CN110799091A - 使生物流体样品浓缩的eab感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物流体感测装置，其能够相对于靶分析物来浓缩生物流体样品，使得分析物可被EAB传感器精确地检测到或测量到。这样的装置的使用方法提供了关于分析物在生物流体中的存在的定性信息和/或关于分析物在生物流体中的相对浓度的定量信息。所公开的装置包括用于浓缩生物流体样品的浓缩通道以及选择性地可渗透的膜、一个或多个EAB传感器、以及承载在水不可渗透的基底上的一个或多个次级传感器。还公开了一种使用所公开的装置以收集生物流体样品、相对于靶分析物来浓缩样品以及测量靶分析物的方法物。

Description

使生物流体样品浓缩的EAB感测装置

相关引用的交叉申请

本申请要求2017年2月10日提交的申请号为62/457604的美国临时申请的优先权；并具有基于2016年10月23日提交的PCT/US16/58356和2016年10月23日提交的PCT/US16/58357的说明书，所述申请的公开内容通过引用而全部并入本文。

背景技术

尽管与其他生物流体(特别在“可穿戴式”装置中的)相比，汗水(汗液)具有许多人体工程学优势，但与既定的生物流体(血液、尿液和唾液)相比，汗液仍然是未充分利用的生物标记分析物来源。与其他非侵入性生物流体进行更密切的比较后，该优势甚至可能超出人体工程学：汗液可能提供较好的分析物信息。然而，一些挑战使汗液不能在优选的临床生物流体中占据一席之地。这些挑战包括样品体积非常小(nL至μL)、由于蒸发而导致浓度未知、大分析物被过滤和稀释、新旧汗液混合以及被皮肤表面污染的可能性。“可穿戴式”汗液取样和感测装置的快速发展解决了一些历史性挑战。然而，该进展也限于在例如运动应用中发现的高出汗率(>1纳升/分钟/腺体)下取样的高浓度分析物(μM至mM)。随着生物感测向检测低浓度大分析物(nM到pM和更低)的方向发展，进展将更有挑战性。

例如，许多已知的用于检测较大分子的传感器技术不适合用于需要允许在穿戴者的皮肤上连续或长期使用的传感器的可穿戴式汗液感测。因此，需要复杂的微流体操作、添加试剂或使用保质期有限的组成部分(诸如抗体)的传感器样式对汗液感测来说并非是优选的。相反，基于适体的电化学(EAB)传感器技术有望提供稳定、可靠、无试剂的传感器，这些传感器对汗液中的靶分析物敏感，并且具有足够的特异性以在传感器的使用寿命期间产生高预测值。这样的EAB传感器包括专利号为7803542和8003374的美国专利中公开的多捕获EAB生物传感器(MCAS)以及2017年6月23日提交的申请号为62/523835的美国临时申请中公开的对接适体EAB生物传感器(DAS)，每篇文献通过引用而全部并入在此。

虽然EAB传感器为可穿戴感测提供了许多优点，但是对这种传感器来说，感兴趣的许多分析物的低汗液浓度是一个核心难题，因为许多分析物不会按足以被EAB传感器检测到的摩尔浓度自然存在于汗液中。因此，需要的是将靶分析物浓缩在生物流体样品中的装置和方法，使得EAB传感器可以为这样的低浓度分析物提供有用的测量。这些装置和方法是本公开的主题。

对于成功开发生物流体传感器，许多其他挑战可通过以经济实惠、有效、方便、智能或可靠地将生物流体带入传感器和样品制备或浓缩子系统的方式使化学品、材料、传感器、电子、微流体、算法、计算、软件、系统和其他特征或设计产生新颖且先进的相互作用来解决。

发明内容

本发明提供一种生物流体感测装置，该生物流体感测装置能够相对于靶分析物来浓缩生物流体样品，使得分析物可被EAB传感器精确地检测到或者测量到。这种装置的使用方法提供了关于分析物在生物流体中的存在的定性信息和/或关于分析物在生物流体中的相对浓度的定量信息。所公开的装置包括用于浓缩生物流体样品的浓缩通道以及选择性地可渗透的膜、一个或多个EAB传感器、以及承载在水不可渗透的基底上的一个或多个次级传感器。还公开了一种使用所公开的装置以收集生物流体样品、相对于靶分析物来浓缩样品以及测量靶分析物的方法。

