检测生物分析物的伏安测量系统

摘要

本发明涉及测定样品中的分析物浓度的系统、方法及装置。在测定样品中的分析物浓度时，线性、循环或非循环伏安扫描和/或半积分、导数或半导数等数据处理的使用可提高准确性。血细胞容量补偿并结合数据处理可降低血细胞容量对全血中葡萄糖分析的影响。另一方面，快速率扫描可降低血细胞容量的影响。

权利要求

1.一种测定样品中分析物浓度的方法，包括下列步骤：对所述样品实施非循环扫描，其中所述非循环扫描包括正向线性扫描和反向线性扫描；

其中所述非循环扫描被定义为这样的扫描：其包含的正向或反向电流峰中的某一方比0

另一方多，或者所述非循环扫描在距氧化还原对的形式电位E′至多±20mV处开始扫描时于基本相同的电压处开始和结束，或者所述非循环扫描被定义为这样的扫描：其包含的正向和反向线性扫描基本排除了氧化还原对的氧化峰和还原峰；

测量随电压变化的电流；以及

根据所述电流测定所述样品中的分析物浓度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述分析物选自：葡萄糖、胆固醇、甘油三酯、乳酸盐、丙酮酸盐、醇、胆红素尿酸、NAD(P)H和一氧化碳。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述分析物为葡萄糖。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述样品为生物样品。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述样品为全血。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述正向扫描的开始电压与所述反向扫描的结束电压不同。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包含在氧化还原对的稳态区内的正向和反向线性扫描，所述扫描具有10-200mV的扫描范围。

8.如权利要求1或2所述的方法，还包括以至少176mV/秒的速率改变所述非循环扫描的电压。

9.如权利要求1或2所述的方法，还包括以至少500mV/秒的速率改变所述非循环扫描的电压。

10.如权利要求1或2所述的方法，还包括以至多175mV/秒的速率改变所述非循环扫描的电压。

11.如权利要求1或2所述的方法，还包括以至多50mV/秒的速率改变所述非循环扫描的电压。

12.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包括400-600mV的扫描范围。

13.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包括600-1000mV的扫描范围。

14.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包含至少25mV的稳态区。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述扫描的稳态区包含相对于至多±10％的电压的电化学电流变化。

16.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包含被选定以提供

25-400mV的稳态区的换向点。

17.如权利要求1或2所述的方法，还包含在距换向点负向50至500mV的电位上终止反向扫描。

18.如权利要求1或2所述的方法，还包含在反向扫描电流偏离稳态电流达到至少

25％时终止反向扫描。

19.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描包含至少一个在氧化还原对的两种物质之间生成至少100∶1浓度比率的电压。

20.如权利要求1或2所述的方法，其中所述非循环扫描还包括至少一个在工作电极处的至少180mV的电位。

21.如权利要求1或2所述的方法，其中所述测定包含半积分数据处理。

22.如权利要求21所述的方法，还包含对非循环扫描的电流值进行半积分，并测定稳态半积分电流。

23.如权利要求21所述的方法，还包括将至少一个稳态电流与至少一个受血细胞容量影响的平衡电流分开。

24.如权利要求21所述的方法，其中所述半积分数据处理包含至少一个半波积分。

25.如权利要求21所述的方法，其中所述半积分数据处理缺少时间依赖性因子。

26.如权利要求21所述的方法，其中所述测定包含血细胞容量补偿，所述血细胞容量补偿包含测定电流峰值对稳态电流值的比率。

27.如权利要求1或2所述的方法，其中所述测定包含导数数据处理。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述测定包含血细胞容量补偿，所述血细胞容量补偿包含将负峰值除以正峰值。

29.如权利要求1或2所述的方法，其中测定包含半导数数据处理。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述半导数数据处理将至少一部分伏安测量电流区转变为峰。

31.如权利要求1或2所述的方法，还包含将至少一个稳态电流值引入补偿方程。

32.如权利要求1或2所述的方法，其中所述测定样品中的分析物浓度的步骤所提供的浓度值比用电量分析法替代所述非循环扫描时测得的浓度值更接近于由基准仪器测得的浓度值。

33.一种用于测定样品中分析物浓度的手提式检测装置，该装置包含：若干触点；以及

与所述触点电连通的电路；

其中所述电路包括：

与处理器电连通的加电器，所述处理器与计算机可读取存储介质电连通，其中所述处理器记录触点处的电流，并且其中所述计算机可读取存储介质包括计算机可读取软件代码，所述计算机可读取软件代码在由所述处理器执行时导致所述加电器通过触点实施伏安扫描并且测量随电压变化的电流以及根据所述电流测定所述样品中的分析物浓度，其中所述伏安扫描包括非循环扫描，其中所述非循环扫描包括正向线性扫描和反向线性扫描，其中所述非循环扫描被定义为这样的扫描：其包含的正向或反向电流峰中的某一方比另一方0

多，或者所述非循环扫描在距氧化还原对的形式电位E′至多±20mV处开始扫描时于基本相同的电压处开始和结束，或者所述非循环扫描被定义为这样的扫描：其包含的正向和反向线性扫描基本排除了氧化还原对的氧化峰和还原峰。

34.如权利要求33所述的装置，其中所述正向和反向扫描是线性的并且在氧化还原对的稳态区内，所述正向和反向扫描具有10-200mV的扫描范围。

35.如权利要求33所述的装置，其中所述装置适于容纳传感片。

36.如权利要求35所述的装置，其中所述电路包括用于对所述传感器片实施非循环扫描的部件。

37.如权利要求33所述的装置，其中所述分析物是葡萄糖。

38.如权利要求33所述的装置，其中计算机可读取存储介质包括在由所述处理器执行时使所述处理器实施数据处理的计算机可读取软件代码，其中所述数据处理包括半积分、导数、半导数以及它们的组合的数据处理。

39.如权利要求33所述的装置，还包括在由所述处理器执行时使所述处理器实施半积分数据处理的计算机可读取软件代码。

40.如权利要求39所述的装置，其中所述半积分数据处理包含对记录的、触点处的电流值进行半积分并测定稳态半积分电流。

41.如权利要求39所述的装置，其中所述半积分数据处理将至少一个稳态电流与至少一个受血细胞容量影响的平衡电流分开。

42.如权利要求39所述的装置，其中所述半积分数据处理缺少时间依赖性因子。

43.如权利要求39所述的装置，还包括在由所述处理器执行时实施具有电流峰值对稳态电流值的比率的血细胞容量补偿的计算机可读取软件代码。

44.如权利要求33所述的装置，还包括在由所述处理器执行时使所述处理器实施具有导数数据处理的数据处理的计算机可读取软件代码。

45.如权利要求44所述的装置，还包括在由所述处理器执行时实施血细胞容量补偿的计算机可读取软件代码，所述血细胞容量补偿包括将负峰值除以正峰值。

46.如权利要求33所述的装置，还包括在由所述处理器执行时使所述处理器实施具有半导数数据处理的的数据处理的计算机可读取软件代码。

47.如权利要求46所述的装置，其中所述半导数数据处理将至少一部分伏安测量电流区转变为峰。

48.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫具有400-600mV的扫描范围。

49.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有600-1000mV的扫描范围。

50.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有至少25mV的稳态区。

51.如权利要求50所述的装置，其中所述稳态区包含相对于于至多±10％的电压的电化学电流变化。

52.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有提供25-400mV的稳态区的换向点。

53.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有在距换向点负向50至500mV的电位上终止的反向扫描。

54.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有在反向扫描电流偏离稳态电流达到至少25％时终止的反向扫描。

55.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描包含至少一个在氧化还原对的两种物质之间生成至少100∶1浓度比率的电压。

56.如权利要求33所述的装置，其中所述非循环扫描具有至少一个在工作电极处的至少180mV的电位。

说明书

检测生物分析物的伏安测量系统

[0001] 相关申请的参考

[0002] 本申请要求2004年5月14日提交的题为“Methods for UsingLinear or Cyclic Voltammetry in Assaying Glucose and Other BiologicalAnalytes”的美国临时申请第60/571,388号的权益，该临时申请通过引用而全文结合于此。

