ДАТЧИК АНАЛИЗА ОБРАЗЦА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ОТБОРА ОБРАЗЦА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБРАЗЦА  ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ДАТЧИКЕ ТЕСТИРОВАНИЯ  И СПОСОБ АНАЛИЗА ОБРАЗЦА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SENSOR FOR ANALYSING FLUID MEDIUM SAMPLE (VERSIONS), METHOD OF TAKING FLUID MEDIUM SAMPLE AND PLACING FLUID MEDIUM SAMPLE IN SENSOR FOR TESTING AND METHOD OF ANALYSING FLUID MEDIUM SAMPLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к датчикам анализа текучей среды, в особенности, направлено на датчики, имеющие вентиляционные отверстия для контролирования месторасположения текучей среды внутри капиллярного углубления.
Уровень техники изобретения
Датчики используют для определения анализируемых веществ во многих областях применения, включая клинические, природоохранные и относящиеся к способам мониторинга. Во многих из данных областей применения желательно проводить измерение с использованием небольших объемов жидких образцов. Критическим для получения точного результата является правильное позиционирование аликвоты образца над чувствительным элементом датчика или областью взаимодействия датчика.
Например, датчики для применения в областях электрохимического анализа текучей среды (такого, как определение глюкозы в крови) рассчитаны на точное расположение текучей среды над электродами или «активными» участками датчика. Местонахождение текучей среды также является важным для оптических датчиков. Если образец текучей среды не находится в пределах светового луча, в системе может быть получен неточный результат. Поэтому важным фактором для получения точных измерений становится расположение текучей среды внутри датчика (например, внутри капиллярного резонатора).
Множество факторов влияют на расположение текучей среды внутри датчика. Например, форма капилляра, смачиваемость внутренней поверхности капилляра, объем образца и совокупность всех факторов влияют на расположение текучей среды внутри датчика. Влияние формы отверстия и расположения были рассмотрены, так как они связаны с расположением текучей среды внутри заполненного капилляра датчика. Существует потребность в создании датчика анализа текучей среды, в котором форма и место нахождения вентиляционных отверстий спроектированы так, чтобы они обеспечивали точное размещение текучей среды и таким образом уменьшали необходимый объем образца и увеличивали точность показаний датчика.
Сущность изобретения
В одном аспекте предложен датчик анализа образца текучей среды, включающий углубление для образца для принятия текучей среды образца; по меньшей мере, одну область тестирования, расположенную вдоль углубления для образца; и по меньшей мере, одно вентиляционное отверстие для вентиляции углубления для образца, причем указанное, по меньшей мере, одно вентиляционное отверстие имеет, по меньшей мере, одну направляющую образец кромку для направления текучей среды образца в указанную, по меньшей мере, одну область тестирования. Предпочтительно датчик включает множество вентиляционных отверстий, имеющих направляющие образец кромки, расположенные на одной линии, для направления текучей среды образца к области тестирования. Предпочтительно датчик имеет два вентиляционных отверстия квадратной формы, и область тестирования расположена между соответствующими направляющими образец кромками вышеуказанных двух отверстий. Два разнесенных друг от друга отверстия расположены ступенчато с образованием канала для текучей среды внутри углубления для образца. Канал для текучей среды является каналом извилистой формы, имеющим, по меньшей мере, один поворот, по которому протекает текучая среда образца. Датчик дополнительно включает слой реагента, сообщающегося с углублением для образца. Датчик может включать два вентиляционных отверстия, расположенных в непосредственной близости друг к другу с образованием области сужения, предназначенной для регулирования течения текучей среды образца. По меньшей мере, одна область тестирования выбрана из группы, состоящей из электрода и поверхности реагента и включает два электрода. Датчик может дополнительно включать изоляционный материал, покрывающий кромки указанных двух электродов.
Также предложен способ отбора образца текучей среды и расположения образца текучей среды в датчике тестирования указанного образца текучей среды, содержащий следующие стадии:
прием текучей среды образца в углубление для образца под действием капиллярных сил и
направление текучей среды образца через углубление для образца к, по меньшей мере, одной области тестирования указанного датчика с использованием, по меньшей мере, одной направляющей образец кромки, предусмотренной на, по меньшей мере, одном вентиляционном отверстии, осуществляющем вентиляцию углубления для образца. При этом прием текучей среды образца представляет собой прием текучей среды образца в область входа текучей среды. Указанную, по меньшей мере, одну область тестирования выбирают из группы, состоящей из электрода и поверхности реагента. Предпочтительно указанная, по меньшей мере, одна область тестирования представлена двумя электродами. Способ предпочтительно включает два вентиляционных отверстия. При этом два вентиляционных отверстия размещают ступенчато вдоль углубления для образца и далее направляют текучую среду образца по каналу для текучей среды. Датчик тестирования снабжают реагентом, расположенным в углублении для образца, где канал для текучей среды является извилистым, и способ также включает перемешивание исследуемой текучей среды с реагентом при направлении текучей среды образца по каналу для текучей среды.
