CN1867826B - 化验电化学性质的方法和设备 - Google Patents

Abstract

利用电导电池型设备在电化学系统中估计标本中存在所选分析物。在电池的两个电极之间产生电位或电流，要足以引起分析物检测氧化还原系统中的分析物或介质的氧化或还原，从而在两个电极间形分量析物或介质的化学电位梯度。梯度建立之后，中断所加电位或电流，并从化学电位梯度的松弛获得分析物无关信号。分析物无关信号用来校正在施加电位或电流期间获得的分析物有关信号。这种校正可以改进分析物浓度的测量，因为它对装置特定和测试特定因素例如分析物和/或介质的传输(迁移率)、有效电极面积以及电极间距(和作为结果的标本体积)进行了校正，而不需要单独的校准值。在手持仪表中，用一次性测试条就可进行分析，例如作葡萄糖测试。

Description

化验电化学性质的方法和设备

本申请要求2003年8月21日提交的美国临时申请60/496,787和2003年12月15日提交的60/529,648的权益，这两项申请通过引用结合在本文中，在允许这种结合的所有权限内。

技术领域

本发明涉及化验电化学性质的方法和设备，更具体地说，涉及由小体积标本测定分析物例如葡萄糖的方法和设备。

背景技术

量化或检测分析物的电化学装置因其制造和使用都较简单故常被选用。电化学传感器常具有电位计(potentiometric)装置或电流计(amperometric)装置的形式。电位计装置测量电荷对原子以及它们位置的影响，其实例包括chemFET(化学场效应晶体管)和离子选择的电极(包括pH电极)。电流计装置的工作原理是施加电位并测量所得电流，其中所产生电流的幅度通常与存在的分析物的量有关；或者，在一段时间内通过的总电荷可用来表示在标本区内分析物的量。由于能产生电化学电流的化合物范围小于能携带电荷的化合物范围，因此电流计装置常可提供更大的选择性。所以，在如环境监控和医学等各种不同领域中，许多精力都集中在电流计传感器上。

对于以较低成本在越来越小的标本上作日益增长数量的测量的需求，意味着电流计传感器正在达到自然极限。一种旧式的电流计分析是使用电导电池(conduction cell)，其中物种(species)从一个电极通过标本到另一个电极的运动与其浓度有关。这种方法要求仔细的逐个电池的校准，以校正电极面积及间距的变化，它们以单一电池常数来表示，用于校正电池读数。在较新形式的电流计分析中，快速获取读数意味着只有被研究电极附近的物种才对结果有影响。但是，随着标本越来越小的目前趋势，一个电极上反应的影响迅速被感应为另一电极上不需要的干扰，而且即使这种影响可以去除(例如使用银/氯化银阴极)，小标本尺寸也意味着所通过的小量电流会更难于精确测量。而且，小型、轻便装置的读数由于其制造容差的极限而不可靠。所以，在小型电导电池中进行电化学化验的方法和设备若能够对制造、环境和标本变化产生其自已的校正因子将是有用且有益的。

发明内容

本发明涉及使用电导电池型设备估计在电化学系统中的标本中存在所选分析物的方法。该方法包括以下步骤：

(a)将标本引入电导电池的两个电极之间的空间中；

(b)在两个电极之间施加电位或电流，要足以引起分析物检测氧化还原系统中分析物或介质的氧化或还原，从而在两个电极之间形分量析物或介质的化学电位梯度；

(c)在梯度建立之后，中断所加电位或电流，并获得反映化学电位梯度松弛的分析物无关信号；

(d)获得分析物无关信号后，在电极之间可选地加电位或电流；

(e)在步骤(b)或步骤(d)或二者中，在加电位或电流期间，获得分析物有关信号；以及

(f)使用在步骤(c)获得的分析物无关信号校正在步骤(e)获得的分析物有关信号，以获得校正的分析物有关信号，指示标本中存在所选分析物。

使用两个信号，即分析物无关信号和分析物有关信号，比起常规的仅使用分析物有关信号，可以改进分析物浓度的测量，因为分析物无关信号提供了关于装置特定和测试特定因素的信息，例如分析物和/或介质的传输(迁移率)、有效电极面积以及电极间距(以及作为结果的标本体积)，而不需要单独的校准值。这就是说，使用本发明的方法和设备就可以实现自动校准，改进了测量的精确度和准确度，但不增加成本。

本发明还提供一种用于实践本发明方法的设备。该设备包括机壳，其中置有用于产生和观测第一和第二信号的电子电路。在优选实施例中，机壳的大小可以手持，并有一个开口，用于插入目前已知类型的测血糖的一次性使用的测试条。

附图说明

图1示出示范分析物检测系统中的反应，用于分析葡萄糖。

图2示出本发明的实施例。

图3示出电导电池的一般性操作。

图4示出按照本发明进行自动校正的一种方法。

图5示出电池开路后在不同时间计算机模拟铁氰化物浓度和电化学电池上标准化距离之间的关系的结果。

图6示出对于各种P_T值电位作为时间函数的衰变。

图7A-C示出电导电池电化学传感器的电化学电池的实施例。

图8示出具有并排电极的电池。

图9示出对于不同的分析物浓度可在P_T和测量的电流之间存在的一个关系实例。

图10示出对于不同P_T值的代表性校准曲线。

图11示出如果P_T值改变而可能发生的错误类型的一个实例。

图12示出P_T和达到0.06V电位差所用时间t之间的关系。

图13A-C示出由于P_T改变而校正估算值的情况。

图14A-C以流程图形式示出本发明的实施例实例。

图15示出变换器控制设备的一个实施例实例示意图。

图16示出变换器控制设备的实施例。

图17示出对于不同的P_T值，电位计松弛信号作为时间函数的示意图。

图18以示意形式示出从所测数据中量化P_T量度的一个实例。

图19以示意形式示出用于瞬态系统的电流计信号实例。

图20A-C以示意形式示出可由基于电导电池的生物传感器系统产生的几个电流计信号实例。

图21A-D以示意形式示出基本共面电极的几种配置实例。

图22示出按照本发明的设备实施例的外部视图。

具体实施方式

定义

在本文中使用的术语“分析物”是指拟用实验或装置检测和/或测量的一种化学或生物物种。

在本文中使用的术语“干扰物”是指在分析分析物时作为干扰剂的化学或生物物种，它存在于标本中，并会引起检测或测量的误差。

在本文中使用的术语“自动校正”是指如下过程：将设备使用过程中所获得的有关该设备的信息应用到在设备使用过程中从设备所获得的其它形式的信息上，以改进全部或部分信息的精确度。

在本文中使用的术语“电导电池”是指一种装置，它有两个电极与溶液接触，以使通过电流在电极之间通过就能计算出溶液的电导。

在本文中使用的术语“电导池”是指电导电池。

在本文中使用的术语“标本因素”是指与标本溶液有关的特性和/或因素，从标本溶液中记录电化学信号，以测量该标本溶液的某些特性。实例包括但不限于：具体分析物浓度、干扰物浓度、溶液的粘度、标本的介电性以及标本的微粒负荷。

在本文中使用的术语“设备因素”是指有关用于测量关于标本溶液的电化学信号的设备的特性和/或因素。实例包括但不限于电极几何特性、电极尺寸以及设备中的保护层，其可包括聚合物网或涂层。

在本文中使用的术语“电位计松弛”是指电位随时间的变化。电位计松弛的实例包括，在已经去除所加电位且在电极之间基本没有电流流过时，两个电极之间电位的变化。这种电位变化可以是在两个电极与其电解接触的标本中还原的化学物种和氧化的化学物种的浓度分布变化的结果。

在本文中使用的术语“环境因素”是指除“标本因素”或“设备因素”之外的特性和/或因素。实例包括但不限于：温度、湿度、物理振动以及周围无线电波。

在本文中使用的术语“有效电极面积”是指与标本电解接触的电极面积。通过改变电极的几何特性或使电极仅部分接触标本，就可改变有效电极面积。

在本文中使用的术语“电解接触”是指具有一种电化学系统，该系统包括至少一个配置成从标本中收集电化学信息的电极。实例包括但不限于：电极与标本物理接触；电极由膜片、薄膜或其它材料与标本隔开；以及电极由水介质与标本隔开。电化学信息的例子包括法拉第电流、非法拉第电流以及化学电位。

在本文中使用的术语“稳态”是指如下情况：在任意长的时段内，情况的某个指定特征，例如但不限于值、速率、周期性或幅度，仅呈现可忽略不计的变化。这个术语还可包括如下情况：在全部或几乎全部初始瞬态或波动情况都已减弱，且所有电流、电压或电场保持基本恒定或均匀振荡或基本均匀振荡之后，所存在的情况。这个“术语”还包括几乎已经达到稳态的情况。术语“稳态的”是指“稳态”。

在本文中使用的术语“RAC”是指氧化还原活性化合物。这是可参与氧化还原反应的物质。RAC的实例包括铁氰化物、亚铁氰化物、二茂铁、氧和过氧化氢。应理解，将一物种识别为氧化还原活性化合物取决于电化学电池和电池中的电位差，以使一种给定化合物在一种使用中可以是RAC，而在某种其它环境中却不是氧化还原活性的。

在本文中使用的术语“NRAC”是指非RAC的物质。

术语“分析物检测氧化还原系统中的介质”是指一种本身不是分析物但却是RAC的电化学信号源。“分析物检测氧化还原系统”是允许对NRAC分析物进行电化学检测的系统。举例来说，用于检测葡萄糖的分析物检测氧化还原系统包括一种酶，诸如能够使葡萄糖氧化的葡萄糖氧化酶，以及一种RAC介质，它能够使酶再氧化以恢复其活性形式。图1示出了在用于检测葡萄糖的分析物检测氧化还原系统中进行的反应。

在本文中使用的术语“激励波形”是指加到电化学传感器系统上的电压或电流，它可以是随时间而变、不随时间而变、AC和/或DC。

在本文中使用的短语“估计标本存在所选分析物”包括：定性检测分析物的存在，即标本中是否存在可检测量的分析物；半定量检测，即分析物存在的量是否大于预定阈值；以及定量估计，即测定存在分析物的实际数量。

术语“分析物有关信号”是指所观测的电化学信号，它可能是电流或改变的电位的形式，其幅度取决于分析物的存在或其数量。分析物有关信号不必完全取决于分析物的存在或其数量，实际上，在本申请中所讨论的未校正信号一般还取决于除分析物的存在和/或其数量之外的其它因素。

