KR101256133B1 - 전기화학적 분석대상물 검출 동안에 비정상적인 경로의검출을 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
전위가 전용되는 전기화학적 테스트 스트립을 이용하여 생성되는 전기화학적 측정에서 비정상 신호 경로를 검출하는 것이 오류가 있는 분석대상물 판별의 표지에 대하여 허용된다. 전류 경로는 정점 전류가 전류에 있어서 감소가 있는 시간 tpeak에서 관측되는 기대 형태를 갖는다. 비정상 신호 경로를 검출하기 위하여, 시간 tpeak은 실험적으로 판별되고, 기댓값 t'peak과 비교되고, 만약 두 값의 차이가 미리 지정된 문턱값을 넘는다면 에러 메시지가 테스트 결과 대신 사용자에게 제공된다. t'peak의 값은 전류를 측정하는 측정을 뒤따르는 전위측정 상태 동안에 판별되는 이동도 항의 함수로써 판별된다.
Description
본 출원은 포도당과 같은 분석대상물의 전기화학적 판별 동안에 비정상적인 경로의 식별에 관련되고, 그러한 방법의 이용을 위한 계측기 및 계측기-테스트 스트립 결합에 관련된다.
소형의 사용하고 버릴 수 있는 전기화학적 테스트 스트립은 당뇨병 환자들에 의하여 혈당의 측정에 빈번하게 이용된다. 그러한 테스트 스트립은 관심 있는 다른 생리적 화학물질 및 남용 물질의 검출에 또한 이용될 수 있다. 일반적으로, 테스트 스트립은 적어도 두 개의 전극 및 수행될 테스트를 위한 적당한 시약을 포함하고, 한번 사용하는 일회용 요소로써 제작된다. 테스트 스트립은 재사용할 수 있는 계측기에 삽입하기 전 또는 후에 혈액, 침 또는 소변과 같은 샘플과 결합되고, 이는 검출 및 테스트 스트립으로부터 테스트 스트립에 의해 판별되는 분석 대상물의 존부 또는 양의 표시로 전기화학전 신호를 프로세스 하는데 이용되는 메커니즘을 포함한다.
포도당의 전기화학적 검출은 전통적으로 포도당, 글루코오스 산화효 소(glucose oxidase)와 같은 포도당을 산화시키는 효소, 및 산화 환원 매개체의 존재/양에 대해 측정될 샘플을 포함하는 전기화학적 셀에 전위를 적용함으로써 이루어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 효소는 포도당을 글루코노락톤(gluconolacone) 및 효소의 환원된 형태로 형성하기 위하여 산화시킨다. 산화된 매개체는 활성 산화 효소를 재생성하고 환원된 매개체를 생성하기 위하여 환원된 효소와 반응한다. 환원된 매개체는 전극들 중 하나에서 산화되고, 그 다음으로 다른 전극에서 환원되거나 환원된 효소에 의하여 사이클을 완료하기위하여 다시 환원되고, 측정 가능한 전류를 야기한다. 측정된 전류는 샘플내의 포도당의 양에 관련되고, 다양한 기술들이 알려진 그러한 시스템에서 포도당 농도를 판별하는데 알려져 있다. (미국특허 제6,284,125호; 제5,942,102호; 제5,352,2,351호; 및 제5,243,516호 참조. 이는 여기서 참조로써 편입된다.)
전기화학적 신호들을 분석하는 계측기에서, 가정이 계측기에서 요구되는 프로세싱 능력 및 요구되는 프로세싱 시간을 최소화하기 위하여 신호들의 특성에 대하여 이루어진다. 그러나 모든 경로가 이러한 이상적인 특성을 충족시키는 것은 아니다. 예를 들면, 사용자가 짧은 시간 주기 내에 테스트 스트립에 두 번 접촉하고, 부적절한 샘플을 이용하고, 테스트 스트립의 끝을 움직일 때, 신호 특성은 비정상적일 수 있다. 신호의 비정상성의 다른 원천은 축축한 또는 습기 찬 테스트 스트립의 이용, 또는 시료의 부분이 동작 전극의 표면으로부터 느슨해진 테스트 스트립을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 비정상적인 신호는 여전히 결과를 생성하지만, 데이터 처리가 실제 현실과 다른 신호 특성을 가정하기 때문에 결과는 신뢰할 수 없 다. 그러므로 중요한 처리를 필요로 하지 않거나 계측기 또는 테스트 스트립에 대한 부가적인 구성요소의 요구를 부가하지 않는 비정상적인 경로의 식별을 위한 방법을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법에 있어서,
(a) 동작 및 반대 전극을 구비하는 전기화학적 테스트 스트립에 샘플을 도입하는 단계;
(b) 상기 테스트 스트립의 상기 전극들 사이에 전위차 Vapp를 적용하고, 상기 샘플 내의 분석대상물의 판별을 제공하기에 충분한 전류 신호를 관측하는 단계;
(c) 시간 tpeak을 판별하는 단계로서, 상기 시간은 충분한 물질이 상기 동작 전극에서 분석대상물의 소모를 조화시키기 위하여 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환의 점에서 전류에 있어서 최대값에서 발생하는 시간 tpeak을 판별하는 단계;
(d) 시간 tswitch에 상기 적용된 전위를 스위치 오프하는 단계;
(e) 시간 tmob를 판별하는 단계로서, 상기 tmob는 상기 적용된 전위가 스위치 오프된 이후에 시간이고, 이는 상기 전극들 사이의 전위가 미리 지정된 값으로 감소하는데 걸리는 시간인 시간 tmob를 판별하는 단계;
(f) tpeak, t'peak의 기댓값을 계산하는 단계로서, 상기 t'peak은 tmob의 함수인 tpeak, t'peak의 기댓값을 계산하는 단계; 및
(g) tpeak - t'peak의 절대값을 미리 지정된 문턱값에 대하여 비교하고, 만일 상기 tpeak - t'peak의 절대값이 상기 문턱값보다 크다면 상기 테스트를 제외시키는 단계를 포함하는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법을 제공한다.
