СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ С ОБНАРУЖЕНИЕМ ОШИБОК
METHOD FOR GLUCOSE ELECTROCHEMICAL MEASUREMENT WITH ERROR DETECTING

Настоящая заявка испрашивает по одному или более из Парижской конвенции, §§119, 120 или 365 статьи 35 Свода законов США преимущество приоритета предварительной заявки на патент США № 61/387366, поданной 28 сентября 2010 г., озаглавленной «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛИТА И СИСТЕМА С ОБНАРУЖЕНИЕМ ОШИБОК» (досье патентного поверенного № DDI5203USPSP), которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электрохимические датчики применяются для определения наличия или измерения концентрации веществ в пробах текучей среды. Электрохимические датчики включают смесь реагентов, содержащую по меньшей мере переносчик электронов (также называемый «медиатор электронов»), специфический для данного аналита биокаталитический белок (например, определенный фермент) и один или более электродов. Подобные датчики используют передачу электронов между медиатором электронов и поверхностями электрода. Датчики производят измерение электрохимических окислительно-восстановительных реакций. При использовании в составе электрохимической биосенсорной системы или устройства реакции передачи электронов отслеживают по электрическому сигналу, который зависит от концентрации измеряемого аналита в пробе текучей среды.
Использование подобных электрохимических датчиков для определения аналитов в биологических текучих средах, таких как кровь или продукты крови, слезы, моча и слюна, очень важно, а в некоторых случаях - жизненно необходимо для поддержания здоровья некоторых людей. Например, больным сахарным диабетом необходимо контролировать содержание определенных веществ в биологических текучих средах своего организма. Существует ряд систем, способных анализировать биологические текучие среды, такие как кровь, моча или слюна, что обеспечивает удобный контроль уровня конкретного составляющего данной текучей среды, такого как холестерин, белки и глюкоза. Пациентам, страдающим сахарным диабетом - расстройством поджелудочной железы, при котором недостаточная выработка инсулина не позволяет надлежащим образом усваивать сахар - необходим строгий ежедневный контроль уровня глюкозы в крови. Регулярная проверка и контроль уровня глюкозы может снизить риск серьезного поражения глаз, нервной системы и почек у людей, страдающих сахарным диабетом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявители выявили потребность в системе и способе, которые можно использовать для точного определения концентрации глюкозы и которые лишены недостатков, характерных для данной области применения. На основании вышеизложенного и в соответствии с одним аспектом в настоящем документе предлагается способ определения концентрации глюкозы с помощью системы, имеющей тест-полоску и измерительный прибор. Тест-полоска может включать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может включать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может включать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и расчета концентрации глюкозы на основании тестовых токов. Способ может быть реализован этапами, на которых: запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; измеряют первичный тестовый ток и вторичный тестовый ток на одном из первого и второго рабочих электродов; определяют, составляет ли разница между первичным тестовым током и вторичным тестовым током величину меньше нуля; и в случае истинности определения выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества тестовых токов, в противном случае получают сообщение об ошибке.
В еще одном варианте осуществления предлагается способ определения концентрации глюкозы при помощи системы, имеющей тест-полоску и измерительный прибор. Тест-полоска может включать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может включать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может включать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и расчета концентрации глюкозы на основании тестовых токов. Способ может быть реализован этапами, на которых: запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; измеряют множество тестовых токов после нанесения пробы крови на тест-полоску; определяют коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов; и выясняют, составляет ли коэффициент трансформации тока второго рабочего электрода к току первого рабочего электрода величину меньше K, и в случае истинности данного утверждения выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества тестовых токов, в противном случае получают сообщение об ошибке.
В другом варианте осуществления предлагается способ определения концентрации глюкозы при помощи системы, имеющей тест-полоску и измерительный прибор. Тест-полоска может включать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может включать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может включать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и расчета концентрации глюкозы на основании тестовых токов. Способ может быть реализован этапами, на которых: запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; измеряют первичный тестовый ток и вторичный тестовый ток на одном из первого и второго рабочих электродов; определяют, составляет ли разница между первичным тестовым током и вторичным тестовым током величину меньше нуля; определяют коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов; оценивают, составляет ли коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов, величину больше K; и в случае истинности результатов любого или обоих из этапа определения или этапа оценки получают сообщение об ошибке, в противном случае выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества тестовых токов.
Эти и другие варианты осуществления, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны для специалистов в данной области после изучения приведенного ниже более подробного описания примеров осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопутствующими фигурами, которым предшествует краткое описание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Сопутствующие фигуры, включенные в настоящий документ и составляющие его неотъемлемую часть, иллюстрируют считающиеся в настоящий момент предпочтительными варианты осуществления настоящего изобретения, и вместе с приведенным выше общим описанием и приведенным ниже подробным описанием призваны разъяснить особенности настоящего изобретения (аналогичные номера представляют аналогичные элементы).
На фиг. 1A представлен вид сверху примера осуществления системы для измерения концентрации аналита.
