JP2005518527A - 電気化学的特性についてのアッセイのための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
検出の電気化学的手段の使用は、デバイス製造および使用の容易さの両方に関する簡便さについて、しばしば選択される。本発明は、電気化学的システムでサンプル中の選択分析物をモニタする方法である。この方法は、DC電位上に重ねられた時間変動電位を電気化学的システムに印加し、信号を発生させる工程;およびファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基づく推定式を解くことにより選択分析物からの寄与を信号から識別する工程を包含する。
Description
検出の電気化学的手段の使用は、しばしば、デバイス製造の点および使用の容易さという点の両方において、その単純性について選択されている。電気化学の選択性の原理的様式は、分析物の還元−酸化電位(「レドックス」電位とも呼ばれる)である(これは、電気化学の目的の化学的種である)。例えば、電流測定(amperometry)技術(ここでは、電位が電極に印加され、そして得られた電流が測定される)を使用して、その分析物のレドックス電位に基づき、分析物に対する選択性が達成される。
電極で発生された信号は、多くの要因および電気化学的システムの特性に依存し得る。分析物の輸送に影響を与えるサンプルの特性の例としては、粘度、温度、密度およびイオン強度が挙げられる。次いで、分析物の輸送に影響を与える変分は、測定された電気化学的信号に影響を与え得る。このような輸送機構の例としては、拡散、移動および伝達が挙げられる。
別の例において、電極自体の特性が、分析物の輸送、および/または測定される電気化学的信号を発生し得る任意の反応の反応速度に、影響を与え得る。このような特性の例としては、有効電極面積、電極のジオメトリー、サンプルチャンバのジオメトリー、電極付着物の程度、電極上の拡散障壁膜および電極材料の触媒的特性が挙げられる。
電気化学的センサは、通常、医療的バイオセンサから環境センサおよびガスセンサまで、多くの検出適用において、見出される。通常、電気化学的測定の2つの様式(電流測定および電圧測定)が存在する。電流測定センサは、電極に電圧電位を印加し、そして得られた電流を測定する原理に基づき、作動する。電流測定センサの例としては、大部分の市販のグルコースバイオセンサおよび多くのガスセンサが挙げられる。電圧測定センサは、電極に電流を印加し、そして得られた電圧を測定する原理に基づき、作動する。印加された電流が0アンペア(amp)で保たれる場合がしばしば存在する。pH電極は、電圧測定センサの1例である。
図1は、電圧が電極310に印加され、この電極310がサンプル中の特定の分析物(測定される物質)に酸化を受けさせること(すなわち、この電極に電子を渡すこと)を生じる、電流測定センサの作用を示す。この酸化は、電流315を発生させ、次いでこの電流315が検出され得、そして分析され得る。分析物が酸化させる電位は、分析物の「酸化電位」といわれる。
一般的にいうと、句「レドックス電位」は、分析物が酸化されるかまたは還元されるかのいずれかである電位を示すために使用される。図1のセンサにおいて、フェロシアン化物(「FERRO」)300は、電気化学的反応を生じさせるのに電位が十分高い場合に、電子を電極に輸送する。一旦、電子が輸送されると、フェロシアン化物はフェリシアン化物(「FERRI」)305に酸化される。
従って、図1において、十分高い電位が、フェロシアン化物(還元形態の電気活性種)を酸化形態(フェリシアン化物)へと酸化するために、印加されており、そして電極により検出される、得られた電流315は、還元種の濃度に依存する。
上記に論じられるように、電流測定センサからの電流は、目的の分析物の濃度に加えて、多くの要因に依存する。伝統的な電流測定方法は、分析物の濃度のみが測定から測定までに変化するという仮定に依存する;従って、電気化学的システムの他の因子が変動する場合、測定された信号および分析物濃度の評価は不正確であり得る。電位測定センサもまた、関係付けられた要因より損害を受け、これら要因は、分析物の輸送および電極付着物を含む。これら要因における変分は、測定される信号に対して不確実性およびエラーを加える。例えば、図2は、有効電極面積が変更された、2つの電流測定センサからのDC電流を示す。データ点455は、10mMのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて測定される。データ点450は、20mMのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて測定される。両方の場合において、電極面積が変動するにつれて、測定されるDC電流信号も同様に変動する。さらに、所定の電極面積について、分析物濃度を10mMから20mMに増大させると、結果として増大した電流信号を測定することとなる。このことは、測定されるDC電流信号の電極面積への依存性、および分析物濃度への依存性を例示する。
いくつかの要因は、種々の電極面積を有するセンサに寄与し得る。1つの要素は、センサからセンサまでの電極面積における変動性を導き得る、製造中のエラーがあり得る。別の要因は、使用中の電極の劣化であり得る。別の要因は、センサ電極とのサンプルの不完全な接触であり得、これらの例は、図8および図9において例示される。
図8a〜8cは、多くの市販のグルコースバイオセンサのための根幹を形成する、代表的な電気化学試験の小片(strip)のスキーム図である。図8aにおいて、2つの電極355が存在し、これらの各々がメーターの電子部品とのインターフェースを形成するリード350へと連絡される。電極355およびリード350は、支持基板375へと接続され得る。この例において、試験小片は、通常使用される2電極構成を使用する。図8aにおいて、サンプル360は両方の電極を完全に覆い、各々の電極の電極面積全体がサンプルに接触することを確実にする。図8bにおいて、サンプル370は、一方の電極を完全に覆うが他方の電極は部分的に覆う。図8cにおいて、サンプル365は、両方の電極を部分的に覆う。
図9は、異なるジオメトリーの電極について、サンプルによる電極の部分的な被覆を例示する。この例において、電気化学試験の小片は、並列した平板の設計で互いに対面する2つの電極で作製される。電極400および電極405は、固体基板材料420によって支持される。サンプル410は、サンプルチャンバを満たし、そして両電極の面積を完全に覆う。しかし、サンプル415は、両電極の面積を部分的に覆うのみであり、そして低減した有効電極面積のシステムを生じる。電極表面のこのような不完全な被覆は、サンプルチャンバの部分的な充填の結果であり得る。1つの例において、血中グルコース濃度の測定をする糖尿病患者は、しばしば、血中グルコース濃度を測定するために、このような電気化学的試験の小片を使用しなければならない。このような場合において、十分な血液がサンプルチャンバ内に入らない場合、不完全な電極システムの被覆を生じ得、不正確なグルコース推定値を生じる。従って、分析物の濃度に依存しない、有効電極面積を評価する方法は、有用である。
さらに、試験小片内に入るサンプルの体積が、推定され得る。図9を参照して、サンプル415を収容するサンプルチャンバの3つの寸法(縦横高さ)が既知である場合、サンプル415の体積は、電極被覆の分別量によりサンプルチャンバの総ジオメトリー体積を計量することによって、推定され得る。1つの例において、サンプルチャンバの総体積は100nLである。サンプル415が電極405の75%を覆うことが決定される場合、サンプル415の体積の1つの推定量は、(0.75)*100nL=75nLである。サンプル体積の推定量は、電気化学的電池中のサンプル体積を認識することに依存する測定を行う場合に、有用である。この認識が有用である場合の1つの例は、電量分析においてである。
図4は、電気化学センサに関する、電極付着物の問題を例示する。電極付着物は、センサ付着物ともいわれ、電極310の全体または一部に、接着、吸着またはそれ以外にコーティングする、物質320を記述する用語である。この例において、分析物はフェロシアン化物300であり、このフェロシアン化物300は付着物質320を通って移動し、次いで電極310において電子性電流315を生じる酸化反応において、電極320で反応しなければならない。この反応産物はフェリシアン化物305であり、このフェリシアン化物305は次いで、付着物質320から外に逆に移動する。電極付着物が起こり得る場合の1つの例は、付着物を生じ得る環境におけるセンサの長期にわたる使用の間であり、例えば、体内へのバイオセンサの移植または硫化物を含む環境におけるガスセンサの配備である。このような状況において、ならびに当業者に明らかな他の状況において、物質は電極上に沈着し得、歪んだ信号が測定される原因を生じる。しばしば、測定される信号強度は、最終的にセンサが標的分析物に対して知覚不能になるまで、電極付着物量が増加するにつれて減少する。他の場合において、付着物質は、特定の化学反応に対する触媒として作用し得、そしてセンサの応答は、実際に増強され得る。いずれの場合においても、センサの応答が付着物に起因して変化される場合、得られた測定は不正確である。
図3に示される較正曲線において、データ点470は、付着されていない電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのDC電流を測定する。データ点480は、3.33μgのセルロースアセテートのコーティングにより付着された電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのDC電流を測定する。データ点490は、10μgのセルロースアセテートのコーティングにより付着された電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのDC電流を測定する。この例は、この電流測定センサにおいて測定されたDC電流信号が、分析物濃度および電極付着物の程度の両方に依存することを例示する。従って、低いDC信号は、低い分析物濃度の結果であるか、または増大した電極付着物に起因するかのいずれかであり得る。従って、分析物濃度に依存しない電極付着物の程度を決定する手段が、有用である。次いで、このような方法を使用して、測定された電流信号を調整し得、そして電極付着物により生じた信号歪みに対して補正し得る。
これまでの2つの例は、電流測定センサについて例示されているが、当業者は、電圧測定センサに対する適用を認識する。電圧測定センサもまた、電極に接近する分析物に依存する。
従って、電気化学的検出手段が使用される場合、環境的要因(分析物を含むサンプルの特性を含む)は、測定される信号に重大な影響を与え得る。このような要因は、測定に不正確さ(較正変化および感度変化を含むが、これらに限定されない)をもたらし得る。従って、測定される信号に影響を与え得る環境特性(サンプルまたは電極の誘電率、有効電極面積、およびサンプルのイオン強度を含む)を検出するための方法および装置は、電気化学的センサシステムに利益をもたらし、そして環境的要因についての情報に基づき、測定された信号から計算されて、分析物推定濃度に対して補正がなされることを可能にし得る。
(発明の要旨)
本発明の一実施形態は、電気化学的システムにおけるサンプル中の選択分析物をモニタするための方法に関する。この方法は、この電気化学的システムに、DC電位に対して重ね合わされた時間可変電位を印加して、信号を生成する工程;およびファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基づいて推定式を解くことにより、この選択分析物からの寄与をこの信号から識別する工程を包含する。
本発明の一実施形態は、電気化学的システムにおけるサンプル中の選択分析物をモニタするための方法に関する。この方法は、この電気化学的システムに、DC電位に対して重ね合わされた時間可変電位を印加して、信号を生成する工程;およびファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基づいて推定式を解くことにより、この選択分析物からの寄与をこの信号から識別する工程を包含する。
