TWI589867B - Quickly measure the concentration of the sample - Google Patents

Description

快速量測檢體濃度的方法

本發明關於一種快速量測檢體濃度的方法，特指一種大幅縮短反應平衡的方法。

現今社會中，由於飲食習慣與生活模式的改變，導致慢性疾病已嚴重地影響現代人的健康，尤其是高血糖、高血壓、高血脂更是慢性疾病的前兆之一，因此，經常性量測生理數據變成現代人必備常識之一。

目前量測生理數據主要是運用電化學感測系統(Electrochemical Sensor System)來檢測檢體中之葡萄糖濃度或膽固醇濃度，該電化學感測系統主要是運用酵素電流法(enzymatic amperometric methods)來檢測檢體內分析物，其原理主要是利用特定成份之酵素試劑僅會與檢體內分析物產生作用(反應)的單一特性，例如：葡萄糖氧酶(glucose oxidase)試劑僅會與檢體中之葡萄糖作用，並不會與其他糖類或膽固醇作用，相對地，膽固醇試劑僅會與檢體中之膽固醇作用並不會受到其他物質的干擾，利用此一特性，再施以一量測電壓使其產生電化學電流(一般稱柯特雷爾電流)，即可依照柯特雷爾電流(Cottrell current)公式計算出檢體中分析物濃度。

基於上述原理，上述該感測試片皆須具有一電極測試區，該電極測試區係由彼此平行的第一導電電極及第二導電電極所構成(圖中未 示)，且該電極測試區塗佈有特定成份酵素試劑，用來與檢體產生化學反應，並持續施予0.05V~0.42V的量測電壓(如第3圖所示)，令該電極測試區產生電化學反應(產生氧化還原反應)於此狀態下，量取所產生之電化學電流(又稱為法拉第電流F)即可計算出檢體濃度。

上述利用特定成份之酵素試劑與檢體之單一反應，再施一量測電壓來產生氧化還原所取得法拉第電流F的量測步驟，雖可達到量測檢體濃度的目的，但實際檢體內還含有其他物質，如尿酸、維他命C等，卻會在氧化還原過程同步產生非法拉第電流N(如第1圖所示)，一般來說，電流量測儀器需等待非法拉第電流N完成反應後，只剩法拉第電流F，即當法拉第電流與非法拉第電流之總合電流T為一穩定電流時，才能進行量測，導致量測時間較長，在許多情況下約需長達六秒後法拉第電流與非法拉第電流之總合電流T才會穩定(如第2圖所示)。

為此，如何有效地縮短量測檢體濃度的時間，乃為本發明所鑽研之課題。

本發明之主要目的在提供一種快速量測檢體濃度的方法，該方法係在極短時間內量測出一檢體濃度，在該方法至少具有一感測試片，且該感測試片具有一電極測試區，該電極測試區並塗佈有特定成份酵素試劑，該方法係包含下列步驟：步驟1：將該檢體置於該感測試片上之電極測試區；步驟2：對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內 也產生至少一非法拉第電流；步驟3：對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓相等或為低的量測電壓，當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流已反應結束，此時量測該穩定電流並換算出該檢體之濃度。

其中，該步驟2之高電壓在氧化電位至5伏特之間。

其中，該步驟2之高電壓施予一段時間在0.01秒至1秒之間。

其中，該步驟3之量測電壓在0.05伏特至0.42伏特之間。

其中，所述當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一種穩定電流時，係在極短時間內達成，該極短時間為3秒。

其中，該檢體可為葡萄糖(血糖)、尿酸或是膽固醇，且依據該檢體之不同，於電極測試區所塗佈之酵素試劑成份亦不同。

本發明之優點在於：利用一高電壓使反應加快達到平衡，並讓非法拉第電流快速反應結束，而達到快速量測檢體濃度的效益。

N‧‧‧非法拉第電流

F‧‧‧法拉第電流

T‧‧‧法拉第電流與非法拉第電流之總合電流

S1‧‧‧步驟1：將該檢體置於該感測試片上之電極測試區

S2‧‧‧步驟2：對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內也產生至少一非法拉第電流

S3‧‧‧步驟3：對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓相等或為低的量測電壓，當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流已反應結束，此時量測該穩定電流並換算出該檢體之濃度

第1圖為習知之法拉第電流與非法拉第電流與時間變化示意圖

第2圖為習知之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流與時間變化示意圖。

第3圖為習知穩定的施予電壓與時間之變化示意圖。

第4圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之流程示意圖。

第5圖為本發明快速量測檢體濃度的方法所施予電壓與時間 變化示意圖。

第6圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之法拉第電流與非法拉第電電流與時間變化示意圖。

第7圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流與時間變化示意圖。

第8A圖為本發明快速量測檢體濃度的方法與習知方式，其實驗取點在第0.5秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據。

