CN1508534A - 缩短终点型反应分布图的分析时间的方法 - Google Patents

Abstract

用于医学诊断检测并缩短这些检测所需要的时间的方法，装置和试剂盒。该方法包括，开始一个反应，至少在三个不同的时间点，获得至少三个关于反应的可观察的物质的测量值或水平，通过测量值来估计可观察物质的反应终点值。

Description

缩短终点型反应分布图的分析时间的方法

                          发明背景

在临床化学领域，诊断分析通常由化学反应组成，在这些反应中某种分析物反应形成与反应中存在的分析物数量成比例的一种可见产物。这里所谈到的是一级反应，其中产物形成的速率与一级反应物，即与分析物，成比例。一级动力学反应产生用指数方程数学模拟的指数浓度对时间的分布图，其中可观察的与反应产物浓度成比例的反应与反应时间和反应速率常数成比例。可观察的反应可以是，例如，通过比色法确定反应物或反应产物的浓度的反应。反应速率常数一般随着温度的变化而变化，而且通常是随着温度的升高而增加。

经常遇到的情况是，反应图形不是严格的一级反应，而是经过大部分反应时间过程，通过一级反应动力学指数尽可能接近地近似为一级反应。在反应速率(在给定温度下)既是酶浓度的函数、又是分析物(反应物)浓度的函数的酶催化反应中，情况通常是这样。描述反应终点的特征通常需要该反应被进行完全。在一些情况下反应可通过提高温度、增加酶或其他催化剂浓度而使反应加速。然而，在许多情况下，反应必须在环境温度条件下进行，而且即使增加酶或其他催化剂浓度，达到有限的可见反应也需要很长的终点时间。

许多用于医学诊断检测目的的一级反应或假一级动力学反应是基于在环境温度条件下进行的终点反应。大多数这些检测需要较长反应时间才能足以得到对于与反应终点相关联的可见反应的可再现的数据。因此检测化学及生化化合物需要花费数分钟以至数小时才能得到指示反应终点的合理准确的可观测反应或数据。

许多临床和生化检测达到反应终点需要的等待时间降低了医学实验室的效率，在紧急情况下终点反应时间长到不可接受。而且，许多常用检测，例如糖尿病的血糖水平测定、抗凝血病人的血栓形成物质测定，由非职业人员在无临床装置情况下进行操作日渐增多。由于缺乏技巧或者在检测所必须的时间段内缺乏耐心，这些非职业人员需要进行困难的重复检测测定，增加了获得错误诊断数据的危险，最终导致得出与非正确操作的检测测定相关连的不令人满意的诊断结果。

因此，需要一种方法来缩短医学诊断检测的全部时间，并且使这些检测变得方便和简单。本发明满足了这些要求，同时满足了其他一些需要，克服了背景技术中提到的现有技术的不足。

                            发明概述

本发明提供了一种用于医学诊断检测及缩短进行这些检测所需要的时间的方法。尤其是，本发明提供了在不同的时间间隔进行可以对反应终点进行计算估计的测定，从而对一级反应动力学指数求解的方法。本发明还提供了一种通过在不同时间间隔进行检测来模拟一级反应的方法。通常，该方法包括，开始反应，至少在三个不同的时间点对与能够指示反应进程的可观察物质相关的数值或水平进行检测，获得至少三个测量值，由可观察物质的测量值来估计终点值。终点值可通过以下方式估计：中间测量值，减去近似地等于后一次测量值与前一次测量值之差的平方除以后一测量值减去中间测量值的两倍再加上前次测量值的近似等于整数倍的数值。

作为例证但不限于，反应可包括任何化学的、生物的、生理的以及其他具有一级反应或假一级反应行为或特征的反应。与反应相关联的可观察物质包括一种或多种分子，或者随之使用的一种或多种与之相关的标记，这些物质可进行光学、电学、光谱学、放射学、化学或者通过其他技术，例如利用样品计、样品阅读仪或其他检测装置检测。可观察物质包括反应中可检测的分析物或反应物，可检测反应产物，或者是虽不参与反应但能在反应中指示反应物或分析物的浓度或水平的可检测物质、化合物或化学品。在很多实施例中，测量数值可以相同或大体上相同的时间间隔Δt来选取或获得。在另外的一些实施例中，每次测量的时间间隔各不相同。可在反应的较早或较晚时期，或者在这两个时期都进行测量。该方法还包括通过测量来确定反应的终点时间。

在某些实施例中，本发明的方法包括，开始一个有指示反应进程的可观察物质A出现的反应，测定该可观察物质的第一，第二和第三数据A₁，A₂和A₃，并根据如下关系式确定可观察物质的最后或终点值A_∞：

