JP2021073460A - 溶液中の電気活性種の存在又は流れを検出する電気信号の測定 - Google Patents

Abstract

【課題】電気活性種を含む溶液がさまざまな速度で流れる場合に生成される電気化学信号の変化を測定することにより動作する電気化学センサを提供すること。【解決手段】電気化学センサは、電気活性種が絶えず電極と接触し続け、その電気活性種を電極へと導く拡散と対流を組み合わせることで電気信号が生成されるため、溶液中のイオン及び／又は電気化学種の流れを測定することができる。測定された電気信号は、イオン及び／又は一つ又は複数の電気化学種の濃度によって、かつ、流量によって異なる。流量は、イオン及び／又は一つ又は複数の電気化学種の濃度が分かっていれば測定し得る。逆に、イオン及び／又は電気化学種の濃度は、流量が分かっていれば測定し得る。また、このセンサは、イオン及び／又は一つ又は複数の電気化学種を含む流体の送達を確認するのにも使用し得る。【選択図】図２

Description

本発明は、流れる溶液中の電気化学種を用いて、溶液の流量の又は溶液中の電気化学種の濃度の測定に関するものである。

この背景セクションに記載の参考文献は、本発明に対する先行技術として認められない。

一つ目の例は、特許文献１である。この設計は、多少本発明に類似しているが、底付きの円筒型キャビティに基づくものである。溶液は、検出のために、そのキャビティ上を流れるか、その上に堆積している。底板は、検出可能な種がこの円筒型キャビティを流れないようにする。本発明の重要な側面は、溶液が内腔の壁に埋め込まれた電極を流れ過ぎやすいということである。

次の例は、特許文献２である。この特許では、「導体層と絶縁層とが交互に積層されたナノ積層構造の形成方法」について記載されている。この方法の規模と製造は、本発明とは非常に異なる。また、この出願では、本発明の重要な側面である電気化学検出用の電極を過ぎる流れの利用については詳細に述べられていない。

最後の例は、特許文献３である。この発明は、第１電極群により溶液の化学的性質を変化させて、第２電極群によりさらに下流で検出される検出可能種を生成する電気化学流量センサである。この生成された種の飛行時間により流量を決定する。本発明では、固有の電気化学種の流れによって生じる電気化学信号の変化を測定するのに、単一の電極群を用いる。本発明では、溶液の化学的性質を変化させる必要がない。

米国特許第６，６９５，９５８号明細書 米国特許第７，０６７，３５１号明細書 米国特許第７，７０３，３３６号明細書

本発明は、電気化学センサである。このセンサは、電気活性種を含む溶液がさまざまな速度で流れる場合に生成される電気化学信号の変化を測定することにより動作する。このセンサは、電気活性種の濃度が分かっている場合に、流れを測定することができる。また、このセンサは、流量が分かっている場合に、電気活性種の濃度を測定するのに用いることができる。

上記センサは、流量の測定に用いられる場合、薬物送達ポンプで現在使用されている閉塞センサに比べて利点がある。なぜなら、センサは、閉塞、漏出、薬物供給の欠如、そして流れを停止又は低下させる機械的又は電気的故障に起因する状態変化や流れ停止状態を即座に検出することができる。いくつかの実施において、このセンサは、安価でロバストかつ小型であり、ナノリットルからマイクロリットルの範囲の量を検出し得る。

本発明のこれら及び他の特徴、目的並びに利点については、以下の好適な実施例の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を以下に示す図面と共に考察することによってより良く理解されよう。

本発明の一実施に係る階段状壁を有する電気化学センサを流れる栓流特性のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の一実施に係る平滑な壁を有する電気化学センサを流れる栓流特性のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の一実施に係る電極集合体を示す側面図である。 本発明の実施に係る低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）グリーンシート層のリング電極のマスク設計を示す図である。 本発明の実施に係る低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）グリーンシート層のリング電極のマスク設計を示す図である。 本発明の実施に係る低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）グリーンシート層のリング電極のマスク設計を示す図である。 本発明の一実施に係る電気化学センサの中心内腔を示す切断図である。 本発明の一実施に係る流量センサ構成を示す模式図である。 図５Ａに示す構成を用いて、２つの濃度のルテニウムヘキサミンのクロノアンペロメトリーにより得られたデータを示すグラフである。 本発明の一実施により低流速でクロノアンペロメトリーによって測定された電流のグラフである。 本発明の一実施において、ポンプ流量に対する電流の変化を示すグラフである。 本発明の一実施に係る２つの考えられる溶液による複数回の流出入に関して、平均電流対流量を示すグラフである。 本発明の一実施において標識されたさまざまな流量で、時間に対してプロットされた電流により、０．２％のｍ−クレゾールを添加したＰＢＳ溶液の流れに対するセンサの応答を示すグラフである。 本発明の一実施に係る２つの異なる電位で、流量に対してプロットされた電流により、０．２％のｍ−クレゾールを含むＰＢＳ溶液の流れに対するセンサの応答を示すグラフである。

