DD283683A5 - METHOD AND APPARATUS FOR AMPEROMETRIC DIAGNOSTIC ANALYSIS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Methode zur Messung der Menge einer ausgewählten Verbindung in Körperflüssigkeiten und eine Probezelle, gekennzeichnet dadurch, dass a) eine zu testende Flüssigkeitsprobezelle in einer Probezelle untergebracht wird, die eine erste und eine zweite Elektrode aufweist; b) die Probe mit einem Oxydationsmittel und einem Puffer vermischt wird; c) ein Potential an die Elektrode und die Probe angelegt wird; d) der resultierende Strom zur Bestimmung der Konzentration der in der Probe vorhandenen ausgewählten Verbindung gemessen wird.{Messung; Verbindungen; biologisch wichtig; Körperflüssigkeiten; amperometrisch; Probezelle neuartig}The invention relates to a method for measuring the amount of a selected compound in body fluids and a sample cell, characterized in that a) a liquid sample cell to be tested is accommodated in a sample cell having a first and a second electrode; b) the sample is mixed with an oxidizing agent and a buffer; c) applying a potential to the electrode and the sample; d) measuring the resulting current to determine the concentration of selected compound present in the sample. {measurement; Links; biologically important; Body fluids; amperometric; Sample cell novel}
Description
Die Erfindung betrifft eine elektroanalytische Einwegzelle sowie eine Methode zur quantitativen Bestimmung des ' Vorhandenseins von biologisch wichtigen Voraussetzungen wie Glucose; THS; T4; Hormonen wie ECQ; Oigitalisglycosiden wie Digoxion; antiarrhythmischen Mitteln wie Lldocaln; antieplleptischen Mitteln wie Phenobarbital; Antibiotika wie Gentamicin; Cholesterin; nichttherapeutitthen Arzneimitteln und dergleichen In Körperflüssigkeiten.The invention relates to a disposable electroanalytical cell and a method for the quantitative determination of the presence of biologically important conditions such as glucose; THS; T4; Hormones like ECQ; Oiglycis glycosides such as digoxion; antiarrhythmic agents such as Lldocaln; antiepleptic agents such as phenobarbital; Antibiotics such as gentamicin; Cholesterol; Nontherapeutic drugs and the like In body fluids.
Obwohl die Erfindung ein breites Anwendungsfeld findet, wird zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung besonderes Augenmerk auf ihre Anwendung bei der quantitativen Bestimmung des Vorhandenseins von zwei biologisch wichtigen Voraussetzungen - Glucose und Cholesterin - gelegt.Although the invention has a wide field of application, for the purposes of illustrating the invention, particular attention is paid to its application in the quantitative determination of the presence of two biologically important prerequisites - glucose and cholesterol.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Die Erfindung stellt eine Teilweiterführung unserer früher eingereichten Anmeldung, Anmeldeaktenzeichen Nr. 168.295 der Vereinigten Staaten, eingereicht am 15. März 1988, darThe invention is a partial extension of our previously filed application, United States Patent Application Serial No. 168,295, filed March 15, 1988
Im Falle von Glucose: In the case of glucose:
Diabetes, und vor allem Diabetes mellitus, ist eine Stoffwechselkrankheit, die durch eine mangelhafte Insulinproduktion der Bauchspeicheldrüse gekennzeichnet ist, wodurch abnormale Blutglucosespiegel entstehen. Wenn diese Krankheit auch bei nur annähernd 4% der Bevölkerung der Vereinigten Staaten zu verzeichnen ist, so ist sie doch die dritthäufigste Todesursache hinter Herzerkrankungen und Krebs. Durch einwandfreie Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels des Patienten durch tägliche Injektionen von Insulin und strenge Kontrolle der Nahrungsaufnahme ist die Prognose bei Diabetes ausgezeichnet. Allerdings muß der Blutglucosespiegel bei einem Patienten entweder durch klinische Laboranalyse oder durch eine tägliche Analyse, die der Patient mit Hilfe verhältnismäßig einfacher nichttechnischer Verfahren selbst durchführen kann, genau verfolgt werden. Gegenwärtig beruht die übliche Technologie für die Überwachung der Blutglucose auf der visuellen oder instrumenteilen Bestimmung der durch aromatische Reaktionen auf einer trockenen Reagenzunterlage auf einem schmalen Plastestreifen hervorgerufenen Farbver änderung. Diese kolorimetrischen Methoden, bei denen das natürliche Oxydationsmittel für Glucose zu Gluconsäure, speziell Sau, rstoff, herangezogen wird, basieren auf den folgenden Reaktionen:Diabetes, and especially diabetes mellitus, is a metabolic disease characterized by poor insulin production of the pancreas, causing abnormal blood glucose levels. Although this disease is present in only about 4% of the United States population, it is the third leading cause of death from heart disease and cancer. Proper maintenance of the patient's blood sugar level through daily injections of insulin and strict control of food intake makes the prognosis for diabetes excellent. However, the blood glucose level in a patient must be closely monitored either by clinical laboratory analysis or by a daily analysis that the patient can perform himself using relatively simple non-technical procedures. Currently, the common technology for monitoring blood glucose is based on the visual or instrumental determination of the color change caused by aromatic reactions on a dry reagent pad on a narrow strip of plastic. These colorimetric methods, which use the natural oxidant for glucose to gluconic acid, especially oxygen, are based on the following reactions:
B-D-Glucose + O2 + H2O-* D-Gluconsäure + H2O2 H2O2 + Reaktionsmittel -» H2O + FarbeBD-glucose + O 2 + H 2 O- * D-gluconic acid + H 2 O 2 H 2 O 2 + Reagent - »H 2 O + color
Im Falle von Cholesterin:In case of cholesterol:
Der gegenwärtigen Technologie fürdie Bestimmung von Cholesterin liegen ebenfalls ähnliche Methoden zugrunde. Im Falle von Cholesterin basieren die zur Zeit angewandten Methoden auf den verellgemeinerten Reaktionen:Current technology for the determination of cholesterol is also based on similar methods. In the case of cholesterol, the methods currently used are based on the generalized reactions:
Cholesterin + H2O + O2-* Cholestenon + H2O2 H2O2 + Reaktionsmittel -> H2O + FarbeCholesterol + H 2 O + O 2 - * Cholestenone + H 2 O 2 H 2 O 2 + Reagent -> H 2 O + Color
Bei allen zur Zeit angewandten Techniken stellt Disauerstoff das einzige direkte Oxydationsmittel dar, das mit dem Enzym Cholesterinoxidase für die Bestimmung von sowohl freiem als auch Gesamtcholesterin angewandt wird. Bei der Durchführung konventioneller Testverfahren muß der Sauerstoff während des Gebrauchs aus der umgebenden Luft in die Sensorlösung diffundieren, damit ausreichend Reaktionsmittel für eine vollständige Reaktion mit dem Analyten Cholesterin in unverdünnten Serum- und Gesamtblutproben zur Verfugung stehen kann.In all of the techniques currently used, dioxygen is the only direct oxidizing agent used with the enzyme cholesterol oxidase for the determination of both free and total cholesterol. In carrying out conventional testing procedures, the oxygen must diffuse from the ambient air into the sensor solution during use in order for sufficient reagents to be available for complete reaction with the analyte cholesterol in undiluted serum and whole blood samples.
In beiden Fällen wird das Vorhandensein der Substanz entweder durch kolorimetrische oder anderweitige Quantifizierung des vorhandenen Wasserstoffperoxids bestimmt. Die gegenwärtigen Nachweismethoden können die direkte Messung des erzeugten Wasserstoffperoxids entweder durch spektroskopische der elektrochemische Maßnahmen und indirekte Methode umfassen, bei denen das Wasserstoffperoxid mit verschiedenen Farbstoffen in Gegenwart des Enzyms Peroxidase umgesetzt wird, so daß eine Farbe erzeugt wird, die beobachtet wird.In both cases, the presence of the substance is determined either by colorimetric or other quantification of the hydrogen peroxide present. Current detection methods may involve the direct measurement of the hydrogen peroxide produced either by spectroscopic electrochemical measures and indirect methods in which the hydrogen peroxide is reacted with various dyes in the presence of the enzyme peroxidase to produce a color which is observed.
Wenn diese Tests auch verhältnismäßig einfach auszuführen sind, so erfordern sie doch zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse eine konsequente Anwendertechnik. Bei diesen Test ist beispielsweise die Entnahme von Blut von einer fiesgensmittelschicht in spezifilierten und kritischen Zeitintervallen erforderlich. Nach diesem Zeitintervall muß überschüssiges Blut durch Waschen oder Abtupfen, oder nur durch Abtupfen, entfernt werden, weil die Farbmessung auf der Oberfläche der Reagensmittelschicht vorgenommen wird. Die Farbentwicklung wird entweder sofort abgelesen oder zu einem späteren Zeitpunkt.Although these tests are relatively simple to perform, they still require a consistent user technique to achieve reproducible results. For example, this test requires the collection of blood from a febril layer at specified and critical time intervals. After this time interval, excess blood must be removed by washing or dabbing, or by dabbing only, because the color measurement is made on the surface of the reagent agent layer. The color development is read either immediately or at a later time.
Liese Schritte verlangen eine gute und konsequente Arbeitstechnik sowie die strikte Einhaltung der Zeitvorgabe. Selbst bei der Anwendung einer guten Arbeitstechnik hat sich darüber hinaus bei kolorimetrischen Methoden für die Bestimmung von beispielsv eise Glucose gezeigt, daß sie keine gute Präzision und Genauigkeit, vor allem im hyperglycämischen Bereich, aufweisen. Außerdem weichen die für die quantitative kolorimetrische Messung verwendeten Instrumente sehr stark in ihren Eichungsmethoden voneinander ab; einige sehen keine Eichung durch den Benutzer vor, während andere sekundäre Standards liefern.Liese steps require a good and consistent working technique as well as the strict adherence to the time specification. Moreover, even with the use of good working techniques, colorimetric methods for the determination of exemplary glucose have shown that they do not have good precision and accuracy, especially in the hyperglycemic range. In addition, the instruments used for the quantitative colorimetric measurement deviate very much in their calibration methods; Some do not provide user calibration while others provide secondary standards.
Wegen des allgemeinen Mangels an Genauigkeit und Standardisierung der verschiedenen Methoden und Geräte, die zur Zeit für die Prüfung biologisch wichtiger Verbindungen in Körperflüssigkeiten zur Verfügung stehen, zögern einige Ärzte, derartige Vorrichtungen für die Beobachtungen vor. Mengen und Dosierungen zu verwenden. Sie haben vor allem Bedenken, solche Methoden für die Anwendung durch die Patienten selbst zu empfehlen. Daher wäre es wünschenswert, wenn es eine Methode und ein Gerät gäbe, durch die nicht nur der Arzt in die Lage versetzt wird, derartige Verbindungen mit besserer Zuverlässigkeit zu testen, sondern der Patient es auch selbst tun könnte.Because of the general lack of accuracy and standardization of the various methods and devices currently available for testing biologically important compounds in body fluids, some physicians are reluctant to provide such devices for the observations. Quantities and dosages to use. Above all, they have reservations about recommending such methods for use by the patients themselves. Therefore, it would be desirable if there was a method and device that would not only enable the physician to test such compounds with better reliability, but the patient could do it themselves.
