MX2007001883A

MX2007001883A - Sensor electroquimico.

Info

Publication number: MX2007001883A
Application number: MX2007001883A
Authority: MX
Inventors: John Griffiths; Mark Hyland; Kevin Lorimer; Herbert Frank Askew; John Morton Broughall
Original assignee: Oxford Biosensors Ltd
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-04-24
Also published as: PL1782054T3; CN101002086B; US20070285099A1; DE602005022080D1; CA2577477C; WO2006030170A1; GB0418345D0; JP4819052B2; ES2345938T3; ATE472727T1; EP1782054A1; JP2008510157A; EP1782054B1; GB2417323A; US7545148B2; CA2577477A1; CN101002086A

Abstract

En un sensor electroquimico, se incrementa la diferencia de tension aplicada a la celda electroquimica hasta un valor de medicion con un coeficiente determinado para reducir la corriente de transicion.

Description

SENSOR ELECTROQUÍMICO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con sensores electroquímicos y métodos de detección electroquímicos. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En un biosensor electroquímico, se usa un electrodo de trabajo con un contraelectrodo y un electrodo de referencia aunque los dos últimos pueden combinarse como un electrodo de pseudo-referencia. En el texto siguiente el término de electrodo de referencia debe interpretarse indicador de electrodos de pseudo-referencia, a menos que se requiera de otra forma en el contexto. Para realizar una medición, se aplica una diferencia de tensión entre el electrodo de referencia y trabajo y se mide la corriente resultante sobre un intervalo de voltajes. La concentración del analito presente en un fluido puede derivarse de las mediciones de la corriente con diferencias específicas de tensión. Información complementaria puede derivarse de la posición máxima voltamétrica (y/o posición del punto medio) y la separación del máximo voltamétrico. Un electrodo que puede usarse por estos biosensores se describe en WO 03/056319 (este documento se incorpora en la presente en su totalidad como referencia) .

Se ha descubierto que las mediciones realizadas con este sensor pueden sufrir errores, particularmente si se hacen Ref.:179518 mediciones rápidas en un dispositivo portátil. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por consiguiente, la presente invención proporciona un método de detección electroquímica que comprende: aplicar una tensión que varía con el tiempo entre los electrodos de trabajo y referencia en contacto eléctrico con una solución objetivo, la tensión varía con el tiempo que tiene un periodo de elevación, durante el cual se incrementa la diferencia de potencial desde sustancialmente cero a una primera tensión predeterminada, y un periodo de meseta durante el cual se mantiene la diferencia de tensión sustancialmente constante con la primera tensión predeterminada; y tomar muestra del flujo de corriente entre los electrodos de trabajo y referencia durante el periodo de meseta. Los actuales inventores han determinado que algunos errores en el dispositivo de medición derivados de aplicar una tensión escalonada a los electrodos. El incremento escalonado en la tensión produce un pico de voltaje transitorio de la corriente seguida por un decaimiento debido en parte a la capacitancia de los electrodos - la forma del decaimiento también es dependiente de la concentración de la solución objetivo y por lo tanto no puede predecirse - y las dificultades en la disminución de una corriente transitoria alta en un dispositivo portátil. Así las mediciones se toman en un estado no estacionario y origina errores. Preferentemente, el coeficiente del cambio de la tensión en el periodo de elevación es menor o igual a aproximadamente 250 Vs"1, preferentemente menor de aproximadamente 150 Vs"1 y más preferentemente en el intervalo desde aproximadamente 5 a 75 Vs"1. Este coeficiente reduce el máximo de corriente originado por el incremento de la tensión de modo que las mediciones tomadas en el periodo meseta están sustancialmente libres de errores. La tensión que varía con el tiempo además comprende un segundo periodo de elevación durante el cual se incrementa la diferencia de tensión desde sustancialmente cero a una segunda tensión predeterminada, y un segundo periodo meseta durante el cual se mantiene la diferencia de la tensión sustancialmente constante en la segunda tensión predeterminada; y el método además comprende tomar la muestra de la corriente durante el segundo periodo meseta. Repitiendo la elevación y las mediciones