KR100968354B1

KR100968354B1 - 바이오센서 디바이스에서의 적절한 샘플 볼륨의 결정

Info

Publication number: KR100968354B1
Application number: KR1020020061869A
Authority: KR
Inventors: 케르마니마하르제트.; 테오도르지크마리아; 구오쉐리엑스.
Original assignee: 라이프스캔, 인코포레이티드
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2010-07-06
Also published as: JP4354168B2; CN101311723A; CN1412548A; MXPA02010106A; US7195704B2; US20050023154A1; RU2292841C2; IL152214A0; CA2407249A1; CA2838176A1; CN100401047C; TW581866B; CN101311723B; PL356578A1; US6797150B2; HK1055463A1; PL208126B1; JP2003185615A; CN102621211B; CZ20023368A3

Abstract

생물학적 샘플의 볼륨이 정확한 전기화학적 피분석물 농도 측정을 생성하기에 적절한지의 여부를 결정하는 방법들 및 시스템들이 제공된다. 이러한 방법들과 시스템들은 정확한 피분석물 농도 측정을 진행하기 위해서 적절한 것보다 적게 결정된 샘플 볼륨을 보상하는 부가적인 기능을 제공한다. 본 발명은, 생물학적 용액의 샘플 볼륨이 퇴적되는 전기화학적 검사 스트립과 같은 바이오센서, 및 검사 스트립을 수용하고 생물학적 샘플 내의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하도록 구성된 계기를 함께 채용한다.

피분석물, 생물학적 샘플, 바이오센서, 셀 표면적, 보상 인자

Description

바이오센서 디바이스에서의 적절한 샘플 볼륨의 결정{Determination of sample volume adequacy in biosensor devices}

도 1은 본 발명을 통해 사용 가능한 전기화학적 피분석물 농도 결정에 대한 종래의 예시적인 전기화학적 검사 스크립을 도시하는 분해도.

도 2는 도 1의 검사 스크립의 등가 셀 임피던스의 예시적인 회로를 도시하는 개략도.

도 3은 전압이 바이오센서에 인가될 때, 전기화학적 바이오센서의 등가 셀 커패시턴스를 측정하는 전기화학적 바이오센서에 작동 가능하게 연결된 본 발명의 시스템을 도시하는 블록도.

도 4는 셀이 샘플링된 용액으로 각각 가득 및 1/2 채워졌을 때, 도 1의 검사 스크립의 전기화학적 셀의 시간에 대한(x축) 등가 셀 커패시턴스(y축)에서의 변화 관계를 도시하는 도면.

도 5는 도 1의 검사 스크립의 셀이 샘플링된 용액으로 각각 가득 및 1/2 채워졌을 때 시간(x축)에 대한 등가 저항(y축)에서의 변화 관계를 도시하는 그래프도.

도 6은 셀이 샘플링된 용액으로 각각 가득 및 1/2 채워졌을 때 검사 스크립(y축)에 샘플 용액을 인가한 후의 0.5초에서 도 1의 검사 스크립의 전기화학 적 셀의 등가 셀 커패시턴스(x축)에서의 변화 관계를 도시하는 도면.

도 7은 도 1의 검사 스크립의 전기화학적 셀이 각각 샘플 용액으로 가득 및 1/2 채워졌을 때 시간(x축)에 대한 등가 셀 커패시턴스 및 등가 셀 저항(y축)의 비율을 도시하는 도면.

도 8은 전기화학적 셀이 각각 가득 및 1/2 채워졌을 때 샘플을 인가한 후의 0.5초에서 측정된 등가 셀 커패시턴스 및 등가 셀 저항(y축) 대 등가 셀 커패시턴스(x축)의 비율을 도시하는 산포도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

50 : 시스템 52 : 전압원

54 : 전류-전압 변환기 56 : 아날로그-디지털 변환기

58 : 마이크로 프로세서 60 : 디스플레이 소자

본 발명은 생물학적 유체 내의 피분석물(analyte)의 전기화학적 결정에 관한 것이며, 특히 피분석물 농도에 대해 검사될 생물학적 유체 샘플 볼륨의 적정성(adequacy)에 대한 전기화학적 결정에 관한 것이다.

예를 들어, 혈액 또는 플라즈마와 같이 혈액으로 생긴 생성물인 생물학적 유체에서의 피분석물 농도 결정은 오늘날의 사회에서 중요성이 증가하고 있다. 임상 실험 결과나 가정에서의 검사 등을 포함하는, 그러한 시금(assays)은 다양한 애플 리케이션 및 세팅에서 사용을 찾으며, 그러한 검사 결과는 다양한 질병 상태들에 대한 진단 및 관리에서 중요한 역할을 하고 있다. 관심 있는 통상의 피분석물들로는 당뇨 관리를 위한 포도당, 심장 혈관의 상태들을 감시하는 콜레스테롤 등이 있다. 이러한 피분석물 농도 검출의 중요성이 증가함에 따라, 임상 및 가정 모두에서 사용하기 위한 다양한 피분석물 검출 프로토콜들 및 장치들이 개발되어 왔다.

피분석물 검출에 적용되는 한 가지 유형의 방법은 전기화학에 기초한 방법이다. 그러한 방법들에서, 수용액 샘플이 적어도 두개의 전극들, 즉 카운터/기준 전극 및 작동 전극(working electrode)으로 이루어진 전기화학적 셀 내의 반응 존에 설치되며, 상기 전극들은 전극들을 암페어로메트릭 측정(amperometric treatment)에 적절하게 하는 임피던스를 갖는다. 분석되어야 할 성분, 즉 피분석물은, 전극이 산화 환원 반응의 시약(redox reagent)과 직접적으로 또는 간접적으로 반응되게 하여 피분석물의 농도에 대응하는 양에서 산화가능한 (또는 감소가능한) 물질을 형성한다. 그런 다음 존재하는 상기 산화가능한 (또는 감소가능한) 물질의 양은 전기화학적으로 측정되고 초기의 샘플 내에 존재하는 피분석물의 양에 관련된다.

통상적으로, 전기화학적 셀은, 생물학적 샘플이 퇴적되고 전기화학적 피분석물 농도를 측정하는 계기(meter) 내에서 받아들여질 수 있는, 일회용 검사 스트립 (disposable test strip)의 형태로 되어 있다. 종종 바이오센서들(biosensors)이라 칭해지는, 이 유형의 검사 스트립들을 사용하는 분석 시스템들 및 계기들의 예들은 미국특허 제5,942,420호, 제6,174,420 B1호 및 제6,179,979 B1호에서 찾을 수 있으며, 이 문헌들은 본 문헌에서 참조 문헌으로서 병합되어 있다. 이들 시스템들을 이용해서, 생물학적 샘플 내의 피분석물의 농도에 대한 결정은 먼저 생물학적 샘플을 얻고, 그 샘플을 검사 스트립의 반응 영역에 접촉시켜, 상기 생물학적 샘플, 및 특히 관심 있는 피분석물 또는 그것들의 파생물이, 예를 들어, 상기 반응 영역과 관련 있는 검사 시약(들)과 화학적으로 반응할 수 있도록 하는 것을 포함한다. 관심 있는 특별한 피분석물(들)의 정확한 측정을 얻기 위해서는, 상기 반응 영역에 최소의 샘플 볼륨을 적용해야만 한다. 종종 사용자 오류나 무경험의 환자나 오심으로 인해, 부적당한 양의 샘플 볼륨을 제공하는 것이 드문 일이 아니다. 부정확한 측정들로 인해, 부적절한 투약, 불복종 환자 등을 관리하는데 있어서, 오진이나 부적절한 취급이 생길 수 있다. 그것은 인체 내 피분석물의 빈번한 감시에 생명을 의존하는 사람들, 예를 들어, 당뇨병 환자들에 있어서는 중요하며 심지어는 생명을 위협하는 일이 될 수도 있다.

적절한 생물학적 샘플 볼륨을 보장하는 한 가지 방법은 검사 스트립의 반응 영역에 채우는 것보다 더 큰 볼륨의 샘플링된 유체를 과포화시키거나 사용하는 것이다. 샘플링된 유체, 특히 혈액 샘플의 불필요하게 큰 볼륨을 사용하는 단점은, 혈액 샘플의 양을 환자에게서 불필요하게 많이 뽑아내는 것이다. 이것은 더 큰 혈액 샘플 양의 사용을 요구하고, 그래서 더 굵은 바늘의 사용과 피부로의 더 깊은 침투를 필요로 한다. 이 요인들로 인해, 환자의 불안감과 고통이 더 증가할 수 있고, 모세 혈관의 혈액이 잘 드러나지 않는 개개의 환자들에 있어서는 좋은 결과를 얻기가 어렵게 될 수 있다. 이 샘플링 처리는 하루에 빈번하게 반복될 수 있으며, 많은 당뇨병 환자들에 있어서, 예를 들어, 참을 수 있거나 참을 수 없는 고통이 모두 함께 빠르게 증가하게 된다.

