ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ БИОДАТЧИК
ELECTROCHEMICAL BIOSENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрохимическим биодатчикам, используемым для определения количества анализируемого вещества в жидкой пробе, в частности к системе определения недостаточного количества пробы в электрохимическом биодатчике.
Предшествующий уровень техники
При медицинских показаниях типа диабета у пациента с симптомами такого заболевания возникает необходимость в регулярном самоконтроле уровня концентрации глюкозы в крови. Контроль осуществляется для определения уровня концентрации глюкозы в крови и последующего принятия соответствующих мер в случае слишком высокого или слишком низкого уровня этой концентрации, направленных на его нормализацию. Отказ от этих мер может иметь серьезные медицинские последствия для этого пациента.
Один из способов контроля уровня глюкозы в крови человека заключается в использовании портативного измерительного прибора. Портативность приборов позволяет пользователям проводить измерение уровня глюкозы в своей крови, где бы они ни находились. В одном из указанных типов приборов используется электрохимический биодатчик для взятия пробы крови и анализа взятой пробы. Электрохимический биодатчик содержит реагент, предназначенный для реакции с глюкозой в крови, сопровождаемой протеканием тока оксидирования между электродами, расположенными внутри электрохимического биодатчика, этот ток является показателем уровня концентрации глюкозы в крови пользователя.
Внутри электрохимического биодатчика находится определенное количество реагента, рассчитанное на взаимодействие с определенным объемом пробы. В случае, если объем отобранной электрохимическим биодатчиком пробы не достигает требуемой величины, то есть в состоянии, именуемом "состоянием недостаточного заполнения", результаты измерения могут быть ошибочными. Поскольку электрохимические биодатчики обычно используются в условиях самоконтроля, то вероятность взятия недостаточного количества пробы повышается. Кроме того, малые объемы проб (обычно менее чем 10 мкл) создают для пользователя дополнительные трудности при визуальном определении требуемого количества отобранной пробы для анализа.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание электрохимического биодатчика, позволяющего достоверно определять состояние недостаточного заполнения и предупреждать об этом пользователя.
Согласно настоящему изобретению поставленная задача решена путем создания электрохимического датчика для определения концентрации анализируемого вещества в жидкой пробе. Датчик содержит противоэлектрод с участком высокого сопротивления, используемый для определения поступления или непоступления заданного количества пробы в испытательный датчик.
Согласно настоящему изобретению предложен способ оценки достаточного или недостаточного заполнения электрохимического испытательного датчика. Испытательный датчик содержит рабочий электрод, соединенный с первым выводом, и противоэлектрод, соединенный со вторым выводом. Противоэлектрод имеет участок с высоким сопротивлением и участок с низким сопротивлением. Испытательный датчик включает в себя реагент, размещенный на рабочем электроде для взаимодействия с анализируемым веществом в жидкой пробе и инициирования электрохимической реакции, параметры которой указывают на концентрацию анализируемого вещества в жидкой пробе. Способ заключается в том, что прикладывают напряжение между первым и вторым выводами, измеряют профили тока на первом и втором выводах в зависимости от приложенного профиля напряжения и сигнала ошибки, указывающего на состояние недостаточного заполнения в случае несоответствия формы измеренного профиля тока заданному профилю.
Приведенное выше краткое изложение сущности настоящего изобретения не предполагает рассмотрения каждого примера осуществления или каждого аспекта настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из приведенного подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает общий вид электрохимического биодатчика в разобранном виде согласно изобретению;
фиг.2a - вид электродного рисунка сверху в увеличенном виде согласно изобретению;
фиг.2b - электрическую схему электрохимического биодатчика с электродным рисунком в состоянии частичного заполнения жидкой пробой согласно изобретению;
фиг.2c - электрическую схему электрохимического биодатчика с электродным рисунком в состоянии достаточного заполнения электрохимического биодатчика жидкой пробой;
фиг.3a - диаграмму профиля напряжения, прикладываемого к испытательному датчику, согласно изобретению;
фиг.3b и 3c - диаграммы профиля тока испытательного датчика в зависимости от профиля напряжения соответственно в состоянии недостаточного заполнения и в состоянии достаточного заполнения согласно изобретению;
фиг.4a - диаграмму профиля напряжения, прикладываемого к испытательному датчику, согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения;
фиг.4b и 4c - диаграммы профиля испытательного датчика в зависимости от профиля напряжения соответственно в состоянии недостаточного заполнения и в состоянии достаточного заполнения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения, допускающих различные изменения и альтернативные формы. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается этими конкретными вариантами.
