專利名稱：：血管內(nèi)葡萄糖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖的傳感器以及一種血管內(nèi)測量葡萄糖的方法。
背景技術(shù)：
：術(shù)后患者利用“嚴格血糖控制”(TCG)的治療，即治療補償臨時胰島素抵抗，在患者預后方面已經(jīng)產(chǎn)生明顯的改進。通過將相同程度的患者護理應(yīng)用于非手術(shù)、內(nèi)科I⑶患者以及其他患者能夠看出類似的益處。許多醫(yī)院已經(jīng)試圖通過強化胰島素治療(“IIT”)進行TGC。采用TGC/IIT最大的阻力是缺乏滿足消費者嚴格控制、便于使用、自動監(jiān)測以及隨之產(chǎn)生的勞力問題的需求的合適技術(shù)。因為需要頻繁地測量以預防低血糖和不良預后的風險，所以利用間歇式的技術(shù)將患者的葡萄糖含量保持在目標范圍內(nèi)是困難的。雖然已經(jīng)廣泛被采用，TGC的實施對于醫(yī)院仍是有問題的；目前葡萄糖的監(jiān)測主要利用手指穿刺和血糖儀由護理人員手動進行，由此僅提供準確性有限(對于95%的測量通常為±20%)的間歇式數(shù)據(jù)。為了避免頻繁取血樣的需求，已經(jīng)開發(fā)了許多測量組織間隙液中而不是血液中的葡萄糖的傳感器。然而，當與在全血中測量的生理響應(yīng)時間相比較時，這些傳感器通常表現(xiàn)出對葡萄糖的長生理響應(yīng)時間。另外，中風的患者，特別是那些重癥特別護理的患者，非常頻繁地經(jīng)受不理想的外周灌注，由此全血葡萄糖濃度的變化不容易傳遞到間隙液中。非侵入性傳感器正在開發(fā)中并且將通常用于測量組織中的葡萄糖，由此具有相同的缺點。非侵入性葡萄糖傳感的開發(fā)也已經(jīng)充滿大量的技術(shù)挑戰(zhàn)。一些葡萄糖傳感器的開發(fā)者已經(jīng)采取體外方式，其中從患者取血樣然后流過置于患者體外的傳感器，并且然后沖洗到廢棄物中或返回患者體內(nèi)。這充其量是快速的測量葡萄糖的間歇式手段，且具有累計使用大體積的患者血液的缺點。在這種技術(shù)中，保持無菌和血液出入導管通暢也是有問題的。在二十世紀80年代至90年代，隨著用于血管內(nèi)連續(xù)測量血液氣體即氧氣、二氧化碳以及PH的多參數(shù)光學傳感器的開發(fā)，明確了血管光學傳感器的構(gòu)型。這些針對血液氣體的平衡型受體為基于吸收或熒光強度的指示劑。這些傳感器遭受隨著延長的時間段它們的信號漂移并且通常需要在使用前即時校準。雖然這些血液氣體傳感器的普通光學構(gòu)型通過利用合適的葡萄糖受體化學品適合用于葡萄糖傳感，但仍然有傳感器漂移和需要校準的問題。因此，存在對一種克服傳感器漂移的困難并且理想地不需要由終端用戶校準的全血葡萄糖傳感器的需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，其中，所述傳感器設(shè)置用于通過監(jiān)測熒光團的壽命測量葡萄糖濃度，所述傳感器包括指示劑系統(tǒng)，包括用于選擇性地結(jié)合至葡萄糖的受體以及與所述受體關(guān)聯(lián)的熒光團，其中所述突光團的壽命小于IOOns；光源；光學纖維，設(shè)置用于將光從所述光源導至所述指示劑系統(tǒng)上；檢測器，設(shè)置用于接收從所述指示劑系統(tǒng)發(fā)出的熒光；以及信號處理器，設(shè)置用于基于至少所述檢測器的輸出信號測定與所述熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。因此，本發(fā)明的傳感器通過測定熒光團的熒光壽命的變化來測定血流中的葡萄糖濃度。指示劑的熒光壽命是固有性質(zhì)，與光源強度、檢測器靈敏度、光學系統(tǒng)(例如光學纖維)的光通量、固定化傳感厚度以及指示劑濃度的變化無關(guān)。另外，測量熒光強度時轉(zhuǎn)化為信號漂移的熒光團的光漂白比在測量熒光壽命時重要性小很多。這意味著與基于強度的測量相比，測量熒光壽命時不需要補償這些可變因素。因此對于這種器件的終端用戶，這意味著不需要校準或再校準。因此就傳感器的性能、校準和便于終端用戶使用方面來講，相對于基于強度的測量，葡萄糖的壽命測量具有明顯的益處。然而，目前開發(fā)實際可用的壽命測量器件存在相當大的阻礙。精確測量熒光壽命所需的儀器目前是昂貴且龐大的。使用長壽命(>100ns)熒光金屬-配體/硼酸絡(luò)合物作為用于光學測量葡萄糖的指示劑能夠有助于使用小的、低成本的儀器，例如用于激發(fā)的發(fā)光二極管、光電二極管檢測器、相位突光計和查找表(lookuptable)。然而,將這種長壽命熒光團用于測量葡萄糖存在問題。長壽命熒光團總是與氧氣進行碰撞熒光淬滅，且淬滅的程度正比于未淬滅的壽命。具有長熒光壽命的金屬配體絡(luò)合物通常用于氧氣的檢測和測定。因此當將這些長壽命指示劑用于監(jiān)測組織、間隙液或血液或一些其他體液中的葡萄糖時氧氣被看作干擾物(interferent)。然而，本發(fā)明通過提供一種能夠使用小的、低成本的儀器測量壽命短于IOOns的傳感器來解決這些問題。由此，本發(fā)明使在適合于醫(yī)院環(huán)境中的臨床醫(yī)生使用且消除或減小了氧氣敏感性的困難的器件中能夠得到壽命測量的益處。