生物传感器装置中取样体积适当的测定的制作方法

专利名称：生物传感器装置中取样体积适当的测定的制作方法
技术领域：
本发明领域是电化学测定生物流体中的分tftl，尤其是待测试分析物浓度的 生物流,品術只适当的电化学测定。
背景技术：
生物流体，例如，血液^IL源tt^品如血浆的分析物浓度测劍当今社会具 有日益增长的重要性。这类化-戯5賙于许多用途和體，包括临床实验室测试、 家庭测试等等，这菊则试的结果在许多,症状的诊断和鹏中趣著作用。通 常感兴趣的分析物包括用于糖尿病管理的葡萄糖、用于鹏心血管症状的胆固醇， 等等。随着分析物浓度检测重要性的增长，己经研发了许多适于临麻卩家劇顿 的分丰ift^测方案和體。
用于分析物检测的一种鄉的方法是电化学基础的方法。在这默法中，含 7K液懒品方iA由至少两个电銜即，相反的/参考电极和工作电购会贼的电化学 电池的鹏区，这里电极具有赋予它们适于电流测定的阻抗。待分析的成分，即， 分禾，，允许直接与电极，^t直接或间接与氧4K原剂g，生^5分析物浓 度相对应 的可氧化(或可还原)物质。接着电化学估计出现的可氧化(或可还原) 物质的M，该M与开始样品中存在的分析物M有关。
通常地，电化学电池是可任意处理的测试条形式，生物样品&i:面沉积，它 ^it行电化学分析物浓度测定的仪表内是可接收的。采用这^M测试条(通常 被称作生物传繊)的仪器的观赋系统的实例包括美国专利Nos.5,942,102、 6,174,420 Bl和6,179,979 Bl中找至lj。在这里公开它们作为参考。借助于这些系统， 生物样品中分析物浓度的观啶首她括获得生物样品并且使样品与测试条的鹏 区撤虫，以便生物样品，更具体地是感兴趣的分析物^^衍生物，可以与与鹏 区*目联合的化学.(例如测试试夯i」)^。为了获得具，兴趣分析物的准确测定，必须将最小取样術P用于鹏区。通常归因于用户的错误赫患者不i^或判断错误，衛共不充分量的取样術只荆杯寻常的。不准确的测定育,导致误诊 跡当治疗，例細,不适当齐糧的药物、病人不依从等。这样对于生活1裕负频 繁监控体内分析物的人，例如糖尿病人，会导I^重和甚至有生命I^办的后果。 一种确保充分生物样品的手段^1饱和劍顿大于充满测试条皿区必需 ^f只的取样流体。OT不必要的大体积的取^^体尤其M液的缺点，是需要从患者抽取 体积的血样。这里對OT相当大的血样術只，从而必需^顿^i: 径的针管和/鄉ij入^^更深。这些因歸號加患者的不适和繊，并TO于毛细 管血液不易于压出的个体，船隹完成。由于这种取样方法在一天内育經常重复， 例如对于许多糖尿病人，繊的增加鹏变得几乎不能忍受就法一同忍受。已经研发了一M析物检测生物传^i以衛斜见觉上确认取样^f只的适量， 然而，这种特征不排除病人判断取样術p遞中的可能错误，例如，糖尿病人可 能患有视觉恶化。某些其它的分析物检测感受^^共用户3蚊的测定样品術p适当的方法。美国专利Nos.5，628,890和5,650,062和PCT专利申请公开号 WO99/32881(PCT专利申请号NoPCT/US98/27203)公开了这类生物传感器的例 子。尤其，'881公开说明书描述了电化学葡萄糖监测系统，它Mil将己知频率 的船K平AC电压信号(无DC电压條多)用于生物传繊，接着测定所得阻抗的实 分量和虚分量，试图测定应用于生物传繊的样品^^只适当。这些阻抗值接着与微处理器的禾MJ^存储器内的检録比较。考虑至腿种系统取决于血、Mniffl胞比容水平和环境鹏变化，这种方法的准确性可能是另夕喊问题的。'881公开说明书公开的另一技术缺点在于如果测定样品^i^只不充分，分 析物检测测i^^、须中止，即"合格不合格"情形。这导致需要从患者采集另一样品，如Jjs;f述，这是不方便的和对于患者是非常繊的，可能导致患者招M^ 药物治疗方案中不似人。鈔卜，重复测试导致测试条的浪费并增加了方法的駄。 如所指的，顿于准确和精确测定用于电化学分析物浓度测定的样品術p适当的新技术上有擀卖的兴趣。特另啲兴趣会是开发育的多非常准确和3fiil测定样品 ^^P适当的方法。开发这种样品^f只适当测定技术是客I^卜有益的，其中取样術只 不充分的测定不需要中止分析物浓度测定试验。理想地，这种技术会校正小于最 优的取样術只，掛期隹确的分析物浓度观啶，不需要^f共新的样品和进fil 的实 验。发明内容本发明衛共测定生物样品術只和观啶该懒只是否足以产 至少一种选自 生物样品特征(例如其中包含的分析物浓衝进行准确观啶的系统和方法。某些这类 方法和系统樹共了对被确定为小于适当的样品^fRiS行舰以便继续进行测定程 序的附加功能。本发明采用生物传麟，例如生物溶液的样品#|只沉积于其上的电化学测试 条，以及配置接收该测试条并对生物样品内选择的分析物的浓度的进行测定的仪 表。