TITRE DE L’INVENTION : Procédé de détection d’un analyte contenu dans un fluide corporel d’un individu et dispositif correspondant

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne un procédé et un dispositif de détection d’un analyte contenu dans un fluide corporel d’un individu et de préférence du glucose contenu dans le fluide interstitiel d’un individu. L’invention concerne en particulier la détection d’un tel analyte au moyen d’un capteur biochimique, de préférence enzymatique, le capteur étant constitué d’électrodes recouvertes d’un matériau réactif apte à réagir avec l’analyte.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu de mesurer la concentration d’un analyte au moyen d’un capteur électrochimique. Un tel capteur permet de convertir une information relative à une réaction chimique en un signal électrique. A ce titre, le capteur comprend au moins une électrode de travail recouverte d’un matériau apte à réagir avec l’analyte.

Une technique connue pour mesurer la quantité d’analyte est l’ampérométrie, technique selon laquelle l’électrode de travail est alimentée pour provoquer une réaction chimique au niveau de l’électrode de travail, le courant circulant dans l’électrode est mesuré et dépend de la concentration d’analyte.

La mesure ampérométrique doit pouvoir mesurer la quantité d’analyte avec la plus grande précision possible notamment quand il s’agit de mesurer le glucose d’utilisateurs diabétiques.

Les capteurs de glucose traditionnels sont basés sur l’oxydation du glucose par l’oxygène en présence du glucose oxydase (GOx) recouvrant une électrode de travail. Un tel capteur est par exemple décrit dans le document Clark et al. ( Clark Jr, L. C., & Lyons, C., 1962, Electrode Systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery, Annals ofthe New York Academy of sciences, 102(1), 29- 45). Ce type de capteur a subi plusieurs évolutions mais aucune n’a permis de mesurer l’analyte avec une grande précision notamment quand il s’agit de mesurer le taux de glucose d’un individu diabétique.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.

A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un procédé de détection d’un analyte au moyen d’un capteur biochimique, le capteur étant constitué d’électrodes de travail recouvertes d’un matériau réactif apte à réagir avec l’analyte, les électrodes de travail étant en contact avec un liquide interstitiel dans lequel se trouve l’analyte, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) alimentation en tension des électrodes de travail pendant une deuxième période temporelle consécutive à une première période temporelle pendant laquelle les électrodes de travail ne sont pas alimentées tout en étant en contact avec le liquide interstitiel ; b) mesure d’une intensité l(t) au niveau de chaque électrode de travail pendant la deuxième période temporelle ; c) interruption de l’alimentation en tension de l’électrode de travail à l’issue de la deuxième période temporelle ; d) traitement de l(t) comprenant l’obtention d’une première valeur P=l(ti) correspondant au premier pic de l(t) au cours de la deuxième période temporelle et l’obtention d’une deuxième valeur F=l(t2) correspondant à un point F de l(t) à partir duquel l(t) présente une décroissance inférieure à 20%, l’intensité l(t) entre P inclus et F inclus étant caractéristique d’une quantité d’analyte mise en réaction pendant la première période temporelle.

L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

- le traitement de l(t) comprend l’obtention (E43) d’une troisième valeur D=l(t3) correspondant à une valeur de l(t) stabilisée, la valeur D étant caractéristique d’une quantité d’analyte mise en réaction instantanément pendant la deuxième période temporelle, D étant de préférence la dernière valeur de la courbe l(t) mesurée ; - le procédé comprend une détermination d’une durée pour la première période temporelle pendant laquelle l’électrode de travail n’est pas alimentée, et ce selon l’amplitude de l(t) mesurée dans la plage entre F et D pendant la première période temporelle écoulée, puis répétition des étapes a) b) c) et d) en appliquant ladite première période temporelle ainsi déterminée ;

- le procédé comprend une détermination d’une durée pour la deuxième période temporelle, et ce selon le niveau de l(t) mesuré dans la plage entre F et D, ladite durée correspondant à la durée pour que l(t) se stabilise c’est-à-dire présente une décroissance inférieure à 5%, puis répétition des étapes a), b), c) et d) en appliquant ladite deuxième période temporelle ainsi déterminée ;

- le procédé comprend une étape de sélection de l’intensité dans une plage entre les P inclus et F inclus ou de l’intensité dans une plage entre F inclus et D inclus, le procédé comprenant une étape d’obtention d’une quantité d’analyte à partir de l(t) dans la plage ainsi sélectionnée ;

- l’étape d’obtention d’une quantité d’analyte comprend l’utilisation d’une combinaison de valeurs entre les valeurs P et F ou/et F et D ;

- le traitement de l(t) est mis en oeuvre pendant la deuxième période temporelle de sorte à déconnecter de l’alimentation en tension les électrodes de travail une fois que la deuxième valeur F est détectée ;

- le traitement de l(t) est mis en oeuvre à l’issue la deuxième période temporelle.

