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CN101198868A - 对电化学条带中部分充满的测定 - Google Patents

对电化学条带中部分充满的测定 Download PDF

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CN101198868A
CN101198868A CNA200680021625XA CN200680021625A CN101198868A CN 101198868 A CN101198868 A CN 101198868A CN A200680021625X A CNA200680021625X A CN A200680021625XA CN 200680021625 A CN200680021625 A CN 200680021625A CN 101198868 A CN101198868 A CN 101198868A
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CN
China
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test strip
double
electric current
cut
layer capacitance
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Application number
CNA200680021625XA
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English (en)
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I·哈丁
S·迪亚蒙德
R·威廉斯
S·伊尹加
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Agamatrix Inc
Original Assignee
Agamatrix Inc
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Abstract

通过对双层电容进行DC测量来判断电化学测试条带的部分充满，其中所述双层电容来自于含有样品例如需要测定葡萄糖的血液样品的测试条带上的充电电荷或者放电电荷。将所测量的双层电容与参考值进行比较。所述双层电容可作为积分电容或者微分电容被测定。双层电容也可用于质量控制以监测电极制造的质量，尤其是在使用丝网印刷电极的条带中。

Description

对电化学条带中部分充满的测定
技术领域
本发明涉及检测电化学测试条带中部分充满(partial fill)的方法，以及在此方法中使用的测量计和测量计-测试条带组合。
背景技术
小型一次性电化学测试条带常常被糖尿病患者用来监测血糖。此类测试条带也可被用来检测人们感兴趣的其它生理化学物以及滥用的物质。通常，所述测试条带包括用于将进行的测试的合适试剂和至少两个电极，其被制造为单次使用的可抛弃单元。测试条带在被插入可反复使用的测量计之前或之后，与诸如血液，唾液或尿液等样品混合，该测量计包含下述机械装置，所述机械装置用于检测来自测试条带的电化学信号，并将其处理为对由所述测试条带确定的分析物的存在/不存在或数量等的指示。
通常，人们希望在电化学测试条带中利用小体积样品。但利用小体积测试条带所遇到的挑战之一是出现部分充满状态，其中，导入测试条带的样品是不足的，这将导致错误的读数。已提出了解决部分充满问题的多种方法。
在很多情况中，解决这一问题的方法包括使用额外的电极。例如，US 4,929,426披露了阻抗电极的运用，即，当分析室被注满时，分析样品溢出。而US 5,582,697、US 6,212,417和US 6,299,757都披露了使用能用于充满检测中的第三种电极。US 6,743,635披露了一种四电极的方法，包括分开的充满检测正极和负极。US 5,997,817披露了一种测试条带，所述测试条带具有可通过其观察样品的观察窗和“至此为充满”刻度线，以估算样品足量程度(sufficiency)。
美国专利第6,856,125号披露了一种用测量电容量来测量样品体积的方法。所述设备包括向盛有样品的生物传感器单元施加AC信号的正弦波发生器，电流-电压转换器，移相器，方波发生器，同步解调器以及低通滤波器，所述低通滤波器产生与横贯所述生物传感器单元的有效电容成比例的信号。该信号与样品体积是成比例的。
因为电化学测试条带通常是一次性的，并且糖尿病患者在一天中可使用多条，所以需要控制单条成本。因此希望开发一套不需要增加大量测试条带或测量计数量就能确定样品足量程度的系统，从而也不增加所述测试条带和测量计的制造成本。如果此系统能在测量计中自动运行，而不依靠使用者进行人工观测和判断，则将更加理想。
发明内容
本发明提供了一种确定样品足量程度的改进方法，即利用测量电极之间的双层充电或放电，来确定加入样品后所述测试条带的双层电容。双层电容与被样品湿润的面积成比例，因此提供了对样品室充满程度的直接测量。根据本发明，通过包括以下步骤的方法，可以检测在含有电极以及在所述电极间放置有液体样品的电化学测试条带中的部分充满：
a)将样品放入电化学测试条带；
b)在所述测试条带的电极间施加电势差；
c)切断已施加的电势，并可选地施加第二电势；
d)观测产生的电流，并由观测到的电流确定电极之间的双层充电或放电；
