ТЕСТОВЫЕ ДАТЧИКИ, СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ С МНОЖЕСТВОМ ЗОН И ПОТЕНЦИАЛОВ
TEST SENSORS, METHODS AND SYSTEMS WITH MULTIPLE ZONES AND POTENTIALS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США №60/974823, "Multi-Potential Biosensors, Systems, and Methods" (Много-потенциальные биодатчики, системы и способы), поданной 24 сентября 2007, которая полностью включена в настоящее описание путем ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Биодатчики обеспечивают анализ биологической жидкости, такой как цельная кровь, сыворотка крови, плазма, моча, слюна, тканевая или внутриклеточная жидкость. Обычно, биодатчики имеют в составе измерительное устройство, которое анализирует пробу, находящуюся в тестовом датчике. Проба обычно имеет жидкостную форму и в дополнение к тому, что является биологической жидкостью, может быть производным биологической жидкости, таким как экстракт, раствор, фильтрат, или ресуспендированный осадок. Анализ, выполняемый посредством биодатчика, определяет наличие и/или концентрацию в биологической жидкости одного или нескольких аналитов, таких как этанол, глюкоза, мочевая кислота, лактат, холестерин, билирубин, свободные жирные кислоты, триглицериды, белки, кетоны, фенилаланин или ферменты. Анализ может быть полезным при диагностике и лечении физиологических нарушений. Например, диабетик может использовать биодатчик, чтобы определять уровень глюкозы в цельной крови для корректировок диеты и/или лечения.
Многие биодатчики осуществляют анализ в отношении одного аналита и используют различные методы, чтобы повышать точность и/или воспроизводимость результатов анализа. Точность может быть выражена в терминах систематической погрешности оценки показаний аналита сенсорной системы по сравнению с эталонным показанием для аналита, представляя при больших значениях систематической погрешности меньшую точность, тогда как воспроизводимость результатов может быть выражена в терминах разброса или расхождений между многократными измерениями. Для повышения точности и/или воспроизводимости результатов анализа может использоваться калибровочная информация, и может считываться из тестового датчика на измерительное устройство до проведения анализа. Измерительное устройство использует калибровочную информацию, чтобы корректировать анализ биологической жидкости в ответ на один или несколько параметров, таких как тип биологической жидкости, конкретный аналит(ы) и производственные отклонения тестового датчика. Биодатчики могут быть реализованы с использованием настольных, портативных и подобных измерительных устройств. Портативные измерительные устройства могут быть переносными и могут допускать идентификацию и/или определение количества аналита в пробе. Примеры переносных измерительных систем включают измерительные приборы Ascensia Breeze и Elite компании Bayer Healthcare, Тэрритаун, Нью-Йорк, тогда как примеры настольных измерительных систем включают электромеханическую рабочую станцию производства компании CH Instruments, Остин, Техас.
Электрический сигнал, подаваемый на тестовый датчик измерительным устройством, может быть потенциалом напряжением или током и может быть постоянным, регулируемым, или их комбинацией, например, если сигнал переменного тока (AC) подается со сдвигом сигнала постоянного тока (DC). Входной сигнал может подаваться в виде одиночного импульса или в виде множественных импульсов, последовательностей или циклов. Аналит или измеримое вещество подвергается окислительно-восстановительной реакции во время подачи входного сигнала на пробу. Окислительно-восстановительная реакция генерирует выходной сигнал, который может измеряться постоянно или периодически в процессе вывода в переходном и/или установившийся режиме. В отличие от неустановившегося выходного сигнала, который постоянно изменяется, установившийся выход наблюдают, когда изменение сигнала по отношению к его независимой входной переменной (времени, и т.д.) является по существу постоянным, например, в пределах +10 или +5%.
Могут использоваться различные электрохимические процессы, такие как кулонометрия, амперометрия, вольтамперометрия или подобные. В отличие от кулонометрии, в амперометрии и вольтамперометрии для определения концентрации аналита в пробе обычно измеряют скорость, с которой аналит окисляется или восстанавливается. В амперометрии электрический сигнал с постоянным потенциалом (постоянного напряжения) подают на электрические проводники тестового датчика, тогда как измеряемым выходным сигналом является ток. В вольтамперометрии, переменный потенциал подают на пробу биологической жидкости. Также могут использоваться амперометрические и вольтамперометрические методы на основе стробирования, включающие чередующиеся циклы возбуждения и релаксации.
"Эффект гематокрита" является одним фактором, который может снижать точность и/или воспроизводимость результатов анализа, выполняемого в пробе цельной крови. Кроме воды, глюкозы, белков, кетонов и других биологических молекул, пробы цельной крови содержат эритроциты. Гематокрит является занимаемым эритроцитами объемом в пробе цельной крови по отношению к полному объему пробы цельной крови и часто выражается в процентах. Чем больше выраженный в процентах гематокрит отклоняется от системной калибровки %-гематокрита для пробы цельной крови, тем больше систематическая погрешность (ошибка) в полученных от биодатчика показаниях аналита. Например, обычная система биодатчиков, имеющая один набор калибровочных констант (угловые коэффициенты для пробы цельной крови с содержанием гематокрита 40%, например), будет сообщать три различные концентрации глюкозы для проб цельной крови, имеющих тождественные концентрации глюкозы, но процентное содержание гематокрита 20%, 40% и 60%. Таким образом, даже при том, что концентрации глюкозы цельной крови являются одинаковыми, система представит отчет, что соответствующая гематокриту 20% проба цельной крови содержит больше глюкозы, чем соответствующая гематокриту 40% проба цельной крови, и что соответствующая гематокриту 60% проба цельной крови содержит меньше глюкозы, чем соответствующая гематокриту 40% проба цельной крови. Поскольку обычные биодатчики обычно настроены с возможностью представлять отчет о концентрациях глюкозы при условии 40%-го гематокритного содержания для пробы цельной крови, любое измерение глюкозы, выполненное на пробе крови, содержащей меньше или больше, чем гематокрит 40%, будет включать некоторую систематическую погрешность, относимую к эффекту гематокрита.
Погрешность показателя гематокрита может быть выражена следующим уравнением:
m
ref
ref
%Hct-bias=100%*(G-G)/G,
m
ref
где G и G являются показаниями измеренной глюкозы и номинальной глюкозы, соответственно, для любого уровня гематокрита. Чем больше абсолютное значение %Hct-bias (погрешности показателя гематокрита в процентах), тем значительнее эффект гематокрита.
В дополнение к эффекту гематокрита, неточности измерений также могут возникать, когда концентрация измеримого вещества не коррелируется с концентрацией аналита. Например, при определении биодатчиком концентрации восстановленного медиатора, генерируемого в ответ на окисление аналита, любой восстановленный медиатор, который не генерируется в результате окисления аналита, будет вызывать индикацию того, что в пробе присутствует больше аналита, чем надлежит, из-за фона медиатора.
При понимании, что выходной сигнал обусловлен факторами, не чувствительными к концентрации аналита, ложную часть выходного сигнала можно вычесть. В обычных системах делалась попытка изолировать нечувствительные порции выходного сигнала, помещая множества пар из рабочего электрода и противоэлектрода в общей емкости для пробы. Путем изменения реагентов, используемых для создания электродов, в этих системах попытка отделения частей, чувствительных и нечувствительных к аналиту, выполнялась вычитанием этих двух выходных сигналов.
Например, обычные сенсорные системы могут иметь множественные области детектирования в неразделенной камере для проб, где каждый рабочий электрод обращен к электроду сравнения. В другом аспекте, эти системы могут иметь одиночный электрод сравнения. Системы этих типов могут предусматривать систему калибровки датчика в ходе теста двумя известными стандартными или могут предусматривать отдельные системы электродов для определения аналита, помехи, и гематокрита, например. Общий недостаток этих систем состоит в одиночной камере для пробы, где смежные системы электродов/области детектирования могут загрязняться химически друг от друга из-за диффузии и/или движения жидкости. Этот недостаток может быть особо проблематичным, когда одна система реагента требует более длительного времени испытания, чем другая, и/или когда тестовый датчик является механически нарушенным после заполнения пробой.
Поскольку для диагноза необходимо все больше и больше информации относительно аналитов, присутствующих в биологических пробах, имеется возрастающая потребность в регулярном мониторинге множества биологических веществ медицинской значимости. Соответственно, имеется постоянная потребность в усовершенствованных биодатчиках, особенно таких, которые могут обеспечивать в большей степени точные и/или воспроизводимые результаты измерений концентрации для многих аналитов. Системы, устройства, и способы по настоящему изобретению устраняют или помогают избежать, по меньшей мере, один из недостатков, связанных с обычными биодатчиками.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В описании раскрыт тестовый датчик аналита, который включает в себя, по меньшей мере, две образующие емкость подложки, емкость имеет, по меньшей мере, две по существу химически изолированные вторичные зоны анализа; по меньшей мере, один первый рабочий электрод, включающий в себя первый проводник и композицию реагента, размещенную в емкости; по меньшей мере, один первый противоэлектрод, включающий в себя второй проводник и, по меньшей мере, одно первое окислительно-восстановительное вещество, размещенное в первой вторичной зоне анализа; и, по меньшей мере, один второй противоэлектрод, включающий в себя третий проводник и, по меньшей мере, одно второе окислительно-восстановительное вещество, размещенное во второй вторичной зоне анализа, при этом рабочий электрод, первый противоэлектрод и второй противоэлектрод являются независимо адресуемыми.
В документе раскрыт тестовый датчик аналита, который включает в себя, по меньшей мере, две подложки, образующие емкость, причем емкость включает в себя, по меньшей мере, три независимо адресуемые вторичные зоны анализа, и каждая из вторичных зон анализа является по существу химически изолированной.
В одном аспекте, тестовый датчик может иметь конфигурацию, в которой прямую линию, проходящую от рабочего электрода через первую вторичную зону анализа и через первичную область, нельзя провести через вторую вторичную зону анализа к противоэлектроду. Тестовый датчик также может иметь конфигурацию, в которой проводник расположен между двумя подложками и, по меньшей мере, одна часть емкости, включающая отверстие для пробы, образована, по меньшей мере, двумя подложками и гранью проводника. В этом случае, грань проводника образует, по меньшей мере, первый электрод.
В другом аспекте, тестовый датчик может иметь конфигурацию, в которой жидкостная проба, входящая, по меньшей мере, в одно отверстие для пробы, не протекает более чем через один из первого, второго, и третьего электродов для достижения другого электрода. Тестовый датчик также может иметь конфигурацию, в которой смешение первого и второго окислительно-восстановительного вещества при методе анализа, выбранном из циклической вольтамперометрии и хемоамперометрии, не наблюдается в течение 12 минут, если тестовый датчик механически не нарушен, или в течение 1,4 минуты, если тестовый датчик механически нарушен. Тестовый датчик также может иметь конфигурацию, в которой смешение первого и второго окислительно-восстановительного вещества при методе анализа, выбранном из циклической вольтамперометрии и хемоамперометрии, не наблюдается в течение 16 минут, если тестовый датчик механически не нарушен.
Раскрыт способ измерения, по меньшей мере, одного аналита в пробе, который включает этапы, на которых осуществляют химическое или биохимическое окисление или восстановление, по меньшей мере, одного аналита в пробе; подают первый входной сигнал на пробу, по меньшей мере, с помощью первого рабочего электрода и первого противоэлектрода; подают второй входной сигнал с потенциалом, отличным от первого входного сигнала, на пробу с помощью, по меньшей мере, первого рабочего электрода и второго противоэлектрода; анализируют выходные сигналы от первого и второго входных сигналов, чтобы определить концентрацию первого измеримого вещества в пробе с потенциалом первого противоэлектрода, и концентрацию второго измеримого вещества в пробе с потенциалом второго противоэлектрода; и преобразуют, по меньшей мере, одну из концентраций первого и второго измеримого вещества в концентрацию, по меньшей мере, одного аналита в пробе.
Раскрыт способ измерения, по меньшей мере, одного аналита в пробе, который включает этапы, на которых вводят пробу в тестовый датчик, включающий в себя, по меньшей мере, две пары электродов, причем, по меньшей мере, две пары электродов включают в себя, по меньшей мере, четыре независимо адресуемых и по существу химически изолированных электрода, при этом, по меньшей мере, два из электродов являются рабочими электродами и, по меньшей мере, два из электродов являются противоэлектродами; осуществляют химическое или биохимическое окисление или восстановление аналита в пробе; подают стробированный входной сигнал на пробу, по меньшей мере, по двум парам электродов, чтобы генерировать, по меньшей мере, два выходных сигнала; объединяют, по меньшей мере, два выходных сигнала; и измеряют концентрацию аналита в пробе на основании объединенных выходных сигналов. Раскрыты также системы использования описанных тестовых датчиков вместе с описанными способами.
Другие устройства, системы, способы, признаки и преимущества изобретения будут или станут очевидными специалисту в данной области техники после рассмотрения нижеследующих фигур и подробного описания. Подразумевается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки, и преимущества, включенные в рамки данного описания, включаются в рамки объема изобретения, и являются охраняемыми формулой изобретения, которая следует ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным при ссылке на нижеследующие чертежи и описание. Компоненты на фигурах не обязательно представлены в масштабе, вместо этого большее внимание акцентировано на иллюстрации принципов изобретения. Кроме того, на фигурах сходные числовые ссылочные позиции обозначают соответствующие части на всех видах.
Фиг.1A - представление компоновки тестового датчика, где проба вводится на поверхность основной области через отверстие для пробы и протекает по существу симметрично, чтобы заполнить четыре вторичные зоны анализа.
