DE102006014825B4 - Circuit arrangement and method for the voltametric signal processing of biosensors - Google Patents
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- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
- G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
- G01N27/3273—Devices therefor, e.g. test element readers, circuitry
Abstract
Schaltungsanordnung für die voltametrische Signalverarbeitung von Biosensoren mit Drei-Elektroden-Anordnungen, bestehend aus einer oder mehreren Arbeitselektroden, einer Referenzelektrode und einer Gegenelektrode, mittels eines mit der Drei-Elektroden-Anordnung über einen Sensorsteckverbinder verbundenen Signalverarbeitungssystems, bestehend aus einer analogen potentiostatischen Regelschaltung, einem Strom-Spannungswandler und einem Analog-Digital-Wandler, die mit einem Mikrocontroller verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem eigentlichen Signalverarbeitungssystem und dem Sensorsteckverbinder ein Schalterfeld so in den Signalweg eingefügt ist, dass wahlweise in jeweils einer definierten Schalterstellung die eigentliche voltametrische Messung oder eine weitere voltametrische Messung mit vertauschtem Anschluss von Arbeits- und Gegenelektrode oder bei gleicher Referenz- und Gegenelektrode mit zusätzlichen Arbeitselektroden, mittels einer Wechselspannung eine Impedanzmessung zwischen Arbeits- und Referenzelektrode, Gegen- und Referenzelektrode, Arbeits- und Gegenelektrode, Arbeits- und Gegen- und Referenzelektrode oder zwischen zwei gleichen Elektroden oder in Verbindung mit systeminternen, steuerbaren Testsignalquellen bei verschiedenen Frequenzen oder Spannungen eine Messung des Widerstandes, der Impedanz, der Phase oder des Stromes zwischen je zwei Elektroden am...circuitry for the Voltametric signal processing of biosensors with three-electrode arrangements, consisting from one or more working electrodes, a reference electrode and a counter electrode, by means of one with the three-electrode arrangement via a Sensor connector connected signal processing system consisting from an analog potentiostatic control circuit, a current-voltage converter and an analog-to-digital converter that uses a microcontroller are connected, characterized in that between the actual signal processing system and the sensor connector so a switch box in the signal path added is that either in each case a defined switch position the actual voltametric measurement or another voltametric measurement Measurement with reversed connection of working and counter electrode or with the same reference and counter electrode with additional Working electrodes, by means of an AC voltage, an impedance measurement between work and work Reference electrode, counter and reference electrode, working and counter electrode, Working and counter and reference electrode or between two same Electrodes or in conjunction with intrinsic, controllable test signal sources at different frequencies or voltages a measurement of the resistance, the impedance, the phase or the current between each two electrodes at the...
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren für die voltametrische Signalverarbeitung von Biosensoren mit Drei-Elektroden-Anordnungen, bestehend aus einer oder mehreren Arbeitselektroden, einer Referenzelektrode und einer Gegenelektrode, mittels eines mit der Drei-Elektroden-Anordnung über einen Sensorsteckverbinder verbundenen Signalverarbeitungssystems, bestehend aus einer analogen potentiostatischen Regelschaltung, einem Strom-Spannungswandler und einem Analog-Digital-Wandler, die mit einem Mikrocontroller verbunden sind.The The invention relates to a circuit arrangement and a method for the voltammetric Signal processing of biosensors with three-electrode arrangements, consisting of one or more working electrodes, a reference electrode and a counter electrode, by means of one with the three-electrode arrangement via a Sensor connector connected signal processing system consisting from an analog potentiostatic control circuit, a current-voltage converter and an analog-to-digital converter connected to a microcontroller are.
Mit der Nutzung von Einmalgebrauchs-Sensoren in Kombination mit Handmessgeräten, die auf der Grundlage einer enzymatischen Indikationsreaktion eine quantitativ messende, schnelle und kostengünstige Blutglucosemessung zur Selbstanwendung ermöglichen, sind Messsysteme erforderlich, die sowohl eine einfache Handhabung als auch eine möglichst zuverlässige Messung bei einer minimalen Probemenge für den Anwender sichern sollten.With the use of disposable sensors in combination with handheld measuring devices, the on the basis of an enzymatic indication reaction a quantitative measuring, fast and cost-effective Enable blood glucose measurement for self-application, measurement systems are required, which is both easy to use and as possible reliable Measurement should be saved with a minimum amount of sample for the user.
In den letzten fünfzehn Jahren sind auf der Grundlage insbesondere derartiger enzymatisch-elektrochemischer Einmalgebrauchs-Sensoren eine Reihe kommerzieller Produkte entstanden, die einfach bedienbare Glucosemeter zum Auslesen und zur Verarbeitung der Messsignale von Teststreifen, einschließlich der Anzeige und Speicherung der resultierenden Blutglucosewerten verwenden.In the last fifteen Years are based in particular on such enzymatic-electrochemical Single-use sensors arose a series of commercial products that easy-to-use glucose meters for reading and processing test strip measurement signals, including display and storage use the resulting blood glucose levels.
