TWI464397B - 生物感測器、感測單元與方法 - Google Patents

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生物感測器、感測單元與方法
本發明為一種生物感測器、感測單元及方法，特別是一種會根據血球容積比進行校正的生物感測器、感測單元及方法。
一般電化學感測試片的偵測原理，主要是利用血液檢體中的待測物與試片上的試劑進行反應，並透過一固定電壓來量測試片的一電流值，再利用一轉換公式來求得待測物的濃度。但是這樣的單電壓取電流的檢測裝置很容易受到血液中的血球的干擾，進而影響到量測的正確性。血球容積比(HCT)對全血檢驗所產生的效應有二：(一)、改變血液的黏稠度，造成電子傳遞的效率不一，影響最後量測到的電流值；(二)、造成檢測血清之容積比不一致，進而導致量測標準差異問題。
以血糖檢測為例，由於不同使用者的血液中血清與血球的濃度比例不同，而血糖試片上的試劑只能跟血清反應，對於相同體積的全血檢體而言，血球含量越高則實際上可以與試劑反應的血清的體積也越少。即使血糖濃度(血液中的葡萄糖濃度)相同，也會因為不同的血球容積比造成不同的檢測結果。
為了降低或排除血球容積比不同所造成的量測誤差，先前技術利用血球分離膜將檢體中的血球排除。然而，這樣的方法會需要更多的檢體，且反應時間也會變得更長。 另一種方法是利用交流阻抗量測方法來估計檢體的血球容積比，並對於檢測的結果進行回饋補償。但是，這樣的方式必須額外增加一組量測電極，或是採用交流電壓，會增加感測試片製作的複雜度。
本發明的目的在提供一種採用交替直流電壓且可以減少受血球容積比所造成的誤差或利用此特性去校正血球容積比所造成的誤差的全血檢測裝置。
本發明的一實施例提供一種生物感測器用以搭配一感測單元，該感測單元包括一第一電極、一第二電極以及一容納一待測檢體之反應腔體。該生物感測器耦接於一直流電壓源且包括一控制單元以及一轉換器。該轉換器，耦接該直流電壓源、該第一電極與該第二電極。該控制單元控制該轉換器，使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一直流電壓。
本發明的另一實施例提供一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感測器。該感測單元容納一待測檢體且具有一第一電極以及一第二電極。該生物感測器與該感測單元連接且具有一轉換器。該方法包括：對該待測檢體施加一直流電壓；在一第一預定時間後；透過該轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓且同量值之反向電壓；在一第二預定時間後，量得一電流值，並根據該電流值估計該待測檢體的濃度，且該電流值所受到的血容積比影響小於在第一預定時間內的電流 值。
本發明的另一實施例提供一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感測器。該感測單元容納一待測檢體且具有一第一電極以及一第二電極。該生物感測器與該感測單元連接且具有一轉換器。該方法包括：對該待測檢體施加一直流電壓；在一第一預定時間後，量得一第一電流值；透過該轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓且同量值之反向電壓；以及在一第二預定時間後，量得一第二電流值，因為第二電流值比第一電流值所受到的血容積比影響不同，可根據該第一電流值與該第二電流值估計該待測檢體的一血球容積比。
本發明的另一實施例提供一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感測器。該感測單元具有一反應腔體、一反應試劑、一第一電極以及一第二電極。該生物感測器具有一轉換器。該方法包括：汲取一待測檢體進入該反應腔體，使該待測檢體與該反應試劑進行反應；在一恆穩定期時，對該待測檢體施加一直流電壓，並量得一第一電流值；透過該轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓之反向電壓；在一轉換期(transition)內，對該待測檢體量得一第二電流值；在該待測檢體被施加該反向電壓持續一預定時間後，對該待測檢體量得一第三電流值；因為該第三電流值比第一電流值所受到的血容積比影響不同，可根據該第一電流值與該第三電流值估計該待測檢體的一血球容積比。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
