SENSOR ELECTROQUIMICO.

Un método de detección electroquímica que comprende:

aplicar un potencial que varía en el tiempo entre electrodos de trabajo y de referencia en un contacto eléctrico con una solución diana usando un potenciostato (104) que contiene un convertidor IE,

dicho potencial que varía en el tiempo tiene un período de aumento, durante la diferencia de potencial aumenta desde un primer potencial predeterminado hasta un segundo potencial predeterminado, seguido por un período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en el segundo potencial predeterminado; y

tomar muestras de la corriente que fluye entre dichos electrodos de trabajo y contraelectrodos para propósitos de medición, sólo durante dicho período de reposo; caracterizado por que el aumento de la diferencia de potencial en el período de aumento tiene una tasa máxima que se ajusta para evitar la saturación del convertidor IE

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2005/003054.

Solicitante: F. HOFFMANN-LA ROCHE AG
ROCHE DIAGNOSTICS GMBH
.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: GRENZACHERSTRASSE 124,4070 BASEL.

Inventor/es: GRIFFITHS, JOHN, LORIMER,KEVIN, HYLAND,MARK, ASKEW,HERBERT FRANK, BROUGHALL,JOHN MORTON.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 30 de Junio de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01N27/403 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › Conjuntos de células y de electrodos.
  • G01N27/416 G01N 27/00 […] › Sistemas (G01N 27/27 tiene prioridad).
  • G01N27/48 G01N 27/00 […] › utilizando la polarografía, es decir la medida de las vibraciones de intensidad bajo una tensión que varía lentamente.

Clasificación PCT:

  • G01N27/416 G01N 27/00 […] › Sistemas (G01N 27/27 tiene prioridad).

Fragmento de la descripción:

Sensor electroquímico.

La presente invención se refiere a sensores electroquímicos y métodos de detección electroquímica.

En un biosensor electroquímico, se usa un electrodo de trabajo con un contraelectrodo y un electrodo de referencia, aunque los dos últimos se pueden combinar con un electrodo de pseudo-referencia. En el texto a continuación la expresión electrodo de referencia se debe interpretar como que indica electrodos de pseudo-referencia, a menos que el contexto requiera lo contrario. Para realizar una medición, se aplica una diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el de referencia y la corriente resultante se mide en un intervalo de voltajes. La concentración del analito y la especie del analito presentes en un fluido se pueden derivar de las mediciones de corriente a diferencias de potenciales específicos. La información complementaria se puede derivar de la posición del pico voltamétrico medido (y/o posición de punto medio) y la separación del pico voltamétrico. Un electrodo que se puede usar en tales biosensores se describe en el documento WO 03/056319 (que es un documento incorporado como referencia en su totalidad en la presente memoria).

Se ha descubierto que las mediciones elaboradas en un sensor de este tipo pueden contener errores, particularmente si se tienen que hacer mediciones rápidas en un dispositivo portátil.

El documento US 4.059.406 describe un detector electroquímico que tiene una celda de flujo de capa fina electroquímica a la que se le aplica periódicamente un voltaje que tiene una formación de voltaje de onda cuadrada de tal manera que el primer nivel potencial de la onda cuadrada funciona como un potencial de detección y un segundo nivel potencial de la onda cuadrada funciona como un potencial de limpieza.

El documento GB 1448 367 describe un sistema polarográfico que comprende un potenciostato y un convertidor de corriente a voltaje (IE) para aplicar una rampa de voltaje variable a través de una celda electroquímica con lo que la pendiente de la rampa se ajusta de acuerdo con la corriente que fluye en la celda.

El documento 5 980 708 describe un instrumento voltamétrico con forma de onda múltiple de alta sensibilidad en el que se aplica un potencial escalonado a través de los electrodos de una celda electroquímica usando un potenciostato con un convertidor IE. Para acomodar las altas corrientes transitorias generadas por la capacitancia del electrodo en respuesta un escalón en el potencial, la ganancia del amplificador operativo en el convertidor IE se disminuye para reducir la sensibilidad del convertidor. Por tanto, este documento constituye la técnica anterior más cercana para evaluar la novedad y la actividad inventiva.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un método y un dispositivo de detección electroquímica como se ha definido en las reivindicaciones dependientes.

Los presentes inventores han determinado que algunos errores de la medición se derivan de la aplicación de un potencial escalonado a los electrodos. El aumento escalonado en el potencial produce un pico de corriente seguido por un descenso debido en parte a la capacitancia de los electrodos, la forma del descenso también depende de la concentración de la solución diana y por tanto no se puede predecir, y las dificultades en la amortización de una alta corriente transitoria en un dispositivo portátil. Por tanto, las mediciones se toman en un estado intranquilo y se producen los errores.

