JP7383286B2 - 被検体センサ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１７年６月２３日に仮出願された米国特許仮出願第６２／５２４，４１６号明細書、２０１７年１０月４日に仮出願された同第６２／５６８，２９３号明細書、２０１８年１月１８日に仮出願された同第６２／６１９，０７８号明細書の利益を主張する。上に列挙された出願は、あらゆる目的のためにそれらの全体が参照により援用される。

背景分野
本発明は、被検体、例えばグルコースまたはラクタートなどであるがこれらには限定されない被検体のインビボ（ｉｎ ｖｉｖｏ）監視を実行する装置および方法を、概して対象としている。特に、それらの装置および方法は、対象中の被検体の存在または量に関する情報を提供する電気化学的センサ向けのものである。

特定の被検体のインビボ監視は、短期のそして長期の健康で幸福な状態には決定的に重要であり得る。例えば、グルコースの監視は、糖尿病を患う人々にとって、インスリンまたはグルコースが必要かどうかを決定するために特に重要であり得る。別の例では、術後患者におけるラクタートの監視は、敗血症の検出および処置に関して重大な情報を提供する。

連続的、またはほぼ連続的な被検体監視を実行する必要性がある結果として、多様な装置および方法の開発がなされてきた。いくつかの方法では、所望の被検体を検出するように設計された電気化学的センサ装置が血管内に配置されている一方、他の方法では、装置は、皮下液または間質液に配置されている。両配置場所では、一貫して妥当なデータを受信することへの課題が生じ得る。さらには、一貫した配置場所を実現することは、実際の使用の前に装置を水和させ、条件設定し、そして較正することには決定的であり得る。市販のセンサ装置の水和および条件設定は、数分の時間から数時間、１日弱までと時間のかかることの多いプロセスであり得る。水和および条件設定のプロセスが成功裏に完了したと仮定して、使用者は、自身の身体の内部に適切な位置にセンサを維持するために、自身の移動の自由または移動の範囲に妥協しなければならない場合がある。

グルコースセンサは、インビボでの連続的な被検体監視の一例である。市販の植え込み型グルコースセンサは、平面基板上に作製された電極、またはワイヤ電極を、概して採用している。いずれの構成でも、電極表面は酵素で被覆され、次にこの酵素はさらにポリマー膜で被覆されて、電極表面に到達するグルコースおよび酸素の量を制御するようにしてある。いくつかのグルコースセンサでは、ポリマー膜は、膜層を通ってグルコースを容易に拡散させる親水性であるが、しかしながら親水性膜は、膜を通って拡散することができる酸素の量を厳格に制限する。電極表面上で酸素が欠如するのは問題になり得るが、その理由は、グルコースセンサが、グルコースと酸素との間の反応を触媒する酵素を使用することによって作用するからであり、反応の結果、作用電極において酸化された過酸化水素を生じる。酸素の存在量が作用電極に存在するものだけである場合には、電極により測定されるグルコースは、酵素と反応するグルコースの量に比例することになる。それ以外に、作用電極に存在する酸素が不充分である実例では、グルコース測定結果は、グルコース濃度にではなく酸素濃度に比例する。

さらに問題を悪化させるのは、人体においてグルコースに対して酸素が欠乏していることである。人体におけるグルコースの対酸素比は、近似的に１０対ｌから１０００対ｌの範囲である。このことは典型的には、作用電極での酵素触媒された反応が酸素欠乏の条件で概して動作している結果、インビボセンサの正確度、感度、および長期の信頼性に影響する多くの重大な問題が生じ得ることを意味している。酸素欠乏問題に対処し、電極で利用可能な酸素の相対濃度を増加させる様々な手法が実現されてきた。例えば、市販のグルコースセンサシステムは、上で考察した単に親水性の膜ではなく、高度に特化されたグルコース制限膜（ＧＬＭ）に依っている。複数の市販の手法は、酸素を引き寄せると同時にグルコースも引き寄せる疎水性と親水性の両方の領域を有する均質な膜であるＧＬＭを有している。ＧＬＭを実装することの一つの欠点は、複雑なＧＬＭを作製するためにコストが増加するのに起因してセンサのコストが増加することである。さらには、ＧＬＭ内の材料の変動性と親水性面積の不均一な分散とが、バッチ間変動性を生じる結果となることが多く、このバッチ間変動性は、センサの正確度、感度、および信頼性に影響する。加えて、ＧＬＭの親水性および疎水性面積のせいで、グルコースまたは酸素のいずれかの拡散が、主に電極の表面に対して垂直に生じる。

ＧＬＭの使用に伴う別の欠点は、挿入部位の傷に関連する代謝活性細胞または宿主反応がＧＬＭの一部分と干渉するまたはこれを阻止するならば、センサの有効性が悪影響を受ける場合があるということである。例えば、もし赤血球がＧＬＭの非常な近傍に溜まるならば、センサ電極へのグルコースおよび酸素の流れが顕著に阻害される可能性がある。同様に、もし白血球がＧＬＭの親水性面積全体にわたるグルコースの流れを妨害するならば、センサ電極は誤ったデータを出力するが、その理由は、そうでなければ作用電極に到達するはずのグルコースが白血球により消費されており、グルコースが作用電極に拡散するための代替経路がないからである。

別の欠点は、ＧＬＭの疎水性の性質である。ＧＬＭの使用は、多くの市販のグルコースセンサにとって水和および条件設定の時間が長くなることの、少なくとも部分的な説明にはなり得る。センサの水和および条件設定には、作用電極への流体の輸送手段が必要である。しかしながら、ＧＬＭは酸素の輸送に有利であるため、ＧＬＭの疎水性領域は、電極への酸素の拡散を促進させるために電極上に配置される。それらの同じ面積は疎水性であるので、センサを水和させグルコースを電極に輸送するのに必要な水を撥く。

特許請求された本発明は、特定の被検体のインビボ監視に関して上に考察された問題の多くに対処しようとするものである。以下に考察される多くの実施例では、測定されている被検体は、グルコースである。さらに他の実施例では、被検体はラクタートである。しかしながら、特定の実施形態および実施例はグルコースまたはラクタートに関連付けられているが、その一方で、開示および請求項の範囲は、グルコースまたはラクタートのいずれにも限定されないと解釈されるものとする。むしろ、本明細書に記載のセンサの電極に付着させる化学物質が、センサの測定する被検体を決めると認識されるものとする。

被検体の存在を測定する電極を、一実施形態として記載する。電極は、電極反応性表面を有する作用伝導体と、被検体に感度を有する第１の反応性化学物質とを含む。電極はさらに、第１の反応性化学物質への第１の被検体の流束を可能にする第１の輸送材料と、第１の反応性化学物質に反応物質を供給する第２の輸送材料とを含む。この場合、第１の反応性化学物質は電極反応性表面に接触しない一方、少なくとも部分的に、電極反応性表面の一部分を掩蔽する。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の実施形態の様々な特徴を実施例により例示する添付図面と併せてなされる以下の詳細な記載から、明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の実施形態に準拠した、複数の電極を有する代表的なセンサ組み立て体の上面図である。 図１Ｂ～ＩＤは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体の多層構造の代表的な断面の例示である。 同上。 同上。 図１Ｅは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体の内部の被検体の流束、反応副生成物、および反応物質をさらに示す、センサ組み立て体の代表的な断面の例示である。 図１Ｆおよび１Ｇは、本発明の実施形態に準拠した、電極の三次元トポグラフィを例示する代表的で擬似的な等角図である。 同上。 図１Ｈは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体に組み込まれた特徴間の様々な寸法を特定する引き出し線を含むパターン形成された作用伝導体の一部分を、縮尺を合わせずに示した代表的な上面図である。 図１Ｉは、本発明の実施形態に準拠した、擬似参照伝導体上の露出した電極反応性表面を加工した結果として得られた擬似参照電極の構造を例示する代表的な断面である。 図１Ｊは、本発明の実施形態に準拠した、作用電極の配列内の作用電極と反対側に形成された擬似参照電極と間のイオン流束を例示する代表的なセンサ組み立て体である。 図２Ａおよび２Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図２Ａに例示された代表的な電極の断面図ある。 図３Ａおよび３Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図３Ａに例示された代表的な電極の断面図ある。 図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図４Ａに例示された代表的な電極の断面図ある。 ５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図５Ａに例示された代表的な電極の断面図ある。 図６Ａおよび６Ｂは、本発明の実施形態に準拠した、電極形状の異なる構成を利用するセンサ組み立て体の代表的な代替実施形態である。 図７は、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な代替実施形態である。 図８は、本発明の実施形態に準拠した、浮遊電極を作り出すための動作を有する代表的なフローチャートである。 図９Ａ～９Ｃは、本発明の実施形態に準拠した、浮遊電極の概念を利用するアパーチャ電極の様々な実施形態の代表的な断面の例示である。

