專利名稱：生物傳感器裝置中取樣體積適當?shù)臏y定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域是電化學測定生物流體中的分析物，尤其是待測試分析物濃度的生物流體樣品體積適當?shù)碾娀瘜W測定。發(fā)明背景 生物流體，例如，血液或血源性產(chǎn)品如血漿的分析物濃度測定對當今社會具有日益增長的重要性。這類化驗發(fā)現(xiàn)用于許多用途和裝置，包括臨床實驗室測試、家庭測試等等，這類測試的結(jié)果在許多疾病癥狀的診斷和處理中起顯著作用。通常感興趣的分析物包括用于糖尿病管理的葡萄糖、用于監(jiān)控心血管癥狀的膽固醇，等等。隨著分析物濃度檢測重要性的增長，已經(jīng)研發(fā)了許多適于臨床和家庭使用的分析物檢測方案和裝置。用于分析物檢測的一種類型的方法是電化學基礎(chǔ)的方法。在這類方法中，含水液體樣品放入由至少兩個電極(即，相反的/參考電極和工作電極)組成的電化學電池的反應(yīng)區(qū)，這里電極具有賦予它們適于電流測定的阻抗。待分析的成分，即，分析物，允許直接與電極，或者直接或間接與氧化還原劑反應(yīng)，生成與分析物濃度相對應(yīng)數(shù)量的可氧化(或可還原)物質(zhì)。接著電化學估計出現(xiàn)的可氧化(或可還原)物質(zhì)的數(shù)量，該數(shù)量與開始樣品中存在的分析物數(shù)量有夫。通常地，電化學電池是可任意處理的測試條形式，生物樣品在上面沉積，它在進行電化學分析物濃度測定的儀表內(nèi)是可接收的。采用這些類型測試條(通常被稱作生物傳感器)的儀器的測試系統(tǒng)的實例包括美國專利Nos. 5，942，102,6, 174，420 BI和6，179，979BI中找到。在這里公開它們作為參考。借助于這些系統(tǒng)，生物樣品中分析物濃度的測定首先包括獲得生物樣品并且使樣品與測試條的反應(yīng)區(qū)接觸，以便生物樣品，更具體地是感興趣的分析物或其衍生物，可以與與反應(yīng)區(qū)域相聯(lián)合的化學(例如測試試劑)反應(yīng)。為了獲得具體感興趣分析物的準確測定，必須將最小取樣體積用于反應(yīng)區(qū)。通常歸因于用戶的錯誤或者患者不熟練或判斷錯誤，提供不充分量的取樣體積并非不尋常的。不準確的測定能夠?qū)е抡`診或不當治療，例如服用不適當劑量的藥物、病人不依從等。這樣對于生活依賴頻繁監(jiān)控體內(nèi)分析物的人，例如糖尿病人，會導致嚴重和甚至有生命威脅的后果?！N確保充分生物樣品的手段是過飽和或使用大于充滿測試條反應(yīng)區(qū)必需體積的取樣流體。采用不必要的大體積的取樣流體尤其是血液的缺點，是需要從患者抽取較大體積的血樣。這里要使用相當大的血樣體積，從而必需使用較大直徑的針管和/或刺入皮膚更深。這些因素能増加患者的不適和疼痛，并且對于毛細管血液不易于壓出的個體，很難完成。由于這種取樣方法在一天內(nèi)能經(jīng)常重復，例如對于許多糖尿病人，疼痛的増加迅速變得幾乎不能忍受或無法一同忍受。已經(jīng)研發(fā)了ー些分析物檢測生物傳感器以提供視覺上確認取樣體積的適量，然而，這種特征不排除病人判斷取樣體積適量中的可能錯誤，例如，糖尿病人可能患有視覺惡化。某些其它的分析物檢測感受器提供用戶獨立的測定樣品體積適當?shù)姆椒?。美國專利Nos. 5，628，890 和 5，650，062 和 PCT 專利申請公開號 W099/32881 (PCT 專利申請?zhí)?No. PCT/US98/27203)公開了這類生物傳感器的例子。尤其，‘881公開說明書描述了電化學葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)，它通過將已知頻率的低水平AC電壓信號(無DC電壓偏移)用于生物傳感器，接著測定所得阻抗的實分量和虛分量，試圖測定應(yīng)用于生物傳感器的樣品體積適當。這些阻抗值接著與微處理器的程序存儲器內(nèi)的檢查表比較。考慮到這種系統(tǒng)取決于血液血細胞比容水平和 環(huán)境溫度變化，這種方法的準確性可能是另外成問題的。‘881公開說明書公開的另ー技術(shù)缺點在于如果測定樣品體積不充分，分析物檢測測試必須中止，即“合格不合格”情形。這導致需要從患者采集另一祥品，如上所述，這是不方便的和對于患者是非常疼痛的，可能導致患者在他或她藥物治療方案中不依從。此外，重復測試導致測試條的浪費并增加了方法的成本。如所指的，在適于準確和精確測定用于電化學分析物濃度測定的樣品體積適當?shù)男录夹g(shù)上有持續(xù)的興趣。特別的興趣會是開發(fā)能夠非常準確和迅速測定樣品體積適當?shù)姆椒āｉ_發(fā)這種樣品體積適當測定技術(shù)是額外有益的，其中取樣體積不充分的測定不需要中止分析物濃度測定試驗。理想地，這種技術(shù)會校正小于最優(yōu)的取樣體積，提供準確的分析物濃度測定，不需要提供新的樣品和進行新的實驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供測定生物樣品體積和測定該體積是否足以產(chǎn)生對至少ー種選自生物樣品特征(例如其中包含的分析物濃度)進行準確測定的系統(tǒng)和方法。