JP2021036228A - マイクロバイオセンサー及びその測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロバイオセンサーは、作用電極と、初期量を有し銀及びハロゲン化銀を含む対電極と、補助電極と、を含む。前記方法は、測定電圧を印加して前記作用電極を駆動し、前記生理信号を測定することにより、前記生理パラメータを取得し、前記ハロゲン化銀を消耗量で消耗するステップと、前記測定電圧の印加を停止するステップと、前記生理パラメータを取得するたびに、前記対電極と前記補助電極との間に補充電圧を印加して前記対電極を駆動し、酸化反応を引き起こすことによって補充量の前記ハロゲン化銀を前記対電極に補充するステップと、を備え、前記補充量と前記初期量の合計から、前記消耗量を差し引いたガード値は、前記初期量から特定値を増減した範囲内で制御される。
【選択図】図10
Description
この出願は、2019年8月2日に提出された米国仮特許出願番号62/882,162及び2020年3月12日に提出された米国仮特許出願番号62/988,549の出願日の利益を主張し、これらの開示は、それらの全体が本明細書中に参考として援用される。
反応は次のとおりである。
グルコース+GOx(FAD)→GOx(FADH2)+グルコノラクトン
GOx(FADH2)+O2→GOx(FAD)+H2O2
ここで、FAD(フラビンアデニンジヌクレオチド)は、GOxの活性中心である。
本発明の生理信号測定装置10は、マイクロバイオセンサー300及び送信機200を含み、送信機200は、マイクロバイオセンサー300に電気的に接続され、プロセッサ210、電源220、回路スイッチングユニット230、温度感知ユニット240及び通信ユニット250を含む。電源220は、生理信号を測定するために、回路スイッチングユニット230を介してマイクロバイオセンサー300に電圧を提供する。温度感知ユニット240は、生体の体温を測定して、マイクロバイオセンサー300によって測定された温度測定信号及び生理信号を、プロセッサ210に送信する。プロセッサ210は、測定された生理信号を生理パラメータに対して演算する。通信ユニット250は、有線又は無線伝送によってユーザ装置20と通信することができる。
図2Cにおいて、作用電極320は、基板310の表面311上に配置され、対電極330及び補助電極340は、基板310の反対側の表面312上に配置され、作用電極320、対電極330及び補助電極340の表面は、化学試薬350によって覆われている。基本的に、化学試薬350は、少なくとも作用電極320の部分的な表面を覆う。本発明のマイクロバイオセンサー300は、測定期間中に測定ステップを実行し、補充期間中に補充ステップを実行する。測定ステップを実行すると、作用電極320の電圧レベルが対電極330の電圧レベルよりも高くなり、作用電極320から対電極330に電流が流れ、その結果、化学試薬350及び分析物との電気化学反応を有する作用電極320上で酸化反応が起こり、生理信号が測定され、対電極330上で還元反応が起こり、その結果、対電極330におけるハロゲン化銀(AgX)が消耗され、銀(Ag)とハロゲンイオン(X−)に解離される。対電極330内のハロゲン化銀が消耗されるので、次の測定ステップを実行するために、ハロゲン化銀を対電極330内に補充する必要がある。補充ステップを実行すると、対電極330の電圧レベルが補助電極340の電圧レベルよりも高くなり、対電極330から補助電極340に電流が流れ、その結果、対電極330で酸化反応が起こり、銀を生体内のハロゲンイオンと結合させてハロゲン化銀を補充する。詳細な測定ステップ及び詳細な補充ステップが図9に示されている。
図4A〜Bと図5A〜Dを参照し、図4Aと図4Bは、それぞれ、本発明における測定モード及び補充モードでの定電圧回路を示し、 図5A〜Dは、それぞれ、異なる方法で交互に測定モード及び補充モードで動作する定電圧回路の電流の概略図を順番に示す。測定モードは、測定電位差V1を印加し、測定電位差V1を除去することで開始及び停止でき、対応する電流はIaで表す。測定モードにおいて、測定期間T1の間に作用電極Wと対電極R/Cの間に測定電位差V1を印加するため、作用電極Wの電圧は対電極R/Cの電圧よりも高くなる。測定モード中、図4Aに示されるように、スイッチS1とS4は閉回路状態にあり、スイッチS2とS3は開回路状態にあり、作用電極Wは+ V1であり、補助電極Auxは開回路状態にあり、対電極R/Cは接地されている。その結果、作用電極Wで酸化反応が起こり、作用電極Wは化学試薬及び分析物と電気化学的に反応して生理信号Iaを出力する。対極R/C中のAgClは、生理信号Iaに対応する消耗量を有する。図5A〜5Dに示すように、複数の測定期間T1のうちの任意の二つの間は、測定を実行しない期間T2である。いくつかの好ましい実施形態において、T2は一定値である。
