ПРОБООТБОРНИК И БИОСЕНСОР
SAMPLING UNIT AND BIOSENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пробоотборнику и биосенсору.
Уровень техники
В последние годы, в качестве биосенсора была разработана методика анализа, позволяющая неинвазивно использовать живые клетки (см., например, Патентную литературу 1). В патентной литературе 1 описан биосенсор, имеющий структуру, в которой регистрирующая поверхность для детектирования изменения физических характеристик отрицательного заряда покрыта группой фенилборной кислоты, связывающейся с образцом сиаловой кислоты (собственно клетки или произведенная из них сахарная цепь).
Список литературы
Патентная литература
Патентная литература 1: Нерассмотренная патентная заявка № 2010-107496, Япония
Сущность изобретения
Техническая проблема
Указанный выше биосенсор, описанный в патентной литературе 1, не является инвазивным для клеток и т.п., но нельзя сказать, что этот биосенсор не является инвазивным в отношении тела человека при отборе клеток из организма. Другими словами, желательно разработать биосенсор, который способен снизить нагрузку на организм человека, например, биосенсор, способный обнаружить цель детектирования на основе слез, испарины, слюны, и др. Следует отметить, что слезы и т.п. содержат не только глюкозу, как вещество, подлежащее детектированию, но также содержат белки, такие как альбумин, и таким образом, для слез существует проблема в том, что находящиеся в них белки будут вызывать помехи и снижать чувствительность измерения.
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в разработке пробоотборника и биосенсора, с помощью которых можно осуществлять анализ на основе пробы, неинвазивно взятой из организма человека.
Решение проблемы
Пробоотборник согласно настоящему изобретению имеет первый принимающий элемент и второй принимающий элемент, которые принимают раствор пробы и расположены отдельно друг от друга, причем первый принимающий элемент содержит идентифицирующее вещество, которое связывается с детектируемым веществом и отделяют вещество, подлежащее детектированию, от веществ, не подлежащих детектированию в растворе пробы, при этом второй принимающий элемент соединен с электродом сравнения с помощью солевого мостика.
Биосенсор согласно настоящему изобретению содержит описанный выше пробоотборник и полевой транзистор, в котором первый принимающий элемент электрически соединен с электродом затвора.
Положительные эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению, чувствительность измерения может быть улучшена путем подавления связывания не детектируемого вещества с идентифицирующим веществом, находящемся в первом принимающем элементе. Следовательно, концентрацию детектируемого вещества можно измерить более надежно на основе раствора пробы, которая была неинвазивно взята из организма человека.
Более того, путем раздельного размещения первого принимающего элемента и второго принимающего элемента друг от друга, и путем формирования принимающих элементов таким образом, что растворы взятой пробы не смешиваются между собой, слезный флюид может быть электрически соединен с электродом сравнения с помощью солевого мостика, и таким образом, достигается миниатюризация.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 представлено продольное сечение, упрощенно демонстрирующее конфигурацию биосенсора согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фигура 2 представляет график, на котором показаны результаты, полученные при измерении электрических характеристик биосенсора согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фигура 3 представляет частичное изображение сверху, упрощенно демонстрирующее конфигурацию биосенсора согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фигуры 4А, 4В представляют вид в разрезе, упрощенно демонстрирующий конфигурацию биосенсора согласно второму варианту осуществления изобретения. На фигуре 4A приведен вид в разрезе, выполненный по линии A-A, показанной на фигуре 3, и фигура 4B представляет вид в разрезе, выполненный по линии B-B, показанной на фигуре 3.
Осуществление изобретения
В дальнейшем, варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны подробно, со ссылкой на чертежи.
Первый вариант осуществления
Полная конфигурация
Биосенсор 10, показанный на фигуре 1, включает в себя пробоотборник 12 и полевой транзистор (FET) 14. Биосенсор 10 идентифицирует глюкозу как подлежащее детектированию вещество, содержащееся в растворе пробы в пробоотборнике 12, и превращает идентифицированную информацию в электрические сигналы в FET 14, таким образом, детектируется количество глюкозы в растворе пробы. В этом документе раствор пробы представляет собой неинвазивно взятый раствор пробы, а именно, биологические растворы, отличающиеся от крови, такие как испарина, слезы, и слюна. Эти растворы проб содержат не только глюкозу, но также включают в себя вещества, не подлежащие детектированию, то есть белки, такие как альбумин.
Пробоотборник 12 имеет два принимающих элемента, которые расположены отдельно друг от друга, а именно, первый принимающий элемент 16 и второй принимающий элемент 18. Каждый, первый принимающий элемент 16 и второй принимающий элемент 18, формируются таким образом, что раствор пробы может перемещаться от верхнего конца к основанию элемента, причем оба принимающих элемента отделены друг от друга разделительным элементом 20. Этот разделительный элемент 20 может предотвратить смешивание между собой растворов пробы при движении от верхнего конца к основанию.
Хотя первый принимающий элемент 16 позволяет раствору пробы двигателя от верхнего конца к основанию элемента, он отделяет глюкозу от белков, содержащихся в растворе пробы. В случае варианта осуществления изобретения, первый принимающий элемент 16 сформирован из фильтровальной бумаги, которая нарезана в виде прямоугольников.
Первый принимающий элемент 16 электрически соединен с FET 14 на стороне основания. Первый принимающий элемент 16 содержит идентифицирующее вещество 22. Функцией идентифицирующего вещества 22 является связывание с глюкозой, содержащейся в растворе пробы. В качестве идентифицирующего вещества 22 может быть использована фенилборная кислота, и другие примеры идентифицирующего вещества 22 включают производные фенилборной кислоты (например, фенилборная кислота, имеющая винильную группу, и др.), связывающий глюкозу белок (GBP), и его производные. Например, когда фенилборная кислота связывается с глюкозой, она генерирует отрицательный заряд.
