专利名称：生理样品采集装置及其使用方法
提供了用于穿刺皮肤、获取和采集皮肤中的生理样品以及测量生理样品的特性的装置、系统和方法。题述装置包括至少一个固定在测试带上的显微操作针或皮肤穿刺件。题述测试带包括生物传感器，其中至少一个皮肤穿刺件与生物传感器独立地相连。优选的皮肤穿刺件具有可形成空间的结构，在插入皮肤中时其可在所刺入的组织内形成一个空间或容积。此空间用作容槽或聚集区域，在皮肤穿刺件就位时体液可聚集在此区域内。从聚集空间延伸到测试带内的毛细通道或液体路径将聚集空间内的聚集液体传送到生物传感器中。在一些实施例中，可形成空间的结构是皮肤穿刺件表面内的凹腔。这种凹腔可具有下凹的结构。在另一些实施例中，可形成空间的结构为开口，其横向于皮肤穿刺件的尺寸延伸，并占据了显微操作针的宽度或直径尺寸的一大部分以及长度尺寸的一大部分。通常来说，用于本发明的针或刺入件的测试带可包括电化学或光度/比色传感器。也可采用其它类型的测试带。根据本发明的针或刺入件可以多种方式固定在测试带元件中。它们可例如采用粘合剂、化学或超声波焊接而直接地固定。或者，可以采用通过夹扣等的机械连接件。这样生产出的完整的测试带/刺入件组合物具有许多优点。题述系统包括一个或多个题述测试带装置以及用于接受题述测试带和测定采样液体的特性的测量仪，这种特性例如为采集在测试带的生物传感器内的至少一种分析物的浓度。而且，这种测量仪还提供了用于促动和操纵测试带的装置，其中可使皮肤穿刺结构刺入到皮肤中。另外，测量仪可设有用于存储一条或多条题述测试带的装置，或者是包含有多条这种测试带的盒体。还提供了用于使用题述装置的方法，以及包括了用于实施题述方法的题述装置和/或系统的成套器具。题述装置、系统和方法尤其适合于采集生理样品和测定其中的分析物浓度，具体地说是血液、血液成分或间质液中的葡萄糖浓度。本发明还包括用于制造题述测试带装置的方法，其中将显微操作针或皮肤穿刺件固定在完整/分立的测试带单元中。题述制造方法可用于在适当材料的网状物、薄膜或薄片上制造单个测试带装置或多个这种测试带装置。本领域的技术人员在阅读了下面详细介绍的本发明的方法和系统的细节后可以清楚本发明的这些和其它目的、特征和优点。


图1是可用于本发明变型的代表性测量仪的透视图。
图2A和3A是在比色测试装置中使用的本发明的透视图；图2B和3B是通过粘合剂和机械紧固件连接到测试带上的刺入件的透视图。
图4A和4B是在电化学测试装置中使用的本发明的虚线形式的透视图，其中显示了塑料的和金属的刺入件。
图5A是采用了分散通道的另一刺入结构的分解透视图；图5B是从下方看去的图4A所示部件的透视图。
图6是与图5A和5B类似的另一刺入件的透视图，然而它为不太显眼的形式。
图7是另一刺入件的透视图，其采用了嵌入式分散区域。
然而在详细地介绍本发明之前，应当理解本发明不限于所阐述的特定变型，因此本发明当然可以进行变化。在不脱离本发明的精神实质和范围的前提下，可对所述发明进行各种变化，并可用等效设置来代替。另外，可进行许多修改，以使特定位置、材料、物质组合、过程、过程操作或步骤适应于本发明的目的、精神或范围。所有这些修改均属于这里提出的权利要求的范围内。例如，电化学和光度传感器类型的测试带的使用介绍并不受到限制；本领域的技术人员可以理解，题述装置、系统和方法在生物物质的其它物理和化学特性如血液凝固时间、血液胆固醇水平等的测量中也是有用的。
这里所述的方法可以所叙述事件的任何逻辑上可行的顺序来执行，也可以这些事件的所叙述的顺序来执行。此外，在提供数值的范围时，应当理解，在此范围的上限值和下限值之间的各插入值以及在所给出的范围内的任何其它给出值或插入值都包含在本发明内。而且，可以设想，所介绍的本发明变型的任何可选特征可独立地或与这里所述的任何一项或多项特征组合起来阐述并提出权利要求。
这里提到的全部现有的主题(例如出版物、专利、专利申请和硬件)均通过引用而整体地结合于本文中，除非这些主题与本发明的主题相冲突(在这种情况下以这里提出的内容为主)。这里所引用的文献只是因为它们的公开早于本申请的提交日而提供。这里的所有说明都不能被解释为，由于存在这些现有发明，本发明不能先于这些材料而被授权。
这里提到的单数物体包括了存在多个相同物体的可能性。更具体地说，在这里和所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“和”、“所述”和“这个”包括了复数的所指对象，除非上下文中另有清晰的说明。还应注意到权利要求可拟订成排除了任何可选的元件。因此，此说明可用作使用与所要求元件有关的排他性用语如“只”、“仅”等或者使用“否定性”限制的前提基础。最后，应当理解，除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本发明所属领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。比色/光度传感器的变型在包括比色或光度(这里它们可互换地使用)生物传感器的测试器中，它们设有至少一个位于支撑结构上的基体(matrix)和/或隔膜，用于容纳样品和反应剂组合物(设于基体或隔膜内)。在设置了隔膜以及基体的情况下，隔膜通常放置在基体上与支撑结构相反的一侧上。隔膜最好可包括用于获取样品的开口或孔。