Methoden der enzymatischen Amperometrie sind auf Laborbasis für die Messung einer Reihe von Analyten, die Glucose, Blut -Harnstoff- Stickstoff und Lactat umfassen, angewandt worden. Herkömmlich bestehen die Elektroden in diesen Systemen aus eperrlpon Metalldrähten, Zylindern oder Scheiben, die in ein Isoliermaterial eingebettet sind. Der Herstellungsprozeß resultiert ' in Individualistischen Eigenschaften jeder Elektrode, so daß eine Eichung jedes Sensors erforderlich ist. Diese Elektroden sind außerdem für die Einweg-Anwendung zu teuer und machen eine sehr sorgfältige Instandhaltung der Elektroden für eine kontinuierliche und zuverlässige Anwendung erforderlich. Diese Instandhaltung wird von ungeübtem Personal (wie Patienten) kaum richtig ausgeführt werden können, daher muß eine erfolgreiche Enzym-Amperometriemethode, die für das Selbst-Testen vorgesehen ist (oder nichttraditionelles beliebiges Testen) auf einem wegwerf baren Sensor basieren, der in einer Weise hergestellt worden kann, durch die er in der Lage ist, daß jeder einzelne Sensor reproduzierbare Ergebnisse liefern kann, und das bei Kosten, die weit unter denen herkömmlicher Elektroden liegen.Methods of enzymatic amperometry have been used on a laboratory basis for the measurement of a range of analytes, including glucose, blood urea nitrogen and lactate. Conventionally, the electrodes in these systems consist of non-metallic metal wires, cylinders or discs embedded in an insulating material. The manufacturing process results in individualistic properties of each electrode so that calibration of each sensor is required. These electrodes are also too expensive for the disposable application and require very careful maintenance of the electrodes for continuous and reliable use. This maintenance will be difficult to carry out properly by untrained personnel (such as patients), therefore a successful enzyme amperometry method intended for self-testing (or non-traditional random testing) must be based on a disposable sensor made in a manner which enables each individual sensor to provide reproducible results at costs well below those of conventional electrodes.
Mit der Erfindung werden enzymatisch-amperometrische Methoden für die Überwachung von Verbindungen im Gesamtblut, Serum und in anderen Körperflüssigkeiten zur Verfügung gestellt. Enzymatisch^ Amperometrie bietet verschiedene Vorteile für die Kontrolle oder Eliminierung von Techniken, die vom Benutzer abhängig sind, und sie weist einen größeren linearen dynamischen Bereich auf.The invention provides enzymatic-amperometric methods for the monitoring of compounds in whole blood, serum and other body fluids. Enzymatic amperometry offers several advantages for the control or elimination of user-dependent techniques, and it has a larger linear dynamic range.
Gegenüber bereits bekannten Selbst-Test-Systemen werden mit den erfindungsgemäßen Methoden genaue und zuverlässige Analysenergebnisse erhalten.Compared to already known self-test systems, precise and reliable analytical results are obtained with the methods according to the invention.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als Selbst-Test-Systome geeignete Methoden zur quantitativen Analyse ausgewählter Verbindungen in Körperflüssigkeiten zu entwickeln.It is an object of the present invention to develop suitable methods for the quantitative analysis of selected compounds in body fluids as self-test systomas.
Erfindungsgemäß wird eine Methode zur Messung der Menge einer ausgewählten Verbindung in Körpbrflüssigkeiten unter Verwendung miniaturisierter elektroanalytischer Einweg-Probenahmezellen für präzise Mikro-Aliquoten-Probenahme und einer unabhängigen automatischen Vorrichtung zur Messung der elektrochemischen Reduktion der Probe zur Verfügung gestellt. Enzymatische Amperometrie bietet verschiedene Vorteile für die Kontrolle oder Eliminierung von'Techniken, die vom Benutzer abhängig sind, und sie weist einen größeren linearen dynamischen Bereich auf. Ein auf dieser Verfahrensweise beruhendes System könnte die Bedenken des Arztes, seinen Patienten das Solbst-Testen zu empfehlen, beseitigen. Methoden der enzymatischen Amperometrie sind auf Laborbasis für die Messung einer Reihe von Analyten, die Glucose, Blut -Harnstoff - Stickstoff und Lactat umfassen, angewandt worden.According to the invention, there is provided a method for measuring the amount of a selected compound in body fluids using miniaturized disposable electroanalytical sampling cells for precise micro-aliquot sampling and an independent automatic device for measuring the electrochemical reduction of the sample. Enzymatic amperometry offers several advantages for the control or elimination of user-dependent techniques and has a larger linear dynamic range. A system based on this approach could eliminate the physician's concerns about recommending his patients to try solbs themselves. Enzymatic amperometry methods have been used on a laboratory basis for the measurement of a range of analytes, including glucose, blood urea nitrogen and lactate.
Herkömmlich bestehen die Elektroden in diesen Systemen aus sperrigei. Metalldrähten, Zylindern oder Scheiben, die in ein Isoliermaterial eingebettet sind. Der Herstellungsprozeß resultiert in individualistischen Eigenschaften jeder Elektrode, so daß eine Eichung jedes Sensors erforderlich Ist. Diese Elektroden sind außerdem für die Einweg-Anwendung zu teuer und machen eine sehr sorgfältige Instandhaltung der Elektroden für eine kontinuierliche und zuverlässige Anwendung erforderlich. Diese Instandhaltung wird von ungeübtem Personal (wie Patienten) kaum richtig ausgeführt werden können, daher muß eine erfolgreiche Enzym-Amperometriemethode, die für das Selbst-Testen vorgesehen ist (oder nichttraditionelles beliebiges Testen) auf einem wegwerfbaron Sensor basieren, der in einer Weise hergestellt werden kann, durch die er in der Lage ist, daß jeder einzelne Sensor reproduzierbare Ergebnisse liefern kann, und das bei Kosten, die weit unter denen herkömmlicher Elektroden liegen.Conventionally, the electrodes in these systems are bulky. Metal wires, cylinders or discs embedded in an insulating material. The manufacturing process results in individualistic properties of each electrode, so calibration of each sensor is required. These electrodes are also too expensive for the disposable application and require very careful maintenance of the electrodes for continuous and reliable use. This maintenance is unlikely to be properly performed by untrained personnel (such as patients), therefore a successful enzyme amperometry method intended for self-testing (or non-traditional random testing) must be based on a disposable on sensor manufactured in a manner which enables it to provide each individual sensor with reproducible results at a cost far below that of conventional electrodes.
Die Erfindung befaßt sich mit diesen Anforderungen, indem sie miniaturisierte elektroanalytische Einweg-Probenahmezellen für präzise Mikro-Aliquoten-Probonahme, eim unabhängige automatische Vorrichtung zur Messung der elektrochemischen Reduktion der Probe und ein Verfahren für die Anwendung der erfindungsgemäßen Zelle und des erfindungsgemäßen Gerätes zur Verfügung stellt. Die erfindungsgemäßen Einwegzellen sind vorzugsweise aus laminierten Schichten von metallisiertem Plaste- und nichtleitendem Werkstoff zusammengesetzt. Die metallisierten Schichten stellen die Arbeits- und Bezugselektroden dar, deren Flächen durch den Laminierungsprozeß reproduzierbar ausgelegt wurden. In diesen Schichten befindet sich eine Öffnung, die den Bereich für die Aufnahme der Probe oder die Zelle für die genaue Messung der Probe bildet. Durch das Einsetzen der Zelle in das erfindungsgemäße Gerät wird der Meßzyklus automatisch in Gang gesetzt.The invention addresses these needs by providing miniaturized disposable electroanalytical sampling cells for precise micro-aliquot sampling, an independent automatic apparatus for measuring the electrochemical reduction of the sample, and a method of using the cell and apparatus of the present invention , The disposable cells according to the invention are preferably composed of laminated layers of metallized plastic and non-conductive material. The metallized layers represent the working and reference electrodes whose surfaces have been reproducibly designed by the lamination process. In these layers is an opening that forms the area for receiving the sample or the cell for accurately measuring the sample. By inserting the cell in the device according to the invention, the measuring cycle is automatically set in motion.
Zum besseren Verständnis des Meßverfahrens wird ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das eine Zweistufenreaktionsfolge umfaßt, bei der ein chemischer Oxydationsschritt unter Einsatz anderer Oxydationsmittel anstelle von Sauerstoff und ein elektrochemischer Reduktionsschritt für die Quantifizierung des Reaktionsproduktes des ersten Schrittes angewandt werden. Die Anwendung eines anderen Oxydationsmittels anstelle von Disauerstoff für die direkte Bestimmung eines Analyten hat den Voi teil, daß es in einem großen Überschuß in bezug auf den Analyten vorher in den Sensor eingebracht werden kann und dadurch sichert, daß das Oxydationsmittel nicht das einschränkende Reaktionsmittel ist (bei Disauerstoff ist anfangs normalerweise nicht ausreichendes Oxydationsmittel in der Sensorlösung zur quantitativen Umwandli ng des Analyten vorhanden).For a better understanding of the method of measurement, a presently preferred embodiment of the invention is described, which comprises a two-stage reaction sequence in which a chemical oxidation step using other oxidants instead of oxygen and an electrochemical reduction step for the quantification of the reaction product of the first step are used. The use of another oxidizing agent instead of dioxygen for the direct determination of an analyte has the advantage that it can be pre-loaded into the sensor in a large excess with respect to the analyte and thereby ensures that the oxidant is not the limiting reagent ( in the case of dioxygen, initially insufficient oxidant is normally present in the sensor solution for quantitative conversion of the analyte).
Bei der Oxydationsreaktion wird eine beispielsweise Glucose enthaltende Probe in Gluconsäure und ein Reduktionsprodukt des Oxydationsmittels umgewandelt. Es wurde festgestellt, daß diese chemische Oxydationsreaktion in Gegenwart eines Enzyms, Glucoseoxidase, das für das Substrat B-D-Glucose überaus spezifisch ist und Oxydationen mit einfachen und doppelten Elektronenakzeptoren katalysiert, bis zum Abschluß abläuft. Man hat jedoch gefunden, daß der Oxydationsprozeß nicht bis über die Bildung von Gluconsäure hinaus verläuft, wodurch diese Reaktion für die elektrochemische Messung von Glucose ganz besonders geeignet ist.In the oxidation reaction, a sample containing, for example, glucose is converted into gluconic acid and a reduction product of the oxidizing agent. It has been found that this chemical oxidation reaction proceeds to completion in the presence of an enzyme, glucose oxidase, which is highly specific to the substrate B-D-glucose and catalyzes oxidations with single and double electron acceptors. However, it has been found that the oxidation process does not proceed beyond the formation of gluconic acid, making this reaction particularly suitable for the electrochemical measurement of glucose.
Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform werden Oxydationen mit einem Elektronenakzeptor unter Verwendung von Ferrlcyanld, Ferrlcinlum, CobaltdlD-orthophenantrolln und CobaltdlD-dlpyrldyl bevorzugt. Benzochlnon ist ein Zwei· Elektronenakzeptor, der ebenfalls ausgezeichnete Elektro-Oxydationseigenschaften für die amperometrische Quantifizierung ' liefert.In a presently preferred embodiment, electron acceptor oxidations using ferricyanide, ferrinolum, cobalt dld-orthophene, and cobaltdlD-diphyryl are preferred. Benzochlone is a two-electron acceptor that also provides excellent electro-oxidation properties for amperometric quantification.
Erfindungsgemäß wird zum Beispiel für die amperometrische Bestimmung von Glucose die Cottrell-Strom-Mikrochronoamperometrie angewandt, bei der Glucose plus ein oxydierter Elektronenakzeptor Gluconsäure und einen reduzierten Akzeptor erzeugen. Diese Bestimmung umfaßt einen vorausgehenden chemischen Oxydationsschritt, der durch einen enzymatlschen Doppelsubstrat-Doppelprodukt-Mechanlsmus katalysiert wird, wie aus der Spezifikation deutlich wird. Bei dieser Quantifizierungsmethode erfolgt die Messung eines gesteuerten Diffusionsstromes zu einem genau vorgeschriebenen Zeitpunkt (z. B. 20,30 oder 50 Sekunden) nach dem Moment der Anlegung eines Potentials nach der für die Amperomc.. Ie anwendbaren Gleichung bei einem kontrollierten Potential (E = konstant) von:According to the invention, for example, for the amperometric determination of glucose Cottrell current microchronoamperometry is applied, generate at the glucose plus an oxidized electron acceptor gluconic acid and a reduced acceptor. This determination involves a preliminary chemical oxidation step catalyzed by a double substrate enzymatic double-product mechanism, as is apparent from the specification. In this quantification method, the measurement of a controlled diffusion current occurs at a precisely prescribed time (eg 20, 30 or 50 seconds) after the moment of application of a potential according to the equation applicable to the amperometric equation at a controlled potential (E = constant) of:
'COTTRELL" "f*'7«**"' 'Cme&Wit bei t > 0'COTTRELL''f*' 7 '**''' Cme & Wit at t> 0
* Formel unleserlich (d. Üben.)* Formula illegible (practice)
worin i den Strom bezeichnet, nF die Anzahl Coulomb je Mol ist, D der Diffusion ikoeffizient der reduzierten Form des Reaktionsmittels ist, t die festgesetzte Zelt ist, bei der der Strom gemessen wire, jnd C die Konzentration des Metaboliten ist. Die Messungen des auf die Reoxydation der Akzeptoren zurückzuführenden Stromes mit Hilfe der erfindungsgemäßen Methode erwiesen sich als zur Glucosekonientration in der Probe proportional.where i denotes the current, nF is the number of coulombs per mole, D is the diffusion coefficient of the reduced form of the reagent, t is the fixed cell at which the current is measured, and C is the concentration of the metabolite. The measurements of the current attributed to the reoxidation of the acceptors using the method of the invention proved to be proportional to the glucose charge in the sample.
Mit der erfindungsgemäßen Methode und dem erfindungsgemäßen Gerät sind bei bevorzugten Ausführungsbeispielen direkte Messungen von Blutglucose, Cholesterin und dergleichen möglich. Außerdem gestattet die erfindungsgemäße Probezelle die Prüfung von kontrollierten Blutvolumen ohne vorheriges Messen. Das Einführen der Probenahmezelle in das Gerät ermöglicht somit ein automatisches Funktionieren und Timing der Reaktion und erlaubt dem Patienten das Selbst-Testen mit einem sehr hohen Präzisions- und Genauigkeitsgrad.With the method according to the invention and the device according to the invention, direct measurements of blood glucose, cholesterol and the like are possible in preferred exemplary embodiments. In addition, the sample cell according to the invention allows the testing of controlled blood volumes without prior measurement. Introducing the sampling cell into the device thus allows automatic functioning and timing of the reaction and allows the patient to self-test with a very high degree of precision and accuracy.
Eine der vielen gegenwärtigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung für die Anwendung bei der Messung von B-D-Glucose wird zum besseren Verständnis der Art und des Geltungsbereiches der Erfindung ausführlich beschrieben. Das Verfahren und das Gerät gemäß dieser Ausführungsform sind vor allem für die klinische Selbst-Überwachung der Blut-Glucoeespiegel durch einen Diabetes-Patienten vorgesehen. Die erfindungsgemäße Probezelle wird für die Kontrolle des Probenahmevolumens und der Reaktio ismittel verwendet und wirkt als der elektrochemische Sensor. Bei dieser beschriebenen Ausführung wird Benzochinon als der Elektronenakzeptor eingesetzt. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandte grundlegende chemische Zweistoff-Reaktion ist folgendermaßen:One of the many current preferred embodiments of the invention for use in measuring B-D glucose will be described in detail for a better understanding of the nature and scope of the invention. The method and apparatus according to this embodiment are intended primarily for the clinical self-monitoring of blood glucose levels by a diabetic patient. The sample cell according to the invention is used for the control of the sample volume and the reaction medium and acts as the electrochemical sensor. In this described embodiment, benzoquinone is used as the electron acceptor. The basic chemical binary reaction used in the process of the invention is as follows:
B-D-Glucose + Benzochinon + H2O-^ Gluconsäure -I Hydrochinon Hydrochinon -» Benzochinon + 2 e" + 2H+ BD-glucose + benzoquinone + H 2 O- ^ gluconic acid -I hydroquinone hydroquinone - »benzoquinone + 2 e + 2H +
Bei der ersten Reaktion handelt es sich um eine Oxydationsreaktion, die in Gegenwart des Enzyms Glucoseoxidase bis zum Abschluß abläuft. Im zweiten Teil der Reaktion findet eine elektrochemische Oxydation statt, die die Möglichkeit für di6 Quantifizierung der in der Oxydationsreaktion erzeugten Hydrochinonmenge liefert. Das ist der Fall, gleich ob die katalytische Oxydation mit Zwei-Elektronenakzeptoren oder Ein-Elektronenakzeptor wie Ferricyanid (worin das Redoxpaar Fe(CN)(T3/ Fe(CN)8"8 wäre), Ferricinium, CobaltdlD-trisorthophenantrolin und CobaltdlD-trispyridiyl durchgeführt wird. Die katalytische Oxydation durch Glucoseoxidase ist für B-D-Glucose sehr spezifisch, ist aber hinsichtlich des Oxydationsmittels nichtselektiv. Es ist jetzt entdeckt worden, daß die oben beschriebenen bevorzugten Oxydationsmittel ausreichend positive Potentiale besitzen, um im wesentlichen die gesamte B-D-Glucose in Gluconsäure umzuwandeln. Außerdem bietet d!<tses System die Möglichkeit, daß mit seiner Hilfe nur 1 mg Glucose (bei der bevorzugten Ausführungsform) bis 1000mg Glucose je Deziliter Probe gemessen werden können - Ergebnisse, die bisher bei der Anwendung anderer Selbst-Test-Systeme für Glucose nicht erzielt werden konnten.The first reaction is an oxidation reaction which proceeds to completion in the presence of the enzyme glucose oxidase. In the second part of the reaction, an electrochemical oxidation takes place, which provides the opportunity for the quantification of the amount of hydroquinone generated in the oxidation reaction. This is the case, whether the catalytic oxidation with two-electron or one electron acceptor as ferricyanide (wherein the redox couple Fe (CN) (T 3 / Fe (CN) 8 "would 8), ferricinium, CobaltdlD-trisorthophenantrolin and CobaltdlD- The catalytic oxidation by glucose oxidase is very specific for BD-glucose, but is nonselective with respect to the oxidizing agent It has now been discovered that the preferred oxidizing agents described above have sufficiently positive potentials to produce substantially all of the BD-glucose in . convert gluconic Furthermore d <tse system offers the possibility that with its help, only 1 mg of glucose can be per deciliter of sample was measured (in the preferred embodiment) to 1000 mg glucose - results that were previously in the application of other self-test systems could not be achieved for glucose.
Die Sensoren, die die chemischen Mittel zur Durchführung der verlangten Bestimmung enthalten und gemäß der Erfindung hergestellt wurden, werden mit einem tragbaren Meßgerät für die Selbst-Test-Systeme verwendet. Bei Gebrauch wird der Sensor in das Meßgerät eingesetzt, wodurch das Meßgerät eingeschaltet und eine Wartezeit für den Einsatz der Probe eingeleitet wird. Das Meßgerät erkennt den Probeneinsatz durch den plötzlichen Ladestromfluß, der erfolgt, wenn die Elektroden und die darüberliegende Reagensschicht zu Beginn durch die Probenflüssigkeit angefeuchtet werden. Sobald der Probeneinsatz erkannt ist, beginnt das Meßgerät den Reaktionsinkubationsschritt (dessen Länge vom chemischen Mittel abhängig ist), damit die enzymatische Reaktion bis zum Ende erfolgen kann. Diese Periode liegt in der Größenordnung von 15 bis 90 Sekunden bei Glucose, wobei Inkubationszeiten von 20 bis 45 Sekunden bevorzugt werden. Nach der Inkubationsperiode legt das Instrument dann ein bekanntes Potential an die Elektroden an und mißt den Strom zu spezifischen Zeitpunkten während der Cottrell-Strom-Abnahme. Strommessungen können im Bereich von 2 bis 30 Sekunden nach der Anlegung des Potentials vorgenommen werden, wobei Meßzeiten von 10 bis 20 Sekunden bevorzugt werden. Diese Stromwerte werden anschließend für die Berechnung der Analytkonzentration verwandt, die dann angezeigt wird. Das Meßgerät wird dann warten, daß der Benutzer entweder den Sensor entfernt, oder daß eine bestimmte Zeit vergeht, bevor es sich selbst ausschaltet. Die Erfindung betrifft ein Meßsystem, das verschiedene der kritischen, vom Benutzer abhängigen Variablen, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit nachteilig beeinflussen, ausschaltet und einen größeren dynamischen Bereich als andere Selbst-Test-Systeme bietet.The sensors incorporating the chemical means for carrying out the required determination and made in accordance with the invention are used with a portable meter for the self-test systems. In use, the sensor is inserted into the meter, which turns on the meter and initiates a wait for the sample to be used. The meter recognizes the sample insert by the sudden charge current flow that occurs when the electrodes and overlying reagent layer are initially wetted by the sample fluid. Once the sample insert is detected, the meter begins the reaction incubation step (the length of which depends on the chemical agent) to allow the enzymatic reaction to complete. This period is on the order of 15 to 90 seconds for glucose, with incubation times of 20 to 45 seconds being preferred. After the incubation period, the instrument then applies a known potential to the electrodes and measures the current at specific times during Cottrell current decay. Current measurements can be made in the range of 2 to 30 seconds after application of the potential, with measurement times of 10 to 20 seconds being preferred. These current values are then used to calculate the analyte concentration, which is then displayed. The meter will then wait for the user to either remove the sensor or for some time to pass before turning itself off. The present invention relates to a measurement system that eliminates various of the critical user-dependent variables that adversely affect accuracy and reliability and provides a greater dynamic range than other self-test systems.
