JP4694498B2

JP4694498B2 - ２つの異なる電位を印加して電気化学センサにおける干渉を軽減する方法

Info

Publication number: JP4694498B2
Application number: JP2006537429A
Authority: JP
Inventors: デイビス・オリバー・ウィリアム・ハードウィッケ
Original assignee: LifeScan Scotland Ltd; Inverness Medical Ltd
Current assignee: LifeScan Scotland Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: DK1678489T3; DE602004006148T2; AU2004288011A1; CA2543961A1; IL175320A0; PT1678489E; SG131942A1; US7618522B2; KR101179998B1; AU2004288014A1; CA2543802A1; JP2007514927A; WO2005045415A1; PL1685393T3; AU2004288008B2; US20100018878A1; CA2544424A1; KR20060131765A; US20050139469A1; DE602004021835D1

Description

開示の内容

〔発明の背景〕
ライフスキャン社（LifeScan Inc.）が販売するＯｎｅＴｏｕｃｈ（登録商標）Ｕｌｔｒａ（登録商標）全血検査キットに用いられるような電気化学グルコース検査ストリップは、糖尿病患者の血液サンプル中のグルコース濃度を測定するようにデザインされている。グルコースの測定は、フラボ酵素グルコースオキシダーゼによるグルコースの特異的な酸化に基づいている。この反応の際、この酵素は還元される。この酵素は、メディエータであるフェリシアニドとの反応によって再び酸化される。フェリシアニドは、この反応中に自己還元する。これらの反応は、次のように表すことができる。
Ｄ‐グルコース＋ＧＯｘ_(OX) → グルコン酸＋ＧＯｘ_(RED)
ＧＯｘ_(RED)＋２Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^3- → ＧＯｘ_(OX)＋２Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-

上記した反応が、２つの電極間に電位が印加された状態で起こる場合、電極表面における還元されたメディエータイオン（フェロシアニド）の電気化学的再酸化によって電流が生じる。したがって、理想的な環境では、上記した化学反応の際に生成されるフェロシアニドの量は、電極間にあるサンプル中のグルコースの量に正比例し、生成される電流は、サンプル中のグルコースの量に比例する。フェリシアニドなどの酸化還元メディエータは、グルコースオキシダーゼなどの酸化還元酵素と電極との間で電子を交換する化合物である。サンプル中のグルコース濃度が上昇すると、生成される還元メディエータの量も増大するため、還元されたメディエータの再酸化によって生じる電流とグルコース濃度との間に直接的な関係が存在する。具体的には、電気接触面に亘る電子の移動により、電流が流れる（酸化されたグルコース１モルに付き２モルの電子）。したがって、グルコースの導入によって生じる電流は、グルコース電流と呼ぶことができる。

特に糖尿病患者では、血中のグルコース濃度を知ることが極めて重要であるため、一般の人が、いつでも自身の血液を採取して検査し、グルコース濃度を決定できるように、測定器が上記した原理を用いて開発された。生成されるグルコース電流は、測定器によって監視され、単純な計算式を用いて電流をグルコース濃度に関連付けるプリセットアルゴリズムによってグルコース濃度の示度に変換される。一般に、測定器は、使い捨てストリップと共に使用する。このストリップは、サンプル室と、酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）およびメディエータ（例えば、フェリシアニド）に加えてそのサンプル室内に配置された少なくとも２つの電極を含む。使用する際は、ユーザーが、自身の指または他の好適な部位に針を刺して出血させ、血液サンプルをサンプル室内に導入し、これにより上記した化学反応が始まる。

電気化学の点で、測定器は２つの機能を果たす。第１に、測定器は、電気接触面に極性を付与する分極電圧（ＯｎｅＴｏｕｃｈ（登録商標）Ｕｌｔｒａ（登録商標）の場合は約０．４Ｖ）を供給し、炭素動作電極の表面に電流が流れうるようにする。第２に、測定器は、陽極（動作電極）と陰極（基準電極）との間の外部回路を流れる電流を測定する。したがって、測定器は、２つの電極モードで動作する単純な電気化学システムと見なすことができるが、実際には、第３の電極、さらに第４の電極も用いてグルコースの測定を容易にし、かつ／または測定器の他の機能を果たすことができる。

殆どの状況では、上記した式は、検査ストリップ上で起こる化学反応の十分な近似であり、測定器の示度が血液サンプル中のグルコースの量を十分に正確に表していると見なされる。しかしながら、一定の状況下および特定の目的のためには、測定の精度を改善するのが有利であろう。例えば、電極で測定される電流の一部が、サンプル中の他の化学物質または化合物の存在から生じる場合である。このような追加の化学物質または化合物が存在する場合、これらを「干渉成分」と呼び、結果として生じる追加的な電流を「干渉電流」と呼ぶことができる。

潜在的な干渉化学物質（すなわち、電界の存在下で干渉電流を生成しうる血液などの生理学的流体に存在する化合物）の例として、アスコルビン酸塩、尿酸塩、およびアセトアミノフェン（Ｔｙｌｅｎｏｌ（商標）またはパラセタモール）を挙げることができる。生理学的流体（例えば、グルコース測定器）中の分析物の濃度を測定する電気化学測定器で干渉電流が生成されるある機序では、酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）の還元によって１または複数の干渉成分が酸化する。このような測定器で干渉電流が生成される別の機序では、メディエータ（例えば、フェリシアニド）の還元によって１または複数の干渉成分が酸化される。このような測定器で干渉電流が生成されるさらに別の機構では、動作電極で１または複数の干渉成分が酸化される。したがって、動作電極で測定される全電流は、分析物の酸化によって生じる電流と干渉成分の酸化によって生じる電流の合計である。干渉成分の酸化は、酵素すなわちメディエータとの相互作用の結果として起こったり、動作電極で直接起こったりしうる。

