SENSOR BASADO EN ABERTURAS MICROFABRICADAS.
Un dispositivo microfabricado para detectar una molécula de analito en una muestra que contiene un reaccionante conjunto que comprende
(a) un elemento transductor (12),
(b) una primera capa (16) que entra en contacto con la superficie de dicho elemento transductor (12), comprendiendo dicha primera capa (16) una matriz de soporte que contiene al menos un catalizador capaz de catalizar la conversión de dichos analito y reaccionante conjunto en un producto de reacción detectable por dicho elemento transductor (12), caracterizado porque
(c) hay una segunda capa (18; 30; 40, 42; 42, 50; 62, 68; 70; 80, 82; 90) en contacto con dicha primera capa (16), permitiendo dicha segunda capa (18; 30; 40, 42; 42, 50; 62, 68; 70; 80, 82; 90) el transporte de dicha molécula de analito y reaccionante conjunto, y
(d) una tercera capa (22; 52; 94, 96) que cubre dichas capas primera y segunda, siendo dicha tercera capa (22; 52; 94, 96) permeable a dicho reaccionante conjunto pero sustancialmente impermeable a dicha molécula de analito y conteniendo al menos una abertura microfabricada que se extiende a través de la misma, lo que permite el transporte de dicho analito a dicha primera capa (16)
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W9901375US.
Solicitante: I-STAT CORPORATION.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 104 EAST WINDSOR CENTER DRIVE,EAST WINDSOR, NJ 08520.
Inventor/es: LIN, CHAO, LAUKS, IMANTS, R., PIERCE,RAYMOND,J, DAVIS,GRAHAM.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 23 de Septiembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- C12Q1/00B2
- C12Q1/00B4
Clasificación PCT:
- C12Q1/00 QUIMICA; METALURGIA. › C12 BIOQUIMICA; CERVEZA; BEBIDAS ALCOHOLICAS; VINO; VINAGRE; MICROBIOLOGIA; ENZIMOLOGIA; TECNICAS DE MUTACION O DE GENETICA. › C12Q PROCESOS DE MEDIDA, INVESTIGACION O ANALISIS EN LOS QUE INTERVIENEN ENZIMAS, ÁCIDOS NUCLEICOS O MICROORGANISMOS (ensayos inmunológicos G01N 33/53 ); COMPOSICIONES O PAPELES REACTIVOS PARA ESTE FIN; PROCESOS PARA PREPARAR ESTAS COMPOSICIONES; PROCESOS DE CONTROL SENSIBLES A LAS CONDICIONES DEL MEDIO EN LOS PROCESOS MICROBIOLOGICOS O ENZIMOLOGICOS. › Procesos de medida, investigación o análisis en los que intervienen enzimas, ácidos nucleicos o microorganismos (aparatos de medida, investigación o análisis con medios de medida o detección de las condiciones del medio, p. ej. contadores de colonias, C12M 1/34 ); Composiciones para este fin; Procesos para preparar estas composiciones.
- G01N27/26 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › investigando variables electroquímicas; utilizando la electrólisis o la electroforesis.
- G01N27/327 G01N 27/00 […] › Electrodos bioquímicos.
Clasificación antigua:
- G01N27/26 G01N 27/00 […] › investigando variables electroquímicas; utilizando la electrólisis o la electroforesis.
Fragmento de la descripción:
Sensor basado en aberturas microfabricadas.
Campo técnico
La presente invención versa acerca de la detección de moléculas (analitos) presentes en fluidos como sangre. Más en particular, la invención versa acerca de la detección de moléculas orgánicas in vitro utilizando un sensor amperométrico basado en uno catalítico. En realizaciones específicas de la invención, se pueden utilizar sensores formados mediante procedimientos de microfabricación y que tienen diseños novedosos de los dispositivos para llevar a cabo análisis de diversas moléculas, incluyendo la glucosa, el lactato, el colesterol, el piruvato, la sarcosina, la bilirrubina y la creatinina, presentes en la sangre y en otros fluidos corporales.
