专利名称：：多时间段偏压调整的生物感测器及其方法
技术领域：
：本发明有关于一种生物感测器及其方法；特别是有关于一种具有多时间段偏压调整的生物感测器及其方法。
背景技术：
：近几年来，利用特定酵素催化反应的各种生物感测器已经被发展出来使用于医疗用途上。此种生物感测器的一种用途用于糖尿病的治疗上，以帮助糖尿病患者控制本身的血糖含量(血液中葡萄糖浓度)在正常的范围内。对于住院糖尿病患者而言，其可在医生的监督下控制本身的血糖含量在正常范围内。但对于非住院糖尿病患者而言，在缺乏医生直接监督的情况下，病患本身能自我控制血糖含量则变得非常重要。血糖含量的自我控制可藉由饮食、运动及用药来达成。这些治疗方式通常在医生的监督下同时采用。当糖尿病患者本身能够检测其血糖含量是否在正常范围时，可帮助患者更有效地自我控制其血糖含量。图1显示一种传统的可供患者自行检测血糖含量的血糖计，其包括一主测试单元10及一供测量血糖含量的生物芯片12。参阅图2所示，生物芯片12构件分解示意图，其包括前端设有一电极部1221的一条状基板122。电极部1221上方覆盖一反应层124、一隔件126及一盖板128。电极部1221设有一操作电极1222及一对应电极1224包围此操作电极1222。操作电极1222及对应电极1224分别电性连接至位于条状基板122尾端的一导线1226及导线1228。覆盖于电极部1221上方的反应层124含有铁氰化钾(potassiumferricyanide)及氧化(oxidase)，例如葡萄糖氧化(glucoseoxidase)。在使用上述血糖计时，先将生物芯片12插入主测试单元10。然后，患者可以刺胳针扎刺自己的皮肤以渗出血滴，再将渗出的血滴直接滴在已插进主测试单元10的生物芯片12端部。此血滴被吸入位于电极部1221上方的反应层124，而将反应层124溶解，以进行一酵素催化反应，如下列反应式所示一预定量的亚铁氰化钾(potassiumferrocyanide)相应血液样品中的葡萄糖浓度而产生。经过一段预定时间后，一作用电压Vref施予在生物芯片12上，以电化学反应地氧化亚铁氰化钾，以释出电子，而产生一相应的反应电流通过操作电极1222。此反应电流正比于酵素催化反应产生的亚铁氰化钾浓度或正比于血液样品中的葡萄糖浓度。藉由测量此一反应电流即可获得血液样品中的葡萄糖浓度。图3是图1所示传统的血糖计的控制电路示意图，其中生物芯片12的电极部1221可视做一电阻Rs，作用电压Vref可由一电池供应。生物芯片12产生的一反应电流I随时间递增而逐渐衰减，而构成相应血液样品中葡萄糖浓度的一条随时间变化的信号曲线。再者，此随时间变化的信号曲线每一取样时间的反应电流I经由一具有一放大电阻Rf的电流/电压转换器30转换成一输出电压Vout。如此一来，此一条随时间变化的信号曲线即成为一条电压-时间放电曲线。此一条放电曲线中每一取样时间相应的输出电压Vout输出至一模拟数字转换器32，以转换成一组数字信号。一微处理器(microcomputer)34随时间变化连续读取来自模拟数字转换器32的数字信号，并根据读取的数字信号，求得血液样品中的葡萄糖浓度值，再经由一显示器如液晶显示器36将此葡萄糖浓度值显示出来，供患者参考。图4是传统的血糖计中，相应血液样品中葡萄糖浓度的具有一上升时间(risingtime)tr的一电压-时间放电曲线，此上升时间tr相应放电曲线的一峰值(peakvalue)。通常不同的血液中葡萄糖浓度其放电曲线具有不同的上升时间tr，其随血液中葡萄糖浓度的增加而延长。然而，当施予在生物芯片12的作用电压Vref太高时，空气中的氧或其它杂质很容易吸附在生物芯片12的电极部1221。结果是，生物芯片12上的试剂如铁氰化钾(potassiumferricyanide)或检体中的成份如葡萄糖容易与被吸附的氧或其它杂质结合反应，使得放电曲线产生偏移或噪声干扰，例如图4所示，在经过上升时间tr后，放电曲线出现偏移及噪声干扰。如此一来，根据测量到的放电曲线来决定血液中葡萄糖浓度将有困难。据此，上述传统的血糖计及其测量方法皆有待改进，以期能克服其缺陷。
