ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АНАЛИТА В ПРОБЕ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ СЕНСОРНАЯ ПОЛОСКА И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНАЛИТА Российский патент 2011 года по МПК G01N27/30 

Ссылка на родственные заявки

[001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США №60/617889 под названием «Определение концентрации в диффузионном барьерном слое», поданной 12 октября 2004 г., и предварительной заявки США №60/655180 под названием «Определение концентрации в диффузионном барьерном слое», поданной 22 февраля 2005 г., которые включены сюда посредством ссылки во всей их полноте.

Предшествующий уровень техники

[002] При контроле за состояниями пациентов и реакцией пациентов на проводимое лечение желательным является использование аналитических методов, которые являются быстрыми, точными и удобными для пациента. Для количественного определения некоторых аналитов в жидкостях организма, в частности в пробах крови, подходящими являются электрохимические методы. В типичном случае подобные биологические аналиты, такие как глюкоза, претерпевают окислительно-восстановительные реакции при контакте с определенными ферментами. Генерируемый при таких окислительно-восстановительных реакциях электрический ток может коррелироваться с концентрацией биологического аналита в пробе.

[003] Были разработаны миниатюрные электрохимические ячейки, которые дают пациентам возможность контролировать концентрации аналитов в крови без привлечения медицинских работников или лаборантов. В типичных управляемых пациентом электрохимических системах используется одноразовая сенсорная полоска со специальным измерительным устройством, в состав которого входят необходимые схемы и системы вывода. Для проведения анализа это измерительное устройство соединяют с одноразовой электрохимической сенсорной полоской, содержащей электроды и реагенты, для измерения концентрации аналита в пробе, которую наносят на эту полоску.

[004] Наиболее распространенными среди подобных миниатюрных электрохимических систем являются сенсоры на глюкозу, которые обеспечивают измерения уровней глюкозы в крови. В идеале миниатюрный сенсор на глюкозу должен быть способен выдавать точные показания уровней глюкозы крови при анализе одной единственной капли крови, в типичном случае 1-15 микролитров (мкл).

[005] В типичной аналитической электрохимической ячейке происходящие в «полуэлементах» реакции окисления или восстановления с участием аналита приводят, соответственно, к высвобождению либо акцептированию электронов. Возникающий поток электронов может быть измерен при условии, что электроны могут взаимодействовать с рабочим электродом, который находится в контакте с анализируемой пробой. Электрическая цепь завершается противоэлектродом, который также находится в контакте с пробой. На противоэлектроде также происходит химическая реакция, и эта реакция является противоположной по типу (окисление или восстановление) по отношению к типу реакции на рабочем электроде. Таким образом, если на рабочем электроде происходит окисление, то на противоэлектроде происходит восстановление. См., к примеру, Fundamentals Of Analytical Chemistry, 4 ^th Edition, D.A. Skoog and D.M. West; Philadelphia: Saunders College Publishing (1982), pp. 304-341.

[006] Некоторые традиционные миниатюрные электрохимические системы включают в себя истинный электрод сравнения. В данных системах истинный электрод сравнения может быть третьим электродом, который привносит в систему, в дополнение к рабочему электроду и противоэлектроду, неизменяемый потенциал сравнения. Хотя известно множество различных материалов электродов сравнения, типичной является смесь серебра (Ag) и хлорида серебра (AgCl). Материалы, которые дают неизменяемый потенциал сравнения, такие как смесь серебра и хлорида серебра, отделены от реакционных компонентов анализируемого раствора за счет их нерастворимости или другими средствами.

[007] В других миниатюрных электрохимических системах используется комбинированный противоэлектрод сравнения. Подобные электрохимические сенсорные полоски в типичном случае представляют собой двухэлектродные системы, имеющие рабочий электрод и противоэлектрод сравнения. Комбинированный противоэлектрод сравнения возможен в том случае, когда истинный электрод сравнения также используется в качестве противоэлектрода.

[008] Поскольку они являются истинными электродами сравнения, противоэлектроды сравнения в типичном случае представляют собой смеси серебра (Ag) и хлорида серебра (AgCl), которые обладают стабильными электрохимическими свойствами вследствие нерастворимости такой смеси в водной среде анализируемого раствора. Поскольку при кратковременном использовании соотношение Ag к AgCl значительно не меняется, потенциал такого электрода также по существу не изменяется.

[009] В типичном случае электрохимическую сенсорную полоску изготавливают путем нанесения слоя реагентов на поверхность проводника полоски для анализа. Для облегчения изготовления реагенты могут быть нанесены единым слоем на все электроды.

[0010] Слой реагентов может включать в себя фермент для содействия реакции окисления или восстановления аналита, а также любые медиаторы или другие вещества, которые способствуют переносу электронов между аналитом и поверхностью проводника. Слой реагентов также может включать в себя связующее, которое удерживает фермент и медиатор вместе, таким образом позволяя наносить их на электроды.

[0011] Пробы цельной крови (ЦК) содержат красные кровяные тельца (ККТ) (эритроциты) и плазму. Плазма в основном состоит из воды, однако содержит также некоторые белки и глюкозу. Соотношение объема ККТ-компонента к общему объему пробы ЦК называется гематокритом (Hct) и часто выражается в процентах. Процентные величины гематокрита в пробах цельной крови обычно находятся в пределах от 20 до 60%, причем среднее значение обычно составляет ~40%.

[0012] Одним из недостатков традиционных электрохимических сенсорных полосок, используемых для измерения концентрации глюкозы в ЦК, является так называемый «эффект гематокрита». Эффект гематокрита возникает в результате блокирования красными кровяными тельцами (ККТ) диффузии медиатора или иного измеряемого вещества к поверхности проводника для измерения. Поскольку такое измерение выполняют в течение одинакового периода времени каждый раз, когда проводят тест пробы, то пробы крови с разными концентрациями эритроцитов могут быть причиной погрешностей в измерении. Действительно, сенсор не в состоянии отличить более низкую концентрацию измеряемого вещества от более высокой концентрации измеряемого вещества, когда ККТ мешают диффузии измеряемого вещества к поверхности проводника. Таким образом, вариации в концентрации ККТ в пробах ЦК являются причиной погрешностей в измерении концентрации глюкозы (эффект гематокрита).

[0013] В том случае если тестируются пробы ЦК, содержащие одинаковые количества глюкозы, но имеющие гематокрит в 20, 40 и 60%, традиционной системой, которая основана на одном наборе калибровочных постоянных (к примеру, угловой коэффициент и отсекаемый на координатной оси отрезок), будут выданы три разные показания уровней глюкозы. Даже в случае равенства концентраций глюкозы такая система выдаст, что проба с гематокритом 20% содержит больше глюкозы, чем проба с гематокритом 60%, из-за затруднения эритроцитами диффузии измеряемых веществ к поверхности проводника.

[0014] Традиционные системы, как правило, рассчитаны на выдачу концентраций глюкозы в предположении пробы ЦК с показателем гематокрита 40% вне зависимости от реальных показателей гематокрита в пробе крови. При использовании подобных систем любые измерения уровня глюкозы в пробах крови с показателем гематокрита менее 40% будут включать в себя некоторую погрешность, приписываемую эффекту гематокрита.

[0015] Традиционные способы снижения эффекта гематокрита в амперометрических сенсорах включают в себя использование фильтров, как это раскрыто в патентах США № 5708247 и 5951836; обращение потенциала импульса считывания, как это раскрыто в WO 01/57510; а также способы, которые максимизируют собственное сопротивление пробы, как это раскрыто в патенте США № 5628890. И хотя каждый из этих способов обладает своими преимуществами и недостатками, однако ни один из них не является идеальным.

[0016] Как следует из приведенного выше описания, имеется насущная потребность в улучшенных устройствах и способах определения концентрации биологических аналитов, в том числе глюкозы. Устройства и способы по настоящему изобретению могут снизить уровень ошибок, вносимых эффектом гематокрита и другими эффектами в пробах ЦК.

Сущность изобретения

[0017] В одном из аспектов предложена электрохимическая сенсорная полоска, которая включает в себя подложку (основу) и первый и второй электроды на этой подложке. Первый электрод включает в себя по меньшей мере один первый слой на первом проводнике, причем этот первый слой содержит фермент оксидоредуктазу и связующее. Толщина первого слоя выбрана таким образом, что при приложении импульса считывания к первому и второму электродам во время использования измеряемые вещества по существу детектируются (обнаруживаются) в пределах первого слоя и по существу не детектируются за пределами первого слоя.

[0018] В другом аспекте предложен способ повышения точности количественного определения аналита. Данный способ включает в себя обеспечение электрохимической сенсорной полоски, имеющей по меньшей мере один первый слой, содержащий фермент оксидоредуктазу, медиатор и связующее. Затем содержащую аналит пробу вводят в электрохимическую сенсорную полоску и прикладывают электрический потенциал в виде импульса считывания. Длительность импульса считывания позволяет по существу детектировать ионизированную форму медиатора в пределах первого слоя, при этом по существу исключив из детектирования ионизированную форму медиатора за пределами первого слоя.

[0019] В одном из вариантов воплощения предложена электрохимическая сенсорная полоска, содержащая: подложку; первый электрод на этой подложке, причем первый электрод содержит по меньшей мере один первый слой на первом проводнике, причем этот первый слой содержит слой реагентов; и второй электрод на этой подложке, причем толщина первого слоя выбрана таким образом, что импульс считывания, приложенный к первому и второму электродам во время использования, по существу детектирует измеряемое вещество в пределах первого слоя и по существу не детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя.

[0020] В другом варианте воплощения электрохимическая сенсорная полоска дополнительно содержит второй слой между первым проводником и первым слоем, причем толщина второго слоя выбрана таким образом, что импульс считывания, приложенный к первому и второму электродам во время использования, по существу детектирует измеряемое вещество в пределах этого второго слоя и по существу не детектирует измеряемое вещество за пределами второго слоя, включая измеряемое вещество в пределах первого слоя, при этом толщина первого слоя не выбирается таким образом, что импульс считывания, приложенный к первому и второму электродам во время использования, по существу детектирует измеряемое вещество в пределах первого слоя. Толщина второго слоя может составлять по меньшей мере 5 мкм или от 8 до 25 мкм. В другом аспекте толщина второго слоя может составлять по меньшей мере 1 мкм или от 5 до 25 мкм. Второй слой может не включать в себя фермент оксидоредуктазу и/или медиатор, однако может включать в себя полимерный материал.

[0021] В другом варианте воплощения предложен способ повышения точности количественного определения аналита, включающий в себя: обеспечение электрохимической сенсорной полоски, имеющей подложку, первый проводник на этой подложке, второй проводник на этой подложке и по меньшей мере один первый слой на по меньшей мере первом проводнике, причем упомянутый по меньшей мере один первый слой содержит слой реагентов, включающий в себя связующее; введение содержащей аналит пробы с жидким компонентом в электрохимическую сенсорную полоску, причем проба обеспечивает электрическую связь между первым и вторым проводниками; приложение электрического потенциала между первым и вторым проводниками в виде импульса считывания, причем импульс считывания прикладывают в течение такой длительности, чтобы по существу детектировать измеряемое вещество в пределах первого слоя и по существу не детектировать измеряемое вещество за пределами первого слоя; измерение импульса считывания для получения количественного значения концентрации аналита в пробе с повышенной точностью по отношению к электрохимической сенсорной полоске, которая по существу детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя. Также может быть приложен начальный импульс и введена временная задержка перед импульсом считывания.