e)观测施加电势被切断之后的电压变化，并由所测量的双层充电或放电和观测到的电压变化确定测试条带的双层电容；
f)将所测定的双层电容与参考值进行对比，其中小于所述参考值的双层电容指示所述液体样品覆盖面向的(facing)电极的一部分，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
在本发明的一个实施方式中，双层放电通过下文所述来测量：1)在电极之间施加电势；2)在时刻t切断切断在电极间所施加的电势；3)监测所述电极间电势差的衰减，以判定所述电势衰减至阈值时所需的时间t阈值；和4)确定在t切断和t阈值间隔中双层电荷的放电量。
在本发明的另一实施方式中，双层放电通过下文所述来测量：1)在电极之间施加第一电势；2)在时刻t切断切断在电极间所施加的电势；3)监测所述电极间电势差的衰减，以判定所述电势衰减至阈值时所需的时间t阈值；4)在t阈值时在电极间施加第二电势，由此产生电流尖峰；5)确定双层充电量，这是电流尖峰下的面积所反映的；6)由t切断时的双层充电量和电流确定所述双层电容。
本发明还提供了一种与电化学测试条带结合使用的测量计。此测量计包括下述电路，所述电路用于施加电势、监测电流、切断电势以及监测切断电势之后电势衰减。测量计可进一步包括用于监测再次施加电势后的电流的电路。测量计中的处理器利用产生的信息确定双层电容，并且，如果双层电容量不足的时候，将终止所述测量循环。另外，所述测量计还包括用于测量在样品中存在的分析物(例如葡萄糖)的量的电路，以及用于向使用者显示分析物的量，或者因样品不足而终止测试。
附图说明
图1显示发生在传统安培式葡萄糖检测器中的电子转移反应；
图2显示在将电势施加在用于检测葡萄糖的电化学测试条带之后，电流作为时间函数的理论图，其中，所述测试条带具有面向电极和反电极，以及电极间的间隔，使介质在电极间进行循环；
图3显示作为时间函数的施加电压Vapp和电极间电势差Velect的图；
图4显示达到阈值之后再次向电极施加电势时，电流作为时间函数的图；
图5显示电压对比时间的图，即描述了电极电阻导致电压下降；
图6显示测量计的外观图；
图7显示测试条带和测量计中连接部分的连接；
图8显示在安培计模式与电势计模式之间转换的电路图；
图9显示在安培计模式与电势计模式之间转换的电路图；
图10显示微分电容和电势之间的关系；
图11显示测量得到的充满和部分充满条带的微分电容；
图12显示了微分电容的批次波动作为降至50mV所需时间的函数；
图13A和B概述了根据本发明测定双层电容的技术。
具体实施方式
I.定义：
如在本申请的说明书和权利要求中所使用的，应当采用如下定义：
(a)“分析物”指样品中可能存在的令人感兴趣的材料。在本申请中，实施例以葡萄糖为分析物，但是本发明分析物的类型和数量不受限制。因此，应用于葡萄糖检测系统的应仅仅被视为特定的非限制性的实施方式。
(b)“对分析物的测定”指评估样品的定性、半定量、定量的过程。在定性评估中，结果显示是否在样品中检测到分析物；在半定量评估中，所述结果显示是否分析物以高于预定阈值的量存在；在定量评估中，所述结果是分析物存在量的数字显示。
(c)“双层”指在导体/电解界面形成的充电层，这是在导体表面吸附离子，导致在固体表面附近形成导体内部中和镜像电荷局部区域化层的结果。当液体样品与电极相接触时，无论是否施加电势，所述双层都将在电化学测试条带中的每个电极上形成。然而，双层中的电荷量是电极电势的函数。所述双层结构基本上是作为电容器运转。
(d)“双层电容”是双层的电容。其可能是积分电容，在此情况下可由以下公式表示
Cint＝IΔt/ΔV
或微分电容，在此情况下由以下公式表示
Cdif＝I/(dV/dt)
其中I为电流，t为时间，V为电压。在一些情况中，所测量的双层电容受一个电极主导，例如，当一个电极拥有相当大的面积时，或者当样品中带有一种电荷的离子的吸附比带有另一种电荷的离子更强时。在所述葡萄糖测试条带的情况下，正极通常在主导地位，这是因为负离子例如氯离子更容易失去其水和壳而进入所述双层。在这些情况中测量的双层电容在本发明的范围之内，然而应该注意到一个电极是占主导地位的，充满的状态是这样的：所述占主导地位的电极的双层电容代表了所述电化学条带的充满状态。
(e)“双层充电”是增加储存在双层中的电荷的过程，这是施加电势的结果。所述术语“电极双层充电”指对两个电极充电，或者对主导电极充电。
(f)“双层放电”是减少储存在双层中的电荷的过程，这是切断施加电势的结果。所述术语“电极双层放电”指对两个电极进行放电，或者对主导电极进行放电。
(g)“电化学测试条带”指带有至少两个电极，以及测定置于电极之间的样品中的分析物所用的任何必要试剂的条带。在优选实施方式中，所述电化学测试条带可在一次使用之后丢弃，并且带有连接端，以与独立且可重复使用的测量计相连，所述测量计包括施加电势，分析信号以及显示结果的电子设备。
(h)“面向电极”是一对平行放置在位于相互分离的面上的电极。一对面向电极的相对面部分地或全部重叠，使得电极间的电势梯度和电流与所述相对面基本上垂直。面向电极区别于安置在同一面上的、并且电势梯度和电流基本上与电极表面平行的并行电极。本发明能够使用面向或并行电极，以及其它几何排列的电极。
(i)对施加电势的“切断”指形成开放电路，所述开放电路强制使电流归零(通过打开开关或者将高阻抗引入所述电路)，从而允许建立化学浓度梯度和在所述双层中的离子吸附，以此来测定电极间的电势。这与电压归零不同。
(j)“电极电阻”导致了所施加电压与由所述电极上的电化学所感知到的实际电压间的差异。电极材料和与电极相连的连接端子的电阻、电极沾污以及类似因素导致电极电阻增加。
