DE69434438T2

DE69434438T2 - Biosensor mit ausfallgesichertem betriebsverfahren zur vermeidung von falschen anzeigen

Info

Publication number: DE69434438T2
Application number: DE69434438T
Authority: DE
Inventors: E. Bradley WHITE; A. Robert PARKS; G. Paul RITCHIE; Vladimir Svetnik; Terry A Beaty
Original assignee: Roche Diagnostics Operations Inc
Current assignee: Roche Diagnostics Operations Inc
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1994-05-13
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2014-05-14
Also published as: ES2270401T3; EP0702788A4; JP2800981B2; AU6832594A; ES2153334T3; EP0702788A1; JPH08502589A; US5352351A; EP1582864A1; DE69434438D1; CA2153877C; DE69434836T2; EP1582864B1; CA2153877A1; ES2153334T1; DE69434836D1; WO1994029706A1; DE702788T1; EP0702788B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Biosensor-Meßgeräte, die disposible Teststreifen verwenden, und insbesondere auf Fehlerschutzsysteme und -prozeduren (fail/safe systems and procedures), die verhindern sollen, daß Biosensor-Meßgeräte fehlerhafte Ergebnisse anzeigen.
Biosensor-Meßgeräte, die disposible Teststreifen verwenden, sind weit verbreitet. Sie werden eingesetzt, um die Konzentration verschiedener Analyten (beispielsweise Glucose und Cholesterin) im Blut zu ermitteln. Sofern der Benutzer die Gebrauchsanleitung für das jeweilige Meßgerät genau befolgt, sind die ermittelten Meßergebnisse in der Regel zuverlässig. Häufig beachtet der Benutzer jedoch nicht die erforderliche Sorgfalt bei der Verwendung des Teststreifens oder des Meßgeräts, woraus sich ein fehlerhafter Meßwert ergibt. Daher sind die Hersteller von Meßgeräten sehr bemüht, das Fehlerpotential bei der Verwendung der Meßgeräte zu reduzieren.
Auch bei sachgemäßer Anwendung können fehlerhafte Meßergebnisse resultieren, wenn ein Fabrikationsfehler bei einem Biosensor-Meßgerät oder bei den Teststreifen vorliegt. Obwohl große Sorgfalt auf die Herstellung solcher Meßgeräte und Teststreifen verwendet wird, besteht deshalb das Bedürfnis, analytische Prozeduren in das Meßgerät zu integrieren, die Fehlfunktionen des Meßgeräts, Unregelmäßigkeiten bei den Teststreifen und Bedienungsfehler ermitteln, um fehlerhafte Analysewerte zu vermeiden.
Aus dem Stand der Technik ist eine Anzahl von Beschreibungen von Biosensor-Meßgeräten bekannt, bei denen disposible Teststreifen verwendet werden. In dem US-Patent 5,108,564 (Szuminsky et al.) wird ein Biosensor-Meßgerät beschrieben, das zur Messung von Glucosekonzentrationen im Blut dient. Das Gerät basiert auf einer Reaktion, bei der Glucose in der Gegenwart eines Enzyms eine Reaktion von Kaliumferricyanid zu Kaliumferrocyanid katalysiert. Nach Abschluß der Reaktion wird an eine Reaktionszone eine Spannung angelegt, die zu einer Umkehrung der Reaktion führt, wobei ein kleiner, aber meßbarer Stromfluß erzeugt wird. Dieser Strom wird als "Cottrell-Strom" bezeichnet. In Abhängigkeit von der Konzentration der Glucose in der Reaktionszone folgt er während der Rückreaktion einer vorbestimmten Kurve. Der Meßwert des Cottrell-Stroms wird in ein Maß für die Glucosekonzentration umgewandelt. Das Meßgerät mißt auch die Impedanz in der Reaktionszone und bestimmt, wann eine Blutprobe hineinplaziert wurde, indem es eine plötzliche Änderung des Stromflusses erfaßt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Inkubationszeit, nach deren Ablauf ein Potential an die Reaktionszone angelegt und der Cottrell-Strom gemessen wird.
In der europäischen Patentanmeldung 0471986 A2 von Tsutsumi et al. ist ein Blutglucose-Meßsystem beschrieben, bei dem disposible Teststreifen verwendet werden. Dabei wird die Gegenwart einer Blutprobe dadurch festgestellt, daß der Widerstand zwischen einem Paar von Elektroden gemessen wird. Außerdem wird eine Mehrzahl von probenähnlichen Streifen verwendet, von denen jeder einen spezifizierten Widerstandswert hat, der ihn von anderen Streifen unterscheidet. Jeder dieser Streifen hat einen bestimmten Anwendungszweck, d.h. er wird zur Justierung des Gerätes, zur Kompensation eines Meßfehlers, zur Kalibration usw. verwendet.
Das US-Patent 4,999,582 (Parks et al.), dessen Inhaber auch der Inhaber der vorliegenden Anmeldung ist, beschreibt eine Biosensorelektroden-Anregungsschaltung, die feststellt, ob ein Teststreifen sachgemäß in das Meßgerät eingesetzt wurde und für zumindest eine Elektrode auf dem Teststreifen feststellt, ob der Kontaktwiderstand akzeptabel ist.