Für die Einmalgebrauchs-Sensoren
als wichtigstes Element dieses Messsystems, die umgangssprachlich
auch als Teststreifen bezeichnet bzw. im Englischen Disposables
oder „one
shot"-Sensoren genannt
werden, sind eine Vielzahl technischer Lösungen bekannt (
Die Teststreifen basieren auf einer enzymatisch-voltametrischen Indikation. Die bekannten technischen Lösungen. werden realisiert, indem auf einem Kunststoffsupport eine Zwei- oder Dreielektrodenanordnung aus Kohlenstoffpasten oder iner dünnen metallischen Schicht oder aus metallbeschichteten Folien mittels Siebdruck, Sputtern oder durch Aufkleben aufgebracht werden. Unmittelbar über der Elektrodenanordnung befindet sich eine Reaktionsschicht, die einen Elektronenmediator, eine Oxidoreduktase sowie Additive zur Stabilisierung und schnellen Benetzbarkeit enthält. Als Oxidoreduktasen werden entweder Oxidasen und PQQ- oder NAD+ abhängige Dehydrogenasen und als Mediatoren beispielsweise chinoide Redoxfarbstoffe oder redoxaktive Metallkomplexe verwendet.The test strips are based on an enzymatic-voltametric indication. The known technical solutions. are realized by applying a two- or three-electrode arrangement of carbon pastes or iner thin metallic layer or metal-coated films by screen printing, sputtering or by gluing on a plastic support. Immediately above the electrode assembly is a reaction layer containing an electron mediator, an oxidoreductase and additives for stabilization and fast wettability. The oxidoreductases used are either oxidases and PQQ- or NAD + -dependent dehydrogenases, and as mediators, for example, quinoid redox dyes or redox-active metal complexes.
Die voltametrische Nachweisreaktion erfolgt durch eine voltametrisch kontrollierte Oxidation des aus der enzymatischen Reaktion mit dem Blutanalyten zuvor reduzierten Redoxmediators. Eine bekannte technische Lösung benutzt das Prinzip der spektroelektrochemischen Dünnschichtzelle mit coulometrischem Nachweis des Gesamtstoffumsatzes an einem reduzierten Mediator bzw. Analyten in der Messzelle Feldman et al., Diabetes Technology Therapeutics 2 (2000) 2, 221-229).The Voltametric detection reaction is performed by a voltammetric controlled oxidation of the enzymatic reaction with the Blood analytes previously reduced redox mediator. A well-known technical solution uses the principle of the spectroelectrochemical thin-film cell with coulometric detection of total metabolism at a reduced Mediator or analyte in the measuring cell Feldman et al., Diabetes Technology Therapeutics 2 (2000) 2, 221-229).
Die
Probe wird entweder direkt auf die Schichtenfolge gegeben (
Als elektrochemisches Indikationssystem dient entweder eine Zweielektrodenanordnung, die aus einer Arbeits- und einer Bezugs-(Pseudoreferenz)elektrode besteht oder aus einer Dreielektrodenanordnung, die aus einer Arbeits-, Gegen- und Referenzelektrode besteht.When electrochemical indication system serves either a two-electrode arrangement, consisting of a working and a reference (pseudoreference) electrode consists of a three-electrode arrangement consisting of a working, Counter and reference electrode exists.
Eine
Reihe technischer Lösungen
sieht zusätzlich
Schichten mit Filterwirkung gegenüber Blutzellen und anderen
im Blut enthaltenen und die Messung beeinflussenden Substanzen vor
(
Darüber hinaus
gilt es, eine zuverlässige Messung
zu sichern, die ein in Bezug auf Richtigkeit und Präzision korrektes Messergebnis
liefert. Deshalb sind Umgebungsbedingungen wie die Temperatur oder
Luftfeuchtigkeit, Substanzen aus der Probe wie Ascorbat, Harnsäure, Bilirubin,
elektrochemisch aktive Medikamente, der Hämatokritwert, unsichere Prozeduren
wie das seitenrichtige Einstecken des Sensors in das Meter, die
ausreichende Befüllung
der Messkammer mit der Probe, der Beginn der Messung aber auch die
Funktion der Hardware des Meters während der Messprozedur einer
weitestgehenden Kontrolle zu unterziehen. Für die Erfassung und Kontrolle
der beeinflussenden Faktoren sind eine Reihe technischer Lösungen bekannt,
die deren Einfluss minimieren, kompensieren oder verhindern sollen.