本発明をさらに詳しく説明する前に、本発明は記載される特定の実施例や実施に限定されず、その特定の実施例や実施を説明するのに用いられる用語は、それら特定の実施例や実施を説明することだけを目的とし、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ制限されるので、その範囲を制限することを意図するものではないことを理解されたい。

電気活性種が溶液中に存在する場合、電極により、その溶液中のイオンから電極へまた電極からイオンへの電子の流れを測定することができる。滞留した溶液では、その溶液の体積中において、電極のすぐ近隣に拡散律速空乏層が徐々に成長し、電気信号は、電極への種の拡散速度によって制限される。しかしながら、溶液が流れている場合、イオンは絶えず電極と接触し続け、イオンを電極へと導く拡散と対流を組み合わせることで電気信号が生成される。この測定された電気信号は、一つ又は複数の電気活性種の濃度及び流量によって異なる。流量を測定したい場合、一つ又は複数の電気活性種の濃度を把握していなければならない。逆に、電気活性種の濃度が不明の場合は、流量を把握している必要がある。

環状（リング）電極の形状は、溶液が流れているため、定常電流への解析解が得られる一構成である。そのような電極で測定される電流は、以下の式で得られる。
ｉ＝２．０１ｎＦπＣ_ｂＤ^２／３Ｒ^２／３Ｘ^２／３Ｖ_０ ^１／３ （式１）
ここで、ｎは電気活性種の１分子当たりの電子数、Ｆはファラデー定数、Ｃ_ｂはバルク溶液の濃度、Ｄは電気活性種についての拡散係数、Ｒは電極の内部半径、Ｘは電極の長さ、Ｖ_０は溶液の軸流量。この電流は、２次元定常拡散方程式を解くことにより導かれる。上記式に到達するには、ポアズイユ速度プロファイルの線形近似、径方向の線形拡散プロセス、無視された軸方向拡散など、いくつかの想定がなされている。もっと簡単に言えば、電流は、ゼロ流量での電流（拡散律速）と、対流に依存する電流の２つの部分からなる。全電流は以下の形を取る。
ｉ_Ｔ＝ｉ_ｉｎｄ＋ｋｖ_ｆ ^１／３ （式２）
ここで、ｉｉｎｄは、流量には依存しない電流（ゼロフロー）、ｋｖ_ｆ ^１／３は、すべての非流量変数が定数ｋによって表される式１からの流量依存電流の修正再表示である。

微細構造の製作において、最近大きな進歩があった。環状リング形状について、本発明者は、好適な製作方法は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）法の利用であることを見出した。このＬＴＣＣ製作は、あまり費用をかけずに、全体構造の面積を数ｃｍ^２としつつも、重要な特徴を約１００μｍとすることができるメソスケール製作技術として分類することができる。特に、環状リング形状については、現在の薄膜微細加工法では同様の構造を形成できる可能性は低いことが分かった。

ＬＴＣＣの電気化学センサの３次元製作によるスクリーン印刷電極について報告されている。これらの電極は、長い矩形チャネルの側面に沿って形成され、気泡を捕捉しやすい。矩形チャネルの両側のＬＴＣＣ及びスクリーン印刷金電極も、電磁流体力学的研究に対して実証されている。平面スクリーン印刷電極が実証され、市販されているのに対し、電極がチャネルの壁に内蔵され、溶液がチャネルとリング電極を流れる既知の設計で環状電極を採用しているものはない。この設計によれば、気泡が捕捉されるのを防ぎ、流体の流れが促進される。高純度貴金属インクや積層型製作法の出現により、マイクロ流体応用のためのリング電極の簡易な設計及び製作が可能となる。なお、管腔にリング電極を使用する利便性は、楕円形、四角形又は他の流路形状を含む任意の形状の内腔に同様の構造を使用することを排除しない。