In dem am 7. September 1993 veröffentlichten US-Patent 5,243,516 (White), dessen Inhaber mit dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung übereinstimmt, ist ein Biosensor-Meßgerät beschrieben, bei dem die Cottrell-Kurve verwendet wird, um die Glucosekonzentration zu ermitteln. Bei diesem Meßgerät ist der Stromfluß proportional zu der Konzentration eines Analyten in der Testzelle. Ist jedoch irgendetwas nicht in Ordnung mit der Testzelle, so ist es möglich, daß der resultierende Strom keinerlei Beziehung zu der Konzentration des Analyten hat. White zufolge gibt es eine Beziehung, mittels der bestimmt werden kann, ob der Stromfluß durch eine Reaktionszone tatsächlich der Cottrell-Beziehung entspricht. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß für die Meßkurven aller Analytkonzentrationen das Verhältnis der Quadratwurzeln von aufeinanderfolgenden Meßzeiten annähernd reziprok zu dem Verhältnis der Cottrell-Strom-Meßwerte zu den gleichen Meßzeiten ist. Wenn die Verhältnisse (innerhalb gewisser Grenzen) für mehrere aufeinanderfolgende Meßperioden übereinstimmen, folgt das Meßsystem der Cottrell-Beziehung. Stimmen die Verhältnisse nicht überein, wird die Messung nicht berücksichtigt.
US-Patent 4,940,945 (Littlejohn et al.) beschreibt eine Schnittstellenschaltung zur Verwendung bei Biosensor-Meßgeräten. Dabei wird ein disposibles Element eingesetzt, das ein Elektrodenpaar einschließt, zwischen dem der Widerstand gemessen wird. Die Schaltung erfaßt die Gegenwart einer flüssigen Probe durch Messung des Anfangswiderstands und ermittelt auch den Höhenstand der Flüssigkeit in dem Element.
In dem US-Patent 4,420,564 (Tsuji et al.) ist ein Blutzucker-Analysegerät beschrieben, bei dem eine Reaktionszelle verwendet wird, die einen Sensor mit einer fixierten Enzymmembran und eine Meßelektrode aufweist. Das System von Tsuji et al. verwendet eine Mehrzahl von Fehlerschutzprozeduren. Hierzu gehört die Feststellung, ob die Reaktion innerhalb spezifischer definierter Temperaturgrenzen stattfindet. Gemäß einer zweiten Prozedur wird bestimmt, ob ein Reaktionsstrom innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.
Die in den obigen Literaturstellen genannten Biosensor-Meßgeräte können ermitteln, wann eine biologische Probe in der Reaktionszone plaziert wird. Dabei wird jedoch nicht das Problem erörtert, wie vorzugehen ist, wenn die Menge der Probe nicht ausreicht, um die in einer Reaktionszone befindlichen enzymatischen Reaktanten vollständig zu benetzen. Es kann zwar ein Test durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob eine Reaktion der Cottrell-Beziehung folgt (wie beispielsweise in dem obengenannten US-Patent 5,243,516 von White beschrieben). Es wäre jedoch wünschenswert, wenn zusätzlich zu diesem Test auch noch bestätigende Tests durchgeführt werden könnten, um sicherzustellen, daß die Reaktion tatsächlich der Cottrell-Beziehung folgt.
Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Biosensor-Meßgerät bereitzustellen, das Mittel aufweist, um verbesserte Fehlerschutztests während der Analyse einer biologischen Probe durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Biosensor-Meßgerät gemäß den Ansprüchen 1 und 3 und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 9 gelöst.
Die Erfindung stellt Mittel zur Verfügung, um feststellen zu können, ob eine biologische Probe während des Reaktionsverlaufs gemäß der Cottrell-Beziehung reagiert, und die, wenn dies nicht der Fall ist, bewirken, daß die resultierenden Meßwerte unberücksichtigt bleiben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Biosensor-Meßgerät Mittel auf, die feststellen können, ob eine angemessene Menge der Probe auf die Reaktionszone des Teststreifens aufgegeben wurde.
Ein Biosensor-Meßgerät mit den kombinierten Merkmalen von mehreren verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen enthält einen Teststreifen, der eine elektrisch isolierte Meßelektrode und Anregungselektrode sowie eine diese verbindende Reaktionszone aufweist. Nachdem ein Tropfen einer biologischen Probenflüssigkeit in der Reaktionszone plaziert ist, wird eine Mehrzahl von Fehlerschutztests durchgeführt. Mittels einer elektrischen Schaltung wird ein Tropfenmenge-Test durchgeführt, bei dem die Menge des in der Reaktionszone plazierten Tropfens ermittelt wird. Die Schaltung ermittelt, ob ein Tropfen in der Reaktionszone plaziert wurde. Nach einer Verzögerungszeit mißt sie auch den Wert eines Teststroms, um festzustellen, ob die Menge des Tropfens für die Hydratation der Reaktanten in der Reaktionszone ausreicht. Im weiteren Verlauf wird während der Reaktion zu aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten die Delta-Änderung des Stroms gemessen. Bei diesem Test wird die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Strommeßwerten während einer Meßperiode ermittelt. Falls der jeweils nachfolgende Meßwert nicht wenigstens um einen Delta-Wert unter dem vorhergehenden Meßwert liegt, wird festgestellt, daß der Strom nicht monoton abnimmt, woraufhin der Test abgebrochen wird. Nach Ablauf der Meßzeit wird ein Test durchgeführt, bei dem die Summe der Strommeßwerte ermittelt wird, wobei ein Prozessor die lineare Summe aller Strommeßwerte des Tests und das Verhältnis zwischen dieser Summe und dem letzten Strommeßwert berechnet. Entspricht das Verhältnis einer vorher bestimmten Konstanten für die Cottrell-Beziehung, so ist gesichert, daß die Meßwerte der Cottrell-Beziehung folgen.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Draufsicht eines Teststreifens;
2 zeigt ein Schaltbild/Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Biosensor-Meßgeräts;
3 zeigt ein Kurvendiagramm sowohl von der an die Anregungselektrode des Teststreifens nach 1 angelegten Anregungsspannung als auch des resultierenden Meßstroms, der an der Meßelektrode des Teststreifens gemessen wird;
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Kurvenform des Meßstroms, die am Anfang der Detektion eines Tropfens eines Analyten entsteht;
5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Mehrzahl von während der Meßperiode ermittelten Strom meßwerten, die einer vorbekannten Cottrell-Beziehung folgen;
6 und 7 zeigen Flußdiagramme auf hoher Abstraktionsebene zur Darstellung der von der elektrischen Schaltung gemäß 2 durchgeführten Fehlerschutztests durch Bestimmung der Menge der Probe, des Deltas und der Summe der Strommeßwerte.
