３０秒に亘って配置することは、反射流涙を誘導しがちである。さらに、これらの電極は製造が困難であり、毛管を用いて涙を単に収集するのに比べ、患者に対する健康の危険性の増大を提起する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在の浸透圧モル濃度測定技法が医療設定において利用可能でなく、乾燥眼患者のために必要な容量を得ることができないことが、上記の議論から明らかであるべきであろう。よって、不正信号(corrupting signal)の効果を除去するために調節し得る改良された診療に適し得るナノリットル尺度の精密な浸透圧モル濃度測定が必要である。本発明はこの必要を満足する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
涙液膜のような試料流体の浸透圧モル濃度測定は、基板と基板の試料領域とを有するマイクロチップ上にアリコート容量の試料流体を堆積することによって達成され、試料流体の容量は、試料流体の浸透圧モル濃度を指し示す出力信号を生成するために試料流体に分与されるエネルギーが試料領域から検出されるよう、試料領域の十分な部分を動作的に被覆する。よって、試料流体の浸透圧モル濃度測定値を試料容量の検出エネルギーから得ることができる。乾燥眼患者からさえも、アリコートサイズの試料容量を迅速且つ容易に得ることができる。アリコート容量は、例えば、わずか２０マイクロリットル（μＬ）の容量から成り得るが、１ｎＬほどに少なくあり得る。浸透圧モル濃度センサシステムは、マイクロチップ及び試料容量を受け取り得るし、正確な浸透圧モル濃度測定値を表示するために試料容量からエネルギーを検出し得る。このようにして、測定値を得るための多大の技能なしに、高度な反復性及び確度を伴って、信頼性のある浸透圧モル濃度測定値を患者への最小限度の不便さ及び不快感で得ることができる。
【００１２】
１つの特徴において、試料流体に分与されたエネルギーの検出を遂行する不正信号は、物理的現象が時間と共に試料の電気的プロファイルを支配する試料サイズのために、正確な測定値を得ることができるよう対処され且つ処理される。例えば、測定電極に亘る流体のアリコートの過渡的緩和は、浸透圧モル濃度に関する定常状態導電率から測定された電圧に対する別個の機械的効果にモデル化される。さらに、固有の空気間隙を備える流体システムの不可避的な結果である蒸発の効果を、受容基板がトップダウン配列マイクロチップで構成されるにしろ、或いは、デッドボリューム等を備えるマイクロチャネルシステムで構成されるにしろ、線形回帰及び曲線フィッティング技法を使用して計上(account for)し得る。
【００１３】
これらの及び他の特徴、機能、及び、利点は、「発明を実施するための最良の形態」と題する段落内でより完全に説明される。
【００１４】
本発明の機能、特徴、及び、実施態様は、添付の図面と共に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ここに記載されるシステム及び方法を使用して、試料流体容量を測定チップの基板試料領域上に容易に堆積し得る。次に、試料浸透圧モル濃度の正確な測定値を提供するために試料流体のエネルギー特性を検出し得るよう、エネルギーを試料流体に伝達し得る。伝達されるエネルギーは電気エネルギーを含み得る。例えば、アリコートサイズの試料容量が少なくとも２つの電極を架橋し得るよう、基板に関連する電極を離間して配置し得る。浸透圧モル濃度測定値と相関し得る或いは浸透圧モル濃度測定値を見い出すために用い得る導電性を測定するために、電極を通過する電気エネルギーを用い得る。
【００１６】
特徴サイズの電極が興味の容量の影響を受け易い長さ尺度で作成されるので、生の未処理の流体試料をマイクロチップに直接的に堆積することが可能になった。希釈又は特別真空室は不要である。電解問題を克服するために高周波ＡＣ信号と結合されるとき、商品ハードウェアを用いて浸透圧モル濃度を迅速且つ安価に測定することが実行可能となった。希釈又は特別真空室の必要の除去は、小型で安価な試験装置の開発を可能にすることが留意されるべきである。換言すれば、以下に記載されるシステム及び方法を使用することによって、測定電極に亘る空気間隙の正常衰弱効果を最小限化し得る。事実、説明されるように、空気間隙の存在に起因する不正信号の存在の下でさえも、以前に可能であったよりも一層正確な測定を行い得る。従って、小型で費用効率の良い測定装置を可能にするのはこれらの不正信号を克服する能力であり、下記のように極めて正確な測定値を生成し得る。
【００１７】
よって、丁度説明されたように、これらの不正信号を克服する能力は、ここに記載されるシステム及び方法を用いて正確な測定を達成するために必要である。例えば、ナノリットルの流体が微小電極配列上に堆積されるとき、電圧分割器又は自動平衡ブリッジと直列に配置されるときに試料の伝導率を記録し得る。しかしながら、流体が堆積されるとき、生成される信号はしばしば不安定であり、初期的には試料の関連特性を正確に記録しない。よって、これらの過渡信号を除去し、試料が平衡された後に生成される結果として生じる電圧に集中することが重要である。この作業は以下に詳細に説明されるような２つの段階をしばしば要求する。第一に、システムは、試料がどの地点で配置されるかを決定する。第二に、システムは、配置時の試料の浸透圧モル濃度を決定しなければならないが、それは上述の理由の故にその地点での読取りを単に使用することによってはなされ得ない。
【００１８】
電圧痕跡を見ることによってこの作業を遂行することを試みるならば、試料が配置される地点は、痕跡中の急増(spike)として見られる。この地点での微分は、痕跡上の如何なる他の地点よりも値が大きい。従って、計算上の見地からすると、試料が配置された地点を決定するために、システムは電圧信号の微分を取るべきである。微分がその最大にある地点は関連地点である。
【００１９】
試料が配置された時間が決定されるや否や、システムは曲線をデータの残部に適合するよう構成され得る。この曲線の適合後、それは試料が配置された地点に戻って外挿され得る。このようにして、より早期の電圧を計算するために、時間の経過と共に試料の蒸発に起因する曲線の形状を用い得る。マイクロチップ内への流体供給は、初期的配置急増後に生じる不正信号を常に生み出す。
【００２０】
