JPH11512316A - 化学シグナル非透過性マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 化学シグナル非透過性マスク(1)は、本マスクが化学シグナルの供給源と、供給源から輸送される（例えば拡散により）化学シグナルを検知する作用電極(4)との間にあるように電解質流中に配置される。マスクの構成は、本マスクが、マスク面および作用電極の触媒表面に対して半径方向のベクトル成分を有する化学シグナル供給源からの実質的にすべての化学シグナルの輸送を防止し、それによりマスク面および作用電極の触媒表面(6)に対して実質的に垂直な化学シグナルのみが主に輸送されるようにするものである。作用電極へ向かう化学シグナルの半径方向の輸送を低減または除去することにより、本マスクは周辺効果を著しく低減または除去する。化学シグナルの半径方向の輸送によって生じる周辺効果を実質的に低減することにより、供給源の材料の任意の領域から輸送される化学シグナルの量（例えば濃度）をより正確に測定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 化学シグナル非透過性マスク 発明の分野 本発明は一般に、固体もしくは半固体、または静止した液体表面を介して拡散 する化学シグナル、特に医学的に重要な分子と関連した化学シグナルの検出に関 する。 発明の背景 電極は、電子の移動によってその中を電流が流れることができる電解質と接触 している、電気化学電池（electrochemical cell）の構成要素である。電極は、 ガルバーニ電池（電流発生性）および電解槽（electric cell）（電流消費性） の両方に必須の構成要素であり、例えば鉛、亜鉛、アルミニウム、銅、鉄、ニッ ケル、水銀、グラファイト、金または白金などの多くの導電性材料で構成される 。電極の例は、それらが電解質中に浸漬された電解槽、心臓または脳から放出さ れる電子インパルスを検出するために電極が使用される医療用装置、ならびにそ れらが電子およびイオンの放出、回収または移動の制御といった機能の1つまた はそれ以上を実行する半導体装置において見いだされる。 電解質は、イオン伝導性を提供し、それを通じて電気化学的活性種（electric ally active species）を輸送することができる（例えば拡散による）任意の物 質であってよい。電解質は、固体、液体または半固体（例えばゲルの形態）のい ずれであってもよい。一般的な電解質には、溶液中で電離する硫酸および塩化ナ トリウムが含まれる。医療分野で用いられる電解質は、時間の経過に伴う組織の 損傷を生じないように、電極と接触する組織（例えば皮膚）に十分に近いpHを有 する必要がある。 電解質中に存在する電気化学的活性種は、電極の表面で電気化学的反応（酸化 または還元）を行うことができる。電気化学的反応が起こる速度は、分子種の反 応性、電極の材料、電極に加えられる電気的ポテンシャル、および電気化学的活 性種が電極表面に輸送される効率と関連している。 静止状態にある液性溶液およびゲル電解質などの非撹拌性の電解質では、電気 化学的活性種が電極表面に輸送される主要な過程は拡散である。拡散過程の厳密 な性質は、電極の幾何学的形状（例えば、平円板状、円筒状または球状）および 電解質の幾何学的形状（例えば、半無限的大容積、ゲルの薄い円板など）によっ て決定される。例えば、半無限的大容積の電解質中における電気化学的活性種の 球状電極への拡散は、電気化学的活性種の円板状電極への拡散とは異なる。回収 される電気化学的電流と、電解質中の電気化学的活性種の濃度との間の相関性を 決定する場合には、定常的で予測可能な拡散パターン（すなわち、単純な数式に よって予測することができる拡散パターン）が不可欠である。 しかし、電極へ向かう電気化学的活性種の拡散を、あらゆる状況において単純 な数式によって予測することはできない。例えば、電気化学的活性種が、円板状 の電解質を通って、電解質と接触している小円板状の電極に向かって拡散する状 況では、電極で観察される電流を単純な数式によって予測することはできない。 この後者の状況では、拡散モデルにおける不正確さは、2種類の異なる拡散モデ ルの併用によって生じる。第1に、円板状電極の中心では、電気化学的活性種の 電極へ向かう拡散は実質的に垂直方向である。第2に、円板状電極の周辺部では 、拡散は垂直および半径方向の両方によって生じる。これらの2つの異なる拡散 パターンが共存することが、円板状電極で回収される電流全体の予測を困難にす る。さらに、軸方向および半径方向からの拡散流の相対的寄与は時間経過に伴っ て変化すると考えられ、予測される電流値にさらに誤差を生じる原因となる。 発明の概要 ある化学シグナルの輸送に対して実質的に非透過性であるマスクが、イオン伝 導性であって水および電解質を含む材料を通って拡散する電気化学シグナルを検 知する作用電極に向かって移動する化学シグナルの輸送経路に配置される。より 具体的には、本発明のマスクは、化学シグナルがそこから輸送される領域と化学 シグナルを検知するために用いられる作用電極の触媒面との間に位置する、イオ ン含有性ゲルなどのイオン伝導性材料の表面または中に配置される。マスクの構 成（例えば、形状、厚さ、マスクの構成要素など）は、マスクの面および作用電 極の触媒表面に対して半径方向のベクトル成分を有する（化学シグナルの供給源 からの）実質的にすべての化学シグナルの輸送をマスクが防止し、それにより主 としてマスクおよび作用電極の触媒面の位置に対して実質的に垂直な方向の化学 シグナルのみが輸送（例えば拡散による）されるようなものである。このため、 本マスクは、作用電極への化学シグナルの半径方向の輸送、および作用電極の周 辺部における化学シグナルの蓄積を最小限に抑える。このため、電極に到達する 化学シグナルは主に作用電極の触媒面に対して実質的に垂直な方向に輸送される 化学シグナルのみであることから、本マスクは周辺効果を著しく低減または除去 する。供給源で半径方向に輸送される可能性がある化学シグナルの進入をマスク が遮断することから、半径方向ベクトル成分を含む経路（すなわち、作用電極の 触媒面に対して実質的に垂直でない経路）を介した化学シグナルの作用電極表面 への実質的にすべての輸送の発生はマスクによって防止される。化学シグナルの 半径方向の輸送によって生じる周辺効果を実質的に低減することにより、供給源 の材料の任意の表面から輸送される化学シグナルの量（例えば濃度）をより正確 に測定することが可能である。 1つの態様において、作用電極は閉多角形（closed polygon）または閉円形（c losed circle）である。マスクは、作用電極の外周と等しいかそれよりも大きい （すなわち、その範囲を越える）外周を有する。マスクは、作用電極の触媒表面 へ向かう化学シグナルがマスク面に対して実質的に垂直であって、それにより作 用電極の触媒表面に対して実質的に垂直な方向で開口部を通過するように十分に 小さい、1つの開口部を有する。 もう1つの態様において、作用電極は環状であり、マスクは、固体で円形の小 片の外周が環状作用電極の内周の実質的に内側に外接するようにこの作用電極に 関して同心円上に配置された、固体で円形の小片から構成される。したがって、 電解質流とともにマスク面を通過する化学シグナルは、実質的には、化学シグナ ル供給源から作用電極触媒面に対して実質的に垂直な方向に輸送される化学シグ ナルのみである。 もう1つの態様において、マスクはヒドロゲル・パッチの表面に接着されてお り、マスクおよびヒドロゲル・パッチは単一のユニットとして提供される。 もう1つの態様において、マスクは、化学シグナルを観測するための装置のセ ンサー部用のハウジングと一体化した部分である。 