TWI475221B - 測試片偵測樣本中待測物濃度的方法、三電極的測試片及利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法 - Google Patents
測試片偵測樣本中待測物濃度的方法、三電極的測試片及利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法 Download PDFInfo
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Description
本發明是有關於一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法、三電極的測試片及利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法，尤指一種利用在不同時段具有不同極性的電信號偵測樣本中待測物濃度和偵測樣品中介質擴散因子的方法，以及偵測樣本中待測物濃度和偵測樣品中介質擴散因子的測試片。
電化學生物感測器已被廣泛使用於測試樣本中決定不同分析物(例如在生物體液內的葡萄糖、尿酸和膽固醇)的濃度。例如，在生物樣本測試中，測試片可被插入至一血糖儀，以及滴入一體液樣本至測試片且體液樣本被導引至一樣本腔以決定在生物樣本內分析物的濃度。
近年來，糖尿病患的人數逐漸增長，所以對於糖尿病患的日常生活而言血糖濃度監測是非常重要的。每天例行測試血糖3-4次以及控制固定的血糖濃度可降低嚴重損害的風險，例如視力喪失和腎功能衰竭。因此，對於糖尿病患的日常生活而言準確的血糖測量必須被預期。
然而，生物感測器的測試結果卻會包含許多分析誤差。當測試樣
本是全血時，分析誤差的來源可能來自於全血的物理特徵(例如干擾物)、環境因子(例如溫度)以及操作狀況(例如未填滿)，其中全血的物理特性包含干擾物，例如血容比(紅血球相對於全血的容積比例)、抗壞血酸(ascorbic acid)、尿酸、膽固醇等。
例如，一個典型的人的正常血容比範圍約介於35%至55%。然而，在一些特殊情況中，血容比範圍可介於10%至70%，導致在血糖測量中出現大的誤差。在高血容比中，紅血球可阻礙酵素和電子傳遞介質的反應，甚至降低電子傳遞介質擴散至工作電極的擴散速率，導致產生低血糖讀值。相反地，低血容比可產生高血糖讀值。
現有技術提供許多方法來減小血容比效應的分析誤差。例如，美國專利(U.S.5951836)揭露利用矽膠顆粒濾除紅血球的試劑配方。美國專利(U.S.5628890)揭露藉由結合網格層的寬廣間隔分散血液樣本以降低血容比效應。美國專利(U.S.8388821)揭露一種為了血容比相關測量而提供複數個在工作電極上的微電極的方法。美國專利(U.S.2011/0139634)揭露藉由利用兩電極組(分別施加直流訊號與交流訊號)測量血容比校正後的分析物濃度。然而現有技術所提供的方法有許多缺點，例如高製造成本、複雜的製程以及需要大的測試樣本量。
此外，在血糖測量的過程中，溫度是另一分析誤差源。因為酵素反應是一溫度相依的反應，所以在血糖測量的過程中的溫度變化將影響血糖測量的準確性。
綜上所述，對於使用者而言，現有技術所提供的方法都不是一個好的選擇。
本發明的一實施例提供一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法，其中該測試片包含一基板及一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，且塗佈一酵素。該方法包含將該樣本置入該反應區，其中該待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子至該工作電極；施加一電信號於該工作電極；於一第一時段通過該工作電極測量一第一電流；該介質於一第二時段根據該電信號，產生一中間產物；於一第三時段通過該工作電極測量一第二電流，其中該電信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性和在該第三時段的第三極性相反；根據該第一電流，計算該待測物的初始濃度；根據該第二電流，計算該中間產物於該樣本中的擴散因子；根據該擴散因子，校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
本發明的另一實施例提供一種三電極的測試片。該測試片包含一基板及一反應區。該反應區形成在該基板的第一端，該反應區塗佈一酵素，其中當一樣本置入該反應區時，該樣本內的待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子。該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極。該工作電極是用以當該樣本置入該反應區時，接收一電信號，於一第一時段，根據該電信號，產生一第一電流，以及於一第二時段後的第三時段，根據該電信號，產生一第二電流，其中該電信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性和在該第三時段的第三極性相反，其中該介質於該第二時段根據該電信號，產生一中間產物；該參考電極是用以當該樣本置入該反應區時，接收一參考電壓；該輔助電極是用以當該樣本置入該反應區時，接收一浮動電壓，以滿足該工作電極在該第一時段、該第二時段和該第三時段所產生的電流；該第一電流是用以計算該待測物的
初始濃度，該第二電流是用以計算該中間產物的擴散因子，以及該擴散因子是用以校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
本發明的一實施例提供一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方
法，其中該測試片包含一基板及一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，且塗佈一酵素。該方法包含將該樣本置入該反應區，其中該待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子至該工作電極；施加一電信號於該工作電極；於一第一時段通過該工作電極測量一第一電流；該介質於一第二時段根據該電信號，產生一中間產物；於一第三時段通過該工作電極測量一第二電流，其中該電信號在該第二時段具有一第二極性與一無極性，且該第二極性與該電信號在該第一時段的第一極性和該電信號在該第三時段的第三極性相反；根據該第一電流，計算該待測物的初始濃度；根據該第二電流，計算該中間產物於該樣本中的擴散因子；根據該擴散因子，校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