术语“分析物无关信号”是指其时域特性取决于的因素不是分析物数量的信号。应理解，分析物无关信号的存在取决于分析物的存在，但信号的衰变速率，即时域特性，至少在普通测量中所遇到的浓度范围内，并不取决于分析物浓度。

本发明的方法

按照本发明的第一方面，提供了一种估计标本中存在所选分析物的方法。该方法包括的步骤有：在电化学系统上加电位或电流，要足以引起分析物检测氧化还原系统中的分析物或一种介质的氧化或还原。施加电位或电流导致在两个电极之间的空间中形分量析物或介质的化学电位梯度。

梯度建立之后，中断所加电位或电流，使装置中还原或氧化形式的分析物或介质在电极之间以浓度梯度分布。这个梯度在电极之间建立了电位差，而在不施加电位或电流时，该梯度和关联的电位差就松弛到均匀分布的平衡状态。通过监控电位差就可监控该松弛的时间过程。松弛的时间过程取决于以下因素，例如：有效电极面积、温度、电极间隔、血细胞比容，但基本上与分析物浓度无关。

在监控到电位衰变后，可选择地将外部电位再加到系统上。在第一次加电位、第二次加电位或在这两次期间，通过监控系统来获得未校正的分析物有关信号。可以使用附加的电位通和断周期，并可在任一周期或这些周期的任何组合进行测量。未校正的分析物有关信号通常是本身就能够提供存在分析物的指示的信号。在本发明的优选实施例中，施加电位，并且分析物有关信号是从分析物的电流计估算中导出的电流信号。分析物有关信号也可以是因保持电极间的所需电流而产生的电位差。所以，分析物有关信号包括取决于所选分析物的存在/浓度的信号分量，还可包括取决于其它因素的分量，其它因素包括标本因素、环境因素以及设备因素，而这些因素与所选分析物的存在或浓度无关。

为了提供对分析物更精确的估计，需要针对这些分析物无关因素对原始的分析物有关信号进行校正，这就是本发明的目的。所以，本发明的最后步骤就是，基于所观测的分析物无关电位衰变对未校正的分析物有关信号进行校正，以形成校正的分析物有关信号。然后优选地将该信号转换成用户友好输出，例如指示标本中分析物的存在或浓度的可视显示形式。

加到系统上以产生梯度的电位，和在可选的梯度松弛后电位施加步骤中的电位，可以是不随时间而变的或随时间而变的电位。PCT公布WO 03/060154和WO 03/069304，其内容通过引用结合在本文中，各描述了使用随时间而变的电位来产生分析物有关信号。

图2示出了本发明的实施例，其中对可由除分析物浓度之外的源而在电导电池电化学传感器中产生的测量偏差进行了校正。所有箭头表示一组通信信道，除非另外标注，并可包括但不限于：通过物理导体的电传输、无线传输以及多信道通信。

如图2所示，变换器控制设备(TCA)5将激励波形信号10加到电化学电池50上。电化学电池50基于电导电池，并包括至少两个电极，用电极A 55和电极B 60表示。标本70与至少电极A 55和电极B 60电解接触，且包括氧化还原活性化合物65和非氧化还原活性化合物80。TCA 5具有恒电位和恒流工作的部件，并可根据需要在这两种模式之间转换。在恒电位工作时，施加电位并产生电流。电位的测定基于在电极上要氧化/还原的分析物或介质的氧化还原特性。在恒流工作时，施加电流并产生电位。

激励波形信号10使标本70中的至少一个RAC 65和/或至少一个NRAC 80在由电极A 55和电极B 60表示的每个电极上产生电化学信号75。信号10可以是电流信号或电位信号。信号10可以基本上是零安培、基本上不是零安培、基本上是零伏和/或基本上不是零伏。这个响应信号75由变换器控制设备5检测并测量。信号75可以是电流信号或电位信号。

为了便于对激励波形信号10和响应信号75进行数字处理，可以使用模数转换器(ADC)15将模拟信号转换为数字信号。可以使用抗混淆滤波器和ADC配合进行滤波，并在数字化之前对信号滤波。业界技术人员应了解，这种滤波器可能是ADC本身的一部分。

计算设备25接收来自ADC 15的数字化信号进行处理。计算设备编程为执行校正过程30，并包括数据存储器35，例如其形式可为数据存储盘、光盘或可写存储器，可存储程序指令、参考数据和结果。

校正过程30使用数据存储器35中存储的函数和/或公式来修改信号，以对除分析物浓度以外的其它源可产生的信号变化进行校正，并计算有用的导出量。有用导出量的一个实例是标本中所需分析物的浓度。校正过程30还可利用可在数据存储器35中包含的校准数据。

然后将导出量以有用的方式发送到输出端45。有用输出方式的实例是：将分析物的浓度以可视的显示方式显示给用户，或由电子部件发送和存储分析物的浓度。在纯定性测定的情况下，有用的输出可以是二进制显示形式，例如是/否、发光显示中的红/绿通/断情况或可听信号。

在本发明的一个实施例中，在电池的电极之间加电位，并对因这个所加电位而产生的电流进行测量，作为分析物有关信号。可以施加电位，直到达到稳态电流，然后测量该电流。或者，在达到稳态之前，可对电流瞬态进行电流测量。

以本发明方法进行测量时，标本位于两个电极之间，并包括氧化形式和还原形式的电化学活性物种。这些形式之一其浓度与所关注分析物的量有关。另一形式是大量的。在电极间施加电位差，这使一个电极上的还原形式氧化，而使另一电极上的氧化形式还原。这产生：

(i)在靠近两个电极的溶液环境中的化学电位差；以及

(ii)连接两个电极的电路中的电流。

化学电位差引起了两种形式的电化学活性物种的浓度梯度，这会助长扩散。通过保持稳定的化学电位差，扩散就可达到稳态，且电流就可达到稳定电平。

去除两个电极之间的电通信就不能保持该浓度梯度，由于扩散，浓度梯度开始减弱。浓度梯度的减弱导致每个电极附近的化学电位变化。这些变化可以通过测量两个电极之间的电位差来监控。在加有稳定电位时，发现两个电极之间流过的所测电流的幅度基本上取决于分析物浓度，并基本上取决于电化学活性物种的迁移率。在将电极电隔离之后，发现电极之间的电位变化基本上取决于迁移率，但基本上不取决于分析物浓度。通过适当组合这二者，就可导出基本上与迁移率无关的分析物浓度的量度。

通过施加稳定电位或施加可基本上不会使化学电位不稳定而变化的电位，就可产生适当的化学电位差，以保持稳定的电流(例如计时电位分析法)，或激励系统的其它方面(例如ac阻抗光谱学)。

通过施加电位可以产生化学电位的适当扰动，以便通过随后将电极电隔离就可监控化学电位的变化，无需电流曾经达到稳态。在这种情况下，测量瞬态电流，其基本上取决于分析物浓度和电化学活性物种的迁移率。在将电极电隔离后，又发现电极间的电位变化基本上取决于迁移率，但基本上与分析物浓度无关。所以通过适当组合这二者，又可导出基本上与迁移率无关的分析物浓度的量度。虽然这种相互关联的形式可不同于稳态情况，但保持了消除迁移率相关的能力。

在本发明的另一实施例中，在电池的电极之间施加电流，并对由于这个所加电位而产生的电位差进行测量，作为分析物有关信号。可以施加电流，直到达到稳态的电位，然后测量电位差。或者，在达到稳态之前，对电位瞬态进行电位差测量。

在这些实施例实例中，电化学电池设计、激励波形以及信号分析过程都设计成改进由电导电池传感器系统所进行的测量，以减少来自除所需分析物浓度以外的变化的误差。

使用电导电池来测量化学物质的浓度和传输特性以前已有说明(MacInnes，1939)。在带电物种例如离子的特定情况下，通常有四种因素影响物种的传输特性(Crow，1998)：浓度梯度、电位梯度、温度梯度和对流(例如通过机械搅动)。对于电化学传感器系统的情况，一般假定，浓度梯度和电位梯度是对传输特性有显著影响的因素。而且，Schmidt-Weinmar(1967)指出，通过将电极放置成相距小于200微米，且优选为小于150微米，就可有效地从电导电池系统中消除对流效应。

图3示出常规电导电池的一个一般原理。此图参考了采用铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原对的具体系统。参考这个氧化还原对作为一个非限制性实例，并不旨在表明这个氧化还原对是唯一可采用的。两个电极100和105放置成基本上平行的结构，与含有所关注物种的标本电解接触。电导电池的几何特性并不限制本发明。工作原理用许多其它几何结构时依然有效，包括非平行面对结构、每个电极的不同面积以及共面结构。在此实例中，氧化还原活性化合物(RAC)是铁氰化物125和亚铁氰化物120，它们形成氧化还原对。电位源110将电位差加到两个电极之间。在此实例中，阴极电极100用作阴极，在此发生还原反应，以将铁氰化物125转换成亚铁氰化物120；且阳极电极105用作阳极，在此发生氧化反应，以将亚铁氰化物120转换成铁氰化物125。在此过程中，对于在给定电极上反应的每个分子，都有电子115从阳极105转移到阴极100。箭头135和130表示传输过程，例如扩散，其对标本中物种的传输起作用。

在本发明的一些实施例中，所测量的分析物物种可由其它化学反应而产生、消耗和/或改变。图1示出一个在与酶有联系的生物传感器中这种情况的实例，其中一种物质例如葡萄糖500与酶例如葡萄糖氧化酶反应，以将酶从氧化状态GODox 510转换为还原状态GODred515。例如，铁氰化物525可在被还原成亚铁氰化物520的过程中与还原酶GODred 515反应，以将其转换成其氧化形式GODox 510。这样，在此实例中，铁氰化物和亚铁氰化物的数量就会在测量前、测量过程中或测量后由标本中可能发生的其它过程而改变。在此实例中，亚铁氰化物浓度的测定就可与葡萄糖浓度相关。

诸如图3所示的电导电池可以用来测定分析物或RAC物种中的浓度和它们通过标本介质的传输特性(MacInnes，1939)。通过在电极间加DC电位或AC电位，都可使用这种电池。AC电位已经用于最小化每个电极上的电化学反应产物，但是，根据应用的需要，任一种方法都可用来测定分析物的传输特性。