Preferiblemente, la tasa del cambio potencial en el período en aumento es menor o igual que aproximadamente 250 Vs-1, preferiblemente menor que aproximadamente 150 Vs-1 y más preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 5 a 75 Vs-1. Una tasa de este tipo reduce el pico de corriente causado por el aumento del potencial de manera que las mediciones tomadas en el período de reposo están sustancialmente libres de errores.

El potencial que varía en el tiempo puede comprender además un segundo período en aumento durante el que la diferencia de potencial aumenta sustancialmente desde cero hasta un segundo potencial predeterminado, y un segundo período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en dicho segundo potencial predeterminado; y el método comprendiendo además tomar muestras de dicha corriente durante dicho segundo período de reposo.

Repetir el aumento de la rampa y las mediciones proporciona datos adicionales que apuntan a un promedio mejorado. En una realización particular el segundo potencial predeterminado es de polaridad opuesta al primer potencial predeterminado y tiene una magnitud diferente, pero en otras realizaciones el primer y segundo potenciales predeterminados pueden tener la misma polaridad.

En una realización preferida de la invención, la diferencia del potencial en el período o períodos de aumento sigue sustancialmente una parte de una función sinusoidal, en particular una mitad de un período. Una forma de onda de este tipo minimiza las corrientes transitorias y también es relativamente simple generarla en tiempo real.

La presente invención se describe además a continuación con referencia a una realización ejemplar y a los dibujos acompañantes, en los que:

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un dispositivo de sensor electroquímico portátil que incorpora la invención;

La Figura 2 es un gráfico de potencial frente al tiempo de una forma de onda aplicada a los electrodos en una realización de la invención; y

La Figura 3 es un esquema de un potenciostato básico.

El dispositivo sensor comprende una unidad electrónica 10 a la que se le conecta una unidad de electrodo 20, que puede ser desechable. La unidad de electrodo 20 tiene una pluralidad de electrodos de trabajo WE1 - WE6 así como electrodos de referencia y contraelectrodos (auxiliares) RE, CE. Se pueden usar más o menos electrodos de trabajo en otras realizaciones. En algunas realizaciones de la invención, los electrodos de referencia y los contraelectrodos se pueden combinar como un electrodo de pseudo-referencia. Una celda electroquímica se forma entre los electrodos de trabajo y los electrodos de referencia. Para hacer las mediciones una solución diana que está en conexión eléctrica con los electrodos, diversos voltajes - estáticos y variantes en el tiempo, se aplican entre uno de los electrodos de trabajo y los electrodos de referencia y se detectan las corrientes resultantes. Por ejemplo, la concentración de rutenio (RU) en una muestra se puede determinar aplicando un voltaje constante y midiendo una corriente.

El control global de la unidad electrónica 10 del dispositivo de sensor se realiza mediante un micro controlador 101 que incluye una memoria interna para almacenar el software del sistema. El microcontrolador puede ser un controlador ASIC, un FPGA dedicado o un controlador adecuadamente programado para propósito general. El microcontrolador controla un potenciostato 104 por medio de un convertidor digital a analógico 103 y recibe los resultados de medición desde el potenciostato 102 por medio del convertidor análogo a digital 102. El potenciostato 104 aplica los voltajes deseados a los electrodos de trabajo, de referencia y contraelectrodos WE, RE, CE; una celda multiplexor 105 bajo el control del microprocesador 101 selecciona aquel de los electrodos de trabajo apropiado. Los electrodos son preferiblemente micro-electrodos, por ejemplo, que tienen una anchura menor que aproximadamente 50 µm, electrodos de microbanda o una serie de micro-electrodos.

Una pantalla de gráficos 108 permite representar los menús de operación al usuario, introduciéndose las opciones por medio del teclado 109, y los resultados de la medición. Una RAM que se puede borrar eléctricamente 120 permite almacenar información de constantes y mediciones. Un lector de código de barras también se puede proporcionar para introducir datos, especialmente de información del paciente si el sensor se usa en aplicaciones médicas o veterinarias. Interfaces, por ejemplo, conformando RS232, Bluetooth, Ethernet, USB o WiFi (IEEE 802.11a, b, g, etc) convencionales, se pueden proporcionar para conectar las impresoras, las redes y otros dispositivos, por ejemplo, los sistemas de registros de pacientes. Los circuitos ilustrados por separado se pueden combinar en uno o más ASIC o FPGA.

La energía es suministrada desde las baterías 107 bajo el control de una unidad de gestión de energía 106 que optimiza la vida de la batería y controla la...