本發明的另一實施例提供一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法，其中該測試片包含一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極。該方法包含將一樣本置入該反應區；施加一電信號於該工作電極；該介質於一第一時段根據該電信號，產生一中間產物；於該第一時段後的第二時段通過該工作電極測量一第一電流，其中該電信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性相反；根據該第一電流，估算該中間產物的在樣品中的擴散因子。
本發明的另一實施例提供一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法，其中該測試片包含一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極。該方法包含將一樣本置入該反應區；施加一電信號於該
工作電極；該介質於一第一時段根據該電信號，產生一中間產物；於該第一時段後的第二時段通過該工作電極測量一第一電流，其中該電信號在該第一時段具有一第一極性與一無極性，且該第一極性與該電信號在該第二時段的第二極性相反；根據該第一電流，估算該中間產物的在樣品中的擴散因子。
本發明提供一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法、三電極的測試片及利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法。該方法和該測試片是利用一工作電極於一第一時段根據一量測電路所提供的一電信號，產生用以估計該樣本內待測物初始濃度的一第一電流，利用該工作電極於一第二時段根據該電信號，使該樣本內的介質產生反應，以及利用該工作電極於一第三時段根據該電信號，產生用以計算該介質在該樣本中的擴散因子的一第二電流。當該擴散因子產生之後，該量測電路即可根據該擴散因子，校正該樣本內待測物的初始濃度以產生該待測物的新濃度。因此，相較於現有技術，本發明可準確地校正該樣本內的待測物的初始濃度。另外，本發明另提供的一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法是利用在一第一時段的第一極性與在一第二時段的第二極性相反的電信號偵測一樣品中介質擴散因子。因此，相較於現有技術，本發明可快速、簡單且準確地偵測一樣品中介質擴散因子。
100‧‧‧測試片
110、601‧‧‧基板
120‧‧‧電極層
121、WE‧‧‧工作電極
122、CE‧‧‧輔助電極
123、RE‧‧‧參考電極
124、125、126、WP、RP、CP、WP1、WP2‧‧‧襯墊
127、128、129‧‧‧電極軌道
130‧‧‧絕緣層
131‧‧‧凹槽
140‧‧‧試劑層
150‧‧‧隔板
151‧‧‧T型通道
160‧‧‧第一覆蓋層
170‧‧‧第二覆蓋層
201‧‧‧側向通氣孔
300、600、1100‧‧‧三電極測試片
302、602‧‧‧反應區
304、604、704、804、904‧‧‧量測電路
IW、IW1、IW2、IW3、IW4、IWP‧‧‧電流
OP1、OP2‧‧‧運算放大器
RW‧‧‧等效電阻
T1、T2、T3‧‧‧時段
VG‧‧‧地電壓
VCE‧‧‧浮動電壓
VWE‧‧‧實際電壓
VRE、VRP、VWP、V2‧‧‧電壓
V1‧‧‧參考電壓
2800-2818、2900-2912‧‧‧步驟
第1圖是本發明的一實施例說明測試片的爆炸示意圖。
第2圖是說明測試片的橫切面的示意圖。
第3圖是說明三電極測試片、反應區和量測電路的示意圖。
第4圖是本發明的一實施例說明三電極測試片、反應區和量測電路的示意圖。
第5圖是本發明的另一實施例說明三電極測試片、反應區和量測電路的示意圖。
第6圖是本發明的另一實施例說明三電極測試片、反應區和量測電路的示意圖。
第7圖是本發明的另一實施例說明三電極測試片、反應區和量測電路的示意圖。
第8圖是說明三電極測試片的結構示意圖
第9圖是本發明的另一實施例說明一種三電極測試片的示意圖。
第10圖是說明工作電極和參考電極之間的壓差在第一時段、第二時段和第三時段的示意圖。
第11圖至第14圖是說明當反應區置入樣本時，反應區內介質與中間產物的濃度分佈隨工作電極和參考電極之間的壓差變化的示意圖。
第15圖至第17圖是說明介質的擴散因子在不同的干擾物下與工作電極所產生的電流的關係示意圖。
第18圖至第24圖是本發明的不同實施例說明工作電極和參考電極之間的壓差在第一時段、第二時段和第三時段的示意圖。
第25圖是說明在第10圖的工作電極和參考電極之間的壓差的情況下，工作電極所產生對應不同樣本的電流的示意圖。
第26圖是說明在經由本發明校正前血容比和偏差之間的關係示意圖。
第27圖是說明在經由本發明校正後血容比和偏差之間的關係示意圖。
第28圖是本發明的另一實施例說明一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法的流程圖。
第29圖是本發明的另一實施例說明一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法的流程圖。
本發明將通過下列實施例說明，其中在本發明領域具有熟知技藝者應當明瞭下列實施例僅用以說明本發明而不會限制本發明的範圍。
請參照第1圖，第1圖是本發明的一實施例說明一測試片100的爆炸示意圖。如第1圖所示，測試片100可包含一基板110，一電極層120，一絕緣層130，一試劑層140，一隔板150，一第一覆蓋層160，和一第二覆蓋層170，其中基板110是可由塑膠材質(例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalates,PET)、乙烯基聚合物(vinyl polymers)、聚醯亞胺(polyimides)或聚酯(polyesters))所構成。
