CZ20023368A3 - Stanovení objemu vzorku v biosenzorech z hlediska jeho přiměřenosti pro měření - Google Patents

Description

Stanovení objemu vzorku v biosenzorech z hlediska jeho přiměřenosti pro měření

Oblast techniky

Vynález je z oblastí elektrochemického stanovení analytu v biologických tekutinách, zejména se vztahuje na elektrochemické stanovení přiměřenosti objemu vzorku biologické tekutiny ve které má být stanovená koncentrace analytu.

Dosavadní stav techniky

Stanovení koncentrace analytu v biologických tekutinách jako je například krev nebo produkty odvozené z krve jako je plasma má v současné společnosti stále se zvyšující význam. Výše uvedená stanovení se vyskytují v různých aplikacích a v různých uspořádáních zahrnujících klinická laboratorní vyšetření, vyšetření doma atd., kde výsledky uvedených vyšetření mají hlavní úlohu v diagnóze a při léčení různých stavů. Mezi obvyklé analyty které se při uvedených vyšetřeních stanovují patří glukosa při léčbě diabetů, cholesterol při léčení kardiovaskulárních stavů a podobně. Vzhledem ke vzrůstajícímu významu stanovení koncentrace analytu byly navržené různé způsoby detekcí analytu a zařízení jak pro klinická vyšetření tak pro vyšetření doma.

Jedním způsobem používaným pro stanovení analytu je elektrochemický způsob. V těchto způsobech se tekutý vodný vzorek vnese do reakční zóny v elektrochemickém článku který obsahuje nejméně dvě elektrody, tj. protielektrodu/referenční elektrodu a pracovní elektrodu, kde uvedené elektrody mají takovou impedanci aby je bylo možné použít v amperometrickém • * * • ··«· · · měření. Složka určená ke stanovení, t j . analyt, se nechá reagovat přímo s elektrodou, nebo přímo nebo nepřímo s redukčně-oxidačním prostředkem za vzniku oxidovatelného (nebo redukovatelného produktu v množství odpovídajícím koncentraci analytu. Množství oxidovatelného (nebo redukovatelného) produktu se pak stanoví elektrochemicky a uvede se do vztahu s množstvím analytu obsaženým ve zkoumaném vzorku.

Elektrochemický článek je obvykle ve formě detekčního proužku pro jedno použití na kterém je nanesený vzorek biologického materiálu a který je možné umístit do měřícího přístroje pomocí kterého se změří koncentrace analytu.

Příklady systémů pro stanovení koncentrace ve kterých se používají výše uvedené druhy detekčních proužků často nazývaných jako biosenzory, a uvedené měřící přístroje je možné nalézt v U.S. patentech č.5,942,102, 6,174,420 Bl a 6,179,979 Bl, které jsou vložené do tohoto popisu odkazem.

V těchto systémech stanovení koncentrace analytu v biologickém vzorku nejprve zahrnuje stupeň získání biologického vzorku a jeho uvedení do styku s reakční oblastí detekčního proužku, aby následně biologický vzorek a zejména analyt, který se stanovuje, mohl reagovat s chemickými prostředky, například s detekčními reagenčnímí prostředky obsaženými v reakční oblasti. Aby se získal přesný výsledek stanovení daného analytu (analytu), je nutné aplikovat do reakční zóny vzorek mající určitý minimální objem. Není neobvyklé, že dojde k aplikaci nedostatečného množství vzorku, často díky chybě uživatele nebo nezkušenosti pacienta nebo jeho chybného posouzení. Nesprávná měření mohou vést k chybné diagnóze nebo k nesprávné léčbě, jako k podávání nevhodných dávek léčiva, nekomplianci pacienta atd. To může zase vést u pacientů, jejichž život závisí na častém sledovaní analytu v jejich

Μ* organismu jako jsou diabetici, k vážným až dokonce k život ohrožujícím příhodám.

Jednou z možnosti jak zajistit přiměřený objem biologického vzorku je přesytit reakční oblast nebo použít vetší objem tekutého vzorku než je potřebné k naplnění reakční oblasti detekčního proužku. Nevýhodou nadbytečně velkého objemu vzorku tekutiny, zejména vzorku krve je, že pacientovi je nutné odebrat větší objem krve. Objem odebraného vzorku krve je tedy spíše velký, a k jeho získání je potřebné použít větší průměr jehly a/nebo hlubší penetraci do kůže. Tyto faktory mohou zvyšovat diskomfort pacienta a bolestivost pociťovanou pacientem a u jednotlivců u kterých nedochází ke snadné expresi kapilární krve může být odběr obtížný. Protože u mnoha diabetiku může být například potřebné odběr opakovat vícekrát během jednoho dne, zvýšení bolestivosti odběru vede ke snížení snášenlivosti odběru nebo k jeho úplnému odmítnutí.

Některé biosenzory pro detekci analytů byly vyvinuté tak, aby umožňovaly vizuální ověření přiměřenosti objemu vzorku, nicméně tato možnost detekce objemu nevylučuje možnou chybu způsobenou pacientem při jeho posuzování objemu vzorku, například chybu které se mohou dopustit diabetici se zhoršeným zrakem. Některé další biosenzory pro stanovení analytů však obsahují prostředky, nezávislé na uživateli, umožňující stanovení adekvátnosti objemu vzorku. Příklady takovýchto biosenzorů jsou popsané v U.S.patentech č.5,628,890 a 5,650,062 a PCT patentové publikaci č.WO 99/32881 (PCT patentová přihláška č.PCT/US98/27203). Zejména v patentové publikaci WO 99/32881 je popsaný elektrochemický systém pro monitorovaní glukosy obsahující prostředky cílené ke zjištění, zda objem vzorku nanesený do biosenzorů je dostatečný, které zahrnují aplikaci AC signálu o nízkém napětí (bez kompenzace

4**4« * · na DC napětí) o známé frekvenci na biosenzor a následné měření jak reálné složky impedance tak imaginární složky výsledné impedance. Získané hodnoty impedance se srovnají s hodnotami uloženými v paměti řízené mikroprocesorem. Přesnost tohoto měření může být však problematická pokud se vezme v úvahu, že uvedený systém je závislý na hodnotách hematokritu krve a na rozdílech teploty prostředí.

Další nevýhoda způsobu popsaného v publikaci WO 99/32881 je, že měření analytu je nutné v případě zjištění nedostatečného objemu vzorku přerušit, tj. je indikovaná situace nepokračovat. To vede k potřebě odebrat pacientovi další vzorek, což je jak je uvedené výše nevýhodné, a může to být pro pacienta velmi bolestivé a vést k nekomplianci pacienta ve spojení s jeho léčebným režimem. Kromě toho opakováním zkoušky vzniká odpad tvořený detekčními proužky a zvyšuje se tak cena postupu.

Z výše uvedeného vyplývá zájem pokračovat v nalézání nových způsobů pro přesné a správné změření objemu vzorku určeného pro elektrochemické stanovení analytu z hlediska přiměřenosti tohoto objemu pro uvedené měření. Zvláštní význam by měl vývoj způsobů které by umožňovaly přesné a rychlé stanovení dosažení adekvátnosti objemu vzorku pro stanoveni. Kromě toho by bylo prospěšné vyvinout způsob, ve kterém zjištění že daný objem vzorku je nedostatečný, by nevyžadovalo přerušení průběhu měření koncentrace analytu. V ideálním případě by výše uvedený způsob umožňoval kompenzaci na objem vzorku menší než je objem optimální a získání přesného změření koncentrace analytu aniž by bylo nutné získat nový vzorek a zkoušku opakovat.

Podstata vynálezu • 4 • MM · · • · «· ···

Vynález poskytuje způsoby a systémy pro měření objemu biologického vzorku a zjištění, zda tento objem je adekvátní k získání přesného stanovení nejméně jedné vlastnosti biologického vzorku jako je koncentrace analytu který uvedený biologický vzorek obsahuje. Některé z uvedených způsobů a systémů zahrnují další funkci, umožňující kompenzovat objem vzorku, který byl určený jako objem menší než je objem dostatečný, aby bylo možné pokračovat ve zkoušce.

