CN100401047C - 生物传感器装置中取样体积适当的测定 - Google Patents

Abstract

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。

Description

生物传感器装置中取样体积适当的测定

技术领域

本发明领域是电化学测定生物流体中的分析物，尤其是待测试分析物浓度的生物流体样品体积适当的电化学测定。

发明背景

生物流体，例如，血液或血源性产品如血浆的分析物浓度测定对当今社会具有日益增长的重要性。这类化验发现用于许多用途和装置，包括临床实验室测试、家庭测试等等，这类测试的结果在许多疾病症状的诊断和处理中起显著作用。通常感兴趣的分析物包括用于糖尿病管理的葡萄糖、用于监控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，已经研发了许多适于临床和家庭使用的分析物检测方案和装置。

用于分析物检测的一种类型的方法是电化学基础的方法。在这类方法中，含水液体样品放入由至少两个电极(即，相反的/参考电极和工作电极)组成的电化学电池的反应区，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，分析物，允许直接与电极，或者直接或间接与氧化还原剂反应，生成与分析物浓度相对应数量的可氧化(或可还原)物质。接着电化学估计出现的可氧化(或可还原)物质的数量，该数量与开始样品中存在的分析物数量有关。

通常地，电化学电池是可任意处理的测试条形式，生物样品在上面沉积，它在进行电化学分析物浓度测定的仪表内是可接收的。采用这些类型测试条(通常被称作生物传感器)的仪器的测试系统的实例包括美国专利Nos.5,942,102、6,174,420 B1和6,179,979 B1中找到。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测定首先包括获得生物样品并且使样品与测试条的反应区接触，以便生物样品，更具体地是感兴趣的分析物或其衍生物，可以与与反应区域相联合的化学(例如测试试剂)反应。为了获得具体感兴趣分析物的准确测定，必须将最小取样体积用于反应区。通常归因于用户的错误或者患者不熟练或判断错误，提供不充分量的取样体积并非不寻常的。不准确的测定能够导致误诊或不当治疗，例如服用不适当剂量的药物、病人不依从等。这样对于生活依赖频繁监控体内分析物的人，例如糖尿病人，会导致严重和甚至有生命成胁的后果。

一种确保充分生物样品的手段是过饱和或使用大于充满测试条反应区必需体积的取样流体。采用不必要的大体积的取样流体尤其是血液的缺点，是需要从患者抽取较大体积的血样。这里要使用相当大的血样体积，从而必需使用较大直径的针管和/或刺入皮肤更深。这些因素能增加患者的不适和疼痛，并且对于毛细管血液不易于压出的个体，很难完成。由于这种取样方法在一天内能经常重复，例如对于许多糖尿病人，疼痛的增加迅速变得几乎不能忍受或无法一同忍受。

已经研发了一些分析物检测生物传感器以提供视觉上确认取样体积的适量，然而，这种特征不排除病人判断取样体积适量中的可能错误，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器提供用户独立的测定样品体积适当的方法。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No.PCT/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，它通过将已知频率的低水平AC电压信号(无DC电压偏移)用于生物传感器，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感器的样品体积适当。这些阻抗值接着与微处理器的程序存器内的检查表比较。考虑到这种系统取决于血液血细胞比容水平和环境温度变化，这种方法的准确性可能是另外成问题的。

‘881公开说明书公开的另一技术缺点在于：如果测定样品体积不充分，分析物检测测试必须中止，即“合格不合格”情形。这导致需要从患者采集另一样品，如上所述，这是不方便的和对于患者是非常疼痛的，可能导致患者在他或她药物治疗方案中不依从。此外，重复测试导致测试条的浪费并增加了方法的成本。

如所指的，在适于准确和精确测定用于电化学分析物浓度测定的样品体积适当的新技术上有持续的兴趣。特别的兴趣会是开发能够非常准确和迅速测定样品体积适当的方法。开发这种样品体积适当测定技术是额外有益的，其中取样体积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体积，提供准确的分析物浓度测定，不需要提供新的样品和进行新的实验。