Фиг.1B - представление тестового датчика по Фиг.1A с дополнением электрода сравнения.
Фиг.1C - представление тестового датчика по Фиг.1A с отдельными противоэлектродами.
Фиг.1D - представление тестового датчика по Фиг.1C с дополнением электрода сравнения.
Фиг.2A - представление компоновки тестового датчика, где введение пробы происходит из отверстия для пробы на стороне тестового датчика в основную область, и затем протекает асимметрично, чтобы заполнить две вторичные зоны анализа.
Фиг.2B - представление тестового датчика, имеющего компоновку электродов, показанную на Фиг.2A, но с другой компоновкой вторичных зон анализа.
Фиг.3A - представление конструкции прямоканального тестового датчика, где проба протекает из основной области через первую потенциальную позицию электрода, чтобы достичь второй потенциальной позиции электрода.
Фиг.3B-3G - представления альтернативных конструкций для вторичных зон анализа, где проба течет не более, чем через одну потенциальную позицию электрода.
Фиг.4A - показ циклической вольтамперограммы для конструкции прямоканального тестового датчика, такого как представлен на Фиг.3A.
Фиг.4B - показ циклической вольтамперограммы для конструкции с Y-образным каналом, таким как представлен на Фиг.3E.
Фиг.5A - показ графика зависимости тока от времени при хемоамперометрии, демонстрирующего, что для прямоканального тестового датчика, соответствующего типу, используемому на Фиг.4A, пиковое значение ферроцианида наблюдалось на рабочем электроде в течение приблизительно 5 секунд после введения пробы.
Фиг.5B - показ графика зависимости тока от времени при хемоамперометрии, демонстрирующего, что для тестового датчика с Y-образным каналом, соответствующего типу, используемому на Фиг.4B, по существу нет ферроцианида, дошедшего до рабочего электрода через 30 секунд после введения пробы.
Фиг.5C - график зависимости тока от времени при хемоамперометрии, демонстрирующий, что конструкция с Y-образным каналом обеспечивает более совершенную химическую изоляцию между потенциальными позициями электродов, чем конструкция с T-образным каналом.
Фиг.5D демонстрирует, что три конструкции с Y-образным каналом были стойкими к такому смешению от механического нарушения.
Фиг.6A - представление тестового датчика, имеющего шахматную компоновку вторичных зон анализа, где проба входит в отверстие для пробы в основную область, имеющую форму канала, от которого ответвляются две вторичные зоны анализа.
Фиг.6B - представление компоновки тестового датчика, где проба входит в отверстие для пробы в основную область, имеющую форму канала, от которого ответвляются три вторичные зоны.
Фиг.7 и Фиг.7B - представление тестовых датчиков, имеющих конструкции вторичной зоны анализа с шахматной компоновкой.
Фиг.8A - представление разновидности тестового датчика, показанного на Фиг.7A, где множество рабочих электродов электрически соединены.
Фиг.8B - представление разновидности тестового датчика, показанного на Фиг.7A, где множество противоэлектродов электрически соединены.
Фиг.9A - представление одноэлектронного медиатора переноса, осуществляющего перенос одного электрона.
Фиг.9B - представление многоэлектронного медиатора переноса, осуществляющего перенос двух электронов.
Фиг.10A - представление системы с наличием трех независимо адресуемых противоэлектродов, каждый из которых действует с различным потенциалом, и трех электрически соединенных рабочих электродов, имеющих каждый систему медиатора, которая действует с различным потенциалом.
Фиг.10B - показ циклических вольтамперограмм для рутения (III) гексаамина, феррицианида и электро-активной органической молекулы.
Фиг.10C - график, относящийся к рабочему потенциалу противоэлектрода и соотношению сопряженной пары окисления-восстановления.
Фиг.10D - представление системы переноса заряда для множества независимо адресуемых противоэлектродов.
Фиг.10E - показ циклических вольтамперограмм, демонстрирующих различные рабочие потенциалы, которые могут подаваться на один или несколько рабочих электродов множеством независимо адресуемых противоэлектродов.
Фиг.11A - демонстрация того, что системы переноса заряда, показанные на Фиг.10E, могут быть заменены множественными соотношениями сопряженной пары окисления-восстановления, чтобы обеспечивать множество потенциалов для системы.
Фиг.11B - изображение профилей тока, полученных, когда потенциал на одном по существу химически изолированном рабочем электроде периодически регулируется последовательно тремя по существу химически изолированными и независимо адресуемыми противоэлектродами, имеющими каждый различный потенциал, обеспечиваемый различными системами переноса заряда.
Фиг.12A - изображение схематического представления системы биодатчика, которая определяет концентрацию аналита в пробе биологической жидкости.
Фиг.12B-12F - представление нескольких разновидностей регуляторов напряжения, которые могут использоваться вместе с генератором сигнала, показанным на Фиг.12A.
Фиг.13 - представление электрохимического анализа для определения наличия и/или концентрации, по меньшей мере, одного аналита в пробе.
Фиг.14A - представление входного сигнала из последовательности последовательных стробированных амперометрических импульсов, используемой в комбинации с тестовым датчиком, имеющим независимо адресуемые противо- и рабочие электроды.
Фиг.14B - представление входного сигнала из последовательности одновременных стробированных амперометрических импульсов, используемой в комбинации с тестовым датчиком, имеющим независимо адресуемые противо- и рабочие электроды.
Фиг.15 - показ результатов усреднения результатов до четырех отдельных анализов одного и того же аналита для определения концентрации аналита в пробе.
Фиг.16 - изображение спадов тока, полученных из эксперимента с усреднением сигнала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Описана система биодатчиков, имеющая в составе тестовые датчики с наличием, по меньшей мере, трех независимо адресуемых зон анализа. Каждая зона анализа включает в себя проводник или электрод и может быть по существу химически изолированной. Таким образом, рабочий и противоэлектроды из электродной пары могут постоянно находиться по существу в химически изолированных средах. Рабочий электрод может объединяться с двумя или большим количеством противоэлектродов, где каждый противоэлектрод находится по существу в химически изолированной среде. Таким образом, система может иметь в составе, по меньшей мере, два противоэлектрода, действующих с различными потенциалами. Независимая адресуемость по существу химически изолированных зон анализа обеспечивает электрохимический анализ с несколькими потенциалами.
Пробы, включающие в себя множество аналитов, могут анализироваться при действии с более чем одним потенциалом. Могут выполняться множественные, независимые анализы одного и того же аналита, чтобы повышать точность и/или воспроизводимость результатов анализа. В дополнение к много-аналитовому и многостороннему анализу, способность системы изменять конфигурацию способствует повышенной точности и/или воспроизводимости результатов, поскольку может определяться часть выходного сигнала, относящаяся к мешающим компонентам пробы, гематокриту, фону медиатора, температуре, изменчивости параметров изготовления, вывода из работы реагента, и т.п.. Мешающими компонентами для аналита являются химические, электрохимические, физиологические или биологические вещества, которые приводят к положительной или отрицательной погрешности в определяемой концентрации аналита. Если известны, эти эффекты могут использоваться для изменения определяемой концентрации аналита или могут быть удалены из нее. Калибровочная информация также может обеспечиваться зонами анализа, которые не являются чувствительными к аналиту.
На Фиг.1A представлена компоновка тестового датчика 100, где проба вводится на поверхность основной области 110 через отверстие 115 для пробы и протекает по существу симметрично, чтобы заполнить четыре вторичные зоны 150 анализа. Каждая из вторичных зон 150 анализа включает в себя выпускное отверстие 120, чтобы позволять пробе выпускать воздух из вторичных зон 150 анализа во время заполнения. Выпускное отверстие 120 может иметь любую форму, которая является совместимой с формой вторичных зон 150 анализа, например, круглую или многоугольную. Максимальный диаметр или ширина выпускного отверстия 120 могут иметь любой размер, который обеспечивает желательное протекание пробы во вторичные зоны 150 анализа, при являющихся предпочтительными значениях от приблизительно 0,02 мм до приблизительно 1,5 мм.
Одиночный противоэлектрод 130 занимает основную область, тогда как рабочие электроды 141-144 присутствуют в каждой вторичной зоне 150 анализа. Хотя изображено с противоэлектродом 130 в основной области 110 и рабочими электродами 141-144 во вторичных зонах 150 анализа, расположение рабочих и противоэлектродов может быть изменено на обратное, чтобы множество противоэлектродов окружали одиночный рабочий электрод (не показано). В другом аспекте, электроды могут не находиться в той же плоскости. Например, некоторые электроды могут быть размещены горизонтально, тогда как другие могут размещаться вертикально. В другом примере, некоторые электроды могут быть помещены выше остальных, чтобы биологическая жидкость сначала доходила до более низких электродов. Могут использоваться другие конфигурации электродов. Например, на Фиг.1B представлен тестовый датчик, показанный на Фиг.1A, с дополнением электрода 170 сравнения, чтобы обеспечивать инвариантный потенциал.
На Фиг.1C представлен тестовый датчик 100, где вместо одиночного противоэлектрода 130 обеспечиваются четыре независимых противоэлектрода 131-134 в центральной основной области 110. Несмотря на то, что изображено с противоэлектродами в основной области и рабочими электродами во вторичных зонах анализа, расположение любого рабочего электрода и любого противоэлектрода может быть изменено на обратное (не показано). Могут использоваться другие конфигурации электродов.
На Фиг.1D представлен тестовый датчик, показанный на Фиг.1C, с дополнением электрода 170 сравнения к каждой вторичной зоне анализа, чтобы обеспечивать инвариантный потенциал. Один или большее количество электродов 170 сравнения могут действовать с одним или несколькими потенциалами, чтобы обеспечивать инвариантный потенциал для каждого анализа. Поскольку рабочий потенциал противоэлектродов может изменяться, один или несколько электродов сравнения могут использоваться для ориентации на потенциал противоэлектродов в дополнение к ориентации на потенциал рабочих электродов как обычно происходит в традиционных системах.
Хотя на фигуре не показано, для тестовых датчиков, реализованных в применениях для непрерывного мониторинга, таких как для электродов, имплантированных в живой организм, или иным образом находящихся в постоянном контакте с биологической жидкостью, использование множества электродов сравнения может обеспечивать повышенную точность и/или воспроизводимость результатов определяемых концентраций аналита. Повышение может происходить из-за уменьшения проблем, связанных с изменяющимся потенциалом рабочих электродов, имплантированных в живой организм, или иным образом находящихся в постоянном контакте с биологической жидкостью.
На Фиг.1A и Фиг.1B проводники 160 выходят из каждого электрода в направлении тыльной стороны тестового датчика 100, где каждый из проводников 160 может быть соединен с измерительным устройством, допуская, чтобы каждый рабочий электрод 141-144 адресовался независимо. Таким образом, когда проводник 160 соединен с одиночным электродом, электрод является адресуемым независимо. Проводники 160 могут оставаться независимо адресуемыми, или любые два или большее число могут быть электрически соединенными (не показано). Таким образом, когда свыше одного электрода электрически соединены с одним и тем же проводником, электроды не являются адресуемыми независимо, поскольку они электрически адресуются вместе. Например, посредством электрического соединения двух из рабочих электродов 141-144, таких как 141 и 144, результирующий тестовый датчик 100 получит три независимо адресуемых рабочих электрода и один противоэлектрод 130.
В конфигурации с одиночным противоэлектродом 130 и четырьмя независимо адресуемыми рабочими электродами 141-144, тестовый датчик 100, показанный на Фиг.1A и Фиг.1B, может потенциально выполнять различный анализ на каждом из рабочих электродов 141-144. Одиночный противоэлектрод 130 может обеспечивать одиночный потенциал для системы с помощью системы переноса заряда, которая действует с единственным потенциалом. В зависимости от измерительного устройства, одиночный противоэлектрод 130 может обеспечивать свыше одного потенциала для системы.
Если типы электрода были изменены на обратные для тестового датчика 100, показанного на Фиг.1A и Фиг.1B, чтобы были четыре независимо адресуемых противоэлектрода и одиночный рабочий электрод, электрохимия на рабочем электроде потенциально может измеряться при четырех различных потенциалах. Независимая адресуемость противоэлектродов дает возможность, чтобы каждый противоэлектрод формировался с другой системой переноса заряда, таким образом изменяя потенциал, подаваемый на рабочий электрод во время анализа. Если рабочий электрод включает в состав реагенты, которые взаимодействуют с одним или несколькими аналитами при четырех различных потенциалах, каждое взаимодействие аналита может измеряться независимо согласно электрической адресации надлежащего противоэлектрода. Предпочтительно, каждый независимо адресуемый противоэлектрод действует с одном потенциалом или диапазоном потенциалов.
На Фиг.1C и 1D, проводники 160 выходят из каждого электрода в направлении тыльной стороны тестового датчика 100, где каждый из проводников 160 может быть соединен с измерительным устройством. Такая компоновка дает возможность независимо адресовать каждый рабочий электрод 141-144 и каждый противоэлектрод 131-134. Проводники 160 могут оставаться электрически изолированными, или любые два или большее число могут быть электрически соединены (не показано). Например, электрическим соединением двух из противоэлектродов, например, 132 и 133, результирующий тестовый датчик будет иметь четыре независимо адресуемых рабочих электрода и три независимо адресуемых противоэлектрода. Любая комбинация электродов может быть электрически соединена.