Předložený vynález je určený k použití ve spojení s biosenzorem jako je elektrochemický detekční proužek do kterého se vnese biologický vzorek určitého objemu, a s měřícím přístrojem konfigurovaným k uspořádání s uvedeným detekčním proužkem a ke stanovení koncentrace zvolených analytů v biologickém vzorku. Elektrochemický detekční proužek, který je podrobněji popsaný níže, obsahuje protilehle uspořádané elektrody mezi kterými je vymezená reakční zóna do které se zavádí biologický vzorek, kde uvedená reakční zóna má definovanou tloušťku a objem.

Při zavedení dostatečného napětí na elektrochemický článek se vytvoří elektrická dvojvrstva a začne probíhat elektrochemická reakce. Následkem toho dojde k toku náboje na elektrody elektrochemického článku. Rozhraní elektroda-roztok je analogické jako tomu je v kondenzátoru. Poměrem náboje k napětí je určená kapacitance rozhraní elektroda-roztok. Protože celkový náboj je výsledkem nabití dvojvrstvy a elektrochemické reakce, je celková nebo ekvivalentní kapacitance článku tvořená dvěma samostatnými složkami, Cdi a C_s (viz Bard A.J. a Faulkner J.R., Electrochemical Methods, 1980).

»a · » » · » · • * · »··· « · • · · ·· *

Autoři vynálezu nyní zjistili že kapacitance ekvivalentní elektrochemickému článku je nejrelevantnější faktor pro přesné stanovení objemu vzorku, protože kapacitance ekvivalentní článku je přímo úměrná velikosti povrchové plochy elektrod článku která je ve styku se vzorkem (tj. pokrytá plocha článku) a kapacitance je tak přímo úměrná objemu vzorku v článku, tj. mezi elektrodami. Autoři vynálezu dále zjistili, že pro přesné stanovení objemu vzorku je dále relevantní hodnotou rovněž odpor ekvivalentní elektrochemickému článku, protože odpor ekvivalentní elektrochemickému článku je nepřímo úměrný pokryté ploše článku a tím je nepřímo úměrný objemu vzorku.

Vlastností předloženého vynálezu je odvození pokrytého povrchu a odpovídajícího objemu vzorku z kapacitance ekvivalentní článku nebo jak z kapacitance ekvivalentní článku tak z odporu ekvivalentního článku.

Další rysem vynálezu je kontrola dalších faktorů (například tloušťky článku, koncentrace druhů iontů atd.) které mohou interferovat s přesným změřením objemu vzorku, aby hodnota kapacitance ekvivalentní článku byla nezávislá a neovlivněná koncentracemi glukosy a hodnotami hematokrítu krve, teplotou prostředí, zvláštnostmi krve dárce a dalšími obvykle interferujícími složkami krve.

Ještě dalším rysem vynálezu je, že poskytuje další funkci spočívající v kompenzaci stavu při kterém byl zjištěn objem vzorku menší než je objem adekvátní, umožňující pokračovat v přesném měření koncentrace analytu.

Podle výše uvedeného, vynález poskytuje způsoby pro fl · stanovení adekvátnosti objemu biologického vzorku pro stanovení koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů obsažených ve vzorků dárce, s dosažením výše uvedených cílů a vlastností.

V určitých provedeních výše uvedených způsobů se na biosenzor obsahující biologický vzorek určený k hodnocení zavede střídavé napětí (AC napětí) a malé amplitudě mající zvolenou frekvenci, čímž dojde k nabití biosenzoru. Případně je možné současně s AC napětím aplikovat na biosenzor stejnosměrné napětí (DC napětí) pro zvýšení rychlosti stabilizace kapacitance biosenzoru. Výsledný střídavý proud generovaný nabíjením článku se pak změří, a z výsledného střídavého proudu se pak stanoví kapacitance ekvivalentní biosenzorovému článku. Kapacitance ekvivalentní článku se pak použije ke stanovení velikosti povrchové plochy která je v kontaktu se vzorkem roztoku a získaná velikost povrchové plochy se pak použije k odvození objemu vzorku v biosenzoru.

Po zjištění že objem vzorku je přiměřený pro přesné stanovení koncentrace analytu se provede uvedené měření. Na druhé straně, v případě kdy se zjistí že objem vzorku není pro měření přiměřený, uvedené způsoby mohou zahrnovat kompenzovaní uvedeného neadekvátního objemu vzorku během měření koncentrace analytu. Uvedená kompenzace neadekvátního objemu vzorku zahrnuje zjištění potřebného kompenzačního faktoru což zahrnuje, alespoň z části, určení poměru kapacitance ekvivalentní aktuálnímu biosenzorovému článku ke kapacitanci biosenzoru při úplném naplnění jeho dostupného prostoru.

Vynález rovněž zahrnuje systémy pro provedení způsobů podle vynálezu. Systémy podle vynálezu obsahují elektronické složky a/nebo obvody určené k použití s biosenzorem a elektronicky s biosenzorem spojené, například s * 1 • · · • · · • · ·

4« ··» « · « * * · · ···· • · · ·· * » · · * • · · * «· ·· elektrochemickým detekčním článkem ve formě například detekčního proužku pro jedno použití do kterého se vzorek určený k hodnocení vnese nebo se vtáhne kapilárním účinkem.

V nejtypičtějším provedení je uvedený elektronický obvod včleněný do měřícího přístroje nebo do jiného automatizovaného zařízení konfigurovaného pro pracovní spojení s uvedeným elektrochemickým článkem, např. s detekčním proužkem pro jedno použití, a určeného pro měření jednoho nebo více fyzikálních nebo chemických parametrů biologického vzorku umístěného v elektrochemickém článku. Uvedené parametry nejběžněji zahrnují koncentraci jednoho nebo více cílených analytů obsažených v biologickém vzorku. Uvedené elektronické obvody mohou obsahovat samostatné elektronické složky, např. napěťový zdroj a/nebo integrované obvody mající více obvodových prvků a/nebo polovodičové systémy, např. mikroprocesor, vhodně naprogramované k provedení určitých stupňů nebo funkcí způsobů podle vynálezu vztažených k určitým signálům nebo výstupním hodnotám získaným z elektrochemického článku.

V určitých provedeních systémy podle vynálezu obsahují uvedené elektronické obvody a uvedené automaticky pracující měřící zařízení nebo přístroj popsaný výše, kde elektronické obvody jsou plně strukturálně a funkčně integrované s automaticky pracujícím měřícím zařízením.

I když způsoby a systémy podle vynálezu je možné použít ke stanovení objemu vzorku různých biologických vzorků jako je moč, slzy, sliny a podobně, uvedené systémy a způsoby jsou zvláště vhodné ke stanovení objemu vzorku krve nebo krevních frakcí a podobně. Dále, i když způsoby a systémy podle vynálezu jsou určené pro stanovení objemu vzorku před měřením různých fyzikálních a chemických parametrů vzorku, uvedené způsoby a systémy jsou zvláště vhodné k přípravě před měřením

9

9·

91« •

• 9 • * 9 • 9999 9

9

9 *

· koncentrace vybraných analytů obsažených ve vzorku.

Výše uvedené cíle, výhody a vlastnosti vynálezu budou pracovníkům v oboru zřejmější po prostudování podrobného popisu uvedených způsobů a systémů podle vynálezu uvedeného níže.

Popis obrázků na připojených výkresech

Obr.l představuje rozložený pohled na typický konvenční elektrochemický detekční proužek pro elektrochemické stanovení koncentrace analytu, který je vhodný k použití podle vynálezu.

Na obr.2 je schematicky znázorněný obvod představující impedanci ekvivalentní článku detekčního proužku podle obr.l.

Na obr.3 je znázorněný blokový diagram systému podle vynálezu v pracovním spojení s elektrochemickým biosenzorem pro měření ekvivalentní kapacitance článku elektrochemického biosenzoru po vložení napětí na biosenzor.

Na obr.4 je graf znázorňující závislost změny kapacitance ekvivalentní článku (osa y) na čase (osa x) elektrochemického článku detekčního proužku podle obr.l v případě kdy článek je úplně naplněný a v případě kdy článek je naplněný z poloviny roztokem vzorku.

Na obr.4 je graf znázorňující závislost změny odporu ekvivalentního článku (osa y) na čase (osa x) elektrochemického článku detekčního proužku podle obr.l v případě kdy článek je úplně naplněný a v případě kdy článek je naplněný z poloviny roztokem vzorku.

