JP2003527599A - Embedded analyte sensor - Google Patents

Embedded analyte sensor

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JP2003527599A
JP2003527599A JP2001568055A JP2001568055A JP2003527599A JP 2003527599 A JP2003527599 A JP 2003527599A JP 2001568055 A JP2001568055 A JP 2001568055A JP 2001568055 A JP2001568055 A JP 2001568055A JP 2003527599 A JP2003527599 A JP 2003527599A
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analyte sensor
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エッセンプレイス,マティアス
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F Hoffmann La Roche AG
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    • A61B5/1486Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase
    • A61B5/14865Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase invasive, e.g. introduced into the body by a catheter or needle or using implanted sensors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
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Abstract

(57)【要約】 本埋め込み型アナライトセンサーは基板、該基板上にある電極、および該電極上にあるメンブレンを含んでなる。該メンブレンは元素状シリコンから構成される。該センサーは、 in vivoで、1日当り20%より少ないシグナルドリフトを示す。   (57) [Summary] The embedded analyte sensor comprises a substrate, an electrode on the substrate, and a membrane on the electrode. The membrane is composed of elemental silicon. The sensor shows less than 20% signal drift per day in vivo.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】背景技術 本発明は埋め込み型のアナライトセンサーに関する。[0001] BACKGROUND The present invention relates to an implantable analyte sensor.

【0002】 これまで様々な埋め込み型グルコースセンサーが開発されてきた。例として、
米国特許第5,387,327号;同第5,411,647号;および同第5,476,776号に記載され
たもの;ならびにPCT国際公開WO 91/15993;WO 94/20602;WO 96/06947;および
WO 97/19344に記載されたものがある。これら埋め込み型グルコースセンサーは
、通常ポリマー製基板を含み、その基板の表面に金属電極が印刷されている。そ
の電極を生体適合性のメンブレン(膜)が覆い、グルコースが電極に到達するこ
とを可能にしており、一方ではタンパク質のような他の分子を排除している。た
いていは電極につけられている酵素の助けを借りて、電気化学的手法を用いるこ
とにより存在するグルコースの量を測定する。グルコースセンサーを患者の体内
に埋め込む場合は、ワイヤーを介して電極を取り付けることができる。このワイ
ヤーは、患者の身体から出て、電極を制御しまたグルコース濃度を測定、記録す
る外部回路につながる。あるいは、この外部回路の全部または一部を小型化して
、埋め込み型グルコースセンサーの中に収容することもできる。WO 97/19344に
記載されているようなトランスミッターさえも、埋め込み型グルコースセンサー
の中に収容することができ、こうすることにより患者の身体から出るリード線の
必要性を完全になくすことができる。
Various implantable glucose sensors have been developed so far. As an example,
U.S. Pat. Nos. 5,387,327; 5,411,647; and 5,476,776; and PCT International Publication WO 91/15993; WO 94/20602; WO 96/06947; and
Some are described in WO 97/19344. These embedded glucose sensors usually include a polymer substrate, and a metal electrode is printed on the surface of the substrate. The electrode is covered with a biocompatible membrane, allowing glucose to reach the electrode, while excluding other molecules such as proteins. The amount of glucose present is measured by using electrochemical techniques, often with the help of enzymes attached to the electrodes. When implanting the glucose sensor in the patient's body, the electrodes can be attached via wires. This wire exits the patient's body and connects to an external circuit that controls the electrodes and also measures and records glucose levels. Alternatively, all or part of this external circuit can be miniaturized and housed in the implantable glucose sensor. Even a transmitter, such as that described in WO 97/19344, can be housed within the implantable glucose sensor, thus completely eliminating the need for leads from the patient's body.

【0003】 電流測定式グルコースセンサーに伴う問題は、シグナルが不安定なことである
。これは、タンパク質との相互作用からくる酵素の分解、酵素の漏出、および/
または電極の汚損の結果起こるものと考えられる。これを克服するための通常の
対策は、上述の生体適合性メンブレン、つまりコーティングを用いることである
。しかしながら、これらのメンブレンにもいくつかの問題がある。例えば、ナフ
ィオン(Nafion)系のバイオセンサーメンブレンは、ひび割れ、剥離、タンパク質
付着、カルシウム沈着などが見られる。生物学的環境下では、ポリマー系のメン
ブレンには石灰沈着が起こり、亀裂や、透過性に変化が生じる。ポリマーメンブ
レンと関係する、はっきりしない多孔度もまた、in vivoでのメンブレンの安定
性および石灰沈着に大いに絡むものであることが示されている。材料中にある細
孔や間隙に侵入する生物学的成分は、イオンおよびカルシウムの蓄積場所である
代謝の陰となる場所を生じさせる。ミネラルの沈着はポリマー製メンブレンの表
面破壊を広げることが知られているという事実と合わせると、この状況は埋め込
み型グルコースセンサーに対し潜在的に深刻な問題を提起する。
A problem with amperometric glucose sensors is the instability of the signal. This is due to enzyme degradation, enzyme leakage, and / or enzyme interactions resulting from protein interactions.
Alternatively, it is considered to be a result of the contamination of the electrodes. A common remedy to overcome this is to use the biocompatible membranes or coatings described above. However, these membranes also have some problems. For example, Nafion-based biosensor membranes show cracks, peeling, protein attachment, calcium deposition, and the like. In biological environments, polymer-based membranes undergo calcification, cracking, and changes in permeability. The poor porosity associated with polymer membranes has also been shown to be highly involved in membrane stability and calcification in vivo. Biological components that penetrate pores and voids in the material give rise to metabolically negative sites where ions and calcium accumulate. This situation poses a potentially serious problem for implantable glucose sensors, coupled with the fact that mineral deposition is known to spread surface disruption of polymeric membranes.

【0004】 ポリマーメンブレンでは、その孔径分布は通常ある種の確率分布(例えばガウ
ス分布)に従うが、これは、サイズの大きなタンパク質がいずれそのメンブレン
を通り抜けて移動するという有限の可能性を残すことになる。この漏れまたは不
適切な拡散特性により、また、例えば生物付着やタンパク質吸着、線維性増殖組
織による被包、および時間の経過とともに起こる装置材料の劣化のような身体−
センサー境界面における諸々の事象により、ドリフトが引き起こされる可能性が
ある。
In polymer membranes, their pore size distribution usually follows some kind of probability distribution (eg Gaussian distribution), which leaves a finite possibility that large proteins will eventually move through the membrane. Become. This leakage or inadequate diffusion properties may also lead to body-imaging such as biofouling and protein adsorption, encapsulation by fibrous proliferating tissue, and deterioration of device material over time.
Drift can be caused by events at the sensor interface.

【0005】 現在、 20 nmと非常に小さい公称孔径のメンブレンが入手可能である。そうは
言うものの、これらの孔径での濾過は、完全なものからは程遠いものである。最
も一般的なフィルターは、溶液流延法で形成されるポリマーメンブレンであるが
、この方法で得られるものは孔径分布が偏差30%と大きい。メンブレン(例えば
MILLPORE ISOPORE)を形成させるのにイオン飛跡エッチング(ion-track etchin
g)を用いると、もっと狭まった孔径分布(±10%)のものが作れる。しかしな
がら、このメンブレンは細孔率が低く(<109 孔/cm2)、孔径にも限度があり、
そして孔が表面に対しランダムに分布している。均一な孔のものを得るために多
孔質アルミナ(例えばWHATMAN)が用いられたこともある。アルミナは通常高い
孔数密度(>1010/cm2)を有しているが、特定の孔径(典型的には大体20ナノメ
ーターより大)しか得られず、孔の形状と配置をコントロールするのは難しい。
Membranes with nominal pore sizes as small as 20 nm are currently available. That said, filtration at these pore sizes is far from perfect. The most common filter is a polymer membrane formed by a solution casting method, but the one obtained by this method has a large pore size distribution with a deviation of 30%. Membrane (eg
Ion-track etchin to form MILLPORE ISOPORE)
With g), a narrower pore size distribution (± 10%) can be made. However, this membrane has a low porosity (<10 9 holes / cm 2 ) and a limited pore size,
And the pores are randomly distributed on the surface. Porous alumina (eg WHATMAN) has also been used to obtain uniform pores. Alumina usually has a high pore number density (> 10 10 / cm 2 ), but only a specific pore size (typically larger than 20 nanometers) is obtained, controlling pore shape and placement Is difficult.

