在电化学测量期间检测高抗氧化剂水平和从中对分析物浓度防故障的方法及结合其的设 ...的制作方法
【专利说明】在电化学测量期间检测高抗氧化剂水平和从中对分析物浓 度防故障的方法及结合其的设备、装置和系统
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/800,952的权 益，该美国临时专利申请通过引用如同以其全文阐述的那样加入本文。
技术领域
[0003]本公开一般地涉及数学和医学，并且更具体地，其涉及电化学测量液体样本中的 分析物浓度及如果检测到预定的抗氧化剂水平或检测到试剂失效则对分析物浓度进行防 故障的方法。
【背景技术】
[0004] 可以从电化学测量液体样本（即，生物的或环境的）中的分析物实现明显的益处。 例如，采用自监测血糖（SMBG)设备和系统的糖尿病治疗有助于提高血糖控制并降低糖尿 病相关的发病率。因此，SMBG设备和系统的精确度对于最优的血糖控制来说是重要的。
[0005]然而，电化学测量分析物（如血糖）的目前方法的精确度会受到很多干扰物（包 括抗氧化剂或其它还原剂）的负面影响。由于其益处，存在增加数目的药物使用、以及标 签外（off-label)疗法和可替换的医学程序，其中通过注射或以静脉注射方式派给大剂量 的抗氧化剂。例如，经常用注射剂量的抗坏血酸盐治疗烧伤病人，导致血浆水平为40mg/ dL或以上。还存在对大得多的剂量开处方的可替换的癌症疗法，使得抗坏血酸盐水平高达 400mg/dL。不幸的是，大剂量的抗氧化剂（如抗坏血酸盐）可能干扰SMGB设备和系统的电 化学响应，并可能使得它们报告错误升高的葡萄糖浓度，这给接受抗氧化剂疗法的患有糖 尿病的个体带来显著的劣势。特别地，如果个体处于血糖正常状态，但通过派给胰岛素来响 应于错误升高的葡萄糖浓度，则这可能导致低血糖和/或死亡。食品和药品管理局建议：对 于一些电化学化验，即使在3mg/dL的抗坏血酸盐下，也存在抗坏血酸盐干扰。
[0006]当前的电化学SMBG方法、设备和系统给患有糖尿病的个体提供了关于便利性的 优势；但是，对于针对诸如抗氧化剂之类的干扰物的存在而以附加质量检验电化学测量液 体样本中的分析物或者用于检测生物传感器试剂系统的失效的改进方法仍然存在需求。
【发明内容】
[0007]考虑到以上提到的劣势，本公开描述了检测干扰物且在一些情况下对可能偏差的 分析物的电化学测量进行防故障的方法。该方法基于下述发明概念：其包括使用从提供至 少一个直流（DC)响应的电测试序列导出的信息。该测试序列被设计为提供与液体样本中 的干扰物（如抗氧化剂）对电化学分析物检测系统的氧化还原介体的影响有关的特定信 息。例如，可以使用来自至少一个DC块的诸如电流响应、形状和/或幅度之类的信息来针 对由于抗氧化剂而导致的错误升高的分析物浓度进行防故障。特别地，该方法使用与从至 少一个DC块导出的氧化还原介体状态相关的信息来辨别电化学系统的分析物预测偏差可 接受所处的抗氧化剂水平与分析物预测偏差在临床上不可接受所处的抗氧化剂水平。因 此，该方法有助于确保病人安全。特别地，已经发现，抗氧化剂能够增加一些氧化还原介体 的还原态的量，从而错误地使在电化学分析期间检测到的电流增加。此外，已经发现，关于 电化学测量期间的氧化还原介体状态的信息能够用于检测试剂层失效。因此，相比于测量 液体样本中的分析物浓度（或值）的已知方法，该发明概念提供了某些优势、效果、特征和 目标，并从而降低了错误报告由于抗氧化剂和/或试剂失效而导致的错误升高的分析物浓 度的事件。
[0008] 在一个方面，提供了用于测量、确定、计算或以其它方式预测具有一种或多种干扰 物（如抗氧化剂）的液体样本中的分析物浓度的电化学分析方法，其中该方法包括抗氧化 剂防故障。该方法可以包括下述步骤：向液体样本提供至少一个DC块的测试序列，并测量 对其的响应信息，其中所述至少一个DC块被设计为引出关于样本和/或生物传感器的不同 方面的特定信息，包括氧化还原介体的状态。
[0009] 在一些情况下，测试序列还可以包括至少一个AC块。在其它情况下，测试序列还 可以包括第二DC块。在另外其它情况下，测试序列包括所述至少一个AC块，所述至少一个 DC块和所述第二DC块。
