ES2581779T3 - Método para ensayo de propiedades electroquímicas - Google Patents

Abstract

Un método para determinar un área efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo en un sistema electroquímico que contiene una muestra, en el que el sistema electroquímico incluye un electrodo que tiene una superficie, en el que la superficie incluye una porción de contacto y una porción de no contacto, en el que la porción de contacto del electrodo se encuentra en contacto electrolítico con la muestra, y la porción de no contacto del electrodo no se encuentra en contacto con la muestra, caracterizado por que el método comprende las etapas de aplicar un estímulo de potencial variable con el tiempo de alta frecuencia de pequeña amplitud al sistema para generar una respuesta de señal a partir de la muestra que tiene una relación aproximadamente lineal con el potencial aplicado, medir la respuesta de señal, computar una información de capacidad a partir de la respuesta de señal a partir de la muestra que se puede aproximar por una relación lineal con el potencial aplicado, y determinar un valor indicativo de un área efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo a partir de la información de capacidad.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Metodo para ensayo de propiedades electroqmmicas Antecedentes de la invencion

El uso de medios electroqmmicos de deteccion se ha elegido con frecuencia por su simplicidad, tanto en terminos de fabricacion de aparatos como en terminos de facilidad de uso. El modo principal de selectividad de la electroqmmica (tanto para el modo amperometrico como para el potenciometrico) es el potencial de oxidacion - reduccion (que tambien se denomina "redox") del analito (el cual es la especie qmmica de interes electroqmmico). Por ejemplo, usando la tecnica de amperometna (en donde el potencial se aplica al electrodo, y se mide la corriente resultante), se logra la selectividad hacia el analito basandose en el potencial de redox del analito.

La senal que se genera en el electrodo puede depender de muchos factores y propiedades del sistema electroqmmico. Los ejemplos de propiedades de la muestra que afectan al transporte del analito incluyen la viscosidad, la temperatura, la densidad y la fuerza ionica. Las variaciones que afectan al transporte del analito pueden afectar de forma subsiguiente a la senal electroqmmica medida. Los ejemplos de tales mecanismos de transporte incluyen la difusion, la migracion y la conveccion.

En otro ejemplo, las propiedades del propio electrodo pueden afectar al transporte de los analitos y/o a la cinetica de cualesquiera reacciones que puedan generar las senales electroqmmicas medidas. Los ejemplos de tales propiedades incluyen el area efectiva de electrodo, la geometna de los electrodos, la geometna de la camara de muestras, el grado de suciedad de electrodo, las membranas de barrera de difusion en el electrodo y las propiedades cataltticas del material de electrodo.

Los sensores electroqmmicos se encuentran comunmente en un numero de aplicaciones de deteccion, desde biosensores medicos hasta sensores ambientales y de gas. Comunmente existen dos modos de medida electroqmmica, amperometrica y potenciometrica. Los sensores amperometricos operan mediante el principio de la aplicacion de un potencial de voltaje a un electrodo y la medicion de la corriente resultante. Los ejemplos de sensores amperometricos incluyen la mayor parte de biosensores de glucosa comerciales y muchos sensores de gas. Los sensores potenciometricos operan mediante el principio de aplicacion de corriente a un electrodo y la medicion del potencial resultante. Con frecuencia es el caso que la corriente aplicada se mantiene a cero amperios. El electrodo de pH es un ejemplo de un sensor potenciometrico.

La figura 1 muestra la accion de un sensor amperometrico en el cual se aplica un voltaje al electrodo 310, lo cual da lugar a que un analito (la substancia que esta siendo medida) en particular que se encuentra en la muestra se oxide (es decir, proporcionando electrones al electrodo). La oxidacion da lugar a que se genere una corriente 315 la cual posteriormente puede ser detectada y analizada. El potencial al cual el analito se oxida, se denomina "potencial de oxidacion" del analito.

Hablando en terminos generales, se usa la expresion "potencial de redox" para indicar el potencial al cual un analito o bien se oxida o bien se reduce. En el sensor de la figura 1, el ferrocianuro ("FERRO") 300 transfiere electrones al electrodo, si el potencial es lo suficientemente alto para dar lugar a que ocurra la reaccion electroqmmica. Una vez que se transfieren los electrones, se oxida el ferrocianuro a ferricianuro ("FERRI") 305.

Por lo tanto, en la figura 1, se aplica un potencial lo suficientemente alto para oxidar el ferrocianuro, la forma reducida de la especie electroactiva, a la forma oxidada, ferricianuro, y la corriente resultante 315 detectada por el electrodo depende de la concentracion de la especie reducida.

Tal como se describio anteriormente, la corriente procedente de los sensores amperometricos depende de un numero de factores, ademas de la concentracion de analito de interes. Los metodos amperometricos tradicionales dependen de la suposicion de que unicamente la concentracion de analito cambia de medicion a medicion; por lo tanto, cuando vanan otros factores del sistema electroqmmico, pueden ser incorrectas la senal medida y la estimada de la concentracion de analito. Los sensores potenciometricos tambien adolecen de factores relacionados, incluyendo el transporte de analitos y la suciedad de electrodo. Las variaciones en estos factores podnan anadir incertidumbre y error a la senal medida. Por ejemplo, la figura 2 muestra la corriente de CC de dos sensores amperometricos en donde se cambia el area efectiva de electrodo. Los puntos de datos 455 se miden en una muestra que contiene 10 mM de ferrocianuro. Los puntos de datos 450 se miden en una muestra que contiene 20 mM de ferrocianuro. En ambos casos, a medida que vana el area de electrodo, tambien vana la senal de la corriente de CC medida. Ademas, para un area de electrodo determinada, al incrementar la concentracion de analito de 10 mM a 20 mM se obtiene como resultado la medicion de una senal de corriente incrementada. Esto ilustra la dependencia de la senal de corriente de CC medida con el area de electrodo y con la concentracion de analito.

Diversos factores pueden contribuir para que un sensor tenga un area de electrodo variable. Una fuente pueden ser los errores durante la fabricacion que pueden conducir a una variabilidad en el area de electrodo de sensor a sensor.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Otro factor puede ser el deterioro del electrodo durante el uso. Otro factor puede ser el contacto incomplete de la muestra con el electrodo del sensor, ejemplos de lo cual se ilustran en las figuras 8 y 9.

Las figuras 8a a 8c son diagramas esquematicos de una tira de prueba electroqmmica tipica que forma las bases para muchos biosensores de glucosa comercialmente disponibles. En la figura 8a, existen dos electrodos 355, cada uno de los cuales esta conectado a unos cables 350 que interaccionan con la electronica del medidor. Los electrodos 355 y los cables 350, pueden ser acoplados a un sustrato de soporte 375. En el presente ejemplo, la tira de prueba usa una configuracion de dos electrodos comunmente usada. En la figura 8a, la muestra 360 cubre completamente ambos electrodos, asegurando que toda el area de electrodo de cada electrodo este en contacto con la muestra. En la figura 8c, la muestra 370 cubre un electrodo completamente, pero cubre parcialmente el otro electrodo. En la figura 8b, la muestra 365 cubre parcialmente ambos electrodos.

La figura 9 ilustra la cobertura parcial de los electrodos a traves de una muestra para una geometna diferente de los electrodos. En el presente ejemplo, se fabrica una tira de prueba electroqmmica con dos electrodos que se orientan uno hacia el otro en un diseno de placas paralelas. El electrodo 400 y el electrodo 405 estan soportados por un material de sustrato solido 420. La muestra 410 llena la camara de muestra y cubre completamente ambas areas de electrodo. No obstante, la muestra 415 cubre unicamente de forma parcial ambas areas de electrodo y da como resultado un sistema de area de electrodo con efectividad reducida. Tal cobertura incompleta de la superficie de electrodo puede ser un resultado de un llenado parcial de la camara de muestras. En un ejemplo, pacientes diabeticos que realizan mediciones de glucosa en sangre, usan con frecuencia tales tiras de prueba electroqmmica para realizar mediciones de glucosa en sangre. En tales casos, si no entra suficiente sangre a la camara de muestras, la cobertura incompleta del sistema de electrodos puede dar como resultado que se produzcan unas valoraciones de glucosa imprecisas. Por lo tanto, sena util un metodo para evaluar el area de electrodo efectiva que fuera independiente de la concentracion de analito.

Ademas, el volumen de muestra que entra en la tira de prueba puede ser estimado. Haciendo referencia a la figura 9, si se conocen las tres dimensiones de la camara de muestras que contiene la muestra 415, entonces se puede estimar el volumen de la muestra 415 incrementando el volumen geometrico total de la camara de muestras en la cantidad fraccionada de la cobertura de electrodos. En un ejemplo, el volumen total de la camara de muestras es de 100 nl. Si se determina que la muestra 415 cubre el 75 % del electrodo 405, entonces una estimacion del volumen de la muestra 415 podna ser (0,75) * 100 nl = 75 nl. La estimacion del volumen de la muestra puede ser util cuando se realizan mediciones que dependen del conocimiento del volumen de la muestra en la celula electroqmmica. Un ejemplo de en donde puede ser util este conocimiento es en la culombimetna.

La figura 4 ilustra el problema de la suciedad de electrodo con sensores electroqmmicos. La suciedad de electrodo, tambien denominada suciedad de sensor, es una expresion que describe el material 320 que se adhiere, se adsorbe o recubre de otra forma la totalidad o parte del electrodo 310. En el presente ejemplo, el analito es ferrocianuro 300 el cual se ha de mover a traves del material de ensuciamiento 320, y posteriormente reaccionar en el electrodo 320 en una reaccion de oxidacion que produce una corriente electronica 315 en el electrodo 310. El producto de la reaccion es ferricianuro 305, la cual posteriormente se mueve de regreso fuera del material de ensuciamiento 320. Un ejemplo de cuando puede ocurrir una suciedad en el electrodo es durante el uso prolongado del sensor en entornos que podnan dar lugar a suciedad, tal como la implantacion de un biosensor en el cuerpo o el despliegue de sensores de gas en entornos que contienen sulfuro. En tales situaciones, asf como en otras que pueden ser conocidas por los expertos en la materia, el material se puede depositar en el electrodo, dando lugar a la medicion de una senal distorsionada. Con frecuencia, la intensidad de la, senal medida disminuye a medida que se incrementa la cantidad de suciedad de electrodo hasta que finalmente el sensor se vuelve insensible al analito objetivo. En otros casos, el material de ensuciamiento puede actuar como un catalizador para ciertas reacciones qmmicas y la respuesta del sensor se puede potenciar en la practica. En cualquier caso, si la respuesta del sensor se altera debido a la suciedad, entonces la medida resultante es imprecisa.

En las curvas de calibracion que se muestran en la figura 3, los puntos de datos 470 miden la corriente de CC de muestras con diferentes concentraciones de ferrocianuro con un electrodo que no esta sucio. Los puntos de datos 480 miden la corriente de CC de muestras con diferentes concentraciones de ferrocianuro con un electrodo que es ensuciado por un recubrimiento de 3,33 |jg de acetato de celulosa. Los puntos de datos 490 miden la corriente de CC de muestras con diferentes concentraciones de ferrocianuro con un electrodo que es ensuciado por un recubrimiento de 10 jg de acetato de celulosa. El presente ejemplo ilustra que la senal de corriente de CC medida en este sensor amperometrico depende tanto de la concentracion de analito como del grado de suciedad de electrodo. Por lo tanto, una senal de CC baja puede ser el resultado o bien de una baja concentracion de analito o bien de la suciedad incrementada en el electrodo. Por lo tanto, podna ser util un medio para determinar el grado de suciedad en el electrodo el cual sea independiente de la concentracion de analito. Un metodo de este tipo podna usarse entonces para ajustar la senal de corriente medida y corregir la distorsion de la senal originada por la suciedad de electrodo.