В другом аспекте предлагается датчик анализа образца текучей среды, включающий углубление для образца для принятия текучей среды образца, причем углубление для образца имеет вход для текучей среды; первое и второе вентиляционные отверстия в углублении для образца, причем указанные вентиляционные отверстия имеют соответствующие направляющие образец первую и вторую кромки для направления текучей среды образца в, по меньшей мере, одну область тестирования, расположенные вдоль канала для текучей среды углубления для образца так, что первое вентиляционное отверстие расположено ближе к указанному входу текучей среды, чем второе вентиляционное отверстие; поверхность первого реагента, расположенную вдоль углубления для образца ниже первого вентиляционного отверстия; и поверхность второго реагента, расположенную вдоль углубления для образца и ниже второго вентиляционного отверстия. Причем первое и второе вентиляционные отверстия расположены вдоль канала для текучей среды, так что текучая среда образца, поступающая через указанный вход для текучей среды, последовательно соприкасается с указанными первыми и вторыми кромками вентиляционных отверстий. Первый реагент адаптирован к взаимодействию с текучей средой образца в условиях оптимального времени первого взаимодействия, и второй реагент адаптирован к взаимодействию с текучей средой образца в условиях оптимального времени второго взаимодействия, причем оптимальное время второго взаимодействия меньше оптимального времени первого взаимодействия. Датчик может включать дополнительные вентиляционные отверстия, имеющие кромки отверстия и располагающиеся вдоль канала для текучей среды. Датчик включает дополнительные поверхности реагента, расположенные вдоль углублений для образца соответственно ниже указанных дополнительных вентиляционных отверстий.
Дополнительно предложен способ анализа образца текучей среды, включающий прием текучей среды образца в углубление для образца под действием капиллярных сил, причем углубление для образца имеет вход для текучей среды и первое и второе вентиляционные отверстия, расположенные вдоль канала для текучей среды и имеющие направляющие образец первую и вторую кромки для направления текучей среды образца в область тестирования, при этом углубление для образца включает первый реагент, расположенный ниже первого вентиляционного отверстия, и второй реагент, расположенный ниже второго вентиляционного отверстия, направление текучей среды образца по каналу для текучей среды капиллярными силами, так что текучая среда проходит сначала в первое вентиляционное отверстие, а затем во второе вентиляционное отверстие; и заполнение углубления для образца так, что текучая среда образца заполняет сначала первый объем ниже первого вентиляционного отверстия и затем второй объем ниже второго вентиляционного отверстия. Причем задержка по времени между моментом заполнения текучей средой образца первого объема ниже первого вентиляционного отверстия и моментом заполнения текучей средой образца второго объема ниже второго вентиляционного отверстия составляет более чем примерно три секунды.
Также предложен датчик анализа образца текучей среды, включающий базовый слой; электродный слой, опирающийся на базовый слой и имеющий первый электрод и второй электрод, при этом первый и второй электроды проходят соответственно от первого и второго проводников электрода и имеют средние части; покровный слой, расположенный над электродным слоем, причем покровный слой имеет выступающую область, определяющую углубление для образца; область входа текучей среды с сообщением по текучей среде с углублением для образца и первое и второе вентиляционные отверстия, причем первое вентиляционное отверстие имеет первую направляющую образец кромку, и второе вентиляционное отверстие имеет вторую направляющую образец кромку напротив первой направляющей образец кромки для направления текучей среды образца в, по меньшей мере, одну область тестирования, при этом первая и вторая направляющие образец кромки расположены друг напротив друга над, по меньшей мере, одной из средних частей первого и второго электродов. При этом первый и второй электроды имеют средние части, промежуточную область между первой и второй противоположными направляющими кромками, расположенными над одной из средних частей электродов.
Предложен еще один вариант датчика анализа образца текучей среды, который включает углубление для образца, имеющее область входа для текучей среды, причем углубление для образца адаптировано для заполнения под действием капиллярных сил и имеет вентиляционное отверстие, при этом вентиляционное отверстие имеет, по меньшей мере, одну направляющую образец кромку для направления текучей среды под действием капиллярных сил внутри углубления для образца к, по меньшей мере, одной области тестирования при заполнении углубления для образца.
