專利名稱：使用兩個(gè)不同的施加的電位來降低電化學(xué)傳感器中的干擾的方法
背景技術(shù)：
電化學(xué)葡萄糖測(cè)試條，例如在得自LifeScan，Inc.的OneTouchUltra全血檢驗(yàn)試劑盒中使用的那些電化學(xué)葡萄糖測(cè)試條是設(shè)計(jì)用來測(cè)量糖尿病患者血樣中的葡萄糖濃度。葡萄糖的測(cè)量是基于黃素酶—葡萄糖氧化酶對(duì)葡萄糖的特異性氧化。在此反應(yīng)期間，該酶被還原了。通過與介體鐵氰化物反應(yīng)，該酶被再氧化，而在該過程或反應(yīng)期間，鐵氰化物自身被還原。這些反應(yīng)總結(jié)如下。
當(dāng)使用在兩個(gè)電極之間施加的電位來進(jìn)行上述反應(yīng)時(shí)，通過在電極表面的還原介體離子(亞鐵氰化物)的電化學(xué)再氧化，可產(chǎn)生電流。因此，由于在理想環(huán)境中，在上述化學(xué)反應(yīng)期間產(chǎn)生的亞鐵氰化物的量與置于兩個(gè)電極之間的樣本中葡萄糖的量成正比，所以產(chǎn)生的電流將與樣本的葡萄糖含量成正比。氧化還原介體例如鐵氰化物是在氧化還原酶例如葡萄糖氧化酶與電極之間交換電子的化合物。當(dāng)樣本中的葡萄糖濃度增加時(shí)，形成的還原介體的量也增加，因此，在由還原介體的再氧化所生成的電流與葡萄糖濃度之間具有直接的關(guān)聯(lián)。特別是，越過電界面的電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致電流的流動(dòng)(2摩爾電子每摩爾被氧化的葡萄糖)。因此，由于葡萄糖的引入而導(dǎo)致的電流稱為葡萄糖電流。
因?yàn)橹榔咸烟窃谘褐械臐舛?，特別是在糖尿病人的血液中的濃度可能是非常重要的，所以已經(jīng)開發(fā)出了使用上述原理以能夠在任何時(shí)間從平常人中取樣，并且測(cè)量葡萄糖濃度的測(cè)量?jī)x。通過測(cè)量?jī)x來監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的葡萄糖電流，并且使用預(yù)先設(shè)置的算法轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度的讀數(shù)，所述算法通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式將電流與葡萄糖濃度聯(lián)系起來。一般情況下，測(cè)量?jī)x與一次性條帶協(xié)同工作，除了酶(葡萄糖氧化酶)和介體(鐵氰化物)以外，所述條帶包括樣本室和至少兩個(gè)置于樣本室內(nèi)的電極。在使用時(shí)，使用者豎起他們的手指或者其它方便的部位來引起流血，并且把血樣引入樣本室，由此開始上述化學(xué)反應(yīng)。
在電化學(xué)術(shù)語中，測(cè)量?jī)x的功能是雙重的。首先，其提供極化電壓(對(duì)于OneTouchUltra，大約是0.4V)，該極化電壓將電界面極化，并且讓電流在碳工作電極表面流動(dòng)。其次，它測(cè)量在陽極(工作電極)與陰極(參比電極)之間的外電路中流動(dòng)的電流。因此，測(cè)量?jī)x可以被視為簡(jiǎn)單的電化學(xué)系統(tǒng)，該電化學(xué)系統(tǒng)以雙電極模式運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際中也可以使用第3個(gè)、甚至是第4個(gè)電極，來幫助在測(cè)量?jī)x中測(cè)量葡萄糖和/或進(jìn)行其它功能。
在大多數(shù)情況下，上面給出的公式被認(rèn)為是對(duì)在測(cè)試條上進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的充分近似，并且測(cè)量?jī)x的讀數(shù)是對(duì)血樣葡萄糖濃度的足夠精確的表示。然而，在一些情況下以及對(duì)于一些目的，提高測(cè)量的精確度是有利的。例如，在電極上測(cè)量的一部分電流是由于樣本中存在的其它化學(xué)物質(zhì)或化合物所產(chǎn)生的。當(dāng)存在這樣的另外化學(xué)物質(zhì)或化合物時(shí)，它們可稱為干擾化合物，并且所導(dǎo)致的另外的電流可稱為干擾電流。
電位干擾性化學(xué)物質(zhì)(也就是在生理流體例如血液中發(fā)現(xiàn)的，在電場(chǎng)存在下可產(chǎn)生干擾電流的化合物)包括抗壞血酸鹽、尿酸鹽和撲熱息痛(TylenolTM或Paracetamol)。在用于測(cè)量生理流體中分析物的濃度的電化學(xué)測(cè)量?jī)x(例如葡萄糖測(cè)量?jī)x)中，產(chǎn)生干擾電流的一個(gè)機(jī)制涉及通過酶(例如葡萄糖氧化酶)的還原，一種或多種干擾化合物的氧化。在這樣的測(cè)量?jī)x中，產(chǎn)生干擾電流的另一個(gè)機(jī)制涉及通過介體(例如鐵氰化物)的還原，一種或多種干擾化合物的氧化。在這樣的測(cè)量?jī)x中，產(chǎn)生干擾電流的另一個(gè)機(jī)制涉及在工作電極一種或多種干擾化合物的氧化。因此，在工作電極測(cè)量的總電流是由于分析物被氧化而產(chǎn)生的電流和由于干擾化合物被氧化而產(chǎn)生的電流的疊加。干擾化合物的氧化可以是與酶、介體相互作用的結(jié)果或者可以在工作電極直接發(fā)生。
一般情況下，電位干擾化合物可以在電極表面氧化和/或通過氧化還原介體而被氧化。干擾化合物在葡萄糖測(cè)量系統(tǒng)中的氧化引起所測(cè)量的氧化電流既與葡萄糖有關(guān)也與干擾化合物有關(guān)。因此，如果干擾化合物的濃度以與葡萄糖相同的效率氧化和/或干擾化合物濃度顯著高于葡萄糖濃度，其可以影響測(cè)量的葡萄糖濃度。