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，檢測器為單光子雪崩光二極管。在這種實施方式的一個方面，由光源發(fā)出的光的強度以第一頻率調(diào)制，且對單光子雪崩光二極管施加的偏壓以不同于第一頻率的第二頻率調(diào)制。所述偏壓高于單光子雪崩光二極管的擊穿電壓。偏壓的這種選擇是指不僅保持了檢測器的單光子敏感性，而且具有能夠使用外差測量方法的優(yōu)點。換句話說，由單光子雪崩光二極管產(chǎn)生的值得關(guān)注的測量信號處于對應(yīng)于第一和第二頻率之差的頻率。所述第一頻率和第二頻率可以在IMHz量級或高很多的量級，但是可以選擇從而使它們的差為例如在數(shù)十kHz的量級。因此，測量電子元件的操作帶寬能夠比第一和第二調(diào)制頻率低很多，從而能實現(xiàn)更簡單的設(shè)計并對噪音敏感性更低。進一步有利的方面是在所述光源的調(diào)制信號中引入一系列的附加相位角(相位移)。然后能夠得到使測量信號的調(diào)制深度與引入的相位角相關(guān)的一系列測量。分析這些結(jié)果能夠改進發(fā)光壽命測量的整體精確性。本發(fā)明還提供一種血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的方法，包括將本發(fā)明的傳感器的指示劑系統(tǒng)插入靜脈或動脈內(nèi)；使來自光源的入射光經(jīng)由光學纖維傳至所述指示劑系統(tǒng)；使用檢測器接收所述指示劑系統(tǒng)響應(yīng)從所述光源入射到所述指示劑系統(tǒng)上的光而發(fā)出的熒光，并且產(chǎn)生輸出信號；以及基于至少所述檢測器的輸出信號測定與熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。圖I和圖Ia描述了根據(jù)本發(fā)明的傳感器；圖2示意性地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式；圖3是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的葡萄糖濃度測量方法的流程圖。具體實施方式如本文所用，術(shù)語烷基或亞烷基為直鏈或支鏈的烷基基團或部分。亞烷基部分可以，例如，包含I15個碳原子，例如Ch2亞烷基部分、Cm亞烷基部分或Cy亞烷基部分，例如亞甲基、亞乙基、正亞丙基、異亞丙基、正亞丁基、異亞丁基以及叔亞丁基。CV4燒基通常為甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基或叔丁基。為免生疑問，在存在兩個燒基基團或亞燒基部分的情況下，該烷基基團或亞烷基部分可以相同或不同。烷基基團或亞烷基部分可以是取代或未取代的，例如，它可以具有一個、兩個或三個選自氫*、輕基、氣基、(Cp4燒基)氣基、_.(Cp4燒基)氣基以及Cp4燒氧基的取代基。優(yōu)選上述烷基基團或亞烷基部分是未取代的。如本文所用，術(shù)語芳基或亞芳基指可以是單環(huán)或多環(huán)的C6_14芳基基團或部分，例如苯基、萘基以及芴基，優(yōu)選苯基。上述芳基基團可以是未取代的或是在任何位置取代的。通常，它具有O、I、2或3個取代基。芳基基團上優(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C1^15烷基)、羥基、Cw5烷氧基，并且其中取代基自身是未取代的。如本文所用，雜芳基基團通常為包含選自0、S以及N的至少一個雜原子，例如包含1、2或3個雜原子的514元芳香環(huán),例如510元環(huán),更優(yōu)選5或6元環(huán)。實例包括噻吩基(thiophenyl)、呋喃基、吡咯基以及吡啶基。雜芳基基團可以是未取代的或在任何位置被取代的。除非另做說明，它具有0、1、2或3個取代基。雜芳基基團上優(yōu)選的取代基包括上文列出的與芳基基團相關(guān)的那些基團。本發(fā)明提供一種傳感器以及一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的測量技術(shù)。本發(fā)明的傳感器基于設(shè)置用于將光導至指示劑系統(tǒng)上的光學纖維。將指示劑系統(tǒng)提供在通常包含在池(cell)的傳感區(qū)內(nèi)，該池在光學纖維的遠端內(nèi)或連在光學纖維的遠端上。在使用中，纖維的末端插入到血管內(nèi)，從而使指示劑系統(tǒng)定位于血流中。葡萄糖能夠進入傳感區(qū)，因此與指示劑系統(tǒng)快速接觸。在葡萄糖與指示劑系統(tǒng)接觸時，受體和葡萄糖分子之間發(fā)生結(jié)合。結(jié)合到受體的葡萄糖分子的存在引起指示劑系統(tǒng)的熒光壽命的變化。由此，監(jiān)測指示劑系統(tǒng)中熒光團的壽命提供結(jié)合到受體的葡萄糖的量的指證。通過監(jiān)測壽命衰減測量葡萄糖的濃度之前已經(jīng)由Lakowicz在AnalyticalBiochemistry294，154-160(2001)中描述了。其中描述了通過相位調(diào)制測量，但是相位調(diào)制和單光子計數(shù)技術(shù)兩者都適合本發(fā)明使用。優(yōu)選相位調(diào)制。