【0006】発明の概要 ひとつの態様では、本発明は埋め込み型アナライトセンサーであり、基板、該
基板上にある電極、および該電極上にあるメンブレンを含んでなる。該メンブレ
ンは元素状シリコンから構成される。
[0006] In summary one embodiment of the invention, the present invention is an implantable analyte sensor, comprising a substrate, electrodes located on the substrate, and the membrane located on the electrode. The membrane is composed of elemental silicon.

【0007】 もうひとつの態様では、本発明は埋め込み型アナライトセンサーの製作方法に
関し、電極をメンブレンで覆うことを含んでなる。該電極は基板上にあり、該メ
ンブレンは元素状シリコンから構成される。
In another aspect, the invention relates to a method of making an implantable analyte sensor, comprising covering an electrode with a membrane. The electrodes are on a substrate and the membrane is composed of elemental silicon.

【0008】 本発明はまた、 in vivoで1日当り20%より少ないシグナルドリフトを示す埋
め込み型アナライトセンサーにも関する。
The present invention also relates to implantable analyte sensors that exhibit less than 20% signal drift per day in vivo.

【0009】図面の簡単な説明 以下の図面は本明細書の一部をなし、本発明の特定の態様をさらに図説するた
めに含めてある。本明細書中に提供される具体的な実施形態の詳細な説明と組み
合わせて、これらの図面の1枚あるいは複数枚を参照することにより、本発明を
よりよく理解することができる。
[0009] BRIEF DESCRIPTION following drawings drawings form a part hereof, it is included to further Illustrated certain aspects of the present invention. The invention may be better understood by reference to one or more of these drawings in combination with the detailed description of specific embodiments provided herein.

【0010】 図1〜9は、本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を図示する。[0010]   1-9 illustrate a method of making a membrane for use in an embodiment of the present invention.

【0011】 図10は、埋め込み型アナライトセンサーの断面図を示す。[0011]   FIG. 10 shows a cross-sectional view of the embedded analyte sensor.

【0012】 図11は、埋め込み型アナライトセンサーの分解組立図を示す。[0012]   FIG. 11 shows an exploded view of the embedded analyte sensor.

【0013】 図12は、埋め込み型アナライトセンサーの断面図を示す。[0013]   FIG. 12 shows a cross-sectional view of the embedded analyte sensor.

【0014】詳細な説明 図10に本発明の1つの実施形態の断面図を示す。図中、埋め込み型アナライ
トセンサー2は基板6を含み、その上に電極8と8がある。電極はメンブレン4で覆
われている。リード線12と12がこの埋め込み型アナライトセンサーを外部回路(
図示されていない)に電気的に接続することを可能にしている。埋め込み型アナ
ライトセンサーはまた、外部コート層16および内部コート層14を含む。
DETAILED DESCRIPTION FIG. 10 shows a cross-sectional view of one embodiment of the present invention. In the figure, the embedded analyte sensor 2 comprises a substrate 6 on which electrodes 8 and 8 are located. The electrode is covered with the membrane 4. Leads 12 and 12 connect this embedded analyte sensor to an external circuit (
(Not shown). The implantable analyte sensor also includes an outer coat layer 16 and an inner coat layer 14.

【0015】 図11は本発明の1つの実施形態の分解組立図を示す。分かりやすくするため
に内部および外部コート層は図では除かれている。図に示されるように、埋め込
み型アナライトセンサー2は、基板6の表面上に電極8と8を含み、この電極はマイ
クロエレクトロニクス回路10に電気的に接続されている。このマイクロエレクト
ロニクス回路はリード線12と12に電気的に接続されていて、このリード線は埋め
込み型アナライトセンサーを外部回路(図示されていない)に電気的に接続する
ことを可能にする。電極はメンブレン4で覆われている。
FIG. 11 shows an exploded view of one embodiment of the present invention. The inner and outer coat layers have been omitted from the figure for clarity. As shown, the implantable analyte sensor 2 includes electrodes 8 and 8 on the surface of a substrate 6, which electrodes are electrically connected to a microelectronic circuit 10. The microelectronic circuit is electrically connected to leads 12 and 12, which allows the implantable analyte sensor to be electrically connected to external circuitry (not shown). The electrode is covered with the membrane 4.

【0016】 図12は、図10に示されているものと類似の、本発明の実施形態の断面図を
示すものであるが、第3番目の電極8と第3番目のリード線12がついている。この
ように図示されてはいるが、電極の数とリード線の数は異なっていてよい。
FIG. 12 shows a cross-sectional view of an embodiment of the invention similar to that shown in FIG. 10, but with a third electrode 8 and a third lead wire 12. There is. Although shown as such, the number of electrodes and the number of leads may be different.

【0017】 メンブレンは、微細機械加工された硬質材料で構成される。好ましくは、メン
ブレンは元素状シリコンから構成されるが、微細機械加工できる他の生体適合性
の硬質材料も考えられ、例えば金属(例えばチタン)、セラミックス(例えば、
シリカや窒化ケイ素)、およびポリマー(例えば、ポリテトラフルオロエチレン
、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、シリコーン樹脂など)がある。微
細機械加工はフォトリソグラフィーを含む方法であって、例えば半導体産業で用
いられるようなもので、基板から物質を除去したり、基板に物質を添加したりす
る。これらの方法はよく知られており、Encyclopedia of Chemical Technology,
Kirk-Othmer, Volume 14, pp. 677-709 (1995);Semiconductor Device Fundam
entals, Robert F. Pierret, Addison-Wesley, 1996;およびMicrochip Fabrica
tion 第3版、Peter Van Zant, McGraw-Hill, 1997に記載されている。元素状シ
リコンから構成されるメンブレンの製作方法の詳細は、1999年春学期に提出され
た、カリフォルニア大学バークレー校大学院のDerek James Hansfordの博士論文
に記載されている(この博士論文は、マテリアルサイエンス・ミネラル工学専攻
の工学博士号(Doctor of Philosophy in Engineering-Materials Science and
Mineral Engineering)の取得要件の一部を満たすものとして提出されたもので
ある)。
The membrane is composed of a micromachined hard material. Preferably, the membrane is composed of elemental silicon, but other biocompatible hard materials that can be micromachined are also contemplated, such as metals (eg titanium), ceramics (eg
Silica and silicon nitride), and polymers (eg, polytetrafluoroethylene, polymethylmethacrylate, polystyrene, silicone resins, etc.). Micromachining is a method that includes photolithography, such as is used in the semiconductor industry, to remove material from or add material to a substrate. These methods are well known and can be found in the Encyclopedia of Chemical Technology,
Kirk-Othmer, Volume 14, pp. 677-709 (1995); Semiconductor Device Fundam
entals, Robert F. Pierret, Addison-Wesley, 1996; and Microchip Fabrica
tion 3rd edition, Peter Van Zant, McGraw-Hill, 1997. Details of how to fabricate a membrane composed of elemental silicon can be found in the PhD dissertation of Derek James Hansford of the University of California, Berkeley, graduated in the spring semester 1999. Doctor of Philosophy in Engineering-Materials Science and
Mineral Engineering) has been submitted as part of the acquisition requirements).

【0018】 このメンブレンの特性は孔径が規定されていることであり、標準的なメンブレ
ンの孔径分布に比較して狭い孔径分布を有している。この製作方法は許容差がわ
ずかであるため、孔径を正確な直径範囲に制御することができ、例えば1〜50 nm
、または5〜20 nm、あるいは5〜15 nmにさえも(例えば12 nm、18 nm、あるいは
25 nmにさえも)制御でき、その時の偏差は+/- 0.01〜20%、+/- 0.1〜10%%、
あるいは+/- 1〜5%にさえある。従ってこのサイズより上の分子はほぼ確実に排
除することができる。というのは、孔径分布が、釣鐘曲線というよりも山高帽の
形をしているからであり、従って、例えば12 nm、18 nm、25 nm、あるいは50 nm
より上のサイズの孔は存在しない。これらのメンブレンは、例えばタンパク質の
ような妨害分子を排除することができる。この妨害分子というのは、センサーを
体内に埋め込んだ場合、さもなければセンサーに大きなドリフトの問題を引き起
こすものである。シグナルドリフトというのは、アナライト濃度の変化に無関係
の、センサーからのシグナルの大きさの変化である。シグナルドリフトの量は、
ドリフト(変動)する前のシグナルの大きさを基準にする。好ましくは、本発明
の埋め込み型アナライトセンサーは、in vivoで1日当たり20%より少ないシグナ
ルドリフトを示すもの、さらに好ましくはin vivoで1日当たり10%より少ない、
最も好ましくはin vivoで1日当たり5%より少ないシグナルドリフトを示すもの
である。
The characteristic of this membrane is that the pore size is defined, and it has a narrow pore size distribution compared to the standard membrane pore size distribution. Due to the small tolerances of this fabrication method, the pore size can be controlled in the exact diameter range, e.g.
, Or 5 to 20 nm, or even 5 to 15 nm (for example, 12 nm, 18 nm, or
Even at 25 nm) and the deviations are +/- 0.01-20%, +/- 0.1-10 %%,
Or even +/- 1 to 5%. Therefore, molecules above this size can almost certainly be excluded. This is because the pore size distribution is more in the shape of a bowler hat, rather than a bell curve, and thus, for example, 12 nm, 18 nm, 25 nm, or 50 nm.
There are no larger size pores. These membranes can exclude interfering molecules such as proteins. This interfering molecule causes significant drift problems for the sensor if it is implanted inside the body. Signal drift is a change in the magnitude of the signal from the sensor that is independent of changes in analyte concentration. The amount of signal drift is
The size of the signal before drifting is used as the standard. Preferably, the implantable analyte sensor of the present invention exhibits a signal drift of less than 20% per day in vivo, more preferably less than 10% per day in vivo,
Most preferably, it exhibits less than 5% signal drift per day in vivo.