分析物(例如葡萄糖)與干擾化合物的共氧化在以下情況下尤其成問題干擾化合物的標(biāo)準(zhǔn)電位(即化合物被氧化時(shí)的電位)在大小上與氧化還原介體的標(biāo)準(zhǔn)電位類似，導(dǎo)致由于在工作電極上干擾化合物被氧化而產(chǎn)生的干擾電流占相當(dāng)?shù)谋壤Ｓ捎谠诠ぷ麟姌O上干擾化合物的氧化而產(chǎn)生的電流可以稱為直接干擾電流。因此，降低直接干擾電流對(duì)于分析物濃度測(cè)量的影響或?qū)⒃撚绊懽钚』瘜⑹怯欣?。以前降低或消除直接干擾電流的方法包括，設(shè)計(jì)能夠防止干擾化合物到達(dá)工作電極，由此降低或消除由被消除的化合物產(chǎn)生的直接干擾電流。
降低產(chǎn)生直接干擾電流的干擾化合物的影響的一個(gè)策略是將帶負(fù)電荷的薄膜放置在工作電極的頂部。作為一個(gè)實(shí)例，可以將磺化氟代聚合物例如NAFIONTM放置在工作電極上面，以排斥所有帶負(fù)電荷的化學(xué)物質(zhì)。一般情況下，很多干擾化合物，包括抗壞血酸鹽和尿酸鹽帶有負(fù)電荷，因此，當(dāng)工作電極的表面被帶負(fù)電荷的薄膜覆蓋時(shí)，這些干擾化合物被排斥從而不被氧化。然而，由于某些干擾化合物例如撲熱息痛不帶負(fù)電荷，并且從而可以通過帶負(fù)電荷的薄膜，所以使用帶負(fù)電荷的薄膜將不能消除直接干擾電流。用帶負(fù)電荷的薄膜覆蓋工作電極的另一個(gè)缺點(diǎn)是，常用的氧化還原介體例如鐵氰化物帶負(fù)電荷，并且不能通過所述薄膜來與電極交換電子。在工作電極的上面使用帶負(fù)電荷的薄膜還有一個(gè)缺點(diǎn)是，電位減慢了還原的介體擴(kuò)散到工作電極上，由此增加了測(cè)量時(shí)間。在工作電極的上面使用帶負(fù)電荷的薄膜的再一個(gè)缺點(diǎn)是，增加了具有帶負(fù)電荷薄膜的測(cè)試條的生產(chǎn)復(fù)雜性和成本。
可用于降低直接干擾電流的另一個(gè)策略是在工作電極頂部安放一個(gè)尺寸選擇薄膜。作為一個(gè)實(shí)例，可以將100道爾頓尺寸排阻薄膜例如乙酸纖維素薄膜放置在工作電極上，以排除分子量大于100道爾頓的化合物。在這個(gè)實(shí)施方案中，將氧化還原酶例如葡萄糖氧化酶放置在尺寸排阻薄膜上。在葡萄糖和氧存在下，葡萄糖氧化酶產(chǎn)生過氧化氫，產(chǎn)生的過氧化氫的量與葡萄糖濃度成正比。應(yīng)當(dāng)注意，葡萄糖和大部分氧化還原介體的分子量大于100道爾頓，并且因此不能通過尺寸選擇薄膜。然而，過氧化氫的分子量為34道爾頓，因此能夠通過尺寸選擇薄膜。一般情況下，大部分化合物的分子量大于100道爾頓，因此被排阻從而不能在電極表面被氧化。因?yàn)槟承└蓴_化合物具有較小的分子量，因此能夠通過尺寸選擇薄膜，所以使用尺寸選擇薄膜將不能消除直接干擾電流。在工作電極上面使用尺寸選擇薄膜的另一個(gè)缺點(diǎn)，增加了具有尺寸選擇薄膜的測(cè)試條的生產(chǎn)復(fù)雜性和成本。
可用于降低直接干擾電流的影響的另一個(gè)策略是使用具有低氧化還原電位的氧化還原介體，例如氧化還原電位為約-300mV至+100mV(vs飽和甘汞電極)的氧化還原介體。這使得能夠給工作電極施加較低的電位，從而降低了干擾化合物被工作電極氧化的速度。具有較低氧化還原電位的氧化還原介體的實(shí)例包括鋨聯(lián)吡啶絡(luò)合物、二茂鐵衍生物和醌衍生物。然而，具有較低氧化還原電位的氧化還原介體經(jīng)常難以合成，較不穩(wěn)定以及比較不溶。
可用于降低干擾化合物的影響的另一個(gè)策略是，聯(lián)合使用偽電極與工作電極。然后可將在偽電極測(cè)量的電流從在工作電極測(cè)量的電流中減去，以補(bǔ)償干擾化合物的影響。如果偽電極是裸露的(也就是沒有被酶或介體覆蓋)，則在偽電極測(cè)量的電流將與直接干擾電流成正比，并且將在偽電極測(cè)量的電流從在工作電極測(cè)量的電流中減去將降低或消除在工作電極上干擾化合物的直接氧化的影響。如果偽電極用氧化還原介體覆蓋，則在偽電極測(cè)量的電流將是直接干擾電流與由于干擾化合物將氧化還原介體還原而導(dǎo)致的干擾電流的組合。因此，將在用氧化還原介體覆蓋的偽電極測(cè)量的電流從在工作電極測(cè)量的電流中減去將降低或消除干擾化合物的直接氧化的影響以及在工作電極上由于干擾化合物將氧化還原介體還原而產(chǎn)生的干擾的影響。在某些情況下，偽電極也可以用惰性蛋白或失活的氧化還原酶覆蓋，以模擬氧化還原介體和酶對(duì)擴(kuò)散的作用。因?yàn)闇y(cè)試條優(yōu)選具有小的樣本室從而使糖尿病患者無需給出大的血樣，所以相對(duì)于沒有使用額外電極來測(cè)量分析物(例如葡萄糖)時(shí)的樣本室體積，包括使得樣本室體積增加的額外電極可能是不利的。此外，可能難以使得在偽電極測(cè)量的電流與在工作電極測(cè)量的干擾電流直接相關(guān)。最后，因?yàn)榭梢杂门c用來覆蓋工作電極的材料(例如氧化還原介體和酶)不同的材料(例如氧化還原介體)覆蓋偽電極，所以在多個(gè)工作電極系統(tǒng)中使用偽電極作為降低或消除干擾化合物影響的方法的測(cè)試條可能會(huì)增加測(cè)試條的生產(chǎn)成本和復(fù)雜性。