Электрохимический датчик 10 согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения содержит изолирующую подложку 12, на которой последовательно напечатаны (обычно методами трафаретной печати) рисунок межсоединений, имеющий первый и второй выводы 14a, 14b, электродный рисунок с рабочим электродом 16, противоэлектрод, изоляционный (диэлектрический) слой 20 с окном 22 и каналом 25, а также реакционный слой 24. Противоэлектрод содержит ответвление 18 противоэлектрода с низким сопротивлением (электрод LRC) и ответвление 19 противоэлектрода с высоким сопротивлением (электрод HRC).
Реакционный слой 24 содержит реагент для преобразования целевого анализируемого вещества (например, глюкозы) в жидкой пробе (например, в крови) в химические частицы, концентрация которых может быть измерена электрохимическим способом по создаваемому ими электрическому току с помощью элементов электродного рисунка. Реагент реакционного слоя 24 обычно содержит фермент, например, типа глюкозооксидазы, который вступает в реакцию с анализируемым веществом, и акцептор электронов типа феррицианида для образования частиц, концентрация которых может быть измерена электрохимическим способом с помощью электродного рисунка 16, 18, 19. Реакционный слой 24 содержит полимер, фермент и акцептор электронов. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения реакционный слой 24 содержит также дополнительные компоненты типа буфера и поверхностно-активного вещества. Реакционный слой 24 размещен над окном 22 и каналом 25 в изоляционном слое 20. Таким образом, открытый участок реакционного слоя 24 со стороны электродного рисунка 16, 18, 19 определяется окном 22 и каналом 25 в изоляционном слое 20. Рабочий электрод 16 электрически соединен с первым выводом 14a, а электрод LRC 18 и электрод HRC 19 электрически соединены со вторым выводом 14b.
В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения реакционный слой 24 покрывает только рабочий электрод 16 и электрод LRC 18 или рабочий электрод 16, электрод LRC 18 и электрод HRC 19. Когда реакционный слой 24 покрывает только рабочий электрод 16, на электроде LRC 18 находится электроактивный материал, обеспечивающий возможность функционирования этого электрода в качестве противоэлектрода, как хорошо известно специалистам в данной области техники.
Датчик 10 содержит колпачок 30 с изогнутым участком 32, который вместе с изоляционным слоем 20 формирует капиллярный канал для обеспечения движения жидкой пробы от впускного отверстия 34 внутрь испытательного датчика 10. На нижележащем конце капиллярного канала имеется одно или более отверстий 36 для выхода воздуха из капиллярного канала в процессе движения жидкой пробы от впускного отверстия 34 внутрь датчика 10 к отверстию 36. Сбор жидкой пробы (например, пробы крови из пальца пациента) в используемый датчик 10 осуществляется через капиллярный канал 34, приведенный в контакт с жидкой пробой.
Рабочий электрод 16 (фиг.2а) и электрод LRC 18 сформированы так, что электрод LRC 18 расположен ниже (если следовать по направлению движения жидкой пробы) рабочего электрода 16. Преимущество такой формы заключается в том, что для обеспечения контакта с электродом LRC 18 испытательная жидкость должна полностью покрыть рабочий электрод 16. Однако электрод HRC 19, соединенный с электродом LRC 18 через резистор 40, установлен выше рабочего электрода 16. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения сопротивление резистора 40 составляет около 50-500 кОм. В других примерах осуществления сопротивление резистора 40 варьируется в диапазоне между 250 кОм и 350 кОм. В еще одном примере осуществления сопротивление резистора 40 составляет около 300 кОм. Резистор 40 может быть выполнен методом трафаретной печати на изолирующей подложке 12 подобно рабочему электроду 16, электроду LRC 18, электроду HRC 19 и выводам 14a, 14b. Обычно резистор 40 используется для определения состояния недостаточного заполнения испытательного датчика 10, которое может привести к неточному измерению концентрации целевого анализируемого вещества в жидкой пробе.
