CN106716116B - 用于微流体泪液收集和感兴趣的分析物的横向流动分析的集成的***和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于分析小体积的流体样品的***、方法和装置，举非限制性示例而言，小体积的流体样品小于二十微升。所述装置被配置用于进行第一样品读数，例如测量所述流体样品的能量特性，例如同渗重摩，进行第二样品读数，例如，检测所述流体样品中的一种或多种分析物的存在或浓度，或者进行所述第一样品读数和所述第二样品读数二者，例如，测量所述流体样品的能量特性以及检测所述流体样品中的一种或多种分析物的存在或浓度。

Description

用于微流体泪液收集和感兴趣的分析物的横向流动分析的集 成的***和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2014年9月23日提交的、题为“Systems andMethods for Integration of Microfluidic Tear Collection and Lateral FlowAnalysis of Analytes of Interest”的美国临时专利申请序列号62/053,923的权益和优先权，其全部内容均通过引用而并入于此。

发明背景

泪液在维持眼表面完整性、防止微生物攻击和保持视敏度方面发挥重要作用。这些功能又决定性地取决于泪膜结构的组成和稳定性，所述泪膜结构包括下面的粘蛋白基底、中间水性成分和覆盖的脂质层。泪膜的破裂、缺陷或缺乏可严重影响眼睛。如果没有利用人工泪液替代品或泪膜保护治疗来解决，则这些疾病可能导致角膜上皮的难治性干燥、角膜的溃疡和穿孔、感染性疾病的发病率增加以及最终明显的视觉障碍和失明。

干燥性角结膜炎(KCS)或“干眼症”是其中以上列出的泪膜结构成分中的一个或多个以不足的体积存在或者以其他方式与其他成分不平衡的症状。流体张力或同渗容摩(osmolarity)在患有KCS的患者中增加。KCS与影响身体一般健康的症状相关联，诸如干燥综合征、老化和雄激素缺乏。

发明内容

泪膜的同渗容摩是诊断KCS和其他症状的敏感和具体指标。举非限制性示例而言，通过称为“凝固点降低”的离体(ex vivo)技术来确定样品流体(举非限制性示例而言，泪液)的同渗容摩，其中溶剂(举非限制性示例而言，水)中的溶质或离子导致流体凝固点相对于没有离子的情况下降低。在凝固点降低分析中，通过检测一定量的样品(通常在约几毫升的量级)最初开始在容器(举非限制性示例而言，管)中凝固的温度来发现离子化样品流体的凝固点。为了测量凝固点，将一定体积的样品流体收集到诸如管等容器中。接下来，将温度探针浸入样品流体中，并使容器与凝固浴或珀尔帖(Peltier)冷却装置接触。样品被连续搅拌以实现低于其凝固点的过冷液体状态。在机械诱导下，样品固化，由于热力学熔化热而上升至其凝固点。样品凝固点与0℃的偏差与样品流体中的溶质水平成比例。这种类型的测量装置有时被称为渗透压计。

目前，通过使用微量移液管或毛细管从眼睛中移除泪液样品并测量由升高的同渗容摩导致的凝固点的降低来离体地进行凝固点降低测量。然而，这些离体测量常常遭遇许多困难。例如，为了进行泪液样品的凝固点降低分析，必须收集相对大的体积，通常为约20微升(μL)数量级的泪膜。因为在任何一个时间从KCS患者获得不超过约10至约100纳升(nL)的泪液样品，所以为常规离体技术收集足够量的液体流体需要医生诱发患者的反射流泪。反射流泪是由对眼表面的尖锐或持续的刺激引起的，类似于当大片污垢沉积在一个人的眼睛中时。反射泪液较稀，换句话说，它们具有比通常在眼睛上发现的泪液更少的溶质离子。泪膜的任何稀释使得用于干眼的同渗容摩测试的诊断能力无效，因此使得目前可用的离体方法在临床环境中是禁止的。

类似的离体技术是蒸汽压渗透法，其中将小的圆形滤纸片置于患者眼睑下方，直到吸收足够的流体。将滤纸盘放置在密封室中，于是冷却的温度传感器测量蒸汽在其表面上的冷凝。最终，温度传感器升至样品的露点。然后将与水成比例的露点的降低转化为同渗容摩。由于引入反射流泪和对现有蒸气压渗透压计的大体积要求，这些技术目前对于确定干眼是不切实际的。

克利夫顿纳升(Clifton Nanoliter)渗透压计(购自Clifton Technical Physicsof Hartford，美国纽约州)已经在实验室环境中广泛用于量化KCS患者的溶质浓度，但机器需要大量的训练来进行操作。仪器的操作一般需要长达一个小时的校准和熟练的技术人员以便生成可接受的数据。而且，克利夫顿纳升渗透压计体积大并且价格相对昂贵。这些特征严重损害了其作为临床渗透压计的用途。

此外，泪膜的同渗容摩的眨眼至眨眼变化是干眼病的基本特征。由不稳定泪膜的蒸发和水分损失驱动的这些眨眼到眨眼变化随着疾病严重性的增加而具有增加的幅度，导致眨眼之间的感兴趣分析物的浓度分布混乱。同时或连续测量泪液同渗容摩和感兴趣的分析物是有用的，因为可以通过针对样品渗透压进行标准化来补偿干眼病的生物变化。

用于测量泪膜内的分析物的现有技术需要使用海绵重复擦拭眼表面，将类似于施墨(Schirmer)条的滤纸放置于患者眼睑下，或者通过结膜印象细胞学，来收集大体积的泪膜，在结膜印象细胞学中，纸张被压向结膜以随后剥离细胞的表面层。在研究环境中，使用重复取样将数微升的泪液收集到毛细管中，但是这种技术需要特殊的训练，并且在某些情况下，需要花费十分钟或更长时间在干眼患者身上以获得进行现有测定所需的体积。这些技术都引入反射流泪的风险，反射流泪产生偏向泪腺输出的低渗性流体，而不是更加反映来自整个眼表面和睑板腺的贡献的基础泪液。

从上面的讨论中应该显而易见的是，用于感兴趣的分析物和泪液同渗容摩的集成收集和测量技术一般在临床环境中不可用，并且不能获得从大多数患者可得的小体积。因此，需要一种改进的、临床可行的纳升级的同渗容摩和分析物测量技术。本发明利用具有用于小体积分析的各种改进的装置满足了这种需要。

本公开内容提供了用于分析诸如泪液样品等流体样品的***、方法和装置。

本文描述的方法允许使用单个微流体装置检测感兴趣的流体样品的一个或多个特性(举非限制性示例而言，同渗容摩、分析物浓度或两者)，从而产生一个或多个样品读数，在一些实施方式中，一个或多个样品读数被量化并用于诊断各种医学症状。在某些实施方式中，本发明允许在单个样品体积上进行多种不同的分析，从而提高诊断测试的速度、通用性和便利性。此外，本公开的***、方法和装置适合于与小样品体积(举非限制性示例而言，微升或纳升体积)一起使用，这对于其中仅有有限量的可用样品的应用特别有益，举非限制性示例而言，用于眼部症状分析的泪膜样品。

在一些实施方式中，提供了用于分析流体样品的装置，包括：第一样品区域，其被成形用于接收一定体积的流体样品，并且包括至少一个换能器(transducer)，所述至少一个换能器被配置用于检测所述体积的能量特性，以便生成第一样品读数；以及第二样品区域，其与所述第一样品接收部分流体连通并且成形用于接收所述体积的至少一部分，其中所述第二样品区域包括检测衬底，所述检测衬底被配置用于检测所述体积的至少一部分中的一种或多种分析物，以便生成第二样品读数。

在一些实施方式中，所述装置还包括计量机构，其控制从所述第一样品区域到所述第二样品区域中的所述体积的流动。在一些实施方式中，所述计量机构包括被动阀或主动阀。非限制性示例性被动阀包括约束到所述第二样品区域的流体流动的一个或多个几何特征。在一些实施方式中，所述被动阀包括所述接收衬底的亲水性中的不连续性。在一些实施方式中，被动阀被加压流体体积克服。在一些实施方式中，如本文所公开的被动阀至少由流体的机械能致动。在一些实施方式中，所述流体是一种或多种液体、一种或多种气体或者其组合。在一些实施方式中，所述流体是所述样品流体、洗涤流体或转移流体。在一些实施方式中，如本文所公开的被动阀不需要如本文所公开的***的元件外部的任何能量源用于其正常运行。在一些实施方式中，被动阀不需要除流体的能量和/或毛细作用的能量或者从其变换产生的能量之外的额外能量。备选地或组合地，在一些实施方式中，所述计量机构包括主动阀。在一些实施方式中，所述主动阀包括具有疏水涂层(举非限制性示例而言，烷基硫醇自组装单层(alkanethiol self-assembled monolayer，SAM))的电极。在一些实施方式中，将电压施加到所述电极，以导致所述疏水涂层的溶解，从而允许所述体积流动到所述第二样品区域中。在一些实施方式中，如本文所公开的主动阀需要来自如本文所公开的装置或***内部或外部的元件的电能源，以用于其正常运行。在一些实施方式中，主动阀需要除了流体的能量和/或毛细作用的能量或者从其变换产生的能量之外的额外的能量。在一些实施方式中，如本文所公开的阀是单向的。在其他实施方式中，所述阀被配置用于允许流体体积在两个方向上通过。在一些实施方式中，所述被动阀或所述主动阀包括选自以下的一个或多个：平衡阀、斗尖阀和排气阀。

在一些实施方式中，所述第一样品区域包括毛细通道。在一些实施方式中，所述至少一个换能器位于所述毛细通道的壁上。在一些实施方式中，所述毛细通道的至少一个壁包括压敏粘合剂层。在一些实施方式中，所述压敏粘合剂层与所述体积相互作用，以便延迟所述体积通过所述毛细通道的流动。

在一些实施方式中，所述流体样品包括泪液。

在一些实施方式中，所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩。在一些实施方式中，所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的浓度。在一些实施方式中，所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩，而所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的浓度。

在一些实施方式中，所述体积在约10nL至约10μL的范围内，诸如在约50nL至约250nL的范围内。在一些实施方式中，体积在以下任意两个之间的范围内：约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。在一些实施方式中，体积不大于约20μL、约250nL、约200nL或约50nL。在一些实施方式中，体积不大于约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。

在一些实施方式中，所述装置还包括与所述第一样品区域流体连通的转移流体的储存器。在一些实施方式中，将所述转移流体从所述储存器引入所述第一样品区域使得所述体积的至少一部分从所述第一样品区域移动到所述第二样品区域中。在一些实施方式中，使用受控流动来匹配所述微孔衬底的毛细芯吸速率与来自所述储存器的流体泵送速率。在其他实施方式中，空气脉冲将所述第一样品区域中的流体移动到所述第二样品区域中。

在一些实施方式中，允许样品流体与所述第一样品区域内的试剂(举非限制性示例而言，抗体或其抗原结合片段、或生物合成抗体结合位点，诸如scFv、适体、抗体、肽、PNA、功能化的纳米颗粒等)一同培养，以促进检测所述第二样品区域中的分析物。在一些实施方式中，所述试剂包含在所述微孔衬底或诸如玻璃缀合物垫等其他中间层内，因此所述被动阀的破裂将所述样品流体引入所述微孔衬底上的培养区域。在其他实施方式中，所述样品流体首先流过所述第一样品区域或所述第二样品区域的转导区，然后使用来自所述储存器的流体进行再水化和上游检测部分的运送。