В случае настоящего варианта осуществления изобретения, идентифицирующее вещество 22 наносится на носитель (не показан на фигуре). В качестве носителя могут быть использованы проводящие частицы и непроводящие частицы. Примеры проводящих частиц, которые могут быть использованы в этом изобретении, включают металлические частицы, такие как частицы Au, Pt, Ag или Cu, неметаллические частицы, такие как оксид индия и олова (ITO), и частицы проводящих полимеров. Кроме того, примеры непроводящих частиц, которые могут быть использованы в этом изобретении, включают частицы SiO2. Например, в фенилборную кислоту, используемую в качестве идентифицирующего вещества 22, могут быть введены тиоловая группа (-SH) или дисульфидная группа (-S-S-) с образованием тиоловой или дисульфидной производной, таким образом, чтобы фенилборную кислоту можно было нанести на поверхность частиц Au.
В первом принимающем элементе 16 может быть сформирован эластичный элемент 24. В случае, показанном на этой фигуре, эластичный элемент 24 образован на поверхности, противоположной поверхности, обращенной ко второму принимающему элементу 18. Более того, эластичный элемент 24 не образован на основании первого принимающего элемента 16. Эластичный элемент 24 может быть образован из материала, обладающего биосовместимостью, такого как гидрогель. Гидрогель представляет собой желатиноподобный материал с отличной гигроскопичностью, который удерживает значительное количество воды за счет поперечной сшивки гидрофильных полимерных цепей. Примеры гидрогеля включают агарозу, силикон, полигидроксиэтилметакрилат (поли-HEMA, который также называется 2-гидроксиэтилполиметакрилат), поливинил пирролидон (PVP) и поливиниловый спирт (PVA). Поли-HEMA может быть гомополимером гидроксиэтилметакрилата (HEMA), или он также может быть coполимером с другим мономером (например, 2,3-дигидроксипропилметакрилат, глицеринометакрилат (GMA), и др.). Следует отметить, что поли-HEMA имеет тенденцию к более высокому содержанию воды, когда он находится в виде coполимера. Кроме того, PVP может быть гомополимером N-винил-2-пирролидона (NVP), или он также может быть coполимером, образовавшимся путем добавления HEMA, метилметакрилата (MMA) и др., и сшивающего агента к NVP в качестве основного компонента, с последующей полимеризацией смеси.
Второй принимающий элемент 18 особенно не ограничен, и, например, бумага может быть использована в качестве второго принимающего элемента 18. Указанная бумага получается путем агглютинирования волокон, таких как растительные волокна, растительные волокна состоят из целлюлозы или гемицеллюлозы. Характеристикой целлюлозы является наличие в ней большого числа гидроксильных групп, эти молекулы связываются между собой водородными связями, и поэтому растительные волокна, составляющие бумагу, прилипают друг к другу. Примеры других волокон включают волокнистые продукты, выполненные из минералов, металлов, синтетических смол и других материалов.
Второй принимающий элемент 18 соединен с электродом сравнения 21 с помощью солевого мостика 25 со стороны его основания. Солевой мостик 25 образуется, например, путем объединения водного раствора хлорида калия с агаром и т.п. Раствор пробы, перемещающийся через второй принимающий элемент 18, электрически соединяется с электродом сравнения 21, без непосредственного контакта с электродом сравнения 21, благодаря солевому мостику 25.
Как в случае с первым принимающим элементом 16, во втором принимающем элементе 18 может быть образован эластичный элемент 24. В случае, показанном на этой фигуре, эластичный элемент 24 образуется на поверхности, противоположной поверхности, обращенной к первому принимающему элементу 16. Эластичный элемент 24 не формируется у основания второго принимающего элемента 18, где установлен солевой мостик 25.
FET-транзистор 14 содержит элемент 30 истокового электрода, который электрически соединен с истоком (не показан на фигуре), сформированным на поверхности полупроводниковой подложки 28, элемент 32 стокового электрода, который электрически соединен со стоком (не показан на фигуре), сформированным на нем, изолирующую пленку затвора (не показана на фигуре), которая сформирована на полупроводниковой подложке 28, элементе 30 истокового электрода и элементе 32 стокового электрода. Для FET 14 могут быть использованы структуры n-МОП, а также p-МОП. На изолирующей пленке затвора сформирован управляющий электрод 34. Управляющий электрод 34 может быть сформирован из Au, Ag, Cu и т.п. Элемент 30 истокового электрода и элемент 32 стокового электрода электрически соединен с источником питания и измерительным прибором, хотя они не показаны на фигуре.
Полупроводниковая подложка 28 может быть сформирована из Si, Ga, As, ITO, оксидов In, Ga, Zn (IGZO), оксидов In, Zn (IZO) и т.п. Альтернативно, в качестве указанной полупроводниковой подложки 28 могут быть использованы органические полупроводники, углеродный полупроводник (например, углеродная нанотрубка, графеновый полупроводник, алмазный полупроводник, и др.) и т.п. Изолирующая пленка затвора может быть сформирована из оксида или нитрида, например, SiO2, Si3N4 (SiNx), Ta2O5 или Al2O3.
В случае варианта осуществления настоящего изобретения, биосенсор 10 содержит основной корпус 36, который поддерживает пробоотборник 12 и FET 14. Основной корпус 36 представляет собой кубическую деталь, образованную из синтетической смолы, такой как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или политетрафторэтилен (ПТФЭ), и имеет участок 38 установки первого принимающего элемента, участок 40 установки второго принимающего элемента, участок 42 установки транзистора FET, разделительный элемент 20, отверстие 44 для введения датчика и отверстие 46 для введения электрода сравнения.
В основном корпусе 36 два отверстия, каждое проходит от одного конца к другому концу в продольном направлении корпуса, сформированы в верхней части и нижней части поверхности, в направлении толщины. Нижнее отверстие представляет собой участок 38 установки первого принимающего элемента, и верхнее отверстие является участком 40 установки второго принимающего элемента. Между участком 38 установки первого принимающего элемента и участком 40 установки второго принимающего элемента, образуется разделительный элемент 20.
