TWM516161U - 電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置 - Google Patents

Description

電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置

本創作係有關於一種電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，可用於檢測樣品之白血球濃度，特別的是一種隨時間觀察樣品之白血球酯化酵素反應活性之分析裝置。

近年來，所有年齡層中的細菌感染，泌尿道感染高居第一位。尿道感染好發於幼兒、孕婦和高齡人口。上部尿道感染會導致腎臟結疤、高血壓和末期腎臟功能障礙。一般對於尿道感染的檢測都是透過驗尿。在泌尿道感染的檢測中，主要是由尿液中的pH值、亞硝酸鹽陰陽性以及白血球酯化酵素活性等項目進行判斷。針對尿液亞硝酸鹽陰陽性結果可以判斷是否為特定細菌感染；對於pH值以及亞硝酸鹽的檢測目前都是以試紙的呈色變化做檢測與判斷；而白血球酯化酵素的檢測則大多是計算尿液中白血球的數量來判斷泌尿道系統是否有發炎現象，不過目前檢測樣品之白血球酯化酵素多以試紙呈色方式來檢測。一般在判斷泌尿道是否有感染發炎，可以利用白血球酯化酵素配合亞硝酸鹽之檢測結果一起進行比對。

目前，市售尿液篩檢試紙的初步檢測都是以濃度區間呈色的方式。呈色的來源是受質經樣品之白血球酯化酵素 催化水解後的產物與呈色劑反應後產生顏色變化。在台灣及中國皆未有關於白血球酯化酵素之受質化學結構的專利。

然而，US專利5512450是以乳酸酯(lactate ester)進行呈色式檢測，其結構為 ，其中，X可為O、S或NR₁；R₁可為芳香基(aryl)或低碳數烷基(lower alkyl)；R₂可為氫或低碳數烷基；R₃可為氫、芳香基或低碳數烷基。

另外，US專利7504235 B2則是以吲哚羧酸酯(indoxyl carboxylic acid ester)進行呈色式檢測，其結構為 ，其中，R可為烷基、烷氧基(alkyloxy)、羥基(hydroxyalkyl)、烯類(alkylene group)及脂肪酸(fatty group)。

此外，電化學反應中，對系統施加一個刺激訊號，則可產生電位或電流或電量等相關應答，因此藉由不同方式對系統變數作圖，可得到相關資訊。在電化學系統中通常有三種電極：工作電極、參考電極和輔助電極。在實驗裝置上，這三種電極都可從電化學控制與量測模組橋接出來；而電化學控制與量測模組可控制工作電極與參考電極之間的電位，也可量測工作電極與對電極的電流。對工作電極施加定電位，則可同時量測電流值，即可得到時間對電流的變化圖；也可直接量測工 作電極與參考電極的開環電位。另一個常用的量測方式，也是對工作電極施加電位，只不過電位會隨時間變化，亦可同時量測電流值，可得電位對電流的變化圖。倘若在一酵素催化反應中，反應物或產物其中之一具有電化學活性，便可以上述電化學式分析酵素催化反應，而量測得到的隨時間的電訊號會進行時間微分而可得到一電訊號變化率，此可用以分析樣品之酵素活性。

在未來醫療應用趨勢上檢測器之微小化是必要的，以便用於未來醫療物聯網之整合。目前對於光學儀器檢測微小化工程仍是一大瓶頸；因光學式分析法有一些缺點，如：分析時會涉及毒性呈色劑、繁雜的溶液處理步驟、費時的反應過程、無法在混濁溶液中分析。前述種種使得傳統光學式分析受到限制；加上市面檢測試紙仍無法量測待測物之準確濃度。相形之下，電化學式酵素分析向來一直受到注目。電化學分析最基本原理就是測量酵素溶液的電化學性質變化；而這些變化通常始自「涉及催化反應的電化學活性物質」的生成或消耗。

緣此，本創作係欲以電化學式裝置取代傳統試紙式呈色法，用以檢測樣品之白血球酯化酵素。目前電化學式分析的研究文獻普遍偏向感測樣品之某化合物的濃度；因此，若要感測酵素必須透過間接檢測，必須找到對應的受質可被白血球酯化酵素催化進行反應。

