KR20010005569A - 향상된 신호 대 잡음비를 가진 전극 - Google Patents

향상된 신호 대 잡음비를 가진 전극 Download PDF

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Abstract

소스에서, 실질적으로 물리적으로 분리된 복수의 작용 전극 표면으로 구성된 작용 전극으로 확산되는 전기 화학적 신호를 감지하는 전극 어셈블리가 개시되어 있다. 본 발명의 전극은 (1) 복수의 작용 전극 표면 또는 구성 요소로 구성된 작용 전극, 및 (2) 작용 전극 표면 또는 구성요소를 서로 절연하는 (1)의 인접 에지에 의해 한정된 전기 절연 갭으로 구성되어 있다. 작용 전극 구성요소는 2 또는 바람직하게 3 치수로부터 전기화학적 신호를 동시에 수신하도록 구성되어 있다. 단일 전극과 동일한 표면위에 구성된 작용 전극 구성요소는 (1) 노이즈를 감소시킴으로써 단일 전극과 비교하여 향상된 신호-노이즈 비, 및 (2) 주어진 시간동안 감지한 후 모든 향상된 신호를 제공한다.

Description

향상된 신호 대 잡음비를 가진 전극{ELECTRODE WITH IMPROVED SIGNAL TO NOISE RATIO}
주어진 체적의 용액내의 화학량은 전극으로 측정될 수 있다. 전극은, 전류가 전자 이동에 의해 흐를 수 있는 전해질 매체와 접촉하는 전기 화학 셀내의 구성요소이다. 갈바니(전류 생성) 및 전해질(전류 이용) 셀 모두의 중요한 구성 요소인 전극은 다수의 전기 전도성 물질, 예를 들어, 납, 아연, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 수은, 흑연, 금, 또는 백금으로 구성될 수 있다. 전극의 예는, 전극이 전해질내에 침지된 전기 셀에서; 전극이 심장이나 두뇌가 방출하는 전기 임펄스를 검출하는데 사용되는 의학 디바이스에서; 및 전극이 전자 및 이온의 이동을 방출, 수집, 또는 제어하는 하나이상의 기능을 수행하는 반도체 디바이스에서 발견된다.
전해질은 이온 전도성을 제공하는 물질일 수 있고, 전기 화학적 활성종이 확산할 수 있는 물질일 수 있다. 전해질은 고체, 액체, 또는 반고체(예, 겔 형태)일 수 있다. 보통의 전해질은 황산과 염화 나트륨을 포함하고, 용액으로 이온화된다. 의학 분야에서 사용되는 전해질은 시간이 지난 후 조직에 해를 주지 않도록, 전극과 접촉하는 조직(예, 피부)의 PH에 거의 근접하는 PH를 가지고 있어야 한다.
전해질에 존재하는 전기 화학적 활성종은 전극의 표면에서 전기 화학 반응(산화 또는 환원)의 영향을 받을 것이다. 전기 화학적 반응이 발생하는 속도는 전기 화학적 활성종의 반응성, 전극 재료, 전극에 인가된 전위, 및 전기 화학적 활성종이 전극 표면으로 이동되는 속도등에 관련되어 있다.
비활성 액체 용액 및 겔 전해질과 같은 비활성 전해질에서, 확산은 전극 표면에 전기 화학적 활성종이 이동하는 주 공정이다. 확산 공정의 정확한 성질은 전극의 기하학 형태(예, 평면 디스크, 원통형, 또는 구형) 및 전해질의 기하학 형태(예, 반무제한 체적, 얇은 겔 디스크 등)에 의해 결정된다. 예를 들어, 반무제한 체적의 전해질내의 구형 전극으로의 전기 화학적 활성종의 확산은 전기 화학적 활성종의 평면 디스크 전극으로의 확산과 다르다. 그 디스크 전극의 센터에서, 그 전극으로의 전기 활성종의 확산은 실질적으로 수직 방향이고, 반면에, 그 디스크 전극의 에지에서, 확산은 수직 및 방사 방향 모두로부터 진행한다. 이러한 두 가지 상이한 패턴이 조합하여 총 전류가 디스크 전극에 수집된다.
본 발명은, 방사 및 축 방향으로의 전기 화학적 활성종의 확산이, 축방향으로의 확산만이 존재한다면, 특히 제한된 체적의 전해질의 경우에 대하여 전극 표면의 감소된 표면을 이용할 수 있는 것보다 더 높은 총 신호를 주도록, 전극 표면의 특정 기하학 형태를 이용한다.
본 발명은 일반적으로 전기 화학 기구용의 전극 분야에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 생의학적으로 중요한 화합물의 농도를 측정하기 위해 생의학 분야에서 사용되는 전극에 관한 것이다.
도 1은 종래 전극중 1차원 작용 전극의 상부 개략도,
도 2는 2차원 작용 전극의 상부 개략도,
도 3은 3차원 작용 전극의 상부 개략도,
도 4는 디바이스가 본 발명의 전극 서브어셈블리와 어셈블리를 이용하는 전기 화학적 신호를 측정하는 디바이스의 개략도,
도 5는 본 발명의 전극 어셈블리의 일실시예의 상부 개략도,
도 6은 포도당을 전기 신호로 변화시킬 때 관련된 화학적 반응의 개략도,
도 7은 본 발명의 작용 전극의 "스트립" 일실시예의 상부 평면도,
도 8은 본 발명의 작용 전극의 "스트립" 구조의 다른 일실시예의 상부 개략도,
도 9는 본 발명의 작용 전극의 "스트립" 일실시예의 또 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 작용 전극의 "체크보드" 일실시예의 상부 개략도,
도 11은 단일 평면의 연속 작용 전극 표면과 도 8의 실시예를 비교하는 그래프,
도 12는 단일 평면의 연속 작용 전극 표면과 도 10의 일실시예의 유속을 비교하는 그래프,
도 13은 단일 평면의 연속 작용 전극 표면과, 관련된 "스트립"과 "체크보드" 전극에서의 여러 차원의 변화를 비교하는 그래프.
실질적으로 물리적으로 분할된 복수의 작용 전극 표면(예, 복수의 작용 전극 구성요소)으로 구성된 다중 성분의 작용 전극 서브어셈블리를 포함하는 전극 어셈블리가 설명되어 있다. 작용 전극 서브어셈블리의 표면이 단일 작용 전극의 표면과 동일한 영역을 넘어서 구성되어 있는 경우에, 다중 성분의 전극은 감소된 노이즈로 인한 향상된 신호-노이즈비를 제공할 것이고, 제한된 시간을 넘어서 제한된 양의 매질로부터의 신호를 측정할 때 향상된 신호를 제공할 것이다. 본 발명의 작용 전극은, 화합물이 전류에 응답하여 확산할 수 있는 매질과 접촉하는 실질적인 불연속 표면을 제공한다. 전극 물질에 의해 생성된 노이즈는 개별 작용 전극 표면당 표면적을 감소시킴으로써 감소되고, 신호는 2차원 바람직하게, 3차원, 예를 들어 (1) 주 평면으로의 법선, (2) 길이 에지로의 법선, 및 (3) 폭 에지로의 법선을 통해 다중 작용 전극 표면으로 확산시킴으로써 향상된다. 실질적이 불연속 표면을 이용함으로써, 상당수의 에지가 모니터링되는 영역내에 제공된다. 에지가 존재하는 경우에, 해당 종에 대한 플럭스는 상당히 높기에(에지에서, 방사 확산으로 인해), 해당 전극의 주 평면에 바로 수직인 확산만이 존재하는 경우에 더 큰 해당 영역에 걸쳐 보다 높은 전체 플럭스가 주어진다.
