JP7410158B2 - 複数の酵素を用いた分析物センサ - Google Patents
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Description
本開示は、概して、検出のために複数の酵素を使用する分析物センサ及び方法、より具体的には、複数の酵素が独立して又は協調して機能して1つ以上の分析物を検出し得る分析物センサ及び方法を説明する。
本開示の様々な実施形態によれば、電子移動剤が、本明細書に開示される分析物センサ又は分析物センサ構成のいずれかの1つ以上の活性領域に存在し得る。適切な電子移動剤は、分析物(酵素基質)が酸化還元反応を受けるときの作用電極への電子の運搬を容易にし得る。各活性領域内の電子移動剤の選択は、それぞれについて観察される酸化還元電位を決定し得る。複数の活性領域が存在する場合、各活性領域内の電子移動剤は同じであっても異なっていてもよい。
グルコースオキシダーゼとキサンチンオキシダーゼの協調酵素反応に基づく検出を特徴とするアルコールセンサでは、グルコースオキシダーゼは活性領域406に存在し、キサンチンオキシダーゼは活性領域402に存在する。引き続き図6A、6B及び6Cを参照しつつ、再び図5Eを参照すると、グルコースオキシダーゼは、活性領域406に存在し、外因性グルコースをD-グルコノラクトン-1,5-ジオン及び過酸化水素に変換する。アルコールオキシダーゼとキサンチンオキシドとの間の協調酵素反応に基づく検出を特徴とするアルコールセンサ(図5A)とは異なり、カタラーゼは、図5Eに示される協調酵素反応においてより積極的な役割を果たす。すなわち、カタラーゼは過酸化水素と反応してカタラーゼ-過酸化水素複合体を形成し(アルコールオキシダーゼとキサンチンオキシダーゼの協調酵素反応においてカタラーゼが示すのと同じ過酸化物除去機能)、続いて複合体はエタノールと反応してアセトアルデヒドを形成する。エタノールをカタラーゼ-過酸化水素複合体と反応させたときに活性領域406で形成されたアセトアルデヒドは、膜404を通って拡散し、これは活性領域406を活性領域402から分離させる。あるいは、カタラーゼは活性領域402に存在してもよく、その場合、活性領域406で形成された過酸化水素は、膜404を通って活性領域402に拡散し、活性領域402でカタラーゼ-過酸化水素複合体を形成し、活性領域402でエタノールをアセトアルデヒドに酸化し得る。アセトアルデヒドが活性領域402で形成されると、協調酵素反応は、図5Eに示されるように継続し得る。膜404は、アセトアルデヒドに対して透過性である架橋ポリビニルピリジンを含み得る。次に、アセトアルデヒドは、活性領域402においてキサンチンオキシダーゼと反応して、図5Aについて上で説明したのと同様の方法で酢酸を形成する。
いくつかの実施形態では、二層膜は、1つの作用電極上の第1の活性領域を覆うことができる。二層膜は、活性領域上で互いに層状になっている第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーを含む。より具体的な実施形態では、第1の膜ポリマーは、第1の作用電極の活性領域上に直接配置され得、第2の膜ポリマーは、二層膜を画定するために第1の膜ポリマー上に配置され得る。そのような実施形態では、第2の膜ポリマーは、第2の作用電極上に位置する均質な膜中に存在する。そのような二層構成は、いくつかの実施形態において、第1の作用電極上にのみ第1の膜ポリマーをコーティングし(例えば、スプレーコーティング、塗装、インクジェット印刷、ローラコーティングなどによって)、次いで第2の膜ポリマーを両方の作用電極上に同時にコーティング(例えば、ディップコーティング又は同様の技術によって)することにより調製され得る。他の実施形態では、二層膜は、第1の膜ポリマーが第2の作用電極上に配置されて、上記のように構成され得る。
A.異なる分析物応答性酵素を有する2つの活性領域を含む分析物センサ。分析物センサは、少なくとも作用電極を含むセンサテール;及び作用電極の表面に配置された少なくとも2つの活性領域を含み、各活性領域は、分析物応答性酵素及びポリマーを含み、各活性領域における分析物応答性酵素は異なる。ここで、各活性領域は酸化還元電位を有し、第1の活性領域の酸化還元電位は、第2の活性領域の酸化還元電位から十分に離れており、第2の活性領域からのシグナルの生成から独立して、第1の活性領域からのシグナルを生成することができる。
要素1:センサテールは、組織への挿入のために構成されている。
要素3:第1の活性領域は、第1の電子移動剤を含み、第2の活性領域は、第2の電子移動剤を含み、第1及び第2の電子移動剤は異なっている。
要素5:各活性領域の分析物応答性酵素はポリマーに共有結合されている。
要素7:少なくとも2つの活性領域のうちの少なくとも1つは、2つ以上の分析物応答性酵素を含み、2つ以上の分析物応答性酵素は協調して相互作用して、単一の分析物の濃度に比例するシグナルを生成する。
要素9:物質移動制限膜は、少なくとも上記少なくとも2つの活性領域を覆う。
実施形態C及びDのそれぞれは、以下の追加の要素のうちの1つ以上を任意の組み合わせで有し得る。
要素12:少なくとも1つの活性領域は、カタラーゼをさらに含む。
要素14:アルコールオキシダーゼはポリマーに共有結合されていない。
要素15:第1の酵素はポリマーに共有結合されていない。
要素17:センサテールは、組織への挿入のために構成されている。
