(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体センサ内で電気化学反応を実行する方法であって、
検体に曝されたときに電気化学反応を実行するように構成されている検体センサを使用することであって、
少なくとも３個のリッジの列を含む幾何学的特徴を有する絶縁性材料を含む電気絶縁性のベース基材上に配置された少なくとも１つの電極であって、前記幾何学的特徴は、上に配置された前記電極の電気化学反応表面の表面積を増大するように選択され、前記幾何学的特徴上に配置された前記電極の前記電気化学反応表面領域の表面積対体積比が、平坦な表面上に配置されたときの前記電極の前記反応表面の表面積対体積比よりも大きい電極と、
前記電極上に配置された、グルコースオキシダーゼと組み合わせたアルブミンを含む検体感知層と、
前記検体感知層上に配置された、シロキサン化合物を含んで形成され、中を通る検体の拡散を調節する検体調節層と、
前記検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたカバー層と、
を有する検体センサを使用することと、
前記検体センサ内で電気化学反応が実行されるように前記検体センサを検体に曝すことと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記幾何学的特徴上に配置されている前記電極の前記電気化学反応表面領域で生成される前記検体への暴露に応答する電子信号は、前記電極が平坦な表面に配置されているときの前記電極の電気化学反応表面領域で生じる電子信号よりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記検体センサは、哺乳類体内に植え込み可能なように設計されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記幾何学的特徴により、前記電極の前記電気化学反応表面領域が瘤を形成することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記電気化学反応において、過酸化水素は、前記幾何学的特徴上に配置された前記電極の前記電気化学反応表面領域のところで酸化されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記幾何学的特徴上に配置された前記電極の前記電気化学反応表面領域の前記表面積対体積比は、平坦な表面上に配置されたときの前記電極の前記反応表面の表面積対体積比に比べて少なくとも１０％、２５％、５０％、７５％、または１００％大きいことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記幾何学的特徴は、少なくとも４、５、６、７、８、９、または１０個の陥凹部の列またはリッジの列を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記検体センサは、前記検体感知層上に配置されたタンパク質層を含み、前記タンパク質層は、１〜１０％（ｗ／ｖ）のウシ血清アルブミンまたはヒト血清アルブミンを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記検体センサは、作用電極および対向電極を有し、前記対向電極の表面積は、前記作用電極のサイズの１．５、２、２．５または３倍であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖尿病管理で使用されるグルコースセンサなどの検体センサの電気化学的機能を制御するためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、本願に引用して援用する、２００２年１０月１８日に出願した米国特許出願第１０／２７３，７６７号（ＵＳ−２００４−００７４７８５−Ａ１として公開）、２００４年６月４日に出願した米国特許出願第１０／８６１，８３７号、および２００５年１２月１３日に出願した米国特許出願第１１／３０１，５１２号に関係する。
【０００３】
電気化学的測定は、グルコースおよび乳酸塩などの生物学的検体を含む流体中の特定物質の濃度を判定するために広く使用されている。例えば、個人の血液中の適切なグルコース濃度を維持することは、ホメオスタシスを維持するうえで極めて重要である。正常範囲以下のグルコース濃度、つまり、低血糖は、無意識のうちの血圧低下を引き起こし、その結果死亡に至ることすらありえる。正常よりも高いレベルのグルコース濃度、つまり、高血糖は、脂肪酸とコレステロールの合成をもたらし、糖尿病患者であれば、昏睡を引き起こす可能性がある。したがって、患者の血液中のグルコース濃度の測定は、インスリン療法により血糖レベルを制御する糖尿病患者に必要なものとなっている。
【０００４】
臨床現場では、グルコースおよび／または乳酸塩レベルの正確で比較的速い決定を、電気化学センサを使用して血液試料から下すことができる。典型的な電気化学センサでは、検体は、試験環境から拡散してセンサハウジング内に入り、透過性膜を通って、作用電極に到達し、そこで、検体は化学反応を起こす。相補的化学反応は、対向電極と呼ばれるセンサハウジング内の第２の電極のところに発生する。電気化学センサは、作用電極および対向電極のところで生じる検体の酸化または還元から直接発生する電流を介して分析信号を出力する。作用電極および対向電極に加えて、電解電気化学センサは、多くの場合、参照電極と一般に呼ばれる第３の電極を備える。参照電極は、作用電極を知られている電圧または電位に維持するために使用される。
【０００５】
一般に、電気化学センサの電極は、酸化または還元反応が生じる表面（つまり、電気化学的活性表面）を備え、電極と接触している電解質溶液のイオン伝導がそれぞれの電極の電子伝導と結合して電流の完全な回路を形成する機構を実現する。定義により、酸化が生じる電極は、陽極であり、「相補的な」還元が生じる電極は、陰極である。最適なセンサでは、作用電極と対向電極とが組み合わさって、検体の濃度に両方とも関係する、また注目する範囲全体にわたって検体の複数の濃度レベルを区別するのに適している信号対雑音比をもたらす十分な強さを有する電気信号を発生する。
【０００６】
通常のタイプのグルコースまたは乳酸塩電極センサは、酵素を使用してグルコースまたは乳酸塩をその後、電気化学的に分析される電気活性生成物に変換する酵素電極を備える。例えば、このようなグルコースセンサは、電極における化学反応が、グルコースオキシダーゼなどの酵素の存在下でグルコースを変換し、その結果、過酸化水素を含む反応生成物を形成する。これらの反応において、グルコースは酸素と反応して、グルコノラクトンおよび過酸化水素を形成する。次いで、好適な電極で、過酸化水素の形成を電気信号として測定することができる。信号は、過酸化物から電極への電子の移動に続いて発生し、好適な条件の下で、酵素により触媒されて流れる電流は、グルコース濃度に比例する。酵素電極を含む乳酸塩電極センサは、同様に、乳酸オキシダーゼなどの酵素の存在下で乳酸塩を変換する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
グルコースセンサに関して、典型的な酵素電極では、血中のグルコースおよび酸素は、アスコルビン酸および尿酸などのある種のインターフェラントとともに、センサの一次膜を通して拡散する。グルコース、酸素、およびインターフェラントが、第２の膜に到達すると、グルコースオキシダーゼなどの酵素が、グルコースから過酸化水素とグルコノラクトンへの変換を触媒する。過酸化水素は、一次膜を通して逆拡散するか、またはさらに二次膜を通して拡散して電極に到達し、そこで反応して、酸素と水素イオンを形成し、グルコース濃度に比例する電流を出力することができる。グルコースおよび乳酸塩を測定するための多数のデバイスが説明されているが、それらの大半は、感度、再現性、応答速度、有効な使用回数、および／または検出範囲に関していくつかの制限がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示されている発明の実施形態は、検体センサの反応性、感度、機能性、および寿命を含むファクタを最適化するように設計されている複数の電極および／または電極複合体（例えば、作用電極と対向電極の組み合わせ）などの要素を含む電気化学的検体センサを備える。本発明の例示的な実施形態は、電極が検体に曝されたときに電極のところに生じる電気化学反応を最適化するように設計された電極層構成を含むように構成された検体センサを使用することを含む検体センサ内で電気化学反応を発生させる方法である。このような方法では、検体センサは、典型的には、ベース基材上に配置された少なくとも１つの電極を備え、このベース基材は、上に配置された電極の電気化学反応表面の表面積を増大するように選択された幾何学的特徴を備えるが、ただし幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比が平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比よりも大きい。本発明のいくつかの実施形態では、幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比は、平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比に比べて少なくとも１０％、２５％、５０％、７５％、または１００％ほど大きい。本発明のいくつかの実施形態では、検体センサ内の電極は、多孔質マトリックスを備える。そのような実施形態では、多孔質マトリックスは、同じ寸法の本質的に非多孔質のマトリックスの表面積の少なくとも２倍、４倍、６倍、８倍、１０倍、１２倍、１４倍、１６倍、または１８倍である表面積を持つことができる。
【０００９】
このタイプの構成をとるように製作された電極を有する検体センサ（例えば、電極の電気化学反応表面領域が、平坦な場合に比べて広い電気化学反応表面積を有する幾何学的形状を示すように選択されている場合）は、当業で知られているさまざまな方法により、例えば、リップ、段部、リッジ、刻み目、陥凹部、溝などを備える幾何学的特徴を含むベース基材隣接層上に電極材料（例えば、白金などの金属）を配置することにより、製作することができる。典型的には、ベース基材の幾何学的特徴により、電極の電気化学反応表面領域は瘤状の幾何学的形状などを形成する。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態では、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する複数の離散（discrete）幾何学的特徴を備える。このような複数の特徴は、陥凹部および／またはリッジなどの列、例えば、シマウマ模様に似たリッジの列などのパターンを含むことができる。適宜、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、または１０個の離散幾何学的特徴を備える。本発明の特定の実施形態では、検体センサは、さらに、検体の存在下で電極のところで電流を検出可能なように変化させる、反応表面の比較的高い表面積対体積比を有する電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層（an analyte modulating layer）との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。本発明のいくつかの実施形態では、検体センサは、哺乳類体内に植え込み可能なように設計される。適宜、電極で生じる電気化学反応は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼ、または乳酸デヒドロゲナーゼなどの哺乳類の血液中に存在する検体と反応するタンパク質を伴う。
【００１１】
本発明の関係する実施形態は、流体中の検体を検出するための検体センサであり、この装置はベース基材上に配置された少なくとも１つの電極を備え、ベース基材は、上に配置された電極上の電気化学反応表面の表面積を増大するように選択された幾何学的特徴（例えば、リップ、段部、リッジ、刻み目、陥凹部、溝など）を備えるが、ただし幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比が平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比よりも大きい。適宜、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する複数の離散幾何学的特徴を備える。典型的には、検体センサは、植え込み型であり、検体の存在下で電極のところで電流を検出可能なように変化させる、電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。本発明のいくつかの実施形態では、植え込み型検体センサは、さらに、作用電極の表面と検体感知層との間に配置された干渉除去層を備える。
【００１２】
本発明のさらに他の実施形態は、植え込み型検体センサ内の電気化学反応を調節する方法であり、この方法は、植え込み型検体センサ内の電気化学反応を実行することを含み、この植え込み型検体センサは、検体感知時に、酸素（Ｏ２）を含む電気化学反応における複数の組成物種（composition species）を還元する電子を発生する、反応表面領域を有する作用電極と、電気化学反応において複数の組成物種の還元を制御することで酸素（Ｏ２）が作用電極のところに発生する電子により還元される支配的な組成物種となるように選択される反応表面領域のサイズを持つ、電子に対する第１の親和性を有する化合物基材が電子に対する第２の親和性を有する化合物基材の親和性よりも高い親和性を示す、反応表面領域を有する対向電極と、作用電極のところで発生した電子と作用電極のところで発生した電子に対する第２の親和性を有する化合物基材との相互作用を減じるサイズとなるように選択された第２の表面領域を持つ、対向電極とを備え、これにより、植え込み型検体センサ内の電気化学反応が調節される。このような方法では、対向電極の表面積は、典型的には、作用電極のサイズの約１．５、２、２．５、または３倍である。
【００１３】
本発明の関連する実施形態は、この電極構造を含むように設計された植え込み型電気化学検体センサである。適宜、検体センサ内の作用電極および対向電極は、多孔質マトリックスを備える。それとは別に、作用電極は比較的孔のないマトリックスを備え、対向電極が多孔質マトリックスを備えるか、またはその逆に、作用電極は多孔質マトリックスを備え、対向電極が比較的孔のないマトリックスを備えるようにできる。適宜、多孔質マトリックスは、同じ寸法の本質的に非多孔質のマトリックスの表面積の少なくとも１．５倍、２倍、２．５倍、３倍、３．５倍、４倍、４．５倍、５倍、５．５倍、６倍、６．５倍、７倍、７．５倍、８倍、１０倍、１２倍、１４倍、１６倍、または１８倍である表面積を有する。適宜、植え込み型検体センサは、さらに、検体の存在下で作用電極のところで電流を検出可能なように変化させる、作用電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。
【００１４】
本発明のさらに他の例示的な実施形態は、異なる電気メッキ条件を数サイクルに分けて適用し電極を備える複数の金属層を電着することにより金属電極を製作する方法である。典型的には、この方法は、第１の表面積および基材と第１の金属層との間の第１の接着強度を有する第１の金属層を形成するように選択された第１の条件群の下で基材上に金属が電着される電気メッキの第１のサイクルを含む。次いで、この方法は、第２の表面積および第１の金属層と第２の金属層との間の第２の接着強度を有する第２の金属層を形成するように選択された第２の条件群の下で第１の金属層上に金属組成物が引き続いて電着される電気メッキの第２のサイクルを伴う。この方法において、第１および第２の条件群は、第１の条件群により形成された第１の金属層の第１の表面積よりも広い第２の表面積を有する第２の金属層および第１の金属層と第１の条件群により形成された基材との間の接着よりも大きい第１の金属層との接着を有する第２の金属層を形成するように選択される。適宜、この方法は、さらに、電気メッキの追加のサイクルを含む。このような一実施例において、この方法は、第３の表面積を有する第３の金属層を形成するように選択された第３の条件群の下で金属組成物が第２の層上に電着される電気メッキの第３のサイクルを含む。典型的には、第２および第３の条件群は、第２の金属層の密度よりも大きな密度を有する第３の金属層を形成するように選択される。本発明のいくつかの実施形態では、第３の条件群は、第２の条件群により形成された第２の金属層の第２の表面積よりも小さい第３の表面積を有する第３の金属層を形成する。
【００１５】
本発明は、さらに、センサ要素、センサセット、およびキットを含む追加の製造品も対象とする。本発明のそのような一実施形態では、上述のような検体を感知するのに有用な、キットおよび／またはセンサ要素もしくはセットが構成される。キットおよび／またはセンサセットは、典型的には、上述のように容器、ラベル、およびセンサを備える。典型的な実施形態は、容器を含み、容器内には、本明細書で開示されているような設計を有する検体センサ装置および検体センサ装置を使用するための取扱説明書が入っているキットである。
【００１６】
本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明により当業者に対し明らかにされるであろう。しかし、詳細な説明および特定の実施例は、本発明のいくつかの実施形態を示しているが、例示することを目的としており、制限する意図はないことは理解されるであろう。本発明の範囲内の多くの変更形態および修正形態は、本発明の精神から逸脱することなく作られ、また本発明は、そのようなすべての修正形態を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
断りのない限り、本明細書で使用されるすべての専門用語、表記、およびその他の科学用語もしくは術語は、本発明が関係している技術分野の当業者に通常理解される意味を有することが意図されている。いくつかの場合において、一般に理解されている意味を有する用語は、本明細書では、わかりやすく、および／または簡単に参照できるように定義されており、本明細書にそのような定義が含まれているとしても、当業で一般に理解されている内容に関する根本的な相違点を表すものと、必ずしも解釈すべきではない。本明細書で説明されているか、または参照されている技術および手順の多くは、当業者による従来の方法を用いてよく理解され、ふつうに使用されている。適宜、市販のキットおよび試薬の利用を伴う手順は、一般に、断りのない限り、メーカー側で定義したプロトコルおよび／またはパラメータに従って実行される。以下で、いくつかの用語を定義する。
【００１８】
本明細書で使用されている「検体（analyte）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、分析可能な体液（例えば、血液、間質液、脳脊髄液、リンパ液、または尿）などの流体中の物質または化学成分を指すことを含めて、通常の意味で使用される。検体は、天然物質、人工物質、代謝産物、および／または反応生成物を含むことができる。いくつかの実施形態では、感知領域、デバイス、および方法による測定のための検体は、グルコースである。しかし、限定はしないが、乳酸塩（lactate）を含む、他の検体も考えられる。血液または間質液中に天然に存在する塩、糖類、タンパク質脂肪、ビタミン、およびホルモンは、いくつかの実施形態における検体をなすものとしてよい。検体は、体液に自然に存在するか、または内因性のものとしてよく、例えば、代謝産物、ホルモン、抗原、抗体などである。それとは別に、検体は、体内に持ち込まれうるか、または外因性ものもとしてよく、例えば、撮像用の造影剤、放射性同位体、化学剤、フッ化炭素ベースの人工血液、または薬物もしくは限定はしないがインスリンを含む医薬組成物である。薬物および医薬組成物の代謝産物も、検体として考えられる。
【００１９】