 


Reivindicaciones:

1. Un método de detección electroquímica que comprende:

aplicar un potencial que varía en el tiempo entre electrodos de trabajo y de referencia en un contacto eléctrico con una solución diana usando un potenciostato (104) que contiene un convertidor IE, dicho potencial que varía en el tiempo tiene un período de aumento, durante la diferencia de potencial aumenta desde un primer potencial predeterminado hasta un segundo potencial predeterminado, seguido por un período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en el segundo potencial predeterminado; y

tomar muestras de la corriente que fluye entre dichos electrodos de trabajo y contraelectrodos para propósitos de medición, sólo durante dicho período de reposo; caracterizado por que el aumento de la diferencia de potencial en el período de aumento tiene una tasa máxima que se ajusta para evitar la saturación del convertidor IE.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la tasa de cambio potencial en el período aumento es menor o igual que aproximadamente 250 Vs-1, preferiblemente menor que aproximadamente 150 Vs-1 y más preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 5 a 75 Vs-1.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 en el que el potencial que varía en el tiempo comprende además un segundo período de aumento durante el que la diferencia de potencial aumenta a partir de un tercer potencial predeterminado hasta un cuarto potencial predeterminado, y un segundo período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en dicho cuarto potencial predeterminado; y el método comprendiendo además tomar muestras de dichas corrientes durante dicho segundo período de reposo.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 en el que el cuarto potencial predeterminado es uno de polaridad opuesta al segundo potencial predeterminado.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4 en el que el cuarto potencial predeterminado es de una magnitud diferente que el segundo potencial predeterminado.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento sigue sustancialmente una parte de una función sinusoidal, en particular la mitad del período.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento sigue sustancialmente una parte de una función seleccionada a partir del grupo que consiste de:

un barrido lineal

funciones logarítmicas

funciones sigmoidales

hipérbolas

funciones logísticas

funciones Weibull

modelo de crecimiento de Gompertz

función de Hill

modelo de Chapman.

8. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la forma de curva de la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento se calcula en tiempo real.

9. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que dicho primer potencial es un potencial de circuito abierto.

10. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que dicho tercer potencial es un potencial de circuito abierto.

11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que dichos electrodos son micro-electrodos, electrodos de microbanda o una serie de micro-electrodos.

12. Un dispositivo de sensor electroquímico (10, 20) comprendiendo:

un potenciostato (104) que incluye un convertidor IE para aplicar un potencial entre electrodos de trabajo y contraelectrodos en un contacto eléctrico con una solución diana y que toma muestra de la corriente que fluye entre los electrodos;

un controlador (101) para controlar el potenciostato y programado para aplicar un potencial que varía en el tiempo que tiene un período de aumento, durante el que la diferencia de potencial incrementa desde un primer potencial predeterminado hasta un segundo potencial predeterminado, seguido por un período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en dicho segundo potencial predeterminado y toman muestras de la corriente que fluye entre dichos electrodos de trabajo y contraelectrodos para propósitos de medición, sólo durante dicho período de reposo, caracterizado por que

el controlador se programa además de manera que el aumento de la diferencia de potencial en el período aumento tiene una tasa máxima que se ajusta para evitar la saturación del convertidor IE.

13. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12 en el que el controlador se adapta para controlar el potenciostato de manera que la tasa del cambio de potencial en el período aumento es menor o igual que aproximadamente 250 Vs-1, preferiblemente menor que 150 Vs-1 y más preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 5 a 75 Vs-1.

14. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12 ó 13 en el que el controlador se adapta además para controlar el potenciostato de manera que el potencial que varía en el tiempo comprende además un segundo período de aumento durante el que la diferencia de potencial incrementa desde un tercer potencial predeterminado hasta un cuarto potencial predeterminado y un segundo período de reposo durante el que dicha diferencia de potencial se mantiene sustancialmente constante en cuarto potencial predeterminado; y dicha corriente se muestrea durante dicho segundo período de reposo.

15. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14 en el que el cuarto potencial predeterminado es de polaridad opuesta al segundo potencial predeterminado.

16. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15 en el que la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento sigue sustancialmente una parte de una función sinusoidal, en particular la mitad de un período.

17. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15 en el que la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento sigue sustancialmente una parte de una función seleccionada a partir del grupo que consiste de:

un barrido lineal

funciones logarítmicas

funciones sigmoidales

hipérbolas

funciones logísticas

funciones Weibull

modelo de crecimiento de Gompertz

función de Hill

modelo de Chapman.

18. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17 en el que dicho primer potencial es un potencial de circuito abierto.

19. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18 en el que dicho tercer potencial es un potencial de circuito abierto.

20. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 12 a 19 en el que dichos electrodos son micro-electrodos, electrodos de microbanda o una serie de micro-electrodos.

21. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20 que comprende además un generador de forma de onda dispuesto para generar la forma de onda de la diferencia de potencial en el período o períodos de aumento en tiempo real.

22. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20 que comprende además una memoria para almacenar una pluralidad de valores que representan la forma de onda a aplicarse a dichos electrodos y en el que dicho controlador se adapta para leer dichos valores en secuencia desde dicha memoria.

23. Un dispositivo de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22 en el que dicho dispositivo se acciona por batería y se manipula manualmente.


 

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