主に、これは空気間隙の存在の故である。空気間隙の故に、試料は測定電極と円滑に接触するようにならない。むしろ、試料が測定電極上に沈降するとき、「押し(jostling)」がある。この押しは不正信号として現れる機械的効果を生み出す。周知のように、そのような不正信号は呼出し性質をしばしば含み、「呼出信号」と呼ばれ得る。そのような不正呼出信号は所定量の時間の後に消失する。よって、呼出信号が電圧信号の測定された特性に基づいて安定するためにかかる時間の量を計算するようシステムを構成し得る。代替的に、機械は、電圧の初期急増後、ラインの定常状態への適合前に、前事前設定時間、例えば、約１００ｍｓ待機する。これは、実施態様に依存して、全体的により単純な実施を可能にする。
【００２１】
記載されたように、正確な測定を行う能力に影響を及ぼす第二の問題は蒸発である。試料が完全に蒸発し始めるとき、即ち、それが測定電極の頂部上で砕けて乾燥パッチになるとき、伝導率は指数関数的に落下する。これは全体的平均を歪曲し、試料が配置された後にアルゴリズムが恣意的に平均化するのを妨げる。その上、一部の試料は小さいので、試料が臨界的に蒸発する前に、緩和動力学は消失しない。過渡緩和をモデル化することによって、これらの効果を計上し得る。
【００２２】
従って、浸透圧モル濃度を決定する鍵となる問題は、どの時間及び長さの尺度が分析のために最適化を決定すること、並びに、液滴配置の厳密な時間を正確に特定することである。
【００２３】
不正信号を取り扱うシステム及び方法を記載する前に、試料流体、例えば、涙液膜、汗、血液、又は、他の流体のアリコート容量の浸透圧モル濃度を測定するための例示的な実施態様が記載される。例示的な実施態様は、比較的迅速、非侵襲的、安価、且つ、使用が容易であるよう構成され、患者への損傷の危険性が最小である。可能な限り少ないナノリットル容量の試料流体を用いて正確な測定をもたらし得る。例えば、本発明に従って構成された測定装置は、わずか１ｍＬの試料流体だけを用いて浸透圧モル濃度測定を可能にし、典型的にはより小さな容量を成功裡に測定し得る。以下にさらに記載される１つの実施態様において、浸透圧モル濃度測定精度は、収集される資料流体の容量の変化によって妥協されないので、浸透圧モル濃度測定は、収集される容量と実質的に無関係である。試料流体は、涙液膜、汗、血液、又は、他の体液を含み得る。しかしながら、試料流体は、牛乳又は他の飲料のような、他の流体を含み得ることが留意されるべきである。
【００２４】
図１は、涙液膜試料のような試料流体１０２の浸透圧モル濃度を測定するために使用し得る浸透圧モル濃度チップ１００の例示的な実施態様を例証している。図１の実施態様において、チップ１００は試料領域を備える基板１０４を含み、基板はその上に刻印された電極１０８，１０９及び回路結線１１０を有する。蒸発から保護するために、一連のマイクロチャネル内に電極を封入し得る。電極及び回路結線は、好ましくは、周知の写真平版技法を用いて印刷される。例えば、現在の技法は、電極１０８，１０９が、試料流体の不存在時に伝導経路が存在しないよう十分に離間して配置された、ほぼ１〜８０ミクロンの範囲の直径を有することを可能にする。しかしながら、現在利用可能な技法は、直径１ミクロン未満の電極を提供することが可能であり、これらは本発明に従って製造されるチップのために十分である。測定のために必要な試料流体の量は、一方の電極から他方の電極へ延在するために必要なだけに過ぎず、それによって、動作的な伝導経路を提供している。チップ１００の写真平版尺度は、ミクロン又はナノ尺度レベルにおいてアリコートサイズの試料のために測定がなされることを許容する。例えば、２０μＬ未満の試料容量の涙を使用して信頼性のある浸透圧モル濃度測定値を得ることができる。典型的な試料容量は、１００ナノリットル（１００ｎＬ）未満である。乾燥眼を患っている患者からさえも１０ｎＬの涙液膜を収集することが比較的容易であることが期待される。
【００２５】
隣接するマイクロチャネルを通じてであろうと、或いは、トップダウン供給法によってであろうと、流体が電極に移送されるや否や、チップ１００は、試料流体１０２にエネルギーを伝達し、且つ、試料流体エネルギー特性の検出を可能にするよう構成される。この点に関して、電流源が結線１１０を通じて電極１０８及び１０９を横断して加えられる。試料流体１０２のエネルギー伝達特性を感知することによって、試料流体の浸透圧モル濃度を測定し得る。結線１１０及び電極１０８，１０９を通じて使用に伝達される特定容量の電力（例えば、電流）を条件として、試料流体のインピーダンスが測定されるよう、エネルギー伝達特性は、例えば、導電性を含み得る。
【００２６】
試料流体の伝導率が測定されるべきであるならば、好ましくは、ほぼ１００ｋＨｚで１０ボルトのオーダの正弦波信号が加えられる。一方の電極１０８から試料流体１０２を通じて他方の電極１０９への回路経路の複合インピーダンスの実部分及び仮想部分が測定される。興味の周波数で、電気信号の大部分が複合平面の実半分にありそうであり、それは試料流体の伝導率に帰着する。この電気信号（以後「伝導率」と呼ぶ）を試料流体１０２のイオン濃度に直接的に関係させ得るし、浸透圧モル濃度を決定し得る。その上、もし試料流体１０２のイオン濃度が変化するならば、流体の導電性及び浸透圧モル濃度は対応する方法で変化する。従って、浸透圧モル濃度を確実に得られる。加えて、インピーダンス値は試料流体１０２の容量に依存しないので、浸透圧モル濃度測定を試料容量と実質的に無関係になし得る。
【００２７】
図２は、試料流体２０２の浸透圧モル濃度を測定する試料受容チップ２００の代替的な実施態様を例証しており、チップは、電極２０８の配列を含む刻印された回路を含む試料領域２０６を備える基板層２０４を含む。図２の例証された実施態様において、試料領域２０６は、写真平版技法を用いて刻印された５×５配列の電極を有し、各電極２０８は基板２０４の一方への結線２１０を有する。例証の簡潔性の故に、図２中の電極２０８の全ては結線と共に示されていない。電極は、以下にさらに記載される別個の処理ユニットへ測定値を提供する。
【００２８】
図２の電極配列は、伝導性電極２０８の範囲を検出することによって、涙液滴２０２のサイズを測定するための手段を提供し、それによって、液滴の範囲を決定する。具体的には、処理回路は、伝導している電極の数を決定することができ、従って、液滴２０２によって覆われている隣接する電極の数が決定される。従って、試料流体によって覆われている基板の平面領域が決定される。試料流体の既知の公称表面張力を用いて、平面領域を覆う試料流体容量の高さを確実に推測でき、従って、液滴２０２の容量を決定し得る。