本明細書で使用されている「センサ」という用語は、広義語であり、限定はしないが、検体を検出する検体監視デバイスの一部または複数の部分を含む通常の意味で使用される。一実施形態では、センサは、身体のある位置で電気化学活性のある表面、身体上の他の位置の電子的接続部、および身体に貼り付けられ、電気化学反応表面を覆う膜システムを形成するセンサ本体に通され、センサ本体内に固定される作用電極、参照電極、および適宜、対向電極を有する電気化学電池を備える。センサの一般的動作時に、生体試料（例えば、血液もしくは間質液）、またはその一部は、酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）と接触し（直接か、または１つ以上の膜もしくは領域（domains）を通過した後）、生体試料（またはその一部）が反応すると、反応生成物が形成され、生体試料内の検体レベルを決定することができる。
【００２０】
本明細書で使用されている「電気化学電池（electrochemical cell）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、化学エネルギが電気エネルギに変換されるデバイスを含む通常の意味で使用される。このような電池は、典型的には、互いに隔てられて保持され、電解質溶液と接触する２本以上の電極からなる。電極を直流電流源に接続すると、一方はマイナスに帯電し、他方はプラスに帯電する。電解質中の陽イオンは、負極（陰極（cathode））に移動し、そこで、１つ以上の電子と結合し、電荷の一部または全部を失い、低い電荷または中性原子もしくは分子を持つ新しいイオンとなり、それと同時に、陰イオンは、正極（陽極（anode））に移動し、１つ以上の電子をそこへ運び、これもまた新しいイオンまたは中性の粒子になる。これら２つの工程の全体的な結果として、電子は陰イオンから陽イオンに移動する、化学反応となる。
【００２１】
本明細書で使用されている「電気化学反応表面（electrochemically reactive surface）」および「電気活性表面（electroactive surface）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、電気化学反応が生じる電極の表面を含む通常の意味で使用される。一実施例では、作用電極は、検出される検体の酵素触媒反応により発生する過酸化水素を測定し、電流を発生させる（例えば、グルコースオキシダーゼを使用してグルコース検体を検出すると、副産物としてＨ２Ｏ２を発生し、Ｈ２Ｏ２は、作用電極表面と反応して、２個の水素イオン（２Ｈ＋）、２個の電子（２ｅ−）、および１分子の酸素（Ｏ２）を発生し、検出される電流を発生する）。対向電極の場合、還元可能な化学種、例えばＯ２は、電極表面のところで還元され、作用電極により発生する電流のバランスをとる。
【００２２】
本明細書で使用されている「感知領域（sensing region）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、特定の検体の検出に関わる監視デバイスの領域を含む通常の意味で使用される。例示的な実施形態では、感知領域は、非導電性の身体、作用電極、参照電極、および身体上に電気化学反応表面を形成する身体を通り、身体内に固定される対向電極、身体上の他の場所にある電気接続手段、および電気化学反応表面を覆う１つ以上の層を備えることができる。
【００２３】
本明細書で使用されている「電位（electrical potential）」および「ポテンシャル（potential）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、電流の流れる原因となる回路内の２地点の間の電位差を含む通常の意味で使用される。本明細書で使用されている「システム雑音（system noise）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、例えばガウス、運動関連、フリッカー、速度論、または他の白色雑音を含むことができる望ましくない電気または拡散関連の雑音を含む通常の意味で使用される。
【００２４】
本明細書で使用されている「インターフェラント（interferants）」および「干渉化学種（interfering species）」という用語は、広義語であり、限定はしないが、センサ内の注目する検体の測定に干渉し、検体測定結果を正確に表さない信号を発生する効果および／または化学種（species）を含む通常の意味で使用される。電気化学センサの一実施例では、干渉化学種は、測定される検体と重なる酸化電位を持つ化合物である。
【００２５】
以下で詳述されるように、本発明のいくつかの実施形態は、注目する検体の濃度または流体中の検体の濃度または存在を示す物質を測定する電気化学センサの使用に関係する。いくつかの実施形態では、センサは、連続デバイス、例えば、皮下的、経皮的、または欠陥内のデバイスである。いくつかの実施形態では、デバイスは、複数の間欠的血液試料を分析することができる。本明細書で開示されているセンサ実施形態は、侵襲性、低侵襲性、および非侵襲性の感知技術を含む、知られている方法を使用して、注目する検体の濃度を示す出力信号を発生することができる。典型的には、このセンサは、インビボまたはインビトロの検体の測定として酸素の存在下で検体と酵素との間の酵素反応の生成物または反応物を感知するタイプのセンサである。このようなセンサは、典型的には、体液が通り、体液中の検体が酸素の存在下で酵素と反応して生成物を発生する酵素を囲む膜を備える。次いで、生成物は、電気化学的方法を使用し、したがって、検体の測定として電極システム機能の出力を使用して測定される。いくつかの実施形態では、センサは、検体を測定するために電流測定、電量分析、電気伝導測定、および／または電位差測定技術を使用することができる。
【００２６】
本明細書で説明されている発明の実施形態は、例えば、それぞれ本願に引用して援用する、米国特許出願第２００５０１１５８３２号、米国特許第６，００１，０６７号、米国特許第６，７０２，８５７号、米国特許第６，２１２，４１６号、米国特許第６，１１９，０２８号、米国特許第６，４００，９７４号、米国特許第６，５９５，９１９号、米国特許第６，１４１，５７３号、米国特許第６，１２２，５３６号、米国特許第６，５１２，９３９号、米国特許第５，６０５，１５２号、米国特許第４，４３１，００４号、米国特許第４，７０３，７５６号、米国特許第６，５１４，７１８号、米国特許第５，９８５，１２９号、米国特許第５，３９０，６９１号、米国特許第５，３９１，２５０号、米国特許第５，４８２，４７３号、米国特許第５，２９９，５７１号、米国特許第５，５６８，８０６号、米国特許第５，４９４，５６２号、米国特許第６，１２０，６７６号、米国特許第６，５４２，７６５号、さらに、国際公開第０１／５８３４８号、国際公開第０４／０２１８７７号、国際公開第０３／０３４９０２号、国際公開第０３／０３５１１７号、国際公開第０３／０３５８９１号、国際公開第０３／０２３３８８号、国際公開第０３／０２２１２８号、国際公開第０３／０２２３５２号、国際公開第０３／０２３７０８号、国際公開第０３／０３６２５５号、国際公開第０３／０３６３１０号、および国際公開第０３／０７４１０７号、ならびに欧州特許出願第１１５３５７１号を含む、さまざまな知られている電気化学センサを使用して適合され、実装されうる。
【００２７】
本明細書で開示されている発明のいくつかの実施形態は、例えば、糖尿病患者の血糖値の皮下または経皮的監視で使用されるタイプのセンサを実現する。糖尿病および他の生死に関わる疾病を治療するためにさまざまな植え込み型電気化学バイオセンサが開発されている。多くの既存のセンサ設計では、ある種の形態の固定化酵素を使用して生体特異性をもたらす。例えば、第１種のグルコースセンサ設計では、作用電極上にスプレーまたはスピンコートされ、グルタルアルデヒドと架橋された、グルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）とウシ血清アルブミンの非常に薄い（＜１ミクロン）層を使用する。それとは別に、第２種のグルコースセンサ設計では、典型的には、グルタルアルデヒドなどの架橋剤とともに架橋されたＧＯｘおよびヒト血清アルブミンを含む、センサマトリックスタンパク質（ＳＭＰ）と呼ばれる厚い（〜１ｍｍ）ヒドロゲルを使用する。互いに関して、２つの上記の種類のセンサ設計の固定化酵素は、センサの耐用寿命を延ばす、異なるいくつかの利点を有する。固定化ＧＯｘが過酸化物消費電極にかなり近いため、第１種のセンサ設計は、著しく低い酵素失活率定数（enzyme deactivation rate constants）を有するものと考えられる。対照的に、第２種のセンサ設計で使用される厚いＳＭＰは、第１種に比べて数桁ほど大きな酵素を組み込むことができる。
【００２８】
多くのセンサ設計では、機能する酵素ヒドロゲルマトリックスなどのマトリックス（または複数のマトリックス）を使用する。「マトリックス（matrix）」という用語は、本明細書では、何かのものの当業で受け入れられている意味に従って使用され、その何かのものの中で、あるいはその何かのものから、他のものが由来する、発生する、または形をなす、および／または発見される。例えば、例示的な酵素ヒドロゲルマトリックスは、典型的には、グルタルアルデヒドなどの架橋剤とともに架橋されポリマネットワークを形成するバイオセンシング酵素（例えば、グルコースオキシダーゼまたは乳酸オキシダーゼ）およびヒト血清アルブミンタンパク質を含む。次いで、このネットワークは、水溶液で膨らまされ、酵素ヒドロゲルマトリックスを形成する。このヒドロゲルの膨張度は、数週間にわたり、頻繁に増大するが、おそらく、ネットワーク架橋の分解のせいである。その原因に関係なく、この膨張の観察される結果は、外側センサ管内に切り込まれた孔または「窓」の外へのヒドロゲルの突出である。これにより、センサの寸法は、設計仕様を超え、分析性能に悪影響を及ぼす。
【００２９】
本明細書で説明されている発明のいくつかの実施形態は、材料特性を高められたセンサ要素とそのような要素から製作されるセンサとを形成する。本開示では、さらに、そのようなセンサを製作する方法と使用する方法も提示する。本発明のいくつかの実施形態は、グルコースおよび／または乳酸塩センサに関するものであるが、本明細書で開示されているさまざまな要素（例えば、電極および電極設計）は、当業で知られている広範なセンサのうちのどれか１つと併用するように適合されうる。検体センサ要素、アーキテクチャ、および本明細書で開示されているそれらの要素を製作する方法および使用する方法は、さまざまな層化されたセンサ構造を確立するために使用されうる。本発明のこのようなセンサは、驚くべき柔軟度および融通性を示し、この特徴により、広範な検体化学種を調べるために広範なセンサ構成を設計することができる。
【００３０】
本発明の典型的な実施形態では、検体濃度を処理可能な信号に変換する作業は、電気化学的手段によって行われる。これらの変換器は、当業で知られている広範な電流測定、電位差測定、または電気伝導測定ベースセンサのどれかを備えることができる。さらに、本発明のセンサ微細加工技術および材料は、実質的に非平面状の、またはそれとは別に、実質的に平面状に加工された他のタイプの変換器（例えば、音波感知デバイス、サーミスタ、ガス感知電極、電界効果トランジスタ、光およびエバネセント場導波路など）に応用することができる。バイオセンサにおいて利用できる変換器、さらにはそれぞれのタイプの変換器またはバイオセンサが、一般的に使用されうる種類の分析応用事例の有用な説明および表は、「Ｔｒｅｎｄｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈ．１９８４，２（３），５９−６５」におけるクリストファー・アール・レーベ（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｒ．Ｌｏｗｅ）の論文にある。
【００３１】
本発明の具体的態様について、以下の節で詳述する。
【００３２】
Ｉ．本発明の典型的な要素、構成、および検体センサ
Ａ．本発明の最適化されたセンサ要素
本明細書で開示されているセンサの実施形態は、材料特性が高められた１つ以上のセンサ要素を組み込む。本発明の実施形態は、それらの要素を備えるセンサおよびそれらを製造し、使用する方法を含む。本明細書で開示されている発明の実施形態は、検体センサの反応性、感度、機能性、および寿命を含むファクタを最適化するように設計されている複数の電極および／または電極複合体（例えば、作用電極と対向電極の組み合わせ）などの要素を含む電気化学的検体センサを備える。本発明のいくつかの特定の実施形態は、注目する検体の感知において機能する電気化学反応を最適化するように設計される。本明細書で開示されている発明の最適化された実施形態は、広範なセンサの方法および設計に利用され、および／または応用されうる。以下の節では、本発明の例示的なセンサ要素、センサ構成、および方法に関する実施形態について説明する。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態は、センサの安定性を高めるように設計されている。以下で詳述されるように、本発明の実施形態は、異なる機能構成要素からなる複数の隣接する層を有する検体センサを備える。当業で知られているように、複数の層を備えるいくつかのセンサでは、それらの層の１つ以上が、不安定になり、隣接する層から一部または全部分離する可能性がある。そのような層剥離事象は、異なる複数の構成要素のうちの１つ以上の構成要素の機能を損ない、その結果、センサの機能、例えば、その長期間安定性に悪影響を及ぼしかねない。このような背景状況において、いくつかのセンサ実施形態において、一連の平坦で、一様な層が、典型的には、層間で良好な接着力を有し、したがって、粗い、および／または多様な形の構成要素からなる本質的に異なる層を有するセンサに比べて安定していることが観察される。
【００３４】
層剥離の問題を示しうる層の一実施例は、例えば、電極材料の瘤（例えば、白金黒）がベース基材上のこの特徴の上に形成する原因となるエッジまたは段部を有するベース基材上に白金電極層が被着されたときに不規則な表面を形成するようにベース層上に被着される電極層である。これは、例えば、白金黒が、すでにセンサ内にある材料の側、例えば、絶縁組成物のエッジに成長するような形でセンサ内に配置されている場合に発生する可能性がある。このような背景状況において、本発明の一実施形態は、複数の層を含む検体感知デバイス内の層に一様性に寄与する方法であり、この方法は、デバイス内で使用される電極をベース基材上に配置することを含み、ベース基材は、本質的に平坦な、または支配的に平坦な幾何学的形状を示し、これによりベース基材上に配置されている電極が比較的平坦な幾何学的形状となり、検体感知デバイス内の層の一様性に寄与するように選択される。この方法では、センサは、センサ内にすでに存在している幾何学的特徴上に電極材料を被着することを回避する工程に従って製造できる。適宜、ベース基材は、電極が配置されている領域内に配置された絶縁組成物により生じるリッジ、リップ、段部、またはエッジ上に電極を配置するのを回避することにより平坦な幾何学的形状を示すように選択される。
【００３５】
本発明の関連する実施形態は、複数の層を備える検体感知デバイス内の層の一様性に寄与する方法であり、この方法は、デバイス内で使用される電極をベース基材上に配置し、次いで、ベース基材上にそのように配置されている電極の一部を取り除くことを含み、取り除かれるベース基材上に配置される電極の部分は、電極が配置されている領域内に配置されている複数の層のうちの他の層内に存在するリップ、段部、エッジなどに電極が配置されている結果生じる出っ張りなどの不規則な特徴である。この方法では、出っ張りまたは瘤が取り除かれる電極を有する結果として得られる層は、出っ張りが取り除かれない層に比べて一様性の高い表面を示す。このような出っ張りは、当業で知られているさまざまな方法のうちの１つにより、例えば、機械的または化学的工程を介して取り除くことができる。典型的には、検体センサ内の１つ以上の層の一様性に寄与するこれらの方法は、複数の層内で１つの層の層剥離を抑制する結果をもたらす。検体センサ内の１つ以上の層の一様性に寄与するこれらの方法は、さらに、センサ安定性を高め、例えば、センサのインビボ安定性を高めることができる。
【００３６】
上記の理由に鑑みて、この現象を熟知している当業者であれば、複数の一様な層を有するセンサを製作する気になるであろう。しかし、本明細書で開示されているように、状況によっては、ふつうと違う、および／または非一様な幾何学的形状を持つ電極表面を有するセンサは、予期しない、また望ましい特性を有することが発見されている。特に、電極上の電気化学的活性表面の表面積を増大するように選択された幾何学的特徴を備えるベース基材上に電極材料（例えば、白金）が被着されるように設計されたセンサは、検体に応答してより大きな信号を発生する能力、低い信号対雑音比、および寿命が長いこと、特に、インビボでの寿命が長いことなどの、多数の有利な特性を示す。ところが驚いたことに、本発明のいくつかの実施形態では、これらの整形された電極の有利な特性は、電極層が一様性を欠いていることで生じる有害な影響に勝る。この予期しない観察結果が、後述の発明のいくつかの実施形態の基礎をなしている。
【００３７】
本発明の例示的な一実施形態は、電極が検体に曝されたときに電極のところに生じる電気化学反応を最適化するように設計された電極層構成を含むように構成された検体センサを使用することを含む検体センサ内で電気化学反応を発生させる方法である。このような方法では、検体センサは、典型的には、ベース基材上に配置された少なくとも１つの電極を備え、このベース基材は、上に配置された電極の電気化学反応表面の表面積を増大するように選択された幾何学的特徴を備えるが、ただし幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比が平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比よりも大きい。適宜、電極は、さらに、多孔質マトリックスを備える。いくつかの実施形態では、多孔質マトリックスは、同じ寸法の本質的に非多孔質のマトリックスの表面積の少なくとも２倍、４倍、６倍、８倍、１０倍、１２倍、１４倍、１６倍、または１８倍である表面積を有する。
【００３８】
本発明のいくつかの方法論的実施形態では、このタイプの構成をとるように構成された電極を有する検体センサ内で電気化学反応が実行されるように検体センサを検体に暴露した場合、幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面積に発生する検体への暴露に応答する電子信号は、電極が平坦な表面上に配置されているときの電極の電気化学反応表面積で発生する電子信号よりも大きい。同様に、本発明のいくつかの方法論的実施形態では、このタイプの構成をとるように構成された電極を有する検体センサ内で電気化学反応が実行されるように検体センサを検体に暴露した場合、幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面積を有する検体センサのインビボ寿命は、電極が平坦な表面上に配置されているときの電極の電気化学反応表面積上に発生する電子信号を有する検体センサのインビボ寿命よりも長い。
【００３９】
特定の科学理論により束縛されてはいないが、より複雑な幾何学的形状をとるように構成された検体センサで観察される非常に望ましい特性は、これらの電極の電気化学反応表面領域のサイズの相対的増加によるものであると考えられる。特に、そのような電極の幾何学的形状を使用する本発明の実施形態は、検体と反応し、検体を感知するためにより広い電気化学反応表面積を形成するが、センサ内の電極層により占有される全空間の大きさは、本質的に変化しないか、または変化してもごくわずかであると考えられている。これにより、小さな空間内に広い表面積が生じる。小さな空間内に広い表面積を生じるように細かく折り畳まれた器官である、人間の脳でも同様の現象が観察される。特に、人間の脳の大脳皮質は、非常に複雑に入り組んでいるが、このことは、多数の折り畳みとひだがあり、その畳み込みにより、脳の広い表面積（および関連する多数のニューロン）が比較的狭い頭蓋骨内に収められていることを意味する。本発明のいくつかの実施形態では、幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比は、平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比に比べて少なくとも１０％、２５％、５０％、７５％、または１００％ほど大きい。