Независимо адресуемые рабочие электроды потенциально дают возможность, чтобы в каждом рабочем электроде 141-144 измерялась другая химическая реакция. Наличие независимо адресуемых противоэлектродов 131-134 отличающихся рабочих потенциалов дает возможность, чтобы рабочий электрод использовался по отношению более чем к одному потенциалу противоэлектрода. Таким образом, две химические технологии переноса заряда, представленные на одном и том же рабочем электроде, могут измеряться независимо посредством двух независимо адресуемых противоэлектродов, где первый противоэлектрод действует с потенциалом первого химического процесса переноса заряда, и второй противоэлектрод действует с потенциалом второго химического процесса переноса заряда.
Тестовый датчик 100, показанный на Фиг.1C, обеспечивает независимую адресуемость для четырех рабочих электродов 141-144 и четырех противоэлектродов 131-134. Поскольку каждый из противоэлектродов 131-134 может обеспечивать отличающийся потенциал, то потенциально могут быть выполнены шестнадцать различных анализов. Таким образом, электрохимия одиночного рабочего электрода может измеряться с четырьмя различными потенциалами, и потенциал одиночного противоэлектрода может применяться по отношению к четырем различным химическим процессам рабочего электрода. Тестовый датчик, показанный на Фиг.1D, имеющий четыре независимо адресуемых электрода 170 сравнения, может обеспечивать для системы до четырех различных инвариантных потенциалов. Измерительное устройство может использовать один или большее количество инвариантных потенциалов для регулирования или определения рабочего потенциала на рабочих электродах 141-144 и на противоэлектродах 131-134.
2
Для тестового датчика 100 по фигурам Фиг.1A-Фиг.1D, вторичные зоны 150 анализа могут иметь площади приблизительно в 0,5 мм и высоты приблизительно в 0,125 мм, чтобы обеспечить внутренний объем приблизительно 62 нл каждая. Предпочтительные вторичные зоны анализа имеют внутренние объемы в 100 нл и менее, при являющихся более предпочтительными внутренних объемах в 70 нл и менее. Могут использоваться большие и меньшие вторичные зоны анализа.
На Фиг.2A представлена компоновка тестового датчика 200, где введение пробы происходит из отверстия 215 для пробы на передней грани 214 тестового датчика 200 в основную область 210, и затем протекает асимметрично, чтобы заполнить первую вторичную зону 251 анализа и вторую вторичную зону 252 анализа. Поток пробы является асимметричным, поскольку вторая вторичная зона 252 анализа длиннее первой вторичной зоны 251 анализа. Вторичные зоны 251, 252 анализа могут включать в себя выпускное отверстие 220, чтобы давать возможность пробе выпускать воздух из зоны во время заполнения.
При входе, проба пересекает первую пару электродов, образуемую рабочим электродом 241 и противоэлектродом 231. Продолжая пересекать первую пару электродов, проба протекает ко второй и третьей парам электродов, образуемым рабочим электродом 242 и противоэлектродом 232 (вторая пара) и рабочим электродом 243 и противоэлектродом 233 (третья пара). Проба, протекающая через первую и третью пары электродов, затем продолжает протекать, пока не пересечет четвертую пару электродов, образуемую рабочим электродом 244 и противоэлектродом 234. Таким образом, четвертая пара электродов пересекается пробой после первой и третьей пар электродов. При пересечении пробой, композиция 280 реагента обеспечивает электрическую проводимость между парами из рабочего и противо- электродов. Независимая адресуемость пар электродов дает возможность мониторинга заполнения вторичных зон 251, 252 анализа. Могут использоваться другие конфигурации электродов, например расположение любого рабочего электрода и любого противоэлектрода может быть изменена на обратную (не показано).
Путем мониторинга заполнения вторичных зон 251, 252 анализа, тестовый датчик 200 обеспечивает систему выявления неполноты заполнения, чтобы не допускать или не рассматривать анализы, связанные с размерами проб, которые имеют недостаточный объем. Поскольку значения концентрации, полученные от неполно заполненного тестового датчика, могут быть неточными, способность не допускать или не рассматривать эти неточные анализы может повышать точность полученных значений концентрации. Обычные системы выявления неполноты заполнения имеют один или несколько индикаторов, таких как электрод или проводник, которые выявляют частичное и/или полное заполнение емкости для пробы внутри тестового датчика. При наличии способности мониторинга заполнения между множеством вторичных зон анализа, являются возможными более точные определения состояния заполненности тестового датчика 200. Может использоваться электрический сигнал, чтобы указывать, присутствует ли проба, и заполняет ли проба частично или полностью конкретную зону анализа.
На Фиг.2B представлен тестовый датчик 200, имеющий компоновку электродов, показанную на Фиг.2A, но с другой компоновкой вторичных зон анализа. Основная область 210, включающая в себя первую пару электродов, снабжена тремя симметрично заполняемыми вторичными зонами 253, 254, 255 анализа. При входе, проба пересекает первую пару электродов и затем движется независимо, чтобы пересечь вторую, третью, и четвертую пары электродов. В целом, поток жидкости остается асимметричным из-за первой пары электрода, занимающей основную область, таким образом заполняющуюся прежде вторичных зон анализа. Каждая из вторичных зон анализа 253, 254, 255 может иметь выпускное отверстие 220, чтобы давать возможность пробе выпускать воздух во время заполнения тестового датчика 200.
Композиция 280 с одним реагентом может проходить между каждой из четырех пар из рабочего и противоэлектродов, как показано. Проводник 260 выходит из каждого электрода в направлении тыльной стороны тестового датчика 200, где он может быть соединен с измерительным устройством, давая возможность каждому электроду быть независимо адресуемым. Хотя каждый электрод является независимо адресуемым, каждая пара электродов совместно использует ту же химическую среду вследствие того же самого слоя реагента, контактирующего с обоими рабочим и противо- электродами каждой пары. Электроды могут оставаться электрически изолированными, или любые два или большее число могут электрически соединяться (не показано). Могут добавляться один или несколько электродов сравнения, чтобы обеспечивать инвариантный потенциал (не показано).
Хотя противоэлектроды изображены сгруппированными в центре и рабочие электроды - по периметру, расположение любого рабочего и противо- электрода может быть изменено на обратное. Четыре независимых рабочих электрода обеспечивают четыре различных композиции реагента, чтобы потенциально выполнять четыре различных анализа. Тогда как каждый из четырех независимых противоэлектродов может использоваться с различным потенциалом, чтобы обеспечивать 16 возможных анализов, 90-градусное разделение между каждой парой электродов может сделать это нерентабельным.
На Фиг.3A представлена конструкция прямоканального тестового датчика, где проба вытекает из основной области 310 через первую потенциальную позицию 320 электрода, чтобы дойти до второй потенциальной позиции 330 электрода. На Фиг.3B-3G представлены дополнительные конструкции тестового датчика для вторичных зон анализа, где проба протекает не более чем через одну потенциальную позицию электрода. На Фиг.3B представлена конструкция с T-образным каналом, используемая в некоторых обычных датчиках. На Фиг.3C представлена конструкция с множеством T-образных каналов, где присутствуют дополнительные потенциальные позиции 340 и 350 электродов. Могут быть добавлены дополнительные части "T", если требуются дополнительные потенциальные позиции электродов.
На Фиг.3H изображен тестовый датчик 300 с множеством T-образных каналов с наличием как независимо адресуемого рабочего электрода 331, так и независимо адресуемого противоэлектрода 332 в каждой из четырех вторичных зон 333 анализа. Таким образом, каждая пара рабочего и противо- электродов совместно использует ту же химическую среду, но каждая пара электродов по существу химически изолирована от каждой другой пары. Комбинированная система 336 переноса зарядов композиции реагента нанесена на каждой паре электродов. Каждый из рабочих электродов 331 и каждый из противоэлектродов 332 образован проводником 334, который заканчивается контактом 335. Контакт 335a и контакт 335b соответствуют рабочему и противо- электродам, соответственно, вторичной зоны 333a анализа. Ширина каждой из вторичных зон 333 анализа составляет 1,2 мм, тогда как ширина основной области 310 составляет 1,5 мм. Расстояние по прямой между парами электродов в противолежащих вторичных зонах анализа составляет 3,46 мм. Задается, чтобы рабочий электрод каждой пары шириной 0,50 мм отстоял от противоэлектрода на приблизительно от 0,05 мм до приблизительно 0,25 мм. Окружности, которые вычерчены на каждом из рабочих электродов 331, являются проекцией области покрытия композиции реагента. Могут использоваться другие значения ширины вторичных зон анализа, ширины электрода и разделения, и области покрытия композиции реагента.
На Фиг.3I изображен тестовый датчик 300 с множеством T-образных каналов с наличием независимо адресуемого рабочего электрода 331 в каждой из четырех по существу химически изолированных вторичных зон анализа и независимо адресуемого противоэлектрода 332 в каждой из четырех противолежащих вторичных зон 333 анализа. Таким образом, каждый электрод по существу химически изолирован от каждого другого электрода. Каждый электрод образован проводником 334, который заканчивается контактом 335.
На Фиг.3D представлен отход от конструкций с T-образным каналом, поскольку вторичные зоны анализа расположены в шахматном порядке так, что прямую линию 370, проходящую через вторичные зоны анализа и основную область, нельзя провести между какими-либо двумя потенциальными позициями электродов. Потенциальное преимущество такой шахматно-образной конструкции состоит в устойчивости к смешению между противолежащими вторичными зонам анализа, если тестовый датчик механически нарушается будучи заполненным пробой. «Механически нарушен» означает приложение достаточного усилия к тестовому датчику, чтобы вызвать перемещение жидкостной пробы.
В дополнение к неудовлетворительному прохождению испытания с использованием прямой линии, конструкции с Y-образным каналом, показанные на Фиг.3E-3G, не позволят перепутать потенциальные позиции электродов, которые ближе друг к другу, чем в конструкциях, показанных на Фиг.3B и 3C, поскольку разделение вторичных зон анализа не основано исключительно на расстоянии между потенциальными позициями электродов для существенной химической изоляции. Химическое разделение в Y-образном канале также может извлекать пользу из того, что проба для смешения должна обтекать вокруг "v"-части в "Y". Поскольку электроды могут располагаться на более близком расстоянии друг от друга, но все еще препятствовать смешению пробы, полный объем емкости для пробы в конструкции с Y-образным каналом может быть меньше по сравнению с конструкцией с T-образным каналом, имеющей сходное химическое разделение.
Предпочтительные конструкции емкости для пробы имеют вторичные зоны анализа, ответвляющиеся от основной области 310 под углом 390, составляющим менее 90°, как представлено на Фиг.3F. Таким образом, текучая среда может входить в тестовый датчик и доходить до потенциальных позиций электрода без выполнения поворота на 90°. Это может давать возможность быстрого введения пробы в тестовый датчик при уменьшении возможности смешивания реагента из-за конвекции пробы вследствие вибрации. В более предпочтительных конструктивных решениях, как изображено на фигурах Фиг.3B и Фиг.3C, отсутствует прямая линия 370 между электродами, проходящая через вторичные зоны анализа и основную область, и имеются вторичные зоны анализа, ответвляющиеся от основной области под углом менее 90°. Другие конструктивные решения, например, таковые с наличием одного или нескольких изгибов в основной области и/или вторичных зонах анализа и таковые, где вторичные зоны анализа, ответвляющиеся от основной области под углом более 90°, также могут использоваться; однако, повышение требований к размерам пробы и более медленные скорости заполнения пробой могут быть ограничивающими факторами.
На Фиг.3J изображен тестовый датчик 300 с Y-образным каналом с наличием как независимо адресуемого рабочего электрода 331, так и независимо адресуемого противоэлектрода 332 в каждой из двух вторичных зон 333 анализа. Таким образом, каждая пара из рабочего и противо- электродов совместно использует одинаковую химическую среду, но каждая пара является по существу химически изолированной от противолежащей пары. Тогда как рабочий электрод 331 пересекает вторичную зону 333 анализа, противоэлектрод 332 образован гранью по периметру вторичной зоны 333 анализа, которая в свою очередь образована проводником 334. Вторичная зона 333 анализа ответвляется от основной области 310 под углом приблизительно 45°. Каждый из проводников 334 оканчивается контактной площадкой 335. Могут использоваться другие конструкции электродов, например, такие в которых одиночный электрод выполнен в одной или нескольких вторичных зонах анализа. Также могут использоваться другие углы ответвления для вторичных зон анализа.
Подложка тестового датчика 300 имеет ширину 11,8 мм и длину 30 мм. Ширина основной области 310 составляет 1,2 мм. Расстояние между проекциями внешних ребер из двух слоев нанесения композиции реагента составляет 0,8 мм. Контактные площадки 335 имеют каждая ширину 2,9 мм, и диаметр нанесения композиции реагента в каждой из двух вторичных зон 333 анализа составляет 1,8 мм. Могут использоваться другие размеры подложек, значения ширины основной области и контактной площадки, и диаметры нанесения композиции реагента.
В дополнение к количеству и типу электродов и степени независимой электрической адресуемости электродов, степень химической изоляции, обеспечиваемая вторичными зонами анализа емкости для пробы, влияет на количество анализов, которые могут выполняться тестовым датчиком. По существу «химически изолированная» означает, что диффузионное или конвективное смешение реагентов по существу не происходит между вторичными зонами анализа во время выполнения одного или нескольких анализов.
