样品中分析物浓度定量的装置和程序的制作方法

1.本发明涉及一种通过使用自供电的、一次性的、单次使用的装置来量化样品中存在的分析物浓度的方法。该方法依赖于电化学电池和与其并联的电子负载的组合。电子负载可以由至少一个电容性负载和/或一个电阻性负载的组合构成。该方法的一个基本方面是连接到电化学电池的电阻性负载具有使电池在扩散受限条件下工作的值。跨电容元件产生的累积电压的水平可以与电化学电池中的分析物浓度相关。可以使用可由电化学电池本身供电的集成读出单元来测量电容元件中的累积电压。或者，读出单元也可以是外部测量装置。


背景技术：

2.分析物是一种化学物质，通过化学测量过程检测、识别和量化其在样品中的存在或含量。使用包括电位或电流传感器和生物传感器在内的电化学系统对样品中存在的分析物进行定量已被广泛报道。
3.这些传感器通常由包含工作电极(感测电极)和反电极的电化学电池组成，在工作电极处，分析物通过氧化还原反应发生反应，在反电极处，发生互补氧化还原反应。感测电极和反电极可以是也可以不是酶促的。感测电极优选地对氧化还原分析物反应具有选择性以确保传感器的可靠性。
4.这些电化学传感器可以是电位计的，例如在美国2004/0245101 a1中提出的，其中燃料电池的开路电压被监测并且与分析物的浓度相关。该方法专为连续流动条件而设计，只要为燃料提供恒定流量和浓度的分析物，燃料电池电压就会保持稳定。尽管这些生物燃料电池运行效率低，并且作为能源供应商的适用性有限，但可提取的电能足以探测感测元件。传感器无需外部电源即可工作。然而，需要外部读出系统来测量开路电压。
5.或者，样品中存在的分析物的测定可以使用电流传感器进行，其中燃料电池可以通过设置恒定工作电压、施加负载或扫描电压范围来极化以产生电流。可以测量燃料电池电压或产生的电流并将其与分析物的浓度相关联。这些系统通常需要复杂的电子设备和外部电源来极化和记录电流或电压。此外，它们需要专用的外部读出单元。
6.如wo2005093400 a1、美国专利第9,220,451 b2号和us 2010/0213057 a1中所报道，通过将燃料电池连接到负载(即电阻器)，可以避免使用诸如恒电位仪或电源之类的外部设备。
7.这些类型的传感器通常被认为是自供电的，因为在特定电压下操作它们或执行电压扫描不需要电源。然而，它们仍然需要连接或集成到合适的传感器上，从而将特定的分析物浓度转换为电子信号，最终转换为人类可识别的信息。
8.在大多数情况下，还需要电压或电流读出系统。如us 2010/0213057 a1中所述，可以直接使用外部单元(手持显示器)或通过将传感器耦合到射频(rf)供电的测量电路来获取读数。rf供电的测量电路由配备rf功率的手持显示器定期远程查询，以提供连续的分析物水平测量。
9.用于燃料电池分析物检测的自供电装置基于燃料电池产生的电流与分析物浓度之间的相关性。然而，这种类型的自供电装置通常需要外部接收器来接收从发射装置产生的信号或将燃料电池中测得的电流或电压转换为用户可读信号的替代方法。
10.为了确保可重复的结果，有必要使用恒电位仪来扫描电压并获得电流值。这降低了这些类型装置的适用性，因为它们阻碍了从集成传感器为整个装置供电的可能性，因为需要外部电源和其他辅助元件来为恒电位仪供电。此外，这些类型的装置旨在用于长期测量或连续监测应用，并且样品通常连续流入电化学电池中。因此，只要燃料流过电池，并且在很宽的电阻性负载范围内，燃料电池电压就会保持稳定。这有利于燃料电池电压的测量。
11.在某些情况下，燃料电池产生的电压或电流随着时间的推移不是恒定的，例如，当由于样品的性质而将体积限制在几微升时，例如在从手指刺中提取的血液样品的情况下。在这种情况下，当燃料电池连接到负载并且电化学反应开始时，消耗燃料并产生浓度梯度，该浓度梯度与分析物的扩散系数成正比。因此，燃料电池电压随着测量过程中样品浓度的耗减而不断变化和降低。这使得测量样品中分析物的初始浓度变得极其困难。