2
1
r
На фиг.2b представлена электрическая схема, формируемая рабочим электродом 16 и электродом HRC 19 в случае, когда датчик 10 находится в состоянии недостаточного заполнения (то есть когда электрод LRC 18 на фиг.2a не покрыт жидкой пробой). В этой ситуации ток датчика протекает через резистор 40. Поэтому потенциал V между рабочим электродом 16 и электродом HRC 19, если пренебречь сопротивлением электродного рисунка и сопротивлением выводов, примерно равен разности между потенциалом V, приложенным к выводам 14a, 14b датчика, и падением напряжения V на резисторе 40.
2
1
2
На фиг.2c представлена электрическая схема, формируемая рабочим электродом 16 и электродом LRC 18 в случае, когда датчик 10 находится в состоянии достаточного заполнения (то есть когда электрод LRC 18 на фиг.2a покрыт жидкой пробой). В этой ситуации ток через резистор 40 не протекает. Поэтому потенциал V между рабочим электродом 16 и электродом LRC 18, если пренебречь сопротивлением электродного рисунка и сопротивлением выводов, практически совпадает с потенциалом V, приложенным к выводам 14a, 14b датчика 10. Ток, измеренный в датчике 10, является результатом диффузии электроактивных частиц к электродам и последующих восстановительно-окислительных реакций на этих электродах. Например, на рабочем электроде 16 происходит отрыв электрона от ферроцианида, который при этом окисляется до феррицианида. На электроде LRC 18 (или на электроде HRC 19 в состоянии недостаточного заполнения) происходит присоединение электрона к феррицианиду, который при этом восстанавливается до ферроцианида. Результат измерения потока электронов в токопроводящем рисунке, соединяющем эти два электрода, показывает количество ферроцианида и, следовательно, количество глюкозы в пробе. При нормальном режиме работы между электродами прикладывается относительно высокий электрический потенциал V (фиг.2c), например около 400 мВ, обеспечивающий высокую скорость реакций окисления и восстановления на электродах и обеднение области вокруг рабочего электрода 16 восстановленным веществом-посредником, например ферроцианидом. Поэтому сила тока не является постоянной и уменьшается с течением времени, поскольку реакция ограничивается диффузией восстановленного вещества-посредника к поверхности электрода. В общем случае такой затухающий ток i может быть описан уравнением (1)
2
где: C - константа, G - концентрация анализируемого вещества, например глюкозы, в жидкой пробе, t - время, отсчитываемое от момента приложения потенциала V, k - константа, характеризующая профиль затухания тока.
Приложение более высокого электрического потенциала не вызывает никакого увеличения тока датчика и изменения затухания с течением времени, так как ток датчика определяется диффузией к поверхности электрода. Приложение более низкого электрического потенциала, например около 200 мВ, между электродами приводит к замедлению реакций окисления и восстановления, но скорость этих реакций остается достаточно высокой для сохранения зависимости тока датчика от диффузии. При еще более низком напряжении, например ниже 200 мВ, локальное обеднение восстановленным веществом-посредником прекращается, и ток датчика перестает изменяться с течением времени. Поэтому при нормальном режиме работы датчика 10 никакого изменения в профиле затухания тока с течением времени в диапазоне прикладываемых потенциалов не происходит.
