一种判断样品布满状况的侦测方法

一种判断样品布满状况的侦测方法
【专利摘要】本发明关于一种侦测方法，该方法在电化学传感器的第一电极及第二电极间提供工作电压，以得到第一电流值及第二电流值，其中该第一电流值及该第二电流值具有比值，该比值即可表示流体样品布满该第一电极表面积及该第二电极表面积的布满率，用以判断该次测试的有效性。
【专利说明】
一种判断样品布满状况的侦测方法
[0001 ] 本申请为2009年5月12日提交的申请号为200910141438.0且发明名称为"一种判 断样品布满状况的侦测方法"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明系关于一种用于判断传感器测试有效性方法，尤指一种透过一系列电流值 所取得之比值，藉以了解一待测样本于一电化学传感器之电极上之分布情形，并判断该电 化学传感器之测试有效性的方法。
【背景技术】
[0003] 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单一次使 用、可抛弃式，以供民众居家生活方便使用。
[0004] 电化学传感器使用酵素电流方法（enzymatic amperometric methods)乃相当普 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， 并可被该电极所感测。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，可 使用含有对胆固醇具专一性之酵素的试剂，而测量血液中葡萄糖浓度时，则可使用含葡萄 糖氧化酶(glucose oxidase)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相当精准的一测量结果。
[0005] 在以测量感测电流的方式来测定样品中分析物浓度之方法中，该感测电流称为柯 特雷尔电流(Cottrell current)，并可藉由以下公式得出：
[0006] i(t)=K.n.F.A.C.D0.5.t-0.5；
[0007]其中，i为感测电流的瞬间值；
[0008] K为一常数；
[0009] n为电子传递的数量；
[0010] F为法拉第常数；
[0011] A为工作电极的表面积；
[0012] C为样本中待测分析物的浓度；
[0013] D为试剂的扩散系数；
[0014] t为一预设电压施加至电极后的一特定时间。
[0015] -般而言，于习知的抛弃式电化学感测试片的构造与量测程序上，包含如下：
[0016] 1 ?-基体片(Base sheet)用为承载该试片的机构；
[0017] 2.至少有两分离的导电电极置放于该基体片上，其中第一导电电极的第一端做为 一「工作电极(Working Electrode)」，而第一导电电极的第二端做为该工作电极的一引出 端，该工作电极的引出端用于与一量表(measuring meter)做电的接触:另第二导电电极的 第一端做为一「对电极(Counter Electrode)」，而第二导电电极的第二端做为一对电极的 引出端，该对电极的引出端用于与该量表做电的接触。该工作电极与该对电极于机构上配 置于临近的区域，以形成一电极测试区；
[0018] 3.-含酵素的化学试剂涂布于该电极测试区，用于与一待测流体的某分析物产生 一化学反应；
[0019] 4?由该量表施加一工作电压(Working voltage)于工作电极和对电极之间，此工 作电压大小与电压极性用于让该化学反应工作于氧化(此时施加于工作电极的工作电压为 正)或还原(此时施加于工作电极的工作电压为负）的工作状态，在此氧化(或还原）的反应 工作电压状态下，量取该化学反应的电化学电流，其即为一柯特雷尔电流（Cottrell current)；
[0020] 5 ?由该量测的电化学电流，再依照柯特雷尔电流公式（1(〇=1(.11.?^.(：.00.54-〇. 5 )，即可计算出该待测流体中某分析物的浓度。
[0021] 其中，该「工作电极」上涂布一含酵素的化学试剂，用于与待测流体中的某分析物 产生化学反应，并于化学反应过程中施加一反应的工作电压(含电压大小与电压极性)于该 电极的表面上，使该化学反应工作于氧化区（或还原区）用以量取该化学反应中的电化学电 流，此氧化区（或还原区）的电化学电流，即为柯特雷尔电流(Cottrell current);而该一「 对电极」用于产生量取电化学电流时的相对电流回路。
[0022]该反应的工作电压的选择，可由电化学中习知的循环伏安曲线（cyclic vo 1 tammograms)得知适切的氧化或还原电位，详细说明如下：
[0023] 1.改变并循环该工作电极的电压的大小，以量取不同工作电压时的电流，会得到 一氧化波峰电流如图1 (A)的I点所示，于此氧化波峰电流时的电压大小，即为一最灵敏的" 氧化工作电压"VI，于此波峰电流点将获得最佳的"信号噪声比（S/N Ratio)"，此工作点则 具有最佳氧化反应工作电位，可获得最佳之一氧化柯特雷尔电流(Cottrell current)II， 而该信号噪声比将大于或等于一。反之，若为图1(A)之II点所示，便无法得具最佳信号噪声 比之一氧化柯特雷尔电流(Cottrell current)。
[0024] 2.相同的于还原曲线中的波峰电流点（参照图1(A)的III点所示），可获得一最灵 敏的"还原工作电压" VIII，此工作点为最佳反应工作电位，可获得具最佳信号噪声比之一 还原柯特雷尔电流(Cottrell current)IIII，而该信号噪声比亦将大于或等于一。
[0025] 3.由上所述选择适当电压极性与电压大小的工作电极电压，以量取待测体中某分 析物与化学试剂于氧化(或还原)时的电化学的柯特雷尔电流(Cottre 11 current)。
[0026]由柯特雷尔电流(Cottrell current)公式可知，待测物的浓度C与感测电流i成正 比，故可以藉由量测电化学电流i(t)的大小，来计算一待测分析物的浓度C。因为该量测电 流i(t)也和工作电极的表面积A成正比，故该浓度计算公式系以工作电极的面积为固定的 前提为假设。然，工作电极表面积A更精确的定义应为「于量取该电化学电流"当时"的工作 电极表面积A是固定的」，故更进一步解释条件为「工作电极的表面积A于量测当时，需被该 待测流体所完全布满，以确保该工作电极表面积A是固定的」，若工作电极表面积A因未被测 试流体所布满，则由上述柯特雷尔电流(Cottre 11 current)公式所计算的该待测分析物的 浓度C会是错误的。
