CN102323309A - 测量设备和与之使用的方法 - Google Patents

Abstract

在电流式测量和电位式测量之间随意切换的能力提供了执行对未知物分析的巨大灵活性。设备和方法可提供这样的切换以从电化学电池收集数据。电池可包含设置为测量人体血液中葡萄糖的反应物。在其它实施例中，设备包括外壳(70)和细长试片电极(90)，其可以为光学波导的形式。LED(91)提供照明，并且测试结果以直方图的形式显示在LCD显示器(71)上。

Description

测量设备和与之使用的方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年5月30日提交的美国申请号为60/521,592、于2005年3月25日提交的美国申请号为60/594,285和于2005年4月15日提交的美国申请号为10/907,790的优先权，为了通用，它们中的每一个通过引用被合并在此。

背景技术

电化学反应可用于测量溶液的量和浓度。

图1是标准三电极结构的电化学接口设备的示意图，该电化学接口设备也称为恒电势器。电化学电池39具有参考电极37、反电极36和工作电极38。电池39包含被分析的物质和为其功效所选择的反应物。反应物形成部分的电化学反应。将会理解，存在其它能够完成这里所述功能的电路，并且这只是其一个实施例。

基于在输入端34处的电压输入，在36处向电池施加电压。34处的该电压相对于地电位40被定义。在一些实施例中，这是已知的电压。更一般地，在三电极系统中，36处的电压假设确保在37和38之间的电位差基本上等于34和40之间的电位差所需要的任何值。

放大器35，优选的为运算放大器，被用于提供所需的增益并提供输入端34与电极36和37之间的隔离。在图1的布置中，增益是单位电压增益并且放大器35的主要功能是在34处提供高阻抗输入并提供充足的驱动以便与电极36处遇到的任何阻抗工作。

由于发生电化学反应，所以电流流动。工作电极38承载该电流。选择器31从电阻器组30选择电阻器，以便选择测量这个电流的电流范围。放大器32，优选地为运算放大器形成部分的电路，通过该部分的电路，33处的输出电压表示经过电极38的电流。33处的输出电压与38处的电流和所选电阻器的乘积成比例。

在一个例子中，诸如人血的血液被引入到电池中。电池中的反应物影响涉及血液葡萄糖的化学反应。34处恒定且已知的电压被保持。记录33处的输出电压，并且分析所记录的数据以实现测量在定义的测量间隔期间流过的总电流。(通常，该间隔是反应执行完成的间隔，尽管在一些实施例中，在不需要反应执行完成的情况下就进行所期望的测量。)以如此方式，可测量血液中的葡萄糖水平。

将如下所述，34处的输入可优选地不为恒定。例如，优选的是，34处的输入是选择用来最优化某些测量的波形。例如，期望在输入34处连接数字到模拟转换器的模拟输出。

刚描述的测量可称为“电流式”测量，选择术语来表示经过反应电池的电流是正在被测量的电流。

在一些测量情况下，可能将如图2所示的反电极和参考电极组合到单个电极41中。

现有技术电路的一个例子在于1992年7月16日公开的德国专利申请DE 41 00 727 A1中示出，该申请题目为“Analytisches Verfahrenfür Enzymelektrodensensoren.”但是，该电路显然不对反应电池执行电流式测量。相对于电池的参考电极(与电池的工作电极有关的)而不相对于反电极(与电池的工作电极有关的)，该电路执行电压读取和电压的整合功能。

在该电路中，测量的电位(尤其)是分析物浓度的函数。以不同的术语陈述同一点，该电路不产生也不能够产生与分析物浓度无关的信号。

发明内容

图3示出了对前述设备的改进。在图3中，提供理想的伏特计42，其可测量电极41，38两端的电位。提供开关44，当测量电位时，该开关是断开的。以这种方式，电池39相对于其至少一个电极是“浮动的”，允许不受放大器35处的信号影响的电压测量。

