Способ измерения концентрации вещества в жидкости пробы
Изобретение относится к медицине и может быть использовано для измерения концентрации глюкозы в жидкости пробы, такой как кровь или тканевая жидкость. При осуществлении способа используют измерительное устройство, имеющее рабочую часть датчика, вторую рабочую часть датчика и контрольную часть датчика. Жидкость пробы наносят на измерительное устройство, и электрический ток, пропорциональный концентрации вещества в жидкости пробы, измеряют в каждой части датчика. Электрические токи сравнивают для установления разности. Если разность превышает заданное пороговое значение, выдается показатель погрешности, чтобы показать, что объем пробы недостаточен. Технический результат заключается в повышении точности измерения концентрации вещества в пробе. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к способу измерения концентрации вещества в жидкости пробы, нанесенной на электрохимическое измерительное устройство, в частности на устройство для измерения концентрации глюкозы в крови или тканевой жидкости.
Устройства для измерения уровней глюкозы в крови бесценны для диабетиков, особенно устройства, которыми могут пользоваться сами больные, поскольку они могут тогда устанавливать свои уровни глюкозы и принимать должную дозу инсулина. Соответственно, точность таких устройств имеет очень важное значение, так как неточный показатель может привести к введению дозы с неправильным уровнем инсулина, что может причинить большой вред.
Также во всех используемых на практике системах измерения глюкозы в крови, по меньшей мере, часть устройства, т.е. та часть, которая входит в контакт с пробой крови, бывает одноразового пользования. Это означает, что стоимость любых деталей одноразового пользования должна быть снижена, поскольку пользователю потребуется большое их количество для регулярного использования.
Сейчас в известных устройствах для измерения глюкозы предпочтителен способ электрохимического измерения по сравнению со старыми колориметрическими способами. Основной принцип заключается в том, что измеряется электрический ток между двумя частями датчика, которые соответственно называются рабочей и контрольной частями датчика. Рабочая часть датчика содержит электрод, на который наносится слой ферментного реагента, который содержит фермент и соединение электронного посредника. Когда к частям датчика прикладывают потенциал, вырабатывается электрический ток переносом электронов из измеряемого вещества (ферментной подложки) через фермент на поверхность электрода. Вырабатываемый ток пропорционален площади части датчика, а также концентрации глюкозы в исследуемом образце. Поскольку площадь рабочей части датчика предположительно известна, электрический ток должен быть пропорционален концентрации глюкозы.
В данной области техники установлено, что если рабочая часть датчика не полностью покрыта кровью, получают неточные результаты, поскольку в этом случае эффективная рабочая площадь уменьшается. Были предложены различные пути решения этой проблемы, два из которых описаны в патентах США 5628890 и 5582697. Оба эти способа основываются на однонаправленном потоке крови по поверхности индикаторной полоски и оба начинают испытательное измерение с детектирования наличия жидкости пробы на электроде или части датчика, расположенной ниже по ходу потока рабочей части датчика.
Конечно, проблема недостаточного количества жидкости пробы, в результате чего рабочая часть датчика бывает не полностью покрытой, может быть облегчена уменьшением размера рабочей части датчика. Однако небольшая площадь рабочей части датчика приводит к большей изменчивости при получении точных измерений.
Авторы данного изобретения поняли, что так же, как неполное покрытие рабочей части датчика, неточные результаты могут также получаться из-за дефектов при производстве индикаторных полосок для таких устройств, а также из-за случайного повреждения рабочей части датчика пользователем. По мнению авторов, единственным путем решения этой проблемы пока было обеспечение наиболее точного процесса печатания, используемого для изготовления индикаторных полосок, и соблюдение адекватного контроля качества.
Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, частичное устранение упомянутых выше недостатков. Изобретение обеспечивает способ измерения концентрации вещества в жидкости пробы, нанесенной на электрохимическое измерительное устройство на индикаторной полоске, заключающийся в том, что используют измерительное устройство для измерения концентрации вещества в жидкости пробы, причем указанное устройство содержит первую рабочую часть датчика для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы, вторую рабочую часть датчика также для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы и контрольную часть датчика, причем первая и вторая рабочие части датчика и контрольная часть датчика размещены на съемном исполнительном элементе, наносят жидкость пробы на указанное измерительное устройство, измеряют электрический ток в каждой рабочей части датчика пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы, сравнивают электрический ток каждой из рабочих частей датчика для установления параметра разности и, когда параметр разности превышает заданное пороговое значение, устанавливают состояние погрешности, чтобы показать, что объем пробы недостаточен, причем измеряемым веществом является глюкоза и каждая из рабочих частей датчика вырабатывает носители заряда пропорционально концентрации глюкозы в жидкости пробы.
Таким образом, электрический ток, зависимый от концентрации вещества, измеряют дважды и оба измерения сравнивают, чтобы использовать в качестве проверки для другого.
Изобретение считается особенно целесообразным в сочетании с электрохимическими испытаниями, в которых вещество, концентрацию которого необходимо проверить, например глюкоза в крови, вступает в реакцию с элементом рабочих частей датчика, то есть ферментным реагентом, для выработки носителей заряда и, таким образом, получения электрического тока, пропорционального концентрации вещества в жидкости.
Кроме того, измерительное устройство, используемое в этом способе, является новым и имеет право считаться изобретением и поэтому во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает устройство для измерения концентрации вещества в жидкости пробы, при этом указанное устройство содержит контрольную часть датчика и рабочую часть датчика для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы, в котором указанное устройство также содержит вторую рабочую часть датчика также для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы.
Таким образом видно, что согласно изобретению измерительное устройство сравнивает ток, проходящий через две рабочие части датчика, в результате того, что они вырабатывают носители заряда, и выдает показание погрешности, если два тока сильно отличаются один от другого, то есть ток в одной рабочей части датчика слишком сильно отличается от величины, которая является величиной тока в другой части. Этот способ не только может обнаружить, что одна из частей датчика не полностью покрыта жидкостью пробы, но он также может определить производственный дефект в обеих частях датчика или повреждение их после изготовления, поскольку даже, если рабочие части датчика полностью покрыты жидкостью пробы, в таких случаях в поврежденной части датчика возникнет аномальный ток.
Согласно изобретению единственный дефект или повреждение необязательно будет выявлено только в том случае, если обе рабочие части датчика будут повреждены в одинаковой степени. Однако логически это вряд ли возможно по сравнению с дефектом, поражающим одну рабочую часть датчика, и поэтому изобретение является усовершенствованием предшествующего уровня техники. На практике такая вероятность считается ничтожной. В любом случае изобретение не ограничено обеспечением только двух рабочих частей датчика и специалист поэтому может предпочтительно обеспечить три и более рабочие части датчика, чтобы гарантировать уменьшение риска одинакового повреждения всех частей.
С другой стороны, изобретение обеспечивает размещение, с помощью которого для данной общей площади рабочей части датчика и, следовательно, для данного минимального объема пробы может быть обеспечено обнаружение неадекватного заполнения и дефектов, или повреждения рабочей части датчика, путем разделения площади рабочей части датчика на две части.
Некоторые или все части датчика могут быть обеспечены в виде части объединенного устройства. Предпочтительно, однако, что по меньшей мере рабочие части датчика обеспечиваются на съемном испытательном элементе. Таким образом, в следующем аспекте настоящее изобретение обеспечивает испытательный элемент для измерения концентрации вещества в жидкости пробы, содержащий элемент основания и две рабочие части датчика, размещенные на элементе основания, при этом каждая рабочая часть датчика предназначена для того, чтобы вырабатывать носители заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы.
Предпочтительно на элементе основания также обеспечена контрольная часть датчика.
Специалистам в данной области понятно, что обеспечено измерительное устройство, выполняющее самоконтроль правильного использования, обнаружения повреждения и определенных производственных дефектов. Это особенно целесообразно в сочетании с устройством, в котором части датчика обеспечены на отдельном испытательном элементе, которым обычно может быть индикаторная полоска массового промышленного изготовления, например, для измерения уровней глюкозы в крови. Такие полоски обычно используются лежащим человеком, который не всегда может обращаться с ними с достаточной осторожностью для предотвращения повреждения. Таким образом, в предпочтительном примере реализации съемный испытательный элемент содержит одноразовую индикаторную полоску.
