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CN1839313B - 涉及电化学生物传感器的设备和方法 - Google Patents

涉及电化学生物传感器的设备和方法 Download PDF

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CN1839313B CN2004800237191A CN200480023719A CN1839313B CN 1839313 B CN1839313 B CN 1839313B CN 2004800237191 A CN2004800237191 A CN 2004800237191A CN 200480023719 A CN200480023719 A CN 200480023719A CN 1839313 B CN1839313 B CN 1839313B
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Abstract

一种用于测试生物流体样品中的分析物的系统，包括限定用于接收样品的腔的测试条。至少两个电极组邻近样品腔，一个用于测量样品的一个特性，并且另一个用于测量样品的一个或多个其它特性，例如温度和/或混淆变量的存在或数量。这些测量被组合以产生所希望的结果。至少一组工作和对置电极，每一个具有与该组中的其它电极的那些互相交叉的多个细长的“指”。指之间的间隙可以非常小，因此两个电极组可一起用于测量体积小的样品。可包括附加电极以测量样品的存在或充足性，并且该条上的附加迹线可作为结构标识符。

Description

涉及电化学生物传感器的设备和方法
相关申请的引用
本申请要求题为“DEVICES AND METHODS RELATING TOELECTROCHEMICAL BIOSENSORS”的U.S.临时申请No.60/480,243的优先权，本申请还涉及以下题目的申请，即SYSTEM AND METHOD FORANALYTE MEASUREMENT USING AC EXCITATION(此处为U.S.申请No.10/688,343，“AC Excitation application”)、METHOD OF MAKINGA BIOSENSOR(此处为案号RDID-9958-CIP-US，“Biosensorapplication”)、以及DEVICES AND METHODS RELATING TO ANALYTESENSORS(此处为U.S.临时申请No.60/480,397，“Analyte Sensorsapplication”)，其都是在2003年6月20日提交的，并且涉及U.S.专利申请No.10/264,891(题为“ELECTRODES，METHODS，APPARATUSESCOMPRISING MICROELECTRODE ARRAYS”，2002年10月4日提交)，所有这些的全文在此引入作为参考。
背景
本发明涉及用于测量来自例如体液样品的生物样品的分析物的设备、系统、和方法。更具体地，本发明涉及使用某些电响应特性测试分析物的生物传感器和方法。
测量物质的浓度，尤其是在有其它的混淆物质(“干扰物”)的情况下，在许多领域都是重要的，特别是在医学诊断和病害治理中。例如，如血液之类的体液中的葡萄糖的测量对于糖尿病的有效治疗是至关重要的。
已知用于测量如血液样品中的葡萄糖之类的分析物浓度的多种方法。这些方法一般分成两类：光学方法和电化学方法。光学方法通常涉及吸收率、反射率，或激光光谱，以观察由分析物(通常与当与分析物组合时产生已知颜色的试剂结合)的浓度所引起的流体中的光谱偏移。电化学方法通常依赖于血液样品的电荷转移或电荷移动特性(例如，电流、界面势、阻抗、电导等)和分析物(通常与当与分析物组合时产生或改变载荷子的试剂结合)的浓度之间的相关性。参见例如，Preidel等人的U.S.专利No.4,919,770，和Shieh的No.6,054,039，在此引入其全文作为参考。
测量血液中的化学物质浓度的电化学方法的重要局限性在于混淆变量对血液样品的阻抗的影响。例如，血液样品的几何形状必须严密对应于阻抗对浓度映射函数基于的那种几何形状。
血液样品的几何形状一般由测试装置的样品接收部分控制。在血液葡萄糖测量计的情况下，例如，血液样品一般放置在插入该测量计的一次性测试条上。该测试条可具有样品室以限定样品的几何形状。或者，样品几何形状的影响可通过保证实际上无限大的样品尺寸而被限制。例如，用于测量分析物的电极可以间隔足够近，以便测试条上的血液滴沿所有方向充分延伸超出电极。不管用于控制样品几何形状的策略如何，一般一个或多个剂量充足性电极用于保证存在足够的样品量以保证精确的测试结果。
血液葡萄糖测量的精确性的限制的其它实例包括血液化学物质(而不是正在测量的感兴趣的分析物)的改变。例如，血细胞比容(红细胞浓度)或其它化学物质的浓度、血液中的组分或有形成分的改变，会影响测量。在测量血液化学物质的过程中，血液样品温度的改变是混淆变量的另一实例。
因此，需要精确测量血液葡萄糖的系统和方法，甚至在有混淆变量的情况下，这些混淆变量包括温度、血细胞比容、和血液中的其它化学物质的浓度的改变。同样需要精确测量流体中的分析物的系统和方法。本发明的目的是提供这种系统和方法。
已经采用许多方法来消弱或减轻一个或多个干扰源的影响，或者以其它方式补偿或校正测量值。通常采用多个设计解决方案来充分补偿与所选的测量方法有关的灵敏度。
众所周知的设计解决方案涉及渗透性选择的和/或尺寸选择隔膜、过滤器或涂层。这种设计解决方案具有商品的成本增加的缺点，附加的制造工艺步骤进一步使制造成本、复杂性、和制造速度恶化。采用这些方法的系统(一次性测试条和仪器)采取解决测试条设计范围内的问题的一般方法。
另一一般方法涉及与共优化算法耦合的高级激发(sophisticatedexcitation)和信号处理方法的使用。可实现更简单的、不太复杂的测试条结构和制造工艺；然而，需要仪器使用费用、存储器和处理器要求、相关的复杂编码、以及校准的制造技术。采用该技术的系统采取解决仪器使用范围内的问题的一般方法。