На стороне указанного «другого конца» участка 38 установки первого принимающего элемента сформирован участок 42 транзистора FET. В участке 42 установки FET сформировано отверстие 44 для введения датчика, которое проходит к поверхности указанного «другого конца» в продольном направлении основного корпуса 36. Что касается отверстия 44 для введения датчика, то выполняются два отверстия для введения датчиков в направлении линии, вертикальной к поверхности бумаги приведенной фигуры.
Со стороны «другого конца» участка 40 установки второго принимающего элемента формируется участок 45 установки солевого мостика. В участке 45 установки солевого мостика выполняется отверстие 46 для введения электрода сравнения, которое проходит к поверхности «другого конца», в продольном направлении, основного корпуса 36.
На участке 42 установки транзистора устанавливается FET 14 в положении, в котором элемент 30 истокового электрода и элемент 32 стокового электрода соответствуют отверстиям 44 для введения датчиков. В транзисторе FET 14 управляющий электрод 34 расположен на соединительном компоненте с участком 38 установки первого принимающего элемента. Первый принимающий элемент 16 монтируется на участке 38 установки первого принимающего элемента в таком положении, что эластичный элемент 24 расположен на нижней стороне. Более того, вершина первого принимающего элемента 16 выступает из одного конца основного корпуса 36, а его поверхность со стороны основания контактирует с управляющим электродом 34 транзистора FET 14. В каждое отверстие 44 для введения датчиков вставляется электрод датчика 47. Верхние концы электродов датчиков 47 соответственно контактируют с элементом 30 истокового электрода и элементом 32 стокового электрода, причем они соответственно электрически соединены с истоком и стоком.
Участок 45 установки солевого мостика заполнен солевым мостиком 25. Второй принимающий элемент 18 монтируется на участке 40 установки второго принимающего элемента в таком положении, что эластичный элемент 24 расположен на верхней стороне. Более того, вершина второго принимающего элемента 18 выступает из одного конца основного корпуса 36, а его поверхность у основания контактирует с солевым мостиком 25. В отверстие 46 для введения электрода сравнения вставлен электрод сравнения 21. Верхний конец электрода сравнения 21 вставляется в солевой мостик 25, и, таким образом, электрически соединяется с солевым мостиком 25. Электрод сравнения 21 выполняет функцию опорного потенциала в FET 14.
Функционирование и эффекты
В биосенсоре 10 указанной конфигурации сначала собирается раствор пробы в пробоотборник 12. Например, вершина пробоотборника 12 вводится в непосредственный контакт с внутренней стороной нижнего века, для того чтобы собрать слезный флюид в качестве раствора пробы. В случае настоящего варианта осуществления изобретения, поскольку в верхней части первого принимающего элемента 16 и второго принимающего элемента 18 установлены эластичные элементы 24, слезный флюид можно отобрать без повреждения глазного яблока или периферической кожи.
Собранный слезный флюид проходит от вершины к основанию в первом принимающем элементе 16 и втором принимающем элементе 18. В случае настоящего варианта осуществления изобретения, первый принимающий элемент 16 формируется из фильтровальной бумаги, так что глюкоза в слезном флюиде проходит в принимающий элемент быстрее, чем белки. Глюкоза связывается с идентифицирующим веществом 22 в первом принимающем элементе 16. Вследствие этого, идентифицирующее вещество 22 генерирует отрицательный заряд. С другой стороны, во втором принимающем элементе 18 слезный флюид проходит к основанию и затем достигает солевого мостика 25, так что слезный флюид электрически соединяется с электродом сравнения 21 с помощью солевого мостика 25.
Указанный выше отрицательный заряд передается на поверхность управляющего электрода 34 в основании первого принимающего элемента 16. Таким образом, изменяется плотность заряда на управляющем электроде 34. Указанное изменение плотности заряда можно рассчитать как изменение тока, проходящего от истока в сток, с использованием потенциала слезного флюида на электроде сравнения 21 в качестве стандарта. Практически изменение плотности заряда на управляющем электроде 34 рассчитывается как изменение напряжения на затворе.
В случае настоящего варианта осуществления изобретения, первый принимающий элемент 16 формируется из фильтровальной бумаги, так что глюкоза в слезном флюиде проходит в принимающий элемент быстрее, чем белки, и в результате глюкоза приходит к основанию первого принимающего элемента 16 быстрее, чем белки. Таким образом, в биосенсоре 10 может подавляться связывание указанных белков с идентифицирующим веществом 22, которое содержится в первом принимающем элементе 16, или адгезия таких белков с поверхностью управляющего электрода 34, таким образом, может быть подавлен ненужный отрицательный заряд, передаваемый управляющему электроду 34. Следовательно, поскольку биосенсор 10 способен дополнительно повысить чувствительность измерения, количество глюкозы можно измерить более надежно, на основе раствора пробы, которая неинвазивно взята из организма человека.
Более того, биосенсор 10 формируется таким образом, что первый принимающий элемент 16 отделен от второго принимающего элемента 18 разделительным элементом 20 со стороны основания, и таким образом, растворы проб, проникающие от вершины обоих принимающих элементов, не смешиваются между собой у основания. Кроме того, на стороне основания второго принимающего элемента 18 установлен солевой мостик 25. Таким образом, в биосенсоре 10 электрод сравнения 21, который электрически соединяется со слезным флюидом с помощью солевого мостика 25, используется в качестве стандарта, и может быть измерено изменение плотности заряда на управляющем электроде 34, который соединен с концом первого принимающего элемента 16.
Практически биосенсор 10 был изготовлен согласно описанному выше варианту, и затем было измерено выходное напряжение транзистора FET 14, когда пробоотборник 12 был приведен в контакт с внутренней стороной нижнего века.
В качестве первого принимающего элемента 16 использовалась бумага (производство фирмы ADVANTEC, наименование продукта: Qualitative Filter Paper (качественная фильтровальная бумага) № 131). В качестве идентифицирующего вещества 22 использовалась фенилборная кислота, в качестве носителя использовались частицы золота (диаметр частиц: 15 нм). С целью получения первого принимающего элемента 16, бумага погружалась в раствор, содержащий частицы золота с нанесенной фенилборной кислотой (концентрация: 1 наномоль/л).
