TWI576584B - 用於分析物量測之開路延遲裝置、系統及方法 - Google Patents

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德華 艾
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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Description

用於分析物量測之開路延遲裝置、系統及方法
本發明係有關於分析物量測，尤其是關於用於分析物量測之開路延遲裝置、系統及方法。
一測試計可使用一測試條量測一生理流體(例如，血液)中之分析物。舉例來說，一電化測試計及一電化測試條可用於糖尿病患之血糖量測。在血糖量測期間，測試計可使用一泊延遲(poise delay)或開路達一預定的時間週期。在泊延遲或開路期間，測試計並未施加測試電流或測試電壓至測試條。如美國專利第5,565,085號所示及敘述，一或多個開關可連接至測試計之測試條接點之一以產生開路。
藉由利用此處示範敘述之不同的技術特徵，已實現改善量測準確性之不同的裝置、系統、及方法。在這之前，這些技術特徵鹹信在習用的系統中為未認定且不可得者。尤其，在一實施例中，提供決定一樣本中之分析物濃度之系統。該系統包含一測試條連接器、參考電壓電路、運算放大器、及一處理器。該連接器具有一第一線，其係經組構以連接至一測試條之一第一電極；及一第二線，其係經組構以連接至該測試條之一第二電極。該參考電壓電路提供一輸出電壓，且該運算放大器連接至該參考電壓電路，以提供一實質上等於施加至該第一線之測試電壓之預定分數的參考電壓。該運算放大器具有一輸出，其係經組構用於至該第一線之一連接或斷開狀態之一。該處理電路連接至該運算放大器之輸出及該第一線，使得在該輸出及該第一線之斷開狀態期間，該處理電路保持與該第一線連接。
在另一實施例中，提供用於分析物量測之一電路。該電路包含一測試條連接器、運算放大器、及一開關。該測試條連接器具有一第一線，其係經組構以連接至一測試條之一第一電極；及一第二線，其係經組構以將該測試條之一第二電極接地。該運算放大器具有一第一輸入，其連接至一參考電壓電路；及一第二輸入，其經由一回授電阻連接至該第一線及至該運算放大器之一輸出兩者。該開關係經組構在該運算放大器之該輸出及該第二輸入間，以在該開關之閉狀態連接該輸出至該第一線，並在該開關之開狀態將該輸出由該第一線斷開。
在一替代的實施例中，提供用於分析物量測之一電路。該電路包含一測試條連接器及一運算放大器。該測試條連接器具有一第一線，其係經組構以連接至一測試條之一第一電極；及一第二線，其係經組構以將該測試條之一第二電極接地。該運算放大器具有一第一輸入，其連接至一參考電壓電路；及一第二輸入，其經由一回授電阻連接至該第一線及該運算放大器之之一輸出兩者。該運算放大器進一步包含一關機電路，其係經組構以使該運算放大器處於關機模式。
在另一實施例中，提供量測一電化電池之電化反應之一方法與一電路。該電化電池包含第一及第二電極。該電路具有一第一輸入，其連接至一電壓源；一第二輸入，其連接至該第一電極；及一回授，其耦合至該電路之一輸出，其中該電路之輸出連接至一處理器。該方法可藉由下列實現：施加一測試電壓至該第一電極，並將該第二電極接地；由該電路之輸出解耦(uncouple)該第一電極，同時容許由該第一電極至該處理器之電通訊；及將該第一電極耦合至該輸出，以在沒有無補償之電壓降的情況下，量測在該電化電池中產生之一測試電流。
當參照下文之本發明的更詳細敘述連同首先簡短敘述之伴隨圖式時，那些熟悉此技術者當可益發明白這些及其他實施例、特徵、及優點。
Rf‧‧‧回授電阻
R2‧‧‧第二電壓分壓器電阻
VREF‧‧‧參考電壓源
R1‧‧‧第一電壓分壓器電阻
i(t)‧‧‧電流
