专利名称：：血管内葡萄糖传感器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于血管内测量葡萄糖的传感器以及一种血管内测量葡萄糖的方法。
背景技术：
：术后患者利用“严格血糖控制”(TCG)的治疗，即治疗补偿临时胰岛素抵抗，在患者预后方面已经产生明显的改进。通过将相同程度的患者护理应用于非手术、内科I⑶患者以及其他患者能够看出类似的益处。许多医院已经试图通过强化胰岛素治疗(“IIT”)进行TGC。采用TGC/IIT最大的阻力是缺乏满足消费者严格控制、便于使用、自动监测以及随之产生的劳力问题的需求的合适技术。因为需要频繁地测量以预防低血糖和不良预后的风险，所以利用间歇式的技术将患者的葡萄糖含量保持在目标范围内是困难的。虽然已经广泛被采用，TGC的实施对于医院仍是有问题的；目前葡萄糖的监测主要利用手指穿刺和血糖仪由护理人员手动进行，由此仅提供准确性有限(对于95%的测量通常为±20%)的间歇式数据。为了避免频繁取血样的需求，已经开发了许多测量组织间隙液中而不是血液中的葡萄糖的传感器。然而，当与在全血中测量的生理响应时间相比较时，这些传感器通常表现出对葡萄糖的长生理响应时间。另外，中风的患者，特别是那些重症特别护理的患者，非常频繁地经受不理想的外周灌注，由此全血葡萄糖浓度的变化不容易传递到间隙液中。非侵入性传感器正在开发中并且将通常用于测量组织中的葡萄糖，由此具有相同的缺点。非侵入性葡萄糖传感的开发也已经充满大量的技术挑战。一些葡萄糖传感器的开发者已经采取体外方式，其中从患者取血样然后流过置于患者体外的传感器，并且然后冲洗到废弃物中或返回患者体内。这充其量是快速的测量葡萄糖的间歇式手段，且具有累计使用大体积的患者血液的缺点。在这种技术中，保持无菌和血液出入导管通畅也是有问题的。在二十世纪80年代至90年代，随着用于血管内连续测量血液气体即氧气、二氧化碳以及PH的多参数光学传感器的开发，明确了血管光学传感器的构型。这些针对血液气体的平衡型受体为基于吸收或荧光强度的指示剂。这些传感器遭受随着延长的时间段它们的信号漂移并且通常需要在使用前即时校准。虽然这些血液气体传感器的普通光学构型通过利用合适的葡萄糖受体化学品适合用于葡萄糖传感，但仍然有传感器漂移和需要校准的问题。因此，存在对一种克服传感器漂移的困难并且理想地不需要由终端用户校准的全血葡萄糖传感器的需求。
发明内容本发明提供一种用于血管内测量葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，其中，所述传感器设置用于通过监测荧光团的寿命测量葡萄糖浓度，所述传感器包括指示剂系统，包括用于选择性地结合至葡萄糖的受体以及与所述受体关联的荧光团，其中所述突光团的寿命小于IOOns；光源；光学纤维，设置用于将光从所述光源导至所述指示剂系统上；检测器，设置用于接收从所述指示剂系统发出的荧光；以及信号处理器，设置用于基于至少所述检测器的输出信号测定与所述荧光团的荧光寿命相关的信息。因此，本发明的传感器通过测定荧光团的荧光寿命的变化来测定血流中的葡萄糖浓度。指示剂的荧光寿命是固有性质，与光源强度、检测器灵敏度、光学系统(例如光学纤维)的光通量、固定化传感厚度以及指示剂浓度的变化无关。另外，测量荧光强度时转化为信号漂移的荧光团的光漂白比在测量荧光寿命时重要性小很多。这意味着与基于强度的测量相比，测量荧光寿命时不需要补偿这些可变因素。因此对于这种器件的终端用户，这意味着不需要校准或再校准。因此就传感器的性能、校准和便于终端用户使用方面来讲，相对于基于强度的测量，葡萄糖的寿命测量具有明显的益处。然而，目前开发实际可用的寿命测量器件存在相当大的阻碍。精确测量荧光寿命所需的仪器目前是昂贵且庞大的。使用长寿命(>100ns)荧光金属-配体/硼酸络合物作为用于光学测量葡萄糖的指示剂能够有助于使用小的、低成本的仪器，例如用于激发的发光二极管、光电二极管检测器、相位突光计和查找表(lookuptable)。然而,将这种长寿命荧光团用于测量葡萄糖存在问题。长寿命荧光团总是与氧气进行碰撞荧光淬灭，且淬灭的程度正比于未淬灭的寿命。具有长荧光寿命的金属配体络合物通常用于氧气的检测和测定。因此当将这些长寿命指示剂用于监测组织、间隙液或血液或一些其他体液中的葡萄糖时氧气被看作干扰物(interferent)。然而，本发明通过提供一种能够使用小的、低成本的仪器测量寿命短于IOOns的传感器来解决这些问题。