在一些实施例中，传感器包括含有浸渍于其中的反应剂组合物的隔膜，而基体可含有或不含有反应剂组合物。通常来说，基体最好设有沉积区域，其用于将在下文中介绍的信号产生系统的各个元件和由信号产生系统所产生的光吸收或生色产物即指示剂，基体还设有用于检测由信号产生系统的指示剂所产生的光吸收产物的位置。
所提供的隔膜可包括具有水流体流动特性并足够疏松(即提供了足够的空隙空间)的隔膜，以用于进行信号产生系统的化学反应。理想上说，隔膜孔结构不支持红血球流动到相关的隔膜表面(即隔膜的色彩强度是与分析物浓度有关的一个测量对象)。所提供的任何基体可以具有或不具有孔和/或孔隙梯度，例如在靠近或位于样品施加区域处具有较大的孔，而在检测区域处具有较小的孔。
用于制造隔膜的材料可以变化，包括聚合物如聚砜、聚酰胺、纤维素或吸水纸等，在这里此材料可以具有或不具有与信号产生系统的各元件的共价或非共价连接。在由薄的隔膜材料制成的测试器中，测试器只需少于1/2微升的样品就可湿润足够大面积的隔膜，从而得到良好的光学测量。
关于适当的基体方面，已经开发了许多不同的类型以用于各种分析物的检测化验，其中基体的材料、尺寸等可以变化，代表性的基体包括但不限于在美国专利No.4734360、No.4900666、No.4935346、No.5059394、No.5304468、No.5306623、No.5418142、No.5426032、No.5515170、No.5526120、No.5563042、No.5620863、No.5753429、No.5573452、No.5780304、No.5789255、No.5843691、No.5846486、No.5968836和No.5972294中所公开的基体；这些专利通过引用结合于本文中。
虽然这样构造，然而生物传感器的信号产生系统的一个或多个元件可响应于分析物的存在而产生可检测的产物，可采用这种可检测的产物来得出所化验的样品中存在的分析物的量。在题述测试带中，信号产生系统的所述一个或多个元件最好与基体或隔膜的至少一部分(即检测区域)相连(例如共价地或非共价地连接)，并且在许多实施例中，它们与基体或隔膜的基本上所有部分相连。
信号产生系统可包括分析物氧化信号产生系统。分析物氧化信号产生系统是指在产生从中可得出样品中的分析物浓度的可检测信号时，分析物被一种适当的酶氧化，从而产生分析物的氧化形式以及对应的或成比例的量的过氧化氢。然后又利用过氧化氢，从一种或多种指示剂化合物中产生可检测的产物，随后将由信号测量系统所产生的可检测产物即信号的量与原始样品中的分析物的量相关联。这样，存在于题述测试带中的分析物氧化信号产生系统也可准确地表示为基于过氧化氢的信号产生系统。
基于过氧化氢的信号产生系统包括可氧化分析物并产生相应量的过氧化氢的酶，在这里，相应量是指所产生的过氧化氢的量与存在于样品中的分析物的量成比例。这种第一酶的特定性质必须取决于所化验的分析物的性质，然而它一般为氧化酶或脱氢酶。因此，第一酶可以是葡萄糖氧化酶(分析物为葡萄糖)，或者采用NAD或PQQ作为辅助因子的葡萄糖脱氢酶；胆固醇氧化酶(分析物为胆固醇)；醇氧化酶(分析物为乙醇)；乳酸氧化酶(分析物为乳酸)，等等。本领域的技术人员已经知道可与这些及其它所关注的分析物一起使用的其它氧化酶，它们也可同样被采用。在反应剂测试带设计成用于检测葡萄糖浓度的那些优选实施例中，第一酶是葡萄糖氧化酶。葡萄糖氧化酶可从任何方便的来源中得到(例如自然存在的来源如黑曲霉或青霉素，或者重组式地产生)。
这种信号产生系统的第二酶是可催化一种或多种指示剂化合物转化成以过氧化氢形式存在的可检测产物的酶，在这里由此反应产生的可检测产物的量与所存在的过氧化氢的量成比例。此第二酶一般为过氧化物酶，其中合适的过氧化物酶包括辣根过氧化物酶(HRP)、大豆过氧化物酶、重组产生的过氧化物酶和具有过氧化活性的合成的类似物等。例如见于Y.Ci.，F.Wang等人在Analytica ChimicaActa，233(1990)，299-302上的文章。
所提供的指示剂化合物最好是由以过氧化物酶形式存在的过氧化氢所形成或分解出的化合物，其可产生可吸收预定波长范围内的光的指示剂染料。指示剂染料最好可在与样品或检验反应剂可强烈吸收的波长不同的波长下强烈地吸收。指示剂的氧化形式可以是着色、微着色或无色的最终产物，其可显示出隔膜的检验侧的颜色变化。也就是说，检验反应剂可通过漂白的着色区域或通过可显色的无色区域而显示出样品中葡萄糖的存在。