도 1은 종래의 전류측정 포도당 검출기에서 발생하는 전자 전달 반응을 도시한다.
도 2는 두개의 다른 전기화학적 테스트 스트립 구조에서 관찰되는 시간에 대한 전류 프로필의 유형을 도시한다.
도 3은 적용된 전압이 스위치 오프되었을 때 시간에 대한 전압의 좌표를 도시한다.
도 4a 및 4b는 판별된 tpeak 및 t'peak이 본질적으로 동일한 정상 경로 및 판별된 tpeak 및 t'peak이 다른 비정상 경로를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예의 구성요소들을 구조적으로 도시한다.
도 6은 계측기의 외부 모습을 도시한다.
도 7은 테스트 스트립의 연결 및 계측기 내의 연결부를 도시한다.
도 8은 전류측정 및 전위측정 모드 사이의 스위치를 위한 회로도를 도시한다.
도 9는 전류측정 및 전위측정 모드 사이의 스위치를 위한 회로도를 도시한다.
Ⅰ. 정의
본 명세서 및 본 출원의 청구항들에서 이용되는 것으로써, 뒤따르는 정의들 이 적용된다.
(a) '분석대상물'은 샘플 내에 존재할 수 있는 관심 있는 물질을 지칭한다. 본 출원에서, 예시들은 분석대상물로써 포도당을 이용하지만, 본 발명은 분석대상물의 종류 및 양 모두에 독립적이다. 따라서 포도당 검출 시스템에 대한 출원은 단지 특정적이고 제한하지 않는 실시예로써 개시되어야 한다.
(b) "Cottrell 감소" 또는 "Cottrell 전류"는 Cottrell 관계식, 즉, 다음의 수학식 1에 의해 모델화될 수 있는 전류이다.
[수학식 1]
여기서 I는 전류이고 t는 시간이다. t에 대한 1/I2의 기울기의 제곱근은 Cottrell 기울기라 불리는 파라미터이다.
(c) "분석대상물의 측정"은 정성적, 준-정량적 및 정량적인 샘플을 사정하기 위한 프로세스를 가리킨다. 정성적인 사정에서, 결과는 분석대상물이 샘플에서 검출되었는지 아닌지 여부를 나타낸다. 준-정량적인 사정에서, 결과는 분석 대상물이 어떠한 미리 지정된 문턱값을 넘어 존재하는지 아닌지 여부를 나타낸다. 정량적인 사정에서, 결과는 분석대상물 존재의 양의 수치적인 표시이다.
(d) "전기화학적 테스트 스트립"은 적어도 두 개의 전극 및 상기 전극들 사이에 위치한 샘플 내의 분석대상물의 측정을 위한 어떠한 필요한 시약을 구비하는 스트립을 가리킨다. 바람직한 실시예에서, 전기화학적 테스트 스트립은 한번 사용 한 후 버릴 수 있고, 전위를 적용하고, 신호를 분석하고, 결과를 디스플레이하기 위한 전기기기들을 포함하는 분리되고 재사용할 수 있는 계측기에 부착하기 위한 결합부를 구비한다.
(e) "마주보는 전극들"은 평행하지만 서로로부터 분리된 판에 배치된 전극의 쌍이다. 마주보는 적극들의 쌍의 대비되는 표면의 일부 또는 전부는 겹치지만, 그로인해 전극들 사이의 전위 기울기 및 전류 흐름이 본질적으로 대비되는 표면에 수직인 방향에 있다. 마주보는 전극들은 두 개의 전극 표면이 동일 평면에 놓여있고, 전위 기울기 및 전류 흐름이 전극의 표면에 본질적으로 평행한 나란한 전극들과 구별된다. 본 발명은 마주보는 또는 나란한 전극들 중 어디라도 이용될 수 있다.
(f) "매개체"는 전기화학적으로 검출되는 화학적 종을 가리킨다. 포도당과 같은 분석대상물의 검출에 적절한 수많은 전자 전달 매개체가 알려졌고, 제한 없이 철(iron), 루테늄(ruthenium), 및 오스뮴(osmium) 화합물들을 포함한다. 본 발명의 어떠한 실시예들에서, 매개체는 하나 또는 그 이상의 반응 단계들을 통하여 생성되고, 포도당과 같은 실제 분석대상물의 농도에 관련된다. 그러나 본 발명은 또한 검출된 화학종이 검출되어야 할 분석대상물의 환원된 형태인 환경에 적용 가능하고, 이는 또한 본 발명의 실시예이다.
(g) "이동도"는 전기화학적 테스트 셀 내의 매개체의 이동도를 나타낸다. 매개체 이동도는 매개체 자신의 특성, 즉, 확산 상수이지만, 또한 헤마토크릿 및 점성과 같은 다른 샘플 특성에 의존한다.
(g) "산소 운반 능력"은 용해된 형태 및 적혈구 저장으로 산소를 보유하기 위한 샘플의 능력을 나타낸다.
(h) "미리 지정된"은 특정 계측기 또는 테스트 스트립 또는 계측기/스트립 결합에 대하여 실험적으로 판별된 양 또는 값을 나타내도록 본 출원에서 이용된다. 미리 지정된 양 또는 값은 요구되는 신뢰 레벨을 고려하여 사용자의 요구에 대한 최적화를 반영하고, 최적의 가능한 결과 또는 100% 정확성을 획득할 필요는 없다.
(i) 적용된 전위의 "스위치 오프"는 전극들 사이의 전위를 판별하기 위하여 두 개의 층 내의 강화된 화학적 농도 기울기 및 이온 흡수를 허용하도록 전류를 영(zero)이 되도록 강제하는(스위치를 열거나 회로에 높은 임피던스(impedance)를 도입함에 의하여) 개방 회로의 생성을 가리킨다. 이는 전압을 0 볼트로 설정하는 것과 같은 것은 아니다.
