МИКРОЭЛЕКТРОДЫ В ОФТАЛЬМИЧЕСКОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ДАТЧИКЕ
MICROELECTRODES IN OPHTHALMIC ELECTROCHEMICAL SENSOR

Перекрестная ссылка на родственную заявку
[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по заявке США № 13/650418, поданной 12 октября 2012 г., которая настоящим включена сюда по ссылке во всей своей полноте.
Предпосылки
[0002] Если в настоящем документе не указано иное, материалы, описанные в этом разделе, не являются уровнем техники для формулы изобретения данной заявки и не признаются уровнем техники из-за включения в этот раздел.
[0003] Электрохимический амперометрический датчик измеряет концентрацию аналита посредством измерения тока, генерируемого вследствие электрохимических реакций окисления или восстановления аналита на рабочем электроде датчика. Реакция восстановления происходит при переносе электронов от электрода к аналиту, тогда как реакция окисления происходит при переносе электронов от аналита к электроду. Направление переноса электронов зависит от электрических потенциалов, приложенных к рабочему электроду потенциостатом. Противоэлектрод и/или электрод сравнения используются для замыкания цепи с рабочим электродом и позволяют протекать генерируемому току. Когда рабочий электрод соответствующим образом электрически смещен, выходной ток пропорционален скорости реакции, что обеспечивает измерение концентрации аналита, окружающего рабочий электрод.
[0004] В некоторых примерах близко к рабочему электроду локализован реагент для избирательного реагирования с требуемым аналитом. Например, вблизи рабочего электрода может быть зафиксирована глюкозооксидаза для реагирования с глюкозой и высвобождения пероксида водорода, который затем электрохимически обнаруживается рабочим электродом для регистрации присутствия глюкозы. Для обнаружения других аналитов могут быть использованы другие ферменты и/или реагенты.
Сущность
[0005] Некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия предлагают устанавливаемое на глазу устройство, включающее в себя прозрачный полимерный материал, подложку, антенну, двухэлектродный электрохимический датчик и контроллер. Прозрачный полимерный материал может иметь вогнутую поверхность и выпуклую поверхность. Вогнутая поверхность может быть выполнена съемно устанавливаемой поверх роговичной поверхности, а выпуклая поверхность может быть выполнена совместимой с движением век, когда вогнутая поверхность установлена таким образом. Подложка может быть по меньшей мере частично заделана (встроена) внутри полимерного материала. Антенна может быть расположена на подложке. Двухэлектродный электрохимический датчик может быть расположен на подложке. Двухэлектродный электрохимический датчик может включать в себя рабочий электрод, имеющий по меньшей мере один размер менее чем 25 микрометров, и электрод сравнения, имеющий по меньшей мере в пять раз большую площадь, чем площадь рабочего электрода. Контроллер может быть электрически соединен с электрохимическим датчиком и антенной. Контроллер может быть выполнен с возможностью: (i) прикладывания напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения, достаточного для генерации амперометрического тока, связанного с концентрацией аналита в текучей среде, воздействию которой подвергается устанавливаемое на глазу устройство; (ii) измерения этого амперометрического тока; и (iii) использования антенны для выдачи показаний измеренного амперометрического тока. Часть прозрачного полимерного материала может окружать рабочий электрод и электрод сравнения так, что электрический ток, переносимый между рабочим электродом и электродом сравнения, проходит через эту по меньшей мере частично окружающую часть прозрачного полимерного материала.
[0006] Некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия предлагают систему, включающую в себя устанавливаемое на глазу устройство и устройство считывания. Устанавливаемое на глазу устройство может включать в себя прозрачный полимерный материал, подложку, антенну, двухэлектродный электрохимический датчик и контроллер. Прозрачный полимерный материал может иметь вогнутую поверхность и выпуклую поверхность. Вогнутая поверхность может быть выполнена съемно устанавливаемой поверх роговичной поверхности, а выпуклая поверхность может быть выполнена совместимой с движением век, когда вогнутая поверхность установлена таким образом. Подложка может быть по меньшей мере частично заделана внутри полимерного материала. Антенна может быть расположена на подложке. Двухэлектродный электрохимический датчик может быть расположен на подложке. Двухэлектродный электрохимический датчик может включать в себя рабочий электрод, имеющий по меньшей мере один размер менее чем 25 микрометров, и электрод сравнения, имеющий по меньшей мере в пять раз большую площадь, чем площадь рабочего электрода. Контроллер может быть электрически соединен с электрохимическим датчиком и антенной. Контроллер может быть выполнен с возможностью: (i) прикладывания напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения, достаточного для генерации амперометрического тока, связанного с концентрацией аналита в текучей среде, воздействию которой подвергается устанавливаемое на глазу устройство; (ii) измерения этого амперометрического тока; и (iii) использования антенны для выдачи показаний измеренного амперометрического тока. Часть прозрачного полимерного материала может окружать рабочий электрод и электрод сравнения так, что электрический ток, переносимый между рабочим электродом и электродом сравнения, проходит через эту по меньшей мере частично окружающую часть прозрачного полимерного материала. Устройство считывания может включать в себя одну или более антенн и систему обработки. Одна или более антенн могут быть выполнены с возможностью: передачи радиочастотного излучения для питания устанавливаемого на глазу устройства и приема показаний измеренного амперометрического тока посредством обратно рассеянного излучения, принимаемого упомянутыми одной или более антеннами. Система обработки может быть выполнена с возможностью определения значения концентрации аналита в слезной пленке на основании обратно рассеянного излучения.
[0007] Некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия предлагают способ, включающий в себя прикладывание напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения, измерение амперометрического тока через рабочий электрод и беспроводную выдачу показаний измеренного амперометрического тока. Напряжение, прикладываемое между рабочим электродом и электродом сравнения, может быть достаточным для того, чтобы вызывать электрохимические реакции на рабочем электроде. Рабочий электрод и электрод сравнения могут быть встроены в устанавливаемое на глазу устройство, имеющее вогнутую поверхность и выпуклую поверхность. Вогнутая поверхность может быть выполнена съемно устанавливаемой поверх роговичной поверхности, а выпуклая поверхность может быть выполнена совместимой с движением век, когда вогнутая поверхность установлена таким образом. Рабочий электрод может иметь по меньшей мере один размер менее чем 25 микрометров, а электрод сравнения может иметь по меньшей мере в пять раз большую площадь, чем площадь рабочего электрода. Рабочий электрод и электрод сравнения могут быть размещены в устанавливаемом на глазу устройстве таким образом, что электрохимические реакции связаны с концентрацией аналита в текучей среде, воздействию которой подвергается устанавливаемое на глазу устройство. Может быть измерен амперометрический ток через рабочий электрод при приложении напряжения между электродами. Устанавливаемое на глазу устройство может включать в себя полимерный материал с частью, которая по меньшей мере частично окружает рабочий электрод и электрод сравнения, так что электрический ток, переносимый между рабочим электродом и электродом сравнения, проходит через эту по меньшей мере частично окружающую часть. Способ может включать в себя беспроводную выдачу показаний измеренного амперометрического тока посредством антенны, встроенной в устанавливаемое на глазу устройство.
[0008] Эти и другие аспекты, преимущества и альтернативы будут очевидны средним специалистам в данной области техники из нижеследующего подробного описания со ссылкой, в случае необходимости, на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
[0009] Фигура 1 представляет собой блок-схему примерной системы, которая включает в себя устанавливаемое на глазу устройство, находящееся в беспроводной связи с внешним устройством считывания.
[0010] Фигура 2A представляет собой вид снизу примерного устанавливаемого на глазу устройства.
[0011] Фигура 2B представляет собой ракурс примерного устанавливаемого на глазу устройства, показанного на фигуре 2A.
[0012] Фигура 2C представляет собой вид сбоку в разрезе примерного устанавливаемого на глазу устройства, показанного на фигурах 2A и 2B, в то время как оно установлено на роговичную поверхность глаза.
[0013] Фигура 2D представляет собой вид сбоку в разрезе, увеличенный настолько, чтобы показать слои слезной пленки, окружающие поверхности примерного устанавливаемого на глазу устройства, в то время как оно вставлено, как показано на фигуре 2C.
[0014] Фигура 3 представляет собой функциональную блок-схему примерной системы для электрохимического измерения концентрации аналита в слезной пленке.
[0015] Фигура 4A представляет собой блок-схему примерного процесса работы электрохимического датчика в устанавливаемом на глазу устройстве для измерения концентрации аналита в слезной пленке.
[0016] Фигура 4B представляет собой блок-схему примерного процесса работы внешнего устройства считывания по опросу электрохимического датчика в устанавливаемом на глазу устройстве для измерения концентрации аналита в слезной пленке.
[0017] Фигура 5A показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из слезной пленки через полимерный материал.
[0018] Фигура 5B показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит в слезной пленке, который входит в контакт с датчиком через канал в полимерном материале.
[0019] Фигура 5C показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из слезной пленки через утонченный участок полимерного материала.
[0020] Фигура 5D показывает другую примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из слоя слезной пленки через полимерный материал.
[0021] Фигура 5E показывает другую примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит в слое слезной пленки, который входит в контакт с датчиком через канал в полимерном материале.
[0022] Фигура 5F показывает другую примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из слоя слезной пленки через утонченный участок полимерного материала.
[0023] Фигура 6A иллюстрирует одно примерное размещение электродов в электрохимическом датчике.
[0024] Фигура 6B иллюстрирует другое примерное размещение электродов в электрохимическом датчике.
[0025] Фигура 7A иллюстрирует примерное копланарное размещение электродов в электрохимическом датчике.
[0026] Фигура 7B иллюстрирует примерное некопланарное размещение электродов в электрохимическом датчике.
Подробное описание
[0027] В нижеследующем подробном описании делается ссылка на прилагаемые фигуры, которые составляют его часть. На фигурах схожие символы, как правило, указывают на схожие компоненты, если контекст не требует иного. Иллюстративные варианты осуществления, описанные в подробном описании, фигуры и формула изобретения не предназначены для ограничения. Могут быть использованы другие варианты осуществления и могут быть проделаны другие изменения без отхода от сущности объекта изобретения, представленного в настоящем документе. Легко понять, что аспекты настоящего раскрытия, как в целом описано в настоящем документе и проиллюстрировано на фигурах, могут быть размещены, заменены, объединены, разделены и сконструированы в широком многообразии различных конфигураций, все из которых явно предусмотрены в настоящем документе.
I. Обзор
[0028] Офтальмическая чувствительная платформа может включать в себя датчик, электронные схемы управления и антенну, причем все они расположены на подложке, заделанной внутри полимерного материала, отформованного для контактной установки в глаз. Электронные схемы управления могут вынуждать датчик осуществлять выдачу показаний и могут вынуждать антенну беспроводным образом передавать эти показания от датчика на внешнее устройство считывания через антенну.