开关44可以是机械开关(即继电器)或FET(场效应晶体管)开关，或者固态开关。在简单的情况下，开关对于断路是断开的；更一般地，其对于非常高的电阻是断开的。

在电流式测量和电位式测量之间随意切换的能力为执行对未知物的分析提供了巨大灵活性。该方法的各种潜在益处在于2004年8月23日提交的联合待决的美国申请no.10/924,510中详细地讨论，为通用的目的，通过引用合并在此。

在于(何时)提交的美国申请no.(案号15)和于(何时)提交的美国申请no.(案号16)中详细讨论了测量方法，为了通用，它们中的每一个通过引用被合并在此。

具体实施方式

在若干图中参考附图来描述本发明。

图1是标准三电极结构的电化学接口设备的示意图，该电化学接口设备也称为恒电势器。

图2示出了将反电极和参考电极合并到单个电极41中的布置。

图3示出了根据本发明对前述设备的改进。

图4a和4b示出了使用两个开关而不是图3中的单个开关的实施例。

图4c和4d示出了用一个开关来实现隔离的实施例。

图5a、5b和5c示出了可能通过提供三个开关来引入电压测量的三电极电池系统。

图6a、6b和6c示出了应用两个开关的三电极电池系统。

图7a、7b和7c示出了可能通过提供一个开关来引入电压测量的三电极电池系统。

图8a、8b和8c示出了以另一种方式示出通过提供一个开关来引入电压测量的三电极电池系统。

图9是侧视图的测试仪器70。

图10比前述图更详细地示出根据本发明的测量系统的示意图。

图11是测试仪器70的透视图。

图12示出了具有作为光学波导的能力的带子。

图13示出了可作为前述任意附图的分析电路的功能模块62。

图14示出如何适当利用模拟开关来将运算放大器的数量减小到两个。

具体实施方式

现在描述拓扑上的各种变化。

图4a和4b示出了使用两个开关而不是图3中的单个开关的实施例。在每个实施例中，为了借助伏特计42来测量电压，将两个开关断开以便隔离电池。

在图4a中，开关45，46断开以将双电极电池39与放大器35的输出端和到放大器35的倒相输入端的反馈通路隔离。

在图4b中，开关44，47断开以将双电极电池39在电极41和电极38处隔离。

图4c和4d示出了用一个开关来实现隔离的实施例。在每个实施例中，为了借助伏特计42来测量电压，将单个开关断开以隔离电池。

在图4c中，开关46断开以将双电极电池39与放大器35的输出端隔离。

在图4d中，开关47断开以将双电极电池39在电极38处隔离。

在图4a、4b、4c和4d中，并且实际在伴随的许多例子中，为了简明，示出单个反馈电阻器43，并且意在表示选择器31和电流范围电阻器30。

在三电极电池系统中(例如参看图1)，有可能通过提供三个开关引入电压测量，如图5a、5b和5c所示。在每个实施例中，开关46将电极36与放大器35的输出端隔离，开关45将电极37与放大器35的反馈通路隔离，并且开关47将电极38与电流式电路32隔离。以这种方式，电池39的所有三个电极相对于其它电路都是“浮动的”。

因此有可能使用伏特计来测量电压。所测量的电压在参考电极37和工作电极38之间(图5a)，或者在反电极36和工作电极38之间(图5b)，或者在参考电极37和反电极36之间(图5c)。