본 발명은, 전극 구성요소 각각이 전기 절연 갭만큼 서로 분리된 상태에서, 작용 전극을 형성하는 상호 접속 전극면으로 구성된 전극 서브어셈블리를 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 실질적 불연속 작용 전극면 또는 구성 요소로 구성된 작용 전극을 제공하여, 향상된 신호-노이즈비를 제공하는 3차원으로부터의 신호를 얻는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 화학 신호를 측정하여, 작용 전극면에 대하여 둘이상 바람직하게 3 방향으로 전기화학 신호의 플럭스를 검출하는 구성 요소 또는 실질적 불연속 작용 전극면을 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 확산된 전기 화학 신호를 정확하게, 일정하게, 그리고 빠르게 측정하고, 초 내지 분의 범위내에서 전기 화학 신호의 정확한 측정치를 얻기 위해, 전극 어셈블리에 사용되는 실질적 불연속 작용 전극면으로 구성된 작용 전극으로 구성된 전극 서브 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극 어셈블리에 사요ㄷ외는 이온 전도성 물질(예, 전해질 겔), 전극 어셈블리, 및/또는 전극 서브 어셈블리의 배치를 고려하고, 모니터링 디바이스와 전원 공급장치로부터 쉽게 접속 및 단전될 수 있는 핀 커넥터를 접촉시키는 패트 또는 본딩 패트에 전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
작용 전극의 잇점은, 노이즈를 감소시킴으로써, 향상된 신호-노이즈비를 제공하고, 고체 전극의 표면적의 절반이하를 이용하지만 고체 전극에 등가로 신호가 생성될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 잇점은 전해질(즉, 이온 전도성 물질)에서 전기 화학 신호의 매우 낮은 농도를 측정하는데 사용될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 전극은 객체(예, 인간)내의 포도당을 모니터링하는 히드로겔 시스템과 결합되어 사용될 수 있다. 전기 삼투 전극(예, 이온토포레시스 또는 역 이온토포레시스 전극)은 히드로겔에 포도당을 흡수하는데 전기적으로 사용될 수 있다. 히드로겔에 함유된 포도당 산화효소(GOD)는 포도당을 글루콘산과 히드로겔 과산화물로 변화시킨다. 전극 서브어셈블리는 히드로겔 과산화물을 전기 신호로 촉진시킨다. 이러한 시스템은 전해질내의 극소량의 포도당(예, 혈중 포도당의 농도보다 10,500 또는 1,000배 정도 적은 포도당 농도)의 유입량의 연속적이고 정확한 측정을 고려한다.
본 발명의 또 다른 잇점은 전극 어셈블리와 전극 서브어셈블리가 쉽고 경제적으로 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명의 전극 서브 어셈블리의 특징은 대략 0.1㎠ 에서 8.0㎠ 범위에서 총 면적을 가지며, 소형이며 평평한 것이 특징이다. 원하면, 전극 서브 어셈블리는, 대략 0.25㎛에서 250㎛ 범위의 두께를 가지도록 매우 얇게 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적과 잇점은, 당업자가 동일 부호는 유사 구성 성분을 나타내는 도면을 기준으로, 후술하는 본 발명의 구성, 성분, 및 크기의 상세한 내용을 이해하는데 분명해 질 것이다.
본 발명의 전극이 설명되고 개시되기 전에, 본 발명은 설명된 특정 구성 요소 또는 구성에 제한이 있는 것이 아니라 변화가능하다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 범위가 첨부한 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 여기서 사용된 전문 용어는 특정 실시예를 설명하고자 하는 것이지, 제한하고자 하는 것은 아니다는 것을 이해하여야 한다.
명세서와 청구범위에 사용된 바와 같이, 내용이 명백하게 지시하지 않는다면, 단순 형태 "a", "an", "the"는 복수의 지시 대상물을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "a molecule"의 기호는 복수의 분자와 상이한 형태의 분자를 포함한다.
그렇지 않게 정의되어 있다면, 여기서 사용된 모든 기술적 용어와 과학적 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가지고 있다. 여기서 설명된 유사 또는 동일 물질 또는 방법이 본 발명의 실질 사용 또는 실험에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법과 물질이 여기서 설명된다. 여기서 언급된 모든 공개 사항은 공개가 연관되어 인용된 특정 정보를 설명하고 개시할 목적으로 참조로서 여기에 포함되어 있다. 인용된 공개 사항이 출원일에 앞서 공개될 지라도, 이러한 공개가 본 발명의 최초 출원일 덕분에 소급되지 않는다는 것을 의미하지 않는다.
정의
용어 "전극 서브 어셈블리"는 실질적으로 연속인 복수의 또는 그룹의 작용 전극 표면(예, 구성 요소)을 구성하는 작용 전극을 의미한다. 작용 전극 표면 그룹의 인접 에지는 전기 절연 갭을 의미하고, 작용 전극 표면 그룹은 다차원 확산을 설명하고 있다. 작용 전극 표면(예, 구성 요소)은 2차원 확산을 고려하는 2 이상의 스트립으로, 또는 3차원 확산을 고려하는 2 이상의 정사각형으로 구성될 수 있다.
구문 "실질적으로 불연속인 작용 전극 표면" 또는 "실질적으로 물리적으로 분리되는 전극 표면"은, 전기 접속되어 있지만, 실질적으로 서로 분리되어 있는 복수의 작용 전극 표면(즉, 작용 전극의 작용 전극 표면의 인접 에지가 전기 절연 갭에 의해 분리되고, 작용 전극 표면 그룹은 다차원 확산을 고려한다)을 구성하는 작용 전극을 설명하는 것이다.
용어 "전극 어셈블리"는 1) 전극 서브 어셈블리, 2) 전기 삼투 전극(예, 이온토포리시스 전극), 및 3) 기준 및 카운터 전극으로 구성된 어셈블리를 의미한다. 전극 어셈블리는, 전기 어셈블리와 전기 삼투, 기준, 및 카운터 전극이 부착된 기판(예, 세라믹 또는 폴리머 기판)을 추가로 포함할 수 있다.
용어 "작용 전극"은, 모니터되는 한정된 영역을 커버하는 결합 표면에 발생되는 전기 신호의 양을 결정하기 위해 모니터링되는 하나이상의 실질적 불연속 전극 표면 또는 구성 요소를 의미한다. 발생된 신호의 양은, 작용 전극의 표면과 접촉하여 전기 신호를 발생시키는 화합물을 포함하는 전해질내에 존재하는 화학적 화합물의 양과 관련되어 있다. 작용 전극은 촉매 표면으로의 화합물의 다차원 확산을 고려하는 실질적 불연속 촉매 표면을 포함한다. 촉매 표면은 백금, 팔라듐, 니켈, 카본, 귀금속(예, 금), 및 산화물, 이산화물, 및 그 합금으로 구성된 그룹에서 선택되는 물질로 구성되어 있다.
용어 "전기 절연 갭"은 작용 전극에 의해 한정되는 영역의 외주면의 인접 에지에 의해 한정된 공간을 의미한다. 전기 절연 갭은 갭 자체의 폭 및/또는 갭내에 포함되어 있는 전기 절연 물질로 인해 개별 표면 또는 구성 요소를 서로 분리시킨다.
