ДАТЧИКИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ, СОДЕРЖАЩИЕ БУФЕРИЗОВАННЫЕ ЧЕРНИЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРА
DEHYDRATION SENSORS CONTAINING BUFFERED POLYMER-BASED INK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к индикаторам обезвоживания, подходящим для введения в абсорбирующее изделие личной гигиены. В частности, изобретение относится к датчику обезвоживания, содержащему буферизованные чернила.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обезвоживание представляет собой снижение количества жидкостей, в основном воды, и содержащихся в них электролитов в организме. Обычно общее суточное количество жидкости в организме человека должно колебаться в пределах приблизительно ± 0,02% от массы тела, и содержание воды в организме может составлять приблизительно 63% от всей массы тела. Баланс физиологических жидкостей достигается и поддерживается за счет одинакового количества потребляемой и выделяемой из организма жидкости, и дисбаланс в содержании жидкостей может быть связан либо с обезвоживанием, либо с гипогидратацией (частичным обезвоживанием).
Несмотря на то, что обезвоживание может наблюдаться в организме людей любых возрастов, особенную опасность обезвоживание представляет для ослабленных или пожилых людей или детей. Обезвоживание может иметь серьезные последствия, если человеку с обезвоживанием не будет предоставлено подходящее лечение. Такие последствия могут включать мышечные судороги, головокружение, потерю сознания и в экстремальных случаях даже смерть. Потеря физиологических жидкостей в количестве, составляющем менее приблизительно 2-5% от массы тела, приводит к ухудшению отвода тепла, сбоям в работе сердечно-сосудистой системы и снижению физической выносливости. В начальной стадии обезвоживания повышение осмолярности плазмы крови (т.е. концентрации растворенных веществ в плазме крови) вызывает ощущение жажды. Тем не менее, этот начальный признак часто не замечают в тех ситуациях, когда человек не способен адекватно общаться с лицом, осуществляющим уход за ним, как, например, в случае младенцев, инвалидов или пожилых людей. Лица, страдающие недержанием, также с большой вероятностью могут упустить ранний признак возникновения обезвоживания, поскольку они часто ограничивают потребление жидкости во избежание попадания в затруднительные ситуации. Подобные потребители или лица, осуществляющие уход за ними, сильно заинтересованы в выборе изделий личной гигиены, которые включали бы индикаторы обезвоживания.
Измерение удельной массы (плотности) мочи индивидуума представляет собой способ, обычно применяемый для оценки относительного уровня насыщения организма индивидуума водой. Определение объема мочи и концентраций электролитов может помочь в определении того, сбалансированы ли количества физиологических жидкостей в организме индивидуума. Удельной массой мочи (англ. urine specific gravity, сокращенно USG) называется отношение плотности мочи к плотности воды. На величину USG главным образом влияет содержание в моче твердых веществ и ионов. Величина USG прямо пропорциональна концентрации твердых веществ и ионов в моче. Величина USG обычно составляет от 1,002 до 1,030. Принято считать, что если значение USG < 1,020, то организм достаточно насыщен водой, если USG составляет от 1,020 до 1,025, то организм наполовину обезвожен, и если USG > 1,025, то организм сильно обезвожен. Значение USG может быть измерено с помощью таких инструментов, как урометр (ареометр для измерения плотности мочи), или погружные тестеры (англ. test dipstick), или индикаторные полоски для мочи. Принцип действия современных погружных тестеров основан на растекании жидкости в радиальном направлении. Для измерений USG обычно применяют три основных способа: рефрактометрию, гидрометрию (измерение плотности жидкости) и индикаторные полоски. Несмотря на то, что рефрактометрия и гидрометрия являются очень точными способами, для их проведения необходимо специальное оборудование и опытный персонал.
В течение многих лет различными производителями были разработаны разные способы улучшения технических характеристик погружных тестеров для измерения удельной массы, например способы, включающие применение различных композиций, повышающих чувствительность и специфичность. Однако все коммерчески доступные погружные тестеры имеют определенные недостатки. Основная проблема состоит в том, что пользователь должен определить изменение цвета в течение буквально нескольких минут после погружения индикатора в образец, поскольку изменение цвета неустойчиво в условиях проведения испытания. Сигналы, которые могут быть получены по завершении указанного временного промежутка, часто неточны и, следовательно, обычно неверны. Для определения некоторых анализируемых параметров, например концентрации ионов в моче (т.е. удельной массы для определения степени обезвоживания), для получения сигнала и точных показателей необходимо ожидание в течение определенного времени. Такая ситуация не является проблематичной в том случае, когда пользователь может постоянно отслеживать результат испытания; тем не менее, ситуация становится проблемной, если постоянное отслеживание результатов испытания недоступно и время введения образца не может быть точно установлено. Например, сложно или невозможно точно предсказать время мочеотделения у младенца или взрослого человека, страдающего недержанием, чтобы получить образец для аналитического устройства, находящегося в подгузнике или другом изделии личной гигиены. Таким образом, для аналитического устройства требуется механизм корректировки, который подтвердит, что показание было получено в течение временного интервала, соответствующего получению корректных показаний.
В последнее время, в основном благодаря их низкой стоимости и простоте в обращении, стали более популярными индикаторные полоски, в частности изделия, поступающие в безрецептурные отделы продаж и места оказания медицинской помощи. В общем, традиционные индикаторные полоски меняют цвет в зависимости от ионной силы образца мочи. Ионная сила мочи представляет собой меру количества ионов, присутствующих в моче. Величина USG пропорциональна ионной силе мочи. Таким образом, оценка ионной силы испытуемого образца позволяет опосредованно и полуколичественно определять величину USG по зависимости между величиной USG и ионной силой мочи.
Традиционные индикаторные полоски обычно изготавливают способом, при котором все необходимые реагенты диффузионно иммобилизованы вместе в пределах небольшой пористой зоны, находящейся на полоске. Затем на зону наносят образец мочи или всю полоску погружают в образец мочи и затем быстро вытаскивают и оставляют проявляться до появления цвета. Примеры таких традиционных индикаторных полосок описаны в патенте US 4318709, Falb et al. и патенте US 4376827, Stiso et al.
