ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ УСТРОЙСТВ

Область техники

Настоящее изобретение относится к диагностическому устройству, которое содержит шаблон из изолирующего материала, выполненный в виде бороздки в электропроводном покрытии на устройстве, для облегчения измерений при проведении анализа, а более точно - для контроля заполнения устройства.

Предшествующий уровень техники

Разнообразие диагностических медицинских процедур включает проведение исследований биологических жидкостей, например крови, мочи или слюны, для определения концентрации аналита в жидкости. При этом измеряют различные физические параметры биологических жидкостей - механические, оптические, электрические и т.д.

Среди аналитов наибольший интерес представляет глюкоза, при этом для исследования образцов биологических жидкостей с целью определения концентрации глюкозы в клинических лабораториях, поликлиниках, больницах и на дому используют индикаторные полоски с реагентом в сухой фазе, включающим композиции на основе ферментов. Фактически, индикаторные полоски становятся повседневно необходимыми для людей, страдающих диабетом, количество которых по приблизительной оценке составляет 16 миллионов человек. Поскольку при диабете возникают опасные изменения состава крови, он может способствовать потере зрения, почечной недостаточности и другим серьезным последствиям с медицинской точки зрения. Чтобы свести к минимуму опасность этих последствий, большинство людей, страдающих диабетом, должно периодически самостоятельно проводить исследования для соответствующего регулирования концентрации глюкозы в крови, например, посредством диеты, физических упражнений и/или инъекций инсулина. Некоторым пациентам необходимо проводить исследования по определению концентрации глюкозы в крови не реже четырех или более раз в день.

Один из типов системы для измерения глюкозы относится к электрохимическим способам выявления окисления глюкозы в крови на индикаторной полоске с сухим реагентом. Реагент обычно включает фермент, например оксидазу глюкозы или дегидрогеназу глюкозы, и окислительно-восстановительный медиатор, например ферроцен или ферроцианид. Этот тип измерительной системы описан в патенте США 4224125 и в патенте США 4545382.

В публикации международной заявки WO 9718464 А1 раскрыто электрохимическое устройство для измерения глюкозы в крови, которое содержит два металлизированных слоя полиэтилентерефталата (ПЭТФ), между которыми размещен промежуточный слой ПЭТФ, покрытый связующим веществом. Металлизированные слои образуют первый и второй электроды, а вырез в слое, покрытом связующим веществом, образует электрохимическую ячейку. Ячейка содержит реагент, который вступает в реакцию с глюкозой в образце крови. Устройство выполнено удлиненным, при этом образец вводят во входное отверстие в одной из длинных сторон.

В патенте США 5266179 раскрыта применяемая для измерения глюкозы в крови электрохимическая система, в которой время нанесения образца определяется падением сопротивления между парой электродов, к которым было приложено постоянное напряжение.

В патенте США 5366609 раскрыт тот же самый принцип контроля падения сопротивления между электродами для определения времени, за которое кровь наносят на индикаторную полоску с сухим реагентом глюкозы. В обоих патентах постоянное напряжение подают между рабочим и базовым электродами для отслеживания изменений сопротивления, которые происходят в результате нанесения образца крови на индикаторную полоску с сухим реагентом.

Точное определение концентрации аналита обычно требует достаточного количества образца. В патенте США 5264103 раскрыт биодатчик для электрохимического измерения концентрации аналита, например глюкозы, в биологической жидкости. Изменение сопротивления указывает на то, что обеспечена достаточная подача образца к датчику.

В патенте США 4940945 раскрыто портативное устройство, которое может измерять рН образца крови. Устройство выявляет наличие образца в ячейке посредством подачи постоянного тока между наполнительным электродом снаружи от камеры с образцом и одним из двух электродов внутри камеры. Когда сопротивление уменьшается по величине по меньшей мере на два порядка, измерительный прибор подтверждает, что обеспечен достаточный образец и дает звуковой сигнал. После этого наполнительный электрод выводят из цепи, которая включает два электрода внутри ячейки с образцом, и измерения проводят потенциометрически.

В патенте США 5997817 раскрыта электрохимическая чувствительная полоска, содержащая окно, через которое пользователь может визуально определить, достаточное ли количество образца нанесено на полоску.

Ни в одной из упомянутых выше ссылок не раскрыт механизм для контроля перемещения образца крови в электрохимическую ячейку (и через нее).