在一些实施方式中，所述检测衬底包括微孔衬底，并且流体体积流过所述微孔衬底。在一些实施方式中，所述检测衬底包括微孔衬底，并且在操作期间，所述体积的至少一部分横穿所述微孔衬底。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有被配置用于当所述体积的至少一部分沿流动方向横穿所述微孔衬底时促进基本均匀的流体前缘的几何形状。在一些实施方式中，所述流体体积包括一种或多种液体、一种或多种气体或者其组合。在另外的实施方式中，所述流体体积至少包括所述样品流体。在一些实施方式中，所述流体体积大于或等于最小体积，以便生成至少一个有效样品读数。在一些实施方式中，所述流体体积大于或等于最小体积，以便从所述第一样品区域生成至少一个有效样品读数并且从所述第二样品区域生成至少一个有效样品读数。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有成形用于在所述体积流过所述微孔衬底时生成或增加所述体积的流动均匀化的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有沙漏形的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有被更加线性、更短路径长度的再水化通道包围的中心蛇形通道。在一些实施方式中，所述微孔衬底包括多个用于增加流动均匀化的开口。在其他实施方式中，所述微孔衬底成形用于实现高阻力区的优先再水化。在其他实施方式中，所述微孔衬底成形用于允许再水化流移动通过低阻力或低路径长度区，而所述样品流体被延迟通过较高阻力或较高路径长度区。

在一些实施方式中，本文公开了用于分析流体样品的方法，包括：将一定体积的流体样品引入第一样品区域；使用至少一个换能器检测所述第一样品区域内的所述体积的能量特性，从而生成第一样品读数；使所述体积的至少一部分流动到第二样品区域中；以及使用检测衬底检测所述第二样品区域内的所述体积的至少一部分中的一种或多种分析物，从而生成第二样品读数。

在一些实施方式中，所述方法还包括使用计量机构控制从所述第一样品区域到所述第二样品区域的流体流动。在一些实施方式中，所述计量机构包括被动阀。在一些实施方式中，所述计量机构包括约束到所述第二样品区域的流体流动的一个或多个几何特征。在其他实施方式中，所述方法还使用所述接收衬底的亲水性的不连续性来阻止流体流动。备选地或组合地，在一些实施方式中，所述计量机构包括主动阀。在一些实施方式中，所述主动阀包括具有疏水涂层(举非限制性示例而言，烷基硫醇自组装单层(SAM))的电极。在一些实施方式中，将电压施加到所述电极，以导致所述疏水涂层的溶解，从而允许流体流动到所述第二样品区域。在一些实施方式中，加压洗涤流体用于克服被动阀并将所述样品流体运送到所述第二样品区域。在一些实施方式中，所述第一样品区域包括毛细通道。在一些实施方式中，所述至少一个换能器位于所述毛细通道的壁上。在一些实施方式中，所述毛细通道的至少一个壁包括压敏粘合剂层。在一些实施方式中，所述压敏粘合剂层与所述体积相互作用，以便延迟所述体积通过所述毛细通道的流动。

在一些实施方式中，所述流体样品包括泪液。

在一些实施方式中，所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩。在一些实施方式中，所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的浓度。在一些实施方式中，所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩，而所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的浓度。

在一些实施方式中，所述体积在约10nL至约10μL的范围内，诸如在约50nL至约250nL的范围内。在一些实施方式中，所述体积在以下任意两个之间的范围内：约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。在一些实施方式中，所述体积不大于约20μL、约250nL、约200nL或约50nL。在一些实施方式中，所述体积不大于约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。

在一些实施方式中，所述方法还包括将转移流体引入所述第一样品区域中，以将所述体积的至少一部分从所述第一样品区域移动至所述第二样品区域中。在一些实施方式中，所述转移流体从与所述第一样品区域流体连通的储存器引入。在一些实施方式中，泵送机构被用于以基本上匹配所述微孔衬底的毛细芯吸速率的速率从所述储存器推动流体。在其他实施方式中，空气脉冲将所述第一样品区域中的流体移动到所述第二样品区域。

在一些实施方式中，允许所述样品流体与所述第一样品区域内的检测部分或测定试剂(举非限制性示例而言，抗体或其抗原结合片段、生物合成抗体结合位点，包括scFv、适体、抗体、肽、PNA、功能化的纳米颗粒等)一起培养。在其他实施方式中，所述检测部分包含在所述微孔衬底或诸如玻璃缀合垫等其他中间层内，因此所述被动阀的破裂将所述样品流体引入所述微孔衬底上的培养区域。在其他实施方式中，所述样品流体首先流过所述第一样品区域或所述第二样品区域的转导区，然后使用来自所述储存器的流体进行再水化和上游检测部分的运送。

在一些实施方式中，所述检测衬底包括微孔衬底，并且所述流体流过所述微孔衬底。在一些实施方式中，所述检测衬底包括微孔衬底，并且所述体积的至少一部分横穿所述微孔衬底。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有被配置用于当所述体积的至少一部分沿流动方向横穿所述微孔衬底时促进基本均匀的流体前缘的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有沙漏形的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底几何形状具有被更加线性、更短路径长度的水化通道包围的中心蛇形通道。在一些实施方式中，所述微孔衬底几何形状包括用于增加流动均匀化的多个孔。在其他实施方式中，所述微孔衬底成形用于实现高阻力区的优先再水化。在其他实施方式中，所述微孔衬底成形用于允许水化流移动通过低阻力或低路径长度区，而所述样品流体被延迟通过较高阻力或较高路径长度区。

在一些实施方式中，本文公开了治疗或监测有需要的个体中的眼部症状的方法，包括：将一定体积的泪膜样品从所述个体引入分析装置的第一样品区域；使用至少一个换能器检测所述第一样品区域内的所述体积的能量特性，从而生成第一样品读数；使所述体积的至少一部分流动到所述分析装置的第二样品区域中；使用检测衬底检测所述第二样品区域内的所述体积的所述至少一部分中的一种或多种分析物，从而生成第二样品读数；以及基于所述第一样品读数和所述第二样品读数，调整用于治疗所述个体中的所述眼部症状的治疗计划。在一些实施方式中，所述方法还包括收集所述体积的泪膜样品。在一些实施方式中，所述眼部症状是干燥性角膜结膜炎。在一些实施方式中，所述眼部症状是过敏症。在一些实施方式中，所述眼部症状是糖尿病。在一些实施方式中，所述眼部症状是糖尿病性视网膜病变。在一些实施方式中，所述眼部症状是年龄相关的黄斑变性。在一些实施方式中，所述眼部症状是青光眼。在一些实施方式中，所述眼部症状是年龄相关的黄斑变性、过敏症、睑缘炎、白内障、结膜炎、蜂窝组织炎、中心性浆液性视网膜病变、睑板腺囊肿、隐形眼镜相关损伤、角膜/结膜擦伤、营养不良、糜烂、撕裂、溃疡、角膜移植排斥反应、巨细胞病毒性视网膜炎、糖尿病性视网膜病变、眼癌、富氏营养不良、格雷夫斯病、组织胞浆菌病、青光眼、感染、角膜炎、圆锥形角膜、黄斑病、新生血管形成、眼高压、视神经炎、结膜黄斑、翼状胬肉、视网膜色素变性、视网膜母细胞瘤、巩膜炎、沙眼、倒睫或者葡萄膜炎中的一个或多个。

当样品流体与所述微孔衬底相互作用时，存在一定速率的非特异性结合，其沿着通过所述微孔膜的路径长度逐渐消除信号。因此，某些实施方式在流过所述换能器之前使所述样品流体与裸微孔衬底的相互作用最小化，以便消除非特异性损失和精度降低。在一些实施方式中，所述微孔衬底的几何形状使用短楔形或三角形形状的突起，以充当样品区域之间的初始交界面，从而使与所述样品流体相互作用的裸膜的量最小化。在一些实施方式中，将检测部分放置在所述收集通道内的所述样品流体中并允许其与所述样品流体一起培养，以避免样品流体完全与裸膜相互作用。

在一些实施方式中，本文公开了用于分析流体样品的装置，所述装置包括：(a)流体入口；(b)样品区域，其安设在所述装置内，与所述流体入口流体连通，并且成形用于接收一定体积的所述流体样品，所述样品区域包括检测衬底，所述检测衬底被配置用于允许检测所述体积中的一种或多种分析物，以生成第一样品读数；以及(c)流体储存器，其安设在所述装置内，并且与所述样品区域流体连通，所述流体储存器包含转移流体，所述转移流体当被转移到所述样品区域时能够水化安设在所述样品区域内的试剂、在装置的操作期间洗涤所述检测衬底，或者两者都有。在一些实施方式中，所述装置还包括计量机构，其控制所述流体入口与所述样品区域之间的流体流动。在一些实施方式中，所述计量机构包括被动阀或主动阀或者其组合。在一些实施方式中，所述被动阀包括约束所述体积进入所述样品区域的流动的一个或多个几何特征。在一些实施方式中，所述主动阀包括具有疏水涂层的电极，并且向所述电极施加电压导致所述疏水涂层溶解，从而允许所述体积的所述至少一部分流动到所述样品区域。在一些实施方式中，所述疏水涂层包括烷基硫醇自组装单层。在一些实施方式中，所述装置还包括安设在所述入口与所述第一样品区域之间并与所述入口和所述第一样品区域流体连通的第二样品区域，其中所述第二样品区域包括至少一个换能器，所述至少一个换能器被配置用于检测流体样品的能量特性。在一些实施方式中，所述第二样品区域包括毛细通道。在一些实施方式中，所述至少一个换能器位于所述毛细通道的壁上。在一些实施方式中，所述流体样品包括泪液。在一些实施方式中，所述第一样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的存在或浓度。在一些实施方式中，所述第二样品读数指示所述流体样品的同渗容摩。在一些实施方式中，所述体积在约10nL至约10μL的范围内。在一些实施方式中，所述体积在约50nL至约250nL的范围内。在一些实施方式中，所述体积不大于约10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、400nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1μL、2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL或10μL。在一些实施方式中，所述检测衬底包括微孔衬底，并且在操作期间，所述体积的至少一部分横穿所述微孔衬底。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有被配置用于当所述体积的至少一部分沿流动方向横穿所述微孔衬底时促进基本均匀的流体前缘的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底具有沙漏形的几何形状。在一些实施方式中，所述微孔衬底包括多个孔以促进所述基本均匀的流体前缘。在一些实施方式中，所述检测衬底还包含固定的第一结合剂，如果所述一种或多种分析物存在于所述体积中，则该固定的第一结合剂能够直接或间接结合所述一种或多种分析物。在一些实施方式中，所述第一结合剂选自抗体或其抗原结合片段、亲和素-生物素结合对的成员(member)和链霉亲和素-生物素结合对的成员。在一些实施方式中，所述检测衬底还包括第二结合剂，如果所述一种或多种分析物存在于所述体积中，则该第二结合剂能够结合所述一种或多种分析物，其中所述第二结合剂可选地与可检测部分(detectable moiety)缀合。在一些实施方式中，所述可检测部分是纳米颗粒、视觉可检测标记、荧光标记或生物发光标记。

在一些实施方式中，本文公开了用于分析流体样品的方法，所述方法包括：(a)将一定体积的所述流体样品引入本文提供的装置的所述样品区域；以及(b)检测所述体积中的所述一种或多种分析物——如果存在于所述流体样品中——的存在和/或浓度。在一些实施方式中，所述流体样品包括泪液。在一些实施方式中，所述体积在约10nL至约10μL的范围内。在一些实施方式中，所述体积在约50nL至约250nL的范围内。在一些实施方式中，所述体积不大于约10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、400nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1μL、2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL或10μL。