将会理解，在一些分析应用中，期望测量电池电极间多于一个的电位差。

在三电极电池系统中，可能通过提供两个开关来引入电压测量，如图6a、6b和6c所示。

在图6a和6c中，开关45将电极37与放大器35的反馈通路隔离。

在图6a和6b中，开关47将电极38与电流式电路32隔离。

在图6b和6c中，开关46将电极36与放大器35的输出端隔离。

以这种方式，电池39三个电极中的两个相对于其它电路是“浮动的”。

因此有可能使用伏特计来测量电压。所测量的电压在参考电极37和工作电极38之间(图6a)，或者在反电极36和工作电极38之间(图6b)，或者在参考电极37和反电极36之间(图6c)。应当记住，这种电位差测量可在任意两个点之间进行，所述两个点在电学上等同于所涉及的两个点。因此，例如在图7a或7b中，伏特计42不是连接到电极38，而是可连接接地(其是放大器32的输入端之一)。这是由于放大器32的动作是如此的以至于38处的电位被强迫处于或非常接近于放大器接地的输入端处的电位。在图7c、8a和8c中，伏特计42不是连接到电极37，而是可与电学上等同(目前只考虑电位)的点34连接。

在三电极电池系统中，可能通过提供一个开关来引入电压测量，如图7a、7b和7c所示。在每种情况下，开关46将电极36与放大器35的输出端隔离。

因此有可能使用伏特计来测量电压。所测量的电压在参考电极37和工作电极38之间(图7a)，或者在反电极36和工作电极38之间(图7b)，或者在参考电极37和反电极36之间(图7c)。

在三电极电池系统中，存在另一种通过提供一个开关来引入电压测量的方式，如图8a、8b和8c所示。在每种情况下，开关47将电极38与放大器32的电流式电路32隔离。

因此有可能使用伏特计来测量电压。所测量的电压在参考电极37和工作电极38之间(图8a)，或者在反电极36和工作电极38之间(图8b)，或者在参考电极37和反电极36之间(图8c)。

应当理解，该方法可推广到具有多于三个电极的电池。

图10比前述图更详细地示出了根据本发明的测量系统的示例示意图，并且更接近地对应于图3的实施例。

可看到电阻器组30与选择器31一起允许选择放大器32的反馈电阻器值。以这种方式，33处的输出是表示穿过工作电极38的电流的电压。这对应于图3的电流式电路。该实施例中的选择器31是具有选择源S1，S2和目的地D的单极双掷开关，其与控制线53连接由控制输入端IN控制。

双电极电池39可参看图10，具有电极41，以作为组合的反电极和参考电极。

图10的集成电路50包含四个开关。电路50的开关之一是引脚8、6、7(分别为输入端4、源极4和漏极4)处的开关55。这个开关55对应于图4中的开关44，并且将电极41与放大器35的驱动器隔离。当开关55断开时，有可能将放大器51用作为伏特计，用来测量倒相引脚2和非倒相引脚3之间的电压，由此测量电池39的两个电极38、41之间的电压。输出端52处的电压与放大器51输入端处测量的电压成比例。

开关55的断开和闭合由控制线54来控制。(还应当理解，利用适当的切换，如下所述，有可能以同时满足电流式电路和电位式电路任务的方式来使用更少数量的放大器。)

因此，图10所示的是有功效且通用的分析电路，其允许在某个时间测量电化学电池的电极两端的电压，并且允许在其它时间在那些相同的电极两端执行电流式测量。这允许模式之间自动的切换方式。以如此方式，该设备与现有的电化学分析仪器不同，现有的电化学分析仪器可在恒电势器(电流式)模式或者在恒电流器(电位式)模式下操作，但是要求人类操作员来手工选择一个模式或另一个模式。

此外，将会理解，如果闭合了某些开关，图10的设备还可在电流式测量期间监控电压。换句话说，电流式和电位式测量不需要在专门的时间。

还将理解，电流式和电位式模式之间的切换不需要在固定和预定的时间，而可根据预定标准来动态执行。例如，测量可初始是电流式测量，当检测到在电流式测量过程中的一些特殊事件之后，将设备切换到电位式测量。

在由该电路可能得到的有功效的方法中，是使用电流式模式来生成化学电位，其本身可通过电位法来测量。

现在转到图13，所示的是可作为前述任何附图的分析电路的功能模块62。电压输入端34也可看作为表示电流式测量中电流的输出端33。功能模块62可包括三端子反应电池39或两端子反应电池39，如连同前述附图所描述的。

