JP4124513B2 - バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオセンサに関し、より詳細には、バイオセンサにおける周囲温度の効果（effect）を補正するための新規で改良された方法及び装置に関する。
【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及び管理に非常に重要である。たとえば、特定の個人においては乳酸、コレステロール及びビリルビンをモニタすべきである。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。本明細書の開示の残りはグルコースの測定に当てられるが、本発明の手法及び装置は、適切な酵素を選択するならば、他の分析対象物の測定にも使用しうることが理解されよう。流体中のグルコースの検出に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。加えて、このような装置は、長期的な貯蔵の状況を満たすのに十分な安定性を有する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、酵素と、その酵素に特異的な分析対象物及びその酵素をその最初の酸化状態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、カタラーゼ及びペルオキシダーゼがある。たとえば、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及び酸素との反応は、式（Ａ）によって示される。
【０００４】
【化１】

【０００５】
比色検定においては、放出された過酸化水素が、ペルオキシダーゼの存在下で、試験流体中のグルコース濃度に比例する、酸化還元指示薬の変色を生じさせる。比色試験は、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使用して得た変色と比較するための色標の使用により、半定量的にすることができ、また、分光光度計によっ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、そのような結果は一般に、電気化学的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、その濃度を、生物学的認識信号と物理化学的変換系との組み合わせにより、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。さらには、薄い化学薬品の層が電極に付着し、材料がほとんど消耗しないため、バイオセンサは低い材料費という利点を提供する。
【０００６】
Ｈ₂ Ｏ₂ → Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- （Ｂ）
【０００７】
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。
【０００８】
式（Ａ）によって示される反応の初期段階では、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）中心をその還元形態（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、許容不可能に高い過電圧の非存在下では、測定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移動させることを含む。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で表す。
【０００９】
グルコース＋ＧＯ（ＦＡＤ）→グルコノラクトン＋ＧＯ（ＦＡＤＨ₂)
ＧＯ（ＦＡＤＨ₂)＋２Ｍ_OX→ＧＯ（ＦＡＤ）＋２Ｍ_red ＋２Ｈ⁺
２Ｍ_red →２Ｍ_OX＋２ｅ^- （電極で）
【００１０】
式中、ＧＯ（ＦＡＤ）はグルコースオキシダーゼの酸化形態を表し、ＧＯ（ＦＡＤＨ₂)はその還元形態を示す。媒介種Ｍ_red は、電子を還元された酵素から電極に移し、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、経済性の理由から望ましい。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、化学薬品層における不純物及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び酸化されるであろう。
【００１１】
多くの化合物が、還元された酵素から電子を受け、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−及びナフトキノン類；欧州特許第０３５４４４１号公報に具体的に開示されたＮ酸化物、ニトロソ化合物、ヒドロキシルアミン類及びオキシン類；欧州特許第０３３０５１７号公報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−ベンゾキノン類及びインダミン類ならびに米国特許第３，７９１，９８８号明細書に記載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。
【００１２】
比較的venerable な媒介物には、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、フェリシアン化物の鉄塩で酸素を置換すると、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け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。
【００１３】
【化２】

【００１４】
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。
【００１５】
【化３】

【００１６】
放出される電子は、試験流体中のグルコースの量に正比例し、電位を流体に印加したとき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。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の重要な目的は、バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正するための新規で改良された方法及び装置を提供し、バイオセンサによって識別される分析対象物濃度値における周囲温度の効果を除く、又は最小限にするような方法及び装置を提供し、従来技術の欠点の多くを解消するような方法及び装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
簡潔に述べると、バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正するための方法及び装置が提供される。まず周囲温度値を測定する。次に、試料をバイオセンサに適用し、試料中に発生した電流を測定する。分析対象物濃度実測値を標準応答曲線によって電流から計算する。そして、測定した周囲温度値を使用して、分析対象物実測濃度を修正し、それにより、分析対象物測定の精度を高める。
【００１９】
本発明の特徴によると、以下の式を解くことによって分析対象物濃度値を計算する。
【００２０】
【数４】

