JP4829397B2 - 改良された電気化学的センサ設計 - Google Patents

Description

【０００１】
【従来技術】
本発明は、液体試料中の特定成分（分析対象物）の計量に使用することができる電気化学的バイオセンサに関する。考慮されるタイプの電気化学的バイオセンサは、米国特許第５，１２０，４２０号および第５，２６４，１０３号明細書に開示されている。これらの試験具は、炭素電極がプリントされた絶縁ベースを有し、それらの電極は、分析対象物に特異的なオキシドレダクターゼと組み合わされた親水性ポリマーを含む試薬層で覆われている。これらの特許は、典型的に、略Ｕ字形の部品であるスペーサ要素と、カバーピースとを含み、ベース、スペーサ要素およびカバーピースが積層されると、試薬層によって覆われた電極を含む毛管空間が形成されるようになっている。オキシドレダクターゼに加えて、電子受容体が試薬層または毛管空間内の別の層に含まれる。水性試験流体を毛管空間に引き込みやすくするため、親水性ポリマー、たとえばカルボキシメチルセルロースが使用されている。
【０００２】
米国特許第５，１４１，８６８号明細書には、電極が毛管空間内に含まれる別のセンサが開示されている。この参考文献は、ベースと、ベースに被着されるカバープレートとを合わせて、流体試料、たとえば血液を引き込むための毛管空間を形成することによってセンサを製造する方法を記載している。この設計に代わるものが米国特許第５，７９８，０３１号明細書に開示されており、センサは、融着されると毛管空間を形成する２個の部品、すなわちベースおよび凹形の蓋で構成されている。いずれの実施態様でも、作用電極および参照電極がベース上にスクリーンプリントされ、これらの電極が電気接続され、それらの間に電位が発生すると、電気化学的に発生する電流が流れるようになっている。
【０００３】
これらの装置は、Ｕ字形のスペーサ要素を間に挟んだ状態で積層されるベースプレートおよび蓋を有し、Ｕ字形の部分が開口してベースとカバーとの間に毛管空間を提供するようになっている。センサの側面の開口を試験流体、たとえば血液の滴に触れさせると、その血液は毛管空間に引き込まれ、その結果、作用電極表面の反応層を覆う。オキシドレダクターゼとの酵素反応が、媒体、たとえばフェリシアン化物によって作用電極に運ばれ、作用電極を通過して、電流の大きさを計測する計器に達する電子の流れを生じさせる。参照電極はいくつかの目的に役立つ。第一に、作用電極が制御されるときに照らされる固定電位を提供する。第二に、２電極系、たとえば図１および２に示す系の場合、電気回路を完成させるために利用される。この形態では、作用電極に移送される各電子が参照電極側の試験溶液に戻される。装置のソフトウェアは、この電流の大きさを試料中の分析対象物の濃度と相関させるようにプログラムされている。この電流を流すためには、両電極を導電性試験流体で覆い、それらの間に電位を印加することによって完全な回路を形成する。
【０００４】
この種のセンサにときどき伴う問題は、不十分な量の血液しか開口に適用されず、その結果、参照電極および作用電極が試料で完全には覆われず、電極間を流れる不完全な電流を生じさせるときに生じる。センサによって検出される分析対象物、たとえばグルコースの量は、検出計器の中を流れる電流に正比例するため、センサの電極を完全に覆うことができないと、血液試料のグルコース濃度の読みを人為的に低くするおそれがある。この適用不足問題を扱う一つの技術が、試料の量が少なすぎて正確な読みを提供することができない場合には応答が検出されないようにするための機構を含む米国特許第５，６２８，８９０号明細書に開示されている。この試験具は、試料適用点から試料を指向的に流すための試料移送経路を画定する細長い電極支持体を含む試験片を含む。作用電極が試料移送経路に配置され、カウンタまたは参照電極が、試料移送経路中、作用電極から下流に配置される。血液試料が作用電極を完全には覆うことができないならば、電流が流れることができる閉回路の不在により、読み取り機構から応答は得られない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