【００４０】
このタイプの構成をとるように製作された電極を有する検体センサ（例えば、電極の電気化学反応表面領域が、平坦な表面に配置されていた場合に比べて広くなるように幾何学的特徴上に配置される場合）は、当業で知られているさまざまな方法により、例えば、リップ、段部、リッジ、刻み目、陥凹部、溝などを備える幾何学的特徴を含むベース基材隣接層上に電極材料（例えば、白金などの金属）を配置することにより、製作することができる。典型的には、ベース基材の幾何学的特徴により、電極の電気化学反応表面領域は瘤などを形成する。ベース基材上への電極の被着は、高い表面積対体積比を有する電極を生成する一手段であるが、それらの特性を有する電極は、当業で知られている他の工程によっても形成されうる。例えば、本発明の代替実施形態では、高い表面積対体積比を有する電極は、予め作っておき、その後、検体センサ内に配置できる。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態では、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する複数の離散幾何学的特徴を備える。このような複数の特徴は、陥凹部および／またはリッジなどの列、例えば、シマウマ模様に似たリッジの列などのパターンを含むことができる。本発明のいくつかの実施形態では、センサは、電極材料が被着されうるこれらの複数の特徴を備えるように製造される。適宜、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、または１０個の離散幾何学的特徴を備える。本発明の特定の実施形態では、検体センサは、さらに、検体の存在下で電極のところで電流を検出可能なように変化させる、反応表面の比較的高い表面積対体積比を有する電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。本発明のいくつかの実施形態では、検体センサは、哺乳類体内に植え込み可能なように設計される。適宜、電極で生じる電気化学反応は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼ、または乳酸デヒドロゲナーゼなどの哺乳類の血液中に存在する検体と反応するタンパク質を伴う。本発明のいくつかの実施形態では、電気化学反応において、過酸化水素は、ベース基材の幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応性表面領域のところで酸化される。
【００４２】
本発明の関係する実施形態は、流体中の検体を検出するための検体センサであり、この装置はベース基材上に配置された少なくとも１つの電極を備え、ベース基材は、上に配置された電極上の電気化学反応表面の表面積を増大するように選択された幾何学的特徴（例えば、リップ、段部、リッジ、刻み目、陥凹部、溝など）を備えるが、ただし幾何学的特徴上に配置された電極の電気化学反応表面領域の表面積対体積比が平坦な表面上に配置されたときの電極の反応表面の表面積対体積比よりも大きい。適宜、検体センサは、複数の電気化学反応電極表面を有する複数の離散幾何学的特徴を備える。典型的には、検体センサは、植え込み型であり、検体の存在下で電極のところで電流を検出可能なように変化させる、電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。本発明のいくつかの実施形態では、植え込み型検体センサは、さらに、作用電極の表面と検体感知層との間に配置された干渉除去層を備える。
【００４３】
本発明のさらに他の実施形態は、植え込み型検体センサ内の電気化学反応を調節する方法であり、この方法は、植え込み型検体センサ内で電気化学反応を実行することを含み、このセンサは、電子に対する第１の親和力が酸素（Ｏ２）の親和力以上である化合物基材と相互作用する電子を作用電極における電気化学反応が発生する、第１の表面積を有する作用電極および、作用電極のところに発生する電子と作用電極のところに発生する電子に対する第２の親和力を有する化合物基材との相互作用を減じるサイズとなるように第２の表面積が選択される、電子に対する第２の親和力が酸素（Ｏ２）の親和力以下である化合物基材を有する作用電極を備え、これにより、植え込み型検体センサ内の電気化学反応が調節される。
【００４４】
本発明の密接に関連する実施形態は、植え込み型検体センサ内の電気化学反応を調節する方法であり、この方法は、植え込み型検体センサ内で電気化学反応を実行することを含み、このセンサは、検体感知時に、酸素（Ｏ２）を含む電気化学反応内の複数の組成物種を還元する電子を発生する、反応表面積を有する作用電極と、対向電極の反応表面領域のサイズ（例えば、作用電極の反応表面領域のサイズに関する）は、電気化学反応における複数の組成物種の還元を制御することで酸素（Ｏ２）がセンサの機能寿命にわたって作用電極のところに発生する電子により還元される支配的な組成物種となるように選択され、これにより、植え込み型検体センサ内の電気化学反応がセンサの寿命期間中に調節される、反応表面積を有する対向電極とを備える。「支配的（predominant）」という用語は、本明細書では、最も頻繁である、またはありふれていることを示す当業で受け入れられている意味に従って使用される。このような一実施形態の例示的な一実施例では、作用電極で発生した電子の５１％は、センサの耐用期間中に酸素（Ｏ２）種を還元する。
【００４５】
電気化学反応において酸素（Ｏ２）種を選択的に還元するように考案された方法（および関連するセンサアーキテクチャ）は、当業の既存実施形態に勝る驚くべき利点を多数有する。したがって、作用電極の反応表面領域のサイズに関する対向電極の反応表面領域のサイズが複数の組成物種の還元を制御するように特に選択された要素を用いてセンサを製作することにより、検体の感知は、制御された環境内で行われる。この方法で、このセンサ構造は、検体センサが使用されている期間中に電気化学反応環境の一貫性をより高く維持する（その結果、電気化学反応により発生する信号の一貫性が高くなる）。例えば、検体センサが、検体感知でタンパク質グルコースオキシダーゼなどの酸化酵素を使用する場合、このセンサ構造を使用し、酸素（Ｏ２）がセンサの機能的耐用期間中に作用電極に発生する電子により還元される支配的な組成物種となるように電気化学反応を制御し、センサ信号を供給する機能を有する電気化学反応に対する安定した反応環境を用意することで利益がもたらされる。
【００４６】
異なるサイズの作用電極と対向電極を有する検体センサを当業で説明することができるが、当業では、本明細書で説明されている発明、例えば、説明されている方法により電気化学反応を制御するように特に設計されている要素を含むように（つまり、酸素（Ｏ２）が作用電極のところに発生する電子により還元される支配的な組成物種となるように）製作されたセンサを教示または示唆することができない。それに加えて、本明細書で開示されているセンサの実施形態は、電極のサイズだけでなく、作用電極の反応表面領域のサイズに関して対向電極の反応表面領域のサイズを変化させるように設計されている。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、対向電極と作用電極は、ほぼ同じサイズのものとすることができる。このような実施形態では、対向電極は、対向電極の反応表面領域のサイズが大きければ大きいほど（例えば、作用電極の反応表面積のサイズに関して）電気化学反応における複数の組成物種の還元が制御され、酸素（Ｏ２）が、作用電極のところに発生する電子により還元される支配的な組成物種となる、より大きな表面積／サイズ比（例えば、多孔質マトリックスを使用して製作されたもの）をもたらすアーキテクチャを示すように製作されうる。
【００４７】
適宜、上記のアーキテクチャを有する検体センサ内の作用電極および対向電極は、多孔質マトリックスを備える。それとは別に、作用電極は比較的孔のないマトリックスを備え、対向電極が多孔質マトリックスを備えるか、またはその逆に、作用電極は多孔質マトリックスを備え、対向電極が比較的孔のないマトリックスを備える。適宜、多孔質マトリックスは、同じ寸法の本質的に非多孔質のマトリックスの表面積の少なくとも２倍、４倍、６倍、８倍、１０倍、１２倍、１４倍、１６倍、または１８倍である表面積を有する。このような方法では、対向電極の表面積は、典型的には、作用電極のサイズの約１．５、２、２．５、または３倍である。適宜、植え込み型検体センサは、検体の存在下で作用電極のところで電流を検出可能なように変化させる、作用電極上に配置された検体感知層と、検体感知層上に配置されたオプションのタンパク質層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたオプションのカバー層とを備える。
【００４８】
本発明の関連する一実施形態は、作用電極のところで生じる電気化学反応が電子に対し第１の親和性を有する化合物基材および電子に対する第２の親和性を有する化合物基材と相互作用する電子を発生し、電子に対する第１の親和性を有する化合物基材が電子に対する第２の親和性を有する化合物基材の親和性よりも高い親和性を示す、第１の表面領域を有する作用電極と、作用電極のところで発生した電子と作用電極のところで発生した電子に対する第２の親和性を有する化合物基材との相互作用を減じるサイズとなるように選択された第２の表面領域を持つ、対向電極と、検体感知層が検体の存在下で作用電極のところで電流を検出可能なように変化させる、作用電極上に配置された検体感知層と、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層またはタンパク質層上に配置された接着促進層と、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層と、さらに検体調節層の少なくとも一部の上にある開口を含む、検体調節層の少なくとも一部に配置されたカバー層とを備える植え込み型電気化学検体センサである。
【００４９】
Ｂ．典型的なセンサ構成を示す線図
図２は、本発明の典型的なセンサ構造１００の断面を例示している。センサは、典型的にはセンサ構造を形成するために本発明の方法により互いの上に配置されるさまざまな導電性構成要素と非導電性構成要素とを含む層の形態である複数のコンポーネントから形成される。センサのコンポーネントは、例えば図２に示されているセンサ構造の簡易な特徴付けを可能にするので、本明細書において層として典型的に特徴付けられる。しかし、当業者であれば、本発明のいくつかの実施形態において、複数の構成要素が１つ以上の異種の層を形成するようにセンサ構成要素が組み合わされることを理解するであろう。このような背景状況において、当業者であれば、層化された構成要素の順序付けを本発明のさまざまな実施形態において変更できることを理解する。
【００５０】
図２に示されている実施形態は、センサ１００を支持するベース層１０２を備える。ベース層１０２は、金属および／またはセラミックおよび／またはポリマ基材などの材料から作られ、自立型であるか、または当業で知られているような他の材料によりさらに支えられうる。本発明のいくつかの実施形態は、ベース層１０２上に配置され、および／またはベース層１０２と組み合わされた導電層１０４を備える。いくつかの実施形態では、ベース層１０２および／または導電層１０４は、電気化学反応表面領域が、平坦な表面上に配置された場合に比べて広くなるように電極の電気化学反応表面領域が幾何学的特徴上に配置されている形状である電極を形成するように製作されうる。
【００５１】
典型的には、導電層１０４は、１つ以上の電極を備える。稼働しているセンサ１００は、典型的には、作用電極、対向電極、および参照電極などの複数の電極を備える。他の実施形態も、複数の機能を実行する電極、例えば、参照電極と対向電極の両方の機能を果たす１つの電極を備えることができる。さらに他の実施形態は、センサ上に形成されていない別の参照要素を使用することができる。典型的には、これらの電極は、互いに接近して置かれた状態で、互いに電気的に絶縁されている。
【００５２】
以下で詳述するように、ベース層１０２および／または導電層１０４は、多くの知られている技術および材料を使用して形成されうる。本発明のいくつかの実施形態では、センサの電気回路は、配置されている導電層１０４を所望のパターンの導電経路にエッチングすることにより定められる。センサ１００の典型的な電気回路は、コンタクトパッドを形成するための近位端にある領域とセンサ電極を形成するための遠位端にある領域とともに２つ以上の隣接する導電経路を備える。ポリマコーティングなどの電気絶縁性カバー層１０６は、適宜、センサ１００の一部に配置される。絶縁保護カバー層１０６として使用する許容されるポリマコーティングは、限定はしないが、シリコーン化合物、ポリイミド類、生体適合性ソルダーマスク、エポキシアクリレート共重合体などの無毒の生体適合性ポリマを含むことができる。本発明のセンサでは、導電層１０４を外部環境に対し開放し、例えば、グルコースなどの検体がセンサの層を透過し、感知要素により感知されるようにするために、カバー層１０６を通して１つ以上の露出されている領域または開口１０８を形成することができる。開口１０８は、レーザアブレーション、テープマスキング、化学研磨もしくはエッチングまたはフォトリソグラフィ現像などを含む、多数の技術により形成されうる。本発明のいくつかの実施形態では、製造時に、二次フォトレジストをさらに保護層１０６に施し、（１つまたは複数の）開口１０８を形成するため取り除かなければならない保護層の領域を定めることができる。露出されている電極および／またはコンタクトパッドは、さらに、追加のメッキ処理などの二次処理（例えば、開口１０８を通して）を施され、そうして、表面を形成し、および／または導電性領域を強化することができる。
【００５３】
図２に示されているセンサ構成では、検体感知層１１０（典型的には、センサ化学層であるが、これは、この層内の材料が、化学反応の作用を受け、導電層により感知されうる信号を発生することを意味する）は、導電層１０４の露出されている複数の電極のうちの１つ以上の電極に配置される。典型的には、センサ化学層１１０は、酵素層である。最も典型的には、センサ化学層１１０は、酸素および／または過酸化水素を生成し、および／または使用することができる酵素、例えば酵素グルコースオキシダーゼを含む。適宜、センサ化学層内の酵素は、ヒト血清アルブミン、ウシ血清アルブミンなどの第２の担体タンパク質と組み合わされる。例示的な一実施形態では、センサ化学層１１０内のグルコースオキシダーゼなどの酵素は、グルコースと反応して、過酸化水素、つまり、その後、電極のところに生じる電流を変調する化合物を形成する。電流のこの変調は、過酸化水素の濃度に依存し、また過酸化水素の濃度は、グルコースの濃度と相関するので、グルコース濃度は、電流のこの変調を監視することにより決定されうる。本発明の特定の実施形態において、過酸化水素は、陽極である作用電極（ここでは陽極作用電極ともいう）のところで酸化され、その結果電流は過酸化水素濃度に比例する。過酸化水素濃度を変えることにより引き起こされるこのような電流の変調は、ユニバーサルセンサ電流測定バイオセンサ検出器などのさまざまなセンサ検出器装置のうちの１つ、またはＭｅｄｔｒｏｎｉｃ  ＭｉｎｉＭｅｄ社により製造されているグルコース監視デバイスなどの当業で知られている他のさまざまな類似のデバイスのうちの１つにより監視されうる。
【００５４】
検体感知層１１０は、導電層の一部分または導電層の領域全体にわたって施されうる。典型的には、検体感知層１１０は、陽極または陰極であってよい作用電極上に配置される。適宜、検体感知層１１０は、さらに、対向電極および／または参照電極上にも配置される。検体感知層１１０は、厚さを最大約１０００ミクロン（μｍ）までとすることができるが、典型的には、検体感知層は、当業ですでに説明されているセンサに見られる厚さと比べて比較的薄く、また例えば、典型的には、厚さは１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満である。以下で詳しく説明されるように、薄い検体感知層１１０を形成するいくつかの方法は、スピンコーティング工程、浸漬および乾燥工程、低剪断噴霧工程、インクジェット印刷工程、シルクスクリーン工程などを含む。最も典型的には、薄い検体感知層１１０は、スピンコーティング工程を使用して施される。
【００５５】
典型的には、検体感知層１１０は、１つ以上の追加層でコーティングされる。適宜、１つ以上の追加層は、検体感知層１１０上に配置されたタンパク質層１１６を含む。典型的には、タンパク質層１１６は、アルブミンなどのタンパク質を含む。典型的には、タンパク質層１１６は、ヒト血清アルブミンを含む。本発明のいくつかの実施形態では、追加層は、検体感知層１１０との検体接触を調節するために検体感知層１１０の上に配置されている検体調節層１１２を含む。例えば、検体調節膜層１１２は、検体感知層内に存在するグルコースオキシダーゼなどの酵素と接触するグルコースの量を調節する、グルコース制限膜を含むことができる。そのようなグルコース制限膜は、そのような目的に適していることが知られている広範な材料、例えば、ポリジメチルシロキサン類などのシリコーン化合物、ポリウレタン類、ポリ尿素酢酸セルロース類、ナフィオン、ポリエステルスルホン酸類（例えば、Ｋｏｄａｋ  ＡＱ）、ヒドロゲル、または当業者に知られている他の好適な親水性膜から作ることができる。
【００５６】
本発明の典型的な実施形態では、接着促進層１１４は、接触および／または接着を促進するために図２に示されているように検体調節層１１２と検体感知層１１０との間に配置される。本発明の特定の実施形態では、接着促進層１１４は、接触および／または接着を促進するために図２に示されているように検体調節層１１２とタンパク質層１１６との間に配置される。接着促進層１１４は、そのような層の間の接着を容易にするために当業で知られているさまざまな材料のうちの１つから作ることができる。典型的には、接着促進層１１４は、シラン化合物を含む。代替実施形態では、検体感知層１１０内のタンパク質または類似の分子は、接着促進層１１４が存在していない場合に検体調節膜層１１２が検体感知層１１０と直接接触して配置されるように十分に架橋されるか、または他の何らかの方法で調製されうる。
【００５７】
Ｃ．典型的な検体センサ構成要素
以下の開示では、本発明のセンサで使用される典型的な要素／構成要素のいくつかの実施例を取りあげる。これらの要素は、離散的な単位（例えば、層）で説明されうるが、当業者であれば、センサが、後述の要素／構成要素（例えば、支持ベース構成要素および／または導電性構成要素および／または検体感知構成要素のマトリックスの両方として使用され、センサ内の電極としてさらに機能する要素）の材料特性および／または機能の一部または全部の組み合わせを有する要素を含むように設計されうることを理解するであろう。
【００５８】
＜ベース構成要素＞
本発明のセンサは、典型的には、ベース構成要素（例えば、図２の要素１０２を参照）を含む。「ベース構成要素（base constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、典型的には、互いの上に積み上げられ、機能センサを備える複数の構成要素の支持マトリックスを形成する装置内の構成要素を指す。一形態では、ベース構成要素は、絶縁体（例えば、電気絶縁性および／または不透水性を有する）の薄膜シートを備える。このベース構成要素は、不透水性および密封性などの望ましい特質を有する広範な材料から作られうる。いくつかの材料は、金属性セラミックおよびポリマ基材などを含む。いくつかの実施形態では、ベース構成要素および／または導電構成要素は、電気化学反応表面領域が、平坦な表面上に配置された場合に比べて広くなるように電極の電気化学反応表面領域が幾何学的特徴上に配置されている形状である電極を形成するように製作されうる。
【００５９】
