檢測(cè)生物分析物的伏安測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及測(cè)定樣品中的分析物濃度的系統(tǒng)、方法及裝置。在測(cè)定樣品中的分析物濃度時(shí)，線性、循環(huán)或非循環(huán)伏安掃描和/或半積分、導(dǎo)數(shù)或半導(dǎo)數(shù)等數(shù)據(jù)處理的使用可提高準(zhǔn)確性。血細(xì)胞容量補(bǔ)償并結(jié)合數(shù)據(jù)處理可降低血細(xì)胞容量對(duì)全血中葡萄糖分析的影響。另一方面，快速率掃描可降低血細(xì)胞容量的影響。
【專利說明】檢測(cè)生物分析物的伏安測(cè)量系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的參考
[0002]本申請(qǐng)要求2004年5月14 日提交的題為“Methods for Using Linear or CyclicVoltammetry in Assaying Glucose and Other Biological Analytes，，的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第60/571, 388號(hào)的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)通過引用而全文結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0003]定量測(cè)定生物流體中的分析物對(duì)生理異常的診斷和治療有用。例如，測(cè)定生物流體(例如血液)中的葡萄糖水平對(duì)必須頻繁檢查其血糖水平以調(diào)整其飲食和/或藥物治療的糖尿病個(gè)體很重要。
[0004]電化學(xué)法已用于這樣的用途。電化學(xué)生物傳感器可使用分析物特異性酶(例如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脫氫酶)催化全血樣品中的葡萄糖氧化。在酶的催化氧化過程中，酶的氧化還原中心接受來自分析物的電子。
[0005]此氧化還原中心可為葡萄糖氧化酶的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，或?yàn)槊傅妮o因子，例如葡萄糖脫氫酶的吡咯并喹啉醌(PQQ)。然后，酶獲得的電子可通過介體移動(dòng)至電極，該介體通過酶的氧化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原形式。最后，介體的還原形式，例如鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)的亞鐵氰化物形式，在電極處被氧化，產(chǎn)生可檢測(cè)的電流。
[0006]該過程可通過以下方程式表示:
[0007](I)葡萄糖 +EQx==EKed+ 產(chǎn)物
[0008]⑵EKed+nMed0x==nMedKed+E0x
[0009](3) MedEed==Med0x+ne_
[0010]其中，Eqx和EKed分別為酶的氧化還原中心的氧化和還原形式,而Medto和MedKed分別是介體的氧化和還原形式。酶反應(yīng)的產(chǎn)物可為葡糖酸或葡糖酸內(nèi)酯。
[0011]一種已用來定量生物流體中的分析物的電化學(xué)法是電量分析法。例如，Heller等在美國(guó)專利第6，120，676號(hào)中描述了用于全血葡萄糖檢測(cè)的電量分析法。在電量分析法中，通過徹底氧化小體積中的分析物，并積分隨氧化時(shí)間變化的電流，以產(chǎn)生代表分析物濃度的電荷，定量分析物(葡萄糖)濃度。換句話說，電量分析法捕獲傳感片中的葡萄糖總量。
[0012]電量分析法的一個(gè)重要方面是到電荷對(duì)時(shí)間的積分曲線的末端，電荷變化的速率變得相對(duì)恒定，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)條件。電量分析曲線的此穩(wěn)態(tài)部分在曲線中形成相對(duì)平的平坦區(qū)，因此能夠精確測(cè)定對(duì)應(yīng)的電流。但是，電量分析法需要全體積的分析物完全轉(zhuǎn)變。因此，該方法耗時(shí)，不能提供電化學(xué)裝置(例如監(jiān)測(cè)葡萄糖的產(chǎn)品)的使用者要求的快速結(jié)果。電量分析法的另一個(gè)問題是為提供精確的結(jié)果，必須將傳感單元控制成小體積，這對(duì)批量生產(chǎn)的器件可能很難。
[0013]另一種已用來定量生物流體中的分析物的電化學(xué)法是電流分析法。在電流分析法中，以跨接傳感片的工作電極和對(duì)電極的恒定電位(電壓)檢測(cè)末期的電流。電流用來定量生物樣品中的分析物。電流分析法用來測(cè)量電化學(xué)活性物質(zhì)被氧化或還原的速率，由此檢測(cè)分析物被氧化或還原的速率。例如在美國(guó)專利第5，620, 579,5, 653，863,6, 153，069和6，413，411中已描述了許多用于生物傳感器的電流分析法的變形例。電流分析法通過測(cè)量與擴(kuò)散速率成比例的電流和分析物的體相濃度，抽查電極表面附近的分析物濃度。
[0014]電流分析法的缺點(diǎn)是施加電位后電流的非穩(wěn)態(tài)特性。相對(duì)于時(shí)間的電流變化速率開始時(shí)非?？?，由于基本擴(kuò)散過程性質(zhì)的改變，隨著分析進(jìn)行變得慢一些。一直到電極表面的被還原介體的消耗速率等于擴(kuò)散速率，才能獲得穩(wěn)態(tài)電流。因此，在非穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)電流可能比在穩(wěn)態(tài)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)更不精確。