In praktischen Lösungen
werden zusätzliche
Schutzschichten, semipermeable oder poröse Membranschichten beschrieben,
die über
der Reaktionsschicht aufgetragen sind und die eine Diffusion der störendenden
Substanzen während
der vergleichsweise kurzen Messzeit zum Elektrodensystem verhindern
oder zumindest stark verringern sollen (
Die bekannten Sensoren und Messsysteme beziehen sich in der Regel auf die Lösung einzelner Probleme zur. besseren Kontrolle der Messprozedur. Häufig werden dabei zusätzliche Elektrodenanordnungen und damit kompliziertere Geometrien genutzt, die wiederum weitere potentielle Fehlerquellen in sich bergen. Darüber hinaus muss der Anwender den Hardwaretest seines Meters in der Regel mit einem Dummy-Sensor separat durchführen.The known sensors and measuring systems usually relate to the solution individual problems to. better control of the measuring procedure. Become frequent while additional Used electrode arrangements and thus more complicated geometries, which in turn hold further potential sources of error. Furthermore The user usually has to carry out the hardware test of his meter Perform a dummy sensor separately.
Die technische Aufgabe, die der Erfindung deshalb zugrunde liegt, besteht darin, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe im Verlaufe der Messprozedur neben dem eigentlichen elektrochemischen Messverfahren und dessen Anwendung auf unterschiedliche Elektrodenkombinationen, die Anwendung von Impedanzmessungen, die Steckkontakte auf Kontaktgabe bzw. Nebenschluss, der Sensor selbst auf die Restfeuchte seiner Reagenzschicht oder eine vorangegangene Benutzung kontrollierbar sind und darüber hinaus elektronikinterne Referenzen zum Test der Schaltungsanordnung bereitgestellt werden können und der Test ermöglicht wird.The technical problem underlying the invention therefore exists It is to provide a circuit arrangement and a method with whose Help in the course of the measurement procedure in addition to the actual electrochemical Measuring method and its application to different electrode combinations, the application of impedance measurements, the plug contacts to contact or shunt, the sensor itself on the residual moisture of his Reagent layer or a previous use controllable are and above In addition, electronics-internal references for testing the circuit arrangement can be provided and the test allows becomes.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention Problem solved by the features of claims 1 and 3. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Danach ist zwischen dem eigentlichen Signalverarbeitungssystem und dem Sensorsteckverbinder ein Schalterfeld so in den Signalweg eingefügt, dass wahlweise in jeweils einer definierten. Schalterstellung die eigentliche voltametrische Messung oder eine weitere voltametrische Messung mit vertauschtem Anschluss von Arbeits- und Gegenelektrode oder bei gleicher Referenz- und Gegenelektrode mit zusätzlichen Arbeitselektroden, mittels einer Wechselspannung eine Impedanzmessung zwischen Arbeits- und Referenzelektrode, Gegen- und Referenzelektrode, Arbeits- und Gegenelektrode, Arbeits- und Gegen- und Referenzelektrode oder zwischen zwei gleichen Elektroden oder Arbeits- und Gegenelektrode oder in Verbindung mit systeminternen, steuerbaren Testsignalquellen bei verschiedenen Frequenzen oder Spannungen eine Messung des Widerstandes, der Impedanz, der Phase oder des Stromes zwischen je zwei Elektroden am noch trockenen (unbenutzten) und am mit Probe versehenen Sensor durchführbar ist.After that is between the actual signal processing system and the Sensor connector a switch box inserted into the signal path so that optionally in each case one defined. Switch position the actual voltametric measurement or another voltammetric measurement with reversed connection of working and counter electrode or with the same reference and counter electrode with additional Working electrodes, by means of an AC voltage, an impedance measurement between working and reference electrode, counter and reference electrode, Working and counter electrode, working and counter and reference electrode or between two equal electrodes or working and counter electrodes or in conjunction with intrinsic, controllable test signal sources at different frequencies or voltages a measurement of the resistance, the impedance, the phase or the current between each two electrodes on the still dry (unused) and sampled sensor feasible is.
Das Schalterfeld besteht vorzugsweise aus Analogschaltern, Analogumschaltern und/oder Analogmultiplexern.The Switch panel is preferably made of analog switches, analog switches and / or analog multiplexers.
Als Wechselspannung dienen vorzugsweise Sinussignale oder Impulse.When AC voltage are preferably sine signals or pulses.
Mit Rücksicht darauf, dass unter ungünstigen Verhältnissen die Netzfrequenz über parasitäre Kapazitäten eingekoppelt werden kann, sind die Zeitintervalle zur Umschaltung der Analogschalter (Messsequenzen) des Schalterfeldes vorzugsweise an die Netzfrequenz gekoppelt und betragen bei 50 Hz Netzfrequenz 20 ms oder ein ganzzahliges Vielfaches davon; ebenso beträgt das Abtastintervall für die Messsignale 20 ms oder ein Vielfaches davon.With consideration on that under unfavorable conditions the mains frequency over parasitic capacitances coupled can be the time intervals for switching the analogue switches (measuring sequences) the switch panel is preferably coupled to the mains frequency and are at 50 Hz mains frequency 20 ms or an integer multiple from that; is also the sampling interval for the Measuring signals 20 ms or a multiple thereof.