インビボ被検体の監視用センサにおける改良点にもかかわらず、グルコースセンサ用のＧＬＭの文脈において概して上に考察したとおり、インビボ被検体センサの信頼性、正確度、感度、および耐久性に悪影響を与える現行の設計に伴う基本的な問題がある。加えて、市販の被検体センサを製造するための設計およびプロセスの多くには、煩雑で複雑な製造技術に加えて、貴重な金属の使用が必要である。以下に記載するのは、植え込み型インビボ被検体センサの信頼性、正確度、感度、および耐久性を向上させつつ、製造の複雑さとコストを下げて、連続的な被検体監視が広く受け入れられ採用されるのを可能にするよう意図される設計および製造技術である。

本開示の全体を通して提供される動作の理論は、限定するものとは見なされないものとされ、むしろ本開示は、動作のいかなる特定の理論にも拘束されることなくなされているものである。加えて、以下の記載および関連する図面全体を通して、電極および電極組み立て体の構成部分および構成要素は、層を成して記載されることになる。図面に表示された層の相対的な厚さは、実際の比率を表しているとは解釈されないものとする。本書の全体を通して考察される層の相対的な厚さは、電極性能および／または機械的な堅牢性を向上させるように操作されることが意図される。

センサ組み立て体の作用電極レベルでは、以下に示される設計の巧みな設計態様によって、過剰な反応物質にまで到達することができて化学反応の生成物の完全な電気化学的消費を可能にする拡散経路が可能になる。化学反応の生成物の完全な電気化学的消費は今度は、センサ組み立て体に予想される寿命全体を通して安定で実質的に線形のセンサ応答に必要な質量移行制限の条件を維持し、これは、センサ組み立て体を植え込まれた対象の生理的な条件の変化にはよらない。これらの改良された作用電極は、従来からの参照および対向電極を用いて、従来からの三電極構成で実装することができる。

あるいは、改良された作用電極は、改良された擬似参照電極設計と組み合わせることができ、この設計には、低インピーダンスで不活性な高表面積電極が含まれ、この電極は、センサ電解質と直接界面を接しているとともに、上または下にある、高表面積で、貴金属の、または電気化学的に不活性な参照電極ともガルバニック／オーミック接触しており、この参照電極は、植え込まれたセンサ組み立て体を取り囲む外部環境と電解接触している。改良された擬似参照電極の構造からは、下にある参照電極の特性に基づいて安定な参照電位が得られ、この参照電極は、上にある高表面積の電極上で現在生じている対向電極反応を通じて消費されることはもはやなく、これにより、工場で較正済みのドリフトのないセンサが可能になる。代表的な擬似参照電極設計は、２０１７年３月２８日に出願された米国特許出願第１５／４７２，１９４号明細書に見出すことができ、これは、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される。

対向電極と参照電極を統合して擬似参照電極にすることにより節約されるセンサ組み立て体上の面積を、改良された作用電極の実施形態を配置するのに使用して、多検体センサを可能にすることができる。上で考察した能力に加えて、改良された作用電極設計および擬似参照電極は、工場での較正に要求される一貫した再現性を可能にする効率的な製造工程を利用することができる。

改良された作用電極は、電極反応性表面を有する作用伝導体に向かう非類似方向に被検体および反応物質の拡散、輸送、または流束が可能になるように設計されている。電極反応性表面それ自体は、複数の実施形態を画定することができる。例えば、電極反応性表面は、裸の、露出した作用伝導体、または表面処理を経た作用伝導体もしくは付着させた化学物質を有する作用伝導体、またはそれらの組み合わせさえ含むことができる。電極反応性表面が化学物質含む実施形態では、生成物は、被検体と化学物質との反応により生成されてもよく、そして生成物は、作用伝導体との電気化学反応により実質的に消費され、または完全に消費されることさえある。他の実施形態では、被検体は、作用伝導体の反応性表面との電気化学反応により実質的に消費され、または完全に消費されることさえある。

改良された作用電極は、「浮遊」電極を指す場合があり、その理由は、電極反応性表面と接触する反応性化学物質を有しているということではなく、反応性化学物質が「浮遊」している、または第１の輸送材料の層により電極反応性表面から分離されているからである。添付図、例示、および記載は、実質的に円形の形状を有する電極の例示を含んでいてもよい一方、不規則な円形、楕円形、矩形、または他の多角形形状などであるがこれらには限定されない他の形状を、この開示の範囲内に収めつつ実現することができる。図面で明らかになるとおり、浮遊電極の際立った特徴は、電極反応性表面から反応性化学物質が分離されていることである。

浮遊電極の設計により、単一の被検体または多検体の電気化学的センサが可能になり、このセンサは、絶縁体パターンを有する単一のまたは配列の浮遊電極からなっていて、このパターンは伝導体の表面から延びていて、絶縁体により作り出された開口内部で凹状となる電極を画定する。配列の電極を有する実施形態では、配列の電極構成要素どうしの離間は、電極の流体力学的な径より大きくとって、電極構成要素が互いに独立に動作するようにしてあり、これは、同じまたは異なる分子を各電極構成要素が測定するように構成されているかどうかによらない。

電極には印加電位がかかり、この電位は、外部環境からセンサに入る分子の電気化学的な酸化または還元を可能にするものである、または酸化還元酵素などであるがこれには限定されない触媒により促進される反応を通じて生じるものである。輸送材料は、一つまたは複数のセンサ電極配列部材を覆っており、これにより、サンプリングされるまたは検知されることになる外部環境と、一つまたは複数のセンシング電極との間の輸送経路を確立し、電極配列構成要素と、対応する絶縁層との間の輪郭に沿った界面を作り出す。

加えて、反応性化学物質は、電極、絶縁層、および輸送材料の上に選択的に堆積させるまたは付着させることにより、電極と、絶縁層と、輸送材料との集合体を含む下にある多層構造を、部分的に覆う、完全に覆う、および／またはその上に共形的に延ばすことができる。反応性化学物質はさらに、生体認識分子を含んでいてもよく、この分子は、酵素などであるがこれには限定されないものであって、輸送材料を介してセンサ電極に拡散する対象分子に特異的な触媒反応の副生成物に対する感度を、センサ電極要素に賦与するものである。

第２の輸送材料は、電極と、絶縁体と、第１の輸送材料と、反応性化学物質とを含む多層構造に、共形的に付着させてもよい。多くの実施形態では、第２の輸送材料は疎水性である。疎水性の第２の輸送材料は、第１の輸送材料上に配置され、これにより、第１の輸送材料の通り道と、外部環境からの水溶性分子を反応性化学物質まで到達させる経路を可能にする無流束境界との両方を画定する。多層構造の共形性に起因して、第２の輸送材料経路は、第１の輸送材料を介して入ってくる方向から角度をつけて変位するのではなく、全方向性である物質中の反応性化学物質まで到達することを可能にする。

上に概説した構造は概して、被検体と反応性化学物質との反応の電気化学的に活性な副生成物とともに反応性化学物質への被検体の輸送を可能して、反応性化学物質またはその下にある電極のいずれかの長い方の寸法と接するようにする。反応性化学物質およびその下にある電極の長い方の寸法への露出により、被検体および／または反応副生成物の完全な消費が可能になり、この場合、完全な消費は、反応性化学物質および電極機能性の不活性化または損失が生じる結果となることもある連続動作の条件下で、安定な質量移行制限されたセンサ出力を支援する。多層構造と第２の輸送材料との間の共形性により、反応性化学物質が封入され、第２の輸送材料と下にある反応性化学物質との間の界面の表面積が増加する。界面の表面積の増加により、反応物質、または酸化還元酵素の酵素反応を支援するのに必要な他の分子の効率的な輸送が可能になるが、この輸送は、酸化還元酵素の共反応物の枯渇を防止するような、そして検知されることになる分子の、多層構造の中への質量移行制限を可能にするようなやり方でなされ、センサの出力がフィック（Ｆｉｃｋ）の拡散法則に支配されるようにして、この法則により今度は、センサの信号が外部環境中の分子の濃度に線形の関係を有することが示唆されるようにする。

さらには、酸化還元酵素などであるがこれには限定されない反応性化学物質の不在下では、本明細書に定義された多層構造は、センサまたは電気化学的に活性な分子のための基材として働くことができ、これらの分子は、第１の輸送材料および／または第２の輸送材料を介してセンサに入って、下にある電極まで達することができ、電極は、対象の電気化学的に活性な分子を、酸化する、または還元するよう分極していてもよい。

図１Ａは、本発明の実施形態に準拠した、複数の電極１０２を有する代表的なセンサ組み立て体１００の上面図である。センサ組み立て体１００は、近位端１０１ａと遠位端１０１ｂとを有する。この開示は、作用電極を主に対象としているので、近位端１０１ａは、動作およびデータ取得、センサにより取得されたデータの記憶および伝送をできるようにする電子回路パッケージにセンサ組み立て体１００を接続できるようにする典型的な接触パッドなしに、例示されている。遠位端１０１ｂは、対称な針先または槍先として例示されており、これは、挿入プロセスの最中にセンサ組み立て体に支援させるためである。しかしながら、他の実施形態では、遠位端１０１ｂは、代替形状、例えば、センサ組み立て体の挿入の最中に切断、穿孔を支援するように構成される、たがね状先端部、複合ベベル部、および多様な非対称な先端部であるがこれらに限定されない形状とすることができる。