' von Glucose bevorzugten Aueführungeform und einer änderen für die Messung von Cholesterin hervorgehen, die in Verbindungmit den beigefügten Zeichnungen, in der gleiche Zahlen gleiche Bestandteile darstellen, zu lesen Ist. In der Zeichnung stellen dar:Of glucose preferred Ausfüührungeform and a change for the measurement of cholesterol, which in conjunction with the accompanying drawings, in which like numbers represent identical components, is to be read. In the drawing represent:
Gerät;Device;
In Fig. 1 wird ein elektrochemisches Testgerät tür den Gebrauch des Patienten zum Selbst-Prüfen, wie beispielsweise des Blut-Giucosespiegele, gezeigt. Das Gerät 10 besteht aus einer vorderen und hinteren Gehäuse 11 bzw. 12, einer Frontplatte 13 und einer Schaltungstafel 15. Die Frontplattn 13 enthält Tafeln 16 für die graphische Anzeige, die Informationen und Instruktionen für den Patienten liefern sowie eine direkte Anzeige der Testergebnisse. Obwohl ein Startknopf 18 zur Einleitung der Analyse vorhanden ist, wird bevorzugt, daß das System den Betrieb beginnt, wenn eine Probezelle 20 in das Fenster 19 des Gerätes eingeschoben wurde.In Fig. 1, an electrochemical test device is shown for use by the patient for self-testing, such as the blood glucose level. The device 10 consists of a front and rear housing 11 or 1 2, a front panel 13 and a circuit board 15. The front panel 13 includes graphic display panels 16, which provide information and instructions to the patient and a direct display of the test results. Although there is a start button 18 to initiate the analysis, it is preferred that the system begin operation when a sample cell 20 has been inserted into the window 19 of the device.
In Fig.3 ist die Probezelle 20 ein metallisiertes Plastesubstrat mit einer speziell bemessenen Öffnung, die eine volumetrische Vertiefung 21 nach dem Zusammenbau der Zelle für die Aufnahme der Reagensmittelschicht und des zu analysierenden Blutes bildet. Die Probezelle 20 enthält ein erstes Substrat 22 und ein zweites Substrat 23, die vorzugsweise aus Styrol oder einem anderen nichtleitenden Plastematerial bestehen können. Aus dem zweiten Substrat 23 befindet sich die Bezugselektrode 24. Die Bezugselektrode 24 kann vorzugsweise so hergestellt werden, daß die Elektrode zum Beispiel auf ein Substrat, das aus einem Material wie Polyimid-Kapton hergestellt ist, aufgedampft wird. In dem bevorzugten Ausführungebeispiel ist die Bezugselektrode 24 eine Silber-Silberchlorid-Elektrode. Diese Elektrode kann so hergestellt werden, daß zuerst eine Silberschicht von Silberchlorid entweder mit Hilfe chemischer oder elektrochemischer Mittel aufgebracht wird, bevor das Substrat zur Herstellung der Zelle benutzt wird. Die Silberchloridschicht kann auch in situ auf einer Silberelektrode erzeugt werden, wenn die Reaktionsmittelschicht bestimmte Oxydationsmittel wie Ferricyanid und Chlorid enthält, wie in den folgenden Reaktionen gezeigt wird:In Fig. 3, the sample cell 20 is a metallized plastic substrate having a specially sized opening forming a volumetric well 21 after assembly of the cell for receiving the reagent agent layer and the blood to be analyzed. The sample cell 20 includes a first substrate 22 and a second substrate 23, which may preferably be made of styrene or other non-conductive plastic material. From the second substrate 23 is the reference electrode 24. The reference electrode 24 may preferably be made such that the electrode is evaporated, for example, on a substrate made of a material such as polyimide-Kapton. In the preferred embodiment, the reference electrode 24 is a silver-silver chloride electrode. This electrode can be made by first applying a silver layer of silver chloride, either by chemical or electrochemical means, before using the substrate to make the cell. The silver chloride layer may also be formed in situ on a silver electrode if the reactant layer contains certain oxidants such as ferricyanide and chloride, as shown in the following reactions:
Ag + Ox -> Ag+ + Red Ag+-Cl"-* AgCIAg + Ox -> Ag + + Red Ag + -Cl "- * AgCl
Alternativ kann die Silbor-Silberchloridelektrode durch Aufbringen einer Silberoxidschicht (durch reaktives Zerstäuben) auf den Silberfilm hergestellt werden. Diese Silberoxidschicht wird anschließend in situ zum Zeitpunkt des Testes in Silberchloric nach folgender Reaktion umgewandelt:Alternatively, the Silbor silver chloride electrode may be prepared by applying a silver oxide layer (by reactive sputtering) to the silver film. This silver oxide layer is then converted to silver chloride in situ at the time of the test by the following reaction:
wenn der Sensor durch die ProbenPüssigkeit angefeuchtet wird und wieder die das Chlorid enthaltende Reagensschicht herstellt. Die Siiberelektrode besitzt eine Silberchlorid enthaltende Schicht. Die Bezugselektrode kann auch von der Art sein, die allgemein als „Pseudo'-Bezugselektrode bekannt ist, die auf dem großen Überschuß der oxydierenden Mittel beruht, um ein bekanntes Potential an einer Edelmetallelektrode zu schaffen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zwei Elektroden aus dem gleichen Edelmetall verwendet, allerdings hat eine im allgemeinen eine größere wirksame Oberfläche und wird als die Bezugselektrode verwendet. Durch den großen Überschuß der oxydierten Mittel und die größere wirksame Oberfläche der Bezugselektrode wird ein Widerstand gegen eine Verschiebung des Potentials der Bezugselektrode geschaffen. Die Indikator- oder Arbeitselektrode 26 kann entweder als Streifen von Platin, Gold, Palladium oder metallisierter Plaste auf der Bezugselektrode 24 vorhanden sein, oder alternativ können die Arbeitselektrode 26 und die Bezugselektrode als koplanare Einheit hergestellt werden, wobei die Arbeitselektrode 26zwischen das Material der koplanaren Bezugselektrode 24 eingebettet wird. Die Probezelle 20 wird vorzugsweise durch Einbetten oder Laminieren der Elektroden zwischen das Substrat hergestellt, um eine Verbundstoffeinheit zu bilden.when the sensor is wetted by the sample liquid and restores the reagent layer containing the chloride. The silver electrode has a silver chloride-containing layer. The reference electrode may also be of the type commonly known as a "pseudo" reference electrode based on the large excess of oxidizing agent to provide a known potential at a noble metal electrode. In a preferred embodiment, two electrodes of the same noble metal are used, but one generally has a larger effective surface area and is used as the reference electrode. Due to the large excess of the oxidized means and the larger effective surface of the reference electrode, a resistance to a shift of the potential of the reference electrode is created. The indicator or working electrode 26 may be present either as a strip of platinum, gold, palladium or metallized plastic on the reference electrode 24, or alternatively, the working electrode 26 and the reference electrode may be fabricated as a coplanar unit with the working electrode 26 between the material of the co-planar reference electrode 24 is embedded. The sample cell 20 is preferably fabricated by embedding or laminating the electrodes between the substrate to form a composite unit.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, weist das erste Substrat 22 eine etwas geringere Länge auf, so daß der Endabschnitt 27 der Bezugselektrode 24 und Arbeitselektrode 26 freiliegt, damit dar elektrische Kontakt mit der in dem Gerät vorhandenen Prüfschaltung hergestellt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Probezelle 20, nachdem eine Probe in die Vertiefung 21 gegeben wurde, in das Fenster 19 der Frontplatte geschoben, um den Test in Gang zu setzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Reaktionsmittel in die Vertiefung 21 gegeben werden, oder es wird vorzugsweise eine Schicht trockenen Reaktionsmittels darin untergebracht und eine Probe (Tropfen) des Blutes in die das Reaktionsmittel enthaltende Vertiefung 21 gegeben.As can be seen in Fig. 2, the first substrate 22 has a slightly shorter length so that the end portion 27 of the reference electrode 24 and working electrode 26 is exposed to allow electrical contact to be made with the test circuit provided in the device. In this embodiment, after a sample has been placed in the well 21, the sample cell 20 is pushed into the window 19 of the faceplate to initiate the test. In this embodiment, a reactant may be added to the well 21 or, preferably, a layer of dry reagent is placed therein and a sample (drop) of the blood is added to the well 21 containing the reagent.
