CN1162358A - 具有标准区的用于分析物检测的光学可读片条 - Google Patents
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Abstract
一种试检片条,用于把液体涂于其上面,并检测这种液体中分析物的有无或含量。具体地讲,该试验片条包括反应区,反应区的反射率随所置液体中分析物的含量而变化。片条被插入光学读取仪器中。在片条上设置标准区,当片条插入仪器时引导反应区。仪器可以设有光学装置,当片条插入至全插入位置时顺序检测标准区的反射率值,并当片条插入完成后检测反应区的反射率。仪器还没有用于计算作为标准区反射率和反应区反射率函数的待测分析物的有无和/或含量的装置。
Description
发明领域
本发明涉及对含水流体,特别是全血中的分析物进行光学检测的试验仪器和方法。在一个优选实施例中,本发明涉及用于光学测量全血中的葡萄糖浓度的试验仪器和方法。
发明背景
有色含水流体,特别是有色生物流体(例如全血和尿)和生物流体的衍生物(例如血清和血浆)中的化学组分和生化组分的定量化越来越重要。这个定量分析重要应用在于医学诊断和医学处置以及治疗用药、毒物和危险药品等的用量的定量化。在某些情况下,所确定的药量微小到或者在每分升一微克或更少的范围内,或者困难到只有用复杂的仪器和熟练的试验人员才能精确地测定。在这种情况下,采样后几个小时或几天内一般不能得出结果。在其它情况下,经常强调非专业人员在实验室之外可按常规、快速并可重现地进行实验的能力,以便快速或立即显示信息。
测量糖尿病患者的血液中葡萄糖含量是一个普通的医学试验。目前医生建议糖尿病患者根据个人病情的性质及程度每天测量两至七次血液中葡萄糖含量。根据观察所测出的葡萄糖含量的结果,患者和医生一起调整其饮食,进行锻炼以及服用胰岛素来更好地控制病情。显然上述信息应快速提供给患者。
目前,一种美国广泛采用的方法是采用了在1967年1月17日授予Most的美国专利3298789中公布的一种试验物品。在此方法中,将新鲜的全血样品(一般为20-40ul)放在涂有乙基纤维素的试剂垫上,该试剂垫包含具有葡萄糖氧化酶和过氧化物酶活性的酶体系。所述酶体系与葡萄糖反应并释放出过氧化氢。所述垫还包括在有过氧化物酶时能与过氧化氢反应的指示剂,以显出正比于样品中葡萄糖含量强度的颜色。
另一种普通的血液葡萄糖试验方法使用类似的化学方法,但采用的不是涂有乙基纤维素的试剂垫,而是一种酶和指示剂分散在上面的防水薄膜。在1971年12月28日授予Rey等人的美国专利3630957中描述了这种体系。
上述两种情况都要求样品与试剂垫接触一定时间(一般为一分钟)。然后,在第一种情况下,用水将血液样品冲洗掉,而第二种情况是将血液试样从薄膜上刮掉。吸干试剂垫或薄膜并进行测定。分析物浓度或者通过与比色图表比较进行测定,或者通过把垫或薄膜放在扩散反射率仪器内读取颜色强度值进行测定。
虽然上述方法用在葡萄糖检测方面已有多年,但它们确实有一定的局限性。用于刺指试验时,要求相当大的血样量,而这对于那些毛细血管血液不易挤出的人来说很难实现。
此外,这些方法与其它简单的非专业人员比色检测法共有一个局限处,即它们的结果是以绝对的颜色读数为基础的。而这种绝对的颜色读数又与样品与试验试剂之间的绝对反应程度有关。在一段反应时间后,将样品从试剂垫上洗去或刮去要求使用者在一段时间结束时应作好准备,并在所要求的时间,将样品刮掉或用水冲洗掉。通过将试样除去而使反应停止会导致结果的不确定性,特别是由家庭使用者使用时。过度的洗、吸或刮会导致测定数据变小,而不充分的冲洗又会导致测定数据变大。
另一个存在于简单的非专业人员检测中的问题是当血液涂于试剂垫上时必须开始计时。使用者一般已刺破他或她的手指以获取血液试样,并同时要求把血液从手指滴到反应垫上,而用他或她的另一只手启动计时器,因此要求使用两只手。这点特别困难,这是由于必须确保只有当血液涂于试剂垫上时才开始计时。所有的现有技术方法都要求附加的操作或附加的流程以实现这种效果。因此要求简化反射率读测仪器的这一部分。
在美国专利5179005、5059394、5049487和4935346中描述的系统的方案已经获得了一些重大的改进,其中所述系统中有一接受具有试验垫的试验片条的装置,试验片条的一个表面包括适于上述装置进行光学读测的反应区。将试验片条插入装置中,启动装置,然后把全血涂到试剂垫上。至少这个血液中的一部分能渗透到反应区中,借此血液中的任何分析物都会与试剂垫中的可产生颜色的试剂反应来改变反应区的光反射特性。反应区的反射率就是对血液试样中的分析物的有无和/或量的多少的度量。如上述专利所描述的那样,这种系统不要求大量的血液样品,而要求使用者相对于反应的开始或结束进行定时操作。并且由于片条在涂敷血样之前先插入装置中,这可实现在干状态下读取反应区的标准反射率。通过监测反射率,并将读取的反射率与干反应区的标准反射率进行比较,可以检测出由液体样品第一次“穿透”到反应区中引起的反应的开始。在反应开始后并在一预定时间之后读取反射率并与标准反射率,即干反应区中读数的反射率进行比较,这一反射率表示试样中分析物含量的大小。
