CN115876864B - 电化学生物传感器的测试校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学传感器的测试校正方法及系统，将待测样本加入电化学传感器中，利用所述电化学传感器产生的电流信号确定进样时间ΔT；利用所述进样时间ΔT确定补偿系数K；利用所述补偿系数K校正电化学传感器的电荷量Q，利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息。本发明利用时间段内的相邻电流信号对应的时刻确定开始进样的时刻，进而根据峰值电流对应的时刻与开始进样的时刻确定进样时间，不需要在试条上增加新的电极，减小了反应面积和样本吸收量，进而减轻了被测试人员的疼痛感，避免了样本吸收量大导致的吸样不足引起的偏差，不受电解质离子浓度的干扰，降低了检测工作量。

Description

电化学生物传感器的测试校正方法及系统

技术领域

本发明涉及电化学检测技术领域，特别是一种电化学生物传感器的测试校正方法及系统。

背景技术

电化学生物传感器长期以来被用于血糖、胆固醇、甘油三酯等物质的健康监测。传感器通常采用丝网印刷的电极，同时在电极的反应区有生物酶试剂，利用底物与生物酶试剂发生氧化还原反应从而产生电流信号的变化被系统所检测，通过相应的算法转化成对应的浓度。但是用电化学生物传感器测量分析物往往受各种因素影响，如血细胞压积，温度等。为了进一步提高检测结果的准确性，检测样本的血细胞压积(Red blood cellspecific volume，简称HCT，人体正常血细胞压积在42%左右)是目前的诊断检测设备中较常采用的校正手段，通过检测到样本的血细胞压积，对检测信号进行进一步的校正，可以获得更为准确的检测结果。

现有技术较常采用交流电阻抗测量方式测量HCT，但是利用测试交流阻抗方式必然需要增加传感器的电极数量，进而增加需血量，容易导致进样不足的情况，增加被测用户的痛苦，同时交流阻抗法易受电解质这一类导电物质的干扰影响。例如发明专利申请CN108132284A通过增加工作电极的方式，利用两个工作电极的电流比值的不同进行校正，新增了工作电极，导致吸血量的增加，从而极易出现吸样不满的情况而导致偏差较大。这些都会严重影响到HCT的测试准确度和影响浓度测量的准确性。

发明专利CN105021805B公开了一种人体生理参数检测结果的校正方法，利用血细胞压积值与校正系数的关系，确定校正系数，并利用校正系数对检测样本的生理参数的检测浓度进行校正。然而，对于未知的临床样本而言，样本的血细胞的压积值是未知的，进而无法获知校正系数。若要事先知道待测样本的血细胞压积，就必须用其他的仪器先测定样本的血细胞压积，而这势必增加检测的复杂程度和工作量。

综上，现有技术无法在不改变传感器的结构基础上，实现对HCT和浓度的准确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电化学生物传感器的测试校正方法及系统，在不改变传感器结构，不增加工作电极的前提下，提高检测结果准确性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电化学生物传感器的测试校正方法，包括以下步骤：

S1、将待测样本加入电化学生物传感器中，利用所述电化学生物传感器产生的电流信号确定进样时间ΔT；进样时间ΔT的具体确定过程包括：设某段时间内两个相邻电流信号分别为I₁、I₂，当A≤I₂/I₁≤B时，将电流信号I₂对应的时刻记为开始进样的时刻t₂，确定该时间段内的峰值电流对应的时刻，则进样时间ΔT设置为峰值电流对应的时刻与开始进样的时刻之差；其中，A、B为设定的阈值，且A≤B；

S2、利用所述进样时间ΔT确定补偿系数K；

S3、利用所述补偿系数K校正电化学传感器的电荷量Q，利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息。

本发明利用时间段内的相邻电流信号对应的时刻确定开始进样的时刻，进而根据峰值电流对应的时刻与开始进样的时刻确定进样时间，不需要在试条上增加新的电极，减小了反应面积和样本吸收量，进而减轻了被测试人员的疼痛感，避免了样本吸收量大导致的吸样不足引起的偏差，不受电解质离子浓度的干扰，降低了检测工作量。同时，本发明将电荷量转化为浓度信号，替代了传统的采用电流信号转化为浓度信号的方式，可以避免应浓度的“跳值”引起的偏差，提高了测试结果的重复性和准确度。

本发明中，A的取值为2~8，B的取值为50～1000。

本发明步骤S1中，所述峰值电流确定方法包括：对于所述时间段内的3个相邻电流信号I₃、I₄、I₅，若I₃≤I₄，I₄≥I₅，则电流信号I₄为峰值电流，其中，3个相邻电流信号I₃、I₄、I₅对应的时刻t₃、t₄、t₅满足以下关系：t₅＞t₄＞t₃≥t₁。

