JP3413323B2 - アンペロメトリックセンサを利用して分析対象物の濃度を測定する方法および装置 - Google Patents

アンペロメトリックセンサを利用して分析対象物の濃度を測定する方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはバイオ
センサに関し、より詳細には、アンペロメトリックセン
サにおける偏り（bias）を減少させるための新規で改良
された方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】体液中の分析対象物の定量は、特定の生
理的異常の診断および治療に非常に重要である。例え
ば、特定の個人においては乳酸、コレステロールおよび
ビリルビンを監視すべきである。特に、食事におけるグ
ルコースの摂取を規制する手段として体液中のグルコー
ス濃度を頻繁にチェックしなければならない糖尿病患者
個人にとって、体液中のグルコースの測定は非常に重要
である。以下の本明細書の開示内容の残りはグルコース
の測定に当てられるが、本発明の方法および装置は、適
切な酵素の選択をもって、他の分析対象物の測定にも応
用しうることが理解されよう。体液中のグルコースの検
出に用いるための理想的な診断装置は、試験を管理する
技術者側に高度な技術を要求しないよう、簡単なもので
なければならない。多くの場合、これらの試験は患者に
よって管理され、そのことが、実施しやすい試験の必要
性をさらに強調する。さらには、このような装置は、長
期的な保存状態を満足するのに十分な安定性をもつ要素
に基づくべきである。
【０００３】流体中の分析対象物濃度を測定する方法
は、分析対象物、その分析対象物に特異的な酵素および
その酵素をその最初の酸化状態（酸化型）に維持する媒
介物との間の電気化学的反応に基づくことができる。適
当な酸化還元酵素には、オキシダーゼ、デヒドロゲナー
ゼ、カタラーゼおよびペルオキシダーゼがある。例え
ば、グルコースが分析対象物である場合、グルコースオ
キシダーゼおよび酸素との反応は式（Ａ）によって示さ
れる。
【０００４】
【化１】
【０００５】測色検定においては、放出された過酸化水
素が、ペルオキシダーゼの存在において、試験流体中の
グルコース濃度に比例して酸化還元指示薬の変色を生じ
させる。酸化還元指示薬の変色を既知のグルコース濃度
の試験流体を用いて得られた変色と比較するための色標
を使用することにより、測色試験を半定量的にすること
ができ、また、分光光度計を用いて結果を読み取ること
により、より定量的にすることができるが、その結果は
一般に、バイオセンサを使用する場合ほど正確でもない
し速やかに得られるものでもない。本明細書に使用する
「バイオセンサ」とは、適当な試料中の分析対象物に対
して選択的に応答し、生物学的認識信号と物理化学的ト
ランスデューサーとの組み合わせにより、その濃度を電
気信号に変換する分析装置をいう。その比較的高い精度
は別として、バイオセンサは、電気信号を直接発し、そ
れにより、簡略化された設計を容易にする機器である。
原則的に、バイオセンサが行うべきすべてのことは、時
間を計測し、電流を読み取ることである。さらには、薄
い化学物質の層が電極に付着し、材料がほとんど消耗し
ないため、バイオセンサは材料費が安い利点を提供す
る。
【０００６】上記式（Ａ）を参照すると、適当な電極
が、式Ｂに従った試験流体中への電子の導入により、Ｈ
2 Ｏ2 の生成を測定することができる。
【０００７】
【化２】
【０００８】そして、この電子の流れを、グルコース濃
度と直接相関する電気信号に変換する。
【０００９】式（Ａ）によって示される反応の初期段階
では、試験試料中に存在するグルコースが、酵素の酸化
フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）中心をその
還元型（ＦＡＤＨ2)に変換する。これらの酸化還元中心
は本質的に酵素分子内で電気絶縁されているため、従来
の電極の表面への直接的な電子の移動は、許容不可能な
高い槽電圧を用いない限り、計測可能な程度には起こら
ない。この系に対する改良は、電極と酵素との間の非生
理的酸化還元カップリングを使用して、（ＦＡＤＨ2)と
電極との間で電子をシャトルさせることを含む。これを
次式によって示す。式中、通常は媒介物と呼ばれる酸化
還元カップラをＭで示す。
【００１０】 グルコース＋ＧＯ（ＦＡＤ）→グルコノラクトン＋ＧＯ（ＦＡＤＨ2) ＧＯ（ＦＡＤＨ2)＋２ＭOX→ＧＯ（ＦＡＤ）＋２Ｍred ＋２Ｈ+ ２Ｍred →２ＭOX＋２ｅ- （電極で）
【００１１】式中、ＧＯ（ＦＡＤ）はグルコースオキシ
ダーゼの酸化型を表し、ＧＯ（ＦＡＤＨ2)はその還元型
を示す。媒介種ＭOX／Ｍred は、還元型の酵素から電極
に電子を移し、それにより酵素を酸化させて、その場で
それを再生させる。これは当然、経済性な理由から望ま
しい。媒介物を使用する主な目的は、センサの作用電位
を下げることである。理想的な媒介物は、電極におい
て、化学物質層における不純物および試料中の干渉物質
が酸化されず、それにより、干渉が最小限になるような
低い電位で再酸化されるものであろう。
【００１２】多くの化合物が、還元型の酵素から電子を
受容し、その電子を電極に移すそれらの能力により、媒
介物として有用である。分析定量における電子移動剤と
して有用であることが知られる媒介物には、米国特許第
４，７４６，６０７号明細書に開示された置換ベンゾキ
ノンおよびナフトキノン類；欧州特許第０３５４４４１