$A_{\∞}\≅A_2-\frac{{(A_3-A_1)}^2}{4(A_3-2A_2+A_1)}$

在许多实施例中测量值A₁，A₂和A₃可在相等或大体相等的时间间隔Δt获得，而在某些实施例中可在不相等的时间间隔获得测量值A₁，A₂和A₃，测量可在选定的时间段后特定进行。测量数据A₁，A₂和/或A₃通常可在反应开始后的任何时间进行，反应终点值的确定不需要描述或纪录反应起始时间。在一些实施例中，数据A₁，A₂和/或A₃的测量可在反应起始后经过一段选定时间后进行，或者在先前的一次或多次测量后的一段选定时间后进行。

本发明的方法在一些实施例中可包括在第一观察窗测定可观察物的第一套数据A₁，A₂和A₃并根据上述关系确定第一反应终点值A_∞，在接着的第二观察窗测定可观察物的第二套数据A₁，A₂和A₃并确定第二反应终点值A_∞，并根据第一和第二终点值来确定其差值ΔA_∞。该方法还可以包括，在第n个观察窗测量可观察物质的第n套数值A₁，A₂和A₃，确定第n个反应终点值A_∞，通过第一，第二到第n个反应终点值A_∞来确定ΔA_∞值，并选定反应开始后的一个时间间隔作为观察窗来测定可观察物的数值A₁，A₂和A₃。

在目的反应中，在反应过程中测定系列数值A₁，A₂和A₃可被视为“观察窗”，在每个观察窗中测定A₁，A₂和A₃三个数值。观察窗随着反应起始时间的变化而变化并且可重复，以提供连续的对终点值A_∞的估计。在估计终点值A_∞时，对于任何给定的两次独立测量之间的时间间隔Δt和任何给定的反应常数k，系统的固有误差都是A_∞-A₂的恒定比率。该误差作为期望结果A_∞的比率随着“三观察窗”时间的推移变得越来越小，从而导致最终在反应过程中对A_∞的估计更为准确。

由此，在估计反应终点值A_∞时的百分数误差是测量数值A₁，A₂和A₃之间的时间间隔Δt、反应完成的程度及反应常数k的函数。为保证估计的A_∞的误差在真实值或实际值的可接受范围内，这些参数可通过以下方式来调整：在测定前确保反应已经进行到某种完全程度，将测得的数据A_t与估计的终点值A_∞相比较，通过优化测定时间间隔Δt而优化可观察的反应常数k，和/或通过观察反应温度及运用温度与反应常数k之间的已知关系。在较高温度时，(k值较大)，可选择较小的Δt以补偿可观察物质的测量A值的时间曲线中的较大曲率，相反当k值很小时，连续测定的A值之间的差别变小，导致信噪比很小而出现随机错误。因此，在很多实施例中在给定的反应常数k时时间间隔Δt应尽可能大，以保证可接受的误差在期望的最小值处。

在许多用于检测与反应相关联的可观察物质的测量值的检测系统中，背景噪声都是一种重要因素。因此在本发明的一些实施例中推荐检测多个连续的估计终点值A_∞以使其趋同，在给出检测过程中出现的信噪比的同时指示反应的完成程度。而且，由于系统误差是指数形式的恒定分数，随时间变化的估计值本身是指数形式，并且终点值的估计也反映在进一步降低系统误差上。

本发明方法缩短了在医学、生物学及其他检测方法的终点确定中必须的全部检测时间。缩短检测所需要的时间给使用者带来极大便利，同时也使医学实验室人力和资源得到更有效利用。本发明还允许不使用对数或指数来对指数反应的终点进行估计，因此反应终点估计所需的计算能很容易的使用小功率微处理器来进行，如那些可利用的计量或阅读装置，和便携式的数据处理器如“私人数字助理”或者PDA装置等。此外本发明还不需要知道检测反应的确切开始时间就可以进行终点值估计。

本发明适用于许多诊断检测，例如，包括确定病人吸收治疗药物的情况，确定个体内麻醉品的水平，以及检测样品中可能存在的有害化学物质。本发明的方法尤其适用于病人或非专业人员通常在“非医院”或没有诊断装置时所进行的医学诊断检测，例如血糖监测和监测抗凝血治疗。本发明的这些目的及其他目的以及优点将在下面详细描述来阐明。

                            附图简述

结合下面的附图来完全理解本发明，附图仅用于解释本发明。

图1图示的是一级反应动力学反应，纵轴表示测定的或观察到的分析物水平，横轴表示反应时间。

图2图示的是一个一级动力学反应的三点观察窗，纵轴表示测定的或观察到的分析物水平，横轴表示反应时间。

图3是一个根据本发明的用于反应终点确定的系统的示意图。

                            发明详述

本发明是关于医学生物检测领域缩短终点确定所需要的检测时间的方法。尤其是，本发明提供了通过在反应结束前得到的可观察成分的三个测量数据，估计反应中的一个或多个可观察成分的终点值的方法。将本发明描述为主要适用于临床或医学诊断检测，尤其是适用于血糖水平检测。在本发明被更详细描述之前，应理解本发明不限于下面所描述的特定实施例，对于优选实施例的任何改变都落入本申请的权利要求的保护范围之中。还应理解，这里所使用的术语只是为了描述优选实施例而不起限定作用。相反，本发明的保护范围建立在权利要求书的基础上。