Если пара рабочего и противо- электродов является по существу химически изолированной от других пар рабочего и противо- электродов, но не между собой, пара может выполнять анализы, совместимые с химическими процессами, присутствующими в паре. Такая конфигурация может давать возможность быстрого диффузионного смешения присутствующих реагентов на рабочем и противо- электродах пары. Напротив, если рабочий и противо электроды являются по существу химически изолированными от других рабочих и противоэлектродов и друг от друга, каждый электрод потенциально может участвовать в анализе вместе с любым другим электродом, если адресуем независимо. Таким образом, если по существу химически изолированы, то могут использоваться различные композиции реагента, чтобы обеспечить электрод с химической средой анализа, отличающейся от других электродов. В комбинации, существенная химическая изоляция между зонами анализа позволяет использование различных реагентов на каждом рабочем и/или противоэлектроде, тогда как независимая электрическая адресуемость позволяет, чтобы каждый рабочий электрод измерялся независимо.
Вторичные зоны анализа могут быть по существу химически изолированными в зависимости от площади поперечного сечения входов во вторичные зоны, расстояний между любыми двумя электродами внутри вторичных зон анализа, физического расположения вторичных зон анализа относительно друг друга и относительно основной области, и т.п. В дополнение к этим вопросам, существенная химическая изоляция первоначально может быть утеряна вследствие смешения реагента во время протекания пробы через противоэлектрод/ы (Фиг.1A-1D) или через пары электродов на входе и боковых сторонах тестового датчика (Фиг.2A и Фиг.2B). Таким образом, композиция реагента может транспортироваться пробой на множество пар электродов. Напротив, такое смешение потока может быть по существу устранено, если проба не протекает более чем через один электрод (Фиг.3B-3J).
На Фиг.4A показана циклическая вольтамперограмма для конструкции с прямым каналом, как представлено на Фиг.3A. Первая пара электродов, ближайшая к отверстию для пробы, использовала композицию реагента, включающую ферроцианид калия молярной концентрации 0,5 моля, тогда как вторая пара электродов, ближайшая к концу канала, использовала композицию реагента, включающую электро-активную органическую молекулу, ниже представленную Структурой I. В течение приблизительно семи секунд или менее, наблюдались два пика, причем левый пик представляет окисление для восстановленного состояния молекулы Структуры I, и правый пик представляет окисление ферроцианида, который первоначально был нанесен на первую пару электродов. В течение приблизительно 20 полных циклов, пик молекулы Структуры I исчезал, в предположении, что феррицианид окисляет молекулу Структуры I.
Во время анализа предполагается, что ферроцианид из первой пары электрода был окислен на втором электроде, чтобы образовать феррицианид на второй паре электродов. Образованный феррицианид затем химически окислял восстановленное вещество молекулы Структуры I на второй паре электродов. Эти результаты установили, что химическое загрязнение между парами электродов происходит быстро в конструкции с прямым каналом. Эксперимент демонстрирует, что более сильный окисляющий агент, такой как феррицианид в этом случае, возьмет на себя посредничество от других медиаторов, таких как молекула Структуры I, если электроды по существу химически не являются изолированными. Это загрязнение полагают относящимся к комбинации пробы, пересекающей противоэлектрод прежде, чем дойти до рабочего электрода, диффузии и конвекции внутри прямоканальной емкости.
В противоположность, на Фиг.4B показаны циклические вольтамперограммы для конструкции с Y-образным каналом, как представлено на Фиг.3E. Электрод помещался около окончания каждой вторичной зоны анализа. Только окисление молекулы Структуры I наблюдается после 20 полных циклов (свыше 20 минут), устанавливая, что существенная химическая изоляция достигалась в течение, по меньшей мере, 10 минут в конструкции вторичной зоны анализа с Y-образным каналом. Эти эксперименты выполнялись с использованием рабочей станции CH Instruments Electrochemical Workstation, модели CHI 660A, исполняющей программное обеспечение версии 2.05, при температуре приблизительно 22°C и относительной влажности приблизительно 45%. Пробой являлся фосфатный буфер с водородным показателем (pH) 7,0, содержащий фосфат натрия концентрации 0,1 моля и приблизительно 16% (в весовом соотношении) полимера PVP со среднемассовой молекулярной массой приблизительно 2000.
Сходный эффект наблюдался для хемоамперометрического испытания, где ток измерялся в виде функции времени. На Фиг.5A график тока в зависимости от времени устанавливает, что для прямоканального датчика, соответствующего типу, используемому на Фиг.4A, второй пик наблюдался при рабочем потенциале 400 мВ на рабочем электроде в течение приблизительно 5 секунд после введения пробы. Введение пробы сгенерировало первый пик на графике. Второй пик на Фиг.4A соотносится со второй вольтамперометрической волной ферроцианида. На Фиг.5B показано, что после 30 секунд по существу нет ферроцианида, дошедшего до рабочего электрода, устанавливая, что была достигнута существенная химическая изоляция с помощью тестового датчика с Y-образным каналом вторичный зоны анализа. В этих экспериментах, начальный острый пик представлял, что проба сначала устанавливает электрическую связь между электродами. Амперометрическое испытание выполнялось с использованием рабочей станции CH Instruments Electrochemical Workstation при приблизительно 22°C и относительной влажности приблизительно 45%. Пробой являлся фосфатный буфер pH 7,0, содержащий фосфат натрия концентрации 0,1 моля и 16% (в весовом соотношении) полимера PVP со среднемассовой молекулярной массой приблизительно 2000.
На Фиг.5C показан график тока при амперометрии, устанавливающий, что конструкция с Y-образным каналом обеспечивает более совершенную химическую изоляцию между потенциальными позициями электрода, чем конструкция с T-образным каналом. Как показано линией 501 для Y-образного канала, существенная химическая изоляция наблюдалась до 1000 секунд между потенциальными положениями электродов, как представлено позициями 320 и 330 на Фиг.3E. В противоположность, как показано пиками 502, 503 для T-образного канала, нарушение химической изоляции и окисление молекулы Структуры I наблюдалось через приблизительно 84 или через приблизительно 650 секунд для двух тестовых датчиков с T-образным каналом, таких как представлены на Фиг.3B. Большая изменчивость временных переменных между 84 и 650 секундами может быть отнесена к восприимчивости конструкции с T-образным каналом к смешению конвекцией от механического нарушения во время анализа. По Фиг.5D устанавливается, что три конструкции с Y-образным каналом были стойкими к такому смешению от механического нарушения. Медленный подъем тока, наблюдаемый после приблизительно 800 секунд, может указывать медленное диффузное смешение.
На Фиг.6A представлен тестовый датчик 600 с наличием размещенных в шахматном порядке вторичных зон 651, 652 анализа, где проба входит в отверстие 615 для пробы в основную область 610, имеющую форму канала, от которого ответвляются две вторичные зоны 651, 652 анализа. Проводник 690 может проходить в основную область 610, чтобы обеспечить способность выявления неполноты заполнения для тестового датчика 600. Подобным образом на Фиг.6B представлена компоновка тестового датчика, где проба входит в отверстие 615 для пробы в основную область 610, имеющую форму канала, от которой ответвляются три вторичные зоны 651-653. Каждая из вторичных зон 651-653 включает в себя независимо адресуемый электрод или проводник.
На Фиг.6A показано заполнение пробой первой вторичной зоны 651 справа, затем второй вторичной зоны 652 слева. На Фиг.6B, проба заполняет третью вторичную зону 653 слева, затем первую вторичную зону 651 справа, и затем вторую вторичную зону 652 слева.
Общий объем пробы, поддерживаемый тестовым датчиком 600, имеющим, по меньшей мере, две или три вторичные зоны анализа, может составлять 210 нл или менее. Каждая из вторичных зон анализа и конец основной области 610, противолежащий отверстию 615 для пробы, может включать в себя выпускное отверстие 620, чтобы давать возможность пробе выпускать воздух во время заполнения. Путем разделения емкости для пробы, образуемой основной областью 610 и вторичными зонами 651-653 анализа, на одну или несколько основных областей, которые заполняют множество вторичных зон, тестовый датчик 600 может заполняться быстрее, чем имеющая тот же или сходный объем по существу неразделенная емкость для пробы, например, прямоканальная конструкция, представленная на Фиг.3A, вследствие эффекта капиллярного действия, управляемого поверхностным натяжением. Таким образом, подразделяя емкость для пробы на меньшие вторичные зоны анализа, где каждая может содержать, электрод, пару электродов, один или нескольких проводников, или комбинацию таковых, можно увеличить скорость заполнения для тестового датчика 600. Существенную химическую изоляцию между вторичными зонами во время заполнения и во время анализа можно обеспечивать путем заполнения таким образом вторичных зон из основной области.
Поскольку проба первоначально перетекает к ближайшему отверстию 620, вторичные зоны 651-653 заполняются из основной области 610 по существу последовательным образом. Вследствие последовательного заполнения вторичных зон 651-653, измерительное устройство может осуществлять мониторинг скорости и потока пробы по мере того, как заполняются вторичные зоны анализа 651-653. Можно также осуществлять мониторинг потока пробы при оснащении тестового датчика 600 электродом или проводником около отверстия 615 для пробы и/или около выпускного отверстия 620 в основной области 610. Таким образом, может осуществляться мониторинг одного или нескольких проводников и/или электродов посредством измерительного устройства, чтобы определять состояние заполнения тестового датчика 600. Также может осуществляться мониторинг заполнения для конструкций с непоследовательным заполнением таким образом; однако, система может или не может являться способной независимо осуществлять мониторинг заполнения каждой вторичной зоны анализа.
Хотя на фигуре не показано, основная область 610 может быть снабжена множеством отверстий 615 для пробы, чтобы допустить введение пробы из более чем одной позиции, например, по периметру и позиции сверху. Подобным образом тестовый датчик 600 может быть оснащен двумя или несколькими отдельными емкостями для пробы, имеющими каждая основную область и две или несколько вторичных зон, чтобы обеспечить возможность анализа множества проб. Путем изменения структуры отверстия для емкости, различные пробы могут вводиться через множество отверстий для пробы в ту же емкость, но оставаться по существу химически изолированными в течение анализа. Могут использоваться другие соотношения между основной областью или областями и вторичными зонами.
Основная область 610 и/или одна или несколько вторичных зон 651-653 могут включать изменяющие поток материалы, которые изменяют течение пробы, если она распространяется через емкость для пробы. Например, могут использоваться гидрофильные и/или гидрофобные обработки, покрытия или материалы, чтобы предпочтительно направлять движение потока и/или скорость заполнения водяных проб. В другом аспекте, основная область 610 и/или вторичные зоны 651-653 могут включать структурные элементы, такие как стенки, углубления, или каналы, которые предпочтительно направляют движение потока и/или скорость заполнения пробы. В другом аспекте, материалы, которые химически или физически изменяют состав пробы, могут быть помещены в основную область 610 и/или вторичные зоны 651-653. Например, материал, который отфильтровывает эритроциты из пробы, может быть помещен в часть основной области, чтобы удалить эритроциты прежде, чем проба дойдет до вторичной зоны.
На Фиг.7A и Фиг.7B представлены тестовые датчики 700, имеющие конструкции вторичных зон анализа с расположением в шахматном порядке, как описано выше. Конструкция, показанная на Фиг.7A включает в состав восемь вторичных зон анализа приблизительно с углами 90° по отношению к основной области 710, тогда как на Фиг.7B показана сходная конструкция с Y-образным каналом. Тестовый датчик 700 включает всего девять вторичных зон анализа, включая зону в конце основной области 710, каждую из которых занимает электрод или проводник. На фигуре изображены четыре независимо адресуемых противоэлектрода 731-734 и четыре рабочих электрода 741-744, присутствующие каждый в одной из восьми вторичных зон. Хотя противоэлектроды 731-734 постоянно находятся на одной стороне основной области 710, а рабочие электроды 741-744 постоянно находятся на другой стороне, схема расположения может быть смешанной. Например, первые две вторичные зоны анализа, заполненные пробой, могут быть рабочими электродами, тогда как вторые две вторичные зоны анализа, заполненные пробой, могут быть противоэлектродами.
Дополнительный необязательный электрод, такой как электрод 770 сравнения, присутствует на конце основной области 710, противолежащей отверстию 715 для пробы. Электрод 770 сравнения также мог быть помещен в самую дальнюю вторичную зону относительно того места, где вводят пробу, или около отверстия 715 для пробы, например. Таким образом, один или несколько электродов сравнения могут быть установлены в основную область 710 и/или вторичные зоны, чтобы обеспечивать инвариантный потенциал для системы. Находясь по существу в химически изолированной среде от вторичных зон, дополнительные электроды могут обеспечивать информацию о заполнении или информацию о пробе.
Проводник 790, электрически соединенный с противоэлектродом 731, проходит в основную область 710 около отверстия 715 для пробы. Хотя проводник 790 не является независимо адресуемым, он может поставлять информацию о заполнении на измерительное устройство. Являются возможными и другие конфигурации электродов и/или проводников. Каждая вторичная зона и конец основной области 710 могут включать отверстие (не показано).