S1‧‧‧開關
S1b‧‧‧第二側
S1a‧‧‧第一側
Vo‧‧‧輸出電壓
Ra‧‧‧電阻
Rb‧‧‧電阻
Q1‧‧‧BJT
Rc‧‧‧電阻
3‧‧‧遠端
4‧‧‧近端
10‧‧‧參考電極
11‧‧‧參考接觸墊
12‧‧‧工作電極
13‧‧‧工作接觸墊
90‧‧‧樣本入口
92‧‧‧樣本接收室
94‧‧‧血液樣本
100‧‧‧測試條
101‧‧‧參考連接器
103‧‧‧工作連接器
106‧‧‧感測器介面電路系統
107‧‧‧A/D轉換器
200‧‧‧測試計
201‧‧‧彈出按鈕
202‧‧‧視覺顯示
204‧‧‧外殼
208‧‧‧條埠連接器
210‧‧‧記憶體單元
212‧‧‧處理器
300‧‧‧運算放大器
301‧‧‧非反向輸入
302‧‧‧反向輸入
304‧‧‧輸出
309‧‧‧第一電源供應插針
310‧‧‧第二電源供應插針
500‧‧‧運算放大器
501‧‧‧非反向輸入
502‧‧‧反向輸入
504‧‧‧輸出
508‧‧‧關機插針
509‧‧‧第一電源供應插針
510‧‧‧第二電源供應插針
600‧‧‧關機電路
併入此處且構成此專利說明書之一部分的伴隨圖式說明本發明目前之較佳實施例，其連同上文提出之大體敘述及下文提出之詳細敘述適於解釋本發明之特徵(其中類似的數字表示類似的元件)，其中： 圖1為***一測試計之測試條之簡化的前視圖；圖2為一測試計及一測試條之功能方塊圖；圖3說明一感測器介面電路系統之簡化圖，其中一開關之一第一側連接至一類比/數位(A/D)轉換器及一回授電阻，而該開關之一第二側連接至一運算放大器之一輸出；圖4說明使用具有關機控制電路之運算放大器之一感測器介面電路系統之簡化圖；及圖5說明用於例如圖4中所用之運算放大器之簡化的關機控制電路。
下列詳細敘述須參照圖式閱讀，其中不同圖式中之類似元件之編號相同。不須按規定比例之圖式描畫選擇的示範實施例，且非意欲限制本發明之範圍。詳細敘述經由範例而非經由限制說明本發明之原理。此敘述將清楚地致能一熟悉此技術者達成並使用本發明，及敘述數個本發明之實施例、修改、變異、替代、及使用，其包含目前鹹信為實行本發明之最佳模式。
如此處所用，對任何數值或範圍來說，「大約」或「近乎」之詞指示一適當的尺寸公差，其容許部件之部分或集合作用如此處所述之其預期目的。此外，雖然使用人類病人作為實驗對象在本發明中代表一較佳實施例，如此處所用，「病人」、「寄主」、及「實驗對象」之詞指為任何人或動物實驗對象，且非意欲限制該系統或方法為人所用。
圖1為***測試計200之測試條100之簡化平面圖。測試計及測試條之一範例可為商業上可購得之OneTouch® Ultra®葡萄糖計及OneTouch® Ultra®葡萄糖測試條(Milpitas，加州95035)。適於用作根據本發明之一說明實施例之測試計及測試條之敘述可在PCT國際公開號WO/2004040285 A2及美國專利申請案第11/252,296號(2005年10月17日提出申請，代理人案號DDI-5114USNP)中找到，特將其全部內容併入於此以供參照。
如圖1所示，測試計200可包含彈出按鈕201、視覺顯示202、外殼204、及條埠連接器208。條埠連接器208可經組構以在執行測試時接 收測試條100。條埠連接器208亦可單純指為一連接器。測試條100可包含樣本接收室92、遠端3、及樣本入口90。如圖1所示，血液樣本94可被施加至樣本入口90以充填樣本接收室92，以便可執行分析物量測。測試計200亦包含適當的電路系統，其係經組構以決定一樣本是否已充填樣本接收室92。
圖2說明測試計200及測試條100之功能方塊圖。測試計200可包含條埠連接器208、感測器介面電路系統106、A/D轉換器107(亦即，類比至數位轉換器)、處理器212、記憶體單元210、及視覺顯示202。處理器212可包含A/D轉換器107作為一整合的功能單元。舉例來說，一混合訊號微處理器(例如，商業上可由德州儀器購得之MSP 430)可包含A/D轉換器之功能。
