专利名称：泪膜渗透压测定法的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及测定流体的渗透压，尤其是涉及测定泪膜的渗透压。
背景技术：
眼泪在维持眼表面的完整性、避免微生物的攻击和保持视觉灵敏度方面起到实质性的作用。而这些作用又严重依赖于泪膜结构的组成和稳定性，其中泪膜结构包括下面的黏液素基础、中间的含水成分以及上面覆盖的脂质层。泪膜的破裂、不足或缺乏都能够严重影响眼睛。如果这些紊乱用人工眼泪代用品或泪膜保守治疗方法都不能治愈，那么可导致角膜上皮细胞顽固的干燥、角膜的溃疡和穿孔、传染病的侵入增大，并且最终导致严重的视觉损伤和失明。
干性角膜结膜炎(KSC)或“干眼病”是上述一种或多种泪膜结构成分的存在量不足或者与其它成分失去平衡时的一种状况。已知，KCS病人的眼泪流体张力或渗透压增大。KCS与影响身体全面健康的状况(例如斯耶格伦综合症、衰老和雄激素缺乏)有关。因此，泪膜的渗透压是诊断KCS及其它疾病状况的灵敏特异的指征。
利用被称作“冰点下降”的体外技术能够测定样品流体(例如眼泪)的渗透压，其中溶剂(即水)中的溶质或离子导致流体的冰点下降(从没有离子的状态下降)。在冰点下降的分析中，通过检测一定量样品(一般在约几毫升的数量级上)在容器(例如试管)中最先开始冻结的温度，可找出离子化样品流体的冰点。为了测定冰点，将一定体积的样品流体收集在容器(例如试管)中。其次，将温度探头浸渍到样品流体中，并且使容器开始与冷冻池或帕贴耳(Peltier)冷却装置接触。持续搅拌样品以获得其冰点之下的超冷却液态。机械诱导之后，样品固化，其冰点由于融化的热力学热量而上升。样品冰点与0℃的偏差和样品流体中的溶质含量成正比。这种测定设备有时称作渗透压力计。
目前，通过利用微量移液管或毛细管从眼中取出眼泪样品并测定由于渗透压升高而导致的冰点下降，而在体外实施冰点下降测定法。然而，这些体外测定法经常受到许多困难的干扰。例如，为了实施眼泪样品冰点下降的分析，必须收集相当大量的泪膜样品，一般为20微升(μL)的数量级。由于从KSC病人一次只能获得不超过约10-100纳升(nL)的眼泪样品，因此为常规体外技术收集足量的流体需要医生诱导病人反射性流泪。通过对眼表面进行尖锐或长时间刺激来引发反射性流泪，这与大片污物寄存在眼睛中的情况类似。反射性眼泪更多是稀释的，即与正常出现在眼中的眼泪相比具有更少的溶质离子。对泪膜的任何稀释都可导致渗透压实验对干眼病诊断的失败，因此目前禁止体外方法在临床上应用。
类似的体外技术是蒸汽压渗透压测定法，这种方法需要将一小片圆形滤纸寄存在病人的眼皮下面，直到吸收足够的流体为止。然后将滤纸片放入一个密封室内，用冷却的温度传感器测定蒸汽在滤纸表面上的浓缩。最后将温度传感器提高到样品的露点。然后将与水成正比的露点下降值转换成渗透压。由于现存的蒸汽压渗透压力计需要诱导反射性流泪以及大量的眼泪样品，因此目前将其用于测定干眼病还不实际。
在实验室中已经广泛地采用Clifton Nanoliter Osmometer(从Clifton Technical Physics of Hartford，New York，USA获得)来定量KCS病人的溶质浓度，但是这种机器需要经过大量的训练才能操作。为了产生可接受的数据，这种机器需要长时间校正和训练有素的技术人员。而且Clifton Nanoliter Osmometer还具有体积大和相当昂贵的特点。这些特征都严重阻碍其用作临床渗透压力计。
与测定从眼表面取出的眼泪渗透压的体外技术相反，一种试图直接测定眼表面上的渗透压的体内技术采用一对直接放在病人眼皮下面的柔性电极对。然后将这对电极插入LCR计以测定电极周围的流体的电导率。虽然长期以来都知道电导率与离子浓度直接相关，但是由于将传感器放在眼皮下面达半分钟之久，因此溶液的渗透压可能诱发反射性流泪。而且，这些电极难以生产，并且与用毛细管简单地收集眼泪相比，对病人健康所造成的危险性更大。
从以上论述中明显看出，目前的渗透压测定技术都不能用于临床，并且对于干眼病人不能获得必需的样品量。因此，需要改进的、临床上切实可行的纳升级渗透压测定法。本发明满足了这个需求。
发明内容
通过将等分体积的样品流体沉积在具有基底和基底样品区的微芯片级，而实现样品流体例如泪膜的渗透压测定，其中所述体积的样品流体可操作地覆盖足够部分的样品区，以至于从样品区检测到赋予样品流体的能量，从而产生表示样品流体渗透压的输出信号。于是，由所检测的体积样品的能量可获得样品流体的渗透压测定值。甚至从干眼病人都能够快速容易地获得等分大小的样品体积。等分体积可包括例如不超过20微升(μL)的体积，但也可如1nL那么小。渗透压传感器系统能够接收微芯片和样品体积，并检测来自样品的能量，以显示准确的渗透压测定值。以这种方式，能够获得可靠的渗透压测定值，而对病人造成的不便和不舒适最小，也无需大量技术人员来获得测定值，并且重复程度和准确度都较高。