センサ組み立て体１００の多層構造を例示するため点線で示されているのは、複数の電極１０２である。図１Ａに例示された電極１０２の特定の数は、制限するものではなく代表的なものであることが意図される。様々な実施形態では、さらに少ないまたはさらなる電極１０２が、センサ組み立て体１００上に形成される。加えて、図１Ａに示された電極１０２は、単一の計量、例えば、グルコース、ラクタート、活性酸素種（ＲＯＳ）、ケトン類、または酸素であるがこれらには限定されない計量を測定するように構成される。多くの実施形態では、単一のセンサ組み立て体１００は、作用電極の複数の組を含んでおり、それぞれの作用電極の組は、異なる被検体または電気化学的に活性な分子を測定するように構成される。例えば、単一のセンサ組み立て体１００上では、グルコース、ラクタート、および酸素を測定するように構成される電極の組があってもよい。さらに他の実施形態では、異なる被検体または計量を測定するように構成される電極のタイプおよび数は、センサ組み立て体１００のサイズ、および各作用伝導体に必要な電気配線のサイズだけに制約される。

図１Ｂ～１Ｄは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体１００の多層構造の代表的な断面の例示である。図１Ｂは、図１Ａに定義されたセンサ組み立て体１００の代表的なＡ－Ａ断面である。図１Ｃは、図１Ａに定義されたセンサ組み立て体１００の代表的なＢ－Ｂ断面である。図１Ｄは、電極の三次元的性質をさらに例示する二方向断面をさらに含む、センサ組み立て体１００の擬似的な等角図である。図１Ｂ～１Ｄのそれぞれにおいては、センサ組み立て体１００は、絶縁体１０３ａから構成された基層を有する多層化構造として見ることができる。接着剤１０４は、絶縁体１０３ａを作用伝導体１０６にしっかりと固定する。単純にするために、いくつかの図では、絶縁体１０３ａおよび接着剤１０４は、一つにまとめて単層にしてある。これらの実施形態では、組み合わせにした絶縁体１０３ａおよび接着剤１０４の単純化された単層は、絶縁体１０３を指す。他の実施形態では、接着剤１０４により随意に、絶縁体１０３のみを有する多層構造が得られる。絶縁体のさらなる層１０３ｂを、作用伝導体１０６上に付着させる。多くの実施形態では、作用伝導体１０６は、ステンレス類から選択されており、この類は、電気伝導性のものであると同時に、対象の皮下組織内への協同的な挿入と、その中での複数日から複数週間の持続期間を可能にする靭性および腐食耐性という機械的特性も有するものである。

多くの実施形態では、単一の被検体または多検体用の作用伝導体１０６を有するセンサ組み立て体は、絶縁体１０３ａと、接着剤１０４と、絶縁体１０３ｂとを含むシートとして供給される。多くの実施形態では、絶縁体１０３ａおよび接着剤１０４は、伝導体の第１の側に付着させ、絶縁体１０３ｂは、伝導体の第１の側の反対側に付着させる。伝導体は、作用伝導体１０６を、そしてそれとともに他の特徴、例えば、電極反応性表面１１６を露出させる、絶縁体１０３ｂにおける開口１１４を作り出すように描かれる。

いくつかの実施形態では、電極反応性表面１１６は、露出している電気的伝導体材料、例えばステンレス鋼であってこれには限定されない材料である。他の実施形態では、電極反応性表面１１６は、機械的および電気特性を増強するように加工される。いくつかの実施形態では、電極反応性表面１１６の加工は、貴金属、または電極反応性表面の表面積を増加させる他の電気化学的に不活性な物質である材料を付着させる。電極反応性表面１１６を加工する別の非常に望ましい属性は、多孔性を増加させることである。したがって、多くの実施形態では、電極反応性表面１１６の加工は、露出した作用伝導体１０６の上に、銀、銀／塩化銀、白金黒、および同種のものなどの材料または材料の組み合わせを電気化学メッキすることを含むが、これには限定されない。多くの実施形態では、開口１１４内に露出した作用伝導体１０６は、種層を付着させる第１の加工動作を経る。さらなる加工は、種層上に類似のまたは異なる材料のさらなる層を付着させることができる。

代替の非限定的で代表的な実施形態は、露出した作用伝導体１０６上に、またあるいは、電気化学的に加工された電極反応性表面１１６上に、炭素などの材料を付着させて、電極の電気特性を増強するまたは調整することを含む。露出した作用伝導体１０６に付着させている材料を、電気メッキを介しては容易に付着させることができない実施形態では、例えばスクリーン印刷および気体堆積であってこれには限定されない技術を利用して、その材料を付着させることができる。電極反応性表面１１６が、加工された作用伝導体１０６であるか裸のものかにかかわらず、第１の輸送材料１０８の引き続く層を、絶縁体１０３ａおよび電極反応性表面１１６の表面全体にわたって付着させる。

図１Ｂ～１Ｄに例示されているとおり、第１の輸送材料１０８は、絶縁体１０３ｂおよび電極反応性表面１１６の全面を覆っており、センサ組み立て体１００のあらゆる露出した縁部にまで延びている。好ましい実施形態では、第１の輸送材料１０８は、対象中の被検体または他の生物指標化合物などの測定されることになる分子の輸送を可能にするヒドロゲル類から選択される。例えば、もし電極１０２がグルコースを測定するように構成されているならば、第１の輸送層１０８は、グルコースの輸送手段または拡散を可能にするその能力に基づいて選択される可能性がある。多検体センシングを可能にする実施形態では、第１の輸送層１０８は、測定されている被検体のすべてを輸送する能力に基づいて選択されてもよい。あるいは、いくつかの実施形態では、異なる輸送層の多層を付着させることができる。さらに他の実施形態では、混合物、配合物、または他の組み合わせのヒドロゲルを組み合わせて、第１の輸送材料があらゆる所望の被検体および／または分子を拡散させることができるようにすることができる。

グルコースセンサの実施形態についてさらに詳述すると、第１の輸送材料の選択によって、グルコースの実質的に全方向性の輸送手段が可能になる可能性があり、そしていくつかの実施形態では、好ましい第１の輸送材料は、ヒドロゲル材料の親水性の類から選択される。具体的には、島細胞の中およびその周りへのグルコース輸送を模倣するまたは再現する三次元ヒドロゲル。選択された三次元ヒドロゲルは、島細胞の中およびその周りへのグルコース輸送を模倣するまたは再現するので、電極へのヒドロゲル経路によって、電極構造内部で実質的に再現されることになる対象内部のグルコース条件が可能になる。これは、ＧＬＭを利用するセンサを用いるのとはまったく異なる。材料それ自体の名称である、グルコース制限膜により記述されるとおり、対象内部のグルコース条件は、ＧＬＭを利用する電極構造内部で再現されないよう意図的にしてあり、その理由は、ＧＬＭが酸素の移動に有利であって、グルコースの移動を意図的に制限するからである。

被検体を輸送するのにヒドロゲルを使用することのさらなる利点は、拡散経路を調整、操作、設計して、工場での電極の較正を実現できることである。工場での較正は、インビトロデータが、較正因子または補正因子の使用なしに全動作範囲にわたってインビボデータと実質的に相関する電極として理解することができる。本質的には、補正因子または較正因子の使用なしに、工場での較正により、インビボ測定はインビトロ測定と実質的に同じ結果となる。電極構造への三次元ヒドロゲル経路は、島細胞を模倣するので、電極構造内部のグルコース濃度は、電極の外側のグルコース濃度を近似すると予想され、これは、電極がインビボまたはインビトロのいずれの配置であるかにはよらない。加えて、三次元ヒドロゲルは親水性であるので、ＧＬＭではなく三次元ヒドロゲルを実装する電極設計は、さらに速やかな安定化と水和を実証するはずである。

第１の輸送材料の特定の実施形態を詳細に記載してきたが、この代表的な実施形態は、限定するものとしては解釈されないものとする。他の実施形態では、第１の輸送材料は、血液、筋肉、または、特定の臓器組織もしくは流体を含む他の生物指標化合物において見いだされる被検体の特性に基づいて選択することができる。第１の輸送材料としてのヒドロゲルの使用は、グルコースおよび他の水溶性分子にとっては完璧に適切である一方で、電極を使用して測定できる他の生物指標化合物分子にとっては不適切、またはそれほど理想的でない場合がある。したがって、本開示は、電極への所望の分子または化合物の拡散を可能にするいかなる材料も包含すると広く解釈されるものとする。

