DE60027132T2

DE60027132T2 - Korrektur des proteininduzierten fehlers in ph-sensitiver ise mit polymermembran

Info

Publication number: DE60027132T2
Application number: DE60027132T
Authority: DE
Inventors: S. John Holliston BENCO; S. Jan Sherborn KROUWER
Original assignee: Bayer Corp
Current assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Inc
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2020-01-08
Also published as: WO2000040956A1; CA2358090A1; AU1792600A; EP1141692A1; PT1141692E; US6355158B1; EP1141692B1; ATE322678T1; JP4743967B2; DK1141692T3; ES2261177T3; DE60027132D1; JP2002534678A

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die US-Voranmeldung 60/115 039, eingereicht am 07. Januar 1999.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Nicht-Glas-Ion-selektive Elektrodensysteme zur Messung des pH-Wertes.
Hintergrund
Elektrochemische Mittel zur Messung der pH-Spiegel flüssiger Systeme sind gut bekannt. Glassensoren mit Elektroden vom Membran-Typ werden allgemein als Standards für pH-Messungen verwendet, weil Erfassungsinstrumente mit Glassensoren im Handel ohne Weiteres verfügbar und erhältlich und die Messungen aus den Glassensoren voraussagbar sind und ein gutes Messvermögen zeigen und ergeben. Glassensoren werden als dreidimensionale Gegenstände, mit vielen Bedienungsteilen, gefertigt. Wenn auch mit dem guten Messvermögen ausgestattet, sind sie im Vergleich zu Sensoren mit planarem Format teurer und komplexer herzustellen und zu bedienen.
Nicht-Glas-basierte pH-Sensoren sind in der Literatur ebenfalls beschrieben worden. Die Nicht-Glas-Sensoren werden in typischer Weise unter Verwendung von Lösungsmittel-Polymermembranen hergestellt (wie die in Analytical Chemistry, 1986, 58, 2285–2289, beschriebenen, die hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind). Innerhalb der Kategorie der Nicht-Glassensoren gibt es diejenigen mit einem planaren Format, die in typischer Weise kleiner als Glassensoren und viel weniger aufwändig herzustellen sowie zu bedienen sind. Beispiele planarer Sensoren können in US 5 554 272, 5 702 575 und 5 786 830 gefunden werden, von denen eine jede durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Instrumente, die planare Sensoren enthalten, sind im Handel verfügbar. Das planare Format der Sensoren umfasst in typischer Weise relativ dünne Schichten aus Materialien, die auf Substratunterlagen mit Dick- oder Dünn-Film-Techniken, einschließlich z.B. Seiden-Siebdruck, aufgebracht werden.
Nicht-Glassensoren zur Messung des pH-Wertes bieten eine ökonomische Alternative zu Glassensoren, wobei aber die Membran-basierten pH-Sensoren in Zusammenhang mit einer Streuung der Ergebnisse gebracht worden sind, und dies wird ganz allgemein als pH-Abweichung bezeichnet (siehe z.B. EP 0 362 032 , Seite 2, Zeilen 37 bis 40, und Seite 8, Zeilen 50 bis 58). Wie hierin verwendet, ist die pH-Abweichung als der mit einem Membranbasierten Sensor gemessene pH-Wert minus dem mit einem bekannten Standard gemessenen pH-Wert definiert, welcher in typischer weise ein aus einem Glas-basierten pH-Sensor erhaltener Messwert ist. Ist die pH-Abweichung zu groß, besteht bei dem dann sich ergebenden Fehler die Möglichkeit, dass sich dieser den Niveaus klinischer Entscheidungsgrundlagen annähert. Demnach besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Absenkung der mit Membranbasierten Sensoren zusammenhängenden pH-Abweichung.