В качестве второго принимающего элемента 18 использовалась бумага (производство фирмы ADVANTEC, наименование продукта: Qualitative Filter Paper № 131). В качестве солевого мостика 25 использовался гель агарозы, содержащий хлорид калия (концентрация: 3,3 моль/л). В качестве электрода сравнения 21 использовался платиновый (Pt) электрод.
В качестве разделительного элемента 20 использовалась пластинчатая деталь, выполненная из ПТФЭ толщиной 300 мкм. В качестве управляющего электрода 34 в FET 14 использовался Au электрод.
Пробоотборник 12 полученного таким образом биосенсора 10 приводился в контакт с глазным яблоком человека в течение 10 секунд, и измерялось изменение плотности заряда на управляющем электроде 34 как изменение напряжения между стоком и истоком. Результаты приведены на фигуре 2. На данной фигуре по оси ординат указано выходное напряжение (V), а по горизонтальной оси указано время (в секундах). Из приведенной фигуры можно сделать вывод, что выходное напряжение изменяется почти в тот же момент, когда пробоотборник 12 контактирует с глазом. Из этих результатов можно сделать вывод, что в биосенсоре 10 глюкоза в слезном флюиде, собранном в пробоотборнике 12, связывается с идентифицирующим веществом 22 в первом принимающем элемент 16, и таким образом, может быть измерено генерируемое изменение плотности заряда на управляющем электроде 34.
Пример модификации
Настоящее изобретение не ограничено приведенным выше вариантом осуществления, и может быть соответствующим образом модифицировано в пределах сущности настоящего изобретения.
Например, в случае приведенного выше варианта пояснялся пример, где первый принимающий элемент 16 сформирован из фильтровальной бумаги. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и первый принимающий элемент 16 также может быть сформирован в виде такой структуры, как нетканое волокно, изготовленное из синтетической смолы или органического полимера, имеющего проточный канал.
В случае приведенного выше варианта пояснялся пример, где идентифицирующее вещество 22 наносится на носитель. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и также могут быть сформированы самоорганизующиеся монослои (SAM), содержащие идентифицирующее вещество 22 и ингибирующее вещество. Это ингибирующее вещество предотвращает связывание с фенилборной кислотой или досягаемость управляющего электрода 34 белком, таким как альбумин, который является веществом, не подлежащим детектированию. Термин "SAM" обычно используется для обозначения тонких органических пленок, в которых органические молекулы самопроизвольно собираются вместе на поверхности раздела между жидкостью и твёрдым веществом, или на поверхности раздела между газом и твёрдым веществом, с самопроизвольным образованием мономолекулярных пленок. В этом случае ингибирующее вещество образуется из высокомолекулярного вещества. В качестве высокомолекулярного вещества может быть использован олигомер этиленгликоля, имеющий более длинную молекулярную цепочку, чем идентифицирующее вещество 22, а также может быть использован, например, полиэтиленгликоль.
Кроме того, первый принимающий элемент 16 также может быть coполимером, образовавшимся путем связывания идентифицирующего вещества 22 с ингибирующим веществом. В этом случае ингибирующее вещество может образовываться из гидрофильного полимера. Гидрофильный полимер представляет собой полимер, имеющий гидрофильную функциональную группу (гидроксильную группу или карбоксильную группу), и примеры гидрофильных полимеров включают гидрогель, бумагу, и полимер с высокой поглощающей способностью (SAP).
Гидрогель представляет собой желатиноподобный материал с отличной гигроскопичностью, который удерживает большое количество воды, благодаря поперечной сшивке цепей гидрофильного полимера. Примеры гидрогелей включают полигидроксиэтилметакрилат (Поли-HEMA, который также именуется 2-гидроксиэтил- полиметакрилат), поливинилпирролидон (PVP), и поливиниловый спирт (PVA). Поли-HEMA может быть гомополимером гидроксиэтилметакрилата (HEMA), или он также может быть coполимером с другим мономером (например, 2,3-дигидроксипропил-метакрилатом, глицерин-метакрилатом (GMA), и др.). Следует отметить, что поли-HEMA обладает тенденцией к повышенному содержанию воды, когда он находится в виде coполимера. Кроме того, PVP может быть гомополимером N-винил-2-пирролидона (NVP), или он также может быть coполимером, образовавшимся путем добавления HEMA, метилметакрилата (MMA), и др., и сшивающего агента, к NVP в качестве основного компонента, с последующей полимеризацией смеси.
Бумага получается путем агглютинирования волокон, таких как растительные волокна. Растительные волокна состоят из целлюлозы или гемицеллюлозы. Характеристикой целлюлозы является наличие в ней большого числа гидроксильных групп, эти молекулы связываются между собой водородными связями, и поэтому растительные волокна, составляющие бумагу, прилипают друг к другу. Примеры других волокон включают волокнистые продукты, выполненные из минералов, металлов, синтетических смол и других материалов. С точки зрения более прочной фиксации идентифицирующего вещества 22, предпочтительной является бумага, сформированная из растительных волокон (целлюлозы).
SAP представляет собой полимер, способный поглощать и удерживать воду, в сотни – тысячи раз большем количестве, чем масса полимера. В качестве такого SAP может быть использован полимер акриловой кислоты. Поскольку полимер акриловой кислоты имеет множество карбоксильных групп, он обладает высокой гидрофильностью, и, когда полимеры SAP сшиваются с образованием тонкой структуры, таким образом, что их можно обрабатывать в виде натриевых солей, они превращаются в гель, обладающий высокой гидрофильностью.
Примеры других гидрофильных полимеров включают: производные целлюлозы, такие как гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC), натрий-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ), или гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ); полисахариды, такие как альгиновая кислота, гиалуроновая кислота, агароза, крахмал, декстран, или пуллулан, и его производные; гомополимеры, такие как карбоксивиниловый полимер, полиэтиленоксид, поли(мет)акриламид или поли(мет)акриловая кислота, coполимеры гомополимеров и полисахаридов и coполимеры мономеров, содержащих вышеупомянутые гомополимеры и другие мономеры; белки, такие как коллаген или желатин, и их производные; и полисахариды или мукополисахариды, такие как глюкозаминогликаны, выбранные среди гепарина, гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфата, дерматан-сульфата, декстран- сульфата, кератан-сульфата и гепаран-сульфата, хитина и хитозана.
