专利名称：呼吸冷凝液取样器和检测器以及呼吸/呼吸冷凝液取样器和检测器的制作方法
技术领域：
背景技术：
呼出气冷凝液(EBC)中含有多种成分，包含小分子、蛋白质及DNA。通过测量患者的呼出气冷凝液中这些成分的存在或数量，可提供诊断及其它信息，包含pH、包含抗炎性或促炎性细胞因子在内的各种蛋白质的存在等等。然而，迄今为止，呼吸冷凝液取样器需要患者向取样管里面呼气很长一段时间，例如十分钟，以便收集必要数量的样本。这个过程很费时间，而且患者体力上也有困难。然后将试管送出供在实验室里分别分析收集到的样本。
发明内容
本发明提供一种用于在呼出气冷凝液中发现的分析物的直接取样器和检测器。在呼吸冷凝液在到达传感器表面之前冷凝或在传感器表面上直接冷凝时，瞬时检测呼吸冷凝液中的分析物。因为分析或检验是在患者呼气之后立刻执行，所以分析物稳定性得到显著改善，从而提供准确、可靠、一致且临床上适用的结果。在某些实施例中，提供组合呼吸冷凝液/呼吸取样器和检测器，从而能够在单次取样会话中提供对冷凝及气相分析物的多重分析。收集呼吸并将其引导到一个或一个以上子系统。在每一子系统内，将呼吸部分冷凝，或者阻止其冷凝。所述技术还允许实时连续地监视，因此允许立刻反馈给医学专业人员及额外的硬件两者，例如呼吸机、麻醉机、药物输注系统及心脏起搏器。本发明的一个方面是一种新颖的呼吸取样方案。本文中所述的取样方案通过以下方式准许实时或接近实时的测量使冷凝液直接在传感器表面上冷凝，或者提供微流和/或毛细流动路径，其将冷凝液在冷凝之后传递到传感器。在某些实施例中，装置传感器并入有纳米结构的元件，例如碳纳米管。这些传感器使得能用相对少量的分析物进行更快的感测。要实现短取样时间、减少冷却及多重试验所需的电力，减少样本量是至关重要的。在某些实施例中，提供组合的呼吸冷凝液/冷凝液取样器和检测器。还提供取样方案，其中患者向单个试管或其它输入端口呼气一次或一次以上，装置经配置以同时或连续接收气体样本和冷凝样本，从而检测每一样本中的一种或一种以上分析物。本文中所述的系统包含这些装置，且进一步包含数据分析组件，用于接收呼吸冷凝液导出数据及(气体)呼吸导出数据，并使用呼吸冷凝液数据及呼吸数据两者产生组合的量度。举例来说，在某些实施例中，所述取样方案使得能够实时测量患者的半胱氨酰白三烯(CysLT)水平与嗜酸性粒细胞性气道炎症比率。
图I到图4D呈现根据某些实施例的用于组合呼吸冷凝液与呼吸取样器和检测器的流动通道配置的示意图。图5是根据某些实施例的用于呼吸冷凝液取样器和检测器的流动通道配置的一部分的示意图。图6A是根据某些实施例的包含呼吸冷凝液药筒接收区域和主动冷却机构的单元的示意表示。图6B描绘根据某些实施例的可根据某些实施例使用的一次性冷凝液收集器和检测器药筒。图7和图8呈现根据某些实施例的用于呼吸冷凝液取样器和检测器的流动通道配
置的示意图。图9描绘根据某些实施例的可根据某些实施例使用的一次性冷凝液收集器和检测器药筒。图IOA和图IOB描绘根据某些实施例的组合呼吸冷凝液与呼吸取样器和检测器的示意图。
具体实施例方式在以下描述中，阐述了许多细节，以便提供对本发明的透彻理解。可在没有这些细节中的一些或所有的情况下实践本发明。在其它例子中，为了免于不必要地模糊本发明，未描述众所周知的处理操作。虽然将结合具体实施例描述本发明，但应了解，其并不意在将本发明限于所述实施例。本文中提到的物理气相沉积、化学气相沉积和原子层沉积意在涵盖这些工艺的许多变体，包含用等离子、真空或低压工艺、大气压工艺等辅助的工艺。引言呼出气冷凝液(EBC)中含有多种成分，包含小分子、蛋白质及DNA。通过测量患者的呼出气冷凝液中这些成分的存在或数量，可提供诊断及其它信息，包含pH、包含抗炎性或促炎性细胞因子在内的各种蛋白质的存在等等。然而，迄今为止，呼吸冷凝液取样器需要患者向取样管里面呼气很长一段时间，例如十分钟，以便收集必要数量的样本。这个过程很费时间，而且患者体力上也有困难。然后将试管送出供在实验室里分别分析收集到的样本。本发明提供一种用于在呼出气冷凝液中发现的分析物的直接取样器和检测器。在呼吸冷凝液在到达传感器表面之前冷凝或在传感器表面上直接冷凝时，瞬时检测呼吸冷凝液中的分析物。因为分析或检验是在患者呼气之后立刻执行，所以分析物稳定性得到显著改善，从而提供准确、可靠、一致且临床上适用的结果。在某些实施例中，提供组合呼吸冷凝液/呼吸取样器和检测器，从而能够在单次取样会话中提供对冷凝及气相分析物的多重分析。收集呼吸并将其引导到一个或一个以上子系统。在每一子系统内，将呼吸部分冷凝，或者阻止其冷凝。所述技术还允许实时连续地监视，因此允许立刻反馈给医学专业人员及额外的硬件两者，例如呼吸机、麻醉机、药物输注系统及心脏起搏器。本文中所述的取样方案通过以下方式准许实时或接近实时的测量使冷凝液直接在传感器表面上冷凝，或者提供流动通道，其将冷凝液在冷凝之后传递到传感器。在某些实施例中，装置传感器并入有纳米结构的元件，例如碳纳米管。这些传感器使得能用相对少量的分析物进行更快的感测。要实现短取样时间、减少冷却及多重试验所需的电力，减少样本量是至关重要的。在某些实施例中，提供组合的呼吸冷凝液/冷凝液取样器和检测器。还提供取样方案，其中患者向单个试管或其它输入端口呼气一次或一次以上，装置经配置以同时或连续接收气体样本和冷凝样本，从而检测每一样本中的一种或一种以上分析物。本文中所述的系统包含这些装置，且进一步包含数据分析组件，用于接收呼吸冷凝液导出数据及(气体)呼吸导出数据，并使用呼吸冷凝液数据及呼吸数据两者产生组合的量度。