可将样品流体容易地沉积在基底的样品区。将能量传递给样品，以便检测样品流体的能量特性，从而提供准确的样品渗透压测定值。所传递的能量可包括电能。例如，将基底电极隔开，以便等分大小的样品体积能够桥接至少两个电极。通过电极的电能可用来测定导电率并由此提供渗透压测定值。所传递的能量可包括光能。例如，用发光离子敏感的化学物质涂布纳米大小的球。当将这些球暴露到泪膜样品中并用光能例如激光激发时，这些球将发光，从而所发的光与样品的渗透压相关。所传递的能量可包括热能。持续冷却样品导致样品由于冻结而导电率下降，从而使得所测得的冰点与样品的渗透压相关。
一种用于测定样品流体渗透压的渗透压传感器系统包括样品流体接收装置和数据传输平台。样品流体接收装置诸如利用半导体制造技术来生产。微处理器制造技术使得接收装置象一组印制在微芯片级的电极那样简单，或者象能够在样品流体接收部件上测定动力学的逻辑使能微处理器那样复杂。微制造技术还能够直接在样品流体接收装置上进行温度探测和温度控制。数据传输平台从样品流体接收装置接收输出信号，并通过LCD或等效显示机构向用户解释和显示作为样品流体渗透压的这个信息。
从下面对优选实施例的描述中应该明显看出本发明的其它特征和优点，该描述以举例的方式阐述了本发明的原理。
图1示出了用于测定样品流体渗透压的等分大小的样品接收芯片。
图2示出了样品接收芯片的一个替换型实施例，其包括具有用光刻技术印制的电极阵列的电路区域。
图3示出了图1芯片的另一替换型实施例，其中电路区域包括布置成多个同心圆形式的印制电极。
图4是图2所示芯片的顶视图。
图5是图3所示芯片的顶视图。
图6是按照本发明构建的渗透压测定系统的方框图。
图7是按照本发明构建的泪膜渗透压测定系统的透视图。
图8是表示出外封装上的开口的样品收集芯片的侧剖面图。
图9是表示样品流体的钠浓度与电导率关系的校正曲线。
图10示出了采用图1-5所述样品接收芯片的渗透压力计的铰链式底座单元。
图11示出了样品接收芯片和处理单元的探针板构造。
图12示出了按照本发明构建的光学渗透压测定系统。
图13是描述按照本发明的示范性渗透压测定技术的流程图。
具体实施例方式
以下描述用于测定等分体积的样品流体(例如泪膜、汗液、血液和其它流体)渗透压的示范性实施例。这些示范性实施例的构建相当快速、非侵入式的、廉价且容易使用，而且对病人造成的损害危险最小。用象纳升体积那么小的样品流体就能够获得准确的测定值。例如，按照本发明构建的测定装置能够用不超过20μL的样品流体实现渗透压的测定，并且一般能够成功地测定小得多的样品体积。在下面进一步描述的一个实施例中，渗透压测定的准确度不受所收集的样品流体体积差异的影响，因此渗透压的测定基本上与所收集的样品体积无关。样品流体可包括泪膜、汗液、血液或其它流体。然而，应该注意，样品流体还可包括其它流体例如奶液或其它饮料。
图1示出了能够用来测定样品流体102(例如泪膜样品)渗透压的渗透压芯片100的一个示范性实施例。在图1的实施例中，芯片100包括具有样品区的基底104，样品区具有印制在基底上的传感器电极108，109和电路连接件110。电极和电路连接件优选地利用公知的光刻技术来印制。例如，目前的技术能够使电极108，109具有约一(1)至八十(80)微米的直径，并且间隔得足够宽，从而在样品流体缺乏时不存在导电路径。然而，目前有用的技术能够提供小于1微米直径的电极，并且这些对于按照本发明构建的电极是足够的。测定所需的样品量不超过从一个电极延伸到另一个电极所需的量，由此提供可操作的导电路径。芯片100的光刻标度使得能够在微-或纳-标度水平上对等分大小的样品进行测定。例如，用小于20μL的泪膜样品体积就能够获得可靠的渗透压测定值。典型的样品体积小于一百纳升(100nL)。可预期，即使从患干眼病的病人也能够非常容易地收集10nL的泪膜样品。
芯片100的构建能够将能量传递给样品流体102并且能够检测样品流体的能量特性。关于这一点，可通过连接件110横穿电极108，109施加电流源。通过探测样品流体102的能量传递特性可测定样品流体的渗透压。能量传递特性可包括例如电导率，从而测定样品流体的阻抗，如果给定通过连接件110和电极108，109传递到样品中的电力(例如电流)的具体量。
如果要测定样品流体的电导率，那么就施加约10kHz、10伏数量级的正弦信号。测定从一个电极108通过样品流体102到达另一个电极109的电路路径复合阻抗的实部和虚部。在感兴趣的频率，有可能大部分电信号都在复合面的实部那一半，从而归为样品流体的电导率。该电信号(此后称作电导率)与样品流体102的离子浓度直接相关，且能够确定渗透压。而且，如果样品流体102的离子浓度改变，流体的电导率和渗透压将以相应的方式改变。因此，可靠地获得渗透压。此外，由于阻抗值不依赖于样品流体102的体积，因此渗透压的测定基本上与样品体积无关。
作为上述输入信号的替换形式，将更复杂的信号施加到其响应有助于更彻底地估算渗透压的样品流体中。例如，通过在一个频率范围内测定阻抗可完成校正。这些阻抗既可同时测定(经合成波形输入及傅里叶分解)也可依次测定。频率-阻抗数据将提供有关样品的信息以及样品流体测定电路的相对性能。
