Квантово-точечные спектрометры для применения в биомедицинских устройствах и способы их применения

Квантово-точечные спектрометры для применения в биомедицинских устройствах и способы их применения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

В настоящем документе описаны квантово-точечные спектрометры для применения в биомедицинских устройствах. В некоторых примерах осуществления функциональные возможности устройства включают сбор биометрической информации для выполнения персонализированного биоанализа пользователю устройства.

2. Обсуждение предшествующего уровня техники

В последнее время резко возросло число медицинских устройств и усилилось развитие их функциональных возможностей. Эти медицинские устройства могут включать в себя, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для контроля и/или тестирования биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные помпы и нейростимуляторы. Эти устройства часто подвергаются взаимодействию с биологическими и химическими системами, благодаря чему они стали оптимальными инструментами для сбора, хранения и распространения биометрических данных.

Некоторые медицинские устройства могут включать в себя такие компоненты, как полупроводниковые устройства, которые выполняют разнообразные функции, включая сбор биометрических данных, и могут быть встроены во множество биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Такие полупроводниковые компоненты нуждаются в энергообеспечении, и потому в такие биосовместимые устройства также должны быть включены элементы подачи питания. Включение автономного источника питания в биомедицинское устройство, выполненное с возможностью сбора биометрической информации, позволяет обеспечить выполнение устройством персонализированного анализа биометрических данных для пользователя устройства.

Один аспект сбора биометрической информации был направлен на возможность совмещения аналита и соответствующего фермента, например глюкозы и глюкозооксидазы, для обнаружения глюкозы в среде текучей среды. Другой аспект сбора биометрической информации можно направить на применение света, при котором источник света направляет свет через среду, а затем свет воспринимается детектором и анализируется на количество поглощенного света, подобно спектрометру. Спектрометры широко применяются в физических, химических и биологических исследованиях, однако в современных конфигурациях микроспектрометров большей частью применяются интерференционные фильтры и интерферометрическая оптика, что ограничивает их фотонную эффективность, разрешение и спектральный диапазон. Тем не менее с разработкой методов и реагентов, в которых используются квантовые точки для поддержания замеров спектроскопических данных, стала возможна миниатюризация, благодаря которой можно достигнуть значительного прогресса в способности биомедицинских устройств воспринимать химические состояния в окружающей их среде.

Квантовая точка (КТ) - это нанокристалл, обычно изготовленный из полупроводниковых материалов. Когда кристаллы имеют наноразмер, они становятся достаточно маленькими для проявления квантово-механических свойств. В КТ-технологиях эти квантово-механические свойства используются для того, чтобы получать требуемые для КТ оптические функции. Следовательно, возможно использование в биомедицинских целях инновационных устройств, в которых применяются квантовые точки и квантово-точечная спектрометрия.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, такие устройства и способы применения КТ, как источники излучения, фильтры, красители, а также узко- и широкополосные спектрометры, которые установлены снаружи или внутри работающих биомедицинских устройств, могут обеспечить специфичное и точное обнаружение аналитов на поверхности или внутри тела пользователя с помощью этих работающих биомедицинских устройств. Квантовые точки - это крайне малые объекты, которые возможно получить с высоким уровнем консистенции и чистоты. Поскольку способ получения может быть настроен на различные размеры и материалы, для спектрального отклика от определенного типа КТ возможно настроить почти любое количество частот. Следовательно, путем возбуждения КТ возможно образовать узколинейные флуоресцентные источники как источники излучения с получением высокого выхода флуоресцентного излучения. При использовании КТ в качестве фильтров возможно получение настраиваемого отклика пропускания. Следовательно, можно легко создавать спектрометры, содержащие сотни уникальных и настроенных спектральных фильтров, с перспективой создания широкополосной спектроскопии. Более того, спектральная релевантность КТ может возникать вследствие того, что отдельные КТ имеют молекулы, которые связываются с поверхностью и гасят их флуоресценцию. Эти молекулы гашения можно выбирать и конструировать с возможностью связываться с аналитами и таким образом отсоединяться от КТ, которые они гасят, выполняя роль чувствительных флуоресцентных зондов для исследования аналита.

