JP2005037406A

JP2005037406A - バイオセンサおよびそれに用いる電極セット、ならびにバイオセンサを形成するための方法

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Publication number: JP2005037406A
Application number: JP2004319511A
Authority: JP
Inventors: Raghbir Singh Bhullar; シンブゥラアーラグバー; Christopher D Wilsey; ディーウィルセイクリストファー; Brian S Hill; エスヒルブライアン
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2005-02-10
Also published as: JP2002181758A; EP2267148B1; US7287318B2; ATE536421T1; ES2378528T3; CA2357968A1; US20040163953A1; EP2267148A1; US6645359B1; EP1195441A1; EP1195441B1; CA2357968C

Abstract

【課題】略均一な化学反応となる厚さを有する試薬分布を形成し、正確な分析を可能にするバイオセンサを提供する。
【解決手段】本発明のバイオセンサは、所定の反応域を有するプレート要素と、該反応域に隣接して配置された凹部とからなる。また、本発明のバイオセンサは、前記反応域に配置された試薬を備える。好ましくは、前記凹部が前記反応域の少なくとも一部に外接する。
【選択図】図１

Description

本発明はバイオセンサに関し、さらに詳しくは、少なくとも１つの凹部を含むバイオセンサおよびそれに用いる電極セット、ならびにバイオセンサを形成するための方法に関する。

電気化学的バイオセンサは周知である。これらは、生体サンプル、とくに血液からのさまざまな検体の濃度を決定するために使用されている。バイオセンサは、米国特許第５，４１３，６９０号、同第５，７６２，７７０号、同第５，７９８，０３１号および同第５，９９７，８１７号明細書に記述されており、そのおのおのの開示内容は本明細書に参照用として編入されている。

レーザ融除（ｌａｓｅｒａｂｒａｔｉｏｎ）は、レーザを使用して物質を除去する周知の技術である。たとえば米国特許第５，５７６，０７３号および第５，５９３，７３９号明細書を参照されたい。このおのおのの開示内容は、本明細書において参照用として明確に組み込まれている。こうした周知のレーザ融除システムは、２４８ナノメートルの照射波長を有するフッ化クリプトンエキシマレーザのような高パワーエキシマレーザを使用して表面物質を除去する。また打抜き工程も、乾燥するあいだに試薬液をセンサストリップ上の所定の位置に保持または固定する壁を含む試薬ウェルを形成するために使用されている。たとえば、米国特許第４，２２５，４１０号および第５，２８８，６３６号明細書を参照されたい。

本発明はかかる従来技術を改良したものであり、略均一な化学反応となる厚さを有する試薬分布を形成し、正確な分析を可能にする、バイオセンサを提供することを目的とする。

本発明では、バイオセンサが提供されている。本バイオセンサは、所定の反応域と、該反応域に隣接して配置された凹部とを包含して形成されたプレート要素を備えている。さらに本バイオセンサは、反応域の少なくとも一部に配置された試薬を備えている。

本発明の他の態様によれば、内部に凹部を包含して形成された第１の表面を含む下部プレート要素と、前記第１の表面に配置された試薬と、前記下部プレート要素に結合された上部プレート要素とを備えるバイオセンサが提供されている。さらに試薬は、前記凹部の少なくとも一部を被覆している。

さらに本発明では、電極セットが提供されている。本電極セットは、内部に凹部を包含して形成されたプレート要素と、プレート要素上に配置されかつ共同で電極アレイを形成している複数の電極と、複数の電極の少なくとも一部の上に配置された試薬とを備えている。さらに凹部は、電極アレイの少なくとも一部に外接している。

本発明のさらに他の態様によれば、バイオセンサを形成するための方法が提供されている。本方法は、プレート要素を設ける工程と、該プレート要素内に少なくとも１つの凹部を形成する工程と、前記プレート要素上に試薬を与えて反応域を形成する工程とを含んでいる。さらに、少なくとも１つの凹部は、反応域の少なくとも一部に外接している。

本発明のその他の特徴は、本発明の実施の最良の形態を例示している好ましい実施の形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、当業者には明らかになるであろう。

本発明のバイオセンサは、試薬の拡散を助ける凹部を有することにより、略均一な化学反応となる厚さを有する試薬分布を形成し、正確な分析を可能にする。

本発明のバイオセンサ１０は、内部に少なくとも１つの凹部を有するプレート要素を提供している。プレート要素内に形成される凹部は、離散していてもよいし、または１つの連続する凹部がプレート要素内に形成されてもよい。それぞれの凹部は、たとえば電気化学的および光度測定的バイオセンサを含むさまざまな診断用バイオセンサ内に形成され得る。凹部の目的は、サンプルを外接する境界内に保持するために、プレート要素上の液体の流れを制御し、および／または液体サンプルに高い毛細管エッジを供給することにある。図１〜１７は本発明のさまざまな態様を示しており、縮尺の度合いは一定でないが、幾つかの図面を通じて類似する構成要素には類似する番号が付されている。

図１〜２は、上部プレート要素１２と、凹部３４を包含するように形成された下部プレート要素１４と、スペーサ１５と、導電トラック１６、１８と、導電トラック１６、１８の一部を覆って広がる試薬２０と、プレート要素１４内に形成された凹部３４とを有する電気化学的バイオセンサ１０である本発明の一態様を示している。バイオセンサ１０は、好ましくは矩形形状である。ただし、バイオセンサ１０は本開示内容にしたがって任意の数の形状を想定可能であることは理解される。バイオセンサ１０は、好ましくは材料ロールから製造される。このようにロールから製造される場合には、バイオセンサ１０を製造する材料の選定に際しては、ロール加工を行なえるだけの充分な柔軟さがあり、しかも仕上がったバイオセンサ１０に有効な剛性を与えられるだけの硬さのある材料を使用する必要がある。