【0019】 本発明で用いるメンブレンは、グルコース拡散実験およびアルブミン拡散実験
により特性評価することができる。これらの実験はあとの方で説明する。好まし
くは、メンブレンは、グルコース拡散実験結果が、330分で少なくとも1 mg/dl、
さらに好ましくは330分で少なくとも10 mg/dl、これよりもさらに好ましくは330
分で少なくとも30 mg/dl、そして最も好ましくは330分で少なくとも60 mg/dlで
あるものである。好ましくは、メンブレンは、アルブミン拡散実験結果が、420
分で多くとも0.1 g/dlであり、さらに好ましくは420分で多くとも0.05 g/dlであ
り、これよりもさらに好ましくは420分で多くとも0.01 g/dlであり、そして最も
好ましくは420分で多くとも0.001 g/dlであるものである。
The membranes used in the present invention can be characterized by glucose and albumin diffusion experiments. These experiments will be explained later. Preferably, the membrane has a glucose diffusion experimental result of at least 1 mg / dl in 330 minutes,
More preferably at least 10 mg / dl in 330 minutes, even more preferably 330
Those that are at least 30 mg / dl in minutes, and most preferably at least 60 mg / dl in 330 minutes. Preferably, the membrane has an albumin diffusion test result of 420
At most 0.1 g / dl, more preferably at 420 minutes at most 0.05 g / dl, even more preferably at 420 minutes at most 0.01 g / dl, and most preferably at 420 minutes. At most 0.001 g / dl.

【0020】 このメンブレンの製作方法は、小型で埋め込み型アナライトセンサーの簡単で
、経済的な製造を可能にするものである。例えば、最初にメンブレンを製作し、
その後基板上にセンサー用電極および電気コネクターを形成させることができる
。好ましくは、基板はシリコンであるが、他の材料も可能で、例えばセラミック
スやポリマーがある。必要ならば、例えばアンプ、フィルター、トランスミッタ
ー、および/またはシグナル予備調整部品のような電子部品を、この層の中に容
易に組み込むことができる。特に、基板が元素状シリコンから構成される場合は
、よく知られている集積回路技術を用いて、シングルチップの上に小型化された
形で全ての回路を配置することができる。
This method of manufacturing a membrane enables a simple and economical manufacturing of a small-sized and embedded type analyte sensor. For example, first make a membrane,
Thereafter, the sensor electrode and the electrical connector can be formed on the substrate. Preferably, the substrate is silicon, but other materials are possible, such as ceramics and polymers. If desired, electronic components such as amplifiers, filters, transmitters, and / or signal preconditioning components can easily be incorporated into this layer. In particular, if the substrate is composed of elemental silicon, well-known integrated circuit technology can be used to place all circuits in a miniaturized form on a single chip.

【0021】 試薬がセンサーに含まれる場合、基板とメンブレンをくっつけるのに2つの方
法が可能である: 1.試薬を電極上に付着させる前に基板とメンブレンを熱的に接合させる。こ
の場合、1つの開口部を、好ましくはメンブレン中に設ける(これは微細機械加
工法で製作するので、開口部はこの加工法の1つの工程の中で簡単に作ることが
できる)。複数のメンブレンが1つのピースとして形成される場合、および/ま
たは複数の基板が1つのピースとして形成される場合は、熱接合の後、さらにエ
ッチング工程を用いて個々のメンブレン/基板の単位に分けることができる。試
薬を個々の開口部から付着させ、開口部を、例えばポリマーシーラントを用いて
密封する。その後個々のセンサーを分離して、例えばシリコンゴムのようなフレ
キシブルな内部コート層の中に組み入れ、その後例えば生体適合性の層のような
外部コート層で個別にコーティングする。
When reagents are included in the sensor, there are two possible ways to attach the substrate and the membrane: The substrate and membrane are thermally bonded before the reagent is deposited on the electrodes. In this case, one opening is preferably provided in the membrane (since it is produced by a micromachining method, the opening can easily be made in one step of this processing method). If multiple membranes are formed as one piece, and / or multiple substrates are formed as one piece, then after thermal bonding, an additional etching step is used to separate individual membrane / substrate units. be able to. Reagents are deposited through individual openings and the openings are sealed with, for example, a polymer sealant. The individual sensors are then separated and incorporated into a flexible inner coat layer, such as silicone rubber, and then individually coated with an outer coat layer, such as a biocompatible layer.

【0022】 2.メンブレンと基板をくっつける前に試薬を電極上に付着させる。この場合
、試薬中の酵素が破壊される可能性があるので熱的な接合はできない。メンブレ
ンおよび基板を最初に個々に分けておき、例えばシアノアクリレートのような適
当な接着剤を用いて1つのメンブレンを1つの基板に接着することにより個々の
センサーを組み立てる。最終の工程としては、個々のセンサーを、例えばシリコ
ンゴムのようなフレキシブルな内部コート層の中に組み入れ、その後例えば生体
適合性の層のような外部コート層で個別にコーティングする。センサーは、ニー
ドルアプリケーター(needle applicator)を用いて皮膚の中に挿入できる。制
御装置は通常身体の外に残し、電線(リード線)を通してセンサー素子に接続す
ることができる。
2. The reagent is deposited on the electrodes before the membrane and substrate are attached. In this case, the enzyme in the reagent may be destroyed, so that thermal bonding cannot be performed. The membrane and substrate are first separated individually and the individual sensors are assembled by adhering one membrane to one substrate using a suitable adhesive such as cyanoacrylate. As a final step, the individual sensors are incorporated into a flexible inner coat layer, such as silicone rubber, and then individually coated with an outer coat layer, such as a biocompatible layer. The sensor can be inserted into the skin using a needle applicator. The control device can usually be left outside the body and connected to the sensor element via electrical wires (leads).

【0023】 電極を基板の表面上に形成させる。電極は、十分公知の半導体加工技術により
、純金属または合金のような導電性材料あるいは金属導電体である他の材料から
形成させることができる。例としては、アルミニウム、カーボン(例えばグラフ
ァイト)、コバルト、銅、ガリウム、金、インジウム、イリジウム、鉄、マグネ
シウム、水銀(アマルガムとして)、ニッケル、ニオビウム、オスミウム、パラ
ジウム、白金、レニウム、ロジウム、セレニウム、シリコン(例えば高度にドー
プされた多結晶シリコン)、銀、タンタル、錫、チタン、タングステン、ウラニ
ウム、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、これらの混合物、およびこれら元素の
合金または金属化合物がある。好ましくは、電極は金、白金、パラジウム、イリ
ジウム、あるいはこれら金属の合金を含有していることであり、その理由は、こ
のような貴金属およびそれらの合金は生体系では不活性であるからである。電極
はどのような厚さでもよいが、好ましくは10 nm〜1 mm、さらに好ましくは20nm
〜100μm、あるいはもっと好ましくは25 nm〜1μmである。
An electrode is formed on the surface of the substrate. The electrodes can be formed from conductive materials such as pure metals or alloys or other materials that are metal conductors by well known semiconductor processing techniques. Examples are aluminum, carbon (eg graphite), cobalt, copper, gallium, gold, indium, iridium, iron, magnesium, mercury (as amalgam), nickel, niobium, osmium, palladium, platinum, rhenium, rhodium, selenium, There are silicon (eg highly doped polycrystalline silicon), silver, tantalum, tin, titanium, tungsten, uranium, vanadium, zinc, zirconium, mixtures thereof, and alloys or metal compounds of these elements. Preferably, the electrodes contain gold, platinum, palladium, iridium, or alloys of these metals, because such precious metals and their alloys are inert in biological systems. . The electrodes can be of any thickness, but are preferably 10 nm to 1 mm, more preferably 20 nm.
˜100 μm, or more preferably 25 nm to 1 μm.