Один общий аспект включает в себя создание биомедицинского устройства, которое содержит элемент подачи питания, включающий в себя первый и второй токосъемники, катод, анод и электролит. Такое биомедицинское устройство может также содержать квантово-точечный спектрометр, который может содержать квантово-точечный излучатель света, фотодетектор и средство для передачи информации от квантово-точечного спектрометра к пользователю. Квантово-точечный спектрометр получает питание от элемента подачи питания. Биомедицинское устройство может также содержать устройство-вставку. Устройство-вставка может содержать элемент подачи питания и квантово-точечный спектрометр. Устройство-вставка создает оболочку, которая изолирует элементы подачи питания от биомедицинской среды, внутри которой действует биомедицинское устройство.

Биомедицинское устройство дополнительно может содержать микрожидкостный насос. Микрожидкостный насос действует для проведения пробы текучей среды к квантово-точечному спектрометру, когда спектрометр применяют для анализа, или от него. В некоторых примерах биомедицинское устройство может представлять собой офтальмологическое устройство. В некоторых примерах биомедицинское устройство может представлять собой контактную линзу. В некоторых примерах биомедицинское устройство может представлять собой электронную таблетку.

Варианты осуществления могут включать в себя способ для анализа аналитов. Такой способ может включать в себя изготовление квантово-точечного излучателя света внутри биомедицинского устройства. Кроме того, биомедицинское устройство может включать в себя фотодетектор. Способ может включать в себя соединение квантово-точечного излучателя и фотодетектора с контроллером интегральной схемы, причем этот контроллер выполнен с возможностью управления функциями квантово-точечного излучателя и фотодетектора. Дополнительно способ может включать в себя излучение в узкой полосе длин волн от квантово-точечного излучателя света. Способ может включать в себя прием излучаемых фотонов в фотодетекторе. В некоторых вариантах осуществления способ может продолжаться анализом оптической плотности аналита на основании интенсивности принятых фотонов. Биомедицинское устройство может содержать элемент подачи питания, который может включать в себя первый и второй токосъемники, катод, анод и электролит, причем спектрометр получает питание от элемента подачи питания. Дополнительно способ может содержать накачивание пробы аналитов в канал квантово-точечного спектрометра перед проведением анализа аналитов. В некоторых вариантах способ может включать примеры, в которых биомедицинское устройство представляет собой контактную линзу. Способ может также включать примеры, в которых биомедицинское устройство представляет собой электронную таблетку.

Один общий аспект включает биомедицинское устройство, включающее элемент подачи питания. Биомедицинское устройство может включать в себя границу внешней оболочки. Граница внешней оболочки может включать в себя входящую полость, создающую внешнюю область, которая может по существу быть окруженной биомедицинским устройством и допускать перетекание текучей среды внутрь и наружу от среды, окружающей биомедицинское устройство. Слои оболочки биомедицинского устройства могут допускать прохождение света через них в нужных спектральных полосах. Входящий канал может быть облицован излучателями и детекторами фотонов.

В некоторых вариантах осуществления биомедицинское устройство может включать в себя квантово-точечный излучатель света, установленный с возможностью излучения света через одну сторону боковой стенки полости и через промежуточное пространство полости. Далее свет может проходить через противоположную или дистальную сторону боковой стенки полости. На другой стороне границы внешней оболочки возможна установка многочисленных фотодетекторов. Биомедицинское устройство может также включать в себя радиочастотный приемопередатчик и аналого-цифровой преобразователь. Сигнал от фотодетектора может преобразовываться аналого-цифровым преобразователем в значения данных, которые могут передаваться радиочастотным приемопередатчиком. В некоторых примерах биомедицинское устройство может представлять собой контактную линзу или электронную таблетку. В примерах с электронной таблеткой таблетка может также содержать управляемый пусковой механизм для выделения лекарственного средства. Детектор может образовывать контур обратной связи в устройстве и, следовательно, регулировать количество лекарственного средства, выделяемого таблеткой.

В некоторых примерах биомедицинского устройства, содержащего КТ спектрометр, сигнал, принятый фотодетектором, может преобразовываться в цифровой сигнал и передаваться на внешний приемник. Такой внешний приемник может включать в себя процессор, который может выполнять алгоритм, рассчитывающий концентрацию аналита и затем определяющий требуемое сопутствующее выделение лекарственного средства. Внешний приемник может передавать сигналы данных и управления на биомедицинское устройство.