号明細書に具体的に開示されたＮ−オキシド、ニトロソ
化合物、ヒドロキシルアミン類およびオキシン類；欧州
特許第０３３０５１７号明細書に開示されたフラビン
類、フェナジン類、フェノチアジン類、インドフェノー
ル類、置換１，４−ベンゾキノン類およびインダミン類
ならびに米国特許第３，７９１，９８８号明細書に開示
されたフェナジニウム／フェノキサジニウム塩がある。
生物学的酸化還元系の電気化学的媒介物の包括的考察
を、Analytica Clinica Acta. 140 (1982)の１〜１８頁
に見いだすことができる。
【００１３】比較的古くから用いられてきた媒介物に
は、Schlapfer らにより、Clinica Chimica Acta. 57
（1974）の２８３〜２８９頁に論じられている、フェリ
シアン化物としても知られるヘキサシアノ鉄（III)酸塩
がある。米国特許第４，９２９，５４５号明細書には、
可溶性フェリシアン化化合物を可溶性第二鉄化合物と組
み合わせた組成物を使用して、試料中の分析対象物を酵
素的に測定することが開示されている。式（Ａ）におい
て、鉄塩であるフェリシアン化物により酸素を置き換え
ると、フェリシアン化物がグルコースオキシダーゼ酵素
から電子を受容することによってフェロシアン化物に還
元されるため、次のようになる。
【００１４】
【化３】
【００１５】この反応を表すもう一つの方法は、以下の
式（Ｃ）の使用による。
【００１６】
【化４】
【００１７】放出される電子は、試験流体中のグルコー
スの量に直接的に等しく、電位を流体に印加したときそ
の中に発生する電流を測定することにより、グルコース
の量に相関させることができる。陽極でのフェロシアン
化物の酸化がこのサイクルを再び始める。
【００１８】上記から明らかであるように、媒介物の必
要な属性は、センサの使用の前に電極面に存在する条件
のもとで酸化状態（酸化型）にとどまる能力である。媒
介物の還元はバックグラウンド電流を増して、結果的に
バイオセンサの読取り値を偏らせる。これらの媒介物
は、特にストレスの条件下で時間とともに還元し、それ
により、それらが適用されるセンサの有用性を減らす傾
向をもつことが見いだされた。
【００１９】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９２／０１６５９号
明細書には、測色試薬ストリップ中の酸化剤としての二
クロム酸カリウムの使用が開示されている。この酸化剤
の目的は、他の試薬成分中の不純物を酸化させて、測色
センサの安定性を改善することにある。この公開出願
は、米国特許出願第０７／４５１，６７１号（現在米国
特許第５，２８８，６３６号）に言及し、還元された媒
介物を電位の印加によって再酸化し、一定期間後に電流
を測定して分析対象物の濃度を測定する装置を記載した
ものとして特徴づけている。具体的には、米国特許第
５，２８８，６３６号記載のものは、グルコースオキシ
ダーゼによるグルコースの完全な酸化を必要とする。酵
素がグルコースによって還元されるとき、フェリシアン
化物が酵素と反応してフェロシアン化物を生成する。こ
の酵素的反応によって生成されるフェロシアン化物は、
貯蔵中に生成するフェロシアン化物と一緒になる。この
後者のフェロシアン化物は、フェリシアン化物と、グル
コースオキシダーゼおよびフェリシアン化物とともに付
着した物質中に見られる不純物との反応の結果である。
米国特許第５，２８８，６３６号記載のものは、生成さ
れるフェロシアン化物をこれらの２種の源の間で区別し
ていない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】電極表面に貯蔵された
媒介化合物の望ましくない還元を逆の状態にし、非常に
低い濃度の分析対象物を含む流体試料中の分析対象物の
数値の評価に対して、それが及ぼす影響を最小限にする
方法を提供することが望ましく、それが本発明の目的で
ある。
【００２１】さらなる目的は、分析対象物測定の精度を
高める方法を提供することにある。
【００２２】さらなる目的は、分析対象物がグルコース
である方法を提供することにある。
【００２３】さらなる目的は、分析対象物測定の精度を
さらに高めるための数学的手段を提供することにある。
【００２４】さらなる目的は、分析対象物値を正確に測
定するための装置を提供することにある。
【００２５】さらなる目的は、製造するのが簡単かつ低
廉である装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料を作用電
極の表面に適用することにより、流体試料中の分析対象
物の濃度を測定する方法を含む。電極は、分析対象物に
対して特異的な酵素と、分析対象物と酵素との反応の結
果として還元される媒介物とを含む組成物をその表面に
有している。媒介物は、周囲条件下で曝された結果とし
て、その還元型へと部分的な還元を受けている。本明細
書には、 ａ）正の電位パルスを電極に印加して、媒介物の少なく
とも一部をその酸化型に酸化する工程を含む、方法に対
する改良が開示される。この工程が電極におけるバック
グラウンド偏りを減らす。バックグラウンド偏りは、 ａ）正のパルスを印加する間に電流（ｉ1)を測定し、読
取り期間の最後で電流（ｉ2)を測定し、 ｂ）以下の式（１）を解くことによって、補正された分
析対象物濃度Ｇを計算することにより、さらに減らすこ
とができる。
【００２７】
【数７】
【００２８】ただし、Int およびslope はｉ2 の切片お
よび傾きであり、Δ（ｉ1 ，ｉ2)は、次のように計算さ