本发明步骤S2中，补偿系数K与进样时间ΔT的关系为：K=-0.199442 *ΔT²+1.243074*ΔT + 0.045022。

优选地，本发明中，补偿系数K的取值范围为0.6~1.5。

步骤S3中，校正后的电荷量Q_校正的计算公式为：Q_校正=Q*K。

步骤S3中，通过浓度与电荷量的线性关系，将所述校正后的电荷量转换为浓度信息。

本发明的方法还可以测量HCT，具体实现过程包括：利用所述进样时间ΔT计算血液样本的血细胞压积HCT：HCT= 0.681141*ΔT²+ 0.608859 *ΔY + 0.515991。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种电化学生物传感器的测试校正系统，其包括：

采集单元，用于采集将待测样本加入电化学生物传感器中后，电化学生物传感器产生的电流信号；

第一计算单元，用于根据所述电流信号确定进样时间ΔT；

第二计算单元，用于根据所述进样时间ΔT确定补偿系数K；

校正单元，用于根据所述补偿系数K校正电化学传感器的电荷量Q，并利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息；

进一步的，本发明的系统还包括：

第三计算单元，用于根据所述进样时间ΔT计算血液样本的血细胞压积HCT。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明通过达到峰值电流时间实现对血细胞压积的判断，进而对血细胞压积引起的偏差进行校正，校正后与42%血细胞压积偏差基本控制在±10%内，能满足20%~70%血细胞压积范围内任意人群样本的测试。相比传统的校正血细胞压积的阻抗法，本发明实现过程简单，不受电解质离子浓度的干扰，不需要在试条上增加新的电极，减少了反应面积和吸血量，进而减轻了被测试人员的疼痛感，避免了吸血量大带来的吸样不足引起的偏差。

2、本发明将电荷量转化为浓度信号，代替传统的采用电流信号转化为浓度信号的方式，可以避免应浓度的“跳值”引起的偏差，提高了测试结果的重复性和准确度。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程图；

图2为本发明实施例试条结构和大致进样时间表示图例；其中：1、吸样通道；2、酶试剂层；

图3为本发明实施例进样时间Δt与不同血细胞压积（HCT）样本的函数关系；

图4为本发明实施例补偿系数k与进样时间Δt的函数关系；

图5为血糖校正前不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系；

图6为血糖校正后不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系；

图7为胆固醇校正前不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系；

图8为胆固醇校正后不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系；

图9为甘油三酯校正前不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系；

图10为甘油三酯校正后不同HCT样本的电荷量和浓度的线性关系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

实施例1

本实施例提供了一种电化学传感器的测试校正方法，包括以下步骤：

S1、将待测样本加入电化学传感器中，利用所述电化学传感器产生的电流信号确定进样时间ΔT。

向电化学传感器加入待测样本，待测样本与电化学传感器工作电极上的酶试剂发生氧化还原反应并产生电流信号，设某段时间内的任意两个相邻电流为I₁、I₂，设参数范围(A，B)，当A≤I₂/I₁≤B时，即瞬时电流比较大时，表明开始进样，则此时电流I₁所对应的时刻记为t₁，电流I₂所对应的时刻记为开始进样的时刻t₂。A的取值为2~8，B的取值为50～1000。

设某段时间内的任意3个相邻电流为I₃、I₄、I₅，对应时刻分别为t₃、t₄、t₅，时间参数t₅＞t₄＞t₃≥t₁，当I₃≤I₄≥I₅时，则记I₄为峰值电流，记时间Δt=t₄-t₂为进样时间，即Δt=ΔT。

S2、利用进样时间ΔT确定补偿系数K。

进样时间ΔT与补偿系数K的关系为：k = -0.199442 *Δt²+ 1.243074*Δt +0.045022，该公式中的k=K。

S3、利用所述补偿系数K校正电化学传感器的电荷量Q，利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息。

设某i时刻电流为Ii，时间为ti，得

。

i的取值为4~20s。

通过补偿系数K对电荷量Q进行校正，校正电荷量Q_校正=Q*k；

最后通过浓度与电荷量Q的线性关系将Q_校正转化成浓度信号并输出。

本实施例的方法能够显著降低待测样本中待测物质的测定值与真实值的偏差，使得检测结果与真实值更接近，检测结果更准确。

实施例2

本发明实施例2提供一种对应上述实施例1的电化学传感器的测试校正系统，包括：

采集单元，用于采集将待测样本加入电化学传感器中后，电化学传感器产生的电流信号；

第一计算单元，用于根据电流信号确定进样时间ΔT；

第二计算单元，用于根据进样时间ΔT确定补偿系数K；

校正单元，用于根据补偿系数K校正电化学传感器的电荷量Q，并利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息；

第三计算单元，用于根据进样时间ΔT计算血液样本的血细胞压积HCT。

本实施例中各单元的计算过程/工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

配置四个不同血糖浓度的样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：3.46mmol/L、7.29mmol/L、14.62mmol/L、24.91mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测电流的变化，每个样本重复10次。

某段时间内的任意两个相邻电流为I₁、I₂，当I₂/I₁≥10时，则表明开始进样，此时电流I1所对应的时刻记为t1，电流I2所对应的时间记为开始进样的时刻t2.