샘플 볼륨의 적정성을 눈으로 확인할 수 있는 몇몇 피분석물 검출 바이오센서들이 개발되어 왔으나, 이것은 샘플의 볼륨의 적정성을 판단하는데 있어서 환자에 의한 잠재적 오류를 배제하지 못하며, 예를 들어, 당뇨병 환자들은 저하된 시력을 경험하게 될 수 있다. 특정한 다른 피분석물 결정 바이오센서들은 사용자-의존 수단을 제공하여 샘플 볼륨의 적정성을 결정한다. 그러한 바이오센서들의 예들은 미국특허 제5,628,890호 및 제5,650,062호 및 PCT 특허출원공개번호 WO 99/32881(PCT 특허출원 PCT/US98/27203)에 개시되어 있다. 특히, '881 공보는, 공지된 주파수에서 낮은-레벨 AC 전압 신호를 (DC 전압 오프셋없이) 바이오센서에 인가하고, 그 다음에 결과적인 임피던스의 실수 성분과 허수 성분 모두를 측정함으로써, 바이오센서에 인가된 샘플의 볼륨의 정확도를 결정하고자 하는 전기화학적 포도당 감시 시스템을 서술하고 있다. 그 다음에, 이들 임피던스 값들은 마이크로프로세서의 프로그램 메모리의 룩-업 테이블(look-up table)과 비교된다. 이러한 방법의 정확도는 이 시스템이 혈액 헤마토크릿 레벨들(blood hematocrit levels)과 주변 온도 변동들에 의존하는 것을 고려하면 부가적으로 의심스러울 수 있다.

'881 공보에 개시된 기술의 다른 단점은, 피분석물 측정 검사(analyte measurement test)는 샘플 볼륨이 부정절한 것으로, 즉, "계속할 것인지 또는 중단할 것인지의 결정에 관한(go-no-go)" 상황인 것으로 결정되면 중단되어야 한다는 것이다. 이것은, 상기에 언급한 바와 같이 불편하며 환자에게 매우 고통스러울 수 있는, 또 다른 샘플을 환자로부터 꺼낼 필요가 발생하게 되며, 환자의 약물 치료 기간에서 환자의 승낙거부를 발생시키기 쉽다. 부가적으로, 검사는 검사 스트립들의 낭비를 발생시키고 절차의 비용을 증가시키면서 반복되어야 한다.

이와 같이, 전기화학적 피분석물 농도 결정을 위해 이용된 샘플의 볼륨의 정확도를 정확하고 정밀하게 측정하는 새로운 기술들의 식별에 지속적인 관심이 있어왔다. 특히, 관심사는 샘플의 볼륨의 정확도를 매우 정확하고 신속하게 결정할 수 있는 방법들의 발전일 것이다. 부가적으로, 샘플 볼륨이 부정확하다는 결정이 피분석물 농도 측정 검사의 중단을 요구하지 않는 이러한 샘플 볼륨 정확도 결정 기술을 발전시키는 것이 유익할 것이다. 이상적으로, 이러한 기술은 최적의 샘플 볼륨보다 적은 것을 보상할 것이고, 새로운 샘플을 제공하거나 또는 새로운 검사를 수행해야만 하지 않고서도 정확한 피분석물 농도 측정을 제공할 것이다.

본 발명은, 생물학적 샘플의 볼륨을 측정하고, 안에 포함된 피분석물의 농도와 같은, 생물학적 샘플의 적어도 하나의 선택된 특성의 정확한 측정을 생성하는데 볼륨이 적합한지를 결정하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 이러한 방법들 및 시스템들은 측정 절차를 진행하기 위해 적절한 것보다 적게 결정된 샘플 볼륨을 보상하는 부가적인 기능을 제공한다.

본 발명은, 생물학적 용액의 샘플 볼륨이 퇴적되는 전기화학적 검사 스트립과 같은 바이오센서와, 그와 같은 검사 스트립을 받아들이고 생물학적 샘플내의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하도록 구성된 계기(meter)와 함께 이용된다. 전기화학적 검사 스트립은, 하기에 더 완전히 서술되는 바와 같이, 그 사이에 반응 존이 생물학적 샘플을 받아들이도록 정의되는 대향하는 전극들로 구성된 전기화학적 셀을 포함하고, 여기서 반응 존은 정의된 두께와 볼륨을 갖는다.

충분한 전압이 전기화학적 셀에 인가될 때, 이중-층 충전 및 전기화학적 반응 모두가 일어날 것이다. 결과적으로, 전하는 전기적 셀의 전극들로 흐른다. 전극-용액 계면은 커패시터의 것과 유사하다. 이러한 전하의 전압에 대한 비는 전극-용액 계면의 커패시턴스를 결정한다. 총 전하는 이중 층의 충전 및 전기화학적 반응으로 인한 것이므로, 두개의 별개의 커패시턴스 성분들 C_dl 및 C_s는 각각 셀의 총 커패시턴스 또는 등가의 커패시턴스에 기여한다(Bard,A.J. 및 Faulkner,L.R.의 전기화학적 방법(Electrochemical Methods), 1980).

발명자들은 전기화학적 셀의 등가의 커패시턴스가 샘플 볼륨을 정밀하게 결정하는데 있어 가장 관련있는 인자라는 것을 발견했는데, 등가의 셀 커패시턴스는 샘플과 접촉하는 셀 전극들의 표면적("덮여진 셀 면적")의 양에 선형으로 비례하고, 따라서 셀 내의, 즉, 전극들 사이의 샘플의 볼륨에 선형으로 비례하기 때문이다. 발명자들은 또한 전기화학적 셀의 등가의 저항이 샘플 볼륨을 정밀하게 결정하는데 있어 부가적으로 관련되는 것을 발견했는데, 등가의 셀 저항이 덮여진 셀 면적에 반비례하고, 따라서 샘플 볼륨에 반비례하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 특징은 이와 같은 덮여진 셀 면적과 대응하는 샘플 볼륨을 등가의 셀 커패시턴스로부터 또는 등가의 셀 커패시턴스와 등가의 셀 저항 모두로부터 이끌어내는 것이다.

본 발명의 다른 특징은, 등가의 셀 커패시턴스의 값이 샘플 내의 혈액 헤마토크릿 레벨들과 포도당 농도, 주변 온도, 혈액 기증자의 특이성들 및 혈액의 다른 일반적으로 간섭하는 성분들에 의해 영향받지 않고 독립적이 되도록, 샘플 볼륨을 정확하게 측정하는 것과 간섭할 수 있는 어떤 다른 인자들(예를 들어, 셀의 두께, 이온 종류들의 농도 등)을 제어하는 것이다.

본 발명의 다른 특징들은 정확한 피분석물 농도 측정을 진행하기 위해서 적절한 것보다 적게 결정된 샘플 볼륨을 보상하는 부가 기능을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 혈액 제공자 샘플 내의 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도를 결정하기 위해 사용되는 생물학적 샘플 볼륨의 적절성을 결정하는 방법을 제공하는 것이며, 그것은 이러한 목적들을 달성하고 이러한 특징들을 제공한다.

본 방법들의 어떤 실시예들에 있어서, 낮은 진폭과 선택된 주파수를 갖는 교류 전압(AC 전압)은 검사될 생물학적 샘플을 포함하는 바이오센서에 인가되며, 그에 따라 바이오센서가 충전된다. 선택적으로, 직류 전압(DC 전압)은 바이오센서의 용량이 안정화되는 속도를 증가시키기 위해 AC 전압과 함께 동시에 인가될 수 있다. 그 다음, 이러한 충전으로부터 발생된 결과적인 교류가 측정되고 바이오센서의 등가의 셀 용량은 결과적인 교류로부터 결정된다. 그 다음, 등가의 셀 용량은 샘플 용액과 접촉하는 바이오센서의 표면적의 양을 결정하는데 사용되며, 그 표면적은 바이오센서 내의 샘플 볼륨을 유도하는데 사용된다. 샘플 볼륨이 정확한 피분석물 농도를 측정하기에 적절하다고 결정될 때, 그러한 피분석물 농도가 측정된다. 한편, 샘플 볼륨이 적절하지 않은 것으로 결정되는 경우, 본 방법들은 피분석물 농도 측정 처리동안 그러한 적절하지 않은 샘플 볼륨을 보상하는 것을 더 포함할 수 있다. 적절하지 않은 양의 보상은, 전체 이용 가능한 볼륨이 채워졌을 때의 바이오센서의 셀 커패시턴스에 대한 실제 샘플 볼륨을 포함하는 바이오센서의 등가의 셀 커패시턴스의 비율을 적어도 부분적으로 결정하는 것을 포함하는 필요 보상 인자를 결정하는 것을 포함한다.