电化学测试条，以下更^^地介绍，包括由相反的电膨鹏的电化学电池， 在电^^间定义为接收生物学样品的破区，其中鹏区具有规定的厚度和術只。 充分的电压作用于电化学电池时，双层充电和电化学鹏会发生。结果，电 荷流向电池的电极。电极溶液界面与电容器的相似。电荷与电压的比确定电极溶 液界面的电容。由于总电荷归因于双层充电和电化学，，两个不同的电容分量，OA和Cs，分别有助于电池的总或等效电執参见Bar4 A. J.和Faulkner, L.R.电化学 方法,腦)。发明人已经发现电化学电池的等效电M精确测定取样術只中是最相关因 素，由于争效电池电容和与样品("1M的电池面积")^!虫的电池电极的表面积数 M^性比例，因此，与电池内，即献拉间的样品術P纖性比例。发明娱 发现电化学电池的争效电阻在精确测定取样^f只中客妙卜相关，原因是等效电池电 阻与S^的电池面积减反比，并因此与取样^f只成反比。从而，本发明的一项特征是由等效电池电容^#^效电池电容和争效电池电 阻可以导出这样的鶴的电池面积和相应取#^只。本发明的另一项特征是控制某些其它干扰准确测定取样懒邻勺因素(例如，电 池的厚度、离子类的浓度，等钩，以便争效电池电容的值3拉并不受样品内葡萄 糖浓度和血、Ml细胞比容水平、环境鹏、血液供血都寺性和其它血M常的干 扰成分的影响。本发明的又一项特征是衛共对确定为小于充分量的取样術P邀行舰以便继续进行准确的分析物浓度观啶的害妙卜功能。从而，本发明掛共测定用于测定供体(donor)内一种或多种选择分析物浓度 的生物样品^IP适当的方法，该方法ii^了3^些目的^f共了i^^ir征。姓题方法的某些实船案中，低振幅和具有选^^率的的交流电压(AC电蜀作用矜有待测试生物样品的生物传繊，因彪合生物传繊充电。可选擀也，直流电压(DC电ffi)可同时与AC电压一鹏用，以增加使生物传繊电容变得稳定的速率。接着测定由这种充电产生的所得交流电，并然后由所得的交流电确定 生物传感器的等效电池电容。接着用争效电池电容确定与样品溶液撤虫的生物传 的表面积的{直，然后将表面积用于导出生物传感器内样品的^l只。在确定样 品#^对进行准确的分析物浓度测魏当之后，测定该分析物的浓度。另一方面， 如果确定取样^l只不充分，主题方法可进一步包括在分析物浓度测定方法期间对该不充分取样^IRit行舰。不充分的取样^f只的校正包括确定必需的舰系数， 它至少部分上包括确定含有实际取样術只的生物传 1的争效电池电#^充满整 个可利用的^f只时的生物传繊电池电容之比。本发明也包括实M^题方法的系统。主ism统包括电子元件禾p/或打算^ffi并且与生物传麟电T^禺合的电路，例如，如可任意4顿(disposable)测试条形式 的电化学观啶电池，其中待测i^(^tM31魏管作用沉积和取出。更典型地， 该电子电路与仪 ^它配置接收的自动装置结合并且可操作地与该电化学电 池，例如自由j顿的测试織合，并且测定电化学电池内生物样品的一种或多种 物理或化對争性。最典型地，这类特性包括生物样品内一种或斜鸭巴分析物的浓 度。这种电子电足鲍括分立的电子元件，例如，电源电压，禾口/或具有多个电路元 件和/或半导体装置的集成电路，例如适当编程以基于某些来自电化学电池的信号^yg输入执行主题方法的步骤和功能的微处理器。據些实航案中，本发明的系统包括如冈U才描述的电子电路和自动化测定 體或仪表，其中电子电路结构上和辦让与自动化测定驢构] #。主题方法和系綱于测定不同生物样品，例如尿、眼泪、唾液等的取样術只 的同时，它们特别适用于测定血液舰液部分等的取样術只。itWh主鹏统和 方法适于观啶为测定样品中斜中物理和化對寺征作准备的取样^f只。它们在准备 测定样品内选择的分析物的浓度中特别有用。基于阅读以下完全描述的本发明方法和系统的细节，本发明的这些和其它目 的、优点和特征对于本领域的熟练技术人员是明显的。


图1是适于电化学分析物浓度测卑的示范性常规电化学测试条的部ff^军 图，它可用于本发明。