A pesar de que los dos ejemplos anteriores se ilustraron con sensores amperometricos, un experto en la materia reconocera la aplicacion a sensores potenciometricos. Los sensores potenciometricos tambien dependen de que el analito entre en las proximidades del electrodo.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Por lo tanto, cuando se usan medios de deteccion electroqmmicos, los factores ambientales - incluyendo las propiedades de la muestra que contiene el analito - pueden influenciar en gran medida la senal que se mide. Tales factores pueden introducir imprecisiones en la medida, incluyendo pero sin limitarse a, cambio en la calibracion y cambio en la sensibilidad. Por lo tanto, un metodo y aparato para detectar propiedades del entorno que puedan afectar a la senal medida, incluyendo la constante dielectrica de la muestra o el electrodo, el area efectiva de electrodo y la fuerza ionica de la muestra, sena beneficioso para los sistemas de sensores electroqmmicos y puede prever que se hagan correcciones a la concentracion de analito estimada, calculada a partir de la senal medida, basandose en la informacion con respecto a los factores ambientales.

El documento US 5.423.963 describe un metodo de deteccion de suciedad de membrana por medio de un electrodo de prueba (independiente) y una medicion de corriente en un instante en el que la corriente no ha alcanzado aun un nivel de estado estacionario.

Sumario de la invencion

La presente invencion proporciona un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 de determinacion de un area efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo en un sistema electroqmmico que contiene una muestra, y tambien un metodo de estimacion de una concentracion de analito en una muestra de acuerdo con la reivindicacion 13.

Breve descripcion de los dibujos

Los dibujos adjuntos, los cuales se incorporan en y constituyen una parte de la presente memoria descriptiva, ilustran diversas realizaciones de la presente invencion y, junto con la descripcion, sirven para explicar los principios de la invencion.

La figura 1 es un sensor amperometrico para medir ferrocianuro;

la figura 2 es una grafica que muestra el incremento en la corriente de CC debido al incremento en el area de electrodo de dos muestras con diferente concentracion de ferrocianuro;

la figura 3 son unas curvas de calibracion que muestran el incremento en la corriente de CC debido a la concentracion creciente de ferrocianuro usando tres electrodos con diferentes grados de suciedad; la figura 4 es un sensor amperometrico para medir ferrocianuro en donde el electrodo esta sucio; la figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo para procesar senales electroqmmicas de acuerdo con una realizacion ilustrativa;

la figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo para procesar senales electroqmmicas de acuerdo con otra realizacion ilustrativa;

la figura 7 es un sistema para procesar senales electroqmmicas de acuerdo con otra realizacion ilustrativa; la figura 8 muestra tres ejemplos de como una muestra puede hacer contacto con unos electrodos para una organizacion geometrica de electrodos en particular;

la figura 9 muestra dos ejemplos de como una muestra puede hacer contacto con unos electrodos de otra organizacion geometrica de electrodos en particular;

la figura 10 muestra curvas de calibracion de ferrocianuro obtenidas con unos electrodos de dos areas efectivas diferentes;

la figura 11 muestra una forma de onda aplicada a un sistema de electrodos de acuerdo con un ejemplo realizado usando los metodos de la figura 5 y la figura 6;

la figura 12 muestra como un vector en el plano complejo se puede descomponer en una parte real y una parte imaginaria;

la figura 13 es una grafica que muestra el aumento de la componente imaginaria de la corriente de CA con el area de electrodo creciente a partir de unas mediciones realizadas de dos muestras que contienen diferentes concentraciones de ferrocianuro;

la figura 14 es una grafica que muestra la dependencia de la corriente de CC con el grado de suciedad de electrodo de tres muestras que contienen diferentes cantidades de ferrocianuro;

la figura 15 muestra como la relacion entre la pendiente y la ordenada en el origen de una curva de calibracion, que relaciona la concentracion de ferrocianuro con la corriente de CC, depende del grado de suciedad de electrodo; la figura 16 es una grafica que muestra la amplitud de la corriente de CA de diferentes concentraciones de ferrocianuro, tal como se mide con tres electrodos con diferentes grados de suciedad;

la figura 17 muestra el valor de la corriente de CA para mediciones realizadas con unos electrodos con diferentes grados de suciedad;

la figura 18 es un medidor de glucosa de acuerdo con una realizacion ilustrativa;

la figura 19 es una ilustracion de un deposito de combustible que contiene unas capas espacialmente separadas de gasolina y agua.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Descripcion detallada de la invencion

A continuacion se hara referencia con detalle a diversas realizaciones ilustrativas de la presente invencion, ejemplos de las cuales se muestran en los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, los mismos numeros de referencia seran usados por la totalidad de los dibujos para referirse a las mismas partes o a partes semejantes.

En el presente documento se proporcionan sistemas y metodos para mejorar la precision y la productividad de los sensores por medio de tecnicas de procesamiento de senales digitales. En particular, de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas, en el presente documento se proporcionan unos metodos para supervisar los efectos ambientales que pueden afectar a la senal de sensor medida, por ejemplo, el area efectiva de electrodo y/o el grado de suciedad, para corregir errores de medicion. De esta forma, un cambio en la senal medida que es debido a un factor ambiental se puede reducir de forma substancial para medir de forma mas precisa la concentracion de un analito objetivo, tal como ferrocianuro.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "transductor" se refiere a una substancia o aparato que convierte energfa de una forma en energfa de otra forma. Los ejemplos de transductores incluyen, pero no se limitan a, electrodos, diodos de emision de luz, fotodiodos, material piezoelectrico y microfonos.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "propiedades capacitivas" se refiere a cualesquiera y a todas las propiedades de un sistema que puedan contribuir y/o afectar a la capacidad del sistema, e incluye, pero no se limita a, el area de electrodo, la constante dielectrica, la permitividad, las caractensticas de capa doble, la fuerza ionica de una muestra y la capacidad.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "pieza bruta" se refiere a una muestra que esta compuesta por un electrolito de soporte.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "soporte" se puede usar de manera intercambiable con la expresion "pieza bruta" y se refiere a la senal que es generada por una muestra de pieza bruta.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "CDAS" se refiere al espectro de admitancia dominada capacitiva (Capacitive Dominated Admittance Spectra) e indica el rango de frecuencia en el cual los valores de admitancia del sistema electroqmmico son dominados por las componentes capacitivas del sistema electroqmmico; esto puede ser generalmente hacia el rango de frecuencia mayor pero puede estar en otros rangos dependiendo de las caractensticas del sistema electroqmmico en particular en consideracion.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "ESS" se refiere a una fuente de senal electroqmmica (Electrochemical Signal Source), la cual es una entidad en una muestra que puede dar origen a una senal electroqmmica. La expresion "ESSs" se usa para referirse al plural de ESS. Una ESS comun es una especie qmmica electroactiva, pero la presente invencion no se limita al ensayo de senales que proceden unicamente de dichas fuentes e incluye especies qmmicas no electroactivas, electrolitos de soporte, capacidad de capa doble, fuentes no qmmicas y fuentes que no estan en la muestra, tales como interferencia electromagnetica, a la que se hace referencia comunmente como interferencia de RF.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "ESSI" se refiere a una ESS cuya medicion es de interes, que incluye pero no se limita a, especies qmmicas, o a la composicion de soporte de una muestra que puede dar origen a la senal de soporte o de pieza bruta, o a la capacidad que puede ser medida por la interfase transductor - muestra.

La expresion "variacion" tal como se usa en el presente documento, se refiere al valor absoluto de la diferencia entre el valor maximo y el valor mmimo de una forma de onda durante el curso de su aplicacion.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "TSI" se refiere a la interfase transductor - muestra (Transducer - Sample Interfase) que esta compuesta por la interfase entre el transductor y la muestra que puede contener un conjunto de ESSs.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "FFT" se refiere a la Transformada Rapida de Fourier (Fast Fourier Transform).

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "FT" se refiere a la Transformada de Fourier (Fourier Transform).

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "DFT" se refiere a la Transformada Discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform).

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "WT" se refiere a la Transformada de Ondfcula (Wavelet Transform).

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "DTFT" se refiere a la Transformada de Fourier Discreta de Tiempo (Discrete Time Fourier Transform).

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "ADC" se refiere a un convertidor de analogico a digital (Analog-to-Digital Converter).

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "cantidades obtenidas" se refiere a cantidades que pueden ser computadas con referencia a los datos medidos procedentes del sistema electroqmmico y a fuentes externas de datos y/o de informacion.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "faradaico" se refiere a reacciones electroqmmicas en las cuales se transfiere carga electronica a traves de la TSI. Estas reacciones se refieren a una oxidacion o reduccion de un analito.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "area efectiva de electrodo" se refiere al area de electrodo que se encuentra en contacto electrolttico con la muestra. El area efectiva de electrodo se puede variar al alterar la geometna del electrodo o mediante un contacto parcial del electrodo con la muestra.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "grado de suciedad de electrodo" se refiere a la cantidad, la geometna, la densidad y/o la composicion de material que puede adsorberse o recubrir de otra forma la totalidad o parte de un electrodo o sensor.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "factores ambientales" se refiere a propiedades y/o factores diferentes de la concentracion de analito, que afectan a la senal electroqmmica medida. Los ejemplos incluyen, pero no se limitan a, el area de electrodo, el grado de suciedad de electrodo, el dielectrico de la muestra, la temperatura y la concentracion ionica de la muestra.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "contacto electrolttico" se refiere a tener un sistema electroqmmico compuesto por al menos un electrodo desplegado en una forma tal que recopila la informacion electroqmmica de una muestra. Los ejemplos incluyen, pero no se limitan a, un electrodo en contacto ffsico con una muestra; un electrodo separado de una muestra mediante una membrana, una pelfcula u otro material; y un electrodo separado de una muestra mediante un medio acuoso. Los ejemplos de informacion electroqmmica incluyen la corriente faradaica, la corriente no faradaica y el potencial qmmico.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "sistema electroqmmico" se refiere a un sistema compuesto por al menos un electrodo que se usa para recopilar datos electroqmmicos. Los ejemplos de sistemas electroqmmicos incluyen configuraciones de dos electrodos; configuraciones de tres electrodos; y disposiciones de electrodos.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "conjunto de electrodos" se refiere a un sistema electroqmmico compuesto por al menos un electrodo.

Tal como se usa en el presente documento, la expresion "analisis de espectro" se refiere a un metodo para analizar el contenido espectral de una senal o parte de una senal. Los ejemplos de metodos usados para el analisis de espectro incluyen FT, FFT, DFT, DTFT, y WT.

Las figuras 5 a 7 muestran una realizacion ilustrativa de un metodo y sistema para determinar la variacion de senal debido a factores ambientales que alteran una senal electroqmmica, en respuesta a una forma de onda de voltaje aplicada. Por ejemplo, las variaciones en senal originadas por factores ambientales pueden ser cuantificadas y corregidas, si es necesario, alterando la estimacion de la concentracion de analito medida aparente. Las figuras 5 y 6 ilustran realizaciones del metodo en forma de diagrama de flujo.