proporcionan puntos de datos adicionales para mejorar el promedio. En una modalidad particular la segunda tensión predeterminada es de polaridad opuesta a la tensión predeterminada y tiene una magnitud diferente, pero en otras modalidades la primera y segunda predeterminadas pueden tener la misma polaridad. En una modalidad preferida de la invención, la diferencia de la tensión en el/los periodo (s) de elevación siguen sustancialmente una parte de una función sinusoidal, en particular la mitad de un periodo. Esta forma de onda minimiza las oscilaciones momentáneas de la corriente y también se genera de forma relativamente simple en tiempo real . BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La presente invención se describe enseguida con mayor detalle con referencia a una modalidad de ejemplificación y las figuras acompañantes, en donde: La Figura 1 es un diagrama esquemático de un dispositivo sensor electroquímico que incorpora la invención; La Figura 2 es una gráfica de la tensión contra el tiempo de una forma de onda aplicada a los electrodos en una modalidad de la invención; y La Figura 3 es una forma esquemática de un potenciostato . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El dispositivo sensor comprende una unidad electrónica 10 a la cual se conecta una unidad de electrodo 20, que puede ser desechable. La unidad de electrodo 20 tiene una pluralidad de electrodos de trabajo WE1-WE6 así como también electrodo de referencia y contraelectrodo (auxiliar) RE, CE. La mayoría o unos pocos de los electrodos pueden usarse en otras modalidades. En algunas modalidades de la invención, los electrodos de referencia y contraelectrodo pueden combinarse como un electrodo de pseudo referencia. Se forma una celda electroquímica entre los electrodos de trabajo y referencia. Para hacer las mediciones de una solución objetivo que está en conexión con los electrodos, se aplican diferentes voltajes - estáticos y que cambian con el tiempo -entre unos de los electrodos de trabajo y los electrodos de referencia y las corrientes resultantes detectadas. Por ejemplo, la concentración de rutenio (Ru) en una muestra puede determinarse al aplicar un voltaje constante y medir la corriente . El control total de la unidad electrónica 10 del dispositivo sensor se desarrolla por un microcontrolador 101 que incluye una memoria interna para almacenar el programa computacional del sistema. El microcontrolador puede ser un ASIC dedicado, un FPGA o un controlador de objetivos generales programado adecuadamente. El microcontrolador controla un pontenciostato 104 por medio de un convertidor digital a análogo 103 y recibe los resultados de las mediciones desde el potenciostato 102 por medio del convertidor análogo a digital 102. El potenciostato 104 aplica los voltajes deseados a los electrodos de trabajo, referencia y contra; un multiplexor de la celda 105 bajo el control del microprocesador 101 selecciona el electrodo de trabajo apropiado. Los electrodos son preferentemente microelectrodos, p.ej., que tienen un ancho menor de aproximadamente 50 µm, electrodos de microbanda o un arreglo de microelectrodos. Una pantalla gráfica 108 permite mostrar al usuario los menús de operación, las opciones de ingreso por medio de teclado 109, y resultados de las mediciones. Una Memoria de Acceso Aleatorio (RAM) eléctricamente borrable 120 permite el almacenamiento de información constantes y mediciones. Un lector de código de barras también puede proporcionarse para el ingreso de datos, especialmente para información del paciente si el sensor se usa en una aplicación médica o veterinaria. Las interfases, p.ej., que conforman estándares de RS232, Bluetooth, Ethernet, USB o WiFi (IEEE 802.11a, b, g, etc.), pueden proporcionarse para conexión a las impresoras, redes y otros dispositivos, p.ej., sistemas de registros de pacientes. Los circuitos ilustrados de forma separada pueden combinarse sobre uno o más ASICs o FPGAs. La energía se suministra desde las baterías 107 bajo el control de una unidad para el manejo de energía 106 que optimiza la vida de las baterías y controla la recarga de las baterías . Cuando una diferencia de la tensión deseada que se aplicará a la celda electroquímica, si la salida del potenciostato se incrementa simplemente en una función escalonada a esta tensión, ocurrirá una corriente con transición. El tamaño del máximo de la corriente inicial y el coeficiente de decaimiento dependerá de factores como la