第8B圖為本發明快速量測檢體濃度的方法與習知方式，其實驗取點在第1.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據。

第8C圖為本發明快速量測檢體濃度的方法與習知方式，其實驗取點在第2.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據。

第8D圖為本發明快速量測檢體濃度的方法與習知方式，其實驗取點在第3.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據。

根據上述之目的，茲舉較佳實施例並配合圖式加以說明本發明所採用之技術手段及其功效。

請參閱第4至7圖，第4圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之流程示意圖。第5圖為本發明快速量測檢體濃度的方法所施予電壓與時間變化示意圖。第6圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之法拉第電流與非法拉第電電流與時間變化示意圖。第7圖為本發明快速量測檢體濃度的方法之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流與時間變化示意圖。

如該等圖所示，本發明提供一種快速量測檢體濃度的方法， 其需搭配至少具有一感測試片(圖中未示)，且該感測試片具有一電極測試區，該電極測試區塗佈有特定成份酵素試劑，於本發明中並不侷限該酵素試劑必須為何種成份，視量測之檢體來決定，若量測檢體為葡萄糖，則該該酵素試劑可為葡萄糖氧酶(glucose oxidase)，若量測檢體為尿酸，該酵素試劑係為尿酸酵素，若量測檢體為膽固醇，該酵素試劑係為膽固醇酵素；不論該試劑為何種特定成份，該感測試片表面必須設有一電極測試區，本發明主要係以葡萄糖為檢體來說明，但本發明並不限定僅能運用檢測葡萄糖濃度，於此先行述明，本發明所述之方法係包含下列步驟：步驟1：將該檢體置於該感測試片上之電極測試區(S1)；步驟2：對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內也產生至少一非法拉第電流(S2)；該高電壓時間係限定為0.01~1秒之間(如第5至6圖所示)；步驟3：對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓相等或為低的量測電壓，當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流已反應結束，此時量測該穩定電流並換算出該檢體之濃度(S3)(如第5圖與第7圖所示)。進一步的說明，本發明步驟2所述之對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內也產生至少一非法拉第電流(S2)，即為以高電壓令該檢體與塗佈在電極測試區內之特定成份的酵素試劑產生化學反應，若量測檢體為葡萄糖(Glucose)，該酵素試劑係為葡萄糖氧酶(簡稱GOD)兩者間所產 生之化學反應式如下：反應式：Glucose+GOD_(ox)->Gluconic acid+GOD_(red)；GOD_(red)+Med_(ox)->GOD_(ox)+Med_(re)+2H⁺；2Med_(re)->2Med_(ox)+2e^-；該反應式即顯示葡萄糖氧酶(GOD)於常態下係為GOD_(OX)氧化態，其與葡萄糖(Glucose)反應後，GOD還原為GOD_(red)還原態，此係為氧化還原反應，進一步將電子傳遞到Mediator(Med)上，藉由氧化Mediator(Med)產生反應電流，此反應電流係為一法拉第電流F，但檢體中難免也會有其他的物質，例如：尿酸或維他命C等其他物質，該等其他物質仍會產生如對電極所加電壓的變化產生的電流，此電流即為非法拉第電流N。本發明步驟2之高電壓即是加快使反應達到平衡，並讓非法拉第電流N快速反應結束。

本發明步驟3所述之當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流N已反應結束，因此，此時量測該穩定電流即為法拉第電流F，該法拉第電流F亦可稱為柯特雷爾電流(Cottrell current)，可將法拉第電流F代入下列柯特雷爾公式而換算出檢體之濃度：i(t)=K.n.F.A.C.D^0.5.t^-0.5

上述公式，i為量測電流之瞬間值，即為本發明之法拉第電流F、K為常數、n為電子傳遞的數量，F為法拉第常數、A為電極測試區之表面積、C為檢體濃度、D為試劑擴散係數、t為一預設電壓施加至電極測試區後的時間；由上述公式可知，將前述之所量測之法拉第電流F代入並搭配上 述資料即可換算檢體之濃度。