虽然上述系统确实能解决现有技术中的一些问题,并减轻了使用者的测量和定时的负担,然而它要求使用者在片条插入到仪器中时,将血液样品涂于片条上。对大部分使用者来说这是没有问题的。然而对某些有残疾的使用者,例如视力弱或神经调节受过损伤的,很难将血液从刺破的手指滴到仪器中的片条上。并且对公共仪器的使用者而言,例如由于系统要求必须将刺破的手指放在仪器上,就有可能在仪器上留有前使用者的血液。在这种情况下,就需要在两次使用之间对仪器进行消毒。
因此,出于上述原因,至少对某些使用者而言,最好在片条插入仪器之前将血液试样置于片条上。不过这样做,仪器就不能读取干的、未反应区的反射率,即在仪器中不再有干反应区。在现有仪器中,这种读取是必要的,以便为确定反射率变化提供一测定标准,反射率变化是作为反应和样品中分析物的有无和含量的结果。
一些现有系统已经设计能提供带有这种校准标准的装置,从而使已涂样品的片条插入仪器中。在这种情况下,该现有系统使使用者获得读数的任务复杂化,并要求使用者操作这种现有系统时要进行多个步骤。
例如,在授予Kawai的美国专利No.4125372中描述的系统中公布了一种试验片条,这种试验片条包括具有基本相同的光学特性的两个区域,其中当有分析物时,一个区域产生颜色变化,而另一个区域不变色。用这种方式,当片条插入后,可以对照颜色未变化区域的校准的读数确定变化区域的颜色变化。然而这种校准过程要求使用者把片条逐步插入。首先,片条插入第一部分,其中使用者手动调节校准旋钮以获取基于颜色非变化区域的标准读数。然后使用者把片条插入第二部分,以便获得在颜色变化区域的读数,并将此读数与第一次的读数进行比较,以便确定分析物的含量。很显然,这些多步骤不是理想的,特别是对残疾使用者来说。在授予Makita的美国专利No.5037,614中再一次公布了一种多步骤操作,其中使用者先将一干净的试验片条插入仪器中,获得一个校准的标准值,然后取出片条,把样品涂于其上,再次把片条插入,每一次都进行适当的仪器操作模式。
在授予Fuller的美国专利No.5277870和5174963中描述的装置中,一种替换的校准盘件,特别是对大量试验片条而言,用于提供校准标准。然而,没有补偿这种外标准盘随时间而退化的装置。此外,这样会有因多次插入盘和片条而引起的不便。
因此,就需要这样一种片条,仪器和方法,使使用者在片条插入仪器前就把样品涂到该片条上,并能为分析物的有无和/或量的多少的确定提供一校准标准,并且不需要过多的控制,多个操作步骤或没有磨损的危险,或把某些单独的校准标准放错。
发明概述
根据本发明的方案,提出了一种用于检测液体试样中分析物的有无和/或含量的试验片条,这种检测可通过先将样品涂在片条上,再把片条插入光学读测仪器中进行检测。这种检测无需操作者进行附加的操作,以便为仪器提供与有试样的片条相对比的校准标准。
特别是,试验片条包括一前端,一尾端,和一上面涂有液体的部分,这一部分有一个界定反应区的光学可视表面(即至少相对于用于片条的仪器的光学装置)。反应区的反射率随所涂敷液体中的分析物的含量而变化。如果有分析物,则最好通过分析物,与试剂反应产生反应区的颜色变化来实现。试验片条还包括沿其长度有一反射率基本恒定的光学可视标准区。最好此标准区相对于反应区有一高的基本恒定的反射率。该标准区配置在片条上,以便当片条插入仪器时引导反应区。优选的标准区是从反应区向前端延伸至少0.3英寸的距离。
因此,为了当片条插入到其在仪器中的全插入位置时顺序地检测标准区的反射率值,在带条插入后的反应区的反射率值仪器可以装有光学装置。另外仪器还可以装有用于计算作为标准区的反射率和反应区的反射率的函数的所论述的分析物的有无和/或含量的装置。
由于本发明的片条的布置和引导反应区的标准区的设置,前述仪器只需要有一套光学装置,例如,一个发光二极管和一个用于读取沿片条在一单一位置处的反射率的光检测器。由于此外描述的原因,理想的是在两个特定波长进行反射,因此设有两个沿片条光路聚焦在同一位置的发光二极管。
操作时,使用者启动仪器,把样品涂于新片条上,然后把片条全插入仪器中并读取结果。无需使用者的参与,按本发明方案构成的片条允许仪器当片条插入通过仪器的光学装置时读取产生在标准区的光的反射率。然后用这个读取值校准仪器,以便考虑由于仪器从出厂条件的变化和片条的区域至区域变化引起的变化。随后的片条的全插入表示反应区对着仪器的光学装置,并可以读取该表面的反射率。仪器上有用于计算和记录作为这些读取值函数的分析物的有无或浓度的装置。
附图简述
通过下面结合附图作出的详细描述,可以更容易地理解本发明,其中:
图1是实施本发明方案的仪器和片条的分解透视图;
图2是沿图1中线2-2剖切的局部纵剖视图,其中示出片条全部插入仪器中;
图3是沿图1中线3-3剖切的局部横剖视图,其中示出片条全部插入仪器中;
图4是实施本发明方案的片条的主要表面的平面图;