본 발명은 또한 본 방법들을 수행하는 시스템들을 포함한다. 본 시스템들은, 예를 들면, 일회용 검사 스트립의 형태로 바이오센서(예를 들면, 전기화학적 측정 셀)에 전기적으로 연결되고 이용되도록 하는 전자 구성요소들 및/또는 회로를 포함하며, 검사될 샘플링된 용액은 모세 혈관 작용에 의해 침전되거나 또는 뽑아진다. 가장 일반적으로, 이러한 전기 회로 소자는 이러한 전기화학적 셀, 예를 들면, 일회용 검사 스트립을 수용하여 그것과 효과적으로 작용하고, 전기화학적 셀 내에 보유된 생물학적 샘플의 하나 이상의 물리적 또는 화학적 특징들을 측정하도록 구성된 계기 또는 다른 자동화된 디바이스에 통합된다. 가장 일반적으로, 이러한 특징들은 생물학적 샘플 내의 하나 이상의 대상 피분석물들의 농도를 포함한다. 이러한 전기 회로 소자는 분리된 전자 구성요소들(예를 들면, 전압원), 및/또는 다중 회로 소자들 및/또는 반도체 디바이스들을 갖는 집적 회로들, 예를 들면, 전기화학적 셀로부터 수신된 데이터 입력들 또는 어떤 신호에 기초한 본 방법들의 어떤 단계들 또는 기능들을 실행하도록 적절히 프로그램된 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.

어떤 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들은 방금 기술한 바와 같이, 이러한 전기 회로 소자 및 이러한 자동화된 측정 디바이스 또는 계기를 포함하며, 전 자 회로는 자동화된 측정 디바이스로 완전히, 구조적으로, 및 기능적으로 구성된다.

본 방법들 및 시스템들이 소변, 눈물, 침, 등과 같은 서로 다른 생물학적 샘플들의 샘플 볼륨을 결정하는데 이용될 수 있으며, 특히, 혈액의 샘플 볼륨 또는 혈액 분류들(blood fractions) 등을 결정하는데 이용하기 적당하다. 또한, 샘플의 물리적 및 화학적 특성들의 다양성을 측정에 대비하여 샘플 볼륨을 결정하는 본 시스템들 및 방법들은, 특히, 샘플 내의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하는 것을 준비하는데 있어 유용하다.

본 발명의 상기 및 다른 목적들, 이점들, 및 특징들은, 이하 보다 상세히 기술되는 본 발명의 방법들 및 시스템들의 상세한 설명을 이해할 때 이 기술분야에 숙련된 사람들에게 명백할 것이다.

본 발명은 생물학적인, 피분석물의 볼륨을 결정하는 시스템들 및 방법들로서, 예를 들어, 피분석물 농도와 같은 피분석물의 선택된 특징들을 측정하고, 이러한 볼륨이 선택된 특징의 정확한 측정을 산출하기에 적절한지의 여부를 결정하는 것을 목적으로 하는 피분석물의 볼륨을 결정하는 시스템들 및 방법들을 제공한다. 이러한 시스템들 및 방법들은 이러한 특성들의 정확한 측정을 제공하기에 부적절한 피분석물 볼륨을 보상하는 부가의 기능을 제공한다.

본 발명이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 기술되는 바와 같은 특정 실시예들에 한정되지 않고, 물론 변형될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한되기 때문에, 본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예들만을 설명하기 위한 것이고, 제한적이지 않은 것이다.

값들의 범위가 제공되는 경우에, 상한 및 하한 범위 사이의 각 사이 값(intervening value)문맥에 그 외의 것을 명백히 지시되어 있지 않다면 하한의 단위의 10분의 1) 및 임의의 다른 기술된 또는 상기 기술된 범위 내의 사이 값은 본 발명 내에 포함된다. 이러한 보다 작은 범위들의 상한 및 하한은 상기 기술된 범위에서 명확하게 배제된 제한을 조건으로 하는 본 발명의 범위에 포함되는 상기 보다 작은 범위들에 독립적으로 포함될 수 있다. 상기 기술된 범위가 하나 또는 두개의 제한들을 포함하는 경우에, 이 포함된 제한들의 두 제한들 모두를 배제하는 범위도 또한 본 발명에 포함된다.

다르게 규정된 경우가 아니라면, 본 명세서에 사용되는 모든 기술 용어 및 과학 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자들에 의해 통상적으로 이해되는 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명된 것과 유사하거나 동일한 방법들 및 물질들이 또한 본 발명의 실행 및 실험에 사용될 수 있을지라도, 본 명세서에서는 제한된 수의 일반적인 방법들 및 물질들이 기술된다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는, 단수 형태의 "a", "an", 및 "the" 는 문맥상 다르게 표현되지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다.

본 명세서에 언급된 모든 공보들은 그 공보들에 인용된 방법들 및 물질들에 대한 설명을 참조하기 위해 인용되었다. 본 명세서에 참조된 공보들은 본 발명의 이전에 발표된 문헌들이다. 본 명세서에 없는 것은 본 발명이 종래 발명에 의해 상 기 공보를 선행하기 위한 것이 아닌 것으로 해석될 것이다. 또한, 제공된 공보들의 일자는 실질적인 공보일과 다를 수 있으며, 독립적으로 확일될 필요가 있을 수도 있다.

정의

본 명세서에서 사용되는 용어 "이중 층" 은 전압이 전극에 인가될 때 전극 표면과 관련하여, 생물학적 용액의 피분석물와 같은 용액과 전극 표면 사이의 계면에 존재하는 충전된 종들(species) 및 배향된 쌍극자들의 전체 어레이를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "이중 층 커패시턴스(C_dl)"는 전극-용액 계면의 이중 층의 충전에 의해 발생되는 커패시턴스를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "패러다익 커패시턴스(Faradaic capacitance)(C_s)"는 전극 표면 상에tj 발생하는 전기화학적 반응 공정으로 인한 의사 커패시턴스 성분을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "패러다익 전류(i_p)"는 전압이 인가된 전극의 표면에 발생되는 전류 또는 전자 이동을 의미한다. 용어 "등가 셀 커패시턴스(C)"는 전압이 전기화학적 셀에 인가되었을 때 초래되는 전기화학적 셀을 가로지르는 총 등가 커패시턴스를 의미한다. 등가 셀 커패시턴스는 패러다익 커패시턴스와 이중 층 커패시턴스에 의해 좌우된다.

전기화학적 셀에 관해 본 명세서에서 사용되는 용어 "등가 셀 저항(R)"은 전기화학적 셀에 전압이 인가된 때에 결과로 얻어지는 전기화학적 셀 양단에서의 총 등가 저항을 의미한다.

전자 회로나 구성요소, 예를 들어, 전기화학적 셀에 관해 본 명세서에서 서로 교환가능하게 사용되는 "등가 셀 임피던스(Z)"는 전기화학적 셀에 전압이 인가된 때에 결과로 얻어지는 것으로, 등가 셀 커패시턴스 및 등가 셀 저항의 조합에 반드시 국한되지는 않지만 등가 셀 커패시턴스 및 등가 셀 저항의 조합을 포함하는 회로의 총 임피던스를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "패러다익 전류(i_F)"는 전압이 인가된 때에 전기화학적 반응의 결과로서 전극의 표면 및 피분석물 성분 간의 전자 이동으로 인해 초래되는 전류를 의미한다.

단어 "유도하다", "결정하다", "계산하다" 등 및 이들 각각의 활용들이 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용된다.

이제 본 발명에 대해 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 보다 상세히 기술함에 있어, 본 발명이 상기 방법에 의해 사용가능하고 본 발명의 시스템들과 함께 사용가능한 예시적인 전기화학적 바이오센서들이 먼저 기술되고, 이어서 본 발명의 방법 및 시스템들을 상세히 기술하고, 또한 본 방법들을 실행하는데 사용하는 본 시스템들을 포함하는 본 발명의 키트를 기술하기로 한다.

