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CN111190014B - 检测试片 - Google Patents

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CN111190014B
CN111190014B CN201910767913.9A CN201910767913A CN111190014B CN 111190014 B CN111190014 B CN 111190014B CN 201910767913 A CN201910767913 A CN 201910767913A CN 111190014 B CN111190014 B CN 111190014B
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Abstract

本发明提供一种检测试片。所述检测试片包含工作电极，其包含导电层和电催化层。而所述方法包含以下步骤：提供血液检体、提供前述的检测试片、进行检体注入步骤、进行起始步骤、进行第一检测步骤、进行第二检测步骤、进行第三检测步骤、进行第一分析步骤以及进行第二分析步骤。藉此，本发明之检测试片和于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法可以准确且快速的同步检测血液检体中的葡萄糖浓度和糖化血色素百分比。

Description

检测试片
技术领域
本发明是有关于一种检测试片以及方法，特别是一种葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的检测试片以及同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法。
背景技术
糖尿病(diabetes mellitus)是一种代谢性疾病，它的特征是患者的血糖长期高于标准值。高血糖会造成多食、多饮、频尿及体重下降的「三多一少」症状。糖尿病可分为胰脏无法生产足够的胰岛素的第一型糖尿病，以及是细胞对胰岛素不敏感的第二型糖尿病。不论是哪一种糖尿病，如果不进行治疗，可能会引发许多并发症。一般病征有视力模糊、头痛、肌肉无力、伤口愈合缓慢及皮肤搔痒。急性并发症包括糖尿病酮酸血症与高渗透压高血糖非酮酸性昏迷。严重的长期并发症则包括心血管疾病、中风、慢性肾脏病、糖尿病足、以及视网膜病变等。全世界糖尿病患人数，1997年为1.24亿人，2014年全球估计有4.22亿成人患有糖尿病。
正常情况下，糖尿病的判定应先测量空腹血糖值与糖化血色素，再辅以口服葡萄糖耐受试验来确认。空腹血糖值是测量至少空腹8小时后的血糖值，指的是刚起床、还未吃早餐的空腹状态时，体内每100克血浆所含的葡萄糖浓度。而口服葡萄糖耐受试验是测量空腹至少8小时以及喝下糖水后至少2小时的血糖值。空腹血糖值和口服葡萄糖耐受试验可以反映采血当时的血糖状态。糖化血色素(Glycated Hemoglobin,HbA1c)是血液中的葡萄糖进入红血球，与红血球内的血色素结合所形成，血中葡萄糖浓度愈高，糖化血色素(HbA1c)也愈高。一旦葡萄糖和血色素结合，就不容易脱落，直到红血球细胞衰亡。一般红血球的平均寿命为120天，因此检测血液中糖化血色素，可以反映过去2-3个月的血糖平均值。
糖尿病及其并发症，会造成患者的财务负担和生活品质下降。因此糖尿病患者以及在还未成为糖尿病的「糖尿病前期」患者急需重视短时间的血糖控制和长时间的血糖控制，以避免后续病情加重或并发症的出现。然而现阶段空腹血糖值和糖化血色素的检测必须分开进行，且糖化血色素的检测所需的血液检体量较多以及反应过程复杂必须由专业人员操作，因而造成患者的不便利性，也容易疏于监控病情。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的为提供一种检测试片，其可以于单一检测试片中同步检测血液检体中的葡萄糖浓度和糖化血色素百分比。
本发明的一态样是在于提供一种检测试片，包含一工作电极，所述工作电极包含一导电层以及一电催化层。所述电催化层沉积于导电层上，电催化层包含一多孔性结构，且电催化层用以于中性环境下催化葡萄糖或糖化血色素，其中所述电催化层的材质为一金属氧化物或一金属氢氧化物。检测试片係用以同步检测一血液检体中的一葡萄糖浓度和一糖化血色素百分比，且检测试片的操作方法包含下述步骤：进行一检体注入步骤，是将血液检体注入至电催化层；进行一起始步骤，是对检测试片提供一起始电压；进行一第一检测步骤，是在第一反应时间点于一第一检测电位下取得检测试片的一第一电流信号值；进行一第二检测步骤，是在第二反应时间点于一第二检测电位下取得检测试片的一背景电流信号值，其中第二检测电位小于第一检测电位，且第二检测电位与第一检测电位具有0.05V至0.8V的一电位差；进行一第三检测步骤，是在第三反应时间点于第二检测电位下检测检测试片的一氧化还原信号值；进行一第一分析步骤，是将第一电流信号值与一葡萄糖浓度参考比对数据进行比对，以确定血液检体中的葡萄糖浓度；以及进行一第二分析步骤，是将氧化还原信号值与一糖化血色素浓度参考比对数据进行比对计算后，再除以背景电流信号值得到一电化学信号值，再将电化学信号值与一糖化血色素百分比参考比对数据进行比对，以确定血液检体中的糖化血色素百分比。检体注入步骤、起始步骤、第一检测步骤、第二检测步骤、第三检测步骤依序执行，且检体注入步骤至第三检测步骤的总反应时间为10秒至60秒。