在一些实施方式中，本文公开了治疗或监测个体中的眼部症状的方法，所述方法包括：(a)将一定体积的泪膜样品从所述个体引入本文提供的装置的所述样品区域；(b)检测所述体积中的所述一种或多种分析物的存在和/或浓度；以及(c)基于所述体积中的所述一种或多种分析物的存在和/或浓度，调整用于治疗所述个体中的所述眼部症状的治疗计划。在一些实施方式中，所述眼部症状是干燥性角膜结膜炎。在一些实施方式中，所述眼部症状是过敏症。在一些实施方式中，所述眼部症状是糖尿病。在一些实施方式中，所述眼部症状是糖尿病性视网膜病变。在一些实施方式中，所述眼部症状是年龄相关的黄斑变性。在一些实施方式中，所述眼部症状是青光眼。在一些实施方式中，所述眼部症状是年龄相关的黄斑变性、过敏症、睑缘炎、白内障、结膜炎、蜂窝组织炎、中心性浆液性视网膜病变、睑板腺囊肿、隐形眼镜相关损伤、角膜/结膜擦伤、营养不良、糜烂、撕裂、溃疡、角膜移植排斥反应、巨细胞病毒性视网膜炎、糖尿病性视网膜病变、眼癌、富氏营养不良、格雷夫斯病、组织胞浆菌病、青光眼、感染、角膜炎、圆锥形角膜、黄斑病、新生血管形成、眼高压、视神经炎、结膜黄斑、翼状胬肉、视网膜色素变性、视网膜母细胞瘤、巩膜炎、沙眼、倒睫和葡萄膜炎中的一个或多个。

通过阅读说明书、权利要求书和附图，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。

附图说明

在所附权利要求书中特别地阐述了本发明的新颖特征。通过参考对其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述以及附图，将会获得对本发明特征和优点的更好的理解，在附图中：

图1图示了根据一些实施方式的非限制性示例性微流体装置的横截面图，该微流体装置具有用于计量流体流动的被动阀；

图2图示了根据一些实施方式的非限制性示例性微流体装置的横截面图，该微流体装置具有用于计量流体流动的主动阀；

图3A图示了根据一些实施方式的用于同渗容摩和感兴趣的一种或多种分析物的集成检测的非限制性示例性微流体装置的横截面图，其利用表面能相互作用来延迟流体流动；

图3B和图3C图示了根据一些实施方式的使用微流体装置获得的非限制性示例性流动结果，该微流体装置实现基于表面能的流动延迟机构；

图4A图示了根据一些实施方式的具有被动阀的用于同渗容摩以及一种或多种分析物的的集成检测的非限制性示例性微流体装置的分解图；

图4B图示了图4A的组装的微流体装置的横截面图；

图5A和图5B图示了根据一些实施方式的用于同渗容摩以及一种或多种感兴趣的分析物的集成检测的组装的非限制性示例性微流体装置的俯视图和仰视图；

图6A至图6G图示了根据一些实施方式的具有用于实现流动均匀化的几何形状的非限制性示例性检测衬底；以及

图7图示了根据一些实施方式的被配置用于实现精确流体定时延迟的非限制性示例性检测衬底。

图8示出了使用约100nL人泪液的连续测量的同渗容摩和250ng/mL IgE的非限制性说明。

图9示出了在包含分离的再水化通道的再水化结构内的多重测定的非限制性说明。

具体实施方式

本公开内容在某些实施方式中提供了用于收集和分析小体积(举非限制性示例而言，小于约20微升)的流体样品的***、方法和装置。在一些实施方式中，本文公开的***、方法和装置用于检测和/或测量感兴趣的流体的样品的一个或多个特征。举非限制性示例而言，***、方法和装置用于测量感兴趣的第一特征(举非限制性示例而言，感兴趣流体的同渗重摩)和感兴趣的第二特征(举非限制性示例而言，感兴趣的流体中一种或多种分析物的存在和/或浓度)。在一些实施方式中，***、方法和装置用于测量感兴趣的流体中的一种或多种分析物的存在和/或浓度。在一些实施方式中，***、方法和装置用于测量感兴趣的第一特征(举非限制性示例而言，感兴趣的流体的同渗重摩)或者感兴趣的第二特征(举非限制性示例而言，感兴趣的流体中的一种或多种分析物的存在和/或浓度)。

本发明解决了当试图收集和分析用于在护理时使用的集成装置中的流体的纳升(nL)样品时可能出现的问题。小体积的样品比相同浓度的大体积具有更少的分子用于检测，因此需要非常高的灵敏度。通常，测定试图通过长达1小时的长培养时间直到过夜，以允许扩散帮助在检测器表面积聚感兴趣的分析物，伴随着重复而严格的洗涤以去除非特异性背景，来解决这个问题。这些技术都不能在护理时使用，这需要利用由完全未受训练的用户可操作的简单***的快速测试(举非限制性示例而言，少于几分钟)。此外，当实施基于阻抗的泪液同渗容摩和色析型(或侧向流动)夹心测定二者的串行分析时，可能出现各种问题，诸如：准确计量收集的流体、检测抗体的再水化(或举非限制性示例而言包括纳米颗粒复合物、适体、scFv等)、样品转移效率、在泪液样品完全通过样品区域之前实现捕获抗体的再水化、防止运行缓冲液溢出超过微孔侧向流动膜、均质流(在检测抗体的前缘产生基本上各向同性、均匀的流动图案，或者备选地，其中反应的泪液样品和检测复合物前体的大部分流过捕获区域而不是在其周围)、以及避免随机地将流动移动到色谱***的一侧或另一侧的流动不稳定性。

为了解决这些问题，在一些实施方式中，本公开内容提供了集成微流体收集装置，其包括(a)接收样品流体的等分体积(aliquotvolume)的衬底，其中所述衬底可操作地成形用于通过毛细作用接收样品流体的等分体积；以及(b)衬底的样品流体区域和(c)第二样品区域中的至少一个，其中，衬底的样品流体区域的尺寸设置成使得样品流体的体积足以可操作地覆盖样品区域的一部分，从而转换样品流体的能量特性以产生指示样品的同渗容摩的样品流体读数，其中第二样品区域分析用于感兴趣的分析物的样品流体的一部分。在某些实施方式中，如本文所公开的装置和***还包含一系列一个或多个平衡被动阀，以计量样品流体，其中通过***对流体加压将以预定顺序横穿阀。在某些实施方式中，如本文所公开的装置和***还包含至少一个集成储存器。在一些实施方式中，储存器保持缓冲液、洗涤流体、转移流体、样品流体、气体、空气或其中的任何其他流体体积。在一些实施方式中，储存器被分隔以保持转移缓冲液、洗涤流体、转移流体、样品流体、气体、空气或其中的任何其他流体体积中的不止一个。一些实施方式的特征在于包括微孔衬底的第二样品区域，其可操作地成形以优化样品转移效率、再水化动力学、溢流保护和流体阻力平衡以避免流动不稳定性。在某些实施方式中，通过将微孔衬底的小突起放置在两个样品区域之间的交界面中来优化样品转移效率。在其他实施方式中，通过将免疫测定的检测复合物放置在被动阀的计量侧、或在收集通道内、或两者，来实现检测复合物的再水化动力学。在其他实施方式中，在样品转移后在微孔衬底内实现检测复合物的再水化。在其他实施方式中，通过放置下游流体压缩物使得最小阻力的流体路径通过捕获区域而不是其周围来实现捕获区域的再水化动力学。在其他实施方式中，在流体横截面路径中的快速膨胀的下游实现捕获区域的再水化。在另一个实施方式中，通过在微孔衬底内图案化一个或多个蛇形通道来实现捕获区域的再水化，其充当用于样品转移的流体延迟和优选路径，而在延迟样品到达之前，较小、较短的路径长度再水化通道将转移缓冲液芯吸至下游捕获区域，在此时再水化和样品路径合并。在其他实施方式中，在再水化通道和样品通道合并成单个路径之后，围绕中心样品路径的较短路径长度再水化通道将检测器的已扩展的流集中在更可预测的区中。在其他实施方式中，添加一个或多个流体通道以帮助减轻压力驱动的从储存器的溢出的可能性。在其他实施方式中，再水化和溢流保护通道被组合成一个结构。在另外的实施方式中，下游样品流阻被平衡以防止流体随机选择通过微孔衬底的不对称路径，从而在***内产生流动不稳定性和不可预测性。在其他实施方式中，在***中允许不对称流动不稳定性，并且通过在对称路径的任一侧上放置冗余捕获区域并且在软件中对它们的强度求平均来补偿不对称流动不稳定性。总的来说，这些特征解决了在纳升级大小的样品中的一种或多种感兴趣的分析物的并行分析的问题。

在一些实施方式中，一定体积的感兴趣的流体样品顺序地并且可控地流过单个微流体装置中的多个样品区域。在一些实施方式中，每个样品区域包括用于分析和检测样品体积的各种特性(诸如渗透压、总浓度、同渗重摩和/或同渗容摩)以及检测一种或多种感兴趣的分析物的各种检测组件。本公开内容的一些实施方式被配置成相对快速、非侵入性、便宜和/或易于使用的，对患者的伤害风险最小。在一些实施方式中，利用少至微升体积的样品流体来提供准确测量。举非限制性示例而言，根据本文描述的一些实施方式配置的测量装置能够用不超过20微升的样品流体进行同渗容摩测量。在一些实施方式中，更小的体积，举非限制性示例而言，纳升体积，有时小至20纳升，被成功地测量。在一些实施方式中，测量性能不受所收集的样品流体的体积变化的影响，使得同渗容摩以及一种或多种感兴趣的分析物的测量基本上独立于收集的体积。在一个实施方式中，这通过询问样品流体的等分体积的定义明确的子集来实现。在一些实施方式中，本文描述的方法使得能够在单个集成装置内快速分析小样品体积，从而提高流体样品的诊断测试的速度、灵活性、用户便利性和成本效益。

在一些实施方式中，本文描述的装置用于分析多种不同类型的流体，包括泪膜、汗液、血液、尿液、唾液或其他体液或者其组合。在一些实施方式中，本文描述的装置用于分析其他样品流体，诸如牛奶或其他饮料以及各种缓冲液、溶液、试剂或化学品或者其组合。

在一些实施方式中，本文描述的装置用于分析来自患者的泪液。在一些实施方式中，泪液分析有益于诊断、监测和/或治疗其中患者的泪膜中出现异常的各种眼部症状。例如，干性角膜结膜炎(KCS)或“干眼”是其中一个或多个泪膜结构成分(举非限制性示例而言，下面的粘蛋白基底、中间的水性成分、覆盖的脂质层)中存在体积不足或者以其他方式与其他成分不平衡的症状。已知KCS患者的泪液的流体张力或同渗容摩增加。KCS与影响身体一般健康的症状相关，诸如

综合征、老化和雄激素缺乏。因此，泪膜的同渗容摩是诊断KCS和其他症状的敏感和特异性指标。

此外，最近的证据显示泪液高渗透压性与泪膜不稳定性直接相关，泪膜不稳定性即其中泪膜从与血液同渗容摩平衡的稳态***转变为逐渐更混乱、不可预测地构造的形式的症状。在干眼病的早期阶段，泪膜可以是亚稳的，其中强度的眨眼-眨眼变化、眼睑接触等取决于前述变量而拉回可变的足够的薄膜。在晚期干眼病或促进不稳定性的任何其他眼表面症状中，泪膜被损害到内聚力不足以维持膜的任何外观，并且产生角膜和结膜上的快速蒸发的程度。当试图测量诸如泪膜样品内的蛋白质生物标志物等分析物时，这种不稳定性是相关的。例如，在进行临床决策时，泪液生物标志物的点样品(举非限制性示例而言，用于在样品收集的单个时间点给出关于生物标志物的浓度的数据的体外诊断性单次使用一次性测试)易受不可接受的变化影响，除非因为由于泪液不稳定性导致的浓度的一阶变化以及由于蒸发性水分流失而产生的高渗透压性而考虑到样品同渗容摩。