Das Schalterfeld wird zwischen dem Steckverbinder des Meters zur Kontaktierung der Elektrodenanschlüsse des Sensors, der potentiostatisch wirkenden Regelschaltung und der Schaltung zur Strom-Spannungs-Wandlung derart angeordnet, dass nach der Kontaktierung des Sensors mit dem Signalverarbeitungssystem der Signalverarbeitungsweg elektronisch umschaltbar ist, so dass wahlweise vom Sensor eine oder mehrere Arbeitselektroden zuschaltbar, Arbeits- und Gegenelektrode gegeneinander umschaltbar und die Elektroden oder der Signaleingang des Meters mit verschiedenen Spannungsformen, Testsignalen oder einer oder mehreren Referenzstromquellsignalen applizierbar sind.The Switch panel is used between the connector of the meter for contacting the electrode connections of the sensor, the potentiostatic control circuit and the Circuit for current-voltage conversion arranged such that after the contacting of the sensor with the signal processing system the signal processing path is electronically switchable, so that optionally one or more working electrodes switchable by the sensor, Working and counterelectrode switchable to each other and the electrodes or the signal input of the meter with different voltage forms, Test signals or one or more reference current source signals can be applied.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet eine mehrstufige Messprozedur, die mit dem Einstecken des Sensors initiiert wird und die wahlweise die folgenden Teilschritte umfasst:
- a) automatische Kontrolle des Signalverarbeitungssystems der Messanordnung vor der Messung, indem mittels des Schaltfeldes von der potentiostatischen Regelschaltung über einen Kalibrierwiderstand eine Verbindung mit dem Strom-Spannungs-Wandler erfolgt, vom Mikrocontroller verschiedene, konstante Spannungen ausgegeben werden und vom Mikrocontroller die so generierten Ströme ausgewertet werden;
- b) Test des Steckverbinders auf Kontamination oder Nebenschluss und Test des Sensors auf Restfeuchte der Reagenzschicht bzw. vorangegangene Benutzung und Schluss vor Herstellung und Anzeige der Messbereitschaft, indem mittels des Schaltfeldes von der potentiostatischen Regelschaltung über den Steckverbinder und den Sensor eine Verbindung mit dem Strom-Spannungs-Wandler erfolgt, vom Mikrocontroller eine bipolare Rechteckspannung ausgegeben wird und vom Mikrocontroller die am Strom-Spannungs-Wandler gemessene Spannung ausgewertet wird;
- c1) Starten der üblichen voltametrischen Messung durch Triggern der Messprozedur in Abhängigkeit vom Befüllungsgrad des Sensors bei mittels des Schalterfeldes auf erhöhte Empfindlichkeit geschaltetem des Strom-Spannungs-Wandler;
- c2) Durchführen der üblichen voltametrischen Messung durch Verbinden der Gegenelektrode des Sensors mit dem Ausgang der potentiostatischen Regelschaltung, der Arbeitselektrode des Sensors mit dem Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers und der Referenzelektrode des Sensors mit dem Eingang der potentiostatischen Regelschaltung über das Schalterfeld, Ausgabe einer Polarisationsspannung durch den Mikrocontroller und Messen von mehreren Stromwerten sowie deren numerische Integration in einem festgelegten Zeitraster;
- c3) Durchführen der inversen voltametrischen Messung nach vorgegebenen Zeitintervallen durch Vertauschen der Verbindung zwischen der Gegenelektrode des Sensors und der oder den Arbeitselektroden mittels des Schalterfeldes;
- c4) voltametrische Messung mit weiteren Arbeitselektroden durch Zuschalten der entsprechenden Arbeitselektrode zu den Elektroden des Sensors mittels des Schalterfeldes;
- d) Impedanzmessung zwischen ausgewählten Elektroden, indem über das Schalterfeld eine Elektrode mit dem Ausgang der potentiostatischen Regelschaltung und die andere Elektrode mit dem Strom-Spannungs-Wandler verbunden werden und der Spitzenwert des Stromes bei einer durch den Mikrocontroller ausgegebenen Spannung gemessen wird;
- e) Kontrolle aller Sensor-Steckkontakte nach einer Messung, indem mittels des Schaltfeldes von der potentiostatischen Regelschaltung über den Steckverbinder und den Sensor eine Verbindung mit dem Strom-Spannungs-Wandler erfolgt, vom Mikrocontroller eine bipolare Rechteckspannung ausgegeben wird und vom Mikrocontroller die am Strom-Spannungs-Wandler gemessene Spannung ausgewertet wird;
- f) Kontrolle des Steckverbinders ohne Sensor, indem mittels des Schaltfeldes von der potentiostatischen Regelschaltung über den Steckverbinder eine Verbindung mit dem Strom-Spannungs-Wandler erfolgt, vom Mikrocontroller eine bipolare Rechteckspannung ausgegeben wird und vom Mikrocontroller die am Strom-Spannungs-Wandler gemessene Spannung ausgewertet wird,
- a) automatic control of the signal processing system of the measuring arrangement prior to the measurement, by means of the switching field of the potentiostatic control circuit via a calibration resistor connects to the current-voltage converter, the microcontroller different, constant voltages are output and evaluated by the microcontroller, the currents thus generated become;
- b) Test the connector for contamination or shunt and test the sensor for residual moisture of the reagent layer or previous use and final before production and display of measurement readiness by using the switch panel of the potentiostatic control circuit via the connector and the sensor connect to the current Voltage converter takes place, from the microcontroller, a bipolar square wave voltage is output and evaluated by the microcontroller, the voltage measured at the current-voltage converter;