[0022] В другом варианте воплощения предложена электрохимическая сенсорная полоска, содержащая: подложку; первый электрод на этой подложке, причем первый электрод содержит по меньшей мере один первый слой на первом проводнике, причем первый слой содержит медиатор, связующее и по меньшей мере одну из глюкозооксидазы, глюкоза-дегидрогиназы и их смеси; и второй электрод на подложке, содержащий растворимый редокс-реагент, причем этот растворимый редокс-реагент включает в себя по меньшей мере один из металлоорганического комплекса переходного металла, координационного комплекса переходного металла и их смесей, причем толщина первого слоя выбрана таким образом, что импульс считывания, приложенный к первому и второму электродам во время использования, по существу детектирует измеряемое вещество в пределах первого слоя и по существу не детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя. Второй электрод электрохимической сенсорной полоски может содержать второй редокс-реагент на втором проводнике, причем растворимый редокс-реагент представляет собой первый редокс-реагент окислительно-восстановительной пары, включающей первый реагент и второй реагент, причем молярное отношение первого редокс-реагента ко второму редокс-реагенту составляет более чем примерно 1,2:1.

[0023] В другом варианте воплощения предложена электрохимическая сенсорная полоска, содержащая: подложку; крышку, контактирующую с подложкой с образованием зазора; первый электрод на подложке, содержащий первый проводник; второй слой на первом проводнике, причем между первым проводником и вторым слоем отсутствует слой реагентов; второй электрод на подложке; и слой реагентов в зазоре, причем толщина второго слоя выбрана таким образом, что импульс считывания, приложенный к первому и второму электродам во время использования по существу детектирует измеряемое вещество в пределах второго слоя и по существу не детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя.

[0024] Для обеспечения ясного и точного понимания описания и формулы изобретения ниже приведены следующие определения.

[0025] Термин «система» определяется как электрохимическая сенсорная полоска в электрической связи через ее проводники с электронным измерительным устройством, которая позволяет проводить количественное определение аналита в пробе.

Термин «измерительное устройство» определяется как электронное устройство, которое способно прикладывать электрический потенциал к проводникам электрохимической сенсорной полоски и измерять возникающие вследствие этого электрические токи. Измерительное устройство также может быть наделено технической способностью определять наличие и/или концентрацию одного или более аналитов в ответ на измеренный электрический потенциал.

[0027] Термин «проба» определяется как композиция, содержащая неизвестное количество интересующего аналита. В типичном случае проба для электрохимического анализа находится в жидкой форме, а предпочтительно проба представляет собой водную смесь. Проба может представлять собой биологическую пробу, такую как кровь, моча или слюна. Проба может представлять собой производное биологической пробы, такое как экстракт, разведение, фильтрат или перерастворенный преципитат.

[0028] Термин «аналит» определяется как одно или более веществ, присутствующих в пробе. В процессе измерения определяется присутствие, количество, число или концентрация присутствующего в пробе аналита. Аналит может взаимодействовать с ферментом или другим веществом, которое присутствует во время анализа.

[0029] Термин «точность» определяется как то, насколько близко количество аналита, измеренное с помощью сенсорной полоски, соответствует реальному количеству аналита в пробе.

[0030] Термин «воспроизводимость» определяется как то, насколько близки результаты различных измерений аналита на одной и той же пробе.

[0031] Термин «проводник» определяется как электропроводящее вещество, которое остается стационарным во время электрохимического анализа. Примерами материалов проводника могут служить твердые металлы, металлические пасты, проводящий углерод, проводящие углеродные пасты и проводящие полимеры.

[0032] Термин «неионизируемый материал» определяется как материал, который не ионизируется во время электрохимического анализа аналита. Примеры неионизируемых материалов включают углерод, золото, платину и палладий.

[0033] Термин «измеряемое вещество» определяется как любое электрохимически активное вещество, которое может быть окислено или восстановлено при подходящем потенциале на поверхности электрода электрохимической сенсорной полоски. Примеры измеряемых веществ включают аналит, субстрат или медиатор.

[0034] Термин «стационарное состояние» определяется как такое состояние, при котором скорость диффузии измеряемого вещества в диффузионный барьерный слой (ДБС) является по существу постоянной.

[0035] Термин «оксидоредуктаза» определяется как любой фермент, который облегчает окисление или восстановление измеряемого вещества. Оксидоредуктаза представляет собой реагент. Термин «оксидоредуктаза» включает в себя «оксидазы», которые облегчают реакции окисления, при которых молекулярный кислород выступает в роли акцептора электронов; «редуктазы», которые облегчают реакции восстановления, при которых восстанавливается аналит, а молекулярный кислород не является аналитом; и «дегидрогеназы», которые облегчают реакции окисления, при которых молекулярный кислород не выступает в роли акцептора электронов. Смотри, к примеру, Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, Revised Edition, A.D. Smith, Ed., New York: Oxford University Press (1997) pp. 161, 476, 477 и 560.

[0036] Термин «медиатор» определяется как вещество, которое может быть окислено или восстановлено и которое может переносить один или более электронов между первым веществом и вторым веществом. Медиатор представляет собой реагент при электрохимическом анализе и не является интересующим аналитом, однако обеспечивает возможность непрямого измерения аналита. В упрощенной системе медиатор претерпевает окислительно-восстановительную реакцию с оксидоредуктазой после того, как оксидоредуктаза была окислена или восстановлена посредством ее контакта с надлежащим аналитом либо субстратом. Окисленный или восстановленный медиатор затем претерпевает обратную реакцию на рабочем электроде и регенерируется до своей исходной степени окисления.

[0037] Термин «электроактивная органическая молекула» определяется как органическая молекула, которая не содержит металла и которая способна претерпевать реакцию окисления или восстановления. Электроактивные органические молекулы могут выступать в роли редокс-реагентов и медиаторов. Примеры электроактивных органических молекул включают кофермент пирролохинолинхинон (PQQ), бензохиноны и нафтохиноны, N-оксиды, нитрозосоединения, гидроксиламины, оксины, флавины, феназины, фенотиазины, индофенолы и индамины.

[0038] Термин «связующее» определяется как материал, который является химически совместимым с реагентами, использованными в слое реагентов рабочего электрода, и который обеспечивает физическое удерживание реагентов в то время, когда эти реагенты содержатся на проводнике электрода.

[0039] Термин «средняя первоначальная толщина» относится к средней высоте слоя в его сухом состоянии до введения жидкой пробы. Термин «средний» используется потому, что верхняя поверхность слоя является неровной, с выступами и впадинами.

[0040] Термин «окислительно-восстановительная реакция» определяется как химическая реакция между двумя веществами (частицами), в ходе которой происходит перенос по меньшей мере одного электрона от первого вещества (частицы) ко второму веществу (частице). Таким образом, окислительно-восстановительная реакция включает в себя полуреакции окисления и восстановления. В ходе окислительной полуреакции происходит потеря по меньшей мере одного электрона первым веществом (частицей), в то время как в ходе восстановительной полуреакции происходит присоединение по меньшей мере одного электрона ко второму веществу (частице). Заряд ионов окисляемого вещества становится более положительным на число, равное количеству перенесенных электронов. Аналогично заряд ионов восстанавливаемого вещества становится менее положительным на число, равное количеству перенесенных электронов.

[0041] Термин «степень окисления» определяется как формальный ионный заряд химической частицы, такой как атом. Более высокая степень окисления, такая как (III), является более положительной, а более низкая степень окисления, такая как (II), является менее положительной. Нейтральная частица имеет нулевой ионный заряд (0). Окисление частицы приводит к повышению степени окисления этой частицы, в то время как восстановление частицы приводит к снижению степени окисления этой частицы.

[0042] Термин «окислительно-восстановительная пара» («редокс-пара») определяется как две парные формы химического вещества, обладающие различными степенями окисления. Восстановление формы с более высокой степенью окисления дает форму с более низкой степенью окисления. Альтернативно окисление формы с более низкой степенью окисления дает форму с более высокой степенью окисления.

[0043] Термин «окисляемое вещество» определяется как вещество окислительно-восстановительной пары в форме с более низкой степенью окисления, которая может быть таким образом окислена до формы с более высокой степенью окисления. Аналогично термин «восстанавливаемое вещество» определяется как вещество окислительно-восстановительной пары в форме с более высокой степенью окисления, которая может быть таким образом восстановлена до формы с более низкой степенью окисления.

[0044] Термин «растворимый редокс-реагент» определяется как вещество, которое способно претерпевать окисление или восстановление и которое растворимо в воде (pH 7, 25°C) в количестве по меньшей мере 1,0 грамм на литр. Растворимые редокс-реагенты включают в себя электроактивные органические молекулы, металлоорганические комплексы переходных металлов и координационные комплексы переходных металлов. Термин «растворимые редокс-реагенты» не включает в себя элементарные металлы и одиночные ионы металлов, в особенности те, которые являются нерастворимыми или плохорастворимыми в воде.

[0045] Термин «металлоорганический комплекс переходного металла», также сокращаемый как OTM(organotransition metal)-комплекс, определяется как комплекс, в котором переходный металл связан с по меньшей мере одним атомом углерода сигма-связью (формальный заряд атома углерода, связанного с переходным металлом сигма-связью, составляет -1) либо пи-связью (формальный заряд атомов углерода, связанных с переходным металлом пи-связью, составляет 0). К примеру, ферроцен представляет собой OTM-комплекс с двумя циклопентадиенильными (Cp) кольцами, каждое из которых связано с центральным атомом железа своими пятью атомами углерода посредством двух пи-связей и одной сигма-связи. Другим примером ОТМ-комплекса является гексацианоферрат(III) и его восстановленная форма гексацианоферрат(II), в которых шесть цианидных лигандов (формальный заряд -1 на каждом из 6 лигандов) связаны с центральным атомом железа углеродными атомами циано-групп посредством сигма-связей.

[0046] Термин «координационный комплекс» определяется как комплекс с ярко выраженной координационной геометрией, такой как октаэдрическая или плоско-квадратная геометрия. В отличие от ОТМ-комплексов, характеризуемых их связями, координационные комплексы характеризуются их геометрией. Так, координационные комплексы могут быть ОТМ-комплексами (к примеру, вышеупомянутый гексацианоферрат) либо комплексами, в которых отличные от углерода атомы неметаллов, такие как гетероатомы азота, серы, кислорода и фосфора, дативно связаны с центральным атомом переходного металла. К примеру, гексаамминрутения представляет собой координационный комплекс с ярко выраженной октаэдрической геометрией, в котором шесть NH₃-лигандов (формальный заряд каждого из 6 лигандов равен 0) дативно связаны с центральным ионом рутения. Более полное описание металлоорганических и координационных комплексов переходных металлов, а также особенностей связывания переходных металлов можно найти в книгах Collman et al., Principles and Applications of Organotransition Metal Chemistry (1987) и Miessler & Tarr, Inorganic Chemistry (1991).