附图说明

根据以下详细的描述和附图将进一步领会本发明的目的和优点，在附图中：

图1A和图1B是先前公开的适体感测元件的代表。

图2是对具有用于EAB生物流体感测的浓缩通道的所公开的发明的描绘。

图3是对具有用于EAB生物流体感测的浓缩通道的所公开的发明的描绘。

图4和图4A描绘了具有用于EAB生物流体感测的浓缩通道的所公开的发明的实施例。

图5是对具有用于EAB生物流体感测的浓缩通道的所公开的发明的描绘。

图6是对具有用于EAB生物流体感测的浓缩通道的所公开的发明的描绘。

定义

在继续背景技术之前，应该进行各种定义，这些定义在本公开的详细描述和实施例中得以进一步的领会和审视。

如本文所使用的，“汗液”是指主要为汗液(例如外分泌腺汗液或顶浆分泌腺汗液)的生物流体，并且还可包括生物流体(诸如汗液和血液、或者汗液和间质液)的混合物，只要生物流体混合物的平流输送(例如，流动)主要由汗液驱动即可。

如本文所使用的，“生物流体”可指任何包括但不限于汗液、间质液、血液、血浆、血清、泪液和唾液的人类生物流体。

“生物流体传感器”是指任何类型的以绝对、相对、趋向或其他方式测量生物流体中的状态、存在、流速、溶质浓度、溶质存在的传感器。生物流体传感器可包括例如电位计、电流计、阻抗、光学、机械、抗体、肽、适体或感测或生物感测领域的技术人员已知的其他工具。

“分析物”是指由生物流体感测装置测量的物质、分子、离子或其他材料。

“测量的”可意味着精准或精确的定量测量结果，并且可包括更广泛的含义，诸如，测量某物的相对变化量。测量也可意味着二元或定性测量结果，诸如“是”或“否”类型测量结果。

“时间顺序保证”是指在可以对从身体排出的新生物流体分析物进行测量的速率方面确保对生物流体中的分析物进行测量的取样速率或取样间隔。时间顺序保证还可包括确定传感器功能、潜在的被先前产生的分析物污染、潜在的被其他流体污染、或潜在的被其他测量污染源污染对测量的影响。时间顺序保证可以抵消体内的时间延迟(例如，众所周知，分析物在血液中出现与在间质液中出现之间存在5到30分钟的滞后时间)，但得到的取样间隔与滞后时间无关，此外，这个滞后时间为在体内的，因此，对于上文定义并且在此解释的时间顺序保证，该滞后时间不适用。

“EAB传感器”是指构造有多个适体感测元件的基于适体的电化学生物传感器，在流体样品中存在靶标分析物的情况下，该生物传感器产生表明分析物捕获的信号，并且该信号可以被添加到其它这样的感测元件的信号中，使得可以达到表明靶标分析物存在的信号阈值。这种传感器可以是专利号为7,803,542和8,003,374的美国专利(“多捕获适体传感器”(MCAS))或申请号为62/523,835的美国临时申请(“对接适体传感器”(DAS))中公开的形式。

“生物流体传感器数据”是指由生物流体感测装置传感器收集并传送到用户或数据聚集位置的所有信息。

“汗液刺激”是因任何外部刺激直接或间接导致产生汗液，施加的外部刺激用来刺激汗液。汗液刺激的一个实例是施用汗液刺激物，例如毛果芸香碱或卡巴胆碱。如果对象为了刺激汗液而慢跑，则追求刺激汗液的慢跑是唯一的汗液刺激。

“汗液产生率”是汗腺本身产生汗液的速率。汗液产生率通常通过每个腺体的流速(纳升/分钟/腺体)来测量。然后，在某些情况下，将测量结果乘以进行了汗液取样的汗腺的数量。

“汗液体积”是可通过多种方式定义的空间中的流体体积。汗液体积可以是传感器与产生汗液或溶质移入或移出来自于身体或其他来源的汗液的点之间存在的体积。汗液体积可包括可被如下位置的汗液占据的体积：在皮肤上的取样位点与皮肤上的传感器之间，传感器与皮肤之间该传感器没有中间层、物质或组成部分的位置处；或者在皮肤上的取样位点之间和皮肤上的传感器之间，传感器与皮肤上的取样位点之间存在一个或多个层、物质或组成部分处。

“微流体组成部分”是聚合物、织物、纸或微流体领域中已知的其他组成部分中的通道，用于引导流体移动或至少部分地容纳流体。

“流速感测组成部分”是对生物流体感测或收集装置的至少一部分中的生物流体的流速进行测量的任意组成部分或多个组成部分。

“生物流体传导率”是指生物流体的电导率的测量结果。生物流体传导率用作估算生物流体中可溶性阴离子含量的手段。生物流体感测装置将通过电极来测量生物流体传导率。

“皮肤电流反应”(GSR)是指皮肤的电导率的测量结果。GSR用作估算出汗率的手段，因为皮肤传导率由汗液的贡献决定并且随着出汗率的增加而在0.4μL/cm²/min至1.5μl/cm²/min的线性范围内线性增加。