(k)V下降是施加电压与实际电压之间的差异，所述实际电压因电极电阻而提高。
(l)“携氧量”指样品容纳的氧的量，所述氧是溶解形式的或者处于红血球容器中。
(m)“tmob”是分析过程经试验所确定的时间，其反映了在特定测试室中特定样品中的介质迁移率。tmob是施加电势被切断以后，电极间的电势衰减至预定值的时间。
(n)在本申请中所使用的“预定”指经验性地确定具体测量计或测试条带或测量计/测试条带组合所用的量或值。所述预定量或预定值将反映出针对用户需求做出的最优化，其中要考虑到所需的置信水平，并且无需达到最好的可能结果或100％准确性。
II.对分析物(例如葡萄糖)的确定
传统上，对分析物(例如葡萄糖)的电化学检测是通过向盛有待评估样品的电化学室施加电势来完成的，所述评估针对葡萄糖、氧化葡萄糖的酶(诸如如葡萄糖氧化酶)和氧化还原介质的存在/数量。如图1所示，所述酶氧化葡萄糖形成葡糖内酯和所述酶的还原形式。被氧化的介质与被还原的酶重新生成活性氧化酶并形成被还原的介质。被还原的介质在一个电极上被氧化，而通过另一个电极上的还原反应保持电化学平衡从而形成可测量的电流。所述被测量的电流与样品中葡萄糖的量相关，已知有多种技术可用于测定此类系统中的葡萄糖浓度。(例如，参见US专利第6,284,125号；第5,942,102号；第5,352,2,351号和第5,243,516号，上述文献通过引用并入本文)。
图2显示电流的理论图，所述电流是向用于检测葡萄糖的电化学测试条带施加电势后的时间的函数，其中所述测试条带具有面向电极和反电极，并且电极间的间隔紧密，使得在电极间发生介质/电荷载体的循环，即从而可以观察到独立于存在的残留分析物，由电极上介质的氧化和还原产生的电流。在随施加电势后的时间刻度上，所述电流痕迹显示出立即的(immediate)初始电流21。此电流与所述双层的初始充电及外部氧化还原活性物种的消耗量相联系。其后，所述电流降低，这是因为电流依赖于所述介质的溶解并随之从工作电极(所述试剂在制造时被附着其上)扩散到反电极。所述低电流(由箭头20表示)的持续时间取决于介质分解的速度，两电极之间的距离和介质到达反电极所必须经过的有效距离，还取决于介质的迁移率。介质迁移率是介质自身的属性，即扩散系数，当然还取决于样品的其它性质，如血细胞比容和粘度。在减小电流20的阶段之后，所述电流迅速升高至峰电流22，然后逐渐降低至平稳电流23。不同的葡萄糖测定方法在沿所述电流图的不同时间点进行测量。例如美国专利第5,942,102号在平稳区域测量电流。如在美国专利第5,243,516号；第5,352,351号和第6,284,125中所描述，也可采用点22和点23之间的区域中的科特雷尔(Cottrell)分析。本发明中，利用安培计，任何时间点都能被用来确定葡萄糖或其它分析物的浓度。
在下文描述的利用第二次施加电压完成充电电荷测量的实施方式中，对葡萄糖或其它分析物的测量能够在初始电压施加时，或者基于第二次施加电压之后测量的信号完成。
对样品中的葡萄糖或其它分析物的测量也可使用其它电化学技术来完成。这些包括电势测定法，例如在美国专利第6,251,260号(其通过引用并入本文)中所述，或者库伦测定法，例如美国专利第6,299,757(其通过引用并入本文)所述。
III.对双层电容的测量
本发明利用测量双层电容来估计被引入电化学测试条带中的样品体积的足量程度。对双层电容的测量需要了解作为时间函数的电流和电压变化，这可在所述双层的充放电过程中获得。此外，所述电压变化可被视为大的单步电压变化，在此情况下可得到积分电容；或者其可被视为作为时间函数的电压瞬间变化，在此情况下得到微分电容。因此，可利用图13A和B中概述的三种方法中的任一种来测定双层电容。图13A概述了由放电电荷测量电容，而图13B概述了由充电电荷测量电容。
A.放电电荷/积分电容
图3显示作为时间函数的施加电压Vapp和电极间电势差Velect的图。最初，有施加的恒定电压和电极上的恒定电压，并且大体上(to a firstapproximation)这两电压是相同的。在时刻t切断，所施加的电压被切断。此时，Velect开始衰减。对所述衰减进行监测直至达到预先选定的阈值电压，并记录所述时刻t阈值。积分电容由下式给出：
Cint＝IΔt/ΔV
在本发明的一个实施方式中，此公式中的I是刚好在t切断之前的电流，这是在电压被切断之前的时刻，该时刻与t切断足够接近，因而所观察到的电流可以代表在所述电压被切断之间的瞬时电流。在测量时间和t切断之间的实际时间差能在10毫秒～500毫秒的量级上，特别是如果t切 断落在平稳区域时，所述区域内的电流即使有变化，也是非常缓慢的。ΔV是在最初的Velect之间的电压下降，在简单模型中可以假定其等于Vapp和阈值电压V阈值之间的差异。Δt是t阈值和t切断之间的差异。按此方法测定的电容与被液体样品湿润从而形成双层的所述电极或者所述主导电极的表面积相关。
基于刚好在t切断之前的电流为I取单一值是一种近似，但当t切断发生在已达到平稳区之后时，这样做是合理有效的，这是因为I的变化很小。然而，当希望更高的准确性时，或者t切断是I在由t切断至t阈值之间的时间间隔中剧烈变化的时刻时，则需要更严格的方法来测定I。尽管没有电流在t切断和t阈值之间的间隔中实际流动，但是可利用线性模型进行估算I阈值，即如果施加的电压被保持在t阈值时I的值，所述模型可符合衰减模式，诸如特雷尔等式，或者其它由t切断之间所观察到的行为做出的推断。位于I切断和I阈值之间的I值或者衰减模型的数学积分从而可适用于Cint的测量。