由此，本发明使在适合于医院环境中的临床医生使用且消除或减小了氧气敏感性的困难的器件中能够得到寿命测量的益处。根据优选的实施方式，检测器为单光子雪崩光二极管。在这种实施方式的一个方面，由光源发出的光的强度以第一频率调制，且对单光子雪崩光二极管施加的偏压以不同于第一频率的第二频率调制。所述偏压高于单光子雪崩光二极管的击穿电压。偏压的这种选择是指不仅保持了检测器的单光子敏感性，而且具有能够使用外差测量方法的优点。换句话说，由单光子雪崩光二极管产生的值得关注的测量信号处于对应于第一和第二频率之差的频率。所述第一频率和第二频率可以在IMHz量级或高很多的量级，但是可以选择从而使它们的差为例如在数十kHz的量级。因此，测量电子元件的操作带宽能够比第一和第二调制频率低很多，从而能实现更简单的设计并对噪音敏感性更低。进一步有利的方面是在所述光源的调制信号中引入一系列的附加相位角(相位移)。然后能够得到使测量信号的调制深度与引入的相位角相关的一系列测量。分析这些结果能够改进发光寿命测量的整体精确性。本发明还提供一种血管内测量葡萄糖浓度的方法，包括将本发明的传感器的指示剂系统插入静脉或动脉内；使来自光源的入射光经由光学纤维传至所述指示剂系统；使用检测器接收所述指示剂系统响应从所述光源入射到所述指示剂系统上的光而发出的荧光，并且产生输出信号；以及基于至少所述检测器的输出信号测定与荧光团的荧光寿命相关的信息。图I和图Ia描述了根据本发明的传感器；图2示意性地描述了本发明的优选实施方式；图3是根据本发明的优选实施方式的葡萄糖浓度测量方法的流程图。具体实施方式如本文所用，术语烷基或亚烷基为直链或支链的烷基基团或部分。亚烷基部分可以，例如，包含I15个碳原子，例如Ch2亚烷基部分、Cm亚烷基部分或Cy亚烷基部分，例如亚甲基、亚乙基、正亚丙基、异亚丙基、正亚丁基、异亚丁基以及叔亚丁基。CV4烧基通常为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基或叔丁基。为免生疑问，在存在两个烧基基团或亚烧基部分的情况下，该烷基基团或亚烷基部分可以相同或不同。烷基基团或亚烷基部分可以是取代或未取代的，例如，它可以具有一个、两个或三个选自氢*、轻基、氣基、(Cp4烧基)氣基、_.(Cp4烧基)氣基以及Cp4烧氧基的取代基。优选上述烷基基团或亚烷基部分是未取代的。如本文所用，术语芳基或亚芳基指可以是单环或多环的C6_14芳基基团或部分，例如苯基、萘基以及芴基，优选苯基。上述芳基基团可以是未取代的或是在任何位置取代的。通常，它具有O、I、2或3个取代基。芳基基团上优选的取代基包括卤素、C1^15烷基、C2_15烯基、-C(O)R(其中R为氢或Ch5烷基)、-CO2R(其中R为氢或C1^15烷基)、羟基、Cw5烷氧基，并且其中取代基自身是未取代的。如本文所用，杂芳基基团通常为包含选自0、S以及N的至少一个杂原子，例如包含1、2或3个杂原子的514元芳香环,例如510元环,更优选5或6元环。实例包括噻吩基(thiophenyl)、呋喃基、吡咯基以及吡啶基。杂芳基基团可以是未取代的或在任何位置被取代的。除非另做说明，它具有0、1、2或3个取代基。杂芳基基团上优选的取代基包括上文列出的与芳基基团相关的那些基团。本发明提供一种传感器以及一种用于血管内测量葡萄糖浓度的测量技术。本发明的传感器基于设置用于将光导至指示剂系统上的光学纤维。将指示剂系统提供在通常包含在池(cell)的传感区内，该池在光学纤维的远端内或连在光学纤维的远端上。在使用中，纤维的末端插入到血管内，从而使指示剂系统定位于血流中。葡萄糖能够进入传感区，因此与指示剂系统快速接触。在葡萄糖与指示剂系统接触时，受体和葡萄糖分子之间发生结合。结合到受体的葡萄糖分子的存在引起指示剂系统的荧光寿命的变化。由此，监测指示剂系统中荧光团的寿命提供结合到受体的葡萄糖的量的指证。通过监测寿命衰减测量葡萄糖的浓度之前已经由Lakowicz在AnalyticalBiochemistry294，154-160(2001)中描述了。其中描述了通过相位调制测量，但是相位调制和单光子计数技术两者都适合本发明使用。优选相位调制。指示剂系统包含选择性地结合至葡萄糖的至少一种受体以及与受体关联的荧光团。当葡萄糖结合到受体时，荧光团的荧光衰减寿命改变，这允许通过监测荧光团的寿命检测葡萄糖。在一种实施方式中，受体和荧光团彼此共价结合。用于葡萄糖的合适的受体为包含一个或多个，优选两个硼酸基的化合物。