专利名称：测量仪操作方法及测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量仪的操作方法及测量仪，尤其涉及一种电化学感测试片测量仪及其操作方法。
背景技术：
电化学感测系统(Electrochemical Sensor Systems)目前已被广泛地应用在生物样本分析物的分析检测上，例如检测血液中的葡萄糖浓度、胆固醇浓度等等。一般来说，这种电化学感测系统包含一感测试片和一测量仪，特别是该感测试片被设计为一次性使用、可抛弃式，以供民众居家生活方便使用。
电化学传感器使用酵素电流方法(enzymatic amperometric methods)相当普遍，此种传感器具有覆盖含酵素的试剂的电极，该试剂和分析物反应而产生一电化学电流，被该电极所感测。所使用的酵素具单一性，并与待测样本中的特定分析物有良好的专一性反应，这种专一性反应可降低其它分析物的干扰。例如测试样本中的胆固醇浓度时，使用含有对胆固醇具专一性的酵素的试剂，而测量血液中葡萄糖浓度时，则使用含葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)的试剂，葡萄糖氧化酶不会和胆固醇作用，也不会和血液中的其它糖类作用，一般来说葡萄糖氧化酶对样本中的葡萄糖单一选择性可达99％，因此这种利用酵素方法的测量系统可产生一相当精准的测量结果。
目前已发展出好几代分析测量血液样本中葡萄糖浓度的酵素方法。
在第一代的葡萄糖浓度分析方法中，感测电极所覆盖的试剂含有葡萄糖氧化酶(以下简称GOD)，样本中葡萄糖和酵素间的反应机制，及后续的检测反应式如下葡萄糖+GOD(ox)→葡萄糖酸+GOD(red)---------(1)O2+GOD(red)→H2O2+GOD(OX)---------(2)H2O2(施加电压)→O2+2H++2e----------(3)GOD有两个状态。在反应式(1)中，GOD在与葡萄糖反应前处于常态，即氧化态GOD(ox)，而与葡萄糖反应后，GOD就会转变成其还原态GOD(red)。
在和氧(O2)产生反应之后，GOD又会转变回其氧化态GOD(ox)(反应式(2))，并在此反应中产生过氧化氢(H2O2)。GOD被氧化后将继续存在于试剂中，并于反应式(1)中再次被利用。只要氧(O2)被充分提供，H2O2的产量便会与样本中的葡萄糖浓度成正比，因此H2O2的量可被测得，便能测得葡萄糖的浓度。为了检测H2O2的产量，施加一预设的电压至感测电极以氧化H2O2(反应式(3))。通过氧化反应，两个电子e-会被传递，而H2O2将被氧化而产生氧(O2)和两个氢离子2H+。氧(O2)可于反应式(2)中被重复使用，而产生的电子便在电极间形成一电流，此感测电流将与样本中的葡萄糖浓度成正比。
上述的第一代葡萄糖分析方法有缺点，特别是在反应过程开始之前，O2的初始量不足的问题。尤其是家用型葡萄糖测量仪的可抛弃式感测试片，为长期保存而使用干式试剂。这种测量仪，O2的初始量仅由血液样本提供，新鲜血液中含有一些氧，但是当葡萄糖浓度高时氧气量便可能不足，因而导致检测误差。此外，待测样本中的红血球细胞可能会持续消耗氧气而使氧气耗尽。因氧气量的不足导致检测误差，这个现象为通常所知的含氧量问题(oxygen dependence problem)。
为了解决含氧量问题，第二代的葡萄糖测量仪，在试剂中使用了带电介质，典型地使用亚铁氢化钾(potassium ferrocyanide)，使用介质的感测试片，反应过程如下葡萄糖+GOD(ox)→葡萄糖酸+GOD(red)--------(4)GOD(red)+2M(ox)→2M(red)+GOD(OX)+2H+--------(5)2M(red)(施加电压)→2M(ox)+2e---------(6)在上面的反应式中，M(OX)代表介质的氧化状态，而M(RED)代表介质的还原状态。反应式(4)～(6)显示在一循环反应中产生一感测电流，该电流将与血液样本中的葡萄糖浓度成正比。基本上整个反应过程与样本中的氧气含量无关，但在介质的反应期间并无法完全避免受到氧气的影响。反应式(4)基本上与反应式(1)完全相同，因此反应之初血液中的O2会与GOD(red)反应产生H2O2，如反应式(2)所示。假如施加一预设电压至电极是为了氧化反应式(6)的介质，那么相同的电压也会氧化H2O2，因H2O2的氧化而会在电极间产生电子(如反应式(3)所示)。结果，感测电流由两部分构成，第一部分为还原态介质的氧化(如反应式(6)所示)，第二部分的电流则是如反应式(3)所示的反应而产生。因为血液中含氧量的不确定，此第二部分的电流是不稳定的，检测结果也因此而不稳定，此现象也被称为氧干扰(oxygen interference)。
为了克服第二代葡萄糖测量仪的氧干扰问题，有几个解决方案被提出。一解决方式为将葡萄糖氧化酵素换成葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrogenase，GDH)。因为GDH不会与氧反应而产生H2O2，因此不会有氧干扰的问题。然而使用GDH会有一些缺点，特别是其对葡萄糖的选择性只有80％～90％，GDH不仅会与葡萄糖反应，还会和血液中的其它糖类产生反应，例如麦芽糖(maltose)。使用GDH降低了氧干扰的问题，但却造成其它干扰问题，而导致葡萄糖浓度不正确的测量读取。