使用多個(gè)工作電極來測(cè)量分析物，例如在OneTouchUltra測(cè)量系統(tǒng)中使用的系統(tǒng)的一些測(cè)試條設(shè)計(jì)是有利，這是因?yàn)槭褂昧藘蓚€(gè)工作電極。在這樣的系統(tǒng)中，開發(fā)出降低或消除干擾化合物的影響的方法將因此是有利的。更特別地，開發(fā)出在不使用偽電極、中間薄膜或具有低氧化還原電位的氧化還原介體的情況下降低或消除干擾化合物的影響的方法將是有利的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及在分析物的測(cè)量中降低干擾化合物的影響的方法，更具體來說，涉及在其中測(cè)試條使用兩個(gè)或多個(gè)工作電極的系統(tǒng)中降低干擾化合物的影響的方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，給第一個(gè)工作電極施加第一個(gè)電位，給第二個(gè)工作電極施加第二個(gè)電位，所述第二個(gè)電位的極性與第一個(gè)電位相同，但是其大小比第一個(gè)電位大。對(duì)于使用還原電流來測(cè)量分析物濃度的實(shí)施方案，第二個(gè)電位的大小也可能比第一個(gè)電位小。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極可以用分析物特異性的酶試劑和氧化還原介體覆蓋。選擇施加給第一個(gè)工作電極的第一個(gè)電位，使得其足以以擴(kuò)散限制方式將被還原的氧化還原介體氧化，而選擇第二個(gè)電位使其大小(即絕對(duì)值)比第一個(gè)電位大，從而使得在第二個(gè)工作電極上發(fā)生效率更高的氧化。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，在第一個(gè)工作電極測(cè)量的電流包括分析物電流和干擾化合物電流，而在第二個(gè)工作單位測(cè)量的電流包括分析物超電位電流和干擾化合物超電位電流。應(yīng)當(dāng)注意，分析物電流和分析物超電位電流二者是指與分析物濃度相對(duì)應(yīng)的電流，并且該電流是還原介體被氧化的結(jié)果。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在第一個(gè)工作電極的電流與在第二個(gè)工作電極的電流之間的關(guān)系可以通過以下公式定義，A1=W2-YW1X-Y]]>其中A1是在第一個(gè)工作電極的分析物電流，W1是在第一個(gè)工作電極測(cè)量的電流，W2是在第二個(gè)工作電極測(cè)量的電流，X是分析物依賴性電壓效應(yīng)因子，且Y是干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子。在本發(fā)明方法中使用上述公式，能夠降低由于存在干擾化合物而帶來的氧化電流的影響，以及計(jì)算更能代表測(cè)試的樣本中分析物濃度的校正電流值。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，放置在測(cè)試條上的樣本中的葡萄糖濃度可以如下所述進(jìn)行計(jì)算將樣本放置在測(cè)試條上，所述測(cè)試條具有第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極以及參比電極，至少第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極被化合物(例如酶和氧化還原介體)覆蓋，當(dāng)在第一個(gè)工作電極與參比電極之間以及第二個(gè)工作電極與參比電極之間施加電位時(shí)，所述化合物適于促進(jìn)葡萄糖的氧化以及電子從氧化的葡萄糖轉(zhuǎn)移到第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極上。根據(jù)本發(fā)明，在第一個(gè)工作電極與參比電極之間施加第一個(gè)電位，選擇第一個(gè)電位的大小，使得能夠足以保證由于樣本中葡萄糖的氧化而產(chǎn)生的電流的大小僅受到除施加電壓以外的因素(例如擴(kuò)散)的限制。根據(jù)本發(fā)明，在第二個(gè)工作電極與參比電極之間施加第二個(gè)電位，第二個(gè)電位的大小比第一個(gè)電位大，并且在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，選擇第二個(gè)電位以增加在第二個(gè)工作電極上干擾化合物的氧化。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可使用以下公式來降低由于干擾化合物的存在而產(chǎn)生的氧化電流對(duì)于用來計(jì)算樣本中葡萄糖濃度的電流的影響。特別是，可使用計(jì)算的電流A1G來推導(dǎo)出葡萄糖濃度，其中A1G=W2-YW1XG-Y]]>其中A1G是葡萄糖電流，W1是在第一個(gè)工作電極上測(cè)量的電流，W2是在第二個(gè)工作電極上測(cè)量的電流，XG是葡萄糖依賴性電壓效應(yīng)因子，且Y是干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的新特征尤其在權(quán)利要求書中給出。通過下面給出示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述，可以更好地了解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中使用了本發(fā)明的原理以及附圖

圖1是用于本發(fā)明的測(cè)試條實(shí)施方案的部件分解透視圖。
圖2是用于本發(fā)明的測(cè)量?jī)x和測(cè)試條的圖解圖。
圖3是表明施加的電壓與測(cè)量的電流之間的依賴性的流體動(dòng)力伏安圖。
發(fā)明詳述雖然本發(fā)明特別適于測(cè)量血液中的葡萄糖濃度，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明中描述的方法可適于提高用于生理流體中分析物的電化學(xué)測(cè)量的其它系統(tǒng)的選擇性。可適于使用本發(fā)明方法來提高選擇性的系統(tǒng)的實(shí)例包括用于測(cè)量生理流體中乳酸鹽、酒精、膽固醇、氨基酸、膽堿和果糖胺的濃度的電化學(xué)傳感器?？珊羞@樣的分析物的生理流體的實(shí)例包括血液、血漿、血清、尿和間隙液。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，雖然本發(fā)明方法是在其中所測(cè)量的電流是通過氧化而產(chǎn)生的電化學(xué)系統(tǒng)中描述的，但是本發(fā)明同樣適用于其中所測(cè)量的電流是通過還原而產(chǎn)生的系統(tǒng)。