(j) "tmob"은 특정 테스트 셀 내의 특정 샘플 내의 매개체의 이동도를 반영하는 분석 동안에 실험적으로 판별된 시간이다. tmob는 적용된 전위가 스위치 오프된 이후의 시간이고, 그러한 시간이 미리 지정된 값으로 전극들 사이의 전위가 감소하는데 소요된다.
(k) "tpeak"은 최대 전류가 개별 테스트 스트립에서 처리되는 샘플의 측정 사이클의 경로 동안에 발생하고, 이는 이중층 전하축적과 관련된 어떠한 초기 전류 스파이크에는 배제적이다. 이러한 정점 전류는 충분한 물질이 동작 전극에서 분석대상물의 소비를 조화시키기 위하여 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환 지점에서 발생한다. 이러한 지점에서 동작 전극에서 분석대상물의 소모는 제한된다. 분석대상물의 확산 제한적인 소비로부터 야기되는 전류의 이러한 빠른 감소는 Cottrell 감소 특성으로 상승을 가져온다.
(l) "경로"는 시간에 대한 신호의 형태이고, 신호는 전류 또는 전압이다.
본 명세서 및 본 출원의 청구항들 내의 수치적인 값은 중요한 구성의 동일한 수로 변형되고 상기 값을 측정하기 위하여 이용된 기술의 실험적인 오차보다 적게 상기 언급된 값으로부터 차이가 난 수치적인 값과 동일한 수치적인 값을 포함함이 인지되어야 한다.
Ⅱ. 포도당과 같은 분석대상물의 판별
도 2는 두개의 다른 전기화학적 테스트 스트립에서 관찰되는 시간에 대한 전류 프로필을 도시하고, 이중 하나는 마주보는 전극이고 하나는 나란한 전극이며, 여기서 전기화학적 시료는 초기에는 오직 동작 전극 상에 있고 반대 전극 상에는 없다. 두 경우 모두에서, 전류 경로는 뒤따르는 전위의 적용에서 보이는 시간 스케일 상에서 즉각적인 초기 전류 21을 도시한다. 이러한 전류는 전극들의 표면에서 이중층의 초기 전하축적과 관련된다. 그 다음으로, 전류는 감소하고, 이는 전류가 동작 전극(매개체를 포함하는 시료가 제조 동안에 배치된 곳)으로부터 반대 전극으로 확산하는 매개체에 의존하기 때문이다. 이러한 감소된 전류의 구간(화살표 20에 의해 나타냄)은 전극들 사이의 거리 및 매개체의 이동도에 의존한다. 매개체 이동도는 매개체 자신의 성질, 즉 확산 상수이지만, 또한 헤마토크릿 및 점성과 같은 다른 샘플 특성에 의존한다. 감소 전류의 구간 20 이후에, 전류는 정점 전류 22로 빠르게 상승한다. 마주보는 전극들의 경우, 전류는 전극들 사이의 매개체의 재순환 또는 왕복을 반영한 안정된 전류 23으로 감소한다. 나란한 전극들의 경우에, 전류 는 점선 24에 의해 나타난 바와 같이 표현된 시간 척도에서 계속해서 감소한다. 더 오랜 시간에서, 이러한 곡선 24는 또한 만약 전극이 서로 충분히 가까워지면 매개체의 재순환/왕복의 효과를 나타낼 수 있다.
정점을 뒤따르는 감소 영역에서, 재순환이 우세해지기 전에, 전류 감소는 Cottrell 식 즉 다음의 수학식 1에 의해 모델화 될 수 있다.
[수학식 1]
여기서 I는 전류이고, t는 시간이다. Cottrell 분석은 미국특허 제5,243,516호, 제5,352,351호, 및 제6,284,125호에 나타난 바와 같이 포도당 농도를 판별하기 위하여 이용될 수 있다. 공개된 2005년 4월 15일에 출원된 미국특허출원 제10/907,803호는 적용된 전위가 분석대상물의 측정에 대한 데이터를 획득하기 위하여 전류를 측정한 후에 스위치 오프될 때 획득된 이동도 정정을 포함하는 분석대상물 농도의 Cottrell 분석을 개시하고, 이는 여기에서 참조로써 편입된다.
Cottrell 분석에 대한 양자택일로써, 도 2의 안정 영역 23의 전류는 분석대상물 농도를 판별하기위하여 이용될 수 있다. 이러한 유형의 측정은 여기에서 참조로써 편입되는 공개된 미국특허출원 제10/924,510호에 묘사된 바와 같이 전도 셀 테스트 스트립을 이용할 때 특히 적용 가능하다.
사용자에게 통신/디스플레이 되는 분석대상물 농도의 수치적인 값을 측정하는데 있어서, 많은 스트립들에 대한 측정값들에 기초한 하나 또는 그 이상의 정정 인자, 또는 분석동안 형성된 측정이 적용될 수 있다. 나아가, 룩업 테이블(look up table) 또는 다른 변환 시스템이 가공되지 않은 값을 사용자에게 통신/디스플레이 하는데 의미 있는 값으로 변환하기위하여 이용될 수 있음이 인지될 수 있다.
Ⅲ. 비정상 경로 판별
본 발명은 전위가 적용되는 전기화학적 테스트 스트립을 이용하여 생성되는 전기화학적 측정에서 비정상 신호 경로의 검출을 위한 방법을 제공한다. 전류 경로는 정점 전류 ipeak가 전류에 있어서의 감소 이후에 시간 tpeak에서 관측되는 도 2에서와 같은 기대된 형태를 갖는다. 본 발명에 따르면, 시간 tpeak는 실험적으로 판별되고 기댓값 t'peak와 비교되고, 만약 두 값 사이에 차이가 미리 지정된 문턱값보다 크다면, 에러 메시지가 테스트 결과 대신에 사용자에게 제공된다.