背景技术

[0003] 定量测定生物流体中的分析物对生理异常的诊断和治疗有用。例如，测定生物流体(例如血液)中的葡萄糖水平对必须频繁检查其血糖水平以调整其饮食和/或药物治疗的糖尿病个体很重要。

[0004] 电化学法已用于这样的用途。电化学生物传感器可使用分析物特异性酶(例如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶)催化全血样品中的葡萄糖氧化。在酶的催化氧化过程中，酶的氧化还原中心接受来自分析物的电子。

[0005] 此氧化还原中心可为葡萄糖氧化酶的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，或为酶的辅因子，例如葡萄糖脱氢酶的吡咯并喹啉醌(PQQ)。然后，酶获得的电子可通过介体移动至电极，该介体通过酶的氧化转变为还原形式。最后，介体的还原形式，例如铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的亚铁氰化物形式，在电极处被氧化，产生可检测的电流。

[0006] 该过程可通过以下方程式表示：

[0007] (1)葡萄糖+EOx＝＝ERed+产物

[0008] (2)ERed+nMedOx＝＝nMedRed+EOx

[0009] (3)MedRed＝＝MedOx+ne-

[0010] 其中，EOx和ERed分别为酶的氧化还原中心的氧化和还原形式，而MedOx和MedRed分别是介体的氧化和还原形式。酶反应的产物可为葡糖酸或葡糖酸内酯。

[0011] 一种已用来定量生物流体中的分析物的电化学法是电量分析法。例如，Heller等在美国专利第6,120,676号中描述了用于全血葡萄糖检测的电量分析法。在电量分析法中，通过彻底氧化小体积中的分析物，并积分随氧化时间变化的电流，以产生代表分析物浓度的电荷，定量分析物(葡萄糖)浓度。换句话说，电量分析法捕获传感片中的葡萄糖总量。

[0012] 电量分析法的一个重要方面是到电荷对时间的积分曲线的末端，电荷变化的速率变得相对恒定，产生稳态条件。电量分析曲线的此稳态部分在曲线中形成相对平的平坦区，因此能够精确测定对应的电流。但是，电量分析法需要全体积的分析物完全转变。因此，该方法耗时，不能提供电化学装置(例如监测葡萄糖的产品)的使用者要求的快速结果。电量分析法的另一个问题是为提供精确的结果，必须将传感单元控制成小体积，这对批量生产的器件可能很难。

[0013] 另一种已用来定量生物流体中的分析物的电化学法是电流分析法。在电流分析法中，以跨接传感片的工作电极和对电极的恒定电位(电压)检测末期的电流。电流用来定量生物样品中的分析物。电流分析法用来测量电化学活性物质被氧化或还原的速率，由此检测分析物被氧化或还原的速率。例如在美国专利第5,620,579、5,653,863、6,153,069和6,413,411中已描述了许多用于生物传感器的电流分析法的变形例。电流分析法通过测量与扩散速率成比例的电流和分析物的体相浓度，抽查电极表面附近的分析物浓度。

[0014] 电流分析法的缺点是施加电位后电流的非稳态特性。相对于时间的电流变化速率开始时非常快，由于基本扩散过程性质的改变，随着分析进行变得慢一些。一直到电极表面的被还原介体的消耗速率等于扩散速率，才能获得稳态电流。因此，在非稳态时间段内检测电流可能比在稳态时间段内进行检测更不精确。

[0015] 检测全血样品中的分析物的一个重要方面是血细胞容量的作用。血细胞容量是红细胞(RBC)体积，表示为RBC体积在全血样品中的百分率。全血样品的血细胞容量值在约20-60％的范围内，通常约40％。

[0016] 试剂生物传感器包括可通过电化学反应检测血液标本中的葡萄糖的任意系统。试剂生物传感器的实例包括Bayer HealthCare，LLC ofElkhart，Indiana提供的Ascensia 和 生物传感器；位于Abbott Park，Illinois提供的Abbott的 生物传感器；位于Indianapolis，Indiana提供的Roche的 生物
传感器；以及位于Milpitas，California的Lifescan提供的OneTouch 生物传感器。

[0017] 典型的电化学传感片包含工作电极、对电极和可选的第三电极。参考电位可由对电极(如果适当配置的话)或可选的第三电极提供给系统。用聚合物作为粘合剂，将带有酶(例如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶)的试剂层和介体(例如铁氰化物或六胺化钌)印刷或淀积在工作电极上或工作电极和对电极上。

[0018] 用作试剂粘合剂的聚合物的实例包括CMC(羧甲基纤维素)和PEO(聚环氧乙烷)。向试剂层中加入各种类型和分子量的聚合物可有助于过滤红细胞，防止其覆盖电极表面。

[0019] 最好通过使用多种技术，例如描述于第6,531,040、5,798,031和5,120,420号美国专利的那些技术，将电极印刷在绝缘衬底上来制作传感片。试剂可与氧化葡萄糖的酶(例如葡萄糖氧化酶)、介体(例如铁氰化物)、亲水聚合物(例如聚环氧乙烷(PEO))和合适的缓冲液(例如柠檬酸盐缓冲液)的混合物共同印刷在工作电极和对电极上。

[0020] 或者，也可使用2003年10月24日提交的申请序号60/513,817的美国临时专利中描述的方法，将不同的试剂化学品分别印刷或微淀积在工作电极和对电极上，工作电极上的试剂含酶、介体、聚合物，对电极上的试剂含可与介体相同或不同的可溶性氧化还原物质；以及聚合物。在一个实施方案中，用于微淀积的聚合物是羧甲基纤维素。

[0021] 可用于读取本发明试剂生物传感器的合适台式电化学仪器例如可包括但不限于：位于West Lafayette，Indiana的BAS Instruments提供的BAS 100B分析仪；位于Austin，Texas的CH Instruments提供的CH Instrument分析仪；位于Lawrence，Kansas的Cypress Systems提供的Cypress电化学工作站；以及位于Princeton，New Jersey的Princeton Research Instruments提供的EG&G电化学仪器。手提式仪器例如可包括Bayer Corporation的Ascensia 和 测量仪。

[0022] 葡萄糖的生物传感器可具有淀积在电极上的酶和介体。该传感器检测葡萄糖的能力受到RBC阻断血样中相关试剂的扩散的影响。因为电流分析法的电流与还原形式介体的扩散成正比，所以血细胞容量对葡萄糖检测的准确性具有显著影响。依靠全血样品中的血细胞容量水平，RBC引起葡萄糖读数偏差。

[0023] 在降低全血对葡萄糖检测结果的血细胞容量影响的尝试中，已提出了各种方法和技术。例如，Ohara等在美国专利第6,475,372号中公开了一种使用正电位和反电位脉冲的电流比率补偿电化学葡萄糖检测中的血细胞容量影响的方法。McAleer等在美国专利第5,708,247和5,951,836号中公开了一种使用二氧化硅微粒过滤电极表面的RBC从而降低血细胞容量影响的试剂配制方法。Carter等在美国专利第5,628,890号中公开了一种因为血细胞容量的影响而使用与筛层组合的电极的大间距来分散血样的方法。

[0024] 用于降低可归因于血细胞容量影响的偏差的这些常规技术包括(a)聚合物共同淀积，以最小化血细胞容量影响，(b)加入各种熔凝硅石，以加强聚合物层的过滤作用，(c)基于正和反电位脉冲的电流比率的补偿系数，以及(d)利用全血样品中当前的溶液电阻自补偿。尽管这些方法可能有用，但常规的葡萄糖传感器仍表现出可归因于血细胞容量影响的显著分析偏差。因此，需要提供可降低血细胞容量影响造成的偏差的生物流体内分析物(尤其是全血葡萄糖含量)定量系统。

发明内容

[0025] 一方面，本发明提供测定样品中的分析物浓度的方法，它包括对样品实施非循环扫描，并测定样品中的分析物浓度。

[0026] 另一方面，本发明提供手提式分析物测量装置，用于测定样品中的分析物浓度。分析物测量装置包括适于装入传感片的非循环扫描测量装置。非循环扫描测量装置包含至少两个装置触点，它通过电路与显示器电连通。传感片包含至少第一和第二传感片触点，它通过导体与工作电极和对电极电连通，其中第一个试剂层在其中至少一个电极之上，第一层包含氧化还原酶及氧化还原对中的至少一种物质。非循环和线性扫描测量装置被同时提供。