バイオセンサ１０の下部プレート要素１４は、導電トラック１６、１８を支持する第１の表面２２と、これと対向する第２の表面２４とを含んでいる。図１を参照されたい。さらにプレート要素１４は、対向する両端２６、２８と、両端２６、２８のあいだを延びる両縁３０、３２とを有している。下部要素１４は、多種多様の絶縁材料で作ることが可能である。望ましい構造特性をもたらす絶縁材料の非限定的な例としては、ガラス、セラミックス、ビニルポリマー、ポリイミド、ポリエステル、スチレニクス（ｓｔｙｒｅｎｉｃｓ）がある。好ましくは、下部要素１４はポリエステルまたはポリイミドなどの軟質ポリマーである。適切な材料の非限定的な例は、デラウェア州ウィルミントン所在のイー．アイ．デュポンデネモールス社（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓ）から市販されている厚さ５ミルのＫａｌａｄｅｘ（登録商標）というプラスチックである。

さらに、複数の凹部３４が、下部プレート要素１４の第１の表面２２に形成されている。凹部３４は、溝形に形成されていて対向する両端４３、４５を有し、おのおのリップ３６と、フロア３８と、リップ３６およびフロア３８のあいだを延びる対向する両壁４０とで限定されている。図１を参照されたい。対向する両壁４０は、凹部３４の対向する両側面を形成している。両壁４０は、間隔を置いて配置され、約１０００μｍ未満である凹部３４の幅を限定している。好ましくは、凹部３４の幅は約１０〜７５０μｍである。ただし、両壁４０はフロア３８に対して垂直以外に他にさまざまな角度で配置されることが可能であり、凹部の幅は本開示内容にしたがって変わることが理解される。また、凹部の壁４０の高さは約１μｍないし１５００μｍである。壁４０は、好ましくは約１〜１００μｍ、最も好ましくは約４〜２０μｍの高さを有する。

本発明によるバイオセンサはおのおの、検出が実行される予め形成された反応域を包含して形成されている。図１〜１４および１６〜１７に示すように、バイオセンサが電気化学的なものである場合、予め形成された領域は、電極の一部に位置づけられた電気化学的領域である。ここで図１〜２を参照すると、バイオセンサ１０は、電極４４における、試薬２０が位置づけられる領域として構成される電気化学的反応域４２を含んでいる。バイオセンサ１０の凹部３４は、領域４２の約９０％に外接している。ただし、本発明のバイオセンサ内に形成される凹部は、領域４２の９０％を超過して、または９０％未満に外接することが可能であることは理解される。とくに凹部３４は、領域４２の少なくとも約４４％、より好ましくは領域４２の少なくとも７０％、最も好ましくは領域４２の少なくとも９０％に外接している。

図２に示すように、下部要素１４の第１の表面２２には、導電トラック１６、１８が作製または分離されている。導電トラック１６、１８は、バイオセンサ１０の電極を呈している。ここで使用されているように、「電極セット」という語句は、たとえば２〜２００、または３〜２０の、少なくとも２つの電極からなるセットを意味している。これらの電極は、たとえば作用電極と補助電極であることが可能である。導電トラック１６、１８は共同で、凹部３４の周辺部に配置された交互嵌合形電極アレイ４４、およびアレイ４４から両凹部３４間を端部２８へと延びるリード４６を形成している。

導電トラック１６、１８は、導電材料で構成されている。導電材料としての非限定的な例は、アルミニウム、炭素（黒鉛など）、コバルト、銅、ガリウム、金、インジウム、イリジウム、鉄、鉛、マグネシウム、水銀（アマルガムなど）、ニッケル、ニオブ、オスミウム、パラジウム、白金、レニウム、ロジウム、セレン、ケイ素（高度にドープ処理された多結晶シリコンなど）、銀、タンタル、スズ、チタン、タングステン、ウラン、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、これらの混合物およびこうした元素の合金、酸化物または金属化合物である。貴金属およびその合金は生体系において不活性であることから、導電トラックは、好ましくは金、白金、パラジウム、イリジウム、またはこれらの金属の合金である。最も好ましくは、導電トラック１６は金製の作用電極であり、導電トラック１８は、同じく金製でありかつ作用電極と実質的に同じサイズの補助電極である。

導電トラック１６、１８は、レーザ融除によって他の導電表面から隔離されている。レーザ融除を使用して表面に電極を形成するための技術は、周知のものである。たとえば、本明細書に参照例として開示内容が明確に組み込まれている１９９９年１０月４日出願の「パターン形成された積層部分および電極のために特徴が定義されたレーザ」と題する米国特許出願第０９／４１１，９４０号を参照すれば、導電トラック１６、１８は、好ましくは、電極の周りに延びる領域から導電材料を除去することによって作製される。したがって導電トラック１６、１８は、基板１４上の他の導電材料から約５μｍないし約５００μｍの幅を有する隙間によって分離されている。好ましくは、この隙間は約１００〜２００μｍの幅を有する。代わりに、導電トラック１６、１８はレーザ融除のみによって下部基板１４上に生成可能であることは理解される。さらに導電トラック１６、１８は、本開示内容にしたがって積層されるかもしくはスクリーン印刷されることが可能であり、さらに写真印刷によって形成されることも可能である。

本開示内容によれば、多電極配置も可能である。たとえば、バイオセンサが追加的な導電トラック（図示されていない）を包含するように形成可能であることも予期される。３電極配置では、第１の導電トラックは作用電極であり、第２の導電トラックは対向電極であり、第３の電極は照合電極である。また、本開示内容にしたがって、両導電トラックが作用電極であり、第３の電極は補助電極または照合電極として設けられる代替的な３電極配置も可能であることは理解される。導電トラックの数およびアレイ４４における両導電トラック間の間隔は、本開示内容にしたがって変化する場合があること、および当業者には理解されるであろうが、多数のアレイを形成可能であることは理解される。