在具体的实施方式中，受体为式(I)的基团山B(OH)2\(oym\--L-2Li其中，m和η相同或不同，并且通常为一或二，优选一；Sp为脂族间隔基，通常为亚烷基部分，例如C1-C12亚烷基部分，例如C6亚烷基部分；并且LI和L2表示连到其他部分，例如连到荧光团上的可能的点。例如LI和L2可以表示连接到官能团的亚烷基、亚烷基-亚芳基或亚烷基-亚芳基-亚烷基部分。假设在没有连到另一部分的情况下，官能团被保护或被氢原子取代。用于LI和L2的常规亚烷基基团为C1-C4亚烷基基团，例如亚甲基和亚乙基，特别是亚甲基。典型的亚芳基基团为亚苯基基团。官能团通常为任何能够与例如荧光团或水凝胶反应形成键的基团，例如酯、酰胺、醛或叠氮化物。在指示剂系统中，受体通常经由这些官能团中的一种或多种与荧光团连接并且可选地与载体结构例如水凝胶连接。改变间隔基Sp的长度能改变受体的选择性。通常，C6-亚烷基链提供对葡萄糖具有良好的选择性的受体。这些受体进一步的细节可以在US6387672中查到，其内容通过整体引用并入本文中。式(I)和(II)的受体能够通过已知的技术制备并且它们合成的细节能够在US6387672中查到。应当理解本发明不限于上文描述的具体的受体，因此其他受体，特别是具有两个硼酸基的那些受体也可以在本发明中使用。合适的荧光团实例包括蒽、芘及其衍生物，例如在GB0906318.I中描述的衍生物，其内容通过整体引用并入本文中。荧光团通常为非金属的。荧光团通常为非内源性的。荧光团的寿命通常为IOOns或更短，例如30ns或更短。寿命可以为Ins或更长，例如IOns或更长，例如20ns或更长。合适荧光团的具体的实例为典型寿命为IIOns的蒽和芘的衍生物以及典型寿命为1030ns的吖啶酮和喹吖啶酮的衍生物。受体与荧光团通常彼此结合以形成受体-荧光团结构体，例如US6387672中所述。这种结构体可进一步结合到诸如聚合物基体等载体结构，或它可以物理地埋入探针内，例如埋入聚合物基体内或被葡萄糖可渗透的膜捕获。水凝胶(高度亲水的交联的聚合物基体，例如交联的聚丙烯酰胺)是合适的聚合物基体的实例。在优选的实施方式中，受体-荧光团结构体例如经由受体上的官能团共价结合到水凝胶。由此，指示剂为荧光团-受体-水凝胶络合物的形式。在可替代的优选实施方式中，指示剂(即受体和荧光团分子，或受体-荧光团结构体)以水溶液提供，通常，将指示剂溶解于水溶液中。在该实施方式中，指示剂包含在传感器中的池内，通常包含在位于光学纤维远端的池内或在光学纤维远端中的池内，并且将可渗透葡萄糖的膜提供在池中任何开口处。为了确保将指示剂保持在池内，它必须具有足够高的分子量以基本上防止其经过膜漏出池。这能够通过选择具有合适的截留分子量的膜，以及通过提供高分子量的指示剂来实现。以水溶液提供的指示剂(包括受体和荧光团，通常以受体-荧光团结构体的形式)具有特别的优点每个指示剂部分周围的微环境基本上保持恒定。荧光传感器能够显著地受指示剂微环境的影响。指示剂周围局部微环境的变化能够引起荧光响应的变化。在固定于聚合物基体上的指示剂的情况下，存在明显的微环境变化，这能产生为连续分布的衰减时间和复合多指数的形式的寿命衰减信号。相比之下，在指示剂溶解于、尤其是以低浓度溶解于水中，使得指示剂分子不聚集且为单分散的情况下，对于该给定的溶剂，均质性最大化且获得理想的荧光特性。这产生简单的单指数的信号。获得均质性的可替代方法是将指示剂固定到大分子量的单分子载体上。优选地，该载体为对称的，且以结果也是对称的方式获得荧光指示剂的立体连接。这例如通过使用以下讨论的树枝状聚合物作为载体材料能够获得。因此，连至此载体的每个荧光指示剂分子的环境将是等效的。此外，如果这样担载的分子能以合适的浓度溶解于溶剂如水中，则担载的指示剂的环境将是均匀的，再次产生改进的信号特性。因此，在这种可替换的优选实施方式中，受体和荧光团键合到载体材料以提供载体、受体和荧光团的络合物，将该络合物溶解于上述溶液中。只要受体和荧光团保持键合到载体，络合物的性质并不重要。例如，载体材料可以键合到受体-荧光团结构体。或者，载体材料可以单独键合到荧光团和受体。在后一情况下，受体和荧光团不直接彼此键合，而是仅通过载体材料连接。在本发明的一种实施方式中，上述络合物采取荧光团-受体-载体的形式。通常，使用高分子量载体材料。这能使本领域技术人员通过将指示剂提供在更高分子量络合物内来限制指示剂通过膜。优选的载体材料具有至少500、例如至少1000、1500或2000或10000的分子量。