На фиг. 1B представлен пример печатной платы электрических компонентов, расположенных в устройстве для измерения аналита, показанном на фиг. 1A.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе с пространственным разделением компонентов примера осуществления тест-полоски.
На фиг. 3 представлен вид сверху примера осуществления тест-полоски, представленной на фиг. 2.
На фиг. 4 представлен пример осуществления схемы функциональных компонентов измерительного прибора, показанного на фиг. 1А, образующего электрическое соединение с тест-полоской, показанной на фиг. 2 и 3.
На фиг. 5A представлен пример осуществления графика, показывающего тестовые напряжения, прилагаемые измерительным прибором к тест-полоске.
На фиг. 5B представлен пример осуществления графика, показывающего тестовые токи, возникающие при приложении тестовых напряжений, показанных на фиг. 5A, к тест-полоске.
На фиг. 6A представлен случай, в котором при переходном токовом процессе тест-полоски возникает неприемлемое угасание (по сравнению с переходным токовым процессом, изображенным на фиг. 5B), тем самым потенциально приводя к ошибочному определению концентрации глюкозы.
На фиг. 6B представлен случай, в котором при переходном токовом процессе тест-полоски возникает неприемлемый преждевременный пик (по сравнению с переходным токовым процессом, изображенным на фиг. 5B), тем самым потенциально приводя к ошибочному определению концентрации глюкозы.
На фиг. 6C представлен случай, в котором соответствующие переходные токовые процессы первого рабочего электрода и второго рабочего электрода не поддерживают должное соотношение на протяжении всего теста по измерению глюкозы.
На фиг. 7A представлен метод обнаружения ошибок, изображенных на фиг. 6A и 6B, и предотвращения передачи ошибочного показания глюкозы.
На фиг. 7B представлен метод обнаружения ошибки, изображенной на фиг. 6C, и предотвращения передачи ошибочного показания глюкозы.
На фиг. 7C представлен способ, сочетающий оба метода, представленных на фиг. 7A и 7B.
ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенное ниже подробное описание следует толковать с учетом фигур, где одинаковые элементы на разных фигурах представлены под идентичными номерами. Фигуры, не обязательно в масштабе, показывают выбранные варианты осуществления и ни в коей мере не призваны ограничить сферу действия настоящего изобретения. Подробное описание иллюстрирует принципы настоящего изобретения с помощью примеров, но не ограничивая объем настоящего изобретения. Настоящее описание позволяет любому специалисту в данной области осуществлять и использовать настоящее изобретение, а также описывает несколько вариантов осуществления, видоизменений, вариаций, альтернатив и назначений изобретения, включая способ осуществления изобретения, который считается наилучшим в настоящее время.
Для целей настоящего документа термин «приблизительно» применительно к любым числовым значениям или диапазонам указывает на приемлемый допуск на размер, который позволяет элементу или совокупности компонентов выполнять предусмотренную для них функцию, как описано в настоящем документе. Кроме этого, для целей настоящего документа термины «пациент», «оператор», «пользователь» и «субъект» относятся к любому человеку или животному и не предполагают ограничение области использования систем или способов только человеком, хотя использование предмета изобретения пациентом, который является человеком, представляет собой предпочтительный вариант осуществления изобретения.
На фиг. 1A представлена система 100 для измерения концентрации аналита, где система 100 может включать измерительный прибор 102 и тест-полоску 120. Измерительный прибор 102 может включать дисплей 104, корпус 106, множество кнопок интерфейса пользователя 108 и порт для полоски 110. Измерительный прибор 102 может дополнительно включать электронную схему в корпусе 106, как дополнительно описано для фиг. 1B. Проксимальная часть тест-полоски 120 может быть вставлена в порт для полоски 110. Дисплей 104 может отображать концентрацию аналита, например концентрацию глюкозы, и его можно использовать для отображения интерфейса пользователя с инструкциями по проведению теста. В контексте данного изобретения термин «отображать» и вариации основного термина подразумевают, что информация может быть представлена пользователю, лицу, осуществляющему уход за пользователем, либо медицинскому работнику в текстовой, аудиальной, визуальной форме или комбинацией всех способов представления информации. Множество кнопок интерфейса пользователя 108 дает пользователю возможность управлять измерительным прибором 102 путем навигации по программному обеспечению интерфейса пользователя. Дисплей 104 необязательно может включать подсветку.
Как показано на фиг. 1B, внутри корпуса 106 расположена печатная плата 150 с микроконтроллером 162, соединенным с памятью 154, тактовым генератором 156, операционным усилителем 158 и разъемом дисплея 160. Операционный усилитель 158 и микроконтроллер 162 функционально соединены с разъемом порта для полоски 152 с контактами 152a, 152b и 152c для обеспечения механического контакта с соответствующими токопроводящими дорожками на тест-полоске 120. Для обеспечения обмена данными с другими устройствами управления данными предусмотрен беспроводной модуль приемопередатчика 164, позволяющий осуществлять двунаправленную передачу данных, сохраненных в памяти 154 блока 100. На другой стороне печатной платы 150 установлен источник энергии в виде аккумуляторной батареи (не показан). Кроме того, может быть установлен порт передачи данных. Следует отметить, что блок измерительного прибора 100 предпочтительно имеет удобные размеры и выполнен с возможностью удержания в руке, а приемопередатчик 164 можно применять с любой или обеими из беспроводной сети малой дальности (Bluetooth, Wi-Fi и т.п.) или беспроводной сети большей дальности (GSM, CDMA, 3G и т.п.).