tensión aplicada, así como también la capacitancia, inductancia, y resistencia de la celda electroquímica y los conductores que guían esta. La capacitancia y resistencia de la celda electroquímica determinará en parte la concentración de los iones en la muestra que será medida y por lo tanto la forma de la corriente con transición no puede predecirse con suficiente exactitud. La saturación de corriente en el amplificador del potenciostato adiciona más complicaciones. Si las mediciones de la corriente se toman antes que la corriente de transición haya decaído completamente, originará errores. En un dispositivo portátil es difícil proporcionar una gran disminución de corriente para absorber rápidamente la corriente de transición a fin de que deba observarse un retraso significativo antes de tomar las mediciones. Esto incrementa los tiempos de medición que es particularmente indeseable si se tomarán múltiples mediciones de una muestra dada. Para evitar la generación de corriente de transición sustancial, la presente modalidad aplica una forma de onda potencial como se muestra en la Figura 2 a la celda electroquímica. La forma de onda puede generarse al proporcionar una serie de valores digitales como entradas al convertidor digital a analógico 103 que después acciona el potenciostato 104. Los valores digitales adecuados pueden calcularse como un algoritmo simple ejecutado por el microcontrolador 101 o calculado por adelantado y almacenado en la memoria. La forma de onda aplicada a la celda electroquímica tiene dos partes, en la primera (tO a t4) se aplica una tensión positiva a la celda y en la segunda (t4 a t8) se aplica una tensión negativa. En este ejemplo la segunda parte tiene una estructura similar a la primera parte pero con polaridad opuesta y una magnitud diferente. Sin embargo, la segunda parte a su vez puede tener la misma polaridad y magnitud y también puede omitirse si no se requiere - p.ej., para proporcionar mediciones adicionales. En ambas partes de la forma de onda, después de un retraso inicial, tO a ti, en donde se mantiene el voltaje sustancialmente en 0 la forma de onda se eleva a un voltaje +V? en el periodo ti a t2. El voltaje en este periodo conforma una parte de una curva sinusoidal - aproximadamente la mitad de un ciclo - para minimizar la corriente de transición, sin embargo pueden aplicarse otras formas de onda. Después de la porción de elevación existe una meseta, t2 a t4, durante la cual la tensión aplicada a la celda se mantiene sustancialmente constante. La corriente a través de la celda se muestrea durante la última parte de la meseta, entre los tiempos t3 y t4. El número de muestras y el coeficiente de datos pueden elegirse para ajustar las mediciones electroquímicas específicas que se hacen pero por ejemplo pueden tomarse 20 muestras con un coeficiente de aproximadamente 300 Hz . La diferencia de tensión aplicada a la celda electroquímica durante las mediciones, es decir, la tensión de meseta, dependerá de las especies que serán detectadas y/o medidas. Las tensiones en el intervalo de ± 2V (medidas contra un electrodo de Ag/AgCl) son adecuadas. Como se menciona anteriormente, la parte que funciona de forma negativa de la forma de onda del ejemplo tiene porciones de elevación y meseta t5 a t6 y t6 a t8 que son inversas a las porciones correspondientes de la parte que funciona de forma positiva de la forma de onda del ejemplo. Por supuesto en otras modalidades, la segunda parte de la forma de onda puede tener la misma polaridad que la primera parte y/o una magnitud diferente. Durante la porción de elevación, se determina la pendiente máxima al mantener la corriente de transición por debajo de los niveles que puede disminuirse en el amplificador del potenciostato. Por ejemplo, es adecuado un coeficiente de aproximadamente 50 Vs"1. Esto proporcionaría un incremento desde 0 a 0.5 V en aproximadamente 100 ms . Una tensión escalonada, en donde la tensión se incrementa en menos de 1 ms podría originar un coeficiente de 600 Vs"1. Al final de la meseta, el voltaje puede regresarse a cero tan rápido como se desee si la transición no afectara ninguna de las mediciones pero también puede usarse una disminución suave, especialmente si otras mediciones se realizarán muy pronto. Mientras se previene la sobrecarga de la trayectoria de la porción de elevación del convertidor IE que forma parte del potenciostato, el coeficiente requerido del cambio de tensión puede determinarse con consideración