TWI240071B - Heated electrochemical cell - Google Patents

Description

1240071 五、發明説明（i ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 技術領％ 本發明係有關於-種用以測量溶液中被分析物濃度 的方法以及裝置。 本發明之敘述將特別有關於血液中葡萄糖濃度的測 量，但並不限於該用途並且其係可廣泛應用於非葡萄糖之 被分析物的測量以及非血液樣品之溶液。 登j月之背章 爻苦於糖尿病的人需例行地檢查其血糖濃度並且需 要簡單、可靠且價廉的裝置以幫助該例行的測試。 在種㊉見用以進行該測試的方法中，一血液樣品 與一酵素例如葡萄糖脫氫酶（GDH)混合；該葡萄糖脫氫酶 (GDH)會氧化葡萄糖並且在這過程中被還原。一氧化調節 劑（mediator)例如氰鐵酸鹽（ferricyanide)被允許和該被還 原的葡萄糖脫氫酶反應而使該葡萄糖脫氫酶回復為其初始 形式並且在這過程中產生氰亞鐵酸鹽（ferr〇cyanide)。然後 所產生的氰亞鐵酸鹽之濃度被感測一例知以電化學方法戍 是光譜方法一以產生一訊號，該訊號可被解析用以估計樣 品中的葡萄糖濃度。 在我們的共審查申請案PCT/AU96/00723以 PCT/AU96/00724 (此等在此併入本案以為參考資料）之 有描述適合用於一藉由電化學量測以電化學方法測定血液 中葡萄糖濃度一的方法及裝置。 一用以精確測定一被分析物之濃度的較佳方法為 存在於樣品中的被分析物全部與試劑反應而產生一可以 感測的物質。這要求該被分析物之反應要趨於完全。 及中 將被

(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁j —訂、 争 1240071 A7 B7 五、發明説明（2) ^葡萄糖脫氫酶與葡萄糖之反應要趨於大致完全一般 而要數》鐘。這被認為是由於葡萄糖從血液的含有葡萄糖 細？散出來所需之時間所致。因為這個時間長度對顧客 而言，不可接受的久，所以較普通的做法是在較短的時間 内測量，葡萄糖濃度例如20至30秒並且接受一較不精確的 反應或是運用-因子（factor)藉由動力學的外插法—例如 簡述於共審查中之申請案PCT/AU96/00723 —來估計該葡 萄糖濃度。這個權宜之計縮短了測試所需時間，但可能導 致結果精確度的喪失。 本發明之目的係為提供一種可以避免或改善前述先 前技術之不足的方法及裝置。 #明之說呀 根據一方面本發明係在於一方法，其係用以決定一 樣品中被分析物之濃度，其包含下列步驟： 加熱位在一可拋棄式測試室内的樣品；及 在一反應曲線的預先設定點處，藉由大致不受溫度 影響的手段來量測該樣品中該被分析物之濃度或其代表物 質之濃度。 熟悉該技藝者將了解在此所用的「反應曲線」係指 一反應變數相對於另一反應變數之關係。常常，例如該反 應曲線說明一物質濃度相對於時間的改變。這樣的曲線 (profile)提供一有經驗的受信人（addressee)定性及定量雙 方面的資訊’其包含關於是否一反應已達到一衡定狀熊 (steady state)的資訊。 一 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本育) —訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1240071 A7 五、發明説明（3 ) 較佳地，該反應曲線的預先設定點係為一衡定狀態 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ，並且代表該被分析物濃度之物質係為一調節劑，例如一 酵素調節劑。 在本發明一實施例中，該樣品係藉由一放熱反應而 被加熱，該放熱反應係由該樣品和一適當的試劑或數個試 劑接觸所產生。 ' 在本發明第一貫施例中，該樣品屬藉由電學上的方 法而被加熱，例如藉由施加一電流至與該測量機構結合的 電阻元件。 在一極佳實施例中，該測量機構係為一如共審查中 之申請案PCT/AU96/00723以及PCT/AU96/00724所述之電 化學反應室，並且該樣品係藉由在該感測器的電極間施加 一交流電壓電波來加熱。 Ψ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據第一方面本發明係在於一電化學反應室，其包 含一具有一穿孔的隔板層（該穿孔界定一反應室壁），一個 第一金屬電極位於該隔板層的一側上並延伸至該孔之一邊 ’一個第二金屬電極位於該隔板層的另一側並延伸至該孔 背向該第一電極之一邊，用以容納一樣品至該電極與該反 應至壁之間所界定的反應室容量的裝置，以及用以加熱一 被包含在該反應室内的樣品之裝置。 里立左農^說明 本發明現在將藉由參照僅係作為範例用的隨文檢附 之圖式來作更詳細的敘述，其中： 第1圖圖示一根據本發明之感測棒，其係沿著該感測