[0027] 藉此，待测物的浓度C可以被检测而得，且此浓度C与感测电流i成正比。另外，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，感测试片中精确定义 的工作电极表面积亦为一关键因素。
[0028] 判断待测物体积量于电化学传感器反应区是否已足够，则为另一与准确测量待测 物浓度有关的关键因素。当已覆盖试剂之电化学传感器反应区有足够的待测物体积量时， 可根据柯特雷尔电流(Cottre 11 current)公式测量感测电流，藉以推算出待测物浓度;但 是当待测物体积量不足时，根据公式所得之感测电流所推算出待测物浓度将因之不正确。 因此当可精准控制工作电极表面积时，待测物体积于反应区内是否足够，则成为极重要的 关键因素之一。
[0029] 诸如此类的传感器和测量仪在专利文件中例如:US 5,266，179，US 5,366,609或 EP12728331中被揭露。
[0030] 在上述文件中所揭露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，感测试片是否已适当插入测量仪之中，是由机械式及/或电子式的开关及/或接触来 侦测。当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，该反应区具有至少二电极，且该电极被适当的试剂所覆盖。
[0031] 为了侦测样本是否出现在该反应区，当感测试片适当插入时，即施加一电压至该 电极，电极间试剂的电阻在没有样本出现时很高，但是只要样本一开始接触反应区，电极间 的电阻就会下降。此电阻的下降让一电流可被侦测到，以作为样本已存在于反应区的一指 示，
[0032] 为了更详细解释习知技术的检测方法，请参考图1(B)至图1(C)。
[0033]图1(B)显示习知技术之测量仪所使用的方法，亦为美国专利US 5,366,609所揭露 的内容。图1(c)则显示于样本侦测期中因施加一电压而产生的电流、及范围S之放大图。
[0034] 根据图1(B)所示，当感测试片于时间100被插入测量仪中，于样本存在侦测期101 施加一固定电压102,以侦测一待测样本是否存在于反应区。一滴样本于时间108被加在感 测试片上。
[0035] 请同时参阅图1(C)，当电流达到一样本侦测门坎112,也就是一样本于时间116被 侦测到存在时，开始一样本量延滞时期114。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102至电极，直到一时点103 (请并参阅图1 (B))。
[0036] 接着，电流量109与时点115的一样本量门坎113相对照，定义出该样本量延滞时期 114的终点。假如电流强度低于该样本量门坎113,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。
[0037]假如已经有足够的样本量存在于反应区，也就是在时点115电流量已大于该样本 量门坎113,测量仪就会继续下一个步骤，也就是静置期105的开始。静置期105中，测量仪关 闭该固定电压102而转成零电压104。在静置期105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，于一侦侧期 106施加一预设电压107至电极，电极间的电流量110(请参阅图1(B)下方)将被测量。
[0038]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106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。
[0039]因此样本侦测门坎112的大小定义对于判断样本量是否足够极为重要。
[0040] 职是之故，
【申请人】鉴于习知技术中所产生之缺失，乃经悉心试验与研究，并一本锲 而不舍之精神，终构思出本案「一种判断样品布满状况的侦测方法」，以下为本案之简要说 明。

【发明内容】

[0041] 本案之目的系为提供一种用于侦测流体待测样品覆盖于电化学传感器的电极表 面积的布满率，其可于正式量测待测样品浓度前、或量测待测样品浓度之后，以本发明做此 布满率的判断，用以判断该次测试的有效性。在样本存在侦测期施加一反应直流电压至至 少具有第一电极与第二电极之电化学传感器，该施加反应电压大小系根据循环伏安法定义 出可使样本发生电化学作用产生最佳氧化(还原)之氧化(还原）电压。
[0042] 为达上述目的，本发明提供一种判断一待测样品一布满状况的侦测方法，系应用 于至少具有一第一电极与一第二电极之一传感器，其步骤包括：（ a)提供该待测样品，使其 从该第一电极流向该第二电极；（b)于一第一固定时间，施加一第一反应直流电压于该第一 电极与该第二电极间，使该第一电极之电位高于该第二电极之电位，并记录该第一固定时 间所产生之一第一Cottrell电流值；（c)移除该第一反应直流电压并停滞一第一期间；（d) 于一第二固定时间，施加一第二反应直流电压于该第一电极与该第二电极间，该第二反应 直流电压之电压值与该第一反应直流电压之电压值相等，且使该第二电极之电位高于该第 一电极之电位，并记录该第二固定时间所产生之一第二Cottrell电流值；（e)移除该第二 反应直流电压并停滞一第二期间；（f)重复步骤(b)至步骤(e)至少两次，并各别累加该第一 Cottrell电流值与该第二Cottrell电流值;及(g)计算该累加第一 Cottrell电流值与该累 加第二Cottrell电流值之一比值，其中该比值反映该待测样品在该第一电极及该第二电极 之该布满状况。
[0043] 本发明重复施加的第一反应直流电压与第二反应直流电压，将分别使第一电极电 位大于第二电极电位与第二电极电位大于第一电极电位，并将其所产生的第一 Cottrell电 流与第二Cottrell电流分别累加后计算其比值，用以判断样本是否足够，此方法可以克服 习知技术以设定一样本侦测门坎电流的缺点。
