KR20020077409A - 적혈구 용적율 보정 분석물 농도 측정용 전기화학 방법 및장치 - Google Patents
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Abstract
생리적 샘플내의 분석물 농도를 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 본 방법에서, 생리적 샘플을 작동 전극 및 기준 전극을 갖는 전기화학 전지에 도입한다. 제1 전위를 전지에 가하고, 시간 경과에 따른 생성된 전지 전류를 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 측정한다. 반대 극성의 제2 전위를 전지에 가하고 제2 시간-전류 트랜지언트를 결정한다. 분석물의 예비 농도를 제1 및/또는 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 계산한다. 배경값을 감한, 예비 분석물 농도와 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하여 샘플 내에서 분석물 농도를 얻는데, 적혈구 용적율 보정 인수는 예비 분석물 농도와 전기화학 전지의 인수 γ의 함수이다. 본 방법 및 장치는 다양한 샘플에서의 다양한 분석물을 측정하는 데 사용하기에 적합하고, 특히 전혈 또는 이의 유도체에서 분석물, 특히 대상 분석물이 글루코오스인 경우에 적합하다.
Description
발명의 분야
본 발명의 분야는 분석물 측정, 특히 전기화학적 분석물 측정에 관한 것이며, 보다 상세하게는 혈액 분석물의 전기화학적 측정에 관한 것이다.
배경
생리적 유체, 즉 혈액 또는 혈액 유래된 산물에서의 분석물을 측정하는 것은 현대 사회에 있어서 그 중요성이 끊임없이 증가하고 있다. 분석물 검출 방법은 임상 실험실 시험, 가정에서의 시험 등을 위시한 다양한 용도를 가지고 있으며, 여기서 그러한 시험 결과는 다양한 질병 조건에서 진단 및 처치하는 데 뛰어난 역할을 한다. 대상이 되는 분석물은 당뇨 관리를 위한 글루코오스, 콜레스테롤 등을 포함한다. 분석물 검출의 이러한 점증하는 중요성에 응하여, 임상적 및 가정용 용도의 다양한 분석물 검출 방법 및 장치가 개발되었다.
분석물 검출용으로 사용된 한 가지 유형의 방법은 전기화학적 방법이다. 이러한 방법에 있어서, 수성 액체 샘플은 두 전극, 예를 들어, 기준 전극 및 작동 전극을 포함하는 전기화학 전지에서 반응 대역에 위치시키는데, 여기서, 상기 전극들은 이들이 암페어 측정에 적합하도록 하는 임피던스를 가진다. 분석될 성분을 직접적으로 전극과 반응하도록 하거나, 직접적으로 또는 간접적으로 산화환원 시약과 반응하도록 하여 분석될 성분, 즉 분석물의 농도에 상응하는 양으로 산화될 수 있는 (또는 환원될 수 있는) 물질을 형성한다. 상기 존재하는 산화될 수 있는 (또는 환원될 수 있는) 물질의 양을 전기화학적으로 측정하고 이를 최초 샘플에 존재하는 분석물의 양과 연계한다.
분석되는 생리적 샘플이 전혈 또는 이의 유도체인 경우, 샘플의 적혈구 용적율은 궁극적인 분석물 농도 측정에 분석 에러의 원인이 될 수 있다. 예를 들어, 분석물 농도가 관찰된 시간-전류 트랜지언트(transient)로부터 유도되는 전기화학적 측정 방법에 있어서, 적혈구 용적율은 전기화학적 전지에서의 평형 화학을 늦추고/거나 전지에서의 샘플 점도를 증가시킴으로써 효소 활동을 늦추며, 이에 의해 시간 전류 반응을 약화시키고 분석 에러를 야기시키는 것이다.
그러한 것으로서, 적혈구 용적율 유래된 분석 에러를 최소화하는 방법의 개발이 관심을 끌고 있다. 특정 방법에서, 혈액 여과 막을 사용하여 적혈구를 제거함으로써 적혈구 용적율 효과를 최소화시킨다. 이러한 특정 방법은 샘플 용적 및 시험 시간이 증가되기 때문에 만족스럽지 않다. 다른 방법들은 모세관 충전 시간을 측정하는 데 초점을 맞추고 있다. 그러나, 이러한 방법들은 판독하는 데 사용되는 스트립 및 장치 둘 다를 복잡하게 할 뿐이다. 또 다른 양태에서는, 두 개의 추가 전극을 사용하여 적혈구 용적율을 따로 측정하는데, 이 또한 복잡하고 비싼스트립/장치를 요한다.
생리적 샘플에서의 분석물 농도를 전기화학적으로 측정하는 신규 방법을 확인하는 것이 또한 관심을 끌고 있는 바, 여기서, 상기 방법은 샘플의 적혈구 용적율로 유래된 분석 에러를 최소화하는 것이다.
관련 문헌
관심의 대상이 되는 특허 문헌은 미국 특허 제5,942,102호 및 국제공개공보 제WO 97/18465호를 포함한다.
