利用量测装置量测分析物浓度的方法及通用型的测试片与流程

本发明涉及一种建构通用型的测试片结构及其操作方法，特别是涉及一种建构通用型的测试片并可兼容于使用不同类型的电化学侦测，并具有识别机制的测试片及其操作方法。

背景技术：

电化学生物传感器是用来感测检测样本的各种分析物的浓度，这些分析物包含生物体液的葡萄糖、尿酸与胆固醇。当测试检测样本时，测试片会被插入一个量测装置，该检测样本是滴在测试片的反应腔室上，以感测检测样本各种分析物的浓度。

在生物传感器的市场趋势上，愈来愈朝向多功能生物传感器的方向发展。换句话说，愈来愈多的需求是在使用一个量测装置，即可达成包含葡萄糖，尿酸和/或胆固醇在内的各种检测。然而开发多功能生物传感器仍有几个技术问题尚待解决，这些技术问题包括开发一种可置入一个量测装置的通用测试片，其具有不同的设定来进行相异分析物的检测。其他技术问题包括可在执行检测之前识别待检测物的类别，开发一种通用测试片，其对于不同检测项目的检测电压或检测电流都在可承受范围内，以及开发即使当检测电压或检测电流超过可承受范围时仍可产生正确检测结果的小反应腔室空间的通用型测试片。

虽然通过开发通用测试片可以有效地降低生产成本，然而通用测试片在进行检测时，检测电压或检测电流却可能超过电极可承受的范围，其原因包括检测物的浓度过高，样本体积不足以覆盖反应腔室中电极的理想面积，辅助电极的面积降到过小导致反应区域不足，工作电极和参考电极之间的正电压和负电压不当的参杂，或者电化学过程引起的燃尽(burn-off)。通常发生在辅助电极上的超过其可承受的范围可能会损坏后续步骤的有效反应区域，这些损坏包括电极表面变质，沉积物落在反应区，样本电解或电极表面上产生反应气泡。如果有效反应区域受损，则后续检测结果可能会不凖确，因此需要开发一种通用测试片，其可辨识所需测试片的类型并避免伤害电极而影响后续的检测结果。

近年来，越来越多人成为糖尿病患者，糖尿病患者需要每天进行至少3-4次的血糖检测，倘若血糖浓度过高，可以使用胰岛素来降低血糖浓度，如此可减少医疗并发症的风险，如视力下降和肾功能衰竭，因此准确测量血糖浓度是对糖尿病患者是很重要的课题。

在先前技术中，量测装置会使用具有辅助电极但没有参考电极的测试片，与同时具有辅助电极和参考电极的测试片相比，当没有参考电极时，测试片的稳定性和准确性会降低，因此先前量测装置有时会使用具有分开的参考电极和辅助电极的测试片，电极可由在测试片的基底上形成的复数个导电材料层形成。当将样本置于测试片时，在测试片的反应腔室上会进行化学反应，样本会与反应腔室的三个电极部分接触，而流过工作电极和辅助电极的电流大小是根据分析物的浓度决定。若欲在测试片的反应腔室内增加一电极，则会增加反应腔室的面积，而量测装置欲达成的目标就是期待能够仅由少量样本就能准确地量测分析物的浓度。

当增加另一电极时，不仅反应腔室的面积要增加，样本的体积也要增加。因此，需要开发一种技术，其仅需要少量样本就能精确测量分析物的浓度。当工作电极和辅助电极两端间的电压或电流密度过高时，辅助电极表面的特性或状况可能会永久或暂时改变。例如，当电流太高时，辅助电极的表面积可能无法接收瞬时电流并形成过电流。在某些情况下，施加一第二组电压并量测电流可能是需要的，这代表第二组电压必须要施加到测试片上，由于在提供给测试片的第一组电压期间辅助电极可能已经被损坏，所以测试片在施加第一组电压期间读数的准确性是难以确定的。因此，需要开发一种量测装置的操作方法，其可凖确地读出电流以测量样本中分析物的浓度。

