專利名稱：：皮下葡萄糖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖的傳感器和皮下葡萄糖測量的方法。
背景技術(shù)：
：對I型和2型糖尿病患者的研究成果(TheDiabetesControlandComplicationsTrial、EpidemiologyofDiabetesInterventionsandComplications和UnitedKingdomProspectiveDiabetesStudy)已表明，通過頻繁監(jiān)測以及治療應(yīng)用或飲食管理更好地控制葡萄糖會改善患者的結(jié)果(減緩眼、腎和神經(jīng)疾病和降低心臟血管疾病和中風(fēng)的風(fēng)險)。然而，使用者反對通過指刺頻繁采血，然后通過多種可用的手持式血糖儀測量葡萄糖濃度。對于目前使用的葡萄糖監(jiān)測技術(shù)的另一難點在于它僅提供葡萄糖水平的間歇測量。對于“脆弱的”糖尿病，葡萄糖起伏現(xiàn)象經(jīng)常猛烈且頻繁，并難以置于控制之下，因而作為預(yù)防低血糖，連續(xù)監(jiān)測葡萄糖具有顯著優(yōu)點，尤其是在睡眠期間。有時，將不固定的胰島素輸液泵植入糖尿病患者。在此類病人中，需要連續(xù)監(jiān)測葡萄糖以避免疏忽低血糖。家庭類糖尿病患者連續(xù)地測量葡萄糖必須通過實際接入部位來進行。接入靜脈或動脈放置傳感器對于家庭糖尿病患者將會是行不通的。然而，皮下組織已被確定為可行的接入點。已開發(fā)了通過皮下組織接入葡萄糖的連續(xù)的葡萄糖傳感器，通?；陔娀瘜W(xué)技術(shù)和葡萄糖選擇性酶，如葡萄糖氧化酶。這些傳感器對酶的變性敏感，尤其是在生物環(huán)境下對酶的變性敏感。而且，因為它們消耗葡萄糖，且依賴葡萄糖對傳感器電極的恒定擴散，所以易受誤差和漂移影響。對于“植入”I至5天或更久的傳感器，傳感器漂移是主要問題。因此，目前可用的技術(shù)對于開發(fā)在家庭環(huán)境內(nèi)連續(xù)監(jiān)測葡萄糖的可行葡萄糖傳感器存在重大阻礙。對于電化學(xué)裝置的可替代技術(shù)為使用光學(xué)傳感器，例如基于熒光強度測量的那些傳感器。例如，已開發(fā)了利用熒光團硼酸化學(xué)品作為葡萄糖指示劑的可逆非消耗性熒光光學(xué)傳感器。此類傳感器作為測定葡萄糖濃度的單元測量發(fā)射的熒光強度上的變化。此類硼酸葡萄糖指示化學(xué)試劑具有對葡萄糖可逆、非消耗且比常用于電化學(xué)葡萄糖傳感器的酶如葡萄糖氧化酶更穩(wěn)定的優(yōu)點。它們在水凝膠內(nèi)還能夠容易地固定到光學(xué)纖維上。然而，對于此類熒光強度測量裝置的具體缺點在于需要校準裝置。對于熒光強度測量，發(fā)射信號取決于指示劑濃度、路徑長度和激發(fā)強度。為了提供精確讀數(shù)，必需校準該裝置。對于熒光強度測量的更多難點在于指示劑能承受表現(xiàn)為傳感器漂移的光漂白，從而需要定期重新校準?？紤]到家庭使用傳感器的校準，使用者依從是特殊問題，因而重新校準或?qū)嶋H上完全校準的需要是不令人滿意的。因此，盡管已進行大量工作去開發(fā)適用于家庭使用的葡萄糖傳感器，但仍需要適用于在家庭環(huán)境下連續(xù)監(jiān)測葡萄糖的葡萄糖傳感器。該傳感器應(yīng)為非侵害的或使用可行的接入點，如皮下組織。而且，傳感器應(yīng)最小化或避免傳感器漂移的難點并理想地避免使用者校準的需要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種適用于家庭使用，例如糖尿病病人使用的皮下光學(xué)傳感器，所述皮下光學(xué)傳感器用來解決這些困難。本發(fā)明的傳感器利用熒光團的熒光壽命上的變化，通過監(jiān)測特定類型熒光團的壽命來精確測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度。指示劑的熒光壽命為固有性能，且與光源強度、檢測器靈敏度、光學(xué)系統(tǒng)(如光學(xué)纖維)的光通量、固定的傳感厚度和指示劑濃度上的變化無關(guān)。