(詳細な説明)
ここで本発明のいくつかの例示的な実施形態(それらの例は、添付の図面に示される)を詳細に参照する。可能な場合は必ず、同じ部分または類似の部分を参照するために図面全体を通して同じ参照番号が使用される。
ここで本発明のいくつかの例示的な実施形態(それらの例は、添付の図面に示される)を詳細に参照する。可能な場合は必ず、同じ部分または類似の部分を参照するために図面全体を通して同じ参照番号が使用される。
デジタル信号処理技術を介してセンサの精度および生産性を改善するためのシステムおよび方法が本明細書中に提供される。特に、特定の例示的実施形態によれば、測定されたセンサ信号に影響を及ぼし得る環境効果(例えば、有効電極面積および/または付着物の程度)をモニタして測定誤差を補正するための方法が、本明細書中に提供される。このようにして、環境要因に起因する測定された信号の変化は、実質的に減少されて、標的分析物(例えば、フェロシアン化物)の濃度をより正確に測定し得る。
本明細書中で使用される場合、用語「トランスデューサー」とは、ある形態のエネルギーを別の形態のエネルギーに変換する物質または装置をいう。トランスデューサーの例としては、電極、発光ダイオード、フォトダイオード、圧電材料、およびマイクロホンが挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書中で使用される場合、用語「容量特性」とは、システムのキャパシタンスに寄与し得るか、かつ/またはキャパシタンスに影響し得る、そのシステムのあらゆる特性をいい、これらとしては、電極面積、誘電率(dielectric constant)、誘電率(permittivity)、二重層特性、サンプルのイオン強度、およびキャパシタンスが挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書中で使用される場合、用語「ブランク」とは、支持電解質から構成されるサンプルをいう。
本明細書中で使用される場合、用語「バックグラウンド」は、用語「ブランク」と交換可能に使用され得、そしてブランクサンプルにより生成される信号をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「CDAS」とは、容量支配アドミタンススペクトルをいい、そして電気化学的システムのアドミタンス値が、その電気化学的システムの容量成分により支配される周波数範囲を示し;これは、一般的には、より高い周波数範囲に向かい得るが、検討中の特定の電気化学的システムの特性に依存して他の範囲にあり得る。
本明細書中で使用される場合、用語「ESS」とは、電気化学的信号源をいい、これは、電気化学的信号を生じ得るサンプル中の実体である;用語「ESSs」は、複数のESSをいうために使用される。一般的なESSは、電気活性化学種であるが、本発明は、このような供給源からだけの信号のアッセイに限定されず、そして電気不活性化学種、バックグラウンド電解質、二重層キャパシタンス、非化学的供給源、およびサンプル中にない供給源(例えば、一般的にRF干渉として知られる、電磁干渉)を含む。
本明細書中で使用される場合、用語「ESSI」とは、測定されるべき目的のESSをいい、これらとしては、化学種、またはバックグラウンドもしくはブランク信号を生じ得るサンプルのバックグラウンド構成、またはトランスデューサー−サンプルインターフェースにより測定され得るキャパシタンスが挙げられるが、これらに限定されない。
用語「変分」とは、本明細書中で使用される場合、その適用の過程における波形の最大値と最小値との間の差分の絶対値をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「TSI」とは、トランスデューサーと、ESSsのセットを含み得るサンプルとの間のインターフェースから構成されるトランスデューサー−サンプルインターフェースをいう。
本明細書中で使用される場合、用語「FFT」とは、高速フーリエ変換をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「FT」とは、フーリエ変換をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「DFT」とは、離散フーリエ変換をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「WT」とは、ウェーブレット変換をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「DTFT」とは、離散時間フーリエ変換をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「ADC」とは、アナログデジタル変換器をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「誘導された量」とは、電気化学的システムからの測定データならびにデータおよび/または情報の外部供給源に関して計算され得る量をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「ファラデー(の)」とは、電荷がTSIを横切って伝達される電気化学反応をいう。これらの反応は、分析物の酸化または還元を指す。
本明細書中に使用される場合、用語「有効電極面積」とは、サンプルと電解接触している電極面積をいう。この有効電極面積は、電極のジオメトリーを変更することまたはサンプルに対する電極の部分接触により変化され得る。
本明細書中で使用される場合、用語「電極付着物の程度」とは、電極またはセンサの全てまたは一部に吸着し得るかまたは他の方法で被覆し得る物質の量、ジオメトリー、密度、および/または組成をいう。
本明細書中で使用される場合、用語「環境要因」とは、測定される電気化学信号に影響を及ぼす、分析物濃度以外の特性および/または要因をいう。例としては、電極面積、電極付着物の程度、サンプルの誘電体、温度、およびサンプルのイオン濃度が挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書中で使用される場合、用語「電解接触」とは、サンプルから電気化学的情報を集めるような様式で展開された少なくとも1つの電極から構成される電気化学的システムを有することをいう。例としては、サンプルと物理接触している電極;膜、フィルム、または他の材料によりサンプルと分離された電極;および水性媒体によりサンプルから分離された電極が挙げられるが、これらに限定されない。電気化学的情報の例としては、ファラデー電流、非ファラデー電流、および化学ポテンシャルが挙げられる。
本明細書中で使用される場合、用語「電気化学的システム」とは、電気化学的データを集めるために使用される少なくとも1つの電極から構成されるシステムをいう。電気化学的システムの例としては、二電極構成;三電極構成;および電極アレイが挙げられる。
本明細書中で使用される場合、用語「電極セット」とは、少なくとも1つの電極から構成される電気化学的システムをいう。
本明細書中で使用される場合、用語「スペクトル分析」とは、信号または信号の一部のスペクトル成分を分析する方法をいう。スペクトル分析のために使用される方法の例としては、FT、FFT、DFT、DTFT、およびWTが挙げられる。
図5〜7は、印加された電圧波形に応答して電気化学的信号を変化させる環境因子に起因する、信号変動を決定するための方法およびシステムの例示的な実施形態を示す。例えば、環境因子によって引き起こされる信号の変動は、必要である場合に、見かけの測定された分析物濃度の推定を変化させることによって、定量および補正され得る。図5および6は、この方法の実施形態を、流れ図の形態で示す。
図7は、図5および6の方法を実施するためのシステムのより詳細な例を示すが、図5および6の方法は、多数の異なるシステムおよび装置によって実施され得ることが、理解されるべきである。例えば、図7のシステムは、次に、血液中のグルコース濃度を試験するためのような、携帯型テスターとして実施され得る。
図7は、本発明の実施形態による、TSIの容量特性を同定および定量するための、例示的な方法を示す。全ての矢印は、他に標識されない限り、通信チャネルのセットを表し、そして物理的伝導体を介する電気伝達、無線伝達、およびマルチチャネルの通信が挙げられるが、これらに限定されない。以下の工程は、本発明を説明する1つの例示的な装置および1つの例示的なプロセスを概説する。
1.適切なトランスデューサーのセット6が、サンプル2におけるESS4の検出のために適切な様式で展開される。この例において、トランスデューサー6は、トランスデューサー−サンプルインターフェース38がサンプル2と電解接触するように配置された電極である。このサンプル2は複数のESS4(ESS1、ESS2およびESSnと標識される)を含有し、ここで、nは、サンプル2における他のESSから独特のESSを表す番号を示す。トランスデューサーの他の例は、膜を備える電極、化学修飾された電極、または電気化学的トランスデューサーとして使用され得る他の要素が挙げられる。
2.制御信号34が、トランスデューサー制御装置12からトランスデューサー6に印加され、この信号は、光学フィルタリングプロセス10(例えば、フィルタリングプロセスを実施する回路または計算装置)によって処理され得る。フィルタリングプロセス10は、トランスデューサー制御装置12の一部であり得る。フィルタの1つの利点は、印加された信号から所望でないノイズを除去することである。この実施形態において、制御信号34は、ポテンシオスタット回路の形態でトランスデューサー制御装置12によって印加される、電圧電位波形である。ポテンシオスタットとは、電気化学的データを制御および記録するために通常使用され、そして「Electrochemistry:Principles,Methods,and Applications」、第1版、Oxord University Press,1993(C.M.A.BrettおよびA.M.O.Brett)において説明されている回路である。
3.トランスデューサー制御装置12を用いてトランスデューサー6からの時間領域信号36(すなわち、時間の関数として発生される電流信号)が測定され、そして必要な場合、保存される。光学フィルタリングプロセス8は、このプロセスの一部であり得、そしてさらに、トランスデューサー制御装置12の一部であり得る。フィルタリングプロセスは、図の項目10と類似であり得、そして所望でない信号ノイズを除去する有用な利点を提供する。
4.信号が、必要に応じて、フィルタリングプロセス14を使用してフィルタリングされる。このようなフィルタの1つの例としては、アナログ信号をデジタル信号に変換するプロセスと組み合わせて使用される、アンチアリアジング(anti−aliasing)フィルタが挙げられる。当業者に明らかなフィルタの他の例としては、高域フィルタ、低域フィルタ、帯域フィルタ、およびバンドストップフィルタが挙げられる。
5.信号が、ADC16を使用して、アナログ形態からデジタル形態に変換されて、計算装置18によるこの信号の処理を可能にする。この例は、本発明の方法の一部を実施するための、デジタル計算装置の使用を示す;しかし、デジタル計算装置は、例として使用され、そして本発明を限定しない。計算装置18の例としては、アナログ回路、デジタル回路、マイクロプロセッサおよびマイクロコントローラが挙げられる。現在使用されるマイクロコントローラの例としては、Hitachi H8/3887、Texas Instruments 3185265−F、Sierra SC84036CV、Amtel S5640 ASIC、NEC FTA−R2 ACIC、Hitachi H8/3847、Panasonic MN101C097KB1、ASIC(Intel 8051の周囲に構築される)などが挙げられる。
