識(shí)別樣本中的電離物質(zhì)的方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 分案申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年7月10日、發(fā)明名稱為"具有電流分析法及伏安分析法 的工作循環(huán)的系統(tǒng)及方法"的申請(qǐng)?zhí)枮?01310741285. X的專利申請(qǐng)（下文稱"子案"）的 分案申請(qǐng)。
[0003] 本申請(qǐng)是在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局認(rèn)為上述子案不符合單一性要求的情況下提出的， 具體涉及所述子案的第一次審查意見(jiàn)通知書，其發(fā)文日為2015年5月25日、發(fā)文序號(hào)為 2015052001415990ο
[0004] 此外，上述子案是第200980126926. 2號(hào)專利申請(qǐng)（下文稱"母案"）的分案申請(qǐng)， 該母案的申請(qǐng)日是2009年7月10日，發(fā)明名稱是"具有電流分析法及伏安分析法的工作循 環(huán)的系統(tǒng)及方法"。
[0005] 相關(guān)申請(qǐng)的參考
[0006] 本申請(qǐng)要求2008年7月10日提交的、發(fā)明名稱為"具有電流分析法及伏安分析法 的工作循環(huán)的系統(tǒng)及方法"的第61/079, 616號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，在此將其全部 內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0007] 本發(fā)明涉及生物傳感器領(lǐng)域中識(shí)別樣本中的電離物質(zhì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0008] 生物傳感器系統(tǒng)提供對(duì)生物液體（比如全血、血清、血漿、尿液、唾液、細(xì)胞間隙液 或者細(xì)胞內(nèi)液）的分析。通常，生物傳感器系統(tǒng)具有對(duì)與感應(yīng)條相接觸的樣本進(jìn)行分析的 測(cè)量裝置。該樣本通常是液態(tài)形式，并且可以是生物液體，也可以是生物液體的衍生物，比 如提取液、稀釋液、濾出液或復(fù)原沉淀物。系統(tǒng)執(zhí)行的分析可確定生物液體中的一種或多 種分析物（比如醇、葡萄糖、尿酸、乳酸、膽固醇、膽紅素、自由脂肪酸、甘油三酸酯、蛋白質(zhì)、 酮、苯丙氨酸或者酶）的存在和/或濃度。該分析可能有助于對(duì)生理異常情況的診斷和治 療。例如，糖尿病患者可以用生物傳感器系統(tǒng)確定其全血的葡萄糖水平，以便調(diào)整飲食和/ 或藥物治療。
[0009] 生物傳感器系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為對(duì)同一樣本中的一種或多種分析物或不同樣本中的 一種或多種分析物進(jìn)行分析，并且可以使用不同容量的樣本。某些系統(tǒng)可以對(duì)一滴（如 0.25-15微升（yL))全血進(jìn)行分析。生物傳感器系統(tǒng)可采用臺(tái)式、便攜式以及類似的測(cè)量 裝置。便攜式測(cè)量裝置可以是手持式的，且允許對(duì)樣本中的一種或多種分析物進(jìn)行識(shí)別和 /或確定其含量。便攜式測(cè)量裝置的例子有位于紐約塔里敦（Tarrytown, New York)的拜爾 健康護(hù)理糖尿病保健公司（Bayer Healthcare Diabetes Care)的產(chǎn)品：Breeze II?儀器 和Contour?儀器，而臺(tái)式測(cè)量裝置的例子有可以從德克薩斯州奧斯?。ˋustin，Texas)的 CH儀器公司（CH Instruments)購(gòu)得的電化學(xué)工作站。該生物傳感器系統(tǒng)用更短的分析時(shí) 間提供所期望的準(zhǔn)確度和/或精確度，從而為用戶帶來(lái)切實(shí)的利益。