[0027] 又一方面，本发明提供一种测定样品中的分析物浓度的方法，它包括对样品实施伏安正向线性扫描，检测获得的电流，对检测的电流实施数据处理，并测定样品中的分析物浓度。

[0028] 再一方面，本发明提供一种手提式测量装置，用于测定样品中的分析物浓度，其中所述装置适于装入传感片。该装置包括触点、至少一个显示器以及在触点和显示器之间建立电连通的电路。电路包含加电器和电连通中的处理器，处理器与包含计算机可读取软件代码的计算机可读取存储介质电连通。当处理器执行计算机可读取软件代码时，软件代码使处理器执行半积分、导数和/或半导数数据处理和/或伏安扫描。

[0029] 为了提供对说明书和权利要求书的清晰且一致的理解，提供以下的定义。

[0030] 术语“介体”定义为可被氧化或还原并可转移一个或多个电子的物质。介体是电化学分析中的一种试剂，不是目的分析物，但提供对分析物的间接测量。在简化系统中，介体响应分析物的氧化或还原而经受氧化还原反应。被氧化或还原的介体然后在工作电极经历相反的氧化还原反应，再生为其原始的氧化值。

[0031] 术语“氧化还原反应”定义为两种物质之间的化学反应，它包括将第一物质的至少一个电子转移至第二物质。因此，氧化还原反应包括氧化和还原。氧化半电池反应包括第一物质失去至少一个电子，而还原半电池包括将至少一个电子加给第二物质。被氧化物质的离子电荷的正电增加，其量等于被转移的电子数。同样，被还原物质的离子电荷的正电减少，其量等于被转移的电子数。

[0032] 术语“氧化还原对”定义为具有不同氧化值的两种共轭化学物质。还原具有较高氧化值的物质产生具有较低氧化值的物质。或者，氧化具有较低氧化值的物质产生具有较高氧化值的物质。

[0033] 术语“氧化值”定义为化学物质(例如原子)的形式离子电荷。较高氧化值(例如(III))正电强，较低氧化值(例如(II))正电弱。

[0034] 术语“可逆的氧化还原对”定义为一对氧化还原物质，其中在siss转换的半高处，半积分的正向和反向扫描之间的间隔为至多30mV。例如，在图3B中，除了显示siss转换高度外，还显示了铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的正向和反向半积分扫描。在其中半高siss转换线与正向和反向扫描线相交的线处，扫描线之间的间隔为29mV，确认了铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对在所示扫描速率的可逆性。

[0035] 术语“准可逆氧化还原对”定义为这样的氧化还原对：在氧化还原对的siss转换的半高处，半积分的正向和反向扫描之间的间隔大于30mV。

[0036] 术语“稳态”定义为相对于电压的电化学电流的变化相对恒定，例如在±10或±5％内。

[0037] 术语“换向点”定义为在循环或非循环扫描中当停止正向扫描并开始反向扫描时的点。

[0038] 术语“线性扫描”定义为这样的扫描：在固定扫描速率下，电压单“正向”变化，例如由-0.5V至+0.5V，以提供1.0V的扫描范围。线性扫描可近似为一系列的电位增量变化。如果一定时间间隔内出现的增量非常接近，则它们相当于连续的线性扫描。因此，施加近似于线性改变的电位变化可被看作是线性扫描。

[0039] 术语“循环扫描”定义为线性正向扫描和线性反向扫描的组合，其中，扫描范围包括氧化还原对的氧化峰和还原峰。例如，用于在葡萄糖传感器中使用的铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的循环扫描的实例为以循环方式由-0.5V至+0.5V并回到-0.5V的电位变化，其中氧化峰和还原峰都包含在扫描范围内。

[0040] 术语“非循环扫描”在一个方面定义为这样的扫描：其包含的正向或反向电流峰中的某一方比另一方多。例如，非循环扫描的一个实例是这样的扫描：它包括正向和反向线性扫描，其中正向扫描开始的电压与反向扫描停止的电压不同，例如由-0.5V至+0.5V，然后0
回到+0.25V。在另一实例中，在距氧化还原对的形式电位E′至多±20、±10或±5mV处开始扫描时，非循环扫描可于基本相同的电压开始和结束。在另一方面，非循环扫描定义为这样的扫描：其包含的正向和反向线性扫描基本排除了氧化还原对的氧化峰和还原峰。例如，扫描可在氧化还原对的稳态区内开始、换向和结束，由此排除了该氧化还原对的氧化峰和还原峰。

[0041] 术语“快扫描”和“快扫描速率”定义为其中电压以至少176mV/秒的速率变化的扫描。优选的快扫描速率为超过200、500、1000或2000mV/秒的速率。

[0042] 术语“慢扫描”和“慢扫描速率”定义为其中电压以至多175mV/秒的速率变化的扫描。优选的慢扫描速率为慢于150、100、50或10mV/秒的速率。

[0043] 术语“手提式装置”定义为可人手把持并易携带的装置。手提式装置的一个实例是可由Bayer Healthcare，LLC，Elkhart，IN获得的 Elite血糖监测系统附带的测量装置。

[0044] 用语“在......上(on)”定义为“在......上面(above)”或相对于所描述的方向。例如，如果第一组件淀积在第二组件的至少一部分上，则将第一组件描述成“淀积在第二组件上”。在另一实例中，如果第一组件存在于第二组件的至少一部分上，则将第一组件描述成“在第二组件上”。术语“在......上”的使用不排除在所述上部和下部组件之间存在物质。例如，第一组件在其上表面上可具有被覆，但仍可将覆盖第一组件及其顶部被覆的至少一部分的第二组件描述为“在第一组件上”。因此，术语“在......上”的使用可能意味着相关的两组件在物理上彼此接触或不接触。

