用于液体的离子传感器及其制造方法

专利名称：用于液体的离子传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及生物、化学、工业或环境样品中带电粒种的传感器。特别 地，本发明涉及用于测量样品如血液中的带电粒种浓度，特别是离子浓度 如锂离子浓度的方法和传感器。本发明也涉及用于制造这种传感器的方 法。
背景技术：
无机离子是生命的基本需求，并发现其大量存在于饮用水、血液和有 机体的每个细胞中以及环境中。例如，细胞内部和外部的许多离子如钠、 钾、镁和钙的浓度对任何生物机体来说是必不可少的。因此，动物和人类 的血液和血细胞中的离子浓度对大量机体功能也是非常重要的。
通常，锂是存在血浆中的痕量元素，但可将它用作药物来治疗两极性 精神障碍症。据估计，全世界超过一百万的人在日常用药中摄取锂。使用 锂的缺点是极低的治疗指数，即毒性浓度和治疗浓度之间的比值。大部分
病人对0.4-1.2 mmol/L锂浓度的血浆反应很好，而在1.6mmol/L以上的锂 浓度发生毒性作用。长时间的高锂水平血液甚至可以导致神经系统的永久 性损伤，乃至死亡。因此，在治疗中监控锂浓度是必要的，每两个月进行 定期检查以将锂数量保持在期望水平。
为了避免操作者大量的手动处理，通常使用离子选择性电极(ISEs) 来自动测量血液参数。这些离子选择性电极是快速的并能提供大的动态量 程，但是，它们的响应是对数形式且对锂所需要的高选择性也是一个问题。 此外，在锂中毒的情况下，需要一种血液分析的快速方法。目前，静脉血 样品必须通过特殊训练的人员从病人抽取并运送到中心实验室，在进行测 量之前需要除去血细胞。这一方法要花费45分钟。为了减少样品处理时间并能就地测量，使用离子敏感的场效应晶体管的小型装置可用来测定全 血中钾浓度和钠浓度，如手握分析器。然而，这种分析器并不用于锂测量， 因为与较小浓度的锂离子相比，存在高基底浓度的其他带电粒种，特别是 钠离子。
全血中锂的直接测定和血浆中无机阳离子的测定已经描述和显示在E.
Vrouwe等E7ec^qp/zoms^ 20似，25, /(560-7<567禾口 5/ecfra/ /zoms7s 2005, 26' 3W2-3似2中。使用确定样品载荷的微芯片毛细管电泳(CE)并应用层析柱 偶联原理，测定一滴全血中的碱金属。指刺(finger stick)收集的血液传 送到芯片上，无需浸出或除去组分。无需样品预处理就能够测定来自锂治 疗病人的血浆中的锂浓度。使用具有导电率检测的微芯片，已经在 140mmol/L的钠基质中获得了 0.1mmol/L的锂检测极限。
在这些公开内容中，血样的组分在微通道内部电泳分离。双T型注射 几何结构用来选择关心的离子组分并将它们导向检测电极。
在这些系统中，样品载荷不得不清楚限定以保证血桨组分正确分离在 双T几何结构中。此外，双T几何结构应用起来复杂并不很适合容易地使 用这些应用。

发明内容
本发明提供了一种用于样品中带电粒种浓度的测量方法，所述样品具 有多种类型的带电粒种和至少一种不溶组分。该方法包括提供样品在部 分可渗透层的表面上；使样品的组分穿过该部分可渗透层进入通道；并将 组分分离成部分，使得至少一个部分的每个基本上包含所述多种类型的带 电粒种中的单一种类；且确定所述至少一个部分中的电荷浓度。
因此，本发明提供了一种方法，用于将样品特别是生物样品如血浆分 离成部分,每部分包含基本上一种或一组带电粒种，并随后确定该部分中带 电粒种的浓度。
本发明也提供了一种样品中带电粒种浓度的测量装置，所述样品包括 多种类型的带电粒种和至少一种不溶组分，该装置包括至少一个带有至少 一个开口的通道，覆盖所述至少一个开口的部分可渗透层，沿开口每侧至少一个通道上排列的至少两个电泳电极，以及用于测量至少一个通道内至 少一种带电粒种的至少一个传感器。
该方法和装置特别适用于测量生物样品如血浆的离子浓度。测量的离 子包括但不限制于钠、钾、镁、钙等。在本发明的一个应用中，样品也可 包含锂。这种情况下，优选的待测量离子是锂，但也可以是样品中存在的
其他离子。本发明同样适用于其他带电粒种，例如脂类、DNA或其他高分 子电解质或电荷传送聚合物。
相对于第二种多种类型的带电粒种，第一种多种类型的带电粒种的浓 度是能够确定的。第一种带电粒种可以是锂离子，第二种带电粒种可以是 钠离子，因此能够确定样品中锂与钠离子之间的比值。
至少一个通道可具有由部分可渗透的层覆盖的单一开口。使用用于样 品施加的单一开口 ，能够有效地避免通道内部的电子渗透压力或液体压力 和任何水动力流动。这样，扩散为主要的或唯一的传送机制。
