分析物浓度测定的标准化校准的制作方法
【专利说明】分析物浓度测定的标准化校准
[0001] 相关申请的参照
[0002] 本申请要求于2013年3月14日提交的发明名称为"分析物浓度测定的校准"的 美国临时申请No. 61/782, 520的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 生物传感器系统提供对诸如血液、血清、血浆、尿、唾液、细胞间液或细胞内液等生 物流体样本的分析。通常，该系统包括分析存在于测试传感器中的样本的测量装置。该样 本通常为液态形式并且除了为生物流体之外，还可以是生物流体的衍生物，例如提取物、稀 释物、滤出液或复原沉淀。由生物传感器系统进行的分析测定生物流体中诸如乙醇、葡萄 糖、尿酸、乳酸酯、胆固醇、胆红素、游离脂肪酸、甘油三酸酯、蛋白质、酮类、苯丙氨酸或酶等 一种或多种分析物的有无和/或浓度。例如，糖尿病患者可以使用生物传感器系统来测定 血液中的Ale或葡糖糖水平以调节日常饮食和/或用药。
[0004] 在含有血红蛋白（Hb)的血液样本中，可以测定总血红蛋白（THb)和糖化血红蛋白 (HbAlc)的有无和/或浓度。HbAlc(Alc%)是糖尿病患者葡萄糖控制状态的反映，提供对 在测试之前三个月的平均葡萄糖控制的深入认识。对于糖尿病病人来说，Ale%的精确测量 有助于测定在比由血糖水平的瞬时测量提供的期间更长的时期内患者用日常饮食和/或 用药对血糖水平控制得有多好。由于瞬时血糖测量不表示当进行测量时之外的血糖控制。
[0005] 生物传感器系统可以设计成分析一种或多种分析物并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〇. 25~15微升（μL)的一滴血液。生物传感器系 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手持并且允许识别和/ 或量化样本中的一种或多种分析物。便携式测量系统的例子包括Tarrytown,NewYork的 BayerHealthcare的CGHt〇wr_'计量仪，而台式测量系统的例子包括可从Austin,Texas的 CHInstruments得到的电化学工作站。
[0006] 生物传感器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，分析物浓度通过测量与光可识别的样品相互作用或被光可识别的样品吸收的光来测 定，例如该光可识别的样品为分析物或从与分析物反应的化学指示剂形成的反应或产物。 在其他光学系统中，化学指示剂响应于当被激发光束照亮时的分析物发荧光或发射光。该 光可以转换成诸如电流或电位等电输出信号，可以对其进行与来自电化学系统的输出信号 类似的处理。在任一光学系统中，该系统测量光并且使光与样本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。可以将诸如四唑等化 学指示剂与诸如心肌黄酶等酶一起使用。四唑通常响应于分析物的氧化还原反应形成甲臜 (发色团）。来自光源的入射输入光束朝向样本照射。该光源可以是激光器和发光二极管 等。入射光束可以具有选定为由反应产物吸收的波长。随着入射光束穿过样本，反应产物 吸收一部分的入射光束，因而减弱或降低入射光束的强度。入射光束可以从样本反射回来 或透过样本到达检测器。检测器聚集并测量减弱的入射光束（输出信号）。被反应产物减 弱的光的量为样本中分析物的浓度的指示。
[0008] 在光产生光学系统中，化学指示剂响应于分析物的氧化还原反应发荧光或发射 光。检测器聚集并测量所产生的光（输出信号）。由化学指示剂产生的光的量为样本中分 析物的浓度的指示并且表示为来自检测器的电流或电位。
