用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置的製作方法
2023-10-05 13:15:29
專利名稱：用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電子傳感器裝置，且特別涉及能用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置。
背景技術：
電流式電子傳感器是通過施加電位差以驅動電子轉移反應並產生電流，測得的電流大小與目標被分析物的濃度相關。電流式電子傳感器可使得對被分析物的實際、快速、例行的測量成為可能。
在生物醫學技術領域，已經開發出生物傳感器用來分析人類的體液，從而診斷潛在的疾病或者監測健康狀況。生物傳感器是一種分析裝置，其至少包含兩個部份，一個是用來選擇性地識別樣本中的某一被分析物的生物組件(Biological component)，另一個用於傳遞生物信號以供進一步分析的變換器材(Transducer device)。例如，通常可利用生物傳感器來監測某些個體中的乳酸鹽、膽固醇、膽紅素、血紅素或葡萄糖。特別是對於糖尿病或高血脂患者，測定血液等體液中葡萄糖或膽固醇的濃度對於病情的監控非常重要。
在電流式生物傳感器之裝置開發方面的成功已經使得可以對數種生物分子，包括葡萄糖、膽固醇和各種藥物進行電流測量化驗。一般而言，電流式生物傳感器的生物組件至少包括一塊絕緣底板、二或三個電極、一個介電層、一個含有酶作為催化劑的區域以及至少一個氧化還原介體(又稱電子轉移劑)，該介體用來在被分析物的酶性氧化期間引入電子轉移。當將含有被分析物的樣本添加到該反應區域時，反應便開始進行。一般利用兩種物理效應網狀散布和毛細管作用來引導所加樣本在該反應區域上均勻地分布。然後在電極之間施加某一電位差，觸發電子移轉反應進行。待測被分析物被氧化，伴隨的酶與介體的鏈鎖反應產生電子。所施加的電位差必須足以能驅動擴散有限的氧化還原反應，但不足以啟動無關的化學反應。經過短暫延遲後，觀察並測量生物傳感器中氧化還原反應所產生的電流，該電流與樣本中被分析物的有無和/或含量相關。
測量電流式檢測所用的傳統技術範例可以在以下文獻中發現授予給Genshaw等人的美國專利第5,620,579號，其名稱為「減小電流式傳感器中偏壓的裝置」(以下稱為「專利579」)；以及授予給Szuminsky等人的美國專利第RE.36,268號，其名稱為「測量電流式診斷分析方法及裝置」(以下稱為「專利268」)。每個文獻中均提出了供應電位差以觸發氧化還原反應的不同方法。專利579揭示的待測被分析物濃度的方法是首先對電流式傳感器施加第一電位，即熔斷電壓電位；然後對電流式傳感器施加第二電位，即讀取電壓電位。測量該熔斷電壓電位的第一電流及該讀取電壓電位的第二電流，計算偏壓校正值，以便提高被分析物測定的精確度。
專利268揭示的方法可以定量測定體液中具有重要生物學意義的化合物。專利268中，在氧化還原反應的早期階段並不提供任何電壓，從而消除早期階段中不必要的功率消耗。經過一段時間後，對樣本施加一個固定電壓，並且測量相應的科特雷爾電流(Cottrell current)。
新一代電子傳感器的趨勢主要在縮短檢測時間和提高解析度，其能使信號解析度能夠得以改善，並使檢測所消耗的功率能更有效率。此外，通過不同的供電模式來推動檢測反應的進行亦是為人所期待的。
發明內容
本實用新型提供電流式電子傳感器一種新的供電模式，該供電模式可增強電流信號的解析度。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種測量樣本中被分析物含量的裝置，它包括以下部件固定器，用來固定一個含有催化劑和電極之器材；電壓產生器，其與所述固定器上的所述含有催化劑和電極之器材連接，用來產生電位曲線(Potentialprofile)，所述電位曲線包含一個偏壓和一個交流部分；檢測器，其與所述固定器上的所述含有催化劑和電極之器材連接，用來檢測在測量時間周期內所述含有催化劑和電極之器材中的電流信號；處理器，與所述電壓產生器連接，用以控制電壓產生器產生電位曲線，且該處理器與所述檢測器連接，用來將所述電流信號與所述被分析物的濃度產生關聯；以及存儲器，其與所述處理器連接，用來存儲所述處理後的電流信號。
