CN1295499C - 确定生物传感器中样品体积足够度的电路、系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了系统和方法，用于确定生物样品体积是否足以产生精确的分析物浓度测量。某些这样的系统和方法提供了附加功能：补偿被确定为小于足够的样品体积以继续进行精确的分析物浓度测量。本发明与生物传感器如电化学测试条和计量器一起被采用，生物溶液的样品体积被沉积于所述电化学测试条，所述计量器被配置以容纳这样的测试条并测量生物样品内所选分析物的浓度。

Description

确定生物传感器中样品体积足够度的电路、系统和方法

发明领域

本发明的领域为生物流体中分析物的电化学确定，具体为欲被测试分析物浓度的生物流体的体积足够度(adequacy of the volume)的电化学确定。

发明背景

生物流体例如血液或从血液得出的产物如血浆中的分析物浓度确定对现今社会来说已日益重要。这样的测定在多种应用和设置中得到使用，包括检验科测试、家庭测试等，在那里这样测试的结果在多种疾病状况的诊断和处理中扮演了重要角色。普通感兴趣分析物包括用于糖尿病处理的葡萄糖、用于监控心血管状况的胆固醇等。响应于分析物浓度检测的这种日益增长的重要性，已发展了多种用于临床和家庭用途的分析物检测协议和设备。

被用于分析物检测的一种类型的方法是基于电化学的方法。在这样的方法中，水液体样品被置于电化学室(cell)中的反应区内，所述电化学室由至少两个电极组成，即计数/基准电极和工作电极，其中电极具有使其适合于电流测量的阻抗。欲被分析的组分例如分析物被允许直接与电极反应，或者直接或间接地与氧化还原反应剂反应以形成相应于欲被分析的组分即分析物的浓度的量的可氧化(或可还原)物质。然后存在的可氧化(或可还原)物质的量被从电化学上并根据初始样品中存在的分析物的量来估算。

通常，电化学室为可处理(disposable)测试条的形式，在其上生物样品被沉积并且其在计量器中是可容纳的，通过所述计量器可制成电化学分析物浓度。采用通常被称为生物传感器的这些类型测试条和计量器的测定系统的实例可在U.S.专利No.5,942,102、6,174,420B1和6,179,979B1中被发现，其公开内容在此引入作为参考。有这些系统，生物样品中分析物的浓度确定首先涉及获得生物样品并使将该样品与测试条的反应区进行接触以使生物样品且更具体地感兴趣分析物或其衍生物可相关于反应区而与化学例如测试反应剂进行反应。为了获得对具体感兴趣分析物的精确测量，必须将最小样品体积应用于反应区。欲被提供的样品体积量不足并不罕见，这通常是由于用户误差或者病人缺乏经验或判断错误。不精确的测量可导致误诊或不正确的治疗，如用不适当的药剂量、病人不遵从等。对于那些依赖频繁监控其体内分析物而生存的人们，例如糖尿病人，这样可导致严重和甚至危及生命的后果。

确保足够生物样品体积的一个途径是过饱和或使用大于充满测试条反应区所必要的体积的被采样流体。使用不必要的大体积被采样流体特别是血液的缺点是需要从病人抽取较大体积的血液样品。这需要使用相当大的血液样品体积，由此必然要使用较大直径的针和/或较深地穿透皮肤。这些因素可增加病人所感到的不适和疼痛，并且对于那些毛细管血不容易挤出的个别人可能难以实现。对于例如许多糖尿病人，由于这种采样过程在一天之内可能被频繁重复，疼痛的增加迅速变得较不能忍受或者完全无法忍受。

一些分析物检测生物传感器已被发展以提供样品体积足够度的视觉确认，然而，这个特点不排除病人在判断样品体积足够度过程中的潜在误差，例如糖尿病人可能经历视力恶化。某些其它分析物确定生物传感器的确提供了用于确定样品体积足够度的不依赖用户的装置。这样的传感器的实例被公开于U.S.专利No.5,628,890和5,650,062以及PCT专利申请出版物No.WO 99/32881(PCT专利申请No.PCT/US98/27203)。特别地，’881出版物描述了电化学葡萄糖监控系统，其试图通过在已知频率处将低电平AC电压信号(无DC电压偏移)应用于生物传感器并测量合成阻抗的虚分量和实分量两者来确定应用于生物传感器的样品体积足够度。然后将这些阻抗值与微处理器程序存储器中的查询表进行比较。当考虑这个系统依赖于血液血细胞比容(hematocrit)水平和环境温度变化时，这种方法的精度可能又加可疑。

‘881出版物中公开的技术的另一缺点是如果样品体积被确定为不足，即“最后决定的(go-no-go)”情况，则分析物测量测试必须被中断。这导致需要如上述从病人处采集又另一个样品，这是不便的并且对于病人可能是很痛苦的，类似地导致了病人不遵从他的或她的医疗方案。另外，测试必须被重复导致了浪费测试条和增加过程成本。

