样品分析物浓度的逐次逼近法
【专利说明】样品分析物浓度的逐次逼近法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请主张享有于2013年3月14日提交的题目为"样品分析物浓度的逐次逼近 法"的美国临时申请第61/781771号的优先权，并且将该申请的全部内容以引用的方式并入 本文。
【背景技术】
[0003] 生物传感系统提供诸如血液、血清、血浆、尿液、唾液、间质液或细胞内液等生物流 体样品的分析。典型地，该系统包括对留存于测试传感器的样品进行分析的测量装置。样 品通常处于液态，且除了生物流体以外，样品还可以是生物流体的衍生物，诸如提取物、稀 释物、滤液或重组沉淀物等。由生物传感系统进行的分析用来确定生物流体中一种或多种 分析物（例如，乙醇、葡萄糖、尿酸、乳酸、胆固醇、胆红素、游离脂肪酸、甘油三酯、蛋白质、 酮类、苯丙氨酸或酶类等）的存在和/或浓度。例如，糖尿病患者可以使用生物传感系统来 确定血液中的Alc或葡萄糖的水平以进行饮食和/或药物的调整。
[0004] 在含有血红蛋白（Hb)的血液样品中，可以确定总血红蛋白（THb)和糖化血红蛋白 (HbAlc)的存在和/或浓度。HbAlc (% -Alc)是糖尿病患者葡萄糖控制状态的反映，由此能 够了解测试前三个月的平均葡萄糖控制。对于糖尿病患者而言，％-Alc的精确测量有助 于确定在与血糖水平的瞬时测量提供的期限相比的更长时期内患者通过饮食和/或药物 控制血糖水平的程度。因为瞬时血糖测量无法指示在进行测量时以外的时候的血糖控制。
[0005] 生物传感系统可以设计为用来分析一种或多种分析物且可以使用不同体积的生 物流体。一些系统可以分析例如体积为0.25-15微升（μ L)等的单滴血液。生物传感系统 可以使用台式、便携式等测量装置来实现。便携式测量装置可以是手持的且能够实现样品 中一种或多种分析物的识别和/或量化。便携式测量系统的实例包括纽约塔里敦拜耳医药 保健公司（Bayer Healthcare in Tarrytown，New York)的Contour?计量仪，而台式测量 系统的实例包括可从德克萨斯州奥斯丁 CH仪器公司（CH Instruments in Austin，Texas) 购得的电化学工作站。
[0006] 生物传感系统可以利用光学和/或电化学方法来分析生物流体。在一些光学系统 中，通过测量已经与光可识别物（例如，分析物或由与分析物反应的化学指示剂形成的反 应物或产物等）相互作用或已经被光可识别物吸收的光来确定分析物浓度。在其它的光学 系统中，化学指示剂在被激励光束照射时发出荧光或发出响应于分析物的光。这些光可以 被转换成电输出信号（例如，电流或电位等），该输出信号同样可以处理成电化学系统的输 出信号。在任一光学系统中，系统测量光并使光与样品的分析物浓度相关联。
[0007] 在光吸收光学系统中，化学指示剂产生吸收光的反应产物。可以使用如下的化学 指示剂：四唑（tetrazolium)连同诸如心肌黄酶等酶。四唑通常响应于分析物的氧化还原 反应而形成甲臜（色原体）。来自光源的入射光束指向样品。光源可以是激光或发光二极 管等。入射光束可以具有被选择用于反应产物吸收的波长。当入射光束穿过样品时，反应 产物吸收一部分入射光束，从而减弱或降低入射光束的强度。入射光束可以从样品反射回 检测器或穿过样品至检测器。检测器收集且测量减弱的入射光束（输出信号）。被反应产 物减弱的光量是样品中分析物浓度的指示。
[0008] 在光产生光学系统中，化学指示剂响应于分析物氧化还原反应发出荧光或发光。 检测器收集且测量产生的光（输出信号）。由化学指示剂产生的光量是样品中分析物浓度 的指示并且被表示为检测器的电流或电位。
[0009] 利用反射率的光学系统的示例是用于确定血液中AI c血红蛋白的浓度的层 流％ -Alc系统。这些系统利用免疫分析化学，其中，将血液引入生物传感系统的测试传感 器，血液在这里与试剂反应然后沿着试剂膜流动。当接触血液时，Alc抗体覆盖色珠释放且 与血液一起运动至检测区域1。由于血液样品中的AI c与检测区域1中存在的AI c肽对色 珠的竞争，未附着于Alc抗体的色球在区域1中被俘获且因此作为反射率变化的Alc信号 而被检测。血液样品中的总血红蛋白（THb)也与其它血液处理剂反应并向下游移动进入以 不同波长进行测量的检测区域2。为了确定血液样品中的Alc浓度，反射率信号与Alc分析 物浓度-Alc)成比例，但是受到血液的THb含量的影响。然而，为了 THb的测量，区域 2内的反射率与血液样品的THb (mg/mL)成反比，但是不会受到血液中的Alc含量的明显影 响。
[0010] 在电化学系统中，当输入信号施加于样品时，从由响应于分析物浓度的分析物的 氧化/还原或氧化还原反应产生的电信号或可测量物中确定样品的分析物浓度。输入信号 可以是电位或电流且可以是恒定的、可变的或它们的组合（例如当AC信号与DC信号偏置 一起被施加时）。输入信号可以作为单脉冲来施加或以多脉冲、序列或周期的形式来施加。 酶或类似物可以被添加至样品以加强氧化还原反应期间从分析物的电子转移。酶或类似物 可以与单一分析物反应，从而将特异性提供给产生的输出信号的一部分。氧化还原介体可 以用作保持酶的氧化态和/或协助从分析物至电极的电子转移的可测量物。因此，在氧化 还原反应期间，在氧化还原介体在自身与测试传感器的电极之间转移电子的同时，酶或类 似物可以在分析物与氧化还原介体之间转移电子。
[0011] 电化学生物传感系统通常包括具有电触头的测量装置，电触头与测试传感器的电 导体连接。所述导体可以由诸如固态金属、金属膏、导电碳、导电碳膏和导电聚合物等导电 材料制成。所述电导体连接至工作电极和对电极，且根据测试传感器的设计，可以连接至延 伸进样品容器中的参考电极和/或它他电极连接。一个或多个电导体也可以延伸进样品容 器以提供电极无法提供的功能。
[0012] 在许多生物传感系统中，测试传感器可以适于在活体的外部、内部或局部内部使 用。当在活体的外部使用时，可以将生物流体的样品引入测试传感器中的样品容器。测试传 感器可以在分析用样品的引入前、引入后或引入期间被放置于测量装置中。当在活体的内 部或局部内部使用时，测试传感器可以持续地浸在样品中或可以间歇地将样品引入测试传 感器。测试传感器可以包括使样品的体积部分隔离的容器或可以对样品开放。当开放时， 测试传感器可以采用与生物流体接触地放置的纤维或其它结构的形式。同样，为了分析，样 品可以连续地流经测试传感器以例如用于连续监测，或被中断以例如用于间歇监测。
[0013] 电化学生物传感系统的测量装置通过电触头将输入信号施加于测试传感器的电 导体。电导体通过电极将输入信号传入存在于样品容器内的样品。分析物的氧化还原反应 产生响应于输入信号的电输出信号。测试传感器的电输出信号可以是电流（如安培分析法 或伏安法所产生的）、电位（如电位分析法/电流测定法所产生的）或累积电荷（如库仑分 析法所产生的）。测量装置可以具有这样的处理能力：测量输出信号且使输出信号与样品 中的一种或多种分析物的存在和/或浓度相关。
[0014] 在库仑分析法中，电势被施加至样品以完全氧化或还原分析物。美国专利第 6120676号说明了利用库仑分析法的生物传感系统。在安培分析法中，恒定电位（电压）的 电信号被施加至测试传感器的电导体且测量的输出信号是电流。美国专利第5620579号、 第5653863号、第6153069号和第6413411号说明了利用安培分析法的生物传感系统。在 伏安分析法中，变化电位的电信号被施加至生物流体的样品且测量的输出是电流。在门控 安培分析法和门控伏安分析法中，分别如WO 2007/013915和WO 2007/040913中所述地那 样使用脉冲输入。
