DE60116056T2

DE60116056T2 - Elektrochemische verfahren und vorrichtungen zur verwendung bei der messung von analytkonzentrationen mit korrigiertem hämatokritwert

Info

Publication number: DE60116056T2
Application number: DE60116056T
Authority: DE
Inventors: J. Timothy OHARA; Z. Mahyar KERMANI; M. Alistair HODGES
Original assignee: LifeScan Inc
Current assignee: LifeScan Inc
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: CA2398203A1; TW520439B; ATE313794T1; EP1645876A2; EP1645876A3; US6890421B2; US6475372B1; IL149662A; IL149662A0; RU2005123794A; US20050176153A1; EP1252514A2; WO2001057510A2; CN1394280A; MY127335A; KR20020077409A; MXPA02005797A; RU2262890C2; DK1252514T3; HK1049881A1

Description

Gebiet der Erfindung
Das Gebiet dieser Erfindung ist die Bestimmung von Analyten, insbesondere die elektrochemische Bestimmung von Analyten und weiter insbesondere die elektrochemische Bestimmung von Blut-Analyten.
Hintergrund
Die Detektion von Analyten in physiologischen Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Blut oder von Blut abgeleiteten Produkten, ist in der heutigen Gesellschaft von stets steigender Bedeutung. Assays zur Detektion von Analyten finden in einer Vielzahl von Applikationen, einschließlich der Testung in klinischen Laboratorien, der Testung zu Hause, etc., Anwendung, wo die Ergebnisse einer solchen Testung eine herausragende Rolle bei der Diagnose und beim Management von einer Vielfalt von Krankheits-Bedingungen spielen. Analyten von Interesse schließen Glucose für Diabetes-Management, Cholesterol und ähnliches ein. Als Antwort auf diese wachsende Bedeutung der Detektion von Analyten wurden eine Vielfalt von Protokollen und Vorrichtungen für die Detektion von Analyten sowohl für die klinische als auch die Anwendung zu Hause entwickelt.
Ein Typ eines Verfahrens, das zur Detektion von Analyten verwendet wird, ist ein elektrochemisches Verfahren. In solchen Verfahren wird eine wässrige flüssige Probe in eine Reaktionszone in einer elektrochemischen Zelle gegeben, die zwei Elektroden umfaßt, d.h. eine Referenz- und eine Arbeits-Elektrode, wobei die Elektroden eine Impedanz aufweisen, welche sie für amperometrische Messung geeignet machen. Der Komponente, die analysiert wird, wird erlaubt, direkt mit einer Elektrode oder direkt oder indirekt mit einem Redox-Reagenz zu reagieren, um einen oxidierbaren (oder einen reduzierbaren) Stoff in einer Menge zu bilden, die mit der Konzentration der zu analysierenden Komponente, d.h. dem Analyt, korrespondiert. Die Quantität des oxidierbaren (oder des reduzierbaren) Stoffes, die anwesend ist, wird dann elektrochemisch berechnet und mit der Menge des Analyten, der der in anfänglichen Probe vorhanden ist, in Beziehung gesetzt.
Wenn die untersuchte physiologische Probe Vollblut oder ein Derivat davon ist, kann das Hämatokrit der Probe eine Quelle für analytische Fehler in der endgültigen Messung der Konzentration des Analyten sein. Zum Beispiel kann in elektrochemischen Messungs-Protokollen, wo die Analyten-Konzentration von beobachteten Strom-Transienten über die Zeit abgeleitet wird, Hämatokrit die Gleichgewichts-Chemie in der elektrochemischen Zelle verlangsamen und/oder die Enzym-Kinetiken verlangsamen, und zwar durch Erhöhung der Proben-Viskosität in der Zelle und dabei Abschwächung der Strom-Antwort über die Zeit und Verursachung eines analytischen Fehlers.
Daher gibt es ein großes Interesse bei der Entwicklung der Verfahren, um mindestens den von Hämatokrit verursachten analytischen Fehler zu minimieren. In bestimmten Protokollen werden Blut-Filter-Membranen verwendet, um rote Blutzellen zu entfernen und um dadurch den Hämatokrit-Effekt zu minimieren. Diese besonderen Protokolle sind unbefriedigend, weil erhöhte Probenvolumen und Testzeiten benötigt werden. Andere Protokolle richten sich auf die Bestimmung der Kapillar-Füllzeit. Jedoch addieren diese Protokolle Komplexität sowohl zu den Streifen als auch den Vorrichtungen, die verwendet werden, um diese zu lesen. In noch anderen Ausführungsformen wird Hämatokrit separat bestimmt, und zwar unter der Verwendung von zwei zusätzlichen Elektroden, was ebenso zu komplexeren und teureren Streifen/Vorrichtungen führt.
Daher besteht ein kontinuierliches Interesse an der Identifizierung von neuen Verfahren zur elektrochemischen Messung der Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe, wobei das Verfahren den analytischen Fehler, welcher durch das Hämatokrit der Probe verursacht wird, minimiert.
Relevante Literatur
Patent-Dokumente von Interesse schließen US 5,942,102 ein.
WO 99/60391 offenbart eine elektrochemische Meßmethode, um eine Konzentration eines Analyten in einer Probe unter der Verwendung eines Biosensors zu messen, wobei das Ver fahren die Berechnung von Parametern aus einem Stromwert, welcher als ein Ergebnis des Anlegens einer festen Spannung an den Biosensor nach der Probenzuführung erhalten wird, und die Korrektur des Fehlers eines gemessenen Wertes unter der Verwendung dieser Parameter durch ein statistisches Verfahren umfaßt.
ZUSAMMENFASSUNG DER EFRINDUNG
Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe zur Verfügung gestellt, wobei die physiologische Probe Vollblut oder ein Derivat davon ist. In den betreffenden Verfahren wird das Vollblut oder ein Derivat davon in eine elektrochemische Zelle eingeführt, die eine Arbeits- und eine Referenz-Elektrode aufweist. Ein erstes elektrisches Potential wird an die Zelle anlegt und der resultierende Zell-Strom wird über eine erste Zeitspanne gemessen, um einen ersten Strom-Transienten über die Zeit zu bestimmen. Ein zweites elektrisches Potential mit entgegengesetzter Polarität wird dann an die Zelle angelegt und ein zweiter Strom-Transient über die Zeit wird bestimmt. Die vorläufige Konzentration des Analyten (C₀) wird dann aus den ersten und/oder zweiten Strom-Transienten über die Zeit berechnet. Diese vorläufige Analyten-Konzentration abzüglich eines Hintergrundwertes wird dann mit einem Hämatokrit-Korrekturfaktor multipliziert, um die Analyten-Konzentration der Probe zu erhalten, wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor eine Funktion der vorläufigen Analyten-Konzentration und das Verhältnis von zwei Strom-Werten (γ) innerhalb des Strom-Transienten über die Zeit der elektrochemischen Zelle ist. Die betreffenden Verfahren und Vorrichtungen sind zur Verwendung in der Bestimmung einer großen Vielfalt von Analyten in Vollblut oder Derivaten davon geeignet, wobei Glucose ein Analyt von besonderem Interesse ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine dreidimensionale graphische Darstellung von C₀, γ und α(C₀, γ) zur Verfügung, abgeleitet aus den experimentellen Daten unter der Verwendung eines breiten Bereiches von Glucose und Hämatokrit-Werten.
BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
VERFAHREN
Wie oben zusammengefaßt ist, stellt die betreffende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Hämatokrit-korrigierten Wertes der Analyten-Konzentration in einer physiologischen Probe zur Verfügung. Mit Hämatokrit-korrigierter Analyten-Konzentration ist gemeint, daß der bestimmte Wert der Analyten-Konzentration unter Verwendung der betreffenden Verfahren moduliert oder verändert wird, um im wesentlichen den ganzen Beitrag des Hämatokrits aus dem Wert zu entfernen. In anderen Worten wird der Konzentrations-Wert, der unter der Verwendung der betreffenden Verfahren bestimmt wird, modifiziert, so daß jeder Beitrag des Hämatokrits der Probe zu dem Wert entfernt wird, wobei dieser Beitrag in dem Wert vorhanden sein würde, wenn nicht die betreffenden Verfahren angewendet werden. Daher wird das Hämatokrit-Signal aus dem Analyten-Signal in den betreffenden Verfahren entfaltet („deconvoluted") und nur das Analyten-Signal wird beim Erhalt der Hämatokrit-korrigierten Analyten-Endkonzentration verwendet.
Der erste Schritt in dem betreffenden Verfahren ist es, eine Quantität der physiologischen Probe von Interesse in eine elektrochemische Zelle einzuführen, welche von einander getrennte Arbeits- und Referenz-Elektroden und ein Redox-Reagenz-System einschließt. Die physiologische Probe ist Vollblut oder ein Derivat oder eine Fraktion davon, wobei Vollblut von besonderem Interesse in vielen Ausführungsformen ist. Die Menge der physiologischen Probe, zum Beispiel Blut, welche in das Reaktionsgebiet des Teststreifens eingeführt wird, variiert, beträgt aber im allgemeinen im Bereich von 0,1 μl bis 10 μl, gewöhnlicherweise von ungefähr 0,9 μl bis 1,6 μl. Die Probe wird in das Reaktionsgebiet unter der Verwendung irgendeines geeigneten Protokolls eingeführt, wobei die Probe in das Reaktionsgebiet injiziert werden kann, ihr erlaubt wird, in das Reaktionsgebiet aufgesaugt zu werden („wick") und ähnliches, sowie es geeignet ist.
Während die betreffenden Verfahren in Prinzip mit jedem Typ einer elektrochemischen Zelle verwendet werden können, die von einander getrennte Arbeits- und Referenz-Elektroden und ein Redox-Reagenz-System aufweist, wird in vielen Ausführungsformen der betreffenden Verfahren ein elektrochemischer Teststreifen verwendet. Die elektrochemischen Teststreifen, die in diesen Ausführungsformen der betreffenden Erfindung verwendet werden, sind aus zwei Gegen-Metall-Elektroden hergestellt, die durch eine dünne Abstands-Schicht separiert werden, wobei diese Komponenten ein Reaktionsgebiet oder eine Reaktionszone definieren, in welcher sich ein Redox-Reagenz-System befindet.
In bestimmten Ausführungsformen dieser elektronischen Teststreifen werden die Arbeits- und Referenz-Elektroden im allgemeinen in der Form von verlängerten rechteckigen Streifen konfiguriert. Typischerweise ist die Länge der Elektroden im Bereich von ungefähr 1,9 bis 4,5 cm, gewöhnlich von ungefähr 2,0 bis 2,8 cm. Die Weite der Elektroden liegt im Bereich von ungefähr 0,38 bis 0,76 cm, gewöhnlich von ungefähr 0,51 bis 0,67 cm. Die Referenz-Elektroden haben typischerweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 10 bis 100 nm und gewöhnlich von ungefähr 10 bis 20 nm. In bestimmten Ausführungsformen ist die Länge der einen Elektrode geringer als die Länge der anderen Elektrode, typischerweise ungefähr 0,32 cm. Die kürzere Elektrode kann die Arbeits- oder die Referenz-Elektrode sein.
Die Arbeits- und Referenz-Elektroden werden weiterhin dadurch charakterisiert, daß mindestens die Oberfläche der Elektroden, die zum Reaktionsgebiet des Streifens zeigt, ein Metall ist, wobei Metalle von Interesse einschließen: Palladium, Gold, Platin, Silber, Iridium, Kohlenstoff dotiertes Zinnoxid, Edelstahl und ähnliches. In vielen Ausführungsformen ist das Metall Gold oder Palladium. Obwohl im Prinzip die gesamte Elektrode aus dem Metall hergestellt sein kann, wird jede der Elektroden im allgemeinen aus einem inerten Stützmaterial gebildet, auf dessen Oberfläche eine dünne Schicht der Metall-Komponente der Elektrode vorhanden ist. In diesen gebräuchlicheren Ausführungsformen liegt die Dicke des inerten Stützmaterials typischerweise im Bereich von ungefähr 51 bis 356 μm, gewöhnlich von ungefähr 102 bis 153 μm, wohingegen die Dicke der Metallschicht typischerweise sich im Bereich von ungefähr 10 bis 100 nm und gewöhnlich von ungefähr 10 bis 40 nm befindet, zum Beispiel als eine aufgespritzte („sputtered") Metallschicht. Jedes gebräuchliche inerte Stützmaterial kann in den betreffenden Elektroden verwendet werden, wobei das Material typischerweise ein starres Material ist, das dazu in der Lage ist, der Elektrode und wiederum dem elektrochemischen Teststreifen als ein Ganzes strukturelle Unterstützung zur Verfügung zu stellen. Geeignete Materialien, die als Stützsubstrate verwendet werden können, schließen Plastik, zum Beispiel PET, PETG, Polyimid, Polycarbonat, Polystyrol, Silizium, Keramik, Glas und ähnliches ein.