발명의 개요
생리적 샘플내의 분석물 농도를 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 방법에서, 생리적 샘플을 작동 및 기준 전극을 갖는 전기화학 전지에 도입한다. 제1 전위를 상기 전지에 가하고, 제1 시간 경과에 따른 생성된 전지 전류를 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 측정한다. 그 다음, 반대 극성의 제2 전위를 전지에 가하고 제2 시간-전류 트랜지언트를 측정한다. 분석물의 예비 농도(Co)를 제1 및/또는 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 계산한다. 배경 값을 감한, 이러한 예비 분석물 농도를 적혈구 용적율 보정 인수로 곱하여 샘플 내에서의 분석물 농도를 얻는데, 상기 적혈구 용적율 보정 인수는 예비 분석물 농도와 상기 전기화학 전지의 시간-전류 트랜지언트 내에서 두 개의 전류값(γ)의 비율의 함수이다. 본 발명의방법 및 장치는 다양한 샘플에서의 다양한 분석물을 측정하는 데 사용하기 적합하고, 특히 전혈 또는 이의 유도체에서의 분석물, 특히 관심이 되는 분석물이 글루코오스인 경우 적합하다.
도 1은 넓은 범위의 글루코오스 및 적혈구 용적율 값을 사용하여 실험 데이터로부터 유도된 Co, γ 및 α(Co, γ)의 삼차원 그래프를 제공한다.
특정 양태의 설명
생리적 샘플 내의 분석물 농도를 결정하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 방법에서, 생리적 샘플을 작동 및 기준 전극을 갖는 전기화학 전지에 적용한다. 제1 전위를 상기 전지에 가하고, 제1 시간 경과에 따른 생성된 전지 전류를 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 측정한다. 그 다음, 반대 극성의 제2 전위를 전지에 가하고 제2 시간-전류 트랜지언트를 측정한다. 분석물의 예비 농도를 제1 및/또는 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 계산한다. 배경 값을 감한 이러한 예비 분석물 농도와 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하여 샘플 내에서의 분석물 농도를 얻는데, 상기 적혈구 용적율 보정 인수는 예비 분석물 농도와 상기 전기화학 전지의 변수 γ의 함수이다. 본 발명의 방법 및 장치는 다양한 샘플에서의 다양한 분석물을 측정하는 데 사용하기 적합하고, 특히 전혈 또는 이의 유도체 속의 분석물, 특히 관심이 되는 분석물이 글루코오스인 경우에 적합하다. 본 방법은 본 방법을 실행하는 데 사용되는 대표적인 장치를 개관한 후 더 설명될 것이다.
본 발명을 추가로 설명하기 전에, 후술하는 본 발명의 특정 양태의 변형이 만들어 질 수 있고 첨부된 청구범위에 속하기 때문에 본 발명은 특정 양태에 제한되지 않는다는 것을 밝힌다. 또한 사용된 용어는 특정 양태를 설명하기 위해 사용한 것이며 제한하기 위한 의도가 아님을 밝힌다. 대신에 본 발명의 범위는 첨부되는 청구범위에 의해 확립될 것이다.
본 명세서 및 첨부되는 청구범위에서, 단수 참조물은 맥락이 뚜렷하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 개념을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 숙련자에게 공히 이해될 수 있는 것과 같은 동일한 의미를 지닌다.
방법
전술한 바와 같이, 본 발명은 생리적 샘플에서의 적혈구 용적율 보정 분석물 농도 측정 방법을 제공한다. 적혈구 용적율 분석물 농도란 표현은 측정된 분석물 농도값에 대한 적혈구 용적율의 거의 모든 기여를 제거하기 위해 본 발명의 방법을 사용하여 측정된 분석물 농도값을 보정하거나 변경하였음을 의미한다. 환언하면, 본 발명의 방법을 사용하여 결정된 농도값은 본 발명의 방법을 실행하지 않았다면 상기 농도값에 존재할 지도 모르는, 샘플의 적혈구 용적율로부터 기여된 값을 제거하도록 변경된 것이다. 그러한 것으로서, 본 방법에서는 적혈구 용적율 신호를 분석물 신호로부터 이탈시키고, 분석물 신호만이 최종 적혈구 용적율 보정 분석물 농도에 도달하는 데 사용된다.
본 방법에서 제1 단계는 대상 생리적 샘플 일정량을, 이격되어 있는 작동 전극 및 기준 전극, 및 산화환원 시약 시스템을 포함하는 전기화학 전지로 도입시키는 것이다. 상기 생리적 샘플은 다양하지만, 많은 양태에서, 일반적으로 전혈 또는 이의 유도체로서, 특히 전혈은 많은 양태에서 관심의 대상이 된다. 시험 스트립의 반응 영역으로 도입된 생리적 샘플, 예를 들어, 혈액의 양은 다양하지만, 일반적으로 약 0.1 내지 10μL 범위이고, 통상 약 0.9 내지 1.6μL 범위이다. 상기 샘플을 임의의 편리한 방법을 사용하여 반응 영역에 도입하는데, 여기서 샘플을 반응영역에 주입하고, 반응영역으로 위킹(wicking)하는 등등 편리한 대로 실행한다.