该载体材料还应溶于水，且在不干扰传感器自身的角度上应为惰性的。用作载体材料的适宜材料包括聚合物类。可使用能溶于所用溶剂的任何未交联的线性聚合物。或者，载体材料可为能在水中形成水凝胶的交联聚合物(例如轻度交联的聚合物)。例如，载体材料可为由具有至少30%的水含量以使得聚合物与水域之间无明显界面的交联聚合物形成的水凝胶。聚丙烯酰胺和聚乙烯醇为合适的水溶性线性聚合物的实例。优选地，使用的聚合物具有较低的多分散性。更优选地，上述聚合物为均匀(单分散)的聚合物。此类聚合物由具有均匀的分子量和构造的分子组成。较低的多分散性产生改进的传感器调制。用于形成水凝胶的交联聚合物可由与乙二醇二甲基丙烯酸酯和/或羟基乙基二甲基丙烯酸酯交联的上述水溶性线性聚合物形成。在一个实施方式中，指示剂结合至具有高水含量的水凝胶。在此例子中，指示剂系统通常包括含水凝胶的水溶液。水凝胶的水含量高至优选至少30%w/w,使得溶液/水凝胶混合物能够认为是聚合物与水域之间无明显固体界面的液体的混合物。在本文中使用的液体水溶胶(fluidhydrogel)为具有水含量高至(通常至少30%w/w)水凝胶放入水中时聚合物与水域之间无明显固体界面的水凝胶。此水凝胶可包括能溶解于溶剂中或可形成相对较低水含量的液体水凝胶的轻度交联的聚合物；或者，水凝胶可包括具有更高水含量以使其处于液体形式的更高程度交联的聚合物。在特别优选的方面，载体材料为树枝状聚合物。用于本发明的树枝状聚合物的本性没有具体限制，且可使用诸多商购的树枝状聚合物，例如聚乙二胺(PAMAM)如STARBURST树枝状聚合物，以及聚亚丙基亚胺(PPI)如ASTRAMOL树枝状聚合物。想到的其它类型的树枝状聚合物包括苯乙炔树枝状聚合物、Frechet(即聚(苄醚))树枝状聚合物、超支化的树枝状聚合物和多聚赖氨酸树枝状聚合物。在本发明的一个方面，使用聚乙二胺(PAMAM)树枝状聚合物。树枝状聚合物包括金属芯型和有机芯型，二者均可用于本发明中。通常优选有机芯型树枝状聚合物。树枝状聚合物的性能受其表面基团影响。在本发明中，表面基团用作连至受体和荧光团的结合点。因而，优选的表面基团包括能用于此类结合反应的官能团，例如氨基、酯基或羟基，优选氨基。然而，表面基团的本性并没有特别限制。可想到用于本发明的一些常规表面基团包括酰氨基乙醇、酰氨基乙基乙醇胺、己酰胺、羧酸钠、琥珀酸、三甲氧基甲硅烷基、三(羟基甲基)酰氨基甲烷和羧基甲氧基吡咯烷酮，特别为酰氨基乙醇、酰氨基乙基乙醇胺和羧酸钠。树枝状聚合物上的表面基团数量受树枝状聚合物的制备影响。优选地，树枝状聚合物具有至少4个、优选至少8个或至少16个表面基团。通常，树枝状聚合物的所有表面基团将结合至受体或荧光团部分。然而，在树枝状聚合物的一些表面基团保持未结合至受体或荧光团部分(或受体和荧光团的结构体)的情况下，这些表面基团可用于提供具体所需的性能。例如，可存在提闻水溶性的表面基团如轻基、竣酸酷基、硫酸酷基、憐酸酷基或多羟基。硫酸酯基、磷酸酯基和多羟基为水溶性表面基团的优选实例。在一个方面,树枝状聚合物并入有至少一个包含可聚合基团的表面基团。该可聚合基团可为能够进行聚合反应的任何基团，但通常为碳碳双键。并入有可聚合基团的适宜表面基团的实例为酰氨基乙醇基，其中氮原子被化学式(_连接基-C=CH2)取代。连接基通常为亚烷基、亚烷基-亚芳基或亚烷基-亚芳基-亚烷基，其中亚烷基通常为Cl或C2亚烷基且亚芳基通常为亚苯基。例如，上述表面基团可包括酰氨基乙醇，其中氮原子被-CH2-Ph-CH=CH2基取代。在树枝状聚合物的表面存在可聚合基团能够通过将树枝状聚合物与一种或多种单体或聚合物聚合而使树枝状聚合物连至聚合物。因此，树枝状聚合物能链到例如水溶性聚合物上以提高树枝状聚合物的水溶性，或链到水凝胶(即高亲水的交联聚合物基体，如聚丙烯酰胺)上以有助于使树枝状聚合物包含在池内。优选地，树枝状聚合物是对称的，即所有的树突是相同的。上述树枝状聚合物可具有通式CORE-[A]n其中，CORE表示树枝状聚合物的金属芯或有机芯(优选有机芯)，η通常为4或更大，例如8或更大，优选16或更大。适宜的CORE基团的实例包括苯环和通式-RN-(CH2)p-NR-和N-(CH2)p-N的基团，其中P为2至4，例如2，R为氢或CIC4烷基，优选氢。优选-RN-(CH2)2-NH-和N-(CH2)2_N。每个基团A可连至CORE或其它基团A，从而形成代表性的树枝状聚合物的级联结构(cascadingstructure)。