图2是图1观赋条等效电池阻抗典型电路的图解说明。图3是可操作地与电化学生物传ii^偶合以便电压作用于生物传繊时测定电化学生物传^tl等效电池电容的本发明系统的，图。图4是描述电池以取#^液分别完全充满和半充满时，图1测试条电化学电 池的等效电池电W(y柳与时间(x柳的变化关系图。图5是描述图1测试条电池以取赚液分别完全和半充满时，电化转效电 阻(y轴)与时间(x柳的变化关系图。图6是描述电池以取样溶液分别完全充满和半充满时，图1测试条电化学电 池的等效电池电執"的在将取样溶翻于测试麵轴)之后0.5秒的变化关系的直 方图。图7是描述图1观赋条电池以取|^#液分别完全和半充满时，电效电池电容 和争效电池电阻(y轴)与时间(x轴)的比率图。图8描述电化学电池以取#^液分别完全充满和半充满时，争效电池电容和 等效电池电阻(y轴)对点样后0.5秒观啶的等效电池电執x轴)的比的散点图。具体实航案本发明掛共适于观啶测定样品选擀寺征(例如，分析物浓衝目的的生物样品 術只，以及测定是否该術K^以产4^掛寺征准确观啶的系统和方法。某些这类系统和方法提供了对被确定为小于适当的取样^^逆行校正以，该特tBa行准确测定的l妙卜功能。^4一步详细描述本发明之前，本发明应该被働军为不限于所描述的具体实 施例，当然同样可以变化。同样应当働早本文使用的术，仅是用于描述具体实船案目的，并不打算限制，原因是本发明的范围仅^ia待审的权利要求限制。^^f掛共的数值范围中，可以働率成在一个范围和其他樹可所述的范围内的每一个中间值，駒一另有清楚描述，为下限单位的十分之一，劇p个所述范围 内的中间值，包括在本发明内。^n包含在较小范围内的这些较小范围的上限和 下限也包括在本发明内，可以有戶腐范围内的樹可具体除外的界限。所述范围包 括一个或两个界限，本发明还包括除州封可一个所包括的界限的范围。除非另外定义，本文〗OT的所有技斜口科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常職科胴的含义。尽管招可對yM等同于本文描述的方法和材料也可用于本发明的实践或观赋，但是本饭是描述了有限M的示范方法和材料。9必须注意，如本文和待审的权利要求{柳，单数形式的"一"(a、 an)禾口所 述(the)包括复itX^，除非上下文有另夕卜清楚的说明。本^i^的所有公开说明书收编于此作为参考，以公开和描述与弓l用的公幵说明书相关的方法称^it才料。仅仅由于它们在本申请提交日之前公开，因此可以 樹共本文讨论的公开说明书。本文不会构/ 发明由于在先发明^5禾BI前该公开 的许可。进一步地，衛共的
公开日
厕能不同于实际
公开日肌它需要斜虫确认。 定义本文f顿的术语指位于电极表面和电压作用于电极时与电极表面接 触的溶液(例如，生物溶液样品)之间的界面所雜的带电种类和定向偶极的齡阵 列。本文1顿的术语"鹏电容"Cd!意^M^M电极溶液界面充ffe^m的电容。 本文使用的术语"法fe^电容"Cg指归因于发生在电极表面上的电化学⑩ 过程的假电容分量。本刘OT的术语"法fe^电流"iF意指发生在已^M加4E的电极表面的电流或电子转移。本文4顿的关于电化学电池的术语"争效电池电容"C指離电 化学电池的总的等效电容，它在电压已经作用于电化学电池时产生。等效电池电 容由,电池电容和法l碟电容支配。本文{顿的与电化学电池有关的术语"等效电池电阻"R意 薛5电化学电池 的总争效电阻，它在电压已经作用于电化学电池时产生。本文使用的与电子电路^;辨例如，电化学电池)有关的可互换使用的"等 效电池阻抗"Z意指包括但不须限于争效电池电容和等效电池电阻组合的电路的 总阻抗，它在电压已经作用于电化学电池时产生。本文《顿的术语"法拉弟电流"1F意指作为施加电压时电化学反应的结果，由电子在取样元件和电极表面之间转移产生的电流。本文可互换{顿词语"驢"、"测定"、"计算"等和它们各自的派生词。 本发明现在将详细描述。M^^描述本发明中，首先介绍该系统使用和本发明方、賊用的示范性的电化学生物传感器，接着駐题方法和系统的详细说明，以及包括用于实施i姓题方法的主题系统的试剂盒的说明。 电化学传 如上概述，本发明提供用于测定生物材禾斗样品体积(该生物材料样品用于分析物浓度测定)并确定该術只是否充分以产生准确的分析物浓度测定的方法和系 统。这些方法和系统以生物传繊的方式4顿，更具体地是基于电化学电池的生 物传 ，其中存方j^^，取样的生物丰才料。基于电化学电池的生物传mi^变通的设计。分析物浓M测领,用的:W常的这些设计包括测试条构造，例 如美国专利No.6,193,873和共同未决美国专利申请系列号Nos.09/497,304、 09/497，269、 09/736,788禾口 09/746,116公开的那些，这些公开收编于本文作为参考。 这些测试条与为电化学观啶而配置的仪表一赵柳，例如^&专利参考 中 公开的那些。除了观赋条;^卜的电化学生物传臓也适用于本发明。例如，电化学电池可以具有圆柱形构造，其中芯电极(core electrode)同轴地位于第二管状电极内。该 电化学电池构造可以题微针形式，例如赫总做针结构内以便京jtt恥列如，通 常在iJM面上)测定，藏以有形或液体的形式与微针结构相魏 (comminication)。这魏微针的例子公开在2001年6月12日提交的共同未决 的美国专禾係列号Nos.09/878，742禾口09/879,106中，收编于此作为参考。