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung werden Mittel und Maßnahmen bereitgestellt und angegeben, die pH-Abweichung wesentlich abzusenken, die gemeinhin bei pH-Messwerten beobachtet wird, die mit Geräten und/oder Instrumenten erhalten werden, die eine Lösungsmittel-Polymermembranbasierte pH-Elektrode aufweisen. Die pH-Abweichung wird durch Nutzung der Erkenntnis verringert, dass das Vorliegen eines Proteins in einer flüssigen Probe eine auftretende bzw. scheinbare Interferenz mit dem pH-Wert induziert. Gemäß der Erfindung wird das in Anspruch 1 definierte Verfahren angegeben und zur Verfügung gestellt.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Durch die Erfindung wird jedes System verbessert, in welchem Lösungsmittel-Polymermembran-basierte Ion-selektive Elektroden verwendet werden, worin der pH-Wert als einer der Analyte von Interesse eingeschlossen ist. Durch Einbringung einer Korrekturgleichung in das Ionselektive Elektroden-basierte System lässt sich die pH-Abweichung wesentlich verringern. Die Korrekturgleichung kann ganz leicht und einfach in die Software, die in Elektrodensystemen zur Anwendung gelangt, die eine Membran-basierte pH-Elektrode einschließen, mit Vorgehens- und Verfahrensweisen eingebaut werden, mit denen die auf dem einschlägigen Gebiet der Technik tätigen Fachleute vertraut sind.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Auftragung von Gesamtblut-Messwerten, die die pH-Abweichungen zeigen, die aus einem Instrument erhalten werden, das eine polymere Membran auf Basis einer planaren pH-Elektrode aufweist, wobei die Messwerte pH-Werten aus einem in Beispiel 1 beschriebenen Instrument mit einem Glas-pH-Sensor gegenübergestellt sind.
2 ist eine Auftragung von Messwerten, die die direkte Korrelation der pH-Abweichung mit steigenden [HCO₃ ^–]-Werten der in Beispiel 2 beschrienen Proben zeigen.
3 ist eine Auftragung, die die pH-Messwerte zeigt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 3 korrigiert sind.
Detaillierte Beschreibung
Es ist herausgefunden worden, dass es keine mit Membran-basierten pH-Sensoren zusammenhängende pH-Abweichung in Proben gibt, die kein Protein enthalten. Es ist ebenfalls herausgefunden worden, dass Protein eine scheinbare bzw. auftretende Biocarbonat-Ionenkonzentrations-([HCO₃ ^–])-Interferenz induziert. Bei der pH-Abweichung ist auch herausgefunden worden, dass sie als Funktion der Protein-Beaufschlagung variiert. Außerdem hat sich diese Protein-induzierte Abweichung in Membran-basierten pH-Sensoren als relativ konstant in einem normalen Protein-Bereich von in typischer Weise ca. 4 bis ca. 8 g/dL erwiesen, und zwar so, dass die Gesamt-pH-Abweichung in diesem Proteinbereich eine Funktion der [HCO₃ ^–] ist. Somit lässt sich, im normalen Protein-Bereich, die pH-Abweichung mit einer Einzelgleichung unter Anwendung des ermittelbaren [HCO₃ ^–]-Wertes korrigieren. Gemäß der Korrekturgleichung wird die pH-Abweichung verringert, um klinisch akzeptable pH-Messungen zu ergeben. Um klinisch akzeptabel zu sein, weisen die pH-Messungen bevorzugt eine pH-Abweichung von weniger als ca. ± 0,04 und bevorzugter von weniger als ca. ± 0,02 pH-Einheiten auf, wobei die pH-Abweichung am meisten bevorzugt in einen Bereich von 0 bis ± 0,02 pH-Einheiten fällt.
Die durch Protein induzierte HCO₃ ^–-Interferenz hat Gültigkeit für alle Systeme, in denen Lösungsmittel-Polymermembran-basierte pH-Sensoren zur Anwendung gelangen, die im Stand der Technik als Ion-selektive Elektroden (ISE) oder als weitere Formate wie Ion-selektive Feldeffekttransistoren und dgl. bekannt sind. Gemäß der Erfindung ist die abgeleitete Korrektur, ihrer Natur nach, zweiter Ordnung und lässt sich als Modell gemäß der folgenden Korrekturgleichung darstellen: Y = a*[HCO3 –]2 + b*[HCO3 –] – c,worin Y als der Korrekturfaktor definiert, a*, b* und c empirisch abgeleitete Koeffizienten gemäß hierin definierter Gleichung und [HCO₃ ^–] die mit einem Erfassungsinstrument gemessene oder berechnete Bicarbonat-Konzentration der Patientenprobe sind. Wie der Fachwelt bekannt, bedeutet empirisch, dass die Koeffizienten durch Anpassung der Rohdaten an die Gleichung erhalten werden.