为了测定电导电池的传输特性，测量对电压作出响应而流过电池的电流。通过得到所加电压对所得电流之比来计算电池的电阻。标本的电导率k可按以下公式计算：

$k=\frac{h}{\mathrm{RA}}$

式中h是电极间的距离，R是电阻，且A是每个电极的面积，假定电极面积相等。电导电池的电池常数K_cell由下式定义：

$K_{\mathrm{cell}}=\frac{h}{A}$

这样，如果已知电导电池的电池常数，则未知标本的电导率就可通过测量电池的电阻来测定，如下式：

$k=\frac{K_{\mathrm{cell}}}{R}$

由于标本的电导率是分析物浓度和传输特性的函数，因此由于可在电导电池电化学传感器中分别存在的浓度梯度和电位梯度，现有技术已建立了一种测定传输特性例如扩散系数和分析物迁移率的方法。电导率如何与诸如传输特性和浓度等因素相关，取决于实验装置的具体性质。

为使该方法成功，必须已知电池常数。为此，常规方法是用已知电导率的标本来校准电池以测定电池常数，然后用同一电池来测量未知标本的电导率(MacInnes，1939)。

对此方法的一些修改也是已知的。电导测量已例行用于测定标本中的浓度和传输特性。例如，在水净化时，已经通过电导测量来测定离子物种的浓度。在另一实例中，已经使用分析物的扩散特性来测定标本中微粒物质的水平。特别是，可以用电导测量来测定血样中的血细胞比容水平。这一点特别重要的一个实例是对于电化学血糖传感器；传感器读数会受血样的血细胞比容水平或粘度的严重影响，因为传输特性例如扩散和/或迁移受到影响。

例如，微粒物质诸如血细胞比容以及其它因素，诸如蛋白质含量、乳糜微粒以及血小板，都会影响在进行血糖测量中所涉及的许多化学物种的传输特性。所以，许多关注已经集中在量化传输特性对用分析仪器计算的分析物浓度例如葡萄糖测定的影响上。许多因素会影响传输，包括但不限于：电场导致的迁移、浓度梯度导致的扩散以及标本移动或温度导致的对流；而且可以用模拟方法来校正由于这些因素导致的传输偏差。通过使电导电池系统中的电极间距小于200微米，更优选为相距小于150微米(Schmidt-Weinmar，1967)，来最小化并有效地消除对流效应。

图3示出一个可用于测量的电池的实施例实例。在此情况下，目标分析物是亚铁氰化物120，它在此实例中是少数物种。铁氰化物130在此实例中很大量，由此是多数物种。在与标本接触的电极100和105之间加足够大的电位就会改变附近溶液的化学电位，因为在一个电极上的少数物种的浓度降到非常接近于零，而在另一电极上其浓度近于加倍。在一个实例中，如果电极A 105处于比电极C高得多的电位，则在电极A 105上发生氧化过程，而在电极C 100上发生还原过程。业界技术人员应了解，所加电位也会影响离子物种的分布，而且这可用电化学电位更充分地表示，电化学电位包括了这个的影响。在此就化学电位所讨论的行为的潜在模式因此仅用于说明性目的，不应看作为一种约定。除本文已明确公开的那些之外的其它在物种上的平衡力的表示也在本发明范围之内。这些力的实例包括：例如来自在Atkins(1999)中描述的浓度梯度的热动力，以及如在对流中由于介质移动产生的力。

在通过对电池施加电压并然后去除电通信而从等效电路模型中提取电池常数K_cell的方法实例中，通过建立浓度梯度而存储在电导电池中的电荷数量可以表示为：

     存储的电荷＝nF*[亚铁氰化物]*(电池容量)

因此通过对所加电压Vapp充电来产生电容。

     电容＝(存储的电荷)/Vapp

     电容＝nF*[亚铁氰化物]*(电池容量)/Vapp

去除电极间的电通信留下存储的电荷完全通过电池的电阻R自己放电。在这个等效电路模型中，此放电的时间常数可以用标准方法由电极间随时间的电位变化来测定，其中：

                 时间常数＝R*电容

由于电导率为：

                 κ＝K_cell/R＝γ*[亚铁氰化物]

式中γ为比例常数，这意味着：

                 R＝K_cell/(γ*[亚铁氰化物])

于是，

           时间常数＝nF*(电池容量)*K_cell/γ*[Vapp]

这是与浓度无关的K_cell量度。

从离子迁移率角度的另一实施例实例考虑到通过对电池加电压而沿两个电极之间的距离所建立的电位梯度。物种沿此梯度的移动已在现有技术中针对电导电池中的电流作了说明(MacInnes，1939)。在这种系统中亚铁氰化物对电场

作出响应的运动以其迁移率U进行描述。该公式表示为：

$I_s=\mathrm{\β}\stackrel{\→}{E}\mathrm{UA}\frac{C}{h}$

$K_{\mathrm{cell}}=\frac{h}{A}$

$s=-U\stackrel{\→}{E}$

$I_s=-\mathrm{\βCA}\frac{s}{h}$

式中I_s是稳态电流，β是比例常数，s是漂移速度，且

是电场。h对A的比率通常在校准步骤中用已知标准来计算，得出电池常数K_cell(Atkins，1999)。漂移速度在此实例中以负数表示，因为电流被认为是由负离子携带；由此，带负电荷离子的漂移速度是向所加电场的相反方向。其它公式也可用于I_s，视设备的性质而定。在此实例中，有许多变量会使从电化学电流中提取的浓度信息失真。在实际测量中，可能每个电池的电池常数都各不相同，因为制造偏差会改变影响电池常数的几何因素。而且，在分析真实标本时，例如全血作葡萄糖测定，分析物的传输特性-例如漂移速度-在标本之间会大不相同。例如，已知血细胞比容水平会影响血液中化学物种的运动。所以，由除浓度外的其它因素例如电池常数和漂移速度的变化引起的信号偏差会显著改变由电化学传感器系统估算的葡萄糖浓度。

所以，困难在于，要能够量化由除分析物浓度外其它变化例如电池几何特性以及传输特性的变化所引入的误差，以对分析物浓度的估算值进行校正。进行这种自动校正的方法和设备就会很有用。本发明的实施例说明了一种新颖的设备和方法，用于对测量偏差的环境源-即除浓度以外的源-进行测定和校正，而不必事先知道电极面积、电极间距、漂移速度或迁移率。

一种模拟方法和设备可用于由浓度梯度引起的物种运动。在此实施例实例中，沿两个电极间距离的浓度梯度将通过电化学反应建立，并且物种沿此梯度的运动可用Fick扩散定律描述：

$\mathrm{Flux}=-D\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dx}}$

式中D是扩散系数，dc/dx是沿特定轴的浓度梯度，且Flux(通量)是在单位时间内通过垂直于此轴的单位面积的物种数量。在一个实例中，其中通量达到稳态，且电极是平行的平面结构，标本在电极之间，在每个电极上形成润湿面积A，且电极相距h，则对于初始少数载流子浓度C来说通量将为：

$\mathrm{Flux}=-D\frac{2C}{h}$

如果在一个电极上电化学消耗的或在另一电极上电化学产生的每个少数载流子分子交换n个电子，则由少数载流子的运动而产生的稳态电流I_s可由下式给出：

$I_s=\mathrm{nFDA}\frac{2C}{h}$

式中F为法拉第常数。于是，依据电场的力作用下的迁移率U的离子运动等效于依据扩散系数(具有适当的单位调节)的离子运动，所以nFD项可表示为

(Atkins，1999)。由此，本发明也可适用于依据其扩散的系统。

按照本发明的实施例，通过对由设备因素例如电池几何特性与标本因素例如标本成分的未知变化所引入的误差进行测定和校正，就可改进分析物浓度的估算。化学传感器中的一个重大难题是精确测定目标分析物的浓度，因为测量环境中的各种变化-例如电极间距或粘度-都会影响分析物浓度的估算。可用一种对这些变化的影响很敏感但基本上与分析物浓度无关的设备和方法来估算和校正这些变化源。

按照实施例，在估算分析物浓度时因不同的有效电极面积而引起的误差可以通过使用对不同电极面积的影响很敏感但与分析物浓度无关或较少相关的设备和方法来减少。这可用来测定电极面积，并从而允许针对这种改变对浓度估算进行校正。

按照实施例，在估算分析物浓度时因标本中分析物的不同传输特性而引起的误差可以通过使用对这些特性很敏感但与分析物浓度无关或较少相关的设备和方法来减少。这可用来测定标本中分析物的迁移率，并从而能针对这些改变对分析物浓度估算进行校正。

本发明的实施例涉及对测量系统中会影响所测信号从而影响估算浓度的某些参数进行测定。在一个实施例中，将电池的几何参数和标本的传输特性作为可影响所测信号的代表性标本因素和设备因素-除分析物浓度本身之外。电池常数的一个分量h和漂移速度s的影响可以组合为一个有效传输参数(P_T)，并可与电极面积项分开考虑。具体地说，P_T可表示为：

$P_T=-\frac{h}{s}$

$C=-\frac{K_{\mathrm{cell}}{I}_S}{\mathrm{\βs}}=-\frac{I_{S}h}{\mathrm{\βsA}}=\frac{I_S{P}_T}{\mathrm{\βA}}$

业界技术人员应了解，对于用扩散系数更好地描述的浓度梯度影响下的系统，可以给出类似的表达式。在此情况下，P_T可表示如下：

$P_T=\frac{h}{D}$

$C=\frac{\mathrm{\α}{K}_{\mathrm{cell}}{I}_S}{D}=\frac{I_{S}h}{2\mathrm{nFDA}}=\frac{I_S{P}_T}{2\mathrm{nFA}}=\frac{\mathrm{\α}{I}_S{P}_T}{A}$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2\mathrm{nF}}$

有效电极面积A可以用我们的待审专利申请No.WO 03/069304中所述的方法求出。这样，测定P_T的方法就可以用于测量条件的全部特征，并能够更精确地估算浓度。在优选实施例中，P_T的测定基本上与电极面积无关，并基本上与分析物浓度无关。但这并不是一项要求，并且也不限制本发明的范围。本发明的一个实施例说明了一种方法和设备，它们能够同时求出设备因素(例如电池的几何特性)和标本因素(例如标本的传输特性)，可以对所测信号中因环境因素、标本因素以及设备因素所引起的变化进行更完全的自动校正。使用电导电池的现有技术通常要求在单独的步骤中对每个电导电池进行校准，而且不提供对测量信号中因环境因素、标本因素以及设备因素所引起的变化进行自动校正的部件。

