KR100790141B1 - 글루코오스 바이오센서 및 방법 - Google Patents

글루코오스 바이오센서 및 방법 Download PDF

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Abstract

샘플 중의 글루코오스를 보다 정확하게 측정하는 시스템은 다량의 글루코오스 산화효소를 포함하는 제1 글루코오스-감지전극, 다량의 PQQ-글루코오스 탈수소효소를 포함하는 제2 글루코오스-감지전극, 기준전극, 및 제1 글루코오스-감지전극으로 실시된 제1 글루코오스 측정 및 제2 글루코오스-감지전극으로 실시된 제2 글루코오스 측정을 선택하는 수단을 포함한다.
글루코오스, 글루코오스 산화효소, 글루코오스 탈수소효소, 전극, 바이오센서

Description

글루코오스 바이오센서 및 방법{GLUCOSE BIOSENSOR AND METHOD}
도 1은 시험 스트립을 나타내는 본 발명의 일 구체예의 개략도이다.
도 2는 시험 스트립의 4개 성분 층을 나타내는 도 1의 구체예의 확대도이다.
도 3은 시험 스트립을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 4는 시험 스트립의 3성분 층을 나타내는 도 3의 구체예의 확대도이다.
도 5는 4층 GOD-계 센서 스트립 및 4층 GDH-계 센서 스트립의 조합을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 6은 GOD-계 센서 스트립 및 GDH-계 센서 스트립의 성분층의 배열을 나타내는 도 5의 구체예의 확대도이다.
도 7은 3층 GOD-계 센서 스트립 및 3층 GDH-계 센서 스트립의 조합을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 8은 GOD-계 센서 스트립 및 GDH-계 센서 스트립의 성분층의 배열을 나타내는 도 7의 구체예의 확대도이다.
도 9는 기재층이 양쪽 센서에 공통인 4층 GOD-계 센서 스트립 및 4층 GDH-계 센서 스트립의 조합을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 10은 GOD-계 센서 스트립 및 GDH-계 센서 스트립의 성분층의 배열을 나타내는 도 9의 구체예의 확대도이다.
도 11은 기재층이 양쪽 센서에 공통인 3층 GOD-계 센서 스트립 및 3층 GDH-계 센서 스트립의 조합을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 12는 GOD-계 센서 스트립 및 GDH-계 센서 스트립의 성분층의 배열을 나타내는 도 11의 구체예의 확대도이다.
도 13은 2개의 작용전극 및 1개의 블렝크 전극을 갖는 4층 구조, 즉 GOD-계 전극, GDH-계 전극 및 간섭-보상 전극을 갖는 조합된 센서 스트립을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 14는 GOD-계 전극, GDH-계 전극, 간섭-보상 전극 및 기준전극을 포함하는 성분층의 배열을 나타내는 도 13의 구체예의 확대도이다.
도 15는 GDH-계 전극과 나란히 GOD-계 센서 시스템을 갖는 4층 구조를 갖는 조합 센서 스트립을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 16은 GOD-계 전극 시스템 및 GDH-계 전극 시스템을 포함하는 성분 층의 배열을 나타내는 도 15의 구체예의 확대도이다.
도 17은 GDH-계 전극과 나란히 GOD-계 센서 시스템을 갖는 3층 구조를 갖는 조합 센서 스트립을 나타내는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 18은 GOD-계 전극 시스템 및 GDH-계 전극 시스템을 포함하는 성분 층의 배열을 나타내는 도 17의 구체예의 확대도이다.
도 19는 본 발명의 다른 구체예의 개략도이다.
도 20 및 도 21은 상이한 산소 수준에서 GOD-계 전극의 전류 반응 사이의 상관관계를 도시한다.
도 22 및 도 23은 상이한 산소 수준에서 GDH-계 전극의 전류 반응 사이의 상관관계를 도시한다.
도 24은 90 mm Hg의 산소 수준을 함유하는 샘플 중에서 기준 분석기의 글루코오스 농도에 대비한 GOD-계 전극에 의해 측정된 글루코오스 농도의 상관관계를 도시한다.
도 25는 90 mm Hg의 산소 수준을 함유하는 샘플 중에서 기준 분석기의 글루코오스 농도에 대비한 GDH-계 전극에 의해 측정된 글루코오스 농도의 상관관계를 도시한다.
본 발명은 혈액과 같은 생물학적 유체에 존재하는 글루코오스를 검출하기 위한 바이오센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 생물학적 유체 중의 글루코오스를 전류적정(amperometric) 검출하기 위한 바이오센서에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 생물학적 유체 중의 글루코오스를 전류적정 검출하기 위한 고 정확도를 갖는 바이오센서에 관한 것이다.
당뇨병은 주요 건강 위험군으로 알려져 있다. 일반적으로, 미국 당뇨병 협회(ADA)는 I형(인슐린 의존형) 당뇨병 환자 대부분에게 하루에 3회 이상 혈당을 확인하도록 권고한다. 인슐린은 혈액 중의 글루코오스 또는 당의 이용을 제어하고 또 치료되지 않는다면 케톤증을 초래할 수 있는 고혈당증을 방지한다. 그러나 인슐린 요법의 부적절한 관리는 고혈당증을 초래할 수 있다. 고혈당증은 혼수를 유발할 수 있어서 치명적일 수 있다.
당뇨병에서 고혈당증은 심장병, 죽상동맥경화증, 실명, 중풍, 고혈압 및 신부전과 같은 몇 개의 장시간의 당뇨병의 결과와 관련되어 있다. 인슐린 주사의 양은 혈중 글루코오스 양과 관련된다. 따라서, 혈중 글루코오스의 정확한 검출은 당뇨병의 적절한 치료에 필수적이다. II형(비-인슐린 의존형) 당뇨병 환자는 규정식 및 운동을 통하여 자신의 상태를 제어하면서 정확한 혈중 글루코오스 관리의 이득을 볼 수 있다.
가정용 글루코오스 스트립 및 핸드-헬드(handheld) 검출 장치 또는 측정기가 1970년대 후반에 도입된 이후, 당뇨병의 치료는 현저히 향상되었다. 그러나, 종래 기술의 글루코오스 측정 시스템에 고유한 부정확한 시험 결과는 때때로 당뇨병의 부적절한 치료를 초래할 수 있다. 부정확한 시험 결과에 대한 주요 원인 중의 하나는 글루코오스 스트립에 도포된 화학시약에 관련된다. 시판 중인 대부분의 글루코오스 스트립은 매개제 및 글루코오스 산화효소(GOD) 또는 피롤로퀴놀린 퀴논 의존형 글루코오스 탈수소효소(PQQ-GDH)의 사용을 기초로 하는 바이오센서이다.
매개제/GOD-계 바이오센서는 비-매개제 계 바이오센서(과산화수소 측정 포함)와 비교하여 글루코오스에 대한 선형 반응 범위를 연장한다. 그러나 산소-관련된 결점은 여전히 존재한다. 매개제는 산소 분자만큼 셔틀 전자에서 효소와 효과적이지 않다. 실제로, 샘플 용액 중의 산소는 효소 부위에 대하여 매개제에 비하여 훨씬 더 효과적으로 경쟁할 수 있다. 매개제/GOD-계 바이오센서를 이용한 측정은 유체 샘플에서 산소 부분 압력(pO2)의 증가와 함께 현저히 더 낮은 결과를 나타낸다. 산소 농도를 달리하여 얻은 부정확한 시험 결과는 몇 그룹에 의해 광범위하게 조사되었다(T.Y. Chun, M. Hirose, T. Sawa, M. Harada, T. Hosokawa, Y. Tanaka and M. Miyazaki, Anesth Analg., 75, 993-7, 1994; J. H. Lee, H, Vu, G. J Kost, Clinical Chemistry, 42, S163, 1996; K. Kurahashi, H. Maryta, Y. Usuda and M. Ohtsuka, Crit. Care Med., 25, 231-235, 1997; Z. Tang, R. F. Louie, M. Payes, K. Chang and G. J. Kost, Diabetes Technology & Therapeutics, 2, 349-362, 2000). Tang et. al. (Z. Tang, R.F. Luie, J. H. Lee, D.M. Lee, E.E. Miller, and G.J. Kost, Crit. Care med., 29, 1062-1070, 2001)에 의해 경고된 바와 같이, 심하게 아픈 환자 및 예측할 수 없는 혈중 pO2 수준에 있는 환자에서 현장글루코오스 검사를 위한 글루코오스 스트립을 사용할 때 특별히 주의해야 한다.
또한, 생물학적 시편은 다양한 산소 양을 함유한다. 정맥 혈액 샘플의 전형적인 산소 부분압력은 약 32±7 mmHg이다. 일부 경우, 20 mmHg 정도로 낮을 수 있다. 동맥 샘플의 경우, 더 높은 산소 수준을 기대할 수 있다. 산소 요법을 받고 있는 환자의 경우, 동맥 pO2의 수준은 700 mmHg 정도로 높이 도달할 수 있다. 따라서, 매개제/GOD-계의 바이오센서는 상이한 산소 농도로 인하여 부정확한 시험 결과를 초래할 수 있다. 이것은 글루코오스 농도가 낮은 수준(예컨대 글루코오스 농도가 70 mg/dL 미만)일 때 더욱 심각해진다.
다양한 산소 농도 또는 글루코오스 산화효소의 사용과 관련된 소위 "산소 효과"에 기인한 간섭을 제거하기 위하여, 글루코오스 탈수소효소(GDH)가 최근들어 글루코오스 민감성 글루코오스 산화효소를 대신하여 사용되었다. 조효소가 피롤리퀴놀린 퀴논(PQQ)인 글루코오스 탈수소효소는 산소와 상호반응하지 않는다. 따라서, 생성한 글루코오스 센서는 샘플 중의 다양한 산소 농도에 의해 영향을 받지 않는다. 이러한 효소를 사용하여 소수의 제품이 개발되어 시판되었고, 예컨대 Accu-ChekTM Comfort Curve®, Roche Diagnostics, IN, USA, Freestyle®, TheraSense, Alameda, CA, USA 및 Ascensia®, Bayer Health Care, Mishawaka, IN, USA이 있다.
글루코오스 탈수소효소의 사용은 산소 효과에 의한 문제를 극복하지 못한다. 그러나, 글루코오스 탈수소효소는 글루코오스 산화효소만큼 특이적이지 않다. 이것은 글루코오스와 반응할 뿐만 아니라 갈락토오스 및 말토오스와 같은 다른 당과도 반응한다. 갈락토오스 및 말토오스는 모두 글루코오스와 유사한 구조를 갖는다. 말토오스는 2개의 글루코오스 단위로 구성되고 갈락토오스는 탄소번호 4 에서 히드록실 기의 위치가 다른 점에서만 글루코오스와 구조가 상이하다. 사실상, GDH-계 바이오센서는 말토오스에 더욱 민감하고 글루코오스와 갈락토오스를 구별하지 못한다(J.D. Newman, C.A. Ramsden, N.D.H. Balzs, Clinical Chemistry, 48, 2071, 2002).