Ein Merkmal der elektrochemischen Teststreifen, die in diesen Ausführungsformen der betreffenden Verfahren verwendet werden, ist es, daß sich die Arbeits- und Referenz-Elektroden, wie oben beschrieben, gegenüberstehen und nur durch einen kurzen Abstand voneinander separiert sind, so daß der Abstand zwischen der Arbeits- und Referenz-Elektrode in der Reaktionszone oder dem Reaktionsgebiet des elektrochemischen Teststreifens extrem klein ist. Dieser minimale Zwischenraum der Arbeits- und Referenz-Elektroden in den betreffenden Teststreifen ist ein Ergebnis der Anwesenheit einer dünnen Abstands-Schicht, die zwischen den Arbeits- und Referenz-Elektroden positioniert oder eingelegt („sandwiched") ist. Die Dicke dieser Abstands-Schicht sollte im allgemeinen geringer als oder gleich 500 μm sein und ist gewöhnlicherweise im Bereich von ungefähr 102 bis 153 μm. Die Abstands-Schicht ist so geschnitten, daß sie eine Reaktionszone oder ein Reaktionsgebiet mit mindestens einer Einlaß-Öffnung in die Reaktionszone und gewöhnlich ebenso eine Auslaß-Öffnung aus der Reaktionszone zur Verfügung stellt. Die Abstands-Schicht kann ein kreisförmiges Reaktionsgebiet geschnitten aufweisen, das mit Seiten-Einlaß und Auslaß-Ventilen oder -Öffnungen oder anderen Konfigurationen, zum Beispiel quadratischen, dreieckigen, viereckigen, unregelmäßig geformten Reaktionsgebieten etc. versehen ist. Die Abstands-Schicht kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, wobei repräsentative geeignete Materialien PET, PETG, Polyimid, Polycarbonat und ähnliches einschließen, wobei die Oberflächen der Abstands-Schicht behandelt sein können, so daß sie in Bezug auf ihre entsprechenden Elektroden adhäsiv sind und dadurch die Struktur des elektrochemischen Teststreifens aufrecht erhalten. Von besonderem Interesse ist die Verwendung eines vorgestanzten, zweiseitigen adhäsiven Streifens als Abstands-Schicht.
Die elektrochemischen Teststreifen, die in diesen Ausführungsformen der betreffenden Erfindung verwendet werden, schließen eine Reaktionszone oder ein Reaktionsgebiet ein, welches durch die Arbeits-Elektrode, die Referenz-Elektrode und die Abstands-Schicht definiert wird, wobei diese Elemente so, wie oben beschrieben, sind. Spezifischerweise definieren die Arbeits- und die Referenz-Elektroden das obere und das untere Ende des Reaktionsgebietes, wohingegen die Abstands-Schicht die Wände des Reaktionsgebietes definiert. Das Volumen des Reaktionsgebietes ist mindestens ungefähr 0,1 μl, gewöhnlich mindestens 1 μl und weiter gewöhnlich mindestens ungefähr 1,5 μl, wobei das Volumen so groß wie 10 μl oder größer sein kann. Wie oben erwähnt, schließt das Reaktionsgebiet im allgemeinen mindestens eine Einlaß-Öffnung ein und in vielen Ausführungsformen schließt das Reaktionsgebiet außerdem eine Auslaß-Öffnung ein. Der Querschnitt der Einlaß- und Auslaß-Öffnungen kann variieren, so lange wie diese ausreichend groß sind, um einen effektiven Eingang oder Ausgang von Flüssigkeit aus dem Reaktionsgebiet zur Verfügung zu stellen, der Querschnitt liegt aber im allgemeinen im Bereich von 9 × 10^–4 bis 5 × 10^–3 cm², gewöhnlich von ungefähr 1,3 × 10^–3 bis 2,5 × 10^–3 cm².
In dem Reaktionsgebiet befindet sich ein Redox-Reagenz-System, wobei das Reagenz-System die Spezies, welche mit Hilfe der Elektrode gemessen wird, berücksichtigt, und daher verwendet wird, um die Konzentration des Analyten in einer physiologischen Probe abzuleiten. Das Redox-Reagenz-System, das im Reaktionsgebiet vorhanden ist, schließt typischerweise mindestens ein Enzym (Enzyme) und einen Vermittler ein. In vielen Ausführungsformen ist das Enzym-Mitglied (die Enzym-Mitglieder) des Redox-Reagenz-Systems ein Enzym oder eine Mehrzahl von Enzymen, die zusammenarbeiten, um den Analyt von Interesse zu oxidieren. In anderen Worten wird die Enzym-Komponente des Redox-Reagenz-Systems aus einem einzelnen Analyten-oxidierenden Enzym oder einer Kollektion von zwei oder mehreren Enzymen, die zusammenarbeiten, um den Analyt von Interesse zu oxidieren, gebildet. Enzyme von Interesse schließen Oxidasen, Dehydrogenasen, Lipasen, Kinasen, Diphorasen, Quino-Proteine und ähnliches ein.
Das spezifische Enzym, das in dem Reaktionsgebiet vorhanden ist, hängt von dem bestimmten Analyten ab, für dessen Detektion der elektrochemische Teststreifen ausgelegt ist, wobei repräsentative Enzyme einschließen: Glukose-Oxidase, Glukose-Dehydrogenase, Cholesterol-Esterase, Cholesterol-Oxidase, Lipoprotein-Lipase, Glycerol-Kinase, Glycerol-3-Phosphat-Oxidase, Lactat-Oxidase, Lactat-Dehydrogenase, Pyruvat-Oxidase, Alkohol-Oxidase, Bilirubin-Oxidase, Uricase und ähnliches. In vielen bevorzugten Ausführungsformen, wo der Analyt von Interesse Glukose ist, ist die Enzym-Komponente des Redox-Reagenz-Systems ein Glukose-oxidierendes Enzym, zum Beispiel eine Glukose-Oxidase oder eine Glukose-Dehydrogenase.
Die zweite Komponente des Redox-Reagenz-Systems ist eine Vermittler-Komponente, welche aus einem oder mehreren Vermittler-Mitteln gebildet wird. Eine Vielfalt von verschiedenen Vermittler-Mitteln sind im Stand der Technik bekannt und schließen ein: Ferricyanid, Phenazinethosulphat, Phenazinmethosulfat, Phenylendiamin, 1-Methoxyphenazinmethosulfat, 2,6-Dimethyl-1,4-benzochinon, 2,5-Dichlor-1,4-benzochinon, Ferrocen-Derivate, Osmium-Bipyridyl-Komplexe, Ruthenium-Komplexe und ähnliches. In denjenigen Ausführungsformen, wo Glukose der Analyt von Interesse ist und wo Glukose-Oxidase oder Glukose-Dehydrogenase die Enzym-Komponenten sind, sind Vermittler von besonderem Interesse Ferricyanid und ähnliches.
