CN102121914B - 电化学供电方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种电化学供电方法及其装置，应用于待测检体中的待测反应物浓度的测量，步骤包含有：首先，供应初始电压于电化学反应区，来侦测有无待测检体置入电化学反应区；若有，便停止初始电压的供应且提供等待时间让待测检体能够充满电化学反应区，并接着提供重置电压信号于电化学反应区，以重置电化学反应区中的化学反应；接着再供应反应电压于电化学反应区，待反应完后，便供应逐渐上升的测量电压于电化学反应区，以产生稳定的测量电流；最后通过测量并换算测量电流的数值，便可以得知待测反应物于待测检体中的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种供电方法及其装置，尤其是指一种电化学反应的电压供应方法及其装置。
背景技术
随着生物感测技术的发展，许多结合生物特性以及电子技术的生物传感器材也相继被发明，像是血糖机、血脂机、尿酸测量仪、或胆固醇测量仪等等，其利用活性物质与待测物质进行反应所造成的物理或化学特性的改变，来测量并换算得出待测物质的量，以达到测量目的。
依照测量器材及方式上的不同，一般来说生物传感器材的种类有电化学生物传感器、半导体离子传感器、光纤生物传感器、压晶体管生物传感器等等。其中，电化学生物传感器是通过测量待测反应物与生物活性物质、酵素或抗体等反应，所产生的导电度、电压或电流等的改变，来换算得出待测反应物的量。
而因为预先放置的活性物质、酵素或抗体等在未被使用前的贮放时期，可能会因为环境光能、热能或湿气等的影响，发生非预期中的化学反应，若此时使用该生物传感器材测定待测反应物，非预期的化学反应将会影响测量数据的正确性，成为误差的主要来源。
除了因为测量前非预期的杂质反应所造成的误差，在数值测量时也可能会造成误差。举例来说，请参照图1A，为现有血糖试片40的结构示意图，其中待测检体(本实施例中为血液)从置入口41处滴入，因为虹吸现象的缘故，待测检体会逐渐被吸入虹吸槽42。而血糖试片40中有反应区43、L型电极45和47，当待测检体从置入口41滴入后，会先触碰到电极45，然后才逐渐充满反应区43，一直到待测检体碰到电极47时，即代表待测检体已充满反应区43。
也就是说，生物传感器可以在L型电极45、47上先供应小电压，一开始时因为L型电极45、47之间为干燥的状态，所以生物传感器所测量到的阻抗很高。而当待测检体充满反应区43且与L型电极45及47接触时，生物传感器便会突然侦测到阻抗大幅度下降，因此就可知道有待测检体置入血糖试片40中，并且已充满反应区43。依照此方法配合L型电极45、47，便可借此确认电化学反应开始的时间点以进行反应时间的计时，不过要使用这种方式得知反应起始时间点，便需要用具有特定电极构造的血糖试片，像是本例中的电极45和47为特殊的L型，在使用上就有限制。
接着如图1B所示，为现有生物传感器供应电压以及反应电流的波形图，请配合参照图1A，反应电压11是当生物传感器确定待测检体于时间点t0充满反应区43后开始供应的，以提供待测检体中的待测反应物与反应区43中的活性物质或酵素产生化学反应所需的能量。随着化学反应的进行，会有反应电流21产生，接着经过一段特定时间后，反应电压11停止供应，此时待测反应物与酵素或活性物质会有静置反应，因而产生静置电流23。接下来，生物传感器便会提供测量电压13，以产生测量电流27来进行测量(例如在时间点t1进行测量)，最后依照所测量到的测量电流27的数值进行换算，便可得知待测反应物在待测检体中的浓度。
但实际上，因为在反应电压11停止供应后到测量电压13开始供应前的静置反应期间，反应还在持续进行中，因此会产生微小的静置电流23。此时若供应陡升的测量电压13，测量电流27就会有不稳定的过电流25(overshooting)的现象，影响测量电流27的波形以及在时间点t1所测量到的测量电流27的数值，造成测量结果的不正确。而若要使反应结果不会有太大的偏差，虽然可以等到测量电流27较为稳定时再进行测量，但如此一来势必会延长测量时间以及造成能量耗损，降低测量的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，借助供电方式的改变，去除电极构造的限制并降低生物传感器的测量误差，来提升测量的正确性以及效率。