В патенте US 4318709, Falb et al. и в патенте US 4376827, Stiso et al., содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки, описано применение ионообменного взаимодействия полиэлектролит-краситель, применяемого в традиционных индикаторных полосках для измерения USG. В таких традиционных индикаторных полосках между ионами, присутствующими в моче, и полиэлектролитом происходит ионный обмен, в результате которого в мочу попадают ионы водорода. Изменение концентрации ионов водорода обнаруживают с помощью pH индикатора.
Тем не менее, традиционные индикаторные полоски для измерения USG, в частности полоски, поступающие в безрецептурные отделы продаж и места оказания медицинской помощи, имеют серьезные недостатки. Например, традиционные индикаторные полоски имеют ограниченный временной интервал считывания показаний, поскольку сигнал, получаемый на таких полосках, начинает изменяться спустя короткий промежуток времени после нанесения образца. Изменение сигнала может быть вызвано выщелачиванием реагента (что характерно для диффузионно иммобилизованных реагентов) и испарением образца. Если полоски не анализируют в течение короткого промежутка времени после нанесения образца, то изменение сигнала приводит к ошибочным результатам испытания. Кроме того, поскольку реагенты, содержащиеся в традиционных полосках, обычно растворимы в воде, полоски необходимо быстро вытаскивать из образца мочи, чтобы предотвратить выщелачивание реагентов из образца. Дополнительно, традиционные индикаторные полоски часто предназначены только для однократного анализа образца мочи. Многократное нанесение мочи может приводить к ошибочным результатам испытаний, что делает такие полоски неподходящими для применения в абсорбирующих изделиях, в которых невозможно проконтролировать количество воздействий мочи. Наконец, при использовании традиционных индикаторных полосок у пользователя нет возможности определить, было ли испытание произведено корректно или было ли использовано достаточное количество образца.
Несмотря на то, что индикаторные полоски для анализа мочи, изменяющие свой цвет в зависимости от ионной силы мочи, коммерчески доступны, их нельзя применять в изделиях личной гигиены из-за диффузии красителя и других свойств, приводящих к нестабильности цвета. Таким образом, имеется необходимость создания недорогостоящего аналитического устройства, которое обеспечило бы получение надежных результатов и позволило бы лицам, осуществляющим уход, отслеживать уровень насыщения организма пользователя изделия водой.
Согласно настоящему изобретению были созданы датчики обезвоживания, которые позволяют устранять описанные выше проблемы и которые могут быть потенциально использованы в качестве вставок в изделия личной гигиены или предметы одежды. Однако этапы конструирования и изготовления таких датчиков оказались достаточно сложными. Настоящее изобретение относится к датчику обезвоживания, который может быть получен в виде изделия, включающего чернила.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к созданию датчика обезвоживания для однократного определения, получаемому на основе чернил, для определения удельной массы мочи (англ. urine specific gravity, сокращенно USG), в котором композиция красителя и буферная композиция нанесены на одну и ту же область или зону целлюлозной подложки (основы). Изготовление таких датчиков включает меньшее количество этапов, датчики обладают более высокой чувствительностью и стабильностью и включают использование меньшего количества реагентов, что делает их изготовление более экономичным и позволяет создавать резкие или постепенные переходы цвета. Для получения определенной точки перехода между индикацией насыщенного водой и обезвоженного состояния могут быть созданы дополнительно оптимизированные композиции буферного компонента.
Датчик обезвоживания включает: подложку, включающую пористую матрицу, находящуюся в жидкостном соединении с буферным участком и впитывающим участком. Другими словами, датчик обезвоживания включает буферный участок, включающий зону обнаружения и систему буферизованных чернил, которые непосредственно нанесены на часть подложки. Система буферизованных чернил содержит от приблизительно 0,5% масс. до приблизительно 30% масс. слабого полимерного основания, от 0,5% масс. до приблизительно 70% масс. протонообменного связывающего водород нейтрального буферного мостика и ионное поверхностно-активное вещество; и pH-чувствительный краситель. В композицию чернил для придания композиции большей вязкости также может быть добавлено приблизительно 0,5-70% масс. модификатора вязкости, а также поверхностно-активное вещество. В альтернативном варианте, процентное содержание слабого полимерного основания может составлять от приблизительно 0,5% до приблизительно 20% или от приблизительно 1% масс. до приблизительно 10%, или приблизительно 12%, или приблизительно 15%; более предпочтительно количество слабого полимерного основания составляет от приблизительно 1% до приблизительно 12% или от 2% до приблизительно 8%. Количество модификатора вязкости может составлять от приблизительно 1% масс. до приблизительно 65% масс. или от приблизительно 3% масс. до приблизительно 45, 50 или 55% масс.
Обычно количество модификатора вязкости составляет от приблизительно 0,5% масс. до приблизительно 10, 15 или 20% масс. Состав композиции позволяет наносить буферизованные чернила или производить печать буферизованных чернил на пористую подложку, подходящую для проведения анализов с помощью растекания жидкости в радиальном направлении, но при этом устройство сохраняет стабильность и точность проявления цвета. Для увеличения срока хранения и предотвращения фоторазложения красителя или цветообразующих веществ под действием УФ или другого естественного или искусственного света в композицию также может быть добавлен фотостабилизатор.
Настоящее изобретение относится к датчику обезвоживания, в котором применяют pH-чувствительный краситель и активный полимер. При контакте с мочой ионы, содержащиеся в моче, вызывают высвобождение протонов из активного полимера, в результате чего pH-чувствительный краситель изменяет цвет. Степень изменения цвета зависит от ионной силы образца мочи. Новизна настоящего изобретения состоит в том, что активный полимер, который может быть либо катионным, либо амфифильным, может иммобилизовывать pH-чувствительный краситель на подложке, и в то же время действовать как буферный компонент при контакте с ионными растворами. Относительная стабильность pH-чувствительного красителя позволяет помещать датчик в любой предмет одежды, обеспечивающий личную гигиену, не опасаясь выщелачивания. Датчик обезвоживания, содержащий рН-чувствительный краситель и активный полимер, реагирует на изменение USG в интересующем диапазоне, отчетливо изменяя свой цвет.