값 t'peak는 분석대상물의 판별이 이루어지기에 충분한 전류 측정이 이루어지고 난 후 적용된 전류가 스위치 오프되었을 때 발생하는 전위측정 모드에서 뒤따르는 동작 동안에 이루어진 측정의 함수로써 판별된다. 이러한 전위측정 모드 동안에, 시간 값 tmob는 판별된다. tmob는 샘플 내의 전하 운반자의 이동도의 표지이고, 그러므로 정점 전류가 관측되는 시간에 영향을 미치는 동일한 인자에 의하여 영향을 받는다.
tpeak 및 t'peak가 판별되자마자, 상기 값들 사이의 차이가 판별된다. 만약 이러한 차이의 절대값이 미리 지정된 문턱값보다 크다면, 비정상 경로가 예상되고 에러 메시지가 결과의 위치에 나타난다.
이러한 방법으로 비정상 경로에 대한 분석을 사정하는 것은 tpeak 및 tmob가 최소 하드웨어 또는 처리 요건들로 판별되기 때문에, 또한 각각이 분석대상물 판별의 정확성 또는 효율성을 향상시키는데 독립적으로 이용될 수 있기 때문에 특히 효율적이다. 예를 들면, 여기에서 참조로써 편입되는 공개된 US특허출원 10/907,815호는 분석대상물 농도 판별을 위한 방법에서 tpeak의 이용을 논하고, 이는 예를 들면 시간에 대한 전류의 곡선이 본질적으로 Cottrell 감쇄를 따를 때, 또는 전류가 안정 영역에서 수립될 때 포도당 측정을 이루기 위해 적절한 시간의 다이내믹 판별을 이용하는 포도당 농도이다. 이는 각각의 스트립이 최단의 적절한 시간 프레임에서 동작하도록 하고, 그로인해 어떠한 스트립에 대해서는 필요보다 길고 다른 것들에 대해서는 너무 짧을 수 있는 평균 측정 시간을 이용하는 것을 피한다. 2005년 4월 15일에 출원된 공개된 US 특허출원 제10/907,803호는 헤마토크릿을 포함하는 샘플의 산소 운반 능력의 효과에 대해 측정된 분석대상물 농도를 정정하기 위한 합의 정정 인자의 판별에 tmob의 이용을 묘사한다.
Ⅲ. tpeak의 판별
본 발명에 따르면, 전기화학적 테스트 스트립 내의 샘플은 도 2의 둘 중 하나의 라인에서 도시된 바와 같은 전류 프로필을 생성하기 위해 처리된다. 그러므로 제1 단계에서 확산-제한 전압은 샘플이 챔버(chamber)에 도입된 이후에 신속하게 테스트 스트립에 적용된다. 전극의 극성은 농도가 분석대상물에 의존하는 제1 전기화학적으로 검출 가능한 종이 시약이 분포하는 전극('동작 전극')에서 소모되고, 상반되는 전극('반대 전극')에서 시료에 있어서 초과에서 제2 종의 반대 반응에 의하여 조화되도록 하는 것이다. 이러한 방법에서, 제1종의 소모에 의하여 제한되는 신호는 상반되는 전극에서 제2종의 초과가 있을 때 까지 발생하지 않을 것이고, 이는 이동도에 의해 제한되는 조건이다. 샘플이 전류를 확보하기 위해 충분히 높다 할지라도 전류를 자극하기 위하여 테스트 스트립에 적용되는 전압은 화학종의 이동도에 의하여 설정된 한계에 도달하고, 이는 소위 "확산 제한 전류"라 불린다. 나아가, 이러한 전압은 반대 전극에서 종들의 도달에 의하여 제한되는 전류로부터 동작 전극에서 분석대상물에 의존하는 종의 도달에 의하여 제한되는 전류로의 변화가 확산-제한 조건 하에서 관찰될 수 있도록 충분히 빨리 적용될 필요가 있다.
전위의 적용과 관련된 초기 전류 증대(전극 이중층을 수립하고 표면 불순물을 소모하기 때문)는 반대 전극에 종들의 도달을 나타내는 기본선(baseline) 전류를 남기기 위하여 소멸하기에 충분한 시간을 구비해야 한다. 이러한 기본선이 측정되고 종들의 두드러진 양이 반대 전극에서 반응을 지지하기 위하여 이용 가능해 질 때 빠르게 증가할 것이다. 신속한 증가가 측정되고 변환의 점이 기록된다. 이러한 변환은 충분한 종들이 동작 전극에서 분석대상물에 관련된 종들의 소모를 조화시키기 위하여 반대 전극에서 반응을 지지하는데 이용 가능할 때 발생한다. 이러한 변환에 대한 시간은 그러므로 이동도의 표지이고, tpeak로써 본 출원에서 지칭된다. 종들을 제한하는데 있어서의 변화는 동작 전극 근처의 분석대상물에 관련된 종들의 빠른 소모 및 결과로서 전류에 있어서의 빠른 감소를 야기한다.
정점의 식별은 그것이 지역적인 최대값에 대하여 생성됨으로써 전류측정을 점검함에 의하여 이루어진다. 이러한 검사는 충전, 환자의 샘플 접촉 및 초기 전류 서지(surge)를 무시하여야 하므로 너무 이르게 개시되지 않는 것이 최선이다: 샘플 검출 이후 1 내지 2초, 예를 들어 1.5초 이후에 검사를 개시하는 것이 대부분의 마이크로리터 이하의 전기화학적 테스트 스트립의 경우에 충분하다. 본 발명의 일 실시예에서, 지역적인 최대값은 본 연장으로부터 설정 주기로 되돌아오는 시간 윈도우 내의 가장 높은 전류이다: 2초는 안정된 확산 프로필을 수립하기 위하여 경과해야하는 시간과 잘 맞기 때문에 좋다. 지역적인 최대값은 시간 윈도우의 가장 이른 점이고 이후의 데이터에서 더 높은 최대값에 의하여 대체되지 않을 때, 정점은 이러한 지역 최대값으로써 식별된다고 가정될 수 있다. 식별은 확산 과정의 대표적이지 않은 데이터에서 뾰족한 스파이크의 효과를 제거하기 위하여 디지털 또는 아날로그 필터를 적용함에 의하여 더욱 개선될 수 있다. 특정 기대된 형태의 정점을 식별하기 위하여 조절된 곡선과 같은 다른 기술들이 또한 이용될 수 있고, 또는 전류측정 신호가 제1 미분이 0일 때의 시간을 판별하기 위하여 사정될 수 있다.