[0015]檢測(cè)全血樣品中的分析物的一個(gè)重要方面是血細(xì)胞容量的作用。血細(xì)胞容量是紅細(xì)胞(RBC)體積，表示為RBC體積在全血樣品中的百分率。全血樣品的血細(xì)胞容量值在約20-60%的范圍內(nèi)，通常約40%。
[0016]試劑生物傳感器包括可通過電化學(xué)反應(yīng)檢測(cè)血液標(biāo)本中的葡萄糖的任意系統(tǒng)。試劑生物傳感器的實(shí)例包括Bayer Healthcare, LLC of Elkhart, Indiana提供的
Ascensia AUTODISC?和Elite? 生物傳感器;位于Abbott Park, Illinois提供的Abbott的 Precision?.生物傳感器;位于 Indianapolis, Indiana 提供的 Roche 的 Accuclicck? 生物傳感器；以及位于Milpitas, California的Lifescan提供的One Touch Ultra4'生物傳感器。[0017]典型的電化學(xué)傳感片包含工作電極、對(duì)電極和可選的第三電極。參考電位可由對(duì)電極(如果適當(dāng)配置的話)或可選的第三電極提供給系統(tǒng)。用聚合物作為粘合劑，將帶有酶(例如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脫氫酶)的試劑層和介體(例如鐵氰化物或六胺化釕)印刷或淀積在工作電極上或工作電極和對(duì)電極上。
[0018]用作試劑粘合劑的聚合物的實(shí)例包括CMC(羧甲基纖維素)和PEO(聚環(huán)氧乙烷)。向試劑層中加入各種類型和分子量的聚合物可有助于過濾紅細(xì)胞，防止其覆蓋電極表面。
[0019]最好通過使用多種技術(shù)，例如描述于第6，531，040、5，798，031和5，120,420號(hào)美國(guó)專利的那些技術(shù)，將電極印刷在絕緣襯底上來制作傳感片。試劑可與氧化葡萄糖的酶(例如葡萄糖氧化酶)、介體(例如鐵氰化物)、親水聚合物(例如聚環(huán)氧乙烷(PEO))和合適的緩沖液(例如檸檬酸鹽緩沖液)的混合物共同印刷在工作電極和對(duì)電極上。
[0020]或者，也可使用2003年10月24日提交的申請(qǐng)序號(hào)60/513，817的美國(guó)臨時(shí)專利中描述的方法，將不同的試劑化學(xué)品分別印刷或微淀積在工作電極和對(duì)電極上，工作電極上的試劑含酶、介體、聚合物，對(duì)電極上的試劑含可與介體相同或不同的可溶性氧化還原物質(zhì)；以及聚合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，用于微淀積的聚合物是羧甲基纖維素。
[0021]可用于讀取本發(fā)明試劑生物傳感器的合適臺(tái)式電化學(xué)儀器例如可包括但不限于:位于 West Lafayette, Indiana 的 BAS Instruments 提供的 BAS100B 分析儀；位于Austin, Texas 的 CH Instruments 提供的 CH Instrument 分析儀；位于 Lawrence, Kansas的Cypress Systems提供的Cypress電化學(xué)工作站；以及位于Princeton, New Jersey的Princeton Research Instruments提供的EG&G電化學(xué)儀器。手提式儀器例如可包括BayerCorporation 的 Ascensia Bregzei^tIElite*測(cè)量?jī)x。
[0022]葡萄糖的生物傳感器可具有淀積在電極上的酶和介體。該傳感器檢測(cè)葡萄糖的能力受到RBC阻斷血樣中相關(guān)試劑的擴(kuò)散的影響。因?yàn)殡娏鞣治龇ǖ碾娏髋c還原形式介體的擴(kuò)散成正比，所以血細(xì)胞容量對(duì)葡萄糖檢測(cè)的準(zhǔn)確性具有顯著影響。依靠全血樣品中的血細(xì)胞容量水平，RBC引起葡萄糖讀數(shù)偏差。
[0023]在降低全血對(duì)葡萄糖檢測(cè)結(jié)果的血細(xì)胞容量影響的嘗試中，已提出了各種方法和技術(shù)。例如，Ohara等在美國(guó)專利第6，475，372號(hào)中公開了一種使用正電位和反電位脈沖的電流比率補(bǔ)償電化學(xué)葡萄糖檢測(cè)中的血細(xì)胞容量影響的方法。McAleer等在美國(guó)專利第5，708, 247和5，951, 836號(hào)中公開了一種使用二氧化娃微粒過濾電極表面的RBC從而降低血細(xì)胞容量影響的試劑配制方法。Carter等在美國(guó)專利第5，628，890號(hào)中公開了一種因?yàn)檠?xì)胞容量的影響而使用與篩層組合的電極的大間距來分散血樣的方法。
[0024]用于降低可歸因于血細(xì)胞容量影響的偏差的這些常規(guī)技術(shù)包括(a)聚合物共同淀積，以最小化血細(xì)胞容量影響，(b)加入各種熔凝硅石，以加強(qiáng)聚合物層的過濾作用，(C)基于正和反電位脈沖的電流比率的補(bǔ)償系數(shù)，以及(d)利用全血樣品中當(dāng)前的溶液電阻自補(bǔ)償。盡管這些方法可能有用，但常規(guī)的葡萄糖傳感器仍表現(xiàn)出可歸因于血細(xì)胞容量影響的顯著分析偏差。因此，需要提供可降低血細(xì)胞容量影響造成的偏差的生物流體內(nèi)分析物(尤其是全血葡萄糖含量)定量系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]一方面，本發(fā)明提供測(cè)定樣品中的分析物濃度的方法，它包括對(duì)樣品實(shí)施非循環(huán)掃描，并測(cè)定樣品中的分析物濃度。
[0026]另一方面，本發(fā)明提供手提式分析物測(cè)量裝置，用于測(cè)定樣品中的分析物濃度。分析物測(cè)量裝置包括適于裝入傳感片的非循環(huán)掃描測(cè)量裝置。非循環(huán)掃描測(cè)量裝置包含至少兩個(gè)裝置觸點(diǎn)，它通過電路與顯示器電連通。傳感片包含至少第一和第二傳感片觸點(diǎn)，它通過導(dǎo)體與工作電極和對(duì)電極電連通，其中第一個(gè)試劑層在其中至少一個(gè)電極之上，第一層包含氧化還原酶及氧化還原對(duì)中的至少一種物質(zhì)。非循環(huán)和線性掃描測(cè)量裝置被同時(shí)提供。