对本公开而言，会在以观赋条构造内的电化学电池方式^顿中描胜^a;然而，本领域辦东人员会働军主^g可以扭可适合的电化学电池构造的方式JOT，包括 显微针构造。进行的该，的电化学测定取决于使用了电化学测试条的分析和仪表的具 体rM，例如，取决于分析是否是电量分析、电流分析或电势测定。电化学电池 会测定电量分析中的电荷、电流分析的中电流和电敏析中的电势。对于本公开 说明书而言，在电流分析的上下文(context)中将介绍本发明；然而，主鹏置可以 采用招可鄉的分析和电化学测定。通常地，樹可构造中，电化学电池包括在相同平面内或者相对排列或者左右 排歹啲至少两个浙间隔的电极。在第一种排列中，电极由薄隔离层分隔，它确 定了反应区(area)或带(zone)，或者室，其中存放或传送生物样品以便分析物浓 度领啶。在湘绅勾造中，电极在一4^定了厚度和^f只的室内。雜于鹏区或 室内(即涂敷在一种或多种相对电极表面上)的^^择的一种或多种与革巴分析物 发生化学鹏的氧舰原试剂。该氧舰原试剂通常包括至少一种麟口一种介质。图l的懒率图提供了适用于本发明的示范性常规电化学测试条2的代表。测 试条2由两个以隔离层12分隔的电极4、 8组成，隔离层12具W^角定^带或区14的剖面。 一般，电极4、 8形式为延长的矩形片，齡具有约2至6cm的长度， 通常为约3至4cm，具有的宽度为约0.3至1.0011，通常为约0.5至0.7cm，并且 厚度为约0.2至1.2mm，通常为0.38至0.64mm。面对测试条鹏区的电极4、 8表面由导电材料律喊，tt^^属，这里感兴 趣的金属包括钯、金、铀、铱、掺辦因的氧化锡、不辦冈、碳等等。电极4、 8的 夕卜表面6、 10由惰性支架材料^S^才制成。招可适当的情性對才可与电极4、 8 — 起使用，这里材料通常是離Ulf共电极支撑结构的刚性材料，并且，接着作为电 化学测试条的 。这魏当的材料包括塑料，例如，pet、 petg、聚itK、 聚碳翻旨、棘乙烯、硅、陶瓷、鹏，等等。电极4、 8和测试条2可采用任意 的各种对相关领域辦东人员已知的制級术制造。如上所述，薄隔离层12安置謝i入电极4、 8之间。隔离层12的厚度一般 范围为约l至500Mm，通常为约50至15OMm。隔离层12可由任意的适当材料制 造，这里4饿性的适当材料包括pet、 petg、聚 |安、聚碳酸酯，等等。可以 处理隔离层12的表面以便与各自的电极4、 8粘着，并由此保持电化学测试条2 的结构。切割隔离层12以便掛共具有任意适当形沃的Mi^带或区14， J^R包括圆形、 方形、三角形、矩形跡规则微。破带14的顶部和底部由电极4、 8相对的 表面确定，同时隔离层12确定MiS带14的侧壁。反应区的体积范围至少是约o.l 至10mL，通常为约0.2至5,0ml，魏常是约0.3至1.6jjL。位于反应区14的是氧^极原试剂系统，该试剂系统为由电极检测的种类作 准备，并因此用于导出生物样品内的分析物浓度。位于RiS区的氧^^原试剂系 乡M常包括至少一种,n—种介质。在许多实旨案中，氧4极原i式剂系统的酶 成分是一种麟多种一起参与有效Witt化的酶。换言之，氧^极原试剂系统 的酶成分由单一的分析物氧化酶组成，由或一起参与有M析物氧化的两种或多 种酶的集合纟賊。有关的典型的鹏括氧4K原酶、7K解酶、转移麟等。但 是，位于鹏区内的傲朱的 决于所设计的电化学测试翻艘检测的具体分析 物。例如，感兴趣分析物魏萄糖时，适当的鹏括葡萄麟化酶、葡萄糖腦 瞰^P-卿咸醐安腺嘌呤二^^酸S(NAD)^4,5-二氢4,5-:^ft代-lH-吡咯并 [2,3-f]P^fr2，7,9-三羧酸S(PQQ))。分析物为月旦固醇时，适当的,括胆固醇酯酶 禾鹏固醇氧化酶对于其它的分析物，,括但不限于脂蛋白月識、甘油激酶、甘油-3-磷,氧化酶、学IM&氧化酶、学IMS^腹酶、丙S)M&氧化酶、醇氧化 酶、胆红織化酶、尿,等可以4顿的酶。氧4极原试剂系统的第二乡滅是介质组分，它由一种或多种介质试剂乡賊。 许多不同的介质试剂是本领域已知的，包括铁氰化合物、吩嗪乙 酸盐、吩嗪甲 酸盐、苯二胺(pheylenediamine) 、 l-甲ftS-吩嗪甲S^麟、2,6-二甲 基画l，4-苯醌、2,5-二氯-1,4-苯醌、二^t!行生物、聯比P定繊各，、钌络，等。 在葡 是感兴趣分分析物和葡萄 化 葡萄糖^酶是酶组分的实 案 中，特别感兴趣的介质是铁氰化物。其它位于反应区的试齐抱^M冲剂，例如柠 M&、枸椽麟、磷麒、"良好的"缓冲齐U等。氧4极原试剂系乡顿常以千燥形式雜。各种组分的量可以变化，酶组分的 SI常范围是约0.1至20 M%。