試薬２０は、特定の検体に対する電気化学的プローブを供給し、アレイ４４を被覆するように下部プレート要素１４上に適用される。試薬液２０は、アレイ４４上に置かれる。試薬２０はついで、凹部３４に到達するまで、アレイ４４全体に広がる。試薬が凹部３４の端部に到達すると、アレイ４４と上部プレート要素１２とのあいだの界面エネルギーは試薬２０の表面張力よりも下がり、試薬２０はアレイ４４上に保持されると考えられる。さらに、試薬２０は凹部３４の両縁に沿って引き寄せられ、これがアレイ４４の境界内部における試薬２０の拡散を補助する。凹部３４の両縁はブロックのように作用し、アレイ４４の周辺におよぶ試薬の拡散を助けるものと考えられる。したがって、所定の適正量の薬液がプレート要素１４上に配置されると、試薬２０は表面一杯に拡散して凹部３４に到達し、略均一な化学反応となる厚さを有する試薬分布を形成し、正確な分析を可能にする。ただし、過剰な量の薬液２０がプレート要素１４に与えられると、試薬２０は凹部内に溢れ出る。

凹部３４、導電トラック１６、１８および試薬２０は下部プレート要素１４上に例示的に配置されているが、凹部、導電トラックおよび試薬は、本開示内容にしたがってバイオセンサの上部カバー上に配置される場合もあることは理解される。

特定の試薬２０の選定は、測定される１つまたは複数の特定の検体に依存しており、これは一般的な当業者には周知である。本発明のバイオセンサ１０において使用可能な試薬の一例は、全血サンプルからブドウ糖を測定するための試薬である。人の血液サンプルからブドウ糖を測定するためのある非限定的な試薬例は、６２．２ｍｇのポリエチレンオキシド（平均分子量：１００−９００キロドルトン）と、３．３ｍｇのＮＡＴＲＯＳＯＬ２４４Ｍと、４１．５ｍｇのＡＶＩＣＥＬＲＣ−５９１Ｆと、８９．４ｍｇのリン酸二水素カリウムと、１５７．９ｍｇの二塩基性リン酸カリウムと、４３７．３ｍｇのフェリシアン化カリウムと、４６．０ｍｇのコハク酸ナトリウムとを含んでいる。

試薬１グラムには、１４８．０ｍｇのトレハロースと、２．６ｍｇのＴＲＩＴＯＮＸ−１００界面活性剤と、２，０００〜９，０００単位の酵素活性とが含まれている。酵素は、１２．５ｍｇの補酵素ＰＱＱおよび１２１万単位のキノプロテイングルコースデヒドロゲナーゼのアポ酵素による酵素溶液として調製される。この試薬については、開示内容が本明細書に参照例として明確に組み込まれている米国特許第５，９９７，８１７号明細書に詳述されている。

ヘマトクリット値が決定される場合、試薬は、酸化および還元形の可逆電気活性化合物（おのおの、黄血カリ（III）（「フェロシアン化物」）および黄血カリ（II）（「フェロシアン化物」））と、電解液（リン酸カリウムバッファ）と、微結晶性材料（ＡｖｉｃｅｌＲＣ−５９１Ｆ：微結晶性セルロース８８％とカルボキシメチルセルロースナトリウム１２％の混合物でありＦＭＣ社から市販されている）とを含んでいる。乾燥前の試薬内における各化合物の濃度は、フェリシアン化物４００ミリモル（ｍＭ）、フェロシアン化物５５ｍＭ、リン酸カリウム４００ｍＭおよびＡｖｉｃｅｌ２．０％（重量：容積）である。ヘマトクリット分析評価のための試薬については、開示内容が本明細書に参照例として明確に組み込まれている米国特許第５，３８５，８４６号に詳述されている。

以下の表１は、本発明のバイオセンサ１０において特定の検体の測定に使用されることが可能な酵素および媒体の非限定的な例をあげたものである。

表１が示す例の中には、少なくとも１つの追加酵素が反応触媒として使用されるものがある。また、表１が示す例の中には、酸化形媒体への電子の移行を促進する追加媒体を使用可能なものがある。追加媒体は、酸化形媒体よりも少ない量で試薬に供給されることが可能である。前記のような分析評価が記述されているが、本開示内容によるバイオセンサ１０を使用すれば、サンプルの電流、電荷、インピーダンス、コンダクタンス、電位または他の電気化学的に表示される特性をサンプル内の検体の濃度と正確に相関させることができる。

再度図１を参照すると、バイオセンサ１０のスペーサ１５は第１および第２の部分７０、７２を含んでいる。スペーサ１５の部分７０、７２はおのおの、両端６０、６２と、両端６０、６２のあいだを延びる両縁６４、６６を含んでいる。さらに部分７０、７２の各縁６４は、組み立てられた状態のバイオセンサ１０における隙間６８を共同で形成している。図２を参照されたい。部分７０、７２のそれぞれの端６２もまた、バイオセンサが組み立てられた場合にはアレイ４４から間隔を置いて配置されるように形成されている。さらにスペーサ１５は、上部および下部プレート要素１２、１４と共同して、アレイ４４をバイオセンサ１０の隙間６８から与えられる液体サンプルに露呈させる。スペーサ１５は、下部プレート要素１４および導電トラック１６、１８に結合される両面接着テープである。こうした接着材の非限定的な例は、ミネソタ州セントポール所在のミネソタマイニングマニュファクチュリングカンパニー（ＭｉｎｎｅｓｏｔａＭｉｎｉｎｇａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ）から市販されている３Ｍ高性能両面テープ９５００ＰＣである。スペーサ１５はさまざまな材料で作製され得ること、および多種多様な市販の接着材を使用して上部および下部プレート要素１２、１４に結合可能であることは理解される。さらに、要素１４の表面２２が露出されかつ導電体で被覆されていない場合、スペーサ１５は、本開示内容にしたがって（熱または超音波）溶接によりプレート要素１４に結合されることが可能である。