本發(fā)明涉及提高電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的選擇性的方法，所述方法特別適用于血糖測(cè)量系統(tǒng)。更具體來說，本發(fā)明涉及通過部分或完全校正直接干擾電流的影響來提高血糖測(cè)量系統(tǒng)的選擇性的方法。在這樣的系統(tǒng)中，選擇性是該系統(tǒng)精確地測(cè)量生理流體樣本中葡萄糖濃度的能力，所述生理流體包括一種或多種能產(chǎn)生干擾電流的化合物。因此，選擇性的提高會(huì)降低由于存在干擾化合物(即氧化以產(chǎn)生干擾電流的除葡萄糖以外的化合物)而在工作電極產(chǎn)生的電流，并且使得測(cè)量的電流更能代表葡萄糖濃度。特別是，測(cè)量的電流可以是在生理流體中通常發(fā)現(xiàn)的干擾化合物的氧化的功能，所述干擾化合物是例如撲熱息痛(TylenolTM或Paracetamol)、抗壞血酸、膽紅素、多巴胺、龍膽酸、谷胱甘肽、左旋多巴、甲基多巴、妥拉磺脲、甲苯磺丁脲和尿酸。這樣的干擾化合物可以通過例如與氧化還原介體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而被氧化，或者通過在電極表面上氧化而被氧化。
在完全選擇性的系統(tǒng)中，將沒有通過任何干擾化合物產(chǎn)生的氧化電流，并且全部氧化電流將是通過葡萄糖氧化而產(chǎn)生的。然而，如果干擾化合物的氧化以及所產(chǎn)生的氧化電流不能避免，本發(fā)明描述了消除干擾化合物的某些或全部影響的方法，這是通過定量確定由干擾化合物產(chǎn)生的氧化電流占全部氧化電流的比例，并且將該電流量從全部氧化電流中減去來實(shí)現(xiàn)的。特別是，在本發(fā)明方法中，使用包括第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極的測(cè)試條，施加兩個(gè)不同電位，并且測(cè)量在每個(gè)工作電極上產(chǎn)生的氧化電流來估計(jì)葡萄糖和干擾化合物各自所占的氧化電流比例。
在本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案中，所使用的測(cè)試條包括樣本室，所述樣本室包含第一個(gè)工作電極、第二個(gè)工作電極和參比電極。第一個(gè)工作電極、第二個(gè)工作電極和參比電極被葡萄糖氧化酶(酶)和鐵氰化物(氧化還原介體)覆蓋。當(dāng)把血樣(生理流體)被放置在樣本室中時(shí)，葡萄糖氧化酶被血樣中的葡萄糖還原，產(chǎn)生葡糖酸。然后通過鐵氰化物還原為亞鐵氰化物，葡糖酸被氧化，產(chǎn)生了其濃度與葡萄糖濃度成正比的還原的氧化還原介體。可適用于本發(fā)明方法的測(cè)試條的實(shí)例是由LifeScan，Inc.of Milpitas，California銷售的OneTouchUltra測(cè)試條。其它測(cè)試條描述在國(guó)際公開WO 01/67099A1和WO01/73124A2中。
在本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案中，給第一個(gè)工作電極施加第一個(gè)電位，給第二個(gè)工作電極施加第二個(gè)電位。在該實(shí)施方案中，選擇第一個(gè)電位的大小，使得葡萄糖電流反應(yīng)對(duì)于施加的電位相對(duì)不靈敏，從而在第一個(gè)工作電極上的葡萄糖電流大小受擴(kuò)散到第一個(gè)工作電極上的還原的氧化還原介體的量的限制。應(yīng)當(dāng)注意，在工作電極上葡萄糖不是被直接氧化，而是通過使用氧化還原酶和氧化還原介體被間接氧化。在本發(fā)明的說明書中，葡萄糖電流是指與葡萄糖濃度相關(guān)的還原的氧化還原介體的氧化。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，當(dāng)鐵氰化物/亞鐵氰化物是氧化還原介體，并且碳是工作電極時(shí)，第一個(gè)電位可以為約0毫伏-約500毫伏，更優(yōu)選為約385毫伏-約415毫伏，甚至更優(yōu)選為約395-405mV。給第二個(gè)工作電極施加第二個(gè)電位，使得第二個(gè)電位大于第一個(gè)電位。其中所施加的電位大于氧化葡萄糖所需的電位。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)鐵氰化物/亞鐵氰化物是氧化還原介體，并且碳是工作電極時(shí)，第二個(gè)電位可以為約50毫伏-約1000毫伏，更優(yōu)選為約420毫伏-約1000毫伏，甚至更優(yōu)選為約395-405mV。
因?yàn)殡S著電位的增加葡萄糖電流不增加或者僅最小程度地增加，所以在第二個(gè)工作電極上的葡萄糖電流應(yīng)當(dāng)與在第一個(gè)工作電極上的葡萄糖電流基本上相等，即使在第二個(gè)工作電極上的電位大于在第一個(gè)工作電極上的電位。因此，在第二個(gè)工作電極上測(cè)量的任何附加的電流可歸因于干擾化合物的氧化。換句話說，在第二個(gè)工作電極上的較高電位應(yīng)當(dāng)引起在第二個(gè)工作電極上測(cè)量的葡萄糖超電位電流在大小上等于或基本上等于在第一個(gè)工作電極上的葡萄糖電流，因?yàn)榈谝粋€(gè)和電位和第二個(gè)電位是在限制的葡萄糖電流范圍中，該范圍的葡萄糖電流對(duì)于施加電位的改變不敏感。然而，在實(shí)際中，其它參數(shù)可能會(huì)影響測(cè)量的電流，例如，當(dāng)給第二個(gè)工作電極施加較高的電位時(shí)，作為IR位降或電容影響的結(jié)果，在第二個(gè)工作電極上的總電流經(jīng)常會(huì)稍微增加。當(dāng)系統(tǒng)中存在IR位降(既未補(bǔ)償?shù)碾娮?時(shí)，較高的施加電位引起測(cè)量的電流增加。IR位降的實(shí)例可以是第一個(gè)工作電極、第二個(gè)工作電極、參比電極、工作電極與參比電極之間的生理流體的標(biāo)稱電阻。此外，施加較高的電位導(dǎo)致形成較大的離子雙層，該離子雙層是在電極/液體界面形成的，增加在第一個(gè)工作電極或第二個(gè)工作電極上的離子電容和所形成的電流。