当任意3个相邻电流为I₃、I₄、I₅，对应时刻分别为t₃、t₄、t₅，其中t₅＞t₄＞t₃≥t₁，当I₃≤I₄≥I₅时，则记I₄为峰值电流，记时间Δt= t₄- t₂为进样时间，多次测试得到对应的不同血细胞压积样本与和进样时间和补偿系数表。

根据不同的进样时间Δt而给予不同的补偿系数k（见表1），根据血细胞压积样本对应的进样时间、补偿系数表建立血细胞压积样本（HCT）与进样时间Δt的函数关系，可实现测样本浓度的同时测量HCT参数。

Δt与HCT的函数关系为一次函数或二次函数关系。

HCT= 0.681141*Δt²+ 0.608859 *Δt + 0.515991 R²=0.9981

R²表示Δt与HCT、K的相关度，相关度越接近1，说明拟合效果越好，计算的结果越可靠。

根据血细胞压积样本与和进样时间和补偿系数表建立样时间Δt与补偿系数k的函数关系：

Δt与k的函数关系为一次函数或二次函数关系。

k = -0.199442 *Δt²+ 1.243074*Δt + 0.045022 R²= 0.9918

补偿系数k值在0.6~1.5范围内。

5s后测试结束，计算电荷量Q，根据不同的进样时间对电荷量进行补偿，得到新的电荷量Q_校正：Q_校正=Q*k，最后通过浓度与电荷量Q的线性关系将Q_校正转化成浓度信号。

实施例4

配置四个不同胆固醇浓度的样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：3.89mmol/L、5.13mmol/L、8.54mmol/L、12.51mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测电流的变化，每个样本重复10次。

某段时间内的任意两个相邻电流为I₁、I₂，当I₂/I₁≥10时，则表明开始进样，此时电流I1所对应的时刻记为t1，电流I2所对应的时间记为开始进样的时刻t2。

当任意3个相邻电流为I₃、I₄、I₅，对应时刻分别为t₃、t₄、t₅，其中t₅＞t₄＞t₃≥t₁，当I₃≤I₄≥I₅时，则记I₄为峰值电流，记时间Δt= t₄- t₂为进样时间，进样时间Δt和补偿系数k关系同实施例3。

15s后测试结束电流，计算电荷量Q，根据不同的进样时间对电荷量进行补偿，得到新的电荷量Q_校正：Q_校正=Q*k。

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实施例5

配置四个不同甘油三酯浓度的样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：0.69mmol/L、1.97mmol/L、6.31mmol/L、24.91mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测电流的变化，每个样本重复10次。

某段时间内的任意两个相邻电流为I₁、I₂，当I₂/I₁≥10时，则表明开始进样，此时电流I1所对应的时刻记为t1，电流I2所对应的时间记为开始进样的时刻t2。

当任意3个相邻电流为I₃、I₄、I₅，对应时刻分别为t₃、t₄、t₅，其中t₅＞t₄＞t₃≥t₁，当I₃≤I₄≥I₅时，则记I₄为峰值电流，记时间Δt= t₄- t₂为进样时间，进样时间Δt和补偿系数关系同实施例3。

10s后测试结束电流，计算电荷量Q，根据不同的进样时间对电荷量进行补偿得到新的电荷量Q_校正：Q_校正=Q*k。

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对比例1

配置四个不同血糖浓度的样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：3.46mmol/L、7.29mmol/L、14.62mmol/L、24.91mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测5s后电流的变化。每个样本重复10次，检测结果见表14和表15。

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对比例2

采用对比例2测试方法配置四个不同浓度的胆固醇样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：3.89mmol/L、5.13mmol/L、8.54mmol/L、12.51mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测15s后电流的变化。每个样本重复10次，检测结果见表16和表17。

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对比例3

采用对比例3测试方法配置四个不同浓度的甘油三酯样本：S₁、S₂、S₃、S₄。浓度分别为：0.69mmol/L、1.97mmol/L、4.38mmol/L、6.31mmol/L。每个浓度下配制七个不同血细胞压积样本：20%、30%、42%、50%、60%、70%。加入待测样本，待测样本从传感器的顶部样本入口进入传感器，由仪器检测10s后电流的变化。