依据前述的检测试片，所述金属氧化物可为RuO2、NiO、CuO或Al2O3，所述金属氢氧化物可为Ru(OH)2、NiOOH、CuOOH、Au(OH)2或PtOH。
依据前述的检测试片，所述多孔性结构的孔径可为200nm至400nm。
依据前述的检测试片，其中第一反应时间点可为检体注入步骤后2秒至10秒。
依据前述的检测试片，其中第二反应时间点可为检体注入步骤后12秒至20秒。
依据前述的检测试片，其中第三反应时间点可为检体注入步骤后22秒至30秒。
由此，本发明的检测试片，可以将采血后的血液检体直接注入于单一检测试片中，准确且快速的同步检测血液检体中的葡萄糖浓度和糖化血色素百分比，且血液检体不需经由离心分离等前处理，提供糖尿病患者及糖尿病前期患者的便利性，以利监控短时间的血糖状况和长时间的血糖状况。
上述发明内容旨在提供本公开内容的简化摘要，以使阅读者对本公开内容具备基本的理解。此发明内容并非本公开内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下:
图1绘示依照本发明的一实施方式的检测试片的示意图；
图2绘示依照本发明的另一实施方式的一种于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例的检测试片的电催化层的扫描式电子显微镜图；
图4A为实施例的检测试片检测葡萄糖时的线性扫描伏安图；
图4B为实施例的检测试片检测血色素和糖化血色素时电流对时间的信号图谱；
图5为本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法的作用机制示意图；
图6为实施例的检测试片检测葡萄糖浓度的校准曲线图；
图7为实施例的检测试片检测不同浓度的糖化血色素的电流时间图谱；
图8为电子转移数量值与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图；
图9为本发明的电化学信号值比率与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图；以及
图10为受试者血液检体的电化学信号值与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图。
其中，附图标记说明如下：
100：检测试片
110：工作电极
111：导电层
112：电催化层
113：多孔性结构
120：辅助电极
130：参比电极
300：于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法
310、320、330、340、350、360、370、380、390：步骤
500：血液检体
510：糖化血色素
520：血色素
530：葡萄糖
E1：第一检测电位
E2：第二检测电位
EC：电化学信号值
S1：第一电流信号值
S2：背景电流信号值
S3：电子转移数量值
t：时间
t1：第一反应时间点
t2：第二反应时间点
t3：第三反应时间点
具体实施方式
本发明提供一种检测试片，包含一工作电极，所述工作电极包含一导电层以及一电催化层。所述电催化层沉积于导电层上，电催化层包含一多孔性结构，且电催化层用以于中性环境下催化长链态生物大分子或短链态生物大分子。进一步地，所述检测试片可为双电极系统或三电极系统，若检测试片为双电极系统，检测试片包含工作电极以及辅助/参比电极；若检测试片为三电极系统，检测试片包含工作电极、辅助电极和参比电极。
请参照图1，绘示依照本发明的一实施方式的检测试片100的示意图。于此实施方式中检测试片100为三电极系统，其包含工作电极110、辅助电极120和参比电极130。