[0029] Полимерный материал может иметь форму круглой линзы с вогнутой кривизной, выполненной с возможностью установки на роговичную поверхность глаза. Подложка может быть заделана вблизи периферии полимерного материала, чтобы избежать взаимодействия с падающим светом, принимаемым поблизости от центральной области роговицы. Датчик может быть размещен на подложке обращенным внутрь, к роговичной поверхности, для того чтобы генерировать клинически значимые показания от области вблизи от поверхности роговицы и/или от слезной жидкости, расположенной между контактной линзой и роговичной поверхностью. В некоторых примерах датчик полностью заделан внутри материала контактной линзы. Например, датчик может находиться во взвешенном состоянии в материале линзы и может быть помещен так, что рабочий электрод отстоит менее чем на 10 микрометров от полимерной поверхности, выполненной с возможностью установки на роговицу. Датчик может генерировать выходной сигнал, указывающий на концентрацию аналита, который диффундирует через материал линзы к заделанному датчику.
[0030] Офтальмическая чувствительная платформа может быть запитана посредством излучаемой энергии, улавливаемой на чувствительной платформе. Питание может быть обеспечено светом, возбуждающим фотоэлектрические элементы, содержащиеся на чувствительной платформе. Дополнительно или альтернативно, питание может быть обеспечено радиочастотной энергией, улавливаемой от антенны. С электронными схемами управления может быть встроен выпрямитель и/или регулятор для генерации стабильного напряжения постоянного тока с целью питания чувствительной платформы от улавливаемой энергии. Антенна может быть выполнена в виде рамки из проводящего материала с вводами, подсоединенными к электронным схемам управления. В некоторых вариантах осуществления такая рамочная антенна может также беспроводным образом передавать показания датчика на внешнее устройство считывания посредством изменения импеданса рамочной антенны таким образом, чтобы изменять обратно рассеянное излучение от антенны.
2+
2+
-
[0031] Человеческая слезная жидкость содержит множество неорганических электролитов (например, Ca, Mg, Cl), органических растворенных веществ (например, глюкозу, лактат и т.д.), белков и липидов. Контактная линза с одним или более датчиками, которые могут измерять один или более из этих компонентов, обеспечивает удобную неинвазивную платформу для диагностики или мониторинга связанных со здоровьем проблем. Примером является чувствительная к глюкозе контактная линза, которая потенциально может быть использована у диабетиков для мониторинга и контроля их уровня глюкозы в крови.
[0032] Примерный электрохимический датчик установлен на чувствительной платформе, заделанной внутри контактной линзы, и включает в себя рабочий электрод и противоэлектрод сравнения (т.е. противоэлектрод, который также может служить в качестве электрода сравнения). Рабочий электрод может иметь по меньшей мере один размер, меньший, чем 25 микрометров. В некоторых примерах рабочий электрод имеет по меньшей мере один размер примерно 10 микрометров. Противоэлектрод сравнения может иметь по меньшей мере в пять раз большую площадь, чем рабочий электрод. Электроды могут быть помещены в различных геометриях, включая копланарные параллельные стержни, концентрические кольца, соосные диски и т.д. Рабочий электрод и комбинированный противоэлектрод сравнения могут быть образованы из платины, палладия, углерода, серебра, золота, других подходящих проводящих материалов и/или их сочетаний, и т.д. К этим двум электродам может быть подсоединен потенциостат для прикладывания потенциала к рабочему электроду по отношению к противоэлектроду сравнения во время измерения тока через рабочий электрод. Более конкретно, прикладываемый к рабочему электроду потенциал может быть достаточным для вызывания реакций окисления и/или восстановления целевых аналитов, и в этом случае измеренный ток обеспечивает показание концентрации аналита. Электронные схемы управления задействуют антенну для беспроводной передачи показаний тока на внешнее устройство считывания.
[0033] Применение микроэлектрода, такого как рабочий электрод с размером приблизительно 10 микрометров, приводит к токам в типичных токах сигнала, равным нескольким наноамперам. При столь низких токах и с такими размерами электродов диффузия молекул аналита к электроду достаточно эффективна для того, чтобы амперометрические токи легко достигали установившегося состояния в результате постоянного поступления молекул аналита к рабочему электроду посредством диффузии.
[0034] Кроме того, низкие токи позволяют датчику быть менее чувствительным к потере напряжения из-за сопротивления материала электролита между электродами. То есть датчики с низкими рабочими токами создают меньшую потерю напряжения между своими электродами в результате протекающего в датчике тока, даже когда материал между электродами имеет относительно высокое сопротивление. Таким образом, когда электроды заделаны в полимерный материал линзы, который имеет относительно высокое сопротивление по сравнению с типичным водным раствором, используемым в качестве электролита, работа электрохимического датчика может быть улучшена посредством выполнения рабочего электрода в виде микроэлектрода (например, с размером менее чем 25 микрометров, примерно 10 микрометров или даже менее чем 10 микрометров).
II. Примерная офтальмическая платформа с электронными схемами
[0035] Фигура 1 представляет собой блок-схему системы 100, которая включает в себя устанавливаемое на глазу устройство 110, находящееся в беспроводной связи с внешним устройством 180 считывания. Открытые участки устанавливаемого на глазу устройства 110 выполнены из полимерного материала 120, отформованного с возможностью контактной установки на роговичную поверхность глаза. Подложка 130 заделана в полимерный материал 120 для обеспечения установочной поверхности для источника 140 питания, контроллера 150, биоинтерактивных электронных схем 160 и связной антенны 170. Биоинтерактивные электронные схемы 160 работают под управлением контроллера 150. Источник 140 питания подает рабочие напряжения на контроллер 150 и/или биоинтерактивные электронные схемы 160. Антенна 170 работает под управлением контроллера 150, передавая информацию к и/или от устанавливаемого на глазу устройства 110. Антенна 170, контроллер 150, источник 140 питания и биоинтерактивные электронные схемы 160 могут быть все расположены на встроенной подложке 130. Поскольку устанавливаемое на глазу устройство 110 включает в себя электронные схемы и выполнено с возможностью контактной вставки в глаз, оно в настоящем документе также называется офтальмической платформой с электронными схемами.
[0036] Для облегчения контактной вставки полимерный материал 120 может иметь вогнутую поверхность, выполненную с возможностью прилипать ("вставляться") к увлажненной роговичной поверхности (например, посредством капиллярных сил слезной пленки, покрывающей роговичную поверхность). Дополнительно или альтернативно, устанавливаемое на глазу устройство 110 может прилипать под действием силы разрежения между роговичной поверхностью и полимерным материалом благодаря вогнутой кривизне. Будучи вставленной вогнутой поверхностью к глазу, обращенная наружу поверхность полимерного материала 120 может иметь выпуклую кривизну, которую формируют так, чтобы не мешать движению век, когда устанавливаемое на глазу устройство 110 установлено в глаз. Например, полимерный материал 120 может представлять собой практически прозрачный изогнутый полимерный диск, которому придана форма, аналогичная контактной линзе.
[0037] Полимерный материал 120 может включать в себя один или более биосовместимых материалов, таких как применяемые для использования в контактных линзах или других офтальмических применениях, при которых имеет место непосредственный контакт с роговичной поверхностью. Полимерный материал 120 может, необязательно, быть частично образован из таких биосовместимых материалов или может включать в себя внешнее покрытие с такими биосовместимыми материалами. Полимерный материал 120 может включать в себя материалы, выполненные с возможностью увлажнения роговичной поверхности, такие как гидрогели и тому подобное. В некоторых случаях полимерный материал 120 может представлять собой деформируемый ("нежесткий") материал для повышенного удобства носящего. В некоторых случаях полимерному материалу 120 может быть придана такая форма, которая обеспечивает заранее заданную корректирующую зрение оптическую силу, такую как та, которую может обеспечивать контактная линза.
[0038] Подложка 130 включает в себя одну или более поверхностей, подходящих для установки биоинтерактивных электронных схем 160, контроллера 150, источника 140 питания и антенны 170. Подложка 130 может быть использована в качестве установочной (монтажной) платформы для реализованных на основе чипа схем (например, посредством монтажа методом перевернутого кристалла) и/или в качестве площадки для формирования рисунка из проводящих материалов (например, золота, платины, палладия, титана, меди, алюминия, серебра, металлов, других проводящих материалов, их комбинаций и т.д.) для создания электродов, межсоединений, антенн и т.д. В некоторых вариантах осуществления практически прозрачные проводящие материалы (например, оксид индия-олова) могут быть нанесены в виде рисунка на подложку 130 с образованием схем, электродов и т.д. Например, антенна 170 может быть образована посредством осаждения рисунка из золота или другого проводящего материала на подложку 130. Аналогично, межсоединения 151, 157 между контроллером 150 и биоинтерактивными электронными схемами 160 и между контроллером 150 и антенной 170, соответственно, могут быть образованы посредством осаждения подходящих рисунков из проводящих материалов на подложку 130. Для формирования рисунков из материалов на подложке 130 может быть использована комбинация резистов, масок и методов осаждения. Подложка 130 может представлять собой относительно жесткий материал, такой как полиэтилентерефталат ("PET") или другой материал, подходящий для того, чтобы служить конструктивной основой для схем и/или электронных схем внутри полимерного материала 120. Устанавливаемое на глазу устройство 110 может, альтернативно, быть выполнено с группой несвязанных подложек, а не с одной подложкой. Например, контроллер 150 и биодатчик или другой биоинтерактивный электронный компонент могут быть установлены на одну подложку, тогда как антенна 170 установлена на другую подложку, и они могут быть электрически соединены посредством межсоединений 157.
[0039] В некоторых вариантах осуществления биоинтерактивные электронные схемы 160 (и подложка 130) могут быть расположены вдали от центра устанавливаемого на глазу устройства 110 и тем самым исключать взаимодействие со светом, проходящим в глаз через центр устанавливаемого на глазу устройства 110. Например, когда устанавливаемое на глазу устройство 110 имеет форму вогнуто-изогнутого диска, подложка 130 может быть заделана по периферии (например, вблизи наружной окружности) диска. В некоторых вариантах осуществления биоинтерактивные электронные схемы 160 (и подложка 130) могут быть расположены в центральной области устанавливаемого на глазу устройства 110. Биоинтерактивные электронные схемы 160 и/или подложка 130 могут быть практически прозрачными для входящего видимого света с целью уменьшения помех при прохождении света в глаз. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления биоинтерактивные электронные схемы 160 могут включать в себя массив (матрицу) 164 пикселей, который(ая) испускает и/или пропускает воспринимаемый глазом свет в соответствии с инструкциями отображения. Таким образом, биоинтерактивные электронные схемы 160 могут, необязательно, быть расположены в центре устанавливаемого на глазу устройства с тем, чтобы генерировать воспринимаемые визуальные указания (зрительные подсказки) для носящего устанавливаемое на глазу устройство 110, например, с помощью отображения информации посредством массива 164 пикселей.
[0040] Подложка 130 может иметь форму уплощенного кольца с радиальной шириной, достаточной для обеспечения установочной платформы для встроенных электронных компонентов. Подложка 130 может иметь толщину, достаточно маленькую для того, чтобы позволять подложке 130 быть заделанной в полимерный материал 120 без влияния на профиль устанавливаемого на глазу устройства 110. Подложка 130 может иметь толщину, достаточно большую для того, чтобы обеспечивать структурную устойчивость, подходящую для обеспечения опоры установленным на ней электронным схемам. Например, подложка 130 может иметь форму кольца с диаметром примерно 10 миллиметров, радиальной шириной примерно 1 миллиметр (например, внешний радиус на 1 миллиметр больше, чем внутренний радиус), и толщину примерно 50 микрометров. Подложка 130 может, необязательно, быть выровнена по кривизне с установочной на глазу поверхностью устанавливаемого на глазу устройства 110 (например, выпуклой поверхностью). Например, подложке 130 может быть придана форма поверхности воображаемого конуса между двумя круговыми сегментами, которые определяют внутренний радиус и внешний радиус. В таком примере поверхность подложки 130 вдоль поверхности воображаемого конуса определяет наклонную поверхность, которая приблизительно выровнена по кривизне с установочной на глазу поверхностью при таком радиусе.