В некоторых примерах осуществления рН-чувствительный краситель может представлять собой бромтимоловый синий, а активный полимер может включать полиамины, полиаллиламин, полиэтиленимин или такие полимеры, как SSB-6 (сополимер акриловой кислоты, бутилакрилата, 2-этилгексилакрилата и 2-акриламидопропансульфоната натрия) или OASIS “L7170” (сополимер метилакрилата и [(2-акрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорида). Применение полимеров этого класса значительно упрощает тип буферной композиции. Согласно изобретению для иммобилизации красителя на подложке и обеспечения буферной емкости в требуемом диапазоне изменения цвета можно использовать только один полимер вместо комбинации других компонентов, подобно тому, как это происходит в композициях предшествующего уровня техники, в которых для функционирования датчика требовалось наличие раздельных иммобилизующих и буферных компонентов.
Другой аспект настоящего изобретения относится к абсорбирующему изделию, включающему описанный выше датчик обезвоживания, основанный на принципе растекания жидкости в радиальном направлении, для определения удельной массы мочи (USG) и, таким образом, отслеживания относительного уровня насыщения организма водой или уровня обезвоживания. Изделие включает первый внутренний слой, расположенный вблизи тела пользователя, абсорбирующую внутреннюю конструкцию и второй наружный слой, образующий наружную оболочку, находящуюся на расстоянии от тела пользователя. Датчик обезвоживания находится вблизи области внутреннего слоя, который подвергается воздействию потоков мочи, так что жидкость воздействует на него либо непосредственно, либо при впитывании или за счет капиллярного переноса мочи к аналитическому устройству. Датчик обезвоживания должен быть установлен таким образом, чтобы пользователь или лицо, осуществляющее уход, могли легко распознавать изменение цветового сигнала в зоне обнаружения и/или в зонах контроля.
Как указано выше, аналитическое устройство включает первую подложку, содержащую пористую матрицу, конструкция которой позволяет жидкости растекаться по матрице в радиальном направлении. Подложка включает зону нанесения образца и зону обнаружения, включающую буферизованную область, содержащую краситель, которая может представлять собой либо часть материала, расположенного под подложкой, либо представлять собой вышележащий слой, содержащий те же самые компоненты, который нанесен ламинированием на нижележащую подложку, и зону контроля, которая расположена на впитывающем участке, находящемся дальше по потоку относительно зоны обнаружения.
В некоторых примерах осуществления между зоной обнаружения и зоной контроля расположена зона регулирования скорости растекания как, например, описано в опубликованных патентных заявках US 2010/0159611 A1 или US 2010/0159599 A1, содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки. В зоне регулирования скорости растекания происходит регулирование периода времени, необходимого для проявления и появления визуального сигнала в зоне контроля впитывающего участка таким образом, чтобы переход цвета в зоне обнаружения буферного участка достиг стабильного уровня интенсивности. Каждая из множества зон находится в жидкостном соединении с другими зонами либо непосредственно, либо опосредованно через соседний компонент. Примеры абсорбирующих изделий могут включать подгузники, изделия для взрослых, страдающих недержанием, изделия личной или женской гигиены или абсорбирующие прокладки для медицинских целей или для применения в медицинских учреждениях.
В альтернативном варианте изобретение относится к вставке в предмет одежды (например, белье) или абсорбирующее изделие личной гигиены, которая включает датчик обезвоживания, описанный выше, включающий подложку, содержащую пористую матрицу, находящуюся в жидкостном соединении с буферным участком, и впитывающий участок. Буферный участок включает зону обнаружения, содержащую систему буферизованных чернил, которая нанесена непосредственно на часть подложки. Система буферизованных чернил содержит либо от приблизительно 0,5% масс. до приблизительно 12% масс., либо 15% масс. слабого полимерного основания, модификатор вязкости и поверхностно-активное вещество; и pH-чувствительный краситель. В некоторых примерах осуществления зону регулирования скорости растекания располагают между буферным участком и впитывающим участком, как описано выше. Нижележащая подложка поддерживает каждую из зон, фиксируя их вместе и образуя целостное устройство.
Дополнительные особенности и преимущества трехмерного датчика или аналитического устройства согласно изобретению и соответствующих абсорбирующих изделий, содержащих такие датчики, более подробно описаны ниже. Следует понимать, что приведенное выше общее описание и последующее подробное описание и примеры приведены для иллюстрации изобретения и предназначены для лучшего понимания изобретения, объем которого ограничен прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг.1 представлено схематическое фронтальное изображение устройства для определения степени обезвоживания, которое основано на принципе растекания жидкости в радиальном направлении и включает множество различающихся функциональных зон.
На Фиг.2A и 2B схематично представлен датчик обезвоживания согласно настоящему изобретению. На Фиг.2А зона, содержащая pH-чувствительный краситель, и буферная зона представляют собой отдельные области подложки; на Фиг.2B зона, содержащая краситель, и буферная зона перекрываются в одной физической области подложки.
На Фиг.3 схематично представлено относительное изменение цвета, проявляющегося в зоне обнаружения датчика обезвоживания согласно настоящему изобретению. Слева направо: изменение интенсивности цвета в зоне обнаружения по мере повышения удельной массы мочи (USG).
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поскольку обезвоживание является одной из основных причин осложнений и смертности детей во всем мире, которая вызывает гибель почти 30% детей и младенцев в мире, имеется острая необходимость получения индикатора для полуколичественного определения уровня насыщения организма водой.
Принцип работы традиционных устройств анализа мочи, например погружных тестеров или индикаторных полосок, включает погружение погружного тестера в образец мочи, быстрое его извлечение и последующее наблюдение полученного цвета, который можно сравнивать с цветовой шкалой. Обычно такие индикаторные полоски имеют короткий временной интервал считывания показаний, обычно приблизительно равный или составляющий менее двух минут, и не имеют механизма обратной связи с пользователем. Недавно был разработан усовершенствованный формат испытания и отслеживания степени насыщения организма водой, описанный в патентной заявке US 11/956428, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки. В отличие от уже известных форматов определения степени насыщения водой, основанных на принципе растекания жидкости в радиальном направлении, устройство для определения и отслеживания степени насыщения водой, описанное в патентной заявке US 11/956428, имеет гораздо больший временной интервал считывания показаний, составляющий по меньшей мере приблизительно 2 часа, обычно приблизительно 4-6 часов или более, стабильный цветовой сигнал и зону обратной связи с пользователем, в которой обозначен объем образца и контакт образца с зоной проведения испытания. Большой временной интервал считывания показаний, долговременная стабильность цветового сигнала и механизм обратной связи с пользователем представляют собой важные элементы формата анализаторов, поступающих в безрецептурные отделы продаж (англ. over-the-counter, сокращено ОТС), в частности анализаторов, находящихся в изделиях личной гигиены, где практика постоянного отслеживания не может быть применена.