在一些实施方式中，多种感兴趣的分析物被测定并且用于协助一种或多种眼部疾病的诊断和管理。眼部疾病的非限制性示例包括：年龄相关的黄斑变性、过敏症、睑缘炎、白内障、结膜炎、蜂窝组织炎、中心性浆液性视网膜病变、睑板腺囊肿、隐形眼镜相关损伤、角膜/结膜擦伤、营养不良、糜烂、撕裂、溃疡、角膜移植排斥反应、巨细胞病毒性视网膜炎、糖尿病性视网膜病变、眼癌、富氏营养不良、格雷夫斯病、组织胞浆菌病、青光眼、感染、角膜炎、圆锥形角膜、黄斑病、新生血管形成、眼高压、视神经炎、结膜黄斑、翼状胬肉、视网膜色素变性、视网膜母细胞瘤、巩膜炎、沙眼、倒睫和葡萄膜炎。在一些实施方式中，使用特定分析物(和/或流体特性，例如同渗容摩)的并行解释(举非限制性示例而言，逻辑或，其中如果多个分析物中的任一个为阳性，则返回阳性诊断)来增加眼部疾病测试的整体灵敏度而不牺牲许多特异性。举非限制性示例而言，在一个实施方式中，使用同渗容摩、乳铁蛋白、白蛋白和脂质运载蛋白的并行解释来诊断干眼病。在另一个实施方式中，当蛋白质水平低于其正常范围时，使用同渗容摩、脂质运载蛋白、富含脯氨酸的蛋白质4(PRR4)和锌-α-2-糖蛋白2(ZAG2)(或其他主要泪液蛋白)的并行解释来诊断干眼病。在又一个实施方式中，如果水平高于正常范围，使用同渗容摩、脂质运载蛋白、PRR4和ZAG2(或其他主要泪液蛋白)的并行解释来诊断自发未治疗的青光眼。在又一个实施方式中，使用同渗容摩、脂质运载蛋白、PRR4和ZAG2(或其他主要泪液蛋白)的并行解释来在同一装置中诊断干眼和青光眼二者。在一些实施方式中，通过针对测量的同渗容摩使糖化白蛋白浓度标准化来补偿泪液浓度的眨眼-眨眼变化，同渗容摩和糖化白蛋白的并行解释使得健康患者、糖尿病患者和具有视网膜病变的糖尿病患者之间的分化的精确度增加。在其他实施方式中，同渗容摩和脑源性神经营养因子(BDNF)的并行解释通过相对于测量的泪液同渗容摩而使BDNF水平标准化来允许提高确定低压青光眼的精确度。在另一个实施方式中，同渗容摩、IL-1Ra、MMP-9和S100A8的并行解释有助于诊断干眼病和失调的起因子集二者，无论是炎症还是水缺乏。在其他实施方式中，并行地测量来自具有重叠症候和临床表现的不同疾病的多种感兴趣的分析物。举非限制性示例而言，在一个实施方式中，测量同渗容摩加上多种过敏标记物(诸如IgE、ECP和/或EDN)以询问早期和晚期过敏，同时无视类似的临床表现和症候而区分干眼和过敏。在其他实施方式中，不测量同渗容摩，而测量感兴趣的分析物。这些示例不意味着限制，而是提供如何在护理时应用所公开的装置的示例。

因此，在一些实施方式中，本公开内容提供了用于测量等分体积(举非限制性示例而言，泪膜或其他流体样品)的同渗容摩结合测量该体积中的一种或多种感兴趣的分析物(举非限制性示例而言，一种或多种分析物的存在和/或浓度)的***、方法和装置。在一些实施方式中，同时或顺序地进行同渗容摩和分析物测量。在一些实施方式中，首先进行同渗容摩测量，然后进行测定以检测样品体积中一种或多种分析物的存在和/或浓度。在一些实施方式中，在检测样品体积中的一种或多种分析物的存在和/或浓度的测定之后，其次进行同渗容摩测量。在其他实施方式中，样品的同渗容摩是相对恒定的，并且仅测定感兴趣的分析物。

在一些实施方式中，使用任何合适的技术来测量流体样品的同渗容摩。在一些实施方式中，通过检测样品的能量特性(举非限制性示例而言，热、光学和/或电特性)，诸如通过将能量传递到样品，检测所施加的能量，并且使用检测结果确定同渗容摩，来测量同渗容摩。在一些实施方式中，举非限制性示例而言，通过施加合适的电信号，使用一个或多个换能器或电极来测量流体的电导率。由于电导率与流体的离子浓度相关，所以如果应用温度校正和适当的校准函数，则能够确定流体的同渗容摩。

能够使用本文提出的技术、***和装置测量的微流体样品中的分析物包括但不限于蛋白质、肽、代谢物、电解质、小分子、脂质、糖、核酸和蛋白聚糖、以及其他生物部分和更高级组装件以及其组合。在一些实施方式中，分析物包括蛋白质生物标志物。在一些实施方式中，分析物包括但不限于：免疫球蛋白(举非限制性示例而言，免疫球蛋白E(IgE)、免疫球蛋白M(IgM)、免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG))、细胞因子(举非限制性示例而言，转化生长因子-β(TGF-β)、肿瘤坏死因子(TNF-α)，白介素1-A)、蛋白质(S100、乳铁蛋白、脂质运载蛋白、组织蛋白酶、BDNF、烯醇化酶、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白(ECP)、嗜酸性粒细胞衍生的神经毒素(EDN)、PRR4、ZAG2、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、白蛋白等)或者粘蛋白和其他糖蛋白(举非限制性示例而言，与细胞表面相关联的粘蛋白5(MUC-5)、蛋白聚糖4(PRG4)、与细胞表面相关联的粘蛋白16(MUC16))。在一些实施方式中，分析物检测和/或测量过程包括使流体样品流过检测衬底。非限制性的示例性检测衬底包括微孔衬底或微孔膜。在另外的实施方式中，检测衬底是选自硝化纤维、玻璃纤维结合垫、Fusion 5、

材料、纸、PVDF等中的一种或多种。在一些实施方式中，微孔衬底和微孔膜在本文中是等同的并且可互换的。在一些实施方式中，收集通道、毛细通道和微流体通道在本文中是等同的术语并且是可互换的。在一些实施方式中，检测衬底被配置用于一种或多种感兴趣的分析物的色析、流通或侧向流动分析。其他非限制性示例性技术包括阻抗、阻抗谱、表面增强拉曼光谱(SERS)、电化学换能器、诸如表面等离子体共振的无标记换能器、干涉量度等。用于检测流体体积中的分析物的测定是本领域技术人员已知的，并且在下面进一步详细描述。

在一些实施方式中，本文提供的***、方法和装置应用于相对小体积的流体样品中的同渗容摩和分析物浓度的分析，诸如在约10nL至约10μL范围内，或在约50nL至250nL范围内的体积。在一些实施方式中，体积在以下任意两个之间的范围内：约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。在一些实施方式中，体积不大于约20μL、约250nL、约200nL或约50nL。在一些实施方式中，体积不大于约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL或约10μL。

在一些实施方式中，在诸如微流体芯片等单个微流体装置中进行同渗容摩和分析物测量。在一些实施方式中，微流体装置包括成形为接收一定体积的流体样品的多个样品区域，举非限制性示例而言，微流体通道，腔室等。在一些实施方式中，微流体结构的尺寸根据需要变化。在一些实施方式中，如本文描述的微流体通道、测定通道或溢流通道的通道宽度为约10μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约200μm、约300μm、约400μm、约500μm、约600μm、约700μm、约800μm、约900μm、或约1mm。在一些实施方式，通道深度或高度是约5μm、约10μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约1500μm、约200μm、约250μm、约300μm或约400μm。在一些实施方式中，本文描述的装置包括毛细通道，用于对具有约300μm的通道宽度和约75μm的通道深度的样品体积进行同渗容摩检测。在一些实施方式中，通道宽度是连接通道的横截面轮廓的两个空间点的最大距离。

在一些实施方式中，微流体装置的每个样品区域用于执行不同的分析功能。在一些实施方式中，该装置包括第一样品区域和第二样品区域，第一样品区域包括用于测量同渗容摩的至少一个换能器，第二样品区域包括用于进行分析物检测的检测衬底。在顺序地进行同渗容摩和分析物测量的实施方式中(举非限制性示例而言，在分析物检测之前进行同渗容摩检测)，样品区域彼此流体连通(举非限制性示例而言，通过通路、通孔或其他流体元件连接)，以便使样品体积能够从第一样品区域流入第二样品区域。在一些实施方式中，通过各种方法致动流动，包括但不限于对流流动、压力驱动的流动、芯吸、毛细作用、蒸发、溶解或其适当的组合。在一些实施方式中，将诸如洗涤流体等第二流体引入微流体装置中，以便替代样品体积并致动通过***的流动。在一些实施方式中，样品的流体流从第一样品区域和第二样品区域中的一个行进，然后行进到第一样品区域和第二样品区域中的另一个样品区域。

在一些实施方式中，控制微流体装置的不同样品区域之间的流动的定时和/或速率是有益的，举非限制性示例而言，以便确保足够的时间来进行测量并促进样品处理。在一些实施方式中，同渗容摩测量需要大约1-2秒来进行。在装置的其他实施方式中，同渗容摩测量需要大约3-10秒以在***等待瞬态流动力学稳定之后进行。因此，本文描述的微流体装置的一些实施方式包含一个或多个计量机构或其他流动控制元件，以确保样品体积在样品区域中保持适当的时间长度并防止样品体积过早流动到其他区域中。

在特定实施方式中，图1图示根据一些实施方式的用于同渗容摩和感兴趣的分析物的集成检测的微流体装置10的横截面图，微流体装置10具有作为计量机构的被动阀。在图1的实施方式中，微流体毛细芯片100被集成到微流体胶囊101的内部，微流体胶囊101提供了在处理期间保护内部的内容物的方便的方式。胶囊101包括限定接收一个或多个检测衬底103(举非限制性示例而言，诸如硝化纤维、玻璃纤维缀合垫、Fusion 5、Porex材料、纸、PVDF等微孔衬底)的腔的内表面(由虚线102表示)，并且允许衬底在组装期间垂直分层。在一些实施方式中，胶囊内部包含凸起特征104，其允许转移流体105的储存器(举非限制性示例而言，泡罩包装)在受压时破裂，如下文进一步详细描述。压敏粘合剂106铺设在胶囊的内表面102的顶上，并将微孔衬底结合到胶囊101和微流体毛细芯片100二者，微流体毛细芯片100由亲水压敏粘合剂107密封。在一些实施方式中，毛细通道112被限定在压敏粘合剂107与微流体芯片100的上表面之间，使得粘合剂107用作通道112的一个壁，并且芯片100的上表面用作第二壁。