[0041] Источник 140 питания выполнен с возможностью улавливания энергии окружающей среды для питания контроллера 150 и биоинтерактивных электронных схем 160. Например, улавливающая радиочастотную энергию антенна 142 может улавливать энергию из падающего радиоизлучения. Дополнительно или альтернативно, солнечный(е) элемент(ы) 144 ("фотоэлектрические элементы") могут улавливать энергию из поступающего ультрафиолетового, видимого и/или инфракрасного излучения. Кроме того, может быть включена система захвата инерционной энергии для улавливания энергии из колебаний окружающей среды. Улавливающая энергию антенна 142 может, необязательно, представлять собой антенну двойного назначения, которая также используется для передачи информации на внешнее устройство 180 считывания. То есть функции связной антенны 170 и улавливающей энергию антенны 142 могут выполняться одной и той же физической антенной.
[0042] Чтобы обусловить преобразование уловленной энергии в стабильное напряжение 141 питания постоянного тока, которое подается на контроллер 150, может быть использован выпрямитель/регулятор 146. Например, улавливающая энергию антенна 142 может принимать падающее радиочастотное излучение. Переменные электрические сигналы на вводах антенны 142 выдаются на выпрямитель/регулятор 146. Выпрямитель/регулятор 146 выпрямляет переменные электрические сигналы в напряжение постоянного тока и регулирует выпрямленное напряжение постоянного тока до уровня, подходящего для работы контроллера 150. Дополнительно или альтернативно, выходное напряжение от солнечного(ых) элемента(ов) 144 может быть отрегулировано до уровня, подходящего для работы контроллера 150. Выпрямитель/регулятор 146 может включать в себя одно или более устройств аккумулирования энергии для уменьшения высокочастотных вариаций в собирающих энергию окружающей среды антенне 142 и/или солнечном(ых) элементе(ах) 144. Например, одно или более устройств аккумулирования энергии (например, конденсатор, катушка индуктивности и т.д.) могут быть соединены с выходом выпрямителя 146 и выполнены с возможностью функционирования в качестве низкочастотного фильтра.
[0043] Контроллер 150 включается, когда на контроллер 150 подается напряжение 141 питания постоянного тока, и логика в контроллере 150 управляет биоинтерактивными электронными схемами 160 и антенной 170. Контроллер 150 может включать в себя логическую схему, выполненную с возможностью управления работой биоинтерактивных электронных схем 160 таким образом, чтобы они взаимодействовали с биологическим окружением устанавливаемого на глазу устройства 110. Взаимодействие может включать в себя использование одного или более компонентов, таких как биодатчик 162 аналита, в биоинтерактивных электронных схемах 160 для получения ввода (входных данных) от биологического окружения. Дополнительно или альтернативно, взаимодействие могло бы включать в себя использование одного или более компонентов, таких как массив 164 пикселей, для обеспечения вывода в биологическое окружение.
[0044] В одном примере контроллер 150 включает в себя модуль 152 интерфейса датчика, который выполнен с возможностью управления работой биодатчика 162 аналита. Биодатчик 162 аналита может представлять собой, например, амперометрический электрохимический датчик, который включает в себя рабочий электрод и электрод сравнения. Между рабочим электродом и электродом сравнения может подаваться напряжение для того, чтобы вынуждать аналит претерпевать электрохимическую реакцию (например, реакцию восстановления и/или окисления) на рабочем электроде. Электрохимическая реакция может генерировать амперометрический ток, который может быть измерен посредством рабочего электрода. Амперометрический ток может зависеть от концентрации аналита. Таким образом, величина амперометрического тока, которую измеряют посредством рабочего электрода, может предоставлять показание концентрации аналита. В некоторых вариантах осуществления модуль 152 интерфейса датчика может представлять собой потенциостат, выполненный с возможностью прикладывания разности потенциалов (напряжения) между рабочим электродом и электродом сравнения при измерении тока через рабочий электрод.
2
2
[0045] В некоторых случаях в состав также может быть включен реагент для того, чтобы сделать электрохимический датчик чувствительным к одному или более требуемым аналитам. Например, слой глюкозооксидазы ("GOD") вблизи от рабочего электрода может катализировать окисление глюкозы с образованием пероксида водорода (HO). Пероксид водорода может затем быть подвергнут электроокислению на рабочем электроде, что высвобождает электроны в рабочий электрод, давая амперометрический ток, который может быть измерен посредством рабочего электрода.
[0046] Ток, генерируемый при реакциях восстановления или окисления, приблизительно пропорционален скорости реакции. Кроме того, скорость реакции зависит от скорости достижения молекулами аналита электродов электрохимического датчика для поддержания реакций восстановления или окисления, или непосредственно, или каталитически через реагент. В установившемся состоянии, когда молекулы аналита диффундируют к электродам электрохимического датчика из исследуемой области приблизительно с той же скоростью, с которой дополнительные молекулы аналита диффундируют в исследуемую область из окружающих областей, скорость реакции приблизительно пропорциональна концентрации молекул аналита. Таким образом, ток, измеренный посредством рабочего электрода, дает показание концентрации аналита.
[0047] Контроллер 150 может, необязательно, включать в себя модуль 154 драйвера отображения для управления массивом 164 пикселей. Массив 164 пикселей может представлять собой массив отдельно программируемых светопропускающих, светоотражающих и/или светоизлучающих пикселей, упорядоченно расположенных по строкам и столбцам. Цепи отдельных пикселей могут, необязательно, включать в себя жидкокристаллические технологии, микроэлектромеханические технологии, технологии на основе излучающих диодов и т.д. для избирательных передачи, отражения и/или испускания света в соответствии с информацией от модуля 154 драйвера отображения. Такой массив 164 пикселей может также, необязательно, включать в себя пиксели более чем одного цвета (например, красные, зеленые и синие пикселы) для создания цветного визуального содержимого. Модуль 154 драйвера отображения может включать в себя, например, одну или более строк данных, предоставляющих программную информацию отдельно запрограммированным пикселам в массиве 164 пикселей, и одну или более строк адресации для настройки групп пикселей на прием такой программной информации. Такой массив 164 пикселей, помещенный на глаз, может также включать в себя одну или более линз для направления света от массива пикселей в фокальную плоскость, воспринимаемую глазом.
[0048] Контроллер 150 может также включать в себя цепь 156 связи для отправки и/или приема информации через антенну 170. Цепь 156 связи может, необязательно, включать в себя один или более осцилляторов, смесителей, частотных инжекторов и т.д. для модуляции и/или демодуляции информации на несущей частоте, передаваемой и/или принимаемой антенной 170. В некоторых примерах устанавливаемое на глазу устройство 110 выполнено с возможностью выдачи выходных данных от биодатчика посредством модулирования импеданса антенны 170 таким образом, который воспринимается внешним устройством 180 считывания. Например, цепь 156 связи может вызывать изменения амплитуды, фазы и/или частоты обратно рассеянного излучения от антенны 170, и такие изменения могут быть обнаружены устройством 180 считывания.
[0049] Контроллер 150 соединен с биоинтерактивными электронными схемами 160 посредством межсоединений 151. Например, когда контроллер 150 включает в себя логические элементы, реализованные в интегральной схеме для образования модуля 152 интерфейса датчика и/или модуля 154 драйвера отображения, нанесенный в виде рисунка проводящий материал (например, золото, платину, палладий, титан, медь, алюминий, серебро, металлы, их комбинации и т.д.) может соединять вывод на чипе с биоинтерактивными электронными схемами 160. Аналогично, контроллер 150 соединен с антенной 170 посредством межсоединений 157.
[0050] Следует отметить, что блок-схема, показанная на фигуре 1, описана в связи с функциональными модулями для удобства при описании. Тем не менее, варианты осуществления устанавливаемого на глазу устройства 110 могут быть выполнены с одним или более функциональными модулями ("подсистемами"), реализованными в одном чипе (одной микросхеме), одной интегральной схеме и/или одном физическом элементе. Например, хотя выпрямитель/регулятор 146 проиллюстрирован в блоке 140 источника питания, выпрямитель/регулятор 146 может быть реализован в чипе, который также включает в себя логические элементы контроллера 150 и/или другие элементе встроенных электронных схем в устанавливаемом на глазу устройстве 110. Таким образом, напряжение 141 питания постоянного тока, которое подается на контроллер 150 от источника 140 питания, может представлять собой напряжение питания, которое подается на чип компонентами выпрямителя и/или регулятора того же чипа. То есть функциональные блоки на фигуре 1, показанные как блок 140 источника питания и блок 150 контроллера, не обязательно должны быть реализованы в виде отдельных модулей. Кроме того, один или более из функциональных модулей, описанных на фигуре 1, могут быть реализованы с помощью размещенных по отдельности чипов, электрически соединенных друг с другом.
[0051] Дополнительно или альтернативно, улавливающая энергию антенна 142 и связная антенна 170 могут быть реализованы одной и той же физической антенной. Например, рамочная антенна может как улавливать падающее излучение для выработки энергии, так и передавать информацию с помощью обратно рассеянного излучения.
[0052] Внешнее устройство 180 считывания включает в себя антенну 188 (или группу из более чем одной антенны) для передачи и приема беспроводных сигналов 171 к и от устанавливаемого на глазу устройства 110. Внешнее устройство 180 считывания также включает в себя вычислительную систему с процессором 186, находящимся в связи с памятью 182. Память 182 представляет собой невременный машиночитаемый носитель, который может включать в себя, без ограничения, магнитные диски, оптические диски, органическую память и/или любую другую энергозависимую (например, RAM) или энергонезависимую (например, ROM) систему хранения, считываемую процессором 186. Память 182 может включать в себя хранилище 183 данных для хранения показаний данных, таких как показания датчика (например, от биодатчика 162 аналита), программные настройки (например, для регулировки поведения устанавливаемого на глазу устройства 110 и/или внешнего устройства 180 считывания) и т.д. Память 182 может также включать в себя программные инструкции 184 для исполнения процессором 186 для того, чтобы вынуждать внешнее устройство 180 считывания осуществлять процессы, предписанные инструкциями 184. Например, программные инструкции 184 могут вынуждать внешнее устройство 180 считывания обеспечивать пользовательский интерфейс, который позволяет извлекать информацию, передаваемую от устанавливаемого на глазу устройства 110 (например, выходные данные от биодатчика 162 аналита). Внешнее устройство 180 считывания может также включать в себя один или более аппаратных компонентов для того, чтобы антенна 188 передавала и принимала беспроводные сигналы 171 к и от устанавливаемого на глазу устройства 110. Например, осцилляторы, частотные инжекторы, кодеры, декодеры, усилители, фильтры и т.д. могут возбуждать антенну 188 в соответствии с инструкциями (командами) от процессора 186.