- c1) starting the usual voltammetric measurement by triggering the measurement procedure as a function of the degree of filling of the sensor in the switched by means of the switch panel on increased sensitivity of the current-voltage converter;
- c2) performing the usual voltammetric measurement by connecting the counter electrode of the sensor to the output of the potentiostatic control circuit, the working electrode of the sensor with the input of the current-voltage converter and the reference electrode of the sensor with the input of the potentiostatic control circuit via the switch panel, outputting a Polarization voltage through the microcontroller and measurement of multiple current values and their numerical integration in a fixed time grid;
- c3) carrying out the inverse voltammetric measurement after predetermined time intervals by exchanging the connection between the counter electrode of the sensor and the working electrode (s) by means of the switch field;
- c4) voltametric measurement with further working electrodes by connecting the corresponding working electrode to the electrodes of the sensor by means of the switch field;
- d) impedance measurement between selected electrodes by connecting one electrode to the output of the potentiostatic control circuit and the other electrode to the current-to-voltage converter via the switch panel and measuring the peak value of the current at a voltage output by the microcontroller;
- e) Checking all sensor plug-in contacts after a measurement, by means of the switching field of the potentiostatic control circuit via the connector and the sensor is connected to the current-voltage converter, the microcontroller outputs a bipolar square wave voltage and the microcontroller at the current Voltage converter measured voltage is evaluated;
- f) control of the connector without a sensor by means of the switch panel of the potentiostatic control circuit via the connector connects to the current-voltage converter is output from the microcontroller, a bipolar square wave voltage and evaluated by the microcontroller, the voltage measured at the current-voltage converter becomes,
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen haben den Vorteil, dass
- – verschiedene elektrochemische Messverfahren, insbesondere die voltametrische Messung, die voltametrische Messung mit invers betriebener Arbeits- und Gegenelektrode des Sensors und eine Impedanzmessung mit den selben Elektroden des Sensors und/oder den selben elektronischen Komponenten in einem Messprozess durchführbar sind,
- – mehrere Arbeitselektroden mit der selben Referenz- und Gegenelektrode mit nur einem Signalverarbeitungskanal ausgemessen und
- – zwischen beliebigen Elektroden des Sensors unterschiedliche Spannungen angelegt werden können und bei Bedarf Triggerströme ableitbar sind, so dass ereignisbezogen an steckbaren Biosensoren mit drei bis acht Kontakten im Verlauf der Messprozedur die Steckkontakte auf Kontaktgabe bzw. Schluss, der Sensor selbst auf die Restfeuchte seiner Reagenzschicht und eine vorangegangene Benutzung kontrollierbar und darüber hinaus elektronikinterne Referenzen zum Test der Schaltungsanordnung bereitgestellt werden können, so dass die Funktion der Messeinrichtung während der Messprozedur einer weitgehenden Kontrolle und die Messung selbst einer Störsignalkompensation und einer Autokalibration der Hardware unterliegt.
- Various electrochemical measurement methods, in particular the voltammetric measurement, the voltammetric measurement with inversely operated working and counterelectrode of the sensor and an impedance measurement with the same electrodes of the sensor and / or the same electronic components can be carried out in a measuring process,
- - Measured several working electrodes with the same reference and counter electrode with only one signal processing channel and
- - Between different electrodes of the sensor different voltages can be applied and trigger currents are derived as needed, so that event related to pluggable biosensors with three to eight contacts in the course of the measurement procedure, the plug contacts on contact or final, the sensor itself to the residual moisture of its reagent layer and a prior use can be controlled and furthermore electronic-internal references for testing the circuit arrangement can be provided, so that the function of the measuring device during the measuring procedure is subject to extensive control and the measurement itself is subject to interference signal compensation and auto-calibration of the hardware.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und das Verfahren können zur interferenzkorrigierten Konzentrationsmessung und Multiparameterbestimmung mit chemischen Sensoren und Biosensoren in komplexen wässrigen Medien verwendet werden.The inventive circuit arrangement and the method can for interference-corrected concentration measurement and multiparameter determination with chemical sensors and biosensors in complex aqueous Media to be used.
Besonders geeignet ist die Erfindung für portable Handmessgeräte in Kombination mit Einmalgebrauchssensoren im Home-Care- und Point-of-Care-Bereich zur Konzentrationsbestimmung von Blutparametern.Especially the invention is suitable for portable handheld instruments in combination with single-use sensors in the home-care and point-of-care area for concentration determination of blood parameters.