Jede Patientenprobe kann mit dem Erfindungsverfahren getestet werden. Nicht-flüssige Proben können als flüssige Proben zubereitet und danach, gegebenenfalls, mit für die einschlägigen Fachleute geläufigen technischen Vorgehens- und Verfahrensweisen getestet werden. Gesamtblut kann direkt mit dem Verfahren getestet werden, ohne dass zusätzliche Handhabungen der Probe erforderlich wären.
- Hierin beschriebene Komponenten sowie zusätzliche Merkmale lassen sich in dem planaren Format auf nicht-leitfähigen Substraten in verschiedenen Konfigurationen anordnen. Die Membran-basierte pH-Elektrode kann in jedem geeigneten Format hergestellt werden, wie z.B. mit den in Clinical Chemistry 43, Nr. 9, 1997, beschriebenen. Polymere Materialien für die Membran-basierten pH-Elektroden sind in Analytical Chemistry, 1986, 58, 2285–2289, beschrieben. Wie der Fachwelt bekannt, sind die Bicarbonat-Werte der Probe entweder direkt oder indirekt erhältlich. Beispielsweise kann eine direkte Messung mit einer für HCO₃ ^– selektiven ISE auf dem Erfassungsinstrument durchgeführt werden. Alternativ dazu, kann der HCO₃ ^–-Wert einer Probe aus der Messung des Partialdrucks von Kohlendioxid (pCO₂) oder des Gesamt-CO₂ abgeleitet und dann gemäß bekanntem Stand der Technik berechnet oder durch Messung von CO₃ ^2– und dann gemäß bekanntem Stand der Technik berechnet werden.
Wie in der Fachwelt bekannt, kann das Erfassungsinstrument für die Ion-selektiven Elektroden verschiedene Ausgestaltungen aufweisen, um entsprechende Messungen der Probe zwischen der pH-Elektrode und einem geeigneten Bezug (wie z.B. einer Silber/Silberhalogenid-Bezugselektrode) zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung können, weil Protein eine Interferenz in den aus Polymer-basierten pH-Membranelektroden erhaltenen pH-Messungen induziert, die Fachleute eine Korrekturgleichung auf den rohen pH-Wert anwenden, um eine genauere Messung durchzuführen. Während der gemessene Protein-Spiegel der Probe direkt in einer Korrekturgleichung angewandt werden kann, wird gemäß der Erfindung der Bicarbonat-Spiegel herangezogen und eingesetzt, weil Bicarbonat gewöhnlich auf dem gleichen Erfassungsinstrument, auf dem pH-Messungen von Patientenproben durchgeführt werden, gemessen oder abgeleitet wird. Die Korrektur der rohen pH-Messwerte kann on-line gemäß Einbau in die Software des Erfassungsinstruments oder off-line gemäß Korrektur von Hand oder innerhalb der Software eines Diagnosesystems erfolgen, in das eine Anzahl von Gerätschaften eingebaut ist, mit denen dieselbe Patientenprobe getestet wird.
Das Design des Schaltkreises des Erfassungsinstruments, welches mit Ion-selektiven Elektroden in der Erfindung anwendbar ist, liegt im Fachwissen der mit der einschlägigen Technologie vertrauten Fachleute. Beispielsweise kann der Schaltkreis, beschrieben in Ion-Selective Electrode Methodology, Band I, Herausgeber Arthur K. Covington, CRC Press, 1979, S. 32–33 (hiermit durch Bezugnahme aufgenommen), angewandt werden.
Beispiele
Beispiel 1
Messwerte wurden aus einem Test von mehr als 200 Gesamtblutproben mit einem von Bayer Corporation, Medfield, MA, hergestellten planar-basierten Instrument RAPIDPOINT 400 gesammelt. Das RAPIDPOINT 900-Erfassungsinstrument benutzt Lösungsmittel-Polymer-basierte pH-Membranelektroden mit planarem Format (hergestellt mit Materialien, beschrieben in Analytical Chemistry, 1986, 58, 2285–2289, und im Format, beschrieben in Clinical Chemistry 43, Nr. 9, 1997) sowie planare Membran-basierte Bicarbonat-Elektroden (hergestellt wie in US 5 554 272 beschrieben).