本发明的方法如上 ，本主题发明包括测定存于,移至具有规定^f只的反应区或室的 电化学池的生物样品的術只，以及测定该術只是否足以产生准确的分析物浓度测 定的方法。如上所述，在取样j祸只观啶中主题方法的特征是电池等效电容以及等 效电池电阻的测定。如此，i註题方^^共比现有技术所己纟磁啲结果更准确 的取样術只测定。电效电池电容和电阻以及取样術只测定中主题方法的另H^寺征是忽纟鹏品 溶液跡境斜牛的某對寺征或因素，它们^#赠效电容柳或等效电阻的测定无 影响，或者另夕卜M^鹏制以致于不具有这样的影响。这^$顯拉于等效电 容的因素包括但不限于离子种类的浓度、血Ml细胞比容、血液葡萄糖浓度、环 境鹏、供血者、禾口通常在血液中发现的传SI干扰、细胞厚度和生物传Stl老 化。为了鄉早主题方法的描述，图2jlf共了图1测试条电化学电池的阻抗电路40 的简化，翻。含有生物溶液样品和具有作用在它上面的电压时，阻抗电路40是测 试^[樣性的阻抗因素。AC和DC电压均作用于电池时，阻抗电路40包麟效 电池电執C)42，它包括双层和法拉第电容，以及电化学电池的等效电池电阻(R)46。在实方姓题方法之前，首先必需获徵寺观啲生物样品并将该样品置于测试条 电池内。样品在测试条内的方爐可这样誠先将测试細入测试仪表，然后将 样品用于S试對"开仪表i+a" )， ^t样品先施用于测试条，接着插入测试条到测试仪表("刘义表itl:")。后者在医院环境中通常^iM的，由于它更可能在仪 表内^X污染。测定仪表接着检测己经弓l入电化学电池的生物样品(如美国专禾U第6,193,873公开的)。一旦检测这种样品，主题方法的第一步是施加低振幅的交流电压(VAC)到 生物传麟。选择施加的AC电压的振幅，使其应用不会产生法拉弟电流(ip)，即 作为施加电压到电极后的电化学反应的结果，发生在电极表面的电子转移。如所 指，施加的AC电压的振幅是约2至100mVims，通常是约5至75mVims， CT 常是约50mVrais。选择施加AC电压的频辨f)，以便最大化电池的信噪比(即，测 定的等效电池电韵测定的等效电池电容频性的比)。如所指的，施加的AC电 压可接受的频率范围是约50至lO,OOOHz，通常是约75至l,000Hz，更典型是约 100Hzo可选掛也，DC电压可以施加于生物传繊，或者同时施加AC顿驗AC 电压施加之前一秒的分数(fractions of a second)施加。DC电压一般在约O至 600mV，通常是约200至500mV，更典型地是300至400mV。 DC电压分量引起 电化学电池等效电容比與OT AC电压更Mt也稳定。电池电容的m3i稳定使可 以在刑台分析物测定之前测定取样術只，从而最小化齡测试时间。^M加AC和DC电JEt后，接着测定由充电电化学电池产生的交流电(uc)。 生物传繊的等效电池电雜着可由所得交流电的振幅和相观啶。对于仅取决于S31生物样品撤鹏电、 ,面的等效电池电容，必须严TO制 鹏电容的电荷分离距离(ddi)，以便在样品溶液懒只测定期间它是常量。鹏电容 器的厚度取决于作用的电压、溶液中带电物质的浓度。为了确保电荷分离层的恒 定厚度，从而确保与样品溶液擬虫的針电极的表面积和样品^i邻勺准确测定， 严鹏帝JW极原试剂的离子浓度，同时将样品的离子浓度生理学控带庇极窄的 范围。如上所述，电化学电池的等效电阻另外与准确测定样品術只相关。因此，确 立等效电池电阻(R)与样品覆盖的电 tt面积成反比，^!立等效电池电執C)与覆 盖的电池面积成线性比例，如下关系表示R:pl/A和CocA这里p是电化学电池的电阻率，l是电池电极的长度，A是电池的导电表面积，雜下列关系C/RocA2因此，生物样品驢的电、 綠面积值可ilil等效电池电容与等效电池电阻的 比测定。考虑到取样術/R^t电池两个阻抗成併电容和电阻)而不仅仅是它们中的一 项(例如，电萄的影响，确立衛共对生物样品鶴的电 據面积j鼓化更敏感的关 系。更具体地，就生物样品,的敏條面积而言，电池电容与电池电阻的比提 供平方关系而不鐵性关系，从而增加了测定Sm电池面积变化的灵鹏。因此， 按照该方法,面积的测定比仅考虑等效电池电容更准确。在测定与样品溶液撒虫或由其覆盖的电极的表面积后，可以按照下列等式测定生物传感器内(即电化学电池反应区内)的样品溶液的体积(Vs):Vs=A.d这里d是相对的电极构造中电池电极t间的距离g左右电极构造中电池的 深度。接^it行关于供给测试条的样品術只是否足以继续进行分析物浓度测定的 测定。舰比输/H十算的样品術只与电化学电池总術P进行测定。以下就本发明 系统更详细地讨论，例如，在校准仪表鄉它主鹏统相关元件后，将包括但不 限于电池总術只值、操作^JS范围、插入仪表的适当的测试条连同与具体电池有关的其它数值(静态^^^)或参数的某些参数，贮存于微处理器的存储器中。 