12.其他类型的装置(如us 2010/0200429 a1中报道的)利用酶燃料电池为电容器充电，电容器通过信号放电，例如led照明。在这种情况下，需要电荷泵来提升燃料电池电压，以馈送到电容器。电容达到固定值后，通过负载放电，再次充电，过程继续。取决于分析物浓度的电容器的充电/放电频率通过射频传输，接收器识别信号并将其转换为分析物浓度值。
13.在这种情况下，需要使用外部设备来测量电压或电流，或使用射频接收器。此外，馈入电荷泵的燃料电池中的感应电动势取决于样品的浓度。因此，如前所述，在使用小体积样品时观察到的浓度梯度可能会改变充电频率依赖性。
14.与上一段中描述的装置类似，其中连接到电化学电池的负载是电阻器，供应给燃料电池的样品量至关重要。在样品体积使得产生的浓度梯度不会到达样品体积末端的批量系统中，或者对于连续流动系统，其中分析物浓度和整体浓度恒定并且充电/放电循环保持恒定。在这种情况下，可以监测电容器的充电/放电频率，并将信号发送到外部读取器。
15.相反，对于小体积样品(即一滴)，充电/放电周期不是恒定的。如果设置阈值电压，随着样品中分析物的耗尽，感应电压会降低，电容器的充电时间会变长。对于非恒定以及不一致的充电/放电周期，频率测量变得无关紧要，因此无法提供可靠的测量。如果为电容器的充电周期和放电周期设置了特定的时间，则随着燃料的耗尽，充电/放电电压会随着时间的推移而下降。这使得使用阈值电压的读取变得困难，因为达到的电压在每个周期中都在下降。这可能会提供不准确的频率结果，因此会提供不准确的分析物浓度值。
16.此外，这种类型的装置需要复杂的电子设备，通常需要包括电荷泵和振荡器。这降低了装置的适用性，并限制了其在没有外部电源、读出单元或接收器的位置的使用。
17.发明概述
18.本发明的目的是提供简单的方法来测量馈入电化学电池的样品中分析物的浓度，该电化学电池可以包含一定体积的样品，该体积可以是任何体积，并且具有使用的可能性，但是没有需要外部电源或外部接收器。这种方法可以使用一次性使用的、一次性的和自主的装置，具有简单、一次性和自供电的电子设备，并且避免使用外部电池。
19.特别地，本发明中的方法利用了装置，该装置包括电化学电池、与其并联连接的电子负载和与电子负载并联连接的读出单元。
20.具体地，用于量化样品中分析物浓度的装置和方法包括电化学电池和与电化学电池并联连接的电子负载。电子负载可以由至少一个电容性负载和一个电阻性负载的组合构成。
21.该装置和方法的一个基本方面是连接到电化学电池的负载的等效电阻具有使电池在扩散受限条件下工作的值。扩散受限在此定义为这样一种条件，其中在池电极处反应的分析物以与其通过反应介质的传输速率相等或更快的速率被消耗。
22.当电化学电池在这种扩散受限状态下运行时，它进入非稳态，其中输出电压随时间降低。在这种条件下，电化学电池产生的电流全部或部分转移到电容性负载。电容元件两端产生的累积电压可以与电化学电池中的分析物浓度相关联。
23.因此，该方法允许将分析物浓度简单且直接地转换为电压。该装置和方法与其他报道的方法的不同之处在于，这里提出的方法不基于从多个充电/放电周期获得的频率响应获得的输出信号来分析分析物浓度。该装置和方法在电池的单个放电周期期间以直流(dc)模式操作电化学电池。这种策略可以显著简化驱动电化学电池和读出单元所需的仪器。
24.此外，该装置和方法允许量化小体积或/和非流动样品的分析物浓度，其中只要将任何电阻性负载连接到电化学电池，就建立扩散受限状态。这种会使其他报道的方法不准确的现象在本发明中被认为是一个优点并且构成了测量原理的基石。
25.可以使用由电化学电池本身供电的集成读出单元测量电容元件中的累积电压。或者，读出单元也可以是外部测量装置。