图4a是本发明片条的另一个实施例的类似于图4的平面图;
图5是沿图4中线5-5剖切的图4片条的纵剖视图;
图6是插入仪器中的图4的片条和读取片条的装置的纵剖面示意图;
图7-11是图6中的片条插入仪器时在各个顺序位置时的纵剖面示意图;
图12是当片条插入仪器时,由仪器测得的、作为时间函数的光反射率曲线;
图13是以纵剖视图示出的片条通道的细节。
发明详述
参看附图,图1是涂有样品的片条10,插入光学读测仪器12内的分解透视图。下面将根据葡萄糖的检测和量化对本实施例中的片条10和仪器12作出一般的描述,但本领域的技术人员应当明白此处的技术方案不局限于葡萄糖的检测,还可以用于其它分析物的检测。并且为简化和清晰起见,下面将对片条10,仪器12和它们相应的部件,根据在附图中所示出的取向进行描述,所使用的术语例如“底”和“顶”与上述取向一致。应当指出这种描述方法只是为了方便,绝不是说本发明只限于此种取向,并且事实上片条和片条夹持器可以以相对于仪器旋转任一角度,此处的技术方案仍然适用。
如图1所示,片条10适合于纵向插入仪器12上的片条夹持器16的开口14内。在图2和图3中更详细地示出了片条夹持器16,最好能使其从仪器12中取出以进行清洗。仪器12在其可见表面有一屏幕18,信息、指令、错误警告和最重要的结果可通过现有技术已知的液晶显示方式显示在屏幕18上。这种信息可由字母、字、数字或图像传送。此外,仪器12还有启动仪器的电源开关,最好还具有电池。在附图中示出的电源开关是按纽20。
参看图2和图3,图中分别示出了片条10全部插入可取下的片条夹持器16中的纵剖视图和横剖视图,以及仪器12相邻部分的局部视图。片条夹持器16包括一个上导向器22和一个下导向器24,上下导向器一起形成一通道或片条通路26,片条通过开口14插入其中。片条的完全插入程度由片条阻挡壁31确定。应当指出,通道26相对于仪器12的底28的平面倾斜一角度,以便当装置置于一平面上时,有利于片条10插入仪器中。
下导向器24上有一孔30,下导向器24下方的光学装置通过该孔,可“看见”片条10的下表面11。正如下面所述那样,沿着下导向器24设置的孔30是为了在片条10全部插入通道26内时能看见片条10的反应区的下表面。
仪器的光学装置在装在仪器12上的光学部件32中。光学部件32包括能使光穿过孔30射到片条的一个表面例如下表面上的发光二极管36(LED)。上述发光二极管最好在一个周期内每次启动时都能在短时发出波长基本相同的光,以后称作“斩波”。为检测葡萄糖,已经发现最好使用两个这样的发光二极管,并使两个二极管发出不同波长的光,这两个波长最好为660纳米和940纳米(分别为LED660和LED940)。光学部件32还包括一个光检测器38,它是一种能拦截从发光二极管聚焦的表面上反射出的光并将该光转换成测量电压和器件。
上导向器22还包括一个偏斜装置,该装置偏向孔30区的下导向器的上表面42,这样就可保证置于孔30上的片条10的一部分是扁平的,并符合光学要求的表面对着光学装置。如附图中所示偏斜装置40包括一层弹性薄膜,在其对着孔的表面上有一环状凸起垫片44,当片条到位时,该垫片能压向片条,并使片条扁平地对着孔。在环状凸起内的中心是有颜色的目标,并最好是灰色的,以后称之为“灰色目标”45。如此处更详细的描述灰色目标45的表面对着光学装置,以确保片条插入前,仪器正确校准。
偏斜装置40也可采用不同于弹性薄膜的其它形式。例如片簧也可作偏斜装置。在一悬而未决,共同转让的同一天提交的美国专利申请(我们内部卷号为LFS-34,此处作为参考引证)中描述了可供选择的偏斜装置,并且该偏斜装置还包括一特别有用的、里面有螺旋形通道26的装置,该通道与具有弹性的片条组合起来用作偏斜装置。这个通道在图13中示出,该图还示出了上导向器22和下导向器24。
下面的表1指出了角度、距离和半径的优选尺寸,所有这些都基于图13中所示的X,Y坐标系。
表1-图13的尺寸
角度(度) | ||
A | 26 | |
B | 17 | |
C | 9 | |
距离(英寸) | ||
L1 | 0.562 | |
L2 | 0.467 | |
L3 | 0.184 | |
L4 | 0.013 | |
曲率 | ||
半径(英寸) | 中心(X,Y英寸) | |
R1 | 0.2 | 0.207,0.179 |
R2 | 0.347 | 0.391,0.300 |
R3 | 0.100 | 0.417,0.006 |
R4 | 2.635 | 0.412,2.603 |
参见图4,其中示出了实施本发明技术方案的片条46的底面43的平面视图。图5是通过图4的线5-5的片条46的纵向截面图。
在此处描述的检测全血中的葡萄糖的实施例中,片条46包括一细长基本为矩形的支承体47,其上附着有包含试剂的试验垫48,并且有一覆盖的传输介质50。使用时将样品涂在叠合试验垫48的传输介质50的顶面上。一部分试样渗透过试验垫,其中的任何葡萄糖都与试验垫中的试剂反应并产生在试验垫的底面上可见的颜色变化。当片条完全插入仪器中时,支承孔52通过支承体与仪器下导向器上的孔30对准,试验垫的底面上的这一部分对仪器的光学装置而言是可见的(这部分以后称作反应区)。
