Аппарат c матрицей электрохимических датчиков

Аппарат c матрицей электрохимических датчиков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к аппарату с матрицей электрохимических датчиков для анализа образца.

ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электрохимические датчики представляют собой аналитические устройства, включающие биологический диагностический элемент и пригодный преобразователь. Указанный преобразователь превращает химическое изменение, вызванное взаимодействием между молекулами и рецептором, в выходной сигнал. Указанный агент-рецептор может быть ферментом, микроорганизмом, тканью или антителом, нуклеиновой кислотой или биолигандом, который может быть синтетическим детектором. Основными областями применения являются процедуры контроля качества в сельском хозяйстве, пищевой и фармацевтической промышленности, биологические средства ведения войны, вызывающие загрязнение окружающей среды, и способы медицинской диагностики. Диагностические применения включают биоиндикаторы, присутствующие в жидкостях человеческого организма, такие как метаболиты, белки или нуклеиновые кислоты, связанные с заболеваниями. Концентрация биоиндикаторов в жидкостях организма используется для определения типа, состояния или прогрессирования заболевания, а также отклика пациента на лечение. На рынке представлено большое разнообразие электрохимических датчиков, таких как биосенсоры уровня сахара крови, холестерина, мочевой кислоты и молочной кислоты. Наиболее распространенными биосенсорами являются биосенсоры сахара крови, используемые диабетическими пациентами.

Электрохимические биосенсоры преимущественно содержат рабочий электрод, модифицированный с помощью биологического идентифицирующего агента, электрод сравнения и противоэлектрод. Типично, электроды размещены на плоской поверхности с инструментом, используемым для подачи жидкого образца/реакционных агентов. Электрохимические датчики содержат комбинированный электрод (рабочий электрод, электрод сравнения или противоэлектрод) для измерений аналита (образца) или ряд (series) электродов для множественных измерений аналита. Типичной методикой измерения является чувствительная к изменениям потока методика измерений, которая осуществляется путем измерения напряжения, генерируемого ферментом в результате биохимической реакции, с помощью электрохимического устройства.

Измерения аналитов с помощью матрицы электрохимических датчиков требует инструментов для подачи жидкости в матрицу датчиков с целью проведения анализа. При этом для подачи жидкости в матрицу датчиков может быть сконструирован аппарат, который способен устанавливать надлежащее соединение с электродами и который может быть легко установлен в устройство и извлечен из него. Для одноразовых датчиков, такой аппарат должен быть недорогим и простым в производстве. Проточная ячейка, используемая в аппарате, должна быть маленькой для уменьшения количества используемого образца, и должна обеспечивать равномерное распределение жидкости по всем электродам. Для увеличения диффузии аналитов вокруг электродов и уменьшения эффектов массопереноса, предпочтительно, расстояние между электродами и верхней стенкой проточной ячейки будет маленьким.

Международный патентный документ WO 2008/154416, являющийся частью известного уровня техники, описывает электрохимические биосенсоры и матрицы. Устройство по изобретению содержит корпус устройства или слой. Указанный корпус содержит нижний слой или подложку, промежуточный слой или связующий слой и верхний слой. Внутри корпуса находится резервуар. Устройство также содержит рабочий электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод. Рабочий электрод и электрод сравнения расположены в резервуаре, в то время как вспомогательный электрод расположен вне резервуара. Крышка резервуара окружает отверстие внутри резервуара. Устройство также содержит химический датчик внутри резервуара. Указанный химический датчик может быть ферментом или представлять собой один или несколько полимерных слоев.

В международном патентном документе WO 2008/127269 указанный аппарат содержит несущий корпус, включающий приемную поверхность и приемный субстрат. Несущий корпус включает плоский выступ (мезаструктуру), расположенный в углублении. Конструкция проточной ячейки имеет силиконовый или аналогичный эластомерный сжимающийся слой вокруг мезаструктуры. Разность между глубиной углубления и высотой мезаструктуры представляет собой высоту внутреннего объема жидкостной ячейки после скрепления пластмассового несущего корпуса и плоского субстрата. Эту высоту тщательно измеряют для получения требуемой высоты жидкостной ячейки, позволяющей оптимизировать соотношение течения жидкости и условий массопереноса для использования в предполагаемом биохимическом анализе. Впускное и выпускное отверстия для жидкости высверливаются в мезаструктуре для подсоединения внешних трубопроводов.