其中，本發明步驟2所述之施予一段時間之高電壓，該高電壓係控制在氧化電位至5伏特之間，在第5圖之實施例係以2伏特為例，該氧化電位係為讓該檢體產生氧化還原反應之最低電位，也就是說該高電壓至少要能使該檢體產生氧化還原反應，本發明之該高電壓以2伏特為佳，因為根據實驗的量測數據，該高電壓為2伏特時所產生的電流其變異數(variance)較小，電流較穩定；且，該高電壓施加持續時間約為0.01秒~1秒，本發明之高電壓施加持續時間以0.1秒為佳，因為根據實驗的量測數據，該高電壓施加持續時間為0.1秒時所產生的電流其變異數(variance)較小，電流較穩定；若該高電壓高於5伏特或該高電壓持續時間長於1sec，恐將該檢體意外電解，導致量測失準，本發明先以高電壓加快使反應達到平衡，並讓非法拉第電流N快速反應結束，可使本發明有效縮短量測時間至3秒或是3秒以內，亦即步驟3所述當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一種穩定電流時，係在極短時間內達成，且該極短時間為3秒。

其中，本發明步驟3所述之對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓相等或為低的量測電壓，該量測電壓即恢復為一般之電壓即可，該量測電壓在0.05伏特至0.42伏特之間。

以下以實驗數據的統計值，來說明本發明較習知方式更快達到穩定電流的效果，此實驗係以3個不同濃度的葡萄糖溶液作為檢體，分別為檢體1濃度50mg/dl、檢體2濃度85mg/dl、檢體3濃度180mg/dl，並以習知方式與本發明進行測試，習知方式係在第0秒至第1秒不施以電壓，然後在第1秒至第3秒期間對電極施以電壓0.42伏特，對3個檢體以此方式進行5次，並 量測取得3個檢體的產生電流值；本發明係在第0秒至第0.1秒期間對電極施以一高電壓2伏特，然後在第0.1秒至第3秒期間對電極施以較低電壓0.42伏特，對3個檢體以此方式進行5次，並量測取得3個檢體的產生電流值；本實驗分別取點在0.5秒時、取點在1.0秒時、取點在2.0秒時、取點在3.0秒時量測產生之電流。

請參第8A圖，即為上述實驗取點在第0.5秒時，量測所產生電流之平均(mean)電流、標準差(standard deviation)、變異數(variance)數據；第8B圖，即為上述實驗取點在第1.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據；第8C圖，即為上述實驗取點在第2.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據；第8D圖，即為上述實驗取點在第3.0秒時，量測所產生電流之平均電流、標準差、變異數數據；由比較第8B圖、第8C圖、第8D圖之[量測到電流之變異數]數據，我們可看出，不管是取點在第1.0秒時、第2.0秒時或第3.0秒時，本發明都遠較習知方式為低，表示本發明可以較快達到穩定電流，而能快速的量測檢體濃度。由上述說明可知，本發明之優點在於：利用一高電壓使反應加快達到平衡，並讓非法拉第電流N快速反應結束，而達到快速量測檢體濃度的效益。

本發明已藉上述較佳具體實施例進行更詳細說明，惟本發明並不限定於上述所舉例之實施例，凡在本發明揭示之技術思想範圍內所做之各種變化及修飾仍屬本發明之範圍。

S1‧‧‧步驟1：將該檢體置於該感測試片上之電極測試區

S2‧‧‧步驟2：對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內也產生至少一非法拉第電流

S3‧‧‧步驟3：對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓相等或為低的量測電壓，當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流已反應結束，此時量測該穩定電流並換算出該檢體之濃度

Claims (8)

1. 一種快速量測檢體濃度的方法，該方法係在極短時間內量測出一檢體濃度，在該方法至少具有一感測試片，且該感測試片具有一電極測試區，該電極測試區並塗佈有特定成份酵素試劑，該方法係包含下列步驟：步驟1：將該檢體置於該感測試片上之電極測試區；步驟2：對該電極測試區施予一段時間之高電壓，該電極測試區內產生電化學反應並據此產生至少一法拉第電流，且該電極測試區內也產生至少一非法拉第電流，其中該高電壓係控制在至少使該檢體產生氧化還原反應之氧化電位至5伏特之間，且該高電壓施加持續時間為0.01秒~1秒；步驟3：對該電極測試區施予一較步驟2之高電壓為低的量測電壓，當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合電流為一穩定電流時，即表示該電化學反應已達到平衡且該非法拉第電流已反應結束，此時量測該穩定電流並換算出該檢體之濃度。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該步驟2之高電壓為2伏特。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該步驟2之高電壓施予一段時間為0.1秒。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該步驟3之量測電壓在0.05伏特至0.42伏特之間。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中所述當電極測試區產生之法拉第電流與非法拉第電流之總合為一穩定電流時，係在極短時間內達成，該極短時間為3秒。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該檢體為葡萄糖。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該檢體為尿酸。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之快速量測檢體濃度的方法，其中該檢體為膽固醇。