在优选的方面,2个或更多个、例如4个或更多个的基团A连至CORE(第一代基团A)。树枝状聚合物通常为对称的，即CORE具有2个或更多个，优选4个或更多个相同的树突。每个基团A由具有一个或多个分枝基团的基本结构组成。该基本结构通常包括亚烷基或亚芳基部分或它们的组合。优选地，上述基本结构为亚烷基部分。适宜的亚烷基部分为ClC6亚烷基部分。适宜的亚芳基部分为亚苯基部分。亚烷基和亚芳基部分可为未取代的或取代的，优选未取代的，且亚烷基部分可被选自-NR'-、-O-、-CO-、-C00-、-CONR'-、-0C0-和-0C0NR'中的官能团截断或封端，其中V为氢或ClC4烷基。分枝基团为键合至上述基本结构并具有两个或更多个另外的连接点的至少三价的基团。优选的分枝基团包括枝化的烷基、氮原子以及芳基或杂芳基。优选氮原子。分枝基团通常键合至(i)基团A的基本结构和(ii)两个或更多个其它基团A。然而，在树枝状聚合物的表面上时，分枝基团可自身封端树枝状聚合物(即分枝基团为表面基团)，或分枝基团可键合至两个或更多个表面基团。优选的基团A的实例为通式-(CH上-(FG)s-(CH2)^NH2的基团，其中q和r相同或不同，并表示I至4的整数,优选I或2,更优选2。s为O或I。FG表示选自-NR'-、-0-、-CO-、-COO^-CONR'-、-0C0-和-0C0NR'中的官能团，其中R'为氢或ClC4烷基。优选的官能团为-CONH-、-0C0-和-C00-，优选-CONH-。·如上所述，表面基团形成树枝状聚合物连至指示剂(或单独附接至受体和单独附接至荧光团部分)的连接点。因而，表面基团通常包括未取代或取代的亚烷基或亚芳基部分或它们的组合以及适用于键合至指示剂的至少一个官能团，优选未取代或取代的亚烷基部分。官能团通常为氨基或羟基，优选氨基。上面提供了表面基团的具体实例。在使用的树枝状聚合物为金属芯的树枝状聚合物的情况下，它可自身具有荧光性能。此时，可想到树枝状聚合物自身可形成荧光团部分。此情况下载体结合的指示剂仅包括结合至树枝状聚合物的受体部分。在另一方面，载体材料为具有高分子量(即至少500，优选至少1000、1500或2000或10000)的非树枝状、非聚合的大分子。环糊精、笼型化合物(cryptan)和冠醚为此类大分子的实例。此类大分子还对指示剂提供相同环境并对分析物结合产生更一致的荧光团响应。受体和荧光团可用任何适合方法键合至载体材料。优选共价连接。通常，荧光团和受体连接形成荧光团-受体结构体，该荧光团-受体结构体随后结合至载体材料。或者，受体和荧光团可单独结合至载体材料。每个载体材料部分的受体-荧光团部分的数量通常大于I，例如4或更多，或者8或更多。在使用树枝状的载体材料时，树枝状聚合物的表面可被指示剂部分覆盖。这可通过将指示剂部分结合至所有(基本所有)的表面树突来实现。在使用聚合的载体材料时，可改性受体-荧光团结构体以包括双键并与(甲基)丙烯酸酯或其它适合的单体共聚以提供结合至指示剂的聚合物。或者，还可使用可替代的聚合反应或简单的加成反应。Wang等人提供了包括单硼酸葡萄糖受体连接至蒽荧光团的聚合反应的实例(WangB.,Wangff.,GaoS.，(2001),BioorganicChemistry,29,308-320)。在树枝状的载体材料的情况下，树枝状聚合物单独与荧光团部分或受体部分反应，或更优选与预先形成的受体-荧光团结构体反应。可使用任何适合的结合反应。适合的技术实例是在硼氢化物试剂的存在下通过还原性胺化使具有表面氨基的树枝状聚合物与具有反应性醛基的荧光团-受体结构体反应。所得的结构可通过超滤纯化。结合至硼酸受体和蒽突光团的树枝状聚合物实例由James等人提供(Chem.Commum.,1996p706)。在树枝状的载体材料具有可聚合基团作为表面基团的情况下，树枝状聚合物可与一种或多种单体进行聚合反应以形成树枝状聚合物-聚合物结构体，其中聚合物结合至树枝状聚合物的表面。通常，树枝状聚合物在聚合反应的较晚阶段加入以使树枝状聚合物封端聚合物链。或者，树枝状聚合物可与预先形成的聚合物反应。这能够例如通过聚合物上的羧酸基与树枝状聚合物上的羟基之间的缩合反应以通过形成的酯提供连接来实现。在这些反应中能够使用的单体和聚合物的实例为(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺以及乙烯吡咯烷酮及其组合以及它们相应的聚合物。优选的聚合物为水溶性聚合物。