図6A〜6B及び図8A〜8Cを参照し、 図6Aと図6Bは、それぞれ、本発明に係る測定モード及び補充モードにおけるセグメント定電流回路を示し、図8A〜8Cは、それぞれ、異なる方法で交互に測定モード及び補充モードで動作する定電流回路の電圧概略図を示す。測定モードは、測定電位差V1を印加し、測定電位差V1を除去することで、それぞれ開始及び停止でき、対応する電流はIaで表す。測定モードでは、測定電位差V1が、測定期間T1の間に作用電極Wと対電極R/Cの間に印加される。測定モード中、図6Aに示すように、スイッチS1とS4は閉回路状態にあり、残りのスイッチは開回路状態にあり、作用電極Wは+V1であり、補助電極Auxは開回路状態にあり、対電極R/Cが接地されている。その結果、作用電極Wで酸化反応が起こり、作用電極Wは化学試薬及び分析物と電気化学的に反応して生理信号Iaを出力する。対電極R/C中のAgClは、生理信号Iaに対応する消耗量を有する。図8A〜8Cに示されるように、複数の測定期間T1のうちの任意の二つの間は、測定を実行しない期間T2である。いくつかの好ましい実施形態において、T2は一定値である。
図7A〜7B及び図7A〜7Bを参照し、図7Aと図7Bは、本発明に係る、それぞれ測定モード及び補充モードでの連続可変定電流回路を示す。この実施形態における測定モード及び補充モードは、図6A〜6Bと同様であるので、ここでは繰り返し説明しない。この実施形態は、図6Aと図6Bの実施形態の補充モードの場合のみと異なり、生理信号Iaに基づいて、定電流Ibは、デジタル−アナログ変換器(DAC)の制御によって出力することができ、AgClの補充量は、電位差V2が印加される期間t2を調整することで制御できる。すなわち、対電極R/C上のAgClが安全な貯蔵範囲内に保たれていることを前提として、補充量は、消耗量に等しいか、又は等しくない(ほぼ同様、より大きい、又はより小さいを含む)。
以下の酸化反応が作用電極320で起こる。
(1)AgClの補充を実行しない状態で、センサーの使用寿命が16日間の場合、対電極の必要な長さは少なくとも次のとおりである。
C16day/Cconsume/day=20.8mC/1.3mg/ day=16mm。
(2)したがって、本出願におけるハロゲン化銀の補充方法を実施しない場合、センサーの使用寿命を16日とするためには、対電極の長さが16mmを超える必要がある。
ユーザ装置20
送信機200
プロセッサ210
電源220
回路スイッチングユニット230
温度感知ユニット240
通信ユニット250
マイクロバイオセンサー300
基板310
表面311
表面312
第一端部313
第二端部314
信号出力領域315
感知領域316
接続領域317
埋め込み端318
作用電極320、W
信号出力部分321
信号感知部分322、332、342
第一作用電極323
第二作用電極324
第三作用電極325
対電極330、R/C
補助電極340、Aux
化学試薬350
生理信号Ia、Ib
スイッチS1、S2、S3、S4、I_F1〜I_Fn
測定期間T1
測定電位差V1
補充電位差V2
補充期間t2
Claims (20)
- 生体液中の分析物に関連する生理パラメータを表す生理信号を測定するように皮下に埋め込まれるバイオセンサーであって、作用電極、対電極及び補助電極を備え、前記作用電極は、前記分析物と反応するように化学試薬によって少なくとも部分的に覆われ、前記対電極は、銀及びハロゲン化銀を有する前記バイオセンサーの使用寿命を延長するために前記バイオセンサーを使用して前記分析物を測定する方法であって、
(a)測定を実行する測定ステップであって、
i、前記化学試薬及び前記分析物との電気化学反応を有する前記作用電極で第一酸化反応を起こさせて現在の生理信号を出力するために、前記作用電極が測定期間中に前記対電極の電圧レベルよりも高い電圧レベルを有するように、前記作用電極と前記対電極との間に測定電位差を印加するステップであって、前記対電極の前記ハロゲン化銀は前記現在の生理信号に対応する現在の消耗量を有するサブステップと、
ii、前記測定電位差を除去して前記測定ステップを停止し、前記現在の生理信号を演算して現在の生理パラメータを出力するサブステップと、を含む前記測定ステップと、
(b)補充を実行する補充ステップであって、
i、前記対電極が前記補助電極の前記電圧レベルよりも高い電圧レベルを有するように、補充期間中に前記対電極と前記補助電極の間に補充電位差を印加して、前記対電極上の前記銀に第二酸化反応を引き起こし、その結果、前記ハライド銀は前記消耗量に対応する補充量を獲得し、前記対電極の前記ハロゲン化銀は安全な貯蔵範囲に維持された量を有し、次の測定ステップで得られる次の生理信号及び次の生理パラメータが特定の相関関係に保つサブステップと、
ii、前記補充電位差を除去して、前記補充ステップを停止するサブステップと、を含む前記補充ステップと、
(c)ステップ(a)と同じサブステップを含む次の測定ステップを実行するステップと、
(d)ステップ(b)と同じサブステップを含む次の補充ステップを実行するステップと、を備える、ことを特徴とする方法。 - 前記測定電位差と前記補充電位差は、それぞれ測定期間と補充期間に印加され、
前記測定期間は、一定の測定期間値及び可変の測定期間値のいずれかである時間値を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記測定期間と前記補充期間の合計期間は定数である、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記補充電位差は、一定の電圧値を有し、
前記補充期間は、前記ハロゲン化銀の前記消耗量に基づいて動的に調整される、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記補充期間は、一定の期間値を有し、