[0010] 在電化學(xué)生物傳感器系統(tǒng)中，分析物的濃度是根據(jù)一種可測(cè)量物質(zhì)的氧化/還原 反應(yīng)或者氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)確定的。這種可測(cè)量物質(zhì)可以是電離的分析物，或者 是一種當(dāng)輸入信號(hào)施加到樣本上時(shí)對(duì)該分析物敏感的電離物質(zhì)。該輸入信號(hào)能夠以單脈 沖、多脈沖、序列或者循環(huán)形式施加。氧化還原酶（比如酶或類似物）可以加入樣本中以促 進(jìn)氧化還原反應(yīng)中第一種物質(zhì)到第二種物質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移。上述酶或類似物可以與某種分析 物起反應(yīng)，從而使產(chǎn)生的一部分輸出信號(hào)具有一定特征。下面的表1給出了一些具體的氧 化還原酶及相應(yīng)分析物的例子。
[0014] 可利用介體來(lái)保持酶的氧化狀態(tài)。在保持酶的氧化狀態(tài)時(shí)，介體被電離并可用作 對(duì)分析物敏感的可測(cè)量物。下面的表1I提供了與特定分析物一起使用的一些酶和介體的 常見(jiàn)組合。
[0015] 表1I
[0016]
[0017] 所述介體可以是單電子轉(zhuǎn)移介體或者多電子轉(zhuǎn)移介體。單電子轉(zhuǎn)移介體是在電化 學(xué)反應(yīng)時(shí)能夠攜帶一個(gè)額外電子的化學(xué)部分（chemical moieties)。單電子轉(zhuǎn)移介體例如 包括如下化合物：1，Γ -二甲基二茂鐵、亞鐵氰化物和鐵氰化物、六氨合釕（III)和六氨合 釕（II)。多電子轉(zhuǎn)移介體是在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)能夠攜帶多個(gè)電子的化學(xué)部分。多電子轉(zhuǎn)移介 體包括：雙電子轉(zhuǎn)移介體，如有機(jī)醌和氫醌，包括鄰菲咯啉醌；吩噻嗪衍生物和吩噁嗪衍生 物；3-(苯基氨基）-3H-吩噁嗪；吩噻嗪；以及7-羥基-9, 9-二甲基-9H-吖啶-2-酮及其衍 生物。雙電子轉(zhuǎn)移介體還包括如美國(guó)專利第5, 393, 615號(hào)、第5, 498, 542號(hào)和第5, 520, 786 號(hào)中所述的電活性有機(jī)分子。
[0018] 雙電子轉(zhuǎn)移介體包括3-苯基亞氨基-3H-吩噻嗪（PIPT)和3-苯基亞氨基-3H-吩 噁嗪（ΡΙΡ0)。雙電子介體還包括吩噻嗪衍生物的羧酸或鹽（如銨鹽）。雙電子介體還包括 (E) -2- (3H-吩噻嗪-3-亞基氨基）苯-1，4-二磺酸（結(jié)構(gòu)I)、（E) -5- (3H-吩噻嗪-3-亞 基氨基）異酞酸（結(jié)構(gòu)II)、（E)-3-(3H-吩噻嗪-3-亞基氨基）-5-羧基苯甲酸銨（結(jié)構(gòu) III)及其組合。這些介體的結(jié)構(gòu)式如下所示。雖然這里只顯示結(jié)構(gòu)I介體的二酸結(jié)構(gòu)，然 而也隱含該酸的單堿金屬鹽或雙堿金屬鹽。對(duì)于結(jié)構(gòu)I介體，也可使用該酸的鈉鹽。也可 采用結(jié)構(gòu)II介體的堿金屬鹽。
[0019]
[0020] 雙電子介體具有比鐵氰化物低至少lOOmV的氧化還原電位，更優(yōu)選的是比鐵氰化 物低至少150mV的氧化還原電位。也可以使用其它雙電子介體。
[0021] 電化學(xué)生物傳感器系統(tǒng)通常包括具有與感應(yīng)條中的電導(dǎo)體相連接的電接觸部的 測(cè)量裝置。該感應(yīng)條可適于相對(duì)于活生物體外置、接觸、內(nèi)置或者部分內(nèi)置地使用。當(dāng)外置 于活生物體時(shí)，生物液體的樣本可導(dǎo)入感應(yīng)條的樣本室中。可以在將用于分析的樣本導(dǎo)入 之前、之后或者導(dǎo)入過(guò)程中將感應(yīng)條置于測(cè)量裝置中。當(dāng)與活生物體接觸時(shí)，感應(yīng)條可以貼 到表皮上，從而在所述表皮處建立了生物體與感應(yīng)條之間的液體通信。當(dāng)內(nèi)置或部分內(nèi)置 于活生物體時(shí)，感應(yīng)條可能要頻繁地浸入液體，或者要把液體間歇性地導(dǎo)入感應(yīng)條作分析。 感應(yīng)條可以包括儲(chǔ)液室，該儲(chǔ)液室部分地隔離一定量的液體或與該液體相連通。當(dāng)與活生 物體接觸或部分內(nèi)置于活生物體時(shí)，測(cè)量裝置可采用有線或者無(wú)線方式（比如射頻、基于 光（light-based)的通訊方式、磁或其它通訊方式）與感應(yīng)條通信。
[0022] 感應(yīng)條的電導(dǎo)體部分可以用導(dǎo)電材料制成，例如固體金屬、金屬漿料、導(dǎo)電碳材、 導(dǎo)電碳膏、導(dǎo)電聚合物以及類似材料。所述電導(dǎo)體通常與伸入樣本室中的工作電極、反電 極、參考電極和/或其它電極相接。也可以將一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體伸入樣本室中，以實(shí)現(xiàn)電極 不具有的功能。