26.电化学电池由至少一个发生氧化反应的电极(阳极)和一个发生还原反应的电极(阴极)组成。这些电极与电解质接触，在那里发生离子转移。
27.在电化学电池中，两个电极中的至少一个(称为感测电极)通过氧化或还原反应与分析物发生反应，而在另一个电极(称为互补电极)上，发生互补反应(还原或氧化)，从而形成允许产生电压和电流的电化学电池。
28.感测电极可直接或通过介体传递电流。
29.感测电极可由任何催化分析物氧化还原反应的材料构成，包括金属、合金、氧化还原聚合物、酶或细菌，例如葡萄糖脱氢酶、葡萄糖氧化酶、fdh、mdh、aod、xod、水合酶、葡糖杆菌氧化剂、镁、钯、铋、镍、铂、钌、金、碳、石墨、铁、锂、镉、铜、银、锌、铝等。
30.感测电极可以是酶促的并且类似于第一代酶促传感器的电极。在这种情况下，电极对被氧化的特定分析物具有选择性，而在同时还原反应中，辅因子被还原。然后，使用氧气氧化还原的辅因子，在电极表面产生过氧化氢，并产生与分析物浓度成正比的电信号。感测电极也可以类似于第二代安培传感器的电极，由介体(在溶液中)组成，用于将电子转移到电极。感测电极也可以类似于第三代电流传感器，具有直接电子转移，酶与电极物理连接。
31.在互补电极上，发生还原或氧化反应；该反应将与感应电极上发生的反应互补。如果互补电极充当阴极，则该反应的氧化还原电压必须比感测电极处的反应具有更强的正电性；或者，如果互补电极充当阳极，比感测电极的负电性更强。这是在阴极电极和阳极电极之间产生正电压差所必需的。在互补电极上发生的反应不能是产生电流的限制性反应。限制性反应必须直接取决于分析物的浓度。
32.互补电极可由任何氧化还原物质形成，与感测电极处发生的电化学反应互补。可以是金属、合金、聚合物材料还原或氧化剂、电池或酶，例如铁、钴、镍、苯醌、银、氧化银、过氧化银、铜、镁、铂、金、碳化合物，包括基于活性炭、石墨、碳纳米管和碳糊、镁、锌、铝等的电极。
33.感测电极和互补电极可以是平面的并且彼此相邻分布或在彼此前方分布。可以使用不止一种感测电极和互补电极的组合，通过将它们串联连接来增加电压，或者通过将它们并联连接来增加产生的电流。两个电极可能会或可能不会被离子交换膜、多孔材料或盐桥隔开，离子交换膜可以是选择性的或非选择性的。
34.除了电化学电池之外，本发明的装置目的还包括与传感器并联连接的负载，该负载可以是电阻性、电容性、电感性或它们的组合。通过将电化学电池连接到负载，它开始在扩散受控条件下工作。然后，电化学电池的响应取决于样品中分析物的浓度。使用与负载并联的读取器，可以从负载两端的电压读数中确定分析物的浓度。
35.特别地，在装置的第一实施方案中，连接到电化学电池的负载主要是电容性的，优选地是电容器。电阻性负载由电化学电池的内部电阻率和电极、电路轨迹和组件的电连接的欧姆电阻设定。
36.当电路闭合时，电化学电池产生的电荷转移到电容器上。电容器两端达到的电压(vc)取决于从电化学电池转移的电荷(vs)。这种累积的电荷还取决于在电化学电池中被氧化或还原的分析物的浓度。因此，电容器两端产生的电压(vc)提供了有关样品中分析物浓度的信息。
37.电荷积累使电容器电压根据等式(1)升高，其中vc(t)是电容器两端的电压，q(t)是在扩散受限状态下工作的电化学电池产生的电荷，该电荷随时间推移而存储在电容器，c是电容器的电容，a是电池感测电极的面积，d是分析物的扩散系数，t是时间，co是分析物的浓度。类似地，电荷积累可以表示为
[0038][0039]
可以看出，电容器累积电压与分析物浓度成正比，这允许直接量化分析物含量。
[0040]
在这种配置下，累积电容器电压的演变导致电化学电池电压同时上升，直到分析物从样品中完全耗尽。我们可以将这个时间标记为t
sat
，因为随着电化学电池停止产生电流，电容器电压达到转移电荷的饱和。
[0041]
或者，电化学电池和电容器之间的电荷转移可以通过在特定时间用额外的诸如二极管、开关、晶体管等断开两个元件来中断。电容电压的最终固定值可以作为v