基板110支撐一電極層120，其中電極層120具有一工作電極121、一輔助電極122和一參考電極123，且工作電極121、輔助電極122和參考電極123形成在電極層120的第一端。工作電極121、輔助電極122和參考電極123可藉由雷射刻在電極層120上或藉由絲網印刷(screen printing)印刷在基板110上。電極層120的第二端可提供複數個襯墊124、125、126，其中複數個襯墊124、125、126是用以電性連接一量測電路。一電極軌道127提供從工作電極121至襯墊124的一連續導電路徑。同理，一電極軌道128提供從輔助電極122至襯墊125的一連續導電路徑，以及電極軌道129提供從參考電極123至襯墊126的一連續導電路徑。電極層120可由現有技術所提供的導電材質(例如金、鉑、銀、碳或碳/銀複合材料)所構成。
一絕緣層130可用以保護上述電極軌道以及界定一反應區的有效面積。一凹槽131位於絕緣層130的前半部用以暴露工作電極121、輔助電極122和參考電極123的部分，其中工作電極121、輔助電極122和參考電極123的被暴露的部分結合試劑層140以形成反應區。絕緣層130可由油墨或光聚合物所組成，可藉由絲網印刷在電極層120上。
試劑層140可位於絕緣層凹槽131所暴露的工作電極121、輔助
電極122和參考電極123的部分之上。本發明領域熟知技藝者知悉可基於特定分析物選擇試劑層140內的試劑之成份。在本發明的一實施例中，試劑層140是用以測量人體血液樣本的葡萄糖。一試劑可包含但不限於一酵素、一電子傳遞介質、穩定劑和黏合劑，其中酵素是葡萄糖氧化酶或葡萄糖脫氫酶。電子傳遞介質是一電子受體，且可在酵素和工作電極121之間傳遞電子。一般而言，電子傳遞介質是二茂鐵(ferrocene)、鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)或其他二茂鐵的衍生物。在本發明的一實施例中，在試劑層140的反應區中，人體血液樣本的葡萄糖和酵素反應、電子通過電子傳遞介質傳遞至工作電極121以及產生一電性反應。
隔板150覆蓋在基板110之上可用以界定樣本接收腔(sample-receiving chamber)的高度。在本發明的一實施例中，隔板150有一T型通道151位於隔板150的前半區。
第一覆蓋層160可貼附在隔板150的部分形成樣本接收腔的上表面。第一覆蓋層160的底層包含一親水性塗料(未繪示於第1圖)。當人體血液樣本進入樣本接收腔時，親水性塗料可幫助毛細作用以及增加人體血液樣本的移動速度。如第1圖所示，測試片100的最後一層是第二覆蓋層170。第二覆蓋層170包含一透明視窗，其中透明視窗可允許一使用者目視確認人體血液樣本是否進入樣本接收腔。如第2圖所示，第一覆蓋層160、第二覆蓋層170和隔板150形成一側向通氣孔201，其中當人體血液樣本進入樣本接收腔時，側向通氣孔201允許空氣從樣本接收腔內部逃離。
在一般生化量測中，量測電路是施加一電信號於測試片的工作電極，然後量測電路讀取工作電極上的電流以供後續量測之用。請參照第3圖，第3圖是說明一三電極測試片300、一反應區302和一量測電路304的示意
圖，其中量測電路304分別通過襯墊WP、RP、CP和反應區302的工作電極WE、參考電極RE和輔助電極CE連接，且OP1、OP2為運算放大器。如第3圖所示，當耦接於量測電路304的三電極測試片300的反應區302置入一樣本時，量測電路304會施加一固定電壓(例如一地電壓VG)於運算放大器OP2以讀取工作電極WE上的電流IW。因為工作電極WE與襯墊WP之間的傳導路徑具有一等效電阻RW，所以工作電極WE上的實際電壓VWE是由式(1)所決定：VWP=VG VWE=VWP-IW×RW=VG-IW×RW (1)
另外，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)是由式(2)所決定：VWR=VWE-VRE =VG-IW×RW-VRE
=VG-VRP-IW×RW=VG-V1-IW×RW (2)
其中VRE為參考電極RE上的電壓、VRP為襯墊RP上的電壓以及V1為輸入至運算放大器OP1的參考電壓。由式(2)可知，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR會受電流IW影響。因為工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR會受電流IW影響，所以量測電路304雖然可以提供參考電極RE穩定的電壓，但無法提供工作電極WE穩定的電壓以供後續準確的量測之用。因此，現有技術所提供的具有三電極的測試片(如第3圖所示的三電極測試片300)並無法滿足使用者的需求。
請參照第4圖，第4圖是本發明的一實施例說明一三電極測試片
600、一反應區602和一量測電路604的示意圖，其中量測電路604通過襯墊WP1、WP2和反應區602的工作電極WE連接、襯墊RP和反應區602的參考電極RE連接以及襯墊CP和反應區602的輔助電極CE連接，量測電路604中的OP1、OP2為運算放大器，且反應區602塗佈一酵素。如第4圖所示，當耦接於量測電路604的三電極測試片600的反應區602置入一樣本時，量測電路604會施加一電壓V2於運算放大器OP2以讀取工作電極WE上的電流IW，其中樣本至少要覆蓋工作電極WE。因為工作電極WE與襯墊WP2之間的傳導路徑具有一等效電阻RW，所以工作電極WE上的實際電壓VWE是由式(3)所決定：VWE=VWP-IWP×RW=VWP(∵IWP=0)=V2 (3)
其中VWP為襯墊WP2上的電壓以及IWP為流經襯墊WP2的電流。另外，在第4圖中，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)是由式(4)所決定：VWR=VWE-VRE=VWP-VRP=V2-V1 (4)
其中VRE為參考電極RE上的電壓、VRP為襯墊RP上的電壓以及V1為輸入至運算放大器OP1的參考電壓。由式(4)可知，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)不受電流IW影響。因為工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)不受電流IW影響，所以量測電路604除了提供參考電極RE穩定的電壓外，還可提供工作電極WE穩定的電壓以供後續準確的量
測之用。因此，本發明所提供的具有4襯墊的三電極的測試片(如第4圖所示的三電極測試片600)可滿足使用者的需求。
