JP2007531877A - バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化するためのバイオセンサシステム、方法及び装置が提供される。分析対象物値の一次測定を得る。二次的効果の二次測定を得て、しきい値と比較する。比較値に応じて修正関数を特定する。修正関数を分析対象物値の一次測定に適用して修正分析対象物値を提供する。修正方法は、干渉効果を考慮して修正するために提供される修正曲線を使用する。修正曲線は、一次関数的であることもできるし、非一次関数的であることもできる。修正方法は、様々な、しきい値を超える修正関数及びしきい値未満の修正関数を提供する。修正関数は、修正される一次測定に依存してもよいし、依存しなくてもよい。修正関数は、一次関数的であることもできるし、非一次関数的であることもできる。

Description

本発明は一般にバイオセンサに関し、より具体的には、バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法及び装置に関する。

関連技術の説明
体液中の分析対象物の定量は、特定の生理学的異常の診断及び維持に非常に重要である。たとえば、特定の個人においては、乳酸、コレステロール及びビリルビンを監視すべきである。特に、体液中のグルコースの測定は、食事におけるグルコース摂取を規制する手段として体液中のグルコース値を頻繁に検査しなければならない糖尿病患者にとって非常に重要である。本明細書の開示内容の残りはグルコースの測定に関するが、本発明の方法及び装置は、適切な酵素の選択により、他の分析対象物の測定にも使用することができることが理解されよう。流体中のグルコースの検出に理想的な診断装置は、試験を施行する技術者側に高度な熟練を要しないよう、簡単なものでなければならない。多くの場合、これらの試験は患者によって施行され、それが、実施しやすい試験の必要性をさらに強調する。さらには、このような装置は、長期的な貯蔵の状況を満たすのに十分に安定である要素に基づくべきである。

流体中の分析対象物濃度を測定する方法は、酵素及びその酵素に特異的な分析対象物ならびに酵素をその初期酸化状態に維持する媒介物の間の電気化学的反応に基づくことができる。適当な酸化還元酵素としては、オキシダーゼ、デヒドロゲナーゼ、カタラーゼ及びペルオキシダーゼがある。たとえば、グルコースが分析対象物である場合、グルコースオキシダーゼ及び酸素との反応は、式（Ａ）によって示される。

比色検定では、放出された過酸化水素が、ペルオキシダーゼの存在で、試験流体中のグルコースの値に比例する変色を酸化還元指示薬に生じさせる。比色試験は、酸化還元指示薬の変色を既知のグルコース濃度の試験流体を使用して得られた変色と比較するためのカラーチャートの使用によって半定量的にすることができ、分光光度測定機器を用いて結果を読むことによってさらに定量的にすることができるが、その結果は一般に、電気化学的バイオセンサを使用して得られる結果ほど正確ではなく、電気化学的バイオセンサを使用する場合ほど速やかには得られない。本明細書で使用する「バイオセンサシステム」とは、適切な試料中の分析対象物に選択的に応答し、生物学的認識信号と物理化学変換器との組み合わせを介してその濃度を電気信号に変換する分析装置をいう。

そして、電子の流れは、グルコース濃度に直接相関する電気信号に変換される。

式（Ａ）によって示される反応の初期ステップでは、試料中に存在するグルコースが、酵素の酸化フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）中心をその還元形態（ＦＡＤＨ₂）に転換する。これらの酸化還元中心は酵素分子内では本質的に電気絶縁されるため、従来の電極の表面への直接的な電子移送は、許容できないほど高い過電圧が存在しない限り、測定しうる程度には起こらない。このシステムにおける改良は、（ＦＡＤＨ₂）と電極との間で電子を移すための電極と酵素との間の非物理的酸化還元結合の使用を含む。これは以下のスキームによって示される（式中、通常は媒介物と呼ばれる酸化還元カプラをＭによって示す）。

このスキームでは、ＧＯ（ＦＡＤ）はグルコースオキシダーゼの酸化形態を表し、ＧＯ（ＦＡＤＨ₂）はその還元形態を示す。媒介種Ｍ_redは、還元酵素から電極へと電子を移し、それにより、酵素を酸化させてその場で再生させるが、それは当然、経済性の理由から望ましい。媒介物を使用する主な目的は、センサの作動電位を下げることである。理想的な媒介物は、電極で、化学層中の不純物及び試料中の干渉物質が酸化されず、それによって干渉を最小限にする低い電位で再び酸化されるであろう。