任选地，存在表示由伏特计42测量的电压的电压输出52，为了清楚在图13中省略。在该情况下，一个或两个或三个开关(为了清楚也在图13中省略)用于隔离电池39以便允许电位(电压)测量。

在图13中重要的是，输入端34连接到接收数字输入61的数字到模拟转换器(DAC)60。在最通常的例子中，DAC是快速和精确的DAC，根据转而与方框62的输入端34连接的输出端63处的时间来生成复杂的波形。

在一些情况下，可得出DAC可以是较便宜的电路。例如，可得出其可以是与控制器的离散输出端连接的简单电阻器阶梯。作为另一个例子，可得出控制器的脉冲宽度调制输出端可用于充电或放电电容器，引起63处期望的输出以及由此34处的输入。这种电路例如可参看联合待决的申请号(案号19)，为通用的目的，该申请通过引用合并在此。

以这种方式，可能将时间变化的波形施加到反应电池39，例如斜坡和正弦波。

本发明的益处例如，使用电流式和电压式模式之间的自动控制切换，并且使用对电流式测量的时间变换的电压输入，这些益处本身不仅提供了上述的葡萄糖测量，还提供许多其它测量，包括血液化学和尿液化学测量，以及免疫测定、心脏监视和凝结物分析。

现在转到图11，所示的是测试仪器70的透视图。显示器71提供信息给用户，并且按钮78、79、80允许由用户输入。显示器71优选的为液晶显示器，但其它技术也可应用。大的七段数字72允许大量描绘诸如血液葡萄糖水平的重要数目。

重要地，低分辨率圆的矩形阵列或其它区域可以粗略的方式示出定性的信息。这可包括血细胞比容水平、多日历史趋势曲线、装填速率、温度、电池寿命，或存储器/剩余的语音消息空间。该阵列还可用于示出“进度条”来帮助人类用户理解过程正处于特殊的分析中。阵列可以是15个圆宽和6行高。

因此使用显示器的一种方式是示出非常粗略的直方图，其中水平轴表示经过的时间并且其中垂直轴表示有关的数量。对于每个时间间隔，存在0、1、2或3、4、5或6个打开的圆，从阵列的底部开始。

使用显示器的另一方式是在零个和15个打开的圆之间示出非常粗略的直方图，从阵列的左边开始。

以这种方式，最小的花费、最适度数量的圆(在该情况下，90个圆)可以灵活的方式用于以两种不同方式示出定量信息。圆可优选地分别借助各自到液晶显示器的边缘处连接器的踪迹来定址。可替换地，它们可用行和列电极来定址。

行中的圆数量可以是15个。

现在转到图9，所示的是侧视图中的测试仪器70。通过在图9中向右移动，将包含电化学电池39(为清楚而在图9中省略)的试片90插入在测试仪器70中。

将会理解，测试仪器70的用户可能难以将试片90插入到仪器70中。其发生是因为用户具有受限的手-眼配合或受限的精细动作控制。可替换地，其发生是因为用户处于光线不好的地方，例如在野外和在夜间。在任一情况下，用户可得益于发光二极管(LED)91，其用于照亮试片90的区域。存在插入有试片90的连接器93，并且优选地在插入试片90之前用LED91照明。

在现有的仪器中，存在类似连接器93的连接器处的LED，但只在插入类似试片90的试片之后才接通。因此，这不能帮助引导用户插入试片。

重要的是，接着利用图9的设备，用户可在插入试片之前使LED照明。这可通过例如按下按钮来完成。这可将光沿着路径92投射，照明试片的端头。还可将光投射到连接器93，或者两者上。

以不同的方式照明试片的端头也是有帮助的。如图12所示的试片90具有作为光学波导的能力(由于部分或大量的透明)。例如，许多在制造这种试片中可使用的粘合剂是透明的。光可沿着95处所示的试片长度传递，在96处所示的尾部发射。以这种方式，有可能照明切开的区域(该区域被扎，以产生血滴)，使得试片90的端头可容易地被引导到血滴的位置。