某些這類方法和系統(tǒng)提供了對被確定為小于適當?shù)臉悠敷w積進行校正以便繼續(xù)進行測定程序的附加功能。本發(fā)明采用生物傳感器，例如生物溶液的樣品體積沉積于其上的電化學測試條，以及配置接收該測試條并對生物樣品內(nèi)選擇的分析物的濃度的進行測定的儀表。電化學測試條，以下更完整地介紹，包括由相反的電極組成的電化學電池，在電極之間定義為接收生物學樣品的反應(yīng)區(qū)，其中反應(yīng)區(qū)具有規(guī)定的厚度和體積。充分的電壓作用于電化學電池時，雙層充電和電化學反應(yīng)會發(fā)生。結(jié)果，電荷流向電池的電極。電極溶液界面與電容器的相似。電荷與電壓的比確定電極溶液界面的電容。由于總電荷歸因于雙層充電和電化學反應(yīng)，兩個不同的電容分量，Cdl和Cs,分別有助于電池的總或等效電容(參見Bard, A. J.和Faulkner, L. R.電化學方法，1980)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電化學電池的等效電容在精確測定取樣體積中是最相關(guān)因素，由于等效電池電容和與樣品(“覆蓋的電池面積”)接觸的電池電極的表面積數(shù)量成線性比例，因此，與電池內(nèi)，即電極之間的樣品體積成線性比例。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)電化學電池的等效電阻在精確測定取樣體積中額外相關(guān)，原因是等效電池電阻與覆蓋的電池面積成反比，并因此與取樣體積成反比。從而，本發(fā)明的一項特征是由等效電池電容或者等效電池電容和等效電池電阻可以導出這樣的覆蓋的電池面積和相應(yīng)取樣體積。本發(fā)明的另ー項特征是控制某些其它干擾準確測定取樣體積的因素(例如，電池的厚度、離子類的濃度，等等)，以便等效電池電容的值獨立并不受樣品內(nèi)葡萄糖濃度和血液血細胞比容水平、環(huán)境溫度、血液供血者特性和其它血液通常的干擾成分的影響。
本發(fā)明的又ー項特征是提供對確定為小于充分量的取樣體積進行校正以便繼續(xù)進行準確的分析物濃度測定的額外功能。從而，本發(fā)明提供測定用于測定供體(donor)內(nèi)一種或多種選擇分析物濃度的生物樣品體積適當?shù)姆椒ǎ摲椒ㄟ_到了這些目的并提供了這些特征。在主題方法的某些實施方案中，低振幅和具有選擇頻率的的交流電壓(AC電壓)作用于含有待測試生物樣品的生物傳感器，因此給生物傳感器充電。可選擇地，直流電壓(DC電壓)可同時與AC電壓一起應(yīng)用，以增加使生物傳感器電容變得穩(wěn)定的速率。接著測定由這種充電產(chǎn)生的所得交流電，并然后由所得的交流電確定生物傳感器的等效電池電容。接著用等效電池電容確定與樣品溶液接觸的生物傳感器的表面積的值，然后將表面積用于導出生物傳感器內(nèi)樣品的體積。在確定樣品體積對進行準確的分析物濃度測定適當之后，測定該分析物的濃度。另ー方面，如果確定取樣體積不充分，主題方法可進ー步包括在分析物濃度測定方法期間對該不充分取樣體積進行校正。不充分的取樣體積的校正包括確定必需的校正系數(shù)，它至少部分上包括確定含有實際取樣體積的生物傳感器的等效電池電容與充滿整個可利用的體積時的生物傳感器電池電容之比。本發(fā)明也包括實施主題方法的系統(tǒng)。主題系統(tǒng)包括電子元件和/或打算使用并且與生物傳感器電子偶合的電路，例如，如可任意使用(disposable)測試條形式的電化學測定電池，其中待測試取樣溶液通過毛細管作用沉積和取出。更典型地，該電子電路與儀表或其它配置接收的自動裝置結(jié)合并且可操作地與該電化學電池，例如自由使用的測試條接合，并且測定電化學電池內(nèi)生物樣品的ー種或多種物理或化學特性。最典型地，這類特性包括生物樣品內(nèi)ー種或多種靶分析物的濃度。這種電子電路包括分立的電子元件，例如，電源電壓，和/或具有多個電路元件和/或半導體裝置的集成電路，例如適當編程以基于某些來自電化學電池的信號或數(shù)據(jù)輸入執(zhí)行主題方法的步驟和功能的微處理器。在某些實施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括如剛才描述的電子電路和自動化測定裝置或儀表，其中電子電路結(jié)構(gòu)上和功能上與自動化測定裝置構(gòu)成整體。主題方法和系統(tǒng)用于測定不同生物樣品，例如尿、眼淚、唾液等的取樣體積的同時，它們特別適用于測定血液或血液部分等的取樣體積。此外，主題系統(tǒng)和方法適于測定為測定樣品中多種物理和化學特征作準備的取樣體積。它們在準備測定樣品內(nèi)選擇的分析物的濃度中特別有用?；陂喿x以下完全描述的本發(fā)明方法和系統(tǒng)的細節(jié) ，本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)點和特征對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員是明顯的。