一般に、潜在的な干渉成分は、電極表面で酸化され、かつ／または酸化還元メディエータによって酸化されうる。グルコース測定システムでの干渉成分のこの酸化により、測定される酸化電流は、グルコースと干渉成分の両方に依存する。したがって、干渉成分の濃度がグルコースと同じ効率で酸化し、かつ／または干渉成分の濃度がグルコース濃度に対して著しく高い場合、干渉成分が測定されるグルコース濃度に影響を与えるであろう。

分析物（例えば、グルコース）と干渉成分の同時酸化は、干渉成分の標準電位（すなわち、成分が酸化するときの電位）が酸化還元メディエータの標準電位の大きさに近い場合に特に問題であり、干渉電流のかなりの部分が、動作電極での干渉成分の酸化によって生成されることになる。動作電極での干渉成分の酸化によって生じる電流は、「直接干渉電流」と呼ぶことができる。したがって、分析物濃度の測定値に対する直接干渉電流の影響を軽減または最小限にすることが有利である。直接干渉電流を軽減または排除する従来の方法では、干渉成分が動作電極に到達するのを防止して、この排除される成分に起因する直接干渉電流を低減または排除するように検査ストリップがデザインされている。

直接干渉電流を生成する干渉成分の影響を軽減するある方法では、動作電極の上部に負に帯電した膜が配置される。一例として、負に帯電した全ての化学物質を退けるために、ＮＡＦＩＯＮ（商標）などのスルホン酸フルオロポリマー（sulfonated fluoropolymer）を動作電極の上に配置することができる。一般に、アスコルビン酸塩および尿酸塩を含む多くの干渉成分は、負の電荷を有するため、動作電極の表面が負に帯電した膜で覆われている場合は動作電極で酸化されない。しかしながら、アセトアミノフェンなどのある種の干渉成分は、負に帯電していないため、負に帯電した膜を通過することができ、負に帯電した膜を用いても直接干渉電流を排除できない。動作電極を負に帯電した膜で覆う別の不利な点は、フェリシアニドなどの一般的に用いられる酸化還元メディエータは、負に帯電しているため、負に帯電した膜を通過できず、電極と電子交換することができない。動作電極に負に帯電した膜を使用する別の不利な点は、還元されたメディエータの動作電極への拡散速度が遅くなって試験時間が延びてしまう可能性があることである。負に帯電した膜を動作電極に使用するさらに別の不利な点は、負に帯電した膜を備えた検査ストリップの製造がより複雑になり、コストが嵩むことである。

直接干渉電流の影響を軽減するために用いることができる別の方法では、動作電極の上にサイズ選択膜が配置される。一例として、分子量が１００ダルトンを超える化合物を排除するため、酢酸セルロースなどの１００ダルトンサイズ選択膜を動作電極上に配置することができる。この実施形態では、グルコースオキシダーゼなどの酸化還元酵素をサイズ選択膜の上に配置する。グルコースオキシダーゼは、グルコースおよび酸素の存在下で、グルコース濃度に比例した量の過酸化水素を生成する。グルコースおよび殆どの酸化還元メディエータは、分子量が１００ダルトンを超えるため、サイズ選択膜を通過できないことに留意されたい。しかしながら、過酸化水素は、分子量が３４ダルトンであるため、サイズ選択膜を通過することができる。一般に、殆どの干渉成分は、分子量が１００ダルトンを超えるため、電極表面で酸化されない。分子量が小さい一部の干渉成分はサイズ選択膜を通過できるため、サイズ選択膜を使用しても、直接干渉電流を排除できない。サイズ選択膜を動作電極上に配置する別の不利な点は、サイズ選択膜を備えた検査ストリップの製造がより複雑になり、コストが嵩むことである。

直接干渉電流の影響を軽減するために用いることができる別の方法では、例えば、約−３００ｍＶ〜＋１００ｍＶ（飽和カロメル電極に対して）の範囲の酸化還元電位が低い酸化還元メディエータが用いられる。これにより、動作電極に印加する電位を比較的低くすることができ、干渉成分が動作電極によって酸化される速度を遅らせることができる。酸化還元電位が比較的低い酸化還元メディエータの例として、オスミウムビピリジル複合体（osmium bipyridyl complexes）、フェロセン誘導体、およびキノン誘導体を挙げることができる。しかしながら、電位が比較的低い酸化還元メディエータは、合成が比較的困難であり、比較的不安定で、比較的溶けにくい。

干渉成分の影響を軽減するために用いることができる別の方法では、動作電極と共にダミー電極が用いられる。干渉成分の影響を補正するために、動作電極で測定される酸化電流からダミー電極で測定される電流を減じることができる。ダミー電極が露出している（すなわち、酵素またはメディエータで覆われていない）場合、ダミー電極で測定される電流は、直接干渉電流に比例するため、動作電極で測定される電流からダミー電極で測定される電流を減じることで、動作電極における干渉成分の直接酸化の影響を軽減または排除することができる。ダミー電極が酸化還元メディエータでコーティングされている場合、ダミー電極で測定される電流は、干渉成分による酸化還元メディエータの還元から生じる干渉電流と直接干渉電流の合計となる。したがって、動作電極で測定される電流から酸化還元メディエータでコーティングされたダミー電極で測定される電流を減じると、干渉成分の直接酸化の影響と、動作電極における干渉成分による酸化還元メディエータの還元から生じる干渉の影響を軽減または排除することができる。場合によっては、拡散に対する酸化還元メディエータおよび酵素の影響をシミュレートするために、ダミー電極を、不活性なタンパク質または不活化された酸化還元酵素でコーティングすることもできる。糖尿病患者が多量に出血させなくても済むようにサンプル室が小さい検査ストリップが望ましいため、サンプル室の体積を増大させるような、分析物（例えば、グルコース）の測定に用いない追加電極を含めるのは不利である。さらに、ダミー電極で測定される電流を動作電極で測定される干渉電流に直接関連付けるのは困難であろう。最後に、ダミー電極は、動作電極を覆うために用いる材料（例えば、酸化還元メディエータおよび酵素）とは異なる１または複数種の材料（例えば、酸化還元メディエータ）でコーティングすることがあるため、多動作電極システムにおける干渉成分の影響を軽減または排除する方法としてダミー電極を用いる検査ストリップは、その製造の複雑さおよびコストが増大する。

