SE434888B - Apparat for bestemning av koncentrationen av glukos i biologiska fluider samt forfarande for bestemning av sadana koncentrationer - Google Patents

Description

15 20 25 30 S5 83011129-“3 2 Gebhart el al., "Development of an Implantable Electro- catalytic Glucose Sensor", 5 Bioelectrochemístry and Bio- energetícs 607 (1978), anger (Pig. 9) ett samband mellan glu- 'koskoncentratíonen i närvaro av aminosyror och den laddning som produceras vid elektroden vid en specifik spänning; mellan íntegrationsperioder skiftas spänningen till en rejuvenations- 'potential.

En metod för erhållande av ett noggrant mätt på glukoskon- centrationen i biologiska fluida vilken metod beskrivs i svensk patentansökan 8200511-7, innebär att man applicerar en spänning på elektroden, varierar spänningen i en förändring eller svepning från en första gräns till en andra gräns och tillbaka mot den första gränsen samt integrerar strömmen vid elektroden över åt- minstone en del av den spänningssvepning som väljes för att pro- ducera en total laddning som är känslig för glukoskoncentratio- nen och relativt okänslig gentemot andra komponenter i den biolo- giska fiuiaen. _ ' Härvid kan integreringsdelen lämpligen väljas så att den mot glukoskoncentrationen svarande laddningen till övervägande de- len har samma algebraiska tecken över nämnda del, och så att den laddning, som svarar mot störande komponenter i fluiden (eller mot vilken som helst specifik störande komponent), har positivt tecken i ett segment av delen och negativt tecken i ett annat segment, så att den mot glukosen svarande laddningen, och sålunda känsligheten för glukos, förstärkes över integreringsdelen, och den mot störan- de substanser svarande laddningen åtminstone delvis elimineras, vilket sålunda reducerar störningen från sådana komponenter eller förändringar i koncentrationen av sådana komponenter. Den totala laddningen normaliseras i form av förhållandet total algebraisk laddning till totalt absolut laddningsvärde; den undre gränsen för spänningssvepningen är mellan -1,0 och -0,6 volt och den övre gränsen är mellen 0,7 och 1,l volt; spänningssvepningen inkluderar _ uppehållsperioder vid gränserna, och hastigheterna för spännings- É förändringen under de anodiska och katodiska svepningarna är kon- stanta; integrering äger rum kontinuerligt under en fullständig spänningssvepning (eller alternativt i huvudsak inkluderande den anodiska svepningen mellan -0,45 volt och den övre gränsen, uppe- hållet vid den övre gränsen, och hela den katodiska svepningen); hastigheten för spänningsförändringen under den katodiska spän- 10 15 20 EJ L-”l 'Ja in 830lß129-3 3 ningssvepningen kan vara högre än under den anodiska spännings- svepningen; och spänningssvepningen kan innefatta uppehâllsperi- oder mellan gränserna vid potentialer, vid vilka glukos undergår en elektrokemisk reaktion. _ SAMMANFATTNING AV UPPFINNlNGEN Förfarandet enligt uppfinningen innebär ett alternativ till den ovan omtalade metoden och innebär att man applicerar en spän- ning pâ en elektrod för att förorsaka ett strömflöde därigenom, och varierar den applicerade spänningen i en svepning varierande från en första gräns till en andra gräns samt tillbaka mot den första gränsen, varvid det utmärkande för förfarandet är att glu- koskoncentrationen i biologiska fluider bestämmes genom mätning av strömmen vid elektroden vid en punkt i ett specifikt område av mellan 0,2 volt och 0,6 volt under den anodiska spänningsvaria- tion som väljes för att vara känslig för förändringar i nivån för glukoskoncentrationen men relativt okänslig för nivåer av andra beståndsdelar i fluiden.