发明内容

本发明提供测定生物样品体积和测定该体积是否足以产生对至少一种选自生物样品特征(例如其中包含的分析物浓度)进行准确测定的系统和方法。某些这类方法和系统提供了对被确定为小于适当的样品体积进行校正以便继续进行测定程序的附加功能。

本发明采用生物传感器，例如生物溶液的样品体积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，以下更完整地介绍，包括由相反的电极组成的电化学电池，在电极之间定义为接收生物学样品的反应区，其中反应区具有规定的厚度和体积。

充分的电压作用于电化学电池时，双层充电和电化学反应会发生。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反应，两个不同的电容分量，C_dl和C_s，分别有助于电池的总或等效电容(参见Bard，A.J.和Faulkner，L.R.电化学方法，1980)。

发明人已经发现电化学电池的等效电容在精确测定取样体积中是最相关因素，由于等效电池电容和与样品(“覆盖的电池面积”)接触的电池电极的表面积数量成线性比例，因此，与电池内，即电极之间的样品体积成线性比例。发明人还发现电化学电池的等效电阻在精确测定取样体积中额外相关，原因是等效电池电阻与覆盖的电池面积成反比，并因此与取样体积成反比。

从而，本发明的一项特征是由等效电池电容或者等效电池电容和等效电池电阻可以导出这样的覆盖的电池面积和相应取样体积。

本发明的另一项特征是控制某些其它干扰准确测定取样体积的因素(例如，电池的厚度、离子类的浓度，等等)，以便等效电池电容的值独立并不受样品内葡萄糖浓度和血液血细胞比容水平、环境温度、血液供血者特性和其它血液通常的干扰成分的影响。

本发明的又一项特征是提供对确定为小于充分量的取样体积进行校正以便继续进行准确的分析物浓度测定的额外功能。

从而，本发明提供测定用于测定供体(donor)内一种或多种选择分析物浓度的生物样品体积适当的方法，该方法达到了这些目的并提供了这些特征。

在主题方法的某些实施方案中，低振幅和具有选择频率的的交流电压(AC电压)作用于含有待测试生物样品的生物传感器，因此给生物传感器充电。可选择地，直流电压(DC电压)可同时与AC电压一起应用，以增加使生物传感器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。接着用等效电池电容确定与样品溶液接触的生物传感器的表面积的值，然后将表面积用于导出生物传感器内样品的体积。在确定样品体积对进行准确的分析物浓度测定适当之后，测定该分析物的浓度。另一方面，如果确定取样体积不充分，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体积进行校正。不充分的取样体积的校正包括确定必需的校正系数，它至少部分上包括确定含有实际取样体积的生物传感器的等效电池电容与充满整个可利用的体积时的生物传感器电池电容之比。

本发明也包括实施主题方法的系统。主题系统包括电子元件和/或打算使用并且与生物传感器电子偶合的电路，例如，如可任意使用(disposable)测试条形式的电化学测定电池，其中待测试取样溶液通过毛细管作用沉积和取出。更典型地，该电子电路与仪表或其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，例如自由使用的测试条接合，并且测定电化学电池内生物样品的一种或多种物理或化学特性。最典型地，这类特性包括生物样品内一种或多种靶分析物的浓度。这种电子电路包括分立的电子元件，例如，电源电压，和/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或数据输入执行主题方法的步骤和功能的微处理器。

在某些实施方案中，本发明的系统包括如刚才描述的电子电路和自动化测定装置或仪表，其中电子电路结构上和功能上与自动化测定装置构成整体。

主题方法和系统用于测定不同生物样品，例如尿、眼泪、唾液等的取样体积的同时，它们特别适用于测定血液或血液部分等的取样体积。此外，主题系统和方法适于测定为测定样品中多种物理和化学特征作准备的取样体积。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。

附图说明

图1是适于电化学分析物浓度测定的示范性常规电化学测试条的部件分解图，它可用于本发明。

图2是图1测试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感器偶合以便电压作用于生物传感器时测定电化学生物传感器等效电池电容的本发明系统的方框图。

图4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容(y轴)与时间(x轴)的变化关系图。

图5是描述图1测试条电池以取样溶液分别完全和半充满时，电化学等效电阻(y轴)与时间(y轴)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容(x轴)在将取样溶液用于测试条(y轴)之后0.5秒的变化关系的直方图。