如果测定样品体积充分，进衍页期的性质(例如分析物浓度)测定，其结果显示顿^2上，以下详细京性縣统详细介绍。另一方面，如果测定的样品 #^只不充分，即太低以致不能掛對隹确测定，显^g会显示低^IR影像。如上附寸论，主题方法的某些实M^式还包括^IE不充分样品溶液以便进行 选擀寺征如耙分丰斶浓度的准确测定而无需重复取样禾顿Ui娥骤的客妙卜功能。本领域已知，电池内生物样品选择分析斷例如葡萄銜的浓度与施加DC电压时^1电化学电池的法拉第电流⑥成正比，该电池电流与样品溶液覆盖的电池 表面积舰比。如J^M，发明人已经测定这种表面积与电池的,效电容成正比。 因此，选择分析物的浓度与等效电池电容成正比。ffiil测定含样品溶液时的等效 电池电容和ffiil获知完全充满生物溶液时的电池电執校准步骤测定)，按照下歹U等 式可以确定^IE1^品^只和掛對隹确分析物浓度测^^、需的^IE系数(Fcf》这里Cf是完全充满电化学电池的等效电容，Cpf是含不充分^f只生物样品的电化学电池的等效电容。接着按照下列等式以适当的校正系数(Fef滩行修正的分析 物浓度测定(G):这里Gpf是由含不充分^f只生物样品的电池计算的分析物浓度。由于育,校 正不充分的〗鹏品#1只，主题方法避免了浪费测试条， >了费用和节约了进行分析^r测定所必需的时间。因此，按照以上原则和发现， 一般捐i^本发明的某些方纟跑括施加选定振幅和选定频率的AC电腿已^M加有或没有施加有一个AC电压的生物传繊; 测定由施加电压而产生的AC电流；由测定的AC电流观啶生物传繊的电容或 电容和电阻；基于测定的电容^t基于观啶的电容和测定的电阻测定与样品撤虫 的生物传繊部分的表面积；然后基于观啶的表面积测定生物传繊内样品的体 积。其它的主题方法进一步包括基于样品術只充分的测定，观啶生物样品的一种 或多种物理或化学t顿，例如一种或多种选定分丰胸的浓度。其他的主题方飽 括为了至7>~种生物样品特征的测定，紅生物传麟内生物样品不充分的術只， 以便准确测定特征值。这样的舰方跑括如果测定出样品術只不充分，贝顿啶 校正不充分样品必需的舰系数，^^着在测定例如该样品内选定分析物的浓度 的同时，测定SIE不充分的样品術只。测定必需M系数的步骤包括确定当完全 充满样品时的生物传感器的等效电容与具有不充分样品体积的生物传感器的等效电容靴匕例。从剤i^g中可得到完全充满戶;M样品时的生物传繊的等效电容。本发明的系统本发明还衛共实^J:^题方法的系统。通常描述，这样的系统包括实^J:述本发明方法步骤的元件配置的向电化学电池施加电压用的电源电!五，测定施 加电压时电池产生的电流的，由观惊的电流导出电池电容和/或电阻用的體；由电池电容称或电阻导出生物样品覆盖的电7 面积用的装置；以及由电、 tt面积 导出生物样品傳萍只用的装置。某些系皿一步包括用于测定样品傳积M足以适 于生物样品一种或多种特征的准确测定的驢，这^m正包括但不限于生物样品 内一种或多种选定分析物的浓度。这些系统中的某些进一步包括用于测定生物样品选定特征同B^IE不充分样品術只的^g。 .图3图解了本发明示范系统50的框图。系统50包括隨的用于电刊給生物传麟70的电子元件和电路，生物传繊70，例如如J^腿关于图1的任意 f顿的测试条形式的电化学测定电池，其中存放離移要测试的取样的生物溶液。
更具体地，系统50包括用于供给生物传自70必备的AC和DC输入电压的电 源电压52。系统50进一步包括一个电^S电压转化器54、 一个模拟至数码
(analog-todigital)转化器56和一个微处理器58，该微鹏器可以集^i也接收和 处 自生物传 70的 。特别地，电^S电压转化器54可以操作性地与 生物传感器70的输出端耦合，用于当电源电压52施加电压时接收生物传感器70 的输出电流信号和将这种电流信号转化为相应的电压信号。该电压信号然后被作 为模拟至数码转化器56的输入信号而鹏该模拟至数码转化器56将模拟转化 至相应的数^f(值。接着掛共数码的电压信号作为微处理器54的输入信号，该微 处理 有导出禾口/或测定有价值系数或参数的禾聘，这些系数，数例如等效电 池电容、电效电池电阻、与生物传ii^虫的生物传麟的表面积、生物样品的 ^f只、j祸只校正系数，等等；并且可以控制这些功能中每一个的时间。如先前所
述，微处理器54包括用于剤舒腕、予u^^准的i^或信息的记t乙剤ii^a， 这^i^或信息例如实赃题方法步骤和功育铋需^r用的电化学电池的总体
积、校准参数、操作驢范围、样品^M信息、样品检测信息等等。尽管巳经介 绍了以按照本发明原贝瞎储和处理 为目的微处理器，本领域的熟练人员会意 i昭何以集合配置其它分散的电子元件以超体发明的目的。