もう1つの態様において、マスクは使用される予定の装置のあらゆる部分と独 立 しており、すなわち、マスクは別の構成要素と結合しておらず、使用者によって 使用前に電解質を含む材料と単に接触して置かれる。 本発明の1つの目的は、事実上あらゆる表面接触型の作用電極とともに用いる ことができて、電極の性能および作用電極による測定の正確性を向上させること ができる手段を提供することである。 本発明のもう1つの目的は、電極に対して半径方向ベクトル成分を伴って移動 する化学シグナルによって発生する誤差を最小限に抑えることによって、ある試 料中に存在する化学シグナルの量を正確に、かつ一貫して測定するための手段を 提供することである。 本発明のもう1つの目的は、例えばヒドロゲルなどのイオン伝導性材料を含む 電解質を通じて輸送される化学シグナルを、迅速、正確、かつ連続的に測定する ための手段を提供することである。本発明のマスクを、本明細書に記載するよう に作用電極とともに用いることにより、電極に対して垂直な経路で材料を通じて 輸送される化学シグナルの測定が、数秒から数分以内に達成される。 本発明の1つの目的は、その電気シグナルの測定および任意の供給源中に存在 する化学シグナルの量（例えば、作用電極と接触している皮膚の区域の内部およ び／もしくは下部、またはヒドロゲル・パッチの内部に存在する化学シグナルの 量）との正確な相関づけが可能であるような電気シグナルへと化学シグナルを変 換することによって、それを比例的に測定することを可能とする使い捨てアセン ブリを提供することである。 本発明の1つの利点は、作用電極およびヒドロゲルとともに本マスクを使用す ることにより、極めて微量の電気化学シグナルの測定が可能となることである。 例えば、本発明のマスクは、作用電極、電気浸透性電極、およびある被験者にお けるグルコースレベルを観測するためのヒドロゲルシステムと組み合わせて用い ることができる。電気浸透性電極（例えば、逆イオン泳動性電極）は、グルコー スをヒドロゲル中に電気的に抽出するために用いることができる。ヒドロゲル中 に含まれるグルコース酸化酵素（GOD）は、グルコースの変換を触媒し、電気シ グナルに比例的に変換することができる反応産物（過酸化水素）を生成する。そ こで電気浸透性電極のスイッチを切り、本発明の作用電極のスイッチを入れる。 作用 電極は、結果として得られた化学シグナルを触媒して、化学シグナルの量と相関 した電気シグナルに変換する。このシステムは、極めて微量のグルコース（例え ば、血液中のグルコース濃度の10、500もしくは1000分の1、またはそれ未満のグ ルコース濃度）の流入を連続的および正確に測定することを可能とする。 もう1つの利点は、このマスクは容易にかつ経済的に生産され、使い捨て式で あることである。 本マスクおよびそれとともに用いられる装置の特徴は、それが平坦で（例えば 、実質的に平面の表面を有する円板）、薄く（例えば、0.5から10ミル）、化学 シグナルの流れに対して非透過性であり、電極／マスク／ヒドロゲルのアセンブ リの各面の表面積が約0.5cm²から10cm²の範囲であることである。 本マスクの特徴は、マスクが開口部を有し、この開口部が作用電極と実質的に 同じ大きさまたはそれよりも小さいこと、すなわち、開口部の外周が作用電極の 触媒面の外周の内側に外接していることである。 本発明の上記ならびにその他の目的、利点および特徴は、全体にわたって番号 によって構成要素を示した本明細書の一部を構成する添付の図面を参照して以下 に列挙する本発明の組成物、構成成分およびサイズに関する詳細を読むことによ って当業者には明らかになると思われる。 図面の簡単な説明 図1は、本発明のマスクの円板状またはドーナツ状の態様の上からの模式図で ある。 図2Aおよび2Bは、本発明に係るマスクを備えた電気浸透性電極／作用電極／ヒ ドロゲル・パッチのアセンブリの態様の断面図である。 図3は、本発明に係るマスクを備えていない電気浸透性電極／検知電極／ヒド ロゲル・パッチアセンブリの断面図である。 図4は、グルコース酸化酵素（GOD）の触媒作用によってグルコン酸および過酸 化水素が生成する反応の模式図である。過酸化水素は続いて、作用電極で触媒さ れて分子状酸素、水素イオン2個および電子2個を生じ、この後者によって電流が 発生する。 図5は、ヒドロゲル・パッチの下方に提供された本発明のマスクの断面図であ る 。 図6は、電気浸透性電極および作用電極ならびにマスクを含むセンサーハウジ ングの上からの模式図である。 図7は、マスクの非存在下において、さまざまな期間に関して作用電極で測定 された電流を時間の関数として示したグラフである。 図8は、マスクの存在下において、さまざまな期間に関して作用電極で測定さ れた電流を時間の関数として示したグラフである。 図9は、マスクの存在下または非存在下のいずれかにおいて作用電極で測定さ れた電流の比較を、期間の数の関数として示したグラフである。 好ましい態様の説明 本発明のマスク、およびその種のものを含むアセンブリの説明および開示を行 う前に、本発明が以下に説明する特定の構成成分または組成物に制限されるもの ではなく、当然ながら変更がありうることが理解される必要がある。また、本明 細書で用いられる用語は特定の態様のみを説明するためのものであり、本発明の 範囲を制限するものではなく、本発明は添付した請求の範囲によってのみ制限さ れることも理解される必要がある。 本明細書および添付の請求の範囲において用いられるように、単数形である「 1つの（a）」「1つの（an）」および「その（the）」には、本文中で別途明確に 記載しない限り、複数形の指示物が含まれることに留意せねばならない。したが って、例えば「1つの分子（a molecule）」に対する参照には、複数の分子およ び異なる種類の分子も含まれる。 別途定義しない限り、本明細書で用いられる科学技術用語はすべて、本発明が 属する技術分野の当業者が一般に理解しているものと同一の意味を有する。本発 明の実施または試験においては、本明細書に記載したものと同様または同等の任 意の材料および方法を利用することができるが、好ましい方法および材料は以下 に記載する。本明細書に記載した刊行物はすべて、その文献に関して引用される 特定の情報を説明または開示する目的で、参照として本明細書に組み入れられる 。定義 「マスク」「非透過性マスク」または「本発明のマスク」という用語は、作用 電極に向かって移動している化学シグナルの輸送経路の内部に配置された場合に 、化学シグナル供給源から半径方向への化学シグナルの輸送を低減または防止す るような、薄く（厚さ50ミル末満、好ましくは0.5ミルから5ミルの範囲）、実質 的に平坦な材料の小片を意味する。本マスクは、イオン伝導性を有する材料の表 面に配置することも、イオン伝導性のある材料の内部の任意の位置（例えば、マ スクがその平坦な表面のそれぞれの上で材料と接触するように）に配置すること もできる。1つの模範的な構成では、マスクは、形状およびサイズが作用電極の それと実質的に同一（例えば、作用電極の形状およびサイズより小さいか等しい ）である1つの開口部を有する。したがって、開口部の外周は、作用電極の触媒 表面の外周の実質的に内部に外接している。開口部が円形である場合、その直径 は、マスクとともに用いられる作用電極の円形の触媒表面の直径と等しいか、ま たはそれよりも小さい。もう1つの模範的な構成では、マスクは材料の固形の小 片であり（すなわち、開口部を持たない）、例えば環状の作用電極とともに用い られる。この種類のマスクは、環状の作用電極に対して実質的に同心円上にある 領域に化学シグナルが進入しないように、作用電極に関して同心円状に配置され る。