圖I是適于電化學分析物濃度測定的示范性常規(guī)電化學測試條的部件分解圖，它可用于本發(fā)明。圖2是圖I測試條等效電池阻抗典型電路的圖解說明。圖3是可操作地與電化學生物傳感器偶合以便電壓作用于生物傳感器時測定電化學生物傳感器等效電池電容的本發(fā)明系統(tǒng)的方框圖。圖4是描述電池以取樣溶液分別完全充滿和半充滿吋，圖I測試條電化學電池的等效電池電容(y軸)與時間(X軸)的變化關(guān)系圖。
圖5是描述圖I測試條電池以取樣溶液分別完全和半充滿吋，電化學等效電阻(y軸)與時間(X軸)的變化關(guān)系圖。 圖6是描述電池以取樣溶液分別完全充滿和半充滿吋，圖I測試條電化學電池的等效電池電容(X軸)在將取樣溶液用于測試條(y軸)之后O. 5秒的變化關(guān)系的直方圖。圖7是描述圖I測試條電池以取樣溶液分別完全和半充滿吋，電效電池電容和等效電池電阻(y軸)與時間(X軸)的比率圖。圖8描述電化學電池以取樣溶液分別完全充滿和半充滿時，等效電池電容和等效電池電阻(y軸)對點樣后O. 5秒測定的等效電池電容(X軸)的比的散點圖。
具體實施方案本發(fā)明提供適于測定測定樣品選擇特征(例如，分析物濃度)目的的生物樣品體積，以及測定是否該體積足以產(chǎn)生選擇特征準確測定的系統(tǒng)和方法。某些這類系統(tǒng)和方法提供了對被確定為小于適當?shù)娜芋w積進行校正以便對該特征進行準確測定的額外功能。在進ー步詳細描述本發(fā)明之前，本發(fā)明應(yīng)該被理解為不限于所描述的具體實施例，當然同樣可以變化。同樣應(yīng)當理解本文使用的術(shù)語僅僅是用于描述具體實施方案目的，并不打算限制，原因是本發(fā)明的范圍僅僅通過待審的權(quán)利要求限制。在所提供的數(shù)值范圍中，可以理解成在一個范圍和其他任何所述的范圍內(nèi)的每ー個中間值，除非另有清楚描述，為下限単位的十分之一，或那個所述范圍內(nèi)的中間值，包括在本發(fā)明內(nèi)。獨立包含在較小范圍內(nèi)的這些較小范圍的上限和下限也包括在本發(fā)明內(nèi)，可以有所述范圍內(nèi)的任何具體除外的界限。所述范圍包括ー個或兩個界限，本發(fā)明還包括除外任可ー個所包括的界限的范圍。除非另外定義，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解相同的含義。盡管任何類似或等同于本文描述的方法和材料也可用于本發(fā)明的實踐或測試，但是本文還是描述了有限數(shù)量的示范方法和材料。必須注意，如本文和待審的權(quán)利要求使用，単數(shù)形式的“一”(a、an)和所述(de)包括復數(shù)對象，除非上下文有另外清楚的說明。本文敘及的所有公開說明書收編于此作為參考，以公開和描述與引用的公開說明書相關(guān)的方法和/或材料。僅僅由于它們在本申請?zhí)峤蝗罩肮_，因此可以提供本文討論的公開說明書。本文不會構(gòu)成本發(fā)明由于在先發(fā)明無權(quán)提前該公開的許可。進ー步地，提供的
公開日期可能不同于實際
公開日期，它需要単獨確認。定義本文使用的術(shù)語“雙層”指位于電極表面和電壓作用于電極時與電極表面接觸的溶液(例如，生物溶液樣品)之間的界面所存在的帶電種類和定向偶極的整個陣列。本文使用的術(shù)語“雙層電容” Cdl意指通過雙層電極溶液界面充電所致的電容。本文使用的術(shù)語“法拉第電容” Cg指歸因于發(fā)生在電極表面上的電化學反應(yīng)過程的假電容分量。本文使用的術(shù)語“法拉第電流” iF意指發(fā)生在已經(jīng)施加電壓的電極表面的電流或電子轉(zhuǎn)移。本文使用的關(guān)于電化學電池的術(shù)語“等效電池電容”C指跨過電化學電池的總的等效電容，它在電壓已經(jīng)作用于電化學電池時產(chǎn)生。等效電池電容由雙層電池電容和法拉第電容支配。本文使用的與電化學電池有關(guān)的術(shù)語“等效電池電阻”R意指經(jīng)電化學電池的總等效電阻，它在電壓已經(jīng)作用于電化學電池時產(chǎn)生。本文使用的與電子電路或元件(例如，電化學電池)有關(guān)的可互換使用的“等效電池阻杭”Z意指包括但不須限于等效電池電容和等效電池電阻組合的電路的總阻抗，它在電壓已經(jīng)作用于電化學電池時產(chǎn)生。本文使用的術(shù)語“法拉弟電流” iF意指作為施加電壓時電化學反應(yīng)的結(jié)果，由電子在取樣元件和電極表面之間轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流。本文可互換使用詞語“裝置”、“測定”、“計算”等和它們各自的派生詞。 本發(fā)明現(xiàn)在將詳細描述。在進ー步描述本發(fā)明中，首先介紹該系統(tǒng)使用和本發(fā)明方法采用的示范性的電化學生物傳感器，接著是主題方法和系統(tǒng)的詳細說明，以及包括用于實施該主題方法的主題系統(tǒng)的試劑盒的說明。