分析物濃度測量的製作方法
2023-04-24 05:48:01 1
本發明涉及基於擴散的分析物濃度測量，該測量減輕了擴散幹擾因子的效應。
背景技術：
基於電化學的傳感器，諸如自監測血糖(SMBG)條，用於測量/確定液體樣品例如全血中的分析物濃度。然而，該傳感器的準確性可能受到擴散幹擾因子(DIF)的影響，該擴散幹擾因子例如血液紅細胞壓積(Hct)影響分析物質量在測試液體中的傳遞，因為紅細胞阻塞了分析物(例如葡萄糖)的擴散途徑。需要開發用於DIF減輕的技術，以滿足對產品準確性的要求。
DIF減輕可分為主動方法和被動方法。前者依賴於使用DIF敏感信號以進行DIF「測量」，然後該測量用於DIF校正。主動方法的問題是其需要額外的機構，諸如另外的條元件、更多的測量步驟和另外的裝置/儀表部件/零件。相比之下，被動方法使用DIF不敏感信號或具有忽略不計的DIF效應的信號進行分析物測量。
US8105478B2描述了一種用於選擇脈衝長度的方法，該脈衝長度用於測量在分子生物檢測系統中作為媒介物的氧化還原活性物質的濃度，在該系統中合適的電位被施加到工作電極，使得氧化過程和還原過程中的至少一個作為氧化還原反應發生。該方法包括使對工作電極的電位施加脈衝，並且另選地形成測量階段和馳豫階段；選擇測量階段脈衝長度，使得朝向脈衝的結束處，與法拉第電流相比電容電流相對較小；以及選擇馳豫階段脈衝長度使得朝向脈衝的結束處，濃度梯度被豫馳，使得在隨後測量階段的開始處，由測量本身對媒介物的消耗所帶來的媒介物的濃度改變最大程度被反向為接近原始水平。
技術實現要素：
根據本發明，提供了一種方法，該方法使用電化學電池中的氧化還原反應並使用至少一個脈衝循環來減小或減輕DIF在確定分析物濃度的方法中的效應，該電化學電池具有至少兩個電極，該至少兩個電極中的一個電極為工作電極，至少一個電極暴露於至少一種氧化還原媒介物，每個循環具有第一電位和第二電位，該方法包括：施加第一電位以引發積累階段，該積累階段促使在工作電極處或靠近工作電極以朝向本體溶液降低的濃度來積累媒介物濃度梯度；施加第二電位以引發測量階段並耗盡媒介物的所建立的濃度梯度；以及在耗盡所建立的濃度梯度的過程中測量與每個循環的第二電位相關聯的電流。所測量的電流可用於計算分析物濃度。
通過促使在循環的積累階段中在工作電極處以朝向本體溶液降低的濃度來建立媒介物濃度梯度，降低葡萄糖測試電流對Hct的敏感度，同時增強對葡萄糖的電流敏感度。
濃度梯度朝向本體溶液可逐漸並連續地降低。另選地，濃度梯度可為波動的，同時朝向本體溶液大體上降低。
至少一個電極可塗覆有至少一種氧化還原媒介物。另選地或除此之外，電極可以位於包括至少一種氧化還原媒介物的溶液中，並因此暴露於至少一種氧化還原媒介物。
積累階段可在工作電極處進行還原，並且測量階段可在工作電極處進行氧化。另選地，根據涉及分析物和媒介物的氧化還原反應的性質，在工作電極處，積累階段可進行氧化，並且測量階段可進行還原。如本領域中所公知，積累階段是否應當進行還原或氧化取決於媒介物在電極表面處發生非均相反應之前的媒介物狀態(氧化的或還原的)。另外，應當理解，多於一種媒介物可用於一系列氧化還原反應。
除第一電位和第二電位之外，另外的電位可被施加到電極。可以在第一電位之前或者第二電位之後施加此另外的電位。例如，可在施加至少一個脈衝循環之前施加引發電位，其中引發電位具有開放電路或電位，用於實現在電極處基本上無氧化還原反應。可在施加每個脈衝循環之前施加引發電位。在所有情況下，第二電位必須立即沿循第一電位，使得促使濃度梯度積累的積累階段恰好在測量階段之前。
第二電位使得在耗盡媒介物的所建立的濃度梯度之後而以朝向本體溶液增加的濃度來積聚媒介物的另一個濃度梯度(建立相反的濃度梯度)。