【００２９】
図３は、試料流体３０２が配置される試料受容チップ３００の他の代替的な実施態様を例証している。チップは基板層３０４を含み、基板層内では基板領域３０６が複数の同心円に構成された電極３０８を備える。図２の正方形配列と類似の方法において、図３電極の円形配置も、試料流体容量３０２のサイズの推定値を提供する。何故ならば、液滴は、典型的には、試料領域３０２の円形又は卵形領域を覆うからである。処理回路は、伝導している電極の最大（最外側）の円を検出し、それによって、流体試料による範囲の平面領域を決定する。前記と同様に、決定された平面領域は、既知の表面張力、及び、試料流体３０２の対応する容量高さと共に、容量推定値をもたらす。図３に例証される実施態様では、電極が１〜８０ミクロンの範囲の直径を有することを現在許容する周知の写真平版技法を使用して、電極３０８を刻印し得る。これはサブミクロンリットル液滴が電極を実質的に被覆することを可能にする。試料流体を受容するようなサイズとされた領域を覆って電極を刻印することができ、概ね１ｍｍ２から１ｃｍ２を被覆し、或いは、より一層小さな寸法、即ち、５０μｍの幅及び数百μｍの長さのオーダのマイクロチャネルの壁と並んで含まれ、チャネルの壁又は床と並んで電極の配列を備える。より大きな構造は、医療用涙収集の容量制約を有さない食品処理技術により従う。
【００３０】
写真平版技法を使用して、図１、図２、及び、図３に示される電極及び結線を接点パッドを備える電極として各基板層上に刻印し得る。例えば、アルミニウム、プラチナ、チタン、チタン−タングステン、及び、他の類似の材料のような異なる伝導性メタライゼーションで電極を形成し得る。１つの実施態様では、電極の縁部にある電場密度を保護するために、電極を誘電性リムで形成し得る。これは電極のリムにあるさもなければ不安定な電場を減少し得る。
【００３１】
チップ２００及び３００の例示的な実施態様の上面図が、図４及び図５にそれぞれ例証されている。実施態様は、電極及び結線の詳細な配置を示し、試料液滴の電気特性を測定するために各電極をどのように電気的に接続し得るかを例証している。上記に記載されたように、周知の写真平版技法を使用して電極及び結線の配置を基板１００，２００，３００上に刻印し得る。
【００３２】
図６は、本発明の実施態様に従って構成された浸透圧測定システム６００のブロック図である。図６中のシステム６００は、試料流体の浸透圧モル濃度を決定するプロセス中で決定され且つ使用されるものを例証している。浸透圧測定システム６００は、測定装置６０４と、処理装置６０６とを含む。測定装置は、収集装置６０８からある容量の試料流体を受け取る。収集装置６０８は、例えば、微量ピペット又は毛管を含み得る。収集装置６０８は、患者の眼表面の近傍から小容量の涙を引き出すために、例えば固定容量微量ピペットからの負圧又は毛管からの電荷引力を使用することによって、患者の試料涙液膜を収集する。
【００３３】
測定装置６０４は、試料領域中の流体にエネルギーを伝達し且つ分与されたエネルギーを検出するシステムを含み得る。例えば、測定装置６０４は、（例えば関数発生器からのような）特定波形にある電気エネルギーを試料流体によって架橋された２つの電極を含む電気経路に提供する回路を含み得る。処理装置６０６は、試料流体に分与されたエネルギーを検出し、浸透圧モル濃度を決定する。処理装置は、例えば、２つの電極間の伝導性経路を形成する流体のリアクタンスに関する情報を生成するマルチメータを含み、且つ、テーブルルックアップ戦略を通じて浸透圧モル濃度を決定するプロセッサを含む、システムを含み得る。望ましければ、上記に記載されたチップの１つを受容するベースユニット内に処理装置を収容し得る。
【００３４】
上述のように、浸透圧モル濃度測定値を提供するのに十分な試料は、２０マイクロリットル（μＬ）未満の流体を含み得る。本発明に従った涙液膜の典型的な試料は、毛管のような流体収集器によって収集され、それはしばしば１マイクロリットル未満の涙液膜を含む。医療専門家は、微量ピペット及び毛管の使用を熟知しており、乾燥眼罹患者の場合でさえ、ここに記載される小容量の試料を容易に収集することができるであろう。
【００３５】
収集された資料流体は、収集装置６０８から測定装置６０４に放出される。医療専門家によって手動で、或いは、試料領域の上を自動的に案内されることによって、収集装置をチップ基板の試料領域の上に配置し得る。１つの実施態様では、例えば、収集装置（例えば、毛管）は、ベースユニット内の射出成形プラスチック孔を備える所定位置に機械的に案内されるか、或いは、精密ねじ（例えば、マイクロチップインターフェースのためのニードルを備えた微調整装置）を用いて一組のクランプに取り付けられる。他の実施態様では、ガイドは、毛管の含有物を、弁を通じてマイクロチャネル内に、次に、電極配列上に計量分配し得るよう、毛管を保持し且つそれを適切な位置に自動的に降下するコンピュータ誘導フィードバック制御回路である。
【００３６】
チップの電極及び結線は、伝導率のような試料流体のエネルギー特性を測定し、測定された特性が処理装置６０６によって受け取られることを可能にする。試料流体の測定されたエネルギー特性は導電率を含み、試料の複合インピーダンスの両方の部分、出力信号中の雑音の分散、及び、試料流体の抵抗加熱に起因する測定ドリフトのような他のパラメータも含み得る。試料の浸透圧モル濃度を提供するために、測定されたエネルギー特性は処理装置６０６内で処理される。１つの実施態様において、処理装置６０６は、チップを受け取り且つチップと処理装置６０６との間の電気接続をもたらし得るベースユニットを含む。他の実施態様において、ベースユニットは、浸透圧モル濃度値を表示するディスプレイユニットを含み得る。処理装置６０６、具体的には、ベースユニットは手持ち式ユニットであり得ることが留意されるべきである。
【００３７】