发明内容本发明的主要目的是提供一种具有多时间段偏压调整的生物感测器及其测量一检体的一特定成份浓度的方法，该方法是将一检体提供于其生物芯片上之前，先施予一较高作用电压于此生物芯片上，藉此当检体提供在生物芯片上时，可促使检体中一特定成份与生物芯片的一试剂于短时间内快速反应完全，以防止试剂或此特定成份与空气中的氧或其它杂质反应，进而提高生物感测器的测量准确度。本发明的另一目的是提供一种多时间段偏压调整的生物感测器，该感测器在一检体提供于其生物芯片上之前，先施予一较高作用电压于此生物芯片上，藉此当检体提供在生物芯片上时，可促使检体中一特定成份与生物芯片的试剂于短时间内快速反应完全，以防止试剂或此特定成份与空气中的氧或其它杂质反应，以降低噪声干扰。本发明的又一目的是提供一种多时间段偏压调整的生物感测器，其可随检测时间的增长，分时间段降低作用电压，以减少生物感测器的功率消耗。根据以上所述的目的，本发明提供一种多时间段偏压调整的生物感测器及其测量一检体中一特定成份的方法。其中，本发明的多时间段偏压调整的生物感器包括一生物芯片、一可调式偏压产生器、一电流/电压转换器及一微处理器。当一作用电压施予在此一生物芯片时，生物芯片相应提供于其上的一检体中一特定成份，产生一随时间变化的反应电流。可调式偏压产生器用以提供此作用电压于生物芯片上，及电流/电压转换器用以将此随时间变化的反应电流转换成一随时间变化的输出电压。此一随时间变化的输出电压构成一条放电曲线。微处理器用以控制此可调式偏压产生器在不同时间阶段下提供不同的作用电压予生物芯片，及根据此随时间变化的输出电压，以决定检体中此特定成份的一浓度值。本发明多时间段偏压调整的生物感测器在检体提供在生物芯片上之前，可调式偏压产生器先施予一第一作用电压于生物芯片，及在检测到相应检体中此特定成份的一信号阀值(thresholdresponsesignal)起经过一第一段作用时间，可调式偏压产生器将第一作用电压降至一第二作用电压。然后，取得相应检体中此特定成份的一随时间变化的输出电压曲线，及根据此随时间变化的输出电压曲线，决定检体中此特定成份的一浓度值。本发明多时间段偏压调整的生物感测器在提供检体于其生物芯片之前，先施予一较高作用电压于生物芯片上，当提供检体于生物芯片上，此一较高作用电压即可促使检体中的特定成份与生物芯片上的试剂于短时间内快速反应完全，以防止生物芯片上的试剂或检体中的特定成份与空气中的氧或其它杂质结合反应。如此一来，可提高测量到的放电曲线的噪声比(signaltonoiseratio)及提高检体中此特定成份浓度值的测量准确性。再者，本发明在经过第一段作用时间后，即调降此一较高作用电压，故可减少生物感测器的功率消耗。本发明的目的及诸多优点通过以下具体实施例的详细说明，并参照所示附图，将趋于明了。图1一传统血糖计的外观示意图；图2是图1传统血糖计的生物芯片的构件分解示意图；图3是图1传统血糖计的控制电路示意图；图4为传统血糖计测量的相应血液样品中葡萄糖浓度的一条放电曲线示意图；图5本发明生物感测器的控制电路示意图；图6本发明可调式偏压产生器的一例示电路示意图；图7本发明方法的步骤流程图；图8本发明作用电压的时间关系图；及图9本发明方法所测得一条放电曲线示意图。图中符号说明10主测试单元12生物芯片122条状基板124反应层126隔件128盖板1221电极部1222操作电极1224对应电极1226、1228导线30电流/电压转换器32模拟数字转换器34微处理器36液晶显示器50电流/电压转换器51可调式偏压产生器52模拟数字转换器53微处理器54液晶显示器510运算放大器511偏压调整器512电流放大器513接地端514节点具体实施方式本发明提供一种多时间段偏压调整的生物感测器及其方法，其可在不同时间阶段下施予不同的作用电压在生物感测器的生物芯片上。本发明的多时间段偏压调整的生物感测器在提供一检体于生物芯片上之前，先施予一较高作用电压于生物芯片上。当提供检体于生物芯片上时，此一较高作用电压可促使检体中的一特定成份与生物芯片上的试剂在短时间内快速反应完全，而防止试剂或此特定成份与空气中的氧或其它杂质结合反应。再者，本发明在检测到相应检体中此特定成份的一信号阀值(signalthreshold)起经过一第一段作用时间，即试剂与检体中的特定成份几乎反应完全，即将此较高作用电压予以调降。如此一来，可进一步防止未反应的特定成份及试剂与空气中的氧或其它杂质发生结合反应，并且又可减少生物感测器的功率消耗。本发明多时间段偏压调整的生物感测器除了具有可由微处理器控制的一可调式偏压产生器以提供不同的作用电压Vref外，其它大部份的组件与图1至图3所示的传统生物感测器的组件相同。