Aufgrund der routinemäßigen automatischen multiplexen Verfahrensweise zur Abfrage, Kontrolle und ggf. Nachkalibrierung elektronischer Parameter des Messgerätes und der Abfrage und Bewertung elektronischer, physikalischer und chemischer Parameter des Einmalgebrauchssensors im Verlauf der Messprozedur kann durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Schalterarrays eine verbesserte, fehlerarme Messprozedur gesichert werden, die die wesentlichsten Störeinflusse auf die Messprozedur durch interferierende Substanzen der Probe kompensiert, das Anlegen von Aktivierungspotentialen ermöglicht und bei Handhabungsfehlern oder defekten Sensoren eine Messung verhindert. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung eine einkanalige Ausmessung mehrerer Arbeitselektroden, so dass auch bei Multiparametersensoren die Signalverarbeitungshardware einfach gehalten werden kann. Damit kann ein Handmessgerät zur Verfügung gestellt werden, das besonders für Eigenanwendungen durch analytische Laien eine wesentlich zuverlässigere Messung ermöglicht.by virtue of routine automatic multiplexing Procedure for polling, checking and possibly recalibration electronic parameter of the measuring instrument and the interrogation and evaluation of electronic, physical and chemical parameters of the single-use sensor During the course of the measuring procedure, the circuit arrangement according to the invention can be used in connection with the inventive method for operating the Switch arrays secured an improved, low-error measurement procedure be the most significant disruptive to the measurement procedure compensated by interfering substances of the sample, the application of Activation potentials possible and prevents handling in case of handling errors or defective sensors. About that also allows the arrangement is a single-channel measurement of several working electrodes, so that even with multi-parameter sensors the signal processing hardware can be kept simple. This can be a handheld device provided that's especially for in-house applications by analytic layman allows a much more reliable measurement.
Die Schaltungsanordnung und das Verfahren sind besonders geeignet, um zuverlässige Messungen bei Glucosemetern oder Handmessgeräten, die durch analytische Laien für die Selbstanwendung genutzt werden, zu erzielen.The Circuitry and the method are particularly suitable to reliable Measurements on glucose meters or handheld instruments, which are analytical Layman for the self-application can be used to achieve.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be explained below with reference to an embodiment. In the associated Drawings show
Zur
Beschreibung der Erfindung dient ein Einmalgebrauchssensor wie er
beispielsweise aus
Die Anzahl der Arbeitselektroden beträgt vorzugsweise zwischen zwei und fünf pro Sensor.The Number of working electrodes is preferably between two and five per sensor.
Die
Messeinrichtung, wie sie in den
Im
folgenden wird das Verfahren mit seinen möglichen Test- und Messvarianten
anhand der
a) automatischer Testa) automatic test
Mit
dem Einstecken des Sensors
Zum
Test werden, vom Mikrocontroller
Es
werden beispielsweise über
die potentiostatische Regelschaltung
Aus
diesen beiden Messwerten, das sind die Binärzahlen Z1 und
Z2 , und den bekannten
zu Z1 und Z2 gehörigen Strömen ermittelt
der Mikrocontroller
Bei Überschreiten des Toleranzbereiches wird dieses signalisiert.When crossing of the tolerance range, this is signaled.
Für diese
Prozedur werden die drei Analogmultiplexer
b) Test von Steckverbinder
Nach
Einstecken des Sensors
Wenn
bei diesen Schalterstellungen weder am Kanal Ch0 noch am Kanal.
Ch1 des Analog-Digital-Wandlers
c) Starten und Durchführen der Messprozedurc) Starting and performing the measurement procedure
c1) Auslösen der Messprozedur (Triggerung)c1) Triggering the measurement procedure (triggering)
Die
Messprozedur wird in Abhängigkeit
vom Befüllungsgrad
des Sensors
Unmittelbar
nach Eintritt des Triggerereignisses, was zum Beispiel einem Triggerstrom
von 20 nA oder mehr entspricht, wird die Empfindlichkeit des Strom-Spannungs-Wandlers
MessungMeasurement
Die Messung umfasst mehrere Teilprozesse; dies sind die übliche voltametrische Messung und die voltametrische Messung mit inversem Sensorbetrieb zur Bestimmung der von interferierenden Substanzen herrührenden Störladung.The Measurement includes several sub-processes; These are the usual voltametric ones Measurement and the voltammetric measurement with inverse sensor operation for Determination of interfering substances Störladung.