電化學傳感器如上概述，本發(fā)明提供用于測定生物材料樣品體積(該生物材料樣品用于分析物濃度測定)并確定該體積是否充分以產(chǎn)生準確的分析物濃度測定的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)以生物傳感器的方式使用，更具體地是基于電化學電池的生物傳感器，其中存放或傳送取樣的生物材料。基于電化學電池的生物傳感器存在變通的設(shè)計。分析物濃度監(jiān)測領(lǐng)域采用的最通常的這些設(shè)計包括測試條構(gòu)造，例如美國專利No. 6，193,873和共同未決美國專利申請系列號 Nos. 09/497，304,09/497, 269,09/736, 788 和 09/746，116 公開的那些，這些公開收編于本文作為參考。這些測試條與為電化學測定而配置的儀表一起使用，例如在上述專利參考文獻中公開的那些。除了測試條之外的電化學生物傳感器也適用于本發(fā)明。例如，電化學電池可以具有圓柱形構(gòu)造，其中芯電極(core electrode)同軸地位于第二管狀電極內(nèi)。該電化學電池構(gòu)造可以是顯微針形式，例如或者總體在針結(jié)構(gòu)內(nèi)以便就地(例如，通常在皮膚表面上)測定，或者以有形或液體的形式與微針結(jié)構(gòu)相連通(comminication)。這類顯微針的例子公開在2001年6月12日提交的共同未決的美國專利系列號Nos. 09/878，742和09/879，106中，收編于此作為參考。對本公開而言，會在以測試條構(gòu)造內(nèi)的電化學電池方式使用中描述主題裝置；然而，本領(lǐng)域熟練人員會理解主題裝置可以任何適合的電化學電池構(gòu)造的方式使用，包括顯微針構(gòu)造。進行的該類型的電化學測定取決于使用了電化學測試條的分析和儀表的具體性質(zhì)，例如，取決于分析是否是電量分析、電流分析或電勢測定。電化學電池會測定電量分析中的電荷、電流分析的中電流和電勢分析中的電勢。對于本公開說明書而言，在電流分析的上下文(context)中將介紹本發(fā)明；然而，主題裝置可以采用任何類型的分析和電化學測定。通常地，任何構(gòu)造中，電化學電池包括在相同平面內(nèi)或者相對排列或者左右排列的至少兩個分開間隔的電極。在第一種排列中，電極由薄隔離層分隔，它確定了反應(yīng)區(qū)(area)或帶(zone),或者室,其中存放或傳送生物樣品以便分析物濃度測定。在并排構(gòu)造中，電極在一個規(guī)定了厚度和體積的室內(nèi)。存在于反應(yīng)區(qū)或室內(nèi)(即涂敷在ー種或多種相對電極表面上)的是選擇的一種或多種與靶分析物發(fā)生化學反應(yīng)的氧化還原試劑。該氧化還原試劑通常包括至少ー種酶和ー種介質(zhì)。圖I的分解圖提供了適用于本發(fā)明的示范性常規(guī)電化學測試條2的代表。測試條2由兩個以隔離層12分隔的電極4、8組成，隔離層12具有確定反應(yīng)帶或區(qū)14的剖面。一般，電極4、8形式為延長的矩形片，每個具有約2至6cm的長度，通常為約3至4cm，具有的寬度為約O. 3至L Ocm,通常為約O. 5至O. 7cm,并且厚度為約O. 2至L 2mm,通常為O. 38至O. 64mm。
面對測試條反應(yīng)區(qū)的電極4、8表面由導電材料制成,優(yōu)選金屬，這里感興趣的金屬包括鈀、金、鉬、銥、摻雜銦的氧化錫、不銹鋼、碳等等。電極4、8的外表面6、10由惰性支架材料或基材制成。任何適當?shù)亩栊曰目膳c電極4、8 —起使用，這里材料通常是能夠提供電極支撐結(jié)構(gòu)的剛性材料，并且，接著作為電化學測試條的整體。這類適當?shù)牟牧习ㄋ芰希?，PET、PETG、聚酰亞胺、聚碳酸酷、聚苯こ烯、硅、陶瓷、玻璃，等等。電極4、8和測試條2可采用任意的各種對相關(guān)領(lǐng)域熟練人員已知的制備技術(shù)制造。如上所述，薄隔離層12安置或插入電極4、8之間。隔離層12的厚度一般范圍為約I至500 μ m，通常為約50至150 μ m。隔離層12可由任意的適當材料制造，這里代表性的適當材料包括PET、PETG、聚酰亞胺、聚碳酸酷，等等?？梢蕴幚砀綦x層12的表面以便與各自的電極4、8粘著，并由此保持電化學測試條2的結(jié)構(gòu)。切割隔離層12以便提供具有任意適當形狀的反應(yīng)帶或區(qū)14，形狀包括圓形、方形、三角形、矩形或不規(guī)則形狀。反應(yīng)帶14的頂部和底部由電極4、8相対的表面確定，同時隔離層12確定反應(yīng)帶14的側(cè)壁。反應(yīng)區(qū)的體積范圍至少是約O. I至10 μ L，通常為約O. 2至5. O μ L，更通常是約O. 3至L 6 μし位于反應(yīng)區(qū)14的是氧化還原試劑系統(tǒng)，該試劑系統(tǒng)為由電極檢測的種類作準備，并因此用于導出生物樣品內(nèi)的分析物濃度。位于反應(yīng)區(qū)的氧化還原試劑系統(tǒng)通常包括至少ー種酶和ー種介質(zhì)。在許多實施方案中，氧化還原試劑系統(tǒng)的酶成分是ー種酶或多種一起參與有關(guān)分析物氧化的酶。