CN1292247C - 以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器 - Google Patents
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Abstract
一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器。本发明的生物感测器包括一具有一电阻值RS的生物芯片、一电压供应源及一微处理器。此电压供应源用以提供一作用电压于生物芯片，及当作用电压施予在该生物芯片时，该生物芯片相应提供于其上的一检体中一特定成份含量产生一随时间变化的反应电流。微处理器接收来自生物芯片由此随时间变化的反应电流造成的一随时间变化的分压，及根据此随时间变化的分压以决定特定成份的含量。本发明生物感测器与传统生物感测器相比较，具有较少的组件，可降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物感测器；特别是关于一种检测相应检体中特定成份含量引起的一分压的生物感测器。
背景技术
近几年来，利用特定酵素催化反应的各种生物感测器已经被发展出来使用于医疗用途上。此种生物感测器的一种用途用于糖尿病的治疗上，以帮助糖尿病患者控制本身的血糖含量(血液中葡萄糖浓度)在正常的范围内。对于住院糖尿病患者而言，其可在医生的监督下控制本身的血糖含量在正常范围内。但对于非住院糖尿病患者而言，在缺乏医生直接监督的情况下，病患本身能自我控制血糖含量则变得非常重要。
血糖含量的自我控制可通过饮食、运动及用药来达成。这些治疗方式通常在医生的监督下同时采用。当糖尿病患者本身能够检测其血糖含量是否在正常范围时，可帮助患者更有效地自我控制其血糖含量。
图1显示一种可供患者自行检测血糖含量的血糖计，其包括一主测试单元10及一供测量血糖含量的生物芯片12。参考图2所示，生物芯片12构件分解示意图，其包括前端设有一电极部1221的一条状基板122。电极部1221上方覆盖一反应层124、一隔件126及一盖板128。电极部1221设有一操作电极1222及一对应电极1224包围此操作电极1222。操作电极1222及对应电极1224分别电性连接至位于条状基板122尾端的一导线1226及导线1228。覆盖于电极部1221上方的反应层124含有铁氰化钾(potassium ferricyanide)及氧化(oxidase)，例如葡萄糖氧化(glucose oxidase)。
在使用上述血糖计时，先将生物芯片12插入主测试单元10。然后，患者可以刺胳针扎刺自己的皮肤以渗出血滴，再将渗出的血滴直接滴在已插进主测试单元10的生物芯片12端部。此血滴被吸入位于电极部1221上方的反应层124，而将反应层124溶解，以进行一酵素催化反应，如下列反应式所示：
一预定量的亚铁氰化钾(potassium ferrocyanide)相应血液样品中的葡萄糖浓度而产生。经过一段预定时间后，一作用电压Vref施予在生物芯片12上，以电化学反应地氧化亚铁氰化钾，以释出电子，而产生一相应的反应电流通过操作电极1222。此反应电流正比于酵素催化反应产生的亚铁氰化钾浓度或正比于血液样品中的葡萄糖浓度。通过测量此一反应电流即可获得血液样品中的葡萄糖浓度。
图3为传统血糖计的控制电路示意图，其中生物芯片12的电极部1221可视做一电阻Rs，作用电压Vref可由一电池供应。生物芯片12产生的一反应电流I随时间的递增而逐渐衰减，以相应血液样品中的葡萄糖浓度构成一条放电曲线。再者，此放电曲线的每一取样时间对应的一反应电流值经一电流/电压转换器30转换成一输出电压Vout。此电流/电压转换器30由一具有一放大电阻Rf的运算放大器310构成。如此一来，此随时间变化的反应电流形成一条电压-时间放电曲线。此电压-时间放电曲线中每一取样时间对应的一电压值经由一模拟数字转换器32转换成一组数字讯号。微处理器34读取模拟数字转换器32输出的多组数字讯号，并根据此些组数字讯号以决定血液样品中的葡萄糖浓度。一显示器如液晶显示器36再将葡萄糖浓度值显示出来，供患者参考。
上述传统的血糖计使用运算放大器供做电流/电压转换器30，使得血糖计的控制电路较为复杂及消耗较多的电能。再者，当血糖计在未使用状态时，运算放大器310会产生静电流及暗电流，而缩短电池的使用寿命。对于患者而言，需要经常更换电池，显得十分不方便。再者，此种传统的血糖计使用的零件成本亦较高，而使血糖计制造成本无法降低。
据此，亟待提供一种改进的血糖计，以克服上述传统血糖计的缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其相较于传统的生物感测器具有较少的组件，可降低制造成本。
本发明的另一目的是提供一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其并不需使用传统生物感测器具备的运算放大器，藉此本发明生物感测器呈未使用状态时，不会有静电流及暗电流产生，可延长供应电源的一电池使用寿命。
本发明的又一目的是提供一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其相较于传统的生物感测器使用较少的电子零件，可减少电能的消耗。
本发明的再一目的提供一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其相较于传统的生物感测器使用较少的电子零件，可减少电子零件的噪声干扰及提高对特定成份含量的辨识。
根据上述目的，本发明提供一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，包括一具有一电阻值Rs的生物芯片、一电压供应源、一微处理器和一电阻。此电压供应源用以提供一作用电压于生物芯片，当作用电压施予在该生物芯片时，该生物芯片相应提供于其上的一检体中一特定成份含量产生一随时间变化的反应电流；微处理器接收来自生物芯片由此随时间变化的反应电流造成的一随时间变化的分压，根据此随时间变化的分压以决定特定成份的含量；所述的电阻的一端串联至该生物芯片及其另一端连接至一接地电位，以提供分压。