对所述V阈值值的确定基于Vapp值以及衰减的预期时间过程。如果V阈值代表Vapp的大部分，那么测量的差异较小，而误差较大。此外，如下面所论述的，在阻抗电极如碳电极的情况中，存在与电极电阻相关的初始电压降，V下降，V阈值必须低于Vapp-V下降。另一方面，如果V阈值太低，那么测量所花费的时间更长，从使用者角度来说，这一般是不可接受的。为兼顾二者，在碳电极的情况中，V阈值至少合适地比Vapp低30mV，并且低不少于60mV，优选低不少于120mV，更优选低至少150mV。在一个具体实施方式中，采用碳电极测量葡萄糖，Vapp是300mV，V阈值被选用为150-240mV之间的电压值。
B.放电电荷/微分电容
作为测定积分电容的另一选择，可由放电循环测定微分电容。在测量微分电容的情况下，施加的电势在时刻t切断被切断。在随后的测量时刻，进行对所述电压衰减的斜率的即时测量。进行的测量的时刻可以是t切断之后根据指定条带设计的标准性能预先确定的时间间隔，例如在t切 断之后1～500毫秒，或者也可以根据所使用的条带的性能，按照与上述在V阈值进行的时间测量可相比较的方式进行测量。所述衰减的斜率的观测提供了值dV/dt。这与电流测量相结合可根据式
Cdif＝I/(dV/dt)
得到Cdif值。
在此等式中的I值可以是上述刚好在t切断之前的值，或者也可以是利用上述任何方法的在测量时的电流的预测值。
因为双层电容是取决于所述电容被测量时的电压，因此与Cint相比，Cdif的测量具有优势。采用Cdif，每次可以在相同电压下进行即时测量，因此避免了此来源的可变性。
C.充电电荷/积分电容
图4显示达到阈值之后再次向电极施加电势时，电流作为时间函数的图。在再次施加电势之后，出现第二次电流尖峰，随后衰减至与来自于在所述施加电势切断之前的预测电流基本相等的电流值。在电流曲线下的阴影面积42可由所述信号的积分，或者代表的部分，或者利用三角近似进行测定，并且所述阴影面积是所述双层充电的指示。理论上，在A所述的测量的放电电荷和该充电电荷应当相等。实际上，可观察到试验差异，但虽然如此也可以单独使用，或者作为对部分充满进行评估的所述放电电荷的验证。
在本发明的一个实施方式中，再次施加的电势与初始施加的电压相同。然而，倘若再次施加的电压能再次建立相同的扩散限制条件，则所述再次施加的电压可以比所述初始电压高或者低。
电流测量中的时间间隔可静态确定，即根据条带设计而固定地确定，或者其可以动态地确立。在静态测量时间定义的情况下，希望在所述电流尖峰后的时刻例如之后1～10毫秒以排除电流响应/饱和的影响。所述测量的结束时间则是在随后时刻前预先确定的时刻，例如100～1000毫秒。
在准动态方法中，结束时间也可被设置为所述放电相的倍数，例如整数倍。因此，所述测量间隔可等于Δt，或Δdt。
在完全动态方法中，根据所测量的电流确定所述测量时间间隔。在这些情况下，可进行测量直至实现所述过量电流(I观测-I切断)中预先确定的下降，例如超过50％，优选为至少75％，更优选为至少90％，其中I观测是在t切断之后任意时刻观测到的电流。可持续进行测量直至电流已降低至接近I切断的水平，例如1.1倍的I切断。
IV.对电极轨迹电阻的修正
当测量具有碳电极的电化学条带的实际电压图时，如图5所示，在所施加的电势切断之后观察到电压的立即下降。该下降V下降的量级是多个因素的函数，所述因素包括电极材料和与电极相连的连接端子的电阻，电极沾污以及类似的因素。因此，用碳电极时的下降大于使用低电阻电极(例如由金制成的电极)时的下降。在本发明的一些实施方式中，以多种方式中的任一种对V下降的量级加以考虑。
如上所述，在由放电电荷测量积分电容的情况下，V阈值的选择合适地取决于V下降。其二，ΔV更精确的指示可由
ΔV＝(Vapp-V下降)-V阈值提供。
在由充电电荷测定积分电容的情况下，算术上可方便地将所述第二次施加的电压设置为第一次施加的电压加上V下降，这是因为如此可以近似估算ΔV，其应为引起新的双层充电的实际施加的电压，而无需作为第一次施加的电压和所述阈值电压之间的差异来进行测量，在所述阈值电压处再次施加所述电势，因此仅需要测量的参数是衰减时间和电流。
在测量微分电容时，进行测量时的电压可被描述为((Vapp-V下降)减去预定量)。
V.对温度的修正
在本发明的一个实施方式中，只要所述测量计或者测试条带配备有测量温度的装置，则可根据样品的温度修正所述双层电容的值。经温度修正的双层电容CT-corr可由下式表示：
Ct-corr＝CDL-T-修正
其中CDL是以上概述的技术中的任一种测定的双层电容。
所述温度修正项，T-修正，具有与在2005年4月15日递交的共同转让的美国专利申请第10/907790号中描述的相同形式，将其在此处以引用的方式引入，尽管在那份申请中所述修正项用于修正分析物的浓度测量。
对所述温度修正项的评估可由任何能给出携氧量测量的技术联合所述样品的温度测量来进行。本发明人已发现，被测量的原始分析物浓度相比携氧量的测量值的图为直线，其具有的斜率取决于进行测量时的温度，但在正常值范围内与pO2和葡萄糖浓度无关。pO2或葡萄糖浓度的变化将导致所绘制出的直线的更多偏差，但不会改变斜率。该斜率作为温度函数的图可用于确定斜率(S)和截距(I)参数，这二者可根据以下等式组合为针对指定温度的温度修正项：
温度修正项＝常数×[(S×T)+I]×OCC
其中OCC是携氧量的测量值诸如血细胞比容，而所述常数是具有正号或负号的经验性确定的因子。
当在一个温度下收集到大量数据和在所述测量温度下收集有限量的数据时，通过从测量温度下收集的数据仅用于测定斜率，而从所有可以使用的数据测定所述截距则可提高所述温度修正因子的精确性。因此，在提供有大量标准校准数据时，所述参数I可以是针对所述条带和测量计组合建立的常数，而仅需要实验性地测量斜率。
