БИОСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА И ТЕСТОВЫЕ СЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АНАЛИЗИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА (ВАРИАНТЫ)
BIOSENSOR SYSTEM AND TEST SENSORS FOR DETERMINATION OF CONCENTRATION OF ANALYSED SUBSTANCE (VERSIONS)

ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
По данной заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США № 61/201242 с названием «Композиция реагентов с низкой концентрацией соли», поданной 8 декабря 2008 года, которая включена путем ссылки в полном объеме.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Биосенсоры дают возможность анализировать биологическую жидкость, такую как цельная кровь, сыворотка, плазма, моча, слюна, интерстициальная или внутриклеточная жидкость. Как правило, биосенсоры содержат измерительное устройство, которое анализирует образец, находящийся в тестовом сенсоре. Обычно образец представлен в жидкой форме и может представлять собой биологическую жидкость или производное биологической жидкости, такое как экстракт, разбавленный раствор, фильтрат или восстановленный преципитат. Анализ, выполняемый посредством биосенсора, позволяет определить присутствие и/или концентрацию одного или нескольких анализируемых веществ в биологической жидкости. Примеры анализируемых веществ включают спирт, глюкозу, мочевую кислоту, лактат, холестерин, билирубин, свободные жирные кислоты, триглицериды, белки, кетоны, фенилаланин или ферменты. Анализ можно использовать в диагностике и лечении физиологических нарушений. Например, индивидуум, страдающий диабетом, может использовать биосенсор для определения уровня глюкозы в цельной крови, и эту информацию можно использовать при корректировании диеты и/или лекарственной терапии индивидуума.
Можно спроектировать биосенсоры для анализа одного или нескольких анализируемых веществ и можно использовать различные объемы образца. Некоторые биосенсоры могут анализировать одну каплю цельной крови объемом, например, 0,25-15 микролитров (мкл). Биосенсоры можно реализовать с использованием настольных, портативных и подобных измерительных устройств. Портативные измерительные устройства могут быть ручными и могут предусматривать идентификацию и/или количественное определение одного или нескольких анализируемых веществ в образце. Примеры портативных измерительных устройств включают измерители Ascensia Breeze и Elite компании Bayer HealthCare, Tarrytown, New York, а примеры настольных измерительных устройств включают Electrochemical Workstation, поставляемую компанией CH Instruments, Austin, Texas. Биосенсоры, предусматривающие более короткое время анализа и при этом обеспечивающие желаемую правильность и/или точность, предоставляют пользователю существенные преимущества.
В электрохимических биосенсорах концентрацию анализируемого вещества определяют по электрическому сигналу, генерируемому посредством окислительно-восстановительной реакции анализируемого вещества или частиц, чувствительных к анализируемому веществу, когда на образец подают входной сигнал. Входной сигнал можно подавать в виде одного электрического импульса, нескольких импульсов, последовательностей или циклов. Оксидоредуктазу, например фермент или подобные вещества, можно добавлять в образец для усиления переноса электронов с первых веществ на вторые вещества в ходе окислительно-восстановительной реакции. Фермент или подобные вещества могут реагировать с одним анализируемым веществом, таким образом, обеспечивая специфичность к части сгенерированного выходного сигнала.
Обычно электрохимические биосенсоры содержат измерительное устройство, которое имеет электрические контакты, которые соединяются с электрическими проводниками на тестовом сенсоре. Тестовый сенсор можно приспособить для использования за пределами, внутри или частично внутри живого организма. При использовании за пределами живого организма образец биологической жидкости помещают внутрь резервуара для образца в тестовом сенсоре. Тестовый сенсор можно помещать в измерительное устройство до, после или во время введения образца для анализа. При использовании внутри или частично внутри живого организма тестовый сенсор может быть непрерывно погружен в образец или можно периодически вводить образец в тестовый сенсор. Тестовый сенсор может содержать резервуар, который частично изолирует объем образца, или тестовый сенсор может быть открыт для образца. Подобным образом можно непрерывно пропускать образец через тестовый сенсор или прерываться для анализа.
Для электрохимических биосенсоров проводники можно выполнить из проводящих материалов, таких как твердые материалы, металлические пасты, проводящий углерод, проводящие углеродные пасты, проводящие полимеры и т.п. Как правило, электрические проводники соединяют с рабочим электродом, противоэлектродом, электродом сравнения и/или другими электродами, которые проходят внутрь резервуара для образца. Один или несколько электрических проводников также могут проходить внутрь резервуара для образца, чтобы обеспечить функциональность, не обеспечиваемую электродом.
Тестовый сенсор можно сформировать посредством размещения или нанесения печатным способом электрода на электроизолирующую подложку, используя различные методы, такие как методы, описанные в патентах США №№ 6531040; 5798031 и 5120420. Электроды можно сформировать посредством размещения одной или нескольких композиций реагента на одном или нескольких проводниках. Более чем один проводник можно покрыть одной и той же композицией реагента, например, когда рабочий электрод и противоэлектрод покрывают одной и той же композицией. Для размещения композиции реагента на тестовом сенсоре можно использовать различные способы, известные специалистам в данной области. Композицию реагента можно разместить на проводниках в виде текучего вещества реагента и затем высушить. Когда образец вводят в тестовый сенсор, композиция реагента начинает регидратироваться.
На проводниках можно разместить различные композиции реагентов. Таким образом, композиция реагента рабочего электрода может содержать фермент, посредник и связующее средство, тогда как композиция реагента противоэлектрода содержит посредник, который может быть таким же или отличным от посредника рабочего электрода, и связующее средство. Композиция реагента может содержать ионизирующее средство для облегчения окисления или восстановления анализируемого вещества, такое как оксидоредуктаза, а также любые посредники или другие вещества, которые способствуют переносу электронов между анализируемым веществом и рабочим электродом. В дополнение к связыванию реагентов, связующее средство может, например, способствовать фильтрованию красных клеток крови, препятствовать покрытию поверхности проводника красными клетками крови и стабилизировать оксидоредуктазу.
Чем быстрее получают выходной сигнал от тестового сенсора, где концентрацию анализируемого вещества можно точно определить по выходному сигналу, тем быстрее можно выполнить анализ. Таким образом, биосенсоры, содержащие композиции реагентов, обеспечивающие более короткое время анализа и при этом обеспечивающие желаемую правильность и/или точность, могут предоставить пользователю значительные преимущества.
Эффективность измерения биосенсорной системы определяют значениями правильности и/или точности. Увеличение правильности и/или точности обеспечивает усовершенствование эффективности измерения системы. Правильность можно выразить в единицах отклонения считываний анализируемого вещества сенсорной системы по сравнению с эталонным считыванием анализируемого вещества, при этом более высокие значения отклонения означают меньшую правильность. Точность можно выразить в единицах разброса или дисперсии отклонения для нескольких считываний анализируемого вещества по отношению к среднему. Отклонение представляет собой разность между одним или несколькими значениями, определяемыми биосенсорной системой, и одним или несколькими принятыми эталонными значениями для концентрации анализируемого вещества в биологической жидкости. Таким образом, одна или несколько ошибок в измеренном анализе ведет к отклонению установленной концентрации анализируемого вещества биосенсорной системы. Отклонение можно выразить в единицах «абсолютного отклонения» или «процентного отклонения». Абсолютное отклонение можно выразить в единицах измерения, таких как мг/дл, тогда как процентное отклонение можно выразить в виде процентной доли значения абсолютного отклонения от эталонного значения. Принятые эталонные значения можно получить, используя эталонный прибор, такой как YSI 2300 STAT PLUS™, производимый компанией YSI Inc., Yellow Springs, Ohio.
Биосенсорные системы могут предоставлять выходной сигнал в процессе анализа биологической жидкости, который содержит одну или несколько ошибок. Эти ошибки могут отражаться в аномальном выходном сигнале, например, когда одна или несколько частей или весь выходной сигнал нечувствителен или неправильно чувствителен к концентрации анализируемого вещества в образце. Эти ошибки могут происходить из одного или нескольких источников, таких как физические характеристики образца, аспекты окружающей среды образца, условия эксплуатации системы, мешающие вещества и т.п. Физические характеристики образца включают гематокрит (концентрация красных клеток крови) и т.п. Аспекты окружающей среды образца включают температуру и т.п. Условия эксплуатации системы включают состояние недостаточного заполнения, когда размер образца недостаточно велик, медленное заполнение образцом, прерывистый электрический контакт между образцом и одним или несколькими электродами в тестовом сенсоре, разложение реагентов, которые взаимодействуют с анализируемым веществом, и т.п. Мешающие вещества включают аскорбиновую кислоту, мочевую кислоту, ацетаминофен и т.п. Могут присутствовать другие источники или сочетания источников, вызывающих ошибки.
Многие биосенсорные системы включают один или несколько способов исправления ошибок, связанных с анализом. Значения концентрации, полученные из анализа с ошибкой, могут быть неправильными. Таким образом, возможность исправлять эти неправильные анализы может повысить правильность полученных значений концентрации. Система исправления ошибок может компенсировать одну или несколько ошибок, таких как температура образца или уровень гематокрита образца, которые отличаются от эталонной температуры или эталонного значения гематокрита. Например, стандартные биосенсорные системы можно выполнить с возможностью сообщения концентраций глюкозы, предполагая уровень гематокрита 40% (об./об.) для образца цельной крови, независимо от фактического уровня гематокрита в образце. В этих системах любое измерение глюкозы, выполненное для образца с уровнем гематокрита более или менее 40%, будет содержать ошибку и, таким образом, будет иметь отклонение, связанное с влиянием гематокрита.
Таким образом, существует постоянная потребность в усовершенствованных биосенсорных системах, в особенности в тех, которые могут обеспечивать все более правильное и/или точное определение концентрации анализируемого вещества в образце. Кроме того, существует необходимость в усовершенствованных биосенсорных системах, которые могут обеспечивать все более короткое время анализа и при этом обеспечивать желаемую правильность и/или точность. Системы, устройства и способы согласно настоящему изобретению позволяют преодолеть по меньшей мере один из недостатков, связанных со стандартными биосенсорными системами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
Описана биосенсорная система для определения концентрации анализируемого вещества в образце, которая содержит реакционное средство для избирательного осуществления окислительно-восстановительной реакции анализируемого вещества и измерительное средство для измерения скорости окислительно-восстановительной реакции анализируемого вещества. Реакционное средство содержит связующее средство; буферную соль; посредник, содержащий не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; и ферментативную систему. Измерительное средство содержит по меньшей мере два проводника. Измерительное средство измеряет значение выходного сигнала от реакционного средства при максимальной кинетической эффективности в течение не более чем 7 секунд от введения образца в реакционное средство, при этом значение выходного сигнала чувствительно к концентрации анализируемого вещества в образце, и измерительное средство определяет по меньшей мере одно значение ΔS, чувствительное к по меньшей мере одному параметру ошибок. Кроме того, измерительное средство определяет концентрацию анализируемого вещества в образце по уравнению компенсации, содержащему по меньшей мере одну эталонную зависимость и по меньшей мере одно значение ΔS, где уравнение компенсации обладает значением R, равным по меньшей мере 0,5.