图7是描述图1测试条电池以取样溶液分别完全和半充满时，电效电池电容和等效电池电阻(y轴)与时间(x轴)的比率图。

图8描述电化学电池以取样溶液分别完全充满和半充满时，等效电池电容和等效电池电阻(y轴)对点样后0.5秒测定的等效电池电容(x轴)的比的散点图。

具体实施方案

本发明提供适于测定测定样品选择特征(例如，分析物浓度)目的的生物样品体积，以及测定是否该体积足以产生选择特征准确测定的系统和方法。某些这类系统和方法提供了对被确定为小于适当的取样体积进行校正以便对该特征进行准确测定的额外功能。

在进一步详细描述本发明之前，本发明应该被理解为不限于所描述的具体实施例，当然同样可以变化。同样应当理解本文使用的术语仅仅是用于描述具体实施方案目的，并不打算限制，原因是本发明的范围仅仅通过待审的权利要求限制。

在所提供的数值范围中，可以理解成：在一个范围和其他任何所述的范围内的每一个中间值，除非另有清楚描述，为下限单位的十分之一，或那个所述范围内的中间值，包括在本发明内。独立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，可以有所述范围内的任何具体除外的界限。所述范围包括一个或两个界限，本发明还包括除外任何一个所包括的界限的范围。

除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解相同的含义。尽管任何类似或等同于本文描述的方法和材料也可用于本发明的实践或测试，但是本文还是描述了有限数量的示范方法和材料。

必须注意，如本文和待审的权利要求使用，单数形式的“一”(a、an)和所述(the)包括复数对象，除非上下文有另外清楚的说明。

本文叙及的所有公开说明书收编于此作为参考，以公开和描述与引用的公开说明书相关的方法和/或材料。仅仅由于它们在本申请提交日之前公开，因此可以提供本文讨论的公开说明书。本文不会构成本发明由于在先发明无权提前该公开的许可。进一步地，提供的公开日期可能不同于实际公开日期，它需要单独确认。

定义

本文使用的术语“双层”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)之间的界面所存在的带电种类和定向偶极的整个阵列。

本文使用的术语“双层电容”C_dl意指通过双层电极溶液界面充电所致的电容。

本文使用的术语“法拉第电容”C_g指归因于发生在电极表面上的电化学反应过程的假电容分量。

本文使用的术语“法拉第电流”i_F意指发生在已经施加电压的电极表面的电流或电子转移。本文使用的关于电化学电池的术语“等效电池电容”C指跨过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。等效电池电容由双层电池电容和法拉第电容支配。

本文使用的与电化学电池有关的术语“等效电池电阻”R意指经电化学电池的总等效电阻，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或元件(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等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。

本文使用的术语“法拉弟电流”i_F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。

本文可互换使用词语“装置”、“测定”、“计算”等和它们各自的派生词。

本发明现在将详细描述。在进一步描述本发明中，首先介绍该系统使用和本发明方法采用的示范性的电化学生物传感器，接着是主题方法和系统的详细说明，以及包括用于实施该主题方法的主题系统的试剂盒的说明。

电化学传感器

如上概述，本发明提供用于测定生物材料样品体积(该生物材料样品用于分析物浓度测定)并确定该体积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感器的方式使用，更具体地是基于电化学电池的生物传感器，其中存放或传送取样的生物材料。基于电化学电池的生物传感器存在变通的设计。分析物浓度监测领域采用的最通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和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测定而配置的仪表一起使用，例如在上述专利参考文献中公开的那些。

除了测试条之外的电化学生物传感器也适用于本发明。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是显微针形式，例如或者总体在针结构内以便就地(例如，通常在皮肤表面上)测定，或者以有形或液体的形式与微针结构相连通(comminication)。这类显微针的例子公开在2001年6月12日提交的共同未决的美国专利系列号Nos.09/878,742和09/879,106中，收编于此作为参考。对本公开而言，会在以测试条构造内的电化学电池方式使用中描述主题装置；然而，本领域熟练人员会理解主题装置可以任何适合的电化学电池构造的方式使用，包括显微针构造。