La figura 7 muestra un ejemplo mas detallado de un sistema para llevar a cabo los metodos de las figuras 5 y 6, pero se ha de entender que los metodos de las figuras 5 y 6 pueden ser implementados a traves de cualquier numero de diferentes sistemas y aparatos. Por ejemplo, el sistema de la figura 7 se podna implementar, a su vez, en forma de aparato de prueba portatil, tal como para probar concentraciones de glucosa en la sangre.

La figura 7 ilustra un metodo a modo de ejemplo para identificar y cuantificar las propiedades capacitivas de la TSI de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Todas las flechas representan un conjunto de canales de comunicacion, a menos que se marque de otro modo, y pueden incluir pero no se limitan a, transmision electrica a traves de conductores ffsicos, transmision inalambrica y multiples canales de comunicacion. Las etapas que se encuentran a continuacion esbozan un aparato a modo de ejemplo y un proceso a modo de ejemplo que ilustra la invencion.

1. Un conjunto de transductores 6 adecuados se despliega en una forma que es adecuada para unas detectar ESSs 4 en la muestra 2. En el presente ejemplo, los transductores 6 son electrodos que se colocan en contacto

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

electrolftico en la interfase transductor - muestra 38 con una muestra 2 que contiene multiples ESSs 4, marcadas como ESS 1, ESS 2 y ESS n, en donde n significa un numero que representa una ESS que es unica con respecto a las otras ESSs en la muestra 2. Otros ejemplos de transductores pueden incluir electrodos con membranas, electrodos qmmicamente modificados u otros elementos que se puedan usar como transductores electroqmmicos.

2. Se aplica una senal de control 34 al transductor 6 procedente de un aparato de control de transductor 12, la cual puede ser procesada mediante un proceso de filtracion opcional 10, tal como un circuito o un aparato de computo que ejecuta el proceso de filtracion. El proceso de filtracion 10 puede ser parte del aparato de control de transductor 12. Un beneficio de un filtro sena eliminar el ruido no deseado de la senal aplicada. En la presente realizacion, la senal de control 34 es una forma de onda de potencial de voltaje que se aplica mediante un aparato de control de transductor 12 en forma de circuito de potenciostato. Un potenciostato es un circuito que se usa comunmente para controlar y registrar datos electroqmmicos y se explica con mayor detalle en la publicacion "Electrochemistry: Principles, Methods, and Applications", primera edicion, Oxford University Press, 1993 de C. M. A. Brett y A. M. 0. Brett.

3. La senal de dominio del tiempo 36 (es decir, la senal de corriente que se genera como una funcion de tiempo) procedente de los transductores 6 con el aparato de control de transductor 12 es medida y, si se desea, almacenada. Un proceso de filtracion opcional 8 puede ser parte de este proceso, y ademas puede ser parte del aparato de control de transductor 12. El proceso de filtracion puede ser analogo al elemento de figura 10 y podna proporcionar el beneficio util de eliminar el ruido de senal no deseado.

4. La senal se filtra de forma opcional usando un proceso de filtracion 14. Un ejemplo de un filtro de este tipo incluye un filtro anti-distorsion por repliegue del espectro, que se usa junto con el proceso para convertir senales analogicas en senales digitales. Otros ejemplos de filtros obvios para un experto en la materia, incluyen los filtros de paso alto, los filtros de paso bajo, los filtros de paso de banda y los filtros de supresion de banda.

5. La senal se convierte de analogica a digital para permitir el procesamiento de la senal mediante un aparato de computo 18 usando un ADC 16. El presente ejemplo ilustra el uso de un aparato de computo digital para llevar a cabo parte del metodo de la invencion; no obstante, se usa un aparato de computo digital como un ejemplo y no limita la presente invencion. Los ejemplos del aparato de computo 18 incluyen circuitos analogicos, circuitos digitales, microprocesadores y microcontroladores. Los ejemplos de microcontroladores usados normalmente incluyen H8/3887 de Hitachi, 3185265-F de Texas Instruments, SC84036CV de Sierra, S5640 ASIC de Amtel, FTA- R2 ACIC de NEC, H8/3847 de Hitachi, MN101C097KB1 de Panasonic, ASIC (construido entorno a Intel 8051), etcetera.

6. La senal se filtra usando un proceso de filtracion 20. Dicho filtro puede ser usado para volver a conformar y/o transformar la senal a una forma de onda mas optima que esta mejor adaptada para los otros procesos de computo en el aparato de computo 18. Un ejemplo de dicho filtro puede ser un filtro de paso de banda que solo selecciona un rango de frecuencias en particular y suprime otras frecuencias de la senal medida. Dicho filtro podna ser util si la senal de corriente fuera generada mediante un proceso electroqmmico no lineal, que da como resultado componentes de frecuencia superior ademas de la frecuencia fundamental que se uso como el estimulo de voltaje.

7. El contenido espectral de la senal esta caracterizado en terminos tanto de magnitud como de angulo de fase de cada componente de frecuencia de interes, usando un proceso de analisis de espectro 22; un proceso comunmente usado es FT e incluye procesos relacionados tales como FFT, DFT, WT, DTFT. Un experto en la materia reconocera la posibilidad de usar otros procesos de analisis de espectro segun sea adecuado para el sistema en consideracion.

8. La contribucion de la senal de las ESSs que da origen a las capacidades capacitivas del sistema en la senal medida, se determina usando un proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24. Por ejemplo, una realizacion de dicho proceso 24 es:

a. Computar el espectro de senal de frecuencia superior y cuantificar las caractensticas relevantes de esta parte del espectro, debido a que se espera que la parte de frecuencia superior del espectro contenga mas informacion con respecto a las propiedades capacitivas de la senal. En un ejemplo, la magnitud y el angulo de fase del espectro de frecuencias se usan como las caractensticas de la senal.

b. Computar los valores asociados con las propiedades capacitivas de la senal; dichas propiedades pueden incluir pero no se limitan a la impedancia, la reactancia, la resistencia y la capacidad, usando cualquier fuente de datos externos A 26 que pueda ser necesaria.

9. Computar otros valores que pueden ser obtenidos de los computos anteriores usando un proceso de computo de cantidad obtenida que puede hacer referencia a una fuente de datos externos B 30. La fuente de datos A 26 y la fuente de datos B pueden ser la misma fuente de datos. Estas representan medios para almacenar informacion y pueden ser estructuras de datos diferentes dentro de una sola unidad de memoria. Los ejemplos de informacion que puede contener la fuente de datos externa B 30, incluyen propiedades del transductor tales como el area de electrodo y curvas de respuesta de frecuencia para diferentes aplicaciones; propiedades de la muestra tales como la

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

fuerza ionica, la viscosidad, la densidad, los valores de capacidad de capa doble y la constante dielectrica; propiedades de cualquier material en la muestra que pueda dar lugar a la suciedad de electrodo tales como las constantes dielectricas y valores relacionados; propiedades tales como las constantes dielectricas y el espesor o propiedades capacitivas de cualquier membrana o material similar que pueda cubrir el electrodo. Los ejemplos de cantidades obtenidas incluyen el computo de la concentracion de analito mediante la comparacion con los datos de calibracion, el computo del area efectiva de electrodo, el computo del grado de suciedad de electrodo y el computo de las constantes dielectricas y de permitividad del electrolito de soporte mediante la comparacion con ecuaciones y otros datos que describen la composicion del electrolito.

10. Se usan las cantidades obtenidas del proceso de computo de cantidad obtenida 28 en un proceso de correccion 40 que corrige las distorsiones o variaciones de la senal medida 36, originadas por variaciones ambientales y variaciones ffsicas que han sido identificadas y cuantificadas anteriormente. Un ejemplo del proceso de correccion es incrementar la concentracion de analito estimada que se determino mediante el proceso de computo de cantidad obtenida 28 por un valor que refleje el cambio en el area efectiva de electrodo o por un valor que refleje el grado de suciedad de electrodo, tal como se determina mediante el proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24.

11. La salida 32 es generada en una forma utilizable. Los ejemplos incluyen transmision de valores de concentracion de todas las ESSI en un formato electronico o presentar visualmente la concentracion estimada del analito en una pantalla LCD al usuario del sensor.

Las figuras 5 y 6 se refieren a los procesos que se implementan en el sistema de la figura 7. Haciendo referencia a la figura 5, la conformacion de una forma de onda puede ser seleccionada (la etapa 100) y aplicada a un sistema de electrodos para medir muestras que contienen concentraciones conocidas de un analito de interes. En la primera realizacion a modo de ejemplo, se vana el area de electrodo de forma sistematica sin suciedad de electrodo a medida que se miden diferentes concentraciones de analito (las etapas 105, 110, 115, 120, 125) para recopilar datos de calibracion. En la segunda realizacion a modo de ejemplo, se mantiene constante el area de electrodo, pero se vana el grado de suciedad de electrodo, a medida que se miden diferentes concentraciones de analito (las etapas 105, 110, 130, 135, 140) para recopilar datos de calibracion.

En las presentes realizaciones a modo de ejemplo, se selecciona la forma de onda de estimulo (la etapa 100) de tal modo que se mida una componente de senal que depende de la concentracion de analito deseado y una componente de senal que dependa de los factores ambientales. En el presente ejemplo, los dos factores ambientales que se ilustran son el area efectiva de electrodo y el grado de suciedad de electrodo. De acuerdo con una realizacion, se elige la forma de onda de estimulo de tal modo que las propiedades capacitivas del sistema electroqmmico se puedan extraer (la etapa 110) y cuantificar. En otra realizacion, se elige la forma de onda de estfmulo de tal modo que las componentes de la senal capacitiva sean mucho mas sensibles a los factores ambientales (por ejemplo, area de electrodo y suciedad de electrodo) y mucho menos sensibles a la concentracion de analito, permitiendo de este modo supervisar los efectos del area de electrodo y suciedad de electrodo que dependen de la concentracion de analito. Esto permite la cuantificacion solo de la variacion ambiental sin depender de la concentracion de analito.

De acuerdo con una realizacion que corrige las variaciones en el area efectiva de electrodo, se pueden recopilar los datos de calibracion para realizar mediciones con unos electrodos de diferentes areas efectivas conocidas con muestras que contienen diferentes concentraciones de analito conocidas (la etapa 115). Para mediciones realizadas con cada area de electrodo, se pueden construir curvas de calibracion que relacionen la componente de la senal faradaica con la concentracion de analito en la muestra (la etapa 120). Las curvas de calibracion tambien pueden ser construidas para que relacionen la componente de la senal capacitiva con las variaciones en el area de electrodo cuando se miden muestras con diferentes concentraciones de analito (la etapa 120). En el sistema de la figura 7, se puede usar el proceso de filtro 20, el proceso de analisis de espectro 22 y el proceso de cuantificacion capacitiva 24 para cuantificar la componente de senal capacitiva.

De acuerdo con una realizacion, se pueden construir ecuaciones para corregir la curva de calibracion que estima la concentracion de analito basandose en una componente de senal faradaica para los errores que puedan surgir de las variaciones en el area efectiva de electrodo del sensor usando los datos de calibracion capacitiva que cuantifican el area efectiva de electrodo (la etapa 125).

Una vez que se han determinado las curvas de calibracion y las ecuaciones de correccion en el sistema de la figura 7, esta informacion puede ser almacenada en la fuente de datos A 26 y/o en la fuente de datos B 30. Se pueden usar las ecuaciones de correccion en el proceso de correccion 40, para corregir una estimacion erronea del analito que haya sido alterada por variaciones en el area efectiva de electrodo cuando se realiza una medicion en una muestra con una concentracion no conocida de analito y con un electrodo en donde no se conozca el area efectiva de electrodo.