以测量感测电流的方式来测定样品中分析物的浓度，此感测电流称为柯特雷尔电流(Cottrell current)，根据以下公式i(t)＝K.n.F.A.C.D0.5.t-0.5其中，i为感测电流的瞬间值；K为一常数；n为电子传递的数量(例如，方程式(6)中的n为2)；F为法拉第常数；A为工作电极的表面积；C为样本中待测分析物的浓度；D为试剂的扩散系数；t为一预设电压施加至电极后的一特定时间。
待测物的浓度C应被检测，此浓度与感测电流i成正比，因为感测电流也和工作电极表面积A成正比，因此对一准确的测量仪来说，精确定义的感测试片的工作电极表面积为一关键因素。
此外，如Cottrell公式所示，当施加预设电流至电极后，以时间为函数的感测电流，会随着时间的平方根而下降。因此当一电压施加至电极的时点，对Cottrell current的实时测量的控制，是准确的测量仪所需的另一重要因素。
诸如此类的传感器和测量仪在专利文件中例如US 5,266,179，US5,366,609或EP 1,272,833被揭示。
在上述文件中所揭示的测量仪操作方法大致相同。首先，插入一感测试片至测量仪中，在测量仪中感测试片的适当插入是由机械式和/或电子式的开关或接触来检测。当一感测试片被适当插入后，使用者被要求提供样本，典型地为一滴血。血液样本接着进入感测试片的一反应区，该反应区具有至少两电极，且该电极被试剂所覆盖。
为了检测样本是否出现在该反应区，接着施加一电压至该电极，电极间试剂的电阻在没有样本出现时很高，但只要样本一出现在反应区中，电极间的电阻就会下降。电阻的下降让一电流可被检测到，以作为样本存在反应区的一指示。
公知测量仪的另一个缺点就是这种样本存在的检测问题，在一样本存在检测期，施加一电压至电极以检测样本是否存在反应区，然而此电压会导致电流的消耗(即电子的消耗)，此电流是因试剂和待测样本间的反应所造成。电流的消耗与样本中待测分析物的浓度相关，因此在样本存在检测期的消耗电流会导致测量的误差。假如待测样本分析物相当小或是测量系统的检测时间相当短，这个问题会特别重要，尤其是近来的家用型测量系统，为了增加合用性以及使用者对此种感测试片的亲切度，样本的体积和测量仪的检测时间都被降低，典型地，血液样本的体积从10μL被降低至约0.3μL，总测量时间从原来的约60秒降低至约5秒。
一但充分的样本量已存在于反应区，第二个步骤便是于一特定期间混合样本和试剂。这个特定期间也叫做静置期(incubation period)，静置完成后，第三步骤便开始测量。
公知测量仪的另一个问题即与静置期有关，静置期是为了使样本和试剂能混合和溶解，需要一段特定的时间来完成此混合和溶解。溶解的完成会受一些参数影响，例如室温或使用者的血液样本状况，例如当室温较低或病人血液中的脂肪比例较高时，溶解就会比较慢。假如在溶解未完全之前就进行测量，结果将会产生不稳定的感测电流，因此必须选择足够的静置时间，例如溶解所需的最长时间，以确保在所有情况下都能精确的测量。
假如在静置期间施加一电压，那么在静置期就会开始消耗电流，因为溶解的状况不同，电流的消耗量会不稳定，因此若施加电压就又会造成测量误差。
在图3(A)至图3(C)中将更详细地解释此种公知测量仪的操作方法和缺点。
一些现有技术文件，例如US 5,108,564建议在一开路(open circuit)中进行静置，然而此测量原理也会有缺点。在静置期间如果没有施加电压的话，样本中会产生小小的氧气泡，氧气泡的产生是因为下列过程如上所述，使用带电介质解决了第一代感测试片的含氧量问题，但却存在前述的氧干扰问题，解决氧干扰问题的一方式为选择一特定介质，只需要一低电压就能如反应式(6)所示，氧化该介质。假如氧化该介质所需的电压不足以发生反应式(3)所示的氧化H2O2，那么氧干扰问题就可被降低至一可忽略的程度。特别是当在测量期间施加一预设电压至电极时，初次电流和第二次电流的比例可被增加至20比1甚至大于150比1。
根据公知技术的测量仪，静置期没有施加任何电压。假如不施加电压，反应式(3)和反应式(6)的反应过程在静置期会停止。在静置期开始时，葡萄糖会和葡萄糖氧化酶的氧化态GOD(ox)作用，将GOD还原成其还原态GOD(RED)。因为没有施加一预设电压至电极，介质无法自还原态被氧化成其氧化态M(OX)，而GOD(RED)将依照反应式(2)和(5)与介质和氧气两者发生反应。当试剂中的介质已被转换成其还原态M(RED)，反应式(5)的反应将会停止。