可用于本发明的指示剂化合物包括单组分和双组分生色基质。单组分系统包括芳香胺、芳族醇、吖嗪和联苯胺，例如四甲基联苯胺-HCl。合适的双组分系统包括其中一种组分是MBTH、MBTH衍生物(例如见美国专利申请S/N 08/302575所公开的)或4-氨基安替比林，另一组分是芳香胺、芳族醇、共轭胺、共轭醇，或芳族醛或脂族醛。代表性双组分系统是3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙盐酸盐(MBTH)和3-二甲氨基苯甲酸(DMAB)的组合；MBTH与3，5-二氯-2-羟基苯磺酸(DCHBS)的组合；以及3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙N-氮磺酰基苯磺酸单钠(MBTHSB)与8-苯胺-1-萘磺酸铵(ANS)的组合。在一些实施例中优选染料偶联MBTHSB-ANS。
在本发明的可使用比色传感器的其它一些实施例中，采用了可产生可检测的荧光产物(或例如在荧光背景中可检测的非荧光产物)的信号产生系统，例如在Kiyoshi Zaitsu，Yosuke Ohkura的“用于辣根过氧化物酶的新型荧光基质用于过氧化氢和过氧化物酶的快速和灵敏检验”，Analytical Biochemistry(1980)109，109-113中所述的系统。适于与本发明一起使用的这种比色反应剂测试带的例子包括在美国专利No.5563042、No.5753452和No.5789255中所介绍的，这些专利通过引用结合于本文中。电化学传感器的变型本发明可不采用如上所述的比色传感器，而是采用电化学传感器。通常来说，电化学传感器包括至少一对相对的电极，然而在本发明中也可使用带有平面电极的电化学测试带。
在采用反向电极型的测试带时，电极的至少相互面对的表面包括导电层如金属，其中令人感兴趣的金属包括钯、金、铂、银、铱和不锈钢等，以及碳(导电碳墨)和掺杂铟的氧化锡。
一个导电层最好由溅射金(Au)的薄层来形成，另一导电层由溅射钯(Pd)的薄层来形成。或者，电极可通过丝网印刷包括导电引线在内的可选择的导电图案并且在支撑面上印刷碳或金属油墨来形成。可在此导电层的上方印刷附加的绝缘层，其暴露出精确形成的电极图案。虽然这样来形成，然而在沉积了导电层之后，表面可随后用亲水性反应剂来处理，以促进将液体样品传送到其间的反应区中。根据施加在电池上的电压序列，一个电极可用作电化学电池的反电极/基准电极，而另一电极可用作电化学电池的工作电极。然而在采用双脉冲电压波形时，在分析物浓度测定过程中，各电极均可用作反电极/基准电极和工作电极。
不论反应区或电极结构如何，通常在电极中进行反应剂涂覆。令人感兴趣的反应剂系统一般包括酶和氧化还原活性组分(介体)。如果存在的话，反应剂组合物的氧化还原组分由一种或多种氧化还原剂组成。在本领域中已知了多种不同的氧化还原剂(即介体)，其包括氰铁酸盐、乙基硫酸吩嗪(phenazine ethosulphate)、甲基硫酸吩嗪(phenazine methosulphate)、苯二胺(pheylenediamine)、1-甲氧基-甲基硫酸吩嗪、2，6-二甲基-1，4-苯醌、2，5-二氯-1，4-苯醌、二茂铁衍生物、吡啶基锇复合物、钌复合物等。在许多实施例中，尤其令人感兴趣的氧化还原活性组分为氰铁酸盐等。酶的选择可根据所测量的分析物浓度而变化。例如，用于化验全血中的葡萄糖的合适的酶包括葡萄糖氧化酶或脱氢酶(基于NAD或PQQ)。用于化验全血中的胆固醇的合适的酶包括胆固醇氧化酶和酯酶。
其它可存在于反应区中的反应剂包括缓冲剂(例如柠康酸盐、柠檬酸盐、苹果酸盐、马来酸盐、磷酸盐，“Good”缓冲剂等)；二价阳离子(例如氯化钙和氯化镁)；表面活性剂(例如Triton、Macol、Tetronic、Silwet、Zonyl、Aerosol、Geropon、Chaps和Pluronic)；以及稳定剂(例如白蛋白、蔗糖、海藻糖、甘露醇和乳糖)。
适合于与本发明一起使用的电化学生物传感器的示例包括在共同未决的美国专利申请No.09/333793、No.09/497304、No.09/497269、No.09/736788和No.09/746116中所介绍的，这些公开文献通过引用结合于本文中。测试带系统和使用如上所述，题述装置可用于题述系统的范围中，题述系统通常包括可得到生理样品和测定样品性质的系统，其中测定所感兴趣的性质可通过自动装置如测量仪来自动地完成。在这里，题述系统在分析物浓度测定的范围中进行了具体的介绍。然而，根据本发明的成套器具或系统包括至少一个题述测试带装置2，通常是多个测试带装置，其中所述至少一个测试带装置包括至少一个皮肤穿刺件4。成套器具还可包括可再使用的或一次性的测量仪6，其可与一次性的测试带装置一起使用。另外，测试带的成套器具可包括对照液或标准(例如含有标准葡萄糖浓度的葡萄糖对照液)。成套器具还可包括用于在测定生理样品中的分析物浓度中使用根据本发明的测试带的使用说明。这些使用说明可存在于与题述测试带有关的一个或多个容器、包装、标签插入物等上。