Варианты осуществления могут включать в себя биомедицинское устройство, которое включает в себя элемент подачи питания. Такое биомедицинское устройство может также включать в себя границу внешней оболочки, причем, по меньшей мере, участок границы содержит электрически управляемое отверстие. Это отверстие может функционировать так, чтобы проба текучей среды проходила из внешней области в биомедицинское устройство. Такое биомедицинское устройство может также включать в себя микрожидкостный процессор, который может смешивать пробы текучей среды и реагенты. Реагенты в микрожидкостном процессоре могут включать специфичные к аналиту красители. Такое биомедицинское устройство может включать в себя квантово-точечный излучатель света, который может излучать свет через участок микрожидкостного процессора. Такое устройство может также включать в себя фотодетектор, установленный в дистальном положении относительно микрожидкостного процессора. Устройство может также включать в себя радиочастотный приемопередатчик. Вариант осуществления может также включать в себя аналого-цифровой преобразователь, в котором сигнал от фотодетектора может преобразовываться в величину цифровых данных, которые передаются радиочастотным приемопередатчиком за пределы биомедицинского устройства. Такие примеры могут включать в себя биомедицинские устройства, представляющие собой контактные линзы, электронные таблетки и электронные таблетки, способные выделять лекарственное средство на основании сигнала, принятого на фотодетекторе.

Один общий аспект включает в себя такое биомедицинское устройство, как электронная таблетка, причем электронная таблетка содержит управляемый пусковой механизм для выделения квантово-точечного красителя внутрь полости, причем краситель реагирует с молекулами аналита и допускает возбуждение квантово-точечным излучателем света квантово-точечного красителя с излучением света. Биомедицинское устройство также содержит элемент подачи питания; границу внешней оболочки, причем, по меньшей мере, участок границы включает в себя электрически управляемое отверстие, функционирующее так, чтобы проба текучей среды проходила в биомедицинское устройство из внешней области; микрожидкостный процессор, функционирующий с возможностью смешивания пробы текучей среды и реагента, включающего специфичный к аналиту краситель; квантово-точечный излучатель света, установленный для излучения света через участок микрожидкостного процессора; фотодетектор, установленный на дистальной относительно квантово-точечного излучателя света стороне микрожидкостного процессора, причем свет, излучаемый квантово-точечным излучателем света, проходит через верхнюю поверхность микрожидкостного процессора, через область анализа пробы на микрожидкостном процессоре, через нижнюю поверхность микрожидкостного процессора и в фотодетектор; радиочастотный приемопередатчик; и аналого-цифровой преобразователь, причем сигнал от фотодетектора преобразуется в величину цифровых данных, которая передается. Электронная таблетка может управлять выделением лекарственного средства. Выделение лекарственного средства может регулировать контроллер, который действует в ответ на получение величины преобразованных цифровых данных.

В некоторых примерах биомедицинское устройство может содержать участок, управляемый с возможностью выделения квантово-точечного красителя в микрожидкостный процессор. Краситель может реагировать с молекулами аналита и эта реакция может вызывать возбуждение квантовых точек квантово-точечным излучателем света при отсутствии гасящих молекул, которые могут гасить характерное излучение от квантовых точек.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеизложенные и прочие элементы и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего, более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.

На Фиг. 1A-1B показаны примеры аспектов биосовместимых элементов подачи питания, соответствующие примерам использования контактных линз.

На Фиг. 2 показан способ анализа спектральной полосы с помощью фильтров на основе технологии квантовых точек.

На Фиг. 3 показан процессор, который может быть использован для реализации некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 4 показан пример модели функциональной структуры для биомедицинского устройства для спектрометра на квантовых точках.

На Фиг. 5 показан пример устройства спектрометра на квантовых точках.

На Фиг. 6A изображен вид сверху иллюстративной многоэлементной вставки кольцевой формы.

На Фиг. 6B изображен первый увеличенный частичный вид в поперечном сечении иллюстративной многоэлементной вставки кольцевой формы, показанной на Фиг. 6A.