out
，它与样品中分析物的数量成正比。
[0042]
在第二实施方案中，连接到电化学电池的负载主要是电阻性的，优选地是电阻器。特别地，电阻性负载r1并联连接到作为主要负载的电化学电池。包含电阻器r2、电容器c1和二极管d1的第二支路也与电化学电池并联连接。
[0043]
在该实施方案中，一旦电路连接到电化学电池，电阻性负载r1将电池设置在扩散受限状态，这导致电化学电池电压从其开路电位下降。电化学电池产生的电流流经包含r1和r2的支路。在此过程中，与电阻器r2和d1一起位于支路中的电容器c1被充电。
[0044]
最终，当电容器中的累积电压增加并且电化学电池电压降低到阈值以下时，二极
管d1进入反向偏置。当二极管两端的电压使其处于反向偏置时，通过包含它的支路的电流几乎停止(就像一个开关，切断电化学电池和电容器之间的连接)，并且电容器保持在恰好在二极管显著阻碍电流流动之前获得的最终充电电压。
[0045]
重要的是，即使在此之后，尽管由于r1的影响，电化学电池的电压不断下降，电容器c1仍保持在最终充电电压值，因为二极管限制了反向电流。电容器两端最终的累积输出电压与分析物浓度成正比。电容元件中达到的输出电压电平可以通过选择电阻器r1和r2以及电容器c1值的组合来调制或移动，而不会影响响应模式。
[0046]
可以通过选择电阻器r1和r2以及电容值c1的组合来调制在电容元件中测量的分析物浓度之间获得的电压电平的差异。
[0047]
在本发明的第三实施方案中，连接到电化学电池的负载主要是电阻性的，优选是电阻器。在该实施方案中，一旦电路连接到电化学电池，电阻性负载r1将电池设置在扩散受限状态，这导致电化学电池电压从其开路电位下降。
[0048]
电化学电池电压衰减的速率与电化学电池中氧化或还原分析物的浓度有关。当受到电阻性负载r1时，电化学电池电压的电压下降速率在较高浓度的分析物下较慢。在该实施方案中，可以通过使用读出单元测量预先定义的初始电压和最终阈值电压之间的经过时间来获得关于分析物浓度的信息。
[0049]
读出单元允许将电化学电池产生的响应转换为允许用户获得分析物浓度信息的信号。该信号可能包括数字屏幕或灯光、声音或机械信号。这些信号可以指示分析物的浓度或它是否已经超过某些预定义的阈值。
[0050]
读出单元可以与电化学电池和负载一起集成在装置中，使该装置便于携带和一次性使用。或者，读出单元可以是外部部件。
[0051]
或者，读出单元可以仅由电化学电池产生的能量供电，或者可选地，它可以由外部电源或两者的组合供电。
[0052]
更具体地，在涉及电容元件的读出的方法中，读出单元可以由能够测量电容器电压的任何单元组成。这允许使用直流(dc)电压读出系统从单个充电周期获得有关分析物浓度的信息。读出单元可以由一个或一组晶体管、集成电路、专用集成电路(asic)、万用表、与计算机的usb通信系统、rfid、nfc无线通信系统或蓝牙系统等组成。
[0053]
在该装置的另一实施方案中，当连接到电化学电池的负载为电阻时，读出单元可以由同时测量电压和时间的两个单元组成，或者由集成这两个功能的一个单元组成。读出单元可以包括，例如，上一段中提到的任何测量电压的选项，结合测量时间的方法，例如复杂的电子设备，可能包括时钟、石英晶体、rc电路或任何类型的外部时钟等。
[0054]
在该装置的另一个实施方案中，负载可能包括电容器矩阵，使得在每个电容器端子之间达到的张力提供电化学电池中分析物浓度的离散信息。
[0055]
用于量化电化学电池中分析物浓度的该装置的实施方案的一个具体实施例是血糖仪，其中葡萄糖的浓度被量化。葡萄糖是血液中存在的分析物，该装置可用于诊断糖尿病。
附图说明
[0056]
为了完整地说明本发明，提高对本发明特征的理解，根据优选实施方案的实施例，