1240071 五、發明説明（4 ) 棒中線之縱向剖視圖； 第2圖說明根據本發明之一實施例對於具有不同血比 容（haematocrit)及葡萄糖濃度的血液樣品所實施的測試結 果；及 10 第3圖說明表示根據本發明之另一實施例對於具有不 同血比容（haematocrit)及葡萄糖濃度的血液樣品所實施的 測試結果。 ' 貫施本發明之最伟模式 在本發明的方法的較佳實施例中，葡萄糖濃度係利 用如 PCT/AU96/00723 及/或 PCT/AU96/00724 (我們的共審 查申請案）所述那類型的電化學反應室測量。在那些申請 案中所描述的測量方法係利用一計算法（alg〇rithm)使該氧 化還原調節劑的擴散係數的值能夠被測量，並且使該被還 原的調節劑的濃度笼夠被以大致與樣品溫度無關的方式決 定。·在那裡所描述之方法係與先前技藝的方法不同，該先 則技藝係在施加一電壓後已知的時刻測量電收塵器 (Cottrell)電流。本發明之不同處係在於該樣品係經過加熱 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在一本發明的方法的第一較佳實施例中，該血液樣 品係在該電化學測量實施之前及/或實施中被一放熱反應 所加熱。在該第一實施例中，一與血液接觸會放熱的試劑 被容納在該感測室之中。該試劑的實例係為當溶解時會放 熱的輿，例如氯化鋁、自化鋰鹽類、硫酸鋰、鹵化鎂鹽類 以及硫酸鎮。其他種類的試劑只要其具有在混合時會釋放 熱的兩個成份就是適合的試劑。在製造時，該兩成份將被 i氏張尺度適用中國國家標準（CNS) (21〇><297公董） ' 1240071 A7 B7 5) I-- 五、發明説明（ 置放在該感測器中個別的位置内，例如位在相對的内反應 I至壁上之塗層並且配置成當一樣品被引入該感測器内的時 候，至少該等成份之一者會溶解並且與該第二成份接觸。 一但接觸該兩成份會反應而釋出熱。該用以產生熱的試劑 必須不對其它位在該感測器中的活性成份的功能產生不利 的影響。例如，它們必須不會腐蝕電極物質、使酵素（如 果有存在）變性或是與對任何調節劑（如果有存在）產生不 利的父互影響。當一血液樣品被引入該感測器内時，熱會 被釋出並且該ik液樣品溫度會被提高。其促進葡萄糖與葡 萄糖脫氫酶（GDH)之反應弟且由於氰亞鐵酸鹽的潆度不受 溫度之影響，所以、可以在遠少於其他方法可能達成的時間 内精確評估葡萄糖濃度。 次佳地，該熱產生劑可在樣品進入反應室後被添加 該樣品溫度較佳地被提高5至15。(：，例如在2至1〇秒 内從20C至30C或35C。該溫度高峰最好在2至5秒内被達 到。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 本發明之第一貫施例使用一反應室，其合併有一電 阻元件。然後該樣品可藉由將一電流通過該電阻元件而將 其用電力加熱。例如，參照第丨圖，其圖示一電化學感測 器，其包含一承載一第一電極2 (例如一金濺鏡層）的塑膠 基體1以及一具有一圓形穿孔的隔板層3 (該圓形穿孔界定 一反應室容量10且其一圓柱面與第一電極2鄰接該圓柱 开> 反應至10之反面被一第二電極層4 (例如一鈀濺鍍層）覆 蓋，其在本例中係為一橡膠或塑膠層5承載。一金屬箔層6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇'χ2978公董)---— 1240071 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 〇 提供電性接觸至一在該橡膠或塑膠層5之中的電阻橋9 !緣層7例如塑膠作為隔熱以阻止熱經由該金屬箔喪失。 該絕緣層7中具有一孔8提供與該金屬箔層6之電性接觸。 該電阻橋9可在一次裝填中將碳粒注入該橡膠或塑膠層5中 形成且具有一外形例如可在該金屬箔6及電極層4間給予一 適虽的電阻。本方法具有將熱效應集中在該反應室旁的優 點。電阻加熱元件可藉由其他方式製造，例如在一導電基 體上覆蓋一電絕緣層，如有需要該電絕緣層可以做成在特 定區域部分導電例如藉由暴露於特定的化學品以及光源。 當使用一根據第二實施例之反應室時，該樣品係被輸入於 該反應室，施加一電壓橫跨該電阻元件，並且在所需數 之熱產生後，橫跨該電阻元件之電壓會被中斷，並且在 可選擇之等待時間後一電壓被施加於該第一電極以及第 電極之間以執行該被分析物之電化學分析。 可選擇地’橫跨該電阻元件之電壓在該被分析物 分析期間中可被維持在其初始水平或維持在一大致上足 將該樣品溫度維持在所要程度的較低水平。 在另一實施例中，用以施加電壓至該電阻元件的 段係會使得流經通過該電阻元件的電流被監測且該電壓 自動調整俾以維持所需要的輸出功率。即使該電阻元件〜 電阻隨感測器不同而異，其也可以一種具再現性的方式加 熱該樣品。再者，所需要的功率大小可以根據一獨立感測 器所測4于的環境温度而被調整。其可在該感測器使用之環 境溫度範圍内達成更具再現性的樣品溫度。 在本發明第三實施例中該樣品只藉由在一感測器的 本紙張尺度適用中祕（ 量 的 以 手 被 之 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁)