れる、バックグラウンド偏りに比例する誤差補正項であ
る。
【００２９】
【数８】
【００３０】ただし、ｓ1 ＝ｉ1 の傾きであり、ｉ1-lo
＝低い分析対象物濃度でのｉ1 であり、ｉ2-lo＝低い分
析対象物濃度でのｉ2 であり、Ｋ＝選択した換算係数で
ある。即ち、本発明（１）は、分析対象物に対して特異
的な酵素と、該分析対象物と該酵素との反応に応答して
還元されるものであり、部分的な還元をすでに受けてい
る媒介物とを含む組成物をその表面に有する基準電極
と、電気化学的に接続した作用電極の表面に流体試料を
適用する工程；および周囲条件下でのセンサの保存期間
内および電流測定期間前の期間に生じた還元型の該媒介
物の量に起因するものであり、かつ作用電極と基準電極
との間に十分な電位を印加してそれから秒単位の期間内
に還元型の該媒介物を酸化することにより作用電極で測
定される、作用電極と基準電極との間の電流を測定する
工程により、流体試料中を通過する電流の関数として流
体試料中の分析対象物の濃度を測定する、分析対象物の
濃度を測定する方法において、電極間に酸化電位を印加
して該媒介物の少なくとも一部をその酸化型に戻す工
程；および系を開回路または電流を実質的に減らす電位
に切り換えて、設定した遅延期間中、作用電極における
電気化学的反応速度を最小限にしたのち、第二の電位を
電極間に印加し、流体試料中に発生した電流を測定する
工程を含む、分析対象物を高精度で測定し得る、分析対
象物の濃度を測定する方法である。また、本発明（２）
は、ａ）正のパルスを印加する間に電流（ｉ1)を測定
し、第二の電位の印加の最後で電流（ｉ2)を測定し、
ｂ）式
【数１６】 （ただし、Int およびslope はｉ2 の切片および傾きで
あり、Ｋは選択した偏り換算係数であり、Δ（ｉ1 ，ｉ
2)は、式
【数１７】 （ただし、ｓ1 ＝ｉ1 の傾きであり、ｉ1-lo＝低い分析
対象物濃度でのｉ1 であり、ｉ2-lo＝低い分析対象物濃
度でのｉ2 である）によって計算される、バックグラウ
ンド偏りに比例する誤差補正項である）を解くことによ
って、補正された分析対象物量Ｇを計算することによ
り、分析対象物測定の精度をさらに高める、前期発明
（１）の方法である。更に、本発明（３）は、該媒介物
がフェリシアン化物塩である、前記発明（１）の方法で
ある。また、本発明（４）は、該分析対象物がグルコー
スである、前記発明（２）の方法である。更に、本発明
（５）は、該酸化電位を印加したのち該第二の電位を印
加する前に、選択された遅延期間を設定する工程をさら
に含む、前記発明（１）の方法である。また、本発明
（６）は、該酸化電位を電極間に印加する工程が、０．
１ボルト〜０．９ボルトの範囲で選択的に設定した電圧
電位を印加する工程と、測定電流を限界値と比較する工
程と、該限界値より大きい測定電流に応答して、該電圧
電位が所定時間印加されたかどうかを確認する工程とを
含む、前記発明（１）の方法である。更に、本発明
（７）は、該所定時間が、５秒〜１５秒の範囲で選択的
に設定される、前記発明（６）の方法である。また、本
発明（８）は、選択された遅延期間を設定する工程が、
第二の電位を印加する前に１０秒〜４０秒の範囲で選択
される遅延期間待機する工程を含み、該電流を測定する
工程の前に、５秒〜１０秒の範囲で選択される期間、該
第二の電位を印加する、前記発明（５）の方法である。
更に、本発明（９）は、分析対象物に対して特異的な酵
素と、該分析対象物と該酵素との反応に応答して還元さ
れるものであり、周囲条件により部分的な還元をすでに
受けている媒介物とを含む組成物をその表面に有する作
用電極の表面に流体試料を適用することにより、流体試
料中の分析対象物の濃度を測定する方法において、 ａ）正の電位パルスを該電極に印加して、該媒介物の少
なくとも一部を酸化してその酸化型に戻す工程； ｂ）正のパルスの印加中電流（ｉ1)を測定し、第二の電
位の印加の最後で電流（ｉ2)を測定する工程；および ｃ）式
【数１８】 （ただし、Int およびslope はｉ2 の切片および傾きで
あり、Ｋは選択した偏り換算係数であり、Δ（ｉ1 ，ｉ
2)は、
【数１９】 （ただし、ｓ1 ＝ｉ1 の傾きであり、ｉ1-lo＝低い分析
対象物濃度でのｉ1 であり、ｉ2-lo＝低い分析対象物濃
度でのｉ2 である）のように計算される、バックグラウ
ンド偏りに比例する誤差補正項である）を解くことによ
って、補正された分析対象物濃度Ｇを計算する工程を含
むことを特徴とする方法である。また、本発明（１０）
は、該媒介物がフェリシアン化物塩である、前記発明
（９）の方法である。更に、本発明（１１）は、該分析
対象物がグルコースである、前記発明（１０）の方法で
ある。また、本発明（１２）は、試料中の分析対象物を
測定するための装置であって、試料を受け入れるための
アンペロメトリックセンサ手段と、一部還元型媒介物を
酸化型に戻すために第一のバーンオフ（burn off）電圧
電位を該アンペロメトリックセンサ手段に印加し、第二
の読取り電圧電位を該アンペロメトリックセンサ手段に
印加するための電圧電位手段と、バーンオフ期間および
読取り期間を識別するためのタイマ手段と、該印加され
たバーンオフ電圧電位に起因する第一の電流ｉ1 および
該印加された第二の読取り電圧電位に起因する第二の電
流ｉ2 を測定するための手段と、該電流測定手段に応答
して、試料の分析対象物値を識別する手段とを含むこと
を特徴とする装置。更に、本発明（１３）は、該タイマ
手段が、遅延期間を識別するための手段を含み、かつ該