ベース構成要素は、自立型であるか、またはさらに当業で知られているような他の材料により支持されうる。図２に示されているセンサ構成の一実施形態では、ベース構成要素１０２は、セラミックを含む。例示的な一実施形態では、セラミック製のベースは、主にＡｌ２Ｏ３である組成物（例えば、９６％）を含む。植え込み型デバイスとともに使用するためにアルミナを絶縁ベース構成要素として使用することについては、本願に引用して援用する米国特許第４，９４０，８５８号、米国特許第４，６７８，８６８号、および米国特許第６，４７２，１２２号において開示されている。本発明のベース構成要素は、さらに、当業で知られている他の要素、例えば、密閉バイア（hermetical vias）（例えば、国際公開第０３／０２３３８８を参照）を含むことができる。特定のセンサ設計に応じて、ベース構成要素は、比較的厚手の（例えば、２５ミクロン以上の）構成要素とすることができる。それとは別に、薄い構成要素、例えば、約２５ミクロンよりも小さい、アルミナなどの非導電性セラミックを使用することができる。
【００６０】
本明細書で開示されている発明のいくつかの実施形態では、上で開示されている２つのセンサクラスのそれぞれに見られる独立の複数の利点の組み合わせを示す個別要素およびセンサを備える。例えば、本発明の第１の実施形態は、酵素をセンサ内で電極として機能する厚い（１〜１，０００ミクロン）多孔質基材上に固定化する。この背景状況において、多孔質電極は、例えば、サイズの等しい隣接する球体の格子から形成することにより表面積の増大を示すように設計される。例示的な一実施形態では、グルコースオキシダーゼは、サイズの等しい隣接する球体の格子から製造され、過酸化水素消費電極として機能する厚い（１〜１，０００ミクロン）多孔質金属基材上に固定化される。
【００６１】
薄い平坦な電極マトリックスに対するそのような厚い多孔質電極マトリックスの利点は、式（１）を使用して示される。
【００６２】
【数１】
0005568298.tif 000002
（１）
【００６３】
ただし、厚い多孔質電極は、サイズの等しい隣接する球体の格子としてモデル化されるが、薄い電極は、二次元の表面としてモデル化される。酵素またはタンパク質固定化に利用できる表面積は、Ａａｖａｉｌであり、電極の投影面積は、Ａｐｒｏｊである。電極の多孔度および厚さは、それぞれ、Ｌおよびεである。厚い電極を構成する球体は、半径がＲであり、酵素またはタンパク質固定化に利用できる球体の表面積の画分は、φである。例えば、Ｌ＝２５μｍ、Ｒ＝１μｍ、ε＝０．５、およびφ＝０．５の多孔質電極は、同じ投影面積を持つ薄い電極と比べて酵素固定化の表面積の１８倍を超える表面積を有する。
【００６４】
上述の多孔質電極マトリックスなどの多孔度範囲は、典型的には、５〜９９％、１０〜９９％、２０〜９９％、３０〜９９％、４０〜９９％、５０〜９９％、または６０〜９９％である。マトリックスの多孔度は、当業で知られているさまざまな方法のうちのどれか１つを使用して評価されうる。例えば、ある種の背景状況では、当業者は、水銀多孔度測定（例えば、米国特許第５，６０９，８３９号を参照）、液体侵入多孔度測定（例えば、米国特許第４，６６０，４１２号を参照）、ガス多孔度測定（例えば、ドムブロウスキー（Ｄｏｍｂｒｏｗｓｋｉ）ら、Ｌａｎｇｍｕｉｒ  １６：５０４１−５０５０（２０００）およびラストスキー（Ｌａｓｔｏｓｈｉｅ）ら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ９７：４７８６−４７９６（１９９３）を参照）を介して、またはサイクリックボルタンメトリおよび／またはさまざまなサイズおよび分子量のマーカー分子（例えば、アセトン、さまざまな球状タンパク質、ブルーデキストランなど）を使用するサイズ排除クロマトグラフィを採用する方法によりマトリックスの多孔度を調べることを望んでいる場合がある。
【００６５】
ナノ多孔質、マイクロ多孔質、およびマクロ多孔質という用語は、本明細書で開示されている多孔質マトリックスのいくつかの実施形態を説明する際に使用される。例えば、白金黒は、通常、作用電極の電気化学的有効表面積を高めるために使用される。標準白金黒電極は、かなり大きな多孔度を有し、Ｈ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏのような非常に小さな分子が内部に入り込めるくらいの大きさの孔を持つ。この特性を持つ白金黒電極は、ナノ多孔質と呼ばれる。このようなナノ細孔は、Ｈ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏのような小さな分子が内部に入り込めるが、ＧＯｘのようなより大きな分子が内部に入るのを妨げるサイズ範囲を有する。本発明のいくつかの実施形態では、センサ内で使用される電極は、ナノ多孔度およびマイクロ多孔度の両方を有する。マイクロ細孔は、ＧＯｘなどの分子を内部で固定化できるくらいの十分な大きさであるが、ＧＯｘの分子が作用電極の表面に比較的近い（約０．１、１、または２ミクロンよりも小さい）十分な小ささであることを特徴とする。このマイクロ多孔性を有する電極は、望ましい多数の特性を示す。例えば、Ｈ２Ｏ２ベースのセンサの作用電極は、Ｈ２Ｏ２を消費し、Ｈ２Ｏ２は、時間の経過とともにＧＯｘの脱活性化に寄与すると考えられるため、Ｈ２Ｏ２消費電極の近くに固定化ＧＯｘを配置することができるマイクロ多孔質電極は、センサ内のＧＯｘの寿命を延ばす。
【００６６】
本明細書で開示されている発明の他の実施形態では、さまざまな検体センサで典型的に使用されるヒドロゲルは、本質的に硬質の非膨張多孔質酵素ポリママトリックスで置き換えられる。この実施形態では、バイオセンシング酵素は、適宜指定された形状に成形された硬質マクロ多孔質ポリマへの共有結合を介して安定して固定化される。このような背景状況において、クロマトグラフ分離媒体として使用するために、マクロ多孔質ポリマの成形された連続する棒が作製された（例えば、米国特許第５，４５３，１８５号および国際公開第９３／０７９４５号を参照）。好適なポリマは、本質的には非圧縮性であり、溶媒和環境の変化が生じてもその全体的サイズを変えない。さらに、重合条件の調整を用いて、細孔の形態を制御することができる。したがって、１〜１００ｎｍおよび１００〜３，０００ｎｍの範囲内の細孔の有意な体積分率（つまり、それぞれ２０％および８０％）を有する多孔度の高い（５０〜７０％）ポリマを作製できる。このタイプの細孔構造を持つポリマは、非常に高い比表面積（つまり、１８５ｍ２／ｇ）を有し、高い酵素固定化密度（１〜１００ｍｇ／ｍＬ）を許容することが予想される。
【００６７】
上記の多孔質マトリックスさらにはそのようなマトリックスを組み込んだ検体センサを製作し、使用するためのさまざまな方法および組成物について、さらに、本明細書で説明する。
【００６８】
＜導電性構成要素＞
本発明の電気化学センサは、典型的には、検体または分析対象の副産物（例えば、酸素および／または過酸化水素）と接触させるための少なくとも１つの電極を備えるベース構成要素上に配置された導電性構成要素を含む（例えば、図２の要素１０４を参照）。「導電性構成要素（conductive constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、検出可能な信号を測定し、検出装置に伝送することができる電極などの導電性センサ要素を指す。これの例示的な実施例は、検体の濃度の変化を受けない参照電極と比較して検体またはその副産物の濃度の変化などの刺激への暴露に応じて電流の増加または減少を測定することができる導電性構成要素、つまり、検体が検体感知構成要素１１０中に存在する組成物（例えば、酵素グルコースオキシダーゼ）と相互作用するときに使用される共反応物（例えば、酸素）またはこの相互作用の反応生成物（例えば、過酸化水素）である。このような要素の例示的な実施例は、過酸化水素または酸素などの分子が濃度を変化させつつ存在している場合に変化する検出可能な信号を発生することができる電極を備える。典型的には、導電性構成要素内のこれらの電極は、作用電極であり、これは、非腐食性の金属またはカーボンから作ることができる。カーボン作用電極は、ガラス質または黒鉛であり、固形物またはペースト状物質から作られる。金属製作用電極は、パラジウムもしくは金などの白金族金属、または二酸化ルテニウムなどの非腐食性金属導電性酸化物から作ることができる。それとは別に、電極は、銀／塩化銀電極組成物を含むことができる。作用電極は、例えば、コーティングまたは印刷により、基材に施された電線または導電性薄膜としてよい。典型的には、金属またはカーボン導電体の表面の一部のみが、検体含有溶液と電解接触している。この部分は、電極の作用表面と呼ばれる。電極の残りの表面は、典型的には、電気的絶縁カバー構成要素１０６により溶液から絶縁される。この保護カバー構成要素１０６を生成する有用な材料例としては、ポリイミド類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどのポリマおよびポリシロキサン類などのシリコーン類がある。
【００６９】
作用電極に加えて、本発明の検体センサは、典型的には、参照電極または参照対向複合電極（擬似参照電極または対向／参照電極とも呼ばれる）を備える。センサが、対向／参照電極を有していない場合、これは、作用電極と同じ、または異なる材料から作られうる別の対向電極を備えることができる。本発明の典型的なセンサは、１つ以上の作用電極と１つ以上の対向、参照、および／または対向／参照電極を有する。本発明のセンサの一実施形態は、２つ、３つ、または４つ以上の作用電極を有する。センサ内のこれらの作用電極は、一体となるように接続されるか、または分離されたままとすることができる。
【００７０】
典型的には、インビボ使用について、本発明の検体センサは、血液などの、哺乳類の体液と直接接触するために哺乳類の皮膚内に皮下的に植え込まれる。それとは別に、センサは、腹腔内空間などの哺乳類の体内の他の領域内に植え込むことができる。複数の作用電極が使用される場合、これらは、一緒に、または身体の異なる位置に植え込むことができる。対向、参照、および／または対向／参照電極は、さらに、（１つまたは複数の）作用電極に最も近い位置に、または哺乳類の体内の他の位置に植え込まれうる。
【００７１】
＜干渉除去構成要素＞
本発明の電気化学センサは、適宜、電極の表面と分析対象の環境との間に配置された干渉除去構成要素を含む。特に、いくつかのセンサ実施形態は、一定電位が印加されたときに作用電極の表面で酵素反応により発生する過酸化水素の酸化および／還元に依存する。過酸化水素の直接酸化に基づく電流測定検出は、比較的高い酸化電位を必要とするので、この検出方式を採用するセンサは、アスコルビン酸、尿酸、およびアセトアミノフェンなどの生体液中に存在する易酸化性化学種からの干渉を被る可能性がある。このような背景状況において、「干渉除去構成要素（interference rejection constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、感知される検体により発生する信号の検出に干渉するそのような易酸化性化学種により発生するスプリアス信号を抑制する機能を有するセンサ内のコーティングまたは膜を指す。干渉除去構成要素の実施例は、親水性ポリウレタン類、酢酸セルロース（ポリ（エチレングリコール）などの薬剤を組み込んだ酢酸セルロースを含む）、ポリエーテルスルホン類、ポリテトラフルオロエチレン類、ペルフルオロ化アイオノマのナフィオン（商標）、ポリフェニレンジアミン、エポキシなどの化合物の１つ以上の層またはコーティングを含む。このような干渉除去構成要素の例示的な説明は、例えば、本願に引用して援用する、ウォード（Ｗａｒｄ）らの「Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」１７（２００２）１８１−１８９およびチョウイ（Ｃｈｏｉ）らの「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ」４６１（２００２）２５１−２６０に見られる。
【００７２】
＜検体感知構成要素＞
本発明の電気化学センサは、センサの電極上に配置されている検体感知構成要素を含む（例えば、図２の要素１１０を参照）。「検体感知構成要素（analyte sensing constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、存在が検体センサ装置により検出される検体を認識する、または検体と反応することができる材料を含む構成要素を指す。典型的には、検体感知構成要素内のこの材料は、典型的には導電性構成要素の電極を介して、感知される検体と相互作用した後に検出可能な信号を発生する。この点に関して、検体感知構成要素および導電性構成要素の電極は、組み合わせで機能し、検体センサに関連付けられている装置により読み取られる電気信号を発生する。典型的には、検体感知構成要素は、濃度の変化が、導電性構成要素（例えば、酸素および／または過酸化水素）の電極における電流の変化を測定することにより測定可能な分子と相互作用し、および／または分子を生成することができる酵素、例えば、酵素グルコースオキシダーゼを含む。過酸化水素などの分子を生成することができる酵素を、当業で知られている多数の工程に従って電極上に配置できる。検体感知構成要素は、センサのさまざまな電極の全体または一部をコーティングすることができる。このような背景状況において、検体感知構成要素は、電極を同程度にコーティングできる。それとは別に、検体感知構成要素は、異なる電極を異なる程度にコーティングすることができ、例えば、作用電極のコーティング面は、対向および／または参照電極のコーティング面に比べて広い。
【００７３】
本発明のこの要素の典型的なセンサ実施形態では、固定された比（例えば、典型的にはグルコースオキシダーゼ安定化特性に合わせて最適化されている比）で第２のタンパク質（例えば、アルブミン）と組み合わされ、次いで、電極の表面上に施された酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）を使用して、薄い酵素構成要素を形成する。典型的な実施形態では、検体感知構成要素は、ＧＯｘおよびＨＳＡ混合物を含む。検体感知要素の典型的な実施形態はＧＯｘを有し、ＧＯｘは感知環境（例えば、哺乳類の身体）内に存在するグルコースと反応し、図１に示されている反応に従って過酸化水素を発生し、そのように発生した過酸化水素は、導電性構成要素内の作用電極を陽極として検出される。例えば、米国特許出願第１０／２７３，７６７号（本願に引用して援用する）で説明されているように、極端に薄いセンサ化学構成要素は、典型的なものであり、スピンコーティングなどの当業で知られている工程により電極マトリックスの表面に施されうる。例示的な実施形態では、アルブミンが約．５〜１０重量％の範囲で存在している場合に、グルコースオキシダーゼ／アルブミンが生理溶液（例えば、ｐＨが中性であるリン酸緩衝生理食塩水）中に調製される。適宜、検体感知構成要素上に形成される安定化されているグルコースオキシダーゼ構成要素は、当業ですでに説明されているものと比べて非常に薄い、例えば、２、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロンの厚さである。本発明の例示的な一実施形態では、電極の表面をコーティングするのに安定化されたグルコースオキシダーゼ構成要素を使用し、その際に、グルコースオキシダーゼは、構成要素内で担体タンパク質と固定された比率で混合され、グルコースオキシダーゼおよび担体タンパク質は、構成要素全体に実質的に一様に分散される。典型的には、構成要素の厚さは、２ミクロン未満である。わかりやすくするために、これは、検体感知構成要素が多孔質電極上に配置されている本発明のいくつかの実施形態には適用されえないことに留意されたい。例えば、Ｇｏｘを充てんされたサイズ３ミクロンの細孔を持つ、厚さ１００ミクロンの多孔質電極では、酵素層は、２ミクロンよりも厚いものとしてよい。
【００７４】
驚くべきことに、これらの極端に薄い検体感知構成要素を有するセンサは、高められた寿命、直線性、規則性、さらには改善された信号対雑音比を含む、より厚いコーティングを有するセンサの特性を超える材料特性を有する。特定の科学理論に束縛されないが、極端に薄い検体感知構成要素を持つセンサは、厚い酵素構成要素では、構成要素内の反応性のある酵素の一部しか感知対象の検体に接近できないため、厚い構成要素の特性に比べて驚くほど高い特性を有すると考えられる。グルコースオキシダーゼを使用するセンサでは、電着により形成される厚いコーティングは、厚い酵素構成要素の反応界面で発生する過酸化水素がセンサ表面と接触し、それにより信号を発生するという能力を妨げる可能性がある。
【００７５】
上記のように、酵素および第２のタンパク質は、典型的には、架橋マトリックスを形成するように処理される（例えば、架橋剤をタンパク質混合物に加えることにより）。当業で知られているように、架橋条件は、酵素の保持される生物活性、その機構および／または動作に関する安定性などの因子を調節するために操作されうる。例示的な架橋手順は、本願に引用して援用する、米国特許出願第１０／３３５，５０６号、および国際公開第０３／０３５８９１号で説明されている。例えば、限定はしないが、グルタルアルデヒドなどのアミン架橋試薬をタンパク質混合物に加わることができる。架橋試薬をタンパク質混合物に加えると、タンパク質ペーストが生成される。加える架橋試薬の濃度は、タンパク質混合物の濃度に応じて変化しうる。グルタルアルデヒドは、例示的な架橋試薬であるが、限定はしないが、スベリン酸ジサクシンイミジル（ＤＳＳ）などのアミン反応性同種官能性架橋試薬を含む、他の架橋試薬も、グルタルアルデヒドの代わりに使用することができる。他の実施例は、１−エチル−３（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ）であり、これは、ゼロ長架橋剤（zero-length cross-linker）である。ＥＤＣは、カルボン酸とアミン基との間にアミド結合を形成する。他の好適な架橋剤も、使用することができるが、当業者には明らかなことであろう。
【００７６】
ＧＯｘおよび／または担体タンパク質濃度は、本発明の異なる実施形態では異なることがある。例えば、ＧＯｘ濃度は、約５０ｍｇ／ｍｌ（約１０，０００Ｕ／ｍｌ）から約７００ｍｇ／ｍｌ（約１５０，０００Ｕ／ｍｌ）までの範囲内としてよい。典型的には、ＧＯｘ濃度は、約１１５ｍｇ／ｍｌ（約２２，０００Ｕ／ｍｌ）である。このような実施形態では、ＨＳＡ濃度は、ＧＯｘ濃度に応じて、０．５％〜３０％（ｗ／ｖ）程度の範囲で変動しうる。典型的には、ＨＳＡ濃度は、約１〜１０％ｗ／ｖであり、最も典型的には、５％ｗ／ｖである。本発明の代替実施形態では、コラーゲンまたはＢＳＡまたはこれらの背景状況において使用される他の構造タンパク質は、ＨＳＡの代わりに、またはＨＳＡに加えて、使用することができる。ＧＯｘは検体感知構成要素内の例示的な酵素として説明されているが、限定はしないがグルコースデヒドロゲナーゼまたはヘキソキナーゼ、ヘキソースオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼなどを含む、他のタンパク質および／または酵素も使用できるか、またはＧＯｘの代わりに使用することができる。当業者に明らかなように、その他のタンパク質および／または酵素も使用できる。さらに、ＨＳＡが例示的な実施形態で使用されているが、ＢＳＡ、コラーゲンなどの他の構造タンパク質を、ＨＳＡの代わりに、またはＨＳＡに加えて使用することも可能であろう。
【００７７】
ＧＯｘ以外の酵素を採用する実施形態では、本明細書で説明されている濃度以外の濃度を使用してもよい。例えば、使用される酵素に応じて、約１０重量％から７０重量％までの範囲の濃度が適している場合がある。濃度は、使用される特定の酵素だけでなく、結果として得られるタンパク質マトリックスの所望の特性によっても変化しうる。例えば、タンパク質マトリックスが診断キャパシティにおいて使用される場合に特定の濃度が使用されうるが、特定の構造特性が望ましい場合には異なる濃度が使用されうる。当業者であれば、使用される濃度は、どの濃度で（およびどの酵素またはタンパク質の濃度で）所望の結果が得られるかを判定する実験を通して変動する可能性のあることを理解するであろう。
【００７８】