第１の反応性化学物質１１０は、第１の輸送材料１０８上に付着させる。第１の反応性化学物質１１０についての代わりの名称は、第１の生体認識層であり、その理由は、検出されている分子と反応する酸化還元酵素分子の類から第１の反応性化学物質を選択することができるからである。代表的な酸化還元酵素分子は、酸化酵素類および脱水素酵素類などであるがこれらには限定されない分子類を含む。検出されている分子と反応する、特定の酸化酵素および脱水素酵素類の特定の非限定的な例には、グルコースオキシダーゼ／デヒドロゲナーゼおよびラクタートオキシダーゼ／デヒドロゲナーゼなどが挙げられる。図１Ｂ～１Ｄに例示のとおり、第１の反応性化学物質１１０は、開口１１４上に選択的に付着させる。開口１１４が円形である実施形態では、第１の反応性化学物質１１０を開口１１４と実質的に同心円状に付着させて、第１の反応性化学物質が開口１１４を越えて延びていることが好ましい場合がある。円形以外の開口を利用する実施形態では、第１の反応性化学物質１１０を、開口１１４を見えづらくするまたは実質的に掩蔽するように付着させつつ、開口１１４を越えて延びているようにすることが好ましい場合がある。引き続く実施形態に例示のとおり、開口１１４を越えて第１の反応性化学物質が延びていなくてもよい場合もある。いくつかの実施形態では、第１の反応性化学物質１１０の付着が、開口１１４内だけに留まるようにしつつ、それでも電極反応性表面を少なくとも部分的に掩蔽するようにするのが望ましい場合がある。開口１１４の形状および第１の反応性化学物質１１０の形状は、代表的なものである。様々な実施形態では、開口１１４および第１の反応性化学物質１１０は、類似していても異なっていてもよい。形状にかかわらず、第１の反応性化学物質１１０は、第１の輸送層１０８の最上部の上に付着させ、その結果として多くの実施形態が生じ、これらの実施形態の場合、第１の反応性化学物質１１０は、既存の第１の輸送層１０８および開口１１４に実質的に同形である。他の実施形態では、第１の反応性化学物質１１０を付着させ、その結果として、引き続き付着させる第２の輸送材料１１２との実質的に平坦な界面が得られる。第１の反応性化学物質１１０の非限定的な実施例には、グルコースオキシダーゼ、ラクタートオキシダーゼ、および補因子としてＮＡＤＰまたはＮＡＤ＋を利用する他の酵素などであるがこれらには限定されない酸化還元酵素などが挙げられる。

第１の輸送材料１０８および第１の反応性化学物質１１０を覆っているのは、第２の輸送材料１１２である。多くの実施形態では、第２の輸送材料１１２は、被検体、または電極１０２により測定されている他の生物指標化合物に対して影響を受けないまたは不透過性である、シリコーン材料の類から選択される。第２の輸送材料１１２は、様々な被検体および生物指標化合物に対し不透過性であるので、被検体または生物指標化合物が電極に到達する唯一の経路は、第１の輸送層１０８を通るものである。いくつかの実施形態では、被検体の流束にとっての経路を可能にする第２の輸送材料１１２をパターン形成することが有利である場合がある。グルコースを測定するように構成される実施形態では、反応性化学物質へのグルコースの供給を可能にする第１の輸送材料とともに、第２の輸送材料は、反応性化学物質の存在下でグルコースに相補的な反応物質を供給するその能力に基づいて選択される。したがって、使用されている反応性化学物質がグルコースオキシダーゼであるならば、第２の輸送材料は、酸素を輸送および供給するその能力に基づいて選択することができる。

その結果、そのような実施形態では、第２の輸送材料は、シリコーンなどであるがこれには限定さない材料の類から選択される。第２の輸送材料としてシリコーンを使用することは、第１の反応性化学物質１１０に酸化酵素を用いた材料を使用する場合に、グルコースオキシダーゼ反応に酸素を提供して、線形性を実現し維持する助けとなる。第２の輸送材料１１２に関連して上記された特定の実施形態は、代表的なものであることが意図されており、限定するものとは解釈されないものとする。第２の輸送材料の選択は、この開示によって拘束されないものとし、所望の電極を作り出すのに使用されている材料の特定の特性によってさえ拘束されないものとする。センサ組み立て体１００の実施形態は、単一の作用伝導体が複数の電極１０２を有する、単一の被検体とすることができる。同様に、多検体センサは、少なくとも一つの電極１０２を有する単一の作用伝導体を複数組み合わせることにより可能となり、各作用伝導体は、異なる被検体または生体計量を測定するように選択された第１の反応性化学物質を有している。

図１Ｅは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体１００の一つの電極１０２内での被検体、反応物質、および反応副生成物の拡散を例示する、センサ組み立て体１００の代表的な断面の例示である。図１Ｅに例示された実施形態は、第１の反応性化学物質１１０としてのグルコースオキシダーゼの使用に基づいており、それにより電極１０２が、以下の化学反応に基づいて、グルコースの濃度と相関する過酸化水素を発生させることが可能になる：
ＧＯｘ
グルコース ＋ Ｏ_２ → グルコン酸＋Ｈ_２Ｏ_２
センサ組み立て体を対象内に挿入した時点では、センサを取り巻く被検体（この実施形態ではグルコース）および他の生物指標化合物の濃度は、センサ組み立て体の個々の電極の内部より高くなる。被検体および生物指標化合物の濃度は、センサの第１の輸送材料１０８内部の平衡を実現しようとし、その結果、センサ組み立て体を取り巻く流体からのグルコースは、第１の輸送層１０８の中に引き込まれる。センサ組み立て体を取り巻く流体が、親水性の第１の輸送材料１０８を介してセンサ入ることができるが、流体は、疎水性の第２の輸送材料１１２を通って入ることはできないことを思い出されたい。図１Ｅでは、グルコースは、正方形中にＧとして表現され、第１の輸送材料１０８に入ろうとしているのが示されている。さらには、酸素は、Ｏ_２として表現され、第２の輸送材料１１２から第１の反応性化学物質１１０に供給されているのが示されている。グルコースおよび酸素は、上記の化学反応に従って、第１の反応性化学物質１１０と反応し、その結果、副生成物のグルコン酸および過酸化水素を作り出す。副生成物の過酸化水素は、図１ＥにＨ_２Ｏ_２として示され、第１の輸送材料１０８を介して電極反応性表面１１６に輸送され、そこでは、印加電位が、以下の反応に基づいてこれを還元する：
Ｈ_２Ｏ_２ → ２Ｈ ＋ Ｏ_２ ＋ ２ｅ^－
ここで２ｅ^－は、対向電極により捉えられた電流である。電極内部のグルコースの消費は、第１の輸送層内部のグルコースの濃度を低下させて拡散勾配を確立し、この濃度勾配は、センサ組み立て体を取り巻く流体からのさらなるグルコースを取り込むことにより平衡に達しようとする。

ＧＬＭ電極を利用する従来からのグルコースセンサと比較する場合、図１Ｅに例示された第１の反応性化学物質１１０は、第１の輸送材料１０８により電極反応性表面１１６から物理的に分離されるという点で異なるということで容易に特定できる。電極反応性表面１１６から第１の反応性化学物質１１０を物理的に分離するには、電極内部での拡散を基本的に変化させるよう支援するための第１の輸送材料の特定の選択が必要である。例えば、第１の輸送材料１０８は、被検体および第１の反応性化学物質の副生成物に加えて所望の被検体の拡散を支援しなければならない。さらには、多くの実施形態では、第１の輸送材料１０８により、電極反応性表面１１６で発生する電気化学反応の副生成物の拡散も可能になることが望ましい。

開口１１４上への第１の輸送材料１０８の配置、および第１の輸送層１０８上への第１の反応性化学物質の引き続く配置により、被検体と第１の反応性化学物質１１０との間の酵素反応は、電極反応性表面１１６から遠ざかる。酵素反応と電気化学反応を分離させることで、第１の反応性化学物質１１０への負の影響を有し得る電気化学反応を伴う局在化したｐＨ変動の可能性が、低減するまたは最小化する。浮遊電極のさらなる利点は、第１の輸送材料１０８の経路であり、この経路は、第１の反応性化学物質１１０の下で完全に延びており、被検体が、第１の反応性化学物質１１０の最長の表面にわたり、そしてその下に輸送されるように、横方向に拡散することを可能にする。酵素反応の後には、酵素反応の副生成物は、電極反応性表面１１６上で発生する電気化学反応により消費される。したがって、酵素反応を生じる過酸化水素を用いると、電極反応性表面１１６と第１の反応性化学物質１１０とを分離する第１の輸送材料１０８の経路により、被検体および酵素反応の副生成物を実質的に反対方向に移動させることが可能になる。