US 2008/0182136 описывает электрохимическую ячейку микрометровых размеров (with a micro scale) и способ включения ячейки. Электрохимическая ячейка для обработки образца жидкости имеет корпус с каналом. Канал имеет вход и выход. Ячейка также включает электрод сравнения, противоэлектрод, сообщающийся по жидкости с каналом, и рабочий электрод, сообщающийся по жидкости с каналом. В варианте реализации указанного документа, изобретение предусматривает корпус, имеющий жидкостный коллектор ячейки. Коллектор имеет первичный канал, по которому пропускается образец жидкости. Указанный канал имеет вход и выход, и сообщается по жидкости с по меньшей мере двумя вторичными каналами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является создание аппарата с матрицей датчиков, в котором взаимодействие между электродами сведено к минимуму.

Другой целью данного изобретения является создание аппарата с матрицей датчиков, в котором все электроды обеспечивают протекание одной и той же электрохимической реакции.

Дополнительной целью данного изобретения является создание аппарата с матрицей датчиков, в котором используется меньшее количество образца, и которые являются простыми в реализации и экономически эффективными.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

"Апарат с матрицей датчиков", предлагаемый с целью достижения цели изобретения, проиллюстрирован на прилагаемых чертежах, на которых:

Фигура 1 представляет собой вид в перспективе аппарата по изобретению в разобранном виде.

Фигура 2 представляет собой горизонтальную проекцию аппарата по изобретению.

Фигура 3 представляет собой вид в перспективе аппарата по изобретению.

Фигура 4 представляет собой вид в разрезе проточного канала аппарата по изобретению.

Фигура 5 представляет собой вид электродов, расположенных в матрице датчиков аппарата по изобретению.

Фигура 6 представляет собой другой вид электродов, расположенных в матрице датчиков аппарата по изобретению.

Все детали, изображенные на чертежах, имеют присвоенные им номера позиций, и соответствующие обозначения этих позиций приведены ниже.

1. Аппарат

2. Верхний слой

3. Впускное отверстие

4. Выпускное отверстие

5. Углубление

6. Нижний слой

7. 7а. Клейкая мембрана

8. Рабочий электрод

9. Электрод сравнения

10. Противоэлектрод

11. Соединительный канал

12. Проводящая линия

13. Пластина

14. Матрица датчиков

15. Проточный канал

Аппарат (1), изображенный на Фигурах 1-5, пригодный для использования с целью анализа по меньшей мере одного образца с помощью матрицы электрохимических датчиков, включает:

по меньшей мере один верхний слой (2);

по меньшей мере одно впускное (3) и по меньшей мере одно выпускное отверстие (4), предусмотренные в верхнем слое;

по меньшей мере один нижний слой (6) с по меньшей мере одним углублением (5) в нем;

по меньшей мере одну двустороннюю клейкую мембрану (7а), совпадающую (по размерам) с углублением (5) на нижнем слое (6);

по меньшей мере одну матрицу датчиков (14), прикрепленную к нижнему слою (6) с помощью указанной клейкой мембраны (7), составленную путем размещения по меньшей мере одного рабочего электрода (8), по меньшей мере одного электрода сравнения (9), по меньшей мере одного противоэлектрода (10), по меньшей мере одного соединительного канала (11), по меньшей мере одной проводящей линии (12), обеспечивающей соединение между рабочим электродом (8) и соединительным каналом (11), на по меньшей мере одной пластине (13);

по меньшей мере одно измерительное устройство (не показано), связанное с соединительным каналом (11);

по меньшей мере одну дополнительную двустороннюю клейкую мембрану (7), расположенную между матрицей датчиков (14) и верхним слоем (2) и позволяющую прикрепить матрицу датчиков (14) к верхнему слою (2), и

по меньшей мере один проточный канал (15), образованный пространством между одной клейкой мембраной (7), матрицей датчиков (14) и верхним слоем (2) и связанный с впускным (3) и выпускным отверстиями (4), расположенными в верхнем слое (2), для подачи образца.