ＯｎｅＴｏｕｃｈ（登録商標）Ｕｌｔｒａ（登録商標）グルコース測定システムに用いるシステムなどの、分析物を測定するために複数の動作電極を用いるある種の検査ストリップのデザインは、２つの電極を使用するため有利である。したがって、このようなシステムでは、干渉成分の影響を軽減または排除する方法を開発することが有利である。具体的には、ダミー電極、中間膜、または酸化還元電位が低い酸化還元メディエータを用いずに干渉成分の影響を軽減または排除する方法を開発することが有利である。

〔発明の概要〕
本発明は、分析物の測定における干渉成分の影響を軽減する方法に関し、詳細には、検査ストリップが２つ以上の動作電極を用いるシステムにおける干渉成分の影響を軽減する方法に関する。本発明の一実施形態では、第１の電位（Ｅ１）を第１の動作電極（１２）に印加し、この第１の電位（Ｅ１）よりも大きい同じ極性を有する第２の電位（Ｅ２）を第２の動作電極（１４）に印加する。還元電流を分析物の濃度測定に用いる実施形態でも、第２の電位を第１の電位よりも小さくすることできる。一実施形態では、第１の動作電極および第２の動作電極を、分析物特異的な酵素試薬および酸化還元メディエータで覆うことができる。第１の動作電極に印加する第１の電位は、拡散が制限されるように還元された酸化還元メディエータが酸化するのに十分となるように選択され、第２の電位は、第２の動作電極における酸化がより効率的となるように第１の電位よりも大きい電位の大きさ（すなわち、絶対値）を有するように選択する。本発明のこの実施形態では、第１の動作電極で測定される電流は、分析物電流および干渉成分電流を含み、第２の動作電極で測定される電流は、分析物過電圧電流および干渉成分過電圧電流を含む。分析物電流および分析物過電圧電流は共に、分析物濃度に一致する電流であり、この電流が還元されたメディエータの酸化によるものであることに留意されたい。本発明の実施形態では、第１の動作電極における電流と第２の動作電極における電流との間の関係を、下記の式で表すことができる。

但し、
Ａ₁は第１の動作電極における分析物電流、
Ｗ₁は第１の動作電極で測定される電流、
Ｗ₂は第２の動作電極で測定される電流、
Ｘは分析物依存性電圧影響因子、
Ｙは干渉成分依存性電圧影響因子である。
本発明に従った方法では、上記した式を用いて、干渉成分の存在によって生じる酸化電流の影響を軽減し、測定するサンプルにおける分析物の濃度をより正確に表す補正された電流値を計算することが可能である。

本発明の一実施形態では、検査ストリップに配置されたサンプル中のグルコース濃度は、第１の動作電極、第２の動作電極、および基準電極を有する検査ストリップにサンプルを配置して算出することができる。少なくとも第１の動作電極および第２の動作電極は、第１の動作電極と基準電極との間および第２の動作電極と基準電極との間に電位が印加された時に、グルコースの酸化および酸化されたグルコースから第１の動作電極および第２の動作電極への電子の移動が促進されるように適合された化学成分（例えば、酵素および酸化還元メディエータ）でコーティングされている。本発明に従えば、第１の電位を第１の動作電極と基準電極との間に印加する。この第１の電位は、サンプル中のグルコースの酸化によって生成される電流の大きさが印加される電圧以外の因子（例えば、拡散）によってのみ制限されるように十分な大きさとなるように選択される。本発明に従えば、第２の電位が第２の動作電極と基準電極との間に印加される。この第２の電位は、第１の電位よりも大きく、本発明の一実施形態では、第２の動作電極における干渉成分の酸化を増大するように選択される。本発明の別の実施形態では、下記の式を用いて、サンプル中のグルコース濃度を算出するために用いる電流に対する干渉成分の存在から生じる酸化電流の影響を軽減することができる。具体的には、グルコース濃度は、計算された電流Ａ_1Gを用いて導出することができる。

但し、
Ａ_1Gはグルコース電流、
Ｗ₁は第１の動作電極で測定される電流、
Ｗ₂は第２の動作電極で測定される電流、
Ｘ_Gはグルコース依存性電圧影響因子、
Ｙは干渉成分依存性電圧影響因子である。

本発明の新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。添付の図面を参照しながら、本発明の原理を用いた例示的な実施形態を説明する以下の詳細な説明を読めば、本発明の特徴および利点をより良く理解できるであろう。

〔発明の詳細な説明〕
本発明は、特に血中のグルコース濃度の測定に適合しているが、当業者であれば、ここに記載する方法を、生理学的流体中の分析物の電気化学的測定に用いる他のシステムの選択性を改善するために適合できることを理解できよう。本発明に従った方法を用いた選択性の改善に適合しうるシステムの例には、生理学的流体中の乳酸塩、アルコール、コレステロール、アミノ酸、コリン、およびフルクトサミンの濃度を測定するために用いる電気化学センサが含まれる。このような分析物を含みうる生理学的流体の例として、血液、血漿、血清、尿、および間質液を挙げることができる。さらに、本発明の方法を、測定する電流が酸化によって生成される電気化学システムにおいて説明するが、測定する電流が還元によって生成されるシステムにも同様に適用できることを理解されたい。