[0047] Термин «на» определяется как «над» и относится к описываемой ориентации. К примеру, если первый элемент помещают поверх по меньшей мере части второго элемента, то говорят, что первый элемент «нанесен на» второй. В другом примере, если первый элемент находится над по меньшей мере частью второго элемента, то говорят, что первый элемент находится «на» втором. Использование термина «на» не исключает присутствия веществ между верхним и нижним описываемыми элементами. К примеру, первый элемент может иметь покрытие по своей верхней поверхности, а уже второй элемент поверх по меньшей мере части первого элемента и его верхнего покрытия может быть описан как находящийся «на» первом элементе. Таким образом, использование термина «на» может означать, а может и не означать, что два рассматриваемых элемента находятся в физическом контакте.

Краткое описание графических материалов

[0048] Настоящее изобретение может быть понято более глубоко при обращении к нижеследующим графическим материалам и описанию. Конструктивные элементы на фигурах необязательно показаны в масштабе, вместо этого особое внимание уделено иллюстрированию принципов изобретения. Помимо этого, на фигурах сходные ссылочные позиции обычно обозначают соответствующие части по всем различным видам.

[0049] Фиг.1 представляет собой схематический вид сверху подложки сенсора, содержащей рабочий электрод и противоэлектрод.

[0050] Фиг.2 представляет собой схематический вид сбоку подложки сенсора согласно Фиг.1.

[0051] Фиг.3 представляет собой схематический вид сверху подложки сенсора и электродов под диэлектрическим слоем.

[0052] Фиг.4-6 представляют собой виды сверху трехэлектродных сенсорных полосок.

[0053] Фиг.7 представляет собой схематический вид сбоку подложки сенсора согласно Фиг.5, изображающий третий электрод.

[0054] Фиг.8 представляет собой перспективное изображение полностью собранной сенсорной полоски.

[0055] Фиг.9А и 9В иллюстрируют рабочий электрод с поверхностью проводника и ДБС во время приложения коротких и длинных импульсов считывания.

[0056] Фиг.10А и 10В представляют собой графики, иллюстрирующие повышение точности измерения при использовании комбинации ДБС с коротким импульсом считывания в соответствии с настоящим изобретением.

[0057] Фиг.11А и 11В представляют собой графики, иллюстрирующие повышение точности измерения, возникающее в результате снижения длительности импульса считывания при использовании ДБС.

[0058] Фиг.12 представляет собой таблицу, сопоставляющую систематические погрешности результатов измерений, проведенных с различными типами сенсорных полосок с диффузионным барьерным слоем для 1- и 10-секундных импульсов считывания.

[0059] Фиг.13А-13С представляют собой графики, иллюстрирующие способность сенсорных полосок с ДБС в соответствии с настоящим изобретением точно измерять истинную концентрацию глюкозы в пробе при использовании короткого импульса считывания.

[0060] Фиг.14А-14F представляют собой графики, иллюстрирующие профили затухания тока для различных концентраций глюкозы при использовании скомбинированного со слоем реагентов ДБС различной толщины с последовательными односекундными импульсами считывания.

[0061] Фиг.14G иллюстрирует профили затухания тока для различных концентраций глюкозы при использовании скомбинированного со слоем реагентов ДБС толщиной от 1 до 2 мкм с первоначальным 1-секундным импульсом, за которым следовали последовательные 0,25-секундные импульсы считывания.

[0062] На Фиг.15 сопоставлена воспроизводимость сенсорных полосок с ДБС и объемом зазоров 1, 3, 5 и 10 мл при приложении импульсов считывания в 1, 5, 10 и 15 секунд.

Подробное описание изобретения

[0063] Миниатюрные электрохимические ячейки предоставляют пациентам выгодную возможность почти мгновенно измерять свой уровень глюкозы. Одним из главных факторов, вносящих ошибки в подобные измерения, является эффект гематокрита. Эффект гематокрита проявляется, когда эритроциты произвольным образом воздействуют на скорость диффузии измеряемых веществ к поверхности проводника рабочего электрода.

[0064] Ошибки измерений, вносимые эффектом гематокрита и отклонениями в процессе производства, могут быть снижены путем измерения уровня измеряемого вещества, находящегося в диффузионном барьерном слое (ДБС) при практическом исключении измеряемого вещества за пределами ДБС. По существу исключение измеряемого вещества за пределами ДБС может быть достигнуто за счет выбора толщины ДБС исходя из длительности импульса считывания либо за счет выбора длительности импульса считывания исходя из толщины ДБС.

[0065] Фиг.1 представляет собой вид сверху подложки 10 сенсора с проводниками 12 и 14, которая содержит рабочий электрод 20 и противоэлектрод 30. Фиг.2 представляет собой вид сбоку подложки 10 сенсора, иллюстрирующий рабочий электрод 20 и противоэлектрод 30. Рабочий электрод 20 может включать в себя первый главный проводник 22, в то время как противоэлектрод 30 может включать в себя второй главный проводник 32. Необязательно на главных проводниках 22 и 32 могут располагаться соответственно поверхностные проводники 24 и 34. На главном проводнике 22 рабочего электрода 20 также может располагаться диффузионный барьерный слой (ДБС) 28.

[0066] В одном из аспектов главные проводники 22 и 32 могут включать в себя металлическую фольгу, которая является прилегающей к поверхностным проводникам 24 и 34, включающим в себя один или более слоев углеродного порошка. Рабочий электрод 20 может включать в себя первый слой 26 реагентов, располагающийся на первом главном проводнике 22, в то время как противоэлектрод 30 может включать в себя второй слой 36 реагентов, располагающийся на втором главном проводнике 32. В другом аспекте противоэлектрод 30 может быть противоэлектродом сравнения либо противоэлектродом, покрытым растворимым редокс-реагентом с известным потенциалом окисления или восстановления. Подложка 10 сенсора может иметь другие конфигурации, в том числе конфигурации с меньшим числом компонентов или с дополнительными компонентами согласно известному в данной области техники. Для ознакомления с дополнительными конструкциями сенсоров смотри, к примеру, патенты США № 5120420 и 5798031, оба из которых включены сюда посредством ссылки.

[0067] Подложка 10 сенсора предпочтительно представляет собой электрический изолятор (диэлектрик), способный изолировать электрохимическую систему от ее окружения. Во время использования рабочий электрод 20 и противоэлектрод 30 находятся в электрической связи с измерительным устройством (не показано) посредством проводников 12 и 14 соответственно. Измерительное устройство может прикладывать электрический потенциал между рабочим электродом 20 и противоэлектродом 30. Затем измерительное устройство может количественно детектировать электрический ток, протекающий между рабочим электродом 20, пробой (не показана) и противоэлектродом 30. Проба может устанавливать электрическую связь между электродами 20, 30.

[0068] Главные проводники 22 и 32, а также необязательные поверхностные проводники 24 и 34 электродов 20 и 30 могут содержать любое электропроводящее вещество, в том числе металлы, проводящие полимеры и проводящий углерод. Примеры электропроводящих веществ включают тонкий слой металла, такого как золото, серебро, платина, палладий, медь или вольфрам, а также тонкий слой проводящего углеродного порошка. Предпочтительно проводники, находящиеся в контакте с пробой во время использования сенсора, выполнены из инертных материалов для того, чтобы проводник не претерпевал результирующей реакции окисления или восстановления во время проведения анализа. Более предпочтительно, электроды, находящиеся в контакте с пробой во время использования сенсора, выполнены из неионизирующихся материалов, таких как углерод, золота, платина и палладий.

[0069] Металлы могут быть нанесены на подложку 10 путем наложения металлической фольги, путем химического осаждения из паровой фазы либо путем нанесения суспензии металла. Проводящий углерод может быть нанесен на положку 10, к примеру, путем пиролиза углеродсодержащего материала или путем нанесения суспензии углеродного порошка. Суспензия может содержать более чем один тип электропроводящего вещества. К примеру, суспензия может содержать порошок и палладия, и углерода. В случае нанесения суспензии жидкотекучая смесь может быть нанесена в виде пасты на материал подложки, как это описано в патенте США № 5798031.

[0070] В случае когда поверхностные проводники 24 и 34 накладываются на главные проводники 22 и 32, является предпочтительным, чтобы вещество, из которого изготовлены поверхностные проводники, представляло собой неионизирующийся проводящий материал. В случае когда главные проводники 22 и 32 используются без отдельных поверхностных проводников 24 и 34, является предпочтительным, чтобы проводящий материал, из которого изготовлены главные проводники, был неионизирующимся. Более предпочтительно часть противоэлектрода 30 в контакте со вторым слоем 36 реагентов (либо главный проводник 32, либо поверхностный проводник 34) изготавливается из неионизирующегося материала.

[0071] ДБС может быть интегрирован в слой 26 реагентов, либо он может представлять собой отдельный слой 28 согласно проиллюстрированному на Фиг.2. Таким образом, ДБС может быть сформирован как скомбинированный со слоем реагентов диффузионный барьерный слой на поверхности проводника, как отдельный слой на поверхности проводника, как отдельный слой на поверхности проводника, на котором располагается слой реагентов, либо как отдельный слой на слое реагентов.

[0072] ДБС обеспечивает пористое пространство с определенным внутренним объемом, где может располагаться измеряемое вещество. Поры ДБС выбираются таким образом, что измеряемое вещество может диффундировать в ДБС, в то время как физически более крупные компоненты пробы, такие как ККТ (эритроциты), по существу исключаются. Хотя в традиционных сенсорных полосках использовались различные материалы для отфильтровывания ККТ от рабочего электрода, ДБС согласно настоящему изобретению дополнительно предоставляет внутреннее пористое пространство для содержания части измеряемого вещества и изоляции ее от объема пробы.

[0073] При управлении продолжительностью измерительной реакции на поверхности проводника сенсорная полоска может измерять измеряемое вещество внутри ДБС, одновременно по существу исключая из измерения измеряемое вещество за пределами ДБС. По отношению к поверхности проводника внутренний объем ДБС изменяет физический параметр скорости диффузии содержащегося внутри него измеряемого вещества по сравнению со скоростью диффузии измеряемого вещества вне ДБС.

[0074] Поскольку измеряемое вещество внутри ДБС диффундирует к поверхности проводника с иной скоростью, нежели измеряемое вещество за пределами ДБС, продолжительность измерительной реакции на рабочем электроде определяет, какая часть измеряемого вещества будет измерена предпочтительнее. Хотя эти части идентичны с молекулярной точки зрения, разные скорости диффузии измеряемого вещества внутри и вне ДБС позволяют по существу их дифференцировать.