在1992年5月12日提交的共同未决的美国专利申请流水号No.881970中描述了片条的这些部件的细节,此处作为参考引证。简单地讲,传输介质50包括通过毛细管作用使样品从其中通过的细孔。传输介质可由天然材料(例如棉花或纸)或合成材料(例如聚酯、聚酰胺、聚乙烯等)构成。
传输介质的细孔的有效直径在大约20微米至大约350微米的范围内,优选在大约50微米至大约150微米范围内,例如100微米。传输介质一般是亲水的或用与血红细胞相容的表面活性剂处理后是亲水的。由PPG Industries Inc.Chemicals of Gurnee,Illinois的分部Mazer化学部出售的MAPHOSTM 66就是一种这样的相容的表面活性剂。在优选实施例中,传输介质能吸收高达大约20微升至约40微升的血液样品,例如30微升。
传输介质可以是例如滤纸或热压结塑性材料,例如可从Porex Corp.of Fairburn,Georgia购买的细孔聚乙烯材料。传输介质一般制成厚度约为0.022英寸,宽度约为0.25英寸,长度约为1.0英寸。传输介质用与血红细胞相容的表面活性剂溶液处理,由于只需要大约3至大约5微升的血液就能使试验垫饱和,所以传输介质最好其空隙容积较小,这样可不需要大量的血液。涂在反应物片条上的过量的血液被吸收,并保存在传输介质延伸出试验垫的部分内。
在美国专利4935346中详细地描述了试验垫及其制备,此处不再需要详细描述。捡验垫实质上是一种亲水多孔基体,试剂可以与其共价结合或非共价结合。适合的材料的实例包括聚酰胺、聚砜、聚酯、聚乙烯和纤维素基的膜,聚酰胺是普通的由4至8个碳原子组成的单体构成的缩聚物,其中单体是内酰胺或二元胺与二羧酸的组合物。也可使用其它的聚合组合物。并且可对聚合物组合物进行改性以引入其它的官能团从而提供带电结构,这样表面可以是电中性、正电性或负电性的,或中性、碱性或酸性。优选的材料是亲水的各向异性的聚砜膜,所述膜的孔径尺寸沿膜基体的厚度由大变小,优选的基体可从马里兰的MemtecAmerica公司购买,基体的平均细孔尺寸在约125微米至140微米的范围内,例如130微米。大孔平均直径与小孔平均直径的比率约为100。
传输介质50由粘接剂(未示出)粘接到试验垫48上。为此目的合适的粘接剂包括丙烯酸、橡胶和乙烯乙酸乙烯酯(EVA)基的制剂。特别有用的是本领域已知的热熔粘接剂。粘接剂可只涂到靠近试验垫周边的一些连续的窄条上,而试验垫的承受表面的中间部分基本上不会受到影响。
此外,当传输层由在工业实际温度下熔化的材料构成时,传输层可以通过加热和加压直接连接到试验垫上。加热传输层直至它开始熔化,然后压向试验垫并冷却。通过熔化将传输层直接连接到试验垫上避免了使用特殊粘接层。
传输介质适合于接受全血样品,并通过毛细管作用将样品的检测部分传输给接受表面。传输介质最好延伸超过试验垫的一端或多端,从而形成容纳在实际使用时可能出现的过量血液样品的贮存腔。通常要求把这些过量血液样品保存在传输介质中,而不让这些过量样品不受控制地滴到操作者身上或观察装置上。因此传输介质优选地能容纳大约20微升至约40微升的血液,比较优选地约为30微升血液,并且其中约3至约5微升的血液从中渗透至试验垫上。
将试验垫用一种对分析物专一的变色试剂系统浸渍。一般的分析物是葡萄糖、胆固醇、尿素和其它的本领域技术人员容易发现的分析物。变色试剂系统最好包括一种酶,这种酶有选择地催化感兴趣的分析物的初级反应。初级反应的产物可以是引起在反应区可检测出的颜色变化的染料。或者初级反应的产物也可以是一种能引起另一种反应的中间体,最好也是参与或催化次级反应的酶,次级反应直接或间接产生能使颜色变化的最终染料,这种颜色变化在反应区可检测出。
一种典型的变色试剂系统是对葡萄糖有专一性并包含葡萄糖氧化酶、过氧化物酶和可氧化的染料的系统。葡萄糖氧化酶是一种酶,一般可从黑曲霉或青霉得到,这种酶与葡萄糖和氧反应生成葡糖酸丙酮(gluconolactone)和过氧化氢。过氧化氢是由过氧化物酶,例如辣根过氧化物酶催化氧化染料而生产的。最终的发色团(已氧化的染料)显示出一种能在反应区中观测到的颜色。本领域中已知的多种适合的可氧化的染料包括那些在美国专利5304468中描述的,该专利在本申请中作为参考文件引用。一种特别有用的可氧化的染料是在1994年5月19日提交的共同未决的美国专利申请流水号No.245940(LFS-30)中描述的3-甲基-2苯并噻唑啉酮腙盐酸化物/8-amilino 1-萘磺酸盐染料偶联体(MBTH/ANS偶联体)。其它许多合适的对特定分析物具有专一性的由变色试剂系统在本领域中是已知的。选择的染色偶联体可以是MBTH的衍生物,与ANS的间〔3-甲基-2苯并噻唑啉酮腙〕N-磺酰基苯磺酸单纳盐偶联体。这种组合物在今天提交的美国专利申请No.