測試條100可包含工作電極12、參考電極10、工作接觸墊13、及參考接觸墊11。測試條100可進一步包含遠端3及近端4。工作接觸墊13及參考接觸墊11可被設置在近端4處，且分別具有至工作電極12及參考電極10之電連接。工作電極12及參考電極10可配置在遠端3上，且亦可被設置在樣本接收室92內部。
條埠連接器208可經組構以接收測試條100之近端4以形成與工作電極12及參考電極10之電連接。條埠連接器208可包含工作連接器103及參考連接器101，其兩者係經組構以電連接至工作接觸墊13及參考接觸墊11。工作連接器103及參考連接器101可由適於傳送電流之導電材料製成。在一實施例中，導電材料可包含鍍金的銅鈹合金或鍍金的磷青銅。
感測器介面電路系統106可經組構以在第一工作電極12及參考電極10間施加一測試電壓(例如，V)，並量測一結果的測試電流(例如，為時間t之函數之i(t))。當感測器介面電路系統106施加一測試電壓時，其可指為一恆電位器(potentiostat)。感測器介面電路系統106可經組構以藉由將測試電流轉換為成比例的電壓值(例如，I/V轉換器)並接著將其傳送至A/D轉換器107，來量測施加測試電壓產生之測試電流之強度。
處理器212可經組構以控制並操作以利用測試計200及測試條100來量測一生理流體。更具體而言，處理器212可操作地鏈結，以控制感測器介面電路系統106、A/D轉換器107、視覺顯示202、運算放大器關機電路(op-amp shut down circuit)600、及記憶體單元210之功能。
A/D轉換器107可用於將來自感測器介面電路系統106之類比電壓值轉換為與量測的測試電流成比例的數位值。A/D轉換器107可與感測器介面電路系統106及處理器212通訊。
記憶體單元210可為任何熟悉此技術者已知之適當的記憶體單元，其包含，舉例來說，固態非依電性記憶體單元或運用光碟的記憶體單元。在一實施例中，記憶體單元210可包含依電性及非依電性記憶體部分兩者。記憶體單元210可經組構以包含軟體指令，以使用測試計200及測試條100來執行葡萄糖量測。記憶體單元210可經組構以與處理器212通訊。
視覺顯示202可為，舉例來說，任何熟悉此技術者已知之適當的顯示螢幕，其包含，液晶顯示(LCD)螢幕。在無限制的情況下，適當的顯示螢幕包含經組構以顯示包含以圖形為基礎的靜態影像(具有及/或沒有相關文字兩者)及以圖形為基礎的動態影像(具有及/或沒有相關文字兩者)之教學影像之螢幕。視覺顯示202可用於說明提示使用者如何操作測試計200之使用者介面。視覺顯示202亦可用於執行其他與測試計200之操作相關之功能，例如，如圖1所示，顯示日期、時間、及葡萄糖濃度值。整合至測試計200中之指示使用者如何執行量測之教學之一範例可在已提出申請之美國專利申請案第60/842,584號中找到(2006年9月5日提出申請，代理人案號DDI-5135 USNP)，特將其全部內容併入於此以供參照。
在一示範的實施例中，葡萄糖之一電化量測可包含達一預定時間間隔之一開路。在一開路期間，可透過與一基質(例如，葡萄糖)及一酵素(例如，葡萄糖氧化酵素)在樣本接收室92中反應而產生減少的仲介物(例如，亞鐵氰化物(ferrocyanide))。在減少的仲介物以與分析物濃度成比例之方式產生後，可施加一測試電壓以執行量測。下文將敘述感測器 介面電路系統106之實施例，其可施加一開路達一第一預定時間間隔，及一測試電壓達一第二預定時間間隔。