チャネルの壁に埋め込まれたリング電極の作製により、捕捉された気泡の問題を軽減し、安価な使い捨ての貴金属電極の使用を可能にする。本発明の一実施に係るＬＴＣＣ作製は、シリカとアルミナの「グリーン」シート上に導電性インクをスクリーン印刷することにより行われる。そして、このシートを高圧下で複数枚積層する。この組み立てられたものが２００から５００℃で熱分解され、それにより、インクとグリーンテープに用いられた有機結合剤が焼き切られる。この焼成工程の後、ＬＴＣＣ組立体は、ピーク温度の８５０から９００℃まで加熱され、それにより、金属インクが導電電極と融合し、シリカが焼結されて、硬質でコヒーレントな構造が残される。

さまざまな実施では、ほぼどんな電極の直径が選択されてもよいが、本発明の一実施では、５００μｍ（２０ミル）の直径が選択された。この直径は、多くの小型薬物送達装置で使用される管類の直径と同じである。電気信号の測定にはどの形状が最も適しているかを判断するため、２つの環状形状の分析がシミュレーションによって行われた。計算時間を削減するため、２次元シミュレーションが行われた。これらの断面を図１に示す。１つ目の形状（図１Ａ）は、階段状の設計である。この設計の利点としては、中心内腔の配置がゆったりとしていて、設計２（図１Ｂ）と比べて電極領域（１０１）が比較的大きいことである。設計１は、確実に作製される可能性が最も高いと見なされる。設計２は、アラインメントに関する要件がより厳しいが、気泡が捕捉される可能性が最も低かった。これらの２つの異なる環状形状について、ＣＯＭＳＯＬコンピュータモデリングで分析を行った。図１Ａ及び図１Ｂは、高濃度領域と低濃度領域とで異なる距離を示す等濃度線を有する模擬電極の構造を示す。いずれの設計においても、普通の水をシミュレーションする０Ｍ溶液の種の濃度については、同じ初期濃度とした。入り口圧力を３０Ｐａとして、圧力駆動流とした。流入してくる種の濃度は１Ｍであり、電極が１Ｍ溶液に完全に浸かるのに要する時間を観察した。

図１Ａに示す階段状設計は、３つの異なる電極領域を有する３つの電極（１０１）を備えている。この電極の寸法は、容易に実現されアラインされる寸法に基づき選択された。第１電極の電極領域は、単純に、半径１５ミル（３８１μｍ）のディスク領域から半径１０ミル（２５４μｍ）のディスク領域を引いたものとなる。
Ａ_ｉ＝π（３８１μｍ）^２−π（２５４μｍ）^２＝０．２５３ｍｍ^２ （式３）
Ａ_ｉｉ＝π（５０８μｍ）^２−π（３８１μｍ）^２＝０．３５５ｍｍ^２ （式４）
Ａ_ｉｉｉ＝π（６３５μｍ）^２−π（５０８μｍ）^２＝０．４５６３ｍｍ^２ （式５）
この階段設計は、上記装置における電極の割り当てに制限が課される。対電極領域は、作用電極領域以上であるべきである。また、参照電極は、三電極セルにおいて、作用電極及び対電極の上流側に配置すべきである。参照電極とは、それに対して作用電極の印加された電位の測定が行われる電極である。従って、参照電極の電位を変化させる電気化学が実行されていないことが重要である。対電極は、作用電極とは反対の電位を有し、電気回路を完成させる役割を果たす。電流の測定はこの対電極を介して行われないので、反応が作用電極で発生するものによってのみ制限されるよう、作用電極に対する対電極のサイズを大きくするのが慣習である。これにより、溶液をまずはセンサの狭い端部に流入させる。最後に、この設計によれば、構造を満たすのに必要な量が増大する。設計１で算出された量は０．５４７μｌであった。この流れを０．６秒間シミュレーションした後の種濃度を図１Ａに示す。右側のチャネルの中央において、等濃度線が１Ｍからである。０．６秒間のシミュレーション後、流入してくる種は参照電極を完全には覆わず（右端）、作用電極（中央）と対電極（左端）をほんの少しだけ覆うことが明らかである。電極（１０１）の表面付近に滞留域が形成されることにより、センサの反応が流れの開始まで低下する。