图4示出一个对这些变化进行自动校正以增加估算的分析物浓度精确度的方法。该图是说明性的实施例，并不限制本发明。业界技术人员应认识到，这些步骤不一定要按所述顺序执行。将标本加到电池中(步骤200)，然后将电位信号加到电池上(步骤205)。该电位信号应使电池中的至少一个电极上发生还原和/或氧化过程。业界技术人员应认识到，不一定在标本加到电池之后再加电位信号，而是也可以在加信号之后再把标本加入电池中。从电池中测定稳态电流(步骤210)。该电流不必是不随时间而变的电流，因为如果描述信号的特征接近稳定值，则随时间而变的电流也可分类为稳态的。

一旦测定了这个稳态电流，就使电池开路(步骤215)，并测定两个电极间的瞬态电位(步骤220)。业界技术人员应认识到，不用电池开路的方法，用其它方法也可保持电极间的基本上零电流。另一方法的实例包括使用高阻抗开关，例如晶体管。使电池开路(步骤215)的实施例实例只是一个例子，并不限制本发明。根据电池开路前稳态电流的信息以及电池开路后瞬态电位的信息，可以测定对于环境变化例如因漂移速度、迁移率、扩散系数和/或因电池常数引起的变化的校正因子。然后校正因子可用来校正所测稳态信号中因环境源引起的变化(步骤230)，并可对校正的浓度估算值进行计算并以有用的形式输出(步骤235)。业界技术人员应认识到，对引起变化的环境源的校正可不必是单独的截然不同的步骤，而是可与浓度的计算结合起来。业界技术人员还应认识到，除分析物浓度外，标本的其它参数信息也可从校正因子中导出，作为单独的有价值的信息。这些参数的实例包括血细胞比容、温度和粘度。

在一个实施例中，在测定I_s后，电路开路，并测定电极间的瞬态电位。实现这个的一个实施例是使测量和控制设备从恒电位工作模式(此时施加电位并测定电流)转换到恒流工作模式(此时保持设定电流，在此情况下几乎是0安培，并测定电位)。业界技术人员应了解，除使电池开路外，其它实施例也可实现基本上零安培。一个实例是使用高阻抗开关，例如晶体管，以将流入电路中的电流限制到基本上零安培。使电池开路的实例只是一个例子，并不限制本发明。

一旦建立了稳态电流，在两个电极之间就会有浓度梯度。通过测量去除电极间所加电压后电极电位的松弛速率，就可测定与P_T有关的因子。在没有所加电压的情况下，物种的稳态分布(例如浓度梯度)就会不稳定，并且电活性物种就会移动，试图恢复标本中分子的更稳定浓度分布。在每个电极上亚铁氰化物离子和铁氰化物离子的不同相对浓度会给出不同的化学电位，且这些化学电位会因这些浓度趋于平衡而随时间改变。此信息由此可以用电位计方法进行监控，且所测得的电位随时间的改变可与P_T相关。测定P_T量度的方法的实例包括：

1.从去除所加电压的点到电位达到特定值的时间

2.去除所加电压后在特定时间点的电位

3.去除所加电压后电位衰变速率的量度，例如：

·在特定时段期间电位与时间的关系曲线的斜率

·在特定时段期间电位与时间的对数关系曲线的斜率

·在特定时段期间1/V²与时间的关系曲线的斜率，其中V为电位其它量也可用来由监控电位随时间的变化而测定P_T的量度。

在电导电池传感器的实例中，去除所加电位差后浓度分布的松弛可以用以下关系式(Atkins，1999)描述：

$J=-D\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dx}}$

                     J＝sc

如果将电导电池传感器从电流计工作(此时施加电位)切换到恒电位工作(此时去除所加电位-且在此实例中保持基本上零电流-并在时间t＝0时测量电位)，则在初始松弛阶段(即在t＝0+)，浓度梯度可如下所示，且P_T可计算为：

$\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dx}}=\frac{2c}{h}$

$\mathrm{sc}=-D\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dx}}=-D\frac{2c}{h}$

$s=-\frac{2D}{h}$

$P_T=\frac{-h}{s}=\frac{h^2}{2D}$

和监控电流不同(见例如美国专利：US5942102、US6179979、US6284125)，监控电极上的化学电位因此将允许作与电极面积无关的测量。在电位计条件下稳态浓度梯度松弛时(即，没有通过电子流从一个电极到另一个电极的电荷的电化学转移)，浓度分布改变，且其计算机模拟模型示于图5。

图5所示的模拟结果是模拟图5所示的电池，其中阳极电极105位于图5中的x＝0处，而阴极电极100位于图5中的x＝1处。电极间的距离已经标准化为1个单位。可见亚铁氰化物的浓度分布随时间演变。当实现稳态电流时并在电路开路之前，存在稳态浓度分布，以300表示。电路在t＝0秒时开路，并给出在以下时间的浓度分布：t＝0.2秒305，t＝0.4秒310，t＝0.6秒315，t＝0.8秒320，且t＝1.0秒325。在阳极(阳极电极105)和阴极(阴极电极100)处物种间的化学电位差可以描述为：

$V={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{anode}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cathode}}=\frac{\mathrm{nF}}{\mathrm{RT}}(\ln \left(\frac{{a\left(\mathrm{ferrocyanide}\right)}_{\mathrm{anode}}}{{a\left(\mathrm{ferricyanide}\right)}_{\mathrm{anode}}}\right)-\ln \left(\frac{a{\left(\mathrm{ferrocyanide}\right)}_{\mathrm{cathode}}}{a{\left(\mathrm{ferricyanide}\right)}_{\mathrm{cathode}}}\right))$

式中μ是亚铁氰化物/铁氰化物对的化学电位，a(物种)是该物种的活性，下标是指在电池中的位置。物种的活性与浓度有关，但由于说明了与单纯用浓度推算的热动力数量上的差异所以是更为理想的形式；然而，使用浓度，电极上的电位差可以近似为：

$V=\frac{\mathrm{nF}}{\mathrm{RT}}\ln \frac{{\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]}_{\mathrm{anode}}}{{\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]}_{\mathrm{cathode}}}$

式中[ferrocyanide]_电极是亚铁氰化物在适当电极上的浓度，并假定[ferricyanide]在标本中有很大量，故可近似为在各个关注的时间以及在标本中基本上保持恒定。已对此电压随时间的演变作了模拟，并在图6中示出了对于各种P_T值的电压演变。在此图中，在时间t＝0时电路开路之后，当电位松弛时，对以下P_T值测定电位：P_T＝28.7s 420；P_T＝19.2s 415；P_T＝11.6s 410；P_T＝5.9s 405；P_T＝3.8s 400。可以看出P_T对松弛的时间常数有明显的影响；业界技术人员会很清楚，根据设备因素、标本因素和/或环境因素，例如电池配置和测量方法，也可存在其它关系。

所以可用电位测量法从所测电位和时间之间的变化来测定P_T；电位松弛的演变基本上与分析物浓度和电极面积无关，但却是P_T的函数，从而提供测定对P_T变化的校正因子的所需方法。业界技术人员会清楚，有许多方法使用这种电位变化来量化P_T的影响。这些方法的实例包括：在一个时间间隔期间测定电位松弛的斜率；测定达到特定电位值所用的时间；和/或测定电位松弛的衰变速率的时间常数。

图6示出一个测定P_T量度的实施例实例。在此实例中，对于不同的P_T值，测量在切换到电位计工作后达到0.06V电位差所用的时间。清楚的是，在电导电池的电位松弛后达到给定电位差所用的时间可以是P_T的一种量度，所以本发明的实施例提供了用于测定P_T量度的部件。在测定有效电极面积的值时，对那些会对有效电极面积的变化和/或P_T的变化有影响的标本因素、设备因素以及环境因素(包括例如电池几何特性和分析物传输影响等因素)的变化进行校正，以测定分析物浓度的更精确的估算值。例如，一种测定有效电极面积的方法已在PCT 03/069304中公开，并也在上面描述了。这种方法涉及在电极上施加小幅度正弦波，并通过一组适当构建的公式使所得正弦电流和电极面积相关。当用这种电导电池电化学传感器测量标本时，I_s可以直接测量和测定出，P_T可以用本发明实施例的方法和设备测定，A可以用前述方法测定，而其它常数可以事先计算，这样就可得出浓度的更精确估算。

图7A-C示出电导电池电化学传感器的电化学电池的实施例。图7A示出这种设备的复合三维示意图；图7B为侧视示意图；而图7C为从复合结构中分离出的构成该设备的一些组件的示意图。此实施例实例包括一个电导电池，它具有基本上平行的电极(1320和1325)，二者由体积1340分隔开，体积1340可以容纳标本，并基本上限定了一个标本室。这个体积1340以下称为“标本室”。每个电极(1320和1325)由基本上不导电材料(1300和1305)支撑。每个电极(1320和1325)具有由基本上导电通路(1335和1330)提供的电连接，导电通路(1335和1330)也由基本上不导电材料(1300和1305)支撑。电极(1320和1325)的厚度可以基本上等于、基本上小于或基本上大于导线(1330和1335)的厚度。两个电极用基本上不导电材料(1325和1310)分隔开。放标本的体积(1340)可以部分由电极(1320和1325)限定，和/或部分由基本上不导电材料(1320和1315)限定。

在示范实施例中，标本室1340的两个面对且基本平行的侧面基本上由两个电极(1320和1325)所跨过的区域定义，如示意图7A-C所示。图7A-C的设备示出图2所示电化学电池50的一个实施例实例。业界技术人员应了解，也可有其它实施例。例如，电极不必基本彼此平行。在另一实例中，电极可处于同一平面中，并如图8所示。在此实施例实例中，电极2005和2020处于基本上不导电基底2000上的同一平面中。电子连接器2010和2015提供了电极(2005和2020)与TCA之间电子耦合的部件。所以，有许多不同的几何配置可用于电导电池传感器。本文中讨论的实例是一个实施例实例，并不限制本发明。

在图7A-C的设备中，两个电极(1320和1325)可分别作为电极A 55或电极B 60工作。标本70基本上位于标本室1340中。与变换器控制设备5的电接触是这样实现的：通过能电耦合到变换器控制设备5的基本上导电通路(1335和1330)，以提供从变换器控制设备5到电极(1320和1325)的基本上导电的电子通路。一个将图13的电化学电池电耦合到变换器控制设备5的实施例实例是提供一种部件，使每个基本上导电导线(1330和1335)的一个区域基本上接触到一部分TCA 5。这种部件的一个示范实例是基本上接触每个基本上导电导线上距与电极(1320和1325)接触的区域最远的那个区域。在图7A-C的示意图中，这是由延伸到基本上不导电材料1310之外的那部分基本上导电导线(1330和1335)所示。业界技术人员应了解，可以有其它部件将图7A-C所示电化学电池50电耦合到变换器控制设备5。