전기화학적 바이오 센서

위에서 약술된 바와 같이, 본 발명은 피분석물 농도 측정에 사용된 생물학적 물질의 피분석물의 볼륨을 측정하고 그러한 볼륨이 정확한 피분석물 농도 측정치를 생성하는데 적합한지의 여부를 결정하는 방법 및 시스템을 제공한다. 상기 방법 및 시스템은 바이오센서와 함께 사용가능하며, 보다 구체적으로는 샘플링된 생물학적 물질이 침전되거나 이송되는 전기화학적 셀 기반 바이오센서와 함께 사용가능하다. 전기화학적 셀 기반 바이오센서들의 다양한 설계들이 존재한다. 피분석물 농도 검사 분야에 사용된 가장 공통적인 상기 설계들은, 본 명세서에 참조 문헌으로서 포함되는 미국 특허 제6,193,873호 및 공동 계류중인 미국 특허출원번호 제09/497,304호; 제09/497,269호; 제09/736,788호; 제09/746,116호에 개시되어 있는 것들과 같은 검사 스트립 구성들을 포함한다. 그러한 검사 스트립들은 상기 참조문헌들에 개시된 것들과 같은 전기화학적 측정들을 위해 구성된 측정기들과 함께 사용된다.

검사 스트립들과는 다른 전기화학적 바이오센서들은 본 발명에 이용하기에 적당할 수도 있다. 예를 들면, 전기화학적 셀은 원통 구성을 가질 수도 있으며, 코어 전극은 제 2 관식(tubular) 전극 내에 공동 축 방향으로 배치된다. 이러한 전기화학적 셀 구성들은 마이크로-니들들의 형태일 수 있고, 그와 같은 것으로, 원위치에(예를 들면, 통상 스킨 표면 아래에) 측정들을 위한 니들 구조 안에서 없어서는 안되거나 다른 방법으로 마이크로-니들 구조와 물리적 또는 유동적으로 소통한다. 이러한 마이크로의 예들은 공동 계류중인, 이후 참조로서 합체되는 2001년 6월 12일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제09/878,742호 및 제09/879,106호에 개시되어 있다. 상기 개시의 목적에 대하여, 해당 장치들은 검사 스트립 구성들에서 전기화학적 셀들에 이용되어 기술된다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련된 자들은 해당 장치 들이 마이크로-니들 구성들을 포함하는 임의의 적당한 전기화학적 셀 구성에 이용될 수 있음을 알 수 있다.

제조된 전기화학적 측정의 유형은 전기화학적 검사 스트립이, 예를 들어, 시금이 전량 분석, 전류계, 또는 전위차계인지의 여부에 의존하여, 채용되는 계량 및 시금의 특별한 성질에 의존하여 변할 수 있다. 상기 전기화학적 셀은 전량 분석 시금에서 충전, 전류계 시금에서 전류, 전위차계 시금에서 전위를 측정한다. 상기 개시의 목적에 대하여, 본 발명은 전류계 시금들의 정황에 기술되나, 해당 장치들은 시금의 임의의 유형 및 전기화학적 측정에 채용될 수 있다.

통상적으로, 임의의 구성에서, 전기화학적 셀은 같은 평면에서 나란한 배열에 또는 마주보는 배열에 이격된 적어도 2개의 전극들을 포함한다. 제 1 배열에서, 상기 전극들은 얇은 스페이서 층에 의해 분리되고, 생물학 피분석물이 피분석물 농도 측정을 위해 침전되거나 이송되는 챔버, 또는 반응 영역 또는 구역을 규정한다. 상기 나란한 구성에서, 상기 전극들은 규정된 두께 및 볼륨을 갖는 챔버에 있다. 반응 영역 또는 챔버에서, 예를 들어, 상기 전극들의 하나 이상의 마주하는 표면들 상에 코팅된 표시되는 것은 목표 피분석물(들)에 화학적으로 반응하도록 선택된 하나 이상의 산화 환원 반응 시약들이다. 이러한 산화 환원 반응 시약들은 통상 적어도 하나의 효소 및 매개자를 포함한다.

본 발명에 이용하기에 적당한 예시적인 종래의 검사 스트립(2)의 표시는 도 1의 분해도에 제공된다. 검사 스트립(2)은 반응 존 또는 영역(14)을 규정하는 커트어웨이 섹션(cutaway section)을 갖는 스페이서 층(12)에 의해 분리된 두 개의 전 극들(4, 8)로 만들어진다. 일반적으로, 상기 전극들(4, 8)은 길이의 범위가 약 2 내지 6cm 이고, 보통은 약 3 내지 4cm이며, 너비의 범위는 약 0.3 내지 1.0cm이고, 보통은 0.5 내지 0.7cm이며, 두께의 범위는 약 0.2 내지 1.2.mm이고, 보통은 0.38 내지 0.64mm인 늘어난 직사각형의 스트립들의 형태로 구성된다.

상기 스트립에서 반응 영역과 직면하는 전극(4, 8)의 표면들은 주요 금속들이 팔라듐, 금, 백금, 도핑된 인듐 주석 산화물, 스테인리스 강철, 탄소와 같은 것을 포함하는 양호한 전도성 금속으로 구성된다. 전극들(4, 8)의 외부 표면들(6, 10)은 불활성 서포트 및 지지 물질로 구성된다. 어떠한 적절한 불활성 지지 물질도 전극들(4, 8)로 이용될 수 있고, 일반적으로, 상기 전극을 및 전기화학적 검사 스크립을 차례대로, 구조적으로 지지할 수 있는 단단한 물질이다. 상기 적절한 물질들은 예를 들어, PET, PETG, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 실리콘, 세라믹, 유리와 같은 플라스틱들을 포함한다. 전극들(4, 8) 및 검사 스트립(2)은 종래 관련 기술의 숙련자들에게 공지된 다양한 제조 기술들을 사용하여 제조될 수 있다.

상술된 바와 같이, 얇은 스페이서층(12)은 전극들(4, 8) 사이에 위치되거나 그 사이에 끼인다. 상기 스페이서층(12)의 두께의 범위는 약 1 내지 500㎛이고, 보통 약 50 내지 150㎛이다. 스페이서층(12)은 편리한 재료를 사용하여 제조될 수 있고, 대표적인 물질들로는 PET, PETG, 폴리아미드, 폴리카보네이트와 같은 것이 있다. 상기 스페이서층(12)의 표층들은 각각의 전극들(4, 8)과 점작될 수 있도록 처리되어 상기 전기화학적 검사 스크립(2)의 구조를 유지한다.

스페이서층(12)은 원, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 또는 불규칙한 모양의 반응 영역들을 포함하는 적절한 모양을 갖는 반응 존 또는 영역을 제공하기 위해 절단된다. 상기 반응 존(14)의 상부 및 하부는 스페이서층(12)이 상기 반장용 영역(14)의 측벽부들을 규정하는 경우에, 전극들(4, 8)을 직면하는 표면들에 의해 규정된다. 상기 반응 영역의 볼륨 범위는 적어도 약 0.1 내지 10μl이고, 보통 약 0.2 내지 5.0μl이며, 0.3 내지 1.6μL이 보다 보편적이다.

반응 영역(14)에서 존재하는 것은 산화 환원 시약 시스템이고, 상기 시약 시스템은 상기 전극에 의해 검출되는 종들을 제공하며, 생물학적인 피분석물에서 피분석물의 농도를 얻기 위해 이용된다. 상기 반응 영역에 존재하는 산화 환원 시약 시스템은 일반적으로, 적어도 효소 및 매개물을 포함한다. 많은 실시예에서, 상기 산화 환원 시약 시스템의 효소군(들)은 대상이 되는 피분석물을 산화시키는 효소 또는 복수의 효소들이다. 즉, 산화 환원 반응 시스템의 효소 성분 이 단일 피분석물 산화 효소 또는 관심있는 피분석물을 산화하도록 조화롭게 작용하는 두 개 또는 그 이상의 효소들의 집합으로 구성된다. 전형적인 관심있는 요소들은 옥시도리덕타세스(oxidoreductases), 하이드로라세스(hydrolases), 트랜스퍼라세스(transferases) 등을 포함한다. 하지만, 반응 영역에 존재하는 특정 효소는 특정 피분석물에 의존하며 전기화학적 검사 스트립이 이를 검출하도록 설계된다. 관심있는 피분석물이 포도당이면, 예를 들어, 적합한 효소들은 포도당 옥시다이스(oxidase), 포도당 디하이드로제나스(dehydrogennase)(β-니코틴아미드 아데나인 디뉴클레오타이드 기반(NAD) 또는 4,5-디하이드로-4,5-다이옥소(dioxo)-1H-피 롤(pyrrolo)[2,3-f]퀴노린(quinoline)-2,7,9-트라이칼복시릭(tricarboxylic) 산 기반(PQQ))를 포함한다. 피분석물이 콜레스테롤이면, 적합한 효소들은 콜레스테롤 에스테라스(esterase)와 콜레스테롤 옥시다이즈를 포함한다. 다른 피분석물들에 대해, 제한적이지는 않지만 리포프로테인 리파스(lipoprotein lipase) 글리세롤 키나스(glycerol kinase), 글리세롤-3-포스파테 옥시다이즈(glycerol-3-phosphate oxidase), 락타테 옥시다이즈(lactate oxidase), 락타테 디하이드로제나스(lactate dehydrogenase), 피루베이트 옥시다이즈(pyruvate oxidase), 알콜 옥시다이즈(alcohol oxidase), 리리루빈 옥시다이즈(bilirubin oxidase), 우리케이스(uricase) 등이 사용될 수 있다.