技术实现要素：

本发明的一实施例揭露一种利用一量测装置量测一测试片的一反应腔室中的一样本中分析物的浓度的方法，其包含将该样本置于已连接该量测装置的该测试片的该反应腔室中；将该测试片的一第一电极设定为一辅助电极；于一第一期间施加一第一讯号于该测试片的一工作电极；将该测试片的一第二电极设定为该辅助电极；于一第二期间施加一第二讯号于该测试片的该工作电极；以及于该第二期间量测该样本中分析物的浓度。量测装置的操作方法可以通过量测装置中的微处理控制单元(mcu)来控制和执行。该方法是为了确保当多于一次的电压施加在测试片时，第二次以后施加电压后所读取的数值可以使用未损坏的电极作为辅助电极，以提升读取数值的准确度，因此该方法可以确保后续读值的准确性。

本发明的另一实施例揭露一种通用型的测试片，其包含一基板；一工作电极，形成于该基板上；一第一电极，形成于该基板上；以及一第二电极，形成于该基板上。该测试片的该工作电极具有复数个电阻区块，该些电阻区块分别被配置并且互相以串联的方式电连接，该工作电极具有至少两个电极衬垫，用以电连接至一量测装置。

附图说明

图1为本发明实施例的操作方法的流程图。

图2为本发明实施例通用型测试片的结构图。

图3为图2测试片的基板的示意图。

图4为本发明实施例另一测试片的基板的示意图。

图5为本发明实施例的再另一测试片的结构图。

图6为图3工作电极的复数个电阻区块的示意图。

图7为本发明另一实施例的复数个电阻区块的示意图。

图8为本发明实施例的再另一测试片的基板的示意图。

图9为本发明实施例的再另一测试片的基板的示意图。

图10为图6复数个电阻区块的等效电路图。

其中，附图标记说明如下：

101至106步骤

200、400、500、800、900测试片

201、501、801工作电极

202、502第一电极

203、503第二电极

204基板

205、505间隔层

206覆盖层

205a、505a凹口

210、806反应腔室

301至304电极衬垫

305复数个电阻区块

401至403电传导层

504第一基板

506第二基板

802参考电极

803第一辅助电极

804第二辅助电极

805基板

h高电阻区块

l低电阻区块

r1、r2电阻

具体实施方式

图1为本发明一操作方法的实施例的流程图，图2为本发明实施例的通用型的测试片200的结构图，该操作方法包含但不限定于以下的步骤：

步骤101：将检测样本放置于测试片200的反应腔室210上；

步骤102：将测试片200的第一电极202设定为辅助电极；

步骤103：于第一期间施加第一讯号于测试片200的工作电极201；

步骤104：将测试片200的第二电极203设定为辅助电极；

步骤105：于第二期间施加第二讯号于测试片200的工作电极201；以及

步骤106：于第二期间量测检测样本中分析物的浓度。

测试片200包含工作电极201、第一电极202及第二电极203，工作电极201、第一电极202及第二电极203是形成于基板204之上。间隔层205是配置在工作电极201、第一电极202及第二电极203的上方，以保护工作电极201、第一电极202及第二电极203，间隔层205具有凹口205a，用以暴露部分工作电极201、第一电极202及第二电极203。覆盖层206是配置在间隔层205之上，并与间隔层205的凹口205a及基板204形成反应腔室210，反应腔室210可容纳一试剂，用以与检测样本产生化学反应。