第１および第２の輸送材料１０８／１１２の間に第１の反応性化学物質１１０を配置することのさらなる利点は、向上した製造性である。多くの実施形態では、第１の反応性化学物質１１０は、第１の輸送材料などであるがこれには限定されない第２の材料中の、特定の酵素または生体認識分子の、混合物、配合物、または懸濁物である。よって、第１の輸送材料１０８の層上への第１の反応性化学物質１１０の付着は製造性を向上させるが、その理由は、類似の材料が類似の材料上に配置されているからである。

図１Ｆおよび１Ｇは、本発明の実施形態に準拠した、電極１０２の三次元トポグラフィを例示する代表的で擬似的な等角図である。図１Ｆおよび１Ｇに例示される実施形態は、円形の開口１１４を含む。しかしながら、図１Ｆでは、第１の反応性化学物質１０８を付着させる結果、開口１１４の中心にくぼみが生じる。第１の反応性化学物質１０８を付着させた結果、実質的に平坦な表面が生じた、図１Ｇにおける実施形態とは対照的である。二つの異なる実施形態は、実質的に同じであるものの、図１Ｆにおける実施形態の一つの利点は、第１の反応性化学物質１０８のさらに均一な厚さである。第１の反応性化学物質１０８のさらに均一な厚さにより、第２の輸送材料１１２から第１の反応性化学物質１１０の反応性表面への反応物質のさらに速やかな拡散が可能になる。擬似的な等角図で見ると、第１の反応性化学物質１１０の表面の全体にわたって反応物質を供給するという第２の輸送材料１１２の能力は、明らかとなろう。本発明を用いると、第２の輸送材料１１２からの反応物質の拡散は、第１の反応性化学物質１１０の露出した表面の３６０度全体にわたって、そしてさらに第１の反応性化学物質１１０の露出した縁部に沿って、可能になる。この結果として、第１の反応性化学物質１１０は反応物質中に実質的に浸されていることになり、これは、第１の反応性化学物質１１０のタイプに応じて酵素反応を維持するには非常な利点である場合がある。

図１Ｈは、本発明の実施形態に準拠した、センサ組み立て体１００に組み込まれた特徴間の様々な寸法を特定する引き出し線を含むパターン形成された作用伝導体１０６の一部分を、縮尺を合わせずに示した代表的な上面図である。図１Ｈは、特徴の相対的な配置およびサイズが、センサ組み立て体１００の性能をいかに引き出し増強するかの考察ができるよう意図されている。作用伝導体１０６の代表的な部分は、二つの開口１１４を含み、各開口１１４が口径１６０を有する。開口１１４の中心は、縁部１５４から距離１５０である作用伝導体１０６の中心線に沿って作り出される。さらには、開口１１４は、中心間の離間距離１５２をとって配置される。

引き続く層の付着により、三次元上に配置された複数の表面から成るインビボまたは植え込み型の用途向けの質量移行制限された被検体センサが可能になり、これらの表面により、反応性化学物質の配列および対応する電極構造を有するセンサの中への被検体と副生成物の仕切りと拡散が支援される。多くの実施形態では、被検体および副生成物拡散（第１の輸送材料）のための表面積は、反応性化学物質の表面積を大きく超過している。反応性化学物質および電極反応性表面の面積は、開口１１４として露出しており、共形の反応性化学物質の円盤（この実施形態では円形の開口上に配置された円盤）の配列から構成され、円盤は個別で不連続である。開口１１４のそれぞれは、口径１６０を有しており、少なくとも離間距離１５２だけ分離されている。反応性化学物質は、第１の輸送材料により開口１１４から分離されており、開口１１４の上に共形的にあって、これらの開口を掩蔽している。反応性化学物質は、開口外周と一致していても、重なっていても、またはその内部にあってもよく、その結果生じる、反応性化学物質間の公称の分離は、開口１１４どうしの間の分離距離１５２と実質的に等しい、これより小さい、またはこれより大きい。

各開口１１４および上にある共形の反応性化学物質の中心は、センサの縁部から、または、センサ中への被検体の仕切りが生じる場所から、距離１５０だけ分離されている。ここで、距離１５０は、径１６０より実質的に大きく、これにより、質量移行制限されたセンサに必要な質量移行抵抗のための主な機構が賦与される。さらには、距離１５０と定義される、被検体の仕切りのための表面積、またはセンサ組み立て体の縁部の第１の輸送層の表面積は、反応性化学物質の不連続な構成要素および対応する電極構造の表面積の総和から計算された、被検体反応に利用できる表面積を大幅に超過する。この比は、被検体の質量移行制限された輸送を確立させるために、被検体および共反応物の消費を制限する。

いくつかの実施形態では、反応性化学物質および電極構造の不連続な構成要素に要求される共反応物の過剰存在量は、第２の輸送材料を介した共反応物の多次元輸送を通じて第１の反応性化学物質のそれぞれの中に共反応物を輸送または拡散させることにより提供される。第２の輸送材料は、第１の反応性化学物質と密に接触しており、さらに、共反応物に対し透過性であると同時に、測定されている分子、または被検体に対しては高度に不透過性でもある。結果として生じるセンサ内への被検体の拡散流束はセンサの縁部で開始し、この縁部は、被検体入口またはセンサ内への仕切りの間の最短距離を表しており、第１の反応性化学物質および対応する電極構造に関して対称であってもよい。代替実施形態では、センサの縁部と第１の反応性化学物質との間の最短距離は、距離１５０が被検体入口の場所と第１の反応性化学物質の最も近い場所とからの最短距離を表示しているかぎり、非対称であってもよい。非対称な実施形態では、測定されている分子は、センサ組み立て体の縁部への相対距離に基づいた濃度勾配を確立する。例えば、もし第１の反応性化学物質が一つの縁部に偏っているならば、これにより、短い側および長い側は、短い側での被検体の濃度が高く長い側での被検体の濃度が低くなる。しかしながら、被検体のさらに高い濃度は、第１の輸送材料を介して第１の反応性化学物質全体にわたりそしてその周りに移動することができるので、開口および電極の非対称な配置に関連して異なる拡散勾配は、センサ性能に最小限のまたは無視できる影響しか生じない。

多くの実施形態では、第１の輸送材料を介してのセンサの中への被検体の経路は、被検体の流束濃度の現象を可能にする。被検体の流束の濃度は、第１の反応性化学物質の露出した面積と、被検体の仕切りの面積よりも実質的に低い対応する電極構造とに起因しており、そしてその被検体の消費は、ほぼ径１６０を有する構造の配列の全体にわたって生じ、この径は分離距離１５２だけ分離しており、この距離は、第１の反応性化学物質の個別の円盤と、対応する電極構造との間での被検体の枯渇を予防するまたは回避するのに充分なものである。これはさらに、第１の反応性化学物質の各円盤への独立した質量移行制限の確立を可能にし、これが今度は、センシング要素の配列全体にわたる複合的な、しかし独立した質量移行制限を生じ、この質量移行制限が今度は、本明細書に記載されたセンサに質量移送制限の全体的な特性を賦与し、よって対象の被検体に対して線形に、そしてフィックの拡散法則により定められたやり方で応答するセンサである。

径１６０を有する離間距離１５２を有する中心線に沿って離間した等しいサイズの円形の開口１１４の使用は、代表的なものであることが意図されることに留意されたい。他の実施形態には、単一のセンサ組み立て体上に形成された様々な変動する形状およびサイズを有する開口などが挙げられるが、これらには限定されない。加えて、様々な形状およびサイズにした開口は、センサ組み立て体の縁部から変動する距離に位置させることができ、さらには開口１１４どうしの間の変動する離間距離１５２を含むことができる。

図１Ｉは、本発明の実施形態に準拠した、擬似参照伝導体１０６上に露出した電極反応性表面１１６を加工した結果として生じる擬似参照電極の構造を例示する代表的な断面である。単一の被検体または多検体の電気化学的センサ設計を支援する二電極機能は、独自に設計された擬似参照電極、または組み合わせにした対向および参照電極により可能となる。擬似参照電極は、擬似参照伝導体１１６’の電極反応性表面１０６を加工することにより可能となる。一実施形態では、電極反応性表面１１６は、種層１７０と接合するように加工される。種層１７０は、水性の電気化学反応を通じて、対向するまたは補助電極機能を支援することのできる、多孔性で、高表面積、貴金属の、または電気化学的に不活性な、しかし電気伝導性の層である。多くの実施形態では、種層１７０の多孔性は、引き続いて付着、堆積、または接合される層に多孔性の構造を確立する点で役立つ。

例えば、さらなる加工は、種層１７０に参照電極材料１７２を接合する。参照電極材料１７２は、塩化銀などであるがこれには限定されない材料を使用して、安定な界面電位および高い交換電流密度を可能にする。参照電極材料１７２は、種層１７０上に同形に堆積させてもよく、これによって参照電極材料１７２が種層と同様な多孔性を示すようにし、さらに、電解質内に存在するイオンが参照電極材料１７２と種層１７０との間で自由にエレクトロマイグレーションを起こせるようにしてもよい。一実施形態では、参照電極材料１７２は、銀としてまず堆積され、そして加工を経て銀／塩化銀を形成する。