在一个示范实施例实例中，图7A-C的设备可以按照图3所示过程使用。在一个实施例中，电池中的一个电极1320是阴极电极100，而另一电极1325是阳极电极105。在另一实施例中，电池中的一个电极1325是阴极电极100，而另一电极1320是阳极电极105。铁氰化物125和亚铁氰化物120基本上位于标本室1340中。电压源110由变换器控制设备5提供，且电流115沿部分由基本上导电导线(1330和1335)构成的基本上导电通路流动。传输过程(130和135)基本上发生在标本室1340内。

本发明的设备

本发明的另一方面提供了一种用于实践本发明方法的设备。由此本发明提供了一种用于测定放置在电化学电池中的标本中存在分析物的设备，所述电化学电池包括两个电极，标本放在这两个电极之间作分析，所述设备包括：

(a)机壳，具有容纳电化学电池的空间；

(b)用于在电化学电池放到机壳中时在其两个电极之间施加电位或电流的部件(例如恒电位器或恒流器)；

(c)用于在施加电位或电流时测量在分析物检测系统中电化学电池内发生的分析物或介质的氧化或还原的部件(例如用于测量/观测电极间的电流或电位差的电路)；

(d)用于在两个电极间建立化学电位梯度的一段时间后切断电位或电流的部件(例如使电池开路的开关或高阻抗开关)；

(e)用于在电位或电流切断后监控化学电位梯度衰变的部件(例如用于观测电极间电位差的电路)；

(f)用于将所测的氧化或还原与所监控的衰变组合起来以产生标本中存在分析物的指示的已编程数据处理部件(例如附有执行本申请所述步骤的程序的数据处理器)；以及

(g)用于将标本中存在分析物的指示传送给用户的输出部件。

该设备可单独提供，但通常和一次性使用的测试条形式的电化学电池结合使用。该设备具有一个用于接收测试条的狭缝，以及适当的信号发生和处理元件，用于施加电位和电流，并监控所得电流或电位以及化学电位梯度的衰变，以及用于将所得信息转换为估算结果的指示。测试条可以是适于检测特定所选分析物的任何测试条。在优选实施例中，测试条具有面对的电极，且电极间的间隔非常短，以使氧化和还原的物种的梯度延伸电极间距离的至少10％，更优选为大于80％，直到100％。一般这将是20到400微米的距离。显示器可结合为仪表的一部分，例如LCD显示器、LED显示器或动圈式仪表等形式。显示器也可与仪表分离，并用有线或无线通信链路连接到仪表。

图22示出了本发明设备实施例的外部视图。机壳3000可以用任何适合的材料制成，但最常见的是用耐冲击塑料制成。机壳3000有一个开口3005，用于接收测试条，测试条包括电极和用于在测试条和设备之间形成电接触的连接器。显示器3010以用户可读的形式提供输出。虽然检测插入的测试条也可用来启动该设备以对分析物测试进行处理，但可选地，该设备可包括启动按钮3015。

测定有效电极间距

与分析物浓度的测定无关或与其相结合，本发明的方法可用来测定电化学电池中两个电极之间的有效电极间距。由此，在又一方面，本申请提供了一种用于测定电化学电池中第一电极和第二电极之间有效间距的方法，该方法包括以下步骤：

以所加电位或所加电流的形式施加外力，以在第一电极和第二电极之间产生化学电位梯度；

停止施加外力；

观测化学电位梯度作为时间函数的衰变；以及

从所观测的化学电位梯度的衰变计算有效电极间距。

测定有效传输特性

与分析物浓度的测定无关或与其相结合，本发明的方法可用来测定电化学系统的有效传输特性。有效传输特性包括物种的迁移率、物种的扩散特性以及这些特性和有效电极间距的组合。

以下实例示出本发明方法和设备的实施例实例。

实例1：对P_T变化进行校正：

讨论使用P_T来增加电化学传感器测量精度的一个实例。图9示出一个对于不同的分析物浓度在P_T和所测电流之间可存在的关系实例。图9中的数据是根据图3和图7A-C中所示实例图的电导电池电化学传感器模拟的。图9示出对于不同P_T值的电流变化(以安培表示)，所用传感器中包括的每个电极其有效表面积为1cm²。图9中示出的数据点是在两个电极之间加0.4V电位差所产生的稳态电流，所测标本包括2mM亚铁氰化物1400和1mM亚铁氰化物1405。显然，所测电流取决于分析物浓度和P_T值。所以，P_T值的变化会引起信号变化，其在分析物浓度测量中可引入误差。

图10通过示出针对不同P_T值的代表性校准曲线进一步示出这个问题。在此图中，x轴上给出浓度，以mM位单位，而y轴上给出所测的稳态电流，以安培为单位。数据点1500对应于P_T值44.3s；数据点1505对应于P_T值20.6s；数据点1510对应于P_T值6.58s。而且，示出了因P_T变化而引起的分析物估算中的误差。如果将一条特定的校准曲线作为参考校准曲线，则这意味着假定特定的P_T值与测量相关联。但是，如果在测量未知标本时P_T值改变，则分析物浓度的所得估算值可能是错误的。

图11示出如果P_T值改变可能发生的错误类型的一个实例。在此实例中，校准曲线由图10中的数据点1505构成，该校准曲线是针对P_T值等于20.6s的系统测定的。描述该校准曲线的公式为：

            I＝(4.673E-6)[ferrocyanide]

$\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]=\frac{I}{(4.673E-6)}$

式中I为所测的电流，而[ferrocyanide]为标本中亚铁氰化物的浓度。由此，利用上述公式，就可用电流的量度来估算标本中分析物-在此实例中为亚铁氰化物-的浓度。

图11示出如果P_{T对于量度}的值不同于测定校准曲线时所用的P_T值则在估算分析物浓度时可发生的误差。电流测量是在具有2mM的亚铁氰化物浓度的系统中针对不同的P_T值测定的。当P_T值改变时，所测的电流也改变。由于估算公式是由从具有特定P_T值的系统中测定的校准曲线中确定的，因此如果用具有不同P_T值的系统进行测量，则所得的估算公式就会得出不精确的估算值。图11示出对于不同的P_T值在分析物估算中可发生的误差。图11中图表的y轴是在估算亚铁氰化物浓度时的百分比误差，按下式测定：

$\%\mathrm{Error}=100\×\frac{{\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]}_{\mathrm{estimate}}}{{\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]}_{\mathrm{actual}}}$

${\left[\mathrm{ferrocyanide}\right]}_{\mathrm{estimate}}=\frac{I_{\mathrm{measured}}}{(4.673E-6)}$

[ferrocyanide]_actual＝2mM

I_measured是所测的电流，[ferrocyanide]_actual是标本中的实际的亚铁氰化物浓度(2mM，如上所述)，[ferrocyanide]_estimate是用描述校准数据1505的公式所测定的估算的亚铁氰化物浓度。图16示出如果P_T值不同于测定校准数据时所用的值则在估算分析物浓度时可发生的误差。数据点代表对于不同的P_T值在估算分析物浓度时的百分比误差。作为参考，应注意测定校准数据1505时使用的P_T值等于20.6s。所以，当P_T值等于20.6s时，图11数据中的百分比误差基本上为零。

还值得注意的是，观测到随着P_T增大，误差的变化率降低了。同样，随着P_T减小，误差的变化率增加了。一个能够引起小P_T值的情况实例是，在电导电池传感器中两个电极间的距离减小时。例如，在图7A-C中电极1320和1325之间的距离可通过减小基本上不导电材料1310和1315的厚度来减小。通过减小这个距离，标本室1340的体积也减小了。这样，随着标本室体积减小，P_T对分析物估算的影响增加了，进一步突出了能够在小标本体积中对P_T的变化作精确校正的有用性和重要性。

一个使用P_T对因P_T变化引起的误差进行分析物估算校正的实例包括确定P_T和电位松弛以达到特定电位差所需时间t之间的关系。在此例中，对于图3的模拟系统，将400mV的DC电位差加到电极上。一旦建立了稳态电流，就通过使系统开路来去掉电位差，从而确保电路中基本上没有电子流流过，并随着时间的过去监控电极间的电位。

对不同的P_T值进行模拟，并对于这些不同P_T值中的每一个测定随着时间的过去电位差的松弛。对不同的P_T值，已经模拟了随着时间的过去这个电位的演变，并示于图5。在此图中，在电路已经在时间t＝0时开路后，电位在松弛时，对以下值测定电位：P_T＝28.7s 420；P_T＝19.2s 415；P_T＝11.6s 410；P_T＝5.9s 405；P_T＝3.8s 400。

两个电极间的电位松弛速率基本上与分析物浓度无关。所以，该技术的有用性在于，它能用于监控引起P_T值的系统的特性，但又基本上不受分析物浓度的影响。这与现有技术方法截然不同，现有技术方法依赖于监控松弛电流，而松弛电流基本上又受分析物浓度的影响(美国专利：US5942102，US6179979，US6284125)。

而且，监控电极间的电位差是一种基本上与电极面积无关的量度。其有用的益处是从测量中去除了另一潜在的变化源。这和依赖监控松弛电流的方法形成对照，因为所测电流值取决于有效电极面积。

提取P_T量度的一个实施例实例是，测定从电位计松弛开始直到达到特定电位值所需的时间。这代表用于在使电化学系统开路后量化电位松弛速率的量度或衰变速率的时间常数的一种量度。业界技术人员会认识到其它量度也可使用，例如在特定时间点的电位、在特定时段期间电位与时间曲线的斜率、在特定时段期间电位与时间的对数曲线的斜率以及在特定时段期间1/V²与时间曲线的斜率，其中V是电位。图12示出P_T和达到0.06V电位差所需时间t之间的关系，其中t＝0是使系统开路的时间。在此实例中，通过测定松弛电位达到基本上等于0.06V的时间来对图6所示数据进行分析。这样，每个P_T值得出一个不同的衰变电位，并对应于电位达到基本上等于0.06V的值的不同时间。所以图12示出存在于P_T和P_T量度(在此实例中是达到0.06V所需的时间)之间的关系，并因此可以从电位计松弛数据的可测量数量建立数学关系式来测定P_T。在此实例中，观测到P_T和达到指定电位所需时间之间的以下关系：