[0044] 根据上述方法，其中该第一反应直流电压与第二反应直流电压系透过循环伏安曲 线(cyclic voltammograms)决定，且该第一反应直流电压与该第二反应直流电压之信号噪 声比（S/N Ratio)大于或等于1。
[0045] 根据上述方法，其中该第一电极与该第二电极位于同一基版。
[0046] 根据上述方法，其中该第一电极与该第二电极上具有一酵素及一电子传递中介 物，其中该酵素对该待测样品进行氧化反应。
[0047] 根据上述方法，其中该第一电极与该第二电极上具有一酵素及一电子传递中介 物，其中该酵素对该待测样品进行还原反应。
[0048]根据上述方法，其中该第一固定时间为3ms至2s。
[0049] 根据上述方法，其中该第二固定时间为3ms至2s。
[0050] 根据上述方法，其中该第一固定时间与该第二固定时间相同。
[0051]根据上述方法，其中该第一固定时间与该第二固定时间均为20ms。
[0052 ]根据上述方法，其中该第一期间为0ms至50ms。
[0053 ]根据上述方法，其中该第二期间为Oms至50ms。
[0054]根据上述方法，其中该第一期间及该第二期间时间相同。
[0055]根据上述方法，其中该第一期间及该第二期间均为20ms。
[0056]根据上述方法，其中该第一电极与该第二电极的电化学反应面积相同。
[0057]根据上述方法，其中当该比值为1时，表示该待测样品布满该第一电极及该第二电 极。
[0058]根据上述方法，其中该第一电极的一电化学反应面积大于该第二电极的一电化学 反应面积。
[0059 ]根据上述方法，其中该第一电极的一电化学反应面积小于该第二电极的一电化学 反应面积。
[0060] 根据上述方法，其中该传感器为一电化学传感器。
[0061] 根据上述方法，其中该方法用以判断该传感器之一测试的有效性。
[0062] 根据上述方法，其中该方法可于一样品存在侦测期、一样品静置期或一样品测量 期中任一时点进行。
[0063] 根据上述方法，其中该比值为0.3至3.0时，代表该传感器之该测试为有效。
[0064] 本发明亦提供一种判断一待测样品一布满状况的侦测方法，系应用于至少具有一 第一电极与一第二电极之一传感器，其步骤包括：（a)提供一待测样品，使其从该第一电极 流向该第二电极；（b)于一第一固定时间，施加一第一直流电压于该第一电极与该第二电极 间，使该第一电极之电位高于该第二电极之电位，并记录该第一固定时间所产生之一第一 Cottrell电流值；（c)移除该第一直流电压并停滞一第一期间；（d)于一第二固定时间，施加 一第二直流电压于该第一电极与该第二电极间，该第二直流电压之电压值与该第一直流电 压之电压值相等，且使该第二电极之电位高于该第一电极之电位，并记录该第二固定时间 所产生之一第二Cottrel 1电流值;及(e)计算该第一 Cottrel 1电流值与该第二Cottrel 1电 流值之一比值，其中该比值反映该待测样品在该第一电极及该第二电极之该布满状况。 [0065]根据上述方法，其中该第一固定时间为3ms至2s。
[0066 ]根据上述方法，其中该第二固定时间为3ms至2 s。
[0067]根据上述方法，其中该第一固定时间与该第二固定时间相同。
[0068 ]根据上述方法，其中该第一固定时间与该第二固定时间均为2 0ms。
[0069] 根据上述方法，其中该第一期间为0ms至50ms。
[0070]根据上述方法，其中该第一期间为20ms。
[0071] 根据上述方法，其中该传感器为一电化学传感器。
[0072] 根据上述方法，其中该方法用以判断该传感器之一测试的有效性。
[0073] 根据上述方法，其中该比值为0.3至3.0时，代表该传感器之该测试为有效。
[0074]根据上述方法，其中该方法可于一待测样品侦测期、一待测样品静置期或一待测 样品测量期中任一时点进行。
[0075] 本发明得藉由下列实施例及图示说明，俾得更深入之了解。
【附图说明】
[0076] 图1(A)为一循环伏安曲线；图1(B)为习知测量仪所使用方法之示意图；图1(C)则 为图1(B)之放大图；
[0077] 图2(A)为本发明之测量仪10的外观示意图；图2(B)则为电化学感测试片20放大后 之正面视图及背面视图；图2(C)为习知测量仪之内部电路示意图；
[0078] 图3(A)为电化学感测试片20沿A-A'截面线之剖面视图；图3(B)至图3(E)则为样本 29在毛细管23流动之示意图；
[0079]图4(A)至图4(C)为本发明之测量仪40的内部电路示意图；
[0080]图5(A)至图5(G)为样本29流动而布满电极之示意图；
[0081]图6(A)至图6(D)为本发明在样本29流动而布满电极之过程中所测得的电流及电 压示意图；图6(E)至图6(1)则为本发明在样本29流动而布满电极之过程中所测得的循环伏 安曲线；
[0082]图7(A)及图7(B)为本发明之测量仪40之另一内部电路示意图；
[0083]图8为本发明之测量仪40之另一内部电路示意图；
[0084] 图9(A)为本发明电化学感测试片之另一实施例；图9(B)则为图9(A)之电化学感测 试片沿B-B '截面线之剖面视；
[0085] 图10(A)为本发明电化学感测试片之另一实施例；图10(B)为图10(A)之电化学感 测试片之分解图；图10(C)为图10(A)之电化学感测试片沿C-C'截面线之剖面视；图10(D)则 为样本进入图10(A)之电化学感测试片之示意图及
[0086] 图11(A)为本发明电化学感测试片之另一实施例；图11(B)为图11(A)之电化学感 测试片之分解图；图11(C)则为图11(A)之电化学感测试片沿D-D'截面线之剖面视。
[0087] 主要组件符号说明
[0088] 1〇〇、1〇8、116时间 101样本存在侦测期
[0089] 102固定电压 103、115时点
[0090] 104零电压 105静置期
[0091] 106侦侧期 107默认电压
[0092] 109、110电流量 112样本侦测门坎
[0093] 113样本量门坎 114样本量延滞时期
