JP4283662B2 - 分析装置、バイオセンサおよびこれらの方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学センサ、特に、酵素−電極センサの分野に関し、またこのようなセンサの膜の機能的特性の再生または保持に関する。
種々の臨床的な状況において、患者の血液の特定の化学的特性(例えば、pH、ヘマトクリット、カルシウム、カリウム、塩化物、ナトリウム、グルコース、乳酸、クレアチニン、クレアチン、尿素のイオン濃度、O2およびCO2の分圧など)を測定することは重要である。これらの状況は、医師のオフィスへの患者の日常的な訪問から開胸手術の間の患者のモニタリングにまでわたる。要求される速度、精度、および他の性能特性は、各状況に応じて変化する。
本発明の1つの目的は、電気化学センサの精度および有効期間を増加させるためのシステムおよび方法を提供することである。電気重合可能モノマーの電気化学センサ上の内部ポリマー膜への重合化は、干渉拒絶膜を形成する。この内部ポリマー膜は、サンプル中の化合物による汚れまたは干渉から電気化学センサを保護し、従って、膜の汚れ分解によってかまたはサンプル由来の分析化合物による干渉によって失われる精度を増加させるように機能する。
本発明は、血液、血清または他の体液を含むがこれらに限定されない水性サンプルの特徴を測定するための電気化学センサシステムを提供する。詳細には、本発明は、電極が干渉物排除膜を備えるようなセンサであって、その干渉物排除膜が複合膜の内部ポリマー膜でありかつインサイチュで回復可能である、センサに関する。本発明に従う電気化学センサシステムは、増大した精度(accuracy)および精度(precision)ならびに増大された有効期間を有する。本発明の好ましい実施形態において、センサシステムは、血中ガス(例えば、酸素および二酸化炭素)、イオン(例えば、ナトリウム、塩素、カリウム、およびカルシウム)、グルコース、乳酸、クレアチン、クレアチニン、血中pHおよびヘマトクリットの濃度および活性を測定するように適合される。
出願人が本発明であるとみなす構成要件をより明確かつ正確に示しそして記載するために、以下の定義を、以下の記載および特許請求の範囲において使用される特定の用語について提供する。
本発明の1つの実施形態において、9%CO2、14%O2および77%ヘリウムガスを含むトノメーターで計量された(tonometered)大気圧で、37℃で調製された、第2の点較正のために使用される較正溶液Aの組成は、以下のとおりである:有機緩衝液(pH 6.9);pCO2=63mmHg;pO2=100mmHg;Na+=100mmol/L;K+=7mmol/L;Ca++=2.5mmol/L;グルコース=150mg/dL;乳酸塩=4mmol/L;クレアチン=0.5mmol/L;クレアチニン=0.5mmol/L;界面活性剤および不活性な防腐剤。
プレパッケージ化コンテナ28中に配置した参照溶液は、流体連絡を提供するための参照電極への供給源として電極アセンブリ10において使用され、それによって、参照電極を、較正溶液または後半で記載される血液の変動する電気化学ポテンシャルから隔離する。好ましい実施形態において、溶液は、1mol/L硝酸カリウムおよび1mmol/L硝酸銀の溶液である。この溶液はまた、Brij35のような界面活性剤を含む。この溶液は、頭隙なしにシールした可撓性コンテナ中にパッケージ化される。
図1を参照すると、ポンプ26の作動中、電極アセンブリ10は、ライン30を介して参照溶液の一定の脈動流、およびライン24を介して血液サンプルまたは較正溶液の1つのいずれかの一連の断続的な脈動流を受ける。このアセンブリはまた、ライン34を介して廃棄物回収バッグ32へのその廃棄物の対応する出力を提供する。
以下に示される電極アセンブリの順序は、例示の目的のみであり、そして提供される順序が制限されることを意図しない。
図2を参照すると、一対の金ワイヤ98および100は、その伝導率に基づいてサンプルのヘマトクリット(Hct)を決定するための電極を形成する。これらのワイヤは、図5にも図示されるように、それぞれ、プリントされた回路端コネクタ102および104と接触している。
図2を参照すると、フローチャネル56の次のセンサは、図4にも図示されるように、3つの電極構成を有する酸素センサ70である。
次のフローチャネルは、ナトリウムセンシング電極78、続いてカルシウムセンシング電極86およびカリウムセンシング電極90であり、これらは、活性膜および積重ねた銀ワイヤならびに端コネクタを備える。