このマスクは、検出される化学シグナルの流れに対して実質的に非透過性で ある材料を含む。マスクおよび／またはマスク開口部は、検出可能な量の化学シ グナルの作用電極への到達を可能とし、その一方で作用電極の周辺に向かって半 径方向に輸送される可能性のある（例えば拡散による）電解質流の経路への化学 シグナルの進入を低減または防止するために十分なサイズを有する。したがって 、このマスクは「周辺効果」の流れを実質的に排除する、すなわち、シグナルが 作用電極の表面に対して実質的に垂直に流れない限り、化学シグナルが電極に接 触するのを防止する。 「作用電極」という用語は、ある化学物質の電気シグナルへの変換（例えば、 過酸化水素から電子2個、分子状酸素、および水素イオン2個への変換）を触媒す ることによって化学シグナルを検出する電極を意味する。 「触媒表面」または「触媒面」という用語は、1)電解質を含んでいて化学シグ ナルが流れる、イオン伝導性を有する材料の表面と接触しており、2)触媒性材料 （例えば、炭素、白金、パラジウム、貴金属、もしくはニッケルおよび／または これらの任意のものの酸化物および二酸化物）を含んでおり、かつ3)観測され、 電極に存在する化学シグナルの量と相関する電気シグナル（すなわち電流）への 化学シグナルの変換を触媒する、作用電極の表面を意味する。 「化学シグナル」「電気化学シグナル」または「電気化学的に活性な化合物」 とは、最終的に電気シグナルに変換され、観測装置とともに作用電極によって測 定される化学物質を意味する。ある角度をもって、すなわち半径方向ベクトル成 分を含んで、作用電極に向かって移動する化学シグナルはこのマスクによって遮 断される。「化学シグナル」は、1)電極の触媒面での化学反応によって直接的に 電気シグナルに変換されるものも、または2)1つまたはそれ以上の触媒の作用に よって間接的に電気シグナルに変換されるものも可能である。例えば、化学シグ ナルであるグルコースは、2つの触媒によって生じる反応によって間接的に電気 シグナルに変換される。第1の触媒である酵素のグルコース酸化酵素（GOD）は、 グルコースをグルコン酸および過酸化水素に変換する。続いて、過酸化水素は、 触媒性材料（例えば、作用電極の触媒面上にある金属または金属酸化物）である 第2の触媒によって電気シグナルに変換される。 「イオン伝導性材料」とは、イオン伝導性を提供し、それを介して電気化学的 活性種が輸送される（例えば拡散により）ことが可能な材料を意味する。イオン 伝導性材料は、例えば、主に水およびイオン（例えば塩化ナトリウム）を含むこ とが可能な電解質を含む固体、液体または半固体（例えばゲルの形態にある）の 材料でありうる。一般に、本材料は、材料の総重量のうち重量にして50％または それ以上の水を含む。本材料はゲル、海綿もしくはパッド（例えば、電解質溶液 に浸したもの）、または電解質を含むことが可能であり、それを介しての電気化 学的活性種、特に関心のある化学シグナルの通過を可能とする任意のその他の材 料でありうる。ヒドロゲルの形態を有するイオン伝導性材料の例は、1995年7月1 2日に提出された同時係属中の米国特許出願第08／501,664号に記載されており、 これは本明細書に参照として組み入れられる。 「化学シグナルの標的領域」とは、化学シグナルの輸送がそれに向かって生じ ることが望ましいイオン伝導性材料の表面の領域である。この化学シグナルの標 的領域は一般に、化学シグナルの観測期間中において、化学シグナルの検知手段 （例えば、作用電極の触媒面）と接触していて、イオン伝導性材料の表面と接触 している化学シグナル検知手段の部分と同一のサイズおよび形状（例えば、作用 電極の触媒面と同一のサイズおよび形状）を有するイオン伝導性材料の領域であ る。例えば、イオン伝導性材料とともに用いられる化学的検知手段が円形の作用 電極である場合には、化学シグナルの標的領域は、化学シグナルの観測期間にお いて円形の作用電極の触媒表面と接触するイオン伝導性材料の円形の領域である 。もう1つの例において、イオン伝導性材料とともに用いられる化学的検知手段 が環状の作用電極である場合には、化学シグナルの標的領域は、化学シグナルの 観測期間において円形の作用電極の触媒表面と接触するイオン伝導性材料の環状 の領域である。マスク（概論） 本発明が、作用電極と、半径方向の内側向きに輸送される化学シグナル、特に 電極の触媒表面で触媒されて電気シグナルになりうる形態の化学シグナル（例え ば、化学シグナルであるグルコースの変換に起因する過酸化水素など）との接触 を抑制するという、その意図する目的に関して有用であるためには、いくつかの 基本的な特徴を提供する必要がある。 例えば、本発明のマスクは、1つの領域（例えば、皮膚および皮膚の下部にあ る組織）から、イオン伝導性材料（例えばヒドロゲル）を介して電極表面へと輸 送される化学シグナルを検出する作用電極を含む装置である、任意の代謝産物観 測装置と接続して用いることができる。このような装置の例には、特許協力条約 出願PCT／GB93／00982号（参照として本明細書に組み入れられる）に記載された ものが含まれる。本発明で用いることを目的とするこのほかの模範的な装置、ヒ ドロゲル、および付加的な構成要素は、1995年7月12日に提出された同時係属中 の米国特許出願第08／501,664号、および弁理士明細書番号（attorney docket） 第07498／003001号として1995年9月11日に提出された「電極」と題する同時係属 中の米国特許出願に記載されたものを含み、以上の各出願はその全体が参照とし て本明細書に組み入れられ、以上の出願はその権利が譲渡される義務の下で発明 された本発明における権利が譲渡される同一対象に対して権利が譲渡される義務 の下 で発明された発明を開示する。 本発明で使用するために適した模範的なイオン伝導性材料は、親水性化合物、 水および塩を含むヒドロゲルである。この親水性化合物は、水の存在下でゲルを 形成し、一般的にはゲル中にゲルの総重量に占める重量にして約4％またはそれ 以上の量として存在する。ゲルは、ヒドロゲルの重量にして約95％またはそれ未 満の量の水を含む。塩は、水中で容易にイオン化してゲルを通じての導電性を高 める任意の塩であってよく、好ましくは塩素を含む塩（例えば、NaCl、KClなど ）である。 イオン伝導性材料の組成に関わらず、本材料の1つの面は化学シグナルの標的 領域を有する。この標的領域は、化学シグナルの輸送が所望の方向を向いた材料 の1つの面の領域、例えば、化学シグナルの検知過程において作用電極の触媒面 と接触すると考えられる材料面の領域である。好ましくは、イオン伝導性材料の 標的領域は、標的領域とほぼ同一の形状およびサイズ（例えば、円形、環状など ）を有する触媒面を備える作用電極とともに用いられる。観測の間、マスクは、 マスクの面を通って、イオン伝導性材料を通って、および化学シグナルの標的領 域に向かって化学シグナルの供給源から拡散する化学シグナルが、実質的に、化 学シグナル標的領域に対して実質的に垂直な方向に輸送される化学シグナルのみ であるように、標的領域を有する第1の材料面の反対側の第2のイオン伝導性材料 面に配置される。 本発明のマスクと組み合わせて使用することができる模範的な観測装置は、一 般に、1)その1つの面が哺乳動物被験者の皮膚などの生物的に重要な分子の供給 源と接触しているヒドロゲル・パッチ、2)哺乳動物被験者の皮膚と接触している 面と反対側のヒドロゲル・パッチの面に配置された電気浸透性電極、3)少なくと もその触媒面に触媒性材料を有する作用電極であって、電極の触媒面が電気浸透 性電極と同じヒドロゲル面と接触している作用電極、4)その電気浸透性電極を通 る電流を発生させる手段であって、その電流が、哺乳動物被験者の皮膚を通じて 、ヒドロゲル・パッチ中に、作用電極の触媒面に向かって分子を電気的に引き込 むのに役立つような手段、および5)作用電極の触媒面で発生した電流を観測する ための観測手段、を含む。