In Fig.4 bis 6 werden alternative Ausführungsformen der Probezelle 20 gezeigt. In Fig. 4 wird die Probezelle 120 gezeigt, die erstes Substrat 122undzweitesSubstrat 123 aufweist. Die Bezugselektrode 124unddieArbeitselektrode 126 sind zwischen das erste Substrat 122 und zweite Substrat 123 laminiert. Die öffnung 121 ist so bemessen, daßsledie Probe für den Test aufnehmen «kann. Das Ende 130 ist so beschaffen, daß es In das Gerat eingeschoben werden kann, und der elektrische Kontakt mit den betreffenden Elektroden wird durch die Ausschnitte 131 und 132 an der Zelle hergestellt. Die Bezugselektrode 124 weist auch den Ausschnitt 133 für die Herstellung des elektrischen Kontaktes mit der Arbeitselektrode 126 auf. In Fig.6 ist die Arbeitselektrode 226 gefaltet, wodurch eine größere wirksamere Oberfläche um die Öffnung 221 herum geschaffen wird, um eine höhere Sensitivität oder Spezifität zu erzielen. In diesem Fall befindet sich die Bezugselektrode 224 unter der Arbeitselektrode 226. Die Arbeitselektrode weist den Ausschnitt 234 auf, damit der elektrische Kontakt mit der Bezugselektrode 224 durch den Ausschnitt 231 in dem Substrat 222 hergestellt werden kann. Das Ende 230 von Substrat 222 weist auch den Ausschnitt 232 auf, durch den der elektrische Kontakt mit der Arbeitselektrode 226 geschaffen werden kann. Die erfindungsgemMße Probezelle wird durch Fenster 19 geschoben, um das Testverfahren In Gang zu setzen. Sobald sie eingesetzt ist, wird über die Bezugselektrode 24 und Arbeitselektrode 26 an den Endabschnitt 27 der Probezelle ein Potential angelegt, um das Vorhandensein der Probe nachzuweisen. Sobald das Vorhandensein der Probe ermittelt Ist, wird das Potential entfernt und die Inkubationsperiode eingeleitet. Wahlweise kann während dieser Periode eine Vibratorvorrichtung für die Bewegung der Reaktionsmittel in Gang gesetzt worden, um ihre Auflösung zu unterstützen (eine Inkubationsperiode von 20 bis 45 Sekunden wird normalerweise für die Bestimmung von Glucose vorgesehen, und im allgemeinen ist keine Vibration erforderlich). Als nächstes wird ein elektrisches Potential an Endabschnitt 27 der Probezelle zu der Bezugselektrode 24 und Arbeitselektrode 26 gelegt, und der durch die Probe fließende Strom wird gemessen und auf der Tafel 16 angezeigt. Um das erfindungsgemäße Gerät mit vollem Vorteil einsetzen zu können, sind die erforderlichen chemischen Mittel für die Selbst-Test-Systeme in einer trockenen Reagensschicht enthalten, die sich auf der Einwegzelle befindet und einen vollständigen Sensor für den betreffenden Analyten bildet. Die elektrochemische Einwegzelle wird zusammengesetzt, indem metallisierte Plaste- und nichtleitende Werkstoffe in einer solchen Weise laminiert werden, daß eine genau definierte Arbeitselektrodenfläche entsteht. Die Reaktionsmittelschicht wird entweder direkt auf die Zelle aufgetragen oder vorzugsweise in eine Trägermatrix eingearbeitet (oder dsrauf aufgetragen) wie Filterpapier, Membranfilter, Gewebe, Faservliesstoff, die dann in der Zelle untergebracht wird. Wenn eine Trägermatrix verwendet wird, können ihre Porengröße und ihr Zwischenporenvolumen so gewählt werden, daß die erforderliche Genauigkeit und eine mechanische Unterlage geschaffen werden. Im allgemeinen stellen Membranfilter und Faservliesstoff die besten Werkstoffe für die Unterlage der Reaktionsmittelschicht dar. Porengrößen von 0,45 bis 50μπι und Zwischenporenvolumen von 50 bis 90% sind angemessen. Die Beschichtungsformulierung enthält im allgemeinen ein Bindemittel wie Gelatine, Carrageen, Methylcellulose, Polyvinylalkohol, PolyvinyHpyrroplidon usw., das zur Verzögerung der Auflösung der Reaktionsmittel dient, bis die Reaktionsmittelschicht den größten Teil der Flüssigkeit aus der Probe absorbiert hat. Die Konzentration des Bindemittels liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 0,1 bis 10%, wobei 1 bis 4% bevorzugt werden.FIGS. 4 to 6 show alternative embodiments of the sample cell 20. In Fig. 4, the sample cell 120 is shown having first substrate 122 and second substrate 123. The reference electrode 124 and the working electrode 126 are laminated between the first substrate 122 and second substrate 123. The opening 121 is sized to receive the sample for testing. The end 130 is adapted to be inserted into the device and the electrical contact with the respective electrodes is made through the cutouts 131 and 132 on the cell. The reference electrode 124 also has the cutout 133 for making electrical contact with the working electrode 126. In Fig. 6, the working electrode 226 is folded, thereby providing a larger, more effective surface around the opening 221 to achieve higher sensitivity or specificity. In this case, the reference electrode 224 is below the working electrode 226. The working electrode has the cutout 234 for making electrical contact with the reference electrode 224 through the cutout 231 in the substrate 222. The end 230 of substrate 222 also has the cutout 232, through which electrical contact with the working electrode 226 can be created. The sample cell according to the invention is pushed through window 19 to initiate the test procedure. Once inserted, a potential is applied across the reference electrode 24 and working electrode 26 to the end portion 27 of the sample cell to detect the presence of the sample. Once the presence of the sample is determined, the potential is removed and the incubation period initiated. Optionally, during this period, a vibrator device for the movement of the reactants has been initiated to aid in its dissolution (a 20-45 second incubation period is normally provided for the determination of glucose, and generally no vibration is required). Next, an electric potential is applied to the end portion 27 of the sample cell to the reference electrode 24 and the working electrode 26, and the current flowing through the sample is measured and displayed on the panel 16. In order to be able to use the device according to the invention with full advantage, the necessary chemical means for the self-test systems are contained in a dry reagent layer which is located on the disposable cell and forms a complete sensor for the relevant analyte. The disposable electrochemical cell is assembled by laminating metallized plastic and non-conductive materials in such a manner as to provide a well-defined working electrode area. The reactant layer is either applied directly to the cell or preferably incorporated (or coated) into a support matrix such as filter paper, membrane filter, fabric, nonwoven fabric, which is then placed in the cell. When a carrier matrix is used, its pore size and pore volume can be selected to provide the required accuracy and mechanical support. In general, membrane filter and nonwoven fabric represent the best materials for the underlayer of the reactant layer. Pore sizes of 0.45 to 50μπι and intermediate pore volume of 50 to 90% are appropriate. The coating formulation generally contains a binder such as gelatin, carrageenan, methyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, etc., which serves to retard the dissolution of the reactants until the reactant layer has absorbed most of the liquid from the sample. The concentration of the binder is generally on the order of 0.1 to 10%, with 1 to 4% being preferred.
Die Reaktionsmittelschicht absorbiert eine bestimmte Menge der Probenflüssigkeit, wenn diese auf die Oberfläche der Schicht aufgebrachtwird, wodurch jegliche Notwendigkeit einer vorausgehenden Messung des Probenvolumens entfällt. Außerdem ist · es aufgrund der Messung des Stromflussos anstelle des reflektierten Lichtes nicht erforderlich, das Blut vor der Messung von der Oberfläche der Reaktionsmittelschicht zu entfernen, wie es bei Reftaxions-Spektroskopie-Systemen der Fall sein muß. Obwohl die Flüssigkeitsprobe direkt auf die Obei fläche der Reaktionsmittelschicht aufgetragen werden könnte, enthält der Sensor zur besseren Ausbreitung des Blutes auf der gesamten Oberfläche vorzugsweise eine Dispergler-Ausbreitungs- oder Saugschicht. Diese Schicht, im allgemeinen ein Faservliesstoff oder ein Saugpapier, befindet sich über der Reaktionsmittelschicht und dient zur raschen Verteilung des Blutes auf der Reaktionsmittelschicht. In einigen Anwendungsfällen könnte die Dispergierer.hicht zusätzliche Reaktionsmittel enthalten.The reactant layer absorbs a certain amount of the sample liquid as it is applied to the surface of the layer, eliminating any need for prior measurement of the sample volume. In addition, due to the measurement of current flow, instead of the reflected light, it is not necessary to remove the blood from the surface of the reactant layer prior to measurement, as is the case with relfaxon spectroscopy systems. Although the liquid sample could be applied directly to the surface of the reactant layer, the sensor preferably includes a disperser spreading or wicking layer for better spreading of the blood over the entire surface. This layer, generally a nonwoven fabric or a suction paper, is located above the reactant layer and serves to rapidly distribute the blood on the reactant layer. In some applications, the disperser may not contain additional reactants.
Zur Bestimmung von Glucose wurden Zellen in koplanarer Ausführung hergestellt, deren Reaktionsmittelschicht die folgenden Formulierungen enthält:For the determination of glucose, cells were prepared in a coplanar design whose reaction medium layer contains the following formulations:
Diese wurde durch Beschichten eines Membranfilters mit einer Lösung der obigen Zusammensetzung und Lufttrocknung hergestellt. Die Reaktionsmittelschicht wurde anschließend in Streifen geschnitte 1, die gerade in die Fensteröffnung der Zellen paßten, und diese Streifen wurden auf die in den Fenstern freiliegenden Elektroden gelegt. Eine Saugschicht aus Kunstseide-Faservliesstoff wurde dann über dieser Reaktionsmittelschicht angebracht und mit Hilfe eines darüberliegenden Streitens festgehalten. Um die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Technologie zu beweisen, wurde eine große Anzahl von Beispielen in einer wäßrigen Lösung bei 250C durchgeführt. Der Elekti olyt bestand aus oinem Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 6,8 und wies annähernd 0,1 Mol Gesamtphosphat und 0,5 M Kaliumchloridreagenz auf. Die Potentiale wurden mit einer normalen Wasserstoff-Elektrode (NHE) verglichen. Bei diesen Tests ergab es sich, daß jedes Potential zwischen annähernd +0,8 und 1,2 Volt (gegen NHE) für die Quantifizierung von Hydrochinon geeignet ist, wenn Benzochinon als Oxydationsmittel verwendet wird. Die Grenzströme sind den Hydrochinonkonzentrationen im Bereich von 0,0001 M und 0,050 M proportional. Die Bestimmung von Glucose durch Cottrell-Strom (i,)-Mikrochronoamperometrie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus der Reaktion von Hydrochinon zu Benzochinon. Die Abnahme der Cottrell-Ströme im Laufe der Zeit erfolgt nach Gleichung:This was prepared by coating a membrane filter with a solution of the above composition and air-drying. The reactant layer was then cut into strips 1 which just fitted into the window opening of the cells, and these strips were placed on the electrodes exposed in the windows. A wicking layer of rayon fiber nonwoven fabric was then placed over this layer of reactant and held in place with the help of an overlying baffle. In order to prove the applications of the technology according to the invention, a large number of examples in an aqueous solution at 25 0 C was performed. The electrolyte consisted of a phosphate buffer with a pH of 6.8 and had approximately 0.1 moles of total phosphate and 0.5 M potassium chloride reagent. The potentials were compared with a normal hydrogen electrode (NHE). In these tests, it was found that any potential between approximately +0.8 and 1.2 volts (vs. NHE) is suitable for the quantification of hydroquinone when benzoquinone is used as the oxidant. The limiting currents are proportional to the hydroquinone concentrations in the range of 0.0001 M and 0.050 M. The determination of glucose by Cottrell-Strom (i,) - Mikrochronoamperometrie using the method according to the invention results from the reaction of hydroquinone to benzoquinone. The decrease of the Cottrell currents over time follows the equation:
i,.,V2 = konst.i,., V2 = const.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Techniken liegt in der Anlegung des entsprechenden kontrollierten Potentials nach Beendigung der Glucose-Benzochinon-Reaktinn und der Korrelation der Glucoeekonzentrationen mit den zu einem bestimmten späteren Zeitpunkt gemessenen Ccttrell-Strömen. Die Strom-Zeit-Darstellung wird In Fig.8 gezeigt. Die ' Proportionalität zwischen den Glucosekonzentratlonen und den Cottrell-Strömen (aufgezeichnet bei t = 30 Sekunden nach der Anlegung des Potentials) ist in Fig.7 wiedergegeben.The main difference between these two techniques is the application of the corresponding controlled potential after the glucose-benzoquinone reactivity has ended and the correlation of the glucose concentrations with the Ccttrell currents measured at a certain later time. The current-time representation is shown in FIG. The proportionality between the glucose concentrates and the Cottrell currents (recorded at t = 30 seconds after application of the potential) is shown in FIG.