这种主皿 —步包括显示由控制^§或微处理器掛共的选择的经验或 符号化繊、信息鄉出的显/i^g或单元60。这样的娜、信息礎俞出包括， 但不限于，选择的输出信号和阻l系数、样品術只大小、術只适当/不适当指示图 标、不充分i^只舰系数、感兴趣分析物的浓度、生物样品对对照样品指示剂图 标、校准结果等测定或导出值。
许多实施方案中，如上所述，通常设计的与电化学电池一^X作的主题系统 自动似"fcS行电化学信号应用、测定、推导、计算、M和显赫骤。同样，电 子电路^题系统结构上^E力育^iM^入一个仪表^它自动化装置，它们是为 接收和可操作地1OT电化学电池(例如，任意处理的测试条)，并且测定电化学电池 内生物样品的一种或斜中物理或化對寺征而配置的。最典型地，这样的特征包括 生物样品内一种或多种耙分析物的浓度。美国专利号6,193,873 Bl进一步介绍了 自动实施部分相同或类似步骤和功能的f^性仪表或装置，这样以致于用户仅仅需要施加生物样品至电化学电池鹏区，接着从该驢阅读最乡纷析物浓度结果， 该公开收编于本文作为参考。
相关领域的辦东人员会理解1 ^统可与不包括±^ 生物传 的 分析系统一赵顿。这样的其它系统包括，例如，具有至少两个电极的电化学电
池和具有固定离子浓度的氧〗极原试剂系统，其中电极ra在生物样品戯有固
定离子浓度的环境内。 实施例
B^见察到与本发明有关的下列结果。图4一8图解了由具有充分样品術只 观赋叙即，测试条的^Z区完全充满样品溶液或物质)和样品術败M分样品術只
小的测试叙即，测试条的磁区半充满样品溶液^M料的)得至啲领啶实验结果中
的变化。更具体地，鄉定的时间期限内进行电化学电池和样品溶液电阻的等效
电容的测定，在该时期内向测试条施加适当电压。ffl31稱列说明劍共下列实验结 果，但并非要限制本发明的范围。fflil在室温下配制5个不同供血者的测试条收 ^f列说明的结果，葡萄糖范围40"600mg/dL、 Mffl胞比容20。/。和70%。
图4说明了完全充满血样的测试条130和半充满血样的测试条132之等效电 池电銜轴)随时间(x柳变化的对照。该图显示完全充满的观赋条130产生的等效 电容两訏半充满测试条132的等效电容。
图5说明了完全充满血样的测试条136和半充满血样的测试条134之等效电 池电阻(y柳随时间(x轴)变化的对照。该图显示駄^f只血样产生的等效电池电阻 约为填充较小術只血样的测试条等效电池电阻的一 半。
图6说明了完全充满血样的测试条140和半充满血样的测试条138之等效电 池电^Cx轴)的l^图，其中等效电池电^tt样施于测试条后0.5秒测定。该图 显示完全充满测试条140产生两{轩半充满测试条138的等效电池电容，并且具 剤艮好的再现性。
图7说明了完全充满血样的测试条142和半充满血样的测试条144的争效电 池电韵等效电池电(S^比(C/R)(y鄉随时间(x柳的变化的对照。该图显示完全 充满的观赋条142产生的C/R约四《轩半充满测试条144的OR。
图8说明了完全充满血样的领赋条146和半充满血样的测试条148的等效电 池电容与等效电池电阻之比(QR)(y轴)X^^效电池电W(x轴)的直方图，其中tt 样施于测试条之后0.5秒测定电容和电阻。该图显示与争效电池电容C相比所产生的C/R对样品#|只更敏感。 试剂盒
也由本主鹏明掛共的题用于实船题方法的试剂盒。主题发明的试剂盒 包括如ijf述的电子电路，赫以如上所述的仪表鹏它自动化仪器的形式，以 便测定施于测试条的样品懒只是否足以充分衛對隹确的分析物浓度测定。據些
另外的试剂盒中，主鹏统ffia行分析物浓度观啶时还舰这样的不充分^辆只。
试剂盒进一步包括在保留在电化学电池内的取機液或物质的術只观啶中，翻 按照本发明的具有电化学电池的方法以测试条，微针等形^用主题系统的指 示。这些指示可以出现在一种或多种包装、l礎夹页等U。
由说说明，很明显，本主题方法和系统划盯测定位于观赋条上生物样品 体积以便电化学分析物浓度分析的现有技术中的许多缺点，提供的确定优点包括， 但不限于，为进fi^样的样品体积测定提供了非常准确的装置和技术，减少了实 施分l^浓度测定必需的时间。进一步地，这样的取样術只测定不，糖浓度、
血Miiffl胞比容水平、供血者、测说鹏和通常位于血样内干扰物浓度变化支配。
本发明的其它优点包括舰不充分样品#^只的能力和进行分析物浓度测定，不必 中上测i錄骤，最小化浪费和駄。同样，本主题发明4樣流体生物样品^f只测 定和分析物浓度测定领鹏著的贡献。
本文在被认为最实际和雌的实驗魏示和介绍主驗明。然而，我们确