산화 환원 반응 시약 시스템의 제 2 성분은 매개자 성분이며, 이는 하나 이상의 매재 작용제로 구성된다. 다른 매개자 작용제의 변화들은 업계에 알려져 있으며, 페로사이나이드(ferrocyanide), 페나진 에소술페이트(phenazine ethosulphate), 페나진 메소술페이트(phenazine methosulgate), 페리레네디아민(pheylenediamine), 1-메톡시-페나진 메소술페이트(1-methoxy-phenazine methosulfate), 2,6-디메틸-1(2,6-dimethyl-1), 4-벤조퀴논(4-benzoquinone), 2,5-디클로로-1(2,5-dicholro-1), 4-벤조퀴논(4-benzoquinone), 레로센 유도체(ferrocene derivatives), 오스미움 바이피라딜 복합체(osmium bipyridyl complexes), 루데니움 복합체(ruthenium complexes) 등을 포함한다. 포도당이 관심있는 피분석물이고 포도당 옥시다이즈 또는 포도당 디하이드로제나스가 요소 성분들인 이들 실시예들에서, 특정 관심있는 매개자는 페리시야나이드(ferricyanide)이다. 반응 영역에 존재할 수 있는 다른 반응물들은 버퍼링 작용제들, 예를 들어, 시트라코네이트, 시트레이트, 포스페이트, "좋은" 버퍼들 등을 포함한다.

산화 환원 반응 시약시스템은 건조 형식으로 일반적으로 존재한다. 다양한 성분들의 양은 변화할 수 있고, 전형적으로 효소 성분의 양은 약 0.1 내지 20 중량% 사이의 범위이다.

본 발명의 방법들

위에서 요약한 바와 같이, 주제 발명은 정의된 볼륨을 갖는 챔버 또는 반응 존을 갖는 전기화학적 셀로 침착되거나 전이되는 생물학적 샘플의 볼륨을 정의하는 방법과 이러한 볼륨이 정확한 피분석물 농도 측정을 생성하기에 적절한지를 결정하는 방법을 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 샘플 볼륨을 결정하는데의 본 방법의 특징은 등가 셀 저항 뿐만아니라 셀의 등가 커패시턴스의 결정이다. 이와 같이, 이 본 방법들은 종래 성취된 기술보다 더 정확한 샘플 볼륨을 측정하는 것을 제공한다.

샘플 볼륨과 등가 셀 커패시턴스 및 저항을 결정하는 본 방법들의 다른 특징은 대등한 저항 및/또는 등가 커패시턴스의 결정에 영향을 미치지 않거나 그렇지 않으면 이러한 영향을 갖지 않도록하기 위해 엄격히 제어되는 환경 조건들 또는 샘플된 용액의 요소들 또는 특정 특성들을 배제하는 것이다. 등가 커패시턴스와 독립적이거나 이에 제어되는 그러한 요소들은 제한적이지는 않지만 이온 종류의 농도, 혈액 헤마토크릿, 혈액 포도당 농도, 환경적 온도, 혈액 기증자, 및 혈액 내에 전형적으로 발견되는 센서 간섭들, 셀 두께, 및 바이오센서 노화를 포함한다.

본원의 본 방법들의 설명을 이해할 목적으로, 도 1의 검사 스트립의 전기화학적 셀의 임피던스 회로(40)의 간략화된 모델이 도 2에 제공된다. 임피던스 회로(40)는 생물학적 용액의 샘플을 포함하고 있고 여기에 인가되는 전압을 가질 때 최소 스트립의 임피던스 요소들을 나타낸다. AC 및 DC 전압들이 셀에 인가될 때, 임피던스 회로(40)는 등가 셀 커패시턴스(C)(42)을 포함하고, 이는 전기화학적 셀의 이중 레이어 및 패러다익 용량들, 및 등가 셀 저항(R)(46)을 포함한다.

본 방법들을 실습하기에 앞서, 측정될 생물학적 샘플을 얻고 그러한 샘플을 검사 스트립 셀에 위치하는 것이 먼저 필요하다. 샘플을 검사 스트립 내에 위치하는 것은 검사 스트립을 검사 계기에 먼저 삽입하고 그후 이 샘플을 검사 스트립에 인가하거나("온-계기 도즈(on-meter dosing)"), 샘플을 검사 스트립에 먼저 인가하고 그후 이 검사 스트립을 검사 계기에 삽입("오프-계기 도즈(off-meter dosing)")여 성취될 수 있다. 종종 후자의 순서는 병원 환경에서 선호되며, 이는 계기 내에서 교차 오염이 더 쉽기 때문이다. 그후 측정 계기는 생물학적 샘플이 전기화학적 셀에 개입되었는지를 검출한다(미국 특허 번호 6,193,873에 설명된 바와 같음).

이 샘플이 검출되면, 본 방법들의 제 1 단계는 낮은 진폭의 교류 전압(VAC)을 바이오센서에 인가하는 것이다. 인가된 AC 전압의 진폭은 그 응용이 패러다익 전류(i_f)가 되는 결과가 되지 않도록 선택된다. 패러다익 전류는 즉, 전압을 전극에 인가할 때 전기화학적 반응의 결과로서 전극 표면에서 발생하는 전자 전이이다. 이와 같이, 인가된 AC 전압의 진폭은 약 2 내지 100mV 범위에 있고, 전형적으로 약 5 내지 75mVrms의 범위이고, 더욱 전현적으로는 약 50mVrms이다. 인가된 AC 전압의 주파수(f)는 또한 셀의 잡음비(즉, 측정된 등가 셀 커패시턴스의 변화도에 대한 측정된 등가 셀 커패시턴스의 비율)에 대한 신호를 최소화하도록 선택된다. 이와 같이, 인가된 AC 전압의 수용가능한 주파수는 약 50 내지 10000Hz의 범위, 전형적으로는 약 75 내지 1000Hz의 범위, 더 전형적으로는 약 100Hz 내에 있다.

선택적으로는, DC 전압은 AC 전압과 동시에 또는 AC 전압의 인가 전의 순간(fractions of a second)에 바이오센서에 인가될 수 있다. 이 DC 전압은 일반적으로 약 0 내지 600mV의 범위, 전형적으로 약 200 내지 500mV이고, 더 전형적으로는 300 내지 400mV의 범위에 있다. DC 전압 성분은 전기화학적 셀의 등가 커패시턴스가 AC 전압만을 가지고 있은 경우보다 더 빠르게 안정화되도록 한다. 셀 커패시턴스의 빠른 안정화는 피분석물 측정에 착수하기 전에 샘플 볼륨을 결정할 수 있도 하여, 전체 검사 시간을 최소화한다.

AC 및 DC 전압들의 인가 후에, 전기화학적 셀의 충전으로 발생된 교류(i_AC)가 측정된다. 그후에, 바이오센서의 등가 셀 커패시턴스는 결과적인 교류의 진폭 및 위상으로부터 결정될 수 있다.

생물학적 샘플에 의해 접촉된 셀 표면적에만 의존하는 등가 셀 커패시턴스에 대해, 이중 층 커패시턴스의 전하 분리 거리(d_dl)는 샘플 용액의 볼륨 결정 동안 일정하도록 엄격히 제어되어야 한다. 이중 층 커패시터의 두께는 인가된 전압, 용액 내의 충전된 종들의 농도들에 의존한다. 전하 분리층의 일정한 두께를 보장하여, 샘플 용액과 접촉하고 있는 각각의 전극의 표면적의 정확한 결정 및 샘플 볼륨의 정확한 결정을 보장하기 위해서, 산화 환원 시약의 이온 농도가 엄격하게 제어되며, 샘플의 이온 농도는 생리학적으로 매우 좁은 범위 내에서 제어된다.