试片90的光透射段可以是基本上透明的，或者可以是荧光或磷光性的，使得试片照亮并容易看见。

用户的经验允许选择适于任务的LED颜色。例如，在用户视图找到红色血滴时，蓝色LED将提供非常好的对比度，这要比红色LED工作得好。

现在转向图14，示出只要求两个运算放大器122、137的电路。电路的中心是反应电池130，具有工作电极120和反电极121。运算放大器122用作单位增益放大器(缓冲器)，将电压V2施加到工作电极120。脉冲宽度调制控制线123接通和关断晶体管124、125，以通过低通滤波器网络126来导出某期望的电压。该导出的电压V2在线127处被测量，在典型的情况下其转到例如在微控制器处的模拟到数字转换器，为了清楚在图14中它们全部省略。

在与本申请同时提交的联合待决申请号XX(案号AGAM.P019)中更详细地描述了脉冲宽度调制线123的操作方式，该申请题目为“Method and apparatus for providing stable voltage toanalytical system”，为通用的目的，该申请由此通过引用合并在此。

在电流式分析阶段，开关133断开并且开关134和132闭合。136处的参考电压VREF导出测量的电压V1(135)，优选地借助为清楚而在图14中省略的模拟到数字转换器来导出。将该电压提供给放大器137的输入端，并且该电压定义供给电极121的电压。在128处导出的电压在该阶段期间表示经过反应电池130的电流。

在电位式分析阶段，开关133闭合而开关134和132断开。以这种方式，电极121处的电位对于放大器137以及从那里到传感线128可用。在线128处导出的电压表示电极121处的电压，并且电极120处的电压由127处的电压定义，并且以这种方式，有可能测量电极120、121之间的电位差。

以不同方式描述了设备，所看到的是与具有第一电极和第二电极的反应电池一起使用的设备。电压源提供可控电压给第一电极，并且电压传感器感测提供给第一电极的电压。放大器通过开关装置的方式与第二电极耦合。开关装置可在第一和第二位置之间切换，在第一位置的开关装置安排放大器测量经过第二电极的电流，由此测量经过反应电池的电流。第二位置的开关装置安排放大器测量在第二电极处存在的电压。该示例实施例中的开关装置包括第一、第二和第三模拟开关，第一模拟开关连接第二电极和放大器的倒相输入端，第二模拟开关连接第二电极和放大器的非倒相输入端，第三模拟开关连接放大器的非倒相输入端和参考电压。第一位置由闭合的第一和第三开关和断开的第二开关定义，而第二位置由断开的第一和第三开关和闭合的第二开关定义。

返回图4，提供低通滤波器129以平滑线128处的信号。

将会理解，如果适用于该分析的放大器是昂贵的，并且如果在132、133、134处适于使用的模拟开关是便宜的，那么应用这里所示的电路来允许最小化所需放大器的数量是所期望的。

在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员将容易地对本发明的实施例设计各种显而易见的改进和变化，所有这些都包含在随后的权利要求中。

Claims (30)

1.一种用于手持测试装备设备的方法，该手持测试装备设备具有设置以容纳体液样本的电化学电池，所述电化学电池包括第一和第二电极以及与体液中的分析物进行反应的反应物，以响应于分析物存在时施加的电位而产生电流或响应于分析物存在时施加的电流而产生电位差，该设备包括电子电路，该方法包括下列步骤：