【００２１】
式中、Ｇ₁ は、前記分析対象物濃度実測値であり、Ｔ₂ は、前記測定された周囲温度値であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定のパラメータである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで図面を参照すると、図１には、本発明の原理にしたがって構成された、全体を符号１００で示すバイオセンサシステムのブロック図が示されている。バイオセンサシステム１００は、マイクロプロセッサ１０２を、プログラム及びユーザデータを記憶するための関連のメモリ１０４とともに含む。試験値、たとえば血中グルコース試験値を記録するため、バイオセンサ１０８に結合されたメータ１０６がマイクロプロセッサ１０２によって動作的に制御される。バイオセンサシステム１００の血液試験シーケンスモードを実行するため、ユーザのＯＮ／ＯＦＦ入力操作に応答するライン１１０のＯＮ／ＯＦＦ入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。バイオセンサ１００のシステム機能モードを選択的に実行するため、ユーザ入力操作に対応するライン１１２のシステム機能入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。本発明によると、ライン１２０で示す信号入力がマイクロプロセッサ１０２に結合されて、サーミスタ１２２からの温度情報を提供する。マイクロプロセッサ１０２は、図２に示す本発明の方法を実行するのに適したプログラミングを含む。
【００２３】
試験結果をはじめとする情報をユーザに表示するため、表示装置１５０がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。バッテリ残量の状態を検出するため、バッテリモニタ１６０がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。所定のシステム状態を検出し、バイオセンサシステム１００のユーザにアラーム表示を発するため、アラーム１６２がマイクロプロセッサ１０２に結合されている。データポート又は通信インタフェース１６４が、接続されたコンピュータ（図示せず）との間でデータをやり取りする。
【００２４】
本発明にしたがって、温度の偏りを減らすため、バイオセンサシステム１００は、好ましい実施態様の温度補正方法を実行する。
【００２５】
図２を参照すると、バイオセンサ１０８における周囲温度の効果を補正する方法にしたがってバイオセンサプロセッサ１０２によって実行される論理ステップがブロック２００で始まる。まず、「計器温度Ｔ２を測定する」と記されたブロック２０２で、周囲温度を測定する。次に、ブロック２０４で、センサ電流を測定する。次に、ブロック２０６で、測定した電流値を分析対象物濃度値、たとえばグルコース濃度値（実測濃度）に変換する。そして、ブロック２０８で、最終的なグルコース濃度計算において温度の効果の補正を実行する。温度補正されたグルコース濃度は、以下の式にしたがって計算する。
【００２６】
【数５】

【００２７】
式中、Ｇ₁ は、前記分析対象物濃度実測値であり、Ｔ₂ は、前記測定された周囲温度値であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定のパラメータである。こうして、ブロック２１０でシーケンスは完了する。
【００２８】
電流測定バイオセンサ１０８は温度に敏感であることが知られている。この温度の効果は、作用電極に対する媒介物の拡散が温度依存性であるために起こる。拡散は通常、温度１℃あたり１〜２％の偏りの影響を誘発する。したがって、１０℃程度の低温は約−２５％の偏りのある結果をもたらし、４０℃程度の高温は約＋２５％の偏りのある結果をもたらすであろう。システム１００計器は、０〜５０℃の結果を出す。唯一利用可能な温度測定は、計器中のサーミスタから得られる。温度の偏りを減らすために、温度補正アルゴリズムを開発することが必要であった。
【００２９】
バイオセンサシステム１００全血グルコース検定により、遭遇すると予想される全グルコース範囲（５０〜６００mg/dL)及び温度範囲（１０〜４０℃）にわたって温度の効果を実験的に測定した。実際の血中グルコース読み取り値及び試料温度を測定した。センサ１０８の６種のロットについてこれを実施した。いわゆる「複利」温度補正方法を使用したときは、いくつかのロットが極端な温度で−１０％〜−１３％の偏り率を有していた。「複利」温度補正方法の公式は次のとおりである。
【００３０】
式１ Ｇ₂ ＝Ｇ₁ ＊（１＋ｔｃ／１００)^25-T
【００３１】
式中、Ｇ₁ は、グルコース実測濃度であり、ｔｃは、実験的に決定された温度係数であり、Ｔは試料温度である。
【００３２】
温度係数ｔｃがグルコース濃度とともに変化したため、「複利」アルゴリズムはうまく働かなかった。変化する温度係数の問題を扱うため、「多項式」補正アルゴリズムが開発された。多項式補正アルゴリズムを使用することにより、偏り率が＋／−１０％の範囲に制限された。多項式補正方法の式を式２に記す。両方の方法の絶対偏りの総計が、この多項式補正方法がより小さな全体偏りを有するということを示した。また、２℃及び４９℃の非常に極端な温度でも、多項式補正方法はより小さな偏り（１３．５％未満）を示し、それに対し、複利方法では−２５％もの大きさであった。
【００３３】
したがって、多項式補正方法は、「複利」補正方法を上回る改善を提供した。
【００３４】
種々の温度でグルコース検定を実施したのち、２４℃（試料温度）標準応答曲線によって温度ごとの電流応答を計算して、グルコース実測濃度を得た。
【００３５】
そして、グルコース実測濃度及び試料温度を使用して、以下の式を使用して補正グルコース濃度を計算した。
【００３６】
式２
【数６】