2
2
Описан тестовый сенсор для определения концентрации анализируемого вещества в образце, который содержит по меньшей мере два проводника, где один из проводников представляет собой рабочий электрод, и композицию реагента, размещенную на или рядом с рабочим электродом. Композиция реагента имеет среднюю площадь поверхности композиции реагента и содержит связующее средство; буферную соль в концентрации не более 9,54 нмоль на мм площади поверхности композиции реагента; посредник в концентрации не более 4,76 нмоль на мм площади поверхности композиции реагента, при этом посредник содержит не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; ферментативную систему; и неионное поверхностно-активное средство.
Описан тестовый сенсор для определения концентрации анализируемого вещества в образце, который содержит по меньшей мере два проводника, где один из проводников представляет собой рабочий электрод; резервуар, который имеет объем резервуара; и композицию реагента, размещенную на или рядом с рабочим электродом. Композиция реагента содержит связующее средство; буферную соль в концентрации не более 67 нмоль на мкл объема резервуара; посредник в концентрации не более 40 нмоль на мкл объема резервуара, при этом посредник содержит не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; ферментативную систему; и неионное поверхностно-активное средство.
2
2
Описан тестовый сенсор для определения концентрации анализируемого вещества в образце, который содержит по меньшей мере два проводника, где один из проводников представляет собой рабочий электрод, обладающий площадью рабочего электрода, и композицию реагента, размещенную на или рядом с рабочим электродом. Композиция реагента содержит связующее средство; буферную соль в концентрации не более 167 нмоль на мм площади рабочего электрода; посредник в концентрации не более 80 нмоль на мм площади рабочего электрода, при этом посредник содержит не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; ферментативную систему; и неионное поверхностно-активное средство.
2
2
Описан способ определения концентрации анализируемого вещества в образце, который включает введение водного образца, содержащего по меньшей мере одно анализируемое вещество, в композицию реагента, и регидратацию композиции реагента водным образцом; подачу входного сигнала между проводниками, образец обеспечивает электрическое соединение между анализируемым веществом, композицией реагента и проводниками; и определение концентрации одного или нескольких анализируемых веществ в образце по одному или нескольким значениям выходного сигнала, значение выходного сигнала измеряют на проводниках в течение не более 7 секунд после введения водного образца в композицию реагента. Композиция реагента имеет среднюю площадь поверхности композиции реагента и может содержать связующее средство; буферную соль, присутствующую в концентрации не более 9,54 нмоль на мм площади поверхности композиции реагента; посредник, присутствующий в концентрации не более 4,76 нмоль на мм площади поверхности композиции реагента, при этом посредник содержит не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; ферментативную систему; и неионное поверхностно-активное средство.
Описан способ определения концентрации анализируемого вещества в образце, который содержит генерацию по меньшей мере одного значения выходного сигнала, чувствительного к концентрации анализируемого вещества в образце, определение по меньшей мере одного значения ΔS из по меньшей мере одного параметра ошибок, компенсацию по меньшей мере одного значения выходного сигнала с использованием по меньшей мере одной эталонной зависимости и по меньшей мере одного значения ΔS и определение концентрации анализируемого вещества в образце по меньшей мере по одному значению выходного сигнала.
Описано текучее вещество реагента для формирования композиции реагента, которое содержит воду; связующее средство; буферную соль, присутствующую в концентрации не более 115 мМ; посредник, присутствующий в концентрации не более 90 мМ, при этом посредник содержит не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла; ферментативную систему; и неионное поверхностно-активное средство. Текучее вещество может иметь pH от 4,5 до 7,5.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение можно лучше понять на основании следующих чертежей и описания. Компоненты фигур не обязательно изображены в масштабе, вместо этого при иллюстрировании принципов согласно изобретению используют акцентирование.
На фиг. 1A представлено перспективное изображение тестового сенсора в собранном виде.
На фиг. 1B представлен вид сверху тестового сенсора, показанного на фиг. 1A, со снятой крышкой.
На фиг. 2 представлен вид с торца тестового сенсора, показанного на фиг. 1B.
На фиг. 3 представлен электрохимический аналитический способ определения присутствия и/или концентрации анализируемого вещества в образце, контактирующем с композицией реагента с низкой общей концентрацией соли.
На фиг. 4 изображены выходные сигналы из тестового сенсора для образца цельной крови с концентрацией глюкозы 400 мг/дл и уровнем гематокрита 70%.
На фиг. 5A представлена диаграмма пикового времени для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов, перечисленные в таблице 1, в контакте с образцами крови с концентрацией глюкозы 50 мг/дл и различными уровнями гематокрита.
На фиг. 5B представлена диаграмма пикового времени для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов, перечисленные в таблице 1, в контакте с образцами крови с концентрацией глюкозы 100 мг/дл и различными уровнями гематокрита.
total
На фиг. 6A представлен график зависимости ΔS для образцов в виде функции индекса простого отношения, как измерено через 5 секунд после приведения тестового сенсора, содержащего композицию реагента A, в контакт с образцом.
total
На фиг. 6B представлен график зависимости ΔS для образцов в виде функции индекса простого отношения, как измерено через 5 секунд после приведения тестового сенсора, содержащего композицию реагента B, в контакт с образцом.
total
На фиг. 6C представлен график зависимости ΔS для образцов в виде функции индекса простого отношения, как измерено через 5 секунд после приведения тестового сенсора, содержащего композицию реагента C, в контакт с образцом.
total
На фиг. 6D представлен график зависимости ΔS для образцов в виде функции индекса простого отношения, как измерено через 5 секунд после приведения тестового сенсора, содержащего композицию реагента D, в контакт с образцом.
total
На фиг. 6E представлен график зависимости ΔS для образцов в виде функции индекса простого отношения, как измерено через 5 секунд после приведения тестового сенсора, содержащего композицию реагента E, в контакт с образцом.
2
На фиг. 7 представлены графики значений R при температуре 21,8°C в виде функции времени анализа для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов, перечисленные в таблице 1.
На фиг. 8 представлен график индексов R5/4 при температуре 16°C в виде функции уровня гематокрита для композиций реагентов с низкой общей концентрацией соли F и G.
На фиг. 9 представлено схематическое представление биосенсора, который определяет концентрацию анализируемого вещества в образце биологической жидкости с использованием стробированного амперометрического входного сигнала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Описана композиция реагента для тестового сенсора, которая имеет более низкую концентрацию общей соли, чем стандартные композиции реагентов для тестовых сенсоров. Общая концентрация соли в композициях реагентов с низкой общей концентрацией соли, включающей буферную соль и неорганическую соль непереходного металла, может составлять половину или меньше половины от общей концентрации солей в стандартном сенсоре. Композиции реагентов с низкой общей концентрацией соли могут содержать неионное поверхностно-активное средство, а также могут дополнительно содержать ионное поверхностно-активное средство.
Можно точно определить зависимость выходного сигнала тестового сенсора, который содержит композиции реагента с низкой общей концентрацией соли, от концентрации анализируемого вещества в образцах цельной крови в широком диапазоне уровней гематокрита. Это представляет собой значительное усовершенствование относительно стандартных тестовых сенсоров, содержащих общую соль в более высоких концентрациях в композиции реагента, которые могут обеспечить правильные измерения в более узком диапазоне уровней гематокрита.
Можно точно определить зависимость выходного сигнала тестового сенсора, который содержит композицию реагента с низкой общей концентрацией соли, от концентрации анализируемого вещества в образце в пределах приблизительно семи секунд. Это представляет собой значительное усовершенствование относительно стандартных тестовых сенсоров, содержащих общую соль в более высоких концентрациях в композиции реагента, которым требуется более семи секунд для предоставления выходного сигнала для правильной корреляции с концентрацией анализируемого вещества в образце.
На фиг. 1A и 1B представлен тестовый сенсор 100. На фиг. 1A представлено перспективное изображение тестового сенсора 100 в собранном виде, содержащего основание сенсора 110, по меньшей мере частично закрытое крышкой 120 и содержащее отверстие 130, покрываемую образцом область 140 и входное торцевое отверстие 150. Частично ограниченный резервуар 160 сформирован между основанием 110 и крышкой 120. Также можно использовать другие конструкции тестового сенсора.
Жидкий образец для анализа можно перенести внутрь резервуара 160 посредством введения жидкости в отверстие 150. Жидкость заполняет резервуар 160 и при этом вытесняет ранее содержавшийся воздух через отверстие 130. Резервуар 160 может содержать удерживающую композицию (не показана), которая способствует удержанию жидкого образца в резервуаре. Примеры удерживающих композиций включают водонабухающие полимеры, такие как карбоксиметилцеллюлоза и полиэтиленгликоль; и пористые полимерные матрицы, такие как декстран или полиакриламид.
На фиг. 1B представлен вид сверху тестового сенсора 100 со снятой крышкой 120. Проводники 170 и 180 могут проходить под диэлектрическим слоем 190 от интерфейса измерительного устройства 155 к рабочему электроду 175 и противоэлектроду 185 соответственно. Рабочий электрод и противоэлектрод 175, 185 могут находиться по существу в одной и той же плоскости, как показано на фигуре, или в различных плоскостях (не показано). Рабочий электрод и противоэлектрод 175, 185 могут отстоять от верхней части крышки 120 по меньшей мере на 100 мкм. Диэлектрический слой 190 может частично покрывать электроды 175, 185 и может быть выполнен из подходящего диэлектрического материала, такого как изолирующий полимер.
Противоэлектрод 185 может поддерживать электрохимическую активность рабочего электрода 175 тестового сенсора 100. В сенсорной системе можно предусмотреть потенциал для поддержания электрохимической активности рабочего электрода 175 посредством формирования противоэлектрода 185 из инертного материала, такого как углерод, и включения растворимого окислительно-восстановительного вещества, такого как посредник из феррицианида, внутри резервуара 160. Потенциал на противоэлектроде 185 может представлять собой потенциал сравнения, который получают посредством формирования противоэлектрода 185 из окислительно-восстановительной пары, такой как Ag/AgCl, чтобы предоставить комбинированный электрод сравнения/противоэлектрод. Альтернативно можно создать тестовый сенсор 100, содержащий третий проводник и электрод (не показаны), чтобы обеспечить потенциал сравнения для сенсорной системы.
Площадь рабочего электрода 175 может быть равна площади противоэлектрода 185 или один из электродов может иметь большую площадь, чем другой электрод. В настоящее время предпочтительно, чтобы площадь рабочего электрода была меньше площади противоэлектрода. Предпочтительно отношение площади противоэлектрода к площади рабочего электрода составляет по меньшей мере 1, более предпочтительно по меньшей мере 1,1, более предпочтительно по меньшей мере 1,2, более предпочтительно по меньшей мере 1,3, более предпочтительно по меньшей мере 1,4 и более предпочтительно по меньшей мере 1,5.