バイオセンサ１０の上部プレート要素１２は、スペーサ１５に面した第１の表面４８と、これに対向する第２の表面５０とを含んでいる。図１を参照されたい。さらに上部プレート要素１２は、対向する両端５２、５４と、両端５２、５４のあいだを延びる両縁５６、５８とを有している。好ましくは、上部プレート要素１２はポリエステルまたはポリイミドなどの軟質ポリマーである。適切な材料の非限定的な例は、デラウェア州ウィルミントン所在のイー．アイ．デュポンデネモール社（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓ）から市販されている厚さ５ミルのＳＴ５０５ＭＹＬＡＲ（登録商標）というポリエステルフィルムである。スペーサ１５の接着性塗膜は、上部プレート要素１２を下部プレート要素１４に結合させる。上部プレート要素１２はまた、本開示内容にしたがって、多種多様な市販の接着材を使用して、または（熱または超音波）溶接によってスペーサに結合され得ることは理解される。

典型的には、複数のバイオセンサ１０が、通常バイアル（ｖｉａｌ）または小型容器を密封するために形成されたストッパを使用して当該バイアル内にパッケージされる。ただし、複数のバイオセンサ１０は個々にパッケージされ得ること、または互いに上下に折り畳まれる、コイル状に巻き取られる、カセットマガジンに積層される、あるいはブリスタ包装で詰め込まれることが可能である点は理解される。

バイオセンサ１０は、以下のものと併せて使用される。
１．複数の電極と電気接続状態にあり、かつ作用電極の表面に還元形媒体の拡散制限的な電気酸化を発生させるに足る電位差を電極間に供給する能力のある電源、および
２．複数の電極と電気接続状態にあり、かつ前述の電位差が印加されると還元形媒体の酸化によって生成される拡散制限的な電流を測定する能力のある計器。

一般に本計器は、検体の濃度を供給しかつ視覚的に表示するようなアルゴリズムを電流の測定に適用するように設計されている。こうした電源、計器およびバイオセンサシステムの改良は、１９９０年１０月１６日発行の米国特許第４，９６３，８１４号、１９９１年３月１２日発行の米国特許第４，９９９，６３２号、１９９１年３月１２日発行の米国特許第４，９９９，５８２号、１９９３年９月７日発行の米国特許第５，２４３，５１６号、１９９４年１０月４日発行の米国特許第５，３５２，３５１号、１９９４年１１月２２日発行の米国特許第５，３６６，６０９号、１９９５年４月１１日発行のホワイトらに対する米国特許第５，４０５，５１１号、１９９５年８月１日発行のホワイトらに対する米国特許第５，４３８，２７１号各明細書に共通して割り当てられた主題であり、これらの開示内容は本明細書に参照例として明確に組み込まれている。

多くの液体サンプルの分析が可能である。たとえば、全血、血漿、漿液、リンパ、胆汁、尿、精液、脳髄液、脊髄液、涙液、糞便などの検体のような人体の流体、および当業者には容易に明白である他の生物学的流体の測定が可能である。また、組織の液体調製は、食品、発酵製品および潜在的に環境汚染物質を含む環境物質も分析評価することができる。好ましくは、人の漿液は本発明を使用して分析評価される。

反応が完了すると、電源（電池など）が電極間に電位差を印加する。電位差が印加されると、補助電極における酸化形媒体の量および電位差は、作用電極の表面に還元形媒体の拡散制限的電気酸化を発生させるに足るものでなければならない。電流計（図示せず）は、作用電極の表面に還元形媒体の酸化によって発生する拡散制限的電流を測定する。測定された電流は、以下の要件が満たされるとサンプル内の検体の濃度に正確に相関されることが可能である。
１．還元形媒体の酸化速度が還元形媒体の作用電極への拡散速度によって制御される。
２．生成される電流が、作用電極における還元形媒体の酸化によって制限される。

バイオセンサ１０の製造に際しては、金属化フィルムのロールがガイドロールを介して融除／洗浄および乾燥ステーションへと供給される。下部プレート要素１４を融除する能力のあるレーザシステムは、当業者には周知である。この種の非限定的な例にはエキシマレーザが含まれ、融除のパターンはミラー、レンズおよびマスクによって制御される。こうしたシステムの非限定的な例は、ともにドイツ、グラーブセン所在のＬＰＫＦＬａｓｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ社から市販されているＬＰＸ−３００またはＬＰＸ−２００である。

レーザ融除性材料においては、金属化フィルムの金属層が所定のパターンに融除され、分離された電極セットのリボンが形成される。金属化フィルムは、分離された電極セットが形成されたのちもさらに融除され、凹部３４が電気化学的領域に隣接して形成される。つぎにリボンは、テンションループによりさらなるガイドロールを通過し、オプションである検査用カメラを通過する。このカメラは、欠陥検出用として品質管理に使用される。

試薬２０は、調剤および乾燥ステーションにおいて調合され、電気化学的領域４２の中央に液体の形態で与えられる。試薬の添加技術は、開示内容が本明細書に参照用として明確に編入されている米国特許第５，７６２，７７０号明細書において記述されているとおり、当業者には周知のものである。試薬は、本開示内容にしたがって、アレイ４４に液体または他の形態で与えられ、電気化学的領域４２の中央に乾燥または半乾燥状態で添加され得ることは理解される。

さらに、ロール材料または上部プレート要素材料は、スペーサ材料ロールとともに組立てステーションへと供給される。スペーサ材料のいずれか一方の側面にあるライナはこのステーションで取り除かれ、かつ上部プレート要素はスペーサ材料の片側に添加されて上部プレート要素／スペーサによるサブアッセンブリが形成される。上部プレート要素／スペーササブアッセンブリは、バイオセンサ１０の１列分に当たる適正幅だけ切断される。つぎに、スペーサ材料のカバーとは反対側の側面に新たなリリースライナが付加され、サブアッセンブリはロールに巻き上げられる。

試薬で被覆された下部プレート要素のリボンは、巻き上げられないまま上部プレート要素／スペーササブアッセンブリとともにセンサ組立てステーションへと供給される。ライナがスペーサから取り外され、サブアッセンブリが下部プレート要素１４上に配置されて試薬２０が被覆される。組み立てられた材料は、つぎに切断されて個々のバイオセンサ１０が形成され、個々のバイオセンサ１０は仕分けられてバイアルに詰め込まれ、おのおのストッパで閉じられてセンサストリップのパッケージができ上がる。