图2示出了测定样品流体202渗透压的样品接收芯片200的一个替换型实施例，其中芯片包括具有样品区206的基底层204，样品区206包含包括电极阵列208的印制电路。在图2所示出的实施例中，样品区206具有用光刻技术印制的5×5电极阵列，每个电极208具有通向基底204一侧的连接件210。为了图示简单，并不是所有图2中的电极208都示出有连接件。这些电极将测定值提供给单独的处理单元(将在下面进一步描述)。
图2的电极阵列通过检测导电电极208的延伸范围(extent)并由此确定液滴的延伸范围，而提供了一种测定泪滴202的大小的方式。具体地说，处理回路能够确定正在导电的电极数目，并因此确定泪滴202所覆盖的相邻电极的数目。由此确定样品流体所覆盖的基底的平面面积。利用样品流体的已知额定表面张力，能够可靠地估算平面面积上样品流体量的高度，并因此确定泪滴202的体积。
图3示出了其上沉积有样品流体302的样品接收芯片300的另一个替换型实施例。芯片包括基底层304，其中样品区域306配有以多个同心圆形式构建的电极308。以与图2的方形阵列类似的方式，图3的电极308的环形分布也提供了对样品流体302体积大小的评估，因为液滴一般覆盖样品区302的圆形或椭圆形区域。处理回路能够检测正在导电的最大(最外面的)电极圆，并由此确定流体样品覆盖的平面面积。与前述一样，所确定的平面面积结合样品流体302的公知的表面张力和相应体积高度，提供了一个体积估算值。在图3所示的实施例中，电极308能够利用公知的光刻技术来印制，这些技术目前使电极具有一(1)至八十(80)微米的直径。这使得亚微升的液滴基本上覆盖电极。这些电极能够印制在其尺寸适合接收样品流体的区域上，流体一般覆盖1mm2-1cm2的区域。
图1、图2和图3所示的电极和连接件都能够利用光刻技术作为具有接触焊盘的电极印制在各自的基底层上。例如，电极可用不同的导电金属例如铝、铂、钛、钛-钨和其它类似材料形成。在一个实施例中，电极可形成有介电圈(rim)，以保护电极边缘的场密度。这又能够减小电极圈处的不稳定电场。
芯片200和300的示范性实施例的顶视图分别在图4和图5中示出。这些实施例表示出电极和连接件的详细布局，并且表示出为了测定样品液滴的电特性，每个电极是如何电连接的。如上所述，电极和连接件的布局可利用公知的光刻技术印制在基底100、200、300上。
图6是按照本发明一个实施例构建的渗透压测定系统600的方框图，其表示出信息是如何被确定并用在确定样品流体渗透压的处理过程中的。渗透压测定系统600包括测定装置604和处理装置606。测定装置从收集装置608接收一定体积的样品流体。收集装置可包括例如微量移液管或毛细管。收集装置608诸如通过利用来自固定体积的微量移液管的负压或来自毛细管的电荷吸引从病人眼表面附近抽取少量眼泪，来收集病人的样品泪膜。
测定装置604可包括将能量传递给样品区中的流体并检测所赋予的能量的系统。例如，测定装置604可包括这样的回路其将特定波形(例如来自函数发生器)的电能提供给包括由样品流体桥接的两个电极的电路。处理装置606检测赋予样品流体的能量并确定渗透压。处理装置可包括例如包含RLC万用表和处理器的系统，所述万用表产生与在两个电极之间形成导电路径的流体电抗相关的数据，所述处理器通过表格查阅方案确定渗透压。如果需要的话，处理装置能够容纳在接收上述一个芯片的底座单元内。
如上所述，足以提供渗透压测定的样品可含有少于20微升(μL)的流体。按照本发明的典型泪膜样品用流体收集器例如毛细管来收集，该样品经�：猩儆�1微升的泪膜。医务人员对微量移液管和毛细管的使用很熟悉，能够容易地收集此处所述的小样品量，甚至在干眼患者的情形中也如此。
将所收集的样品流体从收集装置608中驱逐到测定装置604中。收集装置通过医务人员人工操作或通过机械引导到样品区之上，可位于芯片基底样品区上面。在一个实施例中，例如，将收集装置(例如毛细管)机械引导到在底座单元上具有注模塑料孔的位置，或者匹配到一组具有精确螺杆的夹具(例如具有用于微芯片界面的针头的微型操纵器)上。在另一个实施例中，引导器是容纳毛细管并将其自动降到合适位置的计算机导向反馈控制回路。
芯片的电极和连接件测定样品流体的能量特性例如电导率，并且能够使所测得的特性被处理装置606接收。样品流体的测定能量特性包括电导率并且还包括其它参数，例如样品复合阻抗的两部分、输出信号中的噪声变化、以及由于样品流体的耐热而造成的测定漂移。所测得的能量特性在处理装置606中进行处理，以提供样品的渗透压。在一个实施例中，处理装置606包括能够接受芯片并提供芯片与处理装置606之间的电连接的底座单元。在另一个实施例中，底座单元可包括用于显示渗透压值的显示单元。应该注意，处理装置606以及尤其是底座单元可以是手持式单元。