På motsvarande sätt innefattar apparaten enligt uppfinningen en elektrod för katalytiskt befrämjande av elektrokemisk oxida- tion av glukos, en spänningskälla, organ för applicering av en varierande spänning från källan till nämnda elektrod för att för- orsaka ett strömflöde därigenom, och organ för mätning av ström vid elektroden, varvid den utmärkes av reglerorgan som kan drivas automatiskt utan manuellt ingripande för att få spänningen att svepa över ett område i en första riktning från en första gräns till en andra gräns samt i motsatt rikning tillbaka mot den förs- ta gränsen och för att selektivt aktivera nämnda_organ för mät- ning vid åtminstone en isolerad punkt mellan 0,2 volt och 0,6 volt under den anodiska variationen av spänningssvepningen, vilken punkt är vald för att vara känslig gentemot förändringar i nivåer av glukoskoncentration i fluiden men relativt okänslig gentemot nivåer, av andra komponenter i fluíden. nëßiísfrsrvvrinsßt fxvofï-irsflafinrßßlflsr» uiffëßf-NG-sçvßIvlfifl _ Vi övergår nu till en beskrivning av de föredragna utfö- ringsformerna av uppfinningen, varvid först rirningan kommer att beskrivas kortfattat. ~ 10 15 20 25 30 35 8304129-'3 RITNINGAR .

Fig. l är ett blockschema för kretsen för en implanterbar glukossensor enligt en utföringsform av uppfinningen. _ Pig. 2 är ett blockschema för kretsen för en implanterbar glukossensor enligt en annan utföringsform av uppfinningen.

Pig. 3a och Sb visar schematiskt elementen i en elektrod- cell använda vid utföringsformen enligt Pig. 1 eller Z.

Pig. 4a, b, c, d, e och f är kurvor avseende utföríngsfor- men enligt Pig. 1. C I l Fig.-Sa, b och c är kurvor avseende utföringsformen enligt Pig. 2.

INTEGRERING AV STRUM ' Pig. l visar i blockform en utföringsform av en implanter- bar krets inkluderande en glukosavkänningscell 40. Fig. Sa och 3b visar en potentiostat 30 inkopplad för att reglera potentialfal- let mellan glukosoxidationselektrodA50 och referenselektrod 52.

Mera konkret gäller att potentiostaten 30 jämför denna spänning (V mät) med och utjämnar densamma till den spänning (V appl.) som alstras av funktionsgenerator 20 genom att ström tillåtes flyta i en mätningskrets bildad av ledningar 51, glukoselektrod S0, det biologiska mediet, motelektrod 54, ledning 53 och poten- tiostat 30. Referenselektroden 52 är ansluten till funktions- generatorn medelst ledning SSÄ I Fíg. 1 är signalprocessor 60 kopplad till mätningskret- sen och integrerar ström i kretsen som svar på tidstyrningssigna- ler från funktionsgeneratorn 20. Modulator/sändare 70 är kopplad till signalprocessor 60 och sänder en FM-signal svarande mot ut- signalen från processor 60 i enlighet med en sändningssignal från funktionsgeneratorn 20. Sensorcellen 40 (Fíg. 3) har en glu- kosoxidationselektrod 50, vilken medelst barriär eller separator 56 (som är ett jonbytarmembran behandlat för att tillåta passage av enbart katjoner) är åtskílt från motelektroden 54. Ett glukos- permeabelt membran 58 avskiljer elektroden 50 frân_högmolekylära föreningar i det biologiska mediet, och ett biokombinerbart hyd- rofobt membran 59 vid motelektroden tillåter reaktionsprodukter (gaser) att diffundera till omgivande vävnad, under det att elektroden isoleras elektriskt trån denna vävnad. Referenselek- 15 20 i» V1 30 35 8304129'3 _5 troden 52 är en silver/silverkloridelektrod. Motelektroden 54 är en kolelektrod. I Glukoselektroden 50 är en teflonbunden platíniserad pla- tinaelektrod framställd på följande sätt: En elektrodskiva bildas av en suspension av "Teflon-30" (Dupont) respektive platinasvart (Engelhardl. Denna suspension filtreras därefter genom ett mem- bran till bildning av ett homogent skikt av ifrågavarande "Teflon" och platina på membranet. Denna skiktade struktur pla- ceras därefter ovanpå ett platínatrådgaller med "Teflon"-platina- skiktblandningen i kontakt med platinagallret. Den resulterande skiktade strukturen utsattes för tryck och síntras därefter för åstadkommande av den slutliga elektrodstrukturen. Elektroden skäres ut ur skivan.g Vid drift alstrar funktionsgeneratorn 20 en vågform, som varierar fram och åter mellan två gränser. Linje 2 i Fig. 4a visar en typisk trapetsoid vågform, där spänningen hålles vid -0,8V i 60 sekunder och därefter ökas till +0,8V med en hastig- het av 2 volt/min. Detta område för ökande spänning kallas den anodiska spänningssvepningen. Efter 30 sekunders uppehåll vid 0,8V sänkes spänningen åter med en hastighet av Z volt/min. till den undre gränsen -0,8V. Området för minskande spänning är den katodiska spänningssvepningen. Genmnvalav en spänningssvep- ning som effektivt tillåter glukosoxidation och föryngrar elek- trodens katalytiska yta är kontinuerliga svepningar och glukos- koncentrationsmätning möjliga.

