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ES2338165T3 - Procedimientos y sistemas para suministrar muestras fluidas a series de sensores. - Google Patents

Procedimientos y sistemas para suministrar muestras fluidas a series de sensores. Download PDF

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ES2338165T3
ES2338165T3 ES06836471T ES06836471T ES2338165T3 ES 2338165 T3 ES2338165 T3 ES 2338165T3 ES 06836471 T ES06836471 T ES 06836471T ES 06836471 T ES06836471 T ES 06836471T ES 2338165 T3 ES2338165 T3 ES 2338165T3
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sample
sensor
deposits
series
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ES06836471T
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Prashant V. Shrikhande
Scott M. Boyette
Caibin Xiao
Radislav A. Potyrailo
Andrew M. Leach
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Priority claimed from US11/259,643 external-priority patent/US7723120B2/en
Priority claimed from US11/507,689 external-priority patent/US8133741B2/en
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Abstract

Un procedimiento para medir simultáneamente una pluralidad de analitos biológicos o químicos en un fluido, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: proporcionar un sustrato (350) que comprende una pluralidad de elementos sensores, respondiendo cada uno de dichos elementos sensores a al menos uno de dicha pluralidad de analitos; proporcionar al menos una fuente de luz para dirigir la luz sobre dichos elementos sensores; suministrar cantidades medidas de dicho fluido a cada uno de dichos elementos sensores; detectar una respuesta desde dichos elementos sensores; registrar dicha respuesta en un registro digital; procesar dicho registro digital; y utilizar dicho registro digital para determinar una concentración de cada uno de dichos analitos en dicho fluido, en el que dicha etapa de suministro comprende proporcionar un dispositivo de suministro que comprende una pluralidad de depósitos (352) que se comunican con y están próximos a dichos elementos sensores, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro un acceso de entrada de muestra (12) y una pluralidad de canales fluidos hidrófilos (5), estando conectados dichos canales entre dichos depósitos y dicho acceso de entrada de manera que transportan un volumen controlado de dicho fluido entre dicho acceso de entrada y dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro una capa de cubierta (2), comprendiendo dicha capa de cubierta una pluralidad de orificios de purga sustancialmente hidrófobos dispuestos por encima de dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicha capa de cubierta una superficie inferior sustancialmente hidrófila para proporcionar una parte de techo hidrófila por encima de dichos depósitos para facilitar el transporte de dicho fluido a dichos depósitos.

Description

Procedimiento y sistemas para suministrar muestras fluidas a series de sensores.
Referencia cruzada a la solicitud relacionada
La presente solicitud reivindica el beneficio de prioridad de la Solicitud de Patente de Estados Unidos con Nº de Serie 11/259.712, presentada el 26 de octubre de 2005, la Solicitud de Patente de Estados Unidos con Nº de Serie 11/259.643 presentada el 26 de octubre de 2005 y la Solicitud de Patente de Estados Unidos de Continuación Parcial con Nº de Serie 11/507.689 presentada el 22 de agosto de 2006.
Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a una serie de sensores químicos y, más particularmente, se refiere a un sistema, procedimiento y aparato nuevos y mejorados para suministrar una muestra fluida a una serie de sensores químicos, al procesado en paralelo de la información química y bioquímica desde una multiplicidad de elementos sensores de la serie de sensores. La invención se refiere también, en general, al campo de los dispositivos microfluidos. Más particularmente, la invención se refiere a materiales para su uso en los dispositivos microfluidos y a procedimientos de fabricación de los dispositivos microfluidos.
Antecedentes de la invención
Muchas de las mediciones químicas y biológicas es necesario realizarlas en localizaciones fuera de una instalación analítica totalmente equipada. Esto requiere sistemas que sean portátiles y que estén miniaturizados, de manera que puedan transportarse a las localizaciones donde se requiere una respuesta de ensayo rápida para el control de calidad de los procedimientos o del agua, o que puedan desplegarse en un entorno médico para proporcionar resultados de ensayo rápidos para ciertas especies biológicas o bioquímicas de interés. Estos análisis químicos y biológicos pueden realizarse individualmente usando ensayos sencillos que se optimizan después del ensayo para potenciar la calidad o precisión de los resultados, pero este enfoque en serie tiene defectos inherentes debido a que es difícil compensar totalmente las interacciones multidimensionales usando un enfoque en serie. Adicionalmente, este enfoque puede consumir tiempo y puede producir resultados erróneos. La introducción de errores debidos al operario o al sistema cuando los ensayos se realizan en diferentes plataformas o en diferentes momentos complica adicionalmente este sistema. La mejor manera para superar esta limitación es realizar todas las mediciones deseadas simultáneamente en la misma plataforma, aunque el estado actual de la técnica no proporciona una plataforma totalmente integrada para dichas mediciones.
La tecnología de serie electroquímica actual permite a los operarios realizar un ensayo en serie de una sola vez, aunque esto está limitado a aquellos materiales que responden a un estímulo electroquímico. Esto normalmente implica técnicas de medición tales como procedimientos de voltametría de separación anódica o voltametría cíclica o incorpora un material sensible químicamente en un detector electroquímico, por ejemplo, un electrodo específico de ión (ISE). Este sistema, aunque productivo para algunos sistemas, está limitado por muchas de las limitaciones comunes de los sistemas electroquímicos, por ejemplo, problemas sistemáticos a potencia iónica baja y alta que afectan a los potenciales electroquímicos. Adicionalmente, algunos de estos sistemas pueden sufrir reactividades cruzadas o interferencias importantes, por ejemplo, reactividad cruzada de oxianiones comunes o cationes pequeños tales como sodio, litio y potasio.
Hay otras plataformas de ensayo que podrían proporcionar mediciones en serie a pequeña escala que están basadas en mediciones ópticas o espectrales. Esta puede ser la detección óptica a partir de análisis químico en húmedo multi-flujo o pueden ser versiones portátiles de medidas de laboratorio clásicas, por ejemplo, unidades espectrométricas de absorción atómica portátiles. Estos sistemas, a menudo, están limitados por la mecánica requerida para el flujo de fluidos y el mantenimiento o porque un equipo voluminoso como los sistemas espectrométricos de absorción atómica portátiles que, aunque teóricamente son transportables, en la práctica se ha demostrado que no son tan móviles. Se mencionan también sistemas de laboratorio adicionales miniaturizados como Espectroscopía de Masas o Espectroscopía de Emisión Atómica con Plasma Inductivamente Acoplado, aunque estos procedimientos son difíciles de adaptar a sistemas manuales portátiles o desplegables en el campo.
Una alternativa propuesta es usar una plataforma óptica basada en respuestas químicas bien caracterizadas de películas sensoras ópticas. Dicho sistema usa películas sólidas sensibles químicamente que responden a concentraciones de analito cambiando sus valores de absorbancia a una longitud de onda optimizada. Esta plataforma puede ampliarse para incorporar elementos de ensayo sensores para todas las especies interferentes o con reactividad cruzada conocidos para una matriz de ensayo particular, así como teniendo en cuenta las limitaciones del ensayo en los extremos de las condiciones de la muestra de ensayo, por ejemplo, potencia iónica alta y baja así como potencias de tampón alta y baja.
Este sistema tiene el beneficio añadido de proporcionar una pequeña plataforma de ensayo que puede formarse en una serie diseñada específicamente para medir elementos de ensayo que requieren un análisis de desconvolución específico.
Los sensores químicos ópticos también se dividen en dos clases generales, reversibles e irreversibles. Los sensores totalmente reversibles se equilibran rápidamente a la concentración del analito diana en el fluido de ensayo y su respuesta cambia cuando cambia la concentración de analito. Los ejemplos de sensores reversibles son sensores de pH de película polimérica y optodos selectivos de iones (ISO). En contraste, un sensor irreversible continuará respondiendo al analito en el fluido de ensayo hasta que el reactivo sensible en el sensor se haya agotado, es decir, la cantidad total de analito disponible en el sensor en lugar de la concentración de analito en la muestra. Muchos de los sensores que no son de tipo ISO pertenecen a esta categoría.
Como el reactivo en los sensores reversibles está en un equilibrio químico con el analito en la muestra, la exposición de la película sensora a la muestra altera la concentración de analito si el volumen de muestra es finito. Esto requiere que las películas sensoras reversibles se expongan a una gran cantidad en exceso de volumen de muestra o a una cantidad dada de volumen de muestra. En el último caso, puede hacerse una corrección para reducir los errores debidos al efecto de volumen finito. Similarmente, el sensor irreversible requiere el control del volumen de la muestra, de manera que la respuesta del sensor refleja la concentración de analito en el volumen controlado del fluido de
ensayo.
Una serie de sensores diseñada para análisis cuantitativo puede no producir resultados satisfactorios simplemente sumergiendo los elementos de la serie en una muestra de líquido por las razones mencionadas anteriormente. Para una serie de sensores que consisten tanto en sensores reversibles como irreversibles, tiene que controlarse el volumen de muestra al que está expuesta cada región sensora. Además, la regulación del volumen también ayuda a evitar la contaminación cruzada de un sensor a otro. En la presente invención, las composiciones de película sensora están diseñadas para dar su rendimiento optimizado cuando se exponen a volúmenes de muestra fijos.
Las series de sensores ópticos que están compuestas por sensores irreversibles, o una combinación de sensores irreversibles y reversibles, deben tener alguna forma de control fluido que suministre un volumen controlado de fluido de ensayo a cada elemento sensor. La mayor parte de sistemas disponibles hoy en día usa alguna forma de bomba o sistema multi-adición mecánico para suministrar estos volúmenes controlados, por ejemplo, adición robótica a placas multi-pocillo. Estos sistemas, a menudo, son voluminosos y requieren componentes mecánicos y eléctricos que raramente resultan robustos y adecuados para el ensayo remoto en entornos difíciles. Se han desarrollado sistemas de muestreo especializados para instrumentos analíticos que difieren en su funcionalidad y capacidades dependiendo de su uso final. Se conocen diversos enfoques de muestreo para los sensores, por ejemplo, exposición secuencial de las regiones sensoras a compuestos químicos de interés como se divulga en nuestra Patente de Estados Unidos previa 6.360.585 y muestreo a partir de múltiples regiones sobre grandes áreas como se divulga en nuestra Patente de Estados Unidos anterior 6.676.903.
Aunque un gran número de publicaciones y patentes se han dedicado al desarrollo de procedimientos, reactivos y equipos sensores para sustituir a los procedimientos químicos en húmedo tradicionales, sigue habiendo una necesidad de un sistema sensor desplegable en el campo, económico y conveniente, para detección simultánea de múltiples analitos.
Lo que se necesita también es un procedimiento y sistema mejorados para suministrar una cantidad controlada de una muestra líquida a múltiples regiones sensoras en un periodo de tiempo dado sin usar ninguna bomba, válvula o material con propiedades capilares. En muchas áreas de la ciencia y la tecnología, a menudo se requiere suministrar una cantidad dada de muestra fluida a múltiples localizaciones. En la determinación de las concentraciones de analito, es necesario distribuir una muestra fluida a múltiples sitios de detección donde pueden analizarse múltiples analitos en la muestra. En la selección e investigación combinada de alta producción, es deseable distribuir un reactante líquido a una serie de sitios de reacción. Convencionalmente, el suministro de líquido a múltiples localizaciones se consigue mediante bombeo, dispersión por chorro de líquido y procedimientos similares al simple pipeteo manual o mecánico, tal como un sistema robot de suministro de líquido.
En los últimos años, el efecto capilar se ha aprovechado para diseños fluidos. Uno de los inconvenientes asociados con los mecanismos pasivos conocidos es que típicamente dependen del uso de materiales absorbentes o con propiedades capilares. Esto hace difícil fabricar un dispositivo para suministrar una pequeña cantidad de muestra a un gran número de localizaciones. Además, los dispositivos descritos en la técnica anterior no son capaces de suministrar un paquete de fluido a múltiples regiones sensoras. En lugar de ello, el material absorbente es una parte integrada en la matriz sensora o de reacción. El líquido suministrado al sitio sólo da como resultado el humedecimiento de los materiales que están dentro de la matriz. Como resultado, para una serie de sensores y muchas otras aplicaciones, dosificar una cantidad dada de muestra líquida a múltiples localizaciones es lo más deseable.
Para abordar la necesidad de dispositivos de suministro fluido, se sabe que los dispositivos microfluidos se fabricaban al principio de los años 90 en vidrio y silicio usando procedimientos tradicionales de procesado de semiconductores. La robustez y las propiedades superficiales de estos dispositivos les hicieron ideales para un amplio intervalo de aplicaciones químicas y bioquímicas, incluyendo separaciones electroforéticas, síntesis orgánica, reacción en cadena de polimerasa e inmunoensayos. Sin embargo, los altos costes de fabricación han dirigido la fabricación de dispositivos microfluidos hacia materiales más económicos, tales como polímeros.
Los polímeros usados típicamente en los dispositivos microfluidos pueden incluir polidimetilsiloxano, policarbonato, polimetilmetacrilato y similares. Estos materiales poliméricos a menudo tienen propiedades superficiales menos deseables, incluyendo una alta energía superficial, malas propiedades de barrera y baja resistencia química. Se han desarrollado procedimientos para eliminar algunos de estos aspectos relacionados con las propiedades superficiales y para funcionalizar las superficies de los dispositivos de plástico para la unión de moléculas de analito tales como ADN, proteínas y anticuerpos. Sin embargo, estos procedimientos pueden ser complejos y pueden dar como resultado una mala eficacia y una mala resolución espacial de los canales microfluidos.
Típicamente, para conseguir propiedades superficiales deseables los canales microfluidos se rellenan con uno o más materiales que tienen las propiedades deseables. Sin embargo, estos procedimientos de llenado son complejos, consumen tiempo y a menudo dan como resultado canales bloqueados.
También existe una necesidad de un material adecuado para usar en dispositivos de suministro fluidos o microfluidos, material que está configurado preferentemente para funcionalizarse para obtener las propiedades deseables en los canales microfluidos. También, existe una necesidad de proporcionar un procedimiento de fabricación de dispositivos microfluidos rápido y eficaz, para reducir el coste de fabricación de estos dispositivos.
El documento WO-A-0 107889 (Figuras 1, 4-7, 12-13) divulga aparatos y procedimientos para la selección de alta producción que comprende un sustrato que tiene células en serie en localizaciones de unión celular 10 (elementos sensores) y un sistema de suministro fluido emparejado con el sustrato formando dominios abordables individualmente a través de canales microfluidos para el suministro de fluido de los dominios. La disposición maximiza el número de pocillos de los que pueden crearse imágenes de una sola vez, mientras que aún se obtiene una resolución de píxeles adecuada en la imagen. El aparato (Figuras 1, 4-7) comprende una cámara 12, con una serie de dominios atacados químicamente 13 correspondientes a las localizaciones de unión celular 8 en el sustrato 4 - los canales de entrada 14 se atacan químicamente para suministrar fluido a los dominios atacados químicamente 13. Una serie de canales de "salida" 16 para retirar el exceso de fluido de los dominios atacados químicamente 13 puede conectarse también a las localizaciones de unión celular. La cámara 12 y el sustrato 10 constituyen juntos un módulo 18. Como alternativa, la localización fluida puede ser plana y las localizaciones de unión celular 8 pueden comprender depresiones que corresponden a las localizaciones fluidas 1. En otra alternativa, tanto el sitio de unión celular 8 como la localización fluida 1 son planos, y se crea un espacio de volumen para el pocillo usando un soporte espaciador 20 entre el sustrato 4 y la cámara 12. La cámara 12 se usa para suministrar fluido a las células situadas en las localizaciones de unión celular 10. El fluido puede incluir, aunque sin limitación, una solución de un fármaco, proteína o ligando particular u otra sustancia que se una con los restos expresados en la superficie de las células. El control del suministro de fluido es mediante microválvulas/bombas o por acción capilar.
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Sumario de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para medir simultáneamente una pluralidad de analitos biológicos o químicos en un fluido de acuerdo con la reivindicación 1 y un sistema correspondiente de acuerdo con la reivindicación 4.
En un aspecto, esta divulgación se refiere a un sistema sensor controlado por el volumen de muestra para medir simultáneamente concentraciones de múltiples analitos en sustancias químicas o biológicas tales como sistemas acuosos, que comprende un conjunto de elementos sensores sensibles al analito, reversibles e irreversibles, que se seleccionan para cambiar al menos una propiedad óptica en respuesta a estímulos químicos, biológicos o medioambientales incluyendo al menos una región de referencia que sirve como patrón óptico interno y de posición y una fuente de luz para dirigir la luz sobre una serie de elementos sensores. Se proporciona un dispositivo de formación de imágenes basado en un detector que puede ajustar su rendimiento a la posición y el perfil espectral de la fuente de luz y, después, convierte esta respuesta en forma de imágenes en un registro digital. Los algoritmos de identificación de imágenes se proporcionan para identificar la composición de ensayo en el elemento por una de las muchas configuraciones basadas en intensidad de imagen, patrón de color, disposición y similares. Se proporciona un algoritmo de optimización basado en un programa informático que incorpora respuestas desde la serie de sensores y produce resultados optimizados que no están disponibles sin el sistema completo y una compensación
variable.
En otro aspecto, esta divulgación se refiere a un dispositivo que comprende canales y depósitos capaces de suministrar una cantidad controlada de una muestra líquida a múltiples depósitos que contienen una serie de elementos sensores en un periodo de tiempo dado. La fuerza motriz para el transporte del líquido dentro del dispositivo es principalmente la fuerza capilar generada por la energía superficial del líquido y la interfaz de la pared canal/depósito. Dicho dispositivo no depende del uso de ningún material con propiedades capilares y puede producirse de forma económica usando materiales fácilmente disponibles. Otros procedimientos para dirigir fluidos a series de sensores incluyen flujo electro-osmótico, electro-humedecimiento, bombeo termo-capilar, campos magnéticos, flujo dirigido superficialmente, control electroquímico, gradientes de energía mecánica (por ejemplo, jeringas), centrípeta y superficial. Una aplicación de la presente invención es suministrar volúmenes controlados de muestras líquidas a series de sensores sobre discos ópticos.