举例来说，在某些实施例中，所述取样方案使得能够实时测量患者的半胱氨酰白细胞三烯(CysLT)水平与嗜酸性粒细胞性气道炎症比率。见标题为“确定对于使用白三烯调节剂的治疗的易感性(Methods To Determine Susceptibility To Treatment With Leukotriene Modifiers)”的第2009-0233963号美国专利公开案，其以引用的方式并入本文中。在某些实施例中，提供小型的便携取样器和检测器单元供在临床环境中使用。在患者向连接到便携单元或其一部分的导管或输入端口或通道中呼气时，呼吸样本穿过许多个呼吸冷凝和/或呼吸气体子系统。子系统可包含样本调节子系统、流体性质测量子系统和检测子系统。某个子系统可能是这些子系统的一个或多个类型。举例来说，单个子系统可既调节样本又检测样本内的分析物。呼吸样本可串行或并行穿过这些子系统(即，样本被划分成子样本)。在子系统内，呼吸气体和/或呼吸冷凝液可能会遇到调节样本流体、执行对流体性质的测量和分析已知和未知成分的存在或质量的检验的特征。调节样本流体(液体或气体)的子系统包含按需要冷凝或阻止样本冷凝的子系统。执行对流体性质的测量的子系统包含用以执行对样本的温度、相对湿度(RH)、粘性、电导率或其它流体性质的测量的子系统。在某些实施例中，子系统包含用以调节样本和测量样本性质的组件。举例来说，在样本冷凝器中，可进行相对湿度和/或温度测量。在某些实施例中，子系统经配置以使用适当的方法检验某些预定成分(例如，质子、代谢物、核酸、蛋白质、酶、离子、盐等)的存在和/或数量。这些方法包含(但不限于)电导率、离子敏感场效应晶体管(ISFET)、包含光学ELISA和电流测量ELISA的酶连结免疫吸收检验(ELISA)、端点聚合酶链式反应(PCR)和实时PCR。在某些实施例中，子系统经配置以使用适当的方法检验流体的先验未知成分(例如，质子、代谢物、核酸、蛋白质、酶、离子、盐等)的存在和/或数量。这些方法包含(但不限于)质谱测定和NMR。在某些实施例中，检验方法之后是信号分析方法，以识别流体内的组分。在某些实施例中，便携单元包含信号处理组件，包含软件和/或硬件。在某些实施例中，将收集到的数据发送到其它组件(例如，在实验或临床计算机中)以供处理。在某些实施例中，在穿过流配置途径中的各个子系统之后，流体可穿过系统，然后在合适的接收容器(例如，微量离心管、微量滴定盘、泰德拉取样袋、聚酯薄膜取样袋、玻璃容器、毛细管等)中收集，以允许使用适当的样本分析技术进行离线分析。图I到图3是用于组合呼吸冷凝液/呼吸取样器和检测器单元的实例流动路径配置的示意图。虽然描述的是组合呼吸冷凝液/呼吸单元，但在其它实施例中，提供呼吸冷凝液单元。通过仅考虑呼吸冷凝液途径，所属领域的技术人员将了解如何从这些图中导出这类单元的流动路径配置。
首先，在图I中描绘包含各种呼吸和呼吸冷凝液子系统的流动路径配置。输入通道10直接接收患者呼出的呼吸，或者在呼吸已穿过一个或一个以上输入端口或其它输入通道之后接收呼吸。输入通道10分叉到呼吸感测通道13和呼吸冷凝液通道14中。在某些实施例中，进入通道13和14中的每一者的流分别由阀5和6控制。根据各个实施例，阀可自动或手动打开和关闭。举例来说，在某些实施例中，临床医师可向患者呈现装置，其中呼吸感测通道阀5打开，且呼吸冷凝液感测通道阀6关闭，并指导患者向输入通道中呼气。临床医师可接着关闭阀5并打开阀6，且指导患者再次呼气以收集呼吸冷凝液。在其它实施例中，阀时序是自动化的，由临床医师设置，或者基于对已收集了足够某项测量使用的样本的时间的自动确定。如下文进一步论述，在某些实施例中，装置基于呼吸循环自动控制阀。在替代实施例中，这两个阀均可在组合呼吸/呼吸冷凝液测量期间打开，流分离到通道13和14两者中。如果未在执行呼吸或呼吸冷凝液测量，则可关闭一阀。在替代实施例中，单兀不包含阀5和6中的一者或一者以上。如果存在，阀5和6可为任何类型的用于调节相对低流率气体流的适当的阀，包含闸门阀、隔膜阀及类似物。在许多实施例中，阀5和6是单向或止回阀。阀可放置在任何适
当的位置。在所示的实例中，呼吸气体样本通道13包含三个子系统3'、3"和3"'，且呼吸冷凝液气体样本通道14包含三个子系统4'、4"和4"'。样本通道可含有许多个子系统，通常含有用于检测一个或一个以上已知或未知分析物的至少一个子系统。按照需要可存在额外的子系统。子系统可包含各种特征，其安装到通道壁或者在通道壁内，或者可包含额外流动通道、具有待连接到通道13或14的入口和出口端口的可拆卸药筒、具有待连接到通道13或14的入口和出口端口的固定外壳。子系统的确切放置和配置可依据系统实施方案而变。转到图2，描述了包含传感器34上的直接冷凝的流动路径配置。呼吸气体流动通道13包含直列式子系统23和33 :流体调节器子系统23和气相直列式检测器33。呼吸冷凝液通道14包含用于呼吸冷凝液检测的子系统34。在所描绘的实施例中，气体样本进入通道14直接在呼吸冷凝液传感器34上冷凝。在某些采用传感器表面上的直接冷凝的实施例中，呼吸冷凝液通道可包含传感器34上游的子系统，用以防止在通道壁上发生过早冷凝。图3A呈现包含呼吸冷凝液传感器上游的冷凝子系统的流动路径配置。呼吸冷凝液样本通道包含冷凝器24和直列式传感器34。图3B展示呼吸冷凝液流动通道14的一部分的实例，其包含冷凝器24和直列式传感器34。