[0010] 所述至少一个DC块是被优化以检测抗氧化剂（如抗坏血酸盐）的多个短持续时 间正电位区间和负电位区间之间交替或循环的慢斜坡双极性电位（SRBP)波形，该优化关 于段持续时间、区间之间的斜坡转变、在每个区间期间测量的电流响应的数目、以及在每个 区间中何处进行电流响应测量。
[0011] 在一些情况下，SRBP波形可以包括从约一（1)个区间到约十（10)个区间。
[0012] 在一些情况下，SRBP波形可以处于在闭路中在约-450mV到约+450mV之间交替或 循环的电位。此外，每个SRBP波形区间可以被应用达约100毫秒到约5秒。另外，斜坡速 率可以从约0. 500mV/毫秒到彡约45mV/毫秒。
[0013] 在一些情况下，SRBP波形区间可以被以相同的斜坡速率应用。在其它情况下，可 以以不同的斜坡速率应用区间。在另外其它情况下，每个区间具有其自己的斜坡速率。
[0014] 在一些情况下，SRBP波形可以是三角波形、梯形波形、正弦波形或其组合。
[0015]当被包括时，第二DC块可以是连续、单极性、脉冲激励波形（即，贯穿闭路中的DC块应用并控制电位），这与在激励脉冲之间采用开路的一些脉冲式安培计量方法形成对照。 DC块包括被优化以检测分析物（如血糖）的多个短持续时间激励脉冲和恢复脉冲，该优化 涉及脉冲持续时间、激励脉冲与恢复脉冲之间的斜坡转变、在每个脉冲期间测量的电流响 应的数目以及在每个脉冲中何处进行电流响应测量。
[0016] 在一些情况下，第二DC块可以包括至少一（1)个脉冲到大约十（10)个脉冲。第 二DC块可以在闭路中处于在约OmV到约+450mV之间交替的电位。此外，每个DC脉冲可以 被应用达约50毫秒到约500毫秒。另外，斜坡速率可以从约10mV/毫秒到约50mV/毫秒。
[0017] 在一些情况下，第二DC块脉冲可以被以相同的斜坡速率应用。在其它情况下，可 以以不同的斜坡速率应用脉冲。
[0018] 在一些情况下，第二DC块先于所述至少一个DC块。例如，脉冲式DC块可以先于 SRBP波形。
[0019] 当被包括时，AC块可以是低振幅AC信号的块。在一些情况下，AC块是在所述至少 一个DC块前应用的、在所述至少一个DC块后应用的、或者散布于其中。同样地且在其它情 况下，AC块是在所述至少一个DC块和第二DC块前应用的、在所述至少一个DC块和第二DC 块后应用的、或者散布于其中。在另外其它情况下，测试序列包括所述至少一个AC块、所述 至少一个DC块和第二DC块。
[0020] 此外，该方法可以包括下述步骤：至少部分地基于对SRBP波形（如三角形、梯形、 正弦波形或甚至其组合）的响应信息提供定性或定量抗氧化剂防故障。例如，所述防故障 可以与检查氧化还原介体特征（包括其比率）的存在或不存在一样简单。如此，如果抗氧 化剂干扰分析物浓度，则该方法使用与在电化学分析期间氧化还原介体特征的状态相关的 信息来提供抗氧化剂防故障。
[0021] 在一些情况下，抗氧化剂是抗坏血酸盐，分析物是葡萄糖，并且氧化还原介体是亚 硝基苯胺（NA)衍生氧化还原介体。
[0022] 在另一方面，提供了一种用于测量、确定、计算或以其它方式预测液体样本中的分 析物浓度的电化学分析方法，其中该方法包括试剂层健康防故障。该方法可以包括下述步 骤：如上所述向液体样本提供至少一个DC块的测试序列；以及检测对其的响应信息。然而， 试剂层健康防故障包括：检查氧化还原介体的氧化态（Μμ)的特征和/或氧化还原介体的还 原态（Mrad)的特征的简单存在或不存在，作为试剂层健康防故障的基础。
[0023] 在一些情况下，分析物是葡萄糖，并且氧化还原介体是亚硝基苯胺（NA)衍生氧化 还原介体。
[0024] 在以上两方面中的任一方面，在测量指示针对临床上显著的偏差的电位的情况 下，不显示分析物浓度，而是取而代之利用可疑干扰、试剂层失效或者甚至一般生物传感器 失效的适当消息来对分析物浓度防故障（即，不报告）。