Haciendo referencia a las figuras 6 y 7, se pueden poner los transductores 6 (ilustrados como electrodos) en contacto con la muestra 2 que contiene concentraciones no conocidas de analito, indicadas mediante ESS 4. Se puede aplicar la forma de onda de estfmulo seleccionada (la etapa 105) a los electrodos mediante el potenciostato,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

indicado como el aparato de control de transductor 12. La aplicacion de esta forma de onda de estimulo se ilustra como la senal 34. La senal de respuesta 36 puede ser medida y analizada mediante el aparato de computo 18 para cuantificar las componentes de senal capacitiva y faradaica (la etapa 110). Las componentes de senal capacitiva, los cuales solo han sido computados mediante el proceso de analisis de espectro 22 y el proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24, pueden ser comparados con los datos de calibracion almacenados en la fuente de datos A 26 para determinar el area efectiva de electrodo (la etapa 200). La componente de senal faradaica puede ser comparado posteriormente con datos de calibracion procedentes de la fuente de datos B 30, para estimar la concentracion de analito en la muestra (la etapa 225).

Esta estimacion del analito aun no es corregida en cuanto a los errores que puedan resultar de las variaciones en el area efectiva de electrodo. Las ecuaciones de correccion procedentes de la fuente de datos B 30, pueden ser usadas con las valoraciones iniciales del analito en un proceso de correccion 40 para ajustar la concentracion de analito estimada para explicar los cambios en el area efectiva de electrodo (la etapa 205). Posteriormente la estimacion del analito corregido se puede emitir 32 en una forma utilizable, tal como usando una pantalla LCD (la etapa 210).

De acuerdo con una realizacion que corrige las variaciones en el grado de suciedad de electrodo, los datos de calibracion pueden ser recopilados realizando mediciones con unos electrodos de diferentes grados de suciedad conocidos con muestras que contienen concentraciones conocidas de diferentes analitos (la etapa 130). Para estas mediciones, se pueden construir curvas de calibracion que relacionen la componente de senal faradaica con la concentracion de analito en la muestra (la etapa 135). Las curvas de calibracion tambien pueden ser construidas de tal modo que relacionen la componente de senal capacitiva con variaciones en el grado de suciedad de electrodo, cuando se midan muestras con diferentes concentraciones de analito (la etapa 135). En el sistema de la figura 7, el proceso de filtro 20, el proceso de analisis de espectro 22 y el proceso de cuantificacion capacitiva 24 pueden ser usados para cuantificar la componente de senal capacitiva.

De acuerdo con una realizacion, se construyen ecuaciones para corregir la curva de calibracion que valora la concentracion de analito basandose en una componente: de senal faradaica con respecto a los errores que puedan surgir de variaciones en el grado de suciedad de electrodo usando los datos de calibracion capacitiva que cuantifican el grado de suciedad de electrodo (la etapa 140).

Una vez que se han determinado las curvas de calibracion y las ecuaciones de correccion, se puede almacenar esta informacion en el sistema de la figura 7, por ejemplo, en la fuente de datos A 26 y/o la fuente de datos B 30. Se pueden usar las ecuaciones de correccion en el proceso de correccion 40, por ejemplo, para corregir una estimada de analito erronea, tal como uno que haya sido alterado por variaciones en el grado de suciedad de electrodo cuando se realiza la medicion en una muestra de concentracion de analito no conocido y con un electrodo en donde no se conoce el grado de suciedad.

Haciendo referencia a las figuras 6 y 7, posteriormente el sistema de electrodos (ilustrado como los transductores 6) puede ser puesto en contacto con la muestra 2 que contiene una concentracion no conocida de analito (ilustrado como ESS 4). Se puede aplicar la forma de onda de estfmulo seleccionada (la etapa 105) a los electrodos mediante el potenciostato (ilustrado como el aparato de control de transductor 12). Esta forma de onda se ilustra como la senal 34. Se puede medir la senal de respuesta 36 y ser analizada por el aparato de computo 18 para cuantificar las componentes de senal capacitiva y faradaica (la etapa 110). Las componentes de senal capacitiva, los cuales solo han sido computados mediante el proceso de analisis de espectro 22 y el proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24, se comparan con los datos de calibracion almacenados en la fuente de datos A 26 para determinar el grado de suciedad de electrodo (la etapa 215). Se compara la componente de senal faradaica con los datos de calibracion procedentes de la fuente de datos B 30, para estimar la concentracion de analito en la muestra (la etapa 225). Esta estimacion del analito aun no ha sido corregida con respecto a los errores que puedan resultar de las variaciones en el grado de suciedad de electrodo. Las ecuaciones de correccion procedentes de la fuente de datos B 30, se usan con los valoraciones de analito iniciales en un proceso de correccion 40, que ajusta la concentracion estimada del analito para explicar los cambios en el grado de suciedad de electrodo (la etapa 220). La estimacion corregida del analito se emite posteriormente 32 en una forma utilizable, siendo presentada visualmente por ejemplo al usuario en una pantalla LCD (la etapa 210).

En el presente ejemplo, la forma de onda de estfmulo se usa en primer lugar para recopilar los datos de calibracion de las muestras que contienen diferentes concentraciones de analito y con diferentes factores ambientales para formar ecuaciones de correccion. Esta misma forma de onda se aplica a la muestra que contiene concentraciones no conocidas del analito y factores ambientales no conocidos. En el presente ejemplo, se identifica el ferrocianuro como el analito deseado (u objetivo) y se identifica el area efectiva de electrodo y el grado de suciedad de electrodo como factores ambientales ilustrativos.

La forma de onda de estimulo puede ser un potencial de CC con una onda sinusoidal de CA de pequena amplitud de frecuencia superior superpuesta. La expresion "onda sinusoidal de pequena amplitud de alta frecuencia" tal como se usa en el presente documento, denota una forma de onda sinusoidal (normalmente por debajo de 50 mV de amplitud de pico a pico y normalmente por encima de 100 Hz) que generara una respuesta de senal de la muestra que puede

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

ser aproximada mediante una relacion lineal con el potencial aplicado. Un formato de forma de onda a modo de ejemplo se muestra en la figura 11. Se aplica un potencial de cC al electrodo y un voltaje sinusoidal de CA 510 se superpone en este potencial de CC. La amplitud de este voltaje de CA 510, no necesita mantenerse por debajo de 50 mV y puede ser cualquier valor que de origen a una senal utilizable. La frecuencia del potencial de CA 510, puede ser ajustada segun sea necesario para generar las caractensticas capacitivas del sistema electroqmmico, y se puede ajustar el rango segun sea necesario para el sistema en consideracion y no limitar el alcance de la presente invencion de forma alguna. Posteriormente el voltaje de CA 510 puede ser escalonado a traves de un rango de frecuencias, para sondear las caractensticas espectrales del sistema electroqmmico a traves de un rango espectral. Un experto en la materia podra reconocer la posibilidad de usar otras formas de onda que puedan extraer propiedades capacitivas del sistema electroqmmico incluyendo el uso de diferentes frecuencias de estfmulos y diferentes conformaciones de formas de onda.

La aplicacion de potenciales de CC y de CA puede dar como resultado la generacion de una corriente de CC y de CA, en donde la corriente de CA puede estar compuesta por la misma frecuencia que el potencial de CA de estimulo. Si el sistema electroqmmico es lineal, entonces la corriente de CA resultante contendra unicamente la misma componente de frecuencia que el potencial de CA de estimulo. No obstante, si el sistema electroqmmico no es completamente lineal, entonces puede haber otras componentes de frecuencia en la senal de corriente de CA.

A la frecuencia de estfmulo, la representacion de fase del voltaje y las senales de corriente puede ser determinada mediante:

v=vr+;v;.

—► —*■

donde V e / son vectores, denominados fasores, que representan la informacion de magnitud y angulo de fase del voltaje de CA y las senales de corriente de CA, respectivamente, a una frecuencia de interes en particular. Los fasores representan esta informacion en forma de numero complejo en donde los subrndices r e i representan las componentes reales e imaginarias, respectivamente. Ademas, la magnitud y angulo de fase de los fasores puede ser determinada mediante:

r

ZV = arctan

v

imagen1

ZI = arctan —

M=VW2+(v,)2

imagen2

La comprension con el uso de fasores es que la informacion se refiere a una frecuencia de interes en particular. El analisis de fasores de las senales sinusoidales es un metodo bien conocido, tal como se explica en la publicacion de B. P. Lathi, "Linear Systems and Signals", Berkeley-Cambridge Press, Carmichael, CA 1992. Un ejemplo del uso de las senales de onda sinusoidal de CA ilustra el uso de sondear el sistema electroqmmico en un rango de frecuencias. De acuerdo con una realizacion, un metodo a modo de ejemplo del escalonamiento a traves de un rango de frecuencias, puede incluir las siguientes etapas:

1. Empezar la oscilacion del voltaje a una frecuencia en particular;

2. Registrar la senal de corriente resultante cuando se estabilicen las lecturas;

3. Cambiar la frecuencia de oscilacion a un nuevo valor; y

4. Repetir las etapas del 2 al 4 segun sea necesario, para cubrir el rango de interes.

Un ejemplo de escalonamiento a traves de un rango de frecuencias, incluye empezar la oscilacion a una frecuencia en particular y posteriormente incrementar de forma logantmica la frecuencia. No obstante, un experto en la materia reconocera la posibilidad de empezar a una frecuencia superior y disminuir la frecuencia a traves del rango deseado o la posibilidad de escalonar a traves de las frecuencias en un modo lineal en lugar de en un modo logantmico.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

El proceso de analisis de espectro 22, puede computar la informacion de fasores necesaria para las senales de voltaje y corriente de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. En un ejemplo, se aplica cada frecuencia de estimulacion a los transductores en las etapas, por lo que un metodo de analisis de espectro posible es computar la informacion de fasores de cada frecuencia de estimulo subsiguiente a la medicion en dicha frecuencia. Otro ejemplo de un posible metodo es almacenar primero todos los datos de senal medida y aplicada y posteriormente llevar a cabo todo el computo en una etapa al final de las etapas de adquisicion de datos. Otro ejemplo de un posible metodo es en el caso de un sistema electroqmmico lineal, todas las frecuencias de interes pueden ser superpuestas de forma simultanea en la forma del estfmulo de voltaje; posteriormente se puede esperar que la senal de corriente resultante contenga respuestas en todas las frecuencias de estimulacion. Si fuera el caso de un sistema lineal, entonces la realizacion de un analisis FT en toda la senal una sola vez, podna revelar la informacion de fasores de cada frecuencia de interes de forma simultanea. Un experto en la materia reconocera la posibilidad de ejecutar el proceso de analisis de espectro 22 en muchos diferentes modos. Por ejemplo, puede ser posible realizar el analisis de espectro midiendo la correlacion entre la senal medida y un conjunto de ondas sinusoidales de referencia de diferentes frecuencias y en diferentes desplazamientos de fase.

La informacion de fasores de las senales CA de corriente y voltaje pueden ser usadas posteriormente por el proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24. Un metodo para cuantificar las propiedades capacitivas incluye, pero no se limita a, computar el valor de inmitancia del sistema electroquimico. La inmitancia puede ser computada en terminos de impedancia, determinada mediante Z, o la admitancia, determinada mediante Y. En un ejemplo, se calcula la admitancia como se indica a continuacion:

imagen3

imagen4

imagen5

donde todos los valores se toman como proporcionados a una frecuencia en particular.