为了达到上述目的，根据本发明的一方案，提供一种电化学供电装置，包括有一电化学反应区、一电压供应单元、一电流测量单元以及一处理单元。其中电化学反应区是用来让待测检体中的待测反应物进行化学反应的区域，而电压供应单元耦接于该电化学反应区，用来在待测检体置入电化学反应区后，提供重置电压信号于电化学反应区以消除杂质电流与其他干扰电流，以及提供反应电压和测量电压。电流测量单元耦接于电化学反应区，用以测量电化学反应区中产生的电流，并传送至处理单元作待测反应物浓度的运算。处理单元，耦接于该电压供应单元以及该电流测量单元，以依据该电流测量单元的测量结果，作该待测反应物浓度的运算。
值得一提的是，电压供应单元在供应用来产生测量电流的测量电压时，是用逐渐上升的方式来供应，让测量电流不会有过电流的现象产生。另外，电压供应单元在测检体置入前会提供初始电压于电化学反应区，用来侦测是否有待测检体置入。
根据本发明的另一方案，提供一种电化学供电方法，包括有供应初始电压于电化学反应区，来侦测是否有待测检体置入。需要特别说明的是，电化学反应区可以是设置于生物感测的试片上，而待测检体从试片的置入口滴入后，会借助虹吸原理逐渐充满电化学反应区。而当待测检体滴入后，电化学反应区中两供电电极之间的阻抗会突然下降，生物传感器通过侦测两电极间的阻抗即可判断是否有待测检体滴入电化学反应区中。
当侦测到有待测检体置入电化学反应区时，便停止供应初始电压，静置一等待时间使测检体能够充满电化学反应区，之后再供应重置电压信号于该电化学反应区，以消除杂质电流与其他干扰电流，重置待测反应物的电化学反应，让化学反应的时间重新起算。其中，重置电压信号可以是用任意的形式来去除反应离子的极化现象，像是一反向电压脉冲等等。
接着供应反应电压，让待测反应物与酵素、抗体或活性物质的化学反应能够继续进行，待反应完后，再供应测量电压以产生测量电流。其中测量电流的大小会随着待测反应物在待测检体中的浓度大小而有所不同，因此一旦得知测量电流的大小，经过换算便可知道待测反应物的浓度，得到所需的测量结果。
换句话说，本发明提供一种电化学供电方法，包括：供应一初始电压于一电化学反应区；当一待测检体置入该电化学反应区时，停止供应该初始电压于该电化学反应区；以及供应一重置电压信号于该电化学反应区，以消除杂质电流与其他干扰电流，重置该待测检体中一待测反应物的电化学反应。
根据本发明的又一方案，提供一种电化学供电方法，包括有供应初始电压于电化学反应区来侦测是否有待测检体置入，当侦测到待测检体置入电化学反应区时，即停止供应初始电压。接着，供应反应电压使待测检体中的待测反应物与酵素、活性物质或抗体等进行电化学反应，待反应完全后再供应逐渐上升的测量电压于该电化学反应区，以产生测量电流。
换句话说，本发明还提供一种电化学供电方法，包括：当一待测检体置入一电化学反应区时，供应一反应电压于该电化学反应区，使该待测检体中的一待测反应物进行电化学反应；以及供应逐渐上升的一测量电压于该电化学反应区，以产生一测量电流。
其中测量电压用逐渐上升的方式供应，可以避免测量电流产生过电流(overshooting)的现象，提升测量结果的正确性，而将测量电流的大小经过换算后即可知道待测反应物于待测检体中的浓度。
借助在提供反应电压前先提供重置电压信号来消除非预期的杂质反应以及重置电化学反应的起始时间点，并在测量时提供逐渐上升的测量电压以避免测量电流的过电流现象，来达到降低测量误差的效果，提升测量的准确度以及效率。
以上的概述与接下来的实施例，皆是为了进一步说明本发明的技术手段与达到的功效，然而所叙述的实施例与附图仅提供参考说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1A为现有血糖试片结构的示意图；
图1B为现有电化学供电方法的电压与电流波形图；
图2为本发明生物传感器的一种实施例的方块图；
图3A为本发明的血糖试片的一种实施例的结构示意图；
图3B为本发明电化学供电方法的一种实施例的电压与电流波形图；以及
图4为本发明电化学供电方法的一种实施例的流程图。