本發明的一實施例提供了一種簡單的生物感測器、感測單元以及血球容積比量測技術，該技術藉由補償的方式來降低血球容積比對一般拋棄式的生物感測器所造成的干擾。其作法為先將待測檢體藉由毛細吸力導入一內含至少兩個反應電極與反應試劑的反應腔體內。接著先施加一持續數秒鐘的直流電壓於兩個感測電極，透過一運算放大器與一類比數位轉換器來讀取感測單元內的反應信號，並在不同的時間點取得一第一電流值與一第二電流值。接著，再利用一轉換器(或是切換裝置)，將兩個感測電極的極性瞬間、相互切換，並施加另一持續數秒的反向電壓，再透過同一組的運算放大器與類比數位轉換器讀取反應信號，並量測一第三電流值。其中該直流電壓與該反向電壓是為反向之兩個電壓。利用該第三電流值比第一電流值所受到的血容積比影響不同，以該第一電流值與該第三電流值來估計血球容積比，接著再利用估計的血球容積比對該第二電流值進行電流值的校正，並根據該校正後的第二電流值來估計一生物感測參數，如血糖值。在另一個實施例中， 可以只需量測第一電流值與第三電流值即可，再利用估計到的血球容積比來對該第三電流值進行電流的校正，並根據該校正後的第三電流值來估計一生物感測參數，如血糖值。在另一個實施例中，可以只需量測第三電流值即可，直接根據該第三電流值來估計一生物感測參數，如血糖值。
第1圖為根據本發明之一生物感測器以及一感測單元的一實施例的示意圖。生物感測器包括一轉換器12、一運算放大器13、一類比數位轉換器14以及一控制單元15。感測單元11包括一第一電極16、一第二電極17以及一反應腔體18。在本實施例中，第一電極16耦接一直流電壓源提供之一直流電壓V1，且第二電極17例如是耦接一地電位GND。亦即，第一電極16與第二電極17之間具有一電位差V1。轉換器12耦接運算放大器13的一正輸入端與一負輸入端，並根據控制單元15的一控制信號，使得該第一電極16耦接該運算放大器13的負輸入端或是正輸入端，且使得該第二電極17耦接該運算放大器13的正輸入端或是負輸入端。亦即，第一電極16與第二電極17分別接到運算放大器13的兩個相異的輸入端。反應腔體18內儲存有反應試劑，且用以容納一待測檢體，如血液。
當該待測檢體進入該反應腔體18且與反應試劑起電化學作用時，該第一電極16與該第二電極17可對該待測檢體施加直流電壓V1，並持續一第一預定時間TA(例如，約第2至7秒)後，此期間透過運算放大器13與類比數位轉換器14分別量得一第一電流值IA與一第二電流值IB(參 閱第2圖，後述)。接著，該控制單元15隨即輸出一控制信號到該轉換器12，使該第一電極16與該第二電極17對該待測檢體施加一與該直流電壓V1反向的一反向直流電壓，其值為-V1，並持續一第二預定時間(例如，約為0.5秒至5秒)後，並量得一第三電流值IC。為了更清楚說明，請同時參考第2圖。第2圖為施加於第1圖的生物感測器以及感測單元的電壓與量測電流的示意圖。在第2圖中，先對待測檢體施加直流電壓V1，此時可以發現流經待測檢體的電流值會慢慢地降低，且趨近於穩定值。因此在量測第一電流值IA時，必須盡量在穩態(steady state)時間區間稍早前即取得。在第2圖中，在時間點TA時量測電流值IA，接著在時間點TB的時候，量測電流值IB。需注意的是，時間點TB為前述施加之直流電壓V1轉換為反向電壓-V1的時間點之前。在另一個實施例中，電流值IB亦可在電壓轉換後，亦即，於反向電壓-V1時所量測(圖中未示)。接著，在時間點TC量測第三電流值IC時，則盡量在轉態(transition state)時間區間內取得。在第2圖及本實施例中，施加電壓是在第7秒的時候由該直流電壓V1改變為該反向電壓-V1，因此時間點TC則例如是在第8秒的時候去量測電流值IC。在本實施例中，時間點C越接近電壓轉變的時間點越好；換言之，當電壓轉換後馬上去量測電流值IC，對於之後的電流校正與血球容積比的校正能夠有更好的效果。
在取得第一電流值IA、第二電流值IB與第三電流值IC後，先將第一電流值IA與第三電流值IC相除取得比值R (R=IA/IC)。接著，利用該比值R與血球容積比(HCT)作圖，可得到如第3圖所示之一呈現反比關係的線性方程式HCT=kR+h，其中k與h為參數。在其他的實施方式中，可先建立R值與血球容積比的一對照表，再利用查表的方式求得血球容積比的數值。
由於前述R值與HCT值呈線性關係，因此可藉由量測所得的第一電流值IA與第三電流值IC的比值R(R=IA/IC)來推測HCT值。再以此推測之HCT值40%為中心點，可以推估每增加1% HCT值，量測的電流值減少1.11%(如第4圖所示)。因此，我們可以先對第二電流值IB進行補償，補償後的第二電流值IB如下：IB’=IB/(1+(HCT-40%)*1.11)