換言之，氧化還原試劑系統(tǒng)的酶成分由単一的分析物氧化酶組成，由或一起參與有關(guān)分析物氧化的兩種或多種酶的集合組成。有關(guān)的典型的酶包括氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶等等。但是，位于反應(yīng)區(qū)內(nèi)的特殊的酶取決于所設(shè)計的電化學測試條將要檢測的具體分析物。例如，感興趣分析物是葡萄糖時，適當?shù)拿赴ㄆ咸烟茄趸浮⑵咸烟敲摎涿?或者煙堿酰胺腺嘌呤二核苷酸基(NAD)或者4，5-ニ氫-4，5-ニ氧代-IH-吡咯并[2，3-f]喹啉_2，7，9-三羧酸基(PQQ))。分析物為膽固醇時，適當?shù)拿赴懝檀减ッ负湍懝檀佳趸?。對于其它的分析物，酶包括但不限于脂蛋白脂酶、甘油激酶、甘?3-磷酸鹽氧化酶、乳酸鹽氧化酶、乳酸鹽脫氫酶、丙酮酸鹽氧化酶、醇氧化酶、膽紅素氧化酶、尿酸酶等可以使用的酶。氧化還原試劑系統(tǒng)的第二組成是介質(zhì)組分，它由ー種或多種介質(zhì)試劑組成。許多不同的介質(zhì)試劑是本領(lǐng)域已知的，包括鐵氰化合物、吩嗪こ基硫酸鹽、吩嗪甲基硫酸鹽、苯二月安(pheylenediamine)、ト甲氧基-吩嗪甲基硫酸鹽、2,6- ニ甲基-1,4-苯醌、2,5- ニ氯-1，4-苯醌、ニ茂鐵衍生物、聯(lián)吡啶鋨絡(luò)合物、釕絡(luò)合物等。在葡萄糖是感興趣分分析物和葡萄糖氧化酶或葡萄糖脫氫酶是酶組分的實施方案中，特別感興趣的介質(zhì)是鐵氰化物。其它位于反應(yīng)區(qū)的試劑包括緩沖劑，例如檸康酸鹽、枸椽酸鹽、磷酸鹽、“良好的”緩沖劑等。氧化還原試劑系統(tǒng)通常以干燥形式存在。各種組分的量可以變化，酶組分的量通常范圍是約O. I至20重量％。本發(fā)明的方法如上概述，本主題發(fā)明包括測定存于或轉(zhuǎn)移至具有規(guī)定體積的反應(yīng)區(qū)或室的電化學池的生物樣品的體積，以及測定該體積是否足以產(chǎn)生準確的分析物濃度測定的方法。如上所述，在取樣體積測定中主題方法的特征是電池等效電容以及等效電池電阻的測定。如此，該主題方法提供比現(xiàn)有技術(shù)所已經(jīng)達到的結(jié)果更準確的取樣體積測定。電效電池電容和電阻以及取樣體積測定中主題方法的另ー特征是忽視樣品溶液或環(huán)境條件的某些特征或因素，它們或者對等效電容和/或等效電阻的測定無影響，或者另外被嚴格控制以致于不具有這樣的影響。這些受控或獨立于等效電容的因素包括但不限于離子種類的濃度、血液血細胞比容、血液葡萄糖濃度、環(huán)境溫度、供血者、和通常在血液中發(fā)現(xiàn)的傳感器干擾、細胞厚度和生物傳感器老化。為了理解主題方法的描述，圖2提供了圖I測試條電化學電池的阻抗電路40的簡化模型。含有生物溶液樣品和具有作用在它上面的電壓時，阻抗電路40是測試條代表性的阻抗因素。AC和DC電壓均作用于電池時，阻抗電路40包括等效電池電容(042，它包括雙層和法拉第電容，以及電化學電池的等效電池電陽(R)46。在實施主題方法之前，首先必需獲得待測的生物樣品并將該樣品置于測試條電池內(nèi)。樣品在測試條內(nèi)的放置可這樣完成先將測試條插入測試儀表，然后將樣品用于測試條(“開儀表計量”)，或者樣品先施用于測試條，接著插入測試條到測試儀表(“關(guān)儀表計量”)。后者在醫(yī)院環(huán)境中通常是優(yōu)選的，由于它更可能在儀表內(nèi)交叉污染。測定儀表接著檢測已經(jīng)引入電化學電池的生物樣品(如美國專利第6，193，873公開的)。一旦檢測這種樣品，主題方法的第一步是施加低振幅的交流電壓(Vac)到生物傳感器。選擇施加的AC電壓的振幅，使其應(yīng)用不會產(chǎn)生法拉弟電流(iF)，即作為施加電壓到電極后的電化學反應(yīng)的結(jié)果，發(fā)生在電極表面的電子轉(zhuǎn)移。如所指，施加的AC電壓的振幅是約2至IOOmV rms,通常是約5至75mV rms,更通常是約50mV rms。選擇施加AC電壓的頻率(f)，以便最大化電池的信噪比(即，測定的等效電池電容與測定的等效電池電容變異性的比)。如所指的，施加的AC電壓可接受的頻率范圍是約50至10，OOOHz，通常是約75至1,000Hz，更典型是約IOOHz?？蛇x擇地，DC電壓可以施加于生物傳感器，或者同時施加AC電壓或在AC電壓施加之前一秒的分數(shù)(fractions of a second)施加。DC電壓一般在約O至600mV,通常是約200至500mV，更典型地是300至400mV。DC電壓分量引起電化學電池等效電容比單獨用AC電壓更迅速地穩(wěn)定。電池電容的迅速穩(wěn)定使可以在開始分析物測定之前測定取樣體積，從而最小化整個測試時間。在施加AC和DC電壓之后，接著測定由充電電化學電池產(chǎn)生的交流電(iAC)。生物傳感器的等效電池電容接著可由所得交流電的振幅和相測定。 對于僅取決于通過生物樣品接觸的電池表面的等效電池電容，必須嚴格控制雙層電容的電荷分離距離(ddl)，以便在樣品溶液體積測定期間它是常量。雙層電容器的厚度取決于作用的電壓、溶液中帶電物質(zhì)的濃度。為了確保電荷分離層的恒定厚度，從而確保與樣品溶液接觸的每個電極的表面積和樣品體積的準確測定，嚴格控制氧化還原試劑的離子濃度，同時將樣品的離子濃度生理學控制在極窄的范圍。