Измерительное устройство может независимо обращаться к восьми электродам 731-734 и 741-744. Поскольку вторичные зоны являются по существу химически изолированными, каждая может включать композицию реагента, обеспечивающую различный химический процесс для взаимодействия с непосредственными составляющими пробы. Поскольку композиция реагента может быть различной для каждого из рабочих электродов 741-744, система переноса заряда может быть различной для каждого из противоэлектродов 731-734, и каждый электрод может быть независимо адресован, то могут быть возможными четыре различных анализа, если композиция одного реагента присутствует на каждом из рабочих электродов 741-744. Таким образом, каждая композиция реагента рабочего электрода может использоваться с выделенным противоэлектродом. Подобным образом, если каждый из рабочих электродов 741-744 был обеспечен двумя композициями реагента, имеющими различные окислительно-восстановительные потенциалы, могут быть возможны в общей сумме восемь различных анализов. Наконец, обеспечивая каждый рабочий электрод четырьмя композициями реагента, имеющими различные окислительно-восстановительные потенциалы, можно обеспечивать до шестнадцати различных анализов, поскольку к каждому рабочему электроду можно независимо обращаться с помощью каждого из четырех противоэлектродов. Практические соображения, такие как нежелательные взаимодействия между более чем одной композицией реагента на рабочем электроде, могут ограничивать фактическое число анализов, которое может выполняться системой. Могут использоваться другие конструкции емкостей для пробы и конфигурации электрода.
На Фиг.8A представлена разновидность тестового датчика по Фиг.7A, где множество рабочих электродов 841-844 электрически соединены. Противоэлектроды остаются независимо адресуемыми. Таким образом, каждый противоэлектрод может обеспечивать различный потенциал на электрически соединенные рабочие электроды. Электрическое соединение одного или нескольких рабочих электродов обеспечивает работу рабочего электрода, имеющего окислительно-восстановительный потенциал, ближайший к потенциалу выбранного противоэлектрода. В этом режиме работы, каждый рабочий электрод может иметь различную систему медиатора, причем каждая система медиатора имеет различный окислительно-восстановительный потенциал. Путем ступенчатого изменения рабочего потенциала системы от низкого до высокого с использованием различных потенциалов противоэлектродов, можно последовательно обращаться к различным системам медиаторов рабочих электродов. Могут использоваться и другие конструкции емкостей для проб и конфигурации электродов.
На Фиг.8B изображена разновидность Фиг.7A, где множество противоэлектродов 831-834 электрически соединены. Рабочие электроды остаются независимо адресуемыми. Путем электрического соединения одного или нескольких противоэлектродов, противоэлектрод, имеющий систему переноса заряда с самым высоким потенциалом, может обеспечивать потенциал на систему. Таким образом, может измеряться чувствительная к аналиту электрохимия на каждом рабочем электроде. Могут использоваться и другие конструкции емкостей для проб и конфигурации электродов.
В отношении описанных выше тестовых датчиков, рабочий и противо- электроды, присутствующие во вторичных зонах анализа могут отделяться друг от друга на 1000 микрометров или более. Также могут использоваться расстояния между электродами менее 1000 микрометров. Схема расположения электродов не ограничивается показанными на фигурах, являясь вместо этого любой схемой расположения, совместимой с основной областью и вторичными зонами анализа для тестового датчика. Предпочтительно, электроды образуются прямоугольным нанесением композиции реагента и/или системой переноса заряда. Нанесение может выполняться посредством трафаретной печати, струйной печати, микро-пипетированием, нанесением контактов, или другими способами.
Слои реагента образуются при нанесении композиции реагента на проводник. Например, слой реагента, образующий рабочий электрод, может включать в себя фермент, медиатор, и связующее вещество, тогда как слой реагента, образующий противоэлектрод, может включать в себя медиатор и связующее вещество. Аналиты подвергаются электрохимической реакции на рабочем электроде, тогда как на противоэлектроде происходит противоположная электрохимическая реакция, чтобы допускать электрический ток между электродами. Например, если аналит подвергается окислению на рабочем электроде, на противоэлектроде происходит восстановление.
-
В дополнение к рабочему и противо- электродам, тестовые датчики могут включать в состав электроды сравнения, которые обеспечивают инвариантный опорный потенциал для системы. Несмотря на то, что известны многие материалы для электродов сравнения, смесь из серебра (Ag), и хлористого серебра (AgCl) является типичной из-за нерастворимости металла и его соответствующих солей в водной среде пробы. Поскольку соотношение металла Ag к Cl в пробе значительно не изменяется, потенциал электрода значительно не изменяется. Если электрод сравнения увеличен по размеру и/или модифицирован проводящим металлом, то он может также использоваться в качестве противоэлектрода, поскольку он будет пропускать ток. Однако, противоэлектрод не может использоваться в качестве электрода сравнения, поскольку он не способен изолировать от раствора пробы половину ячейки, которая обеспечивает опорный потенциал.
Проводники, которые образуют электроды, могут находиться на одной или нескольких подложках, в зависимости от схемы расположения электродов. Подложка может быть выполнена из любого материала, который является совместимым со строением и действием биодатчика. Предпочтительные материалы для подложки включают полиэтилентерефталат (PET), поликарбонат (PC), полиимид (PI), полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полистирол (PS), поливинилхлорид (PVC), полиоксиметилен (POM), мономерный литой нейлон (MC), полибутилентерефталат (PBT), полиметакриловую смолу (PMMA), сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS) и стекло. Более предпочтительные материалы для формирования одной или нескольких подложек включают полиэтилентерефталат (PET), поликарбонат (PC) и полиимид (Pl), причем в настоящее время предпочитаемым является полиэтилентерефталат (PET). Для формирования тестового датчика могут быть объединены две подложки в форме основы и крышки, чтобы формировать емкость для пробы, имеющую, по меньшей мере, одно отверстие для пробы и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие. Между подложками могут находиться проводники, прокладки, и другие компоненты.
Материал или материалы, используемые для формирования проводников на одной или нескольких подложках, могут включать в себя любой электрический проводник. Предпочтительные электрические проводники являются неионизирующими, так что материал не подвергается результирующему окислению или результирующему восстановлению во время анализа пробы. Проводники могут быть изготовлены из материалов, таких как монолитные металлы, металлические пасты, проводящий уголь, проводящие угольные пасты, проводящие полимеры, и т.п.. Проводники предпочтительно включают в себя тонкий слой металлической пасты или металла, такого как золото, серебро, платина, палладий, медь, или вольфрам. Поверхностный проводник может быть нанесен на весь или часть проводника. Материал поверхностного проводника предпочтительно включает сажу, золото, платину, палладий, или комбинации таковых. Если поверхностный проводник не присутствует на проводнике, проводник предпочтительно изготавливается из неонизирующего материала.
Материал проводника и необязательного поверхностного проводника может наноситься на подложку любым способом, совместимым с функцией тестового датчика, включая нанесение фольги, химическое осаждение из паровой фазы, нанесение суспензии, металлизацию, и т.п. В другом аспекте, проводники могут формироваться обработкой проводящего слоя в фотошаблон с использованием лазерной технологии и/или масок.
Композиция или композиции реагента, используемые для формирования электродов, могут наноситься в твердой, полутвердой, жидкой, гелевой, гелеобразной, коллоидной или другой форме и могут включать в себя реагенты и необязательно связующее вещество. Композиции реагента могут иметь вязкости, изменяющиеся от приблизительно 1 сП (сантипуаз) до приблизительно 100 сП. Более предпочтительные композиции реагента имеют вязкости, изменяющиеся от приблизительно 1 сП до приблизительно 20 сП или от приблизительно 4 сП до приблизительно 10 сП. Могут использоваться композиции реагента с другими вязкостями. Вязкости были определены с помощью вискозиметра Brookfield Model DV3, оснащенного блоком ULA для измерения композиций реагента, имеющих вязкости ниже 300 сП. Измерения вязкости выполнялись при комнатной температуре при температуре инструмента, установленной на 25°C. Измерения выполнялись при скорости сдвига 50, 100, 200 и 300 циклов в секунду, чтобы обеспечить индикацию того, является ли сдвигаемый состав тонким или толстым. Раствор фосфатного буфера концентрации 100 ммоль использовался в качестве контрольного, при этом обычно показания вязкости составляли в диапазоне приблизительно от 1 до приблизительно 1,3 сП при различных скоростях сдвига.
Связующее вещество, являющееся предпочтительно полимерным материалом, является, по меньшей мере, частично растворимым в воде. Связующее вещество может образовывать гель или сходный с гелем материал при гидратировании. Подходящие, частично растворимые в воде полимерные материалы для использования в качестве связующего вещества, могут включать поли(этиленоксид) (PEO), карбоксиметилцеллюлозу (CMC), поливиниловый спирт (PVA), гидроксиэтиленцеллюлозу (HEC), гидроксипропилцеллюлозу (HPC), метилцеллюлозу, этилцеллюлозу, этилгидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилэтилцеллюлозу, поливинилпирролидон (PVP), полиаминокислоты, такие как полилизин, сульфонат полистирола, желатин и их производные, полиакриловую кислоту и производные и соли таковой, полиметакриловую кислоту и производные и соли таковой, крахмал и его производные, малеиновые ангидриды и соли таковых, гели на основе агарозы и их производные. Связующее вещество может включать в себя одно или несколько из таких материалов в комбинации. Среди вышеупомянутых связующих материалов предпочитаются PEO, PVA, CMC, и HEC, причем в настоящее время CMC является более предпочтительным для биодатчиков. Могут использоваться и другие связующие материалы.
Предпочтительными являются связующие материалы, имеющие молекулярные массы от 10000 до 900000, и предпочтительно от 30000 до 300000 (масса/среднее). Могут использоваться связующие материалы, имеющие другие молекулярные массы. Молекулярные массы могут определяться посредством эксклюзионной хроматографии (SEC), и в целом выражаются в виде среднего по массе или среднего по числу.
Композиция реагента, используемая для формирования рабочего электрода, предпочтительно включает в себя биомолекулу, чувствительную к интересующему аналиту. Биомолекулы могут включать в себя активные ферментные системы, такие как оксидоредуктазы. Биомолекулы также могут включать в себя биополимеры, такие как нуклеиновые кислоты, белки, и пептиды. Могут использоваться другие биомолекулы.
Оксидоредуктазы катализируют перенос электронов и содействуют окислению или восстановлению аналита и включают "оксидазы", которые содействуют реакции окисления, где молекулярный кислород является акцептором электронов; "редуктазы", которые содействуют реакциям восстановления, где аналит восстанавливается и молекулярный кислород не является аналитом; и "дегидрогеназы", которые содействуют реакциям окисления, в которых молекулярный кислород не является акцептором электронов. См., например, «Оксфордский словарь по биохимии и молекулярной биологии», переработанное издание, A. D. Smith, Ed., New York: Oxford University Press (1997) стр. 161, 476, 477, и 560. Например, в Таблице I, ниже, представлены оксидоредуктазы, полезные в анализе приведенных в таблице аналитов.
Таблица I
<b>Оксидоредуктазы</b>
<b>Аналит</b>
Глюкозадегидрогеназа
β-глюкоза
Глюкозаоксидаза
β-глюкоза
Холестеролэстераза; холестеролоксидаза
Холестерин
Липопротеинлипаза; глицеролкиназа; глицерол-3-фосфатоксидаза
Триглицериды
Лактатоксидаза; лактатдегидрогеназа; диафораза
Лактат
Пируватоксидаза
Пируват
Этанолоксидаза
Этанол
Билирубиноксидаза
Билирубин
Уриказа
Мочевая кислота
Глутатионредуктаза
NAD(P)H
Оксидоредуктаза окиси углерода
Окись углерода
Биомолекулы могут включать функциональные группы аминов, допускающие взаимодействия связывания водорода. Являются предпочтительными биомолекулы, имеющие массы/средние молекулярные массы от 10000 до 500000 и предпочтительно от 100000 до 400000, которые поддерживают биологическую активность после нанесения. В случае оксидоредуктазы, от 0,01 до 100 единиц (U), предпочтительно от 0,05 до 10 U, и более предпочтительно от 0,1 до 5 U может использоваться на один тестовый датчик или анализ. В другом аспекте, используется не менее чем 1,3 U оксидоредуктазы.
Слой реагента, образованный нанесением композиции реагента на проводник, может включать в себя специфическую для аналита ферментную систему, которая может содействовать реакции аналита при расширении специфичности системы датчика для аналита, особенно в сложных биологических пробах. Ферментная система может включать в себя один или несколько ферментов, кофермент, и/или другую половину, которая участвует в окислительно-восстановительной реакции с аналитом. Например, этанолоксидаза может использоваться, чтобы обеспечить биодатчик, который является чувствительным к наличию этанола в пробе. Такая система может быть полезной в измерении концентраций этанола крови. В другом примере, могут использоваться глюкозадегидрогеназа или глюкозаоксидаза, чтобы обеспечить биодатчик, который является чувствительным к наличию глюкозы в пробе. Эта система может быть полезной в измерении концентраций глюкозы крови, например, у пациентов, у которых имеется или предполагается диабет.
Предпочтительными ферментными системами являются кислородо-независимые, таким образом по существу не окисляемые кислородом. Одним таким семейством кислородо-независимых ферментов является глюкозадегидрогеназа (GDH). С использованием различных коферментов или кофакторов, GDH может использоваться как посредник различным образом различными медиаторами. В зависимости от своей ассоциации с GDH, кофактор, такой как флавинаденин-динуклеотид (FAD), может в высокой степени поддерживаться ведущим ферментом, например, как в случае FAD-GDH; или кофактор, такой как пирролохинолинхинон (PQQ), может быть ковалентно связан с ведущим ферментом, например, с PQQ-GDH. Кофактор в каждой из этих ферментных систем может либо постоянно поддерживаться ведущим ферментом или коферментом, и апофермент может быть реконструирован до добавления ферментной системы к композиции реагента. Кофермент также может независимо добавляться к половине ведущего фермента в композиции реагента, чтобы способствовать каталитической функции ведущего фермента, как например в случаях никотинамидадениндинуклеотида NAD/NADH+ или никотинамидадениндинуклеотидфосфата NADP/NADPH+. Другие полезные ферментные системы дегидрогеназы включают в себя этанолдегидрогеназу, лактатдегидрогеназу, β-гидроксибутират дегидрогеназу, глюкоза-6-фосфат-дегидрогеназу, глюкозадегидрогеназу, формальдегиддегидрогеназу, малатдегидрогеназу, и 3-гидроксистероиддегидрогеназу.