Die Messwerte aus RAPIDPOINT 400 wurden mit Standards aus der pH-Messung derselben Patientenproben mit dreidimensionalen Glas-basierten Sensoren im RAPIDLAB 800-Erfassungsinstrument verglichen. Die in 1 aufgetragenen Messwerte stellen die RAPIDPOINT 400 pH-Abweichung gegen die Abweichung der RAPIDLAB 800-pH-Werte dar. Wie dargestellt, erstreckte sich die pH-Messwertabweichung aus dem RAPIDPOINT 400 auf ± 0,06 pH-Einheiten.
Beispiel 2
Wie in 2 dargestellt, wurden Messwerte der planaren pH-RAPIDPOINT 400-pH-Abweichung gegen mit RAPIDPOINT 400 über die Henderson-Hasselbach-Gleichung berechnetes [HCO₃ ^–] aufgetragen. Die Messwerte wurden aus der in 1 dargestellten Auftragung abgeleitet. Wie aus 2 ersichtlich, besteht eine direkte Korrelation der pH-Abweichung mit steigenden [HCO₃ ^–]-Werten der Proben.
Beispiel 3
Eine Korrektur der steigenden HCO₃ ^–-Werte aus Beispiel 2 wurde zur Korrektur der pH-Messwerte des Beispiels 1 abgeleitet. Die abgeleitete Korrektur wurde auf die rohen pH-Messwerte aus dem RAPIDPOINT 400 mit der in Anspruch 6 bzw. 8 angegebenen Gleichung angewandt. Bei Anwendung der Korrekturgleichung wurde eine signifikante Verbesserung bei den pH-Messwerten des Beipiels 1 aus den planaren pH-Elektroden beobachtet, wie dargestellt durch die in 3 aufgetragenen korrigierten Messwerte des Beispiels 1. Wie die Messwerte zeigen, wurde die pH-Abweichung um ± 0,06 pH-Einheiten herabgesetzt.
Weitere Modifikationen zur Durchführung der Erfindung sind möglich. Es wäre möglich, sowohl den Protein-Spiegel als auch die [HCO₃ ^–] zu korrigieren, falls der Protein-Spiegel der Proben bekannt war. Außerdem könnte man die gemessene [HCO₃ ^–] unter Verwendung einer Bicarbonat-Elektrode oder von HCO₃ ^–-Aktivitäten anstatt der in den vorliegenden Beispielen angewandten Verwendung der berechneten [HCO₃ ^–] anwenden, wie dies im Stand der Technik bekannt und in Analytical Chemistry, 1982, 54, 423–429, angegeben ist. Man könnte auch jede Form einer gewünschten Korrekturgleichung zu Grunde legen, solange mit dieser die auftretende bzw. scheinbare [HCO₃ ^–] korrigiert wird. Beispielsweise könnte diese linear, quadratisch, polynominal mit n.ter Ordnung, Spline-, empirisch abgeleitet oder eine Kombination davon sein. Wie den Fachleuten bekannt, stellt [HCO₃ ^–] die Bicarbonat-Konzentration dar, wogegen HCO₃ ^– lediglich das Bicarbonat-Ion (als solches) darstellt.

Claims

Verfahren zur Messung des pH-Wertes mit einem Erfassungsgerät, worin eine Ion-selektive Polymermembran-basierte pH-Elektrode zur Anwendung gelangt, wobei das Verfahren Stufen umfasst, in denen man: die genannte Elektrode verwendet, um einen Messwert für den rohen pH-Wert einer Protein-haltigen flüssigen Probe zu erhalten, die Bicarbonat-Konzentration in der genannten Protein-haltigen flüssigen Probe bestimmt, und man den genannten rohen pH-Messwert bezüglich der Interferenz, die durch das Vorliegen von Protein in der genannten Protein-haltigen flüssigen Probe induziert wird, korrigiert, um einen korrigierten pH-Wert mit einem Korrekturfaktor und dem rohen pH-Messwert zu berechnen, worin der Korrekturfaktor eine Funktion der Bicarbonat-Konzentration der Probe ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,04 pH-Einheiten eines pH-Messwertes liegt, der für die Proteinhaltige flüssige Probe mit einem Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,02 pH-Einheiten eines pH-Messwertes liegt, der für die Proteinhaltige flüssige Probe mit einem Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde.
Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Korrekturstufe die Subtraktion des Korrekturfaktors vom rohen pH-Messwert umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, worin die Protein-haltige flüssige Probe eine Protein-Konzentration von ca. 4 bis ca. 8 g/dL aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der Korrekturfaktor durch die Gleichung {Y = a*[HCO₃ ^–]² + b*[HCO₃ ^–] – c} definiert ist, worin Y der Korrekturfaktor, a*, b* und c empirisch abgeleitete Koeffizienten und [HCO₃ ^–] die Bicarbonat-Konzentration der genannten Probe sind.
Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die genannte Bicarbonat-Konzentration mit einer für Bicarbonat spezifischen Elektrode bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der korrigierte pH-Wert berechnet wird, indem man vom rohen pH-Messwert einen Korrekturfaktor abzieht, der durch die Gleichung {Y = a*[HCO₃ ^–]² + b*[HCO₃ ^–] – c} definiert ist, worin Y der -Korrekturfaktor, a*, b* und c empirisch abgeleitete Koeffizienten und [HCO₃ ^–] die Bicarbonat-Konzentration der genannten Probe sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die genannte Bicarbonat-Konzentration aus der Messung des Partialdrucks von Kohlendioxid abgeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die genannte Bicarbonat-Konzentration aus der Messung des Gesamt-CO² abgeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die genannte Bicarbonat-Konzentration aus der Messung des Gesamt-CO₃ ^2– abgeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die genannte Bicarbonat-Konzentration mit einer für HCO₃ ^– spezifischen Ion-selektiven Elektrode bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren die weiteren Stufen umfasst: (a) Inkontaktbringen der Protein-haltigen flüssigen Probe mit der Ion-selektiven Polymermembran-basierten pH-Elektrode, einer zweiten Elektrode und mit einer Bezugselektrode, wobei jede Elektrode an das Erfassungsgerät angeschlossen ist; (b) Bereitstellen eines elektrischen Stroms zwischen der Ionselektiven Polymembran-basierten pH-Elektrode und der Bezugselektrode, um es für das Erfassungsgerät zu ermöglichen, den rohen pH-Messwert abzuleiten; (c) Verwenden der zweiten Elektrode, um das Erfassungsgerät zu befähigen, die Bicarbonat-Konzentration der Protein-haltigen flüssigen Probe zu messen; (d) Berechnen des korrigierten pH-Wertes durch das Erfassungsgerät, indem es vom rohen pH-Messwert den Korrektorfaktor subtrahiert, der durch die Gleichung {Y = a*[HCO₃ ^–]² + b*[HCO₃ ^–] – c} definiert ist, worin Y der Korrekturfaktor, a*, b* und c empirisch abgeleitete Koeffizienten und [HCO₃ ^–] die Bicarbonat-Konzentration der genannten Probe sind.
Verfahren gemäß Anspruch 13, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,04 pH-Einheiten des pH-Messwertes liegt, der für die Protein-haltige flüssige Probe mit einem Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde.
Verfahren gemäß Anspruch 14, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,02 pH-Einheiten des pH-Messwertes liegt, der für die Protein-haltige flüssige Probe mit einem Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde:
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin die Protein-haltige flüssige Probe eine Protein-Konzentration von ca. 4 bis ca. 8 g/dL aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei Anwendung eines Systems zur Messung des pH-Wertes flüssiger Proben das System ein Software-betriebenes Erfassungsgerät und eine Ion-selektive Polymermembran-basierte pH-Elektrode umfasst, die operativ an das Erfassungsgerät angeschlossen ist, wobei das Verfahren die Stufe umfasst, dass es für die Software des Erfassungsgeräts ermöglicht wird, den Korrekturfaktor, den rohen pH-Messwert und die Bicarbonat-Konzentration zur Berechnung des korrigierten pH-Wertes anzuwenden, der in Beziehung zum vorhandenen Protein in der flüssigen Probe steht.
Verfahren gemäß Anspruch 17, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,04 pH-Einheiten des pH-Messwertes, der für die Protein-haltige flüssige Probe mit einem dreidimensionalen Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde, gemäß Verifizierung mit einem Pool von 200 Proben, die am genannten Gerät durchgeführt wurden, liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, worin der korrigierte pH-Wert innerhalb ca. ± 0,04 pH-Einheiten des pH-Messwertes liegt, der für die Proteinhaltige flüssige Probe mit einem Glas-basierten pH-Sensor erhalten würde.