在提供了多个测试带装置的情况下，它们可总体地包装在一个可再使用的或一次性的盒体内。一些这种成套器具可包括各种类型的测试带装置(例如电化学和/或比色测试带装置)。这些各种测试带装置可含有相同或不同的反应剂。
无论根据本发明的任何系统的构件性质如何，题述测试带装置(无论是电化学的、比色的或是其它类型的)最好构造成并适于插入到测量仪中。更具体地说，如图1所示，测试带装置2具有第一端8和第二端10，其中皮肤穿刺或刺入刀片或针4连接在第一端8上，至少第二端10构造成可插入到测量仪6中。
测量仪6具有人机工效学设计的外壳12，其尺寸允许可用一只手舒适地握住并操纵测量仪。外壳12可由金属、塑料或其它适当的材料制成，最好是轻质的但足够耐用的材料。外壳的远端部分14设有开口16，测试带装置2可通过此开口而从测量仪6内的收回位置推进到伸出位置，在伸出位置中测试带的显微操作针/刺血针4的至少一部分在开口16之外延伸一段距离。
远端部分14还形成了一个腔，测试带装置2在此腔中容纳于测试带容纳机构18内。通过将外壳远端部分14从外壳12上取下来并将测试带装置2插入到测试带容纳机构18中，就可将测试带装置2插入到测量仪6中。或者，测试带装置2可通过开口16插入到测量仪6中并容纳在机构18中。
外壳远端部分14最好是透明的或半透明的，以允许使用者在进行分析物浓度化验之前在视觉上确认测试带装置2和容纳区域18之间的正确接合，以及可观察到检验部位并在化验过程中在视觉上确认测试带2被填充了体液(尤其在未设置电子检测来识别这种情况的时候更是如此)。在测试带装置2正确地安放在容纳机构18中时，测试带装置2内的生物传感器与测量仪的检验部件可操作地相接合。在电化学测试带的实施例中，生物传感器的电极与测量仪的电子部分可操作地相接合；在比色测试带的实施例中，具有信号产生系统的基体或隔膜区域与测量仪的光学部件可操作地对准。在检测到测试带装置2内的反应区或基体区域被采样液体所填充时，测量仪的电子或光学部件为测试带的生物传感器提供输入信号，并接收来自生物传感器的输出信号，其表示了所测量的样品液体的特性。
在开口16的周围设有压环20，在检验过程中压环的末端表面施加在皮肤上并包围着皮肤内的穿刺部位。由压环20施加在皮肤上的压力促进了从周围的组织中抽取体液以及将这种液体传送到测试带装置2中。
外壳远端部分14最好自身可与测量仪6可动地接合，其中外壳远端部分14可沿测量仪的纵向轴线稍稍移动或压缩。在外壳远端部分14和外壳12的近端部分之间设有压力传感器22，当将压环20压在皮肤上时，压力传感器22可检测和测量施加在外壳远端部分14上的压力的量。压力传感器22最好是电类型的传感器，它可以是电子领域内所公知的那种类型。设置了与压力传感器22电连通的压力传感器指示器24，用于指示施加在外壳远端部分14上的压力水平，这样，在必要时使用者可调节所施加的压力的量，从而施加最佳的压力。
在许多实施例中，测量仪6具有显示屏26如LCD显示屏，用于显示数据如输入参数和测试结果。另外，测量仪6具有多种控制和按钮，用于对测量仪的处理部件输入数据并控制测试带装置2的穿刺操作。例如，可采用杠杆28来使测试带装置2退回到测量仪6内的装载位置并因此预加载弹簧机构(未示出)，以便日后在需要时通过压下按钮30来使测试带装置2从开口16中伸出或推出。在外壳远端部分14正确地定位于皮肤上时，测试带装置2的这种推出使得显微操作针4可同时刺入皮肤以获取皮肤中的体液。按钮32和34在被按下时可对测量仪的处理部件输入信号，其表示所进行的测量分别是用于检验/信息目的(以及用于从测量仪电子部分内的存储装置中恢复测试结果)，还是用于校准目的。
测量仪6还构造成用于容纳和夹持可更换的盒体，其含有多个题述测试带装置。在使用了一个测试带装置后，测量仪可从中推出用过的测试带，或者将它们存储起来以便日后一起丢弃。这种结构消除了操作测试带的需要，从而减少了损坏测试带以及无意中伤害病人的可能性。此外，由于消除了测试带的手动操作，因此测试带可制成更小，从而减少了所需的材料量，节约了成本。在与本申请同日提交的代理人档案号为No.LIFE-054的题为“最少操作过程的分析物测试系统”的美国专利申请中所公开的测量仪与这方面的考虑尤其相关。
