RU2596793C2 - Определение электрической емкости при электрохимическом анализе с улучшенным откликом - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к обнаружению аналитов в биологических жидкостях. Способ определения электрической емкости электрохимической биосенсорной испытательной камеры тест-полоски содержит этапы, на которых: пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру; к электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры; измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры с подтверждением первого временного интервала выборки для измерения выходного сигнала на основании предварительно заданной скорости выборки на цикл выходного сигнала с предварительно заданной частотой и получением выборки выходного сигнала от камеры со вторым временным интервалом выборки, отличным от первого временного интервала выборки, так что амплитуда каждого выбранного выходного сигнала измеряется по истечении каждого второго временного интервала выборки вместо первого временного интервала; преобразуют измеренную амплитуду в комплексный импеданс электрохимической испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления между испытательной камерой и разъемами; и определяют электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе комплексного импеданса и предварительно заданной частоты электрохимической испытательной камеры с оценкой выходного сигнала для определения продолжительности временного интервала между каждым пошаговым изменением выходного сигнала и установкой первого временного интервала выборки, который по существу равен продолжительности по времени. Также представлены способ и система для оценки состояния электрохимической тест-полоски. Достигается повышение точности и эффективности анализа. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Description

Приоритеты

Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета по § 120 раздела 35 Свода законов США как частичное продолжение ранее поданной заявки № 13/034281 от 24 февраля 2011 г. (досье патентного поверенного № DDI-5196) и международной заявки на патент PCT/GB2011/000267 от 25 февраля 2011 г. (досье патентного поверенного № P056478WO), обе из которых испрашивают приоритет предварительной заявки на патент США № 61/308167, поданной 25 февраля 2010 г. (досье патентного поверенного № DDI-5196), причем все эти заявки полностью включены в настоящий документ путем ссылки.

Предпосылки создания изобретения

Обнаружение аналитов в физиологических жидкостях, например крови или продуктах крови, приобретает все большее значение в современном обществе. Анализы на обнаружение аналитов используются в самых разнообразных целях, в том числе при клинических лабораторных исследованиях, анализе физиологических жидкостей в домашних условиях и т. п., когда результаты такого исследования играют значимую роль в диагностике и лечении различных заболеваний. К примерам таких аналитов относятся глюкоза при лечении диабета, холестерин и т. п. В ответ на растущую значимость определения аналитов разработаны различные протоколы обнаружения аналитов, а также приборы для применения как в клинических, так и в домашних условиях.

Одним из типов способов, применяющихся для обнаружения аналитов, является электрохимический способ. Для анализа жидкостей такими способами пробу помещают в испытательную камеру для приема пробы в электрохимической камере, которая включает в себя два электрода, например рабочий электрод и противоэлектрод. Раствор, содержащий аналит, оставляют для взаимодействия с окислительно-восстановительным реагентом для образования окисляемого (или восстанавливаемого) вещества в количестве, соответствующем концентрации аналита. Затем количество окисляемого (или восстанавливаемого) вещества определяют электрохимическим способом и соотносят с концентрацией аналита в исходной пробе.

Такие системы подвержены неэффективности и/или погрешностям разного рода. Например, на результаты анализа таким способом могут влиять колебания температуры. Это имеет особое значение, когда исследование проводится в неконтролируемых условиях, например при применении в домашних условиях или в развивающихся странах. Причиной погрешности может также стать недостаточный объем пробы для точного результата. Причиной неточного результата может стать неполное смачивание тест-полосок, так как результат измерения тока пропорционален площади рабочего электрода, смоченной пробой. Таким образом, неполное смачивание тест-полосок может в некоторых условиях привести к занижению результата измерения концентрации глюкозы.

Для решения некоторых из перечисленных проблем разработчики биосенсоров перешли к использованию электрической емкости испытательной камеры для определения достаточности заполнения такой испытательной камеры. Примеры показаны и описаны в патентах США №№ 6856125, 6872298, 7195704 и 7199594, все из которых включены в настоящую заявку путем ссылки.

Краткое описание изобретения

Заявители полагают, что, если не учитывать эффекты параллельного сопротивления полоски при проверке достаточности смачивания биосенсорных тест-полосок, результат измерения электрической емкости тест-полоски может оказаться завышенным, особенно при более низком параллельном сопротивлении. В приведенных примерах осуществления изобретения заявителя этот эффект учитывается, однако в то же время становится очевидной необходимость определения сопротивления биосенсорной электрохимической испытательной камеры.

В одном аспекте предлагается способ определения электрической емкости биосенсорной элекрохимической испытательной камеры тест-полоски. Тест-полоска имеет два электрода, расположенных в электрохимической испытательной камере и соединенных с микроконтроллером посредством соответствующих разъемов на полоске. Способ может быть реализован путем следующих этапов, на которых: пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру; к электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры; измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры; преобразуют измеренную амплитуду в сложный импеданс электрохимической испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления между испытательной камерой и разъемами; и определяют электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе сложного импеданса и предварительно заданной частоты электрохимической испытательной камеры. В одном варианте данного аспекта подтверждение также может включать в себя установление сопротивления испытательной камеры по общему импедансу и сопротивлению между испытательной камерой и одним из разъемов. В другом варианте установление может включать в себя получение сложного импеданса по такому подтверждению и установлению, и такое получение может включать в себя расчет нового фазового угла без сопротивления между испытательной камерой и разъемами. В еще одном варианте расчет может включать в себя преобразование нового фазового угла в реактивное емкостное сопротивление, и отношение электрической емкости испытательной камеры к реактивному емкостному сопротивлению равно произведению отношения длины любой окружности к ее диаметру и предварительно заданной частоты. В другом варианте измерение может включать в себя этапы, на которых подтверждают первый временной интервал выборки для измерения выходного сигнала на основании предварительно заданной скорости выборки на цикл выходного сигнала с предварительно заданной частотой и выбирают выходной сигнал от камеры со вторым временным интервалом выборки, отличным от первого временного интервала выборки таким образом, что амплитуда каждого выбранного выходного сигнала измеряется по истечении каждого второго временного интервала выборки вместо первого временного интервала выборки, и второй временной интервал выборки может быть основан на предварительно заданном времени смещения относительно первого временного интервала выборки. В дополнительном варианте первый временной интервал выборки может включать в себя время между каждым пошаговым изменением амплитуды выходного сигнала. В другом варианте время смещения может представлять собой процент от первого временного интервала выборки, причем такой процент может находиться в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 30% первого временного интервала выборки. В другом варианте подтверждение может включать в себя определение продолжительности одной волны сигнала с предварительно заданной частотой; разделение продолжительности на число измеряемых проб для каждой длины волны с целью получения продолжительности по времени; и установку первого временного интервала выборки, который по существу равен продолжительности по времени. В альтернативном варианте осуществления этап подтверждения может включать в себя оценку выходного сигнала для определения продолжительности временного интервала между каждым пошаговым изменением выходного сигнала; и установку первого временного интервала выборки по существу равным этой продолжительности временного интервала, а время смещения может включать процент от первого временного интервала выборки, и этот процент может находиться в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 30% от первого временного интервала выборки.

В еще одном аспекте предлагается способ оценки состояния электрохимической тест-полоски. Тест-полоска имеет по меньшей мере два электрода, расположенных в испытательной камере и соединенных с соответствующими разъемами. Способ может быть реализован путем следующих этапов, на которых: пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру; к пробе текучей среды в электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты; измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры; устанавливают сопротивление испытательной камеры по общему импедансу и предварительно заданному сопротивлению между испытательной камерой и одним из разъемов; количественно выражают электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе сопротивления испытательной камеры и импеданса испытательной камеры; объявляют об ошибке при по меньшей мере одном из следующих условий: (a) измеренное значение сопротивления испытательной камеры выходит за пределы диапазона сопротивлений или (b) количественное значение электрической емкости электрохимической испытательной камеры выходит за пределы диапазона электрических емкостей. В этом аспекте диапазон сопротивлений может составлять от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом; диапазон электрических емкостей может составлять от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 450 нанофарад. В одном варианте диапазон электрических емкостей может составлять от приблизительно 590 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад. В этом аспекте предварительно заданное сопротивление может иметь значение, выбранное из диапазона от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом. В альтернативном варианте осуществления предварительно заданное сопротивление может быть выбрано из диапазона значений, включающего в себя приблизительно 0 Ом, приблизительно 50 Ом, приблизительно 100 Ом, приблизительно 150 Ом, приблизительно 200 Ом; диапазон сопротивлений содержит от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом, а диапазон электрических емкостей содержит от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад. Также в этом аспекте этап установления может включать в себя этапы, на которых подтверждают общий импеданс испытательной камеры по фазовому углу; достигают сопротивления испытательной камеры с предварительно заданным сопротивлением. В этом аспекте количественное выражение может включать в себя получение сложного импеданса на основе этапов подтверждения и достижения. Кроме этого, этап получения может включать в себя расчет нового фазового угла без использования предварительно заданного сопротивления. Расчет может включать в себя преобразование нового фазового угла в реактивное емкостное сопротивление. А отношение электрического сопротивления испытательной камеры к реактивному емкостному сопротивлению равно произведению отношения длины окружности к ее диаметру и предварительно заданной частоты. В этом аспекте диапазон предварительно заданного сопротивления может включать в себя диапазон от приблизительно 0 Ом до приблизительно 120000 Ом, а диапазон предварительно заданных электрических емкостей содержит диапазон от приблизительно 500 нанофарад до приблизительно 650 нанофарад.

В дополнительном аспекте предлагается система для оценки состояния электрохимической тест-полоски. Система включает в себя тест-полоску и микроконтроллер. Тест-полоска включает в себя по меньшей мере два электрода, соответствующие концы которых располагаются в испытательной камере; и по меньшей мере два разъема, соединенных с соответствующими по меньшей мере двумя электродами таким образом, что электрическое сопротивление полоски по своей природе устанавливается (т. е. определяется на основании допущений или по усреднению множества измерений каждой из множества полосок с пробой) между по меньшей мере одним из разъемов и электродами. Микроконтроллер присоединен к разъему порта для полоски, имеющему по меньшей мере два вывода, соединяющихся с соответствующими разъемами тест-полоски, причем микроконтроллер выполнен с возможностью подачи осциллирующего сигнала на камеру через по меньшей мере два электрода, измерения емкостных и резистивных откликов испытательной камеры на основе отклика фазового угла испытательной камеры и электрического сопротивления полоски и пометки тест-полоски в качестве бракованной, если емкостные и резистивные отклики выходят за пределы диапазона электрической емкости испытательной камеры относительно диапазона сопротивления испытательной камеры. В варианте данного аспекта диапазон сопротивлений может составлять от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом; диапазон электрических емкостей может представлять собой диапазон от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 450 нанофарад. В альтернативном варианте осуществления диапазон электрических емкостей может представлять собой диапазон от приблизительно 590 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад. В этом аспекте предварительно заданное сопротивление представляет собой значение, выбранное из диапазона от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом. В альтернативном варианте осуществления предварительно заданное сопротивление выбирают из любого значения от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом, причем диапазон сопротивлений содержит от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом, и диапазон электрических емкостей содержит от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад.