在此同时，一开始在新鲜血液中的氧会依照反应式(2)产生H2O2。假如没有施加电压至电极，H2O2就不会依照反应式(3)被氧化而产生O2和2H+和电子。然而H2O2在温度的影响下会自然分解成氧气O2和水H2O，如反应式(7)所示。此外，若不施加电压，金属电极会如反应式(8)催化H2O2分解成O2和H2OH2O2(在某个温度条件下)→O2(气体)↑+H2O-------(7)H2O2(金属催化)→O2(气体)↑+H2O-------(8)起初，氧O2均匀地分布在新鲜样本中。因为依照上面反应式(8)被金属电极所催化的反应，O2将会以小泡泡的形式在电极表面的区域堆积。因为为了让样本能自动吸入反应区，通常电极附近会形成一毛细管，而附着在电极上的氧不会轻易消失。结果，因为氧气泡的堆积而降低了电极的有效工作面积，结果于静置期之后的感测电流将受影响。特别是假如使用较小体积的样本，氧气泡附着在电极上的影响可能会变得相当重要，而使得测量误差可能会变大。特别是假如电极是由贵重金属所制成，这种氧气泡的形成也可能变得重要。
在专利文件EP 1,272,833中，建议在静置期或样本检测期施加一电压，但该电压值相当低，并不能解决产生氧气泡的问题。
发明内容
本发明的将提供一种测量仪操作方法和一测量仪，以达到解决上述公知技术的缺点的目的。
因此，本发明的一目的便在于克服公知技术的缺点，特别是提供一种测量仪的操作方法，让即使使用体积相当小的样本和/或测量时间相当短，仍然可得到精确的分析物检测结果。
此外，本发明的另一目的特别在于，针对反应式(2)的氧的反应和第二代感测试片的反应式(5)的介质的反应间的竞争关系，提供一解决方法，也就是降低氧干扰的问题。本发明的另一目的在于维持稳定而精确的工作电极表面积，增加检测结果的精确度。本发明还包含一目的，提供一感测试片和一测量仪，使静置期和测量期的时间能被准确计算。
本发明提供一种使用电化学感测试片的测量仪的操作方法。为了测量的准备，也就是在开始测量与分析物浓度相关的感测电流之前，在一样本存在检测期(sample presence detection period)和一静置期(incubation period)中的至少一期间，施加一电压至感测试片的电极，根据本发明的构想，该电压在上述样本存在检测期和静置期中的至少一期间，以重复上升和下降的方式被施加，也就是在预设的一第一电压值和一第二电压值之间重复开关。本发明所述的重复上升和下降的电压，是指在特定的期间，所施加的电压会低于其它期间，因此该电压值在该样本存在检测期和/或该静置期中会改变至少一次，较佳为改变数次。这个重复上升和下降的电压，也就是在该样本存在检测期和/或该静置期重复变化的电压，典型地可构成一脉冲电压，即为在一零或较低和一较高、最大幅度之间连续开关的电压。
在上述的其中一期间或是在两期间中，所施加的电压的最小值和最大值可以是固定的，也可以是不固定的。
施加重复变化的电压，可以克服公知技术的缺点。在样本检测期，只要有够高的电压值产生一电流，即可检测样本是否存在。另一方面，因为在随后的电压最大值之间的电压相当小，在样本检测期的电子消耗总量会减少。
同样地，在静置期中，重复或规律的施加电压，抑制了样本中氧气泡的产生。此外，静置期的电子消耗总量也会减少，因为施加至电极的电压值不固定且不会很高。
当只在静置期或只在样本检测期施加重复变化的脉冲电压时，具有某些优点，但较佳的是在这两个期间都施加重复变化的脉冲电压。在此例中，两期间的重复变化脉冲电压可以相同(相同幅度、作用周期)，也可以彼此不同。
当然，也有可能在静置期和样本检测期中的其中一期间施加一固定的高电压值，而同时在另一期间施加一重复变化的电压。
根据本发明的一较佳实施例，该电压是以规律的模式施加，具有一预定的或可预定的频率，借着在上述其中一期间设定一第一电压值和一第二电压值的方式，相当于基本上固定的一最大值和一最小值。特别是，以具有预定频率和幅度的规律模式施加电压，用标准的控制器就可轻易实施。
特别是，根据本发明的构想，在该样本存在检测期和/或该静置期所施加的电压可为连续脉冲。
根据本发明一实施例，该电压的最小值，也就是在二连续脉冲之间的电压值可为0伏特，也可大于0伏特，但该电压值仍然相当小以避免电子的消耗。
根据上述构想，其中于该静置期所施加的预设电压的最大值，也就是脉冲电压的幅度，高到足以使一感测试片的一试剂中的一介质M自其还原态M(RED)氧化为其氧化态M(OX)，且这个最大值较佳为低到足以避免该试剂中的H2O2被氧化。
根据上述构想，其中在该样本存在检测期所施加的该电压具有一最大值，足以在所述电极间产生一可测量电流以检测样本是否存在于反应区。依据测量装置的设计，此电压最大值可以相当低，特别是低于静置期间所施加的电压的最大值。
根据上述构想，于样本存在检测期所施加的电压的脉冲作用时间为10μs至300μs，且两连续脉冲间的停滞时间(time delay)为10ms至50ms。特别是，于样本存在检测期合适的脉冲作用时间较佳为100μs，且二连续脉冲间的停滞时间较佳为20ms。
根据上述构想，在静置期的脉冲作用时间以及两连续脉冲间的停滞时间(time delay)是被选择以足够使反应式(6)的反应发生，也就是让氧化态介质再生成以阻止或减少氧气泡的产生。脉冲的作用时间，选择尽可能地小以尽量降低电子消耗量。典型地，于静置期间的脉冲作用时间为10μs至1ms，两连续脉冲间的停滞时间为10ms至300ms。特别是，对常见的试剂来说合适的脉冲作用时间较佳为100μs，且两连续脉冲间的停滞时间较佳为200ms。然而依据特定的应用或不同的测量状况，脉冲电压的工作周期、作用时间和频率都是可加以变化的。