Antecedentes de la invención
El análisis de fluidos corporales como la sangre para la detección de niveles de diversas moléculas orgánicas es útil en el tratamiento de estados enfermos. Por ejemplo, diabetes mellitus es una enfermedad caracterizada por una mala regulación de los niveles de glucemia. Los tratamientos tradicionales para formas leves de esta enfermedad, incluyendo el inicio de la diabetes en edad adulta, han incluido dieta y ejercicio. Sin embargo, las formas más severas requieren la administración de insulina. Uno de los inconvenientes de la administración de insulina es la posibilidad de shock insulínico, provocado por una disminución rápida de los niveles de glucemia (desequilibrio de la glucosa) debida a una sobremedicación no intencional. Sin embargo, el shock insulínico es solo la manifestación más severa del desequilibrio de la glucosa. Las consecuencias del desequilibrio crónico de la glucosa (tanto por una sobremedicación como por una medicación insuficiente) están bien documentadas e incluyen daño a los vasos sanguíneos y diversos órganos corporales. La ceguera es común, al igual que lo es la pérdida de circulación en las extremidades.
La medición precisa de los niveles de glucemia permitiría al paciente modular la dosis de insulina y evitar los efectos de un desequilibrio crónico de la glucosa. Un ejemplo de un intento de la técnica anterior de la medición de glucosa es un sensor de glucosa como se da a conocer en la patente U.S. nº 3.542.662. En este dispositivo, hay dispuesta una membrana que contiene una enzima entre un fluido que está siendo analizado y un primer electrodo sensor de oxígeno. Hay dispuesta una membrana similar que no contiene una enzima entre el fluido y un segundo electrodo sensor de oxígeno de referencia. Se consume una cierta porción del oxígeno que se difunde a través de la membrana que contiene una enzima por medio de una reacción equimolar con glucosa catalizada por la enzima y por lo tanto no se encuentra disponible para ser detectado por medio del primer electrodo sensor de oxígeno. El segundo electrodo sensor de oxígeno de referencia en el que la membrana no incluye una enzima, determina la concentración de oxígeno que habría sido detectada si no se hubiese producido la reacción promovida por la enzima. La diferencia en el oxígeno detectado por los dos electrodos es indicativa de la concentración de glucosa.
Un problema con este dispositivo es que los niveles de oxígeno y de glucosa en la sangre no llegan a ser estequiométricos. En particular, la cantidad de oxígeno es menor que la necesaria para convertir toda la glucosa. Por lo tanto, el sensor puede llegar a tener una limitación de oxígeno y no responder de forma precisa a concentraciones elevadas de glucosa.
Para llevar los niveles de glucosa y de oxígeno a un equilibrio estequiométrico y crear de esta manera un dispositivo que da resultados precisos en el intervalo completo de las concentraciones de glucosa encontradas en la sangre, se ha propuesto diseñar sensores que reducen la cantidad de glucosa que alcanza la capa enzimática con respecto al oxígeno. Esto se podría conseguir en teoría al proporcionar una capa de membrana que sea significativamente más permeable al oxígeno que a la glucosa. La patente U.S. nº 4.650.547, descrita más completamente a continuación en el presente documento, proporciona una descripción general de este concepto.
Hasta este momento, la implementación de este enfoque ha sido difícil; sin embargo, debido a la incapacidad de la técnica anterior de controlar de forma precisa y reproducible la permeabilidad de la membrana. Sin tal control preciso, el flujo de glucosa que alcanza la capa enzimática puede no ser atenuado lo suficiente. También surgen problemas debidos a la presencia de moléculas interferentes, por ejemplo, ascorbato y urato. La determinación de los niveles de creatinina, que se utilizan para medir la función renal, es un ejemplo de un analito que requiere la eliminación de estos interferentes.