要素19:流体は生物学的流体であり、分析物センサは生体内で生物学的流体に曝露される。
実施形態E及びFのそれぞれは、以下の追加の要素のうちの1つ以上を任意の組み合わせで有し得る。
要素22:センサテールは、組織への挿入のために構成されている。
要素23:アルコールセンサは、少なくとも上記少なくとも1つの活性領域を覆う物質移動制限膜をさらに含む。
要素25:物質移動制限膜は、少なくとも1つの活性領域を覆う。
要素26:多成分膜は二層膜を含む。
要素29:センサテールは、組織への挿入のために構成されている。
要素30:各活性領域は、ポリマーに共有結合している電子移動剤をさらに含む。
要素32:電子移動剤は、各活性領域においてポリマーに共有結合されている。
要素34:流体は生物学的流体であり、分析物センサは生体内で生物学的流体に曝露される。
要素36:第1のシグナル及び第2のシグナルは、第1のチャネル及び第2のチャネルを介して同時に測定される。
要素37:カタラーゼは、第1のポリマー又は第2のポリマーに共有結合されていない。
要素39:第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーは互いに異なる。
要素40:ここで、第1の膜ポリマーは、架橋ポリビニルピリジンを含む。
非限定的な例として、A~Jに適用可能な例示的な組み合わせには、以下が含まれる。
A1:多成分膜を備えた分析物センサ。分析物センサは、組織に挿入するように構成されたセンサテールであって、少なくとも作用電極を含むセンサテール;及びセンサテール上に配置された、少なくとも1つの分析物の濃度を測定するための少なくとも2つの異なる酵素を含む第1及び第2の活性領域を含み;第1の活性領域は、互いに異なる第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーで覆われている。
要素1’:第1の活性領域は、第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーの混合物で覆われ、第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーのうちの一方は、均質な膜として第2の活性領域を覆う。
要素3’:第1の活性領域は、少なくとも2つの異なる酵素のうちの第1の酵素を含み、第2の活性領域は、少なくとも2つの異なる酵素のうちの第2の酵素を含む。
要素8’:第1の活性領域は、作用電極上に直接配置され、さらに電子移動剤を含む。
要素9’:第1の膜ポリマーは第1の活性領域上に直接配置され、第2の活性領域は第1の膜ポリマー上に直接配置され、第2の膜ポリマーは第2の活性領域上に直接配置される。
要素13’:第1の活性領域からのシグナルは第1の分析物濃度に対応し、第2の活性領域からのシグナルは第2の分析物濃度に対応する。
実施形態B1は、以下の追加の要素のうちの1つ以上を任意の組み合わせで有することができる。
要素16’:第1の活性領域は、第1の電子移動剤を含み、第2の活性領域は、第1の電子移動剤とは異なる第2の電子移動剤を含む。
実施例1:単一の作用電極上に2つの異なる活性領域を有する分析物センサを使用したグルコース及び乳酸塩の検出。異なるポリ(ビニルピリジン)結合遷移金属錯体を含む2つの溶液を調製した。第1の溶液のポリマーの構造を式1に示し、第2の溶液のポリマーの構造を式2に示す。これらのポリマーに関するさらなる詳細は、上記の参照により組み込まれた、共通に所有されている米国特許第6,605,200号に提供されている。各モノマーの下付き文字は、例示的な原子比を表す。
硬化後、100mg/mL PVP及び100mg/mL PEGDE400を含むコーティング溶液から、ポリ(4-ビニルピリジン)(PVP)膜を作用電極上に堆積させた。膜の堆積は、コーティング溶液に電極を3回ディップコーティングすることによって達成された。堆積後、電極を25℃で一晩硬化させ、次に乾燥バイアル中で56℃で2日間さらに硬化させた。スプレーコーティング、スクリーン印刷、又は同様のプロセスを交互に使用して、膜を堆積させることができる。
イグニッションロックなどの車両フェイルセーフは、障害がある場合や車両を安全に操作できる状態にない場合に、操作者が車両を操作できないようにするために使用されることがある。障害のある状態で車両を操作すると、操作者や一般の人々に重大な危険をもたらす可能性がある。一般的なタイプのイグニッションロックの1つは、飲酒運転を防止するように設計されており、より具体的には、アルコールの使用によって酔っている間に個人が車両を操作するのを防止するように設計されている。このようなロック装置は、呼気アルコール分析装置又は光学センサを車両のイグニッションシステムに接続しており、ドライバーは車両を始動する前に血中アルコール濃度テストに合格する必要がある。
K.操作者の体内に存在する1つ以上の分析物を検出及びモニタリングするセンサを有するセンサ制御デバイスと、センサ制御デバイス及び車両の電気システムと通信する制御モジュールとを含む分析物モニタリング及び車両制御システムであって、制御モジュールは、センサ制御デバイスによって提供されるデータを受信及び処理するようにプログラムされたコンピュータシステムを含み、操作者のリアルタイム測定された分析物レベルが所定の安全閾値を超えると、車両の操作がコンピュータシステムによって制御又は無効化される、分析物モニタリング及び車両制御システム。
Claims (17)