図７は、本発明に従って構成された涙液膜浸透圧モル濃度測定システム７００の斜視図である。図７の例証されている実施態様において、例示的なシステム７００は、上記されたチップの１つのようなチップと、適切な測定値出力をもたらすコネクタ又はソケットベース７１０とを含む測定ユニット７９１を含む。システム７００は、試料流体の導電率を測定することによって浸透圧モル濃度を決定する。従って、測定ユニット７０１は、図１乃至図５と関連して上記されたチップの構造と類似する構造を有する基板を備える半導体集積回路（ＩＣ）チップを含む。よって、チップ７０１は、基板層上に印刷された少なくとも２つの電極によって定められる試料領域を備える基板層を含む（そのような詳細は図７中で見ることができるには小さ過ぎる尺度である；図１乃至図５を参照）。基板及び試料領域は、当業者に既知の方法で不活性パッケージ内に入れられる。具体的には、チップ７０１は、従来的な半導体製造技法を用いてＩＣパッケージ７０７に製造され、それはチップによって受信されるべき電気信号及びチップ外部に連絡されるべき出力を許容する電気接続レッグ７０８を含む。パッケージング７０７は、チップの取扱いをより便利にし且つ試料流体の蒸発を低減するのに役立つケーシングをもたらす。このケーシングは上層又はケイ素ゴムの弁、即ち、ＰＤＭＳ又は類似物を含み、それはチップのマイクロチャネル内への毛管流を結合する働きをし得る。
【００３８】
図８は、測定チップ７０１が、試料流体７０２が挿入される外部開口７２０を備えて製造されていることが示されている。よって、チップ外部を通じて基板８０４及び試料領域８０６に至る経路を提供するために、開口７２０を半導体パッケージング７０７内に形成し得る。試料流体が収集装置から直接的に基板８０４の試料領域８０６上に放出されるよう、（微量ピペット又は毛管のような）収集装置８０８が開口７２０内に配置されている。開口７２０は、収集装置の先端を受容するようなサイズとされている。開口７２０は、チップの外部から基板８０４の試料領域８０６上に導く開口又は漏斗を形成している。このようにして、試料流体７０２は収集装置８０８から放出され、基板８０４の試料領域８０６上に直接的に堆積される。試料領域は、収集装置からのある容量の試料を受容するようなサイズとされている。図８では、例えば、電極が、概ね１ｍｍ２〜１ｃｍ２の地域の範囲の試料領域８０６を形成し、或いは、より一層小さな寸法、即ち、５０μｍの幅及び数百μｍの長さのオーダのマイクロチャネルの壁と並んで収容され、チャネルの壁又は床に並んで電極の配列を備える。
【００３９】
図７に戻ると、チップ７０１は、例えば、チップの試料領域電極に加えられる所望の波形の信号を発生する関数発生器を含む処理回路７０４と、チップ電極から読み取られる二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧値を測定する電圧測定装置とを含み得る。関数発生器は、測定プロセスのための望ましくない直流（ＤＣ）効果を回避するために、高周波交流（ＡＣ）を生成し得る。電圧測定装置は、（抵抗器  インダクタ  キャパシタ）ＲＬＣ測定装置の機能性を組み込み得る。よって、チップ７０１は、測定回路、並びに、試料領域電極を組み込み得る。処理回路は、中央処理装置（ＣＰＵ）と、（ファームウェアのような）プログラム指令を記憶し且つデータも記憶し得る関連メモリとを含み得る。このようにして、単一のチップが、電極と、試料領域のための関連する結線とを含み得るし、チップの別の領域上に、測定回路も含み得る。この構造は回路構成の関連する漂遊抵抗を最小限化する。
【００４０】
図７の実施態様において、処理ユニット７０４は、ピークとピークとの間で１００ｋＨｚ及び１０ボルトのような単一周波数で信号波形を生成する。次に、処理回路７０４は、図１８に示される曲線のような較正曲線を用いて導電率を相関されたナトリウム含有量から浸透圧モル濃度値を決定する。この場合には、較正曲線は、導電率（電圧）と浸透圧モル濃度値（即ち、ナトリウム含有量）との間の伝達関数として構成される。しかしながら、他のエネルギー特性と浸透圧モル濃度値との間の伝達関数をもたらすために、他の較正曲線も較正し得ることが留意されるべきである。例えば、信号の分散、自己相関、及び、ドリフトを浸透圧モル濃度計算に含め得る。所望であれば、浸透圧モル濃度値を恣意的に大きな組の測定変数で最適化し得るよう、浸透圧モル濃度値を多変数相関係数表又は中立ネットワーク(neutral network)解釈の上に構築し得る。
【００４１】
図７の代替的な形態において、処理ユニット７０４は、１ｋＨｚ増分での１ｋＨｚから１００ｋＨｚのような所定周波数掃引の信号波形を生成し、各周波数で電極対の組から受信される導電率値及び分散値を記憶する。次に、出力信号対周波数曲線は、理想的な浸透圧モル濃度読取りを生成するための前述の伝達関数と共に用い得る試料についてのより高次な情報をもたらすために用いられる。
【００４２】
図７に示されるように、ベースソケットコネクタ７１０は、対応するソケット７１１へのチップ７０１のピン７０８を受け取る。コネクタ７１０は、例えば、必須電力をチップの処理回路７０４及び電極に供給し得る。よって、チップ７０１は、試料領域電極と、信号発生器と、浸透圧モル濃度を決定するために必要な処理回路とを含み得るし、浸透圧モル濃度値を含む出力を、チップを離れてピン７０８を介してコネクタ７１０を通じてディスプレイ読出しに連絡し得る。
【００４３】
所望であれば、ベースコネクタソケット７１０は、チップ７０１のピン７０８を受け入れるソケットの下に位置するペルチエ層７１２を含み得る。当業者であれば、適切に加えられる電極がペルチエ層を冷却或いは加熱し得るよう、ペルチエ層が電気的／セラミック接合を含むことを理解するであろう。このようにして、試料チップ７０１を加熱或いは冷却することができ、それによって、試料流体の蒸発をさらに制御し得る。試料流体から得られる正確な浸透圧モル濃度値を保証するために、試料流体の蒸発が注意深く制御されるべきことは明らかであるべきである。
【００４４】
図９は、浸透圧計の代替的な実施態様を示しており、チップは上記のようなチップ上処理ユニットを含まず、むしろ主として試料領域電極及び配線から成る限定回路を含む。換言すれば、処理ユニットはチップと別個に配置され、ベースユニット内に設けられ得る。
【００４５】
図９は、ベースコネクタ７１０を収容するベースユニット１００４と、ベースコネクタ７１０上を閉塞する蝶番付きカバー１００６と、収容された測定チップ７０１とを含む浸透圧計１０００を詳細に示している。よって、試料流体がチップ上に計量分配された後、試料流体は、ベースユニット１００４のソケットコネクタ７１０内に挿入され、蝶番付きカバー１００６がチップ上で閉塞されて、試料流体の蒸発の速度を低減する。
【００４６】