상술한 바와 같이, 전기화학적 셀의 등가 저항은 부가적으로 샘플 볼륨을 정확하게 결정하는 것과 관련된다. 따라서, 등가 셀 저항(R)이 샘플에 의해 덮여진 셀의 표면적에 반비례하고, 등가 셀 커패시턴스(C)가 다음의 관계식으로 표현되는 바와 같이, 덮여진 셀 영역에 선형으로 비례한다는 것을 입증한다.

R =

l/A이고 C ∝ A

여기서,

는 전기화학적 셀의 고유저항이고, l은 셀 전극의 길이이고, A는 셀의 도전 표면적이고, 다음의 관계식이 존재한다.

C/R ∝ A²

따라서, 생리학적 샘플에 의해 덮여진 셀의 표면적의 양은 등가 셀 저항에 대한 등가 셀 커패시턴스의 비율에 의해 결정될 수 있다. 그것들 중 하나(예를 들어, 커패시턴스)만이 아닌 두개의 임피던스 성분들에 관한 샘플 볼륨의 영향을 고려함으로써, 생물학적 샘플에 의해 덮여진 셀 표면적의 양의 변화들에 응답하여 더 큰 민감도를 제공하는 관계식이 수립된다. 더 상세하게는, 셀 저항에 대한 셀 커패시턴스의 비는 생물학적 샘플에 의해 덮여진 셀의 표면적에 대해 1차식 관계라기보다는 2차식 관계를 제공함으로써, 덮여진 셀 영역에 대해 측정된 변경(들)에 있어서의 민감도를 증가시킨다. 따라서, 본 방법에 따른 덮여진 셀 영역의 결정은 등가 셀 커패시턴스만을 고려할 때보다 훨씬 더 정확하다.

샘플 용액과 접촉하는 또는 샘플 용액으로 덮여진 전극의 표면적의 결정시에, 바이오센서 내에서, 즉, 전기화학적 셀의 반응 존 내에서 샘플 용액의 볼륨(Vs)은 그후에 다음의 수식에 따라 결정될 수 있다.

Vs = A ·d

여기서, d는 마주하는 전극 구조의 셀 전극들 사이의 거리 또는 측간 전극 구조의 셀의 깊이이다.

그 후 결정은 검사 스트립에 제공된 샘플의 크기가 피분석물 농도 측정을 진행하기에 적절한지의 여부에 관한 것이다. 이러한 결정은 계산된 샘플 볼륨과 전기화학적 셀의 전체 볼륨을 비교함으로써 행해진다. 본 발명의 시스템에 관련하여 이하에 매우 상세하게 논의되는 바와 같이, 다른 데이터(정적 및 동적) 중에서 총 셀 볼륨의 값, 동작 온도 범위, 계기로의 적절한 검사 스트립 삽입을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 특정 파라미터들 또는 특정 셀에 관한 파라미터들은, 예들 들어, 계기 및 본 시스템들의 다른 관련된 구성요소들의 교정 상에서의, 마이크로프로세서의 메모리에 저장된다.

샘플 볼륨이, 예를 들어, 피분석물 농도와 같은 원하는 특징의 측정에 적절하다고 결정되면, 본 시스템들에 관련하여 이하에 매우 상세하게 설명된, 디스플레이 장치 상에 디스플레이될 수 있는 결과들이 만들어진다. 한편, 샘플 볼륨이 부적절한 것으로 결정되면, 즉, 너무 낮은 것으로 결정되면, 디스플레이 장치는 낮은 볼륨 아이콘을 디스플레이하도록 구성될 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 방법들의 특정 실시예들은 샘플링 및 테스팅 단계들을 다시 행하지 않고, 예를 들어, 목표 피분석물(들)의 농도인 선택된 특징의 정확한 측정을 행하기 위해서, 부적절한 샘플 용액을 보상하는 부가 기능을 포함한다.

DC 전압이 인가될 때, 셀 내의 생물학적 샘플의 포도당과 같은 선택된 피분석물 농도는 전기화학적 셀을 통해 패스된 패러다익 전류(I_F)에 비례하고, 현재 전류가 샘플 용액에 의해 덮여진 셀 표면 부분에 비례하는 것이 기술분야에서 공지되어 있다. 상술된 바와 같이, 발명자들 그런 표면 부분이 셀의 등가 커패시턴스에 비례한다는 것을 결정하였다. 따라서, 선택된 피분석물 농도는 등가 셀 커패시턴스에 비례한다. 등가 셀 커패시턴스를 결정함으로써, 샘플 용액은 제공되고 셀의 커패시턴스 알고 있음으로써, 생물학적 용액이 가득 채워질 때(교정에 의해 결정됨), 낮은 샘플 볼륨을 보상하고 적절한 피분석물 농도 측정을 제공하는데 필수적인 보상 인자(F_cf)는 이하의 식에 따라 결정될 수 있다:

F_cf = C_f/C_pf

여기서, C_f는 가득 채워진 전기화학적 셀의 등가 커패시턴스이고 C_pf는 생물학적 샘플의 부적절한 볼륨을 포함하는 전기화학적 셀의 등가 커패시턴스이다. 교정된 피분석물 농도 측정(G)은 그 이하의 식에 따라 적당한 보상 인자(F_cf)로 만들어진다.

G = F_cf ·G_pf

G_pf는 생물학적 샘플의 부적절한 볼륨을 포함하는 셀로부터 계산된 피분석물 농도이다. 부적절한 저 샘플 볼륨에 대해 보상하도록 할 수 있음에서, 검사 스트립들을 낭비하는 것을 방지하는 주된 방법은, 비용을 중지하고 피분석물 측정을 행하기 위해 필요한 시간을 감소한다.

따라서, 일반적으로 상기 원리들과 발견들에 관련하여 요약된, 본 발명의 특정 방법은 바이오센서에 DC 전압을 인가하거나 또는 또한 인가하지 않은 바이오센서에 선택된 진폭 및 선택된 주파수를 가진 AC 전압을 인가하는 단계와; 전압(들)의 인가에 의해 발생된 AC 전류를 측정하는 단계와; 측정된 AC 전류로부터 바이오센서의 커패시턴스 또는 커패시턴스와 레지스턴스 모두를 결정하는 단계와; 결정된 커패시턴스에 기초하거나 또는 결정된 커패시턴스와 결정된 레지스턴스 모두에 기초하여 샘플과 접촉하는 바이오센서의 부분의 표면적을 결정하는 단계와; 결정된 표면적에 기초하여 바이오센서 내의 샘플의 볼륨을 결정하는 단계를 포함한다.

다른 본 방법들은, 샘플 볼륨이 적절하다는 결정에 기초하여, 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도와 같은 생물학적 샘플의 하나 이상의 물리적 또는 화학적 특징들을 측정하는 단계를 더 포함한다. 다른 본 방법들은, 특징의 값을 정확하게 측정하기 위해, 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 측정하기 위한 전기화학적 바이오센서 내에 보유된 생물학적 샘플의 부적절한 볼륨을 보상하는 단계를 포함한다. 이러한 보상 방법은, 부적절한 샘플 볼륨을 보상하기 위해 필요한 보상 인자를 결정하고, 이것이 결정되면, 이어서 예를 들어, 샘플 내에 존재하는 선택된 피분석물의 농도를 측정하는 동안 부적절한 샘플 볼륨을 보상하는 단계를 포함한다. 필요한 보상 인자를 결정하는 단계는 부적절한 샘플 볼륨을 갖는 바이오센서의 결정된 등가 커패시턴스에 대한 샘플로 가득 채워졌을 때의 바이오센서의 등가 커패시턴스의 비율을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 샘플로 가득 채워졌을 때의 바이오센서의 등가 커패시턴스의 값은 메모리 저장 수단으로부터 액세스될 수 있다.

본 발명의 시스템들

본 발명은 또한 상술된 본 방법들을 실행하기 위한 시스템을 제공한다. 일반적으로 기술된, 이러한 시스템은 본 발명의 상기된 방법들의 단계들을 실행하기 위한 다음의 구성 성분들을 포함할 수 있다: 전압을 전기화학적 셀에 인가하도록 구성된 전압원; 전압이 셀에 인가될 때 셀에 의해 발생된 전류를 측정하기 위한 수단; 측정된 전류로부터 셀의 커패시턴스 및/또는 저항을 유도하기 위한 수단; 셀의 커패시턴스 및/또는 저항으로부터 생물학적 샘플에 의해 덮여진 셀의 표면적을 유도하기 위한 수단; 셀의 표면적으로부터 생물학적 샘플의 볼륨을 유도하기 위한 수단. 임의의 시스템들은 샘플 볼륨이 생물학적 샘플의 하나 이상의 선택된 특징들의 정확한 측정을 얻기 위해 적절한지 여부를 결정하기 위한 수단을 더 포함하며 생물학적 샘플 내의 하나 이상의 선택된 피분석물 농도에 한정되지 않는다. 임의의 이 시스템들은 생물학적 샘플의 특징이 선택되는 동안 적절하지 않은 샘플 볼륨을 보상하기 위한 수단을 더 포함한다.