본 방법이 원칙적으로 이격된 작동 및 참조 전극과 산화환원 시약 시스템을 갖는 임의의 유형의 전기화학 전지에 사용되지만, 많은 양태에서, 본 방법은 전기화학적 시험 스트립을 채용한다. 본 발명의 양태에서 사용된 전기화학적 시험 스트립은 박막 스페이서 층에 의해 분리된 두 개의 대향 금속 전극으로 구성되며, 여기서 이러한 성분들은 산화환원 시약 시스템이 위치하는 반응 영역 또는 대역을 규정짓는다.
이러한 전기화학적 시험 스트립의 특정 양태에서, 작동 및 기준 전극은 일반적으로 연장된 사각 스트립 형태를 갖는다. 전형적으로, 전극의 길이는 약 1.9 내지 4.5cm, 통상 약 2.0 내지 2.8cm 범위이다. 전극의 너비는 약 0.38 내지 0.76cm, 통상 약 0.51 내지 0.67cm 범위이다. 전형적으로, 기준 전극의 두께는 약 10 내지100nm, 통상적으로는 약 10 내지 20nm이다. 특정 양태에서, 전극들 중 하나의 길이는 다른 전극의 길이보다 짧은데 전형적으로 약 0.32cm 짧다. 짧은 전극은 작동 또는 기준 전극이 될 수 있다.
작동 및 기준 전극은 스트립에서 반응 영역에 대향하는 전극의 표면이 적어도 금속임을 특징으로 하며, 관심있는 금속은 팔라듐, 금, 백금, 은, 이리듐, 탄소, 도핑된 주석 산화물, 스테인레스 스틸 등을 포함한다. 다수의 양태에서, 금속은 금 또는 팔라듐이다. 원칙적으로 전체 전극이 금속으로 이루어질 수 있지만, 각각의 금속은 일반적으로 불활성 지지 물질로 이루어지고 전극의 금속 성분의 박막이 이의 표면에 존재한다. 이러한 양태에서, 불활성 배면 재료의 두께는 전형적으로는 약 51 내지 356μm, 통상적으로는 약 102 내지 153μm 인 반면, 상기 금속층, 예를 들어 스퍼터링된 금속 층의 두께는 약 10 내지 100nm, 통상 약 10 내지 40nm 이다. 임의의 편리한 불활성 배면 물질을 상기 전극에 사용할 수 있는데, 당해 물질은 상기 전극 및 전체적으로 전기화학적 시험 스트립에 구조 지지체를 제공할 수 있는 경질 물질이다. 배면 기판으로서 사용될 수 있는 적합한 물질로는 플라스틱(예: PET, PETG, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌), 규소, 세라믹, 유리 등이 있다.
본 방법의 이러한 양태에 사용되는 전기화학적 시험 스트립의 특성은 작동 및 기준 전극이 상술한 바와 같이 서로 대향하고 있고 짧은 간격으로 이격되어서, 전기화학적 시험 스트립의 반응 대역 또는 영역에서의 작동 및 기준 전극 사이의 거리는 극히 짧다. 시험 스트립에서의 이러한 최소한의 작동 및 기준 전극 이격은작동 및 기준 전극 사이에 위치하거나 삽입된 박막 스페이서 층이 존재하는 결과이다. 이러한 스페이서 층의 두께는 일반적으로 500μm 이하, 일반적으로 약 102 내지 153μm이다. 스페이서 층을 절단하여 반응 대역 또는 영역에 반응 대역으로의 입구 및 일반적으로 반응 영역으로부터의 출구를 또한 제공한다. 스페이서 층은 측면 입구 및 출구 배기구를 갖는 절단된 원형 반응영역, 또는 다른 형태, 예를 들어, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 불규칙한 형태의 반응 영역 등을 가질 수 있다. 스페이서 층은 임의의 편리한 물질로부터 제조될 수 있는데, 대표적인 적합한 물질로는 PET, PETG, 폴리이미드, 폴리카보네이트 등이 있고, 스페이스 층의 표면은 각각의 전극에 대하여 접착성을 갖도록 처리되어 전기화학 시험 스트립의 구조를 유지한다. 다이-절단 양면 접착 스트립을 스페이서 층으로서 사용하는 것이 중요하다.
본 발명의 이러한 양태에 사용되는 전기화학적 시험 스트립은 위에서 설명한, 작동 전극, 기준 전극 및 스페이서 층에 의해 규정되는 반응 대역 또는 영역을 포함한다. 특히, 작동 및 기준 전극들은 반응 영역의 상부 및 하부를 규정하는 반면, 스페이서 층은 반응 영역의 벽을 규정한다. 반응 영역의 용적은 약 0.1μL 이상, 통상적으로는 약 1μL 이상, 보다 통상적으로는 약 1.5μL 이상이고, 용적은 10μL 이상으로 클 수 있다. 전술한 바와 같이, 반응 영역은 일반적으로 입구를 포함하고, 다수의 양태에서 또한 출구를 포함한다. 입구 및 출구의 단면적은 이것이 반응영역으로부터 유체의 효과적인 출입을 제공할 정도로 크면 변할 수 있지만, 일반적으로 약 9x10-4내지 5x10-3cm2, 통상 약 1.3x10-3내지 2.5x10-3cm2이다.