샘플의 도입으로부터의 시간의 정확한 측정인 tpeak에 대한 값을 얻기 위하여, 측정 사이클의 개시를 정의하기 위한 메커니즘이 요구된다. 도 2에서 보는 바로부터 명백한 것으로서, tpeak의 수치적인 값은 영의 값이 할당되는 시간 내의 점에서 의존한다. 혈액이 테스트 스트립에 적용되고 시간의 주기가 테스트 사이클을 개시하기에 앞서 통과되도록 허용된다면, 효소 및 매개체는 용해되고 상기 전극들 사이의 공간에서 동등하게 가로질러 확산되는 경향이 있을 것이다. 이는 만일 간격 20의 제거가 아니라면 감소를 야기할 것이다. 그러므로 본 발명의 방법을 실시함에 있어서, 간격 20을 제거하기 위한 확산이 발생할 수 있기 전인 샘플 적용에 관련 있는 일정한 개시 시간을 갖는 것이 중요하다. 실제로, 이러한 결과는 이미 계측기 에 배치된 전기화학적 테스트 스트립으로의 샘플의 부가 이후의 시간의 고정된 주기 상에서 또는 내에서 사이클을 자동적으로 개시하는 것에 의하여 획득될 수 있다.
측정 사이클을 자동적으로 개사하기 위한 메커니즘은, 제한 없이,
(1) 전기화학적 테스트 스트립내의 동작 및 반대 전극 사이에 전류 또는 저항성분을 측정하는 단계; 및
(2) 두개의 전극들 사이의 전류 또는 저항성분을 측정하는 단계를 포함하고, 여기서 두개의 전극들 중 적어도 하나는 동작 전극 또는 반대 전극이 아니다. 그러므로 전류 또는 저항은 제3 전극 또는 동작 또는 반대 전극중 하나의 조합 사이, 또는 제3 및 제4 전극 사이에서 측정될 수 있다. 이러한 조건에서 측정된 전류는 저전압에 응답하는 전류일 수 있고, 이는 비록 이것이 본질적으로 존재 또는 부가된 Na+ 및 Cl-와 같은 이온 전하 운반자를 구비하는 샘플을 요구하더라도, 분석대상물을 나타내는 산화환원 화학을 생성하기에 불충분한 것이다.
분석의 타이밍을 초기화하기 위한 샘플 검출은 또한 미국특허공보 US2003/0106809호에 묘사된 바와 같이 수동적으로 수행될 수 있고, 이는 여기에서 참조로서 편입된다.
본 발명의 일 실시예에서, 계측기가 사용자 또는 샘플 스트립의 검출에 의하여 턴 온된 후에 샘플이 도입되기를 기다리는 동안, 이는 반대 전극의 전압 Vc를 유지하는 동안 동작 전극의 전압 Vw를 펄스로 발생시킨다. 이러한 펄스된 전압은 Vw 상에 저역통과필터를 이용하여 거의 사인(sine)파로 편리하게 형성될 수 있다. 이러한 펄스의 주파수는 선택된 하드웨어에 의존하고, 적절하게 20 내지 50Hz의 범위에 있고, 예를 들면 33 또는 40Hz이다.
샘플이 도입될 때, 전극을 통하여 진행하는 전류는 각각의 펄스와 함께 스파이크 된다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서 샘플이 도입된 더욱 믿을만한 판별을 이루기 위하여, 복수의 연속적인 스파이크들이 샘플 적용의 표지로써 카운트되는 것이 요구된다. 예를 들면, 샘플 적용의 양의 표지가 연속적인 전압 펄스에 4번에 3번, 5번에 4번, 6번에 4번, 또는 8번에 6번 응답하는 전류 스파이크를 필요로 할 수 있다.
개시 시간의 계산은 트리거 시간에 앞선 가정된 샘플 적용 시간에 기초한다. 예를 들면, 4번에 3번 전류 스파이크가 요구되는 경우에, 샘플은 트리거 전의 3 전압 펄스에 도입된다고 가정된다. 그러므로 트리거는 t = (3/펄스 주파수)에서 발생한다. 8번에 6번 전류 스파이크가 요구되는 경우에, 샘플은 트리거 전 6 전압 펄스에 도입된다가 가정된다. 그러므로 트리거는 t=(6/펄스 주파수)에서 발생한다. tpeak의 값은 이러한 개시 시간에 대해 참조하여 판별된다.