指示劑系統(tǒng)包含選擇性地結(jié)合至葡萄糖的至少一種受體以及與受體關(guān)聯(lián)的熒光團。當葡萄糖結(jié)合到受體時，熒光團的熒光衰減壽命改變，這允許通過監(jiān)測熒光團的壽命檢測葡萄糖。在一種實施方式中，受體和熒光團彼此共價結(jié)合。用于葡萄糖的合適的受體為包含一個或多個，優(yōu)選兩個硼酸基的化合物。在具體的實施方式中，受體為式(I)的基團山B(OH)2\(oym\--L-2Li其中，m和η相同或不同，并且通常為一或二，優(yōu)選一；Sp為脂族間隔基，通常為亞烷基部分，例如C1-C12亞烷基部分，例如C6亞烷基部分；并且LI和L2表示連到其他部分，例如連到熒光團上的可能的點。例如LI和L2可以表示連接到官能團的亞烷基、亞烷基-亞芳基或亞烷基-亞芳基-亞烷基部分。假設(shè)在沒有連到另一部分的情況下，官能團被保護或被氫原子取代。用于LI和L2的常規(guī)亞烷基基團為C1-C4亞烷基基團，例如亞甲基和亞乙基，特別是亞甲基。典型的亞芳基基團為亞苯基基團。官能團通常為任何能夠與例如熒光團或水凝膠反應(yīng)形成鍵的基團，例如酯、酰胺、醛或疊氮化物。在指示劑系統(tǒng)中，受體通常經(jīng)由這些官能團中的一種或多種與熒光團連接并且可選地與載體結(jié)構(gòu)例如水凝膠連接。改變間隔基Sp的長度能改變受體的選擇性。通常，C6-亞烷基鏈提供對葡萄糖具有良好的選擇性的受體。這些受體進一步的細節(jié)可以在US6387672中查到，其內(nèi)容通過整體引用并入本文中。式(I)和(II)的受體能夠通過已知的技術(shù)制備并且它們合成的細節(jié)能夠在US6387672中查到。應(yīng)當理解本發(fā)明不限于上文描述的具體的受體，因此其他受體，特別是具有兩個硼酸基的那些受體也可以在本發(fā)明中使用。合適的熒光團實例包括蒽、芘及其衍生物，例如在GB0906318.I中描述的衍生物，其內(nèi)容通過整體引用并入本文中。熒光團通常為非金屬的。熒光團通常為非內(nèi)源性的。熒光團的壽命通常為IOOns或更短，例如30ns或更短。壽命可以為Ins或更長，例如IOns或更長，例如20ns或更長。合適熒光團的具體的實例為典型壽命為IIOns的蒽和芘的衍生物以及典型壽命為1030ns的吖啶酮和喹吖啶酮的衍生物。受體與熒光團通常彼此結(jié)合以形成受體-熒光團結(jié)構(gòu)體，例如US6387672中所述。這種結(jié)構(gòu)體可進一步結(jié)合到諸如聚合物基體等載體結(jié)構(gòu)，或它可以物理地埋入探針內(nèi)，例如埋入聚合物基體內(nèi)或被葡萄糖可滲透的膜捕獲。水凝膠(高度親水的交聯(lián)的聚合物基體，例如交聯(lián)的聚丙烯酰胺)是合適的聚合物基體的實例。在優(yōu)選的實施方式中，受體-熒光團結(jié)構(gòu)體例如經(jīng)由受體上的官能團共價結(jié)合到水凝膠。由此，指示劑為熒光團-受體-水凝膠絡(luò)合物的形式。在可替代的優(yōu)選實施方式中，指示劑(即受體和熒光團分子，或受體-熒光團結(jié)構(gòu)體)以水溶液提供，通常，將指示劑溶解于水溶液中。在該實施方式中，指示劑包含在傳感器中的池內(nèi)，通常包含在位于光學纖維遠端的池內(nèi)或在光學纖維遠端中的池內(nèi)，并且將可滲透葡萄糖的膜提供在池中任何開口處。為了確保將指示劑保持在池內(nèi)，它必須具有足夠高的分子量以基本上防止其經(jīng)過膜漏出池。這能夠通過選擇具有合適的截留分子量的膜，以及通過提供高分子量的指示劑來實現(xiàn)。以水溶液提供的指示劑(包括受體和熒光團，通常以受體-熒光團結(jié)構(gòu)體的形式)具有特別的優(yōu)點每個指示劑部分周圍的微環(huán)境基本上保持恒定。熒光傳感器能夠顯著地受指示劑微環(huán)境的影響。指示劑周圍局部微環(huán)境的變化能夠引起熒光響應(yīng)的變化。在固定于聚合物基體上的指示劑的情況下，存在明顯的微環(huán)境變化，這能產(chǎn)生為連續(xù)分布的衰減時間和復合多指數(shù)的形式的壽命衰減信號。相比之下，在指示劑溶解于、尤其是以低濃度溶解于水中，使得指示劑分子不聚集且為單分散的情況下，對于該給定的溶劑，均質(zhì)性最大化且獲得理想的熒光特性。這產(chǎn)生簡單的單指數(shù)的信號。獲得均質(zhì)性的可替代方法是將指示劑固定到大分子量的單分子載體上。優(yōu)選地，該載體為對稱的，且以結(jié)果也是對稱的方式獲得熒光指示劑的立體連接。這例如通過使用以下討論的樹枝狀聚合物作為載體材料能夠獲得。因此，連至此載體的每個熒光指示劑分子的環(huán)境將是等效的。此外，如果這樣擔載的分子能以合適的濃度溶解于溶劑如水中，則擔載的指示劑的環(huán)境將是均勻的，再次產(chǎn)生改進的信號特性。因此，在這種可替換的優(yōu)選實施方式中，受體和熒光團鍵合到載體材料以提供載體、受體和熒光團的絡(luò)合物，將該絡(luò)合物溶解于上述溶液中。只要受體和熒光團保持鍵合到載體，絡(luò)合物的性質(zhì)并不重要。例如，載體材料可以鍵合到受體-熒光團結(jié)構(gòu)體?；蛘?，載體材料可以單獨鍵合到熒光團和受體。在后一情況下，受體和熒光團不直接彼此鍵合，而是僅通過載體材料連接。