用于输送流体样品到传感器阵列的方法和系统技术方案

公开了一种全分析系统和方法，其用于同时地监控水和／或其它工艺系统中的一组生物和／或化学物种。所述系统提供了一种样品体积受控的传感器阵列，其包括流体输送装置和多个光学传感器元件，用于同时测定工艺系统中的多种分析物的存在和总浓度。提供了输送设备，从而将所测量的量的样品流体输送到传感器阵列。提供了图像识别算法，以标识分析物，基于图像强度、彩色图案（ｃｏｌｏｒ　　ｐａｔｔｅｒｎ）、位置结构（ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）等。所述方法引入了多变量最优化算法以分析多个传感器响应。这产生了分析结果，其通常是难以获得的，在没有全部系统或变量的补偿的情况下。于是可以利用改进的阵列响应来测量、监控和控制化学或生物样品或水系统中的分析物的浓度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及化学传感器阵列，更具体地说，涉及一种新的和改 进的系统、方法和仪器，其用于将流体样品输送到化学传感器阵列，并 且并行处理来自传感器阵列的多个传感器元件的化学和生物化学信息。 本专利技术还通常涉及微流体装置的领域。更具体地说，本专利技术涉及用于微 流体装置的材料和制造微流体装置的方法。
技术介绍
许多化学和生物测量需要在完全装备的分析机构之外的位置进行。 这需要可移动的和小型化的系统，使得它们可以被运输到其中对于处理 或者水质监控来说需要快速的测试响应的位置，或者它们可以用于药物 环境中以便为某些所关心的生物或生物化学物种提供快速的测试结果。 这些化学和生物分析可以使用具有测试后优化的单个测试来分别进行， 以便提高结果的质量或准确性，但是这种顺次方法(serial approach)具有 固有缺陷，因为使用顺次方法，多维相互作用难以完全补偿。另外，这 种方法可能是耗时的并且可能产生错误的结果。当在不同的平台上或者 在不同的时间进行测试时，引入的操作员误差或系统误差进一步使这种 系统复杂化。解决这种限制的最好的方法是同时在同一平台上进行全部 所期望的测量，但是目前的现有技术没有提供用于这种测量的完全一体 化的平台。目前的电化学阵列技术使得操作员在单个时刻进行阵列化测试，但 是这限于那些响应电化学刺激的材料。这通常包括例如阳极溶出伏安法 或循环伏安法的测量技术，或者将化学响应材料引入电化学检测器中， 例如，离子选择性电极(ISE)。这种系统，虽然对于某些系统来说是多产的，但是受到电化系统的许多常见局限性的限制，例如在低和高离子强 度下影响电化学势的系统性问题。另外，这些系统中的一些可能遭受严重的交叉反应性或干扰，例如常见的氧阴离子(oxyanion)或小的阳离子 如钠、4里和4甲的交叉反应性。存在有其它的测试平台，它们可以提供基于光学或光谱测量的小规 ^t的阵列测量。这些可以是根据多流动湿法化学分析的光学检测，或者 它们可以是传统实验室测量的可移动的版本，例如，可移动的原子吸收 分光计单元。这些系统常常有限于流体流动和保持所需的结构 (mechanics),或者受限于笨重的器材，如可移动的原子吸收分光计系统， 其虽然理论上是可运输的，但是实际上已经证明具有较小的机动性。另 外还提及了小型化另外的实验室系统，如感应耦合等离子体-原子发射光所建议的备选方案是使用一种^学平台，其i于光;传感器薄、膜的良好表征的化学响应。这种系统使用固体、化学响应薄膜，其通过在最 优化波长下改变其吸收度值来响应分析物浓度。这种平台可以被延伸从 而为特定的测试矩阵引入全部已知的干扰性或交叉反应性物种的传感 器测试元件，以及说明(account for)在测试样品条件的极限值(例如，高 和低离子强度以及高和低緩冲强度)下的测试限制。这种系统具有额外的 益处，提供了可成形为阵列的小型测试平台，所述阵列特别用来测量需 要特定的去巻积(deconvolution)分析的测试元件。光学化学传感器还分为两大类，可逆的和不可逆的。完全可逆的传 感器迅速平衡至测试流体中的目标分析物的浓度并且当分析物浓度变 化时，其响应改变。可逆的传感器的实例是聚合物薄膜pH传感器和离 子选择性光极(ISO)。相比之下，不可逆的传感器将持续响应测试流体中 的分析物直到传感器中的响应试剂已经耗尽，即对于传感器可得的分析 物的总量而不是样品中的分析物浓度。许多非ISO型传感器属于此类。因为可逆传感器中的试剂与样品中的分析物处于化学平衡，如果样 品体积有限，传感器薄膜暴露于样品改变了分析物浓度。