용어 "촉매 표면" 또는 "촉매면"은, 1) 화학 신호가 화학 신호원에서 흐르는 물질을 포함하는 전해질 표면과 접촉하는; 2) 촉매 물질(예, 백금, 팔라듐, 또는 니켈 및/또는 산화물, 이산화물, 및 그 합금)로 구성된; 3) 화학 신호를 전기 신호(즉, 전류)로의 전환을 촉진시키는; 그리고 4) 촉매 물질로 구성되어 있을 때, 전해질내에 존재하는 화학 신호의 양과 관련되어 있는 검출가능한 정확한 전기 신호를 발생시키기에 충분한 속도로 화학 반응을 구동하는 총 작용 전극 표면적(모든 작용 전극 구성 요소)을 한정하는; 작용 전극 구성 요소의 표면을 정의하는데 사용된다. 작용 전극의 촉매 표면에 발생된 전기 신호만이 전해질내에 존재하는 화학적 신호의 양과 관련되어 있다.
용어 "화학적 신호" 또는 "전기 화학적 신호" 등은 작용 전극 구성 요소의 촉매면에서 전기 신호로 최대한 변환되는 화학적 화합물을 의미한다. "화학적 신호"는 1) 전극 서브 어셈블리의 촉매면에서 화학적 반응에 의해 전류로 바로 변화될 수 있고; 또는 2) 하나이상의 촉매 작용에의해 전기 신호로 바로 변화될 수 있다. 예를 들어, 화학적 신호 포도당은 두 촉매에 의한 반응에 의해 전기 신호 바로 변화된다. 물질을 포함하는 전해질(예, 히드로겔 패치)내에 존재하는 제 1 촉매 포도당 산화효소(GOD)는 포도당을 글루콘산과 과산화 수소로 변환시킨다. 과산화 수소는 전극 어셈블리를 형성하는 작용 전극 구성 요소 모두의 촉매면상에서의 백금(제 2 촉매)에 의한 전기 화학적 산화중에, 측정 전류로 변환된다. 바람직하게, 화학 신호는 생의학적으로 중요한 화합물(예, 포도당)상에서의 촉매 반응에 의해 발생된다.
"이온 전도성 물질" 또는 "매질"은, 이온 전도성을 가지며, 전기화학적 활성종이 확산할 수 있는 물질을 의미한다. 매질은 3차원, 즉, 작용 전극 구성 요소의 평면에 법선방향, 작용 전극 구성요소의 길이방향 에지에 법선 방향, 및 작용 전극 구성요소의 폭방향 에지에 법선 방향으로 확산이 가능할 수 있다. 이온 전도성 물질은 예를 들어, 전해질을 포함하는 고체, 액체, 또는 반고체(예, 겔 형태로)물질일 수 있고, 이것은 물과 이온(예, 염화나트륨)으로 초기에 구성될 수 있고, 일반적으로 중량당 50% 이상의 물을 포함한다. 그 물질은 겔, 스폰지, 또는 패드(예, 전해질 용해에 침지) 또는 전기 화학적 활성종, 특히, 관련 화학 신호의 통과가능하고 전해질을 포함할 수 있는 또 다른 물질일 수 있다.
전극(일반)
본 발명은 의도하는 목적으로 사용할 수 있도록 몇몇 기본적인 특성을 가지고 있어야 하고, 이것은 검출되는 신호의 양이 주어진 소스내의 신호양에 관련될 수 있는 방식으로 화학 신호를 검출, 예, 포도당의 과산화 포도당(GOD) 촉매에 의해 생성된 과산화 수소를 검출하는 것이다. 전극 어셈블리 및 매질은: (1) 전극 서브 어셈블리의 표면을 향해 1차원 이상으로 이온이 흐를 수 있어야 하고, (2) 제조상 쉽고 값비싸야 하고, (3) 전극 어셈블리의 일면의 표면적이 대략 0.1㎠ 내지 8.0㎠의 범위에 있고, 1㎜ 이하의 두께이고, 전극 어셈블리의 모든 구성요소가 실질적으로 동일 평면에 있는 크기를 가지고 있어야 하고, (4) 실질적 불연속 작용 전극 표면으로 구성된 전극 서브 어셈블리를 포함하고 있어야 하고, 이것은 ---휴대용 유닛이, 시계가 0.25킬로그램보다 적은 무게이며 휴대하는 것과 같이 장치를 휴대할 수 있도록 충분히 작은 모든 것--전극 서브어셈블리에 의해 한정된 영역을 둘러싸는 영역으로부터 내부로 확산하는 모든 화학 신호를 실질적으로 촉진시키는 것을 포함하여야 한다.
여기서 사용된 바와 같이, "표면적"은 실제 3차원 표면에 도움이 될 수 있는 마이크로 표면 초벌(roughness)을 고려하지 않은 기하학적 표면적(예, 공식 πr2에 해 정의된 원형 전극의 기하학적 표면적)을 의미한다. 마이크로 표면적은, 예를 들어, 화학적 신호를 전기 신호로 전기화학적 변환시키는데 사용되는 3차원 표면적을 고려할 때 중요하다. 전극 서브어셈블리의 표면은 작용 전극의 표면 또는 각각의 구성 요소의 표면적 모두의 합이지만, 구성 요소간 또는, 실제 불연속인 단일 작용 전극표면의 고체 영역간에 존재하는 갭 또는 공간을 포함하지 않는다.
전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈블리내에 불가피한 물질이 형성되는 문제점으로 인해, 전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈블리는 종래의 방식으로 쉽게 대체가능하다. 일반적으로, 전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈블리는 대략 1일 내지 한달, 바람직하게 대략 1주일 내지 2주일, 더 바람직하게 대략 2주일 내지 4주이상의 시간을 넘어서 보내는 연속의 화학적 신호에 사용되도록 설계된다. 이러한 시간후에, 전극은 처분가능(예, 모니터 디바이스로부터 쉽게 탈착되어 새로운 전극 서브 어셈블리 및/또는 전극 어셈블리로 대체가능)하도록 바람직하게 설계되어 있다. 따라서, 전극 어셈블리는 몇몇 구조적인 보전성을 가지고 있어야 하고, 관련 화학 신호의 검출용으로 제공되어야 한다. 전극 어셈블리와 센서에서, 이 전극 어셈블리를 내장하는 하우징은 바람직하게 소형(예, 휴대, 예, 0.25킬로그램이며, 환자들의 손목에 찰 수 있는 시계 크기)이다. 원하면, 전극 어셈블리와 전극 서브 어셈블리는 예를 들어, 0.25㎛ 내지 250㎛ 범위로 특히 얇을 수 있다. 화학적 신호의 양(예, 포도당의 GOD 촉매에 의해 발생되는 과산화수소의 양)을 정확하게 측정하고, 조작가능하도록 충분하게 크게 하기 위해, 전극 어셈블리는 너무 얇게 될 수 없고 너무 작을 수도 없다.
단일 표면상의 완전 전극 어셈블리(전극 서브 어셈블리도 포함)의 전체 표면적은 대략 0.25㎠ 내지 8㎠, 바람직하게 대략 0.50㎠ 내지 2㎠ 범위일 수 있다.