进行的该类型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性质，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势分析中的电势。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，主题装置可以采用任何类型的分析和电化学测定。

通常地，任何构造中，电化学电池包括在相同平面内或者相对排列或者左右排列的至少两个分开间隔的电极。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测定。在并排构造中，电极在一个规定了厚度和体积的室内。存在于反应区或室内(即涂敷在一种或多种相对电极表面上)的是选择的一种或多种与靶分析物发生化学反应的氧化还原试剂。该氧化还原试剂通常包括至少一种酶和一种介质。

图1的分解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具有确定反应带或区14的剖面。一般，电极4、8形式为延长的矩形片，每个具有约2至6cm的长度，通常为约3至4cm，具有的宽度为约0.3至1.0cm，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。

面对测试条反应区的电极4、8表面由导电材料制成，优选金属，这里感兴趣的金属包括钯、金、铂、铱、掺杂铟的氧化锡、不锈钢、碳等等。电极4、8的外表面6、10由惰性支架材料或基材制成。任何适当的惰性基材可与电极4、8一起使用，这里材料通常是能够提供电极支撑结构的刚性材料，并且，接着作为电化学测试条的整体。这类适当的材料包括塑料，例如，PET、PETG、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅、陶瓷、玻璃，等等。电极4、8和测试条2可采用任意的各种对相关领域熟练人员已知的制备技术制造。

如上所述，薄隔离层12安置或插入电极4、8之间。隔离层12的厚度一般范围为约1至500μm，通常为约50至150μm。隔离层12可由任意的适当材料制造，这里代表性的适当材料包括PET、PETG、聚酰亚胺、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以便提供具有任意适当形状的反应带或区14，形状包括圆形、方形、三角形、矩形或不规则形状。反应带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确定反应带14的侧壁。反应区的体积范围至少是约0.1至10μL，通常为约0.2至5.0μL，更通常是约0.3至1.6μL。

位于反应区14的是氧化还原试剂系统，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。位于反应区的氧化还原试剂系统通常包括至少一种酶和一种介质。在许多实施方案中，氧化还原试剂系统的酶成分是一种酶或多种一起参与有关分析物氧化的酶。换言之，氧化还原试剂系统的酶成分由单一的分析物氧化酶组成，由或一起参与有关分析物氧化的两种或多种酶的集合组成。有关的典型的酶包括：氧化还原酶、水解酶、转移酶等等。但是，位于反应区内的特殊的酶取决于所设计的电化学测试条将要检测的具体分析物。例如，感兴趣分析物是葡萄糖时，适当的酶包括葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶(或者β-烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸基(NAD)或者4，5-二氢-4，5-二氧代-1H-吡咯并[2，3-f]喹啉-2，7，9-三羧酸基(PQQ))。分析物为胆固醇时，适当的酶包括胆固醇酯酶和胆固醇氧化酶。对于其它的分析物，酶包括但不限于脂蛋白脂酶、甘油激酶、甘油-3-磷酸盐氧化酶、乳酸盐氧化酶、乳酸盐脱氢酶、丙酮酸盐氧化酶、醇氧化酶、胆红素氧化酶、尿酸酶等可以使用的酶。

氧化还原试剂系统的第二组成是介质组分，它由一种或多种介质试剂组成。许多不同的介质试剂是本领域已知的，包括：铁氰化合物、吩嗪乙基硫酸盐、吩嗪甲基硫酸盐、苯二胺(pheylenediamine)、1-甲氧基-吩嗪甲基硫酸盐、2，6-二甲基-1，4-苯醌、2，5-二氯-1，4-苯醌、二茂铁衍生物、联吡啶锇络合物、钌络合物等。在葡萄糖是感兴趣分分析物和葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶是酶组分的实施方案中，特别感兴趣的介质是铁氰化物。其它位于反应区的试剂包括缓冲剂，例如柠康酸盐、枸椽酸盐、磷酸盐、“良好的”缓冲剂等。