L’invention propose selon un deuxième aspect un dispositif de détection d’un analyte contenu dans un fluide corporel comprenant un capteur électrochimique comprenant une électrode de travail, le dispositif comprenant une unité de commande configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon le premier aspect de l’invention.

L’invention est avantageuse en ce que le traitement de la courbe d’intensité permet d’obtenir une mesure précise de la quantité d’analyte.

PRESENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre un dispositif pour mesurer un analyte selon l’invention ; - la figure 2 illustre des étapes d’un procédé de détection d’un analyte selon l’invention ;

- la figure 3 illustre une courbe d’intensité obtenue au cours d’un procédé selon l’invention.

Sur l’ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE

Dispositif

La figure 1 illustre dispositif 1 pour mesurer un analyte contenu dans un fluide corporel d’un individu, de préférence du glucose contenu dans le fluide interstitiel d’un individu. Un tel dispositif 1 est notamment constitué d’un capteur électrochimique 2 comprenant une électrode de travail 3, une électrode de référence 4 et de préférence une contre électrode 5 qui permet de stabiliser la réaction chimique se produisant au niveau de l’électrode de travail lorsque les électrodes sont alimentées.

Les électrodes (c'est-à-dire l'électrode de travail 3, la contre-électrode 4 et de préférence l'électrode de référence 4) sont configurées pour être implantées dans le derme d'un utilisateur par une ou plusieurs micro-aiguilles 6 de manière à être en contact avec le fluide interstitiel de l’individu.

Par exemple, la micro-aiguille 6 peut être métallique, de sorte que la micro aiguille constitue l'électrode. Une piste métallique peut également être déposée sur une micro-aiguille 6 micro fabriquée de manière à former l'électrode. En pratique, la micro-aiguille 6 présente une surface métallique qui peut être connectée électriquement à l'extérieur de la micro-aiguille 6. Plusieurs électrodes peuvent être fabriquées sur la même micro-aiguille 6, en isolant électriquement la surface métallique de chaque électrode de la ou des autres surfaces métalliques.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, chaque électrode peut être montée sur une micro-aiguille 6 différente.

Le dispositif 1 comprend également une unité de commande 7. L'unité de commande 7 est reliée électriquement aux électrodes. L'unité de commande 7 peut comprendre un processeur, une mémoire, un module d'acquisition électrique et un module de commande électrique notamment pour piloter le capteur électrochimique 2. L’unité de commande 7 est en outre configurée pour alimenter l’électrode de travail 3 du capteur 2 de sorte à ce qu’elle forme un circuit avec l’électrode de référence 4 et éventuellement la contre électrode 5.

Chaque électrode de travail 3 est recouverte d’un matériau apte à réagir avec l’analyte qu’on cherche à détecter et dont on cherche à mesurer la quantité. Il peut s’agir du glucose oxydase (GOx) ou tout autre type d’enzyme ou de réactif apte à réagir avec le glucose. Un médiateur redox peut éventuellement être utilisé.

Le dispositif 1 comprend un bracelet 8 ou une lanière lui permettant de s’attacher à un membre et un boitier 9. Le boitier 9 comprend un écran d’affichage (non représenté) et l’unité de commande 7 est disposée dans le boitier 9.

Procédé de détection

Un procédé de détection d’un analyte au moyen du dispositif 1 est mis en oeuvre par l’unité de commande 7 et est décrit ci-dessous en relation avec la figure 2.

Dans une étape préliminaire (étape E0), le capteur 2 est positionné sur un individu de sorte que les électrodes 3, 4, 5 soient en contact avec le liquide interstitiel dans lequel se trouve l’analyte. Le dispositif 1 est notamment disposé autour du poignet d’un individu, le dispositif 1 étant préférentiellement une montre.