図2を参照すると、フローチャネル56の次に続くのは、図6にも図示されるpHセンシング電極94であり、これは、膜148およびフローチャネル56にプラスチック50を貫いて積重ねたかまたはプレス装着した(press−fitted)銀ワイヤ87を備える。図6を参照すると、フローチャネル56の反対側に接合されるのは、端コネクタを形成するパッドにプリントされた導体セクション88である(図5もまた参照のこと)。このpH電極の性質は、以下に詳細に記載される。
図2を参照すると、フローチャネル56の次に続く電極93は、血液または較正サンプル中の溶存二酸化炭素を測定し、そしてpH電極94と組合わせて作用する。
図2を参照すると、フローチャネル56の次に続く、乳酸電極92は、乳酸に対する乳酸オキシダーゼの酵素反応の副産物を測定することによって機能する。酵素層に存在する乳酸オキシダーゼは、乳酸を酸化して過酸化水素を生成し、この過酸化水素が、乳酸センサの電極によって検出される。
図2を参照すると、グルコース電極91が、次の電極であり、これは、酵素層における酵素反応によって生成される過酸化水素の検出によって機能する乳酸電極92と同様である。酵素であるグルコースオキシダーゼは、グルコースを特異的に酸化し、そしてグルコースセンサの電極によって検出される化合物である過酸化水素を生成する。
血液サンプル中のクレアチニンの測定は、2つの電極を必要とする。一方の電極は、クレアチニンおよびクレアチンの全濃度を測定し、そして他方の電極は、クレアチンのみの濃度を測定する。クレアチニンの濃度は、クレアチン濃度およびクレアチニン濃度を合わせた濃度からクレアチンの濃度を差し引くことによって決定される。図2を参照すると、次の2つの電極(クレアチニン116およびクレアチン118)は、グルコース電極91および乳酸電極92と同様に、これらの各々の酵素層における酵素反応によって生成されるH2O2の検出によって機能する。クレアチニン電極116において、酵素層は、3つの酵素(クレアチニナーゼ、クレアチナーゼおよびサルコシンオキシダーゼ)の混合物を含む。酵素混合物は、クレアチニンおよびクレアチンを特異的に酸化し、そして以下のカスケード反応に従ってH2O2を生成する。
図2に図示されるグラウンド105は、基板50を通じて挿入された銀ワイヤである。グラウンドは、全ての電極に対する共通の電気的参照点として機能する。このグラウンドはまた、電流滴定センサシステムについての対電極として機能し得る。
図2に図示されるように、2つの銀ワイヤ106は、参照溶液ウェル64にプラスチック基板ボード50の厚さを貫いて積重ねられて、実装された(on−board)参照電極として作用する。電気的に接続される2つの銀ワイヤ106の使用は、気泡の存在下で、銀ワイヤと参照溶液との間の連続した接触を確実にする。気泡は、センサ制御の上昇した温度で参照溶液を脱気する結果として、参照チャネルにおいて形成し得る。プリントされた電極要素108(図5においても図示される)は、この参照電極の一端と端コネクターを提供するボードの端との間のパネル背部に沿って伸長する。
イオン選択電極の詳細は、例えば、米国特許第4,214,968号(本明細書中に参考として援用される)、および米国特許第4,734,184号(本明細書中に参考として援用される)に記載される。
本発明のイオン選択膜における使用のためのポリマーとしては、任意の疎水性の天然ポリマーまたは合成ポリマーが挙げられ、これらは、十分な透過性の薄いフィルムを形成して、イオノフォアおよびイオノフォア溶媒と組合わせて、これらを横切る明らかなイオン移動度を生成し得る。具体的には、ポリ塩化ビニル、塩化ビニリデン、アクリロニトリル、ポリウレタン(特に、芳香族ポリウレタン)、ポリ塩化ビニルおよびポリ塩化ビニリデンのコポリマー、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、ポリ酢酸ビニル、シリコーンエラストマー、およびポリビニルアルコールのコポリマー、セルロースエステル、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニルのカルボキシル化ポリマーならびにこのような物質の混合物およびコポリマーは、有用性が見出されている。イオノフォアおよび可塑剤を含む、このような物質のフィルムは、従来のフィルムコーティング技術およびキャスティング技術を用いて調製され得、そして以下の実施例に示されるように、内部参照電極もしくはいくつかの適切な中間層上の直接的なコーティングおよびフィルム形成によるか、または内部参照電極もしくはいくつかの適切な中間層への別個の形成および積層化によるかのいずれかで形成され得る。