然而本发明检测检体中一特定成份浓度的原理与图1至图3所示的传统生物感测器的原理相同。本发明中欲被检测的特定成份依生物感测器的酵素种类而定。图5本发明多时间段偏压调整的生物感测器的控制电路示意图，其包括具有一电阻Rs的一生物芯片、一具有一运算放大器510及一放大电阻Rf的一电流/电压转换器50、一可调式偏压产生器51、一模拟数字转换器52、一微处理器53及一显示器，例如一液晶显示器54。当施予一作用电压Vref在此生物芯片上，此生物芯片会相应检体中欲被检测的特定成份浓度产生一随时间变化的反应电流I。此随时间变化的反应电流I随时间的递增而逐渐衰减。可调式偏压产生器51在微处理器53的控制下，在不同时间阶段下施予不同的作用电压在生物芯片上。电流/电压转换器50将此随时间变化的反应电流I转换成一随时间变化的输出电压Vout，而构成一条随时间变化的放电曲线。此随时间变化的输出电压Vout送至模拟/数字转换器52以转换成数字形式，然后再送至微处理器53做进一步处理。微处理器53即根据此一随时间变化的放电曲线，以决定检体中此特定成份的一浓度值。此浓度值的读数再经由液晶显示器54显示出来。由微处理器53控制的可调式偏压产生器51在提供检体于生物芯片上之前，先施予电压范围在500毫伏特至520毫伏特之间的一第一作用电压于生物芯片上。然后，当提供检体在生物芯片上后，待检测到相应检体中此特定成份的一电压阀值(thresholdvoltage，Vth)起，如图9所示，经过一第一段作用时间约一秒，可调式偏压产生器51即将此第一作用电压调降至一第二作用电压，其电压范围在300毫伏特至320毫伏特之间。电压阀值Vth代表生物芯片上试剂与检体中特定成份反应开始的一指针。由于第一作用电压明显高于第二作用电压，因此检体中特定成份与生物芯片上的试剂的反应可在短时间内几乎反应完全，即在第一段作用时间内生物芯片上的试剂与检体中特定成份几乎已反应完全。放电曲线中相应其峰值(peakvalue)的一上升时间tr即可在第一段作用时间内快速达到，并且经过上升时间tr后，放电曲线即快速衰减。本发明多时间段偏压调整的生物感测器依序在不同时间阶段下施予第一作用电压及第二作用电压于生物芯片上后，可取得如图9所示的一条放电曲线。本发明多时间段偏压调整的生物感测器在提供检体于其生物芯片之前先施予一较高作用电压于生物芯片上，而当提供检体在生物芯片上后，此一较高作用电压可促使检体中的此特定成份与生物芯片上的试剂快速反应完全，进而防止生物芯片上的试剂或此特定成份与空气中的氧或其它杂质结合发生反应。再者，第一作用电压经过第一段作用时间后即调降至第二作用电压。此较低的第二作用电压可防止空气中的氧或其它杂质吸附至生物芯片上，可进一步防止生物芯片上未反应的此特定成份及试剂与它们结合发生反应，以减少噪声干扰。本发明多时间段偏压调整的生物感测器测量到的放电曲线正确性因而可提高，而增加检体中特定成份浓度值测量的准确性。另一方面，从施予第二作用电压在生物芯片起经一第二段作用时间，第二作用电压可降至接地电位。第二段作用时间约5至30秒，视检体中此特定成份的浓度而定。因此，本发明多时间段偏压调整的生物感测器可减少其功率消耗。图6本发明可调式偏压产生器51的一例示用电路示意图。可调式偏压产生器51包括一偏压调整器511、一第一电阻R1、一电流放大器512、一第二电阻R2、一电压源VDD、一第三电阻R3及一第四电阻R4。偏压调整器511可提供不同的电压输出，第一电阻R1的一端连接至偏压调整器511，使一第一电流IB流经第一电阻R1。电流放大器512具有一输入端、一输出端及一接地端，其输入端连接至第一电阻R1的另一端，以接收第一电流IB，然后从其输出端输出一第二电流IC。第二电阻R2的一端连接至电流放大器512的输出端，以接收第二电流IC，及第二电阻R2的另一端供做一电压输出端，以提供一作用电压Vref至生物芯片。电流放大器512可以由一共射极PNP二极管晶体管(common-emitterPNPbipolartransistor)形成，其中此共射极PNP二极管晶体管的一基极连接至第一电阻R1，其射极连接至接地及其集极连接至第二电阻R2。第三电阻R3连接于电压源VDD与一节点514之间，此节点514连接至第二电阻R2的电压输出端。第四电阻R4的一端连接至节点514及其另一端连接至接地端513。电压源VDD、第三电阻R3及第四电阻R4的组合设计用以提高节点514的位准。