故本創作之目的即是提供一種檢測樣品之白血球酯化酵素與白血球濃度的裝置，利用至少一種可辨識白血球酯 化酵素之受質，透過白血球酯化酵素的辨識性催化生成至少一具電化學活性之化合物導致系統之電化學訊號改變，根據此電化學訊號變化即可計算樣品之白血球酯化酵素與白血球的濃度，而可取代習用呈色式試紙的檢測，且準確地測量白血球濃度，適合居家自用型或臨床攜帶式電化學檢測器，且未來可有效整合於智能型裝置中。

是以，本創作係提供一種電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其包含有一電極模組、一受質溶液、一電化學控制與量測模組及一資料擷取/運算/處理模組。電極模組係具有一工作電極、一參考電極以及一輔助電極，且共同嵌在一底材基板上，而電極模組用以提供具有白血球酯化酵素之樣品滴落其上；而受質溶液則用以注入樣品中，且受樣品之白血球酯化酵素催化水解而成一具電化學活性之化合物，並使電極模組能輸出電化學訊號；而電化學控制與量測模組係電性連接電極模組，且電化學控制與量測模組用於控制及接收樣品與電極模組之間的電化學訊號；而資料擷取/運算/處理模組電性連接電化學控制與量測模組，且依照電極模組輸出之電化學訊號變化趨勢而推算樣品之白血球酯化酵素之活性；據此即可檢測樣品之白血球酯化酵素。

其次，電化學控制與量測模組可包含一循環伏安式量測模組、或一電流式量測模組，或一電位式量測模組，其中，循環伏安式量測模組係用以施加正逆變化偏壓於工作電極，並量測其相對應的電流密度變化，且施加之正逆變化偏壓介於-1.5~1.5V；而電流式量測模組則可用以施加穩定偏壓於 工作電極，並量測期間的電流密度變化，且施加之穩定偏壓介於-1.5~1.5V；又，電位式量測模組則可用以量測工作電極與參考電極間之開環電位。

另外，由於白血球酯化酵素為白血球分泌的其中一種物質，故白血球酯化酵素之活性與白血球濃度係成正比，是以，上述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，在測得白血球酯化酵素之活性後，即可用於檢測白血球濃度，因此，本創作另可提供一種電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其構造組成與上述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置相同，其差別只於在測得白血球酯化酵素之活性後，即可根據二者成正比的原理而用以檢測白血球的濃度。

再者，電化學控制與量測模組同樣可包含一循環伏安式量測模組、或一電流式量測模組，或一電位式量測模組，其中，循環伏安式量測模組係用以施加正逆變化偏壓於工作電極，並量測其相對應的電流密度變化，且施加之正逆變化偏壓介於-1.5~1.5V；而電流式量測模組則可用以施加穩定偏壓於工作電極，並量測期間的電流密度變化，且施加之穩定偏壓介於-1.5~1.5V；又，電位式量測模組則可用以量測工作電極與參考電極間之開環電位。

10‧‧‧電極模組

11‧‧‧工作電極

12‧‧‧參考電極

13‧‧‧輔助電極

14‧‧‧底材基板

20‧‧‧受質溶液

30‧‧‧電化學控制與量測模組

40‧‧‧資料擷取/運算/處理模組

第一圖係本創作之元件組成的實施例示意圖。

第二圖係本創作之電化學控制與量測模組進行循環伏安式模組之分析結果圖。

第三圖係本創作之電化學控制與量測模組進行電流式分析模組之分析結果圖。

第四圖係本創作之電化學控制與量測模組進行電位式分析模組之分析結果圖。

第五圖係本創作之白血球濃度檢測實施於尿液環境中之檢量線圖。

第六圖係本創作之臨床尿液白血球濃度檢測結果圖。

首先，本說明書之所謂「白血球酯化酵素」為白血球分泌的其中一種物質，根據其樣品活性與白血球濃度成正比的原理，因此，白血球酯化酵素為臨床白血球檢測所依據的物質。而本說明書之所謂「活性」為每單位時間內，單一受質受催化後反應轉換形成的數量。另外，本說明書之所謂「受質」為可參與酵素催化反應之反應物，酵素對此反應物具專一辨識性，因此可用於特定的酵素分析。