本発明は、血中グルコース測定システムに使用するように特別に適合された電気化学測定システムの選択性を改善するための方法に関する。具体的には、本発明は、直接干渉電流の影響を部分的または完全に補正して血中グルコース測定システムの選択性を改善するための方法に関する。このようなシステムにおける選択性は、干渉電流を生成する１または複数の成分を含む生理学的流体のサンプル中のグルコース濃度を正確に測定するシステムの性能の示度である。したがって、選択性を改善することにより、干渉成分（すなわち、酸化して干渉電流を生成するグルコース以外の成分）の存在によって動作電極で生成される電流が低減され、そして測定される電流がグルコース濃度をより正確に表すようになる。具体的には、測定される電流は、例えば、アセトアミノフェン（Ｔｙｌｅｎｏｌ（商標）またはパラセタモール）、アスコルビン酸、ビリルビン、ドーパミン、ゲンチジン酸、グルタチオン、レボドパ、メチルドーパ、トラジミド（tolazimide）、トルブタミド、および尿酸などの生理学的流体中で通常に見られる干渉成分の酸化の関数とすることができる。このような干渉成分は、例えば、酸化還元メディエータと化学反応して酸化するか、または電極表面で酸化することができる。

完全な選択システムでは、どのような干渉成分によっても酸化電流が生成されず、酸化電流の全てがグルコースの酸化によって生成される。しかしながら、干渉成分の酸化およびその結果として生じる酸化電流を回避できない場合のために、本発明は、干渉成分によって生じる全酸化電流の割合を定量し、そして全酸化電流からその量を減じて、干渉成分の影響の一部または全てを排除する方法について説明する。具体的には、本発明に従った方法では、第１の動作電極および第２の動作電極を含む検査ストリップを用いて、２つの異なる電位を印加し、各動作電極で生成される酸化電流を測定して、この測定値からグルコースと干渉成分の両方の酸化電流の割合をそれぞれ推定する。

本発明に従った方法の一実施形態では、第１の動作電極、第２の動作電極、および基準電極を含むサンプル室を有する検査ストリップを用いる。第１の動作電極、第２の動作電極、および基準電極は、グルコースオキシダーゼ（前記酵素）およびフェリシアニド（前記酸化還元メディエータ）によって覆われている。血液のサンプル（前記生理学的流体）がサンプル室内に導入されると、グルコースオキシダーゼが血液サンプル中のグルコースによって還元され、グルコン酸が生成される。次いで、グルコン酸が、フェリシアニドのフェロシアニドへの還元によって酸化され、グルコース濃度に比例した濃度で還元された酸化還元メディエータが生成される。本発明に従った方法に用いるのに適した検査ストリップの例として、カリフォルニア州ミルピタス（Milpitas）に所在のライフスキャン社（Lifescan, Inc.）が販売するＯｎｅＴｏｕｃｈ（登録商標）Ｕｌｔｒａ（登録商標）検査ストリップを挙げることができる。他の好適なストリップは、国際公開第０１／６７０９９Ａ１号および同第０１／７３１２４Ａ２号に開示されている。

本発明に従った方法の一実施形態では、第１の電位が第１の動作電極に印加され、第２の電位が第２の動作電極に印加される。この実施形態では、第１の電位は、所定の範囲となるように選択される。この範囲では、グルコース電流レスポンスが、印加される電位に対して比較的感度が低く、これにより、第１の動作電極におけるグルコース電流の大きさが、第１の動作電極に対して拡散する還元された酸化還元メディエータの量によって制限される。グルコースは動作電極で直接酸化されないが、酸化還元酵素および酸化還元メディエータを介して間接的に酸化される。本発明の説明では、グルコース電流は、グルコース濃度に相関する還元された酸化還元メディエータの酸化によるものである。フェリシアニド／フェロシアニドが酸化還元メディエータであって炭素が動作電極である本発明の一実施形態では、第１の電位は、約０ｍＶ〜約５００ｍＶの範囲、より好ましくは約３８５ｍＶ〜約４１５ｍＶの範囲、さらに好ましくは約３９５ｍＶ〜４０５ｍＶの範囲とすることができる。第２の電位は、第１の電位よりも高くなるように第２の動作電極に印加される。この場合、印加される電位は、グルコースを酸化させるのに必要な電位よりも高い。フェリシアニド／フェロシアニドが酸化還元メディエータであって炭素が動作電極である本発明の実施形態では、第２の電位は、約５０ｍＶ〜約１０００ｍＶの範囲、より好ましくは約４２０ｍＶ〜約１０００ｍＶの範囲とすることができる。

電位が増大しても、グルコース電流は増大しないか増大してもわずかであるため、第２の動作電極におけるグルコース電流は、たとえ第２の動作電極における電位が第１の動作電極における電位よりも高くても、第１の動作電極におけるグルコース電流に実質的に等しいはずである。したがって、第２の動作電極で測定される追加の電流は全て、干渉成分の酸化によるものであろう。言い換えれば、第２の動作電極における電位が高いと、第２の動作電極で測定されるグルコース過電圧電流が生じるはずである。このグルコース過電圧電流は、第１の電位と第２の電位が印加される電位の変化に感受性がないグルコース電流範囲に制限されているため、第１の動作電極におけるグルコース電流と大きさが等しいまたはほぼ等しい。しかしながら、実際には、他のパラメータも、測定される電流に影響を及ぼすことがある。例えば、第２の動作電極に高い電位が印加されると、ＩＲドロップまたは容量効果の結果として第２の動作電極で全体の電流がわずかに上昇する場合が多い。ＩＲドロップ（すなわち、補正されていない抵抗）がシステムに存在すると、高い電位が印加されると、測定される電流の大きさが増大する。ＩＲドロップの例として、第１の動作電極、第２の動作電極、基準電極、および動作電極と基準電極との間の生理学的流体の公称抵抗を挙げることができる。加えて、高い電位が印加されると、電極と液体の界面に大きいイオン二重層が形成され、イオン容量が増大し、第１の動作電極または第２の動作電極のいずれかで生じる電流が増大する。