Andere Reagenzien können in dem Reaktionsgebiet anwesend sein, einschließlich puffernde Mittel, zum Beispiel Citraconat, Citrat, Äpfelsäure („malic"), Maleinsäure („maleic"), Phosphat, „gute" Puffer („good" buffers) und ähnliches. Noch andere Mittel, die anwesend sein können, schließen ein: divalente Kationen, wie zum Beispiel Kalziumchlorid und Magnesiumchlorid; Pyrrolochinolinchinone; Typen von oberflächenaktiven Mitteln, wie zum Beispiel Triton, Macol, Tetronic, Silwet, Zonyl und Pluronic; stabilisierende Mittel, wie zum Beispiel Albumin, Sucrose, Trehalose, Mannitol und Lactose.
Das Redox-Reagenz-System ist im allgemeinen in trockener Form vorhanden. Die Mengen der verschiedenen Komponenten können variieren, wobei die Menge der Enzym-Komponente typischerweise im Bereich von ungefähr 1 bis 100 mg/ml, gewöhnlich von ungefähr 5 bis 80 mg/ml liegt, und die Menge der Vermittler-Komponente typischerweise im Bereich von ungefähr 5 bis 1000 mM, gewöhnlich von ungefähr 90 bis 900 mM liegt.
Nach der Proben-Einführung werden die ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit erhalten. Die ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit werden durch Anlegen eines konstanten elektrischen Potentials an die Zelle und durch Beobachten der Veränderung im Strom über eine Zeitspanne in der Zelle erhalten. In anderen Worten werden erste und zweite Pulse an die Zelle angelegt und die resultierenden Strom-Transienten über die Zeit beobachtet. Daher wird der erste Strom-Transient über die Zeit erhalten durch Anlegen eines konstanten elektrischen Potentials oder ersten Pulses an die Zelle, zum Beispiel zwischen den Arbeits- und den Referenz-Elektroden, und Beobachten der Veränderung im Strom über die Zeit zwischen den Elektroden, das heißt, Veränderungen im Zell-Strom, um den ersten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten. Die Größe des ersten angelegten elektrischen Potentials liegt im allgemeinen im Bereich von –0,6 V, gewöhnlich von ungefähr –0,2 bis –0,4 V. Die Länge der Zeit, über welche der Strom zwischen den Elektroden beobachtet wird, um den ersten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten, liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 3 bis 20 Sekunden, gewöhnlich von ungefähr 4 bis 10 Sekunden.
Der zweite Strom über die Zeit wird durch Anlegen eines zweiten konstanten elektrischen Potentials oder zweiten Pulses von gegensätzlicher Polarität zum ersten konstanten elektrischen Potential an die Elektroden und Beobachten der Änderung im Strom zwischen den Elektroden für eine zweite Zeitspanne erhalten. Die Größe dieses zweiten konstanten elektrischen Potentials liegt typischerweise im Bereich von +0,6 V, gewöhnlich von ungefähr +0,2 bis +0,4 V, wobei in vielen Ausführungsformen die Größe des zweiten elektrischen Potentials die gleiche Größe hat wie die des ersten elektrischen Potentials. Die zweite Zeitspanne liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 1 bis 10 Sekunden, gewöhnlich von ungefähr 2 bis 4 Sekunden. Durch Beobachten der Änderung im Strom zwischen den Elektroden über diese zweite Zeitspanne wird ein zweiter Strom-Transient über die Zeit für die Zelle bestimmt.
Die gesamte Zeitspanne, die benötigt wird, um die notwendigen ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten, so wie oben beschrieben, ist in bestimmten Ausführungsformen relativ kurz. In solchen Ausführungsformen beträgt die Gesamtzeitmenge, die benötigt wird, um den ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten, weniger als ungefähr 30 Sekunden, gewöhnlich weniger als ungefähr 20 Sekunden und weiter gewöhnlicherweise weniger als 14 Sekunden.
Der nächste Schritt in dem betreffenden Verfahren ist es, die beobachteten ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit, die, wie oben beschrieben, erhalten werden, zu verwenden, um (a) die Variable γ der elektrochemischen Zelle, die in dem betreffenden Verfahren verwendet wird, und (b) eine vorläufige Analyten-Konzentration des Analyten von Interesse in der Probe zu bestimmen.
Die Variable γ, die in dem betreffenden Verfahren verwendet wird, wird definiert, um die Abweichung der elektrochemischen Zelle vom idealen Zustand zu beschreiben. Als Hintergrundinformation sollte bemerkt werden, daß sich γ unter idealen Bedingungen, das heißt, Reagenz-Äquilibrierung und Glukose-Reaktion sind vor dem Ende des ersten Pulses abgeschlossen, Eins annähern sollte. Wenn irgendeine dieser Bedingungen nicht abgeschlossen ist, wird das Verhältnis ein Abweichen von Werten, die nicht Eins sind, verursachen. Der Zähler („numerator") von γ wird definiert als der Strom des stationären Zustandes („steady-state current") der nach dem Anlegen des zweiten elektrischen Potentials an die Zelle beobachtet wird, das heißt vorhergesagter Wert des zweiten Strom-Transienten über die Zeit bei t = ∞. Der Nenner („denomintor") wird definiert als der durchschnittliche Strom über eine kurze Zeitspanne nahe dem Ende der ersten Zeitspanne, das heißt nahe dem Ende des Anlegens des ersten elektrischen Potentials oder des ersten Pulses. Die kurze Zeitspanne, aus welcher der durchschnittliche Strom bestimmt wird, liegt typischerweise im Bereich von 0,2 bis 2 Sekunden, gewöhnlich von ungefähr 0,2 bis 1,5 Sekunden und weiter gewöhnlich von 0,2 bis 1,25 Sekunden, wobei in vielen Ausführungsformen die kurze Zeitspanne ungefähr 0,3 Sekunden beträgt. Der durchschnittliche Strom wird zu einer Zeit nahe dem Ende der ersten Zeitspanne bestimmt, typischerweise innerhalb ungefähr 0,1 bis 1 Sekunde. Die Variable γ wird durch die Formel: γ = iss/ipp beschrieben, wobei