另外，在美国专利No.6193873、共同未决且共同拥有的美国专利申请No.09/497304、No.09/497269、No.09/736788、No.09/746116和No.09/923093中公开了适于与题述系统一起使用的测量仪的一些功能性方面。当然，在使用比色化验系统的那些实施例中，可以采用分光光度计或光学测量仪，适于使用的这种测量仪的一些功能性方面例如在美国专利No.4734360、No.4900666、No.4935346、No.5059394、No.5304468、No.5306623、No.5418142、No.5426032、No.5515170、No.5526120、No.5563042、No.5620863、No.5753429、No.5573452、No.5780304、No.5789255、No.5843691、No.5846486、No.5968836和No.5972294中有所介绍。
在使用中，本发明提供了用于测定样品特性如样品中的分析物浓度的方法。题述方法可应用于多种不同的分析物浓度测定中，其中代表性的分析物包括葡萄糖、胆固醇、乳酸和乙醇等。在许多实施例中，可采用题述方法来确定生理样品中的葡萄糖浓度。根据本发明的测试装置2尤其适用于测定血液或血液成分、更具体地说为全血或间质液中的分析物的浓度。
在实施题述方法时，提供了至少一个如上所述的题述测试带装置，并将它的题述显微操作针4插入到皮肤的目标区域中。一般来说，皮肤穿刺件插入到手指或前臂的皮肤中约1到60秒，通常为1到15秒，更普遍地为约1到5秒。根据待获取的生理样品的类型，题述皮肤穿刺件4可刺入到各种皮肤层中，包括真皮、表皮、角质层，然而在许多实施例中它们刺入到不超过皮肤的皮下层。
虽然可操纵题述测试带并将其人工地插入到皮肤中，然而题述测试带最好可与手持测量仪、例如上述的测量仪一起使用。这样，一个测试带装置2可在开始时插入到测试带测量仪中，或者由预装载的盒体(未示出)来提供测试带。在采用后一种方法的实施例中，盒体最好可与测量仪6可拆卸地接合。可自动地丢弃用过的测试带，例如将其从测量仪中推出或堆积到盒体内的一个单独的隔腔中，而未用过的测试带可自动地从盒体中取出并插入到测量仪的容纳区域内。
一旦测试带装置2正确地容纳在机构18中，机构18就被弹性加载或通过杠杆28而准备击发，从而使测试带装置2退回并准备发射。然后将测量仪6放置成与目标皮肤表面基本上垂直，其中外壳远端部分14、更具体地说是压环20与目标皮肤区域接触。可对目标皮肤区域人工地施加一定的压力，即通过将测量仪的远端14压在目标皮肤区域上，以保证皮肤穿刺件4正确地插入到皮肤中。通过施加这种压力，反作用力使得外壳远端部分14向回压在压力传感器22上。
然后测量反压力的相对量(即高、正常和低)，并由可选的压力传感器指示器24来显示。所施加的压力的量最好应在“正常”范围内。指示器24通知使用者关于何时施加了过高或过低的压力。当指示器显示出所施加的压力为“正常”时，使用者可压下弹簧释放按钮30。由于弹力的释放，容纳/携带机构18和测试带装置2被向前推动，从而使皮肤穿刺件4从开口16中延伸出并刺入目标皮肤区域。
无论通过人工方式还是使用测量仪6，皮肤穿刺件4刺入皮肤均形成了液体样品聚集区域(由如图4A-7所示的皮肤穿刺件的变型内的凹腔或开口形成，其将在下文中进一步介绍)。在这些情况下，样品液体通过敞开空间的结构(例如皮肤穿刺件4内的凹腔或开口)进入到聚集区域中，并还可能从皮肤穿刺件的相反侧进入到聚集区域中。然后，所聚集的样品液体直接传送到测试带的反应区，或至少通过施加在聚集液体上的毛细作用力并经液体路径而传送到反应区。在未设置扩大的聚集区域时，在某些情况下简单的毛细通道被证明是有效的，然而这种设置并不是最优选的。
在任一种情况下，可通过用压环20在刺入部位周围施加物理正压力，或者通过液体通道施加负压源以便真空吸取暴露在通道远端的体液，从而进一步促进液体从创口部位到生物传感器的传送。进入到生物传感器的反应区内的液体可简单地填充此区域，或者通过子通道或另一类似的分配构件来分配。
一旦测量仪6检测到反应区或基体区域完全填充了体液样品，那么测量仪的电子部件或光学部件就被激活以进行所抽取样品的分析。在此时，病人可将测量仪从刺入部位处移开，或者将其保持在皮肤表面上直到在显示屏上显示了测试结果。作为替代或附加，测量仪6包括这样的装置，一旦反应单元填充了体液样品，此装置就可自动地将显微操作针及测试带从皮肤中抽回。
在基于电化学的分析物浓度测定化验中，采用反电极/基准电极和工作电极来进行电化学测量。所进行的电化学测量可根据化验的具体性质和采用了电化学测试带的测量仪而变化(例如根据化验是电量测量、电流测量或电位测量)。一般来说，电化学测量将测量电荷(电量测量)、电流(电流测量)或电位(电位测量)，并通常在样品被引入反应区中一段给定时间之后进行测量。用于进行上述电化学测量的方法在美国专利No.4224125、No.4545382和No.5266179以及国际专利出版物WO 97/18645和WO 99/49307中有进一步的介绍。
