CN2837839Y - 用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，它包括以下部件：固定器，用来固定一个含有催化剂和电极之器材；电压产生器，与固定器上的含有催化剂和电极之器材连接，用来产生电位曲线，电位曲线包含一个偏压和一个交流部分；检测器，与固定器上的含有催化剂和电极之器材连接，用来检测在测量时间周期内含有催化剂和电极之器材中的电流信号；处理器，电压产生器连接，用以控制电压产生器产生电位曲线，且该处理器与检测器连接，用来将电流信号与被分析物的浓度产生关联；以及存储器，与处理器连接，用来存储处理后的电流信号。

Description

用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置

技术领域

本实用新型涉及一种电子传感器装置，且特别涉及能用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置。

背景技术

电流式电子传感器是通过施加电位差以驱动电子转移反应并产生电流，测得的电流大小与目标被分析物的浓度相关。电流式电子传感器可使得对被分析物的实际、快速、例行的测量成为可能。

在生物医学技术领域，已经开发出生物传感器用来分析人类的体液，从而诊断潜在的疾病或者监测健康状况。生物传感器是一种分析装置，其至少包含两个部份，一个是用来选择性地识别样本中的某一被分析物的生物组件(Biological component)，另一个用于传递生物信号以供进一步分析的变换器材(Transducer device)。例如，通常可利用生物传感器来监测某些个体中的乳酸盐、胆固醇、胆红素、血红素或葡萄糖。特别是对于糖尿病或高血脂患者，测定血液等体液中葡萄糖或胆固醇的浓度对于病情的监控非常重要。

在电流式生物传感器之装置开发方面的成功已经使得可以对数种生物分子，包括葡萄糖、胆固醇和各种药物进行电流测量化验。一般而言，电流式生物传感器的生物组件至少包括一块绝缘底板、二或三个电极、一个介电层、一个含有酶作为催化剂的区域以及至少一个氧化还原介体(又称电子转移剂)，该介体用来在被分析物的酶性氧化期间引入电子转移。当将含有被分析物的样本添加到该反应区域时，反应便开始进行。一般利用两种物理效应：网状散布和毛细管作用来引导所加样本在该反应区域上均匀地分布。然后在电极之间施加某一电位差，触发电子移转反应进行。待测被分析物被氧化，伴随的酶与介体的链锁反应产生电子。所施加的电位差必须足以能驱动扩散有限的氧化还原反应，但不足以启动无关的化学反应。经过短暂延迟后，观察并测量生物传感器中氧化还原反应所产生的电流，该电流与样本中被分析物的有无和/或含量相关。

测量电流式检测所用的传统技术范例可以在以下文献中发现：授予给Genshaw等人的美国专利第5,620,579号，其名称为“减小电流式传感器中偏压的装置”(以下称为“专利579”)；以及授予给Szuminsky等人的美国专利第RE.36,268号，其名称为“测量电流式诊断分析方法及装置”(以下称为“专利268”)。每个文献中均提出了供应电位差以触发氧化还原反应的不同方法。专利579揭示的待测被分析物浓度的方法是：首先对电流式传感器施加第一电位，即熔断电压电位；然后对电流式传感器施加第二电位，即读取电压电位。测量该熔断电压电位的第一电流及该读取电压电位的第二电流，计算偏压校正值，以便提高被分析物测定的精确度。

专利268揭示的方法可以定量测定体液中具有重要生物学意义的化合物。专利268中，在氧化还原反应的早期阶段并不提供任何电压，从而消除早期阶段中不必要的功率消耗。经过一段时间后，对样本施加一个固定电压，并且测量相应的科特雷尔电流(Cottrell current)。

新一代电子传感器的趋势主要在缩短检测时间和提高分辨率，其能使信号分辨率能够得以改善，并使检测所消耗的功率能更有效率。此外，通过不同的供电模式来推动检测反应的进行亦是为人所期待的。