圖3說明使用開關S1之感測器介面電路系統106之一實施例，其不具有低電阻但並未導致無補償的電壓降(uncompensated voltage drop)。感測器介面電路系統106包含運算放大器300、回授電阻Rf、第一電壓分壓器電阻R1、第二電壓分壓器電阻R2、及參考電壓源VREF。運算放大器300可包含輸出304、反向輸入302、第一電源供應插針309、第二電源供應插針310、及非反向輸入301。須注意感測器介面電路系統106亦可指為一轉阻放大器(transimpedance amplifier)，其包含一連接至其他電子部件(例如，電阻及參考電壓源)之運算放大器。可選擇地，如圖3所示，一電容可被放置成與回授電阻Rf並聯，以濾除雜訊。
非反向輸入301可連接至參考電極10及參考電壓源VREF。一電壓分壓器可使用第一電壓分壓器電阻R1及第二電壓分壓器電阻R2來將參考電壓源VREF分壓為參考電壓電路之一輸出電壓。參考電壓源VREF及電壓分壓器之組合亦可指為一參考電壓電路。如圖3所示，參考電極10可透過一第二線接地。
如圖3所示，回授電阻Rf可連接至反向輸入302及開關S1之第一側S1a。如圖3所示，第一側S1a亦可連接至A/D轉換器107。如圖3所示，開關S1之第二側S1b可連接至輸出304。開關S1可操作地連接至處理器212以控制何時初始化一開或關程式。因此，當開關S1為關(closed)時，沿著一第一線之測試電流途徑不會通過開關S1，其有效防止一無補償電壓降。第一線可為一電流途徑，其經由回授電阻Rf由工作電極12流至A/D轉換器107。在缺少一無補償電阻的情況下，沿著第一線施加之測試電壓實質上可等效於輸出電壓。轉阻放大器之輸出電壓Vo係由回授電阻Rf及開關S1之第一側S1a間之連接取得以防止在測試電流量測中任何因為開關電阻之不準確性。亦須注意只要電阻夠小以防止飽和，則開關S1之電阻將不影響使用轉阻放大器之電流至電壓功能之測試電流量測之準確性。
開關S1可具有有限電阻Rs，其可潛在地導致在工作電極12及參考電極10之間發生一無補償電壓降。舉例來說，如果開關S1係沿著第一線放置，則有效施加測試電壓將為Veff=V-i(t)Rs。i(t)Rs項代表一無補償電壓降。當Veff因為相對高的電阻Rs或相對高的電流i(t)或其組合而變為足夠低(例如，<<仲介物之氧化還原反應電壓)時，結果的測試電流可產生不準確的葡萄糖濃度。
圖4說明感測器介面電路系統106之另一實施例，其可在不導致一無補償電壓降的情況下產生一開路。取代使用開關S1，感測器介面電路系統106可使用具有關機插針508之運算放大器500連同內建在運算放大器中之關機控制電路來產生一開路；此處，一類似的控制電路範例係顯示於圖五如關機電路600。類似於運算放大器300，運算放大器500可包含反向輸入502、非反向輸入501、第一電源供應插針509、第二電源供應插針510、及輸出504。關機電路600可啟動(例如，藉由將關機插針508連接至處理器212之邏輯低(logical low))以關掉運算放大器500以便在工作電極12及參考電極10間產生一開路。此外，關機電路600可停用(de-activated)(例如，經由關機插針508至處理器212之邏輯高(logical high)之連接)以打開運算放大器500以在工作電極12及參考電極10間施加一測試電壓。這類運算放大器之一範例可由德州儀器購得，如Shutdown Model OPA847之寬頻、超低雜訊、電壓回授運算放大器。在一運算放大器中使用關機電路(例如圖5所示者)容許在沒有開關(例如，圖3所示之開關S1)的情況下，於一分析物量測電路(或系統)中產生一開路，且其開路在施加測試電壓時不會導致一無補償電壓降發生。
參照圖5，如果關機插針508為未連接，則運算放大器在沒有任何關機功能的情況下操作。一旦插針508連接至邏輯低，則至Q1之基極電流(base current)會提供給Rc電阻。隨著關機插針508拉低(經由處理器212)，額外的電流會拉過電阻Ra以便開啟(turn on)二極體。任何進一步拉過關機插針508之電流導致Q1之射極基極電壓為近乎0V，其關掉流出Q1之集極電流(collector current)，並在典型約200奈秒內關 掉放大器。依外部電阻而定，關機時間可由於較長的節點放電而比200奈秒長。