試料流体の比較的迅速な蒸発の問題を２つの方法の１つで一般的に処理し得ることが留意されるべきである。１つの方法は、液滴がチップの試料領域上に配置された後、試料流体電圧を可能な限り素早く測定することである。他の方法は、測定ユニットが、対応する上述のような伝導率値の変化と共に、蒸発の速度を測定することを可能にすることである。ハードウェア内で或いはハードウェア内に蓄えられたソフトウェア内で処理を遂行し得る。よって、処理ユニットは、より迅速且つより正確な浸透圧モル濃度測定を行うための中立ネットワーク技法に従ってシステムを訓練し得るよう、浸透圧モル濃度、並びに、温度変化、容量変化、及び、他の関連するパラメータのために測定されている流体試料の特性を収集し且つそれらについて学ぶために中立ネットワークを使用することのような、異なる処理技法を組み込み得る。
【００４７】
図１０は他の代替的な構造を示しており、浸透圧モル濃度システムは、図７に示されるようなＩＣパッケージングを含まない試料受容チップ１１０２を利用している。むしろ、図１０の測定チップ１１０２は、電極及び関連する結線を含む露出された試料領域を備えるチップとして構成されているが、処理回路は、試料流体のエネルギー特性を測定するためのベースユニット内に配置されている。この代替的な構造において、コネクタソケット７１０と類似するコネクタは、ベースユニット内の処理ユニットへの測定されたエネルギー特性の伝達を可能にする。そのような構造はプローブカード構造と一般的に呼ばれることが理解されよう。
【００４８】
図１０は、試料領域１１０６を備える基板１１０４を含む試料チッププローブカード１１０２を収容するプローブカードベースユニット１１００を示しており、プローブカードのエッジコネクタ１１１０にワイヤ接合された電極１１０８が試料領域上に形成されている。ベースユニットの蝶番付き蓋１１１２がプローブカードの上で閉塞されると、蓋の下面上の接続歯がエッジコネクタ１１１０と適合接触するようになる。このようにして、試料領域１１０６の電極は処理回路に結合され、測定を行い得る。図１０のプローブカードの実施態様の処理回路を上記の構造のいずれにも構成し得る。換言すれば、電流を電極に加え、試料流体のエネルギー特性を検出し、浸透圧モル濃度を決定する処理を、プローブカード１１０２の基板上で、或いは、チップから離れて、ベースユニット１１００内でチップ上に配置し得る。
【００４９】
上記に記載された全ての代替的な実施態様では、蝶番付き上部が開放の状態で新しい測定チップをベースユニット内に配置することによって浸透圧計が用いられる。ベースユニット内への配置後、チップは下げられ、その環境を監視し始める。チップからの出力信号を例えば１ｋＨｚの速度で記録することは、システムの挙動を完全に捕捉する。試料を電極配列の如何なる部分の上に配置することも、試料流体によって被覆される如何なる対の電極間の伝導率の高い信号対雑音上昇を生成する。処理ユニットは、伝導率の変化を試料流体の追加に直接的に関係するものとして認識し、この種類の変化が特定されるや否や、電子信号の浸透圧モル濃度データへの変換を開始する。この戦略は医療専門家による介入なしに起こる。換言すれば、チップ処理はベースユニットへの結合後に開始され、ベースユニットの蓋の動作又は如何なる他の使用者介入にも依存しない。
【００５０】
上記の構造のいずれにおいても、チップ上に処理回路を備える「スマートチップ」構造（図７）であれ、パッケージ化されたチップ（図７）内の或いはプローブカード（図１０）内の、チップから離れて処理回路を備える電極のみ構造（図９）であれ、試料受容チップを各使用後に処分し得るので、ベースユニットは処分可能な測定チップとインターフェース接続するためのプラットフォームとして働く。留意されるように、ベースユニットは、関連する制御、連絡、及び、ディスプレイ回路、並びに、ソフトウェアも含み得るし、あるいは、そのような機能をベースユニット内にチップから離れて設け得る。この点に関して、試料領域電極に十分な電力を自動的に供給することで、測定周期後にそれらを不可逆的に酸化するので、電極は如何なる後続の周期のためにも動作不能とされる。使用済みチップがベースユニット内に挿入された後、使用者は電極が動作不能であるという表示を与えられる。これは不正確な浸透圧モル濃度読取り及び潜在的に非衛生的な条件を招き得る試料チップの不注意な複数使用を防止するのに役立つ。
【００５１】
以前に使用されたチップが機械に戻されて配置されないことを保証する二次的なアプローチは、通し番号又はコードをチップ上に直接的に符号化することを含む。ベースユニットは、使用済みチップ番号をメモリ内に記憶し、ベースコネクタ内に配置される新しいチップに対してそれらを相互参照する。もしベースユニットが使用済みチップの通し番号が古いチップと同一であることを発見するならば、システムは新しいチップが挿入されるまで浸透圧モル濃度を測定することを拒絶する。蒸発後の電極上のタンパク質吸収及び塩結晶形成は自然な経過を辿り、それは測定電極の完全性を損なうので、各試験のために新しいチップの使用を保証することは重要である。
【００５２】
図１１は本発明に従った例示的な浸透圧モル濃度測定技法を記載するフロー図である。涙液膜のような体液試料がボックス１３００で収集される。試料は１マイクロリットル未満を典型的に含む。ボックス１３０２で、収集された資料はチップ基板の試料領域上に堆積される。次に、試料のエネルギー特性がボックス１３０４で測定される。次に、測定されたエネルギー特性はボックス１３０６で処理され、試料の浸透圧モル濃度を決定する。もしチップが導電率測定値に従って動作するならば、ボックス１３０６における測定値処理は、如何なる後続の測定周期のためにもチップ電極を動作不能にする上記の「電極酸化」動作を含み得る。
【００５３】
伝導率測定システムのための測定プロセスでは、基板の電極配列上への試料涙液膜の配置後、開放回路電圧から収集時の試料の状態を密接に表わす電圧への実質的に瞬間的なシフトが観察される。次に、試料の伝導率中のドリフトは、出力における連続的な変化として反映される。
【００５４】
測定チップの出力は、浸透圧モル濃度値に変換される時間変動する電圧であり得る。よって、伝導率に基づくシステムでは、入力信号の広範囲に亘る周波数応答を測定することによって、試料の「導電率」だけよりも多くの情報を得ることができ、それは最終段階処理を向上し得る。例えば、測定プロセスを相対計算にするために、複数周波数（例えば、１０、２０、３０、４０、５０、１００Ｈｚでの信号の測定速度）に亘って較正をなし得る。これはチップ間の電圧ドリフトを小さくする。巨視的規模の電極に基づく測定値（即ち、ｐＨメートル、或いは、微小毛管技法における測定値）のための標準的方法は、線形較正曲線を構成する既知のバッファに依存する。リソグラフィは極めて再現可能な製造技法であるので、周波数掃引に結合されるとき、操作者の介入なしに較正を遂行し得る。