i_ss: der Strom des stationären Zustandes („steady-state current") des zweiten angelegten elektrischen Potentials ist und
i_pp: der durchschnittliche Strom über eine kurze Zeitspanne nahe dem Ende der ersten Zeitspanne ist, das heißt nahe dem Ende der Zeit, während welcher das erste elektrische Potential an die Zelle angelegt wird. Der durchschnittliche Strom kann, wenn zum Beispiel die erste Zeitspanne 10 Sekunden lang ist, der durchschnittliche Strom von 8,5 bis 9,5 Sekunden der 10 Sekunden langen Spanne sein, welche eine Zeitspanne ist, die 1,0 Sekunden lang ist, und zwar 0,5 Sekunden vor dem Ende der ersten Zeitspanne. Wie oben erwähnt, werden die ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit auch verwendet, um einen vorläufigen Wert der Analyten-Konzentration der Probe, die untersucht wird, abzuleiten. In vielen Ausführungsformen wird die vorläufige Analyten-Konzentration unter der Verwendung der folgenden Formeln bestimmt:

i(t) = iss {1 + 4 exp(–4π2Dt/L2)}

iss = 2 FADC0/L

i_ss: der Strom des stationären Zustandes ("steady-state current") nach dem Anlegen des zweiten elektrischen Potentials ist;
i: der gemessene Strom ist, welcher eine Funktion der Zeit ist;
D: der Diffusions-Koeffizient der Zelle ist, wobei dieser Koeffizient nach dem ersten Fick'schen Gesetz, d. h. J(x, t) = –D^dC ^(x,t)/_dx, bestimmt werden kann;
L: die Abstands-Dicke ist;
t: die Zeit des Anlegens des zweiten elektrischen Potentials ist, wobei t = 0 der Beginn des Pulses ist;
C₀: die vorläufige Konzentration des Analyten ist;
F: die Faraday-Konstante, d. h. 9,6485 × 10⁴ C/mol, ist und
A: das Gebiet der Arbeits-Elektrode ist.