または、化学シグナルは受動拡散によってヒドロゲル に 入り込んでもよく、すなわち、電気浸透性電極を備えていない集合物を用いるこ ともできる。 このような観測装置は、例えば、哺乳動物被験者（例えばヒト被験者）の血流 における代謝的に重要な化合物のレベルを観測するために用いることもできる。 本明細書で用いられるように、この例における代謝性化合物は「化学シグナル」 と呼ばれる。例えば、代謝性化合物（および化学シグナル）はグルコースであっ てよい。図4に示したように、この化学シグナルは有用な化学シグナルに変換さ れ、続いて電気シグナルに変換される。電気浸透性電極は、哺乳動物被験者の皮 膚を通して、ヒドロゲル中に、作用電極の触媒面に向かってグルコース分子を電 気的に引き込むために用いられる。ヒドロゲルは、グルコースをグルコン酸およ び過酸化水素に変換する酵素であるグルコース酸化酵素（GOD）を含む。過酸化 水素は続いて分子状酸素、水素イオン2個および電子2個に変換され、このうち後 者が作用電極中に電流を発生させる（図4参照）。電流は付属の観測装置によっ て測定され、被験者の血流中に存在するグルコースの量と相関づけられる。 ヒドロゲルの一方の側に配置された1つの電極およびマスクを備える本発明の アセンブリは、被験者の皮膚およびマスク面を通じて拡散する化学シグナルが作 用電極の触媒面に対して実質的に垂直な経路で輸送される化学シグナルのみであ るように、マスクを哺乳動物被験者の皮膚と、被験者の皮膚と接触しているヒド ロゲル面との間に配置することにより、上記の観測装置とともに用いられる。マ スクはイオン伝導性材料（例えばヒドロゲル）と化学シグナルの供給源（例えば 被験者の皮膚）との接触を完全には妨げないことが重要である。 本発明の模範的なアセンブリは、図2Aに示されているように、作用電極4およ びマスク1が円形であって、ゲル3の反対側の面にある作用電極4の直下にくるよ うに配置された開口部2をマスクが有している。マスクは化学シグナル（例えば グルコース）に対して非透過性であるため、化学シグナルはマスク中の開口部の みを通る実質的に垂直な経路を介して電気的に引き込まれる。本発明のもう1つ の模範的なアセンブリは、図2Bに示されているように、作用電極が環状（中心部 に円形の開口部を有する円形）であって、マスク1が、マスク1の外周が環状の作 用電極4の内周と外接するように、作用電極に対して同心円状に配置された固体 の円形の小 片である。本態様において、環状の作用電極はマスクの外周付近から、マスク1 および作用電極4とともに用いられるイオン伝導性材料（例えばヒドロゲル）の 外周に向かって拡がっている。例えば、円形のヒドロゲルの半径が0.95cmである 場合には、マスクの半径が約0.5cmであって作用電極の幅が約0.45cmでありうる 。 マスクの位置、および作用電極の直下以外のゲルの領域へのグルコースの進入 を妨げることにより、化学シグナルの輸送の半径方向の成分は最小限に抑えられ る。作用電極へ向かう化学シグナルの半径方向の輸送を抑えることにより、この ように半径方向に輸送される化合物が電極の周辺に蓄積することが抑制され、こ れによって本現象に付随する周辺効果が抑制される。このマスクは、例えば、半 径方向に輸送された化学シグナルの電気化学的変換に伴う測定された電流におけ る誤差が化学シグナルの量（例えば、被験者の血流中の化学シグナルの濃度など ）の測定精度に有意な影響を及ぼさない程度である、化学シグナル源から作用電 極へ向かう半径方向の少量の化学シグナルの輸送は許容されることが認識されて いる。したがって、例えば、マスクが開口部を有する場合、その開口部は、マス クとともに使用する作用電極の直径よりもわずかに大きくてよい。 (1)作用電極のサイズまたは幾何学的な表面面積、(2)ゲルの厚さ、(3)マスク 中の開口部のサイズ、および(4)開口部を取り囲むマスクの幅、はすべて互いに 相関している。例えば、ゲルの厚さが増加した場合、半径方向に輸送される化学 シグナルの除去の程度を同じにするために、開口部のサイズは小さくする必要が ある。マスク中の開口部が小さくなるほど、化学シグナルの半径方向の輸送を遮 断する能力は高くなる。化学シグナルの半径方向の輸送は減らすことが望ましい が、同時に、受け取る化学シグナルは最大であることが望ましく、マスク中の開 口部を小さくすることで化学シグナルは減少する。 望ましくない材料の蓄積などの因子に関連すると思われる理由から、ヒドロゲ ル、マスクおよび電極などの構成要素は、簡便な方法で被験者によって容易に置 換可能でなければならない。したがって、これらの構成要素のアセンブリは、一 定の構造的統合性を有するとともに、関心のある化学シグナルが検出できるよう にする必要がある。この装置は好ましくは小型（例えば、被験者の手首に装着し て用いる腕時計サイズのものなどの手持ち式）であることから、構成要素のアセ ンブリは特に薄いことが必要である。マスクの厚さは一般的には約0.5から10ミ ル（1ミルは1インチの1000分の1）であり、ヒドロゲルの厚さは約5ミルから60ミ ルの範囲、一般的には約10ミルから60ミル、通常は約600ミクロン（約24ミル） である。 化学シグナルの量（例えば、GODによるグルコースの触媒作用によって生じる 過酸化水素の量）を正確に測定し、操作を行うための十分な大きさを有するよう にするために、この装置は薄すぎても小さすぎてもよくない。ヒドロゲルの単一 表面の全表面積は約0.25cm²から10cm²の範囲にある必要があり、好ましくは0.50 cm²から5cm²である。電気浸透性および作用電極の両方を含む観測装置全体の電 極の表面積は、ヒドロゲル・パッチより小さい。一般に、観測装置における使用 に適したマスクの表面積（マスクの面積、および適用可能である場合には開口部 の面積）は、約0.1cm²から約6cm²の範囲であり、好ましくは0.25cm²から2.0cm² 、さらに好ましくは約1.0cm²である。基本的構造 図1は、本発明の模範的なマスクの上から見た模式図である。マスクは任意の 構成をとりうるが、好ましくは図1のようにドーナツ形であり、その外周は作用 電極のそれと等しいかそれよりも大きく、および／またはマスクとともに用いら れるヒドロゲル・パッチと実質的に同一である。マスクの開口部の大きさは一般 に作用電極の面積の約50％±20％である。一般に、マスクの開口部は、マスクお よび開口部を含む領域の1％から90％の範囲にある領域を構成する。マスク1は円 板状をしており、その直径はマスクとともに使用されるヒドロゲル・パッチの直 径と等しいかそれよりも小さく、その直径は約0.5cmから3.0cmの範囲であり、一 般的には約1.9cmである。一般に、マスクとともに使用されるヒドロゲル・パッ チの表面積は約0.5cm²から10cm²の範囲であり、好ましくは約1cm²から約5cm²の 範囲である。マスク1はマスク1の実質的に中心部に配置された開口部2を規定す る。開口部2の直径は、マスクとともに使用される作用電極の触媒面の直径より も小さいかそれと等しく、一般に0.4cm前後の範囲である。通常、マスクの開口 部は、作用電極の触媒面によって囲まれる全領域の約5／8±15％であり、作用電 極の触媒面と等しいかそれよりもやや大きい（例えば、触媒の表面積の100.5％ から105％）。 または、マスクを、例えば環状の作用電極とともに用いるための固体で円形の 小片で構成することもできる。