更近来的方法本身既不涉及测试条也不涉及仪器使用，而是采用测量方法学。其实例是使用库仑测量法来削弱血细胞比容和温度的影响。
另外，本领域的技术人员众所周知，以上所有方法得到试剂系统的初始设计的进一步支持。在葡萄糖的检测过程中，例如，这可涉及使用选择性氧化还原媒剂和酶来克服氧化还原活性物质或其它糖类存在的有害影响。
本发明的目的是以不受到与目前广泛使用的一般方法相关的缺点困扰的方式，提供用于减弱干扰物的影响的更简单的、费用更少的方法。
发明内容
大致两方面
一个方面，本发明涉及提供两对电极，这允许使用两次测量来对分析物测量进行干扰物校正或补偿。例如，在一个实施例中，一对电极限定第一测量区，而第二对限定第二测量区。这些对是近似共面的，并且在一对电极中，每一个具有基本上平行于另一个的长度的长度。第一对电极中的至少一个电极包括至少两个细长的、矩形导电元件，其与该对中的另一个电极的(多个)导电元件互相交叉。电极的每一个元件导电连接到用于与驱动器和/或测量计电通信的相同接触上。样品在配量之后与该两对建立电接触。
考虑上述的几种改变。例如，在一种方法中，一种试剂或多种试剂可选择性地展开在存在于样品室中的该至少两对电极中的至少之一上。该两个电极对都涂有第一试剂。任选地，两对之一涂有第一试剂，并且第二对涂有相同的试剂但缺少酶或媒剂。或者，两对之一涂有第一试剂，并且另一对涂有第二试剂。在另一个实施例中，至少两对的其中之一涂有试剂，并且另一对缺少试剂涂层，以及下游对优选具有试剂涂层。在该实施例的变型中，这些对中的另一对覆盖有渗透性选择、尺寸选择性涂层，或者在有一个或多个分析物和/或干扰物的情况下以其它方式影响电极响应。
在另外的方面中，包括剂量检测和剂量充足性电极。例如，可包括第三电极系统，该第三电极系统比第一个两电极对更远离边缘设置，即其位于进入样品流体的下游，并可操作用于检测何时存在充足的样品流体来进行精确测试。该第三电极系统可包括单个电极元件或多个元件。在单个元件实施例中，该元件与一个或多个其它电极组合起作用来测试样品充足性。或者，剂量充足性电极系统可包括相互配合以表明样品充足性的一对电极元件。可类似采用相当的电极系统来检测样品流体何时施加于生物传感器。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的测试条的透视图。
图2是图1的测试条的所选层的分解图。
图3是图1的测试条的电极部分的剖面图。
图4-15是根据本发明的替换测试条的分解图。
具体实施方式
为了增进对本发明原理的理解，现在将参考附图所说明的实施例，并使用特定语言对其进行描述。但是应当理解，其并不旨在因此限制本发明的范围；所描述或所说明的实施例的任何变型和另外的修改、以及如其中所说明的本发明原理的任何另外的应用都可被考虑，这通常会被本发明相关的领域中的技术人员想到。
引言
通常，本发明的测试条使用多个电极阵列提供对体液或其它流体中的分析物的测试，该多个电极阵列执行不同的功能或对样品具有不同的响应功能。一个具体实施例涉及以相应的对操作的宏观电极和微电极的组合，但是例如通过使用从一个电极对所得到的信息来补偿和校正从另一电极对获得的结果，或者通过以预定方式组合这些电极对的响应，来对分析物浓度的最后确定贡献信息。
这些电极阵列还可以采用很多种其它方式来组合以完成多个相关功能，包括分析物浓度、血细胞比容的检测、校正因子的确定、以及样品充足性和剂量检测，所有的都在单个测试条上并在极小的空间内进行。或者，通过使用具有对干扰物不同灵敏度的多个阵列，可采用两次测量来提供更精确的结果，这通常会被本领域的技术人员想到。
在各种实施例中，不同的电化学激发技术(例如，DC、AC相位、AC振幅、或组合的DC/AC)施加于这些不同的电极阵列以实现预期目标。这些技术的实例在本领域中是众所周知的，并在AC Excitationapplication中进一步举例说明，其在上面被引入作为参考。
另一示例性技术补偿被测试的电化学活性物质的扩散系数的改变。由于这些物质的物理扩散，在电极表面处的可溶试剂中产生法拉第电流，并且扩散系数的值影响测得的响应。商业系统通常被这样校准和建立，即如果扩散系数保持不变，给定量的葡萄糖的额定传感器响应(法拉第电流)是可重复的。不幸的是，每一单个样品的温度和血细胞比容(HCT)都改变被测量的电活性物质的有效扩散系数。如果不考虑这些因子，那么葡萄糖测量对于任何与该系统的校准过程中所使用的不同的温度或血细胞比容值都是错误的。
在该示例性技术中，该系统确定由感兴趣的分析物引起的电化学传感器的法拉第响应，并提供在电极表面处经历氧化还原反应的物质的实际有效的扩散系数的估计。具体地说，该系统通过使用暴露于相同试剂样品混合物的两个电极系统(优选为不同类型的)来补偿扩散系数的改变。通常用于葡萄糖生物传感器中的可溶的电活性物质，例如氧化还原媒剂，扩散到平面的宏观电极上，根据Cottrell等式(1)对电位阶跃(potential step)产生电流响应。
i p = nF A p C D πt 因此(1a)
lim l → i ( ∞ ) i p = 0 (1b)
其中n是电子迁移中涉及的电子数，F是法拉第常数(96，485.3C/当量(equivalent))，Ap是与溶液接触的宏观电极的面积，C是样品中的分析物浓度，D是物质的有效扩散系数，以及ip是宏观电极处的电流响应。
类似地，本领域的技术人员应当理解，在微电极处这些相同物质对相同电位阶越的响应将产生由等式(2)所表征的电流响应。
i s = nF A s C D πt + vnF A s CD r o 因此(2a)
lim i → i ( ∞ ) i s = nF A s CD r o (2b)
其中As是微电极的面积，v是依赖于电极形状的可达性因子，以及is是微电极处微电极处的电流响应。在等式(1b)和(2b)中，t(∞)意味着长到足以分别在所述电极处建立“准-无限”或“稳态”扩散条件的时间。