Der in 1 dargestellte Teststreifen 10 hat zwei Elektroden, nämlich eine Meßelektrode 12 und eine Anregungselektrode 14. Diese Elektroden sind auf einer Polymerschicht 16 fixiert. Über ihnen befindet sich eine Deckschicht 18 mit Öffnungen 20 und 21, durch die Teile der Elektroden 12 und 14 zugänglich sind. Die Öffnung 20 bildet eine Probenaufnahme und definiert eine Reaktionszone zwischen der Meßelektrode 12 und der Anregungselektrode 14. Eine (nicht dargestellte) Schicht enzymatischer Reaktanten liegt über den Elektroden 12 und 14 in der Öffnung 20 und bildet ein Substrat, das eine den Analyten enthaltende Flüssigkeit aufnehmen kann. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, daß die Probe, die den Analyten enthält, ein Blutstropfen ist, in dem der Glucosegehalt bestimmt werden soll. Die Öffnung 21 legt die Elektroden 12 und 14 frei, so daß eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann, wenn der Teststreifen 10 in ein Biosensor-Meßgerät eingesetzt wird.
Das in 2 schematisch dargestellte Biosensor-Meßgerät 22 weist ein (nicht dargestelltes) Fenster auf zur Aufnahme des Teststreifens 10 und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anregungselektrode 14 und einem Paar von Anschlußkontakten A und B sowie zwischen der Meßelektrode 12 und einem Paar von Anschlußkontakten C und D. Die Anregungselektrode 14 stellt, sofern sie vollständig und richtig eingesetzt ist, eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußkontakten A und B her. Ebenso bildet die Meßelektrode 12, wenn der Teststreifen 10 richtig eingesetzt ist, einen Kurzschluß zwischen den Anschlußkontakten C und D. Die Anschlußkontakte A, B, C und D sind innerhalb des Biosensor-Meßgeräts 22 beabstandet voneinander angeordnet. Dadurch ist es möglich festzustellen, ob ein Teststreifen 10 richtig in das Biosensor-Meßgerät 22 eingesetzt wurde und dessen Elektroden Impedanzwerte richtig anzeigen. Sobald angezeigt wird, daß ein Teststreifen (mit einer geeigneten Anregungselektrode und Meßelektrode) richtig eingesetzt wurde, kann ein Blutstropfen auf die Probenaufnahme des Teststreifens 10 aufgegeben werden, woraufhin Messungen durchgeführt werden können.
Die Anregungsspannung V_e einer Anregungsspannungsquelle 23 wird über den Operationsverstärker 24 und den Anschlußkontakt A an die Anregungselektrode 14 angelegt. Von dem Anschlußkontakt B wird über die Leitung 26 ein zweites Eingangssignal zu dem Operationsverstärker 24 geleitet. Dieses Eingangssignal wird auch an einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 28 geleitet, dessen digitalisiertes Ausgangssignal seinerseits an einen Bus 30 angelegt ist. Auf der Meßseite des Biosensor-Meßgeräts 22 ist der Anschlußkontakt C mit einem Eingang eines Operationsverstärkers 32 verbunden. Der zweite Eingang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Referenzpotential verbunden. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 wird über einen A/D-Wandler 34 an den Bus 30 geleitet.
Der Anschlußkontakt D ist über eine Leitung 36 und einen Multiplexschalter 38 mit einem A/D-Wandler 40 verbunden, dessen Ausgangssignal wiederum an dem Bus 30 anliegt. Eine Versorgungsspannung ist über einen Widerstand mit einem Eingang des A/D-Wandlers 40 verbunden. Beim erstmaligen Einschalten des Biosensor-Meßgeräts 22 ist der Schalter 38 geschlossen, um die Prüfung, ob die Meßelektrode 12 richtig eingesetzt wurde, zu ermöglichen. Sobald dies festgestellt ist, wird Schalter 38 geöffnet, wodurch das Eingangssignal an den A/D-Wandler 40 unterbrochen wird.
Ein Mikroprozessor 42 und ein zugehöriges Display 44 sind mit Bus 30 verbunden und steuern den gesamten Betrieb des Biosensor-Meßgeräts 22. Der Mikroprozessor 42 steuert über eine Leitung 46 auch die Anregungsspannung, die von der Anregungsspannungsquelle 23 über den Operationsverstärker 24 an den Anschlußkontakt A geleitet wird. Ein einsteckbarer ROM-Speicherbaustein 48 kann an den Bus 30 angeschlossen werden. Er ermöglicht die Eingabe von Konstanten und anderen Testparametern zur Benutzung mit einer Gruppe von Teststreifen 10.