工作电极110包含导电层111以及电催化层112。工作电极110在电解质环境中施予适当的电压条件下可被视为电子提供者或者是电子接收者的角色，负责将生物辨识或作用的程度转化为电子讯。而工作电极110在视电化学分析的需求，最好能够具有高讯杂比及宽广的电位窗范围的特性，其导电层111材料成分可由现有技术所提供的导电材质所构成，例如碳、铜、石墨烯、白金、金、银或碳/银、石墨烯/白金等复合材料。而电催化层112经由化学修饰的方式沉积于导电层111上，其材质可为金属氧化物或金属氢氧化物，较佳地，所述金属氧化物可为RuO2、NiO、CuO或Al2O3，所述金属氢氧化物可为Ru(OH)2、NiOOH、CuOOH、Au(OH)2或PtOH。电催化层112包含一多孔性结构113，其孔径可为200nm至400nm，且电催化层112用以于中性环境下催化长链态生物大分子或短链态生物大分子。
辅助电极120扮演与工作电极110相对应的角色，当工作电极110进行氧化反应时，辅助电极120则进行还原反应，反之亦然。辅助电极120不参与电化学反应仅提供电荷平衡功能，其材料可为白金，以提供高稳定性与高导电性进而完成电子回路。此外辅助电极120的电极面积理论上要大于工作电极110的10倍以上较佳，尽可能使电子回路功能完整且快速。
参比电极130用以控制工作电极110的电位，其与工作电极110保持一定的距离以维持稳定的电压，参比电极130具有理想非极化电极的特性，具有很大的电阻，只允许极小量的电流通过来维持电位。参比电极130可为标准氢电极(NHE,SHE-Normal HydrogenElectrode)、饱和甘汞电极(SCE-Saturated Calomel Electrode)、银/氯化银电极(Ag/AgCl-Silver/Silver Chloride Electrode)或氧化银电极(Silver oxide electrode)。
请参照图2，绘示依照本发明另一实施方式的一种于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法300的步骤流程图，本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法300包含步骤310、步骤320、步骤330、步骤340、步骤350、步骤360、步骤370、步骤380和步骤390。
步骤310是提供血液检体，所述血液检体为人体的全血样本，可为由采血笔或采血针由指尖所采集的新鲜全血样本，或经由抽血检验所采集到的新鲜全血样本。
步骤320是提供检测试片，所述检测试片包含工作电极，且工作电极包含导电层以及电催化层。所述电催化层经由化学修饰的方式沉积于导电层上，电催化层包含多孔性结构，且电催化层用以于中性环境下催化长链态生物大分子或短链态生物大分子。
步骤330是进行检体注入步骤，是将前述血液检体注入至检测试片的电催化层，且血液检体不需经由离心分离等前处理步骤，可直接注入电催化层上。
步骤340是进行起始步骤，是将一检测电力耦接至检测试片以提供一起始电压，并使检测电力施加至血液检体中待测的葡萄糖、血色素以及糖化血色素。
步骤350是进行第一检测步骤，是在第一反应时间点于第一检测电位下取得检测试片的第一电流信号值。其中第一检测电位为一电化学氧化电位，可依据工作电极之电催化层材料、辅助电解质种类、分析参数之扫描速率进行调整。
步骤360是进行第二检测步骤，是在第二反应时间点于第二检测电位下取得检测试片的一背景电流信号值，其中第二检测电位小于第一检测电位，且第二检测电位与第一检测电位具有0.05V至0.8V的电位差。
步骤370是进行第三检测步骤，是在第三反应时间点于第二检测电位下计算检测试片的一电子转移数量值。
前述检体注入步骤、起始步骤、第一检测步骤、第二检测步骤、第三检测步骤依序执行，且检体注入步骤至第三检测步骤的总反应时间为10秒至60秒，总反应时间依据电催化层的材料不同进行调整。第一反应时间点可为检体注入步骤后百分之6至百分之17的总反应时间。第二反应时间点可为检体注入步骤后百分之23至百分之40的总反应时间。第三反应时间点可为检体注入步骤后百分之46至百分之66的总反应时间。
步骤380是进行第一分析步骤，第一分析步骤系将第一电流信号值与葡萄糖浓度参考比对数据进行比对，以确定血液检体中的葡萄糖浓度。
步骤390是进行第二分析步骤，第二分析步骤是将电子转移数量值除以背景电流信号值得到电化学信号值，再将电化学信号值与糖化血色素百分比参考比对数据进行比对，以确定血液检体中的糖化血色素百分比。
兹以下列具体实施例进一步示范说明本发明，用以有利于本发明所属技术领域普通技术人员，可在不需过度解读的情形下完整利用并实践本发明，而不应将这些试验例视为对本发明范围的限制，但用于说明如何实施本发明的材料及方法。
[实施例]
如前文所述，本发明旨在于提供一种检测试片以及于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法。实施例的检测试片为三电极系统，请参照图3，为本发明实施例的检测试片的电催化层的扫描式电子显微镜图，实施例的检测试片的电催化层的材质为NiOOH，如图3所示，实施例的检测试片的电催化层包含多孔性结构，且用以于中性环境下催化长链态生物大分子或短链态生物大分子，例如于实施例中可以在中性的环境催化葡萄糖和糖化血色素。此外，实施例以维持环境为偏中性或弱碱性的电解质作为辅助电解质。