Настоящее изобретение основано на достижениях, полученных при использовании других аналитических форматов, основанных на принципе растекания жидкости, например форматов, описанных в патентных заявках US 11/956428, US 12/338673 или US 12/858234, содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки, но настоящее изобретение позволяет устранить некоторые их недостатки. Настоящее изобретение сохраняет все преимущества устройств на основе растекания жидкости в радиальном направлении, предназначенных для мониторинга степени обезвоживания, и позволяет создать датчик обезвоживания, соответствующий широкому диапазону USG и обеспечивающий стабильность и отчетливость цветового сигнала. Кроме того, предложенное решение, согласно которому стабильный буфер и pH-чувствительный краситель объединены в одной композиции или смеси буферизированных чернил, компоненты которой могут быть нанесены одновременно и совместно в течение одного объединенного этапа печати, позволяет изготовителям датчиков упростить способ получения датчиков. Настоящее описание также полностью включает содержание патентной заявки US 12/858234 посредством ссылки.
2
Изобретение относится к датчику обезвоживания, в котором используют буферную систему, состоящую из раствора красителя и раствора полиаллиламина в деионизованной воде (DI HO). В предпочтительном примере осуществления растворы красителя и полиаллиламина смешивают друг с другом и наносят на поверхность подложки аналитического устройства. Добавление каких-либо дополнительных буферных компонентов, например поликислоты, в раствор не требуется. Другими словами, возможно нанесение только раствора красителя и полиаллиламина. Буферная емкость системы на основе красителя и полиаллиламина сравнима с емкостью других однокомпонентных буферных систем, то есть для достижения эффективности, аналогичной эффективности традиционных аналитических устройств, требуется лишь небольшое количество буферного компонента.
Буферная система согласно изобретению может служить улучшенным буферным агентом и в то же время может эффективно иммобилизовать краситель, наносимый печатью на подложку, что предотвращает выщелачивание и растекание красителя по подложке во время анализа мочи или иного анализа.
2
Для достижения оптимальной чувствительности традиционных датчиков обезвоживания требуется относительно большая площадь подложки, которая служит буферным участком. В отличие от традиционных датчиков обезвоживания, в которые вводят единственный буфер, датчики согласно настоящему изобретению намного более чувствительны к изменениям концентрации ионов в образце мочи. Эта особенность позволяет изготавливать датчики обезвоживания, не используя подложки больших размеров, поскольку комбинированная буферная система согласно настоящему изобретению позволяет использовать подложки гораздо меньших размеров (в которых буферные участки составляют по меньшей мере половину или одну треть от размеров традиционных буферных участков). Это преимущество позволяет осаждать или наносить печатью чувствительные компоненты (т.е. краситель и буфер) на одно поле нанесения, имеющее гораздо более высокую буферную емкость. Линейный размер или размер диаметра/поперечного сечения поля нанесения может составлять от приблизительно 1 мм до приблизительно 30 мм, предпочтительнее приблизительно от 2 или 3 мм до приблизительно 20-25 мм, или приблизительно от 4 или 5 мм до приблизительно 10 мм или 12-17 мм, и предпочтительно от приблизительно 1 до 5 мм, включая различные комбинации перечисленных диапазонов. Для сравнения: линейные размеры традиционного буферного участка обычно составляют приблизительно 3-4 см × 28-30 см или площадь приблизительно 84-120 см. Относительно длинный буферный участок между зоной нанесения образца и зоной обнаружения не нужен - это позволяет моче быстрее перемещаться в зону обнаружения.
Таким образом, преимуществом настоящего изобретения является способность датчика сохранять высокую чувствительность к ионным концентрациям в моче при уменьшенных размерах буферного участка датчика.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, pH-индикаторные красители могут быть непосредственно иммобилизованы в целлюлозном буферном участке, что позволяет снижать вероятность неконтролируемой диффузии красителя из зоны обнаружения. Такое преимущество позволяет снижать производственные затраты и упрощать изготовление датчиков обезвоживания за счет устранения дополнительных производственных этапов, а также повышать удобство пользователя. Например, по сравнению с некоторыми традиционными датчиками обезвоживания, содержащими краситель на нейлоновом носителе, поддерживающем зону обнаружения обезвоживания, настоящее изобретение позволяет не использовать отдельный относительно дорогостоящий нейлоновый носитель, применяемый в некоторых устройствах согласно предшествующему уровню техники.
Согласно некоторым примерам осуществления обработанные буферными чернилами подложки согласно настоящему изобретению могут быть нанесены ламинированием поверх другой подложки, которая может быть получена как из того же материала, так и из материала другого типа. Функция нижележащей подложки может состоять в том, что она служит впитывающей средой аналитического устройства, а обработанная буферными чернилами расположенная поверх нее целлюлозная подложка служит сенсорной частью для определения концентрации ионов в моче. Это позволяет упростить способ производства и эффективно снизить производственные затраты при изготовлении датчиков для определения ионной силы мочи / датчиков обезвоживания.
С помощью датчика обезвоживания согласно изобретению можно количественно или полуколичественно точно отслеживать величину удельной массы мочи. Датчик включает пористую подложку, на часть которой непосредственно нанесена система буферизованных чернил. Подложка образует часть буферного участка. Система буферизованных чернил содержит от 0,5% масс. до приблизительно 10 или 15% масс. слабого полимерного основания и приблизительно 0,5% масс. до приблизительно 20% масс. чувствительного к величине рН красителя. Согласно изобретению, само по себе слабое полимерное основание может обеспечивать буферную функцию буферизованной композиции чернил.
Согласно изобретению полимерное основание может представлять собой, например, полиаллиламин, полиэтиленимин, поливиниламина гидрохлорид или их комбинацию. Необязательно также могут быть применены полимерные стабилизаторы, например, поливиниловый спирт или полиэтиленоксид.