发明内容

本实用新型提供电流式电子传感器一种新的供电模式，该供电模式可增强电流信号的分辨率。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种测量样本中被分析物含量的装置，它包括以下部件：固定器，用来固定一个含有催化剂和电极之器材；电压产生器，其与所述固定器上的所述含有催化剂和电极之器材连接，用来产生电位曲线(Potentialprofile)，所述电位曲线包含一个偏压和一个交流部分；检测器，其与所述固定器上的所述含有催化剂和电极之器材连接，用来检测在测量时间周期内所述含有催化剂和电极之器材中的电流信号；处理器，与所述电压产生器连接，用以控制电压产生器产生电位曲线，且该处理器与所述检测器连接，用来将所述电流信号与所述被分析物的浓度产生关联；以及存储器，其与所述处理器连接，用来存储所述处理后的电流信号。

本实用新型的特征和优点为可以提高分辨率和缩短检测时间，其能使信号的分辨率得以改善，并使检测所消耗的功率更有效率，上述优点可以从说明中容易地看出，或者可以通过实施本实用新型而了解到。本实用新型的特征和优点须通过权利要求书中特别指出的组件和组合来实现、获得。

应该明白，前文的一般说明和下文的详细说明均只是示范性的和解释性的，而不是对本实用新型的限制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。附图中显示了该实施例的一个例子。附图中只要可能，相同的参考标记便指代相同或类似的部分。

图1是本实用新型的一项实施例，用来测定样本中含有的被分析物浓度的系统的框图。

图2是根据本实用新型的一项实施例，用来测定被分析物浓度的装置的示意图。

图3是显示根据本实用新型的一项实施例用来将电流信号与被分析物浓度产生关联的方法的流程图。

图4是根据本实用新型的一项实施例，用来测定样本中被分析物浓度的装置的电路图。

图中10.系统，11.微处理器，12.电压产生器，13.含有催化剂和电极之器材，14.检测器，15.存储器，20.装置，21.固定器，22.电压产生器，23.检测器，24.微处理器，25.存储器，26.指示器，27.含有催化剂和电极之器材，301.将含有某一浓度被分析物的样本添加到含有催化剂和电极之器材27之步骤，302.将包含一个偏压和一个交流部分的电位曲线施加给含有催化剂和电极之器材27之步骤，303.测量含有催化剂和电极之器材27所产生的电流信号之步骤，304.微处理器24处理电流信号以导出该被分析物的浓度-电流关系之步骤，40.电路图，41.电压产生器及检测器，42.固定器，43.微处理器及存储器，44.震荡电路，45.指示器，46.选单按键，47.电源供应器。

具体实施方式

图1是根据本实用新型的一项实施例，用来测定样本中被分析物浓度的系统10的框图。样本来源包括但不限于：血液，淋巴，唾液，阴道和肛门分泌物，尿液，粪便，汗液，泪水，以及其它体液。参考图1，系统10包括微处理器11、电压产生器12、含有催化剂和电极之器材13、检测器14和存储器15。

供应一个电位曲线以触发含有催化剂和电极之器材13中的电子转移反应。该电位曲线包含一个偏压和一个交流部分。具有某一振幅并以某一频率传输的交流部分为正弦波、三角形波、方波中之一或组合。将某一体积的含有某一浓度被分析物的待测样本添加到含有催化剂和电极之器材13中，微处理器11令电压产生器12产生某一电位曲线。市场上可购得的各种数据采集装置，例如National Instruments公司(位于美国德克萨斯州奥斯汀市)制造的DAQ卡等，均可用作电压产生器12。在根据本实用新型的一项实施例中，针对选择葡萄糖作为被分析物的情况，电位曲线包含0.4V的固定偏压和一个交流部分，该交流部分为正弦波，振幅为0.1V，频率为1Hz。然而，该偏压可以是一个固定的值，在测量周期内保持不变，该测量的时间周期是在约0.5至60秒的范围内。另一方面，在其它实施例中，该偏压亦可以随时间而变化。在根据本实用新型的其它实施例中，该偏压值可以为恒定值或者随时间变化，范围约为0.1V至2.5V，并且该正弦波的振幅可以在约0.01V至1.0V的范围内，频率可以在0.1Hz至100Hz的范围内。偏压、振幅和频率可以随着含有催化剂和电极之器材13或被分析物的改变而改变。