本實用新型的特徵和優點為可以提高解析度和縮短檢測時間，其能使信號的解析度得以改善，並使檢測所消耗的功率更有效率，上述優點可以從說明中容易地看出，或者可以通過實施本實用新型而了解到。本實用新型的特徵和優點須通過權利要求書中特別指出的組件和組合來實現、獲得。
應該明白，前文的一般說明和下文的詳細說明均只是示範性的和解釋性的，而不是對本實用新型的限制。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。附圖中顯示了該實施例的一個例子。附圖中只要可能，相同的參考標記便指代相同或類似的部分。
圖1是本實用新型的一項實施例，用來測定樣本中含有的被分析物濃度的系統的框圖。
圖2是根據本實用新型的一項實施例，用來測定被分析物濃度的裝置的示意圖。
圖3是顯示根據本實用新型的一項實施例用來將電流信號與被分析物濃度產生關聯的方法的流程圖。
圖4是根據本實用新型的一項實施例，用來測定樣本中被分析物濃度的裝置的電路圖。
圖中10.系統，11.微處理器，12.電壓產生器，13.含有催化劑和電極之器材，14.檢測器，15.存儲器，20.裝置，21.固定器，22.電壓產生器，23.檢測器，24.微處理器，25.存儲器，26.指示器，27.含有催化劑和電極之器材，301.將含有某一濃度被分析物的樣本添加到含有催化劑和電極之器材27之步驟，302.將包含一個偏壓和一個交流部分的電位曲線施加給含有催化劑和電極之器材27之步驟，303.測量含有催化劑和電極之器材27所產生的電流信號之步驟，304.微處理器24處理電流信號以導出該被分析物的濃度-電流關係之步驟，40.電路圖，41.電壓產生器及檢測器，42.固定器，43.微處理器及存儲器，44.震蕩電路，45.指示器，46.選單按鍵，47.電源供應器。
具體實施方式
圖1是根據本實用新型的一項實施例，用來測定樣本中被分析物濃度的系統10的框圖。樣本來源包括但不限於血液，淋巴，唾液，陰道和肛門分泌物，尿液，糞便，汗液，淚水，以及其它體液。參考圖1，系統10包括微處理器11、電壓產生器12、含有催化劑和電極之器材13、檢測器14和存儲器15。
供應一個電位曲線以觸發含有催化劑和電極之器材13中的電子轉移反應。該電位曲線包含一個偏壓和一個交流部分。具有某一振幅並以某一頻率傳輸的交流部分為正弦波、三角形波、方波中之一或組合。將某一體積的含有某一濃度被分析物的待測樣本添加到含有催化劑和電極之器材13中，微處理器11令電壓產生器12產生某一電位曲線。市場上可購得的各種數據採集裝置，例如National Instruments公司(位於美國德克薩斯州奧斯汀市)製造的DAQ卡等，均可用作電壓產生器12。在根據本實用新型的一項實施例中，針對選擇葡萄糖作為被分析物的情況，電位曲線包含0.4V的固定偏壓和一個交流部分，該交流部分為正弦波，振幅為0.1V，頻率為1Hz。然而，該偏壓可以是一個固定的值，在測量周期內保持不變，該測量的時間周期是在約0.5至60秒的範圍內。另一方面，在其它實施例中，該偏壓亦可以隨時間而變化。在根據本實用新型的其它實施例中，該偏壓值可以為恆定值或者隨時間變化，範圍約為0.1V至2.5V，並且該正弦波的振幅可以在約0.01V至1.0V的範圍內，頻率可以在0.1Hz至100Hz的範圍內。偏壓、振幅和頻率可以隨著含有催化劑和電極之器材13或被分析物的改變而改變。
雖然所論述的實施例是針對葡萄糖的測定，但本領域的熟練技術人員應該明白，只要選擇適當的催化劑，如酶等，便可將本實用新型的裝置用於其它被分析物的測定。被分析物的例子包括代謝物質，如葡萄糖、膽固醇、甘油三酸酯或乳酸等；激素，如甲狀腺素或甲狀腺刺激素等；生理組成物，如白蛋白或血色素等；生物標誌物，包括蛋白質、脂質、碳水化合物、脫氧核糖核酸或核糖核酸；藥物，如抗癇藥或抗生素等；或非治療性化合物，如重金屬或毒素等。
將有被分析物的樣本添加至含有催化劑和電極之器材13，此催化劑可以是預先即添加的酶，然後將電壓產生器12產生的電位曲線施加給該含有催化劑和電極之器材13以便進行電子轉移反應，本反應至少需藉助一種電子轉移劑來發生。給定一種生物分子A則氧化還原過程可以用下列反應式來說明(式1)在有適當的酶存在的情況下，電子轉移劑C將生物分子A氧化成B。然後，電子轉移劑C在裝置13的某一電極處被氧化。