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作電極及抗衡電極一例如描述於我們的共審查申請案的 ，種之間施以一交流電壓訊號來加熱。假如這種交流電 堡訊號：有正確的頻率及振幅，則其將加熱該樣品然而仍 允許接著該感測器正確的測定該被分析物。由於該電壓訊 號是交錯式的，任何發生在第一半電壓週期的反應將在該 週期的另-半抵消，導致沒有淨改變而只有能量的散失， 其將在該樣中呈現為熱。這特別適合於我們的前述共審 查中申請案中所揭示的那種感測器，任何發生在該反應室 中的小變化將在該交流電壓中斷之後當該反應室放鬆回其 初始狀態時很快地除去。 當使用如描述於我們的共審查申請案的反應室，其 樣品量很小並且可以低能量輸入將其加埶。 加熱棒實驗的實施例 實施例1 描述於PCT/AU96/00724那類型的可拋棄式測試棒係 藉由將一金屬條與該測試棒的樣品收容區域接觸來將其加 熱至50°C。全血樣品被輸入至該測試棒的樣品收容區域， 並且給予13秒以供該樣品中的葡萄糖與感測劑反應。然後 收集電流10秒鐘並且根據描述於PCT/AU96/00723的方法 分析之。這些具有血比容（haematocrit) 67.5%、49.5%及20% 以及葡萄糖濃度在2.5mM至30mM之間的血液樣品的測試 結果係顯示在第2圖。 實施例2 描述於PCT/AU96/00724那類型的可拋棄式測試棒被 修改成將一加熱器元件黏著於該測試棒的在樣品收容區域 _________-10-__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~-- I ........ I -I - - JJ--- -1I..... 1 ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1_1 Τ , 、言- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1240071 A7 B7

五、發明説明（J 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之下的基部《該加熱器元件藉由_兩平行低電阻金屬軌 到一聚醋基體上，然後在與該低電阻金屬軌垂直的角度滅 鍍-薄電阻的金屬軌，使其與該兩平行低電阻金屬軌接觸 »然後將該加熱器用_黏著物黏至該可抛棄式測試棒的基 部，使該薄電阻的金屬軌朝向該測試棒樣品收容區域且位 於其正下方。 該平行低電阻金屬執從該測試棒的末端延伸而出並 且提供電性接觸給一電源以驅動該加熱器。用於該加熱器 的電源包含-電池以及一可調變電阻，#可被㈣以改變 加熱速率。全血樣品被輸入該測試棒的該樣品收容區域並 且給予20秒以供該樣品中的葡萄糖與感測劑反應。然後收 集電流10秒鐘並且根據描述於PCT/AU96/00723的方法分 析之。這些具有血比容（haematocrit) 65%、46%及2〇%以 及葡萄糖濃度在2.8mM至32.5mM之間的血液樣品的測試 結果係顯不在第3圖。 雖然本發明在此已參考用於測量血液中葡萄糖濃度 的電化學方法加以描述，然而可以理解的是該方法也可利 用適當的光譜測定或其它測量方法而被應用於非血液之樣 品以及除了葡萄糖之外的被分析物。 -11 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） ml· ml nm m Ji—· .ϋϋ ί-rj '· ϋ.1 ϋϋ n (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 1240071 A7 B7 五、發明説明（9 ) 元件標號對照表 2 第一電極 1 塑膠基體 3 隔板層 4 第二電極層 5 塑膠層 6 金屬箔層 7 絕緣層 9 電阻橋 8 孔 10 反應室容量 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 1240071 六、申請專利範圍 第88103765號專利申請案申請專利範圍修正本 修正日期：94年5月 I 一種用以測定於一樣品中之被分析物之濃度的方法，其 包含下列步驟： 加熱於一可拋棄型測試反應室中之該樣品；以及 在一反應曲線的預先設定點處，藉由實質上不受溫 度影響的手段來量測該樣品中該被分析物之濃度或其 代表物種之濃度。 2·如申請專利範圍第丨項之方法，其中位於該反應曲線上 的該預先設定點係為一衡定狀態。 3. 如申请專利範圍第！《2項之方法，其中該被分析物濃 度之代表物種係為一種調節劑。 4. 如申請專利範圍第3項之方法’其中該調節劑係為一種 酵素調節劑。 5. =申請專利範圍第i或2項之方法，其中該樣品係藉由 —由該樣品與至少-適當的試劑相接觸而產生之放熱 反應而被加熱。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該至少 劑係為一會於溶解時放熱的鹽類。 一適當的試 如申請專利範圍第6 氣化ig、_化鐘鹽類 所組成之族群中。 項之方法’其中該鹽類係選自於由 、硫酸链、_化鎭鹽類以及硫酸鎮 如申請專利範圍第5項之方法，其 ^,! ^ ^ ^ μ至少一適當的試 J係為一會於混合時釋放熱的雙成份系統。 8· 1240071 申请專利範圍 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中該二成份在製造時 係各被置放在一感測器中之個別位置内。 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中該二成份係有如位 在一感測器之相對内反應室壁上的塗層而被置放。 η·如申請專⑽圍第1項之方法，其中該樣品係使用電力 加熱。 12·如申请專利範圍第11項之方法，纟中該樣品係藉由一