根据上述构想，本发明所提供的测量仪操作方法，还包含一步骤于该静置期限制电极间的电流量，特别是用饱和(saturation)的方式。
此外，本发明还提出了一种测量仪，用以在当待测分析物存在于一电化学感测试片的反应区时，读取该感测试片的电极间的电流值。所述测量仪包含一电压施加装置，用以施加一电压至所述感测试片的电极，其中该电压以重复变化的方式被施加，也就是该电压施加装置在一样本存在检测期和一静置期中的至少一期间施加一重复上升和下降的电压。
根据上述构想，本发明所提供的测量仪具有一电流量测单元，通过该单元中电子组成的饱和，特别是通过一电流电压转换器的一操作放大器的饱和电压，来限制静置期间的电流量。也就是说，本发明的测量仪还包含一电流限制装置，用以限制静置期的电流量，特别是用饱和的方式。
根据上述构想，其中所述电流限制装置是由至少两电阻组成，其可选择性地接通至该电流电压转换器的该操作放大器的一入口。
根据本发明的构想，以重复变化脉冲的方式施加电压，所提出的测量仪操作方法，基本上可被使用于其它各种测量仪中。同样地，本发明所提供的测量仪，也可使用其它测量方法操作。
本发明通过下列实施例及图示说明，将得以更深入的了解。
图1，为使用一电化学感测试片的一测量仪的示意图；图2(A)，为一电化学感测试片的正面与背面示意图；图2(B)，为图2(A)的电化学感测试片的剖面图；图2(C)-(D)，为待测样本进入图2(B)的电化学感测试片的示意图；图3(A)，为公知技术的测量仪所施加的电压变化的示意图；图3(B)-(C)，为图3(A)的公知测量仪于样本存在检测期消耗电流的放大图；图4，为本实用新型的测量仪的示意代表图；图5(A)，为本实用新型的第一实施例的施加的电压变化的示意图；图5(B)，为图5(A)所示于样本存在检测期施加的电压变化和其消耗电流的放大图；图6(A)-(C)，为本实用新型另外三个实施例的电压变化示意图；以及图7，为本实用新型的测量仪的另一实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下10测量仪12显示器15插槽 20电化学感测试片21、22电极 23毛细管24、25电极下端、接触26样本入口27覆盖板28开口29样本 210 凹槽211、212 电极上表面213 通孔214 试剂300、500、600、610、620试片插入时点301、502、602、611、622样本存在检测期302、304、522、606、608、612、618、632固定电压303、315一时点305、507、605、613、627静置期306、511、607、617、631测量期307预设电压308、512样本滴入时点309、309(B)、309(C)、514、515消耗电流量310、516测量期电流
312样本检测门坎313、513样本量门坎314样本量延滞时期316样本存在时间501、505、506、508、601、614、621、628脉冲电压509脉冲强度503、603、615、623、629高电压504、604、616、624、630低电压517总检测时间518、519电流强度520饱和电流40、70微处理器41、71显示器42、72电源供应单元43电流测量单元44、I电流45、74电流电压转换器46模拟数字转换器47、79电压施加装置48、711电流缓冲器49电压调节器410、710温度测量单元412、712试片插入检测单元417控制线SW、S1、S2、S3、S4、SL1、SL2、Sf开关V0、Vc、Ve、Vw电压Rf、R1、R2、R3、RL1、RL2电阻413、414、Vc1、Vc2、713、714、77接点415阳极端416阴极端
Vwc、411电极工作电压Vcc阳极供应电压T2、T4脉冲作用时间T1、T3脉冲停滞时间73电流测量单元、电流限制装置76支路具体实施方式
本实用新型的测量仪操作方法及测量仪，将可由以下的实施例说明而得到充分了解，并使得本领域技术人员能够实现，然本实用新型的实施型态并不限制于下列实施例中。
请参阅图1，为本发明的一测量仪10的示意图。该测量仪10包含一具有一显示器12的外壳，用以显示测量结果。该测量仪10包括一插槽15用以插入一电化学感测试片20。于图2(A)至图2(D)将更详细说明该电化学感测试片20。
图2(A)左边是该电化学感测试片20的正面图，右边则为其背面图；图2(B)则为图2(A)所示的电化学感测试片20的剖面图。
电极21、22被设置于电化学感测试片20的一凹槽210内的通孔213中。电极21、22的周围被通孔213紧紧围绕而没有形成任何缺口。通孔213的直径被设计为稍小于电极21、22的直径，使电极21、22可以在通孔213中被机械式地抓住。
电极21、22的上表面211、212形成电极的工作面积，电极的下端24、25形成感测试片20的输出接触，这些输出接触可分别与测量仪10的接点413、414发生电连接(参阅图4)。
具有与外界相通的一开口28的一亲水性覆盖板27，覆盖凹槽210以形成一毛细管23，该毛细管23定义出一反应区，提供一试剂214涂布在凹槽210内，并覆盖电极21、22的上表面211、212。该试剂214包含一已知的酵素例如一葡萄糖氧化酶，一介质例如亚铁氢化钾，以及一些亲水性的化学物质。试剂的组成为公知技术而非本发明的重点。此外该感测试片20还提供一样本入口26，用以置入液体样本29，例如一滴血。