多くの化合物が、還元酵素から電子を受容し、その電子を電極に移送する能力のおかげで、媒介物として有用である。分析測定における電子移送剤として有用であることが知られている媒介物としては、米国特許第４，７４６，６０７号に開示されている置換ベンゾキノン類及びナフトキノン類、ＥＰ０３５４４４１に具体的に開示されているＮ酸化物、ニトロソ化合物、ヒドロキシルアミン類及びオキシン類、ＥＰ０３３０５１７に開示されているフラビン類、フェナジン類、フェノチアジン類、インドフェノール、置換１，４−ベンゾキノン類及びインダミンならびに米国特許第３，７９１，９８８号に記載されているフェナジニウム／フェノキサジニウム塩がある。生物学的酸化還元系の電気化学的媒介物の包括的な考察が、Analytica Clinica Acta. 140 (1982), Pp 1-18に見いだすことができる。

より古くからある媒介物としては、Clinica Chimica Acta., 57 (1974), Pp. 283-289でSchlapferらによって論じられている、フェリシアン化物としても知られるヘキサシアノ鉄酸塩がある。米国特許第４，９２９，５４５号には、試料中の分析対象物を酵素的に測定するための組成物における、可溶性第二鉄化合物と組み合わせた可溶性フェリシアン化物の使用が開示されている。式（Ａ）における酸素をフェリシアン化物の鉄塩で置換すると、フェリシアン化物がグルコースオキシダーゼ酵素からの電子の受容により、フェロシアン化物に還元される。

この反応を表すもう一つの方法は、以下の式（Ｃ）を用いることによる。

放出される電子は、試験流体中のグルコースの量に正比例し、流体に電位を印加したとき流体を通じて発生する電流の測定によってそれに相関させることができる。陽極におけるフェロシアン化物の酸化がサイクルを更新する。

２００２年５月２１日に発行され、本発明の譲受人に譲渡される、Huangらへの米国特許第６，３９１，６４５号は、バイオセンサにおける周囲温度効果を修正する方法及び装置を開示している。周囲温度値を測定する。試料をバイオセンサに付着させたのち、試料で発生した電流を測定する。その電流から、標準応答曲線によって実測分析対象物濃度値を計算する。そして、測定周囲温度値を使用して実測分析対象物濃度を変更し、それによって分析対象物測定の精度を高める。分析対象物濃度値は、以下の式を解くことによって計算することができる。

式中、Ｇ１は前記実測分析対象物濃度値であり、Ｔ₂は前記測定周囲温度値であり、ｌ１、ｌ２、Ｓ１及びＳ２は所定のパラメータである。

米国特許第６，３９１，６４５号によって開示される方法及び装置は、分析対象物測定の精度における改善を提供したが、分析対象物濃度を測定するいかなるシステムにも適用することができる改良された修正機構が要望されている。

本明細書及び請求の範囲で使用する「バイオセンサ」とは、適切な試料中の分析対象物に選択的に応答し、その濃度を電子信号に変換する分析装置又はバイオセンサシステムの電気化学的センサストリップ又はセンサ要素をいう。バイオセンサは、電気信号を直接発して、簡単な機器設計を容易にする。また、バイオセンサは、薄い薬品層が電極に付着されるだけであり、材料がほとんど無駄にならないため、低い材料コストの利点を提供する。

「試料」は、未知の量の分析対象物を含有する組成物と定義される。通常、電気化学的分析の試料は液体形態であり、好ましくは、試料は水性混合物である。試料は、生物学的試料、たとえば血液、尿又は唾液であってもよい。試料は、生物学的試料に由来するもの、たとえば抽出物、希釈物、ろ液又は再構成沈殿物であってもよい。

「分析対象物」は、その存在又は量が測定される、試料中の物質と定義される。分析対象物は、分析中に存在する酸化還元酵素と相互作用し、その酸化還元酵素の基質、補酵素又は酸化還元酵素とその基質との間の相互作用に影響する別の物質であることができる。

発明の概要
本発明の重要な局面は、バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法及び装置をはじめとする、試料中の物質の存在又は量を測定するための新規で改良されたバイオセンサシステムを提供することである。

簡潔にいうと、バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法及び装置が提供される。試料をバイオセンサに付着させ、分析対象物値の一次測定を得る。二次的効果の二次測定を得、しきい値と比較する。比較値に応じて修正関数を特定する。この修正関数を分析対象物値の一次測定に適用して修正分析対象物値を提供する。

本発明の特徴にしたがって、修正方法は、干渉効果を考慮して修正するために提供される修正曲線を使用する。修正曲線は、一次関数的であることもできるし、非一次関数的であることもできる。修正方法は、様々な、しきい値を超える修正関数及びしきい値未満の修正関数を提供する。修正関数は、修正される一次測定に依存してもよいし、依存しなくてもよい。修正関数は、一次関数的であってもよいし、非一次関数的であってもよい。