de un circuito básico del potenciostato, tal como se muestra en la Figura 3. La entrada de modulación al potenciostato se muestra en el lado derecho de la figura y se amplifica y aplica al electrodo común CE de la celda electroquímica. El electrómetro amortigua la tensión electroquímica del electrodo de referencia RE y alimenta esta tensión inversa dentro de del amplificador sumador tal que la tensión del contraelectrodo se mantenga con relación al electrodo de referencia. El convertido IE convierte la corriente i que fluye fuera del electrodo de trabajo a una salida de voltaje V = RB * i, donde RB es el valor de la resistencia de retroalimentación del convertidor IE, que es esencialmente un circuito seguidor de la corriente del amplificador operacional . En un circuito práctico la salida del voltaje máximo del amplificador operacional se limita por el voltaje del suministro de energía y las características del amplificador operacional seleccionado. Es implícito que la salida de voltaje del amplificador operacional no puede exceder su voltaje de suministro de energía. Dado que la salida del voltaje del convertidor IE se da por V = RB * i . Existirá un valor máximo de i, que puede ingresar al circuito, que se define por el voltaje del suministro de energía. En la situación donde i excede este valor la salida del voltaje del amplificador operacional se limita por el voltaje del suministro de energía. Esta salida no es altamente representativa de la corriente i. El efecto en la salida negativa también debe considerarse. En operación normal la tensión en la entrada negativa es cero, siendo la suma de i y la corriente a través de RB. En la condición de sobrecarga la corriente no obstante RB no es lo suficientemente grande para compararse con i, el resultado de esto es que el potencial en la salida negativa ya no se mantiene en cero, sino que se incrementa hacia la tensión en CE en los tres sistemas de electrodos, o cambia con el electrodo de pseudo-referencia en dos sistemas de electrodos. Esto origina que el potenciostato pierda el control de la tensión y por lo tanto la celda electroquímica ya no se mantiene con el potencial deseado. Se deduce que la corriente no importando la celda electroquímica después se limita por la saturación del convertidor IE. Por lo tanto, la elevación máxima debe fijarse para prevenir la saturación del convertidor IE, que efectivamente significa que la corriente de transición no debe ser mayor de la corriente máxima que se medirá. Esta condición es particularmente cierta en los instrumentos energizados con baterías donde se requieren que los voltajes del suministro de energía se minimicen para conservar la energía y reducir los sistemas de circuitos. No obstante se ha descrito la invención anteriormente en relación a una modalidad específica, la presente invención puede incorporarse en otras formas. Por ejemplo, otras funciones pueden usarse para definir la elevación, incluyendo un barrido lineal, funciones logarítmicas, funciones sigmoideas, hipérbolas, funciones logísticas, funciones de Weibull, modelo de crecimiento Gompertz, función Hill, modelo Chapman. Las polaridades en este documento se definen utilizando las conversiones IUPAC pero los resultados pueden convertirse fácilmente en otras conversiones. El alcance de la invención por lo tanto se determina por las reivindicaciones anexas en lugar de la descripción anterior. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones . 1. Método de detección electroquímica, caracterizado porque comprende : aplicar una tensión que varía con el tiempo entre los electrodos de trabajo y referencia en contacto eléctrico con una solución objetivo, la tensión varía con el tiempo que tiene un periodo de elevación, durante el cual se incrementa la diferencia de potencial desde una primera tensión predeterminada a una segunda tensión predeterminada, seguido por un periodo meseta durante el cual se mantiene la diferencia de tensión sustancialmente constante con la segunda tensión predeterminada; y tomar muestra del flujo de corriente entre los electrodos de trabajo y referencia con propósitos de medición, solo durante el periodo de meseta.
2. Método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el coeficiente del cambio de la tensión en el periodo de elevación es menor o igual a aproximadamente 250 Vs"1, preferentemente menor de aproximadamente 150 Vs"1 y más preferentemente en el intervalo desde aproximadamente 5 a 75 Vs"1.