当一血滴样本29被放上样本入口26的开口时(请参阅图2(C))，因为毛细管作用或亲水作用，该血滴会自动被吸入毛细管23。图2(C)和图2(D)显示血滴样本29的流动情形。当样本29被滴入入口26时便会开始经由毛细管23流动(如图2(C))，直到完全覆盖电极(如图2(D))，而毛细管23中的空气则会经由开口28出去。
为了更详细解释本发明的方法与公知技术的差别，公知技术的检测方法请参考图3(A)至图3(C)。
图3(A)显示公知技术的测量仪所使用的方法，也就是美国专利US5,366,609所揭示的内容。图3(B)至图3(C)显示于样本检测期中因施加一电压而产生的消耗电流的放大图。
根据图3(A)所示，当感测试片于时间300被插入测量仪中，于样本存在检测期301施加一固定电压302，以检测一待测样本是否存在于反应区。一滴样本于时间308被加在感测试片上。图3(B)显示当检测到一样本存在时，电极间电流的放大图。
当电流达到一样本检测门坎312，也就是一样本于时间316被检测到存在时，开始一样本量延滞时期314。为了继续确认样本量是否足够，测量仪会继续施加该固定电压302至电极，直到一时点303(请参阅图3(A))。
接着，电流量309与时点315的一样本量门坎313相对照，定义出该样本量延滞时期314的终点。假如电流强度低于该样本量门坎313，测量仪将会发出警示表示感测试片中存在的样本量不足，然后测量过程将会停止。
假如已经有足够的样本量存在于反应区，也就是在时点315电流量已大于该样本量门坎313，测量仪就会继续下一个步骤，也就是静置期305的开始。静置期305中，测量仪关闭该固定电压302而转成零电压304。在静置期305期间，样本和试剂的混合溶化需要一特定、预设好的时间。在完成静置后，测量仪将会开始一测量期，为此测量目的，施加一预设电压307至电极，电极间的电流量310(请参阅图3(A)下方)将被测量。
待测分析物浓度的决定，是根据前述的柯特雷尔电流(Cottrell current)，在测量期306依据柯特雷尔电流公式计算出来的浓度值会被显示于测量仪的显示器上。
图3(B)为样本存在检测期末端的电流量放大图。电流曲线下方的斜线面积，为电流量309，相当于一直到样本量延滞时期314的终点之前的电流总量，也等于这段时间所消耗的电子数量，此消耗电流是由于试剂和待测样本中分析物的反应所致。图3(C)中，依据不同的样本流速而有两个不同的消耗电流量309B和309C，因样本的流速不同而导致样本检测期终点的变化，进而电流消耗时间也会改变，电流消耗时间可能介于0.04至0.3秒。样本的流速可能受制造品影响，例如毛细管的性能、试片的亲水性、室温或是使用者的血液状况等等，例如在室温较低，或血液中血球容积比(HCT)较高，或脂肪含量较高时血液样本流速较慢。对一测量时间很短为1秒的测量仪来说，介于0.04至0.3秒的电流消耗时间变异性相当大，许多葡萄糖电流检测仪的总检测时间为5秒，且包含了静置期和测量期，在这些例子中测量期就仅约1秒。同时，若样本体积小，变异性也可能相当高，例如使用1μL、0.5μL或3μL的感测试片。公知测量仪因为电流消耗，而导致测量误差可能相当高，特别是当样本体积很小或是检测时间相当短时。
图4为根据本发明的一测量仪10的示意代表图。该测量仪10包含一微处理器40，一显示器41，一电源供应单元42，一电流测量单元43，一温度测量单元410，一试片插入检测单元412具有一开关SW，以及一电压施加装置47。除了该电压施加装置47之外，其它部分和电路的设计为公知技术。
电流测量单元43包含一电流电压转换器45，用以将电极21、22(请参阅图2(A)至图2(D))之间的一电流44转换成一模拟电压V0(其中V0＝I×Rf)。电阻Rf表示电流流经一电导体的电阻。一模拟数字转换器46将模拟电压V0转换成一数字信号，可被输入至该微处理器40。
电压施加装置47，用以施加重复变化的电压至电极。电压施加装置47包含电子线路，即一电压调节器49以及由电阻R1、R2、R3和开关S2、S3、S4所构成的分压器，用以施加电压至接点Vc1。
一电流缓冲器48，具有一大电流驱动能力，用以在接点Vc2输出一与接点Vc1相同的电压。
一控制开关S1用以接通和切断接点Vc2至接点414，以此接点Vc2的电压可被施加至接点414。
此外，四条控制线417从微处理器40通出，用以控制开关S1、S2、S3、S4，例如将这些开关开启或关闭。
接点414的电压Vc的强度和时间，可由微处理器40在一开启/关闭控制时间序列中，对开关S1、S2、S3、S4的开启/关闭加以控制。
在接点414的电压Vc为Vc＝Ve×R/(R1+R)其中，当S2接通时，无论S3和S4的状态为何，R＝0；当开关S2、S3、S4都打开时，R＝∞；当开关S3合上，其它开关打开时，R＝R3；当开关S4合上，其它开关打开时，R＝R2。