[0009] 利用反射率的光学系统的一个例子是测定血液中Ale血红蛋白浓度的层流Ale% 系统。这些系统利用其中将血液引入生物传感器系统的测试传感器（在那里其与试剂反应 然后沿着试剂膜流动）的免疫测定化学。当被血液接触时，Ale抗体包被的彩珠释放并与 血液一起移动到检测区1。由于血液样本中的Ale和检测区1中的存在的Ale肽之间对彩 珠的竞争，而使得没有附着到Ale抗体上的彩珠在区1被捕获，因而从反射率的变化检测为 Ale信号反射率。血液样本中的总血红蛋白（THb)也与其他血液处理试剂反应并向下游移 动到检测区2中，在那里以不同的波长对其进行测量。对于血液样本中的Ale浓度的测定， 反射率信号与Ale分析物浓度（Ale%)成正比，但是受到血液THb含量的影响。然而，对于 THb测量，区2中的反射率与血液样本的THb(mg/mL)成反比，但是不会明显受到血液Ale含 量的影响。
[0010] 在电化学系统中，样本的分析物浓度从当向样本施加输入信号时由分析物的氧化 /还原或氧化还原反应产生的电信号或响应于分析物浓度的可测量物质测定。输入信号可 以是电位或电流并且可以是恒定的、可变的或其组合（例如当施加具有DC信号偏移的AC 信号时）。输入信号可以作为单脉冲或以多个脉冲、多个序列或多个周期施加。酶或类似物 质可以添加到样本中以加强氧化还原反应期间来自分析物的电子转移。酶或类似物质可以 与一种分析物反应，因而提供与所产生的输出信号的一部分的特异性。氧化还原介体可以 用作可测量物质以维持酶的氧化状态和/或协助来自分析物的电子转移到电极。因此，在 氧化还原反应期间，酶或类似物质可以在分析物和氧化还原介体之间转移电子，同时氧化 还原介体在其本身和测试传感器的电极之间转移电子。
[0011] 电化学生物传感器系统通常包括具有与测试传感器的电导体连接的电触头的测 量装置。该导体可以由诸如固体金属、金属浆料、导电碳、导电碳浆和导电聚合物等导电材 料制成。电导体与工作电极和对电极连接，并且取决于测试传感器的设计可以与延伸到样 本储器中的参比电极和/或其他电极连接。一个或多个电导体也可以延伸到样本储器中以 提供电极未提供的功能性。
[0012] 在许多生物传感器系统中，测试传感器可以适于在活的有机体的外部、内部或部 分在其内部使用。当在活的有机体的外部使用时，生物流体的样本可以引入测试传感器中 的样本储器中。测试传感器可以在引入用于分析的样本之前、之后或期间放置在测量装置 中。当在活的有机体内部或部分在其内部使用时，测试传感器可以连续浸没在样品中或样 本可以间歇地引入测试传感器中。测试传感器可以包括部分地隔离样本体积的储器或对样 本开放。当对样本开放时，测试传感器可以采取与生物流体接触地放置的纤维或其他结构 的形式。类似地，样本可以连续流经测试传感器（例如针对连续监测）或被中断（例如针 对间歇监测）以进行分析。
[0013] 电化学生物传感器系统的测量装置通过电触头向测试传感器的电导体施加输入 信号。电导体通过电极将输入信号传递到样本储器中存在的样本中。分析物的氧化还原反 应响应于输入信号产生电输出信号。来自测试传感器的电输出信号可以是电流（通过安培 法或伏安法产生的）、电位（通过电位测定法/电流测定法产生的）或蓄积的电荷（通过电 量分析法产生的）。该测量装置可以具有测量输出信号并使输出信号与样本中一种或多种 分析物的有无和/或浓度相关联的处理能力。