就这一点而论，有对新技术鉴定的持续感兴趣，所述新技术用于精确而准确地测量被用于电化学分析物浓度确定的样品体积足够度。具体兴趣将是发展能很精确和迅速地确定样品体积足够度的设备和方法。发展这样的样品体积足够度确定设备和技术将是加之有益的，在其中确定样品体积不足不需要中断分析物浓度测量测试。理想地，这种设备和技术将补偿小于最佳样品的体积并提供精确测量而不必提供新的样品或进行新的测试。

发明概述

本发明提供方法、系统和设备，用于测量生物样品体积并确定这样的体积是否足以产生对生物样品的至少一个所选特征如其中所含分析物的浓度的精确测量。某些这样的方法、系统和设备提供了附加功能：补偿被确定为小于足够的样品体积以继续进行测量过程。

本发明与生物传感器如电化学测试条和计量器一起被采用，生物溶液的样品体积被沉积于所述电化学测试条，所述计量器被配置以容纳这样的测试条并测量生物样品内所选分析物的浓度。如以下将较完整的描述，电化学测试条包括由相对的电极构成的电化学室，在所述电极之间限定反应区以容纳生物样品，其中反应区具有限定的厚度和体积。

当足够的电压被施加于电化学室时，室成为充电的并且电化学反应将在充电室内发生。作为结果，电荷流向电化学室的电极。电极-溶液界面类似于电容器的界面。此电荷与电压的比决定电极-溶液界面的电容。由于总电荷是由双层的充电和电化学反应造成的，两个截然不同的电容分量Cd1和Cs分别对室的总电容或等效电容有贡献(见Bard，A.J.和Faulkner，L.R.，电化学方法(Electrochemical Methods)，1980)。

本发明者发现电化学室的等效电容是准确确定样品体积过程中最相关的因素，由于等效室电容与接触样品的室电极表面面积量(“被覆盖的室面积”)成线性比例，并由此与室内即电极之间的样品体积成线性比例。

本发明者还发现电化学室可被用作具有振荡周期(或振荡频率的倒数)的振荡器电路的一部分，所述周期与当DC电压被施加于室时由电化学室产生的室等效电容成比例。这样，本发明的特点是提供振荡器，其被操作地耦合于电化学室以使产生具有与等效电容成比例的周期的振荡；测量这个周期并由此从所测周期得出等效电容。

总体来说，本发明的系统可包括以下部件：被配置以便将电压施加于电化学室以对室进行充电的电压供给；用于从充电室接收电压信号并将这样的电压信号转换为振荡信号的装置；用于从振荡得出室电容的装置；用于从室电容得出被生物样品覆盖的室表面面积的装置；以及用于从被覆盖室表面面积得出生物样品体积的装置。某些系统进一步包括用于确定样品体积是否足以进行对生物样品的一个或多个所选特征进行精确测量的装置，所述特征包括但并不局限于生物样品中一个或多个分析物的浓度。某些这样的系统进一步包括用于当生物样品所选特征时补偿不足样品体积的装置。

在一个实施例中，主题系统包括被配置以便将第一电压施加于所述电化学室的电压供给；用于测量当所述第一电压被施加于所述室时由所述室产生的第二电压的装置；用于将所述第二电压转换为振荡电压的装置；用于从所述振荡电压得出所述室的电容的装置；用于从所述室电容得出被所述生物样品覆盖的所述室的表面面积的装置；以及用于从所述表面面积得出所述生物样品的体积的装置。

主题系统的上述装置包括电子部件和/或电路，欲与生物传感器一起被使用并从电子学上耦合于该生物传感器，例如形式为例如可处理测试条的电化学测量室，欲测试的被采样溶液沉积于其中或者被毛细管行为抽取到其中。最典型地，这样的电子电路被引入了计量器或其它自动化设备，其被配置以容纳这样的电化学室例如可处理测试条并操作地与其接合，并且测量被装在电化学室内的生物样品的一个或多个物理或化学特征。这样的电子电路可使用商业上现有的零件来实施或可作为ASIC(特定用途集成电路)的一部分来实施。最典型地，这样的特征包括生物样品中一个或多个目标分析物的浓度。这样的电子电路可包括离散的电子部件，例如电压供给和/或集成电路，该集成电路具有多个电路元件和/或半导体设备，例如微处理器，其被适当地设定以基于从电化学室接收的特定信号或数据输入来执行主题方法的特定步骤或功能。

主题电路可进一步包括显示器设备或单元，用于显示由控制设备或微处理器供应的所选经验或符号数据、信息或者输出。这样的数据、信息或输出可包括但不局限于所选输入和输出信号的测量或得出值、阻抗因数、样品体积尺寸、体积足够度/不足度指示图谱、不足体积补偿因数、感兴趣分析物浓度、生物样品对控制样品的指示图谱、校准结果等。

在某些实施例中，本发明的系统包括这样的电子电路和自动化测量设备或计量器，其中电子电路完全在结构上和功能上与自动化测量设备集成。例如，一个这样的实施例包括用于容纳电化学室的计量器，所述电化学室被配置以容纳生物样品并具有当电压被施加于该电化学室时由生物样品产生的电容。该系统进一步包括DC电压供给，其被配置从而可电连接于电化学室以便对电化学室进行充电以产生室电容；和电子电路，其被与计量器集成配置并被配置从而可电连接于电化学室。该电路包括振荡器电路，其被配置以接收由电化学室充电和放电产生的电压输入信号并亦被配置以将电压输入信号转换为振荡电压输出信号，其中振荡电压输出信号的周期与室的电容成比例。