전극에 의해 측정될 종을 제공하여 생리적 샘플 속의 분석물의 농도를 유추하는 데 사용되는 산화환원 시약 시스템이 반응 영역에 존재한다. 반응 영역에 존재하는 산화환원 시약 시스템은 통상적으로 적어도 하나의 효소 및 매개체를 포함한다. 다수의 양태에서, 산화환원 시약 시스템의 효소 구성원은 하나의 효소 또는 협력하여 관심있는 분석물을 산화시키는 작용을 하는 수 개의 효소이다. 환언하면, 산화환원 시약 시스템의 효소 성분은 단일 분석물 산화 효소 또는 대상 분석물을 협력하여 산화시키는 작용을 하는 두가지 이상의 효소들의 집합체로 구성된다. 관심있는 효소로는 옥시다제, 탈수소화효소, 리파제, 키나제, 디포라제, 퀴노프로테인 등이 있다.
반응 영역에 존재하는 특이 효소는 전기화학 시험 스트립이 검출하도록 고안된 특정 분석물에 의존하며, 대표적인 효소로는 글루코오스 옥시다제, 글루코오스 탈수소화효소, 콜레스테롤 에스테라제, 콜레스테롤 옥시다제, 리포프로테인 리파제, 글리세롤 키나제, 글리세롤-3-포스페이트 옥시다제, 락테이트 옥시다제, 락테이트 탈수소화효소, 피루베이트 옥시다제, 알코올 옥시다제, 빌리루빈 옥시다제, 우리카제 등이 있다. 대상 분석물이 글루코오스인 다수의 바람직한 양태에서, 산화환원 시약 시스템의 효소 성분은 글루코오스 산화 효소, 예를 들어, 글루코오스 옥시다제 또는 글루코오스 탈수소화 효소이다.
산화환원 시약 시스템의 또 다른 성분은 매개체 성분으로서, 이는 한가지 이상의 매개체 제제로 구성된다. 당해 분야에 공지된 상이한 각종 매개체 제제는 페리시아나이드, 페나진 에토설페이트, 페나진 메토설페이트, 페닐렌디아민, 1-메톡시-페나진 메토설페이트, 2,6-디메틸-1,4-벤조퀴논, 2,5-디클로로-1,4-벤조퀴논, 페로센 유도체, 오스뮴 비피리딜 착체, 루테늄 착체 등이다. 글루코오스가 대상 분석물이고 글루코오스 옥시다제 또는 글루코오스 탈수소화 효소가 효소 성분인 양태에서, 특히 관심이 되는 매개체는 페리시아나이드 등이다.
반응 영역에 존재할 수 있는 다른 제제는 완충제, 예를 들어, 시트라코네이트, 시트레이트, 말릭, 말레익, 포스페이트, "굿(Good)" 완충액 등이다. 존재할 수 있는 다른 제제는 염화칼슘 및 염화마그네슘과 같은 2가 양이온류; 피롤로퀴놀린 퀴논; 트리톤(Triton), 마콜(Macol), 테트로닉(Tetronic), 실웨트(Silwet), 조닐(Zonyl), 및 플루로닉(Pluronic) 등과 같은 계면활성제류; 알부민, 수크로즈, 트레할로즈, 만니톨 및 락토즈와 같은 안정화제이다.
산화환원 시약 시스템은 일반적으로 건조된 형태로 존재한다. 각종 성분의 양은 가변적이고, 효소 성분의 양은 일반적으로 약 1 내지 100mg/mL, 통상적으로 약 5 내지 80mg/mL이고; 매개체 성분의 양은 일반적으로 약 5 내지 1000mM, 통상 약 90 내지 900mM이다.
샘플을 도입한 후, 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻는다. 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트는 일정한 전위를 전지에 가하고 전지에서 일정시간 경과에 따른 전류 변화를 관찰함으로써 수득된다. 환언하면, 제1 및 제2 펄스를 전지에 가하고 생성된 시간-전류 트랜지언트를 관측한다. 그러한 것으로서, 일정 전위 또는제1 펄스를 상기 전지, 예를 들어, 작동 전극 및 기준 전극 사이에 가하고 전극 간의 시간에 따른 전류 변화, 예를 들어 전지 전류 변화를 관찰하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻는다. 처음 가해진 전위의 크기는 일반적으로 약 0 내지 -0.6V, 통상적으로는 약 -0.2 내지 -0.4V이다. 전극 간의 전류를 관측하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻는 경과시간의 길이는 약 3 내지 20초, 통상 약 4 내지 10초이다.
제2 시간 전류는, 일반적으로 제1 일정 전위와 반대 극성인 제2 일정 전위 또는 제2 펄스를 전극에 가하고 일정시간동안 전극간의 전류 변화를 관측하여 얻는다. 이러한 제2 일정 전위의 크기는 일반적으로 약 10 내지 +0.6V, 통상적으로는 약 +0.2 내지 +0.4V이고, 다수의 양태에서, 제2 전위의 크기는 제1 전위의 크기와 동일하다. 제2 시간 기간은 일반적으로 약 1 내지 10초, 통상 약 2 내지 4초이다. 이러한 제2 시간 경과동안 전극 간의 전류 변화를 관측함으로써, 전지에 대한 제2 시간-전류 트랜지언트가 결정된다.