Die Verwendung eines einsteckbaren ROM-Bausteins ist aus dem US-Patent 5,053,199 von Kaiser et al. bekannt. Es beschreibt ein Biosensor-Meßgerät des Reflektivitäts-Typs mit einem ROM-Baustein, der Daten über die optischen Eigenschaften einer bestimmten Charge von chemischen Teststreifen enthält. Solche Kalibrationsdaten können beispielsweise eine Tabelle zum Konvertieren eines von einem optischen Sensor erhaltenen Meßwert in einen Konzentrationswert eines Analyten einschließen. Mittels eines ROM-Bausteins können die Kalibrationsdaten direkt in das Meßgerät geladen werden, ohne daß der Benutzer diese Daten manuell eingeben muß.
Die Betriebsweise, mit der das Biosensor-Meßgerät 22 das richtige Einsetzen des Teststreifens 10 und die kontinuierliche Verbindung der Anregungselektrode 14 und der Meßelektrode 12 überprüft, ist in der WO 94/29705 detailliert beschrieben. Insoweit wird die Lehre dieser internationalen Patentanmeldung durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Die Feststellung des Mikroprozessors 42, daß ein Teststreifen richtig eingesetzt wurde und die Meßelektrode 12 und die Anregungselektrode 14 die erforderliche kontinuierliche Verbindung haben, bewirkt, daß die Anregungsspannungsquelle 23 ein Anregungspotential V_e an den Operationsverstärker 24 und somit an den Anschlußkontakt A leitet. Der Verlauf des Anregungspotentials V_e ist in 3 als Kurve 60 dargestellt. Zunächst wird ein hoher Potentialwert 62 an die Anregungselektrode 14 angelegt und der Leckstrom zwischen der Anregungselektrode 14 und der Meßelektrode 12 gemessen. Liegt der Leckstrom in einem akzeptablen Bereich, so zeigt der Mikroprozessor 42 (auf dem Display 44) an, daß der Benutzer einen Blutstropfen auf die Probenaufnahme 20 aufgeben kann. Beim Aufgeben des Blutstropfens wird eine sofortige Abnahme des Widerstands (d.h. eine Zunahme des Stroms) zwischen den Elektroden 12 und 14 gemessen. Das daraus resultierende Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 ist als Impuls 64 der Signalkurve 66 dargestellt. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Impulses 64.
Wenn der Impuls 64 einen ersten Grenzwert 68 überschreitet, stellt der Mikroprozessor 42 fest, daß ein Blutstropfen detektiert wurde. Der Grenzwert 68 ist niedrig festgelegt, um schnell ermitteln zu können, daß eine Blutprobe auf den Teststreifen 10 aufgegeben wurde, und dabei eine klare Feststellung zu treffen, daß eine Inkubationszeit begonnen hat. Beim Überschreiten des Grenzwerts 68 durch den Impuls 64 startet der Mikroprozessor 42 eine Verzögerungszeit d, an deren Ende (zum Zeitpunkt 70) eine zweite Messung der Kurve 64 durchgeführt wird. Die Verzögerungszeit d ist darauf abgestimmt, daß der Blutstropfen den gesamten Bereich der Probenaufnahme 20 benetzen kann. Wenn der zu dem Zeitpunkt 70 ermittelte Strommeßwert unterhalb eines Probenmenge-Grenzwerts 72 liegt, wird der Test abgebrochen, da dann die Menge des Blutstropfens nicht ausreicht, um eine vollständige Hydratation der enzymatischen Reaktanten innerhalb der Probenaufnahme 20 sicherzustellen. Überschreitet die Spannung (der Strom) zum Zeitpunkt 70 jedoch den Grenzwert 72 für die Probenmenge, so wird der Test fortgesetzt.
Kurz danach bewirkt der Mikroprozessor 42, daß das Anregungspotential V_e der Anregungsspannungsquelle 23 von dem Anschlußkontakt A getrennt wird (Kurvenabschnitt 74 in 3). Der Kurvenabschnitt 74 stellt die Inkubationszeit dar. Sie erstreckt sich über eine ausreichend lange Zeitspanne, daß eine enzymatische Reaktion zwischen dem Blutstropfen und den Enzymen in der Probenaufnahme 20 erfolgen kann.
Nach Ablauf der Inkubationszeit wird erneut ein Anregungspotential V_e (Kurvenabschnitt 76 in 3) an den Anschlußkontakt A angelegt, wodurch eine Rückreaktion in der Probenaufnahme 20 ausgelöst wird. Der resultierende Strom (Kurvenabschnitt 78) wird mittels der Meßelektrode 12 gemessen. 5, in der die Kurve 78 vergrößert dargestellt ist, zeigt eine klassische Cottrell-Beziehung, wie sie von dem Stromfluß während der obengenannten Rückreaktion durchlaufen wird. In 5 ist der Meßstrom gegen die verstrichene Zeit aufgetragen. Wie der Fachwelt bekannt ist, verschiebt sich die Kurve 78 in Abhängigkeit von der Glucosekonzentration entweder nach oben oder nach unten. Während des Kurvenabschnitts 78 zeichnet der Mikroprozessor 42 eine Mehrzahl von Strommeßwerten auf, die jeweils mit einem bestimmten zeitlichen Abstand k gemessen werden. Diese Messungen ermöglichen eine Glucosebestimmung und werden auch benutzt, um sicherzustellen, daß der Kurvenabschnitt 78 der Cottrell-Beziehung folgt.