在一实施方式中，至少一个通道在另外密封通道系统中可具有两个开 口。使用液体压力，通过从一个开口到另一个的对流实现了样品注射。在 这种特定情况下， 一个开口覆盖有样品而另一个开口并没有。
部分可渗透的层可以是膜，将样品与至少一个通道分离开。该膜对离 子或其他带电粒种可以是可渗透的，同时该膜对较大组分可以是不渗透 的。特别地，该膜是不渗透所述不溶组分的。该膜也可以是不渗透液体的 透气膜。部分可渗透的层可以是设置在第一覆盖层至少一个开口顶部或下 方的独立层。
膜支架可用在第一覆盖层上以放置第一覆盖层上的膜。膜支架可以附 着，即粘合第一覆盖层或直接形成在第一覆盖层中。
可渗透的层也可以是被制成部分可渗透的第一覆盖层的一个区域。可 渗透的层可包括至少一个具有亲水性表面的区域。此外，可渗透的层或第 一覆盖层可包括至少一个具有疏水性表面的区域。
可渗透的层也可由通道内一个或多个孔组成。样品因而可与通道内的 溶液直接接触。样品也包括至少一种不溶组分，例如在生物样品如通常血液中存在的 血、红血球、白血球、血小板等的情况下。因此，本发明无需在先纯化或 处理的情况下就能方便地测定全血中的离子浓度，因而避免了样品的任何 实验室预处理。因此本发明特别适合用于不需要特别训练的医师或医疗护 理人员的病人手术系统中。
至少一个传感器包括一对或多对导电率电极，用于确定所述至少一个 部分内的带电粒种，该至少一个部分基本上包含所述多种类型的带电粒种 的单一种类。例如，第一对导电率电极以相距至少一个开口的一定距离排 列在通道内或其附近来测量第一极性的带电粒种浓度。第二对导电率电极 可以排列在通道的相对端以测量与第一极性相对极性的第二带电粒种的 浓度。
本发明也提供了一种用于测量样品中带电粒种浓度的装置的制造方 法，所述方法包括提供一基底，形成进入到基底内的通道，在基底上设置 第一覆盖层，使得第一覆盖层覆盖通道，由此第一覆盖层包括至少一个通 向通道的开口，并且在至少一个开口上设置部分可渗透的层。
使用该方法来制造该装置，可以在将第一覆盖层设置在基底之前、之 后或同时将第一覆盖层设置在至少一个开口上。
在装置使用之前，至少一个通道可充满电解质。在一实施方式中，填 充通道包括抽空和吸入电解质到通道中。在第二覆盖层覆盖通道之前，将 电解质装入至少一个通道中。


.参阅附图和优选实施方式的详细说明可更好地理解本发明，这仅仅是 示例性的，并不用来限制本发明，其中
图la-ld显示了本发明装置的主要组件俯视图，图le显示了装配本发 明装置的图la-ld的组件的侧视图。
图2更详细地显示了图le的剖面图。
图3a-3f显示了提供待测量样品到图2放大和详细视图的微通道中的 主要步骤。图4a和4b分别显示了本发明装置实施例的俯视图和侧视图。图4c 和图4d显示了用于电导率检测的电极结构，无接触(图4c)和接触电导 率检测(图4c和图4d)两种是可实现的。图4e显示了例如在两种不同的 测量温度下两种可能的基底测量信号。
图5a和5b显示了本发明的另一实施方式，图5c显示了相应测量信号 的实施例。
图6a显示了具有基本上为U形通道的装置的另一实施方式。 图6b显示了单一通道中具有两开口的又一实施方式。 图7显示了具有膜支架的本发明的又一实施方式。 图8a和8b显示了具有额外电极的本发明的一实施方式。 图9a-9d例示了本发明的方法，其中，液体真空插入到通道内。 图10显示了本发明的又一实施方式，其中，液体利用通道的第二开 口插入通道中。
在附图中，相同的参考数字描述了相同或相似的物体。
具体实施例方式
图la-ld显示了本发明装置的组件俯视图。
本装置包括其中形成有通道12的基底10，如图la所示。基底10可 由玻璃或塑料材料制成。可以使用能够制造通道12的任何其他材料。在 玻璃作为基底材料的情况下，通道12在第一储备器(reservoir) 14和第二 储备器16之间刻蚀到基底中，且通道12的侧壁涂覆有聚合物。通道12 具有亚厘米的尺寸，特别是通道12的宽度小于lcm，深度小于100|_im。 第一储存器14和第二储存器16的尺寸显著地大于通道12的宽度(例如 lOOpm-lcm)，但可具有基本上相同的深度。通道12和第一储存器14和 第二储存器16在使用前可填充有电解质。例如这可通过排空通道12、第 一储存器14和第二储存器16，然后使电解质被吸入通道12、第一储存器 14和第二储存器16中来进行。第一储存器14和第二储存器例如能够用于 平衡压力差以保证通道12总是充满电解质。通道12也可由多个宽度在l-500nm之间的纳米通道。微小纳米通道 压制了通道12内的液体压力和电子渗透压力。