附图说明

[0045] 图1A-1B示出了典型的传感片的工作电极和对电极的顶视图和端视图。

[0046] 图2A-2B提供了图1A-1B的传感片的外视图。

[0047] 图2C是测量装置的图示。

[0048] 图3A表示传感器系统的循环伏安图。

[0049] 图3B是对应于图3A的循环伏安图的半积分图。

[0050] 图3C表示非循环扫描，其中反向扫描在反向电流峰开始前终止。

[0051] 图3D表示非循环数据的半积分。

[0052] 图3E将循环扫描与非循环扫描比较，其中非循环扫描的正向扫描在氧化还原对0
的形式电位E′附近开始。

[0053] 图3F比较图3E的半积分电流。

[0054] 图3G表示在稳态区中叠加的循环扫描和非循环扫描。

[0055] 图3H比较图3G的非循环扫描的半积分电流值和记录的电流值。

[0056] 图4A表示在20％血细胞容量的全血样品中的16mM亚铁氰化物的循环伏安图、半积分和半导数。

[0057] 图4B是图4A的半导数曲线的放大。

[0058] 图4C-4E表示以下的图7A、7B和7C的循环伏安图的正向线性扫描部分的半导数曲线。

[0059] 图4F示出了图4C-4E的半导数电流。

[0060] 图4G示出了由伏安图(LS)、伏安图数据的半积分(si)和伏安图数据的半导数(sd)的不变正向扫描得到的理论葡萄糖值的对比。

[0061] 图5是一组循环伏安图，显示了在水性溶液中变化的葡萄糖浓度的作用。

[0062] 图6显示了图5的伏安图的半积分电流。

[0063] 图7A-7C是循环伏安图，图解全血中血细胞容量百分率和葡萄糖浓度变化的作用。

[0064] 图7D-7F是非循环伏安图，图解全血中血细胞容量百分率和葡萄糖浓度变化的作用。

[0065] 图8A-C表示图7A-7C的半积分电流。

[0066] 图8D-8F表示图7D-7F的半积分电流。

[0067] 图9A-9C是循环伏安图，图解变动的扫描速率对血细胞容量影响的作用。

[0068] 图10A-10C表示对应于图9A-9C的循环扫描的半积分电流。

[0069] 图11A-11C表示基于图9A-9C的实验结果的图10A-10C的半积分线之间的相关，以及各样品的参考葡萄糖浓度。

[0070] 图12表示半积分电流峰和半积分电流稳态值，可用于测定血细胞容量指数。

[0071] 图13A表示血细胞容量指数与全血的血细胞容量之间的关联。

[0072] 图13B表示电流/葡萄糖(μA/mg/dL)校正线的斜率对由图11A获得的血细胞容量百分率。

[0073] 图14表示使用血细胞容量指数针对血细胞容量校正葡萄糖含量(mg/dL)的作用。

[0074] 图15A-15C表示相对于电压画出的图7A-7C的正向扫描的导数电流。

[0075] 图16A示出0.3V时的电流与20、40和60％血细胞容量下的葡萄糖百分率的关系曲线。

[0076] 图16B示出血细胞容量百分率与图15中图解的负峰和正峰比率的关系曲线。

[0077] 图16C示出图16A的曲线斜率与血细胞容量百分率的关系曲线。

[0078] 图16D表示用导数电流针对血细胞容量校正葡萄糖含量的作用。

[0079] 图17A-17B分别表示非循环扫描的记录电流值和半积分电流值的剂量反应曲线。

[0080] 图17C将由非循环扫描获得的葡萄糖浓度值的精确性与具有慢扫描速率的循环扫描相比较。

发明内容

[0081] 电化学分析系统测定生物流体中的分析物浓度，例如全血的葡萄糖浓度。该系统包括可对含生物样品的传感片实施伏安线性、循环或非循环扫描的装置。伏安扫描在施加于试条的电位(电压)随时间线性变化的同时检测传感片的电流(安培数)。所述装置可对比所得到的电流和电压数据，以测定样品中的分析物浓度，同时针对特定血样的血细胞容量变化校正结果。所述装置还可实施一种或多种数据处理，包括基于半积分、导数和半导数的那些数据处理，以对比和校正伏安数据。

[0082] 文中，在测定全血样品中的葡萄糖浓度的语境中描述该系统。但是，在生物流体(包括血浆、尿、唾液和间质液)中存在胆固醇、甘油三酯、乳酸盐、丙酮酸盐、醇、胆红素尿酸、NAD(P)H和一氧化碳之类的分析物的场合，这类系统可具有另外的应用。

[0083] 系统概述

[0084] 测定分析物浓度的系统可包括用以容纳样品的传感片以及执行一种或多种扫描技术和一种或多种数据处理的测量装置。一方面，本发明可为含一个或多个传感片以及执行扫描技术和数据处理以输出分析物浓度的手提式电子装置的成套工具。

[0085] 传感片可包括工作电极、对电极，并可选地包括参考电极或第三电极。一方面，可通过共同印刷/共同淀积，用单层试剂包覆工作电极和对电极，例如在 AUTODISC传感器中。另一方面，各个电极可用针对其所处电极作了优化的试剂层包覆。工作电极上的试剂层包含氧化血样中的葡萄糖的酶和介体，所述介体例如是在氧化葡萄糖还原该酶后再氧化该酶的氧化还原化合物。被还原的介体将葡萄糖氧化酶反应的电子携带至电极，在工作电极表面被再氧化。

[0086] 该再氧化导致电子通过传感片的电极和导体。传感片的导体与测量装置电连通，测量装置在电极之间施加电压差。该装置可记录通过传感器的电流，作为对血样葡萄糖含量的量度。

[0087] 全血样品被加载到传感片上，血液中的葡萄糖与试剂层内或附近的酶反应。被还原的介体从样品至工作电极的扩散速率可限制在工作电极和对电极之间通过的电流。

[0088] 扫描技术

[0089] 与其中施加恒定电压并同时检测随时间变化的电流的常规电流分析法和电量分析法不同，伏安扫描包括以固定速率(V/秒)施加跨接于电极的电位(电压)，并检测随施加的电位变化的电流。伏安扫描可以线性、循环或非循环方式进行。一般将循环伏安扫描称为“循环伏安法”。

[0090] 在线性扫描中，在工作电极的电位以恒定速率随时间线性变化时检测工作电极的电流。扫描范围(例如由-0.5V至+0.5V)可覆盖氧化还原对的还原和氧化态，以发生由一个状态向另一个状态的转换。在工作电极上测量的电流可被认为具有三个分量：平衡电流、扩散电流和表面电流。表面电流可来源于吸附在电极上的任何物质，一般较小而可忽略。平衡电流和扩散电流是所得到的伏安图中示出的主要分量。

[0091] 线性扫描伏安图(电流对电压的曲线图)的特征由下图给出：在扫描过程中以平衡电流开始，达到峰值电流，并衰减至较低的电流电平。在初始峰值电流之后，检测的电流衰减并接近稳态区，在稳态区中，被还原介体在电极表面处的氧化达到扩散所限定的最大速率。因此，在此扫描平坦区的稳态电流表示由电极的扩散所限定的电流，可用作对血样中葡萄糖含量的量度。

[0092] 对于循环或非循环扫描，在完成正向扫描之后，以和正向扫描基本相同的扫描速率实施反向电位线性扫描。循环扫描以及某些情况下的非循环扫描可检验氧化还原物质由还原态向氧化态的转变(反之亦然)，该转变与施加的电位有关，或与氧化还原物质对电极表面的扩散速率有关。

[0093] 与线性扫描相比，循环和非循环扫描可更好地呈现出扫描稳态(由扩散限定的)部分。循环和非循环扫描的优势可能对于快扫描速率下来自准可逆氧化还原对的稳态电流的定量尤其有利。有关线性和循环扫描的其它信息可见“Electrochemical Methods：Fundamemals andApplications”，A.J.Bard和LR.Faulkner，1980。

[0094] 非循环扫描相比于循环扫描可具有多种优势，包括扫描时间较短，以及被电化学转变为可测态的介体量显著下降。因此，如果介体在分析物作用下被还原，并在测量中被电化学氧化，则在被氧化的介体被电化学还原前终止反向扫描，如此可降低样品中对分析物无反应的还原介体量。减少扫描时间可缩短分析时间，对用户有明显益处。

[0095] 图3A示出了铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的25mV/秒循环扫描数据，作为循环伏安图。该伏安图的特征在于-0.3V至+0.6V的正电压扫描过程中的正向扫描峰，它代表亚铁氰化物氧化，以及在由+0.6V回到-0.3V的负电压扫描过程中的反向扫描峰，它代表铁氰化物还原。参照对电极可知，正向和反向扫描峰以铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对0
的形式电位E′(-0.05mV)为中心。在这方面，对电极的电位基本上通过对电极上存在的主要氧化还原物质即铁氰化物的还原电位测定。图3B示出了伏安图数据的半积分，以表明该数据处理方法对原始数据的作用。图3C显示了可比较的非循环扫描，其中反向扫描在反向电流峰产生前终止。图3D示出了非循环扫描的半积分。

[0096] 随着电位相对于形式电位E0′增加，该扫描过程导致工作电极附近的电流愈发升高。与此同时，在电极表面的氧化产生耗尽区，由此在电极附近产生浓度梯度。该浓度梯度产生一种将附加介体向电极扩散的驱动力。当被分析物或氧化还原酶还原的介体移动到工作电极并被再氧化时，这些力合在一起在伏安图中形成初始的正向峰。随着扫描继续，电流衰减并接近图3A中由-0.3至-0.6V的稳态区。在稳态区中检测的电流可能与被还原的介体的浓度相关，因此与血样的葡萄糖含量相关。

[0097] 尽管可选择正向和反向扫描开始的电位(扫描范围)，以覆盖氧化还原对的还原和氧化态，但可缩窄扫描范围，以缩短分析时间。但是，扫描范围最好包含氧化还原对的稳态区。例如，在25mV/秒扫描速率下，以如下的Nernst方程式描述亚铁氰化物/铁氰化物可逆氧化还原对的还原[Red]和氧化[Ox]物质的浓度和所得到的得的电极电位：

[0098]

[0099] 当工作电极的电位以其自身氧化还原电位为基准时，形式电位E0′将基本变成0，方程式简化为：

[0100]

[0101] 由方程式(1)可知，当氧化介体对还原介体的比率变化达10时，工作电极处的电位变化约60mV。反过来也是如此。因此，对于10∶1、100∶1、1000∶1和10,000∶1的铁氰化物[Ox]对亚铁氰化物[Red]浓度比率，工作电极的电位分别距0电位为约60、120、180和240mV。