6.信号が、フィルタリングプロセス20を使用してフィルタリングされる。このようなフィルタは、信号をより最適な波形(計算装置18における他の計算プロセスのためにより適切である)に再形成および/または変換するために使用され得る。このようなフィルタの1つの例は、測定される信号から特定の範囲の周波数のみを選択し、そして他の周波数を抑制する、帯域フィルタであり得る。このようなフィルタは、電流信号が非線形電気化学的プロセスによって発生される場合に有用であり、より高い周波数成分を、電圧刺激として使用された基本周波数に加えて生じる。
7.信号のスペクトル成分が、目的の各周波数成分の大きさと位相角との両方の観点で、スペクトル分析プロセス22を使用して特徴付けられる;通常使用されるプロセスは、FTであり、そして関連するプロセス(例えば、FFT、DFT、WT、DTFT)を含む。当業者は、検討中のシステムについて適切であるとして、他のスペクトル分析プロセスを使用する可能性を認識する。
8.測定される信号における、システムの容量特性を生じるESSからの信号寄与が、容量特性定量プロセス24を使用して決定される。例えば、このようなプロセス24の1つの実施形態は、以下である:
a.高周波数の信号スペクトルを計算し、そしてスペクトルのこの部分の関連する特徴を定量する。なぜなら、スペクトルの高周波数部分は、その信号の容量特性についてのより多くの情報を含むと予測されるからである。1つの例において、周波数スペクトルの大きさおよび位相角が、その信号の特徴として使用される。
a.高周波数の信号スペクトルを計算し、そしてスペクトルのこの部分の関連する特徴を定量する。なぜなら、スペクトルの高周波数部分は、その信号の容量特性についてのより多くの情報を含むと予測されるからである。1つの例において、周波数スペクトルの大きさおよび位相角が、その信号の特徴として使用される。
b.必要であり得る任意の外部データ源A26を使用して、信号の容量特性に関連する値を計算する;このような特性としては、インピーダンス、リアクタンス、抵抗、およびキャパシタンスが挙げられ得るが、これらに限定されない。
9.上記計算から誘導され得る他の値を、誘導量計算プロセスを使用して計算する。このプロセスは、外部データ源B30を参照し得る。データ源A26およびデータ源Bは、同じデータ源であり得る。これらは、情報を保存する手段を代表し、そして単一のメモリユニット内の異なるデータ構造であり得る。外部データ源B30が含み得る情報の例としては、トランスデューサーの特性(例えば、異なる適用についての電極面積および周波数応答曲線);サンプルの特性(例えば、イオン強度、粘度、密度、二重層キャパシタンス値、および誘電率);電極の汚染を引き起こし得る、サンプル中の任意の物質の特性(例えば、誘電率および関連する値);電極を覆い得る任意の膜または類似の材料の誘電率または厚さもしくは容量特性のような特性が挙げられる。誘導量の例としては、較正データとの比較による分析物の濃度の計算、有効電極面積の計算、電極汚染の程度の計算、ならびに等式および電解質の組成を示す他のデータとの比較によるバックグラウンド電解質の誘電率(dielectric constant)および誘電率(permittivity)定数が挙げられる。
10.誘導量計算プロセス28からの誘導量が、補正プロセス40において使用され、このプロセスは、上で同定および定量された環境の変動および物理的変動によって引き起こされる、測定された信号36のひずみまたは変動を補正する。補正プロセスの例は、誘導量計算プロセス28によって決定された推定された分析物濃度を、容量特性定量プロセス24によって決定されるような、有効電極面積の変化を反映する値または電極汚染の程度を反映する値によって、縮尺される。
11.出力32が、使用可能な形態で発生される。例としては、電子形態での全てのESSIの濃度値の伝達、または推定された分析物濃度の、LCDディスプレイにおいてのセンサの使用者への表示が挙げられる。
図5および6は、図7のシステムにおいて実行されるプロセスに関する。図5を参照すると、波形が選択され得(工程100)、そして既知の濃度の目的の分析物を含有するサンプルを測定するために、電極システムに印加され得る。第一の例示的実施形態において、電極面積は、較正データを収集するために異なる濃度の分析物が測定される(工程105、110、115、120、125)場合に、電極汚染なしで系統的に変化される。第二の例示的実施形態において、較正データを収集するために異なる濃度の分析物が測定される(工程105、110、130、135、140)場合に、電極面積は一定に維持されるが、電極汚染の程度が変動する。
これらの例示的実施形態において、刺激波形は、所望の分析物の濃度に依存する信号成分および環境因子に依存する信号成分が測定されるように、選択される(工程100)。この例において、説明される2つの環境因子は、有効電極面積および電極汚染の程度である。ある実施形態によれば、刺激波形は、電気化学的システムの容量特性が抽出可能(工程110)かつ定量可能であるように選択される。別の実施形態において、刺激波形は、容量信号成分が環境因子(例えば、電極面積および電極汚染)に対してより感受性であり、そして分析物濃度に対してはさほど感受性ではなく、これによって、分析物濃度とは独立した、電極面積または電極汚染の影響のモニタを可能にするように、選択される。このことは、分析物濃度に依存しない環境変動のみの定量を可能にする。
有効電極面積の変動を補正する実施形態によれば、較正データは、異なる既知の有効面積の電極を用い、既知の異なる分析物濃度を含有するサンプルを用いて測定を行うことによって、収集され得る(工程115)。各電極面積を用いてなされる測定について、ファラデー信号成分をサンプル中の分析物の濃度に関連付ける較正曲線が構築され得る(工程120)。異なる分析物濃度のサンプルを測定する場合に、容量信号成分を電極面積の変動に関連付ける較正曲線もまた、構築され得る(工程120)。図7のシステムにおいて、フィルタプロセス20、スペクトル分析プロセス22、および容量定量プロセス24は、較正信号成分を定量するために使用され得る。
ある実施形態によれば、分析物濃度を推定する較正曲線を、ファラデー信号成分に基づいて、センサの有効電極面積の変動から生じ得る誤差について、有効電極面積を定量する容量較正データを使用して補正するための等式が構築され得る(工程125)。
一旦較正曲線および補正式が決定されると、図7のシステムにおいて、この情報は、データ源A26および/またはデータ源B30に保存され得る。補正式を、補正プロセス40において使用して、未知の分析物濃度のサンプルにおいて、有効電極領域が未知である電極を用いて測定がなされる場合、有効電極領域における変動によって変更された誤った分析物推定について補正し得る。
図6および7を参照して、トランスデューサー6(電極として示される)は、ESS4によって示される未知の濃度の分析物を含むサンプル2と接触するように、配置され得る。選択された刺激波形(工程105)は、トランスデューサー制御装置12として示されるポテンシオスタットによって、電極に対して印加され得る。この刺激波形の適用は、信号34として示される。応答信号36は、計算装置18によって測定および分析されて、容量信号成分およびファラデー信号成分を定量し得る(工程110)。容量信号成分(これは、スペクトル分析プロセス22および容量特性定量プロセス24によって計算されたばかりである)は、データ源A26中に保存された較正データと比較されて、有効電極領域を決定し得る(工程200)。次いで、ファラデー信号成分は、データ源B30からの較正データと比較されて、サンプル中の分析物濃度を決定し得る(工程225)。
この分析物推定は、有効電極領域の変動から生じ得る誤差について、まだ補正されていない。データ源B30からの補正式は、補正プロセス40における最初の分析物推定と共に使用されて、有効電極領域の変化の原因となる推定分析物濃度を調節し得る(工程205)。次いで、補正された分析物推定は、例えば、LCDディスプレイを使用して、使用可能な形態で出力32であり得る(工程210)。
電極付着物の程度の変動について補正する実施形態によれば、較正データは、既知の異なる分析物の濃度を含むサンプルを用いて、既知の異なる程度の付着物の電極を用いて測定を行うことによって、収集され得る(工程130)。これらの測定について、サンプル中の分析物濃度にファラデー信号成分を関係付ける較正曲線が、構築され得る(工程135)。異なる分析物濃度を有するサンプルを測定する場合、電極付着物の程度における変動に、容量信号成分を関連付ける較正曲線もまた、構築され得る(工程135)。図7のシステムにおいて、フィルタプロセス20、スペクトル分析プロセス22および容量定量プロセス24は、容量信号成分を定量するために使用され得る。
1実施形態によれば、式は、電極付着物の程度を定量する容量較正データを使用して、電極付着物の程度の変動から生じ得る誤差について、ファラデー信号成分に基づいて、分析物濃度を推定する較正曲線を補正するように構築される(工程140)。
一旦較正曲線および補正式が決定されると、図7のシステムにおいて、この情報は、例えば、データ源A26および/またはデータ源B30に保存され得る。補正式を、補正プロセス40において使用して、例えば、未知の分析物濃度のサンプルにおいて、付着物の程度が未知である電極を用いて測定がなされる場合、電極付着物の程度における変動によって変更されたもののような、誤った分析物推定について補正し得る。
次いで、図6および7を参照して、電極システム(トランスデューサー6として示される)は、未知の濃度の分析物を含むサンプル2(ESS4として示される)と接触するように配置され得る。選択された刺激波形(工程105)は、ポテンシオスタット(トランスデューサー制御装置12として示される)によって、電極に対して印加され得る。この波形は、信号34として示される。応答信号36は、計算装置18によって測定および分析されて、容量信号成分およびファラデー信号成分を定量し得る(工程110)。容量信号成分(これは、スペクトル分析プロセス22および容量特性定量プロセス24によって計算されたばかりである)は、データ源A26中に保存された較正データと比較されて、電極付着物の程度を決定し得る(工程215)。ファラデー信号成分は、データ源B30からの較正データと比較されて、サンプル中の分析物濃度を決定する(工程225)。この分析物推定は、電極付着物の程度の変動から生じ得る誤差について、まだ補正されていない。データ源B30からの補正式は、補正プロセス40における最初の分析物推定と共に使用されて、電極付着物の程度の変化の原因となる推定分析物濃度を調節し得る(工程220)。次いで、補正された分析物推定は、例えば、LCDディスプレイでユーザに示される、使用可能な形態で出力32であり得る(工程210)。
この例において、刺激波形は、異なる濃度の分析物を含むサンプルから、異なる環境因子を用いて較正データを収集して、補正式を形成するために、最初に使用される。この同じ波形は、未知の濃度の分析物および未知の環境因子を含むサンプルに印加される。この例において、フェロシアン化物は、所望の(すなわち、標的)分析物として同定され、そして有効電極領域および電極付着物の程度は、例示的な環境因子として同定される。
この刺激波形は、DC電位であり得、高周波数小振幅のAC正弦波が重ねられる。句「高周波数低振幅正弦波」は、本明細書中で使用する場合、印加された電位と線形関係によって近似され得る、サンプルからの信号応答を生じる正弦波形(代表的には、ピーク間の振幅が50mV未満であり、かつ代表的には、約100Hzより上である)を示す。例示的な波形形式は、図11に示される。DC電位が電極に印加され、そしてACシヌソイド電圧510が、このDC電位上に重ねられる。このAC電圧510の振幅は、50mV未満に維持される必要はなく、そして使用可能な信号を生じる任意の値であり得る。AC電圧510の周波数は、電気化学系の容量特徴を誘発するのに必要な場合、調節され得、そしてその範囲は、考慮すべきシステムについて必要な場合に調節され得、そして本発明の範囲を如何様にも限定しない。次いで、AC電圧510は、ある範囲の周波数を通じて段階的にされて、あるスペクトル範囲にわたって電気化学的システムのスペクトル特徴をプローブし得る。当業者は、異なる刺激周波数および異なる形状の波形を使用することを含む、電気化学的システムの容量特性を抽出し得る他の波形を使用することの可能性を認識している。