(内部卷号为LFS-35)中有详细的描述,该专利申请此处作为参考引证。
支承体47由具有足够刚性的材料制成,当插入仪器中时不会弯曲或扭曲。优选的这种支承体包括诸如聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯)、聚苯乙烯或聚酯等材料,一种优选的此支承体的材料是英国帝国化学工业有限公司以商标Melinex329销售的聚酯材料,该聚酯材料厚度约为0.014英寸。
参照图4,片条的底面(即插入后与仪器的下导向器的孔30面对的表面,因此该表面能通过仪器的光学装置看见)有一个包括可从支承孔52看见的试验垫48的一部分的反应区54。反应区54沿纵向配置于片条的前端56和相对端58之间(前端是相对于片条插入仪器中而言的)。根据本发明的技术方案,在片条的底面上设置有标准区60,并且至少标准区的一部分在片条的前端56和反应区54之间。如图4所示,标准区从前端纵向延伸至反应区,即跨越一尺寸L。如下面更详细的描述那样,标准区提供一个校准的标准反射率值,对照该标准值可以测量显示出颜色的反应区的反射率,从而使仪器计算并记录侍测样品中分析物的有无或含量。标准区的设置应能使片条插入仪器时引导反应区,借此当标准区在片条插入过程中通过光学装置时可以测量标准区的反射率。标准区应当具有沿其长度基本恒定的给定光的反射率。最好波长为660纳米的光的反射率在标准区的长度范围内的变化不超过这种光在标准区的最大反射率的约70%至约100%。并且标准区的反射率最好与产生颜色的反应区的反射率明显不同,并最好具有较高的反射率。例如,当采用波长为660纳米的光源时,标准区反射的光优选地至少为有颜色变化的反应区反射的光的4倍,反应区上涂有全血样品,血液样品包含每分升100微克的葡萄糖。更优选地当采用波长为660纳米的光源时,标准区反射的光是有颜色变化的反应区反射的光的约4至约9倍,反应区上涂有包含每分升100微克葡萄糖的全血样品。标准区材料和有颜色变化的反应区的材料的反射率可用分光光度计测出,这种分光光度计可从Kollmorgen Inc.,of Little Britain Newburgh,New York的分部Macbeth公司购买,型号为545。
标准区必需的反射率可以通过任何本领域技术人员所知的方式来获得。例如,支承体可以在标准区的区域分层,每一层都有必需的反射率。或者构成支承体的材料可以包含一种着色材料,该着色材料能赋予包括标准区的区域以适当的反射率。更进一步讲,着色材料可以印染或涂到适当区域上。优选地如图4和图5所示,整个支承片条包括着色材料以满足标准区区域的反射率要求。在这种情况下,用肉眼看时没有标准区的清晰可视边界。当然在此情况下光学装置只能读取标准区的反射率,即支承体从前端延伸至反应区开始处的那一部分。
应该注意的是,当片条插入片条通道26时,仪器必须读取标准区的反射率值,而进行读取的时间又是片条插入的速度和标准区长度,即尺寸L的函数。已经确定使用者插入片条时适合采用的最高速度每秒不超过约3.5英寸,当标准区至少为约0.3英寸,并且最好至少约为0.4英寸,例如0.55英寸时可以进行最准确的读取。
图4A示出另一种片条62,其中片条上有标准区64,标准区不是延伸至前端66,而是从反应区68的前端内某处延伸一段距离至反应区68。在此实施例中,从前端66至标准区64的开始处的部分67具有与标准区明显不同的反射特性,标准区的反射率可以是例如与标准区的高反射率明显不同的低反射率。因此可以对仪器编程,当片条正确插入,并以底面对着光学装置时,接受最初的低反射率和随后的高反射率。如果仪器在片条插入时仪器没能检测到这种突变,可以设置通报这种错误的装置,即,片条已被颠倒插入。应当指出,这种检测颠倒片条的装置是基于在片条的相对面上有不同的反射特性。
为更地理解本发明的片条及使用片条的方法,参照图6和图7-11进行说明,图6示意性地示出当片条插入食仪器时,仪器的作用特性,图7-11示意性地示出片条在插入过程中,各个位置处的片条。
如图6所示,诸如结合图4和图5所描述的片条沿箭头方向插入仪器12的片条通道26内。为了把片条扁平地压向孔30从而保证稳定光学特性,而设有偏斜装置40。偏斜装置40的底面45当没有片条插入到位时,使灰色目标对着系统的光学装置。在仪器内有至少一个发光二极管36,发光二极管在通过孔30的表面上聚焦。为进行葡萄糖检测,采用两个发出光束的波长分别为660和940纳米的发光二极管。设置一个光检测器38以检测从对着孔30的表面反射的光,并把这种检测光传给模/数转换器(A/D)39,借此把反射光由电压信号转换成数字信号,而这个数字信号2传给微处理器33。微处理器通过一个数/模转换器(D/A)35与发光二极管36相通信,以根据编制的仪器操作程序控制发光二极管的工作顺序。微处理器还控制输出操作,即把指令、信息、结果显示在仪器的液晶显示屏幕上。