[0094] 10测量仪 11插槽
[0095] 12显示器 20电化学感测试片
[0096] 21、22、91、92 电极 23 毛细管
[0097] 24、25 接触 26、1009样本入口
[0098] 27覆盖板 28气孔
[0099] 29、1008样本 210、1010 凹槽
[0100] 211、212电极上表面 213贯孔
[0101] 214试剂 41、701微处理器
[0102] 42显示器 43电源供应单元
[0103] 44电流测量单元 45电流
[0104] 46电流电压转换器 47模拟数字转换器
[0105] 48电流缓冲器 49电压调节器
[0106] 410温度测量单元 411、Vwc电极工作电压
[0107] 412试片插入侦测单元 SW、S1、S2、S3、S4开关
[0108] 415、715、815电压切换单元装置
[0109] 413、414、Vcl、Vc2 接点
[0110] 416、716控制点 417反向器
[0111] 420切换开关组 Vo模拟电压
[0112] Vw、Vc、Vx、Vy、Vr、Vref 电位
[0113] Vxy电压差 R1、R2电阻
[0114] X、Y输出点 t0~t8时间
[0115] Ixa、Iya、Ixb、Iyb、Ixc、Iyc、Ixd、Iyd 电流值
[0116] 93第三电极 1104第三薄膜电极
[0117] 1001、1101薄膜电极感测试片
[0118] 1002、1003、1102、1103、1104 薄膜电极
[0119] A-A'、B-B'、C-C'、D-D' 截面线
【具体实施方式】
[0120]本案之提供一种用于侦测流体待测样品覆盖于电化学传感器电极表面积布满率 以判断测试有效性之方法，将可由以下的实施例说明而得到充分了解，并使得熟习本技艺 之人士可以据以完成之，然而本案之实施型态并不限制于下列实施例中。
[0121] 请参阅图2(A)，其为本发明之使用电化学感测试片的一测量仪10的外观示意图。 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，并包括一插槽11，用以插入一 电化学感测试片20。图2(B)则为电化学感测试片20放大后之正面视图（图2(B)左)及背面视 图（图2(B)右)之示意图，其中电化学感测试片20更包含电极21及22。
[0122] 图2(C)为习知测量仪之示意图，该测量仪10包含一微处理器13、一显示器14、一电 源供应单元15、一电流测量单元16、一电流17、一电流电压转换器18、一模拟数字转换器19、 一电流缓冲器120、一电压调节器121、一温度测量单元122、以及具有一开关SW之一试片插 入侦测单元124,其中电流电压转换器18包含于电流量测单元16之中，用以将电极21、22之 间的电流17转换成一模拟电压Vo (其中Vo = I X Rf )，再透过模拟数字转换器19将此模拟电 压Vo转成电压的等效数字信号，以供微处理器13计算。而电压调节器121以及电阻R1、R2所 构成的分压器，用以施加电压至接点Vcl，电流缓冲器120则具有一大电流驱动能力，用以在 接点Vc2输出与接点Vcl相同的一电位。此时接点125之电位为Vw，接点126之电位为Vc，一 电极工作电压123为Vwc，亦即等于Vw与Vc之间的电位差。此电极工作电压123被施加于接点 125、126之间，而可被连接至感测试片20的输出接触24及25。
[0123] 请续参阅图3(A)至(E)，其为待测样本流入电化学感测试片20,并布满于电极21及 22过程之示意图。
[0124] 图3(A)为电化学感测试片20沿A-A'之剖面视图，电化学感测试片20包含一毛细管 23、输出接触24、25、一样本入口 26、一覆盖板27、一气孔28、一样本29、一凹槽210、电极上表 面211及212、贯孔213及试剂214。其中电极21、22被设置于电化学感测试片20的凹槽210内 的贯孔213中。电极21、22的周围被贯孔213紧紧围绕而没有形成任何缺口。贯孔213的直径 被设计为稍小于电极21、22的直径，使电极21、22可以在贯孔213中被机械式地抓住。
[0125] 电极21、22的上表面211、212形成电极的工作面积，而上表面211、212的大小可以 彼此相同或不同，而电极的下端则形成感测试片20的输出接触24、25,这些输出接触可分别 与图2(C)中测量仪10的接点125、126连接。而亲水性覆盖板27具有与外界相通的气孔28,并 覆盖凹槽210以形成毛细管23,该毛细管23定义出一反应区，提供试剂214涂布在凹槽210 内，并覆盖电极21、22的电极上表面211、212。试剂214包含一已知的氧化或还原酵素例如一 葡萄糖氧化酶，一电子传递中介物例如亚铁氰化钾(Fe(CN)63-)，以及一些亲水性的化学物 质。试剂的组成份为习知技术而非本发明的重点。此外该感测试片20更提供样本入口 26，用 以置入样本29,例如一滴血。
[0126] 请参阅图3(B)，当样本29被放上样本入口 26的开口时，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。而图3(B)至图3(E)则显示样本29在毛细管23内的流动 情形。当足够的样本29被滴入样本入口 26时，便会如图3 (C)及(D)所示，开始沿着毛细管23 流动，直到如图3(E)所示完全覆盖电极，此时而毛细管23中的空气则会经由开口 28排出。在 图3(B)中，由于样本29尚未流动至电极22,故虽在样本存在侦测期101时已经施加电压至电 极上，但因仍未导通所以尚未产生电流。在图3(C)，样本29已完全覆盖电极21并部分覆盖电 极22,此时施加电压于电极上，将会有电流产生，测量仪10即需判断此电流是否已到达样本 侦测门坎112,因此样本侦测门坎112的定义极为重要。由图3(C)可明显发现，此时样本29并 未完全覆盖电极22,若样本侦测门坎112定义过小，则可能使测量仪10误判，而开始静置期 105至测量期106的步骤，如此所得之样本浓度并不正确;反之，若样本侦测门坎312定义过 大，因不同样本有不同的成分含量，如血液中的血球容积比(HCT )、含氧量、葡萄糖浓度或脂 肪含量的不同，如图3(D)或(E)，虽样本29已几乎完全充满于凹槽210,但样本存在侦测期 101所产生之电流可能无法超过样本侦测门坎112,使得测量仪10无法进行静置期105至测 量期106的步骤。因此，提供一可正确判断待测物体积量于反应区是否足够，以获得有效之 感测电流的方法，对此类测量仪而言极为重要。