【００５５】
戻って再び図７を参照すると、処理回路７０４は信号波形を試料領域電極に加える。処理回路は電極からエネルギ特性信号も受信し、試料流体の浸透圧モル濃度値を決定する。例えば、処理ユニットは一組の電極対から導電率値を受信する。１つの実施態様では、時間に亘って間隔を空けた試料データを受信するよう処理回路を構成し得る。流体試料の如何なる関連する電気特性をも決定するために試料の収集を用い得る。そのようにすることで、複数の試料を用いて浸透圧モル濃度測定値を決定するのを助ける２つのステップを遂行するためにシステムを較正し得る。第一に、システムは試料を決定し得るし、或いは、流体がどの地点でシステム内に配置されるかを決定し得る。第二に、システムは、間接的になされなければならない配置地点での信号強度を決定し得る。
【００５６】
図１２は、例えば、上記されたような測定チップ上への試料流体の配置に起因する信号波形の典型的なグラフを描写している。図１２のグラフは、試料流体の電気特性から取られた試料によって測定されたときの電圧対時間を描写している。配置地点は、信号が急増する地点である。計算的見地からすると、電圧信号の微分を取ることによって、この地点を配置し得る。この地点は最大微分を伴う地点である。
【００５７】
幾つかの些細ではあるが、浸透圧モル濃度を計算するためにここに記載される方法に関する図１２の重要な特徴がある。第一は、２つの定常状態があることである。グラフの最も左側は、関数発生器、電極、及び、他のシステム構成素子に起因する開放源電圧降下を表わしている。最も右側の定常状態は、流体成分及び固有システム成分の応答の合計である。概念的には、浸透圧モル濃度を決定するために、右手側の定常状態のための値は、左手側の定常状態のための値であるように決定される。次に、左手側の定常状態のための値が右手側の定常状態の値から差し引かれ得ることで、導入された試料からの応答を表わす値を生む。適切なアルゴリズム又は他の方法を用いて、結果として得られる値を浸透圧モル濃度値に相関し或いは変換し得る。このプロセスを以下に概略的に記載する。
【００５８】
明らかに、左手側の定常状態及び右手側の定常状態を特定する能力は、浸透圧モル濃度を決定するために必要である。人間の検査者が、２つの領域に明確に境界線を画定し、浸透圧モル濃度を再構築するために後に用い得る定常状態における代表的な値を選択し得る。しかしながら、コンピュータ又は処理システムにとって、これらの領域は明確に分離されない。もし試料速度が流体降下の動力学を十分に捕捉するのに低過ぎるならば、これは特に当て嵌まる。
【００５９】
図１２は、ピークからピークまで１００ｋＨｚ、１０Ｖで、
（外１）
2007530953.tif 000003
ポテンシオメータと直列なナノリットル容量に亘る信号の典型的な二乗平均平方根電圧を実証した。この実施例中の流体試料は、２５０ｍＬの消イオンされたＨ２Ｏ中に溶解された
（外２）
2007530953.tif 000004
グラムのＮａＣｌを測定することによって準備され、ほぼ２００ｍＭ（４００ｍＯｓｍと等しい）の溶液をもたらした。
【００６０】
定常状態電圧と以下の方程式によって既述される総電圧との間の比を形成することによって、回路の流体部分の総伝導率を推定し得る。ここで、Ｖ１は、流体に亘る降下であり、Ｖｔｏｔは、入力波の二乗平均平方根電圧で表わしている。
【００６１】
【数１】
2007530953.tif 000005
Ｒ１を解くために、
【００６２】
【数２】
2007530953.tif 000006
【００６３】
上述のように、定常状態電圧から初期バイアス電圧を減算した後、１２７．３Ω又は０．００７９ｍｈｏのＲＩのための値が得られる。図１８に示される較正曲線を使用して、対応する伝導率は、１リットルのＮａＣｌ当たり１１．８グラム又は４０６ｍＯｓｍｓの実際値の溶液とほぼ等しいように示されている。
【００６４】
手で準備された試料と伝導率に基づく浸透圧モル濃度の測定値との間の相違、即ち、６ｍＯｓｍｓは、伝導率がイオンの異なる濃度を見分け得る精度を実証している。塩化ナトリウムを手で測定すること、容量測定のためにメスシリンダを使用すること、並びに、室温での試料の貯蔵によって生じる誤差は、電気的誤差よりも大きな分散を導入する。従って、伝導率は極めて繊細な変化を明らかに区別し、ここに記載されるように用いられるとき、極めて正確な浸透圧モル濃度測定値を生成し得る。
【００６５】
しかしながら、記述されたように、図１２中に描写される２つの領域は、それらが人間の眼に対するようには、処理装置には容易に識別可能ではない。これは、２つの一定領域があるように見えても、実際のデータは決して直線ではないからである。図１３は、より小さな尺度見られるときに直線中の傾斜によって証明されるように、曲線が実際には蒸発によって達成されることを実証しており、それは試料流体の継続的な蒸発に起因する。このために、試料が収集される時間窓が浸透圧モル濃度の解釈に優先され得る。換言すれば、蒸発の降下を制限するために、右手側の定常状態の測定を試料の配置に時間においてより近付けさせることが好ましくあり得る。しかしながら、これは上記に記載された測定電極上への試料の配置に関連する不正信号を直接的に活動させるようになる。
【００６６】
この地点を例証するために、図１４は、試料４００から６００まで、図１３のデータをより一層小さな尺度で示している。流体が蒸発しているのは依然として明らかであるが、信号が良好に挙動していないことも今や見られる。曲線上に課される変動する又は振動する成分は、試料が配置されるときに発生する呼出信号に亘って左に帰属せしめられ得る。よって、この点に関して、右手側の定常状態を配置地点から遠くにサンプリングするのがより良好である。しかしながら、試料が蒸発すると、それは極めて急激に起こり得るが、試料の浸透圧モル濃度及び関連する電気特性は変化する。従って、最も正確な測定値を得ることは、ほぼ配置のときにある試料の特性が決定されることをしばしば必要とする。
【００６７】