[0075] Поскольку слой 26 реагентов рабочего электрода 20 может включать в себя связующее, любая порция связующего, не растворившаяся в пробе до приложения импульса считывания, может выполнять функцию ДБС. В случае если реагенты комбинируются со связующим материалом для обеспечения как удерживания реагентов, так и для создания ДБС, связующий материал предпочтительно представляет собой полимерный материал, который является по меньшей мере частично растворимым в воде. В этом случае часть связующего материала может раствориться, в то время как оставшаяся часть связующего материала может оставаться на главном проводнике 22 для функционирования в качестве ДБС.

[0076] Подходящие частично растворимые в воде полимерные материалы включают в себя, но не ограничиваются ими, полиэтиленоксид (ПЭО), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), поливиниловый спирт (ПВС), гидроксиэтилцеллюлозу (ГЭЦ), гидроксипропилцеллюлозу (ГПЦ), метилцеллюлозу, этилцеллюлозу, этилгидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилэтилцеллюлозу, поливинилпирролидон (ПВП), полиаминокислоты, такие как полилизин, полистиролсульфонат, желатин, акриловую кислоту, метакриловую кислоту, крахмал, малеиновый ангидрид, а также их соли, их производные и их комбинации. Среди вышеперечисленного в настоящее время предпочтительными являются ПЭО, ПВС, КМЦ и ГЭЦ, а из них особенно предпочтительными в настоящее время представляются КМЦ и ПЭО.

[0077] В ДБС также могут быть использованы материалы, традиционно используемые для формирования фильтров для исключения эритроцитов из пробы, контактирующей с рабочим электродом. Это может быть достигнуто за счет увеличения толщины материала либо путем снижения продолжительности измерительной реакции на рабочем электроде по отношению к тому случаю, когда этот материал использовался в качестве фильтра. Это может быть также реализовано путем формирования материала таким образом, чтобы модифицировать его вязкость, к примеру, путем введения солей, таких как хлорид натрия или калия.

[0078] В другом аспекте ДБС может представлять собой отдельный ДБС-слой 28. Отдельный слой 28 имеет среднюю первоначальную толщину по меньшей мере 5 мкм, предпочтительно - от 8 до 25 мкм, а более предпочтительно - от 8 до 15 мкм. В другом аспекте отдельный слой 28 может иметь среднюю первоначальную толщину по меньшей мере 1 мкм или, предпочтительно, от 5 до 25 мкм. В том случае когда ДБС представляет собой отдельный слой, он может быть изготовлен из частично растворимого полимерного материала, такого как материал, идентичный используемому в качестве связующего в слое 26 реагентов, но без этих реагентов. Отдельный слой 28 может быть изготовлен из любого материала, который обеспечивает необходимое пористое пространство, но который является частично либо медленно растворимым в воде во время использования сенсора.

[0079] Хотя это и не отражено на фигурах, в том случае если ДБС представляет собой отдельный слой 28, слой 26 реагентов может располагаться не на отдельном слое 28. Вместо этого слой 26 реагентов может располагаться на любой части сенсорной полоски, которая позволяет реагентам растворяться в пробе. К примеру, слой 26 реагентов может располагаться на подложке 10 сенсора или на крышке 50, как обсуждается ниже в отношении Фиг.8.

[0080] В одном из аспектов первый и второй слои реагентов могут включать в себя одни и те же составляющие и могут располагаться как на первом, так и на втором главных проводниках 22, 32. В случае если слои 26 и 36 реагентов соответственно для рабочего электрода 20 и противоэлектрода 30 имеют различные составы, слой реагентов для каждого электрода может быть оптимизирован отдельно. Так, первый слой 26 реагентов может содержать компоненты, облегчающие реакцию аналита и передачу результатов этой реакции к первому главному проводнику 22.

[0081] Подобным же образом, второй слой 36 реагентов может содержать компоненты, облегчающие свободное протекание тока электронов между анализируемой пробой и вторым главным проводником 32. К примеру, растворимые редокс-реагенты, включенные в состав второго слоя 36 реагентов, могут претерпевать окислительно-восстановительную реакцию, противоположную реакции с участием аналита. Даже несмотря на то что во время использования редокс-реагент расходуется (т.е. преобразуется в свою противоположную редокс-форму), он, тем не менее, может присутствовать во втором слое 36 реагентов в концентрации, достаточно высокой для обеспечения относительно постоянной линейной зависимости между измеряемым током и концентрацией аналита в используемом при анализе временном диапазоне. Таким образом, при раздельной оптимизации слоев 26 и 36 реагентов могут быть получены рабочие характеристики, улучшенные по сравнению с сенсорными полосками, использующими одинаковый слой реагентов на обоих электродах.

[0082] Высокая молярная доля помещенного на противоэлектрод 30 растворимого редокс-реагента может увеличить срок годности сенсорной полоски. Небольшой уровень спонтанного преобразования растворимого редокс-реагента в его противоположную редокс-форму может иметь место в период времени между производством полоски и ее непосредственным использованием вместе с пробой. Поскольку относительная концентрация будет оставаться высокой в результате избытка растворимого редокс-реагента, после хранения сенсор может давать точные результаты.

[0083] Первый слой 26 реагентов, располагающийся на первом главном проводнике 22, может включать в себя оксидоредуктазу. Оксидоредуктаза может быть специфичной к интересующему аналиту. Оксидоредуктаза также может быть специфичной к субстрату, так что реакция оксидоредуктазы и ее субстрата находится под влиянием наличия и количества интересующего аналита. Хотя в формальном смысле количество аналита оказывает влияние на субстрат, в данном описании и прилагаемой формуле изобретения термин «аналит» предназначен обозначать реальный аналит, присутствующий в пробе, либо его субстрат, если не указано обратное.

[0084] Примеры оксидоредуктаз и их специфических аналитов приведены в нижеследующей таблице I.

Таблица I Оксидоредуктаза (слой реагентов) Субстрат/аналит Глюкоза-дегидрогеназа β-глюкоза Глюкозооксидаза β-глюкоза Холестеринэстераза Холестерин Липопротеин-липаза; глицеринкиназа; глицерин-3-фосфат-оксидаза Триглицериды Лактатоксидаза; лактатдегидрогеназа; диафораза Лактат Пируватоксидаза Пируват Алкоголь-оксидаза Спирт Билирубиноксидаза Билирубин Уриказа Мочевая кислота Глутатионредуктаза NAD (P) H Оксидоредуктаза монооксида углерода Монооксид углерода

[0085] К примеру, алкоголь-оксидаза может быть использована в слое реагентов для создания сенсора, который является чувствительным к присутствию спирта в пробе. Подобная система может быть пригодна для применения при измерении концентраций спирта в крови. В другом примере глюкоза-дегидрогеназа либо глюкозооксидаза могут быть использованы в слое реагентов для создания сенсора, который является чувствительным к присутствию глюкозы в пробе. Подобная система может быть пригодна для применения при измерении концентраций глюкозы в крови, к примеру, у пациентов с диагностированным либо заподозренным диабетом. В том случае если концентрации двух разных веществ связаны друг с другом известным соотношением, то измерение одного из этих веществ посредством его взаимодействия с оксидоредуктазой может обеспечить возможность расчета концентрации другого вещества. К примеру, оксидоредуктаза может позволить создать сенсор, который является чувствительным к некоему конкретному субстрату, и измеренная концентрация этого субстрата далее может быть использована для расчета концентрации интересующего аналита.

[0086] Первый слой 26 реагентов может включать в себя медиатор. Не желая быть ограниченными рамками какой-либо теории интерпретации, полагают, что медиаторы могут выступать либо в роли редокс-кофакторов в первичной энзиматической реакции, либо в роли редокс-коллекторов для того, чтобы акцептировать электроны от фермента или иного вещества или отдавать электроны ферменту или иному веществу после того, как произошла реакция с аналитом. В случае редокс-кофактора считается, что медиатор является тем веществом, которое «уравновешивает» окислительно-восстановительную реакцию аналита. Так, если аналит восстанавливается, то медиатор окисляется. В случае редокс-коллектора вначале может быть окислено или восстановлено другое вещество для уравновешивания окислительно-восстановительной реакции аналита. Это вещество может представлять собой собственно оксидоредуктазу, либо оно может быть другим веществом, таким как редокс-кофактор.

[0087] Медиаторы в энзиматических электрохимических ячейках описаны, к примеру, в патенте США № 5653863, включенном сюда посредством ссылки. В некоторых случаях медиатор может выполнять функцию регенерации оксидоредуктазы. В одном из аспектов, если фермент окисляет аналит, сам фермент восстанавливается. Взаимодействие такого фермента с медиатором может приводить к восстановлению медиатора совместно с окислением фермента до его первоначального, непрореагировавшего состояния. Взаимодействие медиатора с рабочим электродом 20 при подходящем электрическом потенциале может приводить к высвобождению одного или более электронов в электроде совместно с окислением медиатора до его первоначального, непрореагировавшего состояния.

[0088] Примеры медиаторов включают ОТМ- и координационные комплексы, в том числе соединения-ферроцены, такие как 1,1'-диметиферроцен; а также комплексы, описанные в патенте США № 5653863, такие как гексацианоферрат(III) и гексацианоферрат(II). Примеры медиаторов также включают электроактивные органические молекулы, в том числе коферменты (коэнзимы), такие как кофермент пирролохинолинхинон (PQQ); замещенные бензохиноны и нафтохиноны, раскрытые в патенте США № 4746607, включенном сюда посредством ссылки; N-оксиды, нитрозосоединения, гидроксиламины и оксины, специально раскрытые в EP 0354441, включенном сюда посредством ссылки; флавины, феназины, фенотиазины, индофенолы, замещенные 1,4-бензохиноны и индамины, раскрытые в EP 0330517, включенном сюда посредством ссылки; а также феназиновые и феноксазиновые соли, раскрытые в патенте США № 3791988, включенном сюда посредством ссылки. Обзор электрохимических медиаторов биологических редокс-систем можно найти в Analytica Clinica Acta. 140 (1982), страницы 1-18. Примеры электроактивных органических молекул-медиаторов также включают описанные в патенте США № 5520786, включенном сюда посредством ссылки, в том числе 3-фенилимин-3Н-фенотиазин (PIPT) и 3-фенилимин-3Н-феноксазин (PIPO).

[0089] Второй слой 36 реагентов может включать в себя растворимый редокс-реагент. Растворимый редокс-реагент претерпевает окислительно-восстановительную реакцию, обратную реакции с участием аналита оксидоредуктазы, превращаясь тем самым в свою противоположную редокс-форму окислительно-восстановительной пары. К примеру, если аналит восстанавливается, то растворимый редокс-реагент окисляется; а если аналит окисляется, то редокс-реагент восстанавливается. В этом слое также может присутствовать противоположная редокс-форма окислительно-восстановительной пары, но она предпочтительно присутствует в концентрации, более низкой, чем концентрация первичной редокс-формы. Более предпочтительно редокс-реагент в слое реагентов на противоэлектроде представляет собой исключительно растворимый редокс-реагент, претерпевающий окислительно-восстановительную реакцию, обратную реакции с участием субстрата оксидоредуктазы.