[0014] 在电量分析法中，向样本上施加电位以使分析物彻底地氧化或还原。在美国专 利No. 6, 120, 676中描述了利用电量分析法的生物传感器系统。在安培法中，将恒定电位 (电压）的电信号施加到测试传感器的电导体，同时测量的输出信号是电流。在美国专利 No. 5, 620, 579、5, 653, 863、6, 153, 069和6, 413, 411中描述了利用安培法的生物传感器系 统。在伏安法中，将变化电位的电信号施加到生物流体的样本上，同时测量的输出是电流。 在门控安培法和门控伏安法中，如分别在W0 2007/013915和W0 2007/040913中描述的使 用脉冲输入。
[0015] 主输出信号响应于样本的分析物浓度并从分析的输入信号获得。例如，当分析物 为葡萄糖时，基本上独立于响应于样本的分析物浓度的信号的输出信号包括响应于温度的 信号和基本上响应于血液样本的诸如血细胞比容或对乙酰氨基酚含量等干扰物的信号。基 本上不响应于分析物浓度的输出信号可以被称作次级输出信号，因为它们不是响应于由分 析物或分析物响应指示剂、分析物的电化学氧化还原反应或分析物响应的氧化还原介体的 电化学氧化还原反应引起的光的改变的主输出信号。次级输出信号响应于生物样本的物理 或环境特性。次级输出信号可以产生于样本或其他源，例如提供对样本的环境特性的评价 的热电偶等。因此，次级输出信号可以从分析的输入信号或从其他输入信号测定。
[0016]当产生于样本时，次级输出信号可以从用来测定样本的分析物浓度的电极或从附 加电极测定。附加电极可以含有与用来测定样本的分析物浓度的电极相同的试剂组合物、 不同的试剂组合物或不含有试剂组合物。例如，可以使用与干扰物反应的试剂组合物或可 以使用缺乏试剂组合物的电极来研究诸如全血血细胞比容等样本的一种或多种物理特性。
[0017] 在样本分析期间，可以存在影响由测量装置分析的主输出信号的多于一种的刺 激。这些刺激包括样本的分析物浓度、样本的物理特性、样本的环境状况、测试传感器批次 间的制造偏差等。由于分析的首要目标是测定样本中分析物的有无和/或浓度，所以样本 的分析物浓度被称作主刺激。影响输出信号的所有其他刺激被称作外来刺激。因此，主输 出信号包括来自主刺激（样本的分析物浓度）的主要效果，而且也包括来自一种或多种外 来刺激的一些效果。相比而言，次级输出信号包括来自一种或多种外来刺激的主要效果，并 且可以包括或可以不包括来自主刺激的主要效果。
[0018] 生物传感器系统的测量性能从准确度和精度方面进行定义。准确度反映系统和随 机误差分量的复合效应。系统误差或真实度是从生物传感器系统测定的平均值和生物流体 的分析物浓度的一个或多个采纳的参考值之间的差。真实度可以从平均偏差方面表示，其 中较大的平均偏差值表示较低的真实度，从而导致较低的准确度。精度是与平均数相关的 多个分析物读数的一致接近度。分析中的一种或多种误差导致由生物传感器系统测定的分 析物浓度的偏差和/或不精确性。因此，生物传感器系统分析误差的减小引起准确度和/ 或精度的提尚，因而提尚测量性能。
[0019]偏差可以从"绝对偏差"或"偏差百分比"方面表示。绝对偏差是测定浓度和参考 浓度之间的差并且可以以诸如mg/dL等测量的单位表示，偏差百分比可以表示为绝对偏差 值除以参考浓度的百分比或表示为绝对偏差除以样本的截止浓度值或参考浓度的百分比。 例如，如果截止浓度值为100mg/dL，那么对于小于100mg/dL的葡萄糖浓度来说，偏差百分 比定义为（绝对偏差除以100mg/dL)*100 ;对于lOOmg/dL以上的葡萄糖浓度来说，偏差百 分比定义为绝对偏差除以分析物浓度的采纳的参考值*100。
[0020] 血液样本中分析物葡萄糖的采纳的参考值优选利用诸如可从Yellow Springs,Ohio的YSIInc.得到的YSI2300STATPLUS?等标准仪器获得。测定偏差百分 比的其他标准仪器和方式可以用于其他分析物。对于Ale%测量，误差可以表示为绝对偏差 或相对于有效药浓度范围为4~12%的Ale%参考值的偏差百分比。血液样本中Ale%的 采纳的参考值可以利用诸如可从日本TosohCorp得到的TosohG7仪器等标准仪器获得。