さらなる加工は、キャップ層１７４を参照電極材料１７２に同形に接合する。多くの実施形態ではは、キャップ層１７２は、水性の電気化学反応を通じて、対向するまたは補助電極機能を支援することのできる多孔性で高表面積の、電気化学的に不活性な層を形成する。多くの実施形態では、キャップ層１７２の付着は、層の内部でイオンの連通を支援する物理的に多孔性のサンドイッチ構造を作りだして、多孔性のサンドイッチ構造の半電池電位が塩化銀のそれに近似するようにする。しかしながら、補助または対向電極機能への特異的な電極反応は、キャップ層１７２または種層１７０上で優先的に生じるが、これは、電極の低インピーダンス、電解質の近さ、水素イオン、ペルオキシド、水、および酸素などの水性の電解質中の電気化学的に活性な分子と反応する能力に起因する。参照電極材料１７２とオーミック接触した電極表面に反応を導くことで、対向または補助電極反応を通じて塩化銀が消費されるのが防止され、これにより、安定な電気化学的センサ機能に要求される安定な界面電位が維持される。電極反応性表面１１６を加工した最終結果は、加工された電極反応性表面１１６’である。この開示全体を通して、用語である電極反応性表面１１６は、増強された電極反応性表面１１６’と交換可能であると解釈されるものとするが、その理由は、電極反応性表面１１６の加工を、浮遊電極のすべての実施形態を用いて随意に実行してもよいからである。

上に考察された特定の実施形態は、限定するものではなく代表的なものであることが意図される。擬似参照電極の他の実施形態は、参照電極材料のさらに少ない、もしくはさらなる層、または多孔性で高表面積の電気化学的に不活性な材料のさらに少ない、もしくはさらなる層を含むことができる。さらには、さらなる層を有する実施形態では、第１および第２の参照電極材料は、センサ性能を最適化するのに使用してもよい。同様に、多孔性、高表面積、および電気化学的に不活性なことなどの様々な特性を発揮する様々な異なる材料を、特定の用途向けに擬似電極の性能を調整するために特定の順序で選択して配置することができる。

図１Ｊは、本発明の実施形態に準拠した、作用電極１０２の配列の中の作用電極と、側部１８２ｂ上に形成された擬似参照電極との間のイオン流束１８４ａおよび１８４ｂを例示する代表的なセンサ組み立て体１００である。センサ組み立て体１００は、側部１８２ａ上に形成された作用電極１０２への電気的接続を可能にする接触パッド１８０ａとともに遠位端１０１ｂを含む。一実施形態では、接触パッド１８０ｂは、側部１８２ｂ上に形成された擬似参照電極への電気的接続を可能にする。随意に、作用電極１０２の配列により生成されたイオンは、本体界面を通じて作用電極１０２から側部１８２ｂ上の擬似参照電極へ移動しなければならない。多くの実施形態では、作用電極と擬似参照電極の間でイオンのとるセンサ外の経路は、ＧＬＭを用いたセンサにより生成されるイオン流束とは実質的に異なっている。

第１の輸送材料にヒドロゲルを利用する実施形態では、ヒドロゲル経路は、分子の流束を広く制限するように設計されたＧＬＭのような膜を上に重ねることによって狭窄されるということはない。ＧＬＭなしに、ヒドロゲル経路は、二電極システムにおいて遭遇する電圧降下を最小化するようなやり方でエレクトロマイグレーションを可能にする。電圧降下の最小化により、従来からの三電極システムを用いてさらに容易に実現できる特徴である電圧降下補償の必要性がなくなる。センサ外の流束のさらなる利点は、流束を使用して、センサ組み立て体１００を取り巻く体液を分析する能力である。ヒドロゲル経路における不連続性を意図的に作り出すことで、体液が招き入れられ、電極どうしの間でイオン輸送の経路が橋渡しされる。これはさらに電圧降下の可能性を減少させ、さらには、影響をうけることにより体液のコンダクタンスまたは浸透圧の尺度を提供するイオン経路を通じた、コンダクタンス測定を可能にする。流体コンダクタンスまたは浸透圧の測定を今度は使用して、身体の健康状態の変化を監視するといったようなことを行う、または、センサ植え込み体およびセンサの機能的完全性に対して特異的で有用な診断を提供することができる。

他の多検体実施形態では、単一の接触パッド１８０ａではなく、測定されている被検体の数に対応する複数の接触パッドを形成することができる。加えて、単一の接触パッド１８０ｂは、擬似参照電極にとっては充分である場合がある一方で、異なる実施形態は、個別の対向電極および個別の参照電極を随意に使用することができる。これらの実施形態では、接触パッド１８０ｂは、側部１８２ｂ上に形成された電極の数に対応する複数の接触パッドに分割されてもよい。

図２Ａおよび２Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極１０２の代表的な断面の擬似的な等角図、および図２Ａに例示された代表的な電極の断面図である。図２Ａおよび２Ｂに例示された実施形態は、絶縁体１０３ａと作用伝導体１０６に隣接する接着剤とを組み合わせにした層を含む。作用伝導体１０６は、絶縁体１０３ｂ内の開口１１４によって可能になる電極反応性表面１１６を有する。絶縁体１０３ｂの全体および電極反応性表面１１６の両方を覆っているのは、第１の輸送材料１０８である。図１Ａにおける実施形態から図２Ａにおける実施形態を差別化しているのは、露出した反応性表面１１６の実質的に上への、しかし開口１１４の縁部を実質的に越えては延びていない第１の反応性化学物質１１０の配置である。第１の反応性化学物質１１０は、第１の輸送材料１０８と第２の輸送材料１１２との間に挟まされている。

図３Ａおよび３Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極１０２の代表的な断面の擬似的な等角図、および図３Ａに例示された代表的な電極の断面図である。図３Ａに例示された実施形態は、第２の反応性化学物質３００を含む。多くの実施形態では、第２の反応性化学物質３００は、それが、ヒドロゲルと電極内部で望ましい特性を有する化合物／分子との、混合物、配合物、または懸濁物であり得るという点で、第１の反応性化学物質に類似している。電極が、過酸化水素を生成する酵素反応に基づいていて、過酸化水素が作用伝導体上で消費されることが意図されている実施形態では、カタラーゼまたは過酸化酵素を使用して過酸化水素の量を制御することが有益である場合がある。

例えば、電極により測定されている被検体がラクタートある実施形態では、第１の反応性化学物質１１０をラクタートオキシダーゼとすることができる。第１の輸送材料は、第１の反応性化学物質１１０へのラクタートの拡散を可能にし、そこで反応性化学物質が反応して副生成物の過酸化水素が生成され、これが電極反応性表面１１６上で消費される。しかしながら、場合によっては、過剰な量のラクタートが、電極反応性表面１１６上で効果的に低減させることのできない過剰な過酸化水素を生成し得る。加えて、過酸化水素の過剰生成は、ラクタートオキシダーゼに対し負の効果がある。過剰な量の過酸化水素を緩和するためには、第２の反応性化学物質を、過酸化水素をどちらも消費するカタラーゼまたは過酸化酵素の類から選択することができる。

図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図４Ａに例示された代表的な電極の断面図である。図４Ａおよび４Ｂでは、第２の反応性化学物質３００は、第１の反応性化学物質１１０の最上部のすみずみにわたって付着させる。さらには、第１の反応性化学物質は、第１の輸送材料１０８の層により、電極反応性表面１１６から分離される。第２の反応性化学物質３００は、ヒドロゲルの中の望ましい分子／化合物の混合物、配合物、または懸濁物とすることができるので、第２の反応性化学物質３００の全体の層は、センサ組み立て体の縁部に付着し、被検体または他の生体認識分子を第１の反応性化学物質に供給することができる。図４Ａおよび４Ｂに例示される構成を利用する代表的な実施形態には、第２の反応性化学物質が、干渉拒絶層として動作する実例などが挙げられるが、これには限定されない。干渉拒絶層として使用される場合は、第２の反応性化学物質という命名法は、第２の反応性化学物質が技術的に反応せず特定の分子または化合物を拒絶すらする場合があるという点において、技術的に誤称となる場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、第２の反応性化学物質は帯電して、特定の分子／化合物に反発するまたはこれを引き付ける場合がある。他の実施形態では、第２の反応性化学物質は、特定の分子または化合物の拡散を制限する、または限定する特性に基づいて選択されたヒドロゲルと配合または混合することができる。あるいは、図４Ａおよび４Ｂに示される実施形態はまた、図３Ａおよび３Ｂに記載されるとおり過酸化水素の生成を制御するのに使用してもよい。