この固体で円形のマスクは、固体で円形の小片の 外周が環状の作用電極の内周の実質的に内部に外接するように、環状の作用電極 に対して同心円的に配置される。このため、化学シグナルの供給源からマスクを 通って拡散する化学シグナルは、実質的に、化学シグナルの供給源からマスクの 面に対して実質的に垂直で、このため環状の作用電極の触媒面に対して実質的に 垂直な方向に拡散する化学シグナルのみである。 マスクは好ましくは薄く、一般に厚さは約0.01ミルから10ミルの範囲であり、 通常は約0.5ミルから5ミル（1ミルは1インチの1000分の1に等しい）である。本 発明のマスクとともに使用される作用電極は一般に、ヒドロゲルの幾何学的表面 の約5％から90％、好ましくは約10％から80％の幾何学的表面を有する。 マスクは、検出しようとする化学シグナル（例えばグルコース）に対して実質 的に非透過性である材料で構成され、関心のある化学シグナル以外の物質に対し ては透過性であってよい。「実質的に非透過性である」とは、マスクの材料が化 学シグナルの輸送（例えば拡散による）を低減または排除することを意味する。 このマスクは、マスクの材料を通過する化学シグナルが、マスクとともに用いら れる作用電極に有意な周辺効果を引き起こさないという条件付きで、化学シグナ ルの低レベルの輸送は許容される。非透過性マスクを作るために用いられる材料 の例には、マイラー（mylar)、ポリエチレン、ナイロンおよび種々の他の合成重 合性材料が含まれる。化学シグナル非透過性の組成物を作るために、マスクは単 一の材料で構成することもでき、2種またはそれ以上の材料で構成することもで きる（例えば、マスクは同一または異なる材料の多数の層で構成される）。 一般に、マスクのサイズ（すなわち、直径、表面積、厚さなど）、マスクの形 状（例えば、円形、卵形、環状、多角形など）、それを通じて化学シグナルが検 出されるマスク開口部のサイズ（例えば、直径、表面積など）および／または形 状（例えば、環状、円形、卵形、多角形）、マスクの組成（例えば、材料の種類 および数、層の数、マスクに透過性である化学シグナル）、本発明のアセンブリ で用いられるマスクの数（すなわち、作用電極の触媒面と化学シグナルの供給源 との間の電解質流の経路にあるマスクの数および位置）ならびにマスクの他の特 徴は、例えば、ヒドロゲル・パッチの直径、作用電極の直径、電気浸透性／作用 電極アセンブリの直径、検出しようとする化学シグナル、化学シグナルの輸送経 路の特徴（例えば、化学シグナルの拡散の特徴）ならびに観測装置の形状および サイズなどの種々の因子に応じて異なると考えられる。 マスクを作成するための方法には、当技術分野において周知の方法によるダイ 打ち抜き（die cutting）およびスタンピング（stamping）が含まれる。最も好 ましくは、マスクは、マスクの能力（例えば、関心のある化学シグナルに対する マスクの非透過性、破壊したりその操作性を損なったりせずに徒手的にマスクを 操作できること）を損なわない最も経済的な様式で製造される。マスクは、一方 または両方の表面に、コートされた感圧性接着剤を含む接着剤を有していてもよ い。さらに、マスクはヒドロゲル中を流れる1種もしくはそれ以上の化合物また はイオンを吸収する材料でコートされていてもよい。構成 本マスクは、いくつかのさまざまな構成で供給されることが可能である。これ らの構成の例として、1)ヒドロゲル・パッチとともに供給されるマスク、2)観測 装置の一体化した構成要素として供給されるマスク、または3)独立した構成要素 として供給されるマスク、が含まれる。 図5は、本発明のマスクをいかにしてヒドロゲル／マスクアセンブリ12として ヒドロゲル・パッチとともに供給しうるかを示したものである。マスク1はゲル3 の一方の面に接して配置される。マスクは、関心のある化学シグナルに対するマ スクの非透過性、またはマスク開口部を通じて、ヒドロゲルの中を通っての、化 学シグナルの電気的に誘導される移動に関するゲルの伝導性に影響を及ぼさない 、任意の適切な化学的手段（例えば接着剤）によってゲル3に接着させることが できる。アセンブリ12はやや壊れやすい（例えば、出荷または反復使用によって 破れる可能性がある）ならびに／または湿潤性および粘着性である可能性がある ため、アセンブリ12の操作性を改善するために、放出ライナー要素9および10が アセンブリ12の反対側の表面に接して配置される。放出ライナー10は、貫通性の 切れ目（例えばS形の切れ目）を含んでいてもよく、放出ライナー10を容易に除 去しうるように互いに一部重なり合った2つの部分11および13を含んでいてもよ い。使用の 前に、放出ライナー9および10はアセンブリ12から除去され、アセンブリ12は、 マスクが被験者の皮膚と接触してヒドロケルが電気浸透性および作用電極と接触 するように、観測装置のセンサーハウジング中に配置される。 もう1つの態様において、マスクは観測装置のセンサーハウジングと一体化し た構成要素である。観測装置のセンサーハウジングの1つの例は図6に示されてい る。観測装置のセンサーハウジング16には、電気浸透性電極5および作用電極4を 含む上部（top portion）15、ならびにマスクが陥凹部19に緊密に適合するよう に、マスク1の直径よりも少なくともやや小さい直径を有する開口部である開口 部17が規定された底部（bottom portion）14が含まれる。上部15および底部14は 、センサーハウジングの開開を可能とするヒンジ18によって接続することができ る。マスク1は、センサーハウジングの開口部17を覆うように永続的または除去 可能に装着される。センサーハウジングの開口部17の周辺部には、マスク1が容 易に収容され、マスク1が陥凹部19の内部に据え付けられるように、陥凹部19が 規定される。マスク、ヒドロゲル、センサーハウジング、および／または観測装 置の操作性に有意な影響を及ぼさなければ、マスクは、任意の適切な化学的手段 （例えば接触剤）または物理的手段（例えば、マスク1の辺縁を開口部17の辺縁 と溶接することによってマスクを開口部に物理的に接触させること）によって、 センサーハウジング16の底部15の中の位置に固定することができる。 アセンブリの全体は、底部14にあるマスクの上部にヒドロゲル・パッチ（図5 のゲル3の通りのもの）を挿入し、電気浸透性電極5および作用電極4がヒドロゲ ルの中央部と接触するように上部15を底部14の上の位置に置くことによって用い られる。上部15および底部14は、好ましくはセンサーハウジングの寿命を延長さ せるために、何度も開閉することができる固定手段19（例えば掛け金）の部分同 士を相互接続することによって結合させることができる。続いて、底部14の内部 に含まれるヒドロゲルが開口部2を介して皮膚と接触するように、底部14は被験 者の皮膚の上に配置される。適切に並べられた場合、マスク1内の開口部2は、ヒ ドロゲルを介して軸方向に輸送される化学シグナルがマスク開口部2を通って接 近可能であって、作用電極4の触媒面6の中心部に接触するように、作用電極4の 触媒面6のほぼ中心の下の位置に配置される。もう1つの態様において、例えば図 6に例示し たようなセンサーハウジングに挿入するために、マスクが独立した構成要素とし て提供される。マスクは、上記の部分および図6に示したように使用前に装置に 挿入され、ヒドロゲルはセンサーハウジングの底部の内部およびマスクの上に挿 入され、装置は上記のように組み立てられる。 使用される態様に関わらず、本発明のすべてのマスクは、1)検出しようとする 化学シグナルに対して非透過性である、2)その直径がマスクとともに使用される ヒドロゲル・パッチの直径と少なくとも等しいかそれよりも大きい、および3)化 学シグナル供給源からの電解質流の経路に配置された場合に、実質的に、供給源 から作用電極に対して実質的に垂直な方向に流れる化学シグナルのみが電解質流 の経路への進入を許容されるように、作用電極とともに用いられるように構成さ れている。 