Se divulga también un procedimiento de análisis total para controlar un conjunto de especies biológicas y químicas en agua y sistemas de proceso. El sistema proporciona una serie de sensores ópticos, reversibles e irreversibles, con volumen de muestra controlado, para determinar las concentraciones totales de múltiples analitos simultáneamente. El procedimiento implica exponer la serie de sensores a medios que contienen múltiples analitos y registrar la respuesta de la serie de sensores en forma de un registro digital. La respuesta del sensor se procesa para reducir el ruido y las interferencias y se aplica un análisis multivariable para mejorar la respuesta de la serie. La respuesta de la serie mejorada se utiliza después para medir, supervisar y controlar la concentración de los analitos en la sustancia química o biológica o el sistema acuoso.
Se divulga también un dispositivo microfluido que tiene uno o más canales microfluidos, un sistema que emplea el dispositivo microfluido, y un procedimiento para fabricar el dispositivo microfluido.
Se divulga un canal microfluido que incluye un primer sustrato que tiene al menos un patrón de canal microfluido. Adicionalmente, el canal microfluido incluye un material poroso dispuesto sobre el primer sustrato y que ocupa el al menos un patrón del canal microfluido.
Se divulga un sistema que emplea un dispositivo microfluido que incluye una pluralidad de canales microfluidos. Los canales microfluidos incluyen un medio poroso dispuesto dentro de una cavidad que define al menos uno de la pluralidad de canales microfluidos. El medio poroso está configurado para permitir un flujo de una solución de muestra a través del mismo.
Se divulga un procedimiento para fabricar un dispositivo o microfluido que incluye proporcionar un primer sustrato que tiene al menos un patrón de canal microfluido y colocar un material poroso en al menos un patrón de canal microfluido. El procedimiento incluye adicionalmente modificar el material poroso para definir canales microfluidos mientras se proporciona una superficie funcionalizable.
Estas y otras ventajas y características se entenderán más fácilmente a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención, que se proporcionan en conexión con los dibujos adjuntos.
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Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un conjunto apilado para el dispositivo de muestreo de suministro de fluido de flujo capilar de acuerdo con una realización ejemplar de la presente invención;
La Figura 2 ilustra una configuración de canal-depósito en una serie ramificada;
La Figura 3 ilustra una configuración de canal-depósito en serie en paralelo;
La Figura 4 ilustra una configuración de suministro de fluido con un depósito de residuo y un canal de demora;
La Figura 5 es una imagen de películas sensibles a cloro, de derecha a izquierda, las concentraciones de cloro son 1, 2, 4, 5, 10 y 50 ppm;
La Figura 6 ilustra la curva de calibrado para la determinación de cloro;
La Figura 7 es una imagen de películas sensibles a la alcalinidad;
La Figura 8 es un gráfico que ilustra [(R_{w}-R)^{2} + (G_{w}-G)^{2} + B^{2}]^{1/2}/B_{w} calculado a partir de una imagen digital capturada con un escáner que representa una función de la alcalinidad de la solución;
La Figura 9 es un gráfico que ilustra la correlación de [(R_{w}-R)^{2} + (G_{w}-G)^{2} + B^{2}]1^{1/2}/B_{w} con la absorbancia medida con una sonda de reflectancia óptica a 650 nm;
La Figura 10 es un gráfico que ilustra [(R_{w}-R)^{2} + (G_{w}-G)^{2} + B^{2}]^{1/2}/B_{w} calculado a partir de una imagen digital capturada por una cámara digital a color que representa una función de la alcalinidad de la solución;
La Figura 11 es un gráfico que ilustra el rendimiento de la cámara frente al escáner;
La Figura 12 es un gráfico que ilustra el calibrado multivariable de la determinación de pH;
La Figura 13 muestra una película sensora del pH con defectos;
La Figura 14 es un gráfico que ilustra los efectos de los defectos de la película sobre los valores de RGB;
La Figura 15 es un gráfico que ilustra el rechazo de un grupo de píxeles por criterios de desviación típica;
La Figura 16 es un gráfico que ilustra la curva de calibrado para una película sensora de Ca;
La Figura 17 es un gráfico que ilustra la respuesta cinética de una película sensora de molibdato a diferentes temperaturas;
La Figura 18 comprende imágenes digitales que muestran el cambio de color de la película sensora de molibdato durante el transcurso de su exposición a una muestra de agua a 25,3ºC;
La Figura 19 es un gráfico que ilustra el efecto de la temperatura sobre la respuesta del sensor de molibdato;
La Figura 20 muestra la distribución de canales y depósitos para el Ejemplo 1;
La Figura 21 muestra la comparación del tiempo de llenado predicho con los datos experimentales para el tiempo de llenado para el Ejemplo 1;
La Figura 22 es un gráfico que muestra un tiempo de llenado promedio para depósitos de 5423 \mul con barras de error obtenido a partir de seis ensayos en el Ejemplo 2;
La Figura 23 es una curva de calibrado para la película sensible a magnesio obtenida con un dispositivo de muestreo con volumen de muestra controlado detallado en el Ejemplo 9;
La Figura 24 es una fotografía que representa una capa de muestreo de material blando montada en un sustrato con elementos sensores tras la exposición de los elementos a volúmenes de muestra controlados de líquido en cada depósito;
La Figura 25 ilustra un ejemplo bibliográfico de un líquido que llena una serie de depósitos a medida que el sustrato se retira del volumen de muestra;
La Figura 26 ilustra una configuración de canal-depósito para suministrar muestras a múltiples regiones sensoras desde un punto de entrada en un sustrato único;
La Figura 27 es una vista en perspectiva de un tomamuestras fluido ejemplar en forma de DVD y carcasa de disco con un acceso de entrada en el medio del disco para la introducción de fluido;
La Figura 28 es una vista en perspectiva de un dispositivo de suministro fluido preparado para el montaje;
La Figura 29 es una vista en perspectiva del dispositivo de suministro de fluido de la Figura 28 montado;
Las Figuras 30a-30c son vistas en sección transversal;
Las Figuras 31a-31d ilustran la formación de imágenes por absorbancia dinámica de la cinética de operativa del tomamuestras montado en diferentes fases del llenado del tomamuestras con una muestra de agua;
Las Figuras 32a-32c ilustran la formación de imágenes por absorbancia dinámica para evaluar la cinética operativa del tomamuestras montado con elementos sensores que proporcionan el lixiviado controlado de reactivos hacia el volumen de muestra controlado;
La Figura 33 es un gráfico que ilustra las mediciones de absorbancia recogidas a intervalos de tiempo de seis segundos desde un tiempo antes de que la muestra se inyectara hasta el punto en el que las celdas estaban completamente llenas;
La Figura 34a ilustra una realización ejemplar de la presente divulgación;
La Figura 34b es una vista en sección transversal parcial de la realización ejemplar de la Figura 34a;
La Figura 35a es una realización ejemplar de la presente divulgación;
La Figura 35b es una vista en sección transversal parcial de la realización ejemplar de la Figura 35a;
Las Figuras 36a-36c ilustran una realización ejemplar de la presente divulgación insertada y retirada de una muestra líquida;
La Figura 37 es un gráfico que ilustra el rendimiento de un dispositivo de suministro ejemplar construido de acuerdo con las Figuras 34a-34b;
La Figura 38 es un gráfico que ilustra el rendimiento de un dispositivo de suministro ejemplar construido de acuerdo con las Figuras 35a-35b;
La Figura 39A es una vista en sección transversal, despiezada, de una disposición de apilamiento de tres capas de un dispositivo microfluido, donde la disposición de apilamiento incluye un primer sustrato, una capa porosa y un segundo sustrato;
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La Figura 39B es una vista en sección transversal del dispositivo microfluido formado de acuerdo con la disposición de apilamiento de la Figura 39A;
La Figura 40A es una vista en sección transversal, despiezada, de un disposición de apilamiento que tiene un dispositivo microfluido que tiene una capa porosa funcionalizada y un sustrato;
La Figura 40B es una vista en sección transversal del dispositivo microfluido formado de acuerdo con la disposición de apilamiento de la Figura 40A;
La Figura 41A es una vista en sección transversal, despiezada, de una disposición de apilamiento de tres capas de un dispositivo microfluido, donde la disposición de apilamiento incluye un primer sustrato, una capa porosa y un segundo sustrato;
La Figura 41B es una vista en sección transversal de la disposición de apilamiento de la Figura 41A tomada a lo largo de la línea 41B-41B;
La Figura 41C es un vista en sección transversal del dispositivo microfluido formado de acuerdo con la disposición de apilamiento de las Figuras 41A y 41B;
Las Figuras 41D y 41E son vistas en sección transversal del dispositivo microfluido de la Figura 41C tomadas a lo largo de las líneas 41D-41D y 41E-41E, respectivamente;
La Figura 42 es una vista en sección transversal de un dispositivo microfluido que emplea canales microfluidos individuales en diferentes planos horizontales del primer y segundo sustratos;
La Figura 43 es una representación de un canal microfluido formado comprimiendo la capa porosa; y
La Figura 44 es una ilustración esquemática de un sistema de ensayo biológico que emplea un dispositivo microfluido.
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Descripción detallada de las realizaciones ejemplares
Esta divulgación describe una plataforma de serie de ensayo que incorpora reducción del ruido, reducción de interferencias, mejoras en la respuesta a múltiples compuestos químicos, análisis multivariable y una plataforma flexible, que permite diseñar a medida una serie de ensayos para proporcionar una respuesta optimizada con errores sistemáticos o del operario minimizados. Esta plataforma de ensayo en serie está basada en elementos sensores ópticos sensibles químicamente que pueden incorporarse en sistemas desplegables en el campo, reforzados, compuestos por una serie de detección sencilla, y estos sistemas pueden comunicarse fácilmente con un ordenador o con unidades electrónicas que pueden realizar el análisis complejo requerido para proporcionar mediciones optimizadas en localizaciones distintas del laboratorio.
Un aspecto de la presente divulgación es el reconocimiento de que pueden desarrollarse películas sensoras ópticas para tener en cuenta la mayoría de las variables sistemáticas que afectan a las mediciones de analito químicas y biológicas. Estos sistemas sensores químicos y biológicos contienen diversos componentes funcionales. Un componente es un material sensor que responde a un cambio en el entorno. Los ejemplos de dichos materiales sensores son polímeros sensibles a analito, biomembranas, sistemas sol-gel y algunos otros. En el caso de sensores ópticos el material sensor debería mantener una transparencia óptica o una pérdida de transparencia adecuadas para el compuesto sensible químicamente a controlar usando transmisión, reflexión, dispersión o fluorescencia óptica o cualquier otro procedimiento óptico común conocido en la técnica. Otro componente descrito en el presente documento es el sistema electrónico que proporciona un medio para medir el cambio en el material sensor tras la exposición medioambiental. Por consiguiente, las interacciones del entorno con el material se convierten en una señal analíticamente útil usando un mecanismo de transducción apropiado tal como detección óptica. Esta plataforma de detección óptica en serie está comunicada con un "sistema inteligente" que compensa las interferencias, las variaciones medioambientales etc. y realiza la reducción del ruidos y optimizaciones del ensayo y produce resultados finales de mayor calidad que los que pueden obtenerse con un sistema que no está totalmente integrado.
Las siguientes secciones describen con más detalle los componentes de este sistema de análisis total, con ejemplos de cómo cada componente puede proporcionar una mejora aumentada cuando se aplica a una plataforma de ensayo en serie completa. El sistema de análisis total es un producto de la combinación de cada uno de estos elementos mejorados para producir un sistema único con rendimiento potenciado que es el resultado de la combinación simultánea de los elementos individuales.
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Serie de Sensores
Una serie de sensores ópticos tiene un conjunto de elementos sensibles al analito donde los elementos sensores responden a concentraciones de analito cambiando de color u otras propiedades ópticas tras la exposición a una muestra. El número de elementos sensores totales y el tipo de elementos sensores puede seleccionarse para satisfacer una necesidad de análisis específico del sistema. Como un ejemplo no limitante, una serie de sensores para análisis de agua comprende elementos sensores ópticos que responden a los siguientes analitos: alcalinidad, pH, cloro, dureza, sulfito y fosfato.
Los tipos de sensores adecuados para usar en la presente invención se describen en nuestras solicitudes de patente en trámite junto con la presente tituladas "Material Compositions for Sensors for Determination of Chemical Species at Trace Concentrations and Method of Using Sensors" y "Self Contained Phosphate Sensors and Method for Using Same" presentadas en la misma fecha que la presente solicitud.
Las series de sensores ópticos comprenden una serie de elementos sensores sólidos depositados sobre un sustrato sólido. El elemento sólido puede contener un solo componente o múltiples componentes. Uno o todos los componentes en el elemento sensor sólido pueden ser solubles en agua. Las combinaciones de diferentes características de solubilidad de los componentes en el elemento sensor pueden elegirse para potenciar el rendimiento de la serie de sensores. Como un ejemplo, el elemento sensor puede prepararse a partir de un polímero de hidrogel que contiene reactivos solubles en agua que responden a la concentración de analito.
Puede usarse un aglutinante para potenciar la adhesión del elemento sólido al sustrato. Un material de dispersión de líquido, por ejemplo, un tensioactivo puede añadirse al elemento sólido para mejorar las propiedades de humectación de las regiones sensoras. El material de dispersión de líquido puede ponerse entre el elemento sólido y el sustrato o, en otras configuraciones, tales como encima o alrededor del elemento. Los procedimientos realizados habitualmente que son adecuados para preparar la serie de sensores necesaria para la presente invención incluyen los procedimientos para fabricar tiras de papel indicador y sensores de película polimérica como se describe en Zolotov y col. in "Chemical Test Methods of Analysis" in Wilson & Wilson's Comprehensive Analytical Chemistry, 2002.
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Combinaciones de Fuente de Luz-Detector de la Serie
Hay muchas combinaciones de fuente de luz/detector adecuadas para medir las respuestas del sensor en una serie óptica. Por ejemplo, nuestra solicitud de patente de Estados Unidos previa número 10/760.435 presentada el 20 de enero de 2004 describe un dispositivo manual con un elemento desechable para el análisis químico de múltiples analitos.
Volviendo a nuestra presente invención, la invención se refiere a nuevos sistemas y procedimientos para detectar simultáneamente respuestas de películas paralelas desde una pluralidad de elementos sensores. La siguiente tabla muestra fuentes para intervalos UV-visible-IR cercano para las aplicaciones junto con el sistema de serie de sensores ópticos y para el procesado en paralelo de información química y bioquímica, adecuado para usar en la presente invención. Se entiende que otras fuentes de luz menos convencionales que emitan radiación en el intervalo espectral de interés, tales como el sol, diodos emisores de luz orgánicos, luces de sala interior, productos de reacción de bioluminiscencia, emisión de equipo electrónico tal como monitores de ordenador, monitores de PDA, pantallas de teléfonos móviles, buscas, fuentes radioluminiscentes y cualquier otra fuente de luz conocida o desarrollada posteriormente en la técnica puede usarse también sin alejarse del alcance de la presente invención.
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(Tabla pasa a página siguiente)
Fuentes de Luz Útiles para los Sensores Ópticos 
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Los posibles detectores incluyen detectores de un solo canal o multicanal, al vacío o en estado sólido. Los detectores al vacío son fototubos y tubos fotomultiplicadores (PMT). Los detectores en estado sólido incluyen fotodiodos, series de fotodiodos, dispositivos de carga acoplada (CCD), dispositivos de inyección de carga (CID) y fotodiodos de avalancha. Los detectores multicanal incluyen series de detectores individuales tales como series de fotodiodos, series de PMT. También están disponibles los CCD, CID, CMOS y otros tipos de detectores multicanal. Cada elemento tiene sus ventajas y desventajas intrínsecas y puede combinarse para producir una plataforma detectora con fuente de luz adecuada para la necesidad particular en una aplicación específica. Igualmente, es posible combinar más de una fuente de luz o detector para controlar diferentes tipos de respuesta en películas sensoras y después combinarlas en una plataforma en serie común de una manera conocida en la técnica.
Como un ejemplo, una imagen a color de un sujeto puede registrarse iluminando con cualquiera de las fuentes de luz citadas o previstas y capturarse mediante un escáner o cámara digital. Un sensor de color CCD en la cámara digital mide las intensidades de los tres colores primarios (rojo, verde y azul) del sujeto. La intensidad de color rojo-verde-azul (RGB) de cada píxel se registra en un archivo digital. La profundidad de color o el intervalo de los valores de RGB, es normalmente de 0 a 255. Los colores pueden medirse también mediante un sensor de color CCD en un escáner digital usando una fuente de luz blanca para la iluminación y alguna forma de detector de luz de color sencillo. Algunos escáneres digitales, sin embargo usan tres LED (rojo, verde y azul) para irradiar al sujeto para las mediciones de color. A diferencia de las cámaras digitales, la mayoría de escáneres proporcionan una resolución de color de 48 bits o mayor. En este modelo de color, el color de cada píxel se cuantifica mediante valores de RGB en el intervalo de 0 a 65025. Los intervalos espectrales de los tres colores primarios medidos por la cámara digital y el escáner varían ligeramente de un modelo a otro. La respuesta espectral de un sensor de color CCD típico es de 460 \pm 40 nm, 540 \pm 40 nm y 645 \pm 55 nm, respectivamente. Se usa un dispositivo de formación de imágenes digital para el análisis colorimétrico cuantitativo. En este aspecto, el dispositivo de formación de imágenes digital es equivalente a múltiples pares de LED tricolor/fotodiodo.
Sistema de Suministro Fluido
La Figura 1 ilustra un dispositivo de suministro fluido 10 de acuerdo con una realización ejemplar de la presente invención. El dispositivo de suministro 10 transporta una cantidad controlada de una muestra líquida, en cantidades medidas, a múltiples depósitos 8 para efectuar una reacción química entre el fluido de muestra y los elementos sensores (no mostrados) conectados a los depósitos 8. Como se muestra en la Figura 1, el dispositivo de suministro de fluido 10 comprende una capa superior de cubierta 2, una capa media de canales 4, una capa inferior de unión toma muestras-sustrato (es decir, una junta) 6, un acceso de entrada de fluido 12 y un anillo de la pared del acceso de entrada de plástico asociado 11. Se forma una pluralidad de surcos o canales 5 en la capa de canales 14 para dirigir la muestra fluida desde el acceso de entrada de fluido 12 a los depósitos 8. Se forma una pluralidad de canales cuando la capa de cubierta 2 se une a la capa de canales 4. Se añade una serie de orificios de purga 7 para asegurar un flujo de fluido completo a través del sistema de canales.