申請人相信他們已發現某些在此技術領域中並未認清的問題：於***已知裝置中之介於電極及轉阻放大器間之電流傳導路徑中之任何點之開關之使用。舉例來說，當測試計施加一開路時，一電蝕電位(galvanic potential)可在一工作電極及參考電極間形成，其係在供應電壓限制之範圍外，且其會導致開路惡化(corrupt)。這一類惡化會由於運算放大器晶片內部之保護二極體當處於關機模式時不具有真的高阻抗節點而發生。惡化的感測器介面電路系統106可施加一標稱電壓或電流取代一開路。為了讓運算放大器(300或500)適當地作用，適當的供應電壓必須施加至第一電源供應插針(309、509)(例如，+3V)及第二電源供應插針(310、510)(例如，接地或0V)。具有0V及+3V限制之電源供應電壓可為了方便而選擇，因為其可使用兩個拋棄式鹼性電池(例如，兩個AA電池)之一組合或不具有額外電路系統之鋰電池來產生。
對一典型的葡萄糖測試條來說，相對於參考電極之電蝕電位也許可在開路時間間隔期間於測試條上形成，其係在供應電壓限制(+3V及0V)之範圍外，並導致保護二極體阻礙真實開路(true open circuit)之施加。不過，對使用惰性導電電極及鐵氰化物仲介物之典型的葡萄糖測試條來說，電蝕電位變為大於+3V或小於0V是不可能發生的。電蝕電位可為由化學物種及/或相對於工作電極及參考電極存在之化學物種類型之差別濃度所形成之電壓，其可使用能士特方程式(Nernst equation)估計。一般已知會產生電蝕電位之裝置之一範例為電池。
在一實施例中，感測器介面電路系統106可配置以提供一開路，其對負電蝕電位之形成為強健的(robust)，且係藉由使用具有-3V及+3V限制之供應電壓來擴充可跨該條形成之可行電位之開路操作範圍。須注意具有-3V及+3V限制之供應電壓對實施來說比具有0V及+3V限制來說更不方便，因為其需要使用4個鹼性電池，或更昂貴的電子部件。本申請者亦已發現在某些例子中，僅選擇任何具有關機電路之運算放 大器來用在一分析物電路中對其在測試計中之預期使用來說可為不適當的，就其本身而論，運算放大器可需要符合至少一個鹹信為先前未認定之運算參數。具體地，本申請人發現具有關機控制電路之不同的運算放大器在關機控制電路啟動時具有漏電流。當測試計試圖施加一開路時，這類漏電流可導致標稱電壓或電流施加在工作電極及參考電極間。如果漏電流在一開路期間足夠大，則可導致不準確的分析物濃度。因此，為了施加實質上未受漏電流污染的開路，具有關機控制電路之運算放大器可需要具有低漏電流。雖然漏電流並非具有關機控制電路之運算放大器之典型設計規格，本申請人發現來自德州儀器(德州，達拉斯)之運算放大器OPA2334及TLV2763適於用作一實施例。運算放大器500可選擇在關機電路600啟動用於電化葡萄糖測試計中時具有小於約1奈安培之漏電流。
與固態開關相比，運算放大器之關機控制電路亦發現其在啟動及停用時具有相對慢的響應時間。與需要奈秒等級之固態開關相比，關機控制電路之典型的響應時間需要微秒等級。因此，關機控制電路可為約1000倍慢於固態開關之響應時間。不過，本申請者已發現，當使用關機控制電路來產生一開路時，關機控制電路之慢的響應時間不會影響典型的葡萄糖測試條量測之準確性
在一電化測試測試條100之一方法實施例中，測試計200可偵測配置在工作電極12及參考電極10上之生理樣本之存在。偵測生理樣本存在之範例可在美國專利第6,193,873、5,266,179、及5,366,609號中找到，特將其全部內容併入於此以供參照。在偵測生理樣本之存在後，開關S1可為開狀態以在工作電極12及參考電極10間提供一開路達一第一預定時間間隔。測試期間，運算放大器300可由具有0V及+3V限制之供應電壓供電。接下來，開關S1可為閉，以便測試電壓可施加在工作電極12及參考電極10間達一第二預定時間間隔。結果的測試電流值之強度可在第二預定時間間隔期間量測，且結果的測試電流值可與分析物濃度值相關聯。