DC電位およびAC電位の印加は、DC電流およびAC電流の発生を生じ得、このAC電流は、刺激AC電位と同じ周波数から構成され得る。電気化学的システムが線形の場合、得られるAC電流は、刺激AC電位と同じ周波数成分のみを含む。しかし、電気化学的システムが完全に線形でない場合、AC電流信号において他の周波数成分が存在し得る。
この刺激周波数で、電圧信号および電流信号のフェーザー表示は、以下によって与えられ得る:
フェーザーの使用に関する理解は、この情報が、目的の特定の周波数をいうことである。正弦波信号のフェーザー分析は、B.P.Lathi、「Linear Systems and Signals」、Berkeley−Cambridge Press,Carmichael,CA,1992において説明されるように、周知の方法である。AC正弦波信号を使用することの1つの例は、ある範囲の周波数にわたって、電気化学的システムをプローブすることの使用を示す。1実施形態によれば、ある範囲の周波数を通じて段階的にする例示的な方法は、以下の工程を包含し得る:
1.特定の周波数で電圧の振動を開始する工程;
2.読み取りが安定するときに得られる電流信号を記録する工程;
3.振動周波数を新たな値に変化させる工程;および
4.目的の範囲をカバーするように、必要に応じて工程2〜4を繰り返す工程。
1.特定の周波数で電圧の振動を開始する工程;
2.読み取りが安定するときに得られる電流信号を記録する工程;
3.振動周波数を新たな値に変化させる工程;および
4.目的の範囲をカバーするように、必要に応じて工程2〜4を繰り返す工程。
ある範囲の周波数を通じて段階的にすることの1つの例としては、特定の周波数で振動を開始し、次いで、この周波数を対数的に増大させることが挙げられる。しかし、当業者は、高い周波数で開始し、そして所望の範囲を通じてその周波数を減少させる可能性、または対数様式ではなく線形様式で、周波数を通じて段階的にする可能性を、認識する。
スペクトル分析プロセス22は、本発明の1実施形態に従って、電圧信号および電流信号について、必要なフェーザー情報を計算し得る。1例において、各周波数の刺激が、次第にトランスデューサーに印加される。スペクトル分析のそのような1つの可能な方法は、各周波数の刺激についてのフェーザー情報を計算し、次にその周波数での測定を行う。可能な方法の別の例は、測定されそして適用された全ての信号データを最初に保存し、次いで、データ獲得工程の最後に、1工程で全ての計算を行うことである。可能な方法の別の例は、線形電気化学的システムの場合であり、目的の全ての周波数は、電圧刺激と同時に重ねられ得;次いで、得られた電流信号は、全ての刺激周波数での応答を含むと予測され得る。これは、線形システムについての場合であるので、FT分析を全信号について一度に実施することは、目的の各周波数についてのファーザー情報を同時に明らかにする。当業者は、多くの異なる実施形態で、スペクトル分析プロセス22を実行し得ることを認識している。例えば、測定された信号と、異なる周波数および異なる位相シフトの参照シヌソイド波のセットとの間の相関を測定することによって、スペクトル分析を実施することが可能であり得る。
電流および電圧AC信号についてのフェーザー情報は、次いで、容量特性定量プロセス24によって使用され得る。容量特性を定量する1つの方法としては、電気化学的システムのイミッタンス値の計算が挙げられるが、これに限定されない。イミッタンスは、
アドミッタンス値は、容量特性の計算に使用され得る。電気回路分析において従来的に考慮される理想コンデンサは、以下のアドミッタンス特性を有する:
電気化学的システムはまた、容量成分でありうるが、これらの特性は、理想的な電気容量の特性に従わないかも知れない。この容量特性は、以下を含むが、これらに限定されない、幾つかの考慮点から生じ得る:
1.荷電した種を含むサンプル中に電極を配置することは、理想的な電気コンデンサの電気特性の幾つかを接近させる;
2.理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させる双極子モーメントを有し得るESSsを含むサンプル中に電極を配置すること;ならびに
3.電荷が電極表面に蓄積することを可能にすることにより、経時的に電極電位または電流を変化させて、理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させ、それにより、経時的にサンプル中で電極表面付近に適切な電荷の蓄積を引き起こすこと。
1.荷電した種を含むサンプル中に電極を配置することは、理想的な電気コンデンサの電気特性の幾つかを接近させる;
2.理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させる双極子モーメントを有し得るESSsを含むサンプル中に電極を配置すること;ならびに
3.電荷が電極表面に蓄積することを可能にすることにより、経時的に電極電位または電流を変化させて、理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させ、それにより、経時的にサンプル中で電極表面付近に適切な電荷の蓄積を引き起こすこと。
電極−サンプルインターフェース38の容量特性の起源は、よく理解されており、C.M.A.BrettおよびA.M.O.Brettによる「Electrochemistry:Principles,Methods,and Applications」第1版,Oxford University Press,1993に考察される。高周波数測定において、全電気化学信号は、容量成分によって支配され得る。それゆえに、この実施例において、電気化学的システムの用量特性の調査について考慮されるのは、高周波数スペクトルである。
本発明は、電気化学的システムの容量を計算するための幾つかの方法を包含する。1つの例は、高周波数シヌソイド電位波形から生じる電流信号を得ることである。容量特性を明らかにするアドミッタンス値は、理想的でないかも知れない。理想容量挙動からの偏差は、測定される周波数の範囲内で90°ではないアドミッタンス位相角が挙げられるが、これに限定されない方法で具体化され得る。しかし、アドミッタンス振幅スペクトルは、Bodeプロットにおいてなされるように、対数−対数軸上にプロットされる場合でもなお、線形であり得る。これらは、電気化学的システムの容量特性が、いかに実システムにおいて現われ得るかの例であり、そして、それらのように、例示目的についての例であることが意図され、本発明の範囲を限定しない。
電気化学的システムの容量特性の分析において、理想容量からの偏差は、考慮される必要があり得る。変分が、どのように処理され得るかの1つの例は、目的の各周波数に対して90°であるアドミッタンスの成分を考慮することである。図12は、この概念を示す。特定の周波数において、アドミッタンス50を表すベクトルは、90°の理想コンデンサ値ではない。しかし、ベクトル54の理想成分および虚部成分52を使用して、全アドミッタンスベクトル50を2つのベクトルへと分解し得る。それゆえに、虚部成分52の値のみを考慮することによって、全アドミッタンスの容量成分が、選択され得る。このことにより、電圧信号の位相から90°であるまさに電流信号成分の抽出が可能になり、これは、電気化学的システムの容量性質の測定値であり得る。このように、CDASの非理想的特性は、理想的90°位相角からの偏差を引き起こし得、最終分析において最小化され得る。
電気化学的システムの非理想的容量特性を分析する別の例は、振幅スペクトルを考量することである。この実施例において、容量信号によって支配される周波数範囲における振幅スペクトルは、対数−対数Bodeプロットにおいて線形であるようにとられる。このように、振幅プロットの線形性質は、非容量成分に対する電気化学的システムにおける容量成分の支配を示し得る。幾つかの適用において、振幅スペクトルの傾きは、TSIの異なる特性に相関し得、そして、システムを特徴付けるために使用され得る。
電気化学的システムの容量特性に影響を及ぼし得る幾つかの例示的な要素としては、以下が挙げられる:
1.有効電極面積
2.サンプルのイオン構成、サンプルの非イオン構成、種々のESSの存在が挙げられるが、これらに限定されないサンプルを含む成分
3.サンプルの粘度
4.サンプルの密度
5.電極付着物の程度
6.電極を覆い得る膜
7.印加されるDC電圧
8.印加されるAC電圧
9.対流、サンプル成分の拡散、サンプル成分の移動、サンプルの流速を含む、サンプルの質量移動
10.温度
11.電極において起こり得る反応。
1.有効電極面積
2.サンプルのイオン構成、サンプルの非イオン構成、種々のESSの存在が挙げられるが、これらに限定されないサンプルを含む成分
3.サンプルの粘度
4.サンプルの密度
5.電極付着物の程度
6.電極を覆い得る膜
7.印加されるDC電圧
8.印加されるAC電圧
9.対流、サンプル成分の拡散、サンプル成分の移動、サンプルの流速を含む、サンプルの質量移動
10.温度
11.電極において起こり得る反応。
電気化学的システムのキャパシタンスの測定は、電気化学的システムの特性をプローブするのに用いられ得る。このシステムをいかに具体化するかの1例は、平行板コンデンサに対するキャパシタンスを定義する1つの等式を検討することによる:
電気化学的システムのコンデンサの特性を測定するこれらの手順は、測定の固有の性質が、電気化学的システムが作用する環境の主な物理的特性および物質的特性をモニタするよう導く事実に起因して有用であり得る。電気化学的システムの物理的効果および環境的効果を特徴付けるための全体の測定規準を確立するのに役立ち、エラーのこのような源について計量し得る補正機構40を発達させるための基礎を形成し、そして種々の目的のより多くの詳細な測定について拡張し得る。例えば:
1.電極またはトランスデューサの状態を診断する工程であって、効果的電極領域を決定する工程を包含する、工程。
1.電極またはトランスデューサの状態を診断する工程であって、効果的電極領域を決定する工程を包含する、工程。
2.電極付着シナリオの種々の特性を決定する工程であって、付着層の厚さ、付着物質構築速度および付着物質の電気的特性を包含するが、これらに限定されない工程。
実際には、刺激波形が、検出プロセスに含まれるプロセスの実験的試行および理論的検証の組み合わせを介して選択され得る。この波形の選択が、特定の分析物および環境因子により産生される特定の独特の信号特性を達成するためになされる。測定された信号のDC成分は、ファラデー信号成分の大半を含み得、これは、分析物濃度および環境因子により作用される。しかし、測定された信号のAC成分は、分析物によりあまり作用されず、環境因子に応答性である、コンデンサの信号成分のほとんどを含み得る。従って、AC成分は、分析物濃度により影響されること無く、環境因子についての情報を独立して増加するのに用いられ得る。
波形を選択する場合に注意すべき要因としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない:参照電極に対して作用電極のより正の電位の使用は、一般に、酸化速度を増加させる;同様に、参照電極に対して作業電極のより負の電位の使用は、一般に、還元速度を増加させる;および反応速度が分析物の輸送速度よりはるかに速い場合(例えば、分散によって)、電位を適切な方向(酸化について正、または還元について負)に増加させることによる反応速度のさらなる増加は、ファラデー電流を有意には増加させないかもしれない;より高い周波数のAC正弦波は、より低い周波数のAC正弦波よりも、非ファラデー容量特性に対して感受性であり得る。