Неограничивающие примеры pH-чувствительных красителей, подходящих для применения в датчиках обезвоживания, могут включать любой из следующих красителей: бромкрезоловый зеленый, бромтимоловый синий, нитразиновый желтый, мета-крезоловой пурпурный, тимоловый синий, ксиленоловый синий, крезоловый красный, бромфеноловый синий, Конго-красный, метиловый оранжевый, бромхлорфеноловый. синий, этиловый оранжевый, хризоидин, метиловый красный, ализариновый красный S, кошениль, хлорфеноловый красный, бромкрезоловый пурпурный, пара-нитрофенол, ализарин, бриллиантовый желтый, нейтральный красный, розоловую кислоту, феноловый красный, мета-нитрофенол или комбинации перечисленных красителей. Количество красителя в композиции может составлять от приблизительно 0,5% масс. до приблизительно 15% масс. или 17% масс. Обычно это количество находится в диапазоне от приблизительно 0,5, 0,7 или 1,0% масс. до приблизительно 6, 7 или 10% масс. включительно. Более предпочтительно, количество красителя составляет от приблизительно 0,8% масс. до приблизительно 3 или 5% масс.
Согласно изобретению полиамин, регулирующий pH, служит не только буфером, но также для иммобилизации pH-чувствительного красителя на подложке, чтобы красители не выщелачивались из того участка подложки, на который они были нанесены.
Раздел 1. - Формат растекания жидкости в радиальном направлении
Основанные на принципе растекания жидкости в радиальном направлении диагностические устройства для проведения иммунологических анализов являются общепринятыми и широко используемыми потребителями диагностическими изделиями для определения, например, беременности. В частности, настоящее изобретение относится к аналитическому устройству, с помощью которого определяют удельную массу образца мочи. Несмотря на то, что с точки зрения простоты использования и стоимости оно сходно с упомянутыми выше устройствами, устройство согласно изобретению для определения степени насыщения организма водой в целом отличается от традиционных устройств для иммунологического анализа как в химическом отношении, так и в отношении механизмов образования сигнала.
На Фиг.1 схематически представлен формат различных частей типичного устройства 10, основанного на принципе растекания жидкости в радиальном направлении. Обычно полоску для растекания жидкости в радиальном направлении получают из пористой матрицы 12, которую изготавливают таким образом, что она находится в жидкостном соединении с различными областями аналитического устройства, а именно: зоной 14 контакта с образцом, буферным участком 16, зоной 18 обнаружения и зоной 20 контроля. Зона контакта с образцом представляет собой область, в которой происходит нанесение образца. В буферном участке диффузионно зафиксированы компоненты буфера, которые изменяют значение pH буфера при воздействии образцов, имеющих разные концентрации ионов. Буферный участок может включать впитывающий участок. Буферный участок включает зону обнаружения, содержащую pH индикатор, который изменяет цвет в зависимости от разных значений pH. В зоне обнаружения зафиксирован pH индикатор, с помощью которого может происходить обнаружение изменения pH буфера, а в зоне контроля происходит обнаружение присутствия образца в самом устройстве. В некоторых примерах осуществления в зоне наблюдения образца или зоне обратной связи находится недиффузионно иммобилизованный pH индикатор и pH регулятор. При контакте с образцом мочи pH индикатор меняет свой цвет.
Важным критерием выбора цвета индикатора, помещаемого в зону обнаружения, является его чувствительность к небольшим изменениям pH буфера, вызываемым изменениями ионной силы мочи. Поскольку pH нормальной мочи нейтрален, заметный переход цвета индикатора предпочтительно находится при pH, приблизительно составляющем 7±2, как у тимолового синего и бромтимолового синего. Исходный цвет иммобилизованного индикатора можно легко регулировать нанесением индикатора совместно с pH регулятором, который представляет собой кислоту, буфер, основание или их комбинацию. Важно, чтобы получаемый исходный цвет обеспечивал резкий контраст цветов. Например, если в качестве индикатора применяют бромтимоловый синий, то в щелочной среде зона обнаружения окрашивается в ярко-зеленый цвет, который легко отличим от желтого цвета, появляющегося в кислых условиях.
Зона контроля включает простой механизм, с помощью которого пользователь может определить, что в аналитическое устройство корректным образом поступило достаточное количество образца и что произошел контакт образца с реагентами, находящимися в зоне обнаружения. В аналитическом устройстве дальше по потоку относительно зоны обнаружения появляется контрольный цветовой сигнал. Химическая реакция, лежащая в основе изменения цвета, включает изменение цвета pH индикатора, иммобилизованного в участке зоны контроля вместе с pH регулятором, создающим исходное значение pH, соответствующее диапазону нормальной мочи (т.е. 5-10). При исходном pH индикатор имеет исходный цвет, а после прохождения образца мочи через зону обнаружения в зону контроля pH цвет в зоне контроля меняется, вызывая изменение цвета контрольного индикатора. Это означает, что из зоны обнаружения поступило достаточное количество образца и анализ произведен корректно.
Раздел II. - Формат датчика обезвоживания
Для того, чтобы датчик или индикатор степени обезвоживания можно было ввести непосредственно в изделие личной гигиены, датчик должен отвечать ряду требований. Эти требования включают следующие: a) датчик должен иметь продолжительный временной интервал считывания показаний, составляющий по меньшей мере от трех до пяти часов или более; b) считывание или интерпретация данных, получаемых датчиком, должны быть простыми; c) датчик и изделие должны выдерживать множественное воздействие жидкостей; a) введение датчика в уже существующие изделия личной гигиены должно быть произведено с минимальной модификацией изделия или способа его изготовления и e) стоимость производства датчика и изделия должна быть относительно невысока и обеспечивать минимальную цену датчика или изделия. Индикаторные полоски для анализа мочи, изменяющие свой цвет в зависимости от ионной силы мочи, коммерчески доступны, но они не могут быть введены в изделия личной гигиены из-за диффузии красителя и нестабильности цвета. Авторы изобретения создали датчики обезвоживания, не имеющие указанных недостатков, которые потенциально могут быть использованы как вставки в предмет личной одежды. Тем не менее, этапы конструирования и изготовления датчика достаточно сложны. Настоящее изобретение относится к датчику обезвоживания, конструкция которого включает чернила.