上記のように、本発明のいくつかの実施形態では、検体感知構成要素は、導電性要素（例えば、酸素および／または過酸化水素濃度の変化を感知する電極）により感知できる信号（例えば、酸素および／または過酸化水素濃度の変化）を発生することができる組成物（例えば、グルコースオキシダーゼ）を含む。しかし、他の有用な検体感知構成要素は、存在が検出される標的検体と相互作用した後に導電性要素により感知されうる検出可能信号を発生することができる任意の組成物から形成されうる。いくつかの実施形態では、この組成物は、感知される検体と相互作用した後に過酸化水素濃度を調節する酵素を含む。それとは別に、この組成物は、感知される検体と相互作用した後に酸素濃度を調節する酵素を含む。この背景状況において、生理学的検体と反応する過酸化水素および／または酸素を使用するか、または発生する広範な酵素が、当業では知られており、それらの酵素は、検体感知構成要素組成物内に容易に組み込むことができる。当業で知られているさまざまな他の酵素は、本明細書で説明されているセンサ設計に組み込まれている電極などの導電性要素により調節が検出されうる化合物を生成し、および／または利用することができる。そのような酵素としては、例えば、その全文が本願に引用して援用する、リチャード・エフ・テイラー（Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｆ．Ｔａｙｌｏｒ）（編集）「Ｐｒｏｔｅｉｎ  Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ  １４）、Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ：Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ；（Ｊａｎｕａｒｙ  ７，１９９１）の表１（１５〜２９ページ）および／または表１８（１１１〜１１２ページ）において特に説明されている酵素がある。
【００７９】
他の有用な検体感知構成要素は、存在が検出される標的検体と相互作用した後に導電性要素により感知されうる検出可能信号を発生させることができる標的検体との相互作用を有する抗体を含むように形成されうる。例えば、米国特許第５，４２７，９１２号（本願に引用して援用する）では、試料中の検体の濃度を電気化学的に決定するための抗体ベースの装置を説明している。このデバイスでは、検査される試料、酵素受容体ポリペプチド、検体類似体に結合された酵素供与体ポリペプチド（酵素供与体ポリペプチド結合体）、標識された基材、および測定対象の検体に特異的な抗体を含む混合物が形成される。検体および酵素供与体ポリペプチド結合体は、競合的に抗体に結合する。酵素供与体ポリペプチド結合体が、抗体に結合されない場合、これは自然発生的に酵素受容体ポリペプチドと結合し、活性酵素複合体を形成する。活性酵素は、次いで、標識された基材を加水分解し、その結果、この後、電極の表面で酸化されうる電気活性標識を生じる。電気活性化合物の酸化の結果生じる電流は、測定され、試料中の検体の濃度との相関が求められうる。米国特許第５，１４９，６３０号（本願に引用して援用する）では、リガンド（例えば、抗原、ハプテン、または抗体）の電気化学的特異結合アッセイを説明しており、そこでは、コンポーネントの少なくとも１つは、酵素標識され、基材反応に付随する、酵素基材と電極との間の電子の移動が、複合体形成により、または無結合の酵素標識成分に関するリガンド複合体の変位により乱される程度を決定するステップを含む。電子移動は、酵素から電子を受け取り、電極に供与し、またはその逆に電極から電子を受け取り、酵素に供与することができる電子移動メディエータ（例えば、フェロセン）により、あるいはそれ自体形式電荷を占有することなく電極のごく近くに酵素を保持する電子移動プロモータにより補助される。米国特許第５，１４７，７８１号（本願に引用して援用する）では、酵素乳酸デヒドロゲナーゼ−５（ＬＤＨ−５）の測定のためのアッセイおよびそのような定量測定用のバイオセンサについて説明している。アッセイは、この酵素と基材の乳酸およびニコチンアミンアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）との相互作用に基づき、ピルビン酸およびＮＡＤの還元生成物を産出する。抗ＬＤＨ−５抗体は、好適なガラス状炭素電極に結合され、これは、ＬＤＨ−５を含む基材と接触させられ、すすがれ、ＮＡＤ溶液中に挿入され、電流測定システムに接続され、そして電流変化が異なる濃度の乳酸の存在下で測定され、電流変化はＬＤＨ−５の量を示す。米国特許第６，４１０，２５１号（本願に引用して援用する）では、特異結合中の１つの構成要素を、例えば、感知面を有する酸素微小電極が使用される場合に、標識を検出するためのレドックス反応とともに、抗原と抗体との結合などの特異結合を利用することにより、抗原／抗体の対の中の抗原を検出またはアッセイする装置および方法を説明している。それに加えて、米国特許第４，４０２，８１９号（本願に引用して援用する）では、中の予め選択されている陽イオンの浸透性をもたらすイオン担体が結合されている抗体を組み込んだ不溶性膜を使用する希釈液体血清試料中の抗体（検体として）の定量用の抗体選択的電位差測定電極を説明しており、この浸透性は、分析される特異抗体濃度と、対応する分析方法に左右される。関連する開示については、本願に引用して援用する、米国特許第６，７０３，２１０号、第５，９８１，２０３号、第５，７０５，３９９号、および第４，８９４，２５３号も参照のこと。
【００８０】
酵素および抗体に加えて、本明細書で開示されているセンサの検体感知構成要素で使用する他の例示的な材料としては、特定のタイプの細胞または細胞成分（例えば、ポリペプチド類、炭水化物類など）を結合するポリマ、１本鎖ＤＮＡ、抗原などがある。例えば、検出可能な信号は、所望の検体（例えば、細胞）の色の変化または視覚的累積などの、光学的に検出可能な変化とすることができる。検出要素は、さらに、本質的に反応しない物質（つまり、対照）から形成されうる。前記の代替センサ要素は、例えば、細胞分類アッセイおよびウイルス（ＨＩＶ、Ｃ型肝炎など）、バクテリア、原虫などの病原体の有無を調べるアッセイで使用するセンサに有利に含まれる。
【００８１】
さらに考えられるのは、外部環境に存在する検体を測定し、電極における電流の測定可能な変化をそれ自身発生することができる検体センサである。このような検体を測定するセンサでは、検体感知構成要素は適宜決められるものとしてよい。
【００８２】
＜タンパク質構成要素＞
本発明の電気化学センサは、検体感知構成要素と検体調節構成要素との間に配置されているタンパク質構成要素を適宜含む（例えば、図２の要素１１６を参照）。「タンパク質構成要素（protein constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、検体感知構成要素および／または検体調節構成要素との親和性を持つように選択された担体タンパク質などを含む構成要素を指す。典型的な実施形態では、タンパク質構成要素は、ヒト血清アルブミンなどのアルブミンを含む。ＨＳＡ濃度は、約０．５％〜３０％（ｗ／ｖ）の範囲で変化しうる。典型的には、ＨＳＡ濃度は、約１〜１０％ｗ／ｖであり、最も典型的には、５％ｗ／ｖである。本発明の代替実施形態では、コラーゲンまたはＢＳＡまたはこれらの背景状況において使用される他の構造タンパク質は、ＨＳＡの代わりに、またはＨＳＡに加えて、使用することができる。この構成要素は、典型的には、当業で認められているプロトコルに従って検体感知構成要素上で架橋される。
【００８３】
＜接着促進構成要素＞
本発明の電気化学センサは、１つ以上の接着促進（ＡＰ）構成要素を含むことができる（例えば、図２の要素１１４を参照）。「接着促進構成要素（adhesion promoting constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、センサ内の隣接構成要素の接着を促進する能力を持つように選択された材料を含む構成要素を指す。典型的には、接着促進構成要素は、検体感知構成要素と検体調節構成要素との間に配置される。典型的には、接着促進構成要素は、オプションのタンパク質構成要素と検体調節構成要素との間に配置される。接着促進構成要素は、そのような構成要素の間の接着を容易にするために当業で知られているさまざまな材料のうちのいずれか１つから作ることができ、また当業で知られているさまざまな方法のうちのいずれか１つにより施すことができる。典型的には、接着促進構成要素は、γ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのシラン化合物を含む。
【００８４】
シランカップリング試薬、特に、Ｒ’が典型的には末端アミンを有する脂肪族基であり、Ｒが低アルキル基である化学式Ｒ’Ｓｉ（ＯＲ）３の試薬を使用して、接着を促進する方法は、当業で知られている（例えば、本願に引用して援用する米国特許第５，２１２，０５０号を参照）。例えば、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）およびグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）を電極表面に付着させて共架橋させるためにγ−アミノプロピルトリエトキシシランなどのシランおよびグルタルアルデヒドが段階（step-wise）工程において使用された化学修飾電極は、当業では周知のものである（例えば、ヤオ・ティー（Ｙａｏ，Ｔ．）、Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ  １９８３，１４８，２７−３３を参照）。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態では、接着促進構成要素は、さらに、検体調節構成要素を通じてグルコースなどの検体の拡散を制限するために使用されるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）化合物などの隣接構成要素内に存在しうる１つ以上の化合物を含む。例示的ないくつかの実施形態では、この処方は、０．５〜２０％のＰＤＭＳ、典型的には５〜１５％のＰＤＭＳ、最も典型的には１０％のＰＤＭＳを含む。本発明のいくつかの実施形態では、接着促進構成要素は、検体調節構成要素などの近位構成要素内に存在するシロキサン部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。本発明の密接に関連する実施形態では、接着促進構成要素は、検体感知構成要素および／またはタンパク質構成要素などの近位構成要素内に存在するタンパク質のアミンまたはカルボキシル部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。
【００８６】
＜検体調節構成要素＞
本発明の電気化学センサは、センサ上に配置された検体調節構成要素を含む（例えば、図２の要素１１２を参照）。「検体調節構成要素（analyte modulating constituent）」という用語は、本明細書では、当業で認められている専門用語集に従って使用され、この構成要素を通じて、グルコースなどの１つ以上の検体の拡散を調節するように動作する膜をセンサ上に典型的には形成する構成要素を指す。本発明のいくつかの実施形態では、検体調節構成要素は、構成要素を通じて、グルコースなどの１つ以上の検体の拡散を阻止するか、または制限するように動作する検体制限膜である。本発明の他の実施形態では、検体調節構成要素は、構成要素を通じて、１つ以上の検体の拡散を促進するように動作する。適宜、このような検体調節構成要素を形成して、構成要素（例えば、グルコース）を通じて、一方のタイプの分子の拡散を阻止または制限し、それと同時に、構成要素（例えば、Ｏ２）を通じて、他方のタイプの分子の拡散を許すかさらには促進することができる。
【００８７】
グルコースセンサに関して、知られている酵素電極では、血中のグルコースおよび酸素は、アスコルビン酸および尿酸などのある種のインターフェラントとともに、センサの一次膜を通して拡散する。グルコース、酸素、およびインターフェラントが、検体感知構成要素に到達すると、グルコースオキシダーゼなどの酵素が、グルコースから過酸化水素とグルコノラクトンへの変換を触媒する。過酸化水素は、検体調節構成要素を通して逆拡散するか、または電極まで拡散し、そこで反応して、酸素と水素イオンを形成し、グルコース濃度に比例する電流を出力することができる。センサ膜アセンブリは、選択的にグルコースを中に通す機能を含む、複数の機能を備える。この背景状況において、例示的な検体調節構成要素は、水、酸素、および少なくとも１つの選択的検体を通すことができ、水を吸収する能力を有する半透性膜であり、この膜は水溶性の親水性ポリマを有する。
【００８８】
さまざまな例示的検体調節構成要素が、当業で知られており、例えば、それぞれの開示が本願に引用して援用する、米国特許第６，３１９，５４０号、第５，８８２，４９４号、第５，７８６，４３９号、第５，７７７，０６０号、第５，７７１，８６８号、および第５，３９１，２５０号で説明されている。本明細書で説明されているヒドロゲルは、周囲の水構成要素を用意すると都合がよいさまざまな植え込み型デバイスと使用すると特に有用である。本発明のいくつかの実施形態では、検体調節構成要素は、ＰＤＭＳを含む。本発明のいくつかの実施形態では、検体調節構成要素は、近位構成要素内に存在するシロキサン部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。本発明の密接に関連する実施形態では、接着促進構成要素は、近位構成要素内に存在するアミンまたはカルボキシル部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。
【００８９】
＜カバー構成要素＞
本発明の電気化学センサは、典型的には電気絶縁保護構成要素である１つ以上のカバー構成要素を含む（例えば、図２の要素１０６を参照）。典型的には、このようなカバー構成要素は、検体調節構成要素の少なくとも一部に配置される。絶縁保護カバー構成要素として使用する許容されるポリマコーティングは、限定はしないが、シリコーン化合物、ポリイミド類、生体適合性ソルダーマスク、エポキシアクリレート共重合体などの無毒の生体適合性ポリマを含むことができる。さらに、これらのコーティングは、導電性構成要素を貫通する開口のフォトリソグラフィによる形成を簡単に行えるように写真撮像可能であるものとしてよい。典型的なカバー構成要素は、スパンオンシリコーン（spun on silicone）を含む。当業で知られているように、この構成要素は、市販のＲＴＶ（室温加硫）シリコーン組成物としてよい。この背景状況における典型的な化学物質は、ポリジメチルシロキサン（アセトキシベース）である。
【００９０】
本発明のさまざまな例示的な実施形態およびその特性は、以下の節で詳述される。
【００９１】
Ｃ．検体センサ装置の例示的な実施形態および関連する特性
本明細書で開示されている検体センサ装置は、多数の実施形態を有する。本発明の一般的な実施形態は、哺乳類体内への植え込み用の検体センサ装置である。検体センサは、典型的には、哺乳類の体内に植え込み可能なように設計されるが、センサは、特定の環境に限定されることはなく、その代わりに、さまざまな状況において、例えば、全血、リンパ液、血漿、血清、唾液、尿、大便、汗、粘液、涙液、脳脊髄液、鼻汁、頸管分泌物、膣分泌物、精液、胸膜液、羊水、腹水、中耳液、滑液、胃吸引物などの生体液を含む大半の液体試料の分析に使用できる。それに加えて、固形または乾燥試料を、適切な溶媒に溶かして、分析に適した混合液を作ることができる。
【００９２】
上記のように、本明細書で開示されているセンサ実施形態は、１つ以上の生理学的環境において注目する検体を感知するために使用できる。例えば、いくつかの実施形態では、センサを間質液に直接接触させることができるが、これは、典型的には皮下センサで行われる。本発明のセンサは、間質グルコースが皮膚を通して抽出され、センサと接触させられる皮膚表面システムの一部ともなりうる（例えば、本願に引用して援用する、米国特許第６，１５５，９９２号および第６，７０６，１５９号を参照）。他の実施形態では、センサを血液に接触させることができるが、これは、典型的には例えば静脈内センサで行われる。本発明のセンサ実施形態は、さらに、さまざまな状況において使用できるように適合された実施形態も含む。例えば、いくつかの実施形態では、センサは、歩行している利用者が使用するものなど、移動する状況で使用するように設計されうる。それとは別に、センサは、臨床現場で使用するように適合されたものなど、静止している状況において使用するように設計されうる。このようなセンサ実施形態は、例えば、入院患者の１つ以上の生理学的環境に存在する１つ以上の検体を監視するために使用されるものを含む。
【００９３】
本発明のセンサは、さらに、当業で知られている広範な医療システムに組み込むこともできる。例えば、本発明のセンサは、利用者の身体内に薬品が注入される速度を制御するように設計された閉ループ注入システム内で使用されうる。このような閉ループ注入システムは、センサとコントローラへの入力を発生する関連するメータを備えることができ、次いでこのコントローラは送達システム（例えば、薬剤注入ポンプにより送達される用量を計算するシステム）を操作する。このような状況では、センサに関連付けられているメータは、さらに、コマンドを送達システムに送信し、また送達システムを遠隔制御するために使用されうる。典型的には、センサは、利用者の体内のグルコース濃度を監視するため間質液と接触する皮下センサであり、送達システムにより利用者の体内に注入される液体はインスリンを含む。例示的なシステムは、例えば、本願に引用して援用する、米国特許第６，５５８，３５１号および第６，５５１，２７６号、国際出願第ＵＳ９９／２１７０３号および第ＵＳ９９／２２９９３号、さらに国際公開第２００４／００８９５６号および第２００４／００９１６１号において開示されている。
【００９４】
本発明のいくつかの実施形態では、過酸化物を測定し、また皮下移植および静脈移植の領域を含む哺乳類体内のさまざまな部位への植え込み、さらにはさまざまな非血管領域への植え込みに適しているという有利な特性を有する。非血管領域内への植え込みが可能な過酸化物センサ設計は、非血管領域内に植え込まれた酸素センサ内に発生しうる酸素ノイズの問題があるため、酸素を測定するいくつかのセンサ装置設計に勝る利点を有する。例えば、そのような植え込まれた酸素センサ装置設計では、参照センサにおける酸素ノイズは、信号対雑音比を悪化し、その結果、この環境において安定したグルコース値の読み取りを行う能力を乱す。したがって、本発明の過酸化物センサは、非血管領域内のそのような酸素センサで観察される問題点を解消する。
【００９５】
本発明のいくつかの過酸化物センサ実施形態は、さらに、３０日を超える期間に哺乳類への植え込みに適している有利な長期もしくは「永久的」センサを備える。特に、当業で知られているように（例えば、ＩＳＯ  １０９９３「Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」を参照）、本明細書で説明されているセンサなどの医療デバイスは、植え込み期間に基づき、（１）「限定」（２４時間以内）、（２）「長期間」（２４時間〜３０日）、および（３）「永久的」（３０日以上）の３つのグループに分類されうる。本発明のいくつかの実施形態では、本発明の過酸化物センサの設計により、この分類に従い、「永久的」植え込み、つまり、３０日を超える植え込みが可能になる。本発明の関連する実施形態では、本発明の過酸化物センサの非常に安定した設計により、この点に関して植え込まれたセンサを２、３、４、５、６、または１２カ月以上機能させ続けることができる。
【００９６】
一般に、検体センサ装置構造は、ベース層とベース層上に配置された導電層（例えば、多孔質マトリックス）を備え、１つ以上の電極として機能する。例えば、導電層は、作用電極、参照電極、および／または対向電極を備えることができる。これらの電極は、具体的な設計に応じて、近接した間隔で並べて配置されうるか、またはそれとは別に、遠位に並べて配置される。センサ装置は、いくつかの電極（例えば、作用電極）がセンサ装置内で（開口を介して）感知される検体を含む溶液に曝されうるような設計である。センサ装置は、いくつかの電極（例えば、参照電極）がセンサ装置内で感知される検体を含む溶液に曝されないような設計である。
【００９７】
本発明の一実施形態は、バイオセンサで使用する組成物である。そのような組成物は、典型的には、哺乳類体内に植え込めるように設計され、固定化酵素、例えば、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼ、または乳酸デヒドロゲナーゼでコーティングされた表面を有する多孔質マトリックスを含む。典型的には、固定化酵素でコーティングされた多孔質マトリックスは、電気化学センサ内の電極として働くことができる。適宜、電気化学センサ内の電極は、過酸化水素を消費する。