                  P_T＝mt

                  m＝56.057

也可存在其它关系式，且这些关系可能取决于测量方案，包括电化学电池的几何特性。

由于这种电位计松弛测量基本上与分析物浓度无关，因此它可用来估算基本上不受分析物浓度影响的P_T量度。然后这个P_T量度可用来对可能因P_T值变化而引起的分析物估算中的误差进行校正。在此实例中，对P_T＝20.6s的系统测定了校准曲线。如前所述，估算分析物浓度的一个公式可以用分析物物种的迁移率表示如下：

$P_T=-\frac{h}{s}$

$C=-\frac{K_{\mathrm{cell}}{I}_S}{\mathrm{\βs}}=-\frac{I_{S}h}{\mathrm{\βsA}}=\frac{I_S{P}_T}{\mathrm{\βA}}$

业界技术人员应了解，可以有其它形式，这视系统性质而定。在前述一个实例中，分析物浓度可以用其扩散特性表示如下：

$P_T=\frac{h}{D}$

$C=\frac{\mathrm{\α}{K}_{\mathrm{cell}}{I}_S}{D}=\frac{I_{S}h}{2\mathrm{nFDA}}=\frac{I_S{P}_T}{2\mathrm{nFA}}=\frac{\mathrm{\α}{I}_S{P}_T}{A}$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2\mathrm{nF}}$

实际上，校正曲线是凭经验测定的，因为用实验测定比例常数比单独测定所有相关分量常常更为方便。例如，对于如上述以分析物迁移率描述的系统，描述图10中校准数据1505的一个公式为：

$I=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\left[\mathrm{ferrocyani\; de}\right]$

[ferrocyani  de]＝λI

λ＝2.14E5mM/A

$\left[\mathrm{ferrocyani\; de}\right]=\mathrm{\λI}=\frac{I{P}_T}{\mathrm{\β}{A}_e}$

$\mathrm{\λ}=\frac{P_T}{\mathrm{\β}{A}_e}$

A＝1cm²

$P_T=20.6s$

$\⇒\mathrm{\β}=9.63E-5$

$\⇒\mathrm{\λ}=\frac{P_T}{9.63E-5}=\left(1.03E4\right)P_T$

比例常数λ包含了有关参数对浓度估算的影响。由于该数据1505是在P_T值等于20.6s的系统上获得的，因此常数λ可表示为明显地包含P_T值，如上所示。这就允许对会将误差引入分析物估算中的P_T的变化进行有用的调节。

对因P_T变化可能引起的分析物浓度估算中的误差进行校正的一个实例是，调节校准曲线的描述以说明P_T的变化。更广泛地说，校准曲线的比例常数λ可以相对于与校准数据相关联的P_T值给出，以P_Tcalibration表示。在此例中，λ的值可用量来调节，以使：

$\mathrm{\λ}=2.14\×{10}^5\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}}{P_{\mathrm{T\; measured}}}\right)$

式中P_T measured是与所测电流信号I_measured相关联的P_T值。这就允许在测量标本时响应于P_T的变化而调节参数λ，它部分地定义校准曲线。这样，通过获得基本上与I_measured和分析物浓度无关的P_T量度，就可对用于估算分析物浓度的校准曲线进行调节，以减少分析物浓度估算中的误差。本发明的实施例提供了一种用于测定P_T的方法，其基本上与分析物浓度和所测电流无关。该方法对P_T变化进行调节的一个实施例是，使用本发明的实施例测定P_T的量度，并调节部分定义校准曲线的参数。该方法的一个实施例实例是将校准因子λ乘上校正因子，然后在估算分析物浓度时使用该调节的λ值。以下公式示出该实施例实例。从图10中的校准数据1505中，确定基本上模拟该数据的公式。确定这样一个公式的一个实施例实例是，使用众所周知的线性回归技术来找出能最好描述该数据1505的线性公式。这种公式的一个实例表示如下：

$C_{\mathrm{calibratio\; n}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibratio\; n}}\right)\left(I_{S_{\mathrm{calibratio\; n}}}\right)$

$C_{\mathrm{estimated}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibratio\; n}}\right)\left(I_{S_{\mathrm{measured}}}\right)$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibratio\; n}}=\left(1.03E4\right)P_{T_{\mathrm{callbratio\; n}}}$

$P_{\mathrm{T\; calibratio\; n}}=20.6$

$\⇒{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibratio\; n}}=2.14\×{10}^5$

其它关系式也有可能，且可取决于电化学传感器系统的性质、环境因素、设备因素和/或标本因素。

对因P_T变化可能引起的分析物浓度估算中的误差进行校正的另一实例是，调节所测电流以说明P_T的变化。校准曲线公式的类似分析显示所测电流I_S measured可以用因子

按如下方式调节：

$C_{\mathrm{estimated}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}\right)\left(I_{S_{\mathrm{measured}}}\right)$

$I_{S_{\mathrm{corrected}}}=I_{S_{\mathrm{measured}}}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}}{P_{\mathrm{T\; measured}}}\right)$

$C_{\mathrm{corrected}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}\right)\left(I_{S_{\mathrm{corrected}}}\right)=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}\right)I_{S_{\mathrm{measured}}}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}}{P_{\mathrm{T\; measured}}}\right)$

对因P_T变化可能引起的分析物浓度估算中的误差进行校正的另一实例是，调节估算的分析物浓度以说明P_T的变化。校准曲线公式的类似分析显示估算浓度C_estimated可以用因子

调节如下：

$C_{\mathrm{estimated}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}\right)\left(I_{S_{\mathrm{measured}}}\right)$

$C_{\mathrm{corrected}}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}\right)I_{S_{\mathrm{measured}}}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}}{P_{\mathrm{T\; measured}}}\right)=C_{\mathrm{estimated}}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}}{P_{\mathrm{T\; measured}}}\right)$

可以进行其它的调节以对P_T的变化进行校正，而调节的形式取决于与测量系统有关的设备因素、环境因素和/或标本因素。

图10示出了可由不同P_T值得出的校准曲线之间的区别。数据点1510是从P_T＝6.58s的系统得出；数据点1505是从P_T＝20.6s的系统得出；数据点1500是从P_T＝44.3s的系统得出。显然，由于P_T值改变，传感器响应就改变，如不同校准曲线所反映的。于是，如果传感器系统是用特定的P_T值开发和校准，则P_T值在传感器使用时应基本上相同，以便基本上保持相同的传感器读数。但是，如果在传感器使用时P_T值不同，则测量可能不准确。传感器使用时P_T值可能不同的原因的例子包括，电导电池电极之间距离的制造偏差，以及标本中物种有效迁移率的变化。

图11示出了可能因P_T变化而引起的误差类型实例。在此实例中，对用图3的过程实现的图2系统用P_T＝20.6s进行模拟。估算分析物浓度中的误差用P_T＝20.6s所获得的值的百分数来表示。这样，当P_T减小到20.6s以下时，估算的分析物浓度快速增加，导致一个不实的高估算值；当P_T增加到20.6s以上时，估算的浓度下降，导致一个不实的低估算值。重要的是要注意，在小P_T值时分析物浓度的估算对P_T的变化比在较大P_T值时敏感得多。在小体积时，此时电极之间的间距很小，对P_T变化的校正能力就更有价值和有用。同样，在包括具有高迁移率和/或高扩散的物种的系统中，也可得出小的P_T值，再次说明了在对P_T变化进行校正方面本发明的价值和有用性。

图13A-C示出因P_T改变而校正估算值的情况。在这些实例中，所用分析物浓度为3mM，系统用P_T＝20.6s进行校准。在图13A、13B和13C中，数据点1700示出在用不同P_T值的传感器进行测量时估算的分析物浓度会如何变化。如预期的，当传感器的值基本上是20.6s时，估算浓度基本接近3mM的正确值。图13A示出因P_T变化而对最终估算分析物浓度进行校正的效果。数据点1705是在使用校正过程后的估算分析物浓度，该校正过程基于用于该传感器测量的P_T值来调节数据点1700中的估算浓度值。图13B示出通过调节校准曲线以说明P_T变化而校正最终估算分析物浓度的效果。数据点1710是在使用校正过程后的估算分析物浓度，该校正过程是基于用于该传感器测量的P_T值来调节用于估算数据点1700中浓度值的校准曲线。图13C示出通过调节所测电流信号以说明P_T的变化而校正最终估算分析物浓度的效果。数据点1715是在使用校正过程后的估算分析物浓度，该校正过程是基于用于该传感器测量的P_T值来调节用于估算数据点1700中浓度值的所测电流计信号。所以，显然，本发明的实施例在减小因P_T改变可能引起的估算分析物浓度的误差方面很有用。

图14A-C示出本发明实施例的流程图形式实例。如本文所述，有不同的实施例可用于本发明的方法。图14A-C示出图4中步骤225、步骤230和步骤235的实施例实例，更详细说明了图4的各个步骤。

图14A示出对最终分析物估算进行调节的一个实施例实例，如图13A的实例所示。在此实施例中，先测定瞬态电位(步骤220)。然后量化P_T量度(步骤1805)。P_T量度与校准数据进行比较，以测定有效的P_T值(步骤1810)。用该有效的P_T值调节分析物估算以说明P_T的变化(步骤1815)。将已调节的分析物浓度以有用的形式输出(步骤1820)。

图14B示出对法拉第信号分量的量度进行调节的一个实施例实例，如图13B的实例所示。在此实施例中，先测定瞬态电位(步骤220)。然后量化P_T量度(步骤1805)。P_T量度与校准数据进行比较，以测定有效的P_T值(步骤1810)。使用该有效的P_T值调节法拉第信号分量的量度以说明P_T的变化(步骤1825)。法拉第信号分量的已调量度和法拉第校准数据一起用来估算分析物浓度(步骤1830)。将分析物浓度的估算值以有用的形式输出(步骤1820)。

图14C示出了对校准数据进行调节的一个实施例实例，如图13C的实例所示。在此实施例中，先测定瞬态电位(步骤220)。然后量化P_T量度(步骤1805)。P_T量度与校准数据进行比较，以测定有效的P_T值(步骤1810)。使用该有效的P_T值调节法拉第校准数据以说明P_T的变化(步骤1835)。已调法拉第校准数据和法拉第信号分量的量度一起用来估算分析物浓度(步骤1840)。将分析物浓度的估算值以有用的形式输出(步骤1820)。