该装置进一步包括显示在图lb中作为覆盖层的第一层20，用于覆盖 使用中的基底10和用于关闭通道12来防止通道12内部中使用的任何液 体如电解质和样品蒸发或泄露出通道12。第一层20可由例如玻璃、聚丙 烯薄膜或疏水性膜如Pall公司提供的名称为Supor Membrane Disk Fillers(亲水性聚醚砜)或Millipore Durapor(聚乙二烯-PVDE)的那些制成， 并可具有小于imm的厚度，特别是小于lpm。第一层20是不可渗透的。 第一层20提供了设置在通道12顶部上的第一开口 22，以将样品提供到通 道12中。
进入开口 22可具有圆形的形状，但也可使用适合将液体插入到通道 内的任何形状。
此外，根据本发明提供了膜30，如图3c所示。在所示实施例中，膜 30在使用中设置在第一层20的开口 22的顶部或下部。膜30可由1 一 10(Vm 厚度的可渗透亲水聚合物和/或半透性的生物相容聚合物例如硝化纤维 制成。在第一层20之前，能够将膜30设置在通道12上。因此，膜30也 可设置在第一层20和基底10之间。膜30也可结合到第一层20中。在任 何情况下，膜30是亲水性的，且例如能够由硝化纤维制成。
膜30的尺寸和性能要适合能够使粒种的扩散或特定体积的样品从样 品侧转移到通道12内部，以进行可比较的测量。
根据本发明的一方面，膜30可渗透血浆和样品中的它的组分，但过 滤出较大的不溶组分如样品中的细胞物质等。这样，细胞物质如红血球、 白血球、血小板等被滤出且只有血浆进入通道12进行进一步检査。其他 组分也能够过滤出。
根据本发明的另一方面，膜30可渗透血浆内的带电粒种，覆盖第一 开口 22的膜30是进入通道的唯一开口。它也是能够使对流流动进入通道 12的唯一开口。这样，对流流动被抑制，并防止至少是血浆和所有种类的 细胞物质进入通道，同时只有带电粒种，特别是离子扩散进通道12以进 一步检査。在本发明的又一实施方式中，膜30和第一层20可能是一步制成的， 其中第一层20是制成局部用作膜的聚合物膜或者第一层20是聚合物膜， 其中整个聚合物膜是疏水性发生改变的膜。在后面的情况下，膜的疏水性 是变化的，使得在样品将要喷射位置处的膜是亲水性的。
在第一层20中能够制造一个以上的进入开口 22。这例如可用于使样 品在多个入口点处进入通道12。这能够进行多次测量并求平均数。 一个以 上的进入开口 22的另一优点是允许从一个开口向另一个开口的对流流动， 因而提供了通过开口 22进入通道12的另一传送机构。
膜30在其表面上也可设置显微探针以刺穿皮肤更容易地获得样品。 此外，膜30本身能够被刺穿以实现、改变或改善其多孔性。
图ld中所示的第二聚合物膜40提供用于覆盖第一层20和半渗透膜 30以便保护第一层20和半渗透膜30被污染，以在使用前保持它们无菌和 /或洁净且防止液体从通道泄露。如果半渗透膜30具有探针，这些微观 探针也可由第二聚合物膜40进行保护。第二聚合物膜40例如由聚丙烯制 成。使用前立即除去第二聚合物膜40，使用中可将血样，也就是全血液滴 设置在半渗透膜30的顶部。第二聚合物膜40可具有松软的端部，以便它 能容易地抓住，在使用装置2前被除去。
图le显示了装配成本发明的装置2的图la—ld组件的侧视图。第一 层20设置在基底10的顶部，因而覆盖通道12的顶部。第一层20具有设 置在通道12顶部上的开口22。开口22由膜30覆盖。在图ld所示的情况 下，装置2由覆盖装置2的整个或部分表面的第二聚合物层40覆盖，因 而防止装置2损坏、灰尘、蒸发等等。
第一层20也可包括可渗透气体的疏水膜。可渗透气体的疏水膜的作 用是防止通道12内可能累积的过压，这将在下文进行说明。可渗透气体 的疏水膜可单独使用，但也可嵌入第一层20中。
图2更详细地显示了图le中圆圈标记的区域的分解图。膜30设置在 第一层20内的开口22的顶部。第一层20覆盖基底10内的通道12，通过 开口22留下通道12的入口。开口22由膜30覆盖。因此，使用中，只有 能够扩散或以其他方式通过膜30的组分能够达到通道12。为了保护和阻止不想要的通向膜30或其污染，膜30由第二高分子膜40覆盖。膜可胶 粘或者固定在第一层20之下或之中。将膜30设置在支架中并将该支架插 入第一层20的开口 22中将是可能的。参照图7下文描述了支架的实施例。 通道12可覆盖有聚合物以便抑制如现有技术中己知的电渗透流动。 图3a-3f显示了用于提供待测量样品到图2放大和详细视图的通道12 中的主要步骤。