3. Método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el potencial que varía con el tiempo además comprende un segundo periodo de elevación durante el cual se incrementa la diferencia de tensión desde una tercera tensión predeterminada a una cuarta tensión predeterminada, y un segundo periodo de meseta durante el cual se mantiene la diferencia de potencial sustancialmente constante con la cuarta tensión predeterminada; y el método además comprende tomar muestra de la corriente durante el segundo periodo de meseta.
4. Método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la cuarta tensión predeterminada es de polaridad opuesta a la segunda tensión predeterminada.
5. Método de conformidad con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque la cuarta tensión predeterminada es de magnitud diferente de la segunda tensión predeterminada.
6. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación sustancialmente siguen una parte de una función sinusoidal, en particular la mitad de un periodo.
7. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación sustancialmente siguen una parte de una función seleccionada del grupo que comprende : un barrido lineal funciones logarítmicas funciones sigmoideas hipérbolas funciones logísticas funciones de Weibull modelo de crecimiento Gompertz función Hill modelo Chapman.
8. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la forma de onda de la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación se calcula en tiempo real .
9. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera tensión es una tensión de circuito abierto.
10. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tercera tensión es una tensión de circuito abierto.
11. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los electrodos son microelectrodos, electrodos de microbanda o un arreglo de microelectrodos.
12. Dispositivo de sensor electroquímico, caracterizado porque comprende : un potenciostato para aplicar una tensión entre los electrodos de trabajo y contraelectrodo en contacto eléctrico con una solución objetivo y tomar muestra del flujo de corriente entre los electrodos; un controlador para controlar el potenciostato a fin de que aplique una tensión que varía con el tiempo que tiene un periodo de elevación, durante el cual se incrementa la diferencia de tensión desde una primera tensión predeterminada a una segunda tensión predeterminada, seguida por un periodo meseta durante el cual se mantiene la diferencia de tensión sustancialmente constante con la segunda tensión predeterminada y muestrea el flujo de corriente entre los electrodos de trabajo y contraelectrodo para los propósitos de medición, solo durante el periodo de meseta.
13. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el controlador se adapta para controlar el potenciostato a fin de que el coeficiente del cambio de la tensión en el periodo de elevación es menor o igual a aproximadamente 250 Vs"1, preferentemente menor de aproximadamente 150 Vs"1 y más preferentemente en el intervalo desde aproximadamente 5 a 75 Vs"1.
14. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el controlador se adapta además para controlar el potenciostato a fin de que la tensión que varía con el tiempo además comprenda un segundo periodo de elevación durante el cual se incrementa la diferencia de tensión desde una tercera tensión predeterminada a una cuarta tensión predeterminada, y un segundo periodo de meseta durante el cual se mantiene la diferencia de tensión sustancialmente constante con la cuarta tensión predeterminada; y tomar la muestra de la corriente durante el segundo periodo de meseta.
15. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la cuarta tensión predeterminada es de polaridad opuesta a la segunda tensión predeterminada.
16. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación sustancialmente siguen una parte de una función sinusoidal, en particular la mitad de un periodo.
17. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación sustancialmente siguen una parte de una función seleccionada del grupo que comprende : un barrido lineal funciones logarítmicas funciones sigmoideas hipérbolas funciones logísticas funciones de Weibull modelo de crecimiento Gompertz función Hill modelo Chapman.
18. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque la primera tensión es una tensión de circuito abierto.
19. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado porque la tercera tensión es una tensión de circuito abierto.
20. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque los electrodos son microelectrodos, electrodos de microbanda o un arreglo de microelectrodos.
21. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20, caracterizado porque además comprende un generador de forma de onda dispuesto para generar la forma de onda de la diferencia de tensión en el/los periodo (s) de elevación en tiempo real.
22. Dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20, caracterizado porque además comprende una memoria para almacenar una pluralidad de valores que representan la forma de onda que será aplicada a los electrodos y en donde el controlador se adapta para leer valores en secuencia desde la memoria.
23. Dispositivo de conformidad con las reivindicaciones 12 a 22, caracterizado porque se energiza con batería y se sujeta manualmente.