本发明亦包括用于确定生物样品体积足够度的方法，所述足够度用于确定被沉积或传递到生物传感器的生物样品中一个或多个所选分析物的浓度。振荡器对室电容进行充电和放电，并且因此其振荡频率或周期由室电容的大小而定。室充电和放电电压被控制以使净DC电压被施加于室。接下来，生物传感器的等效室电容根据这个振荡电压而被确定。根据等效电容，则与生物样品接触的生物传感器部分的表面面积(“被覆盖的室面积”)被用于得出生物传感器内生物样品的体积。一旦确定样品体积足以继续进行测量测试，则目标特征例如分析物浓度被测量。另一方面，如果确定样品体积不足，则主题方法可进一步包括在测量过程期间补偿这样的不足样品体积。不足体积的补偿包括确定包含实际样品体积的生物传感器的等效室电容与当其整个可用容积被充满时生物传感器的室电容之比。

尽管主题系统和方法可被用于确定不同生物样品如尿、眼泪、唾液等的样品体积，但它们特别适合于在确定血液或血液部分(fraction)等的样品体积的过程中使用。此外，尽管主题系统和方法被用于为准备测量样品的多种物理和化学特征而确定样品体积，但它们在为测量样品中所选分析物的浓度而准备的过程中是特别有用的。

基于阅读以下被较完整描述的本发明方法和系统的细节，对本领域的技术人员来说，本发明的这些和其它目的、优点和特点将变得明显。

附图简述

图1为用于电化学分析物浓度确定的示例常规电化学测试条的分解图，其可与本发明一起使用。

图2为表示图1测试条等效室阻抗的电路的示意图。

图3为本发明系统实施例的电子电路的部分示意和部分方块图，

图4为示出被施加于测试条电化学室的输入电压(V_I)波形和根据图3电子电路并依照本发明的振荡器输出电压(V_O)波形的曲线图。

图5为图3电子电路的振荡器电路的另一实施例的示意图。

图6为曲线图，描述了当室分别被样品溶液完全充满和半充满时，在血液样品已被施加于室后，由电化学室产生的振荡周期(y轴)随时间(x轴)变化的关系。

优选实施例详述

本发明提供系统和方法，用于确定生物样品的体积以便于测量样品所选特征例如分析物浓度并用于确定这样的体积是否足以产生对这样的所选特征的精确测量。本发明系统和方法的某些实施例提供了附加功能：补偿被确定为小于足够的样品体积以提供精确的分析物浓度测量。

在本发明被更具体地描述之前，应理解此发明不局限于所述的具体实施例，就这一点而论是当然可以变化的。还应理解，在此所用的术语仅为了便于描述具体实施例，并不欲进行限定，因为本发明的范围将仅由随后的权利要求来限定。

在提供值的范围的地方，应理解，除非文中明确描述否则到下限单位的十分之一、在那个范围上下限之间的每个中间(interveningvalue)值以及在表明的范围中的任何其它表明的或中间值都被包含在本发明的范围内。可独立地被包含在较小范围中的亦被包含在本发明的范围内的这些较小范围的上下限，服从所表明范围内的任何具体的排他限定。在一定范围包括一个或两个限定的地方，排除任一的那两个被包含的限定的范围亦被包含在本发明中。

除非被限定，否则在此使用的所有技术和科学术语具有与通常由本发明所属领域的普通技术人员所理解的相同的含义。尽管类似于或等价于在此所述的任何方法和材料亦可被用于本发明的实践或测试，但在此仍描述了限定数量的示例方法和材料。

必须指出，如在此和在随后的权利要求中所使用的，除非文中明确描述，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个主题。

定义

在此所使用的术语“双层”指当电压被施加于电极时存在于电极表面和与电极表面接触的溶液例如生物样品溶液之间的界面处的充电的物质和定向偶极子的整个阵列。

在此所使用的术语“双层电容”C_d1指通过使电极-溶液界面的双层充电所贡献的电容。

在此所使用的术语“感应电流(Faradaic)电容”C_s指由在电极表面上发生的电化学反应造成的伪电容分量。

在此所使用的术语“感应电流(Faradic current)”I_F指发生在已被施加电压的电极表面处的电子输送或电流。

在此参照电化学室被使用时的术语“等效室电容”C指电化学室上的总等效电容，其当电压已被施加于电化学室时产生。等效室电容受双层电容和感应电流电容的支配。

在此参照电化学室所使用的术语“等效室电阻”R指电化学室上的总等效电阻，其当电压已被施加于电化学室时产生。

在此参照电子电路或部件例如电化学室可被互换使用的术语“等效室阻抗”Z指包括但不限于等效室电容与等效室电阻的结合的电路的总阻抗，其当电压已被施加于电化学室时产生。

现在将具体描述本发明。在进一步描述本发明的过程中，可与本发明系统一起使用并可由本发明方法采用的示例电化学生物传感器将首先被描述，随后是对主题系统和主题方法的详述以及对用于在实践主题方法过程中使用的包括主题系统的主题成套工具的描述。在以下描述中，本发明将在分析物浓度测量应用的情况下被描述；然而，这并不是要限定，并且本领域的技术人员将理解，主题系统和方法在对生物物质的其它物理和化学特征如血液凝固时间和测量(measuring)血液胆固醇的测量中是有用的。