第１の動作電極で測定されるグルコース電流と第２の動作電極で測定されるグルコース電流との間の実際の関係を決定するために、好適な式を導出する必要がある。第２の動作電極におけるグルコース電流は、グルコース過電圧電流と呼ぶこともできることに留意されたい。グルコース電流とグルコース過電圧電流との正比例の関係を下記の式で表すことができる。
Ｘ_G×Ａ_1G＝Ａ_2G （式１）
但し、
Ｘ_Gはグルコース依存性電圧影響因子、
Ａ_1Gは第１の動作電極におけるグルコース電流、
Ａ_2Gは第２の動作電極におけるグルコース電流である。

フェリシアニド／フェロシアニドが酸化還元メディエータであって炭素が動作電極である本発明のある実施形態では、グルコースの電圧影響因子Ｘ_Gは、約０．９５〜約１．１の範囲と推定することができる。本発明のこの実施形態では、酸化還元メディエータ（フェロシアニド）が、速い電子移動速度および動作電極との可逆的な電子移動特性を有するため、高い電位は、グルコース酸化電流に対して大きな影響を与えない。グルコース電流は、一定の点を越えると増大する電位で増大しなくなるため、飽和するタイプまたは拡散が制限されるタイプと見なすことができる。

上記した本発明の実施形態では、グルコースは、動作電極におけるフォロシアニドの酸化によって間接的に測定し、この場合、フェロシアニドの濃度がグルコース濃度に正比例する。特定の電気化学成分に対する標準電位（Ｅ⁰）値は、他の化学成分と電子を交換する電気化学成分の能力の指標である。本発明に従った方法では、第１の動作電極における電位は、酸化還元メディエータの標準電位（Ｅ⁰）よりも大きくなるように選択される。第１の電位が、酸化還元対のＥ⁰値よりも十分に大きくなるように選択されるため、酸化速度は、印加される電圧が増大しても実質的に上昇しない。したがって、第２の動作電極でより大きな電位が印加さても、第２の動作電極における酸化は増大せず、電位が高い方の電極で測定されるあらゆる増大した電流は、例えば、干渉成分の酸化などの他の要因によるものであるはずである。

図３は、フェリシアニド／フェロシアニドが酸化還元メディエータであって炭素が動作電極である場合の印加される電圧と測定される電流の依存関係を例示する流体力学的ボルタンモグラムである。グラフ上の各データポイントは、動作電極と基準電極に亘って電圧を印加してから５秒後に電流が測定された少なくとも１つの実験を示している。図３は、印加する電圧がフェロシアニドのＥ⁰値の電圧よりも十分に高いため、電流が約４００ｍＶから高い領域を形成していることを示している。したがって、図３に例示されているように、電位が約４００ｍＶに達すると、フェロシアニドの酸化が拡散制限されているため（すなわち、フェロシアニドの動作電極への拡散は、測定される電流の大きさを制限し、フェロシアニドと動作電極との間の電子移動速度によっては制限されない）、グルコース電流が飽和する。

一般に、干渉成分の酸化によって生成される電流は、印加される電圧の増大によって飽和するのではなく、フェロシアニド（このフェロシアニドは、グルコースと酵素および酵素とフェロシアニドの相互作用によって生成される）の酸化によって生成される電流よりも印加される電位に対してより強い依存を示している。一般に、干渉成分は、電子移動速度が酸化還元メディエータ（すなわちフェロシアニド）よりも遅い。この差は、ほとんどの干渉成分が、フェロシアニドの速い外側球面電子移動経路ではなく内側球面電子移動経路をとるという事実によるものである。一般的な内側球面電子移動には、電子が移動する前に、水素化物の移動などの化学反応が起こる必要がある。これとは対照的に、外側球面電子移動には、電子が移動する前の化学反応が必要ない。したがって、内側球面電子移動速度は通常、追加の化学反応ステップが必要なため、外側球面電子移動よりも遅い。アスコルビン酸塩のデヒドロアスコルビン酸への酸化は、２つの水素化物部分の遊離を必要とする内側球面酸化の一例である。フェロシアニドのフェリシアニドへの酸化は、外側球面電子移動の一例である。したがって、干渉成分によって生成される電流は通常、高い電位で試験されるときに増大する。

第１の動作電極における干渉成分電流と第２の動作電極における干渉成分過電圧電流との間の関係は、下記の式で表すことができる。
Ｙ×Ｉ₁＝Ｉ₂ （式２）
但し、
Ｙは干渉成分依存性電圧影響因子、
Ｉ₁は干渉成分電流、
Ｉ₂は干渉成分過電圧電流である。
干渉成分電圧影響因子Ｙは、問題の１または複数の特定の干渉成分および動作電極に用いる材料を含む多数の因子に依存するため、特定のシステム、検査ストリップ、分析物、および１または複数の干渉成分についての特定の干渉成分依存性電圧影響因子の計算には、これらの基準に対する電圧影響因子を最適化するための実験が必要であろう。別法では、一定の状況下で、適切な電圧影響因子を数学的に導出または説明することができる。

フェリシアニド／フェロシアニドが酸化還元メディエータであって炭素が動作電極である本発明のある実施形態では、干渉成分依存性電圧影響因子Ｙは、Ｉ₁およびＩ₂についてターフェルの式を用いて数学的に説明することができる。

但し、
η₁＝Ｅ₁−Ｅ⁰、
η₂＝Ｅ₂−Ｅ⁰、
ｂ’は特定の電気活性干渉成分に依存する定数、
Ｅ₁は第１の電位、
Ｅ₂は第２の電位である。
Ｅ⁰の値（特定の干渉成分の標準電位）は、Δηの計算で消去されるため重要でない。式２、式２ａ、および式２ｂを組み合わせて変形し、下記の式を導出することができる。