图7是按照本发明构建的泪膜渗透压测定系统700的透视图。在图7所示的实施例中，示范性系统700包括含有芯片(例如上述的一个芯片)的测定单元701和提供合适测定输出信号的连接器或插座底710。系统700通过测定样品流体的电导率来确定渗透压。因此，测定芯片701包括具有基底的半导体集成电路(IC)芯片，所述基底与以上结合图1-图5描述的芯片基底类似的结构。因此，芯片701包括具有由印制在其上的至少两个电极限定出的样品区的基底层(这些细节在图7中比例小得不可见，参见图1-图5)。基底和样品区以本领域技术人员公知的方式封装在惰性封装内。具体地说，芯片701用常规的半导体制造技术制造在IC封装707内，IC封装707包括使电信号被芯片701接收以及使输出值被输送到芯片外面的电连接腿708。封装707提供使芯片的操纵更便利以及有助于减少样品流体蒸发的外套。
图8表示出测定芯片701配有供样品流体702插入的外部开孔720。于是，孔720可形成在半导体封装707中，以提供通过芯片外部到达基底804和样品区806的路径。收集装置(例如微量移液管或毛细管)808位于孔720内，从而样品流体702从收集装置被直接驱逐到基底804的样品区806上。孔720的大小适合接收收集装置的尖端。孔720形成从芯片外部通到基底804的样品区806上的开口或漏斗。以这种方式，将样品流体702从收集装置808中驱逐并直接沉积在基底804的样品区806上。样品区的大小适合接收来自收集装置的样品流体量。在图8中，例如，电极形成一般面积在约1mm2-1cm2范围内的样品区806。
翻回到图7，芯片701可包括处理回路704，此回路包括诸如产生被施加到芯片样品区电极上的所需波形信号的函数发生器和测定从芯片电极读取的方均根(RMS)电压值的电压测定装置。函数发生器能够产生高频交流电流(AC)，以避免不需要的直流电流(DC)对测定过程的影响。电压测定装置能够合并RLC测定装置的功能性。因此，芯片701能够将测定回路和样品区电极合并。处理回路可包括中心处理单元(CPU)以及能够存储编程指令(例如固件)并且还能够存储数据的相关存储器。以这种方式，单个芯片可包括电极和用于样品区的相关连接件，并且在芯片的一个单独区域上，还可包括测定回路。该构造将使电路结构的相关杂散电阻最小。
正如以上所注意的，处理回路704将信号波形施加到样品区电极上。处理回路还从电极接收能量特性信号并确定样品流体的渗透压值。例如，处理单元从一组电极对接收电导率值。本领域的技术人员对用于确定在两个或更多电极之间形成传导路径的样品流体传导率的技术和回路是熟悉的。
在图7的实施例中，处理单元704产生频率例如100kHz和峰-峰为10伏的信号波形。处理单元704然后利用校正曲线(例如图9所示的曲线)由与电导率相关的钠含量来确定渗透压值。在这种情形中，校正曲线是作为电导率(电压)与渗透压值(即钠含量)之间的传递函数来构建的。然而，应该注意，也可构建其它校正曲线，以提供其它能量特性与渗透压值之间的传递函数。例如，信号的偏差、自相关和漂移可包括在渗透压的计算中。如果需要的话，还可根据多变量相关系数表或神经网络解释建立渗透压值，以便用一任意大组所测变量来优化渗透压值。
在图7实施例的一个替换形式中，处理单元704产生预定扫频的信号波形例如以1kHz的增量从1kHz至100kHz，并储存在每个频率下从该组电极对接收的传导率和方差值。然后利用输出信号-频率曲线提供有关样品的更高级信息，该信息能够与前述的传递函数一起使用以产生理想的渗透压读数。
如图7所示，插座连接器710将芯片701管脚708接收到相应的插座711内。连接器710例如能够将所需电力供给芯片的处理回路704和电极。这样，芯片701可包括确定渗透压所必需的样品区电极和信号发生器以及处理回路，并且包括渗透压值的输出信号可经管脚708通过连接器710从芯片传输到显示读出器。
如果需要的话，连接器插座710可包括位于接收芯片701的管脚708的插座下面的帕贴耳(Peltier)层712。本领域的技术人员将理解，帕贴耳(Peltier)层包括电/陶瓷结，以便适当施加的电流能够冷却或加热帕贴耳层。以这种方式，能够加热或冷却样品芯片701，由此进一步控制样品流体的蒸发。应该明显看出，应该细心控制样品流体的蒸发，以保证从样品流体获得准确的渗透压值。
图10示出渗透压力计的另一个实施例，其中芯片不包括诸如以上所述的芯片级处理单元，但是包括主要含有样品区电极和互连件的限制回路。也就是说，处理单元与芯片分开定位并且配备在底座单元内。
图10详细示出渗透压力计1000，其包括容纳底座连接器710的底座单元1004和封闭在底座连接器710和被接收的测定芯片701之上的铰链式盖子1006。因此，在样品流体分配到芯片级之后，将芯片插入底座单元1004的底座连接器710内，而铰链式盖子1006封闭在芯片之上以减小样品流体的蒸发速率。