La patente U.S. nº 4.933.048 versa acerca de membranas permeables al agua e impermeables a los iones microfabricadas sobre una capa de hidrogel dejando una abertura para el intercambio de iones. La Figura 2 de la patente 4.933.048 ilustra una estructura en la que la abertura está formada al hacer que la capa de hidrogel se extienda más allá de la capa impermeable a los iones. De manera alternativa, la capa impermeable a los iones puede cubrir la capa completa de hidrogel con agujeros formados más allá del perímetro del electrodo subyacente (columna 7, línea 1). Se pueden formar agujeros por medio de una perforación con láser u otros procedimientos. La abertura se forma a una distancia desde el electrodo y la función de la pequeña abertura es proporcionar una unión de baja impedancia electrolítica.
Son conocidos sensores de glucosa que utilizan electrodos no microfabricados o "macro". Véanse, por ejemplo, Fischer, U. y Abel, P., Transactions of the American Society of Artificial Interna) Organs 1982, 28, 245-248 (Fischer et al.); Rehwald, W., Pflugers Archiv 1984, 400, 348-402; las patentes U.S. nº 4.484.987; nº 4.515.584; y nº 4.679.562; y la solicitud de patente UK 2.194.843. Sin embargo, en estos documentos no se describe ningún aspecto del tratamiento de la película delgada.
Fischer et al. dan a conocer un sensor no microfabricado de glucosa con una membrana de Teflon® que está perforado de forma mecánica. La glucosa solo puede entrar a través de la perforación mientras que el oxígeno puede pasar a través del Teflon®, ajustando de esta manera la estequiometría en la capa enzimática y linealizando la respuesta. No existe enseñanza sobre la optimización o el control las dimensiones de la perforación. El documento de Fischer et al. tampoco se pronuncia acerca del uso de la microfabricación. Parece que la patente de la Alemania Oriental DD 282527 se corresponde a esta publicación pero no nombra a Fischer como el inventor.
La patente U.S. nº 4.484.987 versa acerca de un sensor linealizado de glucosa basado en el concepto de proporcionar una capa con regiones hidrófobas en una matriz hidrófila en las que la glucosa puede permear ésta pero no aquella, y el oxígeno puede permear ambas regiones (véase la descripción de la Fig. 1 de la misma). En una realización alternativa, mostrada en la Fig. 4, una capa hidrófoba incluye pequeñas aberturas separadas a través de las cuales pueden pasar moléculas de glucosa. Sin embargo, la patente 4.484.987 no proporciona una enseñanza de cómo se controlan las dimensiones o la ubicación de las aberturas y no se pronuncia acerca de la microfabricación.
La patente U.S. nº 4.650.547 da a conocer un sensor de glucosa en el que se coloca una membrana hidrófoba permeable al gas sobre una capa hidrófila que contiene una enzima, en la que solo se expone el perímetro o la superficie del grosor del borde periférico de la capa hidrófila a la muestra (Fig. 5). La glucosa solo puede entrar en la capa hidrófila por el perímetro y se difunde en paralelo al plano de la capa, mientras que se puede suministrar oxígeno a través de la superficie completa de la capa hidrófoba (columna 6, línea 3).
Anal Chem 57, 2351, 1985, enseña a fabricar un dispositivo cilíndrico relacionado en el que el espacio entre un electrodo de hilo de platino y un revestimiento cilíndrico permeable al gas está relleno de gel enzimático. Sin embargo, no enseña acerca de la microfabricación. La patente U.S. nº 4.890.620 versa acerca de una estructura similar y un procedimiento basado en una medición diferencial con un par de sensores. En la patente U.S. nº 4.703.756 se da a conocer una versión implantable.
En cuanto al lactato y la creatinina, hay comparativamente poca bibliografía de sensores. En Clin. Chem. 29, 51, 1983, se propone un sensor amperométrico de creatinina...