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания медицинского диагностического устройства для измерения концентрации аналита в отобранной пробе, которое позволит обеспечить контроль за перемещением образца крови в электрохимическую ячейку и через нее, а также повысить достоверность контроля за счет усиления потока жидкости от подвода к отводу.

Поставленная задача решена путем создания диагностического устройства для измерения концентрации аналита в электропроводной биологической жидкости, содержащего многослойную структуру, имеющую первый и второй слои, между которыми расположен промежуточный слой, характеризующегося тем, что каждый из слоев содержит изоляционный лист, имеющий электропроводную поверхность, смежную с промежуточным слоем, промежуточный слой представляет собой изоляционный слой с вырезом, имеющим первый конец и второй конец, который совместно с первым и вторым слоями образует канал для прохождения потока, обеспечивающий возможность протекания образца от первого конца ко второму концу;

канал для прохождения потока содержит сухой реагент на электропроводной поверхности одного из слоев, предназначенный для вступления в реакцию с образцом для изменения электрического параметра, который взаимосвязан с концентрацией аналита в жидкости, и электрохимическую ячейку, внутри которой измеряют электрический параметр;

электропроводная поверхность одного из слоев содержит первый шаблон из изоляционного материала, выполненный в виде бороздки на электропроводной поверхности для разделения слоя на две зоны, изолированные друг от друга, вследствие чего образец, который протекает через упомянутую структуру, создает электропроводный путь от первого конца ко второму концу.

Для удобства в описании и в пунктах формулы изобретения имеется ссылка на «один из» слоев, однако это не означает, что такая фраза не относится к «обоим» слоям.

Способ подготовки электропроводного шаблона согласно настоящему изобретению включает пропускание полотна из гибкого изолятора с электропроводным покрытием между режущим штампом и наковальней, при этом режущий штамп имеет режущий элемент, который выступает на высоту, большую толщины электропроводного покрытия, для нанесения бороздки по предварительно выбранным участкам электропроводного покрытия.

Согласно изобретению создано медицинское диагностическое устройство, которое может легко обнаружить, когда соответствующий образец электропроводной биологической жидкости введен в устройство, не полагаясь на зрительное восприятие пользователя. Когда устройство измеряет концентрацию глюкозы, пользователем обычно является пациент, страдающий диабетом, а у таких больных часто ослаблено зрение. Согласно другому аспекту создан способ подготовки элемента диагностического устройства. Способ пригоден для высокоскоростного анализа на непрерывной производственной линии.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид диагностического устройства для контроля заполнения согласно изобретению;

фиг.2 - второй вариант выполнения диагностического устройства для контроля заполнения (вид сверху) согласно изобретению;

фиг.3А - положение стопорного соединения при остановке потока жидкости через капиллярный канал согласно изобретению;

фиг.3В и 3С - поток жидкости через канал устройства согласно изобретению;

фиг.4 - разрез по линии IV-IV на фиг.2, устройство согласно изобретению;

фиг.5 - блок-схему цепи обнаружения заполнения согласно изобретению;

фиг.6 - альтернативный вариант осуществления устройства (общий вид) согласно изобретению;

фиг.7 - устройство для осуществления способа согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Настоящее изобретение относится к диагностическому устройству для электрохимического способа измерения концентрации аналита в электропроводной биологической жидкости. Для краткости в приведенном ниже описании акцент сделан на амперометрическое измерение концентрации глюкозы в образцах крови в целом, однако, для специалистов в области медицинской диагностики очевидно, как использовать изобретение для измерения других аналитов, таких как холестерин, кетоновые тела, алкоголь в других жидкостях, таких как слюна, моча, интерстициальные жидкости.

Электрохимический (амперометрический) способ измерения концентрации аналита в жидком образце включает помещение образца в электрохимическую ячейку, которая имеет по меньшей мере два электрода и сопротивление, приемлемое для проведения амперометрического измерения. Обеспечивается возможность вступления аналита в реакцию непосредственно с электродом или с окислительно-восстановительным реагентом для образования окисляемой (или восстанавливаемой) субстанции в количестве, которое соответствует концентрации аналита. Затем электрохимическим способом определяют количество окисляемой (или восстанавливаемой) субстанции.