Поскольку согласно изобретению поврежденная или имеющая дефекты индикаторная полоска будет выявлена и отбракована, точность окончательного результата и, следовательно, потенциальная безопасность пользователя больше не зависит полностью от производственной точности и надлежащего осторожного использования. По меньшей мере в отношении последнего, предпочтительные примеры реализации изобретения обеспечивают дополнительный слой безопасности по сравнению с известными устройствами. Несмотря на то, что нежелательно, чтобы отбраковывалось большое количество испытательного материала, в большинстве случаев более важно не получить неточные результаты.
Две рабочие части датчика могут быть удобно расположены внутри устройства или согласно предпочтительному примеру реализации - на испытательном элементе. Устройство или испытательный элемент может быть расположен таким образом, чтобы дать возможность жидкости пробы свободно протекать по рабочим частям датчика. Более предпочтительно, однако, чтобы жидкость пробы поступала по существу однонаправленным потоком, протекающим по рабочим частям датчика.
Особенно предпочтительно, чтобы две рабочие части датчика были расположены одна ниже другой по потоку. Это обеспечивает всегда полное покрытие одной из частей датчика, прежде чем начинает покрываться другая часть, что дает возможность избежать риска, даже незначительного, недостаточного покрытия жидкостью пробы обеих частей датчика и, кроме того, одинакового частичного покрытия каждой части датчика. Однако будет понятно, что, если упомянутый незначительный риск считается приемлемым, расположение частей согласно настоящему изобретению обеспечивает значительно большую гибкость при размещении частей датчика по сравнению с известными устройствами, при этом создавая защиту против неадекватного объема используемой жидкости пробы или неправильного использования и повреждения. Более предпочтительно, обе рабочие части датчика расположены ниже по потоку контрольной части датчика.
Вырабатываемые двумя рабочими частями датчика электрические токи могут быть сравнимы не сразу, поскольку, например, части датчика различаются, при этом измерительное устройство предпочтительно выполнено так, чтобы на измерение поступали соответствующие массы, которые возвращаются одной или обеими рабочими частями датчика для нормирования. Параметр разности, например, тогда может быть простой арифметической разностью между нормированными величинами тока. Предпочтительно, однако, чтобы обе части датчика содержали одинаковый рабочий материал, и, в качестве альтернативы, но предпочтительно дополнительно, обе рабочие части датчика имели одинаковую площадь. Таким образом, наиболее предпочтительно, чтобы две части рабочего датчика были по существу идентичны. Это позволяет непосредственно сравнивать по параметру разности соответствующие токи в частях датчика для определения возможности надежного измерения концентрации вещества.
Может быть выбрано соответствующее пороговое значение для определения неточного измерения. Обычно пороговое значение выбирается эмпирическим путем, так как подходящее значение будет зависеть от изменений в процессе производства, необходимой точности результатов и т.д. До некоторой степени существует компромисс между точностью, которая может достигаться установлением низкого порогового значения и пропорцией измерений, которые не принимаются во внимание из-за слишком большой неточности. Таким образом, пороговое значение может быть целесообразно установлено на уровне, например, где не может быть причинен значительный вред пациенту, использующему результаты измерений для приема инсулина.
Параметр разности может быть абсолютной величиной, например разностью токов, измеряемой в каждой части датчика, но предпочтительно безразмерной, т.е. процентным содержанием одного или другого из измеряемых токов.
Предпочтительно токи измеряются после определенного заданного периода времени, хотя это не существенно.
Фактическая величина тока, используемая для вычисления концентрации вещества, может быть просто взята из одной из рабочих частей датчика, но предпочтительно является их комбинацией, т.е. суммой или средним числом из двух. Это дает преимущество в том, что используется максимальная эффективная рабочая площадь, что также помогает увеличить точность получаемых результатов.
Особенно предпочтительным примером реализации изобретения является устройство для измерения концентрации глюкозы в крови, в котором две рабочие части датчика и контрольная часть датчика обеспечены на одноразовой индикаторной полоске.