冷凝器24和直列式传感器34经由液体流动通道连接。如图所示，呈现两个实例流动通道16a上涂覆有电解质和/或其它检验试齐IJ，其在样本冷凝液行进穿过通道时被样本冷凝液吸收；流动通道16b，其是横向流动/流体通道。通道可为毛细流动通道或微流流动通道，具有或不具有微流泵。下文提供从冷凝器到呼吸冷凝液传感器的流体流动的其它细节。图4A到图4D提供串行布置的流动路径配置的各种实施方案的实例。首先，在图4A中，沿着通道11描绘了四个子系统气体调节器23、气体传感器33、冷凝器24和冷凝液检测器34。患者向单元中呼吸，呼出的呼吸直接或间接进入呼吸进入通道11。样本遇到气体调节器和气体传感器33，其测量例如NO的气相分析物的存在和/或数量。样本的全部或一部分接着传递到冷凝器24。冷凝液接着前进到冷凝液传感器34。根据各种实施例，在通过冷凝器24之后剩下的气相样本转向到出口通道(未图示)或气相收集组件(未图示)，或者还被允许经过冷凝液传感器上。图4B描绘气体进入子系统23的布置，子系统23可向气体传感器33测量和计量出小型气体样本15。举例来说，子系统23可操作以例如基于取样时间收集来自呼吸的特定部分的气体体积。气体的其余部分继续前进到冷凝器24和冷凝液传感器34。图4C和图4D展示流动路径配置的实例，其中冷凝液子系统在气相子系统上游。在图4B中，呼吸进入冷凝器24，接着是冷凝液传感器34，样本继续前进到气相调节器23和气相传感器24。图4C中描绘另一实例，其中样本遇到冷凝器24。接着将在冷凝器24中形成的冷凝液经由通道16引导到样本冷凝器34，其中未冷凝的气体沿着通道11继续而遇到气体调节器23"和气相传感器33。在所有流动路径配置中，特定子系统的位置和存在将根据实施方案而变。举例来说，在图4C和图4C中描绘的实例中的任一者中，可如上文关于图4B所述处理气体样本。在另一实例中，可存在多个气相调节器。在图4D中描绘一实例，其中具有在冷凝器24上游的气相调节器23'。可例如采用此配置以防止任何样本在到达冷凝器24之前冷凝。如上
所述，根据各种实施例，可存在额外子系统，且/或可能不存在某些子系统。总地来说，组合呼吸/呼吸冷凝液单元包含至少一气体呼吸样本传感器、一冷凝器和一冷凝液传感器，其中在某些实施例中冷凝器和冷凝液传感器组合成一个子系统。总地来说，呼吸冷凝液单元包含冷凝器和冷凝液传感器，其中在某些实施例中冷凝器和冷凝液传感器组合成一个子系统。如下文所述，在某些实施例中，单元可在某些实施例中根据测量而加以修改，其中各种子系统遮罩在可拆卸的单用户或多用户药筒中。样本冷凝的控制如上所述，样本调节子系统可位于传感器的上游，以操纵呼吸样本而特定冷凝或特定不冷凝。此外，在任何子系统(传感器等)内，可操纵呼吸样本以特定冷凝或特定不冷凝。可采用额外技术以增加或减少子系统和/或整个呼吸冷凝液样本通道和/或整个呼吸样本通道或其一部分内存在的水蒸气的量。当气体温度接近和/或下降到气体露点以下时，发生样本冷凝。露点随气体中的水蒸气的量而变。露点还受到水蒸气内的成分(例如盐)的影响。露点以下、露点或露点以上的冷凝的发生还取决于供水蒸气冷凝的成核点的可用性。成核点的可用性有利于冷凝，因而允许在比没有成核点的情况高的温度下发生冷凝。气体可冷凝到各种表面上。这些表面可在可拆卸收集器皿内，从而有利于离线分析。所述表面也可为传感器本身，使得冷凝液直接在传感器上形成。高表面积和CNT的高导热率有利于冷凝。所述表面也可附接到流体导管，因而允许蒸汽冷凝，接着流动到流体通道中。流体通道可为微流系统的一部分，在此处对流体进行处理和分析。在某些实施例中，样本在传感器和/或感测元件上直接冷凝。可使用任何类型的传感器，包含电化学传感器、金属氧化物传感器、基于碳纳米管的传感器(FET、电化学等)和光学传感器。传感器可为任何类型、多个单个类型或若干类型的组合。在某些实施例中，除了分析物感测元件之外，还可用额外传感器来感测冷凝液的存在，不论成分如何。此传感器可用于在开始冷凝液分析之前确定是否有足够的样本已冷凝。可使用任何方法来检测冷凝液在传感器元件上的存在，例如但不限于电导、电容、4线电导率、光传输和/或干扰。在电测量的情况下，可将用于测量的电极放置在分析物传感器元件的相反末端上。在某些情况下，还可使用冷凝液分析传感器电极来感测液体的存在。为了冷凝，通过使用帕尔特或其它热电装置、具有歧管的冷却板进行局部冷却或通过在使用之前在冷藏机或冷冻机中存放传感器药筒将传感器维持在较低温度。传感器与患者呼出呼吸之间的温差将引起冷凝。可将冷却元件定位于任何适当位置或配置以允许呼吸样本在传感器上直接冷凝。举例来说，冷凝液传感器元件可直接放置在帕尔特元件顶上。在某些实施例中，将样本呼吸加热和/或加湿(增加RH)以在传感器/多路复用器装置上引起冷凝。这可为冷却传感器表面的额外或替代方案。执行露点计算以确定确切条件。在替代实施例中，冷凝表面可被设置于特定位置和/或具有将冷凝液样本引导或传输到传感器的特定几何形状。在一实例中，将冷凝表面设置于传感器表面上方冷凝液形成于冷凝表面上，接着通过重力和/或其它力被引导到传感器表面。冷凝表面可为有利于