[0025]鉴于上述内容，提供了结合本文公开的测量方法中的一个或多个的关于电化学分 析而使用的设备、装置和系统。这些设备、装置和系统能够在存在抗氧化剂的情况下被用于 确定分析物的浓度，该分析物包括但不限于氨基酸、抗体、细菌、碳水化合物、药物、脂质、标 记物、核酸、肽、蛋白质、毒素、病毒和其它分析物、以及它们的组合。在一些情况下，抗氧化 剂是抗坏血酸盐，并且分析物是葡萄糖。本发明概念的这些和其它优点、效果、特征和目的 将从随后的描述中变得更好理解。在该描述中，对形成其部分且其中通过图示而非限制的 方式示出本发明概念的实施例的附图做出参考。
【附图说明】
[0026] 当考虑到以下详细描述时，除以上阐述的那些外的优点、效果、特征和目的将变得 更加容易显而易见。这样的详细描述对以下附图做出参考，在附图中：
[0027] 图1示出了示例性电化学反应和从NA-衍生氧化还原介体至示例性分析物测量系 统的工作电极的其电子转移途径。
[0028] 图2示出了包括仪表和生物传感器的示例性分析物测量系统。
[0029] 图3A-B示出了可由分析物测量设备、装置或系统采用的具有两⑵个块的示例性 测试序列，其中图3B是更加详细的测试序列且还包括示例性电流响应。
[0030] 图4A示出了具有AC激励频率后跟SRBP三角波形的DC块的示例性测试序列。
[0031] 图4B示出了含有42%Hct处的550mg/dL葡萄糖的血液样本的在四（4)个不同抗 坏血酸盐水平处对图4A的测试序列的电流响应。
[0032] 图5A-B示出了两个血液样本的比较，每个样本均含有25%Hct处的550mg/dL葡 萄糖；一个样本不含抗坏血酸盐（上部曲线图）；并且另一个样本含有l〇〇mg/dL抗坏血酸 盐（下部曲线图）。对于每个样本，在图5A的左侧曲线图上示出了循环伏安法（CV;y轴是 单位为Μ的电流，并且X轴是单位为mV的所应用的电位），且在图5B的右侧曲线图上示出 了所测量出的电流响应（y轴是单位为nA的电流，并且X轴是单位为毫秒的时间）。
[0033] 图6A示出了具有三（3)个频率处的AC激励后跟SRBP梯形波形的DC块的另一示 例性测试序列。
[0034] 图6B示出了含有42%Hct处的550mg/dL葡萄糖的血液样本的在四（4)个不同抗 坏血酸盐水平处对图6A的测试序列的电流响应。
[0035] 图7A示出了具有三（3)个频率处的AC激励后跟SRBP正弦波形的DC块的另一示 例性测试序列。
[0036] 图7B示出了含有42%Hct处的550mg/dL葡萄糖的血液样本的在四（4)个不同抗 坏血酸盐水平处对图7A的测试序列的电流响应。
[0037] 图8A-B示出了可由分析测量设备、装置或系统采用的具有三（3)个块的可替换示 例性测试序列，其中图8B是更加详细的测试序列且还包括示例性电流响应。
[0038] 图9示出了被设计为测量葡萄糖（经由块2或DC块1)且检测并定量抗氧化剂 (如抗坏血酸盐）（经由块3或DC块2)的示例性DC块，其中电流响应对应于含有不同量的 抗坏血酸盐的四（4)个标称血样样本。
[0039] 图10是专门从SRBP波形（即DC块2)产生了抗氧化剂（如抗坏血酸盐）的定量 模型的多个示例性测试序列。在块2部分中，序列B、D、E和F均含有多达三（3)个不同斜 坡速率。
[0040] 图11A-B示出了利用图10的测试序列A获得的示例性DC块2电流响应，其中左 侧两个曲线图示出了改变固定葡萄糖水平（顶部固定在40mg/dL葡萄糖处，并且底部固定 在160mg/dL葡萄糖处）处的抗坏血酸盐水平的效果，且其中右侧两个曲线图示出了改变固 定抗坏血酸盐水平（顶部固定在4mg/dL抗坏血酸盐处，并且底部固定在40mg/dL抗坏血酸 盐处）处的葡萄糖水平的效果并且所有样本都是掺标（spiked)血液样本并被测量八（8) 次。
[0041] 图12示出了针对PLS模型1 (由目标葡萄糖水平进行着色）的实际Y值（S卩，导 纳值；y-轴）相对于的预测Y值（X-轴）。
[0042] 图13示出了针对PLS模型2(由目标葡萄糖水平进行着色）的实际Y值（y-轴） 相对于预测Y值（X-轴）。
[0043] 图14A-B示出了针对另一种抗氧化剂一一谷胱甘肽一一以及葡萄糖的在三（3)个 葡萄糖浓度（55、135和350mg/dL)和四（4)个谷胱甘肽浓度（0、6、12和24mg/dL)处专门 来自DC块2数据的定量模型。图14A示出了针对PLS模型1的谷胱甘肽预测；图14B示出 了针对PLS模型2的葡萄糖预测。图14C示出了针对PLS模型1的进一步结合AC激励的 可替换谷胱甘肽预测值。如以上在图12-13中那样，曲线图示出了实际Y值（y-轴）相对 于预测Y值（X-轴）。