在电子电路的自动控制下，借助在电池外部的电位源向电化学电池施加电位或电流并测量表示分析物的存在的所述电流或电位；

此后，在电子电路的自动控制下，停止向所述电池施加所述电位或电流；

此后，在电子电路的自动控制下，测量电池处的化学电位中的衰减；

评估测量的电流和测量的化学电位的衰减，以便评估对体液中的分析物的测量。

2.权利要求1的方法，其中施加电位并测量表示所述分析物的存在的电流。

3.权利要求2的方法，其中电位作为随时间变化的电压被施加到电池。

4.权利要求3的方法，其中施加到电池的电压包括正弦电位。

5.权利要求3的方法，其中施加到电池的电压包括斜坡电位。

6.权利要求1的方法，其中施加电流并测量表示所述分析物的存在的电位。

7.权利要求1到6中任何一项的方法，其中体液样本是血液

8.权利要求7的方法，其中所述电化学电池包括与葡萄糖进行反应的反应物，并且血液的被评估的特性是血液中葡萄糖的浓度。

9.权利要求1到6中任何一项的方法，其中体液样本是尿液。

10.权利要求1到9中任何一项的方法，其中测试装备包括外壳，并且电化学电池位于外壳以外的试片内，该方法还包括在施加电位到电池的步骤之前执行的步骤：

将试片插入到外壳处的连接器中；和

将体液施加到电化学电池。

11.权利要求1到10中任何一项的方法，其中停止向所述电池施加电位的步骤还包括：

断开第一开关，由此将电化学电池的至少第一电极与电池外的电位源隔离。

12.权利要求11的方法，其中停止向所述电池施加电位的步骤还包括：

断开第二开关，由此将电化学电池的至少第二电极与电池外的电流源或电位源隔离。

13.权利要求11的方法，其中第一电极包括工作电极。

14.权利要求13的方法，其中第二电极包括参考电极或反电极。

15.权利要求11的方法，其中第一电极包括参考电极。

16.权利要求15的方法，其中第二电极包括工作电极或反电极。

17.权利要求11的方法，其中第一电极包括反电极。

18.权利要求17的方法，其中第二电极包括参考电极或工作电极。

19.权利要求1到18中任何一项的方法，其中测量电池处化学电位的衰减的步骤包括测量工作电极和参考电极或反电极之间的电位。

20.权利要求1到18中任何一项的方法，其中测量电池处化学电位的衰减的步骤包括测量参考电极和反电极之间的电位。

21.一种测试装备，包括：

电化学电池，至少包括第一和第二电极以及与样本中的分析物进行反应的反应物；

在电化学电池外部的电位源或电流源；

在电化学电池外部的电位式电路；

电控制装置；所述电控制装置与电位源或电流源耦合，以便可控制地将电位源施加到电化学电池，由此以流经该电池的电流或第一和第二电极之间的电位差的形式产生表示所述样本中的分析物的信号；

电化学电池外部的测量装置，用于测量表示分析物的信号；

其中所述电控制装置与电位源或电流源耦合，以便自动地停止施加电位或电流到电化学电池，并且随后使得电位式电路在没有施加的电位或电流时测量电化学电池处的化学电位中的衰减。

22.权利要求21的测试装备，还包括外壳，其中电化学测试电池是试片的一部分，其中所述电化学测试电池在外壳的外部，且其中试片电连接到外壳处的连接器，该外壳包含电位源或电流源、电位式电路和电控制装置，并且所述电位式电路被设置成测量第一和第二电极处的电位。

23.权利要求21或22的测试装备，其中该装备包括电位源且表示所产生的分析物的信号为电流。

24.权利要求23的测试装备，其中电位源包括随时间变化的电位源。

25.权利要求24的测试装备，其中电位源包括正弦电位源。

26.权利要求24的测试装备，其中电位源包括斜坡电位源。

27.权利要求23-26中任何一项的测试装备，还包括记录电流和电位测量并导出表示体液成分的所记录测量的功能的装置。

28.权利要求21-27中任何一项的测试装备，其中所述装备是手持式的

29.权利要求21-28中任何一项的测试装备，其中所述反应物与葡萄糖进行反应，且分析物是葡萄糖。

30.权利要求21-29中任何一项的测试装备，还包括与导出装置通信耦合的显示装置，用于向人类用户显示体液成分的表示。

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