(a)使用tmob作为对携氧量的测量值
在本发明的一个实施方式中，tmob，所述介质的迁移率的测量可用作携氧量的测量，tmob可在切断所述电势之后的电势梯度衰减中进行测量。所述电势衰减受监测直至所观测的电势以降低至预定值，Vmob。当所施加的电压为300mV量级时，降低至大约50mV是方便的，尽管在特定试验构造中，可能发现稍微更小的值(诸如47mV或者48mV)能提供最优的结果。通常，Vmob合适地为0.025～0.1V，例如在Vapp为250～300mV的葡萄糖测量中，优选为45～50mV。tmob是在t切断之后达到该电压所需的时间。
也可以采用确定所述衰减率的测量值的其它方法。例如，可以测定所述电势衰减的瞬时斜率，或者可以采用预定时间里电压的降低。所述测量计也可以选择特定的时间窗口进行V相比log(t)或ln(t)的线性衰减，以找到tmob，tmob为达到特定电压的时间。如果所述Vmob未能落在所选择的窗口内，可以使用根据该直线拟合的预测延长线。只要在测定修正函数中考虑所测量的衰减值，则具体的方法学并非关键。
(b)使用其它技术作为对携氧量的测量
美国专利第6,287,451号和第6,475,372号(在此通过引用并入本文)披露了在一次性测试条带中测定血细胞比容的电化学方法。所述血细胞比容测量值用在乘法修正中，这与本发明中的加法修正相反。然而，所述测量值可用在两种模式中，正如tmob用于如上所述的两种类型的修正中一样。这是因为血细胞比容是红血细胞的测量值，而红血细胞具有携氧量。
为了使用任何类型的血细胞比容作为本发明中携氧量的测量值，采用一系列校准测量，以获得在多个温度中的每一个温度下的未修正的分析物浓度和血细胞比容的数据的点点对应。在每个温度下，所述数据点点对应被拟合为直线模型，并测定所述直线的斜率。如上所述，所述斜率与葡萄糖和pO2无关，因此这些参数需要在试验中保持一致，具体的数值并不重要。所得斜率/温度数据点点对应随后被拟合为直线模型，以确定所述斜率和截距，二者用在上述加法修正因子中。
在一些情况下，所述直线模型仅对窄范围的数据是足够的。通过引入非线性项诸如二次方程指数项，可以针对更宽范围的温度或携氧量确定改进的加法修正因子。
VI.由安培计模式至电势计模式的动态切换
在本申请中，所述测量计首先用作安培计，然后在电势计模式中所施加的电势被切断。为提高在电势计模式中所进行的测量的质量和一致性，希望仅在经氧化和经还原的介质的稳定扩散梯度在所述电化学测试室中建立之后切换至电势计模式。通常，在所述浓度梯度进入所述样品体积中延伸“足够远”形成稳定梯度图之后，所述电势计测量能在任意点给出相同稳定的读数。
为最大程度地实现稳定扩散梯度的机会，可在所述测量循环开始时间之后确定一个时刻，在此时刻进行切换。针对指定的测试条带设计，经验性地确定该时刻，但其通常为4～8秒的量级。然而，为使所述测量计适用于各种不同样品特性，t切换可被动态确定。
在本发明的一个实施方式中，通过向t峰的测定值加入时间间隔例如2～3秒，由t峰(在图2中，峰22的时刻)的测量值动态地确定t切换。
在本发明的另一实施方式中，当t峰较小使采用固定值的t切换，当t峰较大时为t峰加上预定量从而动态地确定t切换。例如，当t峰小于1.5秒时，t切换可为固定值3.5秒，当t峰大于1.5秒时，t切换等于t峰加上偏移量(例如2秒)。
在另一个实施方式中，针对t峰在比通常时间更长的时间下出现的情况，建立测量的第三种模式。在该情况下，当t峰在预定阈值(例如5秒)之上出现时，t切换可被适宜地确定为t峰和利用得自所述科特雷尔电流斜率的预定常数的加法修正因子的函数。
此外，可确定t峰的最大值，超过该值时将发出错误信息。
VII.本发明的装置
本发明的方法可与任何具有面向电极的条带一起使用，本发明提供测量计装置，使之能接受所述条带并提供必须施加的电压和信号处理。这样的测量计也构成本发明的一方面。因此，本发明提供接受带有电极的电化学测试条带的测量计，并且当所述电化学测试条带被接受入所述测量计时，提供对应用到所述电化学测试条带上的分析物的测量，所述测量计包括：
(a)用于接受电化学测试条带的具有开口的插槽；
(b)接受用户输入并将结果显示给用户的通讯装置；
(c)对所述测量计接受的含有样品的测试条带上的双层电容进行DC测量的装置，并将所测量的双层电容与参考值相比较，其中小于所述参考值的双层电容是对所述液体样品覆盖部分电极的指示，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
图6显示本发明的测量计的外观。所述测量计具有插槽61和显示屏62.所述插槽61具有开口63，测试条带可插入其中进行使用。所述测量计还具有按键64已指示测量循环的开始，或者具有内部装置以检测测试条带的插入或者样品的应用。这些装置在本领域内已知，例如美国专利第5,266,179号；第5,320,732号；第5,438,271号和第6,616,819号，这些文献通过引用并入本文。在本发明的测量计中，按键、显示屏诸如LCD显示屏、RF、红外或其它无线传输器、有线连接器诸如USB、并口或者串口连接器构成了从用户接受输入和与向用户显示结构的方法，并且可单独使用或者以多种组合使用。
图7显示内部视图，其中显示了所述测量计与测试条带的结合。如所示，所述测试条带71具有接触点72、73，所述电极可通过这些接触点与所述测量计的接触点74、75进行电接触。