“灵敏度”是指在被测量的参数每单位变化的传感器输出的变化。该变化在传感器的范围内可以是恒定的(线性的)，或者可以是变化的(非线性的)。

“复原间隔”是指适体感测元件将靶分析物释放回溶液中并恢复其信号关闭(signal-off)位置所需的时间。

“信号阈值”是指由多个适体感测传感元件产生的、表明靶分析物的存在的信号开启(signal-on)指示的组合强度。

“阈值到达时间”是指EAB传感器达到信号阈值所需的时间量。这样的时间可从装置使用开始、出汗开始、传感器再生时间或其他合适开始点起计算。

“浓缩通道”是指用于从皮肤收集、输送和浓缩汗液或其他生物流体样品到一个或多个传感器的微流体通道。当生物流体样品向传感器移动时，相对于一种或多个靶分析物来浓缩生物流体样品。样品可通过任何合适的运输机制(包括渗透或芯吸压力)经由通道输送，并且可包括开放通道、纸、织物芯或其他类似物质。

具体实施方式

所公开的发明包括用于浓缩汗液或其他生物流体样品的装置和方法，使得靶分析物可通过采用了EAB传感器的可穿戴装置检测到。参照图1A，描绘了先前公开的MCAS EAB传感器的一部分。虽然该图描绘了单个适体感测元件并且论述集中于单个适体感测元件，但在此描述的EAB传感器将包括附着到电极的大量(数千、数百万、或数十亿，上限为10¹⁴/cm²)的单独的感测元件。适体感测元件110包括分析物捕获型复合物112，分析物捕获型复合物112又包括随机化适体序列140以及一个或多个接头核苷酸部分142(描绘了一个)，选择该随机化适体序列140以与靶分析物分子160相互作用。分析物捕获型复合物112具有第一末端，该第一末端与硫分子(例如硫醇120)共价结合，硫分子(例如硫醇120)又与电极基底130共价结合。电极130可由金或另一合适的导电材料组成。感测元件还包括氧化还原部分150，氧化还原部分150可共价结合到分析物捕获型复合物112的第二末端或通过连接部分与分析物捕获型复合物112的第二末端结合。在不存在靶分析物的情况下，适体140处于第一构型，并且氧化还原部分150相对于电极130处于第一位置。当装置使用例如方波伏安法(SWV)询问感测元件时，感测元件产生第一电信号eT_A。

参照图1B，选择适体140以与靶分析物160特异性地相互作用，使得当适体与靶分析物分子相互作用时，适体经历部分地破坏第一构型并形成第二构型的构象变化。因此，靶分析物160的捕获使氧化还原部分150相对于电极130移动到第二位置。现在，当生物流体感测装置询问感测元件时，感测元件产生与第一电信号区分开的第二电信号eT_B。在复原间隔之后，适体释放靶分析物，并且适体将返回到第一构型，这将在询问感测元件时产生相应的第一电信号。

然而，低浓度生物流体中存在的分析物和较小分析物使EAB传感器提供可靠、连续感测的能力大大复杂化。潜在的靶分析物的浓度范围从激素的μM到皮质醇的nM，到大蛋白质的pM甚至fM范围。当靶分析物浓度较低时，EAB传感器自然地将有较少的捕获机会，从而需要更高的灵敏度以确保减少的捕获机会得到充分利用。

类似地，与用于较大分子的传感器相比，小分子EAB传感器固有地较不稳定(因此产生较不可靠的信号)。如在此所预期的，用于生物流体传感器应用的靶分析物的大小范围可从激素的约300Da，到微RNA分子的约15kDa，到较大蛋白质的约600kDa，到最大蛋白质的约1000kDa。在其他因素相同的情况下，适体通常将与较大分子形成较强的键，因为这样的分子上可用的结合位点的数量更大。此外，倾向于降低结合强度(诸如pH和盐度)的生物流体样品组成的可变化对小分子传感器产生的影响通常会大于它们对较大分子传感器产生的影响。此外，因为较小的分子具有较少的结合位点，因此针对这样的传感器，低浓度检测的困难甚至更加明显。

因此，可以证明按上文所述来构造EAB传感器以执行连续感测对生物流体中的低浓度分析物或对较小分析物来说是不切实际的。例如，汗液样品可能含有很少的靶分析物，使得分子数量不足以与适体结合，并且装置将不能解析出指示浓度的信号。然后，在可对另一个时间顺序保证的汗液样品进行测量之前，结合的分析物将被释放回溶液中。在这种情况下，当靶分析物存在于汗液中时，该装置将不能提供分析物存在的可靠测量，更不用说可靠的浓度值。