시험 스트립이 글루코오스 탈수소효소 피롤로퀴놀린 퀴논을 효소 방법으로 사용하면, 환자에 의해 잘못된 높은 글루코오스 치를 얻을 수 있다. 이 때문에, 미 국 FDA(Food and Drug Administration)는 2003년 4월 18일 Centers for Medicare & Medicaid Services and ESRD Networks를 복막투석 환자의 글루코오스 판독치에 대한 관심 및 이코덱스트린 엑스트레니얼(Icodextrin Extraneal) 투석액 및 말토오스의 상호작용으로 인하여 잘못 상승된 글루코오스 판독치의 효과에 대한 관심으로 변경하였다. 잘못된 높은 혈중 글루코오스 판독치는 환자가 필요한 것보다 더 많은 인슐린을 받게 할 수 있다. 이것은 환자의 혈중 당을 불필요하게 낮출 수 있어 의식 상실을 비롯한 심각한 반응을 초래할 수 있다.
따라서, 필요한 것은 보다 정확한 혈중 글루코오스 판독을 제공할 수 있는 글루코오스 측정 시스템이다. 또한 필요한 것은 유체 샘플에서 산소 부분압을 다양하게 함으로써 유발된 부정확한 시험 결과를 감소시킴으로써 보다 정확한 혈중 글루코오스 판독을 제공할 수 있는 글루코오스 측정 시스템이다. 또한 필요한 것은 유체 샘플에서 다른 당에 의해 유발된 부정확한 시험 결과를 감소시키는 것에 의해 보다 정확한 혈중 글루코오스 판독을 제공할 수 있는 글루코오스 측정 시스템이다. 또한 필요한 것은 보다 정확한 혈중 글루코오스 판독을 제공할 수 있는 일회용 글루코오스 센서이다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 용존 산소로부터의 간섭 및 유체 샘플 중에 존재하는 말토오스 및 갈락토오스로부터의 간섭을 최소화하는 글루코오스 판독을 제공하는 글루코오스 센서 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 손이나 다른 부위, 예컨대 윗팔, 아랫팔, 엄지 아래 및 대퇴부에서 모세관 혈액 시험에 사용될 수 있는 일회용 글루코오스 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 정맥 혈액 시험용 및 동맥 및 정맥 혈액 시험용 글루코오스 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 소량의 혈액 샘플을 필요로 하지만 정확한 결과를 달성하는 일회용 글루코오스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 글루코오스를 측정하기 위한 상이한 효소를 포함하는 2개의 글루코오스 전극을 혼입하고 또 적합한 전극 반응을 선택하여 유체 샘플 중의 글루코오스 농도를 측정함으로써 상기 목적과 다른 목적을 달성한다. 2개의 효소는 글루코오스 산화효소(GOD) 및 보다 특이적으로 피롤로퀴놀린 퀴논 의존성 글루코오스 탈수소효소(PQQ-GDH)로 알려진 퀴노단백질 글루코오스 탈수소효소(GDH)이다. 양쪽 글루코오스(즉, 작용) 전극은 전체 선형 범위에 걸쳐서 글루코오스 농도에 반응한다. 샘플이 낮은 수준의 pO2를 가지고 있으면, GOD-계 작용전극은 더 높은 반응을 나타낼 것이고 GDH-계 작용전극은 정확한 결과를 낼 것이다. 따라서, 바람직한 반응은 GDH-계 작용전극으로부터 얻어야 한다. 샘플이 말토오스 또는 갈락토오스를 함유하는 경우, GDH-계 작용전극은 더 높은 반응을 나타내는 한편, GOD-부하 작용전극은 정확한 결과를 낼 것이다. 바람직한 반응은 GOD-부하 작용전극으로부터 얻어야 한다. 이러한 선택 과정은 글루코오스 전극 판독이 미리 프로그래밍된 측정계에 자동적으로 공급될 때 자동적으로 실시된다.
본 발명의 글루코오스 센서는 몇 개의 구체예를 포함하며, 비제한적으로 미 국특허 6,767,441호, 미국특허 6,287,451호, 미국특허 6,258,229호, 미국특허 6,837,976호 및 미국특허 6,942,770호에 기재된 바와 같은 4-층 구조 및 3-층 구조를 포함하며, 상기 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.
본 발명의 제1 구체예로서, 글루코오스 센서는 4-층 적층 구조를 이용한다.
제1 구체예의 제1 요지로서, 글루코오스 센서는, 실질적으로 평탄한 샘플 챔버를 형성하고 적층체의 한쪽 단부에 있는 개구 및 그 개구로 부터 공간을 두고 배치된 배기공 사이를 연결한 샘플액 채널을 갖는, 적층 연신체(laminated, elongated body)를 갖는다. 상기 샘플액 채널 내에는 적어도 2개의 작용전극 및 1개의 기준/상대전극이 존재한다. 2 이상의 작용전극 및 기준전극(reference electrode)의 배치는 센서로부터 얻은 결과의 목적에 그리 중요하지 않다. 작용전극 및 기준전극은 각각 별개의 도전 통로와 전기적으로 접촉한다. 별도의 도전 통로는 중단되며 또 전기 접속을 이루기 위하여 적층체의 샘플 통과 말단의 반대측 단부에 있는 판독 장치에 노출된다.
제1 구체예의 다른 요지로서, 적층체는 플라스틱 재료로 제조된 기재층을 갖는다. 몇 개의 도전 통로가 상기 기재층 위에 배치된다. 도전 통로는 스크린 인쇄, 증착, 또는 기재층에 접착되는 도전층을 제공하는 다른 방법에 의해 절연층 상에 배치될 수 있다. 도전 통로는 절연층 상에 개별적으로 배치되거나, 또는 도전층은 절연층 상에 배치된 다음 필요한 개수의 도전 통로를 에칭/스크라이빙(scribing) 한다. 에칭 공정은 도전층에서 선을 기계적으로 스크라이빙하거나, 도전층을 별개의 도전 통로에 스크라이빙하기 위해 레이저를 사용하거나, 또는 본 발명에 필요한 별개의 도전 통로 사이에 차단(break)을 유발할 수단을 이용함으로써 달성할 수 있다. 사용될 수 있는 도전 코팅 또는 층은 구리, 금, 산화주석/금, 팔라듐, 기타 귀금속 또는 이들의 산화물, 또는 탄소 필름 조성물의 코팅이다. 바람직한 도전 코팅은 금 필름 또는 산화주석/금 필름 조성물이다.
본 발명의 제1 구체예의 다른 요지로서, 적층체는 기재층 및 도전 통로의 상부에 시약유지층 또는 전극영역 규정층으로도 불리는 제1 중간 절연층을 갖는다. 시약유지층 또는 시약유지층은 적어도 2개의 작용전극 및 1개의 기준전극에 대하여 적어도 2개의 개구를 함유한다. 각 개구는 단일 도전 통로의 소형 부분에 상응하여 노출한다. 작용전극에 대한 개구는 실질적으로 동일한 크기이다. 기준전극에 대한 개구는 작용전극에 대한 개구와 동일하거나 상이한 크기일 수 있다. 모든 개구의 배치는 이들이 모두 상기 기재한 샘플액 채널 내에 배치되도록 되어 있다. 시약유지층은 절연성 유전성 물질, 바람직하게는 플라스틱으로 제조될 수 있으며, 또 상기 물질을 기계적으로 또는 레이저를 사용하여 다이 컷팅(die cutting)한 다음 그 물질을 기재층에 고정시키는 것에 의해 제조할 수 있다. 압력 민감형 접착제와 같은 접착제를 사용하여 제1 중간 절연층을 기재층에 고정시킬 수 있다. 접착은 또한 시약유지층을 기재층에 초음파적으로 결합시킴으로써 달성할 수 있다. 시약유지층은 절연물질을 스크린 인쇄하거나 또는 광중합체를 기재층 상에 결합시키는 것에 의해 제조할 수 있다.
제1 구체예의 다른 요지로서, 적층체는 또한 시약유지층의 상부에 소위 채널-형성층으로 불리는 제2 중간층을 갖는다. 이러한 채널형성층은 플라스틱 절연물질 로 제조되며 또 적층체의 샘플 챔버를 생성한다. 이것은 개구 단부가 상술한 적층체의 샘플 출입 단부에 상응하게 시약유지층 상의 개구와 중첩되는 한 단부 상에 U-형상의 개구를 함유한다. 이중 코팅된, 압력 민감형 접착제 테이프를 채널형성층으로 사용할 수 있다.
제1 구체예의 다른 요지로서, 본 발명의 적층체는 배기공와 출입 노치를 갖는 커버(cover)를 갖는다. 배기공은 배기공의 적어도 일부가 채널형성층의 U-형상의 컷아웃(cutout)의 기부(base)와 중첩되도록 배치된다. 이러한 배기공은 샘플액이 적층체의 샘플 출입구 또는 샘플 도입구에 들어감에 따라서 샘플액 채널 중의 공기가 탈출하도록 한다. 노치는 샘플 출입 단부에 위치한다. 샘플액은 일반적으로 모세관 작용으로 샘플 챔버를 채운다. 적은 부피의 경우, 모세관 작용의 정도는 모세관 작용을 하는 액체와 접촉하는 표면의 소수성/친수성 성질에 따라 달라진다. 모세관 힘이 친수성 절연 물질을 사용하여 커버를 형성하거나, 또는 소수성 절연물질의 적어도 일면 부분에, 적층체의 개구 단부와 커버의 배기공 사이에 있는 샘플 챔버와 면하는 커버 영역에 있는 친수성 물질을 코팅하는 것에 의해 향상될 수 있다. 커버의 전체 면은 친수성 물질로 코팅된 다음 채널형성층에 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
제1 구체예의 다른 요지로서, 1개 개구는 GOD, 매개제 및 다른 성분이 부하된 제1 작용전극(W1)에 대한 전극물질, 피롤로퀴놀린 퀴논 의존형 글루코오스 탈수소효소(PQQ-GDH), 매개제 및 기타 성분이 부하된 제2 작용전극(W2)에 대한 전극물질 및 기준전극(R)에 대한 전극물질을 함유한다. 작용전극 및 기준전극의 채널에서 의 위치 배치는 전기화학적 센서로부터의 결과를 얻는데 그리 중요하지 않다. 샘플액 채널 내의 가능한 전극 배치는 W1-W2-R, W1-R-W2, R-W1-W2, W2-W1-R, W2-R-W1 또는 R-W2-W1일 수 있고, 이러한 배치일 때 전극은 적층체의 샘플 출입구에서부터 배기공에 이르기까지 나타날 것이다. 바람직한 위치는 W1-W2-R인 것으로 밝혀졌다; 이것은 샘플액이 적층체의 개구 단부에 들어감에 따라서, 샘플액은 W1를 먼저 덮고, 이어 W2를 덮은 다음 R을 덮는다. 바람직한 위치는 불충분한 샘플액 크기로 인한 신뢰성 및 정확성 문제를 해결한다. 작용전극 및 기준전극은 각각 별개의 도전 통로와 전기적으로 접촉한다. 별개의 도전 통로는 중지되고 전기적 접속을 이루기 위하여 적층체의 샘플 출입 단부의 대향 단부에 있는 판독 장치에 노출된다.