[0090] Растворимый редокс-реагент может быть электроактивной органической молекулой, металлорганическим комплексом переходного металла, координационным комплексом переходного металла или их смесью. Подходящие электроактивные органические молекулы могут включать в себя кофермент пирролохинолинхинон (PQQ), замещенные бензохиноны и нафтохиноны, N-оксиды, нитрозосоединения, гидроксиламины, оксины, флавины, феназины, фенотиазины, индофенолы, индамины, феназиновые соли и феноксазиновые соли.

[0091] Подходящим растворимым редокс-реагентом могут также быть ОТМ-комплексы или координационные комплексы переходных металлов. Многие переходные металлы встречаются в природе в виде соединений с водородом, кислородом, серой либо другими переходными металлами, и обычно эти переходные металлы находятся в одной или более степенях окисления. К примеру, железо, хром и кобальт обычно находятся в степенях окисления +2 (т.е. II) или +3 (т.е. III). Так, железо(II) и железо(III) представляют собой две редокс-формы окислительно-восстановительной пары. Многие элементарные металлы или ионы металлов лишь ограниченно растворимы в водных средах. Отсутствие растворимости ограничивает их применимость в качестве редокс-реагентов при «уравновешивании» окислительно-восстановительных реакций в электрохимических аналитических системах. Растворимость в ином случае плохо растворимых металлов или ионов металлов может быть повышена за счет связывания либо координирования лигандами.

[0092] В типичном случае металл в металлоорганическом или координационном комплексе переходного металла представляет собой ту часть в этом комплексе, которая собственно восстанавливается либо окисляется во время использования сенсорной полоски. К примеру, центральный атом железа в ферроцене [Fe(II)(С₅H₆)₂] и в ионе гексацианоферрата(II) [Fe(II)(CN)₆]^4- находится в формальной степени окисления +2, в то время как ион гексацианоферрата(III) [Fe(III)(CN)₆]^3- содержит железо в его формальной степени окисления +3. Вместе гексацианоферрат(II) и гексацианоферрат(III) образуют окислительно-восстановительную пару. В зависимости от типа оксидоредуктазы, присутствующей в слое реагентов рабочего электрода, какой-либо комплекс металла может функционировать в качестве растворимого редокс-реагента в слое реагентов на противоэлектроде. Примером окислительно-восстановительной пары, содержащей координационные комплексы переходных металлов, является комбинация двух ионов гексаамминрутения [Ru(III)(NH₃)₆]³⁺ и [Ru(II)(NH₃)₆]²⁺.

[0093] Растворимый редокс-реагент способен образовывать окислительно-восстановительную пару во время использования электрохимической сенсорной полоски. Та форма подобной окислительно-восстановительной пары, которая присутствует в слое 36 реагентов на противоэлектроде 30, именуемая как «первая форма», предпочтительно присутствует в большем количестве, чем противоположная ему форма (т.е. вторая форма) той же самой окислительно-восстановительной пары. Предпочтительно молярное отношение первой формы ко второй форме составляет по меньшей мере 1,2:1. Более предпочтительно молярное отношение первой формы ко второй форме составляет по меньшей мере 2:1. Еще более предпочтительно молярное отношение первой формы ко второй форме составляет по меньшей мере 10:1 или по меньшей мере 100:1. В особенно предпочтительном в настоящее время аспекте до использования сенсорной полоски при анализе вторая форма окислительно-восстановительной пары присутствует в количестве самое большее 1 часть на тысячу (ppt), либо самое большее 1 часть на миллион (ppm).

[0094] Предпочтительно растворимый редокс-реагент растворяется в пробе и смешивается с аналитом и другими компонентами пробы. Растворимый редокс-реагент будет со временем смешиваться с ферментом и медиатором, хотя это может и не происходить в какой-либо измеримой степени в ходе анализа. Растворимый редокс-реагент не отделяется от жидкой пробы ни механическим барьером, ни за счет его присутствия в отдельной фазе, отличающейся от жидкой пробы.

[0095] В предпочтительном варианте воплощения растворимый редокс-реагент выбирают имеющим стандартный потенциал восстановления +0,24 В или более по отношению к стандартному водородному электроду (СВЭ). В другом предпочтительном варианте воплощения растворимый редокс-реагент выбирают имеющим стандартный потенциал восстановления +0,35 В или более относительно СВЭ. В еще одном предпочтительном варианте воплощения выбирают растворимый редокс-реагент, имеющий стандартный потенциал восстановления примерно +0,48 В относительно СВЭ (0,01 M HCl).

[0096] Таким образом, для приготовления электрохимического аналитического сенсора могут быть использованы самые различные комбинации оксидоредуктаз, медиаторов и растворимых редокс-реагентов. Использование растворимых редокс-реагентов со степенью окисления, большей или меньшей по отношению к их противоположным формам в окислительно-восстановительной паре, диктуется типом реакции, происходящей на рабочем электроде.

[0097] В одном из примеров аналит претерпевает окисление при взаимодействии с оксидазой либо дегидрогеназой. В этом случае редокс-реагент с большей концентрацией на противоэлектроде имеет более высокую степень окисления. Конкретным примером подобной ситуации является анализ глюкозы с использованием глюкозооксидазы либо глюкоза-дегидрогеназы. В другом примере аналит претерпевает восстановление при взаимодействии с редуктазой. В этом случае редокс-реагент с большей концентрацией на противоэлектроде имеет меньшую степень окисления. В любом из этих примеров медиатор может быть тем же веществом, что и редокс-реагент с большей концентрацией на противоэлектроде, либо редокс-реагентом другой окислительно-восстановительной пары.

[0098] Фиг.3 представляет собой схематичный вид сверху подложки 10 сенсора, включающей в себя проводники 12 и 14 под диэлектрическим слоем 40, а также электроды 20 и 30. Диэлектрический слой 40 может частично покрывать электроды 20 и 30 и может быть выполнен из любого подходящего диэлектрика, такого как изоляционный полимер. Диэлектрический слой 40 может изолировать те участки электродов, которые находятся в контакте с первым и вторым слоями 26 и 36 реагентов, от тех участков электродов, которые находятся в контакте с проводниками 12 и 14. Диэлектрический слой 40, если он присутствует, может быть нанесен на подложку 10 сенсора до, во время или после нанесения слоев 26 и 36 реагентов соответственно на электроды 20 и 30.

[0099] Слои 26 и 36 реагентов могут быть нанесены соответственно на электроды 20 и 30 при помощи любых традиционных средств, таких как печать, нанесение из жидкой фазы или струйное нанесение. В одном из аспектов слой реагентов наносят на электроды 20 и 30 методом печати. При прочих равных угол используемого при печати ножа может быть обратно пропорционален толщине слоя реагентов, остающегося на электродах 20 и 30. К примеру, при движении ножа под углом приблизительно 82° к подложке 10 сенсора, полученный(е) в результате слой или слои реагентов могут иметь толщину приблизительно 10 мкм. Аналогично при использовании угла ножа к подложке 10 сенсора приблизительно 62° может быть получен более толстый слой в 30 мкм. В данном аспекте меньшие углы ножа могут дать более толстые слои реагентов. Помимо угла ножа, на получаемую в результате толщину слоев 26 и 36 реагентов также оказывают влияние другие факторы, включая толщину материала, составляющего слой реагентов.

[00100] Фиг.4-6 представляют собой виды сверху трехэлектродных сенсорных полосок, каждая из которых имеет подложку 10 сенсора, рабочий электрод 20, противоэлектрод 30, проводники 12 и 14, проводник 13 и третий электрод 70. Третий электрод 70 может быть в электрической связи с измерительным устройством (не показано) посредством проводника 13.

[00101] Измерительное устройство может измерять электрический потенциал, протекающий между рабочим электродом 20, третьим электродом 70 и пробой (не показана), которая устанавливает электрическую связь между электродами. В другом аспекте измерительное устройство может прилагать и измерять электрический потенциал, подаваемый на рабочий электрод 20, третий электрод 70 и пробу. Подложка 10 сенсора может иметь другие конфигурации, в том числе таковые с меньшим числом компонентов либо с дополнительными компонентами согласно известному в данной области.

[00102] Фиг.7 представляет собой вид сбоку подложки 10 сенсора согласно Фиг.5, иллюстрирующий необязательный третий электрод 70. В одном из аспектов необязательный третий электрод 70 может быть истинным электродом сравнения. В другом аспекте третий электрод 70 может быть покрыт третьим слоем 76 реагентов, содержащим растворимый редокс-реагент. Поверхностный проводник 74 необязательного третьего электрода может располагаться на третьем главном проводнике 72. В одном из аспектов третий главный проводник 72 включает в себя металлическую фольгу, в то время как поверхностный проводник 74 включает в себя один или более слоев проводящего углеродного порошка. Третий слой 76 реагентов и второй слой 36 реагентов могут включать в себя одни и те же компоненты либо иметь различные компоненты, в зависимости от предполагаемого назначения. В одном из аспектов третий слой 76 реагентов представляет собой участок второго слоя 36 реагентов, который нанесен на главные проводники 32 и 72.

[00103] В том случае когда поверхностный проводник 74 располагается на главном проводнике 72, является предпочтительным, чтобы то вещество, из которого изготовлен поверхностный проводник, представляло собой неионизирующийся проводящий материал. В случае когда главный проводник 72 используется без отдельного поверхностного слоя-проводника 74, является предпочтительным, чтобы тот проводящий материал, из которого изготовлен главный проводник, был неионизирующимся. Более предпочтительно часть третьего электрода 70 в контакте с третьим слоем 76 реагентов (либо главный проводник 72, либо поверхностный проводник 74) изготавливается из неионизирующегося материала. Третий слой 76 реагентов может включать в себя те же компоненты, что и первый (не показан) и второй слои 26 и 36 реагентов. В другом аспекте третий слой 76 реагентов может содержать те же компоненты, что и второй слой 36 реагентов. В еще одном аспекте третий слой 76 реагентов может включать в себя компоненты, специально подобранные для улучшения свободного протекания электронов между анализируемой пробой и третьим главным проводником 72.

[00104] Слой 76 реагентов может содержать растворимый редокс-реагент согласно описанному выше в отношении Фиг.2. Предпочтительно слой 76 реагентов третьего электрода 70 идентичен по составу слою 36 реагентов противоэлектрода 30. Если слои реагентов третьего электрода и противоэлектрода идентичны, то может быть желательным покрывать оба электрода единой порцией состава для слоя реагентов.

[00105] Использование третьего электрода 70 может быть желательным при определенных применениях. Повышенная точность приложенного напряжения (разницы потенциалов) может приводить к повышению точности определения аналита. При использовании третьего электрода 70 также возможно уменьшить размер противоэлектрода 30 либо наносить на противоэлектрод меньшее количество редокс-реагента. Если третий электрод 70 располагается выше по потоку относительно противоэлектрода 30 согласно проиллюстрированному на Фиг.6, то можно выявлять тот случай, когда на полоску было нанесено недостаточно пробы, т.е. ситуацию, называемую «недостаточной наполненностью». Выявление недостаточной наполненности имеет место в том случае, когда объем нанесенной пробы достаточен для замыкания цепи между рабочим электродом 20 и третьим электродом 70, однако недостаточен для покрытия противоэлектрода 30. Отсутствие электрического тока в ячейке может быть преобразовано электронным образом в сигнал пользователю, сообщающий ему о необходимости нанесения дополнительной пробы на полоску.