필수적인 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻는데 요구되는 전체적인 시간은 전술한 바와 같이, 특정 양태에서는 비교적 짧다. 이러한 양태에서, 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻는 데 필요한 총 시간은 약 30초 미만, 통상 약 20초 미만, 보다 통상적으로는 약 14초 미만이다.
본 방법에서 다음 단계는 상기 관측된 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트를 사용하여 (a) 본 방법에서 사용된 전기화학 전지의 변수 γ 및 (b) 샘플내의 대상 분석물에 대한 예비 분석물의 농도를 결정하는 것이다.
본 방법에서 사용된 변수 γ는 전기화학적 전지의 이상체로부터의 차이를 설명하기 위해 정의된다. 백그라운드를 통해, γ는 이상적인 조건하에서, 예를 들어 제1 펄스의 종료전에 시약 평형 및 글루코오스 반응이 완료되는 조건하에서, 단일 수로 수렴한다는 것을 나타낸다. 완결되지 않은 임의의 이러한 조건은 비율이 비 단위 값으로부터 이탈되도록 한다. γ의 분자는 제2 전위를 전지에 인가한 후 관측되는 정상 상태 전류로서, 예를 들어 제2 시간-전류 트랜지언트의 t=∞에서 예측값으로서 정의된다. 분모는 제1 시간 기간의 종료 시점 근처, 예를 들어, 제1 전위 또는 제1 펄스의 인가 종료 시점 근처의 짧은 시간 경과동안의 평균 전류로서 정의된다. 상기 평균 전류가 결정되는 단시간은 전형적으로는 0.2 내지 2초, 통상 0.2 내지 1.5초, 보다 통상적으로는 0.2 내지 1.25초이고, 다수의 양태에서 단기간은 약 0.3초이다. 평균 전류는 제1 시간 기간의 종료 시점 근처에서, 통상적으로는 약 0.1 내지 1초 이내에서 결정된다. 특정 양태에서, 변수 γ는 다음 수학식으로 표시된다.
위의 수학식 1에서,
iss는 제2 인가된 전위의 정상 상태 전류이고,
ipp는 제1 시간 기간 종료 시점 근처, 예를 들어, 제1 전위가 전지에 인가되는 동안의 시간 종료 시점 근처의 단시간에 걸친 평균 전류이다.
예를 들어, 제1 시간 기간이 10초인 경우, 평균 전류는 10초 기간 중 8.5 내지 9.5초간의 평균 전류이고 이는 제1 시간 기간 종료 시점으로부터 0.5초 내지 1.0초 기간이다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트들을 사용하여 분석되는 샘플에 대한 예비 분석물 농도값을 유도한다. 다수의 양태에서 상기 예비 분석물 농도는 다음 수학식을 사용하여 결정한다.
위의 수학식 2 및 3에서,
iss는 제2 전위 인가후 정상상태 전류이고,
i는 시간의 함수로 측정된 전류이고,
D는 전지의 확산 계수로서, 당해 확산계수는 픽(Fick)의 제1 법칙, 예를 들어, J(x,t)=-DdC(x,t)/dx로부터 결정될 수 있고,
L은 스페이서의 두께이고,
t는 제2 전위를 인가하는 시간으로 t=0는 펄스의 개시 시간이고,
Co는 분석물의 예비 농도이고,
F는 페러데이 상수, 즉 9.6485x104C/mol이고,
A는 작동 전극의 면적이다.
위의 방정식 및 단계를 사용하여, 관측된 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트들을 사용하여 본 방법에 사용된 전기화학 전지의 변수 γ 및 분석된 생리적 샘플내의 대상 분석물 예비 농도값을 결정한다.
결정된 변수 γ 및 예비 분석물 농도값으로부터, 적혈구 용적율 보정 인수를 결정하고, 이 적혈구 용적율 보정 인수를 사용하여 전술한 초기 또는 예비 분석물 농도값으로부터 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 수득한다. 상기 적혈구 용적율 보정 인수는 상기 예비 분석물 농도(전형적으로는 배경값이 감해진)가 곱하여져서 적혈구 용적율 보정 분석물 농도값, 즉 적혈구 용적율 요소가 제거된 농도를 얻는 인수이다. 적혈구 용적율 보정 인수는 예비 분석물 농도값과 전기화학 전지의 변수 γ 둘 다의 함수이다.