Эти и другие варианты осуществления, их отличительные особенности и преимущества станут очевидными для специалистов в данной области после изучения приведенного ниже более подробного описания различных примеров осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопутствующими фигурами, которые кратко описаны в начале заявки.

Краткое описание фигур

Сопутствующие фигуры, включенные в настоящую заявку и составляющие ее неотъемлемую часть, иллюстрируют считающиеся на сегодня предпочтительными варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с приведенным выше общим описанием и приводимым ниже подробным описанием призваны разъяснить отличительные особенности раскрываемого изобретения (сходными номерами указаны сходные элементы).

На фигуре 1 показан пример системы для измерения аналита, включающей испытательный измерительный прибор и тест-полоску.

На фигуре 2 показан упрощенный схематический вид примера печатной платы измерительного прибора, представленного на фигуре 1.

На фигуре 3A показан вид в перспективе с пространственным разделением компонентов тест-полоски, представленной на фигуре 1.

На фигуре 3В показана схематическая электрическая модель испытательной камеры 61 и векторная диаграмма модели сопротивление-емкость.

На фигуре 4 показана упрощенная схема компонентов для определения электрической емкости смоченной тест-полоски.

На фигуре 5А показано приложение напряжения к тест-полоске с течением времени.

На фигуре 5В показана амплитуда отклика выходного значения тока тест-полоски во времени.

На фигуре 6А показана выборка выходного значения тока, отмеченного в области 602.

На фигуре 6В показано выходное значение переменного тока после удаления компонента постоянного тока из данных выборки, представленных на фигуре 6A.

На фигурах 6С и 6D показан фазовый угол между переменным напряжением, приложенным к тест-полоске, и выходным значением переменного тока тест-полоски.

На фигуре 6Е показана интерполяция данных выборки для определения точки пересечения, изображенной на фигуре 6D, для сравнения с точкой пересечения кривой прилагаемого тока, изображенной на фигуре 6С.

На фигуре 7А показано наложение электрической модели на контуры полоски, изображенной на фигуре 3А, с указанием различных источников сопротивления от соответствующих компонентов тест-полоски и электрической емкости испытательной камеры.

На фигуре 7В показано схематическое электрическое представление модели испытательной камеры 61 и сопротивления разъемов тест-полоски.

На фигуре 7С показана векторная диаграмма модели, приведенной на фигуре 7В.

На фигуре 8A показан пример контрольных выходных характеристик для сопротивления испытательной камеры и электрической емкости испытательной камеры в контрольной модели тест-полоски, приведенной на фигуре 7В.

На фигуре 8В показаны фактические выходные характеристики для сопротивления испытательной камеры и электрической емкости испытательной камеры для реальной тест-полоски.

На фигуре 9А показаны выходные характеристики осциллирующего сигнала, выбранные системой, где показано, что генерация сигнала обеспечивается 64 различными выборками тока, придающими сигналу кусочную или ступенчатую форму.

На фигуре 9В показано наложение фактического выбранного осциллирующего сигнала 904 по сравнению с контрольным осциллирующим выходным сигналом 902, где выбранный сигнал поступает от полоски с высоким сопротивлением полоски.

На фигуре 9С показано наложение фактического выбранного осциллирующего сигнала 906 по сравнению с контрольным выходным сигналом 902, где выбранный сигнал 906 поступает от полоски с более низким сопротивлением полоски по сравнению с сопротивлением полоски, приведенным на фигуре 9В.

На фигурах 9D и 9E показан подробный пример ошибки, возникшей из-за пошагового изменения кусочного или ступенчатого выходного сигнала 906 по сравнению с плавным выходным сигналом 902.

На фигуре 9F показан графический пример модификации первого временного интервала выборки за счет смещения времени, чтобы сформировать второй временной интервал выборки, который обеспечивает более точные измерения электрической емкости.

На фигуре 10 показана кривая отклика для варианта осуществления, в котором применяются технологии и принципы, описанные в настоящем документе.

На фигуре 11 показан пример блок-схемы способа определения электрической емкости.

Варианты выполнения настоящего изобретения

Приведенное ниже подробное описание следует толковать с учетом фигур, на которых одинаковые элементы на разных фигурах представлены под одинаковыми номерами. Приведенные фигуры, не обязательно выполненные в реальном масштабе, показывают выбранные варианты осуществления и не призваны ограничить объем настоящего изобретения. Подробное описание раскрывает принципы настоящего изобретения с помощью примеров, которые не ограничивают настоящее изобретение. Настоящее описание позволяет любому специалисту в данной области осуществлять и использовать настоящее изобретение, а также описывает несколько вариантов осуществления, видоизменений, модификаций, альтернатив и применений изобретения, включая способ осуществления изобретения, который считается наилучшим в настоящее время.

Для целей настоящего изобретения термин «приблизительно» применительно к любым числовым значениям или диапазонам указывает на приемлемый допуск на размер, который позволяет компоненту или совокупности компонентов выполнять функцию, предусмотренную для них в настоящем изобретении. Кроме этого, для целей настоящего документа термины «пациент», «оператор», «пользователь» и «субъект» относятся к любому человеку или животному и не предполагают ограничение области использования систем или способов только человеком, хотя применение предмета изобретения пациентом, который является человеком, представляет собой предпочтительный вариант осуществления изобретения. Для целей настоящего документа термин «осциллирующий сигнал» относится к сигналу(ам) напряжения или сигналу(ам) тока, которые соответственно меняют полярность или изменяют направление тока или являются разнонаправленными.

Системы и способы, являющиеся предметом изобретения, подходят для определения самых разнообразных аналитов в самых разнообразных пробах, особенно для определения аналитов в цельной крови, плазме, сыворотке, интерстициальной жидкости или их производных. В одном примере осуществления система для определения глюкозы основана на использовании тонкослойной камеры с противоположными электродами и электрохимического обнаружения трехимпульсным методом; она обеспечивает быстрый анализ (например, приблизительно 5 секунд), требует малого объема пробы (например, приблизительно 0,4 мкл) и может обладать более высоким уровнем надежности и точности измерения глюкозы в крови. В реакционной камере содержащаяся в пробе глюкоза может окисляться до глюконолактона под действием глюкозодегидрогеназы, а для переноса электронов от фермента к рабочему электроду можно использовать электрохимически активный медиатор. С помощью стабилизатора напряжения к рабочему электроду и противоэлектроду может быть приложен трехимпульсный профиль напряжения, индуцирующий переходный токовый процесс, используемый для вычисления концентрации глюкозы. Кроме того, дополнительную информацию, полученную при измерении переходного токового процесса, можно использовать для различения матрикса пробы и введения поправки на обусловленную гематокритом вариабельность проб крови, колебание температуры, наличие электрохимически активных компонентов, а также выявления возможных системных погрешностей.

В принципе, описанные способы можно использовать с электрохимическими камерами любых типов с разнесенными в пространстве первым и вторым электродами и слоем реагента. Например, электрохимическая камера может иметь форму тест-полоски. В одном аспекте тест-полоска может включать в себя два противодействующих и разделенных тонким разделителем электрода, которые образуют испытательную камеру для приема пробы или зону, в которой размещен слой реагента. Специалисту в данной области будет понятно, что с описанными в настоящей заявке способами можно использовать другие типы тест-полосок, включая, например, тест-полоски с копланарными электродами.

На фигуре 1 показана система управления диабетом, включающая в себя блок управления данными по диабету 10 и биосенсор в форме тест-полоски для определения уровня глюкозы 80. Следует обратить внимание, что блок управления данными по диабету (DMU) может также называться блоком измерения и управления концентрацией аналита, глюкометром, измерительным прибором и устройством для измерения концентрации аналита. В одном варианте осуществления DMU может сочетаться с устройством введения инсулина, дополнительным устройством для анализа аналита и устройством для введения лекарственных средств. DMU может быть подключен к компьютеру 26 или серверу 70 кабелем или с использованием соответствующей технологии беспроводной связи, такой как, например, GSM, CDMA, BlueTooth, WiFi и т. п.

Возвращаясь к фигуре 1, глюкометр 10 может включать в себя корпус 11, кнопки интерфейса пользователя (16, 18 и 20), дисплей 14 и отверстие порта для полоски 22. Кнопки интерфейса пользователя (16, 18 и 20) могут быть выполнены с возможностью ввода данных, навигации по меню и выполнения команд. Кнопка интерфейса пользователя 18 может быть выполнена в виде двухполюсного переключателя. Данные могут включать в себя величины, представляющие концентрацию аналита и/или информацию, относящуюся к повседневному образу жизни пациента. Информация, относящаяся к повседневному образу жизни, может включать в себя данные о приеме пищи, приеме лекарств, проведении контрольных осмотров состояния здоровья, а также общем состоянии здоровья и уровне физической нагрузки пациента.

Электронные компоненты измерительного прибора 10 могут быть размещены на печатной плате 34, которая размещена в корпусе 11. На фигуре 2 показаны (в упрощенной схематической форме) электронные компоненты, расположенные на верхней поверхности печатной платы 34. Электронные компоненты на верхней поверхности могут включать в себя отверстие порта для полоски 308, микроконтроллер 38, энергонезависимую флеш-память 306, порт передачи данных 13, часы реального времени 42 и множество операционных усилителей (46-49). Электронные компоненты на нижней поверхности могут включать в себя множество аналоговых переключателей, драйвер фоновой подсветки и программируемое постоянное запоминающее устройство с возможностью удаления информации электрическим током (EEPROM, не показано). Микроконтроллер 38 может быть электрически соединен с отверстием порта для полоски 308, энергонезависимой флеш-памятью 306, портом передачи данных 13, часами реального времени 42, множеством операционных усилителей (46-49), множеством аналоговых переключателей, драйвером фоновой подсветки и EEPROM.