為了確定在第一個(gè)工作電極上測(cè)量的葡萄糖電流與在第二個(gè)工作電極上測(cè)量的葡萄糖電流之間的實(shí)際關(guān)系，必須開發(fā)出合適的公式。應(yīng)當(dāng)注意，在第二個(gè)工作電極上的葡萄糖電流也可以稱為葡萄糖超電位電流。葡萄糖電流與葡萄糖超電位電流之間的正比關(guān)系可以通過以下公式來描述。
XG×A1G＝A2G(公式1)其中XG是葡萄糖依賴性電壓效應(yīng)因子，A1G是在第一個(gè)工作電極上的葡萄糖電流，A2G是在第二個(gè)工作電極上的葡萄糖電流。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)鐵氰化物/亞鐵氰化物是氧化還原介體，并且碳是工作電極時(shí)，對(duì)于葡萄糖，電壓效應(yīng)因子可預(yù)計(jì)為約0.95至約1.1。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，較高的電位對(duì)于葡萄糖氧化電流沒有顯著影響，因?yàn)榕c工作電極之間，氧化還原介體(亞鐵氰化物)具有快速的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和可逆電子轉(zhuǎn)移特征。因?yàn)樵谝欢c(diǎn)之后隨著電位的增加葡萄糖電流不增加，所以可以說葡萄糖電流是飽和的或者在擴(kuò)散限制的情況中。
在上述本發(fā)明的實(shí)施方案中，葡萄糖是通過在工作電極上氧化亞鐵氰化物而間接測(cè)量的，并且亞鐵氰化物濃度與葡萄糖濃度成正比。對(duì)于具體的電化學(xué)化合物，標(biāo)準(zhǔn)電位(E°)值是該化合物與其它化合物交換電子的能力的度量標(biāo)準(zhǔn)。在本發(fā)明方法中，選擇在第一個(gè)工作電極上的電位，使其大于氧化還原介體的標(biāo)準(zhǔn)電位(E°)。因?yàn)檫x擇第一個(gè)電位，使去足夠大于氧化還原對(duì)的E°值，所以隨著施加電位的增加，氧化速度不顯著增加。因此，在第二個(gè)工作電極上施加較大的電位將不會(huì)增加在第二個(gè)工作電極上的氧化，并且在較高電位的電極上測(cè)量的任何增加的電流必須是由于其它因素例如干擾化合物的氧化。
圖3是表明施加的電壓與測(cè)量的電流之間的依賴性的流體動(dòng)力伏安圖，其中鐵氰化物/亞鐵氰化物是氧化還原介體，并且碳是工作電極。在該圖上的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表至少一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中電流是在工作電極與參比電極之間施加電壓后5秒鐘測(cè)量的。圖3表明，在約400mV，電流形成了平臺(tái)區(qū)域的開始，因?yàn)樵撌┘拥碾妷鹤銐虼笥趤嗚F氰化物的E°值。因此，如圖3所示，在電位達(dá)到約400mV時(shí)，葡萄糖電流變得飽和，這是因?yàn)閬嗚F氰化物的氧化是擴(kuò)散限制的(亞鐵氰化物向工作電極的擴(kuò)散限制了測(cè)量的電流的大小，并且不受亞鐵氰化物與電極之間的電子轉(zhuǎn)移速度的限制)。
通常，通過干擾化合物的氧化而產(chǎn)生的電流不會(huì)因?yàn)槭┘与妷旱脑黾佣柡?，并且與通過亞鐵氰化物的氧化而產(chǎn)生的電流相比(亞鐵氰化物已經(jīng)通過葡萄糖與酶以及酶與亞鐵氰化物的相互作用而產(chǎn)生)，表現(xiàn)出強(qiáng)很多的對(duì)施加電位的依賴性。干擾化合物通常具有比氧化還原介體(即亞鐵氰化物)慢的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。這種差別的原因是以下事實(shí)，大部分干擾化合物經(jīng)歷內(nèi)球電子轉(zhuǎn)移途徑，而亞鐵氰化物經(jīng)歷更快的外球電子轉(zhuǎn)移途徑。典型的內(nèi)球電子轉(zhuǎn)移途徑在轉(zhuǎn)移電子之前需要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如氫化物轉(zhuǎn)移。與之不同，外球電子轉(zhuǎn)移途徑在轉(zhuǎn)移電子之前不需要化學(xué)反應(yīng)。因此，內(nèi)球電子轉(zhuǎn)移速度通常比外球電子轉(zhuǎn)移慢，因?yàn)樗麄冃枰郊拥幕瘜W(xué)反應(yīng)步驟。將抗壞血酸氧化成脫氫抗壞血酸是內(nèi)球氧化的一個(gè)實(shí)例，其需要釋放兩個(gè)氫化物部分。鐵氰化物氧化成亞鐵氰化物是外球電子轉(zhuǎn)移的一個(gè)實(shí)例。因此，當(dāng)在較高電位測(cè)試時(shí)，由干擾化合物產(chǎn)生的電流通常會(huì)增加。
在第一個(gè)工作電極上的干擾化合物電流與在第二個(gè)工作電極上的干擾化合物超電位電流之間的關(guān)系可通過以下公式來描述，Y×I1＝I2(公式2)其中Y是干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子，I1是干擾化合物電流，且I2是干擾化合物超電位電流。因?yàn)楦蓴_化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y依賴于多種因素，包括具體的干擾化合物以及工作電極所有的材料，所以對(duì)于具體的系統(tǒng)、測(cè)試條、分析物和干擾化合物，具體干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子的計(jì)算可能需要實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化對(duì)于這些標(biāo)準(zhǔn)的電壓效應(yīng)因子?；蛘撸谝恍l件下，可以通過數(shù)學(xué)方法來推導(dǎo)或描述合適的電壓效應(yīng)因子。