一个实施例将在(a)平面的、宏观电极和对置/参考电极之间，以及(b)一个(或多个)微电极和对置/参考电极之间施加相同的电势。在宏观电极和微电极处都施加电势之后，在几个时间点测量与时间有关的电流响应。 i p = f ( 1 t ) 的分析将产生等式(3)中的斜率p，而 i s = f ( 1 t ) 的相同分析将产生截矩s，如等式(4)所示。
Figure S04823719120060307D000065
Figure S04823719120060307D000066
假定在本发明中，ip和is都是由相同的反应和样品得出的，则有可能计算出设备中的电化学反应物质的表观扩散系数，与根据等式(5)的物质浓度无关，其中两种电极类型的面积As和Ap，以及(多个)微电极的半径ro是已知的。例如，球形微电极产生：
一旦估算出D，就可以采用多种不同的方式来应用它以便为电化学物质的测量的浓度C提供校正。一些实施例简单地使用等式(3)中的D的估算值来计算C。这样确定C会更少地受到D的未补偿变化的影响，这在安培计式传感器中是常见的，其电流响应主要由等式(1)来描述。还值得注意的是，校正与D变化的原因(例如，温度、血细胞比容、粘度改变等)无关-该校正由两个电极对与样品的化学特性的不同函数关系来提供。
在此处所示的每一个测试条中，电极阵列用于测量样品中的分析物，例如葡萄糖。当样品到达阵列时，它与邻近该阵列放置的试剂组合以在存在某一电信号的情况下提供电阻抗的一些特性，这在本领域中是熟知的，该阻抗用作第一数据。第一阵列的上游或下游的另一阵列，但优选不被试剂覆盖，用于为样品提供另一电刺激，并且在该阵列处的电响应用作以已知方式被干扰物影响的第二数据，干扰物为例如血细胞比容、温度等。该两个数据组合产生校正的分析物浓度值。该两个阵列可同时用于分析尺寸很小的普通体积中的单个样品。
一般信息
系统
本发明涉及用于估定样品流体中的分析物的系统。该系统包括用于估定样品流体中目标分析物的设备和方法。该估定包括检测分析物的存在到确定该分析物的浓度。分析物和样品流体可以是测试系统适合的任何分析物和样品流体。仅仅为了解释性目的，描述了优选实施例，其中分析物是葡萄糖，并且样品流体是血液或间质液。然而，本发明明显地并不因此局限于该范围。
传感器
该系统的一个部件是电化学传感器，其包括用于样品流体的样品接收室，以及用于在有测试分析物的情况下产生电化学信号的试剂。该传感器优选包括一次性测试条，尤其是具有为样品接收室提供边缘开口的层状结构的测试条。试剂放置在样品接收室内的适当位置上，以便为也放置在该接收室内的工作电极提供电化学信号。在适当的情况下，例如对于葡萄糖检测来说，该试剂可包含酶并且随意地包含媒剂。
测量计
传感器结合测量计使用来确定样品流体中的分析物的存在和/或浓度。该测量计通常包括与传感器的电极的连接和用于估计对应于分析物浓度的电化学信号的电路。该测量计还可以包括用于确定样品流体已被传感器接收、以及样品流体的量足以用于测试的装置。该测量计通常将存储并显示分析结果，或者可以为另一设备提供数据。
分析物-特性
系统能够提供分析物的定性或定量表示。在一个实施例中，该系统简单地指示样品流体中的分析物的存在。该系统还可以提供样品流体中的分析物的量或浓度的读数。在优选实施例中，本发明的特征在于获得了分析物浓度的高度精确和准确的读数。
分析物-类型
该系统可用于确定很多种分析物。例如测试条容易适合于与任何适当的化学物质一起使用，所述化学物质可用于估定分析物的存在。最优选地，该系统被配置并用于测试生物流体中的分析物。这样的分析物可包括，例如，葡萄糖、乳酸盐、尿酸盐、酮等。对系统的相当的修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的。为了解释性目的，以及在特别优选实施例中，相对于生物流体中的葡萄糖的检测描述了该系统。
干扰物
测试方法会受到样品流体中存在的干扰物不同地影响。例如，对血液样品中的葡萄糖的测试可受到这样的因素影响，如胆红素、血细胞比容、尿酸、抗坏血酸、醋氨酚、半乳糖、麦芽糖、以及脂类。本系统适合于最小化或消除还可能存在于样品流体中的干扰物的不利影响。这些影响可通过适当地选择测试材料和参数来解决，例如通过选择化学物质，该化学物质已知受可能的干扰物的影响较小或者一点也不受影响。它们还可以通过选择对干扰物具有不同的敏感性，但对关心的分析物具有基本上相同的敏感性的两种或多种试剂来解决。如本领域中所公知的，还可以采取其它步骤来处理可能的干扰物影响，例如使用防止干扰物进入测试区的涂层或膜。除此之外，电极结构或询问方法的修改也可以用于最小化干扰物的影响。
流体类型
该系统可用于很多种样品流体，并优选用于检测生物流体中的分析物。在这种情况下，术语“生物流体”包括其中可测量分析物的任何体液，例如，间质液、皮肤液、汗、泪、尿、羊水、脊髓液和血液。在本发明的情况下，术语“血液”包括全部血液及其无细胞成分，即血浆和血清。除此之外，该系统可结合以常规方式结合参考流体使用以校验用于测试的系统的完整性。
在优选实施例中，该系统用于测试葡萄糖。在这种情况下，样品流体可特别地包括，例如，从指尖或被认可的替换部位(例如，前臂、手掌、上臂、小腿和大腿)得到的新鲜毛细管血、新鲜静脉血、以及提供给或用于系统的对照液。
流体可被获得并以任何方式传递到测试条。例如，血液样品可以采用常规方式通过例如用柳叶刀切开皮肤，其后使测试条与出现在皮肤表面处的流体接触来获得。本发明的一个方面在于，测试条可用于很小的流体样品。因此，本发明的所希望的特征在于，仅仅轻微切开皮肤是产生测试所需的流体量所必需的，并且疼痛和与这种方法有关的其它担心可被最小化或消除。
电极
电极类型
本发明涉及“电化学传感器”，其是被配置以通过传感器内的电化学氧化和还原反应，和/或溶液内的带电层的移动进展来检测分析物的存在和/或测量该分析物浓度的设备。这些反应被转换成与分析物的量或浓度有关的电信号。因此，测试条包括电极系统，其至少包括样品接收室内的工作电极和对置电极。该样品接收室被配置成这样，即进入该室内的样品流体处于与工作电极和对置电极的电解接触中。这允许电流在这些电极之间流动以实现分析物或其产物的电氧化或电还原。