[0127] 请参阅图4(A)，其为本发明之使用电化学感测试片20的测量仪40的示意图，需特 别强调的是，虽然图4(A)及其后所述的测量仪40与电化学感测试片20外观与习知者相同， 惟本发明在测量仪40的内部电路及其量测方法上，相较于前案已有大幅度之进步。至于图4 (A)中之电化学感测试片20,已于图2(A)至(E)及其相对应之说明中详述，故于此将不再重 复。
[0128] 请续参阅图4(A)，该测量仪40包含一微处理器41、一显示器42、一电源供应单元 43、一电流测量单元44、一温度测量单元410、具有一开关SW之一试片插入侦测单元412、以 及一电压调节器49,电流量测单元44包含一电流电压转换器46,用以将接点413、414之间一 电流45转换成一模拟电压Vo(其中Vo = I XRf)，再透过一模拟数字转换器47将此模拟电压 Vo转成电压的等效数字信号以供微处理器41计算。电压调节器49以及电阻R1、R2所构成的 分压器，用以施加电压至接点Vcl，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Vcl相同的电位。此时接点413之电位为Vw，接点414之电位为Vc，一电极 工作电压411为Vwc (等于Vw与Vc之间的电位差）因此被施加于接点413、414之间。
[0129] 图4(A)所示之本发明所使用的测量仪示意图，除了电压切换单元装置415之外，其 它部分和电路的设计为习知技术。
[0130]电压切换单元装置415包含由S1、S2、S3及S4四个开关(Switches)组成的切换开关 组420,此四个开关可由习知的机械式继电器(Relay)或电子式1C型的模拟开关(Analog Switch)或以电子式晶体管(MOSFET or Bipolar晶体管)组成的桥式开关来达成切换功能。 而电压切换单元装置415更包含一控制点416,用以传送由微处理器41所传出之数字控制讯 号，来加以控制切换开关组420中的S1及S4开关的闭合或开路;其中，当控制点416的信号为 1时，则S1及S4开关同时闭合接通;反之，当控制点416的信号为0时，则S1及S4开关同时开路 隔离。电压切换单元装置415更包含一反向器417,这是数字电路(逻辑电路）的基本组成之 一，用以将输入讯号反向，就二进制逻辑来说，当输入〇时，输出为1，反之，当输入为1时，则 输出为〇,其用于控制该开关组420中的S2及S3开关的闭合或开路，且让S2及S3的闭合时刻 刚好与S1及S4的时刻相反，此两组开关只能于同一时刻选用一组为闭合状态。该电压切换 单元装置415的控制说明如下：
[0131] 如图4(B)，当微处理器41给予控制点416-数字讯号1时，
[0132] 此时输出点X经由S1的闭合与接点413接通而电位相同，输出点X与接点413之电位 分别为Vx及Vw;
[0133] 而输出点Y经由S4的闭合与接点414接通而电位相同，输出点Y与接点414之电位分 别为Vy及Vc;
[0134] 此时Vx = Vw且Vy = Vc，故两输出点X及Y之间电位差，即为接点413及414之电位差 411(Vwc),
[0135] 因Vx>Vy，故此时与输出点X相连的电极21为工作电极。
[0136] 另如图4(C)，当微处理器41给予控制点416-数字讯号0时，
[0137]此时输出点X经由S2的闭合与414接通而电位相同，输出点X与接点414之电位分别 为Vx及Vc;
[0138] 而输出点Y经由S3的闭合与413接通而电压相同，输出点Y与接点413之电位分别为 Vy 及 Vw;
[0139] 此时Vx = Vc且Vy = Vw，而两输出点X及Y之间电位差411仍为Vwc，
[0140] 然因Vx〈Vy，故此时与输出点Y相连的电极22为工作电极。
[0141] 图5、图6为根据本发明的测量方法之一实施例，其中图5为图2(A)之局部放大俯视 图，而所进行量测仪操作计有以下之步骤(请同时参阅图2(A)及图4(A)至(C))。
[0142] (1)插入电化学感测试片20至量测仪10的插槽11，将启动开关412,使微处理器41 开始循环的送出1与〇的讯号至控制点416。此时输出点X与输出点Y电压分别如图6(A)与图6 (C)。
[0143] (2)接着显示器12将显示请求供给样本29,典型为一血滴样本，亦为图5各图中之 样本29。
[0144] (3)当样本29被放上样本入口26时（请参阅图2(A)或图5(A))，因为毛细管作用或 亲水作用，该样本29会被自动吸入毛细管23。图5(B)至图5(G)显示血滴样本29在毛细管23 内的流动情形。
[0145] (4)此时微处理器41开始接收到反应电流：
[0146] (a)当时间为0~to时间时，样本29流动状况如图5(B)至图5(C)，此时从输出点所 接收到的电流分别如图6(B)、（D)所示。可清楚显示，此时样本29尚未流动至电极表面212， 因此无任何电流产生;此时利用电化学之测试方法里的循环伏安法可得到如图6(E)所示的 结果；
[0147] (b)当时间为to~t2时，如图5(D)，此时血液样本29已部分覆盖电极表面212,因此 图6(D)清楚显示已有电流产生，此时从输出点X所接收到电流值为Ixa，而从输出点Y接收到 电流值为Iya;然因此时样本29已完全覆盖电极上表面211，但只部分覆盖电极上表面212， 故Ixa远大于Iya;当时点为to~tl时，电极工作电压为Vwc，而此时工作电极为电极21，工作 电极表面积为电极21的电极上表面211;当时点为11~t2时，电极工作电压仍为Vwc，但此时 工作电极为电极22，工作电极表面积为电极22的部份电极上表面212;从柯特雷尔电流公 式所得电流与工作面积成正比之结论，因此将得到此一较小电流Iya的结果;此时利用电化 学之测试方法里的循环伏安法可得到如图6(F)所示的结果；