Уже известные индикаторы обезвоживания включают буферизованную подложку (например, целлюлозный участок), мембрану из нейлона, на которой иммобилизован pH краситель (красители), представляющую собой зону обнаружения, слоистый материал, соединяющий зону обнаружения с подложкой, и необязательно поверхностно-активное вещество, например, описанное в патентных заявках US 12/338673 или US 12/338636, содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки. В альтернативном варианте мембрана из нейлона может отсутствовать, и pH-чувствительный краситель может быть иммобилизован на буферизованном целлюлозном участке подложки. Анализ, производимый с помощью датчиков этого типа, основан на принципе растекания жидкости в радиальном направлении, при котором моча перемещается вверх по индикаторной полоске и непосредственно контактирует с зоной обнаружения. Механизм обнаружения основан на том факте, что кажущиеся константы ассоциации/диссоциации слабых полимерных кислот и оснований изменяются при изменении ионной силы среды, что вызывает изменения в относительной величине pH. Сдвиг может быть обнаружен с помощью колориметрического изменения pH-чувствительного красителя. Под действием ионной силы мочи (которая соответствует уровню насыщения водой организма пользователя) происходит смещение pH буфера, которое может быть измерено с помощью pH-чувствительного красителя, содержащегося в участке обнаружения.
Один из аспектов настоящего изобретения относится к датчику обезвоживания, который содержит pH-чувствительный краситель в комбинации с буфером на основе слабого полимерного основания (например, полиаллиламина, полиэтиленамина и т.д.), который под действием ионного раствора, например мочи, может высвобождать протоны. Датчик согласно изобретению может содержать меньшее количество красителя или буферного материала по сравнению с устройствами согласно предшествующему уровню техники и может обладать улучшенной буферной активностью.
Настоящее изобретение относится к индикаторам обезвоживания на основе чернил, которые имеют повышенную стабильность сигнала и менее сложны в изготовлении. При создании изобретения учтены достижения предшествующего уровня техники, которые заключаются в интеграции индикаторов обезвоживания на основе растекания жидкости в радиальном направлении и абсорбирующих изделий личной гигиены. Однако настоящее изобретение позволяет повысить функциональность датчиков и устранить некоторые недостатки и проблемы датчиков предшествующего уровня техники. Например, в примерах осуществления индикаторов согласно предшествующему уровню техники существовала проблема вытекания и/или выщелачивания красителей из целевой зоны или активного участка подложки датчика. Дополнительно, в датчиках согласно предшествующему уровню техники индикатор должен быть помещен на участок из целлюлозы, предварительно полностью обработанный буферным раствором и высушенный, на который затем наносят pH-чувствительный краситель.
В датчиках обезвоживания согласно предшествующему уровню техники индикатор должен быть помещен на пористый участок из целлюлозы, предварительно полностью обработанный буферным раствором и высушенный, на который затем наносят краситель. Согласно настоящему изобретению было показано, что буферная емкость индикатора значительно повышается в присутствии композиции, включающей полимерную кислоту и полимерное основание. Благодаря повышенной буферной емкости, предварительная обработка всего целлюлозного участка буферным раствором не требуется. Напротив, физические размеры буферной области или части целлюлозного участка могут быть значительно снижены, что позволяет легко наносить индикаторы способом печати или в виде полос на индикаторный участок. Благодаря такому подходу, буферная зона может быть получена осаждением или нанесением печатью на аналитическую подложку дальше по потоку относительно области или зоны, содержащей краситель, как показано на Фиг.2A. В альтернативном варианте, как буферный реактив, так и красители могут быть нанесены один поверх другого в пределах одной физической области или зоны, как показано на Фиг.2B.
Кроме того, применение в устройстве согласно изобретению уникальной буферной композиции позволяет повысить буферную емкость индикатора. Такое повышение буферной емкости позволяет не обрабатывать весь целлюлозный участок буферным раствором. Напротив, площадь зоны нанесения буфера может быть значительно уменьшена или может быть снижено количество буфера, что облегчает его нанесение способом печати в виде полос на индикаторный участок. При таком подходе буферная зона может быть нанесена способом печати ниже зоны нанесения красителя, или, как буфер, так и краситель могут быть нанесены способом печати на одну и ту же физическую область зоны. Кроме того, иммобилизацию pH-чувствительного красителя производят так, что буферизованные чернила не выщелачиваются и не загрязняют другие области изделия личной гигиены.
Величина pH буфера изменяется в зависимости от изменения концентрации ионов, или ионной силы, или удельной массы образца. Буфер может состоять из частично нейтрализованного слабого полимерного основания. Примеры слабых полимерных оснований включают поливиниламин и поли-4-винилпиридин. Иммобилизация компонентов буфера на пористой матрице может быть постоянной или непостоянной. Примеры пористых матриц включают участки из целлюлозы, фильтровальную бумагу, нетканые материалы и участки из стекловолокна.
Пористая матрица не должна значительным образом влиять на константы диссоциации и ассоциации буфера. Датчик обезвоживания включает участок (зону) обнаружения, в которой недиффузионно иммобилизован pH индикатор. Предпочтительно цветовой переход pH индикатора находится вблизи нейтрального значения pH или при pH, составляющем от приблизительно 5,5 до приблизительно 10,5. Примеры pH индикаторов включают бромтимоловый синий, тимоловый синий, мета-крезоловый пурпурный, бриллиантовый желтый и нейтральный красный. Матрица предпочтительно состоит из пористого и проницаемого для мочи (воды) материала, способствующего быстрому проникновению мочи.