此外，在測量熒光強度時轉(zhuǎn)化為信號漂移的熒光團的光漂白(photobleaching)遠小于測量熒光壽命時的顯著性。這意味著與基于強度的測量相比，在測量熒光壽命時無需補償這些變量。因而，對于此類裝置的終端使用者，這意味著不需要校準或重新校準。因此，皮下葡萄糖的壽命測量在傳感器性能、校準和終端使用者易于使用方面具有超出基于強度的測量的顯著優(yōu)勢。然而，本領(lǐng)域中對于開發(fā)實際有用的壽命測量裝置存在相當大的障礙。精確測量熒光壽命所需的儀器目前昂貴且體積龐大。這不適于發(fā)展為家庭使用的傳感器，家庭使用中最需要小型、便宜且易于操作的儀器。長壽命(>100ns)的熒光金屬_配體/硼酸絡(luò)合物用作葡萄糖光學(xué)測量的指示劑能促進小型低成本儀器如用于激發(fā)的發(fā)光二極管、光電二極管檢測器、相位熒光計和查找表(lookuptable)的使用。然而，在使用此長壽命熒光團測量葡萄糖上存在問題。長壽命熒光團始終與氧經(jīng)歷熒光碰撞淬滅，該淬滅的程度與未淬滅的壽命成比例。具有長熒光壽命的金屬配位絡(luò)合物常用于氧的檢測和測定。因而在這些長壽命指示劑用于監(jiān)測組織、細胞間液或血液，或一些其它體液內(nèi)的葡萄糖時，氧可看作干擾(intereferent)。氧干擾對于運輸至周圍組織的氧可能會折衷和易變且傳感器通常位于非常接近組織表面處的糖尿病患者的皮下葡萄糖測量是特殊問題。然而，本發(fā)明的傳感器通過提供使用小型低成本儀器能夠測量低于IOOns壽命的特定裝置而解決了這些問題。因而，本發(fā)明能在適用于家庭使用的傳感器上實現(xiàn)壽命測量的優(yōu)點，并消除或減少氧敏感性的難點。因此，本發(fā)明提供一種用于測量皮下組織內(nèi)葡萄糖的葡萄糖傳感器，所述傳感器包括用于皮下插入的探針，所述探針包括指示劑系統(tǒng)，所述指示劑系統(tǒng)包括選擇性結(jié)合至葡萄糖的受體和與所述受體關(guān)聯(lián)(associated)的熒光團，其中所述熒光團具有低于IOOns的熒光壽命；探測頭，所述探測頭與所述探針光學(xué)連接，并位于身體外；光源；和檢測器，所述檢測器布置用于接收由所述指示劑系統(tǒng)發(fā)射的熒光，其中所述光源和檢測器可選地位于所述探測頭內(nèi)；其中，所述傳感器布置用于通過監(jiān)測所述熒光團的熒光壽命來測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，所述檢測器為單光子雪崩二極管。在第一頻率下調(diào)制由所述光源發(fā)射的光的強度，并在不同于第一頻率的第二頻率下調(diào)制對所述單光子雪崩二極管施加的偏壓。所述偏壓高于所述單光子雪崩二極管的擊穿電壓。所述偏壓的選擇意味著不但保持所述檢測器的單光子敏感性，而且具有能使用外差測量法的優(yōu)點。換言之，來自所述單光子雪崩二極管的值得關(guān)注的所得測量信號處于與第一頻率和第二頻率之差對應(yīng)的頻率。第一頻率和第二頻率可具有約IMHz或更高的量級，但可以它們之差具有例如約數(shù)十kHz量級的方式選擇。因此，測量電子元件的運行帶寬可遠低于第一和第二調(diào)制頻率，從而可進行更簡單的設(shè)計并對噪聲的敏感性較低。進一步有利的方面為在所述光源的調(diào)制信號中引入一系列的附加相位角(或等于相位移的時間延遲)。然后能獲得使測量信號的調(diào)制深度與所引入的相位角相關(guān)的一系列測量。分析這些結(jié)果能改進熒光壽命測量的整體精度。本發(fā)明還提供了一種用于本發(fā)明的葡萄糖傳感器中的一次性探針單元，包括(a)用于皮下插入的探針，所述探針包括本發(fā)明的指示劑系統(tǒng)；和(b)連接器，所述連接器布置用于可選地將所述探針與探測頭連接，所述探測頭包括光源和檢測器，或探測頭自身進一步可選地與光源和檢測器連接。本發(fā)明還提供了一種適用于連接至分離的探針單元的探測頭，其中所述探測頭包括檢測器，所述檢測器為單光子雪崩二極管，所述檢測器布置用于接收來自所述探針單元的光，所述探測頭適用于監(jiān)測低于IOOns的熒光壽命。