参图6所示的可调式偏压产生器51的电路示意图，第二电流IC可以IC＝(1+β)IB表示，其中β为共射极PNP二极管晶体管的电流放大率，而第一电流IB的大小可由偏压调整器511的输出电压来决定。因此，作用电压Vref可由Vref＝ICR2+VDD′来决定，其中VDD′＝VDD{R3/(R3+R4)}。因此，藉偏压调整器511可控制施予在生物芯片上的作用电压Vref大小。图7、图8为本发明提供的一种以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体中一特定成份的方法。图7是本发明方法的一步骤流程图及图8是本发明施予在生物芯片的作用电压的时间关系图。在步骤71，将一生物芯片插入本发明生物感测器后，施予一第一作用电压Vref，1在此生物芯片上。第一作用电压Vref，1的电压范围约500毫伏特至520毫伏特。在步骤72，提供一检体在此生物芯片上。在步骤73，待检测到相应此检体中一特定成份的一信号阀值(thresholdsignal)Vth起，经过一第一段作用时间t1，例如约一秒，将第一作用电压Vref，1调降至一第二作用电压Vref，2。第二作用电压Vref，2可维持一第二段作用时间t2，例如约5至30秒，然后降至接地电位Vref，3。接着在步骤74，取得相应检体中此特定成份的一随时间变化的信号曲线，例如图9所示，相应检体中此特定成份浓度值的一条放电曲线。在步骤75，根据此随时间变化的信号曲线，决定检体中此特定成份的浓度值。检体中此特定成份浓度值的决定步骤可包括从此随时间变化的信号曲线取得一峰值(peakvalue)，及根据一峰值-此特定成份浓度对映表(mappingtable)，以决定此特定成份的浓度值。另外，检体中此特定成份浓度值的决定步骤可包括从此随时间变化的信号曲线取得一峰值，及根据一峰值-此特定成份规格信号曲线(prescribedcurve)对映表，取得相应的规格信号曲线，再根据此规格信号曲线决定此特定成份的浓度值。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的权利要求范围内。权利要求1.一种多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，包括施予一第一作用电压于该生物感测器的一生物芯片上；提供一检体于该生物芯片上，该生物芯片于该第一作用电压施予期间相应该检体中一特定成份产生一随时间变化的信号；待检测到相应该检体中该特定成份的一信号阀值起经过一第一段作用时间，将该第一作用电压降至一第二作用电压；取得相应该检体中该特定成份的一随时间变化的信号曲线；及根据该随时间变化的信号曲线，以决定该检体中该特定成份的一浓度值。2.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，更包含从施予该第二作用电压于该生物芯片起经过一第二段作用时间后，将该第二作用电压降至接地电位。3.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的第一作用电压约500毫伏特至520毫伏特。4.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的第二作用电压约300毫伏特至350毫伏特。5.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的第一段作用时间约一秒。6.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的第二段作用时间约5秒至30秒。7.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述决定该检体中该特定成份浓度值的步骤包括从该随时间变化的信号曲线取得一峰值，及根据一峰值-该特定成份浓度对应表，以决定该特定成份的该浓度值。8.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述决定该检体中该特定成份浓度值的步骤包括从该随时间变化的信号曲线取得一峰值，及根据一峰值-该特定成份规格信号曲线对应表，以决定该特定成份的该浓度值。9.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的检体中欲被检测的该特定成份依该生物芯片的一酵素而定。