图7至11示意性地示出当片条插入通道26时,片条相对于孔30的次序位置。在图7中片条46刚插入通道内且前端还没到达孔处。因此对着光学装置的表面只是偏斜装置底面的灰色目标(位置A)。在图8中前端和标准区的开始处已部分封闭孔,因此光学装置既可以看见部分灰色目标,又可以看见部分标准区(位置B至C)。在图9中片条已全部封闭孔30,光学装置只能看见标准区(位置C至D)。在图10中,标准区和反应区之间的界面覆盖孔30,光学装置既能看见反应区部分又能看见标准区部分(位置D至E)。最后参照图11,片条全部插入,光学装置只能看见反应区(位置E至F)。
在上述位置的每一处由仪器测量对着光学装置的表面的反射率。在相隔开的周期时间在每一位置可以进行多次读取。每一次读取都包括响应来自微处理器的大量的指令,而施加给发光二极管的能量脉冲。这些称作“斩波”的发射控制每次读取时射向表面的光能的量,即在一恒定功率水平下,斩波的数目越大,在测量表面上产生的光能就越多。每次读取过程中由表面反射的光能由光检测器获取并转换成电压使该电压在一段时间内减至零,而使电压减少至零的时间就是对由光检测器吸收的光能的度量,即由测量表面反射的光量。这个时间用所谓计数单元测量,因此计数的数目就表示从表面反射的光能。图12是计数值或由对着孔的表面反射的光能作为片条插入仪器时的片条位置函数的曲线。片条相应于图7至11的位置由相应的字母A至F表示。因此参照图12当片条在图7示出的位置时(位置A至B)只有灰色目标出现,光反射率值为一低的恒定值。当片条在位置B至C时,灰色目标由高反射率的标准区遮挡,因此随遮挡过程检测到的光反射率增加。当片条在位置C至D时,标准区对着光学装置并且光反射率变成一高的恒定值。当片条在位置D至E时,对着孔的表面反射率值相对低的反应区的部分增加,而表面反射率值相对高的标准区的部分减少,因此检测到的光反射率迅速减少。最后当片条到达位置E至F时,光学装置只能看见反应区,因此检测到相对低的、恒定的光反射率值。
记着上述的片条位置和光学读测仪器的输出的关系,下面将描述系统的校准和操作。
可以理解,每个仪器和片条的组合将象此处所描述的那样进行定性地测量。然而在确定样品(例如血液)中的分析物(例如葡萄糖)的准确数值之前必须考虑给定的仪器之间的不同,对于一个给定的仪器随时间的不同以及片条制造随区域至区域的不同。为作到这点,每台仪器出厂之前必须调节,片条各区域必须标上其本身的反射特性,这样当仪器启动并投入使用时,进行内部校准以便考虑仪器出厂后的变化和片条区域至区域的改变。
首先调节仪器使每个二极管(用于葡萄糖检测时采用LED660和LED940)发出适当的光能量。如已作出的描述那样,这个光能是供给发光二极管的斩光数和功率的函数。在制造厂内对这些参数进行调节,以便使一个给定仪器从一个白色标准区产生一个人为选择的光反射率,此反射率值人为地选择在4,000次计数(光检测器使累积电压衰减至零的时间)。系统的自由度允许调节功率,以实现约4,000次计数的目的,而把斩光数限制在近似每次读取有55个斩光。每个发光波长为660纳米和940纳米的发光二极管在其生产厂制造能确定斩光数值(CHP660和CHP940)和功率,进行对每个发光二极管的仪器的灰色目标的反射率的读取,并把读取值贮存在微处理器中,作为每个发光二极管的校准灰色读取值(RCG660和RCG940)。
在使用者的手操作模式中,当对葡萄糖进行检测时,使用者先接通装置的电源。此时,微处理器进行诊断检查。例如检查电池电压以确保电压是足够的。并检查工作温度。不难理解,由于分析物例如葡萄糖的检测取决于在片条试验垫内进行的化学反应,所以进行这个反应的速率是温度的函数。因此如果温度太低或太高,例如小于10℃或高于40℃,仪器会通告有错误。如果温度低,但仍能工作,仪器就会通过延长反应区的读取时间,以便适合这个低温。
作出这些诊断检查之后,微处理器将调节光学装置(自动定标)以适应仪器出厂后产生的变化。如上所述随着片条离开仪器,光学装置只能看见灰色目标。相应地,微处理器进行对采用发光二极管940在3个斩光时的灰色目标的读取。如果反射率读取值小于预定值,可以认为灰色目标未到或离开正确位置,并通告有错误信息。如果反射率值高于预定值,则可认为片条过早地插入仪器中,并通告错误信息。一般情况下,当读取的反射率在两个预定值之间时,仪器开始调节或进行随后的自动定标。仪器观测灰色目标,并在每个用于厂家确定斩光数(校准CHP660和校准CHP940)的发光二极管波长下读取反射率值,并将这些值与厂家贮存的灰色目标读取值相比较。如果不同,则调整对每个发光二极管的斩波数目,以使读取值与上述目标读取值尽量一致。这种自动定标基于下述计算公式:
其中RDG660和RDG940分别是从发光二极管660和发光二极管940的灰色目标读取值。