[0021] 血细胞比容偏差是指利用标准仪器获得的参考葡萄糖浓度和从用于含有不同血 细胞比容水平的样本的生物传感器系统的测量装置和测试传感器获得的实验葡萄糖读数 之间的平均差（系统误差）。参考值和从生物传感器系统获得的值之间的差由特定血液样 本之间变化的血细胞比容水平所引起并且通常可以表示为如下的百分数：％Het-Bias= 100%X(Gm-G^/Gg，其中是在特定的血细胞比容水平下的测定的葡萄糖浓度，Graf是 在样本血细胞比容水平下的参考葡萄糖浓度。％Het-bias的绝对值越大，样本的血细胞比 容水平（表示为Het%，红细胞容积/样品体积的百分比）使从生物传感器系统测定的葡萄 糖浓度的准确度降低得越多。
[0022] 例如，如果对含有相同的葡萄糖浓度但是具有20、40和60%的血细胞比容水平的 不同的血液样本进行分析，那么生物传感器系统基于一组校准常数（例如，含有40%血细 胞比容的血液样本的斜率和截距）将报告三个不同的葡萄糖浓度。因此，即使不同血液样 本的葡萄糖浓度相同，该系统也将报告20%血细胞比容样本含有比40%血细胞比容样本 更多的葡萄糖，以及60%血细胞比容样本含有比40%血细胞比容样本更少的葡萄糖。"血 细胞比容灵敏度"是样本血细胞比容水平的变化对利用生物传感器系统进行的分析的偏差 值影响程度的表示。血细胞比容灵敏度可以定义为偏差百分比/血细胞比容百分比的数字 值，因此表示为偏差％/Het%。
[0023]生物传感器系统可以在包括来自多个误差源的误差的生物流体的分析期间提供 输出信号。这些误差源促成总误差，该总误差可以反映在异常的输出信号中，例如当输出信 号的一部分或多部分或全部不响应于或不适当地响应于样本的分析物浓度时。
[0024]输出信号的总误差可源自一种或多种误差促成因素，例如样本的物理特性、样本 的环境状况、系统的操作条件、测试传感器批次间的制造偏差等。样本的物理特性包括血细 胞比容（红细胞浓度）以及诸如脂类和蛋白质等干扰物质等。葡萄糖分析的干扰物质还可 以包括抗坏血酸、尿酸和对乙酰氨基酚等。样本的环境状况包括温度和空气中的氧含量等。 系统的操作条件包括当样本尺寸不够大时的未充满条件、由样本进行的测试传感器的缓慢 填充、样本和测试传感器的一个或多个电极之间的间歇电接触、在制造测试传感器之后与 分析物相互作用的试剂的降解等。测试传感器批次间的制造偏差包括试剂的量和/或活性 的变化、电极面积和/或间距的变化、导体和电极的电导率的变化等。测试传感器批次优选 以其中基本上减小或消除批次间的制造偏差的单个制造周期制成。可以存在造成分析误差 的其他促成因素或误差促成因素的组合。
[0025] 偏差百分比、平均偏差百分比、偏差百分比的标准差（SD)、方差系数百分比 (CV% )和血细胞比容灵敏度是表示生物传感器系统的测量性能的独立方式。可以使用额 外的方式来表示生物传感器系统的测量性能。
[0026] 偏差百分比是与参考分析物浓度相关的生物传感器系统准确度的表示，而偏差百 分比标准差反映关于由样本的物理特性、样本的环境状况、系统的操作条件和测试传感器 之间的制造偏差引起的误差的多个分析的准确度。因此，偏差百分比标准差的降低表示多 个分析中的生物传感器系统的测量性能的提高。方差系数百分比可以表示为100% *(-组 样本的SDV(取自同一组样本的多个读数的平均值）并反映多个分析的精度。因此，偏差 百分比标准差的降低表示多个分析中的生物传感器系统的测量性能的提高。
[0027] 例如，通过减小来自这些或其他源的误差来提高生物传感器系统的测量性能意味 着由生物传感器系统测定的更多的分析物浓度可以用于当监测血糖时患者的精确治疗。另 外，也可以减少对丢弃测试传感器和由患者进行的重复分析的需要。
