[发明专利]利用共振传感器测量结合动力的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量和测试，更具体地涉及利用响应于传感器暴露于某些材料由初始共振点相移或频移的原理来进行诊断测量或测试的压电共振式传感器和相关方法。

背景技术

目前存在用于与人类健康、兽医学、环境、生物危害、生物恐怖主义、农产品和食品安全有关的材料的诊断测试的多种仪器和测量技术。尽管如此，在需要时用于对化学或生物材料的诊断测试和分析的解决方案仍然有限。诊断测试获得有意义的数据传统上需要长的反应时间，包括位于中心实验室的价值数千美元的昂贵的远程或笨重的实验室设备、需要大样品量、利用多种试剂、需要训练有素的使用者、可能需要多个步骤和/或包括可观的直接或间接花费。例如，在兽医和人类诊断市场中，大多数测试需要从患者那里收集试样并将试样送至实验室，但其结果无法在几个小时或几天内得到。结果，患者会在没有确认诊断并且没有开始立即治疗的机会的情况下离开护理者的办公室。

与便携式装置有关的其它问题包括与实验室内测试相比在灵敏性和再现性方面有限的诊断结果。对于在提供及时医疗看护或避免公共健康威胁的传播或暴露等方面的化学和/或生物材料的鉴定，快速反应时间是理想的并且通常至关重要。直接花费涉及每种类型的分析需要的劳动、程序和设备。间接花费部分地产生于可以从例如医学分析或对化学过程的监测中获得的可行的信息之前的延迟时间。许多专家相信通过高效率的需求点诊断测试系统实现的同时的诊断和治疗将产生临床的、经济的和社会的利益。

基于材料的压电性能的生物传感器已经用于检测非常小量的材料。在这样的应用中用作传感器的压电共振器有时也称为“微量天平（micro-balances）”。压电共振器典型地构建为夹在两个电极层之间的薄平面层晶体压电材料。当用作传感器时，用结合层涂覆共振器，当该结合层暴露于待检测的材料时，该结合层允许该材料结合到共振器的表面。现代共振器利用MEMS技术制造并且可以构建得极小以至于其的共振频率在千兆赫范围内。一般而言，具有较高共振频率的共振器更加灵敏。

检测结合到传感共振器的表面上的材料的量的传统方式是将共振器在其共振频率下操作为振荡器。由于待检测的材料结合在共振器表面上，共振器的质量增加并且振荡的共振频率因此减小。可假定为由共振器表面上的材料的结合导致的共振器的共振频率随时间的变化指示结合在共振器上的材料的量或材料在共振器表面上累积的速率。根据该数据，可以计算存在于样品中的相关材料或分析物的浓度。

照惯例，该类型的生物传感器总体上包括总成（assembly），其中的固有生物传感器（intrinsic biosensor）被至少一条流体通道围绕，该流体通道耦接到样品池以便以可控的方式向生物传感器提供样品。大多数传统生物传感器构造还包括在将样品提供给给固有生物传感器时控制和保持样品的期望的温度的机构。操作中，通过在真空口施加真空或者类似的驱动压力以使样品通过流体通道并且穿过固有生物传感器。时常地，在将样品导入总成之前，必须通过添加缓冲液或移除会干扰测量的准确性的全细胞或其它颗粒物之类的特定成分来提纯样品。该提纯步骤繁琐且昂贵，使得对现场应用来说这样的测量不切实际。此外，样品的引入改变了在其中进行测量的物理环境。例如，与暴露之前当共振器处在自由空气振荡时相比，当暴露于液态样品时，共振器在不同的共振频率下振荡，原因在于两种流体之间存在粘度上的差异。

另一种方法包含在引入样品试剂之前稳定测量环境。例如，一种类型的仪器具有两个分开的液体池，其中第一液体池包含缓冲溶液，第二液体池包含样品试剂。操作中，首先将缓冲溶液引入生物传感器并且允许系统稳定。接着，阀切换至样品试剂并且进行测量。缓冲溶液的引入允许根据与样品的粘度和温度非常近似的缓冲液的粘度和温度条件调谐或调整传感器的振荡。该调谐的目的是为了尽可能接近其最高灵敏度的理想振动频率地操作共振器。该方法的一个缺点是引入的复杂性以及处理时间要求，会导致昂贵、易错和费时的测试结果。