优选地，聚合物的水溶性满足以下条件当聚合物/指示剂溶解于水中(理想地无限量的溶解性)时产生足够的荧光信号。聚丙烯酰胺是特别优选的，因为这产生连到树枝状大分子的高度水溶的聚丙烯酰胺链。在这种实施方式的一个方面，结合到树枝状载体材料的聚合物(例如聚丙烯酰胺)链是交联的以形成水凝胶。可选地，水凝胶具有高的水含量从而当置于水中时水性相与聚合物相之间(如本文所用，水凝胶为液体形式)没有明显的界面。在这种情况下，通常以与水或水溶液的混合物形式提供。树枝状大分子表面的聚合可以在荧光团与受体部分连接之前或之后实施。在提供给传感器的受体和荧光团在水溶液中的情况下，受体-荧光团结构体或载体结合的结构体合适的浓度为io_610_3M。取决于需要的传感器的性能，浓度可以变化。在溶液中的浓度或受体与荧光团的量越高，信号强度越大。本发明的传感器的实例描述在图I和图Ia中。传感器I包括光学纤维2,光学纤维2包括在它远端的传感区3。纤维2适合插入患者的血管中，例如经由导管插入。本发明的传感器适合血管内使用，因此必需能够插入血管内，通常插入静脉或动脉内。通常，将本发明的传感器通过套管例如标准的20号标准套管(20gaugecannula)插入。相应地，传感器在进入血管的部分处的最大直径通常为O.5mm(图I和图Ia中，纤维的传感区3的最大直径为O.5mm)。传感器的长度通常为至少5cm，以使纤维能够穿过套管，并且使得传感区定位于血管内且不保留在套管内。通常，传感器将包括明显比5cm长的纤维，只有包含传感区的纤维的远端部分进入血管。传感区3包含其中包含指示剂系统的池或腔7。光学纤维延伸穿过电缆4至适合与合适的监测器8匹配的连接器5。监测器通常包括与连接器匹配的另一光学电缆4a，该连接器位于连接到(a)合适的用于光学传感器9的入射光源以及(b)用于返回信号的检测器10的5a处以及其他分支处。如图I中所描述，传感区3包含在纤维内的腔形式的池7。池可以采用任何形式，只要它能够使指示剂系统包含在由光学纤维导向的入射光的路径中。由此，池可以连到纤维的远端或可以为纤维内具有任何期望形状的腔的形式。池具有至少一个开口(未示出)以允许葡萄糖从血流进入到池中。在一种实施方式中，将受体/荧光团提供在水凝胶或其他聚合基体中。或者，它们以水溶液提供。葡萄糖可渗透的膜优选横跨所述开口或每个开口放置以将指示剂系统保持在池内并且允许葡萄糖进入。在本发明的一种实施方式中，突光信号可以为温度校正的。在这种实施方式中，热电偶(热敏电阻或其他温度探针)将放置在纤维远端内或上的指示剂系统旁边。在本发明的传感器中还提供用于将合适波长的入射光传输到指示剂的光源9，以及用于检测返回信号的检测器10。光源优选为LED，但可以为可替代的光源例如激光二极管。光源可以为温度稳定的。光源的波长将取决于使用的荧光团。术语“光”不会隐含对光源的发射波长任何特定的限制，并且具体地不限于可见光。光源9可以包括光学滤光器以选择激发波长，但如果光源具有足够窄的波段或是单色光，这种过滤可以不是必需的。可以使用能够检测荧光寿命的任何合适的检测器10。在一个方面，检测器10为单光子雪崩二极管(SPAD)(—种光电二极管)。合适的SPAD包括SensLSPMMicro,HamamatsuMPPC、IdquantiqueIDlOl以及其他类似的器件。(单光子雪崩二极管也可以称为Geiger-modeAPD或G-APD;此处APD意为雪崩二极管。)可以提供光学滤光器(未示出)以限制到达检测器10的光的波长，例如基本阻挡除值得关注的荧光波长以外所有的光。图2示意性地示出根据本发明的使用SPAD检测器的荧光传感器的优选实施方式。该实施方式描述了利用频域测量测定荧光团寿命，但是同样的装置能够等同地用于时域测量。信号发生器11产生被传至驱动器12的第一频率的高频周期信号。驱动器12可以调节第一信号，然后使用它驱动光源9的调制。驱动器12驱动光源9以调制激发光的强度(振幅)。优选地，这通过驱动器12电学调制光源以改变发射强度完成。或者，光源9可以包括可变的光学调制器以改变最终的输出强度。由信号发生器11和驱动器12控制的来自光源9的光强调制的形状(波形)，取决于环境可以采取不同的形式，包括正弦曲线、三角形或脉冲式，但在第一频率下该调制是周期性的。来自光源9的光输出经由光学纤维2传输到池7中的指示剂系统。在该实施方式中，因为光源9的输出是周期性调制的，所以然后荧光基本上也是以相同的基频的第一频率调制。然而，因为荧光团的荧光行为，在荧光发射的光中引入时间延迟；其自身显现为激发光的调制与荧光的调制之间的相位延迟。