定，对于读过本公开文本的本领域普ffi^:人员会产生，由其进行的在本发明范 围内的开发和显而易见的修饰(modification)。
劍门认为公开的具体的驢和方法是剩列说明的，并非限制。在公开内容的 等同意居湘范围内的1針布，例如对所属领fe微术人员来言可以1赔啲那些，者向每 包括在附加的权利要求范围内。
权利要求
1. 一种测定保留在电化学生物传麟内生物样品^f只的方法，包括 ■向生物传ii^施加具有选定振幅和选定频率的交流电压；■ itS由施加所述交流电压产生的电流；■由所述测定的电流确定生物传繊的电容；麵基于戶;M测定电執角定与样品撤虫的生物传麟的表面积；禾口 ■基于戶;M测定的表面积，确定生物传麟内样品的術只。
2. 权利要求1的方法，进一步包括测定戶;M样品術p^测定所述样品一种或多种特性是充分的还是不充分的。
3. 权利要求2的方法，进一步包括在测定戶;M样品体积是充分的之后，i+i^f述样品内一种或多种分析物浓度。
4. 权利要求2的方法，进一步包括在测定所述样品術只是不充分的之后，计ij f述样品内一种或多种分析物浓度，所述iti包括■确定M^述不充分的^f邵; 必需的舰系数，以便准确iti^避^一种分析物的浓度；和翻M^; ^不充分样品^f只。
5.數利要求4的方法，其中测定必需的^系数包括测定生物传^i完全充满戶;M样品的电w^具有所述不充分样品傳积的生物 传 的电容之比。
6. 权利要求1的方法，进一步包括由所述i憎的电流测定生物传麟的电阻。
7. 权利要求6的方法，进一步包括；基于所述测定的电容和所述测定的电阻， 观啶与样品撤虫的生物传麟的表面积。
8. 权利要求1的方法，进一步包括向所述的生物传SH施加直流电压。
9. 权利要求8的方法，其中同时施加所體流电压和戶服交流电压。
10. —种^IE电化学生物传繊内生物样品的不充分術只以便itiM少一种 所述生物样品特性的方法，其中所述样品体积就于执行所述iti^说是不充分的，臓方細舌■ ita具有不充分样品体积的生物传,的电容；以及■测定所述填有充分生物样品体积的生物传 的电容与具有不充分样品体积的生物传感器的电容之比，其中具有充分術只的生物传 的电容是 已知的；以及■ M不充分样品懒只，从而掛共对戶;MM^"种特性的准确irt。
11. 一种测定保留在电化学生物传 内至A一种生物样品特性的方法，包括:■测定戶;^保留在戶，电化学生物传自内的生物样品体积的充分性，以计!^f,^^种特性；以及■在测定所述生物样品#^只是不充分后，M^所述不充分^^R^作的所述 至^禾种争性的i憎。
12.权利要求u的方法，其中所,少一种特性是戶;M样品内一种或多种分析 物的浓度。
13 —种观啶具有表面积和^f只的电化学电池内生物样品術只的系统，包括■为向戶;M电化学电池施加电压而配置的电源电压；■用于itS:当向所述电池施加所述电压时由所述电池产生的电流的装置；隨由所述测定的电流导出所述电池电容的驢；画由所述电池电貌出所述生物样品M的所述电 綠面积的驢；禾口 ■由所述賴 面积导出所述生物样品#^只的^§。
14. 权利要求13的系统，进1包括测定戶;M样品^^^M生物样品内一种或多种分析物的浓^S行准确itl:是否充分的體。
15. 权利要求14的系统，进一步包括■测定所述生物样品内一种或多种分丰i tl的浓度的^fi;禾口■测定所述生物样品内一种或多种分析物浓度时校正被确定为不充分的所述的样品^f只的，。
16 —种以为〈顿电化学电池和itM保留在电化学电池内一种或多种分llf^的浓度而隨的仪表形式f顿的系统，所述的系统包括■ 配置的用于向所述电池施加交箭减交流和直流电压结合的电源电压；睡配置的电子电路，它用于当向戶腿电池施加电压时掛妙万述电化学电池产生的电流、in^w^生的电流、由戶;Mi慢的电流确定所述电池的电容、 由所述的电池电容its由所述生物样品SM的戶;M电池的表面积，和由所 述生物样品 的所述电7 面积测定所3^^物样品的#^只；禾口测定所述生物样品中一种或多种分析物的浓度的装置。
全文摘要
本发明涉及生物传感器装置中取样体积适当的测定。本发明提供一种测定生物样品体积是否足以产生准确的电化学分析物浓度测定的方法和系统。某些这样的方法和系统提供了校正被确定小于适当体积的样品体积以进行准确的分析物浓度测定的格外功能。本发明采用生物传感器，例如电化学测试条，样品体积的生物溶液沉积其上，以及为接收这样的测试条并测定生物样品内选定分析物的浓度而配置的仪器。
文档编号G01N27/28GK101311723SQ20081009587
公开日2008年11月26日 申请日期2002年10月9日 优先权日2001年10月10日
发明者M·Z·克尔马尼, M·特奥多尔茨克, S·X·郭 申请人:生命扫描有限公司