本マスクは一般に、電気浸透性電極（例えば、イオン泳動性または逆イオン泳 動性電極）とともに用いられる。本発明で用いるのに適した電気浸透性電極は、 1995年6月24日に提出された同時係属中の米国特許出願第08／265,844号に記載さ れており（本出願は、その全体が参照として本明細書に組み入れられ、その権利 が譲渡される義務の下で発明された本発明における権利が譲渡される同一対象に 対して権利が譲渡される義務の下で発明された発明を開示する）。 電気浸透性電極は、イオンおよび非極性分子などの材料を1つの領域（例えば 、皮膚、血液および肉体）から作用電極のある領域へと輸送させる電場を発生さ せるために用いられる。電気浸透性電極および作用電極は交互に用いられること が重要である（すなわち、電流が電気浸透性電極に存在するか、または作用電極 で発生した電極が測定されるかのいずれかであって、その両方は同時には生じな い）。 本発明で用いるのに適した作用電極には、化学シグナルを検出するための触媒 面を有するあらゆる電極が含まれる。適した作用電極の例は、弁理士明細書番号 第07498／003001号として1995年9月11日に提出された「電極」と題する同時係属 中の米国特許出願に記載されており、これは参照として本明細書に組み入れられ る。参照電極に対して作用電極および消去電極（scavenging electrode）に独立 にバイアスを与えるために、標準的なバイポテンシオスタット（bipotentiostat ）回路を用いてもよい。 上記の内容および図における記載に基づくと、本発明の作用電極が、さまざま に異なる形状で、さまざまに異なる材料から構成されうることが認識されると思 われる。定義された機械的、電気的および輸送上（例えば拡散）の特徴を維持す るために、マスクが作用電極とともに改変されることもある。 機械的には、マスクは、取り扱い上の困難さを生じる、またはマスクの能力を 大きく損なうことなく、人の指で容易に取り扱うことができるような十分な構造 的統合性を有する。好ましくは、マスクは、取り扱われる期間中に、折り目が付 いたり、破壊されたり、そのままだと生じると思われる、例えば関心のある化学 シグナルに対する非透過性を損なったりすることなしに、少なくともわずかに曲 がるよう若干の柔軟性を有する。マスクの相対的な機械的必要条件は、特定のマ スクの態様によって異なると考えられる。例えば、マスクがセンサーハウジング の一体化した部分である場合には、パッチが大きく破壊されたり、マスクの面か らすべてのパッチ材料を完全に除去することを難しくするような様式でパッチに 接着したりしないようにそれをパッチから分離することができるようにマスクを 設計することが望ましいと考えられる。 マスクは、関心のある化学シグナルに対する非透過性を維持する必要がある。 好ましくは、マスクは選択的には化学シグナルが引き出される部位（例えばヒト の皮膚（pH約7））に相対的に近いpH、および少なくともpH約4からpH9の範囲内 で機能する。用途 本発明は、電気浸透として知られる技法を用いてヒト皮膚を通って移動するグ ルコースなどの生物学的に重要な分子の検出に関して有用である。グルコースな どの分子をヒト皮膚を通じて移動させる基本的な概念は、1994年11月に発行され た米国特許第5,362,307号および1994年1月18日に発行された米国特許第5,279,54 3号に開示されており、これらは電気浸透の手段によってグルコースなどの分子 をヒト皮膚を介して移動させる基本的な概念を開示するために参照として本明細 書に組み入れられる。電流を発生させるために、グルコース酸化酵素の使用によ り、皮膚を介して抽出されるグルコースなどの極めてわずかな量の分子を変換す る という概念は、1994年6月24日に提出された出願第08／265,084号および1995年1 月10日に提出された出願第08／373,931号においてこれまでの出願で記載されて おり、本発明とともに使用するために適したヒドロゲル・パッチおよび作用電極 は、1995年7月12日に提出された同時係属中の米国特許出願第08／501,664号、お よび弁理士明細書番号第07498／003001号として1995年9月11日に提出された「電 極」と題する同時係属中の米国特許出願に記載されており、以上の各出願はその 全体が参照として本明細書に組み入れられ、その権利が譲渡される義務の下で発 明された本発明における権利が譲渡される同一対象に対して権利が譲渡される義 務の下で発明された発明を開示する。 図2Aは、本発明の模範的なマスクが、いかにして、代謝産物の観測装置（例え ばグルコース観測装置）などに用いられるヒドロゲル／電気浸透性電極／作用電 極システムとともに使用されるかを示したものである。マスク1は、ゲル3の実質 的に中心にある開口部2を備えるゲル3の面の接して配置される。作用電極4およ び電気浸透性電極5は、マスク1の反対側にあるゲル3の面に接して配置される。 作用電極4の触媒面6は、作用電極4がマスク1の開口部2の正反対側にあるように ゲル3上に配置される。マスク1に取り付けられたゲル3の面は、化学シグナルが そこを通じて拡散する表面7（例えば、ヒト皮膚などの哺乳動物の皮膚）の上に 配置される。 関心のある化学シグナル（例えばグルコース）のレベルの観測に用いられる間 は、電気浸透性電極を通じて電流が送られ、それによって被験者の皮膚を介して 分子が引き出されてヒドロゲル・パッチ内に入り込む。マスクは開口部2の部分 だけでゲル中への化学シグナルの進入を許容し、これによってパッチ中に半径方 向に輸送される化学シグナルの量のほか、作用電極に向かって半径方向に輸送さ れうる化学シグナルの量を減らす。本マスクは、ゲルを通って作用電極へ向かう 円柱様の流れを発生させ、その運動の成分として半径方向のベクトルを含む任意 の材料が電極へ向かって流れることを防止する、すなわち、材料は作用電極に対 して必ず軸方向または垂直に移動する。マスク中の開口部を通って進入すること によってパッチ中に入ることを許容される化学シグナルは、作用電極4の触媒面6 に向かう実質的に軸方向に輸送され、そこで電気シグナルに変換される。または 、 化学シグナルはゲル中の成分によって中間化合物に変換される。この中間化合物 は続いて触媒面に輸送され、そこで電気シグナルに変換される。この電気シグナ ルは、電気浸透性電極のスイッチを切り、作用電極で発生する電流を観測するこ とによって検出される。 マスクの使用およびそれに伴う利点は、観測システムにおけるグルコースの流 れを、本発明のマスクの存在下（図2Aまたは2B）と非存在下（図3）との間で比 較することによって明示される。図3は、哺乳動物被験者（例えばヒト被験者） におけるグルコースのレベルを観測するための電気浸透性電極／作用電極／ヒド ロゲル・パッチアセンブリ（本発明のマスクの非存在下）を示したものである。 上記のように、電気浸透性電極（例えば、イオン泳動性電極）5は活性化され、 被験者の皮膚7を通じてグルコース8を電気的に引き出してヒドロゲル3中へと輸 送する。イオン泳動性電極5は、被験者の皮膚7を通じてグルコース8を電気的に 引き出してヒドロゲル3中に輸送するために用いられる。グルコース8は、被験者 の皮膚7と接触したゲル3の全面にわたってゲル3に進入することを許容される。 その結果、グルコースは、作用電極4の触媒面6に実質的に垂直な領域よりはむし ろ、ゲル3の全体に存在する。