r
2
2
r
1
Далее приводится описание работы испытательного датчика 10 в состоянии недостаточного заполнения, то есть когда количество пробы меньше чем необходимо для назначенной реакции, в этом случае проба покрывает только электрод HRC 19 и по меньшей мере часть рабочего электрода 16. В состоянии недостаточного заполнения электрод HRC 19 используется в качестве цельного противоэлектрода с высоким сопротивлением, обусловленным резистором 40. На фиг.2b представлена электрическая схема датчика, соответствующая этому состоянию. Ток, протекающий через резистор 40, вызывает падение напряжения V на резисторе 40 и снижает потенциал V, обусловливающий электрохимические реакции. При достаточно большом сопротивлении резистора потенциал V снижается до уровня, при котором реакции на поверхности электродов замедляются, и затухания тока между выводами 14a и 14b электродов с течением времени обычно не наблюдаются, а профиль тока становится горизонтальным. Горизонтальный профиль равновесного тока указывает на динамическое равновесие между током датчика и падением напряжения V на резисторе. Изменение прикладываемого напряжения V вызывает изменение равновесного тока, более низкое напряжение приводит к уменьшению силы равновесного или стационарного тока, а более высокое напряжение приводит к увеличению силы тока. При приложении ступенчатого профиля напряжения ток датчика имеет "ступенчатый" профиль.
В ситуации, когда датчик 10 находится в состоянии достаточного заполнения, проба покрывает не только электрод HRC 19 и рабочий электрод 16, но и электрод LRC 18. На фиг.2c представлена электрическая схема датчика, соответствующая этому состоянию. Ответвление электрической схемы между электродом HRC 19 и резистором 40, идущее к выводу 14b, шунтируется прямым соединением между электродом LRC 18 и выводом 14b. Рабочий электрод 16 и электрод LRC 18 формируют цепь с низким сопротивлением, и ток датчика имеет профиль затухающего типа, при котором ток ограничивается диффузией электроактивных частиц к поверхности электрода, как описано выше.
Согласно настоящему изобретению предлагается электрохимический датчик, в котором электроды имеют такую форму, что в случае возникновения состояния недостаточного заполнения зависимость тока от времени и/или приложенного напряжения приобретает характерный вид, и ее можно отличить от соответствующей зависимости у датчика в состоянии достаточного заполнения. В данном случае согласно альтернативным примерам осуществления настоящего изобретения имеются по меньшей мере два пути обнаружения отличия датчика 10 в состоянии частичного заполнения от датчика 10 в состоянии достаточного заполнения. Во-первых, ток датчика 10 в состоянии частичного заполнения, как правило, не затухает с течением времени, в отличие от тока датчика 10 в состоянии достаточного заполнения. Во-вторых, ток датчика 10 в состоянии частичного заполнения увеличивается с ростом приложенного напряжения, обусловленного резистором 40, в то время как ток датчика 10 в состоянии достаточного заполнения (который шунтирует резистор) не увеличивается.
Таким образом, когда количество жидкости для анализа, поступающей в капиллярное пространство испытательного датчика 10, достаточно только для того, чтобы покрыть электрод HRC 19 и по меньшей мере часть рабочего электрода 16, то при приложении соответствующего потенциала сила тока, измеряемого между выводами 14a, 14b, является практически постоянной и, как правило, не уменьшается с течением времени. Другими словами, прибор, соединенный с выводами 14a, 14b, обнаруживает определенные характеристики датчика тока, измеряющего силу тока в зависимости от времени, который используется для определения наступления или ненаступления состояния возможного возникновения ошибки, связанной с недостаточным заполнением. Это осуществляется путем алгоритмического программирования прибора для определения состояния недостаточного заполнения в результате измерения силы тока в определенные периоды времени после электрического соединения электрода HRC 19 с рабочим электродом 16 и/или рабочего электрода 16 с электродом LRC 18, обеспечиваемого жидкостью для анализа.
0
1
1
2
2
4
Ниже приводится описание одного способа определения состояния достаточного или недостаточного заполнения испытательного датчика 10 (фиг.3а, 3b, 3c). В момент времени t между выводами 14a, 14b прикладывается ступенька напряжения, которое поддерживается постоянным в течение периода времени t, именуемого начальным периодом работы. Затем в течение периода ожидания от момента времени t до момента времени t подача напряжения прекращается (например, путем размыкания цепи). После этого подача напряжения возобновляется на период считывания от момента времени t до момента времени t. Согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения длительность каждого из периодов, т.е. начального периода работы, периода ожидания и периода считывания, составляет около 2-10 секунд. Прикладываемое ступенчатое напряжение согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения варьируется в диапазоне 0,3-0,4 вольта.