图3a例示了图2的装置的细节图。其中通道12、开口22和膜30装 有背景溶液(如图中的灰色区域)。为了检测锂，背景溶液可以是例如包 含5Ommol/L的2- (N-吗啉代)乙磺酸和5Ommol/L组氨酸的pH为6.1的 背景电解质(BGE)溶液。可以添加葡萄糖，例如约200mmol/L来调整背 景溶液的渗透强度。根据带电粒种，即待测量的离子能够使用其他背景溶 液。第二聚合物膜40保护装置2和溶液，并防止溶液在使用前被污染。 图3a示例了能够将装置2运输给用户的形状。
图3b显示了在装置2使用之前除去第二聚合物膜40。第二聚合物膜 40用作保护层以在运输和保存装置2期间保护膜30和第一聚合物层20。 如图3b所示，第二聚合物膜40从装置2除去以便为样品提供通过膜30 的进口。第二聚合物膜40具有快速脱扣机构如拉环，以能够容易地除去 第二聚合物膜40的至少一部分。
在将样品放置在图3c所示的膜上之前，可以测量一个或多个装置参数 如电解质的导电率或温度来校准或作为系统校验。
纯电解质的导电率测量也可作为系统校验，也就是说校验通道中是否 存在电解质以及测量系统是否正确工作来进行。最好在实施测量之前对通 道12电动力冲洗。这将除去通道12中样品的第一扩散部分。导电率测量 可以用于温度测量。导电率测量也可用作装置2的条件的内部校验。后者 可以用装置2内或周围某处实施的另外的温度测量方法来实现。
加热元件可设置在通道12内部或周围或者装置周围以改变通道12内 的液体温度。作为温度函数的导电率的改变可用于控制或校准。
在图3c中，样品50,即未处理的全血样品，设置在膜30的上表面上。 膜30是亲水性的且是可渗透的。因此，样品50将被吸收并通过膜30，如图3d所示，其中细胞物质如红血球、白血球等被滤出。这会随着细胞物
质在通道12内部分解和改变通道12内部的浓度而完成。膜30的孔径也 可进行调整来滤出例如脂类或其他较大的组分，以仅仅使电解质进入通道 12中。扩散通过膜30，过滤的样品50与第一层20相接触并进入开口 22 中。
如图3d和3e所示，过滤的样品50扩散通过开口 22进入基底10的通 道12。到达通道12的过滤样品50的数量由开口 22的尺寸、膜30的性能、 样品50的性能以及通道12中存在的电解质确定。
图3f例示了当沿着通道12施加电场时，扩散进入通道中的一部分过 滤样品50电泳如何分离在通道12中。电场将会分离过滤样品中所有的带 电粒种并将带电粒种移向通道12端部的储存器14和16。
沿着通道12提供电场的电极可包埋或插入在第一储存器14和第二储 存器16中。沿着通道12设置多个电极也是可能的，以在需要分离离子的 那些地点通过将电场从一个区域转换到另一个区域来产生特别强的场。正 如上面说明的，气体可渗透的疏水膜可用于装置中来防止废气超压。该超 压由于电解发生在电极处。
测量可重复进行。
图4a和4b分别显示了本发明的装置2实施例的俯视图和侧视图，其 中第一储存器14包括第一电泳电极64，第二储存器16包括第二电泳电极 66。通过向电泳电极64、 66施加电压，通道12内部的带电粒子可以分离 或沿着通道12移动。电泳电极64、 66可由任何导电材料制成。使用的电 极实施例包括但不限制于具有铬层或银/氯化银电极的钛电极。电泳电极 64、 66能够组合到基底10中或以其他方式设置到储存器14和16中或通 道12内的任何地方。
在另一实施方式中，电泳电极64、 66和/或导电率电极72、 74可设置 到测量装置上，其上能够设置装置2来测量。
电极72、 74并不限制于单独的双向电极排列，也可以存在多个电极 排列。
通过电源或本领域中己知的任何装置向电泳电极64、 66施加电压。图4c显示了图4a中圆圈标记区域分解俯视图且图4d显示了同样由图 4b中的圆圈标记的相同区域侧面方向的分解侧视图。在该区域中，两个导 电率电极72和74紧邻设置或者设置在通道12内以测量导电率电极72、 74位置处的通过通道12的液体导电率。导电率电极72和74可结合在基 底10中且至少部分地延伸进通道12中。如图4d中所示，导电率电极72、 74可设置在通道12的底部，但通道12的任何其他位置是可能的。电导率 电极72、 74可以连接到现有技术中已知的电导率测量装置上。
在本发明的一实施方式中，使用了两对导电率电极72和74。 一对导 电率电极测量通道12内的正离子，另一对导电率电极测量负离子。两对 导电率电极72和74设置在开口 22的两侧，样品通过该开口进入通道12 中。