但し、
Δη＝Ｅ₁−Ｅ₂である。
式２ｃは、Δη（すなわち、第１の電位と第２の電位との差）と干渉成分依存性電圧影響因子Ｙとの間の関係を表す数学的関係を示している。本発明のある実施形態では、Ｙは、約１〜約１００の範囲、より好ましくは約１〜約１０の範囲とすることができる。本発明のある実施形態では、干渉成分依存性電圧影響因子Ｙは、特定の干渉成分または干渉成分の組合せに対して経験的に決定することができる。干渉成分の干渉成分依存性電圧影響因子Ｙは、通常はグルコースの電圧影響因子Ｘ_Gよりも大きいことに留意されたい。以降の段落で説明するように、（ａ）干渉成分電流Ｉ₁と干渉成分過電圧電流Ｉ₂と（ｂ）グルコース電流Ａ_1Gとグルコース過電圧電流Ａ_2Gとの数学的関係により、グルコース測定における干渉成分の影響を低減するグルコースアルゴリズムを提案することが可能となる。

本発明のある実施形態では、干渉の影響のない補正されたグルコース電流（すなわち、Ａ_1GおよびＡ_2G）を計算するためにアルゴリズムを開発した。検査ストリップにサンプルを導入したら、第１の電位を第１の動作電極に印加し、第２の電位を第２の動作電極に印加する。第１の動作電極において、下記の式で示すことができる第１の電流を測定する。
Ｗ₁＝Ａ_1G＋Ｉ₁ （式３）
但し、
Ｗ₁は第１の動作電極における第１の電流である。
言い換えれば、第１の電流は、グルコース電流Ａ_1Gと干渉成分電流Ｉ₁の合計を含む。より具体的には、干渉成分電流は、上記した直接干渉電流とすることができる。第２の動作電極において、第２の電流は、第２の電位で測定される電流、すなわち下記の式で表すことができる過電圧電流である。
Ｗ₂＝Ａ_2G＋Ｉ₂ （式４）
但し、
Ｗ₂は、第２の動作電極における第２の電流、
Ａ_2Gは、第２の電位で測定されるグルコース過電圧電流、
Ｉ₂は、第２の電位で測定される干渉成分過電圧電流である。
より具体的には、干渉成分過電圧電流は、上記した直接干渉成分電流とすることができる。４つの未知数（Ａ_1G、Ａ_2G、Ｉ₁、およびＩ₂）を含む上記した４つの式（式１〜式４）を用いて、干渉成分の影響のない補正されたグルコース電流の式を計算することが可能である。

導出の第１のステップとして、式１のＡ_2Gと式２のＩ₂を式４に代入して下記の式５を得ることができる。
Ｗ₂＝Ｘ_GＡ_1G＋ＹＩ₁ （式５）
次に、式３を、干渉成分の干渉成分依存性電圧影響因子Ｙで乗じて下記の式６を得ることができる。
ＹＷ₁＝ＹＡ_1G＋ＹＩ₁ （式６）
式５から式６を減じて下記の式７を得ることができる。
Ｗ₂−ＹＷ₁＝Ｘ_GＡ_1G−ＹＡ_1G （式７）
ここで、式７を変形させて、下記の式８に示すように第１の電位で測定される補正されたグルコース電流Ａ_1Gを求めることができる。

式８から、干渉の影響が排除され補正されたグルコース電流Ａ_1Gを求めることができる。この式には、第１の動作電極および第２の動作電極の電流出力（例えば、Ｗ₁およびＷ₂）、グルコース依存性電圧影響因子Ｘ_G、および干渉成分の干渉成分依存性電圧影響因子Ｙのみが必要である。

電子部品を含むグルコース測定器は、Ｗ₁およびＷ₂の電流を測定するためにグルコース検査ストリップに電気的に接続されている。本発明の一実施形態では、Ｘ_GおよびＹは、グルコース測定器に読み出し専用メモリとしてプログラムすることができる。本発明の別の実施形態では、Ｘ_GおよびＹは、較正コードチップを介して測定器に転送することができる。この較正コードチップは、検査ストリップの特定のロットについて較正されるＸ_GおよびＹの特定のセットの値をそのメモリに保存することができる。これにより、Ｘ_GおよびＹで起こり得る検査ストリップのロットによるばらつきに対処できる。

本発明の別の実施形態では、式８における補正されたグルコース電流を、一定の閾値を超える場合にのみ測定器で用いることができる。例えば、Ｗ₂がＷ₁よりも約１０％以上大きい場合、測定器が式８を用いて電流出力を補正する。しかしながら、Ｗ₂がＷ_1の約１０％以下の場合、干渉成分の濃度が低いため、測定器は、測定の精度および正確さを改善するために、単純にＷ₁とＷ₂の間の平均電流値をとることができる。Ｗ₁とＷ₂の電流を単純に平均する代わりに、より正確な方法として、グルコース依存性電圧影響因子Ｘ_Gを考慮する

でＷ₁を平均することができる
（

は、Ｉ₂が低い場合式１および式４に従ったＡ_1Gにほぼ等しいことに留意されたい）。サンプルにおける干渉成分のレベルが著しい可能性が高い一定の条件の場合にのみ式８を用いる方法により、測定されたグルコース電流を過度に補正するリスクが軽減される。Ｗ₂がＷ₁よりも著しく大きい（例えば、約１００％以上）場合、これが干渉物の濃度が異常に高いことを示唆することに留意されたい。このような場合、干渉成分のレベルが極めて高いと式８の正確さが低下するため、グルコース値の代わりにエラーメッセージを出力するのが望ましいであろう。

以降の段落に、式８に示すように本発明の提案するアルゴリズムを用いることができる可能な検査ストリップの実施形態を説明する。図１は、基板５の上に６層が設けられた検査ストリップ６００の組立分解斜視図である。これらの６層は、導電層５０、絶縁層１６、試薬層２２、接着層６０、親水性層７０、および最上層８０である。検査ストリップ６００は、導電層５０、絶縁層１６、試薬層２２、接着層６０が、例えばスクリーン印刷工程で基板５の上に堆積される一連のステップで製造することができる。親水性層７０および最上層８０は、ロールストックから基板５の上に積層させることができる。最終的に組み立てられた検査ストリップは、分析できるように血液サンプルを受容できるサンプル受容室を形成している。