検討された他の形状を図１Ｂに示す。平滑壁設計は、以下の式で得られる同じサイズの３つの電極を有する。
Ａ_ｂａｎｄ＝（２πｒｈ）＝（２π＊０．２５４ｍｍ）＊０．２ｍｍ＝０．３１９ｍｍ^２ （式６）
３つすべての電極が同じ領域を有することは決して理想的ではないが、本発明者によって、このようなセンサ設計が実現可能であることが分かった。この平滑壁設計によれば、対電極領域を２倍に増大するためにさらなる層を追加する変形が可能である。実際、すべての電極の領域は、さらなる層を含むことにより変更可能である。モデル化されるように、この形状は、０．１６２μｌの量又は設計１の量の約３０％であった。この場合もやはり、圧力駆動流が３０Ｐａ、流入種の濃度が１Ｍで、種の初期濃度は０Ｍであった。図１Ｂは、図１Ａの階段状壁設計と同じ０．６秒後の濃度プロファイルを示す。この濃度プロファイルでは、高濃度の溶液が３つすべての電極（１０１）に接触してよりよく発展していることが明らかである。

これらのコンピュータシミュレーションに基づいて、階段状側壁設計については、電極（１０１）の周りに低濃度の空乏領域がしつこく発生し続け、検出器を満たす量が増大したため、それ以上追求されることはなかった。図中の等濃度線は、電極面の大部分が高被分析物濃度領域から離れたところに存在することを示している。この構成を有する電気化学センサは、被分析物の少容量プラグに影響されにくくなる場合がある。一方、平滑側壁設計では、電極の近くに大きな滞留域は存在しない。つまり、電極はインク層の厚さ分だけ被分析物の流れ内に突出している。

この設計の境界層は、階段状設計に存在する空乏域と比べて、正しい濃度の検出を妨げる障害がはるかに小さい。最小量の被分析物に迅速に反応するセンサを開発するという要望は、アラインメントの難しさは増すにもかかわらず平滑壁設計を支持する。しかしながら、特定の応用では、階段状設計が支持される場合もある。まだ他の形状に関する追求はなされていないが、本発明の代替実施として開発が行われる可能性はある。一つの考え得る代替例としては、さまざまな数の電極を使用することがある。参照電極と対電極を組み合わせた２電極構成は可能であるが、ここでは検討されていない。２電極構成における問題は、最高の安定性を得るためには、電気化学的変化を起こしていない溶液に擬似参照電極をさらす必要がある。また、さらなる電極及び絶縁層を追加することにより、櫛型電極設計も可能である。最後に、複数の電極を用いることにより、冗長性が得られたり、電極のサイズを変更することで感度が修正されたりする。

本発明の実施によれば、ＬＴＣＣ法によりセンサが作製される。ＬＴＣＣ作製は、基本的には積層プロセスである。各グリーンシート（デュポン９５１ＰＸ）には、後に流体が通過する内腔として機能する直径５７５μｍのビアで穴が開けられた。また、接触リード線上方には直径１２ミルのビアも開けられ、構造の下位レベルから上部までの電気的接続を可能にしている。この構造の側面図を図２に示す。この３つの電極の上からの眺めを図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示す。接続ビアは、図２に示すように中間層から最上層まで通っている。各電極層は、その下方の層に対する接続パッドを示す。簡潔にいえば、グリーンテープの層は、図３に示すデザインでスクリーン印刷された。この積層構造の底面電極は、図３Ａのパターンにスクリーン印刷された。斜線領域は、インクが印刷された領域を定義し、斜線ディスク内の穴は、穿孔ビアの位置を定義している。この層の上には、主流体ビア及び小さい電気接続ビアが穿孔されたＬＴＣＣシートが配置された。この積層構造の第２電極は、図３Ｂに示すデザインで印刷された。ここでも同様に、大きな円の中にある穴は、流体通路の位置を示す。図３Ｂでは、電極構造に対する電気接続用のパッドが２つある。右の接続パッドは第２電極と接続し、左の接続パッドは、穿孔され、介在絶縁層で充填された電気接続ビアを介して底面電極と接続する。この処理は、そのスクリーン印刷パターンを図３Ｃに示す最後の電極に対しても継続して行われた。

最初に、スクリーン印刷されたインクが内腔の内側を均一にコーティングするかどうか分からないので、より安価な銀インク（デュポン６１４２Ｄ）によりテスト構造を作製した。次に、図２に示すように、電極層の間に合計７層のグリーンテープの層が絶縁層と共に積層された。これらの層は、等方圧により積層され、デュポンが公開したプロトコルに従って焼成が行われる。銀インクにより作製されたテスト構造の断面図を図４に示す。インクが内腔に流れ込み、明確な環状電極（１０１）が形成され、その幅がＬＴＣＣシートの厚さによって定められることが分かる。同様に、この電極間の距離も、電気接続ビアを充填し、ビア間接続用の「着地パッド」を提供する部分を除きスクリーン印刷が行われない絶縁ＬＴＣＣシートの厚さによって定められる。この銀インクにより行われたテストにより、シミュレーションにおいて最良の結果が得られた設計が実際に実現可能であることが確認された。ＬＴＣＣ層の厚さと数を変更することにより、電極の間隔を変更することが可能である。さらに、図３に示す３つのスクリーン印刷構造を積み重ねて櫛型設計を作成したり、対電極の領域を増大させたりすることが可能である。