- 分析物センサであって、
組織に挿入するように構成されたセンサテールであって、第1の作用電極及び任意選択で第2の作用電極を含むセンサテール;及び
分析物の濃度を測定するために、前記センサテール上に配置された第1及び第2の活性領域を含み;
第1の活性領域はキサンチンオキシダーゼを含み、第2の活性領域はグルコースオキシダーゼ及びカタラーゼを含み、
第1の活性領域は、第1の作用電極の表面に配置されており、
第2の活性領域は、第1の作用電極の表面に、又は、任意選択で第2の作用電極の表面に配置されており、
第1の活性領域は、第1の膜ポリマー、及び、第1の膜ポリマーとは組成が異なる第2の膜ポリマーで覆われており、
キサンチンオキシダーゼは前記分析物と非反応性であり、グルコースオキシダーゼ及びキサンチンオキシダーゼは互いに相互作用することで前記分析物の濃度に比例するシグナルを生成する、分析物センサ。 - 第1の活性領域は、第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーの混合物で覆われ、第1の膜ポリマー及び第2の膜ポリマーのうちの一方は、均質な膜として第2の活性領域を覆っている、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域は、第2の膜ポリマー上に配置された第1の膜ポリマーを含む二層膜で覆われ、第2の膜ポリマーは、均質な膜として第2の活性領域を覆っている、請求項1に記載の分析物センサ。
- グルコースオキシダーゼは、前記分析物をキサンチンオキシダーゼと反応する生成物に変換することで、キサンチンオキシダーゼは、前記生成物を用いて第1の作用電極でシグナルを生成することが可能となる、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域はカタラーゼをさらに含む、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域は、さらに電子移動剤を含む、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1の膜ポリマーは第1の活性領域上に直接配置され、第2の膜ポリマーは第2の活性領域上に直接配置されている、請求項1に記載の分析物センサ。
- 前記センサテールは、第2の作用電極を含み、第2の活性領域は、第2の作用電極の表面に配置されている、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1及び第2の活性領域のそれぞれは酸化還元電位を有し、第1の活性領域の酸化還元電位は、第2の活性領域からのシグナルの生成とは独立して第1の活性領域からのシグナルの生成を可能にするように、第2の活性領域の酸化還元電位から十分に離れている、請求項1に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域の酸化還元電位は、第2の活性領域の酸化還元電位から少なくとも約100mV離れている、請求項9に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域からのシグナルは第1の分析物濃度に対応し、第2の活性領域からのシグナルは第2の分析物濃度に対応する、請求項9に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域は、第1の電子移動剤を含み、第2の活性領域は、第1の電子移動剤とは異なる第2の電子移動剤を含む、請求項9に記載の分析物センサ。
- 分析物センサであって、
組織に挿入するように構成され、第1の作用電極及び任意選択で第2の作用電極を含むセンサテール;及び
センサテール上に配置された第1及び第2の活性領域を含み、
各活性領域は、酵素、電子移動剤、及びポリマーを含み、
第1の活性領域は、第1の作用電極の表面に配置されており、
第2の活性領域は、第1の作用電極の表面に、又は、任意選択で第2の作用電極の表面に配置されており、
各活性領域の酵素は異なっており、かつ異なる分析物に対して応答性であり、
各活性領域は酸化還元電位を有し、第1の活性領域の酸化還元電位は、第2の活性領域からのシグナルの生成とは独立して第1の活性領域からのシグナルの生成を可能にするように、第2の活性領域の酸化還元電位から十分に離れている、分析物センサ。 - 第1の活性領域の酸化還元電位は、第2の活性領域の酸化還元電位から少なくとも約100mV離れている、請求項13に記載の分析物センサ。
- 第1の活性領域は、第1の電子移動剤を含み、第2の活性領域は、第1の電子移動剤とは異なる第2の電子移動剤を含む、請求項13に記載の分析物センサ。
- 第1及び第2の活性領域は、物質移動制限膜で覆われ、第1の活性領域は、単一の膜ポリマーで覆われ、第2の活性領域は、2つ以上の異なる膜ポリマーで覆われている、請求項13に記載の分析物センサ。
- 前記分析物センサ及び車両の電気システムと通信する制御モジュールであって、前記分析物センサによって提供されるデータを受信及び処理するようにプログラムされたコンピュータシステムを含む制御モジュールをさらに含み、
操作者のリアルタイム測定された分析物レベルが所定の安全閾値を超えると、車両の操作が前記コンピュータシステムによって制御又は無効化される、請求項13に記載の分析物センサ。
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