On décrit dans ce qui suit la détection du glucose au moyen d’au moins une électrode 3 de travail recouverte de glucose oxydase (GOx).

Au cours d’une première période temporelle (Ti), l’électrode de travail 3 n’est pas alimentée (étape E1) : elle n’est ni reliée à une alimentation ni à une autre électrode. En revanche, l’électrode de travail 3 est bien en contact avec le liquide interstitiel de sorte que le glucose réagit avec le glucose oxydase GOx et GO2 présent dans le liquide interstitiel ensuite, le produit de cette réaction est diffusé à l’électrode de travail 3selon la réaction suivante

GOx glucose + 0 ₂ — » gluconolactone + H ₂ 0 ₂ (1 ).

A l’issue de la première période T1, l’électrode de travail est alimentée et est connectée à au moins une électrode de référence pour former un circuit de mesure.

L’électrode de travail 3 est notamment alimentée pendant une deuxième période temporelle T2 (étape E2). Pendant cette deuxième période temporelle T2, l’intensité l(t) circulant dans l’électrode de travail est mesurée (étape E3).

Au cours de cette deuxième période temporelle T2, le peroxyde d’hydrogène H ₂ 0 ₂ s’oxyde selon la réaction suivante

Voltage

H ₂ 0 ₂ - » 0 ₂ + 2 H ⁺ + 2e (2).

Au cours de la réaction 2, l(t) est le courant d’oxydation du peroxyde d’hydrogène H ₂ 0 ₂ lorsqu’un potentiel de 0,65 volt ( vs . l’électrode référence) par exemple est appliqué à l’électrode de travail 3 qui est en platine.

Par ailleurs, avec l’alimentation de l’électrode de travail 3, les réactions 1 et 2 sont cumulatives et instantanées et aboutissent à la réaction suivante :

GOx+Voltage glucose + 0 ₂ - » gluconolactone + 0 ₂ + 2H ⁺ + 2e (3).

Par conséquent, au cours de cette deuxième période T2, deux phénomènes physico-chimiques sont observés : la consommation du peroxyde hydrogène H ₂ 0 ₂ accumulé pendant la première période T1 et la consommation instantanée selon la réaction 2.

Les périodes temporelles T1 et T2 sont par exemple comprises entre 1 et 270 secondes. Bien entendu, ces valeurs peuvent être ajustées en fonction de l’analyte et du matériau réactif utilisés.

La variation du courant l(t) mesuré au cours des périodes temporelles T1 et T2 est ensuite traitée (étape E4) pour en déduire des mesures du glucose (étape E5). On précise ici que bien entendu la méthode utilisée peut s’appliquer à la détection de n’importe quel analyte pourvu que les réactifs soient bien choisis.

A l’issue de la deuxième période temporelle T2, l’alimentation de l’électrode de travail est interrompue (étape E6).

En outre, les périodes temporelles T1 et T2 sont répétées alternativement afin d’avoir une mesure en continu du glucose (étape E7).

La figure 3 illustre la variation de l(t) pendant les deux périodes temporelles Ti, T2 consécutives.

Comme présenté ci-dessus, au cours de la première période temporelle Ti, une quantité de glucose est mise en réaction selon la réaction 1. Ainsi, au cours de cette première période temporelle T1 le H ₂ 0 ₂ s’accumule au niveau de l’électrode de travail 3 et la quantité de H ₂ 0 ₂ est caractéristique de la quantité de glucose mise en réaction pendant cette première période temporelle T1. Ensuite, l’alimentation des électrodes de travail 3 a pour effet de déclencher la réaction 2 et la mesure de l(t) mesure notamment la quantité d’électrons « 2e » qui est représentative de la quantité de glucose par la mise en réaction du H ₂ 0 ₂ selon la réaction 2 qui a été accumulé pendant la première temporelle Ti.

Ainsi, au début de la deuxième période temporelle T2, le courant l(t) présente un maximum noté P qui correspond au premier pic de l(t). En ce point P, c’est la réaction 2 qui est majoritaire et qui est une image du H2O2 accumulé pendant la première période temporelle Ti.

Le traitement de l(t) comprend donc l’obtention de cette première valeur P = I (t 1 ) avec t1 qui est quasiment l’instant où la deuxième période temporelle T2 démarre (étape E41 ). P est en théorie la valeur maximale de l(t) mais des singularités peuvent être aussi détectées de sorte qu’il s’agit bien du premier pic car la courbe de l(t) peut présenter d’autres valeurs d’amplitude supérieures à celle du premier pic.