在检测到产生于反应区中的电化学信号之后，通常通过将其与从一系列先前得到的对照值或标准值中产生的电化学信号相关联来测定样品中存在的分析物的量。在许多实施例中，电化学信号测量步骤和分析物浓度推导步骤通过设计成可与测试带一起工作的装置来自动地执行，从而得出施加在测试带上的样品中的分析物浓度值。用于自动进行这些步骤、使得使用者只需要将样品施加在反应区并随后可从此装置上读取最终的分析物浓度结果的代表性读出装置在1999年6月15日提交的共同未决的美国专利申请S/N 09/333793中有进一步的介绍。
为了进行比色或光度的分析物浓度测定化验，施加在题述测试带、更具体地说是测试带的反应区上的样品可与存在于反应区内的信号产生系统的元件发生反应，从而产生可检测到的产物，其代表了与存在于样品中的分析物初始量成比例的量的所关注的分析物。然后确定可检测产物(即信号产生系统所产生的信号)的量并将其与原始样品中的分析物的量相关联。在这种比色化验中，采用光学型测量仪来进行上述检测和关联步骤。上述反应、检测和关联步骤以及用于进行这些步骤的仪器在美国专利No.4734360、No.4900666、No.4935346、No.5059394、No.5304468、No.5306623、No.5418142、No.5426032、No.5515170、No.5526120、No.5563042、No.5620863、No.5753429、No.5573452、No.5780304、No.5789255、No.5843691、No.5846486、No.5968836和No.5972294中有进一步的介绍；这些专利通过引用结合于本文中。适于与本发明一起使用的这种比色或光度反应剂测试带的例子包括在美国专利No.5563042、No.5753452和No.5789255中所介绍的，这些专利通过引用结合于本文中。测试带装置现在来看图2A和2B，图中显示了第一测试件或测试器2。它包括测试带36以及针/显微操作针或刺入件/刺血针部分38(在这里它们可互换地使用)。图2B单独地显示了刺入件38，而在图2A中单独的测试带38和刺入件38相互间固定、保持或连接在一起以形成测试器2。
测试带包括设置在衬底42上的生物传感器40。可设置粘结件44来实现这种连接。图2A所示的生物传感器为比色型传感器，其与隔膜和/或基体设置在一起。在衬底42中设有开口或透明窗口46，以便可看到传感器。
为了将图2B中的刺入件连接到图2A的测试带上，在刺入件的基座50上施加了粘结件48，以将其连接在测试带的相对部分上。这些元件的定位当然可以变化。通常来说它们设置成不会干涉相互间的结构。图5A和5B提供了用于将刺入件和测试带相连的另一粘结部分的布置的例子。
无论相对定位或结构如何，与可选的粘结部分44一样，粘结部分48可包括双面粘合带或直接涂覆的粘合剂。或者，元件36和38的粘合固定可先期进行，以便有利于将这些部件机械地焊接(例如采用超声波)或化学地焊接在一起。另外，可设置附加的连接件以将测试带与根据本发明的刺入件相连。
这种方法的一个例子显示于图3A和3B中。这里，刺入件38包括设置在基座50的两侧处的钩子或夹紧件52。夹紧件可如图所示地与刺入件形成一体，或者包括独立或分立的元件。
图4A和4B所示的本发明变型在它们各自的底侧采用了粘附式刺入件38。各刺入件的基座通过粘合层44固定在测试带主体36上。当然，也可如其它的连接方法一样采用夹紧式刺入件。
如图所示，图4A中的刺入件具有与图4B所示的刺入件不同的厚度。这是因为前者适于由塑料制成，而后者可由金属制成。实际上，所示的各种刺入件的变型中的任一种可由金属、塑料、合成材料、陶瓷或其它材料制成并相应地构造。类似地，如已经清楚的那样，所述任一种连接方法均可用于任一种刺入件的变型中。另外，如下所详述的关于针4的结构和液体传送的各个可选构件均可用于所公开的各种测试带36及其它测试带的各个变型中。
然而，首先将介绍图4A和4B中的测试带实施例的细节。具体地说，测试带36包括第一电极54和第二电极56，其最好如上所述地与电化学传感器的生产有关地来构造。所提供的任何衬底材料的厚度一般在约25到500微米的范围内，通常在约50到400微米的范围内，而金属层的厚度一般在约10到100毫微米的范围内，通常在约10到50毫微米的范围内。
粘结件58可用作电极之间的间隔件，其形成了反应区或区域60并使电极通常相互面对并只隔开一段很短的距离，使得电极间的间距非常狭窄。间隔层58的厚度一般在10到750微米的范围内，通常小于或等于500微米，更普遍地在约25到175微米的范围内。任何间隔层最好具有双面的粘性以与相邻的电极粘合。在任一种情况下，间隔层58可由任何方便的材料制成，其中代表性的适当材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚酰亚胺、聚碳酸酯等。