发出的突光经由光学纤维2传输到检测器10。在该实施方式中,检测器10为单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管检测器10能够为具有低击穿电压(阈值)或高击穿电压中的任何一种。通过偏压源22可以对单光子雪崩二极管检测器施加偏压，使得偏压高于单光子雪崩二极管的击穿电压。在这种状态下，检测器10具有非常高的灵敏性，使得单光子的接收产生输出电流脉冲，由此总的输出电流即使在强度非常低时也与接收的光强度有关。偏压源22接收来自信号发生器11的第二频率的周期性信号，从而以所述第二频率调制施加到单光子雪崩二极管检测器10的偏压。在优选的实施方式中，单光子雪崩二极管检测器为低电压型并且平均偏压在2535Vdc范围内，但可以更高或更低，取决于实际器件的击穿电压，以第二频率调制的深度通常为34V。调制的波形，如同光源的波形，不限于任何具体的形式，但通常为正弦曲线。将检测器10的输出传至信号处理器24。能够提供模-数转换器(ADC)(未示出)，从而将单光子雪崩二极管的模拟输出信号转换为数字域，并且信号处理器24能够应用数字信号处理(DSP)。信号处理器24可用专用电子硬件或在通用处理器上运行的软件或它们二者的组合执行。在优选的实施方式中，微处理器(未示出)同时控制进行分析的信号处理器24和信号发生器11。因而，信号处理器24具有关于光源调制信号频率和相位以及检测器偏压调制频率和相位的信息。偏压的调制调整了单光子雪崩二极管检测器10的增益。以第一频率调制光源9以及由此接收的荧光，但单光子雪崩二极管检测器10的偏压以不同于第一频率的第二频率调制。这通过以等于第一频率和第二频率之差的频率对分析信号进行操作的信号处理器24能使用外差测量法。优选地，第一频率和第二频率相差小于10%，更优选小于1%。第一频率和第二频率之间的频率差取决于使用的指不剂系统，但可为例如50kHz。根据另一实施方式，第一频率和第二频率可名义上相同，但在信号(例如通过连续变化的延迟相对于一个信号延迟另一信号)之间引入变化的相位移。由于每个循环相位移变化，这实际上等同于具有两个不同频率。优选地，引入的相位移快速摆动。根据被分析的信号以及得知光源9的调制和检测器偏压的调制的频率和相位，信号处理器24能确定引入系统内的相位延迟。减去传感器固有的相位延迟(其可在不存在任何荧光团下或以具有已知的荧光寿命(已知的相位延迟)的样品进行计算)，从而提供单纯由于指示剂系统内的荧光团而导致的相位移。然后，该信息可使用适合的校准数据转换为葡萄糖浓度。随后所需的测量结果以输出26提供。输出测量结果可显示在显示器(未示出)上和/或可记录在存储器28中以供随后提取。上述方法基本使用单一数据点以得到所需的荧光相关信息。然而，根据本发明进一步优选的实施方式，可进行一系列的测量，但对于每个测量，电学引入不同的相位移和/或频率差，使得相角可控制地提前或延迟。由信号发生器11产生的两个信号波形处于彼此不同的第一频率和第二频率，使得信号在这些频率下的相对相位将随着时间而改变。然而，该设备在控制之下，使得例如两种频率的波形能在特定时刻同步，然后能够计算在任何其它时间下的实际相位移。在一个实施例中，以10kHz、20kHz和30kHz的频率差内的位移重复测量。此外，在同步点可引入特定的相位移，从而使波形具有已知的初始相差。对于每种引入的相角程(Phaseangleshift)，得到被分析信号的调制深度，以有效地安排相位调制的间隔。引入的相角可从O至180度例如以5度的步幅增长。该结果为将调制深度与引入的相角联系在一起的一系列的数据点。这些数据点构成了曲线图，该图例如能通过曲线配适和/或和与不存在样品的相角、或者存在一种或多种标准校准样品的相角相关的调制深度的校准数据比较来分析。概括地，可总计使用不同的初始相差和/或不同的频率差的测量结果，从而能改进整体测量精度。上述方法的概要示意性地示于图3的流程图中。整个传感器设备可由微处理器(未示出)控制。尽管图2示出了许多分离的电子电路项目，这些中的至少一些可集成在单个集成电路如场可编程门阵列(FPGA)或特定用途集成电路(ASIC)中。已参照多种具体实施方式和实施例说明了本发明，但应理解的是，本发明不限于这些实施方式和实施例。权利要求1.