在其中鐵氰化物/亞鐵氰化物是氧化還原介體，并且碳是工作電極的一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案中，干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y可以使用關(guān)于I1和I2的Tafel公式來用數(shù)學(xué)手段描述，I1=a′exp(η1b′)]]>(公式2a)I2=a′exp(η2b′)]]>(公式2b)其中η1＝E1-E°，η2＝E2-E°，b′取決于具體電活性干擾化合物的常數(shù)，E1是第一個(gè)電位，且E2是第二個(gè)電位。E°的值(具體干擾化合物的標(biāo)準(zhǔn)電位)是不重要的，因?yàn)樵讦う堑挠?jì)算中其被抵消了。可以將公式2、2a、2b合起來，并且重排，得到以下公式，Y=exp(Δηb′)]]>(公式2c)其中Δη＝E1-E2。公式2c提供了描述Δη(即第一個(gè)電位與第二個(gè)電位之間的差值)與干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，Y可以為約1-約100，更優(yōu)選為約1-10。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于具體干擾化合物或干擾化合物的組合，干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y可以通過實(shí)驗(yàn)確定。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于干擾化合物，干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y通常大于葡萄糖的電壓效應(yīng)因子XG。如下面的章節(jié)所述，a)干擾化合物電流I1與干擾化合物超電位電流I2之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；以及b)葡萄糖電流A1G與葡萄糖超電位電流A2G之間的數(shù)學(xué)關(guān)系使得能夠提出葡萄糖算法，該算法降低了干擾化合物對(duì)于葡萄糖測(cè)量的影響。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，開發(fā)出算法來計(jì)算不受干擾物影響的校正葡萄糖電流(即A1G和A2G)。把樣本加到測(cè)試條上后，給第一個(gè)工作電極施加第一個(gè)電位，給第二個(gè)工作電極施加第二個(gè)電位。在第一個(gè)工作電極，測(cè)量第一個(gè)電流，其可通過以下公式來描述，W1＝A1G+I1(公式3)其中W1是在第一個(gè)工作電極上的第一個(gè)電流。換句話說，第一個(gè)電流包括葡萄糖電流A1G與干擾化合物電流I1的疊加。更具體來說，干擾化合物電流可以是上面描述過的直接干擾電流。在第二個(gè)工作電極，測(cè)量在第二個(gè)電位或超電位的第二個(gè)電流，其可通過以下公式來描述，W2＝A2G+I2(公式4)其中W2是在第二個(gè)工作電極上的第二個(gè)電流，A2G是在第二個(gè)電位測(cè)量的葡萄糖超電位電流，I2是在第二個(gè)電位測(cè)量的干擾化合物超電位電流。更具體來說，干擾化合物超電位電流可以是上面描述過的直接干擾化合物電流。使用包括4個(gè)未知量(A1G、A2G、I1和I2)的上面描述的4個(gè)公式(公式1-4)，能夠計(jì)算不受干擾化合物影響的校正葡萄糖電流公式。
作為推導(dǎo)中的第一個(gè)步驟，可以將來自公式1的A2G和來自公式2的I2替代到公式4中，得到以下公式5。
W2＝XGA1G+YI1(公式5)
接下來，把公式3乘以干擾化合物的干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y，得到公式6。
YW1＝Y(jié)A1G+TI1(公式6)將公式5減去公式6，得到如公式7所示的以下形式W2-YW1＝XGA1G-YA1G(公式7)將公式7重排以求解在第一個(gè)電位測(cè)量的校正葡萄糖電流A1G，如公式8所示。
A1G=W2-YW1XG-Y]]>(公式8)通過公式8得到了校正葡萄糖電流A1G，其消除了干擾的影響，這僅需要第一個(gè)工作電極和第二個(gè)工作電極的輸出電流(例如W1和W2)、葡萄糖依賴性電壓效應(yīng)因子XG和干擾化合物的干擾化合物依賴性電壓效應(yīng)因子Y。
將包含電子部件的葡萄糖測(cè)量?jī)x與葡萄糖測(cè)試條進(jìn)行電連接以從W1和W2測(cè)量電流。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，可以將XG和Y程序化到葡萄糖測(cè)量?jī)x內(nèi)，這樣僅讀取存儲(chǔ)器。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過校正碼芯片將Y傳遞給測(cè)量?jī)x。校正碼芯片在其存儲(chǔ)器中具有一組特定的關(guān)于XG和Y的值，對(duì)于很多具體的測(cè)試條，可以對(duì)這些值進(jìn)行校正。這可以解釋可能在XG和Y中發(fā)生的測(cè)試條批量間差異。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，只有當(dāng)超過一些閾值時(shí)，公式8中的校正葡萄糖電流才可以被測(cè)量?jī)x使用。例如，如果W2比W1大出10％或10％以上，則測(cè)量?jī)x將使用公式8來校正輸出電流。