不十分な試料しか電極に接触しなかった場合、それを積極的に使用者に知らせる電気化学的センサを提供することが望ましく、それが本発明の目的である。そのような通知を受けると、使用者は、正確な読みを得ることができず、センサを捨てて新品に代えるべきであることを知る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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の濃度を検出するための電気化学的センサである。本センサは、
１）電流検出器と電気的に通じた作用電極と参照電極とを表面に有する、流体試料の流路を提供するベースと、
２）分析対象物と反応して、作用電極に移送される電子を生成する酵素を含む、作用電極表面上の反応層と、
３）ベース部材と合わさると、流体試料を導入するための開口を有する毛管空間を形成するカバーと、を含む。毛管空間は、参照電極および作用電極が含まれる流体試料の流路を包囲する。これらの電極は、ベース上で開口に対して位置し、参照電極の大部分が作用電極から開口の下流に位置するようになっている。参照電極は、作用電極の上流に位置するサブエレメントを含み、流体試料による毛管空間の不完全な充填によって参照電極のサブエレメントと作用電極との間でのみ電気的導通が起こると、流体試料中の分析対象物の濃度の有効な試験を成り立たせるには不十分な電流が検出器中を流れるようになっている。このような不十分な電流の場合、検出器がエラー信号を発して、試験が失敗であり、やり直すべきであることを使用者に知らせる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明が関連する電気化学的センサの構造を図１に示す。センサ３４は、絶縁ベース３６で構成され、このベースの上に、順に、導体パターン３８、電極パターン３９および４０、絶縁（誘電）パターン４２ならびに反応層４４が通常、スクリーンプリント技術によってプリントされている。反応層の機能は、グルコースまたは流体試料中の別の分析対象物を化学量論的に化学種に転換することである。この化学種は、電極パターンの成分により、それが発生する電流に換算して電気化学的に計測可能である。反応層は通常、分析対象物と反応して電極パターン上に可動性電子を生成する酵素と、可動性電子を作用電極の表面に運ぶための電子受容体、たとえばフェリシアン化物塩とを含有する。反応層中の酵素は、親水性ポリマー、たとえばポリ（エチレンオキシド）と組み合わせることができる。電極プリントの２個の部品３９および４０は、本発明の要点である分析対象物の電気化学的測定に必要な作用電極３９および参照電極４０を提供する。作用電極および参照電極は、参照電極の大部分が作用電極３９ａの露出部分から下流（流路に沿って流体が流れる方向を基準にして）に位置するような方法で構成されている。この構造は、検出されない不十分な充填が起こったすべての場合に試験流体が作用電極の露出部分を完全に覆うことを許す利点を提供する。しかし、参照電極のサブエレメント４０ａは、作用電極上要素３９ａから上流に配置され、作用電極を完全に覆うのには不十分な量の流体、たとえば血液が毛管空間に入ると、血液試料の導電性により、参照電極サブエレメント４０ａと作用電極上部３９ａの露出部分との間に電気接続が形成されるようになっている。しかし、血液試料による接触に利用しうる参照電極の面積は小さいため、非常に弱い電流しか両電極の間、ひいては電流検出器の中を通過することができない。電流検出器を、それが受けた信号が所定レベルに満たないときにはエラー信号を発させるようプログラムすることにより、本発明のセンサ試験具は、不十分な血液しかセンサのキャビティに入っておらず、もう一回試験を実施すべきであることを使用者に積極的に忠告する。電極の具体的な寸法は重要ではないが、参照電極のサブエレメントの面積は通常、作用電極の面積の約１０％未満であり、好ましくは約６％未満である。この要素は、スクリーンプリント法の制約を考慮して、できるだけ小さく作られる。また、反応層４４をカウンタ電極のサブエレメント４０ａと接触させないことも考えられる。これは、参照電極サブエレメント４０ｂの上には試薬インクをプリントせず、サブエレメントに試薬を渇望させる目的を果たし、それにより、サブエレメントが正しい参照電極として機能することを許さないスクリーンを製造することによって達成され、その結果、試験流体が参照電極４０の大部分と接触することができない場合にエラー条件が達成される。サブエレメント４０ａは、参照電極４０に物理的に接続し、したがってその一部であるとして描写されているが、そのような物理的接続は重要ではない。そのようなサブエレメントは、それ自体のコネクタを備え、センサが検出器への第三の接点を備えるならば、参照電極の残り部分から物理的に切り離すこともできる。