전극 서브 어셈블리의 기본 구조
도 1, 2, 3은 전극 서브 어셈블리의 예시적인 상부 개략도이다. 도 1, 2, 3의 실시예는 1, 2, 3차원 각각으로부터 전극 표면(2)으로 이동가능하다. 도 2, 3는 본 발명의 실시예를 도시한다. 전극 서브 어셈블리의 기본 구조의 구성 요소는 도 2, 3마다의 실제 불연속의 작용 전극 표면으로 구성된 작용 전극이다. 이러한 구성요소는 여러 방식으로 구성될 수 있다.
작용 전극 구성 요소의 일부 기본 구성이 도 1,2,3,5,7,8,9,10에 도시되어 있다. 도 1은 기본 구성을 도시하고 있고, 여기서 작용 전극(1)으로 향하는 화살표는, 전극(1)이 도시된 페이지에 법선이 방향으로부터 작용 전극(1)의 표면을 향햐 확산하는 전기 화학적 신호를 표현하고자 한다. 따라서, 전기 화학적 신호는 단일 차원으로 작용 전극(1)의 표면을 향해 확산한다. 이러한 기본 개념은 본 발명마다 수반된다. 그러나, 본 발명마다. 전기 화학적 신호는 2개의 상이한 바람직하게 3개의 상이한 차원으로 작용 전극(1)의 에지 또는 표면으로 확산할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 작용 전극(1)은 갭(10,11,12)만큼 서로 분리되어 있는 작용 전극의 구성 요소 스트립(6,7,8,9)을 포함한다. 이러한 "스트립" 구성에서, 도 1의 페이지에 법선인 경로를 통해 작용 전극(1)으로 확산하는 전기 화학적 신호, 및 갭(10,11,12)내에서 화살표로 표시된 페이지(최상부에서 최하부)에 실질적으로 평행한 방향으로 확산하는 신호를 검출할 수 있다.
본 발명의 보다 바람직한 실시예가 도 3에 도시되어 있고, 여기서, 전기 화학적 신호는 3개의 상이한 차원으로 작용 전극(1)을 향해 확산할 수 있다. 보다 상세하게, 작용 전극(1)은 실질적 개별 불연속의 표면(13,14,15,16,17,18)을 포함한다. 이러한 표면은 갭(189,20)과 같은 갭만큼 서로 분리되어 있다. 따라서, 이러한 구성마다, 전기 화학적 신호는 도 1의 페이지에 법선인 방향으로부터 작용 전극 구성 요소의 표면으로 확산할 수 있다. 추가로, 전기 화학적 신호는 도 2에 도시된 것과 유사한 갭(19)내의 화살표와 같이, 최상부/최하부 방향으로 페이지에 평행한 방향을 통해 작용 전극 구성 요소의 에지 또는 표면으로 확산할 수 있다. 최종적으로, 전기 화학적 신호는 갭(20)에 표시된 화살표와 같이 페이지의 측면 에지에 그려진 선에 평행한 방향으로부터 작용 전극의 에지 또는 표면으로 확산할 수 있다. 따라서, 전기 화하적 신호는 3개의 상이한 차원: (1) 평면에 법선; (2) 길이 방향의 에지에 법선; (3) 폭 방향의 에지에 법선을 통해 작용 전극 구성 요소(13-18)로 확산할 수 있다.
전기 화학적 신호를 감지하기 위해 사용되는 전극, 특히 바이오 센서는 이러한 센서가 사용될 때 존재하는 본래의 백그라운드 신호에 의해 종종 손상된다. 이러한 백그라운드 신호 또는 노이즈의 원인은 보통 금속 전극 표면의 산화로 인한 것이다. 따라서, 노이즈는 전극 표면적에 비례한다. 이러한 노이즈를 감소시키기 위해, 전극의 표면적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 표면적을 감소시키면, 신호는 감소되고, 그 결과 신호 대 노이즈비는 향상되지 않는다.
도 1, 2, 3의 각 도면에서, 작용 전극은 작용 전극의 실질적 불연속 표면적간의 갭의 존재로 인해 연속 고체일지라도, 표면적이 더 적게 된다. 따라서, 도 2의 구성은 도 1의 노이즈보다 더 적은 노이즈를 생성하고, 도 3의 구성은 도 2의 노이즈보다 더 적은 노이즈를 생성한다. 도 2와 도 3의 구성이 더 적은 노이즈를 생성할지라도, 그 구성은 도 1의 구성에 의해 발생된 신호와 비교하여 한정된 시간동안 판독될 때 실질적으로 향상된 신호를 발생시킬 수 있다. 향상된 신호는 도 1의 시스템에서와 같이 1 차원에 반대되는 2 또는 3 차원으로부터의 전기 화학적 신호를 수신하여 생성된다.
작용 전극(1)의 구성과 무관하게, 근본적으로 동일한 방식으로 구성되고 동작되어 있다. 따라서, 도 2, 3에 도시된 바와 같은 특정 실시예의 동작을 상세히 설명하기 전에, 작용 전극을 일반적으로 설명하고 있다.
본 발명의 작용 전극의 기본 "스트립" 구성이 도 7, 8, 9에 도시되어 있다. 그 구성은 "갭"이 각각의 구성에 대하여 다르다는 것만 서로 상이하다. 도 7에서, 각각의 스트립(6,7)은 125 미크론의 폭을 가지고 있고, 갭(10)은 125 미크론의 폭을 가지고 있다. 도 8에서, 각각의 스트립(6,7)은 125 미크론의 폭을 가지고 있고, 갭(10)은 250 미크론의 폭을 가지고 있다. 도 9에서, 각각의 스트립(6,7)은 125 미크론의 폭을 가지고 있고, 갭(10)은 50 미크론의 폭을 가지고 있다. 도 11은 단일 피스의 평면 작용 전극을 가진 도 8의 구성에 대하여 얻어진 플럭시 판독을 비교한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 플럭스는 에지부근에서 실질적으로 증가된다.
도 7, 8, 9(및 도 1,2,3)을 기준으로 설명되어 있는 바와 같이, 전극 서브 어셈블리는 또한 전기 절연 갭의 구성에 대하여 여러 방식으로 구성될 수 있다. 전기 절연 갭(3)은 작용 전극사이의 공간이 될 수 있고, 갭의 폭은 두 전극을 전기적으로 분리하는 역할을 한다. 대안으로, 전기 절연 갭은 또한 작용 전극과 실질적으로 동일 두께의 전기 절연 물질을 포함할 수 있고, 작용 전극을 분리할 수 있다. 전기 절연 물질은 단일 피스로서 구성될 수 있거나, 작용 전극의 인접 에지에 따른 여러 포인트에 위치되는 물질의 보다 적은 몇몇 피스로서 존재할 수 있다. 전기 절연 물질은 인접 전극의 에지의 전체 외주면을 실질적으로 접촉시킬 수 있거나, 하나 또는 모두의 작용 전극의 에지의 부분만을 접촉시킬 수 있다. 대안으로, 전기 절연 물질은 어떠한 전기 전도성 물질이 코팅되어 있지 않은 두 전극간의 기판 영역(예, 전극 어셈블리가 배선된 세라믹 기판이 전기 절연 물질로서 작용할 수 있다)이 될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 작용 전극 표면과 전기 절연 갭은 "체크보드" 구성으로 제공되어 있다. 체크보드 구성을 가진 전극 서브 어셈블리는 작용 전극 표면이, 복수의 직사각형(예, 정사각형)갭만큼 서로 분리되어 있는 상태에서, 복수의 사각형 영역으로서 제공되어 있는 구성이다. 체크보드 구성에서, 작용 전극 표면은 반복된 패턴으로 구성되어 있다. 체크보드 구성의 예시적인 전극 서브 어셈블리의 개략도가 도 10에 도시되어 있고, 여러 방법이 이러한 서브 어셈블리를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 작용 전극 구성요소는 서로 평행하게 구성된 복수의 스트립으로서 제공될 수 있다. 그 다음, 작용 전극 표면은 작용 전극의 스트립상에, 그리고 작용 전극의 스트립에 대하여 90°의 각도로 전기 절연 물질의 스트립을 적층함으로써 복수의 정사각형 영역으로서 구성된다. 일반적인 전극 서브 어셈블리의 구성에 대하여 위에서 설명된 바와 같이, 당업자는, 체크보드 구성을 가진 전극 서브 어셈블리를 생성하는데 다른 방법이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 전기 절연 물질의 일부 작은 피스는 체크보드를 생성하는데 사용될 수 있고, 정사각형 홀을 가진 전기 절연 물질의 단일 피스는 작용 전극 구성요소위에 위치될 수 있다. 체크보드 구성으로 존재할 때, 작용 전극 표면은 바람직하게 각각 대략 125㎛의 폭을 가진 정사각형으로서 구성된다.