На фиг. 2 представлен вид с торца тестового сенсора, показанного на фиг. 1B, на котором показана структура слоев рабочего электрода 175 и противоэлектрода 185. Проводники 170 и 180 можно разместить непосредственно на основании 110. Слои поверхностных проводников 270 и 280 опционально можно разместить на проводниках 170 и 180 соответственно. Слои поверхностных проводников 270, 280 можно выполнить из тех же материалов, что и проводники 170, 180 или из отличающихся материалов.
Материал или материалы, используемые для формирования проводников 170, 180 и слоев поверхностных проводников 270, 280, могут содержать любой электрический проводник. Предпочтительные электрические проводники представляют собой такие неионизирующиеся проводники, что материал не подвергается полному окислению или полному восстановлению в процессе анализа образца. Проводники 170, 180 предпочтительно содержат тонкий слой металлической пасты или металла, такого как золото, серебро, платина, палладий, медь или вольфрам. Слои поверхностных проводников 270, 280 предпочтительно содержат углерод, золото, платину, палладий или их сочетания. Если на проводнике отсутствует слой поверхностного проводника, то проводник предпочтительно выполнен из неионизирующегося материала.
Материал поверхностного проводника можно разместить на проводниках 170, 180 с помощью любых стандартных средств, совместимых с функционированием тестового сенсора, включая размещение пленок, химическое вакуумное осаждение, осаждение суспензии и т.п. В случае осаждения суспензии смесь можно наносить в качестве краски на проводники 170, 180, например, как описано в патенте США № 5798031.
Композиции реагентов 275 и 285 можно разместить на или рядом с проводниками 170 и 180 соответственно. Термин «на» определяется как «над» и связан с описываемой ориентацией. Например, если первый элемент наносят поверх по меньшей мере части второго элемента, то о первом элементе говорят, что он находится «на» втором. В другом примере, если первый элемент находится выше по меньшей мере части второго элемента, то о первом элементе говорят, что он находится «на» втором. Использование термина «на» не исключает присутствие веществ между описанными верхним и нижним элементами. Например, первый элемент может иметь покрытие, расположенное поверх его верхней поверхности, а также второй элемент, расположенный поверх по меньшей мере части первого элемента, и его верхнее покрытие можно описать как расположенное «на» первом элементе. Таким образом, использование термина «на» опционально означает, что два упомянутых элемента находятся в физическом контакте.
Композиции реагентов включают реагенты и связующее средство. Связующее средство включает по меньшей мере один полимерный материал, который является по существу водорастворимым, и опционально может содержать по существу водонерастворимые пористые частицы. Пористые частицы могут придавать дополнительную физическую структуру полимерному материалу. Связующее средство может образовывать гель или гелеподобный материал при гидратации образцом. Опциональный слой 290 можно разместить на проводнике 170 и/или поверхностном проводнике 270. В опциональном слое 290 может отсутствовать один или несколько компонентов композиции реагента 275.
Композиции реагентов 275 и 285 могут содержать одинаковые или различные реагенты. Включая одни и те же реагенты, композиции реагентов 275 и 285 могут представлять собой одну и ту же композицию. Включая различные реагенты, реагенты, присутствующие в первой композиции 275, можно выбрать для использования с рабочим электродом 175, тогда как реагенты, присутствующие во второй композиции 285, можно выбрать для использования с противоэлектродом 185. Например, реагенты в композиции 285 могут содержать посредник для облегчения свободного тока электронов между образцом и проводником 180. Подобным образом, реагенты в композиции 275 могут содержать ферментативную систему и необязательно посредник для облегчения протекания реакции анализируемого вещества.
Ферментативная система, включенная в композицию реагента 275, может быть специфичной для анализируемого вещества и может облегчать протекание реакции анализируемого вещества, при этом повышая специфичность сенсорной системы к анализируемому веществу, в особенности в сложных биологических образцах. Ферментативная система может содержать один или несколько ферментов, кофакторов и/или других молекул, которые участвуют в окислительно-восстановительной реакции с анализируемым веществом. Например, можно использовать алкогольоксидазу, чтобы предоставить тестовый сенсор, который чувствителен к присутствию спирта в образце. Такую систему можно использовать при измерении концентрации спирта в крови. В другом примере можно использовать глюкозодегидрогеназу или глюкозоксидазу, чтобы предоставить тестовый сенсор, который чувствителен к присутствию глюкозы в образце. Эту систему можно использовать при измерении концентрации глюкозы в крови, например, у пациентов, страдающих диабетом или предположительно страдающих диабетом.
Композиции реагентов 275, 285 можно разместить посредством любых подходящих средств, таких как нанесение печатным способом, нанесение жидкости или нанесение способом струйной печати. Например, на тестовом сенсоре можно разместить одно или несколько текучих веществ реагентов и для формирования композиций реагентов 275, 285 можно высушить текучее(ие) вещество(а) реагента. Примеры устройств и способов для нанесения текучего вещества реагента на электрод тестового сенсора описаны, например, в публикации заявки на патент США US 2009/0145756 A1 заявителей Boru Zhu et al.
Различные факторы могут влиять на итоговые размеры композиций реагентов 275, 285. Примеры таких факторов включают вязкость наносимого текучего вещества реагента, сочетание номера сита и эмульсии и размеры элементов сенсора, на который наносят текучее вещество реагента. Когда предпочтительны более тонкие композиции реагентов, можно использовать способы, отличные от способа печатного нанесения, такие как нанесение микропипеткой, струйная печать или игольчатое нанесение. Как правило, эти способы дают сухие композиции реагентов микрометровой или субмикрометровой толщины, например 1-10 мкм. Например, способы игольчатого нанесения могут обеспечить среднюю толщину композиции реагента, равную 1 мкм. Толщину композиции реагента, полученную, например, в результате игольчатого нанесения, можно контролировать посредством количества связующего средства, содержащегося в композиции реагента, где более высокое содержание связующего средства обеспечивает более толстые композиции реагентов.
2
2
Определять количество ингредиентов композиции реагента, такой как 275, 285, можно в зависимости от размеров композиции, или можно определять количество ингредиентов относительно другого параметра сенсора, на который наносят композицию, такого как объем резервуара или площадь рабочего электрода. В одном примере количество ингредиента композиции реагента можно определять в микрограммах (мкг), нанограммах (нг), наномолях (нмоль) или единицах активности фермента (Ед) на квадратный миллиметр (мм) площади поверхности композиции реагента, где площадь поверхности композиции реагента представляет собой двухмерную площадь композиции реагента. В другом примере количество ингредиента композиции реагента можно определять в микрограммах (мкг), наномолях (нмоль) или единицах активности фермента (Ед) на микролитр (мкл) объема резервуара. В другом примере количество ингредиента композиции реагента можно определять в микрограммах (мкг), наномолях (нмоль) или единицах активности фермента (Ед) на квадратный миллиметр (мм) площади рабочего электрода.
Композиция реагента предпочтительно содержит связующее средство. Подходящие по существу водорастворимые полимерные материалы для применения в качестве связующего средства могут включать поли(этиленоксид) (PEO), карбоксиметилцеллюлозу (CMC), поливиниловый спирт (PVA), гидроксиэтиленцеллюлозу (HEC), гидроксипропилцеллюлозу (HPC), этилгидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилэтилцеллюлозу, поливинилпирролидон (PVP), полиаминокислоты, такие как полилизин, полистиролсульфонат, желатин, их соли акриловой кислоты, метакриловой кислоты, малеинового ангидрида, их производные и их сочетания. Полимерные материалы включают мономеры, преполимеры и другие материалы, которые образуют или содержат повторяющиеся звенья. Можно использовать другие полимерные материалы.
w
w
w
w
w
Среди этих полимерных материалов предпочтительны PEO, PVA, CMC и HEC, и в настоящее время более предпочтительна HEC. Для HEC предпочтительна средневзвешенная молекулярная масса (M) от приблизительно 8000 до приблизительно 1000000, и более предпочтительна M от приблизительно 15000 до приблизительно 500000, и более предпочтительна M от приблизительно 90000 до приблизительно 300000. В настоящее время особенно предпочтительной является смесь HEC с M приблизительно 90000 и HEC с M приблизительно 300000.
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,14 до приблизительно 0,43 мкг связующего средства на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,17 до приблизительно 0,38 мкг/мм связующего средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,22 до приблизительно 0,35 мкг/мм связующего средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 1 до приблизительно 3 мкг связующего средства на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от приблизительно 1,2 до приблизительно 2,6 мкг/мкл связующего средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 1,5 до приблизительно 2,3 мкг/мкл связующего средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 1 до приблизительно 7,5 мкг связующего средства на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от приблизительно 1,2 до приблизительно 6,5 мкг/мм связующего средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 1,5 до приблизительно 5,7 мкг/мм связующего средства.
Композиция реагента опционально содержит по существу водонерастворимые пористые частицы. Предпочтительно, если пористые частицы присутствуют в композиции реагента, между пористыми частицами и связующим средством поддерживают соотношение приблизительно 1:10 (масс./масс.). Можно использовать другие отношения, чтобы придать композиции реагента различные свойства. Примеры пористых частиц для композиций реагентов описаны, например, в публикации заявки на патент США 2009/01 78936 A1 заявителя Boru Zhu.
2
4
Композиция реагента предпочтительно содержит буферную соль. Когда композицию реагента приводят в контакт с водным образцом, буферная соль предпочтительно поддерживает pH смеси от приблизительно 4,5 до приблизительно 7,5, более предпочтительно от приблизительно 6 до приблизительно 7. Можно выбрать предпочтительный pH и буферную соль(и) для композиции реагента, чтобы сохранить активность фермента. В настоящее время предпочтительны буферы на основе фосфатов, но можно использовать другие буферы. Предпочтительно буферная соль содержит NaHPO.
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 2,30 до приблизительно 9,54 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от приблизительно 2,80 до приблизительно 6,43 нмоль/мм буферной соли и более предпочтительно содержит от приблизительно 3,40 до приблизительно 4,77 нмоль/мм буферной соли. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 16 до приблизительно 67 нмоль буферной соли на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от приблизительно 20 до приблизительно 45 нмоль/мкл буферной соли и более предпочтительно содержит от приблизительно 24 до приблизительно 34 нмоль/мкл буферной соли. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 16 до приблизительно 167 нмоль буферной соли на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от приблизительно 20 до приблизительно 113 нмоль/мм буферной соли и более предпочтительно содержит от приблизительно 24 до приблизительно 84 нмоль/мм буферной соли.
Композиция реагента может содержать по существу водорастворимый одно- или двухэлектронный посредник. Посредники можно разделить на две группы, основываясь на их электрохимической активности. Посредники переноса одного электрона представляют собой химические вещества, способные принимать один дополнительный электрон в условиях электрохимической реакции, тогда как посредники переноса двух электронов представляют собой химические вещества, способные принимать два дополнительных электрона в условиях реакции. Примеры посредников переноса одного электрона включают соединения, такие как 1,1'-диметилферроцен, ферроцианид и феррицианид и гексамин рутения (III) и рутения (II).