因此，对于某些应用，将有必要设计一种EAB传感器装置，该EAB传感器装置可基于随时间采取的对生物流体样品的聚集测量，来对分析物的存在或不存在提供定性的“是/否”测量结果。该问题的一个解决方案为使用申请号为62/523835的美国临时申请中所公开的对接适体EAB传感器。然而，这样的方法可能并不总是实用的，或者可通过相对于靶分析物随时间浓缩生物流体样品来改善。在PCT/US16/58356中公开了用于浓缩生物流体样品以使得能够通过各种生物流体传感器样式来进行检测并包括EAB传感器的若干构造。本公开增加了额外的装置和方法以提高EAB传感器的这种检测技术。

参照图2，描绘了为具有EAB传感器的生物流体感测装置使样品浓度优化的实施例。装置2包括：承载有微流体浓度通道280的生物流体不可渗透的基底270(诸如PET、丙烯酸、玻璃或其他合适的材料)；一个或多个EAB传感器220；浓缩膜290；泵230；一个或多个可选的次级传感器222、224、226、228；可选的后传感器膜292；一个或多个可选的预传感器膜294、296；以及可选的保护性覆盖件232。一些实施例使用芯吸材料而非开放的浓缩通道来将生物流体样品从皮肤输送到EAB传感器220，其中芯吸材料是例如纸、凝胶、织物或材料(诸如横向流动测定中所用的那些材料)。该装置通过粘合剂层(未示出)放置在皮肤12上。粘合剂可以是压敏的、液体的、粘性的水凝胶，其促进与皮肤的强电接触、强流体接触和强离子电渗(iontophoretic)接触。当生物流体样品14进入装置中并沿箭头22的方向流入浓缩通道280中时，水(并且在一些情况下是未靶向的溶质)经由浓缩膜290抽入，进入泵230，从而使靶分析物留在浓缩通道280中，并相对于靶分析物来有效地浓缩生物流体样品。

浓缩膜是透析膜，或者是离子可渗透并且小分子和蛋白质不可渗透的渗透膜，或者可以是至少可渗透水并且靶分析物不可渗透的膜。例如，截留分子量为12kDa的膜将保留12kDa以上的溶质(诸如66.5kDa的人血清蛋白)。泵230中的物质可促进芯吸或渗透流动，并且是水凝胶、织物、盐、聚电解质溶液或干燥剂，诸如MgSO₄。根据应用，可以以比其在生物流体中的初始浓度高至少10X、100X或1000X来浓缩靶分析物。一些实施例可使用浓缩膜290和泵230来使生物流体样品维持在一定的pH或盐度水平，同时使生物流体样品维持在浓缩通道中。

在一些实施例中，可选的后传感器膜292由与用于浓缩膜的类似的材料类型制成，被构造为使小于靶分析物的流体和溶质通过，并使靶分析物进一步集中在进行测量的EAB传感器220附近。在其他实施例中，后传感器膜292可简单地使生物流体样品经由通道的流动大幅度减慢。可选的预传感器膜294也由与用于浓缩膜的类似的材料类型制成，在其到达EAB传感器220之前从生物流体样品中过滤不需要的溶质(诸如大于靶分析物的分子)。一些实施例包括多于一个预传感器前膜294、296。使用多个预传感器膜允许分阶段过滤生物流体样品。例如，第一预传感器膜被构造为从生物流体样品去除大蛋白质，而第二预传感器膜296被构造为去除较小的溶质。多个膜294、296可构造为以各种方式(包括通过电荷、渗透或其他手段)过滤溶质。通过使用浓缩膜、后传感器膜和预传感器膜的补充材料，可实现对汗液样品的许多影响。例如，一个膜可以是阴离子交换膜，例如，改性的聚(二氮杂萘酮醚砜酮)(poly(phthalazinon ether sulfone ketone))，另一个可以是阳离子交换膜，例如，全氟磺酸(nafion)或聚(乙烯醇)-SiO₂，或者膜可以是具有不同质量截止值的透析膜。

在一些实施例中，特别是需要漫长的取样时间(即，一天或更长)的那些实施例中，预传感器膜294被构造为防止生物流体样品的污染。例如，在数个小时之后，汗液样品中的蛋白酶可能至少部分地消耗靶分析物，使得靶不可被检测到或在测得的浓度中引入误差。类似地，如果允许某些微生物在浓缩通道中孵育数小时，则汗液含量可能被误解为包括微生物或其生长副产物作为汗液成分。因此，能够过滤出蛋白酶、微生物或类似分子的膜(例如改性聚丙烯腈膜)对这样的应用可能是有利的。其他实施例可包括防腐剂，诸如0.1％叠氮化钠或苯甲脒，以维持生物流体样品及其靶分析物分子的互补物的完整性，直到完成感测。

装置还构造有一个或多个次级传感器222、224、226、228。生物流体速率传感器可以是例如生物流体流速体积传感器、皮肤电反应(GSR)传感器、汗液传导率传感器、生物流体传导率传感器、皮肤阻抗传感器、微热流传感器或用于K⁺、Na⁺或Cl^-中的至少一种的离子选择性电极传感器。在一些实施例中，次级传感器222测量进入装置中的生物流体流速。在使用中，该装置将利用GSR传感器检测生物流体流动开始和停止，并且利用另一传感器(诸如，体积传感器或传导率传感器)检测生物流体流速。通过跟踪生物流体流速和EAB传感器220的阈值到达时间，装置可反向计算分析物的初始生物流体浓度。

在其他实施例中，次级传感器222、224、226、228用于评估生物流体样品浓缩的量，例如，通过测量代理分析物(诸如K⁺)的浓度的增加。在各种实施例中，次级传感器可位于浓缩通道280内部的222、224或在浓缩通道280外部的226、228。在浓缩通道280内，次级传感器可位于膜294、296或EAB传感器220的上游222或下游224。在通道280外部，次级传感器可位于泵230中或EAB传感器的下游226中。通过跟踪次级传感器测量结果，装置可确定产生的生物流体浓缩的量。例如，如果次级传感器包括Cl^-ISE传感器，则可将Cl^-膜预传感器222测量结果与泵传感器228 Cl^-测量结果进行比较，以确定穿过浓缩膜290的生物流体浓缩的程度。类似地，可确定从预过滤器传感器222到后过滤器传感器224的Cl^-浓度梯度。在采用流速传感器作为次级传感器的一些实施例中，当生物流体穿过各种过滤膜294、296、292移动并移出装置时，可测量和跟踪通过浓缩通道的生物流体流速。所公开的泵传感器228还可用于通过监测泵230中的物质的离子含量来跟踪装置的可使用寿命。例如，NaCl浓度低的泵物质可仅使水穿过浓缩膜290，同时通道280中的生物流体样品具有较高的NaCl含量。因此，通过随时间跟踪泵物质中的Na⁺或Cl^-浓度，可跟踪装置的剩余的可用寿命。根据本发明中所预期的，ISE、流速传感器和其他类型的传感器的组合可一起使用或单独使用。

当足够数量的EAB感测元件捕获靶分子物分子并在被装置询问时产生捕获信号时，将明确指示检测到靶分析物。已知以指示生物流体样品中存在靶标所需的信号强度作为信号阈值。信号阈值将根据应用而变化，并且将被设置为实现期望的平衡假阳性指示和假阴性指示的预测值。一些应用，诸如筛查普通群体的心脏病，可能需要非常低的假阳性指示，因此将需要具有较高的信号阈值，以表示分析物存在的较大确定性。其他应用，诸如对在危险群体进行初步铅暴露筛查，可能不需要如此高的确定性，并且可使用较低的信号阈值。在其他情况下，例如，EAB感测元件可具有相对弱地结合靶分析物的实体，或者特定的生物流体样品可具有挑战性的pH或盐度特征，或者靶分析物可能非常小。在这些情况的每种情况下，所有其他因素相同时，信号阈值将需要相对高于相反的情况下的信号阈值。

当达到特定应用的信号阈值时，装置将明确检测到生物流体中的靶分析物的存在。这提供了定性评估，该定性评估可能对通常不存在于体内的靶分析物(诸如病毒颗粒)特别有用。还可证明，对检测仅在特殊情况下出现在生物流体中的分析物(例如，排卵时的黄体激素)或者在出现医学病症时因若干因子上调的分析物(例如，肾损伤下的NGAL)是有用的。

在其他实施例中，所公开的发明还可被构造为导出对低浓度靶分析物的定量测量。作为浓度的一阶估计值，装置可跟踪达到信号阈值所需的时间或阈值到达时间。如果将装置放置在皮肤上并随后在几分钟内或几小时内达到信号阈值，则装置可推断出相比阈值到达时间为几小时的情况，分析物以更高的生物流体浓度存在。例如，如果被构造为通过检测细胞因子来确定炎症存在的装置需要5小时来达到信号阈值，则该装置可不推荐采取措施。然而，如果装置仅在2小时后达到信号阈值，则装置可推荐进一步的措施。类似地，装置可跟踪达到信号阈值所需的生物流体样品的体积。可推断出仅需要24μL达到阈值的装置具有比需要90μL达到阈值的装置更高的靶分析物浓度。该装置还可提供多个浓度循环的趋势信息，即，显示分析物浓度是快速变化、保持不变还是缓慢变化。例如，如果装置在一小时后达到信号阈值，然后在随后的测量期间内，在3小时后达到信号阈值，则装置可推断出分析物浓度趋于下降。

虽然阈值到达时间或体积到达阈值评估值可提供浓度的一阶粗略估计值，但通过包括生物流体流速测量将改进定量测量。在这样的实施方案中，装置测量阈值到达时间和生物流体流速，以确定进入装置的生物流体样品的量。已知浓度通道的体积以及达到信号阈值所需的通道内的分析物浓度，装置可估计未浓缩的生物流体中分析物的初始浓度。

所公开的发明以多种方式提高了改进的传感器样式。例如，横向流动测定(“LFA”)可随时间聚集样品，并且经常被提出作为检测低浓度分子的潜在传感器。然而，每次进行测量时，LFA都会消耗水量和分析物，并且只能使用一次。因此，尽早询问LFA可能会导致假阴性，因为LFA无法在更多时间后重询问。这将使用户偏向仅在装置使用周期结束时询问LFA。此外，单个LFA不能提供趋势信息，并且如果装置包括多个LFA，则由于每个LFA将需要接收单独的生物流体样品，因此分析物/样品消耗妨碍了随时间有效地聚集其测量结果。

不得不在使用周期结束时询问生物流体感测装置并且不能检测趋势，大大降低了LFA装置产生的数据的价值。相比之下，EAB传感器可在使用周期期间进行多次测量，从而允许装置确定达到信号阈值有多快速。EAB装置还可检测分析物浓度的降低，这可用作例如药物或其他治疗方案的功效的指示。例如，被构造为跟踪穿戴者的水合水平的装置在使用一小时后检测血管加压素，指示脱水状态，并提示用户饮用推荐的液体量。当该装置在使用第二小时时获得另一读数并且没有检测到血管加压素时，用户可推断出液体摄入有效地治疗了脱水。

参照图3，在相同数字表示先前附图的相同部件的情况下，呈现了图2中描绘的装置的替代实施例。该实施例包括浓缩通道380，浓缩通道380构造为包含功能化基底的柱，代替图2的一个或多个预传感器膜294、296。基底是例如多个小球399(例如固定在微流体通道380内的二氧化硅、凝胶、树脂或聚合物珠)，或者可以是(诸如通过色谱法中使用的技术)提供高表面积和最小流动阻力的另一种合适的排列。小球399被构造成使可用于过滤掉或减慢不需要的生物流体溶质的表面积最大化，同时允许靶分析物分子穿过或以更快的速度穿过从而到达传感器320。多个小球可简单地通过小球之间或小球内的间隙的大小用作过滤器，例如，较大的蛋白质需要更长的时间穿过基底，而较小的溶质快速穿过从而到达传感器320。可选地，较小的溶质可快速远离传感器320穿过，使得对剩余的较大分析物分子的测量得以改进。在一些实施例中，所公开的基底用于按尺寸对溶质进行分选，允许装置更容易地测量不同尺寸的不同靶分析物，例如，通过基于预期它们各自的靶分析物从基底出现的位置将传感器定位在通道内。其他实施例可包括具有各种官能化涂层的小球(例如，葡聚糖、抗体、适体、带电粒子等)，以促进尺寸或电荷过滤。在一些实施例中，小球可以是电中性的、带电的或磁化的。采用基底过滤器的实施例可通过允许装置对生物流体样品进行预过滤而不对样品施加过大的反压(这可能抑制连续或时间顺序保证的取样)来提供超过膜过滤器的操作优势。

一些实施方案将包括设计用于捕获一种或多种靶分析物的而非用作过滤器的功能化基底。在这些实施例中，小球可涂覆有构造为捕获生物流体中的靶分析物的抗体或适体，例如，小球可涂覆有适体以捕获皮质醇。当靶分析物分子聚集在基底上时，随着基底变成新生物流体不可通过的，反压将逐渐增加。因此，装置的一些实施例包括局部加热器，该局部加热器构造为使溶质从基底释放。加热器可产生例如辐射热、特定波长的LED光、高频振动、电荷振荡或用于从基底去除溶质的其他类似输出。在使用中，该装置激活加热器350，这引起一组捕获的分析物分子释放，然后该分析物分子流过基底到达EAB传感器320，在EAB传感器320检测该分析物分子。与其他实施例一样，当靶分析物以足够的量存在以达到EAB传感器的信号阈值时/如果靶分析物以足够的量存在以达到EAB传感器的信号阈值，该装置可进行定性测量。或者，基于达到信号阈值所需的时间量和出汗率，也可获得定性测量。如上所述的局部加热器350也可用在基底用作过滤器的实施例中。当生物流体溶质聚集在基质组成部分之间的间隙中时，装置激活加热器以使溶质从基底释放，从而保持或恢复通过装置的流动。