如果这种调节超出预定范围,仪器将通告有错误信息。
然后微处理器通过屏幕提示使用者,把样品涂于片条上并将片条插入仪器中。同时,微处理器启动检测标准区前端的程序。这个检测通过使用LED940每次读取时有较低数目的斩光,例如每次读取有3个斩光,快速读取对着孔30的表面的反射率实现的。如果读取的反射率大于预定的计数数目,则认为检测到标准区的前端,此预定的计数数目用于表示对着孔的高反射表面。
然后仪器读取标准区的反射率,已经发现当片条插入时至少三次有效读取中的最大的标准区的校准反射率读取值可以给出正确的结果。因此对微处理器编程在用LED660检测片条时开始读取,然后相对于斩光的自动定标数减少的斩光数在LED940和LED660之间交替读取。斩光减少的数目允许片条插入时在允许时间内更多次的读取,并为校准产生一个合适的分辨率。事实上微处理器在每个波长下每次读取时如果且只有当下一个读取值大于贮存值时,才用下一个读取值替换反射率的贮存值。在这种方式下,对每个波长,在整个标准区被扫描后只有最大的反射率读取被贮存。
其中RMX660和RMX940分别是对每个LED的标准区反射率的最大检测读取值,RW660和RW940分别是对每个LED在相应的斩光自动定标数下标准区的校准值。
对每个LED660的读取,都计算此读取值与现有最大数值的比率。如果此比率低于一个预定值,例如0.7,则认为到达标准区和反应区之间的界面。如果上述这点在三次有效的标准区最大反射率读取之前已经产生,那么微处理器应使屏幕显示错误信息给使用者,认为片条插入太快。并且如果在一预定时间,例如15秒内没有检测到反应区,则认为片条没有正确地插入,并在屏幕上出现相应的信息。
在确定标准区的校准值后,进行进一步内部计算以确保当仪器最初启动和确定校准标准反射率时,进行灰色目标反射率读取时不弄脏或损坏光学装置。可以认为,如果光学装置是干净且可用的,灰色目标和标准区之间的K/S比率在产品寿命期间内应在一预定范围内保持恒定,例如,±15%。K/S是用于由专用于反射率分光计的Beer’s定律导出的Kubelka-Monk等式中的计算值,在美国专利No.5179005中作了比较详细的描述,并在《美国的光学协会杂志》(1948年5月第5期,第448-457页)中进行了详细的描述。根据Kubelka-Monk等式:
其中R*是待测反射率与标准反射率的比值。每个波长下的灰色目标的K/S作为灰色目标的最初读取值和校准标准区的反射率函数测定出,如果这些与厂家贮存的上述两项的反射率数值相符,则认为该值在预定偏差范围内。反之显示出相应的错误信息。
一旦这种内部检查已完成,就使仪器检查反应区的反射率,并且当假定的分析物(在所述实施例中为葡萄糖)和试验垫中的试剂之间的反应已进行到终点时(在预定范围内)确定此反应区的反射率。通过每秒LED660在自动定标斩光数目下读取反应区直至检测到反应完成来检测所述终点。把读取值转换成如上所述的K/S数据,(作为校准标准区读取值和反应读取值的函数)直至在规定范围内在K/S读取值上没有检测到变化,从而可认为已经达到终点。
除了用LED660读取反应区来检测终点外,还可以用LED940在终点检测过程中在一预定时间后,例如这一过程开始后30秒进行另一种读取。这样便可以确保反射率读取值在规定范围内,这一规定范围表明了适当量的试样已放在试验垫上。如果超出这些范围,则显出错误信息。
当确定端点已经到达并且试验垫上已涂有适当量的样品后,进行计算来确定试样中分析物(葡萄糖)含量。当终点检测出后,从反应区读取的最后的K/S数值,采用KS660,并首先根据利用一个线性关系,例如:
KSMCAL=F(KS660)+G对工厂测定的校准进行修正。其中F和G是厂家专用仪器的微处理器的系数。KSMCAL值更正确地提供片条的每个制造区域的特性。每个区域在工厂已被检验过并有单一的标号。标号表示一系列系数,例如贮存在每台仪器的微处理器内的并对着上述标号索引的21组系数。例如,认为一种线性关系足以说明葡萄糖试验的片条上的区域至区域的差别,因此对着每个标号贮存有每组两个系数。当片条插入仪器时,要求使用者进入到所采用的片条包装上的正确标号。微处理器然后采用有适当系数的检查表。可以理解,片条本身可以有可读标号的仪器,因此避免了进入同一标号的需要。在任何情况下,仪器校准的K/S比率KSMCAL还应相对于片条校准,如:
KSSCAL=(KSMCAL)M+B其中KSSCAL现在是片条校准的K/S比率,并且M和B是检查系数。最后,分析物(葡萄糖)的浓度最好是以样品的mg/dl表示,根据三次关系式计算:
G=K1+K2(KSSCAL)+K3(KSSCAL)2+K4(KSSCAL)3,其中G是葡萄糖浓度,K1、K2、K3和K4是实验获得的常数。
也可以把反映这种关系的检查表提供给微处理器。