電圧電位手段が、該タイマ手段に応答して該第二の読取
り電圧電位を印加する、前記発明（１２）の装置であ
る。また、本発明（１４）は、該アンペロメトリックセ
ンサ手段に関する所定の特性パラメータ値を記憶するた
めの手段と、該第一の電流ｉ1 と該第二の電流ｉ2の測
定手段に応答して、偏り補正値を計算する手段とをさら
に含む、前記発明（１２）の装置である。更に、本発明
（１５）は、該識別手段が、該偏り補正値計算手段に応
答して、該分析対象物値を測定する、前記発明（１３）
の装置である。また、本発明（１６）は、該計算された
偏り補正値が、
【数２０】 （ただし、ｉ1 は、該第一のバーンオフ電圧電位の最後
で測定される電流を表し、ｉ2 は、該第二の読取り電圧
電位の最後で測定される電流を表し、Int 、slope 、ｉ
1-lo、ｉ2-loおよびｓ1 は、該アンペロメトリックセン
サ手段に関する該所定の特性パラメータ値を表す）によ
って表される、前記発明（１５）の装置である。更に、
本発明（１７）は、該分析対象物がグルコースであり、
該識別される分析対象物値が、式
【数２１】 （ただし、Ｋは、０〜１の値を有する選択した偏り換算
係数である）によって表される、前記発明（１６）の装
置である。
【００３１】
【発明の実施の形態】本発明は、血液中の特定の分析対
象物、例えばグルコースを測定するのに使用されるアン
ペロメトリックセンサ中の酸化され得る不純物によるバ
ックグラウンド偏りを減らす方法である。このようなセ
ンサが長期間またはストレス（熱、湿気など）下で保存
されるならば、還元された媒介物またはセンサ中に存在
する他の還元された不純物、例えば酵素安定剤、例えば
グルタメートおよび同等な還元性を有する界面活性剤の
増加により、センサのバックグラウンド電流が増す。例
えば、フェリシアン化物ベースのアンペロメトリックセ
ンサにおいては、バックグラウンド偏りは、電極面の近
くのフェロシアン化物（フェリシアン化物の還元から生
じる）の存在に関係する。この蓄積したフェロシアン化
物は、センサの使用中に生じるフェロシアン化物（新し
いフェロシアン化物）とは反対に、酸化されてフェリシ
アン化物に戻り、それが生じさせるバックグラウンド偏
りを減らし、それにより、センサの保存寿命を延ばす。
この目的を達成するため、本方法は電気化学的アプロー
チを用いる。電気化学的アプローチをアルゴリズム補正
によって補強すると、バックグラウンド偏りはさらに減
る。
【００３２】図１を参照すると、本発明の方法は、ま
ず、センサの使用中での通常の電位プロファイルの前
に、正の電位パルス（「バーンオフ」パルスと呼ぶ）を
印加することを含む。これは通常、０．１〜０．９ボル
ト（好ましくは０．３〜０．７ボルト）の正の電位をセ
ンサの作用電極と基準電極との間に１〜１５秒間（好ま
しくは５〜１０秒間）印加することによって達成され
る。このバーンオフパルスがもとからあるフェロシアン
化物（または他の酸化され得る不純物）を酸化させて、
センサがクリーンなバックグラウンドで検定を始められ
るようにする。通常は、酸化され得る不純物の一部しか
バーンオフパルスによって酸化されないため、バックグ
ラウンドは完全にクリーンであるとはいえない。理由
は、化学物質の層が作用電極および基準電極の両方を覆
っているからである。もとからあるフェロシアン化物
は、フェリシアン化物から生まれるため、化学物質の層
の中に存在する。試料流体を適用し、化学物質層が再び
湿潤すると、作用電極の近くのフェロシアン化物が再び
酸化される。フェロシアン化物の残りは試料流体中に拡
散し、グルコースと混合する。もとからあるフェロシア
ン化物のそのような部分は、グルコースに影響を及ぼす
ことなしに再び酸化されることはない。もとからあるフ
ェロシアン化物は、流体試料が適用されたのち非常に短
い時間（数秒間）だけ電極の近くにとどまる。この理由
は、化学物質（酵素およびフェリシアン化物など）が薄
層として作用電極および基準電極に付着しているからで
ある。バーンオフ法はこれを利用している。理由は、流
体試料中の分析対象物の濃度を顕著に下げることなく、
その大部分が電極と直接接触しないもとからあるフェロ
シアン化物の有意量を酸化することができるからであ
る。実験は、バーンオフパルスの適切な印加により、ス
トレスを受けたセンサのバックグラウンド偏りを４０％
減らすことができることを実証した。
【００３３】バックグラウンド偏りは、バーンオフパル
スとともに作用するバックグラウンド補正アルゴリズム
の使用により、さらに減らすことができる。このアルゴ
リズムは二つの電流読取り値の記録に基づく。第一の読
取り値（ｉ1)はバーンオフパルスの期間中に記録され、
第二の読取り値（ｉ2)は、読取り期間、すなわち、第二
の電位パルスが印加された瞬間から電流ｉ2 が測定され
る瞬間までの経過時間の最後で記録される。読取り期間
の長さは、図１に示すようにｔ3 −ｔ2 である。そし
て、二つの電流読取り値ｉ1 およびｉ2 から分析対象物
の濃度を計算する。センサに対して実施した実験は、バ
ックグラウンド補正アルゴリズムが残りのバックグラウ
ンド偏りの少なくとも８０％を除くことができ、その結
果、センサの安定性を改善して保存寿命の有意な延長を
もたらすことができることを証明した。
【００３４】本発明の実施に有用であるタイプのアンペ
ロメトリックグルコースセンサは、次のように製造され
る。２個の炭素電極をポリマー基板上にプリントする。
次に、化学物質成分の層を電極に付着させ、乾燥させ
る。好ましい化学組成物は、フェリシアン化物（カリウ