在本發(fā)明的一種實施方式中，上述絡(luò)合物采取熒光團-受體-載體的形式。通常，使用高分子量載體材料。這能使本領(lǐng)域技術(shù)人員通過將指示劑提供在更高分子量絡(luò)合物內(nèi)來限制指示劑通過膜。優(yōu)選的載體材料具有至少500、例如至少1000、1500或2000或10000的分子量。該載體材料還應(yīng)溶于水，且在不干擾傳感器自身的角度上應(yīng)為惰性的。用作載體材料的適宜材料包括聚合物類?？墒褂媚苋苡谒萌軇┑娜魏挝唇宦?lián)的線性聚合物?；蛘?，載體材料可為能在水中形成水凝膠的交聯(lián)聚合物(例如輕度交聯(lián)的聚合物)。例如，載體材料可為由具有至少30%的水含量以使得聚合物與水域之間無明顯界面的交聯(lián)聚合物形成的水凝膠。聚丙烯酰胺和聚乙烯醇為合適的水溶性線性聚合物的實例。優(yōu)選地，使用的聚合物具有較低的多分散性。更優(yōu)選地，上述聚合物為均勻(單分散)的聚合物。此類聚合物由具有均勻的分子量和構(gòu)造的分子組成。較低的多分散性產(chǎn)生改進的傳感器調(diào)制。用于形成水凝膠的交聯(lián)聚合物可由與乙二醇二甲基丙烯酸酯和/或羥基乙基二甲基丙烯酸酯交聯(lián)的上述水溶性線性聚合物形成。在一個實施方式中，指示劑結(jié)合至具有高水含量的水凝膠。在此例子中，指示劑系統(tǒng)通常包括含水凝膠的水溶液。水凝膠的水含量高至優(yōu)選至少30%w/w,使得溶液/水凝膠混合物能夠認為是聚合物與水域之間無明顯固體界面的液體的混合物。在本文中使用的液體水溶膠(fluidhydrogel)為具有水含量高至(通常至少30%w/w)水凝膠放入水中時聚合物與水域之間無明顯固體界面的水凝膠。此水凝膠可包括能溶解于溶劑中或可形成相對較低水含量的液體水凝膠的輕度交聯(lián)的聚合物；或者，水凝膠可包括具有更高水含量以使其處于液體形式的更高程度交聯(lián)的聚合物。在特別優(yōu)選的方面，載體材料為樹枝狀聚合物。用于本發(fā)明的樹枝狀聚合物的本性沒有具體限制，且可使用諸多商購的樹枝狀聚合物，例如聚乙二胺(PAMAM)如STARBURST樹枝狀聚合物，以及聚亞丙基亞胺(PPI)如ASTRAMOL樹枝狀聚合物。想到的其它類型的樹枝狀聚合物包括苯乙炔樹枝狀聚合物、Frechet(即聚(芐醚))樹枝狀聚合物、超支化的樹枝狀聚合物和多聚賴氨酸樹枝狀聚合物。在本發(fā)明的一個方面，使用聚乙二胺(PAMAM)樹枝狀聚合物。樹枝狀聚合物包括金屬芯型和有機芯型，二者均可用于本發(fā)明中。通常優(yōu)選有機芯型樹枝狀聚合物。樹枝狀聚合物的性能受其表面基團影響。在本發(fā)明中，表面基團用作連至受體和熒光團的結(jié)合點。因而，優(yōu)選的表面基團包括能用于此類結(jié)合反應(yīng)的官能團，例如氨基、酯基或羥基，優(yōu)選氨基。然而，表面基團的本性并沒有特別限制。可想到用于本發(fā)明的一些常規(guī)表面基團包括酰氨基乙醇、酰氨基乙基乙醇胺、己酰胺、羧酸鈉、琥珀酸、三甲氧基甲硅烷基、三(羥基甲基)酰氨基甲烷和羧基甲氧基吡咯烷酮，特別為酰氨基乙醇、酰氨基乙基乙醇胺和羧酸鈉。樹枝狀聚合物上的表面基團數(shù)量受樹枝狀聚合物的制備影響。優(yōu)選地，樹枝狀聚合物具有至少4個、優(yōu)選至少8個或至少16個表面基團。通常，樹枝狀聚合物的所有表面基團將結(jié)合至受體或熒光團部分。然而，在樹枝狀聚合物的一些表面基團保持未結(jié)合至受體或熒光團部分(或受體和熒光團的結(jié)構(gòu)體)的情況下，這些表面基團可用于提供具體所需的性能。例如，可存在提聞水溶性的表面基團如輕基、竣酸酷基、硫酸酷基、憐酸酷基或多羥基。硫酸酯基、磷酸酯基和多羥基為水溶性表面基團的優(yōu)選實例。在一個方面,樹枝狀聚合物并入有至少一個包含可聚合基團的表面基團。該可聚合基團可為能夠進行聚合反應(yīng)的任何基團，但通常為碳碳雙鍵。并入有可聚合基團的適宜表面基團的實例為酰氨基乙醇基，其中氮原子被化學式(_連接基-C=CH2)取代。連接基通常為亞烷基、亞烷基-亞芳基或亞烷基-亞芳基-亞烷基，其中亞烷基通常為Cl或C2亞烷基且亞芳基通常為亞苯基。例如，上述表面基團可包括酰氨基乙醇，其中氮原子被-CH2-Ph-CH=CH2基取代。在樹枝狀聚合物的表面存在可聚合基團能夠通過將樹枝狀聚合物與一種或多種單體或聚合物聚合而使樹枝狀聚合物連至聚合物。因此，樹枝狀聚合物能鏈到例如水溶性聚合物上以提高樹枝狀聚合物的水溶性，或鏈到水凝膠(即高親水的交聯(lián)聚合物基體，如聚丙烯酰胺)上以有助于使樹枝狀聚合物包含在池內(nèi)。優(yōu)選地，樹枝狀聚合物是對稱的，即所有的樹突是相同的。上述樹枝狀聚合物可具有通式CORE-[A]n其中，CORE表示樹枝狀聚合物的金屬芯或有機芯(優(yōu)選有機芯)，η通常為4或更大，例如8或更大，優(yōu)選16或更大。適宜的CORE基團的實例包括苯環(huán)和通式-RN-(CH2)p-NR-和N-(CH2)p-N的基團，其中P為2至4，例如2，R為氫或CIC4烷基，優(yōu)選氫。優(yōu)選-RN-(CH2)2-NH-和N-(CH2)2_N。每個基團A可連至CORE或其它基團A，從而形成代表性的樹枝狀聚合物的級聯(lián)結(jié)構(gòu)(cascadingstructure)。