Возвращаясь к фигуре 2, множество операционных усилителей может включать в себя стадийные операционные усилители (46 и 47), трансимпедансный операционный усилитель 48 и операционный усилитель с каскадом смещения 49. Множество операционных усилителей может быть выполнено с возможностью обеспечения части функции стабилизатора напряжения и функции измерения тока. Функция стабилизатора напряжения может относиться к приложению испытательного напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски. Функция измерения тока может относиться к измерению испытательного тока, вызванного приложением испытательного напряжения. Измерение тока может осуществляться с помощью преобразователя ток-напряжение. Микроконтроллер 38 может представлять собой микропроцессор для обработки смешанных сигналов (MSP), например MSP 430 компании Texas Instrument. Микропроцессор MSP 430 может также быть выполнен с возможностью реализации части функции стабилизатора напряжения и функции измерения тока. Кроме того, MSP 430 также может включать в себя память энергозависимого и энергонезависимого типов. В другом варианте осуществления многие электронные компоненты могут быть встроены в микроконтроллер в форме специализированной интегральной схемы (ASIC).

Разъем порта для полоски 308 может размещаться в непосредственной близости к отверстию порта для полоски 22 и быть выполнен с возможностью образования электрического соединения с тест-полоской. Дисплей 14 может представлять собой жидкокристаллический дисплей для отображения измеренного уровня глюкозы и для облегчения ввода информации, относящейся к образу жизни пациента. Дисплей 14 может необязательно включать в себя фоновую подсветку. Порт передачи данных 13 может принимать подходящий разъем, прикрепленный к соединительному кабелю, тем самым обеспечивая соединение глюкометра 10 с внешним устройством, таким как персональный компьютер. В качестве порта передачи данных 13 может использоваться любой порт, обеспечивающий передачу данных, такой как, например, последовательный порт, USB-порт или параллельный порт.

Часы реального времени 42 могут быть выполнены с возможностью отображения текущего времени для определенной географической зоны, где находится пользователь, а также времени измерения. Часы реального времени 42 могут включать в себя плату часов 45, кристалл 44 и суперконденсатор 43. DMU может быть выполнен с возможностью электрического соединения с источником питания, таким как, например, аккумуляторная батарея. Суперконденсатор 43 может быть выполнен с возможностью обеспечения подачи электропитания в течение длительного периода для снабжения питанием часов реального времени 42 в случае прекращения подачи электроэнергии. Таким образом, в случае разрядки или замены батареи пользователю не потребуется заново устанавливать правильное время на часах реального времени. Использование часов реального времени 42 с суперконденсатором 43 позволяет снизить риск неправильной установки пользователем времени на часах реального времени 42.

На фигуре 3A показан пример тест-полоски 80, включающей в себя удлиненный корпус, проходящий от дистального конца 80 к проксимальному концу 82 и имеющий боковые края. Как показано на этом фигуре, тест-полоска 80 также включает в себя первый электродный слой 66a, изолирующий слой 66b, второй электродный слой 64a, изолирующий слой 64b и разделитель 60, расположенный в промежутке между двумя электродными слоями 64a и 66a. Первый электродный слой 66a может включать в себя первый электрод 67a, первый соединительный проводник 76 и первую контактную площадку 47, при этом первый соединительный проводник 76 электрически соединяет первый электродный слой 66a с первой контактной площадкой 67, как показано на фигурах 3A и 4. Обратите внимание, что первый электрод 67a является частью первого электродного слоя 66a, расположенного непосредственно под слоем реагента 72. Подобным образом второй электродный слой 64a может включать в себя второй электрод 67b, второй соединительный проводник 78 и вторую контактную площадку 78, при этом второй соединительный проводник 78 электрически соединяет второй электрод 67b со второй контактной площадкой 78, как показано на фигурах 3 и 4. Обратите внимание, что второй электрод включает в себя часть второго электродного слоя 64a, расположенного над слоем реагента 72.

Как показано на фигуре 3A, электрохимическая испытательная камера для приема пробы 61 образована первым электродом 67a, вторым электродом 67b и разделителем 60 у дистального конца 80 тест-полоски 80. Первый электрод 67a и второй электрод 67b могут образовывать нижнюю и верхнюю части электрохимической испытательной камеры для приема пробы 61 соответственно. Вырезанная область 68 разделителя 60 может образовывать боковые стенки электрохимической испытательной камеры для приема пробы 61. В одном аспекте электрохимическая испытательная камера для приема пробы 61 может включать в себя порты 70, служащие для поступления пробы и/или воздуха. Например, один из портов может быть предназначен для поступления пробы текучей среды, а второй - для выхода воздуха. В одном примере осуществления первый электронный слой 66а и второй электродный слой 64а могут быть изготовлены из палладия и золота соответственно путем напыления. Подходящие материалы для изготовления разделителя 60 включают в себя разнообразные изоляционные материалы, например пластмассы (в частности, ПЭТФ, ПЭТГ, полиимид, поликарбонат, полистирол), оксид кремния, керамику, стекло, адгезивы и их комбинации. В одном варианте осуществления разделитель 60 может быть выполнен в форме двухстороннего адгезива, нанесенного на противолежащие стороны листа полиэфира, при этом адгезив может быть чувствительным к давлению или термоактивируемым.

Возвращаясь к фигуре 3A, площадь первого электрода и второго электрода может ограничиваться двумя боковыми краями и вырезанной областью 68. Обратите внимание, что площадь может быть определена после смачивания поверхности электродного слоя жидкой пробой. В одном варианте осуществления адгезивная часть разделителя 60 может смешиваться и/или частично растворять слой реагента, таким образом, адгезив образует связь с первым электродным слоем 66A. Такая адгезивная связь помогает образовать часть электродного слоя, которая может смачиваться жидкой пробой, а также служить медиатором электрохимического окисления или восстановления.

Либо первый электрод, либо второй электрод могут выполнять функцию рабочего электрода в зависимости от величины и/или полярности прилагаемого испытательного напряжения. Рабочий электрод может измерять предельный испытательный ток, пропорциональный концентрации восстановленного медиатора. Например, если соединением, обуславливающим предельный ток, является восстановленный медиатор (например, ферроцианид), который затем может окисляться у первого электрода до тех пор, пока испытательное напряжение значительно меньше окислительно-восстановительного потенциала медиатора относительно второго электрода. В такой ситуации первый электрод выполняет функцию рабочего электрода, а второй электрод - противоэлектрода/контрольного электрода. Обратите внимание, что специалист в данной области может называть противоэлектрод/контрольный электрод просто контрольным электродом или противоэлектродом. После истощения всех запасов восстановленного медиатора у поверхности рабочего электрода окисление ограничивается таким образом, что измеренный ток окисления пропорционален току восстановленного медиатора, диффундирующего из основного объема раствора к поверхности рабочего электрода. Термин «основной объем раствора» относится к части раствора, расположенной достаточно далеко от рабочего электрода, когда восстановленный медиатор не находится в пределах зоны истощения концентрации. Следует отметить, что, если для тест-полоски 80 не указано иное, все потенциалы испытательного измерительного прибора 10 далее указаны для второго электрода. Подобным образом, если испытательное напряжение значительно выше, чем окислительно-восстановительный потенциал медиатора, восстановленный медиатор может окисляться у второго электрода, давая предельный ток. В такой ситуации второй электрод выполняет функцию рабочего электрода, а первый электрод - функцию противоэлектрода/контрольного электрода. Подробные сведения о примере тест-полоски, способе ее использования и испытательном измерительном приборе можно найти в патентной заявке США № 20090301899, которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки.

Как показано на фигуре 3A, тест-полоска 80 может включать в себя один или более рабочих электродов и противоэлектрод. Тест-полоска 80 может также включать в себя множество электрических контактных площадок, причем каждый электрод может быть электрически соединен с по меньшей мере одной электрической контактной площадкой. Разъем порта для полоски 308 может быть выполнен с возможностью электрического соединения с электрическими контактными площадками и формирования электрического соединения с электродами. Тест-полоска 80 может включать в себя слой реагента, нанесенный поверх по меньшей мере одного электрода. Слой реагента может включать в себя фермент и медиатор. Примеры подходящих ферментов для применения в слое реагента включают в себя глюкозооксидазу, глюкозодегидрогеназу (с пирролохинолинхиноновым кофактором PQQ) и глюкозодегидрогеназу (с флавинадениндинуклеотидным кофактором FAD). Пример медиатора, подходящего для применения в слое реагента, включает в себя феррицианид, который в данном случае представлен в окисленной форме. Слой реагента может быть выполнен с возможностью физической трансформации глюкозы в продукт ферментативной реакции и генерации в ходе последней восстановленного медиатора (например, ферроцианида) в количестве, пропорциональном концентрации глюкозы. Указанный рабочий электрод затем может использоваться для измерения концентрации восстановленного медиатора в форме электрического тока. В свою очередь глюкометр 10 может преобразовать величину тока в концентрацию глюкозы. Подробное описание предпочтительной тест-полоски приведено в патентах США №№ 6179979, 6193873, 6284125, 6413410, 6475372, 6716577, 6749887, 6863801, 6890421, 7045046, 7291256, 7498132, все из которых полностью включены в настоящий документ путем ссылки.

На фигуре 4 показаны в упрощенной схематической форме различные функциональные компоненты, использующиеся для измерения электрической емкости. В частности, компоненты включают в себя микроконтроллер 300. В предпочтительном варианте осуществления микроконтроллер 300 можно приобрести в компании Texas Instrument (модель MSP430 сверхнизкого потребления). Микроконтроллер (МК) 300 может быть изготовлен с ЦАП с потенциальным выходом и встроенным АЦ-преобразователем. МК 300 соответствующим образом соединен с ЖК-экраном 304 для отображения результатов анализа или другой связанной с ними информации. Память 306 электрически соединена с МК 300 для хранения результатов анализов, результатов измерения тока и другой необходимой информации или данных. Тест-полоска может быть соединена с измерительным прибором через разъем порта для полоски (РПП) 308. РПП 308 позволяет соединять тест-полоску с МК 300 через первую контактную площадку 47a, 47b и вторую контактную площадку 43. Вторую контактную площадку 43 можно использовать для установления электрической связи с испытательным измерительным прибором через U-образную прорезь 45, как показано на фигуре 4. РПП 308 может также иметь разъемы для электродов 308a и 308c. Первая контактная площадка 47 может включать в себя два штырька 47a и 47b. В одном примере осуществления разъемы первого электрода 308a и 308c по отдельности соединены со штырьками 47a и 47b соответственно. Разъем второго электрода 308b может соединяться со второй контактной площадкой 43. Испытательный измерительный прибор 10 может измерять сопротивление или целостность электроцепи между штырьками 47a и 47b, чтобы установить наличие электрической связи тест-полоски 80 с испытательным измерительным прибором 10.