传输的特定几何形状。在某些实施例中，将定时器并入到装置中。举例来说，在含有多个传感器的装置中，可在特定时间激活每一传感器以冷凝和感测。以此方式，可采用每个小时等读数。将感测协定程序化，其中加热和冷却受到控制以按需要允许和防止特定传感器上的冷凝。在某些实施例中，可对感测进行程序化以与外部事件(例如，吗啡注射)协调。在某些实施例中，使用沿流动路径的单独腔室来收集冷凝的样本，例如如图3B中示意性描绘。通过流体通道/横向流动路径将冷凝的样本输送到传感器。通道可具有用于电化学检测的电解质涂层，在输送样本时，电解质在样本中溶解。下文更详细地论述冷凝器与传感器之间的输送。在传感器上直接冷凝的情况下，可执行电导率测量以使传感器响应归一化。确定要收集所需量的流体需要的每次呼吸的冷凝液量和呼吸次数，以获得可由传感器检测且在临床上有关的分析物浓度。根据各种实施例，冷却板或装置定位于传感器下方(或在需要冷凝的其它位置)。其可为热电冷却器、具有冷却通道的板等。冷却器可在晶片中制造(例如，为了提供具有冷却和传感器的两层晶片)或附接到传感器装置底部。在某些实施例中，将冷却高度局部化于传感器，以防止在其它位置发生冷凝。在某些实施例中，例如针对生化应用调整冷却温度。冷凝器子系统和/或包含冷凝器的检测器子系统包含冷凝表面。在某些实施例中，冷凝表面是具有高热导率和/或高表面积的材料。在某些实施例中，冷凝表面是一种网材料，气体样本从中穿过，其中在网上形成冷凝液。在某些实施例中，冷凝液是金属丝网。网材料可为平面金属丝网，其中样本流垂直于金属丝网的平面，或者其可为三维金属丝网材料，样本穿过其流动。网结构可具有任何配置，例如90度或任何其它角度的交叉回交丝。网结构也可通过成组的平行丝来形成。网定向可经配置以将网表面上的冷凝液流优化到接收区段中。可串行使用多个平面金属丝网以实现所需的总表面积。或者，多个平行丝可形成冷凝表面。在某些实施例中，单个呼吸样本可提供足够的呼吸冷凝液以检验其组分和/或参数，例如pH、电导率、蛋白质、核酸、代谢物、酶等。基于水的饱和蒸汽压，典型的500mL呼气中含有介于14微升(假设30°C和90% RH)与20微升(假设35°C和100% RH)之间。然而，观察到的冷凝液回收小于100%。根据先前阐述的各种实施例，收集每次呼吸介于约I微升到10微升的冷凝液。在某些实施例中，I到10微升足以检验呼吸冷凝液的组分和/或参数，例如pH、电导率、蛋白质、核酸、代谢物、酶等。通过我们新颖的设计，可实现测量来自单次呼吸的冷凝液所需的高收集效率。在某些实施例中，有利的是在逐次呼吸的基础上执行呼吸冷凝液检验。高表面积网冷凝表面和低冷凝液体积提供了在逐次呼吸基础上执行呼吸冷凝液检验的能力。此外，均匀的冷凝器效率允许这些测量在呼吸循环期间可再生和一致。此外，在某些实施例中，可防止气体样本在一个或一个以上位置冷凝。可能需要防止冷凝，例如由于环境条件和/或冷凝器的接近度。例如在气体调节子系统中防止冷凝可能涉及将通道加热。冷凝液输送在某些实施例中，本文中所述的装置经配置以将呼吸冷凝液从一个或一个以上冷凝表面输送到一个或一个以上呼吸冷凝液传感器。在某些实施例中，在冷凝表面与传感器之间提供一个或一个以上毛细流动通道。在某些实施例中，在冷凝表面与传感器之间提供芯吸膜(wicking membrane)或其它材料。在某些实施例中，提供一个或一个以上非毛细流动通道。在这些实施例中，流体可经由以下一种或一种以上力输送重力、电动力、气动压力、流体压力、真空、热、渗透力、抽吸力、双金属碟片膜力、柱塞力。在某些实施例中，患者的呼出气将为冷凝液提供原动力。在某些实施例中，计量的量的冷凝液由冷凝液表面传递到传感器。在某些实施例中，从冷凝液表面到呼吸冷凝液传感器的流动路径包含界定计量的样本体积的两个阀。图5展示呼出气冷凝液流体路径的一部分的框图，其包含冷凝表面524、样本体积540以及第一阀I和第二阀2。样本体积540具有确定的大小，例如5 ii L或10 ii L。呼吸在冷凝表面524上冷凝时或之后，其移动到样本体积540中。样本体积540可为较长微流通道的长度或可为沿所述通道的腔室。关闭阀2，使冷凝液能收集在样本体积540中。阀I保持打开，直到样本体积540被填满，此时阀I关闭，由此将精确量的液体截留在样本体积540内。接着可打开阀2，由此精确计量体积的冷凝液被移向检测器。气相感测呼吸样本气体可经过、穿过、横穿气相传感器元件或被通到气相传感器元件附近。传感器可为任何类型、单一类型的复合体、数种类型的组合，或任何其它型式，即电化学传感器、金属氧化物传感器、碳纳米管传感器、光学传感器、场效晶体管传感器。在某些实施例中，必要时可使用干燥剂来移除呼吸中的水蒸气。根据各种实施例，可另外使用洗涤器、催化转化器或其它气体调节元件。在某些实施例中，分析的是来自呼吸周期特定阶段的特定气体体积。举例来说，在监测NO的情况下，分析呼吸中临床上相关的区域。在一个实施例中，使用上文参照图I描述的阀来确保首先进行气相检测；电子读取器被提示关闭气体样本通道阀。或者，气相与冷凝液相检测可顺次发生。在其它实施例中，使用阀和/或检测器的顺次布置，使冷凝液相检测在气相检测之前发生。气相检测器可检测呼出气样本中的任何气相成分。这些气相成分包含二氧化碳、氧气、一氧化氮、氮气、二氧化氮、过氧化氢、丙酮、氨、硫化合物、乙炔、一氧化碳、乙烷和戊烷。如上文所述，在某些实施例中，提供具有纳米结构化感测元件的传感器。