在優(yōu)選的方面,2個或更多個、例如4個或更多個的基團A連至CORE(第一代基團A)。樹枝狀聚合物通常為對稱的，即CORE具有2個或更多個，優(yōu)選4個或更多個相同的樹突。每個基團A由具有一個或多個分枝基團的基本結(jié)構(gòu)組成。該基本結(jié)構(gòu)通常包括亞烷基或亞芳基部分或它們的組合。優(yōu)選地，上述基本結(jié)構(gòu)為亞烷基部分。適宜的亞烷基部分為ClC6亞烷基部分。適宜的亞芳基部分為亞苯基部分。亞烷基和亞芳基部分可為未取代的或取代的，優(yōu)選未取代的，且亞烷基部分可被選自-NR'-、-O-、-CO-、-C00-、-CONR'-、-0C0-和-0C0NR'中的官能團截斷或封端，其中V為氫或ClC4烷基。分枝基團為鍵合至上述基本結(jié)構(gòu)并具有兩個或更多個另外的連接點的至少三價的基團。優(yōu)選的分枝基團包括枝化的烷基、氮原子以及芳基或雜芳基。優(yōu)選氮原子。分枝基團通常鍵合至(i)基團A的基本結(jié)構(gòu)和(ii)兩個或更多個其它基團A。然而，在樹枝狀聚合物的表面上時，分枝基團可自身封端樹枝狀聚合物(即分枝基團為表面基團)，或分枝基團可鍵合至兩個或更多個表面基團。優(yōu)選的基團A的實例為通式-(CH上-(FG)s-(CH2)^NH2的基團，其中q和r相同或不同，并表示I至4的整數(shù),優(yōu)選I或2,更優(yōu)選2。s為O或I。FG表示選自-NR'-、-0-、-CO-、-COO^-CONR'-、-0C0-和-0C0NR'中的官能團，其中R'為氫或ClC4烷基。優(yōu)選的官能團為-CONH-、-0C0-和-C00-，優(yōu)選-CONH-?！と缟纤?，表面基團形成樹枝狀聚合物連至指示劑(或單獨附接至受體和單獨附接至熒光團部分)的連接點。因而，表面基團通常包括未取代或取代的亞烷基或亞芳基部分或它們的組合以及適用于鍵合至指示劑的至少一個官能團，優(yōu)選未取代或取代的亞烷基部分。官能團通常為氨基或羥基，優(yōu)選氨基。上面提供了表面基團的具體實例。在使用的樹枝狀聚合物為金屬芯的樹枝狀聚合物的情況下，它可自身具有熒光性能。此時，可想到樹枝狀聚合物自身可形成熒光團部分。此情況下載體結(jié)合的指示劑僅包括結(jié)合至樹枝狀聚合物的受體部分。在另一方面，載體材料為具有高分子量(即至少500，優(yōu)選至少1000、1500或2000或10000)的非樹枝狀、非聚合的大分子。環(huán)糊精、籠型化合物(cryptan)和冠醚為此類大分子的實例。此類大分子還對指示劑提供相同環(huán)境并對分析物結(jié)合產(chǎn)生更一致的熒光團響應(yīng)。受體和熒光團可用任何適合方法鍵合至載體材料。優(yōu)選共價連接。通常，熒光團和受體連接形成熒光團-受體結(jié)構(gòu)體，該熒光團-受體結(jié)構(gòu)體隨后結(jié)合至載體材料?；蛘?，受體和熒光團可單獨結(jié)合至載體材料。每個載體材料部分的受體-熒光團部分的數(shù)量通常大于I，例如4或更多，或者8或更多。在使用樹枝狀的載體材料時，樹枝狀聚合物的表面可被指示劑部分覆蓋。這可通過將指示劑部分結(jié)合至所有(基本所有)的表面樹突來實現(xiàn)。在使用聚合的載體材料時，可改性受體-熒光團結(jié)構(gòu)體以包括雙鍵并與(甲基)丙烯酸酯或其它適合的單體共聚以提供結(jié)合至指示劑的聚合物。或者，還可使用可替代的聚合反應(yīng)或簡單的加成反應(yīng)。Wang等人提供了包括單硼酸葡萄糖受體連接至蒽熒光團的聚合反應(yīng)的實例(WangB.,Wangff.,GaoS.，(2001),BioorganicChemistry,29,308-320)。在樹枝狀的載體材料的情況下，樹枝狀聚合物單獨與熒光團部分或受體部分反應(yīng)，或更優(yōu)選與預先形成的受體-熒光團結(jié)構(gòu)體反應(yīng)。可使用任何適合的結(jié)合反應(yīng)。適合的技術(shù)實例是在硼氫化物試劑的存在下通過還原性胺化使具有表面氨基的樹枝狀聚合物與具有反應(yīng)性醛基的熒光團-受體結(jié)構(gòu)體反應(yīng)。所得的結(jié)構(gòu)可通過超濾純化。結(jié)合至硼酸受體和蒽突光團的樹枝狀聚合物實例由James等人提供(Chem.Commum.,1996p706)。在樹枝狀的載體材料具有可聚合基團作為表面基團的情況下，樹枝狀聚合物可與一種或多種單體進行聚合反應(yīng)以形成樹枝狀聚合物-聚合物結(jié)構(gòu)體，其中聚合物結(jié)合至樹枝狀聚合物的表面。通常，樹枝狀聚合物在聚合反應(yīng)的較晚階段加入以使樹枝狀聚合物封端聚合物鏈?；蛘?，樹枝狀聚合物可與預先形成的聚合物反應(yīng)。這能夠例如通過聚合物上的羧酸基與樹枝狀聚合物上的羥基之間的縮合反應(yīng)以通過形成的酯提供連接來實現(xiàn)。在這些反應(yīng)中能夠使用的單體和聚合物的實例為(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺以及乙烯吡咯烷酮及其組合以及它們相應(yīng)的聚合物。優(yōu)選的聚合物為水溶性聚合物。優(yōu)選地，聚合物的水溶性滿足以下條件當聚合物/指示劑溶解于水中(理想地無限量的溶解性)時產(chǎn)生足夠的熒光信號。