实例2：酶生物传感器实例

在另一实施例实例中，将电导电池电化学传感器用作生物传感器。在这种情况下，一组化学反应产生要由电导电池电化学传感器检测的分析物。这种情况的一个实施例示于图1，其中酶葡萄糖氧化酶催化了与葡萄糖的反应。在此实例中，葡萄糖500与氧化形式的葡萄糖氧化酶GODox 510反应，由此将酶转换成其还原形式GODred 515并产生葡糖酸内酯505。GODred 515可以和要恢复其氧化状态GODox 510的铁氰化物Fe(CN)63-525反应，并产生亚铁氰化物Fe(CN)64-520。由此，用本发明实施例的方法和设备，通过测定亚铁氰化物的浓度就可估算葡萄糖的浓度。

可以用校准曲线公式使所测电流与葡萄糖浓度相关。这种公式的一个实例为：

$C_{\mathrm{estimated}}^{\mathrm{glu}\cos e}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}^{\mathrm{glu}\cos e}\right)\left(I_{S_{\mathrm{measured}}}\right)$

式中C_estimated ^glu cose是估算的葡萄糖浓度，λ_calibration ^glu cos e是比例常数，I_S measured是所测电流。可用来对P_T的变化进行校正的一个校正因子实例是，按照上述用于电导电池电化学传感器的过程进行，并推导类似的校正公式，其中所测的P_T值用来调节校准曲线，所测电流或浓度估算如下：

$C_{\mathrm{estimated}}^{\mathrm{glu}\cos e}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}^{\mathrm{glu}\cos e}\right)\left(I_{S_{\mathrm{measured}}}\right)$

$C_{\mathrm{corrected}}^{\mathrm{glu}\cos e}=\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{calibration}}^{\mathrm{glu}\cos e}\right)I_{S_{\mathrm{measured}}}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}^{\mathrm{glu}\cos e}}{P_{\mathrm{T\; measured}}^{\mathrm{glu}\cos e}}\right)=C_{\mathrm{estimated}}^{\mathrm{glu}\cos e}\left(\frac{P_{\mathrm{T\; calibration}}^{\mathrm{glu}\cos e}}{P_{\mathrm{T\; measured}}^{\mathrm{glu}\cos e}}\right)$

式中P_{T callbration} ^glucose是在测定用于估算葡萄糖浓度的电导电池生物传感器的校准曲线时获得的P_T值；P_T measured ^glucose是在测量电导电池生物传感器中的葡萄糖时获得的P_T值，而C_corrected ^glucose是校正的葡萄糖浓度。

实例3：变换器控制设备的实施例实例

以下讨论图2中变换器控制设备5的一个实施例实例。图15示出变换器控制设备5的一个实施例实例的示意图。两个电极2100和2105通过基本上导电通路2110和2115耦合到TCS 5。激励施加单元2150可在基本上导电通路2110和2130之间加电位差。激励施加单元2150可及时改变电位差。电流量化单元2120监控流过导线2110的电流。业界技术人员会认识到，流过导线2110的电流基本上和流过导线2115和2130的电流相同。电流量化单元2120可连接到导线2115或2130，而不连接到导线2110。此实施例并不限制本发明。开关单元2135能使导线2130与导线2115电连接或断开。此开关单元使TCA 5能够迫使电流流动基本上为零安培。业界技术人员会认识到，其它方法也可迫使电流流动基本上为零安培，例如切换到高阻抗电路元件。开关单元2135的实例包括固态开关例如MOSFET开关(例如Analog Devices公司的AD417芯片)、机电开关以及机械开关。

可将开关单元2135连接成能使导线2110短路和/或开路。业界技术人员会认识到，有不同的布置和操作选项可将电流流动基本不受阻的一种工作模式改变为电流流动显著受阻的另一工作模式。电位量化单元2125监控导线2115和导线2110之间的电位差。这个电位差和电极2105和2100之间的电位差有关。在优选实施例中，导线2115上的电位基本上等于电极2105上的电位，且导线2110上的电位基本上等于电极2100上的电位。

当TCA 5工作在电流计模式时，开关2135处于闭路工作模式，由激励施加单元2150施加电位差，且所得电流由电流量化单元2120监控，而电位由电位量化单元2125监控。当系统切换到电位计工作模式时，开关2135变为开路或高阻抗工作模式，电流量化单元2120监控电流的流动(预计是基本为零安培)，而电位量化单元监控电位差(预计是随时间而松弛衰变)。

TCA 5的更具体实施例实例示于图16。电路元件2220代表到参考电位例如地的基本上导电的通路。所有粗实线代表基本上导电的通路(“导线”)。将激励电位加到导线2215和接地导线2220之间。当开关单元2230处于闭路模式时，导线2225和导线2250处于基本上相同的电位，且放大器2200在导线2250上保持和导线2215上基本相同的电位。这种放大器2200的一个实例是运算放大器(“op-amp”)。导线2250连接到电极2240。第二放大器2205保持到接地导线2220的一个连接以及通过导线2265到电极2245的另一连接。反馈电阻2255将导线2265连接到导线2260。存在于导线2260和接地导线2220之间的电位差与流过电化学电池的电流有关。另一放大器监控导线2250和导线2265之间的电位差，并由此监控存在于电极2240和电极2245之间基本上相同的电位。这种放大器2210的一个实例是差分放大器。另一实例是仪器用放大器。导线2270和接地导线2220之间的电位差与导线2250和导线2265之间的电位差有关。当开关单元2230处于开路工作模式时，放大器2200确保基本上是零电流流过导线2250和电极2240。这样，导线2260上的电位基本上和接地导线2220上的电位相同。电极2240和2245之间的电位由放大器2210监控，并以导线2270和接地导线2220之间的电位差表示。

实例4：用于量化P_T的另一量度

如上所述，提取P_T量度的另一实施例实例是，通过在一特定时段期间测定1/V²对时间的斜率来测定电位计信号松弛速率的量度，如图17的示意图所示。图17示出对于不同的P_T值电位计松弛信号作为时间函数的示意图。在此实例中，电位计松弛在时间t＝0开始，例如，通过基本上使电化学电池开路。y轴表示从t₁到t₂的时段内的函数1/V²，其中V是所测电位。数据迹线2400、2405、2410和2415代表用不同P_T值进行测量的松弛信号。在此实例中，与数据2400关联的P_T值小于与数据2405关联的P_T值，后者又小于与数据2410关联的P_T值，而这个后者又小于与数据2415关联的P_T值。在此实施例中，显然，在1/V²和时间之间有一个基本是线性的关系。由此，通过测定一个时段例如时间t₁和时间t₂之间该数据的斜率，就可获得松弛速率的一个量度。斜率可以用线性代数中的成熟方法，包括但不限于最小平方法，进行计算。

图18以示意方式示出从所测数据中量化P_T量度的一个实例。可以构建一个使P_T与P_T量度相关的校准曲线。图18的示意图所示的实例示出1/V²对时间的斜率的某种函数-描述为y轴上的f(slope(斜率))-可用作P_T的量度。这种函数的一个实施例实例为：

$f\left(\mathrm{slope}\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{slope}}}$

式中slope是在一段时间内1/V²对时间的曲线的斜率。在图18中，点2500对应于图17中的数据迹线2400；点2505对应于图17中的数据迹线2405；点2510对应于图17中的数据迹线2410；点2515对应于图17中的数据迹线2415。这样，P_T量度就可从所测的电位计数据中计算出来。一旦测定了P_T量度，该值就可用来如上所述调节各种量，以获得分析物浓度的更精确估算。

实例5：对瞬态系统进行校正

本发明也可用于系统尚未达到稳态的情况，这种状态通常称为瞬变状态。瞬变状态的系统实例包括但不限于响应信号其特征随时间而变、标本中的浓度分布基本随时间而变及尚未达到平衡的化学反应。

稳态系统和瞬态系统之间的一个区别在于：稳态系统产生的信号预计都包含关于与电极之间的间距有关的距离项的重要信息和/或关于与标本传输特性有关的传输项的信息(例如有效扩散系数或迁移率项)。例如，如上所述，P_T可以部分用有效电极间距项h来描述，也可用与标本传输特性有关的其它项来描述，例如扩散项D、漂移速度s和/或迁移率项U。瞬态系统产生的信号预计不包含关于与电极之间的间距有关的距离项的重要信息，但预计会包含与标本传输特性有关的信息。但是，即使在瞬态系统中，可能也有与有效距离项有关的重要信息，虽然该距离项不可能直接与两个电极间的几何间距相关。

在稳态系统中，存在化学信息通过标本从一个电极到另一电极的实质转移，这是由于在一个电极附近受到在另一电极上发生的过程的扰动的化学物种的浓度梯度而引起的。这种情况的一个实例就是在一个电极的反应产物到达另一电极时。在瞬态系统中，没有通过标本从一个电极到另一电极转移的实质化学信息。例如，一个电极的反应产物可能基本上不会到达另一电极，所以预计信号中有很少关于电极间距离的量度的信息。但是，预计有关于标本中分析物传输的信息，例如，与扩散项有关的传输项、迁移率项或有效通路长度项。这种通路长度项的一个实例是在含有例如红血细胞或其它机体(body)等物质的标本中与分析物传输有关的有效距离项。标本中的机体可影响标本中分析物的传输，所以对瞬态系统中这种与传输有关的变化进行校正的能力对于提高传感器系统的精确度和/或精密度会很有用和有益。

图19以示意图形式示出用于瞬态系统的电流计信号的实例。在此实例中，示出三条电流迹线，它们对应于不同的葡萄糖浓度。迹线2900为最低浓度，迹线2905为中间浓度，而迹线2910为最高浓度。信号分为6个时间区域，如图所示。在此实例中，在t＝0时将标本引入标本室，在这一点，电位逐步上升到足以产生基本上扩散受限电流的电平。从t＝0到t＝t1电流的增加可主要归因于电容性双层充电。从t1到t2电流的减小可主要归因于双层的稳定。t2到t3之间电流的增加可主要归因于随着与标本中分析物的化学反应的进行(在此实例中化学反应是与葡萄糖的酶反应)而还原的介质(在此实例中是亚铁氰化物)的增加。大约在时间t3时电流达到局部最大值，在此点，酶反应的进行被扩散过程平衡，扩散过程控制电活性物种(在此实例中为介质)到电极的传输，导致时间t3后电流下降。如果在测量过程中有明显的半无限扩散分布，则下降电流在某些情况下继续减小。