[00106] Фиг.8 представляет собой перспективное изображение собранной сенсорной полоски 800, включающей в себя подложку 10 сенсора, по меньшей мере частично покрытую крышкой 50, включающей в себя вентиляционное отверстие 54, вогнутый участок 52 и входное торцевое отверстие 60. Предпочтительно крышка 50 закрывает слои 26 и 36 реагентов, но не контактирует с ними (не показано), формируя таким образом зазор 56 между крышкой 50 и электродами.

[00107] Биологическая проба может быть перенесена на электроды путем введения жидкой пробы в отверстие 60 сенсорной полоски 800. Жидкость заполняет зазор 56, вытесняя содержавшийся до этого в зазоре 56 воздух через вентиляционное отверстие 54. Таким образом, проба обеспечивает электрическую связь между электродами. Зазор 56 может содержать вещество (не показано), которое помогает удерживать жидкую пробу в зазоре за счет иммобилизации этой пробы и ее содержимого в области над электродами. Примеры подобных веществ включают водонабухающие полимеры, такие как карбоксиметилцеллюлоза и полиэтиленгликоль; и пористые полимерные матрицы, такие как декстран и полиакриламид.

[00108] В том случае если проба, вводимая через отверстие 60, содержит аналит для оксидоредуктазы, окислительно-восстановительная реакция между аналитом и этим ферментом может начаться сразу после того, как слои реагентов и проба пришли в контакт. Электроны, продуцируемые или потребляемые в ходе результирующей окислительно-восстановительной реакции, могут быть количественно оценены путем приложения электрического потенциала (напряжения) между рабочим электродом и противоэлектродом и измерения тока. Измеренный уровень тока может быть скореллирован с концентрацией аналита в пробе при условии, что система была предварительно откалибрована на подобных пробах, содержащих известные количества аналита.

[00109] Альтернативно третий электрод 70 (Фиг.4-7) может быть использован для контроля приложенного напряжения. Любой дрейф заданного значения электрического потенциала может обеспечить обратную связь с электронными схемами посредством третьего электрода, так что напряжение может быть адекватно скорректировано. Измерительное устройство предпочтительно содержит необходимые электронные схемы и микропроцессоры для получения полезной информации, такой как концентрация аналита в пробе, концентрация аналита в теле пациента либо релевантная концентрация другого вещества, которое имеет отношение к измеряемому аналиту.

[00110] Как только проба введена через отверстие 60, проба начинает растворять слои 26, 36 и необязательно 76 реагентов и реагировать с ними. Перед приложением электрического потенциала полезным может быть обеспечение «инкубационного периода», во время которого реагенты преобразуют часть аналита в измеряемое вещество. Напряжение к сенсорной полоске 800 предпочтительно прикладывают одновременно с введением или сразу после введения пробы через отверстие 60, хотя могут быть использованы и более длительные инкубационные периоды. Более подробное рассмотрение инкубационных периодов может быть найдено в патентах США № 5620579 и 5653863.

[00111] Изначально приложенное напряжение может поддерживаться на протяжении некоторого заданного периода времени, такого как примерно 10 секунд для традиционной сенсорной полоски, после чего подача напряжения может быть прервана. После этого напряжение может не подаваться на протяжении некоторого заданного периода времени задержки, такого как примерно 10 секунд для традиционной сенсорной полоски. После этого времени задержки на рабочий электрод и противоэлектрод сенсорной полоски может быть подан постоянный потенциал или «импульс считывания» для измерения концентрации аналита. В случае традиционных амперометрических сенсоров прикладывают такой импульс считывания и одновременно контролируют ток на протяжении определенного времени считывания, составляющего от 5 до 10 секунд. С учетом объема пробы, содержащейся в зазоре 56, импульс считывания от 5 до 10 секунд является относительно длительным.

[00112] В отличие от традиционных 5-10-секундных импульсов считывания, в том случае когда рабочий электрод 20 (Фиг.2) выполнен с ДБС согласно настоящему изобретению, предпочтительными являются более короткие времена считывания. Фиг.9А и 9В иллюстрируют рабочий электрод 900 с поверхностью 930 проводника и ДБС 905 во время приложения длинных и коротких импульсов считывания. На рабочий электрод 900 наносят пробу (не показано), и она включает в себя эритроциты 920, находящиеся на ДБС 905, внешнее измеряемое вещество 910, находящееся в пробе, и внутреннее измеряемое вещество 915, находящееся внутри ДБС 905.

[00113] Как показано на Фиг.9А, в случае когда к рабочему электроду 900 прикладывают длинный 10-секундный импульс считывания, на поверхности 930 проводника измеряются как внешнее, так и внутреннее измеряемое вещество 910 и 915 за счет изменения степени окисления. Во время такого процесса измерения внешнее измеряемое вещество 910 диффундирует через ту область пробы, где находятся эритроциты 920, и через ДБС 905 для того, чтобы быть измеренным на поверхности 930. Как обсуждалось ранее, такая диффузия внешнего измеряемого вещества 910 через эритроциты 920 во время измерения привносит эффект гематокрита.

[00114] Более того, приложение длительного импульса считывания к полоске с ДБС согласно проиллюстрированному на Фиг.9А демонстрирует результаты, сходные с приложением короткого импульса считывания к полоске без ДБС. Данная схожесть возникает в силу того, что во время импульса считывания измеряемое вещество диффундирует через слой эритроцитов до того, как оно измеряется на поверхности проводника. В любом случае существенная часть измеряемого во время импульса считывания вещества берет начало в тестируемой пробе.

[00115] В отличие от Фиг.9А Фиг.9В иллюстрирует ситуацию, когда к сенсорной полоске 900 с ДБС 905 в соответствии с настоящим изобретением прикладывают короткий импульс считывания. В данном случае внутреннее измеряемое вещество 915, присутствующее в ДБС 905, претерпевает изменение степени окисления на поверхности 930. Практически все внешнее по отношению к ДБС 905 измеряемое вещество 910 во время импульса считывания либо остается за пределами ДБС, либо по существу не диффундирует через ДБС 905 с достижением поверхности 930 проводника. Таким образом, настоящее изобретение по существу исключает внешнее измеряемое вещество 910 из измерения, а вместо этого измеряя измеряемое вещество 915, которое является внутренним по отношению к ДБС 905.

[00116] Фиг.10А и 10В представляют собой графики, иллюстрирующие повышение точности измерений при использовании комбинации ДБС и короткого импульса считывания согласно настоящему изобретению. Пробы цельной крови смешивали с гексацианоферратом(II) в отношении разбавления 5:1 для определения лежащей в основе концентрации глюкозы и измеряли с помощью 1-секундного импульса считывания. Таким образом, пробы цельной крови с начальным гематокритом 20%, 40% и 60% были разбавлены до гематокрита 16%, 32% и 48% соответственно (20%-ое снижение уровня гематокрита во всех трех пробах). Линии «20%», «40%» и «60%» соответствуют току, измеренному для проб крови с конечным гематокритом 16%, 32% и 48% соответственно.

[00117] Фиг.10А демонстрирует погрешности, вносимые эффектом гематокрита и другими эффектами, при сенсорной полоске с оголенным проводником без ДБС. Погрешность выражается в различии между линиями с гематокритом 20% и 60% (полная систематическая ошибка от эффекта гематокрита) и отражает максимальную погрешность измерений, связанную с эффектом гематокрита. Меньшие значения систематической ошибки отражают более точный результат. Аналогичные характеристики наблюдались при использовании ДБС в комбинации с длительным импульсом считывания в соответствии с обсуждавшимся выше в отношении Фиг.9А.

[00118] Напротив, Фиг.10В иллюстрирует заметное снижение расстояния между калибровочными линиями с гематокритом 20% и 60% в случае использования ДБС в комбинации с 1-секундным импульсом считывания в соответствии с настоящим изобретением. Отдельный ДБС из полимера ПЭО и 10% KCl (без реагентов) был отпечатан на поверхности проводника, использованной для Фиг.10А выше. Неожиданно полная систематическая ошибка от эффекта гематокрита с ДБС/коротким импульсом считывания оказалась примерно на две трети меньше, чем полная систематическая ошибка без ДБС. Таким образом, настоящее изобретение значительно повышает точность измерений по сравнению с традиционными электродами с оголенным проводником.

[00119] Без желания быть ограниченными рамками какой-либо конкретной теории, авторы считают, что за счет ограничения продолжительности времени считывания по отношению к толщине ДБС настоящее изобретение может использовать явление, заключающееся в том, что скорость диффузии измеряемого вещества в поры ДБС варьируется, в то время как скорость диффузии измеряемого вещества из внутреннего объема ДБС к поверхности проводника остается постоянной. Считается, что варьирующаяся степень диффузии в ДБС, вызванная матрицей цельной крови, является причиной эффекта гематокрита. Следовательно, уровень ошибок измерения (систематической ошибки), вносимых компонентами пробы, в том числе эритроцитами, может быть снижен путем по существу ограничения измерения измеряемым веществом, находящимся во внутреннем объеме ДБС, которое считают обладающим относительно постоянной скоростью диффузии.

[00120] Фиг.11А и 11B представляют собой графики, демонстрирующие повышение точности в результате сокращения длительности импульса считывания при использовании ДБС. Фиг.11А демонстрирует, что без ДБС систематические ошибки при импульсах считывания 0,9, 5, 10 и 15 секунд практически идентичны. Вне зависимости от продолжительности импульса считывания значения полной систематической ошибки составили ~40% и выше (в среднем 50%), поскольку способность медиатора достигать поверхности проводника зависит от компонентов пробы, в том числе эритроцитов. Вместе с тем, как проиллюстрировано на Фиг.11B, при использовании ДБС систематическая ошибка для 0,9-секундного импульса считывания в целом составляет менее половины систематической ошибки, наблюдаемой в случае 5-секундного импульса считывания, и может быть в 2,5 раза меньшей, чем систематическая ошибка, наблюдавшаяся для традиционного 10-секундного импульса считывания, в зависимости от концентрации гексацианоферрата(II).

[00121] При комбинировании с ДБС предпочтительными являются импульсы считывания менее 5 секунд, а более предпочтительными - импульсы считывания менее 3 секунд. В другом аспекте предпочтительными являются импульсы считывания от 0,1 до 2,8 или от 0,5 до 2,4 секунды. В другом аспекте предпочтительными являются импульсы считывания от 0,05 до 2,8 или от 0,1 до 2,0 секунды. В настоящее время более предпочтительными являются импульсы считывания от 0,8 до 2,2 или от 0,8 до 1,2 секунды, в то время как особенно предпочтительными являются импульсы считывания от 0,1 до 1,5 или от 0,125 до 0,8 секунды. Толщина ДБС, присутствующего во время приложения импульса считывания, может быть выбрана таким образом, что в течение импульса по существу предотвращается диффузия измеряемого вещества за пределами ДБС к поверхности проводника.