ここでは凹部３４の融除が記述されているが、下部プレート要素１４に凹部３４を形成する本方法もまた限定的でないことは理解される。たとえば凹部は、上部プレート要素１２の表面の一部をエッチングする（写真製版方法の使用など）、または他の方法で除去することによって形成することが可能である。最も近い電極の縁は、凹部から約１０〜５００μｍ、好ましくは凹部から１００〜４００μｍ、最も好ましくは凹部から２００〜３００μｍの位置にある。本開示内容にしたがって凹部をともなって形成されるバイオセンサは、略均一な化学反応の厚さを有する試薬分布をもたらす。化学反応の厚さが略均一であれば、より正確なサンプル分析を行なうことができる。

前述の工程および製品には、とくに診断装置において使用するための使い捨てのバイオセンサが含まれる。ただしこれには、任意の生物学的サンプル、環境的サンプルまたは他のサンプルのような非診断用途用の電気化学的センサも含まれる。前述したように、バイオセンサ１０はさまざまな形状およびサイズで製造されることが可能である。

つぎに図３〜７を参照すると、本発明によるバイオセンサ１１０が提供されている。バイオセンサ１１０は、上部プレート要素１１２と、下部プレート要素１１４と、スペーサ１１５とを含んでいる。バイオセンサ１１０は、好ましくは矩形形状である。ただし、バイオセンサ１１０は本開示内容にしたがって任意の数の形状を想定可能であることは理解される。バイオセンサ１１０は、好ましくは材料ロールから製造される。したがって、バイオセンサ１１０を製造する材料の選定に際しては、ロール加工を行なえるだけの柔軟さがあり、しかも仕上がったバイオセンサ１１０に有効な剛性を与えられるだけの硬さのある材料を使用する必要がある。

バイオセンサ１１０の上部プレート要素１１２は上部プレート要素１２と同様に形成されるが、要素１１２の方が長く、かつ開口１１６を包含するように形成されている。図３を参照すれば、開口１１６はアレイ４４とは間隔を置いて配置されており、液体サンプルが開口１１６からアレイ４４へと流れる限り、バイオセンサ１１０のアッセンブリ時にアレイ４４上のさまざまな位置に配置することができる。また、バイオセンサ１１０の下部プレート要素１１４は、導電トラック１６、１８を支持する第１の表面１２２と、対向する第２の表面１２４とを含んでいる（図３〜４参照）。

下部要素１１４は、下部要素１４と同様に多種多様の絶縁材料で作製してもよい。下部プレート要素１１４は、導電トラック１６、１８を支持する第１の表面１２２と、これに対向する第２の表面１２４とを含んでいる。導電トラック１６、１８は、表面１２２からアレイ４４の金属化された電極パターン１３６を除いた、実質上すべての導電材料を除去することによって表面１２２上に作製される。

複数の凹部１３４は、下部プレート要素１１４におけるアレイ４４の金属化された電極パターン１３６内部に形成されている。好ましい実施形態では、凹部１３４は、まずアレイ４４の金属化フィルムの融除（図６）によって電極パターン１３６の隙間１３５を形成し、つぎに下部プレート要素１１４の表面１２２を融除（図７）することによって形成される。試薬２０はアレイ４４へと流出してパターン１３６内部に配置された凹部１３４に至り、アレイ４４全体に概して均一な化学反応の厚さが形成される。図４を参照されたい。プレート要素１１４に過剰量の試薬２０が与えられない限り、試薬２０は凹部３４までひろがることなくアレイ４４を被覆する。プレート要素１１４に過剰な試薬が与えられると、凹部３４が過剰分の試薬を保持する。

バイオセンサ１１０のスペーサ１１５は、スペーサ１５と同様に形成されるが、長さはスペーサ１１５の方が長い（図３参照）。スペーサ１１５は、プレート要素１１２、１１４と共同して、アレイ４４をバイオセンサ１０に与えられる液体サンプルに露呈させる。スペーサ１１５は両面接着テープで例示的に形成されているが、本開示内容にしたがって、スペーサ１１５はさまざまな材料で形成可能であり、かつ多種多様な市販の接着材を使用して、または表面２２の一部が露出される場合には（熱または超音波）溶接によって下部プレート要素１１４に結合され得ることが理解される。

パターン１２６内部に凹部１３４を作製する際には、下部プレート要素１１４は、図５において矢印１４２で示すようにｘ−ｙ軸に沿ってレーザ１３８と相対的に移動する。また、パターン化されたマスク（図示されていない）もｘ−ｙ軸に沿って移動するため、アレイ４４はレーザ光１４０の第２のパルスに露出され（図７）、表面１２２がマスク設計に適合するパターンに融除される。後続のこのパルシング（ｐｕｌｓｉｎｇ）によって表面１２２は融除され、図４および７が示すように複数の凹部１３４が形成される。アレイ内部に形成される凹部１３４の数および深さは、本開示内容によって選択される試薬に依存して変化する場合があることは理解される。プレート要素１１４内にアレイ４４および凹部３４、１３４が形成されると、バイオセンサ１１０が前述のバイオセンサ１０の場合と同様に組み立てられる。ただし、導電トラック１６、１８もまたバイオセンサ１０に関連して前述したとおりに形成され得ることは理解される。

本開示内容にしたがって、さまざまな凹部および電極パターンを有するさまざまなバイオセンサを製造可能であることは理解される。図８〜１６に、その非限定的な例が示されている。図８を参照すると、本発明によるバイオセンサ２１０が提供されている。バイオセンサ２１０は、開口１１６、および開口１１６とは間隔を置いて配置されたベント（図示されていない）を包含するように形成された上部プレート要素１１２を含んでいる。またバイオセンサ２１０は、導電トラック２１６、２１８を支持する下部プレート要素２１４を含んでいる。導電トラック２１６、２１８は共同して、凹部２３４の周辺内に配置される交互嵌合形の電極アレイ２４４を形成している。特別なパターン化を除けば、導電トラック２１６、２１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。複数の凹部２３４は、下部プレート要素２１４の第１の表面２２２に形成されている。バイオセンサ２１０は２つの凹部を含み、その一方は略直線状であり、他方はアレイ２４４の３つの側面に沿って延びる３つの脚部を有している。両凹部は互いに共同して、アレイ２４４の周囲に延びる略矩形形状を形成している。凹部２３４の特別なパターン化を除けば、バイオセンサ２１０は、前述のバイオセンサ１０の場合と同様に製造される。