以一组附图作为本发明说明书的整体单元。这组图是说明性和非限制性的，代表以下内容：
[0057]
图1显示了执行作为本发明主题的分析物浓度量化程序的装置的块状示意图。
[0058]
图2显示了当电化学电池是燃料电池、蓄电池或混合动力电池时的电化学电池的极化曲线。
[0059]
图3的a)显示了电化学电池中分析物定量的第一实施方案的方案，其中主要负载对应于电容元件。b)显示了一个图表，其中描绘了电容性负载中的电压演变与时间的关系。显示了对应于三种不同分析物浓度的三种不同累积电容器电压模式。c)显示了描绘在根据电化学电池与电容器或一系列电容器的连接计算的特定时间的累积电容器电压与分析物浓度的关系时获得的校准曲线。
[0060]
图4显示了电化学电池中分析物定量的第二种方法的方案，其中主要负载对应于电阻元件。
[0061]
图5的a)显示了在负载对应于电阻性负载的情况下电化学电池、负载和读出元件的方案。b)显示当连接到电化学电池的负载是不同分析物浓度的电阻性负载时，电化学电池的电压随时间的演变，所述时间即是自电阻性负载连接以来经过的时间。c)显示了在不同分析物浓度下描绘两个值之间电化学电池电压下降所经过的时间时获得的校准曲线。
[0062]
图6显示了当电化学电池连接到电容电荷和集成读出元件时本发明的实施方案。
[0063]
图7显示了连接到电容器时作为电容器尺寸函数的燃料电池电压响应。对于恒定浓度的分析物(7.5mm葡萄糖)和不同的电容器尺寸：c＝1、1.36、2和3.3mf。
[0064]
图8显示了连接到电容器时作为葡萄糖浓度函数的燃料电池电压响应，对于2mf的恒定电容器尺寸和不同的葡萄糖浓度(6.2、7.8和11.1mm)。
[0065]
图9显示了根据燃料电池连接到电容器(2mf)后特定时间(50秒)的燃料电池电压与样品中葡萄糖浓度所获得的校准曲线。
[0066]
图10显示了本发明的一个实施方案，其中电化学电池连接到电阻性负载和集成读出元件。
[0067]
图11显示了连接到特定电阻性负载后，不同分析物浓度下电化学电池电压随时间的演变。
[0068]
图12的a)显示了电化学电池电压从开路电位下降到不同分析物浓度的特定阈值电压值所经过的时间之间的关系。b)显示了对于各种分析物浓度电阻值对电化学电池从其开路电位达到固定阈值0.45v所经过的时间的影响。
[0069]
图13的a)显示了不同分析物浓度下电容器c1两端的累积电压，而电化学电池两端的电压主要由于r1的影响而下降。b)在测得的输出电容器电压和分析物浓度之间获得的校准曲线。
[0070]
图14的(a,b)显示了基于r1、r2和c1组合选择的不同分析物浓度的输出电压电平调制。
[0071]
图15显示了根据针对给定分析物浓度选择电阻器r2来调节电容器两端稳定输出电压电平的实验结果。
[0072]
发明详述
[0073]
在下文中，并由图1至图15支持，描述了用于量化电化学电池中分析物浓度的装置和程序的优选实施方案。
[0074]
在第一实施方案中，如图5所示，该装置包括并联连接到负载(2)的电化学电池(1)，在这种情况下，负载(2)是电容器(4)和读出元件(3)。一旦电路闭合，电化学电池中产生的电荷就会转移到电容器(4)。电容器中的累积电压vc(4)取决于从电化学电池(1)转移同时还取决于分析物浓度的积累电荷。所述电荷取决于电化学电池(1)的样品中存在的分析物浓度。
[0075]
如图6所示，读出元件(3)由一组晶体管(8)组成，这些晶体管(8)根据电容器电压(4)而处于断开或闭合状态，目的是提供分成之前稳定的不同级别的分析物浓度的数字结果。读出结果显示在几个电致变色显示器(6,7)中，当晶体管(8)处于导通状态时，即当电容器电压(4)超过阈值时，电致变色显示器将打开。在该特定配置中，本实施方案能够区分分析物的三种不同浓度水平。
[0076]