Die übliche voltametrische
Messung erfolgt bei Vorhandensein mehrerer Arbeitselektroden
Diese
Teilprozesse werden mit gleicher Häufigkeit und gleicher Dauer
intermittierend durchgeführt,
indem über
das Schalterfeld
Beide
Teilprozesse werden zum Beispiel innerhalb einer Messzeit von 10
Sekunden mit gleicher Häufigkeit,
nämlich
250 mal und mit gleicher Dauer, nämlich 20 Millisekunden intermittierend
durchgeführt,
indem über
das Schalterfeld die jeweils benötigten,
unten beschriebenen Signalpfade geschaltet werden. Die Zeitdauer
von 20 Millisekunden für
ein Messzeitintervall (Abschnitte A, B in
c2: voltametrische Messungc2: voltammetric measurement
Für die übliche voltametrische
Messung werden in bekannter Weise die Gegenelektrode
In dieser Betriebsart werden pro Messung in einem festgelegten Zeitraster eine festgelegte Anzahl von Werten gewonnen, aus denen sich durch numerische Integration über die Messzeit ein voltametrisches Messsignal, proportional zur Gesamtladung, ergibt. Dieses voltametrische Messsignal beinhaltet außer der zur gesuchten Analytkonzentration gehörigen Ladung (Nutzladung) auch die aus interferierenden Substanzen der Probe herrührende Ladung (Störladung) sowie die Grundladung, die bei Abwesenheit sowohl interferierender Stoffe als auch des Analyten messbar ist und aus material- und geometriebedingten Eigenschaften des Reagenzsystems und der Elektroden des Teststreifens resultiert.In This mode of operation is measured per measurement within a defined time frame a fixed number of values are obtained, which result in numerical Integration over the measuring time is a voltammetric measuring signal, proportional to the total charge, results. This voltammetric measurement signal includes the to the desired analyte concentration belonging charge (Nutzladung) also the charge resulting from interfering substances of the sample (Störladung) as well as the base charge, which in the absence of both interfering Substances as well as of the analyte is measurable and due to material and geometry-related Properties of the reagent system and the electrodes of the test strip results.
Beispielsweise
werden pro Konzentrationsbestimmung im oben beschriebenen Zeitraster
250 Abtastwerte gewonnen. Aus diesen 250 Abtastwerten wird durch
Multiplikation mit den Messzeitintervallen (A in
c3: inverser Sensorbetrieb zur Bestimmung der von interferierenden Substanzen herrührenden Störladungc3: inverse sensor operation for determination the interference charge originating from interfering substances
Für den inversen
Sensorbetrieb zur Bestimmung einer Ladungs-Korrekturgröße wird über die potentiostatische Regelschaltung
Diese
Betriebsart erlaubt die separate summarische Detektion interferierender
Substanzen, indem an der inerten, nicht mit Enzym beschichteten Gegenelektrode
In dieser Betriebsart wird in gleicher Weise wie bereits beschrieben bevorzugt die gleiche Anzahl Abtastwerte, beispielsweise 250 Werte, ermittelt.In This mode is described in the same way as already described prefers the same number of samples, for example 250 values, determined.
Aus
diesen 250 Werten wird durch Multiplikation mit den Messzeitintervallen
(B in
Die so bestimmte Störladung wird zur Korrektur der unter c2 beschriebenen Gesamtladung benutzt; die Störladung wird von der Gesamtladung subtrahiert, und erst dann wird aus der so korrigierten Ladung die gesuchte Konzentration errechnet.The so certain Störladung is used to correct the total charge described under c2; the Störladung is subtracted from the total charge, and only then is the so corrected charge calculated the sought concentration.
c4: voltametrische Messung mit weiteren Arbeitselektrodenc4: voltametric measurement with others working electrodes
Für die voltametrische
Messung mit weiteren Arbeitselektroden wird in bekannter Weise die
Gegenelektrode
In dieser Betriebsart werden wiederum pro Messung in einem festgelegten Zeitraster eine festgelegte Anzahl von Werten gewonnen, aus denen sich durch numerische Integration über die Messzeit ein voltametrisches Messsignal ergibt.In This mode of operation is again set per measurement in a defined Time grid has gained a set number of values that make up through numerical integration via the measuring time gives a voltammetric measuring signal.
In
Abhängigkeit
von der Reagenzzusammensetzung, mit der die zweite Arbeitselektrode
d) Gewinnung von Korrekturgrößen durch Impedanzmessungd) obtaining correction values by impedance measurement
Die
Bestimmung des Betrages der Impedanz des mit der Blutprobe befüllten Sensors
Beispielsweise
bleibt bei Messung der Impedanz zwischen Gegenelektrode
Über Kanal
Ch2 des Analog-Digital-Wandlers
Der Betrag der Impedanz ergibt sich als Quotient von ausgegebenerer Spitzenspannung und gemessenem Spitzenstrom; er wird bei einer Festfrequenz, die bevorzugt zwischen 50 Hz und 10 kHz liegt, und bei einer Wechselspannungsamplitude, di zwischen 20 mV und 500mV liegt, ermittelt.Of the Amount of impedance results as a quotient of output Peak voltage and peak current measured; he is at a fixed frequency, which is preferably between 50 Hz and 10 kHz, and at an AC amplitude, di between 20 mV and 500mV determined.
Der Betrag der Impedanz liegt bei der Ausmessung von Blutproben mit einem Hämatokritwert von 40 bis 45 % zwischen 5,3 kΩ und 5,5 kΩ.Of the The amount of impedance is included in the measurement of blood samples a hematocrit value of 40 to 45% between 5.3 kΩ and 5.5 kΩ.