Микроконтроллер 162 может быть электрически подключен к порту для полоски 152, схеме операционного усилителя 158, первому беспроводному модулю 164, дисплею 104, ПЗУ 154, тактовому генератору 156, порту передачи данных и кнопкам интерфейса пользователя 108. Данные, вводимые с помощью кнопок, приемопередатчика или цепи для измерения глюкозы, могут включать значения, представляющие концентрацию аналита, либо контекстные значения концентрации аналита совместно с информацией, относящейся к повседневному образу жизни пользователя. Информация, относящаяся к повседневному образу жизни, может включать сведения о приеме пищи и использовании медицинских препаратов, проведении медицинских осмотров, а также общие сведения о состоянии здоровья и уровне физической подготовки человека, соединенные (отмеченные) со значением концентрации аналита для пользователя в определенное время дня или недели.
Схема операционного усилителя 158 может состоять из двух или более операционных усилителей, выполненных с возможностью частичного обеспечения потенциостатической функции и функции измерения тока. Потенциостатическая функция может относиться к приложению тестового напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски. Функция тока может относиться к измерению тестового тока, полученного в результате приложения к тест-полоске 120 тестового напряжения. Измерение тока может осуществляться с помощью преобразователя ток-напряжение. Микроконтроллер 162 может иметь вид микропроцессора смешанных сигналов (MSP), такого как, например, MSP430F2419 компании Texas Instruments. Микропроцессор TI-MSP430F2419 может быть выполнен также с возможностью частичного обеспечения потенциостатической функции и функции измерения тока. Кроме этого, микропроцессор MSP430F2419 может также включать энергозависимую память и ПЗУ. В другом варианте осуществления вместе с микроконтроллером может быть интегрировано большое количество электронных компонентов в виде специализированной интегральной схемы (ASIC).
Порт для полоски 152 может быть выполнен с возможностью осуществления электрического соединения с тест-полоской. Разъем дисплея 160 может быть выполнен с возможностью присоединения к дисплею 104. Дисплей 104 может иметь вид жидкокристаллического дисплея для отображения измеренных уровней глюкозы и для обеспечения ввода сведений, относящихся к образу жизни, а также для управления графическими данными, наглядными результатами и видеоматериалами. Дисплей 104 также может включать подсветку. Порт передачи данных может принимать соответствующий разъем, присоединенный к соединительному кабелю, что позволяет подключать блок измерительного прибора 100 к внешнему устройству, такому как персональный компьютер. Портом передачи данных может быть любой порт, обеспечивающий передачу данных, такой как, например, последовательный, USB или параллельный порт. Тактовый генератор 156 может быть выполнен с возможностью измерения времени и может представлять собой генерирующий кристалл.
На фиг. 2 и 3 показан вид в перспективе с пространственным разделением компонентов и вид сверху в сборе соответственно примера тест-полоски 120, которая может включать семь слоев, расположенных на подложке 205. Семь слоев, расположенных на подложке 205, могут представлять собой проводящий слой 250, изолирующий слой 216, слой реагента 218, адгезивный слой 260, гидрофильный слой 270 и верхний слой 280. Тест-полоску 120 можно изготавливать в несколько этапов с последовательным нанесением на подложку 205 проводящего слоя 250, изолирующего слоя 216, слоя реагента 218 и адгезивного слоя 260 при помощи, например, способа трафаретной печати. Гидрофильный слой 270 и верхний слой 280 могут быть нанесены из рулона и ламинированы на подложке 205 с образованием единой слоистой пластины или отдельных слоев. Тест-полоска 120 имеет дистальную часть 203 и проксимальную часть 204, как показано на фиг. 2.
Тест-полоска 120 может включать камеру для приема пробы 292, через которую можно вводить пробу крови. Камера для приема пробы 292 может включать входное отверстие на проксимальном конце тест-полоски 120. Выходное (вентиляционное) отверстие включено в гидрофильный слой 270, как будет описано ниже. Проба крови может быть введена через входное отверстие для заполнения камеры для приема пробы 292, так чтобы можно было измерить концентрацию аналита. Боковые кромки вырезаемой части адгезивного слоя 260, расположенного смежно со слоем реагента 218, образуют стенку камеры для приема пробы 292, как показано на фиг. 2. Нижняя часть (или «пол») камеры для приема пробы 292 может включать часть подложки 205, проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216. Верхняя часть (или «крыша») камеры для приема пробы 292 может включать дистальную гидрофильную часть 282.