由于电流信号继续下降，因此可以说此系统处于瞬变状态。可对瞬变信号进行分析和量化，以测定分析物浓度的量度，而稳态电流就不需要使用本发明了。可以用瞬态电流进行的分析类型的一个实例与Cottrell公式有关。当然，Cottrell公式适用于一组特定的测量条件，而其它的公式可以用来描述系统，视测量条件而定。可以使用的一个公式实例是，计算一段时间内1/I²斜率的平方根，作为葡萄糖浓度的一个量度。在图19的图示实例中，在电流基本上与酶反应无关之后的一段时间(例如大约在时间t3电流达到峰值后)，例如在t4和t5之间的这段时间可用于这种量化。在此实例中，基于Cottrell公式的一个公式可用来描述瞬态系统的电流如下：

$I=\mathrm{nFAC}\sqrt{\frac{D}{\mathrm{\π}(t-t_0)}}$

$\frac{1}{I^2}=\left(\frac{\mathrm{\π}}{{\left(\mathrm{nFA}\right)}^2}\right)\frac{1}{{\mathrm{DC}}^2}(t-t_0)$

$\frac{1}{I^2}=\mathrm{\αt}+\mathrm{\β}$

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{{\left(\mathrm{nFA}\right)}^2{\mathrm{DC}}^2}$

$\mathrm{\β}=-\left(\frac{\mathrm{\π}}{{\left(\mathrm{nFA}\right)}^2}\right)\frac{1}{D{C}^2}{t}_0$

式中t₀是参考时间，其它符号保留它们的常用含义。以α表示的斜率和D可用来测定浓度C的一个量度。所以，对于D值已知的系统，通过测定斜率α就可以量化浓度，例如可用以下估算公式：

$C=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{{\left(\mathrm{nFA}\right)}^2\mathrm{D\α}}}$

如果标本、设备和/或环境等因素改变并导致视在值D的未知改变，就会出现问题。在这种情况下，浓度C的估算随后会以未知方式改变，导致精确度和/或精密度下降。

用这种瞬态系统，设备可切换到电位计模式，监控电位计松弛，以测定与传输和/或通路长度有关的系统特性中变化的量度。在此实例中，电位计松弛会用来测定D的有效量度，再用它来估算浓度。这样，本发明的方法和设备就不需要稳态或接近稳态的系统，而是本发明的方法和设备也可用于瞬态系统。

会影响系统的瞬态或稳态性质的一个因素是电化学电池的几何特性。这种几何因素的一个实例是电极间的有效距离。有效距离越小，系统达到稳态通常所需的时间就越少。在此实例中，稳态可以定义为电流计信号达到接近稳态的值时。电极间有效距离越大，达到稳态通常所需的时间就越多。所以，当工作模式从电流计切换到电位计时，系统是处于稳态还是瞬态模式可取决于电极间的有效距离以及工作模式改变的时间这两项。例如，如果有效间距足够大，在给定时段内基本上达不到稳态，则在瞬变状态时可将工作模式切换到电位计模式。在瞬态系统时使用本发明的方法和设备的一个有用益处是可用较少时间进行测量。如在实例4中的稳态测量中，对于瞬态测量，在1/V²和时间之间有一个基本线性的关系。这样，通过测定该数据在一段时间内(例如在时间t₁和t₂之间)的斜率，就可获得松弛速率的一个量度。斜率可以用线性代数中的成熟方法，包括但不限于最小平方法，进行计算。对于不同的电极几何特性，可有其它的关系式。

图20A-C以示意图形式示出基于电导电池的生物传感器系统可能产生的电流计信号的几个实例。图20A示出的实例情况是：电极间的有效间距足够大，以允许至少一部分响应信号是瞬态形式，可以用与Cottrell公式有关的松弛来描述。此图类似于图19所示的实例，不同的是：所示信号偏离基本上可与Cottrell型松弛(在t4和t5之间)有关的基本半无限松弛，穿过过渡区(在t5和t6之间)，并最终到达基本稳态值(t6之后)。这样，可以用各种公式和/或表达式来描述在这些不同区域中的信号响应。图20B示出的实例情况是：电极间的有效间距足够大，以允许扩散梯度松弛(在t3和t4之间)，但又足够小，以不必经历基本上半无限(例如类似Cottrell的)松弛而达到基本上稳态的电流值(在t4之后)。图20C示出的实例情况是：电极间的有效间距足够小，以使不必经历显著的扩散松弛就达到基本上稳态的电流(在t4之后)。这些图都是基于酶的生物传感器可产生的信号实施例实例，并不限制本发明。业界技术人员会了解，其它的信号响应也有可能，且信号的形式取决于许多因素，包括但不限于：设备因素、标本因素和环境因素。

会影响系统的瞬态或稳态性质的另一几何因素是电极的定向。电导电池的传统定向是，电池包括两个基本上平行的电极，二者互相面对，且通常具有大致相等的面积，如图7A-C的实例所示。这种几何形状的主要原因在于，这种电极定向很方便用于测定电池常数K_cell。但是，本发明的方法和设备允许在电导电池工作时使用其它的几何形状。实例包括具有基本上共面电极和/或基本上同心电极的电池(这些实例示于图21A-D)。

图21A-D以示意图形式示出基本上共面电极的一些布置实例。在这些实例图中，这些布置包括基本上不导电的基底2000、至少两个电极2005和2020以及至少两条基本上导电的导线2010和2015。基本上导电的导线(2010和2015)的材料不必是不同于电极(2005和2020)的材料。这些示图是作为实施例实例提供的，并不限制本发明。业界技术人员会理解，其它实施例也是可能的，包括但不限于：不同的形状、不同的定向和/或不同的电极对准。

会影响系统的瞬态或稳态性质的其它因素是标本特性，例如：扩散、迁移率、通路长度和/或血细胞比容水平。标本本身的特性可以改变物种的传输速率，从而改变基本达到稳态系统所需的时间。

因此本发明提供了一种用于测定P_T量度的方法和设备，不需要系统基本上处于稳态，而是可以在瞬态系统上实现。这就具有很有用的优点，即显著减少了测量时间，因为用户不需要等到基本上达到稳定状态。另一个有用的优点是：可以使用不同的电池几何结构，例如包括：平行面对的、共面的和/或同心的电极布置，因为这些几何结构都不会很快和容易地达到基本稳态。而且，由于本发明也可用于瞬态系统，因此不要求电极必须相互充分靠近来实现基本稳态的工作。以这些较大比例制造的电化学电池已知更容易制造，因此成本更低。

对于业界技术人员，显然在不背离本发明的范围和精神的前提下可以作另外的各种更动和改变。

研究了本文公开的说明书和实践后，对于业界技术人员来说，本发明的其它实施例是显而易见的。

引用的参考

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Lathi，B.P.“线性系统与信号(Linear Systems and Signals)”，Berkeley-Cambridge Press，Carmichael，CA 1992.

Claims (17)

1.一种估计标本中存在所选分析物的方法，包括以下步骤：

(a)将所述标本引入电导电池的两个电极之间的空间中；

(b)在所述两个电极之间加电位或电流，要足以引起分析物检测氧化还原系统中所述分析物或介质的氧化或还原，从而在所述两个电极之间形成所述分析物或介质的化学电位梯度；

(c)在所述梯度建立之后，中断所加电位或电流，并获得反映所述化学电位梯度松弛的分析物无关信号；

(d)在获得所述分析物无关信号之后，在所述电极之间任选地施加电位或电流；

(e)在步骤(b)或步骤(d)或二者中，在施加所述电位或电流期间获得分析物有关信号；以及

(f)使用在步骤(c)获得的所述分析物无关信号校正在步骤(e)获得的所述分析物有关信号，以获得校正的分析物有关信号，指示所述标本中存在所选分析物。

2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中在所述电极之间施加电位，并测量由于这个所加电位而产生的电流，作为所述分析物有关信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中施加所述电位，直到达到稳态条件，并然后测量所述电流。

4.如权利要求2所述的方法，其中在达到稳态条件之前，测量所述电流。

5.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中在所述电极之间保持电流，并测量由于这个电流而产生的电位，作为所述分析物有关信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中保持所述电流，直到达到稳态条件，并然后测量所述电位。

7.如权利要求5所述的方法，其中在达到稳态条件之前，测量所述电位。

8.如权利要求1到7中任一项所述的方法，其中松弛前的所述化学电位梯度延伸所述电极之间距离的至少10％。

9.如权利要求8所述的方法，其中松弛前的所述化学电位梯度延伸所述电极之间距离的至少80％。

10.如权利要求1到9中任一项所述的方法，其中所述标本是血样，且所述所选分析物是葡萄糖。

11.一种用于测定电化学电池中第一电极和第二电极之间有效间距的方法，所述方法包括以下步骤：

以所加电位或所加电流的形式施加外力，以在第一电极和第二电极之间放置的液体中产生化学电位梯度；

停止施加所述外力；

观测所述化学电位梯度作为时间函数的衰变；以及

由所观测的所述化学电位梯度的衰变计算所述有效电极间距。

12.一种用于测定电化学电池中第一电极和第二电极之间放置的液体标本中物种的有效传输特性的方法，所述方法包括以下步骤：

以所加电位或电流的形式施加外力，以在第一电极和第二电极之间的所述液体标本中产生化学电位梯度；

停止施加所述外力；

观测所述化学电位梯度作为时间函数的衰变；以及

由所观测的所述化学电位梯度的衰变计算电化学系统中所述物种的有效传输特性。

13.如权利要求1到12中任一项所述的方法，其中所述电极是一次性使用的测试条的一部分。

14.一种用于测定放置在电化学电池中的标本中存在分析物的设备，所述电化学电池包括两个电极，所述标本放在所述两个电极之间作分析，所述设备包括：

(a)机壳，具有用于容纳所述电化学电池的空间；

(b)用于在所述机壳内容纳所述电化学电池时在所述电化学电池的所述两个电极之间施加电位或电流的部件；

(c)用于在施加所述电位或电流时测量发生在所述电化学电池内的分析物检测系统中分析物或介质的氧化或还原的部件；

(d)用于在所述两个电极之间建立化学电位梯度的一段时间之后切断所述电位或电流的部件；

(e)用于在所述电位或电流切断之后监控所述化学电位梯度中分析物无关衰变的部件；

(f)已编程数据处理部件，用于将所测量的氧化或还原与所监控的分析物无关衰变组合，以产生所述标本中存在所述分析物的指示；以及

(g)输出部件，用于将所述标本中存在所述分析物的指示传送给用户。

15.如权利要求14所述的设备，还包括放置在所述机壳内的电化学电池。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述电化学电池是一次性使用的测试条。

17.如权利要求14到16中任一项所述的设备，其中所述机壳的大小可由人手持。

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