在本发明的情况下，“工作电极”是分析物或产物在此借助于或不借助于氧化还原介质被电氧化或电还原的电极。这里术语“对置电极”指的是与工作电极成对的电极，并且与流过工作电极的电流数量相等及符号相反的电化学电流流过该对置电极。术语“对置电极”包括还起参考电极作用的对置电极(即，反/参考或辅助电极)。
电极材料
工作电极和对置电极、以及电极系统的剩余部分，可以用如本领域中已知的多种材料形成。这些电极应当具有相对低的电阻，并且应当在测试条的工作范围内具有电化学方法惰性。用于工作电极的适当导体包括金、钯、铂、碳、钛、二氧化钌、铱、和铟锡氧化物，以及其它的，例如Analyte Sensors application中所公开的导体，其在上面被引入作为参考。对置电极可用相同的或不同的材料制成。在优选实施例中，这两种电极都是金电极。
电极施加
本发明采用的电极系统可以任何方式施加到基底，其产生具有适当的导电性和完整性的电极。示例性工艺在本领域中是众所周知的，并包括，例如，溅射、印刷等。在优选实施例中，电极和其它导电部件通过涂层基底，其后去除涂层的所选部分以产生这些部件来提供。优选去除方法是激光烧蚀，更优选是广域的激光烧蚀，如“Method ofMaking a Biosensor”申请中所公开的，其在上面被引入作为参考，并且在U.S.专利申请No.09/866,030(题为“Biosensors with LaserAblation Electrodes with a Continuous Coyerlay Channel”，2001年5月25日提交)，和09/411,940(题为“Laser DefinedFeatures for Patterned Laminates and Electrode”，1999年10月4日提交)中得到进一步的相关讨论。多种其它的制造和施加方法在本领域中是众所周知的，其用于提供电部件，具体地说是此处所描述的电极系统。
试剂成分
测试条包括在样品接收室内用于与测试分析物反应以产生电化学信号的化学试剂，该电化学信号代表样品流体中的分析物的存在。测试化学物质相对于将要估定的分析物来选择。在本领域中众所周知的是，存在可用于与各种分析物中的每一种一起使用的大量化学物质，包括题为“Reagent Stripe for test Strip”(代理人案号7404-566)的专利申请中所描述的优选化学物质，但并不限于此，其是与本申请同一日期提交的。因此，适当的化学物质的选择也在本领域的技术范围内，并且这里不需要进一步描述以便任何人能够制作和使用本发明。
然而，为此目的，描述了优选实施例，其中分析物是葡萄糖，但是应当理解本发明及权利要求的范围并没有因此被限制，除非特别指出。在葡萄糖的情况下，测试化学物质的活性成分一般将包括葡萄糖酶和氧化还原媒剂。该酶使样品中的葡萄糖氧化，而所述媒剂又与被还原的酶反应。其后该媒剂通过扩散将分析物产物的氧化还原等价物传送到电极表面。在那里媒剂在限定的阳极电势下被定量地氧化，并且所得到的电流与表观葡萄糖浓度有关。存在多种适于检测葡萄糖的试剂系统，并且这些的实例包含在AC Excitation、Analyte Sensors、和Biosensor applications、U.S.专利No.5,385,846和5,997,817、以及U.S.(重新发布)专利申请No.10/008,788(“ElectrochemicalBiosensor Test Strip”)中，其在此被引入作为参考。
葡萄糖化学物质利用氧化还原媒剂来传送工作电极和葡萄糖分析物之间的电流，否则其并不很适合于电极上的直接电化学反应。该媒剂用作在分析物和电极之间传送电子的电子转移剂。很多种氧化还原物质是已知的，并可用作氧化还原媒剂。通常，优选的氧化还原媒剂是可快速还原和氧化的分子。实例包括铁氰化物、亚硝基苯胺及其衍生物、以及二茂铁及其衍生物。
测量方案
在本发明的一个方面中，第一电极对提供第一测量，其与由第二电极对获得的第二测量组合。如上所述，常规的测试条采用至少两个电极对(例如，分别为工作电极和对置电极)，以根据分析物与位于电极对之一的上面或邻近该电极对之一的试剂的反应来确定分析物浓度。由此获得分析物浓度的基本测量。然而，通常希望校正或补偿该测量的其它因素，例如血细胞比容、温度、样品流体中的其它物质的存在等等。在本发明的一个实施例中，提供生物传感器和方法，其采用两个电极对，一个用于对分析物进行基本测量，以及另一个对基本测量提供这种校正或补偿，在一些情况下产生最后的测量图。
使用两个电极对可涉及全异电极组的使用，其中一对包括宏观电极，以及另一对包括微电极。如此处所使用的，术语宏观电极指的是其主要有效扩散特性垂直于电极表面的电极。宏观电极被这样确定尺寸和设置，即，主要扩散特性是线性扩散特性。术语微电极指的是在测量的特征时间标度上展示出收敛的、稳态的、或准稳态的扩散的电极。微电极是径向扩散将响应函数的显著改变提供给它的电极。微电极例如可被这样设定尺寸和定位，即它们的主要阻抗特性是例如指的最近边缘之间的边对边动力学的特性。该功能性更多将相对于附图所示的实施例来讨论。
使用微电极的一个优点在于，这些装置可被配置并用于很快地在电极处达到电流流量的准稳态，例如，仅仅在0.50～3.25秒内，或者甚至在不到半秒的时间内。这样快速获得准稳态允许更快和更精确地确定分析物浓度。这与现有技术方法相反，后者例如根据在达到准稳态之前获得的读数估计或预计结果。
由本发明的一些实施例得出的另一优点在于，对施加DC信号的准稳态响应处于比许多现有技术系统中的准稳态高的量。这改善了信号的信噪比，由此使系统能够提供更精确的结果。
在本发明的一些形式中使用的电极指的互相交叉的阵列得出的另一优点是可在给定空间内获得的显著增加的电极边缘长度。取决于设计，结果可在那些系统中用较小的样品得出，而获得与需要较大样品的系统相同的结果质量。
注意，等式可被导出并用于多种微电极结构，考虑到该公开和ACExcitation application这会被本领域的普通技术人员想到，后者在上面被引入作为参考。还可以使用经验测量来直接确定每个传感器设计中提出的电化学结构的响应函数。注意，响应函数的分析描述和稳态电流的达到都不是改善系统性能所必需的。
一般描述-结构