应该注意，样品流体相当快速蒸发的问题能够用两种方式之一来处理。一种方式是，在将液滴放到芯片的样品区之后尽可能快速地测定样品流体的电压。另一种方式是，使测定单元能够随同电导率值的相应变化一起测定蒸发速率。处理单元然后可对输出信号进行后处理，以评估渗透压值。该处理可用硬件或存储在硬件中的软件来执行。这样，处理单元能够合并不同的处理技术诸如利用神经网络收集和研究接受渗透压测定的流体样品特征，以及温度差异、体积变化和其它参数，以便按照神经网络技术训练系统，从而实施更快速和更准确的渗透压测定。
图11示出另一替换型构造，其中渗透压系统采用不包括IC封装(例如图7所示)的样品接收芯片1102。反之，图11的测定芯片1102被构造成具有暴露样品区的芯片，所述样品区包括电极和相关连接件，但是处理回路位于底座单元内，用于测定样品流体的能量特性。在这种替换型构造中，与连接器插座710类似的连接器使所测得的能量特性传输到底座单元内的处理单元中。本领域的技术人员将理解，这样的构造通称为探针板结构。
图11示出接收样品芯片探针板1102的探针板底座单元1100，所述探针板1102包括具有样品区1106的基底1104，样品区1106上形成有与探针板的边缘连接器1110引线接合的电极1108。当底座单元的铰链式盖子1112向下封闭到探针板之上时，盖子下侧上的连接齿11 14就开始与边缘连接器1110匹配接触。以这种方式，样品区1106的电极被耦合到处理回路中并发生测定。图11的探针板实施例的处理回路可构建成上述任一种结构。也就是说，将电流施加给电极的处理和检测样品流体能量特性的处理以及确定渗透压的处理可位于芯片级、探针板1102的基底上，或者处理回路在底座单元1100内与芯片分开定位。
在上述所用的替换型实施例中，通过将新的测定芯片放入底座单元内来使用渗透压力计，同时打开铰链式顶部。芯片放入底座单元内后，就通电并开始监测其周围环境。以诸如1kHz的速率记录来自芯片的输出信号将充分捕获系统的行为。将样品放入电极阵列的任何部分都导致由样品流体覆盖的任何电极对之间的传导率中的高信号-噪声增大。处理单元将认可与样品流体的加入直接相关的传导率变化，并且一旦此变化被识别，就开始将电信号转换成渗透压数据。这种策略在没有医务人员介入的情况下就能发生。也就是说，芯片处理在与底座单元耦合后就被启动，而并不依赖于底座单元盖的操作或任何其它使用者的介入。
对于上述任一构造，在封装芯片(图7和图10)或者在探针板(图11)中，无论是具有芯片级处理回路的“智能芯片(smart chip)”(图7)，还是具有芯片外处理回路的纯电极(electrode-only)构造(图10)，样品接收芯片都能够在每次使用之后弃掉，因此底座单元可用作与一次性测定芯片交界的平台。值得注意的是，底座单元还可包括相关的控制、通信和显示电路(未示出)以及软件，或者这些特征在底座单元内与芯片分开配备。关于这一点，处理回路可构建成将足够的电力自动提供给样品区电极，以便在测定循环之后将电极不可逆地氧化，从而这些电极对于后面任何测定循环都表现为无效。用户在将用过的芯片插入底座单元之后，将收到电极无效的指示。这有助于避免样品芯片被无意地多次使用而导致渗透压读数不准确和潜在的不卫生状况。
确保以前用过的芯片不被放回到机器内的第二种方法包括编码序号或者在芯片级直接编码。底座单元将在存储器内储存用过的芯片号码并将其与放在底座连接器内的新芯片前后对照。如果底座单元发现所用芯片的序号与旧芯片一样，则系统就拒绝测定渗透压直到插入新的芯片为止。重要的是，确保每次实验使用新的芯片，因为蒸发结束之后蛋白质就吸附并在电极上形成盐结晶，从而腐蚀测定电极的完整。
在图12所示的进一步实施例中，利用放置在芯片基底1204的测定区1212上的光学指示器1202，可以在光学测定系统1200中测定样品流体的渗透压。光学指示器1202可包括例如纳级小球，也称作纳米珠，其涂有荧光度随暴露给不同渗透压的样品流体(即离子电泳)改变的化学物质。纳米珠1202可沉积在上述用于传导率测定芯片的电极顶部的芯片基底1204上。电极对于确定样品流体的体积是有用的(如上所述)。然而，其它体积测定部件也可用来确定样品流体的体积。优选地，光学芯片带有诸如以上结合图7所述的惰性封装，其包括可插入收集装置尖端的芯片开孔。然后将样品流体从收集装置驱逐出来，并且样品流体开始接触每个电极部位的预定数目的纳米珠，从而这些珠浸渍到样品流体中。
当纳米珠1202用光学能源(例如激光)1210照亮时，珠1202就根据样品流体1206的渗透压发出荧光。利用合适的光学检测器光接收装置1208(例如常规的电荷耦合器件(CCD)阵列、光电二极管等)，可检测荧光。所得到的光接收阵列的输出信号可指示出样品流体的渗透压值。应该注意，纳级珠的尺寸使得等分大小的流体样品1206(即，不超过20微升的流体)一般产生足够的荧光，以提供能够被光接收装置1208所检测并且能够指示出样品流体渗透压的输出信号。通过计算有多少纳米珠被流体激活、通过测定哪一电极对被样品流体激活，能够归一化荧光量。该归一化考虑到样品的体积并使以前实施例的不依赖体积的特性保留下来。