일반적으로, 전기 절연 갭의 폭(및/또는 갭에 포함된 전기 절연 물질의 위치 및 폭)은 전극 어셈블리와 함께 사용된 이온 전도성 물질(예, 히드로겔 패치)의 두께, 주어진 형태에 대하여 전극 서브 어셈블리에 의해 검출되는 화학적 신호의 확산 특성, 전극 서브 어셈블리의 사이즈, 및 감지 시간(즉, 모니터링 시간)와 같은 여러 요인에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 여기서 전해질 히드로겔 패치가 대략 10㎛ 내지 1000㎛의 두께를 가진 상태에서 전극 어셈블리가 사용되고, 전기 절연 갭이 대략 10㎛ 내지 1,000㎛의 범위의 폭을 가진다. 바람직한 실시예에서, 이온 전도성 물질은 대략 5밀리 내지 30밀리 두께이고, 갭은 대략 5밀리 폭이다.
작용 전극
작용 전극은 촉매 표면상에 촉매 물질, 바람직하게 Pt,PtO, 및/또는 PtO2을 포함한다. 작용 전극의 촉매 표면은 전해질(예, 히드로겔 패치)과 접촉하는 전극면이고, 이것은 화학적 신호에서 전기 신호로의 변환에 응답가능하고, 따라서, 전극의 최소 부분을 구성하는 면은 촉매 물질로 구성되어야 한다. 촉매 표면의 촉매 물질은 화학적 신호에서 전기 신호로의 변환을 촉진시키는 물질이다. 예시적인 촉매 물질은 백금, 팔라듐, 금, 이리듐, 또는 다른 귀금속뿐만 아니라 카본을 포함한다. 검출되는 화학적 신호가 과산화 수소(예, GOD에 의한 포도당의 촉매에 의해 발생)인 곳에서, 작용 전극의 촉매 표면상의 바람직한 촉매 물질은 백금, 팔라듐, 이리듐, 또는 다른 귀금속이고, 보다 바람직하게 백금 또는 산화물, 이산화물, 또는 그 합금이다.
작용 전극은 다공성 또는 비다공성, 바람직하게 비다공성일 수 있다. 작용 전극은 촉매 물질(예, 백금의 얇은 시트로부터 스탬프된)로 구성될 수 있다. 전극이 단일 피스의 물질로부터 구성될 수 있지만, 작용 전극은 작용 전극의 에지로의 다차원 흐름을 고려하는 실질적 불연속 작용 전극 표면을 제공하여야 한다.작용 전극은 도금(예, 전해질 또는 비전해질 도금), 코팅, 배선, 포토리소그래픽 합금 적층, 또는 다른 방법으로 표면상에 얇은 금속층을 부착하는 종래의 방법을 이요하여 기판에 부착될 수 있다. 기판은, 전극 어셈블리가 고정되어 있는 절연 물질(예, 세라믹, 플라스틱(예, 폴리에티렌, 폴리프로필렌), 또는 폴리머 물질)중 하나로 구성될 수 있다. 바람직하게 전극 서브 어셈블릭, 더 바람직하게 완전 전극 어셈블리는 플라스틱 또는 세라믹 기판상에 고정된다.
바람직하게, 전극 서브 어셈블리와 전극 어셈블리는 전극 성능(예, 화학적 신호를 촉진 및/또는 전류를 흐르게 하는 능력, 또는 중지없이 손으로 전극을 조작할 수 있거나 다른 방법으로 전극의 동작성능을 촉진시킬 수 있는 능력)에 해가 되지 않고 가장 경제적인 방법으로 제조된다.
작용 전극은 모든 전극 표면에 걸쳐서 촉매 물질을 가질 수 있다. 대안으로, 전극 서브 어셈블리의 촉매면만이 촉매을 가진다. 바람직하게, 촉매 물질은 작용 전극의 적어도 촉매면상에 존재하는 백금, 또는 백금 함유 물질이다.
전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈블리는 성능, 조작성, 및/또는 전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈블리의 지속성을 향상시키는 추가 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 작용 전극은 작용 전극에서의 전류의 측정과 함께 전해질내의 다른 종의 방해를 감소시키는 역할 및/또는 작용 전극의 촉매 표면상의 촉매 물질의 산화 비율을 감소시키는 역할을 하는 물질로 코팅될 수 있다.
작용 전극과 개별 구성 요소의 상대적인 크기(즉, 직경, 표면적, 두께 등)는 화학적 신호가 검출되는 표면적(예, 화학적 신호가 유도되는 히드로겔 패치의 크기), 또는 전극 서브 어셈블리에 연결되어 사용되는 모니터링 전극 어셈블리ㅣ의 크기 억제를 포함하여, 여러 요인에 따라 가변할 수 있다. 원하면, 구성 요소 각각을 포함하는 작용 전극은 0.25㎛ 내지 250㎛의 범위의 두께로 상당히 얇게 할 수 있다.
사용된 실시예와 무관하게, 본 발명의 전극 서브 어셈블리 모두는 (ⅰ) 매질에서 작용 전극 표면까지의 다차원 확산의 측정을 고려한 복수의 실질적 불연속의 작용 전극 표면으로 구성된 작용 전극 및 (ⅱ) 갭이 서로 작용 전극 표면을 분리시키는 작용 전극의 인접 에지에 의해 한정된 전기 절연 갭을 포함한다. 구성 요소 각각의 상대적인 비율(예, 작용 전극의 폭, 표면적, 및 형태, 및 절연 갭의 폭)은 작용 전극 표면에 의해 한정된 영역의 외부 에지를 향해 확산하는 실질적인 모든 화학적 신호가 작용 전극 표면에 대하여 다중 방향으로부터의 화학적 확산의 측정을 고려한 바와 같다.