[0102] 因此，当铁氰化物对亚铁氰化物的比率为约1000∶1时，+180mV至-180mV的扫描范围应提供对工作电极处的还原物质的基本完全的氧化。在180mV时，氧化速率受限于还原形式的介体以多快的速度扩散至电极表面，从该电位往前，存在一个由扩散限定的稳态电流区。因此，如果换向点设定在距0电位约400mV处，则可提供约200mV的稳态区。

[0103] 对于可逆的系统，优选可提供400-600mV的扫描范围，由此在氧化还原对的形式电位E0′的每一侧扫描200-300mV。对于准可逆系统，优选可提供600-1000mV的扫描范围，由此在氧化还原对的形式电位E0′的每一侧扫描300-500mV。准可逆系统优选较大的扫描范围，因为扫描的稳态部分可出现在扫描的平坦区不是如此宽的地方。除了固有的准可逆氧化还原对之外，快扫描速率可使在慢扫描速率为可逆的氧化还原对表现出准可逆特征。因此，最好对于在快扫描速率为可逆地氧化还原对提供较大的准可逆扫描范围。

[0104] 最好，选定的扫描范围提供至少25、50、100、150或300mV的稳态区。另一方面，选择循环或非循环扫描的换向点，以提供25-400mV、50-350mV、100-300mV或175-225mV的稳态区。对于可逆的系统，可选择循环或非循环扫描的换向点，以提供180-260mV或200-240mV的稳态区。对于准可逆系统，可选择循环或非循环扫描的换向点，以提供
180-400mV或200-260mV的稳态区。

[0105] 一旦选定了提供需要的稳态区的换向点，就可选择非循环扫描的反向扫描持续时间。由图3E可见，以约-0.025mV开始正向扫描并终止反向扫描，导致一个其包含的正向电流峰多于反向电流峰的非循环扫描。由图3E的对比可见，尽管所得到的的循环(a)和非循环(b)扫描的峰值电流不同，但扫描的稳态部分接近相同，尤其是对于反向扫描而言。当将扫描的半积分在图3F中绘出时，进一步确认了回扫平坦区的稳态电流读数，能够在距换向点仅50mV处进行精确的电流读数。

[0106] 在另一方面，如图3C所示，可在达到反向电流峰值之前终止反向扫描。当以足够负的电位(例如在图3C中为-0.3mV)至氧化还原对的电位范围中部(例如在图3C中为-0.05mV)开始正向扫描时，正向扫描包含氧化还原对的完整范围的氧化还原电位。因此，例如，通过于距换向点-50至-500mV、-150至-450mV或-300至-400mV的电位终止反向扫描，可将铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的反向电流峰排除在外。

[0107] 类似地，通过在反向扫描电流值偏离稳态电流时终止扫描，也可在达到反向电流峰之前终止反向扫描。至少2％、5％、10％或25％的反向扫描电流变化可用于指示反向扫描电流峰的开始。

[0108] 图3G将排除氧化还原对的正向和反向氧化峰的非循环扫描与快速循环扫描作比较。非循环扫描速率是快速的1V/秒，起点和终点为200mV，换向点为300mV。氧化还原对稳态区内排除了正向和反向氧化峰的非循环扫描的优选扫描范围为10-200mV，更优选50-100mV。

[0109] 如该图所示，记录到的非循环扫描电流值在数值上小于循环扫描的电流值，同时非循环扫描的本底电流较低。此有利的背景下降是出乎意料地获得的，无需在循环扫描的还原峰部分启动非循环扫描。因此，由于信号/本底比下降，所以在氧化还原对稳态区内的快速且短暂的非循环扫描可增加分析物测定的准确性。

[0110] 图3H显示了图3G的200-300mV非循环扫描的半积分和记录到的电流值。扫描的衰减电流通过半积分数据处理转变为稳态电流平坦区。半积分的稳态部分，例如300mV时的电流值，可用于测定样品的分析物浓度。

[0111] 相对于线性扫描，循环和非循环扫描可提供多种好处。在一个方面，由换向点至反向电流峰开始点的反向扫描部分可呈现出好于正向扫描稳态区的稳态区。反向扫描的稳态区可更准确地表示准可逆氧化还原系统或快扫描速率时的分析物浓度，因为正向扫描可能无法显示出清晰的稳态区。例如在图10C中观察到了这种现象。

[0112] 数据处理

[0113] 通过线性、循环或非循环扫描，可测定样品中的分析物浓度。而且，可测定血细胞容量对分析物浓度测量的影响。虽然可用多种方式处理扫描数据，以提取出这样和那样的有用信息，但目前优选半积分、导数和半导数技术。

[0114] 以下就葡萄糖分析描述了这些数据处理方法的概要，但对电化学电流的这些数据处理和相关数字仪器的更深入讨论可参见Bard，A.J.，Faulkner，L.R.，“Electrochemical Methods：Fundamentals andApplications，”1980；Oldham，K.B.；“A Signal-IndependentElectroanalytical Method，”Anal.Chem.1972，44，196；Goto，M.，Oldham，K.B.，“Semi-integral Electroanalysis：Shapes of Neopolaregrams，”Anal.Chem.1973，45，2043；Dalrymple-Alford，P.，Goto，M.，Oldham，K.B.，“PeakShapes in Semi-differential Electroanalysis，”Anal.Chem.1977，49，1390；Oldham，K.B.，“Convolution：A General ElectrochemicalProcedure Implemented by a Universal Algorithm，”Anal.Chem.1986，
58，2296；Pedrosa，J.M.，Martin，M.T.Ruiz，J.J.，Camacho，L.，“Applicationof the Cyclic Semi-Integral Voltammetry and Cyclic Semi-DifferentialVoltammetry to the Determination of the Reduction Mechanism of a Ni-Porphyrin，”J.Electroanal.Chem.2002，523，160；Klicka，R，“Adsorptionin Semi-Differential Voltammetry，”J.Electroanal.Chem.1998，455，253。

[0115] 半积分

[0116] 伏安图的半积分可将受扩散限定的稳态电流从受血细胞容量影响的平衡电流(初始峰)分开。实验获得的伏安电流i(t)的半积分具有以下数学形式：

[0117]

[0118] 其中i(t)是扫描过程中获得的伏安电流的时间函数；

[0119] I(t)是i(t)的变换和半积分；

[0120] u是变换参数；和

[0121] d-1/2/dt-1/2是半积分算子。

[0122] 在足够高的氧化电位，稳态半积分电流由下式获得：

[0123] Ilim＝nFAD1/2C(库仑/秒1/2) (3)

[0124] 其中Ilim是在可氧化物的表面浓度为0的条件下的受扩散限定的稳态电流。要注意的是，半积分电流的单位是库仑/秒1/2，不是用于表示电流的传统单位库仑/秒。

[0125] 为简明起见，Ilim被称为稳态半积分电流(SI)，单位为库仑/秒1/2。SI电流(库仑/秒1/2)仅是电流(库仑/秒)的半波积分(half-stepintegration)。半波积分基本上不同于电量分析法，因为在电量分析法中，对i-t曲线应用全积分，以提供通过电极的总电荷。

[0126] 方程式(2)给出了半积分的理论定义，但对于数字处理来说，可将i-t数据分成位于t＝0和t＝NΔt之间的N等分时间间隔。方程式(4)给出了一个这样的数字处理算法，其中t＝kΔt，u＝jΔt，并测定各个间隔中点的i。

[0127]

[0128] 以下给出了用于数字处理的优选算法：

[0129]

[0130] 其中Γ(x)是x的γ函数，其中Γ(1/2)＝π1/2，Γ(3/2)＝1/2π1/2，Γ(5/2)1/2
＝3/2*1/2π 等。

[0131] 由方程式(3)可见，稳态半积分电流没有常规电流分析法的时间依赖性因子。因此，半积分电流响应可认为是一系列台阶电流，而不是由常规电流分析法获得的连续变化的电流分析法电流。因为半积分用于对稳态电流的定量，所以可使用比定量峰值电流时快的扫描速率。因此，线性、循环或非循环伏安法与半积分组合可快速地产生响应于葡萄糖浓度的稳态电流。以此方式，可减弱电量分析法等待时间长和电流分析法中电流非稳态特性的劣势。