在装置2的制造中或之后可以进行导电率电极72和74以及电解电极 64、 66的放置。例如，导电率电极72和74以及电解电极64、 66可通过 聚合物层20的表面或基底10进入通道12，因而能够避免芯片中导电率电 极72和74以及电解电极64、 66的高成本安装。
导电率电极72和74之间的通道12内的导电率可随时间进行监控。 假如在通道内不存在电荷组分或者存在等量的带电粒子分布，例如BGE 溶液，那就会如图4e中所示测量和监控出恒量或较慢变化的导电率。
在使用涉及图3描述的方法将带电粒种如离子等插入通道12的情况 下，通过施加在电泳电极64和66之间的电场沿着通道12移动带电粒种。 带电粒种在沿着通道12移动的同时将会电解分离。例如血样50的Na离 子要比血样50中也存在的Li离子移动的更快。因此，通过导电率电极72 和74将会连续的测量出两个峰。第一峰表示通过导电率电极72和74的 更快移动的Na离子，第二峰表示通过导电率电极72和74的较慢移动的 Li离子。对本领域的技术人员而言显而易见的是能够测量两种类型以上的 离子，且通过电解方式分离的任何电荷组分都能以那种方式监控。
本发明可用于测量绝对离子浓度或者用于测量相对离子浓度，也就是 用于测量Na/Li浓度比。其他测量电极或其他类型的传感器，即光学传感器如本领域中已知的 荧光传感器可进行添加以测量相同测量中样品内的其他种类的浓度或存 在。也可以使用电容传感器。
在带电粒种如离子的浓度测量之前，结合装置的温度测量电解质的导 电性是有效的，以保证装置正确地运行。
图5a和5b显示了本发明的替换实施方式。这些实施方式例如可用于 校准目的。
图5a显示了本发明装置102并基于上述描述的装置2。在本发明的该 实施方式中，第一储存器114和第二储存器116之间的通道112分枝成第 一通道支路111和第二通道支路113。通道112的第一通道支路111和第 二通道支路113两者在第二储存器116之前再会和。第一通道支路111显 著长于第二通道支路113。第一通道支路111和第二通道支路113分别具 有开口 122和123。开口 122和123每个都分别覆盖有膜130和131。
如果两个不同的样品150和151每个都设置在分开的那些膜130和131 上且沿着通道112施加电场时，每个样品的离子将会分离开并沿着通道112 移动。因为第一通道支路111长于第二通道支路113，第二样品151的带 电粒种即离子将会首先到达通道112，而第一样品150的带电粒种需要稍 微长点时间。因此，带电粒种两者能够用相同对的导电率电极(未示出) 相继独立地进行测量，产生如图5c顶部线条中所示的信号。
通过给膜130提供已知的样品150而产生相应的用于校准的第一信 号，该实施方式也可用于校准。来自提供给膜131的未知样品151的第二 信号由于较长的通道支路111将会在时间上更晚到达。第二信号的强度能 够与第一校准信号比较，未知样品中的带电组分浓度能够根据现有技术中 已知的进行确定。
该实施方式也可能使用提供给膜130和膜131的相同样品以例如通过 求平均数实现更高的精确度。
图5b显示了本发明的另一实施方式，其中两个通道212和213平行 排列。每个通道212和213基本上与图l-4的实施方式相同，优点是两个样品250和251分别平行设置在膜230和231，使得两样品平行测量。因 为两通道212和213相同，可以比较测量。实施例显示在图5c的下线中。 为了校准目的， 一个样品例如第一样品250可以是具有已知离子浓度 的已知样品。因此，第一样品250的信号可用于校准并与来自第二通道213 中的第二样品251的信号进行比较，带电粒子的浓度可以现有技术中已知 的方式加以确定。
很显然，能够平行排列多个通道，例如进行多个测量以加速处理量或 增加测量统计数字。
图6a显示了用于样品中离子浓度测量的装置的又一实施方式，其中通 道312基本上为曲线，包括第一电解电极364的第一储存器314设置在与 包括第二电解电极366的第二储存器316相同的基底侧面上。电解电极364 和366两者的触点可导向装置的侧面以容易地接触装置的侧面。此外，导 电率电极372和374设置第二储存器366的附近以测量该位置处通道312 中的电荷组分的导电率。导电率电极372和374可通过触点连接，触点排 列在与导电率电极的触点相同的装置或基底的侧面上。这样，只有具有触 点的装置的一部分需要与测量设备进行接触并能保证自由进入设置在开 口 322中的膜330中。利用这种装置，例如用指尖套能够容易地进出膜330， 同时使装置插入或接触测量设备和/或控制设备。通道312在开口 322和导 电率电极372、 374之间进一步是直的，使得包含样品的通道312不必要 弯曲，这可能会影响测量精度或难以进行其他测量。