【0024】 少なくとも2本の電極がなくてはならない。電極の数は2〜1000本、または3〜2
00本、あるいは3〜99本であってもよい。個々の電極セット(2本または3本の電
極)を、個々のチャンバーの中に分けて入れ、それぞれを前記のメンブレンで覆
うことができる。さらに、個々の電極セット(2本または3本の電極)にそれぞれ
異なる試薬を付着させてもよく、こうすることにより少なくとも2種(例えば3〜
100種、あるいは4〜20種)の異なるアナライトを測定することのできる埋め込み
型アナライトセンサーが可能である。
There must be at least two electrodes. The number of electrodes is 2 to 1000, or 3 to 2
The number may be 00, or 3 to 99. Individual electrode sets (2 or 3 electrodes) can be placed separately in individual chambers, each covered by the membrane described above. In addition, different reagents may be attached to individual electrode sets (two or three electrodes), so that at least two types (for example, 3 ~
An implantable analyte sensor that can measure 100 or 4 to 20 different analytes is possible.

【0025】 埋め込み型アナライトセンサーの残りの個々の部分は当業者には周知であり、
例えば米国特許第5,387,327号;同第5,411,647号;および同第5,476,776号;な
らびにPCT国際公開WO 91/15993;同WO 94/20602;同WO 96/06947;およびWO 97/
19344に記載されている。
The remaining individual parts of the implantable analyte sensor are well known to those skilled in the art,
For example, US Pat. Nos. 5,387,327; 5,411,647; and 5,476,776; and PCT International Publication WO 91/15993; WO 94/20602; WO 96/06947; and WO 97 /.
19344.

【0026】 リード線およびマイクロエレクトロニクス回路の両方が付いて図示されている
が、これらの部品は任意であり必要なら付ける。マイクロエレクトロニクス回路
は、例えばマイクロプロセッサー、アンプ、あるいは電源のような、普通は埋め
込み型アナライトセンサーの外にくる電気部品の一部あるいは全部を含んでいて
よい。またマイクロエレクトロニクス回路がトランスミッター、あるいは例えば
レーザー(これは皮膚を通して光を発する)のような、ワイヤレスで情報を送信
する他の装置も含んでいる場合は、リード線を含む必要はない。これに対して、
マイクロエレクトロニクス回路はなくてもよく、この場合は、リード線が電極と
外部電気部品とを直接電気的に接続する。
Although illustrated with both leads and microelectronic circuitry, these components are optional and are included if desired. The microelectronic circuit may include some or all of the electrical components that normally lie outside the implantable analyte sensor, such as a microprocessor, amplifier, or power supply. Also, if the microelectronic circuit also includes a transmitter, or other device that wirelessly transmits information, such as a laser, which emits light through the skin, it need not include leads. On the contrary,
There may be no microelectronic circuitry, in which case the leads directly electrically connect the electrodes to external electrical components.

【0027】 必要ならば、1つあるいは複数の内部コート層があってもよい。内部コート層
は拡散を調節する機能を果たすと考えられる。内部コート層の例として、酢酸セ
ルロース、ポリウレタン、ポリアリルアミン(PAL)、ポリアジリジン(PAZ)、
およびシリコン含有ポリマーを挙げることができる。いくつかの具体的な例がPC
T公開WO 98/17995、同WO 98/13685および同WO 96/06947、ならびに米国特許第4,
650,547号および同第5,165,407号に記載されている。
There may be one or more inner coat layers if desired. The inner coat layer is believed to serve the function of controlling diffusion. Examples of the inner coat layer include cellulose acetate, polyurethane, polyallylamine (PAL), polyaziridine (PAZ),
And silicon-containing polymers. PC with some concrete examples
T-published WO 98/17995, WO 98/13685 and WO 96/06947, and US Pat.
650,547 and 5,165,407.

【0028】 必要ならば、1つあるいは複数の外部コート層があってもよい。本発明の埋め
込み型アナライトセンサーは、 in vivo で、好ましくは、ヒト、イヌ、あるい
はマウスのような哺乳動物の皮下で使用することを目的としている。外部コート
層は、埋め込み型アナライトセンサーの生体適合性を改善する機能を果たす。外
部コート層の例を挙げると、ナフィオン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)、ポリ(エチレンオキサイド)(PEO)、および2-メタクリロイ
ルオキシエチルホスホリルコリンとメタクリル酸n-ブチルとの共重合体(MPC)
の各膜(メンブレン)がある。いくつかの具体的な例がPCT公開WO 96/06947、お
よびMedical Progress through Technology、Nishidaら、21: 91-103 (1995)に
記載されている。
There may be one or more outer coat layers if desired. The implantable analyte sensor of the present invention is intended to be used in vivo, preferably subcutaneously in a mammal such as human, dog or mouse. The outer coat layer functions to improve the biocompatibility of the implantable analyte sensor. Examples of the outer coating layer include Nafion, polyurethane, polytetrafluoroethylene (PTFE), poly (ethylene oxide) (PEO), and a copolymer of 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine and n-butyl methacrylate (MPC )
There are various membranes. Some specific examples are described in PCT Publication WO 96/06947, and Medical Progress through Technology, Nishida et al., 21: 91-103 (1995).

【0029】 電極を試薬でコーティングしてもよい。試薬は任意であり、特定のアナライト
用の電気化学プローブとするために用いる。試薬は、例えばグルコース検出用の
グルコースオキシダーゼあるいはグルコースヒドロゲナーゼのように、単一酵素
のような単純なものでありうる。酵素は、PCT公開WO 96/06947に記載されている
ように、固定化または「捕捉(wired)」されていてよい。試薬には、センサー
の感度を上げるため、必要ならメディエーターを含有させてもよい。出発試薬は
試薬の各反応体あるいは各成分であり、そしてたいていは電極につける前に液体
形態で一緒に混ぜ合わされる。液体はその後蒸発し、試薬が固体の形態で残る。
具体的な試薬の選択は、その具体的なアナライトあるいは測定すべきアナライト
により決まり、当業者にはよく知られている。例えば、グルコース測定用試薬の
一例として、試薬1グラムあたり、62.2mgのポリエチレンオキサイド(平均分子
量100〜900キロダルトン)、3.3mgのNATROSOL 250M、41.5mgのAVICEL RC-591 F
、89.4mgの一塩基性燐酸カリウム、157.9mgの二塩基性燐酸カリウム、437.3mgの
フェリシアン化カリウム、46.0mgのコハク酸ナトリウム、148.0mgのトレハロー
ス、2.6mgのTRITON X-100界面活性剤、および2,000〜9,000単位の酵素活性を含
むものを挙げることができる。この酵素は、12.5mgの補酵素PQQと121万単位のキ
ノタンパク質グルコースデヒドロゲナーゼのアポ酵素とから酵素溶液として調製
され、キノタンパク質グルコースデヒドロゲナーゼ溶液を作る。この試薬はWO 9
9/30152の7〜10頁に記載されている(この文献は参照により本明細書中に組み入
れるものとする)。
The electrodes may be coated with a reagent. Reagents are optional and are used to provide electrochemical probes for specific analytes. The reagent can be as simple as a single enzyme, eg glucose oxidase or glucose hydrogenase for glucose detection. The enzyme may be immobilized or "wired" as described in PCT Publication WO 96/06947. The reagent may contain a mediator in order to increase the sensitivity of the sensor. The starting reagents are the reactants or components of the reagents and are usually mixed together in liquid form prior to application to the electrodes. The liquid then evaporates, leaving the reagent in solid form.
The choice of a specific reagent depends on the specific analyte or the analyte to be measured and is well known to those skilled in the art. For example, as an example of a glucose measuring reagent, 62.2 mg of polyethylene oxide (average molecular weight 100 to 900 kilodalton), 3.3 mg of NATROSOL 250M, 41.5 mg of AVICEL RC-591 F per gram of the reagent are used.
, 89.4 mg monobasic potassium phosphate, 157.9 mg dibasic potassium phosphate, 437.3 mg potassium ferricyanide, 46.0 mg sodium succinate, 148.0 mg trehalose, 2.6 mg TRITON X-100 surfactant, and 2,000 Mention may be made of those containing ~ 9,000 units of enzyme activity. This enzyme is prepared as an enzyme solution from 12.5 mg of coenzyme PQQ and 1.12 million units of apoenzyme of quinoprotein glucose dehydrogenase to make a quinoprotein glucose dehydrogenase solution. This reagent is WO 9
9/30152, pages 7-10, which is hereby incorporated by reference.