电化学生物传感器

如以上所简述的，本发明提供系统和方法，用于测量被用于分析物浓度测量的生物材料样品的体积并且用于确定这样的体积是否足以产生精确的分析物浓度测量。这些方法和系统可与生物传感器一起使用，更具体地为基于电化学室的生物传感器，被采样生物材料被沉积或传递于其中。有基于电化学室的生物传感器的各种设计。被用于分析物浓度监控领域最普通的这些设计包括测试条配置，如在共同未决的U.S.专利No.6,193,873中和在共同未决的U.S.专利申请系列No.09/497,304、09/497,269和09/746,116中所公开的，其公开内容在此引入作为参考。这样的测试条与被配置用于电化学测量的计量器一起使用，如在以上所指出的专利参考中所公开的。

不同于测试条的电化学生物传感器亦可适合于与本发明一起使用。例如，电化学室可具有圆筒配置，其中芯电极被同轴地置于第二管状电极内。这样的电化学室配置可以是微针形式的，并且就这一点而论，可或者在针结构中集成以便就地(例如，典型地在皮肤表面之下)进行测量，或者相反，与微针结构有物理或流体上的联系。这样的微针的实例在提交于2001年6月12日的共同未决的U.S.专利申请系列No.09/878,742和09/879,106中被公开，在此引入作为参考。为了本公开内容的目的，主题设备将被描述为与测试条配置的电化学室一起使用；然而，本领域的技术人员将理解，主题设备可与任何适当的电化学室配置一起使用，包括微针配置。

进行电化学测量的类型可根据与电化学测试条一起被采用的计量器和测定的具体性质而变化，例如根据测定是测量电荷、测量电流还是测量电位的。电化学室将在测量电荷的测定中测量电荷、在测量电流的测定中测量电流并在测量电位的测定中测量电位。为了本公开内容的目的，本发明将被描述为根据测量电流的测定；然而，主题设备可与任何类型的测定和电化学测量一起被采用。

通常，在任何配置中，电化学室包括至少两个电极，其被以相同平面中的面对的安排或者并肩安排隔开。在第一安排中，电极被薄隔层隔开，所述隔层限定了反应区域或区、或者室，生物样品被沉积或传递于其中用于分析物浓度测量。在并排的配置中，电极位于有限定厚度和容积的室中。存在于反应区域或室中的，即在电极的一个或多个面对的表面上所涂敷的，是被选择以使目标分析物起化学反应的一种或多种氧化还原反应剂。这样的氧化还原反应剂典型地包括酶和介体(mediator)。

适合于与本发明一起使用的示例常规电化学测试条2的表示在图1的分解图中被提供。测试条2由被隔层12隔开的两个电极4、8组成，所述隔层具有限定反应区或区域14的剖面。通常，电极4、8被配置为拉长的矩形条的形式，每个具有从大约2到6cm、通常从大约3到4cm范围的长度，具有从大约0.3到1.0cm、通常从大约0.5到0.7cm范围的宽度，并具有从大约0.2到1.2cm、通常从大约0.38到0.64cm范围的厚度。

面向所述条内反应区域的电极4、8的表面由传导材料制成，优选为金属，其中感兴趣金属包括钯、金、铂、银、铱、碳、掺杂的铟锡氧化物、不锈钢等。电极4、8的外表面6、10由惰性载体或衬被材料制成。任何合适的惰性衬被材料可与电极4、8一起使用，其中该材料典型地为能够给电极并依次在总体上给电化学测试条提供结构支持的刚性材料。这样的合适材料包括塑料例如PET、PETG，聚酰亚胺、聚碳酸脂、聚苯乙烯、硅、陶瓷、玻璃等。电极4、8和测试条2可使用相关领域技术人员所知的任何各种制造技术来制造。如上所述，薄隔层12被置于或夹在电极4、8之间。隔层12的厚度一般从大约1到500mm的范围内变化，通常为从大约50到150mm。隔层12可由任何方便的材料制成，其中代表性的材料包括PET、PETG、聚酰亚胺、聚碳酸脂等。隔层12的表面可被处理以分别与电极4、8粘合并由此保持电化学测试条2的结构。

隔层12被切割以提供具有任何适当形状的反应区或区域14，包括圆形、正方形、三角形、矩形或不规则形状的反应区域等。反应区14的顶部和底部由电极4、8的面对的表面来限定，而隔层12限定反应区域14的侧壁。反应区域的容积从至少大约0.1到10ml的范围内变化，通常从大约0.2到5.0μL并且更通常地，从大约0.3到1.6μL。