本发明提供用于各种生物传感器件的电极结构和系统。此处所描述的是示例性测试条结构，其表明了本发明的效用。然而，应当理解的是，本发明的原理可同等应用于各种其它生物传感器设计中。基本生物传感器部件的特定构成、尺寸和其它特性并不是关键的，因此不是限制性的。
参考图1，通常，条210具有用于与驱动电路和计量电路(未示出)进行通信的第一端211，而端218适于接收与电极接触的体液，这将在此讨论。驱动电路通过接触216提供已知的电流和/或电势，并在一段时间内监测电流和/或电压响应。各个信号通过导体270、272、274、和276在接触216和电极(图2-14所示)之间输送。这些导体由多种导电材料的任何一种或组合制成，这些导电材料包括例如金或碳，这将被本领域的技术人员理解。
在端218处，带凹口的流体引导装置214通常是矩形的，并且矩形凹口148从那里切去，这可在图2中看出。流体引导装置214位于基板层212(聚酰亚胺或其它材料，如“Method of Making aBiosensor”申请中所公开的，其在上面被引入作为参考，或本领域中其它已知的材料)上，并为将要通过毛细管作用从边缘224汲取到出口262的流体提供开251(参见图2)。覆盖层250位于引导层236的顶上，并为部分由凹口248限定的流体路径提供上部封闭。这些结构将在下面被更详细地描述。
现在转向图2，并继续参考图1所示的一些结构，条210包括基板层212、试剂条264、流体引导装置214、以及覆盖层218。当装配时，通道248被内凹口表面249水平限定，上面被覆盖层218的底表面258限定，以及下面被试剂条264(其位于电极对284上方，但不在电极对280上方)和上基板表面232上的电极区266限定。在测试操作期间，被测试的流体分别通过流体引导装置214的端240，覆盖层218和基板212的边缘254和224，进入通道248。该流体通过毛细管作用被汲取到通道248中，沿着离开边缘224和254延伸的路径而行，并流向出262(参见图1)。
毛细管通道提供样品接收室，其中包含测量电极和相关的试剂，并且包含分析物的流体样品接触生物传感器的这些部件。本发明的特征在于，毛细管通道的尺寸可显著改变。在一个实施例中，通道是1000μm宽、100μm高、和2000μm长的容积。其它实施例，以及通道的测量通常在以上参考的Analyte Sensors application中讨论。由于流体沿该路径行进，因此它与试剂和电极接触，这将在下面进一步详细描述。
在基板212上，接触278经由迹线279连接到电极280。这些电极280垂直于基板212的长度、平行于边缘224并互相平行延伸。在一个优选实施例中，电极280是矩形的，具有足以伸过凹口248的宽度的长度、至少50μm的宽度、和其最近点之间的大于约50μm的间隔。在另一优选实施例中，电极280约100μm宽，具有100μm的间隙。在另一优选实施例中，电极280约250μm宽，具有250μm的间隙。其它结构和尺寸将被本领域的技术人员想到，并且考虑到特定条和系统的设计考虑时可以按照需要或要求用于本发明。
接触282经由迹线277连接到电极对284。电极284每一个包括多个、平行的、细长的矩形(“指”)，每一个近似平行于边缘224并垂直于凹口248的中心线延伸，在两端均超过凹口248的宽度。这些矩形在一端或另一端处以交替图案的形式连接到迹线274或276，以形成叉指，其将在下面被进一步详细讨论。在各种实施例中，微电极对284中的每一个矩形指宽度为约5μm至约75μm，并且相邻指之间的间隙为约5μm～约75μm。指宽度和相邻指之间的间隙每一个优在凹口248的宽度上保持不变。
现在转向图3，并继续参考图2，示出了图2中条210的电极部分的更大的放大图。如上面所讨论的，电极280平行于条210的边缘224延伸，并在相反端处连接到它们的导电迹线270和272，形成电极对266。它们的最近的边缘281通过由参考数字286所示的距离(“间隙”)分开，该距离在它们的长度各处是基本不变的。类似地，叉指284形成电极对268，并且交错的指连接到导电迹线274和276。
转向图4，条310示出基板层212、试剂条364、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。在该实施例中，进入由流体引导装置214所限定的毛细管凹口348的流体首先遇到宏观电极280。宏观电极280通过导体379连接到条310的端368处的接触378上。电极280每一个例如宽约250μm，并且它们之间的间隙也是约250μm。离条端366稍微更远的是电极对284，其是每一个五个指的两个电极，一侧上的每一个指通过导体377连接到条端368处的接触382。电极对284中的每一个指是宽度约20μm的矩形，并且每一个相邻的指与下一个分开约20μm的间隙。试剂条364覆盖电极对280，但不覆盖电极对284。
在测试期间，当样品覆盖电极对280时，在一时间段向接触378施加AC信号。类似地，对于在样品覆盖电极对284之后的交叠时间段，DC信号施加到接触382，并且对284中的电极之间的电响应用于估算样品中的葡萄糖浓度。电极对280的指之间的样品响应对样品的血细胞比容是敏感的，该血细胞比容与由基于热敏电阻的电路提供的温度值一起为用电极284获得的估算提供校正因子。注意，该“校正因子”不必是乘法或加法因子，但可替换成用于公式中、查表中和/或以其它方式校正基于温度以及样品中的其它材料存在或不存在、或特性的估算，这将被本领域的技术人员理解。参见，例如，AC Excitationapplication，其在上面被引入作为参考。在该实施例中，足以覆盖测量电极的毛细管凹口348内的血液体积约为130nL。
替换实施例在图5中示为条410。基板层212绘制有两个接触478，并且部分覆盖着试剂条464(电极480上方)、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。接触478通过导电迹线477电连接到第一电极对466和第二电极对468，每一对的一个电极在每一侧上连接到接触478之一。注意，在该实施例中，驱动和测量电路(未示出)使用单个接触对478来驱动和测量来自两个电极对的响应。还注意，微电极484和宏观电极480的相对布局相对于图4所示的实施例被颠倒。宏观电极480也是例如宽度约250μm，并且它们之间的间隙约为250μm。而且，微电极对466中的每一个电极由五个指构成，它们与该对的另一电极中的指交叉。每一个指也是宽度约20μm，并且相邻指之间的间隙约为20μm。