導電層５０は、基準電極１０、第１の動作電極１２、第２の動作電極１４、第１の接点１３、第２の接点１５、基準接点１１、およびストリップ検出バー１７を含む。導電層に用いることができる好適な材料は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、ステンレス鋼、ドープされた酸化スズ、および炭素などである。好ましくは、導電層の材料は、米国特許第５，６５３，９１８号に開示されているようなカーボンインキとすることができる。

絶縁層１６は、基準電極１０、第１の動作電極１２、および第２の動作電極１４の一部を露出させ、これらの部分を液体サンプルに接触させることができるカットアウト１８を含む。限定目的ではない一例として、絶縁層（１６または１６０）は、エルコン社（Ercon, Inc.）で購入できるエルコンＥ６１１０‐１１６ジェット・ブラック・インシュレイヤー・インキ（Ercon E6110-116 Jet Black Insulayer Ink）とすることができる。

試薬層２２は、導電層５０および絶縁層１６の一部の上に設けることができる。本発明のある実施形態では、試薬層２２は、グルコースと選択的に反応する酸化還元メディエータおよび酸化還元酵素などの化学物質を含むことができる。この反応の際に、比例する量の還元された酸化還元メディエータが生成されうる。この量を電気化学的に測定して、グルコース濃度を計算することができる。本発明に用いるのに適した試薬またはインキの例が、言及することを以って本明細書の一部とする米国特許第５，７０８，２４７号および同第６，０４６，０５１号、ならびに国際公開第０１／６７０９９号および同第０１／７３１２４号に開示されている。

接着層６０は、第１の接着パッド２４、第２の接着パッド２６、および第３の接着パッド２８を含む。試薬層２２に近接して配置された第１の接着パッド２４および第２の接着パッド２６の側面縁のそれぞれが、サンプル受容室の壁部を画定している。本発明のある実施形態では、接着層は、英国ハーツ、トリング（Tring, Herts, United Kingdom）に所在のテープ・スペシャリティーズ社（Tape Specialties LTD）が販売する水性アクリルコポリマー感圧接着材（商品番号Ａ６４３５）を含む。

親水性層７０は、先端親水性パッド３２および基端親水性パッド３４を含む。限定目的ではない一例として、親水性層７０は、３Ｍ社が販売する曇り止めコーティングなどの１つの親水性表面を有するポリエステルである。先端親水性フィルム３２および基端親水性フィルム３４の両方が透明であって、ユーザーがサンプル受容室を満たす液体サンプルを観察できることに留意されたい。

最上層８０は、透明部分３６および不透明部分３８を含む。最上層８０は、親水性層７０の上に配置されて接着されている。限定目的ではない一例として、最上層４０はポリエステルとすることができる。透明部分３６は、サンプル受容室が十分に満たされたことをユーザーが確認できるように基端親水性パッド３２の上に実質的に重ねられていることに留意されたい。不透明部分３８は、サンプル受容室内の血液などの色のついた流体と上部フィルムの不透明部分との大きなコントラストをユーザーが確認するのに役立つ。

図２は、検査ストリップ６００とインターフェイスする測定器５００を示す簡易模式図である。測定器５００は、第１の動作電極１２、第２の動作電極１４、および基準電極１０に対する電気的な接続を形成する３つの電気接点を有する。具体的には、コネクタ１０１により、電圧源１０３が第１の動作電極１２に接続され、コネクタ１０２により、電圧源１０４が第２の動作電極１４に接続され、共通コネクタ１００により、電圧源１０３および１０４が基準電極１０に接続されている。検査を行う場合、測定器５００における電圧源１０３が、第１の動作電極１２と基準電極１０との間に第１の電位Ｅ₁を印加し、電圧源１０４が、第２の動作電極１４と基準電極１０との間に第２の電位Ｅ₂を印加する。第１の動作電極１２、第２の動作電極１４、および基準電極１０が血液で覆われるように、血液のサンプルを導入する。これにより、試薬層２２が水和され、サンプル中に存在するグルコースおよび／または干渉成分の濃度に比例した量のフェロシアニドが生成される。サンプルを導入してから約５秒後に、測定器５００が、第１の動作電極１２および第２の動作電極１４の両方の酸化電流を測定する。

前記した第１の検査ストリップおよび第２の検査ストリップの実施形態では、第１の動作電極１２と第２の動作電極１４が同じ領域を有するが、本発明が、このような同じ領域を有する検査ストリップに限定されるものではないことを留意されたい。領域が異なる前記したストリップの代替の実施形態では、各動作電極の電流出力を領域に対して標準化しなければならない。式１から式８の項の単位は、電流出力が領域に正比例するため、アンペア（電流）または単位面積当たりのアンペア（すなわち、電流密度）とすることができる。

ここに例示して説明した構造の代わりに同等の構造を用いることができ、本発明の上記した実施形態が、請求する本発明の実施に用いることができる唯一の構造ではないことを理解されたい。加えて、上記した各構造は機能を有しており、このような構造をその機能を果たすための手段と呼ぶこともできることを理解されたい。本発明の好適な実施形態をここに図示して説明してきたが、当業者であれば、このような実施形態が単なる例示目的であることは明らかであろう。当業者であれば、本発明から逸脱していない様々な変更形態、変形形態、および置換形態に想到するであろう。ここに開示した本発明の実施形態の様々な代替形態を本発明の実施に用いることができることを理解されたい。添付の特許請求の範囲が、本発明の範囲を規定し、この特許請求の範囲内の方法および構造ならびにそれらの等価物が本発明に含まれるものとする。