イオン選択膜において使用されるイオノフォアは、一般的に、望ましい特定のアルカリ金属イオン、アルカリ土類イオン、アンモニウムイオンまたは他のイオンを優先的に、それ自体に選択的に会合または結合し得る物質である。適切なイオノフォアは、以下により完全に記載される。
(1)バリノマイシン(カリウム選択性イオノフォア);
(2)種々の構成の環状ポリエーテル(これは、リチウム、ルビジウム、カリウム、セシウムまたはナトリウムに選択的な膜を作製する);ならびに
(3)バリノマイシンに類似のイオン選択性を有する他の物質(例えば、バリノマイシングループの他の物質、テトララクトン、マクロライドアクチン(モナクチン、ノナクチン、ジナクチン、トリナクチン)、エニアチン(enniatin)グループ(エニアチンA、B)、シクロヘキサデプシペプチド、グラミシジン、ニゲリシン、ジアネマイシン、ナイスタチン、モネンシン、モネンシンのエステル(特に、ナトリウムイオン選択膜についてのメチルモネンシン)、アンタマニド(antamanide)、およびアラメチシン(環状ポリペプチド))。
可塑剤は、膜におけるイオン移動度を提供し、そして可塑剤の存在は、良好なイオン移動を得るために必要である。
図1を参照すると、本発明の電極は、支持体(support)またはカード50を備え、これは、直接的またはいくつかの介在性の接着を改善する層によってかのいずれかに耐え得る任意の物質、本明細書中に以下に詳細に記載される電極の他に必要な部分から構成され得る。従って、支持体は、セラミック、木材、ガラス、金属、紙もしくはキャスト、押出しもしくは成形のプラスチック物質もしくはポリマー物質などを含み得る。上に重ねる(overlying)電極成分を保有する支持体の組成物は、不活性でなければならない;すなわち、この組成物は、例えば、制御不能な様式で上に重ねる物質の1つと反応することによって、観察される指示電位(indicating potential)を干渉しない。さらに、支持体の組成物は、センサがセンサを水和および/または構成するために必要とされる時間の長さにわたって曝される、上昇した温度に耐えなければならない。多孔性物質(例えば、木材、紙またはセラミック)の場合、上に重ねる電極成分を適用する前に、細孔をシールすることが所望され得る。このようなシーリングを提供する手段は、周知であり、そして同様なさらなる考察は、ここでは必要ではない。
酵素センサは、作用電極、参照電極および対極を含む3電極システムを備える。作用電極は、例えば、白金ワイヤである電導性ワイヤと接触する表面上に配置されている複合膜を備える。この複合膜は、例えば、酵素層および内側干渉拒絶膜を含む2つ以上の層を含む。
酸素センサは、作用電極、参照電極および接地電極を含む3電極システムを備える。本発明の1つの実施形態では、酸素作用電極70は、図4に最も良く示される、絶縁ガラスディスク109の中央に固定される白金ワイヤ74、および2つの保護膜120および122を備える。このディスクは、好ましくは、約40ミルの厚さをもち、その一方、ボード50は、約85ミルの厚さを有し得る。このガラスディスクの直径は、好ましくは、約100ミルである。
図2に最も良好に一般的に示される電極は、銀線78、86、90、93、および94を連結し、これらは、それぞれNa、Ca、カリウム、pCO2およびpH活量を検知し、構成が類似する。違いは、膜層の組成である。代表的なイオン選択性電極は、図6に示される。各々は、ビーズまたは内部塩層152を有し、水和の際に内部溶液層を形成する。この層は、銀線の上部のアノード化によって得られる銀/塩化銀層154に薄膜と接触する。外部層148は、本質的にポリマー製イオン選択性膜層である。この層は、溶液(例えば、ポリ塩化ビニル、可塑剤、適切なイオン検知活性成分およびホウ酸塩を含む溶液)を形成する疎水性透析膜のマトリクスから溶媒を除去した後に残る乾燥残渣として、浅いウェル150における内層の乾燥塩残渣の上に形成される。外膜は、溶液として、代表的には、小滴中のテトラヒドロフラン(THF)中で適用される。一旦、溶媒がエバポレートされると、膜は形成され、可塑性のカードと結合される。pH電極およびpCO2電極の場合、イオン選択活性成分は、トリドデシルアミン(TDDA)または適切なpH検知成分であり得る。カリウム電極に対して、単環抗生物質(例えば、バリノマイシン)は、活性成分として使用され得る。