【００３７】
式中、Ｇ₁ は、グルコース実測濃度であり、Ｔ₂ は試料温度であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定の係数である。これらの係数は実験的に決定した。詳細は、以下の手順の例を参照すること。
【００３８】
表１は、温度補正結果の例を示す。Ｔ₂ は試料温度である。Ｇ_R は基準グルコース値である。Ｉは、測定された電流である。Ｇ₁ は、グルコース実測濃度である（温度補正なし）。％Ｂは、温度補正なしの偏り率である。Ｇ₂ は、温度補正したグルコース濃度である。％Ｂ_c は、温度補正後の偏り率である。
【００３９】
データは、補正アルゴリズムを適用する前及び適用した後の偏り率を示す。アルゴリズム及び係数は、１０〜４０℃の極端な温度で偏り率を＋／−７％以内に減らすことができた。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【実施例】
以下、温度補正係数（式２のＩ₁ 、Ｉ₂ 、Ｓ₁ 、Ｓ₂ ）を決定するために使用される手法の例を記載する。まず、１人のドナーから得た静脈ヘパリン化全血（４５％ヘマトクリット）を種々のグルコース濃度の近くにスパイクし（値は、Yellow Springs Instrument （ＹＳＩ）基準方法によって決定し、既知の試料干渉に関して補正した）、システム１００計器中、種々の環境室温度で試験した（表１、たとえば８．７、１６．７、２３．９、３０．６及び３８．２℃_x での５０及び４００mg/dL グルコースの試料）。Yellow Springs Instrument 及び方法は、Conradらによる１９８９年２月の「Journal of Pediatrics 」２８１〜２８７頁及びBurmeisterらによる「Analytical Letters」２８（４）、５８１〜５９２（１９９５）に記載されている。気化冷却を防ぐため、高い相対湿度（６５〜８５％）を室中に維持し、試料を室温に平衡化した。このようにして、温度の効果が化学薬品からしか出ないようにした。グルコーススパイクごとに実際の試料温度を測定した。試料温度を測定するため、０．０００５インチのサーモカップルを化学薬品なしのセンサに挿入し、血液をセンサに加えたのち、秒ごとに温度データを収集した。
【００４２】
【表２】

【００４３】
次に、各温度で、ちょうど５０、１００、２００、４００及び６００mg/dL グルコースで、表２で決定した傾き及び切片を使用する曲線により、電流応答を測定した。これらの計算した電流値を使用して、表３に提供される２４℃の曲線によってグルコース実測濃度を決定した。
【００４４】
【表３】

【００４５】
次に、血液のスパイクごとに、グルコース実測濃度（Ｇ₁)を試料温度（Ｔ₂)に対してプロットした。二次多項式曲線を使用してプロットを当てはめ、表４で提供されるように、そのグルコース濃度のａ１及びａ２定数を得た。たとえば、コンピュータプログラム、たとえばAdvanced Graphics Software社によるSlidewrite又は他の同等な曲線当てはめプログラムを使用することができる。
【００４６】
【表４】

【００４７】
種々のグルコース濃度について得られたａ１値をグルコース濃度に対してプロットした。直線当てはめ（linear fit）を使用してデータをプロットし、係数Ｓ１（直線当てはめの傾き）及びＩ１（直線当てはめの切片）を生成した。Advanced Graphics Software社によるＰＣ上のSlidewriteプログラム又は他の同等な曲線当てはめプログラムを使用することができる。
【００４８】
また、種々のグルコース濃度について得られたａ２値をグルコース濃度に対してプロットした。直線当てはめを使用してデータをプロットし、係数Ｓ２（直線当てはめの傾き）及びＩ２（直線当てはめの切片）を生成した。
【００４９】
アルゴリズムを誘導するため、各グルコース濃度で、グルコース実測濃度（Ｇ₁)を二次多項式関係で試料温度（Ｔ₂)に相関させた。
【００５０】
すなわち、式３ Ｇ₁ ＝（Ｔ₂ ²）＊ａ２＋Ｔ₂ ＊ａ１＋ａ０
【００５１】
２４℃の試料温度では、Ｇ₂ （補正）＝Ｇ₁ （実測）
【００５２】
すなわち、式４ Ｇ₂ ＝（２４²)＊ａ２＋２４＊ａ１＋ａ０
【００５３】
式（２）から式（３）を引くと、
式５ Ｇ₂ −Ｇ₁ ＝（Ｔ₂ ²−２４²)＊ａ２＋（Ｔ₂ −２４）＊ａ１
【００５４】
ステップ４及び５で生成した直線プロットから、
式６ ａ１＝Ｓ１＊Ｇ₂ ＋Ｉ１
及び
式７ ａ２＝Ｓ２＊Ｇ₂ ＋Ｉ２
【００５５】
式（５）、（６）及び（７）を合わせると、式（２）が得られる。
【００５６】
図面に示す発明の実施態様を詳細に参照しながら本発明を説明したが、これらの詳細は、請求の範囲に係る発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオセンサを表すブロック図である。
【図２】バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正するため、本発明の方法にしたがって図１のバイオセンサによって実行される論理ステップを説明する流れ図である。
【符号の説明】
１００ バイオセンサシステム
１０２ マイクロプロセッサ
１０４ メモリ
１０６ メータ
１０８ バイオセンサ
１２２ サーミスタ
１５０ 表示装置
１６０ バッテリモニタ
１６２ アラーム
１６４ データポート