Beispielsweise
wird über
den Mikrocontroller
Die
Abhängigkeit
des Impedanzwertes vom Hämatokritwert
der Probe ist für
eine spezielle Sensorgeometrie in
Die Analytkonzentration wird aus der Differenz der ermittelten Gesamtlandung und der ebenfalls ermittelten Störladung errechnet und dann mit ermittelten impedanzverändernden Einflussgröße „Hämatokrit", unter Nutzung experimentell erstellter Kennfelder korrigiert.The Analyte concentration is calculated from the difference of the determined total landing and the likewise determined Störladung calculated and then with determined impedance-changing influencing variable "hematocrit", using experimental corrected maps corrected.
Des weiteren wird eine Bewertung aller während der Messprozedur erhaltenen Teilergebnisse durch Vergleich mit gespeicherten Sollwerten, tolerierten Wertebereichen oder kalibrierten Grundwerten vorgenommen und bei erfolgreichem Verlauf der Messprozedur werden dem Nutzer die Ergebnisse der Messprozedur angezeigt. Bei fehlerhafter Handhabung oder Funktionsstörungen des Teststreifens oder des Meters erfolgt unmittelbar zum Zeitpunkt des Auftretens des Fehlers eine entsprechende Fehlfunktionsinformation bei gleichzeitigem Abbruch der Messprozedur.Of another is an evaluation of all received during the measurement procedure Partial results by comparison with stored setpoints tolerated Value ranges or calibrated basic values and at Successful course of the measurement procedure will be the results of the user Measurement procedure displayed. In case of incorrect handling or malfunctions of the Test strip or the meter takes place immediately at the time of Occurrence of the error corresponding malfunction information with simultaneous termination of the measuring procedure.
e) Automatische Zuleitungs-Kontrolle nach fehlgeschlagener Messunge) Automatic supply control after failed measurement
Bei
dem vorangegangenen gleichzeitigen Test von Steckverbinder
Zum
Test der Zuleitung zur Arbeitselektrode Ae2 (
Bei
diesen Schalterstellungen ist am Kanal Ch0 und am Kanal Ch1 des
Analog-Digital-Wandlers
f) Test des Steckverbinders
Sofern
bei der vorangegangenen Prüfung von
Steckverbinder
Der
Steckverbindertest erfolgt auf einen möglichen Nebenschluss zwischen
den Kontakten durch Feuchte oder Kontamination, indem ohne Sensor
Wenn
bei diesen Schalterstellungen weder am Kanal Ch0 noch am Kanal Ch1
des Analog-Digital-Wandlers
- 11
- Sensorsensor
- 22
- (erste) Arbeitselektrode(first) working electrode
- 2a2a
- (zweite) Arbeitselektrode(second) working electrode
- 33
- Referenzelektrodereference electrode
- 44
- Gegenelektrodecounter electrode
- 55
- SteckverbinderConnectors
- 66
- Schalterfeldswitch panel
- 77
- Analogmultiplexeranalog multiplexer
- 88th
- Analogmultiplexeranalog multiplexer
- 99
- Analogumschalteranalog switch
- 1010
- potentiostatische Regelschaltungpotentiostatic control circuit
- 1111
- Strom-Spannungs-WandlerCurrent-voltage converter
- 11a11a
- Widerstand (Triggerung)resistance (Triggering)
- 11b11b
- Widerstand (Messung)resistance (Measurement)
- 1212
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 1313
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 1414
- Kalibrierwiderstandcalibration resistor
- 1515
- Analogmultiplexeranalog multiplexer
- 1616
- SpitzenwertgleichrichterPeak rectifier
- 1717
- Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
Liste weniger wichtiger ZitierungenList of less important citations
-
WO 99/30152 US 5997817 US 6270637 US 5645709 US 5627075 US 5708247 EP 0877244 US 6129823 EP 11113263 US 6120676 US 6299757 US 6338790 US 6258229 US 6287451 US 6156173 US 5779867 US 5863400 US 6174420 US 6207000 DE 100 32 042 US 2001/0050228 EP 1167538 US 6180062 US 6325975 US 6540891 US 625229 US 6571651 US 6558528 US 6254736 US 6814843 US 6414410 US 6645359 US 6743635 US 2004/0108206 US 2004/0224369 US 2005/0067280 US 2005/0098433 US 2005/0103624 WO 99/30152 US 5997817 US 6270637 US 5645709 US 5627075 US 5708247 EP 0877244 US 6129823 EP 11113263 US 6120676 US 6299757 US 6338790 US 6258229 US 6287451 US 6156173 US 5779867 US 5863400 US 6174420 US 6,207,000 DE 100 32 042 US 2001/0050228 EP 1167538 US 6180062 US 6325975 US 6540891 US 625229 US 6571651 US 6558528 US 6254736 US 6814843 US 6414410 US 6,645,359 US 6743635 US 2004/0108206 US 2004/0224369 US 2005/0067280 US 2005/0098433 US 2005/0103624 -
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EP 0874984 DE 100 32 042 EP 0874984 DE 100 32 042 -
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Applications Claiming Priority (1)
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2006
- 2006-03-29 DE DE200610014825 patent/DE102006014825B4/en active Active
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R082 | Change of representative |
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