도 3은 본 발명의 예시적인 시스템(50)의 블록도를 도시한다. 시스템(50)은 전자 구성요소들, 및 바이오센서(70), 예를 들어, 검사될 샘플링된 생물학적 용액이 침전되거나 이동되는, 도 1과 관련하여 상술된 바와 같은 일회용 검사 스트립의 형태의 전기화학적 측정 셀에 전자적으로 연결되도록 구성된 회로를 포함한다. 보다 구체적으로, 시스템(50)은 필요한 AC 및 DC 입력 전압들을 바이오센서(70)에 공급하기 위한 전압원(52)을 포함한다. 시스템(50)은 전류-전압 변환기(54), 아날로그-디지털 변환기(56), 및 바이오센서(70)로부터 데이터를 총괄적으로 수신하고 처리하는 역할을 하는 마이크로프로세서(58)를 더 포함한다. 특히, 전류 전압 변환기(54)는 전압이 전압원(52)에 의해 인가될 때 바이오센서(70)로부터 출력 전류 신호를 수신하고, 전류 신호를 대응하는 전압 신호로 변환하기 위한 바이오센서(70)의 출력 단자에 동작 가능하게 결합된다. 그 다음, 이 대응하는 전압 신호는 아날로그 전압 신호를 대응하는 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(56)에 입력으로서 제공된다. 그 다음 이 디지털 전압 값은, 예를 들어, 등가 셀 커패시턴스, 등가 셀 저항, 바이오센서와 접촉하는 바이오센서의 표면적, 생물학적 샘플의 볼륨, 볼륨 보상 인자 등과 같은 중요한 인자들 또는 파라계기들을 유도 및/또는 결정하기 위해, 그리고 이 함수들의 각각의 타이밍을 제어하도록 프로그램되는 마이크로프로세서(54)에 입력 신호로서 제공된다.

이미 언급한 바와 같이, 마이크로프로세서(54)는 본 방법들의 단계들 및 기능들을 수행하는데 필수적이거나 유용한, 전기화학적 셀의 전체 볼륨, 교정 파라계기들(calibration parameters), 동작 온도 범위, 샘플 타입 정보, 샘플 검출 정보 등과 같은, 미리 정의되거나 미리 선택되거나 또는 교정된 데이터 또는 정보를 저장하기 위한 메모리 저장 수단을 포함할 수 있다. 비록, 마이크로프로세서가 본 발명의 원리들에 따라서 데이터를 저장 및 처리하는 목적들을 위해 기재되었을지라도, 본 기술분야의 숙련자들은 다른 전자 구성요소들이 본 발명의 목적들을 달성하도록 일괄적으로 구성될 수 있음을 이해할 것이다.

본 시스템은 제어 소자 또는 마이크로프로세서에 의해 제공되는 선택된 경험적 또는 상징적 데이터, 정보 또는 출력들을 디스플레이하기 위한 디스플레이 소자 또는 유닛(60)을 더 포함할 수 있다. 이러한 데이터, 정보 또는 출력들은 선택된 출력 신호들 및 임피던스 인자들의 측정된 또는 얻어진 값들, 샘플 볼륨 사이즈, 볼륨 적절/부적절 표시기 아이콘들, 부적절한 볼륨 보상 인자들, 관심있는 피분석물들의 농도, 생물학적 샘플 대 제어 샘플 표시기 아이콘들, 교정 결과들 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

많은 실시예들에서, 앞서 기재된 바와 같이, 전기화학적 신호 응용, 측정, 유도, 계산, 보상 및 디스플레이 단계들은 전기화학적 셀과 함께 작동하도록 설계된 본 시스템들에 의해 자동적으로 수행된다. 이처럼, 본 시스템들의 전자 회로는 전기화학적 셀, 예를 들어, 일회용 검사 스트립을 수용하여 동작적으로 이용하고, 그 전기화학적 셀 내에 보유된 생물학적 샘플의 하나 이상의 물리적 또는 화학적 특징들을 측정하도록 구성된 계기 또는 다른 자동화된 디바이스에 구조적으로 그리고 기능적으로 통합된다. 가장 통상적으로는, 그러한 특징들은 생물학적 샘플 내의 하나 이상의 목표 피분석물들의 농도를 포함한다. 사용자가 단지 전기화학적 셀의 반응 존에 생물학적 샘플을 인가하고, 이어서 그 디바이스로부터 기인한 최종 피분 석물 농도를 판독할 필요가 있도록, 동일하거나 유사한 단계들 및 기능들 중 몇몇을 자동으로 실행하기 위한 대표적인 계기 또는 디바이스가 본 명세서에 참조로서 통합된 개시물, 미국 특허 제6,193,873 B1호에 또한 기재되어 있다.

관련 기술분야의 숙련자들은 그 시스템들이 앞서 기재된 유형의 바이오 센서들을 포함하지 않는 시금 시스템들과 함께 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 그러한 다른 시스템들은, 예를 들어, 적어도 두 개의 전극들을 갖는 전기화학적 셀 및 고정된 이온들의 농도를 갖는 산화 환원 시약 시스템을 포함하며, 그 전극들은 생물학적 샘플 또는 고정된 이온 농도를 갖는 환경 내에 놓이도록 구성된다.

예들

본 발명과 관련하여 다음 결과들이 관찰되었다. 도 4 내지 도 8은 적절한 샘플 볼륨을 갖는 검사 스트립들(즉, 샘플 용액 또는 물질로 가득 채워진 반응 존들을 갖는 검사 스트립들) 및 적절한 샘플 볼륨보다 적게 갖는 검사 스트립들(즉, 샘플 용액 또는 물질로 1/2 채워진 반응 존들을 갖는 검사 스트립들)로 이루어진 측정들의 실험적인 결과들에서의 변화를 도시한다. 특히, 전기화학적 셀들의 등가 커패시턴스의 측정치 및 샘플 용액 저항은 적합한 전압들이 검사 스트립들에 인가된 동안의 시간의 선택된 기간들에 걸쳐 만들어졌다. 다음 실험 결과들은 제한의 방법이 아닌 도시의 방법으로 서술된다. 도시되는 결과들은 실온에서 40 내지 600mg/dL의 포도당 범위와 20% 내지 70%의 헤마토크릿을 갖는 5개의 다른 혈액 기증자들에 의한 스트립들을 사용하여 모은 것이다.

도 4는 혈액 샘플들로 가득 채워진 검사 스트립들(130)과 혈액 샘플들로 1/2 채워진 검사 스트립들(132)의 시간(x축)에 대한 등가 셀 커패시턴스(y축)에서의 변화의 비교를 도시한다. 그래프는 가득 채워진 검사 스트립들(130)이 1/2 채워진 검사 스트립들(132)의 등가 커패시턴스보다 두 배 큰 등가 셀 커패시턴스를 생성했다는 것을 보여준다.

도 5는 혈액 샘플들로 가득 채워진 검사 스트립들(130)과 혈액 샘플들로 1/2 채워진 검사 스트립들(132)의 시간(x축)에 대한 등가 셀 커패시턴스(y축)에서의 변화의 비교를 도시한다. 그래프는 혈액 샘플의 보다 큰 볼륨이 혈액 샘플의 보다 작은 볼륨으로 검사 스트립들을 반쯤 채운 것에 대하여 동등한 셀 저항을 생성했다는 것을 도시한다.

도 6은 혈액 샘플들로 가득 채워진 검사 스트립들(140)과 혈액 샘플들로 1/2 채워진 검사 스트립들(138)의 등가 셀 커패시턴스(x축)의 히스토그램들을 도시하는데, 등가 셀 커패시턴스는 혈액 샘플이 검사 스트립에 인가되고 난 후 0.5초에서 측정된다. 그래프는 가득 채워진 검사 스트립들(140)이 매우 좋은 재생성으로 1/2 채워진 검사 스트립들(138)의 등가 커패시턴스보다 두 배 큰 등가 셀 커패시턴스를 생성했다는 것을 보여준다.