В состоянии недостаточного заполнения датчик 10 генерирует в течение периода считывания плоский профиль тока (фиг.3b). В состоянии достаточного заполнения (фиг.3c) датчик 10 генерирует в течение периода считывания типичный профиль тока датчика затухающего типа.
2
4
r3
r4
3
4
Коэффициент k затухания в течение периода считывания, т.е. от момента времени t до момента времени t, рассчитывается по двум токам I и I, измеренным в моменты времени t и t, согласно уравнению (2)
где коэффициент k затухания характеризует скорость затухания тока i в уравнении (1), C - константа, G - концентрация глюкозы, t - время, отсчитываемое от момента первоначальной подачи напряжения. В состоянии достаточного заполнения датчика 10 k обычно составляет около 0,30-0,49, уменьшаясь с возрастанием концентрации глюкозы. В состояниях недостаточного заполнения коэффициент затухания падает до нуля. Поэтому состояние недостаточного заполнения датчика 10 может быть определено путем проверки снижения или неснижения коэффициента затухания до уровня ниже заданного нижнего предела.
0
1
2
2
3
3
5
0
1
1
2
Ниже приводится описание другого способа определения состояния достаточного или недостаточного заполнения испытательного датчика 10 (фиг 4a, 4b и 4c). Первое напряжение прикладывается в течение начального периода работы от момента времени t до момента времени t, а второе более высокое напряжение прикладывается до момента времени t. В течение периода времени от момента t до момента t подача напряжения прекращается (например, путем размыкания цепи). После этого подача напряжения возобновляется на период считывания от момента времени t до момента времени t. Согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения величина первого напряжения, прикладываемого в начальный период работы от момента времени t до момента времени t, составляет около 0,3 В, а величина второго напряжения, прикладываемого в начальный период работы от момента времени t до момента времени t, составляет около 0,6 В.
В период считывания прикладывается напряжение около 0,3 В. Согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения длительность каждого из периодов, т.е. начального периода работы, периода ожидания и периода считывания составляет около 2-10 секунд, причем длительность подачи первого напряжения в начальный период работы составляет около 25-75% от длительности всего начального периода работы.
В состоянии недостаточного заполнения датчик 10 генерирует в течение начального периода работы ступенчатый профиль тока Ib датчика (фиг.4b). В состоянии достаточного заполнения (фиг.4c) датчик 10 генерирует профиль тока датчика затухающей формы.
b1
b2
1
2
Коэффициент k затухания в течение начального периода работы рассчитывается по двум токам I и I, измеренным соответственно в моменты времени t и t, согласно уравнению (3)
В течение начального периода работы коэффициент затухания составляет более 0,2 в состоянии достаточного заполнения датчика, но падает до уровня ниже -1,0 в состоянии недостаточного заполнения датчика. Поэтому состояние недостаточного заполнения датчика может быть определено путем сравнения фактического коэффициента затухания с заданным нижним пределом в течение начального периода работы.
Согласно альтернативным примерам осуществления эти два алгоритма, т.е. уравнения (2) и (3) для определения состояния недостаточного заполнения, рассмотренные со ссылками на фиг.3a-c и 4a-c, используются совместно для определения наступления или ненаступления состояния недостаточного заполнения. Коэффициент затухания сначала оценивается в течение начального периода работы, как описывается со ссылками на фиг.3a-c. Затем в случае невозможности определения состояния недостаточного заполнения коэффициент затухания оценивается в течение периода считывания, как описывается со ссылками на фиг.4a-c. В случае невозможности определения состояния недостаточного заполнения в течение начального периода работы и периода считывания принимается решение о достаточном заполнении датчика.
Выше было дано подробное описание конкретных примеров осуществления изобретения, допускающих различные изменения и альтернативные формы. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается этим описанием и охватывает все изменения изобретения, эквиваленты и варианты, не выходящие за пределы существа и объема изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения.