JP4767493B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description
一対の動作電極及び対電極を有する電気化学セルよりも大幅に正確に酸化還元種の還元型或いは酸化型の濃度を決定するための電気化学セル及びこのような電気化学セルを用いる方法が望ましい。このような電気化学セル及び方法の好適な実施形態を示す。
好適な実施形態では、分離された動作電極と対電極に接続された動作電極とを電気化学セル内において組み合わせ、低濃度の化学種の検出を改善している。図1及び図2は、好適な実施形態の電気化学セルの異なった電極構造を例示する。
或る実施形態の電気化学セルは使い捨て用であって、1回用にデザインされている。好適な実施形態では、本電気化学セルは、米国特許第5,942,102号に開示されている方法と同様の方法で製造することができる。図1に例示されているような電気化学セル10を用意するための好適な実施形態の或る方法では、電気抵抗性材料から成る層20、層22、層24、または層26は、導電層12、導電層14、導電層16、または導電層18としてパラジウムのスパッタリングコーティングを備えたポリエステルシートであり、露出した部分が製造後に電極32、電極34、電極36、または電極38となる。
電気化学セルが試料中の分析物の存在及び/またはその量を検出する、或いは試料中に存在する分析物の存在及び/またはその量を示す物質を検出する好適な実施形態では、セル内の少なくとも1つの電極は動作電極である。(電位差センサのように)動作電極の電位が分析物のレベルを示す場合、基準電極として働く第2の電極が存在し、基準電位を供給するように機能する。
或る実施形態では、電気化学セルに一或いは複数の可溶化剤を含むのが好ましい。好適な可溶化剤として、イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、蛋白分解酵素、及びリパーゼが挙げられる。好適なイオン界面活性剤として、例えばドデシル硫酸ナトリウム、及び臭化セチルトリメチルアンモニウムが挙げられる。蛋白分解酵素として、限定するものではないが、トリプシン、キモトリプシン、ペプシン、パパイン、及び幅広い特異性を有する非常に活性なプロナーゼEが挙げられる。使用に適した非イオン界面活性剤として、例えば、ペンシルベニア州フィラデルフィアのRohm & Haasが販売するTriton Xシリーズを含むエトキシ化オクチルフェノール(ethoxylated octylphenols)が挙げられる。好適な実施形態では、サポニン、即ち水中で泡立つ植物配糖体が可溶化剤として好ましい。
酸化還元試薬もまた、好適な実施形態の電気化学セルに含めることができる。血中のグルコース濃度の測定に用いるのに好適な酸化還元試薬には、グルコースを選択的に酸化できる還元型酵素を酸化できるものが含まれる。好適な酵素として、限定するものではないが、グルコースオキシダーゼデヒドロゲナーゼ、PQQ依存性グルコースデヒドロゲナーゼ、及びNAD依存性グルコースデヒドロゲナーゼが挙げられる。グルコースの分析に用いるのに適した酸化試薬として、限定するものではないが、フェリシアニド塩、ニクロム酸塩、酸化バナジウム塩、過マンガン酸塩、及び電気活性有機金属錯体塩が挙げられる。ジクロロフェノールインドフェノール及びキノン等の有機酸化還元試薬も好適である。好適な実施形態では、グルコース分析のための酸化還元試薬はフェリシアニドである。
必要に応じて、電気化学セル内に酸化還元試薬と共に乾燥した緩衝剤を含めることができる。緩衝剤を含める場合は、得られるpH値が、酸化還元試薬の酸化ポテンシャルを、例えばグルコース(但し、検出する必要のない他の化学種を含まない)を酸化するのに好適なレベルに調節するのに適した量の緩衝剤が含められる。緩衝剤は、検査中に所望のレベルに試料のpHが実質的に維持されるように十分な量含められる。好適な緩衝剤として、リン酸塩、炭酸塩、ベンゼンヘキサカルボン酸のアルカリ金属塩、及びクエン酸のアルカリ金属塩が挙げられる。緩衝剤の選択は、主に必要とするpHによって決めることができる。緩衝剤は、酸化還元試薬と反応しないものが選択される。
様々な実施形態に用いるのに好ましい不活性塩には、分析する試料中で解離してイオンを形成するが、試料中或いはセル内のセル電極を含む酸化還元試薬や他の何れの物質とも反応しない塩が含まれる。好適な不活性塩として、限定するものではないが、塩化アルカリ金属、硝酸塩、硫酸塩、及びリン酸塩が挙げられる。
酸化還元試薬及び緩衝剤に加えて、他の物質も電気化学セル内に含めることもできる。このような物質として、例えば粘度上昇剤や低分子量ポリマーがある。親水性物質、例えばポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、デキストラン、及び界面活性剤(例えば、ペンシルベニア州フィラデルフィアのRohm & Haas社が販売するTriton(商標)及びデラウエア州ウイルミントンのICI Americas社が販売するTween(商標))もまた、セル内に含めることができる。このような物質は、セルの充填率を高めて測定を安定させると共に少量の試料の蒸発を防止する。
導電層は、電極間に電位を印加して得られる電流を測定できる例えば測定器等の電気回路に接続されるのが好ましい。導電層を電気回路に接続する好適な手段として、限定するものではないが、タングプラグ(tongue plug)、並びにストリップの上部に延びた或いはストリップの下から延びた一連の接続ピン等が挙げられる。接続領域は図1に例示されている。好適な測定器は、一或いは複数の電源、制御された電位或いは電流を印加するための回路、マイクロプロセッサ制御装置、コンピュータ、或いはデータ記憶装置、表示装置、可聴アラーム装置、または当分野で周知の他の装置或いは構成部品を含み得る。測定器はまた、コンピュータやデータ記憶装置に接続することもできる。例えば、典型的な測定器は、バッテリ駆動のハンドヘルド型であって、搭載マイクロプロセッサによって制御され、例えばストリップ電極接続ピン間に所定の電位或いは電流を印加するための回路及びA/D変換器などの回路を備えている。この実施形態では、ストリップからのアナログ信号がデジタル信号に変換され、マイクロプロセッサで分析され、かつ/または保存される。測定器はまた、液晶ディスプレイ等の表示装置、及び検査結果を利用者に表示するための好適な関連回路を含む。別の実施形態では、測定器は、電位印加及び信号獲得回路などの特殊な回路を含み得る。このような特殊な回路は、ハンドヘルド型コンピュータや他のタイプのコンピュータ等の汎用演算装置と接続できる別のモジュールに組み込むことができる。このような実施形態では、汎用演算装置が、制御、分析、データの保存、及び/または表示機能を果たし得る。このような実施形態では、汎用演算装置が多くの機能の点から好ましいが、それ自体は電気化学測定システムの一部と考えられないため、測定器の価格が安くなる。これらの測定器の何れの実施形態においても、測定器或いは汎用演算装置は、ローカルコンピュータネットワークやインターネット等の外部装置と通信して検査結果の送信や、利用者へのシステムのアップグレードの提供ができる
図1及び図2に示されているような電気化学セルを用いて、改善された分析物検出を行うことができる。しかしながら、好適な実施形態の方法は、例示目的として図1の電気化学セル10を用いて説明する。この電気化学セル10では、電極34及び電極38が動作電極のセットであり、電極36及び電極32が対電極である。文脈中における分析物は、試料中の目的の実際の化学種或いは目的の化学種との化学反応による生成物である。電極32と電極34の間隔は、検査中に電極32における電気化学反応の生成物が電極34に拡散してそこで反応するように十分に近接している。この間隔は、通常は約500μm未満であり、好ましくは約450,400,350,300μmまたは250μmであり、更に好ましくは約200,150μmまたは100μm未満であり、最も好ましくは約90,80,70,60,50,40,30,25,20,15,10,5μmまたは1μm未満である。しかしながら、電極36と電極38は、検査中に電極36における反応生成物が電極38に到達しないように十分離れている。この間隔は、通常は約500μmよりも広く、好ましくは約550,600,650,700,750,800,850,900μmまたは950μmよりも広く、最も好ましくは約1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,25mmまたは50mmよりも広い。何れの場合も、電極36と電極38との間の間隔は、通常は電極32と電極34との間隔よりも十分に広い。
本発明の好適な実施態様を以下に示す。
(1)酸化還元種の還元型或いは酸化型の濃度を決定するための方法であって、
(a)第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を用意するステップと、
(b)前記第1の対電極から反応生成物が前記第1の動作電極に到達するように、前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間の間隔を選択するステップと、
(c)前記第2の対電極から有意な量の反応生成物が前記第1の動作電極に到達しないように、前記第1の動作電極と前記第2の対電極との間の間隔を選択するステップと、
(d)前記第2の対電極から有意な量の反応生成物が前記第2の動作電極に到達しないように、前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間の間隔を選択するステップと、
(e)前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間に電位差を与えるステップと、
(f)前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間に電位差を与えるステップと、
(g)前記酸化還元種の還元型の電気酸化の速度或いは前記酸化還元種の酸化型の電気還元の速度が拡散制御されるように、前記第1の動作電極の電位を選択するステップと、
(h)前記酸化還元種の還元型の電気酸化の速度或いは前記酸化還元種の酸化型の電気還元の速度が拡散制御されるように、前記第2の動作電極の電位を選択するステップと、
(i)前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間を流れる電流から前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間を流れる電流を差し引いて、修正電流を得るステップと、
(j)前記修正電流から、前記酸化還元種の還元型の濃度或いは前記酸化還元種の酸化型の濃度を示す値を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
(2)前記第1の動作電極の表面積と前記第2の動作電極の表面積とが実質的に同一であることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(3)前記第1の動作電極の表面積と前記第2の動作電極の表面積とが異なり、前記ステップ(i)が、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間を流れる電流を決定するステップと、
前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間を流れる電流を決定するステップと、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間を流れる前記電流並びに前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間を流れる前記電流を同一の電極表面積に標準化して、標準化した前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間を流れる電流と、標準化した前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間を流れる電流を得るステップと、
前記標準化した前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間を流れる電流から、前記標準化した前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間を流れる電流を差し引いて、修正電流を得るステップとを含むことを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(4)前記第1の動作電極と前記第1の対電極とが互いに約500μm未満離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(5)前記第1の動作電極と前記第1の対電極とが互いに約200μm未満離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(6)前記第2の動作電極と前記第2の対電極とが互いに約500μmを超えて離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(7)前記第1の動作電極と前記第2の対電極とが互いに約500μmを超えて離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(8)前記第2の動作電極と前記第2の対電極とが互いに約1mmを超えて離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(9)前記第1の動作電極と前記第2の対電極とが互いに約1mmを超えて離間していることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(10)前記酸化還元種が媒介物質であって、前記媒介物質の還元型或いは酸化型の濃度が分析物の濃度を示し、前記媒介物質の還元型或いは酸化型の拡散係数の値が、分析物の濃度の決定に先駆けて決定されることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(11)前記酸化還元種が媒介物質であることを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(12)前記電気化学的セルが更に、別の基準電極を含むことを特徴とする実施態様(1)に記載の方法。
(13)前記分析物がグルコースであることを特徴とする実施態様(10)に記載の方法。
(14)第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含む電気化学セルであって、
前記第1の動作電極が前記第1の対電極から約500μm未満離間しており、
前記第1の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間しており、
前記第2の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間していることを特徴とする電気化学セル。
(15)前記第1の動作電極と前記第1の対電極が互いに向き合っていることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(16)前記第1の動作電極と前記第1の対電極が並んで配置されていることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(17)前記第2の動作電極と前記第2の対電極が互いに向き合っていることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(18)前記第2の動作電極と前記第2の対電極が並んで配置されていることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(19)前記第1の動作電極、前記第1の対電極、前記第2の動作電極、及び前記第2の対電極が並んで配置されていることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(20)前記第1の動作電極と前記第2の動作電極とが実質的に同じ面積であることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(21)前記電気化学セルが更に、別の基準電極を含むことを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(22)前記電気化学セルが中空の電気化学セルであることを特徴とする実施態様(14)に記載の電気化学セル。
(23)前記電気化学セルが1.5μl未満の有効セル容量を有することを特徴とする実施態様(22)に記載の電気化学セル。
(24)電気化学セルにおいて酸化還元種の濃度を決定するための装置であって、
第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含み、前記第1の動作電極が前記第1の対電極から約500μm未満離間し、前記第1の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間し、前記第2の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間している電気化学セルと、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間に電位差を与えることができる電気回路と、
前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間に電位差を与えることができる電気回路とを含むことを特徴とする装置。
(25)前記装置がグルコース測定器であることを特徴とする実施態様(24)に記載の装置。
(26)第1の動作電極、第1の対電極、及び第2の動作電極を含む電気化学セルであって、
前記第1の動作電極が前記第1の対電極から約500μm未満離間しており、
前記第2の動作電極が前記第1の対電極から約500μmを超えて離間していることを特徴とする電気化学セル。
(27)酸化還元種の還元型或いは酸化型の濃度を決定するための方法であって、
(a)第1の動作電極、対電極、及び第2の動作電極を用意するステップと、
(b)前記対電極から反応生成物が前記第1の動作電極に到達するように、前記第1の動作電極と前記対電極との間の間隔を選択するステップと、
(c)酸化還元種を設けて、前記第2の動作電極の上の溶液中に初めに存在する酸化還元種の少なくとも有用な部分が、前記第2の動作電極で還元或いは酸化されるようにするステップと、
(d)前記第1の動作電極と前記対電極との間に電位差を与えるステップと、
(e)前記酸化還元種の還元型の電気酸化の速度或いは前記酸化還元種の酸化型の電気還元の速度が拡散制御されるように、前記第1の動作電極の電位を選択するステップと、
(f)前記第1の動作電極と前記対電極との間に流れる電流を決定するステップと、
(g)前記電流から、前記酸化還元種の還元型の濃度或いは前記酸化還元種の酸化型の濃度を示す値を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
(28)前記第1の動作電極の表面積と前記第2の動作電極の表面積とが実質的に同一であることを特徴とする実施態様(27)に記載の方法。
(29)前記第1の動作電極の表面積と前記第2の動作電極の表面積とが実質的に異なることを特徴とする実施態様(27)に記載の方法。
(30)酸化還元種の還元型或いは酸化型の濃度を決定するための方法であって、
(a)第1の動作電極、第2の動作電極、及び対電極を用意するステップと、
(b)前記対電極から反応生成物が前記第1の動作電極に到達するように、前記第1の動作電極と前記対電極との間の間隔を選択するステップと、
(c)前記対電極から有意な量の反応生成物が前記第2の動作電極に到達しないように、前記第2の動作電極と前記対電極との間の間隔を選択するステップと、
(d)前記第2の動作電極と前記対電極との間に電位差を与えて、前記第2の動作電極が実質的に充電され、表面の基の反応が実質的に完了するようにするステップと、
(e)前記第2の動作電極で前記酸化還元種の有意な量が反応する前に、前記第2の動作電極と前記対電極との間の回路を停止するステップと、
(f)前記第1の動作電極と前記対電極との間に電位差を与えるステップと、
(g)前記酸化還元種の還元型の電気酸化の速度或いは前記酸化還元種の酸化型の電気還元の速度が拡散制御されるように、前記第1の動作電極の電位を選択するステップと、
(h)前記第1の動作電極と前記対電極との間に流れる電流を決定するステップと、
(i)前記電流から、前記酸化還元種の還元型の濃度或いは前記酸化還元種の酸化型の濃度を示す値を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
(31)酸化還元種の還元型或いは酸化型の濃度を決定するための方法であって、
(a)第1の動作電極、第2の動作電極、及び対電極を用意するステップと、
(b)前記対電極から反応生成物が前記第1の動作電極に到達するように、前記第1の動作電極と前記対電極との間の間隔を選択するステップと、
(c)前記対電極から有意な量の反応生成物が前記第2の動作電極に到達しないように、前記第2の動作電極と前記対電極との間の間隔を選択するステップと、
(d)前記第2の動作電極と前記対電極との間及び前記第1の動作電極と前記対電極との間に電位差を与えて、前記第2の動作電極及び前記第1の動作電極が実質的に充電され、表面の基の反応が実質的に完了するようにするステップと、
(e)前記第2の動作電極で前記酸化還元種の有意な量が反応する前に、前記第2の動作電極と前記対電極との間の回路を停止するステップと、
(f)前記第1の動作電極と前記対電極との間に電位差を与えるステップと、
(g)前記酸化還元種の還元型の電気酸化の速度或いは前記酸化還元種の酸化型の電気還元の速度が拡散制御されるように、前記第1の動作電極の電位を選択するステップと、
(h)前記第1の動作電極と前記対電極との間に流れる電流を決定するステップと、
(i)前記電流から、前記酸化還元種の還元型の濃度或いは前記酸化還元種の酸化型の濃度を示す値を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
(32)電気化学セルにおいて酸化還元種の濃度を決定するための装置であって、
第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含み、前記第1の動作電極が前記第1の対電極から約500μm未満離間し、前記第1の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間し、前記第2の動作電極が前記第2の対電極から約500μmを超えて離間している電気化学セルと、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間に電位差を与えるための手段と、
前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間に電位差を与えるための手段とを含むことを特徴とする装置。
(33)前記装置がグルコース測定器であることを特徴とする実施態様(32)に記載の装置。
Claims (13)
- 第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含む、体液中の分析物濃度の決定に使用するための電気化学セルであって、
前記第1の動作電極が前記第1の対電極から500μm未満離間しており、
前記第1の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間しており、
前記第2の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間していることを特徴とする電気化学セル。 - 前記第1の動作電極と前記第1の対電極が互いに向き合っていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第1の動作電極と前記第1の対電極が並んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第2の動作電極と前記第2の対電極が互いに向き合っていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第2の動作電極と前記第2の対電極が並んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第1の動作電極、前記第1の対電極、前記第2の動作電極、及び前記第2の対電極が並んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第1の動作電極と前記第2の動作電極とが実質的に同じ面積であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記電気化学セルが更に、別の基準電極を含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記電気化学セルが中空の電気化学セルであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 電気化学セルにおいて酸化還元種の濃度を決定するための装置であって、
第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含み、前記第1の動作電極が前記第1の対電極から500μm未満離間し、前記第1の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間し、前記第2の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間している電気化学セルと、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間に電位差を与えることができる電気回路と、
前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間に電位差を与えることができる電気回路とを含み、
前記装置が体液検査測定器であることを特徴とする装置。 - 前記装置がグルコース測定器であることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 電気化学セルにおいて酸化還元種の濃度を決定するための装置であって、
第1の動作電極、第1の対電極、第2の動作電極、及び第2の対電極を含み、前記第1の動作電極が前記第1の対電極から500μm未満離間し、前記第1の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間し、前記第2の動作電極が前記第2の対電極から500μmを超えて離間している電気化学セルと、
前記第1の動作電極と前記第1の対電極との間に電位差を与えるための手段と、
前記第2の動作電極と前記第2の対電極との間に電位差を与えるための手段とを含み、
前記装置が体液検査測定器であることを特徴とする装置。 - 前記装置がグルコース測定器であることを特徴とする請求項12に記載の装置。
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