請參照第5圖，第5圖是本發明的另一實施例說明一三電極測試片600、一反應區602和一量測電路704的示意圖，其中量測電路704通過襯墊WP1、WP2和反應區602的工作電極WE連接、襯墊RP和反應區602的參考電極RE連接以及襯墊CP和反應區602的輔助電極CE連接，且量測電路704中的OP1、OP2為運算放大器。如第5圖所示，量測電路704和第4圖的量測電路604的差別在於量測電路704施加於運算放大器OP2的電壓V2是一可變電壓以及量測電路704施加於運算放大器OP1的電壓V1是一固定電壓。另外，第5圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路704的其餘操作原理皆和第4圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路604的操作原理相同，在此不再贅述。
請參照第6圖，第6圖是本發明的另一實施例說明一三電極測試片600、一反應區602和一量測電路804的示意圖，其中量測電路804通過襯墊WP1、WP2和反應區602的工作電極WE連接、襯墊RP和反應區602的參考電極RE連接以及襯墊CP和反應區602的輔助電極CE連接，且量測電路804中的OP1、OP2為運算放大器。如第5圖所示，量測電路804和第4圖的量測電路604的差別在於量測電路804施加於運算放大器OP2的電壓V2是一固定電壓以及量測電路804施加於運算放大器OP1的電壓V1是一可變電壓。另外，第6圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路804的其餘操作原理皆和第4圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路604的操作原理相同，在此不再贅述。
請參照第7圖，第7圖是本發明的另一實施例說明一三電極測試
片600、一反應區602和一量測電路904的示意圖，其中量測電路904通過襯墊WP1、WP2和反應區602的工作電極WE連接、襯墊RP和反應區602的參考電極RE連接以及襯墊CP和反應區602的輔助電極CE連接，且量測電路904中OP1、OP2為運算放大器。如第5圖所示，量測電路904和第4圖的量測電路604的差別在於量測電路904施加於運算放大器OP2的電壓V2是一可變電壓以及量測電路904施加於運算放大器OP1的電壓V1是一可變電壓。另外，第7圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路904的其餘操作原理皆和第4圖的三電極測試片600、反應區602和量測電路604的操作原理相同，在此不再贅述。
請參照第8圖，第8圖是說明三電極測試片600的結構示意圖。如第8圖所示，三電極測試片600包含一基板601、反應區602、工作電極WE、參考電極RE及輔助電極CE，其中工作電極WE連接襯墊WP1、WP2、參考電極RE連接襯墊RP以及輔助電極CE連接襯墊CP。另外，基板601是一絕緣材料(例如聚對苯二甲酸(polyethylene terephthalate,PET)或是相似的絕緣材料)。如第8圖所示，工作電極WE、參考電極RE及輔助電極CE是形成於基板601之上且在基板601的第一端形成反應區602，其中工作電極WE、參考電極RE及輔助電極CE是導電材質，包含但不限於金、白金、銀或石墨。另外，襯墊WP1、WP2、RP、CP是形成在基板601的第二端，其中基板601的第二端是相對於基板601的第一端。如第8圖所示，襯墊WP1、WP2是形成於基板601的左邊(其中襯墊WP1、WP2的位置可互換)、襯墊RP、CP是形成於基板601的右邊以及襯墊RP是位於襯墊WP2與襯墊CP之間。另外，在本發明的另一實施例中，襯墊WP1、WP2是形成於基板601的右邊、襯墊RP及襯墊CP是形成於基板601的左邊以及襯墊CP是位於襯墊WP2與襯墊RP之間。另外，在反應區602中，參考電極RE是位於輔助電極CE與工作電極WE之間。
另外，請參照第9圖，第9圖是本發明的另一實施例說明一種三電極測試片1100的示意圖。如第9圖所示，三電極測試片1100和第8圖的三電極測試片600的差別在於耦接於工作電極WE的襯墊WP1和襯墊WP2是分別形成於基板601的左邊和右邊，耦接於參考電極RE的襯墊RP與耦接於輔助電極CE的襯墊CP是形成於基板601的中間，且襯墊RP是位於襯墊WP1與襯墊CP之間。另外，三電極測試片1100的操作原理皆和三電極測試片600相同，在此不再贅述。
另外，如第4圖所示，當通過襯墊WP1、WP2、RP、CP耦接於量測電路604的三電極測試片600的反應區602被置入樣本(例如血液)時，量測電路604會施加電壓V2於運算放大器OP2以及施加參考電壓V1於運算放大器OP1以讀取工作電極WE上的電流IW。因為如式(4)所示，當三電極測試片600的反應區602被置入樣本時，因為工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)不受電流IW影響，所以量測電路604可以提供穩定的反應電壓VWR並通過襯墊WP1準確讀取工作電極WE所產生的電流IW以供後續計算之用。另外，量測電路704、量測電路804和量測電路904的操作原理皆和量測電路604相同，在此不再贅述。
請參照第10圖至第14圖，第10圖是說明工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)在一第一時段T1、一第二時段T2和一第三時段T3的示意圖，以及第11圖至第14圖是說明當反應區602置入樣本(例如血液)時，反應區602內一介質與中間產物的濃度分佈隨工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR變化的示意圖，其中介質可預先塗佈於反應區602或當樣本置入反應區602時，加入反應區602內。例如，介質若為鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)，在第二時段T2中施加