   被％加至與該測量裝置結合的電阻元件之電流而被加 熱0 13.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該被分析物濃 度係藉由一電化學測量而被量測。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其中該樣品係在該電 化學測量進行之前及/或進行中被加熱。 15 ·如申请專利範圍第1或2項之方法，其中該樣品溫度被 提高5至15。〇。

   16·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該樣品溫度係 在一為2-1 〇秒的期間内被提高。 17.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中一高峰溫度係 在2至5秒之内被達到。 18·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該被分析物係 為葡萄糖。 19·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該樣品係為血 液。 20.如申請專利範圍第19項之方法，其中該血液樣品係和 申請專利範圍 一酵素結合。 z1 ·如申請專利 糖___ 、/ /、τ簡素係為葡萄 一（Η)’ _萄糖脫氫酶可氧化_ 轉變為還原態的葡萄糖脫氫酶。 且破 •如：請專利範圍第22項之方法，其中該氧化調節劑係 為氧鐵酸鹽。 ,、 24·如申請專利範圍第23項之方法，”該氰鐵酸鹽和該 生成的GDH反應以產生氰亞鐵酸鹽。 25·:申請專利範圍第24項之方法，#中該生成的氰亞鐵 酉文鹽被感測到以產生一代表樣品中的葡萄糖濃度之俨 號。 。 汝申明專利範圍第25項之方法，其中該感測係藉由一 電化學裝置。 7·如申凊專利範圍第25項之方法，其中該感測係藉由一 光譜分析裝置。 28· 一種電化學反應室，其包含一具有一穿孔的隔板層，該 牙孔"疋反應至壁，位於该隔板層的一侧上並延伸 至该孔之一邊的第一金屬電極，一位於該隔板層的另一 側上並延伸至該孔之相對於該第一電極之一邊的第二 金屬電極，用以容納一樣品至由該等電極與該反應室壁 之間所界定之反應室容量内的裝置，以及用以加熱一被 包含在該反應室内之樣品的裝置。 1240071 六 、申請專利範圍 29·如申請專利範圍第 子反應至其中該用以 二一榼品的裝置係為一電阻元件。 :加熱一如申請專利範圍第28項之電化學反應室的 法，其包含之步驟為：施加一電壓橫跨該電阻元件以 再生（i*egenerate)所需數量之熱，中斷該橫跨該電阻 之電壓並施加-電壓於該第一電極以及第二電極之間 以執行該被分析物之電化學分析。 A如申請專利範圍第3G項之方法，其中該橫跨該電阻元 件之電壓在該被分析物的分析期間可被維持在—初始 水平或在一足以將該樣品溫度實質上維持在所 ° 的較低水平。 32. 如申請專利範圍第3〇或31項之方法，其中該用以施加 電壓至該電阻元件的裝置係會使流經該電阻元件的電 流被監控且該電壓被自動調整俾以維持所需要的輸出 功率。 33. 如申請專利範圍第32項之方法，其中該輸出功率可根 據一由獨立感測器所測得的環境溫度而被調整。 4