如上所述，電化學電池的等效電阻另外與準確測定樣品體積相關(guān)。因此，確立等效電池電阻(R)與樣品覆蓋的電池表面積成反比，并確立等效電池電容(C)與覆蓋的電池面積成線性比例，如下關(guān)系表示R= P 1/A 和 C a A這里p是電化學電池的電阻率，I是電池電極的長度，A是電池的導電表面積，存在下列關(guān)系C/R A2因此，生物樣品覆蓋的電池表面積值可通過等效電池電容與等效電池電阻的比測定?？紤]到取樣體積對電池兩個阻抗成分(電容和電阻)而不僅僅是它們中的一項(例如，電容)的影響，確立提供對生物樣品覆蓋的電池表面積值變化更敏感的關(guān)系。更具體地，就生物樣品覆蓋的電池表面積而言，電池電容與電池電阻的比提供平方關(guān)系而不是線性關(guān)系，從而增加了測定覆蓋電池面積變化的靈敏度。因此，按照該方法覆蓋面積的測定比僅考慮等效電池電容更準確。在測定與樣品溶液接觸或由其覆蓋的電極的表面積后，可以按照下列等式測定生物傳感器內(nèi)(即電化學電池反應(yīng)區(qū)內(nèi))的樣品溶液的體積(Vs)Vs = A d這里d是相對的電極構(gòu)造中電池電極之間的距離或者左右電極構(gòu)造中電池的深度。接著進行關(guān)于供給測試條的樣品體積是否足以繼續(xù)進行分析物濃度測定的測定。通過比較所計算的樣品體積與電化學電池總體積進行測定。以下就本發(fā)明系統(tǒng)更詳細地討論，例如，在校準儀表或其它主題系統(tǒng)相關(guān)元件后，將包括但不限于電池總體積值、操作溫度范圍、插入儀表的適當?shù)臏y試條連同與具體電池有關(guān)的其它數(shù)值(靜態(tài)或動態(tài))或參數(shù)的某些參數(shù)，貯存于微處理器的存儲器中。如果測定樣品體積充分，進行預(yù)期的性質(zhì)(例如分析物濃度)測定，其結(jié)果顯示在顯示裝置上，以下詳細就主題系統(tǒng)詳細介紹。另一方面，如果測定的樣品體積不充分，即太低以致不能提供準確測定，顯示裝置會顯示低體積影像。如上所討論，主題方法的某些實施方式還包括校正不充分樣品溶液以便進行選擇特征如靶分析物濃度的準確測定而無需重復取樣和測試步驟的額外功能。本領(lǐng)域已知，電池內(nèi)生物樣品選擇分析物(例如葡萄糖)的濃度與施加DC電壓時經(jīng)過電化學電池的法拉第電流(If)成正比，該電池電流與樣品溶液覆蓋的電池表面積成正t匕。如上所述，發(fā)明人已經(jīng)測定這種表面積與電池的等效電容成正比。因此，選擇分析物的濃度與等效電池電容成正比。通過測定含樣品溶液時的等效電池電容和通過獲知完全充滿生物溶液時的電池電容(校準步驟測定)，按照下列等式可以確定校正低樣品體積和提供準確分析物濃度測定必需的校正系數(shù)(Frf)Fcf = Cf/ Cpf 這里Cf是完全充滿電化學電池的等效電容，Cpf是含不充分體積生物樣品的電化學電池的等效電容。接著按照下列等式以適當?shù)男Ｕ禂?shù)(Frf)進行修正的分析物濃度測定(G)G = Fcf Gpf
這里Gpf是由含不充分體積生物樣品的電池計算的分析物濃度。由于能夠校正不充分的低樣品體積，主題方法避免了浪費測試條，減少了費用和節(jié)約了進行分析物測定所必需的時間。因此，按照以上原則和發(fā)現(xiàn)，一般概述本發(fā)明的某些方法包括施加選定振幅和選定頻率的AC電壓至已經(jīng)施加有或沒有施加有ー個AC電壓的生物傳感器；測定由施加電壓而產(chǎn)生的AC電流；由測定的AC電流測定生物傳感器的電容或電容和電阻；基于測定的電容或者基于測定的電容和測定的電阻測定與樣品接觸的生物傳感器部分的表面積；然后基于測定的表面積測定生物傳感器內(nèi)樣品的體積。其它的主題方法進ー步包括基于樣品體積充分的測定，測定生物樣品的一種或多種物理或化學性質(zhì)，例如一種或多種選定分析物的濃度。其他的主題方法包括為了至少ー 種生物樣品特征的測定，校正生物傳感器內(nèi)生物樣品不充分的體積，以便準確測定特征值。這樣的校正方法包括如果測定出樣品體積不充分，則測定校正不充分樣品必需的校正系數(shù)，并接著在測定例如該樣品內(nèi)選定分析物的濃度的同時，測定校正不充分的樣品體積。測定必需校正系數(shù)的步驟包括確定當完全充滿樣品時的生物傳感器的等效電容與具有不充分樣品體積的生物傳感器的等效電容的比例。從存儲裝置中可得到完全充滿所述樣品時的生物傳感器的等效電容。本發(fā)明的系統(tǒng)本發(fā)明還提供實施上述主題方法的系統(tǒng)。通常描述，這樣的系統(tǒng)包括實施上述本發(fā)明方法步驟的元件配置的向電化學電池施加電壓用的電源電壓，測定施加電壓時電池產(chǎn)生的電流的，由測定的電流導出電池電容和/或電阻用的裝置；由電池電容和/或電阻導出生物樣品覆蓋的電池表面積用的裝置；以及由電池表面積導出生物樣品體積用的裝置。