本发明专利技术涉及量化分析物浓度的装置和方法，该装置包括包含分析物的电化学电池(1)、并联连接到电化学电池(1)的负载(2)，以及与负载(2)并联连接的读取单元(3)。这包括分析物浓度的量化阶段、从电化学电池(1)到负载(2)的电荷转移、负载(2)处的电压的确定以及根据分析物浓度与负载(2)处的电压之间存在的关系确定分析物浓度。析物浓度。析物浓度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】样品中分析物浓度定量的装置和程序
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]专利技术概述
[0018]本专利技术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。
[0019]特别地，本专利技术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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]当电化学电池在这本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于量化样品中分析物浓度的装置，包括：
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电化学电池(1)，其使用一定体积的含有待测定浓度的分析物的样品，
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负载(2)，由至少一个电容性负载(4)和/或一个电阻性负载(5)的组合组成，与所述电化学电池(1)并联连接，其等效电阻值使电化学电池(1)在扩散受限条件下工作，迫使所述电化学电池(1)进入非稳态，在所述非稳态下，输出电压随时间下降，所述电化学电池(1)产生连续电流，在单个放电周期期间由电流所述电化学电池(1)完全或部分转移到电容性负载(4)，其中所述电容性负载(4)两端的累积电压是所述电化学电池(1)中的分析物浓度的指标，以及
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读取元件(3)，并联连接到构成所述负载(2)的电容性负载(4)或电阻性负载(5)中的至少一个，并测量此类负载(4,5)的电压，基于所述电压测定所述电化学电池(1)中分析物的浓度。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述负载(2)主要是电容性负载(4)并且所述负载(5)的电阻贡献由所述电化学电池(1)的电极的欧姆电阻、所述电化学电池(1)和所述电容性负载(4)之间的连接轨道以及组件的电连接设定。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容性负载(4)由电容器矩阵组成，其根据每个电容器中达到的电压提供关于所述电化学电池(1)中的分析物浓度的离散信息。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述总负载(2)由并联连接到所述电化学电池(1)的两个并联支路组成，并且其中仅以电阻元件为特征的第一支路是将电化学电池(1)设置在扩散受限状态的主要负载，其中第二支路由串联连接的电阻性负载(5)、电容性负载(4)和二极管组成，其中二极管的操作基于电容器和电化学电池(1)的电压限制了电流流入第二支路，并允许保持所述电容性负载(4)中积累的电荷。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二支路中的电阻性负载(5)的值至少是第一支路中的主要电阻性负载的值的五倍。6.根据权利要求1所述的装置，其中，连接到所述电化学电池(1)的负载(2)主要是电阻性的(5)，优选地是电阻器，其将所述电化学电池(1)设置在扩散受限状态，并且其中使用读出单元(3)测量所述电化学电池(1)在两个不同预设电压值之间的电压衰减所经过的时间。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述读出单元(3)至少包括：
【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：加泰罗尼亚研究和高级研究机构私立基金会，
类型：发明
国别省市：
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