聚丙烯酰胺是特別優(yōu)選的，因為這產(chǎn)生連到樹枝狀大分子的高度水溶的聚丙烯酰胺鏈。在這種實施方式的一個方面，結(jié)合到樹枝狀載體材料的聚合物(例如聚丙烯酰胺)鏈是交聯(lián)的以形成水凝膠?？蛇x地，水凝膠具有高的水含量從而當置于水中時水性相與聚合物相之間(如本文所用，水凝膠為液體形式)沒有明顯的界面。在這種情況下，通常以與水或水溶液的混合物形式提供。樹枝狀大分子表面的聚合可以在熒光團與受體部分連接之前或之后實施。在提供給傳感器的受體和熒光團在水溶液中的情況下，受體-熒光團結(jié)構(gòu)體或載體結(jié)合的結(jié)構(gòu)體合適的濃度為io_610_3M。取決于需要的傳感器的性能，濃度可以變化。在溶液中的濃度或受體與熒光團的量越高，信號強度越大。本發(fā)明的傳感器的實例描述在圖I和圖Ia中。傳感器I包括光學纖維2,光學纖維2包括在它遠端的傳感區(qū)3。纖維2適合插入患者的血管中，例如經(jīng)由導管插入。本發(fā)明的傳感器適合血管內(nèi)使用，因此必需能夠插入血管內(nèi)，通常插入靜脈或動脈內(nèi)。通常，將本發(fā)明的傳感器通過套管例如標準的20號標準套管(20gaugecannula)插入。相應(yīng)地，傳感器在進入血管的部分處的最大直徑通常為O.5mm(圖I和圖Ia中，纖維的傳感區(qū)3的最大直徑為O.5mm)。傳感器的長度通常為至少5cm，以使纖維能夠穿過套管，并且使得傳感區(qū)定位于血管內(nèi)且不保留在套管內(nèi)。通常，傳感器將包括明顯比5cm長的纖維，只有包含傳感區(qū)的纖維的遠端部分進入血管。傳感區(qū)3包含其中包含指示劑系統(tǒng)的池或腔7。光學纖維延伸穿過電纜4至適合與合適的監(jiān)測器8匹配的連接器5。監(jiān)測器通常包括與連接器匹配的另一光學電纜4a，該連接器位于連接到(a)合適的用于光學傳感器9的入射光源以及(b)用于返回信號的檢測器10的5a處以及其他分支處。如圖I中所描述，傳感區(qū)3包含在纖維內(nèi)的腔形式的池7。池可以采用任何形式，只要它能夠使指示劑系統(tǒng)包含在由光學纖維導向的入射光的路徑中。由此，池可以連到纖維的遠端或可以為纖維內(nèi)具有任何期望形狀的腔的形式。池具有至少一個開口(未示出)以允許葡萄糖從血流進入到池中。在一種實施方式中，將受體/熒光團提供在水凝膠或其他聚合基體中?；蛘?，它們以水溶液提供。葡萄糖可滲透的膜優(yōu)選橫跨所述開口或每個開口放置以將指示劑系統(tǒng)保持在池內(nèi)并且允許葡萄糖進入。在本發(fā)明的一種實施方式中，突光信號可以為溫度校正的。在這種實施方式中，熱電偶(熱敏電阻或其他溫度探針)將放置在纖維遠端內(nèi)或上的指示劑系統(tǒng)旁邊。在本發(fā)明的傳感器中還提供用于將合適波長的入射光傳輸?shù)街甘緞┑墓庠?，以及用于檢測返回信號的檢測器10。光源優(yōu)選為LED，但可以為可替代的光源例如激光二極管。光源可以為溫度穩(wěn)定的。光源的波長將取決于使用的熒光團。術(shù)語“光”不會隱含對光源的發(fā)射波長任何特定的限制，并且具體地不限于可見光。光源9可以包括光學濾光器以選擇激發(fā)波長，但如果光源具有足夠窄的波段或是單色光，這種過濾可以不是必需的?？梢允褂媚軌驒z測熒光壽命的任何合適的檢測器10。在一個方面，檢測器10為單光子雪崩二極管(SPAD)(—種光電二極管)。合適的SPAD包括SensLSPMMicro,HamamatsuMPPC、IdquantiqueIDlOl以及其他類似的器件。(單光子雪崩二極管也可以稱為Geiger-modeAPD或G-APD;此處APD意為雪崩二極管。)可以提供光學濾光器(未示出)以限制到達檢測器10的光的波長，例如基本阻擋除值得關(guān)注的熒光波長以外所有的光。圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的使用SPAD檢測器的熒光傳感器的優(yōu)選實施方式。該實施方式描述了利用頻域測量測定熒光團壽命，但是同樣的裝置能夠等同地用于時域測量。信號發(fā)生器11產(chǎn)生被傳至驅(qū)動器12的第一頻率的高頻周期信號。驅(qū)動器12可以調(diào)節(jié)第一信號，然后使用它驅(qū)動光源9的調(diào)制。驅(qū)動器12驅(qū)動光源9以調(diào)制激發(fā)光的強度(振幅)。優(yōu)選地，這通過驅(qū)動器12電學調(diào)制光源以改變發(fā)射強度完成?；蛘撸庠?可以包括可變的光學調(diào)制器以改變最終的輸出強度。由信號發(fā)生器11和驅(qū)動器12控制的來自光源9的光強調(diào)制的形狀(波形)，取決于環(huán)境可以采取不同的形式，包括正弦曲線、三角形或脈沖式，但在第一頻率下該調(diào)制是周期性的。來自光源9的光輸出經(jīng)由光學纖維2傳輸?shù)匠?中的指示劑系統(tǒng)。在該實施方式中，因為光源9的輸出是周期性調(diào)制的，所以然后熒光基本上也是以相同的基頻的第一頻率調(diào)制。然而，因為熒光團的熒光行為，在熒光發(fā)射的光中引入時間延遲；其自身顯現(xiàn)為激發(fā)光的調(diào)制與熒光的調(diào)制之間的相位延遲。