氧化还原试剂系统通常以干燥形式存在。各种组分的量可以变化，酶组分的量通常范围是约0.1至20重量％。

本发明的方法

如上概述，本主题发明包括测定存于或转移至具有规定体积的反应区或室的电化学池的生物样品的体积，以及测定该体积是否足以产生准确的分析物浓度测定的方法。如上所述，在取样体积测定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，该主题方法提供比现有技术所已经达到的结果更准确的取样体积测定。

电效电池电容和电阻以及取样体积测定中主题方法的另一特征是忽视样品溶液或环境条件的某些特征或因素，它们或者对等效电容和/或等效电阻的测定无影响，或者另外被严格控制以致于不具有这样的影响。这些受控或独立于等效电容的因素包括但不限于离子种类的浓度、血液血细胞比容、血液葡萄糖浓度、环境温度、供血者、和通常在血液中发现的传感器干扰、细胞厚度和生物传感器老化。

为了理解主题方法的描述，图2提供了图1测试条电化学电池的阻抗电路40的简化模型。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是测试条代表性的阻抗因素。AC和DC电压均作用于电池时，阻抗电路40包括等效电池电容(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。

在实施主题方法之前，首先必需获得待测的生物样品并将该样品置于测试条电池内。样品在测试条内的放置可这样完成：先将测试条插入测试仪表，然后将样品用于测试条(“开仪表计量”)，或者样品先施用于测试条，接着插入测试条到测试仪表(“关仪表计量”)。后者在医院环境中通常是优选的，由于它更可能在仪表内交叉污染。测定仪表接着检测已经引入电化学电池的生物样品(如美国专利第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(V_AC)到生物传感器。选择施加的AC电压的振幅，使其应用不会产生法拉弟电流(i_F)，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100mVrms，通常是约5至75mVrms，更通常是约50mVrms。选择施加AC电压的频率(f)，以便最大化电池的信噪比(即，测定的等效电池电容与测定的等效电池电容变异性的比)。如所指的，施加的AC电压可接受的频率范围是约50至10,000Hz，通常是约75至1,000Hz，更典型是约100Hz。

可选择地，DC电压可以施加于生物传感器，或者同时施加AC电压或在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0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单独用AC电压更迅速地稳定。电池电容的迅速稳定使可以在开始分析物测定之前测定取样体积，从而最小化整个测试时间。

在施加AC和DC电压之后，接着测定由充电电化学电池产生的交流电(i_AC)。生物传感器的等效电池电容接着可由所得交流电的振幅和相测定。

对于仅取决于通过生物样品接触的电池表面的等效电池电容，必须严格控制双层电容的电荷分离距离(d_dl)，以便在样品溶液体积测定期间它是常量。双层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接触的每个电极的表面积和样品体积的准确测定，严格控制氧化还原试剂的离子浓度，同时将样品的离子浓度生理学控制在极窄的范围。

如上所述，电化学电池的等效电阻另外与准确测定样品体积相关。因此，确立等效电池电阻(R)与样品覆盖的电池表面积成反比，并确立等效电池电容(C)与覆盖的电池面积成线性比例，如下关系表示：

R＝ρl/A和C∝A

这里ρ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，存在下列关系：

C/R∝A²

因此，生物样品覆盖的电池表面积值可通过等效电池电容与等效电池电阻的比测定。考虑到取样体积对电池两个阻抗成分(电容和电阻)而不仅仅是它们中的一项(例如，电容)的影响，确立提供对生物样品覆盖的电池表面积值变化更敏感的关系。更具体地，就生物样品覆盖的电池表面积而言，电池电容与电池电阻的比提供平方关系而不是线性关系，从而增加了测定覆盖电池面积变化的灵敏度。因此，按照该方法覆盖面积的测定比仅考虑等效电池电容更准确。

在测定与样品溶液接触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(V_s)：

Vs＝A·d

这里d是相对的电极构造中电池电极之间的距离或者左右电极构造中电池的深度。

接着进行关于供给测试条的样品体积是否足以继续进行分析物浓度测定的测定。通过比较所计算的样品体积与电化学电池总体积进行测定。以下就本发明系统更详细地讨论，例如，在校准仪表或其它主题系统相关元件后，将包括但不限于电池总体积值、操作温度范围、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(静态或动态)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，进行预期的性质(例如分析物浓度)测定，其结果显示在显示装置上，以下详细就主题系统详细介绍。另一方面，如果测定的样品体积不充分，即太低以致不能提供准确测定，显示装置会显示低体积影像。