至此对本发明已作出了详细的描述,很显然,对本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的在权利要求书限定的范围或本发明的实质的基础上,可以对本发明作出各种改型和改变。
Claims (13)
1.一种试验片条,通过将该试验片条插入光学读测仪器中检测液体中分析物的有无或含量;该试验片条包括:
一个前端和一个尾端;
上面涂有液体的一部分,这一部分有界定反应区的表面,反应区的反射率作为液体中分析物的含量的函数而变化;
所述试验片条还包括比所述的反应区的反射率高的标准区,标准区设置在片条上,当所述片条插入仪器中时引导反应区,所述标准区从所述反应区向所述前端至少延伸0.3英寸的距离;
因此该仪器可以装有光学装置,当片条插入仪器时顺序检测标准区的反射率,并且当片条插入完成后检测反应区的反射率,该仪器还装有用于测量作为这些反射率函数的液体中分析物的有无或含量的微处理器。
2.如权利要求1所述的试验片条,其中当包含100mg/dl的葡萄糖的全血涂于试验垫上后,反应区发生颜色变化时,上述标准区对660纳米波长的光的反射率至少约为反应区反射率的4倍。
3.如权利要求1所述的片条,其中标准区有一个足以使当片条以每秒3.5英寸的速度插入仪器时至少能进行三次读取反射率的长度。
4.如权利要求1所述的片条,其中标准区的长度至少约为0.4英寸。
5.如权利要求1所述的试验片条,其中标准区的宽度至少等于光学可视反应区的宽度。
6.如权利要求1所述的试验片条,其中所述标准区至少约为0.13英寸宽。
7.如权利要求1所述的片条,其中标准区设置成从片条的前端延伸至反应区的前端。
8.如权利要求1所述的片条,其中标准区设置成从片条前端内部一点延伸至反应区的前端。
9.一种试验片条,通过该试验片条插入光学读测仪器中检测液体中分析物的有无或含量;所述试验片条包括:
一纵向延伸的支承体,该支承体相对于片条纵向插入仪器中具有一横向前端和一横向尾端,并具有第一主表面和第二主表面;
一个多孔的包含试剂的试验垫,该试验垫有第一主表面和第二主表面,并以试验垫的第二主表面与上述支承体的第一主表面成面对面的关系固定到所述支承体上;
在支承体上设置一支承孔,通过该孔光学可见试验垫的第二表面的一部分,所述这一部分界定反应区;
上述支承体的第二表面还包括一个比反应区具有高反射率的标准区,标准区设在支承体的第二表面上,当片条插入仪器时引导反应区,所述标准区从反应区向所述前端至少延伸0.3英寸的距离;
因此,仪器可以配有光学装置,在片条插入仪器时顺序检测标准区的反射率值,以及片条插入完成后检测反应区的反射率值,仪器还装有微处理装置以用于确定作为这些反射率值的函数的液体中分析物的有无或含量。
10. 一种用于检测涂于纵向延伸的片条的一部分上的样品中分析物的有无或含量的仪器,所述部分具有界定反应区的光学可视表面,反应区的反射率作为液体中体分析物的含量的函数而变化,所述仪器包括:
用于将所述片条的前端插入所述仪器中的开口;
从所述开口开始延伸至片条阻挡装置的片条通道,所述阻挡装置在片条全插入后阻挡片条;
通过所述通道的光学孔,借此使覆盖所述孔的片条的表面的一部分是可视的,所述孔沿通道的设置应能使片条全部插入时,通过该孔所述片条的反应区是可见的;
与上述光学孔光学相通的光学装置,所述光学装置包括至少一个使光射到片条所述部分上的光源,和至少一个用于检测从所述片条的所述部分反射出的光的检测器;
一个用于当片条插入通道和片条碰到片条阻挡装置后控制光学装置的微处理器;
对微处理器编程,使光源和检测器在片条插入时进行对标准区的多次读取,标准区置于引导反应区的片条的表面上,并且通过光学孔是可视的,从而提供一个校准的标准反射率;
对所述微处理器编程使光源和检测器在片条插入完成后读取反应区的反射率;和
对所述微处理器编程以检测作为上述校准的标准区反射率和反应区反射率的函数的样品中分析物的含量;以及
记录这个量值的装置。
11.一种检测液体中分析物的有无或含量的方法,将液体涂于试验片条上并将试验片条插入光学读取仪器,所述方法包括:
把液体涂于所述试验片条上,其中试验片条包括具有一个界定反应区的表面的部分,反应区的反射率作为所置液体中分析物的含量的函数而变化,试验片条还包括具有基本恒定反射率的标准区;
把所述片条插入所述仪器,当片条插入时所述标准区引导所述反应区;
当所述片条插入时,读取所述标准区的反射率;
当所述片条插入完成后,读取反应区的反射率;
确定作为这些反射率函数的液体中分析物的有无或含量。
12.如权利要求11所述的方法,其中标准区的反射率读取是通过取多个读取值,并且当读数是用来确定分析物的有无或含量时,仅采用这些读取值中的最高值。
13.如权利要求12所述的方法,其中至少对标准区进行三次读取。
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