存在于反应区域14中的是氧化还原反应剂系统，此反应剂系统提供由电极检测并因此被用于得出生物样品中分析物浓度的物质。存在于反应区域中的氧化还原反应剂典型地包括至少酶和介体。在许多实施例中，氧化还原反应剂系统的酶成分是共同工作以氧化感兴趣分析物的一种酶或多种酶。换句话说，氧化还原反应剂系统的酶组分由单一分析物氧化酶或者协作以氧化感兴趣分析物的两种或多种酶的集合而组成。典型的感兴趣酶包括氧化还原酶、水解酶、转移酶等；然而，存在于反应区域中的专门的酶依赖于电化学测试条被设计以检测的具体分析物。例如，在感兴趣分析物为葡萄糖的地方，适当的酶包括葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶(或者为基于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide)(NAD)，或者为基于4，5-二氢-4，5-二氧代-1H-吡咯[2，3-f]喹啉-2，7，9-三羧基(4，5-Dihydro-4，5-dioxo-1H-pyrrolo[2，3-f]quinoline-2，7，9-tricarboxylic)(PQQ))。在分析物为胆固醇的地方，适当的酶包括胆固醇酯酶和胆固醇氧化酶。对于其它分析物，可使用的酶包括但不局限于脂蛋白脂酶、甘油激酶、甘油-3-磷酸酯氧化酶(glycerol-3-phosphate oxidase)、乳酸酯氧化酶(lactate oxidase)、乳酸酯脱氢酶(lactate dehydrogenase)、丙酮酸盐氧化酶(pyruvateoxidase)、酒精氧化酶(alcohol oxidase)、胆红素氧化酶(bilirubinoxidase)、尿酸酶等。

氧化还原反应剂系统的第二组分为介体组分，它由一种或多种介体试剂组成。多种不同的介体试剂为本领域内所知并包括：氰铁酸盐(ferricyanide)、phenazine ethosulphate、phenazinemethosulfate、苯二胺(pheylenediamine)、1-methoxy-phenazinemethosulfate、2，6-二甲基-1，4-苯醌(2，6-dimethyl-1，4-benzoquinone)、2，5-二氯-1，4-苯醌(2，5-dichloro-1，4-benzoquinone)、二茂络铁衍生物(ferrocene derivatives)、二吡啶基锇(osmium bipyridyl)络合物、钌络合物等。在感兴趣分析物中的葡萄糖和葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶为酶组分的那些实施例中，特别感兴趣介体为氰铁酸盐。可能存在于反应区域中的其它反应剂包括缓冲试剂，例如柠康酸盐、柠檬酸盐、磷酸盐、“Good”缓冲剂等。

氧化还原反应剂系统通常是以干燥形式存在的。各种组分的量可能发生变化，其中酶组分的量典型地从大约0.1到20％重量百分比范围内变化。

为了理解以下对主题系统和方法的描述，在图2中提供了图1测试条电化学室的阻抗电路40的简化模型。当测试条包含生物溶液样品并具有由电源电压48施加于其的电压时，阻抗电路40代表测试条的阻抗因数。当DC电压被施加于室时，阻抗电路40包括电化学室的等效室电阻(R)46和等效室电容(C)42，其包括双层(C_d1)和感应电流(C_s)电容。

本发明的系统

本发明的系统包括电子电路，被配置以从电子学上耦合于生物传感器，例如如以上参照图1所述的可处理测试条形式的电化学测量室，欲测试的被采样生物溶液被沉积或传递于其中。典型地，这样的电子电路在以上参考类型的电化学计量器中被集成配置。则本发明的系统包括这样的计量器和被集成配置的主题设备。

参考图3，提供了本发明系统的示例电子电路50的示意/方块图，其被从电子学上耦合到生物传感器70并特别到如上述的测试条内的电化学室电极(未示出)。生物传感器70内示出的并联的电容器C和电阻器R分别代表电化学室的等效电容和等效电阻，并且共同代表生物传感器70的阻抗。电路50包括微处理器52，其被电耦合于振荡器电路54。生物传感器70通过端子72和74被电耦合于振荡器电路54。被施加于室的电压以参考数字60所识别的平均DC电压在图4中示出。

电路54通常操作为振荡器电路，其提供具有矩形形状波形的输出电压V_O，如图4中所示。电路包括电源V_cc、回馈电阻器R₁、电容器C₁以及包括运算放大器56和电阻器R₂、R₃和R₄的施密特触发器电路。可与主题电子电路一起使用的合适振荡器包括但不局限于集成电路振荡器。施密特触发器电路的功能是接收来自生物传感器70的电压输入信号V_I，将该信号转换为具有与生物传感器70的等效室电容C成比例的振荡周期的精确成形矩形脉冲波形形式的输出信号V_O，并且将输出信号V_O作为数字输入供应给微处理器52。

施密特触发器电路具有从大约200到600mV范围内的上触发电压(V_H)和从大约0到500mV范围内的下触发电压(V_L)。在具体的变异中，施密特触发器电路具有大约350mV的上触发电压V_H和大约250mV的下(触发电压V_L。相应地，当室中没有样品溶液时，R和C不存在。当电路被加电时，C1被初始放电并因此输入信号V_I在250mV以下。在此条件下，运算放大器56的输出处于高电压，即近似为供给电压V_cc，由此则C1由电供给电压V_cc穿过R1来充电，而输出电压V_O仍保持处于供给电压V_cc，其在从大约1.8到5V的范围内，并且较典型地为大约3V。当电容器C1充电时，来自端子72的输入信号V_I增加，直到电压达到350mV以上。此时，运算放大器56的输出达到零伏左右，由此则C1经过电阻器R1被放电，而输出电压V_O仍处于零伏。这样，电容C1的充电和放电导致施密特触发器电路的输出电压V_O产生矩形振荡。当生物传感器70内不存在样品时，R1和C1确定输出电压V_O的振荡周期或频率。此后者的振荡周期由以下方程确定：