為利於瞭解本創作之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖示，僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖示比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權力範圍。

如第一圖，為本創作之示意圖，本創作包含一電極模組10、一受質溶液20、一電化學控制與量測模組30，以及一資料擷取/運算/處理模組40。其中： 電極模組10，可包含一工作電極11、一參考電極12及一輔助電極13，且共同嵌在一底材基板14上，電極模組10係提供具有白血球酯化酵素之樣品滴落其上(樣品於第一圖並未繪出)。而此實施例中的工作電極11及輔助電極13所使用之材料可為碳材，而參考電極12可為銀/氯化銀參考電極。

受質溶液20，用以注入樣品中，且受樣品之白血球酯化酵素催化水解而成一具電化學活性之化合物，並使電極模組10能輸出電化學訊號；而此實施例使用之受質溶液20可為吲哚羧酸酯(indoxyl carboxylic acid ester)，其受樣品之白血球酯化酵素催化而可水解成具電化學活性之化合物。

電化學控制與量測模組30，電性連接於電極模組10，可接受電極模組10隨時間的電化學訊號。電化學控制與量測模組30可具有電化學分析的程式模組，其可包含施予工作電極11正逆變化偏壓並量測系統相對應電流密度的循環伏安式模組，或是施予工作電極11穩定偏壓並量測系統電流密度變化的電流式模組，或是量測工作電極11與參考電極12間之開環電位的電位式模組。

資料擷取/運算/處理模組40，電性連接電化學控制與量測模組30，且依電極模組10輸出之電化學訊號變化趨勢而得一電訊號變化速率，依據電訊號變化速率而可推算樣品之白血球酯化酵素的活性，並依白血球酯化酵素活性與白血球濃度成正比的原理，再可得到樣品之白血球的濃度。

承上構件組成及原理說明，如第一圖的架設完成後，第二圖為電化學控制與量測模組30採用循環伏安式模組 的分析實施例結果，先滴上樣品進行循環伏安式量測(反應前)，量測結束後，將受質溶液20注入樣品中，再次進行量測(反應後)，電化學控制與量測模組30施加正逆變化偏壓於工作電極11，並量測期間的電流密度變化，橫座標為相對於參考電極12的偏壓(V)，縱座標為電流密度(mA/cm²)，虛線為檢測反應前之循環伏安圖譜，實線為檢測反應後之循環伏安圖譜，此即可於循環伏安圖譜變化中判斷樣品之白血球酯化酵素之存在與否。其中，此實施例使用之循環伏安式模組施加的定電壓可為相對於參考電極12在-1.5~1.5V之間的電位範圍。另外，第三圖為電化學控制與量測模組30採用電流式分析模組的分析實施例結果，如上述，所有裝置架設完成後，先滴上樣品進行電流式量測，電化學控制與量測模組30施加穩定偏壓於工作電極11，並量測期間之電流密度，待電流密度穩定後注入受質溶液20，可觀察一電流密度變化趨勢，橫座標為時間(s)，縱座標為電流密度(mA/cm²)。圖中為不同樣品之白血球酯化酵素濃度之電流密度變化趨勢，可根據其變化趨勢而檢測樣品之白血球酯化酵素之濃度，此實施例使用之電流式模組施加的定電壓可為相對於參考電極12在-1.5~1.5V。

承上，第四圖為電化學控制與量測模組30採用電位式分析模組的分析實施例結果，如上述，所有裝置架設完成後，先滴上樣品進行電位式量測。電化學控制與量測模組30量測隨時間工作電極11對參考電極12之開環電位，待電位穩定後注入受質溶液20，可觀察一電位變化趨勢，橫座標為時間(s)，縱座標為開環電位(V)，圖中為不同樣品之白血球酯 化酵素濃度之電位變化趨勢，可根據其變化趨勢而檢測樣品之白血球酯化酵素之濃度。而第五圖為電化學控制與量測模組30採用電位式分析模組的分析實施例應用於尿液環境檢測樣品之白血球濃度之結果，如上述，所有裝置架設完成後，先滴上樣品進行電位式量測。電化學控制與量測模組30隨時間量測工作電極11對參考電極12之開環電位，待電位穩定後注入受質溶液20，可觀察一電位變化趨勢，紀錄尿液中不同樣品之白血球濃度(橫軸)對應於電位變化速率(縱軸)，本實施例中兩者呈一線性關係。