В соответствии с настоящим изобретением, анализируемый образец подается в проточный канал (15) через впускное отверстие (3). Образец, движущийся по проточному каналу (15), контактирует с рабочим электродом (8), электродом сравнения (9) и противоэлектродом (10) в ходе анализа. Ток генерируется на рабочем электроде (8), модифицированном распознающим агентом (таким как белок, нуклеиновая кислота, антитело, фермент или синтетический рецептор), пригодным для анализируемого вещества, в результате реакции взаимодействия между распознающим агентом и образцом, и генерируемый ток передается по соединительному каналу (11) с помощью проводящей линии (12). Соединительный канал (11) не контактирует с образцом и передает ток, возникающий в результате реакции, на измерительное устройство. На основании величины тока, определяемой измерительным устройством, проводится анализ образца. В конце анализа образец доходит до выпускного отверстия (4) и удаляется из аппарата (1).

В варианте реализации изобретения, указанная пластина (13) изготовлена из стекла, диоксида кремния или керамики; электроды (8, 9, 10) изготовлены из золота, титана, платины, хрома или оксида алюминия, а верхний (2) и/или нижний слои (6) изготовлены из пластика.

В другом варианте реализации изобретения, на пластине (13) расположены три рабочих электрода (8), а в дополнительном варианте реализации на ней расположены восемь рабочих электродов (8).

В предпочтительном варианте реализации изобретения, несколько рабочих электродов (8) расположены на некотором расстоянии, чтобы не взаимодействовать друг с другом. В ходе анализа, электрод сравнения (9), противоэлектрод (10) и рабочий электрод (8) расположены на одной линии (are aligned) для того, чтобы получить одну и ту же электрохимическую реакцию на всех электродах.

В иллюстративном варианте реализации изобретения, размер верхнего слоя (2) аппарата (1) меньше, чем нижнего слоя (6), чтобы проводящая линия (12) оставалась незакрытой, и для присоединения ее к измерительному устройству.

В альтернативном варианте реализации изобретения, электрод сравнения (9) и противоэлектрод (10) имеют прямоугольную форму. В этом варианте реализации указанные электроды (9, 10) расположены на пластине (13) таким образом, чтобы они окружали рабочий электрод (8).

В другом варианте реализации изобретения, верхний слой (2) и нижний слой (6) имеют по меньшей мере по одному отверстию (16), совпадающему друг с другом, так чтобы верхний слой (2) надежно крепился к нижнему слою (6) с помощью по меньшей мере одного соединительного элемента (не показан).

В другом варианте реализации изобретения, диаметр рабочего электрода (8) больше ширины проводящей линии (12).

Благодаря взаимодействию электрода сравнения (9) и противоэлектрода аппарата (1) по изобретению с рабочим электродом (8), зона детектирования выполнена с маленьким размером и, таким образом, уменьшен размер проточного канала (15). Соответственно, снижаются затраты на производство, и в то же время создается возможность использования меньшего количества образца. Более того, благодаря совмещению всех электродов (8, 9, 10) получают одну и ту же электрохимическую реакцию на электродах, что приводит к более точным результатам анализа.

В рамках описанных в данном документе основных идей могут быть разработаны различные варианты реализации "матрицы электрохимических датчиков и аппарата", представляющих собой объект изобретения; и изобретение не ограничено вариантами реализации, раскрытыми в данном документе, а его объем определяется приведенной ниже формулой изобретения.

1. Аппарат (1), пригодный для использования для анализа по меньшей мере одного образца с помощью матрицы электрохимических датчиков, включающий:

по меньшей мере один верхний слой (2);

по меньшей мере одно впускное (3) и по меньшей мере одно выпускное отверстие (4), выполненное в верхнем слое (2),

по меньшей мере один нижний слой (6), имеющий по меньшей мере одно углубление (5) в нем;

по меньшей мере одну двустороннюю клейкую мембрану (7а), совпадающую с углублением (5) на нижнем слое (6);

по меньшей мере одну матрицу датчиков (14), прикрепленную к нижнему слою (6) с помощью указанной клейкой мембраны (7а), составленную путем размещения по меньшей мере одного рабочего электрода (8), по меньшей мере одного электрода сравнения (9), по меньшей мере одного противоэлектрода (10),

по меньшей мере один соединительный канал (11), по меньшей мере одну проводящую линию (12), обеспечивающую соединение между рабочим электродом (8) и соединительным каналом (11), на по меньшей мере одной пластине (13);