Se pueden usar los valores de admitancia para el computo de propiedades capacitivas. Un condensador ideal tal como se considera tradicionalmente en un analisis de circuito electronico, tendra las siguientes propiedades de admitancia:

Y(co) = jcoC \y(co)\ = coC

ZY(0)) = 90°

donde C es la capacidad, la cual describe la capacidad del sistema para almacenar la carga, es el numero imaginario v=i. y w es la frecuencia del estfmulo sinusoidal, determinado mediante w = 2nf en donde f es la frecuencia en hercios.

Un sistema electroquimico tambien puede ser una componente capacitiva a pesar de que las propiedades pueden no seguir las de un condensador electronico ideal. Esta propiedad capacitiva puede surgir de diversas consideraciones, incluyendo pero sin limitarse a las siguientes: 1 2 3

1. poner un electrodo en una muestra que contenga especies cargadas que se aproximen a algunas de las propiedades electricas de un condensador electronico ideal;

2. colocar un electrodo en una muestra que contenga ESSs la cual pueda tener momentos dipolares que se aproximen a algunas de las propiedades electricas de un condensador electronico ideal; y

3. variar con el tiempo el potencial o corriente del electrodo para aproximarse a algunas de las propiedades

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

electricas de un condensador electronico ideal, permitiendo que la carga se acumule en la superficie de electrodo y dando lugar de este modo a la acumulacion con el tiempo de las cargas adecuadas cerca de la superficie de electrodo en la muestra.

Los ongenes de las propiedades capacitivas de la interfase electrodo - muestra 38, son bien conocidas, y se describen en la publicacion "Electrochemistry: Principles, Methods, and Applications", primera edicion, Oxford University Press, 1993 de C. M. A. Brett y A. M. O. Brett. En mediciones de frecuencia superior, la senal electroqmmica total puede ser dominada por las componentes capacitivas, por consiguiente, en el presente ejemplo, es el espectro de alta frecuencia lo que se considera para probar las propiedades capacitivas del sistema electroqmmico.

La presente invencion comprende diversos metodos para computar la capacidad del sistema electroqmmico. Un ejemplo, es obtener la senal de corriente que resulta de una forma de onda potencial sinusoidal de frecuencia superior. Los valores de admitancia revelan que las propiedades capacitivas pueden no ser ideales. Las desviaciones del comportamiento ideal del condensador, pueden materializarse en diversas formas incluyendo, pero sin limitarse a, que el angulo de fase de admitancia no este en 90° dentro del rango de frecuencias medidas. No obstante, el espectro de magnitud de admitancia aun puede ser lineal cuando se traza en los ejes logantmico - logantmico, tal como se realiza en una representacion de Bode. Estos son ejemplos de como las propiedades capacitivas de un sistema electroqmmico pueden ser manifestadas en un sistema real y por lo tanto se pretende que sean ejemplos de propositos ilustrativos y no limiten el alcance de la presente invencion.

En el analisis de las propiedades capacitivas de un sistema electroqmmico, puede ser necesario considerar las desviaciones de la capacidad ideal. Un ejemplo de como las variaciones pueden ser atendidas, es considerar la componente de la admitancia que esta a 90° para cada frecuencia de interes. La figura 12 ilustra este concepto. A una frecuencia en particular, el vector que representa la admitancia 50 no es el valor ideal del condensador de 90°. No obstante, la componente real del vector 54 y la componente imaginaria 52 pueden ser usadas para dividir el vector de admitancia 50 en dos vectores. Por consiguiente, al considerar el valor de la componente imaginaria 52 solo, se puede seleccionar la componente capacitiva de la admitancia total. Esto permite la extraccion solo de la componente de senal de corriente que esta desfasada 90° con la senal de voltaje, lo cual puede ser una medida de la naturaleza capacitiva del sistema electroqmmico. En esta forma, se pueden minimizar en el analisis final las caractensticas no ideales del CDAS, las cuales pueden dar lugar a desviaciones del angulo de fase ideal de 90°.

Otro ejemplo para analizar las propiedades capacitivas no ideales de un sistema electroqmmico, es considerar el espectro de magnitud. En el presente ejemplo, el espectro de magnitud en el rango de frecuencia que es dominado por las senales capacitivas, se toma como lineal en una representacion de Bode logantmica - logantmica. Por lo tanto, la naturaleza lineal de la representacion de magnitud puede evidenciar la dominancia de las componentes capacitivas en el sistema electroqmmico con respecto a las componentes no capacitivas. En algunas aplicaciones, la pendiente del espectro de magnitud se puede correlacionar con diferentes propiedades de la TSI y puede usarse para caracterizar el sistema.

Algunos factores a modo de ejemplo que pueden afectar a las propiedades capacitivas del sistema electroqmmico, incluyen:

1. area efectiva de electrodo.

2. componentes que comprende la muestra, incluyendo pero sin limitarse a la cobertura ionica de la muestra, cobertura no ionica de la muestra, presencia de diversas ESSs.

3. viscosidad de la muestra.

4. densidad de la muestra.

5. grado de suciedad de electrodo.

6. membranas que pueden cubrir el electrodo.

7. el voltaje de CC aplicado.

8. el voltaje de CA aplicado.

9. transporte de masa en la muestra incluyendo, conveccion, difusion de las componentes de la muestra, migracion de las componentes de la muestra, caudal de la muestra.

10. temperatura.

11. reacciones que pueden ocurrir en el electrodo.

La medida de la capacidad del sistema electroqmmico puede usarse para sondear las caractensticas del sistema electroqmmico. Un ejemplo de como se puede representar esto, es considerando una ecuacion que define la capacidad de un condensador de placas paralelas.

imagen6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

donde C es la magnitud de la capacidad, A es el area de electrodo, £ es la permitividad (y refleja las propiedades dielectricas del sistema), y d es la distancia entre las placas de un condensador de placas paralelas. En este sistema electroqmmico a modo de ejemplo, se puede considerar que una placa del condensador es la superficie de electrodo y se puede considerar que la otra placa es el plano en la muestra que contenga la capa de cargas espacialmente distribuidas. Esto es una descripcion bien conocida de la TSI, a la que comunmente se hace referencia como "capa doble" y se describe en la publicacion "Electrochemistry: Principles, Methods, and Applications", primera edicion, Oxford University Press, 1993 de C. M. A. Brett y A. M. O. Brett. Un experto en la materia reconocera la posibilidad de tener otras ecuaciones que relacionan la capacidad con las propiedades ffsicas del ajuste electroqmmico. Por ejemplo, puede ser mas apropiada una ecuacion de condensador ciffndrico para un electrodo cableado. Tales relaciones que son necesarias y adecuadas para el sistema en consideracion, pueden ser suministradas por la fuente de datos A 26. Suponiendo que la ecuacion anterior describe la capacidad del sistema electroqmmico en consideracion en el presente ejemplo, es posible igualar la admitancia con la capacidad, tal como se indica a continuacion:

imagen7

Por lo tanto, si la magnitud de la admitancia es conocida a una frecuencia determinada, entonces tres aspectos desconocidos restantes, en concreto, A, £ y d. Al usar una fuente de datos externa A 26, la cual puede contener los valores de dos de estos aspectos no conocidos, entonces el tercero puede ser computado mediante la ecuacion anterior a traves del proceso de cuantificacion de propiedad capacitiva 24. Como ejemplo adicional, los valores de los parametros que describen la capacidad no necesitan ser conocidos de forma expffcita. Mas bien, pueden ser conocidos en conjunto y el cambio en capacidad se debe a que uno de estos parametros puede ser usado como una medida para cuantificar las propiedades capacitivas en el proceso 24. El beneficio de este analisis es que con frecuencia se pueden conocer diversos de estos parametros, pero uno puede cambiar sin conocimiento. Esta caractenstica de la capacidad puede ser explotada para corregir las variaciones en la TSI mediante un proceso de correccion 40.

Estos procedimientos que miden las propiedades capacitivas de un sistema electroqmmico, pueden ser utiles debido al hecho de que la naturaleza inherente de las mediciones conduce propiamente a supervisar principalmente las propiedades ffsicas y materiales de los entornos en los cuales opera el sistema electroqmmico. Estas ayudan a establecer una metrica general para caracterizar los efectos ffsicos y ambientales del sistema electroqmmico y formar las bases para desarrollar el mecanismo de correccion 40, que puede explicar tales fuentes de error y se pueden extender para mediciones mas detalladas de diversos propositos, tal como:

1. diagnosticar el estado y condicion de un electrodo transductor, incluyendo determinar el area efectiva de electrodo.

2. determinar diversas caractensticas del escenario de suciedad de electrodo, incluyendo pero sin limitarse, al espesor de la capa de suciedad, la velocidad de acumulacion del material de ensuciamiento, y las propiedades electricas del material de ensuciamiento.

En la practica, se puede seleccionar una forma de onda de esffmulo a traves de una combinacion de pruebas experimentales y la consideracion teorica del proceso que estan involucradas en el proceso de deteccion. La seleccion de la forma de onda se lleva a cabo con el objeto de lograr ciertas caractensticas de senal unica generadas mediante un analito y los factores ambientales en particular. La componente de CC de la senal medida puede estar compuesta principalmente por componentes de senal faradaica, los cuales son afectados por la concentracion de analito y factores ambientales. Asf mismo, la componente de CA de la senal medida puede estar compuesta principalmente por componentes de senal capacitiva, los cuales es menos probable que se vean afectados por el analito pero responden a los factores ambientales. Por lo tanto, la componente de Ca se puede usar para ganar informacion de forma independiente con respecto a los factores ambientales sin ser influenciado por la concentracion de analito.

Los factores que se deben tener en mente cuando se elige una forma de onda, incluyen pero no se limitan a: el uso de potenciales del electrodo de trabajo mas positivos con respecto al electrodo de referencia generalmente incrementara la velocidad de oxidacion; de forma similar el uso de potenciales mas negativos del electrodo de trabajo con respecto al electrodo de referencia que generalmente incrementaran la velocidad de reduccion; y, cuando la velocidad de cinetica sea mucho mas rapida que la velocidad de transporte del analito, tal como mediante diffusion, el incrementar adicionalmente la velocidad de la cinetica incrementando el potencial en la direccion adecuada (positiva para oxidaciones o negativa para reducciones), puede no incrementar de forma significativa el flujo de corriente faradaica; las ondas sinusoidales de CA de frecuencia superior pueden ser sensibles a propiedades capacitivas no faradaicas que ondas sinusoidales de CA de frecuencia inferior.

Despues de seleccionar la forma de onda, se pueden recopilar los datos de muestras que contengan diferentes concentraciones de objetivo y con diferentes factores ambientales (las etapas 115 y 130). Por ejemplo, en la diferenciacion y determinacion de la influencia del area efectiva de electrodo y concentracion de analito, se podnan

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

realizar cinco mediciones repetidas usando la forma de onda seleccionada de cada una de las siguientes concentraciones de ferrocianuro: 0 mM, 1 mM, 2 mM, 3 mM, 5 mM, 10 mM, 15 mM, 20 mM usando electrodos de cada una de las siguientes areas efectivas: 0,1 mm , 0,2 mm , 0,3 mm , 0,5 mm , 0,7 mm , 10 mm . En otro ejemplo, en la diferenciacion y determinacion de la influencia del grado de suciedad de electrodo y concentracion de analito, se podnan realizar cinco mediciones repetidas usando la forma de onda seleccionada de cada una de las siguientes concentraciones de ferrocianuro: 0 mM, 1 mM, 2mM, 3 mM, 5 mM, 10 mM, 15 mM, 20 mM usando electrodos que hayan sido recubiertos con material de ensuciamiento de cada uno de los siguientes espesores: 10 pm, 20 pm, 30 pm, 50 pm, 70 pm, 100 pm, 150 pm, 200 pm, 300 pm, 500 pm. Los ejemplos de materiales que podnan usarse para emular diferentes tipos de suciedad, incluyen polfmeros tales como acetato de celulosa y politiramina, o protemas tales como albumina de suero bovino.