Ⅳ. tmob의 판별
가공되지 않은 분석대상물 농도의 판별을 허용하기에 충분한 측정 이후에, 적용된 전위는 시간 tswitch에서 스위치 오프된다. 이러한 시점에서, 화학적 전위 기울기는 산화 및 환원된 매개체의 동일하지 않은 분포의 결과로서 전극들 사이에 존재한다. 이러한 화학적 전위 기울기는 전위가 스위치 오프된 이후의 시간에 걸쳐서 감소하고, 이러한 감소의 속도는 샘플 내의 매개체의 이동도에 의존한다.(여기 에서 참조로서 편입되는 공개된 미국특허출원 제10/924,510호 참조) 도 3은 시간(임의의 단위)의 함수로써 적용된 전위 Vapp 및 전극들에서 측정된 전위 Velect를 도시하고, 이는 가공되지 않은 분석대상물 농도를 판별하기 위하여 장치에서 이용되는 전류 측정 이후의 시간에서 개시된다. 가공되지 않은 분석대상물 농도의 측정으로 측정된 전류의 변환은 전위의 스위치 오프에 앞서서 수행될 필요가 없음을 인지하라.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전위에 있어서의 감소는 관측된 전위가 미리 지정된 값 Vmob로 감소될 때가지 모니터된다. 비록 47mV 또는 48mV같은 다소 더 작은 값들이 특정 실험적 구성에서 최적의 결과를 제공할 수 있음이 발견될 수 있다 하더라도, 50mV 근처로의 감소가 적용된 전압이 300mV 차수 상에 있는 경우에 일반적이다. 일반적으로, Vmob는 적절하게 0.025 내지 0.1V이다. 예를 들면, 250 내지 300mV의 Vapp에서의 포도당 판별에서, Vmob는 적절하게 25 내지 100mV의 범위에 있고, 바람직하게는 45 내지 50mV이다. 이러한 감소가 발생하는 시간이 tmeas 및 tmob가 다음 수학식 2에 의하여 주어짐으로써 도 3에 도시된다.
[수학식 2]
tmob = tmeas - tswitch
감소 속도의 측정을 판별하는 다른 방법이 또한 이용될 수 있다. 예를 들면, 전위 감소의 순간적인 기울기가 판별될 수 있고, 또는 미리 지정된 시간에 걸친 전압에 있어서의 감소가 이용될 수 있다. 계측기가 또한 특정 시간 윈도우를 선택하고, 특정 전압에 대한 시간인 tmob를 찾기 위하여 log(t) 또는 ln(t)에 대한 V 상 에서 선형 보간을 실행할 수 있다. 만일 Vmob가 선택된 윈도우 내에 귀결되지 않는다면, 이러한 선형 맞춤에 기반을 둔 투영이 이용될 수 있다. 특정한 방법은 중요하지 않고, 측정된 감소의 값이 정정 함수를 판별하는데 있어서 반영될 수 있다는 것이 제공된다.
Ⅴ. t'peak의 판별
tpeak의 기댓값이 tmob의 판별된 값의 함수로써 판별된다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면 다음 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
t'peak = a1 (tmob) + a2
이러한 경우에서 상수 a1 및 a2는 tpeak 및 tmob 사이의 기울기 k1 및 절편 k2와의 선형 관계를 가정함으로써 실험적으로 판별된다.
tpeak은 분석대상물의 함수이고 tmob는 아니기 때문에, 더욱 강력한 접근이 t'peak을 판별함에 있어서 판별된 분석대상물 농도를 반영한다. 그러므로 부가적인 항 및 상수가 분석대상물 농도 및 샘플 이동도의 범위에 걸쳐서 반응 교정을 이용하여 적절하게 판별될 수 있고, 이는 예를 들면 t'peak의 교정에 있어서 측정된 분석대상물 양을 나타내는 항 또는 인자에 대응되거나 이를 포함하는 것과 같은 헤마토크릿이다. 그러한 분석에 기초하여, 적절한 관계식이 다음 수학식 4 또는 수학식 5와 같은 형태를 가질 수 있다.
[수학식 4]
[수학식 5]
여기서 k1 내지 k4는 실험적으로 판별된 상수이고, CottrellSlope은 전류 곡선의 Cottrell 감소 영역에서 t에 대한 1/I2의 기울기의 제곱근이고, n 및 m은 실험적인 양 또는 음의 정수 또는 분수이고, 예를 들면 1/2, 1/3, 3/4, -1/2, -1/3, 또는 -1/4이다. 하나의 특정 조합에서, n은 1/2이고 m은 -1이다.
도 4a는 판별된 바와 같은 tpeak 및 t'peak이 본질적으로 동일한 정상 경로를 도시한다. 도 4b는 판별된 바와 같은 tpeak 및 t'peak이 다른 비정상적인 경로를 도시한다.
Ⅵ. 본 발명의 계측기
본 발명의 방법은 동작 및 반대 전극을 구비하는 어떠한 스트립과 함께 이용될 수 있고, 이는 오직 하나의 전극(동작 전극)이 개시 과정에서 그것 상에 시료를 갖는 조건이 있고, 이는 계측기 장치가 스트립을 수취하고 전압의 요구되는 적용 및 신호 처리를 제공하는 것을 제공받는 것을 제공한다. 그러한 계측기는 또한 본 발명의 한 측면을 형성한다. 그러므로 본 발명은 동작 및 반대 전극을 구비하는 전기화학적 테스트 스트립을 수취하고, 수취되었을 때 상기 테스트 스트립에 적용되는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 제공하기 위한 계측기를 제공하고, 상기 계측기는,
(a) 전기화학적 테스트 스트립을 수취하기 위한 슬롯을 구비하는 하우징;
(b) 사용자로부터 입력을 수신하고 사용자에게 결과를 통신하기 위한 통신 수단;
(c) 전위를 적용하고 관측된 전류로부터 분석대상물 농도를 판별하기 위한 수단;
(d) 시간 tpeak을 판별하는 수단으로서, 상기 시간은 충분한 물질이 상기 동작 전극에서 분석대상물의 소비를 조화시키기 위하여 상기 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환의 점에서 전류의 최대값에서 발생하는 시간 tpeak을 판별하는 수단;
(e) 시간 twitch에서 적용된 전류를 스위치 오프하고 시간 tmob를 판별하기 위한 수단으로서, 상기 tmob는 상기 적용된 전위가 스위치 오프 된 이후의 시간이고, 이는 상기 전극들 사이의 전위를 미리 지정된 값으로 감소시키는데 소요되는 시간 twitch에서 적용된 전류를 스위치 오프하고 시간 tmob를 판별하기 위한 수단; 및
(f) t'peak가 tmob의 함수인 경우에 tpeak, t'peak의 기댓값을 계산하고, 미리 지정된 문턱값에 대하여 tpeak - t' peak의 절대값을 비교하고, 만약 상기 tpeak - t'peak의 절대값이 문턱값보다 크다면 에러 메시지를 생성하기 위한 수단을 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시예의 구성요소들을 구조적으로 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이 전위 51은 회로 55에 의하여 생성되고 테스트 스트립 50에 적용된다. 이는 53에 전달되어 저장되는 전류 신호 52를 야기한다. 시간 tswitch에, 마이크 로프로세서 54는 회로 55가 전위 적용을 중지하고 테스트 스트립 내의 전위차 56을 측정하는 것을 개시하도록 야기하고, 직렬 전극 저항성분을 측정한다. tpeak은 전류 신호 52의 분석으로부터 판별된다. tmob는 전위 신호 56의 분석으로부터 판별되고 t'peak을 판별하기 위하여 이용된다. 만약 tpeak 및 t'peak 사이의 차이의 절대값이 저장 53으로부터 프로세서 54에 의하여 검색된 문턱값보다 크다면, 에러 메시지가 디스플레이 57로 전송된다. 만약 그렇지 않으면, 저장된 전류 데이터는 53으로부터 검색되고 결과는 판별되고 디스플레이 57로 전송된다.