ゲル3は、グルコースを過酸化水素およびグルコン 酸に変換する酵素であるグルコース酸化酵素（GOD）を含む。GODによるグルコー スの過酸化水素への変換を図3に模式的に示した。過酸化水素は、作用電極4の触 媒面6に向かって輸送され（例えば拡散による）、そこで分子状酸素、水素イオ ン2個および電子2個に変換され、このうち後者が電気シグナルを提供する。 グルコースはゲル3の全体にわたって存在するため、グルコースの酵素性変換 によって生じた過酸化水素もゲル3の全体にわたって存在する。ゲルの表面積は 作用電極のそれよりも大きいため、触媒されていない過酸化水素は、触媒面6へ 向かう化合物の半径方向の流れによって作用電極4の周辺部に蓄積する。作用電 極の周辺部における過酸化物の蓄積は、変動可能な過酸化水素の流動を生じ（す なわち、任意の時点で作用電極の周囲に存在する過酸化物の量は、ヒドロゲルを 通る実際の過酸化物の流れと直接には相関しない）、このため、作用電極での一 定の流動または測定される電流の測定における誤差を生じる。 これに対して、また図2Aおよび2Bに図示したように、本発明のマスク1は、ゲ ル 3の開口部2（図2Aの場合）またはマスク非接触部（図2Aおよび2Bの場合）のみに おいてグルコース8の進入を許容する。開口部および／またはマスク非接触性の ゲル表面は、作用電極4の触媒面6の正反対側にある。グルコース8は、ゲル3に含 まれているGODによって過酸化水素およびグルコン酸に変換される。産生される 過酸化水素は一般に、作用電極4の触媒面6の下部およびこれに対して実質的に垂 直な領域にあるゲルの内部に位置する。したがって、図3に示した過酸化水素の 半径方向の輸送の成分は除去され、作用電極の周囲での流動の増大または測定さ れる電流における誤差は生じない。 マスクおよびその他の構成要素の組成、サイズおよび厚さは変更が可能であり 、このような変更は構成要素を使用可能な期間に影響を及ぼしうる。例えば、ヒ ドロゲル・パッチをマスクと連結し、一般に約24時間の期間にわたって用いられ るように設計してもよい。その時点の後は、電極からの測定の特徴、感度および 精度において若干の劣化が生じると予測される（例えば、ヒドロゲル中の酵素の 効力の低下により）。その他の問題のために、作用電極およびヒドロゲル・パッ チ、好ましくは装置全体を、置換しなければならない。本発明は、例えば8〜12 時間といったより短い期間、または例えば1〜30時間といったより長い期間にわ たって使用される構成要素、アセンブリおよび装置も意図している。 より広い意味では、本発明のマスクは、パッチ中に引き込まれる生物学的に重 要または生物医学的に重要な物質の量に基づいて比例的に発生するシグナルの産 生によって電気化学的に検出可能な産物を生成するために、任意の生物医学的に 重要な物質をヒト被験者の皮膚を通じて抽出すること、およびその物質を別の物 質または複数の物質と反応させること（この反応は酵素の使用によって、例えば 10〜100倍またはそれ以上の速さに大きく加速される）を含む方法を実施するた めに用いることができる。上記の部分で引用した特許において示されているよう に、グルコースなどの生化学的に重要な物質を皮膚を通じて引き出すことが可能 であることはすでに確立されている（米国特許第5,362,307号および第5,279,543 号を参照のこと）。しかし、引き出される化合物の量が非常に少ないために、引 き出された材料の正確な測定および任意の基準との関連づけが不可能となって、 このような方法を有意義に用いることができない場合も少なくない。 さらに、従来のヒドロゲル／作用電極アセンブリは、化学シグナルのレベルを 正確に、迅速に、かつ連続的に観測する能力が大きく欠損していた。上記のよう に、マスクを備えていない装置では、化学シグナルは作用電極の触媒面に向かっ て半径方向に輸送され、作用電極の周辺部に蓄積し、このため、電極の辺縁の方 が電極の中心よりも化学シグナルの流動または誤差が大きいという「周辺効果」 と呼ばれる現象をもたらす。この周辺効果は、変動性の電気シグナルをもたらし 、このために化学シグナルの流動の測定に変動および不十分性をもたらす。本発 明は、発生したシグナルと、それが移動する元の領域における（例えばヒト被験 者における）分子（例えばグルコース）の量との間に直接的で正確な相関づけを 行うことができる様式で、極めて低いレベルの電気化学シグナルを検出する能力 を有する電極を提供する。 本発明は、例えばグルコースなどの生物医学的に重要な化合物の量の、例えば 血液中のその化合物の濃度に比べて1、2、または3桁も低いレベルでの非侵襲的 検出および測定を可能とする点で注目に値する。例えば、グルコースは血液中に 約5mMの濃度で存在すると考えられる。しかし、上記のシステムにおいて上述の ようにして皮膚を通じてグルコースを引き出すヒドロゲル・パッチ中のグルコー スの濃度は2〜100μMの程度である。μMの量はmMの量よりも3桁少ない。このよ うな低い濃度のグルコースを正確かつ迅速に検出する能力は、本明細書に記載す るマスクおよびその他の構成要素を備える作用電極を構築することによって達成 される。 実施例 以下の実施例は、本発明のさまざまな特定のアセンブリの作成および使用の仕 方に関する完全な開示および説明を当業者に対して行うことが目的であり、本発 明者らが発明とみなしている内容の範囲を制限するものではない。これらの実施 例において提示されるデータは、コンピュータでシミュレーションされたもの（ すなわち、データは本明細書に記載したマスクおよび電極のアセンブリのコンピ ュータモデルから得られたもの）である。本発明のコンピュータモデルは、以下 のパラメータを使用している： グルコースの拡散率：1.3×10^-6cm²／秒、 過酸化物の拡散率：1.2×10^-5cm²／秒、 酵素の速度定数：735秒^-1、 グルコースのK_M：1.1×10⁵nmol／ml、 グルコースのK_M：200nnl／ml、 初期酸素濃度：240nmol／ml、 ゲル中の酵素添加量：100U／ml、および グルコース流量：5nmol／cm²・時。 使用する数字（例えば、量、特別な構成成分など）に関して正確であるように 努力は払っているが、若干の偏差が含まれている可能性は考慮する必要がある。 別に特記しない限り、各部分は重量に占める部分であり、表面積は幾何学的な表 面積であり、温度は℃で示し、圧力は大気圧またはその近傍圧である。実施例1（グルコース観測装置―マスクなし） イオン泳動電極／白金製作用電極／ヒドロゲルアセンブリ（マスクなし）を備 えたグルコース観測装置中の白金製作用電極の表面における過酸化物の流動また は電流の誤差をコンピュータによってシミュレーションした。コンピュータに基 づく実験は、インビボでの装置の使用（例えば、ヒト被験者におけるグルコース の観測に用いる装置における様式）をシミュレーションするようにデザインした 。コンピュータシミュレーションは、ヒドロゲルへの連続的グルコース流量（5n mol／cm²・時）、ゲル中に添加したグルコース酸化酵素を18U／ml、ゲルの厚さ を600μ、ならびに1)イオン泳動（すなわち、イオン泳動電極が活性化され、グ ルコース分子が被験者の皮膚を通じ、ヒドロゲルの中を通って電気的に引き出さ れる）、および2)作用電極での電流の検出（すなわち、イオン泳動電極のスイッ チを切り、作用電極での電流を検出するための検知ユニットのスイッチを入れる ）の交代性の期間に基づくこととした。実験手順は表1に示した。 この手順を全体で20期間にわたって繰り返した。コンピュータモデルの結果は図 7に示した。 これらのデータから、作用電極で測定される電流が期間数の関数である、すな わち、作用電極での過酸化物の流量は、期間数が増えるとともに増加することが 示される。