Es ist zu beachten, daß die Cottrell-Chronoamperometrie von Metaboliten doppelte Sicherheiten der enzymatischen Katalyse und der Elektrolyse mit gesteuertem Potential erfordert. Gluconeäureauebeu'.en von 99,9 + % wurden in Gegenwart von Glucoseoxidase erzielt. Gleichzeitig wurden äquivalente Mengen von Benzochinon zu Hydrochinon reduziert, das an stationären Palladium-Dünnfümanoden oder Probezellen in ruhigen Lösungen einfach quantifiziert wurde.Die Ergebnisse dieser vielen Tests demonstrieren die mikrochronoamperometrische Methodologie der Erfindung und ihre praktische Anwendung für die Selbstüberwachung der Glucose durch Diabetiker. Bei einem gegenwärtig bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung wurden unter Einsatz von Ferrocyanid eine Reihe von Tests ausgeführt, die einige verbesserte Arbeitsmöglichkeiten zeigten.It should be noted that Cottrell chronoamperometry of metabolites requires dual assays of enzymatic catalysis and controlled potential electrolysis. Gluconic acid anions of 99.9 +% were obtained in the presence of glucose oxidase. At the same time, equivalent amounts of benzoquinone were reduced to hydroquinone, which was easily quantitated on stationary palladium thin wells or sample cells in quiescent solutions. The results of these many tests demonstrate the microchronoamperometric methodology of the invention and its practical application to self-monitoring of glucose by diabetics. In a presently preferred application example of the invention, a series of tests were carried out using ferrocyanide, which showed some improved working possibilities.
In Fig.9 wird ein schematisches Diagramm einer für die Anwendung in Gerät 10 bevorzugten Schaltungsanordnung 15 gezeigt. Die Schaltungstafel 15 umfaßt einen Mikroprozessor und die LCD-Ta(el 16. Die Arbeit?· und Bezugselektrode auf der Probezelle 20stellen an den Kontakten W (Arbeitselektrode) bzw. R (Bezugselektr tde) den Kontakt her. Die Spannungsquelle 41 ist durch den Analogleistungsschalter 43 mit der Batterie 42 verbunden. Der von den Elektroden W und R kommende Strom wird durch den einstellbaren Widerstand 44 umgewandelt, und die Spannung des Frequenzwandlers 46 ist elektrisch mit dem Mikroprozessor verbunden. Andere, dem erfahrenen Techniker bekannte Schaltungen können selbstverständlich zur Erzielung der Vorteile der Erfindung angewandt werden.FIG. 9 shows a schematic diagram of a preferred circuit 15 for use in device 10. The circuit board 15 comprises a microprocessor and the LCD Ta (el 16. The work and reference electrode on the sample cell 20 make contact at the contacts W (working electrode) and R (reference electrode), respectively The voltage source 41 is through the analog power switch 43 is connected to the battery 42. The current from the electrodes W and R is converted by the adjustable resistor 44, and the voltage of the frequency converter 46 is electrically connected to the microprocessor Other circuits known to the skilled technician may of course be used to obtain the advantages to be applied to the invention.
In Fig. 10 besteht die Zelle 400 aus der koplanaren Arbeitselektrode und der Bezugselektrode 424, die zwischen ein oberes 422 und unteres 426 nichtleitendes Material laminiert sind. Das Laminat befindet sich auf einer Klebeschicht 425. Das obere Material 422 enthält eine ausgestanzte Öffnung 428, die zusammen mit der Breite des Materials der Arbeitselektrode die Arbeitselektrodenfläche darstellt und (mit einer überlappenden, nicht gezeigten Reaktionsmittelschicht) die i'.-obenahmevertiefung der Zelle bildet. An einem Ende der Zelle 400 befindet sich ein dem Endabschnitt 27 ähnlicher offener Bereich 427.In Fig. 10, the cell 400 consists of the coplanar working electrode and the reference electrode 424 laminated between upper 422 and lower 426 nonconductive material. The laminate is on an adhesive layer 425. The upper material 422 includes a punched-out opening 428 which, along with the width of the working electrode material, is the working electrode surface and forms (with an overlapping reaction layer, not shown) the cell's top recess , At one end of the cell 400 is an open area 427 similar to the end portion 27.
Der Wirkungsgrad, der sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Gerätes als Vorrichtung für das Selbst-Testen durch Patienten wie Diabetiker in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu Hause ergibt, kann aus der folgenden Tabelle entnommen werden, in der die erfindungsgemäße Technologie mit vier zur Verfügung stehenden Geräten verglichen wird. Wie man feststellen kann, ist die Erfindung einfacher, und in diesem Falle bedeutet Einfachheit Konsistenz bei den Ergebnissen.The efficiency that results from using the device of the invention as a self-testing device for patients such as diabetics in the preferred embodiment at home can be seen from the following table, which compares the technology of the invention with four available devices becomes. As can be seen, the invention is simpler, and in this case simplicity means consistency in the results.
* RS = Reflexions-Spektroskopie " Variatonskoeffizient* RS = reflection spectroscopy "coefficient of variation
Wird speziell die Bestimmung von Cholesterin unter Anwendung der Erfindung in Betracht gezogen, kann der verallgemeinerte chemische Ablauf folgendermaßen dargestellt werden:In particular, when the determination of cholesterol is considered using the invention, the generalized chemical process can be represented as follows:
Red -> Ox + e" (3)Red -> Ox + e "(3)
worin die Enzyme Cholesterinesterase (CE) und Cholesterinoxidase (CO) die Reaktion 1 bzw. 2 katalysieren und CO die Elektronenübertragung mit einer Vielzahl elektroaktiver Paare (Ox und Red) ermöglicht. Die Reaktion 2 ist insofern neuartig, als andere Elektronenakzeptoren anstelle von Disauerstoff zu Oxydieren von Cholesterin in Gegenwart des Enzyms Cholesterinoxidase verwendet werden können. Die Reaktion 1 ist Fachleuten aligemein bekannt, und sie ist für die Bestimmungwherein the enzymes cholesterol esterase (CE) and cholesterol oxidase (CO) catalyze reactions 1 and 2, respectively, and CO facilitates electron transfer with a variety of electroactive pairs (Ox and Red). Reaction 2 is novel in that other electron acceptors can be used instead of dioxygen to oxidize cholesterol in the presence of the enzyme cholesterol oxidase. Reaction 1 is known to those skilled in the art, and it is for the purpose of determination
-8- 283 633-8- 283 633
von Gesamtcholesterin (freiem Cholesterin und Cholesterinestern) erforderlich. Die Reaktion 3 ist oln Elektrooxydationsprozeßfür die Untersuchung und Quantifizierung von Cholesterin.of total cholesterol (free cholesterol and cholesterol esters) required. Reaction 3 is the electrooxidation process for the study and quantification of cholesterol.
Ferrocyanid-* Ferrlcyanid +1 e" B: Reaktion 1 obenFerrocyanide * ferricyanide +1 e "B: Reaction 1 above
Cholesterinoxidese (CO) aus den verschiedensten Quellen wird die Elektronenübertragung von Cholesterin zu einer Vielzahl von Oxydationsmitteln katalysieren, zu denen Benzochinon, Benzochinonderivate wie Methylbenzochinon, Ethylbenzochinon, Chlorbenzochinon, Orthobenzochinon (oxydierte Form von Catechol), Benzochinonsulfonat und Kaliumferricyanid zu zählen sind. Es ist auch vorgesehen, daß das Enzym die Elektronenübertragung mit anderen alternativen Oxydationsmitteln ermöglichen wird. Wie aus Reaktion 3 hervorgeht, kann das reduzierte Produkt dann amperometrlsch für die quantitative Bestimmung von Cholesterin verfolgt werden.Cholesterol oxidase (CO) from a variety of sources will catalyze the electron transfer of cholesterol to a variety of oxidants, including benzoquinone, benzoquinone derivatives such as methylbenzoquinone, ethylbenzoquinone, chlorobenzoquinone, orthobenzoquinone (oxidized form of catechol), benzoquinone sulfonate and potassium ferricyanide. It is also envisaged that the enzyme will facilitate electron transfer with other alternative oxidants. As can be seen from reaction 3, the reduced product can then be followed by amperometry for the quantitative determination of cholesterol.
Quellen für das die Oxydation von Cholesterin mit alternativen Oxydationsmitteln katalysierende Enzym umfassen CO von Nocardia, Streptomyces, Schizophyllum, Peeudomanas und Brevibacterium; die experimentellen Bedingungen, unter denen es fähig ist, die Oxydation von Cholesterin durch Benzochinon oder eines der anderen Oxydationsmittel rasch zu katalysieren, hängen etwas von der Herkunft des Enzyms ab. Zum Beispiel katalysiert CO von Streptomyces die Substratoxydation mit Benzochinon in Phosphatpuffer in Gegenwart eines der zahlreichen oberflächenaktiven Mittel wie Octylgluconopyranosid und CHAPSO schnell; die gleiche Reaktion verläuft unter identischen Bedingungen mit CO von Brevibacterium oder Nocardia langsamer. Allerdings sind Nocardia und Brevibacterium-Quellen aktive Katalysatoren für die Cholesterinoxydation durch alternative Oxydationsmittel unter anderen Bedingungen.Sources of the enzyme that catalyzes the oxidation of cholesterol with alternative oxidants include CO of Nocardia, Streptomyces, Schizophyllum, Peeudomanas and Brevibacterium; the experimental conditions under which it is capable of rapidly catalyzing the oxidation of cholesterol by benzoquinone or any of the other oxidants depend somewhat on the source of the enzyme. For example, CO of Streptomyces rapidly catalyzes substrate oxidation with benzoquinone in phosphate buffer in the presence of one of numerous surfactants, such as octylgluconopyranoside and CHAPSO; the same reaction proceeds more slowly under identical conditions with CO of Brevibacterium or Nocardia. However, Nocardia and Brevibacterium sources are active catalysts for cholesterol oxidation by alternative oxidants under other conditions.