【0030】 限定するものではないが、本発明で特定のアナライトを測定するのに用いるこ
とができるその外の酵素および追加のメディエーターの例を以下の表1に掲載す
る。
Non-limiting examples of other enzymes and additional mediators that can be used in the present invention to measure specific analytes are listed below in Table 1.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】 表1に示されているいくつかの例では、少なくとも1つの追加の酵素が反応触
媒として使用される。また、表1に示されているいくつかの例では付加的なメデ
ィエーターを用いてもよく、これは酸化型のメディエーターへの電子移動を促進
する。付加的メディエーターは、酸化型メディエーターよりも少ない量で試薬に
加える。上記のアッセイについて説明するが、本発明の開示に従い、色々な電気
化学的アッセイを行うことができることが理解されよう。
In some of the examples shown in Table 1, at least one additional enzyme is used as the reaction catalyst. Also, in some of the examples shown in Table 1, additional mediators may be used, which facilitate electron transfer to the oxidized form of the mediator. The additional mediator is added to the reagent in lesser amount than the oxidized mediator. Although the above assays are described, it will be appreciated that a variety of electrochemical assays can be performed in accordance with the present disclosure.

【0033】メンブレンの形成 以下に本発明で用いるメンブレンの作り方を記すが、これは、1999年の春学期
に提出された、カリフォルニア大学バークレー校大学院のDerek James Hansford
の博士論文(この博士論文は、マテリアルサイエンス・ミネラル工学専攻の工学
博士号の取得要件の一部を満たすものとして提出されたものである)にある記述
に基づくものである。
Formation of Membrane The following describes how to make the membrane used in the present invention, which was submitted in the spring semester of 1999 by Derek James Hansford of the University of California, Berkeley Graduate School.
The doctoral dissertation (which was submitted as part of the requirements for obtaining a doctoral degree in engineering in Materials Science and Mineral Engineering) is based on the description given in the above.

【0034】 他の材料から作られる他のメンブレンを使うこともできる。この独特の方法は
、埋設された窒化膜のエッチング停止層を頼りとするものである。
Other membranes made from other materials can also be used. This unique method relies on a buried nitride etch stop layer.

【0035】 埋設窒化膜エッチング停止層は、ナノメータースケールの孔を形成させる際に
エッチング液止めとしての働きをする。埋設窒化膜エッチング停止層は孔構造の
3次元制御を容易にし、50ナノメーターより小さい直径の孔を形成するのを容易
にする。その上、これらの孔を、ウエハー全面に亘って均一に形成させることが
できる。
The buried nitride film etch stop layer acts as an etchant stop when forming nanometer scale holes. The buried nitride etch stop layer facilitates three-dimensional control of the pore structure and facilitates the formation of pores with diameters less than 50 nanometers. Moreover, these holes can be formed uniformly over the entire surface of the wafer.

【0036】 好ましくは、この製作プロトコルの第1工程は、支持用隆起構造を基板にエッ
チングで形成させることである。この隆起は、その後形成されるメンブレン構造
に機械的剛性を与える。
Preferably, the first step in this fabrication protocol is to etch the supporting ridge structure into the substrate. This ridge imparts mechanical rigidity to the subsequently formed membrane structure.

【0037】 その後、低圧化学蒸着法(LPCVD)を用いて、エッチング停止層として働く低
ストレスシリコン窒化膜(LSNまたは窒化膜)を基板上に蒸着させる。1つの実
施形態では、0.4μmの窒化膜を用いた。この結果得られた構造を図1に示す。図
1には、基板20とその上に形成された窒化膜エッチング停止層22が図示されてい
る。
Then, a low stress chemical vapor deposition (LPCVD) method is used to deposit a low stress silicon nitride film (LSN or nitride film) acting as an etch stop layer on the substrate. In one embodiment, a 0.4 μm nitride film was used. The resulting structure is shown in FIG. FIG. 1 shows a substrate 20 and a nitride film etching stop layer 22 formed thereon.

【0038】 ストップ層22の上に、メンブレンのベース構造層(ベース層)を蒸着させる。
エッチング停止層22は薄いので、構造層を、基板20の中に形成された支持用隆起
のところまで蒸着させる。1つの実施形態では、ベース層として5μmのポリシリ
コンを用いた。図2にエッチング停止層22の上に配置されたベース層24を図示す
る。低ストレスシリコン窒化膜をベース層としても用いることもできるが、この
場合それはそれ自身のエッチング停止層として働く。
On the stop layer 22, a base structure layer (base layer) of the membrane is deposited.
The etch stop layer 22 is thin so that the structural layer is deposited up to the supporting ridges formed in the substrate 20. In one embodiment, 5 μm polysilicon was used as the base layer. FIG. 2 illustrates the base layer 24 disposed on the etch stop layer 22. The low stress silicon nitride film can also be used as the base layer, in which case it acts as its own etch stop layer.

【0039】 次の加工工程は、孔の形状を画定するために、ベース層24に穴をエッチングで
空けることである。孔を画定するために、従来の半導体加工で用いられるような
マスクを用いることができる。例えば、マスクとして熱的に成長させた酸化物層
を用い、塩素プラズマによりポリシリコンの中に穴をエッチングで空けることが
できる。この工程では、エッチングがベース層24を完全に貫いていることを確認
することが重要で、従って10〜15%の過剰エッチングを行なうことが好ましい。
埋設窒化膜エッチング停止層22が、シリコンベース層24のプラズマエッチングに
対してエッチング停止として働くことに注目することは価値がある。さもなくば
、もしプラズマが窒化膜を貫いて穴を空けるのであれば、プラグ層の下にある窒
化膜が完全に除去されるのを防ぐために(最終のKOHによるエッチングで除去さ
れるのを防ぐために)、エッチング工程のもっと厳密な制御を行なう必要がある
と考えられる。図3にこの加工法による結果を図示する。特に、この図は、ベー
ス層24の中に形成されているが窒化膜エッチング停止層22の中で終わっている穴
26を図示するものである。
The next processing step is to etch holes in the base layer 24 to define the shape of the holes. Masks such as those used in conventional semiconductor processing can be used to define the holes. For example, a thermally grown oxide layer may be used as a mask and a chlorine plasma may be used to etch holes in the polysilicon. In this step, it is important to make sure that the etching completely penetrates the base layer 24, so it is preferable to perform 10-15% overetching.
It is worth noting that the buried nitride etch stop layer 22 acts as an etch stop for the plasma etching of the silicon base layer 24. Otherwise, if the plasma punctures the nitride, to prevent complete removal of the nitride underneath the plug layer (prevent it from being removed by the final KOH etch). Therefore, it is thought that more precise control of the etching process needs to be performed. FIG. 3 illustrates the result of this processing method. In particular, this figure shows a hole formed in the base layer 24 but ending in the nitride etch stop layer 22.
26 is an illustration of 26.

【0040】 次にベース層24上に孔犠牲酸化物を成長させる。図4に、ベース層24上に配置
された犠牲酸化物28を図示する。
Next, a hole sacrificial oxide is grown on the base layer 24. FIG. 4 illustrates the sacrificial oxide 28 disposed on the base layer 24.

【0041】 この犠牲酸化物の厚みが最終メンブレンの孔径を決定する。それゆえこの工程
の制御は再現性のあるメンブレンにとって極めて重要である。これは、ベース層
24の熱酸化(例えば、成長温度850〜950℃で約1時間とアニール10分)により達
成される。当然、制御された厚みの犠牲層を形成させるのには色々な方法を用い
ることができる。例えば、熱的に蒸発されるタングステンフィルムをポリマー製
メンブレンの犠牲層として用いてもよく、これは過酸化水素で選択的に除去する
ことができる。犠牲層の基本的必須要件は、ウエハー全面に亘って高精度でその
厚みを制御する能力である。ポリシリコンおよび窒化膜の両方の熱酸化が、ウエ
ハー全面に亘って5%未満での犠牲層の厚み制御を可能とする。この制御の限界
は、例えば天然酸化物の初期厚み(特にポリシリコンについて)、結晶粒度また
は密度、および不純物濃度のような、ベース層中の局所的不均質性から来る。
The thickness of this sacrificial oxide determines the pore size of the final membrane. Therefore, control of this process is extremely important for reproducible membranes. This is the base layer
24 thermal oxidation (eg, growth temperature of 850-950 ° C. for about 1 hour and 10 minutes of annealing). Of course, various methods can be used to form a sacrificial layer of controlled thickness. For example, a thermally evaporated tungsten film may be used as a sacrificial layer for the polymeric membrane, which can be selectively removed with hydrogen peroxide. A fundamental requirement of the sacrificial layer is the ability to control its thickness with high precision over the entire wafer surface. Thermal oxidation of both polysilicon and nitride allows sacrificial layer thickness control of less than 5% over the entire wafer. The limits of this control come from local inhomogeneities in the base layer, such as the initial thickness of the native oxide (especially for polysilicon), grain size or density, and impurity concentration.