图3为至少具有三个电极的测试片200的基板204的示意图，其中将第一电极202于第一时段设定为辅助电极(counterelectrode,auxiliaryelectrode)，于第二时段设定为参考电极(referenceelectrode)，并将第二电极203于第二时段设定为辅助电极(counterelectrode,auxiliaryelectrode)。辅助电极的功能是在电化学反应时用于平衡由工作电极所产生的电流(current)回路，也就是辅助电极在理想状态能在电化学反应时满足电子预期的流动量。参考电极的功能则是一种具有一稳定且已知电位的电极，用以提供工作电极与参考电极之间稳定的电压差。工作电极是电化学反应系统中发生反应的电极，在本实施例中仅包含一个工作电极201，以降低反应腔室210的空间。在一些实施例中，测试片200包含一个以上的工作电极201，其中每个工作电极201可被不同酶所覆盖(或是其中一个工作电极201未被酶所覆盖)以用于测试不同的分析物。当测试片200的工作电极201仅用于测试一种分析物时，测试片200可以被制造成仅具有一个工作电极201，如此一来，便不需要额外的工作电极201，得以缩小反应腔室210。测试片的设计主要在于能够将测试样本完整覆盖在工作电极上，然而测试样本覆盖在辅助电极上的设计是相对被忽略的，而工作电极的设计则是能够在进行检测时得以承受施加于其上的电压或电流而不至于损伤或失去功能。工作电极201电连接至电极衬垫301、304，电极衬垫302与第一电极202电连接，电极衬垫303与第二电极203电连接。第一电极202可在第一时段作为辅助电极，并可在第二时段作为参考电极；第二电极203在第二时段作为辅助电极，并可选择性的在第一时段作为参考电极，由于在第一时段作为参考电极期间并没有电流流经第二电极203，因此不会因为过高的电流造成电极损坏，而辅助电极跟参考电极的切换可通过量测装置微控制器控制内部电路的切换。电极衬垫301、302、303、304用来将测试片200与一读取电路电连接，此外，工作电极201另包含复数个相电耦合的电阻区块305，工作电极201、第一电极202、第二电极203及电极衬垫301、302、303、304是利用第一传导材料形成于基板204之上，在本实施例中，第一传导材料是碳黑(carbonblack)，但工作电极201、第一电极202与第二电极203不限定以碳黑形成，在一些其他的实施例中，工作电极201、第一电极202与第二电极203可利用其他电传导材料所形成。

图4为本发明实施例另一测试片400的基板204的示意图，工作电极201电连接至电极衬垫301、304，电极衬垫302电连接至第一电极202，电极衬垫303电连接至第二电极203，电极衬垫301、302、303、304是用以将测试片400与读取电路电连接，此外工作电极201另包含复数个电阻区块305。

此外，于工作电极201与第二电极203形成之前，可先于基板204上利用第二传导材料形成电传导层，第二传导材料比第一传导材料具有较高的导电性。如图4所示，使用第二传导材料形成的电传导层401可形成于基板204上形成工作电极201的第一部分连结至电极衬垫301的位置，使用第二传导材料形成的电传导层402可形成于基板204上形成工作电极201的第二部分连结至电极衬垫304的位置，使用第二传导材料形成的电传导层403可形成于基板204上形成第二电极203连结至电极衬垫303的位置。在本实施例中，因为用来形成电传导层401、402、403的第二传导材料相较用于形成工作电极201、第一电极202与第二电极203的第一传导材料具有较高的导电性，因此第二传导材料可为银、金及铂。当第二传导材料为银时，由于银容易氧化，因此第一传导材料是覆盖于第二传导材料之上，以避免第二传导材料氧化。在一些实施例中，可使用相异的第二传导材料在基板204上形成位于电极衬垫301、电极衬垫302、电极衬垫303、电极衬垫304、工作电极201、第一电极202及/或第二电极203下方的电传导层。