图6b显示了图6a中显示的实施方式的变型。进一步在通道412中设 置了第二开口 423，该开口由作为第一开口 422的相同膜430覆盖。因此， 膜430上的样品将会以基本上相同的时间扩散过通道412中的两开口 422 和423。向电泳电极464和466施加电场将会根据电压的符号使得例如正 带电粒种或离子移动到通向第二电解电极466的第一通道部分411中。相 同地，负带电粒种移动到通向第一电解电极464的通道部分412中。导电 率电极472、 474和471、 473能够测量正带电粒种和负带电粒种两者。因 此，两种电荷的带电粒种能够平行测量。图7显示了图2中所示的本发明装置的变型。膜支架32设置在第二 层20的顶部。膜30设置在，例如胶粘到或胶粘在膜支架32中。因此， 在将膜支架设置在装置上之前，能够将膜装配在膜支架上。
膜支架32可由塑料材料制成。
在所示的实施方式中，膜支架32形成"杯形"或环形结构，为膜30提 供容纳部分。膜的上部表面基本上是平的，具有膜支架的"杯形"结构的上 边缘。膜支架因而提供给膜30的框架一界限分明的膜表面积，该面积保 留下来与样品接触。这样，能够简单且有效地控制与膜接触的样品的数量，
即使在样品比膜大很多的时候。
膜支架的壁也可高于膜的厚度，从而为样品提供杯形或环形结构(未 示出)，"杯"的底部具有膜。杯可以用于收集膜上的样品。
膜支架32使得能够快速且容易的替换或更换膜30。通过替换膜30， 装置能够容易地适合不同的测量设备，例如通过使用不同孔径的膜。被滤 出或容纳到通道中组分的尺寸可根据特殊测量的需要进行调整。
例如通过棘爪(click)和固定方法能够进一步使膜支架32容易地固定 膜30在第一覆盖层上。
膜支架32在顶上可具有第二覆盖层40以防止渗漏、蒸发等。
图8a和图8b显示了显示了本发明的一实施方式，具有另外的抗尾料 电极65以防止通道12内的样品或组分尾料。抗尾料电极65显示在第一 覆盖层20和膜30之间。然而，抗尾料电极65也可不同地设置在第一覆 盖层20的开口 22上侧或者开口处。图8a显示了与图3e显示和描述的装 置相同状态下的具有抗尾料电极65的装置。相应地使用了图1-3描述的装 置和方法且如上所述过滤的样品因而可扩散地通过膜30和第一开口 22进 入通道12。
沿着通道12施加电场以电解分离图3f例示和描述的过滤样品部分之 前或之时，另外向抗尾料电极65施加电压。因而一部分样品组分也被向 后驱动，通过通向膜30的第一开口 22，如图8b中的箭头800所示。电场 分离过滤样品中的带电粒种且将带电粒种移向通道12端部的储存器14和16以及移向膜30。因此，在开始分离后没有样品组分进入通道。该结果 增加了测量精度。
额外的电极65也可由多个电极组成并也可能在测量之前或期间用于 参数检测。
图9a-9d显示了怎样使用通道12中的唯一一个开口 22将液体如背景 电解质溶液(BGE)或任何其他溶液插入到图1-3描述的装置的通道12中。 图9a例示了在插入任何液体之前的图2的装置。如图9b示例一滴液体14 放置在膜30上。然后液体14流入膜30中，直到它覆盖通道12的开口 22。 这里，如图9c所示，液体本身由于通道12内部的空气或其他而不进一步 进入通道12中。通道12内的空气或气体仅能通过液体14覆盖的单个开 口 22从通道12排出。图9d表明，通过使用真空(箭头900所示)能够 从通道吸出通道12内部的空气或气体，使得液体14进入到通道12中。
图IO显示了用于将液体如血液或任何其他样品取样到微通道12中的 又一方法。第二开口 23也可设置在第一开口 22的一定距离处。开口 22 和23两者通过通道12相连。优选地，通道12除了所述开口 22和23不 具有另外的开口，此外通道被密封。然而，第二开口 23并不由膜进行覆 盖。当将样品施加在第一开口 22上时，通道12内的液体可通过第二开口 23排出。
在将液体已经装满通道12后，第二开口 23可由聚合物层覆盖或者其 他方式关闭。在取样第二开口 23不得不以任何方式连通到空气上，并可 能不由样品直接覆盖。
电极的连接件也可排列在装置的一侧。能够容易的附加和连接到测量 设备上。当装置是可处理芯片形式时，可处理芯片能够被插入测量设备中 进行一次测量，容易进出是特别重要的，其中所述测量设备可由病人操作。
装置2能够包装在包装内，具有适当的能够连接到用于测量和控制电 子器件的接口 、通信接口和显示器接口以及用于功率电子器件的接口 。