[0023] 測(cè)量裝置向感應(yīng)條的電導(dǎo)體施加輸入信號(hào)。電導(dǎo)體將輸入信號(hào)通過(guò)電極傳送到樣 本中。響應(yīng)于輸入信號(hào)，可測(cè)量物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電輸出信號(hào)。感應(yīng)條的電輸出信 號(hào)可以是電流（如用電流分析法（amperometry)或伏安分析法（voltammetry)產(chǎn)生）、電 位（如用電位測(cè)定法（potentiometry)或電流測(cè)定法（galvanometry)產(chǎn)生）或者累加電 荷（如用電量分析法（coulometry)產(chǎn)生）。測(cè)量裝置可具有處理裝置以測(cè)量輸出信號(hào)，并 使該輸出信號(hào)與生物液體中的一種或多種分析物的存在和/或濃度相關(guān)聯(lián)。所述處理裝置 可以與所述測(cè)量裝置通信，但二者相互分開(kāi)。通信可以用有線或無(wú)線的方式（例如，射頻、 基于光（light-based)的通訊方式、磁或其它通訊方式）建立。
[0024] 在電量分析法中，通過(guò)徹底氧化少量分析物并對(duì)電流在氧化期間做積分運(yùn)算以產(chǎn) 生表示分析物濃度的電荷，從而確定分析物的濃度。因此，電量分析法捕獲了感應(yīng)條內(nèi)分析 物的總量。電量分析法的一個(gè)重要方面是：在電荷-時(shí)間的積分曲線的終端處，電荷隨時(shí)間 的變化率基本為常數(shù)從而形成穩(wěn)定狀態(tài)。電量分析法中的該穩(wěn)定狀態(tài)部分形成了比較平直 的電流區(qū)域，從而可以確定相應(yīng)的電流。然而，除非從不穩(wěn)定狀態(tài)輸出估計(jì)出真正的穩(wěn)定狀 態(tài)電流，否則電量分析法需要將所有分析物徹底轉(zhuǎn)化以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果，該方法可能浪 費(fèi)時(shí)間或者因估計(jì)而有失精確。感應(yīng)條的樣本量也必須受到控制以便提供精確結(jié)果，而此 點(diǎn)對(duì)于用批量生產(chǎn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)存在難度。
[0025] 另一種用于確定生物液體中分析物含量的電化學(xué)方法是電流分析法。在電流分析 法中，在感應(yīng)條的工作電極和反電極之間施加基本恒定的電位時(shí)，在基本恒定電位（電壓） 下測(cè)量電流，并將測(cè)得電流表示為時(shí)間的函數(shù)。測(cè)量的輸出電流用于確定樣本中分析物的 含量。電流分析法測(cè)量電化學(xué)活性物質(zhì)（如分析物或介體）在工作電極附近發(fā)生氧化或 還原的速率。用于生物傳感器電流分析法的很多變型已記載在例如美國(guó)專利第5, 620, 579 號(hào)、5, 653, 863 號(hào)、6, 153, 069 號(hào)和 6, 413, 411 號(hào)中。
[0026] 伏安分析法是可用來(lái)確定生物液體中的分析物含量的另一種電化學(xué)方法。伏安分 析法與電流分析法的區(qū)別在于施加于感應(yīng)條的工作電極和反電極之間的輸入信號(hào)的電位 隨時(shí)間不斷變化。測(cè)得電流為隨輸入信號(hào)的電位和/或時(shí)間變化的函數(shù)。更多關(guān)于伏安分 析法的信息可以參閱1980年出版，由A. J. Bard和L. R. Faulkner編著的"Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications'，。
[0027] 將輸入信號(hào)施加于感應(yīng)條的各種方法（常見(jiàn)的如脈沖法、序列法或循環(huán)法）用 于處理測(cè)得的分析物濃度的誤差。例如，美國(guó)專利US 4, 897, 162中，輸入信號(hào)包括連 續(xù)施加上升和下降電壓從而合成三角波。此外，W0 2004/053476號(hào)，美國(guó)專利文獻(xiàn)第 2003/0178322號(hào)和第2003/0113933號(hào)描述包含連續(xù)施加的且變換極性的上升和下降電壓 的輸入信號(hào)。