··· • 9 · · « • * * « • · · * • · ··

Obr.6 představuje histogram závislosti změny kapacitance ekvivalentní článku (osa x) elektrochemického článku detekčního proužku podle obr.l 0,5 sekund po aplikaci roztoku vzorku na detekční proužek (osa y) v případě kdy článek je úplně naplněný a v případě kdy článek je naplněný z poloviny roztokem vzorku.

Na obr.l je graf znázorňující závislost poměru kapacitance ekvivalentní článku k odporu ekvivalentního článku (osa y) na čase (osa x) v případě kdy elektrochemický článek detekčního proužku podle obr.l je plně naplněný a z poloviny naplněný roztokem vzorku.

Obr.8 znázorňuje diagram rozptylu hodnot poměrů kapacitance ekvivalentní článku k odporu ekvivalentnímu článku (osa y) v závislosti na kapacitanci ekvivalentní článku (osa x) při měření 0,5 sekund po aplikaci vzorku v případě kdy Článek je úplně naplněný a v případě kdy článek je naplněný z poloviny roztokem vzorku.

Podrobný popis výhodných provedení

Předložený vynález poskytuje systémy a způsoby pro stanovení objemu biologického vzorku pro účely stanovení zvoleného parametru vzorku, např. koncentrace analytu, a určení, zda zjištěný objem je přiměřený k získání přesného stanovení uvedeného zvoleného parametru. Některé z uvedených systémů a způsobů poskytují další funkci spočívající v kompenzaci objemu vzorku který byl zjištěný jako méně než adekvátní, umožňující přesné změření výše uvedeného parametru.

Před dalším podrobným popisem vynálezu je nutné upozornit, že vynález není omezený na jednotlivá popsaná

9 9 * * * 9 9 · 9 •9 99·· 9999 9*9 9

999 999 9999 «9 «99 ·· · 99 99 provedení, a že může samozřejmě zahrnovat různá provedení.

Také je nutné upozornit, že použitá terminologie slouží pouze k popisu jednotlivých provedení a vynález nijak neomezuje, protože rozsah vynálezu je omezený pouze připojenými patentovými nároky.

Pokud je uvedené rozmezí hodnot je nutné ho chápat tak, že vynález zahrnuje každou hodnotu na jednu desetinu jednotky dolního limitu mezi horním a dolním limitem, pokud z kontextu nevyplývá jinak, a každou další vyznačenou hodnotu nebo intervenující hodnotu v tomto rozmezí. Horní a dolní limity těchto menších rozmezí mohou nezávisle tvořit menší rozmezí které vynález rovněž zahrnuje a která tvoří specificky vymezené rozmezí uvedeného rozmezí. Jestliže uvedené rozmezí zahrnuje jeden nebo oba tyto limity, vynález zahrnuje rozmezí vymezená každým z obou uvedených limitů.

Pokud není uvedeno jinak, všechny technické a vědecké výrazy mají významy obvykle užívané v oboru a známé pracovníkům v oboru do kterého vynález náleží. Uvedený popis zahrnuje omezený počet příkladů způsobů a příkladů materiálů, i když je možné použít další možné způsoby a materiály podobné nebo ekvivalentní těm které jsou zde popsané.

Je rovněž nutné upozornit na skutečnost, že v popisu vynálezu i v připojených patentových nárocích singulární formy označené v angličtině a, an a the znamenají i plurály pokud ze souvislostí jasně nevyplývá jinak.

Všechny publikace uvedené v tomto popisu a v připojených patentových nárocích odkazem jsou zde uvedené z hlediska původnosti a popisu způsobů a/nebo materiálů v souvislosti s kterými jsou zde citované. Publikace v tomto popisu • · «· « · · « · · · · · ·« ··· ·· * diskutované jsou zde uvedené výhradně pro jejich význaky před datem podání předloženého vynálezu. Uvedené publikace neobsahují žádné skutečnosti které by mohly vést k námitce předjímání uvedené publikace předloženým vynálezem z hlediska předchozího vynálezu. Kromě toho se uváděná data publikací mohou lišit od dat aktuálních, a může dojít k potřebě nezávislého ověření.

Definice

Výraz dvojvrstva použitý v tomto popisu se vztahuje na celkové uspořádání nábojů a na tvorbu orientovaných dipólů na rozhraní mezi povrchem elektrody a roztokem, například mezi vzorkem biologického roztoku který je ve styku s povrchem elektrody při vložení napětí na elektrodu.

Výraz kapacitance dvojvrstvy, Cdi, použitý v tomto popisu znamená kapacitanci pocházející z nabití dvojvrstvy na rozhraní elektroda-roztok.

Výraz faradayická kapacitance, C_s, použitý v tomto popisu znamená pseudokapacitanci jako složku kapacitance pocházející z elektrochemického reakčního procesu probíhajícího na povrchu elektrody.

Výraz faradayický proud, I_F, použitý v tomto popisu znamená proud nebo přenos elektronů ke kterému dochází při vložení napětí na povrch elektrody. Výra2 kapacitance ekvivalentní článku, C, použitý v tomto popisu ve spojení s elektrochemickým článkem znamená celkovou kapacitanci elektrochemického článku při vložení napětí na elektrochemický článek. V kapacitanci ekvivalentní článku dominuje kapacitance dvojvrstvy a faradayická kapacitance.

• «··· · * • · · ·· · ·· ··

Výraz odpor ekvivalentní článku, R, C, použitý v tomto popisu ve spojení s elektrochemickým článkem znamená celkový odpor elektrochemického článku při vložení napětí na elektrochemický článek.

Výraz impedance ekvivalentní článku, Z, zaměnitelně užívaný v tomto popisu ve spojení elektronickým obvodem nebo složkou, např. s elektrochemickým článkem, znamená celkovou impedanci obvodu zahrnující kombinaci, ale bez omezení jen na uvedenou kombinaci, kapacitance ekvivalentní článku a odporu ekvivalentního článku při vložení napětí na elektrochemický článek.

Výraz faradayický proud, i_F, použitý v tomto popisu, znamená proud vznikající následkem přenosu elektronů mezi vzorkem a povrchem elektrody v důsledku elektrochemické reakce ke které dochází po vložení napětí.

Výrazy derivovat, stanovit, vypočítat a podobně a jejich odvozeniny jsou v tomto popisu vzájemně zaměnitelné.

Níže je vynález popsaný podrobněji. V níže uvedeném popisu jsou nejprve popsané příklady biosenzorů vhodné k použití v systémech a způsobech podle vynálezu a potom následuje podrobný popis způsobů a systémů podle vynálezu a rovněž kitů podle vynálezu obsahujících systémy podle vynálezu pro praktické provedení způsobů podle vynálezu.

Elektrochemické biosenzory

Jak je souhrnně uvedeno výše, vynález poskytuje způsoby a systémy pro měření objemu vzorku biologického materiálu > · · I použitého pro stanovení koncentrace analytu, kde uvedené měření objemu slouží ke zjištění, zda uvedený objem je dostatečný k přesnému stanovení koncentrace analytu. Uvedené způsoby a systémy jsou použitelné ve spojení s biosenzorem, zejména s biosenzorem pracujícím na principu elektrochemického článku, do kterého se vzorek biologického materiálu vnese nebo převede. Jsou známá různá provedeni biosenzorů pracujících na principu elektrochemického článku. Mezi nejobvyklejši provedeni používaná v oblasti monitorování koncentrace analytu patří provedení ve formě detekčního proužku, jako jsou provedení popsaná v U.S.patentu č.6,193,873 a ve společně projednávaných U.S.patentových přihláškách č.09/497,304; 09/497,269; 09/736,788 a 09/746,116, které jsou včleněné do tohoto textu odkazem. Uvedené detekční proužky jsou určené k použití ve spojení s měřícími přístroji vhodnými pro elektrochemická měření jako jsou přístroje popsané ve výše citovaných patentových spisech.