[00122] Фиг.12 представляет собой таблицу, сопоставляющую результаты по систематической ошибке для 1- и 10-секундных импульсов считывания при многочисленных анализах, проведенных с различными типами сенсорных полосок с ДБС. В таблице приведены значения полной систематической ошибки для проб цельной крови, содержащих 50, 100, 200 и 400 мг/дл глюкозы. Абсолютные значения систематической ошибки приведены для проб с 50 мг/дл, в то время как систематическая ошибка, выраженная в %, приведена для проб с 100, 200 и 400 мг/дл. Значения систематической ошибки для различных концентраций глюкозы усредняли по 10-секундным и 1-секундным импульсам считывания. Более короткий 1-секундный импульс считывания обеспечивал значительное снижение от примерно 21% до примерно 90% значений систематической ошибки по сравнению с традиционным 10-секундным импульсом считывания. Общее среднее снижение систематической ошибки в 36 проведенных экспериментах составило примерно 50%. Таким образом, комбинация ДБС с коротким импульсом считывания в соответствии с настоящим изобретением значительно повышает точность измерений.

[00123] Фиг.13А-13С представляют собой графики, иллюстрирующие способность сенсорной полоски с ДБС точно измерять истинную концентрацию глюкозы в пробе при использовании короткого импульса считывания. Данные, лежащие в основе этих фигур, были получены путем измерения тока в цельной крови и растворах плазмы, содержащих гексацианоферрат(II) в качестве измеряемого вещества. Поскольку пробы плазмы лишены эритроцитов, измерения плазмы лишены погрешностей, вносимых эффектом гематокрита. Наоборот, результаты измерений, проведенных на пробах цельной крови, включали в себя погрешности, вносимые эффектом гематокрита.

[00124] Фиг.13А представляет корреляцию результатов измерений цельной крови и плазмы, полученных при 1-секундном импульсе считывания для сенсорной полоски с оголенным проводником. Наклон полученной корреляционной прямой составляет всего 0,43, что указывает на то, что было измерено в среднем лишь 43% от присутствующего в пробах цельной крови измеряемого вещества. Напротив, Фиг.13В представляет корреляцию результатов измерений цельной крови и плазмы, полученных при 1-секундном импульсе считывания для сенсорной полоски с ДБС. Наклон полученной корреляционной прямой является существенно большим - 0,86, что указывает на то, что было измерено в среднем 86% присутствующего в пробах цельной крови измеряемого вещества. Таким образом, короткий импульс считывания в комбинации с ДБС в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить 100%-ное улучшение отношения измеренной концентрации аналита к истинной в пробах цельной крови по сравнению с оголенным проводником.

[00125] Фиг.13С иллюстрирует, что импульсы считывания сниженной длительности улучшают измерительные характеристики снабженных ДБС сенсорных полосок согласно настоящему изобретению. График демонстрирует корреляционные прямые для результатов измерений 1-, 5- и 10-секундными импульсами считывания, полученных в пробах цельной крови и плазмы, описанных выше в отношении Фиг.13А и 13В. Корреляционные прямые, соответствующие 1-, 5- и 10-секундным импульсам считывания, имеют наклон соответственно 0,86, 0,78 и 0,71. Таким образом, снижение длительности импульса считывания снижало погрешности измерения.

[00126] При использовании скомбинированного со слоем реагентов ДБС, продолжительность первоначального импульса и задержка влияют на толщину ДБС во время подаваемого позже импульса считывания. В соответствии с вышеизложенным скомбинированные со слоями реагентов ДБС-слои основаны на водорастворимом связующем материале, который частично растворяется в пробе до подачи импульса считывания. Содержащий реагенты связующий материал, остающийся во время импульса считывания, служит в качестве ДБС.

[00127] Поскольку растворение связующего материала начинается, как только вводят пробу через отверстие 60 (Фиг.8), время, которое проходит в течение первоначального импульса и периоды задержки, влияет на то, сколько скомбинированного слоя останется на поверхности проводника во время импульса считывания. Таким образом, более короткие первоначальные импульсы и времена задержки могут быть предпочтительными для гарантирования того, что на проводнике остается достаточно связующего материала, чтобы служить в качестве эффективного ДБС.

[00128] Однако в зависимости от длительности импульса считывания существует предпочтительный верхний предел толщины ДБС, поскольку слишком большая толщина ДБС может приводить к неспособности сенсорной системы достигать «стационарного состояния» до приложения импульса считывания. До того как сенсорная система достигла стационарного состояния, концентрация измеряемого вещества в ДБС неточно отражает концентрацию измеряемого вещества в пробе. В одном из аспектов это несоответствие между концентрациями измеряемого вещества в ДБС и пробе может быть объяснено изменяющимся состоянием регидратации ДБС.

[00129] Таким образом, если импульсы считывания прилагают и регистрируют до того, как достигнуто стационарное состояние, измеренная концентрация измеряемого вещества может не коррелировать с концентрацией в пробе. Подобное отсутствие корреляции между концентрацией измеряемого вещества в ДБС и пробе может вносить погрешности в результаты измерений, тем самым нивелируя улучшение точности, в противном случае достигаемое за счет исключения из измерительного процесса измеряемого вещества за пределами ДБС.

[00130] Фиг.14А-14F представляют результаты, полученные для различных концентраций глюкозы с использованием различных первоначальных толщин скомбинированного со слоем реагентов ДБС и последовательных 1-секундных импульсов считывания. Данные были получены с использованием нескольких импульсов считывания в 200 мВ, каждый с длительностью 1 секунда, разделенных 0,5-секундными паузами. В таблице II ниже приведены приблизительная средняя толщина скомбинированного со слоем реагентов ДБС и приблизительное время до достижения стационарного состояния для каждой фигуры. Приблизительное начало стационарного состояния может быть обнаружено тогда, когда последнее по времени показание силы тока, полученное для индивидуального импульса считывания, представляет собой наивысшее значение тока из последних по времени данных измерений, собранных для любого индивидуального импульса считывания.

[00131] Так, в случае Фиг.14F последнее по времени (крайнее справа) показание силы тока в ~1750 нА для импульса считывания, начатого в ~1,5 секунды, указывает на то, что для концентрации глюкозы 674,8 мг/дл стационарное состояние было достигнуто в примерно 2,5 секунды.

Таблица II Фигура Приблизительная средняя толщина ДБС, скомбинированного со слоем реагентов, в мкм Приблизительное время до достижения стационарного состояния в секундах 14А 30 >10 14B 23 5,5 14C 16 4 14D 14 2,5 14E 12 2,5 14F 11 2,5 14G от 1 до 2 1

[00132] Данные, приведенные в таблице II, демонстрируют, что для 1-секундного импульса считывания, которому предшествовала 0,5-секундная задержка, средняя первоначальная толщина ДБС, скомбинированного со слоем реагентов, предпочтительно составляет менее 30 или 23 микрометров (мкм), более предпочтительно - менее 16 мкм. Предпочтительные средние первоначальные толщины ДБС, скомбинированного со слоем реагентов, для использования с 0,5-5-секундной задержкой и 0,5-1,2-секундным импульсом считывания составляют от 5 от 15 мкм или от 11 до 14 мкм. Более предпочтительные средние первоначальные толщины скомбинированного со слоем реагентов ДБС для использования с 0,5-5-секундной задержкой и 0,05-2,8-секундным импульсом считывания составляют от 1 до 15 мкм либо от 2 до 5 мкм. Таким образом, для 0,8-1,2-секундного импульса считывания эти толщины по существу исключают измеряемое вещество за пределами ДБС с поверхности проводника в течение импульса считывания, позволяя сенсорной системе достигнуть стационарного состояния.

[00133] Хотя предпочтительная первоначальная толщина слоя реагентов, наносимого на проводник, зависит от продолжительности первоначального импульса, времени задержки и длительности импульса считывания, для импульсов считывания с длительностями менее пяти секунд предпочтительными являются толщины слоя реагентов от 5 до 30 мкм либо от 11 до 20 мкм. Кроме того, для импульсов считывания длительностью 1,5 секунды или менее предпочтительными являются толщины слоя реагентов от 1 до 10 мкм либо от 2 до 5 мкм. Желаемая средняя первоначальная толщина скомбинированного со слоем реагентов ДБС может быть подобрана для конкретной длительности импульса считывания, такого как 1-секундный импульс считывания в таблице II, на основании времени достижения стационарного состояния.

[00134] В одном из аспектов предпочтительными являются длительности первоначального импульса и времена задержки менее 6 секунд. Более предпочтительными являются длительности первоначального импульса от 1 до 4 секунд и времена задержки от 0,5 до 5 секунд. В предпочтительном аспекте длительности первоначального импульса и времена задержки выбираются таким образом, чтобы к моменту приложения импульса считывания на поверхности проводника оставалось по меньшей мере 50% от первоначальной средней толщины ДБС, скомбинированного со слоем реагентов. В другом аспекте к моменту приложения импульса считывания на поверхности проводника остается от 60 до 85% либо от 70 до 80% от первоначальной средней толщины ДБС, скомбинированного со слоем реагентов.

[00135] Предпочтительная толщина ДБС для конкретной длительности импульса считывания может также зависеть от природы ДБС. Чем медленнее измеряемое вещество перемещается через ДБС во время измерения, тем тоньше требуемый ДБС. Однако если диффузия измеряемого вещества через ДБС является слишком медленной, может оказаться сложным добиться желаемого стационарного состояния. Скорость, с которой измеряемое вещество диффундирует через ДБС, также может быть изменена добавками, которые влияют на ионную силу тестируемой пробы и/или внутренностей пор ДБС. В одном из аспектов этой добавкой может быть соль, такая как хлорид натрия или калия, присутствующая в растворе/пасте для нанесения в концентрации от 1 до 2 М. Также могут быть использованы другие соли и композиции, которые влияют на ионную силу тестируемой пробы, как известно рядовым специалистам в области химии.

[00136] Другим преимуществом измерения измеряемого вещества в ДБС менее чем 3-секундным импульсом считывания является снижение невоспроизводимости измерений из-за варьирующихся объемов проб, содержащихся в зазоре 56-сенсорной полоски 800 (Фиг.8). В том случае если импульс считывания продолжается после того момента времени, как было измерено по существу все присутствующее в зазоре 56 измеряемое вещество, дальнейшее измерение больше не отражает концентрацию измеряемого вещества в пробе, а измеряется количество измеряемого вещества в зазоре 56; совершенно другое измерение. Как только импульс считывания становится длительным по отношению к объему зазора 56, измеренная сила тока будет зависеть от объема зазора 56, а не от лежащей в основе концентрации аналита. Таким образом, более длительные импульсы считывания могут приводить к измерениям, которые являются очень неточными по концентрации аналита, в том случае если длительность импульса «перелетает» («overshoot») за измеряемое вещество, присутствующее в зазоре.