这里所使用的任何定义都只是为了使其清楚，而不应作为限定。这里所使用的技术和科学术语与发明所属领域的普通技术人员通常所理解的意义相同。

这里所应用的词语“一级反应”意思是，任何化学的、电化学的、生物化学或者其他反应所具有的或者表现出来的一级或假一级反应动力学，或者是那些被近似为一级反应动力学所合理表征的其他反应。

这里所应用的词语“凝血时间”或“PT”及语法上与此相同的词语指的是用于检测血液凝结时间，即用于监测治疗那些有过渡凝血(血栓塞)危险的个体的血液凝结时间。

这里所应用的词语“标准模式”及语法上与此相同的词语指的是用于诊断分析的商业批号和/或其构成成分的标准化的一个唯一的或一套数字。

这里所应用的词语“浆液”及语法上与此相同的词语指的是血浆，即血细胞悬浮于其中的非细胞液。

这里所应用的词语“宿主”，“病人”，“个体”和“客体”及语法上与此相同的词语指的是能利用或需要用本方法估计反应的可观察物终点值的任何哺乳动物或非哺乳动物的一个或多个成员。

应当指出的是，正如在说明书及权利要求书中所使用的那样，除非明确表明外，单数形式“一种”也包含复数指示物。例如，参见“一种对照混合物”包含一个或多个对照混合物，以及“一个凝血检测”包括一个或多个凝血检测，以此类推。

在化学及生物学检测或者相似的反应事件中，一种分析物典型地以某种方式反应，该方式改变可观察物的水平或值，其与反应容器中仍存在的该分析物数量成比例。可观察的物质可包括随着反应的进行浓度下降的分析物自身，随着分析物的消耗浓度增加的反应产物，或者是实质上不参与反应，但能指示反应进程的另外的物质。对于一级反应来说，分析物以一种可观察的方式以与反应中剩余的分析物量成比例的速率进行反应。在监测这些化学反应的响应时，反应的响应或进程可以是相对于时间的指数，并且可用(可观测物质的)一种浓度相对于时间的指数方程所描述，当用监测反应产物的出现来表示反应情况时，可用方程

                    A_t＝A_∞(1-e^-kt)      (1a)

来描述，或者当用监测反应物的消失来表示反应情况时，用方程

                 A_t＝(A₀-A_∞)e^-kt+A_∞    (1b)

来描述，这里的A_t指的是在时间t时的可观察响应，A_∞表示反应进行完全时的可观察响应，以及A₀表示反应开始前的可观察响应。另一种可能是涉及反应物消失的情况：

                     A_t＝A₀e^-kt          (1c)

方程1a通常适合于在反应开始时没有可观察的反应产物存在，且其检测到的作为A_∞的最终浓度与在诊断方法中用数量表示的分析物(开始物质)数量有关的情况。方程1b适合于可检测到的起始物质与分析物反应形成一种不可检测的产物的情况。反应中的可检测的起始物质必须过量，并且其开始和最终的可检测响应(A₀及A_∞)的差值与存在的分析物数量相关。方程1c适合于可检测响应是分析物自身，并且反应完全时可检测响应趋于0的情况。本发明与方程1a及1b相关。参数k是反应速度常数，并且典型地随着温度的变化而变化，通常是随着温度的升高而增大。可观察响应可包括，例如，与反应物、反应终产物或者其他在反应中出现的化合物或物质相联系的颜色变化。

许多重要的检测，例如监测血糖水平及抗凝血治疗的疗效水平的检测，都需要确定终点值A_∞。在许多情况下实际等待直到反应基本上完全结束来获得估计的A_∞值是非常不便的。在某些情况下，反应曲线可预见的遵循前面方程(1)的一级动力学指数的数学形式，人们可在许多时间点测得A值后求解出方程的参数(k和A_∞)，而不需要等待反应完全后得到合理的估计的A_∞值。然而，许多涉及重要的医学和生物学检测的反应不遵守一级反应行为，并且很难得到合理的估计的A_∞值。当然，也可以通过求导过程来实现参数k和A_∞的数字评价，然而这种方法需要大量的运算并且不适用于有限存储和需要较长微处理器循环次数的传统测量装置。

本发明提供了快速、简便、准确、适用于许多生物和医学检测的评估可观察的终点值A_∞的方法，同时提供了实现这些方法的装置和试剂盒。这些方法包括，开始一个反应，其中有可观察物质A出现指示反应程度或进程，分别在第一、第二和第三时间点t₁，t₂和t₃测定可观察物质的第一、第二和第三数值A₁、A₂和A₃，并根据关系式