Хотя можно использовать другие посредники, посредники переноса двух электронов могут быть предпочительными благодаря их способности переносить приблизительно в два раза больше электронов из ферментативной системы на рабочий электрод при таком же молярном количестве посредника по отношению к посредникам переноса одного электрона. Таким образом, по сравнению с посредниками переноса одного электрона, в композиции реагента можно использовать меньшие количества посредников переноса двух электронов. Например, количество посредника переноса двух электронов может составлять половину количества посредника переноса одного электрона.
Примеры посредников переноса двух электронов включают органические хиноны и гидрохиноны, такие как фенантролин хинон; производные фенотиазина и феноксазина; 3-(фениламино)-3H-феноксазины; фенотиазины; и 7-гидрокси-9,9-диметил-9H-акридин-2-он и его производные. Предпочтительные посредники переноса двух электронов включают 3-фенилимино-3H-фенотиазины (PIPT) и 3-фенилимино-3H-феноксазины (PIPO). Более предпочтительные посредники переноса двух электронов включают карбоновую кислоту или соль, такую как соли аммония, производных фенотиазина. В настоящее время особенно предпочтительные посредники переноса двух электронов включают (E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислоту, (E)-5-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)изофталевую кислоту, аммоний (E)-3-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)-5-карбоксибензоат и их сочетания. Примеры дополнительных посредников переноса двух электронов включают электроактивные органические молекулы, описанные в патентах США №№ 5393615; 5498542 и 5520786.
4
2-
Перечисленные выше посредники переноса двух электронов могут включать неорганическую соль непереходного металла в качестве загрязнения. Неорганическая соль непереходного металла, как правило, представляет собой соль щелочного металла или щелочноземельного металла и сульфатного иона, [SO]. Например, (E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислота может содержать неорганическую соль непереходного металла в качестве загрязнения с массовым процентным содержанием по отношению к посреднику от 1% (масс./масс.) до 50% (масс./масс.), таким как от 3% (масс./масс.) до 30% (масс./масс.), от 4% (масс./масс.) до 25% (масс./масс.) и от 5% (масс./масс.) до 21% (масс./масс.).
2
2
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 1,70 до приблизительно 4,76 нмоль посредника на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от приблизительно 2,30 до приблизительно 5,14 нмоль/мм посредника и более предпочтительно содержит от приблизительно 2,80 до приблизительно 4,00 нмоль/мм посредника. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 12 до приблизительно 40 нмоль посредника на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от приблизительно 16 до приблизительно 36 нмоль/мкл посредника и более предпочтительно содержит от приблизительно 20 до приблизительно 28 нмоль/мкл посредника. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 12 до приблизительно 100 нмоль посредника на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от приблизительно 16 до приблизительно 90 нмоль/мм посредника и более предпочтительно содержит от приблизительно 20 до приблизительно 70 нмоль/мм посредника. Композиция реагента предпочтительно содержит не более 4,76 нмоль посредника на мм площади поверхности композиции реагента, не более 40 нмоль посредника на мкл объема резервуара или не более 100 нмоль посредника на мм площади рабочего электрода.
Композиция реагента также содержит по существу водорастворимую ферментативную систему. Предпочтительные ферменты для использования в ферментативной системе композиции реагента включают алкогольдегидрогеназу, лактатдегидрогеназу, β-гидроксибутиратдегидрогеназу, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу, глюкозодегидрогеназу, формальдегиддегидрогеназу, малатдегидрогеназу и 3-гидроксистероиддегидрогеназу. Предпочтительные ферментативные системы не зависят от кислорода, таким образом, по существу не окисляются кислородом.
+
+
Одним таким не зависящим от кислорода семейством ферментов является глюкозодегидрогеназа (GDH). Используя различные коферменты или кофакторы, GDH можно опосредовать отличающимся образом с помощью различных посредников. В зависимости от их связывания с GDH, кофактор, такой как флавинадениндинуклеотид (FAD), может надежно удерживаться главным ферментом, например, в случае FAD-GDH; или кофактор, такой как пирролохинолинхинон (PQQ), может ковалентно связываться с главным ферментом, например, в случае PQQ-GDH. Кофактор в каждой из этих ферментативных систем может или перманентно удерживаться главным ферментом или коферментом, и апофермент может восстанавливаться перед добавлением ферментативной системы к текучему веществу реагента. Кофермент также можно независимо добавлять к молекуле главного фермента в текучем веществе реагента, чтобы содействовать каталитической функции главного фермента, например, в случае использования никотинамидадениндинуклеотида NAD/NADH или никотинамидадениндинуклеотидфосфата NADP/NADPH.
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,3 единиц активности (Ед, как указано производителем) ферментативной системы на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,09 до приблизительно 0,25 Ед/мм ферментативной системы и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,2 Ед/мм ферментативной системы. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,8 Ед ферментативной системы на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,6 до приблизительно 1,6 Ед/мкл ферментативной системы и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,8 до приблизительно 1,4 Ед/мкл ферментативной системы. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,5 до приблизительно 5 Ед ферментативной системы на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,6 до приблизительно 4 Ед/мм ферментативной системы и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,8 до приблизительно 3,5 Ед/мм ферментативной системы.
Композиция реагента предпочтительно содержит неионное поверхностно-активное средство. Поверхностно-активное средство может представлять собой любое неионное поверхностно-активное средство, которое способствует формированию коллоидной суспензии с желаемой вязкостью и стабильностью и которое совместимо со способом нанесения и анализом. Примеры неионных поверхностно-активных средств включают поверхностно-активные средства на сахаридной основе, такие как N-гептаноил-N-метилглюкамин, N-октаноил-N-метилглюкамин, N-наноил-N-метилглюкамин, N-деканоил-N-метилглюкамин, октил β-D-глюкопиранозид, гексил β-D-глюкопиранозид и n-гептил β-D-глюкопиранозид. В настоящее время предпочтительны поверхностно-активные средства на сахаридной основе, такие как N-октаноил-N-метил-D-глюкамин (продается под названием MEGA 8 и доступен в компании DOJINDO, Gaithersburg, MD). Это поверхностно-активное средство содержит, например, приблизительно восемь оксиэтиленовых звеньев на молекулу. Другими предпочтительными поверхностно-активными средствами являются нейтральные поверхностно-активные средства на основе этоксилата, такие как поверхностно-активные средства ПЭГ-30 тетраметил дециндиол (например, SURFYNOL 485, который доступен в компании Air Products, Allentown, PA). Предпочтительны поверхностно-активные средства, которые повышают скорость заполнения сенсора образцом и/или способствуют стабилизации ферментативной системы.
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,04 до приблизительно 0,24 мкг неионного поверхностно-активного средства на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,21 мкг/мм неионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,09 до приблизительно 0,18 мкг/мм неионного поверхностно-активного средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,3 до приблизительно 1,7 мкг неионного поверхностно-активного средства на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5 мкг/мкл неионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,6 до приблизительно 1,3 мкг/мкл неионного поверхностно-активного средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,3 до приблизительно 4,3 мкг неионного поверхностно-активного средства на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от приблизительно 0,5 до приблизительно 3,8 мкг/мм неионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от приблизительно 0,6 до приблизительно 3,2 мкг/мм неионного поверхностно-активного средства.
Композиция реагента опционально содержит анионное поверхностно-активное средство. Поверхностно-активное средство может представлять собой любое анионное поверхностно-активное средство, которое способствует образованию четко очерченного периметра композиции реагента и которое совместимо со способом нанесения и анализом. Примеры анионных поверхностно-активных средств включают сложные фосфатные эфиры, такие как алкилфенолэтоксилатфосфаты; сульфаты, такие как алкилфенолэтоксилатсульфаты; и сульфонаты, такие как алкил- и гетероалкилсульфонаты. Конкретные примеры анионных поверхностно-активных средств включают нонилфенолэтоксилатфосфаты Phospholan CS131 и Phospholan CS141, нонилфенолэтоксилатсульфат натрия (Witcolate D-51-53), метилкокоилтаурат натрия (Geropon TC-42) и диоктилсульфосукцинат натрия.
2
2
2
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 3 до 16 нанограмм (нг) анионного поверхностно-активного средства на мм площади поверхности композиции реагента, более предпочтительно содержит от 4 до 12 нг/мм анионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от 5,5 до 9 нг/мм анионного поверхностно-активного средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 20 до 140 нг анионного поверхностно-активного средства на мкл объема резервуара, более предпочтительно содержит от 30 до 80 нг/мкл анионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от 35 до 60 нг/мкл анионного поверхностно-активного средства. Композиция реагента предпочтительно содержит от приблизительно 10 до 350 нг анионного поверхностно-активного средства на мм площади рабочего электрода, более предпочтительно содержит от 30 до 220 нг/мм анионного поверхностно-активного средства и более предпочтительно содержит от 40 до 150 нг/мм анионного поверхностно-активного средства.
2
2
2
Композиция реагента предпочтительно представляет собой композицию реагента с низкой общей концентрацией соли, которая имеет более низкую концентрацию буферной соли и/или более низкую концентрацию других солей, чем стандартная композиция реагента. Предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 9,54 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента и не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 6,43 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента и не более 10% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 4,77 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента и не более 5% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике.
Предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 67 нмоль буферной соли на мкл объема резервуара и не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 45 нмоль буферной соли на мкл объема резервуара и не более 10% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 34 нмоль буферной соли на мкл объема резервуара и не более 5% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике.
2
2
2
Предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 167 нмоль буферной соли на мм площади рабочего электрода и не более 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 113 нмоль буферной соли на мм площади рабочего электрода и не более 10% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике. Более предпочтительно композиция реагента с низкой общей концентрацией соли содержит не более 84 нмоль буферной соли на мм площади рабочего электрода и не более 5% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла в посреднике.
2
2
2
Примеры композиций реагентов перечислены ниже в таблице 1. Эти композиции размещают на рабочем электроде и противоэлектроде тестовых сенсоров, где рабочий электрод имеет средний диаметр от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,5 мм и отношение диаметра противоэлектрода к диаметру рабочего электрода составляет по меньшей мере 1,2. Объем резервуара тестовых сенсоров составляет приблизительно 0,5 мкл. Средний диаметр каждой композиции реагентов составляет приблизительно 2,1 мм, обеспечивая среднюю площадь поверхности композиции реагента приблизительно 3,5 мм.
Таблица 1
Композиции реагентов
A
B
C
D
E
Посредник<sup>1</sup>
14 нмоль*
14 нмоль*
14 нмоль**
14 нмоль**
14 нмоль**
Фермент FAD-GDH
0,67 Ед
0,67 Ед
0,67 Ед
0,67 Ед
0,67 Ед
Связующее средство HEC (300к)
0,83 мкг
0,83 мкг
0,83 мкг
0,83 мкг
0,83 мкг
Буферная соль Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>
33,4 нмоль
16,7 нмоль
33,4 нмоль
25,1 нмоль
16,7 нмоль
Поверхностно-активное средство MEGA-8
0,64 мкг
0,64 мкг
0,64 мкг
0,64 мкг
0,64 мкг
<sup>1</sup>(E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислота*Содержит 5% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла**Содержит 20,6% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла
2
2
Композиции реагентов A и B, перечисленные в таблице 1, представляют собой композиции реагентов с низкой общей концентрацией соли. Композиции A и B содержат не более 9,64 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента и посредник в этих композициях содержит менее чем 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла. В отличие от этого композиции реагентов C, D и E, перечисленные в таблице 1, не являются композициями реагентов с низкой общей концентрацией соли. Несмотря на то что композиции C, D и E содержат не более 9,64 нмоль буферной соли на мм площади поверхности композиции реагента, посредник в этих композициях содержит более чем 20% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла.