図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に準拠した、電極の代表的な断面の擬似的な等角図、および図５Ａに例示された代表的な電極の断面図である。この実施形態は、第１の反応性化学物質１１０の共形の付着を避けている。この実施形態は、第１の輸送材料１０８の内部の被検体が第１の反応性化学物質１１０と反応する表面積を、測定されている被検体に応じて低減させることができる一方で、第１の反応性化学物質１１０の副生成物を生み出す面積を低減させるのが望ましいことがある。加えて、第１の反応性化学物質１１０の付着は、開口１１４と実質的に一致するものとして例示されている一方で、他の実施形態においては、第１の反応性化学物質１１０は、開口１１４を越えて延びて、さらに効果的に開口１１４を掩蔽している。さらには、物理的に可能である限り、本開示の全体を通して考察された様々な実施形態の特徴は、本明細書で考察された他の実施形態と交換可能、または組み合わせ可能であると解釈されるものとする。

図６Ａおよび６Ｂは、本発明の実施形態に準拠した、電極形状の異なる構成を利用するセンサ組み立て体１０２の代表的な代替実施形態である。図１Ａおよび１Ｂに示され考察された個別の分離した電極は、利点を有する場合もあるが、その一方で、開口の様々な他の構成を使用して、浮遊電極または擬似参照電極を作り出すことができる。図６Ａは、楕円形の電極６０２とともに円形の電極６００を含む実施形態である。図６Ｂは、浮遊電極の動作上の利点を維持しつつ、従来からの平面電極に見かけ上類似していてもよいモノリシックな楕円形の電極６０４を利用する実施形態の代表的な例示である。あるいは、６Ａまたは６Ｂのいずれかに示された電極６００、６０２、および６０４の形状は、擬似参照電極を作るのに使用される可能性がある。提供された実施例は、限定するものではなく代表的なものであることが意図され、これは、開口１１４の形状、アスペクト比、および他の特徴に変更を行うことができるからである。さらには、開口の様々な構成は、単一の被検体または多検体のセンサ組み立て体上で使用することができる。

図７は、本発明の実施形態に準拠した、電極１０２の代表的な代替実施形態である。図７における実施形態を差別化しているのは、多層構造の上に第２の輸送材料１１２を付着させる前に、輸送材料７００ａおよび輸送材料７００ｂを用いて、第１の反応性化学物質１１０を封じ込めることである。図７は、厚さが実質的に類似している輸送材料７００ａおよび７００ｂを例示する一方で、様々な実施形態では、輸送材料は、第２の輸送材料１１２および同種のものにより供給される反応物質を含む異なる分子について、厚さ、ドーピング分子、輸送係数などであるがこれらには限定されない変数を変更することにより、電極に合わせて調整することができる。例示としては、被検体／第１の反応性化学物質の反応を維持することを可能にする表面積増加が大いに促進される。酵素反応および同種のものに対して増加した表面積は、極度に低い濃度で見出される被検体または生物指標化合物を測定するように構成される電極に有用である場合がある。図７に示された実施形態は、代表的なものであることが意図される。複数の輸送材料を含む他の実施形態では、それぞれの輸送材料のそれぞれは、センサ組み立て体の選択部分または全体を覆うように選択的に付着させることができる。例えば、図７に例示されるとおり、輸送材料７００ｂは、縁部７０２ａと７０２ｂとの間に延びている。代替実施形態では、輸送材料７００ｂは、第１の反応性化学物質１１０の上に選択的に付着させてもよく、そして縁部７０２ａおよび７０２ｂまでは延びていなくてもよい。

図８は、本発明の実施形態に準拠した、浮遊電極を作り出すための動作を有する代表的なフローチャートである。フローチャートは、開始動作８００から開始する。動作８０２は、いくつかの実施形態ではステンレスのシートである伝導体をパターン形成する。伝導体のパターン形成は、対向電極、参照電極、またはさらに組み合わせにした対向参照電極などであるがこれらには限定されないセンサ組み立て体の他の構造とともに、作用電極を画定する。動作８０４は、パターン形成された伝導体に絶縁体を付着させる。いくつかの実施形態では、動作８０４において付着させる絶縁体は、パターン形成された伝導体の両側に付着させる。他の実施形態では、パターン形成された伝導体は片側に絶縁体を含み、結果として、動作８０４は、一つの側のみに絶縁体を付着させることになる。

動作８０６は、パターン形成された伝導体を覆う絶縁体をパターン形成し、これにより、電極反応性表面を露出させる。先に考察したとおり、絶縁体のパターン形成は、第１の反応性化学物質により最終的に掩蔽されることになる絶縁体に、開口を作り出す。本開示における実施形態の多くは、円形の開口として例示されている一方で、絶縁体における開口は、三角形、正方形、他の多角形、楕円形の、またはそれらの組み合わせであるがこれらに限定されないいかなる形状とすることもできる。随意の動作８０８により、電極反応性表面が増強される。多くの実施形態では、動作８０８は、銀、銀／塩化銀、白金黒、またはそれらの組み合わせなどであるがそれらには限定されない、電気化学的に増強する特性を有する電極反応性表面を電気メッキする。

動作８１０は、電極反応性表面上に第１の輸送材料を付着させる。多くの実施形態で例示のとおり、第１の輸送材料は、センサ組み立て体の表面全体を覆う。多くの実施形態では、第１の輸送材料は、測定されている被検体の拡散を可能にするその能力に基づいて少なくとも部分的に選択されるヒドロゲルである。したがって、第１の輸送材料を用いてセンサ組み立て体の縁部から縁部まで被覆することで、被検体がセンサに入ることが可能になり、第１の輸送材料は、電極の中への被検体の拡散を維持する。加えて、第１の輸送材料は、被検体と第１の反応性化学物質との間の反応の副生成物が電極反応性表面に拡散するのを可能にする。

動作８１２は、第１の輸送材料上に第１の反応性化学物質を付着させる。多くの実施形態では、第１の反応性化学物質は、反応性分子または化合物とヒドロゲルとの配合物、混合物、または懸濁物である。多くの実施形態では、第１の反応性化学物質を作るために選択されるヒドロゲルは、第１の輸送材料と同じである。他の実施形態では、第１の輸送材料ではないヒドロゲルが、第１の反応性化学物質を作るのに使用される。考察した実施形態の多くは、露出した電極反応性表面上への第１の反応性化学物質の個別の選択的な配置を利用した一方で、第１の反応性化学物質を用いた第１の輸送材料のブランケットコーティングまたは部分的なブランケットコーティング表面は、この開示の範囲を越えるとは解釈されないものとする。したがって、動作８１４は、第１の反応性化学物質の上、または第１の反応性化学物質と第１の輸送材料との組み合わせの上に第２の輸送材料を付着させる。多くの実施形態では、第２の輸送材料は、第１の反応性化学物質に反応物質を供給する能力、疎水性、および測定されている被検体に対する不透過性などであるがしかしこれには限定されない判断基準に基づいて、選択される。第２の輸送材料が、被検体の拡散に影響を受けないことが望ましい場合があるが、その理由は、第１の輸送材料の中に被検体の拡散を閉じ込める無流束境界を、それが生成できるからである。

上に考察された動作は、包括的なものではなく代表的なものであることが意図される。同一のまたは同様な構造という結果になる、さらなるまたはさらに少ない動作を実行することができる。上に考察された動作により可能になる特定の実施形態もまた、限定するものとは解釈されないものとする。むしろ、さらなる輸送材料の付着が、センサ組み立て体の異なる部分に様々な被検体を効果的に輸送するのに望ましいまたは必要である場合がある。例えば、多検体センサ組み立て体の実施形態では、第１の輸送材料を、第１の反応性化学物質を有する第１の電極配列への第１の被検体の効率的な輸送を可能にする第１の厚さで付着させてもよい。また、同じセンサ組み立て体上に配置されるのは、第１の反応性化学物質とは異なる生体認識能力を有する第２の電極配列への第２の被検体の効率的な輸送を可能にする第２の厚さを有する第２の輸送材料である。いくつかの実施形態では、複数の輸送材料が好ましい、または要求される場合がある。しかしながら、多くの実施形態では、異なる反応性化学物質への複数の被検体について濃度勾配を確立できるようにする単一の輸送材料が選択されてもよい。

浮遊電極の設計の顕著な利点は、共通の材料、例えば共通の第１の輸送材料を使用して、二つの異なる濃度で体内の二つの異なる分子／被検体に対してフィックの拡散法則に随伴する応答を生成する能力である。単一のセンサ組み立て体上に複数の作用伝導体をパターン形成することで、異なる作用伝導体への異なる反応性化学物質の選択的マスキングおよび付着が必要な多検体機能性を可能にすることができる。従来からの制限膜を使用して同様な多検体性能を実現するには、測定されている各被検体に特異的な制限膜の使用が要求されることがある。