しかしながら、図１５に示されるように、試料が配置されるときの試料の機械的摂動の故に、配置地点に近い信号は激しく変化する。上記に説明されたように、これらの摂動は測定電極の上の空気間隙の存在によって増幅される。よって、安価で小型の測定装置を可能にし、且つ、正確な測定値を依然として生成するために、配置地点付近の信号の不正な性質は取り扱われ且つ克服されなければならない。従って、配置時における試料の浸透圧モル濃度を決定するために、興味の尺度で全く定常ではない右手側の定常状態に曲線を適合し、信号が配置された地点に戻って曲線を外挿するようシステムを構成し得る。極めて正確な測定を達成するために、蒸発の効果も計上されなければならないことも留意されるべきである。
【００６８】
図１５は、配置地点付近のデータの使用が結果を歪曲し、究極的な浸透圧モル濃度計算の確度を減少し得ることを明らかにしている。従って、このデータを飛ばして、データを残りのデータに適合することが望ましい。初期データを省略する如何なる方法も用い得るが、２つの具体的な実施態様を以下に議論する。
【００６９】
どのデータを省略するかを決定するための第一の方法は、省略されるべきデータの典型的な量を決定し、この量を測定システム中にハードコードすることである。この方法は、静止バッファ又は装置のために記述されたソフトウェア内の静的変数を含む様々な方法において実施され得る。
【００７０】
しかしながら、そのようなアプローチは、多過ぎる或いは少過ぎるデータを省略し、それによって、浸透圧モル濃度測定の精度を低減し得る。従って、所与の装置によって行われる各測定のためのデータの適切な量を計算し得ることが望ましい。例えば、もし共振信号の振幅が最大振幅の２％以下であるならば、共振信号がもはや大きな効果を有さないことが決定され得る。この要件を考慮して、共振信号がそのようなレベルに減少するのに必要な時間を計算するようシステムを構成し得る。
【００７１】
加えられる如何なる回帰も初期降下後の動的応答によってひどく歪曲され得ることが、図１３乃至図１５に例証されるデータの連続的なクローズアップから明らかに分かる。良い適合と悪い適合との間の電圧の差は、例えば、約０．０２Ｖ以下、又は、１％の２分の１未満であり得る。上記されたように、殆どの場合、回帰を定常状態データにのみ適合するためには、静的バッファの使用が十分であるべきであるが、非常に小さな流体試料のためには、代替的な方法が動力学を精密に適合し、いつ定常状態が開始するかを探し出す。
【００７２】
降下後応答の良好なモデルは、以下の典型的な二次不足減衰緩和である。
【００７３】
【数３】
2007530953.tif 000007
【００７４】
この種類の応答のための、即ち、一般的な二次システムのための伝達関数は以下の通りである。
【００７５】
【数４】
2007530953.tif 000008
【００７６】
上記の不足減衰応答のために、システムは２つの仮想極を有する。流体降下の時間におけるステップ応答のモデルは興味深い。何故ならば、それが固有の抵抗、キャパシタンス、及び、インダクタンスを含むからである。Ｇ（ｓ）に極を加えることは、（１／ｓ）によって乗算するのに等しく、部分分数によって展開され、且つ、ラプラス逆変換をとり、以下の結果をもたらす。
【００７７】
【数５】
2007530953.tif 000009
【００７８】
従って、設定時間Ｔｓは、最大値の２％未満に落ちるために、減衰正弦波指標の振幅のために必要な時間として以下の通り定められる。
【００７９】
【数６】
2007530953.tif 000010
【００８０】
興味のある信号のために、図１６は、降下後動力学に適合するためにＺ及びＷｎに沿う多変数最小限化の結果を示している。
【００８１】
ここで、結果として得られるＴｓは１２試料である。この動的挙動のために調節するために、蒸発の近似としての直線回帰における向上が、図１７中に生じていることが見られる。実際の定常状態を決定するために動的あてはめを行うことの結果は、サンプリング間隔が抽象化されることを可能にし、その結果、蒸発効果のより精密な全体的な推定が得られる。
【００８２】
よって、ナノリットル信号が観察される様々な時間及び長さの尺度を考慮するとき、記載されたばかりのシステム及び方法は重要であり得る。極めて小さな試料は、降下後動力学が衰えた直ぐ後に臨界的に蒸発する。従って、興味の最適窓を決定することは、ナノリットルの流体の測定にとって最高に重要である。
【００８３】
図１９は、ここに記載されるシステム及び方法に従った浸透圧モル濃度を決定するための他の実施例の方法を例証するフロー図である。先ず、ステップ１９０２において、配置の初期位置を決定し得る。上記のようなデータの微分を用いてこれを決定し得る。次に、ステップ１９０４において、試料流体の配置後に結果として生じる過渡的応答の効果を計上し得る。上述のように、これは、事前設定されたものであれ、結果として生じる波形と関連する特性に基づいて決定されたものであれ、静的間隔の使用を含む。
【００８４】
過渡電流の効果がステップ１９０４で計上されるや否や、蒸発の効果をステップ１９０６で計上し、配置位置又はその付近をステップ１９０８で蒸発し得る。次に、配置位置に関連する電圧をステップ１９１０で決定し、ステップ１９１４で浸透圧モル濃度を決定するために用い得る。上記に説明されたように、過渡電流効果が計上されるや否や、配置位置に外挿するために、曲線あてはめ技法を用い得る。
【００８５】
ステップ１９１２によって描写されたように、特定の実施態様では、外部的な結果を検出し且つ除去し得る。よって、電圧がステップ１９１０で決定されるや否や、結果として生じる電圧が期待される値又は範囲に関して全く的外れであるか否かを決定するよう処理装置を構成し得る。もしそうであるならば、測定値を無視し、プロセスをやり直し或いは再開し得る。値が通常の期待範囲の外にあると見做されるべきか否かを決定するために、例えば、パターン適合技法を用いて、以下に少し詳細に議論される中立ネットワークを例えば効果的に用い得る。
【００８６】
丁度述べられたように、エネルギー特性の処理を中立ネットワーク構造において遂行することができ、その場合には、単一エネルギー特性測定よりも正確な浸透圧モル濃度読取りをもたらすために、エネルギー特性から得られた外観上異なって測定されたデータ地点を用い得る。不正信号を克服するよう図１２乃至１７に関連して記載された回帰技法を遂行するためにそのような中立ネットワークを構成し得るのみならず、他のエンハンスメントをもたらすためにも構成し得る。例えば、もし試料の導電率のみが測定されるならば、伝導率に対応する浸透圧モル濃度値を単に得るために図１８の較正曲線を用い得る。しかしながら、この浸透圧モル濃度値は概して中立ネットワークの出力ほどには正確でない。