도 6은 본 발명에 따른 계측기의 외부 모습을 도시한다. 계측기는 하우징 61, 및 디스플레이 62를 갖는다. 하우징 61은 슬롯 63을 갖고, 그곳으로 테스트 스트립이 이용을 위하여 삽입된다. 계측기는 또한 측정 사이클의 개시에 대한 신호를 보내기 위한 버튼 64를 구비할 수 있고, 또는 테스트 스트립의 삽입 또는 샘플의 적용을 감지하기 위한 내부 메커니즘을 가질 수 있다. 그러한 메커니즘은 본 기술분야에서 알려져 있고, 예를 들면 여기서 참조로써 편입되는 미국특허 제5,266,179호, 제5,320,732호, 제5,438,271호, 및 제6,616,819호로부터 알 수 있다. 본 발명의 계측기에서, 버튼, LCD 디스플레이와 같은 디스플레이, RF, 적외선 또는 다른 무선 송신기, USB와 같은 선 연결부, 병렬 또는 직렬연결들은 사용자로부터 입력을 수신하고 사용자에게 출력을 통신하는 수단을 구성하고, 개별적이고 다양한 조합으로 이용될 수 있다.
도 7은 테스트 스트립으로의 계측기의 연결이 도시된 내부도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 테스트 스트립 71은 전극이 계측기의 접촉 74, 75와의 전기적인 접촉에 위치되도록 하는 접촉 72, 73을 구비한다.
전위를 적용하고 측정된 전류로부터 분석대상물 농도를 판별하기 위한 수단, 시간 tpeak를 판별하기 위한 수단으로서, 상기 시간은 충분한 물질이 동작 전극에서 분석대상물의 소모를 조화시키기 위하여 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환의 점에서 전류의 최대값이 나타나는 시간 tpeak을 판별하는 수단, 시간 tswitch에서 적용된 전위를 스위치 오프하고, 시간 tmob를 판별하는 수단으로서, 상기 tmob는 상기 적용된 전위가 스위치 오프된 이후의 시간이고, 이는 상기 전극들 사이의 전위가 미리 지정된 값으로 감소하는데 걸리는 시간 tswitch에서 적용된 전위를 스위치 오프하고, 시간 tmob를 판별하는 수단, 및 t'peak가 tmob의 함수인 경우에 tpeak, t'peak의 기댓값을 계산하고, 미리 지정된 문턱값에 대하여 tpeak-t'peak의 절대값을 비교하고, 만약 tpeak-t'peak의 절대값이 상기 문턱값보다 크다면 에러 메시지를 생성하기 위한 수단은 회로를 포함하고, 이는 전류측정 및 전위측정 모드 사이에 바람직한 스위칭을 제공하고 묘사된 바와 같이 전류 및 전압을 모니터하기 위한 회로 및 플래시 메모리(flash memory), EEPROMS, 또는 배터리 구동 RAM과 같은 저장 콤포넌트와 상호작용하는 프로그램 된 마이크로프로세서와 연결된 회로 기판 상에 있는 것과 같은 것이다. 전류가 측정되는 동작의 전류측정 모드 및 전극들 사이의 전위차가 측정되는 동작의 전위측정 모드 사이에 스위칭에 적절한 장치가 2004년 5월 30일에 출원되고 공개된 미국가출원 제60/521,592호, 2005년 3월 25일에 출원된 미국가출원 제 60/594,285호, 및 2005년 4월 15일에 출원된 미국특허출원 제10/907,790호에서 묘사되고, 이는 여기서 참조로써 편입된다.
도 8은 도 5의 회로 55로서 유용한 회로의 전기적인 구조를 도시한다. 그러나 다른 구성요소들이 또한 이용될 수 있음이 인식될 것이고, 이는 전압을 적용하고 스위칭하는 것에 있어서 동일한 결과를 가져온다. 동작 전극 80은 스위치 82를 포함하는 연결부를 통하여 연산증폭기 81 및 연산증폭기 83에 연결된다. 반대 전극 84는 연산증폭기 85 및 86에 연결된다. 연산증폭기 83, 85, 및 86은 고 임피던스 입력 증폭기이다. 분석대상물을 판별하기 위하여 전류측정 모드에서 동작할 때, 전압 V2는 연산증폭기 81에 적용되고, 전압 V1은 연산증폭기 85에 적용되고, V2는 V1보다 크다. 전극들 사이의 전위차를 야기하는 것은 분석대상물의 양에 관련되는 전류의 생성을 야기하고, 이러한 전류는 출력 87에서 측정되고 분석대상물의 존재 또는 양의 표지로 변환된다. 스위치 82가 개방 회로를 생성하고 전위차의 적용을 중단하기 위하여 개방될 때, 전류 흐름이 끊기고, 증폭기 83의 출력이 동작 전극 80의 전위로 가정되는 동시에 증폭기 86의 출력이 반대 전극의 전위로 가정된다. 연산증폭기 83 및 연산증폭기 86으로부터의 출력 사이의 차이는 화학적 전위에 있어서의 감소를 나타내고, 부분적으로 채워짐의 표지를 생성하기 위하여 상술된 방법에 따라 프로세스 된다.