[0148] (c)当时间为t2~t4时，如图5(E)，输出点X、Y所接收到电流分别为Ixb及Iyb，其中 Ixb约略等于Ixa，其原因为经过一小段时间后，已有小部分电流的消耗，但其值很小可忽略 不计，而Iyb大于Iya，因此时样本29覆盖至电极22的电极上表面212面积较大所致;此时利 用电化学之测试方法里的循环伏安法可得到如图6(G)所示的结果；
[0149] (D)当时间为t4~t6时，如图5(F)，输出点X、Y所接收到电流分别为Ixc、IyC，其中 Ixc约略等于Ixb，且Iyc大于Iyb，因此时样本29覆盖至电极22的电极上表面212面积又较前 一时点更大所致;此时利用电化学之测试方法里的循环伏安法可得到如图6(H)所示的结 果；
[0150] (E)当时间为t6~t8时，如图5(G)，输出点X、Y所接收到电流分别为Ixd、Iyd，其中 Ixd约略等于Ixc，Iyd大于Iyc，且Iyd几乎与Ixd相等，因为此时血液样本29已完全覆盖至电 极22的电极上表面212,且电极上表面211、212面积相同；此时利用电化学之测试方法里的 循环伏安法可得到如图6 (I)所示的结果。
[0151] (5)微处理器41接收到电流后，即开始运算并判断样本29于反应区内是否足够，有 多种判断方式，例如:设定一时间范围，微处理器41不断的比较从输出点X、Y所接收到的电 流值，当lx与Iy比值（Iy/Ix)大于或等于某一预定比值时（亦或当lx与Iy比值（Ix/Iy)小于 或等于某一预定比值时），即可进行下一步骤，即为开始进入静置期305,反之即从显示器12 显示样本29体积（即血量)不足;也可设定一时间范围，微处理器41将所有lx与Iy值分别累 加，并将累加之lx与Iy值加以计算，当此累加值经计算后之比值大于或等于(亦或小于或等 于）某一预定比值时，即可进行下一步骤，反之即从显示器12显示样本29体积（即血量）不 足。
[0152] (6)当经微处理器41判断样本29于反应区内已足够，即可进行静置期至测量期的 标准步骤，而获得一正确的测量电流，经微处理器41将所得测量电流经计算后之样本29中 欲分析物浓度显示于显示器12上。
[0153] 如何决定判断待侧样本之较佳布满状况之比值范围，系利用不同的样本体积去进 行实验所得到之结果。其说明如下：
[0154] 提供适用于一测量仪之一感测试片，该感测试片所需体积布满为0.7iU，且该感测 试片上具有一第一电极及一第二电极，而该第一电极小于该第二电极。
[0155] 使样本由该第一电极流向该第二电极，该样本体积为0.3yl到0.8yl并进行多次实 验。
[0156] 于一第一固定时间20ms，施加一第一直流电压0 . IV于该第一电极与该第二电极 间，使该第一电极之电位高于该第二电极之电位，并记录该第一固定时间所产生之一第一 Cottrell电流值。
[0157] 移除该第一直流电压并停滞一第一期间20ms。
[0158] 于一第二固定时间20ms，施加一第二直流电压0.1 V于该第一电极与该第二电极 间，使该第二电极之电位高于该第一电极之电位，并记录该第二固定时间所产生之一第二 Cottrell电流值。
[0159] 计算该第一 Cottre 11电流值与该第二Cottre 11电流值之一比值。
[0160] 上述每一种样本体积皆经过以上之步骤10次以上反复验证，并统计该比值范围， 并计算该第一 Cottrell电流值之精确度，得一统计表格(表一），如下：
[0161] 表一：
[0162]
[0163] 由上表一可知，当该样本体积过小时，如0.3yl，该第一Cottrel 1电流值无法量得， 因为此时样本体积不足以从该第一电极流至该第二电极。当样本体积为〇.如1，虽已可量得 该第一Cottrel 1电流值，但其电流精确度过差(CV> 10 % )。增加样本体积至0.45yl~0.8yl 时，该第一 Cottrell电流值的精确度较佳(CV〈5%)，此时(第一 /第二)Cottrell电流比值范 围为0.3~1.7,反之(第二/第一)Cottrell电流比值范围为0.6~3.3,因此当电流比值落在 0.3~3.3范围时，可代表待测样本于该感测试片中布满状况良好。
[0164] 图7(A)及(B)为本案另一实施例，于电压切换单元装置715所使用之方法与图4电 压切换单元装置415有所不同，图7中之电压切换单元装置715由控制点716接收由微处理器 701所发出命令进行S1、S2、S3间之切换，其说明如下。
[0165] 当S1与S2相连接时，如图7(A)所示，此时：
[0166] Vx = Vref = V1 =Vr
[0167] Vy = V2 = [(R2+R3)/(R1+R2+R3)]Vr,
[0168] Vxy = Vx-Vy = Vr-[(R2+R3)/(R1+R2+R3)]Vr
[0169] =[Rl/(Rl+R2+R3)]Vr；
[0170] 因此Vx>Vy，此时输出点X所连接之电极21即为工作电极。
[0171] 而当S1与S3相连接时，如图7 (B)所示，则：
[0172] Vx = V3 = [R3/(R1+R2+R3)]Vr,
[0173] Vy = V2 = [(R2+R3)/(R1+R2+R3)]Vr,
[0174] Vxy = Vx-Vy = [R3/(R1+R2+R3)]Vr-[(R2+R3)/(R1+R2+R3)]Vr；
[0175] =[-R2/(Rl+R2+R3)]Vr；
[0176] 因此Vy>Vx，此时输出点Y所连接之电极22即为工作电极。
[0177] 于电路设计上，选用R1 = R2时，则会使当S1与S2相连接时的Vxy电压差与S1与S3相 连接时的电压数值相同，只是其电压极性相反。
[0178] 根据此实施例于S1与S2、S3间相互切换，也可达成如图6所示，得到所欲计算之数 值，进而判断血量是否足够。
[0179] 图8为本案再另一实施例，于电压切换单元装置815与先前实施例又有所差异，于 该实施例中Vx = Vr为一固定电压值，而电压切换单元装置815根据由微处理器801所发出命 令进行数字讯号转换成模拟电压(Digital to Analoy Voltage Converter)输出至Vcl，经 由电流缓冲器〇P2增强其电流的输出驱动力，此时电压不变仍为使Vy = Vcl，即由微处理器 801所发出命令进行数字讯号来调整Vy的电压大小，以达到电压切换的功能。其控制程序如 下：
