JP4814110B2 - 電気化学的バイオセンサ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、液体試料中の分析対象物の定量に使用するための電気学的バイオセンサに関し、より具体的には、電気化学的バイオセンサ中の不十分な試料量を検出するためのシステムに関する。

発明の背景
糖尿病のような医学的状態は、その状態に罹患した人に対し、自らの血中グルコース濃度レベルを定期的に自己監視することを求められる。血中グルコース濃度レベルを監視する目的は、その人の血中グルコース濃度レベルを測定したのち、そのレベルが高すぎるのか低すぎるのかに基づき是正措置を講じて、正常範囲内にレベルを戻すためである。是正措置を講じることができないと、その人にとって深刻な医療上の事態が暗示される。

人の血中グルコースレベルを監視する一つの方法は、携帯型の試験装置を用いる方法である。このような装置の携帯性は、ユーザが、どこに居ようとも、自らの血中グルコースレベルを簡便に試験することを可能にする。あるタイプの装置は、電気化学的バイオセンサを使用して血液試料を採取し、血液試料を分析する。電気化学的バイオセンサは、血液中のグルコースと反応して、電気化学的バイオセンサ内に設けられた電極で酸化電流を発生させるように設計された試薬を含む。この電流がユーザの血中グルコース濃度レベルを示す。

所定の量の試薬が電気化学的バイオセンサ内に含まれ、所定の量の試料と反応するように設計されている。必要な量に満たない試料しか電気化学的バイオセンサによって採取されないならば（充填不足と呼ばれる状態）、誤った計測が生じるおそれがある。電気化学的バイオセンサは一般に自己試験環境で使用されるため、不適切な量の試料が収集されかねない機会が増大している。さらには、試料量は非常に小さいため（通常は約１０μl未満）、分析にとって適切な量の試料が採取されたかどうかをユーザが目視的に決定することは困難である。したがって、充填不足状態の発生を確実に検出し、それをユーザに警告する電気化学的バイオセンサが要望されている。

発明の概要
本発明の一つの実施態様によると、流体試料中の分析対象物の濃度を検出するための電気化学的バイオセンサが開示される。センサは、所定量の試料が試験センサによって受けられたかどうかを検出するのに使用するための高抵抗部を有する対電極を含む。

本発明のもう一つの実施態様によると、電気化学的試験センサが正しく充填されているかどうかを評価する方法が開示される。試験センサは、第一のリードに結合された作用電極及び第二のリードに結合された対電極を含む。対電極は高抵抗部及び低抵抗部を含む。試験センサは、流体試料中の分析対象物の濃度を示す電気学的反応を生じさせるための、流体試料中の分析対象物と反応するように適合された、作用電極に設けられた試薬を含む。方法は、第一のリードと第二のリードとの間に電圧プロフィールを印加することと、印加された電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードで電流プロフィールを計測することと、計測された電流プロフィールが所定のプロフィールを有しない場合に充填不足エラー信号を発することとを含む。

本発明の上記概要は、本発明のあらゆる実施態様又は局面を表すことを意図したものではない。以下に述べる詳細な説明、図面及び実施態様から本発明のさらなる特徴及び利点が理解されよう。

本発明は、様々な変形及び代替形態を受け入れることができるが、具体的な実施態様を一例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。しかし、本発明を、開示される特定の形態に限定する意図はないということが理解されるべきである。

例示する実施態様の詳細な説明
図面、まず図１を参照すると、本発明の一つの実施態様の電気化学的センサ１０の構造が示されている。センサ１０は、絶縁ベース１２の上に、第一及び第二のリード１４ａ、ｂを含む電気導体パターン、作用電極１６、対電極を含む電極パターン、開口２２及び通路２５を含む絶縁（誘電）層２０ならびに反応層２４をこの順でプリントしたもの（通常はスクリーンプリント技術によって）からなる。対電極は、低抵抗対電極ブランチ１８（ＬＲＣ電極）及び高抵抗対電極ブランチ１９（ＨＲＣ電極）を含む。

反応層２４は、流体試料（たとえば血液）中の分析対象物（たとえばグルコース）を、電極パターンの成分によって、それが発生させる電流として電気化学的に計測可能である化学種に転換するための試薬を含む。反応層２４の試薬は通常、分析対象物及び電子受容体、たとえばフェリシアン化物塩と反応して、電極パターン１６、１８、１９によって検出することができる電気化学的に計測可能な種を生成する酵素、たとえばグルコースオキシダーゼを含む。反応層２４は、ポリマー、酵素及び電子受容体を含む。本発明のいくつかの実施態様では、反応層２４はまた、さらなる成分、たとえば緩衝剤及び界面活性剤を含む。反応層２４は、絶縁層２０の開口２２及び通路２５の上に設けられる。したがって、反応層２４のうち、電極パターン１６、１８、１９に露出した部分は、絶縁層２０の開口２２及び通路２５によって画定される。作用電極１６は第一のリード１４ａに電気的に結合され、ＬＲＣ電極１８及びＨＲＣ電極１９は第二のリード１４ｂに電気的に結合される。

本発明の代替態様では、反応層２４は、作用電極１６のみを覆うか、作用電極１６及びＬＲＣ電極１８を覆うか、あるいは、作用電極１６、ＬＲＣ電極１８及びＨＲＣ電極１９を覆う。反応層２４が作用電極１６のみを覆う場合、当該技術で周知であるように、ＬＲＣ電極１８上に電気活性物質を設けて、それを対電極として機能させることが可能である。

センサ１０は、絶縁層２０と嵌合すると、液体試料を入口３４から試験センサ１０の中へと移動させるための毛管路を形成する凹部３２を有するふた３０を含む。毛管路の下流側端部は、毛管路をガス抜きするための一つ以上の開口３６を含む。流体試料は入口３４からセンサ１０中を開口３６に向かって流れる。使用中、センサ１０は、毛管路入口３４を流体試料と接触させることによって流体試料（たとえば患者の指からの血液試料）を収集する。

図２ａを参照すると、作用電極１６及びＬＲＣ電極１８は、ＬＲＣ電極１８が作用電極１６から下流側（流路に沿う流体試料の流れの方向として）に位置するように構成されている。この構成は、ＬＲＣ電極１８と接触するためには試験流体が作用電極１６を完全に覆うことを要する利点を提供する。しかし、抵抗器４０を介してＬＲＣ電極１８に結合されているＨＲＣ電極１９は、作用電極１６から上流側に配置されている。本発明の一つの実施態様によると、抵抗器４０は、約５０kΩ〜約５００kΩの抵抗値を有している。他の実施態様では、抵抗器４０の抵抗値は、約２５０kΩ〜約３５０kΩの範囲である。さらに別の実施態様では、抵抗器４０は、約３００kΩの抵抗値を有している。抵抗器４０は、作用電極１６、ＬＲＣ電極１８、ＨＲＣ電極１９及びリード１４ａ、ｂと同様なやり方で絶縁ベース１２にスクリーンプリントすることができる。一般に、以下に記すように、抵抗器４０は、流体試料中の分析対象物の不正確な計測を招くおそれのある、試験センサ１０中の充填不足状態を検出するために使用される。

図２ｂを参照すると、センサ１０が充填不足である（すなわち、図２ａのＬＲＣ電極１８が流体試料によって覆われていない）場合、作用電極１６及びＨＲＣ電極１９は、図示する回路を形成する。この状況では、センサ電流が抵抗器４０を通過する。したがって、作用電極１６とＨＲＣ電極１９との間の電位Ｖ₂は、概ね、センサリード１４ａ、ｂに印加される電位Ｖ₁と、抵抗器４０をはさんでの電圧低下Ｖ_rとの間の差であり、電極／リードパターンに沿って無視しうる抵抗しか帯びない。

図２ｃを参照すると、センサ１０が適切に充填されている（すなわち、図２ａのＬＲＣ電極１８が流体試料によって覆われている）場合、作用電極１６及びＬＲＣ電極１８は、図示する回路を形成する。この状況では、抵抗器４０は、回路中で電気的にバイパスされる。したがって、作用電極１６とＬＲＣ電極１８との間の電位Ｖ₂は、センサ１０のリード１４ａ、ｂに印加される電位Ｖ₁と実質的に同じであり、電極／リードパターンに沿って無視しうる抵抗しか帯びない。センサ１０で計測される電流は、電極への電気活性種の拡散及びそれに続く電極での酸化還元反応の結果である。たとえば、作用電極１６では、電子がフェロシアン化物から取り出され、それをフェリシアン化物に酸化させる。ＬＲＣ電極１８（又は充填不足状況でのＨＲＣ電極１９）では、電子がフェリシアン化物に与えられ、それをフェロシアン化物に還元させる。二つの電極を接続する電気パターン中の電子の流れが計測され、フェロシアン化物の量、ひいては試料中のグルコースの量に関連づけされる。通常の作動では、図２ｃにおける比較的高い電位Ｖ₂（約４００mV）が電極間に印加され、電極における酸化及び還元反応を高速化し、作用電極１６の周囲の領域から還元媒介物（たとえばフェロシアン化物）を減少させる。したがって、反応が還元媒介物の電極面への拡散によって制限されるため、電流は一定ではなく、時間とともに減衰する。一般に、このような減衰電流ｉは、式（１）

によって表すことができる。式（１）中、Ｃは定数であり、Ｇは液体試料中の分析対象物（たとえばグルコース）の濃度であり、ｔは、電圧Ｖ₂を印加してからの経過時間であり、ｋは、電流減衰プロフィールに関連する定数である。

より高い電位が印加されるとしても、センサ電流は電極表面への拡散によって決まるため、センサ電流の増大は計測されず、経時的な減衰の変化は計測されない。より低い電位（たとえば約２００mV）が電極間に印加されるならば、酸化及び還元反応はより低速になるが、センサ電流が拡散に依存するには十分な速さのままである。最終的には、より低い電圧（たとえば約２００mV未満）で、還元媒体の局所的減少は起こらなくなり、センサ電流は時間とともに変化することを止める。したがって、センサ１０の通常の作動の間、一定範囲の印加電位で、経時的な電流減衰プロフィールの変化は起こらない。

充填不足検出に関する試験センサ１０の作動を説明する。センサ１０が充填不足である（すなわち、設計された反応に必要な量に満たない）ならば、試料は、ＨＲＣ電極１９及び少なくとも作用電極１６の一部を覆うだけである。この充填不足状態では、ＨＲＣ電極１９は、抵抗器４０による高い抵抗により全対電極として働く。図２ｂはこの状態での回路を示す。抵抗器４０を通過する電流は、抵抗器４０をはさんで電位低下Ｖ_rを生じさせ、電気化学的反応に利用可能な電位Ｖ₂を下げる。抵抗が十分な高さであるならば、電位Ｖ₂は、電極表面反応が低速である点まで低下し、電極リード１４ａ及び１４ｂの間で計測される電流は時間とともに規則的には減衰せず、本質的にフラットになる。このフラットな平衡電流は、センサ電流と抵抗器上の電圧低下Ｖ_rとの間の動的均衡である。印加電圧Ｖ₁を変えることがこの平衡電流を変化させる。より低い電圧がより低い平衡又は定常状態電流を生じさせ、より高い電圧がより高い電流を生じさせる。ステップ形状の電圧プロフィールが印加されるならば、センサ電流は「ステップ」プロフィールを示す。

センサ１０が適切に充填されている状況では、試料は、ＨＲＣ電極１９及び作用電極１６に加えてＬＲＣ電極１８をも覆う。図２ｃはこの状態での回路を示す。ＨＲＣ電極１９と、リード１４ｂに通じる抵抗器４０との間の回路のブランチは、ＬＲＣ電極１８とリード１４ｂとの間の直結によって電気的にバイパスされる。作用電極１６及びＬＲＣ電極１８が低抵抗回路を形成し、センサ電流は、上記のように電極表面への電気活性種の拡散によって電流が制限される減衰タイププロフィールを有する。

本発明は、充填不足状態の場合には、結果として、時間及び／又は印加電圧と関係する特徴的な電流応答が得られ、正しく充填されたセンサの応答とは区別することができるように電極が構成されている電気化学的センサを提供する。具体的には、本発明の代替態様にしたがって、部分的に充填されたセンサ１０を適切に充填されたセンサ１０から区別する方法が少なくとも二つある。まず、部分的に充填されたセンサ１０のセンサ電流は、適切に充填されたセンサ１０のセンサ電流とは違って、時間とともに規則的に減衰しない。第二に、部分的に充填された試験センサ１０のセンサ電流は、抵抗器４０のせいで印加電圧とともに増大するが、適切に充填されたセンサ１０のセンサ電流（抵抗器をバイパスする）は、そうはならない。

したがって、試験センサ１０の毛管空間に入る試験流体の量がＨＲＣ電極１９及び少なくとも作用電極１６の一部を覆うのに十分であり、適当な電圧が印加される場合、リード１４ａ、ｂの間で計測される電流は本質的に一定であり、時間とともに規則的に減衰しない。言い換えるならば、リード１４ａ、ｂに結合された装置がセンサ電流の一定の特性を時間が経つと感知し、その特性を使用して充填不足エラー状態が発生しているかどうかを決定する。これは、試験流体がＨＲＣ電極１９を作用電極１６と電気的に接続したのち及び／又は試験流体が作用電極１６をＬＲＣ電極１８と電気的に接続したのち、一定の時間周期で電流を計測することによって充填不足状態を検出するように装置をアルゴリズム的にプログラムすることによって達成される。

図３ａ、３ｂ及び３ｃを参照して、試験センサ１０が適切に充填されているかどうかを決定する一つの方法を説明する。時間ｔ₀で、リード１４ａ、ｂの間に電圧ステップを印加し、時間ｔ₁まで一定に保持し、この期間をバーン期間（burn period）と呼ぶ。次に、時間ｔ₁から時間ｔ₂までの待機期間中（wait period）は電圧を印加しない（たとえば開回路）。最後に、ｔ₂からｔ₄までの読取期間（read period）中に再び電圧ステップを印加する。本発明の一つの実施態様によると、バーン、待機及び読取の各期間は持続してそれぞれ約２〜約１０秒である。本発明の一つの実施態様によると、印加されるステップ電圧は約０．３ボルト〜約０．４ボルトである。

充填不足のセンサ１０は、読取期間中に、たとえば図３ｂに示すようなフラットなセンサ電流プロフィールを生成する。適切に充填されたセンサ１０は、読取期間中に、たとえば図３ｃに示すような典型的な減衰タイプセンサ電流プロフィールを生成する。

時間ｔ₂から時間ｔ₄までの読取期間中の減衰率ｋは、ｔ₃及びｔ₄で計測される二つの電流Ｉ_r3及びＩ_r4から、式（２）にしたがって計算される。

式（２）中、減衰率ｋは、式（１）（Ｃは定数であり、Ｇはグルコース濃度であり、ｔは、電圧をはじめに印加してからの経過時間である）の中で、電流ｉがどれほど速く減衰するのかを表す。適切に充填されたセンサ１０では、ｋは通常、約０．３０〜約０．４９の間であり、グルコース濃度の増加とともに減少する。充填不足状態では、減衰率はゼロに低下する。したがって、充填不足のセンサ１０は、減衰率が所定の下限を下回るかどうかをチェックすることによって検出される。