波形の選択後、データが、異なる濃度の標的および異なる環境因子を含むサンプルから集められ得る(工程115および130)例えば、有効電極面積および分析物濃度の影響の区別および決定において、当業者は、以下の濃度:0mM、1mM、2mM、3mM,5mM、10mM、15mM,20mM、のフェロシアン化物の各々について選択された波形を使用し、以下の有効面積:0.1mm2、0.2mm2、0.3mm2、0.5mm2、0.7mm2、10mm2、の各々の電極を使用して、5回の反復測定を実施し得る。別の例において、電極の汚れの程度および分析物濃度の影響の区別および決定において、当業者は、以下の濃度:0mM、1mM、2mM、3mM,5mM、10mM、15mM、20mM、のフェロシアン化物の各々について選択された波形を使用し、以下の厚み:10μm、20μm、30μm、50μm、70μm、100μm、150μm、200μm、300μm、500μm、の各々の付着物質でコーティングされた電極を使用して、5回の反復測定を実施し得る。異なるタイプの付着物をエミュレートするために使用され得る物質の例としては、ポリマー(例えば、酢酸セルロースおよびポリチラミン)、またはタンパク質(例えば、ウシ血清アルブミン)が挙げられる。
(実施例1:)
図5および図6の方法および例えば、図7のシステムによって実施されるようなシステムを使用する実施例が、分析物のフェロシアン化物を含むサンプルの濃度および可変有効電極面積の分析の点において、ここで記載される。DC電位によって検出されるファラデー反応は、以下により与えられる:
フェロシアン化物→フェリシアニド+e−
これは、酸化反応である。電気化学的電池は、パラジウム作用電極、白金対電極、およびAg/AgCl参照電極を用いる従来の3電極構成であり得る。この作用電極は、参照電極に対して−400mVのDC電位で維持され得る。図2は、異なる有効電極面積で実施される測定について、2つのサンプルからのDC電流を示し、一方のサンプルは,10mMの鉄(FERRO)を含み、そして他方のサンプルは、20mMの鉄を含む。
図5および図6の方法および例えば、図7のシステムによって実施されるようなシステムを使用する実施例が、分析物のフェロシアン化物を含むサンプルの濃度および可変有効電極面積の分析の点において、ここで記載される。DC電位によって検出されるファラデー反応は、以下により与えられる:
フェロシアン化物→フェリシアニド+e−
これは、酸化反応である。電気化学的電池は、パラジウム作用電極、白金対電極、およびAg/AgCl参照電極を用いる従来の3電極構成であり得る。この作用電極は、参照電極に対して−400mVのDC電位で維持され得る。図2は、異なる有効電極面積で実施される測定について、2つのサンプルからのDC電流を示し、一方のサンプルは,10mMの鉄(FERRO)を含み、そして他方のサンプルは、20mMの鉄を含む。
図2は、−400mVのDC電位を、20mMのフェロシアン化物を含むサンプルに印加することによって測定されたデータ点450を示す。測定450を、異なる有効面積の電極を用いて実施し、そしてそのデータを、図2にプロットする。X軸は、これらの測定を実施するために使用された電極の有効電極面積を示し、そしてY軸は、測定されたDC電流の値を示す。次いで、同じ電極を使用して、測定を、10mMのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて実施し、そしてデータ点455として示す。この図は、DC電位を使用して電流測定信号を測定することの問題を示す。測定された信号は、分析物の濃度および有効電極面積の両方によって影響を受ける。この関係を説明するために使用され得る1つの式は、以下である:
I=αAe[FERRO]。
ここで、αは、比例定数であり、Aeは、有効電極面積であり、そして[FERRO]は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的研究および実験的研究の組合せによって決定され得る。図10は、Aeの2つの値についてのこの関係を示す。データ点500は、Ae=0.8925mm2の電極を用いて実施されたDC電流の測定値である。このAeの較正曲線の式は、以下である:
I=109.21[FERRO]。
I=αAe[FERRO]。
ここで、αは、比例定数であり、Aeは、有効電極面積であり、そして[FERRO]は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的研究および実験的研究の組合せによって決定され得る。図10は、Aeの2つの値についてのこの関係を示す。データ点500は、Ae=0.8925mm2の電極を用いて実施されたDC電流の測定値である。このAeの較正曲線の式は、以下である:
I=109.21[FERRO]。
データ点505は、Ae=1.575mm2の電極を用いて実施されたDC電流測定値である。このAeの較正曲線の式は、以下である:
I=171.13[FERRO]。
I=171.13[FERRO]。
従って、Ae=1.575mm2という仮定の下で、電極を用いて測定を実施する場合、フェロシアン化物濃度は、以下の式を用いて推定される:
[FERRO]=I/171.13。
ここで、Iは、測定されたDC電流(nA)であり、[FERRO]は、推定フェロシアン化物濃度(mM)である。
[FERRO]=I/171.13。
ここで、Iは、測定されたDC電流(nA)であり、[FERRO]は、推定フェロシアン化物濃度(mM)である。
しかし、有効電極面積が、1.575mm2と等しくないことが分からない場合、計算されたフェロシアン化物の推定値は、不正確であり得る。例えば、Aeが、実際に、0.8925mm2である場合、20mMのフェロシアン化物を含むサンプルは、図10においてデータ点500により示されるように、2188nAの測定電流信号を生じる。Aeにおけるこのような変化がどのように生じ得るかの例としては、サンプルの製造中のエラーまたはサンプルと電極との部分的な接触が挙げられる。Aeが1.575mm2であるという仮定を使用して、推定フェロシアン化物濃度が、以下の較正式によって計算される:
[FERRO]=2188/171.13=12.3mM。
[FERRO]=2188/171.13=12.3mM。
これは、有効電極面積が分からないで変化した場合に生じ得る分析物の濃度の推定におけるエラーのタイプを例示する。しかし、有効電極面積の測定値を得ることができることにより、分析物の推定値を測定システムにおけるこのような変化について較正することが可能になる。
有効電極面積を調査するために、この実施例において、40mVのピーク間振幅の1000Hzの正弦波を、図11の曲線510に示すように、−400mVのDCバイアス電位に上書きした(工程100)。次いで、この波形を、電極システムに印加した(工程105)。得られた電流信号のフーリエ変換を行って、1000HzのAC正弦成分を選択した(工程110)。なぜなら、このシステムの容量特性は、信号の高振動数成分に反映されると予想されるからである。この実施例において,AC正弦波電位の振幅は、ピーク間で40mVで一定に維持されるので、上記のACアドミタンスとAC電流とAC電位との間の数学的関係によって定義されるように、アドミタンス値を計算する代わりに、容量特性の計算にAC電流値を使用するだけで十分である。
図13は、10mMのフェロシアン化物のサンプル(黒色のデータ点515)および20mMのフェロシアン化物のサンプル(白色のデータ点520)における異なる有効面積の電極を用いて集められた1000HzのAC電流信号の虚部成分によって表される容量信号データを示す。このデータから、容量信号成分と有効電極面積との間に直線関係が存在することが明らかであり、従って、この容量信号データは、サンプル中のフェロシアン化物の濃度によって有意には影響を受けない。
虚部AC電流を有効電極面積(これは、分析物の濃度に依存しない)に関連付ける式(工程120)は、以下である:
Ii.AC=(818.26)(Ae,actual)−14.33。
ここで、Ii.ACは、1000HzにおけるAC電流の虚部成分であり、Ae,actualは、実際の有効電極面積である。
Ii.AC=(818.26)(Ae,actual)−14.33。
ここで、Ii.ACは、1000HzにおけるAC電流の虚部成分であり、Ae,actualは、実際の有効電極面積である。
サンプル中のフェロシアン化物を推定するために較正曲線において使用される、測定されたファラデーDC電極電流(IF)を記載するために使用され得る1つの式は、以下である:
IF=αAe,expected[FERRO]
[FERRO]=(1/αAe,expected)IF
ここで、Ae,expectedは、電極が有すると予測される有効電極面積の値である。較正曲線は、測定されたファラデー信号をフェロシアン化物濃度に関連付けるためのファラデー信号データに基づいて、電極システムを使用することによって作製された(工程120)ので、有効面積Ae,expectedの電極が使用された。未知のサンプルが、Ae,expectedの電極を用いて測定され、これらの較正曲線がサンプル中のフェロシアン化物濃度を推定するために使用される場合(工程225)、当業者は、この推定フェロシアン化物濃度がサンプル中の実際の代表的な濃度であることを推定し得る。しかし、この未知のサンプルが、Ae,expectedと等しくない有効面積の電極を用いて測定される場合、フェロシアン化物の誤った推定値が、生じる可能性があり得る。
IF=αAe,expected[FERRO]
[FERRO]=(1/αAe,expected)IF
ここで、Ae,expectedは、電極が有すると予測される有効電極面積の値である。較正曲線は、測定されたファラデー信号をフェロシアン化物濃度に関連付けるためのファラデー信号データに基づいて、電極システムを使用することによって作製された(工程120)ので、有効面積Ae,expectedの電極が使用された。未知のサンプルが、Ae,expectedの電極を用いて測定され、これらの較正曲線がサンプル中のフェロシアン化物濃度を推定するために使用される場合(工程225)、当業者は、この推定フェロシアン化物濃度がサンプル中の実際の代表的な濃度であることを推定し得る。しかし、この未知のサンプルが、Ae,expectedと等しくない有効面積の電極を用いて測定される場合、フェロシアン化物の誤った推定値が、生じる可能性があり得る。
従って、有効電極面積における変化について推定フェロシアン化物濃度を調整する(工程205)するために使用され得る1つの較正式(工程125)は、以下である:
[FERRO]c=(1/αAe,expected)(Ae,expected/Ae,actual)IF
[FERRO]c=(Ae,expected/Ae,actual)[FERRO]u
Ae,actual=(Ii,AC+14.33)/818.26
ここで、Ae,actualは、上記のようにして計算される。[FERRO]cは、有効電極面積における変化について補正されたフェロシアン化物濃度であり、そして[FERRO]uは、補正していないフェロシアン化物濃度である。
[FERRO]c=(1/αAe,expected)(Ae,expected/Ae,actual)IF
[FERRO]c=(Ae,expected/Ae,actual)[FERRO]u
Ae,actual=(Ii,AC+14.33)/818.26
ここで、Ae,actualは、上記のようにして計算される。[FERRO]cは、有効電極面積における変化について補正されたフェロシアン化物濃度であり、そして[FERRO]uは、補正していないフェロシアン化物濃度である。
例示的な例を続けると、フェロシアン化物濃度を推定するための較正曲線が、Ae,expected=1.575mm2である推定電極面積で作成され、そして測定が、Ae,actual=0.8925mm2を有する電極を使用して、20mMのフェロシアン化物を含むサンプル中で行われる場合、上記のように、フェロシアン化物濃度の誤った推定値が生じ、[FERRO]=2188/171.13=12.3mMを与える。しかし、容量信号データ(1000Hz AC正弦電流の虚部成分によって表される)を使用して、推定フェロシアン化物濃度が、有効電極面積における変化について補正され得る。図13において、データ点515によって示されるように、Ae,actual=0.8925mm2を有する電極によって測定される20mMのフェロシアン化物を含むサンプルは、Ia,AC=680nAを生じる。従って、
Ae,actual=(Ii,AC+14.33)/818.26=(680+14.3)/818.26=0.850mm2;