[0180] 预先设计欲施加于输出点X与输出点Y间的电极工作电压Vxy的绝对值为Q;
[0181] 于第一时间，由微处理器801所发出命令进行数字讯号来调整Vcl，让
[0182] Vcl =Vy = Vx-Q；
[0183] j/llJVxy = Vx-Vy = Vx- (Vx-Q) = Q；
[0184] 此时Vx>Vy，故输出点X所连接之电极21即为工作电极。
[0185] 于第二时间，由微处理器801所发出命令进行数字讯号来调整Vcl，让
[0186] Vcl =Vy = Vx+Q；
[0187] 贝 iJvXy = vx-Vy = vx-(vx+Q) =-Q;
[0188] 此时Vx〈Vy，故输出点Y所连接之电极22即为工作电极。
[0189] 根据此实施例，于第一时间及第二时间由微处理器801所发出命令进行数字讯号 改变来调整Vcl电压值的相互切换，也可达成如图6所示，得到所欲计算之数值，进而判断血 量是否足够。
[0190] 透过本发明，更可当样本29进入样本入口26、而微处理器41、701、801接收到一电 流时，依习知技术设定一样本侦测门坎112,当该电流到达该门坎后，即进入静置期105至测 量期106之标准步骤，并于静置期105或测量期106中某一时点，进行本发明以上实施例之 电压切换，以获得供微处理器41、701、801计算之lx与Iy，再进行本发明以上实施例之计算 与判断之步骤，用以确定该测量期后所得之结果是否正确。
[0191] 换句话说，本发明所述之方法，在样品存在侦测期101、静置期105或测量期106中 某一时点均可以进行计算，用以判断该测量期后之计算结果有效性。
[0192] 请参阅图9(A)及(B)，为图2电化学感测试片之另一实施例。该结构包含电极91、 92,如前所述，电极91、92会于电压切换装置作动时，而于某一时点成为工作电极而产生所 需计算用以判断之Cottrel 1电流，该实施例更佳为含有一第三电极93，该第三电极93可为 一参考电极(reference electorde)。当该电化学感测试片之测量仪确认血量样本已足够， 经静置期105后进入测量期106,该参考电极93可帮助于测量期106所需施加之预设电压107 更为稳定而得一更为精确之感测电流。
[0193] 图10(A)至(D)及图11(A)至(C)所示分别为薄膜电极感测试片1001及1101，其成型 与结构可参考如美国专利第5，997，817号、美国专利第5，985，116号、欧洲第EP 1，098，000 号专利等，该薄膜电极1002、1003、1102、1103及1104等，可用网版印刷、金属蒸镀等方法成 型，而本发明于该薄膜电极感测试片之应用如图10。如图10(C)所示，当于提供一血量样本 1008由样本入口 1009进入至该感测试片1001时，其类似图2所述，当血量样本仅流至薄膜电 极1002时，此时并无电流产生，待血量样本流至薄膜电极1003如图10(D)时，即可得到如图6 之结果而得到一所需计算用以判断之电流，以判断血量样本1008于凹槽1010内是否足够。 该实施例更佳如图11，包含一第三薄膜电极1104,可为一薄膜参考电极。
[0194] 纵使本发明已由上述之实施例所详细叙述，而可由在此领域具通常知识者任施匠 思而为诸般修饰，然皆不脱如申请专利范围所欲保护者。
【主权项】
1. 一种判断待测样品布满状况的侦测方法，是应用于包含分离的电极的传感器，所述 分离的电极由第一电极与第二电极组成，所述第一电极与所述第二电极被试剂层覆盖，其 特征在于，步骤包括： (a) 提供所述待测样品，使其从所述第一电极流向所述第二电极； (b) 提供微处理器及具有开关组的电压切换单元装置，当所述微处理器提供讯号使所 述开关组中的第一电路接通且第二电路断开时，于第一固定时间，施加第一反应直流电压 于所述第一电极与所述第二电极间，使所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并 记录所述第一固定时间所产生的第一 Cottrell电流值，其中所述第一电极作为工作电极， 且所述第一Cottrell电流值与被所述待测样品覆盖的所述第一电极的表面积成正比，所述 的第一固定时间为3ms至20ms; (c) 移除所述第一反应直流电压并停滞第一期间，所述的第一期间为0ms至20ms; (d) 所述微处理器提供讯号切换所述电压切换单元装置的所述开关组中的所述第一电 路为断开且所述第二电路为接通，并于第二固定时间，施加第二反应直流电压于所述第一 电极与所述第二电极间，所述第二反应直流电压的电压值与所述第一反应直流电压的电压 值相等，且使所述第二电极的电位高于所述第一电极的电位，并记录所述第二固定时间所 产生的第二Cottrell电流值，其中所述第二电极作为所述工作电极，且所述第二Cottrell 电流值与被所述待测样品覆盖的所述第二电极的表面积成正比，所述的第二固定时间为 3ms至20ms; (e) 移除所述第二反应直流电压并停滞第二期间，所述的第二期间为0ms至20ms; (f) 循环的重复步骤(b)至步骤(e)至少两次，并各别累加所述第一 Cottrell电流值与 所述第二Cottrell电流值； (g) 计算所述累加第一 Cottrell电流值与所述累加第二Cottrell电流值的比值，其中 所述比值为0.3至3.3,用以反映所述待测样品在所述第一电极及所述第二电极的布满状 况;及 (h) 于样品体积大于0.45μ1时，判断所述待测样品是否足够，若是，则代表所述传感器 对所述待测样品中欲分析物的浓度的测试为有效。