【００８７】
試料流体のエネルギー特性と浸透圧モル濃度との間の実質的に最適化された伝達関数を反映する較正曲線の集合上で動作するよう中立ネットワークを設計し得る。よって、１つの実施態様において、中立ネットワークは、電圧、蒸発速度、及び、容量変化のような、興味深い全ての変数のための較正曲線の集まりを構成する。中立ネットワークは、最終結果又は浸透圧モル濃度値に変化のインポータンスを指し示すために、各変数にインポータンス因数を付与する優先リストを構成し或いは入力として受信することもできる。中立ネットワークは、最終結果が先天的に知られる実データの実施例で訓練することによって較正曲線を構成する。従って、中立ネットワークは、変数の最良の可能な組み合わせから最終結果を推定するよう訓練される。次に、変数を効率的な組み合わせにおいて処理するこの中立ネットワーク構造は、測定チップ７０１又はベースユニット内に存する処理ユニットにロードされる。一旦訓練されると、中立ネットワークをソフトウェア又はハードウェア内に構成し得る。
【００８８】
浸透圧モル濃度を測定するための上記実施態様は、凝固点降下技法のような従来的な浸透圧モル濃度測定技法を越える大幅な利点をもたらすが、凝固点降下技法に従った試料の浸透圧モル濃度を決定するために本発明の教示を用い得る。従って、凝固点降下技法に基づく浸透圧モル濃度値を提供するために、図６の例示的な浸透圧測定システム６００を用い得る。
【００８９】
凝固点降下技法は、図１１中のフロー図のボックス１３００及び１３０２内におけると類似の方法で試料流体を収集し且つ堆積することを含む。しかしながら、上記のように、浸透圧計システムの浸透圧計は、ペルチエ冷却装置のような冷却装置を含み得る。上記の図７の実施態様において、ペルチエ装置は、試料を冷却するために、ソケット７１０又はチップ７０１上に配置されている（図７を参照）。所望であれば、試料流体をその凝固点まで冷却するためにペルチエ冷却装置を用い得る。アリコートサイズの試料の温度を監視するために熱電対として既知の写真平版金属接合又はｐ−ｎ接合を用い得る。熱電対は電極配列及びペルチエ冷却装置と平行に動作し、その場合には、試料が固体になるよう、チップは凝固より下に冷却される。凝固後、試料の導電率は劇的に変化する。熱電対は継続的に温度を測定するので、伝導率が急増する地点を降下凝固点に相関し得る。代替的に、ペルチエユニットによる試料導入の直前にチップを過冷却し得るし、次に、電極に固有の抵抗加熱を使用することによって、電流を固相材料に伝え得る。溶解後、伝導率は再び劇的に変化する。第二の測定技法では、蒸発はそれほど因子ではないようである。よって、本発明は、以前可能であったよりも著しく少量の試料流体で遂行されるべき凝固点冷却を許容する。
【００９０】
本発明の特定の実施態様が上記されたが、記載された実施態様はほんの一例に過ぎないことが理解されよう。従って、本発明は記載された実施態様に基づいて限定されるべきではない。むしろ、ここに記載される本発明の範囲は、上記記載及び付随図面と共に考慮されるとき、特許請求の範囲の観点においてのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】試料流体の浸透圧モル濃度を測定するためのアリコートサイズ試料受容チップを示す概略図である。
【図２】写真平版技法を用いて刻印された電極配列を備える回路領域を含む資料受容チップの代替的な実施態様を示す概略図である。
【図３】図１のチップの他の代替的な実施態様を示す概略図であり、回路領域は複数の同心円に配置された印刷された電極を含む。
【図４】図２に示されるチップを示す上面図である。
【図５】図３に示されるチップを示す上面図である。
【図６】本発明に従って構成された浸透圧モル濃度測定システムを示すブロック図である。
【図７】本発明に従って構成された涙液膜浸透圧モル濃度測定システムを示す斜視図である。
【図８】外部パッケージング内の開口を示す試料受容チップを示す側断面図である。
【図９】図１乃至５に記載される資料受容チップを利用する浸透圧計の蝶番付きベースユニットを示す概略図である。
【図１０】試料受容チップ及び処理ユニットのためのプローブカード構造を示す概略図である。
【図１１】本発明に従った例示的な浸透圧モル濃度測定技法を記載するフロー図である。
【図１２】流体の試料の導電率を示すグラフである。
【図１３】蒸発の効果を見ることができるよう図１２をより小さな尺度で示すグラフである。
【図１４】図１２のグラフをより一層小さな尺度で示す他のグラフである。
【図１５】配置地点付近で変化する図１２のグラフを示すグラフである。
【図１６】図１２に例証されるグラフの降下後動力学に適合するための多変数最小化の結果を示すグラフである。
【図１７】曲線を図１２のグラフに適合するためのプロセスを示すグラフである。
【図１８】導電率を備える試料流体のナトリウム含有量に関する較正曲線を示すグラフである。
【図１９】浸透圧モル濃度を決定するための他の例示的な方法を示すフロー図である。
【図１】
2007530953.tif 000011
【図２】
2007530953.tif 000012
【図３】
2007530953.tif 000013
【図４】
2007530953.tif 000014
【図５】
2007530953.tif 000015
【図６】
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【図７】
2007530953.tif 000017
【図８】
2007530953.tif 000018
【図９】
2007530953.tif 000019
【図１０】
2007530953.tif 000020
【図１１】
2007530953.tif 000021
【図１２】
2007530953.tif 000022
【図１３】
2007530953.tif 000023
【図１４】
2007530953.tif 000024
【図１５】
2007530953.tif 000025
【図１６】
2007530953.tif 000026
【図１７】
2007530953.tif 000027
【図１８】
2007530953.tif 000028
【図１９】
2007530953.tif 000029
【国際調査報告】
2007530953.tif 000030