市販のスクリーン印刷金電極に対してこれまで行われたテストによって、低濃度の被分析物をテストした際に望ましくないピークが明らかとなった。本発明者は、これらの電極で用いられた金インクの品質が低く、サイクリック・ボルタンメトリーで見られるピークが、不明な汚染物質のストリッピングピークであったのではないかと推測する。このような干渉を排除するため、高純度が主張されているデュポンＴＣ５０２金インクを選択して、電気化学テストに用いられる電極が作製された。焼成時、インク内の残留炭素が焼き払われて、金電極が残る。テストによれば、ＴＣ５０２インクは、低濃度の被分析物に対して電気化学テストを行った場合に、不要なピークを生じさせないことが分かった。電気化学的にテストされたチップについては、各電極（参照電極、作用電極、対電極）は、別々の層に金インクをスクリーン印刷することによって作製された。また、絶縁層に対しても、接続ビアを充填する中心内腔から離れて、金インクで印刷が行われた。この電極の積層と焼成が、銀テスト構造と同じ方法で行われた。９５１ＬＴＣＣグリーンテープに関するデュポンの文献には、積層及び焼成後のｘ−ｙ面に１２．７％の収縮率が明記されている。このため、完成部品に５００μｍの直径が得られるよう、５７５μｍの直径で中心ビアの設計と穿孔が行われた。積層及び焼成後、中心内腔の直径は４４５＋／−６μｍであり、これは焼成時の２３．５％の収縮に起因する。このような収縮の増大は、シート１枚につき印刷されるインク量が少ないことや積層されるシート数が少ないことに起因している。これにより、焼成後の２００μｍの層厚にもとづき、約０．０３ｍｍ^２の電極領域が得られる。分かりやすくするため、３つの電極をすべて同じ幅で作製したが、本発明の他の実施ではそうでなくてもよい。

本発明の上記実施は、ＬＴＣＣを用いて製造したセンサにより行われたものであるが、別の実施では他の製造技術を用いることも可能である。そのような方法としては、導電性インクをプラスチック製の基板に印刷するのを可能にする技術を用いることがある。また別の方法としては、金とポリイミドを蒸着後、層のエッチングを行なってリング電極構造を得るなど、薄膜技術により複数の層を作製することがある。

上記実施の電気化学テストの前に、ＫＯＨ Ｈ_２Ｏ_２溶液に浸し、サイクリック・ボルタンメトリー（ＣＶ）曲線が重なり合うまでＫＯＨ溶液中でＣＶ掃引を行って、チップの洗浄を行った。

本明細書に記載のセンサは、上流で生成された電気化学種を検出する流水式センサとして動作可能である。この態様では、時間に応じた流量が分かるが、電気化学種の種類や濃度については不明な場合がある。この構成の一例を図５Ａに示す。ルテニウムヘキサミンを含む０．５ＭのＫＣＩと０．５ＭのＫＣＩの両方を注射器（５０１）にロードする。ＲｕＨｅｘを含まないＫＣＩは、同じループ（５０２）を流れて、センサ（５０３）を通り廃液ボトル（５０４）へと流れる。そして、両バルブ（５０５）が切り替えられて、ルテニウムヘキサミンを含むＫＣＩが同じループ（５０２）を通り廃液ボトル（５０４）へと流れる。図５Ｂに示すような検出では、両バルブ（５０５）が戻されて、０．５ＭのＫＣＩが送り込まれる。そして、このセンサ（５０３）は、第２バルブの後、残留する０．５ＭのＫＣＩにさらされ、そしてルテニウムヘキサミンを含む１００μｌの溶液の後は０．５ＭのＫＣＩにさらされる。図５Ｂは、同じ流量で検出きを通過する２つのＲｕＨｅｘプラグのデータを示す。太い曲線は。１００μｌの５００ｍＭ ＲｕＨｅｘを含む０．５ＭのＫＣＩからの信号である。いずれの場合も、センサには、テストの開始時に、０．５ＭのＫＣＩが充填され、ＲｕＨｅｘのプラグが流れ、その後０．５ＭのＫＣＩが流れる。