[0132] 方程式(3)还表明，可逆或准可逆氧化还原对最好以半积分方式使用。这是因为可逆或准可逆氧化还原对的半积分可表现出由还原态向氧化态的急剧转换(反之亦然)和宽的稳态区，由此使转换更易于测定。铁氰化物/亚铁氰化物以及+3和+2态六胺化钌是表现出优选的可逆(慢扫描)或准可逆(快扫描)特征的氧化还原对的实例。

[0133] 活性差的电极可能不提供可被接受的稳态条件，即便用可逆或准可逆的氧化还原对也是如此。因此，例如描述于美国专利5,429,735的电极活化方法可用于实现优选的电极活性。

[0134] 半导数

[0135] 除了半积分以外，还可通过测量半导数峰值将伏安图的半导数用来定量分析物。实验获得的伏安电流i(t)的半导数具有以下数学形式：

[0136]

[0137]

[0138] 其中，I(t)是时间函数i(t)的半积分。

[0139] 如以上方程式(7)所示，半导数的一个实现方式是对半积分求全步导数(full step derivative)。与在半积分图中代表伏安扫描的峰值和稳态平坦区不同，半导数图将伏安扫描数据转化为集中于氧化还原对转换处的峰。图4A显示了在20％血细胞容量的全血样品中的16mM亚铁氰化物的循环伏安图、半积分和半导数。在该情况下，传感片的工作电极缺少酶和氧化介体。图4B是图4A的半导数曲线的放大，显示了正向扫描的峰值高度。正向或反向扫描的峰值高度可能与样品的分析物浓度相关。

[0140] 血细胞容量的影响

[0141] 人的正常血细胞容量范围(RBC浓度)为20％-60％，集中在40％。血细胞容量影TM响指由基准仪器(例如YSI Inc.，Yellow Springs，Ohio提供的YSI 2300STAT PLUS )获得的基准葡萄糖浓度读数和由上述方法获得的实验葡萄糖浓度读数之间的差异(偏差)。
标准和实验读数之间的差异起因于具体全血样之间变动的血细胞容量水平。

[0142] 在扩散型分析方法(例如电流分析法)中，尽管不同血细胞容量水平的全血样品的葡萄糖浓度是相同的，但血细胞容量越高，检测的电流分析法的电流越低。对于20、40和60％的全血血细胞容量水平，相同葡萄糖浓度所得到的得的电流读数是不同的，顺序为20％＞40％＞60％。20％和60％电流读数之间的这种差异构成了所得到的全血样品葡萄糖读数的血细胞容量偏差范围。由各个全血样的血细胞容量水平变动所引入的葡萄糖测定的不准确性可能构成了分析中误差的主要来源。

[0143] 例如，如果将实验获得的葡萄糖读数与获得的血浆葡萄糖电流读数对照，且校准方法假定40％的样品血细胞容量，则由含20％血细胞容量的全血样获得的较高电流读数相对于40％校准线将转变成正偏差。同样，由含60％血细胞容量的全血样获得的较低电流读数相对于40％校准线将转变成负偏差。

[0144] 血细胞容量的降低

[0145] 在一个方面，慢扫描速率可与线性、循环或非循环扫描以及半积分组合，以在分析全血的葡萄糖浓度时降低浓度测定的血细胞容量偏差。图10A表明，对于25mV/秒的慢扫描速率，在60％血细胞容量(线c)的半积分的正向扫描部分观测到大峰，而对40％血细胞容量(线b)观测到较小的峰。20％血细胞容量线(a)没有明显的峰。因此，半积分图的峰部分对样品的血细胞容量敏感，峰的幅度可能与血细胞容量水平定量地相关。

[0146] 在另一方面，线性、循环或非循环扫描可与导数数据处理组合，以在分析全血的葡萄糖浓度时降低浓度测定的血细胞容量偏差。图15A-15C示出了图7A-7C的循环伏安图的导数。这些导数图表明，最初电流随着电压增加而增加，之后下降，最后到稳态区。可在图15A-15C中位于约0.1V的负峰中观察到血细胞容量的影响，较高的RBC浓度反映为更负的峰值。

[0147] 尽管正和负导数峰的值(例如示于图15B的导数图中的那些值)是浓度依赖性的，但负峰对正峰的比率抵偿了浓度依赖性，由此成为血细胞容量依赖性的。因为该比率(HI-DER)是非浓度依赖性而是血细胞容量依赖性的，所以该比率指示样品中的血细胞容量百分率。因此，如下文进一步所述，导数峰的该比率可用于确定分析物测定的血细胞容量补偿方程式。

[0148] 在另一方面，可将线性、循环或非循环扫描与半导数数据处理组合，以在分析全血的葡萄糖浓度时降低浓度测定的血细胞容量偏差。图4C、4D和4E示出了图7A、7B和7C(在扣除本底伏安图(0mg/dL葡萄糖)后为50、100和400mg/dL葡萄糖)的循环伏安图的正向线性扫描部分的半导数曲线。

[0149] 图4F示出了相对于各血细胞容量水平的基准葡萄糖浓度画出的根据图4C、4D和4E的半导数电流。20％和40％血细胞容量线的重叠证实，较低的20％值处的血细胞容量的影响被基本消除。相比于由伏安图的不变数据的稳态部分或伏安图的半积分获得的血细胞容量偏差，40％血细胞容量线和60％血细胞容量线之间的血细胞容量偏差也被减小。因此，半导数数据处理可自动提供对葡萄糖测定的血细胞容量补偿。

[0150] 图4G示出了伏安图(LS)的未改变的正向扫描的数据、伏安图数据的半积分(si)和伏安图数据的半导数(sd)的对比。使用40％血细胞容量水平的校准曲线计算葡萄糖值。如该图所示，半导数数据与由YSI基准仪器获得的线的一致性很好。

[0151] 半积分和导数数据处理可用于对受血细胞容量作用影响的电流扫描部分的识别与定量。因此，这些数据处理可减小血细胞容量偏差，否则该偏差会影响分析物浓度的测定。如下文的进一步讨论，半导数数据处理可减小血细胞容量偏差，否则该偏差会在没有补偿平衡的情况下影响分析物浓度的测定。

[0152] 在另一方面，快扫描速率(例如图10B和10C的500和1000mV/秒扫描速率)可与线性、循环或非循环扫描以及半积分、导数或半导数数据处理结合使用，以减小血细胞容量偏差和检测全血的葡萄糖含量。快扫描速率还具有扫描时间较短的好处，这对用户是很有利的。

[0153] 当扫描总长相对较长时(如在常规电流分析法或慢扫描伏安法中)，介体扩散和被测电流受到样品RBC含量的极大影响。相反，如果扫描速率快，例如500mV/秒，则由-200mV起始点达到400mV终止点所需的时间为1.2秒。同样，以1000mV/秒扫描速率可在0.6秒后达到400mV的终止点，或以2000mV/秒扫描速率可在0.3秒后达到400mV的终止点。因此，至多3秒、1.5秒、1秒或0.5秒的总扫描时间可减小浓度测量的血细胞容量偏差，无需用数学方法消除。

[0154] 测定分析物浓度

[0155] 图5示出了增加水性溶液的葡萄糖浓度时对循环伏安图的影响。图中显示了代表0mg/dL(线a)、100mg/dL(线b)、200mg/dL(线c)、400mg/dL(线d)和600mg/dL(线e)葡萄糖浓度的各条线。扫描速率是25mV/秒。图6示出了通过半积分数据处理转变为半积分电流后的图5的扫描数据。因此，从图6的X轴显而易见各个葡萄糖浓度的差异。

[0156] 循环伏安图的形状会随着对全血样的扫描而改变。循环伏安图显示随着血细胞容量和葡萄糖浓度变化的伏安电流位移，尤其是稳态部分(图7A-7C中的0.3-0.4V)附近的电流。此改变可参见图7A-7C，其中分别显示了50mg/dL(7A)、100mg/dL(7B)和400mg/dL(7C)葡萄糖浓度的伏安图，以及各个葡萄糖浓度的20、40和60％血细胞容量(分别为曲线a、b、c)的伏安图。扫描速率为25mV/秒。正如考虑到血细胞容量影响所预期的，样品中的血细胞容量百分率越高，对同一葡萄糖浓度的读数就越大。循环扫描的对应半积分图如图8A-8C所示，其中稳态电流之间的位移用一个圆圈突出显示。图7D-7F和8D-8F示出了一个类似的非循环扫描的扫描数据和对应的半积分。