На Фиг. 6С изображен второй увеличенный частичный вид в поперечном сечении иллюстративной многоэлементной вставки кольцевой формы, показанной на Фиг. 6A.

На Фиг. 7 изображен увеличенный вид сверху частичного сечения системы спектрометра на квантовых точках с иллюстративным механизмом накачки, а также областями отбора образцов и управляющими компонентами.

На Фиг. 8 изображен вид сверху частичного сечения иллюстративной системы спектрометра на квантовых точках с образцом текучей среды, протекающей через микрожидкостный аналитический компонент.

На Фиг. 9 изображен вид сверху сечения компонента системы спектрометра на квантовых точках с элементом для хранения отходов.

На Фиг. 10 изображен вид сверху сечения иллюстративного механизма накачки для системы спектрометра на квантовых точках с использованием лаборатории, встроенной в микрочип.

На Фиг. 11A-C показан пример спектрометра на квантовых точках в биомедицинском устройстве.

На Фиг. 12 изображен пример флуоресцентного красителя на основе квантовых точек.

На Фиг. 13 изображен пример схемы процедуры обнаружения аналита методом квантово-точечной спектроскопии.

На Фиг. 14 изображены иллюстративные этапы способа, которые можно использовать для отслеживания уровней аналита пользователя, носящего офтальмологическую линзу, в соответствии с аспектами настоящего описания.

На Фиг. 15 изображены иллюстративные этапы способа, которые можно использовать для терапии уровней глюкозы пользователя, носящего офтальмологическую линзу, в соответствии с аспектами настоящего описания.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке описана спектроскопия с использованием квантовых точек в качестве источников излучения, фильтров и красителей, которые возможно применять в биомедицинских устройствах. В следующих разделах приведены подробные описания различных примеров. Описания представляют собой только примеры осуществления, и специалистам в данной области могут быть понятны различные модификации и изменения. Поэтому примеры не ограничивают объем настоящей заявки. Спектрометры на основе квантовых точек для применения в биомедицинских устройствах и конструкции, которые их содержат, могут предназначаться для применения в таких устройствах, как глазные линзы и электронные таблетки. В некоторых примерах методы спектроскопии с использованием квантовых точек для применения в биомедицинских устройствах могут предназначаться для применения внутри тела живого организма или вблизи от него.

Определения

В описании и представленной ниже формуле изобретения могут применяться различные термины, для которых применяются следующие определения.

В настоящем документе термин «анод» относится к электроду, через который электрический ток втекает в поляризованное электрическое устройство. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Иными словами, электроны текут из анода, например, в электрическую схему.

Используемый в настоящем документе термин «связующее» относится к полимеру, который способен проявлять упругие свойства под воздействием механической деформации и который химически совместим с другими компонентами элементов подачи питания. Например, связующие вещества могут включать электроактивные материалы, электролиты, полимеры и т. п.

В настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которое функционирует в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсических или травмирующих воздействий на биологические системы.

В настоящем документе термин «катод» относится к электроду, через который электрический ток вытекает из поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому поток электронов поступает в катод поляризованного электрического устройства и вытекает, например, из подключенной электрической схемы.

В настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению материала тонким слоем. В ряде применений этот термин будет относиться к тонкому слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой формируется покрытие. В других более специализированных применениях этот термин может применяться для описания небольших тонких слоев на меньших областях поверхности.

В настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике энергии. Например, он может включать один или оба из анода и катода.

В настоящем документе термин «с энергообеспечением» относится к состоянию способности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри.

В настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы выполнять работу. Многие варианты применения элементов подачи питания могут относиться к способности выполнять электрические действия.

В настоящем документе термин «источник питания», или «элемент подачи питания», или «устройство подачи питания» относится к любому устройству или слою, который способен снабжать энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние с энергообеспечением. Элементы подачи питания могут включать в себя батареи. Батареи могут быть изготовлены из гальванических элементов щелочного типа и могут представлять собой твердотельные батареи или батареи жидкостных элементов.