Geht man davon aus, daß die Glucosekonzentration zu ermitteln ist, enthält die Probenaufnahme 20 folgende Reaktanten: ein Enzym, einen Elektrolyten, einen Mediator, einen Filmbildner und einen Puffer. Das Enzym kann beispielsweise Glucoseoxidase (oder Glucosedehydrogenase) sein; der Puffer kann organisch oder anorganisch sein; der Elektrolyt kann Kaliumchlorid oder Natriumchlorid sein; der Mediator ist vorzugsweise Kaliumferricyanid und als Filmbildner kommen Gelatine und Propiofin in Betracht. Falls der Teststreifen zur Bestimmung der Konzentration von Cholesterin dienen soll, ist das Enzym vorzugsweise Cholesterinoxidase mit oder ohne Zusatz einer Cholesterinesterase. Der Puffer ist vorzugsweise anorganisch und enthält einen Elektrolyten wie beispielsweise Kaliumchlorid oder Natriumchlorid. In diesem Fall kommen zwei Mediatoren zur Anwendung, nämlich Ferricyanid und Chinone, die, wie zuvor erwähnt, in einen Gelatinefilm integriert werden.
Da die bei einem solchen System verwendete Chemie in der Fachwelt bekannt ist, wird sie hier nicht im einzelnen beschrieben. Es genügt zu erwähnen, daß eine Glucosebestimmung durchgeführt wird, indem man zuerst eine Blutprobe in der Probenaufnahme 20 plaziert. Die in der Probe enthaltene Glucose verursacht eine Vorwärtsreaktion von Kaliumferricyanid zu Kaliumferrocyanid. Innerhalb der Inkubationszeit läuft die Vorwärtsreaktion vollständig ab. Das nachfolgende Anlegen einer Spannung (Kurvenabschnitt 76) an die Anregungselektrode 14 führt dazu, daß durch die Meßelektrode 12 ein kleiner Strom fließt, der aus der Rückreaktion von Kaliumferrocyanid zu Kaliumferricyanid resultiert. Der Elektronenstrom während der Rückreaktion (Kurvenabschnitt 78) wird erfaßt und gemessen.
Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 wird im folgenden die Betriebsweise des in 2 abgebildeten Meßgeräts beschrieben. Zunächst (6) detektiert der Mikroprozessor 42 durch Messung des elektrischen Kurzschlusses der Anschlußkontakte A und B und der Anschlußkontakte C und D (Entscheidungssymbol 100), ob ein Teststreifen 10 eingesetzt wurde. Die Routine wird wiederholt, bis der Mikroprozessor 42 die Anwesenheit eines Teststreifens 10 detektiert. Nachdem er die Anwesenheit eines Teststreifens 10 erfaßt und festgestellt hat, daß der Kontaktwiderstand zwischen den Anschlußkontakten A, B und C, D jeweils innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, bewirkt der Mikroprozessor 42, daß die Anregungsspannungsquelle 23 einen Anregungspotentialwert 62 (3) an die Anregungselektrode 14 anlegt. Dieser Schritt erfolgt, bevor eine Probe auf den Teststreifen 10 aufgegeben wird, und ermöglicht die Messung des Leckstroms (sofern vorhanden) zwischen der Elektrode 12 und der Elektrode 14. Gleichzeitig ruft der Mikroprozessor 42 einen Leckstrom-Grenzwert (i_max) aus dem ROM-Speicherbaustein 48 ab und vergleicht diesen Wert mit einem Leckstrom-Meßwert i, der von dem A/D-Wandler 34 (Felder 102 und 104) geliefert wird. Wenn der Leckstrom i kleiner als der Leckstrom-Grenzwert (i_max) ist und somit innerhalb akzeptabler Grenzen liegt, wird die Prozedur fortgesetzt. Andernfalls wird der Teststreifen abgelehnt.
Zu diesem Zeitpunkt geht der Mikroprozessor 42 in einen "Tropfendetektions-Status" über, in dem bestimmt wird, wann ein Blutstropfen auf die Probenaufnahme 20 gegeben wurde und ob die Menge des Blutstropfens ausreicht, um die darin befindlichen enzymatischen Reaktanten vollständig zu benetzen. Zunächst ruft der Mikroprozessor 42 zwei Konstanten, nämlich einen Tropfendetektions-Grenzwert und einen Probenmenge-Grenzwert 72, aus dem ROM-Speicherbaustein 48 ab. Danach addiert der Mikroprozessor 42 den Leckstrom-Meßwert i zu dem Tropfendetektions-Grenzwert, um den in 4 angegebenen Tropfendetektions-Grenzwert 68 zu ermitteln (Feld 106). Schließlich bewirkt der Mikroprozessor 42, daß dem Benutzer auf dem Display 44 angezeigt wird, daß die Probe auf den Teststreifen aufgegeben werden kann.
Der Mikroprozessor 42 geht nun in einen Wartestatus über (wobei der Anregungspotentialwert 62 weiterhin an der Anregungselektrode 14 anliegt). Wenn ein Blutstropfen auf die Probenaufnahme 20 aufgegeben wird, wird eine Zunahme des Stroms gemessen (Impuls 64 in 4); wenn der Strommeßwert den Grenzwert 68 übersteigt, wird angezeigt, daß ein Blutstropfen detektiert wurde (Entscheidungssymbol 108). Nun beginnt eine Inkubationszeit, die beispielsweise neun Sekunden dauern kann. Auch eine für die Feststellung der Probenmenge eingestellte Verzögerungszeit d wird gestartet, an deren Ende eine zweite Messung des Impulses 64 erfolgt (Feld 110). Übersteigt der ermittelte Strommeßwert den Probenmenge-Grenzwert 72, so ist gesichert, daß in der Probenaufnahme 20 ausreichend Blut vorhanden ist, um die darin positionierten enzymatischen Reaktanten zu hydratisieren (Entscheidungssymbol 112). Ist nicht genügend Blut vorhanden, so wird ein Fehler angezeigt. Ist genügend Blut vorhanden, so wird die Prozedur fortgesetzt, wobei der Mikroprozessor 42 bewirkt, daß das Anregungspotential V_e von dem Anschlußkontakt A (Feld 114) abgenommen wird.