図４ａ、４ｂ及び４ｃを参照して、試験センサ１０が適切に充填されているかどうかを決定するもう一つの方法を説明する。時間ｔ₀から時間ｔ₁までのバーン期間中に第一の電圧を印加し、時間ｔ₂まで第二のより高い電圧を印加する。時間ｔ₂から時間ｔ₃までの待機期間中には電圧を印加しない（たとえば開回路）。最後に、時間ｔ₃から時間ｔ₅までの読取期間中に電圧を印加する。一つの実施態様によると、時間ｔ₀から時間ｔ₁までのバーン期間中に印加される第一の電圧は約０．３Ｖであり、時間ｔ₁から時間ｔ₂までのバーン期間中に印加される第二の電圧は約０．６Ｖである。読取期間中には約０．３Ｖの電圧を印加する。本発明の一つの実施態様によると、バーン、待機及び読取の各期間はそれぞれ約２〜約１０秒の長さであり、全バーン期間の約２５％〜約７５％の間にバーン期間の第一の電圧が印加される。

充填不足のセンサ１０は、バーン期間中に、たとえば図４ｂに示すようなステップセンサ電流プロフィールＩ_bを生成する。適切に充填されたセンサ１０は、たとえば図４ｃに示すような減衰形状のセンサ電流プロフィールを生成する。

バーン期間中の減衰率ｋは、ｔ₁及びｔ₂でそれぞれ計測される二つの電流Ｉ_b1及びＩ_b2から、式（３）にしたがって計算される。

バーン期間中、減衰率は、適切に充填されたセンサでは約０．２よりも大きいが、充填不足状態では約−１．０未満に低下する。したがって、バーン期間中の実際の減衰率を所定の下限と比較することにより、充填不足状態が検出される。

代替態様によると、図３ａ〜ｃ及び図４ａ〜ｃに関連して論じた充填不足状態を検出するための二つのアルゴリズム、すなわち式（２）及び（３）を併用して、充填不足状態が発生しているかどうかを決定する。まず、図３ａ〜ｃに関連して説明したようにしてバーン期間中の減衰率を評価する。充填不足状態が決定されないならば、図４〜ｃに関連して説明したようにして読取期間中の減衰率を評価する。バーン期間及び読取期間中に充填不足状態が検出されないならば、適切に充填された状態が起こっているものとみなす。

本発明は、様々な変形及び代替形態を受け入れることができるが、その具体的な実施態様を一例として図面に示し、本明細書で詳細に説明した。しかし、本発明を、開示された特定の形態に限定する意図はなく、それどころか、特許請求の範囲によって定義される発明の本質及び範囲に該当するすべての変形、均等及び代替のものを包含する意図であることが理解されるべきである。

本発明の一つの実施態様の電気化学的バイオセンサの分解図である。 図１の電気化学的バイオセンサの電極パターンの拡大平面図である。 液体試料で部分的に充填されているときの、図２ａの電気化学的バイオセンサの回路図である。 液体試料で適切に充填されているときの、図２ａの電気化学的バイオセンサの回路図である。 本発明の一つの実施態様による図１の試験センサに印加された電圧プロフィールのプロットである。 充填不足状態の図３ａの電圧プロフィールに応答した試験センサの電流プロフィールのプロットである。 適切に充填された状態の図３ａの電圧プロフィールに応答した試験センサの電流プロフィールのプロットである。 本発明のもう一つの実施態様による図１の試験センサに印加された電圧プロフィールのプロットである。 充填不足状態の図４ａの電圧プロフィールに応答した試験センサの電流プロフィールのプロットである。 適切に充填された状態の図４ａの電圧プロフィールに応答した試験センサの電流プロフィールのプロットである。

Claims (10)