極めて低い流量において向上した対流ひいては増大した電流の検証をより良く行うため、クロノアンペロメトリー（ＣＡ）による調査が行われた。この設定では、作用電極が常にバイアスされ、電流の流れと、種が対流によって電極面に運ばれる速度とが比例する。まず、電気活性種が存在しない状態で電極面に生成された電流を測定することを決定した。この実験から得られたデータを図６に示す。このデータは、オンチップ参照電極を基準とした作用電極に印加された−１．０Ｖのバイアスで、ＣＨＩ１０３０によって記録された。オンチップ対電極も用いられた。ｅＰｕｍｐモデル１９０（ＳＦＣ Ｆｌｕｉｄｉｃｓ）によって、ポンプ時はパルスを示さない流れが生成される。Ｓｔａｒｔｏｒｉｕｓ ＳＥ２超微量てんびん（分解能０．０００１ｍｇ）によって流量が検証された。簡潔に言えば、溶液は、電極を流れた後、超低流量の測定のために変更されたてんびんに配置されたカップへと流れた。ドラフトシールドは、上部に固定された直径３６０μｍの溶融石英管（Ｉｄｅｘ Ｈｅａｌｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）を有する同様のシールドと交換され、それが小型の流体タンクへと下方に突出している。タンク内の水は、高純度の鉱油（ＰＭＬ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓ）でおおわれ、蒸発による測定誤差を防ぐ。この管は、タンクの壁や底と接触することなく、油を通って水中へと延びている。溶液の質量変化を測定することにより、ポンプの流量が確認された。図６は、ｘ軸にプロットされた目標流量に関連して、電極によって測定された電流と、超微量てんびんによって確認された流量とを示す。超微量てんびんによる測定に基づいて、このｅＰｕｍｐモデル１９０は、１０ｎｌ／ｍｉｎと低い流量を高精密かつ高精度に生じさせることができる。これ以下の流量についてはテストされなかった。この場合、測定された電流は、電荷キャリア（Ｋ^＋、Ｎａ^＋、Ｃｌ⁻）が電極に運ばれる速度と比例している。電流がｖ^１／３と比例し、質量がｖと比例するので、電気化学測定の感度は平衡未満である。しかしながら、この電極が必要とするスペースはかなり小さく、必要とする測定用電子機器もそれほど高性能なものではない。

この環状電極で測定された電極は、以下のように、式２で予測された形状のものである。
ｉ_Ｔ＝ｉ_ｉｎｄ＋ｋｖ^１／３
式１によれば、定数ｋは以下の通りである。
ｋ＝２．０１ｎＦπＣ_ｂＤ^２／３Ｒ^２／３Ｘ^２／３
ここで、Ｃ_ｂ＝０．１４０ｍｏｌ／Ｌ、Ｄ＝１×１０^−７ｃｍ^２／秒、Ｒ＝０．０２５ｃｍ、Ｘ＝０．０２ｃｍである。本明細書に記載の実施では、以下のようになる。
ｉ_Ｔ＝３×１０^−９Ａ＋１．８×１０^−５（Ｃ・ｓｅｃ^−２／３・ｃｍ^−１）・ｖ^１／３ （式８）
この値を有する線が図６に示され、実験的に決定された値が四角で示され、良好な一致を示している。シンプルな設計と、流量に基づいて電流を予測する閉形式解により、ロバスト性と簡潔さが必要とされるマイクロ流体応用において、環状電極は流量センサとして機能することができる。流れのない状態と流れのある状態との間の変化が比例的に大きいため、リングセンサは、流れ／非流れ閉塞センサとして容易に機能し得る。また、より感度の高い制御や検出電子機器を採用することにより、リング電極をセンサとして利用して、既知の濃度の電気活性種を含む溶液のさまざまな流量を見分けることができる。同様のデータを図７Ａ、図８Ａ、図８Ｂに示す。図７Ａは、図６に見られるデータと同様、異なる流量で検出器を通る電極を示す。図７Ｂは、異なる流量で検出器を通る平均電極を示す。四角は、リン酸緩衝液の電流対流量であり、三角は、電子活性化合物モデルである１ｍＭのＲｕＨｅｘ溶液の電流対流量である。