전극 어셈블리는 a) 전기 삼투압 전극(예, 이온토포리스시 또는 역 이온토포리시스 전극); b) 카운터 전극; 및 c) 기준 전극과 같은 추가 구성 요소를 포함한 전극 어셈블리에서 일반적으로 사용된다. 전기 삼투압 전극은, 물, 효소, 및 전해질로 구성된 물질을 통해 소스로부터, 전극 서브 어셈블리의 영역으로 전기화학적 혼합물을 전기적으로 이끌어내는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 시스템의 실용 및 물리적 제한은, 전기 삼투압 전극 및 전기 서브 어셈블리가 대안으로 사용될 수 있다는 것(즉, 전류가 전기 삼투압 전극내에 존재하거나, 전극 서브 어셈블리에 발생된 전류가 측정되는 것)을 필요로 한다. 대안으로, 화학적 신호의 이온 전도성 물질로의 확산은 전기 삼투압 전극과 무관하게(예, 수동 확산에 의해) 발생할 수 있다.
전극 어셈블리는 추가 구성 요소를 포함할 수 있다. 전극 어셈블리는, 모든 화학적 신호가 작용 전극의 촉매면과 마스크의 평면에 대한 불가피한 벡터 성분을 가진 화학적 신호 소스로부터 이동하는 것을 막도록 화학적 신호 경로에 위치하는 화학적 신호 불침투성 마스크를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 동작에서 화학적 신호 불침투성 마스크의 사용은 필수적인 것은 아니며, 일부 경우에 불필요하다. 예시적인 화학적 신호 불침투성 마스크는 1995년 9월 12에 출원된 초기 출원 일련 번호 제 08/527,061호에 개시되어 있고, 이 출원은 전체적으로 여기서 참조로서 포함되어 있고, 본 발명의 권리가 양도할 것을 목적으로 발명된 것으로서 동일 법인에게 권리를 양도할 것을 목적으로 하는 발명을 개시하고 있다.
전극 서브 어셈블리는 작용 전극(모든 구성요소를 포함)이 적당한 카운터 및 기준 전극과 함께 두 개의 종래 작용 전극으로서 표준 정전위(potentiostat) 회로에 접속되어 있도록 전극을 접속함으로써 동작될 수 있다. 정전위 회로는 작용 전극이 기준 전극에 대비하여 전위에 바이어싱될 때의 전기 화학적 측정에 사용되는 전기 회로이다. 본 발명의 목적을 위해, 전극 서브 어셈블리의 작용 전극에서 측정되는 전류는 화학적 신호의 양과 연관되는 전류이다.
도 4는 전원(23) 및 모니터링 디바이스(24)와 함께 작용 전극(1), 기준 전극(21), 및 카운터 전극(22)을 이용한 동작 회로의 예를 설명하고 있다. 전원 (23)은 작용 전극(1)의 촉매 다중 방향 면에서 화학적 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 기준 전극(21)과 작용 전극(1)에 전압을 제공하는데 사용된다. 전원(23)은 모니터링 동안에 기준 전극(21)의 전위와 비교되는 작용 전극(1)에서의 고정 전위(여기서 예를 들어, 과산화 수소는 분자식 산소, 수소 이온, 및 전자로 변환된다)를 또한 유지한다. 동작 회로는 작용 전극(1)을 향해 확산하는 화학적 신호의 촉매 작용을 위해 작용 전극(1)상에서 전위를 유지한다. 작용 전극(1)은 카운터 전극(22)에 전기적으로 접속되어 있다. 카운터 전극(22)은 작용 전극에 발생된 전자를 소모한다. 작용 전극(1)에 발생된 전류는 작용 전극(1)과 카운터 전극(22)사이에서 측정된다.
상기 명세서와 도면을 근거로 하여, 본 발명의 전극 서브 어셈블리와 전극 어셈블리는 여러 상이한 물질로부터 여러 상이한 방식으로 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 전극은 특정 기계적, 전기적, 화학적, 및 확산 특성을 가지고 있다.
기계적으로 전극 어셈블리와 전극 서브 어셈블리는 전극 성능을 상당히 촉진시키거나 상당한 조작 어려움없이 인간의 손가락으로 쉽게 조작될 수 있도록 충분히 구조를 보존할 수 있다. 더욱이, 전극 서브 어셈블리가 이온 전도성 물질(예, 히드로겔 패치)와 결합하여 사용되는 곳에서, 전극으로부터 그 물질을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 패치가, 하나의 전극의 면으로부터 모든 패치 물질을 완전히 제거하는 것을 어렵게 하는 방식으로 하나의 전극에 부착하거나, 하나의 전극의 표면을 상당히 감성시키지 않고 전극 어셈블리 및/또는 전극 서브 어셈브리로부터 제거되는 것이 바람직할 수 있다. 전극 서브 어셈블리 및/또는 전극 어셈블리는 모니터링 디바이스(예, 포도당 모니터링 디바이스)의 다른 구성 요소로부터 분리된 유닛으로서 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 본딩패드, 또는 도 1,2,3의 핀 커넥터 부재(4)를 접촉시키는 패드가 사용된다. 부재(4)는 디바이스의 잔부로부터 전극 어셈블리를 쉽게 접속 및 비접속하게 한다. 대안으로, 이온 전도성 물질과 전극 서브 어셈블리 및/또는 전극 어셈블리는 단일 유닛으로서 제공될 수 있고, 부재(4)는 그 디바이스에 전기적으로 접속하고 디바이스를 완성하는데 사용될 수 있다.
바람직하게, 전극 어셈블리는, 전극 서브 어셈블리가 접촉하는 고체 또는 전해질의 pH에 상당히 근접하는 pH(예, 피부(대략 pH 7) 또는 히드로겔 패치)에서 적당히 작동할 것이고, 대략 pH 4 내지 pH 9의 범위이다. 일반적으로, 0.1nA 내지 1mA의 범위의 전류 레벨에서 작용한다.
실용성
본 발명은 전기 삼투압으로서 알려진 기술을 이용하여 피부를 통해 이동되는 포도당과 같은 생물학적으로 중요한 분자를 검출하는 것과 결부시켜 유용하다. 피부를 통해 포도당과 같은 분자를 이동시키는 기본 개념이 1994.11.8 등록 미국 특허 제 5,362,307 호, 및 1994.1.18 등록 미국 특허 제 5,279,543호에 개시되어 있고, 이들 특허는 전기 삼투압에 의해 피부를 통해 포도당과 같은 분자를 이용시키는 기본 개념을 개시하고 참조로서 여기에 포함되어 있다. 포도당 산화 효소를 이용하여 전류를 생성하기 위해 피부를 통해 취출할 수 있는 포도당과 같은 극소량의 분자를 이동시키는 개념이, 1994.6.24 특허 출원 제 08/265,048호, 및 1995.1.10 특허 출원 제 08/373,931호에 개시되어 있고; 본 발명과 함께 이용하는데 적합한 히드로겔 패치는 1995.7.12 특허 출원 제 08/501,664호에 개시되어 있고, 각각의 특허 출원은 전체적으로 여기서 참조로서 포함되어 있고, 본 발명의 권리가 양도할 목적으로 발명된 것과 동일한 목적으로 발명된 발명을 개시하고 있다.