K použití podle vynálezu je možné použít i elektrochemické biosenzory jiné než ve formě detekčního proužku. Elektrochemický článek může být například ve tvaru válce který obsahuje jednu elektrodu jako jádro, kde uvedená elektroda je koaxiálně umístěná v druhé elektrodě tvořící plášť válce. Takovéto konfigurace elektrochemického článku mohou být ve formě mikrojehel a jako takové jsou buď integrální části struktury jehly pro měření in sítu (např. po průniku pod povrch kůže) nebo jsou v jiné fluidní komunikaci se strukturou mikrojehly. Příklady takových mikrojehel jsou popsané ve společně projednávaných U.S.patentových přihláškách č.09/878,742 a 09/879,106 podaných 12.června 2001, které jsou včleněné do tohoto textu odkazem. Pro účely předložené přihlášky je zařízeni podle vynálezu popsané ve spojení elektrochemickými články majícími konfiguraci detekčního • · • »··· · proužku; nicméně pracovníkům v oboru bude zřejmé, že zařízení podle vynálezu je možné použít ve spojení s jakýmkoli vhodným uspořádáním elektrochemického článku zahrnujícím i konfigurace ve formě mikrojehel.

Zvolený druh elektrochemického měření se může lišit v závislosti konkrétní podstatě stanovení a na měřícím se kterým se detekční proužek použije, například v závislosti na tom, zda se jedná o stanovení coulometrické, amperometrické nebo potenciometrické. Náboj elektrochemického článku se měří coulometrickém stanovení, v amperometrickém stanovení se měří proud a v potenciometrickém stanovení se měří potenciál. Pro účely popsání předloženého vynálezu je použito spojení s amperometrickými stanoveními; nicméně zařízení podle vynálezu je možné použít s kterýmkoli typem stanovení a druhem elektrochemického měření.

Obecně elektrochemický článek jakékoli konfigurace obsahuje nejméně dvě elektrody prostorově od sebe oddělenými, kde uvedené elektrody jsou uspořádané proti sobě nebo vedle sebe v jedné rovině. V prvním uspořádání jsou elektrody oddělené tenkou mezivrstvou vymezující reakční plochu nebo zónu nebo komoru, do které se vzorek biologického materiálu vnese nebo převede pro stanovení koncentrace analytu. Při uspořádání elektrod vedle sebe jsou elektrody v komoře mající definovanou tloušťku a objem. Reakční plocha nebo komora obsahuje, ve formě vrstvy nanesené na jeden nebo více lícních povrchů elektrod, jeden nebo více redukčně-oxidačních prostředků vybraných tak, aby chemicky reagovaly cíleným analytem (analyty). Uvedené redukčně-oxidační prostředky obvykle obsahují nejméně jeden enzym a mediátor.

Obr.l znázorňuje rozložený pohled na příkladný typ v v - w * » w «V *

4 4 4 4 · · 444

4 4 4 4 4 «444 4 4 · «

4 44 4 4«··

444 4· · ·· ·· konvenčního elektrochemického detekčního proužku 2 vhodného k použití podle vynálezu. Detekční proužek 2 obsahuje dvě elektrody 4 a 8 které jsou od sebe oddělené mezívrstvou 12 která obsahuje vyříznutou část která určuje reakční zónu nebo oblast 14. Obecně jsou elektrody 4, .8 uspořádané do formy podlouhlých pravoúhlých proužků majících délku v rozmezí asi 2 až 6 cm, obvykle asi 3 až 4 cm, které mají šířku v rozmezí asi 0,3 až 1,0 cm, obvykle v rozmezí asi 0,5 až 0,7 cm a tloušťku v rozmezí asi 0,2 až 1,2 mm, obvykle od 0,38 do 0,64 mm.

Povrchy elektrod 4, 8 přiléhající k reakční ploše proužku jsou tvořené vodivým materiálem, výhodně kovem, kde vhodné kovy zahrnují palladium, zlato, platina, iridium, indium s přísadou oxidu cínu, nerezavějící ocel, uhlík a podobně.

Opačné povrchy 6, 10 elektrod 4, 8^ jsou z inertního nosného nebo podkladového materiálu. Pro elektrody 4, 8 je možné použít každý vhodný inertní podkladový materiál, kde uvedený materiál je obvykle tuhý materiál schopný tvořit nosnou strukturu elektrody a následně tak i strukturu elektrochemického proužku jako celku. Takové vhodné materiály zahrnují plastické hmoty, např. PET, PETG, polyimid, polykarbonát, polystyren, křemík, keramiku, sklo a podobně. Elektrody 4_r 8_ a detekční proužek 2 je možné připravit různými způsoby známými pracovníkům uvedeného oboru.

Jak je popsané výše, mezi elektrodami 4., 8. je umístěná nebo je elektrodami svíraná tenká mezivrstva 12. Tloušťka uvedené mezivrstvy 12 je obecně v rozmezí asi 1 až 500 pm, a obvykle v rozmezí asi 50 až 150 pm. Mezivrstva 12 může být vyrobená z každého vyhovujícího materiálu, kde typické vhodné materiály zahrnují PET, PETG, polyimid, polykarbonát a podobně. Povrchy mezivrstvy 12 mohou být zpracované tak, aby φφφ · · ·«» φ φ φ » V ······· · ·

došlo k adhezi na příslušné elektrody 4,8a tím k tvorbě struktury elektrochemického detekčního článku 2.

Mezivrstva 12 obsahuje výřezy sloužící k tvorbě reakční zóny nebo oblasti 14, kde uvedená reakční oblast může mít každý vhodný tvar zahrnující tvar kruhový, čtvercový, trojúhelníkový, obdélníkový nebo nepravidelný. Vrchní část a spodní část reakční zóny 14 je vymezená přiléhajícími povrchy elektrod 4, 8, zatímco mezivrstva 12 vymezuje boční stěny reakční oblasti 14. Objem reakční zóny je v rozmezí od nejméně asi 0,1 do 10 μΐ, obvykle je v rozmezí od asi 0,2 do 5,0 μΐ a ještě obvykleji v rozmezí od asi 0,3 do 1,6 μΐ.

Uvedená reakční oblast 14 obsahuje redukčně-oxidační reagenční systém který poskytuje produkty detegovatelné elektrodou a proto vhodné k získání koncentrace analytu v biologickém vzorku. Redukčně-oxidační systém obsažený v reakční oblasti obvykle obsahuje nejméně jeden enzym (enzymy) a mediátor. Ve více provedeních složka tvořící enzym (enzymy) redukčně-oxidačního systému slouží k oxidaci cíleného analytu. Jinak řečeno, enzymovou složku redukčně-oxidačního systému tvoří enzym oxidující jeden analyt nebo soubor dvou nebo více enzymů oxidujících cílený analyt. Typické enzymy které připadají v úvahu zahrnují oxidoreduktasy, hydrolasy, transferasy a podobně; nicméně specifický druh enzymu obsaženého v reakční oblasti závisí na konkrétním analytu k jehož detekci je elektrochemický detekční proužek navržený.

V případě, kdy cílený analyt je například glukosa, vhodné enzymy zahrnují glukosaoxidasu, glukosadehydrogenasu (buď na základě β-nikotinamidadeníndinukleotidu (NAD) nebo na základě 4,5-dihydro-4,5-dioxo-lH-pyrrolo[2,3-f]chinolin-2,7,9-trikarboxylové kyseliny (PQQ)). V případě, kdy cílený analyt je cholesterol, vhodné enzymy zahrnují cholesterolesterasu a

4« · 4 4 4 · · · · • 4 · 4 4 »·»»··· 4 4

444 444 4444

444 44 4 44 44 cholesteroloxidasu. V případě stanovení dalších analytů vhodné enzymy které je možné použít zahrnují, ale nejsou omezené jen na ně, lipoproteinlipasu, glycerolkinasu, glycerol-3fosfátoxidasu, laktátoxidasu, laktátdehydrogenasu, pyruvátoxidasu, alkoholoxidasu, bilirubinoxidasu, urikasu a podobně.

Druhou složku redukčně-oxidační systému tvoří mediátorová složka, kterou tvoří jeden nebo více mediátorů. V oboru je známý velký počet různých prostředků působících jako mediátory které zahrnují: kyanoželezitan, fenazin-ethylsulfát, fenazinmethylsulfát, fenylendiamin, 1-methoxyfenazin-methylsulfát,

2,6-dimethyl-l,4-benzochinon, 2,5-dichlor-l,4-benzochinon, deriváty ferrocenu, komplexy osmium-bipyridyl, komplexy ruthenia a podobně. V provedeních ve kterých cíleným analytem je glukosa má jako enzymová složka význam glukosaoxidasa nebo glukosadehydrogenasa a jako mediátorová složka má zvláštní význam kyanoželezitan. Reakční oblast může rovněž zahrnovat další reagenční prostředky zahrnující tlumivé prostředky, např. citrakonát, citrát, fosfát, Good pufry'' a podobně.