В настоящем документе термин «наполнители» относится к одному или более разделителям элементов подачи питания, которые не взаимодействуют ни с кислотными, ни с щелочными электролитами. По существу наполнители могут включать в себя по существу нерастворимые в воде материалы, например сажу; угольную пыль; графит; оксиды и гидроксиды металлов, например кремния, алюминия, кальция, магния, бария, титана, железа, цинка и олова; карбонаты металлов, например кальция и магния; такие минералы, как слюда, монтмориллонит, каолинит, аттапульгит и тальк; синтетические и природные цеолиты, например портландцемент; осажденные силикаты металлов, например силикат кальция; пустотелые или сплошные полимерные или стеклянные микросферы, пластинки и волокна; и т. п.

В настоящем документе термин «функционализированный» относится к получению слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.

В настоящем документе термин «диссоциирующая в растворе соль» обозначает твердое вещество с ионными связями, которое растворяется в растворителе с образованием в растворе растворенных ионов. В многочисленных примерах растворитель может содержать воду.

В настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому объекту, который можно применять для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных составов. Некоторые примеры форм для литья включают две части формы для литья, которые при соединении друг с другом образуют конструкцию трехмерного объекта.

В настоящем документе термин «мощность» относится к выполняемой работе или энергии, передаваемой за единицу времени.

В настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключаемый к источнику питания» относятся к возможности восстановления до состояния с более высокой способностью выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления со способностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относятся к восстановлению до состояния повышенной способности выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления устройства до способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термин «высвобожденный», или иногда «высвобожденный из формы для литья», означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы для литья, либо лишь слабо прикреплен к форме для литья, так что может быть извлечен легким встряхиванием.

В настоящем документе термин «наложенный» означает размещение, по меньшей мере, двух слоев компонента вблизи друг друга таким образом, что, по меньшей мере, участок одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых примерах между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.

В настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов подачи питания, способным соединять вместе компоненты схемы. Например, дорожки схемы могут включать медь или золото, если подложка представляет собой печатную плату, и, как правило, могут представлять собой пленку из меди или золота, позитивную пленку в гибкой схеме. Токосъемник представляет собой «дорожку» особого типа. Токосъемники являются дорожками, обладающими электрохимической совместимостью, которая делает тогосъемники пригодными для использования при движении электронов между анодом и катодом в присутствии электролита.

Представленные в настоящем документе способы и устройство относятся к изготовлению биосовместимых элементов подачи питания для включения внутрь или нанесения на поверхность плоских или трехмерных биосовместимых устройств. К особому классу элементов подачи питания могут относиться батареи, составленные из слоев. Эти слои можно классифицировать как ламинатные слои. Батарею, изготовленную таким образом, можно классифицировать как ламинарную батарею.

Могут быть и другие примеры способов сборки и изготовления батарей в соответствии с настоящим описанием, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Тем не менее, для многих из этих примеров существуют выбранные параметры и характеристики батарей, которые могут быть описаны отдельно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.

Последние достижения в сфере биомедицинских устройств, включая, например, офтальмологические линзы, позволяют создавать функционализированные биомедицинские устройства с энергообеспечением. Биомедицинское устройство с энергообеспечением может содержать необходимые элементы для сбора и анализа аналитов пользователей при помощи встроенных микроэлектронных устройств. Дополнительная функциональность в использовании микроэлектроники может включать в себя, например, слуховую, зрительную и тактильную обратную связь с пользователем. В некоторых вариантах осуществления спектрометры на квантовых точках для применения в биомедицинском устройстве могут осуществлять беспроводную связь с одним или более беспроводным (-ыми) устройством (-ами) и принимать данные сигнала в режиме реального времени, которые можно использовать для определения аномальной концентрации аналита и ее причины. Беспроводное (-ые) устройство (-а) может включать, например, смартфонное устройство, планшет, персональный компьютер, брелок, проигрыватель MP3, карманный ПК и другие схожие устройства.