В тест-полоске 120, как показано на фиг. 2, подложка 205 может быть использована в качестве основы для удержания последовательно нанесенных слоев. Подложка 205 может представлять собой полиэфирный лист, например из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Подложка 205 может представлять собой рулон номинальной толщиной 350 микрон, шириной 370 мм и длиной приблизительно 60 м.
Проводящий слой 250 необходим для формирования электродов, которые можно применять для электрохимического измерения глюкозы. Проводящий слой 250 может быть изготовлен из графитовой краски, нанесенной на подложку 205 способом трафаретной печати. В процессе трафаретной печати графитовую краску наносят на трафарет, а затем переносят ее через трафарет при помощи валика. После печати графитовая краска может быть высушена с использованием горячего воздуха при температуре приблизительно 140°C. Графитовая краска может включать смолу VAGH, газовую сажу, графит и один или более растворителей для смешивания смолы, сажи и графита. Более конкретно, графитовая краска может содержать смешанные в соответствующей пропорции газовую сажу: смолу VAGH.
Как показано на фиг. 2, для тест-полоски 120 проводящий слой 250 может включать контрольный электрод 210, первый рабочий электрод 212, второй рабочий электрод 214, контрольную контактную площадку 211, первую контактную площадку 213, вторую контактную площадку 215, дорожку контрольного электрода 207, дорожку первого рабочего электрода 208 и дорожку второго рабочего электрода 209. В варианте осуществления, представленном на фиг. 2, контрольный электрод 210 размещен между первым рабочим электродом 212 и вторым рабочим электродом 214 таким образом, что перекрестные помехи между первым и вторым рабочими электродами 212 и 214 сведены к минимуму.
Проводящий слой 250 может быть образован из графитовой краски. Контрольная контактная площадка 211, первая контактная площадка 213 и вторая контактная площадка 215 могут быть выполнены с возможностью электрического соединения с измерительным прибором. Дорожка контрольного электрода 207 образует электрически непрерывный путь от контрольного электрода 210 до контрольной контактной площадки 211. Аналогично дорожка первого рабочего электрода 208 образует электрически непрерывный путь от первого рабочего электрода 12 до первой контактной площадки 213. Аналогично дорожка второго рабочего электрода 209 образует электрически непрерывный путь от второго рабочего электрода 214 до второй контактной площадки 215.
Изолирующий слой 216 может включать отверстие 217, открывающее часть контрольного электрода 210, первого рабочего электрода 212 и второго рабочего электрода 214, которые могут смачиваться пробой жидкости. Площадь первого рабочего электрода 212, второго рабочего электрода 214 и контрольного электрода 210 может быть определена как площадь, открытая для воздействия пробы жидкости. Наряду с определением площади электрода, изолирующий слой 216 препятствует соприкосновению пробы жидкости с дорожками электродов 207, 208 и 209. Считается, что функциональная площадь рабочего электрода должна быть определена точно, поскольку амплитуда тестового тока прямо пропорциональна эффективной площади электрода. Например, изолирующий слой 216 может состоять из краски Ercon E6110-116 Jet Black Insulayer™, предлагаемой к продаже компанией Ercon, Inc. На данном этапе тест-полоска может пройти плазменную обработку. Плазма создается переменным током высокого напряжения при атмосферной температуре и атмосферном давлении. Полученная плазма, состоящая из ионизированных высокоэнергетических частиц, уносится потоком воздуха и воздействует на подложку. Обработка плазмой применяется для изменения поверхности электродов на углеродной основе, изготовленных методом трафаретной печати. Считается, что данное изменение поверхности увеличивает электрохимическую активность углеродной поверхности и поверхностную энергию нанесенных слоев, что способствует лучшей адгезии между ними и последовательно нанесенными слоями. Кроме того, считается, что обработка плазмой улучшает электрохимические свойства углеродной поверхности, совершенствуя реакцию с медиатором, которая является частью электрохимической реакции в измерительном цикле.
Слой реагента 218 расположен на части проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216, как показано на фиг. 2. В одном варианте осуществления два перекрывающихся слоя реагента могут быть нанесены на часть проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216.
Слой реагента 218 может включать химические вещества, такие как фермент и медиатор, который избирательно реагирует с исследуемым аналитом, а также буфер для поддержания необходимого уровня pH. Например, если в пробе крови необходимо определить содержание глюкозы, слой реагента 218 может включать фермент и медиатор, а также другие компоненты, функционально необходимые для работы системы. Слой ферментативного реагента 18 может включать, например, глюкозооксидазу, тринатрийцитрат, лимонную кислоту, поливиниловый спирт, гидроксильную этилцеллюлозу, гексацианожелезокислый калий, противовспениватель, кабосил, сополимер винилпирролидона и винилацетата (PVPVA) и воду.