[0028] 生物传感器系统可以具有响应于分析物的氧化还原或光系反应的未补偿的输出 信号的单个源，例如电化学系统的对电极和工作电极。生物传感器系统也可以具有例如利 用一个或多个热电偶或其他装置测定或估计温度的任选的能力。除了这些系统之外，生物 传感器系统也可以具有生成来自分析物或来自响应于分析物的介体的输出信号之外的次 级输出信号的能力。例如，在电化学测试传感器中，一个或多个电导体也可以延伸到样本储 器中以提供工作电极和对电极未提供的功能性。这种导体可能缺少诸如介体等工作电极试 剂中的一种或多种，因而允许从工作电极信号减去背景干扰信号。
[0029] 许多生物传感器系统包括补偿与分析相关联的误差的一种或多种方法，因而试图 提高生物传感器系统的测量性能。补偿方法可以通过为生物传感器系统提供补偿分析误差 的能力来提高生物传感器系统的测量性能，因而提高从该系统获得的浓度值的准确度和/ 或精度。物理和环境误差促成因素的常规误差补偿方法传统上在实验室进行开发，因为这 些类型的误差可以在受控的环境中再现。
[0030] 在实验室中如何对生物传感器系统的测量装置进行校准影响由使用者掌握的系 统的测量性能。因此，在校准测量装置的上下文中持续关注的是在使用中可能影响测量装 置的测量性能的所有误差参数，这些误差参数应当在将该测量装置用于分析样本的分析物 浓度之前在实验室中进行校准。
[0031] 误差参数是变量，它们的值从诸如来自主输出信号的中间信号的分析或从独立于 分析物响应输出信号的次级输出信号（例如热电偶和附加电极等）测定。误差参数可以是 响应于输出信号的一种或多种误差的任意变量。因此，具有它们的离散值的这些变量可以 是从来自主输出信号的中间信号或从次级输出信号（例如从热电偶电流或电压以及附加 电极电流或电压等）测量的电流或电位。其他误差参数可以从这些或其他主输出信号或次 级输出信号确定。
[0032] 如果对测量装置进行太多或非最优误差参数的校准，那么可能产生效果递减点或 者甚至是更差的测量性能。此外，在校准中考虑越多的参数，在测量装置中储存的校准信息 对于从在分析期间测定的误差参数进行的后面分析的补偿可能越无用。当正在进行的分析 包括多个输出信号（包括分析物浓度响应（主输出信号）和/或非分析物响应信号（次级 输出信号））时，这些校准问题变得更复杂。本发明利用常规校准技术避免或改善了测量装 置的至少一些缺点。
【发明内容】
[0033]在一个方面，本发明提供了 一种测定样本中分析物浓度的方法，包括：从样本生成 至少一个输出信号；从所述至少一个输出信号测量至少一个分析物响应输出信号值，其中 所述至少一个分析物响应输出信号值受到至少一种外来刺激的影响；从所述样本测量至少 一个外来刺激响应输出信号；响应于所述至少一个外来刺激响应输出信号测定至少一个量 化的外来刺激值；从至少一种标准化关系测定至少一个标准化值；响应于所述至少一个分 析物响应输出信号值和所述至少一个标准化值测定至少一个标准化分析物响应输出信号 值；和响应于至少一种标准化参考相关性和所述至少一个标准化分析物响应输出信号测定 所述样本中的至少一个分析物浓度。
[0034]在本发明的另一个方面中，提供了一种用于校准生物传感器系统的测量装置的方 法，包括：从样本测量至少两个分析物响应输出信号，其中所述分析物响应输出信号受到至 少一种外来刺激的影响；测定至少一个参考样本分析物浓度和所述至少两个分析物响应输 出信号之间的参考相关性；从所述样本测量至少一个外来刺激响应输出信号；从所述至少 一个外来刺激响应输出信号测定至少两个量化的外来刺激值；测定所述至少两个分析物响 应输出信号和所述至少两个量化的外来刺激值之间的标准化