本发明的生物感测器相较于传统的生物感测器具有较少的组件，可降低制造成本及减少电能消耗。再者，本发明直接检测来自生物芯片相应检体中特定成份含量引起的一分压，可减少电子零件对此一分压检测的干扰，进而提高对特定成份含量的辨识。
本发明的目的及诸多优点通过以下具体实施例的详细说明，并参照所示附图，将趋于明了。
附图说明
图1为一传统血糖计的透视图；
图2是图1传统血糖计的分解示意图；
图3是图1传统血糖计的控制电路示意图；
图4为说明本发明检测生物芯片分压原理的示意图；
图5为根据本发明一具体实施例的生物感测器控制电路示意图；及
图6为各种随时间变化的分压曲线关系图。
图中符号说明：
10 主测试单元
12 生物芯片
122 条状基板
1221 电极部
124 反应层
126 隔件
128 盖板
1222 操作电极
1224 对应电极
1226、1228 导线
30 电流/电压转换器
32 模拟数字转换器
34 微处理器
36 液晶显示器
40 生物芯片
42 模拟数字转换器
44 微处理器
46 显示器
具体实施方式
本发明生物感测器测量一检体中一特定成份含量的原理与图1的已知生物感测器采用的原理相同，皆是将检体施予在已插入生物感测器的主测试单元的生物芯片上，并且利用欲检测的特定成份与生物芯片上酵素之间的酵素催化反应结果，来测量此特定成份的含量。因此，本发明的生物感测器可随生物芯片上所含的酵素种类不同，而用以测量不同生物检体中的不同特定成份。例如，生物芯片上含有葡萄糖氧化(glucose oxidase)时，此生物感测器可用以测量血液样品中的葡萄糖浓度。生物芯片上含有乳酸氧化(lactate oxidase)时，此生物感测器可用以测量唾液中的乳酸(lactic acid)浓度。以测量血液中的葡萄糖浓度为例，当血液样品滴在本发明生物感测器的生物芯片上时，血液样品中的葡萄糖与生物芯片上的铁氰化钾(potassiumferricyanide)在葡萄糖氧化酶的催化反应下进行氧化还原反应，产生与血液样品中葡萄糖浓度成正比的一预定量的亚铁氰化钾(potassiumferrocyanide)。因此，例如血液样品的检体在生物芯片上一预定时间后，即检体的特定成份例如血液样品中的葡萄糖的酵素催化反应完成后，一电压供应源即施予一作用电压于生物芯片上，藉以使生物芯片相应此特定成份含量产生一反应电流，例如此一作用电压使相应血液样品中葡萄糖浓度的一预定量的亚铁氰化钾进行氧化反应，以释放出电子，而产生此相应的反应电流。
本发明提供的一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器并不需使用电流/电压转换器，例如运算放大器，而直接检测本发明生物芯片的一分压(partial voltage)，此分压生物芯片相应检体中欲被检测的特定成份含量产生的一反应电流所造成。换言之，本发明生物感测器的主测试单元的控制电路并不需使用例如是运算放大器构成的电流/电压转换器。本发明中，检体中特定成份的含量即根据检测到的生物芯片的分压来决定。本发明生物感测器以检测来自生物芯片的分压决定特定成份含量的原理配合图4做一说明如下。本发明生物感测器的一生物芯片40串连于一电阻R1的一端，而电阻R1的另一端连接至一接地电位。一电压供应源VDD用以提供一作用电压予生物芯片40，以使生物芯片40相应施予其上的检体中特定成份含量产生一反应电流，并流经生物芯片40。如此一来，一分压Vpartial即产生于生物芯片40与电阻R1之间。当未有检体提供于生物芯片40上时，生物芯片40的电阻值Rs为无限大，因此无论生物芯片40是否有插入主测试单元，此时生物芯片40的分压为零。然而，当检体提供于生物芯片40上及电压供应源VDD施予一作用电压于生物芯片40时，检体中的特定成份将使得生物芯片40的电阻值Rs改变，使电阻值Rs突然下降。生物芯片40相应检体中特定成份含量即产生一随时间变化的反应电流I。此随时间变化的反应电流I流经生物芯片40，而造成一随时间变化的分压Vpartial于生物芯片40与电阻R1之间，其可以公式Vpartia＝IR1表示，此分压Vpartial正比于检体中特定成份的含量。本发明藉直接检测来自生物芯片40的分压Vpartial以决定特定成份含量，可减少生物感测器中电子零件对于分压Vpartial检测的噪声干扰，进而提高对特定成份含量的辨识。
图5根据本发明一具体实施例的生物感测器控制电路示意图。此具体实施例中控制电路包括一电压供应源VDD、一具有一电阻值Rs的生物芯片40、一电阻R1、一模拟数字转换器42、一微处理器44及一显示器46。电压供应源VDD供应一作用电压予生物芯片40，及生物芯片40相应提供于其上的检体中特定成份含量产生一随时间变化的反应电流I。电阻R1一端串联于生物芯片40及其另一端连接至一接地电位。此随时间变化的电流I流经生物芯片40而造成一随时间变化的分压Vpartial于生物芯片40与电阻R1之间，其可以公式Vpartial＝IR1表示。此随时间变化的分压Vpartial构成一条电压-时间放电曲线，例如图6所示相应血液中不同葡萄糖浓度的各种随时间变化的分压曲线。从个别的随时间变化的分压曲线中可获得一峰值电压(peak voltage)及对应此峰值电压的一上升时间(rising time)。峰值电压(peak voltage)指每一个别的随时间变化的分压曲线中最大电压值。此一随时间变化的分压Vpartial直接送至模拟数字转换器42，以将每一取样时间对应的一分压值转换成一组数字讯号，然后再送至微处理器44做进一步处理。微处理器44即根据此随时间变化的分压Vpartial构成的一条电压-时间放电曲线决定检体中特定成份的含量。另一方面，模拟数字转换器42可设置于微处理器44内以接收此随时间变化的分压Vpartial。微处理器44根据此随时间变化的分压Vpartial构成的一条电压-时间放电曲线决定检体中特定成份含量的方法有以下几种。例如，微处理器44可内建有一上升时间相应特定成份含量的对映表(mapping table)，微处理器44从被检测到的随时间变化的分压Vpartial得到一上升时间后，再根据此对映表以决定特定成份的含量。或者，微处理器44可内建有一峰值电压相应特定成份含量的对映表，微处理器44从被检测到的随时间变化的分压Vpartial得到一峰值电压后，再根据此对映表以决定特定成份含量。此外，微处理器44可内建有一上升时间相应特定成份规格曲线(prescribed curve)的对映表，微处理器44从被检测到的随时间变化的分压Vpartial得到一上升时间后，根据此对映表以决定特定成份的含量。另外，微处理器44可内建有一峰值电压相应特定成份规格曲线的对映表，微处理器44从被检测到的随时间变化的分压Vpartial得到一峰值电压后，根据此对映表以决定特定成份的含量。此特定成份含量的一读数经由显示器46，例如液晶显示器，显示出来，供患者参考。