Как показано на фигуре 4, РПП 308 соединен с переключателем 310. Переключатель 310 соединен с каскадом смещения 312. На каскад смещения 312 подается сигнал ЦАП 312a, привод тока 312b и сигнал переключателя 312c. МК 300 подает сигнал ЦАП 312a, который включает в себя аналоговое напряжение в диапазоне от 0 до Vref (например, приблизительно 2,048 В). Каскад смещения 312 может работать в двух режимах - с постоянным напряжением или постоянным током. Цепь привода тока 312b контролирует режим работы каскада смещения 312. Низкая установка цепи 312b превращает операционный усилитель в каскаде смещения 312 в усилитель повторителя напряжения. Выходной сигнал ЦАП 312a приводится в соответствие с полной шкалой Vref/2 +/-400 мВ. Операционный усилитель в каскаде смещения подает данное напряжение непосредственно на МК 300 как цепь привода цепи 312d. Напряжение в цепи 312d создается в соответствии с виртуальной «землей» Vref/2. Таким образом, для создания подходящего смещения тока (например, приблизительно 20 мВ) необходимо напряжение на выходе ЦАП, равное приблизительно 1,044 В (через подходящий преобразователь). Для создания смещения приблизительно +300 мВ напряжение на выходе ЦАП по существу должно составлять приблизительно 1,324 В, а для смещения -300 мВ - приблизительно 0,724 В. Цепь каскада смещения 312 также генерирует синусоидальную волну 109 Гц, которая используется для проверки смачивания тест-полоски путем измерения электрической емкости.

С другой стороны, если сигнал привода тока 312a к каскаду смещения 312 поддерживать на высоком уровне, выходной сигнал ЦАП масштабируется в соответствии с полной шкалой от приблизительно 0 до приблизительно 60 мВ. Сигнал переключателя 312c может также активироваться, приводя к тому, что идущий через тест-полоску ток будет перенаправляться через резистор каскада смещения 312. Операционный усилитель в каскаде смещения 312 старается поддерживать падение напряжения на резисторе на том же уровне, что и ток ЦАП, создавая ток приблизительно 600 нА. Этот ток используется для обнаружения пробы и начала измерения.

Каскад смещения 312 также подключен к цепи трансимпедансного усилителя (цепи ТИУ) 314. Цепь ТИУ 314 преобразует ток, проходящий через электродный слой полоски 66a (например, палладиевый) к контактам электродного слоя 64a (например, золотого), в напряжение. Общее усиление контролируется резистором в цепи ТИУ 314. Так как полоска 80 имеет высокую емкостную нагрузку, при использовании нормальных усилителей с малым током смещения наблюдается тенденция к осцилляции. По этой причине в цепи ТИУ 314 используется недорогой операционный усилитель в качестве буфера с единичным коэффициентом усиления, расположенный в контуре обратной связи. В качестве функционального блока цепь 314 действует как двойной операционный усилитель с высокой мощностью и низким смещением напряжения. В цепи ТИУ 314 также используется виртуальная «земля» для создания смещения в 1,024 В на контакте электродного слоя 64a (например, золотого) РПП 308. Цепь 314 также подключена к цепи усилителя Vref 316. Эта цепь, находясь в режиме измерения тока, использует виртуальную «землю» с установкой, близкой к Vref/2 (приблизительно 1,024 В), что позволяет измерять как положительные, так и отрицательные токи. Это напряжение питает все ступени усилителя напряжения 318. Во избежание любой перегрузки цепи из-за подъема этого напряжения можно использовать усилитель в качестве буфера с единичным коэффициентом усиления в цепи усилителя Vref 316.

Токовый сигнал полоски 314a от цепи ТИУ 314 и виртуальная «земля» 316a (~Vref/2) от контрольного усилителя напряжения 316 при необходимости масштабируются в соответствии с разными стадиями цикла измерения. В одном примере осуществления МК 300 имеет четыре канала для приема усиленного сигнала от тест-полоски с разной степенью усиления тока в зависимости от стадии цикла измерения тест-полоской во время анализа аналита.

В одном варианте осуществления испытательный измерительный прибор 10 может прилагать испытательное напряжение и/или ток между первой контактной площадкой 47 и второй контактной площадкой 43 тест-полоски 80. Как только испытательный измерительный прибор 10 обнаружит вставленную полоску 80, прибор 10 включается и запускает программу обнаружения аналита в жидкости. В одном варианте осуществления измерительный прибор предпринимает попытку пропустить небольшой ток (например, 0,2-1 мкА) через полоску 80. Если проба отсутствует, сопротивление превышает несколько мегаОм, поэтому напряжение запускающего сигнала на операционном усилителе, предпринимающем попытку приложить ток, подается на шину. Если проба обнаружена, сопротивление резко падает, как и напряжение запускающего сигнала. Когда напряжение запускающего сигнала падает ниже определенного порогового значения, инициируется последовательность операций для анализа.

На фигуре 5А показано напряжение для приложения между электродами. За нулевой момент времени принимается момент, когда способом обнаружения пробы распознано начало смачивания полоски пробой. Обратите внимание, что компонент синусоидальной волны на фигуре 5А показан за интервал приблизительно 1,3 с, а не в правильной временной шкале для удобства иллюстрации.

После обнаружения пробы в камере тест-полоски 61 напряжение между электродами полоски постепенно изменяется до подходящего напряжения в мВ и поддерживается в течение установленного времени, например в течение приблизительно 1 секунды, а затем повышается и поддерживается в течение определенного времени, после чего прилагается синусоидальное напряжение поверх напряжения постоянного тока в течение установленного периода времени, затем напряжение постоянного тока прилагается в течение дополнительного периода времени, после чего обращается в отрицательное напряжение и поддерживается в течение установленного периода времени. Затем подача напряжения на полоску прекращается. Такая серия напряжений создает переходный токовый процесс, такой как, например, показанный на фигуре 5B.

На фигуре 5В токовый сигнал от приблизительно 0 до приблизительно 1 с (как и более поздние токи) можно использовать для проверки ошибок и отделения пробы контрольного раствора от пробы крови. Сигнал от приблизительно 1 до приблизительно 5 с анализируют для получения информации о концентрации глюкозы. Кроме того, в этот период выполняется анализ на наличие различных ошибок. Сигнал от приблизительно 1,3 до 1,4 с используют для того, чтобы убедиться в полном смачивании сенсора пробой. Ток от 1,3 до 1,32 с, обозначенный здесь как 500, выбирается с интервалом приблизительно 150 мкс, чтобы установить, достаточен ли объем физиологической жидкости в камере 61 тест-полоски.

В одном варианте осуществления для проверки достаточного объема пробы используется измерение электрической емкости, позволяющее установить достаточное заполнение камеры 61 тест-полоски 80 аналитом. Величина такой электрической емкости может быть пропорциональна площади электрода, покрытого жидкой пробой. После измерения величины электрической емкости, если это значение превышает пороговое и, следовательно, объем жидкости на тест-полоске достаточен для точного измерения, можно измерить концентрацию глюкозы. Однако если значение не выше порогового, что указывает на недостаточный объем жидкости на тест-полоске и невозможность точного измерения, выдается сообщение об ошибке.

После обнаружения пробы в электрохимической испытательной камере 61 тест-полоски напряжение между электродами полоски постепенно изменяется до подходящего напряжения в мВ и поддерживается в течение установленного времени, например в течение 1 секунды, а затем повышается и поддерживается в течение определенного времени, после чего прилагается синусоидальное напряжение поверх напряжения постоянного тока в течение установленного периода времени, затем напряжение постоянного тока прилагается в течение дополнительного периода времени, после чего обращается в отрицательное напряжение и поддерживается в течение установленного периода времени. Затем подача напряжения на полоску прекращается. Такая серия напряжений создает переходный токовый процесс, такой как, например, показанный на фигуре 5B.

В одном способе измерения электрической емкости к тест-полоске прилагается испытательное напряжение, имеющее постоянный и осциллирующий компоненты. В таких обстоятельствах возможна математическая обработка полученного испытательного тока, как более подробно описано ниже, для определения значения электрической емкости.

Заявители полагают, что биосенсорная испытательная камера 61 с электродными слоями может быть выполнена в форме цепи, имеющей параллельно подключенные резистор и конденсатор, как показано на фигуре 3B.

В этой модели на фигуре 3B R представляет сопротивление току, а С представляет электрическую емкость в результате комбинации свойств физиологической жидкости и реагента, электрически соединенных с электродами. Для начала определения электрической емкости камеры можно подать переменное напряжение со смещением на соответствующие электроды, расположенные в камере, и измерить ток от камеры. Полагают, что заполнение камеры 61 является по существу мерой только электрической емкости, и, следовательно, любое паразитное сопротивление, например R, должно быть исключено из любого определения или вычисления электрической емкости. Следовательно, при измерении тока любое паразитное сопротивление будет влиять на измеренный выходной сигнал. Однако заявитель создал методику, позволяющую определять электрическую емкость без использования сведений о сопротивлении в камере, согласно описанной выше модели. Для дальнейшего объяснения этой методики необходимо краткое обсуждение математических принципов, лежащих в ее основе.

По закону Кирхгоффа общий ток ( $$i_T$$

) через цепь на фигуре 3B приблизительно равен сумме токов, проходящих через резистор ( $$i_R$$

) и конденсатор ( $$i_C$$

). При приложении переменного напряжения в В (измеряемого как среднеквадратичное значение) ток на резисторе ( $$i_R$$

) можно выразить как:

$$i_R=\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$R$}\right.\text{ Ур}\text{. 1}$$

Ток на конденсаторе ( $$i_C$$

) можно выразить как:

,

где:

$$j$$

- воображаемый числовой оператор, указывающий, что напряжение на конденсаторе сдвинуто приблизительно на 90 градусов; и

$$\omega$$

- угловая частота, $$2\pi f$$

, где f - частота в Гц.