在一些实施方式中，毛细通道112用作其中进行同渗容摩测量的第一样品区域，并且包含检测衬底103的腔用作其中进行分析物测量的第二样品区域。在一些实施方式中，装置10的第一样品区域和第二样品区域通过连续通路或通孔114彼此连接。在一些实施方式中，通路114包括被动阀108，其用作用于控制两个样品区域之间的流动的计量机构。例如，被动阀108包括用于约束流体流动的一个或多个几何特征。在一些实施方式中，被动阀包括沿着流体路径的侧壁角度的急剧变化、或亲水性的调制，诸如在总体上亲水的层的顶上的基本上疏水材料的条纹或区域。在如图1所示的特定实施方式中，阀几何形状中的尖锐过渡角度为样品体积提供计量功能。

当流体样品体积经由微流体芯片100的入口113被引入装置10中时，其将流过通道112，直到被被动阀108停止。在一些实施方式中，继而使用位于通道112中的一个或多个换能器在通道112中确定体积的同渗容摩。在一些实施方式中，电极(未示出)嵌入通道112内(举非限制性示例而言，在由芯片100限定的通道壁上)。在一些实施方式中，诸如通过金属蒸镀和随后的激光烧蚀将电极图案化到芯片100的表面上，并且电极用于确定何时已经在通道112中收集到足够的样品流体。另外，在一些实施方式中，毛细通道112中的电极产生基于阻抗的换能器，使得从毛细通道112内检测样品体积的能量特性，以产生指示样品流体的同渗容摩的样品读数。

在一些实施方式中，一旦已经测量了样品同渗容摩，则样品体积从第一样品区域(通道112)移动到第二样品区域中，以便进行分析物测量。使用任何合适的技术以实现流体体积的这种移动。在一些实施方式中，储存器105由致动力(举非限制性示例而言，通过拇指或另一手指、螺钉、读取器***插槽中突出的固定特征或者其他致动元件)向外按压。举非限制性示例而言，该力允许转移流体通过压力驱动的流和/或芯吸而流过胶囊微流体109并进入芯片100中的垂直入口(在一些实施方式中，其包括附加的被动阀)110。在一些实施方式中，将洗涤流体(举非限制性示例而言，约1μL至约50μL体积)引入第一样品区域使得样品体积通过被动阀108并到达包含微孔检测衬底103的同一区域上。在一些实施方式中，入口113或垂直入口110包括一个或多个单向阀。在一些实施方式中，一个或多个阀由流体压力驱动。

在一些实施方式中，当样品朝向检测衬底103的远端(举非限制性示例而言，如图1所示的检测衬底103的右侧)流动时，样品与安设在检测衬底103上或检测衬底103中的测定试剂相互作用，以便生成指示样品流体中的一种或多种分析物的浓度的样品读数。在一些实施方式中，检测衬底103的至少一部分经由胶囊101中的窗口111暴露，从而允许分析物测定结果的光学询问。在其他实施方式中，芯片100和储存器105组装到单独的载体上，该单独的载体继而被卡入或以其他方式附接到胶囊。在这样的实施方式中，单独的载体提供微流体通道，其允许流体连通从储存器105流动到垂直入口110，通过通道112，向上通过通路114和被动阀108，并流动到检测衬底103上，而不是胶囊塑料上。

在特定实施方式中，图2图示了根据一些实施方式的用于同渗容摩和感兴趣的分析物的集成检测的微流体装置20的横截面图，微流体装置20具有作为计量机构的主动阀。装置20的组件大体类似于装置10的组件，除了装置20包括作为用于控制流体流动的计量机构的主动阀，而不是被动阀。在图2的实施方式中，微流体毛细芯片200包括由有源元件202组成的主动阀，其约束和/或阻止第一样品区域(毛细通道203)与第二样品区域(检测衬底204)之间的流体流动。在一些实施方式中，有源元件202位于通孔201内或毛细通道203内。

任何合适类型的主动阀均用于控制装置20内的流体流动。举非限制性示例而言，主动阀包括物理阻挡第一样品区域和第二样品区域之间的流动，但在施加刺激或信号时被移动，以便允许流动。作为另一个示例，主动阀包括与样品流体相互作用的表面能调节特征，以便减少或防止大量的流体流动。举非限制性示例而言，有源元件202包括具有阻碍流体流动的疏水涂层的一个或多个电极，疏水涂层诸如烷基硫醇表面组装单层(SAM)。例如，将电场施加到电极，以引起烷基硫醇基团的表面单层的电解溶解，从而转变表面能并允许流体在选定的时间通过。施加的电压在约1V至约100V的范围内，诸如在约1V至约10V的范围内。在其他实施方式中，使用能够响应于刺激而经历疏水性至亲水性转变的其他类型的有源元件202。

在一些实施方式中，表面能调节特征被设计成在暴露于样品流体时溶解，从而一旦经过了足够的时间来溶解，就能够通过阀。举非限制性示例而言，有源元件202在溶解并允许流体自由流动到下游第二样品区域之前阻止流动约1-30秒。可选地，装置20包括额外的微通道，其充当通风口，以允许空气在流体流动时逸出。这些微通道通风口由疏水材料制成，或者包括疏水表面涂层，以防止流体进入通风口。

在特定实施方式中，图3A图示了根据一些实施方式的用于同渗容摩和感兴趣的分析物的集成检测的微流体装置30的横截面图，微流体装置30利用表面能相互作用来延迟流体流动。微流体装置30的组件大体上类似于装置10和20的组件，除了下文指定的。类似于装置10和20，装置30包括在微流体胶囊302内的微流体毛细芯片300和检测衬底301。在一些实施方式中，芯片300和衬底301通过压敏粘合剂层303密封并且彼此结合。值得注意的是，检测衬底301定位在微流体芯片300的顶部，而不是如在装置10和20中那样在下面。毛细通道304由芯片300的上表面和压敏粘合剂层303限定。在一些实施方式中，芯片和储存器组装到单独的载体上，然后该单独的载体卡入或以其他方式附接到胶囊。在这样的实施方式中，单独的载体提供微流体通道，其允许流体连通从储存器流动到垂直入口，通过通道，向上通过通道和被动阀，并到达检测衬底而不是胶囊塑料。在某些实施方式中，载体包含微流体储存器以延迟流动或提供用于在主储存器的初始破裂之后捕捉气泡的流体电容。

在一些实施方式中，通道304充当用于进行样品体积的同渗容摩测量的第一样品区域，而检测衬底301充当用于分析物检测的第二样品区域，类似于本文描述的其他实施方式。第一样品区域和第二样品区域经由在芯片衬底中的开口306上方的压敏粘合剂层303中形成的通孔或通路305流体耦合。在一些实施方式中，通路305和毛细通道304不包括用于约束流体流动的任何阀或其他计量机构。相反，装置30利用流体样品体积与粘合剂层303的表面能相互作用来控制第一样品区域与第二样品区域之间的流体流动。在一些实施方式中，粘合剂层303的亲水性和/或疏水性根据需要调节，以实现对流体流动的控制。举非限制性示例而言，粘合剂层303包括位于两个亲水性外层(举非限制性示例而言，25μm层)之间的疏水性内层(举非限制性示例而言，75μm PET层)。在一些实施方式中，这种多层粘合剂材料减慢了样品体积通过通道304的流动，以便允许足够的时间来测量通道304中的同渗容摩，并延迟样品进入第二样品区域中的检测衬底301。与图1和图2中的其他实施方式一样，在一些实施方式中，夹层ELISA的一半的反应成分被干燥，点样和以其他方式固定(共价、离子键地、疏水、非特异性地、吸附)在通道304中。在其他实施方式中，夹层ELISA的一半的反应成分被干燥、点样或以其他方式固定(共价、离子键地、疏水、非特异性地、吸附)到开口306中。在另一些其他实施方式中，夹层ELISA的一半的反应成分被干燥、点样或以其他方式固定(共价、离子键地、疏水、非特异性地、吸附)到衬底301上。在一些实施方式中，此类反应成分包括抗体或其抗原结合片段、生物合成抗体结合位点、适体、短链片段变体等。在某些实施方式中，夹层ELISA的第二半在通道304、开口306或衬底301内被干燥、点样或以其他方式固定(共价、离子键地、疏水、非特异性)。在一些实施方式中，合适的标签如荧光染料、纳米颗粒、酶、电化学发光、化学发光、HCR、发光纳米球、反光颗粒、氧化还原标签、链亲和素、抗生物素蛋白、中性抗生物素蛋白、生物素、铕螯合染料、上变频磷光体、FRET***、电浆标签等伴随检测夹层ELISA的一半。

用于制备和使用衬底以检测感兴趣的分析物的存在和/或浓度的非限制性示例性试剂、衬底配置和方法可见于例如美国专利号6,319,676；5,141,850；5,602,040；5,656,503；5,714,389；5,591,645；5,989,921；6,319,676；6,485,982；7,763,454；以及公布的美国专利申请号US2015/0017068。美国专利号5,714,389；5,989,921和6,485,982描述了测定衬底，其中经由用于固定在测试区域中的分析物(举非限制性示例而言，抗分析物抗体)的固定的结合剂而在测试区域中直接捕获感兴趣的分析物。在该方法中，与“半夹层”形式的用于分析物的标记的第二结合剂(举非限制性示例而言，第二抗分析物抗体)结合的分析物被结合在测试区域中。美国专利号6,319,676和5,141,850描述了测定衬底，其中经由固定的结合剂(举非限制性示例而言，抗生物素蛋白或链霉亲和素)而在测试区域中间接地捕获感兴趣的分析物，该固定的结合剂结合到共价耦合至针对感兴趣的分析物的结合剂(举非限制性示例而言，抗分析物抗体)的结合剂伴侣(生物素)。在该方法中，在流体横穿衬底并且继而经由结合可捕获的结合部分的结合部分(举非限制性示例而言，抗生物素蛋白或链霉亲和素)而被捕获在测试区中时，包括可捕获的结合部分(举非限制性示例而言，生物素化的抗分析物抗体)-分析物-可检测的结合部分(举非限制性示例而言，标记的抗分析物抗体)的复合物的“完全夹层”形成。

在另一个实施方式中，该装置被配置用于分析流体样品，包括限定流体入口的外壳；样品处理区域，其安设在外壳内，与流体入口流体连通并且成形用于接收一定体积的流体样品，样品处理区域包括检测衬底，检测衬底被配置用于允许检测体积中的一种或多种分析物以生成第一样品读数；以及安设在外壳内并与样品处理区域流体连通的流体储存器，流体储存器包含流体，所述流体在被转移到样品处理区域时能够水化安设在样品处理区域内的试剂和/或在装置的操作期间洗涤检测基板。

在各种实施方式中，举非限制性示例而言，当期望检测分析物和/或测量一种或多种分析物的浓度时，图1、图2和图3A中的装置10、20或30省略第一样品区域并且仅包含第二样品区域。在这些实施方式中，第二样品区域被称为样品处理区域。在一些实施方式中，本文公开的装置仅包括第二样品区域。在另外的实施方式中，在行进到第一样品区域之前将待检查的样品体积从入口和/或垂直入口直接驱动到第二样品区域。在替代实施方式中，样品体积行进到第一样品区域，然后到达第二样品区域。

在特定实施方式中，图3B和图3C图示了使用实现基于表面能的流动延迟机构的微流体装置获得的示例性流动结果，类似于图3A的装置30。图3B图示了包含红色食品染料的样品流体延迟流动进入充当第二样品区域的微孔膜(图案化硝化纤维膜)中的流动。这种结构使得毛细流能够驱动下游反应，因为压力驱动的流动被大纸区吸收，沿着膜的侧通道向下芯吸，然后环绕以运行色谱测定。图3C是图示在润湿微孔衬底之前的通孔直径于延迟时间之间的关系的图。当孔直径为200μm时，观察到大量的延迟时间变化，范围从约0秒至约60秒。然而，对于具有300μm和400μm孔直径的装置，可变性较低，其显示出约10秒的延迟时间。在图3B的实施方式中，芯片衬底开口的直径约为300μm，这表明压敏粘合剂通孔直径与芯片衬底开口直径的理想比例为约0.5:1至约2:1。