Muchas películas hidrófilas disponibles en el mercado pueden elegirse como la capa superior para fabricar el dispositivo descrito en la presente invención. Algunas películas tienen un adhesivo termosellable depositado sobre el lado hidrófilo. Para aquellas películas sin adhesivos, pueden usarse procedimientos de unión convencionales para laminar la capa de cubierta y la capa de canales, tales como soldadura ultrasónica y unión por transferencia adhesiva. Las películas hidrófilas pueden ser adhesivos tanto termosellables como sensibles a la presión.
La capa de canales 4 puede fabricarse usando procedimientos de procesado de plásticos convencionales tales como moldeo por inyección, estampado en caliente y micromecanizado. La mayoría de materiales plásticos que tienen un ángulo de contacto con el agua en el intervalo de 40 a 85 grados pueden usarse para la capa de canales. Por ejemplo, el policarbonato y los acrílicos son materiales adecuados para esta aplicación.
La capa de unión al tomamuestras 6 puede ser de cualquier material que tenga un número de durómetro de aproximadamente 40 Shore A y proporcione sellado a un sustrato plano mediante humedecimiento superficial, contacto conformacional y/o enlace adhesivo. Los materiales ejemplares no limitantes para esta aplicación son silicona y gomas sintéticas y elastómeros termoplásticos. La capa de unión al tomamuestras 6 puede ser una lámina de silicona estruida. Puede usarse también un material adhesivo de doble cara. La capa de unión al tomamuestras 6 puede unirse a la capa de canales usando adhesivos, aunque eligiendo un material plástico de alta capacidad térmica, tal como policarbonato o Ultem, puede realizarse el moldeo por inserción o en dos piezas del material de unión al tomamuestras a la capa de canales.
La capa de cubierta 2 proporciona una superficie hidrófila superior para el canal fluido, que contribuye en gran medida a la fuerza capilar global que dirige al fluido a fluir a través del canal. La capa de cubierta acomoda también una pluralidad de pequeños orificios 7, uno sobre cada depósito 8, para permitir el paso de aire, que se desplaza fuera del depósito por el líquido entrante. Debido a la fuerza capilar que dirige al fluido a través de los canales 5, no se requieren bombas ni válvulas para suministrar una cantidad dada de muestra líquida o reactivo desde el acceso de entrada de muestra 12 hasta los depósitos múltiples 8 dentro de una secuencia predefinida. Como resultado, el dispositivo 10 puede fabricarse eficazmente por procedimientos de procesado de plástico económicos. El dispositivo de suministro fluido 10 puede integrarse entonces como un componente de un sistema de serie de sensores químicos o biológicos para transportar y dosificar, en cantidades medidas, un líquido de muestra en los depósitos 8 para completar una reacción con los elementos sensores asociados.
Llenar eficazmente un depósito 8 desde un canal 5 que tiene una dimensión capilar más pequeña que el propio depósito no es un asunto trivial. Es probable que la zona de transición de los canales a los depósitos actúe como una barrera capilar obstruyendo el paso del líquido desde el final del canal al depósito. Una fuerza externa, tal como una fuerza gravitatoria, puede ser necesaria para superar esta barrera. En otros casos, los parámetros de canal y depósito se equilibran cuidadosamente para acortar el tiempo de transición y aún evitar el sobreflujo a través de los orificios de purga 7.
La presente invención supera el problema de transición de barrera capilar descrito anteriormente implementando las siguientes características de diseño. En primer lugar, se elige una película súper-hidrófila en un lado para la capa de cubierta, que posibilita que el líquido se acumule ventajosamente sobre toda la pared superior del depósito para formar una gota colgante. A medida que la gota crece, la fuerza gravitatoria posibilita que alcance la pared inferior del depósito y, después, la fuerza capilar originada de las cuatro paredes del depósito dirige el líquido a llenar todo el depósito. A medida que el depósito se llena completamente, el orificio de purga sirve como barrera capilar, impidiendo que el líquido que fluye a través del mismo alcance la superficie superior de la capa de cubierta, que está diseñada para que sea hidrófoba. En segundo lugar, se ajusta la resistencia del flujo de fluido mediante la optimización de los parámetros geométricos del canal y el depósito, la presión hidrostática del acceso de entrada y la presión capilar del canal para conseguir un volumen de llenado y una secuencia de llenado deseables. Además, la capa de unión al tomamuestras 6, que aparece como parte de las paredes laterales del depósito 8, crea una barrera capilar a medida que la gota colgante crece. Por lo tanto, el diseño cuidadoso de los parámetros del canal y el depósito, incluyendo el espesor de unión al tomamuestras, es importante para superar esta barrera para asegurar un llenado completo de cada depósito.
Haciendo referencia de nuevo a la Figura 1, cada canal 5 puede suministrar a un solo depósito o a múltiples depósitos 8. Si se requiere un canal para suministrar a múltiples depósitos debido a consideraciones de espacio, puede construirse una estructura sencilla de tipo ramificado como se muestra en la Figura 1 para ayudar a evitar el atrapamiento de burbujas de aire en el canal 5. En la configuración de tipo ramificado, la secuencia de llenado de los depósitos puede controlarse fácilmente basándose en su resistencia relativa al flujo global. Si las dimensiones del canal son iguales dentro de la estructura, la secuencia de llenado del depósito depende de la longitud del canal que conecta el depósito y el acceso de entrada.
La Figura 2 ilustra cómo los depósitos 8 están conectados en serie o en una configuración en serie ramificada. Esta configuración es útil para aplicaciones en las que se desea añadir un reactivo a diferentes dosificaciones a la corriente de muestra antes de que alcance los diferentes depósitos ramificados en la configuración de tipo ramificado. Por ejemplo, si un reactivo ácido se solubiliza en la corriente de muestra inmovilizada en los depósitos A, B, C y D, los líquidos en los depósitos E, F, G y H contendrán una cantidad diferente de ácido. La configuración mostrada en la Figura 2 hace posible estudiar una reacción entre la muestra de líquido con un reactivo en los depósitos ramificados F, G y H en diferentes condiciones de pH. Este tipo de manipulación fluida normalmente es muy difícil de conseguir con los procedimientos convencionales basados en bombas y válvulas.
La Figura 3 muestra una configuración en serie en paralelo. Con esta configuración, pueden inmovilizarse diferentes reactivos solubles en los depósitos A, B, C, D, E y F y el mismo reactivo en los depósitos a a d. De esta manera, puede crearse una serie de reacciones sensoras entre la muestra de líquido con un reactivo en los depósitos a, b, c, d y f en presencia de los reactivos suministrados a través de los depósitos A, B, C, D y F.
Los depósitos A a D mostrados en la Figura 3 pueden usarse para cubrir los elementos sensores mientras que los depósitos a a d se usan para controlar el volumen de muestra. Cambiando el volumen de los depósitos a a d, puede controlarse la muestra eficaz suministrada a los depósitos A a D.
De una manera similar al procedimiento descrito en las Figuras 2 y 3, los depósitos A, B, C, D, E podrían contener un material o membrana que retire una especie o compuesto químico del líquido que fluye en los canales, modificando así el líquido o retirando interferencias antes de que en los líquidos lleguen a los depósitos posteriores.
La Figura 4 muestra una configuración que permite, en primer lugar, el llenado del depósito de reacción 42 con una primera muestra de líquido durante un corto periodo y después extraer la primera muestra de líquido a un depósito de residuos 48. Después de que el primer líquido se extraiga al depósito de residuos, puede añadirse una segunda muestra de líquido al acceso de entrada y dirigirla para llenar el depósito de reacción. Para conseguir estas funciones fluidas, la presión capilar generada por el depósito de residuos 48 debería ser mayor que la del depósito de reacción 42 y la del canal 5 que conecta el depósito de reacción 42 y el acceso de entrada 12. El tiempo de demora puede controlarse variando la longitud y/o la resistencia al flujo en la línea de demora 44.
Otra característica importante, aunque opcional, del dispositivo de suministro fluido 10 descrita en la presente invención es que puede retirarse de un sustrato. El sustrato proporciona la pared inferior del depósito y la capa de unión al tomamuestras proporciona un sello líquido al sustrato. Esto es especialmente ventajoso comparado con muchos de los dispositivos fluidos descritos en la técnica anterior cuando los elementos sensores o de reacción tienen que incluirse en el depósito. Usando este dispositivo de suministro fluido, el sustrato puede prepararse independientemente.
Ya que el dispositivo puede separarse del sustrato después de su uso, puede ser un dispositivo reutilizable, aunque también es adecuado tratarlo como un componente desechable. También, el sustrato puede reutilizarse si el sensor sensible al analito es reversible o regenerable.
Pueden usarse materiales de referencia para normalizar la respuesta del sensor. Estos pueden ser cualquier material estable cuyas propiedades espectrométricas no se vean afectadas por los parámetros medioambientales o del sistema experimentados por la serie, por ejemplo, temperatura, luz y humedad.
Como alternativa, puede ser el propio sustrato en el que se depositan los elementos sensores, o estos materiales de referencia podrían incorporarse en las películas, fijarse a la estructura de la serie o ser el material de construcción de la serie. Estos materiales pueden ser de cualquier calidad espectral de negro a blanco, y de cualquier longitud de onda aplicable adecuada para el diseño del sistema en serie particular. Los materiales de referencia podrían ser también colorantes, pigmentos orgánicos o inorgánicos que tengan bandas espectrales que no solapen significativamente con las bandas espectrales del elemento sensor. El material de referencia puede comprender también un material de respuesta óptica tal como cristales fotónicos inorgánicos, orgánicos y poliméricos.
La normalización usando la respuesta de las referencias internas es útil para la reducción de los errores provocados por la variación en la longitud de la trayectoria óptica, las dimensiones del elemento sensor y otras fuentes de variación conocidas en la técnica. Más específicamente, incluir una referencia interna en el elemento sensor es importante en dos situaciones. En primer lugar, si el elemento sensor antes de la exposición es transparentemente incoloro, las mediciones ópticas antes de la exposición a la muestra pueden no proporcionar ninguna información útil para la normalización de la respuesta del sensor. En segundo lugar, si una medición del elemento sensor no puede realizarse antes de su exposición a la muestra, la lectura a la \lambda_{máx} (longitud de onda máxima) de la referencia interna después de la exposición puede usarse para corregir la respuesta del sensor a la \lambda_{máx} del elemento sensor. Como la referencia interna es una parte integrada del elemento sensor, los cambios de seguimiento en su respuesta óptica proporcionan información sobre el estado físico del elemento sensor después de su exposición a la muestra y al entorno. Por ejemplo, los cambios en el estado físico del elemento sensor debido a hinchamiento o pérdida de transparencia contribuyen a la respuesta global del sensor. Las diferencias en las lecturas de la señal a la \lambda_{máx} de la referencia interna antes y después de la exposición pueden usarse para separar la respuesta del sensor debida a una interacción analito-sensor de la debida a los cambios en el estado físico del sensor.
También pueden depositarse múltiples materiales de referencia sobre la serie de sensores y los valores de RGB medidos a partir de las áreas de referencia pueden usarse para normalizar la respuesta del sensor y eliminar cualquier variación que pueda estar provocada por los cambios de iluminación durante el procedimiento de captura de imagen. La normalización puede reducir las variaciones de una serie a otra introducidas en los procedimientos de fabricación, almacenamiento o aplicación de muestra.
Los efectos secundarios pueden limitar el rendimiento de un sistema de detección en serie. Estos efectos incluyen el ruido del sistema sensor en serie, los efectos de los parámetros medioambientales o del sistema, defectos provocados durante los procedimientos de fabricación o aplicación de muestra, así como valores extremos no explicados en los conjuntos de datos, tales como interferencias, que alteran la respuesta verdadera del analito. Minimizar los efectos secundarios puede conseguirse usando una herramienta de reducción individual o combinando más de una herramienta, si fuera apropiado.
La reducción del ruido puede usarse para mejorar la respuesta de la serie usando diversas categorías de manipulación de datos. En una forma prevista de reducción del ruido se genera un archivo de imagen digital y se almacena en un ordenador o microprocesador y los procedimientos de reducción del ruido se aplican para analizar los datos en bruto. Estos pueden incluir, aunque sin limitación, transformadas de Fourier, transformadas de onda pequeña, filtración de Kalman, filtrado de Savitsky-Golay, ejecutando procedimientos de media, mediana y polinómicos. En el caso de la respuesta de color, pueden promediarse también los valores de RGB sobre cada región sensora. En otro caso, la eliminación de datos selectivos puede aplicarse cuando se calculan desviaciones típicas dentro de un área más pequeña centrada en cada píxel dentro del elemento sensor, denominada desviación típica del subconjunto. Si la desviación típica del subconjunto de un grupo de píxeles es mayor que un valor pre-establecido, este grupo de píxeles puede rechazarse del conjunto.
En otra forma prevista de reducción del efecto secundario, el sistema puede tener elementos que detectan variables medioambientales, tales como temperatura, donde la medida de temperatura puede usarse para tener en cuenta las variaciones predeterminadas debidas a estas medidas medioambientales o similares. Igualmente, pueden incluirse elementos de medición adicionales para tener en cuenta parámetros generales del sistema tales como la transparencia de la muestra, la conductividad del sistema, el potencial de oxidación-reducción o variables similares que pueden afectar a la respuesta de la serie. Tener medidas de estas variables adicionales permite al sistema compensar los efectos no compensados totalmente usando herramientas analíticas más sencillas.
En otra forma prevista de reducción del efecto secundario, puede establecerse un sistema para eliminar la respuesta de los defectos de una película sensora sólida defectuosa. Algunos defectos están provocados por formulaciones fuera de especificación que se usan para preparar las películas sensoras que dan como resultado faltas de homogeneidad espacial de las películas, o pueden introducirse en las etapas de preparación de la película, tal como la inclusión de partículas de polvo en la película. Los materiales extraños pueden depositarse también sobre la película durante la exposición a la matriz de muestra. Una imagen digital proporciona una resolución espacial muy alta sobre la distribución de la intensidad de color sobre cada región sensora. Esta información espacial puede aprovecharse para la reducción del ruido. Una variedad de herramientas de análisis de datos puede usarse para reducir errores a partir de los defectos de la película, y puede aplicarse un algoritmo para discriminar los ruidos provocados por los defectos. Por ejemplo, los promedios y desviaciones típicas de los valores de RGB para toda el área del elemento sensor se calculan en primer lugar. Se les denomina promedios y desviaciones típicas establecidos, respectivamente. Después, los valores de RGB de cada píxel se comparan con los promedios establecidos. Si la diferencia es mayor que un múltiplo pre-establecido de la desviación establecida, este píxel puede rechazarse del conjunto. Puede usarse un cálculo similar para rechazar un grupo de píxeles. Los defectos en los elementos sensores pueden presentar también patrones de color y/o espaciales únicos, tales como líneas y puntos. El algoritmo de reconocimiento del patrón puede aplicarse para identificar las regiones con defectos. Adicionalmente, los defectos en los elementos sensores no están distribuidos normalmente. La respuesta óptica desde las regiones con defectos es mayor o menor que el promedio establecido. De esta manera, el ensayo de normalización puede usarse también para rechazar lecturas de los defectos. Esto es especialmente útil cuando la calidad de la película sensora global es mala y existe una cantidad significativa de ruido blanco en el conjunto.
Los contaminantes del sistema que interactúan pueden provocar también errores en los resultados de la serie. La compensación para interferencias puede realizarse si la concentración de la especie interferente puede medirse directamente, o si puede deducirse de la respuesta paralela a partir de películas sensoras distintas. La naturaleza interdependiente de la especie química en solución podría ser el resultado de las interferencias, donde estas interferencias pueden estar provocadas por reacciones de competición de especies interferentes con el reactivo detector. La sabiduría tradicional se ha centrado en el desarrollo de reactivos químicos sin interferencias para un analito individual. Los algoritmos de análisis de datos quimiométricos se han usado para analizar la respuesta espectral solapante para la reducción de interferencias y esto se ha descrito en la bibliografía.
En la presente invención se usa un procedimiento de análisis y generación de datos por triplicado para resolver los problemas de interferencia. En primer lugar, se han diseñado sensores para medir parámetros que definen el estado químico y físico de la muestra. Estos parámetros incluyen temperatura, pH y alcalinidad. En segundo lugar, se han diseñado sensores que responden independientemente a un grupo de especies interferentes. En tercer lugar, se han diseñado películas sensoras que responden al mismo analito pero que tienen una respuesta de interferencia diferente. Las respuestas sensoras de estos sensores se someten a desconvolución para revisar la concentración verdadera para cada analito entre la especie interferente. Puede compararse también el patrón de respuesta del sensor apropiado de la muestra medida al modelo almacenado. El modelo almacenado se construye a partir de las respuestas de las películas sensoras a un intervalo de especies de analito y sus combinaciones con las respuestas adicionales de las películas sensoras a interferencias esperadas en sus niveles diferentes. Capturando diferentes respuestas sensoras a diversas combinaciones de analitos e interferencias, el modelo captura el patrón de respuesta sobre el intervalo dinámico de analitos de interés. Las herramientas para el análisis cuantitativo de las películas sensoras en su combinación incluyen redes neurales, regresión de componentes principales, regresión ponderada localmente, mínimos cuadrados parciales y cualquier otra conocida en la técnica.
El análisis multivariable se ha usado ampliamente en la química analítica, especialmente en análisis espectroscópicos. Un aspecto de la presente divulgación es que se utiliza un procedimiento sistemático para determinar simultáneamente concentraciones de múltiples analitos en una muestra de agua o de proceso. Un procedimiento ejemplar divulgado en esta divulgación proporciona una serie de sensores que comprende múltiples elementos sensores que se eligen para desconvolucionar la naturaleza interdependiente del equilibrio químico en sistemas acuosos o de proceso. La serie de sensores proporcionada puede incluir elementos sensores que están diseñados específicamente para ser sensibles a los parámetros del agua o del proceso que son necesarios para el análisis multivariable y que, de lo contrario, no serían necesarios como parte de un análisis sencillo pero menos preciso. Adicionalmente, la plataforma en serie permite usar sistemas con química multi-respuesta y que se interpretan por desconvolución de los resultados de respuesta doble.