在该实施例中，试剂条464覆盖电极对468，但不覆盖电极对466。当样品覆盖电极对466时，系统使用通过该对的AC信号来确定分析物测量的校正因子。当样品已经覆盖电极对468时，分析物浓度的估算使用本领域中已知的DC激发法获得，例如U.S.专利申请号09/530,171和10/264,891、PCT申请号(WO)US 98/27203、U.S.专利No.5,997,817、和Electrochemical Biosensor Test Strip(重新发布)application。在上述示例性尺寸的情况下，毛细管腔的容积约为130nL。
现在转向图6，可以看出，条510也包括基板层212、试剂条564、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。在该实施例中，工作电极581位于两个对置电极指580之间，它们通过导体216之一连接到相同的接触。这些电极580和581形成第一电极对480，并且该电极对480中的三个宏观电极指的每一个约为250μm宽，并且工作电极581的每一侧上的间隙约为250μm。
第二电极对284包括每一个分别具有六个和七个指的两个电极，这些指以交错图案的方式互相交叉。每一个指也是约20μm宽，并且相邻指之间的间隙约为20μm。在该实施例中，试剂层564覆盖这两个电极对480和284。宏观电极对480提供类似Cottrell的响应，其中电流与扩散系数的平方根成比例，而微电极对284提供直接与扩散系数成比例的电流。这两个响应合起来校正环境因素，以产生改善的响应。在该实施例中，测量所需的样品体积约为200nL。
另一替换实施例在图7中示出。条610包括基板层212、试剂条664、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。如在图6中一样，第一电极对572分别包括对置和工作宏观电极581，每一个约250μm宽，并且它们之间的间隙约为250μm。然而，在该实施例中，电极对661包括每一个具有三个指的两个电极。每一个指宽度约为50μm，并且相邻指之间的间隙约为50μm。
样品到达的第一电极对(宏观电极对572)用于使用AC激发技术获得基于血细胞比容的测量。第二电极对(微电极661)用于使用DC激发获得取决于样品中的葡萄糖和血细胞比容的测量。试剂条664仅覆盖电极对661，并且需要约200nL的样品体积来填充相关区中的毛细管容积。这些测量结果根据电极结构、试剂系统、和其它因素被组合作为公式的参数，这将被本领域的技术人员想到。
图8提供本发明的另一实施例。条710包括基板层212、试剂条364、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。在该实施例中，第一电极对366包括两个宏观电极，每一个具有单个矩形指，而第二电极对770包括两个微电极，每一个微电极具有互相交叉图案形式的五个指。在该实施例中，这些指约为50μm宽，并且它们之间的间隙约为30μm，且试剂条364覆盖第二对770。覆盖毛细管路径的相关部分中的电极所需的体积约为170nL。
现在转向图9，条810包括基板层212、试剂条364、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。单个接触对878通过导体877连接到第一电极对866和第二电极对868。第一电极对866包括两个单指宏观电极884，而第二电极对868包括两个微电极880，每一个微电极具有互相交叉图案形式的五个指。第一电极对866中的每一个电极也是约250μm宽，并且它们之间的间隙约为250μm。第一电极对866用于基于样品的血细胞比容获得第一测量。第二对868的每一个指约为50μm宽，并且相邻指之间的间隙约为30μm。当样品覆盖第二电极对868时，DC信号施加到接触878上。所得到的电极868之间的阻抗用于获得基于样品中的葡萄糖的浓度和血细胞比容的第二测量。该测量与通过第一电极对866获得的测量和来自热敏电阻(未示出)的温度信号在公式中组合，以获得校正的葡萄糖浓度值。试剂条364覆盖第二电极对868，并且所需的样品体积也是约为170nL。
图10示出另一替换实施例，即条1010，其包括基板层212、试剂层1064、带凹口的流体引导装置214、以及覆盖层218。在该实施例中，样品遇到的第一电极对1081包括工作电极1071，其为单指电极。第一电极对1081还包括对置电极对1072，即双指电极，并且在工作电极1071的每一侧上有一个指。第一电极对1081中的每一个指约为250μm宽，并且每一个对置电极指与工作电极指分开约250μm的间隙。第一电极对1081中的每一个电极(即，工作电极1071和对置电极1072)通过导电迹线216电连接到接触1067。系统驱动器连接到接触1067以使用第一电极对来获得样品中的分析物的估算的浓度。
第二电极对1082包括每一个具有五个指的两个电极。这些指每一个约50μm宽，并且它们之间的间隔约为30μm。第二对中的每一个电极连接到导电迹线216以电连接到接触1068，该接触用于驱动，并基于分析物与第二电极对的相互作用测量诸如血细胞比容的校正因子。
第三电极对1083也是微电极结构，并且第三对1083中的两个电极的每一个具有与另一电极中的五个指互相交叉的五个指。每一个指也是约50宽，并且它们之间的间隙约为30μm。第三对1083中的每一个电极通过导电迹线216连接到接触1069，并通过这些接触被驱动，以便根据在样品已经通过样品腔1048达到充足程度时这些电极之间的电响应，检测样品体积的充足性。注意，在该实施例中，试剂层1064覆盖上游电极对1081。在该实施例中，样品腔需要约220nL的样品流体以覆盖所有三个电极对。