[0053] Внешнее устройство 180 считывания может представлять собой смартфон, карманный персональный компьютер или другое портативное вычислительное устройство с возможностью беспроводного соединения, достаточной для обеспечения беспроводного канала 171 связи. Внешнее устройство 180 считывания может также быть реализовано в виде антенного модуля, который может быть подключен к портативному вычислительному устройству, как, например, в случае, когда канал 171 связи работает на несущих частотах, обычно не используемых в портативных вычислительных устройствах. В некоторых случаях внешнее устройство 180 считывания представляет собой устройство специального назначения, выполненное с возможностью его ношения относительно близко к глазу носящего, чтобы сделать возможным работу беспроводного канала 171 связи с низким бюджетом мощности. Например, внешнее устройство 180 считывания может быть интегрировано в ювелирное изделие, такое как ожерелье, серьга и т.д., или интегрировано в предмет одежды, носимый поблизости от головы, такой как шляпа, головная повязка и т.д.
[0054] В случае, когда устанавливаемое на глазу устройство 110 включает в себя биодатчик 162 аналита, система 100 может работать так, чтобы контролировать концентрацию аналита в слезной пленке на поверхности глаза. Таким образом, устанавливаемое на глазу устройство 110 может быть выполнено в качестве платформы для офтальмического биодатчика аналита. Слезная пленка представляет собой водный слой, секретируемый из слезной железы, покрывая глаз. Слезная пленка находится в контакте с кровоснабжением через капилляры в структуре глаза и включает в себя много обнаруживаемых в крови биомаркеров, которые анализируют для того, чтобы охарактеризовать состояние здоровья индивидуума(ов). Например, слезная пленка включает в себя глюкозу, кальций, натрий, холестерин, калий, другие биомаркеры и т.д. Концентрации биомаркеров в слезной пленке могут систематически отличаться от соответствующих концентраций биомаркеров в крови, но может быть установлена зависимость между этими двумя уровнями концентрации для сопоставления значений концентрации биомаркеров в слезной пленке с уровнями концентрации в крови. Например, может быть установлено (например, определено эмпирически), что концентрация глюкозы в слезной пленке составляет приблизительно одну десятую от соответствующей концентрации глюкозы в крови. Таким образом, измерение уровней концентраций аналитов в слезной пленке предоставляет неинвазивный метод контроля уровней биомаркеров по сравнению с методом взятия проб крови, осуществляемым посредством отбора некоторого объема крови для его анализа вне тела индивидуума. Кроме того, раскрытая здесь платформа офтальмического биодатчика аналита может работать практически непрерывно, делая возможным контроль концентраций аналитов в реальном времени.
[0055] Для осуществления считывания с помощью системы 100, выполненной в виде устройства контроля аналитов в слезной пленке, внешнее устройство 180 считывания может испускать радиочастотное излучение 171, которое улавливается для запитывания устанавливаемого на глазу устройства 110 с помощью источника 140 питания. Радиочастотные электрические сигналы, захватываемые улавливающей энергию антенной 142 (и/или связной антенной 170) выпрямляются и/или регулируются в выпрямителе/регуляторе 146, и отрегулированное напряжение 147 питания постоянного тока подается на контроллер 150. Радиочастотное излучение 171, таким образом, включает электронные компоненты в устанавливаемом на глазу устройстве 110. Включившись, контроллер 150 управляет работой биодатчика 162 аналита для измерения уровня концентрации аналита. Например, модуль 152 интерфейса датчика может прикладывать напряжение между рабочим электродом и электродом сравнения в биодатчике 162 аналита. Прикладываемое напряжение может быть достаточным для того, чтобы вынуждать аналит претерпевать электрохимическую реакцию на рабочем электроде и тем самым генерировать амперометрический ток, который может быть измерен посредством рабочего электрода. Измеренный амперометрический ток может предоставлять показание датчика ("результат"), указывающее(ий) на концентрацию аналита. Контроллер 150 может управлять работой антенны 170 по передаче показания датчика назад на внешнее устройство 180 считывания (например, посредством цепи 156 связи). Показание датчика может быть передано посредством, например, модулирования импеданса связной антенны 170, так что модуляция импеданса обнаруживается внешним устройством 180 считывания. Модуляция импеданса антенны может быть обнаружена с помощью, например, обратно рассеянного излучения от антенны 170.
[0056] В некоторых вариантах осуществления система 100 может работать, не непрерывно ("с перерывами" или "периодически") подавая энергию на устанавливаемое на глазу устройство 110 для запитывания контроллера 150 и электронных схем 160. Например, радиочастотное излучение 171 может подаваться для питания устанавливаемого на глазу устройства 110 достаточно долго для того, чтобы осуществить измерение концентрации аналита в слезной пленке и передать результаты. Например, подаваемое радиочастотное излучение может обеспечивать достаточную мощность для прикладывания между рабочим электродом и электродом сравнения потенциала, достаточного для вызывания электрохимических реакций на рабочем электроде, измерения возникающего амперометрического тока и модулирования импеданса антенны для регулировки обратно рассеянного излучения таким образом, который указывает на измеренный амперометрический ток. В таком случае подаваемое радиочастотное излучение 171 может рассматриваться как сигнал опроса от внешнего устройства 180 считывания на устанавливаемое на глазу устройство 110 для запроса измерения. Посредством периодического опроса устанавливаемого на глазу устройства 110 (например, посредством подачи радиочастотного излучения 171 для временного включения устройства) и сохранения результатов от датчика (например, с помощью хранилища 183 данных) внешнее устройство 180 считывания может накапливать серию измерений концентрации аналита с течением времени без непрерывной подачи питания на устанавливаемое на глазу устройство 110.
[0057] Фигура 2A представляет собой вид снизу примерного устанавливаемого на глазу электронного устройства 210. Фигура 2B представляет собой ракурс примерного устанавливаемого на глазу электронного устройства, показанного на фигуре 2A. Следует отметить, что относительные размеры на фигурах 2A и 2B не обязательно показаны в масштабе, но выполнены только с целью пояснения при описании размещения примерного устанавливаемого на глазу электронного устройства 210. Устанавливаемое на глазу устройство 210 сформировано из полимерного материала 220, имеющего форму изогнутого диска. Полимерный материал 220 может быть практически прозрачным материалом для того, чтобы позволять падающему свету проходить в глаз, когда устанавливаемое на глазу устройство 210 установлено в глаз. Полимерный материал 220 может представлять собой биосовместимый материал, аналогичный используемым для формирования корректирующих зрение и/или косметических контактных линз в оптометрии, такой как полиэтилентерефталат ("PET"), полиметилметакрилат ("PMMA"), силиконовые гидрогели, основанные на полигидроксиэтилметакрилате (polyHEMA) гидрогели и их комбинации и т.д. Полимерный материал 220 может быть сформирован с одной стороной, имеющей вогнутую поверхность 226, подходящую для посадки на роговичную поверхность глаза. Противоположная сторона диска может иметь выпуклую поверхность 224, которая не мешает движению век, когда устанавливаемое на глазу устройство 210 установлено в глаз. Круглый наружной боковой край 228 соединяет вогнутую поверхность 224 и выпуклую поверхность 226.
[0058] Устанавливаемое на глазу устройство 210 может иметь размеры, аналогичные корректирующим зрение и/или косметическим контактным линзам, такие как диаметр приблизительно 1 сантиметр и толщина от примерно 0,1 до примерно 0,5 миллиметра. Однако значения диаметра и толщины приведены только в пояснительных целях. В некоторых вариантах осуществления размеры устанавливаемого на глазу устройства 210 могут быть выбраны в соответствии с размером и/или формой роговичной поверхности глаза носящего.
[0059] Полимерному материалу 220 может быть придана изогнутая форма различными способами. Например, для формования полимерного материала 220 могут быть использованы методы, аналогичные используемым для формования корректирующих зрение контактных линз, такие как термоформовка, литье под давлением, центробежное литье и т.д. Когда устанавливаемое на глазу устройство 210 установлено в глазу, выпуклая поверхность 224 обращена наружу к окружающей среде, тогда как вогнутая поверхность 226 обращена внутрь, к роговичной поверхности. Выпуклую поверхность 224 можно поэтому рассматривать как внешнюю, верхнюю поверхность устанавливаемого на глазу устройства 210, тогда как вогнутую поверхность 226 - как внутреннюю, нижнюю поверхность. Вид "снизу", показанный на фигуре 2A, обращен на вогнутую поверхность 226. Исходя из вида снизу, показанного на фигуре 2A, внешняя периферия 222 вблизи наружной окружности изогнутого диска изогнута от страницы, тогда как центральная область 221 вблизи центра диска изогнута в страницу.
[0060] Подложка 230 заделана в полимерный материал 220. Подложка 230 может быть заделана помещенной вдоль внешней периферии 222 полимерного материала 220, вдали от центральной области 221. Подложка 230 не мешает зрению, поскольку она находится слишком близко к глазу, чтобы быть в фокусе, и расположена вдали от центральной области 221, где падающий свет проходит к чувствительным участкам глаза. Кроме того, подложка 230 может быть сформирована из прозрачного материала для дополнительного уменьшения любого воздействия на визуальное восприятие.
[0061] Подложка 230 может иметь форму плоского, кругового кольца (например, диска с центральным отверстием). Плоская поверхность подложки 230 (например, вдоль радиальной ширины) представляет собой платформу для установки электронных схем, таких как чипы (например, посредством монтажа методом перевернутого кристалла), и для формирования рисунка проводящих материалов (например, посредством методов осаждения) для образования электродов, антенн(ы) и/или соединений. Подложка 230 и полимерный материал 220 могут быть приблизительно цилиндрически симметричными относительно общей центральной оси. Подложка 230 может иметь, например, диаметр примерно 10 миллиметров, радиальную ширину примерно 1 миллиметр (например, внешний радиус на 1 миллиметр больше, чем внутренний радиус) и толщину примерно 50 микрометров. Однако эти размеры приведены только с целью примера и никоим образом не ограничивают настоящее раскрытие. Подложка 230 может быть реализована во множестве различных форм-факторов.
[0062] Рамочная антенна 270, контроллер 250 и биоинтерактивные электронные схемы 260 расположены на заделанной подложке 230. Контроллер 250 может представлять собой чип (микросхему), включающий(ую) в себя логические элементы, выполненные с возможностью управления работой биоинтерактивных электронных схем 260 и рамочной антенны 270. Контроллер 250 электрически соединен с рамочной антенной 270 посредством межсоединений 257, также помещенных на подложку 230. Аналогично, контроллер 250 электрически соединен с биоинтерактивными электронными схемами 260 посредством межсоединения 251. Межсоединения 251, 257, рамочная антенна 270 и любые проводящие электроды (например, для электрохимического биодатчика аналита и т.д.) могут быть образованы из проводящих материалов, нанесенных в виде рисунка на подложку 230 посредством процесса точного формирования рисунка таких материалов, такого как осаждение, литография и т.д. Проводящие материалы, нанесенные в виде рисунка на подложку 230, могут представлять собой, например, золото, платину, палладий, титан, углерод, алюминий, медь, серебро, хлорид серебра, проводники, образованные из благородных материалов, металлы, их комбинации и т.д.