Примеры ферментов, подходящих для использования в слое реагента, включают глюкозооксидазу, дегидрогеназу глюкозы с пирролохинолинхиноном (PQQ) в качестве кофактора и дегидрогеназу глюкозы с флавинадениндинуклеотидом (FAD) в качестве кофактора. Пример медиатора, подходящего для использования в слое реагента, включает феррицианид, который в данном случае представлен в окисленной форме. Слой реагента может быть выполнен с возможностью физического преобразования глюкозы в продукт ферментативной реакции и генерации в ходе этого процесса определенного количества восстановленного медиатора (например, ферроцианида) пропорционально значению концентрации глюкозы. Дальнейшее описание слоев реагента и тест-полосок для электрохимического анализа в целом приведено в патенте США № 6241862, содержание которого полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
В одном варианте осуществления площадь слоя реагента 218 достаточно велика, чтобы покрыть всю площадь контрольного электрода 210, первого рабочего электрода 212 и второго рабочего электрода 214. Слой реагента 218 имеет ширину и длину, достаточную для покрытия по меньшей мере площади самого большого электрода, который может применяться в тест-полоске 120. Ширина слоя реагента 218 может составлять приблизительно 2 мм, что более чем в два раза превышает ширину прямоугольного отверстия 217.
Адгезивный слой 260 включает первую адгезивную прокладку 262, вторую адгезивную прокладку 264 и третью адгезивную прокладку 266 и может быть нанесен на тест-полоску 120 после нанесения слоя реагента 218. Части адгезивного слоя 260 могут быть центрированы таким образом, чтобы примыкать, касаться или частично перекрывать слой реагента 218. Адгезивный слой 260 может включать доступный в продаже адгезивный акриловый сополимер на водной основе, чувствительный к давлению. Адгезивный слой 260 расположен на части изолирующего слоя 216, проводящего слоя 250 и подложки 205. Адгезивный слой 260 соединяет гидрофильный слой 270 с тест-полоской 120.
Гидрофильный слой 270 может включать дистальную гидрофильную часть 272 и проксимальную гидрофильную часть 274, как показано на фиг. 2. Между дистальной гидрофильной частью 272 и проксимальной гидрофильной частью 274 имеется зазор 276. Зазор 276 служит в качестве бокового вентиляционного отверстия для воздуха при заполнении кровью камеры для приема пробы 292 (показана на фиг. 3). Гидрофильный слой 270 может быть представлен полиэфирным материалом с одной гидрофильной поверхностью, таким как антивуалентное покрытие, доступное для приобретения в компании 3M.
Последний слой, который необходимо добавить к тест-полоске 120, представляет собой верхний слой 280, показанный на фиг. 2. Верхний слой 280 может иметь прозрачную часть 282 и непрозрачную часть 284. Верхний слой 280 нанесен и приклеен на гидрофильный слой 270. Верхний слой 280 может состоять из полиэфира с нанесенным на одну сторону адгезивным покрытием. Необходимо отметить, что прозрачная часть 282 по существу перекрывает дистальную гидрофильную часть 272, благодаря чему пользователь может наглядно убедиться в достаточном заполнении камеры для приемки пробы 292. Непрозрачная часть 238 позволяет пользователю видеть высокую степень контраста между окрашенной текучей средой, такой как, например, кровь, внутри камеры для приемки пробы 292 и непрозрачной частью 284.
В примерах осуществления измерение глюкозы основано на специфическом окислении глюкозы под воздействием флавофермента глюкозооксидазы. Реакции, которые могут происходить в тест-полоске для определения уровня глюкозы, сведены ниже в уравнениях A и 2:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
D-глюкоза + GO(ox) → глюконовая кислота + GO(red)
(A)
6
6
3-
4-
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
GO(red) + 2 Fe(CN)  → GO(ox) + 2 Fe(CN)
(B)
6
6
6
3-
3-
4-
В соответствии с уравнением A глюкоза подвергается химическому превращению или окислению до глюконовой кислоты под воздействием окисленной формы глюкозооксидазы (GO(ox)). Следует отметить, что GO(ox) также можно обозначить как «окисленный фермент». В процессе химической реакции в уравнении А окисленный фермент GO(ox) химически переходит или конвертируется в восстановленное состояние, которое обозначено как GO(red) (т.е. «восстановленный фермент»). Далее восстановленный фермент GO(red) снова окисляется или превращается обратно в GO(ox) в результате реакции с Fe(CN)  (который обозначается или как «окисленный медиатор», или как «феррицианид»), что показано в уравнении B. В ходе обратного преобразования GO(red) в окисленное состояние GO(ox) Fe(CN)  восстанавливается в Fe(CN)  (который обозначается или как «восстановленный медиатор», или как «ферроцианид»).