参照图4，本公开的另一实施例构造为促进较大分子(诸如蛋白质)的检测。装置4包括生物流体不可渗透的基底470、浓缩通道480、一个或多个EAB传感器420、一个或多个可选的次级传感器422、浓缩膜490、可选的后传感器膜492、一个或多个可选的预传感器膜(未示出)以及泵430。在该实施例中，EAB传感器位于距膜490下游一定距离(例如，大于100μm，或大于1cm)处。当生物流体样品14进入装置并沿箭头22的方向流入浓缩通道480时，水16经由膜490抽入，并进入泵430。浓缩膜过滤掉靶分析物20以及若干较大的分子18，它们全部停留在浓缩通道480中。然而，由于它们在生物流体中相对丰富，某些较大的蛋白质(诸如汗液中的皮离蛋白和白蛋白)将聚集于通道的底部过滤器附近处。如果EAB传感器420位于太靠近膜的位置，则聚集的蛋白质将聚集在顶部并污染传感器。因此，通过将EAB传感器沿流动方向22定位在一定的距离(例如2mm、5mm或1cm)处，相对较低浓度的靶分析物可扩散到生物流体样品中并向下迁移到EAB传感器420。注意的是，这可能不是小分子检测的考虑因素，因为即使EAB传感器被大蛋白质污染，较小的靶分析物也可能能够穿过聚集的碎片并仍然到达EAB传感器。

参考图5A，所公开发明的实施例可包括浓度通道580A内的可变密度凝胶590(或具有类似特性的其他介质)。介质密度增加，或具有尺寸沿流体流动方向22减小的孔。可调整物质以与靶分析物20的尺寸(即，分子量)相关。当生物流体样品流过中等、较重的溶质或比孔大的溶质时，将比生物流体流速移动更慢。随着溶质流速相对于生物流体流速而减慢，靶分析物20将逐渐集中在流动方向22上，此时EAB传感器520可进行测量以检测分析物20。

类似地，图5B中描绘的实施例在浓缩通道580B内包括两个或多个凝胶(或具有类似特性的其他介质)，其密度沿流动方向22上增加。第一部分582B具有第一密度，第二部分584B具有较大的第二密度。由此在部分之间的边界583B(描绘了一个)处产生逐渐增加的密度的阶梯边缘。当生物流体样品流过浓缩通道580B时，靶分析物20将集中在边界583B处，然后在下一部分中以较慢的速率移动。结果为在通道中产生“波前”，在该“波前”中，分析物20相对于未浓缩的生物流体是浓缩的，并且可被EAB传感器520检测到。在一些实施例中，可提供另外的EAB传感器526B(示出了一个)，使得每个该部分有一个EAB传感器，用以测量该部分中保留的分析物浓度，或用以允许反向计算生物流体中的初始分析物浓度。可选地，可调整每个部分以保留不同的靶分析物，如此EAB传感器520和另外的EAB传感器526B测量不同的分析物。

参考图6，其中相同的数字表示先前附图中的相同特征，呈现了本公开的另一个实施例，该另一个实施例表示用于EAB传感器装置的生物流体样本浓度的简化手段。在该实施例中，当汗液样品14进入浓缩通道680并开始沿箭头方向22流动时，汗液样品遇到后传感器膜692。在一些实施例中，后传感器膜被构造为使流体和小于靶分析物20的溶质通过，这导致靶分析物集中在EAB传感器620附近。在其他实施例中，后传感器膜692可简单地大幅度减慢生物流体样品流过通道，这在EAB传感器620附近有效地浓缩靶分析物20。一些实施例包括一个或多个可选的次级传感器622或者一个或多个可选的预传感器膜(未示出)。

可进一步构造装置，以提高性能低浓度检测。例如，可对传感器进行电磁屏蔽以减少电噪声的影响，从而提高灵敏度。类似地，EAB感测元件可被中性pH流体包围，以提高低浓度分析物的灵敏度。

这是对所公开发明以及实践所公开发明的优选方法的描述，然而，本发明本身应仅由所附权利要求来限定。

Claims (23)