本発明の特徴にしたがって、二次的効果の二次測定は、修正関数を特定するために別々に又は組み合わせて使用される複数の効果を含む。たとえば、報告される結果の精度に対する二次的効果の干渉を最小限にするために特定され、使用される二次的効果としては、温度、ヘモグロビン及び血液試料のヘマトクリット濃度がある。

本発明ならびに上記及び他の目的及び利点は、図面に例示する本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明から明確に理解することができる。

好ましい実施態様の詳細な説明
ここで図面を参照すると、図１には、全体を参照番号１００として指定し、本発明の原理にしたがって構成されたバイオセンサシステムのブロック図が示されている。バイオセンサシステム１００は、マイクロプロセッサ１０２を、プログラム及び使用者データならびに本発明にしたがって二次的効果のしきい値ベースの修正を具現化するための修正曲線を記憶するための対応するメモリ１０４とともに含む。試験値、たとえば血糖試験値を記録するため、バイオセンサ１０８に結合されたメータ機能１０６がマイクロプロセッサ１０２によって動作的に制御される。バイオセンサシステム１００の血液試験シーケンスモードを実行するために、ユーザＯＮ／ＯＦＦ入力操作に応答するライン１１０のＯＮ／ＯＦＦ入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。バイオセンサ１００のシステム機能モードを選択的に実行するため、ユーザ入力操作に応答するライン１１２のシステム機能入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。本発明にしたがってセンサ１０８に対する干渉効果、たとえば温度情報を検出するために、ライン１１６に示す温度信号入力を発するサーミスタ１１４がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。場合によってはメータ機能１０６によって提供される、干渉物質、たとえばヘモグロビンの第二の測定のために、ライン１２０に示す信号入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。

試験結果を含む情報をユーザに表示するため、表示装置１３０がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。バッテリ低下又はバッテリ切れ状態を検出するために、バッテリ監視機能１３２がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。既定のシステム状態を検出し、バイオセンサシステム１００のユーザに警報指示を発するために、警報機能１３４がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。接続されたコンピュータ（図示せず）との間でデータを結合するために、データポート又は通信インタフェース１３６が設けられている。マイクロプロセッサ１０２は、図２に示すように本発明の方法を実行するのに適当なプログラミングを含む。

バイオセンサシステム１００は、本発明を理解するのに十分な簡略化形態で示されている。例示するバイオセンサシステム１００は、アーキテクチャ的又は機能的限定を意味することを意図しない。本発明は、様々なハードウェアの実施及びシステムとで使用することができる。

本発明にしたがって、バイオセンサシステム１００は、たとえば、温度偏りを減らすために、以下の表１に示し、図２に関して例示し、説明する一般的な形態を有する好ましい実施態様の修正方法を実行する。本発明は、二次的効果、たとえば干渉物質又は温度効果を考慮して修正することにより、診断化学試験の精度を有利に改善するアルゴリズム的修正法を提供する。

本発明は、分析対象物濃度を一次測定として測定したのち、干渉物質、たとえばヘモグロビン又は干渉効果、たとえば温度の第二の測定を使用して二次的効果に関して補正し、報告される結果の精度を改善する、電気化学的か光学的かを問わない、いかなるシステムにも適用することができることが理解されよう。

報告される結果の精度に対するヘマトクリット又は赤血球体積分率からの干渉を最小限にすることが望ましい。全血の導電率又はインピーダンスはヘマトクリット濃度に依存する。メータ機能１０６は、信号入力ライン１２０における試料流体の抵抗値を測定するために使用することができ、その測定値は、有利には、報告される結果に対するヘマトクリットの効果を考慮して修正するために使用することができる。たとえば、測定抵抗値は、有利には、血液中の対象物の濃度を測定するために、血液試料のヘマトクリット濃度を推定し、次いでヘマトクリット効果を考慮して測定を修正するために使用される。本発明は、ヘマトクリットからの干渉及び温度効果を含む二次的効果を考慮して修正することによって診断化学試験の精度を有利に改善するアルゴリズム的修正方法を提供する。

本発明にしたがって、アルゴリズム的修正方法は、明確な干渉効果を考慮して修正するために自在に調整することができる、たとえば図３及び４に関して例示し、説明するような修正曲線を使用する。修正曲線は、一次関数的であることもできるし、非一次関数的であることもできる。アルゴリズム的修正方法は、以下のように式の係数だけを変えることによって変更することができる特性を有する。第一に、様々な、しきい値を超える修正関数及びしきい値未満の修正関数を提供することができる。第二に、修正関数は、修正される一次測定に依存することもできるし、依存しないこともできる。第三に、修正に使用される関数は、一次関数的であってもよいし、非一次関数的であってもよい。