Unter der Verwendung der obigen Gleichungen und Schritte werden die beobachteten ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit verwendet, um die Variable γ der elektrochemischen Zelle, die in der betreffenden Methode verwendet wird, und den vorläufigen Konzentra tionswert des Analyten von Interesse in der untersuchten physiologischen Probe zu bestimmen.
Aus der bestimmten Variable γ und dem vorläufigen Wert der Analyten-Konzentration wird ein Hämatokrit-Korrekturfaktor bestimmt, wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor verwendet wird, um einen Hämatokrit-korrigierten Wert der Analyten-Konzentration aus dem anfänglichen oder vorläufigen Wert der Analyten-Konzentration zu erhalten, wie oben beschrieben. Der Hämatokrit-Korrekturfaktor ist ein Faktor, mit welchem die vorläufige Analyten-Konzentration (typischerweise abzüglich eines Hintergrundwertes) multipliziert werden kann, um einen Hämatokrit-korrigierten Wert der Analyten-Konzentration zu erhalten, d. h. einen Konzentrationswert, aus welchem die Hämatokrit-Komponente entfernt wurde. Der Hämatokrit-Korrekturfaktor ist eine Funktion von sowohl dem vorläufigen Wert der Analyten-Konzentration als auch der Variablen γ der elektrochemischen Zelle.
Jeder Hämatokrit-Korrekturfaktor, der mit dem preliminären Wert der Konzentration (gewöhnlicherweise abzüglich eines Hintergrundwertes, wie in größerem Detail unten beschrieben) multipliziert werden kann, kann in dem betreffenden Verfahren verwendet werden. Eine Klasse von Hämatokrit-Korrekturfaktoren, die in den betreffenden Verfahren Anwendung finden, sind diejenigen, die aus einer dreidimensionalen graphischen Darstellung von C₀, γ und α(C₀, γ) die aus experimentellen Daten unter der Verwendung eines großen Bereiches von Analyten und Hämatokrit-Werten erhalten wurde, abgeleitet werden. Der Hämatokrit-Korrekturfaktor (α(C₀, γ)) wird unter der Verwendung der Formel: α(C0, γ) = tatsächliche Konzentration/(C0- Hintergrundwert)bestimmt.
(Wenn zum Beispiel der Analyt Glukose ist, ist in vielen Ausführungsformen α(C₀, γ) gleich der Glukose-Konzentration, wie bestimmt unter der Verwendung des Yellow Springs Instrument Glukose-Analysators Modell 23A (wie beschrieben in U.S.-Patent Nr. 5,968,760), geteilt durch den C₀, abzüglich eines Hintergrundwertes, zum Beispiel 22 mg/dl). Diese Klasse von Hämatokrit-Korrekturfaktoren sind typischerweise Gleichungen, welche zu einer glatten Oberflächenfunktion passen, die den Fehler zwischen den vorhergesagten und tatsächlichen Daten minimiert. Siehe zum Beispiel den experimentellen Teil, infra. Ein repräsentativer Hämatokrit-Korrekturfaktor, der in dem betreffenden Verfahren Anwendung findet, ist: 1/((0,6637) + ((4,9466·In(C0))/C0) + (–0,4012·In(γ)))
Bei der Bestimmung der Hämatokrit-korrigierten Konzentration des Analyten gemäß der betreffenden Erfindung wird die vorläufige Analyten-Konzentration (C₀), wie oben beschrieben, abzüglich eines Hintergrund-Signal-Wertes, mit dem Hämatokrit-Korrekturfaktor multipliziert. Der Hintergrundwert, der von dem vorläufigen Wert der Konzentration subtrahiert wird, hängt von dem Analyten ab, der gemessen wird. Für Glukose liegt dieser Wert typischerweise im Bereich von ungefähr 0 bis 40 mg/dl, gewöhnlich von ungefähr 8 bis 25 mg/dl, wobei in vielen Ausführungsformen der Hintergrundwert ungefähr 22 mg/dl beträgt oder 22 mg/dl ist.
Im Allgemeinen wird die folgende Formel verwendet, um die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration gemäß der betreffenden Erfindung zu bestimmen: Hämatokrit-korrigierte Konzentration = Hämatokrit-Korrekturfaktor × [C0 – β]wobei

β: der Hintergrundwert ist und
C₀: die vorläufige Analyten-Konzentration ist.