在電化測試測試條100之另一方法實施例中，測試計200可偵測配置 在工作電極12及參考電極10上之生理樣本之存在。在偵測生理樣本之存在後，關機電路600可啟動以關掉運算放大器500以在工作電極12及參考電極10間提供一開路達一第一預定時間間隔。測試期間，運算放大器500可由具有0V及+3V限制之供應電壓供電。接下來，關機電路600可停用以打開運算放大器500，以便測試電壓可施加在工作電極12及參考電極10間達一第二預定時間間隔。結果的測試電流值之強度可在第二預定時間間隔期間量測，且結果的測試電流值可與分析物濃度值相關聯。
雖然本發明之較佳實施例已於此處顯示及敘述，對那些熟悉此技術者來說，明顯的是這類實施例僅經由範例提供。數種變化、改變、及代換現將在不偏離本發明的情況下於那些熟悉此技術者心中出現。須瞭解對此處所述之本發明之實施例之不同替代可用於實行本發明。打算以隨附之專利申請項來定義本發明之範圍，且在這些專利請求項之範圍內之方法及其相等物係由此所涵蓋。
3‧‧‧遠端
4‧‧‧近端
10‧‧‧參考電極
11‧‧‧參考接觸墊
12‧‧‧工作電極
13‧‧‧工作接觸墊
100‧‧‧測試條
101‧‧‧參考連接器
103‧‧‧工作連接器
106‧‧‧感測器介面電路系統
107‧‧‧A/D轉換器
200‧‧‧測試計
202‧‧‧視覺顯示
208‧‧‧條埠連接器
210‧‧‧記憶體單元
212‧‧‧處理器

Claims (7)

  1. 一種量測一電化電池之一電化反應之方法，該電化電池具有第一及第二電極，偕同一電路，其具有連接至一電壓源之一第一輸入、連接至該第一電極之一第二輸入、及耦合至該電路之一輸出之一回授，且該電路之該輸出係連接至一處理器，該方法包含：施加一測試電壓至該第一電極，並將該第二電極接地；從該電路之該輸出解耦該第一電極，同時容許由該第一電極至該處理器之電通訊，其中該解耦包含啟動一運算放大器之一關機控制電路，使得一開路可在一工作電極及一參考電極間產生達一第一預定時間間隔；及在沒有一無補償電壓降的情況下，將該第一電極耦合至該輸出以量測在該電化電池中產生之一測試電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該耦合包含停用該運算放大器之該關機控制電路，使得一測試電壓可施加在該工作電極及該參考電極間達一第二預定時間間隔。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其進一步包含：在該第二預定時間間隔期間量測一測試電流值之強度；及將該測試電流值與一分析物濃度相關聯。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該量測包含將該測試電流之強度轉換為成比例的電壓值。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其進一步包含一初始步驟為：偵測一設置在該工作電極及該參考電極上之生理樣本之存在。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該施加包含供應約0V及約+3V之電壓給該運算放大器。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該施加包含供應一約-3V及約+3V之電壓給該運算放大器。
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