於工作電極WE上的負極性信號可使未與待測物(例如血糖)反應之鐵氰化鉀還原成亞鐵氰化鉀(potassium ferrocyanide)，其中亞鐵氰化鉀即為本發明之中間產物，且亞鐵氰化鉀的濃度並不受待測物血糖之影響。如第10圖和第11圖所示，當反應區602置入樣本(包含待測物(例如血糖))時，樣本內的介質可直接或間接從待測物奪取電子成為一還原態介質，其中介質的濃度遠大於待測物的濃度(例如介質的濃度等於2-4倍待測物的濃度)。因此，如第10圖和第12圖所示，在第一時段T1中，施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號，所以還原態介質通過一擴散作用傳遞電子給工作電極WE，亦即在第一時段T1中，工作電極WE通過還原態介質產生電流IW(第一電流)，其中在第一時段T1中的電流IW(第一電流)可用以計算待測物的初始濃度。例如，若樣本為血液，待測物為血糖，反應區602中介質可為鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)，鐵氰化鉀可間接與血糖反應(透過酵素)產生還原態的亞鐵氰化鉀(potassium ferrocyanide)。在第一時段T1中，施加於工作電極上的正極性信號，可使亞鐵氰化鉀擴散至工作電極，產生電流IW(第一電流)，電流IW(第一電流)可用以計算血糖的初始濃度。但本發明並不受限於樣本內的介質直接或間接從待測物奪取電子成為還原態介質，亦即樣本內的介質亦可直接或間接傳遞電子給待測物成為一氧化態介質。
如第10圖和第13圖所示，因為介質的濃度遠大於待測物的濃度，所以在第二時段T2中，當施加於工作電極WE的電信號是一負極性信號時，大量未與待測物反應的介質在工作電極WE的表面上產生還原反應，導致在工作電極WE的表面上累積產生高濃度的還原態介質(亦即中間產物)，其中在工作電極WE的表面上所累積的還原態介質的濃度並不受待測物(例如血糖)濃度影響。但在本發明的另一實施例中，在第二時段T2中的施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號，導致大量未與待測物反應的介質在工作電極WE的表面上產生氧化反應，亦即在工作電極WE的表面上產生高濃度的氧
化態介質。另外，本發明並不受限於在第二時段T2中的施加於工作電極WE的電信號是一電壓信號，亦即在第二時段T2中，施加於工作電極WE的電信號亦可是一電流信號。
介質在樣本中的擴散行為與樣本的擴散因子有關，擴散因子為一包含但不限於與溫度、干擾物濃度、樣本黏度相關之函數。當介質在樣本中的擴散因子較低時，在第二時段T2中所產生的還原態介質較不易擴散(如第14圖所示)；反之，當介質在樣本中的擴散因子較高時，在時段T2中所產生的還原態介質會較易擴散。因此，在第10圖的第三時段T3中，當施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號時，工作電極WE在具有較低擴散因子介質的樣本中可產生到較大的電流IW(第二電流)(因為較多還原態介質聚積在工作電極WE的表面，所以工作電極WE可接收較多的電子，導致工作電極WE可產生較大的電流IW)，以及工作電極WE在具有較高擴散因子介質的樣本中可產生到較小的電流IW(第二電流)(因為較少還原態介質聚積在工作電極WE的表面，所以工作電極WE可接收較少的電子，導致工作電極WE可產生較小的電流IW)。另外，本發明的另一實施例中，在第三時段T3中的施加於工作電極WE的電信號是一負極性信號，與第二時段T2中的正極性電信號，極性相反。
另外，在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3中，輔助電極CE是用以接收運算放大器OP1所提供一浮動電壓VCE，以滿足工作電極WE在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3所產生的電流IW。因此，輔助電極CE的表面上可塗佈一反應物質(或輔助電極CE可直接對施加於工作電極WE的電信號反應)以避免在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3中輔助電極CE的電壓升高太大，其中輔助電極CE的表面上所塗佈的反應物質可以是樣本內介質的原始氧化還原狀態的相反狀態。
另外，如第4圖至第7圖所示，參考電極RE耦接於運算放大器OP1的負輸入端(亦即沒有電流流過參考電極RE)，且參考電極RE是介於工作電極WE和輔助電極CE之間，所以參考電極RE可避免輔助電極CE表面上塗佈的反應物質或產物擴散至工作電極WE，亦即參考電極RE可避免輔助電極CE影饗到在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3中工作電極WE所產生的電流IW。
請參照第15圖至第17圖，第15圖至第17圖是說明介質的擴散因子在不同的干擾物下與工作電極WE所產生的電流IW(第二電流)的關係示意圖。如第15圖所示，樣本中的血容比HCT較高(介質具有較低的擴散因子)時，工作電極WE所產生的電流IW較大。例如，工作電極WE於樣本中的血容比HCT為70%時所產生的電流IW大於工作電極WE於樣本中的血容比HCT為40%時所產生的電流IW。如第16圖所示，樣本的溫度較低(介質具有較低的擴散因子)時，工作電極WE所產生的電流IW較大。例如，工作電極WE於樣本的溫度為20℃時所產生的電流IW大於工作電極WE於樣本的溫度為30℃時所產生的電流IW。如第17圖所示，樣本的油脂(三酸甘油脂)濃度較高(介質具有較低的擴散因子)時，工作電極WE所產生的電流IW較大。例如，工作電極WE於樣本的油脂濃度為750mg/dL時所產生的電流IW大於工作電極WE於樣本的油脂濃度為500mg/dL時所產生的電流IW。如此，在第10圖的第三時段T3中，量測電路604便可根據上述原理，通過工作電極WE所產生的電流IW(第二電流)計算中間產物於樣本中的擴散因子，其中第二電流是中間產物在第三時段T3的擴散電流。
因為工作電極WE的表面上還原態介質的濃度並不受待測物(例如血糖)濃度的影響，所以當介質在樣本中的擴散因子產生之後，量測電路604
便可根據介質在樣本中的擴散因子，校正樣本內的待測物的濃度的誤差以產生待測物的新濃度，其中造成待測物的濃度的誤差的因子可為有關於樣本的溫度、黏度、血球容積比、油脂(三酸甘油脂)及離子強度的一組合。
另外，當施加於工作電極WE的電信號為電壓時，在第一時段T1的電信號的範圍和在第三時段T3的電信號的範圍約介於50至1000mV，最佳約介於200至500mV。在第二時段T2的電信號的範圍約介於-50至-1000mV，最佳約介於-100至-500mV。且第二時段T2的範圍約介於0.5秒至10秒，最佳約介於1秒至8秒。另外，在本發明的另一實施例中，在第二時段T2的電信號可是一預定電流。