进行双层电容的DC测量的装置包括电路，例如在电路板上与编程微处理器相连，所述编程微处理器与电路配合提供所希望的安培计和电势计之间的切换，并如所描述的那样检测电流和电压。适用于在其中测量电流的安培计运行模式和其中测量电势差的电势计运行模式间进行切换的装置在2004年5月30日递交的美国临时申请第60/521,592号和在2005年3月25号递交的60/594,285号(这些文献在此通过引用并入本文)有所描述。图8显示本发明的测量计的一个实施方式的电路图。然而，应当理解也可以使用其它部件，根据施加和切换电压得到相同结果。工作电极80与op amp80通过含有开关82的连接器相连，然后连结至op amp 83。反电极84与op amp 85和86相连。Op amp 83，85和86是高阻抗输入放大器。当在安培计模式下运行以测量分析物时，电压V2施加到op amp 81，然后电压V1施加到op amp 85，V2大于V1。所得电极间的电势差导致与分析物量相关的电流的产生，而该电流可在输出87被监测到，并被转换为对分析物存在的指示或者对分析物量的指示。当开关82打开以建立开放电路并停止施加所述电势差时，电流中断，放大器86的输出恢复所述反电极的电势，而放大器83的输出恢复工作电极80的电势。来自op amp 83和op amp 86的输出间的差异指示了化学势的衰减，根据上述方法进行处理以建立部分充满的指示。
图9显示可作为替代的另一版本的电路，该电路仅使用两个op amp和更多数目的开关。工作电极80与接受输入电压V2的op amp 81相连。反电极84与高输入阻抗op amp 90通过两条带有开关的线路中的一条相连。输入电压V1与所述电路通过第三条带有开关的线路相连。当开关91和93闭合，开关92打开时，所述电路行使安培计模式的功能，而在95的输出反映出电极上的电流。当开关92闭合，开关91和93打开时，所述电路运作在电势计模式下，而在95的输出恢复所述反电极的电势(与图8中的放大器86相似)。因此，在95的输出间接反映出电极间的电势差。电极间的实际电势差异是在95的输出和op amp 81(在80，工作电极)的输出之间的差异。
在本发明的测量计中，当所述双层电容的测量值低于预定水平时，将恰当地向用户发出指示未完全充满的信号。
VIII.利用本发明进行质量控制测试
作为指示使用中的电化学测试条带的部分充满的替代，如上所述的双层电容测量值也提供了对采用诸如丝网印刷等方法制造的电极质量的指示。其中所述印刷质量差或者不一致时，在所观察到的双层电容中的波动将比印刷质量始终良好的批次要多(参见图12和实施例4)。因此，本发明的另一方面提供了一批电化学测试条带的质量检测方法，所述方法包括：
(a)从所述批次中获得数条测试条带；
(b)将样品应用到所述测试条带上；
(c)在样品存在下测量所述测试条带的双层电容；以及
(d)测定在所测量的双层电容中的波动性，其中超过预定阈值的波动指示出所述测试条带的质量缺陷。
应当理解所述测试条带的“数条”应当为足够多到能代表整批的数目，然而也不必太多，以免导致对所述批次造成经济上明显的破坏性测试。此外，希望能在所述批次制造的不同时间取出测试条带用于测试，并且如果制造多条带片材时，则从所述片材的不同部位进行切割。
应用到所述测试条带上的样品可以是血液样品。然而，因为双层电容的测量仅需要产生化学势梯度，因此优选采用含有电荷载体的参比溶液，例如氰亚铁酸盐和铁氰化物的混合物。
所述测量的双层电容的“波动性”可以采用任何可接受的数学分析进行测定。例如，波动性可由测量值的范围所指示，或者由所述测量值的标准偏差所指示。
实施例
现在参考以下非限制性实施例对本发明进行更详细的描述。在这些实施例中，利用具有面向丝网印刷碳电极、625纳升的名义样品体积和观察窗的电化学测试条带进行测量。当不能通过观察窗观察到样品时可认为测试条带部分充满。在测试中使用的血液样品是使用VacutainerTM试管新鲜抽取的(少于8小时))，并使用EDTA作为抗凝剂稳定过。具有各种血细胞比容的血液样品按照如下描述来制备：对已知血细胞比容和葡萄糖浓度的普通血液样品进行离心，移除足够的血浆以留下hct65样品，然后通过将该样品与合适的量的血浆重新混合制得更低的血细胞比容。由于这些样品由单一血液样品快速制得，因此它们具有相同的血浆葡萄糖浓度。通过在离心前向血液中加入1M葡萄糖储备溶液获得不同葡萄糖浓度。
实施例1
向电化学测试条带施加300mV并保持直至观察到平稳的电流。然后切断所施加的电压，并测量所述工作电极和反电极之间的电势差。在相对所述反电极的不同电势下，测量数个具有不同葡萄糖浓度(3.17mM～16.5mM)和血细胞比容(20、40或60)的样品的微分电容。结果概述在图10中。应当注意因为X轴表示电势差，所述图的右手侧反映在更低电压降下完成的测量。
如图10所示，虽然所述曲线并非常规地取决于浓度或者血细胞比容，但针对指定样品/测试条带的微升电容随其测试时的电势变化明显。此外，所述图显示区域100，其中Cdif随电压的变化较小，因此优选在此电压差区域里进行用于测定Cdif的测量。
实施例2
向带有血液样品的电化学测试条带施加300mV直至观察到平稳电流，其中所述血液样品具有2.79mM或者20.2mM的葡萄糖。然后切断所施加的电压，并测量将所述双层从250mV放电至150mV时所通过的电荷。然后再次施加300mV，并观测将所述双层再次充电至250mV所通过的电荷。所述充电和放电电流的关系经观察为基本线性且截距为0。然而，所测定的再次充电的电荷少于放电的电荷，指出在100ms时刻的测量不足以利用所述溶液使所述再次充电的双层达到完全平衡。电荷的观测量与葡萄糖浓度无关，尽管更高的浓度衰减得明显更快。
实施例3