Офтальмологическое устройство с энергообеспечением

На Фиг. 1А изображен пример осуществления вкладыша-субстрата 100 для офтальмологического устройства с энергообеспечением и соответствующего офтальмологического устройства 150 с энергообеспечением (Фиг. 1В) в качестве примера конструкции биомедицинского устройства с электропитанием, которое может поддерживать действие квантово-точечной спектроскопии. Вкладыш-субстрат 100 может содержать оптическую зону 120, которая может быть или не быть функционализированной для обеспечения коррекции зрения. Если обусловленная энергообеспечением функция офтальмологического устройства не связана со зрением, оптическая зона 120 вкладыша-субстрата может не содержать материал. В некоторых примерах осуществления вкладыш-субстрат может включать в себя участок, находящийся вне оптической зоны 120 и содержащий подложку 115, встроенную с элементами 110 подачи питания (источник энергии) и электронными компонентами 105, такими как спектрометр. Элемент 110 подачи питания может быть подключен к элементу схемы, который может иметь собственную подложку 111, на которой можно разместить соединительные элементы 125. Схема, которая может быть выполнена в форме интегральной схемы, может иметь электрическую и физическую связь с подложкой 111 и ее соединительными элементами 125. Элементы 110 подачи питания могут иметь собственные соединительные элементы для соединения вместе элементов, расположенных ниже области соединения 114, как показано на чертеже.

В некоторых примерах осуществления источник питания или элементы 110 подачи питания (например, батарея) и нагрузка, такая как электронные компоненты 105 (например, спектрометр), могут быть прикреплены к подложке 115. Проводящие дорожки, называемые соединительными элементами 125 и 130, могут электрически соединять электронные компоненты 105 и элементы 110 подачи питания. Вкладыш-субстрат 100 может быть полностью герметизирован для защиты и вмещения элементов 110 подачи питания, соединительных элементов 125 и электронных компонентов 105, таких как спектрометр. В некоторых примерах осуществления герметизирующий материал может быть полупроницаемым, например, для предотвращения попадания во вкладыш-субстрат определенных веществ, таких как вода, и обеспечения входа во вкладыш-субстрат или выхода из него определенных веществ, таких как газы окружающей среды или побочные продукты реакций внутри элементов подачи питания.

Как показано на Фиг. 1B, в некоторых примерах осуществления вкладыш-субстрат 100 может быть включен в офтальмологическое устройство 150, которое может содержать полимерный биосовместимый материал. Офтальмологическое устройство 150 может включать в себя жесткую центральную часть и мягкую юбку, причем центральный жесткий оптический элемент содержит вкладыш-субстрат 100. В некоторых конкретных вариантах осуществления вкладыш-субстрат 100 может непосредственно контактировать с атмосферой и поверхностью роговицы на передней и задней поверхностях соответственно, или в альтернативном варианте осуществления вкладыш-субстрат 100 может быть герметизирован в офтальмологическом устройстве 150. Периферическая зона 155 офтальмологического устройства 150 или линзы может состоять из мягкого материала юбки, включающего, например, гидрогелевый материал. Инфраструктура вкладыша-субстрата 100 и офтальмологического устройства 150 может обеспечивать окружающую среду для множества вариантов осуществления, выполняющих обработку пробы текучей среды квантово-точечными аналитическими элементами, при этом изолируя внутренние части от биомедицинской среды, окружающей вставку.

Элементы флуоресцентного зонда для анализа аналита

Способы флуоресцентного анализа позволяют обнаруживать и анализировать различные типы аналитов. Подмножество данных способов может опираться на прямое испускание флуоресценции от самого аналита. Более общий набор способов относится к флуоресцентным зондам, имеющим компоненты, которые связываются с молекулами аналита и при таком связывании изменяют показатели флуоресценции. Например, при использовании ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) зонды выполняются с комбинацией двух флуорофоров, которые могут быть химически прикреплены к взаимодействующим белкам. Расстояние между флуорофорами может повлиять на эффективность исходящего от них флуоресцентного сигнала.

Один из флуорофоров может поглощать сигнал возбуждающего излучения и может резонансно переносить возбуждение на электронные состояния в другом флуорофоре. Связывание аналитов с прикрепленными взаимодействующими белками может исказить геометрию и привести к изменению флуоресцентного излучения от пары флуорофоров. Сайты связывания во взаимодействующих белках можно запрограммировать генетически, например, можно запрограммировать сайт связывания, чувствительный к глюкозе. В некоторых случаях полученный сайт может быть менее чувствительным или нечувствительным к другим компонентам тканевой жидкости требуемого образца.