【0042】 ベース層24をプラグ層(層間に孔スペーシングを維持するために必要)と機械
的に接続させるために、犠牲酸化物層28中にアンカー点を定めた。本設計では、
これは、対角線方向に1μmだけ孔穴からずらした同一のマスクを用いることによ
り達成される。これは各孔穴の1つまたは2つのコーナーにアンカーをもたらし
、これが可能な限り大きな孔面積を開けながら構造体の層間に所望の機械的接続
を与えた。図5に、この方法で形成されたアンカー30を図示する。
Anchor points were defined in the sacrificial oxide layer 28 to mechanically connect the base layer 24 with the plug layers (required to maintain hole spacing between the layers). In this design,
This is achieved by using the same mask, which is diagonally offset from the holes by 1 μm. This provided anchors at one or two corners of each hole, which provided the desired mechanical connection between the layers of the structure while opening as much hole area as possible. FIG. 5 illustrates an anchor 30 formed by this method.

【0043】 次にプラグ構造層を付着させて穴26を埋める。この工程は1.5μmのポリシリコ
ンを付着させることにより行った。その結果得られるプラグ層32を図6に示す。
Next, a plug structure layer is deposited to fill the hole 26. This step was performed by depositing 1.5 μm of polysilicon. The resulting plug layer 32 is shown in FIG.

【0044】 表面に孔を開けるために、プラグ層32をベース層のところまで平坦化し、図7
に示すように、プラグ層が孔穴開口部分にだけある最終構造体を残す。
In order to make holes in the surface, the plug layer 32 is planarized up to the base layer,
, Leaving the final structure with the plug layer only in the hole openings.

【0045】 平坦化の方法は、プラグ材料として使用される材料によって決まる。硬い微細
加工用材料(ポリシリコンおよび窒化膜)に対しては、平坦化には化学機械研摩
(chemical mechanical polishing)を用いた。検討したその他の材料では、プ
ラズマエッチング法を、急速湿式化学平滑化法(quick wet chemical smoothing
)と共に用いて粗く平坦化した。この方法は、用いたプラズマではベース層はエ
ッチングされないと仮定して、ベース層は影響を受けないという利点があるが、
プラグそのものを完全にエッチングしてしまうのを避けるためエッチングのタイ
ミングの制御を行う必要があるという欠点がある。
The method of planarization depends on the material used as the plug material. For hard microfabrication materials (polysilicon and nitride films), chemical mechanical polishing was used for planarization. Among the other materials examined, plasma etching is used as a quick wet chemical smoothing method.
) Was used to roughen and flatten. This method has the advantage that the base layer is not affected, assuming that the plasma used does not etch the base layer.
There is a drawback in that it is necessary to control the etching timing in order to avoid completely etching the plug itself.

【0046】 この時点で、メンブレンはリリースの準備ができた状態なので、保護層34をウ
エハー上に蒸着する(ウエハーの両面を完全に覆う)。保護層34の必須要件は、
保護層がシリコンのエッチング(これらの実験ではKOH)に影響されないことと
、保護層をプラグ32またはベース24の構造層を取り除くことなく除去できること
である。ポリシリコンおよび窒化膜構造層の場合には、保護層として薄い窒化膜
層を用いる(窒化膜はKOHには全くエッチングされず、HFにゆっくり溶ける)。
ポリマー製構造材料の場合には、窒化膜の蒸着に必要な加工温度(835℃)の点
から、保護層としてシリコンを用いる。
At this point, the membrane is ready for release and a protective layer 34 is deposited on the wafer (completely covering both sides of the wafer). The essential requirements for the protective layer 34 are
The protective layer is not affected by the etching of silicon (KOH in these experiments) and the protective layer can be removed without removing the plug 32 or the structural layer of the base 24. In the case of polysilicon and nitride structure layers, a thin nitride layer is used as a protective layer (nitride film is not etched in KOH at all and dissolves slowly in HF).
In the case of a polymer structural material, silicon is used as a protective layer in view of the processing temperature (835 ° C.) required for vapor deposition of a nitride film.

【0047】 裏面エッチングウインドーを保護層にエッチングにより設けた。所望の範囲に
シリコンを露出させ、その後構造体全体を80℃のKOH浴に入れ、シリコンウエハ
ー基板20を(平滑な埋設エッチング停止層で明示されるように)メンブレンのベ
ース層24のところまでエッチングした。図8に、基板20に形成された、この結果
得られるアパーチャー(開口)36を図示する。
A backside etching window was provided on the protective layer by etching. Expose the silicon to the desired extent, then place the entire structure in a 80 ° C. KOH bath to etch the silicon wafer substrate 20 (as evidenced by the smooth buried etch stop) to the base layer 24 of the membrane. did. FIG. 8 illustrates the resulting aperture 36 formed in the substrate 20.

【0048】 この時点で、埋設窒化膜層22、犠牲酸化物層34、およびプラグ層32をHFまたは
SF6/酸素プラズマ中でのエッチングにより除去する。結果として得られるナノメ
ータースケールの孔を有するメンブレン4を図9に示す。
At this point, the buried nitride film layer 22, the sacrificial oxide layer 34, and the plug layer 32 are exposed to HF or
It is removed by etching in SF 6 / oxygen plasma. The resulting membrane 4 with nanometer scale pores is shown in FIG.

【0049】メンブレンの特性評価 メンブレンの目的は、測定対象アナライト(たとえばグルコース)をメンブレ
ンに通して拡散させると同時に大きな分子(例えばタンパク質)を排除すること
である。それゆえ、メンブレンの2つの重要な特性はグルコース拡散とアルブミ
ン拡散である。全ての実験は室温(25℃)で行う。
Characterization of the Membrane The purpose of the membrane is to disperse analytes of interest (eg glucose) through the membrane while at the same time eliminating large molecules (eg proteins). Therefore, two important properties of the membrane are glucose diffusion and albumin diffusion. All experiments are performed at room temperature (25 ° C).

【0050】 以下はグルコースの拡散実験である: メンブレンの周りをぐるっと囲んで組み立てられたミニ拡散チャンバーを使っ
てグルコースの拡散を測定する。アクリル樹脂から作製されたこの拡散チャンバ
ーは、2mLの一定容積をもつ2つのコンパートメントAおよびBで構成され、こ
れらコンパートメントは目的とするメンブレンで分離されており、Oリングでシ
ールされ、そしてネジのように回して螺合されている。
The following is a glucose diffusion experiment: Glucose diffusion is measured using a mini-diffusion chamber assembled around a membrane. Made from acrylic resin, this diffusion chamber consists of two compartments A and B with a constant volume of 2 mL, separated by the desired membrane, sealed with an O-ring, and screw-like. It is screwed in by turning it to.