Слой реагента может также включать в себя медиатор, чтобы передавать результаты реакции аналита на проводник. Медиаторы могут быть окисленными или восстановленными и могут транспортировать один или несколько электронов. Медиатором является реагент в электрохимическом анализе, а не представляющий интерес аналит, но обеспечивает косвенное измерение аналита. В простой системе, медиатор подвергается окислительно-восстановительной реакции в ответ на окисление или восстановление аналита. Окисленный или восстановленный медиатор затем подвергается противоположной реакции на рабочем электроде тестового датчика и может быть восстановлен к его первоначальной степени окисления. Таким образом, медиатор может содействовать переносу электронов из аналита на рабочий электрод.
Медиаторы могут быть разделены на две группы на основании их электрохимической активности. Медиаторы одноэлектронного переноса являются химическими половинами, способными принимать один дополнительный электрон в течение условий электрохимической реакции. Медиаторы многоэлектронного переноса являются химическими половинами, способными принимать более одного электрона в течение условий реакции. Как изображено на Фиг.9A, медиаторы одноэлектронного переноса могут переносить один электрон из фермента на рабочий электрод, хотя как изображено на Фиг.9B, медиатор многоэлектронного переноса может переносить два электрона.
Примеры медиаторов одноэлектронного переноса включают химические соединения, такие как 1,1'-димэтилферроцен, ферроцианид и феррицианид, и рутений (III) и рутений (II) гексаамин. Двухэлектронные медиаторы включают в себя органические хиноны и гидрохиноны, такие как фенантролинхинон; производные фенотиазина и феноксазина; 3-(фениламино)-3H-феноксазины; фенотиазины; и 7-гидрокси-9,9-димэтил-9H-акридин-2-one и его производные. Примеры дополнительных двухэлектронных медиаторов включают в себя электроактивные органические молекулы, например, описанные в патентах США за номерами № 5393615; 5498542; и 5520786, которые включены в документ путем ссылки.
Предпочитаемые медиаторы двухэлектронного переноса включают в себя 3-фенилимин-3H-фенотиазины (PIPT) и 3-фенилимин-3H-феноксазины (PIPO). Более предпочтительные двухэлектронные медиаторы включают в себя карбоновую кислоту или соль, например, соли аммония, производные фенотиазина. В настоящее время, особо предпочтительные двухэлектронные медиаторы включают в себя (E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамин)бензол-1,4-дисульфокислоту (Структура I), (E)-5-(3H-фенотиазин-3-илиденамин)изофталевую кислоту (Структура II), аммоний (E)-3-(3H-фенотиазин-3-илиденамин)-5-карбоксибензоат (Структура III), и комбинации таковых. Структурные формулы этих медиаторов представлены ниже. Несмотря на то, что показана только двухосновная форма кислоты медиатора Структуры I, также включаются соли моно- и дву-щелочных металлов для кислоты. В настоящее время, для медиатора Структуры I предпочтительна соль натрия кислоты. Также могут использоваться соли щелочных металлов, соответствующие медиатору Структуры II.
Структура I
Структура II
Структура III
В другом отношении, предпочтительно, что двухэлектронные медиаторы имеют окислительно-восстановительный потенциал, который, по меньшей мере, на 100 мВ ниже, более предпочтительно, по меньшей мере, на 150 мВ ниже, чем для феррицианида.
Система переноса заряда является любой одной или комбинацией электрохимически активного вещества, которое может переносить один или несколько электронов от противоэлектрода или на него. Например, если рабочий электрод системы переносит электроны на противоэлектрод через измерительное устройство, система переноса заряда противоэлектрода принимает электроны от противоэлектрода, чтобы допускать измерение электрического тока через систему. Принимая электроны с конкретным потенциалом или диапазоном значений потенциала, система переноса заряда влияет на потенциал, при котором рабочий электрод может переносить электроны для измерения. Система переноса заряда может включать или не включать в себя медиатор, присутствующий на рабочем электроде; но если она включает, то по меньшей мере, часть медиатора на противоэлектроде предпочтительно имеет состояние окисления, отличное от медиатора на рабочем электроде.
Поскольку первой произойдет электрохимическая реакция при низшем потенциале, то обеспечением рабочих электродов одной или несколькими чувствительными к аналиту биомолекулами, такими, как оксидоредуктаза, и/или медиаторов, которые транспортируют заряд при возрастании потенциалов, электрохимия множества рабочих электродов может быть последовательно проанализирована от самого низкого до самого высокого рабочего потенциала. Если рабочий и противо- электроды могут быть адресованы независимо, рабочий электрод, имеющий конкретный окислительно-восстановительный потенциал в зависимости от аналита, может быть избирательно составлен в пару со противоэлектродом, имеющим требуемый потенциал. Если окислительно-восстановительные потенциалы аналита, чувствительная к аналиту биомолекула и/или медиатор на независимо адресуемых рабочих электродах являются различными, могут измеряться отдельные выходные сигналы для индивидуального анализа при использовании электрически соединенных противоэлектродов. Напротив, если окислительно-восстановительные потенциалы вещества переноса заряда на независимо адресуемых противоэлектродах являются различными, могут измеряться отдельные выходные сигналы для индивидуального анализа при использовании электрически соединенных рабочих электродов. Когда множество противоэлектродов имеют различное вещество переноса заряда, но являются электрически соединенными, противоэлектрод, имеющий высший потенциал, будет обеспечивать рабочий потенциал на рабочий электрод пока потенциал системы не снизится до такового у следующего противоэлектрода с высшим потенциалом.
1
3
1
3
1
3
1
1
2
1
2
3
На Фиг.10A представлена система, имеющая три независимо адресуемых противоэлектрода (CE-CE), причем каждый действует с различным потенциалом, и три электрически соединенных рабочих электрода, каждый с наличием системы медиатора, которая действует с различным потенциалом. Поскольку рабочий потенциал системы возрастает на противоэлектродах CE-CE, окислительно-восстановительные характеристики медиаторов (Med-Med) на электрически соединенных рабочих электродах могут измеряться независимо. Например, если CE связан с рабочим электродом, Med вызывает реакцию на электроде. Если CE связан с рабочим электродом, Med и Med вызывают реакцию на электроде. Наконец, если CE связан с рабочим электродом, все три системы медиаторов могут вступать в реакцию на рабочем электроде.
Множество рабочих потенциалов могут обеспечиваться для системы посредством изменения системы переноса заряда, нанесенной на различные проводники, чтобы формировать противоэлектроды. Потенциал, обеспечиваемый конкретным противоэлектродом, может изменяться системами переноса заряда, включающими различные окислительно-восстановительные вещества (половины, которые могут окисляться и/или восстанавливаться) и/или различные соотношения сопряженных пар окисления-восстановления (восстановленные и окисленные половины того же окислительно-восстановительного вещества) для окислительно-восстановительного вещества, такого как ферроцианид/феррицианид. Примеры различных окислительно-восстановительных веществ для использования в системах переноса заряда включают растворимое или нерастворимое окислительно-восстановительное вещество, где растворимые окислительно-восстановительные вещества являются растворимыми в воде (pH 7, 25°C) на уровне, по меньшей мере, 1,0 грамм на один литр и исключают одноэлементные металлы и одиночные ионы металлов, которые являются не растворимыми или трудно растворимыми в воде. Полезные окислительно-восстановительные вещества включают электро-активные органические молекулы, органические комплексы переходных металлов и координационные комплексы переходных металлов. В отличие от металла, содержащегося в органических комплексах переходных металлов и координационных комплексах, в электро-активных органических молекулах отсутствует металл, способный подвергаться окислению или восстановлению. Предпочтительное окислительно-восстановительное вещество для использования в системах переноса заряда включает рутений (III) гексаамин, феррицианид и электро-активные органические молекулы, такие как PIPT и PIPO. На Фиг.10B показаны циклические вольтамперограммы для рутения (III) гексаамина, феррицианида и электро-активной органической молекулы, представленной выше в Структуре I/II/III. Как видно на графике, относительные потенциальные позиции для каждого окислительно-восстановительного вещества отделены между собой значением примерно 200 мВ.
Примерами различных соотношений сопряженных пар окисления-восстановления является отношение ферроцианида к феррицианиду в системе переноса заряда. Например, соотношение 9,5:0,5 может использоваться для противоэлектрода с самым низким потенциалом, тогда как соотношения 8:2, 5:5, 2:8, и 0,5:9,5 могут использоваться, чтобы обеспечивать противоэлектроды, имеющие прогрессивно возрастающие рабочие потенциалы. Может использоваться чистый феррицианид, чтобы обеспечивать противоэлектрод, имеющий самый высокий рабочий потенциал для шести противоэлектродов. Таким образом, могут быть сформированы шесть независимо адресуемых противоэлектродов, использующих различные соотношения для сопряженных пар окисления-восстановления, обеспечивающих каждая различный потенциал для системы. Таким образом, может быть получена разность потенциалов меньше таковой, доступной с помощью другого окислительно-восстановительного вещества, такая как, по меньшей мере, 50 мВ, или по меньшей мере, 100 мВ, с использованием различных соотношений для сопряженных пар окислительно-восстановительного вещества.
Взаимосвязь рабочего потенциала противоэлектрода в зависимости от соотношения сопряженной пары окисления-восстановления характеризуется уравнением Нернста и показана на Фиг.10C. В зависимости от происходящего либо окисления, либо восстановления на противоэлектроде в течение анализа, можно обеспечивать требуемый потенциал на противоэлектрод, путем выбора надлежащего соотношения сопряженной пары окисления-восстановления для осажденной системы переноса заряда. Путем выбора различных соотношений для сопряженных пар окисления-восстановления для системы переноса заряда, потенциал системы переноса заряда может изменяться примерно на +150 мВ для различных соотношений ферроцианид/феррицианид. Таким образом, в дополнение к использованию различных окислительно-восстановительных веществ для обеспечения различных рабочих потенциалов на множественных противоэлектродах, могут использоваться различные соотношения для сопряженных окислительно-восстановительных веществ. Существенная химическая изоляция, как если бы обеспечивалась физическим разделением вторичных зон, позволяет различным системам переноса заряда каждого противоэлектрода обеспечивать различные рабочие потенциалы для системы во время анализа.
1
3
1
3
1
3
На Фиг.10D представлен случай, где системы переноса заряда множественных независимо адресуемых противоэлектродов (CE-CE) обеспечивают различные абсолютные рабочие потенциалы, такие как -200 мВ, 0 мВ, и +200 мВ, при поддержании по существу одинаковым относительного рабочего потенциала 0,4 В между противо- и рабочим электродами. Центральной паре окисления-восстановления необязательно может быть назначен фиксированный нулевой потенциал по отношению к стандартному водородному электроду, насыщенному капельному каломельному электроду, или подобному. Таким образом, рутений гексаамин имеет окислительно-восстановительный потенциал, который является приблизительно на 200 мВ ниже, и феррицианид имеет окислительно-восстановительный потенциал, который является приблизительно на 200 мВ выше такового для молекул Структуры I/II/III. Действуя противоэлектродами с различными абсолютными рабочими потенциалами по отношению к известному потенциалу, система может независимо анализировать различные системы (Med-Med) медиаторов на электрически соединенных рабочих электродах WE-WE.
На Фиг.10E показаны циклические вольтамперограммы установления различных рабочих потенциалов, которые могут обеспечиваться на одном или нескольких рабочих электродах множеством независимо адресуемых противоэлектродов. Был изготовлен тестовый датчик, имеющий конструкцию с множеством «T» с восьмью вторичными зонам анализа, такой как описан выше на Фиг.3I. Четыре из вторичных зон анализа были обеспечены независимо адресуемыми рабочими электродами, и четыре из вторичных зон анализа были обеспечены независимо адресуемыми противоэлектродами. Каждый рабочий электрод был образован композицией реагента, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5%, 50 ммолей молекулы Структуры I, и 2 U/мкл ферментной системы PQQ-GDH в фосфатном буфере pH 7. Первый противоэлектрод был образован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 100 ммолей рутения гексаамин в фосфатном буфере pH 7. Второй противоэлектрод был образован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 100 ммолей молекулы Структуры I в фосфатном буфере pH 7. Третий и четвертый противоэлектроды были образованы с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 100 ммолей феррицианида в фосфатном буфере pH 7.
После введения пробы, включающей 300 мг/дл глюкозы, прибор CH Instrument сканировался со скоростью 25 мВ/с для одного из рабочих электродов и каждого из первого, второго, и третьего противоэлектродов. Как показано на Фиг.10E, потенциал противоэлектрода с рутением гексаамином, линия 1010, имеет пик при потенциале приблизительно на 400 мВ выше, чем для феррицианида, линия 1030, при резком пике для молекулы Структуры I приблизительно в середине, линия 1020. Таким образом, результаты, наблюдаемые в течение циклической вольтамперограммы по Фиг.10E, были воспроизведены в конструкции тестового датчика с множеством «T», имеющего множество вторичных зон анализа. Таким образом, была продемонстрирована способность тестового датчика работать при множестве потенциалов, используя множество противоэлектродов с различными системами переноса заряда.