예비 농도 값(후술하는 바와 같이 통상적으로 배경 값이 감해진)을 곱할 수 있는 임의의 적혈구 용적율 보정 인수를 본 방법에 사용할 수 있다. 본 방법에 사용할 수 있는 적혈구 용적율 보정 인수의 한 부류는 넓은 범위의 분석물 및 적혈구 용적율 값을 사용하는 실험 데이터로부터 얻어진 Co, γ 및 α(Co, γ)의 삼차원 그래프로부터 유도된 것들이다. 적혈구 용적율 보정 인수(α(Co, γ))는 하기 수학식을 사용하여 결정된다:
[예를 들어, 분석물이 글루코오스인 경우, 다수의 양태에서 α(Co, γ)는 옐로우 스프링즈 인스트루먼트(Yellow Springs Instrument) 글루코오스 분석기 모델 23A(본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,968,760호에 기재되어 있음)를 사용하여 측정된 글루코오스 농도를 배경값이, 예를 들어, 22mg/dL이 감해진 Co로 나눈 것이다]. 이러한 종류의 적혈구 용적율 보정 인수들은 전형적으로 예상 및 실제 데이터 사이의 에러를 최소화시키는 원활한 표면 함수에 적합한 방정식이다. 하기 실험 부분을 참고한다. 상기 방법에서 사용할 수 있는 하나의 대표적인 적혈구 용적율 보정 인수는 다음 수학식과 같다:
본 발명에 따라서 분석물의 적혈구 용적율 보정된 농도를 결정하는 데 있어서, 위에서 결정된 바와 같이, 배경 신호값이 감해진 예비 분석물 농도(Co)에 적혈구 용적율 보정 인수를 곱한다. 상기 예비 농도값으로부터 감해진 배경값은 측정되는 분석물에 좌우된다. 글루코오스의 경우, 이 값은 전형적으로는 약 0 내지 40mg/dL, 통상적으로는 약 8 내지 25mg/DL이고, 다수의 양태에서 배경값은 약 22mg/dL이거나 22mg/dL이다.
일반적으로, 다음 수학식을 사용하여 본 발명에 따라서 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 결정한다.
적혈구 용적율 보정 농도 = 적혈구 용적율 보정 인수 ×[Co-β]
위의 수학식 6에서,
β는 배경값이고,
Co는 예비 분석물 농도이다.
전술한 방법은 적혈구 용적율 보정 분석물 농도값, 즉 적혈구 용적율 요소가 제거된 농도값이다. 그러한 것으로서, 전술한 방법은 분석되는 샘플 내의 분석물 농도의 정확한 값을 제공한다.
본 방법의 위의 계산 단계는 수동으로 또는 자동 계산 수단을 사용하여 수행될 수 있고, 다수의 양태에서 하기 설명되는 장치와 연계되어 설명되는 그러한 자동 계산 수단을 사용한다.
장치
본 발명을 실행하는 데 사용되는 기기들이 또한 제공된다. 이러한 기기들은 일반적으로 생리적 샘플에서 분석물의 적혈구 용적율 보정 농도를 자동적으로 측정하는 기기들이다. 기기들은 일반적으로 (a) 샘플이 도입되어진 전기화학 전지로 제1 전위를 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻는 수단; (b) 제2 전위를 전기화학 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로 측정하여 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻는 수단; (c) 제1 및 제2 시간-전류로부터 예비 분석물 농도값 및 변수 γ를 결정하는 수단; 및 (d) 예비 농도값으로부터 적혈구 용적율 요소를 제거하여 샘플에서 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 유도하는 수단을 포함한다. 수단(a) 및 수단(b)는 임의의 적절한 수단일 수 있고, 여기서 대표적인 수단이 국제공개공보 제WO 97/18465호 및 미국 특허 제5,942,102호에 개시되어 있으며, 이의 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다. 수단(c) 및 수단(d)는 일반적으로 기기내에 있는 계산 수단으로서, 제1 및 제2 시간 전류 트랜지언트를 사용하여 궁극적으로 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 얻을 수 있는 수단이다. 그러한 것으로서, 수단(c)는 전형적으로 전술한 바와 같은 수학식을 사용하여 제1 및 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 대상 분석물의 예비 농도 및 변수 γ를 결정할 수 있는 수단이다. 마찬가지로, 수단(d)는 전형적으로 상술한 바와 같은 수학식을 사용하여 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 결정할 수 있는 수단으로서, 이러한 수단은 통상 적혈구 용적율 보정 인수를 포함한다.
다음 실시예는 예시하는 것이지 제한하고자 하는 것은 아니다.
실험
I.전기화학 시험 스트립 제조
샌드위치 형태로 배향된 두 개의 금속화된 전극으로 구성되는 전기화학 시험 스트립을 다음과 같이 제조하였다. 시험 스트립의 상부층은 금이 스퍼터링된 마일라(Mylar) 스트립이다. 중간층은 반응 대역 또는 영역을 규정하는 펀칭된 호울을 갖는 양면 접착제이다. 펀칭된 호울은 두 개의 병치된 사각형 입구 및 출구 채널을 갖고 있는 원이다. 시험 스트립의 하부 층은 마일라 상에 스퍼터링된 팔라듐이다.페리시아나이드 및 글루코오스 탈수소화 효소 PQQ의 막을 상기 팔라듐 스퍼터링된 표면 위에 부착시킨다.
II.실험 데이터의 생성
글루코오스 농도 및 적혈구 용적율에 따라 변하는 수많은 상이한 샘플에 대한 제1 및 제2 시간 전류 트랜지언트를 다음과 같이 얻었다. 샘플을 스트립에 적용하고 10초 동안 -.03V의 전압을 인가한 다음, 3 내지 10초 동안 +0.3V의 제2 펄스를 인가한다(여기서, 이러한 전위는 금 전극에 대한 것이다).