請參照第18圖至第24圖，第18圖至第24圖是本發明的不同實施例說明工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)在一第一時段T1、一第二時段T2和一第三時段T3的示意圖，其中在第18圖至第24圖中，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR(等於施加於工作電極WE的電信號)在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3的操作原理皆和第10圖中工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3的操作原理相同，在此不再贅述。另外，如第18圖、第19圖、第20圖、第21圖、第22圖、第23圖與第24圖所示，在第二時段T2中，工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR可為0(無極性)與負極性信號，亦即施加於工作電壓WE的電性號為0與負極性信號。
請參照第25圖，第25圖是說明在第10圖的工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR的情況下，工作電極WE所產生對應不同樣本的電流IW1、IW2、IW3、IW4的示意圖。因為其他造成待測物的濃度的誤差的因
子(例如樣本的溫度、黏度、油脂及離子強度)的原理皆和血容比相同，在此不再贅述。如第11圖和第12圖所示，當反應區602置入樣本(包含血糖)時，樣本內的介質是直接或間接從待測物奪取電子成為還原態介質，所以工作電極WE可通過還原態介質產生電流IW，其中在時段T1中的電流IW(第一電流)可用以表示估計待測物的濃度。另外，在工作電極WE的表面上尚未累積產生高濃度的還原態介質前，工作電極WE可於樣本的血容比較低時產生較大的電流IW。因此，如第25圖所示，在時段T1中，對應樣本1的電流IW1>對應樣本2的電流IW2>對應樣本3的電流IW3>對應樣本4的電流IW4，其中樣本1具有血糖濃度(200mg/dL)以及血容比HCT(10%)，樣本2具有血糖濃度(200mg/dL)以及血容比HCT(70%)，樣本3具有血糖濃度(100mg/dL)以及血容比HCT(10%)，以及樣本4具有血糖濃度(100mg/dL)以及血容比HCT(70%)。如第13圖所示，在時段T2中，施加於工作電極WE的電信號是一負極性信號，導致大量未與待測物反應的介質在工作電極WE的表面上產生還原反應，亦即在工作電極WE的表面上累積產生高濃度的還原態介質(中間產物)。值得注意的是在工作電極WE的表面上所累積的還原態介質的濃度並不受待測物(例如血糖)濃度影響，所以當介質在樣本中的擴散因子較高時，工作電極WE所產生的電流IW(第二電流)較低，以及當介質在樣本中的擴散因子較低時，工作電極WE所產生的電流IW(第二電流)較高。因此，如第25圖所示，在時段T3中，對應樣本1的第二電流IW1和對應樣本3的第二電流IW3差異不大(因為樣本1和樣本3具有相同的血容比HCT(10%))以及對應樣本2的第二電流IW2和對應樣本4的第二電流IW4差異不大(因為樣本1和樣本3具有相同的血容比HCT(70%))，且對應樣本1的第二電流IW1和對應樣本3的第二電流IW3是小於對應樣本2的第二電流IW2和對應樣本4的第二電流IW4。如此，在第25圖的時段T3中，量測電路604便可根據上述原理，通過工作電極WE所產生的第二電流IW1、IW2、IW3、IW4分別計算介質在樣本1、2、3、4中的擴散因子。當介質在樣本1、2、3、4中的擴散
因子產生之後，量測電路604便可根據介質在樣本1、2、3、4中的擴散因子，分別校正樣本1、2、3、4內的待測物的濃度的誤差以產生樣本1、2、3、4中待測物的新濃度。
另外，本發明並不受限於介質在第11圖至第14圖中的氧化還原狀態，亦即在本發明的另一實施例中，一新介質具有第11圖至第14圖中的相反氧化還原狀態，且施加於工作電極WE的電信號與第10圖為反向的新電信號。
另外，本發明所提供的三電極測試片600、1100亦可與量測電路604整合成為一生物測量系統，其中生物測量系統的操作原理可參照三電極測試片600、1100與量測電路604，所以在此不再贅述。
請參照第26圖，第26圖是說明在經由本發明校正前血容比和偏差之間的關係示意圖。如第26圖所示，利用具有血容比41%的分析物濃度做為一標準，其中偏差是每一血容比的測試分析物濃度和標準之間的差異，且樣本內的葡萄糖濃度是100和350mg/dl。如第26圖所示，當樣本內的血容比偏移標準時，大的偏差即會存在。請參照第27圖，第27圖是說明在經由本發明校正後血容比和偏差之間的關係示意圖。如第27圖所示，藉由使用上述本發明所提供的方法和裝置可大幅減少在整個血容比範圍內的偏差，將偏差值控制在正負10%之內。
請參照第4圖、第10-14圖和第28圖，第28圖是本發明的另一實施例說明一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法的流程圖。第28圖的方法是利用第4圖的三電極測試片600說明，詳細步驟如下：
步驟2800：開始；步驟2802：將一樣本置入反應區602；步驟2804：量測電路604施加一電信號於工作電極WE；步驟2806：量測電路604於一第一時段T1通過工作電極WE測量一第一電流；步驟2808：介質於一第二時段T2根據電信號，產生一中間產物；步驟2810：量測電路604於一第三時段T3通過工作電極WE測量一第二電流；步驟2812：量測電路604根據第一電流，計算待測物的初始濃度；步驟2814：量測電路604根據第二電流，計算中間產物於樣本中的擴散因子；步驟2816：量測電路604根據擴散因子，校正待測物的初始濃度以產生待測物的新濃度；步驟2818：結束。
在步驟2802中，樣本包含一待測物(例如血糖)。在步驟2804中，施加於工作電極WE的電信號是等於工作電極WE和參考電極RE之間的壓差VWR。如第4圖、第10圖和第11圖所示，當反應區602置入時，樣本內的介質可直接或間接從待測物奪取電子成為一還原態介質，其中介質的濃度遠大於待測物的濃度(例如介質的濃度等於2-4倍待測物的濃度)。因此，在步驟2806中，如第10圖和第12圖所示，在第一時段T1中，施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號，所以還原態介質通過一擴散作用傳遞電子給工作電極WE，亦即在第一時段T1中，工作電極WE通過還原態介質產生第一電流。但本發明並不受限於樣本內的介質直接或間接從待測物奪取電子成為一還原態介質，亦即樣本內的介質亦可直接或間接傳遞電子給待測物成為一氧化態介質。