用于一氧化氮、二氧化碳和其它呼吸成分的碳纳米管(carbon nanotube, CNT)检测器系统的实例描述于以下公开案中，各案以引用的方式并入本文中美国专利公开案第2007-0048180号，标题为“纳米电子呼吸分析仪和哮喘监测器(Nanoelectronic Breath Analyzer AndAsthma Monitor) ” ；美国专利公开案第2007-0048181号，标题为“二氧化碳纳米传感器和呼吸 C02 监测器(Carbon Dioxide Nanosensor, And Respiratory C02 Monitors)”；WO 2008-039165，标题也为“二氧化碳纳米传感器和呼吸C02监测器”；美国专利公开案第2008-0221806号，标题为“具有薄膜抑制层的传感器、一氧化碳转化器和监测器(SensorHaving A Thin-Film Inhibition Layer, Nitric Oxide Converter And Monitor)，，;以及美国专利第7，547，931号，标题为“包含对呼出气中至少一种气态成分具有选择性敏感性的纳米电子传感器的纳米电子二氧化碳检测计接头(Nanoelectronic Capnometer AdapterIncluding A Nanoelectronic Sensor Selectively Sensitive To At Least One GaseousConstituent Of Exhaled Breath)，，。呼吸冷凝液感测在某些实施例中，提供能够进行实时或近实时检测和分析的呼吸冷凝液取样器和检测器。根据各种实施例，此取样器可与如上文所述的呼吸(气体)取样器组合。呼吸冷凝液取样器可与FET和/或电化学感测装置和/或光学感测装置合用。如上文所述，在某些实施例中，样本直接在传感器上冷凝。此举可防止浪费并消除流体移动的必要性。在感测前，可以使用如上文所述的监测器来感测传感器上是否存在足够的冷凝液。在传感器任一端上的接触电极能够检测横过传感器元件的连续液体膜。在某些实施例中，使用接触电极来测定呼出气冷凝液的浓度或稀释度。举例来说，可通过将呼吸冷凝液的电导率测量值与大气冷凝液的基线电导率相比较，来确定大气水蒸气对呼吸冷凝液的稀释。在某些实施例中，传感器具有多个感测电极，用于感测不同分析物。在某些实施例中，单一装置含有多个传感器。在某些实施例中，将计时器并入所述装置中。举例来说，在含有多个传感器的装置中，可在特定时间激活每一传感器以进行冷凝和感测。以此方式可取得每小时读数等。感测方案经程序化，必要时，通过控制加热和冷却来允许或防止特定传感器上发生冷凝。在某些实施例中，感测可经程序化以与外部事件(例如吗啡注射)相协调。在某些实施例中，传感器包含纳米结构化元件，例如CNT-FET、纳米结构化电化学传感器。由于这些传感器很小，并且只需要少量分析物，故冷却要求较低。举例来说，在某些实施例中，仅仅需要数微升呼吸冷凝液。此外，由于获得此类样本的时间很短(例如一次或数次呼气)，故可由临床医生收集样本。在其它实施例中，可使用光学传感器和其它传感器。在某些实施例中，传感器上冷凝液的量受到控制。根据各种实施例，通过直接在传感器上冷凝控制的量；或加热传感器以将过量的冷凝液驱离传感器；利用电极或放在例如孔等计量体积顶部处用于感测孔何时填满的其它监测器从所述孔的底部冷却等，来控制传感器上冷凝液的量。必要时，横向流或微流通道将计量体积引导到传感器。呼吸冷凝液传感器可用于检测呼出气中存在且可溶于水中的任何分析物。这些分析物包含蛋白质和DNA。在一个特定实例中，传感器检测一种或一种以上半胱氨酰白三烯(CysLT)，包含LTC4、LTD4和LTE4。在一个特定实例中，检测LTE4。
在某些实例中，使用具有纳米结构化元件的电化学传感器。这些传感器需要少量分析物。因此，需要的呼气次数较少，冷凝时间相对较短。这意味着，冷凝效率在取样周期内是均匀的。用于生物化学检测的具有CNT和其它纳米结构化元件的电化学传感器描述于美国专利公开案第2008-0185295号(以引用的方式并入本文)中。在使用电化学ELISA进行的各种蛋白质目标的电化学测量中使用CNT描述于上文标识的参考文献中。在一个实例中，使用CNT与本文所述取样方案的组合来检测LTE4，将为传感器配置提供各种选择。举例来说，在针对白三烯的竞争性检验中，根据各种实施例，可根据样本基质、所需灵敏度和其它检验要求的需要，使用酶标记，例如乙酰胆碱酯酶(AChE)、辣根过氧化物酶(HRP)等。在某些应用中，同时检验呼出气的气体和呼出气的冷凝液将是有益的。在某些应用中，可通过获得有关呼出气的气体和呼出气冷凝液两者的信息，达成更准确的医学判断。在一种应用中，使用组合的呼吸以及呼吸冷凝液取样器和检测器单元来测量NO和LTE4。相同方法可应用于呼吸和呼吸冷凝液中的其它值得关注的分析物。呼吸中目标的实例为丙酮、乙烷、硫化氢、氧气、戊烷、二硫化碳。呼吸冷凝液中目标的实例为谷胱甘肽、过氧化氢、乙酰胆碱和I-酪氨酸。如结核病等病症的标记物也是潜在目标，例如，可测量细菌和挥发性有机化合物。在其它实施例中，使用基于CNT-FET的传感器测量CO2以及利用电势测定法测量PH值作为归一化传感器响应的手段或作为诊断工具，是可通过本文所述的检测器和冷凝器测量的其它目标。很明显，冷凝器和检测器适用于需要测量呼吸和/或呼吸冷凝液中的标记物的任何病症。在一种应用中，使用电化学酶检验来感测呼吸中的化合物(例如丙酮)。使用酶(例如次级醇脱氢酶)与产生过氧化氢的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide,NADH)辅因子的组合。在所述应用中，在小传感器上具有足够的酶非常重要。小传感器设计能够以较小的流体体积进行多路复用。在这些应用中，例如碳纳米管等纳米结构化材料将提供有助于酶固定的高表面积和生物分子亲和力益处。