某些系統(tǒng)進ー步包括用于測定樣品體積是否足以適于生物樣品ー種或多種特征的準確測定的裝置，這些特征包括但不限于生物樣品內(nèi)一種或多種選定分析物的濃度。這些系統(tǒng)中的某些進一歩包括用于測定生物樣品選定特征同時校正不充分樣品體積的裝置。圖3圖解了本發(fā)明示范系統(tǒng)50的框圖。系統(tǒng)50包括配置的用于電子耦合生物傳感器70的電子元件和電路，生物傳感器70，例如如上所述關(guān)于圖I的任意使用的測試條形式的電化學測定電池，其中存放或轉(zhuǎn)移要測試的取樣的生物溶液。更具體地，系統(tǒng)50包括用于供給生物傳感器70必備的AC和DC輸入電壓的電源電壓52。系統(tǒng)50進一步包括一個電流至電壓轉(zhuǎn)化器54、一個模擬至數(shù)碼(analog-to-digital)轉(zhuǎn)化器56和ー個微處理器58，該微處理器可以集合地接收和處理來自生物傳感器70的數(shù)據(jù)。特別地，電流至電壓轉(zhuǎn)化器54可以操作性地與生物傳感器70的輸出端耦合，用于當電源電壓52施加電壓時接收生物傳感器70的輸出電流信號和將這種電流信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號。該電壓信號然后被作為模擬至數(shù)碼轉(zhuǎn)化器56的輸入信號而提供，該模擬至數(shù)碼轉(zhuǎn)化器56將模擬轉(zhuǎn)化至相應(yīng)的數(shù)碼數(shù)值。接著提供數(shù)碼的電壓信號作為微處理器54的輸入信號，該微處理器編有導出和/或測定有價值系數(shù)或參數(shù)的程序，這些系數(shù)或參數(shù)例如等效電池電容、電效電池電阻、與生物傳感器接觸的生物傳感器的表面積、生物樣品的體積、體積校正系數(shù)，等等；并且可以控制這些功能中每ー個的時間。如先前所述，微處理器54包括用于存儲預(yù)定、預(yù)選或校準的數(shù)據(jù)或信息的記憶存儲裝置，這些數(shù)據(jù)或信息例如實施主題方法步驟和功能必需或有用的電化學電池的總體積、校準參數(shù)、操作溫度范圍、樣品類型信息、樣品檢測信息等等。盡管已經(jīng)介紹了以按照本發(fā)明原則存儲和處理數(shù)據(jù)為目的微處理器，本領(lǐng)域的熟練人員會意識到可以集合配置其它分散的電子元件以達到本發(fā)明的目的。這種主題系統(tǒng)進一步包括顯示由控制裝置或微處理器提供的選擇的經(jīng)驗或符號化數(shù)據(jù)、信息或輸出的顯示裝置或單元60。這樣的數(shù)據(jù)、信息或輸出包括，但不限于，選擇的輸出信號和阻抗系數(shù)、樣品體積大小、體積適當/不適當指示圖標、不充分體積校正系數(shù)、感興趣分析物的濃度、生物樣品對對照樣品指示劑圖標、校準結(jié)果等測定或?qū)С鲋?。許多實施方案中，如上所述，通常設(shè)計的與電化學電池一起工作的主題系統(tǒng)自動化地進行電化學信號應(yīng)用、測定、推導、計算、校正和顯示步驟。同樣，電子電路或主題系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)上或功能上整合入一個儀表或其它自動化裝置，它們是為接收和可操作地使用電化學電池(例如，任意處理的測試條)，并且測定電化學電池內(nèi)生物樣品的一種或多種物理或化學特征而配置的。最典型地，這樣的特征包括生物樣品內(nèi)一種或多種靶分析物的濃度。美國專利號6，193，873B1進一步介紹了自動實施部分相同或類似步驟和功能的代表性儀表或裝置，這樣以致于用戶僅僅需要施加生物樣品至電化學電池反應(yīng)區(qū)，接著從該裝置閱讀最終分析物濃度結(jié)果，該公開收編于本文作為參考。相關(guān)領(lǐng)域的熟練人員會理解該主題系統(tǒng)可與不包括上述類型生物傳感器的分析系統(tǒng)一起使用。這樣的其它系統(tǒng)包括，例如，具有至少兩個電極的電化學電池和具有固定離子濃度的氧化還原試劑系統(tǒng)，其中電極配置在生物樣品或具有固定離子濃度的環(huán)境內(nèi)。實施例已經(jīng)觀察到與本發(fā)明有關(guān)的下列結(jié)果。圖4-8圖解了由具有充分樣品體積測試條(即，測試條的反應(yīng)區(qū)完全充滿樣品溶液或物質(zhì))和樣品體積較充分樣品體積小的測試條(即，測試條的反應(yīng)區(qū)半充滿樣品溶液或材料的)得到的測定實驗結(jié)果中的變化。更具體地，在選定的時間期限內(nèi)進行電化學電池和樣品溶液電阻的等效電容的測定，在該時期內(nèi)向測試條施加適當電壓。通過舉例說明提供下列實驗結(jié)果，但并非要限制本發(fā)明的范圍。通過在室溫下配制5個不同供血者的測試條收集舉例說明的結(jié)果，葡萄糖范圍40-600mg/dL、血細胞比容20%和70%。圖4說明了完全充滿血樣的測試條130和半充滿血樣的測試條132之等效電池電容(y軸)隨時間(X軸)變化的對照。該圖顯示完全充滿的測試條130產(chǎn)生的等效電容兩倍于半充滿測試條132的等效電容。