此外，第六圖為傳統呈色試紙與本創作實施例檢測樣品之白血球濃度之比較圖。每一個數據點為一樣品分別以呈色試紙檢測白血球的濃度(橫軸)與實施例檢測白血球的濃度(縱軸)；但因試紙檢測為一濃度區間，所以落在有色區間內即表示結果相符，檢測精準度為70.4%，根據臨床專業學者評定可供臨床檢測應用。

綜上所述，可知本創作利用至少一種可辨識白血球酯化酵素之受質溶液20，透過白血球酯化酵素的辨識性催化生成至少一具電化學活性之化合物導致系統之電化學訊號改變，根據此電化學訊號變化即可計算樣品之白血球酯化酵素與白血球的濃度，而可取代習用呈色式試紙的檢測，且準確地測量白血球濃度，而適合居家自用型或臨床攜帶式電化學檢測器，且未來可有效整合於智能型裝置中。因此，可知本創作確實已具有新穎性及進步性，而符合新型專利的要件。

10‧‧‧電極模組

11‧‧‧工作電極

12‧‧‧參考電極

13‧‧‧輔助電極

14‧‧‧底材基板

20‧‧‧受質溶液

30‧‧‧電化學控制與量測模組

40‧‧‧資料擷取/運算/處理模組

Claims (12)

1. 一種電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其包含：一電極模組，包含有一工作電極、一參考電極以及一輔助電極，且共同嵌在一底材基板上，該電極模組用以提供具有白血球酯化酵素之樣品滴落其上；一受質溶液，用以注入該樣品，且受該樣品之白血球酯化酵素催化水解成一具電化學活性之化合物，並使該電極模組輸出電化學訊號；一電化學控制與量測模組，電性連接該電極模組，且該電化學控制與量測模組用於控制及接收該樣品與該電極模組之間的電化學訊號；一資料擷取/運算/處理模組，電性連接該電化學控制與量測模組，且依照該電極模組輸出之電化學訊號變化趨勢推算該樣品之白血球酯化酵素之活性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一循環伏安式量測模組，用以施加正逆變化偏壓於該工作電極，並量測其相對應的電流密度變化。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其中，該循環伏安式量測模組施加之正逆變化偏壓介於-1.5~1.5V。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一電流式量測模組，用以施加穩定偏壓於該工作電極，並量測 期間的電流密度變化。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其中，該電流式量測模組施加之穩定偏壓介於-1.5~1.5V。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電化學分析樣品之白血球酯化酵素之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一電位式量測模組，用以量測該工作電極與該參考電極間之開環電位。
7. 一種電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其包含：一電極模組，包含有一工作電極、一參考電極以及一輔助電極，且共同嵌在一底材基板上，該電極模組用以提供具有白血球酯化酵素之樣品滴落其上；一受質溶液，用以注入該樣品，且受該樣品之白血球酯化酵素催化水解成一具電化學活性之化合物，並使該電極模組輸出電化學訊號；一電化學控制與量測模組，電性連接該電極模組，且該電化學控制與量測模組用於控制及接收該樣品與該電極模組之間的電化學訊號；一資料擷取/運算/處理模組，電性連接該電化學控制與量測模組，且依照該電極模組輸出之電化學訊號變化趨勢推算該樣品之白血球濃度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一循環伏安式量測模組，用以施加正逆變化偏壓於該工作電極，並 量測其相對應的電流密度變化。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其中，該循環伏安式量測模組施加之正逆變化偏壓介於-1.5~1.5V。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一電流式量測模組，用以施加穩定偏壓於該工作電極，並量測期間的電流密度變化。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其中，該電流式量測模組施加之穩定偏壓介於-1.5~1.5V。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電化學分析樣品之白血球濃度之裝置，其中，該電化學控制與量測模組包含一電位式量測模組，用以量測該工作電極與該參考電極間之開環電位。