[0028] 采用方程式表示電荷衰減，該方程式描述與時(shí)間線性相關(guān)（例如用自然對(duì)數(shù)（In) 表示）的電流，可以將電化學(xué)電荷衰減與樣本中的分析物濃度相關(guān)聯(lián)。因此，輸出電流可以 表示為具有指數(shù)的時(shí)間函數(shù)，其中負(fù)指數(shù)表示電荷衰減過(guò)程。輸出電流經(jīng)過(guò)最初的降低后， 降低速率會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，從而進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)或者繼續(xù)波動(dòng)。
[0029] 生物傳感器系統(tǒng)的測(cè)量性能是用術(shù)語(yǔ)"準(zhǔn)確度"和/或"精確度"定義的。在準(zhǔn) 確度和/或精確度方面的提高會(huì)帶來(lái)生物傳感器系統(tǒng)測(cè)量性能的提高。準(zhǔn)確度可以用傳 感器的分析物讀數(shù)與參考值相比較的偏差（偏差越大表示準(zhǔn)確度越低）來(lái)表示，而精確度 可以用多個(gè)分析物讀數(shù)相對(duì)于平均值的變化范圍或方差來(lái)表示。偏差是由生物傳感器測(cè) 定的值與已確認(rèn)的參考值之間的差值，可以采用"絕對(duì)偏差"或"相對(duì)偏差"。絕對(duì)偏差可 以用度量單位來(lái)表示，例如毫克/分升（mg/dL)，而相對(duì)偏差可以用絕對(duì)偏差值除以參考值 的百分比來(lái)表示。參考值可以用參考儀器（比如可以從位于俄亥俄州黃色溫泉（Yellow Springs, Ohio)的美國(guó)金泉儀器公司（YSI Inc.)購(gòu)得的YSI 2300STAT PLUS?)得到。
[0030] 許多生物傳感器系統(tǒng)包含一種或多種方法來(lái)糾正誤差，從而糾正與分析有關(guān)的偏 差。從具有誤差的分析得出的濃度值可能不準(zhǔn)確。校正這些不準(zhǔn)確的分析的能力可以提 高所獲得的濃度值的準(zhǔn)確度和/或精確度。誤差校正系統(tǒng)可以彌補(bǔ)一個(gè)或多個(gè)誤差，比如 當(dāng)可測(cè)量物質(zhì)的濃度與分析物的濃度不關(guān)聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的差錯(cuò)。例如，響應(yīng)于分析物的氧化而 生成還原介體，當(dāng)生物傳感器系統(tǒng)確定該還原介體的濃度時(shí)，由于存在介體背景，那些不是 由分析物的氧化而生成的還原介體會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)指示樣本中存在比正確值更多的分析物。因 此，該"介體背景"是由于并非響應(yīng)于基本分析物濃度的可測(cè)量物質(zhì)所引入到被測(cè)分析物濃 度中的偏差。
[0031] 當(dāng)輸出信號(hào)與樣本中可測(cè)量物質(zhì)的濃度不關(guān)聯(lián)時(shí)，測(cè)量的不準(zhǔn)確度也會(huì)上升。例 如，當(dāng)生物傳感器系統(tǒng)根據(jù)輸出信號(hào)確定可測(cè)量物質(zhì)的濃度時(shí)，由于存在干擾電流，那些并 非由可測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生的輸出電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)指示樣本中存在比正確值更多的分析物。因 此，"干擾偏差"是產(chǎn)生并非響應(yīng)于基本分析物濃度的輸出電流的干擾物所引入被測(cè)分析物 濃度中的偏差。
[0032] 由以上描述可知，對(duì)于具有改進(jìn)測(cè)量性能的電化學(xué)傳感器系統(tǒng)，特別是那些可以 對(duì)生物的分析物濃度提供越來(lái)越準(zhǔn)確和/或精確測(cè)定的電化學(xué)傳感器系統(tǒng)始終存在需求。 本發(fā)明的系統(tǒng)、設(shè)備及方法克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的至少一種缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0033] -種識(shí)別樣本中的電離物質(zhì)的方法，其包括：向所述樣本施加包括非循環(huán)掃描的 輸入信號(hào)，所述非循環(huán)掃描包括正向激勵(lì)和反向激勵(lì)；測(cè)量輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括響 應(yīng)于所述非循環(huán)掃描的輸出電流；以及根據(jù)響應(yīng)于所述非循環(huán)掃描的正向激勵(lì)的輸出電 流，識(shí)別所述電離物質(zhì)。