在特定实施方式中，图4A和图4B图示了根据一些实施方式的用于同渗容摩和感兴趣分析物的集成检测的、具有被动阀的微流体装置40。在图4A的实施方式中，其图示了装置40的分解图，微流体毛细芯片400在层中组装有形成底部毛细通道的一个表面的亲水压敏粘合剂401以及密封芯片400的上表面上的微流体404的双面压敏粘合剂层403。双面层403延伸到流体入口和空气出口端口405，其分别接受洗涤流体并允许空气逸出。充当第二样品区域的检测衬底406(举非限制性示例而言，微孔膜或衬底)抵靠双面压敏粘合剂403压封。图4B示出了组装的微流体装置40的横截面图，其中被动阀407、流体入口408和毛细通道409的细节是可见的。在一些实施方式中，毛细通道409充当用于分析同渗容摩的第一样品区域，并且检测衬底406充当用于检测一种或多种目标分析物的第二样品区域。在一些实施方式中，样品体积被收集到第一样品区域的毛细通道409中，并且经由上述机构通过被动阀407被约束而不流入第二样品区域中。在一些实施方式中，在经由洗涤入口408将洗涤流体引入通道409中时，样品体积从通道409移动并进入第二样品区域的检测衬底406中。

在特定实施方式中，图5A图示了根据一些实施方式的组装的微流体装置50的俯视图(左)和仰视图(右)，微流体装置50用于同渗容摩和感兴趣的分析物的集成检测。类似于本文提供的其他实施方式，装置50包括微流体胶囊500和微流体芯片501。胶囊500包括窗口502，其中检测衬底503(举非限制性示例而言，微孔衬底)的一部分通过窗口502可见。在一些实施方式中，衬底503被布置成使得可以通过窗口502(举非限制性示例而言，通过用户或诸如读取器***等检测装置)观察到横向流动测定或其他分析物检测测定的读出。在一些实施方式中，装置50还包括流体储存器504(举非限制性示例而言，包含流体体积的泡罩包装，举非限制性示例而言，其用作转移流体、洗涤流体和/或水化流体)，其被机械地致动以释放流体体积，用于将正被测试的流体样品从微流体芯片501的毛细通道移动到检测衬底503，如前所述。在图5A的实施方式中，泡罩包装的外表面被暴露。在一些实施方式中，泡罩包装除了小孔以外基本上被覆盖，以允许致动。在一些实施方式中，泡罩包装的配置用于防止使用者接近泡罩包装，以便最小化意外致动和破裂的可能性。图5B示出了用于同渗容摩和感兴趣的分析物的组合检测、或者同渗容摩和感兴趣分析物的分离检测的组装的微流体装置的实施方式。在该特定实施方式中，集成护套505保护微流体芯片的尖端、窗口和检测衬底，并且一旦将装置放置在笔型装置上并且准备好进行测试，就将集成护套505拉出。泡罩包装储存器506被保护以避免通过受胶囊(外壳)的使用者相互作用，但是胶囊/外壳孔507允许柱塞(未示出，举非限制性示例而言，在微流体装置50外部的适当尺寸的柱塞)使泡罩爆裂并且提供通过载体508内的微流体网络的压力驱动流，载体508通过压敏粘合剂510耦合到微流体同渗容摩芯片509。在一些实施方式中，胶囊翼511和凸缘512为相对的笔提供机械配合特征，而抓握特征513允许用户容易地将装置作为整体来抓握和处理。

在一些实施方式中，前述实施方式允许在具有最小的用户相互作用的同一平台上对同渗容摩和感兴趣的其他分析物二者进行定量。在一些实施方式中，本文描述的微流体装置以各种不同的形式提供，以便于样品收集和测量结果的读出。举非限制性示例而言，微流体装置被提供为与笔型装置结合使用的一次性单元。在一些实施方式中，笔装置成形用于接收和耦合微流体装置。在一些实施方式中，笔装置验证微流体装置并且向用户发送信号：微流体装置未被使用并准备好进行采样。在一些实施方式中，使用者移除保持采样尖端清洁的保护性护套，并且使用采样尖端从患者收集眼泪(举非限制性示例而言，从单只眼睛或从两只眼睛)。

在一些实施方式中，如本文所公开的***、装置和方法包括基部单元。在一些实施方式中，基部单元可逆地附接到微流体装置。在另外的实施方式中，可逆的附接选自以下的一种或多种：机械附接、流体连通以及电气或电子通信。在一些实施方式中，一旦样品收集完成，笔装置和耦合的微流体装置则对接到自动致动任何主动阀的基部单元(举非限制性示例而言，读取器装置)，以支持洗涤流体的释放和流动，并且继而执行分析物检测测定和/或生成记录的样品读数的读出。在其他实施方式中，一旦样品收集完成，笔装置和耦合的微流体装置则对接到自动降低柱塞以最终使泡罩包装破裂的基部单元(举非限制性示例而言，读取器装置)，这支持通过微流体回路的转移流体的释放和流动，并且继而执行分析物检测测定和/或生成记录的样品读数的读出。在一些实施方式中，使用者在泪液收集之后从笔装置移除微流体装置，并将微流体装置放置到基部单元中，其继而自动执行致动并显示样品读取结果。在这样的实施方式中，当基部单元执行感兴趣的分析物测定时，笔装置将记录的同渗容摩读数传送到基部单元(举非限制性示例而言，使用无线通信方法)。考虑到该***能够询问大量分析物，在一些实施方式中，一次性微流体装置包含诸如条形码或二维条形码等标记，其允许基部单元识别相关测定参数(作为非限制性实施方式，定时、强度、激发波长、发射波长或分析物的数目)，并执行适当的测定过程。在替代实施方式中，微流体装置本身提供由用户直接读取的感兴趣的分析物的半定量或定性光学读出。

在一些实施方式中，笔装置包括一旦已经收集足够体积的泪液就检测并向用户发出信号的机构(举非限制性示例而言，包括哔哔声等可听信号、包括光等视觉信号、包括振动等触觉信号)。在一些实施方式中，用户继而移除一次性微流体装置，手动按压泡罩以从泡罩释放流体，并且继而将微流体装置对接到基部单元中以供分析。

如本文描述的***、装置和方法与多种测定形式相兼容。测定的非限制性示例包括选自以下的一种或多种：基于酶联免疫吸附测定(ELISA)的测定、夹层ELISA、竞争性ELISA、基于纳米颗粒的检测、基于表面等离子体共振(SPR)的检测、电化学检测、色谱检测、流通测定、侧向流动等。在一些实施方式中，微孔衬底用于捕获洗涤流体，而测定反应在毛细通道内进行。举非限制性示例而言，在某些实施方式中，与具有附接的非特异性抗体的上游叉指电极阵列相比，在纳米颗粒聚集在毛细通道内的叉指电极阵列上时，进行对指示同渗容摩的阻抗和差分阻抗二者的测量。在其他实施方式中，在毛细通道内进行阻抗(同渗容摩)和电化学测量。在替代实施方式中，在毛细通道内进行指示同渗容摩的阻抗测量，并且微孔衬底充当侧向流动衬底以允许荧光检测。

在一些实施方式中，本文提供的衬底具有成形用于增加样品区域上的流动均匀化的几何形状，以最小化衬底不均匀性(举非限制性示例而言，来自制造过程的差异、衬底密度的局部各向异性)、堵塞(举非限制性示例而言，由于颗粒物质和生物交联积聚在衬底的孔内)以及/或者其他流体各向异性源的影响。在一些实施方式中，几何形状被设计成在检测衬底中生成具有增加的流动阻力的预定区域。通过以这种方式利用流动阻力，能够使用定时延迟、可预测的流动膨胀和/或流动收缩来确保任何纳米颗粒或生物交联被减少或消除，否则会导致样品区域的堵塞和不均匀润湿。在一些实施方式中，类似地，衬底被可操作地成形以促使流体从毛细通道转移到膜的至少一个特定区域，同时促使压力驱动的溢流被芯吸走而不是进入第二样品区域。在一些实施方式中，至少一个特定区域是第一样品区域或第二样品区域。在其他实施方式中，因为在泪液团块已经流过第一样品区域时，小体积的泪液可能不足以使硝化纤维膜内的抗体的高阻力柱再水化，所以衬底被可操作性地成形以允许转移流体在ELISA的反应成分之前优先流向下游，从而水化嵌入的捕获抗体。

图6A至图6E图示了根据许多实施方式的示例性检测衬底，其具有用于在流体沿流动方向横穿第二样品区域时实现基本各向同性(均匀)的流体前缘的几何形状。图6F至图6G示出了作为上游纳米颗粒分布的初始条件和所得未改性流的直接结果的不均匀且各向异性的纳米颗粒下游分布的非限制性示例。具体地，图6F示出了在中心线(图的底部)处点样的纳米颗粒如何垂直向上流动，同时通过防止纳米颗粒到达条纹捕获区域的边缘的较快移动的流体而聚集成中心痕迹。图6G示出了相反的示例，其中跨条纹的宽度点样的纳米颗粒被推到边缘，导致仅在条纹捕获区域的外边缘处存在信号。因此，图6A示出了使流向中间聚集的图案，因为存在比图案的长边缘上更小的阻力，这对于检测跨膜的整个宽度上条纹的纳米颗粒时是有用的：因为纳米颗粒增加了对流体路径的阻力，水平纳米颗粒的上游条纹倾向于使流体优先流向中间并且将纳米颗粒沉积在条纹的远边缘，因此，将流沿中间聚集有助于产生更均匀的流动轮廓。图6B示出了用于将流体推向边缘以补偿纳米颗粒沿着中间点样(或转移到膜上)的设计的特定实施方式。图6C至图6D示出了不同类型的流动控制结构的非限制性示例，其包括收缩部、膨胀部和下游阻力器，其通过改变横截面阻力而使流动更均匀。此外，图6C-图6D的这些结构的特征是下游阻力，其有助于平衡和防止随机不稳定性将流从膜的一侧移动到另一侧。当分析小样品体积时，这些方法是非常重要的，因为样品流前缘可能不允许可检测部分在没有引导的情况下跨流体通道或检测区均匀运送，因为许多时候，可检测部分随着样品流过膜而引入随时间和空间变化的阻力，特别是如果可检测部分使用纳米颗粒作为标记时。

关于图6A至图6E，在一些实施方式中，检测衬底是微孔膜或微孔衬底，如上所述。在一些实施方式中，衬底包括设计用于产生流动限制的一个或多个几何形状。这些几何形状通过各种方法制造，举非限制性示例而言，冲孔、加热、铭刻、蜡沉积、抗体或其他蛋白质沉积、高阻聚合物或无机化合物的共价附着或激光图案化。在图6A至图6E的描绘中，流体流被设计成使样品体积迁移通过衬底(从底部到顶部)，以便在限制增加流动均匀化之后利用入口区域效应和流动扩展。例如，图6A的衬底包括靠近衬底中间的一系列平行细长孔。当从基板的边缘移动到中心时，孔的长度减小。图6B的衬底类似于图6A的衬底，除了当从衬底的边缘移动到中心时孔的长度增加。图6C的衬底包括以网格图案布置的多个小开口。图6D的衬底形成为沙漏形，使得衬底的中心部分显著窄于端部。图6E的衬底在中心部分包括椭圆形孔，使得衬底的上端通过两个相对窄的材料条而接合到衬底的下端。