Obecně je redukčně-oxidační systém v suché formě.

Množství různých obsažených složek může být různé, přičemž množství enzymové složky je typicky v rozmezí od asi 0,1 do 20 % hmotnostních.

Způsoby podle vynálezu

Jak je souhrnně uvedeno výše, vynález zahrnuje způsoby stanovení objemu vzorku biologického materiálu vneseného nebo převedeného do elektrochemického článku obsahujícího reakční zónu nebo komoru mající definovaný objem a zjištění, zda uvedený objem je adekvátní pro přesné stanovení koncentrace • · · · · · · • · · · · ······♦ · · •fl· ··· ···· ·· ··· ·· · ·* ·· analytu. Jak je uvedené výše, charakteristickým rysem způsobů podle vynálezu při stanovení objemu vzorku je stanovení kapacitance ekvivalentní článku a rovněž odporu ekvivalentního článku. Způsoby podle vynálezu tak umožňují přesnější změření objemu vzorku než to umožňovaly způsoby dosud v oboru známé.

Dalším charakteristickým rysem způsobů podle vynálezu při stanovení kapacitance ekvivalentní článku, odporu článku a objemu vzorku je, že nemusí brát v úvahu některé vlastnosti nebo faktory vztažené k roztoku vzorku nebo podmínkám prostředí, které buď nemají vliv na stanovení kapacitance ekvivalentní článku a/nebo odporu ekvivalentního článku a nebo jsou přesně řízené aby nějaký vliv neměly. Uvedené řízené faktory nebo faktory nezávislé na kapacitanci ekvivalentní článku zahrnují, ale bez omezení jen na ně, koncentrace iontů, hematokrit krve, koncentraci glukosy v krvi, teplotu prostředí, krev dárce a interference se senzorem typické pro krev, tloušťku článku a stáří biosenzoru.

Pro účely lepšího porozumění způsobům podle vynálezu je na obr.2 znázorněný zjednodušený model impedančního obvodu £0 detekčního proužku podle obr.l. Impedanční obvod £0 představuje faktory tvořící impedanci detekčního proužku po vnesení vzorku roztoku obsahujícího biologický materiál a po vložení napětí. Pří vložení jak AC tak DC napětí na článek, impedanční obvod 40 zahrnuje kapacitanci ekvivalentní článku (C) 42, která je tvořená kapacitanci dvojvrstvy a faradayickou kapacitanci, a odpor ekvivalentní článku (R) 4 6 elektrochemického článku.

Před vlastní aplikací způsobů podle vynálezu je nejprve nutné získat vzorek biologického materiálu určeného k hodnocení a vnést ho do článku v detekčním proužku. Umístění ·

• 44 « W v * • 444 4

4 4 4444 4 ·

4 4 4 vzorku do detekčního proužku je možné provést tak, že nejprve se detekční proužek vsune do měřícího přístroje a teprve pak se vnese vzorek do detekčního proužku {dávkování v přístroji) , nebo se vzorek nejprve vnese do detekčního proužku a následně se detekční proužek vsune do měřícího přístroje {''dávkování mimo přístroj) . Na klinických pracovištích se často dává přednost druhému z uvedených způsobů z hlediska pravděpodobnosti zkřížené kontaminace uvnitř měřícího přístroje. Měřící přístroj pak provede detekci stavu indikujícího zavedení vzorku do elektrochemického článku (viz U.S.patent č.6,193,873).

Jakmile dojde k detekci vzorku, prvním stupněm podle způsobů podle vynálezu je aplikovat na biosenzor střídavé napětí (V_ftC) o nízké amplitudě. Amplituda vloženého AC napětí má takovou hodnotu aby po jeho vložení nezačal procházet faradaický proud (i_F), tj. aby nedošlo k přenosu elektronů na povrch elektrody následkem elektrochemické reakce po vložení napětí na elektrodu. Amplituda aplikovaného AC napětí je v rozmezí od asi 2 do 100 mV (efektivní hodnota), obvykle v rozmezí od asi 5 do 75 mV (efektivní hodnota) a ještě typičtěji asi 50 mV (efektivní hodnota). Frekvence (f) vloženého napětí se zvolí tak aby byl dosažený maximální poměr signál-šum (tj. poměr změřené kapacitance ekvivalentní článku k variabilitě výsledků měření kapacitance ekvivalentní článku) článku. Přijatelná frekvence vloženého AC napětí je v rozmezí od asi 50 do 10 000 Hz, obvykle v rozmezí od asi 75 do 1000 Hz a ještě typičtěji je asi 100 Hz.

Případně je možné na biosenzor aplikovat DC napětí, buď současně s AC napětím nebo frakce druhého napětí před aplikací AC napětí. Uvedené DC napětí je obecně v rozmezí od asi 0 do 600 mV, obvykle od asi 200 do 500 mV a nejtypičtěji od 300 do • · 99 ··♦ • * · · 9 * 9

9 9 9999 · 9 · 9 • 9 9 9 9 9 9 · 99 99

400 mV. Tato DC složka napětí způsobí, že kapacitance ekvivalentní elektrochemickému článku se stabilizuje rychleji než při aplikaci samotného AC napětí. Rychlá stabilizace kapacitance článku umožňuje stanovení objemu vzorku před počátkem stanovení analytu, čímž se minimalizuje celková doba zkoušky.

Po vložení AC a DC napětí se změří střídavý proud (Íac) pocházející z nabíjení elektrochemického článku. Z amplitudy a fáze výsledného střídavého proudu se pak zjistí kapacitance ekvivalentní článku biosenzoru.

Aby kapacitance ekvivalentní článku závisela pouze na povrchu článku který je ve styku se vzorkem biologického materiálu, je nutné separační vzdálenost náboje (dai) v dvojvrstvě přesně kontrolovat tak, aby byla během stanovení objemu vzorku konstantní. Tloušťka dvojvrstvy kondenzátoru závisí na vloženém napětí a na koncentracích nabitých složek přítomných v roztoku. Aby se zajistila konstantní tloušťka separační vrstvy náboje, a tím se zajistilo přesné stanovení povrchové plochy každé z elektrod která je ve styku s roztokem vzorku a tím přesné stanovení objemu vzorku, přesně se zachovává iontová koncentrace redukčně-oxidačního prostředku, zatímco iontová koncentrace vzorku je zachovávaná ve velmi úzkém rozmezí fyziologicky určenými hodnotami.

Jak je uvedeno výše, k přesnému stanovení objemu vzorku přispívá i hodnota odporu ekvivalentního elektrochemickému Článku. Skutečnosti, že odpor ekvivalentní elektrochemickému článku (R) je nepřímo úměrný povrchové ploše článku pokryté vzorkem a že kapacitance ekvivalentní článku (C) je přímo úměrná pokrytému povrchu článku vedou ke vztahům:

• · · ·*·· · φ φ φ φ >

> ·

R = pl/A a C χ Α kde ρ znamená specifický odpor elektrochemického článku, 1 znamená délku elektrody a A znamená vodivou povrchovou plochu článku, z čehož vyplývá vztah:

C/R x A²

Podle výše uvedených vztahů je možné velikost povrchové plochy článku pokryté vzorkem biologického materiálu stanovit poměrem kapacitance ekvivalentní článku k odporu ekvivalentního článku. Při zvažování účinků objemu vzorku na dvě složky impedance (kapacitanci a odpor) článku ve srovnání s účinkem na složku jednu (např. na kapacitanci) nabízí získaný vztah větší citlivost v odezvě na variace velikosti povrchové plochy článku překryté vzorkem biologického materiálu. Specifičtěji poměr kapacitance článku k odporu článku poskytuje vzhledem k povrchové ploše článku pokryté vzorkem biologického materiálu kvadratickou závislost oproti lineární závislosti, a tím umožňuje zvýšení citlivosti v měřené změně (změnách) překryté povrchové plochy článku. Proto stanovení překryté plochy článku výše uvedeným způsobem je ještě přesnější než při použití způsobu s použitím samotné kapacitance ekvivalentní článku.