2
2
2
2
Примеры композиций реагентов с низкой общей концентрацией соли перечислены ниже в таблице 2. Эти композиции размещают на рабочем электроде и противоэлектроде тестовых сенсоров, где рабочий электрод имеет средний диаметр от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,5 мм и отношение диаметра противоэлектрода к диаметру рабочего электрода составляет по меньшей мере 1,2. Объем резервуара тестовых сенсоров составляет приблизительно 0,5 мкл. Средний диаметр каждой композиции реагентов F и G составляет приблизительно 2,3 мм, обеспечивая среднюю площадь поверхности композиции реагента приблизительно 4,2 мм. Средний диаметр каждой композиции реагентов H-K составляет приблизительно 2,1 мм, обеспечивая среднюю площадь поверхности композиции реагента приблизительно 3,5 мм.
Таблица 2
Композиции реагентов с низкой общей концентрацией соли
F
G
H
J
K
Посредник<sup>1</sup>
20 нмоль
20 нмоль
18 нмоль
18нмоль
16 нмоль
Фермент FAD-GDH
0,85 Ед
0,85Ед
0,4Ед
0,4Ед
0,4Ед
Связующее средство HEC (300к)
1,28 мкг
1,28 мкг
0,4мкг
0,4мкг
0,4мкг
Связующее средство HEC (90к)
-
-
0,726 мкг
0,726мкг
0,726 мкг
Буферная соль Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>
25,5 нмоль
25,5 нмоль
22,5 нмоль
22,5нмоль
22,5 нмоль
Поверхностно-активное средство MEGA-8
0,5 мкг
0,5мкг
0,45 мкг
0,45мкг
0,45 мкг
Ионное поверхностно-активное средство
-
Geropon<sup>2</sup>0,07 мкг
Geropon<sup>2</sup>0,02 мкг
Phospholan<sup>3</sup>0,043мкг
Geropon<sup>2</sup>0,02 мкг
<sup>1</sup>(E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислота, содержащая 4% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла
<sup>2</sup>Geropon TC-42 (метилкокоилтаурат натрия)
<sup>3</sup>Phospholan CS131 (нонилфенолэтоксилатфосфат)
Композиции реагентов, перечисленные выше в таблице 1, формируют посредством нанесения и высушивания нанесенного объема 0,35 мкл текучего вещества реагента. Текучие вещества реагентов A'-E', использованные для формирования композиций реагентов, перечисленных в таблице 1, перечислены ниже в таблице 3.
Таблица 3
Текучие вещества реагентов для композиций реагентов
A'
B'
C'
D'
E'
Посредник<sup>1</sup>
40мМ*
40мМ*
40 мМ**
40 мМ**
40 мМ**
Фермент FAD-GDH
2 Ед/мкл
2 Ед/мкл
2 Ед/мкл
2 Ед/мкл
2 Ед/мкл
Связующее средство HEC (300к) (масс./масс.)
0,25%
0,25%
0,25%
0,25%
0,25%
Буферная соль Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>
100 мМ
50 мМ
100 мМ
75 мМ
50 мМ
Поверхностно-активное средство MEGA-8 (масс./масс.)
0,2%
0,2%
0,2%
0,2%
0,2%
<sup>1</sup>(E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислота*Содержит 5% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла**Содержит 20,6% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла
Композиции реагентов F и G, перечисленные выше в таблице 2, формируют посредством нанесения и высушивания нанесенных объемов 0,34 мкл текучего вещества реагента. Композиции реагентов H-K, перечисленные выше в таблице 2, формируют посредством нанесения и высушивания нанесенных объемов 0,2 мкл текучего вещества реагента. Текучие вещества реагентов, использованные для формирования композиций реагентов, перечисленных в таблице 1, перечислены ниже в таблице 4.
Таблица 4
Текучие вещества реагентов для композиций реагентов
F'
G'
H'
J'
K'
Посредник<sup>1</sup>
65 мМ
60 мМ
90 мМ
90 мМ
80 мМ
Фермент FAD-GDH
2,5 Ед/мкл
2,5 Ед/мкл
3,75 Ед/мкл
3,75 Ед/мкл
3,75 Ед/мкл
Связующее средство HEC (300к) (масс./масс.)
0,375%
0,375%
0,375%
0,375%
0,375%
Связующее средство HEC (90к) (масс./масс.)
-
-
0,362%
0,362%
0,362%
Буферная соль Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>
75 мМ
75 мМ
112,5 мМ
112,5 мМ
112,5 мМ
Поверхностно-активное средство MEGA-8 (масс./масс.)
0,15%
0,15%
0,225%
0,225%
0,225%
Ионное поверхностно-активное средство
-
Geropon<sup>2</sup>0,02%
Geropon<sup>2</sup>0,01%
Phospholan<sup>3</sup>0,02%
Geropon<sup>2</sup>0,01%
<sup>1</sup>(E)-2-(3H-фенотиазин-3-илиденамино)бензол-1,4-дисульфокислота, содержащая 4% (масс./масс.) неорганической соли непереходного металла
<sup>2</sup>Geropon TC-42 (метилкокоилтаурат натрия)
<sup>3</sup>Phospholan CS131 (нонилфенолэтоксилатфосфат)
Предпочтительное текучее вещество реагента можно предоставить посредством объединения связующего средства, буферной соли, посредника, поверхностно-активного средства и ферментативной системы. Также можно предоставить предпочтительные текучие вещества реагентов, которые не содержат посредник и/или ферментативную систему. Затем можно добавить воду для формирования смеси, обладающей желаемой стабильностью. Текучее вещество реагента может содержать меньше ингредиентов или дополнительные ингредиенты.
Текучее вещество реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,1 до приблизительно 1% (масс./масс.) связующего средства, более предпочтительно от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,8% (масс./масс.). В настоящее время особенно предпочтительно, чтобы текучее вещество реагента содержало от приблизительно 0,3 до приблизительно 0,6% (масс./масс.) связующего средства. Если необязательные пористые частицы присутствуют в текучем веществе реагента, то отношение между суспензией пористых частиц и полимерным материалом поддерживают приблизительно равным 1:10 (масс./масс.). Чтобы обеспечить различные вязкости текучего вещества реагента, можно использовать другие отношения. Примеры пористых частиц для текучих веществ реагентов раскрыты, например, в публикации заявки на патент США 2009/0178936.
Текучее вещество реагента предпочтительно содержит буферную соль для поддержания pH смеси приблизительно равным от 4,5 до приблизительно 7,5, более предпочтительно приблизительно равным от 6 до приблизительно 7. Для поддержания активности фермента можно выбрать предпочтительный pH и буфер или буферы для текучего вещества реагента. Концентрация буферной соли, введенной в текучее вещество реагента, может находиться в диапазоне от приблизительно 30 до приблизительно 115 миллимоль/л (мМ). Предпочтительно концентрация буферной соли, введенной в текучее вещество реагента, составляет от приблизительно 40 до приблизительно 100 мМ, более предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 75 мМ, более предпочтительно от приблизительно 30 до приблизительно 60 мМ и более предпочтительно составляет не более 50 мМ. Можно использовать буферные растворы, имеющие другие концентрации.
Текучее вещество реагента может содержать по существу водорастворимый посредник для переноса одного или двух электронов. Концентрация посредника в текучем веществе реагента может находиться в диапазоне от приблизительно 25 до приблизительно 90 мМ. Предпочтительно концентрация буферной соли, введенной в текучее вещество реагента, составляет от приблизительно 30 до приблизительно 60 мМ и более предпочтительно от приблизительно 35 до приблизительно 40 мМ. Предпочтительно количество неорганической соли непереходного металла составляет не более 20% (масс./масс.) в посреднике. Более предпочтительно количество неорганической соли непереходного металла составляет не более 15% (масс./масс.), не более 10% (масс./масс.), не более 5% (масс./масс.) в посреднике и не более 4% (масс./масс.) в посреднике.
Текучее вещество реагента также может содержать по существу водорастворимую ферментативную систему, содержащую количество единиц активности в диапазоне, как определено производителем, от приблизительно 1 единицы активности на микролитр (мкл) текучего вещества реагента до приблизительно 4 единиц активности на мкл текучего вещества реагента, более предпочтительно от приблизительно 1,5 единиц активности на мкл текучего вещества реагента до приблизительно 2 единиц активности на мкл текучего вещества реагента. Поскольку масса твердого фермента, необходимая для обеспечения конкретного числа единиц активности, может по существу меняться за счет партии состава и производителя, количество единиц активности, предоставленное производителем для удельной массы текучего вещества сухого фермента предпочтительно используют для определения добавляемого количества.
Текучее вещество реагента предпочтительно содержит от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,7% (масс./масс.) неионного поверхностно-активного средства, более предпочтительно от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,5% (масс./масс.). В настоящее время особенно предпочтительным является содержание поверхностно-активного средства от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,3% (масс./масс.). Поверхностно-активное средство может представлять собой любое поверхностно-активное средство, которое способствует формированию коллоидной суспензии с желаемой вязкостью и стабильностью и которое совместимо со способом нанесения и анализом. Текучее вещество реагента опционально содержит от приблизительно 0,005 до приблизительно 0,03% (масс./масс.) анионного поверхностно-активного средства, более предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,02% (масс./масс.).
На фиг. 3 представлен электрохимический аналитический способ 300 для определения присутствия и/или концентрации анализируемого вещества в образце, контактирующем с композицией реагента с низкой общей концентрацией соли. На стадии 310 образец вводят в биосенсор, содержащий композицию реагента с низкой общей концентрацией соли. На стадии 320 биосенсорная система генерирует выходной сигнал в ответ на обнаружимые с помощью света частицы или окислительно-восстановительную реакцию анализируемого вещества в образце биологической жидкости. На стадии 330 биосенсорная система измеряет выходной сигнал. На стадии 340 определяют по меньшей мере одно значение ΔS, чувствительное к по меньшей мере одному параметру ошибок. На стадии 350 определяют концентрацию анализируемого вещества по уравнению компенсации, содержащему по меньшей мере одну эталонную зависимость и по меньшей мере одно значение ΔS. На стадии 360 концентрацию можно отобразить, сохранить или т.п.