제1 구체예의 다른 요지로서, 작용전극은 적어도 1개의 산화환원 매개제 및 효소(GOD 또는 PQQ-GDH)의 혼합물 및 경우에 따라 1 이상의 계면활성제, 중합체 결합제 및 완충액을 갖고 있다. 기준전극(reference electrode)은 작용전극과 동일한 혼합물을 가질 수 있다. 기준전극 개구는 적어도 1개의 계면활성제, 중합체 결합제 및 완충액을 사용하거나 사용하지 않고 산화환원 매개제(환원되거나 산화된 형태 또는 그 혼합물)를 구비할 수 있음에 주목해야 한다. 다르게는, 기준전극 개구는 Ag/AgCl 층(Ag/AgCl 잉크를 도포하거나 또는 은 또는 은/염화은 층을 스퍼터-코팅하는 것에 의해) 또는 기타 기준전극 물질을 구비할 수 있다.
본 발명의 제2 요지로서, 글루코오스 센서는 제1 구체예와 유사한 구조를 갖지만, 글루코오스 민감성 효소를 부가하지 않고 매개제 및 기타 성분을 구비한 부가적인 블렝크(blank) 전극을 갖는다. 이러한 4개 전극 시스템은 제1 구체예의 특 징을 보유할 뿐만 아니라 아스코르브산, 아세트아미노펜 및 요산과 같은 샘플 중의 산화가능한 화학종으로부터 간섭을 제거하는 능력을 보유한다.
제2 구체예의 다른 요지로서, 적어도 4개의 도전 통로가 기재층에 배치될 수 있다. 시약유지층은 3개의 작용전극 및 1개의 기준전극에 대한 적어도 4개의 개구를 함유한다.
제2 구체예의 다른 요지로서, 1개 개구는 GOD, 매개제 및 기타 성분을 구비한 제1 작용전극(W1)용 전극 재료를 함유하고, 1개 개구는 PQQ-GDH, 매개제 및 기타 성분을 구비한 제2 작용전극(W2)용 전극 재료를 함유하며, 1개 개구는 매개제 및 기타 성분을 구비한 블렝크 전극(B)용 전극 재료를 함유하고, 1개 개구는 기준전극(R)용 전극재료를 함유한다. 채널에서 작용전극, 블렝크 전극 및 기준전극의 위치 배열은 전기화학적 센서로부터 유용한 결과를 얻는데 그리 중요하지 않다. 바람직한 위치는 W1-W2-R-B인 것으로 밝혀졌다; 즉 샘플 유체가 적층체의 개구 단부에 들어가면, 그 유체는 먼저 W1을 덮고, 이어 W2를 덮은 다음 R 그 다음에 B를 덮을 것이다.
본 발명의 다른 구체예로서, 글루코오스 센서는 제1 구체예와 유사한 구조를 갖지만, 시약유지층은 사용하지 않는다. 3개의 잔류 층은 제1 구체예와 동일하다. 이 구조의 자세한 사항은 미국특허 6,258,229호에 기재되어 있다. U-형상의 채널 컷아웃은 센서 단부(샘플 출입구 단부)에 위치한다. U-형상의 채널 컷아웃의 길이, 두께 및 폭은 모세관 채널 크기 또는 부피를 규정한다. U-형상의 채널 컷아웃과 기재 도전층의 길이 및 폭은 작용전극 및 기준전극의 영역 및 샘플 챔버를 규정하지 만, 상기 기재한 바와 같이 다른 화학 구조를 가질 수 있다.
전술한 구체예의 다른 요지로서, 작용전극(W1 및 W2)는 적어도 1개의 효소(GOD 또는 PQQ-GDH), 산화환원 매개제, 중합체 결합제, 계면활성제 및 완충액을 구비한다. 기준전극(R)은 바람직하게는 작용전극 중의 하나와 동일한 시약 혼합물에 의해 덮어진다.
본 발명의 제4 구체예로서, 글루코오스 센서는 스크린-인쇄 수법을 기본으로 한다. 도전성 잉크(예컨대 작용전극용 탄소 잉크; 기준전극용 은/염화은 잉크)는 전극으로 작용하는 기재층 상에 인쇄된 후 건조된다. 모세관 채널은 U-형상의 스페이서 및 커버를 전술한 구체예에 기재한 바와 같이 도포함으로써 형성될 수 있다. U-형상의 채널 컷아웃은 센서 단부(샘플 출입구 단부)에 위치한다. U-형상의 채널 컷아웃의 길이, 두께 및 폭은 모세관 채널 크기 또는 부피를 규정한다.
제4 구체예의 다른 요지로서, 작용전극(W1 및 W2)은 적어도 1개의 효소(GOD 또는 GDH-PQQ), 산화환원 매개제, 중합체 결합제, 계면활성제 및 완충액을 구비한다. 기준전극(R)은 작용전극 중의 하나와 동일한 시약 혼합물에 의해 경우에 따라 덮어질 수 있다.
제4 구체예의 다른 요지로서, 효소 및 산화환원 매개제 및 기타 성분은 잉크 와 혼합되어 절연된 기재층 상에 스크린-인쇄된다.
본 발명의 제5 구체예로서, 글루코오스 센서는 동일 스트립 상에 2개의 채널(채널 1 및 채널 2)를 갖는다; 각 채널은 상술한 구체예에서 언급된 것과 유사한 구조를 가질 수 있다. 채널 1 및 채널 2는 나란하게 배열되거나 연속적으로 배열될 수 있다. 2개 채널의 샘플 출입구는 각각 서로 밀접하게 존재하거나; 또는 2개의 채널은 동일 샘플 출입구를 단순히 공유할 수 있다.
제5 구체예의 다른 요지로서, 채널 1은 적어도 1개의 작용전극 및 1개의 기준전극을 갖는다. 적어도 1개의 작용전극은 GOD, 매개제 및 기타 성분을 구비한다. 채널 1은 글루코오스 센서로서 독립적으로 작용할 수 있다.
제5 구체예의 다른 요지로서, 채널 2은 적어도 1개의 작용전극 및 1개의 기준전극을 갖는다. 적어도 1개의 작용전극은 PQQ-GDH, 매개제 및 기타 성분을 구비한다. 채널 2는 다른 글루코오스 센서와 독립적으로 작용할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예로서, 일회용 스트립은 시험 챔버를 형성하는 개구 웰, 적어도 2개의 작용전극 및 1개의 기준전극을 시험 챔버 내에 갖는 센서 바디, 및 적어도 2개의 작용전극 및 상기 기준전극을 측량 장치에 전기적으로 접속하기 위한 전기적 접촉부를 갖는다. 시험 챔버는 적어도 2개의 작용전극 상에 하나씩 적어도 2개의 시약을 함유하며, 시약의 하나는 GOD를 함유하고 또 나머지 시약은 GDH를 함유한다. 측량 장치는 작용전극과 기준전극을 가로지르는 바이어싱 포텐셜(biasing potential)을 제공할 수 있어야 하고 또 일회용 스트립의 개구 웰에 분배된 유체 샘플 중의 글루코오스의 존재에 의해 생성된 전류를 검출할 수 있어야 한다.
본 발명의 모든 이점은 상세한 설명, 도면 및 첨부한 특허청구범위를 참고하면 분명해 질 것이다.
본 발명의 바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명의 바람직한 구체예는 도 1 내지 25에 도시되어 있다. 본 발명의 글루코오스 센서는 4층 구조(도 1) 또는 3층 구조(도 3)을 이용하여 제조될 수 있다. 4층 구조는 3층 구조와 동일한 3층 구조 및 기재층/저부층과 채널형성층 사이에 부가적인 시약유지층을 갖는다.
도 1을 참조하면, 글루코오스 스트립(10)은 적층체(12), 유체 샘플링 단부(14), 전기적 접촉 단부(16), 및 배기공(52)를 갖는다. 유체 샘플링 단부(14)는 샘플 입구(18) 및 배기공(52) 사이에 샘플 챔버(17)를 포함한다. 전기적 접촉 단부(16)는 3개의 불연속적인 도전 접촉부(16a, 16b 및 16c)를 갖는다.
도 2를 참조하면, 적층체(12)는 기재층(20), 시약유지층(30), 채널형성층(40) 및 커버(50)로 구성된다. 적층체(12)의 모든 층은 유전 물질, 바람직하게는 플라스틱으로 제조된다. 바람직한 유전 물질의 예는 염화폴리비닐, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 나일론, 폴리우레탄, 셀룰로오스 니트레이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌이다.
기재층(20)은 배치된 3개의 도전 통로(22, 24, 26) 상에 도전층(21)을 갖는다. 도전 통로(22, 24, 26)는 도전층(21)을 스크라이빙 또는 스코링(scoring)함으로써 또는 도전통로(22, 24, 26)를 기재층(20) 상에 실크-스크리닝함으로써 형성할 수 있다. 도전층(21)을 스크라이빙 또는 스코링하는 것은 3개의 독립적인 도전 통로(22, 24, 26)를 생성하기에 충분하도록 도전층(21)을 기계적으로 스크라이빙함으로써 실시할 수 있다. 본 발명의 바람직한 스크라이빙 또는 스코링 방법은 이산화 탄소 레이저, YAG 레이저 또는 엑시머 레이저를 이용함으로써 실시한다. 도전층(21)은 예컨대 금, 산화주석/금, 팔라듐, 기타 귀금속 또는 이들의 산화물, 또는 탄소 필름 조성물과 같은 전기적으로 도전성 물질로 제조될 수 있다. 바람직한 전기적으로 도전성인 물질은 금 또는 산화주석/금이다. 기재층(20)용으로 적합한 물질은 Courtaulds Performance Films, Canoga Park, Calif.에 의해 시판되는 산화주석/금 폴리에스테르 필름(Cat.No. FM-1) 또는 금 폴리에스테르 필름(Cat. No. FM-2)이다.