每个样本重复10次，检测结果见表18和表19。

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结果显示，在实施例3、实施例4、实施例5中说明了血细胞压积对于血糖、胆固醇、甘油三酯的测试影响非常大，高于42%压积的样本测试结果偏低，达到70%压积的样本平均偏差达到-30%左右，低于42%压积的样本测试结果偏高，达到20%压积的样本平均偏差达到-30%左右。这种偏差极易引起用户的误判和对产品的失望。而对比例中，利用不同样本的进样时间不同对不同压积的样本的电流或电荷量的补偿，使得偏差基本维持在±10%以内，同时根据HCT-Δt的函数关系和k-Δt的关系可以计算出任意的样本的血细胞压积和k，可适用于20%~70%范围内的随机样本检测，极大的扩宽了相关传感器的样本检测范围，提高检测的准确度。

由图5~图10可知，经本发明实施例的方法校正后，电荷量和浓度均呈现较好的线性关系，线性度R²≥0.98，不同HCT样本之间的测试电荷量与浓度的函数关系都比较接近，但是未校正的电荷量与浓度的函数关系随不同的HCT差异性较大。根据测试推导的函数关系C=a*Q_校正+b（a为曲线斜率，b为曲线截距），对任意20~70%HCT内的样本，通过不同的进样时间对K进行赋值计算，得出Q_校正=Q*k，代入函数关系C=a*Q_校正+b中均可以计算出对应样本的浓度值。

通过实施例3、实施例4、实施例5、对比例1、对比例2、对比例3的比较可知，利用电荷量与浓度建立关系可以避免因为个别电流“跳值”引起的CV波动。本发明实施例的方法能够显著降低待测样本中待测物质的测定值与真实值的偏差，使得检测结果与真实值更接近，检测结果更准确。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电化学生物传感器的测试校正方法，用于对血细胞压积引起的偏差进行校正，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待测样本加入电化学生物传感器中，利用所述电化学生物传感器产生的电流信号确定进样时间ΔT；进样时间ΔT的具体确定过程包括：设某段时间内两个相邻电流信号分别为I₁、I₂，当A≤I₂/I₁≤B时，将电流信号I₂对应的时刻记为开始进样的时刻t₂，确定该时间段内的峰值电流对应的时刻，则进样时间ΔT设置为峰值电流对应的时刻与开始进样的时刻之差；其中，A、B为设定的阈值，且A≤B；

S2、利用所述进样时间ΔT确定补偿系数K；

S3、利用所述补偿系数K校正电化学生物传感器的电荷量Q，利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息。

2.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，A的取值为2~8，B的取值为50～1000。

3.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，步骤S1中，所述峰值电流确定方法包括：对于所述时间段内的3个相邻电流信号I₃、I₄、I₅，若I₃≤I₄，I₄≥I₅，则电流信号I₄为峰值电流，其中，3个相邻电流信号I₃、I₄、I₅对应的时刻t₃、t₄、t₅满足以下关系：t₅＞t₄＞t₃≥t₁；t₁为电流信号I₁对应的时刻。

4.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，步骤S2中，补偿系数K与进样时间ΔT的关系为：K= -0.199442 *ΔT² + 1.243074*ΔT + 0.045022。

5.根据权利要求1～4之一所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，补偿系数K的取值范围为0.6~1.5。

6.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，步骤S3中，校正后的电荷量Q_校正的计算公式为：Q_校正=Q*K。

7.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，步骤S3中，通过浓度与电荷量的线性关系，将所述校正后的电荷量转换为浓度信息。

8.根据权利要求1所述的电化学生物传感器的测试校正方法，其特征在于，还包括：利用所述进样时间ΔT计算血液样本的血细胞压积HCT：HCT= 0.681141*ΔT² + 0.608859 *ΔT + 0.515991。

9.一种电化学生物传感器的测试校正系统，其特征在于，包括：

采集单元，用于采集将待测样本加入电化学生物传感器中后，电化学生物传感器产生的电流信号；

第一计算单元，用于根据所述电流信号确定进样时间ΔT；进样时间ΔT的具体确定过程包括：设某段时间内两个相邻电流信号分别为I₁、I₂，当A≤I₂/I₁≤B时，将电流信号I₂对应的时刻记为开始进样的时刻t₂，确定该时间段内的峰值电流对应的时刻，则进样时间ΔT设置为峰值电流对应的时刻与开始进样的时刻之差；其中，A、B为设定的阈值，且A≤B；

第二计算单元，用于根据所述进样时间ΔT确定补偿系数K；

校正单元，用于根据所述补偿系数K校正电化学生物传感器的电荷量Q，并利用校正后的电荷量得到校正后的浓度信息。

10.根据权利要求9所述的电化学生物传感器的测试校正系统，其特征在于，还包括：

第三计算单元，用于根据所述进样时间ΔT计算血液样本的血细胞压积HCT。

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