Ejemplo 1:

A continuacion se describe un ejemplo que usa el metodo de las figuras 5 y 6 y el sistema tal como se lleva a cabo mediante, por ejemplo, el sistema de la figura 7, en terminos de analisis de concentracion de una muestra que contiene el ferrocianuro del analito y un area efectiva de electrodo variable. La reaccion faradaica que se detecta mediante un potencial de CC se determina mediante:

FERROCIANURO ^ FERRICIANURO + e-

lo cual es una reaccion de oxidacion. La celula electroqmmica puede ser una configuracion de 3 electrodos convencional con un electrodo de trabajo de paladio, un contraelectrodo de platino y un electrodo de referencia de Ag/AgCI. El electrodo de trabajo se puede mantener en un potencial de CC de -400 mV con respecto al electrodo de referencia. La figura 2 muestra la corriente de CC de dos muestras, una que contiene 10 mM de FERRO y la otra que contiene 20 mM de FERRO, para mediciones realizadas con diferentes areas efectivas de electrodo.

La figura 2 muestra los puntos de datos 450 que se midieron aplicando un potencial de CC de -400 mV a una muestra que contiene 20 mM de ferrocianuro. Las mediciones 450 fueron realizadas con unos electrodos de diferentes areas efectivas, y los datos se trazan en la figura 2. El eje X muestra el area efectiva de electrodo del electrodo que se uso para realizar las mediciones y el eje Y muestra el valor de la corriente de CC que se midio. Usando los mismos electrodos, posteriormente se realizaron mediciones en muestras que contienen 10 mM de ferrocianuro y se muestran como los puntos de datos 455. Esta figura ilustra el problema de medir senales amperometricas usando un potencial de CC. La senal medida se ve afectada tanto por la concentracion para el analisis como por el area efectiva de electrodo. Una ecuacion que se puede usar para describir esta relacion, es:

/ = a Ae [FERRO]

donde a es una constante de proporcionalidad, Ae es el area efectiva de electrodo y [FERRO] es la concentracion de ferrocianuro en la muestra. Un experto en la materia podra reconocer la posibilidad de que puedan existir otras relaciones, y estas relaciones podnan ser determinadas mediante una combinacion de investigacion teorica y experimental. La figura 10 ilustra esta relacion para dos valores de Ae. Los puntos de datos 500 son las mediciones de corriente de CC realizadas con un electrodo de Ae = 0,8925 mm2. La ecuacion de la curva de calibracion para esta Ae es:

I = 109,21 [FERRO]

Los puntos de datos 505 son las mediciones de corriente de CC realizadas con un electrodo de Ae = 1,575 mm2. La ecuacion de la curva de calibracion de esta Ae es:

I = 171,13 [FERRO]

Por lo tanto, si las mediciones se realizan con un electrodo bajo la suposicion de que Ae = 1,575 mm2, la concentracion de ferrocianuro se podna estimar con la ecuacion:

[FERRO] = I/171,13

donde I es la corriente de CC medida en nA y la [FERRO] es la concentracion de ferrocianuro estimada en mM.

No obstante, si el area efectiva de electrodo es inadvertidamente no igual a 1,575 mm2, entonces podna ser incorrecta la estimacion de ferrocianuro calculada. Por ejemplo, si Ae fuera realmente de 0,8925 mm2, entonces una muestra que contiene 20 mM de ferrocianuro podna producir una senal de corriente medida de 2188 nA, tal como se muestra en la figura 10 a traves de los puntos de datos 500. Los ejemplos de como puede ocurrir dicho cambio en Ae incluyen errores en la fabricacion o contacto parcial de la muestra con el electrodo. Al usar la suposicion de que Ae es 1,575 mm2, la concentracion de ferrocianuro estimada podna ser calculada mediante la ecuacion de calibracion:

[FERRO] = 2188/171,13 = 12,3 mM

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Esto ilustra el tipo de error en la estimacion de la concentracion de analito que puede ocurrir si el area efectiva de electrodo se alterara de forma inadvertida. No obstante, al tener la capacidad de obtener una medida del area efectiva de electrodo, se puede permitir a correccion de la estimacion del analito para tales cambios en el sistema de medicion.

Para sondear el area efectiva de electrodo, en el presente ejemplo se sobrepuso una onda sinusoidal de 1000 Hz de 40 mV de amplitud de pico a pico en el potencial de polarizacion negativa de CC de -400 mV (la etapa 100) tal como se muestra en la curva 510 de la figura 11. Esta forma de onda se aplico posteriormente al sistema de electrodos (la etapa 105). La Transformada de Fourier de la senal de corriente resultante se tomo para seleccionar la componente sinusoidal de CA de 1000 Hz (la etapa 110), debido a que se espera que las propiedades capacitivas del sistema sean reflejadas en componentes de alta frecuencia de la senal. En el presente ejemplo, debido a que la amplitud del potencial de ondas sinusoidal de CA se mantiene constante en 40 mV de pico a pico, es suficiente usar solamente los valores de corriente de CA en el calculo de las propiedades capacitivas en lugar de computar los valores de admitancia, tal como se define mediante la relacion matematica entre la admitancia CA, corriente de CA y potencial de CA descritos anteriormente.

La figura 13 muestra los datos de senal capacitiva representados por la componente imaginaria de la senal de corriente de CA de 1000 Hz recopilados con unos electrodos de diferentes areas efectivas en una muestra de ferrocianuro 10 mM (los puntos de datos de color negro 515) y una muestra de 20 mM de ferrocianuro (los puntos de datos de color blanco 520). Queda claro a partir de estos datos que existe una relacion lineal entre la componente de senal capacitiva y el area efectiva de electrodo y que ademas, los datos de senal capacitiva no son influenciados de forma significativa por la concentracion de ferrocianuro en la muestra.

Una ecuacion que relaciona la corriente de CA imaginaria con el area efectiva de electrodos (la etapa 120) que depende de la concentracion de analito es:

Ii, CA = (818,26) (Ae, real) -14,33

donde Ii, ca es la componente imaginaria de la corriente de CA a 1000 Hz, Ae, real es el area real efectiva de electrodo.

Una ecuacion que se puede usar para describir la corriente de CC faradaica medida del electrodo (If), que se usara en la construccion de curvas de calibracion para estimar la concentracion de ferrocianuro en una muestra, es:

If = a Ae, esperado [FERRO]

imagen8

donde Ae, esperado es el valor del area efectiva de electrodo que se espera que tenga el electrodo. Esto se debe a que cuando las curvas de calibracion se construyeron usando un sistema de electrodos (la etapa 120) basandose en los datos de senal faradaica para relacionar la senal faradaica medida con la concentracion de ferrocianuro, se uso un electrodo de area efectiva Ae, esperado- Si se mide una muestra no conocida con un electrodo de Ae, esperado y estas curvas de calibracion se usan para estimar la concentracion de ferrocianuro en la muestra (la etapa 225), entonces se puede esperar que la concentracion de ferrocianuro valorada sea representativa de una concentracion real en la muestra. No obstante, si se mide la muestra desconocida con un electrodo de area efectiva que no es igual a Ae, esperado, entonces probablemente resultara una estimada erronea de ferrocianuro.

Por lo tanto, una ecuacion de correccion (la etapa 125) que se puede usar para ajustar la concentracion de ferrocianuro estimada (la etapa 205) para variaciones en el area efectiva de electrodo es:

[FEKK0I, = [FERRO\c =

imagen9

imagen10

imagen11

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

donde Ae, real se computa tal como se describio anteriormente. [FERRO]c es la concentracion de ferrocianuro corregida para la variacion en el area efectiva de electrodo y [FERRO]u es la concentracion de ferrocianuro no corregida.

Continuando con el objeto ilustrativo, si las pruebas de calibracion para estimar la concentracion de ferrocianuro fueron construidas con un area esperada del electrodo Ae, esperado = 1 575 mm2, y las mediciones se realizaron en una muestra que contiene 20 mM de ferrocianuro usando un electrodo con Ae, real = 0,8925 mm2, podna resultar una estimacion erronea de la concentracion de ferrocianuro, tal como se describio anteriormente, proporcionando [FERRO] = 2188/171,13 = 12,3 mM. No obstante, al usar los datos de senal capacitiva representados por la componente imaginaria de la corriente sinusoidal de CA de 1000 Hz, la concentracion estimada de ferrocianuro puede ser corregida para la variacion en area efectiva de electrodo. Tal como se muestra en la figura 3 y a traves del punto de datos 515, una muestra que contiene 20 mM de ferrocianuro medida mediante un electrodo con Ae, real = 0,8925 mm2 produce Ie, ca = 680 nA. Por lo tanto,

imagen12

produciendo de este modo una estimacion corregida de ferrocianuro de 22,8 mM en comparacion con una estimacion no corregida de 12,3 mM de ferrocianuro, lo que representa una reduccion de error de casi tres veces.

Esto ilustra una realizacion a modo de ejemplo que usa la informacion de senal capacitiva para corregir los errores en medicion que surgen de las variaciones en el area efectiva de electrodo. A pesar de que el presente ejemplo se ilustro con una frecuencia de onda sinusoidal, se pueden realizar las mejoras a este metodo usando informacion procedente de multiples frecuencias de estimulo sinusoidal, cubriendo un rango de frecuencias para construir un conjunto de ecuaciones de correccion que seran usadas. Otro ejemplo de una mejora es construir curvas de calibracion con una matriz de datos mas grande. Las figuras 10 y 13 ilustran datos de calibracion de muestras que contienen dos concentraciones diferentes de ferrocianuro; no obstante, los datos de calibracion pueden ser adquiridos de muestras compuestas por una mayor seleccion de concentraciones diferentes de ferrocianuro para crear un conjunto de curvas de calibracion mas refinado. De forma similar, los datos pueden ser adquiridos de electrodos con areas efectivas mucho mas diferentes para crear un conjunto de curvas de calibracion mas refinado.

Ejemplo 2:

A continuacion se describe un ejemplo usando el metodo de las figuras 5 y 6 y el sistema tal como se lleva a cabo, por ejemplo, por el sistema de la figura 7, en terminos del analisis de la concentracion de una muestra que contiene el ferrocianuro del analito y el grado variable de suciedad de electrodo. Como en el ejemplo 1, la reaccion faradaica que se detecta es la oxidacion de ferrocianuro a ferricianuro, y se usa un sistema electroqmmico de 3-electrodos equivalentes en donde el electrodo de trabajo es un electrodo de platino de 3,14 mm2. En el presente ejemplo, el area efectiva de electrodo se puede mantener constante y se vana el grado de suciedad de electrodo para ilustrar el efecto de suciedad en la senal medida y la concentracion de ferrocianuro estimada. Se describe un metodo para usar la informacion de senal capacitiva para corregir errores en la estimacion de ferrocianuro que puedan surgir debido a la suciedad de electrodo.