Чтобы добиться точного измерения субстанции, важно гарантировать наличие в ячейке достаточного количества образца. Например, если количества образца недостаточно, это может привести к уменьшению эффективной площади электрода и получению неправильного результата. Гарантия того, что количество образца будет достаточным, обеспечивается устройством согласно настоящему изобретению.

На фиг.1 показан первый вариант конструкции многослойного устройства 10. Верхний изоляционный лист 12 имеет электропроводную поверхность 14, которую обычно выполняют из металла, наносимого на поверхность изоляционного листа 12 посредством вакуумного осаждения, напыления, способом нанесения электролитического покрытия или любым другим приемлемым способом создания электропроводной поверхности. От продольного края поверхности 14 в виде бороздки нанесена изоляционная линия 16. Нанесенная линия 16 проходит по толщине поверхности 14, чтобы создать зазор в электропроводном пути по ширине устройства.

Промежуточный изоляционный слой 18 расположен между электропроводной поверхностью 14 верхнего изоляционного листа 12 и электропроводной поверхностью 20 нижнего изоляционного листа 22. Промежуточный слой 18 предпочтительно представляет собой термопластичный лист со связующим веществом на обеих поверхностях для приклеивания к листам 12 и 22. Электропроводная поверхность 20 обычно представляет собой металл, нанесенный на лист 22 одним из упомянутых ранее способов. Вырез 30 в промежуточном слое 18 между имеющими электропроводное покрытие листами 12 и 22 служит подводом 32, отводом 34 и между которыми размещена электрохимическая ячейка 36. Зубец 17, являющийся частью линии 16 в виде бороздки, усиливает поток от подвода 32 к отводу 34 посредством механизма, который описан ниже. Внутри канала 30 сухой реагент, состоящий из буфера, медиатора и фермента, осажден на электропроводной поверхности 20 и/или 14. Электрохимическая ячейка 36 представляет собой зону, внутри которой измеряют электрический параметр сочетания жидкости и реагента. Реагент находится в зоне, соответствующей ячейке 36. Реагент и электрохимическая ячейка 36 могут быть ограничены участком между изоляционной линией 16 и подводом 32. Как вариант, покрытие реагента (или ячейки) может проходить по всему вырезанному участку между краями устройства.

На фиг.2 представлен вид сверху еще одного варианта осуществления устройства. Устройство 10' (фиг.2) содержит дополнительно вторую нанесенную в виде бороздки линию 16А, проходящую от другого продольного края электропроводной поверхности 14. При этом устройство симметрично, так что образец может быть помещен с любого края, то есть нет различия между подводом и отводом. Нанесенные в виде бороздок линии 16 и 16А делят электропроводную поверхность 14 на три зоны - 14А, 14В и 14С, каждая из которых изолирована от двух других. Линии, нанесенные в виде бороздок 16 и 16А, имеют зубцы 40 и 40А, которые образуют углы, вершины которых обращены к краям устройства. Зубцы выполнены для того, чтобы усилить поток жидкости через канал 30 в обоих направлениях.

Когда жидкость протекает через капиллярный канал, например канал 30, разрыв поперечного сечения канала может образовать «стопорное соединение», которое может останавливать поток жидкости. Бороздчатые линии 16 и 16А формируют разрывы поперечного сечения. Стопорное соединение является следствием натяжения поверхности, которое создает противодавление, останавливающее мениск жидкости для препятствования ее переходу через разрыв. При ослаблении стопорного соединения происходит усиление потока, когда передний край мениска сталкивается с вершиной острого угла и затем растягивается вдоль лучей угла. Это может быть представлено как «заострение» угла в направлении, противоположном направлению потока текучей среды (фиг.3А, 3В и 3С).

На фиг.3А представлено действие стопорного соединения, когда зубец отсутствует. Жидкость (протекает слева направо) останавливается у бороздчатой линии 16. Зубец 17 служит для ослабления стопорного соединения и облегчает течение жидкости через зону, где расположена бороздка. Хотя зубец 17 будет ослаблять стопорное соединение и облегчит протекание потока жидкости в обоих направлениях через капиллярный канал 30, результат не будет одним и тем же для обоих направлений.

На фиг.3В и 3С жидкость представлена до того и непосредственно после того, как мениск прорывается через стопорное соединение, имеющее зубцы, вершины которых обращены в противоположных направлениях. Следует заметить, что прорыв вначале происходит у вершины, которая направлена противоположно направлению потока жидкости. Эффективность зубца для усиления потока через стопорное соединение в капиллярном канале зависит от величины угла и длины лучей, которые формируют угол. Чем меньше угол, тем выше эффективность зубца. Следовательно, если угол мал, а лучи длинные, всего лишь незначительный перепад давления в бороздчатой зоне приведет к протеканию через нее образца.