図９には、本発明のバイオセンサ３１０が提供されている。バイオセンサ３１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素３１４とを含んでいる。下部プレート要素３１４は導電トラック３１６、３１８を支持し、導電トラック３１６、３１８は共同して、要素３１４内に形成された凹部３３４の周辺内に配置された交互嵌合形の電極アレイ３４４を形成している。特別なパターン化を除けば、導電トラック３１６、３１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。電極アレイ３４４は略円形形状であり、ほぼ開口１１６と心合わせされている。好ましくは、アレイ３４４と上部プレート要素１１２とのあいだに洗浄剤を含浸するメッシュが配置されている。このメッシュは、好ましくは、ニューヨーク州ブライアクリフマナー所在のセーファーアメリカ社（ＳｅｆａｒＡｍｅｒｉｃａ）が製造するポリエステル製のモノフィラメントメッシュである。本開示内容にしたがって、バイオセンサ３１０は、市販のさまざまなメッシュを使用して構成され得ること、またはメッシュなしであっても構成され得ることは理解される。

さらに、下部プレート要素３１４の第１の表面３２２には凹部３３４が形成されている。バイオセンサ３１０は２つの凹部を含み、その一方は略Ｃ字形であり、もう一方は曲がっていて第１の凹部と併せてほぼ円形形状を形成している。凹部３３４の湾曲度は、アレイ３４４のサイズおよび下部プレート要素３１４上への導電トラック３１６、３１８の配置に依存して変化する場合があることは理解される。凹部３３４およびアレイ３４４の特別なパターン化およびアレイ３４４全体にメッシュ（図示せず）が付加される場合を除いて、バイオセンサ３１０は前述のバイオセンサ１０の場合と同様に製造される。電極アレイ３４４上にメッシュを付加する場合には、さまざまな方法が使用可能であることは理解される。

図１０は、本発明のバイオセンサ４１０を示している。バイオセンサ４１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素４１４とを含んでいる。下部プレート要素４１４は、バイオセンサ１０に関して前述したように導電トラック１６、１８を支えている。下部プレート要素４１４は、第１の表面４２２に形成された凹部４３４を有している。バイオセンサ４１０は２つの凹部を含み、その一方は略直線状であり、他方は矩形形状であるアレイ４４の３つの側面に沿って延びる３つの脚部を有している。第２の凹部４３４の２つの端脚部は、先細りの端部を含んでいる。両凹部４３４は互いに共同して、略矩形形状を形成している。さらに両凹部４３４は、下部プレート要素４１４の第１の表面４２２上にアレイ４４から間隔を置いて配置されている。凹部４３４の特別なパターン化を除けば、バイオセンサ４１０は、前述のバイオセンサ１１０の場合と同様に製造される。

図１１は、本発明のバイオセンサ５１０を示している。バイオセンサ５１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素５１４とを含んでいる。下部プレート要素５１４は、互いに共同して電極アレイ５４４を形成している導電トラック５１６、５１８を支えている。特別なパターン化を除けば、導電トラック５１６、５１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。バイオセンサ５１０もまた、下部プレート要素５１４の第１の表面５２２に形成された凹部５３４を含んでいる。バイオセンサ５１０は２つの凹部を含み、これらはその相対的な長さを除いて凹部４３４と同様に形成されている。両凹部５３４もまた、下部プレート要素５１４の第１の表面５２２上にアレイ５４４から間隔を置いて配置されている。凹部５３４およびアレイ５４４の特別なパターン化を除けば、バイオセンサ５１０は、前述のバイオセンサ１１０の場合と同様に製造される。

図１２は、本発明のバイオセンサ６１０を示している。バイオセンサ６１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素６１４とを含んでいる。下部プレート要素６１４は、互いに共同して電極アレイ６４４を形成している導電トラック６１６、６１８を支えている。特別なパターン化を除けば、導電トラック６１６、６１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。電極アレイ６４４はホイールに似た形状であり、ホイールの中央に向かって延びる８つのスポーク６４６を含んでいる。さらに、アレイ６４４はほぼ開口１１６との心合わせ位置に来るように配置されている。バイオセンサ３１０に関連して前述したように、好ましくは、アレイ６４４と上部プレート要素１１２とのあいだにメッシュが配置される。本開示内容にしたがって、市販の多種多様なメッシュを使用可能であることは理解される。

さらに、下部プレート要素６１４の第１の表面６２２には凹部４３４が形成されている。凹部４３４の湾曲度は、アレイ６４４のサイズおよび下部プレート要素６１４上への導電トラック６１６、６１８の配置に依存して変化する場合があることは理解される。凹部４３４およびアレイ６４４のパターン化を除いて、バイオセンサ６１０は前述のバイオセンサ１１０の場合と同様に製造される。

図１３には、本発明のバイオセンサ７１０が示されている。バイオセンサ７１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素７１４とを含んでいる。下部プレート要素７１４は、互いに共同して電極アレイ７４４を形成している導電トラック７１６、７１８を支えている。特別なパターン化を除けば、導電トラック７１６、７１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。さらに、下部プレート要素７１４の第１の表面７２２には複数の凹部７３４が形成されている。例示的には、バイオセンサ７１０は、第１の表面７２２に間隔を置いた円形形状の開口として形成された３４個の凹部７３４を含んでいる。本開示内容にしたがって、バイオセンサ７１０が３４より多い数、または少ない数の凹部を包含可能であることは理解される。さらに、本開示内容にしたがって、複数の凹部７３４はさまざまな形状およびサイズで形成され得ることは理解される。凹部７３４およびアレイ７４４のパターン化を除いて、バイオセンサ７１０は前述のバイオセンサ１１０の場合と同様に製造される。