Nach Ablauf der Inkubationszeit bewirkt der Mikroprozessor 42, daß die Anregungsspannungsquelle 23 ein Anregungspotential (Kurvenabschnitt 76 in 3) an den Anschlußkontakt A anlegt (Feld 116). Das Anlegen des V_e-Werts 76 bewirkt eine Umkehrung der obengenannten enzymatischen Reaktion und führt dazu, daß ein Stromfluß (wiedergegeben durch die Kurve 78 in 3) zwischen der Anregungselektrode 14 und der Meßelektrode 12 erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt eine Meßperiode, wobei, wie in 5 gezeigt, mehrere Strommessungen 82, 84, 86 usw. (bis Messung 88) durchgeführt und die ermittelten Strommeßwerte gespeichert werden (siehe 5 und Feld 118, 7). Jeder Meßwert wird nach einem durch einen Zahlenwert k bestimmten Zeitintervall ermittelt. In 5 sind vierzehn solcher Zeitintervalle abgebildet, wobei bis zum Ende des zweiten Intervalls keine Messungen durchgeführt werden, um zu vermeiden, daß die ermittelten Strommeßwerte einen maximalen Stromwert überschreiten.
Während der Zeit, in der die Strommeßwerte 82, 84, 86 usw. ermittelt werden, wird nach der zweiten Strommessung und dann nach jeder weiteren Strommessung eine "Delta"-Fehlerschutzberechnung durchgeführt (Feld 120). Sie beruht im Kern auf der Tatsache, daß die Kurve 78, sofern sie sich wie eine Cottrell-Kurve verhält, monoton abnimmt, und daß jeder nachfolgende Strommeßwert einen vorhergehenden Strommeßwert um mindestens einen vorbestimmten Delta-Fehlerschutz-Grenzwert unterschreitet. Dieser Grenzwert wird von dem Mikroprozessor 42 aus dem ROM-Speicherbaustein 48 übernommen.
Wie in Feld 120 angegeben, bestimmt der Mikroprozessor 42, ob jeder nachfolgende Strommeßwert i_k kleiner als oder gleich. einem vorhergehenden Strommeßwert (i_k-1) plus dem Delta-Fehlerschutz-Grenzwert ist. Wenn festgestellt wird, daß ein vorhergehender Strommeßwert diese Bedingung nicht erfüllt, weil die Meßkurve des Stroms nicht das erwartete monotone Verhalten aufweist, wird dem Benutzer (auf dem Display 44) angezeigt, daß der Vorgang abgebrochen wird. Der Test wird für jeden nachfolgenden Strommeßwert einschließlich des letzten Strommeßwerts 88 wiederholt. Bis dahin wird die Prozedur fortgesetzt (Entscheidungssymbol 124).
Sobald der Strommeßwert 88 ermittelt ist, geht die Prozedur zu einer "Stromsumme"-Fehlerschutzprozedur über. Durch diese Fehlerschutzprozedur mit Berechnung der Summe der Strommeßwerte wird erneut das Cottrell-Verhalten während der Meßzeit überprüft. Wenn der letzte Strommeßwert 88 ermittelt ist, wird dieser mit zwei Konstanten (d.h. Werten) multipliziert, die der Mikroprozessor 42 aus dem ROM-Speicherbaustein 48 übernimmt. Die Ergebnisse dieser Multiplikation werden als zwei Grenzwerte benutzt, denen die Summe aller ermittelten Strommeßwerte 82, 84, 86 usw. gegenübergestellt wird. Liegt die Summe zwischen den beiden Grenzwerten, so kann daraus geschlossen werden, daß die Kurve 78 der Cottrell-Beziehung folgt. Diese Schritte sind in den Feldern 122, 124, 126 und 128 in 7 veranschaulicht. Die Summe der Strommeßwerte I_Summe errechnet sich, wie aus Feld 122 ersichtlich, wie folgt
wobei i_k einer der m Strommeßwerte ist.
Anschließend wird, wie in Feld 128 dargestellt, bestimmt, ob I_Summe zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert liegt imKu > ISumme > imKl wobei: K_l = untere Grenzwertkonstante,
K_u = obere Grenzwertkonstante, und
i_m = letzter Strommeßwert.
Wenn die in Feld 128 angegebene Bedingung nicht erfüllt ist, zeigt ein Signal den Abbruch des Vorgangs an. Ist die Bedingung jedoch erfüllt, so wird die Glucosekonzentration berechnet (Feld 130) und dem Benutzer auf dem Display angezeigt.
Die Grundlage für die Fehlerschutzprozedur mit Ermittlung der Summe der Strommeßwerte ergibt sich aus der folgenden Beweisführung.
Man betrachte zunächst das Verhältnis r
aller ermittelten Strommeßwerte zu dem zuletzt ermittelten Strommeßwert.
Es ist zu beweisen, daß für jede Stromkurve, die ein Cottrell-Verhalten aufweist, das Verhältnis den gleichen Wert r_Cottrell hat, und zwar unabhängig von irgendwelchen Einflußfaktoren (einschließlich der Glucosekonzentration).