次に図２を参照すると、バイオセンサシステム１００において二次的効果のしきい値ベースの修正を実施する、たとえば周囲温度効果を修正するための方法の、本発明にしたがって実行される典型的な論理ステップが示されている。ブロック２００で示すように、ストリップを挿入し、次いで、ブロック２０２で示すように、試料が付着されるまで待機する。ブロック２０４で示すように、一次測定Ｇｎを得る。次に、ブロック２０６で示すように、修正Ｇｎ（Ｔ）に使用される二次測定Ｔを得る。決定ブロック２０８で示すように、二次測定Ｔをしきい値Ｔｃと比較する。二次測定Ｔがしきい値Ｔｃ以下であるならば、ブロック２１０で示すように、修正の大きさを制御するための係数Ａを特定する（Ａ＝ｆ（Ｇｎ））。次に、ブロック２２０で示すように、修正Ｃｎを計算する（Ｃ_n＝Ｆ*Ｔ＋Ａ*（Ｔ_c−Ｔ）＋Ｈ）。そうではなく、二次測定Ｔがしきい値Ｔｃよりも大きいならば、ブロック２１４で示すように、修正の大きさを制御するための係数Ｉを特定する（Ｉ＝ｆ２（Ｇｎ））。次に、ブロック２１６で示すように、修正Ｃｎを計算する（Ｃ_n＝Ｆ*Ｔ＋Ｉ*（Ｔ−Ｔ_c）＋Ｈ）。ブロック２１８で示すように、最終的な修正結果Ｇｃを計算して（Ｇｃ＝Ｇｎ／Ｃｎ）、ブロック２２０で示すように修正アルゴリズムを終了する。

次に図３及び４を参照すると、全体を参照番号３００及び４００によって指定する、典型的な理論上の修正ラインを示す第一及び第二の例が示されている。図３及び４では、垂直軸に対して修正率（％）が示され、水平軸に対して二次測定Ｔが示されている。しきい値Ｔｃが、Ｔｃと表記した線によって示されている。

図３は、修正が一次測定濃度Ｇｎに依存する場合の、様々な一次測定濃度Ｇｎにおける等値修正ラインを示す。図３の例３００で示すように、二次測定Ｔがしきい値Ｔｃを上回る又は下回る場合、修正Ｃｎの大きさは分析対象物濃度Ｇｎとともに変化する。図４は、修正が、しきい値Ｔｃを上回る一次測定濃度Ｇｎに依存する場合及び一定であり、しきい値Ｔｃ以下の一次測定濃度Ｇｎに依存しない場合の、様々な一次測定濃度Ｇｎにおける等値修正ラインを示す。

図面に示す本発明の実施態様の詳細を参照して本発明を説明したが、これらの詳細は、請求項に係る発明の範囲を限定することを意図したものではない。

本発明のバイオセンサシステムのブロック図である。 図１のバイオセンサシステムにおいて二次的効果のしきい値ベースの修正を具現化する方法、たとえば周囲温度効果を修正する方法の、本発明にしたがって実行される典型的な論理ステップを示すフローチャートである。 本発明の修正特性を示す典型的な記憶された修正曲線のグラフである。 本発明の修正特性を示す典型的な記憶された修正曲線のグラフである。

Claims (23)

1. バイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法であって、
   試料をバイオセンサに付着させ、分析対象物値の一次測定を得るステップ、
   二次的効果の二次測定を得るステップ、
   前記二次的効果の二次測定をしきい値と比較するステップ、
   前記比較値に応じて修正関数を特定するステップ、及び
   前記特定した修正関数を前記一次測定に適用して修正分析対象物値を提供するステップ
   を含む方法。
2. 前記比較値に応じて修正関数を特定するステップが、前記しきい値以下の二次的効果の前記二次測定を特定して、前記修正関数の大きさを制御するための第一の係数Ａを特定するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
3. Ｃ_n＝Ｆ*Ｔ＋Ａ*（Ｔ_c−Ｔ）＋Ｈ
   によって示される前記修正関数を計算するステップをさらに含む、請求項２記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
   （式中、Ｔは前記二次的効果の二次測定を表し、Ｔ_cは前記しきい値を表し、Ｆ、Ｈは既定の係数である。）
4. 前記特定した修正関数を前記一次測定に適用して修正分析対象物値を提供するステップが、
   Ｇｃ＝Ｇｎ／Ｃｎ
   によって示される前記修正分析対象物値を計算するステップをさらに含む、請求項３記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
   （式中、Ｇｎは前記分析対象物値の前記一次測定を表す。）
5. 前記比較値に応じて修正関数を特定するステップが、前記しきい値よりも大きい前記二次的効果の二次測定を特定して、前記修正関数の大きさを制御するための係数Ｉを特定するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
6. Ｃ_n＝Ｆ*Ｔ＋Ｉ*（Ｔ−Ｔ_c）＋Ｈ
   によって示される前記修正関数を計算するステップをさらに含む、請求項５記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
   （式中、Ｔは前記二次的効果の二次測定を表し、Ｔ_cは前記しきい値を表し、Ｆ、Ｈは既定の係数である。）
7. 前記特定した修正関数を前記一次測定に適用して修正分析対象物値を提供するステップが、
   Ｇｃ＝Ｇｎ／Ｃｎ
   によって示される前記修正分析対象物値を計算するステップをさらに含む、請求項６記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
   （式中、Ｇｎは前記分析対象物値の前記一次測定を表す。）
8. 前記比較値に応じて修正関数を特定するステップが、干渉効果を考慮して修正するために提供される既定の修正曲線を記憶するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
9. 前記比較値に応じて修正関数を特定するステップが、前記しきい値以下の前記二次的効果の二次測定に応じて第一の係数Ａを特定するステップ及び前記特定した第一の係数Ａに応じて前記修正関数を特定するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
10. 前記比較値に応じて修正関数を特定するステップが、前記しきい値よりも大きい前記二次的効果の二次測定に応じて第二の係数Ｉを特定するステップ及び前記特定した第二の係数Ｉに応じて前記修正関数を特定するステップを含む、請求項９記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
11. 第一の係数Ａを特定するステップ及び第二の係数Ｉを特定するステップが、前記二次的効果の二次測定の特性を表す記憶された修正曲線を提供するステップを含む、請求項１０記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
12. 前記特定した第二の係数Ａに応じて前記修正関数を特定するステップ及び前記特定した第二の係数Ｉに応じて前記修正関数を特定するステップが、前記修正関数のための一次関数を特定するステップを含む、請求項１０記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
13. 前記特定した第二の係数Ａに応じて前記修正関数を特定するステップ及び前記特定した第二の係数Ｉに応じて前記修正関数を特定するステップが、前記修正関数のための非一次関数を特定するステップを含む、請求項１０記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
14. 前記修正関数を特定するステップが、前記分析対象物値の前記一次測定に依存する少なくとも一つの係数値を使用して前記修正関数を特定するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
15. 前記修正関数を特定するステップが、前記分析対象物値の前記一次測定に依存する既定値である少なくとも一つの係数値を使用して前記修正関数を特定するステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
16. 二次的効果の二次測定を得るステップが、温度測定を得るステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
17. 分析対象物がグルコースであり、二次的効果の二次測定を得るステップが、ヘモグロビン測定を得るステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
18. 分析対象物がグルコースであり、二次的効果の二次測定を得るステップが、ヘマトクリット濃度を示す測定を得るステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
19. 分析対象物がグルコースであり、二次的効果の二次測定を得るステップが、ヘマトクリット濃度を示す測定を得るステップ及び温度測定を得るステップを含む、請求項１記載のバイオセンサのためのしきい値ベースの修正関数を具現化する方法。
20. しきい値ベースの修正関数を具現化するための装置であって、
    試料を受けるためのバイオセンサと、
    試料を受けるための前記バイオセンサに応じて分析対象物値の一次測定を得るための、前記バイオセンサに結合されたプロセッサと
    を含み、
    前記プロセッサが、二次的効果の二次測定を得て、
    前記プロセッサが、前記二次的効果の二次測定をしきい値と比較し、
    前記プロセッサが、前記比較値に応じて修正関数を特定し、
    前記プロセッサが、前記特定した修正関数を前記一次測定に適用して修正分析対象物値を提供するものである装置。
21. 前記修正関数を特定するために前記プロセッサによって使用される記憶された修正曲線を含み、前記修正曲線が前記二次的効果の二次測定の特性を表すものである、請求項２０記載のしきい値ベースの修正関数を具現化するための装置。
22. 前記プロセッサが、前記しきい値以下の前記二次的効果の二次測定に応じて、前記修正関数の大きさを制御するために使用される第一の係数Ａを特定する、請求項２０記載のしきい値ベースの修正関数を具現化するための装置。
23. 前記プロセッサが、前記しきい値よりも大きい前記二次的効果の二次測定に応じて、前記修正関数の大きさを制御するために使用される第二の係数Ｉを特定する、請求項２２記載のしきい値ベースの修正関数を具現化するための装置。

Images