Comme visible sur la figure 3, après P, la courbe l(t) diminue jusqu’à arriver à un plateau et devient stable. On entend par courbe stable une courbe qui présente une décroissance (valeur absolue de la pente) inférieure à 5%.

Pendant la première phase de décroissance forte (dans une plage à partir de P), l(t) traduit majoritairement la fin de la consommation de H2O2 accumulé pendant la première période T1 avec en simultané, la réaction 3 qui démarre. Dès lors pendant cette première phase de décroissance, deux phénomènes coexistent l’un étant majoritaire sur l’autre à savoir la fin de la consommation de H ₂ 0 ₂ . Cette quantité qui est consommé permet d’obtenir une information supplémentaire de la quantité de H ₂ 0 ₂ accumulée pendant la première période temporelle T1.

L’idée ici est donc de détecter la fin de la consommation de H ₂ 0 ₂ accumulé au cours de la première période temporelle T1. A ce titre, une deuxième valeur F=l(t2) est détectée. Cette valeur F correspond à un point de l(t) lorsque la courbe l(t) rentre dans une deuxième phase de décroissance très faible par rapport la première phase de décroissance démarrant à P, par exemple inférieure à 20% (étape E42).

Entre P inclus et F inclus on peut donc considérer que l’on obtient une information fiable de la quantité d’analyte mise en réaction pendant la première réaction 1 qui n’est pas bruitée par la réaction 3 qui a démarré : la quantité de H ₂ 0 ₂ accumulé pendant la première période T1 est en grand majorité consommé entre ces points P inclus et F inclus. On relève que les réactions 2 et 3 coexistent pendant toute la deuxième période temporelle T2 mais se succèdent pour être majoritaire à tour de rôle. La réaction 3 correspond à la consommation au cours de la deuxième période temporelle T2du H ₂ 0 ₂ généré instantanément par la GOx.

Après le point F, c’est la réaction 3 qui prédomine de sorte que l(t) est la quantité d’électrons produite en temps réel par la réaction 3 et qui est représentative de la quantité de glucose mise en réaction selon cette réaction 3.

C’est lorsque l(t) devient constante qu’elle représente la réaction 3 qui est caractéristique d’une valeur de la quantité de glucose mise en réaction instantanément à un instant donné et est représentative de la méthode chrono- ampérométrique connue.

Ainsi, le traitement de l(t) comprend l’obtention d’une troisième valeur D=l(t3) qui correspond à une valeur stabilisée de l(t) (étape E43).

Donc l’intensité l(t) entre P et F témoigne du passé c’est-à-dire de la quantité de H ₂ 0 ₂ accumulée pendant la première période T1, tandis que l’intensité l(t) entre F et D représente majoritairement le présent et D témoignant de l’image réelle du présent.

Pour être certain d’avoir l(t) stabilisé il convient de fixer la deuxième période temporelle T2, convenablement comme on va le voir plus loin. En théorie la deuxième période temporelle T2 est fixée pour que le point D soit le dernier point mesuré de l(t).

En effet, comme on peut le voir sur la courbe de la figure 3, c’est à l’instant tx que l(t) devient stable (c’est-à-dire quasi constante) de sorte que la valeur D varie dans une plage notée x sur la figure 3, la deuxième période temporelle T2 peut donc être optimisée. A noter que sans optimisation, on fixe cette deuxième période temporelle T2 de manière suffisamment longue pour que la courbe l(t) se stabilise au cours de cette deuxième période temporelle T2.

De manière complémentaire, le procédé comprend une étape d’obtention du glucose à partir de la courbe l(t) dans la plage entre P et F ou dans la plage entre F et D (étape E5) selon des correspondances bien connues tenant compte de calibration potentielle.

En effet, si on prend toute la courbe dans l’intégralité de la deuxième période temporelle T2 : on perd en précision puisqu’on mélange deux informations différentes, celle entre P et F (passé) puis celle entre F et D (présent) comme expliqué ci-dessus. Dans la zone entre P inclus et F inclus on a l’image du passé représentative majoritairement de l’accumulation d e H ₂ 0 ₂ . Cette accumulation a donc le même effet qu’une loupe puisqu’elle somme l’ensemble des valeurs accumulées. Par exemple, on mesure l’équivalent de 100 valeurs accumulées au lieu d’une en instantanée (effet loupe).