本發(fā)明還提供了一種測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度的方法，所述方法包括(a)將本發(fā)明的傳感器的探針插入皮下組織；(b)由光源對指示劑系統(tǒng)提供入射光；(C)使用檢測器接收由所述指示劑系統(tǒng)響應(yīng)所述光源對所述指示劑系統(tǒng)入射的光而發(fā)射的熒光，并產(chǎn)生輸出信號；和(d)至少基于所述檢測器的輸出信號確定與突光團的突光壽命相關(guān)的信息。圖I示出了本發(fā)明的皮下葡萄糖傳感器。圖2單獨示出了構(gòu)成本發(fā)明的傳感器的探針和探測頭以及讀數(shù)單元。圖3示意性示出了本發(fā)明一個實施方式中包含在探測頭內(nèi)的電子設(shè)備和包含在讀數(shù)單元內(nèi)的電子設(shè)備。圖4示出了根據(jù)優(yōu)選實施方式的傳感器設(shè)備。圖5為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的葡萄糖濃度測量方法的流程圖。具體實施方式本文中使用的術(shù)語亞烷基為包含例如I至15個碳原子諸如CV12亞烷基部分、CV6亞烷基部分或Cy亞烷基部分的直鏈或支鏈烷基部分，如亞甲基、亞乙基、正亞丙基、異亞丙基、正亞丁基、異亞丁基和叔亞丁基。為了消除兩個亞烷基部分存在于一個基團中的疑慮，各亞烷基部分可相同或不同。亞烷基部分可為未取代的或取代的，例如亞烷基部分可具有一個、兩個或三個選自齒素、輕基、氣基、(CV4燒基)氣基、_.((V4燒基)氣基和CV4燒氧基中的取代基。優(yōu)選地，亞烷基部分為未取代的。本文中使用的術(shù)語芳基或亞芳基是指可為單環(huán)或多環(huán)的C6_14芳基或部分，如苯基、萘基和芴基，優(yōu)選苯基。芳基可為未取代的或在任何位置取代。通常，它可具有0、1、2或3個取代基。芳基上優(yōu)選的取代基包括鹵素、C1^15烷基、C2_15烯基、-C(O)R(其中R為氫或Ch5烷基)、-CO2R(其中R為氫或CV15烷基)、羥基、CV15烷氧基，且其中上述取代基自身都是未取代的。本文中使用的雜芳基通常為包含選自0、S和N的至少一個雜原子如1、2或3個雜原子的5至14元芳族環(huán),如5至10元環(huán),更優(yōu)選5至6元環(huán)。實例包括噻吩基(thiophenyl)、呋喃基、吡咯基和吡啶基。雜芳基可為未取代的或在任何位置取代。除非另作陳述，雜芳基具有0、1、2或3個取代基。雜芳基上優(yōu)選的取代基包括上述關(guān)于芳基所列的那些取代基。本發(fā)明提供用于測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度的傳感器和測量技術(shù)。將包括指示劑系統(tǒng)的探針插入皮膚下的皮下組織內(nèi)。提供一個或多個孔以能使周圍組織內(nèi)的葡萄糖進入探針并與指示劑系統(tǒng)中包括的受體結(jié)合。通常，探針與皮下組織和皮膚下的細胞間液接觸。因而，來自細胞間液的葡萄糖進入探針，從而傳感器反映該細胞間液內(nèi)的葡萄糖濃度。指示劑系統(tǒng)包括在探針內(nèi)，因而在傳感器的使用期間位于皮膚下。因此，進入探針的葡萄糖迅速接觸指示劑系統(tǒng)。因而，本發(fā)明避免了與在接觸指示劑之前運輸葡萄糖至傳感器裝置的體外部分的裝置相關(guān)的時間延遲。在葡萄糖與指示劑系統(tǒng)的接觸時，受體與葡萄糖分子之間發(fā)生結(jié)合。結(jié)合至受體的葡萄糖分子存在會引起指示劑系統(tǒng)的熒光壽命發(fā)生變化。由此，指示劑系統(tǒng)內(nèi)的熒光團壽命的監(jiān)測提供了結(jié)合至受體的葡萄糖量的示數(shù)。通過監(jiān)測壽命衰減來測量葡萄糖濃度之前已由Lakowicz在分析生物化學(xué)(AnalyticalBiochemistry294,154-160(2001))中說明。本文中說明了通過相位調(diào)制進行的測量，但相位調(diào)制和單光子計數(shù)技術(shù)都適用于本發(fā)明。