Кроме того, могут быть использованы гидрофильные полимеры, такие как
1-винил-2-пирролидинон, 2-метиловый эфир акриловой кислоты, монометакрилоилоксиэтил-фталат, сульфатоэтилметакрилат аммония, N-винил-пирролидон, N,N-диметилакриламид, или 2-(метакрилоилоксиэтил)-2-триметиламммонийэтил)фосфат.
Приведенные выше в качестве примера гидрофильные полимеры могут быть использованы отдельно или в комбинациях из двух или более компонентов.
В качестве инициатора полимеризации могут быть выбраны известные промоторы радикальной полимеризации и использованы своевременно. Предпочтительно используется промотор радикальной полимеризации, который обладает растворимостью или способен диспергироваться в воде, и равномерно распределен во всей системе. Конкретно, примеры инициаторов полимеризации включают водорастворимые пероксиды, такие как пероксодисульфат калия или пероксодисульфат аммония, водорастворимые азо-вещества, такие как VA-044, V-50 или V-501 (которые все произведены на фирме Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), и смесь Fe2+ и пероксида водорода.
В качестве сшивающего агента могут быть использованы N,N'-метиленбисакриламид, диметакрилат этиленгликоля, винилметакрилат, или тому подобные.
В описанном выше варианте осуществления изобретения первый принимающий элемент 16 имеет структуру, в которой первый принимающий элемент полностью содержит идентифицирующее вещество 22 от вершины до основания, но структура не ограничена этим вариантом. Возможно получить структуру, в которой идентифицирующее вещество 22, связывающееся с глюкозой, содержится в основании первого принимающего элемента 16, в то время как со стороны вершины первого принимающего элемента 16 содержится вещество, с которым предпочтительно связываются вещества, отличающиеся от глюкозы (например, белки, такие как альбумин), в частности, вещество, легко связывающееся с тиоловой группой, - частицы золота или частицы платины. Выбирая такую структуру, можно существенно повысить чувствительность измерений.
Более того, в случае приведенного выше варианта осуществления изобретения, пояснялся пример, где разделительный элемент 20 образуется как единая деталь с основным корпусом 36. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и разделительный элемент 20 также может быть сформирован независимо и отдельно от основного корпуса 36.
В случае приведенного выше варианта осуществления изобретения пояснялся пример, где основной корпус 36 удерживает пробоотборник 12 и транзистор FET 14, так что он имеет единую конфигурацию с пробоотборником 12 и FET 14. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и биосенсор может иметь конфигурацию, включающую первый основной корпус 36, удерживающий пробоотборник 12, и второй основной корпус 36, удерживающий FET 14. Таким образом, в биосенсоре только пробоотборник может заменяться на другой.
В случае приведенного выше варианта осуществления изобретения пояснялся пример, где вещество, подлежащее детектированию, представляет собой глюкозу. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом. Например, настоящее изобретение может быть использовано для ионов натрия или калия в качестве частиц, подлежащих детектированию. В этом случае идентифицирующее вещество может быть краун-эфиром.
В случае приведенного выше варианта осуществления изобретения пояснялся пример, где электрод сравнения 21 вставляется внутрь солевого мостика 25. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и электрод сравнения также может быть сформирован на солевом мостике 25 путем прямого формирования тонкой пленки на солевом мостике.
В случае приведенного выше варианта осуществления изобретения пояснялся пример, где второй принимающий элемент 18 формируется из бумаги. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанным вариантом, и второй принимающий элемент также может формироваться из гидрогеля. В этом случае, эластичный элемент 24 не обязательно устанавливается на втором принимающем элементе 18.
Второй вариант осуществления изобретения
Полная конфигурация
Биосенсор 50, показанный как частичный вид сверху на фигуре 3, содержит измерительный электрод 60 и электрод сравнения 62, которые формируются отдельно друг от друга на подложке 54, имеющей прямоугольную форму. Измерительный электрод 60 и электрод сравнения 62 формируются вдоль длинной стороны подложки 54, причем основания 60b и 62b обоих электродов доходят до концов подложки 54. Первый принимающий элемент 56 устанавливается на вершине измерительного электрода 60, а второй принимающий элемент 58 устанавливается на вершине электрода сравнения 62. Первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 расположены отдельно, причем первый и второй принимающий элементы 56 и 58 составляют пробоотборник 52, как описано ниже. Как и в случае первого варианта осуществления изобретения, биосенсор 50 идентифицирует глюкозу в качестве подлежащего детектированию вещества, находящегося в растворе пробы в пробоотборнике 52, и превращает идентифицирующую информацию в электрические сигналы в транзисторе FET, который не показан на фигуре, таким образом, биосенсор обнаруживает количество глюкозы в растворе пробы.
В качестве такой подложки 54 может быть использовано, например, стекло. Измерительный электрод 60 может быть сформирован, например, из золотого электрода. Сторона основания 60b измерительного электрода 60 электрически соединяется с транзистором FET, который не показан на фигуре. В настоящем варианте, сторона основания 60b измерительного электрода 60 может быть использована в качестве управляющего электрода FET. Поскольку на вершине измерительного электрода 60 имеется первый принимающий элемент 56, управляющий электрод FET в биосенсоре 50 связан с первым принимающим элементом 56.
В пробоотборнике 52 первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 расположены отдельно друг от друга. Такие отдельно расположенные первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 покрыты пористым эластичным слоем 70. Пористый эластичный слой 70 может быть образован из материала, обладающего биосовместимостью, например, с пористым гелем, полученным при создании пористого гидрогеля. Примером указанного гидрогеля является полигидроксиэтилметакрилат, который описан в первом варианте осуществления изобретения.