向带有血液样品的电化学测试条带施加300mV直至观察到平稳电流，其中所述血液样品具有不同血细胞比容水平(20、40或60)和3.87mM、10.2mM或20.1mM的葡萄糖浓度。然后切断所施加的电压，并在V电极以下40mV测量微分电容。根据在观察窗中对样品的观察标明条带为充满或部分充满。图11显示各条条带的测量微分电容。在图11中，葡萄糖浓度由线的类型标明(实线＝3.87mM，虚线＝10.2mM以及点划线＝20.1mM)；血细胞比容由符号形状标明(菱形＝20；三角形＝40；方形＝60)。实心符号表示充满的测试条带，而空心符号表示部分充满。在图11中的水平线是设定在1.7μF的微分电容阈值，利用其与测试条带一起评估样品充足性。如所示，所有充满的样品结果为高于此阈值的电容，而仅有三个部分充满的样品给出错误结果。
本领域技术人员应当理解设定阈值取决于接受部分充满，或者排除其它可接受的样品的意愿。
实施例4
为评价本发明的方法的鲁棒性，评估了来自同一制造商的如上所述的10批不同的具有相同设计的测试条带。图12显示所述10批的结果，绘制出微分电容对比衰减至50mV的时间的图。由该图可观察到两点。首先，对于所述10批中的8批而言，微分电容相当稳定，尽管达到50mV下降的时间并不相同。这对动态地确定测量时间提出质疑，但也表现出所述技术的鲁棒性。与其它8批不相同的两批也显示出相当稳定的电容水平，以及降至50mV的时间的变动很小。可判定在这几批中利用不同的技术对碳电极进行丝网印刷。因此，为判断标明部分充满而确定的电
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种用于检测电化学测试条带中的部分充满的方法，所述测试条带含有电极，以及放置于所述电极间的液体样品，所述方法包括：
a)将样品放入电化学测试条带；
b)在所述测试条带的电极间施加恒定电势差，Vapp；
c)在时刻t切断切断已施加的电势，并可选地施加第二电势；
d)观测产生的电流，并由观测到的电流确定电极之间的双层充电或放电；
e)观测所施加的电势被切断之后的电压变化，并由所测量的双层充电或放电和观测到的电压变化确定测试条带的双层电容；以及
f)将所测定的双层电容与参考值进行对比，其中小于所述参考值的双层电容指示所述液体样品覆盖部分电极，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述双层电容是根据下式确定的积分电容：
Cint＝IΔt/ΔV
其中I是电流，t是时间，V是电压。
3. 如权利要求2所述的方法，其中通过监测电极间的电势差的衰减来判定所述电势衰减至阈值V阈值所需的时间t阈值，从而测定Δt，其中Δt＝t阈值-t切断。
4.如权利要求3所述的方法，其中双层电荷放电量由
电荷＝I切断Δt
确定，其中I切断是刚好在t切断前的电流。
5. 如权利要求3所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
6. 如权利要求2～5中任一种所述的方法，其中ΔV是Vapp和V阈值之间的差值。
7. 如权利要求2～5中任一项所述的方法，其中在切断电势之后观察瞬时电压降，V下降，而ΔV由(Vapp-V下降)-V阈值给出。
8. 如权利要求1～7中任一项所述的方法，其中所观察到的电流在再次施加电势后产生，并且所述双层电容由双层充电确定。
9. 如权利要求1所述的方法，其中根据以下式确定微分电容：
Cdif＝I/(dV/dt)
其中I是电流，(dV/dt)是在时刻Tmeas的瞬时电压变化。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述电流I是刚好在时刻T切断之前的电流。
11. 如权利要求9所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
12. 如权利要求9～11中任一项所述的方法，其中tmeas是动态确定的。
13. 如权利要求12所述的方法，其中tmeas是所观测的电势比施加电势低预定量时的时刻。
14. 如权利要求9～12中任一项所述的方法，其中在电势切断之后观测瞬时电压降V下降，其中tmeas是所观测的电势比(Vapp-V下降)低预定量时的时刻。
15. 如权利要求9～14中任一项所述的方法，其中所述电流I是刚好在时刻T切断之前的电流。
16. 如权利要求9～14中任一项所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
17. 如权利要求1～16中任一项所述的方法，其中在与所述参考值进行比较之前，通过加法修正项对所测量的双层电容进行修正，其中所述加法修正项是温度和携氧量的函数。
18. 一种测量计，用于接受带有电极的电化学测试条带，并且当所述电化学测试条带被接受进所述测量计时，所述测量计提供对应用到所述电化学测试条带上的分析物的测量，所述测量计包括：
(a)用于接受电化学测试条带的具有开口的插槽；
(b)接受用户输入并将结果显示给用户的通讯装置；
(c)对所述测量计接受的含有样品的测试条带上的双层电容进行DC测量的装置，并将所测量的双层电容与参考值相比较，其中小于所述参考值的双层电容是所述液体样品覆盖部分电极的指示，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
19. 如权利要求18所述的测量计，其中所述进行对双层电容的DC测量的装置包括电路和编程处理器：
(i)在所述测试条带的电极间施加电势差Vapp；
(ii)在时刻t切断切断所施加的电势，并可选地在随后的一个时刻再次施加第二电势；
(iii)观测产生的电流，并由观测到的电流确定电极之间的双层充电或放电；以及