【００９８】
本発明のバイオセンサのさまざまな実施形態で使用される多孔質マトリックスは、さまざまな材料から生成され、さまざまな組成物構成に適合されうる。本発明のいくつかの実施形態では、多孔質マトリックスは、セラミック材料および／または金属および／またはマクロ多孔質ポリマを含む。適宜、多孔質マトリックスは、粒子の格子を含む。典型的には、粒子は、球状である。本発明の典型的な実施形態では、多孔質マトリックスは、同じ寸法の非多孔質のマトリックスの表面積の少なくとも２倍、４倍、６倍、８倍、１０倍、１２倍、１４倍、１６倍、または１８倍である表面積を有する。本発明のいくつかの実施形態では、多孔質マトリックスは、少なくとも１、１０、１００、または１０００ミクロンの厚さを有する。本発明のいくつかの実施形態では、多孔質マトリックスの多孔度範囲は、適宜、約５〜９９．９％であり、典型的には、約４０〜９９％の範囲である。これらのマトリックスの多孔度は、水銀またはガス多孔度測定、さまざまなサイズおよび分子量のマーカー分子（例えば、アセトン、定められたサイズのさまざまな球状タンパク質、ブルーデキストラン）を使用するサイズ排除クロマトグラフィ、およびサイクリックボルタンメトリなどの当業で典型的に使用されるプロトコルのうちの１つにより測定されうる。
【００９９】
本発明の関連する一実施形態は、固定化酵素、例えば、グルコースオキシダーゼでコーティングされた表面を有する多孔質マトリックスを含む哺乳類体内への植え込み用の検体センサ装置である。このセンサ設計の一実施形態では、多孔質マトリックスは、作用電極を備え、固定化酵素は、作用電極上に配置された検体感知層内に配置され、これにより、検体感知層は検体の存在下で導電層内の作用電極のところで電流を検出可能なように変化させる。典型的には、センサは、さらに、中を通る検体の拡散を調節する、検体感知層上に配置された検体調節層を備える。典型的には、センサは、さらに、検体感知層と検体感知層上に配置された検体調節層との間の接着を促進する、検体感知層上に配置された接着促進層を備える。適宜、センサは、さらに、検体感知層と検体調節層との間に配置されるタンパク質層を備える。典型的には、センサは、さらに、検体調節層の少なくとも一部に配置されたカバー層を備え、カバー層は、さらに、検体調節層の少なくとも一部を感知される検体を含む溶液に曝す開口を備える。
【０１００】
本発明の関連する一実施形態は、多孔質マトリックスを含む層を形成するステップ、多孔質マトリックス上に検体感知層を形成するステップを含む、哺乳類体内に植え込むためのセンサ装置を製造する方法であり、検体感知層は、検体感知層が形成されている多孔質マトリックスが電極として機能するように検体の存在下で多孔質マトリックスの表面のところに発生する電流を変化させることができるグルコースオキシダーゼなどの酵素を含む。このような方法は、さらに、検体感知層上にタンパク質層を適宜形成するステップと、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に接着促進層を形成するステップと、接着促進層上に配置される検体調節層を形成し、検体調節層は中を通る検体の拡散を調節する組成物を含むステップと、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたカバー層を形成し、カバー層はさらに検体調節層の少なくとも一部の上に開口を備えるステップとを含む。
【０１０１】
本発明の他の実施形態は、哺乳類の体内の検体を感知する方法であり、この方法は、検体感知層が形成されている多孔質マトリックスが電極として機能するように検体の存在下で多孔質マトリックスの表面のところに発生する電流を検出可能なように変化させる、多孔質マトリックス上に配置されている検体感知層と、検体感知層上に配置されているオプションのタンパク質層と、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に配置されている、検体感知層と検体感知層上に配置されている検体調節層との間の接着を促進する接着促進層と、検体感知層上に配置されている、中を通る検体の拡散を調節する検体調節層と、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されている、検体調節層の少なくとも一部の上に開口を備えるカバー層とを有する多孔質マトリックスを備える検体センサを哺乳類体内に植え込むことと、電流の変化を感知し、電流の変化と検体の存在との相関を求めて、検体を感知することとを含む。
【０１０２】
本発明のさらに他の実施形態は、硬質マクロ多孔質ポリマ上にタンパク質を固定化する方法であり、この方法は、タンパク質と、タンパク質に架橋することができる官能基部分を有する硬質マクロ多孔質ポリマとを組み合わせるステップと、次いで、タンパク質の官能基部分を硬質マクロ多孔質ポリマの官能基に架橋し、タンパク質が硬質マクロ多孔質ポリマ上に固定化されるようにすることにより硬質マクロ多孔質ポリマ上にタンパク質を固定化することができる架橋剤を加えるステップとを含む。本発明のいくつかの実施形態では、タンパク質に架橋できる官能基部分を有する硬質マクロ多孔質ポリマは、タンパク質に架橋できる官能基部分を有する硬質マクロ多孔質ポリマが作られるように反応性エポキシド部分を有する硬質マクロ多孔質ポリマを求核化合物と組み合わせることにより作られる。
【０１０３】
本発明のさらに他の実施形態は、硬質マクロ多孔質ポリマ上にタンパク質を固定化する方法であり、この方法は、タンパク質上のスルフヒドリル、アミン、カルボキシル、またはヒドロキシル部分と硬質マクロ多孔質ポリマ上のエポキシド部分との間に求核反応を生じさせ、タンパク質が硬質マクロ多孔質ポリマ上に固定化されるようにする反応条件の下で、スルフヒドリル、アミン、カルボキシル、またはヒドロキシル部分を有するタンパク質を反応性エポキシド部分を有する硬質マクロ多孔質ポリマと組み合わせることを含む。この方法のいくつかの実施形態では、タンパク質上の少なくとも１つの求核部分は、タンパク質を硬質マクロ多孔質ポリマと組み合わせる前に阻止される。
【０１０４】
本発明の検体センサは、典型的には、本明細書で開示されている多孔質マトリックスを組み込む。典型的には、検体センサ装置は、典型的には作用電極の一部または全部を覆う、センサの導電層上に配置された検体感知層を備える。この検体感知層は、感知される検体の存在下で導電層内の作用電極のところに発生する電流を検出可能なように変化させる。本明細書で開示されているように、この検体感知層は、典型的には、作用電極のところに生じる電流を調節することができる分子の濃度を変化させる形で注目する検体と反応する酵素または抗体分子などを含む（例えば、図１の反応スキームに示されているような酸素および／または過酸化水素を参照）。例示的な検体感知層は、グルコースオキシダーゼ（例えば、グルコースセンサで使用する）または乳酸オキシダーゼ（例えば、乳酸塩センサで使用する）などの酵素を含む。本発明のいくつかの実施形態では、検体感知層は、多孔質金属および／またはセラミックおよび／またはポリママトリックス上に配置され、要素のこのような組み合わせはセンサ内で電極として機能する。
【０１０５】
典型的には、検体感知層は、さらに、検体感知化合物（例えば、酵素）とともに担体タンパク質を実質的に固定された比率で含み、検体感知化合物および担体タンパク質は、検体感知層全体に実質的に一様な形で分散される。典型的には、検体感知層は、非常に薄く、例えば、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満の厚さである。特定の科学理論に束縛されないが、そのような薄い検体感知層を持つセンサは、電着により厚さ３〜５ミクロンの酵素層が形成され、コーティング層内の反応性のある酵素の一部しか感知対象の検体に接近できないため、典型的には電着により生成される厚い層に比べて驚くほど高い特性を有すると考えられる。電着プロトコルにより形成される、このようなより厚みのあるグルコースオキシダーゼペレットは、さらに、機械的安定性がよくなく（例えば、ひび割れを生じる傾向がある）、さらに実際に使用するための準備にかかる時間が長く、典型的には植え込みの用意ができるまでに数週間の試験を要することが観察されている。これらの問題は、本明細書で説明されている薄層酵素コーティングでは見られないため、これらの薄いコーティングは、本発明の典型的な実施形態である。
【０１０６】
例えば、グルコースオキシダーゼを使用するセンサでは、電着により形成される厚いコーティングは、厚さ３〜５ミクロンの酵素層の反応界面で発生する過酸化水素がセンサ表面と接触し、それにより信号を発生するという能力を妨げる可能性がある。それに加えて、そのような厚いコーティングであるためセンサ表面に到達できない過酸化水素は、センサが置かれている環境内にセンサの方へと拡散して行き、それにより、そのようなセンサの感度および／または生体適合性を減じる。さらに、特定の科学理論に束縛されないが、このような薄い検体感知層を有するセンサは、スピンコーティングなどの工程により、グルコースオキシダーゼとアルブミン（酵素層中のグルコースオキシダーゼを安定化するために担体タンパク質として使用される）との酵素コーティング比を正確に制御できるという事実から結果として引き出される予期しない有利な特性を有すると考えられる。特に、グルコースオキシダーゼおよびアルブミンは、異なる等電点を有するため、電着工程の結果として、酵素と担体タンパク質との最適な形で決定された比が電着工程では悪影響を及ぼす変化を示し、グルコースオキシダーゼおよび担体タンパク質が配置されている酵素層全体にわたって実質的に一様に分散されない表面コーティングが生じることがある。それに加えて、このような薄い検体感知層を有するセンサは、予期しない高速な応答時間を示す。特定の科学理論には束縛されないが、これらの驚くべき、また有利な特性は、薄い酵素層により作用電極表面への接近がしやすくなり、また電極表面に接近するために電極に生じる電流を調節する分子の割合を増やすことができるという観察結果から得られると考えられる。この背景状況において、本発明のいくつかのセンサ実施形態では、哺乳類体内に存在する検体への暴露に応答する電流の変化は、検体が検体センサと接触している時間の１５、１０、５、または２分以内に電流測定計を介して検出されうる。
【０１０７】
適宜、検体感知層は、その上にタンパク質層が配置されており、またこのタンパク質層は、典型的には、この検体感知層と検体調節層との間にある。タンパク質層内のタンパク質は、ウシ血清アルブミンおよびヒト血清アルブミンからなる群から選択されたアルブミンである。典型的には、このタンパク質は、架橋される。特定の科学理論に束縛されることなく、この分離しているタンパク質層により、センサ機能が増強され、センサノイズ（例えば、スプリアス背景信号）を減少させるある種のキャパシタとして働くことで驚くべき機能的利点が得られると考えられる。例えば、本発明のセンサでは、ある量の水分が、センサの検体調節膜層の下に形成されることがあり、この層が、検体感知層の酵素と接触できる検体の量を調節する。この水分は、センサを使用する患者が移動したときにセンサ内でシフトする圧縮可能層を形成しうる。センサ内のそのようなシフトにより、実際の生理検体濃度と無関係にグルコースなどの検体が検体感知層を通過する仕方が変えられ、これによりノイズが発生しうる。この背景状況において、タンパク質層は、ＧＯｘなどの酵素が水分層と接触するのを防ぐことによりキャパシタとして働きうる。このタンパク質層は、検体感知層と検体調節膜層との間の接着を促進するなどのさらに多くの利点をもたらしうる。それとは別に、この層が存在する結果として、過酸化水素などの分子の拡散経路が大きくなり、それにより、電極感知要素に局所化され、センサ感度の増強に寄与しうる。
【０１０８】
典型的には、検体感知層および／または検体感知層上に配置されているタンパク質層は、その上に配置された接着促進層を有する。そのような接着促進層は、検体感知層と近位層、典型的には検体調節層との間の接着を促進する。この接着促進層は、典型的には、さまざまなセンサ層の間の最適な接着を促進する能力に関して選択され、センサを安定させる機能を有するγ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのシランを含む。興味深いことに、接着促進層を含むそのようなシランを有するセンサは、全体的安定性増大を含む、予期しない特性を示す。それに加えて、接着促進層を含むシランは、センサ安定性の増大能力に加えて多数の有利な特性をもたらし、また例えば、干渉除去さらには１つ以上の望ましい検体の質量移動の制御に有利な形で関与する。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態では、接着促進層は、さらに、検体調節層を通じてグルコースなどの検体の拡散を制限するために使用されるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）化合物などの隣接層内に存在しうる１つ以上の化合物を含む。例えば、ＰＤＭＳをＡＰ層に加えることは、センサの製造の際にＡＰ層内に孔またはギャップが生じる可能性が低減される背景状況では有利な場合がある。
【０１１０】
典型的には、接着促進層は、その上に配置されている、中を通る検体の拡散を調節する機能を有する検体調節層を有する。一実施形態では、検体調節層は、センサ層を通る検体（例えば、酸素）の拡散を高めるために使用され、その結果、検体感知層内の検体濃度を高める機能を有する組成物（例えば、ポリマなど）を含む。それとは別に、検体調節層は、センサ層を通る検体（例えば、グルコース）の拡散を制限するために使用され、その結果、検体感知層内の検体濃度を制限する機能を有する組成物を含む。これの例示的な実施例は、ポリジメチルシロキサンなどのポリマを含む親水性グルコース制限膜（つまり、中を通るグルコースの拡散を制限する機能）である。
【０１１１】
典型的には、検体調節層は、さらに、センサ装置の少なくとも一部の上に配置された典型的には電気絶縁性保護層である１つ以上のカバー層（例えば、検体調節層を覆う）を含む。絶縁保護カバー層として使用する許容されるポリマコーティングは、限定はしないが、シリコーン化合物、ポリイミド類、生体適合性ソルダーマスク、エポキシアクリレート共重合体などの無毒の生体適合性ポリマを含むことができる。例示的なカバー層は、スパンオンシリコーンを含む。典型的には、カバー層は、さらに、センサ層（例えば、検体調節層）の少なくとも一部を感知される検体を含む溶液に曝す開口を備える。
【０１１２】
本明細書で説明されている検体センサは、例えば、図１に示されているようにグルコースがグルコースオキシダーゼと相互作用するときに生じる作用陰極の近位における酸素濃度の変化の結果生じる作用陰極における電流の変化を検出するように陰極分極（polarized cathodically）されうる。それとは別に、本明細書で説明されている検体センサは、例えば、図１に示されているようにグルコースがグルコースオキシダーゼと相互作用するときに生じる作用陽極の近位における過酸化水素濃度の変化の結果生じる作用陽極における電流の変化を検出するように陽極分極（polarized anodically）されうる。本発明の典型的な実施形態では、（１つまたは複数の）作用電極における電流が、（１つまたは複数の）参照電極（対照）における電流と比較され、それらの測定結果の差から、測定される検体の濃度に相関させることができる値が得られる。これらのデュアル電極における電流の比較から測定結果を得ることにより電流値を求める検体センサ設計は、例えば、デュアル酸素センサと一般に呼ばれる。
【０１１３】
本発明のいくつかの実施形態では、検体センサ装置は、陽極分極を介して機能し、検体センサ装置の導電層内の陽極作用電極において電流の変化が検出されるように設計される。陽極分極に関連付けることができる構造設計の特徴として、陽極である作用電極、陰極である対向電極、および参照電極を備える適切なセンサ構成を設計し、次いで、この設計構成内の陽極の表面の適切な部分上に適切な検体感知層を選択的に配置することが挙げられる。適宜、この陽極分極構造設計は、陽極、陰極、および／または異なるサイズの表面積を有する作用電極を備える。例えば、この構造設計は、作用電極（陽極）および／または作用電極のコーティング表面が対向電極（陰極）および／または対向電極のコーティング表面よりも大きい特徴を備える。次いで、この背景状況において、陽極作用電極で検出されうる電流の変化と検体の濃度との相関が求められる。本発明のこの実施形態のいくつかの例示的な実施例では、作用電極は、酸化反応（例えば、図１を参照）で過酸化水素を測定し、使用しており、過酸化水素は、グルコースオキシダーゼまたは乳酸オキシダーゼなどの酵素により、それぞれグルコースまたは乳酸塩と反応した後に、生成される。そのような過酸化水素再生利用能力を有する電気化学的グルコースおよび／または乳酸塩センサに関係する本発明のそのような実施形態は、この分子の再生利用によりセンサからそれが置かれる環境内に漏れうる過酸化水素の量が減らされるため、特に興味深いものである。このような背景状況では、過酸化水素などの組織刺激物の放出を減らすように設計されている植え込み型センサは、生体適合性プロファイルを改善するであろう。さらに、過酸化水素が、グルコースオキシダーゼなどの酵素と反応し、その生物学的機能を損なう可能性のあることが観察されているので、そのようなセンサは、この現象が回避されるため望ましい。適宜、検体調節層（例えば、グルコース制限層）は、センサが置かれる環境内に過酸化水素が拡散するのを抑制するために使用される組成物を含むことができる。その結果、本発明のそのような実施形態は、本明細書に開示されている過酸化水素再生利用要素を組み込むことにより過酸化水素を生成する酵素を組み込むセンサの生体適合性を改善する。
【０１１４】
ベース層、導電層、検体感知層、オプションのタンパク質層、接着促進層、検体調節層、およびカバー層を備える本発明の検体センサのいくつかの実施形態は、多数の予期しない特性を示す。例えば、陽極分極を介して機能するように構造化されたセンサと陰極分極を介して機能するように構造化されたセンサとを比べると、検体感知層さらには電極表面における電気化学反応の差が、異なる化学物質を生成し、および／または消費し、このため、さまざまなセンサ要素が異なる極性で機能する化学的環境が変化する。このような背景状況において、本明細書で開示されているセンサ構造は、さまざまな異なる化学的、および／または電気化学的条件の下で予期しない安定度で機能することが示されている驚くほど用途の広いデバイスを実現する。
【０１１５】
本明細書で開示されている本発明のいくつかの実施形態（例えば、過酸化水素再生利用能力を有するもの）では、センサ層は、グルコースオキシダーゼまたは乳酸オキシダーゼなどの酵素を含む検体感知層でコーティングされている作用電極（例えば、陽極）および対向電極（例えば、陰極）を備える複数の電極を有する。そのようなセンサ設計は、増強感度を含む、驚くべき特性を有する。特定の理論に束縛されることなく、これらの特性は、グルコース感知反応（例えば、図１を参照）で使用できる付加的な酸素を発生する作用電極または対向電極の表面における過酸化水素の強化酸化の結果として得られるものとしてよい。したがって、この再生利用効果は、本明細書で開示されているいくつかのセンサ実施形態の酸素依存の制限を緩和しうる。さらに、この設計の結果、利用可能な過酸化水素を容易に還元し、その結果低い電極電位を持つことができる作用電極を有するセンサが得られる。低い電極電位で機能するように設計されたセンサは、本発明の典型的な実施形態であるが、それは、このタイプのセンサの電極電位が高いと、センサを不安定にする可能性のあるガス発生加水分解反応が生じうるからである（加水分解反応で発生する気泡からのセンサ層の崩壊による）。それに加えて、対向電極が、グルコースオキシダーゼまたは乳酸オキシダーゼなどの酵素を含む検体感知層の非常に薄い層でコーティングされるように設計されたセンサ実施形態では、酵素反応で発生した過酸化水素は、対向電極の反応表面に非常に近い。これにより、センサの全体的効率が高まり、それにより、例えば、反応表面の小さい対向電極を備えるコンパクトな設計のセンサを製造することが可能になる。
【０１１６】