본 발명의 전극 서브 어셈블리는 생의학적으로 중요한 화합물(예, 포도당)의 측정을 위해 전극 어셈블리(예, 참조로서, 카운터, 및 전기 삼투압 전극)의 일부로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 다중 구성요소의 작용 전극(1)으로 구성된 전극 서브 어셈블리는 전기 삼투압 전극(25), 기준 전극(21), 및 카운터 전극(22)내에 위치될 수 있다. 전기 삼투압 전극(25), 기준 전극(21), 및 카운터 전극(22)은 리드선(26,27,28)에 의해 각각 전원과 모니터 디바이스에 접속되어 있다. 전기 화학적 전도 매체인 히드로겔 패치는 포유동물(예, 인간)의 피부상에 위치한 전체 어셈블리 및 전극 어셈블리와 접촉하도록 배치되어 있다. 전류는 전기 삼투압 전극을 통해 흐르고, 이로써 환자의 피부를 통해 그리고 히드로겔 패치로 포도당을 포함한 분자가 이끌어진다.
전기 신호 발생
히드로겔 패치에 함유된 포도당 산화 효소(GOD)는 도 6에 도시되고 상기 설명된 바와 같이 포도당을 글루콘산 및 과산화 수소로 변환시키는 작용을 촉진시킨다. 과산화 수소는 그 다음 2개의 전자, 분자 산소, 및 2개의 히드로겔 이온으로 전극 서브 어셈블리에서 촉매화되고, 작용 전극(1)에서 발생된 전류는 도 4에 예시된 바와 같이 기준 전극(21)에 대하여 측정된다. 작용 전극(1)에 발생된 전류는 히드로겔 패치내의 포도당의 양과 관련되어 있고, 피검자의 혈류내의 포도당의 농도를 추정한다.
전극 어셈블리의 구성비, 크기, 및 두께는 가변될 수 있고, 이러한 가변값은 전극 어셈블리가 사용되는 시간에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 전극 어셈블리와 함께 사용되는 본 발명의 히드로겔 패치 및 전극은 일반적으로 대략 24시간동안 실용성을 제공할 수 있도록 설계되어 있다. 그 시간후, 전극으로부터의 측정의 정확성, 민감도, 및 특성의 열화가 예상될 수 있고(예, 전극 서브 어셈블리의 면상의 축적으로 인해), 전극 서브 어셈블리와 히드로겔 패치는 대체될 수 있다. 본 발명은 단시간 예를 들어, 8 내지 12 시간, 또는 장시간 예를 들어, 1일 내지 30일동안 사용되는 전극 어셈블리를 고려한다.
본 발명의 실질적 불연속 작용 전극 표면은 한정된 체적에서 화학적 신호를 측정할 때의 한정된 시간동안 향상된 신호-노이즈 비와 향상된 신호를 얻는데 사용될 수 있다. 더 상세하게는, 본 발명의 작용 전극은 포유류의 피검자(예, 환자)의 피부를 통해 생의학작으로 상당히 중요한 물질을 취출하는 단계와, 패치로 이끌어진 생물학적으로 상당히 중요하거나 생의학적으로 상당히 중요한 물질을 근거로 하여 비례적으로 생성된 신호의 생성에 의해 전기화학적으로 분리가능한 생성물을 형성하기 위해 다른 물질과 그 물질을 반응시키는 단계를 포함하는 방법을 실행하는데 사용될 수 있다. 상기 특허에 지시된 바와 같이, 피부를 통해 포도당과 같이 생화학적으로 상당히 중요한 물질을 없애는 것이 설정(미국 특허 제 5,362,307호 및 제 5,279,543호를 참조)되어 있다. 그러나, 없어진 화합물의 양은 작아서, 없어진 물질이 정확하게 측정되지 않는 것과 표준에 관련되지 않는다는 점에서 이러한 방법학을 이용하는 것에 의미를 부여하는 것이 불가능하다. 본 발명은 피검자의 분자량과 발생된 신호량사이의 직접적이고 정확한 상관관계를 고려한 방식으로 매우 낮은 레벨로 전기 화학적 신호를 검출할 수 있는 전극을 제공한다.
본 발명은 혈액내의 화합물의 농도보다 더 적은 1,2, 심지어 3 정도의 크기에서, 생의학적인 관련 화합물 예, 포도당의 양의 신속 정확한 측정 및 미침투 검출을 고려한다는 점이 가장 주목할 만하다. 예를 들어, 포도당은 대략 5 밀리몰으 농도로 혈액내에 존재할 수 있다. 그러나, 상기 시스템에 설명된 바와 같이 피부를 통해 포도당을 없애는데 사용되는 히드로겔 패치내의 포도당의 농도는 2 밀리몰 내지 100 밀리몰의 정도이다. 이러한 미량의 농도인 포도당을 신속 정확하게 측정하는 능력은 상기 구성 요소와 상기 구성으로 전극 어셈블리와 전극 서브 어셈블리를 구성함으로써 얻어진다.
측정되는 신호의 양은 매우 작고, 다중 구성요소의 단시간에 그 신호의 변화를 신속하게 측정하는 것이 중요하기 때문에, 본 발명의 다면 전극 구성은 결과를 얻는데 중요하다. 본 발명의 전극은 연속의 표면 작용 전극과 비교하여 단시간에 더 작은 신호를 검출할 수 있다.
실시예
다음 실시예는 당업자에게 완전 공개 및 본 발명의 전극 어셈블리와 전극 서브 어셈블리의 사용방법을 제공하기 위해 설명되어 있고, 발명자가 본 발명에서 주장하는 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 사용된 수(예, 양, 특정 구성 요소 등)에 관련하여 정확하게 하려고 노력하였지만, 일부 오차를 고려하여야 한다. 다른 방법으로 지시되지 않으면, 부품은 중량단위의 부품이고, 표면은 기하학적 표면이고, 온도는 섭씨온도이고, 압력은 대략 대기압이다.
이러한 예에 존재하는 데이터는 컴퓨터 가상 데이터(즉, 여기서 설명된 전극 어셈블리의 컴퓨터 모델로부터 생성된 데이터)이다. 본 발명의 컴퓨터 모델은 다음 파라미터를 이용한다.
과산화물 확산도 : 1.2×10-5㎠/초 ;
포도당 확산도 : 1.3×10-6㎠/초 ;
초기 과산화물 농도 = 100nmol/ml = 100μM ;
전극 최상부상의 정체층의 두께(겔 층) = 600 미크론 ;
전극 두께 = 스트립에 대하여 125 미크론 ;
도 7의 구성 및 도 10의 체크보드 구성에 대한 125 미크론 정사각형 ;
갭(절연체) = 도 11, 12, 13에 지시된 스트립 구성에 대하여 125 미크론, 250 미크론, 및 500 미크론.
실시예 1 : 전극 표면의 과산화물 플럭스를 통한 방사 확산과 에지의 효과
도 11은 전극 표면에서의 과산화물 플럭스의 방사 확산과 에지의 효과의 컴퓨터 시뮬레이션을 제공한다. 이러한 시뮬레이션은 슬롯형 불연속 전극상의 과산화물 플럭스가 평면 전극에 대한 과산화물 플럭스와 비교하여, 모든 위치에서, 특히 에지 부근에서 높다는 것을 보여주고 있다.
실시예 2 : 체커 보드 전극상의 과산화물 플럭스
도 12은 "체커 보드" 전극상의 과산화물 플럭스의 컴퓨터 시뮬레이션을 제공한다; 방사 및 평면 확산은 방사만의 확산과 비교된다. 이러한 시뮬레이션은 평면 전극상의 과산화물 플럭스(1차원 확산만)에 대한 체커보드상의 과산화물 플럭스를 도시하고 있다. 곡선은 전극의 동일 표면에 대하여 법선이다. 평면 전극에 대한 플럭스만큼 분할된 체커보드에 대한 플럭스의 비가 도시되어 있다. 이러한 비율 곡선은 평면 전극과 비교하여 불연속 표면(체커보드와 같은)을 이용할 때 상당한 잇점이 있다는 것을 보여주고 있다.