圖5說明了完全充滿血樣的測試條136和半充滿血樣的測試條134之等效電池電阻(y軸)隨時間(X軸)變化的對照。該圖顯示較大體積血樣產(chǎn)生的等效電池電阻約為填充較小體積血樣的測試條等效電池電阻的一半。圖6說明了完全充滿血樣的測試條140和半充滿血樣的測試條138之等效電池電容(X軸)的直方圖，其中等效電池電容在血樣施于測試條后0.5秒測定。該圖顯示完全充滿測試條140產(chǎn)生兩倍于半充滿測試條138的等效電池電容，并且具有很好的再現(xiàn)性。圖7說明了完全充滿血樣的測試條142和半充滿血樣的測試條144的等效電池電容與等效電池電阻之比(C/R)(y由)隨時間(X軸)的變化的對照。該圖顯示完全充滿的測試條142產(chǎn)生的C/R約四倍于半充滿測試條144的C/R。圖8說明了完全充滿血樣的測試條146和半充滿血樣的測試條148的等效電池電容與等效電池電阻之比(C/R) (y軸)對等效電池電容(X由)的直方圖，其中在血樣施于測試條之后O. 5秒測定電容和電阻。該圖顯示與等效電池電容C相比所產(chǎn)生的C/R對樣品體積更敏感。試劑盒也由本主題發(fā)明提供的是適用于實施主題方法的試劑盒。主題發(fā)明的試劑盒包括如上所述的電子電路，或者以如上所述的儀表或其它自動化儀器的形式，以便測定施于測試條的樣品體積是否足以充分提供準確的分析物濃度測定。在某些另外的試劑盒中，主題系統(tǒng)在進行分析物濃度測定時還校正 這樣的不充分體積。試劑盒進一歩包括在保留在電化學電池內(nèi)的取樣溶液或物質(zhì)的體積測定中，采用按照本發(fā)明的具有電化學電池的方法以測試條或顯微針等形式采用主題系統(tǒng)的指示。這些指示可以出現(xiàn)在ー種或多種包裝、標簽夾頁等之上。由上述說明，很明顯，本主題方法和系統(tǒng)克服了測定位于測試條上生物樣品體積以便電化學分析物濃度分析的現(xiàn)有技術(shù)中的許多缺點，提供的確定優(yōu)點包括，但不限于，為進行這樣的樣品體積測定提供了非常準確的裝置和技術(shù)，減少了實施分析物濃度測定必需的時間。進ー步地,這樣的取樣體積測定不受血糖濃度、血液血細胞比容水平、供血者、測試溫度和通常位于血樣內(nèi)干擾物濃度變化支配。本發(fā)明的其它優(yōu)點包括校正不充分樣品體積的能力和進行分析物濃度測定，不必中上測試步驟，最小化浪費和成本。同樣，本主題發(fā)明代表流體生物樣品體積測定和分析物濃度測定領(lǐng)域顯著的貢獻。本文在被認為最實際和優(yōu)選的實施方案顯示和介紹主題發(fā)明。然而，我們確定，對于讀過本公開文本的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會產(chǎn)生，由其進行的在本發(fā)明范圍內(nèi)的開發(fā)和顯而易見的修飾(modification)。我們認為公開的具體的裝置和方法是舉例說明的，并非限制。在公開內(nèi)容的等同意思和范圍內(nèi)的修飾，例如對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來言可以做到的那些，都將包括在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種校正電化學生物傳感器內(nèi)生物樣品的不充分體積以便計量至少ー種所述生物樣品特性的方法，其中所述樣品體積是對于執(zhí)行所述計量來說是不充分的，所述方法包括 ■計量具有不充分樣品體積的生物傳感器的電容；以及 ■測定所述填有充分生物樣品體積的生物傳感器的電容與具有不充分樣品體積的生物傳感器的電容之比，其中具有充分體積的生物傳感器的電容是已知的；以及■校正不充分樣品體積，從而提供對所述至少ー種特性的準確計量。
2.一種測定保留在電化學生物傳感器內(nèi)至少ー種生物樣品特性的方法，包括 ■測定所述保留在所述電化學生物傳感器內(nèi)的生物樣品體積的充分性，以計量所述至少ー種特性；以及 ■在測定所述生物樣品體積是不充分后，校正對所述不充分體積所作的所述至少ー種特性的計量。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述至少ー種特性是所述樣品內(nèi)ー種或多種分析物的濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物傳感器裝置中取樣體積適當?shù)臏y定。本發(fā)明提供一種測定生物樣品體積是否足以產(chǎn)生準確的電化學分析物濃度測定的方法和系統(tǒng)。某些這樣的方法和系統(tǒng)提供了校正被確定小于適當體積的樣品體積以進行準確的分析物濃度測定的格外功能。本發(fā)明采用生物傳感器，例如電化學測試條，樣品體積的生物溶液沉積其上，以及為接收這樣的測試條并測定生物樣品內(nèi)選定分析物的濃度而配置的儀器。
文檔編號G01N27/22GK102621211SQ20111043464
公開日2012年8月1日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月10日
發(fā)明者M·Z·克爾馬尼, M·特奧多爾茨克, S·X·郭 申請人:生命掃描有限公司