Pro stanovení povrchové plochy elektrody která je ve styku nebo je překrytá roztokem vzorku je možné objem vzorku roztoku (V_s) v biosenzoru, tj. uvnitř reakční zóny elektrochemického článku, určit z následující rovnice:

V_s = A · d kde d znamená vzdálenost mezi elektrodami článku při » 9 « 9 * * 9 · ♦

9 9 9 9 9 9·9· 999 9

999 99 9 99·· ·· ·*· 99 9 99 9· jejich uspořádání proti sobě nebo hloubku článku při uspořádání elektrod vedle sebe.

Pak se provede stanovení, zda objem vzorku obsazený v detekčním proužku je dostatečný k uskutečnění stanovení koncentrace analytu. Toto stanovení se provede srovnáním vypočteného objemu vzorku s celkovým objemem přítomným v elektrochemickém článku. Jak bude podrobněji popsané níže ve spojení se systémy podle vynálezu, některé parametry zahrnující, ale bez omezení jen na uvedené parametry, celkový objem článku, rozmezí pracovních teplot, test na správné vložení detekčního proužku do měřícího přístroje a další data (jak statická tak dynamická) nebo parametry týkající se konkrétního článku, se ukládají do mikroprocesorové paměti při například kalibraci měřícího přístroje a dalších komponent uvedených systémů.

Jestliže se zjistí, že stanovený objem vzorku je přiměřený, provede se stanovení požadovaného parametru, např. koncentrace analytu, kde výsledek měření může být zobrazen na displeji jak je podrobněji popsané níže v popisu systémů podle vynálezu. Na druhé straně v případě zjištění, že objem vzorku není pro stanovení přiměřený, tj. je příliš nízký k provedení přesného měření, je možné zobrazovací systém konfigurovat tak, že na displeji se zobrazí ikona indikující nízký objem vzorku.

Jak je uvedeno výše, některá provedení podle vynálezu zahrnují další funkci umožňující kompenzaci na nedostatečný objem vzorku roztoku umožňující přesné změření zvoleného parametru, např. koncentrace cíleného analytu (analytů) bez nutnosti znovu odebírat vzorek a provádět předcházející stupně měření.

• · · * * * v «·« · « · · ····« « · · · • ♦ · » « · · « é · *·· ·· · ·· *·

V oboru je známé, že koncentrace zvoleného analytu, jako glukosy ve vzorku biologického materiálu, je úměrná faradayickému proudu (I_F) procházejícímu elektrochemickým článkem při vložení DC napětí na článek, kde uvedený proud procházející článkem je rovněž úměrný povrchové ploše článku pokryté vzorkem roztoku. Jak je uvedeno výše, autoři vynálezu zjistili že uvedené povrchová plocha je úměrná kapacitanci ekvivalentní článku. Koncentrace zvoleného analytu je tedy úměrná kapacitanci ekvivalentní článku. Ze stanovení kapacítance ekvivalentní článku aktuálního objemu roztoku vzorku a ze známé kapacítance článku při úplném naplnění článku biologickým roztokem (stanoví se při kalibraci) je možné z níže uvedené rovnice získat kompenzační faktor (F_cf) potřebný ke kompenzaci malého objemu vzorku a k získání přesného změření koncentrace analytu:

Fcf ⁼ Cf/Cpf kde Cf znamená kapacitanci ekvivalentní článku při úplném naplnění elektrochemického článku a C_pf znamená kapacitanci ekvivalentní elektrochemickému článku při nedostatečném objemu vzorku biologického materiálu. V tomto případě se provede korigované stanovení koncentrace analytu (G) s použitím příslušného kompenzačního faktoru (F_cf) s použitím níže uvedené rovnice:

G — F_cf · Gpf kde Gpf znamená koncentraci analytu odečtenou z článku obsahujícího nedostatečný objem roztoku biologického vzorku. Tím, že způsoby podle vynálezu umožňují kompenzaci na nepřiměřeně nízký objem vzorku, omezují odpad zahrnující detekční proužky, snižují ceny a snižují dobu potřebnou pro • · · 4 4 4 4 4 4 · • · 4 ♦ 4 4 4·4 4 « 4 · • · 4 V 4 4 * 4 4 · ·· 444 4· 4 ·· ·· stanovení analytu.

Na základě výše popsaných principů a nových poznatků je možné shrnout, že některé způsoby podle vynálezu zahrnují níže uvedené stupně: stupeň spočívající ve vložení AC napětí o zvolené amplitudě a zvolené frekvenci na biosenzor a to bez současného vložení nebo se současným vložením DC napětí na biosenzor; měření AC proudu generovaného vložením napětí (obou napětí); stanovení kapacitance nebo jak kapacitance tak odporu biosenzoru ze změřeného AC proudu; stanovení povrchové plochy té části biosenzoru která je ve styku se vzorkem ze zjištěné kapacitance nebo na základě obou hodnot, tj. jak zjištěné kapacitance tak zjištěného odporu; a následné stanovení objemu vzorku v biosenzoru na základě zjištěné povrchové plochy.

Další způsoby podle vynálezu dále zahrnují stupeň ve kterém se provede na základě zjištění, že objem vzorku je přiměřený, stanovení jednoho nebo více fyzikálních nebo chemických parametrů biologického vzorku jako je koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů. Ještě další způsoby podle vynálezu zahrnují kompenzaci nedostatečného objemu biologického vzorku vneseného do elektrochemického biosenzoru pro stanovení nejméně jednoho parametru biologického vzorku umožňující přesné změření hodnoty uvedeného parametru. Uvedený způsob kompenzace zahrnuje stanovení potřebného kompenzačního faktoru ke kompenzaci nedostatečného objemu vzorku v případě že tento případ nastane a potom kompenzaci nedostatečného objemu vzorku při stanovení, například při stanovení koncentrace zvoleného analytu obsaženého ve vzorku. Stupeň ve kterém se stanovuje potřebný kompenzační faktor zahrnuje zjištění poměru kapacitance ekvivalentní biosenzoru při jeho úplném naplnění vzorkem ke zjištěné kapacitanci ekvivalentní biosenzoru pří jeho naplnění vzorkem nedostatečného objemu.

99*

• 9 9 « »9· • 9 9

9

Hodnota kapacitance ekvivalentní biosenzoru při jeho úplném naplnění uvedeným vzorkem může být uložená v paměťovém vybavení zařízení.

Systémy podle vynálezu

Vynález rovněž poskytuje systémy umožňující provedení výše uvedených způsobů podle vynálezu. Obecně může uvedený systém obsahovat následující složky umožňující provedení výše popsaných způsobů podle vynálezu: napěťový zdroj konfigurovaný pro vložení napětí na elektrochemický článek, prostředky pro měření proudu procházejícího článkem při vložení napětí na článek, prostředky pro výpočet kapacitance a/nebo odporu článku ze změřeného proudu; prostředky pro výpočet povrchové plochy článku pokryté vzorkem biologického materiálu z kapacitance článku a/nebo odporu článku; prostředky pro výpočet objemu biologického vzorku z povrchové plochy článku. Některé systémy dále zahrnují prostředky pro zjištění zda objem vzorku je přiměřený k přesnému stanovení jednoho nebo více ze zvolených charakteristik biologického vzorku které zahrnují, ale bez omezení jen na ně, koncentraci jednoho nebo více zvolených analytů obsažených v biologickém vzorku.

Některé z těchto systémů dále zahrnují prostředky pro kompenzaci nedostatečného objemu vzorku pro měření zvolené charakteristiky biologického vzorku.

Na obr.3 je znázorněný blokový diagram příkladu systému 50 podle vynálezu. Systém 50 obsahuje elektronické složky a obvody konfigurované pro elektronické spojení s biosenzorem 70, např. s elektrochemickým měřícím článkem ve formě detekčního proužku pro jedno použití, který je popsaný výše a znázorněný na obr.l, do kterého se vzorek biologické tekutiny určený k hodnocení vnese nebo převede. Systém 50 zejména «0

000 · 0 0 · 0 0 • · 0·0* 0 0 0 0 • · · 0 0 0 0 ·· 00 00 obsahuje napěťový zdroj 52 pro vložení požadovaných vstupních AC a DC napětí na biosenzor 70. Systém 50 dále obsahuje konvertor 54 pro převod proudu na napětí, konvertor 56 pro převod analogových dat na digitální, a mikroprocesor 58 souhrnně přijímá a zpracovává data získaná z biosenzoru 70.