图13是描述按照本发明的示范性渗透压测定技术的流程图。在框1300，收集体液样品例如泪膜。样品一般不超过1微升。在框1302，所收集的样品沉积在芯片基底的样品区上。其次在框1304，测定样品的能量特性。然后在框1306处理所测得的能量特性，以确定样品的渗透压。如果芯片按照电导率测定来操作，那么在框1306的测定处理可包括上述使芯片电极对于任何后序的测定循环都无效的“电极氧化”操作。
在传导率测定系统的测定过程中，在将样品泪膜放到基底的电极阵列上之后，从开放电路的电压到近乎代表收集时刻样品状态的值，可观察到基本上瞬时的漂移。随后，样品电导率的漂移被反映为输出信号的持续变化。
测定芯片的输出值可以是能够转换成渗透压值的随时间变化的电压。这样，在基于传递率的系统中，通过测定大范围输入信号上的频率响应可获得比样品“电导率”多的信息，从而改进了最后阶段的处理。例如，在多个频率上进行校正(诸如，测定10、20、30、40、50、100Hz处的信号比)，以使测定处理相对计算。这使得芯片-芯片电压的漂移较小。基于微量电极测定(即在pH计或微毛细管技术中)的标准方法依赖于已知的缓冲剂，以便建立线性校正曲线。由于光刻是极其可重复的制造技术，因此在与扫频结合时，可实施校正，而无需操作者介入。
如上所述，能量特性的处理可在神经网络构造中执行，其中从能量特性获得的表面上全异的被测数据点可用来提供比来自单个能量特性测定更准确的渗透压。例如，如果仅仅测定样品的电导率，那么校正曲线可用来简单地获得对应于传递率的渗透压值。然而，此渗透压值通常不如神经网络的输出值那样准确。
神经网络可设计成在反映样品流体能量特性与渗透压之间基本上优化的传递函数的校正曲线的集合上进行操作。因此，在一个实施例中，神经网络构建所用感兴趣变量(例如电压、蒸发速率和体积变化)的校正曲线集合。神经网络还可构建或接收将重要因子指派给每个变量以显示变量对于最终结果或渗透压值的重要性的优先表作为输入。神经网络通过对最终结果被称作优先值(priori)的实数例进行训练，来构建校正曲线。因此，将训练神经网络，以便从变量的最佳可能组合预测最终结果。然后，处理有效组合中的变量的这种神经网络构造被装载到寄存在测定芯片710或底座单元中的处理单元内。神经网络一旦被训练，就能够构建在软件或硬件中。
虽然上述用于测定渗透压的实施例提供了比常规渗透压测定技术(冰点下降技术)更多的优点，但是本发明的教导可用来按照冰点下降技术确定样品的渗透压。因此，图6的示范性渗透压测定系统600可用来基于冰点下降技术提供渗透压值。
冰点下降系统涉及到以与图13所示流程图框1300和1302中类似的方式收集和沉积样品流体。然而，正如以上所注意的，渗透压力计系统的渗透压力计可包括冷却装置例如帕贴耳冷却装置。在上述图7的实施例中，帕贴耳冷却装置位于插座710或芯片701(参见图7)上，以冷却样品。如果需要的话，帕贴耳冷却装置可用来将样品流体冷却到样品流体的冰点。光刻的金属结或pn结(称作热电耦)可用来监测等分量的样品。热电耦以与电极阵列及帕贴耳冷却装置平行的方式来操作，其中芯片被冷却到冰点以下，从而样品变成固体。固化之后，样品的电导率将急剧改变。由于热电耦继续测定温度，因此传导率被抑制的那一点与下降的冰点相关。或者是，芯片在样品引入之前用帕贴耳装置立即超冷却，然后通过利用电极固有的耐热性，电流可沿固相材料流过。熔化之后，传导率又急剧改变。在第二种测定技术中，很可能蒸发将几乎不是一个影响因素。因此，本发明允许对比以前尽可能小得多的样品流体体积实施冰点下降。
以上就示范性实施例而言描述了本发明，从而传达了对本发明的理解。此处作为“示范例”描述的任何实施例都不必解释成比其它实施例更优选或优越。而且，有许多本文没有具体描述但可与本发明一起应用的渗透压力计及相关部件构造。本发明因此不应该限定于本文所述的特定实施例，而是应该懂得，本发明关于泪膜渗透压测定法通常具有广泛的应用。因此，所附权利要求书范围内的所有修改、变型或等同布置和执行方案都认为是在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种样品接收芯片，包括接收等分体积样品流体的基底；所述基底的样品区，其大小使得样品流体的量足以可操作地覆盖样品区的一部分，而从样品区中检测样品流体的能量特性，以产生样品流体读数，其中样品流体读数表示出样品流体的渗透压。
2.如权利要求1所述的芯片，其特征在于所述样品区包括多个设置成与样品接触的电极。
3.如权利要求2所述的芯片，其特征在于将所述多个电极布置成行列矩阵。
4.如权利要求2所述的芯片，其特征在于将所述多个电极布置成多个同心圆。
5.如权利要求2所述的芯片，其特征在于还包括多个与所述多个电极耦合的导电连接线，其中所述导电连接线提供用于将能量传递到样品流体以及从样品流体传出的方式。
6.如权利要求5所述的芯片，其特征在于进一步包括处理单元，其构造成适合从所述多个导电连接线接收样品流体的能量特性，其中所述处理单元处理所接收的能量特性并输出样品流体的渗透压。