现在转向图11，条1110包括基板层212、试剂条1164、带凹口的流体引导层1114及凹口1148、以及覆盖层1118。在条1110的样品端1166处的第一电极对1170包括每一个具有五个指的两个电极，其中每一个指约为20μm宽，并且隔开每一个相邻指的间隙约为20μm。该电极对用于通过使用AC激发和阻抗测量技术来确定干扰物的浓度，例如血细胞比容。对于这些技术的实例，参见AC Excitationapplication，其在上面被引入作为参考。
在条1110的样品端1166的处第二电极对1171包括每一个具有三个指的两个电极。每一个指约为20μm宽，并且隔开相邻指的间隙约为20μm。该系统通过将AC或DC激发技术应用到该第二电极对1171来得出葡萄糖浓度的温度补偿估算。在该实施例中，用于填充毛细管通道并覆盖电极所需的样品体积约为69nL。
现在转向图12，条1210包括基板212、试剂条1264、带凹口的流体引导装置1114、以及覆盖层1118。条1210的样品端1260处的第一电极对1266包括每一个具有五个指的两个电极。该系统使用条1210中的第一电极对1266来获得绝大部分基于干扰物检测的一个测量，用于与使用第二电极对1268获得另一测量组合。在条1210的样品端的第二电极对是电极对1268，其包括两个电极，每一个具有三个指，并且该对1268被试剂层1264覆盖。第二电极对1268中的指也是约20μm宽，并被约20μm的间隙分开。该第二电极对1268被系统用来估计样品中的分析物浓度。当第一电极对1266实施AC技术时，第二电极对1268被AC或DC信号驱动。在样品端的更下游(超过第二电极对1268)是第三电极1270，其是单电极指，约20μm宽，通过导体1274连接到接触1272。该第三电极1270和第一电极对1166或第二电极对1168之间的AC信号响应为系统提供样品充足性信号。在该实施例的变型中，第三电极1270用作具有第二电极对1168的电路中的电极，用于施加本领域中已知的各种检测和测量技术。
图13示出条1410，其包括基板212、试剂条1464、具有凹口1448的流体引导装置1414、以及覆盖层1418。在条1410的样品端1166处的第一电极组1170包括两个电极，每一个具有五个指。电极1170中的指每一个约20μm宽，并且相邻互相交叉的指隔开的间隙约为10μm。
第二电极组1171包括每一个具有三个指的两个电极。电极1171的指每一个约20μm宽，并且相邻的、互相交叉的指之间的间隙约为10μm。在有样品和试剂的情况下，当第一电极对1170被系统用来确定样品的血细胞比容并计算校正因子时，葡萄糖浓度的估算由第二电极组1171的响应得出。第三电极对1471是每一个具有两个指的两个电极。在该实施例中，电势施加在第三对1471两端之间，直到样品到达该对，由此改变了电极之间存在的阻抗为止。系统接着可推断样品已经充分覆盖了电极的第一组1170和第二组1171以进行精确分析。在该示例性实施例中，需要约63nL的样品体积来覆盖该三个电极组。
图14示出条1410，其具有基板层212、试剂条1464、带凹口的流体引导装置1414(具有凹口1448)、以及覆盖层1418。第一电极对1466限定第一感测区1476，并包括每一个具有五个指的两个电极。这些指约20μm宽，并且在互相交叉的指之间包括约20μm的间隙。该对1466用于提供反映样品的血细胞比容的响应，允许系统来校正如通过使用第二电极对1468所确定的样品中的葡萄糖的估算浓度。第二电极对1468限定第二感测区1478，并且包括每一个具有三个指的两个电极。第二电极对1468的指尺寸和间隙与第一电极对1466的指尺寸和间隙相同。第二电极对1468用于获得通过第一电极对1166得到的浓度估算的校正因子，并使用AC/阻抗测量技术。
图15示出条1510，即图11中的条的变型，其中电极对1570和1571以及覆盖它们的层被稍微修改。具体地说，电极对1570包括具有四个指的工作电极，每一个50μm宽，并且间隙宽度为20μm。电极对1570中的对应的对置电极具有三个指，也是50μm宽。第二电极对1571包括具有两个指的工作电极，每一个100μm宽，以及具有单个指的对置电极，其也是100μm宽，并且间隙宽度为20μm。在该实施例中，试剂1564将仅覆盖电极对1571，而涂层1565将覆盖电极对1570。涂层1565是渗透选择的、尺寸选择的、离子选择的、或其它涂层，所述其它涂层限制影响电极对1570处的测量的样品的部分或成分，这在本领域中是众所周知的。在该实施例的变型中，将存在三个或更多电极对，并且每一个电极对将覆盖有不同的试剂或其它涂层、或涂层的组合，以提供具有不同灵敏度的相应数目的测量，这些测量将被组合来确定最后的测量输出。在其它考虑中，除了由单元几何形状和涂层1565及试剂1564的选择得出的常数和函数之外，测量都如同相对于图11所描述的那样进行。
所述实施例的多个方面可以按照要求或需要，根据给定系统的设计参数和偏好而组合。例如，在条上的电极和接触之间可以是一一对应的，如图4所示。或者，其指在条的相同侧组合的所有电极可以电连接到相同接触，如图5所示，其提供多对一关系。
此外，这里所讨论的任何设计可以适应用于分析样品的那些下游的一个或多个“剂量充足性”电极，如图11和14所示。这种剂量充足性电极可包括两个或更多电极，并且相关电路可以根据它们之间存在的阻抗来确定样品是否已经到达那些电极。替换实施例包括单个剂量充足性电极，并且测量和驱动电路使用它和测量电极(工作电极或对置电极，即估算或校正对)之间的阻抗来检测在这些电极之间的空间中的样品流体的存在。
如上所述，该生物传感器可类似包括剂量检测电极系统，其与剂量充足性电极系统相当，只是它更接近测试条的边缘，样品进入测试条时测量电极的上游。这种剂量检测电极系统可包括单个电极，其与单独提供的测量或其它电极组合工作。或者，该剂量检测电极系统可包括电极对，其互相配合以指示何时样品流体已经跨接剂量检测电极之间的间隙。该剂量检测电极因此就操作而言可看作类似于剂量充足性电极，但就这些电极相对于测量电极在它们的上游位置中的位置而言是不相同的。