2. -种判断待测样品布满状况的侦测方法，是应用于至少具有第一电极与第二电极的 传感器，其特征在于，步骤包括： (a) 提供所述待测样品，使其从所述第一电极流向所述第二电极； (b) 于第一固定时间，施加第一反应直流电压于所述第一电极与所述第二电极间，使所 述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并记录所述第一固定时间所产生的第一 Cottrell电流值； (c) 移除所述第一反应直流电压并停滞第一期间； (d) 于第二固定时间，施加第二反应直流电压于所述第一电极与所述第二电极间，所述 第二反应直流电压的电压值与所述第一反应直流电压的电压值相等，且使所述第二电极的 电位高于所述第一电极的电位，并记录所述第二固定时间所产生的第二Co t tre 11电流值； (e) 移除所述第二反应直流电压并停滞第二期间； (f) 重复步骤(b)至步骤(e)至少两次，并各别累加所述第一 Cottrell电流值与所述第 二Cottrell电流值;及 (g)计算所述累加第一 Cottrell电流值与所述累加第二Cottrell电流值的比值，其中 所述比值反映所述待测样品在所述第一电极及所述第二电极的布满状况。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第一反应直流电压与第二反应直流电 压是透过循环伏安曲线(cyclic voltammograms)决定，且所述第一反应直流电压与所述第 二反应直流电压的信号噪声比（S/N Ratio)大于或等于1。4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第一电极与所述第二电极位于同一基 版。5. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一电极与所述第二电极上具有酵素及电子传递中介物，其中所述酵素对所述 待测样品进行氧化反应;或 所述的第一电极与所述第二电极上具有酵素及电子传递中介物，其中所述酵素对所述 待测样品进行还原反应。6. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一固定时间为3ms至2s;及/或 所述的第二固定时间为3ms至2s。7. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一固定时间与所述第二固定时间相同；及/或 所述的第一固定时间与所述第二固定时间均为20ms。8. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一期间为〇ms至50ms;或 所述的第二期间为〇ms至50ms。9. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一期间及所述第二期间时间相同；及/或 所述的第一期间及所述第二期间均为20ms。10. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第一电极与所述第二电极的电化学 反应面积相同，其中当所述比值为1时，表示所述待测样品布满所述第一电极及所述第二电 极。11. 如权利要求2所述的方法，其特征在于， 所述的第一电极的电化学反应面积大于所述第二电极的电化学反应面积;或 所述的第一电极的电化学反应面积小于所述第二电极的电化学反应面积。12. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的传感器为电化学传感器。13. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的方法用以判断所述传感器的测试的 有效性，其中所述比值为0.3至3.3时，可代表所述传感器的所述测试为有效。14. 一种判断待测样品布满状况的侦测方法，是应用于至少具有第一电极与第二电极 的传感器，其特征在于，步骤包括： (a) 提供所述待测样品，使其从所述第一电极流向所述第二电极； (b) 提供微处理器及具有开关组的电压切换单元装置，当所述微处理器提供讯号使所 述开关组中的第一电路接通且第二电路断开时，于第一固定时间，施加第一反应直流电压 于所述第一电极与所述第二电极间，使所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并 记录所述第一固定时间所产生的第一 Cottrell电流值，其中所述第一电极作为工作电极， 且所述第一Cottrell电流值与被所述待测样品覆盖的所述第一电极的表面积成正比，所述 的第一固定时间为20ms; (c) 移除所述第一反应直流电压并停滞第一期间，所述的第一期间为20ms; (d) 所述微处理器提供讯号切换所述电压切换单元装置的所述开关组中的所述第一电 路为断开且所述第二电路为接通，并于第二固定时间，施加第二反应直流电压于所述第一 电极与所述第二电极间，所述第二反应直流电压的电压值与所述第一反应直流电压的电压 值相等，且使所述第二电极的电位高于所述第一电极的电位，并记录所述第二固定时间所 产生的第二Cottrell电流值，其中所述第二电极作为所述工作电极，且所述第二Cottrell 电流值与被所述待测样品覆盖的所述第二电极的表面积成正比，所述的第二固定时间为 20ms; (e) 移除所述第二反应直流电压并停滞第二期间，所述的第二期间为20ms; (f) 循环的重复步骤(b)至步骤(e)至少两次，并各别累加所述第一 Cottrell电流值与 所述第二Cottrell电流值； (g) 计算所述累加第一 Cottrell电流值与所述累加第二Cottrell电流值的比值，其中 所述比值为0.3至3.3,用以反映所述待测样品在所述第一电极及所述第二电极的布满状 况;及 (h) 于样品体积大于0.45μ1时，判断所述待测样品是否足够，若是，则代表所述传感器 对所述待测样品中欲分析物的浓度的测试为有效。
【文档编号】G01N27/49GK106053585SQ201610656056
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2009年5月12日 公开号201610656056.1, CN 106053585 A, CN 106053585A, CN 201610656056, CN-A-106053585, CN106053585 A, CN106053585A, CN201610656056, CN201610656056.1
【发明人】黃椿木, 徐振腾
【申请人】华广生技股份有限公司