시약유지층(30)(4층 구조)을 사용한 구체예로서, 시약유지층(30)은 3개의 시약유지개구(32, 34, 36)를 갖는다. 시약유지개구(32)는 도전통로(22)의 일부를 노출시키고, 시약유지개구(34)는 도전통로(24)의 일부를 노출시키며, 또 시약유지개구(36)는 시약유지웰을 생성하는 도전 통로(26)의 일부를 노출시킨다. 시약유지층(30)은 플라스틱 물질, 바람직하게는 Adhesive Research, Inc.(Glen Rock, PA 소재)로부터 입수할 수 있는 의약등급의 일면 접착성 테이프로 제조될 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 테이프의 허용가능한 두께는 약 0.001 인치(0.025 mm) 내지 약 0.005 인치(0.13 mm) 범위이다. 이러한 1개 테이프인 Arcare® 7815 (약 0.025 인치(0.063 mm))은 충분한 양의 화학 시약을 유지할 수 있는 점에서 취급 용이성 및 양호한 성능과 센서의 샘플 챔버를 통한 모세관 작용을 증진시키는 점에서 바람직하다. 테이프의 사용이 필수적인 것은 아님을 이해해야 한다. 시약유지층(30)은 플라스틱 시트로 제조될 수 있고 또 압력 민감성 접착제, 광중합체에 의해 코팅되어 초음파에 의해 기재층(20)에 결합되거나 또는 기재층(20) 상에 실크-스크리닝되 어 상술한 폴리에스테르 테이프를 사용한 것과 동일한 결과를 얻을 수 있다.
3개 시약유지개구(32, 34, 36)는 각각 전극영역(W1, W2, R)을 규정하며 또 2개 작용전극(GOD-계 글루코오스 전극 및 GDH-계 글루코오스 전극) 및 1개 기준전극을 형성하는 화학적 시약을 유지한다. 일반적으로, 전극영역은 시약 혼합물을 구비하고 있다. 작용전극영역(32, 34, 36)에 대한 시약 혼합물은 효소 및 산화환원 매개제와 경우에 따라 중합체, 계면활성제 및 완충액의 혼합물이다. 기준 시약 매트릭스는 작용전극의 시약 혼합물과 유사한 전극영역(R)에 부하될 수 있다.
전형적으로, 전극영역(R)은 바람직한 도전성 코팅 물질을 사용할 때 기준전극이 작용할 수 있도록 하는 산화환원 시약 또는 매개제를 구비할 수 있다. 기준 시약 혼합물은 바람직하게는 산화환원 매개제의 산화된 형태 또는 산화 및 환원 형태의 혼합물, 적어도 1개의 결합제, 계면활성제 및 산화방지제(산화환원 매개제의 환원된 형태가 사용된 경우) 및 벌킹제를 함유한다. 다르게는, 기준전극(전극영역 R)은 Ag/AgCl 층(예컨대 Ag/AgCl 잉크를 도포하거나 또는 Ag 또는 Ag/AgCl층을 스퍼터-코팅함으로써)을 구비하거나 또는 적합하게 작용하는데 산화환원 매개제를 필요로 하지 않는 다른 기준전극 물질을 구비할 수 있다.
시약유지개구의 크기는 적합하게 작용하도록 충분한 화학적 시약을 유지할 수 있으면서 글루코오스 센서의 샘플 챔버를 가능한한 짧게 제조하기 위하여 가능한한 작게 제조되는 것이 바람직하다. 시약유지개구의 바람직한 형상은 원형이고 바람직한 직경은 약 0.03 인치(0.76 mm)이다. 3개 시약유지개구(32, 34, 36)는 서로에 대하여 정렬되며 약 0.025 인치(0.625 mm)정도로 공간을 두고 서로 배치된다. 원형의 시약유지개구는 오로지 예시적 목적으로 제시된 것이고 시약유지개구의 형상은 그리 중요하지 않다.
채널에서 작용전극 및 기준전극의 위치 배열은 글루코오스 센서로부터 유용한 결과를 얻는데 그리 중요하지 않다. 샘플 유체 채널 내에서 가능한 전극 배열은 W1-W2-R, W1-R-W2, R-W1-W2, W2-W1-R, W2-R-W1 또는 R-W2-W1일 수 있고, 이러한 배치일 때 전극은 적층체(17)의 샘플 입구(18)에서부터 배기공(52)에 이르기까지 나타날 것이다. 바람직한 위치는 W1-W2-R인 것으로 밝혀졌다; 이것은 유체 샘플이 적층체(12)의 샘플링 단부(14)로 들어감에 따라서, 유체 샘플이 W1을 먼저 덮고, 이어 W2를 덮은 다음 R을 덮을 것이다. 이러한 배열은 샘플이 불충분하거나 또는 부분적으로 불충분할 때 유용한 결과를 얻는데 유리할 수 있다.
적업전극 및 기준전극은 각각 별개의 도전 통로와 전기적 접촉한다. 별개의 도전 통로가 끝나면 전기적 접속을 이루기 위하여 적층체(12)의 샘플 입구(18)와 대향하는 단부에서 있는 판독 장치에 노출된다.
시약유지층(30)(4-층 구조)을 사용한 구체예에서, 채널형성층(40)은 유체 샘플링 단부(14)에 배치된 U-형상의 컷아웃(42)을 갖는다. 이 컷아웃(42)의 길이는 채널형성층(40)이 시약유지층(30)에 적층될 때, 전극영역(W 및 R)이 컷아웃(42)에 의해 규정된 공간 내에 존재하도록 한다. U-형상의 컷아웃(42)의 길이, 폭 및 두께는 모세관 채널 부피를 규정한다. 채널형성층(40)의 두께는 샘플 유체가 유체 샘플 채널로 들어가는 속도에 영향을 줄 수 있고, 상기 샘플 유체의 모세관 작용에 의해 상기 채널은 가득 차게 된다. 채널형성층(40)은 플라스틱 물질, 바람직하게는 Adhesive Research, Inc.(Glen Rock, PA 소재)로부터 입수할 수 있는 의약등급의 일면 접착성 테이프로 제조될 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 테이프의 허용가능한 두께는 약 0.001 인치(0.025 mm) 내지 약 0.005 인치(0.13 mm) 범위이다. 이러한 1개 테이프는 Arcare® 7840 (약 0.035 인치(0.089 mm))이다. U-형상의 컷아웃(42)은 레이저에 의해 또는 다이-절단에 의해 제조될 수 있다. 바람직한 방법은 컷아웃을 다이-절단하는 방법이다. U-형상의 컷아웃의 바람직한 크기는 약 0.05 인치 폭(1.27 mm)이고 약 0.0035 인치 두께 (0.089 mm)이다. 길이는 층(2) 개구의 개수에 따라 달라질 것이다.
채널형성층(40)에 적층된 커버(50)는 샘플 챔버(17) 중의 유체 샘플이 전극영역(W1, W2, R)을 완전히 덮도록 글루코오스 센서(10)의 유체 샘플링 단부(14)로부터 공간을 두고 배치한 배기공(52)을 갖는다. 배기공(52)은 커버(50)에 위치하고 있어서 U-형상 컷아웃(42)과 어느 정도 정렬한다. 바람직하게는, 배기공(52)은 U-형상 컷아웃(42)의 기부(base)의 일부를 노출하거나 기부와 부분적으로 중첩한다. 배기공(52)의 바람직한 형상은 약 0.08 인치(2 mm) x 약 0.035 인치(0.9 mm) 크기의 장방형이다. 바람직하게는, 상층은 유체 샘플이 샘플 챔버(17)로 부하되도록 유체 샘플링 단부(14)에 노치(54)를 갖는다. 바람직한 형상은 반원이며, 채널 출입구의 거의 중앙에 위치한다. 바람직한 크기는 0.028 인치(0.71 mm) 직경이다. 커버(50)의 바람직한 물질을 폴리에스테르 필름이다. 모세관 작용을 용이하게 하기 위하여, 폴리에스테르 필름은 모세관 채널과 면하는 아주 높은 친수성 표면을 갖는 것이 바람직하다. 3M이 제공하는 투명 필름(Cat. No. PP2200 또는 PP2500)이 본 발 명에서 커버로서 사용되는 바람직한 물질이다.
도 3은 3층 글루코오스 센서(10')를 도시한다. 4-층 구체예와 유사하게, 글루코오스 센서(10')는 적층체(12), 유체 샘플링 단부(14), 전기적 접촉 단부(16) 및 배기공(52)을 갖는다. 유체 샘플링 단부(14)는 샘플 입구(18) 및 배기공(52) 사이에 샘플 챔버(17)를 포함한다. 전기적 접촉 단부(16)는 개별적 도전 접촉부(16a, 16b, 16c)를 갖는다.
도 4로부터 알 수 있듯이, 적층체(12)는 기재층(20), 채널형성층(40) 및 커버층(50)으로 구성된다. 앞서 언급한 바와 같이, 적층체(12)의 모든 층은 유전 물질, 바람직하게는 플라스틱으로 제조된다. 4-층 구체예와는 달리, 3-층 구체예에는 별개의 시약유지층이 존재하지 않는다. 채널형성층(40)은 또한 2개의 작용전극 및 상기 기준전극 각각에 3개의 분명한 방울(들)로서 소정 양의 시약 혼합물이 도전 통로에 배치되는 영역의 윤곽을 형성한다.
도 5는 GOD-계 글루코오스 센서(10) 및 GDH-계 글루코오스 센서(300)의 조합물을 도시한다. GOD-계 글루코오스 센서(10) 및 GDH-계 글루코오스 센서(300)는 모두 4-층 구조로 제조되며 각 센서의 기재층은 서로에 대하여 적층되어 일체화된 글루코오스 센서 조합물을 형성한다. 각 센서는 적층체(12, 312), 유체 샘플링 단부(14, 314), 전기적 접촉 단부(16, 316) 및 배기공(52, 352)(도시되지 않음)을 갖는다. 유체 샘플링 단부(14, 314)는 샘플 입구(18, 318) 및 배기공(52, 352) 사이에 샘플 챔버(도시되지 않음)를 포함한다.
도 6을 참조하면, 각 센서(10, 300)는 기재층(20, 320), 시약유지층(30, 330), 채널형성층(40, 340) 및 커버(50, 350)를 갖는다. 시약유지층(30, 330)은 시약유지개구(32, 34 및 332, 334)를 갖는다. 채널형성층(40, 340)은 각각 U-형상 컷아웃(42, 342)을 갖는다. 전형적으로, 접착제를 사용하여 센서(10, 300)을 함께 유지할 수 있다. 바람직하게는, 양면에 접착제를 갖는 부가적 층(도시되지 않음)을 사용하여 센서(10)를 센서(300)에 조립하여 조립체를 형성할 수 있다.
도 7은 GOD-계 글루코오스 센서(10') 및 GDH-계 글루코오스 센서(300')의 다른 조합물 구체예를 도시한다. GOD-계 글루코오스 센서(10') 및 GDH-계 글루코오스 센서(300')는 모두 3-층 구조로 제조되며 각 센서의 기재층은 서로에 대하여 적층되어 일체화된 조합물을 형성한다. 각 센서는 적층체(12, 312), 유체 샘플링 단부(14, 314), 전기접촉 단부(16, 316) 및 배기공(52, 352)(도시되지 않음)을 갖는다. 유체 샘플링 단부(14, 314)는 샘플 입구(18, 318) 및 배기공(52, 352) 사이에 샘플 챔버(도시되지 않음)를 포함한다.