Ниже будет описан предпочтительный пример реализации изобретения, только в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фигура 1 изображает элемент основания для индикаторной полоски согласно изобретению.
Фигура 2 изображает схему расположения углеродных направляющих, наносимых на элемент основания.
Фигура 3 показывает слой изоляции, наносимый на полоску.
Фигура 4 показывает слой ферментного реагента.
Фигура 5 показывает слой адгезива.
Фигура 6 показывает слой гидрофильной пленки.
Фигура 7 показывает слой покрытия полоски.
Фигура 8 является графиком результатов, полученных без использования способа согласно изобретению.
Фигура 9 является графиком, подобным фигуре 8, полученным с использованием способа согласно изобретению.
На фигуре 1 показана продолговатая полоска 2 из сложного полиэфира, которая образует основание индикаторной полоски для измерения концентрации глюкозы в пробе крови. Элемент 2 основания показан отдельно, хотя на практике вырезается сетка таких полосок из большого матричного листа в конце изготовления.
Фигура 2 показывает нанесение на элемент основания краски на основе технического углерода, которое в этом примере выполняется трафаретной печатью, хотя может быть использована любая подходящая технология нанесения, известная в данной области. Слой углерода содержит четыре отчетливые участка, которые электрически изолированы один от другого. Первая направляющая 4 образует на своем дальнем конце электрод 4b для контрольной части датчика/счетчика. Направляющая 4 проходит по длине для образования соединительного вывода 4а на своем ближнем конце. Вторая и третья направляющие 6, 8 образуют электроды 6b, 8b на своих дальних концах для двух рабочих частей датчика и соответствующие соединительные выводы 6а, 8а на своих ближних концах. Четвертый углеродный участок является просто соединительной перемычкой 10, которая обеспечена для того, чтобы замкнуть цепь в надлежащем измерительном устройстве, чтобы включить его, когда индикаторная полоска введена надлежащим образом.
Фигура 3 показывает следующий слой, также наносящийся трафаретной печатью. Это водонерастворимое изоляционное покрытие 12, которое образует окно над электродами 4b, 6b, 8b и таким образом контролирует размер открытого углерода и, следовательно, показывает, где слой ферментного реагента 14 (Фиг.4) войдет в контакт с углеродными электродами. Размер и форма окна выбираются так, что два электрода 6b, 8b имеют пятно напечатанного фермента точно такой же площади. Это означает, что для данного потенциала каждая рабочая часть датчика теоретически будет пропускать такой же электрический ток в присутствии пробы крови.
Слой фермента, в этом примере реализации изобретения слой 14 реагента оксидазы глюкозы (Фиг.4), печатается поверх покрытия 12 и, следовательно, на электроды 4b, 6b, 8b через окно в покрытии для образования контрольной части датчика/счетчика и двух рабочих частей датчика соответственно. Затем на полоску по шаблону, показанному на фигуре 5, печатается слой адгезива толщиной 150 микрон. Этот шаблон был увеличен для ясности по сравнению с предшествующими фигурами. Три отдельных участка адгезива 16а, 16b, 16с вместе образуют между ними камеру 18 для пробы.
Две секции гидрофильной пленки 20 (Фиг.6) клеятся слоями на дальний конец полоски и закрепляются адгезивом 16. Первая секция пленки предназначена для того, чтобы придать камере 18 для пробы форму тонкого канала, который засасывает и пропускает жидкость под воздействием капиллярного эффекта. Последний слой показан на фигуре 7 и является защитной пластиковой лентой 22, которая имеет прозрачный участок 24 на дальнем конце. Это дает возможность пользователю немедленно понять, была ли использована полоска, и также помогает сразу визуально проверить, было ли нанесено достаточное количество крови.
Теперь будет описано использование полоски. Индикаторная полоска вставляется в измерительное устройство. Участок перемычки 10 замыкает цепь в устройстве и таким образом автоматически включает устройство. Устройство также имеет контакты для подсоединения к выводам 4а, 6а, 8а на полоске. Измерительное устройство прикладывает потенциал, равный 400 милливольтам, между счетчиком/контрольной частью датчика и каждой из двух рабочих частей датчика через упомянутые выводы.