III.글루코오스에 대한 적혈구 용적율 보정 인수의 유도
상술한 바와 같이 측정된 넓은 범위의 글루코오스 및 적혈구 용적율 값에 대하여 Co, 인수 γ 및 α(Co, γ)를 유도하였다.
Co를 다음 수학식을 사용하여 유도하였다.
수학식 2
i(t) = iss{1+4exp(-4π2Dt/L2)}
수학식 3
iss= 2FADCo/L
위의 수학식 2 및 3에서,
iss는 제2 전위 인가후 정상상태 전류이고,
i는 시간의 함수로 측정된 전류이고,
D는 전지의 확산 계수로서, 당해 확산계수는 픽의 제1 법칙, 예를 들어, J(x,t)=-DdC(x,t)/dx로부터 결정될 수 있고,
L은 스페이서의 두께이고,
t는 제2 전위를 인가하는 시간으로 t=0는 펄스의 개시 시간이고,
Co는 분석물의 예비 농도이고,
F는 페러데이 상수, 즉 9.6485x104C/mol이고,
A는 전극 표면의 면적이다.
상기 인수 γ는 다음 수학식을 사용하여 유도되었다.
수학식 1
γ=iss/ipp
위의 수학식 1에서,
iss는 제2 인가된 전위 또는 제2 펄스의 정상 상태 전류이고,
ipp는 제1 펄스가 인가되는 10초 동안의 기간 중 8.5초부터 9.5초까지의 기간의 평균 전류이다.
α(Co, γ)은 다음 수학식을 사용하여 결정되었다:
α(Co, γ)=YSI 농도/(Co-22mg/mL)
위의 수학식에서,
YSI는 옐로우 스프링즈 인스트루먼트 글루코오스 분석기 모델 23A(본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,968,760호에 기재되어 있음)를 사용하여 결정된 글루코오스 농도이다.
넓은 범위의 글루코오스 및 적혈구 용적율 값에 대하여 전술한 바와 같이 측정된 Co, γ 및 α(Co, γ)의 삼차원 그래프가 도 1에 도시되어 있다. 간단한 방정식 피트(fit)를 그래프상에서 실행하여 표면을 정의한다. 적합한 데이터 잉여부를 모니터링하여 상기 모델 수학식의 품질을 확인한다. 실험 수학식은 다음과 같이 밝혀졌다:
적혈구 용적율 보정 인수= I/((0.6637)+((4.9466*ln(Co))/Co) + (-0.4012*ln(γ)))
위의 보정 인수는 γ>0.7 및 Co>40mg/dL인 경우에 대하여 유효한 것으로 나타났다.
IV.YSI 결정 값에 대한 적혈구 용적율 보정 값 비교
넓은 범위의 글루코오스 및 적혈구 용적율 수준을 갖는 수 개의 글루코오스 스트립을 시험하여 예측 데이터 세트를 얻었다. 이러한 데이터로부터, Co, γ 및 α(Co, γ)에 적합한 모델을 사용하여 적혈구 용적율 보정 수학식을 유도하였다. 예측 데이터상에 적혈구 용적율 보정 수학식을 사용하여, 데이터 점의 대부분이 +/- 15% 범위내로 속하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 글루코오스의 바이어스는 42% 적혈구 용적율인 것으로 밝혀졌고, 이는 이러한 데이터 세트에 대한 적혈구 용적율 효과가 최소로 됨을 의미한다. 이러한 알고리즘을 확인하기 위해, 다른 글루코오스 센서들을 상이한 혈액 제공자를 사용하여 시험하였다. 상기 알고리즘이 이전에 발견된 것과 유사한 방식으로 적혈구 용적율 효과를 교정한다는 것이 밝혀졌다.
상기 결과 및 논의는 본 발명이, 적혈구 용적율 유도 에러가 완전히 없어지지는 않는다 할지라도 상당히 해소된 분석물 농도값을 얻는데 간단하고 강력한 도구를 제공한다는 것을 증명한다. 본 발명의 방법이 시간-전류 트랜지언트의 측정치에 전적으로 의존하지만, 이것들은 비교적 간단한 전기화학 장치를 사용하여 실행될 수 있다. 더욱이, 단지 작은 용적의 샘플이 사용될 필요가 있고 비교적 빠른 분석 시간이 제공된다. 따라서, 본 발명은 당해분야에 상당히 기여한다.
본 명세서에서 인용된 모든 출판물 및 특허들은 각각의 개별 출판물 또는 특허가 특별히 및 개별적으로 참조문헌으로 인용된다고 지시되는 것과 같이, 참조문헌으로 인용된다. 임의의 출판물의 인용은 출원일 이전에 내용이 개시된 것에 대한 것이며, 본 발명이 선행 발명 덕택에 그러한 출판물보다 시일이 앞서는 것으로 권리를 인정받은 것으로 해석되어서는 안 된다.
비록 위의 발명이 이해를 명확히 하기 위한 목적으로 예증과 실례를 드는 방법으로 다소 상세히 설명되었지만, 본 발명의 교시에 비추어 특정 변화 및 변형이 첨부된 청구범위의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 당해분야의 통상적인 숙련자들에게는 명백할 것이다.