[0027]又一方面，本發(fā)明提供一種測(cè)定樣品中的分析物濃度的方法，它包括對(duì)樣品實(shí)施伏安正向線性掃描，檢測(cè)獲得的電流，對(duì)檢測(cè)的電流實(shí)施數(shù)據(jù)處理，并測(cè)定樣品中的分析物濃度。
[0028]再一方面，本發(fā)明提供一種手提式測(cè)量裝置，用于測(cè)定樣品中的分析物濃度，其中所述裝置適于裝入傳感片。該裝置包括觸點(diǎn)、至少一個(gè)顯示器以及在觸點(diǎn)和顯示器之間建立電連通的電路。電路包含加電器和電連通中的處理器，處理器與包含計(jì)算機(jī)可讀取軟件代碼的計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)電連通。當(dāng)處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)可讀取軟件代碼時(shí)，軟件代碼使處理器執(zhí)行半積分、導(dǎo)數(shù)和/或半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理和/或伏安掃描。
[0029]為了提供對(duì)說明書和權(quán)利要求書的清晰且一致的理解，提供以下的定義。
[0030]術(shù)語“介體”定義為可被氧化或還原并可轉(zhuǎn)移一個(gè)或多個(gè)電子的物質(zhì)。介體是電化學(xué)分析中的一種試劑，不是目的分析物，但提供對(duì)分析物的間接測(cè)量。在簡(jiǎn)化系統(tǒng)中，介體響應(yīng)分析物的氧化或還原而經(jīng)受氧化還原反應(yīng)。被氧化或還原的介體然后在工作電極經(jīng)歷相反的氧化還原反應(yīng)，再生為其原始的氧化值。
[0031]術(shù)語“氧化還原反應(yīng)”定義為兩種物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，它包括將第一物質(zhì)的至少一個(gè)電子轉(zhuǎn)移至第二物質(zhì)。因此，氧化還原反應(yīng)包括氧化和還原。氧化半電池反應(yīng)包括第一物質(zhì)失去至少一個(gè)電子，而還原半電池包括將至少一個(gè)電子加給第二物質(zhì)。被氧化物質(zhì)的離子電荷的正電增加，其量等于被轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。同樣，被還原物質(zhì)的離子電荷的正電減少，其量等于被轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。
[0032]術(shù)語“氧化還原對(duì)”定義為具有不同氧化值的兩種共軛化學(xué)物質(zhì)。還原具有較高氧化值的物質(zhì)產(chǎn)生具有較低氧化值的物質(zhì)?；蛘?，氧化具有較低氧化值的物質(zhì)產(chǎn)生具有較高氧化值的物質(zhì)。
[0033]術(shù)語“氧化值”定義為化學(xué)物質(zhì)(例如原子)的形式離子電荷。較高氧化值(例如(III))正電強(qiáng)，較低氧化值(例如(II))正電弱。
[0034]術(shù)語“可逆的氧化還原對(duì)”定義為一對(duì)氧化還原物質(zhì)，其中在SissR換的半高處，半積分的正向和反向掃描之間的間隔為至多30mV。例如，在圖3B中，除了顯示Siss轉(zhuǎn)換高度外，還顯示了鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)的正向和反向半積分掃描。在其中半高Siss轉(zhuǎn)換線與正向和反向掃描線相交的線處，掃描線之間的間隔為29mV，確認(rèn)了鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)在所示掃描速率的可逆性。
[0035]術(shù)語“準(zhǔn)可逆氧化還原對(duì)”定義為這樣的氧化還原對(duì):在氧化還原對(duì)的Siss轉(zhuǎn)換的半高處，半積分的正向和反向掃描之間的間隔大于30mV。
[0036]術(shù)語“穩(wěn)態(tài)”定義為相對(duì)于電壓的電化學(xué)電流的變化相對(duì)恒定，例如在±10或±5% 內(nèi)。
[0037]術(shù)語“換向點(diǎn)”定義為在循環(huán)或非循環(huán)掃描中當(dāng)停止正向掃描并開始反向掃描時(shí)的點(diǎn)。
[0038]術(shù)語“線性掃描”定義為這樣的掃描:在固定掃描速率下，電壓?jiǎn)巍罢颉弊兓?，例如?0.5V至+0.5V，以提供1.0V的掃描范圍。線性掃描可近似為一系列的電位增量變化。如果一定時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的增量非常接近，則它們相當(dāng)于連續(xù)的線性掃描。因此，施加近似于線性改變的電位變化可被看作是線性掃描。
[0039]術(shù)語“循環(huán)掃描”定義為線性正向掃描和線性反向掃描的組合，其中，掃描范圍包括氧化還原對(duì)的氧化峰和還原峰。例如，用于在葡萄糖傳感器中使用的鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)的循環(huán)掃描的實(shí)例為以循環(huán)方式由-0.5V至+0.5V并回到-0.5V的電位變化，其中氧化峰和還原峰都包含在掃描范圍內(nèi)。
[0040]術(shù)語“非循環(huán)掃描”在一個(gè)方面定義為這樣的掃描:其包含的正向或反向電流峰中的某一方比另一方多。例如，非循環(huán)掃描的一個(gè)實(shí)例是這樣的掃描:它包括正向和反向線性掃描，其中正向掃描開始的電壓與反向掃描停止的電壓不同，例如由-0.5V至+0.5V,然后回到+0.25V。在另一實(shí)例中，在距氧化還原對(duì)的形式電位Ecit至多±20、±10或±5mV處開始掃描時(shí)，非循環(huán)掃描可于基本相同的電壓開始和結(jié)束。在另一方面，非循環(huán)掃描定義為這樣的掃描:其包含的正向和反向線性掃描基本排除了氧化還原對(duì)的氧化峰和還原峰。例如，掃描可在氧化還原對(duì)的穩(wěn)態(tài)區(qū)內(nèi)開始、換向和結(jié)束，由此排除了該氧化還原對(duì)的氧化峰和還原峰。