根据各种实施例，呼出气冷凝液检验流动路径配置可包含以下一种或一种以上特征(单独或其任何组合)流动通道可涂有含荧光团/指示剂染料的溶胶贴片以用于非接触氧气和PH测量。可使用跨微流通道的一对电极以电学方式执行非接触电导的测量。电导率测量可用于确定电极上一定体积冷凝液的存在。此测量值被用作对控制阀的反馈。氧气、pH、电导率和其它测量值可用于归一化分析物响应。在某些实施例中，可利用可涂在通道内侧的酶标记将报告子抗体(reporterantibody)官能化。含有分析物的冷凝液将溶解报告子抗体，且分析物+报告子的结构将与电化学传感器电极上的捕获抗体结合。在某些实施例中，使用基于碳纳米管(CNT)的电化学传感器。为了能取得在附接到CNT后生物分子稳定性增加的益处，可将报告子抗体固定在CNT上。如果这种方法实现了灵敏度的改良，那么也可使用CNT以使每一报告子抗体附接多个酶标记。由于捕获抗体已经通过CNT固定在电极上，故通过CNT实现的报告子稳定的改良将使这一装置能用于较宽的温度范围。药筒在某些实施例中，一个或一个以上子系统提供于以较大单元啮合的可拆卸式单次使用或多次使用药筒中。举例来说，以下一者或一者以上被提供于药筒中气相传感器、呼吸冷凝液传感器、冷凝器和/或冷凝表面。在一个特定实施例中，药筒包含冷凝表面、一个或一个以上冷凝液传感器以及将冷凝液从冷凝表面引导到传感器的一个或一个以上通道。图6A展示包含药筒槽603的呼吸/呼吸冷凝液单元601的示范性实施例，单次使用药筒可配合到药筒槽603中。所述单元也可为呼吸冷凝液专用单元。冷却机构604经配置以冷却药筒的冷凝表面。冷却机构可为热电装置、冷却通道等。图6B展示与图6A中描绘的单元啮合的单次使用药筒610的示范性实施例，其包含金属丝网冷凝表面624、呼吸冷凝液传感器634和流体通道616。空气样本流垂直于金属丝网624的平面，在朝向页面中的方向上。药筒610经配置以与槽606中的单元601啮合。在所描绘的实施例中，金属丝网624由接触冷却机构604的导热表面650 (例如金属)包围。
来自传感器634的电信号被发送到与单元601中的电连接(未图示)介接的接触612，以被发送用于信号分析。单次使用药筒可用于防止冷凝表面和/或检测器上测量样本之间的污染。在某些实施例中，冷凝表面提供于单元中或检测器的独立药筒中，并且可在洗涤后再使用。在某些实施例中，气相检测器位于其自身的可拆卸式药筒中，所述药筒经配置以与呼吸/呼吸冷凝液单元啮合。在组合的呼吸/呼吸冷凝液单元下需要仅针对呼吸的测量的某些实施例中，呼吸冷凝液药筒可用空白药筒替换。示范性EBC流动路径配置在某些实施例中，呼吸冷凝液检测器经配置以执行实时竞争性或非竞争性呼吸冷凝液免疫检验。图7展示根据某些实施例的免疫检验流动路径，其包含含分析物的冷凝液、针对分析物的捕获物质(如果存在的话)、报告子和基质。所描绘的示范性流动路径是针对白三烯检验；然而，所属领域技术人员应了解如何改进适于其它分析物的流动路径。所描绘的流动路径在冷凝表面724处开始。举例来说，冷凝表面是金属丝网或金属丝网系列，其上将形成冷凝液。冷凝液从冷凝表面朝向电导率和PH测量750行进。如下文所述，可以使用电导率检测冷凝液的填充。随后冷凝液与报告子物质742混合，且冷凝液和报告子流动以与捕获物质745相互作用。在所描绘的实例中，对于白三烯检验，捕获物质是针对半胱氨酰白三烯(CysLT)，但适当时，任何捕获物质都可使用。添加基质746以与报告子反应。所属领域技术人员应理解，流动路径配置也可包含其它流，例如洗涤液。用于白三烯检验的示范性捕获物质为抗体、抗体片段、分子受体、适体、寡核苷酸。用于白三烯检验的示范性报告子物质为酶、金、乳胶、金属等。报告子物质可连接到任何类型的识别元件，例如抗体、抗体片段(Fab、Fab2、Fe)适体、分子受体、寡核苷酸。用于白三烯检验的示范性洗涤基质为磷酸盐缓冲溶液。洗涤溶液可添加有清洁剂或表面活性剂，例如吐温-20 (Tween-20)、SDS、曲通XlOO (Triton X100)、NP40。过量的报告子和其它废料被发送到废料747。图8展示根据一个特定实施例的较为详细的流动路径配置。因此，冷凝液经由毛细作用或其它方式从冷凝器表面824流到样本体积840，如上文参照图5所描述。可经由电导率/pH测量区850测量样本体积通道或腔室840的填充。在样本体积840任一端上的电极将提供有关何时存在通过样本体积840的导电通路的指示，由此指示样本体积840填满。阀I和阀2是三通阀。一旦样本体积填满，就使用管线860经由阀I将样本推出样本体积840。管线860可为气动或射流管线。在使用药筒的实施例中，可通过主单元控制管线860脱离药筒(off-cartridge),或控制其在药筒上(on-cartridge)。阀2是三通阀，使样本能在样本填充阶段期间到达电导率测量区850，随后一旦实现填满就将样本引导朝向传感器区834。报告子体积841类似地经由三通阀3和4以及管线862计量出所需量的报告子842。尽管未描绘，但可能存在报告子体积填充感测机构。样本与报告子混合并流到传感器区834，传感器区834含有电化学传感器或(适当时)其它类型液相传感器以及(适当时)试剂。洗涤液848和基质846管线分别经由单通阀8和7控制。过量的报告子、洗涤液和其它废料被发送到废料847。在某些实施例中，上述呼吸冷凝液流动路径是在单次使用或多次使用药筒上实施。图9提供单次使用药筒的实例，其包含药筒上流过冷凝表面924、试剂/洗涤液储积器946、电化学传感器934和电接触912。用于冷凝表面924的冷却可为主动或被动的。在一