调节电压Ve被施加于接地和电阻R1的接触之间的接点49，该调节电压Ve更进一步被接通于电流电压转换器45的阳极输入端415，电流电压转换器45的阴极端416的电压通过一运算放大器自动被调整成和阳极输入端415的电压电平相同。因此，接点413的输出电压Vw与电压Ve相同。
一电极工作电压Vwc、411(等于Vw和Vc之间的电压差)因此被施加于接点413和414之间，因而可被电连接至感测试片20的接触24、25。
图5(A)显示根据本发明的测量方法的第一实施例。在时点500一感测试片的插入以一传统方式被检测，当一试片被插入，测量仪开始施加一重复脉冲电压501至电极。此脉冲电压501用来在样本存在检测期502检测一样本的存在。
接下来的静置期507，同样地施加重复变化脉冲电压506至电极。
在第三个期间，即测量期511，施加一固定电压522至电极，用以测量柯特雷尔电流516。静置期和测量期所花的时间为一总检测时间517，测量结果的测定和显示将以传统的方式于之后完成。
试片的插入由试片插入检测单元412来检测(请参照图4)。在样本存在检测期间502，该重复脉冲电压501在一预设的高电压503和低电压504之间转换，该预设的高电压或低电压是由电阻R1、R2、R3和开关S2、S3、S4所构成的分压器来控制，如前文参照图4所述。
于样本存在检测期502，一脉冲电压501包含多个电压脉冲被施加至电极，这些电压脉冲包含施加一重复上升和下降的电压。在一脉冲开始的时候，施加至电极的电压快速上升至一最大值，于脉冲结束时，快速下降至一零或较低电压值。二连续脉冲之间有时间差T1，每一脉冲的作用时间则为T2。
在连续脉冲之间，也就是T1期间，施加至电极的电压504等于或将近于零，若要让电压为零，开关S1(请参照图4)会被打开，若要施加一低电压，开关S1则可能被合上。在样本存在检测期502施加一脉冲电压的目的在于降低样本存在检测期502的消耗电流，只有在脉冲作用时间T2，开关S1会被接通而预设电压503会被施加至电极。
电极间的电流量显示于图5(A)下方，图5(B)则显示样本检测期间电流量的放大图。
图5(B)亦标示出图3(B)所示的使用公知技术方法，即施加一固定电压302而产生的消耗电流309。依照本发明的构想，因为施加一脉冲电压，消耗电流的量产生于脉冲作用时间T2，而仅由曲线514和515下方的斜线面积构成。
在时点512，一待测样本滴入。该样本依照图2(C)至(D)所示流入感测试片。一开始，在时点512电极间没有电流，因为于脉冲停滞时间T1施加至电极的电压为零或是非常低。在脉冲作用时间T2，例如图5(B)所示的脉冲505作用时，当一样本存在时一电流514会于电极间流动，电流的强度最初小于样本量门坎513，结果被认定样本量还不足够，测量仪因此会继续施加脉冲电压。首先，在脉冲505作用之后接下来的停滞时间T1，没有施加电压而电流会下降至零，经过该停滞时间T1之后，施加一新的脉冲506，而此时电流强度大于样本量门坎513表示样本量已经足够，此时测量仪会停止再施加脉冲电压并接着开始静置期507(请参照图5(A))。
如图5(B)所示，电流的消耗总量等于曲线514和曲线515下方面积的总和，与现有技术(即曲线309下方的面积)所使用的方法相比，消耗电流的量(或电子的消耗)降低了许多。脉冲最佳的长度与循环周期可经由实验来决定。特别是，一脉冲时间，也就是脉冲作用时间T2可介于10μs至300μs，而二连续脉冲间的停滞时间T1可介于10ms至50ms。特别是，一脉冲作用时间T2为100μs，且二连续脉冲间的停滞时间T1为20ms，经实验证明是为一良好的组合。
脉冲作用时间T2也须视模拟数字转换器46的反应时间而定(请参照图4)。典型地，100μs的作用时间T2对传统A/D转换器来说是合宜的，而停滞时间T1是在样本存在的快速反应时间和低消耗电流之间所作的折衷选择。
根据本发明的构想，样本存在检测期的反应时间可较图3(B)所示的公知技术快约两倍(样本量延滞时期314约40msec，且只是其中一部分的检测时间)。
假如脉冲不作用状态的期间T1选择为20ms，则施加电压的作用周期比(duty ratio)和结果产生消耗电流的百分比如下作用周期百分比＝T2/(T1+T2)×100％＝100μs./(20ms+100μs)×100％＝0.497％与公知技术(如图3(B)所示)相比，本发明在样本存在检测期的电流消耗量可被降低约99.5％。
如上所述，依照公知技术(如图3(C)所示)的方法，因为不同待测样本的流速不同，消耗电流是不稳定的。而本发明可大大降低不稳定电流造成的影响，根据本发明于样本存在检测期施加脉冲电压，改善测量结果的精准度，特别是在使用较小体积的样本或较短的检测时间的应用上。
为了解决前文提及的氧气泡问题，于静置期507持续施加重复脉冲电压508。依照公知技术(图3(A))的装置和方法，固定电压302在整个静置期305降至相当低或是为零的电压304，如前文所述，在这种状态下的电压304，氧气泡会产生，而附着在电极表面。根据本发明的构想，施加一重复脉冲电压508是为了周期性地让反应式(6)的反应发生，通过施加一预设电压，介质的还原态M(RED)可被氧化成介质的氧化态M(OX)，又根据反应式(2)和反应式(5)，此氧化态介质M(OX)会与氧竞争和葡萄糖氧化酶的还原态GOD(red)的反应。于静置期507选择脉冲508的适当强度509，再加上适当的作用周期比，可再产生足够的介质。因此，只要适当选择一脉冲的作用时间T4和两连续脉冲间的停滞时间T3，产生氧气泡的问题将会减少。此外，每一脉冲产生一电流，电流强度518、519会被一饱和电流520限制，将于图7详细说明。