[0015] 主要输出信号响应于样品的分析物浓度并且是从分析的输入信号中获得。基本上 不受响应于样品的分析物浓度的信号影响的输出信号包括响应于温度的信号和基本上响 应于干扰物（诸如，当分析物例如是葡萄糖时血液样品的红细胞或对乙酰氨基酚含量）的 信号。基本上不响应于分析物浓度的输出信号可以被称为次要输出信号，因为它们不是响 应于分析物或分析物响应指示剂造成的光变化、分析物的电化学氧化还原反应或分析物响 应氧化还原介体的电化学氧化还原反应的主要输出信号。次要输出信号响应于生物样品的 物理或环境特性。次要输出信号可以由样品或其它来源（例如，对样品的环境特性提供评 估的热电偶）引起。因此，次要输出信号可以从分析的输入信号中或从另外的输入信号中 确定。
[0016] 当由样品引起时，可以从用来确定样品的分析物浓度的电极或从额外的电极中确 定次要输出信号。额外的电极可以包括与用来确定样品的分析物浓度的电极相同的试剂成 分、不同的试剂成分或不包括试剂成分。例如，可以使用与干扰物反应的试剂成分，或可以 使用电极缺少试剂成分来研究样品的一种或多种物理特性（例如，全血红细胞等）。
[0017] 生物传感系统的测量性能是由准确度（accuracy)和精确度（precision)来定义 的。准确度反映系统误差分量和随机误差分量的组合效果。系统误差或真实性（trueness) 是从生物传感系统中确定的平均值与生物流体的分析物浓度的一个或多个采纳参考值之 间的差。真实性可以用平均偏差来表达，平均偏差值越大表示真实性越低并且从而导致更 低的准确度。精确度是：相对于平均值，多个分析物读数之间的接近程度。分析中的一个或 多个误差导致生物传感系统确定的分析物浓度的偏差和/或不精确度。因此，生物传感系 统的分析误差的降低会使准确度和/或精确度提高并从而改善测量性能。
[0018] 偏差可以用"绝对偏差"或"百分比偏差"来表达。绝对偏差是确定的浓度与 参考浓度之间的差，且可以用mg/dL等测量单位来表达，而百分比偏差可以表达为绝对 偏差值除以参考浓度这样的百分比，或表达为绝对偏差除以样品的截止浓度值（cut-off concentration value)或者样品的参考浓度这样的百分比。例如，如果截止浓度值是 100mg/dL，那么对于小于lOOmg/dL的葡萄糖浓度而言，百分比偏差定义为：（绝对偏差除以 100mg/dL)*100 ;对于lOOmg/dL以及更高的葡萄糖浓度而言，百分比偏差定义为：绝对偏差 除以分析物浓度的采纳参考值*1〇〇。
[0019] 优选用标准仪器来获得血液样品中的分析物葡萄糖的采纳参考值，例如，可从俄 亥俄州的耶洛斯普林斯的黄泉仪器公司（YSI Inc. ,Yellow Springs, Ohio)购得的YSI 2300STAT PLUS?。用来确定百分比偏差的其它标准仪器和方法可以用于其它的分析物。对 于％ -Alc测量，误差可以表达为针对治疗范围为4-12%的％ -Alc参考值的绝对偏差或百 分比偏差。可以用标准仪器来获得血液样品中的％ -Alc的采纳参考值，例如，可从日本东 曹公司（Tosoh Corp, Japan)购得的 Tosoh G7 仪器。
[0020] 生物传感系统可以在生物流体的分析期间提供含有来自多个误差源的误差的输 出信号。这些误差源造成了总误差，总误差可以被反映在异常输出信号中，例如当一个或多 个部分或全部的输出信号不响应于或不适当地响应于样品的分析物浓度时。
[0021] 输出信号的总误差可能源于一种或多种误差因子，例如，样品的物理特性、样品的 环境状况、系统的运行条件和测试传感器批次之间的制造差异等等。样品的物理特性包括 红细胞（红色血液细胞）浓度和干扰物（例如，脂质和蛋白质等）等等。对于葡萄糖分析而 言，干扰物也可以包括抗坏血酸、尿酸和对乙酰氨基酚等。样品的环境状况包括温度和空气 的氧含量等等。系统的运行条件包括当样品尺寸不够大时的底部填充条件、测试传感器的 样品缓慢填充、样品与测试传感器的一个或多个电极之间的间歇性电接触以及测试传感器 被制造后与分析物反应的试剂的退化等等。测试传感器批次之间的制造差异包括试剂的量 和/或活性的变化、电极面积和/或间距的变化以及导体和电极的电导率的变化等等。测 试传感器批次优选在单个制造生产期内制成，在单个生产期内批次间的制造变化大幅减小 或被消除。也可能存在造成分析误差的其它误差因子及其组合。