【0051】 この拡散チャンバーを使って、酵素的定量アッセイ(TRINDER(商標)、SIGMA
)および分光光度計による比色測定により、メンブレンの両方の側でグルコース
を測定する。全ての実験の出発グルコース濃度は、チャンバーAとBで、それぞ
れ6,666 mg/dlと0.0 mg/dlであった。サンプル0.1 mlを拡散チャンバーから採り
、そのうちの10 μlをキュベット中の3 mlのグルコース試薬に添加し、転回する
ことにより穏やかに混合した。各試験管を室温で18分インキュベートし、波長50
5nmで測定を行う。試薬は750 mg/dlまで直線的である。拡散チャンバーそのもの
は、境界層効果(液/メンブレンの境界面における拡散抵抗)を最小限にするこ
とを目的として攪拌するためにモーターに取り付ける。孔を確実に湿らせるため
に、最初に受容側セルをリン酸緩衝生理食塩水(PBS)で15分間満たしてから、
供与側セルを満たす。供与側セルは、種々の濃度の、PBS中のグルコース溶液で
満たす。
Using this diffusion chamber, an enzymatic quantitative assay (TRINDER ™, SIGMA
) And a spectrophotometric colorimetric measurement to measure glucose on both sides of the membrane. The starting glucose concentration for all experiments was 6,666 mg / dl and 0.0 mg / dl in chambers A and B, respectively. A 0.1 ml sample was taken from the diffusion chamber, 10 μl of which was added to 3 ml glucose reagent in a cuvette and gently mixed by inversion. Incubate each tube for 18 minutes at room temperature and
Measure at 5 nm. Reagents are linear up to 750 mg / dl. The diffusion chamber itself is mounted on a motor for agitation in order to minimize the boundary layer effect (diffusion resistance at the liquid / membrane interface). To ensure that the pores are moistened, first fill the recipient cells with phosphate buffered saline (PBS) for 15 minutes, then
Fill donor cell. The donor cell is filled with various concentrations of glucose solution in PBS.

【0052】 以下はアルブミンの拡散実験である: グルコースの拡散実験と同様に、同じ拡散チャンバーを使用して、メンブレン
ンの両方の側でアルブミンも測定する。Albumin BCP (ブロモクレゾールパープ
ル、SIGMA)を用いて、アルブミン拡散および/または排除を最初に測定し、定量
化する。全ての実験の出発アルブミン濃度は、チャンバーAおよびBでそれぞれ
4 g/dlおよび0.0 mg/dlとする。時間ゼロおよび拡散期間の終点(時間=330分)
で0.1 mlのサンプルを採る。その後、300μLのアリコートを3 mLの試薬に添加し
、600 nmで吸光度を測定する。ブランクとして試薬に脱イオン水を加えたものを
用いる。BCPアッセイは6 g/dlまでは直線的であったが、1 g/dlより下では正確
ではなかった。チャンバーAに存在する可能性のある低い濃度のアルブミンに対
しては、Bradford Method(MICRO PROTEIN KIT, SIGMA)を用いてチャンバーB
中のタンパク質の存在を測定した。この方法は、クーマシーブリリアントブルー
(Coomassie brilliant blue)の未知タンパク質との結合を定量化し、この結合
量を、種々の量の標準タンパク質との結合量と比較する。アルブミンを標準タン
パク質として使用する。この方法は、タンパク質10 mg/dlもしくは0.1 g/dlにま
で至る感度で、検量線を用いて、1〜100マイクログラムのタンパク質を定量化す
る。吸光度は595 nmで測定する。
The following are albumin diffusion experiments: Similar to glucose diffusion experiments, the same diffusion chamber is used to measure albumin on both sides of the membranen. Albumin diffusion and / or exclusion is first measured and quantified using Albumin BCP (bromocresol purple, SIGMA). Starting albumin concentrations for all experiments were in chambers A and B respectively.
4 g / dl and 0.0 mg / dl. Zero time and end of diffusion period (time = 330 minutes)
Take a 0.1 ml sample with. Then add a 300 μL aliquot to 3 mL of reagent and measure the absorbance at 600 nm. As a blank, a reagent prepared by adding deionized water is used. The BCP assay was linear up to 6 g / dl but not accurate below 1 g / dl. For low concentrations of albumin that may be present in chamber A, use the Bradford Method (MICRO PROTEIN KIT, SIGMA) for chamber B
The presence of protein in was determined. This method quantifies the binding of Coomassie brilliant blue to unknown proteins and compares the amount of binding to the amount of binding to various amounts of standard protein. Albumin is used as a standard protein. This method quantifies 1-100 micrograms of protein using a calibration curve with sensitivities up to 10 mg / dl or 0.1 g / dl of protein. Absorbance is measured at 595 nm.

【0053】メンブレンの分析 グルコースの拡散を3つのタイプのメンブレンについて測定した:シリコン微
細機械加工メンブレン(平均孔径=0.0245ミクロン)、WHATMAN ANODISCメンブ
レン(平均孔径=0.02ミクロン)、およびMF-MILLIPORE酢酸硝酸混合セルロース
メンブレン(平均孔径=0.025ミクロン)。
Membrane Analysis Glucose diffusion was measured on three types of membranes: silicon micromachined membranes (mean pore size = 0.0245 micron), WHATMAN ANODISC membranes (mean pore size = 0.02 micron), and MF-MILLIPORE acetic acid nitric acid mixture. Cellulose membrane (average pore size = 0.025 micron).

【0054】 アルブミン実験の結果を以下の表に示す。[0054]   The results of the albumin experiments are shown in the table below.

【0055】 [0055]

【0056】 アルブミンの存在は、グルコースのメンブレン通過を妨げるとは考えられない
し、グルコースの輸送を遅くするとも考えられない。微細機械加工のメンブレン
を通して拡散するアルブミンの量は検出できない。しかしながら、同じメンブレ
ンがグルコースの拡散は示す。微細機械加工メンブレンは、グルコースの拡散を
許す一方で、アルブミンの完全排除(検出限界の範囲内まで)を達成することが
できる。拡散速度を市販のメンブレンのそれと比較すると、微細機械加工のメン
ブレンは、同じような孔径を有するMILLIPOREメンブレンおよびアルミナWHATMAN
メンブレンに匹敵するグルコース拡散特性を有する。
The presence of albumin is not expected to impede glucose passage through the membrane or slow the transport of glucose. The amount of albumin that diffuses through the micromachined membrane is undetectable. However, the same membrane shows diffusion of glucose. Micromachined membranes allow the diffusion of glucose while achieving complete exclusion of albumin (up to the limit of detection). Comparing the diffusion rate to that of commercial membranes, the micromachined membranes have MILLIPORE membranes and alumina WHATMAN with similar pore sizes.
It has glucose diffusion properties comparable to membranes.

【0057】 微細機械加工メンブレンを通るアルブミンの通過を、チャンバーAおよびチャ
ンバーB中のアルブミン濃度の変化を経時的に見ることにより測定する。BCPア
ッセイを用いたが、チャンバーBには検出可能なアルブミンの痕跡はない。しか
しながら、チャンバーB中のアルブミンの量が、このアッセイシステムの検出限
界より下である可能性がある。それで、ブラッドフォード法も採用した。このマ
イクロアッセイを用いたところ、微細機械加工メンブレンでは、再び、チャンバ
ーBには検出可能な量のアルブミンは見出されなかったが、MILLIPOREまたはWHA
TMANメンブレンを使った場合は、両者ともチャンバーBに少量のタンパク質が見
出された。420分後にチャンバーB中で検出されたアルブミンの量は、MILLIPORE
およびWHATMANメンブレンについてはそれぞれ約0.25 g/dLおよび0.20 g/dLであ
った。
The passage of albumin through the micromachined membrane is measured by looking at the change in albumin concentration in chamber A and chamber B over time. A BCP assay was used, but there is no detectable trace of albumin in chamber B. However, it is possible that the amount of albumin in chamber B is below the detection limit of this assay system. So I also adopted the Bradford method. Using this microassay, no detectable amount of albumin was again found in chamber B on the micromachined membrane, but MILLIPORE or WHA
When using the TMAN membrane, a small amount of protein was found in chamber B in both cases. The amount of albumin detected in chamber B after 420 minutes was determined by MILLIPORE
And about WHATMAN membrane were about 0.25 g / dL and 0.20 g / dL, respectively.

【0058】 グルコースは、勿論、市販のメンブレンと同じような速度で微細機械加工メン
ブレンを通って拡散する。同時に、アルブミンの通過は排除される。グルコース
とアルブミンンの混合溶液では、グルコースだけが微細機械加工メンブレンを通
って拡散する。
Glucose, of course, diffuses through micromachined membranes at rates similar to commercially available membranes. At the same time, the passage of albumin is excluded. In a mixed glucose and albumin solution, only glucose diffuses through the micromachined membrane.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 1]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図2】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Fig. 2]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図3】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 3]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図4】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 4]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図5】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 5]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図6】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 6]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図7】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 7]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図8】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 8]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図9】 本発明の実施形態で使用するメンブレンの製作方法を示す図である。[Figure 9]   It is a figure which shows the manufacturing method of the membrane used by embodiment of this invention.

【図10】 埋め込み型アナライトセンサーの断面図である。[Figure 10]   It is sectional drawing of an embedded type analyte sensor.

【図11】 埋め込み型アナライトセンサーの分解組立図である。FIG. 11   FIG. 6 is an exploded view of the embedded analyte sensor.