图7显示了当连接到值为1mf、1.36mf、2mf和3.3mf的电容器c时、同时在7.5mm的葡萄糖浓度下运行的燃料电池电压的演变。电容值允许调整燃料电池(1)输出电压。
[0077]
图8显示了当电容器设置为2mf时，对于不同浓度葡萄糖(6.2mm、7.8mm和11.1mm)的实验电化学电池(1)电压值(vs)随时间的变化。如图所示，电化学电池(1)电压值与葡萄糖浓度相关，因此，通过在特定时间测量电化学电池(1)电压，可以确定分析物的浓度。
[0078]
图9显示了v
out
的校准曲线，即电化学电池(1)耗尽后的电容器电压(vc(t))与葡萄糖浓度的关系。
[0079]
图6中所示的读出单元(3)由一组晶体管(8)组成，这些晶体管(8)处于断开或闭合状态，具体取决于电容器(4)电压(vc(t))，目的是提供分成不同水平的分析物浓度的数字结果。读出结果显示在几个电致变色显示器(6、7)中，当晶体管(8)处于导通状态时，即当电容器(4)电压(vc(t))超过阈值时，电致变色显示器(6,7)将接通。在该特定配置中，本实施方案能够区分分析物的三种不同浓度水平。
[0080]
在另一个实施方案中，如图10所示，电化学电池(1)并联连接到负载(2)——在这种情况下是电阻器(5)——并连接到读出元件(3)。读出元件(3)由两个块组成：第一块(9)，测量电阻器(5)上的电压降并检测阈值电压值，该阈值电压值决定了时间监控的开始点和结束点。第二块(10)用于量化所述时间。在这种特殊情况下，时间是通过rc电路测量的，其中电流受到电阻器的限制，并且电容器(4)中的累积电压允许获得有关rc电路已连接到电化学电池(1)的时间的信息。
[0081]
块(10)中rc电路中电容器的累积电压取决于电化学电池(1)的电压从初始值演变为最终值所经过的时间。该间隔由块(9)确定。
[0082]
间隔的大小取决于电化学电池(1)中的分析物浓度。因此，一旦电化学电池(1)中的电压达到阈值，通过测量块(10)的电容器中的累积电压，可以量化分析物浓度。较高的分析物浓度会在电容器中产生较高的累积电压，因为它会被充电更长的时间。
[0083]
在如图11所示的另一个实施方案中，电化学电池(1)连接到电阻性负载。根据给定电阻值的分析物浓度，电化学电池两端的电位以不同的速率从其开路电势下降。可以观察到，在较小的分析物浓度的情况下，衰减速度更快。
[0084]
从图11还可以看出，这些电压的下降受所用负载电阻值的影响。负载值越大，电压衰减率越高。在该实施方案中，当仅经受电阻性负载时，电化学电池(1)的电压从开路电位下降到特定阈值水平(在图例中提及)所经过的时间示于图12(a)中。对于10kω的特定电阻
值，对于不同的阈值电压水平，随着分析物浓度的增加，观察到的经过时间成比例增加。图12(b)显示了电化学电池在仅经受电阻性负载时从其开路电位达到0.45v阈值所用的时间。观察到线性拟合曲线的斜率随着负载电阻值的增加而增加。
[0085]
在另一个实施方案中，电化学电池(1)已经连接到图3所示的电路，其中r1＝10千欧姆、r2＝100千欧姆和c1＝47μf。由于电阻器r1的主要影响，电化学电池(1)电压值下降。在此过程中，电容器中的输出电压会逐渐累积，直到二极管d1中断大量电流的通过。
[0086]
如图13所示，实验结果表明，对于不同的分析物浓度，电容器两端的输出电压值不同。由于限制电容器立即放电的二极管的存在，输出电压保持稳定值至少30秒。
[0087]
在另外的实施方案中，电化学电池(1)已连接到图3所示的电路，其中r1＝10千欧姆和c1＝47μf，并且电容器c1两端的输出电压电平已通过将r2设置为不同的值(100千欧姆和220千欧姆)而得到调制，而不影响不同分析物的响应模式，如图14所示。还通过设置5mm分析物浓度和57kω、100kω和220kω的r2值来测量r2值对电容器累积电压的影响，如图15所示。