[0044] 图15A-B示出了针对由葡萄糖（图15A)或由谷胱甘肽水平（图15B) (X-轴是开 始于DC1157处的连续DC值的顺序号）着色的所有观察的DC块2DC数据。
[0045]图16示出了针对在其中目标葡萄糖浓度=55mg/dL的所有观察的DC块2数据。 苯醌二亚胺（QDI)峰值用箭头标注；并且对苯二胺（PDA)峰值用星标注。
[0046] 虽然本发明概念容许各种修改和可替换形式，但是在附图中通过示例的方式示出 其示例性实施例并且在本文中对其进行详细描述。然而，应当理解的是，随后的示例性实施 例的描述不意图将本发明概念限制到所公开的特定形式，而是相反，意图在于覆盖落在如 以上实施例和以下权利要求所限定的其精神和范围内的所有优点、效果、特征和目的。因此 应当对以上实施例和以下权利要求做出参考以用于解释本发明概念的范围。照此，应当指 出的是，本文所描述的实施例可以具有在解决其它问题时有用的优点、效果、特征和目的。
【具体实施方式】
[0047] 现在将在下文中参考附图更加全面地描述方法、设备、装置和系统，在附图中示出 本发明概念的一些但非全部实施例。实际上，本发明概念可以以许多不同的形式体现且不 应当解释为限于本文所阐述的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法 律要求。
[0048]同样地，本文所描述的方法、设备、装置和系统的许多修改和其它实施例将出现在 受益于在前述描述和相关联的附图中呈现的教导的本公开所属领域的技术人员的脑海里。 因此，要理解的是，本发明概念不限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例意图被 包括在随附权利要求的范围内。尽管本文采用具体术语，但是它们仅在一般且描述性的意 义上使用而不用于限制的目的。
[0049] 除非以其它方式限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域 技术人员通常所理解的相同含义。尽管在本方法、设备、装置和系统的实践或测试中可以使 用类似于或等同于本文所描述的那些的任何方法和材料，但是本文描述优选方法和材料。
[0050] 而且，通过不定冠词"一"或"一个"对元件的引用不排除存在多于一个元件的可 能性，除非上下文清楚地要求存在一个且仅一个元件。不定冠词"一"或"一个"因此通常 意味着"至少一个"。
[0051] 概述
[0052] 本文公开了下述分析物测量方法：其使用从AC和/或DC电流响应导出的信息来 以可靠的方式提供分析物浓度。特别地，该方法使用与从至少一个DC块获取的关于氧化还 原介体（诸如，NA-衍生氧化还原介体）的状态的信息来区分电化学系统的分析物预测偏 差可接受所处的抗氧化剂水平与分析物预测偏差在诊断上不可接受所处的抗氧化水平，这 是确保病人安全所必要的。因此，可以使用该测量方法来减少干扰物（如抗氧化剂）对分 析物浓度测量的影响，从而提供更"真实的"分析物浓度或者甚至阻止报告错误升高的分析 物浓度。
[0053] 在以下的示例中，使用了NA-衍生氧化还原介体。然而，基于本文的一般教导，本 领域技术人员将理解如何基于选定的氧化还原介体选择扩散限制电流的激励的区域和未 被扩散限制的电流或恢复的区域的所应用的电位的合适电位差。这里，对于具有NA-衍生 氧化还原介体的激励和恢复脉冲，对约+450mV和约OmV的选择是合适的。需要理解的是， 甚至对于这种NA-衍生氧化还原介体，针对扩散限制电流存在更大所应用电位的可接受范 围，并且类似地，针对所应用的恢复电位存在合适的范围。因此，每个氧化还原介体将具有 特定的氧化还原电位和特征电子转移动力学，据此本领域技术人员可以针对激励或恢复而 选择合适的电位差。
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