La determinación del pH, alcalinidad, dureza y fosfato son ejemplos no limitantes de la naturaleza compleja de un sistema acuoso ensayado, donde los diferentes analitos producen respuestas interdependientes, el pH es por definición una medida de la actividad iónica del hidrógeno que se define por las propiedades termodinámicas de la muestra de agua, el pH también se ve afectado por las concentraciones de carbonato en la misma muestra de agua y el carbonato existe en diversas formas acuosas cuyas proporciones están determinadas por una serie compleja de equilibrios como se define por el sistema de pH. Los equilibrios de carbonato y fosfato correspondiente proporcionan entornos de tampón. El tampón es una mezcla de un par ácido-base conjugado que puede resistir cambios de pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácidos o bases fuertes. La capacidad tamponadora de una solución es el número de moles de ácido fuerte o base fuerte necesarios para cambiar el pH de 1 litro de solución tampón 1 unidad de pH. La dureza se define como la concentración de calcio y magnesio total, incluyendo las numerosas formas de especies de calcio y magnesio que pueden existir en el sistema. Algunas de estas formas de calcio y magnesio pueden incluir fosfatos, y estas sales de fosfato están en equilibrio con formas solubles de los iones intervinientes. Las concentraciones iónicas existen en un equilibro complejo que equilibra el pH con las concentraciones de carbonato, fosfato y dureza. El fosfato puede existir también en formas adicionales en el agua y, de nuevo, las formas de fosfato respectivas se determinan mediante un equilibro de pH, alcalinidad y contraiones en una serie de equilibrios interrelacionados. Puede usarse un optodo de fosfato para medir el fosfato, pero un optodo de fosfato puede responder sólo a una forma iónica del fosfato en agua, por ejemplo, especies de iones fosfato monoácido (HPO_{4}^{2-}). Para obtener la concentración de fosfato total, debe conocerse también el pH de la muestra, las concentraciones de carbonato y la dureza. Todas las especies en el sistema acuoso están en equilibrio químico y todos los equilibrios intervinientes deben tenerse en cuenta cuando se determina la concentración de un solo analito. Deben medirse las concentraciones de todos estos analitos así como tener en cuenta las propiedades medioambientales como temperatura para hacer una medida precisa del analito
sencillo.
Los detalles matemáticos de este complejo equilibrio químico y termodinámico se conocen bien en la técnica y no se describirán en detalle en la presente divulgación, sino que se dará un ejemplo sencillo basado en alcalinidad y pH para tener en cuenta de forma ejemplar las dificultades asociadas con las mediciones multi-equilibrio hechas con sensores de película sólida que usan reactivos sensibles al color. El propósito de este ejemplo no limitante es ilustrar uno de los procedimientos sistemáticos descritos en esta divulgación.
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El pH se define mediante la siguiente ecuación:
pH = log10 a_{H+},
(donde a_{H+} es la actividad del ión hidrógeno).
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El ión hidrógeno está relacionado con otras especies químicas en el sistema mediante el siguiente equilibrio:
H_{2}O(1) \Leftrightarrow H^{+}(ac) + OH^{-}(ac),
HA(ac) \Leftrightarrow H^{+}(ac) + A^{-}(ac).
HA(ac) se refiere a un ácido de Bronsted acuoso y A^{-} es la base conjugada de HA(ac). La existencia de ácidos y bases de Bronsted da lugar no sólo a la acidez o basicidad del sistema sino también a la capacidad tamponadora de pH. La capacidad tamponadora de pH normalmente se mide como alcalinidad en la industria del tratamiento de aguas y ésta es principalmente una función de la concentración de carbonato total.
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Cuando una muestra se aplica a una región sensora de pH, un reactivo sensor de pH, tal como un colorante indicador de pH, denominado "Ind" en lo sucesivo en el presente documento, interacciona con el ión hidrógeno en la muestra mediante el siguiente equilibrio:
Ind + H^{+}(ac) \Leftrightarrow IndH^{+}.
El cambio en la concentración de indicador de acuerdo con el equilibrio anterior se usa para determinar el valor de pH de la muestra. Las moléculas de indicador (Ind e IndH^{+}) tienen diferente espectro y un cambio en la absorbancia espectral indica un desplazamiento en el equilibrio, que puede reflejar desplazamientos en el sistema de pH, y el cambio de la concentración de indicador normalmente se mide mediante un cambio en las propiedades ópticas de la región sensora. Las propiedades ópticas incluyen absorbancia y fluorescencia.
Como el propio indicador de pH es normalmente un ácido o base de Bronsted, como se indica en el equilibrio anterior, el procedimiento de medición de pH altera el equilibrio ácido-base en la muestra, lo que da como resultado un error de medición para el pH. El valor numérico de este error es una función de la capacidad tamponadora del sistema. Por lo tanto, hay que conocer la alcalinidad del sistema para determinar el pH con precisión.
Una serie de sensores para análisis de pH y alcalinidad comprende múltiples elementos sensores. Algunos elementos miden la alcalinidad de la muestra mientras que otros elementos miden el pH de la muestra, y la combinación de estos múltiples elementos sensores se usa para ampliar el intervalo de detección para la serie. La respuesta del elemento sensor a la alcalinidad puede hacerse independiente del pH de la muestra, y la alcalinidad de la muestra puede obtenerse únicamente a partir de los elementos de alcalinidad. Como se ha mencionado anteriormente, la respuesta de los elementos de pH es una función tanto del pH como de la alcalinidad. Puede obtenerse una superficie de calibrado bidimensional para el pH y la alcalinidad. El valor de pH de la muestra puede determinarse usando el valor de alcalinidad medido e interpretando la respuesta del sensor usando la superficie de calibrado
bidimensional.
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Respuesta Cinética
A menudo, para la cuantificación, una respuesta del sensor debería alcanzar un estado estacionario tras la exposición a la muestra. En la práctica, algunos sensores tienen un tiempo de respuesta largo y se tarda un tiempo inaceptablemente largo en alcanzar el estado estacionario y medir la respuesta del sensor en cualquier tiempo individual puede dar como resultado errores debido a variaciones con el tiempo. Para una serie de sensores, pueden aplicarse diferentes procedimientos de lectura de respuesta. Para sensores en estado no estacionario, se requieren mediciones dependientes del tiempo. La información cinética puede interpretarse para las características dinámicas del sistema, tales como la pendiente inicial, la pendiente en un tiempo dado y las intersecciones de un segmento dado de la curva de
respuesta.
Adicionalmente, la respuesta temporal puede proporcionar también una medida sensible de la respuesta del analito así como reflejar la presencia o concentración de contaminantes que afectan a la cinética de respuesta del sensor. Igualmente, la respuesta cinética puede usarse para medir la concentración de los agentes catalizadores que pueden estar en el sistema, haciendo a la respuesta temporal independiente de la medida en equilibro de la serie de sensores. Pueden usarse muchos modelos estadísticos en serie temporal para tratar la respuesta del sensor en estado no estacionario. En general, la lectura final y las respuestas antes de la lectura final pueden ajustarse a un modelo para minimizar los errores instrumentales y de medición.
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Sistema de Análisis Total
Como se describe en el presente documento, el sistema de análisis total de la presente invención incluye una plataforma en serie óptica que comprende diversas películas sensoras sensibles química o físicamente. El sistema produce una respuesta óptica proporcional al parámetro químico o físico deseado, proporciona una reducción del efecto secundario por ruidos, defectos y efectos de interferencia, compensa las interacciones multivariables, tiene en cuenta el historial de la serie de ensayo y proporciona un sistema de referencia para calibrar la respuesta de la serie de sensores a la plataforma de detección óptica. Esta serie de ensayo compleja puede combinarse con la adquisición de datos basada en el tiempo para proporcionar un análisis de ensayo temporal que puede potenciar adicionalmente la respuesta global de la serie. Los elementos de la serie compleja descrita en el presente documento muestran cómo cada elemento potencia el rendimiento de la serie y cómo la combinación de estos elementos produce mediciones medioambientales y biológicas optimizadas. Adicionalmente, esta plataforma en serie óptica potenciada es ventajosamente adecuada para entornos distintos del laboratorio.
En otros aspectos, los materiales de referencia internos se incluyen como una parte integrada de la serie de sensores. Los materiales de referencia permiten la normalización de la respuesta del sensor para eliminar las variaciones provocadas por la variación en la iluminación, la calidad del elemento sensor y los parámetros medioambientales. Además, la presente divulgación proporciona soluciones a los problemas específicos asociados con las técnicas de formación de imágenes digitales conocidas en la técnica.
En otros aspectos, el volumen de muestra al que se expone cada elemento sensor está controlado por un dispositivo fluido basado en flujo capilar que transporta y dosifica, en cantidades medidas, un volumen controlado de líquido de muestra a los elementos sensores. De esta manera, el dispositivo de suministro fluido hace posible construir eficazmente una serie de sensores con elementos sensores tanto reversibles como irreversibles.
Los siguientes ejemplos se incluyen para demostrar la amplia aplicabilidad de la presente invención. Los expertos en la materia deben apreciar que las técnicas descritas en los siguientes ejemplos representan técnicas descubiertas por los inventores y, de esta manera, puede considerarse que constituyen modos ejemplares para su práctica. Sin embargo, aquellos expertos en la materia, a la luz de la presente divulgación deberían apreciar que pueden hacerse muchos cambios a las realizaciones específicas que se divulgan y aún obtener un resultado parecido o similar sin alejarse del alcance de la invención.
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Ejemplo 1
Tiempo de llenado de un depósito como una función de los parámetros geométricos del canal y el depósito: en la Figura 20 se muestra la distribución del canal y el depósito. El dispositivo comprende tres capas como se muestra de manera similar en la Figura 1. La capa de cubierta superior 2 es una película hidrófila termosellable. Se cortaron orificios de purga 7 (1,5 mm de diámetro) a través de esta capa. La capa media de canales 4 es una lámina de policarbonato de 0,78 mm de espesor, con canales abiertos 5 y aberturas rectangulares (es decir, depósitos) 8 cortados mediante un mecanizado controlado numéricamente por ordenador (CNC). La capa inferior de unión al tomamuestras 6 es una junta de silicona de 40 Shore A, que proporciona sellado a un sustrato. Las aberturas rectangulares están cortadas con troquel a través de la junta. Cuando estas capas se laminan para formar un dispositivo de suministro de fluido, se crean canales entre la capa hidrófila superior 2 y la capa media de canales 4. Las aberturas rectangulares de la capa de canales y la capa de unión al tomamuestras definen un depósito de fondo abierto, con la capa hidrófila en su pared superior. Cuando este montaje se une a un sustrato, se forman depósitos cerrados y se conectan a un acceso de entrada de muestra central a través del canal.
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Los parámetros de canal y depósito ensayados en este ejemplo se muestran a continuación en la Tabla 1. Se encontró que el tiempo de llenado del depósito (t/segundos) puede expresarse con la siguiente función:
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Log(t) = K - 0,97251 Log(W) – 2,43118 Log(D) + 1,34630 log(L) + 1,70630 * Log(D_{junta}) 
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Ecuación (1) 
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en la que L, W y D son longitud, anchura y profundidad del canal, respectivamente; D_{junta} es el espesor de la junta. La constante K es igual a -1,9944 para una configuración de canal único y depósito único y -1,7740 para una configuración de canal único y dos depósitos. La Figura 21 muestra la comparación del tiempo de llenado predicho por la ecuación anterior con los datos experimentales.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 1
2 
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Basándose en esta ecuación, puede diseñarse un dispositivo para permitir que todos los depósitos se llenen en un estrecho intervalo de tiempo aunque varíe la distancia de un depósito al acceso de entrada central. Si es deseable, los depósitos pueden llenarse secuencialmente eligiendo parámetros del canal de acuerdo con la ecuación anterior.
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Ejemplo 2
En la Figura 1 se muestra un dispositivo de suministro de muestra de 54 depósitos. El dispositivo 10 se monta a partir de cuatro componentes por un procedimiento similar al descrito en el Ejemplo 1. La profundidad y anchura del canal 5 son 0,33 mm y 1,5 mm, respectivamente. La longitud y anchura de los depósitos 8 son 5,5 y 4 mm, respectivamente. La capa de unión al tomamuestras 6 se corta a partir de una lámina de goma de silicona de 0,55 mm de espesor, revestida con adhesivo y transparente. El espesor de la capa de canales de policarbonato 4 es 0,78 mm. La selección de estos parámetros de diseño estaba guiada por la ecuación mostrada en el Ejemplo 1. Una solución de muestra de 2,7 ml que contenía 100 ppm de Azul Básico se suministró al acceso de entrada de muestra. El flujo en tiempo real en los canales y depósitos se controló usando una video-cámara digital. El tiempo de llenado para cada depósito se recuperó de las películas de vídeo registradas. Los tiempos de llenado promedio para los 54 depósitos obtenidos a partir de seis dispositivos se presentan en la Figura 22. Los datos demuestran que el dispositivo permite el suministro de una muestra de líquido a múltiples depósitos en un estrecho intervalo de tiempo.
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Ejemplo 3
Determinación de la concentración de cloro en una muestra de agua
Se depositaron seis películas sensibles a cloro sobre una lámina de polietileno translúcida fina. Una solución patrón de cloro de 20 \mul, preparad a partir de NaOCl al 5% por dilución con agua desionizada, se salpicó sobre cada película. La muestra de agua se retiró de las películas 1 minuto después del salpicado. Se desarrolló un color azul a medida que el cloro de la muestra de agua reaccionaba con el agente sensible a cloro inmovilizado en las películas. La imagen de estas seis películas se capturó con un escáner Hewlett Packard ScanJet 6300C y se muestra en la Figura 5. El archivo digital producido por el escáner estaba en formato JPEG (67 KB). La profundidad de color era 255. La resolución de píxeles era de 200 dpi.
La imagen digital se procesó con Adobe Photoshop® 6. Las áreas de la película se seleccionaron usando las herramientas de selección proporcionadas por el paquete de programas PhotoShop. Los valores de RGB promedios para cada área de color seleccionada se muestran a continuación en la Tabla 2. Los valores de RGB para el área de papel blanco de la imagen, denominados R_{w}, G_{w} y B_{w}, se muestran también en la Tabla 2.
Como se muestra en la Figura 6, la cantidad definida en la siguiente Ecuación 2 puede usarse para cuantificar la concentración de cloro.
Ecuación (2)R_{cloro} = -log(R/R_{w})-log(G/G_{w})-log(B/B_{w})
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TABLA 2
4 
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Ejemplo 4
Determinación de la alcalinidad con múltiples regiones sensoras
Se depositaron seis películas sensibles a alcalinidad sobre un portaobjetos de vidrio. Los tipos sensores adecuados usados para este ejemplo se describen en nuestras solicitudes de patente en trámite junto con la presente tituladas "Material Compositions for Sensors for Determination of Chemical Species at Trace Concentrations and Method of Using Sensors" y "Self Contained Phosphate Sensors and Method for Using Same" presentadas en la misma fecha que la presente solicitud, y que no se repetirán en el presente documento. A diferencia del análisis de cloro, se usaron múltiples películas para determinar la alcalinidad de una sola muestra de agua. Una solución patrón de alcalinidad de 20 \mul se salpicó sobre cada una de las seis películas. La muestra de agua se retiró de las películas 2 minutos después del salpicado. Se midieron diez soluciones de alcalinidad.
Como se muestra en la Figura 7, la imagen de las 60 películas expuestas en total se capturó con escáneres Hewlett Packard ScanJet 6300C. El archivo digital producido a partir del escáner estaba en el formato JPEG (48 KB). La profundidad de color era 255. La absorbancia de cada película expuesta a 650 nm se midió con un espectrofotómetro Ocean Optics USB2000.
Los valores de RGB promedios para las áreas de color seleccionada se muestran a continuación en la Tabla 3. Los valores de RGB del fondo de papel blanco son 239,41, 239,34, y 244,19, respectivamente, La siguiente cantidad R_{alc} se usa para cuantificar la alcalinidad:
Ecuación (3)R_{alc} = [(R_{w}-R) + (G_{w} - G)^{2} + B^{2}]^{1/2}/B_{w}
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TABLA 3
5
6
7
En la Figura 8, el valor R_{alc} promedio de las seis películas se representa como una función de la alcalinidad de la solución. Obsérvese que la curva de calibrado para el análisis de alcalinidad no es necesariamente una línea recta. La curvatura de la curva de calibrado no se debe al procedimiento de análisis de color actual. Esto está soportado por la correlación lineal de R_{alc} con la absorbancia medida con el espectrofotómetro a 650 nm como se muestra en la
Figura 9.
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Ejemplo 5
Determinación de la alcalinidad usando una cámara digital - Normalización contra las áreas de referencia internas
La imagen de un total de 60 películas se capturó con una cámara digital Sony DSC S75. La cámara se puso en el modo automático en el que el balance de blancos, el enfoque y la apertura se ajustaban automáticamente. Los portaobjetos de vidrio se pusieron cerca de una lámpara de escritorio de 40 vatios.
Los valores de RGB promedios para las áreas de color seleccionadas se muestran a continuación en la Tabla 4. A diferencia de la imagen capturada por un escáner digital, la iluminación que atraviesa al sujeto no es uniforme. Para contrarrestar esto, se tomaron valores de RGB de un fondo de papel blanco cerca de cada película. En lugar de usar un solo conjunto de valores de RGB para el fondo blanco en la Ecuación 3, cada película de color tiene un conjunto de valores R_{w}, G_{w} y B_{w} como se indica a continuación en la Tabla 4. La curva de calibrado se muestra en la
Figura 10.
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TABLA 4
8
9
10 
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La imagen de este ejemplo se capturó aproximadamente 36 horas después de tomar la imagen del Ejemplo 2. Para comparar los resultados de la cámara digital con los obtenidos con los escáneres, se preparó otra imagen usando un escáner Canon N650U al mismo tiempo que se tomaba la imagen con la cámara. En la Figura 11 se muestra la correlación de la intensidad de azul relativa del escáner Canon con el de la cámara digital Sony. El resultado mostrado en la Figura 11 indica que la normalización contra una referencia de color interna puede eliminar eficazmente los errores provocados por una iluminación no uniforme cuando se usa una cámara para capturar la imagen del sensor.