[0063] Как показано на фигуре 2A, которая представляет собой вид на вогнутую поверхность 226 устанавливаемого на глазу устройства 210, модуль 260 биоинтерактивных электронных схем установлен на стороне подложки 230, обращенной к вогнутой поверхности 226. Когда модуль 260 биоинтерактивных электронных схем включает в себя биодатчик аналита, например, установка такого биодатчика на подложке 230 поблизости от вогнутой поверхности 226 дает биодатчику возможность воспринимать концентрации аналитов в слезной пленке вблизи к поверхности глаза. Однако, электронные схемы, электроды и т.д., помещенные на подложку 230, могут быть установлены либо на обращенной "внутрь" стороне (например, помещены наиболее близко к вогнутой поверхности 226), либо на обращенной "наружу" стороне (например, помещены наиболее близко к выпуклой поверхности 224). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления некоторые электронные компоненты могут быть установлены на одной стороне подложки 230, тогда как другие электронные компоненты установлены на противоположной стороне, а соединения между ними могут быть реализованы посредством проводящих материалов, проходящих через подложку 230.
[0064] Рамочная антенна 270 представляет собой слой проводящего материала, нанесенный в виде рисунка по плоской поверхности подложки с образованием плоского проводящего кольца. В некоторых случаях рамочная антенна 270 может быть образована без создания замкнутой рамки. Например, рамочная антенна 270 может иметь вырез для того, чтобы оставить место для контроллера 250 и биоинтерактивных электронных схем 260, как проиллюстрировано на фигуре 2A. Однако рамочная антенна 270 может также быть выполнена в виде непрерывной полосы проводящего материала, которая полностью охватывает плоскую поверхность подложки 230 один или более раз. Например, полоса проводящего материала с множественными витками может быть нанесена в виде рисунка на сторону подложки 230, противоположную контроллеру 250 и биоинтерактивным электронным схемам 260. Межсоединения между концами такой витой антенны (например, вводами антенны) могут быть пропущены через подложку 230 к контроллеру 250.
[0065] Фигура 2C представляет собой вид сбоку в разрезе примерного устанавливаемого на глазу электронного устройства 210, установленного на роговичную поверхность 22 глаза 10. Фигура 2D представляет собой приближенный вид сбоку в разрезе, увеличенный настолько, чтобы показать слои слезной пленки 40, 42, окружающие открытые поверхности 224, 226 примерного устанавливаемого на глазу устройства 210. Следует отметить, что относительные размеры на фигурах 2C и 2D не обязательно показаны в масштабе, но выполнены только с целью пояснения при описании размещения примерного устанавливаемого на глазу электронного устройства 210. Например, общая толщина устанавливаемого на глазу устройства может составлять примерно 200 микрометров, тогда как толщина каждого слоя слезной пленки 40, 42 может составлять примерно 10 микрометров, хотя данное соотношение может быть не отражено на чертежах. Некоторые аспекты преувеличены для того, чтобы сделать возможной иллюстрацию и облегчить объяснение.
[0066] Глаз 10 включает в себя роговицу 20, которая закрывается при смыкании верхнего века 30 и нижнего века 32 друг с другом поверх глаза 10. Падающий свет принимается глазом 10 через роговицу 20, где свет оптически направляется на светочувствительные элементы глаза 10 (например, палочки и колбочки и т.д.), чтобы стимулировать визуальное восприятие. Движение век 30, 32 распределяет слезную пленку по открытой роговичной поверхности 22 глаза 10. Слезная пленка представляет собой водный раствор, секретируемый слезной железой для защиты и смазки глаза 10. Когда устанавливаемое на глазу устройство 210 установлено в глазу 10, слезная пленка покрывает вогнутую и выпуклую поверхности 224, 226 внутренним слоем 40 (по вогнутой поверхности 226) и внешним слоем 42 (по выпуклой поверхности 224). Слои слезной пленки 40, 42 могут составлять примерно 10 микрометров в толщину и вместе составлять примерно 10 микролитров.
[0067] Слои слезной пленки 40, 42 распределяются по роговичной поверхности 22 и/или выпуклой поверхности 224 посредством движения век 30, 32. Например, веки 30, 32 поднимаются и опускаются, соответственно, вызывая растекание маленького объема слезной пленки по роговичной поверхности 22 и/или выпуклой поверхности 224 устанавливаемого на глазу устройства 210. Слой слезной пленки 40 на роговичной поверхности 22 также облегчает установку устанавливаемого на глазу устройства 210 за счет капиллярных сил между вогнутой поверхностью 226 и роговичной поверхностью 22. В некоторых вариантах осуществления устанавливаемое на глазу устройство 210 может также удерживаться над глазом отчасти посредством сил разрежения, направленных в сторону роговичной поверхности 22, обусловленных вогнутой кривизной обращенной к глазу вогнутой поверхности 226.
[0068] Как показано на видах в разрезе на фигурах 2C и 2D, подложка 230 может быть наклонена так, что плоские установочные поверхности подложки 230 приблизительно параллельны примыкающей части вогнутой поверхности 226. Как описано выше, подложка 230 представляет собой уплощенное кольцо с обращенной внутрь поверхностью 232 (ближе к вогнутой поверхности 226 полимерного материала 220) и обращенной наружу поверхностью 234 (ближе к выпуклой поверхности 224). Подложка 230 может иметь электронные компоненты и/или нанесенные в виде рисунка проводящие материалы, установленные на любой или обеих установочных поверхностях 232, 234. Как показано на фигуре 2D, биоинтерактивные электронные схемы 260, контроллер 250 и проводящее межсоединение 251 установлены на обращенной внутрь поверхности 232, так что биоинтерактивные электронные схемы 260 расположены в относительно большей близости к роговичной поверхности 22, чем если бы они устанавливались на обращенной наружу поверхности 234. Однако, биоинтерактивные электронные схемы 260 (и другие компоненты) могут быть установлены на обращенную наружу поверхность 234 подложки 230 для того, чтобы располагаться ближе к внешнему слою слезной пленки 42, чем к внутреннему слою слезной пленки 40.
III. Офтальмический электрохимический датчик аналита
[0069] Фигура 3 представляет собой функциональную блок-схему системы 300 для электрохимического измерения концентрации аналита в слезной пленке. Система 300 включает в себя устанавливаемое на глазу устройство 310 со встроенными электронными компонентами, запитываемыми от внешнего устройства 340 считывания. Устанавливаемое на глазу устройство 310 включает в себя антенну 312 для захвата радиочастотного излучения 341 от внешнего устройства 340 считывания. Устанавливаемое на глазу устройство 310 включает в себя выпрямитель 314, аккумулятор 316 энергии и регулятор 318 для генерирования напряжений 330, 332 питания для работы встроенных электронных схем. Устанавливаемое на глазу устройство 310 включает в себя электрохимический датчик 320 с рабочим электродом 322 и электродом 323 сравнения, управляемый интерфейсом 321 датчика. Устанавливаемое на глазу устройство 310 включает в себя аппаратную логику 324 для передачи результатов от датчика 320 на внешнее устройство 340 считывания посредством модулирования (325) импеданса антенны 312. Аналогично устанавливаемым на глазу устройствам 110, 210, рассмотренным выше в связи с фигурами 1 и 2, устанавливаемое на глазу устройство 310 может включать в себя монтажную подложку, заделанную внутри полимерного материала, выполненного с возможностью установки в глаз. Электрохимический датчик 320 может быть помещен на установочную поверхность такой подложки поблизости от поверхности глаза (например, соответствующей биоинтерактивным электронным схемам 260 на обращенной внутрь стороне 232 подложки 230) для измерения концентрации аналита в слое слезной пленки, расположенном между устанавливаемым на глазу устройством 310 и глазом (например, внутреннем слое слезной пленки 40 между устанавливаемым на глазу устройством 210 и роговичной поверхностью 22).
[0070] Обращаясь к фигуре 3, электрохимический датчик 320 измеряет концентрацию аналита посредством прикладывания напряжения между электродами 322, 323, которое является достаточным для того, чтобы вынуждать продукты аналита, катализируемого реагентом, электрохимически реагировать (например, в реакции восстановления и/или окисления) на рабочем электроде 322. Электрохимические реакции на рабочем электроде 322 генерируют амперометрический ток, который может быть измерен на рабочем электроде 322. Интерфейс 321 датчика может, например, прикладывать напряжение восстановления между рабочим электродом 322 и электродом 323 сравнения для восстановления продуктов катализируемого реагентом аналита на рабочем электроде 322. Дополнительно или альтернативно, интерфейс 321 датчика может прикладывать напряжение окисления между рабочим электродом 322 и электродом 323 сравнения для окисления продуктов катализируемого реагентом аналита на рабочем электроде 322. Интерфейс 321 датчика измеряет амперометрический ток и подает выходные данные на аппаратную логику 324. Интерфейс 321 датчика может включать в себя, например, потенциостат, соединенный с обоими электродами 322, 323 для одновременного приложения напряжения между рабочим электродом 322 и электродом 323 сравнения и измерения получаемого в результате амперометрического тока через рабочий электрод 322.
[0071] Выпрямитель 314, аккумулятор 316 энергии и регулятор 318 напряжения работают, чтобы улавливать энергию от принимаемого радиочастотного излучения 341. Радиочастотное излучение 341 вызывает радиочастотные электрические сигналы на вводах антенны 312. Выпрямитель 314 соединен с вводами антенны и преобразует радиочастотные электрические сигналы в напряжение постоянного тока. Аккумулятор 316 энергии (например, конденсатор) подсоединен параллельно выходу выпрямителя 314 для фильтрации высокочастотного шума в напряжении постоянного тока. Регулятор 318 принимает отфильтрованное напряжение постоянного тока и выдает как цифровое напряжение 330 питания для работы аппаратной логики 324, так и аналоговое напряжение 332 питания для работы электрохимического датчика 320. Например, аналоговое напряжение питания может представлять собой напряжение, используемое интерфейсом 321 датчика для прикладывания напряжения между электродами 322, 323 датчика с генерацией амперометрического тока. Цифровое напряжение 330 питания может представлять собой напряжение, подходящее для приведения в действие цифровой логической схемы, такое как приблизительно 1,2 вольта, приблизительно 3 вольта и т.д. Прием радиочастотного излучения 341 от внешнего устройства 340 считывания (или другого источника, такого как излучение окружающей среды и т.д.) вызывает подачу напряжений 330, 332 питания на датчик 320 и аппаратную логику 324. Датчик 320 и аппаратная логика 324 выполнены с возможностью генерации и измерения амперометрического тока и передачи результатов, когда на них подано питание.
[0072] Результаты датчика могут быть переданы назад на внешнее устройство 340 считывания с помощью обратно рассеянного излучения 343 от антенны 312. Аппаратная логика 324 принимает выходной ток от электрохимического датчика 320 и модулирует (325) импеданс антенны 312 в соответствии с амперометрическим током, измеренным датчиком 320. Импеданс антенны и/или изменение импеданса антенны обнаруживается внешним устройством 340 считывания с помощью сигнала 343 обратного рассеяния. Внешнее устройство 340 считывания может включать в себя входной модуль 342 антенны и логические компоненты 344 для декодирования информации, выдаваемой сигналом 343 обратного рассеяния, и предоставления цифровых входных данных в систему 346 обработки. Внешнее устройство 340 считывания связывает сигнал 343 обратного рассеяния с результатом датчика (например, с помощью системы 346 обработки в соответствии с предварительно запрограммированной зависимостью, связывающей импеданс антенны 312 с выходными данными от датчика 320). Система 346 обработки может затем сохранять выданные результаты датчика (например, значения концентрации аналита в слезной пленке) в локальной памяти и/или подключенной к сети памяти.