Результат сложения этих компонентов показан на векторной диаграмме на фигуре 3B. На векторной диаграмме $$\Phi$$

представляет собой фазовый угол входного сигнала по сравнению с выходным. Фазовый угол $$\Phi$$

определяется следующей тригонометрической функцией:

$$\tan \Phi =\raisebox{1ex}{$I_C$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$I_R$}\right.$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 3

По теореме Пифагора квадрат общего тока $$i_T$$

можно вычислить следующим образом:

$$i_T^2=i_C^2+i_R^2$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 4

Путем преобразования ур. 4 и подстановки ур. 3 получается следующее уравнение:

$$i_C^2=i_T^2-\raisebox{1ex}{$i_C^2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${(\tan \Phi )}^2$}\right.$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 5

При решении для тока на конденсаторе $$i_C$$

и в сочетании с ур. 2:

$$i_C=\sqrt{(}{i}_T^2*{(\tan \Phi )}^2/({(\tan \Phi )}^2+1))=\omega CV$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 6

После преобразования для С и разложения $$\omega$$

электрическая емкость становится:

$$C=(\sqrt{(}{i}_T^2*{(\tan \Phi )}^2/({(\tan \Phi )}^2+1))/2\pi fV$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 7

Упрощение ур. 7 ведет к:

$$C=\left|(i_T\sin \Phi )\right|/2\pi fV$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 8,

где

$$i_T$$

представляет собой общий ток;

$$\Phi$$

представляет собой фазовый угол;

f представляет собой частоту приложенного сигнала;

V представляет собой амплитуду приложенного сигнала.

Можно видеть, что ур. 8 не относится к току на резисторе. Соответственно, если система может создавать переменное напряжение с частотой f и среднеквадратичной амплитудой V и измерять общий ток $$i_T$$

как среднеквадратичное значение и фазовый угол $$\Phi$$

, электрическую емкость C испытательной камеры 61 можно точно вычислить, не определяя сопротивление в биосенсорной испытательной камере. Полагают, что это является значительным преимуществом, так как сопротивление биосенсорной полоски сложно измерить, и оно изменяется на протяжении 5 секунд анализа. Полагают, что сопротивление возрастает в зависимости от того, сколько заряженных частиц протекает через полоску при данном электрическом смещении (напряжении), и, следовательно, зависит от реакции. Через 1,3 с анализа можно ожидать, что сопротивление составит от 10 кОм до, вероятно, 100 кОм. Следовательно, отсутствие необходимости в определении сопротивления биосенсорной камеры или даже сопротивления в измерительной цепи, например сенсорном резисторе, представляет собой преимущество изобретения заявителя и является значительным усовершенствованием всей тест-полоски.

Внедрение примерной методики определения электрической емкости С основано на ур. 8; для лучшего ее понимания см. фигуры 6A, 6B, 6C, 6D, 6E и 7. Как показано на фигуре 5A и фигуре 7, испытательное напряжение переменного тока (±50 мВ от пика до пика) приблизительно 109 Гц может прилагаться на протяжении 2 циклов в течение приблизительно 1-1,3 секунд или по меньшей мере одного цикла. В предпочтительных вариантах осуществления первый цикл можно использовать как установочный импульс, а второй цикл - для определения электрической емкости. Переменный испытательный ток может иметь подходящую форму волны, например форму синусоидальной волны приблизительно 109 Гц с пиком приблизительно 50 миллиВольт (фигура 6C). Частота выборки может быть любой частотой на протяжении цикла, например приблизительно 64-65 выборок на цикл, как показано на фигуре 6A. Следовательно, каждая выборка представляет приблизительно 5,6 градусов примерной синусоидальной волны.

На фигуре 6A система добавляет смещение напряжения постоянного тока к смещению напряжения переменного тока, и, следовательно, измеренные выборки на фигуре 6А также будут иметь смещение постоянного тока, которое необходимо устранить на этапах 706 и 708 для определения общего тока $$i_T$$

в соответствии с одним примером методики заявителя.

По этой методике получают среднее от всех 64-65 выборок, как показано в пункте 602 на фигуре 6А, что дает пороговое значение нулевого тока компонента переменного тока выборок. Преимуществом этого является усреднение шума для всех выборок. В каждой точке выборки из каждой выбранной точки вычитается среднее значение, что позволяет выделить компонент переменного тока, как показано на фигуре 6B. Следовательно, для обеспечения по существу точной величины общего тока $$i_T$$

используется среднеквадратичное значение всех отрицательных значений. Следует отметить, что можно определить также среднеквадратичное значение положительных значений, однако заявители полагают, что положительные значения не связаны, так как разделены между первым и четвертым квадрантами полного цикла, следовательно, предпочтительны отрицательные значения. После действий с выборками 602 для устранения смещения постоянного тока можно построить график выборок с целью отображения изменения выходного тока во времени, как показано элементом 604 на фигуре 6B.

Для определения фазового угла система или процессор 300 в зависимости от программы позволяет сравнивать осциллирующее входное напряжение, как показано на фигуре 6С, с осциллирующим выходным током для определения фазового угла. В предпочтительных вариантах осуществления данные выборки 604 анализируются для определения точки пересечения кривой тока от положительного до отрицательного значения. Поскольку осуществление выборки основано на дискретном числе выборок, можно использовать интерполяцию для определения по существу точки пересечения кривой выходного тока и линии нулевого тока. В описанном здесь варианте осуществления фазовый угол $$\Phi$$

составляет менее 90 градусов и приблизительно равен 87 градусам. Для большей точности можно провести интерполяцию в другой точке пересечения с вычитанием приблизительно 180 градусов из этой второй точки интерполяции. Оба интерполированных значения должны отличаться не более чем на несколько градусов и могут быть усреднены для повышения точности.

После определения фазового угла можно вычислить электрическую емкость по ур. 8. После определения электрической емкости тест-полоски 80 можно выполнить калибровку по двум точкам для приведения значения электрической емкости к значению, не зависящему от каких-либо погрешностей аналоговых компонентов (резисторов, конденсаторов, операционных усилителей, переключателей и т. п.). Коротко говоря, калибровка по двум точкам проводится посредством: установки конденсатора 550 нФ с параллельным резистором 30 кОм на измерительном входе; включения измерительного прибора для измерения электрической емкости и регистрации полученного значения; установки конденсатора 800 нФ с параллельным резистором 30 кОм на измерительном входе; включения измерительного прибора для измерения электрической емкости и регистрации полученного значения. Эти два значения дадут представление об усилении и смещении при измерении на данном конкретном оборудовании (а не на промышленном образце). Затем по погрешностям измерения вычисляют наклон кривой и смещение, которые сохраняют в памяти измерительного прибора. Теперь измерительный прибор откалиброван. При вставке полоски и нанесении пробы измеряется электрическая емкость, а затем результат корректируется с применением сохраненного в памяти угла наклона и смещения.

После завершения калибровки устройства проводится оценка достаточности заполнения испытательной камеры 61 исследуемой жидкостью. Оценка может быть основана на величине электрической емкости по меньшей мере 65%-85% от среднего значения электрической емкости, вычисленного путем усреднения данных, полученных из большой выборки тест-полосок с правильным заполнением.

Несмотря на то что перечисленных выше технических элементов из общих соображений достаточно для предполагаемого применения, полагают, что с помощью более универсальной модели можно измерять электрическую емкость c большей точностью. По сути, заявители полагают, что биосенсорная тест-полоска 80 и испытательная камера 61 с электродными слоями, показанными на фигуре 3А, могут быть представлены последовательностью резисторов R_{Pd-контакт}, R_{Pd-пленка}, R_{Au-контакт} и R_{Au-пленка} на фигуре 7A, а испытательная камера 61 может быть представлена параллельной цепью резистор-конденсатор с R_{проводимость камеры} и C_{двойной слой} на фигуре 7A. Резисторы полоски 80 и параллельная цепь резистор-конденсатор испытательной камеры 61 можно смоделировать в виде цепи из последовательного резистора R_{ПОЛОСКА} для золотого и палладиевого слоев биосенсора и параллельной цепью резистора R_камера и конденсатора C для испытательной камеры 61, как показано на фигуре 7B. В рамках модели, показанной на фигуре 7B, система может генерировать переменное напряжение с частотой f и среднеквадратичной амплитудой V и измерять общий ток $$i_T$$

в виде среднеквадратичного значения, а также фазовый угол $$\Phi$$

, электрическую емкость С испытательной камеры 61 можно рассчитать при соответствующем смещении для учета сопротивления полоски R_{ПОЛОСКА} и любых фазовых сдвигов, связанных с цепью измерения.

На основе фактических результатов измерений и математического моделирования установлено, что значение сопротивления R_{ПОЛОСКА} находится в диапазоне от приблизительно 120 Ом до приблизительно 150 Ом (как правило, в предпочтительных вариантах осуществления приблизительно 135 Ом) в зависимости от колебаний сопротивления контактов Au и Pd. Принято считать, что значение сопротивления R_{ПОЛОСКА} в диапазоне приблизительно 150 Ом пренебрежимо мало по сравнению с гораздо большим импедансом R_КАМЕРА и C_КАМЕРА. Поэтому, в предположении, что номинальное значение R_КАМЕРА составляет приблизительно 33 килоОм, а значение C_КАМЕРА равно приблизительно 600 нанофарад при 109 Гц, фазовый угол достигает приблизительно 85,6 градуса. При этом в случае добавления к камере сопротивления R_{ПОЛОСКА} (~150 Ом) измеренный фазовый угол становится равным приблизительно 82,7 градуса с разницей приблизительно 3,5 градуса. Несмотря на незначительную величину, считается, что такая разница оказывает существенное влияние на измерения электрической емкости. Более того, несмотря на то что на стадии трансимпедансного усилителя 314 (фигура 4) фактически не происходит фазового сдвига, связанного с данной стадией (фазовый сдвиг составляет приблизительно 0,007 градуса при приблизительно 109 Гц), на стадии усиления 318 (фигура 4) при приблизительно 109 Гц возникает номинальный фазовый сдвиг на приблизительно 6,1 градуса. Такой дополнительный фазовый сдвиг может корректироваться за счет введения компенсационного значения

с учетом фазовых сдвигов из-за R_{ПОЛОСКА} и различных стадий обработки сигнала в цепи, представленной на фигуре 4. Компенсационное значение

теперь можно подставить в уравнение 8, чтобы получить более точное значение электрической емкости по уравнению 9.

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 9

В предпочтительных вариантах осуществления компенсационный фазовый угол

находится в диапазоне от приблизительно 3 до приблизительно 25 градусов и предпочтительно составляет приблизительно 11 градусов.