本文提供的某些实施方式还使其自身进行流动聚集以允许每个膜内的平行样品区域。图6D和图6E的实施方式包括在衬底的上部中的一系列平行通道，其适于并行样品处理。在一些实施方式中，这些通道被设计用于利用在样品体积通过限制区域到达衬底的膨胀区域之后发生的增加的流动均匀化。

在一些实施方式中，所使用的流体体积非常小，如上所述。在另外的实施方式中，流体体积包括选自以下的一种或多种：样品流体体积、洗涤流体体积和转移流体体积。因此，在各种实施方式中，一个或多个附加特征被集成到毛细通道和/或检测衬底中以控制流动并准确地计量样品。这种特征的非限制性示例是毛细通道内的表面能的高空间频率变化，已知它们充当在蒸发期间改变后退弯月面的形状的减速块，有效地减慢了流体体积的运动。类似地，在一些实施方式中，将蛇形通道或其他延迟图案化到检测衬底中以调节测定定时和提高测定灵敏度(举非限制性示例而言，较慢的流动导致在样品区域上较长的反应时间)。

在特定实施方式中，图7示出了根据许多实施方式的影响流体定时延迟的检测衬底图案的实施方式。在一些实施方式中，检测衬底是微孔膜或微孔衬底，如上所述。在一些实施方式中，检测衬底的几何形状被设计成影响定时延迟的长度，从而提供对各种测定参数的控制。例如，衬底700、701、702和703表现出减少量的蛇形通道结构，其中衬底700具有最多的蛇形结构，衬底703没有蛇形结构。衬底中的蛇形结构的量影响通过衬底的流体流动被延迟的量，如染料前缘704、705、706、707在其各自衬底700、701、702和703上前进的不同程度所证明的。值得注意的是，高蛇形衬底700表现出流体流动的最大时间延迟，而线性衬底703表现出流体流动的最小延迟。

在特定实施方式中，图8示出了结合到具有集成阻抗电极的聚碳酸酯微流体芯片的微孔硝化纤维聚合物800(虚线)的优选实施方式。在该实施方式中，在尖端处收集数纳升的泪液时，首先分析泪液的泪液同渗容摩，如图8A所示。在相同的实施方式中，经由计算机控制的步进电机驱动的柱塞(未示出)，泡罩包装储存器的随后致动产生空气脉冲，该空气脉冲将泪液从收集通道801推过被动阀802(通气阀)，到微孔硝化纤维膜上，该微孔硝化纤维膜被图案化成具有舌结构803(基本上下降到被动阀802的顶部)，如图8B所示。图8C示出了在初始泡罩储存器致动之后但在破裂之前完全芯吸到微孔膜上的泪液样品804。在该特定实施方式中，在等待泡罩破裂和运行缓冲液流动以驱动图8D中的测定时，泪液样品与包括抗体功能化荧光铕螯合物纳米颗粒(利用红色长通滤波器，在紫外(UV)照射下显示)的检测器复合物一起培养。在泡罩破损之后，缓冲液行进穿过微通道805，向下通过尖端阀806，返回通过通道801，向上通过通气阀802，到舌803上，从而触发反应的纳米颗粒/泪液复合物在第二样品区域807上的流动，如图8E所示。在该实施方式中，缓冲器在提供侧向流动反应的同时积聚在通气阀和舌的顶部，产生由四个照明光的透镜反射所示的流体的圆顶808。在该实施方式中，微孔衬底被图案化为具有与阀802相邻的溢流通道809。在一些实施方式中，溢流通道809帮助减轻流体圆顶在横向流动测定上构建并且达到顶点的风险，提供用于流体的短路路径以使流体在膜上而不是通过膜移动。图8F示出了完成的测定的结果，其中反应的纳米颗粒/泪液复合物810的初始团块已扩展以匹配微孔膜结构的轮廓。在一些实施方式中，团块810的厚度由点样在微孔膜上的纳米颗粒的初始浓度、分布、电荷密度、交联状态和体积来控制。在一些实施方式中，通过配置第二样品区域以仅询问可用总体积的子集，测定使得点811的强度相对地与体积无关。在一些实施方式中，在测定线性限制内，泪液中分析物的浓度越高，点811的强度越高，并且浓度越低，强度越低。

图9图示了结合到具有如图9A所示的集成阻抗电极的聚碳酸酯微流体芯片901的硝化纤维聚合物900(虚线)的优选实施方式。在最左侧尖端902收集数纳升的泪液时，在图9B中的通道903中首先分析泪液的泪液同渗容摩。经由计算机控制的、步进电机驱动的柱塞(未示出)对泡罩包装储存器的随后的致动产生了空气脉冲，该空气脉冲沿着通道904行进，通过尖端阀905，推动泪液从被动通气阀906经过，并到达微孔膜上，该微孔膜被图案化成具有舌结构907，其通过从载体塑料外壳(未示出)的顶部向下发出的聚碳酸酯指状突出而基本上压入通气阀的顶部中，导致如图9C所示的初始样品转移。在图9所示的该特定实施方式中，抗体功能化Eu螯合纳米颗粒在运行测定之前被包括在通气阀906中，而不是在硝化纤维膜上，以允许泪液和纳米颗粒在收集通道中培养。如图9C所示，多重的点样的捕获抗体908产生流体阻力，该流体阻力防止小的纳升体积的流体有效地再水化样品区域。在图9D中，这也在红色滤波的UV照射下看到，其中纳米颗粒909的发光被有效地从捕获抗体点排除。由于感兴趣的分析物信号的整体被包含在初始的流体团块内，所以下游流体收缩910产生下游阻力的增加，其导致样品流体优先流过捕获点而不是捕获点周围，因为捕获点现在比通过通道中心的阻力更低，有助于色谱测定，其中纳米颗粒流过捕获抗体，如图9E所示。在图9F中看到多重结果911，作为夹层免疫测定在样品流体流过时捕获样品流体内的感兴趣的一系列检测结合复合物的分析物的结果。另外，围绕测定通道的溢流通道912吸收过量流体，以防止缓冲液的圆顶在微孔衬底的顶部上流动，并且给运行缓冲液提供除了通过第二样品区域之外的最小阻力的路径。

在一些实施方式中，选自以下的两种元件彼此流体连通：毛细通道、检测衬底、微孔衬底、胶囊、毛细芯片、由胶囊的内壁限定的腔、储存器、流体地连接到检测衬底的通路、阀、垂直入口和入口。

在一些实施方式中，本文公开的***、装置和方法包括泡罩包装或其使用。在一些实施方式中，泡罩包装包括至少一个被配置用于在其中保持流体体积的封闭和密封的体积。在一些实施方式中，当致动元件被应用于泡罩包装时，封闭在泡罩包装内的流体体积以预定方式释放。在一些实施方式中，致动元件在如本文所公开的装置、***的外部或内部。在一些实施方式中，泡罩内的流体体积足以洗涤如本文所公开的装置或***内的第一样品区域、第二样品区域或者一个或多个元件。在一些实施方式中，泡罩内的流体体积足以将样品流体转移到本文公开的装置或***内的第一样品区域、第二样品区域或者一个或多个元件，使得***或装置基于由其转移的样品流体而生成有效的第一样品读数或有效的第二样品读数。在一些实施方式中，泡罩内的流体体积在约10nL至约50μL的范围内，或在约50nL至500nL的范围内。在一些实施方式中，流体体积在以下任意两个之间的范围内：约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL、约10μL、约11μL、约12μL、约13μL、约14μL、约15μL、约16μL、约17μL、约18μL、约19μL、约20μL、约21μL、约22μL、约23μL、约24μL、约25μL、约26μL、约27μL、约28μL、约29μL、约30μL、约31μL、约32μL、约33μL、约34μL、约35μL、约36μL、约37μL、约38μL、约39μL、约40μL、约41μL、约42μL、约43μL、约44μL、约45μL、约46μL、约47μL、约48μL、约49μL或约50μL。在一些实施方式中，流体体积不大于约20μL、约250nL、约200nL或约50nL。流体体积不大于约10nL、约20nL、约30nL、约40nL、约50nL、约60nL、约70nL、约80nL、约90nL、约100nL、约150nL、约200nL、约250nL、约300nL、约400nL、约500nL、约600nL、约700nL、约800nL、约900nL、约1μL、约2μL、约3μL、约4μL、约5μL、约6μL、约7μL、约8μL、约9μL、约10μL、约11μL、约12μL、约13μL、约14μL、约15μL、约16μL、约17μL、约18μL、约19μL、约20μL、约21μL、约22μL、约23μL、约24μL、约25μL、约26μL、约27μL、约28μL、约29μL、约30μL、约31μL、约32μL、约33μL、约34μL、约35μL、约36μL、约37μL、约38μL、约39μL、约40μL、约41μL、约42μL、约43μL、约44μL、约45μL、约46μL、约47μL、约48μL、约49μL或约50μL。

在一些实施方式中，如本文所公开的***、装置和方法包括接口。在另外的实施方式中，接口位于第一样品区域与第二样品区域之间。在更进一步的实施方式中，接口被配置用于使样品流体与之相互作用的裸膜的量最小化。在一些实施方式中，接口被成形和定位以便使样品流体与之相互作用的裸膜的量最小化。

因此，在一些实施方式中，本公开内容提供了促进将微流体泪液收集和感兴趣的分析物的生物测定集成到单个接收装置中的***、方法和装置。本文描述的集成装置的各种实施方式允许纳升级泪液收集、泪液的精确计量、促进泪液同渗容摩测量的流体运动延迟、用检测缀合物培养眼泪、定时将数纳升的流体转移到样品区域、和/或支持对多种感兴趣的分析物进行由泡罩致动的洗涤和光学定量的特征。在一些实施方式中，这些分析的结果被应用于治疗和监测多种眼部症状，诸如干眼病、青光眼、糖尿病性视网膜病变、过敏症、圆锥形角膜、黄斑变性或其他眼部疾病。举非限制性示例而言，使用本文所述方法生成的样品读数用作调整各种眼部症状的治疗计划的基础。

本文所用的A和/或B包括A或B中的一个或多个及其组合，诸如A和B。

在提供值的范围时，应当理解，除非上下文另有明确说明，否则在该范围的上限和下限之间的每个中间值至下限单位的十分之一、以及任何其他规定的或在规定范围内的中间值包括在本文提供的公开内容中。在一些实施方式中，这些较小范围的上限和下限独立地包括在较小范围内，并且也包括在本公开内容中，服从规定范围中任何具体排除的限制。当规定范围包括一个或两个限制时，排除那些所包括的限制中的任一个或两个在外的范围也包括在本文提供的公开内容中。

在一些实施方式中，范围在本文中表示为从“约”一个特定值、和/或至“约”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一实施方式包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个实施方式。还应当理解，每个范围的端点相关于另一个端点以及独立于另一个端点都是重要的。本文使用的术语“约”是指在特定使用的上下文内与所规定的数值相加或减去10％的范围。

除非另有说明，否则以任何顺序执行当前描述的方法和过程。举非限制性示例而言，在一些实施方式中，以首先进行步骤(a)，然后进行步骤(b)，继而进行步骤(c)，来执行描述步骤(a)、(b)和(c)的方法。或者，在一些实施方式中，以不同的顺序执行该方法，例如，举非限制性示例而言，首先是步骤(b)，然后是步骤(c)，继而是步骤(a)。另外，在一些实施方式中，这些步骤同时或分开进行，除非另有具体说明。

根据本公开内容对于本领域技术人员将显而易见的是，本公开内容的任何设备、装置、***及其部件的具体尺寸可以根据预期应用而容易地变化。此外，应当理解，本文描述的示例和实施方式仅用于说明目的，并且据此可以对本领域技术人员提出各种修改或改变，并且所述修改或改变包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。本文描述的实施方式的许多不同组合是可能的，并且这样的组合被认为是本公开内容的一部分。另外，结合本文的任何一个实施方式讨论的所有特征可以容易地适用于本文的其他实施方式。对不同实施方式中的类似特征的不同术语或参考标号的使用不一定暗示除了明确阐述的那些特征之外的差别。

除非另有定义，本文使用的所有技术术语全都具有与本发明所属领域普通技术人员所通常理解的相同的含义。在本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。本文对“或”的任何提及都旨在包含“和/或”，除非另有说明。如本说明书和权利要求书中所使用的，除非另有说明，术语“约”或术语“大约”是指取决于实施方式的+/-1％、+/-2％、+/-3％、+/-4％、+/-5％、+/-6％、+/-7％、+/-8％、+/-9％、+/-10％、+/-11％、+/-12％、+/-14％、+/-15％、+/-16％、+/-17％、+/-18％、+/-19％、+/-20％、+/-22％、或+/-25％的变化。举非限制性示例而言，取决于实施方式，约100米表示95米至105米、90米至110米或85米至115米的范围。

实施例1

本实施例描述了能够测量小体积的流体样品中的同渗容摩和感兴趣的分析物的量的装置的操作。

如上文结合图8和图9所述构造和操作该装置。如图8所示，将大约150nL人泪液掺入250ng/mL的IgE，施加到组装的装置的流体入口。组装的装置将流体芯吸到毛细管中，同时询问样品的阻抗和温度。样品的引入导致阻抗的急剧减小，触发计算机程序开始降低柱塞以使安设在组装的装置的胶囊/外壳内的泡罩包装储存器破裂。一旦泡罩破裂并且转移液体行进通过***，出现直径36个像素的点，其平均8位强度为52.74，而相同点的上游下游背景平均分别显示为28.14和20.23，导致来自红色通道的最终信号为52.74-((28.14+20.23)/2)＝28.56。使用100ng/mL掺杂的IgE的等效设置导致点强度为34.12，上游背景平均为28.88，并且下游强度为21.71，得到最终信号为34.12-((28.88+21.71)/2)＝8.83，而健康的未掺杂的对照泪液样品导致21.91的点强度，23.46的上游背景和19.03的下游背景，导致21.91-((23.46+19.03)/2)＝0.67的最终信号。250ng/mL的信噪比为42.3，而100ng/mL样品的信噪比为13.2。该实验展示了在非常小的样品体积中检测和定量感兴趣的分析物。虽然所述装置也能够测量同渗容摩，但预期所述装置可配置用于测量测试样品中的一种或多种感兴趣的分析物的存在和/或量。

虽然本文示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例方式提供。本领域技术人员现将想到不偏离本发明的多种变化、改变和替换。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用针对本文所述发明的实施方式的各种替代方案。意在使以下权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求的范围内的方法和结构及其等同物。

出于所有目的，通过引用将本文涉及的每个专利文献和科技文献的全部公开内容并入本文。

在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，前述实施方式在所有方面都被认为是说明性的而不是限制本文所描述的本发明。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述指示，并且旨在使落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化包括在其中。

Claims (49)

1.一种用于分析流体样品的装置，所述装置包括：

(a)成形用于接收一定体积的流体样品的尖端；

(b)包括第一阀、与来自所述尖端的水平的所述流体样品流相邻并且位于所述尖端之后的垂直入口；

(c)位于所述第一阀之后的第一样品区域，其中所述第一样品区域与所述尖端流体连通，并且包括至少一个换能器，所述至少一个换能器被配置用于检测所述流体样品的能量特性，以便生成第一样品读数，其中所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩；

(d)与所述垂直入口流体连通的流体储存器，其中所述流体储存器包含转移流体；

(e)第二阀，其防止流体从所述第一样品区域过早地流至第二样品区域；以及

(f)第二样品区域，其中所述第二样品区域与所述第一样品区域流体连通并且被成形用于接收所述流体样品的至少一部分，其中所述第二样品区域包括检测衬底，所述检测衬底被配置用于检测所述流体样品中的一种或多种分析物，以便生成第二样品读数，其中所述转移流体从所述储存器引入所述第一样品区域使得所述流体样品的所述至少一部分从所述第一样品区域移动到所述第二样品区域。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述第二阀为被动阀，其控制从所述第一样品区域到所述第二样品区域的流体流动。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一阀为被动阀。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述被动阀包括一个或多个几何特征，该一个或多个几何特征约束进入所述第二样品区域中的所述流体样品的流动。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述第二阀为主动阀。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述主动阀包括具有疏水涂层的电极，其中对所述电极施加电压导致所述疏水涂层溶解，从而允许所述流体样品的所述至少一部分流动到所述第二样品区域。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述疏水涂层包含烷基硫醇自组装单层。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述第一样品区域包括毛细通道，其与所述第二样品区域流体连通。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述毛细通道的至少一个壁包括压敏粘合剂层。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述压敏粘合剂层与所述流体样品的所述至少一部分相互作用，以便延迟所述流体样品的所述至少一部分通过所述毛细通道的流动。

11.如权利要求8-10中任一项所述的装置，其中所述至少一个换能器位于所述毛细通道的壁上。

12.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述流体样品包括泪液。

13.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的存在或浓度。

14.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述体积在10nL至10μL的范围内。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述体积在50nL至250nL的范围内。

16.如权利要求11所述的装置，其中所述体积在以下的任意两个之间的范围内：10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、400nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1μL、2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL或10μL。

17.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述体积不大于20μL。

18.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述体积不大于250nL。

19.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述的体积不大于200nL。

20.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述的体积不大于50nL。

21.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述的体积不大于10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、400nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1μL、2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL或10μL。

22.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述流体储存器通过微流体通道与所述第一样品区域连接。

23.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述检测衬底包括微孔衬底，并且在操作期间，所述流体样品的所述至少一部分横穿所述微孔衬底。

24.如权利要求23所述的装置，其中所述微孔衬底的几何形状被配置为：当所述流体样品的所述至少一部分沿流动方向横穿所述微孔衬底时，该几何形状促进基本均匀的流体前缘。

25.如权利要求24所述的装置，其中所述微孔衬底具有沙漏形的几何形状。

26.如权利要求24所述的装置，其中所述微孔衬底包括(a)中心椭圆形孔或(b)多个孔以促进所述基本均匀的流体前缘。

27.如权利要求22所述的装置，其中所述转移流体可释放地包含于所述流体储存器中。

28.如权利要求27所述的装置，其中所述转移流体通过泡罩包装可释放地包含于所述流体储存器中。

29.如权利要求27所述的装置，还包含机械致动器，当其被致动时，将所述转移流体从所述储存器释放。

30.一种用于分析流体样品的方法，所述方法包括：

(a)通过尖端将一定体积的所述流体样品引入微流体装置的第一样品区域，其中所述尖端成形用于接收所述体积的所述流体样品，其中所述微流体装置包括垂直入口，所述垂直入口包括第一阀，所述垂直入口与来自所述尖端的水平的所述流体样品流相邻并且位于所述尖端之后，并且其中所述第一样品区域位于所述第一阀之后；

(b)使用至少一个换能器检测所述第一样品区域处的所述流体样品的能量特性，从而生成第一样品读数，其中所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩；

(c)使用第二阀来防止流体从所述第一样品区域过早地流至第二样品区域

(d)将转移流体引入所述第一样品区域，以使得所述流体样品的至少一部分从所述第一样品区域移动到所述第二样品区域，其中所述转移流体是从流体储存器引入，所述流体储存器与所述第一样品区域通过所述垂直入口流体连通；

(e)允许所述流体样品的所述至少一部分流动到所述第二样品区域；以及

(f)使用检测衬底检测所述第二样品区域处的所述流体样品的所述至少一部分中的一种或多种分析物，从而生成第二样品读数。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述第二阀为被动阀。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述被动阀包括一个或多个几何特征，该一个或多个几何特征约束进入所述第二样品区域的流体流动。

33.如权利要求30所述的方法，其中所述第二阀为主动阀。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述主动阀包括具有疏水涂层的电极，并且其中向所述电极施加电压导致所述疏水涂层溶解，从而允许流体流动至所述第二样品区域。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述疏水涂层包含烷基硫醇自组装单层。

36.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述第一样品区域包括毛细通道，其与所述第二样品区域流体连通。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述毛细通道的至少一个壁包括压敏粘合剂层。

38.如权利要求37所述的方法，其中所述压敏粘合剂层与安设在所述毛细通道内的流体相互作用，以延迟通过所述毛细通道的流体流动。

39.如权利要求36所述的方法，其中所述至少一个换能器位于所述毛细通道的壁上。

40.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述流体样品包括泪液。

41.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述第二样品读数指示所述流体样品中的所述一种或多种分析物的浓度。

42.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述体积在10nL至10μL的范围内。

43.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述体积在50nL至250nL的范围内。

44.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述体积不大于20μL，不大于250nL，不大于200nL，或者不大于50nL。

45.如权利要求30-35中任一项所述的方法，其中所述检测衬底包括微孔衬底，并且所述流体样品的所述至少一部分横穿所述微孔衬底。

46.如权利要求45所述的方法，其中所述微孔衬底的几何形状被配置为：当所述流体样品的所述至少一部分沿流动方向横穿所述微孔衬底时，该几何形状促进基本均匀的流体前缘。

47.如权利要求46所述的方法，其中所述微孔衬底具有沙漏形的几何形状。

48.如权利要求46所述的方法，其中所述微孔衬底包括(a)中心椭圆形孔或(b)多个孔以促进所述基本均匀的流体前缘。

49.一种测量泪液样品中的分析物的同渗容摩和浓度的方法，所述方法包括：

(a)通过分析装置的尖端将泪膜样品置于所述分析装置的第一样品区域中，所述第一样品区域被成形用于接收所述泪膜样品，并且包括至少一个换能器，所述至少一个换能器被配置用于检测所述泪膜样品的能量特性，以便生成第一样品读数，其中所述尖端成形用于接收一定体积的所述样品，其中所述分析装置包括垂直入口，所述垂直入口包括第一阀，所述垂直入口与来自所述尖端的水平的所述流体样品流相邻并且位于所述尖端之后，并且其中所述第一样品区域位于所述第一阀之后；

(b)使用所述至少一个换能器检测所述第一样品区域内的泪膜样品的能量特性，从而生成第一样品读数，其中所述第一样品读数指示所述流体样品的同渗容摩；

(c)使用第二阀来防止流体从所述第一样品区域过早地流至第二样品区域

(d)将转移流体引入所述第一样品区域，以使得所述流体样品的至少一部分从所述第一样品区域移动到所述第二样品区域，其中所述转移流体是从流体储存器引入，所述流体储存器与所述第一样品区域通过所述垂直入口流体连通；

允许所述泪膜样品的所述至少一部分流动到所述分析装置的第二样品区域，其中第二样品区域与所述第一样品区域流体连通并且被成形用于接收所述泪膜样品的至少一部分，其中所述第二样品区域包括检测衬底，所述检测衬底被配置用于检测所述泪膜样品中的一种或多种分析物，以便生成第二样品读数；以及

(d)使用所述检测衬底检测所述第二样品区域内的所述泪膜样品的至少一部分中的一种或多种分析物，从而生成第二样品读数。

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