【主要元件附图标记说明】
11、11’反应电压
13、13’测量电压
15初始电压
17重置电压信号
20初始电流
21、21’反应电流
23、23’静置电流
25过电流
27、27’测量电流
31处理单元
33电压供应单元
35电化学反应区
37电流测量单元
40、50血糖试片
41、51置入口
42、52虹吸槽
43反应区
45、47、55、57电极
tb、t0、t1、t2、t3时间点
S401～S409流程图步骤说明
具体实施方式
通过在待测反应物开始反应前，先提供重置电压信号来消除杂质反应，以重置电化学反应，并在测量时提供逐渐上升的测量电压以产生稳定的测量电流，来提升测量结果的正确性以及效率。
请参照图2，为生物传感器的一种实施例的方块图，包括一处理单元31、一电压供应单元33、一电化学反应区35、以及一电流测量单元37。其中电化学反应区35中预先置入用来与一待测反应物进行化学反应的活性物质、酵素或抗体等。例如，若该生物传感器为血糖机，电化学反应区35即是设置于浓度检定试片(本实施例中是血糖试片)的某一端，供使用者滴入血液作血糖的浓度分析。电压供应单元33通过两电极将反应所需的电压或是测量用的电压供应于电化学反应区35，而电流测量单元37则是通过该些电极来测量电化学反应区35中所产生的电流数值，并传送至处理单元31进行待测反应物浓度的换算。
请参照图3A，为血糖试片50的一种实施例的结构示意图，包括有置入口51、虹吸槽52、电化学反应区35以及电极55和57，其中待测检体是从置入口51滴入，并借助虹吸槽52的虹吸原理进入电化学反应区35之中。与现有不同的是，本实施例中的电极55、57为长条状并放置于反应区的两侧边，因此当待测检体同时接触到电极55、57使得血糖机所侦测到的阻抗突然下降时，并不能确定待测检体是否已“完全充满”电化学反应区35，可以确认的只是“有待测检体置入”电化学反应区35中。
接着，请参照图3B，为电化学供电方法的一种实施例的电压与电流波形图，请配合参照图2以及图3A。该方法应用于一待测检体(如：血液)中一待测反应物(如：葡萄糖)浓度的测量，待测反应物与预先放置于电化学反应区35的活性物质、酵素或抗体进行化学反应，造成物理或化学特性的改变，如导电度、电压或电流等的改变，通过测量该些改变量(本例中是用电流测量单元37测量电流量)，即可换算得出待测反应物于待测检体中的浓度。
如图3B中所示，时间点tb是待测检体借助虹吸原理滴入置入口51的时间点，此时会突然产生一初始电流20于电化学反应区35中。而电压供应单元33在感应到待测检体滴入后，会停止供应的初始电压15(也就是如图3B中的时间点t2)。其中初始电压15是通过电极55和57作供应，能够用来侦测是否有待测检体置入电化学反应区35，侦测原理是因为一开始两电极55、57之间是干燥的，生物传感器所测量到的是高阻抗，所以最初提供初始电压15于两电极55、57上时几乎不会产生任何的电流。而当待测检体置入电化学反应区35并同时接触到两电极55和57时，生物传感器便会突然测量到两电极55、57之间的阻抗大幅下降，借此即可判断有待测检体置入电化学反应区35。
如上述，当侦测到有待测检体置入电化学反应区35时，电压供应单元33便停止供应初始电压15(时间点t2)，并提供一等待时间(可依据实验数据的平均值而定)让待测检体确实充满电化学反应区35。或者，电压供应单元33可在电化学反应区35的下部区域额外设置一测血电极，通过测测量血电极与电极55间的阻抗，或是测测量血电极与电极57间的阻抗，即可得知待测检体是否充满于电化学反应区35中。也就是说，当待测检体充满于电化学反应区35中时，测血电极与电极55间的阻抗或是测血电极与电极57间的阻抗会下降，因此，通过测量阻抗值便可用来确认待测检体是否充满于电化学反应区35中。
而在待测检体充满于电化学反应区后，电压供应单元33便会提供重置电压信号17(可以是用任意的形式来消除反应离子的极化现象，如反向电压脉冲等等)于电化学反应区35，用来消除在初始电压15停止供应的时间点t2之前的杂质反应，并使化学反应的起始时间点重新起算。其中杂质反应产生的原因通常是活性物质、酵素或抗体等因为环境的湿气或太阳照射等的因素，或是因为一些杂质的掺入而产生的化学反应，会导致有一些反应电荷残留于电化学反应区35，而该些残留的电荷则会让后来测量的结果产生偏差，因此便需要将其消除。