На стадии 310 образец вводят в сенсорную часть биосенсора, такого как тестовый сенсор. Тестовый сенсор содержит по меньшей мере один рабочий электрод и по меньшей мере один противоэлектрод. Электроды могут содержать одну или несколько композиций реагентов, где по меньшей мере одна композиция реагента представляет собой текучее вещество реагента с низкой общей концентрацией соли. Для облегчения работы электродов на рабочем электроде и противоэлектроде можно использовать одну и ту же композицию реагента или можно использовать различные композиции реагентов. Например, композиция реагента на рабочем электроде, например, ферментативная система и посредник, может облегчать протекание реакции анализируемого вещества, тогда как композиция реагента на противоэлектроде, например восстанавливаемые частицы, может облегчать свободный ток электронов между образцом и поверхностью электрода.
Часть анализируемого вещества, присутствующего в образце, химически или биохимические окисляется или восстанавливается, например, посредством оксидоредуктазы. Это происходит, когда образец гидратирует реагенты в композиции реагента с низкой общей концентрацией соли. При окислении или восстановлении электроны опционально могут переноситься между анализируемым веществом и посредником. Таким образом, образуются ионизированные поддающиеся измерению частицы, например, из анализируемого вещества или посредника.
На стадии 320 биосенсорная система генерирует выходной сигнал в ответ на окислительно-восстановительную реакцию анализируемого вещества в образце биологической жидкости. Выходной сигнал можно генерировать с использованием электрохимической сенсорной системы. Поддающиеся измерению вещества, которые могут представлять собой заряженное анализируемое вещество или заряженный посредник, электрохимически возбуждаются (окисляются или восстанавливаются) входным сигналом. Входные сигналы могут представлять собой электрические сигналы, такие как ток или потенциал, которые подают импульсами или включают и выключают в заданной последовательности. Входной сигнал представляет собой последовательность возбуждающих импульсов, разделенных затуханиями. Во время амперометрического импульса электрический потенциал, приложенный во время возбуждения, предпочтительно прикладывают при по существу постоянном напряжении и полярности на всем протяжении его длительности. Это явно отличается от некоторых стандартных возбуждений, где напряжение меняется или «колеблется» вследствие множественных потенциалов и/или полярностей во время регистрации данных.
Входные сигналы могут иметь один или несколько периодов повторения импульсов. Период повторения импульсов является суммой импульса и затухания, составляющих рабочий цикл. Каждый импульс имеет амплитуду и длительность. Амплитуда показывает интенсивность потенциала, тока или т.п. электрического сигнала. Амплитуда может меняться или быть по существу постоянной, например, во время амперометрии, во время импульса. Длительность импульса представляет собой длительность импульса во времени. Длительности импульса во входном сигнале могут менять или быть по существу одинаковыми. Каждое затухание имеет длительность затухания, которая представляет собой длительность затухания во времени. Длительности затухания во входном сигнале могут меняться или быть по существу одинаковыми.
Корректируя длительность возбуждения и затухания в рабочих циклах, стробированные входные сигналы могут повышать правильность и/или точность анализа. Предпочтительные входные сигналы включают по меньшей мере 2, 3, 4 или 8 рабочих циклов, выполненных в течение менее чем 2, 3 или 5 секунд. Более предпочтительно по меньшей мере 2 рабочих цикла выполняют в течение 3 секунд. Предпочтительно длительность каждого возбуждающего импульса независимо выбрана из интервала от 0,1 до 2 секунд и более предпочтительно из интервала от 0,2 до 1 секунды. В настоящее время особенно предпочтительные длительности импульсов входного сигнала независимо выбраны из интервала от 0,3 до 0,8 секунд. Предпочтительные периоды повторения импульсов находятся в диапазоне менее чем 3, 2,5 или 1,5 секунды. В настоящее время входные сигналы, обладающие длительностями импульса от 0,3 до 0,5 секунды и периодами повторения импульсов от 0,7 до 2 секунд, являются особенно предпочтительными. Входной сигнал может иметь другие длительности импульса и интервалы.
Биосенсор может генерировать выходной сигнал в ответ на поддающиеся измерению вещества и входной сигнал. Выходной сигнал, такой как одно или несколько токовых значений, можно измерять непрерывно или периодически и можно регистрировать в качестве функции времени. Подходящие выходные сигналы могут включать те сигналы, которые достигают стационарного состояния, и те сигналы, которые являются неустановившимися. Стационарные токовые значения наблюдают, когда изменение тока во времени является по существу постоянным, например в пределах ±10 или ±5%. Неустановившиеся токовые значения затухают во времени.
Предпочтительно в образце происходит затухание. Измерительное устройство может разомкнуть цепь через тестовый сенсор, таким образом, делая возможным затухание. Во время затухания ток, присутствовавший во время возбуждения, по существу снижается по меньшей мере наполовину, предпочтительно на порядок величины и более предпочтительно до нуля. Предпочтительно состояние нулевого тока обеспечивают посредством незамкнутой цепи или другого способа, известного специалистам в данной области, чтобы обеспечить по существу нулевое протекание тока. Предпочтительно выходной сигнал не регистрируют во время затухания.
Предпочтительно биосенсор продолжает подавать импульсы из входного сигнала на рабочий электрод и противоэлектрод в течение желаемого периода времени. Можно повторять рабочий цикл, включающий возбуждение и затухание, или можно применять рабочий цикл, обладающий различными длительностями импульсов и/или интервалами.
На стадии 330 биосенсорная система измеряет выходной сигнал, сгенерированный анализируемым веществом, в ответ на входной сигнал, поданный на образец, например, в окислительно-восстановительной реакции анализируемого вещества. Система может измерять выходной сигнал непрерывно или периодически. Например, биосенсорная система может измерять выходной сигнал периодически в течение каждого импульса, что приводит к множественным токовым значениям в течение каждого импульса. Система может отображать выходной сигнал на дисплее и/или может хранить выходной сигнал или части выходного сигнала в запоминающем устройстве.
На стадии 340 на фиг. 3 определяют одно или несколько значений ΔS, которые чувствительны к одному или нескольким параметрам ошибок. Значения ΔS можно определять для температуры, гематокрита и других источников.
На стадии 350 определяют концентрацию анализируемого вещества в образце по уравнению компенсации, содержащему по меньшей мере одну эталонную зависимость и по меньшей мере одно значение ΔS. Биосенсор предпочтительно анализирует токовое значение выходного сигнала посредством установления корреляции одного или нескольких токовых значений и концентрации анализируемого вещества в образце. Предпочтительно выходное токовое значение, для которого определяют корреляцию с концентрацией анализируемого вещества в образце, регистрируют от возбуждения, где исходное токовое значение превышает то значение, которое следует при затухании, и в течение менее чем приблизительно 7 секунд после введения образца в тестовый сенсор на стадии 310. Более предпочтительно выходное токовое значение, для которого устанавливают корреляцию с концентрацией анализируемого вещества в образце, получают в течение менее чем приблизительно 7 секунд после введения образца в тестовый сенсор на стадии 310, и оно представляет собой первое токовое значение, зарегистрированное от возбуждения, при этом токовые значения, которые следуют за первым токовым значением, снижаются. Еще более предпочтительно выходное токовое значение, для которого устанавливают корреляцию с концентрацией анализируемого вещества в образце, получаемое в течение менее чем приблизительно 7 секунд после введения образца в тестовый сенсор на стадии 310, представляет собой первое токовое значение, зарегистрированное от возбуждения, где токовые значения, которые следуют за первым токовым значением, снижаются, и его получают в течение максимальной кинетической эффективности тестового сенсора. Также можно анализировать дополнительный ток, время и/или другие значения. На стадии 360 значение концентрации анализируемого вещества можно отображать, сохранять для последующего обращения и/или использовать для дополнительных вычислений.
На фиг. 4 показаны выходные сигналы из тестового сенсора для образца цельной крови с концентрацией глюкозы 400 мг/дл и уровнем гематокрита 70%. Входной сигнал в тестовый сенсор представлял собой последовательность стробированных измерительным устройством амперометрических импульсов, содержащую восемь возбуждений, разделенных семью затуханиями, как описано в публикации заявки на патент США 2008/0173552. Длительность второго из восьми возбуждений составляет приблизительно 0,4 секунды, а длительность второго из семи затуханий составляет приблизительно 1 секунду. Три выходных токовых значения зарегистрировали в течение возбуждений со второго по восьмое.
Корреляцию одного или нескольких выходных токовых значений с концентрацией анализируемого вещества в образце можно получить путем построения графика выходного тока в конкретный момент времени в анализе в зависимости от известной концентрации анализируемого вещества в серии исходных растворов, содержащих анализируемое вещество. Чтобы установить корреляцию выходных токовых значений от входного сигнала с концентрацией анализируемого вещества в образце, исходное токовое значение от возбуждения предпочтительно превышает то значение, которое следует при затухании. Предпочтительно, выходное токовое значение или значения, для которых установлена корреляция с концентрацией анализируемого вещества в образце, берут из текущих данных, содержащих затухание, отражающих максимальную кинетическую эффективность тестового сенсора. Кинетика окислительно-восстановительной реакции, лежащая в основе выходных токов, подвергается влиянию многих факторов. Эти факторы могут включать скорость, с которой композиция реагента регидратируется, скорость, с которой ферментативная система реагирует с анализируемым веществом, скорость, с которой ферментативная система переносит электроны на посредник, и скорость, с которой посредник переносит электроны на электрод.
Максимальную кинетическую эффективность тестового сенсора можно достигнуть в процессе возбуждения последовательности стробированных амперометрических импульсов, когда исходное токовое значение возбуждения, содержащего значения затухающего тока, является наибольшим для нескольких возбуждений. Предпочтительно, максимальную кинетическую эффективность тестового сенсора достигают, когда последнее по времени токовое значение, полученное для возбуждения, содержащего значения затухающего тока, является наибольшим последним по времени токовым значением, полученным для нескольких возбуждений. Более предпочтительно, максимальную кинетическую эффективность тестового сенсора достигают, когда исходное токовое значение возбуждения, содержащего значения затухающего тока, является наибольшим для нескольких возбуждений, и последнее по времени токовое значение, полученное для того же возбуждения, является наибольшим последним по времени токовым значением, полученным для нескольких возбуждений.
Максимальную кинетическую эффективность можно описать параметром «пиковое время», который представляет собой момент времени, в который электрохимический тестовый сенсор получает его максимальное выходное токовое значение после контакта образца, содержащего анализируемое вещество, с тестовым сенсором. Максимальное выходное токовое значение предпочтительно используют для определения корреляции с концентрацией анализируемого вещества в образце. Предпочтительно пиковое время для тестового сенсора составляет менее чем приблизительно 7 секунд и более предпочтительно менее чем приблизительно 5 секунд после введения образца в тестовый сенсор. Предпочтительно пиковое время находится в диапазоне от приблизительно 0,4 до приблизительно 7 секунд, более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,6 до приблизительно 6,4 секунды, более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 5 секунд, более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 1,1 до приблизительно 3,5 секунды после введения образца в тестовый сенсор. На фиг. 4 максимальную кинетическую эффективность достигли при времени анализа, равном 3,5 секунды, что показано отметкой «Пиковое время», обозначающей наибольше токовое значение для всех зарегистрированных возбуждений.