虽然所论述的实施例是针对葡萄糖的测定，但本领域的熟练技术人员应该明白，只要选择适当的催化剂，如酶等，便可将本实用新型的装置用于其它被分析物的测定。被分析物的例子包括：代谢物质，如葡萄糖、胆固醇、甘油三酸酯或乳酸等；激素，如甲状腺素或甲状腺刺激素等；生理组成物，如白蛋白或血色素等；生物标志物，包括蛋白质、脂质、碳水化合物、脱氧核糖核酸或核糖核酸；药物，如抗痫药或抗生素等；或非治疗性化合物，如重金属或毒素等。

将有被分析物的样本添加至含有催化剂和电极之器材13，此催化剂可以是预先即添加的酶，然后将电压产生器12产生的电位曲线施加给该含有催化剂和电极之器材13以便进行电子转移反应，本反应至少需借助一种电子转移剂来发生。给定一种生物分子A则氧化还原过程可以用下列反应式来说明：

(式1)

在有适当的酶存在的情况下，电子转移剂C将生物分子A氧化成B。然后，电子转移剂C在装置13的某一电极处被氧化。

(式2)

式中n为整数。电子被电极收集，并且测量所产生的电流。

本领域的熟练技术人员应该知道，其它许多不同的反应机制也可以实现相同的结果。式1和2只是此种反应机制的非限制性例子。

举例而言，一个葡萄糖分子与两个铁氰化物阴离子在葡萄糖氧化酶存在的情况下反应，产生葡萄糖酸内酯、两个亚铁氰化物阴离子和两个质子，如下式所示：

(式3)

既有的葡萄糖量可藉由将亚铁氰化物阴离子电氧化成铁氰化物阴离子并测量产生的电流来检测。上述过程可以用下式说明：

    (式4)

在本实用新型的较佳实施例中，适合用于葡萄糖的催化剂是葡萄糖氧化酶，含有催化剂和电极之器材13中的试剂包含下列配方：600u/mL的葡萄糖氧化酶，0.4M的铁氰化钾，0.1M的磷酸盐缓冲剂，0.5M的氯化钾，以及2.0g/dL的明胶。

在另一个例子中，需要测量样本中含有的胆固醇(可能包括胆固醇和胆固醇酯)总量。含有催化剂和电极之器材13中提供的适当酶包括胆固醇酯酶和胆固醇氧化酶。胆固醇酯在胆固醇酯酶存在的情况下水解成胆固醇，如下式所示：

(式5)

然后，胆固醇氧化成胆甾烯酮，如下式所示：

(式6)

胆固醇总量可藉由将亚铁氰化物阴离子电氧化成铁氰化物阴离子并测量产生的电流来检测。

    (式7)

检测器14可检测来自含有催化剂和电极之器材13中的电流信号。微处理器11会处理并分析该电流信号，然后使经处理的电流信号与被分析物(例如葡萄糖或胆固醇)浓度产生关联。存储器15会储存该经处理的数据和相同电位曲线下的电流-浓度关系。系统10可进一步包括一显示组件(未示出)，用来显示检测结果。

图2是根据本实用新型的一项实施例，用来测定被分析物浓度的装置20的示意图。参考图2，装置20包括固定器21、电压产生器22、检测器23、微处理器24、存储器25、指示器26和含有催化剂和电极之器材。固定器21可接收、连接并固定含有催化剂和电极之器材27。存储器25中存储有(例如)一个查找表，列出被分析物各种浓度与相应电流水平之间的浓度-电流关系。电压产生器22产生的电位曲线实质上与用来建立浓度-电流关系的曲线相同。将该电位曲线施加给含有催化剂和电极之器材27。检测器23检测自含有催化剂和电极之器材27所产生的电流信号。微处理器24处理电流信号，并将所处理的结果与浓度产生关联。通过映射、线性插值法或者其它方法将检测到的电流水平与存储器25中存储的查找表相比较。装置20的指示器26显示样本中被分析物的水平。