優(yōu)選相位調(diào)制。指示劑系統(tǒng)包括至少一個與葡萄糖選擇性結(jié)合的受體，和與該受體關(guān)聯(lián)的熒光團。熒光團的熒光延遲的壽命在葡萄糖結(jié)合至受體時改變，從而允許通過監(jiān)測熒光團的壽命來檢測葡萄糖。在一個實施方式中，受體與熒光團彼此共價結(jié)合。用于葡萄糖的適宜受體為酶類和包含一個或多個、優(yōu)選兩個硼酸基的化合物。在具體的實施方式中，受體為通式(I)的基團權(quán)利要求1.一種用于測量皮下組織內(nèi)葡萄糖的葡萄糖傳感器，所述傳感器包括用于皮下插入的探針，所述探針包括指示劑系統(tǒng)，所述指示劑系統(tǒng)包括選擇性結(jié)合至葡萄糖的受體和與所述受體關(guān)聯(lián)的熒光團，其中所述熒光團具有低于IOOns的熒光壽命；探測頭，所述探測頭與所述探針光學(xué)連接，并位于身體外；光源；和檢測器，所述檢測器布置用于接收由所述指示劑系統(tǒng)發(fā)射的熒光，其中所述光源和檢測器可選地位于所述探測頭內(nèi)；其中，所述傳感器布置用于通過監(jiān)測所述熒光團的所述熒光壽命來測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述檢測器為單光子雪崩二極管。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，進一步包括驅(qū)動器，所述驅(qū)動器布置用于在第一頻率下調(diào)制光源強度；偏壓源，所述偏壓源布置用于對所述單光子雪崩二極管施加偏壓，其中在不同于所述第一頻率的第二頻率下調(diào)制所述偏壓，且其中所述偏壓高于所述單光子雪崩二極管的擊穿電壓；和信號處理器，所述信號處理器布置用于至少基于所述單光子雪崩二極管的輸出信號來確定與所述熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述受體為酶或包含一個或多個硼酸基的化合物。5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熒光團具有30ns或更短的熒光壽命。6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熒光團具有20ns或更長的熒光壽命。7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熒光團為非金屬熒光團。8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述指示劑系統(tǒng)包括結(jié)合至水凝膠的熒光團-受體結(jié)構(gòu)體。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中，所述水凝膠為具有至少30%w/w的水含量的液體水凝膠。10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述指示劑系統(tǒng)以水溶液提供。11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，包括(a)非一次性探測頭和(b)—次性探針單元，所述一次性探針單元包括所述探針和連接器，所述連接器布置用于將所述探針與所述探測頭連接。12.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，進一步包括讀數(shù)單元，所述讀數(shù)單元用于連接至所述探測頭或接收來自所述探測頭的數(shù)據(jù)，其中所述光源和檢測器可選地位于所述讀數(shù)單元內(nèi)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其中，所述探測頭包括所述光源和檢測器，且另外包括電源和傳輸器，所述傳輸器布置用于將與所述檢測器的輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)無線傳輸給接收器，且其中所述讀數(shù)單元包括布置用于接收由所述傳輸器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的接收器。