電気化学種モデルについての流量決定に加えて、環状リング電極を用いて、他の電気活性化合物の流量を決定することもできる。図８Ａ及び図８Ｂは、０．２％のｍ−クレゾールを添加したＰＢＳ緩衝液から収集したデータを示す。同様の濃度のｍ−クレゾールは、一部のインスリン製剤では防腐剤としての役割を果たす。図８Ｂのグラフは、流水式センサの作用電極に印加された２つの異なる電位についての平均電流対流量を示す。この濃度及び流量の領域では、環状リング電極からの電流は、流量に対してほぼ直線である。この電極は、独立流れ確認センサとしての役割を果たすことができる。電気活性種の濃度が分かっているので、信号振幅の変化は、溶液の流量に対応する。増強された信号の継続時間を測定することによっても、送達された薬物量（流量＊時間）を判定することができる。この信号は、流れの原因とは無関係であり、さまざまなポンプ機構による投与を確認するのに用いられてもよい。この測定に対して、センサの気泡を削減する能力は有利である。電極面に捕捉された気泡は、溶液と接触する面積を効果的に制限し、信号振幅を変化させる。そして、その振幅の変化が算出された送達量の変化を引き起こすことになる。

好適な実施例ではあるが、溶液は、流れを確認するために内腔に埋め込まれた電極を通らなくてもよい。電極は、電気活性種を含む溶液が大量に進入しても流れを確認できる場所の近くに配置すればよい。この場合、溶液はカニューレを流れ、その溶液中の電気活性種は電極の近くで分注される。この電極によって、より大きな量への溶液の分注を示す電気化学種の濃度変化が測定される。電気化学種は、多くの溶液に防腐剤として添加される。そのような応用の一つとしては、食品にアスコルビン酸を添加して脱酸素剤として機能させることがある。別の例としては、ｍ−クレゾールやフェノールを防腐剤としてインスリンに添加することがある。電気活性種を含む溶液の分注を確認しないと、閉塞や他の分注エラーが確認される。電極によって測定された信号が分注量と比例する場合、分注量と分注タイミングの閉ループ確認を行うことができる。よりシンプルに流れ／非流れを示すには、２電極実施で十分の場合もある。このようなシステムにより、閉塞、管の欠陥、漏出、薬物供給の欠如、機械的又は電気的故障などの分注エラーについて警告を行ってもよい。この電極は環状リングではなくてもよいが、内腔内での流体の検出には最も有効である。電気活性種を含む溶液の分注の確認には、櫛型などの他のデザインや、よりシンプルな平面形状がもっと適していることもある。そのような本発明の考え得る実施例の一つとしては、患者への薬物送達に用いられるカニューレのすぐ近くに電極を挿入することが考えられる。電極が制御電子回路に接続される場合、電気化学種を含む薬物の分注によって、電極からの信号が変化してしまう。この信号は、薬物が患者に送られたことを確認するものである。これにより、分注機構を制御する電子回路が薬物送達の独立した確認を報告することができる。

別途定義しない限り、本明細書において用いた科学技術用語はすべて、本発明が属する当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書に記載の方法及び材料と類似又は同等の方法及び材料を、本発明の実践又は試験において用いることができるが、本明細書には限られた例示的な方法及び材料について記載する。本明細書の発明の概念から逸脱することなく、さらに多くの変形例が可能であることが当業者には明らかであろう。

本明細書で使用する用語はすべて、文脈と一致する可能な限りの広義に解釈されるべきである。本明細書において、グループ化が用いられる場合、グループの個々のすべての部材及びそのグループのすべてのコンビネーション及びサブコンビネーションが個々に含まれることを意図する。本明細書において、範囲について言及された場合、範囲には、すべての部分的な範囲及びその範囲内の個々のポイントが含まれることを意図する。本明細書に引用された参考文献はすべて、本明細書の開示と矛盾しない範囲で参照により本明細書に援用する。

本発明について、いくつかの好適な実施例及び代替実施例を参照して説明したが、それらは例示のみを意図したものであり、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の全範囲を限定するものではない。

Claims (21)