Donc dans la zone entre P inclus et F inclus on peut évaluer précisément le glucose quel que soit sa concentration grâce à cet effet loupe/accumulation.

En outre, le fait de prendre en compte la zone entre P et F permet lorsqu’un médiateur rédox est utilisé de mesurer le glucose précisément compte tenu que le médiateur redox nécessite moins de voltage ce qui induit potentiellement moins de courant mesuré et en outre « pourrait freiner » en quelque sorte la réaction d’où l’intérêt de travailler avec l’effet loupe entre P inclus et F inclus.

De manière complémentaire pour être encore plus précis, le procédé peut sélectionner (étape E51) la plage en fonction de la valeur D. En effet, selon la valeur du courant l(t) au point D on est capable de déterminer s’il convient de prendre en compte la mesure entre P et F ou bien celle du point D : selon les cas il se peut en effet que la mesure entre P et F soit moins précise que la mesure entre F et D. En effet, on sait qu’à partir d’une valeur seuil l(t) pour D, cette valeur permet de détecter la quantité de glucose de manière plus fiable.

Par exemple, on peut considérer la valeur D comme valeur de l(t) représentative du glucose lorsqu’on est en hypoglycémie, prendre F comme valeur de l(t) représentative du glucose lorsqu’on est en euglycémie et prendre P comme valeur de l(t) représentative du glucose lorsqu’on est en hyperglycémie.

Enfin, dans ces plages on peut mesurer le glucose à partir du courant l(t) résultant d’une combinaison des points entre P inclus et F inclus et/ou entre F inclus et D inclus ou bien utiliser les seuls points P, F et D. Une combinaison est par exemple une moyenne de points, une somme de points.

La détermination des valeurs P, F, D peut se faire de différentes manières. Selon un mode de réalisation, il s’agit de travailler sur les points de la courbe l(t) : la première valeur P consiste à échantillonner l(t) et dès qu’au moins deux échantillons successifs décroissent alors P est détecté ; la deuxième valeur F est détectée en calculant la pente de la courbe lorsque en valeur absolue cette pente devient inférieure à 20% alors F est détecté ; F est la valeur de l(t) 10, 15 ou 20 secondes après P ;

D est la valeur de l(t) dès que l(t) est stabilisée pour ce faire on calcule la pente de la courbe et lorsqu’en valeur absolue cette pente devient inférieure à 5% on peut considérer que l(t) est stable

D est le dernier point de la courbe l(t) à l’issu de la deuxième temporelle T ₂ .

En outre, le traitement de l(t) est mis en oeuvre à l’issue de la deuxième période temporelle T ₂ ou bien pendant la deuxième période temporelle T ₂ .

L’intérêt de mettre en oeuvre le traitement de l(t) pendant la deuxième période T ₂ est qu’il est possible de dimensionner Ti et Ï ₂ pour augmenter la fréquence des mesures. En outre, le traitement de l(t) au cours de la mesure permet de ne plus alimenter l’électrode de travail dès que la deuxième valeur F est détectée ou lorsque la valeur stabilisée de l(t) est détectée. Ceci permet d’optimiser la durée d’alimentation de l’électrode de travail.

De manière complémentaire, la courbe l(t) permet de fixer les durées T ₁ et/ou T ₂ . Dans ce cas, à la première utilisation du capteur, on fixe des valeurs initiales pour Ti et T ₂ .

En particulier, comme on l’a vu la première période temporelle T ₁ conditionne un nombre de valeur accumulée pendant la période où l’électrode de travail n’est pas alimentée. Dès lors à partir du niveau de l(t) dans la plage entre F et D on peut fixer cette première période temporelle Ti pour régler cet effet loupe (étape E8). Également, on peut fixer la durée de la deuxième période temporelle T ₂ à une durée correspondant au moment où l(t) devient stable (étape E9). En effet, comme indiqué plus haut, on doit s’assurer que l(t) soit stabilisée à l’issue de la deuxième période temporelle T ₂ . Ceci permet de réduire le temps de mesure et d’augmenter potentiellement la fréquence des mesures.

Ces valeurs sont utilisées aux étapes itérées ensuite