Die oben beschriebenen Verfahren führen zu einem Hämatokrit-korrigierten Wert der Analyten-Konzentration, d. h. einem Konzentrationswert, in welchem die Hämatokrit-Komponente entfaltet („deconvoluted") und entfernt wurde. Daher stellen die oben beschriebenen Verfahren eine akkuraten Wert der Konzentration des Analyten in der Probe, die untersucht wird, zur Verfügung.
Die obigen rechenbetonten Schritte des betreffenden Verfahrens können manuell oder durch die Verwendung von automatisierten Rechen-Mitteln ausgeführt werden, wobei in vielen Ausführungsformen die Verwendung eines automatisierten Rechen-Mittels von Interesse ist, wie es zum Beispiel im Zusammenhang mit den betreffenden Vorrichtungen, die unten diskutiert werden, beschrieben wird.
VORRICHTUNGEN
Die betreffende Erfindung stellt auch Meßgeräte zur Verwendung bei der Durchführung der betreffenden Erfindung zur Verfügung. Die betreffenden Meßgeräte sind typischerweise Meßgeräte zur amperometrischen Messung der Hämatokrit-korrigierten Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe. Die betreffenden Meßgeräte schließen typischerweise ein: (a) ein Mittel für das Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an eine elektrochemische Zelle, in welche die Probe eingeführt wurde, und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen ersten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; (b) Mittel für das Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials an die elektrochemische Zelle und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; (c) ein Mittel zur Bestimmung eines vorläufigen Wertes der Analyten-Konzentration und einer Variablen γ aus den ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit und (d) ein Mittel für die Entfernung der Hämatokrit-Komponente aus dem vorläufigen Wert der Konzentration, um die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration in besagter Probe abzuleiten. Die Mittel (a) und (b) können jedes geeignete Mittel sein, wobei repräsentative Mittel in US Patent Nr. 5,942,102 beschrieben werden. Die Mittel (c) und (d) sind typischerweise Rechen-Mittel, die in dem Meßgerät vorhanden sind, welche dazu in der Lage sind, die gemessenen ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu verwenden, um letztendlich die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration zu erhalten. Daher ist das Mittel (c) typischerweise ein Mittel, das in der Lage ist, die vorläufige Konzentration des Analyten von Interesse und die Variable γ aus den ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit unter der Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen zu bestimmen. Gleichermaßen ist das Mittel (d) typischerweise ein Mittel, das in der Lage ist, die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen zu bestimmen, wobei das Mittel typischerweise den Hämatokrit-Korrekturfaktor umfasst.
Die folgenden Beispiele werden zur Illustration und nicht zur Limitation angeführt.
EXPERIMENTELLER TEIL
I. Präparation der elektrochemischen Teststreifen
Ein elektrochemischer Teststreifen, der aus zwei metallisierten Elektroden besteht, die in einer Sandwich-Anordnung orientiert sind, wurde wie folgt präpariert. Die obere Schicht des Teststreifens war ein Gold-aufgespritzter („sputtered") Mylar-Streifen. Die mittlere Schicht war ein zweiseitiges Klebemittel mit einem ausgestanztem Loch, das die Reaktionszone oder das Reaktionsgebiet definiert. Das ausgestanzte Loch war ein Kreis mit zwei nebeneinander gestellten rechteckigen Einlaß- und Auslaß-Kanälen. Die untere Schicht des Teststreifens war aufgespritztes („sputtered") Palladium auf Mylar. Ein Film aus Ferricyanid und Glukose-Dehydrogenase PQQ waren auf die aufgespritzte Palladium-Oberfläche aufgebracht.
II. Generation der experimentellen Daten
Die ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit wurden für eine Reihe von verschiedenen Proben, die in der Glukose-Konzentration und Hämatokrit variierten, wie folgt erhalten. Die Probe wurde auf den Streifen aufgetragen, was ein angelegtes Potential von –0,03 V für eine Spanne von 10 Sekunden auslöste, was danach von einem zweiten Puls von + 0,3 V für eine Spanne von 3 bis 10 Sekunden gefolgt wurde (wobei diese Elektroden-Potentiale in Bezug auf die Gold-Elektrode angegeben sind).
III. Ableitung des Hämatokrit-Korrekturfaktors für Glukose
Für einen breiten Bereich von Glukose- und Hämatokrit-Werten, die, wie oben beschrieben, gemessen wurden, wurden C₀, die Variable γ und α(C₀, γ) abgeleitet.
C₀ wurde unter Verwendung der Gleichungen: i(t) = iss {1 + 4 exp(-4π2 Dt/L2)} iss = 2 FADC0/Labgeleitet, wobei

i_ss: der Strom des stationären Zustandes („steady-state current") nach dem Anlegen des zweiten elektrischen Potentials ist;
i: der gemessene Strom ist, welcher eine Funktion der Zeit ist;
D: der Diffusions-Koeffizient der Zelle ist, wobei dieser Koeffizient nach dem ersten Fick'schen Gesetz, d. h. J(x, t) = –D^dC(x,t)/_dx, bestimmt werden kann;
L: die Abstands-Dicke ist;
t: die Zeit des Anlegens des zweiten elektrischen Potentials ist, wobei t = 0 der Beginn des Pulses ist;
C₀: die vorläufige Konzentration des Analyten ist;
F: die Faraday-Konstante, d. h. 9,6485 × 10⁴ C/mol, ist und
A: das Gebiet der Elektrodenoberfläche ist.

Die Variable γ wurde unter der Verwendung der Gleichung: γ = iss/ipp abgeleitet, wobei

i_ss: der Strom des stationären Zustandes („steady-state current") des zweiten angelegten elektrischen Potentials oder zweiten Pulses ist und
i_pp: der durchschnittliche Strom von 8,5 bis 9,5 Sekunden der 10 Sekunden langen Spanne ist, während welcher der erste Puls angelegt wird.