Связывание аналита с FRET-зондами может приводить к возникновению сигнала флуоресценции, чувствительного к концентрациям глюкозы. В некоторых примерах осуществления FRET-зонды могут быть чувствительны к небольшой концентрации глюкозы 10 мкм и могут быть чувствительны к концентрациям вплоть до сотен микромолей. Можно генетически сконструировать и сформировать различные FRET-зонды. Полученные зонды могут быть выполнены в виде структур, которые могут облегчить анализ интерстициальных текучих сред пользователя. В некоторых примерах осуществления зонды можно разместить внутри матрицы материала, который является проницаемым для интерстициальных текучих сред и их компонентов, например, FRET-зонды можно встроить в гидрогелевые структуры. В некоторых примерах осуществления эти гидрогелевые зонды можно включить в процесс гидрогелевой обработки офтальмологических контактных линз таким образом, чтобы они могли находиться в гидрогелевой оболочке, которая при ношении на глазу будет погружена в слезную текучую среду. В других примерах осуществления зонд можно ввести в ткани глаза непосредственно над склерой. Гидрогелевую матрицу, содержащую зонды, чувствительные к флуоресцирующему аналиту, можно разместить в различных местоположениях в контакте с содержащими аналит биологическими текучими средами.

В описанных примерах флуоресцентные зонды могут контактировать с интерстициальной текучей средой области глаза вблизи склеры. В тех случаях, когда зонды вводят инвазивно, измерительное устройство может обеспечивать сигнал излучения, падающий на флуоресцентный зонд, из внешнего относительно глаза местоположения, такого как офтальмологическая линза или удерживаемое вблизи глаза портативное устройство.

В других примерах осуществления зонд можно ввести внутрь офтальмологической линзы вблизи измеряющего флуоресценцию устройства, которое также введено внутрь офтальмологической линзы. В некоторых примерах осуществления гидрогелевая юбка может герметизировать как офтальмологическую вставку с флуоресцентным детектором, так и FRET-зонд для исследования аналита.

Спектроскопия на квантовых точках

Устройства спектроскопии малого размера могут оказаться существенным подспорьем при создании биомедицинских устройств с возможностью измерения и контроля концентрации различных аналитов для пользователя. Например, измерение уровня глюкозы может быть использовано для контроля изменений материала у пациентов и оценки уровня глюкозы после прохождения лечения с использованием различных лекарственных средств. В современных конструкциях микроспектрометра используются в основном интерференционные фильтры и интерферометрическая оптика для измерения спектральных ответов смесей, которые содержат светопоглощающие материалы. В некоторых примерах спектрометр может быть сформирован путем создания массива квантовых точек. Спектрометр на основе массивов квантовых точек может измерять спектр светового излучения на основе принципа мультиплексирования с разделением по длине волны. Принцип мультиплексирования с разделением по длине волны может быть применен в случае, когда множество спектральных полос кодируются и детектируются одновременно одним фильтрующим элементом и одним детекторным элементом соответственно. Формат массива позволяет эффективно многократно повторять процесс с использованием различных фильтров с различным кодированием до получения достаточной информации для проведения вычислительной реконструкции целевого спектра. Пример может быть проиллюстрирован при рассмотрении массива фотодатчиков, например, находящихся в ПЗС-камере. Массив фотодатчиков может быть использован для определения количества светового излучения, достигающего каждый конкретный детекторный элемент в массиве ПЗС. В широкополосном спектрометре расположено множество, иногда сотни элементов фильтра на квантовых точках, и они расположены так, что каждый фильтр позволяет световому излучению проходить из определенных спектральных областей и попадать на один или несколько элементов ПЗС-матрицы. Массив из сотен таких фильтров расположен так, что освещающий свет, который проходит через пробу, может также проходить через массив фильтров КТ и попадать на соответствующий набор ПЗС-элементов для фильтров на КТ. Одновременный сбор спектрально кодированных данных дает возможность проведения быстрого анализа пробы.

Примерами узкополосного спектрального анализа могут быть анализы, проведенные с использованием меньшего числа фильтров на КТ,