图3是显示根据本实用新型的一项实施例用来将电流信号与被分析物浓度相关的方法的流程图。参考图3，在步骤301中将含有某一浓度被分析物的样本添加到一个含有催化剂和电极之器材27上。接着在步骤302中，将包含一个偏压和一个交流部分的电位曲线施加给该器材27。然后在步骤303中测量该器材27所产生之电流信号。在步骤304中，微处理器24处理电流信号以导出该被分析物的浓度-电流关系，该浓度-电流关系可以采用查找表的形式存储在存储器25中。

图4是根据本实用新型的一项实施例，用来测定被分析物浓度的装置的电路图40。参考图4，电路图40包括电压产生器及检测器41、固定器42、微处理器及存储器43、震荡电路44、指示器45、选单按键46及电源供应器47之电路布局。

为了图解和说明的目的，上文已经揭示了本实用新型的优选实施例。说明无意穷尽一切或者将本实用新型限制为所揭示的精确形式。本领域的熟练技术人员依据以上的揭示，很容易想到所述实施例的许多变化及更改。本实用新型的范围仅由权利要求书及其等效技术方案来确定。

另外，在说明本实用新型的代表性实施例时，本说明书可能是以特定的步骤序列来提出本发明的方法和/或程序。但是，在方法或程序并不依赖说明书所提出的特定步骤序列的范围内，方法或程序并不局限于所述的特定步骤序列。本领域的熟练技术人员应该明白，其它的步骤序列也是可能的。因此，说明书中提出的特定步骤序列不应该被理解为是对权利要求书的限制。另外，针对本实用新型的方法和/或程序的权利要求书并不受按写明的顺序执行其步骤的限制，并且本领域的熟练技术人员很容易明白，可以改变执行顺序而仍然处在本发明的精神和范围内。

Claims (14)

1.一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述装置包含：

固定器，用来固定一个含有催化剂和电极之器材；

电压产生器，其与所述固定器上的所述含有催化剂和电极之器材连接，用来产生电位曲线，所述电位曲线包含一个偏压和一个交流部分；

检测器，其与所述固定器上的所述含有催化剂和电极之器材连接，用来检测在测量时间周期内所述含有催化剂和电极之器材中的电流信号；

处理器，与所述电压产生器连接，用以控制电压产生器产生电位曲线，且该处理器与所述检测器连接，用来将所述电流信号与所述被分析物的浓度产生关联；以及

存储器，其与所述处理器连接，用来存储所述处理后的电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述交流部分包括正弦波、三角形波或方波中之一。

3.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述交流部分包括正弦波、三角形波或方波的组合。

4.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述偏压在所述测量时间周期内保持不变。

5.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述偏压在所述测量时间周期内随时间变化。

6.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述测量时间周期是在0.5至60秒的范围内。

7.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述电位曲线包含一个范围在0.1V至2.5V之间的偏压。

8.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述电位曲线包含一个振幅范围在0.01V至1.0V之间的正弦波。

9.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述电位曲线包含一个频率范围在0.1Hz至100Hz之间的正弦波。

10.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述被分析物为葡萄糖，并且所述催化剂包括葡萄糖氧化酶。

11.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述被分析物包括胆固醇或胆固醇酯中至少其中一者，并且所述催化剂包括胆固醇氧化酶。

12.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述含有催化剂和电极之器材包含至少一种电子转移剂。

13.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述被分析物包括代谢物质、激素、生理组成物、生物标志物、药物、或非治疗化合物中之一。

14.根据权利要求1所述的一种用来测量样本中被分析物含量的电子传感器装置，其特征在于，所述被分析物包括甘油三酸酯、乳酸、甲状腺素、甲状腺刺激素、白蛋白、血色素、蛋白质、碳水化合物、脂质、脱氧核糖核酸、核糖核酸、抗痫药、抗生素、重金属或毒素中之一。

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