电压脉冲508的强度509必须选择高到足以发生反应式(6)的氧化介质，但此强度509不能高到发生反应式(3)中H2O2被氧化而产生O2和2H+和电子的反应。通常使用600mV的电极工作电压来氧化H2O2，因此若该预设电压的强度509维持在250mV以下，反应式(3)的反应将几乎完全停止。电压强度509典型地约为200mV。
一相当高的作用周期比，可确保于静置期再生成足够的介质，然而太高的作用周期比将于静置期消耗太多电流，而降低了测量期511的感测电流516。一最佳的作用周期比可经由实验来决定。典型地，停滞时间T3约为10msec至300msec，而脉冲作用时间T4约为10μsec至1msec为适当的值，依此范围的作用周期比介于0.01％和1％之间，特别是T3为200msec且T4为100μsec为一良好的组合。实际上，作用周期比会依据介质类型，预设电压的电平，以及感测试片的电极结构来作选择。
图6(A)至图6(C)显示本发明的其它三个实施例。
根据图6(A)所示，在试片插入点600之后的样本存在检测期602，施加在一高电平电压603和一低电平电压604之间的一重复脉冲电压601，在此期间施加的脉冲与图5(A)所示的样本存在检测期502中所施加的脉冲实质上相同，因此较公知技术减少了电流的消耗，但与图5(A)不同的是，此实施例在静置期605施加一连续低电压606。根据图6(A)的实施例，在样本存在检测期602的消耗电流将被降低，而在一测量期607则是施加一较高电压608。
图6(B)显示本发明的另一实施例，其与图5(A)不同之处在于，在试片插入点610之后的样本存在检测期611施加一固定电压612，而在静置期613施加介于一高电平电压615和一低电平电压616之间的一重复脉冲电压614，此脉冲电压施加方式与图5(A)类似。因此，本实施例可减少氧气泡的产生，在一测量期617则是施加一电压618。
图6(C)显示本发明的另一实施例，在试片插入点620之后的样本存在检测期622，施加在一高电压623和一低电压624之间变化的一重复脉冲电压621，此施加方式与图5(A)类似，而在静置期627则施加在一高电压629和一低电压630之间变化的一重复脉冲电压628。本实施例与图5(A)不同之处在于，样本存在检测期622的脉冲作用时间T2与静置期627的脉冲作用时间T4不相同，且这两个期间的脉冲停滞时间T1、T3，高电压623、629，以及低电压624、630均不相同。通过对这些参数的选择，消耗电流量的降低和氧气泡的减少可至一最佳结果。最后在测量期631则是施加一电压632。
图7为本发明的测量仪的另一实施例。基本上，测量仪10具有如图4所示的相同的组件或单元，特别是一微处理器70，一显示器71，一电源供应单元72，一电流测量单元73，一温度测量单元710，一试片插入检测单元712具有一开关SW，以及一电压施加装置79。在图7中，相较于图4，接点Vc2和Vc间的控制开关S1被移除，其它开关S2、S3、S4则仍然存在。
在电流测量单元73中设置了开关SL1、SL2和Sf，一电流缓冲器711直接与接点714连接。
电压施加装置79仅用以变化Vc的预设电压强度，为了在接点714得到预设电压Vc的输出，开关S2、S3、S4由微处理器70所控制。
电流测量单元73包含一电流电压转换器74，用以将电极21、22(请参照图2(A)至图2(D))间流动的经支路76的电流I，转换成在接点77的一模拟电压Vo，一模拟数字转换器75将接点77的模拟电压Vo转换成数字信号，并将其输入微处理器70。
图4中的电流电压转换器45是由一反馈电阻Rf和一操作放大器所构成。
与图4相比，在图7中使用一具有三条并联的支路的电路作为与操作放大器的反馈连接。因此本实施例的电流测量单元73可作为一电流限制装置73，用以在所述静置期间限制电极间的电流量。
在该电路的第一条支路中，一反馈电阻Rf和一开关Sf串联；在第二条支路中，一电阻RL1和一开关SL1串联；在第三条支路中，一电阻RL2和一开关SL2串联。开关SF、SL1和SL2由微处理器70控制和开关。因此，可使用电阻Rf、RL1、RL2中的任一个作为与电流电压转换器74的操作放大器的反馈连接。
在样本存在检测期和测量期，开关Sf合上以使电阻Rf起作用，其它开关则切断。因此电流电压转换器74的输出电压Vo为Vo＝I×Rf其与图4的输出电压Vo是相同的。
在测量期间，一工作电压Vwc被施加于接点714(具有电压Vc)和接点713(具有一电压Vw)之间。
电阻R1和R2被使用于静置期507(请参照图5(A))，用以限制静置期507中产生的电流强度518、519。
在测量期511中，输出电压Vo会随着支路76的感测电流I而按比例增加，但输出电压Vo不会无限制的上升，当输出电压Vo达到电流电压转换器74的操作放大器的一最大饱和电压时，将会停止上升。通常一正常的放大器，饱和电压约为1.2至1.8伏特，会低于阳极供应电压Vcc的值。举例来说，若操作放大器的阳极供应电压Vcc为5伏特，则饱和电压约为3.8伏特。