[FERRO]c=(Ae,expected/Ae,actual)[FERRO]u=(1.575/0.850)×12.3=22.8mM。
これにより、12.3mMの補正されていない推定値と比較して、22.8mMのフェロシアン化物の補正された推定値が得られ、ほぼ3倍の誤差の減少を示す。
Ae,actual=(Ii,AC+14.33)/818.26=(680+14.3)/818.26=0.850mm2;
[FERRO]c=(Ae,expected/Ae,actual)[FERRO]u=(1.575/0.850)×12.3=22.8mM。
これにより、12.3mMの補正されていない推定値と比較して、22.8mMのフェロシアン化物の補正された推定値が得られ、ほぼ3倍の誤差の減少を示す。
これは、有効電極面積における変動から生じる測定誤差を補正するための容量性信号情報を使用する1つの例示的な実施形態を説明する。この例が正弦波の1つの周波数を用いて示されたが、この方法に対する改良は、シヌソイド刺激の複数の周波数からの情報を使用し、ある範囲の周波数を変換して、使用されるべき1セットの補正式を構築することによって実現され得る。改善の別の例は、より大きなデータマトリクスを用いて較正曲線を構築することである。図10および13は、2つの異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルからの較正データを示した:しかし、較正データは、異なる濃度のフェロシアン化物のより大きな選択から構成されるサンプルから獲得されて、より精製されたセットの較正曲線を作製し得る。同様に、データは、多くのより異なる有効面積を用する電極から獲得されて、より精製されたセットの較正曲線を作製し得る。
(実施例2):
図5および6の方法を使用する実施例ならびに例えば図7のシステムによって実施されるシステムを、ここで、分析物フェロシアン化物および種々の程度の電極付着物を含むサンプルの濃度を分析する点で記載される。実施例1におけるように、検出されるファラデー反応は、フェロシアン化物のフェリシアン化物への酸化であり、そして等価な3−電極電気化学系が使用され、ここで、作用電極が3.14mm2の白金電極である。この実施例において、有効電極面積は、一定に保持され得、そして電極付着物の程度を、測定された信号および推定されたフェロシアン化物濃度に対する効果を示すために変動させる。電極付着物に起因して生じ得るフェロシアン化物推定における誤差を補正するために容量性信号情報を使用するための方法が記載される。
図5および6の方法を使用する実施例ならびに例えば図7のシステムによって実施されるシステムを、ここで、分析物フェロシアン化物および種々の程度の電極付着物を含むサンプルの濃度を分析する点で記載される。実施例1におけるように、検出されるファラデー反応は、フェロシアン化物のフェリシアン化物への酸化であり、そして等価な3−電極電気化学系が使用され、ここで、作用電極が3.14mm2の白金電極である。この実施例において、有効電極面積は、一定に保持され得、そして電極付着物の程度を、測定された信号および推定されたフェロシアン化物濃度に対する効果を示すために変動させる。電極付着物に起因して生じ得るフェロシアン化物推定における誤差を補正するために容量性信号情報を使用するための方法が記載される。
作用電極は、セルロースアセテート(「CA」)膜で電極面積全体をコーティングすることによって、付着された。電極付着の程度は、2つの場合について変更された。1つの場合において、CAは、1mLのアセトン当たり10mgのセルロースアセテートの割合でアセトン中に溶解した。1μLのこの溶液を、作用電極上に滴下コーティングし、白金表面全体を覆った。この溶液を乾燥させ、セルロースアセテートのコーティングを形成し、合計約10μgのCAを与える。第2の場合、CAを、1mLアセトン当たり3.33mg CAの割合でアセトン中に溶解した。1μLのこの溶液を、作用電極上に滴下コーティングし、白金表面全体を覆った。この溶液を乾燥させ、約1/3の量のセルロースアセテート(約3.33μgのCA)を含むCAのコーティングを形成する。従って、この実施例において、CAの量を、異なる程度の電極付着物をエミュレートするように変動された;より多くの程度の電極付着物が、電極をより多くのセルロースアセテートでコーティングすることによってエミュレートされ得ることが予想される。
図3は、付着物無し(データ点470)、3.33μgのCAの付着物(データ点480)、および10μgのCAの付着物(データ点490)で、電極を使用して、異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルに、−400mVのDC電位を印加することによって構成される較正曲線を示す。測定されたDC電流信号(フェロシアン化物の酸化からのファラデー電流成分によって支配される)が、フェロシアン化物の濃度および電極付着物の程度の両方に依存する。この関係を記載するために使用され得る較正曲線の1つの式は、以下である:
IDC=αEf1Ae[FERRO]+βEf2
ここで、αおよびβは、定数であり、Aeは、有効電極面積であり、Ef1は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の傾きに影響するかの尺度であり、Ef2は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の切片に影響するかの尺度であり、IDCは、測定されたDC電流であり、そして[FERRO]は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的調査および実験的調査の組み合わせによって決定され得た。
IDC=αEf1Ae[FERRO]+βEf2
ここで、αおよびβは、定数であり、Aeは、有効電極面積であり、Ef1は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の傾きに影響するかの尺度であり、Ef2は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の切片に影響するかの尺度であり、IDCは、測定されたDC電流であり、そして[FERRO]は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的調査および実験的調査の組み合わせによって決定され得た。
付着物無し(データ点470)の実施例において、較正曲線を記載する1つの式は、以下:
IDC=0.8757[FERRO]+1.6
Ae=3.14mm2
αEf=0.279μAmm−2mM
のように与えられ得る。
IDC=0.8757[FERRO]+1.6
Ae=3.14mm2
αEf=0.279μAmm−2mM
のように与えられ得る。
3.33μgのCAの付着物(データ点480)の実施例において、較正曲線を記載する1つの式は、以下:
IDC=0.664[FERRO]+0.1717
Ae=3.14mm2
αEf=0.211μAmm−2mM
のように与えられ得る。
IDC=0.664[FERRO]+0.1717
Ae=3.14mm2
αEf=0.211μAmm−2mM
のように与えられ得る。
10μgのCAの付着物(データ点490)の実施例において、較正曲線を記載する1つの式は、以下:
IDC=0.1729[FERRO]+0.2703
Ae=3.14mm2
αEf=0.055μAmm−2mM
のように与えられ得る。
IDC=0.1729[FERRO]+0.2703
Ae=3.14mm2
αEf=0.055μAmm−2mM
のように与えられ得る。
電極付着物の程度が、較正曲線の傾きおよび切片の両方に影響することが見られ得る。図15は、電極付着物の程度と線形較正曲線のパラメーターとの間の関係(この実施例において、傾きおよび切片である)が、どのように表現され得るかの実施例である。データ点540は、量αEf1Aeによって与えられる、電極付着物の異なる程度について、[FERRO]をIDCに関連させる較正曲線の傾きの値を表す;データ点545は、量βEf2によって与えられる、電極付着物の異なる程度について、[FERRO]をIDCに関連させる較正曲線の切片の値を表す。これらの関係を記載するための1つの実施例のセットの式は、以下:
IDC=αEf1Ae[FERRO]+βEf2
αEf1Ae=−0.0708(MCA)+0.8853
βEf2=0.0444(MCA)2−0.5767(MCA)+1.6
であり、ここで、MCAは、電極に付着するために使用されるCAの質量(マイクログラム)である。当業者は、他の式および関係が、データの性質に依存して使用され得ることを認識する。
IDC=αEf1Ae[FERRO]+βEf2
αEf1Ae=−0.0708(MCA)+0.8853
βEf2=0.0444(MCA)2−0.5767(MCA)+1.6
であり、ここで、MCAは、電極に付着するために使用されるCAの質量(マイクログラム)である。当業者は、他の式および関係が、データの性質に依存して使用され得ることを認識する。
図14は、さらに、3つの異なる程度の付着物を有する電極を使用して、3つの濃度のフェロシアン化物について、測定電流、フェロシアン化物濃度、および電極付着物の程度の間の関係を説明する。データ点525は、5mMのフェロシアン化物を含むサンプル由来であり、データ点530は、3mMのフェロシアン化物を含むサンプル由来であり、そしてデータ点535は、2mMのフェロシアン化物を含むサンプル由来である。データを図14にプロットし、Y軸は、測定されたDC電流の逆数を表す。この実施例において、このような表示は、電極に付着するように使用されるCAの量と測定されるDC電流との間でおよその直線的関係が、観測されることを可能にする。当業者は、電気化学的システムの性質および付着物の性質に依存して、他の関係が存在し得ることを認識する。図14に示される実施例のデータにおいて、DC電流と付着物の程度との間の関係は、以下:
従って、電着付着物が無いという仮定で測定がなされる場合、この場合を表す較正曲線が使用され得る。しかし、電極が未知の程度まで付着される場合、不適切なフェロシアン化物の推定が計算され得る。例えば、電極が3.33μgのCAによって付着され、そして測定は、5mMのフェロシアン化物を含むサンプルで作製された場合、図14に従って、IDC=3.4μAである。この実施例において、電極付着物の程度が、既知でなく、定量されていないので、フェロシアン化物濃度を推定するために使用される較正曲線は、上記のように、付着されていない電極由来のデータを用いて構成される較正曲線である。この較正曲線を用いて、以下のフェロシアン化物濃度の不正確な推定が得られる:
図16は、付着物無し(データ点550)、電極に付着するように使用された3.33μgのCA(データ点555)、および電極に付着するように使用された10μgのCA(データ点560)で、電極を使用して、異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルから収集された1000HzのAC電流信号のピーク間振幅によって表される容量性信号データを示す。AC電流振幅が、付着物の程度によって大部分影響し、そしてフェロシアン化物の濃度によって最小限に影響することが、このデータから明らかである。従って、AC電流の平均値は、固定された程度の電極付着物を用いてなされた測定の各セットについて計算した。図17は、この実施例において、平均AC電流振幅(データ点565)と電極付着物の程度との間に直線的関係が存在する。電極付着物の程度とAC電流との間の関係を記載するための1つの較正式は、以下:
IAC=(−8.0598)(MCA)+119.05
によって与えられ、ここで、IACは、1000Hzのシヌソイド電流成分のピーク間振幅であり、そして、MCAは、電極に付着するように使用されるCAの質量である。
IAC=(−8.0598)(MCA)+119.05
によって与えられ、ここで、IACは、1000Hzのシヌソイド電流成分のピーク間振幅であり、そして、MCAは、電極に付着するように使用されるCAの質量である。