请参考图3与图4，当使用图3与图4中的测试片200、400时，第一电极202在第一期间的步骤中设定作为辅助电极，第二电极203在第一期间的步骤中设定作为参考电极，因为第二电极203是用以提供工作电极201与第二电极203间的一固定电压差，所以于第一期间几乎没有电流流经第二电极203，于是第二电极203不会因为过高的电流而损坏，因此第一电极202初始第一期间设定作为辅助电极之后于第二期间之前，再设定作为参考电极，第二电极203初始第一期间时设定作为参考电极之后于第二期间之前，再设定作为辅助电极，并于第二期间进行样本中分析物浓度的量测；在本实施例中，量测装置的内部电路包含至少一开关，用以切换测试片200、400的工作电极201、第一电极202、第二电极203与内部电路的电连接，其中切换可经由微控制器所控制，用于将第一电极202初始时设定作为辅助电极之后于第二期间之前，再设定作为参考电极，以及将第二电极203初始时设定作为参考电极之后于第二期间之前，再设定作为辅助电极用途。图5为本发明实施例的再另一测试片500的结构图，工作电极501形成于第一基板504，第一电极502与第二电极503形成于第二基板506，间隔层505配置于第一基板504与第二基板506之间，间隔层505具有凹口505a，用以暴露部分工作电极501、第一电极502与第二电极503。当工作电极501与第一电极502及第二电极503彼此为等距时，由第一电极502作为参考电极与第二电极503作为辅助电极读取到的数据会与由第一电极502作为辅助电极与第二电极503作为参考电极读取到的数据实质上会具有相同的准确度。

图6为图3工作电极201的复数个电阻区块305的示意图，复数个电阻区块305可包含高电阻区块h与低电阻区块l，复数个电阻区块305的总电阻值是用以提供测试片200的数据，测试片200的数据报含但不限制于，对应于每批货的校准信息、使用期限、销售通路、指定的市场、量测模式、指定市场的语言以及对应的检测种类，读取测试片数据的机制可在执行检测前即能识别不同种类的测试片，复数个电阻区块305于初始时都是低电阻区块l的形式，每一个低电阻区块l具有四边形的形状，根据不同的测试片种类，将特定数量的低电阻区块l转换成高电阻区块h的形式，在本实施例中，通过移除低电阻区块的短路径一边的电连路径可将低电阻区块l转换成高电阻区块h。

请参考图3与图6，复数个电阻区块305的电阻值是由电流流经复数个电阻区块305的路径的距离决定，为了形成高电阻区块h，可移除低电阻区块l的部分结构，来移除流经工作电极201的短路径一边的电连路径。此外，请参考图6与图7，相邻的电阻区块其四边形的一角彼此间通过电传导材料层相电连接，电传导材料层可与电阻区块电传导材料同层，电阻区块其四边形同边的另一角再连接另一个电阻区块，因此多个电阻区块彼此串联以耦接成一电导线路。

请参考图3、图4与图10，图10为图6复数个电阻区块305的等效电路图。在初始时，低电阻区块l的两个电阻r1、r2以并联方式电连接，当电阻r2经由雷射剥蚀处理移除后，低电阻区块l变成高电阻区块h，因此高电阻区块h的电阻值较低电阻区块l的电阻值为高，另外为了进一步降低由低电阻区块l造成的电阻值，图4中的电传导层402可增加电阻区块305的导电性，使得低电阻区块l的电阻值几乎等于0。

复数个电阻区块305的总电阻值由以下方程序决定：

rab＝(n)rh+[(n-n)rl]，

rab是复数个电阻区块305的总电阻值，n是复数个电阻区块305的高电阻区块h的数量，rh是高电阻区块h的电阻值，n是复数个电阻区块305的数量，以及rl是低电阻区块l的电阻值。

请参考图6与图7，图7为本发明另一实施例的复数个电阻区块305的示意图。图7中的复数个电阻区块305另包含电传导层402，电传导层402是用以进一步降低低电阻区块l的电阻值，使得低电阻区块l与高电阻区块h之间的电阻差异会更明显。电阻区块305并不限定配置于工作电极201，电阻区块305可配置于形成量测装置的循环的任何电传导路径，然而在本实施例中，只有工作电极的电传导路径形成量测装置的循环，其是因为工作电极具有二电极衬垫耦接到量测装置以形成循环，而其他电极只有一电极衬垫耦接到量测装置。为了降低测试片与量测装置之间的连接点数量，个别的电极最好能够兼具多种功能，如工作电极可有两种使用目的，其一功能为工作电极是测试片中唯一具有两电极衬垫耦接到量测装置的电极，因此可通过电阻区块305跟两电极衬垫形成回路提供量测装置测试片的数据，其二功能为若将反应区作为两边电极的分界，可于测量时将没有电阻区块一边的电极作为电流的路径，将有电阻区块一边的电极作为电压的路径，电流与电压分离，在施加电压的路径不会有电流的情况下，所以电阻区块的阻值不会影响电流量测并提供试片稳定偏压；而没有电阻区块一边的电极增加较高的导电性的传导材料，例如银层，可提供更为精准的电流量测。