1. 流体試料中の分析対象物の濃度を検出するための電気化学的センサであって、
   流体試料を受けるための流路と、
   電流検出器と電気的に結合されるようにそれぞれ適合された第一のリード及び第二のリードと、
   第一のリードと電気的に連絡する、流路に沿って設けられた作用電極と、
   低抵抗部及び高抵抗部を有し、低抵抗部が流路に沿って作用電極から下流側に設けられ、高抵抗部が流路に沿って作用電極から上流側に設けられている、第二のリードと電気的に連絡する対電極と、
   対電極の高抵抗部と第二のリードとの間に電気的に結合された抵抗器と、
   分析対象物と反応して、作用電極に移送される電子を発生させるように適合された、作用電極に設けられた試薬と
   を含み、
   対電極の高抵抗部のみと作用電極との間で電気的連絡が生じたとき、第一及び第二のリードに印加される電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードで第一の電流プロフィールが生成され、対電極の低抵抗部及び高抵抗部と作用電極との間で電気的連絡が生じたとき、第一及び第二のリードに印加される実質的に同じ電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードで第二の電流プロフィールが生成され、第一の電流プロフィールが第二の電流プロフィールとは異なる電気化学的センサ。
2. 第二の電流プロフィールが減衰タイプ形状を有する、請求項１記載のセンサ。
3. 抵抗器が５０kΩ〜５００kΩの抵抗値を有する、請求項１記載のセンサ。
4. 試薬がグルコースオキシダーゼを含む、請求項１記載の試験センサ。
5. 試薬を含む反応層をさらに含み、反応層が作用電極及び対電極の低抵抗部を覆う、請求項１記載の試験センサ。
6. 流体試料を受けるための流路と、第一のリードに電気的に結合された作用電極と、第二のリードに電気的に結合された対電極と、作用電極に設けられた試薬とを含み、対電極が低抵抗部及び高抵抗部を含み、対電極の高抵抗部と第二のリードとの間に電気的に結合された抵抗器を含む、電気化学的試験センサが正しく充填されているかどうかを評価する方法であって、
   第一及び第二のリードの間に電圧プロフィールを印加することと、
   印加された電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードにおける電流プロフィールを計測することと、
   計測された電流プロフィールを所定の電流プロフィールと比較することと、
   比較に基づいて充填不足エラー信号を発することと
   を含む方法。
7. 試験センサが充填不足であるとき、対電極の高抵抗部のみと作用電極との間に電気的連絡を形成することを含む、請求項６記載の方法。
8. 試験センサが適切に充填されているとき、対電極の低抵抗部及び高抵抗部と作用電極との間に電気的連絡を形成することを含む、請求項６記載の方法。
9. 分析対象物がグルコースを含む、請求項６記載の方法。
10. 血液試料中のグルコースの濃度を検出するための電気化学的センサであって、
    血液試料を受けるための流路と、
    電流検出器と電気的に結合されるようにそれぞれ適合された第一のリード及び第二のリードと、
    第一のリードと電気的に連絡する、流路に沿って設けられた作用電極と、
    第二のリードと電気的に連絡する、流路に沿って前記作用電極から下流側に設けられた低抵抗対電極と、
    第二のリードと電気的に連絡する、流路に沿って作用電極から上流側に設けられた高抵抗対電極と、
    高抵抗対電極と第二のリードとの間に電気的に結合された抵抗器と、
    血液試料中のグルコースと反応して、血液試料中のグルコースの濃度を示す電気化学的反応を生じさせるように適合された、作用電極に設けられた試薬と
    を含み、
    高抵抗対電極のみと作用電極との間で電気的連絡が生じたとき、第一及び第二のリードに印加される電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードで第一の電流プロフィールが生成され、高抵抗及び低抵抗対電極と作用電極との間で電気的連絡が生じたとき、第一及び第二のリードに印加される実質的に同じ電圧プロフィールに応答して第一及び第二のリードで第二の電流プロフィールが生成され、第一の電流プロフィールが第二の電流プロフィールとは異なる電気化学的センサ。

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