在步驟2808中，如第10圖和第13圖所示，因為介質的濃度遠大於待測物的濃度，所以在第二時段T2中，當施加於工作電極WE的電信號是一負極性信號時，大量未與待測物反應的介質在工作電極WE的表面上產生還原反應，導致在工作電極WE的表面上累積產生高濃度的還原態介質(亦即中間產物)，其中在工作電極WE的表面上所累積的還原態介質的濃度並不受待測物(例如血糖)濃度影響。但在本發明的另一實施例中，在第二時段T2中的施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號，導致大量未與待測物反應的介質在工作電極WE的表面上產生氧化反應，亦即在工作電極WE的表面上產生高濃度的氧化態介質。另外，本發明並不受限於在第二時段T2中的施加於工作電極WE的電信號是一電壓信號，亦即在第二時段T2中，施加於工作電極WE的電信號亦可是一電流信號。
在步驟2810中，介質在樣本中的擴散行為與樣本的擴散因子有關，擴散因子為一包含但不限於與溫度、干擾物濃度、樣本黏度相關之函數。當介質在樣本中的擴散因子較低時，在第二時段T2中所產生的還原態介質較不易擴散(如第14圖所示)；反之，當介質在樣本中的擴散因子較高時，在時段T2中所產生的還原態介質會較易擴散。因此，在第10圖的第三時段T3中，當施加於工作電極WE的電信號是一正極性信號時，工作電極WE在具有較低擴散因子介質的樣本中可產生到較大的第二電流(因為較多還原態介質聚積在工作電極WE的表面，所以工作電極WE可接收較多的電子，導致工作電極WE可產生較大的第二電流)，以及工作電極WE在具有較高擴散因子介質的樣本中可產生到較小的第二電流(因為較少還原態介質聚積在工作電極WE的表面，所以工作電極WE可接收較少的電子，導致工作電極WE可產生較小的第二電流)。另外，本發明的另一實施例中，在第三時段T3中的施加於工作電極WE的電信號是一負極性信號，與第二時段T2中的正極性
電信號，極性相反。
在步驟2812中，在第一時段T1中的第一電流可用以計算待測物的初始濃度。另外，在步驟2814中，因為介質在樣本中的擴散行為與樣本的擴散因子有關，所以量測電路604可根據第二電流，計算中間產物於樣本中的擴散因子。最後，在步驟2816中，在中間產物於樣本中的擴散因子產生後，量測電路604根據擴散因子，校正待測物的初始濃度以產生待測物的新濃度。
另外，在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3中，輔助電極CE是用以接收運算放大器OP1所提供一浮動電壓VCE，以滿足工作電極WE在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3所產生的電流IW。因此，輔助電極CE的表面上可塗佈一反應物質(或輔助電極CE可直接對施加於工作電極WE的電信號反應)以避免在第一時段T1、第二時段T2和第三時段T3中輔助電極CE的電壓升高太大，其中輔助電極CE的表面上所塗佈的反應物質可以是樣本內介質的原始氧化還原狀態的相反狀態。
請參照第4圖、第10圖和第29圖，第29圖是本發明的另一實施例說明一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法的流程圖。第29圖的方法是利用第4圖的三電極測試片600說明，詳細步驟如下：步驟2900：開始；步驟2902：將一樣本置入反應區602；步驟2904：量測電路604施加一電信號於工作電極WE；步驟2906：介質於一第一時段根據電信號，產生一中間產物；步驟2908：量測電路604於一第二時段通過工作電極WE測量一第一電流，其中電信號在第二時段的第二極性與在第一時段的第一極性相反；
步驟2910：量測電路604根據第一電流，計算中間產物於樣本中的擴散因子，步驟2912：結束。
第29圖的實施例與第28圖的實施例的差別在於在步驟2906中，介質於第一時段(對應於第10圖的第二時段T2)根據電信號，產生中間產物；在步驟2908中，量測電路604於第二時段(對應於第10圖的第三時段T3)通過工作電極WE測量第一電流(對應於第28圖實施例的第二電流)；在步驟2910中，量測電路604根據第一電流(對應於第28圖實施例的第二電流)，計算中間產物於樣本中的擴散因子。因此，只要是利用在第二時段的第二極性與在第一時段的第一極性相反的電信號偵測樣品中介質擴散因子即落入本發明的範疇。
綜上所述，本發明所提供的測試片偵測樣本中待測物濃度的方法及三電極的測試片是利用工作電極於第一時段根據量測電路所提供的電信號，產生用以估計樣本內待測物初始濃度的第一電流，利用工作電極於第二時段根據量測電路所提供的電信號，使樣本內的介質產生反應，以及利用工作電極於第三時段根據量測電路所提供的電信號，產生用以計算介質在樣本中的擴散因子的第二電流。當介質在樣本中的擴散因子產生之後，量測電路即可根據介質在樣本中的擴散因子，校正樣本內待測物的初始濃度以產生待測物的新濃度。因此，相較於現有技術，本發明可準確地校正樣本內的待測物的初始濃度。另外，本發明另提供的一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法是利用在第一時段的第一極性與在第二時段的第二極性相反的電信號偵測樣品中介質擴散因子。因此，相較於現有技術，本發明可快速、簡單且準確地偵測樣品中介質擴散因子。
T1‧‧‧第一時段
T2‧‧‧第二時段
T3‧‧‧第三時段
Claims (23)
- 一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法，其中該測試片包含一基板及一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，且塗佈一酵素，該方法包含：將該樣本置入該反應區，其中該待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子至該工作電極；施加一電信號於該工作電極；於一第一時段通過該工作電極測量一第一電流；該介質於一第二時段根據該電信號，產生一中間產物；於一第三時段通過該工作電極測量一第二電流，其中該電信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性和在該第三時段的第三極性相反；根據該第一電流，計算該待測物的初始濃度；根據該第二電流，計算該中間產物於該樣本中的擴散因子；及根據該擴散因子，校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