$A_{\∞}\≅A_2-\frac{{(A_3-A_1)}^2}{4(A_3-2A_2+A_1)}---\left(2\right)$

通过数值A₁、A₂和A₃来确定可观察物质的最后或终点值A_∞。在许多实施例中，数值A₁、A₂和A₃的测量在相等或基本相等的时间间隔Δt进行，这里Δt指的是前后两次测量之间的时间间隔，即Δt≈t₃-t₂≈t₂-t₁。正如下面所描述的，尽管在反应开始后，当选定的时间过去后，可进行A₁、A₂和/或A₃的测量，A₁的测量并由此而导致A₂和A₃的测量通常可在反应开始后的任何时间进行。

Δt的值可根据相关的具体反应来选定。对感兴趣的反应在不同温度下(因此k值不同，正如下面所描述的)进行了研究。在这种方式下，当反应在特定温度或特定温度范围内进行时，可使反应时间缩小到足够小(即较早的反应终点)，同时保持可接受的准确的终点值A_∞。如果Δt过长导致反应曲线的曲率过大，这种准确性可被降低。对于感兴趣的反应在不同温度下确定每种温度或k的最佳fΔt值的研究可通过表格或其他关系式表示出来，因此当反应进行时，可选择最佳Δt以处理用于终点确定的数据流。温度可测量得到(通过温度传感器，温度计或其他装置)或者，作为选择，也可用任意小的Δt，采用下面所谈到的方程(20)得到初始估计值k以处理早期数据及近以k值。

对于方程(1b)，当A_t＝A₀e^-kt时，将观察值的对数(lnA_t)对时间作图，得出分别以反应常数k为斜率，以终点值A_∞为截距的直线；在这种分析的情况下，至少需要在两个不同的时间得到至少两个测量值A。然而，对于A_t＝A_∞(1-e^-kt)而言，确定反应常数k和终点值A_∞更为复杂。方程(2)用于准确估计终点观察值A_∞的有效算法可从如下过程看出。首先，假设微分方程(3)

$\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}=-A_{\∞}{\mathrm{ke}}^{-\mathrm{kt}}---\left(3\right)$

A相对于时间t的斜率在两个时间点t₁和t₂被测定，从而得出方程(4)

$\frac{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t1}}{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t2}}=\frac{A_{\∞}\mathrm{ke}-{\mathrm{kt}}_1}{A_{\∞}\mathrm{ke}-{\mathrm{kt}}_2}=e^{-k(t_1-t_2)}---\left(4\right)$

的关系式。方程(4)的关系式可更简化表示为

$\ln \[\frac{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t1}}{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t2}}\]=-k(t_2-t_1)---\left(5\right)$

方程(5)可被表示为解出速度常数k，即

$k=-\frac{\ln \[\frac{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t1}}{{\left(\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t2}}\]}{(t_2-t_1)}---\left(6\right)$

将方程(6)代入方程(1)得出

$A_{\∞}=\frac{{\mathrm{At}}_1}{(1-e^{-\mathrm{kt}1})}---\left(7\right)$

根据方程(7)，为了确定A_∞，需要最小限度的三次测量值A_t。将涉及指数和对数计算，且答案计算起来相当麻烦，对于在临床检测中通用的低速微处理器来说，这将需要较长时间和较多的计算机而导致极度不便。

然而，如果我们更进一步，计算如方程(8)所示的二阶导数，情况将被简化。

$\frac{d^{2}A}{\mathrm{dt}}=-A_{\∞}{k}_2{e}^{-\mathrm{kt}}---\left(8\right)$

将方程(8)所示的二阶导数用一阶导数dA/dt来除，我们得出

$\frac{\frac{d^{2}A}{\mathrm{dt}}}{\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}}=\frac{A_{\∞}{k}^2{e}^{\mathrm{kt}}}{A_{\∞}{\mathrm{ke}}^{-\mathrm{kt}}}=k---\left(9\right)$

方程(9)作为解出速度常数k的关系式。

图1的曲线表示了一个测量值A相对于时间的指数反应曲线。图1表示的是当相关反应的开始时间未知的情况，也就是说，t₀未知，正如经常遇到的病人操作家庭应用的诊断检测装置那样。当未知的反应开始时间t₀之后，在时间t_d进行可观察物的量A_d的首次测量。方程(1)的关系式可表示为

$A=A_{\∞}(1-e^{-\mathrm{kt}})=(A_{\∞}-A_d)(1-e^{-k(t-t_d)})+A_d---\left(10\right)$

方程(10)的导数可表示为

$\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}=A_{\∞}{\mathrm{ke}}^{-\mathrm{kt}}=(A_{\∞}-A_d){\mathrm{ke}}^{-k(t-t_d)}---\left(11\right)$

并且方程(11)可表示为

$A_{\∞}=\frac{\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}}{{\mathrm{ke}}^{-k(t-t_d)}}+A_d---\left(12\right)$

当t＝t_d时，方程(12)可简化为

$A_{\∞}=\frac{\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}}{k}+A_d---\left(13\right)$