도 8을 참조하면, 각 센서(10', 300')는 기재층(20, 320), 채널형성층(40, 340) 및 커버(50, 350)를 갖는다. 채널형성층(40, 340)은 각각 U-형상 컷아웃(42, 342)을 갖는다.
도 9는 7-층 적층체(212)를 갖는 GOD-계 글루코오스 센서 및 GDH-계 글루코오스 센서 조합물(200)을 도시한다. 이 조합물은 GOD-계 글루코오스 센서(210) 및 GDH-계 글루코오스 센서(210')를 포함한다. 적층체(212)는 유체 샘플링 단부(214), 전기 접촉 단부(216) 및 배기공(252, 252')(도시되지 않음)을 포함한다. 유체 샘플링 단부(14)는 2개의 샘플 유체 채널(도시되지 않음)을 포함한다: 1개는 샘플 입 구(218)와 배기공(252) 사이에 있고 또 다른 하나는 샘플 입구(218')와 배기공(252')(도시되지 않음) 사이에 있다.
도 10은 도 9의 구체예의 적층체(212)의 확대도를 도시한다. 적층체(212)는 각 센서의 작용전극과 기준전극을 위한 도전통로의 윤곽을 잡는 각 면 상에 도전 코팅(221, 221')을 갖는 중앙 기재층(220)을 갖는다. 중앙 기재층(220)의 각 면은 시약유지층(230, 230'), 채널형성층(240, 240') 및 커버(250, 250')를 포함한다. 시약유지층(230, 230')은 각각 시약유지개구(232, 234 및 232', 234')를 갖는다. 채널형성층(240, 240')은 각각 U-형상 컷아웃(242, 242')을 갖는다.
도 11은 5-층 적층체(412)를 갖는 GOD-계 글루코오스 센서 및 GDH-계 글루코오스 센서 조합물(400)을 도시한다. 이 조합물(400)은 GOD-계 글루코오스 센서(410) 및 GDH-계 글루코오스 센서(410')를 포함한다. 적층체(412)는 유체 샘플링 단부(414), 전기접촉 단부(416) 및 배기공(452, 452')(도시되지 않음)을 포함한다. 유체 샘플링 단부(414)는 2개의 샘플 유체 채널(도시되지 않음)을 포함한다: 1개는 샘플 입구(418)와 배기공(452) 사이에 있고 또 다른 하나는 샘플 입구(418')와 배기공(452')(도시되지 않음) 사이에 있다.
도 12는 도 11의 구체예의 적층체(412)의 확대도를 도시한다. 적층체(412)는 각 센서의 작용전극과 기준전극을 위한 도전통로의 윤곽을 잡는 각 면 상에 도전 코팅(421, 421')을 갖는 중앙 기재층(420)을 갖는다. 이 중앙 기재층(420)의 각 면은 채널형성층(440, 440') 및 커버(450, 450')를 포함한다. 채널형성층(440, 440')은 각각 U-형상 컷아웃(442, 442')을 포함한다.
어떤 센서 시스템 조합물에서도, 입구 노치는 기재층 및 시약유지층에 혼입되어 GOD-계 및 GDH-계 글루코오스 센서의 각 샘플 챔버에 유체 샘플의 일부 부하를 용이하게 할 수 있음을 유의해야 한다.
도 13은 간섭 보정을 갖는 GOD-계 및 GDH-계 글루코오스 센서 조합물을 도시하는 본 발명의 다른 구체예를 도시한다. 도 13은 적층체(612), 유체 샘플링 단부(614), 전기적 접촉 단부(616) 및 배기공(652)을 갖는 조합된 GOD-계 및 GDH-계 글루코오스 센서(600)를 도시한다. 센서(600)은 광학 입구 노치(654)를 포함할 수 있다. 유체 샘플링 단부(614)는 샘플 입구(618)와 배기공(652) 사이에 유체 샘플 챔버(617)를 포함한다.
도 14는 도 13의 구체예의 적층체(612)의 확대도를 도시한다. 적층체(612)는 기재층(620), 시약유지층(630), U-형상 컷아웃(642)을 갖는 채널형성층(640), 및 광학 입구 노치(654)를 갖는 커버(650)를 갖는다. 기재층(620)은 적어도 4개의 도전통로(622, 624, 626, 628)의 윤곽이 형성되어 있는 도전층(621)을 갖는다. 시약유지층(630)은 적어도 4개의 시약유지개구(632, 634, 636, 638)를 갖는다. 시약유지개구(632)는 도전통로(622)의 일부를 노출하고, 시약유지개구(634)는 도전통로(624)의 일부를 노출하며, 시약유지개구(636)는 도전통로(626)의 일부를 노출하고, 또 시약유지개구(638)는 도전통로(628)의 일부를 노출하며; 이들 모두는 각 전극 웰을 형성한다.
4개 시약유지개구(632, 634, 636, 638)는 각각 전극영역(W1, W2, R, B)의 윤곽을 형성하며, 또 제1 작용전극, 제2 작용전극, 1개의 기준전극 및 1개의 블렝크 전극을 형성하는 화학 시약을 유지한다. 일반적으로, 전극영역(W1)은 글루코오스 산화효소 및 산화환원 매개제(바람직하게는 산화환원 매개제의 산화된 형태)를 포함하는 GOD-계 시약을 구비한다. 전극영역(W2)는 PQQ-GDH 및 산화환원 매개제(바람직하게는 산화환원 매개제의 산화된 형태)를 포함하는 GDH-계 시약을 구비한다. 기준 시약 매트릭스는 글로코오스-계 효소없이 GOD-계 시약 혼합물 또는 GDH-계 시약 혼합물과 유사한 전극영역(B) 및 전극영역(R)에 구비될 수 있다.
전형적으로, 전극영역(R)은 예컨대 산화환원 커플/산화환원 시약과 같은 기준 시약을 구비해야 한다. 전극영역(R)은 다르게는 Ag/AgCl 층(예컨대 Ag/AgCl 층을 도포함으로써 또는 Al 또는 Ag/AgCl 층을 스퍼터-코팅함으로써) 또는 기타 기준전극 물질을 구비할 수 있다. 전극영역(B)는 글루코오스-계 효소의 부가없이 임의 시약 혼합물을 구비할 수 있다.
혈액 헤마토크릿에 대한 센서 판독치를 보상하기 위하여 전극영역(B)와 기준전극 사이의 유체 샘플 저항을 측정하는 이외에, 몇 개 예를 들자면(전기화학적 바이오센서의 출력시 부정확한 판독을 유발하는) 아스코르브산, 요산 및 아세트아미노펜과 같은 산화성 간섭물질은 간섭물질에 대한 센서 판독치를 보상하도록 측정될 수 있다. 간섭 효과는 샘플 유체에서 농도를 산출하기 위하여 W2 (제2 작용전극) 뿐만 아니라 W1 (제1 작용전극)으로부터 얻은 전류 반응으로부터 B(블렝크 전극)에서의 전류 반응을 차감하는 것에 의해 무효화될 수 있다. 이것은 B 대 W2 및 B 대 W1의 표면적 비를 일정하게 유지함으로써 달성될 수 있다.
도 15를 참조하면, GOD-계 센서 시스템 및 GDH-계 센서 시스템의 조합물이 나란한 구조임을 보여주는 본 발명의 다른 구체예의 4-층 구조가 도시되어 있다. 도 15는 적층체(712), 유체 샘플링 단부(714), 전기적 접촉 단부(716) 및 배기공(752)을 갖는 조합된 GOD-계 및 GDH-계 글루코오스 센서(700)를 도시한다. 상기 센서(700)는 광학 입구 노치(754)를 포함할 수 있다. 유체 샘플링 단부(714)는 샘플 입구(718) 와 배기공(752) 사이에 제1 샘플 챔버(717a) 및 제2 샘플 챔버(717b)를 포함한다. 샘플 입구(718)는 경우에 따라 서로 인접한 2개의 입구(유체 샘플 채널에 대하여 각각 1개씩)일 수 있고 또 배기공(752)은 유체 샘플 채널 각각에 대하여 개별적인 배기공을 경우에 따라 가질 수 있음을 이해해야 한다. 예시된 구체예에서, 샘플 챔버의 하나는 GOD-계 센서 시스템을 포함하고 또 나머지 하나의 샘플 챔버는 GDH-계 센서 시스템을 포함한다.
도 16은 도 15의 구체예의 적층체(712)의 확대도를 도시한다. 적층체(712)는 기재층(720), 시약유지층(730), 샘플 챔버(717a, 717b)를 각각 형성하는 제1 레그(742a) 및 제2 레그(742b)를 갖는 포크-형상의 컷아웃(742)를 갖는 채널형성층(740), 및 임의의 입구 노치(754)를 갖는 커버(750)를 갖는다. 기재층(720)은 적어도 4개의 도전통로(722, 724, 728, 729) 윤곽이 형성된 도전층(721)을 갖는다. 도전층(721)은 간섭 및/또는 헤마토크릿 보상 전극을 제공하기 위하여 부가적 도전통로(726, 727)를 포함할 수 있다.
시약유지층(730)은 적어도 4개의 시약유지개구(732, 734, 738, 739)를 갖는다. 시약유지개구(732)는 도전통로(722)의 일부를 노출하고, 시약유지개구(734)는 도전통로(724)의 일부를 노출하고, 시약유지개구(736)는 도전통로(726)의 일부를 노출하며, 시약유지개구(738)는 도전통로(728)의 일부를 노출하고, 또 시약유지개구(739)는 도전통로(729)의 일부를 노출한다; 이들은 각 전극 시약 웰을 형성한다.
간섭 및/또는 헤마토크릿 보상을 포함하기 위하여, 시약유지층(730)은 예컨대 도전통로(726, 727)와 같은 다른 도전 통로의 일부를 노출시키는 부가적인 시약유지개구를 포함할 것이다.
도 17은 나란한 구조의 GOD-계 센서 시스템 및 GDH-계 센서 시스템의 조합물을 도시하는 본 발명의 다른 구체예의 3-층 구조를 도시한다. 도 17은 적층체(812), 유체 샘플링 단부(814), 전기적 접촉 단부(816) 및 배기공(852)을 갖는 조합된 GOD-계 및 GDH-계 글루코오스 센서(800)를 도시한다. 센서(800)은 임의의 입구 노치(854)를 포함할 수 있다. 유체 샘플링 단부(814)는 샘플 입구(818)와 배기공(852) 사이에 제1 샘플 챔버(817a) 및 제2 샘플 챔버(817b)를 포함한다. 앞서 설명한 4-층 구조 구체예와 유사하게, 샘플 입구(818)는 서로 인접하는 2개 입구(샘플 챔버 각각에 대하여 1개)일 수 있고 또 배기공(852)은 샘플 챔버의 각각에 대한 별개의 배기공을 경우에 따라 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예시된 구체예에서, 샘플 챔버의 하나는 GOD-계 센서 시스템을 포함하고 나머지 샘플 챔버는 GDH-계 센서 시스템을 포함한다.