Указанное выше краткое описание настоящего изобретения не призвано представлять каждое воплощение или каждый аспект настоящего изобретения. Дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из подробного описания, фигур и формулы изобретения, приведенных ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой изображение датчика анализа текучей среды в разобранном виде согласно воплощению настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой изображение датчика анализа текучей среды спереди.
Фиг.3 представляет собой вид спереди датчика анализа текучей среды фиг.2, содержащего образец текучей среды внутри испытательного резонатора датчика.
На фиг.4а-4с показаны состояния потока текучей среды образца в разные моменты времени внутри датчика.
На фиг.5а-5d показаны состояния потока текучей среды образца в разные моменты времени внутри другого датчика.
На фиг.6a-6f показаны состояния потока текучей среды образца в разные моменты времени внутри другого датчика.
Несмотря на то, что изобретение может быть модифицировано различными способами и может иметь альтернативные формы, конкретные воплощения показаны при помощи примера, иллюстрированного чертежами, и подробно описаны в описании. Однако должно быть понятно, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми формами. Скорее, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему изобретения, как определено приложенной формулой изобретения.
Описание иллюстрированных воплощений
В датчиках согласно настоящему изобретению используются вентиляционные отверстия для направления текучей среды образца к желаемым месторасположениям тестирования, таким как поверхности реагента и электроды. Обратимся к фиг.1, датчик 10 показан в разобранном виде. Датчик 10 включает базовый слой 12 для прикрепления деталей датчика, электродный слой 14 и покровный слой 16. Электродный слой 14 включает первый и второй электроды 18 и 20, которые, оба, должны находиться в контакте с текучей средой образца для проведения тестирования, такого как определение глюкозы в крови текучей среды образца. Электроды 18 и 20 контактируют с электродными узлами 19 и 21, которые обеспечивают электрический контакт с проводниками 23, обеспечивая использование датчика 10 в устройстве для электрохимического анализа. Первый и второй электроды 18 и 20 также могут называться «рабочим» и «обратным» электродами соответственно.
Второй электродный узел 21 изображен с вспомогательным электродом 20а, который обеспечивает распознавание ситуаций «недостаточного заполнения», когда в датчик 10 поступило меньшее количество текучей среды образца, чем необходимо. Если датчик 10 недостаточно заполнен текучей средой образца, только небольшой ток будет протекать между вспомогательным электродом 20а и первым электродом 18 и тогда предупредительный сигнал даст знать пользователю, что датчик 10 заполнен недостаточно.
Покровный слой 16 покрывает электродный слой 14 и охватывает область 22 входа текучей среды, в которую поступает текучая среда. Покровный слой 16 дополнительно содержит выступающую область 24, образующую углубление для образца (показано далее на фиг.2 и 3) датчика 10 в собранном состоянии. Первое и второе вентиляционные отверстия 26 снабжены покровным слоем 16 для втягивания текучей среды в углубление для образца под действием капиллярных сил и далее для направления размещения текучей среды внутри углубления для образца, как показано более подробно на фиг.2 и 3. Изоляционный слой 28 между электродным слоем 14 и покровным слоем 16 окружает область 30 контакта с образцом и обеспечивает отсутствие электрического контакта текучей среды образца с электродными проводниками 32, так как контакт с проводниками 32 может привести к неточным показаниям.
Реагент 34 расположен между изоляционным слоем 28 и покровным слоем 16 и содержит химические реагенты, которые взаимодействуют с текучей средой образца для получения желаемых электрохимических характеристик для анализа образца.
Обратимся к фиг.2, вид спереди датчика 10 по фиг.1 показывает углубление 36 для образца, образованное выступающей областью 24 покровного слоя 16. Углубление 36 для образца спроектировано для вмещения исследуемой текучей среды так, чтобы текучая среда находилась в контакте как с первым электродом 18, так и со вторым электродом 20 электродного слоя 14. На практике текучая среда образца входит в углубление 36 для образца через область 22 входа текучей среды и поступает в углубление 36 для образца посредством капиллярных сил, действующих через вентиляционные отверстия 26. Текучая среда образца удерживается в контакте с первым и вторым электродами 18 и 20 и проводится электрохимическое тестирование, такое как определение глюкозы в крови, которое может быть проведено для образца текучей среды.