值得一提的是，通过这种提供等待时间让待测检体确实充满电化学反应区35，并提供重置电压信号17来消除杂质反应来重置电化学反应的方式，就算不使用现有的L型电极，也能够准确设定电化学反应的起始时间点，如此一来，电极55、57的形状就不会受到限制，能够设计成任意的形状构造。
在消除了杂质反应之后，电压供应单元33即供应反应电压11’于电化学反应区35，以提供足够使待测检体中的待测反应物与活性物质、酵素或抗体等进行化学反应的能量。此时，因为化学反应开始进行，产生出一些离子与电荷，因此便会有反应电流21’通过置放于电化学反应区35中的电极55、57。以血糖浓度的测量为例，其化学反应式如下：
Glucose+GO/FAD→δ-Gluconolactone+GO/FADH2
GO/FADH2+O2→GO/FAD+H2O2
H2O2→2H++O2+2e-
其中Glucose是葡萄糖，也就是待测的血糖。GO是葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)，其与葡萄糖产生一连串的化学反应，最后产生氢离子以及电荷。该些电荷被置于电化学反应区35中的电极55、57所接收，就会形成电流，而又因为氢离子越来越多，施加在电化学反应区35的反应电压11’所产生的电流也就会越来越高，因此综合以上所述，反应电流21’就会如图中所示逐渐升高。
再参阅图3B，在供应反应电压11’一定时间，使待测反应物与酵素、活性物质或抗体反应之后，电压供应单元33便会停止供应反应电压11’。而在停止供应反应电压11’到测量电压13’开始供应的这段时间，仍会有所谓的静置反应，所以即使电压供应单元33并未提供电压，其仍然会有微弱的静置电流23’产生。
当要测量数据时，本发明的电压供应单元33会提供逐渐上升的测量电压13’于电化学反应区35，以产生测量电流27’。接着，电流测量单元37在时间点t3测量该测量电流27’的值，因测量电流27’数值的大小会随着待测反应物与酵素、活性物质或抗体等进行化学反应量的多少有关(一般来说电流越大代表浓度越高)，所以最后经过换算，即可得知待测反应物的浓度。值得一提的是，用逐渐上升的方式提供测量电压13’，便不会像现有一般使测量电流27’产生不稳定的过电流(overshooting)，因此可以提升数据测量的准确度以及效率。
接着请参阅图4，为电化学供电方法的一种实施例的流程图，请配合参照图2以及图3B。该方法应用于一待测检体中一待测反应物浓度的测量(例如测量血液中葡萄糖的浓度)，步骤包括有：首先，供应初始电压15于电化学反应区35(S401)，其中该初始电压15可用来侦测是否有待测检体(如血液)置入电化学反应区35(如血糖试片的反应区)中，侦测的方法已在前文说明，因此便不再赘述。
当侦测到有待测检体置入电化学反应区35时，电压供应单元33便停止初始电压15的供应(S403)，并提供一等待时间，让待测检体能够确实充满电化学反应区35。接着，电压供应单元33会提供重置电压信号17于电化学反应区35(S405)，以消除杂质反应所残留的电荷，重置电化学反应区35中的化学反应，让反应起始的时间重新起算。然后电压供应单元33才供应反应电压11’于电化学反应区35(S407)，以提供待测反应物(如葡萄糖)与活性物质、酵素或抗体进行化学反应所需要的能量。
在反应电压11’停止供应一小段时间之后，电压供应单元33即供应逐渐上升的测量电压13’于电化学反应区35，产生测量电流27’(S409)，以进行测量。最后，通过测量该测量电流27’的数值大小并进行换算，便可以得知待测反应物(如葡萄糖)在待测检体(如血液)中的浓度。值得一提的是，用逐渐上升的方式供应测量电压13’，是为了避免测量电流27’产生不稳定的过电流现象，增加测量结果的准确度。
综上所述，借助在待测反应物与酵素、活性物质或抗体开始反应之前，先提供重置电压信号消除杂质反应所可能造成的影响，重置电化学反应并重新起算化学反应的起始时间，让电极形状构造能够不受限制。另外，在测量数据时用逐渐上升的方式提供测量电压，以避免测量电流产生不稳定过电流的现象，进而减少测量结果的误差以及提升测量数据的准确度。