Reivindicaciones:
1. Un dispositivo microfabricado para detectar una molécula de analito en una muestra que contiene un reaccionante conjunto que comprende
- (a) un elemento transductor (12),
- (b) una primera capa (16) que entra en contacto con la superficie de dicho elemento transductor (12), comprendiendo dicha primera capa (16) una matriz de soporte que contiene al menos un catalizador capaz de catalizar la conversión de dichos analito y reaccionante conjunto en un producto de reacción detectable por dicho elemento transductor (12),
caracterizado porque
- (c) hay una segunda capa (18; 30; 40, 42; 42, 50; 62, 68; 70; 80, 82; 90) en contacto con dicha primera capa (16), permitiendo dicha segunda capa (18; 30; 40, 42; 42, 50; 62, 68; 70; 80, 82; 90) el transporte de dicha molécula de analito y reaccionante conjunto, y
- (d) una tercera capa (22; 52; 94, 96) que cubre dichas capas primera y segunda, siendo dicha tercera capa (22; 52; 94, 96) permeable a dicho reaccionante conjunto pero sustancialmente impermeable a dicha molécula de analito y conteniendo al menos una abertura microfabricada que se extiende a través de la misma, lo que permite el transporte de dicho analito a dicha primera capa (16).
2. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda capa se extiende más allá del perímetro de la primera capa.
3. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la al menos una abertura en la tercera capa se extiende hasta la primera capa.
4. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la abertura se encuentra en el plano de la tercera capa.
5. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la abertura se encuentra en el perímetro de la segunda capa.
6. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 5, en el que la abertura en la segunda capa es de al menos aproximadamente 0,01 µm por 1,0 µm.
7. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la al menos una abertura en dicha tercera capa se extiende hasta una superficie de la segunda capa.
8. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de aberturas en dicha tercera capa.
9. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 8, en el que la pluralidad de aberturas son sustancialmente circulares.
10.Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el diámetro de la abertura es desde aproximadamente 0,5 µm hasta aproximadamente 100 µm.
11. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el diámetro de dicha abertura es desde aproximadamente 2 µm hasta aproximadamente 10 µm.
12. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el diámetro de dicha abertura es de aproximadamente 5 µm.
13. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la abertura es rectangular.
14. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 13, en el que la abertura tiene dimensiones desde aproximadamente 1 µm hasta aproximadamente 20 µm en un lado corto y desde aproximadamente 10 µm hasta aproximadamente 3000 µm en un lado largo.
15. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 13, en el que la abertura tiene dimensiones desde aproximadamente 3 µm hasta aproximadamente 12 µm en un lado corto y desde aproximadamente 50 µm hasta aproximadamente 2000 µm en un lado largo.
16. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 13, en el que la abertura tiene dimensiones de aproximadamente 5 µm en un lado corto y aproximadamente 1000 µm en un lado largo.
17. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la pluralidad de aberturas son sustancialmente anulares.
18. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 7, que comprende una pluralidad de aberturas que se extienden hasta una superficie de la segunda capa.
19. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la primera capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
20. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
21. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el catalizador es una enzima o una combinación de enzimas.
22. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 21, en el que la enzima o la combinación de enzimas están seleccionadas del grupo constituido por glucosa oxidasa, lactato oxidasa, piruvato oxidasa, colesterol oxidasa, bilirrubina oxidasa, sarcosina oxidasa, creatinasa y creatininasa colesterol esterasa.
23. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda capa comprende una capa fotoformable de gelatina o de alcohol de polivinilo.
24. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la tercera capa está seleccionada del grupo constituido por un copolímero de silicona, poliuretano, acetato de celulosa, un copolímero de siloxano-no siloxano, un polímero de tetrafluoretileno, un fotorresistente negativo orgánico, un fotorresistente positivo orgánico, una poliimida o una poliimida fotoformable.
25. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el reaccionante conjunto es oxígeno.
26. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la molécula de analito está seleccionada del grupo constituido por glucosa, creatina, colesterol, lactato, piruvato, sarcosina o bilirrubina.
27. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la primera capa tiene un grosor desde aproximadamente 0,01 µm hasta aproximadamente 2 mm, la segunda capa tiene un grosor desde aproximadamente 0,01 µm hasta aproximadamente 2 mm, y la tercera capa tiene un grosor desde aproximadamente 0,01 µm hasta aproximadamente 2 mm.
28. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la reacción catalizadora produce un producto de reacción detectable electroquímicamente.
29. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 28, en el que el producto de reacción electroquímicamente detectable está seleccionado del grupo constituido por oxígeno, peróxido de hidrógeno, un mediador de redox, dióxido de carbono, ión de hidrógeno, ión de potasio, ión de sodio, ión de amonio, ión de calcio, ión de fluoruro.
30. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el elemento transductor es un electrodo amperométrico, potenciométrico o conductimétrico.
31. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la reacción catalizadora produce un producto de reacción detectable ópticamente.
32. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que dicho elemento transductor es un detector óptico.
33. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda capa cubre completamente, cubre parcialmente o entra en contacto con el borde de la primera capa.
34. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda capa incorpora uno o más reactivos para convertir una o más especies interferentes en especies no interferentes.
35. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en la reivindicación 1, en el que una porción de la segunda capa que no está en contacto directo con la primera capa incorpora uno o más reactivos para convertir una o más especies interferentes en especies no interferentes.
36. Un dispositivo microfabricado como se reivindica en las reivindicaciones 34 y 35, en el que se seleccionan uno o más reactivos del grupo constituido por ascorbato oxidasa, uricasa, sarcosina oxidasa, creatinasa, catalasa, bilirrubina oxidasa, lactato oxidasa, piruvato oxidasa y glucosa oxidasa.
37. Un procedimiento para fabricar un dispositivo plano microfabricado para detectar una molécula de analito en una muestra líquida que contiene oxígeno, que comprende:
38. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 37, en el que la primera capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
39. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 37, en el que la segunda capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
40. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 37, en el que la enzima o la combinación de enzimas está seleccionada del grupo constituido por glucosa oxidasa, lactato oxidasa, piruvato oxidasa, colesterol oxidasa, bilirrubina oxidasa, sarcosina oxidasa, creatinasa y creatininasa colesterol esterasa.
41. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 37, en el que la tercera capa está seleccionada del grupo constituido por copolímero de silicona, poliuretano, acetato de celulosa, un copolímero de siloxano-no siloxano, un polímero de tetrafluoretileno, un fotorresistente negativo orgánico, un fotorresistente positivo orgánico, una poliimida o una poliimida fotoformable.
42. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 37, en el que la molécula de analito está seleccionada del grupo constituido por glucosa, creatina, colesterol, lactato, piruvato, sarcosina o bilirrubina.
43. Un procedimiento para fabricar un dispositivo plano microfabricado para detectar una molécula de analito en una muestra líquida que contiene oxígeno, que comprende:
44. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 43, en el que la primera capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
45. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 43, en el que la segunda capa comprende un material fotoformable en la que se selecciona el componente de la matriz del grupo constituido por un material proteináceo, una gelatina, un hidrogel, un polímero orgánico hidrófilo y alcohol de polivinilo, y se selecciona el material fotoactivo del grupo constituido por dicromato, cloruro férrico, una sal de estirilpiridinio y una sal de estilbizonio.
46. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 43, en el que la enzima o la combinación de enzimas están seleccionadas del grupo constituido por glucosa oxidasa, lactato oxidasa, piruvato oxidasa, colesterol oxidasa, bilirrubina oxidasa, sarcosina oxidasa, creatinasa y creatininasa colesterol esterasa.
47. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 43, en el que se selecciona la tercera capa del grupo constituido por un copolímero de silicona, poliuretano, acetato de celulosa, un copolímero de siloxano-no siloxano, un polímero de tetrafluoretileno, un fotorresistente negativo orgánico, un fotorresistente positivo orgánico, una poliimida o una poliimida fotoformable.
48. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 43, en el que la molécula de analito está seleccionada del grupo constituido por glucosa, creatina, colesterol, lactato, piruvato, sarcosina o bilirrubina.
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