如上所讨论，主题方法的某些实施方式还包括校正不充分样品溶液以便进行选择特征如靶分析物浓度的准确测定而无需重复取样和测试步骤的额外功能。

本领域已知，电池内生物样品选择分析物(例如葡萄糖)的浓度与施加DC电压时经过电化学电池的法拉第电流(I_F)成正比，该电池电流与样品溶液覆盖的电池表面积成正比。如上所述，发明人已经测定这种表面积与电池的等效电容成正比。因此，选择分析物的浓度与等效电池电容成正比。通过测定含样品溶液时的等效电池电容和通过获知完全充满生物溶液时的电池电容(校准步骤测定)，按照下列等式可以确定校正低样品体积和提供准确分析物浓度测定必需的校正系数(F_cf)：

F_cf＝C_f/C_pf

这里C_f是完全充满电化学电池的等效电容，C_pf是含不充分体积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(F_cf)进行修正的分析物浓度测定(G)：

G＝F_cf·/G_pf

这里G_pf是由含不充分体积生物样品的电池计算的分析物浓度。由于能够校正不充分的低样品体积，主题方法避免了浪费测试条，减少了费用和节约了进行分析物测定所必需的时间。

因此，按照以上原则和发现，一般概述本发明的某些方法包括：施加选定振幅和选定频率的AC电压至已经施加有或没有施加有一个AC电压的生物传感器；测定由施加电压而产生的AC电流；由测定的AC电流测定生物传感器的电容或电容和电阻；基于测定的电容或者基于测定的电容和测定的电阻测定与样品接触的生物传感器部分的表面积；然后基于测定的表面积测定生物传感器内样品的体积。

其它的主题方法进一步包括基于样品体积充分的测定，测定生物样品的一种或多种物理或化学性质，例如一种或多种选定分析物的浓度。其他的主题方法包括为了至少一种生物样品特征的测定，校正生物传感器内生物样品不充分的体积，以便准确测定特征值。这样的校正方法包括如果测定出样品体积不充分，则测定校正不充分样品必需的校正系数，并接着在测定例如该样品内选定分析物的浓度的同时，测定校正不充分的样品体积。测定必需校正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的比例。从存储装置中可得到完全充满所述样品时的生物传感器的等效电容。

本发明的系统

本发明还提供实施上述主题方法的系统。通常描述，这样的系统包括实施上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压，测定施加电压时电池产生的电流的，由测定的电流导出电池电容和/或电阻用的装置；由电池电容和/或电阻导出生物样品覆盖的电池表面积用的装置；以及由电池表面积导出生物样品体积用的装置。某些系统进一步包括用于测定样品体积是否足以适于生物样品一种或多种特征的准确测定的装置，这些特征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时校正不充分样品体积的装置。

图3图解了本发明示范系统50的框图。系统50包括配置的用于电子耦合生物传感器70的电子元件和电路，生物传感器70，例如如上所述关于图1的任意使用的测试条形式的电化学测定电池，其中存放或转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感器70必备的AC和DC输入电压的电源电压52。系统50进一步包括一个电流至电压转化器54、一个模拟至数码(analog-to-digital)转化器56和一个微处理器58，该微处理器可以集合地接收和处理来自生物传感器70的数据。特别地，电流至电压转化器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的输入信号而提供，该模拟至数码转化器56将模拟转化至相应的数码数值。接着提供数码的电压信号作为微处理器54的输入信号，该微处理器编有导出和/或测定有价值系数或参数的程序，这些系数或参数例如等效电池电容、电效电池电阻、与生物传感器接触的生物传感器的表面积、生物样品的体积、体积校正系数，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包括用于存储预定、预选或校准的数据或信息的记忆存储装置，这些数据或信息例如实施主题方法步骤和功能必需或有用的电化学电池的总体积、校准参数、操作温度范围、样品类型信息、样品检测信息等等。尽管已经介绍了以按照本发明原则存储和处理数据为目的微处理器，本领域的熟练人员会意识到可以集合配置其它分散的电子元件以达到本发明的目的。