Das charakteristische Cottrell-Verhalten läßt sich durch Gleichung (B) beschreiben:
wobei: n = Anzahl der Elektronen, die pro Glucosemolekül freigesetzt werden
F = Faraday-Konstante
A = Oberfläche der Arbeitselektrode
t = Zeit seit Anlegen des Anregungspotentials
D = Diffusionskoeffizient
C = Glucosekonzentration
Von den obengenannten Parametern sind n und F Konstanten. A wird durch das Design des Teststreifens bestimmt. D und C, die von Kurve zu Kurve variieren können, bleiben für einen bestimmten Test während der Messung der Stromkurve konstant. Somit sind außer der Zeit t alle Parameter in Gleichung (B) für eine bestimmte Stromkurve konstant.
Wenn man die Strommeßwerte i_k in Gleichung (A) durch ihre Cottrell-Darstellung in Gleichung (B) ersetzt, ergibt sich folgende Formel:
Durch Kürzen der Konstanten im Nenner und Zähler kann Gleichung (C) wie folgt geschrieben werden:
Aus Gleichung (D) kann folgende Schlußfolgerung abgeleitet werden: Wenn eine Kurve ein Cottrell-Verhalten aufweist, muß das Verhältnis r in Gleichung (A), das anhand der Strommeßwerte dieser Kurve berechnet wurde, dem Verhältnis r_Cottrell entsprechen. Oder umgekehrt : Wenn eine Kurve kein Cottrell-Verhalten aufweist, ist das entsprechende Verhältnis r in Gleichung (A) von r_Cottrell verschieden.
Das Cottrell-Modell B ist, obwohl es sehr genau ist, dennoch ein Modell. Daher kann sich in der Praxis eine geringfügige Differenz zwischen r und r_Cottrell für eine Kurve mit Cottrell-Verhalten ergeben. Um dieser Differenz Rechnung zu tragen, wird das berechnete Verhältnis r nicht auf der Basis einer exakten Übereinstimmung mit r_Cottrell überprüft, sondern mit einem oberen Grenzwert r_Cottrell + ε_u·r_Cottrell und einem unteren Grenzwert r_Cottrell – ε_l·r_Cottrell Verglichen, wobei ε_u und ε_l kleine Zahlen sind.
Die folgende Ungleichung rCottrell + εurCottrell > r > rCottrell – εlrCottrell entspricht dem folgenden Vergleich:
Durch Verwendung von Ku = (rCottrell + εurCottrell)·im Kl = (rCottrell – εlrCottrell)·im wird Ungleichung (E) zu Ungleichung (F) umgeschrieben
die als Fehlerschutztest eingesetzt wird (7, Feld 128).
Es dürfte klar sein, daß die vorausgehende Beschreibung nur ein Beispiel der Erfindung betrifft. Dem Fachmann sind zahlreiche Alternativen und Modifikationen zugänglich, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demzufolge richtet sich die Erfindung auf alle Alternativen, Modifikationen und Varianten, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Biosensor-Meßgerät (22) zur Aufnahme eines Teststreifens (10), der ein Paar von Elektroden (12,14) und eine einen Analysereaktanten enthaltende Reaktionszone (20) einschließt, die das Elektrodenpaar (12, 14) überbrückt, wobei das Biosensor-Meßgerät (22) dafür eingerichtet ist zu bestimmen, ob ein durch die Reaktionszone fließender Strom sich gemäß einer Cottrell-Beziehung ändert, mittels: einer Meßverstärkereinrichtung (32), um nach Plazierung einer einen Analyten enthaltenden Probe in der Reaktionszone (20) zu einer Mehrzahl von Meßzeitpunkten eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Meßwerten (82, 84, 86, 88) eines in der Reaktionszone fließenden Stroms zu ermitteln, und einer Prozessoreinrichtung (42), um jeden der Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Strommeßwerten (z.B. 86) mit jeweils unmittelbar vorausgehenden Strommeßwerten (z.B. 84) zu vergleichen, um zu testen, ob jeder der aufeinanderfolgenden Strommeßwerte einen geringeren Wert als der unmittelbar vorausgehende Strommeßwert hat, und, wenn dies nicht der Fall ist, ein Fehlersignal für den jeweiligen Test auszugeben.
Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen steckbaren Baustein (48), der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei eines dieser Daten ein Delta-Änderungswert ist und wobei die Prozessoreinrichtung (42) den Test durchführt, indem sie den Delta-Änderungswert, der von dem steckbaren Baustein (48) übernommen wird, mit einem der Strommeßwerte summiert und den Summenwert mit einem nachfolgenden Strommeßwert der Mehrzahl von aufeinanderfolgenden, von dem Meßverstärker (32) ermittelten Strommeßwerten (82, 84, 86, 88) vergleicht.
Biosensor-Meßgerät (22) zur Aufnahme eines Teststreifens (10), der ein Paar von Elektroden (12, 14) und eine einen Analysereaktanten enthaltende Reaktionszone (20) einschließt, die das Elektrodenpaar (12, 14) überbrückt, wobei das Biosensor-Meßgerät (22) dafür eingerichtet ist zu bestimmen, ob ein durch die Reaktionszone fließender Strom sich gemäß einer vorbekannten Cottrell-Beziehung ändert, mittels: einer Meßverstärkereinrichtung (32), durch die eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Strommeßwerten (82, 84, 86, 88) zu einer Mehrzahl von m Meßzeitpunkten bestimmt wird, und einer Prozessoreinrichtung (42), durch die aufeinanderfolgende Strommeßwerte i_n, i_n+1, i_n+2 ... i_m (82, 84, 86, 88) summiert werden und festgestellt wird, ob ein Verhältnis zwischen dem Summenwert und einem Strommeßwert i_m, der zu einem m-ten Meßzeitpunkt bestimmt wurde, in einem vorbestimmten Wertbereich liegt und die, falls dies zutrifft, zu einer weiteren Bestimmung übergeht.
Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 3, weiterhin umfassend einen Baustein (48), der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei ein Paar der gespei cherten Daten aus je einer oberen (K_u) und einer unteren (K_l) Vergleichskonstante besteht, wobei die Prozessoreinrichtung die obere und untere Vergleichskonstante verwendet, um den Wertbereich festzulegen.
Biosensor-Meßgerät (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Elektrodenpaar eine Anregungselektrode (14) und eine Meßelektrode (12) einschließt, eine Anregungsspannungs-Versorgungseinrichtung (23) eine Anregungsspannungsquelle (62) an die Anregungselektrode (14) anlegt; die Meßverstärkereinrichtung (32) mit der Meßelektrode (12) verbunden ist, so daß sie ein Ausgangssignal (64) erzeugt, wenn eine Menge einer biologischen Flüssigkeit in der Probenaufnahme plaziert wurde und einen Strompfad zwischen der Anregungselektrode (14) und der Meßelektrode (12) erzeugt; die Prozessoreinrichtung (42) während des Betriebs des Biosensor-Meßgeräts (22) in einem ersten Test festgestellt, ob das Ausgangssignal (64) einen ersten Grenzwert (68) übersteigt, wobei ein Ausgangssignal, das den ersten Grenzwert (68) übersteigt, als Indikator dafür dient, daß eine Probenmenge in der Probenaufnahme plaziert wurde, und die Prozessoreinrichtung in einem zweiten Test feststellt, ob das Ausgangssignal (64) danach einen zweiten höheren Grenzwert (72) übersteigt, wobei ein Ausgangssignal, das den zweiten höheren Grenzwert (72) übersteigt, als Indikator dafür dient, daß die Menge ausreicht, um anschließend eine analytische Bestimmung an der biologischen Flüssigkeit durchzuführen, und die Prozessoreinrichtung (42) die nachfolgende Bestimmung nur freigibt, nachdem der zweite, höhere Grenzwert (72) von dem Ausgangssignal (64) überschritten wurde.
Biosensor-Meßgerät (22) nach Anspruch 5, bei welchem die Prozessoreinrichtung (42) den zweiten Test erst nach einer voreingestellten Verzögerungszeit (d) durchführt, wobei die Verzögerungszeit (d) ausreicht, damit die Menge der biologischen Flüssigkeit den Analysereaktanten benetzen kann.
Biosensor-Meßgerät (22) nach Anspruch 5 mit einem Baustein (48), der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei die gespeicherten Daten einen Tropfendetektions-Grenzwert und den zweiten Grenzwert einschließen, wobei die Verstärkereinrichtung (32) ein Leckstrom-Signal erzeugt, bevor die Menge der biologischen Flüssigkeit in der Probenaufnahme plaziert wurde, das Leckstrom-Signal ein Indikator für einen Leckstrom zwischen der Anregungselektrode (14) und der Meßelektrode (12) ist, und das Biosensor-Meßgerät (22) weiterhin einen Baustein (48) aufweist, der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei die gespeicherten Daten einen Leckstrom-Grenzwert einschließen, und die Prozessoreinrichtung (42) ermittelt, ob der Leckstrom den Leckstrom-Grenzwert übersteigt und, wenn dies nicht der Fall ist, den Leckstrom zu dem Tropfendetektions-Grenzwert hinzuaddiert, um den ersten Grenzwert zu bestimmen.
Verfahren zur Messung eines durch eine Reaktionszone (20) einer Testzelle fließenden Stroms i, wobei sich der Strom in Abhängigkeit von der Konzentration eines Analyten in der Reaktionszone in der Weise ändert, daß er einer Kurve aus einem Satz von Kurven folgt, deren Form durch die Cottrell-Gleichung definiert ist, wobei eine Prozedur zur Bestimmung, ob der Strom sich gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, durchgeführt wird, die folgende Schritte umfaßt: a) Messen des Stroms i zu einer Mehrzahl von Meßzeitpunkten t_n, t_n+1, t_n+2 ... t_m, um einen Stromwert i_n, i_n+1, i_n+2 ... i_m zu ermitteln; b) Vergleichen von jedem Stromwert mit einem unmittelbar nachfolgenden Stromwert, um zu testen, ob der nachfolgende Stromwert mindestens um einen Grenzwert kleiner ist, c) Ausgabe eines Signals, das anzeigt, daß der in der Testzelle gemessene Strom sich nicht gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, falls der Test gemäß Schritt b) nicht erfüllt wird.
Verfahren zur Messung eines durch eine Reaktionszone (20) einer Testzelle fließenden Stroms i, wobei sich der Strom in Abhängigkeit von der Konzentration eines Analyten in der Reaktionszone in der Weise ändert, daß er einer Kurve aus einem Satz von Kurven folgt, deren Form durch die Cottrell-Gleichung definiert ist, umfassend eine Prozedur zur Bestimmung, ob der Strom sich gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, mit folgenden Schritten: a) Messen des Stroms i zu einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten t_n, t_n+1, t_n+2 ... t_m, um einen Stromwert i_n, i_n+1, i_n+2 ... i_m zu ermitteln, b) Summieren der Stromwerte i_n bis einschließlich i_m und Bestimmen, ob das Verhältnis dieser Summe zu i_m innerhalb eines konstanten Wertbereichs liegt, und, falls dies nicht zutrifft, c) Ausgabe eines Signals, das anzeigt, daß der in der Testzelle gemessene Strom sich nicht gemäß der Cottrell-Gleichung ändert.