【０００８】
プリント電極の２個の部分３９および４０が、分析対象物の電気化学的測定に必要な作用電極および参照電極を提供する。厚さ約１４μ（０．０００５５インチ）である電極インクは、通常、電気化学的に活性な炭素を含有する。導体インクの成分は、電極と、電極がセンサ４５の尾ビレ状端部の導電パターンとの接触を介して動作的に接続する計器との間に低化学抵抗路を提供するように選択される、炭素と銀の混合物である。参照電極は銀／塩化銀からなることもできるが、炭素が好ましい。誘電パターンの機能は、電極パターンの中央に近い画定区域を除き、電極を流体試料から絶縁して、計器読みの再現精度を高めることである。計測される電流は、分析対象物の濃度と、分析対象物含有試料にさらされる反応層の面積の両方に依存するため、画定区域はこのタイプの電気化学的測定に重要である。典型的な誘電層４２は、厚さ約１０μ（０．０００４インチ）であるＵＶ硬化アクリレート改質ポリメタンを含む。凹形空間４８を提供し、通常は変形性材料の平坦なシート材を型押しすることによって形成される蓋４６は、通気口５０を設けるために穿孔され、シール処理でベース３６に接合される。蓋とベースは、まずベースと蓋を整合させたのち、振動ヒートシール部材もしくはホーンと固定あご（stationary jawl）との間でプレスする音波溶接によってシールすることができる。ホーンは、型押しされていない平坦な蓋の領域とでのみ接触が起こるような形状である。金属ホーンに振動を励起するには、クリスタルまたは他の変換器からの超音波エネルギーを使用する。この機械的エネルギーがプラスチック接合部で熱として放散されて熱可塑性材料の接合を可能にする。型押しした蓋とベースはまた、蓋の下面に接着剤を使用することによって接合することもできる。蓋とベースを接合する方法は、引用例として本明細書に含める米国特許第５，７９８，０３１号明細書に詳細に記載されている。
【０００９】
絶縁ベースに適した材料は、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートならびに寸法安定性のビニルおよびアクリルポリマーならびにポリマーブレンド、たとえばポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレートならびに金属箔構造、たとえばナイロン／アルミニウム／ポリ塩化ビニル積層体を含む。蓋は通常、変形性ポリマーシート材、たとえばポリカーボネートまたは型押し等（embossable grade）級のポリエチレンテレフタレート、グリコール改質ポリエチレンテレフタレートまたは金属箔組成物、たとえばアルミニウム箔構造から製造される。誘電層は、ＵＶ光もしくは水分によって硬化させることができるアクリレート改質ポリウレタンまたは熱硬化性であるビニルポリマーから製造することができる。
【００１０】
【実施例】
以下の例にしたがって本発明のセンサを構築する。典型的にポリカーボネートのベースストックに種々のインクでプリントして電極３９および４０を形成したのち、誘電層４２を、流体試料が蓋４６とベース３６との嵌め合いによって形成される空間に入るとき流体試料との接触にさらされる電極の所望の面を残すように設計された所定のパターンでオーバコートする。開口４３が試薬層を電極３９および４０と電気的に通じた状態に残す、図１に示す具体的な誘電層４２の構造は、すべての導電要素（作用電極、参照電極およびサブエレメント電極）が試験流体にさらされる範囲を画定するように設計されている。プリントされた導電造作とともに、誘電層は、それらの要素それぞれの大きさを決定する。