从方程(13)可以看出，计算终点值A_∞只需要沿A相对于时间的反应曲线上的单个点的一阶和二阶导数。

现参见图2，其图示的是反应曲线上的三个点p₁，p₂和p₃，分别对应于在时间点t₁，t₂和t₃的测量值A₁，A₂和A₃，且t₃-t₂＝t₂-t₁＝Δt。作为示范，假定点p₂的一阶和二阶导数是已知的。图2的曲线的斜率S₁是曲线上位于点p₁和p₂之间的某一点(未示出)的一阶导数，可表示为：

$S_1=\frac{A_2-A_1}{\mathrm{\Δt}}---\left(14\right)$

图2的曲线的斜率S₂是曲线上位于点p₂和p₃之间的某一点(未示出)的一阶导数，可同样表示为

$S_2=\frac{A_3-A_2}{\mathrm{\Δt}}---\left(15\right)$

S₃是点p₂的已知一阶导数的平均值，那么得到

$S_3=\frac{S_1+S_2}{2}---\left(16\right)$

以及S’是点p₂的已知二阶导数，可表示为

$S^{\′}=\frac{S_2-S_1}{\mathrm{\Δt}}---\left(17\right)$

从上述提供的方程(9)估计反应常数k

$k\≈\frac{S^{\′}}{S_3}---\left(18\right)$

并从上述产生的方程(13)估计A_∞

$A_{\∞}\≈\frac{S_3}{\left(\frac{S^{\′}}{S_3}\right)}+A_2---\left(19\right)$

根据测得的A₁，A₂和A₃值对A_∞求解给出方程(2)，可用于描述根据本发明的反应终点的特征。

$A_{\∞}\≅A_2-\frac{{(A_3-A_1)}^2}{4(A_3-{2A}_2+A_1)}---\left(2\right)$

用同样的方式，可导出k的近似值：

$k\≅\frac{A_3-{2A}_2+A_1}{2\mathrm{\Δt}(A_3-A_1)}---\left(20\right)$

需要说明的是，由于前述斜率计算的有限性，近似方程(2)中存在着固有误差。

因而，估计一种能指示反应进行或完成的可观察物质的量A的终点值A_∞可包括：开始一个涉及有可观察物质A的反应，测定该可观察物质的第一，第二和第三数据A₁，A₂和A₃，并根据给出的方程(2)确定可观察物质的最后或终点值A_∞。三个连续的测量值A₁，A₂和A₃可视为能够随时间移动的“三观察窗”，提供A_∞的连续估算。对于任何给定的值Δt＝t₁-t₂＝t₂-t₃和反应常数k，在估算时系统的固有系统误差都是A_∞-A₂的不变的比率，因此该误差作为期望结果A_∞的比例随着“三观察窗”随时间的推移(趋向于反应终点)变得越来越小，在反应过程中的最后阶段导致更准确的A_∞估算。因此，百分误差是Δt，反应完成的程度及k的函数。

为确保A_∞估计值的误差小于真实值的期望部分，我们可通过以下方式来调整这些参数：比较测量值A_t与估计值A_∞，对于每个观察的k值(根据方程20估算)充分优化Δt来确保反应进行到超过确定完成的程度，和/或通过观测温度并运用温度与反应常数k之间的已知关系。对于典型的化学反应，在温度较高时，k值增大，因而Δt应较小以补偿较大的曲率，当在较低温度时，k值也因之较小，前后的A_t值差别较小可导致较差的信噪比而出现随机的仪器或其他误差。因此，在给定的k值下Δt最好应尽可能大以将可接受的误差限制在期望的最低限度内。

由于在应用本发明的很多情况下背景噪声都可能是一个重要因素，同样也可期望通过它来检测连续的A_∞估计值从而验证是否趋同，既给出反应完成程度的指示，也给出噪声信号的指示。基于这种考虑，本发明提供的连续估计的方法，通过在第一观察窗测定可观察物质的第一套A₁，A₂和A₃的值，根据方程(2)确定第一终点值A_∞，在第二个相继的观察窗测定可观察物质的第二套A₁，A₂和A₃的值，确定一个第二终点值A_∞，并通过第一和第二终点值来确定终点值的差别ΔA_∞。该方法还可包括，在第三观察窗测定第三套A₁，A₂和A₃的值，确定第三终点值A_∞，在第n观察窗测定第n套A₁，A₂和A₃的值，确定第n终点值A_∞，并通过第一、第二、第三至第n终点值来确定ΔA_∞的值。因此在反应开始后，对于测定A₁，A₂和A₃值的观察窗的最小或最佳时间间隔，可通过比较不同观察窗的连续A_∞估计值及观察测得的A_∞值的趋同性来选择。此外，由于系统误差是指数的恒定部分，估计值随时间的变化是其自身的指数并且对终点值A_∞的估计也能反应在减少系统误差上。

                            一般方法

本发明提供了一种用于医学诊断检测及缩短进行这些检测所需要的时间的方法，通过在不同时间间隔进行测定并通过计算来估计反应终点。通常，该方法包括，开始一个反应，至少在三个不同的时间点对与能够指示反应进程的可观察的物质相关联的值进行至少三次检测，获得至少三个测量值，并通过可观察物质的测定来估计反应终点值。终点值可通过中间测量值，减去近似地等于后一次测量值与前一次测量值之差的平方除以后一测量值减去中间测量值的两倍再加上前次测量值的近似等于整数倍的数值的差来确定。