по меньшей мере одно измерительное устройство, связанное с соединительным каналом (11);

по меньшей мере одну дополнительную двустороннюю клейкую мембрану (7), расположенную между матрицей датчиков (14) и верхним слоем (2) и позволяющую прикрепить матрицу датчиков (14) к верхнему слою (2), и

по меньшей мере один проточный канал (15), образованный пространством между одной клейкой мембраной (7), матрицей датчиков (14) и верхним слоем (2) и связанный с впускным и выпускным отверстиями (4), расположенными на верхнем слое (2), для подачи образца,

отличающийся тем, что

электрод сравнения (9) и противоэлектрод (10) имеют прямоугольную форму,

электрод сравнения (9) и противоэлектрод (10) прямоугольной формы расположены таким образом, чтобы они окружали рабочий электрод (8), и

электрод сравнения (9), противоэлектрод (10) и рабочий электрод (8) расположены на одной линии для получения одной и той же электрохимической реакции на всех рабочих электродах в ходе анализа.

2. Аппарат (1) по п. 1, отличающийся тем, что пластина (13) состоит из стекла, диоксида кремния или керамики.

3. Аппарат (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электроды (8, 9, 10) состоят из золота, титана, платины, хрома или алюминия.

4. Аппарат (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что верхний (2) и/или нижний слой (6) изготовлен из пластика.

5. Аппарат (1) по п. 3, отличающийся тем, что верхний (2) и/или нижний слой (6) изготовлен из пластика.

6. Аппарат (1) по пп. 1, 2 или 5, отличающийся тем, что на пластине (13) расположены три рабочих электрода (8).

7. Аппарат (1) по п. 3, отличающийся тем, что на пластине (13) расположены три рабочих электрода (8).

8. Аппарат (1) по п. 1, отличающийся тем, что на пластине (13) расположены восемь рабочих электродов (8).

9. Аппарат (1) по п. 4, отличающийся тем, что на пластине (13) расположены восемь рабочих электродов (8).

10. Аппарат (1) по одному из пп. 1, 2, 5, 7, 8 или 9, отличающийся тем, что несколько рабочих электродов (8) расположены на расстоянии друг от друга во избежание взаимодействия друг с другом.

11. Аппарат (1) по п. 3, отличающийся тем, что несколько рабочих электродов (8) расположены на расстоянии друг от друга во избежание взаимодействия друг с другом.

12. Аппарат (1) по одному из пп. 1, 2, 5, 7, 8, 9 или 11, отличающийся тем, что верхний слой (2) имеет меньший размер, чем нижний слой (6), чтобы проводящая линия (12) не была накрыта, и для подсоединения ее к измерительному устройству.

13. Аппарат (1) по п. 3, отличающийся тем, что верхний слой (2) имеет меньший размер, чем нижний слой (6), чтобы проводящая линия (12) не была накрыта и для подсоединения ее к измерительному устройству.

14. Аппарат (1) по одному из пп. 1, 2, 5, 7, 8, 9, 11 или 13, отличающийся тем, что электрод сравнения (9) и противоэлектрод (10) имеют прямоугольную форму.

15. Аппарат (1) по одному из пп. 1, 2, 5, 7, 8, 9, 11 или 13, отличающийся тем, что верхний слой (2) и нижний слой (6) имеют по меньшей мере по одному отверстию (16), совмещенному друг с другом, для надежного скрепления верхнего слоя (2) с нижним слоем (6) с помощью по меньшей мере одного соединительного элемента.

16. Аппарат (1) по п. 3, отличающийся тем, что верхний слой (2) и нижний слой (6) имеют по меньшей мере по одному отверстию (16), совмещенному друг с другом, для надежного скрепления верхнего слоя (2) с нижним слоем (6) с помощью по меньшей мере одного соединительного элемента.

17. Аппарат (1) по одному из пп 1, 2, 5, 7, 8, 9, 11 или 13, отличающийся тем, что рабочий электрод (8) имеет диаметр, больший, чем ширина проводящей линии (12).

18. Аппарат (1) по любому из пп. 3, отличающийся тем, что рабочий электрод (8) имеет диаметр, больший, чем ширина проводящей линии (12).