電極は、好ましくは、導電層および誘電層が互いに対して９０°に近づくようにプリントされる。これは、センサを構築するための公差スタックアップ（tolerance stackup）に役立つ。理由は、いずれかのプリントが要素の周囲で移動しても画定は一定のままであるため、これが整合問題を軽減するからである。本発明のセンサベースはまた、ベース上の全要素を同一面上に示す図２にも示されている。センサのベース３６は、導電性要素３８をその表面に有し、この要素は逆に作用電極３９および参照電極４０でオーバコートされている。誘電層４２は図示されていないが、代わりに、作用電極３９および参照電極４０の露出部分を示すため、誘電層中の開口４３が示されている。参照電極の大きい方の部分と電気的に通じている参照電極のサブエレメント４０ｂは、この実施態様では、流体が作用電極に達したとき検出することができるよう、作用電極とで導電路を提供するように機能する。試験シーケンスを開始するのに十分な電流が提供される。試験流体がセンサキャビティを充填することができず、参照電極の大部分に接することができないならば、エラー状態が検出され、装置の使用者に伝達される。
【００１１】
本発明のセンサは、展開されると平坦な面を提供するポリカーボネートのロールシートから数多く製造される。このシートは、多数の蓋の供給源として働くため、蓋ストックと呼ばれる。通常、熱可塑性接着剤の層を蓋ストックの下面に配置したのち、凹形区域４８（図１）をポリカーボネートシート中に型押しし、種々の穴をシートに打ち抜いて通気口５０ならびに整合およびトラッキングのため穴を設けたのち、蓋ストックのスリットリボンを巻き上げる。通常はポリカーボネートのベースストックに種々のインクでプリントして電極を形成したのち、誘電層を、誘電層上にプリントされる反応層４４にさらされる電極の所望の面を残すように設計された所定のパターンでオーバコートする。
【００１２】
本発明は、充填不足の場合、結果がどっちつかずの応答（すなわち検出器が何の信号も発しない）ではなく、積極的な応答を出すように参照電極および作用電極を構成することができる電気化学的センサを提供する利点を導く。したがって、毛管空間に入る試験流体の量が参照電極のサブエレメント４０ａまたは好ましい実施態様では４０ｂと、参照電極４０の主部から上流に位置する作用電極の部分３９ａとを覆うのに十分であるとき、検出器は電流を感知するが、その電流は、作用電極および参照電極が試験流体で完全に覆われた場合よりも弱いであろう。検出器は、読み取り手段と接続されて、充填不足の発生を使用者に警告するエラー信号を発することができる。エラー状態が発生したかどうかを決定するために絶対電流レベルとともに使用される特定の電流特性を時間的に感知するための手段が設けられる。これは、試験流体が参照電極のサブエレメントを作用電極と電気的に接続したのち一定期間の電流を計測することによって充填不足を検出するよう計器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。２回の計測の電流の比を使用して、センサが正しく充填されたどうかを決定する。たとえば、駆動電位を回路に印加してから５秒後および１０秒後に電流を計測し、これら二つの電流を比率に変換する。この比率および１０秒での電流読みを使用して、センサの毛管空間が正しく充填されたかどうかを決定する。試料計算は次のとおりである。試験シーケンス中に電流計測を３回、すなわち、１）駆動電位を１０秒間印加したところの、バーンオフとして知られる初期期間の終了時（Ｉ_b10と呼ぶ）、２）電位を印加するときの読み取り期間として知られる第二の期間中の５秒間（Ｉ_r5と呼ぶ）、および３）読み取り時間の終了時（Ｉ_r10と呼ぶ）に実施する。図１を参照。三つの電流計測値から二つのパラメータを決定する。これらの二つのパラメータを使用して、センサの毛管空間が正しく充填されたかどうかを決定する。第一のパラメータは、電流時間曲線の形を描写する減衰係数である。第二のパラメータは、読み取り段階における電流レベルの減衰速度を特徴づける比率である。減衰係数ｋは次式によって定義される。
【００１３】
【数１】

【００１４】
読み取り対バーン比Ｒ／Ｂは次式によって定義される。