以上所述为本发明的具体实施例的说明与附图，任何本领域技术人员在本发明的领域中，可轻易思及的变化或修改皆可涵盖在本发明所界定的保护范围内。
Claims (19)
1.一种电化学供电方法，其特征在于，包括：
供应一初始电压于一电化学反应区，该电化学反应区中预先置入一活性物质、一酵素或一抗体，以与一待测检体中的一待测反应物进行电化学反应；
当该待测检体置入该电化学反应区时，停止供应该初始电压于该电化学反应区；以及
供应一重置电压信号于该电化学反应区，以消除杂质电流与其他干扰电流，重置该待测检体中该待测反应物的电化学反应；
供应一反应电压于该电化学反应区，使该待测检体中的该待测反应物的电化学反应能够继续；
供应逐渐上升的一测量电压于该电化学反应区，以产生一测量电流。
2.如权利要求1所述的电化学供电方法，其特征在于，在供应该重置电压信号的步骤前更包括：
提供一等待时间，让该待测检体能够充满该电化学反应区。
3.如权利要求1所述的电化学供电方法，其特征在于，该反应电压提供足以使该待测反应物进行电化学反应的能量。
4.如权利要求1所述的电化学供电方法，其特征在于，该测量电流的电流量，用以换算得出该待测反应物在该待测检体中的浓度含量。
5.如权利要求1所述的电化学供电方法，其特征在于，该初始电压以侦测是否有该待测检体置入该电化学反应区。
6.如权利要求1所述的电化学供电方法，其特征在于，该电化学反应区设置于一浓度检定试片上。
7.如权利要求6所述的电化学供电方法，其特征在于，该浓度检定试片为一血糖试片。
8.一种电化学供电方法，其特征在于，包括：
当一待测检体置入一电化学反应区时，供应一重置电压信号于该电化学反应区，该电化学反应区中预先置入一活性物质、一酵素或一抗体，以与该待测检体中的一待测反应物进行电化学反应；
供应一反应电压于该电化学反应区，使该待测检体中的该待测反应物进行电化学反应；以及
供应逐渐上升的一测量电压于该电化学反应区，以产生一测量电流。
9.如权利要求8所述的电化学供电方法，其特征在于，该反应电压提供足以使该待测反应物进行电化学反应的能量。
10.如权利要求8所述的电化学供电方法，其特征在于，该测量电流的电流量，用以换算得出该待测反应物在该待测检体中的浓度含量。
11.如权利要求8所述的电化学供电方法，其特征在于，该电化学反应区设置于一浓度检定试片上。
12.如权利要求11所述的电化学供电方法，其特征在于，该浓度检定试片为一血糖试片。
13.一种电化学供电装置，其特征在于，包括：
一电化学反应区，让一待测检体中的一待测反应物进行化学反应的区域，该电化学反应区中预先置入一活性物质、一酵素或一抗体，以与该待测检体中的该待测反应物进行电化学反应；
一电压供应单元，耦接于该电化学反应区，在该待测检体置入该电化学反应区后，提供一重置电压信号于该电化学反应区，以消除杂质电流与其他干扰电流，再提供一反应电压于该电化学反应区，之后供应逐渐上升的一测量电压于该电化学反应区，以产生一测量电流；
一电流测量单元，耦接于该电化学反应区，以测量该电化学反应区中产生的电流；以及
一处理单元，耦接于该电压供应单元以及该电流测量单元，以依据该电流测量单元的测量结果，作该待测反应物浓度的运算。
14.如权利要求13所述的电化学供电装置，其特征在于，该电压供应单元供应一初始电压，以侦测是否有该待测检体置入该电化学反应区。
15.如权利要求13所述的电化学供电装置，其特征在于，该电压供应单元更包括有一测血电极，设置于该电化学反应区，以侦测该待测检体是否已充满于该电化学反应区中。
16.如权利要求13所述的电化学供电装置，其特征在于，该电流测量单元测量该测量电流的数值，并将该测量电流的数值传送至该处理单元。
17.如权利要求16所述的电化学供电装置，其特征在于，该处理单元依据该测量电流的数值，换算得到该待测反应物于该待测检体中的浓度含量。
18.如权利要求13所述的电化学供电装置，其特征在于，该电化学反应区设置于一浓度检定试片上。
19.如权利要求18所述的电化学供电装置，其特征在于，该浓度检定试片为一血糖试片。
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