これは、ゲル内部の過酸化水素が電極に向かって半径方向に輸送され た結果として作用電極の周辺部に過酸化物が蓄積したことの直接的な結果である 。この結果、本装置は、グルコースおよび過酸化水素の連続的な流れの存在下で は、定常状態の測定プロフィールを提供することができない。実施例2―マスクあり 被験者の皮膚とヒドロゲルとの間に配置された本発明のマスクを装置が備えて いる点を除いて、同一のパラメータを用いて実施例1に記載したコンピュータモ デルを再度用いた。マスクの位置は、作用電極の触媒面に対して実質的に軸方向 への、作用電極へ向かうグルコースの輸送のみを可能とし、このため過酸化水素 は作用電極の直下にあるヒドロゲルの領域のみで生成される。したがって、作用 電極の外周の外側の位置で生成される過酸化水素の量は本質的にはなくなる。 測定された電流を期間の数の関数として表示したコンピュータモデルの結果を 図8に示した。これらのデータは、期間2の後では、電流が期間の数に依存しない ことを示している。したがって、第2〜4の期間内のみにおいて、本装置は過酸化 水素の連続的な流れの測定に関する定常状態プロフィールを提供する。実施例3―マスクありおよびマスクなし マスクを備えていない（実施例1）、およびマスクを備えた（実施例2）グルコ ース観測装置を用いて、グルコースの定常流（5nmol／cm²・時）の測定に関する コンピュータシミュレーションで得たデータを解析し、5分間の測定によって作 用電極で測定される電流を期間の数に対してプロットした（図9）。本解析によ り、マスクの非存在下では、測定された電流は期間数に強く依存することが示さ れている。本発明のマスクが装置に含められた場合には、測定された電流のプロ フィールは本質的に線形であり、このため期間数に依存しない（図9の「マスク なし」の線を参照のこと）。 本明細書では、本発明に関して最も実践的でかつ好ましい態様であると考えら れるものを示し、説明している。しかし、この内容からの逸脱も本発明の範囲内 にあり、本開示を読むことによって当業者には改変が想起されることが理解され る必要がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ティアニー マイケル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サン ジョセ ６ス ストリート 368 エヌ.

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．以下のものを備える、化学シグナルの観測を目的とする観測装置において使 用するためのアセンブリ： a)化学シグナルの標的領域を有する第1の面を有するイオン伝導性材料、およ び b)化学シグナルに対して実質的に非透過性であることを特徴とするマスクであ って、そのマスクの面を通じ、イオン伝導性材料を通じて化学シグナル標的領域 に向かって輸送される化学シグナルが、実質的に、化学シグナル標的領域に対し て実質的に垂直な方向に輸送される化学シグナルのみであるように、第1の材料 面の反対側にある第2のイオン伝導性材料面に配置されたマスク。 2．標的領域に対して実質的に垂直な方向に化学シグナルが流れる開口部をマス クが有し、マスクの外周が、マスク開口部の反対側にある第1の材料面に配置さ れた触媒面の外周を超えており、マスク内の該開口部が標的領域の外周と等しい かその内側に外接するような周囲長を有する、請求項1記載のアセンブリ。 3．マスクが固体であり標的領域が環状である、請求項1記載のアセンブリ。 4．イオン伝導性材料にグルコース酸化酵素が含まれ、化学シグナルがグルコー スである、請求項1記載のアセンブリ。 5．上部および底部を有するセンサーハウジングであって、底部が底部の内部に 底部開口部を規定するセンサーハウジング、 上部と底部との間に配置された化学シグナル非透過性マスクであって、底部開 口部の表面積よりも大きいかそれと等しい表面積を有し、マスク開口部を規定し 、マスク開口部と底部開口部とが直線上に並ぶように配置されたマスク、および センサーハウジングの上部に配置された作用電極、 を備える、化学シグナル観測装置とともに用いるためのセンサーアセンブリであ って、 センサーアセンブリを閉じた場合に、第1のヒドロゲル面がマスクと接触し、 作用電極が第1のヒドロゲル面の反対側にある第2のヒドロゲル面と接触するよう に上部が底部の真上に配置されるように、ヒドロゲルの使用前にセンサーハウジ ングの底部と上部との間に挿入され、その作用電極が底部の開口部の正反対に配 置された、センサーアセンブリ。 6．ヒドロゲル表面と接触するマスク面、マスクと接触するヒドロゲル面、およ び電極と接触する面のそれぞれの表面積が約0.5cm²から10cm²の範囲であり、マ スクの厚さが約0.5ミルから10ミルの範囲であり、ヒドロゲルの厚さが約10ミル から50ミルの範囲であって、センサーアセンブリの全体の厚さが約5ミルから60ミ ルの範囲である、請求項5記載のセンサーアセンブリ。 7．以下の段階を含む、哺乳動物被験者の血流中に存在する化学シグナルの量を 測定する方法： 哺乳動物被験者の皮膚と、a)化学シグナル非透過性マスクであって、マスク中 に開口部が規定され、皮膚と接触する第1の面を有するマスク、b)第1のマスク面 の第2の面と接触した第1の面を有するイオン伝導性材料、およびc)第1のイオン 伝導性材料面の反対側にある第2のイオン伝導性材料と接触した作用電極であっ て、マスク開口部の正反対側のイオン伝導性材料の上に配置された作用電極、を 備えたセンサーアセンブリとを接触させる段階、 被験者の血流からの化学シグナルを、被験者の皮膚を通じて、マスクに規定さ れた開口部の中へ、およびイオン伝導性材料を通じての、作用電極の触媒面に対 する実質的に軸方向へ輸送する段階、および 作用電極の触媒面での化学シグナルの電気シグナルへの触媒変換によって作用 電極で発生した電気シグナルであって、作用電極で発生した該電気シグナルが哺 乳動物被験者の血流中に存在する化学シグナルの量と相関している電気シグナル を観測する段階。 8．以下のものを含む、化学シグナルの観測に用いるためのアセンブリ： (a)水、電解質および酵素を含むイオン伝導性材料、 (b)白金、パラジウム、ニッケルならびにその酸化物、二酸化物および合金か らなる群より選択される材料を含む触媒面を有し、その触媒面がイオン伝導性材 料の第1の面と接触している作用電極、ならびに (c)第1のイオン伝導性材料面の反対側および電極(b)の触媒面の反対側にある 、イオン伝導性材料(a)の第2の面に配置された化学シグナル非透過性マスクであ って、作用電極(b)の外周と等しいかそれを超える外周を有し、その内部に、作 用電極の外周と等しいかまたはその内側に外接している周辺を有する開口部を備 える 極の外周と等しいかまたはその内側に外接している周辺を有する開口部を備える マスク。 9．以下のものを含む、化学シグナルの観測を目的とする観測装置において用い るためのアセンブリ： a)イオン伝導性材料、および b)化学シグナルに対して非透過性であることを特徴とし、イオン伝導性材料と 化学シグナルの供給源との間に配置されたマスクであって、 化学シグナルの供給源から電極の触媒面へと輸送される化学シグナルを測定する 作用電極に対して同心円的であり、さらに、マスクの面を通過する化学シグナル が触媒面に対して実質的に垂直な様式で供給源から触媒面へと輸送される化学シ グナルであるマスク。 10．イオン伝導性材料がその中に酵素を有するヒドロゲルであって、その触媒面 が、白金、パラジウム、ニッケル、その酸化物、その二酸化物およびその合金か らなる群より選択される材料を含む、請求項2記載のパッチアセンブリ。