一种用于血管内测量葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，其中，所述传感器设置用于通过监测荧光团的寿命测量葡萄糖浓度，所述传感器包括指示剂系统，所述指示剂系统包括用于选择性地结合至葡萄糖的受体以及与所述受体关联的荧光团，其中所述荧光团的寿命小于IOOns；光源；光学纤维，所述光学纤维设置用于将光从所述光源导至所述指示剂系统上；检测器，所述检测器设置用于接收从所述指示剂系统发出的荧光；以及信号处理器，所述信号处理器设置用于基于至少所述检测器的输出信号测定与所述荧光团的荧光寿命相关的信息。2.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述检测器为单光子雪崩二极管。3.根据权利要求2所述的传感器，还包括驱动器，所述驱动器设置用于以第一频率调制光源强度；偏压源，所述偏压源设置用于对所述单光子雪崩二极管施加偏压，其中所述偏压以不同于所述第一频率的第二频率调制，并且其中所述偏压高于所述单光子雪崩二极管的击穿电压。4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述信号处理器以由所述第一频率和第二频率之差给定的频率对所述单光子雪崩二极管的输出信号的部分进行操作。5.根据权利要求3或4所述的传感器，其中，控制信号发生器以改变下述至少之一所述第一频率和第二频率之间的频率差；以及用于调制所述光源和调制所述偏压的所述第一频率和第二频率的信号之间的相位差。6.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述指示剂系统包括结合到水凝胶的荧光团-受体结构体。7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述水凝胶为水含量为至少30%w/w的液体水凝胶。8.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述指示剂系统为溶解有所述受体和荧光团的水溶液。9.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述荧光团的寿命为30ns或更短。10.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述荧光团为非金属的荧光团。11.一种用于血管内测量葡萄糖浓度的方法，包括将根据权利要求I或610中任一项限定的传感器的指示剂系统插入静脉或动脉内；使来自光源的入射光经由光学纤维传至所述指示剂系统；利用检测器接收所述指示剂系统响应从所述光源入射到所述指示剂系统上的光而发出的荧光，并且产生输出信号；以及基于至少所述检测器的输出信号测定与荧光团的荧光寿命相关的信息。12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述检测器为单光子雪崩二极管，并且所述方法进一步包括以下步骤以第一频率调制光源强度；以及对所述单光子雪崩二极管施加偏压，其中所述偏压以不同于所述第一频率的第二频率调制，并且其中所述偏压高于所述单光子雪崩二极管的击穿电压。13.根据权利要求12所述的方法，包括基于频率由所述第一频率和第二频率之差给定的所述单光子雪崩二极管的输出信号的部分测定荧光寿命信息。14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包括下述步骤中的至少之一改变所述第一频率和第二频率之间的频率差；以及控制用于调制所述光源和调制所述偏压的所述第一频率和第二频率的信号之间的相位差。全文摘要一种用于血管内测量葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，其中，所述传感器设置用于通过监测荧光团的寿命测量葡萄糖浓度，所述传感器包括指示剂系统，所述指示剂系统包括用于选择性地结合至葡萄糖的受体以及与所述受体关联的荧光团，其中所述荧光团的寿命小于100ns；光源；光学纤维，所述光学纤维设置用于将光从所述光源导到所述指示剂系统上；检测器，所述检测器设置用于接收从所述指示剂系统发出的荧光；以及信号处理器，所述信号处理器设置用于基于至少所述检测器的输出信号测定与所述荧光团的荧光寿命相关的信息。文档编号G01N33/66GK102933144SQ201180018094公开日2013年2月13日申请日期2011年2月15日优先权日2010年2月19日发明者巴里·科林·克兰,约翰·吉尔克里斯特,尼尔·凯恩斯申请人:格莱苏有限公司