7.如权利要求6所述的芯片，其特征在于所述处理单元包括神经网络，所述网络被训练成有效组合所接收的样品流体的能量特性。
8.如权利要求1所述的芯片，其特征在于所述基底上样品区的面积小于约1cm2。
9.如权利要求1所述的芯片，其特征在于进一步包括与所述基底相联的温度控制部分。
10.如权利要求9所述的芯片，其特征在于所述温度控制部件包括帕贴耳冷却装置。
11.如权利要求1所述的芯片，其特征在于所述区域包括多个设置成与样品接触的光学指示器。
12.如权利要求11所述的芯片，其特征在于所述多个光学指示器包括多个纳米级珠，所述珠涂有荧光度随不同渗透压改变的化学物质。
13.如权利要求1所述的芯片，其特征在于所述样品流体包括体液。
14.如权利要求13所述的芯片，其特征在于所述体液是泪膜。
15.如权利要求1所述的芯片，其特征在于所述样品流体包括饮料。
16.一种用于测定样品流体渗透压的渗透压测定系统，所述系统包括包括样品接收芯片的测定装置，所述芯片包括具有样品区的基底，所述样品区被构造成与样品流体接触，以测定样品流体的能量特性，其中所述区域的大小基本上被等分量的样品流体所覆盖；以及与所述测定装置耦合的处理装置，所述处理装置被构造成接收和处理所测得的能量特性，并由所处理的能量特性估算样品流体的渗透压。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述处理装置包括被构造成用于封装所述测定装置的底座单元。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述底座单元包括适合基本上减少样品流体从基底蒸发的盖子。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述基底被封装在集成电路(IC)芯片中。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述IC芯片是一次性的，从而所述芯片在用于固定次数的测定之后就弃掉。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述底座单元包括用于接收IC芯片的插座。
22.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述IC芯片包括位于所述基底的所述区域之上的开口，以确保将样品流体引到所述基底上。
23.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述底座单元包括用于显示渗透压值的显示单元。
24.如权利要求16所述的系统，其特征在于进一步包括收集装置，其被构造成用于收集适量的样品流体并将样品流体分配到所述基底的所述区域上。
25.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述基底包括电导率测定电路。
26.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述测定装置包括多个电极。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述电极是用铝材料形成的。
28.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述电极是用铂材料形成的。
29.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述电极是用钛材料形成的。
30.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述电极是用钛-钨材料形成的。
31.如权利要求26所述的系统，其特征在于每个电极都包括用于保护电极边缘的场密度的介电圈。
32.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述测定装置还包括芯片级温度传感器。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于所述芯片级温度传感器包括被构造成与所述多个电极一起工作的pn结或涂金属的热电耦，
34.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述测定装置包括多个暴露于不同渗透压的样品流体中时就发荧光的纳米级小球。
35.如权利要求34所述的系统，其特征在于进一步包括被构造成用光能照射所述纳米级小球的光源。
36.如权利要求35所述的系统，其特征在于进一步包括被构造成用于从所述被照射的纳米级小球接收光能的光学检测器，其中所述光能随着渗透压改变。
37.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述基底包括探针板。