这要求可逆传 感器薄膜暴露于大过量的样品体积或者给定量的样品体积。在后一情况 中，可以进行校正以减少由于有限的体积效应造成的误差。类似地，不 可逆传感器需要样品体积控制以便传感器响应反映受控体积的测试流 体中的分析物浓度。因为上述原因，通过仅仅将阵列元件专注于液体样品中，设计用于 定量分析的传感器阵列未必获得令人满意的结果。对于由可逆和不可逆 传感器組成的传感器阵列来说，暴露于每个传感器区域的样品体积必须 受到控制。此外，体积调节还有助于防止传感器与传感器的交叉污染。在本专利技术中，传感器薄膜组成(composition)被设计处于其最优化性能， 当它们暴露于固定样品体积时。由不可逆传感器或不可逆和可逆传感器的结合组成的光学传感器 阵列必须具有某种形式的流体控制，其将受控体积的测试流体输送至每个传感器元件。大多数目前可得的系统使用某种形式的泵或者机械多添 加系统来输送这些受控体积，例如，机器人添加到多井(well)板。这些 系统常常是笨重的并且需要机械和电子组件，其很少是野外耐用的并且 很少适用于在恶劣环境中的远程测试。分析仪器专用的取样系统已经被 开发，其在功能和处理能力方面不同，取决于它们的最终用途。用于传 感器的各种取样方法是已知的，例如，在我们早先的美国专利6,360,585 中所公开的传感器区域顺序暴露于所关心的化学物质；和在我们早先的 美国专利6,676，903中所公开的在大面积上从多个区域取样。这两篇专 利的公开内容在此引入本文作为参考。尽管许多出版物和专利已经致力于开发传感器方法、试剂和设备来 代替传统的湿法化学方法，仍然需要一种用于同时检测多种分析物的经 济的、方便的、可野外使用的传感器系统。此外还需要一种用于在给定时间期间内在不使用任何泵、阀或芯吸 材料(wicking material)的情况下将受控量的液体样品输送至多个传感器 区域的改进方法和系统。在许多科学
中，常常要求将给定量的 流体样品输送至多个位置。在测定分析物浓度中，流体样品需要净皮分配 到多个检测位点，其中可以分析样品中的多种分析物。在高处理量筛选 和组合研究中，令人期望的是将液体反应物分布到反应位点的阵列。通 常，液体输送至多个位置是通过如下方式实现的泵送、喷液分散和类 似于简单手工或机械移液的方法如液体分散机器人系统。近年来，毛细效应已经:故开发用于流体设计。与已知的;故动才几制有 关的缺点之一在于它们 一般地依赖于使用吸收性或芯吸材料(wicking material)。这使得难以制造一种用于将少量的样品输送至许多位置的装 置。此外，现有技术中公开的装置不能将流体包(fluid packet)输送至多个传感器区域。反而，吸收性材料是传感或反应基质的一体化部分。#皮 输送至位点的液体仅仅导致润湿基质内的材料。结果，对于传感器阵列 和许多其它应用来说，将给定量的液体样品投配到多个位置是更令人期 望的。为了解决流体输送装置的需要，众所周知，使用传统的半导体加工方法在玻璃和硅中在上世纪90年代初制造了微流体装置。这些装置的 耐用性和表面性质使得它们对于各种化学和生物化学应用来说是理想 的，包括电泳分离、有机合成、聚合酶链式反应和免疫分析。然而，高 生产成本已经促使微流体装置制造转向价格比较低廉的材料，如聚合物。在微流体装置中 一般使用的聚合物可包括聚二甲硅氧烷、聚碳酸 酯、聚甲基丙烯酸曱酯等等。这些聚合物材料常常具有不令人期望的表 面性质，包括高表面能，差的阻隔性能和低的耐化学性。已经开发了一 些方法来消除这些表面性质问题中的一些，并且为了连接分析物分子如 DNA、蛋白本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于同时测量流体中的多个生物或化学分析物的方法，所述方法包括以下步骤：　　　　提供基板，其包括多个传感器元件，每个所述传感器元件响应所述多个分析物中的至少一个；　　　　提供至少一个用于将光引到所述传感器元件上的光源，　　　　输送所述流体的所测量的量到每个所述传感器元件；　　　　检测来自所述传感器元件的响应；　　　　将所述响应记录成数字记录；　　　　处理所述数字记录；和　　　　利用所述数字记录来测定所述流体中的每个所述分析物的浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：PV什里克汉德，SM伯耶特，C肖，RA波泰雷洛，AM利奇，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]