[0041]術(shù)語“快掃描”和“快掃描速率”定義為其中電壓以至少176mV/秒的速率變化的掃描。優(yōu)選的快掃描速率為超過200、500、1000或2000mV/秒的速率。
[0042]術(shù)語“慢掃描”和“慢掃描速率”定義為其中電壓以至多175mV/秒的速率變化的掃描。優(yōu)選的慢掃描速率為慢于150、100、50或IOmV/秒的速率。
[0043]術(shù)語“手提式裝置”定義為可人手把持并易攜帶的裝置。手提式裝置的一個(gè)實(shí)例是可由 Bayer Healthcare, LLC，Elkhart, IN 獲得的Ascensia? Elite 血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)附帶的測(cè)量裝置。
[0044]用語“在......上(on) ”定義為“在......上面(above) ”或相對(duì)于所描述的方
向。例如，如果第一組件淀積在第二組件的至少一部分上，則將第一組件描述成“淀積在第二組件上”。在另一實(shí)例中，如果第一組件存在于第二組件的至少一部分上，則將第一組件
描述成“在第二組件上”。術(shù)語“在......上”的使用不排除在所述上部和下部組件之間存
在物質(zhì)。例如，第一組件在其上表面上可具有被覆，但仍可將覆蓋第一組件及其頂部被覆的
至少一部分的第二組件描述為“在第一組件上”。因此，術(shù)語“在......上”的使用可能意
味著相關(guān)的兩組件在物理上彼此接觸或不接觸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1A-1B示出了典型的傳感片的工作電極和對(duì)電極的頂視圖和端視圖。
[0046]圖2A-2B提供了圖1A-1B的傳感片的外視圖。
[0047]圖2C是測(cè)量裝置的圖示。
[0048]圖3A表不傳感器系統(tǒng)的循環(huán)伏安圖。
[0049]圖3B是對(duì)應(yīng)于圖3A的循環(huán)伏安圖的半積分圖。
[0050]圖3C表示非循環(huán)掃描，其中反向掃描在反向電流峰開始前終止。
[0051]圖3D表示非循環(huán)數(shù)據(jù)的半積分。
[0052]圖3E將循環(huán)掃描與非循環(huán)掃描比較，其中非循環(huán)掃描的正向掃描在氧化還原對(duì)的形式電位Etlt附近開始。
[0053]圖3F比較圖3E的半積分電流。
[0054]圖3G表示在穩(wěn)態(tài)區(qū)中疊加的循環(huán)掃描和非循環(huán)掃描。
[0055]圖3H比較圖3G的非循環(huán)掃描的半積分電流值和記錄的電流值。
[0056]圖4A表示在20%血細(xì)胞容量的全血樣品中的16mM亞鐵氰化物的循環(huán)伏安圖、半積分和半導(dǎo)數(shù)。
[0057]圖4B是圖4A的半導(dǎo)數(shù)曲線的放大。
[0058]圖4C-4E表示以下的圖7A、7B和7C的循環(huán)伏安圖的正向線性掃描部分的半導(dǎo)數(shù)曲線。
[0059]圖4F示出了圖4C-4E的半導(dǎo)數(shù)電流。
[0060]圖4G示出了由伏安圖(LS)、伏安圖數(shù)據(jù)的半積分(Si)和伏安圖數(shù)據(jù)的半導(dǎo)數(shù)(sd)的不變正向掃描得到的理論葡萄糖值的對(duì)比。
[0061]圖5是一組循環(huán)伏安圖，顯示了在水性溶液中變化的葡萄糖濃度的作用。
[0062]圖6顯示了圖5的伏安圖的半積分電流。
[0063]圖7A-7C是循環(huán)伏安圖，圖解全血中血細(xì)胞容量百分率和葡萄糖濃度變化的作用。
[0064]圖7D-7F是非循環(huán)伏安圖，圖解全血中血細(xì)胞容量百分率和葡萄糖濃度變化的作用。
[0065]圖8A-C表示圖7A-7C的半積分電流。
[0066]圖8D-8F表示圖7D-7F的半積分電流。[0067]圖9A-9C是循環(huán)伏安圖，圖解變動(dòng)的掃描速率對(duì)血細(xì)胞容量影響的作用。
[0068]圖10A-10C表示對(duì)應(yīng)于圖9A-9C的循環(huán)掃描的半積分電流。
[0069]圖11A-11C表示基于圖9A-9C的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖10A-10C的半積分線之間的相關(guān)，以及各樣品的參考葡萄糖濃度。
[0070]圖12表示半積分電流峰和半積分電流穩(wěn)態(tài)值，可用于測(cè)定血細(xì)胞容量指數(shù)。
[0071]圖13A表示血細(xì)胞容量指數(shù)與全血的血細(xì)胞容量之間的關(guān)聯(lián)。
[0072]圖13B表示電流/葡萄糖(μΑ/mg/dL)校正線的斜率對(duì)由圖1lA獲得的血細(xì)胞容
量百分率。
[0073]圖14表示使用血細(xì)胞容量指數(shù)針對(duì)血細(xì)胞容量校正葡萄糖含量(mg/dL)的作用。
[0074]圖15A-15C表不相對(duì)于電壓畫出的圖7A-7C的正向掃描的導(dǎo)數(shù)電流。
[0075]圖16A示出0.3V時(shí)的電流與20、40和60%血細(xì)胞容量下的葡萄糖百分率的關(guān)系曲線。
[0076]圖16B示出血細(xì)胞容量百分率與圖15中圖解的負(fù)峰和正峰比率的關(guān)系曲線。
[0077]圖16C示出圖16A的曲線斜率與血細(xì)胞容量百分率的關(guān)系曲線。
[0078]圖16D表示用導(dǎo)數(shù)電流針對(duì)血細(xì)胞容量校正葡萄糖含量的作用。
[0079]圖17A-17B分別表示非循環(huán)掃描的記錄電流值和半積分電流值的劑量反應(yīng)曲線。
[0080]圖17C將由非循環(huán)掃描獲得的葡萄糖濃度值的精確性與具有慢掃描速率的循環(huán)掃描相比較。