Затем на дальний конец полоски помещается капля крови. Капиллярный эффект засасывает кровь вдоль камеры 18 для пробы поверх счетчика/контрольной части датчика и двух рабочих частей датчика.
По прошествии определенного заданного периода времени электрический ток, пропускаемый каждой рабочей частью датчика, измеряется и два измерения сравниваются. Если они отличаются более чем на 10%, на измерительном устройстве отображается сообщение о погрешности и испытание должно быть проведено повторно. Если они находятся в пределах 10%, два тока складываются вместе в устройстве и преобразуются в уровень глюкозы, который отображается на жидкокристаллическом дисплее.
Был проведен сравнительный эксперимент с использованием полоски, изготовленной, как было описано выше, чтобы выявить преимущества, которые можно достигнуть согласно настоящему изобретению. При эксперименте капли крови, увеличивающиеся в объеме от 1 до 2 микролитров, поэтапно, на 0,2 микролитра с постоянной концентрацией глюкозы, наносили на такие полоски, при этом каждый объем повторяли 8 раз. Электрический ток в каждой рабочей части датчика измеряли и регистрировали. Результаты показаны в Таблице 1, прилагаемой к этому описанию.
Для первой части испытания два тока просто складывали вместе, чтобы имитировать одну рабочую часть датчика, имеющую их общую площадь. Эти результаты приведены на графике на фигуре 8.
Во второй половине испытания сначала сравнивали два тока. Если они отличались меньше чем на 10%, их складывали вместе и предлагали в качестве действующих результатов. Величины, отличающиеся более чем на 10%, не принимались во внимание. Результаты этой второй части испытания приведены на графике на фигуре 9.
Сразу становится ясно, что вторые результаты значительно точнее, т.е. они отображают гораздо меньшее отличие. Кроме того, поскольку на практике две рабочие части датчика дают результаты, согласующиеся одни с другими, только если они обе полностью покрыты, вторые результаты также значительно точнее, чем первые, поскольку можно сделать надежное предположение, что результаты по существу получены, когда обе рабочие части датчика полностью покрыты.
Таким образом будет ясно, что в предпочтительном примере реализации настоящее изобретение позволяет обнаружить и отбраковать те результаты, где на индикаторную полоску было нанесено недостаточное количество пробы, то есть там, где индикаторная полоска использовалась неправильно. Также настоящее изобретение дает возможность обнаружить и отбраковать индикаторные полоски, которые имеют дефект либо от повреждения, либо производственный дефект.
Специалистам в данной области будет ясно, что возможны многие варианты описанного здесь, не выходящие за пределы изобретения. Например, изобретение может использоваться для измерения уровня любого подходящего вещества в любой жидкости, не только глюкозы в крови. Кроме того, рабочие части датчика не обязательно должны быть обеспечены на индикаторной полоске, но могут быть частью объединенного устройства. Помимо этого, цифра разности, составляющая 10% и используемая в описанном выше примере реализации, примерная и может быть выбрана любая подходящая цифра.
1. Способ измерения концентрации вещества в жидкости пробы, нанесенной на электрохимическое измерительное устройство на индикаторной полоске, заключающийся в том, что используют измерительное устройство для измерения концентрации вещества в жидкости пробы, причем указанное вещество содержит первую рабочую часть датчика для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы, вторую рабочую часть датчика также для выработки носителей заряда пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы и контрольную часть датчика, причем указанные первая и вторая рабочие части датчика и контрольная часть датчика размещены на съемном исполнительном элементе, наносят жидкость пробы на указанное измерительное устройство, измеряют электрический ток в каждой рабочей части датчика пропорционально концентрации указанного вещества в жидкости пробы, сравнивают электрический ток каждой из рабочих частей датчика для установления параметра разницы и, когда параметр разницы превышает заданное пороговое значение, устанавливают состояние погрешности, чтобы показать, что объем пробы недостаточен.
2. Способ по п.1, в котором измеряемым веществом является глюкоза и каждая из рабочих частей датчика вырабатывает носители заряда пропорционально концентрации глюкозы в жидкости пробы.