發(fā)出的突光經(jīng)由光學纖維2傳輸?shù)綑z測器10。在該實施方式中,檢測器10為單光子雪崩二極管(SPAD)。單光子雪崩二極管檢測器10能夠為具有低擊穿電壓(閾值)或高擊穿電壓中的任何一種。通過偏壓源22可以對單光子雪崩二極管檢測器施加偏壓，使得偏壓高于單光子雪崩二極管的擊穿電壓。在這種狀態(tài)下，檢測器10具有非常高的靈敏性，使得單光子的接收產(chǎn)生輸出電流脈沖，由此總的輸出電流即使在強度非常低時也與接收的光強度有關(guān)。偏壓源22接收來自信號發(fā)生器11的第二頻率的周期性信號，從而以所述第二頻率調(diào)制施加到單光子雪崩二極管檢測器10的偏壓。在優(yōu)選的實施方式中，單光子雪崩二極管檢測器為低電壓型并且平均偏壓在2535Vdc范圍內(nèi)，但可以更高或更低，取決于實際器件的擊穿電壓，以第二頻率調(diào)制的深度通常為34V。調(diào)制的波形，如同光源的波形，不限于任何具體的形式，但通常為正弦曲線。將檢測器10的輸出傳至信號處理器24。能夠提供模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(未示出)，從而將單光子雪崩二極管的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，并且信號處理器24能夠應(yīng)用數(shù)字信號處理(DSP)。信號處理器24可用專用電子硬件或在通用處理器上運行的軟件或它們二者的組合執(zhí)行。在優(yōu)選的實施方式中，微處理器(未示出)同時控制進行分析的信號處理器24和信號發(fā)生器11。因而，信號處理器24具有關(guān)于光源調(diào)制信號頻率和相位以及檢測器偏壓調(diào)制頻率和相位的信息。偏壓的調(diào)制調(diào)整了單光子雪崩二極管檢測器10的增益。以第一頻率調(diào)制光源9以及由此接收的熒光，但單光子雪崩二極管檢測器10的偏壓以不同于第一頻率的第二頻率調(diào)制。這通過以等于第一頻率和第二頻率之差的頻率對分析信號進行操作的信號處理器24能使用外差測量法。優(yōu)選地，第一頻率和第二頻率相差小于10%，更優(yōu)選小于1%。第一頻率和第二頻率之間的頻率差取決于使用的指不劑系統(tǒng)，但可為例如50kHz。根據(jù)另一實施方式，第一頻率和第二頻率可名義上相同，但在信號(例如通過連續(xù)變化的延遲相對于一個信號延遲另一信號)之間引入變化的相位移。由于每個循環(huán)相位移變化，這實際上等同于具有兩個不同頻率。優(yōu)選地，引入的相位移快速擺動。根據(jù)被分析的信號以及得知光源9的調(diào)制和檢測器偏壓的調(diào)制的頻率和相位，信號處理器24能確定引入系統(tǒng)內(nèi)的相位延遲。減去傳感器固有的相位延遲(其可在不存在任何熒光團下或以具有已知的熒光壽命(已知的相位延遲)的樣品進行計算)，從而提供單純由于指示劑系統(tǒng)內(nèi)的熒光團而導致的相位移。然后，該信息可使用適合的校準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為葡萄糖濃度。隨后所需的測量結(jié)果以輸出26提供。輸出測量結(jié)果可顯示在顯示器(未示出)上和/或可記錄在存儲器28中以供隨后提取。上述方法基本使用單一數(shù)據(jù)點以得到所需的熒光相關(guān)信息。然而，根據(jù)本發(fā)明進一步優(yōu)選的實施方式，可進行一系列的測量，但對于每個測量，電學引入不同的相位移和/或頻率差，使得相角可控制地提前或延遲。由信號發(fā)生器11產(chǎn)生的兩個信號波形處于彼此不同的第一頻率和第二頻率，使得信號在這些頻率下的相對相位將隨著時間而改變。然而，該設(shè)備在控制之下，使得例如兩種頻率的波形能在特定時刻同步，然后能夠計算在任何其它時間下的實際相位移。在一個實施例中，以10kHz、20kHz和30kHz的頻率差內(nèi)的位移重復測量。此外，在同步點可引入特定的相位移，從而使波形具有已知的初始相差。對于每種引入的相角程(Phaseangleshift)，得到被分析信號的調(diào)制深度，以有效地安排相位調(diào)制的間隔。引入的相角可從O至180度例如以5度的步幅增長。該結(jié)果為將調(diào)制深度與引入的相角聯(lián)系在一起的一系列的數(shù)據(jù)點。這些數(shù)據(jù)點構(gòu)成了曲線圖，該圖例如能通過曲線配適和/或和與不存在樣品的相角、或者存在一種或多種標準校準樣品的相角相關(guān)的調(diào)制深度的校準數(shù)據(jù)比較來分析。概括地，可總計使用不同的初始相差和/或不同的頻率差的測量結(jié)果，從而能改進整體測量精度。上述方法的概要示意性地示于圖3的流程圖中。整個傳感器設(shè)備可由微處理器(未示出)控制。盡管圖2示出了許多分離的電子電路項目，這些中的至少一些可集成在單個集成電路如場可編程門陣列(FPGA)或特定用途集成電路(ASIC)中。已參照多種具體實施方式和實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于這些實施方式和實施例。權(quán)利要求1.