前記補充電位差は、前記ハロゲン化銀の前記消耗量に基づいて動的に調整される値を有する、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記一定の測定期間値は、3秒、5秒、10秒、15秒、30秒、1分、2分、5分、10分からなる群から選択された時間値以下である、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記安全な貯蔵範囲内の前記対電極の前記ハロゲン化銀の量は、前記補充量を前記消耗量に近いか等しいように制御することによって維持される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記安全な貯蔵範囲内の前記対電極の前記ハロゲン化銀の量は、前記補充量を前記消耗量よりも大きくなるように制御することによって維持される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記安全な貯蔵範囲内の前記対電極の前記ハロゲン化銀の量は、前記補充量を前記消耗量より少なくなるように制御することにより維持される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記安全な貯蔵範囲内の前記対電極の前記ハロゲン化銀の量は、前記補充量を前記消耗量と等しくないように制御することによって維持される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 生体液中の分析物に関連する生理パラメータを表す生理信号を測定するように皮下に埋め込まれるバイオセンサーであって、作用電極、対電極及び補助電極を備え、前記作用電極は、化学試薬によって少なくとも部分的に覆われ、前記対電極は、銀及びハロゲン化銀を含み、初期量有する前記バイオセンサーの使用寿命を延長するために前記バイオセンサーを使用して前記分析物を測定する方法であって、
測定電圧を印加して前記作用電極を駆動し、前記生理信号を測定することにより、前記生理パラメータを取得し、前記ハロゲン化銀を消耗量で消耗するステップと、
前記測定電圧の印加を停止するステップと、
前記生理パラメータを取得するたびに、前記対電極と前記補助電極との間に補充電圧を印加して前記対電極を駆動し、酸化反応を引き起こすことによって補充量の前記ハロゲン化銀を前記対電極に補充するステップと、を備え、
前記補充量と前記初期量の合計から、前記消耗量を差し引いたガード値は、前記初期量から特定値を増減させた範囲内で制御される、ことを特徴とする方法。 - 前記測定電圧は、測定期間に印加され、
前記補充電圧は、補充期間に印加され、
前記測定期間は、一定の測定期間値及び可変の測定期間値のいずれかである時間値を有する、ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 前記補充電圧は、一定の電圧値を有し、
前記補充期間は、前記ハロゲン化銀の前記消耗量に基づいて動的に調整される、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記補充期間は、一定の期間値を有し、
前記補充電圧は、前記ハロゲン化銀の前記消耗量に基づいて動的に調整される値を有する、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 前記ハロゲン化銀の量を安全な貯蔵範囲に維持するために、前記ハロゲン化銀の前記補充量を、前記ハロゲン化銀の前記消耗量に近い、等しい、大きい、小さい、等しくない群から選択されたものに制御することにより、ガード値を確保する、ことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記特定値はXであり、
Xは、0<X <100%の前記初期量という条件を満たす、ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 生体内の分析物に関連する生理信号を表す生理パラメータを測定するための皮下埋め込み用のマイクロバイオセンサーであって、
基板と、
化学試薬と、
前記基板に配置され、少なくとも部分的に前記化学試薬で覆われ、測定期間内に第一酸化反応のために駆動されて、前記生理信号を測定して前記生理パラメータを取得する作用電極と、
前記基板に配置され、銀とハロゲン化銀を含む対電極であって、前記ハロゲン化銀が初期量を有し、前記測定期間内に特定の消耗量で消耗される前記対電極と、
基板上に配置される補助電極であって、それぞれの前記生理パラメータを取得するたびに、補充期間内に第二酸化反応のために前記対電極及び前記補助電極が駆動されて、補充量の前記ハロゲン化銀が前記対電極に補充される前記補助電極と、を備え、
前記補充量と前記初期量の合計から、前記消耗量を差し引いたガード値は、前記初期量から特定値を増減させた範囲内で制御される、ことを特徴とするマイクロバイオセンサー。 - 前記ガード値は、ハロゲン化銀の量と、銀の量及びハロゲン化銀の量の合計との比率がゼロより大きく1より小さくなるように制御される、ことを特徴とする請求項17に記載のマイクロバイオセンサー。
- 6mm以下の長さを有する短い埋め込み端を更に含む、ことを特徴とする請求項17に記載のマイクロバイオセンサー。
- 前記対電極が前記化学試薬によって少なくとも部分的に覆われ、前記補助電極が白金を含む、ことを特徴とする請求項17に記載のマイクロバイオセンサー。
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