14.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，進一步包括微處理器和存儲器，所述微處理器布置用于控制所述傳感器以規(guī)定的間隔提供兩次或更多次的葡萄糖濃度測量，所述存儲器布置用于存儲關(guān)于熒光壽命數(shù)據(jù)或葡萄糖濃度的信息。15.一種在權(quán)利要求I至14中任一項所述的葡萄糖傳感器中使用的一次性探針單元，包括(a)用于皮下插入的探針，所述探針包括權(quán)利要求I或4至10中任一項所述的指示劑系統(tǒng)；和(b)連接器，所述連接器布置用于可選地將所述探針與探測頭連接，所述探測頭包括光源和檢測器，或所述探測頭自身進一步可選地與光源和檢測器連接。16.一種適用于與分離的探針單元連接的探測頭，其中所述探測頭包括檢測器，所述檢測器為單光子雪崩二極管，所述檢測器布置用于接收來自所述探針單元的光，所述探測頭適用于監(jiān)測低于IOOns的熒光壽命。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的探測頭，其中，所述探測頭適用于監(jiān)測20ns或更長的熒光壽命。18.—種測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度的方法，所述方法包括(a)將權(quán)利要求I至11中任一項所述的傳感器的探針插入皮下組織；(b)由光源對指示劑系統(tǒng)提供入射光；(c)使用檢測器接收由所述指示劑系統(tǒng)響應(yīng)所述光源對所述指示劑系統(tǒng)入射的光而發(fā)射的突光，并產(chǎn)生輸出信號；和(d)至少基于所述檢測器的輸出信號來確定與所述熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，所述方法進一步包括(e)將與所述檢測器的輸出信號相關(guān)的數(shù)據(jù)或與所述熒光團的所述熒光壽命相關(guān)的數(shù)據(jù)無線傳輸給位于讀數(shù)單元內(nèi)的接收器，其中步驟(e)可在步驟(d)之前或之后進行。20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其中，所述檢測器為單光子雪崩二極管，且所述方法進一步包括以下步驟(f)在第一頻率下調(diào)制光源強度；和(g)對所述單光子雪崩二極管施加偏壓，其中在不同于所述第一頻率的第二頻率下調(diào)制所述偏壓，且其中所述偏壓高于所述單光子雪崩二極管的擊穿電壓。21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項所述的方法，其中，通過以規(guī)定的間隔至少進行步驟(b)、(C)和(d)兩次或更多次并將所得的信息存儲在存儲器中來連續(xù)監(jiān)測葡萄糖濃度。全文摘要一種用于測量皮下組織內(nèi)葡萄糖的葡萄糖傳感器，所述傳感器包括用于皮下插入的探針，所述探針包括指示劑系統(tǒng)，所述指示劑系統(tǒng)包括與葡萄糖選擇性結(jié)合的受體，和與所述受體關(guān)聯(lián)的熒光團，其中所述熒光團具有低于100ns的熒光壽命；探測頭，所述探測頭與所述探針光學(xué)連接，并位于身體外；光源；和檢測器，所述檢測器布置用于接收由所述指示劑系統(tǒng)發(fā)射的熒光，其中所述光源和檢測器可選地位于所述探測頭內(nèi)；其中，所述傳感器布置用于通過監(jiān)測所述熒光團的所述熒光壽命來測量皮下組織內(nèi)的葡萄糖濃度。文檔編號A61B5/145GK102939539SQ201180016465公開日2013年2月20日申請日期2011年2月15日優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日發(fā)明者巴里·科林·克蘭,阿拉斯代爾·艾倫·麥肯茲,尼爾·凱恩斯,約翰·吉爾克里斯特申請人:燈船醫(yī)藥有限公司