カルシウム電極は、カルシウムイオン選択的検知成分(例えば、(−)−(R,R)−N,N’−(ビス(11−エトキシカルボニル)ウンデシル)−N,N’−4,5−テトラメチル−3,6−ジオキサオクタンジアミド;ジエチルN,N’−[(4R,5R)−4,5−ジメチル−1,8−ジオキソー3,6−ジオキサオクタメチレン]−ビス(12−メチルアミノ−ドデカノエート)または他の適切なカルシウム感受性選択性物質をその活性成分として使用する。ナトリウム電極は、メチルモネンシン(monensin)エステルまたは任意の他の適切なナトリウム感受性活性成分を使用する。ナトリウム電極、カリウム電極およびカルシウム電極は、これらの内部溶液に対して各クロリド塩に加えて、MES(2−[N−モルホリノ]エタンスルホン酸)のような緩衝塩を使用する。
ヘマトクリット(Hct)測定は、金線98と100との間の抵抗の測定を通してなされる。センサは、電極間に配置された溶液または血液サンプルの抵抗を測定することによって作動する。ヘマトクリットは、マクスウェル方程式を使用して抵抗の関数として計算される。
フローチャネル56での酵素電極59のサンプルに対する曝露は、複合膜60がサンプル由来の基質の残存濃度および酵素電極59の作動に由来する酵素反応の生成物を保持することを引き起こす。これらの物質は、酵素電極59が特に意図される分析物の測定における精度および精度を喪失することを引き起こす干渉剤の例である。酵素電極59に対する精度および精度を回復するために、干渉剤は、酵素電極59の複合膜60から、酵素電極59のワイヤ57に対してさらなる分極振幅を印加することによって除去される。
酵素センサ59の複合膜60の内部干渉除去膜55の機能を回復するためのさらなる工程は、例えば、図3Bに示される。この工程は、酵素電極の内部干渉除去膜55の完全性および適切な機能の回復を包含する。図3Bに示された複合膜60内で、内部干渉除去膜55の回復は、複合膜60の内部干渉除去膜55上の、電気重合可能モノマーのインサイチュ重合によって引き起こされる。
示されてきたように、図2を参照すると、参照溶液は、銀線106と接触するウェル64を満たし、キャピラリーチャネル66を通って排出され、メインフローラインの流出口と連結する。参照溶液は、本質的に血液または較正溶液に対して高張な硝酸カリウム溶液であり、従って、参照電極106の領域は、参照電極と血液または較正溶液との間に形成された安定で潜在的な液絡を構成し、それによって、血液または較正溶液のイオン活性から独立した環境を確立する。
図7A〜図7Gを参照すると、ヒーターブロックアセンブリ39は、熱電デバイス230、サーミスター41、2つのアルミニウム外板(220a、220b)で特徴付けられるアルミニウムブロック、電極界面156、金属板234、熱シンク236、電線229、229’、231、231’、およびケーブル226を備える。アルミニウムブロックは、センサカードを備えるカートリッジが、流体分析装置8に挿入される場合、センサカード10を覆う。
図1を参照すると、センサセンブリ10ならびに充填されたバッグ14、16および28を備えるカートリッジがまず使用される場合、弁18は、較正溶液(例えば、較正溶液B)の1つをセンサセンブリに指向するように制御され、その結果、フローチャネルを完全に満たす。次いで、ポンプは、10〜30分間(好ましくは12〜15分間)停止され、この間に、乾燥化学センサ電極が、熱サイクリング(例えば、37℃から60℃へ、そして37℃に戻る)によって水和される。
Claims (24)
- 電気化学センサであって、以下:
少なくとも1つの電極;および
該電極上に堆積された複合膜を備え、該複合膜は、外層、酵素層、および該電極と接触する内層を備え、ここで、該内層は、ポリマー膜を含み、該ポリマー膜は、モノマーの電気重合によってインサイチュで修復可能である、電気化学センサ。 - 前記外層が、ポリウレタンベースの化合物、ポリビニルベースの化合物、シリコーンエラストマーベースの化合物、およびポリカーボネートベースの化合物からなる群から選択される化合物を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、1種以上のH2O2生成酵素を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、グルコースオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、およびサルコシンオキシダーゼからなる群から選択される、1種以上の酵素を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、グルコースオキシダーゼを含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、乳酸オキシダーゼを含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、クレアチナーゼおよびサルコシンオキシダーゼを含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、およびサルコシンオキシダーゼを含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素層が、マトリックス中で安定化された少なくとも1種の酵素を含み、該マトリックスが、架橋剤および酵素安定化剤をさらに含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記架橋剤が、ジアルデヒド、ジイソシアネート、またはジエポキシドである、請求項9に記載の電気化学センサ。
- 前記架橋剤が、グルタルアルデヒド、1,4−ジイソシアナトブタン、1,2,7,8−ジエポキシオクタン、および1,2,9,10−ジエポキシデカンから選択される、請求項9に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素安定化剤が、ポリイオン性である、請求項9に記載の電気化学センサ。
- 前記酵素安定化剤が、ポリ(N−ビニルイミダゾール)、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリリジン、プロタミンおよびそれらの誘導体から選択される、請求項9に記載の電気化学センサ。
- 前記マトリックスが、不活性タンパク質をさらに含む、請求項9に記載の電気化学センサ。
- 前記不活性タンパク質が、牛血清アルブミンである、請求項14に記載の電気化学センサ。
- 前記内層が、ベンゾチオフェン、フェニレンジアミン、およびジヒドロキシベンゼンからなる群から選択されるモノマーの電気重合によってインサイチュで修復可能なポリマー膜を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記内層が、ベンゾチオフェンの電気重合によってインサイチュで修復可能なポリマー膜を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記内層が、フェニレンジアミンの電気重合によってインサイチュで修復可能なポリマー膜を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記内層が、ジヒドロキシベンゼンの電気重合によってインサイチュで修復可能なポリマー膜を含む、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 電気化学センサシステムであって、該電気化学センサシステムは、以下:
請求項1に記載の電気化学センサを含む電気化学センサカード、および
該電気化学センサカードと流体連絡するレザバであって、該レザバは、該電気化学センサのポリマー膜を修復するための電気重合可能モノマー溶液を含むように適合されている、レザバ、
を含む、電気化学センサシステム。 - 前記電気化学センサカードが、酵素センサ、イオン選択性センサ、pHセンサ、酸素センサ、および二酸化炭素センサからなる群より選択される1つ以上の電気化学センサを含む、請求項20に記載の電気化学センサシステム。
- 前記電気化学センサカードおよび前記レザバが、電気化学センサカートリッジに収納されている、請求項20に記載の電気化学センサシステム。
- 前記電気化学センサカードと電気的に接触する電気化学センサ装置をさらに備え、該電気化学センサ装置は、該電気化学センサカードからの電気的信号を測定し、そして前記電気重合可能モノマー溶液を重合させることにより前記ポリマー膜を修復するために電気化学センサに電位を提供し得るように設定されている、請求項20に記載の電気化学センサシステム。
- 前記電気化学センサ装置が、前記電気化学センサの複合膜中の干渉剤の少なくとも部分的な除去のために電位の変化をさらに提供し得る、請求項23に記載の電気化学センサシステム。
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