ム塩）５５mM、グルコースオキシダーゼ８．５単位、ポ
リ（エチレンオキシド）０．５３％、界面活性剤として
のcremophor ０．４０％およびpH７．２のリン酸緩衝液
８３mMを含有する媒体５μl である。グルコース検定の
際、三つの連続期間からなる電位プロファイルをセンサ
に印加する。これらの期間は、順に、バーンオフ期間
（通常は０．４ボルトで１０秒間）、遅延期間（開回路
で１５秒間）および読取り期間（０．４ボルトで５秒
間）である。遅延期間の厳密な長さは重要ではないが、
通常は１０〜４０秒の範囲である。この遅延期間が、十
分なフェロシアン化物を蓄積する反応にとって十分な時
間を与え、そのフェロシアン化物の再酸化から生じる電
流が難なく測定可能となる。これらの期間を、電位およ
び電流を時間に対してプロットした図１に示す。電流測
定をバーンオフ期間の最後（ｉ1)および読取り期間の最
後（ｉ2)の最後で実施し、次に式１を使用して、相当す
るグルコース濃度を計算する。式中の定数、例えば傾き
および切片は所定の値である。
【００３５】以下の説明は、流体試料中のグルコースが
検出すべき分析対象物であり、かつセンサ中の媒介物が
フェリシアン化物であるものに関する。しかし、この説
明は、他の分析対象物を測定するための系、および酸化
され得る種がフェロシアン化物以外のものである系にも
同等に当てはまる。
【００３６】バーンオフ法、すなわち、正の電位パルス
を電極に印加して媒介物の少なくとも一部を酸化させて
その酸化型に戻す技法を図１に示す。電位および電流の
プロファイルをプロットした図１では、タイミングは次
のとおりである。
【００３７】ｔ0 ：試料を検出し、バーンオフ期間が始
まる。試料は、センサを機器に挿入して０．４ボルトの
電位をただちに印加することによって検出される。所定
の限界値（例えば２５０nA）を超える値が測定されたか
否かを見るため、電流を継続的にチェックする。限界値
を超える電流が検出されると、試料が検出されたことに
なりバーンオフ期間が開始する。
【００３８】ｔ1 ：バーンオフ期間が終了し、ここで電
流ｉ1 を測定する。バーンオフ期間の長さｔ1 −ｔ0 は
普通５〜１０秒である。電位はｔ1 では０．４ボルトで
あるが、バーンオフ期間後に設定した遅延期間の間、開
回路に切り換わるか、電流を実質的に減らす電位に切り
換わって、作用電極での電気化学反応の速度が最小限に
なる。
【００３９】ｔ2 ：設定した遅延期間が終了。待機期間
の長さｔ2 −ｔ1 は通常１０〜４０秒である。０．４ボ
ルトの読取り電位がｔ2 で印加される。
【００４０】ｔ3 ：読取り期間が終了し、ここで電流ｉ
2 を測定する。読取り期間の長さｔ3 −ｔ2 は５〜１０
秒である。
【００４１】バーンオフパルス、すなわちｔ0 からｔ1
までの０．４ボルト電位の印加は、もとからあるフェロ
シアン化物（蓄積した鉄）または酵素層中の他の酸化さ
れ得る干渉体の一部を除去するために設けられている。
【００４２】バーンオフアルゴリズムが式１を用いて二
つの電流測定値ｉ1 およびｉ2 からグルコース濃度を計
算する。
【００４３】
【数９】
【００４４】ただし、
【００４５】
【数１０】
【００４６】式１は、ストレスに関連するバックグラウ
ンド偏りを減らすことと、系の精度を保持することとの
間で妥協を達成するための部分補正アルゴリズムであ
る。基本的な方法は、ｉ2 をグルコース読取り値として
使用することである。
【００４７】
【数１１】
【００４８】ただし、int およびslope は、それぞれｉ
2 の切片および傾きである。項Δ（ｉ1 ，ｉ2)は、電流
ｉ1 およびｉ2 から導出した、ストレスまたは他の原因
によるバックグラウンドの推定増分である。新しいセン
サの場合、この項は０に近い。パラメータＫは、選択的
に提供されるか、０〜１の値に設定される。Ｋを０に設
定するならば、バックグラウンド補正は得られない。他
方、Ｋを１にするならば、最大の補正を達成することが
できる。同じグルコース濃度のもとで多数のセンサを試
験する場合、ｉ1 の変動がｉ2 の変動よりも大きいこと
がわかったため、以下の例では、Ｋを０．８に設定して
部分的補正を求める。ｉ2 のみから計算したグルコース
値、すなわち式（１）でＫ＝０とした場合と比較する
と、ｉ1 とｉ2 とを合わせて計算されるグルコース値
は、精度がわずかに低く（標準偏差がより大きい）、当
然、バックグラウンド偏りがはるかに小さい。精度と偏
りとの間の妥協は、適切なＫ値を選択することによって
達成することができる。Ｋ＝０ならば、バックグラウン
ド補正は得られず、ｉ1 は使用されない。この場合、も
っとも高い精度が得られるが、高いバックグラウンド偏
りが伴う。Ｋ＝１ならば、最大のバックグラウンド補正
が適用され、偏りを最小にすることができるが、精度が
犠牲になる。例では、Ｋ値を０．８に設定して、精度と
偏りとの間で妥協を達成する。
【００４９】これらの式におけるパラメータは次のとお
りである。 Int ：読取り電流ｉ2 の切片、nA slope ：読取り電流ｉ2 の傾き、nA・dL/mg ｉ1-lo：低いグルコース標準レベル、すなわち５０mg/d
L での平均バーンオフ電流ｉ1 、nA ｉ2-lo：低いグルコース標準レベルでの平均読取り期間
電流ｉ2 、nA。実際には、ｉ2-loは、独立したパラメー
タではない。これは、Int およびslope から計算するこ
とができる。 ｉ2-lo＝Int ＋slope ・５０ ｓ1 ：バーンオフ電流に対する傾きnA・dL/mg Ｋ：部分的補正のために０．８に設定