Как показано на фигуре 4A, первый принимающий элемент 56 получается путем создания MIP (молекулярно-импринтированный полимер) гелевого слоя 66 на поверхности вершины 60a измерительного электрод 60. MIP гелевый слой 66 представляет собой гелевый слой, содержащий идентифицирующее вещество, причем гелевый слой формируется из гидрогеля. В качестве такого идентифицирующее вещества, может быть использовано вещество, имеющее функциональную группу для связывания глюкозы, находящейся в растворе пробы, как в случае первого варианта осуществления изобретения. Кроме того, примером гидрогеля является полигидроксиэтилметакрилат, как описано в первом варианте осуществления изобретения.
В MIP гелевом слое 66 первого принимающего элемента 56, глюкоза в растворе пробы, проникающая сквозь пористый эластичный слой 70, отделяется от белков.
В первом принимающем элементе 56, показанном на фигуре, блокирующий слой 64 устанавливается между вершиной 60a и MIP гелевым слоем 66 в измерительном электроде 60. Блокирующий слой 64 содержит ингибирующее вещество. Ингибирующее вещество оказывает влияние на удаление белков, и, например, может быть использована мономолекулярная пленка альбумина. Как пояснялось в первом варианте осуществления изобретения, ингибирующее вещество предотвращает попадание на управляющий электрод белков как веществ, не подлежащих детектированию.
Как показано на фигуре 4B, второй принимающий элемент 58 имеет конфигурацию, в которой проводник 62a покрыт солевым мостиком 68. В настоящем варианте осуществления изобретения проводник 62a формируется совместно с электродом сравнения 62, причем вершина электрода сравнения 62 используется в качестве проводника 62a. Второй принимающий элемент 58 соединяется с электродом сравнения 62 с помощью солевого мостика 68. Электрод сравнения 62 может быть сформирован, например, путем покрытия золотого электрода серебром/хлоридом серебра. Используемый здесь золотой электрод может быть таким же, как измерительный электрод 60. Предпочтительно солевой мостик 68 представляет собой гелевый слой, который труднее пропускает воду, чем пористый эластичный слой 70. Как и в первом варианте осуществления изобретения, солевой мостик 68 образуется путем объединения водного раствора хлорида калия с агаром и т.п. Когда раствор пробы проходит через пористый эластичный слой 70 и поступает во второй принимающий элемент 58, раствор пробы электрически соединяется с проводником 62a, в качестве вершины электрода сравнения 62, без прямого контакта, благодаря солевому мостику 68, как и в случае первого варианта осуществления изобретения. Основание 62b электрода сравнения 62, которое не показано на фигуре, соединяется с измерительным прибором.
Транзистор FET, который не показан на фигуре, в основном имеет такую же конфигурацию, как конфигурация в первом варианте осуществления изобретения. Как упомянуто выше, в настоящем варианте осуществления, сторона конца основания 60b измерительного электрод 60, соединенная с первым принимающим элементом 56, используется в качестве управляющего электрода FET. Электрод сравнения 62, соединенный со вторым принимающим элементом 58, служит как опорный потенциал в FET.
Работа и полезные эффекты
В биосенсоре 50 указанной конфигурации сначала собирается раствор пробы в пробоотборнике 52. Например, поверхность пористого эластичного слоя 70 приводится в непосредственный контакт с нижним веком, для того чтобы собрать слезный флюид в качестве раствора пробы. В случае настоящего варианта осуществления изобретения, поскольку в пробоотборнике 52 установлен пористый эластичный слой 70, который покрывает первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58, слезный флюид можно отобрать без повреждения глазного яблока или периферической кожи.
Собранный слезный флюид проходит внутрь пористого эластичного слоя 70 в направлении первого принимающего элемента 56 и второго принимающего элемента 58. В случае настоящего варианта осуществления, поскольку пористый эластичный слой 70 формируется из пористого геля, глюкоза, находящаяся в слезном флюиде, проходит в пористый эластичный слой 70 быстрее, чем белки, и глюкоза проходит в первый принимающий элемент 56. В первом принимающем элементе 56 глюкоза связывается с идентифицирующим веществом в MIP гелевом слое 66. Таким образом, идентифицирующее вещество генерирует отрицательный заряд. Белки, как вещества, не подлежащие детектированию, блокируются блокирующим слоем 64. С другой стороны, во втором принимающем элементе 58 слезный флюид электрически соединяется с электродом сравнения 62 с помощью солевого мостика 68.
В первом принимающем элементе 56 идентифицирующее вещество содержится в MIP гелевом слое 66. Поскольку глюкоза, находящаяся в слезном флюиде, вводится внутрь молекулярного шаблона в MIP гелевом слое 66, также может быть получен эффект более надежного определения глюкозы.
Следует отметить, что блокирующий слой 64, содержащий мономолекулярную пленку альбумина, не имеет точную структуру с плоской поверхностью. Мономолекулярная пленка альбумина имеет структуру, в которой поверхность является сложной, и пленке имеются пустоты. Белки, как вещества, не подлежащие детектированию, захватываются такой сложной структурой. Кроме того, пустоты в мономолекулярной пленке внедряется гель, который образует MIP гелевый слой 66, так что MIP гелевый слой 66 частично соединяется с вершиной 60a измерительного электрода 60. Отрицательный заряд, генерированный в MIP гелевом слое 66, движется через указанный гель и затем может достигнуть вершины 60a измерительного электрода 60.
Как и в случае первого варианта осуществления изобретения, во втором варианте отрицательный заряд также заряжает поверхность управляющего электрода. Во втором варианте указанный выше отрицательный заряд движется от первого принимающего элемента 56 через измерительный электрод 60 к поверхности управляющего электрода, то есть к основанию 60b измерительного электрода 60, чтобы передать ему заряд. Таким образом, изменяется плотность заряда на управляющем электроде. Это изменение плотности заряда можно рассчитать как изменение стокового тока, проходящего из истока в сток, используя потенциал слезного флюида на электроде сравнения 62 в качестве стандарта. Практически, изменение плотности заряда на управляющем электроде рассчитывается как изменение напряжения затвора.