Es spielt auch das Oxydationsmittel, in dem das Enzym am aktivsten ist, eine Rolle. Zum Beispiel katalysiert Cholesterinoyidase von Nocardia die Substratoxydation mit Benzochinon in 0.? Mol TRIS-Puffer und 3g/dl CHAPSO schnell, sie ist aber langsamer mit Ferricyanid unter identischen Bedingungen; das aus der Brevibacterium-Quelle stammende Enzym ist mit Ferricyanid in TRIS-Puffer mit den verschiedensten oberflächenaktiven Mitteln verhältnismäßig inaktiv, wenn aber Benzochinon als Oxydationsmittel verwendet wird, erfolgt die Reaktion sehr schnell. Alternativ wird die Oxydation'von Cholesterin in Phosphatpuffer mit entweder Ferricyanid oder Benzochinon und mit einer Vielzahl von oberflächenaktiven Mitteln als Aktivatoren durch Enzym CO aus der Schizophyllumquelle sehr schnell katalysiert.It also plays the role of the oxidizing agent in which the enzyme is most active. For example, does Nocardia cholesteroloyidase catalyze substrate oxidation with benzoquinone in 0.? Moles of TRIS buffer and 3g / dl CHAPSO fast, but slower with ferricyanide under identical conditions; the enzyme derived from the Brevibacterium source is relatively inactive with ferricyanide in TRIS buffer with a variety of surfactants, but when benzoquinone is used as the oxidizing agent, the reaction is very fast. Alternatively, the oxidation of cholesterol in phosphate buffer with either ferricyanide or benzoquinone and with a variety of surfactants as activators is very rapidly catalyzed by enzyme CO from the schizophyllum source.
Wie dargestellt wurde, wird Cholesterinoxidase die Oxydation von Cholesterin durch Ferricyanid katalysieren. Weitere Beispiele, bei denen CO die Cholesterinoxydation durch Ferricyenid katalysiert, umfassen eine Nocardia-Quelle in TRIS-Puffer mit einer Vielzahl von oberflächenaktiven Mitteln wie Natriumdesoxycholat, Natriumtaurodesoxycholat, CHAPS, Thesit und CHAPSO. ' Außerdem wird CO von Nocardia auch die Substratoxydation mit Ferricyanid in Phosphatpuffer mit Natriumdioctylsulfosuccirtat, Natriumdesoxycholat, Natriumtaurodesoxycholat und Triton X-100 katalysieren. Die Pufferkonzentration beträgt von 0,1 bis 0,4 Mol. Die Konzentration des oberflächenaktiven Mittels für eine maximale Aktivität des Oxidaseenzyms variiert mit jedem Detergens. Zum Beispiel ist das Enzym mit Desoxycholat oder Taurodesoxycholat in 0,2 M TRIS mit im Bereich von 20 bis 90 Millimol liegendem Detergens am aktivsten. Die katalytische Enzymaktivität ist jedoch bis zu einer und durch eine Konzentration von 10% zu beobachten. Mit Octylgluconopyranosid tritt die maximale Aktivität des Enzyms mit dem Oxydationsmittel Ferricyanid bei einer Detergenskonzentration von annähernd 1,2% auf; das Enzym behält aber auch die Aktivität bei höheren und niedrigeren Konzentrationen des oberflächenaktiven Mittels.As has been shown, cholesterol oxidase will catalyze the oxidation of cholesterol by ferricyanide. Other examples in which CO catalyzes cholesterol oxidation by ferricyanide include a Nocardia source in TRIS buffer with a variety of surfactants such as sodium deoxycholate, sodium taurodeoxycholate, CHAPS, thesit and CHAPSO. In addition, Nocardia's CO will also catalyze substrate oxidation with ferricyanide in phosphate buffer with sodium dioctyl sulfosuccirtate, sodium deoxycholate, sodium taurodeoxycholate, and Triton X-100. The buffer concentration is from 0.1 to 0.4 moles. The concentration of the surfactant for maximum activity of the oxidase enzyme varies with each detergent. For example, the enzyme with deoxycholate or taurodeoxycholate is most active in 0.2 M TRIS with detergent ranging from 20 to 90 millimoles. However, the catalytic enzyme activity can be observed up to and through a concentration of 10%. With octylgluconopyranoside, the maximum activity of the enzyme with the oxidant ferricyanide occurs at a detergent concentration of approximately 1.2%; however, the enzyme also retains activity at higher and lower concentrations of the surfactant.
Sowohl Esterase als auch CO verlangen ein oberflächenaktives Mittel für eine hohe Aktivität. Spezifische oberflächenaktive Mittel umfassen Natriumdesoxycholat, Natriumtaurodesoxycholat, Natriumglycödesoxycholat, CHAPS Of-ChlolamidopropyDdimethylammonio-i-propansulfonat), CHAPSO (3(-Chlolamidopropyl)dimethylammonio-2-hydroxy-1-propansulfonat, Octylgluconopyranosid, Octylthiogluconopyranosid, Nonylglyconopyranosid, Dodecylgluconopyranosid, Triton X-100, Dioctylsulfosuccinat, Thesit (Hydroxypolythoxydodecan) und Lecithin (Phosphatidylchinon). Puffer, die für den Ablauf der Reaktion mit dem Enzym annehmbar sind, umfassen Phosphat, TRlS, MOPS, MES, HEPES, Tricine, Bicine, ACES, CAPS und TAPS. Ein alternatives verallgemeinertes Reaktionsschema für die Messung von Cholesterin in Serum und anderen biologischen Flüssigkeiten wird wie folgt gegeben:Both esterase and CO require a surfactant for high activity. Specific surfactants include sodium deoxycholate, sodium taurodeoxycholate, sodium glycadeoxycholate, CHAPS of -chloramidopropyldimethylammonio-i-propanesulfonate), CHAPSO (3 (-chloramidopropyl) dimethylammonio-2-hydroxy-1-propanesulfonate, octylgluconopyranoside, octylthiogluconopyranoside, nonylglyconopyranoside, dodecylgluconopyranoside, Triton X-100, Dioctylsulfosuccinate, thesit (hydroxypolythoxydodecane), and lecithin (phosphatidylquinone) Buffers acceptable for the course of reaction with the enzyme include phosphate, TRIS, MOPS, MES, HEPES, tricine, bicine, ACES, CAPS, and TAPS An alternative generalized Reaction scheme for the measurement of cholesterol in serum and other biological fluids is given as follows:
Schema IlScheme II
Red2-»Ox} + e~ (6)Red 2 - »Ox } + e ~ (6)
worin Ox und Red2 als Elektronenbeschleunigerpaar zwischen Cholesterin und dem elektroaktiven Paar Ox2/Red2 fungieren. In diesem Fall müssen Ox1 und Redt nicht elektroaktiv sein, weil sie nicht an dem Elektrooxydationsprozeß beteiligt sein müssen (Reaktion 6). Unter einem thermodynamischen und kinetischen Gesichtspunkt muß dieses Paar mit Unterstützung des Enzyms Cholesterinoxidase jedoch in der Lage sein, Elektronen von Cholesterin aufzunehmen und sie zu dem elektroaktiven Paar (Ox2/Red2) weiterzugeben. Spezifische Beispiele für diese chemischen Vorgänge sind:where Ox and Red 2 act as an electron accelerator pair between cholesterol and the electroactive pair Ox 2 / Red 2 . In this case, Ox 1 and Redt need not be electroactive because they do not have to be involved in the Elektrooxydationsprozeß (reaction 6). However, from a thermodynamic and kinetic point of view, this pair, with the aid of the enzyme cholesterol oxidase, must be able to pick up electrons from cholesterol and pass them on to the electroactive couple (Ox 2 / Red 2 ). Specific examples of these chemical processes are:
Reaktion 1 obenReaction 1 above
, Cholesterin + Benzochlnon -CO-* Cholestenon + Hydrochinon, Cholesterol + benzochlone -CO- * cholestenone + hydroquinone
Hydrochinon + 2 Ferricyanid-» Benzochlnon + 2FerrocyanldHydroquinone + 2 ferricyanide »benzochlone + 2-ferrocyanide
Ferrocyanid -» Ferricyanld + 1 e~Ferrocyanide - »Ferricyanld + 1 e ~
Schema Il Ist günstig, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit von Cholesterin mit dem elektroaktiven Oxydationsmittel nach Schema I so gering Ist, daß sie seine Verwendung in einem praktischen Sensor ausschließt. Wie oben gesagt wurde, !st Schema Il auch günstig, wenn der Elektronenbeschleuniger selbst (Οχι/Red,) entweder nicht elektroaktiv Ist oder unter den Bedingungen der Enzymchemie eine schlechte Elektrochemie aufweist. Unter diesen Bedingungen ist Schema Il ganz besonders anwendbar. Andere Elektronenbeschleuniger (Ox,/Red() zwischen Cholesterin und Ferrlcyanid könnon für Schema Il eingesetzt werden, wie Phenazinethosulfat, Phenazinmethosulfat,Tetramethylbenzidin, Derivate von Benzochinon, Naphthochinon und Naphthochinonderivate, Anthrachinon und Anthrachinonderivate, Catechol, Phenylendiamin, Tetramethylphenendiamin und andere Derivate von Phenylendiamin.Scheme II is favorable when the reaction rate of cholesterol with the electroactive oxidizer of Scheme I is so low that it precludes its use in a practical sensor. As stated above, Scheme II is also favorable if the electron accelerator itself (Οχι / Red,) is either not electroactive or has poor electrochemistry under the conditions of enzyme chemistry. Under these conditions, Scheme II is particularly applicable. Other electron accelerators (Ox, / Red ( ) between cholesterol and ferricyanide can be used for Scheme II, such as phenazineethosulfate, phenazine methosulfate, tetramethylbenzidine, derivatives of benzoquinone, naphthoquinone and naphthoquinone derivatives, anthraquinone and anthraquinone derivatives, catechol, phenylenediamine, tetramethylphenendiamine and other derivatives of phenylenediamine.