Когда вышеописанные реакции протекают в условиях тестового напряжения, приложенного между двумя электродами, тестовый ток может создаваться путем повторного электрохимического окисления восстановленного медиатора на поверхности электрода. Следовательно, поскольку в идеальных условиях количество ферроцианида, образовавшееся в результате вышеописанной химической реакции, прямо пропорционально количеству глюкозы в пробе, расположенной между электродами, возникающий тестовый ток будет пропорционален содержанию глюкозы в пробе. Медиатор, такой как феррицианид, представляет собой соединение, которое принимает электроны от фермента, такого как глюкозооксидаза, а затем отдает эти электроны электроду. По мере того как концентрация глюкозы в пробе увеличивается, количество образовавшегося восстановленного медиатора также возрастает; следовательно, существует прямая связь между тестовым током, образующимся при повторном окислении восстановленного медиатора, и концентрацией глюкозы. В частности, передача электронов по электрическому интерфейсу генерирует тестовый ток (2 моля электронов на каждый моль окисленной глюкозы). Таким образом, тестовый ток, образующийся при введении глюкозы, можно назвать переходным токовым процессом глюкозы или суммой измеренных значений токов за период времени.
WE2
WE2
WE2
WE1
WE1
WE1
WE2
WE1
На фиг. 4 показана упрощенная схема измерительного прибора 102, соединенного с тест-полоской 120. Измерительный прибор 102 может включать проводник контрольного электрода 180, проводник первого электрода 182 и проводник второго электрода 184, которые соответственно образуют электрическое соединение с контактом контрольного электрода 211, контактом первого электрода 213 и контактом второго электрода 215. Три упомянутых выше проводника составляют часть порта для полоски 110. При проведении теста первый источник тестового напряжения 186 (из цепи на фиг. 1B) может приложить тестовое напряжение V между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210. В результате приложения тестового напряжения V измерительный прибор 102 может затем измерить тестовый ток Iна втором рабочем электроде. Аналогично второй источник тестового напряжения 188 (из цепи на фиг. 1B) прилагает тестовое напряжение V между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210. В результате тестового напряжения V измерительный прибор 102 может затем измерить тестовый ток I. В одном варианте осуществления тестовое напряжение Vи второе тестовое напряжение Vмогут быть приблизительно равными.
FD
0
0
T
T
На фиг. 5A представлен пример графика тестового напряжения, приложенного к тест-полоске 120. Перед тем как нанести пробу текучей среды на тест-полоску 120, измерительный прибор 102 находится в режиме определения текучей среды, в котором первое тестовое напряжение приблизительно 400 милливольт приложено между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210. Предпочтительно приложить второе тестовое напряжение приблизительно 400 милливольт одновременно между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210. В альтернативном варианте осуществления второе тестовое напряжение также может быть приложено одновременно, так чтобы интервал времени приложения первого тестового напряжения пересекался с интервалом времени приложения второго тестового напряжения. Измерительный прибор может находиться в режиме определения текучей среды в течение интервала времени определения текучей среды t до определения физиологической текучей среды в момент времени t. В режиме определения текучей среды измерительный прибор 120 в примере этапа 320 определяет нанесение текучей среды на тест-полоску 120, в результате чего текучая среда смачивает второй рабочий электрод 214 и контрольный электрод 210. После определения с помощью измерительного прибора 120 того, что физиологическая текучая среда нанесена, например, по значительному увеличению измеренного тестового тока на втором рабочем электроде 214, измерительный прибор 120 устанавливает второй нулевой маркер в момент времени t и запускает отсчет интервала времени теста t. После завершения интервала времени теста t тестовое напряжение отключается. Для удобства на фиг. 5A показано только первое тестовое напряжение, приложенное к тест-полоске 120.
i
0
1
2
3
4
2
3
4
5
i
5
6
i
0
i
i+1
На фиг. 5B показан пример графика переходных токовых процессов (т.е. зависимости измеренного отклика электрического тока в наноамперах от времени), которые измеряются при приложении к тест-полоске 120 тестовых напряжений, показанных на фиг. 5A. Тестовые токи I, полученные из переходных токовых процессов, по существу указывают на концентрацию аналита в пробе, как будет описано в примере этапа 370 ниже. На фигурах 5 и 5A, в примере этапа 330, первое тестовое напряжение приложено между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210, и второе тестовое напряжение приложено между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210 в момент времени t. В примере этапа 340 первый тестовый ток I, второй тестовый ток I, третий тестовый ток I и четвертый тестовый ток I измеряются в моменты времени t, t, t и t соответственно на втором рабочем электроде 214. Эти токи I, где i = 1, 2, 3, 4 … n, сохраняются или регистрируются в устройстве памяти измерительного прибора для анализа. В примере этапа 340 пятый тестовый ток I также измеряется в момент времени t на первом рабочем электроде 212. Первое и второе тестовые напряжения, приложенные к тест-полоске 120, по существу имеют величину от приблизительно +100 милливольт до приблизительно +600 милливольт. В одном варианте осуществления, когда электроды включают графитовую краску и медиатор представляет собой феррицианид, тестовое напряжение составляет приблизительно +400 милливольт. Для других комбинаций медиатора и материала электрода потребуются другие тестовые напряжения. Продолжительность приложения тестовых напряжений, по существу, составляет от приблизительно 2 до приблизительно 4 секунд после периода реакции, обычно через приблизительно 3 секунды после периода реакции. Как правило, момент времени t измеряют относительно момента времени t. На практике каждый тестовый ток I представляет собой среднее значение для серии измерений, полученных за короткий интервал времени, например для пяти измерений с интервалами 0,01 секунды, начиная с t, где i находится в диапазоне от 1 до по меньшей мере 6.