$T_1=R1C1(\ln \frac{V_H}{V_L}-\ln \frac{V_{\mathrm{CC}}-V_L}{V_{\mathrm{CC}}-V_H})...\left(1\right)$

其中T₁为振荡周期，R1和C1为以上讨论的分量，V_H和V_L为施密特触发器电路相应的高和低电压水平，而V_cc为供应给施密特触发器电路的电压。当样品被应用于生物传感器70时，室电容C在生物传感器70中被生成，产生由以下方程确定的输出电压振荡周期，选择R1以使R1＜＜R：

$T_2=R1(C1+C)(\ln \frac{V_H}{V_L}-\ln \frac{V_{\mathrm{CC}}-V_L}{V_{\mathrm{CC}}-V_H})...\left(2\right)$

相应地，由在来自没有样品的生物传感器70(T₁)的输入信号和来自有样品的生物传感器70(T₂)的输入信号之间所产生输出信号的振荡周期差异或变化(ΔT)由以下方程确定：

ΔT＝T₂-T₁                                    (3)

$\mathrm{\ΔT}=R1C(\ln \frac{V_H}{V_L}-\ln \frac{V_{\mathrm{CC}}-V_L}{V_{\mathrm{CC}}-V_H})...\left(4\right)$

其中ΔT为生物传感器的电化学室的等效电容C的线性函数。因此，通过确定由振荡电路产生的振荡周期，能够确定该电化学室的等效电容。

可与主题系统一起使用的振荡电路的另一实施例在图5中被示出，其中电阻器R1已由恒定电流源I_cc代替以控制施加于样品的电流量。由电流源供应的电流流动的方向由运算放大器56的输出即输出信号V_O来控制。当输出信号V_O高时，电流源将通过端子72向生物传感器70供应电流以对等效室电容进行充电。跨在电容器C1的电压将线性地而不是如在图3的实施例中以指数规律上升。当V_I达到350mV左右时，运算放大器56的输出改变电流源57的方向并导致室电容器C和电路电容器C1放电，由此V_I开始降低。这个循环将被重复，由此矩形形状的波形在运算放大器56的输出(V_O)被产生。

有了上述任一振荡器电路，输出信号V_O通过端子58被提供给微处理器52。由于输出信号或者接近零伏、或者为电供给电压，其被直接连接到可用的微处理器I/O端口之一并且不需要使用模拟到数字(A/D)转换器以将周期信号转换为数字格式。微处理器52被设定以接收该输出信号并得出和/或确定感兴趣因素或参数，例如等效室电容、与生物传感器接触的生物传感器表面面积、生物样品的体积、补偿因数等；并且控制每个这些功能的时序。微处理器52可包括存储器存储装置，用于存储预定、预选择或校准的数据或信息，如电化学室的总体积、校准参数、操作温度范围、样品类型信息、样品检测信息等对于设定主题方法的步骤和功能是必要或有用的信息。尽管已为了依照本发明的原理存储和处理数据而描述了微处理器，但本领域的技术人员将认识到其它分立的电子部件可被共同配置以实现本发明的目的。

主题系统可进一步包括显示器设备或单元80，用于显示由控制设备或微处理器提供的所选经验或符号数据、信息或输出。这样的数据、信息或输出可包括但不局限于所选输出信号的测量或得出值和阻抗因数、样品体积尺寸、体积足够度/不足度指示图谱、不足体积补偿因数、感兴趣分析物浓度、生物样品对控制样品的指示图谱、校准结果等。

相关领域的技术人员将理解主题设备可与不包括生物传感器或上述类型电化学测量设备的检验系统一起使用。例如，这样的其它系统包括具有至少两个电极的电化学室和具有固定离子浓度的氧化还原反应剂系统，其中电极被配置以被置于具有固定离子浓度的环境或生物样品内。

本发明的方法

本发明还提供了方法和协议，用于确定被提供用于分析物浓度测量的生物样品的体积，并确定这样的体积是否足以产生精确的分析物浓度测量。如以上所述，在确定样品体积的过程中，主题方法的特点是确定室的等效电容以及等效室电阻。就这一点而论，主题方法提供了比现有技术所实现的较为精确的样品体积测量。

在确定等效室电容和样品体积的过程中，主题方法的另一特点是不考虑被采样溶液的某些特征或因素，或者对等效电容的确定没有影响或者被严格控制以使不产生这样影响的周围条件。这样的被控制或独立于等效电容的因素包括但不局限于离子物质浓度、血液血细胞比容、血糖浓度、环境温度、血液授体以及典型地被发现于血液中的传感器干扰、室厚度和传感器的老化。