도 9는 오직 두 개의 연산증폭기 및 증가된 수의 스위치를 이용하는 이러한 회로의 양자택일적인 버전을 도시한다. 동작 전극 80은 입력 전압 V2를 수신하는 연산증폭기 81에 연결된다. 반대 전극 84는 두 개의 스위치 패스 중 하나를 통해서 높은 입력 임피던스 연산증폭기 90에 연결된다. 입력 전압 V1은 세 번째 스위치 패스를 통하여 회로에 연결된다. 스위치 91 및 93이 닫히고, 스위치 92가 열렸을 때, 회로는 전류측정 모드에서 기능하고, 95에 있는 출력은 전극에서 전류 흐름을 반영한다. 스위치 92가 닫히고 스위치 91 및 93이 열렸을 때, 회로는 전위측정 모드에서 동작하고 95에서의 출력은 반대 전극의 전위로 여겨진다(도 8의 증폭기 86과 유사하다). 그러므로 95에서의 출력은 전극들 사이의 전위차를 간접적으로 반영한다. 전극들 사이의 실제 전위차는 95에서의 출력 및 연산증폭기 81의 출력(동작 전극, 80) 사이의 차이이다.
Ⅵ. 측정 시스템
실제 사용에서, 상술된 계측기는 포도당과 같은 특정 분석대상물의 판별을 위한 전기화학적인 테스트 스트립과 결합된다. 측정 시스템이라 지칭되는 이러한 결합은 본 발명의 더 나아간 구성을 형성한다.
Claims (9)
- 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법에 있어서,(a) 동작 전극 및 반대 전극을 구비하는 전기화학적 테스트 스트립에 샘플을 도입하는 단계;(b) 상기 테스트 스트립의 상기 전극들 사이에 전위차 Vapp를 인가하고, 상기 샘플 내의 분석대상물의 판별을 제공하기에 충분한 전류 신호를 관측하는 단계;(c) 상기 동작 전극에서 분석대상물의 소모를 조화시키기에 충분한 물질이 상기 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환점에서 전류에 있어서 최대값에서 발생하는 시간 tpeak을 결정하는 단계;(d) 시간 tswitch에 상기 인가된 전위를 스위치 오프하는 단계;(e) 상기 인가된 전위가 스위치 오프된 이후에 상기 전극들 사이의 전위가 미리 지정된 값으로 감소하는데 걸리는 시간인 시간 tmob를 결정하는 단계;(f) tpeak의 기댓값인 t'peak을 계산하는 단계로서, 상기 t'peak은 tmob의 함수인 tpeak, t'peak의 기댓값을 계산하는 단계; 및(g) tpeak - t'peak의 절대값을 미리 결정된 문턱값에 대하여 비교하고, 만일 상기 tpeak - t'peak의 절대값이 상기 문턱값보다 크다면 상기 테스트를 제외시키는 단계를 포함하는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 t'peak은 다음 식,에 의하여 주어지고, 여기서 k1 내지 k4는 실험적으로 결정된 상수이고, 상기 CottrellSlope은 전류 곡선의 Cotterell 감소 영역에서 t에 대한 1/I2의 기울기의 제곱근이고, n 및 m은 실험적인 양의 또는 음의 정수 또는 분수인 것을 특징으로 하는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 n은 1/2이고 m은 -1인 것을 특징으로 하는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 위한 테스트를 수행하는 방법.
- 동작 전극 및 반대 전극을 구비하는 전기화학적 테스트 스트립을 수취하고, 수취되었을 때 상기 전기화학적 테스트 스트립에 적용되는 샘플 내의 분석대상물의 판별을 제공하는 계측기에 있어서, 상기 계측기는,(a) 전기화학적 테스트 스트립을 수취하기 위한 슬롯을 구비하는 하우징;(b) 사용자로부터 입력을 수신하고 사용자에게 결과를 통신하기 위한 통신수단;(c) 전위를 인가하고 관측된 전류로부터 분석대상물 농도를 결정하기 위한 수단;(d) 상기 동작 전극에서 분석대상물의 소모를 조화시키기에 충분한 물질이 상기 반대 전극에서 이용 가능할 때 변환점에서 전류에 있어서 최대값에서 발생하는 시간 tpeak를 판별하는 수단;(e) 시간 tswitch에서 상기 인가된 전위를 스위치 오프하고, 상기 인가된 전위가 스위치 오프된 이후에 상기 전극들 사이의 전위가 미리 결정된 값으로 감소하는데 걸리는 시간인 시간 tmob를 결정하기 위한 수단; 및(f) tpeak의 기댓값인 t'peak을 산출하고, 미리 결정된 문턱값에 대하여 tpeak-t'peak의 절대값을 비교하고, 만약 tpeak-t'peak의 절대값이 상기 문턱값보다 크다면 에러 메시지를 생성하기 위한 수단을 포함하고, 상기 t'peak은 tmob의 함수인, 계측기.
- 제4항에 있어서, 상기 t'peak은 제2항 또는 제3항의 방법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 계측기.
- 제4항에 따른 계측기 및 상기 하우징 내에 수취된 전기화학적 테스트 스트립을 포함하는 측정 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 전기화학적 테스트 스트립은 포도당(glucose)의 측정을 위한 것임을 특징으로 하는 측정 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 t'peak은 제2항 또는 제3항의 방법에 따라 결정되는, 측정 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 전기화학적 테스트 스트립은 포도당의 측정을 위한 것인, 측정 시스템.
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