Наружные кромки 38 и 40 электродов 18 и 20 покрыты изоляционным слоем, как на фиг.1, позиция 28, и, таким образом, эти наружные кромки являются электрохимически инертными (для упрощения иллюстрации изоляционный слой на фиг.2 не показан). Желательно направлять текучую среду образца к центру, к активным частям электродов 18 и 20.
На фиг.3 показана изометрическая проекция датчика 10 по фиг.2 с текучей средой 42 образца внутри углубления 36 для образца. Направляющие образец кромки 44 вентиляционных отверстий 26 направляют образец текучей среды 42 от наружных кромок 38 и 40 обратного электрода 20 к средней части электрода, где может быть установлен оптимальный электрический контакт между текучей средой 42 образца и электродами 18 и 20. Как показано на фиг.3, фронт 46 текучей среды 42 образца направлен между вентиляционными отверстиями 26 для установления достаточного контакта со вторым электродом 20, что приводит к точным показаниям датчика 10.
Датчики с использованием вентиляционных отверстий согласно настоящему изобретению могут применяться в ряде воплощений для расширения областей применения датчиков анализа текучей среды. На фиг.4а-с показаны в разные моменты времени состояния датчика 48 с использованием вентиляционных отверстий 50 для создания сужения или «зоны защемления» для текучей среды 42 образца при ее прохождении через датчик 48. Как показано на фиг.4а, сначала текучая среда 42 образца втягивается в датчик 48 под действием капиллярных сил и удерживается между разделительными кромками 52 под покровным слоем 16. Фронт 46 текучей среды 42 образца продвигается вдоль направляющих образец кромок 44 отверстий 50 в область 54 сужения. Хотя вентиляционные отверстия 50 имеют квадратную форму, они помещены под углом таким образом, что разделительные кромки 52 проходят через противоположные вершины отверстий 50, и профили вентиляционных отверстий 50, как показано для текучей среды 42 образца, имеют форму находящихся друг напротив друга прямоугольных равнобедренных треугольников. Текучая среда 42 образца показана на фиг.4а в момент соприкосновения со вторым электродом 20.
Обратимся к фиг.4b, датчик 48 фиг.4а показан в более поздний момент времени. Фронт 46 текучей среды 42 образца продвигается дальше области 54 сужения датчика 48, и теперь часть текучей среды 42 образца находится в контакте с центральной областью второго электрода 20. С течением времени фронт 46 продолжает продвижение после области 54 сужения, как показано на фиг.4с, что приводит к еще большему покрытию второго электрода 20 текучей средой 42 образца. Вентиляционные отверстия, имеющие направляющие образец кромки, которые обеспечивают образование области сужения, являются полезными для точного направления текучей среды образца внутри датчика и для более точного регулирования по времени прохождения текучей среды через датчик благодаря замедлению текучей среды в области сужения. Согласно одному воплощению продвижение, показанное на фиг.4а-с, происходит приблизительно через три секунды, тогда как при отсутствии области сужения продвижение заняло бы менее 0,3 секунды.
Вентиляционные отверстия согласно настоящему изобретению могут располагаться так, что текучая среда образца протекает по определенным каналам и течение текучей среды через датчик замедляется. Подобные примеры осуществления являются полезными для улучшения перемешивания текучей среды образца и реагента и для более точного контролирования времени течения текучей среды через датчик. На фиг.5а-5d показаны в разные моменты времени состояния датчика 56 с двумя вентиляционными отверстиями 58, установленными ступенчато для создания извилистого канала, по которому будет течь текучая среда 42 образца. На фиг.5а показан вход текучей среды 42 образца в датчик 56 и его направление по каналу 60 для текучей среды при помощи направляющих образец кромок 44 отверстий 58. На фиг.5а показана текучая среда 42 образца, недавно введенная в датчик 56 и направленная к первому электроду 18 по направляющим образец кромкам 44 первого вентиляционного отверстия 58а. Фронт 46 текучей среды 42 образца находится между первым электродом 18 и вторым электродом 20.
Далее, как показано на фиг.5b, фронт 46 текучей среды 42 образца направляют вокруг второго вентиляционного отверстия 58b по направляющим образец кромкам 44 второго отверстия 58b, и теперь текучая среда 42 образца соприкасается со вторым электродом 20. Текучая среда 42 образца продолжает течь через датчик 56, как показано на фиг.5с и 5d, с последующим прохождением фронта 46 по каналу 60 для текучей среды по мере его продвижения через датчик 56.