[00137] Таким образом, любые вариации объема зазора 56, имеющегося в электрохимической сенсорной полоске, могут приводить к неточностям измерения, поскольку электроника измерительного устройства прикладывает один и тот же потенциал и выполняет одни и те же расчеты для каждого теста. Таким образом, для одной и той же пробы, традиционная сенсорная полоска с бóльшим объемом зазора будет демонстрировать более высокую концентрацию аналита, чем сенсорная полоска с меньшим объемом зазора, если длительность импульса считывания «перелетает» за объем зазора. Путем по существу ограничения измерения измеряемым веществом, присутствующим в ДБС, настоящее изобретение может снизить неточность, привносимую сенсорными полосками с различными объемами зазоров. Таким образом, то влияние, которое вариации в технологическом процессе изготовления сенсорных полосок в противном случае оказывали бы на результаты измерений, может быть снижено.

[00138] На Фиг.15 сравнивается воспроизводимость среди сенсорных полосок с ДБС и объемами зазоров 1, 3, 5 и 10 мл при использовании импульсов считывания длительностью 1, 5, 10 и 15 секунд. В таблице А представлены данные, полученные в том случае, когда за 2-секундным предварительным импульсом и 4-секундной задержкой следовали импульсы считывания длительностью 1, 5, 10 и 15 секунд. В таблице B представлены данные, полученные в том случае, когда за 4-секундным предварительным импульсом и 2-секундной задержкой следовали импульсы считывания длительностью 1, 5, 10 и 15 секунд. Расхождения между угловыми коэффициентами и отрезками, отсекаемыми на координатной оси калибровочными линиями, для каждой комбинации «объем зазора-длительность импульса считывания» выражены как %-CV. Значения %-CV в таблицах A и В указывают на то, что по мере увеличения длительности импульса считывания увеличивается и невоспроизводимость измерений из-за вариаций объема зазора. Для обеих последовательностей импульсов отклонение между объемами зазоров оказалось наименьшим для ~1-секундного импульса считывания и наибольшим для 15-секундного импульса считывания. Полученные результаты демонстрируют еще одно преимущество использования ДБС с короткой продолжительностью импульса согласно настоящему изобретению.

[00139] Помимо эффекта гематокрита и вариаций в объеме зазоров, при измерении измеряемого вещества, находящегося в зазоре 56 (Фиг.8), результаты измерений аналита могут быть искажены положительными ошибками, если жидкая проба движется в ходе измерения. Подобное движение пробы может привносить новый аналит в область около рабочего электрода, где уже установился режим стационарной диффузии, тем самым искажая результаты измерений. За счет измерения только измеряемого вещества в пределах ДБС, которое обладает относительно постоянной скоростью диффузии, коротким импульсом считывания, при этом по существу исключая из измерения обладающее переменной скоростью диффузии измеряемое вещество за пределами ДБС, настоящее изобретение может еще в бόльшей степени снизить уровень ошибок измерений, вносимых движением пробы.

[00140] Хотя выше были описаны различные варианты воплощения изобретения, специалистам в данной области будет очевидно, что возможны иные варианты воплощения и варианты реализации в рамках объема изобретения. Соответственно, изобретение не должно быть ограничено ничем, кроме как прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Изобретение относится к электрохимическим биосенсорным полоскам и способам определения концентрации аналита в пробе. За счет селективного измерения измеряемого вещества, находящегося в диффузионном барьерном слое, при по существу исключении измеряемого вещества, находящегося за пределами диффузионного барьерного слоя, могут быть снижены ошибки, вносимые компонентами пробы, такими как эритроциты, а также отклонениями в процессе производства. Сущность изобретения: электрохимическая система для определения концентрации аналита в пробе содержит сенсорную полоску, включающую в себя подложку, первый электрод на этой подложке, имеющий первый слой на первом проводнике, находящемся на подложке, причем первый слой имеет среднюю первоначальную толщину менее 30 мкм, при этом первый слой включает в себя связующее, образующее диффузионный барьерный слой, и этот диффузионный барьерный слой имеет внутренний объем, и второй электрод на этой подложке, и измерительное устройство в электрической связи с упомянутым первым электродом через упомянутый первый проводник и в электрической связи с упомянутым вторым электродом через второй проводник, при этом измерительное устройство прикладывает к упомянутым первому и второму электродам импульс считывания с длительностью менее 5 секунд. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 15 ил., 2 табл.

1. Электрохимическая система для определения концентрации аналита в пробе, содержащая:
сенсорную полоску, включающую в себя:
подложку;
первый электрод на этой подложке, имеющий первый слой на первом проводнике, находящемся на подложке, причем первый слой имеет среднюю первоначальную толщину менее 30 мкм, при этом первый слой включает в себя связующее, образующее диффузионный барьерный слой, и этот диффузионный барьерный слой имеет внутренний объем; и
второй электрод на этой подложке; и
измерительное устройство в электрической связи с упомянутым первым электродом через упомянутый первый проводник и в электрической связи с упомянутым вторым электродом через второй проводник,
при этом измерительное устройство прикладывает к упомянутым первому и второму электродам импульс считывания с длительностью менее 5 с.

2. Электрохимическая система по п.1, в которой первый слой представляет собой слой реагентов, включающий в себя по меньшей мере один из фермента оксидоредуктазы и медиатора.

3. Электрохимическая система по п.1, в которой второй электрод включает в себя первый слой на втором проводнике, находящемся на подложке.

4. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой первый электрод дополнительно содержит слой реагентов на упомянутом диффузионном барьерном слое, включающий в себя по меньшей мере один из фермента оксидоредуктазы и медиатора, причем упомянутый диффузионный барьерный слой представляет собой отдельный слой, и этот отдельный слой не содержит упомянутого по меньшей мере одного из фермента оксидоредуктазы и медиатора.

5. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой связующее представляет собой полимерный материал.

6. Электрохимическая система по п.5, в которой полимерный материал содержит по меньшей мере одно из полиэтиленоксида, карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, поливинилового спирта, поливинилпирролидона, их производных и их комбинаций.

7. Электрохимическая система по п.5, в которой полимерный материал является частично растворимым в воде.

8. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой длительность импульса считывания составляет менее 3 с.

9. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой длительность импульса считывания составляет от 0,05 до 2,8 с.

10. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой длительность импульса считывания составляет от 0,1 до 1,5 с.

11. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой средняя первоначальная толщина первого слоя составляет по меньшей мере 1 мкм.

12. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой средняя первоначальная толщина первого слоя составляет от 5 до 25 мкм.

13. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой по меньшей мере 50% средней первоначальной толщины первого слоя остается на первом проводнике, когда измерительное устройство прикладывает импульс считывания.

14. Электрохимическая система по п.1 или 3, в которой от 70 до 80% средней первоначальной толщины первого слоя остается на первом проводнике, когда измерительное устройство прикладывает импульс считывания.

15. Электрохимическая система по п.1 или 3, дополнительно содержащая пробу в электрической связи с упомянутым первым и вторым электродами, причем импульс считывания, по существу, детектирует измеряемое вещество в пределах диффузионного барьерного слоя, и причем импульс считывания, по существу, не детектирует это измеряемое вещество за пределами диффузионного барьерного слоя.

16. Способ повышения точности количественного определения аналита, включающий в себя:
прием аналитсодержащей пробы в электрохимическую сенсорную полоску, причем аналитсодержащая проба имеет жидкий компонент, упомянутая полоска имеет подложку, первый проводник на подложке, второй проводник на подложке и первый слой на по меньшей мере первом проводнике, причем первый слой включает в себя слой реагентов, содержащий связующее, а проба обеспечивает электрическую связь между первым и вторым проводниками;
приложение электрического потенциала между первым проводником и вторым проводником в виде импульса считывания, причем этот импульс считывания прикладывают в течение такой длительности, при которой измеряемое вещество, по существу, детектируется в пределах первого слоя на первом проводнике и, по существу, не детектируется за пределами первого слоя; и
определение количественного значения концентрации аналита в пробе в ответ на импульс считывания.

17. Способ по п.16, в котором количественное значение концентрации аналита обладает повышенной точностью по отношению к электрохимической сенсорной полоске, которая, по существу, детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя, причем эта повышенная точность является результатом, по меньшей мере отчасти, снижения погрешности, вносимой в определение концентрации аналита эффектом движения жидкости.

18. Способ по п.16, в котором количественное значение концентрации аналита обладает повышенной точностью по отношению к электрохимической сенсорной полоске, которая, по существу, детектирует измеряемое вещество за пределами первого слоя, причем эта повышенная точность дана по отношению к электрохимической сенсорной полоске, которая, по существу, детектирует измеряемое вещество в пределах и за пределами первого слоя.

19. Способ по п.16, дополнительно включающий в себя повышение воспроизводимости количественных значений концентрации аналита от множества электрохимических сенсорных полосок, в которых проба занимает зазор, образованный между подложкой и крышкой каждой сенсорной полоски, причем этот зазор имеет объем, варьирующийся среди отдельных электрохимических сенсорных полосок этого множества.

20. Способ по п.16, дополнительно включающий в себя приложение первоначального импульса и введение временной задержки перед импульсом считывания.

21. Способ по п.20, в котором первоначальный импульс составляет от 1 до 4 с.

22. Способ по п.20, в котором временная задержка составляет от 2 до 4 с.

23. Электрохимическая сенсорная полоска, содержащая:
подложку;
первый электрод на этой подложке, содержащий связующее, образующее диффузионный барьерный слой на первом проводнике, расположенном на подложке, причем этот диффузионный барьерный слой имеет среднюю первоначальную толщину менее 30 мкм, и этот диффузионный барьерный слой имеет внутренний объем;
второй электрод на этой подложке и
слой реагентов, содержащий фермент оксидоредуктазу;
причем упомянутый диффузионный барьерный слой представляет собой отдельный слой, не содержащий фермента оксидоредуктазы.

24. Электрохимическая сенсорная полоска по п.23, в которой слой реагентов находится на диффузионном барьерном слое.

25. Электрохимическая сенсорная полоска по п.23, в которой слой реагентов не находится в контакте с диффузионным барьерным слоем.

26. Электрохимическая сенсорная полоска по п.25, в которой слой реагентов находится на подложке.

27. Электрохимическая сенсорная полоска по любому из пп.24-26, в которой слой реагентов дополнительно содержит медиатор.

28. Электрохимическая сенсорная полоска по п.27, в которой диффузионный барьерный слой не содержит медиатора.

29. Электрохимическая сенсорная полоска по п.23, в которой связующее представляет собой полимерный материал.

30. Электрохимическая сенсорная полоска по п.29, в которой полимерный материал содержит по меньшей мере одно из полиэтиленоксида, карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтиленцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, поливинилового спирта, поливинилпирролидона, их производных и их комбинаций.

31. Электрохимическая сенсорная полоска по п.29, в которой полимерный материал является частично растворимым в воде.

32. Электрохимическая сенсорная полоска по п.23, в которой средняя первоначальная толщина диффузионного барьерного слоя составляет по меньшей мере 1 мкм.

33. Электрохимическая сенсорная полоска по п.23, в которой средняя первоначальная толщина диффузионного барьерного слоя составляет от 5 до 25 мкм.