图8为本发明实施例的再另一测试片800的示意图，图9为本发明实施例的再另一测试片900的示意图。测试片800、900包含工作电极801、参考电极802、第一辅助电极803与第二辅助电极804，工作电极801、参考电极802、第一辅助电极803与第二辅助电极804是利用第一传导材料形成于基板805，第一传导材料是碳黑。如同图2的测试片200，测试片800可另包含一间隔层，设置于至少三个电极以保护四个电极，间隔层上可放置一盖层以与间隔层的凹口及基板形成一反应腔室，反应腔室可包含用以与样本产生化学反应的试剂，图9显示相异于测试片800的四个电极的布局排列的实施例。若在导电材料相同的情况下，第二辅助电极804的工作区域面积可大于等于第一辅助电极803的工作区域面积，另外第二辅助电极804的工作区域面积可大于等于工作电极801的工作区域面积。第8及9图所述的电极的工作区域面积所指为电极暴露于间隔层的凹口放置样本的反应腔室806中接触样本的表面积。

在本发明的一些实施例，第8及9图的测试片800可如图2的测试片200另包含复数个相互耦接的电阻区块，除此以外，第二传导材料形成的电传导层可形成于测试片800的工作电极801的第一部分、工作电极801的第二部分、第一辅助电极803与第二辅助电极804，第二传导材料可比第一传导材料具有较高的导电性。

在第一时段，第一辅助电极803被损毁，第一辅助电极803的损毁可能是肇因于工作区域面积的不足限制，却仍要在第一时段作为辅助电极，虽然第一辅助电极803的面积可能受限于反应腔室，但第二辅助电极804则设置为具有足以进行准确量测的面积。由于相异的电极可在相异时段作为辅助电极，第一辅助电极803与第二辅助电极804可具有各自独立的电耦接量测装置的路径；当在两时段供应电压时，每一辅助电极的导电性或测试的分析物可为相异，第二辅助电极804的面积可大于或不大于第一辅助电极803的面积。

在图1的步骤103中，第一讯号于第一时段可施加于测试片的工作电极，第一讯号可为一负向讯号，在第一时段，分析物与试剂之间可产生化学反应，电子可通过扩散效应传输到工作电极，一第一电流在第一时段有可能会被量测也有可能不会被量测，所述的第一电流可以是穿过工作电极和辅助电极的电流，第一电流可用于确定样本中分析物的初始浓度，而且参考电极可以用于根据流过工作电极和辅助电极的电流来提供与工作电极之间的电位差。

由于样本中分析物的浓度偏高，流过工作电极和辅助电极的电流密度可能太高。在上述情况下，辅助电极的特性可能暂时或永久改变。因此，在步骤104中，至少三个电极中的第二电极可以被分配为辅助电极。

由于参考电极可在工作电极和参考电极之间提供固定的电位差，所以在第一时段几乎没有电流流过参考电极，参考电极不会因高电流密度造成损坏，因此对于图1方法的处理步骤，原来作为参考电极的电极可以被分配为新的辅助电极，并且原来作为辅助电极的电极可以被分配为新的参考电极。在一些其他的实施例，对于具有四个电极的测试片，第二辅助电极可以在步骤103之后的步骤中作为辅助电极。不管原始辅助电极的状态如何，步骤103可被执行以确保量测装置可正常的工作，并且能够在施加第二讯号之后测量时准确地决定样本中分析物的浓度。