10.如权利要求1所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的随时间变化的信号为一随时间变化的反应电流。11.如权利要求10所述的以多时间段偏压调整生物感测器测量一检体的一特定成份浓度的方法，其特征在于，上述的随时间变化的信号曲线为一随时间变化的放电曲线。12.一种多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，包括一生物芯片，于一作用电压施予在该生物芯片时，相应提供于该生物芯片上的一检体中一特定成份，产生一随时间变化的反应电流；一可调式偏压产生器，用以提供该作用电压于该生物芯片上；一电流/电压转换器，用以将该随时间变化的反应电流转换成一随时间变化的输出电压；及一微处理器，用以控制该可调式偏压产生器在不同时间阶段下提供不同的作用电压予该生物芯片，及根据该随时间变化的输出电压，以决定该检体中该特定成份的一浓度值；其中该检体提供在该生物芯片上之前，该可调式偏压产生器先施予一第一作用电压于该生物芯片，及在检测到相应该检体中该特定成份的一信号阀值起经过一第一段作用时间，该可调式偏压产生器将该第一作用电压降至一第二作用电压。13.如权利要求12所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的第二作用电压施予在该生物芯片起经过一第二段作用时间，该可调式偏压产生器将该第二作用电压降至一接地电位。14.如权利要求12所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的可调式偏压产生器包括一偏压调整器，用以提供不同的电压输出；一第一电阻，其一端连接至该偏压调整器，而使一第一电流流经该第一电阻；一电流放大器，具有一输入端、一输出端及一接地端，该输入端连接至该第一电阻的一另一端，以接收该第一电流，及从该输出端输出一第二电流；及一第二电阻，其一端连接至该电流放大器的该输出端，以接收该第二电流，藉以使该第二电阻的一另一端供做一电压输出端，以提供该作用电压于该生物芯片上。15.如权利要求14所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的电流放大器包括一共射极PNP二极管晶体管，其中该共射极PNP二极管晶体管的一基极连接至该第一电阻，及其一射极接地，以及其一集极连接至该第二电阻。16.如权利要求14所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，更包含一电压源；一第三电阻，连接于该电压源与一节点之间，该节点连接至该第二电阻的该电压输出端；及一第四电阻，其一端连接至该节点及其另一端接地。17.如权利要求15所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，更包含一电压源；一第三电阻，连接于该电压源与一节点之间，该节点连接至该第二电阻的该电压输出端；及一第四电阻，其一端连接至该节点及其另一端接地。18.如权利要求12所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的检体中欲被检测的该特定成份依该生物芯片的一酵素而定。19.如权利要求12所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的第一作用电压约500毫伏特至520毫伏特。20.如权利要求12所述的多时间段偏压调整的生物感测器，其特征在于，上述的第二作用电压约300毫伏特至320毫伏特。全文摘要一种多时间段偏压调整的生物感测器及其方法。本发明的多时间段偏压调整的生物感测器在检体提供于生物芯片上之前，先施予一较高作用电压于生物芯片，藉此当检体提供在生物芯片上后，此一较高作用的电压可促使该特定成分与生物芯片上的一试剂于短时间内快速反应完全，以防止试剂或该特定成分与空气中的氧或其它杂质产生反应，进而提高测量到的信号曲线的正确性。文档编号G01N27/416GK1570618SQ0317877公开日2005年1月26日申请日期2003年7月18日优先权日2003年7月18日发明者王国任,陈俊仁申请人:力捷电脑股份有限公司