När spänningen appliceras på elektroden, katalyseras elektrokemisk reaktion av glukos vid elektrod S0. Glukos från den omgivande vävnaden tränger igenom membranet, och reaktions- produkter transporteras bort från elektroden. Separatorn 56 iso- lerar de båda elektroderna men tillåter överföring av katjoner till motelektroden för att fullborda strömmätningskretsen.

Det biologiska mediet producerar strömmar vid specifika delar av spänningssvepningen. Speciellt sker glukosoxidation vid specifika delar av svepningen; i dessa delar kan den alstrade strömmen (vilken innefattar ström alstrad somett resultat av re- aktion av bakgrundskomponenter liksom även ström svarande mot glukos) användas för att índíkera glukoskoncentrationen. Elek- trokemiska reaktioner på grund av andra komponenter i fluiden -- specitiktwkarbamid och aminosyror -- kan dock påverka ström- 10 15 20 25 35 8304129-'3 6 mätningen och förhindra en bestämning av glukoskoncentrationen.

I vissa delar av svepningen är strömmen relaterad till en speciell störande substans positiv i ett segment av delen och negativ i ett annat segment, medan effekten av glukosrelaterade strömmar är i huvudsak positiv över hela delen. Genom integre- ring av cellströmmen över tiden för erhållande av total laddning vid elektroden i denna svepningsdel gör dessa glukosförstärkande, störningsförhindrande fenomen att känsligheten för glukoskoncen- .trationen förbättras avsevärt, under det att störningen samtidigt reduceras. Specifikt gäller att signalprocessorn 60 integrerar ström och ger en mätning på total algebraisk laddning Qt över integreringsområdet; alternativt kan signalprocessorn åstadkomma en signal som representerar förhållandet total algebraisk ladd- ning till det absoluta_värdet för total laddning Qt/|0t|.

Kurvorna i Pig. 4 representerar exempel på operationer ut- förda under simulerade fysiologiska betingelser. De är utförda vid 37°C under en atmosfär av 95% kväve och 5% C02. Bakgrunds_ fluiden är en modifierad Kreb-Ringer-buffertlösning.(0,109 MPMCL 0,024 M NaHCO3, 0,006 M MgS04, 0,001 M NaH2PO4, pH = 7,4).