Ｒ／Ｂ＝Ｉ_r10／Ｉ_b10 式２
【００１５】
これらのパラメータを使用すると、充填不足の規準は次のとおりである。
（１）ｋ＜０．２２７またはｋ＞０．４９７の場合、あるいは
（２）Ｒ／Ｂ＜０．２６３またはＲ／Ｂ＞１．２６３の場合
【００１６】
計算例は次のとおりである。
【００１７】
充填不足のセンサは、以下の三つの電流計測値を出した。
I_b10＝５０５．１nA、I_r5＝６５６．５nAおよびI_r10＝５６１．８nA
【００１８】
電流計測値から減衰係数および読み取り対バーン比を計算した。
減衰係数
【００１９】
【数２】

【００２０】
読み取り対バーン比
Ｒ／Ｂ＝Ｉ_r10／Ｉ_b10＝５６１．８／５０５．１＝１．１１
【００２１】
これら二つのパラメータを使用して以下のエラー状態を検出した。
・このグルコースリードバックレベルでｋ＜０．２２７またはｋ＞０．４９７
ｋ＝０．２２＜０．２２７のため、真
・このグルコースリードバックレベルでＲ／Ｂ＜０．２６３またはＲ／Ｂ＞１．２６３
Ｒ／Ｂ＝１．１１＞０．２６３かつ＜１．２６３のため、偽
【００２２】
充填不足の場合に積極的な応答（どっちつかずの応答とは違って）を出す試験具を提供することにより、使用者は、試験の放棄機能が、毛管空間に入る血液の不足の結果であり、何らか他の機能障害が異常な結果を生じさせたのではないことを認識する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサの分解図である。
【図２】センサのベースと、同ベースに直接適用されているセンサの要素とを示す図である。
【符号の説明】
３４ センサ
３８ 導電パターン
３９ 作用電極
４０ 参照電極
４０ａ サブエレメント
４２ 誘電層
４４ 反応層
５０ 通気孔

Claims (9)

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、
   前記流体試料を導入するための開口を形成するためのベースと、
   前記ベースに形成された作用電極と、
   前記ベースに形成されたカウンタ電極と、
   前記ベースに形成されたサブエレメントと、を備え、
   前記作用電極及び前記カウンタ電極は、電流検出器と電気的に導通されており、
   前記カウンタ電極の一部は、前記開口の下流に位置するとともに、前記作用電極の少なくとも一部の下流に位置しており、
   前記サブエレメントは、前記作用電極の上流に位置しており、
   前記サブエレメントと前記作用電極との間でのみ電気的導通が起こったときに、前記流体試料中の分析対象物の濃度を検出するのには不十分な電流が前記電流検出器に流れるように構成されており、
   前記ベースに結合されることで毛管空間を形成するカバーを備え、
   前記毛細空間は、前記流体試料をその中に導入するための前記開口から延びるとともに、前記流体試料が流れるための流路を形成しており、
   前記作用電極及び前記カウンタ電極が前記流路中に位置している、センサ。
2. 前記開口が前記カバーのみを通過する、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記カバーは通気口を有する、請求項１に記載のセンサ。
4. 少なくとも前記作用電極の表面上に位置する反応層を備え、
   前記反応層は、前記分析対象物と反応して、前記作用電極に移送される電子を生成する酵素を含む、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記酵素がグルコースオキシダーゼである、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記反応層中の前記酵素が親水性ポリマーと組み合わされている、請求項４に記載のセンサ。
7. 前記サブエレメントの面積が、前記作用電極の面積の１０％未満である、請求項１に記載のセンサ。
8. 前記サブエレメント及び前記カウンタ電極が物理的に接続している、請求項１に記載のセンサ。
9. Ｕ字型の部材を備え、
   前記Ｕ字型の部材が前記カバー及び前記ベースの間に配置することで前記開口を形成している、請求項１に記載のセンサ。

Images