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Ejemplo 6
Determinación del pH mediante calibrado multivariable
Una película sensible a pH se depositó sobre una lámina de policarbonato. La película contiene un colorante indicador de pH de azul de bromotimol y otros aditivos. Las soluciones patrón de pH usadas en este ejemplo se prepararon a partir de soluciones de carbonato sódico y ácido sulfúrico. Un electrodo de vidrio, calibrado contra dos tampones de pH (7,00 y 10,00 de Fisher Scientific, trazables para patrones NIST) se usó para medir los valores de pH para las soluciones patrón. No se hizo ninguna corrección para los efectos de la fuerza iónica sobre el coeficiente de actividad del ión hidrógeno y potenciales de unió de líquido. La alcalinidad se midió por valoración contra una solución de ácido sulfúrico 0,2 N.
Una alícuota de 40 \mul de solución patrón de pH se salpicó sobre la película. La muestra se retiró después de 2 minutos y el área salpicada se secó con un ligero soplado de flujo de aire. Las imágenes digitales de la película antes de la exposición y después de la exposición se capturaron usando un escáner Canon LiDE 80 en un modo de color de 48 bits con resolución espacial de 300 dpi. El archivo de las imágenes se salvó en el formato TIFF sin comprimir. Se usó Photoshop CS para recuperar los valores de RGB del archivo. Los valores de RGB mostrados a continuación en la Tabla 5 eran un promedio sobre un cuadrado de 1000 píxeles centrado en el área salpicada. La siguiente cantidad RpH se elige como una respuesta del sensor para cuantificar el pH de la muestra:
Ecuación (4)R_{pH} = (R/G - B/G)_{expuesto} - (R/G - B/G)_{no \ expuesto}
TABLA 5
11
Las respuestas del sensor se representan en la Figura 12 como una función del pH y la alcalinidad de la muestra. Queda claro, a partir de la Figura 12, que la respuesta del sensor es una función tanto del pH como de la alcalinidad de la muestra como se ha descrito en la sección anterior. Se encontró que los valores de pH experimentales podían ajustarse en la siguiente ecuación de calibrado de dos variables en 0,09 unidades de pH (desviación absoluta promedio).
Ecuación (5)pH = a_{0} + a_{1} alc + (a_{2} + a_{3} alc) R_{pH} + (a_{4} + a_{5} alc) (R_{pH})^{2}
Los valores de los parámetros de ajuste a0 a a5 se muestran a continuación en la Tabla 6. Los valores de pH calculados a partir de la ecuación anterior se comparan con los valores experimentales en la Tabla 6.
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TABLA 6
12 
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Ejemplo 7
Reducción del Ruido
Se han producido diversas películas sensoras sólidas con defectos que se provocaron mediante reactivos no disueltos de la formulación de película sensora preparada a partir de una solución de polímero. Algunos defectos se introdujeron en las etapas de preparación de la película, tales como la inclusión de películas de polvo en la película. Los materiales extraños podían depositarse sobre la película durante la exposición a la matriz de muestra. Una imagen digital proporciona una resolución espacial muy alta sobre la distribución de la intensidad de color en cada región sensora. Esta información espacial puede aprovecharse para la reducción del ruido. Puede usarse una diversidad de herramientas de análisis de datos para reducir los errores resultantes de los defectos de la película. Este ejemplo demuestra un enfoque estadístico sencillo para rechazar lecturas de las áreas con defectos.
En la Figura 13 se muestra una imagen a color ampliada de un punto del sensor de pH tomada del Ejemplo 6. Una partícula de polvo, indicada con el número de referencia 130, es visible en esta imagen. En la Figura 14 se muestran los valores de RGB para una línea horizontal de 40 píxeles que contiene esta partícula de polvo. En el Ejemplo 6, los valores de RGB promediados sobre toda la región sensora se usan para calcular la respuesta del sensor. Por simplicidad, se usan datos unidimensionales en este ejemplo para demostrar el procedimiento de reducción del ruido. En primer lugar, se calculan promedios y desviaciones típicas de este conjunto de datos, respectivamente para R, G y B. Después, se rechazan aquellos puntos con desviación respecto al promedio establecido mayor que un múltiplo pre-establecido de la desviación típica para el conjunto. Finalmente, se calculan los promedios y desviaciones típicas a partir de los píxeles excluyendo las áreas de polvo.
Puede usarse un cálculo similar para rechazar un grupo de píxeles. En primer lugar, se calculan las desviaciones típicas para el total de las regiones sensoras. Después, se calculan las desviaciones típicas dentro de un área más pequeña (un círculo de 6 píxeles elegido para este ejemplo) centrada en cada píxel a lo largo de cada línea de píxeles horizontal. La Figura 15 muestra los resultados de estos cálculos. Queda claro que un área centrada en el 40º píxel debe rechazarse.
La Figura 16 muestra una curva de calibrado para una película sensora de calcio. La película se preparó a partir de una solución de polímero que contiene un colorante sensible a calcio. La película se preparó sobre una lámina de policarbonato con un aplicador de película. Cuando la película se seca, algo de colorante se agrega formando pequeñas áreas oscuras distribuidas aleatoriamente por toda la película, apenas visibles a simple vista. Una imagen digital de la película expuesta se escaneó con un escáner Canon LiPE 80 en un modo de color de 16 bits con un resolución espacial de 300 pdi. La misma ecuación usada para el calibrado de pH se usó para calcular la respuesta del sensor. El procedimiento de filtración de datos descrito anteriormente (desviación típica 2x) se usó para rechazar los puntos de datos originados en los agregados de colorante. Generalmente, se rechazan de 90 a 145 píxeles en un área de 2700 píxeles. El valor R al cuadrado del calibrado es 0,9930, que mejora significativamente comparado con el 0,9886 obtenido con los valores de RGB sin filtrar recuperados usando Photoshop CS.
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Ejemplo 8
Respuesta Cinética
Se preparó una solución de polímero que contenía reactivos sensores de molibdato. La solución polimérica se depositó sobre una lámina de policarbonato usando un aplicador de película. El sustrato de policarbonato se cortó en tiras de 20x80 mm. El grueso de la película sensora en cada tira se cortó y retiró, lo que dejó sólo un punto sensor de 6x6 mm en la tira. Se construyó un canal de 200 \mum de profundidad y 6,5 mm de anchura usando un portaobjetos de vidrio y cintas de doble cara para cubrir el punto de 6x6 para formar un montaje fluido. Este montaje, un escáner Canon LiPE 80 y una solución patrón de molibdato de 10 ppm se pusieron en una sala de temperatura controlada. Después de un equilibrio durante aproximadamente una hora, la solución de muestra se introdujo a la película sensora a través del canal por acción capilar. Las imágenes de la película sensora se adquirieron a los intervalos temporales mostrados a continuación en la Tabla 7. Las imágenes obtenidas a 25,3ºC se muestran en la Figura 18.
En este ejemplo, se quiere demostrar la importancia del análisis de datos para las respuestas del sensor, que es una parte importante del procedimiento sistemático para la determinación simultánea de múltiples analitos descrito en la presente invención.
Se encontró que la respuesta inicial del sensor de una película no expuesta es una función de la temperatura. Por conveniencia, se normaliza la respuesta del sensor después de la exposición calculando la siguiente proporción para cuantificar la concentración de molibdato:
Ecuación (6)R_{Mo} = (R/G - B/G)_{expuesto}/(R/G - B/G)_{no \ expuesto}
TABLA 7 
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13 
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Esta cantidad se representa como una función del tiempo en la Figura 17. A diferencia de muchas de las reacciones químicas del sensor, la respuesta del sensor como se ha definido anteriormente no alcanza una meseta. En lugar de ello, continúa aumentando linealmente con el tiempo. En la Figura 19 se muestran los ajustes lineales de los últimos cuatro puntos para cada temperatura.
Tomar una sola lectura a partir de esta respuesta de película no estacionaria puede dar como resultado un gran error. Para este tipo de respuesta del sensor, se pretende usar una cantidad obtenida de una medición cinética para cuantificar la concentración de analito. Se encuentra que las intersecciones de las curvas lineales mostradas en la Figura 17 son una función lineal de la temperatura. De esta manera, una ecuación de calibrado multivariable, en la que la temperatura y las respuestas del sensor en diversos tiempos de exposición son variables independiente, es adecuada para este tipo de sensor.
Los que están familiarizados con la técnica reconocerán que podrían usarse muchos modelos estadísticos y matemáticos para interpretar los datos cinéticos presentados en este ejemplo. Los procedimientos incluyen filtración de Kalman, ajuste por mínimos cuadrados, y otras herramientas de predicción en serie temporal como se detalla en la bibliografía analítica.
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Ejemplo 9
Serie de sensores con volumen de muestra controlado
Se serigrafiaron ocho películas sensoras sensibles a magnesio sobre una lámina de policarbonato de 127,8 x 85,0 mm. Un dispositivo de suministro de muestra, similar al descrito en el Ejemplo 2, se puso encima de la lámina de policarbonato para formar canales y depósitos cerrados. Las películas sensoras son de 4 mm de longitud, 4 mm de anchura y aproximadamente 0,01 mm de espesor.
Los depósitos son de 5,25 mm de longitud, 5,25 mm de anchura y 1,6 mm de profundidad. El volumen de los depósitos es 44,1 \mul. Cuando la muestra se introduce en el acceso de entrada central, la fuerza capilar dirige la muestra para llenar los depósitos. Este dispositivo de suministro proporciona un medio de distribución de muestra de volumen controlado para la serie de sensores.
Se usó un detector de serie de LED/fotodiodo, 4x4, hecho a medida, para controlar la respuesta de la película sensora. Los LED tenían una emisión máxima a 467, 530 y 634 nm. Los LED y los fotodiodos se fijaron en dos tarjetas de circuito impreso diferentes. Las tarjetas de circuito impreso se mantuvieron paralelas dentro de un recinto, donde el montaje en serie de sensores puede insertarse y alinearse con la serie de LED/fotodiodos.
Una muestra de agua de 3,0 ml que contenía de 12 a 100 ppm de magnesio se introdujo en primer lugar al acceso de entrada de muestra. La absorbancia del sensor a 530 nm (G) y 634 nm (R) se midió 3 minutos después de la introducción de la muestra. Se encontró que la proporción G/R es lineal con respecto a la concentración de magnesio en la muestra. La curva de calibrado se muestra en la Figura 23.
Se divulgan también procedimientos y sistemas de muestreo para suministrar volúmenes controlados de muestras de fluido a las series de sensores. Una aplicación de la presente invención es proporcionar un medio para suministrar volúmenes controlados de muestras líquidas a series de sensores en discos ópticos. Los procedimientos para producir series de sensores en discos ópticos se describen en varias de nuestras publicaciones de patente anteriores, por ejemplo, la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2005/0112358, la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2005/0111000, la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2005/0111001 y la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2005/0111328.
De acuerdo con las realizaciones ejemplares de la presente invención, se proporcionan sistemas y procedimientos de muestreo en los que un sistema de muestreo de fluido está comprendido por una estructura de muestreo extraíble localizada en las proximidades de una serie de regiones sensoras sensibles químicamente localizadas sobre un sustrato. La estructura de muestreo extraíble permite que cada región sensora interaccione individualmente con el fluido de muestra introducido en el sistema de muestreo.
La Figura 24 muestra un sistema de muestreo ejemplar 240 que incorpora una capa de muestreo de material blando 241 montada de forma separable en un sustrato 242 que tiene una pluralidad de regiones sensoras 244. Las regiones sensoras 244 pueden formarse integralmente con el sustrato 242 o pueden disponerse sobre una superficie inferior de la capa 241. La capa 241 puede montarse en el sustrato 242, por ejemplo, mediante un adhesivo reversible. El sistema de muestreo ejemplar 240 y las regiones sensoras 244 se expusieron a volúmenes controlados de fluido de muestra en cada depósito.
La Figura 25 ilustra el concepto bibliográfico de inmersión vertical de un sustrato 242 y de los depósitos anexos 262. Como se muestra en la Figura 25, la estructura sustrato/depósito se sumerge en un fluido de muestra 260 para llenar cada depósito 262 con un volumen de muestra de fluido. A continuación, cuando el sustrato 242 se retira del líquido 260 (como se indica mediante la flecha dirigida hacia arriba) una parte controlada del volumen de muestra se mantiene en cada depósito mediante la tensión superficial de las paredes de un depósito, incluso aunque los depósitos 262 estén orientados sustancialmente verticalmente respecto a la superficie del fluido 260 cuando se retira el sustrato 242. En esta divulgación ejemplar, los depósitos 262 pueden formarse con una capa de muestreo formada con el depósito unido (no mostrado) adherida al sustrato 242 como se ha descrito anteriormente.
Como se muestra mejor en la Figura 27, la presente divulgación contempla también proporcionar medios para suministrar volúmenes controlados de muestras de líquido a series de sensores localizadas en discos ópticos 281. Para demostrar el suministro del fluido a un DVD, CD, CD súper audio, disco de doble capa o blu-ray y/o otros tipos de sustrato, se fabricó el dispositivo tomamuestras mostrado en la Figura 27. Aquí, se ilustra un concepto en el que el sustrato es un disco de DVD 281 que comprende una pluralidad de regiones sensoras 244. El dispositivo ilustra el uso de depósitos individuales abiertos o parcialmente cerrados 262 encima de cada una de las regiones sensoras 244. El sistema de muestreo ejemplar por lo tanto toma la forma de un disco de DVD 281 encerrado en una carcasa de disco 282 con regiones sensoras 244 y un acceso de entrada de fluido 12 localizado en el medio del disco 281.
Como se muestra en la Figura 27, el disco óptico sensor tal como un DVD, CD, CD súper audio, disco de doble capa o blu-ray y similares está contenido en un estuche (es decir, un disco) 282. El disco óptico 281 se monta con una capa de muestra separable configurada de acuerdo con la Figura 1. Adicionalmente, la carcasa del disco 282 contiene una capa transferencia que sirve para retirar el agua residual del disco antes de la medición. La capa de transferencia está hecha de cualquier material poroso que sea capaz de absorber el agua por contacto con el sustrato.
La Figura 26 ilustra una estructura de tipo árbol ejemplar para la introducción de muestras de fluido desde un acceso de entrada de fluido 12 a múltiples regiones sensoras 244 dirigidas mediante una pluralidad de canales fluidos 5. Los expertos en la materia entienden que pueden usarse muchos procedimientos diferentes para mover los fluidos a través del sistema de muestreo incluyendo flujo electro-osmótico, fuerza capilar, electro-humedecimiento (en el que la presión electrocapilar se crea por un líquido conductor que comparte un capilar con un líquido aislante confinado), bombeo termo-capilar (que implica gradientes de temperatura en capilares), campos magnéticos, flujo dirigido superficialmente (tensión superficial en capilares, superficies modificadas químicamente), control electroquímico (tensioactivos redox-activos para valvulería), medios mecánicos (jeringas, fuerzas iniciadas por presión), gradientes centrípetos (incluyendo líquidos giratorios) y de energía superficial y/u otras combinaciones de los mismos.
Se entiende que la presente invención está adaptada para funcionar en modos de análisis de reflexión, transmisión, emisión y/o dispersión. Se entiende también que la presente invención puede aplicarse a diferentes tipos de series de sensores y que puede hacerse funcionar en modo escalonado o continuo. En el modo escalonado, el funcionamiento y la lectura de la serie de sensores puede realizarse antes y después o únicamente después de que los elementos sensores se hayan expuesto al líquido de muestra. En el modo continuo, el funcionamiento y la lectura de la serie de sensores pueden realizarse durante la exposición del líquido. Para acomodar los diferentes modos de operación, la estructura de la capa de muestreo puede retirarse del sustrato antes de que ocurra la medición, o la estructura puede mantenerse intacta durante el procedimiento de medición.
En otros aspectos de la presente invención, el sistema de análisis total incluye una plataforma en serie óptica que comprende diversos materiales sensores sensibles química o físicamente en forma de películas que pueden hincharse con agua y/o películas que pueden disolverse en agua y/o películas que pueden lixiviarse en agua. El sistema produce una respuesta óptica proporcional al parámetro químico o físico deseado, proporciona una reducción del efecto secundario por ruidos, defectos y efectos de interferencia, compensa las reacciones multivariable, tiene en cuenta el historial de la serie de ensayo y proporciona un sistema de referencia para calibrar la respuesta de la serie de sensores a la plataforma de detección óptica. Esta serie de ensayo compleja puede combinarse con la adquisición de datos basada en el tiempo para proporcionar un análisis de ensayo temporal que puede potenciar adicionalmente la respuesta global de la serie. Los elementos de ensayo descritos en el presente documento muestran cómo cada elemento potencia el rendimiento de la serie y cómo la combinación de estos elementos puede usarse para producir mediciones medioambientales y biológicas optimizadas. Adicionalmente, esta plataforma en serie óptica potenciada es ventajosamente adecuada para entornos distintos del laboratorio.
Otro aspecto de la divulgación es que cada elemento sensor o película está expuesto a un volumen de muestra controlado. En el presente documento se divulgan dos sistemas de suministro de fluido diferentes para el transporte y la dosificación del líquido de muestra a los elementos sensores que se requiere para efectuar una reacción química entre el líquido de muestra y el elemento sensor. Los dos sistemas de suministro descritos a continuación son un dispositivo de suministro fluido basado en flujo capilar y un dispositivo de suministro fluido basado en celda de inmersión. Ambos dispositivos de suministro de fluido de la presente invención son capaces de combinarse con la tarjeta de serie de ensayo comprendida por los elementos sensores descritos en el presente documento.
Otro aspecto de la invención es que cada elemento sensor está expuesto a un volumen de muestra controlado donde el elemento sensor está en forma de una película que puede hincharse con agua y/o una película que puede disolverse en agua y/o una película que puede lixiviarse en agua. Debido a que el volumen de muestra controlado, los reactivos químicos en la película responsables de la generación de la señal óptica tras la interacción del agua con el elemento sensor permanecen en el volumen de muestra, proporcionando una medición de señal precisa.
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Tarjeta de Serie de Ensayo
La Figura 28 ilustra una tarjeta de serie de ensayo de un solo uso o desechable 9, denominada también disco o sustrato, que comprende diversas películas sensoras sensibles química o físicamente 3. Las películas sensoras 3 pueden agruparse en conjuntos química o físicamente similares de una o más películas dependiendo de la fidelidad deseada para una respuesta del sensor usando eliminación de valores extremos o procesado estadístico de las respuestas de las películas individuales.