AC測定は、この実施例における分析物濃度に対して不感受性であり得、そして独立し得る。それゆえ、AC電流値は、電極付着物の程度を推定するために使用され得る。一旦、電極付着物の程度が推定されると、濃度較正曲線に対する補正は、フェロシアン化物濃度のより正確な推定を生じるようになされ得る。
図16に従って、3.33μgのCAによって付着された電極を用いて5mMのフェロシアン化物を含むサンプルを測定する実施例を続けて、96.8μAのAC電流が記録される。AC電流をCAの質量と関連させる較正曲線を使用して、CAの質量の以下の推定は、以下:
電極付着物の測定としてCAのこの推定された質量を使用して、較正曲線傾きおよび切片に対する補正因子は、上記されるような方程式を使用して決定され得る:
これは、電極付着物の程度の変分から生じる測定誤差に対して補正するための容量性の信号情報を使用する1つの例の実施形態を示す。この実施例は、正弦波の1つの周波数を用いて例示されたが、本方法に対する改善は、シヌソイド刺激の複数周波数からの情報を使用することによって実現され得、使用されるべき補正方程式の1セットを構成する周波数の周波数のある範囲を含む。改善の別の例は、より大きなデータマトリクスを用いて較正曲線を構成することである。図14、図15、図16、および図17は、3つの程度の付着物を有する電極からの較正データを示すが;較正データは、異なる範囲の付着物のより大きな選択を用いて電極から獲得され、より洗練されたセットの較正曲線を作成し得る。同様に、データは、多くのより異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルから獲得され、より洗練されたセットの較正曲線を作成する。改善の別の例は、AC電流信号の虚部を使用することである。なぜなら、AC信号の虚部は、電気化学的システムの容量特性を反映することが期待されるからである。
(実施例3)
容量測定の有用な利益の別の例は、サンプルが変化する時点を検出することである。図19に示されるように、燃料タンク貯蔵において外来材料が、これらのタンクに漏れる状況が存在し得る。例えば、ガソリン製品を含む燃料タンクに水がしみ入ることは、まれなことではない。いくつかの状況において、水およびガソリンは、混合することが出来ず、各液体は、タンク内で層に分離する。これは、上に水の層58を有するガソリンの層56によって、図中に示される。同様にこの水相の上に空気空間の層60が存在し得る。電極62、64、66、68、70、72、74のアレイが、タンクの側面に沿って並ぶ場合、ガソリン層内の水層の分布を空間的に解明することは可能であり得る。これが実施され得る1つの方法は、CDASを測定することによって各電極システム62、64、66、68、70、72、74の容量を測定することによる方法である。1つの例において、これは、小さな振幅の高振動数の正弦波を、電極システムに印加し、そして得られた電流を測定することによって、達成され得る。AC電流成分は、電気化学的システムに関する容量性情報を含む。ガソリンサンプルおよび水サンプルに対するCDASプロフィールを含む外部データ30を参照することによって、導出された物理量計算プロセス28は、水サンプルと接触したセットの電極72および70、そして、ガソリンサンプルと接触した電極(62、64、66、68)、そしていずれとも接触しなかった電極74を決定し得る。次いで、これは、ガソリン貯蔵タンクへの水のしみ出た量を空間的に解明することを可能にし得る。この例において、2体積部のガソリンに対して約1体積部の水がタンク中に存在することが推定され得る。なぜなら、2つのセンサ72および70が、水58と接触し、4つのセンサ62、64、66、68が、ガソリン56と接触するからである。
容量測定の有用な利益の別の例は、サンプルが変化する時点を検出することである。図19に示されるように、燃料タンク貯蔵において外来材料が、これらのタンクに漏れる状況が存在し得る。例えば、ガソリン製品を含む燃料タンクに水がしみ入ることは、まれなことではない。いくつかの状況において、水およびガソリンは、混合することが出来ず、各液体は、タンク内で層に分離する。これは、上に水の層58を有するガソリンの層56によって、図中に示される。同様にこの水相の上に空気空間の層60が存在し得る。電極62、64、66、68、70、72、74のアレイが、タンクの側面に沿って並ぶ場合、ガソリン層内の水層の分布を空間的に解明することは可能であり得る。これが実施され得る1つの方法は、CDASを測定することによって各電極システム62、64、66、68、70、72、74の容量を測定することによる方法である。1つの例において、これは、小さな振幅の高振動数の正弦波を、電極システムに印加し、そして得られた電流を測定することによって、達成され得る。AC電流成分は、電気化学的システムに関する容量性情報を含む。ガソリンサンプルおよび水サンプルに対するCDASプロフィールを含む外部データ30を参照することによって、導出された物理量計算プロセス28は、水サンプルと接触したセットの電極72および70、そして、ガソリンサンプルと接触した電極(62、64、66、68)、そしていずれとも接触しなかった電極74を決定し得る。次いで、これは、ガソリン貯蔵タンクへの水のしみ出た量を空間的に解明することを可能にし得る。この例において、2体積部のガソリンに対して約1体積部の水がタンク中に存在することが推定され得る。なぜなら、2つのセンサ72および70が、水58と接触し、4つのセンサ62、64、66、68が、ガソリン56と接触するからである。
当業者はまた、電気化学的システムの容量関連特性の値を計算することにおいて、データの他の供給源を使用する可能性を認識する。1つの例としては、異なる電極構成およびサンプル構成についての容量値のデータベースを生成することが挙げられる。例えば、以下についてのアドミタンススペクトルのセットを開発することは可能であり得る:
1.所定のサンプル中の種々のイオン強度のバックグラウンド電解質;
2.電極を覆う特定の膜または膜の部分の種々の厚さ;
3.電極を汚染し得る物質の種々の厚さ;
4.種々のサンプル;
5.種々の電極形態。
1.所定のサンプル中の種々のイオン強度のバックグラウンド電解質;
2.電極を覆う特定の膜または膜の部分の種々の厚さ;
3.電極を汚染し得る物質の種々の厚さ;
4.種々のサンプル;
5.種々の電極形態。
当業者はまた、他の信号パラメ−ターを使用し、電極システムについての容量性情報を得る可能性を認識する。1つの例としては、階段電位に応じた測定信号の減衰の初期速度が挙げられる。別の例は、サイクリックボルタンメトリーの電気化学的技術が使用される場合に観察される、ヒステリシスの量である。
図18は、上記される種々の方法を実行するために使用され得るグルコースメーターの例示的実施形態を示す。このメーターは、試験ストリップをこのメーターに連結するための試験ストリップコネクター600を備える。試験ストリップは、例えば、3つの電極(作用電極、参照電極、および対向(counter)電極)を備え得る。
信号条件付け回路602は、試験ストリップコネクター600に連結され、そして試験ストリップにおいて電極に対して印加される波形のフィルタリングを実施する。信号条件付け回路604は、試験ストリップから得られた電流信号のフィルタリングを実施し、電流信号を記録する。回路602および604は、ポテンシオスタット回路として公知である回路を一緒に構成する。DAC606は、コントローラー610からのデジタル信号を、アナログ信号に変換する。ADC608は、アナログ信号を、コントローラー610による使用のためのデジタル形式に変換する。コントローラー610は、例えば、図5および6の前述の例示的実施形態において教示された様式での試験ストリップコネクターによって検知される電流信号を処理することによって、メーター中で信号を処理する。
ボタン612は、ユーザーがメーターを操作するためのユーザーインターフェースを提供する。出力回路614は、通常は電池の形態で、メーターに対して電力を提供し、LCD616は、ユーザーに対してグルコース濃度を示す。
図18のメーターの形式、ならびに本明細書中において図5〜7において教示される信号処理のシステムおよび方法は、グルコース以外の分析物を検知するために使用され得ることに留意すべきである。このような適用としては、電気化学免疫アッセイ検知;工業的気体検知、水質モニタ(生物学的金属または毒性金属)、化学戦争兵器剤および生物戦争兵器剤の検知が挙げられる。
本明細書中で教示される信号処理技術はまた、現存する検知デバイス(例えば、現存するグルコーステスター)に適用され得る。この改変は、現存するコントローラーに対するファームウェアアップグレードの形態で存在し得る。
ファームウェアアップグレードの機能は、本明細書中に教示される、以下の信号処理技術を実行することである:
1)サンプルに対してカスタマイズされた波形を印加すること。波形の形状をコードするデータは、メモリー中に存在し得、このデータは、マイクロプロセッサーによって読み取られ、所望の波形が、生成され、そしてデジタルからアナログへの変換器(例えば、図18のDAC606)に適用され得る。
2)生じた電流信号の読み込み。ファームウェアは、マイクロプロセッサーに、アナログデジタル変換器(例えば、図18のADC608)からのデジタル化されたデータ(試験ストリップから検知された)の読み込みを指示し得、このデジタル化されたデータをメモリに保存し得る。ファームウェアは、所望のデータを読み込むために必要とされるメモリー管理を実施し得る。
3)信号処理を実行するための数学的操作を実施する。これは、ファームウェアの指示に従ってパラメーターを計算する(例えば、信号のフーリエ変換を計算する)工程、および(例えば、図5または図6の方法によって生成された)推定式においてこれらのパラメーター値を使用して、グルコース濃度を決定する工程を包含する。
1)サンプルに対してカスタマイズされた波形を印加すること。波形の形状をコードするデータは、メモリー中に存在し得、このデータは、マイクロプロセッサーによって読み取られ、所望の波形が、生成され、そしてデジタルからアナログへの変換器(例えば、図18のDAC606)に適用され得る。
2)生じた電流信号の読み込み。ファームウェアは、マイクロプロセッサーに、アナログデジタル変換器(例えば、図18のADC608)からのデジタル化されたデータ(試験ストリップから検知された)の読み込みを指示し得、このデジタル化されたデータをメモリに保存し得る。ファームウェアは、所望のデータを読み込むために必要とされるメモリー管理を実施し得る。
3)信号処理を実行するための数学的操作を実施する。これは、ファームウェアの指示に従ってパラメーターを計算する(例えば、信号のフーリエ変換を計算する)工程、および(例えば、図5または図6の方法によって生成された)推定式においてこれらのパラメーター値を使用して、グルコース濃度を決定する工程を包含する。
ファームウェアによって実施された他のプロセスは、現存するファームウェアに残され得、アップグレードの一部である必要はない。例えば、ファームウェアはまた、(例えば、LCD616ディスプレイによる)ユーザーに対する結果の表示を制御し得、メーターの他の「舞台裏の(behind the scenes)」操作(例えば、電力管理)は、ユーザーの要求(例えば、データのスクローリング、データの平均化、PCへのデータ転送など)に応答する。
さらなる種々の改変および変分が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明においてなされ得ることは、当業者に明らかである。
本発明の他の実施形態は、本明細書の考察および本明細書中に開示される本発明の実施から、当業者に明らかになる。本明細書および実施例は、例としてのみ考慮され、本発明の真の範囲が、以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
本明細書に組み込まれ、そして本明細書の一部を成す添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を例示し、そしてその記載と共に、本発明の原理を説明するために役立つ。
Claims (45)
- 電気化学的システムにおいてサンプル中の選択分析物をモニタする方法であって、以下:
該電気化学的システムに、DC電位上に重ねられる時間変動電位を印加し、信号を発生させる工程;および
ファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基いて推定式を解くことにより、該選択分析物からの寄与を、該信号から識別する工程
を包含する、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、ここで前記非ファラデー信号成分が、前記電気化学的システムの環境因子を示す、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記ファラデー信号成分が、前記選択分析物の濃度を示す、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記DC電位が、約0ボルトである、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、約50mV未満の最高最低振幅の実質的なシヌソイド電位波形を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、サイクリックボルタンメトリーにおいて用いられる波形である、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、階段関数である、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、50mVより大きな変動を有し、そして容量性情報が、推定式より導き出される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで容量性情報が、スペクトル分析により非ファラデー信号成分から導き出される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、シヌソイド電位であり、そして前記推定式が、前記信号の基本振動数から得られる情報を用いる、方法。
- 電気化学的システム中に存在するサンプルの体積を決定する方法であって、ここで、該電気化学的システムは、表面を有する電極を有し、ここで、該表面は、接触部分および非接触部分を含み、ここで、該電極の該接触部分は、該サンプルと電解接触しており、そして該電極の該非接触部分は、該サンプルと接触しておらず、該方法は、以下:
電位刺激を該システムに印加し、信号を発生させる工程;
該信号を測定する工程;
該発生した信号の全てまたはある部分の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;および
該少なくとも1つのパラメーターに基づいて推定式を解くことにより該接触部分の表面積を決定し、ここで、該表面積は、該サンプルと電解接触している部分と対応する、工程を包含する、方法。 - 請求項11に記載の方法であって、ここで前記少なくとも1つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、ここで電気化学的電池中に存在する前記サンプルの前記体積が、該電気化学的電池の表面積および次元に基づいて、推定式により解かれる、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、平行な板の形状において少なくとも2つの平面電極から構成される、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、同じ形状の平面に置かれている支持基板上の少なくとも2つの電極から構成される、方法。
- 電気化学的システム中の複数の環境因子を決定する方法であって、ここで、該電気化学的システムが、表面を有する電極を含み、ここで、該表面が、接触部分および非接触部分を含み、ここで、該電極の該接触部分が、該サンプルと電解接触しており、そして該電極の該非接触部分が、該サンプルと接触しておらず、該方法は、以下:
時間変動電位刺激を該システムに印加して、信号を発生する工程;
該信号を測定する工程;
該信号の全てまたはある部分の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;および
該少なくとも1つのパラメーターに基づいて推定式を解くことにより該複数の環境因子の値を決定する工程
を包含する、方法。 - 請求項16に記載の方法であって、ここで前記少なくとも1つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、表面積を有する電極を含み、ここで前記サンプルと電解接触している該表面積が、前記少なくとも1つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、面積を有する電極を含み、ここで該面積が、前記少なくとも1つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、多量の付着物を有する電極を含み、ここで該付着物が、前記少なくとも1つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、重ねられたシヌソイド電位を有するDCバイアス電位である、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、ここで前記DCバイアスが、約0ボルトである、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、ここで前記推定式が、前記信号から容量性情報を導き出す、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、ここで前記シヌソイド電位が、約50mV未満の最高最低振幅を有する、方法。
- 請求項17に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記電気化学的システムの複素イミッタンスの虚数成分に基づく、方法。
- 請求項17に記載の方法であって、ここで前記時間変動電流が、振幅を有し、ここで前記容量性情報が、該振幅に基づく、方法。
- 請求項17に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記信号の減衰速度に基づく、方法。
- 請求項17に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記信号の立上がり速度に基づく、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該サンプルの体積が、決定される、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、グルコースである、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、炭水化物である、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、媒介物種である、方法。
- 請求項32に記載の方法であって、ここで前記媒介物種が、フェロセン/フェロセニウム対である、方法。
- 請求項32に記載の方法であって、ここで前記媒介物種が、フェロシアン化物/フェリシアニド対である、方法。
- 電気化学的システム中のサンプル中の分析物濃度を推定する方法であって、以下:
時間変動電位を該システムに印加して信号を発生させる工程;
該信号を測定する工程;
該信号の全てまたはある部分の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;および
ファラデー信号情報および非ファラデー信号情報に基づいて推定式を解くことにより該分析物濃度を決定する工程
を包含する、方法。 - 請求項35に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、電極を含み、ここで電極の面積が、前記少なくとも1つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項35に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、多量の付着物を有する電極を含み、ここで該付着物が、前記少なくとも1つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項35に記載の方法であって、ここで前記サンプルと電解接触する程度が、前記少なくとも1つのパラメーターに基いて推定式を解くことにより決定される、方法。
- 請求項35に記載の方法であって、ここで前記少なくとも1つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
- 装置であって、以下:
電位波形を電気化学的システムに印加し、電気化学的システムから生じる電流を検出するためのポテンシオスタット回路;および
プログラム指示を有する少なくとも1つのメモリおよび該プログラム指示を実行するように構成されたプロセッサであって;
時間変動電位刺激波形を電極システムに印加し、電流信号を発生させる操作;
発生した該信号を測定する操作;
測定した信号のファラデー成分の少なくとも1つのパラメーターを計算する操作;
該測定した信号の非ファラデー成分の少なくとも1つのパラメーターを計算する操作;
該少なくとも1つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも1つの非ファラデーパラメーターを用いて選択分析物の濃度を決定し、該選択分析物についての推定式を解く操作;ならびに
該少なくとも1つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも1つの非ファラデーパラメーターを用いて該電気化学的システムにおける環境因子の値を決定し、該環境因子の値について該推定式を解く操作を実施するための、メモリおよびプロセッサ
を備える、装置。 - サンプル中の選択分析物をモニタするための推定式を構築する方法であって、以下:
時間変動電位波形を選択して、電気化学的システムに印加される場合に信号を発生させる工程;
該波形を、複数の異なる濃度の該分析物を含むサンプルに印加し、そして生じる信号を測定する工程;
該波形を、複数の異なる環境因子を有するシステムに印加する工程;該信号の特徴を選択し、パラメーターとして用いる工程;
ファラデー信号成分に基づいて、該信号の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;非ファラデー信号成分に基づいて、該信号の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;および
分析物濃度および環境因子の値を該少なくとも1つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも1つの非ファラデーパラメーターに関する一組の式を構築する工程
を包含する、方法。 - 電気化学的システムと電解接触しているサンプルの同一性を決定する方法であって、以下:
時間変動電位を該システムに印加して、信号を発生させる工程
該発生した信号を測定する工程;
該発生した信号の全てまたはある部分の少なくとも1つのパラメーターを計算する工程;および
該少なくとも1つのパラメーターを既知のサンプルの既知のパラメーター値と比較することにより、該サンプルの同一性を決定する工程
を包含する、方法。 - 請求項42に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、形状の整列において複数の電極から構成される、方法。
- 請求項42に記載の方法であって、ここで電気化学的システム中に存在する異なるサンプルの量が、推定される、方法。
- 請求項42に記載の方法であって、ここで特定のサンプルと電解接触している電極の数が、該特定のサンプルの体積を推定するために用いられる、方法。
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