[0081]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0082]電化學(xué)分析系統(tǒng)測(cè)定生物流體中的分析物濃度，例如全血的葡萄糖濃度。該系統(tǒng)包括可對(duì)含生物樣品的傳感片實(shí)施伏安線性、循環(huán)或非循環(huán)掃描的裝置。伏安掃描在施加于試條的電位(電壓)隨時(shí)間線性變化的同時(shí)檢測(cè)傳感片的電流(安培數(shù))。所述裝置可對(duì)比所得到的電流和電壓數(shù)據(jù)，以測(cè)定樣品中的分析物濃度，同時(shí)針對(duì)特定血樣的血細(xì)胞容量變化校正結(jié)果。所述裝置還可實(shí)施一種或多種數(shù)據(jù)處理，包括基于半積分、導(dǎo)數(shù)和半導(dǎo)數(shù)的那些數(shù)據(jù)處理，以對(duì)比和校正伏安數(shù)據(jù)。
[0083]文中，在測(cè)定全血樣品中的葡萄糖濃度的語境中描述該系統(tǒng)。但是，在生物流體(包括血漿、尿、唾液和間質(zhì)液)中存在膽固醇、甘油三酯、乳酸鹽、丙酮酸鹽、醇、膽紅素尿酸、NAD (P) H和一氧化碳之類的分析物的場(chǎng)合，這類系統(tǒng)可具有另外的應(yīng)用。
[0084]系統(tǒng)概沭
[0085]測(cè)定分析物濃度的系統(tǒng)可包括用以容納樣品的傳感片以及執(zhí)行一種或多種掃描技術(shù)和一種或多種數(shù)據(jù)處理的測(cè)量裝置。一方面，本發(fā)明可為含一個(gè)或多個(gè)傳感片以及執(zhí)行掃描技術(shù)和數(shù)據(jù)處理以輸出分析物濃度的手提式電子裝置的成套工具。
[0086]傳感片可包括工作電極、對(duì)電極，并可選地包括參考電極或第三電極。一方面，
可通過共同印刷/共同淀積，用單層試劑包覆工作電極和對(duì)電極，例如在Aseensia?autodisc傳感器中。另一方面，各個(gè)電極可用針對(duì)其所處電極作了優(yōu)化的試劑層包覆。工作電極上的試劑層包含氧化血樣中的葡萄糖的酶和介體，所述介體例如是在氧化葡萄糖還原該酶后再氧化該酶的氧化還原化合物。被還原的介體將葡萄糖氧化酶反應(yīng)的電子攜帶至電極，在工作電極表面被再氧化。
[0087]該再氧化導(dǎo)致電子通過傳感片的電極和導(dǎo)體。傳感片的導(dǎo)體與測(cè)量裝置電連通，測(cè)量裝置在電極之間施加電壓差。該裝置可記錄通過傳感器的電流，作為對(duì)血樣葡萄糖含
量的量度。
[0088]全血樣品被加載到傳感片上，血液中的葡萄糖與試劑層內(nèi)或附近的酶反應(yīng)。被還原的介體從樣品至工作電極的擴(kuò)散速率可限制在工作電極和對(duì)電極之間通過的電流。
_9] 掃描技術(shù)
[0090]與其中施加恒定電壓并同時(shí)檢測(cè)隨時(shí)間變化的電流的常規(guī)電流分析法和電量分析法不同，伏安掃描包括以固定速率(V/秒)施加跨接于電極的電位(電壓)，并檢測(cè)隨施加的電位變化的電流。伏安掃描可以線性、循環(huán)或非循環(huán)方式進(jìn)行。一般將循環(huán)伏安掃描稱為“循環(huán)伏安法”。
[0091 ] 在線性掃描中，在工作電極的電位以恒定速率隨時(shí)間線性變化時(shí)檢測(cè)工作電極的電流。掃描范圍(例如由-0.5V至+0.5V)可覆蓋氧化還原對(duì)的還原和氧化態(tài)，以發(fā)生由一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在工作電極上測(cè)量的電流可被認(rèn)為具有三個(gè)分量:平衡電流、擴(kuò)散電流和表面電流。表面電流可來源于吸附在電極上的任何物質(zhì)，一般較小而可忽略。平衡電流和擴(kuò)散電流是所得到的伏安圖中示出的主要分量。
[0092]線性掃描伏安圖(電流對(duì)電壓的曲線圖)的特征由下圖給出:在掃描過程中以平衡電流開始，達(dá)到峰值電流，并衰減至較低的電流電平。在初始峰值電流之后，檢測(cè)的電流衰減并接近穩(wěn)態(tài)區(qū)，在穩(wěn)態(tài)區(qū)中，被還原介體在電極表面處的氧化達(dá)到擴(kuò)散所限定的最大速率。因此，在此掃描平坦區(qū)的穩(wěn)態(tài)電流表示由電極的擴(kuò)散所限定的電流，可用作對(duì)血樣中葡萄糖含量的量度。
[0093]對(duì)于循環(huán)或非循環(huán)掃描，在完成正向掃描之后，以和正向掃描基本相同的掃描速率實(shí)施反向電位線性掃描。循環(huán)掃描以及某些情況下的非循環(huán)掃描可檢驗(yàn)氧化還原物質(zhì)由還原態(tài)向氧化態(tài)的轉(zhuǎn)變(反之亦然)，該轉(zhuǎn)變與施加的電位有關(guān)，或與氧化還原物質(zhì)對(duì)電極表面的擴(kuò)散速率有關(guān)。
[0094]與線性掃描相比，循環(huán)和非循環(huán)掃描可更好地呈現(xiàn)出掃描穩(wěn)態(tài)(由擴(kuò)散限定的)部分。循環(huán)和非循環(huán)掃描的優(yōu)勢(shì)可能對(duì)于快掃描速率下來自準(zhǔn)可逆氧化還原對(duì)的穩(wěn)態(tài)電流的定量尤其有利。有關(guān)線性和循環(huán)掃描的其它信息可見“Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications，，，A.J.Bard 和 LR.Faulkner, 1980。
[0095]非循環(huán)掃描相比于循環(huán)掃描可具有多種優(yōu)勢(shì)，包括掃描時(shí)間較短，以及被電化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)態(tài)的介體量顯著下降。因此，如果介體在分析物作用下被還原，并在測(cè)量中被電化學(xué)氧化，則在被氧化的介體被電化學(xué)還原前終止反向掃描，如此可降低樣品中對(duì)分析物無反應(yīng)的還原介體量。減少掃描時(shí)間可縮短分析時(shí)間，對(duì)用戶有明顯益處。