主题方法的另一特点是提供可操作地耦合于电化学室的振荡器以产生具有与等效室电容成比例的周期的振荡并由振荡周期得出这样的电容。

在应用主题方法之前，首先有必要获得欲测量的生物样品并将此样品置于测试条室内。这可通过首先将测试条插入测试计量器然后将样品应用于测试条(“开计量器剂量(on-meter dosing)”)，或者通过首先将样品应用于测试条然后将测试条插入测试计量器(“关计量器剂量(off-meter dosing)”)，来完成。后者的顺序在医院环境中通常是优选的，这是由于在计量器中较少有可能交叉感染。然后测量计量器检测已被引入电化学室中的生物样品(如在U.S.专利No.6,193,873中所公开的)。

在应用主题方法的过程中，紧接着在检测到样品沉积或传递于生物传感器70内即测试条电化学室的反应区域内之后，振荡器电路被附着于测试条，由此对电化学室进行充电和放电。被施加于室的平均电压为导致电化学室等效电容较快速稳定的净DC电压。被施加的DC电压的大小的平均值具有满足葡萄糖测量要求的值。然后跨在室电容(C)的充电和放电电压被作为输入信号V_I提供或供应给电子电路50，具体是振荡器电路54。由这个输入信号V_I，电路54生成具有与等效室电容周期成比例的周期的振荡电压输出(V_O)。

如本领域技术人员众所周知的，电容器简化模型即被绝缘体或电介质材料隔离的两个平行板电容(Cap)由以下关系式代表：

Cap＝ε₀ε_r·A/d                                    (5)

其中ε₀等于8.85×10^-12N^-1m^-2C²，为自由空间的电容率或介电常数，ε_r为电介质材料的相对介电常数，A为与电介质材料接触的板的一侧的表面积，而d为板的电介质接触表面之间的间距。这样，此电容器模型的特征是其电容与板的表面积成正比。因此，通过测量振荡器输出信号的周期，等效室电容可被度量，并由于此电容与室被覆盖面积成线性比例，被覆盖室面积可从周期得到。

一旦确定了与样品溶液接触的电极表面的面积，则生物传感器内即电化学室反应区内的样品溶液体积(Vs)可依照以下方程来确定：

        Vs＝A·d                                (6)

其中d为面对的电极配置中室电极之间的距离或并排的电极配置中室的深度。

然后有关被提供给测试条的样品体积是否足以继续进行分析物浓度测量的确定被得到。通过将计算样品体积与电化学室总体积进行比较得到体积足够度的确定。

如以上参照本发明系统所讨论的，例如基于计量器和主题系统其它相关部件的校准，某些参数，包括但不局限于总室体积值、操作温度范围、插入计量器的合适测试条连同数据(静态和动态)或涉及特定电化学室的参数，被存储于微处理器的存储器中。

如果样品体积被确定为足够，则进行所需特征例如分析物浓度的测量，其结果可如以上参照主题系统所述被显示于显示器单元上。另一方面，如果样品体积被确定为不足即过小而不能提供精确测量，显示器单元可示出小体积图谱。

如以上所讨论的，主题方法的某些实施例包括附加功能：补偿不足的样品溶液体积以进行对所选特征例如目标分析物浓度的精确测量，而不必再进行采样和测试步骤。

在本领域已知，室中生物样品所选分析物如葡萄糖的浓度与当DC电压被施加时经过电化学室的感应电流(I_F)成比例，室电流与被样品溶液覆盖的室表面面积成比例。如以上所述，本发明者已确定此表面积与室的等效电容成比例。这样，所选分析物的浓度与等效室电容成比例。通过当样品溶液存在时确定等效室电容并通过当被完全充满生物溶液(由校准过程确定)时得知室电容，补偿小样品体积及提供精确分析物浓度测量所必要的补偿因数(F_cf)可依照以下方程来确定：

        F_cf＝C_f/C_pf                        (7)

其中C_f为当被完全充满时电化学室的等效电容，而C_pf为包含生物样品不足体积的电化学室的等效电容。然后依照以下方程得到有适当补偿因数(F_cf)的校正分析物浓度度量(G)：

        G＝F_cf·G_pf                        (8)

其中G_pf为从包含生物样品不足体积的室被计算的分析物浓度。由于能够补偿不足的小样品体积，主题方法避免了浪费测试条、降低了成本并减少了进行分析物测量所必要的时间。

这样，如依照以上原理和发现所一般概述的，本发明的某些方法包括步骤：将DC电压施加于生物传感器以对该生物传感器进行充电；将作为这样充电的结果产生的电压信号转换为振荡信号；从这个振荡信号确定生物传感器的电容；基于被确定的电容而确定与样品接触的生物传感器部分的表面积；和然后基于被确定表面积来确定生物传感器内样品的体积。

其它主题方法可进一步包括步骤：基于确定样品体积为足够来测量生物样品的一个或多个物理或化学特征，如一个或多个所选分析物的浓度。还有的其它主题方法可包括，补偿用于测量生物样品的至少一个特征、被装在电化学生物传感器内的生物样品的不足体积以精确测量所述特征的值。这样的补偿方法包括确定必要的补偿因数以补偿不足的样品体积——如果这被确定，并在其后补偿不足的样品体积同时测量例如存在于样品内的所选分析物的浓度。确定必要补偿因数的步骤包括确定当被完全充满样品时生物传感器的等效电容与有不足样品体积的生物传感器的被确定等效电容之比。当被完全充满所述样品时生物传感器的等效电容值可从存储器存储装置来存取。