α(C₀, γ) wurde unter der Verwendung der Gleichung: α(C0, γ) = YSI Konzentration/(C0 – 22 mg/dl)bestimmt, wobei YSI die Glukose-Konzentration ist, wie sie unter der Verwendung des Yellow Springs Instrument Glukose-Analysators Modell 23A bestimmt wurde (wie in US Patent Nr. 5,968,760 beschrieben).
Eine dreidimensionale graphische Darstellung von C₀, γ und α(C₀, γ), die für einen breiten Bereich von Glukose- und Hämatokrit-Werten bestimmt wurden, wurde erstellt und ist in 1 gezeigt. Eine einfache Gleichungs-Anpassung wurde dann an der graphischen Darstellung durchgeführt, um die Oberfläche zu definieren. Der Rest der angepaßten Daten wurde überwacht, um die Qualität der Modell-Gleichung festzustellen. Es wurde die empirische Gleichung gefunden: Hämatokrit-Korrekturfaktor = 1/((0,6637) + ((4,9466·ln(C0))/C0) + (–0,4012·ln(γ)))
Von dem obigen Korrekturfaktor wurde gefunden, daß er für die Situationen gültig ist, wo γ > 0,7 und C₀ > 40 mg/dl sind.
IV. Vergleich der Hämatokrit-korrigierten Werte mit den YSI-bestimmten Werten
Ein Vorhersage-Datenset wurde durch Testung verschiedener Glukose-Streifen mit einem breiten Bereich von Glukose- und Hämatokritspiegeln generiert. Aus diesen Daten wurde eine Hämatokrit-Korrekturgleichung unter der Verwendung eines Modells, welches an die Ausdrücke C₀, γ und α(C₀, γ) angepaßt ist, abgeleitet. Es wurde gefunden, daß, wenn die Hämatokrit-Korrekturgleichung an dem Vorhersage-Datenset verwendet wird, verursacht wird, daß die Mehrheit der Datenpunkte innerhalb +/– 15% fällt. Es wurde auch gefunden, daß der systematische Fehler (bias) der Glukose zu 42% Hämatokrit führt, was anzeigt, daß der Hämatokrit-Effekt auf dieses Datenset minimal ist. Um diesen Algorithmus zu bestätigen, wurde eine andere Charge an Glukose-Sensoren mit einem verschiedenen Blutdonor getestet. Es wurde gefunden, daß der Algorithmus nach wie vor den Hämatokrit-Effekt auf eine Weise, die analog zu den früheren Befunden ist, korrigiert.
Die obigen Ergebnisse und Diskussion demonstrieren, daß die betreffende Erfindung ein einfaches und leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung stellt, um Werte der Analyten-Konzentration zu erhalten, in welchen der Hämatokrit-abgeleitete Fehler im wesentlichen wenn nicht sogar vollständig eliminiert wird. Da die betreffenden Verfahren ausschließlich auf der Messung von Strom-Transienten über die Zeit beruhen, können sie mit relativ einfachen elektrochemischen Vorrichtungen ausgeführt werden. Weiterhin brauchen nur kleine Probenvolumen verwendet werden und es werden relativ schnelle Assay-Zeiten zur Verfügung gestellt. Daher stellt die betreffende Erfindung einen signifikanten Beitrag zum Stand der Technik dar.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe, wobei die physiologische Probe Vollblut oder ein Derivat davon ist, wobei die Methode umfaßt: (a) Einführen der physiologischen Probe in eine elektrochemische Zelle, umfassend: (i) voneinander getrennte Arbeits- und Referenz-Elektroden; und (ii) ein Redox-Reagenz-System, umfassend ein Enzym und einen Vermittler; (b) Anlegen eines ersten elektrischen Potentials, das eine erste Polarität zu der Reaktionszelle hat, und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen ersten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; (c) Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials, das eine zweite Polarität zu der Zelle hat, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist, und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; und (d) Ableiten einer vorläufigen Analyten-Konzentration und Variablen γ von den ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zusätzlich den Schritt von (e) Multiplizieren der vorläufigen Analyten-Konzentration, abzüglich eines Hintergrundwertes, mit einem Hämatokrit-Korrekturfaktor, um die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration der Probe abzuleiten; wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor eine Funktion der vorläufigen Analyten-Konzentration und γ der elektrochemischen Zelle ist, wobei die Variable γ die Abweichung der elektrochemischen Zelle vom idealen Zustand beschreibt; wodurch die Hämatokrit-korrigierte Konzentration des Analyten in der Probe bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor den vorläufigen Wert der Analyten-Konzentration moduliert, um die Hämatokrit-abgeleitete Komponente des vorläufigen Wertes der Analyten-Konzentration auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Analyt Glucose ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor gleich: 1/((0,6637) + ((4,9466·ln(C0))/C0) + (–0,4012·ln(γ)))ist, wobei: C₀ die vorläufige Konzentration ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polarität negativ und die zweite Polarität positiv ist.
Meßgerät für die amperometrische Messung der Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die physiologische Probe Vollblut oder ein Derivat davon ist, wobei das Meßgerät umfaßt: (a) Mittel für das Anlegen eines ersten elektrischen Potentials, das eine erste Polarität zu einer elektrochemischen Zelle, umfassend die Probe, hat, und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen ersten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; (b) Mittel zum Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials, das eine zweite Polarität zu der elektrochemischen Zelle hat, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist, und Messen des Zellstroms als eine Funktion der Zeit, um einen zweiten Strom-Transienten über die Zeit zu erhalten; (c) Mittel für die Bestimmung eines vorläufigen Wertes der Analyten-Konzentration und Variablen γ von dem ersten und zweiten Strom-Transienten über die Zeit, wobei Variable γ die Abweichung der elektrochemischen Zelle vom idealen Zustand beschreibt; und gekennzeichnet dadurch (d) Mittel für die Entfernung der Hämatokrit-Komponente aus dem vorläufigen Wert der Konzentration, um die Analyten-Konzentration in der Probe abzuleiten, wobei die vorläufige Analyten-Konzentration, abzüglich eines Hintergrundwertes, mit einem Hämatokrit-Korrekturfaktor multipliziert wird, um die Hämatokrit-korrigierte Analyten-Konzentration in der Probe abzuleiten, wobei der Hämatokrit-Korrekturfaktor eine Funktion der vorläufigen Analyten-Konzentration und γ der elektrochemischen Zelle ist.
Meßgerät nach Anspruch 6, wobei ein elektrochemischer Teststreifen in dem Meßgerät vorhanden ist.
System zur Verwendung für die Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer physiologischen Probe nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die physiologische Probe Vollblut oder ein Derivat davon ist, wobei das System umfaßt: (a) einen elektrochemischen Teststreifen; und (b) ein Meßgerät gemäß Anspruch 6.