Концентрацию глюкозы с поправкой на гематокрит можно определять одновременно с измерением переходного токового процесса, такого, какой представлен на фиг. 5B. Определить концентрацию глюкозы можно с помощью следующего уравнения:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
(1)
где:
G - концентрация глюкозы с поправкой на гематокрит;
1
I - первый тестовый ток;
2
I - второй тестовый ток;
3
I - третий тестовый ток;
4
I - четвертый тестовый ток;
5
I - пятый тестовый ток;
a и b - корректировочные параметры, полученные эмпирическим путем;
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mi>x</mi><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
интерсепт - значение интерсепта, определенное из линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы; и
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mi>x</mi><msub><mi>I</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
наклон - значение наклона, определенное с помощью линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы.
1
0
2
0
3
0
0
0
В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 5B, первый тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 0,98 секунды до приблизительно 1,00 секунды от момента t, второй тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 1,98 секунды до приблизительно 2,00 секунд от момента t, третий тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 2,43 секунды до приблизительно 2,45 секунды от момента t, четвертый тестовый ток может быть измерен в период от приблизительно 2,61 секунды до приблизительно 2,63 секунды от момента t, и пятый тестовый ток может быть измерен в период от приблизительно 2,70 секунды до приблизительно 2,72 секунды от момента t. В варианте осуществления a представляет собой первый корректировочный параметр от приблизительно 9,9 до приблизительно 10,2, а b представляет собой второй корректировочный параметр от приблизительно 10,8 до приблизительно 11,2. Дополнительная информация о данном методе представлена и описана в соответствующей предварительной заявке на патент США № 61/319470 (досье патентного поверенного № DDI-5199), поданной 31 марта 2010 г.; полное содержание данной заявки включено в настоящий документ путем ссылки, а копия представлена в приложении к настоящей заявке.
Поскольку в вышеупомянутом методе используется приблизительно пять отдельных точек измерений, распределенных по всему переходному процессу, необходимо проводить специальные проверки, чтобы исключить колебания сигнала, которые могут способствовать получению очень высоких или низких результатов в зависимости от чувствительности данного метода. Считается, что общие причины таких ошибок разнообразны, но связаны с любым фактором, который может изменять форму переходного процесса, в частности, в областях переходного процесса, где в соответствии с примером осуществления производится измерение переходного токового процесса, обеспечиваемого рабочими электродами. Примерами факторов, которые могут влиять на форму переходного процесса, могут служить: толщина ферментной площадки, примесь в ферроцианиде, отслаивание фермента с образованием хлопьев, участки частичного заполнения, а также высокие или низкие температуры. По этой причине для исключения аномальных результатов были разработаны дополнительные проверки, описание которых приводится ниже.
В некоторых случаях при приложении к тест-полоске 120 тестового напряжения возникают аномальные переходные токовые процессы, как показано на фиг. 6A и 6B. Такие аномальные переходные токовые процессы включают отсутствие пиков вследствие немедленного угасания (фиг. 6A) или преждевременные пики (фиг. 6B), и считается, что они связаны с недостаточной толщиной слоя реагента 218 и/или частичным заполнением кровью камеры для приема пробы 292. «Нормальный» переходный токовый процесс должен показывать положительную скорость изменения тока за промежуток времени от приблизительно нуля до приблизительно 1 секунды подобно показанному на фиг. 5B.
a
0
b
0
Что касается случаев, представленных на фиг. 6A и 6B, заявители открыли способ, показанный на фиг. 7A, для обнаружения ошибок при определении концентрации глюкозы с помощью примера системы. На этапе 300 данного способа запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; на этапе 310 измеряют множество тестовых токов после нанесения пробы крови на тест-полоску; на этапе 320 измеряют первичный тестовый ток и вторичный тестовый ток на одном из первого и второго рабочих электродов; на этапе 330 определяют, составляет ли разница между первичным тестовым током и вторичным тестовым током величину меньше нуля; и затем на этапе 340 в случае истинности определения на этапе 330 выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества тестовых токов, в противном случае на этапе 350 получают сообщение об ошибке, которая может сохраняться в памяти системы или отображаться пользователю, а также приводить к завершению определения значения глюкозы. В данном случае ошибка считается градиентной ошибкой измеренного переходного токового процесса. В данном методе первичный тестовый ток может включать ток I, измеряемый приблизительно в начале этапа измерения, то есть предпочтительно в момент времени t. Вторичный тестовый ток может включать ток I, измеряемый спустя приблизительно 0,8 секунды после начала этапа измерения, то есть предпочтительно в момент времени t.