一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，其中，所述傳感器設(shè)置用于通過監(jiān)測熒光團的壽命測量葡萄糖濃度，所述傳感器包括指示劑系統(tǒng)，所述指示劑系統(tǒng)包括用于選擇性地結(jié)合至葡萄糖的受體以及與所述受體關(guān)聯(lián)的熒光團，其中所述熒光團的壽命小于IOOns；光源；光學纖維，所述光學纖維設(shè)置用于將光從所述光源導至所述指示劑系統(tǒng)上；檢測器，所述檢測器設(shè)置用于接收從所述指示劑系統(tǒng)發(fā)出的熒光；以及信號處理器，所述信號處理器設(shè)置用于基于至少所述檢測器的輸出信號測定與所述熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。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，還包括驅(qū)動器，所述驅(qū)動器設(shè)置用于以第一頻率調(diào)制光源強度；偏壓源，所述偏壓源設(shè)置用于對所述單光子雪崩二極管施加偏壓，其中所述偏壓以不同于所述第一頻率的第二頻率調(diào)制，并且其中所述偏壓高于所述單光子雪崩二極管的擊穿電壓。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述信號處理器以由所述第一頻率和第二頻率之差給定的頻率對所述單光子雪崩二極管的輸出信號的部分進行操作。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器，其中，控制信號發(fā)生器以改變下述至少之一所述第一頻率和第二頻率之間的頻率差；以及用于調(diào)制所述光源和調(diào)制所述偏壓的所述第一頻率和第二頻率的信號之間的相位差。6.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)合到水凝膠的熒光團-受體結(jié)構(gòu)體。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述水凝膠為水含量為至少30%w/w的液體水凝膠。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)為溶解有所述受體和熒光團的水溶液。9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熒光團的壽命為30ns或更短。10.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的熒光團。11.一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的方法，包括將根據(jù)權(quán)利要求I或610中任一項限定的傳感器的指示劑系統(tǒng)插入靜脈或動脈內(nèi)；使來自光源的入射光經(jīng)由光學纖維傳至所述指示劑系統(tǒng)；利用檢測器接收所述指示劑系統(tǒng)響應(yīng)從所述光源入射到所述指示劑系統(tǒng)上的光而發(fā)出的熒光，并且產(chǎn)生輸出信號；以及基于至少所述檢測器的輸出信號測定與熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述檢測器為單光子雪崩二極管，并且所述方法進一步包括以下步驟以第一頻率調(diào)制光源強度；以及對所述單光子雪崩二極管施加偏壓，其中所述偏壓以不同于所述第一頻率的第二頻率調(diào)制，并且其中所述偏壓高于所述單光子雪崩二極管的擊穿電壓。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括基于頻率由所述第一頻率和第二頻率之差給定的所述單光子雪崩二極管的輸出信號的部分測定熒光壽命信息。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，進一步包括下述步驟中的至少之一改變所述第一頻率和第二頻率之間的頻率差；以及控制用于調(diào)制所述光源和調(diào)制所述偏壓的所述第一頻率和第二頻率的信號之間的相位差。全文摘要一種用于血管內(nèi)測量葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，其中，所述傳感器設(shè)置用于通過監(jiān)測熒光團的壽命測量葡萄糖濃度，所述傳感器包括指示劑系統(tǒng)，所述指示劑系統(tǒng)包括用于選擇性地結(jié)合至葡萄糖的受體以及與所述受體關(guān)聯(lián)的熒光團，其中所述熒光團的壽命小于100ns；光源；光學纖維，所述光學纖維設(shè)置用于將光從所述光源導到所述指示劑系統(tǒng)上；檢測器，所述檢測器設(shè)置用于接收從所述指示劑系統(tǒng)發(fā)出的熒光；以及信號處理器，所述信號處理器設(shè)置用于基于至少所述檢測器的輸出信號測定與所述熒光團的熒光壽命相關(guān)的信息。文檔編號G01N33/66GK102933144SQ201180018094公開日2013年2月13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,約翰·吉爾克里斯特,尼爾·凱恩斯申請人:格萊蘇有限公司