[0022] 百分比偏差、平均百分比偏差、百分比偏差标准差（SD)、百分比方差系数-CV) 和红细胞敏感度是用来表达生物传感系统的测量性能的独立方式。可以使用额外的方法来 表达生物传感系统的测量性能。
[0023] 百分比偏差是关于参考分析物浓度的生物传感系统的准确度的表示，而百分比偏 差标准差反映的是关于由样品的物理特性、样品的环境状况、系统的运行条件和测试传感 器之间的制造变化引起的误差的多次分析的准确度。因此，百分比偏差标准差的减小表示 在多次分析中生物传感系统的测量性能的提升。百分比方差系数可以表达为100% *(-组 样品的SDV(从同组样品取得的多次读数的平均值），并且反映了多次分析的精确度。因 此，百分比偏差标准差的减小表示在多次分析中生物传感系统的测量性能的提升。
[0024] 可以对由使用单个批次的测试传感器进行的多次分析确定的百分比偏差求取平 均以提供多次分析的"平均百分比偏差"。可以通过使用所述批次的子集（例如，80-140个 测试传感器）来分析多个血液样品，以此确定单个批次测试传感器的平均百分比偏差。
[0025] 相对误差是误差的一般表达，可以表达为AA/Araf(相对误差）=(A ralralated+ Aref) /Aref = A ealeulated/Aref - 1，其中，Δ A是分析确定的分析物浓度相对于参考分析物浓度 而存在的误差；Aral^ated是使用测量装置在分析期间从样品确定的分析物浓度；且A 是样 品的参考分析物浓度。
[0026] 通过减小来自这些或其它来源的误差来提升生物传感系统的测量性能意味着：由 生物传感系统确定的更多的分析物浓度可以被例如对血糖进行监控的患者用于精确治疗。 此外，也可以减少患者丢弃测试传感器和重复分析的必要。
[0027] 生物传感系统可以具有响应于分析物的氧化还原反应或基于光的反应的未补偿 输出信号的单一来源，例如电化学系统的对电极和工作电极等。生物传感系统也可以具有 响应于或不响应于样品分析物浓度的未补偿输出的一个以上的来源。例如，在Alc生物传 感器中，可以存在响应于样品的分析物浓度的一个或多个输出信号，但是也可以存在响应 于总血红蛋白（THb)而不响应于样品的分析物浓度的一个或多个输出信号（但是它们影响 一个/多个分析物响应信号）。
[0028] 许多生物传感系统包括用来补偿与分析相关联的误差的一种或多种方法，从而试 图提升生物传感系统的测量性能。通过提供具有补偿不精确分析的能力的生物传感系统从 而提高从系统获得的浓度值的准确度和/或精确度，所述补偿方法可以提升生物传感系统 的测量性能。然而，这些方法一直难以补偿以下误差引起的分析误差：由生物传感系统自身 引入的误差（系统误差）和源于分析的误差（输出信号误差）。本发明避免或减轻了无法 对系统误差和输出信号误差两者进行补偿的分析物浓度确定系统的至少一些缺点。
【发明内容】
[0029] 在一个方面，本发明提供一种用于确定样品中的分析物浓度的方法，所述方法包 括：从样品中产生至少两个输出信号；测量来自所述样品的至少两个分析物响应输出信 号；从所述至少两个分析物响应输出信号确定至少两个初始分析物浓度；从所述至少两个 分析物响应输出信号确定第一伪参考浓度，其中，所述第一伪参考浓度是真实相对误差的 第一替代；响应于所述第一伪参考浓度确定至少一个第一锚定参数，其中，所述至少一个第 一锚定参数补偿系统误差；将所述至少一个第一锚定参数并入至少两个第一补偿关系；响 应于所述至少两个初始分析物浓度、至少两个所述第一锚定参数和所述至少两个第一补偿 关系确定至少两个第一锚定补偿的分析物浓度；通过求取所述至少两个第一锚定补偿的分 析物浓度的平均值确定第二伪参考浓度，其中，所述第二伪参考浓度是真实相对误差的第 二替代；并且将所述第二伪参考浓度报告为所述样品的经补偿的最终分析物浓度。