Dispositivo de Suministro Fluido
La Figura 29 ilustra un dispositivo de suministro fluido 10 que puede alinearse y montarse en la tarjeta de serie de ensayo 9 usando los oficios de localización 1. El dispositivo de suministro 10 transporta una cantidad controlada de una muestra líquida inyectada en el acceso de entrada 12, en cantidades medidas, a una serie de depósitos 8 a través de los canales 5 que parten del acceso de entrada 12 a los depósitos 8 para efectuar una reacción química entre el fluido de muestra y el elemento sensor 3 conectado a la celda. Además, el dispositivo de suministro fluido proporciona cuatro paredes laterales y el techo de los depósitos, proporcionando la tarjeta de serie de ensayo 9 el suelo inferior. El techo de los depósitos comprende una película que tiene orificios de purga circulares 7 que purgan el aire fuera de los depósitos a medida que se llenan con el líquido de muestra. El material, diámetro y profundidad del orifico de purga, se optimizan para regular la purga eficaz de aire y la contención del fluido de muestra dentro de las dimensiones controladas de las paredes del depósito 8. Las paredes hidrófobas del orificio de purga cilíndrico 7 son críticas para mantener el fluido de muestra contenido en el depósito incluso en los casos en los que el dispositivo de suministro de fluido se somete a una inclinación respecto al plano horizontal como resultado de realizar la medición sobre superficies típicamente encima de la mesa de trabajo que pueden desviarse ligeramente de un nivel absoluto de cero
grados.
Con referencia de nuevo a la Figura 1, un dispositivo de suministro de fluido ejemplar configurado de acuerdo con una realización ejemplar de la presente invención generalmente comprende, aunque sin limitación, cuatro componentes, en concreto: una junta tórica 11 con procedimientos de soldadura adhesiva u otro tipo de soldadura con polímero aplicados para unir los componentes del dispositivo de suministro y crear eficazmente una pared de soporte y contención para el fluido de muestra inyectado; una película de sellado de cubierta 2 fabricada a partir de un material plástico hidrófobo (por ejemplo, polipropileno, polipropileno orientado, polietilentereftalato y similares) que tiene una superficie inferior hidrófila modificada mediante recubrimiento, tratamiento químico, modificación superficial y similares para crear el techo de los depósitos 8 y el material retirado en el techo para crear orificios de purga de aire 7 en la parte superior de los canales 5 y los pocillos o depósitos 8; una placa de canal fluido 4 con diversas aberturas a través del espesor para crear las paredes laterales de los pocillos o depósitos 8 que están conectados al acceso de entrada 12 mediante surcos o canales poco profundos 5 cortados en la placa sobre el plano de la superficie superior de la placa de canal fluido 4; y una capa de aglutinante 6 adaptada para unir la superficie inferior de la placa del canal fluido 4 a la placa de la serie de sensores (no mostrada) - siendo la construcción de la capa de unión un adhesivo serigrafiable, una cinta adhesiva doblemente revestida o una lámina de silicona blanda con la propiedad de una alta humectabilidad depositada sobre la parte inferior de la placa de canal fluido 4 o sobre la superficie superior libre de la tarjeta de la serie de ensayo 9.
Otro aspecto de la presente invención es que los componentes del dispositivo de suministro fluido, por ejemplo, la película de unión 6 y la junta tórica 11 que, en una realización, están comprendidas por cinta adhesiva doblemente revestida o adhesivo serigrafiable para unirse a otros componentes del dispositivo de suministro fluido deben presentar una interferencia química insignificante con la respuesta de los elementos sensores. Los adhesivos en dichas aplicaciones pertenecen típicamente a la familia de adhesivos basados en acrilato. Se prefiere una selección cuidadosa del sistema de adhesivo para minimizar las interferencias químicas.
En otra realización del dispositivo de suministro fluido, la junta tórica es un material parcialmente absorbente que es hidrófobo en el centro y es hidrófilo hacia el diámetro externo. Esto permite que cualquier exceso de agua inyectada en el acceso de entrada que se derrama sobre la parte superior debido a salpicado o por la inclinación del dispositivo de suministro de fluido respecto al plano a horizontal se absorba por el material poroso. Esto minimiza que cualquier exceso de fluido de muestra inyectado se escape hacia la parte superior de la película de sellado de cubierta 2 y de como resultado una introducción mayor y no controlada de fluido de muestra a la pluralidad de depósitos desde los orificios de purga superficiales 7 o una posible contaminación cruzada por transferencia del fluido de muestra reaccionado de uno o más depósitos a otros de la ruta superficial y hacia abajo por los orificios de purga 7.
En una realización de la plataforma de serie de ensayo, el dispositivo de suministro de fluido se combina con la tarjeta de serie de ensayo durante la medición. En esta realización, se permite que el cuerpo de la muestra de fluido resida en el depósito de fluido de muestra que interacciona con el elemento sensor durante la medición, es decir, la medición se realiza "en húmedo" a medida que la reacción ocurre o transcurre hacia un equilibrio.
En las realizaciones anteriores de la plataforma de serie de ensayo en las que la tarjeta de serie de ensayo se combina con el dispositivo de suministro fluido durante la medición, la película de sellado de cubierta puede comprender materiales transparentes de manera que una intensidad mínima de la fuente de luz en el intervalo de longitud de onda de interés se absorbe por esta capa suponiendo que la luz es incidente sobre los elementos del sensor y es necesario transmitirla a través del espesor de este componente.
Con referencia ahora a las Figuras 30a-c, el dispositivo de muestreo fluido puede comprender una placa de canal fluido 4 unida a la tarjeta de serie de ensayo 9, en el que la capa de cubierta 2 forma la parte del techo de los depósitos 8 y los orificios de purga 7 y forma los canales fluidos 5 que comunican con el acceso de entrada 12 sellado por la junta tórica 11 (Figura 30a). Como alternativa, como se muestra mejor en las Figuras 30b-c, la serie de ensayo de canal fluido combinada 13 puede comprender elementos sensores 3 dispuestos dentro de los depósitos 8 (Figura 30b) o los elementos sensores 3 pueden disponerse sobre la superficie inferior de la capa de cubierta 2 (Figura 30c).
Los elementos sensores 3 pueden integrarse en el sistema de suministro fluido y la serie de ensayo de canal fluido combinada 13 se modifica para incluir una pluralidad de pocillos 8 en lugar de las aberturas a través del espesor de una placa de canal fluido diferente 4 que forma las cuatro paredes del depósito. Dichas realizaciones eliminan también la necesidad de una capa de unión 6 ya que no hay más una tarjeta de serie de ensayo diferente 9. La ventaja de dichas realizaciones es que se reduce el número total de componentes a montar para la plataforma de serie de ensayo a generalmente tres componentes, en concreto una junta tórica 11, una película de sellado de cubierta 2 y una placa de canal fluido modificado 13 que incluye pocillos para contener el fluido de muestra. En dichas realizaciones, los elementos sensores pueden situarse encima del fluido de muestra (es decir, sobre la superficie inferior de la capa de cubierta 2) en lugar de la parte inferior (es decir, dentro del depósito 8), como es el caso para otras realizaciones descritas en el presente documento.
En otra realización más de la plataforma de serie de ensayo, una placa moldeada diseñada para contener un elemento de junta tórica en el lado superior sustituye a la película de cubierta 2. La combinación junta tórica/placa de cubierta retiene todas las características de purga y la superficie inferior hidrófila de la película. Esta realización permite la reducción de los componentes a montar a dos, para aumentar la eficacia de fabricación. En otra realización del sistema de análisis total, el dispositivo de suministro fluido 10 puede separarse de la tarjeta de serie de ensayo 9. En esta realización, la tarjeta de serie de ensayo 9 se seca hasta un grado tal que no queden gotas de fluido de muestra sobre la superficie de los elementos sensores 3. El ensayo, por lo tanto, consiste en una etapa de absorción adicional en la que después de que los depósitos se llenan y se permite un tiempo adecuado para que los elementos sensores reaccionen, el dispositivo de suministro de fluido se separa de la tarjeta de serie de ensayo dando como resultado también que el fluido de muestra de los depósitos se transporte lejos a lo largo de la interfaz de la capa superficial. Las gotas de agua restantes sobre la superficie de los elementos sensores se absorben preferentemente con una lámina absorbente antes de que la tarjeta de serie de ensayo se introduzca en el dispositivo detector para medir las respuestas del elemento sensor. Una característica de esta realización es que el material absorbente tendrá un intervalo controlado de características superficiales, es decir, características capilares, incluyendo velocidad de absorción y capacidad líquida para retirar eficazmente el fluido de muestra de la superficie de los elementos sensores sin crear una deformación indeseable en la superficie de los elementos sensores como resultado de la retirada de fluido. El sistema de suministro fluido basado en inmersión en celda descrito en el presente documento puede denominarse también realización de un sistema de suministro fluido extraíble.
Película de Cubierta Hidrófoba Revestida Hidrófilamente/Placa
La mayor parte de plásticos comunes tales como poli(etilen)tereftalato, policarbonato, poliestireno, poli(metil)metacrilato, polietileno, polipropileno, nylon, ABS y similares tienen ángulos de contacto con el agua que varían de aproximadamente 60º a aproximadamente 110º. En este realización ejemplar, la presente invención comprende una combinación de superficies hidrófilas en contacto con los canales fluidos y depósitos de muestra que conectan los dos en un plano único continuo que forma el techo de la estructura canal-depósito. Las dos paredes laterales de los canales, el suelo del canal y las cuatro paredes laterales del depósito generalmente son superficies de un plástico típico con ángulos de contacto de aproximadamente 65-90º. La combinación del ángulo de contacto de estas paredes no proporciona la fuerza capilar requerida para dirigir el flujo de fluido desde el área de introducción de fluido a través de los canales y hacia los depósitos. La importancia de la superficie hidrófila de la película de cubierta/placa es que aumenta la construcción del canal y depósito y ayuda a dirigir la muestra de fluido hacia los canales desde el área de contención, propulsar el flujo a través de los canales hacia los depósitos y posteriormente ayuda a la transición desde el canal hacia el depósito a lo largo del techo. El fluido se extrae rápidamente acumulándose a lo largo del techo y se dirigirse hacia abajo hacia el depósito con ayuda de la fuerza de la gravedad y las fuerzas capilares a lo largo de los bordes de las paredes del depósito. La hidrofilicidad de esta superficie de la película de cubierta/placa se clasifica requiriendo que el ángulo de contacto sea preferentemente menor de aproximadamente 30 grados, y más preferentemente menor de aproximadamente 20 grados. Típicamente, los materiales plásticos técnicos no tienen ángulos de contacto de 30 grados o menores. Por lo tanto, para superar esta característica, la superficie inferior de la película de cubierta hidrófila/placa se modifica preferentemente a una superficie hidrófila mediante una modificación física superficial, un tratamiento químico superficial, un recubrimiento superficial o procedimientos para potenciar la polaridad superficial.
La película de cubierta revestida hidrófila 2 mostrada en la Figura 1 se obtiene preferentemente de Adhesives Research Inc. como ARFlow® 90128. Esta película proporciona ventajosamente un montaje fácil a la placa de canal fluido 4 incorporando un ingrediente adhesivo en la mezcla del revestimiento hidrófilo aplicado a un lado de la película de refuerzo. La película de refuerzo puede ser una diversidad de películas formadas por extrusión de película, soplado de película o moldeo de película. Sin embargo, es ventajoso tener una película con un alto ángulo de contacto tal como polipropileno que comprende un ángulo de contacto que varía de aproximadamente 90-110 grados. Hablando en general, cuanto mayor sea el ángulo de contacto mejor será la capacidad del dispositivo de suministro fluido para evitar que el agua del depósito se salga por los orificios de purga debido a variaciones de fabricación en las dimensiones de purga o a variaciones espaciales en las propiedades de la superficie de la película de polímero o a la incidencia de la inclinación en el sistema de serie de ensayo durante una medición evitando que el fluido se derrame o se sobredosifique el depósito.
Haciendo referencia de nuevo a la realización mostrada en la Figura 1, el revestimiento de película de cubierta es una mezcla de ingredientes activos hidrófilos y adhesivos del tipo disponible en Adhesives Research como película ARFlow® 90128. En esta realización, no se requiere un material de unión adicional para montar la película de cubierta/placa con la placa de canal fluido. Aunque es conveniente usar una película de cubierta hidrófila revestida con adhesivo que combine las propiedades hidrófilas y adhesivas en los componentes para producir un dispositivo fluido, puede ser deseable en algunas realizaciones producir una superficie hidrófila usando una etapa adicional particularmente en la realización de la placa de cubierta descrita anteriormente que sustituye la película de cubierta con la placa con características de junta tórica. En este aspecto, se entiende que la polivinilpirrolidona se ha usado exhaustivamente en la bibliografía para hidrofilizar superficialmente superficies de polímeros, membranas y filtros.
Como los ejemplos anteriores, los siguientes ejemplos se incluyen para demostrar la amplia aplicabilidad de la presente invención. Los expertos en la materia deben apreciar que las técnicas descritas en los siguientes ejemplos representan técnicas descubiertas por los inventores y, por tanto, puede considerarse que constituyen modos ejemplares para su práctica. Sin embargo, los expertos en la materia, a la luz de la presente divulgación, deben apreciar que pueden hacerse muchos cambios en las realizaciones específicas que se divulgan y aún obtener un resultado parecido o similar sin alejarse del alcance de la invención.
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Ejemplo 10
Una película de polietileno revestida en un lado con una película de liberación de silicona se empapó en una solución al 1% de polivinilpirrolidona (PVP) durante una noche a 40ºC. El calor promueve la unión de la PVP a la película de polímero y hace a la superficie hidrófila. Esta película revestida se usó en lugar de la película de cubierta 2 en la Figura 1. La placa de canal fluido 4 se pulverizó con un adhesivo 3M en spray y la película revestida de PVP se laminó a la placa y usando otros elementos de la Figura 1, se produjo un sistema de serie de ensayo que incorpora la cubierta fluida. En la Figura 33 se muestran los perfiles de llenado de 44 celdas en el sistema de serie de ensayo usando una película de polímero revestida con PVP para flujo hidrófilo usando el colorante Azul Ácido 80 medido usando un número idéntico de pares LED-PD a una longitud de onda de 630 nm.
Los perfiles mostrados en la Figura 33 consisten en mediciones de absorbancia recogidas a intervalos de tiempo de 6 segundos desde un tiempo antes de que la muestra se inyectara (sin muestra en las celdas) hasta el punto cuando las celdas estaban completamente llenas (que mostraba una absorbancia de ~ 0,2). Los perfiles que muestran un aumento de la absorbancia no están conectados por canales o estaban en un área de la película revestida con PVP que no estaba revestida eficazmente con la solución de PVP.
Como la película de cubierta/placa está directamente en la trayectoria óptica del sistema sensor para varias de las realizaciones descritas en el presente documento, el plástico se elige para que sea adecuado para un película/placa transparente. Sin embargo, en una de las realizaciones alternativas del dispositivo fluido que es extraíble, puede considerarse también un polímero que forma una película/placa translúcida u opaca.
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Ejemplo 11
Como se muestra en las Figuras 31a-d la formación de imágenes por absorbancia dinámica de la cinética operativa del tomamuestras montado se muestra en diferentes fases del llenado del tomamuestras montado, con una muestra de agua. Aquí, la formación de imágenes por absorbancia dinámica se realizó para evaluar la cinética operativa del tomamuestras montado. En estas mediciones, la imagen en la Figura 31a de un tomamuestras montado seco se tomó como una referencia, y las imágenes mostradas en las Figuras 31b-d se tomaron en diferentes fases del llenado del tomamuestras, respectivamente. En esta evaluación, el rendimiento de los elementos sensores individuales se evaluó simultáneamente.
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Ejemplo 12
Como se muestra en las Figura 32a-c la formación de imágenes por absorbancia dinámica se realizó para evaluar la cinética operativa del tomamuestras montado con elementos sensores que proporcionan un lixiviado controlado de reactivos hacia el volumen de muestra controlado. Aquí, la formación de imágenes por absorbancia dinámica de la cinética operativa del tomamuestras montado se muestra en diferentes fases de llenado del tomamuestras montado, con una muestra de agua. Los cuadrantes superior izquierdo e inferior izquierdo de cada una de las Figuras 32a, 32b, 32c no contenían elementos sensores y, por lo tanto, muestran una cinética de llenado con agua muy uniforme. Los cuadrantes superior derecho e inferior derecho de cada una de las Figuras 32a, 32b, 32c contienen también elementos sensores repetidos y muestran una cinética de llenado de agua y una cinética de liberación de reactivo muy uniformes. Debido al volumen de muestra controlado, los reactivos químicos en la película responsables de la generación de la señal óptica tras la interacción del agua con el elemento sensor permanecen en el volumen de muestra proporcionando una medición de señal precisa. En estas mediciones, una imagen del tomamuestras montado se tomó como una referencia como se muestra en la Figura 32a. En esta evaluación, el rendimiento de los elementos sensores individuales se evaluó simultáneamente.
Suministro de muestra por inmersión
Las Figuras 34a, 34b ilustran otra realización más de la presente divulgación. Como se muestra en las Figuras 34a, 34b, una máscara hecha de un material hidrófobo adecuado (por ejemplo, silicona, neopreno y similares) con orificios que actúan como depósitos de muestra se coloca encima de un sustrato 350 que contiene películas sensoras. Los depósitos 352 en la máscara 354 pueden producirse por procedimientos que incluyen moldeo, troquelado, corte, perforación y similares. El diámetro de los depósitos (numerados 1-12) combinado con el espesor de la máscara define la capacidad volumétrica de muestra de los depósitos 352. La máscara 354 puede unirse al sustrato mediante un número de procedimientos incluyendo, aunque sin limitación, adhesivos o contacto conformacional.
Como se muestra mejor en las Figuras 36a-c, cuando el dispositivo 360 se inserta en una muestra de líquido 370, la muestra entra en los depósitos de la máscara 354. Tras la retirada del recipiente de muestra, la tensión superficial de las paredes del depósito da como resultado el aislamiento de volúmenes discretos 372 de muestra en los depósitos de la máscara: los factores que impactan en la uniformidad del suministro de muestra incluyen el diámetro del depósito, la profundidad del depósito, la energía superficial de la máscara y la velocidad de extracción de la
máscara.