[0073] В некоторых вариантах осуществления один или более из признаков, показанных в виде отдельных функциональных блоков, могут быть реализованы ("упакованы") на одном чипе. Например, устанавливаемое на глазу устройство 310 может быть реализовано с выпрямителем 314, аккумулятором 316 энергии, регулятором 318 напряжения, интерфейсом 321 датчика и аппаратной логикой 324, упакованными вместе в одном чипе или модуле контроллера. Такой контроллер может иметь межсоединения ("вводы"), соединенные с рамочной антенной 312 и электродами 322, 323 датчика. Такой контроллер работает, улавливая энергию, принимаемую на рамочную антенну 312, прикладывая напряжение между электродами 322, 323, достаточное для появления амперометрического тока, измеряя амперометрический ток и выдавая показания измеренного тока через антенну 312 (например, посредством обратно рассеянного излучения 343).
[0074] Фигура 4A представляет собой блок-схему процесса 400 работы амперометрического датчика в устанавливаемом на глазу устройстве для измерения концентрации аналита в слезной пленке. Радиочастотное излучение принимается на антенну в устанавливаемом на глазу устройстве, включающем в себя встроенный электрохимический датчик (402). Электрические сигналы, вызываемые принимаемым излучением, выпрямляют и регулируют для запитывания электрохимического датчика и связанного с ним контроллера (404). Например, выпрямитель и/или регулятор может быть соединен с вводами антенны для выдачи напряжения питания постоянного тока для запитывания электрохимического датчика и/или контроллера. Напряжение, достаточное для того, чтобы вызывать электрохимические реакции на рабочем электроде, прикладывают между рабочим электродом и электродом сравнения на электрохимическом датчике (406). Амперометрический ток измеряют посредством рабочего электрода (408). Например, потенциостат может прикладывать напряжение между рабочим электродом и электродом сравнения, при этом измеряя получаемый в результате амперометрический ток через рабочий электрод. Показания измеренного амперометрического тока беспроводным образом выдают с помощью антенны (410). Например, можно регулировать обратно рассеянное излучение для выдачи результата датчика посредством модулирования импеданса антенны.
[0075] Фигура 4B представляет собой блок-схему процесса 420 работы внешнего устройства считывания для опроса амперометрического датчика в устанавливаемом на глазу устройстве для измерения концентрации аналита в слезной пленке. Радиочастотное излучение передается на электрохимический датчик, вставленный в глаз, от внешнего устройства считывания (422). Передаваемое излучение является достаточным для запитывания электрохимического датчика энергией от излучения достаточно долго для осуществления измерения и передачи результатов (422). Например, радиочастотное излучение, используемое для запитывания электрохимического датчика, может быть аналогичным излучению 341, передаваемому от внешнего устройства 340 считывания на устанавливаемое на глазу устройство 310, описанное в связи с фигурой 3 выше. Внешнее устройство считывания затем принимает обратно рассеянное излучение, указывающее на измерение, выполненное электрохимическим датчиком (424) аналита. Например, обратно рассеянное излучение может быть аналогично сигналам 343 обратного рассеяния, посылаемым из устанавливаемого на глазу устройства 310 на внешнее устройство 340 считывания, описанное в связи с фигурой 3 выше. Обратно рассеянное излучение, принимаемое на внешнем устройстве считывания, затем связывают с концентрацией аналита в слезной пленке (426). В некоторых случаях значения концентрации аналита могут быть сохранены в памяти внешнего устройства считывания (например, в системе 346 обработки) и/или в подключенном к сети хранилище данных.
[0076] Например, результат датчика (например, измеренный амперометрический ток) может быть закодирован в обратно рассеянном излучении посредством модулирования импеданса антенны обратного рассеяния. Внешнее устройство считывания может обнаруживать импеданс антенны и/или изменение импеданса антенны на основании сдвига частоты, амплитуды и/или фазы в обратно рассеянном излучении. Результат датчика может затем быть извлечен посредством связывания значения импеданса с результатом датчика посредством обращения кодирующего алгоритма, используемого в устанавливаемом на глазу устройстве. Таким образом, устройство считывания может сопоставлять обнаруженное значение импеданса антенны со значением амперометрического тока. Значение амперометрического тока приблизительно пропорционально концентрации аналита в слезной пленке с чувствительностью (например, коэффициентом пересчета), связывающей(им) амперометрический ток и соответствующую концентрацию аналита в слезной пленке. Значение чувствительности может быть, например, определено отчасти в соответствии с эмпирически полученными калибровочными коэффициентами.
IV. Прохождение аналита к электрохимическому датчику
[0077] Фигура 5A показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит из внутреннего слоя слезной пленки 40, который диффундирует через полимерный материал 220. Электрохимический датчик может быть аналогичен электрохимическому датчику 320, рассмотренному в связи с фигурой 3, и включает в себя рабочий электрод 520 и электрод 522 сравнения. Рабочий электрод 520 и электрод 522 сравнения оба установлены на обращенной внутрь стороне подложки 230. Подложка 230 заделана в полимерном материале 220 устанавливаемого на глазу устройства 210, так что электроды 520, 522 электрохимического датчика полностью покрыты перекрывающей частью 512 полимерного материала 220. Электроды 520, 522 в электрохимическом датчике, таким образом, отделены от внутреннего слоя слезной пленки 40 толщиной перекрывающей части 512. Толщина перекрывающей части 512 может составлять, например, приблизительно 10 микрометров.
[0078] Аналит в слезной пленке диффундирует через перекрывающую часть 512 к рабочему электроду 520. Диффузия аналита из внутреннего слоя слезной пленки 40 к рабочему электроду 520 проиллюстрирована указывающей направление стрелкой 510. Ток, измеренный посредством рабочего электрода 520, зависит от скорости электрохимической реакции на рабочем электроде 520, которая, в свою очередь, зависит от количества аналита, диффундирующего к рабочему электроду 520. Количество аналита, диффундирующего к рабочему электроду 520, может, в свою очередь, зависеть от концентрации аналита во внутреннем слое слезной пленки 40, проницаемости полимерного материала 220 для аналита и толщины перекрывающей части 512 (т.е. толщины полимерного материала, через который диффундирует аналит, чтобы достичь рабочего электрода 520, из внутреннего слоя слезной пленки 40). В приближении установившегося состояния аналит пополняется во внутреннем слое слезной пленки 40 из окружающих областей слезной пленки 40 с той же скоростью, с которой аналит расходуется на рабочем электроде 520. Поскольку скорость, с которой аналит пополняется в исследуемой области внутреннего слоя слезной пленки 40, приблизительно пропорциональна концентрации аналита в слезной пленке, ток (т.е. скорость электрохимической реакции) является показателем концентрации аналита во внутреннем слое слезной пленки 40.
[0079] Когда полимерный материал относительно непроницаем для представляющего интерес аналита, меньше аналита достигает электродов 520, 522 из внутреннего слоя слезной пленки 40, и поэтому измеренный амперометрический ток систематически ниже, и наоборот. Систематические влияния на измеренные амперометрические токи могут быть учтены с помощью коэффициента пересчета при связывании измеренных амперометрических токов с концентрациями в слезной пленке. Хотя после того, как устанавливаемое на глазу устройство пробыло на месте поверх глаза в течение некоего периода времени, сама концентрация аналита может находиться под влиянием проницаемости полимерного материала 220, если аналит такой, который подается в слезную пленку из атмосферы, как, например, молекулярный кислород. Например, если полимерный материал 220 полностью непроницаем для молекулярного кислорода, концентрация молекулярного кислорода во внутреннем слое слезной пленки 40 может постепенно уменьшаться с течением времени, когда глаз закрыт, например, экспоненциально спадать с периодом полуспада, приблизительно задаваемым временем, требуемым для диффузии половины молекул кислорода во внутреннем слое слезной пленки 40 в роговичную ткань. С другой стороны, когда полимерный материал 220 полностью проницаем для кислорода, концентрация молекулярного кислорода во внутреннем слое слезной пленки 40 может не подвергаться значительному влиянию с течением времени, поскольку молекулярный кислород, который диффундирует в роговичную ткань, заменяется молекулярным кислородом, который проникает через полимерный материал 220 из атмосферы.
[0080] Фигура 5B показывает пример конфигурации, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит из слезной пленки, который приходит в контакт с датчиком через канал 530 в полимерном материале 220. Канал 530 имеет боковые стенки 532, которые соединяют вогнутую поверхность 226 полимерного материала 220 с подложкой 230 и/или электродами 520, 522. Канал 530 может быть образован, например, формованием под давлением или литьем полимерного материала 220. Высота канала 530 (например, длина боковых стенок 532) соответствует расстоянию между обращенной внутрь поверхностью подложки 230 и вогнутой поверхностью 226. То есть, когда подложка 230 размещена примерно в 10 микрометрах от вогнутой поверхности 226, канал 530 составляет приблизительно 10 микрометров по высоте. Канал 530 проточно соединяет внутренний слой слезной пленки 40 с электродами 520, 522 датчика. Таким образом, рабочий электрод 520 находится в непосредственном контакте с внутренним слоем слезной пленки 40. В результате, на прохождение аналита к рабочему электроду 520 не влияет проницаемость полимерного материала 220 для представляющего интерес аналита. Углубление 542 в вогнутой поверхности 226 также создает локализованное увеличение объема слезной пленки 40 вблизи электродов 520, 522 датчика. Тем самым увеличивается объем слезной пленки с аналитом, которая отдает аналиты в электрохимическую реакцию на рабочем электроде 520 (например, посредством диффузии). Поэтому датчик, показанный на фигуре 5B, менее склонен к ограниченной диффузией электрохимической реакции, поскольку исследуемую область окружает относительно больший локальный объем слезной пленки, отдавая аналиты в электрохимическую реакцию.
[0081] Фигура 5C показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит из слезной пленки 40, который диффундирует через утонченный участок 542 полимерного материала 220. Утонченный участок 542 может быть образован в виде углубления 540 в вогнутой поверхности 226 (например, при формовке, литье и т.д.). Утонченный участок 542 полимерного материала 220 практически инкапсулирует электроды 520, 522 с тем, чтобы сохранить биосовместимое покрытие между роговицей 20 и рабочими электродами 520, 522. Углубление 542 в вогнутой поверхности 226 также создает локализованное увеличение объема слезной пленки 40 вблизи электродов 520, 522 датчика. Указывающая направление стрелка 544 иллюстрирует диффузию аналита из внутреннего слоя слезной пленки 40 к рабочему электроду 520.