尤其是，本方法可包括：开始一个涉及有指示反应进程的可观察物质A的反应，测定该可观察物质的第一，第二和第三数据A₁，A₂和A₃，并根据前面描述的方程(2)确定可观察物质的最后或终点值A_∞

$A_{\∞}\≅A_2-\frac{{(A_3-A_1)}^2}{4(A_3-{2A}_2+A_1)}---\left(2\right)$

在许多如下列显示的实施例中，数值A₁、A₂和A₃的测量可在相等或基本相等的时间间隔Δt进行。测量数据A₁，A₂和或A₃通常可在反应开始后的任何时间进行，在一些实施例中，数据A₁，A₂和/或A₃的测量可在反应起始后经过一段选定时间后进行，或者在先前的一次或多次测量后的一段选定时间后进行。

本发明的方法适用于任何化学、生物学、生理学及其他反应。与反应相关联的可观察物质包括一个或多个分子，或者随之使用的一个或多个标记，这些物质可进行光学、电学、光谱学、放射学、化学或者通过其他技术检测。本发明的方法尤其适用于利用运算能力有限的样品计、样品阅读仪或其他检测物质的检测装置。可观察物质可包括反应中可检测的分析物或反应物，可检测反应产物，或者是虽不参与反应但能在反应中指示反应物或分析物浓度或水平的可检测物质、化合物或化学品。下面讨论的具体实施例选用可光学检测的化合物。

在许多情况下，诊断检测反应用手持装置，例如用充填有对相关分析物产生颜色的特异性试剂系统的检测垫或检测带作为固相支持物来进行。典型的分析物有葡萄糖，胆固醇，脲及类似的物质。许多在诊断分析中经常涉及的其他分析物本身对那些领域的技术人员来说也是值得推荐的。颜色形成试剂系统可包括能选择性催化有相关分析物参加的一个基本反应的酶或其他催化剂。基本反应的一种产物可以是能够产生光学可检测变化的染料或其他化合物，例如在反应区域中的可检测颜色变化。在另外一些实施例中，基本反应的产物可以是进行另一反应，也可被酶催化、直接或间接地参与副反应并在反应区域产生可检测的颜色变化的最终染料的中间体。

一个优选的适用于本发明的颜色形成试剂系统的示例是专用于葡萄糖的包括葡萄糖氧化酶、过氧化物酶及可氧化染料的系统。葡萄糖氧化酶是一种从黑曲霉或青霉菌中得到的酶，它能与葡萄糖及氧反应产生葡萄糖酸内酯和过氧化氢。过氧化氢产生后被过氧化物酶(如马萝卜过氧化物酶)催化，将染料氧化。因之产生的发色团(氧化的染料)在反应区域中呈现出可观察的颜色。在该实施例中观测值可通过对反应区域中的染料水平进行比色而确定。

许多用于葡萄糖检测的可氧化染料在本领域是公知的，例如，这里作为参考而引用的美国专利US5304468中列出的那些染料。另一种非常有用的可氧化染料是通过引用而包含在本申请中的美国专利US6218571中描述的3-甲基-2-盐酸苯并噻唑啉酮腙/8-苯胺基小萘磺酸胺染料系统(MBTH/ANS)。另一对可选择的染料来源于MBTH，间-3-甲基2-苯并噻唑啉酮腙和N-磺酰基苯磺酸内盐与ANS偶合。在这里通过引用而作为参考的1994年9月8日申请的申请号为08/302575美国专利申请中对该化合物进行了详细的描述。其他适合用光学反应特征描述的合适的染料及染料系统对那些本领域的技术人员来说也是值得推荐的。

可氧化染料可用于检测条和光学阅读系统，如那些通常应用于测定血糖水平的系统。例如，美国专利US6268162披露了基于通过多孔检测条的反射系数测定体液中分析物浓度的系统，这里作为参考。在该系统中，体液样品滴加到检测条上，接着将检测条插入光学阅读仪或计量计。在这种情况下测定的数值A是测定的检测条的反射率值，与反应终点对应的反射率值可通过测定的反射率值根据该发明计算得出。

根据本发明用于终点估计的测量值也可建立在电化学检测的基础上。这些检测可利用在带有间隙分隔的电极的电解池中测定样品。当通过电极监测势差时，可利用穿过间隙的电流来描述反应的特征。因此测定的数值A可包括测得的电势值，该值常用于计算通过电极的终点电势值。这种系统在美国专利US6193873中被描述，其内容在此引用作为参考。

本发明还适用于描述血液凝集检测的终点，例如凝血时间或PT测定。这种检测可通过将血样加到含有促凝血酶原激酶和可光学检测的凝集物(通过光发射或反射)的检测带上，利用检测带阅读仪来进行检测。该系统在欧洲专利申请EP0974840中被描述，这里作为本申请的参考。这种类型的检测带，被称做HARNONYTM的检测带以及相应的光学阅读仪可从加拿大Milpita的Lifescan公司购得。