哺乳類体内への植え込み用の検体センサ装置の特定の例示的な実施例は、以下の設計による過酸化水素センサである。過酸化物センサ装置の第１の層は、典型的にはアルミナなどのセラミックから作られるベース層である。ベース層上に配置されるその後の層は、陽極作用電極および参照電極を含む複数の電極を備える導電層である。導電層上に配置されたその後の層は、図１に示されているように、グルコースを感知し、その後、過酸化水素を発生する架橋グルコースオキシダーゼを含む検体感知層である。過酸化水素が存在している場合、陽極作用電極では、生成された過酸化水素が導電層内のこの陽極と接触して、酸化されたときに測定がかかるほどの電流増大を生じる。参照電極は、対照として使用され、作用電極、および図１に示されている反応により生成される過酸化水素から物理的に分離される。この検体感知層は、厚さが典型的には１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満であり、架橋されたグルコースオキシダーゼとの実質的に固定された比率の架橋されたヒト血清アルブミンの混合物を含み、グルコースオキシダーゼおよびヒト血清アルブミンはセンサ層全体にわたって実質的に一様に分散されている。センサ層上に配置されているその後の層は、架橋されたヒト血清アルブミンを含むタンパク質層である。タンパク質層上に配置されたその後の層は、検体感知層および／またはタンパク質層とそれらの層上に配置される検体調節層との間の接着を促進する接着促進層である。この接着促進層は、シラン組成物を含む。接着促進層上に配置されているその後の層は、中を通るグルコースの拡散を調節するＰＤＭＳを含む親水性グルコース制限膜の形態の検体調節層である。その後の層は、検体調節層の少なくとも一部に配置された、典型的にはシリコーンを含むカバー層であり、カバー層は、さらに、グルコースが作用電極上の検体感知層に接近できるように検体調節層の少なくとも一部を、環境を含む外部グルコースに曝す開口を備える。この過酸化物センサ装置は、検体調節層を通じて拡散するグルコースにより生成され、次いで検体感知層内のグルコースオキシダーゼと反応する過酸化水素のシグナルが、電流測定計により測定可能なセンサの導電層内の陽極作用電極における電流の検出可能な変化をもたらすように陽極分極を介して機能する。次いで、陽極作用電極における電流の変化と外部環境内のグルコース濃度との相関が求められる。その結果、この設計のセンサは、過酸化物ベースのグルコースセンサとして働くことができる。
【０１１７】
Ｄ．検体センサ装置および要素の置換
上記のように、本明細書で開示されている発明は、非常に薄い酵素コーティングを有するセンサを備える多数の実施形態を含む。本発明のこのようないくつかの実施形態により、当業者は本明細書で開示されている検体センサ装置のさまざまな置換形態を形成できる。上記のように、本明細書で開示されているセンサの例示的な一般的実施形態は、ベース層、カバー層、およびベース層とカバー層との間に配置された電極などのセンサ要素を有する少なくとも１つの層を備える。典型的には、１つ以上のセンサ要素（例えば、作用電極、対向電極、参照電極など）の露出されている部分は、適切な電極化学作用を有する材料の非常に薄い層でコーティングされる。例えば、乳酸オキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、またはヘキソキナーゼなどの酵素を、カバー層内に定められている開口部または開口内のセンサ要素の露出部分に配置することができる。図２は、本発明の典型的なセンサ構造１００の断面を例示している。センサは、センサ構造１００を形成するために本発明の方法により互いの上に配置されるさまざまな導電性構成要素と非導電性構成要素を含む複数の層から形成される。
【０１１８】
上記のように、本発明のセンサでは、センサのさまざまな層（例えば、検体感知層）は、その中に１つ以上の生物活性および／または不活性材料を組み込むことができる。本明細書に使用されているような「組み込まれる（incorporated）」という用語は、組み込まれた材料が層の固相または支持マトリックスの外面上に、または内部に保持される状態または条件を記述することを意図している。したがって、「組み込まれる」材料は、例えば、（１つまたは複数の）マトリックス層の官能基に固定化され、物理的に取り込まれ、共有結合されうる。さらに、前記材料の「組み込み」を促進する工程、試薬、添加剤、または分子リンカー剤（molecular linker agent）は、これらの追加のステップまたは試薬が本発明の目的にとって有害ではなく、合致している場合に採用できる。この定義は、もちろん、生物活性分子（例えば、グルコースオキシダーゼなどの酵素）が「組み込まれる」本発明の任意の実施形態に適用される。例えば、本明細書で開示されているセンサのいくつかの層は、架橋可能なマトリックスとして使用されるアルブミンなどのタンパク性物質を含む。本明細書で使用されているように、タンパク性物質は、実際の物質が天然タンパク質、不活性タンパク質、変性タンパク質、加水分解された化学種、またはそれらの誘導体物質であるかどうかに関わらず、一般的にタンパク質由来の物質を包含することを意味する。好適なタンパク性材料の実施例としては、限定はしないが、グルコースオキシダーゼおよび乳酸オキシダーゼなどの酵素、アルブミン（例えば、ヒト血清アルブミン、ウシ血清アルブミンなど）、カゼイン、γ−グロブリン、コラーゲン、およびコラーゲン由来生成物（例えば、魚ゼラチン、魚膠、動物ゼラチン、および動物膠）がある。
【０１１９】
本発明の例示的な一実施形態は、図２に示されている。この実施形態は、センサ１００を支持する電気絶縁ベース層１０２を備える。電気絶縁ベース層１０２は、セラミック基材などの材料から作られ、自立型であるか、または当業で知られているような他の材料によりさらに支えられうる。代替実施形態では、電気絶縁層１０２は、ポリイミド基材、例えば、リールから繰り出されるポリイミドテープを含む。この形態の層１０２を形成することにより、クリーンな高密度大量生産品を容易に製造できる。さらに、このようなポリイミドテープを使用するいくつかの生産工程では、センサ１００は、テープの両側に形成されうる。
【０１２０】
本発明の典型的な実施形態は、ベース層１０２上に配置されている検体感知層を含む。図２に示されているような例示的な一実施形態では、検体感知層は、絶縁ベース層１０２に配置される導電層１０４を含む。典型的には、導電層１０４は、１つ以上の電極を備える。導電層１０４は、これ以降で説明されるような多くの知られている技術および材料を使用して施すことができるが、ただし、センサ１００の電気回路は、典型的には、配置される導電層１０４を所望のパターンの導電経路にエッチングすることにより定められる。センサ１００の典型的な電気回路は、コンタクトパッドを形成するための近位端にある領域とセンサ電極を形成するための遠位端にある領域とともに２つ以上の隣接する導電経路を備える。ポリマコーティングなどの電気絶縁保護カバー層１０６は、典型的には、導電層１０４の一部に配置される。絶縁保護層１０６として使用する、許容されるポリマコーティングは、限定はしないが、ポリイミド、生体適合性ソルダーマスク、エポキシアクリレート共重合体などの無毒の生体適合性ポリマを含むことができる。さらに、これらのコーティングは、導電性層１０４を貫通する開口１０８のフォトリソグラフィによる形成を簡単に行えるように写真撮像可能であるものとしてよい。本発明のいくつかの実施形態では、検体感知層は、多孔質金属および／またはセラミックおよび／またはポリママトリックス上に配置され、要素のこのような組み合わせはセンサ内で電極として機能する。
【０１２１】
本発明のセンサでは、１つ以上の露出されている領域または開口１０８は、保護層１０６を貫通して導電層１０４に到達し、センサ１００のコンタクトパッドおよび電極を定めることができる。開口１０８は、フォトリソグラフィ現像のほかに、レーザアブレーション、化学研磨もしくはエッチングなどを含む多数の技術により形成されうる。二次フォトレジストをさらにカバー層１０６に施し、開口１０８を形成するため取り除かなければならない保護層の領域を定めることもできる。稼働しているセンサ１００は、典型的には、作用電極および互いに電気的に絶縁されている、ただし、典型的には互いに近接して配置されている対向電極などの複数の電極を備える。他の実施形態は、参照電極を備えることもできる。さらに他の実施形態は、センサ上に形成されていない別の参照要素を使用することができる。露出されている電極および／またはコンタクトパッドは、さらに、開口１０８を通して追加のメッキ処理などの二次処理を施され、そうして、表面を形成し、および／または導電性領域を強化することができる。
【０１２２】
検体感知層１１０は、典型的には、開口１０８を通して導電層１０４の露出されている電極の１つ以上に配置される。典型的には、検体感知層１１０は、センサ化学層、および最も典型的には酵素層である。典型的には、検体感知層１１０は、酵素グルコースオキシダーゼまたは酵素乳酸オキシダーゼを含む。このような実施形態では、検体感知層１１０は、グルコースと反応し、存在するグルコースの量を測定するために監視できる電極に送られる電流を調節する過酸化水素を生成する。センサ化学層１１０は、導電層の一部分または導電層の領域全体にわたって施されうる。典型的には、センサ化学層１１０は、作用電極および導電層を備える対向電極の一部に配置される。薄いセンサ化学層１１０を形成するいくつかの方法は、スピンコーティング工程、浸漬および乾燥工程、低剪断噴霧工程、インクジェット印刷工程、シルクスクリーン工程などを含む。最も典型的には、薄いセンサ化学層１１０は、スピンコーティング工程を使用して施される。
【０１２３】
検体感知層１１０は、典型的には、１つ以上のコーティング層でコーティングされる。本発明のいくつかの実施形態では、１つのそのようなコーティング層は、検体感知層の酵素と接触しうる検体の量を調節することができる膜を備える。例えば、コーティング層は、電極上のグルコースオキシダーゼ酵素層と接触するグルコースの量を調節するグルコース制限膜などの検体調節膜層を含むことができる。そのようなグルコース制限膜は、そのような目的に適していることが知られている広範な材料、例えば、シリコーン、ポリウレタン、ポリ尿素酢酸セルロース、ナフィオン、ポリエステルスルホン酸（例えば、Ｋｏｄａｋ  ＡＱ）、ヒドロゲル、または当業者に知られている他の膜から作ることができる。
【０１２４】
本発明のいくつかの実施形態では、コーティング層は、センサ化学層１１０とのグルコース接触を調節するためにセンサ化学層１１０の上に配置されているグルコース制限膜層１１２である。本発明のいくつかの実施形態では、接着促進層１１４は、接触および／または接着を促進するために図２に示されているように膜層１１２とセンサ化学層１１０との間に配置される。接着促進層１１４は、そのような層の間の接着を容易にするために当業で知られているさまざまな材料のうちの１つから作ることができる。典型的には、接着促進層１１４は、シラン化合物を含む。代替実施形態では、センサ化学層１１０内のタンパク質または類似の分子は、接着促進層１１４が存在していない場合に膜層１１２がセンサ化学層１１０と直接接触して配置されるように十分に架橋されるか、または他の何らかの方法で調製されうる。
【０１２５】
上記のように、本発明のいくつかの実施形態は、１つ以上の機能性コーティング層を備えることができる。本明細書で使用されているように、「機能性コーティング層（functional coating layer）」という用語は、センサの少なくとも１つの表面の少なくとも一部、より典型的にはセンサの実質的全面をコーティングし、センサが配置されている環境内で化合物、細胞、およびその断片などの１つ以上の検体と相互作用することができる層を意味する。機能性コーティング層の限定されない実施例は、センサ化学層（例えば、酵素層）、検体制限層、生体適合層、センサの滑りやすさを高める層、センサへの細胞付着を促進する層、センサへの細胞付着を低減する層などを含む。典型的には、検体調節層は、これらの層を通じて、グルコースなどの１つ以上の検体の拡散を妨げるか、または制限するように動作する。適宜、このような層を形成して、層（例えば、グルコース）を通じて一方のタイプの分子の拡散を阻止または制限し、それと同時に、層（例えば、Ｏ２）を通じて他方のタイプの分子の拡散を許すかさらには促進することができる。例示的な機能性コーティング層は、開示がそれぞれ本願に引用して援用する、米国特許第５，７８６，４３９号および第５，３９１，２５０号に開示されているようなヒドロゲルである。本明細書で説明されているヒドロゲルは、周囲の水層を用意すると都合がよいさまざまな植え込み型デバイスと使用すると特に有用である。
【０１２６】
本明細書で開示されているセンサ実施形態は、紫外線吸収ポリマを有する層を備えることができる。本発明の一態様によれば、紫外線吸収ポリマを含む少なくとも１つの機能性コーティング層を含むセンサが実現される。いくつかの実施形態では、紫外線吸収ポリマは、ポリウレタン、ポリ尿素、またはポリウレタン／ポリ尿素共重合体である。より典型的には、選択された紫外線吸収ポリマは、ジイソシアン酸エステル、少なくとも１つのジオール、ジアミンまたはその混合物、および多官能性紫外線吸収モノマを含む反応混合物から形成される。
【０１２７】
紫外線吸収ポリマは、本願に引用して援用する、ロード（Ｌｏｒｄ）らの「Ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  Ｓｅｔ」という表題の米国特許第５，３９０，６７１号、ウィルソン（Ｗｉｌｓｏｎ）らの「Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」という表題の米国特許第５，１６５，４０７号、およびゴフ（Ｇｏｕｇｈ）の「Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」という表題の米国特許第４，８９０，６２０号において説明されているようなさまざまなセンサ加工法において有利に使用される。しかし、センサ要素上または下に紫外線吸収ポリマ層を形成するステップを含む、あらゆるセンサ生産方法は、本発明の範囲内にあると考えられる。特に、本発明の方法は、薄膜加工法に限定されず、紫外線レーザ切断を利用する他のセンサ加工法でもうまくゆくことができる。実施形態は、厚膜、平面状または円筒状センサなど、およびレーザ切断を必要とする他のセンサ形状で動作しうる。
【０１２８】
本明細書で開示されているように、本発明のいくつかのセンサは、糖尿病患者の血糖値を監視するための皮下または経皮的グルコースセンサとして使用するように特に設計されている。典型的には、それぞれのセンサは、下に配置される絶縁薄膜ベース層と上に配置される絶縁薄膜カバー層との間に形成される、複数のセンサ要素、例えば、細長い薄膜導体などの導電性要素を備える。
【０１２９】
必要ならば、複数の異なるセンサ要素を単一のセンサ内に入れることができる。例えば、導電センサ要素と反応センサ要素の両方を１つのセンサにまとめ、適宜、それぞれのセンサがベース層の異なる部分上に配置されるようにできる。１つ以上の制御要素も備えることができる。そのような実施形態では、センサは、そのカバー層内に複数の開口部または開口を定めることができる。また、ベース層の一部の真上に１つ以上の開口部を定めることができ、これにより、センサが配置される環境内でベース層と１つ以上の検体とを相互作用させることができる。ベース層およびカバー層は、さまざまな材料、典型的にはポリマから構成されうる。より具体的な実施形態では、ベース層およびカバー層は、ポリイミドなどの絶縁材料を含む。典型的には開口部をカバー層内に形成し、遠位端電極および近位端コンタクトパッドを露出させることができる。グルコース監視応用事例では、例えば、遠位端電極が患者血液または細胞外液と接触し、またコンタクトパッドが監視デバイスに接続しやすく外部に配置されるように経皮的にセンサを配置することができる。
【０１３０】
本発明のセンサは、望む任意の形状を取ることができ、例えば、平面状または円筒状とすることができる。ベース層１０２は、硬質ポリマ層などの自立型であるか、または柔軟な膜などの非自立型とすることができる。後者の実施形態は、例えば、連続的に解かれ、センサ要素およびコーティング層が連続的に施される１本のポリマフィルムロールを使用してセンサの連続的製造を可能にするという点で望ましい。
【０１３１】
本発明の一般的な実施形態は、ベース層、複数のセンサ要素を備えるベース層上に配置されている検体感知層、導電層上の複数の感知要素のすべてをコーティングする検体感知層上に配置されている酵素層（典型的には厚さが２ミクロン未満）、および１つ以上のコーティング層を備える体内植え込み用に設計されたセンサである。典型的には、酵素層は、グルコースオキシダーゼを、典型的には実質的に固定された比率で担体タンパク質とともに含む。特定の実施形態では、グルコースオキシダーゼおよび担体タンパク質は、配置されている酵素層全体にわたって実質的に一様になるように分散される。典型的には、担体タンパク質は、典型的には５重量％程度の量のアルブミンを含む。本明細書で使用されているように、「アルブミン（albumin）」は、ヒト血清アルブミン、ウシ血清アルブミンなどのポリペプチド組成物を安定させるために典型的には当業者により使用されるアルブミンタンパク質を指す。本発明のいくつかの実施形態では、コーティング層は、酵素層と接触しうる検体の量を調節するためにセンサ層上に配置されている検体接触層である。他の実施形態では、センサは、酵素層と検体接触層との間に配置された接着促進層を備え、酵素層は、厚さが１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満である。
【０１３２】
本発明の一態様は、増強された材料特性を有する改善された電極化学コーティング（例えば、厚さが２ミクロン未満の酵素コーティング）を有するセンサを製造する工程を伴う。本発明の極端に薄い酵素コーティングを形成する方法は、スピンコーティング工程、浸漬および乾燥工程、低剪断噴霧工程、インクジェット印刷工程、シルクスクリーン工程などを含む。典型的には、このようなコーティングは、塗布後に蒸気架橋（vapor crosslink）される。驚くべきことに、これらの工程により製造されるセンサは、高められた寿命、直線性、規則性、さらには改善された信号対雑音比を含む、電着により形成されたコーティングを有するセンサの特性を超える材料特性を有する。それに加えて、そのような工程により形成されるグルコースオキシダーゼコーティングを使用する本発明のいくつかのセンサ実施形態は、過酸化水素を再生利用し、そのようなセンサの生体適合性プロファイルを改善するように設計されている。本発明の例示的な実施形態は、過酸化水素を消費するとともに、酸素を再生利用するように設計されたものを含む。
【０１３３】
このような背景状況では、本発明の例示的な実施形態は、安定化されたグルコースオキシダーゼの約２ミクロン未満のコーティングを電極などのマトリックスの表面に形成する方法であり、固定された比率（典型的にはグルコースオキシダーゼ安定化特性を持つように最適化された比率）でグルコースオキシダーゼとアルブミンとを組み合わせることと、スピンコーティング工程、浸漬および乾燥工程、微小蒸着工程、ジェットプリンタ蒸着工程、スクリーン印刷工程、またはドクターブレーディング工程からなる群から選択された工程によりグルコースオキシダーゼとアルブミンの混合物をマトリックスの表面に塗布することとを含む。典型的には、安定化されたグルコースオキシダーゼコーティングは、スピンコーティング工程により電極の表面に施される。いくつかの実施形態では、アルブミンが約５重量％の範囲で存在している場合に、グルコースオキシダーゼ／アルブミンが生理溶液（例えば、ｐＨが中性であるリン酸緩衝生理食塩水）中に調製される。適宜、導電層上に形成されている安定化されたグルコースオキシダーゼ層は、２、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満の厚さである。本発明の密接に関連する実施形態は、電極の表面をコーティングするための安定化されたグルコースオキシダーゼ層であり、グルコースオキシダーゼは、層内で担体タンパク質と固定された比率で混合され、グルコースオキシダーゼおよび担体タンパク質は、層全体に実質的に一様に分散される。典型的には、この層の厚さは、２ミクロン未満である。
【０１３４】