然而，如果W2比W1大出10％或10％以下，則干擾化合物濃度很低，因此測(cè)量?jī)x可簡(jiǎn)單地取W1與W2之間的平均電流值，來提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度。為了代替簡(jiǎn)單地將電流W1和W2平均，更準(zhǔn)確的方法可以是使用W2/XG來平均W1，其中考慮了葡萄糖依賴性電壓效應(yīng)因子XG(注意，當(dāng)I2很低時(shí)，根據(jù)公式1和4，W2/XG約等于A1G)。只有在一些其中樣本中存在顯著水平的干擾化合物的情況下使用公式8的策略減輕了測(cè)量的葡萄糖電流校正過度的危險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)W2比W1足夠大時(shí)(例如大出約100％或更多)時(shí)，這是具有非常高濃度的干擾化合物的指示。在這樣的情況下，可能希望輸出錯(cuò)誤信息而不是葡萄糖值，因?yàn)榉浅８咚降母蓴_化合物可引起公式8準(zhǔn)確度的打破。
下面的章節(jié)將描述可以與公式8所示本發(fā)明提出的算法一起使用的可能的測(cè)試條實(shí)施方案。圖1是測(cè)試條600的部件分解透視圖，其包括布置在襯底5上的6個(gè)層。這6個(gè)層是導(dǎo)電層50、絕緣層16、試劑層22、粘合層60、親水層70和頂層80。測(cè)試條600可以在一系列步驟中制造，其中使用例如篩網(wǎng)印制方法將導(dǎo)電層50、絕緣層16、試劑層22、粘合層60布置在襯底5上。親水層70和頂層80可以從卷材(roll stock)中取出和層壓到襯底5上。完全裝配的測(cè)試條形成可接收血樣從而使得血樣可以分析的樣本接收室。
導(dǎo)電層50包括參比電極10、第一個(gè)工作電極12、第二個(gè)工作電極14、第一個(gè)接觸點(diǎn)(contact)13、第二個(gè)接觸點(diǎn)15、參比接觸點(diǎn)11和測(cè)試條檢測(cè)板17。可用于形成導(dǎo)電層的合適的材料是Au、Pd、Ir、Pt、Rh、不銹鋼、摻雜的氧化錫、碳等。優(yōu)選地，用于導(dǎo)電層的材料可以是碳墨(carbon ink)例如在US5653918中描述的那些。
絕緣層16包括切口(cutout)18，其暴露了可以被液體樣本潤(rùn)濕的一部分參比電極10、第一個(gè)工作電極12和第二個(gè)工作電極14。作為非限制性實(shí)例，絕緣層(16或160)可以是可購(gòu)自Ercon，Inc的Ercon E6110-116 Jet Black Insulayer Ink。
試劑層22可以布置在一部分導(dǎo)電層50和絕緣層16上。在一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案中，試劑層22可以包括選擇性地與葡萄糖反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)例如氧化還原酶和氧化還原介體。在該反應(yīng)期間，可以產(chǎn)生一定比例量的還原的氧化還原介體，可以用電化學(xué)手段對(duì)其測(cè)量，從而可以計(jì)算葡萄糖濃度。適用于本發(fā)明的試劑制劑或墨水的實(shí)例可參見US專利5,708,247和6,046,051；出版的國(guó)際申請(qǐng)WO01/67099和WO01/73124，它們都引入本文以供參考。
粘合層60包括第一個(gè)粘合墊24、第二個(gè)粘合墊26和第三個(gè)粘合墊28。與試劑層22相鄰的第一個(gè)粘合墊24和第二個(gè)粘合墊26的側(cè)邊緣分別限定了樣本接收室的壁。在一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方案中，粘合層可以包含水基丙烯酸共聚物壓敏粘合劑，該粘合劑可從TapeSpecialties LTD in Tring，Herts，United Kingdom (part & num；A6435)商購(gòu)獲得。
親水層70包括遠(yuǎn)側(cè)的親水墊32和近側(cè)的親水墊34。作為非限制性實(shí)例，親水層70可以是具有一個(gè)親水表面例如防霧涂層的聚酯，其可從3M商購(gòu)獲得。應(yīng)當(dāng)注意，遠(yuǎn)側(cè)的親水膜32和近側(cè)的親水膜34都是透明的，從而使得使用者能夠觀察填充樣本接收室的液體樣本。
頂層80包括透明部分36和不透明部分38。頂層80布置在親水層70上并且與其粘合。作為非限制性實(shí)例，頂層40可以是聚酯。應(yīng)當(dāng)注意，透明部分36與近側(cè)親水墊32基本上重疊，這使得使用者能夠在視覺上證實(shí)樣本接收室足夠填充滿。不透明部分38幫助使用者觀察樣本接收室內(nèi)的帶色流體例如血液與頂膜的不透明區(qū)域之間的高度對(duì)比。
圖2是表明與測(cè)試條600連接的測(cè)量?jī)x500的簡(jiǎn)單圖解圖。測(cè)量?jī)x500具有3個(gè)電接觸點(diǎn)，這3個(gè)電接觸點(diǎn)形成與第一個(gè)工作電極12、第二個(gè)工作電極14和參比電極10的電連接。特別是，連接器101連接電壓源103與第一個(gè)工作電極12，連接器102連接電壓源104與第二個(gè)工作電極14，共用連接器100將電壓源103和104與參比電極10連接。當(dāng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)量?jī)x500中的電壓源103在第一個(gè)工作電極12與參比電極10之間施加第一個(gè)電位E1，電壓源104在第二個(gè)工作電極14與參比電極10之間施加第二個(gè)電位E2。施加血樣，這樣第一個(gè)工作電極12、第二個(gè)工作電極14和參比電極10被血液覆蓋。這引起試劑層22水合，產(chǎn)生其量與樣本中存在的葡萄糖和/或干擾化合物濃度成正比的亞鐵氰化物。施加樣本后5秒鐘，測(cè)量?jī)x500測(cè)量第一個(gè)工作電極12和第二個(gè)工作電極14的氧化電流。