[0157] 扫描可在-600mV至+600mV的范围内进行；但是，优选的扫描范围取决于用于生物传感器的氧化还原对(介体)。一般来说，测量装置在生产阶段对要扫描的范围会进行编程。

[0158] 图9A-9C分别示出了25mV/秒、500mV/秒和1000mV/秒扫描速率下含400mg/dL葡萄糖的血样的结果。随着扫描速率由图9A中的25mV/秒增加至图9B中的500mV/秒和图9C中的1000mV/秒，最初的受血细胞容量影响的峰下降。而且，峰值电流与样品的血细胞容量值(a为20％血细胞容量，b为40％血细胞容量，c为60％血细胞容量)有关，较高的血细胞容量百分率一般与慢扫描速率时峰值电流的较快衰减相关。

[0159] 对应于图9A-9C的伏安图的半积分图分别如图10A-10C所示。由25mV/秒的图10A扫描中被圈入的换向点可知，20％、40％和60％血细胞容量线的稳态电流是关于Y轴分开的。随着扫描速率增加至图10B的500mV/秒和图10C的1000mV/秒，20％、40％和60％血细胞容量线的Y轴间隔下降。因此，随着扫描速率增加，扫描受血细胞容量影响的部分减少。

[0160] 图11A-11C显示了基于图9A-9C的实验结果的图10A-10C的半积分线和各样品的基准葡萄糖浓度之间的关联。将YSI仪器的基准葡萄糖浓度值(X轴)与各血细胞容量百分率的半积分电流(Y轴)相比。正如所料，图11A的25mV/秒扫描显示出可归因于血细胞容量影响的最大偏差，而图11B和11C的500和1000mV/秒的较快扫描分别显示出较小的偏差。

[0161] 在半积分图中峰值电流对稳态电流值的比率可称作血细胞容量指数(HI)，可定义为半积分电流峰值(ip)除以半积分电流稳态值(iss)，如图12所示。将理论血细胞容量指数(HI)与实际的样品血细胞容量百分率相关联，以提供示于图13A的相关线。如先前就导数数据处理所讨论的，HI-DER比率也可用来提供相关线。

[0162] 然后可确定描述斜率或截距和相关线的斜率的补偿方程，如图13A所示的半积分数据处理的补偿方程。一旦确定了补偿方程，就可通过将需要的电流值(例如稳态电流值)插入方程中，确定补偿了血细胞容量影响的样品葡萄糖浓度。因此，半积分数据处理的峰值电流对稳态电流值的比率或导数数据处理的负峰对正峰的比率可用来校正可归因于血细胞容量影响的分析偏差。

[0163] 图13B示出了在固定电流和血细胞容量补偿下变动的葡萄糖浓度的斜率和血细胞容量百分率之间的关联。如该图所示，为描述图13A曲线而确定的补偿方程提供了电流和葡萄糖浓度之间基本线性的关联，与WB样品的基础血细胞容量无关。图14对比了由本发明的传感器系统获得的多个补偿和未补偿的葡萄糖读数与从YSI基准仪器获得的值。

[0164] 提供以下的实施例是为了阐述本发明的一个或多个优选实施方案。可对以下实施例实施众多的属于本发明范围的变形。

[0165] 实施例1

[0166] 传感片的制备

[0167] 参看图1A-B，在绝缘材料衬底上形成的电极12和14，例如使用第5,798,031和5,120,420号美国专利中描述的技术，以制备电化学传感片10。通过丝网印刷将银膏18淀积在聚碳酸酯片16上。该银膏以一定图案印刷，以形成电极12和14的电触点20a和20b及底层18。

[0168] 在图1B中，接着通过以图案22和24丝网印刷，施加含导电碳的油墨和粘合剂，以形成各电极的顶层-葡萄糖氧化酶(或PQQ-GDH葡萄糖脱氢酶)和铁氰化物作为介体的2 2
试剂层26和28。工作电极和对电极12和14分别具有1mm 和1.2mm 的表面，电极间隔约
0.25mm。在图2A中，含丙烯酸酯改性的聚氨酯的介电层30淀积在衬底上。然后用UV照射来固化电极底层。

[0169] 参看图2B，在干燥后，该衬底被粘合到盖板32上，形成传感片10。盖板的构建如第5,798,031号美国专利所述进行。将水性聚氨酯分散液的被覆溶液涂布在聚碳酸酯试条的一侧上，并使其干燥。通过压花加工形成凹区34并通过穿孔36，将试条制成盖板。通过将盖板与衬底对准并接触，接着沿着结构的周边对接触部位加热，将盖板与基底粘合。

[0170] 用第5,429,735号美国专利中描述的方法激活制成的电化学传感器，以增加电极活性。

[0171] 实施例2

[0172] 进行分析

[0173] 图2C是测量装置200的示意图，其中包含触点220，其与电路210和显示器230电连通。一方面，测量装置200适于手提并装入传感片。另一方面，测量装置200是适于装入传感片并执行伏安扫描的手提测量装置。又一方面，测量装置200是适于装入传感片并执行非循环扫描的手提测量装置。

[0174] 触点220适于提供与电路210和传感片触点(例如示于图1A的传感片10的触点20a和20b)的电连通。电路210可包括加电器250、处理器240和计算机可读取存储介质
245。加电器250可为稳压器等。因此，加电器250可对触点220施加电压，同时记录所得到的电流，起到加电器-记录器的作用。

[0175] 处理器240可与加电器250、计算机可读取存储介质245和显示器230电连通。如果加电器不用来记录电流，则可用处理器240记录触点220处的电流。

[0176] 计算机可读取存储介质245可为任何存储介质，例如磁、光、半导体存储器等。计算机可读取存储介质245可为固定存储装置或可插拔存储装置，例如插拔式存储卡。显示器230可为模拟的或数字的，在一方面，LCD显示器适于显示读数。

[0177] 当含样品的传感片的触点与触点220电连通时，处理器240可指示加电器250对样品实施伏安扫描，由此开始分析。处理器240可响应例如传感片的插入、向已插入的传感片施加样品或响应用户的输入而开始分析。

[0178] 执行伏安扫描的指令可由储存在计算机可读取存储介质245中的计算机可读取软件代码提供。上述代码可为目标代码，或任意其它描述或控制在该应用中描述的功能性的代码。由扫描获得的数据可在处理器240中进行一种或多种数据处理，其结果(例如分析物浓度)输出至显示器230。与扫描指令一样，数据处理可由处理器240根据计算机可读取存储介质245中的计算机可读取软件代码执行。

[0179] 实施例3

[0180] 循环伏安法与半积分

[0181] 将100mg/dL葡萄糖水溶液引入到Ascensia 传感器中。用CHInstrument稳压器对传感片实施25mV/秒扫描速率的循环扫描。如图3A那样画出循环伏安图(CV)，同时如图3B那样画出其半积分(si)曲线。将随扫描电位变化的数据相对于对电极上的电位(铁氰化物)画出曲线。图3B还图解了半积分图中稳态电流的平坦区，其中例如0.2V和0.4V之间稳态平坦区间的差异基本为0，而在约-0.15V处的稳态平坦区和正向电流峰(siss)之间的差异相对较大。

[0182] 用2004年4月26日修订的4.07版电化学工作站(ElectrochemicalWorkstation)软件包执行用于该半积分数据处理以及别处描述的导数和半导数数据处理的方程式，其中所述软件包为CHI 660A型CHInstruments Electrochemical Workstation所附带。

[0183] 实施例4

[0184] 较高葡萄糖浓度的影响

[0185] 在图5中，对载有含0、100、200、400和600mg/dL葡萄糖的葡萄糖水溶液(分别标示为a-e)的Ascensia 葡萄糖传感片实施循环扫描。由该图可见，各葡萄糖浓度的峰值电流随着葡萄糖浓度增加升高并迁移至较高电位。图6示出了图5的循环伏安图的对应半积分。在零葡萄糖浓度处半积分电流基本为0。