当使用第3至5图中所示的测试片时，第3至5图所示的测试片的参考电极可以被指定为测试片用以执行后续步骤的辅助电极。第3至5图所示的测试片的辅助电极可以被指定为测试片用以执行后续步骤的参考电极。当使用第8及9图所示的测试片时，如果第8及9图所示的测试片的第一辅助电极使用在步骤102，则第8及9图所示的测试片的第二辅助电极使用在后续步骤104可以被分配为测试片的辅助电极。

在本发明的一些实施例中，量测装置的内部电路可以包含至少一切换开关，用于将内部电路连接到测试片的至少三个电极相互切换，其中所述至少一切换开关是由微控制器控制或是一实体切换开关。至少一切换开关可以用于将在第一时段中使用的参考电极切换作为在第二时段中使用的辅助电极，并且将在第一时段中使用的辅助电极切换作为在第二时段中使用的参考电极。在一些其他实施例中，至少一个开关可将在第一时段使用的另一辅助电极切换为在第二时段使用的辅助电极。

在步骤105，第二讯号可在第二时段施加正向讯号到测试片的工作电极。在步骤106，可以量测工作电极和辅助电极之间的第二电流以得知样本中分析物的浓度。在一些实施例中，可以根据第二电流来计算扩散因子以确认样本中分析物的浓度，扩散因子是用于校正根据第一电流产生的浓度的初始读数。

此外，为了确保第二电极的读数是正确的，当其他条件相同时，反应腔室中的辅助电极参与反应的面积必须大于反应腔室中的工作电极参与反应的面积，如果反应腔室中的辅助电极参与反应的面积小于反应腔室中的工作电极参与反应的面积，则当其他条件相同时，辅助电极的导电性必须优于工作电极的导电性。相较于第一辅助电极，第二辅助电极可以被设置为更靠近采样端口，以确保样本覆盖第二辅助电极足够的面积。

在第一时段和第二时段施加的讯号可以是固定电压或固定电流，也可以是多个电压或电流的组合，电压或电流可能有正值或负值。

在第一时段和第二时段施加的讯号可以由正电压脉冲，负电压脉冲，零偏压或其组合构成。在第一时段，第一辅助电极定义用于满足反应中电子预期的流动，在第二时段，第二辅助电极定义用于满足反应中电子预期的流动。在第二时段施加第二讯号的至少一脉冲之后，可以进行至少一次测量。

本发明提供了一种量测装置的操作方法。为了在测试样本期间为量测装置提供可正常工作的测试片，测试片的第一电极可以在开始时被分配为辅助电极，而第二电极可在之后的测试时间被分配为辅助电极，因此量测装置便能确保在测试操作的后期是准确的。此外，为了让量测装置能够识别测试片，可以在工作电极上形成多个电阻区块，多个电阻区块可以彼此串联耦接，且多个电阻区块的总阻值可以在执行测试之前/之后用于识别测试片。

另一个实施例提供利用测试片来检测样本中中间媒介物扩散因子的方法，其中测试片包含反应区域，并且反应区域包含工作电极，参考电极和辅助电极。该方法包含将样本放置在反应区域中；在第一时段向工作电极施加第一直流电讯号，介质根据第一直流电讯号从工作电极接收或释放电子以产生一中间媒介物；在第二时段测量通过工作电极的第一电流，其中第二直流电讯号在第二时段的极性与第一直流电讯号在第一时段的极性相反；以及根据第一电流计算样本中中间媒介物的扩散因子。当将第一电极设为辅助电极，并在第一时段向工作电极施加第一直流电讯号时，第一辅助电极可能在第一时段被损坏。当将第二电极设为辅助电极，并在第二时段测量通过工作电极的第一电流时，如此，在第一电流的测量上将不会受到第一电极的损坏而影响量测的精准度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。