Claims (20)
- (a) 서로 이격된 작동 전극 및 기준 전극(i)과 효소 및 매개체를 포함하는 산화환원 시약 시스템(ii)을 포함하는 전기화학 전지에 생리적 샘플을 도입하고,(b) 제1 전위를 반응 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트(transient)를 얻고,(c) 제2 전위를 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻고,(d) 제1 시간-전류 트랜지언트 및 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 예비 분석물 농도를 유도하고,(e) 배경값이 감해진 예비 분석물 농도와 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하여 샘플내에서의 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 유도함으로써 샘플내의 분석물의 적혈구 용적율 보정 농도가 측정됨을 포함하여, 생리적 샘플내의 분석물의 적혈구 용적율 보정 농도를 측정하는 방법.
- 제1항에 있어서, 예비 분석물 농도값의 적혈구 용적율 유도 요소를 제거하기 위해 적혈구 용적율 보정 인수가 예비 분석물 농도값을 조절하는 방법.
- 제1항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 예비 분석물 농도와 전기화학 전지의 γ의 함수인 방법.
- 제1항에 있어서, 생리적 샘플이 전혈 또는 이의 유도체인 방법.
- 제1항에 있어서, 분석물이 글루코오스인 방법.
- (a) 서로 이격된 작동 전극 및 기준 전극(i)과 효소 및 매개체를 포함하는 산화환원 시약 시스템(ii)을 포함하는 전기화학 전지에 전혈 샘플을 도입하고,(b) 제1 전위를 반응 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻고,(c) 제2 전위를 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻고,(d) 제1 시간-전류 트랜지언트 및 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 예비 분석물 농도값을 유도하고,(e) 배경값이 감해진 예비 분석물 농도와 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하여 샘플내에서의 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 유도함으로써 샘플내의 분석물의 적혈구 용적율 보정 농도가 측정됨을 포함하여, 전혈내의 분석물의 적혈구 용적율 보정 농도를 측정하는 방법.
- 제6항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 예비 분석물 농도와 전기화학 전지의 γ의 함수인 방법.
- 제6항에 있어서, 분석물이 글루코오스인 방법.
- 제6항에 있어서, 효소가 산화 효소인 방법.
- 제9항에 있어서, 산화 효소가 글루코오스 산화 효소인 방법.
- (a) 서로 이격된 작동 전극 및 기준 전극(i)과 효소 및 매개체를 포함하는 산화환원 시약 시스템(ii)을 포함하는 전기화학 전지에 전혈 샘플을 도입하고,(b) 제1 전위를 반응 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻고,(c) 제2 전위를 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로서 측정하여 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻고,(d) 제1 시간-전류 트랜지언트 및 제2 시간-전류 트랜지언트로부터 예비 글루코오스 농도를 유도하고,(e) 배경값이 감해진 예비 글루코오스 농도와 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하여 샘플내에서의 적혈구 용적율 보정 글루코오스 농도를 유도함으로써 샘플내의 글루코오스의 적혈구 용적율 보정 농도가 측정됨을 포함하여, 전혈내의 글루코오스의 적혈구 용적율 보정 농도를 측정하는 방법.
- 제11항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 예비 글루코오스 농도와 전기화학 전지의 γ의 함수인 방법.
- 제12항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 수학식 5와 같은 방법.수학식 5I/((0.6637)+((4.9466*ln(Co))/Co) + (-0.4012*ln(γ)))위의 수학식 5에서,Co는 예비 농도이고,γ는 전기화학 전지의 가변 전류비이다.
- 제13항에 있어서, 샘플의 예비 글루코오스 농도가 40mg/dL보다 큰 방법.
- 제13항에 있어서, 전기화학 전지의 인수 γ가 0.7보다 큰 방법.
- 생리적 샘플을 포함하는 전기화학 전지로 제1 전위를 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로 측정하여 제1 시간-전류 트랜지언트를 얻는 수단(a),제2 전위를 전기화학 전지에 인가하고 전지 전류를 시간의 함수로 측정하여 제2 시간-전류 트랜지언트를 얻는 수단(b),제1 시간-전류 및 제2 시간-전류로부터 예비 분석물 농도값 및 인수 γ를 측정하는 수단(c) 및예비 농도값으로부터 적혈구 용적율 요소를 제거하여 샘플에서 적혈구 용적율 보정 분석물 농도를 유도하는 수단(d)을 포함하는, 생리적 샘플내의 분석물 농도를 전류측정으로 측정하는 기기.
- 제16항에 있어서, 적혈구 용적율 요소를 제거하는 수단이, 배경값이 감해진 예비 분석물 농도값에 적혈구 용적율 보정 인수를 곱하는 수단인 기기.
- 제16항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 예비 분석물 농도와 전기화학 전지의 γ의 함수인 기기.
- 제18항에 있어서, 적혈구 용적율 보정 인수가 수학식 5와 같은 기기.수학식 5I/((0.6637)+((4.9466*ln(Co))/Co) + (-0.4012*ln(γ)))위의 수학식 5에서,Co는 예비 농도이고,γ는 전기화학 전지의 가변 전류비이다.
- 제16항에 있어서, 분석물이 글루코오스인 기기.
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