図１４には、本発明のバイオセンサ８１０が示されている。バイオセンサ８１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素８１４とを含んでいる。下部プレート要素８１４は、互いに共同して電極アレイ７４４を形成している導電トラック７１６、７１８を支持している。さらに、下部プレート要素８１４の第１の表面８２２には複数の凹部８３４が形成されている。例示的には、バイオセンサ８１０は、第１の表面８２２に間隔を置いた矩形形状の開口として形成された１６個の凹部８３４を含んでいる。本開示内容にしたがって、バイオセンサ８１０が１６より多い数、または少ない数の凹部を包含可能であること、およびさまざまな形状およびサイズで形成され得ることは理解される。凹部８３４およびアレイ７４４のパターン化を除いて、バイオセンサ８１０は前述のバイオセンサ１１０の場合と同様に製造される。

つぎに図１５を参照すると、本発明のバイオセンサ９１０が形成されている。バイオセンサ９１０は、開口１１６を包含するように形成された上部プレート要素１１２と、下部プレート要素９１４とを含んでいる。下部プレート要素９１４は、試薬が位置づけられかつバイオセンサ９１０上で検出が行なわれる場所である予め形成された反応域９３６の周りに延びる連続する凹部９３４を含んでいる。例示的には、バイオセンサ９１０は、生体流体における検体の光度測定を行なうように形成されている。

以下の非限定的な例は、コレステロールの試験用に形成されたバイオセンサ９１０との共用に適する試薬を例示するためのものである。

０．１１７ｇのメチルヒドロキシプロピルセルロース（クルミナルＭＨＰＣ８８００）
７．０００ｇの二酸化チタン
０．１３８ｇのリン酸カリウム
０．４７９ｇのリン酸ナトリウム水和物
３４００Ｕのコレステロールエステラーゼ
５０００Ｕのコレステロールオキシダーゼ
７×１０⁴Ｕのペロキシダーゼ
０．４７６ｇ．のオクチルコハク酸ナトリウム
以上のものを水７０ｍｌに溶解する。そして、
１４．０ｇ．のセルロース、および
８．４ｇ．のポリビニルプロピオナート分散物を連続的に均一に合わせる。

最後に、
０．６６ｇ．の３，３’，５，５’−テトラメチルベンジダインをアセトン１．６ｍｌに溶解したものを加える。

このバッチは、厚さ約３００μｍの層で下部プレート要素９１４上へ被覆される。本明細書にその開示内容が参照例として明確に組み込まれている、ボーゲルらに与えられた米国特許第Ｂ１４，４７７，５７５号明細書を参照されたい。本発明のバイオセンサ９１０とともに使用され得る測光用試薬の数は、任意であることが理解される。

バイオセンサ９１０の製造に際しては、上部プレート要素９１２が上部プレート要素１１２の場合と同様に形成される。下部プレート要素９１４の形成に際しては、非金属化フィルムのロールが前述のようにガイドロールを介して融除／洗浄および乾燥ステーションへと供給される。レーザ融除性材料においては、フィルムは、反応域９３６の周囲を延びるように形成された所定の凹部パターン９３４が融除される。結果的に生じる融除された物質は、つぎにテンションループによりさらなるガイドロールを通過し、オプションである検査用カメラを通過する。このカメラは、欠陥検出用として品質管理に使用される。

試薬は、調剤および乾燥ステーションにおいて調合され、反応域９３６の中央に液体の形態で与えられる。試薬の添加技術は、開示内容が本明細書に参照例として明確に組み込まれている米国特許第５，７６２，７７０号明細書において記述されているとおり、当業者には周知のものである。試薬は、本開示内容にしたがって、領域４２に液体または他の形態で与えられ、電気化学的領域４２の中央に乾燥または反乾燥状態で添加され得ることは理解される。

さらに、ロール材料または上部プレート要素材料は、スペーサ材料ロールとともに組立てステーションへと供給される。スペーサ材料のいずれか一方の側面にあるライナはこのステーションで取り除かれ、かつ上部プレート要素はスペーサ材料の片側に与えられて上部プレート要素／スペーサによるサブアッセンブリが形成される。上部プレート要素／スペーササブアッセンブリは、バイオセンサ９１０の１列分に当たる適正幅だけ切断される。つぎに、スペーサ材料のカバーとは反対側の側面に新たなリリースライナが付加され、サブアッセンブリはロールに巻き上げられる。

試薬で被覆された下部プレート要素のリボンは、巻き上げられないまま上部プレート要素／スペーササブアッセンブリとともにセンサ組立てステーションへと供給される。ライナがスペーサから取り外され、サブアッセンブリは下部プレート要素９１４上に配置されて試薬が被覆される。組み立てられた材料は、つぎに切断されて個々のバイオセンサ９１０が形成され、個々のバイオセンサ９１０は仕分けられてバイアルに詰め込まれ、おのおのストッパで閉じられてセンサストリップのパッケージができ上がる。

図１６〜１７に示されるように、本発明のバイオセンサ１０１０が提供されている。バイオセンサ１０１０は、組立てのあいだの試薬流体の流れ、およびバイオセンサ１０１０に付加される液体サンプル流体の流れを制御する。バイオセンサ１０１０は、上部プレート要素１０１２と、下部プレート要素１０１４と、上部および下部プレート要素１０１２、１０１４のあいだに来るように配置されたスペーサ１５の第１および第２の部分７０、７２とを有している。