个主动式系统中，冷凝表面924由例如热电冷却器或冷却通道等散热器(未图示)包围。通常，冷却机构是脱离药筒的，位于主单元中。在某些实施例中，药筒的一部分是半导体材料，且可为热电装置的一部分。在一个被动式系统中，药筒在使用前经冷却。如上文所述，在某些实施例中，将呼出气电导率用作填充指示。在某些实施例中，其可用于冷凝液归一化。电导率是对样本中水量(稀释度)的量度。此信息可用于调整传感器对任何稀释度分析物的响应。电导率可利用小叉指式电极测量。在一种药筒形式中，药筒可包含包括电极的层。执行AC电导率测量。如上文所论述，电导率测量值可提供打开一个或一个阀以进行进一步样本输送的信号。在某些实施例中，测量呼出气冷凝液的pH值。经显示，呼出气冷凝液的pH值是气道酸化的替代性测量。气道酸化在包含哮喘、囊性纤维化和慢性阻塞性肺病(chronicobstructive pulmonary disease, C0PD)在内的许多呼吸道疾病和病症中很普遍。EBC冷凝液的典型范围对于标准化PH为7-8，而对于酸化为< 6。作为比较，在37°C下纯水的pH为6. 81 (因自电离而略呈酸性)且血液的pH为7. 35-7. 45。EBC的pH测量可为电势测定或电流测量。在某些实施例中，出于制造的便利性，测量为电流测量，只需要将离子选择性膜放到电极上。对于电势测定和电流测量两种测量方法，都使用离子选择性膜来赋予对H+离子的特异性。一个示范性离子载体H+选择性膜材料是TDDA。组合单元如上文所述，在某些实施例中，取样方案将呼吸冷凝液和呼吸测量提供于组合单元中。图10A和10B提供根据各种实施例的此类单元100的各种组件的示意图。为清楚起见，某些组件未描绘出来。首先，在图10A中，描绘了单元100的外部前视图。其包含外壳101，通常为塑料材料的。可提供显示器102以显示与即将进行的测量的信息104。在某些实施例中，显示器102是触屏输入以及输出界面，接受与所进行的检验、患者等有关的输入。在其它实施例中，单元100包含独立输入界面(例如键盘)或连接到外部输入界面。单元100包含药筒接受槽106，如上文参照图6A所描述。使用时，患者呼吸到与通道108流体连通的接头(未图示)中，通道108可部分或完全由管材或其它材料制成。图10B示意性描绘单元100的各种内部组件。样本(例如50m/s)经由通道108流入单元100。在所描绘的实施例中，其流过已经插入槽106中的药筒110中的流通冷凝器。如果不需要呼吸冷凝液测量，那么药筒110可为空白药筒，以允许样本流过。冷凝液形成且被引导到一个或一个以上传感器，如上文参照图7到图9所描述。在某些实施例中，形成每次呼吸约5微升冷凝液且被引导到一个或一个以上传感器。样本(减去少量现冷凝的水蒸气)流过通道108中的流通冷凝器在某些实施例中，孔口 112产生少量反压力。流量计经安置以提供呼出气流速的准确读数。流量是通过测量横过孔口的压降测定。这是低成本的流量测量方法。如果使用流量计组件，那么其可安装在患者与NO子系统前之间(因为NO子系统从主管线抽出空气并由此改变在NO子系统后进行的流量测量)。当捕获呼吸时，流速将得到确认。在115处，预定量的呼吸样本(例如5ml/s)进入气体样本体积114。气体样本体积114受活塞116控制。活塞控制器131 (例如螺杆传动)将活塞拉到左边以产生预定体积的体积，从而使样本流过阀117。一旦样本体积填满，阀117就会关闭。阀119打开，使得样本流到气相检测器118。在某些实施例中，阀经控制以允许根据测量方案只在呼吸周期中的指定点收集样
本。举例来说，可只在呼气开始后预定时间后打开阀116。另外，在某些实施例中，确定呼出气流速包含打开旁路阀，以使在可接受流速的范围外的呼吸(例如，如果患者咳嗽)不被发送到传感器。来自EBC药筒110和气相传感器122的信号分别经由连接120和122发送到控制器和数据处理单元130。在所描绘的实施例中，控制器和数据处理单元130也控制取样器和检测器单元的各个方面，包含活塞控制器117、阀117和119、药筒110上的阀、信息显示器104等。所属领域技术人员应理解，可以使用一个或一个以上软件和/或硬件组件来执行控制和数据处理功能。在另一实施例中，药筒110和槽106经安置以便在将气相样本拉入体积114中后使呼出气流过冷凝器。在某些实施例中，可存在两个此类药筒接收槽，一个在气相取样前且一个在之后，由此使临床医生能根据特定测量选择和插入适合的药筒。尽管为了达到理解清楚的目的已经相当详细地描述了前述本发明，但显然，可在所附权利要求的范围内实行某些修改和变更。应注意，存在许多替代性方式来实施本发明的方法、系统和设备。因此，本发明实施例应视为说明性而非限制性的，且本发明不局限于本文给出的细节。本文中引用的所有参考文献都以引用的方式并入用于所有目的。
权利要求
1.一种用于呼吸取样和检测的便携式单元，其包括 经配置以从患者接收呼出气样本的接头； 与所述接头流体连通的通道； 安置在所述通道内以使呼出气样本中的水蒸气冷凝的冷凝器，所述冷凝器包括冷凝表面； 经配置以检测所述冷凝的水蒸气中存在的一种或一种以上分析物的呼出气冷凝液传感器；和 经配置以检测所述呼出气样本中的一种或一种以上气相分析物的气相检测器。
2.根据权利要求I所述的便携式单元，其中所述呼出气冷凝液传感器是电化学传感器。