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Ejemplo 13
La Figura 37 ilustra el rendimiento de un dispositivo de suministro de muestra configurado de acuerdo con las Figuras 34a-b. En este Ejemplo 13, el sustrato 350 se hizo de policarbonato mientras que la máscara de depósitos 354 se produjo a partir de una lámina de 1,5 mm de espesor de polidimetilsiloxano (PDMS). Los depósitos 352 se troquelaron en la máscara de PDMS de manera que se produjeron orificios de 5 mm de diámetro. El sustrato 350 con la máscara 354 unida se sumergió verticalmente en un recipiente que contenía agua desionizada y después se extrajo rápidamente (-2,5 cm/s). El agua aislada en los depósitos individuales se cuantificó con una balanza analítica. En la configuración descrita, la masa de la muestra suministrada era 29,4 +/- 1,7 \mug, dando como resultado una reproducibilidad de un depósito a otro del 5,7%.
En otras realizaciones ejemplares, se entiende que la máscara de depósitos 354 puede modificarse par incorporar funcionalidades tanto hidrófobas como hidrófilas. En la realización del Ejemplo 13, una de las causas potenciales de la degradación de la reproducibilidad de la masa de la muestra se identificó como la adición de gotas de muestra aislada localizadas inicialmente sobre la máscara hidrófoba entre depósitos a la masa de muestra localizada en un depósito. Para minimizar este fenómeno, pueden modificarse partes de la máscara de depósitos para conferirles características hidrófilas. Como se muestra en las Figuras 35a, 35b, esta modificación puede generarse mediante la adición de una película hidrófila fina 380 a la máscara de depósitos o la modificación de la superficie de la propia máscara de depósitos mediante revestimientos durante el tratamiento (UV o plasma). El aislamiento del volumen de la muestra ocurre manteniendo una región hidrófoba que rodea inmediatamente los depósitos individuales. Las gotas localizadas inicialmente entre los depósitos individuales coalescen sobre las regiones hidrófilas de la máscara y se retiran por gravedad.
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Ejemplo 14
La Figura 38 ilustra el rendimiento de un dispositivo de suministro de muestra configurado de acuerdo con las Figuras 35a-b. En este Ejemplo 14, el sustrato 350 se hizo de policarbonato mientras que la máscara de depósitos 354 se produjo a partir de una lámina de 1,5 mm de espesor de PDMS. Los depósitos 352 se troquelaron en la máscara de PDMS de manera que se produjeron orificios con un diámetro de 5 mm. Los depósitos se cubrieron temporalmente con piezas de 9 mm de diámetro de cinta para permitir la modificación superficial. El PDMS se modificó con un plasma de aire para producir una superficie hidrófila en las áreas expuestas. La cinta se retiró después para producir una superficie multifuncional. El sustrato con la máscara unida se sumergió verticalmente en un recipiente que contenía agua desionizada y después se extrajo rápidamente (-2,5 cm/s). El agua aislada en los depósitos individuales se cuantificó con una balanza analítica. En la configuración descrita, la masa de la muestra suministrada era 27,0 +/- 1,2 \mug, dando como resultado una reproducibilidad de un depósito a otro del 4,6%.
Se divulgan también materiales y procedimientos para fabricación rápida de dispositivos microfluidos. Los dispositivos microfluidos incluyen uno o más canales microfluidos que se configuran para aplicaciones tales como separaciones químicas, extracciones químicas (tales como procedimientos basados en afinidad o anticuerpos), bombeo electro-osmótico y electroforesis. Los canales microfluidos pueden conectarse entre sí para formar una red de canales interconectados. Adicionalmente, para la química basada en soluciones, las redes de canales pueden conectarse a una serie de depósitos que contienen reactivos químicos, productos y/o residuos para formar un dispositivo microfluido tal como "lab-en-chip". Como se usa en el presente documento el término "lab-en-chip" se refiere a un dispositivo que está configurado para realizar una combinación de análisis en un dispositivo miniaturizado individual para aplicaciones tales como biológicas, farmacéuticas, etc. En un dispositivo microfluido de tipo lab-en-chip, durante el funcionamiento, los diferentes reactivos pueden juntarse en una secuencia específica, mezclarse y permitirse que reaccionen durante un período de tiempo predeterminado en una región controlada de la red de canales usando procedimientos, tales como electro-cinética o bombeo hidrodinámico. Por ejemplo, la electro-cinética puede incluir electro-ósmosis o electroforesis.
La Figura 39A ilustra una vista en sección transversal de una disposición de apilamiento 110 de tres capas 112, 114 y 116 que forman el dispositivo microfluido 120 como se ilustra en la Figura 39B. La disposición de apilamiento 110 incluye un primer sustrato 112 que tiene cavidades o patrones de canal microfluido 118 que definen uno o más de la pluralidad de canales microfluidos. Dependiendo del material usado, los patrones de canal microfluido 118 pueden formarse en el sustrato 112 empleando técnicas de formación de patrones, tales como estampado, moldeo por inyección, fotolitografía, ataque químico, microformación láser o combinaciones de los mismos. En una realización ejemplar, cuando el sustrato 112 está hecho de vidrio, puede emplearse fotolitografía para formar patrones de canal microfluido 118. Como alternativa, el sustrato 112 puede incluir material basado en polímero, semiconductores, cerámicos, vidrios, silicona, sílice fundida, cuarzo, silicio o combinaciones de los mismos. Los ejemplos no limitantes de materiales basados en polímero pueden incluir SU-8, copolímero de olefina cíclica (COC), poli(metacrilato de metilo), poliestireno, polietilentereftalato (PET), policarbonato, policloruro de vinilo, polidimetilsiloxano o combinaciones de los mismos.
La disposición de apilamiento 110 incluye adicionalmente un material poroso 114 y un segundo sustrato 116. El segundo sustrato 116 puede incluir o no patrones de canal microfluido dependiendo de la forma deseable de los canales microfluidos en el dispositivo. El material poroso está configurado para permitir un flujo de una solución de muestra a través del mismo. En una realización, el material poroso 114 puede producirse por procedimientos tales como, aunque sin limitación, formación de espuma, electro-centrifugación, auto-montaje, calcinación, sol-gel, gelificación reactiva, sinterización reactiva en fase vapor, fusión, extrusión, o combinaciones de los mismos. El material poroso producido por dichos procedimientos puede ser inorgánico, orgánico, polimérico, híbrido o combinaciones de los mismos. Otros ejemplos del material poroso pueden incluir láminas compuestas de fibra de vidrio porosas, láminas de polímero poroso, fibras poliméricas, membranas porosas, láminas de espuma de silicona, láminas de espuma de goma o combinaciones de las mismas. Adicionalmente el material poroso 114 puede formarse a partir de una sola capa, puede incluir dos o más capas del material poroso. En esta realización, las dos o más capas pueden incluir diferentes materiales porosos.
Haciendo referencia ahora a la Figura 39B, se fabrica un dispositivo microfluido 120 usando una disposición de apilamiento 110 (véase la Figura 39A) que tiene capas 112, 114 y 116. La disposición de apilamiento 110 se comprime aplicando presión a temperaturas predeterminadas. La etapa de fabricación incluye comprimir la disposición de apilamiento 110 a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 70ºC a aproximadamente 160ºC, mientras que se mantienen presiones en un intervalo de aproximadamente 0,34 MPa (50 psi) a aproximadamente 6,89 MPa (1000 psi). En una realización, el material poroso 114 y uno o ambos primer y segundo sustratos 112 y 116 pueden unirse permanentemente. Tras la compresión, una parte del material poroso 114 dispuesto entre el primer y segundo sustratos 114 y 116 y solapando con el patrón de canal microfluido 118, llena el área 122 de los patrones de canal microfluido 118 para formar canales microfluidos 124.
Como se ilustra en la Figura 39B, el material poroso en el área 122 de los patrones de canal microfluido 118 experimenta poca o ninguna fuerza de compresión. El material poroso 114 en el área 122 está configurado para permitir un flujo de fluido o de solución de muestra a través del mismo. Mientras, el material poroso 114 en el área 126 dispuesta entre y en contacto con el primer y segundo sustratos 112 y 116, se comprime mediante la presión aplicada y se hace relativamente más denso que el material poroso en el área 122. El material poroso 114 en el área 126 puede no permitir que la solución de muestra fluya a través del mismo, definiendo de esta manera los canales microfluidos 124 y evitando que los fluidos se filtren fuera de los canales microfluidos 124. En una realización, una porosidad del material poroso 114 en las regiones no comprimidas, es decir, en el área 122, puede estar en un intervalo de aproximadamente el 3 por ciento a aproximadamente el 90 por ciento. Sin embargo, la porosidad del material poroso en el área 126 puede estar en el intervalo de aproximadamente el 70 por ciento a aproximadamente el 100 por cien.
Adicionalmente, el material poroso 114 puede incluir una porosidad no uniforme. Por ejemplo, el material poroso 114 puede incluir una porosidad no uniforme a lo largo de la longitud del canal microfluido. En una realización, el material poroso 114 puede tener una porosidad en gradiente que tiene un gradiente a lo largo de una dirección del flujo de líquido. Como se describirá en detalle a continuación, esta densidad no uniforme puede facilitar la función de los canales microfluidos en aplicaciones tales como extracción o separación.
Además, una o más láminas compuestas pueden colocarse en cualquier lado del material poroso. Estas láminas, tras la compresión, hacen a la superficie del material poroso relativamente no porosa, evitando de esta manera que los fluidos se derramen fuera de los canales microfluidos.
En una realización, la lámina del material poroso empleada para llenar los patrones de canal microfluido 118 se someten a una etapa física de modificación de la lámina. Esta etapa aumenta la densidad del material de una de las superficies del material sobre un intervalo predeterminado del material. En otra realización, el material poroso 114 está sometido a una etapa química de modificación de la lámina. Esta etapa modifica las propiedades químicas del material de una de las superficies del material en un espesor predeterminado del material. Estas etapas de modificación proporcionan propiedades de transporte modificadas a las especies en la solución de muestra, que fluye a través de los canales microfluidos 124.
En una realización, el material poroso 114 puede funcionalizarse para realizar diversas aplicaciones, como se describirá con detalle a continuación. En una realización, el material poroso puede funcionalizarse con una fase estacionaria orgánica apropiada para proporcionar un reparto potenciado en las aplicaciones cromatográficas. Por ejemplo, en una realización, el material poroso 114 puede incluir fibras de vidrio en una matriz de aglutinante polimérico. En esta realización, la combinación de fibras de vidrio y aglutinante polimérico proporciona una superficie de vidrio disponible dentro del canal fluido, que facilita la funcionalización del canal fluido mediante procedimientos de modificación de la superficie del vidrio.
Adicionalmente, el material poroso 114 puede funcionalizarse empleando uno o más de un electrolito, una solución iónica, una solución basada en anticuerpos, un reactivo químico, un material emisor de reactivos o combinaciones de los mismos. El material poroso 114 puede funcionalizarse antes de formar el dispositivo microfluido 120 o después de formar el dispositivo microfluido 120. Por ejemplo, aunque se emplea un electrolito, la aplicación de una tensión a través de los canales microfluidos 124 puede dar como resultado la formación de un flujo electro-osmótico del fluido de muestra basado en el potencial zeta del material poroso, tal como fibras de vidrio. Este flujo electro-osmótico puede usarse para dirigir las soluciones a través de y adyacente a la red de canales microfluidos 124.
Los canales microfluidos 124 pueden funcionalizarse usando reactivos químicos. En una realización, los reactivos químicos pueden dispersarse en el material poroso antes o después de la fabricación del dispositivo microfluido. Los reactivos pueden incluir uno o más materiales que pueden ser deseables para una aplicación particular. Adicionalmente, estos reactivos pueden situarse en posiciones seleccionadas en los canales microfluidos 124. Por ejemplo, en una aplicación de detección, los reactivos pueden incluir especies químicas situadas en una localización particular de un canal microfluido 124, donde las especies químicas están configuradas para detectar un tampón de pH en los canales microfluidos 124, para detectar reacciones que tienen lugar aguas debajo de los canales microfluidos 124. Aunque el fluido de muestra fluye a través del canal, el reactivo inmovilizado en el material poroso se disuelve en el fluido.
En una realización, el material poroso puede impregnarse con al menos un agente que se libera durante el funcionamiento del dispositivo microfluido. El agente de liberación puede tener una funcionalidad para modificar física, química o biológicamente el flujo de fluido que pasa a través del canal microfluido. Por ejemplo, un material emisor de reactivos químicos puede incluir un reactivo químico encerrado en un encapsulante. El material emisor de reactivos químicos puede configurarse para liberar el reactivo químico tras la interacción con una solución de analito que se hace fluir en el canal microfluido.
En algunas aplicaciones, tales como detección y localización, las propiedades físicas, químicas o biológicas de los fluidos pueden alterarse haciendo interaccionar el fluido con el material poroso funcionalizado que tiene diversos reactivos. Posteriormente, el fluido puede identificarse basándose en las propiedades alteradas. En una realización, una temperatura o pH del fluido de muestra puede alterarse mediante una reacción química con un reactivo incorporado en el material poroso 114. En otra realización, una modificación biológica o química de la muestra de fluido puede conseguirse cambiando el estado biológico o químico del líquido. Un ejemplo de esto es el desplegado o plegado de una proteína o ácido nucleico debido a una reacción química con un reactivo incorporado en el material poroso 114. Para las modificaciones químicas del fluido en el canal microfluido, pueden emplearse diversos reactivos. Los ejemplos no limitantes de reactivos empleados para modificaciones químicas de fluidos pueden incluir reactivos colorimétricos y fluorescentes. Basándose en la química entre el fluido y los reactivos, estos reactivos pueden experimentar un cambio en las propiedades ópticas tras la interacción con un fluido particular. El cambio en las propiedades ópticas puede detectarse entonces a través de una de las superficies de los canales microfluidos 124.
Debe apreciarse que los fluidos que fluyen en un canal microfluido presentan un comportamiento de flujo laminar debido a las condiciones de número de Reynolds bajo. Esta característica puede utilizarse para aplicaciones tales como separación y detección de partículas. La separación de partículas puede estar basada en la diferencia en los coeficientes de difusión de las partículas. Por ejemplo, en una realización, dos fluidos diferentes pueden bombearse a través de las entradas en un extremo del canal microfluido, tal como los canales 124, pudiendo encontrarse estos fluidos dentro de los canales microfluidos 124. Debido a la propiedad de flujo laminar, los dos fluidos pueden dirigirse lado a lado y, generalmente, no pueden mezclarse excepto por interdifusión. Debe apreciarse que, como las partículas más pequeñas se difunden más rápido que las partículas más grandes, las partículas más pequeñas pueden difundirse en la corriente de flujo paralelo. En consecuencia, cuando los fluidos se separan en la salida de los canales microfluidos 124, la mayor parte de las partículas más pequeñas se habría difundido en el otro fluido. Dicha técnica de separación puede emplearse para separar las células sanguíneas del plasma. Para aplicaciones de inmunoensayo, dicha técnica puede usarse para separar grandes moléculas interferentes de muestras permitiendo, de esta manera, un análisis relativamente más preciso de los analitos. Adicionalmente, también es útil permitir la intermezcla de fluidos que contienen antígenos con aquellos que contienen grandes partículas con anticuerpos inmovilizados, para permitir que los anticuerpos inmovilizados reaccionen con los antígenos y posteriormente separar perlas de los antígenos mediante lavado microfluido secuencial o mediante etapas de extracción.
En otra realización, los canales microfluidos 124 llenos con el material poroso 114 pueden funcionalizarse en moléculas que presentan una afinidad (iónica, basada en ácidos nucleicos o en anticuerpos) hacia una molécula diana específica. Por consiguiente, a medida que un fluido que tiene una mezcla de moléculas que incluye la molécula diana se hace pasar a través de estos canales 124, la diana se retira selectivamente del flujo del líquido y se concentra sobre el material poroso funcionalizado 114, tal como fibras de vidrio. Dichos canales pueden usarse como un filtro para retirar moléculas indeseadas o interferentes. A la inversa, estos canales pueden usarse como un pre-concentrador para una molécula diana deseable.
En una realización, el material poroso 114 en los canales microfluidos 114 potencia el transporte del fluido desde una localización a otra del dispositivo microfluido 120 por acción capilar. En algunas realizaciones, esta característica puede facilitar la transferencia de fluidos entre diferentes localizaciones en los canales microfluidos 124, donde las diferentes localizaciones tienen dimensiones y formas variables para crear una diferencia en la acción capilar entre las localizaciones. Adicionalmente, la diferencia en la presión capilar entre estas localizaciones puede controlarse mediante la porosidad y/o hidrofilicidad del material poroso. Por ejemplo, el material poroso puede modificarse para convertirse de un material hidrófobo en ultrahidrófilo, con un ángulo de contacto con el agua menor de 10 grados, cambiando de esta manera la acción capilar del canal microfluido.
En las realizaciones ilustradas de las Figuras 40A y 40B, se ilustra una realización alternativa de un dispositivo microfluido. El dispositivo 136 incluye un sustrato 130. El sustrato 130 incluye cavidades o patrones de canal microfluido 132, que definen canales microfluidos 138 en el dispositivo microfluido 136. Como se ilustra en la disposición de apilamiento 128 de la Figura 40A, el dispositivo 136 incluye adicionalmente un material poroso 134. El material poroso 134 está situado sobre el sustrato 130. En una realización, el material poroso 134 puede someterse a una etapa química y/o física de modificación superficial, seguida de la fabricación de un dispositivo microfluido.
El dispositivo 136 se forma por compresión del material poroso 134 contra el sustrato 130. Tras la compresión, una parte del material poroso 134 llena los patrones del canal microfluido 132 en las áreas 140 para formar los canales microfluidos 138. El material poroso 134 en las áreas 140 puede experimentar poca o ninguna compresión, permitiendo de esta manera el paso del fluido que fluye a través de los canales microfluidos 138 durante el funcionamiento del dispositivo 136. En las áreas 142, el material poroso 134 se comprime para formar una capa densa, eliminando eficazmente el aire de los poros en esta área.