도 18은 도 17의 구체예의 적층체(812)의 확대도를 도시한다. 적층체(812)는 기재층(820), 유체 샘플 챔버(817a, 817b)를 각각 형성하는 제1 레그(842a) 및 제2 레그(842b)를 갖는 포크-형상의 컷아웃(842)을 갖는 채널형성층(840), 및 임의의 입구 노치(854)를 갖는 커버(750)를 갖는다. 기재층(820)은 적어도 4개의 도전통 로(822, 824, 828, 829) 윤곽이 형성된 도전층(821)을 갖는다. 도전층(821)은 간섭 및/또는 헤마토크릿 보상 전극을 제공하기 위하여 부가적 도전통로(826, 827)를 포함할 수 있다.
도 19를 참조하면, 기본적인 일회용 글루코오스 센서(900)를 도시하는 본 발명의 다른 구체예를 도시한다. 일회용 센서(900)는 적층체(912), 샘플수용웰(914)및 전기적 접촉 단부(916)를 갖는다. 적층체(912)는 기재층(920) 및 커버(950)를 갖는다. 커버(95)는 기재층(920)과 조합되면 샘플수용웰(914)을 형성하는 샘플 개구(952)를 갖는다. 기재층(920)은 측량 장치(도시되지 않음)에 접속되도록 전기적 접촉 단부(916)에서 노출된 제1 부분 및 샘플 수용웰(914)에 의해 노출된 제2 부분을 갖는 적어도 3개의 전기 통로(922, 924, 926)을 갖는다.
샘플수용웰(914)에 의해 노출된 전기 통로(922, 924, 926)의 제2 부분은 적어도 1개의 제1 작용전극(W1), 1개의 제2 작용전극(W2) 및 적어도 1개의 기준/상대전극(R1)을 생성한다. W1 및 W2를 분리하기 위하여 파티션(partition)이 바람직하다. 제1 시약 혼합물(960)은 적어도 글루코오스 산화효소를 함유하며 제1 작용전극(W1) 상에 배치된다. 제2 시약 혼합물(962)은 적어도 글루코오스 탈수소효소를 함유하며 제2 작용전극(W2) 상에 배치된다. 기준/상대전극(R1)은 앞서 기재된 바와 같은 기준 물질을 함유할 수 있다. 본 발명의 구체예에서, 샘플수용웰(914)은 글루코오스를 측정하기 위한 혈액과 같은 유체 샘플을 받기 위한 샘플 입구 및 샘플 챔버로 작용한다.
상기 구체예에서의 도전 통로는 비-부식성 금속으로 제조될 수 있음을 이해 해야 한다. 예컨대 탄소 페이스트 또는 탄소 잉크와 같은 탄소 침착물은, 당업자에게 잘 공지되어 있는 바와 같이, 도전 통로로서 사용될 수 있다.
효소
본 발명의 글루코오스 스트립은 글루코오스를 산화시킬 수 있는 적어도 2개의 글루코오스-민감성 효소를 포함한다. 첫째 효소는 말토오스 및 갈락토오스와 같은 당과 반응하지 않는 글루코오스 산화효소이다. 두번째 효소는 산소에 민감하지 않은 글루코오스 탈수소효소이다. 본 발명에서, 글루코오스 산화효소를 제1 작용전극에 사용된 시약 혼합물 1(이하에 설명됨)에 부가한다. 본 발명에서, PQQ 의존형 글루코오스 탈수소효소(PQQ-GDH)는 제2 작용전극에 사용되는 시약 혼합물 2(이하에 설명됨)에 부가한다.
산화환원 매개제
산화환원 매개제는 본 발명의 글루코오스 센서에 포함된다. 바람직한 산화환원 매개제는 글루코오스를 선택적으로 산화시킬 수 있는 효소의 환원된 형태를 산화시킬 수 있는 것을 포함한다. 매개제의 환원 형태는 적용된 전위에서 작용전극을 전기화학적으로 산화시킬 수 있는 것이 바람직하다. 또한 매개제는 매트릭스로 안정한 것이 바람직하다. 매개제는 비제한적으로 다양한 금속 착물 및 유기 산화환원 화합물로부터 선택될 수 있다. 허용가능한 산화환원 매개제의 예는 페리시안산 칼륨, 페로센 및 그의 유도체, 프로마진, 테트라티아풀발렌, 메틸 블루, 1,4-벤조퀴논, 1,4-비스(N,N-디메틸아미노)벤젠, 4,4'0-디히드로비페닐이다. 본 발명에서 바 람직한 매개제는 페리시안산 칼륨(K3Fe(CN)6)이다. 시약 혼합물 중의 페리시안산칼륨의 농도는 바람직하게는 1%(W/W) 내지 15%이다.
중합체
임의의 결합제로서 사용된 중합체는 충분히 수용성이어야하고 또 전극영역(작용전극, 블렝크 전극 및 기준전극)(기준전극이 산화환원 매개제-계 기준전극이면)의 시약 중의 모든 다른 화합물을 안정화시킬 수 있고 또 도전성 표면층에 결합시킬 수 있어야 한다. 바람직하게는 2개 중합체를 본 발명의 시약 혼합물에 부가하였다. 바람직한 중합체의 1개는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)이다. 분자량은 수천 내지 수백만 범위이다. 바람직하게는, 분자량은 1 백만 이상이다. 보다 바람직하게는, 분자량은 약 4백만이다. 이러한 생성물은 Scientific Polymer Products, NY, USA (MW 4,000,000, Cat No. 344)로부터 입수할 수 있다. 시약 혼합물 중의 PEO의 농도는 바람직하게는 0.04%(W/W) 내지 2% 이다. 제2 중합체는 바람직하게는 상표명Methocel 60 HG (Cat.No. 64655, Fluka Chemicals, Milwaukee, WI, USA)으로 입수할 수 있는 메틸셀룰로오스이다. 시약 혼합물 중의 Methocel 60 HG의 농도는 바람직하게는 0.05% (W/W) 내지 5% 이다.
계면활성제
계면활성제는 작용전극, 블렝크 전극 및 기준전극에 대한 개구로 시약 혼합물의 분산을 용이하게 하고 또 샘플을 샘플 챔버에 적용할 때 건조 화학 시약을 신속하게 용해시키기 위해 계면활성제가 필요하다. 계면활성제의 양 및 형태는 앞서 말한 작용을 확실하게 하고 또 효소 상에서 변성 효과를 피하기 위해 선택한다. 계면활성제는 비제한적으로 다양한 음이온, 양이온, 비이온 및 쯔비터이온 세제, 예컨대 폴리옥시에틸렌 에테르, Tween 20, 나트륨 콜레이트 수화물, 헥사데실피리디늄 클로라이드 일수화물, CHAP로부터 선택될 수 있다. 바람직한 계면활성제는 폴리옥시에틸렌 에테르이다. 보다 바람직하게는, t-옥틸페녹시폴리에톡시에탄올이며 상표명 Triton X-100으로 구입할 수 있다. 시약 혼합물 중의 Triton X-100의 농도는 바람직하게는 0.01% (W/W) 내지 2%이다.
완충액
경우에 따라, 완충액은 본 발명의 센서 스트립에서 건조된 형태의 산화환원 매개제와 함께 존재할 수 있다. 완충액은 반응 혼합물의 pH를 유지하기에 충분한 양으로 존재한다. 적합한 완충액의 예는 시트르산, 인산, 탄산 등을 포함한다. 본 발명에서, 약 pH 6의 200 mM 시트레이트 완충액을 사용하여 시약 혼합물을 제조한다.
따라서, 시약 혼합물 1은 0.75%(W/W) Methocel 60 HG, 0.4% (W/W) 폴리에틸렌 옥사이드, 0.4% (W/W) Triton X-100, 8%(W/W) 페리시안산 칼륨, 1.5% (W/W) 글루코오스 산화효소 및 20 mM 시트레이트 완충액 (pH 6)를 함유한다. 시약 혼합물 2는 0.75%(W/W) Methocel 60 HG, 0.4% (W/W) 폴리에틸렌 옥사이드, 0.4% (W/W) Triton X-100, 8% (W/W) 페리시안산 칼륨, 0.2% (W/W) 글루코오스 탈수소효소-PQQ 및 20 mM 시트레이트 완충액 (pH 6)을 함유한다.
시약 혼합물 1은 제1 작용전극(W1)에 사용되고 또 시약 혼합물 2는 제2 작용 전극에 사용된다. 간단히, 시약 혼합물 2는 기준전극(예컨대 본 발명의 제1 구체예에서 논의한 바와 같은 3-전극 시스템)에 사용된다. 블렝크 전극을 포함하는 4-전극 시스템의 경우, 부가적 시약 혼합물이 필요하다. 이러한 부가적 시약 혼합물은 시약 혼합물 1 및 2와 유사한 조성을 갖지만, 어떠한 글루코오스-민감성 효소도 부가하지 않는다.
본 발명의 글루코오스 스트립의 제조 과정을 설명하고 시험하기 위하여, 다르게 나타내지 않는 한 3-전극 시스템(제1 구체예)을 예로 든다.
시약 혼합물의 제조
시약 혼합물 1은 2 단계로 제조하였다:
단계 1: 100 ml의 20 mM 시트레이트 완충액(pH 6)에 0.75 g Methocel 60 HG, 0.4 g의 폴리에틸렌 옥사이드, 0.4 g의 Triton X-100을 부가하였다. 용해될 때까지 용액을 교반하였다.
단계 2: 상기 용액에 8 g의 페리시안산 칼륨, 1.5 g의 글루코오스 산화효소를 부가하였다. 용해될 때까지 용액을 교반하였다. 생성한 용액은 즉시 분배할 수 있다.
시약 혼합물 2 또한 2 단계로 제조하였다:
단계 1: 100 ml의 20 mM 시트레이트 완충액(pH 6)에 0.75 g Methocel 60 HG, 0.4 g의 폴리에틸렌 옥사이드, 0.4 g의 Triton X-100을 부가하였다. 용해될 때까지 용액을 교반하였다.
단계 2: 상기 용액에 8 g의 페리시안산 칼륨, .2 g의 글루코오스 탈수소효소 -PQQ를 부가하였다.. 용해될 때까지 용액을 교반하였다. 생성한 용액은 즉시 분배할 수 있다.