Claims (16)

1. バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正する方法において、
   周囲温度値を測定する工程と、
   試料をバイオセンサに適用し、試料中に発生した電流を測定する工程と、
   前記測定した周囲温度値を使用して分析対象物濃度値を計算し、それにより、分析対象物測定の精度を高める工程とを含み、
   前記分析対象物濃度値を計算する工程が、前記測定された電流を分析対象物濃度実測値に変換し、式
   

   

   （式中、Ｇ ₁ は、前記分析対象物濃度実測値であり、Ｔ ₂ は、前記測定された周囲温度値であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定の値である）
   を使用して補正分析対象物濃度値を計算する工程を含む、
   ことを特徴とする方法。
2. Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２が実験的に決定される係数である、請求項１記載の方法。
3. 分析対象物がグルコースである、請求項１記載の方法。
4. 前記分析対象物濃度値を計算する工程が、多項式を解く工程を含み、前記多項式が、前記測定された周囲温度値を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記多項式が、変換された測定電流値と、実験的に決定される所定の係数とを含む、請求項４記載の方法。
6. バイオセンサにおける周囲温度の効果を補正するための装置において、
   周囲温度値を測定するための手段と、
   バイオセンサに適用される試料に応答して、試料中に発生した電流を測定するための手段と、
   前記測定した周囲温度値を使用して分析対象物濃度値を計算し、それにより、分析対象物測定の精度を高めるための手段とを含み、
   前記分析対象物濃度値を計算するための前記手段が、前記測定された電流を分析対象物濃度実測値に変換し、式
   

   

   （式中、Ｇ ₁ は、前記分析対象物濃度実測値であり、Ｔ ₂ は、前記測定された周囲温度値であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定の値である）
   を使用して補正分析対象物濃度値を計算するための手段を含む、
   ことを特徴とする装置。
7. 所定の試験シーケンスを実行するためのプロセッサ手段を含み、前記周囲温度値を測定するための前記手段が、前記プロセッサ手段に結合されたサーミスタを含む、請求項６記載の装置。
8. 前記分析対象物濃度値を計算するための前記手段が、多項式を解くための手段を含み、前記多項式が、前記測定された周囲温度値を含む、請求項６記載の装置。
9. 前記多項式が、変換された測定電流値と、実験的に決定される所定の係数とを含む、請求項６記載の装置。
10. Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２が実験的に決定される係数である、請求項６記載の装置。
11. 分析対象物がグルコースである、請求項６記載の装置。
12. バイオセンサに適用される前記試料に応答して、試料中に発生した前記電流を測定するための前記手段が、試料中に発生した前記電流を表す信号を受けるための、バイオセンサに結合されたプロセッサ手段を含む、請求項６記載の装置。
13. 前記分析対象物濃度値を計算するための前記手段が、前記周囲温度測定手段及び前記電流測定手段に結合されたプロセッサ手段を含み、前記測定値及び所定の係数値を使用して所定の式を解くための手段を含む、請求項６記載の装置。
14. ユーザ試料を受けるためのバイオセンサ手段と、
    試料中に発生した電流を測定するための、前記ユーザ試料を受ける手段に応答するプロセッサ手段と、
    周囲温度値を測定するための手段と、
    前記測定された周囲温度値を使用して分析対象物濃度値を計算し、それにより、分析対象物測定の精度を高めるための手段と、
    を含むバイオセンサであって、
    前記プロセッサ手段が、前記測定された電流を分析対象物濃度実測値に変換し、式
    

    

    （式中、Ｇ ₁ は、前記分析対象物濃度実測値であり、Ｔ ₂ は、前記測定された周囲温度値であり、Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２は所定の値である）
    を使用して補正分析対象物濃度値を計算するための手段を含む、
    ことを特徴とするバイオセンサ。
15. Ｉ１、Ｉ２、Ｓ１及びＳ２が実験的に決定される係数である、請求項１４記載のバイオセンサ。
16. 前記周囲温度値を測定するための前記手段が、前記プロセッサ手段に結合されたサーミスタを含む、請求項１４記載のバイオセンサ。

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