JP2001066279A - 改良された電気化学的センサ設計 - Google Patents
改良された電気化学的センサ設計Info
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Abstract
にそれを積極的に使用者に知らせる電気化学的センサの
提供。 【解決手段】 参照電極を二つに分け、試料が該二つに
分けた参照電極の一方にしか接触していない場合に、不
十分な試料であるとして使用者に知らせる電気化学的セ
ンサ。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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3
8、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。
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。
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。
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9
0°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 stacku
p)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。
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。
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(Ib1 0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(Ir5と呼ぶ)、および3)読み取り時間
の終了時(Ir10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。
定義される。 R/B=Ir10/Ib10 式2
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
測値を出した。 Ib10=505.1nA、Ir5=656.5nAおよびIr10=
561.8nA
バーン比を計算した。減衰係数
11
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>0.497k=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<0.2
63またはR/B>1.263 R/B=1.11>0.263かつ<1.263のた
め、偽
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。
いるセンサの要素とを示す図である。
Claims (12)
- 【請求項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、 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、流体試料流路を提供するベースと、 2)分析対象物と反応して、該作用電極に移送される電
子を生成する酵素を含む、該作用電極表面上の反応層
と、 3)該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、 を含み、該毛管空間が、該参照電極および該作用電極が
位置する該流体試料流路を含み、該参照電極の大部分が
該作用電極から該開口の下流に位置し、該参照電極のサ
ブエレメントが該作用電極の上流にあり、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、該流
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該検出器中を流れるようになって
おり、該検出器が、このような不十分な電流の場合にエ
ラー信号を発するように事前にプログラムされているセ
ンサ。 - 【請求項2】 該参照電極と該サブエレメントとが物理
的に接続している、請求項1記載のセンサ。 - 【請求項3】 該カバーが、変形するとその中央部分に
凹形区域を提供する変形性材料でできており、該カバー
を該ベース部材と合わせると、該カバーと該ベース部材
が、開口を有する該毛管空間を形成するようになってい
る、請求項1記載のセンサ。 - 【請求項4】 該毛管空間に通じる該開口が該カバーま
たは該ベース部材のみを通過する、請求項1記載のセン
サ。 - 【請求項5】 該開口が該カバーのみを通過する、請求
項4記載のセンサ。 - 【請求項6】 該ベースおよび該カバーが、合わさると
開口を形成するように構成されている、請求項1記載の
センサ。 - 【請求項7】 該カバーと該ベースとの間にU字形の部
材があり、該U字形部材が間にある状態で該カバーと該
ベースとを合わせることによって開口が形成されるよう
になっている、請求項6記載のセンサ。 - 【請求項8】 該カバーが凹形であり、該開口が、該ベ
ースを該凹形のカバーと合わせることによって形成され
る、請求項6記載のセンサ。 - 【請求項9】 該反応層中の該酵素が親水性ポリマーと
組み合わされている、請求項1記載のセンサ。 - 【請求項10】 該酵素がグルコースオキシダーゼであ
る、請求項1記載のセンサ。 - 【請求項11】 該作用電極の大部分が誘電材料によっ
て覆われて、その小さな部分を該試験流体にさらし、該
参照電極の該大部分が該作用電極の該露出部分から下流
(流路に沿って流体が流れる方向を基準にして)に位置
している、請求項1記載のセンサ。 - 【請求項12】 該参照電極の該サブエレメントが該参
照電極の該主要素に物理的に接続しておらず、該サブエ
レメントがそれ自体の接続要素によって該検出器に接続
している、請求項1記載のセンサ。
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