[0096]圖3A示出了鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)的25mV/秒循環(huán)掃描數(shù)據(jù)，作為循環(huán)伏安圖。該伏安圖的特征在于-0.3V至+0.6V的正電壓掃描過程中的正向掃描峰，它代表亞鐵氰化物氧化，以及在由+0.6V回到-0.3V的負(fù)電壓掃描過程中的反向掃描峰，它代表鐵氰化物還原。參照對(duì)電極可知，正向和反向掃描峰以鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原對(duì)的形式電位ΕΜ(-0.05mV)為中心。在這方面，對(duì)電極的電位基本上通過對(duì)電極上存在的主要氧化還原物質(zhì)即鐵氰化物的還原電位測(cè)定。圖3B示出了伏安圖數(shù)據(jù)的半積分，以表明該數(shù)據(jù)處理方法對(duì)原始數(shù)據(jù)的作用。圖3C顯示了可比較的非循環(huán)掃描，其中反向掃描在反向電流峰產(chǎn)生前終止。圖3D示出了非循環(huán)掃描的半積分。[0097]隨著電位相對(duì)于形式電位Etlt增加，該掃描過程導(dǎo)致工作電極附近的電流愈發(fā)升高。與此同時(shí)，在電極表面的氧化產(chǎn)生耗盡區(qū)，由此在電極附近產(chǎn)生濃度梯度。該濃度梯度產(chǎn)生一種將附加介體向電極擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)被分析物或氧化還原酶還原的介體移動(dòng)到工作電極并被再氧化時(shí)，這些力合在一起在伏安圖中形成初始的正向峰。隨著掃描繼續(xù)，電流衰減并接近圖3A中由-0.3至-0.6V的穩(wěn)態(tài)區(qū)。在穩(wěn)態(tài)區(qū)中檢測(cè)的電流可能與被還原的介體的濃度相關(guān)，因此與血樣的葡萄糖含量相關(guān)。
[0098]盡管可選擇正向和反向掃描開始的電位(掃描范圍)，以覆蓋氧化還原對(duì)的還原和氧化態(tài)，但可縮窄掃描范圍，以縮短分析時(shí)間。但是，掃描范圍最好包含氧化還原對(duì)的穩(wěn)態(tài)區(qū)。例如，在25mV/秒掃描速率下，以如下的Nernst方程式描述亞鐵氰化物/鐵氰化物可逆氧化還原對(duì)的還原[Red]和氧化[Ox]物質(zhì)的濃度和所得到的得的電極電位:
[0099]
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)定樣品中分析物的濃度的方法，包括: 對(duì)所述樣品實(shí)施伏安正向線性掃描，其中所述正向線性掃描實(shí)施變化的電壓； 測(cè)量隨變化的電壓變化的電流； 對(duì)測(cè)量的電流實(shí)施數(shù)據(jù)處理；以及 響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)處理來測(cè)定所述樣品中分析物的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析物選自由葡萄糖、膽固醇、甘油三酯、乳酸鹽、丙酮酸鹽、醇、膽紅素、尿酸、NAD (P) H和一氧化碳組成的組。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述樣品為全血。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述正向線性掃描的換向點(diǎn)處對(duì)所述樣品實(shí)施伏安反向線性掃描。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其中所述伏安正向和反向線性掃描包括非循環(huán)掃描。
6.如權(quán)利要求4所述的方法,其中所述伏安正向和反向線性掃描包括循環(huán)掃描。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述反向掃描包括至少25mV的穩(wěn)態(tài)區(qū)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述掃描的穩(wěn)態(tài)區(qū)包括相對(duì)于至多±10%的電壓的電化學(xué)電流變化。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中選擇所述換向點(diǎn)以提供25至400mV的穩(wěn)態(tài)區(qū)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以至少176mV/秒的速率改變所述正向掃描的電壓。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括以至少500mV/秒的速率改變所述正向掃描的電壓。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述正向掃描包括400至1000mV的掃描范圍。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述正向掃描包括在氧化還原對(duì)的兩種物質(zhì)之間提供至少100:1濃度比率的至少一個(gè)電壓。