Aminosyror tillhandahålles i en förrädslösning av 23 olika amino- syror vid koncentrationer som är proportionella mot fysiologiska koncentrationer. Karbamid är närvarande i de angivna fysiolo- giska koncentrationerna. Den använda potentiostaten (Princeton Applied Research Corp., Model PAR-173) har automatisk IR-kom- 'pensation. Den programmerbara funktionsgeneratorn är Model 73211 från Data Trak, Research, Inc. Glukoselektroden har en geometrisk area av 0,19 cmz, en Pt-beläggning av 25 mg per cmz och en faktisk area (genom coulometrisk vätestrippningsmätning) av 485 cmz. Referenselektroden är en mättad standardkalomel- (Hg, Hg2ClZ, KCI) elektrod, och det glukospermeabla membranet är "Nucleopore" 500 Ångström.

När den ovan beskrivna spänningsvågformen (linje 2 i Fig. 4a) appliceras på enbart Krebs-Ringer-buffert, är strömmen vid elektroden först negativ, därefter positiv och slutligen ne- gativ, såsom visas med linje 1 i Fig. 4(a). Den skuggade ytan under linje 1 representerar laddning, och de positiva och nega- tiva ytorna tar i huvudsak ut varandra.

Dig. db visar strömmen uppmätt i systemet före (linje 1) '41 15 20 25 83014129-3 7 och efter (linje Z) tillsats av glukos. Den skillnad som kan tillskrivas glukos (linje 3) resulterar í en laddning (skuggad) som är i huvudsak positiv över hela vågformen.

Med tillsats av karbamid (Fig; 4c) eller aminosyror (Pig. 4d) till systemet är de resulterande strömförändringarna (linje 2 i Pig. 4c och d) positiva i vissa områden av svepningen och negativa i andra områden, under det att strömmen svarande mot glukos (linje 1) förblir i huvudsak positiv över svepningen.

Följande tabell visar att integrering av strömmen över he- la svepningen ger ett algebraiskt laddningsvärde (Qt) (eller ett normaliserat laddningsvärde i form av förhållandet mellan alge~ braisk och total absolut laddning (Qt/Qt)), som är känsligt för glukoskoncentrationen till och med i närvaro av föränderliga koncentrationer av aminosyror och karbamid. Fíg. 4e och f illu- strerar specifikt ovanstående samband i närvaro av sig föränd- rande koncentrationer av aminosyror. 830ë129“3 ' 8 Glukoselektrodrespons gentemot förändringar i glukos- och amlnosyrakoncentratlon; Konc., mg/dl _ - Qts gt Glukos Aminosyror Karbamíd mCou1 lQt| 50 35 ' 40 20,0 0,001 03 35 . 40 22,0 0,099- 15 55 - 40 24,5 0,101 00 35 ' 40 20,0 0,114 100 - 35 40 21,0 0,122 113 35 40 - 20,0 0,123 125 ~ ' 35 4 40 30,0 . 0,132- 150 35 ' 40_ 31,9 0,141 115 35 40 33,1 0,140 200 35 - 5 40 -30,3 0,100 250 35 40 . ' 41,0 ,0,100 50. ' 50' - 0 40 - 23,0 l 0,109 03 so _ 40 24,3 0,111 15 1 so . 40 24,9 0,114 00 so , 40- ' 21,5. 0,120 100 50 40 20,0 0,133 113 50 . 40 20,5 0,132 125 , 50 5 40. 20,9 0,134 150 50 40 -_31,2 0,144 115 350 _ 40 _ 9 34,4 0,159"- 200 50 40 5 55,2 0,102 250 50 40 1_ 30,5 0,110 50 d _05 d'0 40 23,0 0,111 05 1 05 40 23,1 0,119 15 05 40 24,4 0,123 00 , 05 40 25,2 0,120 100 05 40 20,5 0,135 113 05 _ ~ 40 20,1 0,131 125 05 _ 40 21,5 0,140 150 - 05- . 40 29,1 0,149 115 05 40 31,3 0,100 200 05 40 31,9 0,105 250 05 40 34,1 0,111 När man sålunda integrerar över hela spänníngssvepningen, upphäves i huvudsak bakgnndsladdníngen (från bakgrundslösningen och från aminosyrorna och karbamíden), under det att den mot glukosen svarande laddningen är i hurudsak positiv, och sensíbilí- teten gentemot glukos ökas genom integrering. Dessutom upphäves i huvudsak förändringar ifråga om laddníngar förenade med för- ändringar í karbamíd- resp. amínosyrakoncentrationer, vilket så- 10 15 Z0 25 35 830lr129'~3 lunda ökar känsligheten för glukos.