글루코오스 센서의 제조
본 발명의 다양한 구체예의 조립은 비교적 직접적으로 실시한다. 일반적으로 4-층 구조의 경우, 기재층 및 시약유지층을 적층한 다음 각 시약유지개구에 적합한 시약 혼합물을 분배한다. 시약 혼합물을 건조시킨 후, 채널형성층을 시약유지층 상에 적층시키고 상기 채널형성층 위에 커버를 적층한다. 3-층 구조의 경우, 기재층 및 채널형성층을 서로에 대해 적층한 다음, 적합한 시약 혼합물을 불연속 방울로서 도전성 표면 영역 상의 U-형상 채널(또는 나란한 구체예의 포크 형상 컷아웃의 각 레그 내)로 분배한다. 시약 혼합물을 건조시킨 후, 채널형성층 상에 커버를 적층한다.
보다 특히, 금 폴리에스테르 필름의 조각을 도 2에 도시된 바와 같은 형상으로 절단하여 센서(10)의 기재층(20)을 형성한다. 레이저(전술한 바와 같음)를 사용하여 금 폴리에스테르 필름을 스코링한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 샘플 유체 단부(14) 및 3개의 접촉점(22, 24, 26)에 있는 3개 전극은 전기적 접촉 단부(16)에서 형성되도록 레이저에 의해 스코링된다. 스코링 라인은 아주 얇지만 별개의 전기 통로를 생성하기에 충분하다. 스코링 라인(28)은 경우에 따라 기재층(20)의 외부 엣지를 따라 제조될 수 있지만 완성된 센서(10)로부터 잡음 신호를 유발할 수 있는 강력한 정전 문제를 피한다.
1면 접착 테이프의 조각을 시약유지층(30)을 형성하는 크기와 형상으로 절단 하여서 도 1에 도시한 소형 전기 접촉 영역을 노출하는 것을 제외하고는 기재층(20)의 도전층(21)의 주요 부분을 덮을 것이다.
시약유지층(30)을 기재층(20)에 부착하기 전, 실질적으로 동일한 크기의 3개의 원형 개구(32, 34, 36)를 레이저 또는 기계적 수단, 예컨대 다잉-펀치 어셈블리에 의해 펀칭하여 시약유지층(30) 내에 전극 개구(32, 34, 36)를 생성한다. 이들 개구(32, 34, 36)에 대해 바람직한 구멍 크기는 약 0.030 인치(0.76 mm)의 전형적인 직경을 갖는다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전극 개구(32, 34, 36)는 서로에 대해 정렬되며 이들 사이에는 약 0.025 인치(0.63 mm)의 공간이 있다. 원형 개구는 예시적 목적으로 나타낸 것이다. 개구의 형상은 그리 중요하지 않음을 이해해야 하며, 단 개구의 크기는 적합하게 작용하는 전극에 대한 충분한 화학 시약을 유지할 만큼 크지만 이론적으로 작은 샘플 챔버를 허용할 만큼 충분히 작다. 전술한 바와 같이, 개구(32, 34, 36)에 형성된 전극의 바람직한 배열은 W1 (작용전극 1), W2 (작용전극 2) 및 R(기준전극)이다. 시약유지층(30)은 전극웰(W1, W2 및 R)을 규정하도록 기재층(20)에 부착된다. 약 0.05 내지 0.09 μL의 시약 혼합물 1을 전극영역(W1)에 분배한다. 상술한 바와 같이, 시약 혼합물 1은 바람직하게는 효소, 안정화제, 결합제, 계면활성제 및 완충제의 혼합물이다. 유사하게, 약 0.05 내지 0.09 μL의 시약 혼합물 2는 전극영역(W2 및 R)에 분산된다.
시약을 부가한 후, 시약을 건조시킨다. 시약의 건조는 약 실온 내지 약 80℃의 온도 범위내에서 생길 수 있다. 시약을 건조시키는데 필요한 시간은 건조 공정이 실시되는 온도에 따라 다르다.
건조 후, Adhesive Research로부터 입수할 수 있는 이중 면 테이프의 조각을 U-형상 채널(42)을 함유하는 채널형성층(40)으로 만든다. 채널형성층(40)은 시약유지층(30)상에 층을 이룬다. 앞에서 말한 바와 같이, 채널형성층(40)은 스페이서로서 작용하며 샘플챔버(17)의 크기를 규정한다. 비교적 신속하게 유체 샘플을 이동하도록 폭과 길이를 최적화한다.
투명 필름(3M으로부터 입수할 수 있는 Cat. No. PP2200 또는 PP2500)의 조각을 상층/커버(50)로 만든다. 장방형 배기공(52)은 상술한 바와 같이 레이저를 사용하거나 또는 다이-펀치를 이용하여 제조한다. 배기공(52)은 샘플 입구(18)로부터 약 0.180 인치(4.57 mm)에 위치한다. 커버(50)는 채널형성층(40) 상에 층을 이루게하여 도 1에 도시한 바와 같은 센서(10)의 조립체를 완성한다.
글루코오스 센서의 시험
유체 샘플을 본 발명의 단일 스트립에 도포할 때, 유체 샘플은 샘플링 단부 개구를 통하여 채널로 들어가서 W1, W2 및 R를 거쳐 흘러서 배기공의 문턱에서 정지한다.
전기화학적 분석기(Model 812, CH Instruments, 미국 텍사스 오스틴 소재)를 이용하여 글루코오스 스트립의 전류 반응을 측정하도록 크로노암페로미트리(Chronoamperometry)(i-t곡선)을 이용하였다. 산소 농도(pO2)는 토노미터 (Tonometer)(Precision Gas Mixer, PGM-3, Medicor, Inc., Salt Lake City, UT, USA)를 사용하여 제어하였다. 혈액 샘플이 스트립에 들어가면, 작용전극 및 기준전 극 전반에 0.3-0.5 볼트의 전위가 인가된다. 동일 혈액 샘플의 글루코오스 농도는 YSI Glucose Analyzer (Model 2300 Stat Plus, YSI Inc., 제조, 미국 오하이오 옐로우 스프링 소재)를 이용하여 측정하였다.
상술한 구체예는 암페어측정 분석을 기본으로 한다. 그러나 당업자들은 본 발명의 센서가 전기량측정, 전위측정, 전압측정 및 기타 전기화학적 수법을 이용하여 샘플 중의 분석물의 농도를 측정할 수 있다.
이하의 실시예는 본 발명의 독특한 특징을 설명한다.
실시예 1
상이한 수준의 pO 2 에서 전류 반응의 표시
전기화학적 분석기(CH Instruments, Model 812 제조, 미국 텍사스 오스틴 소재)와 관련하여 본 발명의 글루코오스 스트립을 사용하여 상이한 pO2 수준 및 상이한 글루코오스 농도를 갖는 혈액 샘플을 시험하였다. 제1 작용전극(즉, GOD-계 전극)은 혈액 샘플 중의 산소 농도가 감소함에 따라 증가하거나 또는 혈액 샘플 중의 산소 농도가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 산소 효과를 나타내기 위하여, 산소 수준이 약 30, 90, 220 mmHg인 혈액 샘플을 시험하였다.
도 20은 30 및 90 mmHg의 pO2 수준에서 다양한 글루코오스 농도에 대한 제1 작용전극(즉, GOD-계 전극)의 측정된 전류 반응을 도시한다. 전류 반응은 2개 산소 수준에 대하여 시험된 글루코오스 농도에 대하여 글루코오스 농도에 일직선형 관계에 있다. 그러나, 예상된 바와 같이, 30 mmHg의 pO2 수준에서 전류 반응은 90 mmHg 의 pO2 수준에서의 전류반응에 비하여 현저하게 더 높다. 전류반응의 변화를 글루코오스 농도로 변환하면, GOD-계 작용전극에서 글루코오스 농도의 평균 차이는 30 내지 90 mmHg의 pO2 수준 변화에 대하여 약 24.3 mg/dL 이다.
도 21은 90 및 220 mmHg의 pO2 수준에서 농도 변화에 대한 GOD-계 전극의 측정된 전류 반응을 도시한다. 전류 반응은 2개 산소 수준에 대하여 시험된 글루코오스 농도에 대하여 글루코오스 농도에 일직선형 관계에 있다. 그러나, 예상된 바와 같이, 220 mmHg의 pO2 수준에서 전류 반응은 90 mmHg의 pO2 수준에서의 전류반응에 비하여 현저하게 더 높다. 전류반응의 변화를 글루코오스 농도로 변환하면, GOD-계 작용전극에서 글루코오스 농도의 평균 차이는 90 내지 220 mmHg의 pO2 수준 변화에 대하여 약 15.0 mg/dL 이다.
도 22는 30 및 90 mmHg의 pO2 수준에서 농도 변화에 대한 제2 작용전극(GDH-계 전극)의 측정된 전류 반응을 도시한다. 전류 반응은 2개 산소 수준에 대하여 시험된 글루코오스 농도에 대하여 글루코오스 농도에 일직선형 관계에 있다. 그러나, 예상된 바와 같이, GDH-계 전극의 고유 특징으로 인하여, 30 mmHg의 pO2 수준에서 전류 반응과 90 mmHg의 pO2 수준에서의 전류반응 사이에는 차이가 실질적으로 나지 않는다.
도 23은 90 및 220 mmHg의 pO2 수준에서 농도 변화에 대한 GDH-계 전극의 측 정된 전류 반응을 도시한다. 전류 반응은 2개 산소 수준에 대하여 시험된 글루코오스 농도에 대하여 글루코오스 농도에 일직선형 관계에 있다. 그러나, 예상된 바와 같이, GDH-계 전극의 고유 특징으로 인하여, 90 mmHg의 pO2 수준에서 전류 반응과 220 mmHg의 pO2 수준에서의 전류반응 사이에는 차이가 실질적으로 나지 않는다.
실시예 2
글루코오스 스트립을 사용하여 얻은 글루코오스 농도 및 기준 분석기에서 글루코오스 판독치 사이의 상관관계
글루코오스 스트립의 2개의 작용전극(W1 및 W2)은 기준 분석기(YSI Glucose Analyzer)를 이용하여 90 mmHg의 pO2 수준에서 검량하였다. 2개의 작용전극으로부터 얻은 글루코오스 농도(C1 및 C2)를 YSI Glucose Analyzer로부터 얻은 상응하는 판독치에 대하여 그래프를 그렸다. 이 상관 관계 플럿은 도 24 및 도 25에 도시한다. 상관 관계 방정식 및 회귀 상수는 다음과 같다:
GOD-계 전극: C1 = 0.9426CYSI + 8.6829, R2 = 0.9981 (1)
GDH-계 전극: C2 = 1.0351CYSI + 1.1208, R2 = 0.9977 (2)
양쪽 작용전극으로부터 얻은 농도는 기준 분석기의 값과 상관관계가 있음이 분명하다. 그 결과, 그 중 어느 하나는 90 mmHg의 평균 pO2 수준에서 글루코오스 센서로서 사용될 수 있다.