Модель цепи, представленной на фигуре 7В, прогнозирует отклик электрохимической испытательной камеры 61, который меняется в зависимости от электрической емкости электрохимической испытательной камеры (C_КАМЕРА), сопротивления электрохимической испытательной камеры (R_КАМЕРА) и сопротивления полоски (R_{ПОЛОСКА}), как показано здесь на фигуре 8A. Как можно видеть из фигуры 8А, если принять сопротивление полоски равным приблизительно 0 Ом, прогнозируемый или контрольный емкостной отклик электрохимической испытательной камеры 61 (обозначенный линией 700) по существу является линейным (приблизительно 435 нанофарад) в диапазоне сопротивления испытательной камеры от приблизительно 120 килоОм до приблизительно 20 килоОм, и после этого значения прогнозируемый или контрольный емкостной отклик увеличивается почти экспоненциально до приблизительно 450 нанофарад. Если принять сопротивление полоски равным приблизительно 50 Ом, прогнозируемый или контрольный емкостной отклик 702 электрохимической испытательной камеры 61 будет по существу линейным в диапазоне сопротивления электрохимической испытательной камеры 61 от приблизительно 120 килоОм до приблизительно 20 килоОм, и после этого значения прогнозируемый или контрольный емкостной отклик увеличивается нелинейно, но не так заметно, как в случае емкостного отклика 700 при приблизительно нулевом сопротивлении полоски. Если принять сопротивление полоски равным приблизительно 100 Ом, прогнозируемый или контрольный емкостной отклик 704 электрохимической испытательной камеры 61 будет по существу линейным в диапазоне сопротивления испытательной камеры 61 от приблизительно 120 килоОм до приблизительно 20 килоОм, и после этого значения прогнозируемый или контрольный емкостной отклик понизится нелинейным образом. Если принять сопротивление полоски равным приблизительно 100 Ом, прогнозируемый или контрольный емкостной отклик 704 испытательной камеры 61 будет по существу линейным в диапазоне сопротивления испытательной камеры 61 от приблизительно 120 килоОм до приблизительно 20 килоОм, и после этого значения прогнозируемый или контрольный емкостной отклик понизится экспоненциально. Для всех значений R_{ПОЛОСКА} электрическая емкость камеры сходится по существу к одному значению, если R_КАМЕРА составляет приблизительно 100 килоОм, и по существу расходится в зависимости от значений R_{ПОЛОСКА} в диапазоне от приблизительно 20 килоОм до приблизительно 0 Ом.

С другой стороны, фактические емкостной и резистивный отклики, приведенные на фигуре 8В и полученные для представительных тест-полосок с фигуры 3А, существенно отличаются от контрольных емкостных/резистивных откликов с фигуры 8А. В частности, емкостные отклики не сходятся к общему значению электрической емкости при более высоких величинах R_КАМЕРА. Тем не менее, емкостные отклики реальной полоски при более низких значениях сопротивления R_КАМЕРА демонстрировали противоположное поведение по сравнению с контрольной или прогнозируемой моделью с фигуры 8А и сходились к по существу общему значению приблизительно 590 нанофарад при R_КАМЕРА приблизительно 0 Ом, как показано на фигуре 8В.

Проводили дополнительные исследования подобного аномального поведения C_КАМЕРА при различных значениях R_КАМЕРА. Более пристальный анализ процедуры выборки переменного сигнала позволил заявителям указать на предположительный источник такой аномалии. В частности, в контрольной модели используется идеальная синусоидальная волна, тогда как фактическая волна 900 создается кусочно из 64 отдельных выборок тока на волну, как показано в настоящем документе на фигуре 9А. Поскольку волна 900 с фигуры 9А включает в себя ступеньки и не является плавной линией, можно предположить, что при этом генерируется другой отклик цепи измерения, который оказывается в значительной мере зависимым от R_{ПОЛОСКА}.

Если установить R_{ПОЛОСКА} равным приблизительно 200 Ом, то из фигуры 9В можно видеть, что теоретический выходной сигнал при возбуждении идеальной синусоидальной волной представляет собой гладкую непрерывную линию 902, тогда как при ступенчатом волновом сигнале, таком как, например, при кусочном сигнале 900 с фигуры 9А, выходной сигнал будет иметь форму ступенчатой пилообразной линии 904. Можно видеть, что в зависимости от момента измерения или выборки кусочного отклика 904 могут происходить некоторые изменения результатов измерений амплитуды и фазы. Полагают, что определяющим фактором такого аномального расхождения между фигурой 8А и фигурой 8В является чувствительность электрической емкости к сопротивлению полоски R_{ПОЛОСКА} вследствие неточности измерения амплитуды. В данном примере при сопротивлении полоски R_{ПОЛОСКА} 200 Ом можно считать, что фазовые различия недостаточно велики, чтобы оказывать заметное влияние на результаты измерений.

Вместе с тем, если принять R_{ПОЛОСКА} равным приблизительно 0 Ом, фазовые различия могут стать существенными. Как видно из фигуры 9С, кусочный отклик 906 (который характеризуется инвертированным спрямлением волны) в зависимости от выборки отклика 906 может иметь разницу в выходном сигнале до приблизительно 20%. Считается, что такая разница является существенной, поскольку приводит к более заметным ошибкам измерения электрической емкости. Заявители отмечают, что при снижении сопротивления камеры, R_КАМЕРА, амплитуда возмущений из-за кусочной волны 900 также уменьшается, именно это считается причиной схождения измерений электрической емкости к единому значению емкости, если R_КАМЕРА составляет приблизительно 5 килоОм.

Чтобы компенсировать такой эффект, полагают, что кусочный выходной сигнал следует выбирать в точный момент времени после пошагового изменения кусочной волны 906. Как показано на фигуре 9D, кусочная волна 906 обычно запаздывает или опережает идеальную волну 902 при изменении направления волны 906 по сравнению с идеальной волной 902. Если рассмотреть увеличенный участок с рис 9D, приведенный на фигуре 9E, можно увидеть разницу по времени Δt между пиком 908 кусочной волны 906 и моментом пересечения кусочной волны 906 и идеальной волны 902 в точке пересечения 910.

После обнаружения источника аномального поведения заявители перешли к проведению экспериментов по измерению такой разницы во времени Δt с использованием диапазона значений для C_КАМЕРА, R_{ПОЛОСКА} и R_КАМЕРА, которые приведены на фигуре 9F и в таблице 1. На фигуре 9F символом «a» помечен пик 908, соответствующий этапу кусочных изменений, а символ «b» указывает на желаемую точку выборки, где выходной сигнал на этапе усилителя напряжения 314 соответствует теоретической волне. Измерения проводили во множестве точек как в положительной, так и в отрицательной фазах синусоидальной волны. Окончательные результаты приведены в таблице 1, которая дает достаточно точное представление о граничных условиях колебаний параметров полоски и измерительной системы.

По данным таблицы 1 можно рассчитать среднее значение, опираясь на различные граничные условия так, чтобы получить предпочтительное время выборки для представительной системы. Заявители полагают, что временное смещение должно составлять приблизительно 20% от продолжительности пошагового изменения между пиками волны 906. В данном конкретном примере задающая частота составляет приблизительно 109 Гц и 64 выборки за цикл волны, 20% от продолжительности пошагового изменения длительностью 143 микросекунды составляет приблизительно 28 микросекунд. При этом отмечается, что также могут использоваться другие значения от 5% до 40% (или от приблизительно 17 микросекунд до приблизительно 38 микросекунд) в зависимости от задающей частоты, скорости выборки, продолжительности пошагового изменения и применяемой системы измерительного прибора и полоски.

ТАБЛИЦА 1
Cкамера (нФ)	Rполоска (Ом)	Rкамера (Ом)	Δt (мкс)	Δt (мкс)
400	100	100000	26,06	21,17
700	100	100000	26,06	17,92
400	200	100000	26,06	19,54
700	200	100000	27,69	19,54
400	100	5000	32,51	28,95
700	100	5000	37,86	26,73
400	200	5000	42,32	31,18
700	200	5000	27,73	33,41

На основании вышеизложенного, заявителями открыт способ определения электрической емкости биосенсорной камеры, причем такой биосенсор может иметь два электрода, расположенных в камере и соединенных с микроконтроллером. После инициирования электрохимической реакции пробы при внесении пробы в биосенсорную камеру такой способ включает в себя этапы, на которых в камеру подают осциллирующий сигнал с предварительно заданной частотой; подтверждают первый временной интервал выборки для измерения выходного сигнала на основании предварительно заданной скорости выборки на цикл выходного сигнала с предварительно заданной частотой; выбирают выходной сигнал от камеры со вторым временным интервалом выборки, отличным от первого временного интервала выборки, так что амплитуда каждого выбранного выходного сигнала измеряется по истечении каждого второго временного интервала выборки вместо первого временного интервала; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим входным сигналом от камеры, опираясь на выбранный выходной сигнал этапа выборки; и рассчитывают электрическую емкость камеры по фазовому углу.

На этапе подачи сигнала такой осциллирующий сигнал может быть сигналом переменного тока (в форме напряжения или тока) или же разнонаправленным сигналом, а предварительно заданная частота может составлять приблизительно 109 Гц. На этапе подтверждения первый временной интервал выборки получают на основе предварительно заданной частоты и количества выборок, осуществленных для каждого цикла сигнала. Например, на фигуре 6A предварительно заданная частота входного сигнала составляет приблизительно 109 циклов в секунду, это значит, что один цикл выходного сигнала занимает приблизительно 0,009 секунды. Если желаемая скорость выборки равна N, например 64 выборки в секунду, тогда каждую выборку (например, S1, S2, S3, … Sn) осуществляют посредством деления времени одной волны (0,009 секунды) на N (или 64) выборок, в результате чего время выборки составляет приблизительно 143 микросекунды. Иными словами, выборка амплитуды отклика выходного сигнала 602 осуществляется каждые 143 микросекунды, и результаты измерений сохраняются. На этапе выборки амплитуда выходного сигнала измеряется в течение второго временного интервала выборки, который отличается от первого временного интервала выборки, с тем чтобы исключить отклонение амплитуды выбранного отклика выходного сигнала от теоретического непрерывного выходного сигнала (например, выходного сигнала идеальной синусоидальной волны). Второй временной интервал выборки может представлять собой предварительно заданное смещение времени от первого временного интервала или процент от первого временного интервала выборки. Процентное соотношение может составлять от приблизительно 5% до приблизительно 30%. В альтернативном варианте осуществления временной промежуток между пиками кусочного выходного сигнала (например, 906 на фигуре 9E) может использоваться для задания первого временного интервала выборки ST1. Например, как показано на фигуре 9E, временной промежуток от пика 908 до пика 912 может использоваться для установки первого временного интервала выборки ST1, или же среднее всех временных промежутков между пиками одной волны сигнала 906 может использоваться для установки продолжительности первого временного интервала выборки. Второй временной интервал выборки ST2 может определяться как процент увеличения (или уменьшения, в зависимости от направления волны) первого временного интервала выборки ST1. В одном варианте осуществления процент может принимать любое значение от приблизительно 5% до приблизительно 30% и предпочтительно приблизительно 20%. После определения второго временного интервала выборки измеряется амплитуда выходного сигнала 906 (фигура 9F) в каждой последовательности второго временного интервала выборки ST2 с двумя последующими временными интервалами ST2, показанными здесь на фигуре 9F как ST2(a) и ST2(b), причем выборка амплитуды выходного сигнала осуществляется при 910, 912, 914 и т. д. Из выбранных амплитуд выходного сигнала определяется разница фазовых углов между входным и выходным сигналами, и может рассчитываться электрическая емкость, как описано выше. Таким образом, предложенное заявителем использование временного смещения позволяет в течение интервала выборки сгладить различия в амплитудах выбранного выходного сигнала, что в целях более точных измерений одновременно позволяет максимально приблизить измененный временной интервал выборки к непрерывному (в отличие от кусочного) выходному сигналу.