第一電位和第二電位的量值相對於引起基本上零電流的電位(E0)可為對稱的。第一電位和第二電位的量值相對於E0可為非對稱的。
第一電位和第二電位的持續時間可以相同。第一電位和第二電位的持續時間可以不同。第一電位和第二電位的持續時間可以小於10分鐘、優選地小於1分鐘、並且最優選地小於5秒。第一電位和第二電位的持續時間可以介於每個脈衝循環的總時間的5％至100％之間。
根據本發明的另一個方面，提供了一種使用電化學電池中的氧化還原反應並使用至少一個脈衝循環來確定分析物濃度的測試儀，該化學電池具有至少兩個電極，該至少兩個電極中的一個電極為工作電極，至少一個電極暴露於至少一種氧化還原媒介物，每個循環具有第一電位和第二電位，該測試儀被構造成：施加第一電位以引發積累階段，該積累階段促使在工作電極處或靠近工作電極以朝向本體溶液降低的濃度來積累媒介物濃度梯度；施加第二電位以引發測量階段並耗盡媒介物的所建立的濃度梯度；以及測量與每個循環的第二電位相關聯的電流。優選地，測試儀被構造成使用所測量的電流來計算分析物濃度。
積累階段可為還原，並且測量階段可為氧化。另選地，根據涉及分析物和媒介物的氧化還原反應的性質，積累階段可為氧化，並且測量階段可為還原。另外，應當理解，多於一種媒介物可用於一系列氧化還原反應。
第二電位使得在耗盡媒介物的所建立的濃度梯度之後而以朝向本體溶液增加的濃度來積聚媒介物的另一個濃度梯度。
第一電位和第二電位的量值相對於導致基本上零電流的電位(E0)可為對稱的。第一電位和第二電位的量值相對於E0可為非對稱的。
第一電位和第二電位的持續時間可以相同。第一電位和第二電位的持續時間可以不同。第一電位和第二電位的持續時間可以小於10分鐘、優選地小於1分鐘、並且最優選地小於5秒。第一電位和第二電位的持續時間可以介於每個脈衝循環的總時間的5％至100％之間。
附圖說明
現在將僅以舉例的方式並且結合下列附圖來描述本發明的各個方面，其中：
圖1示出通過控制電位在兩個電極處切換氧化還原反應；
圖2示出在圖1中的氧化還原反應的切換下，工作電極E1處的M還原(還原媒介物)濃度梯度的演變；
圖3示出用於施加到電化學電池的電極的測試波形和控制波形；
圖4示出使用圖3的波形時，對葡萄糖的電流靈敏度與各種樣品所需的測量時間，其中圖例中的數字為以百分比計的Hct水平，並且
圖5示出在圖3的波形的四個氧化脈衝的0.3秒處，與標稱Hct的對葡萄糖的電流靈敏度的偏差百分比，其中圖例中的數字為圖3的波形的脈衝號。
具體實施方式
本發明通過切換和控制在基於電化學的使用媒介物的傳感器的工作電極和反電極處的氧化還原反應來減輕DIF電流信號的效應。這通過在積累階段期間，在工作電極附近形成比本體試樣更高的媒介物濃度來完成，使得媒介物濃度梯度在每個測量階段的開始時就存在。理想的是，媒介物濃度梯度從工作電極到本體試樣中延伸至少10nm。媒介物濃度梯度不應到達反電極，因此理想的是，媒介物梯度的最大範圍小於工作電極和反電極的距離。在許多實際的具體實施中，優選的是，在結束積累階段並開始測量階段時，媒介物濃度梯度不延伸超過工作電極和反電極之間距離的一半。
圖1示出一個脈衝循環和電化學測試條的被引發的對應氧化還原反應，該電化學測試條具有兩個電極：工作電極E1和反電極E2。兩個電極覆蓋有試劑層，該試劑層包含氧化還原媒介物(M)和酶(Enz)。為了測試該條，工作電極E1和反電極E2分別與全血樣品接觸，並且將電位(電壓)施加在兩個電極之間。這導致在血液(均相氧化還原反應)中和兩個電極(非均相氧化還原反應)的表面處的氧化還原反應。