3.根据权利要求2所述的便携式单元，其中所述呼出气冷凝液传感器是包括纳米结构化感测元件的电化学传感器。
4.根据权利要求3所述的便携式单元，其中所述纳米结构化感测元件是碳纳米管(CNT) ο
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述冷凝器经配置用于主动冷却。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述冷凝器经配置用于被动冷却。
7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其进一步包括与所述冷凝表面热接触的热电装置。
8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其进一步包括与所述冷凝表面热接触的冷却通道。
9.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述冷凝表面和呼出气冷凝液传感器被容纳在可拆卸式药筒中。
10.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述冷凝表面是所述呼出气冷凝液传感器的表面。
11.根据权利要求I到9中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述冷凝表面是金属丝网。
12.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其中所述通道分叉为第一子通道和第二子通道，所述冷凝器在所述第一子通道中，且所述气相检测器安置在所述第二子通道或其分支中。
13.根据权利要求I到9或10到12中任一权利要求所述的便携式单元，其进一步包括安置在所述冷凝表面与所述呼出气冷凝液传感器之间的毛细流动通道。
14.根据上述权利要求中任一权利要求所述的便携式单元，其进一步包括安置在所述冷凝表面与所述呼出气冷凝液传感器之间的微流流动通道。
15.根据权利要求13或14所述的便携式单元，其中安置在所述冷凝表面与所述呼出气传感器之间的流动通道涂有试剂。
16.一种使用来检测呼吸中的分析物的方法，其包括 提供用于呼吸取样和检测的单元，所述单元包括经配置以从患者接收呼出气样本的接头； 与所述接头流体连通的通道； 安置在所述通道内以使呼出气样本中的水蒸气冷凝的冷凝器，所述冷凝器包括冷凝表面； 经配置以检测所述冷凝的水蒸气中存在的一种或一种以上分析物的液相检测器；和 经配置以检测所述呼出气样本中的一种或一种以上气相分析物的气相检测器； 从患者接收呼出气样本； 将全部或一部分所述呼出气样本引导到所述冷凝表面以形成冷凝液； 将全部或一部分所述呼出气样本引导到所述气相检测器； 将所述冷凝液引导到所述液相检测器； 利用所述气相检测器检测所述呼出气样本中一种或一种以上分析物的存在或量；和 利用所述液相检测器检测所述冷凝液中一种或一种以上分析物的存在或量。
17.根据权利要求16所述的方法,其进一步包括将有关所述呼出气样本中一种或一种以上分析物的存在或量的信号信息以及有关所述冷凝液中一种或一种以上分析物的存在或量的信号信息发送到信号处理单元。
18.根据权利要求17所述的方法，其包括产生对所述患者病症的组合量度，所述组合量度由有关所述呼出气样本中一种或一种以上分析物的存在或量的信号信息以及有关所述冷凝液中一种或一种以上分析物的存在或量的信号信息产生。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述组合量度是半胱氨酰白三烯(CysLT)水平与气道炎症的比率。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述呼出气样本中的所述一种或一种以上分析物包括一氧化氮且所述冷凝液中的所述一种或一种以上分析物包括LTE4。
21.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法,其中从患者接收呼出气样本包括从所述患者接收由不超过五次呼气产生的样本。
22.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法,其中从患者接收呼出气样本包括从所述患者接收由单次呼气产生的样本。
全文摘要
本发明提供一种用于呼出气冷凝液中所见的分析物的直接取样器和检测器。当所述呼吸冷凝液中的分析物在到达传感器表面之前冷凝或直接在传感器表面上冷凝时，应立即对其进行检测。由于在患者呼气后立即执行分析或检验，故分析物的稳定性显著改良，从而提供准确、可靠、一致且临床上适用的结果。在某些实施例中，提供组合的呼吸冷凝液/呼吸取样器和检测器，从而能够对单一取样情形中提供的冷凝的以及气相分析物进行多重分析。呼吸经收集并引导到一个或一个以上子系统。在每一子系统内，所述呼吸部分发生冷凝或被防止发生冷凝。所述技术也允许实时连续监测，由此允许即时反馈到医疗专业人员和其它硬件，例如呼吸机、麻醉机、药物输注系统和心脏起搏器。
文档编号G01N27/00GK102803943SQ201080027418
公开日2012年11月28日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者布拉德利·N·约翰逊, 干乍恩·乔希, 张英兰, 雷·拉特凯 申请人:纳诺米克斯公司