如所述，工作电极和基准电极通常构造成条状形式。一般来说，电极长度在约0.75到2英寸(1.9到5.1厘米)的范围内，通常在约0.79到1.1英寸(2.0到2.8厘米)的范围内。电极宽度在约0.15到0.30英寸(0.38到0.76厘米)的范围内，通常在约0.20到0.27英寸(0.51到0.67厘米)的范围内。在一些实施例中，一个电极的长度短于另一电极，其中在某些实施例中一个电极比另一电极短0.135英寸(3.5毫米)。最好，电极和间隔件的宽度相匹配以使元件可重叠在一起。结合于测试带中的间隔件可设定成离电极56端部约为0.3英寸(7.6毫米)，使得电极之间的开口62约为0.165英寸(4.2毫米)深。然而，这种开口应构造成可提供用于容纳测量仪探针的空间。
在反应区上从入口端66处设置了排气口64。排气口的设置允许在电极之间产生毛细作用，以将样品抽入到反应区中而不会有背压干扰。间隔层58最好构造成或切成可提供这样的反应区或区域，其容积在约0.01到10微升的范围内，通常在约0.1到1.0微升的范围内，更普遍地在约0.05到1.0微升的范围内。引入测试带反应区内的生理样品的量可以变化，但一般在约0.1到10微升的范围内，通常在约0.3到0.6微升的范围内。
样品的这种引入最好在槽口部分68处完成。槽口部分68与针4的特征构件形成接口，从而可拾取所聚集或传送的样品并将其向内引向测试带的反应区，至少部分地沿槽口边缘引导样品。
这样，显示于图4A和4B中的本发明的变型代表了前端加载的测试带。图2A和2B所显示的为沿传感器表面(位于测试带的底侧上)装载或接受样品。然而也可以采用其它的引入方式。可以采用侧面加载的测试带(如在代理人档案号为No.LIFE-031/No.LIFE-039的上面引用的专利申请中所介绍的)，只需对其刺入件进行微小的改动。这种方法可作为本发明的一部分。刺入件关于所示刺入件38的各种特征构件同样作为本发明的一些方面。根据上述内容，各刺入件包括刺血针/针或皮肤穿刺件4，其通常具有尖头70。另外，刺针4的主体和基座50可包括各种特征构件，以采集生理样品和/或将生理样品传送到给定的测试带传感器40中。
实际上，可采用任何适当形状的皮肤穿刺件4与题述测试带装置一起使用，只要此形状允许能以对病人来说最小的疼痛而刺入皮肤。例如，皮肤穿刺件可具有基本上平坦的或平面的结构，或者是基本上为圆柱形、楔形、三角形如大致平坦三角形的结构，叶片形，或者具有任何其它适当的形状。皮肤穿刺件或皮肤穿刺件的至少刺入皮肤中的那部分的截面形状可以是任何适当的形状，包括但不限于大致的矩形、长方形、正方形、椭圆形、圆形、菱形、三角形、星形等。另外，皮肤穿刺件可为锥形的，或者以其它方式在其末端形成一个点或顶点。这种结构可采取在尖端为斜角的形式，或者是金字塔或三角形的形状等。
皮肤穿刺件的尺寸可根据各种因素而变化，例如待获取的生理样品的类型、所需的刺入深度和待检验的特定病人的皮肤层厚度。一般来说，皮肤穿刺件构造成可提供皮肤穿刺和液体抽取的功能，因此其应设计成足够坚固以承受插入到皮肤中和从皮肤中抽出。通常来说，为了实现这些目标，刺入长度(定义为皮肤穿刺件的基座和其尖端之间的距离)与直径(此直径在皮肤穿刺件的基座处测量)之比约为1∶1，通常为2∶1，更普遍地为5∶1或10∶1，最好为50∶1。
皮肤穿刺件的总长一般在约1到30000微米的范围内，通常在约100到10000微米的范围内，更普遍地在约1000到3000微米的范围内。皮肤穿刺件的刺入长度一般在约1到5000微米的范围内，通常在约100到3000微米的范围内，更普遍地在约1000到2000微米的范围内。皮肤穿刺件38的高度或厚度、至少是远端部分14的厚度一般在约1到1000微米的范围内，通常在约10到500微米的范围内，更普遍地在约50到250微米的范围内。基座处的外径一般在约1到2000微米的范围内，通常在约300到1000微米的范围内，更普遍地在约500到1000微米的范围内。在许多实施例中，尖端的外径一般不超过约100微米，通常小于约20微米，更普遍地小于1微米。然而，本领域的技术人员可以理解，皮肤穿刺件的外径可沿其长度变化，或基本上保持稳定。
考虑到可包含在刺入件38内的液体传送构件，为此，一个变型只包括一个优选为毛细尺寸的通道72。通道构造成可与图2A和3A中的测试带一起工作，最好延伸出足够的长度以使它与传感器基体或隔膜流体相通。通道可在任一侧开口(因而采用了沟槽的形式)或在两侧开口。通道长度最好限制成与所需的目标相匹配，以便避免样品液体的意外损失。
图4A和4B显示了有些不同的刺入件结构。在各图中，设置了下凹的聚集区域74。由于在本发明的此变型中液体可从刺入件4直接传送到进入端口66中(如上所述)，因此不需要毛细作用来从聚集区域中运送液体。图4A和4B所示变型中的下凹的或可形成空间的区域的目的是在所刺入的组织内形成一个空间或容积。这个空间可用作容槽，其中体液在传送到题述测试带装置的生物传感器部分中之前就地注入到此空间中。这样，通过设置比传统显微操作针更小和/或更尖的尖端就可以获得更大体积的体液，从而减少了疼痛。体液的更大获得性还导致了取样的采集速度更快。