對於非均相氧化還原反應，氧化發生在一個電極處，並且同時還原發生在另一個電極處。在圖1中，電位以一系列方形波(脈衝)施加。兩個電極處的氧化還原反應通過將脈衝從還原電位(E還原)改變為氧化電位(E氧化)進行切換。這可以通過控制電位的量值來完成，並且如果需要，可以通過控制極性來完成。E0是基本上不引起氧化還原反應(既沒有還原也沒有氧化)的電位。E還原與E0的偏差(差異)和E氧化與E0的偏差可以相同(即，如圖1所示，相對於E0對稱)或不同。
如圖1所示，在E還原下，被氧化的媒介物(M氧化)在工作電極E1處發生還原(反應3)，同時被還原的媒介物(M還原)在反電極E2處發生氧化(反應2)。同時，葡萄糖(Gluc)與M氧化反應(涉及酶(Enz))以在血液中產生M還原(反應1)。因此，M還原在工作電極E1(反應1和反應3均產生M還原)處「積累」成濃度Ci，該濃度高於起始的M還原濃度C0，並且以從工作電極E1表面朝向本體溶液降低的M還原濃度來建立M還原濃度梯度(參見圖2A至圖2B)。M還原濃度梯度可以表示為：Cg＝(Ci-C0)/di。更大的Cg意味著更多的M還原保留在更靠近電極表面處。
除了反應1和反應3(圖1)的速率與葡萄糖濃度成比例之外，Cg取決於Hct。Hct越高，M還原遠離電極表面擴散越慢，並由此，在還原脈衝過程中建立更大的Cg。
在從E還原變為E氧化時，在兩個電極處的非均相氧化還原反應被切換(參見圖1)。在使用氧化脈衝(在E氧化下)進行葡萄糖測量的情況下，葡萄糖濃度通過測量反應5的速率，例如通過測量電流來確定。反應5的速率與在工作電極E1的表面處的可用M還原成比例。反應5在足夠高的速率下進行以致使在工作電極E1的表面處M還原的消耗快於其供應(通過擴散)。這意味著M還原濃度隨時間從Ci經C0，最終降至C零(參見圖2C中濃度梯度虛線)。在工作電極E1的表面處的M還原濃度降低至低於C0之後，Cg為負，並且反應5的速率隨著時間以Cottrell方程(見下方)所述的模式降低，並且葡萄糖的測量與Hct有關。
此處，i是反應5的速率，表示為電流(安培)；n是在非均相氧化還原反應中傳輸的電子數量；F是法拉第常數(96485庫倫/摩爾)；A是電極面積(cm2)；D是擴散係數(cm2/秒)；t是測試時間(秒)；並且C0是反應物起始濃度(mol/cm3)。
在時間窗口上，Cg為正，反應5的速率取決於M還原擴散和在先前的還原脈衝期間建立的M還原濃度梯度。提高Hct降低M還原的擴散，但增大M還原的濃度梯度。因此，通過操縱氧化還原反應的切換來抵消Hct對葡萄糖測量的影響。為了從該經抵消的測量中獲益，必須僅在濃度梯度的耗盡階段測量電流，即，當濃度梯度被耗盡時測量電流。在耗盡階段之後，當媒介物濃度降低到其起始水平(即，在積累階段之前的水平)以下時，電流變得與Hct相關。
在積累階段期間的M還原濃度梯度的建立可以各種方式實現，包括但不限於控制所施加的電位量值和/或脈衝極性，控制兩個電極的有效面積比，控制脈衝時間，控制試劑層組分和量比，或者它們的任何組合。在以下示例中，所施加的脈衝的電位量值用於促使媒介物濃度梯度的積累，並且隨後在工作電極處耗盡已建立的媒介物濃度梯度。然而，用於控制媒介物濃度的積累和耗盡的其它技術是可能的。
圖3示出控制波形W69和測試波形W70。測試波形W70和控制波形W69之間的差別在於測試波形W70比控制波形W69具有更高的電位量值，該電位量值用於還原脈衝(脈衝2、4、6、8)，以增強在這些脈衝期間工作電極E1處的M還原濃度梯度的建立(參見圖1)。
測試波形的氧化和還原脈衝兩者均為過電位。這意味著電位的量值足以用於電極處的氧化還原反應，該氧化還原反應通過媒介物和/或分析物朝電極的擴散來控制。氧化和還原脈衝的量值通過考慮媒介物和電極的電化學特性進行選擇和控制。氧化和還原脈衝兩者均可具有正、負或零電位。