开口 22已经描述为制作在基底10的上表面中。然而，开口 22也能 够在装置2的任何位置处，例如侧面中加以实现。装置2也能够由病人容易地使用以测量血液中的离子浓度。例如，对 于患有两极性精神障碍症的那些病人来说，病人能够定期地测量血液中锂
离子的浓度。如果浓度低于临界水平(例如0.4mmol/L)，那么病人能够服 用额外的锂。如果浓度超过临界水平(1.0mmol/L)，那么病人能够停止或 减少给药，必要时住院。
装置2的用途己经描述了涉及锂离子的测量。装置2也能用于测量钾 和/或磷酸盐离子以观察肾功能或者测量钠和/或钾以测定脱水。
本发明的装置具有医学领域外的应用。例如希望在环境和其他领域中 使用该装置，以便能够在一段时间内使用该装置。这种情况下，该装置可 具有多个开口22，每个开口都具有其自己的盖子。自身的盖子将会从不同 的那些多个开口 22中周期性地除去以能够重复地测量。
本发明已经就多个实施方式进行了描述。但对本领域的技术人员显而 易见的是本发明并不限制于此。相反，本发明的范围应该结合以下的权利 要求进行解释。
权利要求
1、一种检测样品中带电粒种浓度的方法，所述样品具有多种类型带电粒种，所述方法包括-设置样品在部分可渗透的层(30)的表面上；-使样品的组分穿过部分可渗透的层(30)进入通道(12)；-将通道(12)内的组分分离成部分，使得至少一个部分的每个基本上包含所述多种类型带电粒种中的单一种类；以及-确定所述部分中的电荷浓度。
2、 权利要求l所述的方法，进一步包括测量至少一个部分的导电率。
3、 根据权利要求1或2的方法，进一步包括由测量的导电率确定样 品中带电粒种的浓度。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中确定多种类型带电粒种的第一 种相对于多种类型带电粒种的第二种的浓度。
5、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中根据毛细管电泳将组分 分离成部分。
6、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中部分可渗透的层(30) 基本上不渗透细胞物质。
7、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中部分可渗透的层(30) 是亲水性的。
8、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中部分可渗透的层(30) 在覆盖通道(12)的层中包括一个或多个孔。
9、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中样品基于扩散穿过部分 可渗透的层(30)进入通道(12)中。
10、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中样品基于通道(12)中 第二开口 (23)引起的对流流动穿过部分可渗透的层(30)进入通道(12)。
11、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中样品是哺乳动物的血液， 且其中至少一种不溶的组分包括细胞物质。
12、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中，在将样品设置在可渗 透的层(30)表面上之前，通道(12)填充电解质。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中至少一种电解质是无机盐。
14、 根据前述任一权利要求所述的方法，其中带电粒种的类型包括至 少一种离子。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中至少一种离子的一种类型为锂。
16、 根据前述任一权利要求所述的方法，还包括重复以下步骤使样 品组分穿过部分可渗透的层(30)进入通道(12)，并将通道内的组分分 离成部分。
17、 根据前述任一权利要求所述的方法，还包括在使样品的组分穿过 部分可渗透的层(30)之前，确定至少一个装置参数。
18、 一种检测样品中带电粒种浓度的装置，所述样品包括多种类型的 带电粒种和至少一种不溶组分，所述装置包括一具有至少一个开口 (22)的至少一个通道(12)， -覆盖至少一个开口 (22)的部分可渗透的层(30) -沿开口 (22)每侧上至少一个通道(12)排列的至少两个电极(64、66);-以及至少一个用于测量至少一个通道(12)中至少一种带电粒种的传 感器。