Датчик обезвоживания включает пористый и гидрофильный впитывающий участок. Впитывающий участок предпочтительно имеет относительно высокую или значительную абсорбирующую емкость, позволяющую удерживать жидкости, например воду или мочу. Аналитическое устройство для определения степени обезвоживания включает зону обратной связи или зону контроля, представляющую собой часть впитывающего участка. Цвет зоны контроля может изменяться при контакте с мочой, независимо от pH и/или удельной массы образца мочи. Впитывающий участок может содержать недиффузионно иммобилизованный pH индикатор и регулятор pH, нанесенный на пористую и способную смачиваться водой/мочой матрицу. Переход цвета pH индикатора может находиться либо при pH, составляющем менее приблизительно 5,5, либо более приблизительно 10,5. Примеры pH индикаторов включают бромфеноловый синий, бромхлорфеноловый синий, флоксин B, бромкрезоловый зеленый и Конго-красный. Примеры регуляторов pH включают лимонную кислоту, щавелевую кислоту, винную кислоту или соляную кислоту. Матрица предпочтительно состоит из пористого и проницаемого для мочи материала, способствующего быстрому проникновению мочи.
В конкретных примерах осуществления компоненты буфера могут быть выбраны из слабого полимерного основания, например: полиаллиламина (MW (молекулярная масса): 1000-60000), полиэтиленимина (MW: 1800-10000), поливиниламина гидрохлорида (MW: 25000). Например, датчик обезвоживания включает чувствительный к pH краситель, например бромтимоловый синий, и многокомпонентный буфер (например, полиакриловую кислоту и полиаллиламин).
Многокомпонентный буфер и pH-чувствительный краситель могут быть нанесены на одну или на разные области подложки. При контакте с мочой содержащиеся в моче ионы вызывают высвобождение протонов буфера и изменение цвета pH-чувствительного красителя, содержащегося в датчике. Степень изменения цвета зависит от ионной силы мочи.
Способ определения степени обезвоживания посредством определения ионной силы образца мочи может включать обеспечение наличия полоски для растекания жидкости в радиальном направлении, включающей пористую матрицу, находящуюся в жидкостном соединении с буферным участком, впитывающим участком и зоной регулирования скорости растекания, расположенной между буферным участком и впитывающим участком; нанесение испытуемого образца на зону образца, находящуюся на буферном участке, и взаимодействие образца в зоне обнаружения, которая может быть расположена непосредственно после зоны нанесения образца.
В некоторых примерах осуществления зона регулирования скорости растекания расположена дальше по потоку относительно зоны обнаружения, и моча поступает в зону регулирования скорости растекания, после чего в зоне контроля впитывающего участка проявляется визуальный сигнал. В зоне регулирования скорости растекания может происходить регулирование скорости растекания за счет изменения градиента пористости, плотности или сродства к ионам матрицы, образующей по меньшей мере часть зоны регулирования скорости растекания.
Согласно изобретению увеличение количества полимерного основания (полимерных аминов) приводит к сильному сдвигу зоны перехода цвета. Введение слабого полимерного основания позволяет с большей точностью контролировать диапазон емкости буфера и использовать меньший и более направленный объем компонентов буферных чернил в устройстве согласно изобретению. Это позволяет образовывать на подложке небольшие отдельные области, а не наносить реагенты на всю подложку. Это приводит к экономии и общему упрощению способа получения устройства. Преимущество такого подхода заключается в сведении к минимуму активной площади зоны обнаружения.
Предполагается, что конкретные примеры осуществления настоящего изобретения могут включать датчик для определения степени обезвоживания, который может быть помещен в абсорбирующее изделие, например подгузник, изделие для взрослых, страдающих недержанием, или другие предметы одежды для личной гигиены, для которых невыполнимо точное и непрерывное отслеживание параметров. Для стабилизации сигнала и достижения равновесия после контакта с образцом мочи в зоне обнаружения индикатора обезвоживания требуется 5-10 минут. Если данные испытаний считывают до установления равновесия, то могут быть получены неточные результаты. Таким образом, между зоной обнаружения и зоной контроля-наблюдения за образцом рекомендуется помещать одну из зон регулирования скорости растекания, так чтобы образец жидкости не реагировал с зоной контроля-наблюдения за образцом в течение 10 минут после достижения зоны обнаружения. В таком варианте осуществления пользователь будет уверен, что данные испытания можно считывать после появления цветового сигнала в зоне наблюдения-контроля. Кроме того, при определении множества анализируемых веществ, зоны регулирования скорости растекания могут быть помещены между зонами обнаружения, что обеспечивает разную скорость появления сигналов в зонах. В этой ситуации, во избежание путаницы было бы желательно, чтобы большинство или все сигналы появлялись одновременно. В противном случае, после получения сигнала, пользователь может предположить, что испытание закончено и, таким образом, пропустить появление других сигналов, которые проявляются позже.
Другой аспект изобретения также относится к способу определения удельной массы образца мочи, который включает: введение образца мочи в зону нанесения образца; протекание мочи через буферный участок, расположенный в зоне обнаружения, что вызывает изменение цвета pH индикатора в зоне обнаружения; протекание мочи через зону регулирования скорости растекания, в которой происходит регулирование момента появления визуального сигнала в зоне наблюдения-обратной связи впитывающего участка (в течение заданного временного интервала) так, чтобы цвет, проявляющийся в зоне обнаружения, достиг стабильного уровня интенсивности.
Определения обычно производят следующим образом. Образец мочи вводят в зону образца, после чего он перемещается через буферную зону под действием капиллярных сил. Содержащиеся в моче ионы вызывают изменение pH буфера, содержащегося в буферном участке. Некоторая часть образца перемещается в зону обнаружения, в которой pH индикатор меняет свой цвет в зависимости от величины pH буфера, которая определяется концентрацией ионов в образце мочи. Цвет зоны обнаружения соответствует ионной силе мочи или удельной массе мочи, отражающей уровень насыщения человеческого организма водой. Было обнаружено, что для полного проявления цветовых сигналов в зоне обнаружения обычно требуется некоторое время (например, обычно от 10 до 30 минут, в зависимости от размера и конфигурации устройства). Некоторое количество образца затем протекает в зону регулирования скорости растекания, затем во впитывающую зону и затем в зону контроля-наблюдения за образцом, вызывая в конечном итоге изменение цвета в зоне считывания показаний. Время, необходимое для достижения образцом зоны наблюдения-обратной связи и создания сигнала обратной связи, можно регулировать с помощью изменения различных параметров зоны регулирования скорости растекания, например типа материала, ширины и длины зоны и размера пор. Изменение цвета в зоне контроля, находящейся во впитывающем участке, может быть использовано не только для сигнализации того, что испытание было выполнено корректно, но и для обеспечения протекания минимального времени контакта образца с зоной обнаружения до считывания показаний. Например, если цвет участка обратной связи не изменился, то испытание произведено некорректно, то есть либо недостаточное количество образца было введено в устройство, либо прошло недостаточно времени для появления сигнала в зоне обнаружения.