- 如請求項1所述的方法，其中該電信號為電壓時，該第一時段電信號的範圍和該第三時段的電信號的範圍介於50至1000mV，在該第二時段的電信號的範圍介於-50至-1000mV，且該第二時段的範圍介於0.5秒至10秒。
- 如請求項1所述的方法，其中該樣本至少覆蓋該工作電極。
- 如請求項1所述的方法，其中當該樣本置入該反應區時，該參考電極接收一參考電壓，且當該電信號為電壓時，該電信號的大小等於該工作電極的電壓與該參考電壓的壓差。
- 如請求項1所述的方法，其中當該樣本置入該反應區時，該輔助電極接收一浮動電壓，以滿足該工作電極在該第一時段、該第二時段和該第三時段所產生的電流。
- 如請求項1所述的方法，其中該中間產物是一還原態介質或一氧化態介質。
- 如請求項1所述的方法，其中該第二電流是該中間產物在該第三時段的擴散電流。
- 如請求項1所述的方法，其中該第二時段位於該第一時段之後，以及該第三時段位於該第二時段之後。
- 如請求項1所述的方法，其中於該第二時段的電信號是一預定電流。
- 如請求項1所述的方法，其中該擴散因子是有關於該樣本的溫度、黏度、血球容積比、油脂及離子強度的一組合。
- 如請求項1所述的方法，其中該介質是塗佈於該反應區。
- 如請求項1所述的方法，其中該介質是當該樣本置入該反應區時，加入該反應區。
- 一種三電極的測試片，包含：一基板；及一反應區，形成在該基板的第一端，該反應區塗佈一酵素，其中當一樣 本置入該反應區時，該樣本內的待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子，該反應區包含：一工作電極，用以當該樣本置入該反應區時，接收一電信號，於一第一時段，根據該電信號，產生一第一電流，以及於一第二時段後的第三時段，根據該電信號，產生一第二電流，其中該電信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性和在該第三時段的第三極性相反，其中該介質於該第二時段根據該電信號，產生一中間產物；一參考電極，用以當該樣本置入該反應區時，接收一參考電壓；及一輔助電極，用以當該樣本置入該反應區時，接收一浮動電壓，以滿足該工作電極在該第一時段、該第二時段和該第三時段所產生的電流；其中該第一電流是用以計算該待測物的初始濃度，該第二電流是用以計算該中間產物的擴散因子，以及該擴散因子是用以校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
- 如請求項13所述的測試片，其中該第二時段的電信號是一預定電流。
- 如請求項13所述的測試片，其中該工作電極連接一第一襯墊與一第二襯墊，其中該第二襯墊是用以傳送該電信號至該工作電極，且用以根據該電信號，穩定該工作電極於一對應的電壓，其中該第一襯墊是用以傳送該工作電極在該第一時段、該第二時段和該第三時段所產生的電流，其中該第一襯墊與該第二襯墊形成在該基板的第二端，且該基板的第二端是相對於該基板的第一端。
- 如請求項15所述的測試片，其中該參考電極連接一第三襯墊，以及該輔 助電極連接一第四襯墊，其中該第三襯墊是用以傳送該參考電壓至該參考電極，以及該第四襯墊是用以傳送該浮動電壓至該輔助電極，其中該第三襯墊與該第四襯墊形成在該基板的第二端。
- 一種測試片偵測樣本中待測物濃度的方法，其中該測試片包含一基板及一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，且塗佈一酵素，該方法包含：將該樣本置入該反應區，其中該待測物和該酵素反應以產生複數個電子，並透過一介質傳遞該複數個電子至該工作電極；施加一電信號於該工作電極；於一第一時段通過該工作電極測量一第一電流；該介質於一第二時段根據該電信號，產生一中間產物；於一第三時段通過該工作電極測量一第二電流，其中該電信號在該第二時段具有一第二極性與一無極性，且該第二極性與該電信號在該第一時段的第一極性和該電信號在該第三時段的第三極性相反；根據該第一電流，計算該待測物的初始濃度；根據該第二電流，計算該中間產物於該樣本中的擴散因子；及根據該擴散因子，校正該初始濃度以產生該待測物的新濃度。
- 一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法，其中該測試片包含一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，該方法包含：將一樣本置入該反應區；施加一電信號於該工作電極；該介質於一第一時段根據該電信號，產生一中間產物；於該第一時段後的第二時段通過該工作電極測量一第一電流，其中該電 信號在該第二時段的第二極性與在該第一時段的第一極性相反；及根據該第一電流，估算該中間產物的在樣品中的擴散因子。
- 如請求項18所述的方法，其中該電信號為電壓時，該第二時段的電信號的範圍介於50至1000mV，在該第一時段的電信號的範圍介於-50至-1000mV，且該第一時段的範圍介於0.5秒至10秒。
- 如請求項18所述的方法，其中當該樣本置入該反應區時，該參考電極接收一參考電壓，且當該樣本置入該反應區時，該輔助電極接收一浮動電壓，以滿足該工作電極在該第一時段和該第二時段所產生的第一電流。
- 如請求項18所述的方法，其中該第一電流是該中間產物在該第二時段的擴散電流。
- 如請求項18所述的方法，其中該第一時段的電信號是一預定電流。
- 一種利用測試片偵測樣品中介質擴散因子的方法，其中該測試片包含一反應區，該反應區包含一工作電極、一參考電極及一輔助電極，該方法包含：將一樣本置入該反應區；施加一電信號於該工作電極；該介質於一第一時段根據該電信號，產生一中間產物；於該第一時段後的第二時段通過該工作電極測量一第一電流，其中該電信號在該第一時段具有一第一極性與一無極性，且該第一極性與該電信號在該第二時段的第二極性相反；及根據該第一電流，估算該中間產物的在樣品中的擴散因子。
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