(式2)式中n為整數。電子被電極收集，並且測量所產生的電流。
本領域的熟練技術人員應該知道，其它許多不同的反應機制也可以實現相同的結果。式1和2隻是此種反應機制的非限制性例子。
舉例而言，一個葡萄糖分子與兩個鐵氰化物陰離子在葡萄糖氧化酶存在的情況下反應，產生葡萄糖酸內酯、兩個亞鐵氰化物陰離子和兩個質子，如下式所示
(式3)既有的葡萄糖量可藉由將亞鐵氰化物陰離子電氧化成鐵氰化物陰離子並測量產生的電流來檢測。上述過程可以用下式說明(式4)在本實用新型的較佳實施例中，適合用於葡萄糖的催化劑是葡萄糖氧化酶，含有催化劑和電極之器材13中的試劑包含下列配方600u/mL的葡萄糖氧化酶，0.4M的鐵氰化鉀，0.1M的磷酸鹽緩衝劑，0.5M的氯化鉀，以及2.0g/dL的明膠。
在另一個例子中，需要測量樣本中含有的膽固醇(可能包括膽固醇和膽固醇酯)總量。含有催化劑和電極之器材13中提供的適當酶包括膽固醇酯酶和膽固醇氧化酶。膽固醇酯在膽固醇酯酶存在的情況下水解成膽固醇，如下式所示(式5)然後，膽固醇氧化成膽甾烯酮，如下式所示
(式6)膽固醇總量可藉由將亞鐵氰化物陰離子電氧化成鐵氰化物陰離子並測量產生的電流來檢測。
(式7)檢測器14可檢測來自含有催化劑和電極之器材13中的電流信號。微處理器11會處理並分析該電流信號，然後使經處理的電流信號與被分析物(例如葡萄糖或膽固醇)濃度產生關聯。存儲器15會儲存該經處理的數據和相同電位曲線下的電流-濃度關係。系統10可進一步包括一顯示組件(未示出)，用來顯示檢測結果。
圖2是根據本實用新型的一項實施例，用來測定被分析物濃度的裝置20的示意圖。參考圖2，裝置20包括固定器21、電壓產生器22、檢測器23、微處理器24、存儲器25、指示器26和含有催化劑和電極之器材。固定器21可接收、連接並固定含有催化劑和電極之器材27。存儲器25中存儲有(例如)一個查找表，列出被分析物各種濃度與相應電流水平之間的濃度-電流關係。電壓產生器22產生的電位曲線實質上與用來建立濃度-電流關係的曲線相同。將該電位曲線施加給含有催化劑和電極之器材27。檢測器23檢測自含有催化劑和電極之器材27所產生的電流信號。微處理器24處理電流信號，並將所處理的結果與濃度產生關聯。通過映射、線性插值法或者其它方法將檢測到的電流水平與存儲器25中存儲的查找表相比較。裝置20的指示器26顯示樣本中被分析物的水平。
圖3是顯示根據本實用新型的一項實施例用來將電流信號與被分析物濃度相關的方法的流程圖。參考圖3，在步驟301中將含有某一濃度被分析物的樣本添加到一個含有催化劑和電極之器材27上。接著在步驟302中，將包含一個偏壓和一個交流部分的電位曲線施加給該器材27。然後在步驟303中測量該器材27所產生之電流信號。在步驟304中，微處理器24處理電流信號以導出該被分析物的濃度-電流關係，該濃度-電流關係可以採用查找表的形式存儲在存儲器25中。
圖4是根據本實用新型的一項實施例，用來測定被分析物濃度的裝置的電路圖40。參考圖4，電路圖40包括電壓產生器及檢測器41、固定器42、微處理器及存儲器43、震蕩電路44、指示器45、選單按鍵46及電源供應器47之電路布局。
為了圖解和說明的目的，上文已經揭示了本實用新型的優選實施例。說明無意窮盡一切或者將本實用新型限制為所揭示的精確形式。本領域的熟練技術人員依據以上的揭示，很容易想到所述實施例的許多變化及更改。本實用新型的範圍僅由權利要求書及其等效技術方案來確定。
另外，在說明本實用新型的代表性實施例時，本說明書可能是以特定的步驟序列來提出本發明的方法和/或程序。但是，在方法或程序並不依賴說明書所提出的特定步驟序列的範圍內，方法或程序並不局限於所述的特定步驟序列。本領域的熟練技術人員應該明白，其它的步驟序列也是可能的。因此，說明書中提出的特定步驟序列不應該被理解為是對權利要求書的限制。另外，針對本實用新型的方法和/或程序的權利要求書並不受按寫明的順序執行其步驟的限制，並且本領域的熟練技術人員很容易明白，可以改變執行順序而仍然處在本發明的精神和範圍內。
權利要求1.一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述裝置包含固定器，用來固定一個含有催化劑和電極之器材；電壓產生器，其與所述固定器上的所述含有催化劑和電極之器材連接，用來產生電位曲線，所述電位曲線包含一個偏壓和一個交流部分；檢測器，其與所述固定器上的所述含有催化劑和電極之器材連接，用來檢測在測量時間周期內所述含有催化劑和電極之器材中的電流信號；處理器，與所述電壓產生器連接，用以控制電壓產生器產生電位曲線，且該處理器與所述檢測器連接，用來將所述電流信號與所述被分析物的濃度產生關聯；以及存儲器，其與所述處理器連接，用來存儲所述處理後的電流信號。
2.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述交流部分包括正弦波、三角形波或方波中之一。
3.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述交流部分包括正弦波、三角形波或方波的組合。
4.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述偏壓在所述測量時間周期內保持不變。
5.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述偏壓在所述測量時間周期內隨時間變化。
6.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述測量時間周期是在0.5至60秒的範圍內。
7.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述電位曲線包含一個範圍在0.1V至2.5V之間的偏壓。
8.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述電位曲線包含一個振幅範圍在0.01V至1.0V之間的正弦波。
9.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述電位曲線包含一個頻率範圍在0.1Hz至100Hz之間的正弦波。
10.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述被分析物為葡萄糖，並且所述催化劑包括葡萄糖氧化酶。
11.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述被分析物包括膽固醇或膽固醇酯中至少其中一者，並且所述催化劑包括膽固醇氧化酶。
12.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述含有催化劑和電極之器材包含至少一種電子轉移劑。
13.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述被分析物包括代謝物質、激素、生理組成物、生物標誌物、藥物、或非治療化合物中之一。
14.根據權利要求1所述的一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，其特徵在於，所述被分析物包括甘油三酸酯、乳酸、甲狀腺素、甲狀腺刺激素、白蛋白、血色素、蛋白質、碳水化合物、脂質、脫氧核糖核酸、核糖核酸、抗癇藥、抗生素、重金屬或毒素中之一。
專利摘要一種用來測量樣本中被分析物含量的電子傳感器裝置，它包括以下部件固定器，用來固定一個含有催化劑和電極之器材；電壓產生器，與固定器上的含有催化劑和電極之器材連接，用來產生電位曲線，電位曲線包含一個偏壓和一個交流部分；檢測器，與固定器上的含有催化劑和電極之器材連接，用來檢測在測量時間周期內含有催化劑和電極之器材中的電流信號；處理器，電壓產生器連接，用以控制電壓產生器產生電位曲線，且該處理器與檢測器連接，用來將電流信號與被分析物的濃度產生關聯；以及存儲器，與處理器連接，用來存儲處理後的電流信號。
文檔編號G01N27/26GK2837839SQ200520008558
公開日2006年11月15日 申請日期2005年3月16日 優先權日2005年3月16日
發明者李世光, 吳文中, 蕭文欣 申請人:商洲生技有限公司, 李世光