在上述第一個(gè)和第二個(gè)測(cè)試條實(shí)施方案中，第一個(gè)工作電極12和第二個(gè)工作電極14具有相同面積。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于具有相同面積的測(cè)試條。對(duì)于其中面積不同的上述測(cè)試條的實(shí)施方案，必須將每一工作電極的輸出電流對(duì)面積進(jìn)行歸化。因?yàn)檩敵鲭娏髋c面積成正比，所以公式1-8中的術(shù)語可以用安培的電位(電流)或每電位面積中的安培(即電流密度)來表示。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于本文中舉例說明和描述的結(jié)構(gòu)，可以替代同等結(jié)構(gòu)，并且所描述的本發(fā)明實(shí)施方案不是可以在本發(fā)明中使用的唯一結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)當(dāng)理解，上述每一個(gè)結(jié)構(gòu)具有功能，并且這樣的結(jié)構(gòu)可稱為實(shí)施該功能的手段。雖然已經(jīng)表示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，提供這樣的實(shí)施方案僅是為了舉例說明。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的情況下，可以做很多改變、變化和替代。應(yīng)當(dāng)理解，本文所述本發(fā)明實(shí)施方案的多種替代方案可用于實(shí)施本發(fā)明。下面的權(quán)利要求書限定本發(fā)明的范圍，并且在這些權(quán)利要求范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)及其等同吸收應(yīng)當(dāng)包括在這些權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.降低電化學(xué)傳感器中的干擾的方法，所述方法包括給第一個(gè)工作電極施加第一個(gè)電位；給第二個(gè)工作電極施加第二個(gè)電位，其中所述第二個(gè)電位大于所述第一個(gè)電位的絕對(duì)值；測(cè)量在所述第一個(gè)工作電極上的第一個(gè)電流，所述第一個(gè)電流包括分析物電流和干擾化合物電流；測(cè)量在所述第二個(gè)工作電極上的第二個(gè)電流，所述第二個(gè)電流包括分析物超電位電流和干擾化合物超電位電流，其中所述分析物超電位電流與所述分析物電流具有第一個(gè)正比關(guān)系，并且其中所述干擾化合物超電位電流與所述干擾化合物電流具有第二個(gè)正比關(guān)系；和使用公式計(jì)算代表分析物濃度的校正電流值，所述公式是所述第一個(gè)電流、所述第二個(gè)電流、所述第一個(gè)正比關(guān)系和所述第二個(gè)正比例關(guān)系的函數(shù)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述公式是A1=W2-YW1X-Y]]>其中A1是所述分析物電流，W1是所述第一個(gè)電流，W2是所述第二個(gè)電流，X是分析物電壓效應(yīng)因子，且Y是干擾化合物電壓效應(yīng)因子。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述分析物是葡萄糖。
4.權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)于包括碳工作電極和亞鐵氰化物氧化還原介體的所述電化學(xué)傳感器，所述第一個(gè)電位是約385毫伏-約415毫伏。
5.權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)于包括碳工作電極和亞鐵氰化物氧化還原介體的所述電化學(xué)傳感器，所述第二個(gè)電位是約420毫伏-約1000毫伏。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述干擾化合物電流是由于至少一種選自下列的化合物的氧化而產(chǎn)生的撲熱息痛、抗壞血酸、膽紅素、多巴胺、龍膽酸、谷胱甘肽、左旋多巴、甲基多巴、妥拉磺脲、甲苯磺丁脲和尿酸。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述第一個(gè)正比關(guān)系是XxA1＝A2其中X是所述分析物電壓效應(yīng)因子，A1是所述分析物電流，且A2是所述分析物超電位電流。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二個(gè)正比關(guān)系是YxI1＝I2其中Y是所述干擾化合物電壓效應(yīng)因子，I1是所述干擾化合物電流，且I2是所述干擾化合物超電位電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及降低分析物的測(cè)量中干擾化合物的影響的方法，更具體來說，涉及降低系統(tǒng)中干擾化合物的影響的方法，其中測(cè)試條(600)使用兩個(gè)或更多個(gè)工作電極(12，14)。在本發(fā)明中，給第一個(gè)工作電極(12)施加第一個(gè)電位(E1)，給第二個(gè)工作電極(14)施加具有相同極性但是比第一個(gè)電位(E1)大的第二個(gè)電位(E2)。
文檔編號(hào)G01N27/49GK1902477SQ200480039526
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者O·W·H·達(dá)維斯 申請(qǐng)人:生命掃描蘇格蘭有限公司