Außerdem kann, wenn auch beabsichtigt ist, daß die oxydierte Form des Elektronenzwischengliedes Elektronen von Cholesterin erhält, in den Sensor entweder die oxydierte oder die reduzierte Form des Beschleunigers eingefügt werden, vorausgesetzt, daß eine schnelle Reaktion mit Cholesterin und Ferricyanid zustandekommt. Wenn die reduzierte Form ausreichend beständig ist und die oxydierte Form es nicht ist, dann kann ein Reduktionsmittel in den Sensor In einer verhältnismäßig geringen Menge (im Vergleich zu dem zu bestimmenden Analyten) eingefügt werden und noch das Elektronenzwischenglied bilden. Dadurch entsteht jedoch ein entsprechendes Hintergrundsignal, das berücksichtigt werden muß. Das Reduktionsmittel muß auch von Ferricyanid in dem Sensor isoliert werden, indem es in eine getrennte Reaktionsmittelschicht eingefügt wird. Verschiedene Formulierungen der obigen chemischen Mittel, die in Schema I und Il eine Rolle spielen, sind als trockene Filme auf Membranen hergestellt worden. Diese Membranen sind in dem Sensor untergebracht, der dann für die Bestimmung von Cholesterin verwendet werden kann. Eine bevorzugte Formulierung der für Schema Il verwendeten Reaktionsmittel besteht aus folgendem:In addition, while it is intended that the oxidized form of the electron linker will receive electrons from cholesterol, either the oxidized or the reduced form of the accelerator may be incorporated into the sensor, provided that a rapid reaction with cholesterol and ferricyanide occurs. If the reduced form is sufficiently stable and the oxidized form is not, then a reducing agent can be incorporated into the sensor in a relatively small amount (as compared to the analyte to be determined) and still form the electron linker. However, this creates a corresponding background signal that must be taken into account. The reducing agent must also be isolated from ferricyanide in the sensor by incorporating it into a separate reactant layer. Various formulations of the above chemical agents, which play a role in Schemes I and II, have been prepared as dry films on membranes. These membranes are housed in the sensor, which can then be used for the determination of cholesterol. A preferred formulation of the reagents used for Scheme II consists of the following:
Cholesterinesterase etwa 400 Einheiten/mlCholesterol esterase about 400 units / ml
Cholesterinoxidase von Streptomyces etwa 200 Einheiten/mlCholesterol oxidase from Streptomyces about 200 units / ml
0,05 Mol Kaliumferricyanid0.05 mole of potassium ferricyanide
0,5 Mol Kaliumchlorid0.5 mole of potassium chloride
0,2 Mol Phosphat, pH 6,90.2 mole of phosphate, pH 6.9
3g/dl CHAPSQ3g / dl CHAPSQ
2g/dl Gelatine und2g / dl gelatin and
0,0001 Mol Hydrochinon (in der Verteilungs- oder Saugschicht).0.0001 moles of hydroquinone (in the distribution or absorbent layer).
Die vorgesehenen Konzentrationen sind die der Lösungen, die auf die porösen Unterlagen, Filterpapier der Membranen aufgetragen wurden; diese Konzentrationen werden wiederhergestellt, wenn die Membran das Serum oder die Gesamtblutprobe aufsaugt. Für die Bestimmungen von Cholesterin sind in der Filterunterlage größere Porengrößen erforderlich als für Glucose angewandt werden. Die Ursache dafür ist, daß das Cholesterin in dem Serum in großen Lipoprotelnen vorliegt (Chylomicron, LDL, VLDL und HDL), die die verschiedenen Schichten des Sensors durchdringen müssen, bevor sie zu den Reaktionsmitteln gelangen. Die oberflächenaktiven Mittel brechen diese natürlichen Micelle zu einem großen Teil in kleinere Micelle auf, so daß eine größere wirksame Gesamtfläche geschaffen wird, auf der die Enzyme die Reaktion katalysieren. Infolge der Instabilität von Benzochinon wird eine geringe Menge Hydrochinon, das aufgrund seines niedrigeren Dampfdruckes beständiger ist, i.~. don Sensor zur Unterstützung der Elektronenbeschleunigung zwischen Cholesterin und Ferricyanid eingefügt. Nach dem Einsetzen der Serumprobe in den Sensor wird das Hydrochinon zu Benzochinon oxydiert; das Benzochinon ist dann frei, um Elektronen aus dem Substrat aufzunehmen und sie zu Ferricyanid weiterzuleiten. Unter diesen Bedingungen ist die Reaktionsgeschwindigkeit von Cholesterin mit einer geringen Menge Benzochinon höher als bei einem großen Überschuß von Ferricyanid.The intended concentrations are those of the solutions applied to the porous pads, filter paper of the membranes; these concentrations are restored when the membrane absorbs the serum or the whole blood sample. For the determination of cholesterol, larger pore sizes are required in the filter pad than are used for glucose. The reason for this is that the cholesterol in the serum is present in large lipoproteins (chylomicron, LDL, VLDL and HDL) which must penetrate the various layers of the sensor before they reach the reactants. The surfactants largely break this natural micelle into smaller micelles, providing a larger effective total area on which the enzymes catalyze the reaction. Due to the instability of benzoquinone, a small amount of hydroquinone, which is more stable due to its lower vapor pressure, is i. don sensor inserted to support electron acceleration between cholesterol and ferricyanide. After inserting the serum sample into the sensor, the hydroquinone is oxidized to benzoquinone; the benzoquinone is then free to pick up electrons from the substrate and transfer them to ferricyanide. Under these conditions, the reaction rate of cholesterol with a small amount of benzoquinone is higher than that of a large excess of ferricyanide.
Eine alternative und bevorzugte Formulierung von Reaktionsmitteln für das Schema II, die in die Reaktionsmittelschicht des Sensors eingebracht werden können, ist folgendermaßen:An alternative and preferred formulation of Scheme II reactants that can be incorporated into the reactant layer of the sensor is as follows:
Cholesterinoxidase von Streptomyces etwa 200 Einheiten/mlCholesterol oxidase from Streptomyces about 200 units / ml
Lipase von Candida etwa 500 Einheiten/mlCandida lipase about 500 units / ml
3g/dl CHAPSO3g / dl CHAPSO
0,2 Mol TRIS, pH 7,50.2 mol of TRIS, pH 7.5
0,05 Mol Kaliumferricyanid0.05 mole of potassium ferricyanide
0,5 Mol Kaliumchlorid0.5 mole of potassium chloride
0,05 Mol MgCI2 0.05 mol of MgCl 2
2g/dl Gelatine und2g / dl gelatin and
0,001 Mol Hydrochinon (in der Verteilungsschicht).0.001 mol of hydroquinone (in the distribution layer).
Durch das Magnesiumsalz in dieser Formulierung wird die Beständigkeit des Esteraseenzyms in der phosphatfreien Reaktionsmittelschicht erhöht; Lipase unterstützt das Aufbrechen der Lipoproteine. Mit diesen in den Sensor eingefügten trockenen Reaktionsmittelschichten und unter Anwendung der beschriebenen Auswertungsmethodologie wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:The magnesium salt in this formulation increases the resistance of the esterase enzyme in the phosphate-free reactant layer; Lipase supports the breaking up of lipoproteins. With these dry reagent layers sandwiched into the sensor and using the described evaluation methodology, the following results were obtained:
-10- 283 683 Serumcholesterin, mg% Durchschnittlicher Strom, μΑ-10- 283 683 Serum Cholesterol, mg% Average Current, μΑ
91 19,391 19.3
182 27,2182 27.2
309 38,6309 38.6
Diese Ergebnisse zeigen das quantitative Ansprechen des Sensors auf die Cholesterlnspiegel im Serum. Eine alternative und bevorzugte Ausführungsform des Sensors bei Schema I wird durch die folgenden Roaktionsmittelzusammensetzungen geschaffen:These results show the quantitative response of the sensor to serum cholesterol levels. An alternative and preferred embodiment of the sensor in Scheme I is provided by the following roughening agent compositions:
Cholesterinesterase etwa 400 Einheiten/ml Cholesterinoxidase von Nocardia etwa 200 Einheiten/mlCholesterol esterase about 400 units / ml Nocardia cholesterol oxidase about 200 units / ml
1 g/dl Triton X-100 0,1MolTRIS-Puffer,/jH8,6 0,2 Mol Kallumferrocyanid 0,5 Mol Kaliumchlorid 0,02MoIJvIgCI2 1 g / dl Triton X-100 0.1 mmol TRIS buffer, / jH8.6 0.2 mol Callum ferrocyanide 0.5 mol Potassium chloride 0.02 mol / lIgCl 2
2 g/dl Gelatine oder2 g / dl gelatin or
0,06 Mol Natriumdeeoxycholat0.06 mole of sodium deoxycholate
0,1MolTRIS-Puffer,pH8,60,1MolTRIS buffer pH8,6
0,2 Mol Kaliumferricyanid0.2 mol of potassium ferricyanide
0,5 Mol Kaliumchlorid0.5 mole of potassium chloride
2 g/dl Gelatine.2 g / dl gelatin.
Wenn auch die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert und beschrieben wurde, so ist doch vorgesehen, daß die Erfindung verändert und modifiziert werden kann, und daher ist es nicht beabsichtigt, daß sie die oben dargestellten Bereiche beschränken soll, sondern es ist wünschenswert und beabsichtigt, daß von Veränderungen und Abwandlungen, die für die Anpassung der Erfindung an verschiedene Einsatzmöglichkeiten und bedingungen gemacht werden können, Gebrauch gemacht wird. Es ist vorgesehen, daß solche Veränderungen und Abwandlungen daher im vollen Bereich von Äquivalenten und somit im Geltungsbereich der folgenden Ansprüche liegen. Die in den obigen Spezifikation^ angewandten Begriffe und Ausdrücke werden darin als Begriffe für die Beschreibung und nicht als Einschränkung angewandt, und bei der Anwendung solcher Begriffe und Ausdrücke ist nicht vorgesehen, Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, wobei zu beachten ist, daß der Geltungsbereich der Erfindung nur durch die angefügten Ansprüche definiert und begrenzt wird. . Hiermit wurde die Erfindung und die Art und Weise sowie der Herstellungsprozeß und ihre Anwendung vollständig, klar, knapp und genau beschrieben, damit interessierte Fachleute oder Leute, die es betrifft, dieselbe herstellen und anwenden können.While the preferred embodiment of the invention has been illustrated and described, it is intended that the invention be varied and modified, and that it is therefore not intended to limit the scope of the foregoing, it is desirable and intended changes and modifications that may be made to adapt the invention to various uses and conditions. It is therefore intended that such changes and modifications fall within the full scope of equivalents and, thus, within the scope of the following claims. The terms and expressions used in the above specification are used herein as terms of description rather than limitation, and in the application of such terms and expressions, it is not intended to eliminate equivalents of the features shown and described or portions thereof, it being understood in that the scope of the invention is defined and limited only by the appended claims. , It has been fully, clearly, concisely and accurately described the invention and the manner and process of making and its use so that those skilled in the art or people concerned may make and use the same.
Claims (9)
odera second electrode is mounted on the first electrode, the first electrode overlying a portion of the second electrode to form a laminate with the first and second electrodes therebetween, and the opening exposes the electrode to form a sample well;
or
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