Бороздчатые линии 16 и 16А (фиг.4) прерывают электропроводную поверхность 14 и проходят в изоляционный лист 12. Электропроводную поверхность 14 обычно выполняют из золота, а электропроводную поверхность 20 из палладия, но каждая из них может быть выполнена из другого электропроводного материала, который не вступает в реакцию с реагентом или с образцом и который может быть нанесен на изоляционную поверхность. Приемлемые материалы включают олово, платину, иридий, нержавеющую сталь и углерод. Толщина покрытия должна быть достаточной для обеспечения соответствующей удельной электропроводности, обычно составляющей 10 Ом/квадрат или менее. Толщина покрытий из золота обычно составляет порядка 10-20 нм, а из палладия порядка 20-40 нм. Электропроводные покрытия предпочтительно имеют гидрофильное защитное покрытие для усиления заполнения, когда канал 30 представляет собой капиллярный канал. Защитное покрытие должно сцепляться с электропроводным покрытием, но не должно вступать в реакцию с образцом жидкости. Изоляционные листы 12 и 22 представляют собой любые приемлемые термопластичные листы, например, из полиэфира, полиэтилена, полипропилена, поликарбоната, полиимида и т.д. Приемлемым и недорогим является полиэфир, толщина которого составляет около 0,2 мм.

Устройство 10' (фиг.4 и 5) для обнаружения заполнения имеет четыре отдельных электрода 14А, 14В, 14С и 20. Поэтому электрохимический измерительный прибор в принципе может измерять выход по току или напряжению на шести разных парах электродов 14А, 20; 14В, 20; 14С, 20; 14А, 14В; 14В, 14С и 14А, 14С. В предпочтительном варианте осуществления измерительный прибор периодически (например, каждые 0,1 секунды) измеряет напряжение (при постоянном токе) на электродах 14А, 20 и 14С, 20. При этом измерительный прибор обнаруживает захождение образца жидкости и определяет, с какой стороны канала 30 входит образец. Например, если электропроводный образец входит с левого края (фиг.4 и 5), напряжение на электродах 14А, 20 падает. После этого падение напряжения на любых из электродов 14А, 14С; 14В, 14С или 14С, 20 сигнализирует о том, что объем канала 30 заполнен между линиями 16 и 16А. Когда время заполнения при нормальных условиях известно, то ошибочный захват образца обеспечивает возможность бракования полоски, если время заполнения превышает заданный максимум. Аналогично, если образец входит с правого края, напряжение на электродах 14С, 20 падает, а падение напряжения на электродах 14А, 14С; 14А, 14В или 14А, 20 сигнализирует о том, что канал 30 заполнен по меньшей мере позади зубца на наибольшем расстоянии от входа образца.

Вместо контроля электродов 14А, 20 и 14С, 20 для обнаружения вхождения образца или в дополнение к такому контролю можно контролировать электроды 14А, 14В и 14В, 14С для обнаружения частичного заполнения канала 30. Время, за которое происходит заполнение ячейки, определяют так, как описано выше.

Еще одним вариантом контроля частичного заполнения является измерение напряжения на электродах 14В, 20. Этот вариант требует меньшего количества устройств управления переключением и образцом. Если не требуется быстрого переключения, можно получить экономию средств. О времени, при котором происходит заполнение ячейки, сигнализирует падение напряжения на электродах 14А, 14С. Вообще говоря, изменения тока или напряжения на одной или более парах электродов могут быть использованы для продвижения образца жидкости в ячейку и через нее. Безусловно, если используют только одну бороздку (фиг.1), в этом случае будет только три отдельных электрода и количество вариантов контроля соответственно уменьшается. Напротив, если вместо поверхности 14 или в дополнение к ней бороздка выполнена на поверхности 20, то течение образца можно контролировать посредством использования других или дополнительных пар электродов, находящихся под напряжением.