La etapa de fabricación de procesado incluye comprimir la disposición de apilamiento 128 a una temperatura que varía en el intervalo de aproximadamente 70ºC a aproximadamente 160ºC, mientras que mantiene presiones en el intervalo de aproximadamente 0,34 MPa (50 psi) a aproximadamente 6,89 MPa (1000 psi). Tras aplicar una etapa de procesado, la capa porosa se aplana para formar una capa con densidad variable y llenar los canales microfluidos. Debido a las etapas químicas y/o físicas de modificación superficial que hacen a la superficie expuesta 144 de material poroso 134 no porosa, el dispositivo microfluido 136 requiere únicamente dos capas, el sustrato 130 y el material poroso 134 y no necesita un segundo sustrato, tal como el sustrato 116 (véanse las Figuras 39A y 39B). Adicionalmente, pueden aplicarse otras modificaciones tales como tratamientos químicos y funcionalización del material poroso al dispositivo microfluido 136.
En las realizaciones ilustradas de las Figuras 41A, 41B, 41C, 41D y 41E, se ilustra una realización alternativa de un dispositivo microfluido 135. La Figura 41A ilustra una vista en sección transversal despiezada de una disposición de apilamiento 121 de tres capas 123, 125 y 127 del dispositivo microfluido 135 de la Figura 41C. La Figura 41B ilustra otra vista en sección transversal desde un lado de la disposición de apilamiento 121 de la Figura 41A tomada a lo largo de la línea 41B-41B. Como se ilustra, el primer y segundo sustratos 123 y 127 incluyen patrones de canal microfluido en forma de estructuras escalonadas 131 y 133, respectivamente. Los dos sustratos 123 y 127 pueden tener estructuras escalonadas similares, complementarias o diferentes, que se ilustran en forma general como 131 y 133. Adicionalmente, la disposición de apilamiento 121 incluye un material poroso 125 situado entre los sustratos 123 y 127.
Comprimir la disposición de apilamiento 121 forma el dispositivo 135. La Figura 41C ilustra la vista frontal del dispositivo 135 y las Figuras 41D y 41E ilustran la vista en sección transversal del dispositivo 135 tomada a lo largo de las líneas 41D-41D y 41E-41E, respectivamente, de la Figura 41C. Mientras se forma el dispositivo 135, los sustratos 123 y 127 pueden situarse uno respecto al otro de manera que las estructuras escalonadas 131 y 133 juntas pueden formar el canal microfluido 137. Por ejemplo, en la región 139 que tiene el canal microfluido 137, las estructuras escalonadas 131 y 132 como se muestran se disponen en una disposición desplazada una de otra de manera que la región 139 que tiene el canal microfluido 137 experimenta poca o ninguna compresión y, por lo tanto, tiene un material poroso menos denso 125 comparado con las regiones 141, donde el material poroso 125 es más denso por las fuerzas de compresión. El material poroso 125 en las regiones relativamente menos densas 139 puede experimentar poca o ninguna densificación. El canal microfluido 137 formado en esta realización puede extenderse sobre diversos planos horizontales debido a las estructuras escalonadas 131 y 133 de los sustratos 123 y 127. En la realización ilustrada, el canal microfluido 137 en la región 139 puede seguir los escalones 131 y 133 del primer y segundo sustratos 123 y 127 para formar un canal microfluido continuo tridimensional que se extiende sobre diferentes planos horizontales del primer y segundo sustratos 123 y 127 a lo largo de los escalones 131 y 133. El material poroso 121 y la región 141 puede seguir las estructuras escalonadas 131 y 133 a lo largo del canal microfluido 137 para definir la región del canal microfluido 137 y retener la muestra fluida en el canal microfluido 137 debido a la porosidad reducida del material poroso 125 en la región 141. Debe apreciarse adicionalmente que las estructuras escalonadas 131 y 133 pueden disponerse relativas una a otra en una relación que no está desplazada, provocando de esta manera que las regiones 139 tengan un material más denso.
La Figura 42 representa una realización alternativa del canal microfluido 137 de las Figuras 41C y 41D. En la realización ilustrada, el dispositivo microfluido 143 incluye canales microfluidos individuales 145 que están formados sobre planos horizontales diferentes definidos por los escalones 131 y 133 del primer y segundo sustratos 123 y 127. Los canales microfluidos 145 en los diferentes planos horizontales pueden no estar comunicados entre sí. En otras palabras, los canales microfluidos 145 puede que no sean continuos de un plano horizontal a otro. Los canales microfluidos 145 se forman alineando los sustratos 123 y 127 uno con respecto al otro, de manera que el material poroso 125 en las regiones 147 está bajo una pequeña o ninguna fuerza de compresión cuando la disposición de apilamiento que tiene los sustratos 123, 127 y el material poroso 125 se comprime para formar el dispositivo 143. Por consiguiente, el material poroso 125 en las regiones 147 puede no experimentar densificación. Mientras, las regiones 149 del material poroso 125 situadas caen fuera de los canales microfluidos 145 pueden experimentar la densificación debido a las fuerzas de compresión.
La Figura 43 ilustra un canal microfluido 146 que tiene un material poroso 152 dispuesto en su interior y que tiene poros 154. El canal microfluido 146 se dispone entre un primer sustrato 148 y un segundo sustrato 150. Tanto el primer como el segundo sustratos 148 y 150 incluyen patrones de canal microfluido en la región 156 para definir el canal microfluido 146. Durante la fabricación, la parte del material poroso 152 dispuesta dentro del área 156 experimenta menos fuerzas de compresión y, por lo tanto, tiene una mayor porosidad comparada con la parte del material poroso en el área 158. Por consiguiente, los poros 154 en la parte del material poroso 152 dispuestos en el área 156 son mayores que los poros en otras áreas, tal como la 158, permitiendo de esta manera el flujo de líquido a través del canal microfluido 146.
La Figura 44 ilustra un sistema 160 que emplea un dispositivo microfluido 162. En una realización ejemplar, el sistema 160 puede usarse en la industria farmacéutica, que depende de la síntesis y selección de entidades químicas. El sistema 160 proporciona tiempos del ciclo de optimización más cortos y es eficaz respecto a costes debido a la cantidad mucho menor de reactivos requeridos. Adicionalmente, el sistema 160 proporciona la capacidad para un intervalo de controles sobre el entorno químico directamente a través de los accionadores residentes en el dispositivo.
Normalmente, en la tecnología discontinua convencional, la validación y optimización de las reacciones tiende a ser la etapa limitante de la velocidad. Sin embargo, en el sistema 160 la auto-optimización puede realizarse para ensayos biológicos o ensayos químicos. Adicionalmente, las cantidades de material generado por el sistema 160 pueden aumentar proporcionando un conjunto paralelo de canales microfluidos.
El dispositivo microfluido 162 incluye canales microfluidos 164, 166, 168, 170 y 172. Los canales microfluidos 164, 166, 168, 170 y 172 pueden incluir el mismo o un material poroso diferente (no ilustrado). Los reactivos, en concreto el reactivo A representado por el bloque 174 y el reactivo B representado por el bloque 176, se suministran en el canal microfluido 164 del dispositivo microfluido 162 a través de la entrada 178. Una vez en el canal microfluido 164, se permite que los reactivos A y B 174 y 176 reaccionen como se indica con el número de referencia 180 durante la fase de reacción 177 para formar los productos 182, 184 y 186 en una fase de formación de producto 185. Adicionalmente, aunque no se ilustra, también pueden formarse subproductos durante la fase de formación de producto 185. Posteriormente, los productos 182, 184 y 186 pueden separarse en la fase de separación de producto 187 usando técnicas de separación, tales como cromatografía o electroforesis. En un ejemplo, puede emplearse cromatografía de líquidos, cromatografía de exclusión de tamaño o cromatografía iónica para separar los productos 182, 184 y 186. En otro ejemplo, puede emplearse electroforesis capilar o electroforesis en gel para separar los productos 182, 184 y 186.
Posteriormente, los productos separados 182, 184 y 186 pueden suspenderse en un medio compatible 188 introducido en el dispositivo 162 mediante el canal microfluido 166. El medio compatible 188 facilita la segregación y distribución de los tres productos en posiciones predeterminadas. Por ejemplo, el medio compatible 188 facilita que los productos 188, 184 y 186 entren en el canal microfluido 172 para quedar recogidos como un ensayo en un bloque representado por el número de referencia 190 y se consigue recoger el resto de los subproductos indeseados fuera del dispositivo microfluido 192 a través del canal microfluido 170 como se representa por el bloque 192. Aunque no se ilustra, el sistema 160 puede incluir adicionalmente un detector, un circuito de retroalimentación o ambos. El detector o el circuito de retroalimentación pueden estar en asociación operativa con el dispositivo microfluido 162. En una realización, el circuito de retroalimentación puede configurarse para ajustar la cantidad de reactivos que entran en el dispositivo microfluido 162.
Otras aplicaciones de dispositivo microfluidos pueden incluir la realización de ensayos bio-analíticos, tales como la reacción en cadena de polimerasa (PCR) a volúmenes muy pequeños para aumentar la velocidad de estos ensayos y reducir la cantidad de material y reactivos necesarios. Por ejemplo, los dispositivos microfluidos pueden emplearse para el dimensionado de ADN, dimensionado de ARN, separación de toxinas, separación de células biológicas tales como virus o bacterias, separación de moléculas de iones inorgánicos, farmacéuticos, narcóticos o pesticidas o separación de polímeros sintéticos o separación de agentes para guerra química y productos de hidrólisis de los agentes para guerra química. En una realización, el dimensionado y secuenciación del fragmento de ADN sobre capilares y microdispositivos de electroforesis de serie de capilares por detección electroquímica integrada y análisis de quiralidad de aminoácidos.
Como alternativa, las realizaciones de los dispositivos microfluidos pueden emplearse para la síntesis. Por ejemplo, los dispositivos microfluidos pueden emplearse para realizar diversos procedimientos sintéticos tales como análisis de inyección de flujo, reacciones de flujo continuo, reacciones de flujo pulsátil o reacciones de flujo segmentado. Adicionalmente, los dispositivos microfluidos pueden emplearse para realizar reacciones entre analitos sintéticos tales como pequeñas moléculas o iones inorgánicos, compuestos farmacéuticos, narcóticos, pesticidas, polímeros sintéticos, polímeros biológicos tales como ADN o ARN, nanopartículas semiconductoras, nanopartículas de metales nobles o puntos cuánticos.
Adicionalmente, los dispositivos microfluidos pueden emplearse también para la pre-concentración o extracción de analitos en una muestra fluida dada. Por ejemplo, las proteínas, péptidos, ácidos nucleicos tales como ADN o ARN, toxinas, células biológicas, iones inorgánicos, moléculas farmacéuticas, moléculas narcóticas o moléculas pesticidas pueden extraerse de una solución empleando los dispositivos microfluidos descritos anteriormente. Adicionalmente, el análisis realizado por los dispositivos microfluidos puede resolverse en el tiempo o estar basado en el tiempo o puede ser en estado estacionario.
Adicionalmente, los dispositivos microfluidos de las realizaciones analizadas anteriormente pueden emplearse para aplicaciones de detección. En esta aplicaciones, los dispositivos microfluidos pueden emplearse en espectroscopia electrónica, espectroscopia vibracional, espectroscopía de microondas, espectroscopía ultravioleta-visible, espectroscopía de fluorescencia, espectroscopía Raman, espectroscopía Raman potenciada superficialmente, espectroscopía de fluorescencia potenciada por metal, espectroscopia de infrarrojo cercano, espectroscopía de infrarrojo o combinaciones de las mismas. En estas aplicaciones, los dispositivos microfluidos pueden acoplarse a uno o más de estos espectrómetros.
Ejemplo
Un material compuesto de fibra de vidrio, AZDEL Superlite, obtenido de GE Plastics, (Mount Vernon, IN 47620-9364) se intercaló entre cuatro portaobjetos de microscopio de vidrio (Corning Glass Works, Modelo 2947) de manera que dos portaobjetos se situaron a cada lado del compuesto AZDEL. A cada lado del AZDEL los portaobjetos de vidrio se situaron de manera que se creó un hueco de 1,5 mm para formar un canal fluido. La lámina de material compuesto AZDEL Superlite y los portaobjetos de vidrio eran de 1 mm de espesor. La estructura intercalada se comprimió después con presiones moderadas de aproximadamente 1,38 MPa (200 psi) y temperaturas elevadas de 120ºC entre dos placas metálicas. Las regiones donde se aplicó la presión experimentaron una reducción de espesor. Adicionalmente, la región comprimida unió el AZDEL intercalado entre el portaobjetos de vidrio en una unidad. Las regiones donde no se aplicó la presión (las regiones localizadas por debajo del hueco en los portaobjetos de vidrio) no se comprimieron y, de esta manera, formaron un canal microfluido como se ilustra en la Figura 43. Las dimensiones del canal microfluido formado de esta manera fueron un canal de 1,0 mm x 1,5 mm. En este canal el material compuesto que tenía la fibra de vidrio y el aglutinante polimérico retienen su volumen para permitir el transporte de fluidos a través del canal microfluido. Sin embargo, en las regiones comprimidas el material compuesto AZDEL Superlite se comprimió a un espesor de 0,150 mm cada uno, sellando de esta manera eficazmente el canal microfluido para evitar cualquier transporte de fluido fuera del canal. Se han conseguido resultados similares mediante la compresión del material compuesto AZDEL entre láminas de policarbonato que contenían canales micromecanizados.
Aunque la invención se ha descrito en detalle en relación únicamente con un número limitado de realizaciones, debe entenderse fácilmente que la invención no se limita a dichas realizaciones divulgadas. En lugar de ello, la invención puede modificarse para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta ahora pero que corresponden al alcance de la invención definido por las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, aunque el dispositivo microfluido se describe junto con aplicaciones de separación, detección y farmacéuticas, debe apreciarse que el dispositivo microfluido puede encontrar utilidad para cualquier aplicación donde se emplee un canal microfluido. Adicionalmente, aunque se han descrito diversas realizaciones de la invención, debe entenderse que los aspectos de la invención pueden incluir algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la invención no debe observarse como limitada por la descripción anterior, sino únicamente limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

1. Un procedimiento para medir simultáneamente una pluralidad de analitos biológicos o químicos en un fluido, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
proporcionar un sustrato (350) que comprende una pluralidad de elementos sensores, respondiendo cada uno de dichos elementos sensores a al menos uno de dicha pluralidad de analitos;
proporcionar al menos una fuente de luz para dirigir la luz sobre dichos elementos sensores;
suministrar cantidades medidas de dicho fluido a cada uno de dichos elementos sensores;
detectar una respuesta desde dichos elementos sensores;
registrar dicha respuesta en un registro digital;
procesar dicho registro digital; y
utilizar dicho registro digital para determinar una concentración de cada uno de dichos analitos en dicho fluido, en el que dicha etapa de suministro comprende proporcionar un dispositivo de suministro que comprende una pluralidad de depósitos (352) que se comunican con y están próximos a dichos elementos sensores, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro un acceso de entrada de muestra (12) y una pluralidad de canales fluidos hidrófilos (5), estando conectados dichos canales entre dichos depósitos y dicho acceso de entrada de manera que transportan un volumen controlado de dicho fluido entre dicho acceso de entrada y dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro una capa de cubierta (2), comprendiendo dicha capa de cubierta una pluralidad de orificios de purga sustancialmente hidrófobos dispuestos por encima de dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicha capa de cubierta una superficie inferior sustancialmente hidrófila para proporcionar una parte de techo hidrófila por encima de dichos depósitos para facilitar el transporte de dicho fluido a dichos
depósitos.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de suministro comprende adicionalmente una junta tórica asociada operativamente con dicho acceso de entrada (12), estando adaptada a dicha junta tórica para absorber el exceso de fluido que se derrama por la parte superior de dicho dispositivo de suministro.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2, que comprende adicionalmente la etapa de proporcionar una carcasa de disco para encerrar dicho sustrato (350), en el que dicho sustrato es un DVD, CD, CD súper audio, disco de doble capa o blu-ray.
4. Un sistema para medir simultáneamente una pluralidad de analitos biológicos o químicos en un fluido, comprendiendo dicho sistema:
un sustrato (350) que comprende una pluralidad de elementos sensores, respondiendo cada elemento sensor a al menos uno de dicha pluralidad de analitos;
al menos una fuente de luz para dirigir la luz sobre dichos elementos sensores;
un medio detector para detectar una respuesta desde dichos elementos sensores, estando adaptados dicho medio detector para convertir dicha respuesta en un registro digital;
un algoritmo de identificación de imágenes para identificar dicho al menos un analito basándose en dicho registro digital;
un algoritmo de optimización basado en un programa informático para utilizar dicho registro para producir un resultado de análisis; y
un medio de suministro para suministrar cantidades medidas de dicho fluido a cada uno de dichos elementos sensores, en el que dicho medio de suministro comprende un dispositivo de suministro que comprende una pluralidad de depósitos (352) que se comunican con y están próximos a dichos elementos sensores, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro un acceso de entrada de muestra (12) y una pluralidad de canales fluidos hidrófilos (5), estando conectados dichos canales entre dichos depósitos y dicho acceso de entrada de manera que transportan un volumen controlado de dicho fluido entre dicho acceso de entrada y dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicho dispositivo de suministro una capa de cubierta (2) unida a dicho dispositivo de suministro, comprendiendo dicha capa de cubierta una pluralidad de orificios de purga sustancialmente hidrófobos (42) dispuestos por encima de dichos depósitos, comprendiendo adicionalmente dicha capa de cubierta una superficie inferior sustancialmente hidrófila para proporcionar una parte de techo hidrófila por encima de dichos depósitos para facilitar el transporte de dicho fluido a dichos depósitos.
5. El sistema de la reivindicación 4, en el que dicho dispositivo de suministro comprende adicionalmente una junta tórica asociada operativamente con dicho acceso de entrada (12), estando adaptada dicha junta tórica para absorber el exceso de fluido que se derrama por encima de la parte superior de dicho dispositivo de suministro.
6. El sistema de la reivindicación 4 ó 5, en el que dicho sustrato (350) es un DVD, CD, CD súper audio, disco de doble capa o blu-ray.
7. El sistema de la reivindicación 6, que comprende adicionalmente una unidad óptica para cuantificar dicha respuesta, en el que dicho medio de suministro comprende una carcasa de disco para encerrar dicho sustrato (350).
8. El sistema de la reivindicación 7, que comprende adicionalmente una capa de transferencia para retirar el exceso de fluido de dicho sustrato (350).
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