1. ａ．第１電極環状部を有する第１リング電極と、
   ｂ．前記第１電極に隣接し、第２電極環状部を有する第２リング電極と、
   ｃ．前記第１電極と前記第２電極との間の第１絶縁体と、
   ｄ．前記第２電極に隣接し、第３電極環状部を有する第３リング電極と、
   ｅ．前記第２電極と前記第３電極との間の第２絶縁体と、
   を具備し、
   前記第１、第２、第３電極環状部及び絶縁体は、一つ又は複数のイオン又は電気化学種を含む流体が流れる流路を形成するように位置合わせされ、該電極は、前記流体からの電気信号を測定するよう構成されている、
   ことを特徴とする電気化学センサ。
2. 他のリング電極から絶縁層により分離された少なくとも一つの追加リング電極をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電気化学センサ。
3. 前記流路が通り、前記電極が埋め込まれた内腔をさらに具備し、
   前記電極及び絶縁体の部分には、それらが埋め込まれた内腔と同じ形状の開口部が含まれる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学センサ。
4. 前記電極はそれぞれ、
   ａ．ガラス又はセラミックの少なくとも一つを含む少なくとも一つのグリーンシートと、
   ｂ．前記少なくとも一つのグリーンシートの表面に導電性インクと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学センサ。
5. 前記電気化学センサは、複数の絶縁シートの少なくとも一部に印刷された導電性インクにより積層された前記複数の絶縁シートを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学センサ。
6. ａ．第１電極環状部を有する第１リング電極と、
   ｂ．前記第１電極に隣接し、第２電極環状部を有する第２リング電極と、
   ｃ．前記第１電極と前記第２電極との間の第１絶縁体と、
   を具備し、
   前記第１及び第２電極環状部及び絶縁体は、一つ又は複数のイオン又は電気化学種を含む流体が流れる流路を形成するように位置合わせされ、該電極は、前記流体からの電気信号を測定するよう構成されている、
   ことを特徴とする電気化学センサ。
7. 他のリング電極から絶縁層により分離された少なくとも一つの追加リング電極をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の電気化学センサ。
8. 前記流路が通り、前記電極が埋め込まれた内腔をさらに具備し、
   前記電極及び絶縁体の部分には、それらが埋め込まれた内腔と同じ形状の開口部が含まれる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電気化学センサ。
9. 前記電極はそれぞれ、
   ａ．ガラス又はセラミックの少なくとも一つを含む少なくとも一つのグリーンシートと、
   ｂ．前記少なくとも一つのグリーンシートの表面に導電性インクと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の電気化学センサ。
10. 前記電気化学センサは、複数の絶縁シートの少なくとも一部に印刷された導電性インクにより積層された前記複数の絶縁シートを備えていることを特徴とする請求項６に記載の電気化学センサ。
11. 流体内の一つ又は複数のイオン又は電気化学種の濃度を測定する方法であって、
    ａ．内腔を通る前記流体の流量を測定する工程と、
    ｂ．前記内腔がそれらを通るように配置された複数のリング電極に前記流体を通す工程と、
    ｃ．少なくとも一つのリング電極に電気刺激を与える工程と、
    ｄ．前記リング電極のうちの少なくとも一つから結果として得られた電気信号を測定する工程と、
    ｅ．前記流量と前記測定された電気信号にもとづき、前記流体内の前記一つ又は複数のイオン又は電気化学種の濃度を測定する工程と、
    を具備することを特徴とする方法。
12. イオン又は電気化学種の既知の濃度により、流体内の一つ又は複数のイオン又は電気化学種の流量を測定する方法であって、
    ａ．前記流体を内腔に通す工程と、
    ｂ．前記内腔がそれらを通るように配置された複数のリング電極に前記流体を通す工程と、
    ｃ．少なくとも一つのリング電極に電気刺激を与える工程と、
    ｄ．前記リング電極のうちの少なくとも一つから結果として得られた電気信号を測定する工程と、
    ｅ．前記流体内のイオン又は電気化学種の濃度と前記測定された電気信号に基づき、前記流体の流量を測定する工程と、
    を具備することを特徴とする方法。
13. 流量の低下又は流れの不在は、閉塞、流体喪失、ポンプ故障、バルブ故障又は他のシステム障害を示していると判断する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記流体は、患者に投与する薬物、ホルモン又は薬を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記流体は、インスリン又はグルカゴンの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記流体は、一つ又は複数のイオン又は電気化学種からなることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 流体内の一つ又は複数のイオン又は電気化学種の存在を検出する方法であって、
    ａ．複数の電極のすぐ近くに終端する内腔に前記流体を通す工程と、
    ｂ．少なくとも一つの電極に電気刺激を与える工程と、
    ｃ．前記電極のうちの少なくとも一つから結果として得られた電気信号を測定する工程と、
    ｄ．前記イオン又は電気化学種を含む流体が前記電極に送られたかどうかを前記電気信号から判定する工程と、
    を具備することを特徴とする方法。
18. 流体の送達の欠如又は送達の低下は、閉塞、流体喪失、ポンプ故障、バルブ故障又は他のシステム障害を示していると判断する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記流体は、患者に投与する薬物、ホルモン又は薬を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記流体は、インスリン又はグルカゴンの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記流体は、一つ又は複数のイオン又は電気化学種からなることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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