На этапе выведения или расчета концентрации глюкозы можно использовать представленное выше уравнение (1), как представлено и описано в предварительной заявке на патент США № 61/319470 (досье патентного поверенного № DDI-5199), поданной 31 марта 2010 г.; полное содержание данной заявки включено в настоящий документ путем ссылки, а копия представлена в приложении к настоящей заявке.
В некоторых случаях при приложении к тест-полоске 120 тестового напряжения также возникают аномальные переходные токовые процессы на соответствующих рабочих электродах, как показано на фиг. 6C. В данном примере переходные токовые процессы на первом рабочем электроде 212 и втором рабочем электроде 214 на ранних этапах расходятся, но затем на более поздних - сходятся. Считается, что такой тип аномального переходного токового процесса возникает вследствие неравномерной толщины слоя реагента 218, примесей в медиаторе (ферроцианиде) и/или частичного заполнения кровью камеры для приема пробы 292. Нормальные переходные токовые процессы на обоих рабочих электродах должны показывать коэффициент трансформации R тока на втором рабочем электроде к току на первом рабочем электроде, равный от приблизительно 1,0 до приблизительно 1,4 за приблизительно 1 секунду. Считается, что вероятной причиной такой ошибки является различная скорость диффузии на каждом электроде. Это может быть вызвано неравномерным нанесением фермента или неровностями на полоске, которые ускоряют или замедляют реакцию на одном электроде по сравнению с другим. Коэффициент R можно выразить следующим образом:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>W</mi><mi>E</mi><mn>2</mn><mo>@</mo><mi>t</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>W</mi><mi>E</mi><mn>1</mn><mo>@</mo><mi>t</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≅</mo><mi>K</mi></mrow>
WE2@tn
где I = ток, измеренный на втором рабочем электроде в момент времени tn;
WE1@tn
I = ток, измеренный на первом рабочем электроде в момент времени tn;
tn~ 1,1 секунды; предпочтительно при 1,12 секунды; и
K~ от 1 до 2, предпочтительно 1,4 для вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
Что касается случаев, представленных на фиг. 6C, заявители открыли другой способ, показанный на фиг. 7B, для обнаружения ошибки при определении концентрации глюкозы с помощью примера системы. На этапе 400 данного способа запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; на этапе 410 измеряют множество тестовых токов после нанесения пробы крови на тест-полоску; на этапе 420 определяют коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов; и на этапе 430 выясняют, составляет ли коэффициент трансформации тока на втором рабочем электроде к току на первом рабочем электроде величину меньше K, и в случае истинности определения на этапе 440 выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества тестовых токов, в противном случае на этапе 450 получают сообщение об ошибке, которая может сохраняться в памяти системы или отображаться пользователю, а также приводить к завершению определения значения глюкозы.
В соответствии с вышеуказанным на этапе выведения или расчета концентрации глюкозы можно использовать представленное выше уравнение (1), как представлено и описано в предварительной заявке на патент США № 61/319470 (досье патентного поверенного № DDI-5199), заполненной 31 марта 2010 г.; полное содержание данной заявки включено в настоящий документ путем ссылки.
Следует отметить, что оба метода, представленные в качестве примеров на фиг. 7A и 7B, могут быть объединены в один способ определения ошибок, как проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 7C. Как показано на этапе 500, такой комбинированный способ можно осуществлять следующим путем: запускают химическую реакцию между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента тест-полоски; на этапе 510 измеряют множество тестовых токов после нанесения пробы крови на тест-полоску; на этапе 520 измеряют первичный тестовый ток и вторичный тестовый ток на одном из первого и второго рабочих электродов; на этапе 530 определяют коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов; на этапе 540 определяют, составляет ли разница между первичным тестовым током и вторичным тестовым током величину меньше нуля; на этапе 550 оценивают, составляет ли коэффициент трансформации соответствующих третичных тестовых токов, измеренных в каждом из второго и первого рабочих электродов, величину больше K; и в случае истинности результатов любого или обоих из этапа определения 540 или этапа оценки 550 получают сообщение об ошибке, в противном случае на этапе 560 выводят или рассчитывают концентрацию глюкозы на основе множества измеренных тестовых токов.
Хотя настоящее изобретение было описано для конкретных вариаций и иллюстрирующих их фигур, специалистам в данной области будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариациями или описанными фигурами. Кроме этого, специалистам в данной области будет очевидно, что в тех случаях, когда описанные выше способы и этапы указывают на наступление определенных событий в определенном порядке, этот порядок для некоторых этапов может быть изменен, и что такие изменения соответствуют вариациям настоящего изобретения. Кроме того, некоторые этапы при наличии возможности можно выполнять одновременно как параллельные процессы, а также последовательно в соответствии с приведенным выше описанием. Таким образом, в той степени, в какой возможны вариации настоящего изобретения, соответствующие сущности раскрываемого изобретения или эквивалентные по содержанию формуле изобретения, настоящий патент распространяется также на все подобные вариации.