这种主题系统进一步包括显示由控制装置或微处理器提供的选择的经验或符号化数据、信息或输出的显示装置或单元60。这样的数据、信息或输出包括，但不限于，选择的输出信号和阻抗系数、样品体积大小、体积适当/不适当指示图标、不充分体积校正系数、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起工作的主题系统自动化地进行电化学信号应用、测定、推导、计算、校正和显示步骤。同样，电子电路或主题系统结构上或功能上整合入一个仪表或其它自动化装置，它们是为接收和可操作地使用电化学电池(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多种物理或化学特征而配置的。最典型地，这样的特征包括生物样品内一种或多种靶分析物的浓度。美国专利号6,193,873 B1进一步介绍了自动实施部分相同或类似步骤和功能的代表性仪表或装置，这样以致于用户仅仅需要施加生物样品至电化学电池反应区，接着从该装置阅读最终分析物浓度结果，该公开收编于本文作为参考。

相关领域的熟练人员会理解该主题系统可与不包括上述类型生物传感器的分析系统一起使用。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化还原试剂系统，其中电极配置在生物样品或具有固定离子浓度的环境内。

实施例

已经观察到与本发明有关的下列结果。图4-8图解了由具有充分样品体积测试条(即，测试条的反应区完全充满样品溶液或物质)和样品体积较充分样品体积小的测试条(即，测试条的反应区半充满样品溶液或材料的)得到的测定实验结果中的变化。更具体地，在选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。通过举例说明提供下列实验结果，但并非要限制本发明的范围。通过在室温下配制5个不同供血者的测试条收集举例说明的结果，葡萄糖范围40-600mg/dL、血细胞比容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之等效电池电容(y轴)随时间(x轴)变化的对照。该图显示完全充满的测试条130产生的等效电容两倍于半充满测试条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轴)随时间(x轴)变化的对照。该图显示较大体积血样产生的等效电池电阻约为填充较小体积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之等效电池电容(x轴)的直方图，其中等效电池电容在血样施于测试条后0.5秒测定。该图显示完全充满测试条140产生两倍于半充满测试条138的等效电池电容，并且具有很好的再现性。

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的等效电池电容与等效电池电阻之比(C/R)(y轴)随时间(x轴)的变化的对照。该图显示完全充满的测试条142产生的C/R约四倍于半充满测试条144的C/R。

图8说明了完全充满血样的测试条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(C/R)(y轴)对等效电池电容(x轴)的直方图，其中在血样施于测试条之后0.5秒测定电容和电阻。该图显示与等效电池电容C相比所产生的C/R对样品体积更敏感。

试剂盒

也由本主题发明提供的是适用于实施主题方法的试剂盒。主题发明的试剂盒包括如上所述的电子电路，或者以如上所述的仪表或其它自动化仪器的形式，以便测定施于测试条的样品体积是否足以充分提供准确的分析物浓度测定。在某些另外的试剂盒中，主题系统在进行分析物浓度测定时还校正这样的不充分体积。试剂盒进一步包括在保留在电化学电池内的取样溶液或物质的体积测定中，采用按照本发明的具有电化学电池的方法以测试条或显微针等形式采用主题系统的指示。这些指示可以出现在一种或多种包装、标签夹页等之上。

由上述说明，很明显，本主题方法和系统克服了测定位于测试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，为进行这样的样品体积测定提供了非常准确的装置和技术，减少了实施分析物浓度测定必需的时间。进一步地，这样的取样体积测定不受血糖浓度、血液血细胞比容水平、供血者、测试温度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校正不充分样品体积的能力和进行分析物浓度测定，不必中上测试步骤，最小化浪费和成本。同样，本主题发明代表流体生物样品体积测定和分析物浓度测定领域显著的贡献。

本文在被认为最实际和优选的实施方案显示和介绍主题发明。然而，我们确定，对于读过本公开文本的本领域普通技术人员会产生，由其进行的在本发明范围内的开发和显而易见的修饰(modification)。

我们认为公开的具体的装置和方法是举例说明的，并非限制。在公开内容的等同意思和范围内的修饰，例如对所属领域技术人员来言可以做到的那些，都将包括在附加的权利要求范围内。

Claims (14)

1.一种测定保留在电化学生物传感器内生物样品体积的方法，包括：

■向生物传感器施加具有选定振幅和选定频率的交流电压；

■计量由施加所述交流电压产生的电流；

■由所述计量的电流确定生物传感器的电容；

■基于所述测定电容确定与样品接触的生物传感器的表面积；

■基于所述测定的表面积，确定生物传感器内样品的体积；和

■测定所述样品体积对测定所述样品一种或多种特性是充分的还是不充分的。

2.权利要求1的方法，进一步包括：

在测定所述样品体积是充分的之后，计量所述样品内一种或多种分析物浓度。

3.权利要求1的方法，进一步包括：在测定所述样品体积是不充分的之后，计量所述样品内一种或多种分析物浓度，所述计量包括：

■确定校正所述不充分的体积所必需的校正系数，以便准确计量所至少一种分析物的浓度；和

■校正所述不充分样品体积。

4.权利要求3的方法，其中测定必需的校正系数包括：

测定生物传感器完全充满所述样品的电容与具有所述不充分样品体积的生物传感器的电容之比。

5.权利要求1的方法，进一步包括：由所述计量的电流测定生物传感器的电阻。

6.权利要求5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，测定与样品接触的生物传感器的表面积。

7.权利要求1的方法，进一步包括：向所述的生物传感器施加直流电压。

8.权利要求7的方法，其中同时施加所述直流电压和所述交流电压。

9.一种校正电化学生物传感器内生物样品的不充分体积以便计量至少一种所述生物样品特性的方法，其中所述样品体积是对于执行所述计量来说是不充分的，所述方法包括：

■计量具有不充分样品体积的生物传感器的电容；以及

■测定生物传感器完全充满所述生物样品的电容与具有所述不充分样品体积的生物传感器的电容之比；以及

■校正不充分样品体积，从而提供对所述至少一种特性的准确计量。

10.一种测定保留在电化学生物传感器内至少一种生物样品特性的方法，包括：

■测定所述保留在电化学生物传感器内的生物样品的体积；

■测定所述保留在电化学生物传感器内的生物样品体积的充分性；以及

■在测定所述生物样品体积是不充分后，校正在电化学生物传感器内生物样品的不充分体积；以及准确地测定所述生物样品的至少一种特性。

11.权利要求10的方法，其中所述至少一种特性是所述样品内一种或多种分析物的浓度。

12.一种测定具有表面积和体积的电化学电池内生物样品体积的系统，包括：

■为向所述电化学电池施加电压而配置的电源电压；

■用于计量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；

■由所述计量的电流导出所述电池电容的装置；

■由所述电池电容导出所述生物样品覆盖的所述电池表面积的装置；和

■由所述电池表面积导出所述生物样品体积的装置；和

■测定所述样品体积对所述生物样品内一种或多种分析物的浓度进行准确计量是否充分的装置。

13.权利要求12的系统，进一步包括：

■测定所述生物样品内一种或多种分析物的浓度的装置；和

■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体积的装置。

14.一种与为使用电化学电池和计量保留在电化学电池内一种或多种分析物的浓度而配置的仪表形式使用的系统，所述的系统包括：

■配置的用于向所述电池施加交流或交流和直流电压结合的电源电压；

■配置的电子电路，它用于当向所述电池施加电压时接收所述电化学电池产生的电流、计量所述产生的电流、由所述计量的电流确定所述电池的电容、由所述的电池电容计量由所述生物样品覆盖的所述电池的表面积，和由所述生物样品覆盖的所述电池表面积测定所述生物样品的体积；

■测定所述样品体积对所述生物样品内一种或多种分析物的浓度进行准确计量是否充分的装置；和

■测定所述生物样品中一种或多种分析物的浓度的装置。

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