请参照图4A，为实施例的检测试片检测葡萄糖时的线性扫描伏安图。在图4A中，虚线为以实施例的检测试片检测不含有葡萄糖的样本的线性扫描伏安图，实线为以实施例的检测试片检测含有葡萄糖的样本的线性扫描伏安图，结果可见，与不含有葡萄糖的样本相比，以实施例的检测试片检测含有葡萄糖的样本时可于第一检测电位E1检测到第一电流信号值S1，于此实施例中第一检测电位E1约为0.2V。
请参照图4B，为实施例的检测试片检测血色素和糖化血色素时电流对时间的信号图谱。在图4B中分别以实施例之检测试片于第二检测电位E2检测含有血色素的样本和含有糖化血色素的样本，于此实施例中第二检测电位E2约为0.12V，纵轴为电流值(单位为安培，A)，横轴为时间(单位为秒)。结果可见，以实施例之检测试片检测含有血色素的样本时，所检测到的电流值稳定，而以实施例的检测试片检测含有糖化血色素的样本，可于每次加入含有糖化血色素的样本(10ppm)时检测到电流的变化，显示本发明的检测试片所感测的电流仅对于糖化血色素呈现变化，对于血色素维持稳定，是以本发明的检测试片确实有检测糖化血色素的效果。
请参考图5，为本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法的作用机制示意图。如图5所示，在进行本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法时，先于时间t＝0时将血液检体500注入检测试片100的电催化层112中，其中血液检体500中含有糖化血色素510、血色素520和葡萄糖530。施加电力于实施例的检测试片以提供起始电压。经过一段时间，血液检体500中的葡萄糖530会先快速扩散到电催化层112的表面，因此可在第一反应时间点t1于第一检测电位E1检测到第一电流信号值S1，于此实施例中第一反应时间t1为血液检体注入至电催化层后2秒至10秒，第一检测电位E1为0.2V至0.3V。而再经过一段时间，血液检体500中的血色素520会贴附到电催化层112的表面，血色素520会使电催化层112表面的阻抗增加，使可增测到的电流信号值缩小，因此可在第二反应时间点t2于第二检测电位E2检测到背景电流信号值S2，于此实施例中第二反应时间t2为血液检体注入至电催化层后12秒至20秒，第二检测电位E2为0.12V至0.18V。再经过一段时间，糖化血色素510会吸附至电催化层112的多孔性结构113中，并在第三反应时间点t3于第二检测电位E2下计算实施例之检测试片之电子转移数量值S3，其中第三反应时间点t3为血液检体注入至电催化层后22秒至30秒，第二检测电位E2为0.12V至0.18V，而电子转移数量值S3为以检测到的氧化还原信号值，带入以下由电流公式和法拉第定律所推导出的方程式I中进行计算：
I×t＝nFN 方程式I；
其中：
I：电流；
t：时间；
n：电子转移数；
F：法拉第常数；
N：摩尔数。
此外，糖化血色素510于血液检体500的浓度很低，通过将糖化血色素510吸附至多孔性结构113中的机制可达到预浓缩糖化血色素510的效果，以提高检测灵敏度。
将所得到的第一电流信号值S1与葡萄糖浓度参考比对数据进行比对，可以确定血液检体500中的葡萄糖浓度。请参照图6，为实施例之检测试片检测葡萄糖浓度的校准曲线图，图6的结果可见，实施例之检测试片检测浓度为0mM至20mM的葡萄糖时，所得到的电流信号值与不同浓度的葡萄糖呈现良好的线性关系，因此可作为葡萄糖浓度参考比对数据。将前述所得到的第一电流信号值S1与其比对即可确定血液检体500中的葡萄糖浓度。
将所得到的电子转移数量值S3除以背景电流信号值S2可进一步得到电化学信号值EC，再将电化学信号值EC与糖化血色素百分比参考比对数据进行比对，可以确定血液检体中的糖化血色素百分比。
请参照图7，为实施例的检测试片检测不同浓度的糖化血色素的电流时间图谱，其中HbA1c代表糖化血色素。图7的结果可见，实施例之检测试片检测浓度为1ppm至20ppm的糖化血色素时，所得到的电流信号值与不同浓度的糖化血色素呈现良好的线性关系，因此可作为糖化血色素浓度参考比对数据。将前述于第三反应时间点t3检测到的氧化还原信号值与其比对即可确定血液检体500中的糖化血色素浓度。并在利用方程式I计算电子转移数量值S3。将所得到的电子转移数量值S3除以背景电流信号值S2可进一步得到电化学信号值EC。