실시예 3: 체커 보드, 슬롯형, 및 고체 전극의 비교
도 13은 시간후의 메쉬-고체 전극의 법선 비율을 비교하는 결과의 컴퓨터 시뮬레이션의 그래프이다. 이러한 시뮬레이션은 1차원 평면 전극에 대하여 과산화물 플럭스에 대하여(법선) 이격거리(S)를 가진 슬롯형 및 정사각형 전극에 대한 과산화물 플럭스를 보여주고 있다. 모든 경우에, 결과는 전극이 동일 평면을 가지도록 법선화되어 있다. 이러한 그래프로부터의 결론은 잔부 전극에 대하여 체커보드(정사각형) 전극이 최선이고, 그 다음으로 125 미크론/250 미크론의 스페이스 슬롯형 전극 등이다.

Claims (10)

  1. 포유류의 피검자의 화학적 신호의 양을 측정하는 방법에 있어서,
    화학적 신호가 전류에 응답하여 확산할 수 있는 매질의 제 1 표면과 포유류의 피검자의 피부를 접촉시키는 단계;
    전기 삼투압 전극과, 복수의 실질적인 물리적 분리형 전극 표면으로 구성된 작용 전극을 포함하는 전극 어셈블리를 매질의 제 2 표면에 접촉시키는 단계;
    제 1 치수 방향과 제 2 치수 방향으로 작용 전극에 그리고 매질을 통해, 포유류의 피검자의 피부에 걸친 화학적 신호의 확산을 형성하기에 충분한 양으로 전기 삼투압 전극에 전류를 제공하는 단계;
    작용 전극 표면에서의 화학적 신호의 전기 화학적 변환을 구동하기에 충분한 양으로 작용 전극의 작용 전극 표면 각각에 전압을 제공하는 단계;
    작용 전극 표면에서의 전기 화학적 변환에 의해 발생된 전류를 측정하는 단계; 및
    측정된 전류를 포유류의 피검자내의 화학적 신호의 농도에 연관시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 전극 표면은 연장된 직사각형 갭에 의해 서로 분리되어 있고 서로 평행한 연장된 직사각형 스트립으로서 구성되어 있고;
    화학적 신호의 확산은 제 2 치수 방향에 실질적으로 법선인 제 3 치수 방향으로 추가로 발생하고;
    매질은 물, 전해질, 및 포도당 산화 효소로 구성된 이온 전도성 히드로겔인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 화학적 신호는 포도당이고, 각각의 전극 표면은, 백금, 플라듐 합금, 산화물, 및 이산화물로 구성된 그룹에서 선택된 화합물로 구성되며;
    전극 표면은 5㎛ 내지 1,000㎛ 범위의 폭을 가진 갭만큼 분리되어 있고, 전기 절연 물질은 전극 표면을 분리하는 갭에 위치되어 있고;
    전극 어셈블리는 0.1㎠ 내지 8㎠ 범위의 표면적과 0.25㎛ 내지 250㎛ 범위의 두께를 가진 플랫 구성인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 전극 어셈블리는 카운터 전극과 기준 전극으로 추가로 구성되어 있으며, 카운터 전극과 기준 전극은 작용 전극과 실질적으로 동일 평면에 위치하고, 카운터 전극은 작용 전극에 전기적으로 접속되어 있으며, 기준 전극은 실질적으로 일정한 전위가 작용 전극에 대하여 기준 전극상에서 유지되고;
    작용 전극, 카운터 전극, 기준 전극, 및 전기 삼투압 전극은 서로 집중적으로 정렬되어 있으며, 작용 전극은 1 nA 내지 1 mA 범위의 전류 레벨에서 동작되며;
    매질은, 작용 전극, 카운터 전극, 기준 전극, 및 전기 삼투압 전극의 표면과 접촉하는 표면을 가진 히드로겔 패치로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 환자의 포도당 레벨을 측정하는 방법에 있어서,
    포도당이 확산하는 매질의 제 1 표면과 환자의 피부를 접촉시키는 단계;
    실질적으로 물리적으로 분리된 복수의 작용 전극의 평면으로서 구성된 작용 전극을 매질의 제 2 표면과 접촉시켜 제공하는 단계; 및
    포도당이 평면에 법선이 제 1 방향으로 그리고 평면에 실질적으로 평행한 제 2 방향으로 이끌어지도록 구성된 작용 전극에, 포도당과 함께 환자의 피부를 통해 이온을 이끌어내기에 충분한 양으로 전류를 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 작용 전극은 포도당이 평면에 실질적으로 평행하고 제 2 방향에 실질적으로 수직인 제 3 방향으로 추가로 이끌어지도록 구성되어 있으며;
    매질은 물, 전해질, 및 포도당 산화 효소로 구성된 이온 전도성 히드로겔인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 포도당 모니터링 디바이스에 있어서,
    물, 전해질, 및 포도당 산화 효소로 구성된 히드로겔; 및
    실질적으로 물리적으로 분리된 복수의 작용 전극 평면을 구성하는 작용 전극;을 포함하며,
    각각의 작용 전극 표면은 촉매 표면으로 구성되며, 갭만큼 인접 작용 전극 표면으로부터 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 갭은 대략 50㎛ 내지 1000㎛ 범위의 폭을 가지며, 전기 절연성 물질은 갭에 위치되며, 작용 전극은 0.25㎛ 내지 250㎛ 범위의 두께를 가진 플랫 구성을 특징으로 하고, 추가로 대략 0.1㎠ 내지 8㎠ 범위의 표면적을 특징으로 하는 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서, 카운터 전극과 기준 전극을 추가로 구성하며, 각각은 작용 전극과 실질적으로 동일한 평면에 위치하며, 카운터 전극은 작용 전극에 전기적으로 접속되어 있으며, 기준 전극은 실질적으로 일정한 전위가 작용 전극에 대하여 기준 전극상에 위치되어 있도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  10. 포유류의 피검자내의 화학적 신호의 양을 측정하는 방법에 있어서,
    물, 전해질, 및 포도당 산화 효소로 구성된 이온 히드로겔의 제 1 표면을 포유류의 피검자의 피부와 접촉시키는 단계;
    이온토포리시스 전극, 실질적으로 물리적으로 분리된 복수의 전극 구성요소로 구성된 작용 전극, 카운터 전극, 및 기준 전극으로 구성된 전극 어셈블리를 히드로겔의 제 2 표면에 접촉시키는 단계;
    포유류의 피검자 피부를 걸친 화학적 신호를 히드로겔을 통해 작용 전극에 이끌어내기에 전기적으로 충분한 양으로 이온토포리시스 전극에 전류를 제공하는 단계;
    작용 전극을 향해 확산하는 화학적 신호의 전기 화학적 변환을 구동하기에 충분한 양으로 작용 전극의 작용 전극 구성요소 각각에 전압을 제공하는 단계;
    작용 전극에서의 전기 화학적 변환에 의해 발생된 전류를 측정하는 단계; 및
    측정된 전류를 포유류의 피검자내의 화학적 신호의 농도에 연관시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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