Konkrétně je na výstup biosenzoru 70 pracovně připojený $5.

konvertor^proudu na napětí Jýi/ který přijímá výstupní signál z biosenzoru 70 po vložení napětí na biosenzor prostřednictvím napěťového zdroje 52 a převádí přijatý proudový signál na odpovídající napěťový signál. Odpovídající napěťový signál je pak předán jako vstupní signál do konvertoru analogových údajů na digitální 56, který převádí analogový napěťový signál na odpovídající digitální hodnotu. Získaná digitalizovaná hodnota napěťového signálu je pak předána jako vstupní signál do mikroprocesoru 54, který je naprogramovaný k odvození a/nebo stanovení požadovaných faktorů nebo parametrů jako je např. kapacitance ekvivalentní článku, odpor ekvivalentní článku, povrchová biosenzoru které je v kontaktu, objem vzorku biologického materiálu, kompenzační faktor na objem atd; a k časovému řízení každé z uvedených funkcí. Jak je popsané výše, mikroprocesor ^4 může obsahovat paměť pro uložení předem stanovených, předem zvolených dat nebo údajů z kalibrace jako je celkový objem elektrochemického Článku, rozmezí pracovních teplot, informace o typu vzorku, informace vztažené k detekci vzorku a podobné údaje, které jsou nutné pro provedení stupňů a funkcí podle vynálezu. Ačkoliv ve výše uvedeném popisu je pro účely uchování a zpracování dat podle vynálezu popsaný mikroprocesor, pracovníkům v oboru bude zřejmé, že je možné použít i jiné samostatné elektronické složky, které mohou společně být konfigurované tak aby umožnily dosažení cílů vynálezu.

• 4 • · · «444 « • · 4 «4 4444444 • · · 4 4 4 4 *· 4·· 44 4 ·4 44

Systém podle vynálezu může dále obsahovat displej nebo jednotku 60 sloužící k zobrazení zvoleného empirického nebo symbolické údaje, informace nebo výstupu z ovládací jednotky nebo mikroprocesoru. Uvedené údaje, informace nebo výstupy mohou zahrnovat, ale nejsou omezené jen na ně, změřené hodnoty nebo hodnoty odvozené od zvolených výstupních signálů a impedancí, objem vzorku, ikony indikující přiměřený/nepřiměřený objem, kompenzační faktory pro nedostatečné objemy, koncentrace cílených analytů, ikony indikující biologický vzorek nebo kontrolní vzorek, výsledky kalibrace atd.

Ve více provedeních jsou stupně zahrnující zpracování elektrochemického signálu, měření, odvození, výpočet, kompenzaci a zobrazení jak je popsané výše prováděné automaticky uvedenými systémy navrženými k pracovnímu spojení s elektrochemickým článkem. Elektronické obvody uvedených systémů mohou být strukturálně a funkčně integrované s měřícím přístrojem nebo s jiným zařízením pro automatické provedení, konfigurovaným pro vsunutí a pracovní spojení s elektrochemickým článkem např. s detekčním proužkem pro jedno použití, a k měření jedné nebo více fyzikálních nebo chemických vlastností biologického vzorku vneseného do elektrochemického článku. V nej typičtějším provedení uvedené měřené vlastnosti zahrnují koncentraci jednoho nebo více analytů obsažených v biologickém vzorku. Typ měřícího přístroje nebo zařízení pro automatické provedení výše uvedených stupňů nebo obdobných stupňů a funkcí umožňující, že uživatel musí pouze aplikovat vzorek do reakční zóny elektrochemického článku a pak odečíst výsledek stanovení koncentrace analytů ze zařízení, je dále popsaný v U.S.patentu Č. 6,193,873 Bl, který je včleněný do tohoto textu odkazem.

• t · · · * · ·♦·· · · * · · « ·« · ··

Pracovníkům v oboru bude zřejmé, že systémy podle vynálezu je možné použít i ve způsobech stanovení které neobsahují biosenzory typu popsaného výše. Uvedené další systémy zahrnují například elektrochemický článek mající nejméně dvě elektrody a redukčně-oxidační systém se stabilní koncentrací iontů, kde uvedené elektrody jsou konfigurované pro umístění do prostředí biologického vzorku nebo prostředí se stabilní koncentrací iontů.

Příklady provedení vynálezu

Ve spojení s předloženým vynálezem byly zjištěné níže uvedené výsledky.

Na obr.4 až obr.8 jsou znázorněné variace výsledků měření provedených s detekčními proužky obsahujícími přiměřený objem vzorku (tj. reakční zóny detekčních proužků jsou zcela naplněné roztokem vzorku nebo materiálem) a s detekčními proužky obsahujícími menší objem vzorku než je objem pro měření přiměřený (tj. reakční zóny detekčních proužků jsou roztokem vzorku nebo materiálem naplněné pouze z poloviny). Specifičtěji byla provedená měření kapacitance ekvivalentní elektrochemickému článku a měření odporu roztoku vzorku během zvolených časových období během kterých bylo na detekční proužky vložené napětí. Následující experimentální výsledky jsou určené pouze ke znázornění vynálezu a vynález nijak neomezují. Získané výsledky byly získané vnesením krve 5 různých dárců s obsahem glukosy v rozmezí 40-600 mg/dl, hematokritem v rozmezí 20 % až 70 % na proužky při teplotě místnosti.

Obr. 4 znázorňuje srovnání změny kapacitance ekvivalentní článku (osa y) na čase (osa x) detekčních proužků 130 plně ·· naplněných vzorky krve ve srovnání s detekčními proužky 132 naplněnými vzorky krve z poloviny. Z grafu je zjevné, že kapacitance ekvivalentní článku plně naplněných detekčních proužků 130 je až dvakrát větší než je kapacitance ekvivalentní článku detekčních proužků 132 naplněných z poloviny.

Obr.5 znázorňuje srovnání změny odporu ekvivalentního článku (osa y) na čase (osa x) detekčních proužků 136 plně naplněných vzorky krve ve srovnání s detekčními proužky 134 naplněnými vzorky krve z poloviny. Z grafu je zjevné, že větší objem vzorku krve poskytuje odpor ekvivalentní článku asi poloviční než je odpor ekvivalentní článku detekčních proužků naplněných menším objemem vzorku krve.

Obr.6 znázorňuje histogramy hodnot kapacitance ekvivalentní článku (osa x) detekčních proužků 140 plně naplněných vzorky krve a detekčních proužků 138 z poloviny naplněných vzorky krve, kde kapacitance ekvivalentní článku byly měřené 0,5 s po vnesení vzorků krve na proužky. Z grafu je zjevné, že kapacitance ekvivalentní článku plně naplněných detekčních proužků 140 je až dvakrát větší než je kapacitance ekvivalentní článku detekčních proužků 138 naplněných z poloviny a to s dobrou reprodukovatelností.

Obr.7 znázorňuje srovnání změny poměru kapacitance ekvivalentní článku k odporu ekvivalentnímu článku (C/R) (osa y) na čase (osa x) detekčních proužků 142 plně naplněných vzorky krve ve srovnání s detekčními proužky 144 naplněnými vzorky krve z poloviny. Z grafu je zjevné, že u plně naplněných detekčních proužků 142 je poměr C/R asi čtyřikrát větší než je poměr C/R kapacitance ekvivalentní článku detekčních proužků 144 naplněných z poloviny.

• ·

Obr.8 znázorňuje v rozptylovém diagramu srovnání poměru kapacitance ekvivalentní článku k odporu ekvivalentního článku (C/R) (osa y) na kapacitanci ekvivalentní článku (osa x) detekčních proužků 140 plně naplněných vzorky krve a detekčních proužků 148 z poloviny naplněných vzorky krve, kde kapacitance a odpor byly měřené 0,5 s po vnesení vzorku krve na detekční proužek. Z grafu vyplývá, že poměr C/R poskytuje větší sensitivitu vůči objemu vzorku než kapacitance ekvivalentní článku C.

Kity

Vynález rovněž poskytuje kity vhodné pro použití způsobů podle vynálezu v praxi. Kity podle vynálezu obsahují systém podle vynálezu obsahující elektronický obvod popsaný výše, nebo měřící přístroj nebo jiné automatizované zařízení jak je popsané výše, umožňující zjištění zda objem vzorku vnesený na detekční proužek je dostatečný k provedení přesného stanovení koncentrace analytu. V některých dalších křtech systémy podle vynálezu při stanovení koncentrace analytu kompenzují nedostatečný objem vzorku. Uvedené kity mohou dále obsahovat informace pro uživatele o použití způsobů podle vynálezu ve spojení s elektrochemickým článkem ve formě detekčního proužku nebo mikrojehly nebo podobného zařízení při stanovení objemu vzorku ve formě roztoku nebo materiálu vneseného do elektrochemického článku. Uvedené informace mohou být na jednom nebo na více obalech, ve formě příbalového letáku a podobně.