Теперь, когда предложено решение проблемы выборки выходного ответного сигнала в подходящее время на протяжении этого выходного сигнала, заявители понимают, что, хотя предпочтительным является использование уравнения (ур. 8 или ур. 9), в котором не нужно учитывать сопротивление в камере или на полоске, необходима другая методика определения электрической емкости, учитывающая сопротивление полоски R_{ПОЛОСКА}. Необходимость учета сопротивления полоски стала особенно очевидна заявителям, принимая во внимание, что сопротивление полоски играет более важную роль в определении электрической емкости, чем ранее представлялось заявителям.

По сути, заявители дополнительно обнаружили новый технический эффект, заключающийся в том, что в результате преобразования амплитуды выходного сигнала электрохимической испытательной камеры в сложный импеданс отклик выходного сигнала от реальной тест-полоски по существу совпадает с контрольным или прогнозируемым электрическим откликом, показанным на фигуре 8A. В частности, при преобразовании амплитуды выходного сигнала испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления, возникающего между испытательной камерой и разъемами, и определения электрической емкости электрохимической испытательной камеры на основе сложного импеданса и предварительно заданной частоты электрохимической испытательной камеры достигается технический эффект, при котором отклики реальной тест-полоски (фигура 10) по существу сходны с моделью прогнозирования, показанной на фигуре 8A.

Следовательно, заявители изобрели новый способ определения электрической емкости электрохимической биосенсорной испытательной камеры для тест-полоски, которая может иметь предварительно заданное значение сопротивления полоски и имеет по меньшей мере два электрода, расположенных в электрохимической испытательной камере и соединенных с разъемом порта для полоски. Разъем порта для полоски может включать в себя соответствующие разъемы для электродов. Эти разъемы соединены с микроконтроллером. Как показано на фигуре 11, способ может осуществляться с помощью этапов, на которых размещают пробу текучей среды в электрохимической испытательной камере на этапе 1100; к электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты на этапе 1102; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры на этапе 1104; измеряют амплитуду выходного сигнала электрохимической испытательной камеры на этапе 1114; преобразуют измеренную амплитуду в сложный импеданс электрохимической испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления между испытательной камерой и разъемами на этапе 1116; и определяют электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе сложного импеданса и предварительно заданной частоты электрохимической испытательной камеры на этапе 11168. Хотя этапы 1108, 1114 и 1116 могут применяться с возможностью получения электрической емкости на этапе 1118, этапы 1106, 1108, 1110 и 1112 можно применить для учета измененного времени выборки отклика выходного сигнала испытательной камеры, что позволит уменьшить или устранить аномалию, выявленную в настоящем документе. Как было описано ранее применительно к фигурам 9A-9E, применение измененного или компенсированного временного интервала выборки позволит системе осуществлять выборку сигнала в то время или близко к тому времени, когда выходной сигнал будет соответствовать теоретически чистому выходному волновому сигналу.

В упомянутом выше способе (фигура 11) этап преобразования измеренной амплитуды в сложный импеданс электрохимической испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления между испытательной камерой и разъемами может выполняться следующим образом. В примере с изменением направления электрического тока преобразование измеренного выходного сигнала в сложный импеданс может быть выполнено на основе известного соотношения между импедансом, напряжением и током, которое определяется уравнением 10.

Z=V/I_T $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (10),

где

Z представляет собой импеданс;

V представляет собой приложенное напряжение; и

I_T представляет собой общий ток.

Исходя из соотношения, представленного на векторной диаграмме на фигуре 5C, реактивное сопротивление X для электрической емкости определяется уравнением 11.

$$X=\left|Z\right|\sin \Phi$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (11),

где

X представляет собой реактивное сопротивление;

Φ представляет собой фазовый угол между входным и выходным сигналами; и

Z представляет собой импеданс цепи.

Исходя из векторной диаграммы, представленной на фигуре 5C, сопротивление полоски, обозначенное в качестве общего сопротивления или R_общее, определяется уравнением 12.

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (12),

где:

R_ОБЩЕЕ представляет собой общее сопротивление тест-полоски;

Φ представляет собой фазовый угол между входным и выходным сигналами;

Z представляет собой импеданс цепи.

Известно, что общее сопротивление R_ОБЩЕЕ полоски представляет собой сумму сопротивления полоски R_{полоска} и сопротивления испытательной камеры R_КАМЕРА или, как показано в уравнении 13, сопротивление камеры R_камера представляет собой разность между R_ОБЩЕЕ и R_{ПОЛОСКА}.

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (13)

После вычитания сопротивления тест-полоски из общего сопротивления и получения сопротивления испытательной камеры можно получить новый импеданс (Z_НОВЫЙ) в ходе этапа преобразования, чтобы учесть это вычитание сопротивления полоски в уравнении 14.1.

или

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (14),

где:

Z_НОВЫЙ представляет собой импеданс, учитывающий вычитание R_{ПОЛОСКА};

Z представляет собой импеданс общего сопротивления R_ОБЩЕЕ;

R_КАМЕРА представляет собой только сопротивление электрохимической испытательной камеры.

Зная новый импеданс Z_НОВЫЙ, можно получить новый фазовый угол (Φ_НОВЫЙ), учитывающий сопротивление камеры и новый импеданс Z_НОВЫЙ, как показано в уравнении 15.

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (15),

где:

Φ_НОВЫЙ представляет собой новый фазовый угол;

Z_НОВЫЙ представляет собой импеданс, учитывающий вычитание R_{ПОЛОСКА}; и

R_КАМЕРА представляет собой только сопротивление электрохимической испытательной камеры.

Зная новый фазовый угол и новый импеданс, учитывающий сопротивление испытательной камеры, можно рассчитать реактивное сопротивление, как показано в ур. 16, которое путем дополнительных подстановок приводит к уравнению 16.1:

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (16),

Подстановка значений из уравнений (14) и (15) в уравнение (16) дает:

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (16.1),

где:

X_КАМЕРА представляет собой реактивное сопротивление электрохимической испытательной камеры без сопротивления полоски R_{ПОЛОСКА}.

Зная реактивное сопротивление испытательной камеры и частоту приложенного осциллирующего напряжения, электрическую емкость испытательной камеры можно получить из известного соотношения между электрической емкостью и реактивным сопротивлением, выраженного уравнением (17), с получением уравнения (18), а после подстановки уравнения 16.1 для определения электрической емкости испытательной камеры можно использовать уравнение (19).

$$C=\frac{1}{2\pi fX}$$

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (17)

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. (18)

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Ур. 19

Для проверки данного варианта осуществления электрохимическую испытательную камеру, имеющую по существу конфигурацию, описанную в настоящем документе, оценивали с использованием разных предварительно заданных сопротивлений полоски R_{ПОЛОСКА}, и результаты графически представлены на фигуре 10. Как видно на графиках откликов (например, для реальной электрической емкости и сопротивления камеры) для испытательной камеры на фигуре 10 наблюдается хорошее приближение к прогнозируемому отклику, показанному на фигуре 8A. В частности, как видно на фигуре 10, кривая отклика 704′′ при предварительно заданном сопротивлении полоски, равном приблизительно 100 Ом, является по существу постоянной и имеет значение приблизительно 620 нанофарад при сопротивлении камеры от приблизительно 100 кОм до приблизительно 20 кОм и увеличивается до приблизительно 625 нанофарад при сопротивлении камеры от приблизительно 20 кОм до приблизительно 0 Ом. Если сопротивление полоски предполагается равным приблизительно 200 Ом, отклик испытательной камеры (кривая 706′′) является по существу постоянным и имеет значение приблизительно 615 нанофарад от приблизительно 100 кОм до приблизительно 20 кОм и снижается от приблизительно 615 нанофарад до приблизительно 610 нанофарад в диапазоне сопротивлений камеры от приблизительно 20 кОм до приблизительно 0 Ом. Если сопротивление полоски предполагается равным приблизительно 150 Ом, отклик испытательной камеры (кривая 705) является по существу постоянным и имеет значение приблизительно 610 нанофарад от приблизительно 100 кОм до приблизительно 20 кОм и снижается от приблизительно 610 нанофарад до приблизительно 600 нанофарад в диапазоне сопротивлений камеры от приблизительно 20 кОм до приблизительно 0 Ом. По сути, заявители полагают, что результаты подтверждают открытие ими отклика испытательной камеры.

Исходя из вышеописанных примеров, способ оценки состояния электрохимической испытательной камеры может быть реализован путем следующих этапов, на которых: пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру; к пробе текучей среды в электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты; определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры; измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры; измеряют сопротивление электрохимической испытательной камеры; количественно выражают электрическую емкость электрохимической испытательной камеры; объявляют об ошибке при по меньшей мере одном или при обоих следующих условиях: (a) измеренное значение сопротивления выходит за пределы диапазона сопротивлений или (b) количественное значение электрической емкости выходит за пределы диапазона электрических емкостей. В качестве примера, диапазон сопротивлений может составлять от приблизительно 100 килоОм до приблизительно 0 Ом, как показано на фигуре 8A, а диапазон электрических емкостей может составлять от приблизительно 415 нанофарад до приблизительно 450 нанофарад. В предпочтительном варианте осуществления диапазон сопротивлений может составлять от приблизительно 100 килоОм до приблизительно 0 Ом, а диапазон электрических емкостей камеры может составлять от приблизительно 590 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад, так что при каждом превышении измеренным значением сопротивления испытательной камеры и измеренным значением электрической емкости камеры (при любом предварительно заданном значении сопротивления измеряемой полоски от приблизительно 50 Ом до приблизительно 200 Ом) этого диапазона сопротивлений и диапазона электрических емкостей тест-полоска сохраняется в системе или пользователю выдается сообщение об ошибке полоски.