再將前述的血球容積比公式(HCT=kR+h)帶入，可得到下列式子：IB’=IB/(1+((k*IA/IC+h)-40%)*1.11)
第5圖為未接受校正的第二電流值IB與接收過校正的第二電流值IB’的比較圖。由第5圖可以發現，透過前述的血球容積比的回饋後，因為血球容積比造成的干擾(Bias)明顯降低。
另一方面，因為前述多種方式量測之第一電流值、第二電流值、與第三電流值等所受到的血容積比影響程度各有不同，可依據不同的量測值評估不同的生物感測參數，如血糖值。請參考第6圖。第6圖為施加於一生物感測器以及感測單元的電壓與量測電流的示意圖。第6圖所使用 的生物感測器的一實施例為第1圖所示之一生物感測器。在第6圖中，先對待測檢體施加直流電壓V1，此時可以發現流經待測檢體的電流值會慢慢地降低，且趨近於穩定值。因此在量測電流值IA時，必須盡量在穩態(steady state)時間區間稍早前即取得。在第6圖中，在施加直流電壓V1後第3秒時量測電流值IA，接著在一定時間後，量測電流值IB。需注意的是，量測電流值IB的時間點較佳在前述施加之直流電壓V1被轉換為反向電壓-V1的時間點之前。在另一個實施例中，電流值IB亦可在電壓轉換後再進行量測，亦即，於反向電壓-V1時所量測(圖中未示)。在本實施例中，施加直流電壓V1後第7秒時量測電流值IB。
接著，在另一預定時間後量測電流值IC時。電流值IC的量測應盡量在轉態(transition state)時間區間內取得。在第6圖的實施例中，施加的電壓是在第7秒的時候由該直流電壓V1改變為該反向電壓-V1，因此量測電流值IC的時間點則可以選擇在第8秒的時候去量測電流值IC。在本實施例中，量測電流值IC的時間點越接近電壓轉變的時間點越好。換言之，當電壓轉換後馬上去量測電流值IC，對於之後的電流校正與血球容積比的校正能夠有更好的效果。
第7圖為電流值IA與電流值IC在不同血球容積比下的漂移率的示意圖。第7圖的示意圖是根據一80mg/dL的葡萄糖(或血糖)的檢體的檢測結果。從第7圖上可發現，當血球容積比越小時，電流值IA與電流值IC的漂移率越高。為了降低漂移率的影響，可利用前述的方式，先求得 比值R(R=IA/IC)。接著再對電流值IB進行校正，降低因血球容積比造成的干擾，並根據該校正後的電流值IB來估計一生物感測參數，如血糖值。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
11‧‧‧感測單元
12‧‧‧轉換器
13‧‧‧運算放大器
14‧‧‧類比數位轉換器
15‧‧‧控制單元
16‧‧‧第一電極
17‧‧‧第二電極
18‧‧‧反應腔體
IA‧‧‧第一電流
IB‧‧‧第二電流
IC‧‧‧第三電流
TA,TB,TC‧‧‧時間點
第1圖為根據本發明之一生物感測器以及一感測單元的一實施例的示意圖。
第2圖為施加於第1圖的生物感測器以及感測單元的電壓與量測電流的示意圖。
第3圖為R值與血球容積比的一關係圖。
第4圖為血球容積比與電流的一關係圖。
第5圖為未接受校正的第二電流值IB與接收過校正的第二電流值IB’的比較圖。
第6圖為施加於一生物感測器以及感測單元的電壓與量測電流的示意圖。
第7圖為電流值IA與電流值IC在不同血球容積比下的漂移率的示意圖。
11‧‧‧感測單元
12‧‧‧轉換器
13‧‧‧運算放大器
14‧‧‧類比數位轉換器
15‧‧‧控制單元
16‧‧‧第一電極
17‧‧‧第二電極
18‧‧‧反應腔體

Claims (16)

  1. 一種生物感測器用以搭配一感測單元，該感測單元包括一第一電極、一第二電極以及一容納一待測檢體之反應腔體，該生物感測器耦接於一直流電壓源且包括：一控制單元；以及一正/反電壓轉換器，耦接該直流電壓源、該第一電極與該第二電極；該控制單元控制該正/反電壓轉換器，使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一直流電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測器，其中該直流電壓源包括：一第一端，初始耦接該第一電極；以及一第二端，初始耦接該第二電極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之生物感測器，其中該正/反電壓轉換器使該第一電極耦接該第二端，該第二電極耦接該第一端，使該一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓為反向電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測器，是感測一血糖值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測器，更包括一運算放大器，用以感測並放大該待測檢體的一電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之生物感測器，更包括一類比數位正/反電壓轉換器，用以將該運算放大器的一輸出信號轉換為一數位信號。