                              装置

本发明还提供了在诊断检测中使用的检测装置和系统。例如装置可包括，具有可读取、输入或者其他允许登陆与反应相关的可观察物质的测量值A的界面的数据处理装置，和一个或多个用输入的值进行上述提到的方程(2)的运算以获得终点值的逻辑元件。该装置还可以包括用来确定不同测量值A之间的时间间隔的时间纪录元件，以进行前面描述的在选定时间间隔进行测量。

界面可包括一个允许用户通过键盘或其他常用装置进入的用户界面以输入测定的A值。作为替代，界面也可另外包括一个直接测定A值的界面。例如，该界面可包括用于从检测带或其他样品上比色测定A值的光学阅读仪，根据样品中电容的变化测定A值的电路，或者根据本发明能够获得测量值的其他界面。优选的样品阅读仪具有上述提到的界面。

该装置的算法可体现在硬件、软件或在二者中。根据本发明，终点特征描述不需要如前所述的对数或指数特征。因此，对该装置所需的数据处理能力要求很低，并可体现在相对简单的样品阅读仪上。例如，算法可以是被设定为读取或输入多个测定的数值，将方程(2)的算法运用于所测得的数值，并根据输入的测定数值输出一个或多个终点估计值。该算法还可被设定为在选定的时间测定样品的值并比较连续的终点估计值直至其趋同。

现在参见图3，显示了一种根据本发明用于反应终点确定的装置或系统10。系统10可包括一个便携式计算机，如私人数字助理或“PDA”。在另外的一些实施例中，数据处理装置可包括小型计算机、微型计算机，PC机，例如基于INTEL^的计算机或其复制品，APPLE^计算机或其复制品，SUN^小型工作站，或者其他类似的计算机。系统10包括一个能够与中央处理单元或CPU14连接运转的用户界面元件，如实施例中的键盘12。

CPU14通过一个寻址及数据总线16和一个控制/状况信号界面18与系统10的组成元件连接运转。其中组成元件包括，可包括不同存储元件(未示出)的系统存储器20，例如一个DRAM基本或主存储器，一个或多个SRAM缓存储器，以及一个或多个ROM，PROM，EPROM，EEPROM形式的或类似的只读存储器元件。系统10还包括一个能够测定或检测样品中分析物水平的样品阅读仪22。系统10另外还包括一个显示元件24，例如CRT，LCD或其他类型的显示器，以及一个允许系统24与外部数据处理器、样品阅读仪或者其他外部装置(未示出)相连接的接口适配器26。接口适配器26可以是GPIB，RS-232，PCI，USB，SCSI，ETHERNET^，FIREWIRE^形式或者其他IEEE1394界面。CPU14，存储器20，样品阅读仪22，显示器24及接口适配器26可通过一个主板(未示出)以便利的方式相连接并通过寻址及数据总线16和控制/处理界面18相互联系。系统10还包括各种另外的部件(同样未示出)，例如硬盘驱动器，软盘驱动器，NIC，CD驱动器，和/或其他常规的硬件元件。

系统存储器20通常可包括一个合适的操作系统和适合于操作各种硬件元件的软件(未示出)、它们通过寻址及数据总线16和控制/状况信号界面18与存储器20和CPU14连接操作。存储器20还可以包括能够输入或接受至少在三个不同的时间点与能够指示反应进程的可观察物质相关联的至少三个检测值的可储存程序28，和能够通过前面描述的测量来确定可观察物质的一个终点值的可储存程序30。

                             试剂盒

本发明还提供了一种在实际操作中应用本方法的试剂盒。例如，本发明的试剂盒可包括含有一种或多种分析物的检测带或其他样品支持物，和一个用于阅读检测带的样品阅读仪或测量计，这些装置包括有阅读或输入来自检测带的多个测量数据的逻辑算法，将方程(2)的运算运用于测得的数据，并根据输入的测量数据输出一个或多个终点估计值。试剂盒还可包括将体液滴加到带检测带上和利用阅读仪或测量计测定由检测带得到的数据的打印的说明书。

                           实施例

下列实施例为本领域普通技术人员完整地阐明和描述了如何实现本发明，但既不是作为发明者对范围的限定，也不表明下列实施例是全部或唯一的实施方式。尽管做出很大努力以确保使用的数据的准确性，但除非特别指明，应考虑一些实验误差和偏差，比例是指重量比，分子量指的是重均分子量，温度指的是摄氏度，以及压力指的是在或接近大气压。