【００５０】Int 、slope 、ｉ1-loおよびｓ1 は局所パ
ラメータである。各センサロットは、実験的に決定され
るそれ自身のパラメータ値を有している。アルゴリズム
は、二つの既知の電流値、すなわち、正常な（ストレス
を受けていない）センサの場合の、ｉ1 を表す値と、ｉ
2 を表す値とを必要とする。ｉ1-loおよびｉ2-loは、切
片（int)および傾き（ｓ1 およびslope)を決定するのに
使用されるため、これらを利用することができる。当
然、他のグルコース濃度での電流をアルゴリズムに使用
することができる。しかし、これは、二つの追加的な独
立したパラメータを加える余分な工程を導入することに
なる。本発明の手順を以下の実施例によって説明する。
【００５１】
【実施例】実施例Ｉ 以下の工程を実施して、アルゴリズムに必要なロットパ
ラメータ値を決定した。
【００５２】Ａ．低い標準レベル５０mg/dL で、同一ロ
ットからのセンサ１６個を試験し、バーンオフ電流およ
び読取り期間電流それぞれの平均電流ｉ1-loおよびｉ
2-loを得た。ｉ1-lo＝１９５１．２nAであり、ｉ2-lo＝
１９５２．３nAであることがわかった。
【００５３】Ｂ．高い標準レベル４００mg/dL のセンサ
１６個を試験し、平均電流ｉ1-hiおよびｉ2-hiを得た。
ｉ1-hi＝６００３．３nAであり、ｉ2-hi＝８８３１．７
nAであることがわかった。
【００５４】Ｃ．パラメータ値を計算した。
【００５５】
【数１２】
【００５６】したがって、式（１）は以下のようにな
る。
【００５７】
【数１３】
【００５８】実施例II バックグラウンド補正アルゴリズムを用いなくとも、バ
ーンオフパルスが単独でバックグラウンド偏りを有意に
減らすことが見いだされた。
【００５９】この実験では、センサ１０個に、３０℃お
よび湿度９１％下で３時間ストレスを負荷した。グルコ
ース水溶液５０mg/dL を試料として使用した。ストレス
を負荷したセンサ５個を１０秒間のバーンオフパルスで
試験し、５個をこのパルスなしで試験した。加えて、ス
トレスを負荷していないセンサ１０個を対照として試験
し（５個を１０秒間のバーンオフパルスで、５個をその
パルスなしで試験）、以下の式（３）を用いて偏りを計
算した。
【００６０】
【数１４】
【００６１】偏りは、バーンオフパルスなしの場合で３
０．６％であり、バーンオフパルスを用いた場合で１
８．０％であることがわかった。このデータは、バーン
オフパルスだけでもバックグラウンド偏りが約４０％減
ることを実証する。
【００６２】実施例III この実施例では、アルゴリズムがいかにしてバックグラ
ウンド偏りを補正するのかを説明する。
【００６３】センサ８個を−２０℃未満で２週間保存
し、別の８個のセンサに５０℃で４週間ストレスを負荷
した。１００mg/dL のグルコース濃度を有する全血を用
いて１６個のセンサすべてを試験した。新しいセンサか
らパラメータ値を決定した。次のようにしてグルコース
読取り値Ｇを計算した。
【００６４】Ａ．バックグラウンド偏り補正アルゴリズ
ムなし：式１で、Ｋ＝０ Ｂ．部分的補正：式１で、Ｋ＝０．８
【００６５】式４を使用して偏り率を計算した。結果を
表１にまとめる。
【００６６】
【数１５】
【００６７】
【表１】
【００６８】本発明を実施することができる装置を図２
に示す。図２を参照すると、符号１０によって示され、
本発明の原理にしたがって構築された、分析対象物の値
を正確に測定するための装置のブロック図が示されてい
る。装置１０は、マイクロプロセッサ１２をメモリ装置
１４とともに含む。マイクロプロセッサ１２は、図３に
示す本発明の方法を実行するのに適切にプログラムされ
ている。種々の市販品の装置、例えば、Dallas Semicon
ductor社製のDS5000マイクロコントローラをマイクロプ
ロセッサ１２およびメモリ１４に使用することができ
る。メモリ１４は、マイクロプロセッサ１２の中に組み
込むこともできるし、図２に示すように別個に設けるこ
ともできる。
【００６９】マイクロプロセッサ１２からのデジタルデ
ータがデジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１６に印加
される。このＤ／Ａ変換器１６がデジタルデータをアナ
ログ信号に変換する。Ｄ／Ａ変換器１６に結合された増
幅器１８がアナログ信号を増幅する。増幅器１８で増幅
されたアナログ信号出力はセンサ２０に印加される。
【００７０】センサ２０は増幅器２２に結合されてい
る。感知された増幅信号はアナログ・デジタル（Ａ／
Ｄ）変換器２４に印加され、この変換器が、増幅された
アナログセンサ信号をデジタル信号に変換する。このデ
ジタル信号がマイクロプロセッサ１２に印加される。
【００７１】Ｄ／Ａ変換器１６、増幅器１８および２２
ならびにＡ／Ｄ変換器２４には、種々の市販品の装置を
使用することができる。例えば、ＰＭＩ社製の装置タイ
プPM-752F4FSをＤ／Ａ変換器１６に使用することができ
る。増幅器１８および２２には、Linear Technology 社
によって製造、販売される演算増幅器タイプTL074ACを
使用することができる。Ａ／Ｄ変換器２４には、Maxum
社によって製造、販売される装置タイプMAX135CWI を使
用することができる。
【００７２】さらに図３を参照すると、本発明の正確な
分析対象物測定のための連続工程が示されている。ま
ず、ブロック３００に示すように、マイクロプロセッサ
１２がバーンオフパルス、例えば０．４ボルトの電位を
センサ２０に印加する。次に、判定ブロック３０２に示