バイオセンサ１０１０の下部プレート要素１０１４は、導電トラック１０１６、１０１８を支持する第１の表面１０２２を含んでいる。図１６を参照されたい。特別なパターン化を除けば、導電トラック１０１６、１０１８は、導電トラック１６、１８と同様の材料かつ同様の方法で形成されている。さらに、プレート要素１０１４は、１つの端部１０２６と、端部１０２６から延びる両縁１０３０、１０３２とを有している。下部要素１０１４は、下部要素１４に類似する多種多様な絶縁材料で構成されることが可能である。さらに、下部プレート要素１０１４は、第１の表面１０２２に複数の凹部１０３４を包含するように形成されている。例示的には、バイオセンサ１０１０は、アレイ１０４４のいずれかの側面に存在する２つの間隔を置いた直線状の凹部を含んでいる。本開示内容にしたがって、凹部１０３４はさまざまな形状およびサイズで形成され得ることが理解される。端部１０２６に隣接する凹部１０３４は、液体サンプルがアレイ１０４４に交わる前に、当該液体サンプルを端部１０２６に対してほぼ平行方向に分布させるために形成されている。バイオセンサ１０１０は、バイオセンサ１０の場合と同様に構成されている。

使用に際しては、バイオセンサ１０１０のユーザは、指１０４６を端部１０２６に近接して配置する。液体サンプルは、図１７に示されるように、矢印１０４８の方向に第１の凹部１０３４へと流れ込む。サンプルは、凹部１０３４を満たすと矢印１０５０の方向に流れて電極アレイ１０４４を覆い、ここでバイオセンサ１０１０による検出が実行される。サンプルは、最終的にはアレイ１０４４を通り越し、矢印１０５２で示すように第２の凹部１０３４に流れ込む。第２の凹部は、サンプルをアレイ１０４４全体に分布させるための液体サンプル溜めとして作用する。バイオセンサ１０１０の両凹部１０３４は互いに共同して、製造者がほぼ均一な化学反応となる厚さを有する試薬分布を達成することを可能にする。さらに両凹部１０３４は、液体サンプルを下部プレート要素１０１４上に流体の流れにほぼ直角の方向（矢印１０４８参照）へと拡散させるため、電極アレイ１０４４の接触域が最大になる。上部および下部プレート要素１０１２、１０１４は、バイオセンサ１１０に関連して前述したとおりに組み立てられる。

好ましい実施形態に関連して本発明を詳細に説明してきたが、特許請求の範囲において記載され、定義されている本発明の意図および精神の範囲内で変更および修正が可能である。

本発明の一実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサのアセンブリの分解斜視図である。図１のバイオセンサから一部が取り出された拡大図である。本発明の他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの拡大図であり、上部および下部プレート要素ならびに導電トラックを含むバイオセンサを示している。図３の４−４線断面図である。図３のバイオセンサの下部プレート要素および電導トラックの斜視図であり、導電トラック内に溝を形成するレーザアブレータを示している。図５の下部プレート要素および導電トラックの拡大側面図である。図５の７−７線断面図である。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を形成する電極アレイと、電気化学的領域の少なくとも一部に外接する凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を形成する円形形状の電極アレイと、電気化学的領域の少なくとも一部に外接する凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を形成する矩形形状の電極アレイと、電気化学的領域の少なくとも一部に外接する凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を形成する電極アレイと、電気化学的領域の少なくとも一部に外接する凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、スポークを有しかつ電気化学的領域を形成する輪状の電極アレイと、電気化学的領域の少なくとも一部に外接する凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を形成する交互嵌合形の電極アレイと、互いに間隔を置いて配置されかつ電気化学的領域の少なくとも一部に外接する複数の離散した円形形状の凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる電気化学的バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、下部プレート要素と、電気化学的領域を限定する交互嵌合形の電極アレイと、互いに間隔を置いて配置されかつ電気化学的領域の少なくとも一部に外接する複数の離散した矩形形状の凹部とを含むバイオセンサを示している。本発明のさらに他の実施の形態にかかわる測光バイオセンサの平面図であり、開口（想像表示）を有する上部プレート要素と、あらかじめ形成された反応域を有する下部プレート要素と、反応域に外接する連続する凹部と、反応域内部に配置されかつ凹部内に延びる試薬とを含むバイオセンサを示している。本発明の他の態様による電気化学的バイオセンサから一部が取り出された平面図である。液体サンプルがバイオセンサに与えられる状態を示す図１６に類似した図である。

Claims

第１の表面と、該第１の表面上の所定の反応域、および該第１の表面において該反応域に隣接し、かつ少なくとも外接して配置された凹部を包含して形成された下部プレート要素と、前記反応域の少なくとも一部に被覆された試薬と、前記試薬を横切って延び、隙間を画定するために前記下部プレート要素と共同する上部プレート要素とを備え、
前記隙間が開口を有し、液体サンプルを該開口から試薬に移送する寸法を有し、
前記開口と試薬との間の隙間に前記凹部の少なくとも一部が配置されてなるバイオセンサであって、
前記上部プレート要素と下部プレート要素との間に、第１の部分（７０）と第２の部分（７２）とを含むスペーサ（１５）を備え、該第１の部分（７０）および第２の部分（７２）のそれぞれの両端（６０、６２）間に延び、対向する縁（６４）が前記隙間を共同して形成し、該第１の部分および第２の部分の各端（６２）が、前記反応域に形成された電極アレイから間隔をおいて配置されてなるバイオセンサ。
下部プレート要素を設ける工程と、該下部プレート要素内にレーザ融除によって凹部を形成する工程と、前記下部プレート要素上に試薬を与えて反応域を形成する工程であって、少なくとも１つの前記凹部が前記反応域の少なくとも一部に外接する工程と、上部プレート要素が試薬を横切って延び、前記下部プレート要素と共同して液体サンプルの開口を有する隙間を形成し、少なくとも１つの凹部の少なくとも一部が前記液体サンプルの開口と前記試薬との間に配置されるように、前記下部プレート要素に上部プレート要素を結合する工程とを含むバイオセンサを形成するための方法であって、
前記反応域に電極アレイを形成する工程と、前記上部プレート要素と下部プレート要素との間に、第１の部分と第２の部分とを含むスペーサを、該第１の部分および第２の部分のそれぞれの端が、前記電極アレイから離間するように設ける工程とを含む方法。