因为这种限制操作，而需要选择反馈电阻Rf的最佳值，以得到我们所需的感测电流的测量范围。
典型地，在一供应电压Vcc为5伏特的系统中，一27kΩ的电阻Rf适合0至100μA的电流范围。
运用这些参数，最大饱和电流Isat将为Isat＝(Vsat-Vc)/Rf；其中Vc为图7中接点714的电压值。
对这样的系统来说，饱和电流约为120μA。
在图5(A)所示的静置期507期间，施加一重复脉冲电压508至电极以减少氧气泡。在一定的静置时间后，待测样本和试剂充分混合溶解，因此在脉冲作用期间高电压509会产生一大的脉冲电流。特别在当样本中有高浓度待测分析物时，此脉冲电流将会被上述的最大饱和电流Isat限制。在静置期完成后，若使用27kΩ的电阻Rf，则每一脉冲最大强度509作用期间，电极间的饱和电流520为120μA，并不需要更高的电流来减少氧气泡的产生。
根据本发明的实施例，建议所使用的限制电阻RL1和RL2分别为120kΩ和680kΩ。这些不同电阻值的电阻可应用于不同分析物浓度的待测样本。
电压Vo可由微处理器量测，开关SL1或SL1可被接通以作为对量测结果的响应。
如图5(A)所示，若使用27kΩ的电阻Rf，脉冲电流的强度519将会增加。若使用电阻RL1(120kΩ)作为反馈电阻，则脉冲电流会被限制在一饱和限制脉冲电流520，此饱和电流将约为27μA，将因此降低静置期的消耗电流。此外，也可以将所有开关SF、SL1和SL2同时切断，使电压的施加完全中断。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种电化学感测试片测量仪的操作方法，包含下列步骤在一样本存在检测期和一静置期中的至少一期间，施加一电压至该感测试片的一电极；其中该电压是以重复上升和下降的方式被施加。
2.如权利要求1所述的方法，其中该电压是以规律的模式施加，具有预定或可预定的频率，并具有一固定最大值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中该电压是以连续脉冲的方式施加，其中在两连续脉冲之间的电压最小值为0伏特，或大于0伏特但小于0.1伏特；两连续脉冲间的停滞时间是由一开路来操作；于该样本存在检测期所施加的电压脉冲作用时间为10μs至300μs，且两连续脉冲间的停滞时间为10ms至50ms，或于该样本存在检测期所施加的电压脉冲作用时间为100μs，且两连续脉冲间的停滞时间为20ms；及/或于该静置期所施加的电压脉冲作用时间为10μs至1ms，且两连续脉冲间的停滞时间为10ms至300ms，或于该静置期所施加的电压脉冲作用时间为100μs，且两连续脉冲间的停滞时间为200ms。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中于该静置期所施加的该电压的最大值高到足以使该感测试片的一试剂中的一介质M自一还原状态M(RED)氧化为一氧化状态M(OX)，且该最大值低到足以避免该试剂中的H2O2被氧化。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中于该样本存在检测期所施加的该电压的最大值，足以在当一样本存在时于该电极间产生一可测量电流。
6.如权利要求1或2所述的方法，还包含下列步骤于该静置期，限制该电极间的电流量。
7.一种使用电化学感测试片的测量仪，包含一电压施加装置，用以施加一电压至该感测试片的一电极，其中该电压在一样本存在检测期和一静置期中的至少一期间以重复上升和下降的方式被施加。
8.如权利要求7所述的测量仪，其中该电压施加装置以一规律的模式施加该电压，且该电压的施加是具有预定或可预定的频率。
9.如权利要求7或8所述的测量仪，其中该电压施加装置是以连续脉冲的方式施加该电压；该电压施加装置在该静置期所施加的电压的最大值高到足以使该感测试片的一试剂中的一介质M自一还原状态M(RED)氧化为一氧化状态M(OX)，且该最大值低到足以避免该试剂中的H2O2被氧化；及/或该电压施加装置在该样本存在检测期所施加的电压的最大值，足以在当一样本存在时于该电极间产生一可测量电流。
10.如权利要求7或8所述的测量仪，还包含一电流限制装置，用以在该静置期限制该电极间的电流量。
11.如权利要求10所述的测量仪，其中该电流限制装置是由至少两电阻组成，其可选择性地接通至一电流电压转换器的一操作放大器的一入口。
全文摘要
本案提供了一种电化学感测试片测量仪的操作方法及一测量仪，在一样本存在检测期和一静置期的至少一期间，施加一电压至所述感测试片的电极，该电压为重复上升或下降，特别是以一连续脉冲的方式来施加该电压至该电极。
文档编号G01N33/487GK101078719SQ200710103910
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月15日 优先权日2006年5月24日
发明者黄椿木 申请人:华广生技股份有限公司