すように、マイクロプロセッサがチェックを行って、検
出されたセンサ限界電流値に相当する試料を識別する。
ブロック３０２で試料が検出されると、判定ブロック３
０４で、所定のバーンオフ期間、例えば１０秒を識別す
る。次に、ブロック３０６に示すように、電流ｉ1 を測
定し、ブロック３０８に示すように、センサ２０を開回
路状態にする。次に、判定ブロック３１０で、設定され
た遅延または所定の待機期間、例えば１５秒を識別す
る。設定された遅延ののち、ブロック３１２に示すよう
に、読取りパルス、すなわち０．４ボルトの電位をセン
サ２０に印加する。さらに、判定ブロック３１４で、読
取りパルスのための所定の読取り期間、例えば５秒を識
別し、ブロック３１６に示すように、電流ｉ2 を測定す
る。次に、ブロック３２０に示すように、マイクロプロ
セッサ１２が、特定のセンサ２０に関する、Int 、slop
e 、ｉ1-lo、ｉ2-lo、Ｓ 1 およびＫを含む記憶されたパ
ラメータを取得する。そして、ブロック３２２に示すよ
うに、記憶されたパラメータならびに測定されたバーン
オフ電流ｉ1 および読取り電流ｉ2 を用いて補正項Δ
（ｉ1 ，ｉ2)を計算する。次に、ブロック３２４に示す
ように、読取り電流ｉ2 と、計算された補正項Δ（ｉ
1 ，ｉ2)を選択された換算係数Ｋで乗じたものとを用い
て分析対象物の値、例えばグルコース読取り値Ｇを計算
する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法にしたがって電位および電流を時
間に対して示すグラフである。
【図２】本発明の方法を実行するのに用いられる、分析
対象物の値を測定するための装置を表すブロック図であ
る。
【図３】本発明による方法にしたがって、図２のプロセ
ッサによって実行される連続工程を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０ 測定装置 １２ マイクロプロセッサ １４ メモリ １６ Ｄ／Ａ変換器 １８ 増幅器 ２０ センサ ２２ 増幅器 ２４ Ａ／Ｄ変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 33/72 Ｇ０１Ｎ 27/30 ３５３Ｒ 33/92 27/46 ３３８ (72)発明者 マシュー・ケー・ムショー アメリカ合衆国、インデイアナ州、 46530、グレンジャー、ノース・フィー ザント・コーブ・ドライブ 10648 (72)発明者 キン−ファイ・イップ アメリカ合衆国、インデイアナ州、 46516、エルクハート、イースト・ジャ クソン・ブールバード 2220 (56)参考文献 特開 平５−164724（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/327 G01N 27/416 G01N 27/48

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 分析対象物に対して特異的な酵素と、該
    分析対象物と該酵素との反応に応答して還元されるもの
    であり、部分的な還元をすでに受けている媒介物とを含
    む組成物をその表面に有する基準電極と、電気化学的に
    接続した作用電極の表面に流体試料を適用する工程；お
    よび周囲条件下でのセンサの保存期間内および電流測定
    期間前の期間に生じた還元型の該媒介物の量に起因する
    ものであり、かつ作用電極と基準電極との間に十分な電
    位を印加してそれから秒単位の期間内に還元型の該媒介
    物を酸化することにより作用電極で測定される、作用電
    極と基準電極との間の電流を測定する工程により、流体
    試料中を通過する電流の関数として流体試料中の分析対
    象物の濃度を測定する、分析対象物の濃度を測定する方
    法において、 電極間に酸化電位を印加して該媒介物の少なくとも一部
    をその酸化型に戻す工程；および系を開回路または電流
    を実質的に減らす電位に切り換えて、設定した遅延期間
    中、作用電極における電気化学的反応速度を最小限にし
    たのち、第二の電位を電極間に印加し、流体試料中に発
    生した電流を測定する工程を含む、分析対象物を高精度
    で測定し得る、分析対象物の濃度を測定する方法。
  2. 【請求項２】 ａ）正のパルスを印加する間に電流（ｉ
    1)を測定し、第二の電位の印加の最後で電流（ｉ2)を測
    定し、 ｂ）式 【数１】 （ただし、Int およびslope はｉ2 の切片および傾きで
    あり、Ｋは選択した偏り換算係数であり、Δ（ｉ1 ，ｉ
    2)は、式 【数２】 （ただし、ｓ1 ＝ｉ1 の傾きであり、 ｉ1-lo＝低い分析対象物濃度でのｉ1 であり、 ｉ2-lo＝低い分析対象物濃度でのｉ2 である）によって
    計算される、バックグラウンド偏りに比例する誤差補正
    項である）を解くことによって、補正された分析対象物
    量Ｇを計算することにより、分析対象物測定の精度をさ
    らに高める、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該媒介物がフェリシアン化物塩である、
    請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 該分析対象物がグルコースである、請求