[0082] Фигура 5D показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из внешнего слоя слезной пленки 42 через полимерный материал 220. Рабочий электрод 520 и электрод 522 сравнения оба установлены на обращенной наружу стороне подложки 230 (например, обращенной наружу поверхности 234, рассмотренной в связи с фигурой 2 выше). Электроды 520, 522 электрохимического датчика полностью покрыты перекрывающей частью 554 полимерного материала 220. Таким образом, электроды 520, 522 в электрохимическом датчике отделены от внешнего слоя слезной пленки 42 толщиной перекрывающей части 554. Толщина перекрывающей части 554 может составлять, например, приблизительно 10 микрометров. Аналит во внешнем слое слезной пленки 42 диффундирует через перекрывающую часть 554 к рабочему электроду 520. Диффузия аналита из внешнего слоя слезной пленки 42 к рабочему электроду 520 проиллюстрирована указывающей направление стрелкой 560.
[0083] Фигура 5E показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит во внешнем слое слезной пленки 42, который приходит в контакт с датчиком через канал 562 в полимерном материале 220. Канал 562 соединяет выпуклую поверхность 224 полимерного материала 220 с подложкой 230 и/или электродами 520, 522. Канал 562 может быть образован, например, формованием под давлением или литьем полимерного материала 220. Высота канала 562 соответствует расстоянию между обращенной наружу поверхностью подложки 230 (например, обращенной наружу поверхностью 234, рассмотренной в связи с фигурой 2 выше) и выпуклой поверхностью 224. То есть, когда подложка 230 размещена примерно в 10 микрометрах от выпуклой поверхности 224, канал 562 составляет приблизительно 10 микрометров по высоте. Канал 562 проточно соединяет внешний слой слезной пленки 42 с электродами 520, 522 датчика. Таким образом, рабочий электрод 520 находится в непосредственном контакте с внешним слоем слезной пленки 42. В результате, на прохождение аналита к рабочему электроду 520 не влияет проницаемость полимерного материала 220 для представляющего интерес аналита. Канал 562 в выпуклой поверхности 224 также создает локализованное увеличение объема слезной пленки 42 вблизи электродов 520, 522 датчика. Тем самым увеличивается объем слезной пленки с аналитом, которая отдает аналиты в электрохимическую реакцию на рабочем электроде 520 (например, посредством диффузии). Поэтому датчик, показанный на фигуре 5E, менее склонен к ограниченной диффузией электрохимической реакции, поскольку исследуемую область окружает относительно больший локальный объем слезной пленки, отдавая аналиты в электрохимическую реакцию.
[0084] Фигура 5F показывает примерную конфигурацию, в которой электрохимический датчик обнаруживает аналит, который диффундирует из внешнего слоя слезной пленки 42 через утонченный участок полимерного материала 220. Утонченный участок 556 может быть образован в виде углубления 564 в выпуклой поверхности 224 (например, при формовке, литье и т.д.). Утонченный участок 556 полимерного материала 220 практически инкапсулирует электроды 520, 522. Углубление 564 в выпуклой поверхности 224 также создает локализованное увеличение объема слезной пленки 42 вблизи электродов 520, 522 датчика. Указывающая направление стрелка 566 иллюстрирует диффузию аналита из внешнего слоя слезной пленки 42 к рабочему электроду 520.
[0085] Фигуры с 5A по 5C иллюстрируют размещения, при которых электрохимический датчик установлен на поверхность подложки 230 близко к вогнутой поверхности 226 (например, обращенной внутрь поверхности 232, рассмотренной в связи с фигурой 2 выше). Электрохимический датчик, размещенный так, как показано на фигурах с 5A по 5C, выполнен, таким образом, с возможностью обнаружения во внутреннем слое слезной пленки 40 концентрации аналита, который диффундирует в полимерный материал 220 с вогнутой поверхности 226. Фигуры с 5D по 5F иллюстрируют размещения, при которых электрохимический датчик установлен на поверхность подложки 230 близко к выпуклой поверхности 224 (например, обращенной наружу поверхности 234, рассмотренной в связи с фигурой 2 выше). Электрохимический датчик, размещенный так, как показано на фигурах с 5D по 5F, выполнен, таким образом, с возможностью обнаружения во внешнем слое слезной пленки 42 концентрации аналита, который диффундирует в полимерный материал 220 с выпуклой поверхности 224. Благодаря помещению электрохимического датчика на обращенную наружу поверхность подложки 230, как показано, например, на фигурах с 5D по 5F, электроды 520, 522 отделены от роговицы 20 глаза 10 подложкой 230. Подложка 230 может, таким образом, защищать роговицу 20 от повреждения, связанного с непосредственным соприкосновением с электродами 520, 522, например такого, которое может происходить вследствие прокалывания или протирания полимерного материала 220.
V. Примеры размещений микроэлектродов
[0086] Фигура 6A иллюстрирует один примерное размещение электродов в электрохимическом датчике 601. Размещение, проиллюстрированное фигурой 6A, выполнено не в масштабе, будучи предназначенным для пояснительных целей описания примерного размещения. Электрохимический датчик 601 может быть включен в состав устанавливаемого на глазу устройства для обнаружения концентрации аналита в слезной пленке (например, в устанавливаемые на глазу устройства, описанные в связи с фигурами 1-3 выше). Электрохимический датчик включает в себя рабочий электрод 620 и электрод 622 сравнения, выполненные в виде проводящих стержней, расположенных на подложке. Проводящие стержни могут быть размещены параллельно, так что расстояние между электродами 620, 622 практически одинаково вдоль соответствующих длин электродов 620, 622. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из размеров рабочего электрода 620, такой как его ширина, может составлять меньше, чем 100 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 620 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером примерно 25 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 620 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером примерно 10 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 620 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером менее чем 10 микрометров. Толщина (например, высота на подложке) может составлять 1 микрометр или менее. Толщина может составлять, например, между примерно 1 микрометром и примерно 50 нанометрами, как то приблизительно 500 нанометров, приблизительно 250 нанометров, приблизительно 100 нанометров, приблизительно 50 нанометров и т.д. Например, имеющий форму стержня рабочий электрод 620 может представлять собой проводящий материал, нанесенный в виде рисунка на подложку имеющим ширину примерно 25 микрометров, длину примерно 1000 микрометров и толщину примерно 0,5 микрометра. В некоторых вариантах осуществления электрод 622 сравнения может быть больше по площади (например, длину, умноженную на ширину), чем рабочий электрод 620. Например, электрод 622 сравнения имеет площадь, более чем в пять раз превосходящую площадь рабочего электрода 620.
[0087] Все электроды 620, 622 могут быть выполнены посредством формирования рисунка проводящих материалов на подложке (например, посредством методов осаждения, методов литографии и т.д.). Проводящие материалы могут представлять собой золото, платину, палладий, титан, серебро, хлорид серебра, алюминий, углерод, металлы, проводники, образованные из благородных материалов, их комбинации и т.д. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 620 может быть образован практически из платины (Pt). В некоторых вариантах осуществления электрод 622 сравнения может быть образован практически из серебра-хлорида серебра (Ag/AgCl).
питания
[0088] Каждый из электродов 620, 622 электрически соединен с потенциостатом 610, который управляет работой датчика 601 посредством прикладывания разности потенциалов ΔV между рабочим электродом 620 и электродом 622 сравнения. Разность потенциалов ΔV может представлять собой напряжение восстановления, достаточное для того, чтобы вызывать реакцию восстановления на рабочем электроде 620, которая высвобождает электроны из рабочего электрода 620 и тем самым генерирует амперометрический ток, который может быть измерен посредством рабочего электрода 620. Дополнительно или альтернативно, разность потенциалов ΔV может представлять собой напряжение окисления, достаточное для того, чтобы вызывать реакцию окисления на рабочем электроде 620, которая отдает электроны в рабочий электрод 620 и тем самым генерирует амперометрический ток, который может быть измерен посредством рабочего электрода 620. Потенциостат 610 запитывается напряжением питания V и выдает показание амперометрического тока.
[0089] Фигура 6B иллюстрирует другое примерное размещение электродов в электрохимическом датчике 602. Размещение, проиллюстрированное фигурой 6B, выполнено не в масштабе, будучи предназначено для пояснительных целей описания примерного размещения. Электрохимический датчик 602 может быть включен в состав устанавливаемого на глазу устройства для обнаружения концентраций кислорода и/или других аналитов в слезной пленке (например, в устанавливаемые на глазу устройства, описанные в связи с фигурами 1-3 выше). Электрохимический датчик включает в себя рабочий электрод 630 и электрод 632 сравнения, выполненные в виде уплощенных колец, помещенных на подложку. Уплощенные кольца могут быть размещены концентрично (например, с общей центральной точкой), так что расстояние между электродами 630, 632 практически одинаково вдоль кольцевых краев соответствующих электродов 630, 632. Электрод 632 сравнения проиллюстрирован в виде внешнего кольца, с рабочим электродом 630 в виде внутреннего кольца, но данное взаимное расположение внутреннего/внешнего может быть в некоторых реализациях поменяно на обратное. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из размеров рабочего электрода 630, такой как его радиальная ширина, может составлять менее чем 100 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 630 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером примерно 25 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 630 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером примерно 10 микрометров. В некоторых вариантах осуществления рабочий электрод 630 представляет собой микроэлектрод с по меньшей мере одним размером менее чем 10 микрометров. Толщина (например, высота на подложке) может составлять 1 микрометр или менее. Например, рабочий электрод 630 в виде уплощенного кольца может представлять собой проводящий материал, нанесенный в виде рисунка на подложку имеющим окружность примерно 1000 микрометров, радиальную ширину примерно 25 микрометров и толщину примерно 0,5 микрометра.
[0090] Электроды 630, 632 могут быть образованы материалами и методами формирования рисунка, описанными выше в связи с электродами 620, 622 на фигуре 6A. Электроды 630, 632 могут также работать под управлением потенциостата 610 для измерения амперометрического тока, аналогично рассмотрению потенциостата 610 выше в связи с фигурой 6A.
[0091] Фигура 7A иллюстрирует пример копланарного размещения электродов в двухэлектродном электрохимическом датчике. В этой конфигурации два электрода, рабочий электрод 720 и электрод 722 сравнения, установлены на подложке 730, которая покрыта слоем полимерного материала 710. На фигуре 7A часть 711 полимерного материала 710, которая покрывает электроды 720 и 722, указана пунктирными линиями для того, чтобы показать электроды 720 и 722. Таким образом, в этом примере двухэлектродный электрохимический датчик включает в себя рабочий электрод 720 и электрод 722 сравнения, которые установлены на одной и той же поверхности подложки 730, а полимерный материал 710 образует слой, инкапсулирующий как рабочий электрод 720, так и электрод 722 сравнения. Например, подложка 730 может иметь форму уплощенного кольца, подходящего для установки внутри устанавливаемого на глазу полимерного материала, аналогично подложкам, описанным выше в связи с фигурами 1-5. Полимерный материал 710 может иметь открытую поверхность 714, которая подходит для контактной установки на глазу, аналогично вогнутой поверхности 226 устанавливаемого на глазу устройства 210, рассмотренного выше в связи с фигурой 2. Открытая поверхность 714 может также быть пригодна для исключения помех движению век, когда противоположная поверхность полимерного материала контактно установлена на глазу, аналогично выпуклой поверхности 224 устанавливаемого на глазу устройства 210, рассмотренного выше в связи с фигурой 2. Таким образом, электроды 720, 722 могут быть установлены на обращенную к глазу поверхность и/или обращенную наружу поверхность подложки 730.