На фиг. 5A и 5B представлены диаграммы пиковых времен для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов с низкой общей концентрацией соли (A и B), и для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов, которые не являются композициями с низкой общей концентрацией соли (C, D и E). На фиг. 5A, концентрация глюкозы в образцах составляла 50 мг/дл. На фиг. 5B, концентрация глюкозы в образцах составляла 100 мг/дл. Уровни гематокрита в образцах находились в диапазоне от 20% до 70%. На каждой диаграмме показано пиковое время в виде функции уровня гематокрита для композиций реагентов A-E, перечисленных выше в таблице 1. Для каждой композиции слева направо показано пиковое время для уровня гематокрита 20%, 30%, 40%, 50%, 60% и 70%.
Из результатов, представленных на фиг. 5A и 5B, следует, что более низкое содержание неорганической соли непереходного металла в посреднике и более низкая концентрация буферной соли коррелирует с более коротким пиковым временем. Этот эффект особенно был выражен для образцов с более высоким уровнем гематокрита. Таким образом, композиция реагента с низкой общей концентрацией соли может обеспечить желаемое пиковое время в биосенсорном анализе, даже когда уровень гематокрита в образце имеет относительно высокое значение.
Корреляцию одного или нескольких выходных токовых значений с концентрацией анализируемого вещества в образце можно корректировать для того, чтобы учесть ошибки в измерении. Один подход для коррекции ошибок, связанных с биосенсорным анализом, состоит в корректировании корреляции для определения концентрации анализируемого вещества в образце по выходным токовым значениям с использованием функций индексов, выделенных из промежуточных токовых значений выходных токовых значений. Функции индексов могут компенсировать корреляцию для определения концентраций анализируемого вещества по выходным токовым значениям для одной или нескольких ошибок в анализах, которые могут вести к отклонению установленных концентраций анализируемого вещества. Функции индексов соответствуют %-отклонению в корреляции между концентрациями анализируемого вещества и выходными токовыми значениями вследствие одной или нескольких ошибок в анализе.
%-отклонение в корреляции можно представить одним или несколькими значениями ΔS, полученными из одного или нескольких параметров ошибок. Значения ΔS представляют отклонения крутизны корреляции между концентрацией анализируемого вещества и выходным токовым значением, которую определяют по одному или нескольким параметрам ошибок. Функции индексов, соответствующие крутизне или изменению крутизны, можно нормализовать, для снижения статистического эффекта изменений в выходных токовых значениях, усовершенствования дифференцирования изменений выходных токовых значений, стандартизации измерения выходных токовых значений, их сочетания или тому подобного. Скорректированную корреляцию можно использовать для определения концентрации анализируемого вещества в биологических образцах по выходным токовым значениям, и она может обладать усовершенствованной правильностью и/или точностью по сравнению со стандартными биосенсорами. Исправление ошибок, используя функции индексов и значения ΔS, описано, например, в международной патентной заявке PCT/US08/85768, которая подана 6 декабря 2008 года изобретателем Huan-Ping Wu и названа «Компенсация на основе крутизны».
corr
raw
corr
raw
Таким образом, выходное токовое значение, чувствительное к концентрации глюкозы в образце, можно конвертировать в скорректированную концентрацию глюкозы в образце с использованием функции индекса, представляющей ΔS/S. Альтернативно, скорректированное значение концентрации глюкозы можно установить из нескорректированного значения концентрации глюкозы с использованием функции индекса и такого уравнения, как G=G/(1+f(Index)), где G представляет собой скорректированную концентрацию глюкозы в образце, G представляет собой установленную концентрацию анализируемого вещества в образце без компенсации, и f(Index) представляет собой функцию индекса.
3,3
3,1
3,3
3,1
4/3
4,3
3,3
4,3
p
q
Функции индексов могут содержать отношения, выделенные из выходного сигнала, такого как выходной сигнал, изображенный на фиг. 4. Например, значения выходного сигнала можно сравнивать в пределах одного цикла затухания импульсного сигнала, такого как отношение R3=i/i, где i обозначает третье токовое значение, зарегистрированное для затухания третьего сигнала, а i обозначает первое токовое значение, зарегистрированное для затухания третьего сигнала. В другом примере значения выходного сигнала можно сравнивать между отдельными циклами затухания импульсного сигнала, такими как отношение R=i/i, где i обозначает третье токовое значение, зарегистрированное для затухания четвертого сигнала. Функции индексов могут содержать сочетания отношений, выделенных из выходного сигнала. В одном примере функция индекса может содержать простое отношение отношений, таких как Ratio3/2=R3/R2. В другом примере функция индекса может содержать более сложное сочетание более простых функций индексов. Например, функцию индекса Index-1 можно представить в виде Index-1=R4/3-Ratio3/2. В другом примере функцию индекса Index-2 можно представить как Index-2 =(R4/3)-(Ratio3/2), где p и q независимо представляют собой положительные числа.
Предпочтительно функции индексов корректируют ошибки, связанные с изменениями уровня гематокрита. Вычисление такой функции индекса можно облегчить посредством использования тестового сенсора, который создает выходной сигнал, который меняется в зависимости от уровня гематокрита. К удивлению, тестовый сенсор, содержащий композицию реагента с низкой общей концентрацией соли, может обеспечить такой выходной сигнал.
total
На фиг. 6A-6E изображены графики корреляции ΔS в виде функции индекса простого отношения R4/3. Данные для этих корреляций взяты из выходных токовых сигналов для глюкозы из образцов капиллярной крови при температуре 21,8°C. В качестве композиций реагентов тестовых сенсоров, показанных на фиг. 6A-6E, использовали композиции A-E из таблицы 1 соответственно. Тестовые сенсоры, содержащие композиции реагента с низкой общей концентрацией соли B, показали наилучшее разделение значений при различных уровнях гематокрита.
2
2
total
В таблице 5 перечислены значения R для различных функций индексов отношений для данных, использованных для создания графиков на фиг. 6A-6E, и для аналогичных данных, собранных при температуре 17,8°C. Значения R отражают полную корреляцию между ΔS и индексом в соответствии с уровнем гематокрита.
Таблица 5
Значения R<sup>2</sup> для корреляций ΔS<sub>total</sub> и функций индексов отношения
Температура
Композиция реагента
Значения R<sup>2</sup>
R3/2 (3,5 с)
R4/3(5 с)
R5/4 (6,4 с)
R6/7 (7,8 с)
R7/6 (9,2 с)
21,8°C
A
0,001013
0,104764
0,565351
0,760619
0,750959
B
0,516962
0,599775
0,505758
0,438291
0,31835
C
0,091352
0,118496
0,302064
0,408586
0,524337
D
0,000134
0,038426
0,218307
0,493913
0,548401
E
0,000457
0,045204
0,382858
0,565626
0,637481
17,8°C
A
0,046511
0,033404
0,201073
0,57258
0,712873
B
0,347457
0,561101
0,594296
0,501804
0,529152
C
0,145856
0,040137
0,148183
0,363599
0,556556
D
0,002571
0,000171
0,089739
0,291356
0,501046
E
0,003322
0,018583
0,29426
0,566881
0,588227
* Композиции из таблицы 1
2
2
2
2
При выходном времени 5 секунд или менее при температуре 21,8°C тестовые сенсоры, содержащие композицию реагента с низкой общей концентрацией соли (композиция B), обеспечивали корреляции, обладающие значительно улучшенными значениями R, чем те значения R, которые обеспечивали другие тестовые сенсоры. При выходном времени 6,4 секунды или более при температуре 21,8°C тестовые сенсоры, содержащие композицию реагента с низкой общей концентрацией соли (композиция A), обеспечивали корреляции, обладающие значительно улучшенными значениями R, чем те значения R, которые обеспечивали другие тестовые сенсоры.
2
2
2
2
Для выходного времени 6,4 секунды или менее при температуре 17,8°C тестовые сенсоры, содержащие композицию реагента с низкой общей концентрацией соли (композиция B), обеспечивали корреляции, обладающие значительно улучшенными значениями R, чем те значения R, которые обеспечивали другие тестовые сенсоры. Для выходного времени 7,8 секунды или более при температуре 17,8°C тестовые сенсоры, содержащие композицию реагента с низкой общей концентрацией соли (композиция A), обеспечивали корреляции, обладающие значительно улучшенными значениями R, чем те значения R, которые обеспечивали другие тестовые сенсоры. Таким образом, при более низких температурах анализа тестовый сенсор, содержащий композицию реагента с низкой общей концентрацией соли, может обеспечить более точную корреляцию при более коротком времени анализа, чем тестовый сенсор, содержащий композицию реагента, которая не представляет собой композицию с низкой общей концентрацией соли.
total
общ
2
Функции индексов с графиков на фиг. 6A-6E использовали для составления уравнения корреляции для коррекции отклонения биосенсорного анализа для образцов, обладающих различными уровнями гематокрита. Использование одной или нескольких функций индексов, связанных с ΔS, позволяет уменьшить разброс отклонений, который определяют как стандартное отклонение совокупности отклонения/%-отклонения. Корреляция между ΔS (ΔS) и одной или несколькими функциями индексов непосредственно влияет на уменьшение стандартного отклонения (SD) совокупности отклонений. Следовательно, чем выше значение R, тем существеннее уменьшение значения SD и, таким образом, меньше разброс отклонений. Эту экспериментальную зависимость наблюдали в таблице 6, где %-совокупность набора данных, находящихся в пределах отклонения ±10/±10% до и после компенсации, перечислена для композиций реагентов, перечисленных в таблице 1. % ±10% значительно выше для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагента с низкой общей концентрацией соли, как до, так и после применения уравнения компенсации к результатам.
Таблица 6
Правильность корреляции выходного сигнала и концентрации анализируемого вещества
Композиция реагента
% ±10%
Корреляция до компенсации
Корреляция после компенсации
A
78%
78%
B
86%
99%
C
81%
81%
D
81%
81%
E
80%
80%
* Композиции из таблицы 1
Композиция реагента с низкой концентрацией соли обеспечивает существенное усовершенствование, поскольку меньшее количество анализов будет выходить за пределы границ точности ±10/+10%. Снизив количество анализов, выходящих за пределы границ, пациент может использовать больше полученных считываний для правильной терапии. Также можно уменьшить необходимость того, чтобы пациент отбрасывал и повторял анализ.
2
2
2
2
2
2
2
2
На фиг. 7 изображены графики значений R при температуре 21,8°C в виде функции от времени анализа для тестовых сенсоров, содержащих композиции реагентов A-E, перечисленные в таблице 1. Время анализа 3,5 секунды, 5 секунд, 6,5 секунды, 7,8 секунды и 9,2 секунды соответствует функциям индексов отношения R3/2, R4/3, R5/4, R6/7 и R7/6 соответственно. Таким образом, на фиг. 7 в графической форме представлены результаты, приведенные в первой половине таблицы 5. Для двух наиболее коротких времен анализа (3,5 и 5 секунд) композиция реагента с низкой общей концентрацией соли B обеспечивала значения R, равные по меньшей мере 0,5, тогда как другие композиции реагентов обеспечивали значения R только 0,12 или менее. Для времени анализа, равного 6,5 секунды, обе композиции реагентов с низкой общей концентрацией соли A и B обеспечивали значение R, равное по меньшей мере 0,5, тогда как другие композиции реагентов обеспечивали значение R, равное только 0,2-0,4. Для времени анализа, превышающего 7 секунд, композиция реагента с низкой общей концентрацией соли A обеспечивала значения R, равные по меньшей мере 0,5; однако композиция реагента с низкой общей концентрацией соли B обеспечивала значения R ниже 0,5. Для времен анализа, равных 7,8 и 9,2 секунды, значения R, обеспеченные композициями реагентов C-E, отражали обратную корреляцию с концентрацией буферной соли.