図９Ａ～９Ｃは、本発明の実施形態に準拠する、浮遊電極の概念を利用するアパーチャ電極の異なる実施形態の代表的な断面の例示である。浮遊電極の動作概念は、「被検体センサ（ＡＮＡＬＹＴＥ ＳＥＮＳＯＲ）」と題して２０１７年３月２８日に出願され、本明細書にその全体が参照により援用されている米国特許出願第１５／４７２，１９４号明細書に記載されるアパーチャセンサの基本的概念に適用することができる。図９Ａ～９Ｃに示された断面は、センサ組み立て体１００を構成する類似または非類似の電極の配列内部にある個々の電極のものである。図９Ａに示された実施形態は、アパーチャ９００を含む作用伝導体１０６を含む。多くの実施形態では、アパーチャ９００は、作用伝導体１０６の中に形成された円形の孔部である。作用伝導体１０６の大部分を取り巻いているのは、絶縁体１０３である。多くの実施形態では、絶縁体１０３は、材料の多層から構成されることになるが、単純にするために、絶縁体１０３はモノリシックな層として例示されている。第１の輸送材料１０８は、絶縁体１０３と、露出した作用伝導体１０６の残りとの上に付着させる。図１Ｂ～１Ｄに示され記載されている実施形態と同様に、作用電極１０６は、電極反応性表面１１６を含む。図９Ａ～９Ｃに示される各実施形態では、電極反応性表面１１６は、第１の輸送材料１０８によって第１の反応性化学物質１１０から分離され、これにより、測定されている被検体の間の酸化還元酵素反応と、電極反応性表面１１６上での酸化還元酵素の副生成物の酸化とを分離する。

浮遊電極の動作構造をさらに再現するために、図９Ａ～９Ｃにおける実施形態のそれぞれにおいては、測定されている被検体は、第１の輸送材料１０８を通した拡散に制限されているが、その理由は、第１の輸送材料が、被検体に影響されないまたは被検体を透過させない第２の輸送材料１１２により、封じ込められているからである。加えて、第２の輸送材料１１２は、第１の反応性化学物質１１０と接触しており、これにより、酸素などであるがこれには限定されない必要な反応物質または補因子の効率的な移行が可能になる。

上記は、本発明の特定の実施形態を指すものである一方で、その趣旨から逸脱することなく多くの修正がなされてもよいことは理解されよう。様々な実施形態および浮遊電極の特徴は、アパーチャ電極、および２０１７年３月２８日に出願された米国特許出願第１５／４７２，１９４号明細書に開示された突出電極などの他の実施形態と組み合わせて、または混合して、異なるタイプの作用電極を有する単一の被検体から、類似または非類似のタイプの作用電極を有する多検体まで、非常に多様で堅牢なセンサ組み立て体を作り出せることが意図される。提供された特定の実施例は、複数の可能な組み合わせの例示的な実施形態であることが意図される。加えて、本開示は、浮遊電極の設計を、ＧＬＭを使用するものと比較してきた一方で、ＧＬＭまたは他の制限膜を浮遊電極の設計の一部分として使用することも可能である場合がある。さらには、本開示全体を通して提供された動作の特定の理論は、限定するものとは見なされないものとする。むしろ、本開示は、動作のいかなる特定の理論により拘束されることもなくなされている。したがって、本開示の実施形態および動作の関連する理論は例示であって制限するものではないと、あらゆる観点から見なされることが意図される。

Claims (19)

1. 電極反応性表面を有する作用伝導体と；
   第１の被検体に感度を有する第１の反応性化学物質と；
   前記第１の反応性化学物質の下に配置され、前記電極反応性表面上に付着した第１の輸送材料であって、該第１の輸送材料の露出した側面における縁部を介して第１の被検体が入り、前記第１の反応性化学物質への前記第１の被検体の流束の形成を可能にする第１の輸送材料と；
   前記第１の反応性化学物質の上に配置された第２の輸送材料であって、反応物質に対して透過性であり、前記第１の被検体に対して不透過であり、反応物質を前記第１の反応性化学物質に供給するように構成された第２の輸送材料とを含む、被検体センサであって、
   前記第１の反応性化学物質が前記電極反応性表面と接触せず、その一方で前記電極反応性表面の部分を少なくとも部分的に掩蔽するものであり、前記第１の反応性化学物質は、前記露出した側面における縁部までは延在しないものであり、
   前記第１の反応性化学物質の存在により前記第１の被検体が前記反応物質と反応する、被検体センサ。
2. 前記第１の反応性化学物質が、前記第１の輸送材料と前記第２の輸送材料との間に位置する、請求項１に記載の被検体センサ。
3. 第１の副生成物が、前記第１の反応性化学物質と反応する前記第１の被検体の生成物である、請求項１に記載の被検体センサ。
4. 前記第１の輸送材料が、前記電極反応性表面への前記第１の副生成物の流束の形成を可能にする、請求項３に記載の被検体センサ。
5. 前記第２の輸送材料が、前記露出した側面における縁部まで延在している、請求項４に記載の被検体センサ。
6. 前記電極反応性表面上に、前記電極反応性表面と接触するように、前記第１の輸送材料が付着している、請求項１に記載の被検体センサ。
7. 前記第１の輸送材料が、前記第２の輸送材料により供給される前記反応物質の流束の形成をさらに可能にする、請求項１に記載の被検体センサ。
8. 電極反応性表面を有する作用伝導体と；
   第１の被検体に感度を有する第１の反応性化学物質と；
   前記第１の反応性化学物質の下に配置され、前記電極反応性表面上に付着した第１の輸送材料であって、流体を含有する生物指標化合物からの第１の被検体の流束が、前記流体を含有する生物指標化合物から前記第１の輸送材料へ直接入り、前記第１の反応性化学物質まで通過することができるように構成された１または複数の露出した面を含む第１の輸送材料と；
   前記第１の反応性化学物質の上に配置された第２の輸送材料であって、反応物質に対して透過性であり、前記第１の被検体に対して不透過であり、前記流体を含有する生物指標化合物からの反応物質が、前記流体を含有する生物指標化合物から第２の輸送材料へ直接入り、前記第１の反応性化学物質まで通過することができるように構成された１または複数の露出した面を含む第２の輸送材料とを含む、被検体センサであって、
   前記第１の反応性化学物質が前記電極反応性表面と接触せず、その一方で前記電極反応性表面の部分を少なくとも部分的に掩蔽するものであり、
   前記第１の反応性化学物質の存在により前記第１の被検体が前記反応物質と反応する、被検体センサ。
9. 前記第１の輸送材料が、前記電極反応性表面上に配置されて、前記電極反応性表面と直接接触している、請求項８に記載の被検体センサ。
10. 前記第１の反応性化学物質が、前記第１の輸送材料上に配置されて、前記第１の輸送材料と直接接触している、請求項９に記載の被検体センサ。
11. 前記第１の反応性化学物質が、前記電極反応性表面に対して水平方向において重なっており、また前記電極反応性表面と接触していない、請求項１０に記載の被検体センサ。
12. 前記第２の輸送材料が、前記第１の反応性化学物質及び前記第１の輸送材料の両方の上方に配置されて、前記第１の反応性化学物質及び前記第１の輸送材料の両方と直接接触している、請求項１１に記載の被検体センサ。
13. 前記第２の輸送材料が前記第１の被検体に対し不透過性である、請求項１２に記載の被検体センサ。
14. 電極反応性表面を有する作用伝導体と；
    第１の被検体に感度を有する第１の反応性化学物質と；
    前記第１の反応性化学物質の下に配置され、前記電極反応性表面上に付着した第１の輸送材料であって、前記第１の反応性化学物質へと入る前記第１の被検体の流束の形成を可能にする第１の輸送材料と、
    反応物質に対して透過性であり、前記第１の被検体に対して不透過であり、反応物質を前記第１の反応性化学物質に供給する第２の輸送材料とを含む、被検体センサであって、
    前記第１の反応性化学物質は、前記第１の輸送材料と前記第２の輸送材料とにより挟まれており、前記第１の輸送材料と前記第２の輸送材料とは、前記第１の反応性化学物質の水平方向における外側の領域において互いに直接接触しており、
    前記第１の反応性化学物質が前記電極反応性表面と接触せず、その一方で前記電極反応性表面の部分を少なくとも部分的に掩蔽するものであり、
    前記第１の反応性化学物質の存在により前記第１の被検体が前記反応物質と反応する、被検体センサ。
15. 前記第１の輸送材料は、前記電極反応性表面の上方に配置されている、請求項１４に記載の被検体センサ。
16. 前記第１の反応性化学物質は、前記第１の輸送材料の上方に配置されて、前記第１の輸送材料と直接接触している、請求項１５に記載の被検体センサ。
17. 前記第１の反応性化学物質は、前記電極反応性表面と水平に重なる、請求項１６に記載の被検体センサ。
18. 前記第１の反応性化学物質は、前記電極反応性表面と接触していない、請求項１４に記載の被検体センサ。
19. 前記第２の輸送材料が前記第１の被検体に対し不透過性である、請求項１８に記載の被検体センサ。