На Фиг.11A продемонстрировано, что системы переноса заряда, показанные на Фиг.10E, могут быть заменены множеством соотношений сопряженной пары окисления-восстановления, чтобы обеспечивать множество потенциалов для системы. Тестовый датчик подготавливался как на Фиг.10E, но первый противоэлектрод был сформирован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 200 ммолей феррицианида : ферроцианида с соотношением 1:9 в фосфатном буфере pH 7, второй противоэлектрод был сформирован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 200 ммолей феррицианида:ферроцианида с соотношением 1:1 в фосфатном буфере pH 7, третий противоэлектрод был сформирован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 200 ммолей феррицианида:ферроцианида с соотношением 9:1 в фосфатном буфере pH 7, и четвертый противоэлектрод был сформирован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 200 ммолей по существу чистого феррицианида в фосфатном буфере pH 7.
После введения пробы, включающей 300 мг/дл глюкозы, прибор сканировался со скоростью 25 мВ/с для одного из рабочих электродов и каждого из первого, второго, третьего и четвертого противоэлектродов. На Фиг.11A показано, что первый противоэлектрод имеет пиковый потенциал приблизительно 0,149 В (W1-C1), что второй противоэлектрод имеет пиковый потенциал приблизительно 0,060 В (W2-C2), что третий противоэлектрод имеет пиковый потенциал приблизительно -0,007 В (W3-C3), и что четвертый противоэлектрод имеет пиковый потенциал приблизительно -0,047 В (W4-C4). Таким образом, была продемонстрирована способность тестового датчика работать с множеством потенциалов, используя множество противоэлектродов с системами переноса заряда, основывающимися на различных соотношениях сопряженной пары окисления-восстановления.
На Фиг.11B изображены профили тока, полученные, когда потенциал на одном, по существу химически изолированном рабочем электроде периодически регулируется последовательно тремя по существу химически изолированными и независимо адресуемыми противоэлектродами, имеющими каждый различный потенциал, обеспечиваемый различными системами переноса заряда. Тестовый датчик был подготовлен как на Фиг.10E, но множественные рабочие электроды были заменены одиночным рабочим электродом. Первый пик 1110 в каждой из шести последовательностей из трех пиков был получен от первого противоэлектрода, второй пик 1120 в каждой из шести последовательностей из трех пиков был получен от второго противоэлектрода, и третий пик 1130 в каждой из шести последовательностей из трех пиков был получен от третьего противоэлектрода. Первые пики 1110 продемонстрировали уровень тока, полученный на основании использования рутения гексамина, в качестве системы переноса заряда на первом противоэлектроде. Вторые пики 1120 продемонстрировали уровень тока, полученный при использовании молекулы Структуры I в качестве системы переноса заряда на втором противоэлектроде. Третьи пики 1130 продемонстрировали уровень тока, полученный при использовании феррицианида в качестве системы переноса заряда на третьем противоэлектроде. Таким образом, для того же потенциала различные потенциалы противоэлектрода будут обращаться к различным точкам окисления той же волны окисления. Таким образом, в дополнение к демонстрации способности множества противоэлектродов управлять рабочим потенциалом на рабочем электроде, была установлена способность системы проводить три отдельных анализа на рабочем электроде с помощью стробированного входного сигнала.
На Фиг.12A изображено схематическое представление системы 1200 биодатчика, которая определяет концентрацию аналита в пробе биологической жидкости с использованием входного сигнала. Система 1200 биодатчика включает в состав измерительное устройство 1202 и тестовый датчик 1204, который может быть реализован в виде аналитического прибора, включая настольное устройство, портативное или переносное устройство, или подобное. Система 1200 биодатчика может использоваться, чтобы определять концентрации аналитов, включая такие как глюкоза, мочевая кислота, лактат, холестерин, билирубин, и т.п.
Несмотря на то, что показана конкретная конфигурация, система 1200 биодатчика может иметь другие конфигурации, включая таковые с дополнительными компонентами. Например, тестовый датчик 1204 может быть приспособлен для использования вне, внутри, или частично внутри живого организма. При использовании вне живого организма, проба биологической жидкости вводится в емкость для пробы в тестовом датчике 1204. Тестовый датчик 1204 может быть помещен в измерительное устройство до, после или во время введения пробы для анализа. При использовании внутри или частично внутри живого организма тестовый датчик может быть постоянно погруженным в пробу, или проба может периодически вводиться в датчик.
Тестовый датчик 1204 имеет основание 1206, которое формирует емкость 1208 с отверстием 1212. Емкость 1208 может быть сформирована крышкой с выпускным отверстием. Емкость 1208 образует частично-закрытый объем, но может быть открытой для пробы (не показано). Таким образом, проба может постоянно протекать через тестовый датчик или приостанавливаться для анализа.
Емкость 1208 может содержать композицию, помогающую удерживать жидкостную пробу, такую как набухающие от воды полимеры или матрицы пористых полимеров. Реагенты могут быть осаждены в емкости 1208. Реагенты могут включать в себя один или несколько ферментов, ферментных систем, медиаторов, связующих веществ и сходных веществ. Связующее вещество может включать в себя полимеры различных типов и молекулярных весов, такие как HEC (гидроксиэтилцеллюлоза), CMC (карбоксилметилцеллюлоза), и/или PEO (полиоксиэтилен). В дополнение к связыванию реагентов вместе, связующее вещество может способствовать фильтрации эритроцитов, не допуская покрытия ими поверхностей 1211 электродов. Тестовый датчик 1204 также может иметь контактную поверхность 1214 пробы, расположенную смежно с емкостью 1208. Контактная поверхность 1214 пробы может частично или полностью окружать емкость 1208. Тестовый датчик 1204 может иметь другие конфигурации. Например, тестовый датчик 1204 может быть выполнен с возможностью трансдермального использования, путем выполнения емкости 1208 из пористого материала или позади пористого материала, в котором удерживается проба.
Контактная поверхность 1214 пробы содержит проводники 1290, соединенные, по меньшей мере, с одним рабочим электродом и, по меньшей мере, с двумя противоэлектродами. Электроды могут находиться по существу в одной и той же плоскости или в нескольких плоскостях, например, при торцевой установке. Электроды могут располагаться на поверхности основания 1206, которое формирует емкость 1208. Электроды могут проходить внутрь или выдаваться в емкость 1208. Один или несколько проводников 1290 также могут проходить внутрь емкости 1208, чтобы обеспечивать функциональность, не обеспечиваемую электродами. Слой диэлектрика может частично покрывать проводники и/или электроды. Могут использоваться противоэлектроды, чтобы выравнивать потенциал на одном или нескольких рабочих электродах во время анализа. Выравнивающий потенциал может обеспечиваться внутри емкости 1208 выполнением противоэлектрода из инертного материала, такого как углерод, и включением растворимого окислительно-восстановительного вещества, такого как феррицианид. В качестве альтернативы, выравнивающим потенциалом может быть опорный потенциал, достигаемый формированием противоэлектрода из опорной пары окисления-восстановления, такой как Ag/AgCl, чтобы обеспечивать комбинированный опорно-противоэлектрод. Контактная поверхность 1214 пробы может иметь другие электроды и проводники.
Измерительное устройство 1202 включает в себя электрическую схему 1216, соединенную с контактной поверхностью 1218 датчика, и дисплеем 1220. Электрическая схема 1216 включает в себя процессор 1222, соединенный с генератором 1224 сигналов, необязательный температурный датчик 1226, и носитель 1228 данных.
Генератор 1224 сигналов обеспечивает электрический входной сигнал на контактную поверхность 1218 датчика в ответ на сигнал процессора 1222. Электрический входной сигнал может передаваться контактной поверхностью 1218 датчика на контактную поверхность 1214 пробы, чтобы подать электрический входной сигнал на пробу биологической жидкости. Электрический входной сигнал может передаваться через все или часть проводников 1290 на контактную поверхность 1214 пробы. Электрический входной сигнал может быть потенциалом или током и может быть постоянным, регулируемым, или их комбинацией, например, если сигнал AC подается со сдвигом сигнала DC. Электрический входной сигнал может подаваться в виде одиночного импульса или множества импульсов, последовательности, или циклов. Генератор 1224 сигналов может также записывать выходной сигнал с контактной поверхности датчика в качестве генератора-регистратора.
Генератор 1224 сигналов может включать в состав регулятор напряжения по Фиг.12B, который может осуществлять переключение между множеством независимо адресуемых рабочих и противоэлектродов, или может включать в состав показанную на Фиг.12C систему множества регуляторов напряжения. На Фиг.12D представлен регулятор напряжения, который может быть реализован в генераторе сигналов, чтобы осуществлять переключение между четырьмя противоэлектродами и электрически соединенным рабочим электродом. На Фиг.12E представлен регулятор напряжения, реализованный, чтобы осуществлять переключение между четырьмя рабочими электродами и электрически соединенным противоэлектродом. На Фиг.12F представлен регулятор напряжения, реализованный, чтобы осуществлять переключение между четырьмя электродами сравнения и электрически соединенным рабочим электродом. Один или несколько регуляторов напряжения могут обеспечивать различные рабочие потенциалы на контактную поверхность 1214 пробы. Генератор 1224 сигналов может иметь конфигурацию, в которой генератор колебаний специальной формы запускает стробированные волновые входные сигналы на регулятор напряжения. Генератор 1224 сигналов может иметь другие конфигурации.
Необязательный температурный датчик 1226 определяет температуру пробы в емкости тестового датчика 1204. Температура пробы может быть измерена, вычислена на основании выходного сигнала, или предполагается такой же или сходной с результатом измерения окружающей температуры или температуры устройства, реализующего систему биодатчика. Температура может измеряться с использованием терморезистора, термометра, или другого чувствительного к температуре устройства. Могут использоваться другие методы для определения температуры пробы.
Носитель 1228 данных может быть магнитным, оптическим или полупроводниковым запоминающим устройством, другим устройством хранения, или подобным. Носитель 1228 данных может быть несъемным запоминающим устройством, съемным запоминающим устройством, таким как карта памяти, удаленно доступным, или подобным.
Процессор 1222 реализует анализ аналита и обработку данных, используя машиночитаемый программный код и данные, хранимые в носителе 1228 данных. Процессор 1222 может начинать анализ аналита в ответ на наличие тестового датчика 1204 на контактной поверхности 1218 датчика, наложение пробы на тестовый датчик 1204, в ответ на пользовательский ввод, или подобное. Процессор 1222 управляет генератором 1224 сигналов, чтобы обеспечивать электрический входной сигнал на контактную поверхность 1218 датчика. Процессор 1222 может принимать температуру пробы от необязательного температурного датчика 1226.
Процессор 1222 принимает выходной сигнал с контактной поверхности 1218 датчика. Выходной сигнал генерируется в ответ на окислительно-восстановительную реакцию измеримого вещества в пробе. Электрическим выходным сигналом от тестового датчика может быть ток (генерируемый при амперометрии или вольтамперометрии), потенциал (генерируемый при потенциометрии/гальванометрии), или накопленный заряд (генерируемый при кулонометрии). Выходной сигнал коррелируют с концентрацией одного или нескольких аналитов в пробе с использованием одного или нескольких корреляционных уравнений в процессоре 1222. Результаты анализа аналита могут выводиться на дисплей 1220 и могут сохраняться на носителе 1228 данных.
Корреляционные уравнения между концентрациями аналита и выходными сигналами могут быть представлены графически, математически, их комбинацией, или подобно. Корреляционные уравнения могут быть представлены в виде таблицы номеров программы (PNA), другой справочной таблицы, или подобного, что хранится на носителе 1228 данных. Команды, относящиеся к реализации анализа аналита, могут обеспечиваться посредством машиночитаемого программного кода, хранимого на носителе 1228 данных. Код может быть объектным кодом или любым другим кодом, описывающим или управляющим функциональностью, описанной в документе. Данные по анализу аналита могут подвергаться в процессоре 1222 одному или нескольким видам обработки данных, включая определение скоростей распада, констант K, соотношений, и т.п.
Контактная поверхность 1218 датчика имеет контакты 1295, которые соединяют или электрически осуществляют связь с проводниками 1290 на контактной поверхности 1214 пробы в составе тестового датчика 1204. Контактная поверхность 1218 датчика передает электрический входной сигнал от генератора 1224 сигналов через соединитель на контактной поверхности 1218 датчика на контакты 1295 на контактной поверхности 1214 пробы. Контактная поверхность 1218 датчика также передает выходной сигнал с пробы через контакты 1295 на процессор 1222 и/или генератор 1224 сигналов.
Дисплей 1220 может быть аналоговым или цифровым. Дисплей может быть жидкокристаллическим (LCD) дисплеем, выполненным с возможностью отображения числового показания.
Во время использования, жидкостная проба для анализа переносится в емкость 1208 введением жидкости в отверстие 1212 для пробы. Жидкостная проба протекает через отверстие 1212 для пробы, заполняя емкость 1208, удаляя при этом ранее содержавшийся воздух. Жидкостная проба химически взаимодействует с реагентами, внесенными во вторичные зоны анализа в емкости 1208.
Тестовый датчик 1204 расположен смежно с измерительным устройством 1202. «Смежно» означает позиции, где контактная поверхность 1214 пробы находится в электрической связи с контактной поверхностью 1218 датчика. Электрическая связь включает в себя перенос входного и/или выходного сигнала между контактами на контактной поверхности 1218 датчика и проводниками 1290 на контактной поверхности 1214 пробы.