14.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述正向掃描包括在工作電極處的至少180mV的至少一個(gè)電位。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)處理選自由半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理、導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理、半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理和其組合組成的組。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中實(shí)施數(shù)據(jù)處理包括對(duì)來自所述正向線性掃描的電流進(jìn)行半積分并測(cè)定穩(wěn)態(tài)半積分電流。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理將至少一個(gè)穩(wěn)態(tài)電流與至少一個(gè)受血細(xì)胞容量影響的平衡電流區(qū)分開。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理包括至少一個(gè)半波積分。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理沒有時(shí)間依賴性因子。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括響應(yīng)于血細(xì)胞容量補(bǔ)償來測(cè)定電流峰值對(duì)穩(wěn)態(tài)電流值的比率。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理將至少一部分伏安測(cè)量電流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榉濉?br> 24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)處理包括導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理包括血細(xì)胞容量補(bǔ)償，所述血細(xì)胞容量補(bǔ)償包括將負(fù)峰值除以正峰值。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)定包括血細(xì)胞容量補(bǔ)償。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述血細(xì)胞容量補(bǔ)償包括測(cè)定電流峰值對(duì)穩(wěn)態(tài)電流值的比率。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)定包括將至少一個(gè)穩(wěn)態(tài)電流值引入補(bǔ)償方程。
29.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所測(cè)定的樣品中分析物的濃度提供的濃度值比用電量分析法替代所述伏安正向線性掃描時(shí)測(cè)得的濃度值更接近于由基準(zhǔn)儀器獲得的濃度值。
30.一種測(cè)量裝置，用于測(cè)定樣品中分析物的濃度，所述測(cè)量裝置包括: 觸點(diǎn)；以及 與所述觸點(diǎn)電連通的電子電路，所述電子電路包括: 電連通的電荷充電器和處理器， 所述處理器與計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)電連通； 其中所述處理器測(cè)量來自觸點(diǎn)的電流，以及 所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼，所述計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼在被所述處理器執(zhí)行時(shí)根據(jù)由所述觸點(diǎn)測(cè)量的電流來測(cè)定所述樣品中分析物的濃度； 其中所述計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼在被所述處理器執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致所述電荷充電器通過所述觸點(diǎn)實(shí)施伏安掃描并且導(dǎo)致所述處理器對(duì)測(cè)量的電流實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理， 所述數(shù)據(jù)處理選自由半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理、導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理、半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理和其組合組成的組。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述分析物選自由葡萄糖、膽固醇、甘油三酯、乳酸鹽、丙酮酸鹽、醇、膽紅素、尿酸、NAD (P) H和一氧化碳組成的組。
32.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼在被所述處理器執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致所述電荷充電器通過所述觸點(diǎn)實(shí)施伏安正向線性掃描。
33.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理，所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理包括對(duì)測(cè)量的電流進(jìn)行半積分并測(cè)定穩(wěn)態(tài)半積分電流。
34.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理，所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理將至少一個(gè)穩(wěn)態(tài)電流與至少一個(gè)受血細(xì)胞容量影響的平衡電流區(qū)分開。
35.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理，所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理包括至少一個(gè)半波積分。