2
Как показано на графике фиг. 7, композиция реагента с низкой общей концентрацией соли может предоставить значения R, равное по меньшей мере 0,5, для функций индексов, соответствующих времени анализа не более 6,5 секунды. Таким образом, композиции реагента с низкой общей концентрацией соли могут обеспечить правильный анализ анализируемого вещества в образце за более короткое время анализа, чем то время анализа, которое обеспечивают стандартные композиции реагентов.
2
2
На фиг. 8 представлен график индексов R5/4 при температуре 16°C в виде функции от уровня гематокрита для композиций реагентов с низкой общей концентрацией соли F и G, перечисленных в таблице 2. Эти композиции аналогичны за исключением того, что композиция G содержит как неионное поверхностно-активное средство, так и анионное поверхностно-активное средство, тогда как композиция F содержит только неионное поверхностно-активное средство. Значение R для результатов, обеспеченных композицией G, составило 0,82, тогда как значение R для результатов, обеспеченных композицией F, составило только 0,32. Таким образом, присутствие небольшого количества анионного поверхностно-активного средства обеспечило для этой системы значительное усовершенствование функции индекса R5/4.
2
На рабочем электроде тестового сенсора размещали композицию реагента B различной толщины. В таблице 7 перечислены концентрации посредника на каждом из четырех различных типов рабочего электрода. Поскольку для каждого электрода использовали одну и ту же композицию реагента с низкой концентрацией соли, более низкая концентрация связана с меньшей толщиной композиции реагента на электроде. В каждой композиции реагента концентрация фермента составляет от 1,21 до 1,50 единиц на квадратный миллиметр (Ед/мм). Также в таблице 7 указана %-совокупность набора данных в пределах отклонения ±10/±10% для анализов, которые проводили при различных температурах. Рабочий электрод с самым тонким слоем композиции реагента с низкой концентрацией соли имел самый высокий процент измерений в пределах отклонения ±10/±10%. Это усовершенствование особенно заметно при более низких температурах, таких как 11°C.
Таблица 7
Точность корреляции для реагента с низкой концентрацией соли при различной толщине слоя
Плотность посредника на рабочем электроде (мкг/мм<sup>2</sup>)
% ±10%
11°C
15°C
23°C
1,503
94%
99%
98%
1,340
94%
96%
96%
1,290
96%
95%
100%
1,130
99%
98%
100%
На фиг. 9 изображено схематическое представление биосенсора 900, который определяет концентрацию анализируемого вещества в образце биологической жидкости с использованием стробированного амперометрического входного сигнала. Биосенсор 900 содержит измерительное устройство 902 и тестовый сенсор 904, которые можно реализовать в любом аналитическом приборе, включая настольное устройство, портативное или ручное устройство или тому подобное. Биосенсор 900 можно использовать для определения концентрации анализируемого вещества, включая концентрацию глюкозы, мочевой кислоты, лактата, холестерина, билирубина и т.п. Несмотря на то что представлена конкретная конфигурация, биосенсор 900 может иметь другие конфигурации, включая те, которые содержат дополнительные компоненты.
Тестовый сенсор 904 имеет основание 906, образующее резервуар 908 и канал 910 с отверстием 912. Резервуар 908 и канал 910 можно закрыть крышкой с отверстием. Резервуар 908 определяет частично закрытый объем. Резервуар 908 может содержать композицию, которая способствует удержанию жидкого образца, такого как водонабухающие полимеры или пористые полимерные матрицы. Реагенты можно размещать в резервуаре 908 и/или в канале 910. Композиция реагента на рабочем электроде 907 содержит композицию реагента с низкой общей концентрацией соли и может содержать одну или несколько ферментативных систем, посредник и подобные частицы. Противоэлектрод 905 можно сформировать, используя ту же самую или отличающуюся композицию реагента, предпочтительно композицию, в которой отсутствует ферментативная система. Тестовый сенсор 904 также может иметь интерфейс образца 914, расположенный смежно с резервуаром 908. Интерфейс образца 914 может частично или полностью окружать резервуар 908. Тестовый сенсор 904 может иметь другие конфигурации.
Интерфейс образца 914 имеет проводники 909, соединенные с рабочим электродом 907 и противоэлектродом 905. Электроды могут находиться по существу в одной плоскости или более чем в одной плоскости. Электроды 907, 905 можно разместить на поверхности основания 906, которое образует резервуар 908. Электроды 907, 905 могут проходить или выступать внутрь резервуара 908. Диэлектрический слой может частично покрывать проводники 909 и/или электроды 907, 905. Интерфейс образца 914 может содержать другие электроды и проводники.
Измерительное устройство 902 содержит электрическую схему 916, соединенную с интерфейсом сенсора 918 и дисплеем 920. Электрическая схема 916 содержит процессор 922, соединенный с генератором сигнала 924, опциональный температурный датчик 926 и носитель данных 928.
Генератор сигнала 924 подает электрический входной сигнал на интерфейс сенсора 918 под действием процессора 922. Электрический входной сигнал можно передавать через интерфейс сенсора 918 на интерфейс образца 914, чтобы приложить электрический входной сигнал к образцу биологической жидкости. Электрический входной сигнал может представлять собой потенциал или ток, и его можно прикладывать в виде нескольких импульсов, последовательностей или циклов. Также в качестве генератора-регистратора генератор сигнала 924 может регистрировать выходной сигнал интерфейса сенсора.
Опциональный температурный датчик 926 определяет температуру образца в резервуаре тестового сенсора 904. Температуру образца можно измерить, вычислить по выходному сигналу или исходить из допущения о том, что она равна или близка к измерению температуры окружающей среды или температуры устройства, в котором реализована биосенсорная система. Температуру можно измерить, используя термистор, термометр или другое устройство, чувствительное к температуре. Для определения температуры образца можно использовать другие способы.
Носитель данных 928 может представлять собой магнитную, оптическую или полупроводниковую память, другое устройство хранения или тому подобное. Носитель данных 928 может представлять собой фиксированное запоминающее устройство, съемное запоминающее устройство, такое как карта памяти, находиться в удаленном доступе или тому подобное.
Процессор 922 выполняет анализ анализируемого вещества и обработку данных, используя машиночитаемый код программного обеспечения и данные, хранимые на носителе данных 928. Процессор 922 может начинать анализ анализируемого вещества в ответ на присутствие тестового сенсора 904 в интерфейсе сенсора 918, нанесения образца на тестовый сенсор 904, в ответ на пользовательский ввод или тому подобное. Процессор 922 управляет генератором сигнала 924 для подачи электрического входного сигнала в интерфейс сенсора 918. Процессор 922 может получать температуру образца от опционального температурного датчика 926. Процессор 922 получает выходной сигнал от интерфейса сенсора 918. Выходной сигнал генерируется в ответ на окислительно-восстановительную реакцию анализируемого вещества в резервуаре 908.
Процессор 922 предпочтительно измеряет выходной сигнал для получения токового значения из возбуждения, где исходное токовое значение выше того токового значения, которое следует при затухании и в течение менее чем приблизительно 3 секунд от введения образца в тестовый сенсор 904. Более предпочтительно процессор 922 измеряет выходной сигнал для получения токового значения в течение менее чем приблизительно 3 секунд от введения образца в тестовый сенсор 904 и получает первое токовое значение, зарегистрированное из возбуждения, где токовые значения, которые следуют за первым токовым значением, непрерывно снижаются. Даже более предпочтительно, процессор 922 измеряет выходной сигнал для получения токового значения в течение менее чем приблизительно 3 секунд от введения образца в тестовый сенсор 904 для получения первого токового значения, зарегистрированного из возбуждения, где токовые значения, которые следуют за первым токовым значением, непрерывно снижаются, и для получения токового значения во время максимальной кинетической эффективности тестового сенсора.
В процессор 922 устанавливают корреляцию одного или нескольких полученных токовых значений с концентрацией анализируемого вещества в образце, используя одно или несколько уравнений корреляции. Результаты анализа анализируемого вещества можно вывести на дисплей 920 и сохранить на носителе данных 928. Предпочтительно результаты анализа анализируемого вещества выводят на дисплей 920 в течение пяти секунд или менее от введения образца в тестовый сенсор, более предпочтительно результаты выводят на дисплей 920 в течение трех секунд или менее от введения образца в тестовый сенсор.
Уравнения корреляции, описывающие связь концентрации анализируемого вещества и выходных токовых значений, можно представлять графически, математически, в виде сочетания этих способов или подобным способом. Уравнения корреляции можно представить с помощью таблиц примеров программ, другой справочной таблицы или тому подобного, которая хранится на носителе данных 928. Инструкции, касающиеся выполнения анализа анализируемого вещества, можно предоставить посредством машиночитаемого кода программного обеспечения, который хранится на носителе данных 928. Код может представлять собой объектный код или любой другой код, описывающий или контролирующий функциональность, описываемую в настоящем документе. Данные анализа анализируемого вещества можно подвергнуть одной или нескольким обработкам данных, включая определение скорости затухания, констант K, отношений и т.п. в процессоре 922.
Интерфейс сенсора 918 имеет контакты, которые соединяются или электрически связаны проводниками 909 в интерфейсе образца 914 тестового сенсора 904. Интерфейс сенсора 918 передает электрический входной сигнал от генератора сигнала 924 через контакты проводникам 909 в интерфейсе образца 914. Интерфейс сенсора 918 также передает выходной сигнал из образца через контакты на процессор 922 и/или генератор сигнала 924.
Дисплей 920 может быть аналоговым или цифровым. Дисплей может представлять собой LCD, адаптированный для отображения цифровых показаний.
При использовании образец для анализа переносят внутрь резервуара 908 посредством введения образца в отверстие 912. Образец протекает через канал 910, заполняет резервуар 908 и при этом вытесняет ранее содержавшийся воздух. Образец вступает в химическую реакцию с реагентами, расположенными в канале 910 и/или резервуаре 908. Предпочтительно образец представляет собой текучее вещество, более предпочтительно жидкость.
Тестовый сенсор 902 расположен смежно с измерительным устройством 902. «Смежно» включает положения, где интерфейс образца 914 находится в электрическом соединении с интерфейсом сенсора 918. Электрическое соединение включает проводной или беспроводной перенос входного и/или выходного сигналов между контактами в интерфейсе сенсора 918 и проводниками 909 в интерфейсе образца 914.
Несмотря на то что описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области будет очевидно, что в рамках объема изобретения возможны другие варианты осуществления и воплощения.