На фиг.5 представлена блок-схема цепи для обнаружения заполнения. Вначале к одному из сочетаний пар электродов подводят постоянный ток от источника 101, используя переключатели 105 и 106. Когда на индикаторной полоске нет образца жидкости, сопротивление между всеми шестью парами электродов весьма велико и ток, проходящий по полоске, незначителен. В этих условиях выходное напряжение V буфера напряжения 102 велико. Когда образец перемыкает зазор контролируемой пары, сопротивление и напряжение значительно падают. После этого напряжение подводят к микроконтроллеру 104 посредством аналого-цифрового преобразователя 103.

Микроконтроллер 104, воспринимающий это понизившееся напряжение как обнаружение образца, переключает переключатели 105 и 106, чтобы произвести измерения на одной из других пар электродов для подтверждения того, что ячейка заполнена.

На фиг.6 представлен общий вид второго варианта осуществления устройства согласно изобретению (с разнесенными элементами), при этом образец наносят с торца, а не с боковой стороны устройства. Верхний слой 112 имеет с нижней стороны покрытие 114 из проводящего материала, например, из золота. Покрытие имеет изоляционную линию 116, выполненную на поверхности в виде бороздки, при этом зубец 140 линии 116 облегчает протекание образца в канал 130 изоляционного слоя 118. Нижний слой 122 имеет покрытие 120 из палладия или из другого проводящего материала. Электрический контакт с покрытием 120 осуществляют через пропускное отверстие 142 в верхнем слое 112 и через зазор 144 в изоляционном слое 118. Электрический контакт с покрытием 114 осуществляют через отверстие 146 в нижнем слое 122 и через зазор 144 в изоляционном слое 118. Электрохимическая ячейка 136 образована посредством канала 130, а также верхним и нижним слоями с металлическим покрытием. Следует заметить, что после того как устройство собрано, выполняется сквозное отверстие 148 через все три слоя, чтобы сформировать выходное отверстие в верхнем слое 112 для заполнения канала 130, а также создать стопорное соединение для дальнего конца канала (где в изоляционном слое 118 вырезано отверстие 148). В то же время ближний (открытый) конец канала вырезан совместно со смежными концами слоев 112 и 122. Два выреза, одновременно выполняемых в собранных слоях, обеспечивают точную и воспроизводимую длину канала, которая обеспечивает возможность выполнения точных и воспроизводимых результатов измерений.

В устройстве описанного выше типа можно использовать систему с оксидазой глюкозы (ОГ)/феррицианидом для определения концентрации глюкозы при проведении последующих реакций, при этом ОГ* представляет собой восстановленный фермент.

Реакция 1

глюкоза + ОГ → глюконовая кислота + ОГ*

Реакция 2

ОГ* + 2феррицианид → ОГ + 2ферроцианид

Феррицианид ([Fe(CN)₆]^3-) представляет собой медиатор, который возвращает ОГ* в кристаллическое состояние. ОГ, которая является катализатором фермента, будет продолжать окислять глюкозу, пока имеется избыток медиатора. Ферроцианид ([Fe(CN)₆]^4-) представляет собой продукт реакции в целом. В идеале вначале ферроцианид отсутствует, хотя на практике он часто имеется в небольшом количестве. После завершения реакции концентрация ферроцианида (измеренная электрохимическим способом) указывает начальную концентрацию глюкозы. Полная реакция, то есть реакция 3, представляет собой сумму реакций 1 и 2.

Реакция 3

«Глюкоза» конкретно относится к β-D-глюкозе.

Вторым аспектом настоящего изобретения является способ создания электропроводной структуры на гибком изоляторе с электропроводным покрытием, например на листе 12 фиг.2. Устройство для подготовки структуры, например такой, которая обозначена позициями 16 и 16А на электропроводном покрытии 14, изображено на фиг.7.

Полотно 42 (фиг.7), содержащее электропроводное покрытие 44 на гибком изоляторе 46, пропускают между наковальней 48 и режущим штампом 50, чтобы выполнить бороздки в выбранных зонах покрытия 44. Режущие зоны штампа 50 выступают на высоту h, которая больше толщины покрытия 44, так что зоны разреза являются в покрытии изоляционными зонами. Однако режущие зоны не должны выступать настолько, чтобы была ослаблена механическая прочность изолятора 46. Предпочтительно, чтобы высота h ножей составляла от одной тысячной до десяти тысячных толщины покрытия 44 в зависимости от единообразия и точности инструмента для резания. Предпочтительно, чтобы, как показано, наковальня 48 и режущий штамп 50 представляли собой ролики, между которыми пропускают полотно.