도 7에는 혈액 샘플들로 가득 채워진 검사 스트립들(142) 및 혈액 샘플들로 1/2 채워진 검사 스트립들(144)의 시간에 따른, 등가 셀 커패시턴스와 등가 셀 저항의 비(C/R)의 변화에 대한 비교가 도시되어 있다. 이 그래프는 가득 채워진 검사 스트립들(142)이 1/2 채워진 검사 스트립들(144)의 C/R의 대략 4배의 C/R을 생성함을 보여준다.

도 8에는 혈액 샘플들로 가득 채워진 검사 스트립들(146) 및 혈액 샘플들로 1/2 채워진 검사 스트립들(148)의 등가 셀 커패시턴스(x축)와, 등가 셀 저항에 대한 등가 셀 커패시턴스의 비(C/R)(y축)의 산포도의 비교가 도시되어 있으며, 여기서, 커패시턴스와 저항은 혈액 샘플을 검사 스트립에 인가한 후의 0.5초에서 측정되었다. 이 그래프는 C/R이 등가 셀 커패시턴스(C)에 비해 샘플 볼륨에 보다 많은 민감성을 생성하였음을 보여준다.

키트들

또한, 본 발명의 방법들을 실시하는데 사용하기 위한 키트들이 본 발명에 의해 제공된다. 본 발명의 키트들은 위에서 언급한 전자 회로, 즉, 위에서 언급한 바와 같이 검사 스트립에 인가된 샘플의 볼륨이 행해질 정확한 피분석물 농도 측정을 제공하기에 충분한지를 결정하기 위한 계기 또는 다른 자동화 디바이스의 형태의 전자 회로를 포함하는 시스템을 포함한다. 어떤 다른 키트들에서, 본 시스템은 또한 피분석물 농도 측정을 행할 때 그와 같은 부적절한 볼륨을 보상한다. 키트들은 또한, 전기화학적 셀 내에 보유된 샘플링된 용액 또는 물질의 볼륨의 결정시, 검사 스트립 또는 마이크로-니들 등과 같은 형태의 전기화학적 셀과 함께 본 방법들에 따른 본 시스템들을 사용하기 위한 지시들을 포함한다. 이들 지시들은 하나 이상의 패키징, 라벨 삽입 등에 제공될 수 있다.

본 방법들 및 시스템들의 특징들은 전기화학적 피분석물 농도 분석을 위한 검사 스트립 상에 침전된 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 종래의 기술의 다수의 단점들을 극복하며, 그와 같은 샘플 볼륨 결정을 행하기 위한 매우 정확한 수단 및 기술을 제공하는 것 및 피분석물 농도 측정들을 행하는데 필요한 시간을 감소시키는 것을 포함해서 특정한 이점들을 제공함은 상기 설명으로부터 명백하다. 또한, 이와 같은 샘플 볼륨 결정은 혈액 포도당, 혈액 헤마토크릿 레벨, 혈액 제공자, 검사 온도, 및 혈액 샘플들에 종종 존재하는 간섭들의 농도의 변화들에 영향받지 않는다. 본 발명의 다른 이점들은 부적절한 샘플 볼륨을 보상하여 검사 절차를 중지하기 않고 피분석물 농도 측정을 진행하는 능력을 포함하며, 따라서 낭비 및 비용이 최소화된다. 이와 같이, 본 발명은 생물학적 샘플 볼륨 결정 및 피분석물 농도 측정의 분야에 상당한 기여를 제공한다.

본 발명은 가장 실용적이고 바람직한 실시예들인 것으로 간주되는 것으로 도시되고 기재되었다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서 변형이 행해질 수 있고, 이 기술분야의 숙련자는 이 명세서를 읽을 때 명백한 변형들이 가능함을 알 수 있다.

개시된 특정 디바이스들 및 방법들은 예시를 위한 것이지 제한을 위한 것이 아니다. 이 기술분야의 숙련가 쉽게 행할 수 있는 변형들과 같은, 공개된 개념들의 등가 개념들의 의미 및 범위 내에서의 변형들은 첨부된 청구의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

전기화학적 바이오센서(electrochemical biosensor) 내에 보유된 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법에 있어서:

선택된 진폭과 선택된 주파수를 갖는 교류 전압을 상기 바이오센서에 인가하는 단계;

상기 교류 전압을 인가함으로써 발생된 전류를 측정하는 단계;

상기 측정된 전류로부터 상기 바이오센서의 커패시턴스를 결정하는 단계;

상기 결정된 커패시턴스에 기초하여 상기 샘플과 접촉하는 상기 바이오센서의 표면적을 결정하는 단계;

상기 결정된 표면적에 기초하여 상기 바이오센서 내의 상기 샘플의 볼륨을 결정하는 단계; 및

상기 결정된 샘플의 볼륨에 기초하여 상기 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 측정하는 단계를 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 샘플 볼륨이 상기 샘플의 상기 특징을 측정하기에 적절한지의 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 샘플 볼륨이 적절하다는 결정에 기초하여 상기 샘플 측정치 내에 존재하는 하나 이상의 선택된 피분석물들(analytes)의 농도를 측정하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 샘플 볼륨이 부적절하다는 결정에 기초하여, 상기 부적절한 샘플 볼륨을 보상하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 부적절한 샘플 볼륨을 보상하는 단계는, 상기 부적절한 샘플 볼륨을 갖는 상기 바이오센서의 커패시턴스에 대한, 상기 샘플로 완전히 채워졌을 때의 상기 바이오센서의 커패시턴스의 비율을 결정하는 것을 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정된 전류로부터 상기 바이오센서의 저항을 결정하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 결정된 커패시턴스 및 상기 결정된 저항에 기초하여 상기 샘플과 접촉하는 상기 바이오센서의 표면적을 결정하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

직류 전압을 상기 바이오센서에 인가하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 직류 전압 및 상기 교류 전압은 동시에 인가되는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 방법.
삭제
전기화학적 바이오센서 내에 보유된 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 측정하는 방법에 있어서:

상기 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 단계;

상기 생물학적 샘플의 볼륨의 적정성(adequacy)을 결정하는 단계;

상기 볼륨이 부적절하다는 결정에 기초하여 전기화학적 바이오센서 내에 보유된 생물학적 샘플의 부적절한 볼륨을 보상하는 단계; 및

상기 보상된 샘플의 볼륨에 기초하여 상기 생물학적 샘플의 상기 적어도 하나의 특징을 정확히 측정하는 단계를 포함하는, 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 측정하는 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 특징은 상기 샘플 내에 존재하는 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도인, 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 측정하는 방법.
표면적과 볼륨을 갖는 전기화학적 셀 내의 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 시스템에 있어서:

상기 전기화학적 셀에 전압을 인가하도록 구성된 전압원;

상기 전압이 상기 셀에 인가될 때 상기 셀에 의해 발생된 전류를 측정하는 수단;

상기 측정된 전류로부터 상기 셀의 커패시턴스를 유도하는 수단;

상기 셀 커패시턴스로부터 상기 생물학적 샘플에 의해 덮여진 상기 셀의 표면적을 유도하는 수단;

상기 셀 표면적으로부터 상기 생물학적 샘플의 볼륨을 유도하는 수단; 및

상기 유도된 샘플의 볼륨에 기초하여 상기 생물학적 샘플의 적어도 하나의 특징을 정확히 측정하는 수단을 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 샘플 볼륨이 상기 생물학적 샘플 내의 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도를 정확히 측정하기에 적절한지의 여부를 결정하는 수단을 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 생물학적 샘플 내의 상기 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하는 수단; 및

상기 생물학적 샘플 내의 상기 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하는 중에 부적절하다고 결정된 상기 샘플 볼륨을 보상하는 수단을 더 포함하는, 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하는 시스템.
전기화학적 셀을 사용하고, 상기 전기화학적 셀 내에 보유된 생물학적 샘플 내의 하나 이상의 선택된 피분석물들의 농도를 측정하도록 구성된 계기(meter)를 사용하는 시스템에 있어서:

교류 및/또는 직류 전압을 상기 셀에 인가하도록 구성된 전압원; 및

상기 셀에 전압이 인가될 때 상기 전기화학적 셀에 의해 발생된 전류를 수신하고, 상기 발생된 전류를 측정하고, 상기 측정된 전류로부터 상기 셀의 커패시턴스를 결정하고, 상기 셀 커패시턴스로부터 상기 생물학적 샘플에 의해 덮여진 상기 셀의 표면적을 결정하고, 상기 생물학적 샘플에 의해 덮여진 상기 셀 표면적으로부터 상기 생물학적 샘플의 볼륨을 결정하도록 구성된 전기회로를 포함하는, 시스템.