В случае настоящего варианта осуществления изобретения, поскольку пористый эластичный слой 70 формируется из пористого геля, глюкоза, находящаяся в слезном флюиде, проникает внутрь пористого эластичного слоя 70 быстрее, чем белки, и глюкоза достигает первого принимающего элемента 56. В первом принимающем элементе 56 слезный флюид проникает через MIP гелевый слой 66, содержащий идентифицирующее вещество, в блокирующий слой 64, содержащий ингибирующее вещество. Как описано выше, в MIP гелевом слое 66e глюкоза, содержащаяся в слезном флюиде, связывается с идентифицирующим веществом, так что идентифицирующее вещество генерирует отрицательный заряд. Предотвращается попадание белков как веществ, не подлежащих детектированию, на управляющий электрод за счет ингибирующего вещества, находящегося в блокирующем слое 64.
Поскольку адгезия белков к поверхности управляющего электрода может быть подавлена в биосенсоре 50, то может быть уменьшен необязательный отрицательный заряд, передаваемый управляющему электроду. Следовательно, поскольку биосенсор 50 способен повысить чувствительность измерения, количество глюкозы можно измерить более надежно, на основе раствора пробы, которая неинвазивно взята из организма человека.
Более того, в биосенсоре 50 первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 расположены отдельно друг от друга, причем пористый эластичный слой 70, содержащий пористый гель, устанавливается таким образом, что покрывает первый и второй принимающие элементы 56 и 58. За счет пористого эластичного слоя 70, слезный флюид может проникать с высокой скоростью и может быстро достигать первого принимающего элемента 56 и второго принимающего элемента 58.
Как и в случае первого варианта осуществления изобретения, путем размещения первого принимающего элемента 56 и второго принимающего элемента 58 отдельно друг от друга, изменение плотности заряда на управляющем электроде, который находится на другом конце 60b измерительного электрод 60, может быть измерено, с использованием электрода сравнения 62, который электрически соединяется со слезным флюидом в качестве стандарта.
Практически, был получен биосенсор 50 согласно второму варианту осуществления изобретения и, затем, пробоотборник 52 приводился в контакт с глазным яблоком, и затем устанавливалось указанное перемещение.
Два золотых электрода формировали с использованием метода распыления отдельно друг от друга на подложке 54, состоящей из стекла. Один золотой электрод использовался как измерительный электрод 60. Другой золотой электрод покрывался серебром/хлоридом серебра и использовался как электрод сравнения 62. Вершина 60a измерительного электрода 60 подвергалась УФ-озоновой обработке, и затем погружалась на ночь в раствор альбумина (5 г/л). После этого электрод промывался водой и сушился, чтобы получить блокирующий слой 64 на вершине 60a измерительного электрода 60.
Используя в качестве исходного материала раствор мономера, содержащий винилфенилборную кислоту (0.01 г) в качестве идентифицирующего вещества, формировался MIP гелевый слой 66 на блокирующем слое 64. При приготовлении раствора мономера смешивали между собой 0,2 г гидроксиэтилметакрилата (HEMA), 0,1 г N-3-(диметиламино)пропилметакриламида, 0,02 г N,N'-метиленбисакриламида, 300 мкл раствора акрилата натрия (6,7 масс.%; pH 7.3), 0,009 г глюкозы, и 0,01 г винилфенилборной кислоты. К полученной смеси добавляли 100 ммоль/л буферного раствора фосфата натрия (pH 10,0) для того, чтобы довести общее количество до 1 г, и смесь растворяют в буферном растворе. Кроме того, в качестве инициаторов полимеризации в полученный раствор добавляли 10 мкл раствора 50 мг/мл пероксодисульфата калия (произведен на фирме Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) и 2 мкл тетраметилендиамина (произведен на фирме Tokyo Chemical Industry, Co., Ltd.), чтобы приготовить раствор мономера, используемый в качестве исходного материала для MIP гелевого слоя 66.
По каплям добавляли 15 мкл полученного раствора мономера на поверхность блокирующего слоя 64 с образованием покрывающей пленки. Эту покрывающую пленку покрывали ПЭТ пленкой, и после этого проводили полимеризацию в атмосфере азота при комнатной температуре в течение 12 ч, чтобы получить гидрогель. После завершения процесса полимеризации, гидрогель погружали на ночь в раствор 0,1 М (моль/л) хлористого водорода в метаноле. Посредством этого удалялись оставшиеся компоненты мономера и глюкоза, и образовался MIP гелевый слой 66. Таким образом, блокирующий слой 64 и MIP гелевый слой 66 формировались на поверхности вершины 60a измерительного электрода 60, и в результате получался первый принимающий элемент 56.
Краска серебро/хлорид серебра (произведена на фирме BAS, наименование продукта: 011464 Silver Chloride Ink, использовалась для электрода сравнения) наносилась на золотой электрод, который используется в качестве электрода сравнения 62, и затем электрод сушился на воздухе в течение 24 ч. По окончании сушки проводник 62a, который был вершиной измерительного электрода 62, покрытого серебром/хлоридом серебра, покрывали гелем агарозы, содержащим хлорид калия (концентрация: 3,3 M), чтобы образовался солевой мостик 68, посредством этого получали второй принимающий элемент 58. На подложке 54 первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 располагались отдельно друг от друга.
Первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 покрывали пористым эластичным слоем 70 как изложено ниже, используя раствор мономера. В этом случае, раствор мономера получали таким же образом, как для исходного материала для MIP гелевого слоя, с тем исключением, что не добавляли винилфенилборную кислоту в качестве идентифицирующего вещества. Затем к раствору мономера добавляли 0,5 г хлорида натрия, чтобы получить, по меньшей мере, насыщенный водный раствор, в результате получали раствор исходного материала для пористого эластичного слоя 70.