실시예 3
전극 반응의 선택의 표시 - 산소 효과
실제 혈액 샘플의 산소 양은 미지이기 때문에, 산소 농도와 실제로 관계가 없고 바람직하게는 글루코오스의 측정을 위해 사용될 수 있는 GDH의 이점을 이용해야 한다. 그러나, 상기 논의한 바와 같이, GDH-계 작용전극은 갈락토오스 및 말토오스와 같은 다른 당으로부터 간섭을 받아서 반응을 현저히 증가시키므로 부정확한 글루코오스 판독치를 초래할 수 있다(이하 참조). 이 경우, GOD-계 작용전극으로부터의 반응은 그 이점을 갖는다. 따라서, 어떤 작용전극을 선택해야 하는지 결정하기 위해 소정 값 또는 컷오프가 필요하다.
상술한 바와 같이, 30 내지 90 mmHg에 걸친 pO2 에 대한 글루코오스 농도의 평균 변화는 GOD-계 작용전극에서 약 24.3 mg/dL이다. 이 값은 샘플의 글루코오스 농도를 결정함에 있어서 어떤 전극 반응을 이용해야 하는지 결정하기 위한 소정 값 또는 컷오프치로 선택되었다. 예컨대, C1 및 C2 사이의 차의 절대값 또는
Figure 112006091928504-pat00001
≤ 24.3 mg/dL이면, 바람직한 글루코오스 농도는 C2, 즉 GDH-계 작용전극으로부터 결정된 농도와 동일하다. 다르게는, 바람직한 글루코오스 농도는 C1, 즉 GOD-계 작용전극으로부터 결정된 농도와 동일하다. 이것은 갈락토오스 및 말토오스와 같은 다른 당으로부터의 간섭이 심하지 않은 한, 본 발명의 센서에 대한 바람직한 글루코오스 판독치는 언제나 GDH-계 작용전극으로부터 측정됨을 의미한다. 소정값 또는 컷오프치 "24.3"은 고정된 숫자가 아님이 중요하다. 이것은 오로지 예시적으로 든 것이다. 이 값은 전극의 구조 및 시약 혼합물의 조성에 따라 달라질 수 있다. 이것은 또한 측정에 필요한 측정 오류에 따라 달라진다.
2개 작용전극으로부터 얻은 2개 반응 사이의 선택은 글루코오스 스트립이 미리 프로그래밍된 시험 장치에 대하여 사용될 때 자동적으로 실시될 수 있다.
용존 산소의 영향에 대한 본 발명의 글루코오스 스트립의 분별 특징을 나타내기 위하여, 30 mmHg의 pO2 수준에서 혈액 샘플을 69 내지 565 mg/dL의 7개의 글루코오스 농도를 이용하여 본 발명의 글루코오스 스트립으로 시험하였다. 2개 작용전극(W1 및 W2)로부터 얻은 글루코오스 농도(C1 및 C2)는 표 1에 수록한다. 기준 분석기 (YSI Glucose Analyzer)에 대한 평균 오차율(MPE)도 또한 수록한다. 바람직한 글루코오스 농도(C)는 소정 값 또는 컷오프치(24.3)를 기본으로 한 것이며, 바람직한 MPE도 또한 수록한다. 농도 (C1 및 C2)는 90 mmHg의 산소량에서 얻은 검량 방정식을 이용하여 산출한다.
표 1 - 30 mmHg의 pO2에서 시험 결과
Figure 112006091928504-pat00002
표 1에 나타낸 바와 같이, 바람직한 평균 MPE(3.9%)는 GOD-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(13.3%)에 비하여 현저히 향상되었고 또 GDH-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(2.9%)에 필적한다. GDH-계 작용전극의 MPE는 글루코오스 농도 범위를 통하여 허용가능한 범위에 속하며, 이는 산소 효과가 없음을 의미한다. 그러나, GOD-계 작용전극에 대한 MPE는 산소 효과, 특히 낮은 글루코오스 농도로 인하 여 훨씬 더 높다. 본 발명의 센서의 독특한 특징은 2개 작용전극 사이의 선택에 의하여 산소로부터 간섭을 실질적으로 감소시킨다.
실시예 4
전극 반응의 선택의 표시 - 말토오스 및 갈락토오스로부터의 간섭
갈락토오스 및 말토오스로부터의 간섭에 대한 본 발명의 글루코오스 측정의 특징을 구별하기 위하여, 2개의 글루코오스 농도 수준을 갖는 90 mmHg의 pO2 수준에서 혈액 샘플에 다양한 농도의 갈락토오스 및 말토오스를 첨가하였다. 생성한 혈액 샘플을 본 발명의 글루코오스 스트립을 이용하여 시험하였다. 결과를 하기 표 2 및 3에 수록한다.
표 2 - 갈락토오스-첨가된 샘플에 대한 시험 결과
Figure 112006091928504-pat00003
표 2는 절대 농도 차
Figure 112006091928504-pat00004
뿐만 아니라 바람직한 글루코오스 농도(C) 및 생성한 MPE를 나타낸다. 바람직한 글루코오스 농도는 소정의 값 또는 컷오프 치(24.3)를 기본으로 한다. 바람직한 평균 MPE(1.8%)는 GDH-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(43.5%)보다 훨씬 작고 또 GOD-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(2.1%)와 필적한다.
표 3 - 말토오스-첨가된 샘플에 대한 시험 결과
Figure 112006091928504-pat00005
표 3은 절대 농도 차
Figure 112006091928504-pat00006
뿐만 아니라 바람직한 글루코오스 농도(C) 및 생성한 MPE를 나타낸다. 바람직한 글루코오스 농도는 소정의 값 또는 컷오프 치(24.3)를 기본으로 한다. 바람직한 평균 MPE(2.4%)는 GDH-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(59.2%)보다 훨씬 작고 또 GOD-계 작용전극으로부터 얻은 평균 MPE(2.7%)와 필적한다.
예상한 바와 같이, GDH-계 작용전극은 갈락토오스 및 말토오스로부터 심각한 간섭을 받는 반면에, 상기 화합물은 GOD-계 작용전극 상에는 아무런 영향을 주지 않는다. 샘플이 갈락토오스 및/또는 말토오스를 함유하면 GOD-계 작용전극으로부터 반응을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 센서의 독특한 특징은 2개 작용전극 사이를 선택함으로써 당의 간섭 효과를 실질적으로 감소시킨다.
상기 실시예는 본 발명의 글루코오스 스트립을 사용하는 것과 관련한 산소로부터 얻은 간섭 효과 및 당의 간섭 효과를 나타낸다. 실제 샘플은 산소 및 갈락토오스/말토오스 문제 모두를 가질 수 있다. 이들 문제는 본 발명의 글루코오스 센서의 선택 특징 및 2개 작용전극을 이용함으로써 해결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예가 본 명세서에 기재되어 있지만, 이러한 기재는 오로지 설명을 위한 것이다. 또한 본 발명의 변형은 당업자에 의해 실시될 수 있으며 이러한 변형은 첨부한 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 유체 샘플 입구 단부 및 전기적 접촉 단부를 갖는 적층체;
    유체 샘플 입구;
    유체 샘플 입구와 배기공 사이를 소통하는 실질적으로 평탄한 샘플 챔버;
    GOD-계 글루코오스 전극;
    GDH-계 글루코오스 전극; 및
    기준전극을 포함하며,
    상기 시험 챔버는 상기 유체 샘플 입구를 통하여 유체 샘플을 수집하도록 되어 있으며 또 상기 GOD-계 글루코오스 전극, 상기 GDH-계 글루코오스 전극 및 상기 기준전극은 상기 샘플 챔버 내에 존재하는, 글루코오스 바이오센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 GOD-계 글루코오스 전극은 산화환원 매개제를 더 포함하는 글루코오스 바이오센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 GOD-계 글루코오스 전극은 결합제, 완충액 및 계면활성제로 구성된 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 더 포함하는 글루코오스 바이오센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 GDH-계 글루코오스 전극은 산화환원 매개제를 더 포 함하는 글루코오스 바이오센서.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 GDH-계 글루코오스 전극은 결합제, 완충액 및 계면활성제로 구성된 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 더 포함하는 글루코오스 바이오센서.
  6. 다량의 글루코오스 산화효소를 혼입하는 제1 글루코오스-감지전극;
    다량의 PQQ-글루코오스 탈수소효소를 포함하는 제2 글루코오스-감지전극;
    기준전극; 및
    제1 글루코오스-감지전극으로 실시된 제1 글루코오스 측정 및 제2 글루코오스-감지전극으로 실시된 제2 글루코오스 측정을 선택하는 수단을 포함하는, 샘플 중의 글루코오스를 보다 정확하게 측정하는 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제1 글루코오스-감지전극이 산화환원 매개제를 더 포함하는 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 글루코오스-감지전극이 결합제, 완충액 및 계면활성제로 구성된 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 더 포함하는 시스템.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제2 글루코오스-감지전극이 산화환원 매개제를 더 포 함하는 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제2 글루코오스-감지전극이 결합제, 완충액 및 계면활성제로 구성된 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 더 포함하는 시스템.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 선택 수단은 상기 제1 글루코오스 측정과 상기 제2 글루코오스 측정 사이의 차이를 측정할 수 있고 또 상기 차이를 소정 값과 비교하면 상기 차이를 기초로 하여 상기 제1 글루코오스 측정과 상기 제2 글루코오스 측정 중의 하나를 선택할 수 있는 시스템을 더 포함하는 시스템.
  12. 글루코오스 산화효소를 혼입한 글루코오스 전극을 사용하여 혈액 샘플의 글루코오스 농도의 제1 측정을 실시하고;
    PQQ-글루코오스 탈수소효소를 혼입한 글루코오스 전극을 사용하여 혈액 샘플의 글루코오스 농도의 제2 측정을 실시하며;
    상기 제1 측정과 제2 측정 사이의 차이를 산출하고; 또
    상기 산출된 차이를 기초로 하여 상기 제1 측정과 제2 측정 중의 하나를 선택하는 것을 포함하는, 혈액 샘플 중의 글루코오스 농도를 보다 정확하게 측정하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 선택 단계는 상기 차이를 소정 값과 비교하면 상기 차이를 기초로 하여 상기 제1 측정과 제2 측정 중의 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 선택 단계는 상기 산출한 차이가 약 24 mg/dL 보다 크면 상기 제1 측정을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 선택 단계는 상기 산출한 차이가 약 24 mg/dL 이하이면 상기 제2 측정을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 시험 챔버를 형성하는 개구 웰을 갖는 센서 바디;
    상기 개구 웰 사이에 배치된 GOD-계 글루코오스 전극, GDH-계 글루코오스 전극 및 기준전극/상대전극; 및
    상기 센서 바디의 한쪽 단부 상의 전기적 접촉부를 포함하는 일회용 글루코오스 센서.
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