Under specifik hänvisning till Fig. 4c och d framgår det att integrering inte behöver ske över hela spänningssvepningen.

Undersökning av en specifik del av svepningen -- i huvudsak in- kluderande delen av den anodíska svepningen från -0,45 volt till 0,8 volt, uppehållet vid den övre gränsen och hela den kato- diska svepningen -- visar också erforderliga karakteristika för selektivitet och sensibilitet.

~STRUMMÄTNING Fig. Z visar ett schema för en apparat liknande den från Fig. 1, med undantag av att funktionsgeneratorn 20 utför ström- mätning med strömmätningsorgan 80 och utsändning av en signal som representerar denna mätning medelst sändare 70. Pig. Sa, b och c representerar resultaten av strömmätningar under beting- elser som har beskrivits för ovanstående strömintegrerings- exempel. Området mellan 0,2 och 0,6 volt av den anodiska delen av svepningen visar en klar respons gentemot förändringar i glu- koskoncentrationen samt brist på respons gentemot förändringar i koncentrationerna av aminosyror och karbamid. Mätning vid en punkt inom detta område (t¿e§, 0,3 volt) ger¿sälundamen_mätning på glukoskoncentratíonerna, oberoende av närvaron av karbamid och aminosyror,_och det är denna mätning som utgör föremål för föreliggande uppfinning. Exempelvis visar värden på strömmen vid 0,3V i den anodiska svepningen för en Krebs-Ringer-buffert inne- hållande 40 mg karbamid per dl och 35 mg aminosyror per dl, tagna från en kurva såsom Fig. 5c, ett linjärt samband mellan ström och glukoskoncentration.

Utföringsformerna enligt såväl Pig. l som Fig. 2 skulle inkludera en mottagare (ej visad] utanför den organism, vari sen- sorn är ímplanterad, vilken mottagare mottar den signal, som utsän- des av sensorn och omvandlar denna signal till data representeran- de glukoskoncentrationen. Alternativt skulle mottagaren kunna tryg- ga en alarmanordning när glukoskoncentrationen hamnar utanför för- utbestämda gränser.

§§DRA UTFURINGSFORMER Andra utföringsformer ligger inom ramen för de bilagda pa- tentkraven. I exemplifierande syfte, varvid avses såväl den i 10 15 20 25 83ÛÄ129°°3 10' svensk patentansökan 8200511-7 beskrivna uppfinningen som före- liggande uppfinning, kan nämnas att spänningsvågformen kan varie- ras på otaliga sätt: uppehållstiderna kan förändras men bör före- trädesvis vara minst 2 sekunder; den undre gränsen kan ökas till exempelvis -1,0 volt, men alltför stor alstring av väte blir re- sultatet av en gräns som ligger signifikant under denna nivå.

Den övre gränsen kan variera, t.ex. från 0,7 till 1,1 volt; en spänning som markant överstiger 1,1V förorsakar korrosion på elek- troden. Uppehållsperioder kan införas under den anodiska och/eller den katodiska delen av svepningen, företrädesvis vid potentialer vid vilka glukosreaktioner sker, så att man ökar den tidsperiod, vid vilken man ligger på sådana potentialer, och förbättrar käns- ligheten och selektiviteten för glukos; hastigheten för spännings- förändringen vid de anodiska och katodiska svepningarna kan vara olika -- exempelvis kan den anodiska svepníngen vara relativt sett långsammare, så att man ökar den tid, vid vilken man ligger på spänningar, vilka ger.strömmar som är känsliga och selektiva för glukos. Vad beträffar strömmätningsutföringsformen enligt Fig. 2 skulle spänningsvariationen kunna innefatta diskontinuiteter så- som sprâng från en gräns till mätningsspänningen.