【図12】 埋め込み型アナライトセンサーの断面図である。[Fig. 12]   It is sectional drawing of an embedded type analyte sensor.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedure for Amendment] Submission for translation of Article 34 Amendment of Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成13年2月22日(2001.2.22)[Submission date] February 22, 2001 (2001.2.22)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【特許請求の範囲】[Claims]

【請求項15】 前記埋め込み型アナライトセンサーがグルコースセンサー
である、請求項11に記載の方法。
15. The method of claim 11, wherein the implantable analyte sensor is a glucose sensor.

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年10月17日(2002.10.17)[Submission date] October 17, 2002 (2002.10.17)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE ,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR, HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,K P,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU ,LV,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX, NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,S G,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ ,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE, TR), OA (BF , BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, G M, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ , UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, C H, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE , ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, K P, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU , LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, S G, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ , UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW

Claims (27)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)基板、 (b)該基板上にある電極、および (c)該電極上にあるメンブレン、 を含んでなり、該メンブレンが元素状シリコンから構成されることを特徴とする
埋め込み型アナライトセンサー。
1. A substrate comprising: (a) a substrate; (b) an electrode on the substrate; and (c) a membrane on the electrode, the membrane comprising elemental silicon. Embedded analyte sensor that does.
【請求項2】 (d)前記電極に電気的に接続されたマイクロエレクトロニ
クス回路、をさらに含んでなる、請求項1に記載の埋め込み型アナライトセンサ
ー。
2. The implantable analyte sensor of claim 1, further comprising (d) a microelectronic circuit electrically connected to the electrodes.
【請求項3】 (e)前記電極に電気的に接続されたリード線、をさらに含
んでなる、請求項1に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
3. The embedded analyte sensor according to claim 1, further comprising: (e) a lead wire electrically connected to the electrode.
【請求項4】 (e)前記電極に電気的に接続されたリード線、をさらに含
んでなり、該リード線が、前記マイクロエレクトロニクス回路を経て該電極に電
気的に接続されている、請求項2に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
4. (e) further comprising a lead wire electrically connected to said electrode, said lead wire being electrically connected to said electrode via said microelectronic circuit. The embedded analyte sensor described in 2.
【請求項5】 前記マイクロエレクトロニクス回路がトランスミッターおよ
び電源を含む、請求項2に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
5. The implantable analyte sensor of claim 2, wherein the microelectronic circuit includes a transmitter and a power supply.
【請求項6】 (f)前記基板および前記メンブレンを取り囲むコート層、
をさらに含んでなる、請求項1に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
6. (f) a coat layer surrounding the substrate and the membrane,
The implantable analyte sensor of claim 1, further comprising:
【請求項7】 前記コート層が内部コート層および外部コート層を含む、請
求項6に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
7. The embedded analyte sensor according to claim 6, wherein the coat layer includes an inner coat layer and an outer coat layer.
【請求項8】 前記基板が元素状シリコンから構成される、請求項1に記載
の埋め込み型アナライトセンサー。
8. The embedded analyte sensor according to claim 1, wherein the substrate is composed of elemental silicon.
【請求項9】 前記メンブレンが微細機械加工により製作される、請求項1
に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
9. The membrane is manufactured by micromachining.
Embedded analyte sensor described in.
【請求項10】 前記埋め込み型アナライトセンサーがグルコースセンサー
である、請求項1に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
10. The implantable analyte sensor of claim 1, wherein the implantable analyte sensor is a glucose sensor.
【請求項11】 電極をメンブレンで覆うことを含んでなる埋め込み型アナ
ライトセンサーの製作方法であって、 該電極が基板上にあり、かつ、該メンブレンが元素状シリコンから構成される
ことを特徴とする、上記方法。
11. A method of making an embedded analyte sensor comprising covering an electrode with a membrane, wherein the electrode is on a substrate and the membrane is composed of elemental silicon. And the above method.
【請求項12】 前記メンブレンを、元素状シリコンを微細機械加工するこ
とにより形成することをさらに含んでなる、請求項11に記載の方法。
12. The method of claim 11, further comprising forming the membrane by micromachining elemental silicon.
【請求項13】 前記メンブレンおよび前記基板をコート層で取り囲むこと
をさらに含んでなる、請求項11に記載の方法。
13. The method of claim 11, further comprising surrounding the membrane and the substrate with a coat layer.
【請求項14】 前記メンブレンを微細機械加工により製作する、請求項1
1に記載の方法。
14. The membrane is manufactured by micromachining.
The method according to 1.
【請求項15】 前記埋め込み型アナライトセンサーがグルコースセンサー
である、請求項11に記載の方法。
15. The method of claim 11, wherein the implantable analyte sensor is a glucose sensor.
【請求項16】 基板上にある電極および該電極を覆うメンブレンを含む埋
め込み型アナライトセンサーにおいて、その改良点は、該メンブレンが元素状シ
リコンから構成されることからなる、上記埋め込み型アナライトセンサー。
16. An embedded analyte sensor comprising an electrode on a substrate and a membrane covering the electrode, the improvement being the embedded analyte sensor, wherein the membrane is composed of elemental silicon. .
【請求項17】 (1)電気化学的にアナライトを測定する手段、および (2)該手段上にあるメンブレン、 を含んでなり、該メンブレンが元素状シリコンから構成されることを特徴とする
埋め込み型アナライトセンサー。
17. A method comprising: (1) means for electrochemically measuring an analyte; and (2) a membrane on the means, wherein the membrane is composed of elemental silicon. Embedded analyte sensor.
【請求項18】 (a)基板、 (b)該基板上にある電極、および (c)該電極上にあるメンブレン、 を含んでなり、該メンブレンが微細機械加工により製作されることを特徴とする
埋め込み型アナライトセンサー。
18. A substrate comprising: (a) a substrate; (b) an electrode on the substrate; and (c) a membrane on the electrode, the membrane being manufactured by micromachining. Embedded analyte sensor that does.
【請求項19】 (a)基板、 (b)該基板上にある電極、および (c)該電極上にあるメンブレン、 を含んでなり、in vivoで1日当り20%より少ないシグナルドリフトを示すことを
特徴とする埋め込み型アナライトセンサー。
19. A substrate comprising: (a) a substrate; (b) an electrode on the substrate; and (c) a membrane on the electrode, which exhibits a signal drift of less than 20% per day in vivo. Embedded type analyte sensor featuring.
【請求項20】 前記センサーが、 in vivoで1日当り10%より少ないシグ
ナルドリフトを示す、請求項19に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
20. The implantable analyte sensor of claim 19, wherein the sensor exhibits less than 10% signal drift per day in vivo.
【請求項21】 前記センサーが、 in vivoで1日当り5%より少ないシグナ
ルドリフトを示す、請求項19に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
21. The implantable analyte sensor of claim 19, wherein the sensor exhibits less than 5% signal drift per day in vivo.
【請求項22】 (d)前記電極に電気的に接続されたマイクロエレクトロ
ニクス回路、をさらに含んでなる、請求項19に記載の埋め込み型アナライトセ
ンサー。
22. The implantable analyte sensor of claim 19, further comprising (d) a microelectronic circuit electrically connected to the electrodes.
【請求項23】 (e)前記電極に電気的に接続されたリード線、をさらに
含んでなる、請求項19に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
23. The embedded analyte sensor according to claim 19, further comprising: (e) a lead wire electrically connected to the electrode.
【請求項24】 (e)前記電極に電気的に接続されたリード線、をさらに
含んでなり、該リード線が、前記マイクロエレクトロニクス回路を経て該電極に
電気的に接続されている、請求項22に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
24. The method further comprising (e) a lead wire electrically connected to the electrode, the lead wire being electrically connected to the electrode via the microelectronic circuit. 22. The embedded analyte sensor described in 22.
【請求項25】 前記マイクロエレクトロニクス回路がトランスミッターお
よび電源を含む、請求項22に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
25. The implantable analyte sensor of claim 22, wherein the microelectronic circuit includes a transmitter and a power supply.
【請求項26】 (f)前記基板および前記メンブレンを取り囲むコート層
、をさらに含んでなる、請求項19に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
26. The embedded analyte sensor according to claim 19, further comprising (f) a coat layer surrounding the substrate and the membrane.
【請求項27】 前記コート層が内部コート層および外部コート層を含む、
請求項26に記載の埋め込み型アナライトセンサー。
27. The coat layer includes an inner coat layer and an outer coat layer.
The embedded analyte sensor according to claim 26.
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