Раздел III. - Эмпирические примеры
Подложка:
В качестве подложки применяли фильтровальную бумагу (Fisherbrand Cat# 09-795Е), поставляемую Fischer Scientific (Pittsburgh, PA, США). Подложку нарезали на полоски размерами 25 мм × 16 мм.
Буферная композиция:
2
Если не указано иное, то буферная композиция состояла из следующих реагентов: полиэтиленимин (ПЭИ, молекулярная масса 10K, Polyscience, Inc.), 2%-ный раствор в дистиллированной воде (деионизированная HO, при pH 8,08).
Композиция pH-чувствительного красителя:
Если не указано иное, то композиция красителя состояла из следующих реагентов: бромтимоловый синий (БТС): 6 мг/мл в этаноле.
Приготовление индикатора:
На подложку из фильтровальной бумаги размером 25 мм × 16 мм наносили 240 мкл раствора буфера и красителя (раствор содержал 200 мкл красителя: 40 мкл буфера). Полосу оставляли сушиться на воздухе и затем нарезали на полоски размерами 5 мм × 5 мм, которые подвергали испытаниям.
Пример 1
В первом примере осуществления раствор красителя (6 мг/мл, бромтимоловый синий) смешивали с полиаллиламином (2% pH 8,18) (200 мкл: 20 мкл). Раствор применяли для нанесения на фильтровальную бумагу. Подложку сушили на воздухе и подвергали испытаниям, включающим воздействие растворов с различными значениями USG, составляющими от 1,002 до 1,035. По мере изменения величины USG цвет датчика постепенно изменялся от синего до желтого.
Пример 2
Во втором примере осуществления раствор красителя (6 мг/мл, бромтимоловый синий) смешивали с полиэтиленимином (2% pH 8,08) (200 мкл: 40 мкл). Раствор применяли для нанесения на фильтровальную бумагу. Подложку сушили на воздухе и подвергали испытаниям, включающим воздействие растворов с различными значениями USG. По мере изменения величины USG от 1,002 до 1,035 цвет датчика постепенно изменялся от синего до желтого.
Пример 3
В третьем примере осуществления раствор красителя (6 мг/мл, бромтимоловый синий) смешивали с полиэтиленимином (2% pH 8,08) (200 мкл: 20 мкл). Раствор применяли для нанесения на фильтровальную бумагу. Подложку сушили на воздухе и подвергали испытаниям, включающим воздействие растворов с различными значениями USG, составляющими от 1,002 до 1,035. По мере изменения величины USG цвет датчика постепенно изменялся от синего до желтого.
Пример 4
В четвертом примере осуществления раствор красителя (6 мг/мл, бромтимоловый синий) смешивали с полиэтиленимином (2% pH 8,08) (200 мкл: 10 мкл). Раствор применяли для нанесения на фильтровальную бумагу. Подложку сушили на воздухе и подвергали испытаниям, включающим воздействие растворов с различными значениями USG, составляющими от 1,002 до 1,035 USG. По мере изменения величины USG цвет датчика постепенно изменялся от зеленого до желтого.
В Таблице 1 представлены визуальные результаты, получаемые в зонах обнаружения, обработанных примерами композиции буферизованных чернил согласно изобретению, после нанесения образцов мочи, имеющих соответствующие значения удельной массы. Очевидно, что применение буферизованных чернил, содержащих в качестве буферного компонента только слабое полимерное основание, позволяет достаточно эффективно различать удельные массы образцов мочи за счет изменения цветового спектра от синего к зеленому и желтому.
Таблица 1
Примеры: Отношение, % об.
USG=1,002
USG=1,008
USG=1,014
USG=1,020
USG=1,025
USG=1,035
БТС: Полиаллиламин 10:1
Синий
Светло-синий
Синий Зеленый
Желтый
Желтый
Желтый
БТС : ПЭИ (полиэтиленимин)5:1
Синий
Зеленый
Зеленовато-желтый
Желтый
Желтый
Желтый
БТС : ПЭИ 10:1
Синий
Зеленый
Зеленый
Желтый
Желтый
Желтый
БТС : ПЭИ 20:1
Зеленый
Зеленый
Зеленовато-желтый
Желтый
Желтый
Желтый
Пример 5
В пятом примере осуществления раствор красителя (6 мг/мл, бромтимоловый синий) смешивали с полиэтиленимином (2% pH 8,08) (200 мкл : 40 мкл). Раствор применяли для нанесения на фильтровальную бумагу. Подложку с нанесенным покрытием сушили на воздухе и нарезали на кусочки размером 5 мм × 5 мм. Небольшой датчик на подложке накладывали на другую полосу фильтровальной бумаги размером 25 мм × 5 мм. Оба материала соединяли друг с другом ламинированием с помощью непроницаемой скрепляющей среды, например клейкой ленты, так, чтобы один конец был частично открыт для нанесения испытуемого образца. Устройство подвергали воздействию различных образцов мочи, имеющих объем 25 мкл и разные значения удельной плотности (т.е. от 1,002 до 1,035). По мере изменения величины USG цвет датчика изменялся от синего к желтому.
Применение настоящего изобретения также включает возможность того, что изготовители аналитических устройств, основанных на растекании жидкости в радиальном направлении, смогут использовать комбинацию буферизованных чернил и композиции pH-чувствительного красителя согласно изобретению для проведения единственного, объединенного этапа печати, поскольку буферизованные чернила и pH-чувствительный краситель могут быть смешаны друг с другом с образованием единого раствора и совместно и одновременно нанесены на подготовленную подложку.
Выше приведено как обобщенное, так и подробное описание настоящего изобретения, сопровождаемое примерами и графическими материалами. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изобретение не обязательно ограничено конкретными описанными примерами осуществления и может включать замены, модификации и изменения, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение включает все изменения, если получаемые в результате таких изменений модификации не выходят за пределы объема изобретения, ограничиваемого прилагаемой формулой изобретения.