Kraven innefattar glukosavkännare som ej är implantera- de -- t.ex. kliniska laboratorieavkännare. De biologiska fluider- na kan innefatta vilka som helst fluider som tas från levande or- ganismer eller fluider som_simulerar betingelser i en levande or- ganism, vari innefattas, utan att uppfinningen för den skull är begränsad därtill, blod, urin, buffertlösníngar och saltlösningar.

Claims (9)

83Ûl+129~3 ll PATENTKRAV

1. l. Apparat för bestämning av koncentrationen av glukos i biologiska fluider, innefattande en elektrod för katalytiskt befrämjande av elektrokemisk oxidation av glukos, en spänningskälla, organ för applicering av en varierande spänning från käl- lan till nämnda elektrod för att förorsaka ett strömflöde däri- genom, och ' organ för mätning av ström vid elektroden, k ä n n e - t e c k n a d av reglerorgan som kan drivas automatiskt utan manuellt ingripande för att få spänningen att svepa över ett om- råde i en första riktning från en första gräns till en andra gräns samt i motsatt riktning tillbaka mot den första gränsen och för att selektivt aktivera nämnda organ för mätning vid åtminstone en isolerad punkt mellan 0,2 volt och 0,6 volt under den anodiska variationen av spänningssvepningen, vilken punkt är vald för att vara känslig gentemot förändringar i nivåer av glu- koskoncentration i fluiden men relativt okänslig gentemot nivåer, av andra komponenter i fluiden. '

2. Apparat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att reglerorganen är anordnade att ge en spänníngssvepning där den undre gränsen för spänníngsvariationen är mellan -1,0 och -0,6 volt och den övre gränsen är mellan 0,7 och 1,1 volt.

3. Apparat enligt krav l eller 2, k ä n n e't e c k n a d av att reglerorganen är anordnade att ge en hastighet för föränd- ring av spänningsvariationen som är konstant mellan nämnda gränser samt innefattar uppehållsperioder vid varje gräns.

4. Apparat enligt krav 3, k ä n n e't e c k n a d av att uppehâllsperioden är större än 2 sekunder.

5. Förfarande för bestämning av koncentrationen av glu- kos i biologiska fluider, varvid mans _ applicerar_en spänning på en elektrod för att förorsakar ett strömflöde därigenom, och varierar den applicerade spänningen i en svepning varie- rande frân en första gräns till en andra gräns samt tillbaka mot v 8304129~3 12' den första gränsen, k ä n n e t e c k n a t av att man mäter strömmen vid en punkt i ett specifikt omrâde mellan 0,2 volt och 0,6 volt under den anodiska variationen av spänningen, vilken punkt väljes för att vara känslig gentemot förändringar i nivåer av glukoskoncentration i fluiden men relativt okänslig gentemot nivåer av andra komponenter i fluíden. '

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att man väljer den nndre gränsen för spänningsvariationen mellan -1,0 och -0,6 volt och den övre gränsen mellan 0,7 och l,l volt. ,

7. Förfarande enligt något av kraven 5-6, k ä n n e - t e c k n a t av att hastigheten för förändring av spännings- variationen är konstant mellan nämnda gränser samt innefattar uppehâllsperioder vid varje gränsf

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n'n e t e c k n a t av att uppehällsperioderna är längre änf2 sekunderr

9. Förfarande enligt något av kraven 546, k ä n n e - t e c k n a_t 'av att hastigheten för förändring av spännings- varíationen under den katodiska svepningen är större än under den anodiska svepningen.