38.如权利要求37所述的系统，其特征在于所述探针板包括多个电极以及与所述电极引线接合的多个边缘连接器。
39如权利要求38所述的系统，其特征在于所述处理装置包括具有铰链式盖的底座单元。
40.如权利要求37所述的系统，其特征在于所述铰链式盖包括一个开口和多个位于所述开口内的连接齿，从而所述连接齿被构造成在所述铰链式盖向下闭合到所述探针板之上时，就与所述探针板的所述边缘连接器匹配接触。
41.一种用于测定样品流体渗透压的光学测定系统，所述系统包括包括适合接收样品流体的基底的样品接收芯片，其中所述基底包括尺寸适合被等分量的样品流体可操作地覆盖的样品区；照射含有样品流体的所述样品区的光能量源；以及光学检测器，所述检测器从所述被照射的样品区接收光能并处理所接收的光能，以确定样品流体的光学特性并估算样品流体的渗透压。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于还包括用于确定样品流体的等分体积的体积测定部件。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于所述体积测定部件包括多个电极。
44.如权利要求41所述的系统，其特征在于还包括位于测定区上的多个纳米级小球，所述纳米级小球涂有荧光度随着暴露于不同渗透压的样品流体中而改变的化学物质。
45.如权利要求41所述的系统，其特征在于所述光源包括激光。
46.如权利要求41所述的系统，其特征在于所述光学检测器包括电荷耦合器件(CCD)。
47.如权利要求41所述的系统，其特征在于所述光学检测器包括光电二极管。
48.一种用于确定样品流体的渗透压值的方法，包括将等分体积的样品流体沉积在基底的样品区上；测定样品流体的能量特性；以及处理所测得的能量特性以提供样品流体的渗透压值。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于测定能量特性的步骤包括测定样品流体的电导率。
50.如权利要求48所述的方法，其特征在于还包括收集适量的样品流体。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于所述适量的样品流体不超过20微升。
52.如权利要求48所述的方法，其特征在于所述测定能量特性的步骤包括在基底区上提供多个电极；以及使样品流体与所述多个电极接触。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于还包括通过所述多个电极将电流施加给样品流体。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于所述施加电流的步骤包括将电流有选择地施加给不同组的电极对，以确定样品流体的物理延伸范围。
55.如权利要求53所述的方法，其特征在于处理步骤包括将足够的电流施加给所述多个电极，以使其相对于后序的测定循环是无效的。
56.如权利要求48所述的方法，其特征在于处理所测得的能量特性的步骤包括构建神经网络，所述网络对由所测能量特性得出的感兴趣的经验确定变量集合进行训练，以便所述神经网络结构能够从感兴趣变量的最有效组合中最佳预测渗透压值。
57.如权利要求48所述的方法，其特征在于所述测定能量特性的步骤不依赖于沉积在基底样品区上的样品流体的体积。
58.如权利要求48所述的方法，其特征在于所述测定能量特性的步骤包括在基底的样品区上提供光学纳米球，所述球涂有根据渗透压来发荧光的材料；用能源照射所述纳米球；以及用光接收装置检测样品流体中的纳米球的荧光度。
59.如权利要求48所述的方法，其特征在于所述测定能量特性的步骤包括使所述基底和样品区具有适当的热能，以便固化样品流体；检测样品流体电导率与由于施加能量而导致的上述冻结相关地发生改变时的温度。
全文摘要
通过将大小等分的样品沉积在样品接收基底上，而实现样品流体例如泪膜的渗透压测定。将样品流体放在基底的样品区上。将能量赋予样品流体并检测流体的能量特性，以产生指示样品流体渗透压的样品流体读数。等分体积可包括例如不超过20微升(μL)的体积。甚至从干眼病患者也能够快速容易地获得等分的样品体积。所赋予的能量可包括电能、光能或热能。在电能的情形中，样品流体的能量特性可包括电导率。在光能的情形中，能量特性可包括荧光。在热能的情形中，所测定的特性是样品流体的冰点。诸如通过采用半导体制造技术将基底封装在芯片中。采用这种芯片的体外渗透压传感器系统能够检测来自样品区的能量并提供准确的渗透压测定值，而无需使用者的介入。
文档编号G01N27/02GK1675532SQ03819011
公开日2005年9月28日 申请日期2003年3月25日 优先权日2002年8月6日
发明者本杰明·D·沙利文 申请人:加利福尼亚大学董事会
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