在其它变型中，系统中的热敏电阻用于确定温度，其与血细胞比容读数一起用于校正葡萄糖估算。在其它变型中，第二电极对使用本领域中的技术人员已知的技术来提供温度补偿葡萄糖估算。
在其它变型中，样品首先遇到的电极对是宏观电极对，而在其它变型之中，是微电极对。在每一种情况下，每一个电极包括1、2、3、4、5、或更多适当尺寸的指，所有都互相电连接，并电连接到用于与测量/驱动电子电路进行通信的接触。
另一些变型使用其它的测量组合来获得所希望的结果。通常，这些变型将电信号施加到两个或更多个电极，以获得相应数目的响应信号。由于信号(AC与DC、光谱、幅度等)、电极形状或尺寸、施加到样品的试剂(或者在一个或多个电极处可不存在试剂)的差别，和/或其它差别，响应信号对分析物浓度和干扰物的不同组合是灵敏的。在一个这样的实例中，第一响应与样品的血细胞比容有关，而第二响应与样品中的血细胞比容和葡萄糖的浓度的组合有关。在另一个这样的实例中，第一响应与温度有关，第二响应与温度和血细胞比容的组合有关，以及第三响应与温度、血细胞比容、和葡萄糖的组合有关。所得到的(多个)函数对于每一种设计可能不同，但它们可以由本领域的技术人员根据经验来确定，而不需要过多的实验。
本领域的技术人员应当理解，虽然此处已经根据组合测量，或进行测量并确定校正因子描述了实施例，但根据本发明的系统可使用任何适当的几何形状和任何适当的技术来得到并组合多个测量，以获得最后的检测或测量结果。即，实施本发明可使用更多或更少的电极、和用于组合读数的任何公式，根据几何形状、试剂、以及结合该设计进行的其它系统设计选择，该公式是合适的。
如Analyte Sensor application中所讨论的，其在上面被引入作为参考，根据本发明，分析物的精确检测可以在比现有技术系统容积小的基于条的系统中实现，而对连接器没有有害影响。这允许较小的样品足够用于测量，为系统的用户省去了时间和麻烦。
这里所引用的所有公布、现有应用、和其它文献由此被全文引入作为参考，如同每一个都已经被单独引入作为参考并被充分阐明。
虽然在附图和前面描述中已经详细说明和描述了本发明，上述在性质上是说明性的，而不是限制性的，但是应当理解的是，只是已经示出并描述了优选实施例，并且由相关领域的技术人员想到的所有变型和修改希望得到保护。

Claims (20)

1.一种限定了毛细管通道的测试条，确定该通道的尺寸以便通过毛细管作用引起体液样品沿预定路径通过该通道移动，其特征在于：
第一电极组，其与通道进行电通信以获得与样品中的分析物浓度相关的第一测量结果；和
第二电极组，其与通道进行电通信以获得与所述分析物和样品的一个或多个特性相关的第二测量结果；
所述电极组之一包括具有基本平行的、互相交叉的指的一对电极，每一个电极具有至少两个指，并且每一个指距该电极组之一中的最近的其它指的第一距离小于50μm，并且
另一个电极组包括隔开至少50μm的第二距离的、每一个都具有一个指的一对宏观电极，
其中两组电极对分析物浓度的最后确定贡献信息。
2.如权利要求1的测试条，其中第一电极组包括具有基本平行的、互相交叉的指的电极对。
3.如权利要求1的测试条，其中第二电极组包括具有基本平行的、互相交叉的指的电极对。
4.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中互相交叉的指中的每一个至多50μm宽。
5.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中宏观电极的每一个指至少50μm宽。
6.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中第一距离是至多30μm的距离。
7.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中第二距离是至少100微米的距离。
8.如上述权利要求中的任何一个的测试条，进一步包括与路径进行电通信以确定样品何时已经进入通道预定距离的第三电极组。
9.如权利要求8的测试条，其中第三电极组包括比第一电极组和第二电极组更接近通道入口的至少一个剂量检测电极。
10.如权利要求9的测试条，其中第三电极组包括第一剂量检测电极和第二剂量检测电极，这两个电极都比第一电极组和第二电极组更接近通道入口。
11.如权利要求8的测试条，其中第三电极组包括一对样品充足性电极，这两个电极都比第一电极组和第二电极组更远离通道入口。
12.如权利要求11的测试条，进一步包括第四电极组，其包括比第一电极组和第二电极组更接近通道入口的至少一个电极。
13.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中第一电极组包括第一电极和第二电极，且第二电极组包括第三电极和第四电极，第一电极和第三电极互相电连接，且第二电极和第四电极互相进行电通信。
14.如上述权利要求中的任何一个的测试条，进一步包括第一电极组上方的试剂材料，其中该试剂材料与体液结合产生氧化还原反应。
15.如上述权利要求中的任何一个的测试条，进一步包括第二电极组上方的试剂材料，其中该试剂材料与体液结合产生氧化还原反应。
16.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中通道具有至多240nL的容积。
17.如上述权利要求中的任何一个的测试条，其中第一和第二电极组位于通道内，以便借助毛细管作用沿该通道移动的流体将连续遇到第一和第二组。
18.一种测量体液样品中的分析物浓度的方法，包括：
提供根据上述权利要求中的任何一个的测试条；
获得对第一电极组施加第一电信号的第一响应；
获得对第二电极组施加第二电信号的第二响应；以及
使用第一响应和第二响应来得出样品中的分析物浓度的测量结果。
19.如权利要求18的方法，进一步包括，在获得步骤之前，检测对测试条的样品施加。
20.如权利要求18或19中任一个的方法，进一步包括，在获得步骤之前，检测样品体积的充足性。
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