    項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 該酸化電位を印加したのち該第二の電位
    を印加する前に、選択された遅延期間を設定する工程を
    さらに含む、請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 該酸化電位を電極間に印加する工程が、
    ０．１ボルト〜０．９ボルトの範囲で選択的に設定した
    電圧電位を印加する工程と、測定電流を限界値と比較す
    る工程と、該限界値より大きい測定電流に応答して、該
    電圧電位が所定時間印加されたかどうかを確認する工程
    とを含む、請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 該所定時間が、５秒〜１５秒の範囲で選
    択的に設定される、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 選択された遅延期間を設定する工程が、
    第二の電位を印加する前に１０秒〜４０秒の範囲で選択
    される遅延期間待機する工程を含み、該電流を測定する
    工程の前に、５秒〜１０秒の範囲で選択される期間、該
    第二の電位を印加する、請求項５記載の方法。
  9. 【請求項９】 分析対象物に対して特異的な酵素と、該
    分析対象物と該酵素との反応に応答して還元されるもの
    であり、周囲条件により部分的な還元をすでに受けてい
    る媒介物とを含む組成物をその表面に有する作用電極の
    表面に流体試料を適用することにより、流体試料中の分
    析対象物の濃度を測定する方法において、 ａ）正の電位パルスを該電極に印加して、該媒介物の少
    なくとも一部を酸化してその酸化型に戻す工程； ｂ）正のパルスの印加中電流（ｉ1)を測定し、第二の電
    位の印加の最後で電流（ｉ2)を測定する工程；および ｃ）式 【数３】 （ただし、Int およびslope はｉ2 の切片および傾きで
    あり、Ｋは選択した偏り換算係数であり、Δ（ｉ1 ，ｉ
    2)は、 【数４】 （ただし、ｓ1 ＝ｉ1 の傾きであり、 ｉ1-lo＝低い分析対象物濃度でのｉ1 であり、 ｉ2-lo＝低い分析対象物濃度でのｉ2 である）のように
    計算される、バックグラウンド偏りに比例する誤差補正
    項である）を解くことによって、補正された分析対象物
    濃度Ｇを計算する工程を含むことを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 該媒介物がフェリシアン化物塩であ
    る、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 該分析対象物がグルコースである、請
    求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 試料中の分析対象物を測定するための
    装置であって、 試料を受け入れるためのアンペロメトリックセンサ手段
    と、 一部還元型媒介物を酸化型に戻すために第一のバーンオ
    フ（burn off）電圧電位を該アンペロメトリックセンサ
    手段に印加し、第二の読取り電圧電位を該アンペロメト
    リックセンサ手段に印加するための電圧電位手段と、 バーンオフ期間および読取り期間を識別するためのタイ
    マ手段と、 該印加されたバーンオフ電圧電位に起因する第一の電流
    ｉ1 および該印加された第二の読取り電圧電位に起因す
    る第二の電流ｉ2 を測定するための手段と、 該電流測定手段に応答して、試料の分析対象物値を識別
    する手段とを含むことを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 該タイマ手段が、遅延期間を識別する
    ための手段を含み、かつ該電圧電位手段が、該タイマ手
    段に応答して該第二の読取り電圧電位を印加する、請求
    項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 該アンペロメトリックセンサ手段に関
    する所定の特性パラメータ値を記憶するための手段と、
    該第一の電流ｉ1 と該第二の電流ｉ2 の測定手段に応答
    して、偏り補正値を計算する手段とをさらに含む、請求
    項１２記載の装置。
  15. 【請求項１５】 該識別手段が、該偏り補正値計算手段
    に応答して、該分析対象物値を測定する、請求項１３記
    載の装置。
  16. 【請求項１６】 該計算された偏り補正値が、 【数５】 （ただし、ｉ1 は、該第一のバーンオフ電圧電位の最後
    で測定される電流を表し、ｉ2 は、該第二の読取り電圧
    電位の最後で測定される電流を表し、Int 、slope 、ｉ
    1-lo、ｉ2-loおよびｓ1 は、該アンペロメトリックセン
    サ手段に関する該所定の特性パラメータ値を表す）によ
    って表される、請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 該分析対象物がグルコースであり、該
    識別される分析対象物値が、式 【数６】 （ただし、Ｋは、０〜１の値を有する選択した偏り換算
    係数である）によって表される、請求項１６記載の装
    置。
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