1.一种生物流体感测装置，所述生物流体感测装置被构造为穿戴在个人的皮肤上并为基于适体的电化学(EAB)传感器检测分析物提供生物流体样品浓缩，所述装置包括：

一个或多个EAB传感器，其用于测量生物流体样品中的分析物的特征；

通道，其用于相对于所述分析物来浓缩所述生物流体样品，其中，所述通道具有第一端和第二端，其中，所述生物流体样品沿从所述第一端至所述第二端的方向流动，并且其中，所述分析物以第一摩尔浓度进入所述装置，并浓缩为第二摩尔浓度，其中，所述第二摩尔浓度大于或等于所述EAB传感器的信号阈值；

一个或多个选择性地可渗透的膜；

一个或多个次级传感器；以及

生物流体不可渗透的基底。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述选择性地可渗透的膜为以下中的一个或多个：预传感器膜，其位于所述通道的第一端与所述EAB传感器之间；后传感器膜，其位于所述通道的第二端与所述EAB传感器之间；以及浓缩器膜，所述浓缩器膜具有与所述通道相邻的第一侧和与所述通道相对的第二侧。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括泵，其中，所述泵与所述浓缩器膜的所述第二侧相邻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述次级传感器为以下中的一个或多个：生物流体流速体积传感器；微热流速传感器；皮肤电反应(GSR)传感器；皮肤电容传感器；生物流体传导率传感器；以及用于K⁺、Na⁺或Cl^-中的一种或多种的离子选择性电极传感器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述次级传感器为以下中的一个或多个：位于所述通道的第一端与选择性地可渗透的膜之间；位于所述通道的第一端与所述EAB传感器之间；位于选择性地可渗透的膜与所述通道的第二端之间；以及与选择性地可渗透的浓缩器膜的第二侧相邻，其中，所述浓缩器膜还具有与所述通道相邻的第一侧。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括功能化基底，所述功能化基底位于所述通道的第一端与所述EAB传感器之间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述基底是多个小球。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述基底包括以下中的一个：葡聚糖涂层；抗体涂层、适体涂层；带电粒子涂层；电中性电荷；电正电荷；电负电荷；以及磁极性。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述次级传感器位于所述通道的第一端与所述功能化基底之间。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括局部加热器，局部加热器与所述基底相邻。

11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述浓缩器膜具有相对于所述EAB传感器的位置，其中，所述位置基本上防止了由溶质从所述生物流体中沉淀出来并沉淀在所述传感器表面上而引起的所述EAB传感器的性能的降低。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道包含浓缩凝胶，其中所述凝胶在所述通道的第一端具有第一密度、在所述通道的第二端具有第二密度，其中，所述第二密度大于所述第一密度。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述浓缩凝胶的密度从所述第一端至所述第二端基本上连续地增加。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述浓缩凝胶由多个部分和所述多个部分之间的一个或多个边界组成，其中，每个部分具有凝胶密度，所述部分布置为使得所述凝胶密度从所述第一端至所述第二端增加。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道包含具有多个孔的浓缩物质，其中，所述孔在所述通道的第一端具有第一尺寸、在所述通道的第二端具有第二尺寸，其中，所述第二尺寸小于所述第一尺寸。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述浓缩物质的孔的尺寸从所述第一端至所述第二端基本上连续地减小。

17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述浓缩物质由多个部分和所述多个部分之间的一个或多个边界组成，其中，每个部分具有孔尺寸，所述部分被布置为使得所述孔尺寸从所述第一端至所述第二端增大。

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生物流体为以下中的一个：汗液、间质液、血液、血浆、血清、泪液和唾液。

19.一种使用权利要求1所述的装置的方法，所述方法包括：

收集生物流体样品，所述生物流体样品包括第一摩尔浓度的靶分析物；浓缩所述生物流体样品，使得所述生物流体样品包括第二摩尔浓度的所述靶分析物，其中，所述第二摩尔浓度大于或等于所述EAB传感器的信号阈值；执行对所述靶分析物的特征的测量；以及向装置用户报告所述特征。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述靶分析物的特征为生物流体样品浓度估计值。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定阈值到达时间，其中，所述阈值到达时间为第一时间与第二时间之间的持续时间，其中，所述第一时间是在所述装置在皮肤上进行操作时，其中，所述第二时间是在达到所述信号阈值时。

22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定所述第二摩尔浓度大于所述第一摩尔浓度的因子。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二摩尔浓度通过以下因子中的至少一个而大于所述第一摩尔浓度：大于10X；大于100X；以及大于1000X。

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