El electrodo de trabajo fue ensuciado con un recubrimiento de toda el area de electrodo con una membrana de acetato de celulosa ("CA"). Se vario en dos casos el grado de suciedad de electrodo. En un caso, se disolvio CA en acetona en la proporcion de 10 mg de acetato de celulosa por 1 ml de acetona. Se recubrio en forma de gotas un pl de esta solucion sobre el electrodo de trabajo para cubrir de este modo toda la superficie de platino. Se dejo secar la solucion, formandose un recubrimiento de acetato de celulosa, proporcionando un total de aproximadamente 10 pg de CA. En un segundo caso, se disolvio el CA en acetona en la proporcion de 3,33 mg de CA por 1 ml de acetona. Se cubrio en forma de gotas un pl de esta solucion sobre el electrodo de trabajo, para cubrir de este modo toda la superficie de platino. Se dejo secar la solucion, formandose un recubrimiento de CA que contema aproximadamente 1/3 de la cantidad de acetato de celulosa, aproximadamente 3,33 pg de CA. Por lo tanto, en el presente ejemplo, se vario la cantidad de CA para emular diferentes grados de suciedad de electrodo; esperandose poder simular un mayor grado de suciedad de electrodo mediante el recubrimiento del electrodo con una mayor cantidad de acetato de celulosa.

La figura 3 muestra curvas de calibracion que fueron construidas aplicando un potencial de CC de -400 mV a una muestra que contiene diferentes concentraciones de ferrocianuro usando un electrodo sin suciedad (los puntos de datos 470), 3,33 pg de CA de suciedad (los puntos de datos 480) y 10 pg de CA de suciedad (los puntos de datos 490). Se puede apreciar que la senal de corriente de CC medida, la cual es denominada por la componente de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

corriente faradaica procedente de la oxidacion de ferrocianuro, depende de la concentracion de ferrocianuro y el grado de suciedad de electrodo. Una ecuacion de la curva de calibracion que puede usarse para describir esta relacion es:

Icc = a Efi Ae [FERRO] + p Ea

donde a y p son constantes, Ae es el area efectiva de electrodo, Efi es una medida de como el grado de suciedad de electrodo afecta a la pendiente de la curva de calibracion, Ef2es una medida de como el grado de suciedad de electrodo afecta a la ordenada en el origen de la curva de calibracion, lcc es la corriente de CC medida y [FERRO] es la concentracion de ferrocianuro en la muestra. Un experto en la materia podra reconocer la posibilidad de que existan otras relaciones, y estas relaciones podnan ser determinadas mediante una combinacion de investigacion teorica y experimental.

En el ejemplo sin suciedad (los puntos de datos 470) una ecuacion que describe la curva de calibracion puede ser determinada como:

Icc = 0,8757 [FERRO] + 1,6 Ae = 3,14 mm2 a Ef = 0,279 ^Amm'2 mM

En el ejemplo de 3,33 |jg de CA de suciedad (los puntos de datos 480), una ecuacion que describe la curva de calibracion puede ser determinada como:

Icc = 0,664 [FERRO] + 0,1717 Ae = 3,14 mm2 a Ef =0,211 ijAmm-2 mM

En el ejemplo de 10 jg de CA de suciedad (los puntos de datos 490), una ecuacion que describe la curva de calibracion puede ser determinada como:

lcc = 0,1729 [FERRO] + 0,2703 Ae = 3,14 mm2 a Ef = 0,055 ^Amm-2 mM

Se puede apreciar que el grado de suciedad afecta tanto a la pendiente como a la ordenada en el origen de las curvas de calibracion. La figura 15 es un ejemplo de como se puede expresar la relacion entre el grado de suciedad de electrodo y los parametros de la curva de calibracion lineal, lo cual en el presente ejemplo son la pendiente y la ordenada en el origen. Los puntos de datos 540 representan el valor de la pendiente de la curva de calibracion que relaciona [FERRO] con Icc para diferentes grados de suciedad de electrodo, determinado por la cantidad a Efi Ae; puntos de datos 545 representan el valor de la ordenada en el origen de la prueba de calibracion que relaciona [FERRO] con I cc para diferentes grados de suciedad de electrodo, determinado mediante la cantidad p Ef2. Un ejemplo de un conjunto de ecuaciones para describir esta relacion es:

Icc = a Efi Ae [FERRO] + p Ea

a Efi Ae = 0,0708 (Mca) + 0,8853 p Ef2 = 0,0444 (Mca)2 - 0,5767 (Mca) + 1,6

donde Mca es la masa de CA usada para ensuciar el electrodo en microgramos. Un experto en la materia reconocera que se pueden usar otras ecuaciones y relaciones dependiendo de la naturaleza de los datos.

La figura 14 ilustra adicionalmente la relacion entre la corriente medida, concentracion de ferrocianuro y el grado de suciedad de electrodo de tres diferentes concentraciones de ferrocianuro usando electrodos con tres diferentes grados de suciedad. Los puntos de datos 525 son de muestras que contienen 5 mM de ferrocianuro, los puntos de datos 530 son de muestras que contienen 3 mM de ferrocianuro, y los puntos de datos 535 son de muestras que contienen 2 mM de ferrocianuro. Los datos son trazados en la figura 14 con el eje-Y representando el redproco de la corriente de CC medida. En el presente ejemplo, dicha representacion permite una relacion lineal aproximada que sera observada entre la cantidad de CA usada para ensuciar el electrodo y la corriente de CC medida. Un experto en la materia reconocera que pueden existir otras relaciones, dependiendo de la naturaleza del sistema electroqmmico

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

y la naturaleza de suciedad. En los datos a modo de ejemplo ilustrados en la figura 14, la relacion entre la corriente de CC y el grado de suciedad puede determinate como:

imagen13

para muestras con 2 mM de ferrocianuro;

imagen14

—-0rl033Mol +0.1871

para muestras con 3 mM de ferrocianuro;

imagen15

— = 0.067+ 0.1279

fcc

para muestras con 5 mM de ferrocianuro;

0,067Mca +0,1279

donde Icc es la corriente de CC en microamperios y Mca es la masa de CA usada para ensuciar el electrodo en microgramos.

Por lo tanto, si las mediciones se usaron con la suposicion de que no existe suciedad en el electrodo, entonces se puede usar la curva de calibracion que representa este caso. No obstante, si el electrodo se ensucia hasta un grado no conocido, entonces se puede computar una valoracion de ferrocianuro incorrecta. Por ejemplo, si el electrodo fue ensuciado con 3,33 |jg de CA y se realizaron mediciones en una muestra que contiene 5 mM de ferrocianuro, entonces de acuerdo con la figura 14, Icc = 3,4 jA. Debido a que en el presente ejemplo, el grado de suciedad de electrodo no es conocido o cuantificado, la curva de calibracion que se usa para estimar la concentracion de ferrocianuro es la que se construye con los datos procedentes de un electrodo no ensuciado, tal como se describio anteriormente. Al usar esta curva de calibracion, se obtiene la siguiente estimacion imprecisa de la concentracion de ferrocianuro:

/cc = 0,8757 [FERRO] + 1,6

[FERRO] = Icc _1 6 = 3,4-1 6 = 2,1 mM 0,8757 0,8757

Por lo tanto, se necesita un metodo para cuantificar el grado de suciedad de electrodo de tal modo que los parametros de la curva de calibracion de la pendiente y la ordenada en el origen puedan ser alterados para estimar de forma mas precisa la concentracion de ferrocianuro en la muestra. Para sondear el grado de suciedad de electrodo, se sobrepuso una onda sinusoidal de 1000 Hz de 40 mV de amplitud de pico a pico sobre el potencial de polarizacion negativa de CC de -400 mV (la etapa 100), tal como se muestra en la curva 510 de la figura 11. Posteriormente esta forma de ondas se aplico al sistema de electrodos (la etapa 105). En el presente ejemplo, debido a que se espera que las propiedades capacitivas del sistema sean la componente dominante en la parte de alta frecuencia de la senal, la amplitud de pico a pico de la senal de corriente de CA fue computada (la etapa 110) tomando la diferencia entre el pico de la corriente de onda sinusoidal y el valle de la corriente de onda sinusoidal del ultimo ciclo medido completo.

La figura 16 muestra los datos de senal capacitiva representados por la amplitud de pico a pico de la senal CA de 1000 Hz recopilada de muestras con diferentes concentraciones de ferrocianuro usando electrodos sin suciedad (los

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

puntos de datos 550), 3,33 |jg de CA usados para ensuciar el electrodo (los puntos de datos 555) y 10 |jg de CA usados para ensuciar el electrodo (los puntos de datos 560). Queda claro a partir de estos datos, que la amplitud de corriente de CA se ve afectada principalmente por el grado de suciedad y se ve afectada mmimamente por la concentracion de ferrocianuro. Por lo tanto, se calculo el valor promedio de la corriente de CA para cada conjunto de mediciones realizadas con un grado fijo de suciedad de electrodos. La figura 17 muestra que en el presente ejemplo, existe una senal entre esta amplitud de corriente de CA promedio (los puntos de datos 565) y el grado de suciedad de electrodo. Una ecuacion de calibracion para describir la relacion entre el grado de suciedad de electrodo y la corriente de CA, se determina mediante:

Ica = (-8.0598) (Mca) + 119,05

donde Ica es la amplitud de pico a pico de la componente sinusoidal de 1000 Hz y Mca es la masa de CA usada para ensuciar el electrodo.

Las mediciones de CA pueden ser insensibles e independientes de la concentracion de analito en el presente ejemplo. Por lo tanto, se puede usar el valor de corriente de CA para estimar el grado de suciedad de electrodo. Una vez que se ha estimado el grado de suciedad de electrodo, se puede realizar una correccion para la curva de calibracion de concentracion que da como resultado una estimada mas precisa de la concentracion de ferrocianuro.

Continuando con el ejemplo de medir una muestra que contiene 5 mM de ferrocianuro con un electrodo que ha sido ensuciado con 3,33 jg de CA, de acuerdo con la figura 16, se podra registrar una corriente de CA de 96,8 jA. Al usar la curva de calibracion que relaciona la corriente de CA con la masa de CA, se obtiene la siguiente estimada de masa de CA:

Ica = (-8.0598) (Mca) + 119,05

„ 4,-119,05 96,8-119,05

-—......................... =2,76 pg

-8,0598

-8.0598

Usando esta masa estimada de CA como una medida de suciedad de electrodo, se pueden determinar los factores de correccion para la pendiente y la ordenada en el origen de la curva de calibracion usando las ecuaciones descritas anteriormente:

aEfi Ae = - 0,0708 (Mca) + 0,8853 = - 0,0708 (2,76) + 0,8853 = 0,690 pEf2 = 0,0444 (Mca)2 - 0,5767 (Mca) + 1,6 = 0,0444 (2,76)2 - 0,5767 (2,76) + 1,6 = 0,346

Icc = a Efi Ae [FERRO] + p Ef2

imagen16

donde [FERRO]c es la estimada de ferrocianuro en la muestra que ha sido corregida con respecto al grado de suciedad de electrodo. La estimada corregida de ferrocianuro es por lo tanto 4,4 mM; cuando se compara con la estimada no corregida de 2,1 mM, el metodo de correccion representa una reduccion de error de casi 5 veces.