实施例1：比色法测定血糖水平的终点值确定

下列实施例阐明了本发明的方法在测定血糖水平中的应用，并将得到可重复结果所必需的全部检测时间(终点时间)与传统的终点分析方法作了比较。

在本实施例中，葡萄糖监测器“SureStep^”被用于比较用本发明的运算方法所需要的测定时间与传统的葡萄糖水平测定方法。“SureStep^”是一种可从市场购买的加拿大Milpitas的Lifescan公司生产的血糖测定系统。它包括一个手持反射计和一个利用酶催化的比色化学物质的试剂带(MBTH和ANS的衍生物，被葡萄糖氧化酶和过氧化物酶催化)。化学物质分散于当检测带使用时能吸收血样的多孔聚砜类膜上。测量计用在660和940nm波长处出现峰值的LED来照明反应基体。660nm LED用于检测与样品中葡萄糖的量成比例的比色反应产物。

测量计以每秒为间隔测定检测带的反射率，并将其转换成反射率值对数量的比K/S：

$\frac{K}{S}=\frac{{(1-R)}^2}{2R}---\left(21\right)$

其中R值与从反应基体上散射的光的量与照射到基体上的光的量的比率成比例。K/S值在本领域是公知的，近似的与位于光散射基体(如多孔膜)上的光吸收物质(如染料)成比例。测量计收集660nm处每秒的K/S数据(K/S₆₆₀)并每次在前一秒的五秒窗处理这些数据。对于每个五秒窗，斜率(每单位时间的K/S变化)基于当前K/S值与前一个五秒窗得到的K/S值之间的改变来计算。当反应减缓到每5秒的斜率不到1％的点时，反应被认为达到了终点。根据下列方程，通过最终K/S值来计算葡萄糖的量：

      葡萄糖＝-10+70.9*K/S₆₆₀-2.86*K/S₆₆₀ ²-0.277*K/S₆₆₀ ²(22)

在本实施例中，对于SureStep^，在15-30摄氏度的温度范围内，通过660nm的反射率计算的K/S数据以每1秒为间隔被收集。在常规分血器中使用针刺(设定的葡萄糖水平)全血，采用了七个生产批次的检测带。每种温度下使用4个血样。确定目标终点所采用的标准是：(1)反应完成程度超过50％；(2)三个连续的K/S估计值在不超过K/S平均值的2％范围内。如果这些标准在达到正常的SureStep^终点(5秒内1％的变化)前不令人满意，则使用SureStep^终点。根据SureStep^中K/S与葡萄糖的关系来计算葡萄糖的量。将SureStep^终点值与新算法的结果相比较。在每种温度下，根据结合SureStep^与本算法之间的均方根(RMS)差值及在平均终点时间可观察产物的减少量来确定最佳Δt。表1的数据说明了终点时间的改进，以及两种算法的结果之间的小数量级的典型差别。

                                 表1：

温度℃	Δt秒	使用SureStep的平均检测时间，秒	使用本发明的平均检测时间，秒	RMS误差(％)本发明相对于SureStep
					15	5	41.7	16.7	2.2
20	4	29.1	12.9	1.7
					25	3	31.9	15.5	2.1
30	2	18.2	10.4	1.0
					35	1	12.4	8.4	1.0

虽结合优选实施例对本发明进行了描述，本领域普通技术人员应理解所作出的各种改变和相等的替代并未超出本发明的主旨和发明内容。另外，根据本发明的目的，精神和发明内容，可作出多种修改以适应特定情况，材料，物质合成，过程，过程的一个或多个步骤。所有这些修改都意味着包含在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种用于表征反应终点的方法，包括：

(a)开始一个化学反应；

(b)在三个不同的时间点对能够指示所述反应进程的可观察物质进行检测，得到至少三个测量值；以及

(c)由测量值来确定所述的指示反应进程的可观察物质的终点值。

2.权利要求1的方法，其中所述终点值可通过中间测量值，减去近似地等于后一次测量值与前一次测量值之差的平方除以后一测量值减去中间测量值的两倍再加上前次测量值的近似等于整数倍的数值来确定。

3.权利要求1的方法，其中所述获得所述的测量值包括在相等的时间间隔进行所述测量。

4.权利要求1的方法，其中所述可观察物质包括与所述的化学反应相联系的可光学检测的物质。

5.权利要求1的方法，其中所述所述可观察物质包括与所述的化学反应相联系的可电学检测的物质。

6.一种用于表征反应终点的系统，包括：

(a)能够输入在三个不同的时间点对能够指示化学反应进程的可观察物质进行检测得到的至少三个测量值的存储程序；和

(c)能够由所述测量值来确定所述的指示反应进程的可观察物质的终点值的存储程序。

7.权利要求6的系统，其中所述存储程序被设定为通过中间测量值，减去近似地等于后一次测量值与前一次测量值之差的平方除以后一测量值减去中间测量值的两倍再加上前次测量值的近似等于整数倍的数值的差来确定终点值。

8.权利要求6的系统，其中所述时间点被相同的时间间隔分隔。

9.权利要求6的系统，其中所述指示反应进程的可观察物质包括与所述的化学反应相联系的可光学检测的物质。

10.权利要求6的系统，其中所述指示反应进程的可观察物质包括与所述的化学反应相联系的可电学检测的物质。

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