36.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理，所述半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理沒有時(shí)間依賴性因子。
37.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半積分?jǐn)?shù)據(jù)處理并且包括血細(xì)胞容量補(bǔ)償，所述血細(xì)胞容量補(bǔ)償包括測(cè)定電流峰值對(duì)穩(wěn)態(tài)電流值的比率。
38.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理，所述導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理包括血細(xì)胞容量補(bǔ)償，其中所述血細(xì)胞容量補(bǔ)償包括將負(fù)峰值除以正峰值。
39.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理包括半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理，所述半導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)處理將至少一部分伏安測(cè)量電流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榉濉?br> 40.一種測(cè)量裝置，用于測(cè)定樣品中分析物的濃度，所述測(cè)量裝置包括: 觸點(diǎn)；以及 與所述觸點(diǎn)電連通的電子電路； 所述電子電路包括: 電連通的電荷充電器和處理器，所述處理器與計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)電連通； 其中所述處理器測(cè)量來自觸點(diǎn)的電流，以及 所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼，所述計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼在被所述處理器執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致所述電荷充電器通過所述觸點(diǎn)實(shí)施伏安正向線性掃描并且根據(jù)由所述觸點(diǎn)測(cè)量的電流來測(cè)定所述樣品中分析物的濃度。
41.如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述計(jì)算機(jī)可讀軟件代碼在被所述處理器執(zhí)行時(shí)還導(dǎo)致所述電荷充電器通過所述觸點(diǎn)在所述正向線性掃描的換向點(diǎn)處實(shí)施伏安反向線性掃描。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中所述伏安正向和反向線性掃描包括非循環(huán)掃描。
43.如權(quán)利要 求41所述的裝置，其中所述伏安正向和反向線性掃描包括循環(huán)掃描。
44.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中所述反向線性掃描在穩(wěn)態(tài)區(qū)內(nèi)并且具有10至200mV的掃描范圍。
45.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中選擇所述換向點(diǎn)以提供25至400mV的穩(wěn)態(tài)區(qū)，所述掃描的穩(wěn)態(tài)區(qū)包括相對(duì)于至多±10%的電壓的電化學(xué)電流變化。
46.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中所述反向線性掃描在距換向點(diǎn)負(fù)向50至500mV的電位上終止。
47.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中所述反向掃描在反向掃描電流偏離穩(wěn)態(tài)電流達(dá)到至少25%時(shí)終止。
48.如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述正向掃描包括在氧化還原對(duì)的兩種物質(zhì)之間提供至少100:1濃度比率的至少一個(gè)電壓。
49.如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述分析物選自由葡萄糖、膽固醇、甘油三酯、乳酸鹽、丙酮酸鹽、醇、膽紅素、尿酸、NAD (P) H和一氧化碳組成的組。
50.如權(quán)利要求40所述的裝置，還包括傳感片，所述傳感片包括第一傳感片觸點(diǎn)和第二傳感片觸點(diǎn)，所述第一傳感片觸點(diǎn)和所述第二傳感片觸點(diǎn)與所述觸點(diǎn)電連通， 所述第一傳感片觸點(diǎn)與工作電極電連通，以及 所述第二傳感片觸點(diǎn)通過導(dǎo)體與對(duì)電極電連通， 其中第一試劑層在所述電極中的至少一個(gè)電極上，所述第一試劑層包括氧化還原酶和氧化還原對(duì)中的至少一種物質(zhì)。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，所述傳感片還包括: 在所述對(duì)電極上的第二試劑層，所述第二試劑層包括氧化還原對(duì)中的至少一種物質(zhì)， 其中所述第一試劑層在所述工作電極上。
【文檔編號(hào)】G01N27/48GK103901092SQ201410099343
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2005年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2004年5月14日
【發(fā)明者】伍煥平 申請(qǐng)人:拜爾健康護(hù)理有限責(zé)任公司