Esto ilustra una realizacion a modo de ejemplo que usa informacion de senal capacitiva para corregir los errores de medicion que surgen de las variaciones del grado de suciedad de electrodo. A pesar de que el presente ejemplo fue ilustrado con una frecuencia de ondas sinusoidal, se pueden realizar mejoras a este metodo usando la informacion procedente de multiples frecuencias de estimulo sinusoidal, cubriendo un rango de frecuencias para construir un conjunto de ecuaciones de correccion que seran usados. Otro ejemplo de una mejora es construir curvas de calibracion con una matriz de datos mas grandes. Las figuras 14, 15, 16 y 17 ilustran datos de calibracion de electrodos con tres grados de suciedad; no obstante, se pueden adquirir datos de calibracion de electrodos con una mayor seleccion de diferentes grados de suciedad para crear un conjunto de curvas de calibracion mas refinado. De forma similar, los datos pueden ser adquiridos de muestras que contienen concentraciones de ferrocianuro mucho mas diferentes para crear un conjunto de curvas de calibracion mas refinado. Otro ejemplo de una mejora es usar la parte imaginaria de la senal de la corriente de CA, debido a que se espera que la parte imaginaria de la senal CA refleje las propiedades capacitivas del sistema electroqmmico.

Ejemplo 3:

Otro ejemplo de un beneficio util de las mediciones de capacidad es detectar cuando cambia la muestra. Puede haber situaciones en un almacenamiento de deposito de combustible, en donde el material externo se filtre en estos

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

depositos, tal como se muestra en la figura 19. Por ejemplo, es comun que el agua se filtre en un deposito de combustible que contiene productos de gasolina. En algunas situaciones, el agua y la gasolina son inmiscibles y cada lfquido se separa en capas dentro del deposito. Esto se muestra en la figura a traves de una capa de gasolina 56 con una capa de agua 58 en la parte superior. Tambien puede haber una capa de espacio de aire 60 por encima. Si se alinea una disposicion de electrodos 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 a lo largo del lado del deposito, entonces puede ser posible resolver espacialmente la distribucion de las capas de agua dentro de las capas de gasolina. Una forma en la cual se puede representar esto, es midiendo la capacidad de cada sistema de electrodos 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 a traves de la medicion del CDAS. En un ejemplo, esto se puede lograr aplicando ondas sinusoidales de alta frecuencia de pequena amplitud al sistema de electrodos y medir la corriente resultante. La componente de corriente de CA contendra informacion capacitiva con respecto al sistema electroqmmico. Haciendo referencia a los datos externos 30 que contienen los perfiles de CDAS para una muestra de gasolina y una muestra de agua, entonces el proceso de computo de cantidad obtenida 28 puede determinar que conjunto de electrodos estuvo en contacto con las muestras de agua 72 y 70, y que electrodos estuvieron en contacto con las muestras de gasolina 62, 64, 66, 68 y que electrodos no estuvieron en contacto con ninguna 74. Posteriormente esto puede permitir resolver espacialmente la cantidad de filtracion de agua en un deposito de almacenamiento de gasolina. En el presente ejemplo, se puede estimar que aproximadamente una parte de agua por dos partes de gasolina en volumen estan en el deposito debido a que dos sensores 72 y 70 estan en contacto con el agua 58, y cuatro sensores 62, 64, 66, 68 estan en contacto con la gasolina 56.

Un experto en la materia reconocera la posibilidad de usar otras fuentes de datos en el computo de valores de propiedades relacionadas con la capacidad de un sistema electroqmmico. Un ejemplo incluye generar una base de datos de valores de capacidad de diferentes configuraciones de electrodos y configuraciones de muestras. Por ejemplo, puede ser posible desarrollar un conjunto de espectros de admitancia para:

1. diferentes fuerzas ionicas del electrolito de soporte en una muestra determinada;

2. dos espesores diferentes de una membrana o parte de una membrana en particular que cubre un electrodo;

3. diferentes espesores de material que pueden ensuciar un electrodo;

4. diferentes muestras;

5. diferente geometna de los electrodos.

Un experto en la materia tambien reconocera la posibilidad de usar otros parametros de senal para obtener informacion capacitiva con respecto al sistema electroqmmico. Un ejemplo incluye la velocidad inicial de disminucion de una senal medida en respuesta a un potencial. Otro ejemplo es la cantidad de histeresis que se observa cuando se usa la tecnica electroqmmica de voltametna dclica.

La figura 18 muestra una realizacion ilustrativa de un medidor de glucosa, que puede usarse para implementar los diversos metodos descritos anteriormente. El medidor incluye un conector de tira de pruebas 600 para conectar la tira de prueba al medidor. La tira de prueba puede incluir, por ejemplo, tres electrodos (de trabajo, de referencia y contraelectrodo).

Se acopla el conjunto de circuitos de acondicionamiento de senal 602 al conector de tira de prueba 600, y se lleva a cabo la filtracion de la onda aplicada a los electrodos en la tira de prueba. El conjunto de circuitos de acondicionamiento de senal 604 realiza la filtracion de la senal de corriente resultante procedente de la tira de prueba, y registra la senal de corriente. Los conjuntos de circuitos 602 y 604 comprenden juntos, lo que se conoce como un circuito de potenciostato. El DAC 606 convierte las senales digitales del controlador 610 a senales analogicas. El ADC 608 convierte las senales analogicas en formato digital para ser usado por el controlador 610. El controlador 610 procesa senales en el medidor, por ejemplo, procesando las senales de corriente detectadas por el conector de tira de prueba de la forma que se ensena en las realizaciones ilustrativas anteriores de las figuras 5 y 6.

Los botones 612 proporcionan una interfaz de usuario para que el usuario opere el medidor. El circuito de potencia 614 proporciona potencia al medidor, normalmente en forma de batenas, y la pantalla LCD 616 presenta visualmente la concentracion de glucosa para el usuario.

Se debe observar que el medidor de la figura 18 y los sistemas y metodos de procesamiento de senal que se ensenan en el presente documento en las figuras 5 a 7, pueden ser usados para detectar analitos diferentes de la glucosa. Tales aplicaciones incluyen: deteccion de inmunoensayo electroqmmico, deteccion de gas industrial, supervision de calidad de agua (metales biologicos o toxicos) deteccion de agentes belicos qmmicos y biologicos.

Las tecnicas del procesamiento de senal que se ensenan en el presente documento, tambien pueden ser aplicadas a aparatos de deteccion existentes, tal como aparatos de prueba de glucosa existentes. Esta modificacion puede estar en forma de actualizacion de soporte logico inalterable para controladores existentes.

5

10

15

20

25

30

La funcion de la actualizacion del soporte logico inalterable es implementar las siguientes tecnicas del procesamiento de senal que se ensenan en el presente documento:

1) Aplicar a la muestra una forma de onda personalizada. Los datos que codifican la muestra de la forma de onda pueden residir en la memoria, seran ^dos por el microprocesador y la forma de onda deseada puede ser generada y aplicada a un convertidor de digital a analogico, por ejemplo, el dAc 606 de la figura 18.

2) Introducir por lectura la senal de corriente resultante. El soporte logico inalterable puede indicar al microprocesador que introduzca por lectura los datos digitalizados del convertidor de analogico a digital (detectados de los electrodos de la tira de prueba) por ejemplo el ADC 608 de la figura 18 y almacenar los datos digitalizados en la memoria. El soporte logico inalterable puede llevar a cabo la administracion de memoria que se necesita para introducir por lectura los datos deseados.

3) Realizar las operaciones matematicas para implementar el procesamiento de senal. Esto incluye calcular los parametros de acuerdo con las instrucciones del soporte logico inalterable (por ejemplo, computar la Transformacion de Fourier de las senales) y usar estos valores de parametro en la ecuacion de estimacion (por ejemplo, generados por los metodos de las figuras 5 o 6) para determinar la concentracion de glucosa.

Otros procesos que son llevados a cabo por el soporte logico inalterable se pueden dejar al soporte logico inalterable existente y no es necesario que sean parte de la mejora. Por ejemplo, el soporte logico inalterable tambien puede controlar la presentacion visual de un resultado al usuario (por medio de la pantalla LCD 616, por ejemplo) y otras operaciones "entre bastidores" del medidor, por ejemplo, la administracion de potencia, la respuesta a solicitudes de usuario tales como desplazamiento en pantalla de datos, el promedio de datos, la transferencia de datos a un PC, etc.

Los expertos en la materia podran apreciar que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invencion, sin apartarse del alcance de la invencion.

Los expertos en la materia podran apreciar otras realizaciones de la presente invencion a partir de la consideracion de la memoria descriptiva y la practica de la invencion divulgada en el presente documento. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos se consideren unicamente como a modo de ejemplo, estando indicado un alcance real de la invencion por las siguientes reivindicaciones.

Claims (13)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para determinar un area efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo en un sistema

   electroqmmico que contiene una muestra, en el que el sistema electroqmmico incluye un electrodo que tiene una superficie, en el que la superficie incluye una porcion de contacto y una porcion de no contacto, en el que la porcion

   de contacto del electrodo se encuentra en contacto electrolftico con la muestra, y la porcion de no contacto del

   electrodo no se encuentra en contacto con la muestra, caracterizado por que el metodo comprende las etapas de aplicar un estimulo de potencial variable con el tiempo de alta frecuencia de pequena amplitud al sistema para generar una respuesta de senal a partir de la muestra que tiene una relacion aproximadamente lineal con el potencial aplicado, medir la respuesta de senal, computar una informacion de capacidad a partir de la respuesta de senal a partir de la muestra que se puede aproximar por una relacion lineal con el potencial aplicado, y determinar un valor indicativo de un area efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo a partir de la informacion de capacidad.
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que se determina el grado de suciedad de electrodo.
3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en el que se determina el area de electrodo.
4. 4. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sistema electroqmmico comprende al menos dos electrodos planos en una geometna de placas paralelas.
5. 5. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la informacion capacitiva se basa en una componente imaginaria de una senal de corriente generada en el sistema electroqmmico mediante la aplicacion del estimulo variable con el tiempo.
6. 6. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la informacion capacitiva se basa en una componente imaginaria de una inmitancia compleja del sistema electroqmmico.
7. 7. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la corriente variable con el tiempo tiene una amplitud, en el que la informacion capacitiva se basa en la amplitud.
8. 8. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la informacion capacitiva se basa en una velocidad de disminucion de la senal.
9. 9. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la informacion capacitiva se basa en una velocidad de subida de la senal.
10. 10. El metodo de la reivindicacion 1 caracterizado por que el potencial variable con el tiempo es un potencial de polarizacion de CC con un potencial sinusoidal superpuesto.
11. 11. El metodo de la reivindicacion 10, en el que la polarizacion de CC es de aproximadamente 0 voltios.
12. 12. El metodo de la reivindicacion 10 u 11, en el que el potencial sinusoidal tiene menos de aproximadamente 50 mV de amplitud de pico a pico.
13. 13. Un metodo de estimacion de una concentracion de analito en una muestra en un sistema electroqmmico, comprendiendo dicho sistema un electrodo de medicion, comprendiendo dicho metodo:

    aplicar un potencial al electrodo de medicion del sistema para generar una senal de corriente;

    medir la senal de corriente en el electrodo de medicion; y

    determinar una concentracion de analito a partir de la senal de corriente medida,

    caracterizado por que

    a) el potencial aplicado tiene una componente de CC y una componente variable con el tiempo de pequena amplitud superpuesta sobre la misma;

    b) la senal de corriente tiene una componente de corriente de CC y una componente de corriente variable con el tiempo;

    c) una concentracion de analito no corregido se determina a partir de la componente de corriente de CC;

    d) determinar un area efectiva de electrodo y/o un grado de suciedad de electrodo de acuerdo con el metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, y

    e) corregir el analito no corregido usando el grado de suciedad o el area efectiva de electrodo determinados.