[0034] 基于以下附圖和詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征及優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員而言將會(huì)是顯而易見(jiàn)的。即，上述其它系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu)點(diǎn)均屬于本說(shuō)明書的內(nèi) 容，都落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并被后附的權(quán)利要求保護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 參考下面的附圖和說(shuō)明書可以更好地理解本發(fā)明。圖中各部件無(wú)需標(biāo)注尺寸，其 重點(diǎn)在于闡明本發(fā)明的原理。
[0036] 圖1表示一種用于確定樣本中分析物的存在和/或濃度的電化學(xué)分析方法，其中 根據(jù)伏安掃描的輸出電流調(diào)整輸入信號(hào)。
[0037] 圖2表不輸入信號(hào)的施加流程。
[0038] 圖3A-3D表不門控電流分析法的輸入信號(hào)，其中在導(dǎo)入樣本后對(duì)感應(yīng)條施加多個(gè) 工作循環(huán)。
[0039] 圖4A-4D表不門控伏安分析法的輸入信號(hào)，其中電位隨時(shí)間變化。
[0040] 圖4E表示循環(huán)掃描與非循環(huán)掃描的比較。
[0041] 圖4F表不具有不同起始電位、反向電位和結(jié)束電位的其它非循環(huán)掃描。
[0042] 圖5A表不傳感器系統(tǒng)的循環(huán)掃描。
[0043] 圖5B表示將循環(huán)掃描與非循環(huán)掃描作比較，其中非循環(huán)掃描的正向激勵(lì)是在氧 化還原電對(duì)的表觀電位E° '附近開(kāi)始的。
[0044] 圖5C表示非循環(huán)掃描，其中反向掃描在反向電流波峰之前終止。
[0045] 圖表示在擴(kuò)散限制電流（DLC)區(qū)域疊加非循環(huán)掃描的循環(huán)掃描。
[0046] 圖5E表不圖4F中的ACV-3和ACV-4非循環(huán)掃描的非循環(huán)掃描輸出電流。
[0047] 圖5F表不循環(huán)掃描與非循環(huán)掃描的輸出電流的對(duì)比。
[0048] 圖6A表不與圖5A中循環(huán)伏安圖對(duì)應(yīng)的半積分圖。
[0049] 圖6B表示與圖5C的非循環(huán)掃描對(duì)應(yīng)的輸出電流數(shù)據(jù)的半積分圖。
[0050] 圖6C表不圖5B中循環(huán)掃描和非循環(huán)掃描的半積分。
[0051] 圖6D表不對(duì)圖f5D中非循環(huán)掃描的半積分和記錄的電流值。
[0052] 圖7A-7C表不包括電流分析法和伏安分析法的工作循環(huán)的輸入信號(hào)。
[0053] 圖8A表示具有總計(jì)五個(gè)工作循環(huán)的輸入信號(hào)，其中第一脈沖是臺(tái)階式電流分析 法激勵(lì)，后四個(gè)脈沖中的每一個(gè)都是由電流分析法激勵(lì)與伏安掃描合成的多激勵(lì)脈沖。
[0054] 圖8B表示具有總計(jì)八個(gè)工作循環(huán)的輸入信號(hào)，其中第一脈沖和第二脈沖是電流 分析法激勵(lì)，后六個(gè)脈沖中的每一個(gè)都是由伏安掃描與電流分析法激勵(lì)合成的多激勵(lì)脈 沖。
[0055] 圖9A表不具有總計(jì)八個(gè)工作循環(huán)的輸入信號(hào)。
[0056] 圖9B表不輸出電流與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，所述輸出電流是在測(cè)量裝置將圖9A的輸 入信號(hào)施加到感應(yīng)條時(shí)得到的。所述感應(yīng)條含有血漿、作為分析物的約55mg/dL的葡萄糖、 以及作為干擾物的濃度為〇或大約4mg/dL或大約12mg/dL的尿酸。
[0057] 圖9C和圖9D表示線性掃描和非循環(huán)掃描的輸出電流與電位的關(guān)系圖。
[0058] 圖9E中重復(fù)圖9B的分析，其中血漿樣本包括約110mg/dL的葡萄糖、血漿中固有