19、 根据权利要求18所述的装置，其中部分可渗透的层(30)为可 渗透的膜。
20、 根据权利要求18或19所述的装置，其中部分可渗透的层(30) 不渗透细胞物质。
21、 根据权利要求18-20任一项所述的装置，其中部分可渗透的层(30) 是亲水性的。
22、 根据权利要求18-20任一项所述的装置，其中部分可渗透的层(30) 包括通道(12)中的一个或多个孔。
23、 根据权利要求18-22任一项所述的装置，其中通道(12)填充有 电解质。
24、 根据权利要求18-23任一项所述的装置，其中至少一个通道(12) 的宽度为1.00cm或更小。
25、 根据权利要求18-24任一项所述的装置，其中至少一个通道(12) 的高度为100pm或更小。
26、 根据权利要求18-25任一项所述的装置，其中至少一个通道(12) 涂覆有聚合物。
27、 根据权利要求18-26任一项所述的装置，其中至少一个通道(12) 在所述至少一个开口 (22)和所述至少一个传感器之间基本上是直的。
28、 根据权利要求18-27任一项所述的装置，其中至少一个传感器包 括导电率电极。
29、 根据权利要求18-28任一项所述的装置，还包括排列在至少一个 开口 (22)侧面上的至少一个电极(65)，开口与通道(12)相对。
30、 根据权利要求18-29任一项所述的装置，其中，至少一个通道(12) 包括在至少一个通道(12)的第一端处的第一储存器(14)和在至少一个 通道(12)的第二端处的第二储存器(16)，其中第一储存器(12)和第 二储存器(14)各包含有一个电解电极。
31 、根据权利要求18-30任一项所述的装置，其中，至少一个通道(12)、 电解电极(64,66)、至少一个传感器和部分可渗透的层组合成微芯片。
32、 根据权利要求18-31任一项所述的装置，其中，至少一个通道(12) 具有由部分可渗透的层覆盖的单个开口 (22)。
33、 根据权利要求18-32任一项所述的装置，其中，至少一个通道(12) 具有由部分可渗透的层覆盖的一个第一开口 (22)和一个第二开口，其中 所述至少一个通道是另外密封的通道。
34、 根据权利要求18-33任一项所述的装置，其中，多种类型的带电 粒种包括无机盐的至少一种离子。
35、 根据权利要求34所述的装置，其中，样品的至少一种离子中的 一种类型是锂。
36、 用于制造装置(2)的方法，包括 -提供一基底(10); -提供第一覆盖层(20);-基底(10)或第一覆盖层(20)中形成通道(12);-设置所述第一覆盖层(20)在基底(10)上，使得第一覆盖层(20) 和基底封闭通道(12)，其中第一覆盖层(20)包括至少一个开口 (22) 为通道(12)提供进口；以及-设置部分可渗透的层(30)在至少一个开口 (22)上。
37、 根据权利要求36所述的用于制造装置(2)的方法，进一步包括 在部分可渗透的层(30)和第一覆盖层(20)上设置保护覆盖。
38、 根据权利要求36或37所述的用于制造装置(2)的方法，进一 步包括在通道(12)上设置第一覆盖层(20)之前将通道(12)的内部涂 覆聚合物。
39、 根据权利要求36-38任一项所述的用于制造装置(2)的方法，进 一步包括通道(12)填充有电解质。
40、 根据权利要求39所述的方法，其中通道(12)的填充包括抽空 空气并将电解质吸入通道(12)中。
41、 用于治疗疾病的方法，包括-使用权利要求1-17任一项所述的方法检测体液中带电粒种的浓度；-确定检测的带电粒种的浓度是否在特定水平内；-如果检测的带电粒种浓度低于特定水平，就增加带电粒种的浓度。
42、 根据权利要求41所述的方法，其中所述疾病为两极性精神障碍症。
43、 根据权利要求41或42所述的方法，其中检测的带电粒种的浓度 为血液中锂离子浓度。
全文摘要
本发明提供一种检测样品中带电粒种浓度的方法，所述样品具有多种类型的带电粒种和至少一种不溶组分。该方法包括提供样品在部分可渗透的层(30)的表面上；使样品的组分通过该部分可渗透的层(30)进入通道(12)；并将组分分离成部分，使得至少一个该部分的每个基本上包含有所述多种类型带电粒种中的单一种类；并确定至少一个该部分中的电荷浓度。
文档编号G01N27/40GK101568828SQ200680056743
公开日2009年10月28日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者史蒂文·施塔尔, 扬·弗洛里斯, 阿尔贝特·范登堡 申请人:麦迪美特控股有限公司