На Фиг.13 представлен электрохимический анализ 1300 для определения наличия и/или концентрации, по меньшей мере, одного аналита в пробе. На этапе 1310 введения пробы, проба вводится в тестовый датчик. На этапе 1320 окислительно-восстановительной реакции, часть аналита в пробе подвергается окислительно-восстановительной реакции. На этапе 1330 переноса электронов, электроны необязательно перемещаются из аналита на медиатор. На этапе 1340 подачи первого входного сигнала, входной сигнал подают между рабочим и первым противоэлектродом. На этапе 1350 подачи второго входного сигнала, входной сигнал с другим потенциалом подают между рабочим и вторым противоэлектродом. На этапе 1360 определения пробы, определяют наличие и/или концентрацию одного или нескольких измеримых веществ в пробе на основании одного или нескольких выходных сигналов, и на этапе 1370 передачи концентрации пробы, определенная концентрация измеримого вещества может быть отображена, сохранена, дополнительно обработана, и т.п.
На этапе 1310 введения пробы, проба вводится в сенсорную часть системы, такую как тестовый датчик. Тестовый датчик включает в себя, по меньшей мере, один рабочий и, по меньшей мере, два противоэлектрода. Электроды могут включать в себя один или нескольких слоев композиции реагента. Рабочий электрод может включать слой диффузионного барьера, который составляет единое целое со слоем композиции реагента, или является отдельным от слоя композиции реагента. Слой диффузионного барьера обеспечивает пористое пространство, имеющее внутренний объем, где может находиться измеримое вещество. Поры слоя диффузионного барьера могут выбираться так, чтобы измеримое вещество могло распространяться в слой диффузионного барьера, тогда как физически крупные составляющие пробы, такие как эритроциты, по существу исключаются. Если рабочий электрод включает в себя отдельный слой диффузионного барьера, слой реагента может или не может наноситься на слой диффузионного барьера. В зависимости от характера анализа 1300, проводники могут использоваться в качестве электродов. В этом аспекте, реагенты могут присутствовать в пробе, например, если нанесены смежно к электродам.
На этапе 1320 окислительно-восстановительной реакции по Фиг.13, часть присутствующего в пробе аналита химически или биохимически окисляется или восстанавливается, например, оксидоредуктазой или сходным веществом. Эта окислительно-восстановительная реакция происходит, если проба гидратирует реагенты. После окисления или восстановления, электроны могут необязательно передаваться между аналитом и медиатором на этапе 1330 переноса электронов. Таким образом, образуется ионизированное измеримое вещество, например, из аналита или медиатора, имеющее концентрацию пробы, зависящую от аналита. Может быть полезным обеспечивать начальную задержку времени, или "инкубационный период", чтобы реагенты вступили в реакцию с аналитом.
На этапе 1340 подачи первого входного сигнала по Фиг.13, система подает входной сигнал на пробу с использованием первого противоэлектрода. Входными сигналами являются электрические сигналы, такие как ток или потенциал, и могут быть последовательностью импульсов возбуждения, отделенных релаксациями. Система может подавать один или несколько входных сигналов на пробу, включая используемые для определения наличия и/или концентрации аналита, и используемые для определения других факторов, таких как содержание гематокрита в пробе или состояние заполненности тестового датчика.
В дополнение к этапу 1340 подачи первого входного сигнала, начальный потенциал последовательного опроса может вводиться до этапа 1340 подачи первого входного сигнала для определения наличия пробы. Потенциал также может подаваться между любой парой электродов и/или проводников, чтобы удалять материал с поверхности электрода и/или проводника, изменять химию электрода, или окислять или восстанавливать часть системы переноса заряда. Такой потенциал может подаваться перед анализом.
На этапе 1350 подачи второго входного сигнала по Фиг.13, система подает второй входной сигнал с другим потенциалом на пробу, используя второй противоэлектрод. Способность выбирать рабочий потенциал множества рабочих электродов и/или способность выбирать рабочий потенциал множества противоэлектродов обеспечивает систему биодатчика способностью выполнять множество типов анализов. В течение анализа, потенциал между любой парой множества рабочих, противоэлектродов и/или электродов сравнения может измеряться, чтобы обеспечивать полезную информацию. Обеспечивая емкость для пробы множественными, последовательно заполняемыми вторичными зонами анализа, может осуществляться мониторинг процесса заполнения емкости пробой с использованием этих двух или нескольких входных сигналов, поданных на этапах 1340, 1350.
На этапе 1360 определения пробы, измерительное устройство анализирует выходные сигналы, ответные на два входных сигнала, чтобы определить наличие и/или концентрацию, по меньшей мере, одного измеримого вещества в пробе с каждым потенциалом. Если оксидоредуктаза или сходное вещество, используемое в окислительно-восстановительной реакции 1320, вступает в реакцию с одиночным аналитом, специфичность может быть обеспечена для части генерируемого электрического сигнала. Если более одного измеримого вещества могут быть ионизированы различными частями входного сигнала, то может определяться наличие и/или концентрация для множества аналитов, медиаторов, мешающих компонентов, и т.п. Дополнительно ток, время, и/или другие величины также могут быть проанализированы. Например, токи, определенные для одного аналита, медиатора, или мешающего компонента, могут модифицироваться токами, определенными для другого аналита, медиатора, или мешающего компонента, чтобы повысить рабочую характеристику измерения для системы.
Стробированные входные сигналы, такие как стробированные амперометрические, стробированные вольтамперометрические и/или их комбинации, могут использоваться, чтобы обращаться к потенциалу конкретного медиатора и решать систему линейных уравнений. При использовании тестового датчика, имеющего электрически независимые противоэлектроды и электрически соединенные рабочие электроды, например, могут быть определены концентрации трех различных измеримых веществ путем решения уравнений (1)-(3):
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>к</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext>             (1)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>к</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>∗</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>∗</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>             (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>с</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>∗</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>∗</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>3</mn></msub><mo>∗</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mo>∗</mo><msub><mi>S</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>     (3)</mtext></mrow>
низкий
средний
высокий
1
2
3
1
2
3
где I, I и I являются токами от составления пары с противоэлектродами с низким, средним и высоким потенциалами; A, A и A являются концентрациями трех различных измеримых веществ; k, k и k являются коэффициентами пропорциональности, которые выражают текущую разность между двумя из рабочих потенциалов; и S и Int представляют угловые коэффициенты для каждой системы калибровки аналита, соответственно.
1
4
1
4
На Фиг.14A представлен входной сигнал из последовательности последовательных стробированных амперометрических импульсов, используемой в комбинации с тестовым датчиком, имеющим независимо адресуемые противо- и рабочие электроды (WE-WE). В этом случае, один рабочий электрод действует в один момент времени, и входной сигнал является последовательно вводимым на каждую пару электродов. Таким образом, не требуется много-потенциальный регулятор напряжения, чтобы определять выходной сигнал от множества пар электродов. На Фиг.14B представлен входной сигнал от последовательности одновременных стробируемых амперометрических импульсов, используемой в комбинации с тестовым датчиком, имеющим независимо адресуемые противо- и рабочие электроды (WE-WE). В этом случае все четыре пары электродов являются одновременно действующими с тем же потенциалом для каждого возбуждения. Хотя на фигуре не показано, входной сигнал может одновременно подаваться на два или большее количество электродов, при этом последовательно подаваться на другие электроды.
Посредством соединения множества независимо адресуемых противоэлектродов с преобразователем тока/напряжения, выходные токи, являющиеся результатом анализа, могут измеряться отдельно. Эта операция может быть объединена со стробируемым входным сигналом, где один противоэлектрод выключен, тогда как второй противоэлектрод включен. Результирующий каскад измерения токов от независимых противоэлектродов обеспечивает способ для анализа нескольких аналитов и других компонентов пробы. Могут решаться линейные комбинации уравнений, чтобы определить концентрацию и/или другие параметры индивидуальных аналитов.
Подаваемые входные сигналы могут иметь значения напряжения от 0,05 до 1,0 В, предпочтительно от 0,1 до 0,8 В, и более предпочтительно от 0,2 до 0,5 В. Входные сигналы могут обеспечиваться в течение продолжительности от 0,01 секунд до 3 минут, в зависимости от интересующего аналита или аналитов. Например, анализ глюкозы может быть завершен менее чем за 5 секунд, тогда как другие аналиты могут извлекать пользу из входных сигналов более длительной продолжительности. Если входной сигнал включает в себя множество возбуждений и релаксаций, то длительность каждого возбуждения, например, для глюкозы может составлять от 0,01 до 7 секунд, предпочтительно от 0,5 до 3 секунд, и более предпочтительно от 0,1 до 2 секунд. Могут использоваться другие продолжительности входного сигнала и возбуждения.
На этапе 1370 передачи концентрации пробы по Фиг.13, измерительное устройство преобразует, по меньшей мере, одну концентрацию измеримого вещества в концентрацию аналита пробы и может отображать, сохранять для будущей ссылки, дополнительно обрабатывать, и/или использовать одну или несколько определенных концентраций измеримого вещества для дополнительных вычислений. Например, значение, определенное для одного аналита, медиатора, или мешающего компонента может быть модифицировано значением, определенным для другого аналита, медиатора, или мешающего компонента, чтобы повышать рабочую характеристику измерения для системы.
Противоэлектрод, имеющий окисляемое вещество, присутствующее в системе переноса заряда, также может использоваться в качестве рабочего электрода, испытывающего недостаток оксидоредуктазы, таким образом обеспечивая способность для анализа гематокрита и определения компонента фона для выходного сигнала. Концентрация аналита может быть модифицирована с помощью этой и другой информации, чтобы повышать точность и/или воспроизводимость результатов. Противоэлектрод может использоваться в качестве рабочего электрода во время разомкнутого контура, чтобы измерить один или несколько параметров гематокрита. В другом аспекте, один или несколько выходных сигналов могут коррелироваться с калибровочной кривой или справочной таблицей, чтобы определять погрешность оценки гематокрита или погрешность оценки, относящуюся к мешающему компоненту.
В зависимости от характера аналита, концентрация одного аналита может использоваться, чтобы изменить показание относительно другого аналита. Например, если концентрация первого аналита положительно влияет на концентрацию второго аналита, концентрацию первого аналита можно вычесть из концентрации второго аналита, чтобы повысить точность и/или воспроизводимость результатов значения концентрации, определенной для второго аналита.
На Фиг.15 показаны результаты усреднения результатов до четырех отдельных анализов одного и того же аналита, чтобы определить концентрацию аналита в пробе. Как показано на графике, путем повышения числа отдельно выполняемых анализов от одного до трех, 98% полученных значений концентрации попали в пределы ±15%-ой погрешности при сравнении с эталонным прибором YSI. Хотя данные, лежащие в основе графика, были получены от отдельных тестовых датчиков, тестовые датчики, имеющие две или большее число вторичных зон анализа, могут иметь конфигурацию с возможностью выполнения того же анализа в более чем одной вторичной зоне в дополнение к выполнению анализа различных аналитов. Таким образом, множество по существу химически изолированных вторичных зон анализа могут обеспечивать преимущества усреднения сигнала от одиночного тестового датчика.
Способность выполнять тот же анализ многократно на одном тестовом датчике может значительно повышать точность и/или воспроизводимость результатов определяемой концентрации аналита. Таким образом, сигнал усреднения, давший возможность выполнения того же анализа многократно на том же тестовом датчике, может обеспечивать повышение отношения сигнал-шум для тестового датчика путем уменьшения случайного шума (как характеризуется значением sd стандартного отклонения) со скоростью 1/√n относительно обычных сенсорных систем.
На Фиг.16 изображены спады тока, полученные при подаче стробированного амперометрического входного сигнала одновременно на восемь индивидуально адресуемых и по существу химически изолированных электродов. Электродам задавалась конфигурация в виде конструкции со множеством «T» с четырьмя рабочими электродами, противолежащими четырем противоэлектродам по основному каналу, такому как описан выше на Фиг.3I. Каждый рабочий электрод был образован с композицией реагента, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5%, 50 мл молекул Структуры I, и 2 U/мкл ферментной системы PQQ-GDH в фосфатном буфере pH 7. Каждый противоэлектрод был образован с системой переноса заряда, включающей связующее вещество HEC в весовом соотношении 0,5% и 100 ммолей по существу чистого феррицианида в фосфатном буфере pH 7.
Для проведения эксперимента, проба, включающая 100 мг/дл глюкозы в фосфатном буфере pH 7, была введена в тестовый датчик, и стробированный амперометрический входной сигнал был одновременно подан на каждой из четырех противолежащих пар электродов. Входной стробированный сигнал, включавший два начальных возбуждения, имеющих переменные длительности импульса, сопровождался семью возбуждениями, имеющими длительность импульса в 0,375 секунд. Последние семь возбуждений были отделены интервалами релаксации в одну секунду. В направлении окончания возбуждения, приложенного в момент времени две секунды, например, усреднялись четыре значения тока, соответствующие каждой паре электродов (W1-C1, W2-C2, W3-C3, и W4-C4). Исходя из этого среднего из четырех значений тока, может быть определена концентрация аналита для пробы с использованием одного или нескольких уравнений корреляции или подобного способа. Таким образом, описанные выше преимущества точности и/или воспроизводимости результатов, достигаемые за счет усреднения множества анализов, могут быть получены от одного тестового датчика.
Несмотря на то, что были описаны различные варианты осуществления изобретения, средним специалистам в данной области техники будет очевидно, что возможны другие варианты осуществления и реализации в рамках объема изобретения. Соответственно, изобретение не должно рассматриваться как ограниченное, за исключением пунктов прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.