实验实例

以下结果已连同本发明被观察。图6示出由具有足够血液样品体积的测试条130和由具有少于足够血液样品体积的测试条132产生的随时间(x轴)变化的振荡周期(y轴)之间的比较。实验结果表明当测试条被完全充满样品溶液时振荡周期有明显的增加。这些经验结果是为说明而不是为了限定而提供的。

成套工具

主题发明还提供了用于在实践主题方法的过程中使用的成套工具。主题发明的成套工具包括：如上述包括电子电路或如上述计量器或其它自动化设备形式的主题系统，用于确定被应用于测试条的样品体积是否足以提供欲进行的精确分析物浓度测量。在某些其它成套工具中，当进行分析物浓度测量时主题系统亦补偿这样的不足体积。成套工具可进一步包括用法说明：用于在确定保持在电化学室中的被采样溶液或材料的体积的过程中，依照主题方法使用主题系统和测试条或微针等形式的电化学室。这些用法说明可存在于一个或多个包装、插入标签等上。

由以上描述，显然主题系统设备和方法的特点在确定沉积于测试条上生物样品的体积以便进行电化学分析物浓度分析的方面克服了现有技术的许多缺点，并提供了某些优点，包括但不局限于提供很精确的装置和技术以便于远远快于且简单于现有技术设备而进行这样的样品体积确定。本发明的其它优点包括不必放弃测试过程而补偿不足的样品体积并继续进行分析物浓度测量的能力。就这一点而论，主题发明代表对生物样品体积确定和分析物浓度测量的流体领域的显著贡献。

主题发明在此被以考虑为最实用和优选的实施例来示出并描述。然而应认识到，由此可能的偏离仍在本发明的范围内，并且基于阅读此公开内容，对于本领域的技术人员，将明显的改动将会发生。

所公开的专门设备和方法被考虑为示意性的而非局限性的。在所公开的概念的等价含义和范围内的改动，如对相关领域技术人员来说容易发生的，将被包括在随后权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种电子电路，被配置成电耦合到电化学室，该电化学室用于容纳生物样品和在电压施加于所述电化学室时具有由所述生物样品产生的电容，所述电路包括：

振荡电路，被配置成接收由所述电化学室充电和放电导致的电压输入信号并包括施密特触发器电路，该施密特触发器电路将所述电压输入信号转换为与所述电化学室的电容成比例的振荡电压输出信号。

2.权利要求1的电子电路，进一步包括电耦合到所述施密特触发器电路的电阻。

3.权利要求1的电子电路，进一步包括电耦合到所述施密特触发器电路的电流源。

4.权利要求1的电子电路，进一步包括根据所述电化学室的电容得出所述样品体积值的装置。

5.权利要求4的电子电路，进一步包括根据所述振荡电压信号确定所述体积足够度的装置，所述体积足够度用于样品中的一个或多个分析物的测量。

6.权利要求5的电子电路，进一步包括用于在确定所述体积不足时补偿所述一个或多个分析物的测量的装置。

7.权利要求1的电子电路，其中所述电容是所述电化学室的等效电容。

8.权利要求1的电子电路，其中所述振荡电压信号的振荡周期与所述电化学室的电容成正比。

9.权利要求1的电子电路，其中所述振荡电压信号的振荡频率与所述电化学室的电容成反比。

10.一种系统，包括：

用于容纳电化学室的计量器，所述电化学室被配置用于容纳生物样品和当电压被施加于所述电化学室时具有由所述生物样品产生的电容；

DC电源电压，配置成与所述电化学室可电连接以对所述电化学室进行充电，其中产生所述电化学室的电容；以及

电子电路，与所述计量器集成配置并配置成与所述电化学室可电连接，所述电路包括振荡器电路，该振荡器电路配置成接收由所述电化学室的充电和放电导致的电压输入信号并配置成将该电压输入信号转换为振荡电压输出信号，其中所述振荡电压输出信号的振荡周期与所述电化学室的电容成比例。

11.权利要求10的系统，其中所述电子电路进一步包括微处理器，该微处理器电连接于所述振荡电路并被配置来确定生物样品的体积。

12.一种用于确定被应用于电化学生物传感器的生物样品体积的方法，包括：

将直流电压施加于生物传感器，由此对生物传感器进行充电，其中在生物传感器内产生电容，并且通过对生物传感器进行充电而产生电压；

将该电压转换为振荡电压，其具有与所述电容成比例的周期；

确定生物传感器的所述电容；

由所述电容来确定所述生物样品的体积。

13.权利要求12的方法，进一步包括：

确定必要的补偿因数以补偿在所述样品体积不足时所述一个或多个所选特征测量；

测量所述样品的至少一个特征；以及

补偿不足的样品体积。

14.权利要求12的方法，其中所述电化学生物传感器包括至少两个形成具有室容积的电化学室的电极，并且其中所述被确定的表面积是被所述生物样品覆盖的所述至少两个电极的表面积。

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