请参照图8和图9，图8为电子转移数量值S3与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图，图9为本发明之电化学信号值EC比率与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图，其中液相层析法为公知最常用以检测血液检体中糖化血色素含量的方法，HbA1c代表糖化血色素。由图8的结果可见，前述所得到的电子转移数量值S3与液相层析法测得的糖化血色素百分比不具有正相关性，然而将电子转移数量值S3除以背景电流信号值S2所得到电化学信号值EC则与液相层析法测得的糖化血色素百分比呈现良好的线性关系，因此可作为糖化血色素百分比参考比对数据。将前述所得到的电化学信号值EC与其比对即可确定血液检体500中的糖化血色素百分比。
进一步的将117位受试者的血液检体以本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法进行检测，请参照图10和表一，图10为受试者血液检体之电化学信号值与液相层析法测得的糖化血色素百分比的关系图，中HbA1c代表糖化血色素，表一为本发明之于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法的分析性能。
表一
特性 性能
线性范围(linear range) 5.2％-10.5％
准确性(accuracy) 0.08％-9.96％
精度(precision) 1.24％-5.44％
样本量(sample volume) <1.5μL
分析时间(analytical time) <30秒
由图10和表一的结果显示，117位受试者血液检体由本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法所得到的电化学信号值EC皆与液相层析法测得的糖化血色素百分比呈现良好的线性关系，且本发明的于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法在血液检体量小于1.5μL的条件下，在糖化血色素百分比为4％-15％具有良好的准确性，分析时间亦仅需小于30秒。
综上所述，本发明的检测试片以及于单一检测试片同步检测葡萄糖浓度和糖化血色素百分比的方法，可以将采血后的血液检体直接注入于单一检测试片中，准确且快速的同步检测血液检体中的葡萄糖浓度和糖化血色素百分比，分析时间更压缩至30秒以内，且血液检体不需经由离心分离等前处理，提供糖尿病患者及糖尿病前期患者的便利性，以利监控短时间的血糖状况和长时间的血糖状况。
然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种检测试片，其特征在于，包含：
一工作电极，该工作电极包含：
一导电层；以及
一电催化层，沉积于该导电层上，该电催化层包含一多孔性结构，且该电催化层用以于中性环境下催化葡萄糖或糖化血色素，其中该电催化层的材质为一金属氧化物或一金属氢氧化物；
其中，该检测试片系用以同步检测一血液检体中的一葡萄糖浓度和一糖化血色百分比，且该检测试片的操作方法包含下述步骤：
进行一检体注入步骤，是将该血液检体注入至该电催化层；
进行一起始步骤，是对该检测试片提供一起始电压；
进行一第一检测步骤，是在第一反应时间点于一第一检测电位下取得该检测试片的一第一电流信号值；
进行一第二检测步骤，是在第二反应时间点于一第二检测电位下取得该检测试片的一背景电流信号值，其中该第二检测电位小于该第一检测电位，且该第二检测电位与该第一检测电位具有0.05V至0.8V的一电位差；
进行一第三检测步骤，是在第三反应时间点于该第二检测电位下检测该检测试片的一氧化还原信号值；
进行一第一分析步骤，是将该第一电流信号值与一葡萄糖浓度参考比对数据进行比对，以确定该血液检体中的葡萄糖浓度；以及
进行一第二分析步骤，是将该氧化还原信号值与一糖化血色素浓度参考比对数据进行比对计算后，再除以该背景电流信号值得到一电化学信号值，再将该电化学信号值与一糖化血色素百分比参考比对数据进行比对，以确定该血液检体中的糖化血色素百分比；
其中，该检体注入步骤、该起始步骤、该第一检测步骤、该第二检测步骤、该第三检测步骤依序执行，且该检体注入步骤至该第三检测步骤的总反应时间为10秒至60秒。
2.如权利要求1所述的检测试片，其中该金属氧化物为RuO2、NiO、CuO或Al2O3。
3.如权利要求1所述的检测试片，其中该金属氢氧化物为Ru(OH)2、NiOOH、CuOOH、Au(OH)2或PtOH。
4.如权利要求1所述的检测试片，其中该多孔性结构的孔径为200nm至400nm。
5.如权利要求1所述的检测试片，其中该第一反应时间点为该检体注入步骤后2秒至10秒。
6.如权利要求1所述的检测试片，其中该第二反应时间点为该检体注入步骤后12秒至20秒。
7.如权利要求1所述的检测试片，其中该第三反应时间点为该检体注入步骤后22秒至30秒。
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