一般来说，本发明的可形成空间的刺血针结构在所刺入的组织内产生或形成了一个空间，其容积至少与生物传感器的反应区内的可得液体容积一样大。这种空间或容积在约10到1000毫微升的范围内，更普遍地在约50到250毫微升的范围内。此容积占据了由皮肤穿刺件结构所占据的整个体积的一大部分，通常为皮肤穿刺件所占据的整个体积的约50％到99％，更普遍地为约50％到75％。
图5A-7所示的刺入件的变型包括有通道72和凹腔74。图5和6所示的变型包括与聚集区域相邻的开口76。在图5B中最佳地显示了在前一变型中敞开的聚集区域。这种开口的目的(以及用于在如图2A-3B所示刺入件变型中提供敞开的毛细管)是为了进一步地将样品采集结构区域暴露在外界中，从而增大体液的容积和体液到此区域中的流量。
如所示，凹腔和/或开口可占据它们各自皮肤穿刺件的宽度的一大部分，以及长度尺寸的一大部分。形成各结构的侧壁78具有在承受正常作用力时足以维持显微操作针结构的厚度，然而它应当最小化以使采集样品的负空间最大。
在图5A到7中显示了可以采用的另一可选构件或构件组，其尤其可用于结合在刺入件中的液体传送通道72。这些所指的构件为第二液体传送通道80。这些构件与通道72流体相通，可向外传送样品，并在相面对的且相连的测试带中所用的传感器上分配样品。
与通道72类似，路径或通道80的尺寸最好使得可对由显微操作针的敞开空间部分所形成的聚集区域内的液体施加毛细作用力，并将生理样品抽取或经毛细作用吸取到生物传感器的反应区或基体区域内。这样，一个液体通道或路径的直径或宽度不超过1000微米，并且其直径通常为约100到200微米。此直径在其长度上可以是稳定的或是变化的。最好，子通道80的截面直径在约1到200微米的范围内，更普遍地在约20到50微米的范围内，这样它们无须传送与主通道72相同容积的液体。
在所示实施例中，分支通道80从通道72上垂直地延伸出；然而，它们也可从它们各自的通道上成角度地延伸出。与相对于通道80的刺入件结构有关的另一变型是插入或围绕在基座内的通道周围，如图7所示。通过这种方式或其它方式来实现，可采用限制通道80可传送液体的区域来保证样品被直接引向且只被引向在刺入件38中采用的测试带36的反应区或传感器区域。
在本发明的一些实施例中，液体路径还可包括一种或多种反应剂以促进样品采集。例如，可在液体路径中设置一种或多种亲水性反应剂，这种反应剂包括但不限于表面改性剂或表面活性剂，例如球基乙烷磺酸盐(MESA)、Triton、Macol、Tetronic、Silwet、Zonyl、Aerosol、Geropon、Chaps和Pluronic。测试带装置的制造在代理人档案号为No.LIFE-035的题为“生理样品采集装置及其使用方法”的美国专利申请中所介绍的多种技术可适用于制造这里所介绍的测试带装置，尤其是那些关于针/刺入件生产的细节。从代理人档案号为No.LIFE-031的题为“溶液干燥系统”的专利申请和代理人档案号为No.LIFE-039的题为“溶液刻纹系统”的专利申请中可以理解电化学测试带生产的细节。
然而，先前申请中讲授的方法与这里所讲授方法的主要不同之处在于，在本发明中提供了完整的测试带，刺入件可作为辅助结构连接到测试带上。图2A和3A提供了这种方法的例子。或者，可以提供适于与本发明的刺入件一起使用的测试带，刺入件固定到测试带上。图4A和4B提供了这种方法的例子。
在任一种情况下，可分开地生产或采购刺入件和测试带元件，它们可在日后连接在一起。产品/装置的初始独立性允许实现较优化的制造。作为对比，在上述引用的申请中介绍的整体测试带装置中，关于材料选择和制造工艺适用性方面的一些考虑不会必要地影响本发明的制造。
通过将刺入件固定在另一完整的测试带上来生产根据本发明的测试带装置所提供的灵活性的一个例子在于，使用者可以容易地进行这种操作。这对所公开的夹紧式实施例(或者可采用夹紧式结构的实施例的变型)来说尤其如此。通过这种灵活性，就存在着销售用于各种可与根据本发明的测量仪一起使用的可买到的测试带的市场机会。当然，灵活性也存在于刺入件的设计中，使得它们可与各种现有的和将来的测试带形成接合(通过夹子、粘合剂或其它方式)。
虽然已经参考一些示例对本发明进行了介绍，这些示例可选择性地包括各种特征构件，然而本发明并不限于上述设置。本发明并不限于上述应用或借助于这里提供的代表性介绍的应用。应当理解，本发明的范围只由所附权利要求的实际范围或合理的范围所限制。


提供了用于穿刺皮肤、获取和采集皮肤中的生理样品以及测量采样的生理样品的特性如分析物浓度的装置、系统和方法。题述装置为测试带的形式，其包括生物传感器和至少一个固定在测试带上的皮肤穿刺件。皮肤穿刺件传送生物流体样品至测试带中的传感器元件。提供了包括一个或多个测试带装置和用于进行分析物浓度测定的测量仪的系统。还提供了用于制造和使用此装置及系统的方法。