[0092] Каждый из электродов 720, 722 может быть выполнен посредством формирования рисунка проводящих материалов на подложке (например, посредством методов осаждения, методов литографии и т.д.). Проводящие материалы могут представлять собой золото, платину, палладий, титан, серебро, хлорид серебра, алюминий, углерод, металлы, проводники, образованные из благородных материалов, их комбинации и т.д.
[0093] Как показано на фигуре 7A, рабочий электрод 720 имеет ширину w1, а электрод сравнения имеет ширину w2. Ширина w1 рабочего электрода 720 может составлять, например, менее чем 25 микрометров. В некоторых вариантах осуществления ширина w1 может составлять примерно 10 микрометров. В некоторых вариантах осуществления ширина w1 может составлять менее чем 10 микрометров. Ширина w2 может быть выбрана такой, что площадь электрода 722 сравнения (например, ширина w2, умноженная на длину) по меньшей мере в пять раз больше, чем площадь рабочего электрода 720 (например, ширина w1, умноженная на длину). Длины двух электродов 720, 722 могут быть приблизительно равными и могут составлять, например, 1 миллиметр. Высота ("толщина") электродов 720, 722 может составлять, например, примерно 0,5 микрометра. Когда длины двух электродов 720, 722 приблизительно равны, соотношение между площадями электродов задается отношением ширин w1 и w2. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления ширина w2 электрода 722 сравнения по меньшей мере в пять раз больше, чем ширина w1 рабочего электрода 720.
[0094] Расстояние d1 между электродами 720, 722 может быть практически постоянным вдоль длины электродов 720, 722 (например, части электродов 720, 722 могут быть ориентированы как параллельные стержни и/или как концентрические кольца, так что разделяющее их расстояние d1 является приблизительно постоянным). В некоторых вариантах осуществления расстояние d1 составляет между примерно 10 микрометрами и примерно 500 микрометрами.
[0095] При помещении рабочего электрода 720 и электрода 722 сравнения на одну и ту же поверхность подложки 730 электроды 720, 722 могут быть размещены приблизительно копланарными, и расстояние d1, разделяющее два электрода 720, 722, может быть измерено практически в плоскости двух данных электродов.
[0096] Полимерный материал 710 включает в себя промежуточную часть 712, которая помещена между двумя электродами 720, 722. В данной конфигурации электрический ток, который переносится между электродами 720, 722, проходит через промежуточную часть 712 полимерного материала 710. Например, такой ток может быть перенесен с помощью ионов (например, с помощью электролитов из слезной пленки, которые абсорбируются в полимерном материале 710), тогда как амперометрический ток генерируется электрохимическими реакциями на рабочем электроде 720. Промежуточная часть 712, таким образом, обеспечивает токонесущую среду между электродами 720, 722, которая аналогична содержащей электролит текучей среде. Однако промежуточная часть 712 полимерного материала 710 может иметь большее электрическое сопротивление, чем типичная содержащая электролит текучая среда. Из-за относительно высокого электрического сопротивления промежуточной части 712 ток, переносимый между электродами, приводит к падению напряжения на промежуточной части 712. Однако, при выполнении рабочего электрода 720 с достаточно маленькими размерами (например, с шириной w1, меньшей, чем 25 микрометров) ток, переносимый между электродами 720 и 722, можно быть достаточно маленьким, так что падение напряжения, вызываемое сопротивлением промежуточной части 712 полимерного материала 710, не оказывает влияния на работу электрохимического датчика.
[0097] В то время, когда такой ток переносится между двумя электродами, плотность тока через два электрода 720, 722 обратно пропорциональна площади соответствующих электродов 720, 722. В результате, электрод 722 сравнения испытывает меньшую плотность тока, чем рабочий электрод 720 (например, по меньшей мере в пять раз меньшую). Меньшая плотность тока позволяет напряжению на электроде 722 сравнения быть относительно менее зависимым от переносимого тока и тем самым способствует работе потенциостата (или другой модуля управления) по прикладыванию стабильной разности потенциалов между электродами 720, 722 во время измерения амперометрического тока через рабочий электрод.
[0098] Слой 724 реагента может быть локализован близко к рабочему электроду 720. Слой 724 реагента может повышать чувствительность двухэлектродного электрохимического датчика к представляющему интерес аналиту. Например, может быть использована глюкозооксидаза для обнаружения глюкозы посредством катализа окисления глюкозы с образованием пероксида водорода, который затем окисляется на рабочем электроде 720. Слой 724 реагента может быть зафиксирован, например, полностью или частично окружая рабочий электрод 720. В некоторых вариантах осуществления слой 724 реагента может быть зафиксирован близко только к рабочему электроду 720, а не к электроду 722 сравнения. В некоторых вариантах осуществления слой реагента может быть наложен поверх, покрывая оба электрода 720, 722.
[0099] Фигура 7B иллюстрирует примерное некопланарное размещение электродов в двухэлектродном электрохимическом датчике. В частности, фигура 7B показывает вид в разрезе в перспективе электродов, установленных на подложке 760, которая покрыта слоем полимерного материала 740. Таким образом, двухэлектродный электрохимический датчик включает в себя рабочий электрод 750 и электрод 752 сравнения, а полимерный материал 740 включает в себя часть 741 (указанную пунктирными линиями), которая покрывает электроды 750, 752. В некоторых примерах полимерный материал 740 имеет открытую поверхность 742, которая может представлять собой поверхность, выполненную с возможностью контактной установки на роговичную поверхность глаза, аналогично вогнутой поверхности 226 устанавливаемого на глазу устройства 210, рассмотренного выше в связи с фигурой 2. Открытая поверхность 742 может также быть пригодна для исключения помех движению век, когда противоположная поверхность полимерного материала контактно установлена на глаз, аналогично выпуклой поверхности 224 устанавливаемого на глазу устройства 210, рассмотренного выше в связи с фигурой 2. Таким образом, электроды 750, 752 могут быть установлены на обращенную к глазу поверхность и/или обращенную наружу поверхность подложки 760.
[00100] Подложка 760 может иметь форму уплощенного кольца, подходящего для установки внутри устанавливаемого на глазу полимерного материала, аналогично подложкам, описанным выше. Электрод 752 сравнения и рабочий электрод 750 установлены на подложку 740 не копланарными. То есть электроды 750, 752 могут быть установлены с рабочим электродом 750, уложенным над электродом 752 сравнения, так что рабочий электрод 750 находится на большем расстоянии от открытой поверхности 742 полимерного материала 740, чем рабочий электрод 750. В результате, когда открытая поверхность 742 установлена поверх глаза, рабочий электрод 750 находится ближе к поверхности глаза, чем электрод 752 сравнения, на расстояние d2, разделяющее два электрода 750, 752. Разделяющее расстояние d2 между двумя электродами 750, 752, следовательно, измеряется поперечно к плоскостям двух упомянутых электродов.
[00101] Размеры рабочего электрода 750 и электрода 752 сравнения соответственно могут быть аналогичными размерам рабочего электрода 720 и электрода 722 сравнения, описанным выше в связи с фигурой 7A. Например, площадь электрода 752 сравнения может быть по меньшей мере в пять раз большей, чем площадь рабочего электрода 750.
[00102] Ток между электродами 750, 752 может переноситься через промежуточную часть 762 полимерного материала 740. Электрический ток может быть перенесен ионно между электродами 750, 752 через промежуточную часть 762 аналогично промежуточной части 712, описанной в связи с фигурой 7A выше.
[00103] Слой 754 реагента может быть локализован близко к рабочему электроду 750. Слой 754 реагента может повышать чувствительность двухэлектродного электрохимического датчика к представляющему интерес аналиту. Например, может быть использована глюкозооксидаза для обнаружения глюкозы посредством катализа окисления глюкозы с образованием пероксида водорода, который затем окисляется на рабочем электроде 750. Слой 754 реагента может быть зафиксирован, например, полностью или частично окружая рабочий электрод 750. В некоторых вариантах осуществления слой 754 реагента может быть зафиксирован близко только к рабочему электроду 750, не будучи расположенным близко к электроду 752 сравнения. В некоторых вариантах осуществления слой реагента может быть наложен поверх, покрывая оба электрода 750, 752.
[00104] Размещения электродов, описанные в связи с фигурами 6A, 6B, 7A и 7B выше, могут быть использованы в любом из описанных здесь электрохимических датчиков. Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия могут включать в себя размещения электродов, которые объединяют аспекты из параллельного размещения стержней, рассмотренного в связи с фигурой 6A, и из концентрического размещения колец, рассмотренного в связи с фигурой 6B. Дополнительно или альтернативно, некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия могут включать в себя размещения электродов, которые объединяют аспекты из копланарного размещения, рассмотренного в связи с фигурой 7A, и из некопланарного размещения, рассмотренного в связи с фигурой 7B. Например, электроды 520, 522 электрохимического датчика аналита, описанного в связи с фигурой 5, могут быть размещены в виде некопланарных уплощенных колец (как описано в связи с фигурами 6A и 7B, например) или в виде приблизительно копланарных параллельных стержней (как описано в связи с фигурами 6B и 7A, например). Аналогично, электрохимические датчики 260 и 320, описанные в связи с фигурами 2 и 3, могут быть реализованы с электродами датчика, размещенными аналогично электродам 620, 622 на фигуре 6A, электродам 630, 632 на фигуре 6B, электродам 720, 722 на фигуре 7A и/или электродам 750, 752 на фигуре 7B.
[00105] Когда размеры рабочего электрода в любой из описанных здесь конфигураций сделаны достаточно маленькими (например, ширина менее чем 25 микрометров, примерно 10 микрометров или менее чем 10 микрометров), ток, проходящий через рабочий электрод, может находиться в наноамперном диапазоне. При столь низких токах толщина слоя диффузии, создаваемого у этих электродов, очень мала (порядка нескольких микрометров). В результате, диффузия аналитов к электроду является чрезвычайно эффективной, и может быть получен ток установившегося состояния. В некоторых вариантах осуществления индуцируемый расход (электролиз) аналитов также уменьшается, и может быть реализован непрерывный режим работы датчика. Относительно небольшой слой диффузии, связанный с малыми размерами рабочего электрода, может также уменьшать негативные эффекты, связанные с массопереносом аналитов к поверхности электрода, такие как шум, вызываемый неравномерным массопереносом аналитов.
[00106] При выполнении рабочего электрода с достаточно маленькими размерами (например, шириной менее чем 25 микрометров, примерно 10 микрометров или менее чем 10 микрометров), зарядный ток, возникающий из-за емкостных эффектов на границе раздела электрод-электролит, может быть выгодным образом уменьшен. Это происходит потому, что емкостный ток пропорционален площади электрода.
[00107] В общем, выполнение рабочего электрода в виде микроэлектрода с размером, меньшим, чем 25 микрометров (или меньшим, чем 10 микрометров) может обеспечивать различные преимущества по сравнению с электродами больших размеров. Кроме того, меньшие токи, связанные с рабочими электродами микроэлектродных размеров, делают их особенно хорошо подходящими для их использования в среде с высоким сопротивлением, такой как полимерные материалы, которые могут быть использованы в устанавливаемых на глазу устройствах, описанных здесь.
[00108] Хотя в настоящем документе были раскрыты различные аспекты и варианты осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидны другие аспекты и варианты осуществления. Различные аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, служат для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения, причем истинный объем указан в нижеследующей формуле изобретения.