(iv)观测施加电势被切断之后的电压变化，并按照实施例1～17中任一项所述的方法，由所测量的双层充电或放电和观测到的电压变化确定测试条带的双层电容。
20. 一种测量系统，所述测量系统包括如权利要求18或19所述的测量计，和放置在插槽之中的电化学测试条带。
21. 如权利要求20所述的测量系统，其中所述电化学测试条带测量样品中的葡萄糖。
22. 一种对一批电化学测试条带进行质量检查的方法，所述方法包括：
(a)从所述批次中获得数条测试条带；
(b)将样品应用到所述测试条带上；
(c)在样品存在下测量所述测试条带的双层电容；以及
(d)测定在所测量的双层电容中的波动性，其中超过预定阈值的波动指示出所述测试条带的质量缺陷。容截至值Casn也可用于判断标明一贯制造技术的批与批之间的变化，但当制造技术改变时，所述截至值可能需要重新设定。

Claims (22)

1.一种用于检测电化学测试条带中的部分充满的方法，所述测试条带含有电极，以及放置于所述电极间的液体样品，所述方法包括：
a)将样品放入电化学测试条带；
b)在所述测试条带的电极间施加电势差，Vapp；
c)在时刻t切断切断已施加的电势，并可选地施加第二电势；
d)观测产生的电流，并由观测到的电流确定电极之间的双层充电或放电；
e)观测所施加的电势被切断之后的电压变化，并由所测量的双层充电或放电和观测到的电压变化确定测试条带的双层电容；以及
f)将所测定的双层电容与参考值进行对比，其中小于所述参考值的双层电容指示所述液体样品覆盖部分电极，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述双层电容是根据下式确定的积分电容：
Cint＝|Δt/ΔV
其中I是电流，t是时间，V是电压。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过监测电极间的电势差的衰减来判定所述电势衰减至阈值V阈值所需的时间t阈值，从而测定Δt，其中Δt＝t阈值-t切断。
4.如权利要求3所述的方法，其中双层电荷放电量由
电荷＝I切断Δt
确定，其中I切断是刚好在t切断前的电流。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
6.如权利要求2～5中任一种所述的方法，其中ΔV是Vapp和V阈值之间的差值。
7.如权利要求2～5中任一项所述的方法，其中在切断电势之后观察瞬时电压降，V下降，而ΔV由(Vapp-V下降)-V阈值给出。
8.如权利要求1～7中任一项所述的方法，其中所观察到的电流在再次施加电势后产生，并且所述双层电容由双层充电确定。
9.如权利要求1所述的方法，其中根据以下式确定微分电容：
Cdif＝I/(dV/dt)
其中I是电流，(dV/dt)是在时刻Tmeas的瞬时电压变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述电流I是刚好在时刻T切断之前的电流。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
12.如权利要求9～11中任一项所述的方法，其中tmeas是动态确定的。
13.如权利要求12所述的方法，其中tmeas是所观测的电势比施加电势低预定量时的时刻。
14.如权利要求9～12中任一项所述的方法，其中在电势切断之后观测瞬时电压降V下降，其中tmeas是所观测的电势比(Vapp-V下降)低预定量时的时刻。
15.如权利要求9～14中任一项所述的方法，其中所述电流I是刚好在时刻T切断之前的电流。
16.如权利要求9～14中任一项所述的方法，其中所述电流是在时刻tmeas由观测到的t切断之前的电流外延确定的估计值。
17.如权利要求1～16中任一项所述的方法，其中在与所述参考值进行比较之前，通过加法修正项对所测量的双层电容进行修正，其中所述加法修正项是温度和携氧量的函数。
18.一种测量计，用于接受带有电极的电化学测试条带，并且当所述电化学测试条带被接受进所述测量计时，所述测量计提供对应用到所述电化学测试条带上的分析物的测量，所述测量计包括：
(a)用于接受电化学测试条带的具有开口的插槽；
(b)接受用户输入并将结果显示给用户的通讯装置；
(c)对所述测量计接受的含有样品的测试条带上的双层电容进行DC测量的装置，并将所测量的双层电容与参考值相比较，其中小于所述参考值的双层电容是所述液体样品覆盖部分电极的指示，因此所述电化学测试条带仅为部分充满。
19.如权利要求18所述的测量计，其中所述进行对双层电容的DC测量的装置包括电路和编程处理器：
(i)在所述测试条带的电极间施加电势差Vapp；
(ii)在时刻t切断切断所施加的电势，并可选地在随后的一个时刻再次施加第二电势；
(iii)观测产生的电流，并由观测到的电流确定电极之间的双层充电或放电；以及
(iv)观测施加电势被切断之后的电压变化，并按照实施例1～17中任一项所述的方法，由所测量的双层充电或放电和观测到的电压变化确定测试条带的双层电容。
20.一种测量系统，所述测量系统包括如权利要求18或19所述的测量计，和放置在插槽之中的电化学测试条带。
21.如权利要求20所述的测量系统，其中所述电化学测试条带测量样品中的葡萄糖。
22.一种对一批电化学测试条带进行质量检查的方法，所述方法包括：
(a)从所述批次中获得数条测试条带；
(b)将样品应用到所述测试条带上；
(c)在样品存在下测量所述测试条带的双层电容；以及
(d)测定在所测量的双层电容中的波动性，其中超过预定阈值的波动指示出所述测试条带的质量缺陷。
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