Z výše uvedeného popisu je zřejmé, že vlastnosti způsobů a systémů podle vynálezu umožňují překonat více nevýhod spojených se systémy známými v oboru pro stanovení objemu · · »·«« ·*· * · * « · *♦··· » « fc · • * · a · · · » »

............

vzorku biologického materiálu vneseného na detekční proužek pro elektrochemické stanovení koncentrace analytu, a poskytují některé výhody zahrnující, ale neomezené jen na ně, poskytnutí velmi přesných prostředků a způsobů pro stanovení uvedeného objemu vzorku a pro snížení doby potřebné ke stanovení koncentrace analytu. Dále uvedené stanovení objemu vzorku není ovlivňované změnami koncentrace glukosy v krvi, hladinou hematokritu krve, krví dárce, teplotou měření, koncentracemi interferujících složek často obsažených v krvi. Další výhody vynálezu zahrnují možnost kompenzovat nedostatečný objem vzorku a pokračovat ve stanovení koncentrace analytu bez přerušení zkoušky což je spojené se zmenšením odpadu a s nižšími náklady. Předložený vynález tak představuje významný příspěvek do oblasti stanovení objemu tekutého vzorku biologického materiálu a stanovení koncentrace analytu.

Vynález je v předcházejícím popisu vynálezu popsaný z hlediska jeho nej vhodnějších a nej výhodnějších provedení. Je však nutné si uvědomit, že vynález zahrnuje i provedení odchylující se v rámci patentových nároků od popsaných provedení, kde takové možné modifikace budou po prostudování popisu vynálezu pracovníkům v oboru zřejmé.

Specifická zařízení a způsoby uvedené v tomto popisu je nutné pokládat za pouze ilustrativní a nikoliv za restriktivní. Předpokládá se, že významově blízké modifikace a rozsah ekvivalentů popsaných konceptů, jako jsou modifikace zřejmé pracovníkům v oboru, jsou v rámci připojených patentových nároků.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob stanovení objemu vzorku biologického materiálu vneseného do elektrochemického biosenzoru vyznačující se tím, že zahrnuje:

   vložení střídavého napětí o zvolené amplitudě a zvolené frekvenci na biosenzor;

   měření proudu generovaného vložením uvedeného střídavého napětí;

   stanovení kapacitance biosenzoru z uvedeného změřeného proudu;

   stanovení povrchové plochy biosenzoru která je ve styku se vzorkem z uvedené zjištěné kapacitance; a stanovení objemu vzorku obsaženého v biosenzoru z uvedené stanovené povrchové plochy.
2. 2. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že dále zahrnuje stanovení, zda uvedený objem vzorku je přiměřený pro změření jedné nebo více zvolených vlastností uvedeného vzorku.
3. 3. Způsob podle nároku 2vyznačujíci se tím, že dále zahrnuje stanovení koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů obsažených ve vzorku přičemž stanovení je založené na zjištění, že uvedený objem vzorku je pro měření • · · · * * * * * · · · · ·*·· · · * · • · · · * · ···· 34 ..... ·· · ·· ·· přiměřený.
4. 4. Způsob podle nároku 2vyznačující se tím, že dále zahrnuje:

   stanovení potřebného kompenzačního faktoru ke kompenzaci nedostatečného objemu vzorku po zjištění, že uvedený objem vzorku je nedostatečný; a kompenzaci uvedeného nedostatečného objemu vzorku.
5. 5. Způsob podle nároku 4vyznačující se tím, že zjištění potřebného kompenzačního faktoru zahrnuje stanovení poměru kapacitance biosenzoru při úplném naplnění vzorkem ke kapacitanci biosenzoru s uvedeným nedostatečným objemem vzorku.
6. 6. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že dále zahrnuje stanovení odporu biosenzoru z uvedeného změřeného proudu.
7. 7. Způsob podle nároku fivyznačující se tím, že dále zahrnuje stanovení povrchové plochy biosenzoru která je ve styku se vzorkem a to na základě uvedené zjištěné kapacitance a na základě uvedeného zjištěného odporu.
8. 8. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že dále zahrnuje vložení stejnosměrného napětí na uvedený biosenzor.
9. 9. Způsob podle nároku 8vyznačující se tím, že uvedené stejnosměrné napětí a uvedené střídavé napětí se aplikují současně.

   • * · · · · ···· · · · ··* ··· ·· ·· ··· ·· · ·· ·«
10. 10. Způsob kompenzace nedostatečného objemu vzorku biologického materiálu obsaženého v elektrochemickém biosenzoru pro změření nejméně jedné vlastnosti uvedeného vzorku biologického materiálu, vyznačující se tím, že zahrnuje stanovení poměru kapacitance biosenzoru při úplném naplnění uvedeným vzorkem ke kapacitancí biosenzoru obsahující uvedený nedostatečný objem vzorku.
11. 11. Způsob změření nejméně jedné vlastnosti biologického vzorku obsaženého v elektrochemickém biosenzoru vyznačující se tím, že zahrnuje:

    stanovení objemu uvedeného vzorku biologického materiálu;

    stanovení zda objem uvedeného vzorku biologického materiálu je přiměřený;

    kompenzaci nedostatečného objemu vzorku biologického materiálu obsaženého v elektrochemickém biosenzoru na základě zjištění že uvedený objem není přiměřený;

    přesné změření nejméně jedné vlastnosti uvedeného biologického vzorku.
12. 12. Způsob podle nároku 11 vyznačující se tím, že uvedená nejméně jedna vlastnost je koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů obsažených ve vzorku.
13. 13. Systém pro stanovení objemu biologického vzorku obsaženého v elektrochemickém článku který má povrchovou plochu a objem vyznačující se tím, že obsahuje » » « ♦ · · ·· ··« » · ί ♦ · : ·* • · ···· * · « » • · « » · · · ·· · ·· ·· napěťový zdroj konfigurovaný k vložení napětí na uvedený elektrochemický článek;

    prostředky pro měření proudu procházejícího článkem po vložení uvedeného napětí na elektrochemický článek;

    prostředky pro odvození kapacitance článku z uvedeného změřeného proudu;

    prostředky pro odvození povrchové plochy článku pokryté uvedeným vzorkem biologického materiálu z uvedené kapacitance článku; a prostředky pro odvození objemu uvedeného vzorku biologického materiálu z uvedené povrchové plochy článku.
14. 14. Systém podle nároku 13 vyznačující se tím, že dále obsahuje prostředky pro zjištění, zda uvedený objem vzorku je přiměřený pro provedení přesného stanovení koncentrace jednoho nebo více zvolených analytu obsažených v uvedeném biologickém vzorku.
15. 15. Systém podle nároku 14 vyznačující se tím, že dále obsahuje:

    prostředky pro kompenzování uvedeného objemu vzorku při zjištění v průběhu měření koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů obsažených v uvedeném vzorku biologického materiálu že tento objem je nedostatečný.
16. 16. Systém určený k použití s měřícím přístrojem konfigurovaným pro spojení s elektrochemickým článkem a ke stanovení koncentrace jednoho nebo více zvolených analytů • · · · · · · » * · • · · · w · ···· · · · · • · · ·· · ····

    2~ι ·· ··· ·· · ·· ·· obsažených v biologickém vzorku který je vnesený do elektrochemického článku, vyznačující se tím, že uvedený systém obsahuje:

    napěťový zdroj konfigurovaný pro vložení střídavého a/nebo stejnosměrného napětí na uvedený článek; a elektronický obvod konfigurovaný pro příjem proudu procházejícího uvedeným elektrochemickým článkem po vložení napětí na článek, pro měření uvedeného proudu, pro stanovení kapacitance uvedeného článku ze změřeného proudu, pro stanovení povrchové plochy článku pokryté uvedeným vzorkem biologického materiálu ze zjištěné kapacitance článku, a pro stanovení objemu uvedeného vzorku biologického materiálu z uvedené zjištěné povrchové plochy článku pokryté biologickým vzorkem.