Поверхность подложки 54 (область, отличающаяся от пробоотборника 52), на которой первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58 расположены отдельно друг от друга, защищалась гидрогелем, а задняя сторона и боковая поверхность подложки 54 также защищалась таким же образом, как описано выше. Подложка 54, в которой подвергалась воздействию только область пробоотборника 52, погружалась в раствор исходного материала для получения пористого эластичного слоя 70, и затем осуществлялась реакция полимеризации в атмосфере азота при комнатной температуре в течение 12 часов, так чтобы гидрогель получал на подложке 54. После завершения реакции полимеризации, подложка 54 погружалась в сверхчистую воду на 4 ч для удаления оставшихся компонентов мономера и кристаллов хлорида натрия. Таким образом, первый принимающий элемент 56, имеющий блокирующий слой 64 и MIP гелевый слой 66, и второй принимающий элемент 58, имеющий солевой мостик 68, покрывались пористым эластичным слоем 70, и в результате формировался пробоотборник 52.
Другой конец 60b измерительного электрода 60 использовался в качестве управляющего электрода FET, чтобы получить биосенсор 50. Пробоотборник 52 полученного биосенсора 50 приводил в контакт с глазным яблоком человека, и затем измерялось изменение плотности заряда на управляющем электроде таким же образом, как в случае первого варианта осуществления изобретения. В результате было установлено, что в биосенсоре 50 глюкоза, содержащаяся в слезном флюиде, собранном в пробоотборнике 52, связывалась с идентифицирующим веществом, содержащимся в MIP гелевом слое 66, и генерируемое таким образом изменение плотности заряда на управляющем электроде можно было измерить.
Пример модификации
Настоящее изобретение не ограничено приведенным выше вариантом осуществления и может быть соответствующим образом модифицировано в пределах сущности настоящего изобретения.
Например, разделительный элемент может быть расположен на подложке 54 между первым принимающим элементом 56 и вторым принимающим элементом 58 в пробоотборнике 52. Разделительный элемент также может быть расположен между измерительным электродом 60 и электродом сравнения 62. Путем создания указанного разделительного элемента можно надежно предотвратить попадание нежелательных веществ на электрод сравнения 62. Разделительный элемент может образоваться, например, с помощью таких операций, как термическое отверждение с использованием гидрофобного материала, такого как полидиметилполисилоксан (PDMS) или эпоксидная смола.
Подложка 54 формировалась из стекла, однако материал подложки не ограничивается стеклом, при условии, что этот материал является гибким и обладает биосовместимостью. Например, в качестве подложки 54 может быть использован PDMS.
Первый принимающий элемент 56 формировался с золотым электродом. Однако материал первого принимающего элемента не ограничивается золотом, и также может быть использовано серебро, медь, платина, палладий, ртуть и др. С другой стороны, второй принимающий элемент 58 может быть сформирован не только путем покрытия золотого электрода серебром/хлоридом серебра, но элемент 58 также может быть сформирован путем покрытия электрода состоящего, например, из серебра или меди, серебром/хлоридом серебра.
Как пояснялось в первом варианте осуществления изобретения, исходный материал для MIP гелевого слоя 66, образованного на поверхности первого принимающего элемента 56, может быть приготовлен путем произвольного комбинирования вещества, связывающегося с глюкозой, которая содержится в растворе пробы (идентифицирующее вещество), с гидрогелем и последующим смешиванием анализируемого вещества (глюкозы) с ним. Исходный материал готовится таким образом, чтобы можно было получить желательный молекулярный шаблон, и затем применяются обычные средства, чтобы получить MIP гелевый слой 66.
Следует отметить, что в вышеупомянутом варианте осуществления изобретения, гелевый слой, содержащий идентифицирующее вещество, представляет собой MIP гелевый слой, содержащий молекулярно-импринтированный полимер, но гелевый слой необязательно ограничен этим полимером. В некоторых случаях идентифицирующее вещество добавляется в гелевый слой, который не содержит молекулярно-импринтированный полимер, и полученная смесь устанавливается на блокирующий слой 64, чтобы получить конфигурацию первого принимающего элемента 56.
Блокирующий слой 64, сформированный между MIP гелевым слоем 66 и первым принимающим элементом 56, может блокировать белки как вещества, не подлежащие детектированию. Блокирующий слой 64 может быть сформирован с использованием любого заданного ингибирующего вещества, такого как полиэтиленгликоль, как описано в первом варианте осуществления изобретения.
Солевой мостик 68 во втором принимающем элементе 58 не ограничивается гелем агарозы. При условии, что может быть получен слой, который тверже, чем пористый эластичный слой 70, и через который может проникать раствор пробы, солевой мостик 68 также может быть сформирован, например, с использованием HEMA.
Проводник 62a во втором принимающем элементе 58 может выполнять свою функцию, если он электрически соединен с электродом сравнения 62. Таким образом, проводник 62a не обязательно должен быть сформирован интегрально с электродом сравнения 62.
Пористый эластичный слой 70, который покрывает первый принимающий элемент 56 и второй принимающий элемент 58, может быть гидрогелем, таким как HEMA. Раствор мономера готовят с использованием подходящих солей, которые зависят от типа гидрогеля, так, чтобы можно было получить, по меньшей мере, насыщенный водный раствор, и полученный таким образом раствор мономера используется как исходный материал для пористого эластичного слоя 70. Когда HEMA используется как гидрогель, в качестве такой соли может быть использован, например, хлорид натрия.
Как и в случае первого варианта осуществления изобретения, второй вариант также может быть использован для ионов натрия или калия, которые представляют собой частицы, подлежащие детектированию. В этом случае, с использованием краун-эфира в качестве идентифицирующего вещества, может быть получен MIP гелевый слой 66 по предписанию, которое зависит от конкретного вещества, подлежащего детектированию.
Перечень позиций на чертежах
10 Биосенсор
12 Пробоотборник
16 Первый принимающий элемент
18 Второй принимающий элемент
20 Разделительный элемент
21 Электрод сравнения
22 Идентифицирующее вещество
24 Эластичный элемент
25 Солевой мостик
50 Биосенсор
52 Пробоотборник
54 Подложка
56 Первый принимающий элемент
58 Второй принимающий элемент
60 Измерительный электрод
62 Электрод сравнения
64 Блокирующий слой
66 MIP гелевый слой
68 Солевой мостик
70 Пористый эластичный слой