[0030] 在本发明的另一个方面，提出了一种分析物测量装置，其包括与传感器接口连接 的电路，其中，所述电路包括与信号发生器和存储媒介连接的处理器；其中，所述处理器能 够从所述样品测量至少两个分析物响应输出信号；其中，所述处理器能够从所述至少两个 分析物响应输出信号确定至少两个初始分析物浓度；其中，所述处理器能够从所述至少两 个分析物响应输出信号确定第一伪参考浓度，其中，所述第一伪参考浓度是真实相对误差 的第一替代；其中，所述处理器能够响应于所述第一伪参考浓度确定至少一个第一锚定参 数，其中，所述至少一个第一锚定参数补偿系统误差；其中，所述处理器能够将所述至少一 个第一锚定参数并入至少两个第一补偿关系；其中，所述处理器能够响应于所述至少两个 初始分析物浓度、至少两个所述第一锚定参数和所述至少两个第一补偿关系确定至少两个 第一锚定补偿的分析物浓度；其中，所述处理器能够通过求取所述至少两个第一锚定补偿 的分析物浓度的平均值来确定第二伪参考浓度，其中，所述第二伪参考浓度是真实相对误 差的第二替代；并且其中，所述处理器能够将所述第二伪参考浓度报告为所述样品的经补 偿的最终分析物浓度。
[0031 ] 在本发明的另一个方面，提出了一种用于确定样品中的分析物浓度的生物传感 系统，所述系统包括：测试传感器，所述测试传感器具有与由基底形成的容器相邻的样品 接口，其中，所述测试传感器能够从样品中产生至少两个输出信号；和测量装置，所述测量 装置具有与传感器接口连接的处理器，所述传感器接口与所述样品接口电通信，且所述处 理器与存储媒介电通信；其中，所述处理器能够从样品中测量至少两个分析物响应输出信 号；其中，所述处理器能够从所述至少两个分析物响应输出信号确定至少两个初始分析物 浓度；其中，所述处理器能够从所述至少两个分析物响应输出信号确定第一伪参考浓度，其 中，所述第一伪参考浓度是真实相对误差的第一替代；其中，所述处理器能够响应于所述 第一伪参考浓度来确定至少一个第一锚定参数，其中，所述至少一个第一锚定参数补偿系 统误差；其中，所述处理器能够将所述至少一个第一锚定参数并入至少两个第一补偿关系； 其中，所述处理器能够响应于所述至少两个初始分析物浓度、至少两个所述第一锚定参数 和所述至少两个第一补偿关系来确定至少两个第一锚定补偿的分析物浓度；其中，所述处 理器能够通过求取所述至少两个第一锚定补偿的分析物浓度的平均值来确定第二伪参考 浓度，其中，所述第二伪参考浓度是真实相对误差的第二替代；并且其中，所述处理器能够 将所述第二伪参考浓度报告为所述样品的经补偿的最终分析物浓度。
【附图说明】
[0032] 参照下面的附图和说明，能够更好地理解本发明。附图中的各部分不一定按照比 例绘制，而是将重点放在图示本发明的原理。
[0033] 图IA是该逐次逼近法的图形表示，其中，样品的参考或"真实"分析物浓度（ARef) 在最左边且来自测量装置的初始确定分析物浓度（A lnit)在最右边。
[0034] 图IB表示在生物传感系统的测量装置中实施的分析方法。
[0035] 图IC描绘了从Alc分析生物传感系统的四个输出通道记录的输出信号。
[0036] 图ID表示通过标准化步骤来确定校准信息的工厂校准方法。
[0037] 图ID-I示出了分别为血液样品中四种不同的THb浓度从测量装置的区域1检测 器记录的各自的Alc反射率信号。
[0038] 图1D-2表示被表达为标准化校准曲线的确定的标准化参考相关性172。
[0039] 图IE表示还考虑到具有校准信息的第二外来刺激的可选的工厂校准方法。
[0040] 图IE-I提供了葡萄糖分析系统中的第二标准化关系的确定的示例。
[0041] 图1E-2提供了确定葡萄糖分析系统中的第二标准化分析物响