另一方面，电阻R1可以一可变电阻取代，以使分压Vpartial大小可被调整至模拟数字转换器42可以接受的范围内。微处理器44可内建复数个对映表，其中每一对映表对应可变电阻调整的一电阻值，而对映表的种类与上述相同。
本发明直接检测来自生物芯片40相应检体中特定成份含量引起的一分压Vpartial。本发明生物感测器相较于图3所示的传统生物感测器可使用较少的电子零件，而降低制造成本及减少电能消耗。再者，本发明生物感测器不需使用例如运算放大器供做电流/电压转换器，当生物感测器呈未使用状态时，不会有静电流及暗电流产生，可延长供应电源的电池使用寿命，而增加使用本发明生物感测器的方便性。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的申请专利范围内。
Claims (14)
1.一种以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于包括：
一生物芯片，当一作用电压施予在该生物芯片时，该生物芯片相应提供于其上的一检体中一特定成份含量产生一随时间变化的反应电流；
一电压供应源，用以提供该作用电压于该生物芯片；及
一微处理器，接收来自该生物芯片由该随时间变化的反应电流造成的一随时间变化的分压，及根据该随时间变化的分压以决定该特定成份的含量；以及
一电阻，该电阻的一端串联至该生物芯片及其另一端连接至一接地电位，以提供分压。
2.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，还包含一模拟数字转换器，以将该随时间变化的分压转换成数字讯号形式，再传送至该微处理器。
3.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的电阻为一可变电阻。
4.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的电阻为一可变电阻。
5.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一上升时间相应特定成份含量的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一上升时间后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
6.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一峰值电压相应特定成份含量的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一峰值电压后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
7.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一上升时间相应特定成份规格曲线的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一上升时间后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
8.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一峰值电压相应特定成份规格曲线的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一峰值电压后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
9.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一上升时间相应特定成份含量的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一上升时间后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
10.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一峰值电压相应特定成份含量的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一峰值电压后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
11.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一上升时间相应特定成份规格曲线的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一上升时间后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
12.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述的微处理器内建有一峰值电压相应特定成份规格曲线的对映表，该微处理器从该随时间变化的分压得到一峰值电压后，根据该对映表以决定该特定成份含量。
13.如权利要求1所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其特征在于，上述欲被检测的特定成份依该生物芯片的一酵素而定。
14.如权利要求2所述的以分压检测检体中特定成份含量的生物感测器，其中上述欲被检测的特定成份依该生物芯片的一酵素而定。
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