Извилистые каналы, такие как показанные на фиг.5а-5d, приводят к дополнительному перемешиванию текучей среды 42 образца с реагентом 34 внутри датчика 56 вследствие повышения турбулентности, что происходит в результате поворотов текучей среды 42 образца вдоль канала 60 для текучей среды. Кроме того, значительные временные задержки могут быть следствием использования извилистого канала 60 для текучей среды. Например, датчик 56, как показано на фиг.5а-5d, согласно некоторым воплощениям обеспечивает задержки от одной до пяти секунд между первоначальным введением текучей среды в датчик и полным продвижением образца текучей среды по каналу для текучей среды. Время течения текучей среды по каналу для текучей среды может быть изменено посредством сужения или расширения канала или при удлинении или укорачивании канала для текучей среды, например, используя разные размеры отверстий 58 в различных местах, определяющих канал для текучей среды.
При использовании более одного реагента регулирование времени течения текучей среды через датчик является предпочтительным с различными реагентами, имеющими различные оптимальные продолжительности взаимодействия с текучей средой образца. Реагенты со сложной структурой могут быть использованы в определенных оптических и электрохимических опытах во многих областях применения. Обратимся к фиг.6а-f, датчик 62, имеющий первое и второе вентиляционные отверстия 64а и 64b для регулирования времени течения текучей среды по каналу 60 для текучей среды, представлен в различные моменты времени. На фиг.6а показан датчик 62 до введения текучей среды образца в датчик 62. На фиг.6b показано введение текучей среды 42 образца в датчик 62. Фронт 46 текучей среды 42 образца направляется при помощи направляющих образец кромок 44 по каналу 60 для текучей среды вокруг первого вентиляционного отверстия 64а. На фиг.6с фронт 46 текучей среды 42 образца продвигается дальше первого вентиляционного отверстия 64а и направляется по направляющим образец кромкам 44 второго вентиляционного отверстия 64b.
Обратимся к фиг.6а, текучая среда 42 образца заполняет канал 60 для текучей среды и теперь ограничивается наружными кромками канала (которые на фиг.6a-6f являются разделительными кромками 52) и направляющих образец кромок 44, отверстий 64а и 64b. Далее, как показано на фиг.6е, текучая среда 42 образца заполняет пространство под первым отверстием 64а. Наконец, как показано на фиг.6f, текучая среда 42 образца заполняет пространство под вторым отверстием 64b. Если реагент подается в две поверхности реагента 66а и 66b (как показано на фиг.6d), способ, показанный на фиг.6а-6f может быть использован для регулирования времени контакта текучей среды 42 образца с каждым из реагентов.
Регулирование времени течения текучей среды образца, как показано на фиг.6а-6f, предпочтительно в применениях, таких как анализы крови и мочи, где могут быть использованы многие анализируемые вещества, имеющие различные оптимальные продолжительности взаимодействия. Например, если первый реагент находится в поверхности 66а первого реагента и второй реагент находится в поверхности 66b второго реагента, текучая среда 42 образца будет взаимодействовать с первым реагентом до взаимодействия со вторым реагентом, так как область первого вентиляционного отверстия 64а заполняется текучей средой образца быстрее, чем область вентиляционного отверстия 64b. Как показано в воплощениях на фиг.4а-4с и 5a-5d, длина и ширина канала для текучей среды и размеры и формы отверстий могут быть изменены для достижения желаемого времени. Согласно некоторым воплощениям задержка по времени от двух до пяти секунд между контактированиями с поверхностями реагента может быть достигнута использованием воплощения по фиг.6a-6f. Можно представить, что даже более длительные задержки могут быть достигнуты манипулированием поверхностными свойствами реагентов, такими как смачиваемость.
Такие задержки также целесообразно использовать в схеме, где продукт взаимодействия из первой зоны реагента поступает во вторую зону реагента и служит субстратом для второго взаимодействия. Благодаря задержкам по времени возможно определение концентраций обоих продуктов взаимодействия.
Другое использование воплощения фиг.6 способствует одновременному считыванию с многочисленных зон взаимодействия при помощи соответствующих множественных сигналов преобразующих устройств, включающих лучи света и электроды. В этом воплощении разность во времени смачивания обуславливает различные времена взаимодействия, если все сигналы преобразователя считываются одновременно.
Несмотря на то, что изобретение может быть модифицировано различными способами и иметь альтернативные формы, конкретные воплощения показаны при помощи примера в чертежах и подробно описаны в описании. Однако должно быть понятно, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми формами, но, напротив, изобретение должно охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.