〔実施の態様〕
（１）電気化学センサの干渉を軽減する方法において、
第１の電位を第１の動作電極に印加するステップと、
前記第１の電位の絶対値よりも大きい第２の電位を第２の動作電極に印加するステップと、
分析物電流および干渉成分電流を含む第１の電流を前記第１の動作電極で測定するステップと、
分析物過電圧電流および干渉成分過電圧電流を含む第２の電流を前記第２の動作電極で測定するステップであって、前記分析物過電圧電流が、前記分析物電流に対して第１の正比例の関係を有し、かつ、前記干渉成分過電圧電流が、前記干渉成分電流に対して第２の正比例の関係を有している、前記ステップと、
前記第１の電流、前記第２の電流、前記第１の正比例の関係、および前記第２の正比例の関係の関数である式を用いて分析物の濃度を表す補正された電流値を計算するステップと、
を含む、方法。
（２）実施態様（１）に記載の方法において、
前記式が、

但し、
Ａ₁は前記分析物電流、
Ｗ₁は前記第１の電流、
Ｗ₂は前記第２の電流、
Ｘは分析物電圧影響因子、
Ｙは干渉成分電圧影響因子である、
方法。
（３）実施態様（１）に記載の方法において、
前記分析物がグルコースである、方法。
（４）実施態様（１）に記載の方法において、
前記第１の電位が、炭素動作電極およびフェロシアニド酸化還元メディエータを含む前記電気化学センサに対して３８５ｍＶ〜４１５ｍＶの範囲である、方法。
（５）実施態様（１）に記載の方法において、
前記第２の電位が、炭素動作電極およびフェロシアニド酸化還元メディエータを含む前記電気化学センサに対して４２０ｍＶ〜１０００ｍＶの範囲である、方法。

（６）実施態様（１）に記載の方法において、
前記干渉成分電流が、アセトアミノフェン、アスコルビン酸、ビリルビン、ドーパミン、ゲンチジン酸、グルタチオン、レボドパ、メチルドーパ、トラジミド（tolazimide）、トルブタミド、および尿酸からなる群から選択される少なくとも１つの化学物質の酸化によって生じる、方法。
（７）実施態様（１）に記載の方法において、
前記第１の正比例の関係が、
Ｘ_xＡ₁＝Ａ₂
であり、
Ｘは前記分析物電圧影響因子、
Ａ₁は前記分析物電流、
Ａ₂は前記分析物過電圧電流である、
方法。
（８）実施態様（１）に記載の方法において、
前記第１の正比例の関係が、
Ｙ_xＩ₁＝Ｉ₂
であり、
Ｙは前記干渉成分電圧影響因子、
Ｉ₁は前記干渉成分電流、
Ｉ₂は前記干渉成分過電圧電流である、
方法。

本発明に用いられる検査ストリップの実施形態の組立分解斜視図である。本発明に用いられる測定器およびストリップの模式図である。印加される電圧と測定される電流の依存関係を例示する流体力学的ボルタンモグラムである。

Claims

サンプル室と、該サンプル室内に配置された、第１の動作電極、第２の動作電極、及び基準電極と、を有する電気化学センサであって、前記第１の動作電極及び前記第２の動作電極がその上に配置された試薬を含む、電気化学センサの干渉を軽減する方法において、
生理学的流体のサンプルを前記第１の動作電極及び前記第２の動作電極並びに試薬に接触させるステップであって、前記生理学的流体が前記試薬の上部に配置される分析物を少なくとも含む、前記接触させるステップと、
化学反応を開始するために第１の電位を前記第１の動作電極と基準電極との間に印加するステップと、
化学反応を開始するために前記第１の電位の絶対値よりも大きい第２の電位を前記第２の動作電極と基準電極との間に印加するステップと、
分析物電流および干渉成分電流を含む第１の電流を前記第１の動作電極で測定するステップと、
分析物過電圧電流および干渉成分過電圧電流を含む第２の電流を前記第２の動作電極で測定するステップであって、前記分析物過電圧電流が、前記分析物電流に対して第１の正比例の関係を有し、かつ、前記干渉成分過電圧電流が、前記干渉成分電流に対して第２の正比例の関係を有している、前記第２の動作電極で測定するステップと、
前記第１の電流、前記第２の電流、前記第１の正比例の関係、および前記第２の正比例の関係の関数である式を用いて分析物の濃度を表す補正された電流値を計算するステップと、を含み、
前記第１の正比例の関係が、
Ｘ×Ａ₁＝Ａ₂
であり、
Ｘは分析物電圧影響因子、
Ａ₁は前記分析物電流、
Ａ₂は前記分析物過電圧電流であり、
前記第２の正比例の関係が、
Ｙ×Ｉ₁＝Ｉ₂
であり、
Ｙは干渉成分電圧影響因子、
Ｉ₁は前記干渉成分電流、
Ｉ₂は前記干渉成分過電圧電流であり、
前記式が、

但し、
Ａ₁は前記分析物電流、
Ｗ₁は前記第１の電流、
Ｗ₂は前記第２の電流、
Ｘは分析物電圧影響因子、
Ｙは干渉成分電圧影響因子である、
方法。
請求項１に記載の方法において、
前記分析物がグルコースである、方法。
請求項１または２に記載の方法において、
前記第１の電位が、炭素動作電極およびフェロシアニド酸化還元メディエータを含む前記電気化学センサに対して３８５ｍＶ〜４１５ｍＶの範囲である、方法。
請求項１から３のうちいずれか１つに記載の方法において、
前記第２の電位が、炭素動作電極およびフェロシアニド酸化還元メディエータを含む前記電気化学センサに対して４２０ｍＶ〜１０００ｍＶの範囲である、方法。
請求項１から４のうちいずれか１つに記載の方法において、
前記干渉成分電流が、アセトアミノフェン、アスコルビン酸、ビリルビン、ドーパミン、ゲンチジン酸、グルタチオン、レボドパ、メチルドーパ、トラジミド（tolazimide）、トルブタミド、および尿酸からなる群から選択される少なくとも１つの化学物質の酸化によって生じる、方法。