圖3的每個波形具有9個方形脈衝。在工作電極E1處，脈衝2、4、6、8導致還原(圖4中的負電流)並且脈衝3、5、7、9導致氧化(圖4中的正電流)。脈衝1是在脈衝的重複循環開始之前施加的一次引發脈衝(即，它不是重複的脈衝循環的一部分)。脈衝1是欠電位脈衝，其中在電極處的氧化還原反應的速率通過非均相氧化還原反應的動力學進行控制，以允許條試劑層的水合/溶解(此脈衝的電位可以是E0或接近E0，以將工作電極E1和反電極E2兩者處的氧化還原反應保持在最小限度)。脈衝1也可以是開放電路。
在該實驗中，9個脈衝的總測試時間被設計為6.25秒，但是測試可以在5秒(即，不具有脈衝8和9)或更少時間內完成。使用穩壓器將波形施加到條，使得在工作電極E1處的正電位導致氧化，並且負/零電位導致還原。氧化電流(即從圖1中的反應5所得的正脈衝電流)用於葡萄糖測量。使用在氧化還原反應期間測量的電流確定葡萄糖濃度的技術在本領域中是已知的，並因此將不再詳細描述。
W69和W70電流瞬態的實驗室測試結果於圖4中示出。圖4的頂部行和底部行分別示出針對W69和W70在五個目標葡萄糖濃度(TG)下，對葡萄糖的電流靈敏度(即，每mg/dL葡萄糖生成的電流(以安培計))與測試時間的曲線圖。對於每個目標葡萄糖濃度，針對W69和W70測試相同的血液樣品。圖中的每條線代表6次重複測試的平均電流靈敏度。每個圖示出在五個目標Hct水平(從20％至60％)下的五個平均電流靈敏度。
圖4示出在W69的每個圖中，在正脈衝(測量脈衝)的線之間存在清晰的分離。更高的Hct對應於更低的電流靈敏度。這指示W69測量電流對於Hct變化是敏感的。相比之下，對於W70的圖，線分離消失或顯著降低，即有效地說明了Hct為DIF。
W70導致顯著高於W69的電流靈敏度，即相比於W69，W70對葡萄糖具有增強的電流靈敏度。電流靈敏度被增強兩倍：1)圖4中的W70線比W69線具有更高的量值；2)每個脈衝的W70線具有類似/接近的量值(如果進行疊加，則它們在彼此的頂部)，而每個脈衝的W69線隨時間降低，即W70在整個測試時間內保持電流靈敏度，然而W69不在整個測試時間內保持電流靈敏度。這是因為在還原脈衝期間所建立的M還原濃度梯度導致後續氧化脈衝的反應5被增強。
圖5也示出了Hct的減輕，在此情況下偏差百分比是目標Hct和標稱Hct(此處定義為42％，因此這具有零偏差)之間的電流靈敏度的差值。例如，使用氧化脈衝3、5、7和9(參見圖3)的0.3秒處的電流靈敏度。對於W69的結果，隨著Hct的增大，與標稱Hct的電流靈敏度的標準偏差在約20％至-20％範圍內。相比之下，對於W70的結果，與標稱Hct的電流靈敏度的偏差減小，該偏差在小於+/-10％範圍內。
上述實施方案使用對脈衝量值的控制來促使濃度梯度的建立。然而，DIF減輕，並且具體地講Hct的減輕，可以通過其它方式實現。例如，這可以通過增大反電極E2與工作電極E1的有效表面比率，或者增大積累階段脈衝的持續時間來實現。實際上，可以使用促使在工作電極E1處積累媒介物的濃度梯度的任何技術。
本發明提供了一種用於減輕DIF效應的簡單且有效的技術，該DIF效應提供Hct非靈敏測量。該方法可被施加到現有產品中，而對條不做出任何改變。
技術人員將了解，在不脫離本發明的情況下，本發明所公開的布置的變化是可能的。例如，雖然已經參照僅具有兩個電極的測試條描述了本發明，但本發明可等同地被施加至具有三個或更多電極的條。同樣地，雖然在執行的特定測試中僅使用了單個引發脈衝，但引發脈衝可在積累和測量脈衝的每個循環之前被施加。因此，上面對特定實施方案的描述僅以舉例的方式進行，並且不用於限制性目的。本領域技術人員將清楚，可以在不對所描述的操作進行顯著改變的情況下進行微小修改。