С применением способов, описанных в настоящем документе, а также электрохимической тест-полоски, оборудования и вспомогательных компонентов, предлагается система для оценки состояния электрохимической тест-полоски. В частности, система включает в себя тест-полоску и микроконтроллер. Тест-полоска включает в себя по меньшей мере два электрода, соответствующие концы которых расположены в испытательной камере тест-полоски, и по меньшей мере два разъема, соединенных с этими соответствующими по меньшей мере двумя электродами. Микроконтроллер соединен с сигнализирующим устройством и с разъемом порта для тест-полоски, имеющим по меньшей мере два вывода для соединения с соответствующими разъемами тест-полоски. Микроконтроллер выполнен с возможностью подачи осциллирующего сигнала на камеру через по меньшей мере два электрода и измерения емкостных и резистивных откликов испытательной камеры таким образом, чтобы микроконтроллер сигнализировал о дефекте тест-полоски в том случае, если отклики выходят за пределы диапазона электрических емкостей испытательной камеры относительно диапазона сопротивлений испытательной камеры.

Хотя примеры осуществления, способы и система были описаны применительно к полоске для измерения глюкозы в крови, описанные в настоящем документе принципы также применимы к любым полоскам для измерения аналитов в физиологических жидкостях с помощью реагента, расположенного между по меньшей мере двумя электродами.

Как было указано ранее, микроконтроллер может быть запрограммирован на по существу выполнение этапов различных процессов, описанных в настоящей заявке. Микроконтроллер может быть частью конкретного устройства, такого как, например, глюкометр, шприц-ручка для инсулина, инсулиновая помпа, сервер, мобильный телефон, персональный компьютер или портативное мобильное устройство. Помимо этого, для создания программных кодов с помощью средств разработки готового программного обеспечения, например языка C или его вариантов, в частности, C+, C++ или C-Sharp, могут быть использованы различные способы, описанные в настоящей заявке. Однако трансформация данных способов на другие языки программирования будет зависеть от требований и доступности новых языков программирования для кодирования этих способов. Кроме того, различные описанные способы, будучи трансформированными в соответствующие программные коды, могут быть размещены на любом подходящем машинно-читаемом носителе данных, который при запуске на выполнение на подходящем микроконтроллере или компьютере позволит выполнить этапы, описанные в данных способах, а также любые иные необходимые этапы.

Хотя настоящее изобретение было описано для конкретных вариантов осуществления и иллюстрирующих их фигур, специалистам в данной области будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления или фигурами. Кроме этого, специалист в данной области определит, что в тех случаях, когда описанные выше способы и этапы указывают на наступление определенных событий в определенном порядке, этот порядок для некоторых этапов может быть изменен, и что такие изменения соответствуют вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, при возможности некоторые этапы могут выполняться одновременно параллельными процессами, а также последовательно согласно приведенному выше описанию. Таким образом, в той мере, в которой возможны вариации описываемого изобретения, которые соответствуют сущности описанного изобретения или эквивалентны по содержанию пунктам формулы изобретения, настоящий патент призван охватывать все такие вариации.

Claims (29)

1. Способ определения электрической емкости электрохимической биосенсорной испытательной камеры тест-полоски, имеющей два электрода, расположенных в электрохимической испытательной камере и соединенных с микроконтроллером посредством соответствующих разъемов полоски, содержащий этапы, на которых:
пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру;
к электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты;
определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры;
измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры с подтверждением первого временного интервала выборки для измерения выходного сигнала на основании предварительно заданной скорости выборки на цикл выходного сигнала с предварительно заданной частотой и получением выборки выходного сигнала от камеры со вторым временным интервалом выборки, отличным от первого временного интервала выборки, так что амплитуда каждого выбранного выходного сигнала измеряется по истечении каждого второго временного интервала выборки вместо первого временного интервала;
преобразуют измеренную амплитуду в комплексный импеданс электрохимической испытательной камеры на основе осциллирующего сигнала, фазового угла и электрического сопротивления между испытательной камерой и разъемами; и
определяют электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе комплексного импеданса и предварительно заданной частоты электрохимической испытательной камеры с оценкой выходного сигнала для определения продолжительности временного интервала между каждым пошаговым изменением выходного сигнала и установкой первого временного интервала выборки, который по существу равен продолжительности по времени.

2. Способ по п. 1, в котором этап преобразования измеренной амплитуды в комплексный импеданс содержит определение общего импеданса испытательной камеры по фазовому углу.

3. Способ по п. 2, в котором определение общего импеданса включает установление сопротивления испытательной камеры по общему импедансу и сопротивлению между испытательной камерой и одним из разъемов.

4. Способ по п. 3, в котором установление сопротивления испытательной камеры включает получение комплексного импеданса.

5. Способ по п. 4, в котором получение комплексного импеданса включает расчет нового фазового угла без сопротивления между испытательной камерой и разъемами.

6. Способ по п. 5, в котором расчет нового фазового угла включает преобразование этого фазового угла в реактивное емкостное сопротивление.

7. Способ по п. 6, в котором отношение электрической емкости испытательной камеры к реактивному емкостному сопротивлению равно произведению отношения длины окружности к ее диаметру и предварительно заданной частоты.

8. Способ по п. 1, в котором второй временной интервал выборки основан на предварительно заданном времени смещения относительно первого временного интервала выборки.

9. Способ по п. 1, в котором первый временной интервал выборки содержит время между каждым пошаговым изменением амплитуды выходного сигнала.

10. Способ по п. 8, в котором время смещения содержит от приблизительно 5% до приблизительно 30% от первого временного интервала выборки.

11. Способ по п. 1, в котором подтверждение первого временного интервала выборки содержит:
определение продолжительности одной волны сигнала при предварительно заданной частоте;
разделение продолжительности на количество измеряемых проб для каждой длины волны с целью получения продолжительности по времени; и
установку первого временного интервала выборки.

12. Способ по п. 11, в котором время смещения содержит от приблизительно 5% до приблизительно 30% от первого временного интервала выборки.

13. Способ оценки состояния электрохимической тест-полоски, имеющей по меньшей мере два электрода, расположенных в испытательной камере и соединенных с соответствующими разъемами, содержащий этапы, на которых:
пробу текучей среды помещают в электрохимическую испытательную камеру;
к пробе текучей среды в электрохимической испытательной камере прикладывают осциллирующий сигнал предварительно заданной частоты;
измеряют амплитуду выходного сигнала от электрохимической испытательной камеры;
определяют фазовый угол между выходным сигналом и осциллирующим сигналом от электрохимической испытательной камеры;
устанавливают сопротивление испытательной камеры по общему импедансу и предварительно заданному сопротивлению между испытательной камерой и одним из разъемов;
количественно выражают электрическую емкость электрохимической испытательной камеры на основе сопротивления испытательной камеры и импеданса испытательной камеры;
объявляют об ошибке при по меньшей мере одном из следующих условий: (а) измеренное значение сопротивления испытательной камеры выходит за пределы предварительно заданного диапазона сопротивлений или (b) количественное значение электрической емкости электрохимической испытательной камеры выходит за пределы предварительно заданного диапазона электрических емкостей,
при этом тест-полоску рассматривают в качестве бракованной, если емкостные и резистивные отклики выходят за пределы диапазона электрической емкости испытательной камеры относительно диапазона сопротивления испытательной камеры.

14. Способ по п. 13, в котором предварительно заданный диапазон сопротивлений составляет от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом.

15. Способ по п. 13, в котором предварительно заданный диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 450 нанофарад.

16. Способ по п. 13, в котором предварительно заданный диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 590 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад.

17. Способ по п. 14, в котором предварительно заданное сопротивление между испытательной камерой и одним из разъемов имеет значение, выбранное из диапазона от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом.

18. Способ по п. 14, в котором предварительно заданное сопротивление между испытательной камерой и одним из разъемов выбирают из диапазона значений, включающего в себя приблизительно 0 Ом, приблизительно 50 Ом, приблизительно 100 Ом, приблизительно 150 Ом, приблизительно 200 Ом, причем диапазон сопротивлений составляет от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом, а диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад.

19. Способ по п. 13, в котором этап установления сопротивления испытательной камеры содержит этапы, на которых:
определяют общий импеданс испытательной камеры по фазовому углу;
достигают сопротивления испытательной камеры с предварительно заданным сопротивлением.

20. Способ по п. 19, в котором этап получения комплексного импеданса содержит расчет нового фазового угла без предварительно заданного сопротивления.

21. Способ по п. 20, в котором этап расчета содержит преобразование нового фазового угла в реактивное емкостное сопротивление.

22. Способ по п. 21, в котором отношение электрической емкости испытательной камеры к реактивному емкостному сопротивлению равно произведению отношения длины окружности к ее диаметру и предварительно заданной частоты.

23. Способ по п. 13, в котором предварительно заданный диапазон сопротивлений испытательной камеры содержит диапазон от приблизительно 0 Ом до приблизительно 120000 Ом, а предварительно заданный диапазон электрических емкостей испытательной камеры содержит диапазон от приблизительно 500 нанофарад до приблизительно 650 нанофарад.

24. Система для оценки состояния электрохимической тест-полоски, содержащая:
тест-полоску, содержащую:
по меньшей мере два электрода, причем соответствующие концы электродов расположены в испытательной камере; и
по меньшей мере два разъема, соединенных с соответствующими по меньшей мере двумя электродами таким образом, что электрическое сопротивление полоски устанавливается между по меньшей мере одним из разъемов и электродами; и
микроконтроллер, соединенный с разъемом порта для полоски, имеющим по меньшей мере два вывода, соединяющихся с соответствующими разъемами тест-полоски, причем микроконтроллер выполнен с возможностью подачи осциллирующего сигнала к камере через по меньшей мере два электрода, измерения емкостных и резистивных откликов испытательной камеры на основе отклика фазового угла испытательной камеры и электрического сопротивления полоски, и пометки тест-полоски в качестве бракованной, если емкостные и резистивные отклики выходят за пределы диапазона электрической емкости испытательной камеры относительно диапазона сопротивления испытательной камеры.

25. Система по п. 24, в которой диапазон сопротивлений составляет от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом.

26. Система по п. 24, в которой диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 450 нанофарад.

27. Система по п. 24, в которой диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 590 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад.

28. Система по п. 24, в которой сопротивление полоски представляет собой значение, выбранное из диапазона от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом.

29. Система по п. 24, в которой сопротивление полоски выбрано из любого значения от приблизительно 0 Ом до приблизительно 200 Ом, причем диапазон сопротивлений испытательной камеры составляет от приблизительно 0 Ом до приблизительно 100000 Ом и диапазон электрических емкостей составляет от приблизительно 410 нанофарад до приблизительно 630 нанофарад.

Images