  7. 一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感 測器，該感測單元容納一待測檢體且具有一第一電極以及一第二電極，該生物感測器與該感測單元連接且具有一正/反電壓轉換器，該方法包括：對該待測檢體施加一直流電壓；在一第一預定時間後，量得一第一電流值；透過該正/反電壓轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓之反向電壓；以及在一第二預定時間後，量得一第二電流值，並根據該第一電流值與該第二電流值估計該待測檢體的一血球容積比。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之生物感測方法，更包括：根據該血球容積比對該第一電流值或該第二電流值進行校正以估算該待測檢體的一生物感測參數。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之生物感測方法，更包括：在對該待測檢體施加該反向電壓前量得一第三電流值；根據該血球容積比對該第三電流值進行校正；以及根據校正後的該第三電流值估算該待測檢體的一生物感測參數。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之生物感測方法，更包括：在對該待測檢體施加該反向電壓時，同時量得一第三 電流值；根據該血球容積比對該第三電流值進行校正；以及根據校正後的該第三電流值估算該待測檢體的一生物感測參數。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之生物感測方法，更包括：在量得該第二電流值之前量得一第三電流值；根據該血球容積比對該第三電流值進行校正；以及根據校正後的該第三電流值估算該待測檢體的一生物感測參數。
  12. 一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感測器，該感測單元具有一反應腔體、一反應試劑、一第一電極以及一第二電極，該生物感測器與該感測單元連接且具有一正/反電壓轉換器，該方法包括：汲取一待測檢體進入該反應腔體，使該待測檢體與該反應試劑進行反應；在一恆穩定期時，對該待測檢體施加一直流電壓，並量得一第一電流值；透過該正/反電壓轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓之反向電壓；在一轉換期內，對該待測檢體量得一第二電流值；在該待測檢體被施加該反向電壓持續一預定時間後，對該待測檢體量得一第三電流值；以及根據該第一電流值與該第三電流值估計該待測檢體的 一血球容積比。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之生物感測方法，更包括：根據該血球容積比對該第二電流值進行校正；以及根據該校正後的第二電流值估算該待測檢體的一生物感測參數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測方法，其中該生物感測參數為血糖值。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之生物感測方法，更包括：求得該第一電流值與該第三電流值的一比值；以及根據該比值估計該血球容積比。
  16. 一種生物感測方法，適用一感測單元以及一生物感測器，該感測單元容納一待測檢體且具有一第一電極以及一第二電極，該生物感測器與該感測單元連接且具有一正/反電壓轉換器，該方法包括：對該待測檢體施加一直流電壓；在一第一預定時間後，透過該正/反電壓轉換器使該第一電極與該第二電極對該待測檢體施加一對應該直流電壓且同量值之反向電壓；以及在一第二預定時間後，量得一電流值，並根據該電流值估計該待測檢體的濃度。
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