[0186] 实施例5

[0187] 慢扫描下WB样品中葡萄糖的循环伏安测量

[0188] 一般如2003年10月24日提交的序号60/513,817的美国临时专利申请所述，在工作电极和对电极上构建具有不同试剂层的传感片。将来自约22％K3Fe(CN)6、0.7％有机皂土、1.5％CMC但无活性成分的溶液的铁氰化物层淀积在对电极上。淀积在工作电极上的层由16.8单位/μL PQQ-GDH、250mM铁氰化物、1.8％CMC、64mM磷酸盐和64mM NaCl的试剂溶液制备。将含50mg/dL葡萄糖和20％、40％或60％血细胞容量(在图7A-7C中分别标记为a-c)的全血样引入至传感片。

[0189] 60％血细胞容量样品(c)的峰值电流最高，但最快衰减至和含20％(a)和40％(b)血细胞容量的样品大约相同的稳态电流。50mg/dL浓度的60％血细胞容量全血样品的电流衰减过程类似于分别在图7B和7C中观测到的100和400mg/dL浓度的电流衰减过程。随着60％血细胞容量全血样品的葡萄糖浓度增加，稳态电流值相对于在20％和40％血细胞容量样品中获得的电流值降低。

[0190] 实施例6

[0191] 循环伏安图的半积分

[0192] 尽管循环和非循环电流可直接用来定量样品的葡萄糖浓度，但这些伏安图的半积分可提供代表样品葡萄糖浓度的优选值。在图8A、8B和8C中列出的半积分根据图7A、7B和7C得到。注意，20％全血样品(a)的半积分基本上是平的，在平坦区实际上无峰。随着血细胞容量水平增加，40％-60％血细胞容量(b、c)的峰变得越来越突起。另外，随着葡萄糖浓度的增加，20％、40％和60％血细胞容量的三种稳态电流进一步分开。使用0.3V时的半积分稳态电流构建这三种血细胞容量的校准曲线。

[0193] 实施例7

[0194] 快扫描下WB样品中葡萄糖的循环伏安测量

[0195] 使用实施例4中描述的传感片对20％、40％和60％血细胞容量水平的全血葡萄糖进行快扫描循环伏安测量。图9A、9B和9C分别为含400mg/dL葡萄糖的全血在0.025V/秒、0.5V/秒和1V/秒扫描速率下的循环伏安图。尽管在0.025V/秒扫描速率伏安图的0.3V处的伏安电流之间存在大的位移，但该位移随着扫描速率增加而降低。这些循环伏安图的半积分示于图10A、10B和10C。随着扫描速率增加，相同葡萄糖浓度下各血细胞容量百分率的稳态电流合并在一起。快扫描速率的初始电流峰显著下降。

[0196] 实施例8

[0197] 快、短扫描下WB样品中葡萄糖的非循环伏安测量

[0198] 将含400mg/dL葡萄糖和20、40或55％血细胞容量的全血样品各自加至3个传感片。等待约6秒后，施加1V/秒快速非循环扫描，从0.2V至0.3V又回到0.2V。在测定这些扫描的半积分电流后，以及先前就图3H所描述的一样，使用0.3V时的非循环扫描电流值和对应的半积分电流值测定3个WB样品各自的葡萄糖浓度。

[0199] 图17A-17B分别显示了记录的电流值和半积分电流值的剂量反应曲线。和记录电流值相比，图17B的半积分数据处理使20％和55％样品之间由于血细胞容量影响而产生的分析偏差稍微降低。图17C对比了由该非循环扫描获得的葡萄糖浓度值与由0.025V/秒慢扫描速率的循环扫描获得的那些值的准确性。由该非循环扫描获得的浓度值比由较长的循环扫描获得的值更接近于由标准YSI仪器获得的值。

[0200] 实施例9

[0201] 不同扫描速率的si电流的校准曲线

[0202] 如图11A、11B和11C所示，使用根据20％、40％和60％血细胞容量线的半积分电流，建立0.025V/秒、0.5V/秒和1V/秒扫描速率的校准曲线。传感片与实施例4的传感片类似。在0.025V/秒扫描速率下，观测到在图11A中测试的3种血细胞容量的全血样的3种不同的线。随着扫描速率由0.025V/秒增加至0.5V/秒(图11B)，3条校准线移动得更靠近，在1V/秒时几乎合并(图11C)。本实施例表明，全血样品中的葡萄糖检测可避免WB样品的血细胞容量影响。

[0203] 实施例10

[0204] 定义由半积分得到的血细胞容量指数

[0205] 由图8A-C可见，在血细胞容量水平和电流峰值高度之间存在关联。峰值高度对稳态电流(si)的比率与葡萄糖浓度无关。该特征可用于指示全血样中的血细胞容量水平。

[0206] 图12将血细胞容量指数(HI)定义为由半积分得到的峰值电流对稳态电流的比率。下表示出了50、100和400mg/dL全血葡萄糖和20％、40％和60％血细胞容量的半积分峰值电流和平坦区电流。

[0207]

[0208] 实施例11

[0209] WB葡萄糖检测偏差的补偿

[0210] 如图13A所示，将全血血细胞容量百分率对血细胞容量指数(HI)值画出曲线，作为血细胞容量指数的校准曲线。与此同时，如图13B所示，将图11A的3种血细胞容量水平的葡萄糖校准线的斜率对WB的血细胞容量百分率画出曲线。用与血细胞容量百分率有关的斜率而不是用40％血细胞容量时的单一斜率(和截距)根据电流信号计算葡萄糖值。这可以用如下方式完成：

[0211] (a)在例如由图12获得通过半积分得到的峰值电流和平坦区电流之后，计算血细胞容量指数(HI)值。

[0212] (b)使用此HI值，由图13A得到WB样品的血细胞容量百分率值。

[0213] (c)使用此血细胞容量百分率值，由图13B测定合适的校准斜率，该斜率与血细胞容量相关。还可用相似的方法获得与血细胞容量有关的截距。

[0214] (d)然后使用(c)的斜率(和截距)将si电流转换为葡萄糖值。

[0215] 图14显示了此补偿方法的最终结果，其中未补偿的葡萄糖读数用菱形表示，而补偿的数据点用空心方块表示。准确性明显改善，特别是在较高的葡萄糖浓度时。

[0216] 实施例12

[0217] 循环伏安图的导数

[0218] 可通过扫描中峰值电流之后的电流衰减过程区分血细胞容量值。该特征示于图7A、7B和7C，其中60％血细胞容量全血中的电流衰减最快。该特征还可通过获取扫描的伏安测量电流的导数来表示。图15A-15C显示了20％、40％和60％血细胞容量百分率情况下
50mg/dL、100mg/dL和400mg/dL的循环伏安图导数。导数曲线中的最大负峰值代表图7A-7C的循环伏安图的最快电流衰减。因此，导数图的峰值高度可用于补偿由于全血的血细胞容量影响而产生的分析偏差。在一个方面，使用图16A-16C所示的方法，该方法类似于实施例
9中讨论的关于半积分电流的方法。

[0219] 图16A显示了0.3V稳态区的CV电流对20％、40％和60％血细胞容量的葡萄糖浓度的曲线。这类似于图11A的半积分，表明电流随着血细胞容量增加而发散。图16B显示了负峰值对正峰值的平均比率对图15A-15C的血细胞容量百分率的曲线。该比率是血细胞容量指数的另一种定义，在此情况下使用电流对电压的导数而不是半积分电流。图16C显示了图16A的曲线斜率对血细胞容量百分率的曲线。以与半积分相似的过程，获得电流对电压的导数，并用负峰值对正峰值之比定义血细胞容量指数(HI-DER)。使用HI-DER测定图16B的血细胞容量百分率。接着，使用图16C针对血细胞容量百分率修正检测的葡萄糖含量。图16D显示了用通过伏安法获得的电流的导数来修正血细胞容量的影响。

[0220] 尽管已描述了本发明的各种实施方案，但对本领域一般技术人员来说显而易见的是，其它实施方案和实施过程有可能属于本发明范围。因此，本发明仅限于所附权利要求书及其等效方案。