本発明のいくつかの実施形態は、検体感知層が、多孔質金属および／またはセラミックおよび／またはポリママトリックス上に配置され、要素のこのような組み合わせはセンサ内で電極として機能する設計を含む。本発明の関連する実施形態は、ベース層、少なくとも１つの作用電極と少なくとも１つの対向電極とを備えるベース層上に配置されている導電層、導電層上に配置されている、厚さが２ミクロン未満である検体感知層、および層を通して拡散し、検体感知層と接触しうる検体の量を典型的には制限することにより酵素層と接触する検体の量を調節する検体調節層を備える電気化学検体センサである。本発明のオプションの実施形態では、作用電極および／または作用電極のコーティング表面は、対向電極および／または対向電極のコーティング表面よりも大きい。いくつかの実施形態では、酵素層は、固定された比率で担体タンパク質と組み合わせて作用電極と対向電極上にコーティングすることにより安定化されたグルコースオキシダーゼを含む。一実施形態では、このグルコースオキシダーゼ酵素層は、導電層を実質的に覆う。グルコースオキシダーゼ酵素層が、導電層全体に一様なコーティングとして配置されている実施形態が典型的なものであるのは、異なる材料特性を有する、異なるコーティングの選択的層剥離など、単一の層上に複数の異なるコーティングが配置されるセンサに付随するいくつかの問題点が回避されうるからである。典型的には、センサは、酵素層と検体調節層との間に配置される接着促進層を備える。
【０１３５】
本発明の関連する実施形態は、ベース層、少なくとも１つの作用電極、少なくとも１つの参照電極、および少なくとも１つの対向電極を備えるベース層上に配置されている導電層、導電層上に配置されている酵素層、および酵素層と接触する検体の量を調節する検体調節カバー層を備える電気化学検体センサである。いくつかの実施形態では、酵素層は、厚さが２ミクロン未満であり、作用電極、参照電極、および対向電極の少なくとも一部の上にコーティングされる。例示的な一実施形態では、酵素層は、作用電極、参照電極、および対向電極を実質的に覆う。適宜、酵素層は、グルコースオキシダーゼを固定された比率で担体タンパク質（例えば、アルブミン）と組み合わせて含む。典型的には、センサは、酵素層と検体調節層との間に配置される接着促進層を備える。
【０１３６】
本発明のさらに他の実施形態は、ベース層、ベース層上に配置されている導電層、グルコースオキシダーゼが定められた比率でアルブミンと組み合わせることにより安定化され、さらにグルコースオキシダーゼおよびアルブミンが配置されている層全体にわたって実質的に一様に分散された、導電層上に配置されているグルコースオキシダーゼを含む検体感知層、およびグルコース制限層を通して拡散し、グルコースオキシダーゼ層と接触するグルコースの量を調節するグルコース制限層を含む体内植え込み用のグルコースセンサを備える。いくつかの実施形態では、導電層は、少なくとも１つの作用電極と少なくとも１つの対向電極を備える複数のセンサ要素を具備する。このようなセンサ実施形態では、グルコースオキシダーゼを含む検体感知層は、厚さが、典型的には、２、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満であり、層内のアルブミンは、５重量％程度存在する。典型的には、センサは、グルコースオキシダーゼを含む検体感知層とグルコース制限層との間に配置される接着促進層を備える。
【０１３７】
Ｅ．検体センサ装置構成
臨床現場では、グルコースおよび／または乳酸塩などの検体のレベルの正確で比較的速い決定を、電気化学センサを使用して血液試料から下すことができる。従来のセンサは、多数の使用可能部品を備える大型の、または多くの環境においてより使いやすい小型の平面型センサとして加工される。本明細書で使用されるような用語「平面（状）（planar）」は、例えば、周知の厚膜または薄膜技術を使用して比較的薄い材料の層を含む実質的に平面状の構造を加工する周知の手順を指す。例えば、両方とも本願に引用して援用する、リュー（Ｌｉｕ）らの米国特許第４，５７１，２９２号、およびパパダキス（Ｐａｐａｄａｋｉｓ）らの米国特許第４，５３６，２７４号を参照のこと。以下で述べるように、本明細書で開示されている本発明の実施形態は、当業における既存のセンサに比べて広範な幾何学的構成（例えば、平面状）を有する。それに加えて、本発明のいくつかの実施形態は、薬剤注入ポンプなどの他の装置に結合された本明細書で開示されている複数のセンサのうちの１つ以上を備える。
【０１３８】
図２は、本発明の典型的な検体センサ構成を示す線図である。いくつかのセンサ構成は、検体センサ装置とともに作ることができる比較的平坦な「リボン」型構成である。このような「リボン」型構成は、グルコースオキシダーゼなどの酵素を感知するスピンコーティングにより生じる本明細書で開示されているセンサの利点を示しており、このコーティングは、非常に柔軟なセンサ幾何学的形状の設計および形成を可能にする極めて薄い酵素コーティングを施す製造工程である。このような薄い酵素をコーティングしたセンサは、植え込み型デバイスにとって非常に望ましい特徴（例えば、デバイスを小型化すると植え込みやすくなる）である、センサ感度を維持しつつセンサ領域を小さくすることができるなどの利点をさらに有する。その結果、スピンコーティングなどの処理工程により形成されうる非常に薄い検体感知層を利用する本発明のセンサ実施形態は、電着などの処理工程を介して形成される酵素層を使用するセンサと比べて多様な幾何学的形状構成（例えば、平面状）をとることができる。
【０１３９】
いくつかのセンサ構成は、複数の作用電極、対向電極、および参照電極などの複数の導電性要素を含む。このような構成の利点として、表面積を広げてセンサ感度を高められるという事実が挙げられる。例えば、１つのセンサ構成で第３の作用センサが導入される。このような構成の明らかな利点の１つは、センサ精度を高める３つのセンサの信号平均である。他の利点として、複数の検体を測定できることが挙げられる。特に、この配列で電極を含む検体センサ構成（例えば、作用電極、対向電極、および参照電極）を複数の検体センサ内に組み込むことができる。酸素、過酸化水素、グルコース、乳酸塩、カリウム、カルシウム、および他の生理学的に関係する物質／検体などの複数の検体の測定は、例えば、そのようなセンサで線形応答を得られる、さらには較正および／または再較正作業が簡単になるなどの多数の利点を有する。
【０１４０】
例示的な複数のセンサデバイスは、陰極分極し、グルコースがグルコースオキシダーゼと相互作用した結果として作用電極（陰極）に発生する酸素濃度の変化を測定するように設計されている第１のセンサと、陽極分極し、グルコースが外部環境に由来し、グルコースオキシダーゼと相互作用した結果として作用電極（陽極）に発生する過酸化水素濃度の変化を測定するように設計されている第２のセンサとを有する単一デバイスを含む。当業で知られているように、このような設計では、第１の酸素センサは、典型的には、酸素がセンサに接触したときに作用電極のところで電流の減少を生じ、その一方で、第２の過酸化水素センサは、典型的には、図１に示されているように生成される過酸化水素がセンサと接触したときに作用電極のところで電流の増加を生じるであろう。それに加えて、当業で知られているように、それぞれのセンサシステム内の参照電極と比較した作用電極に生じる電流の変化の観察結果は、外部環境（例えば、哺乳類の身体）内のグルコースの濃度にその後相関しうる酸素および過酸化水素分子の濃度の変化に相関する。
【０１４１】
本発明の検体センサは、薬剤注入ポンプなどの他の医療デバイスに結合できる。この方式の例示的な変更形態では、例えば、医療デバイスに結合されているポート（例えば、ロック用電気的接続部を備える皮下ポート）を使用することにより、本発明の交換可能検体センサを薬剤注入ポンプなどの他の医療デバイスと結合することができる。
【０１４２】
ＩＩ．本発明の検体センサ装置を製造するための例示的な方法および材料
多数の論文、米国特許、および特許出願において、本明細書で開示されている共通の方法および材料に関する最新技術が説明されており、さらに、本明細書で開示されているセンサ設計で使用されうるさまざまな要素（およびその製造に関わる方法）が説明されている。これらは、例えば、それぞれ本願に引用して援用する、米国特許出願第６，４１３，３９３号、米国特許第６，３６８，２７４号、米国特許第５，７８６，４３９号、米国特許第５，７７７，０６０号、米国特許第５，３９１，２５０号、米国特許第５，３９０，６７１号、米国特許第５，１６５，４０７号、米国特許第４，８９０，６２０号、米国特許第５，３９０，６７１号、米国特許第５，３９０，６９１号、米国特許第５，３９１，２５０号、米国特許第５，４８２，４７３号、米国特許第５，２９９，５７１号、米国特許第５，５６８，８０６号、米国特許出願第２００２００９０７３８号、さらには、国際公開第０１／５８３４８号、国際公開第０３／０３４９０２号、国際公開第０３／０３５１１７号、国際公開第０３／０３５８９１号、国際公開第０３／０２３３８８号、国際公開第０３／０２２１２８号、国際公開第０３／０２２３５２号、国際公開第０３／０２３７０８号、国際公開第０３／０３６２５５号、国際公開第０３／０３６３１０号、および国際公開第０３／０７４１０７号を含む。
【０１４３】
糖尿病患者のグルコース濃度を監視する典型的なセンサは、シチリ（Ｓｈｉｃｈｉｒｉ）ら「Ｉｎ  Ｖｉｖｏ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｎｅｅｄｌｅ−Ｔｙｐｅ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｅｎｓｏｒ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｕｂｃｕｔａｎｅｏｕｓ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｈｕｍａｎ  Ｖｏｌｕｎｔｅｅｒｓ」、Ｈｏｒｍ．Ｍｅｔａｂ．Ｒｅｓ．，Ｓｕｐｐｌ．Ｓｅｒ．２０：１７−２０（１９８８）、ブルッケル（Ｂｒｕｃｋｅｌ）ら「Ｉｎ  Ｖｉｖｏ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｓｕｂｃｕｔａｎｅｏｕｓ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  ａ  Ｗｉｃｋ  Ｍｅｔｈｏｄ」、Ｋｌｉｎ．Ｗｏｃｈｅｎｓｃｈｒ．６７：４９１−４９５（１９８９）、およびピックアップ（Ｐｉｃｋｕｐ）ら「Ｉｎ  Ｖｉｖｏ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  ｉｎ  Ｄｉａｂｅｔｅｓ  Ｍｅｌｌｉｔｕｓ：Ａｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ」、Ｄｉａｂｅｔｏｌｏｇｉａ  ３２：２１３−２１７（１９８９）で説明されている。他のセンサは、例えば、本願に引用して援用する、リーチ（Ｒｅａｃｈ）ら「ＡＤＶＡＮＣＥＳ  ＩＮ  ＩＭＰＬＡＮＴＡＢＬＥ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、Ａ．Ｔｕｒｎｅｒ（ｅｄ．），ＪＡＩ  Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，Ｃｈａｐ．１，（１９９３）で説明されている。
【０１４４】
Ａ．検体センサを製造する一般的な方法
本明細書で開示されている本発明の典型的な一実施形態は、哺乳類体内への植え込み用のセンサ装置を製造する方法であって、この方法は、ベース層を形成するステップと、電極（および典型的には作用電極、参照電極、および対向電極）を含む導電層をベース層上に形成するステップと、検体の存在下で導電層内の電極のところの電流を変化させることができる組成物を含む検体感知層を導電層上に形成するステップと、検体感知層上にタンパク質層を適宜形成するステップと、検体感知層またはオプションのタンパク質層上に接着促進層を形成するステップと、接着促進層上に配置される、中を通る検体の拡散を調節する組成物を含む検体調節層を形成するステップと、検体調節層の少なくとも一部の上にある開口をさらに含む、検体調節層の少なくとも一部の上に配置されたカバー層を形成するステップとを含む。これらの方法のいくつかの実施形態では、検体センサ装置は、平面状幾何学的形状構成で形成される。
【０１４５】
本明細書で開示されているように、センサのさまざまな層は、センサの特定の設計に応じて操作されうるさまざまな異なる特性を示すように製造できる。例えば、接着促進層は、センサ構造全体を安定化させることができるように選択された化合物、典型的にはシラン組成物を含む。本発明のいくつかの実施形態では、検体感知層は、スピンコーティング工程により形成され、その厚さは、１、０．５、０．２５、および０．１ミクロン未満の厚さからなる群から選択される。
【０１４６】
典型的には、センサを製造する方法は、検体感知層上にタンパク質層を形成するステップを含み、タンパク質層内のタンパク質は、ウシ血清アルブミンおよびヒト血清アルブミンからなる群から選択されたアルブミンである。典型的には、センサを製造する方法は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼ、および乳酸デヒドロゲナーゼからなる群から選択された酵素組成物を含む検体感知層を形成するステップを含む。このような方法では、検体感知層は、典型的には、酵素とともに担体タンパク質組成物を実質的に固定された比率で含み、酵素および担体タンパク質は、検体感知層全体に実質的に一様な形で分散される。
【０１４７】
Ｂ．多孔質酵素マトリックスを形成する典型的な方法
本発明の一実施形態は、多孔質金属マトリックスを含む。典型的には、本発明の金属基材実施形態は、印刷工程を通じて所望の多孔性、孔径分布、および屈曲性を持つように製造されうる。金属基材は、フィルムとして、または鋳型の境界内で、センサアセンブリ上の適所に直接、または一時的基材上に印刷されうる。インクは、細孔生成担体中に懸濁された金属微粒子を含むものとしてよい。金属粒子は、単一の純金属または合金を含むものとしてよい。異なる種類の金属粒子も、混合物を形成するために同時に、または層を形成するために異なる時刻に、印刷することができる。細孔生成担体は、さまざまなポリマ、ガラス、セラミックス、および／またはフリット材料を含む、または含まない溶媒を含むものとしてよい。鋳型は、さまざまなセラミックス、ポリマ、または金属を含むものとしてよい。鋳型を埋めるか、または所望の厚さのフィルムを形成するために、インクの多数の薄層を印刷する必要がある場合がある。溶媒を取り除くには、印刷された金属マトリックスを適切な温度で乾燥させるとよい。次いで、その結果得られる金属粉末の多孔質層をおおよそ３５０℃〜２，０００℃の温度範囲の炉で焼き、金属、およびもしあれば、セラミックの粒子を結合することができる。これは、多孔度および屈曲度の高い金属基材を形成し、その上にＧＯｘなどの酵素を固定化することができる。必要ならば、金属粒子のサイズならびに細孔生成担体の組成を操作することにより金属基材の形態を調節することができる。それに加えて、インクに含まれるさまざまなガラス、セラミック、および／または金属粒子を印刷材料からエッチングし、限定はしないが、フッ化水素酸および水酸化ナトリウムなどの材料を使用して細孔を形成することができる。金属基材をグルコースオキシダーゼでコーティングするのに先立ち、標準的技法を使用して白金黒をメッキする場合もメッキしない場合もある。
【０１４８】
過去数年間に、多孔質金属材料、特にアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属で作られた発泡体に関心が集まってきている。その結果、本発明のいくつかの実施形態において、マトリックスは、金属発泡体を含む場合がある。多孔質金属は、多数の細孔、つまり、滑らかな表面を持つ、閉じられ湾曲したガス空隙を含むものである。金属発泡体は、多孔質金属の特別な場合である。固体発泡体は、気泡が液体中で微細分散された液体発泡体から生じる。金属スポンジでは、空間は、連続ネットワークを形成し、相互接続もされている何もない空間のネットワークと共存する金属片により満たされる。このタイプの例示的な材料は、例えば、本願に引用して援用する「Ｃｅｌｌｕｌａｒ  Ｍｅｔａｌｓ：Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ジェイ・バンハート（Ｊ．Ｂａｎｈａｒｔ）、エヌ・エー・フレック（Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ）、エー・モーテンセン（Ａ．Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ）（編集者）、および「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３ｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｅｌｌｕｌａｒ  Ｍｅｔａｌｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｆｏａｍｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭｅｔＦｏａｍ  ２００３）」、ジェイ・バンハート（Ｊ．Ｂａｎｈａｒｔ）、エム・エフ・アッシュビー（Ｍ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ）、エヌ・エー・フレック（Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ）（編集者）で説明されている。
【０１４９】
代替実施形態では、多孔質金属基材は、レーザビームまたは他のタイプの掘削技術を使用して金属板、金属フィルム、金属箔、金属棒、または金属ブロックに小さな孔を開けることにより製造できる。他の実施形態では、織り金網を多孔質金属基材として使用できる。例えば、電気メッキを使用する三次元マイクロメッシュＮｉ構造の加工については、三次元マイクロメッシュＮｉ電極の加工法などの当業で説明されている。特に、多重傾斜裏面露光（multiple inclined backside exposure）により加工される、インバースマイクロメッシュフォトレジスト構造（inverse-micromesh photoresist structures）は、この方法で得られる直径約３μｍのＮｉメッシュとともにＮｉ電気メッキの鋳型として使用できる。
【０１５０】
酵素組成物は、当業で知られているさまざまな方法のうちのどれか１つにより多孔質マトリックスに施されうる。例示的な一実施形態では、グルコースオキシダーゼなどの酵素を溶媒に解かして、多孔質金属基材上に浸漬、噴霧、またはスピンコーティングすることができる。いくつかの基材幾何学的形状および形態に対し、代わりにポンプを使用して酵素溶液を細孔に通すことが望ましい場合がある。コーティング溶媒は、限定はしないが、各種のアルコール、ジメチルスルホキシド、およびポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノラウレート（「Ｔｗｅｅｎ（商標）２０」）を含む、水性緩衝液および／またはさまざまな有機溶媒および／または界面活性剤を含むものとしてよい。タンパク質の多孔質基材内への進入は、その組成の操作を通じて酵素溶液の粘度を下げることにより、および／または真空および／または遠心分離および／または超音波振動をコーティングされた基材に施すことにより促進されうる。他のバイオおよび／または合成ポリマも、限定はしないが、ウシ血清アルブミン、ヒト血清アルブミン、ポリエチレングリコール、およびＯ’，Ｏ’−Ｂｉｓ（２−アミノプロピル）ポリエチレングリコール（「Ｊｅｆｆａｍｉｎｅ（登録商標）」）などの充てん材料として酵素とともにコーティングされうる。コーティングされる酵素および充てん材料（もしあれば）は、タンパク質固定化、バイオ共役技術、もしくは高分子化学の分野に精通している人であれば選択できる、適切なホモ二官能性（つまり、グルタルアルデヒドまたはスベリン酸ジサクシンイミジル）、異種二官能性（つまり、スクシンイミジル−４−［Ｎ−マレイミドメチル］シクロヘキサン−１−カルボキシレート）、三官能性（つまり、４−アジド−２−ニトロフェニルビオシチン−４−ニトロフェニルエステル）、および／または１つ以上のゼロ長（つまり、１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミド塩酸塩）架橋剤を使用して金属基材上に固定化されるであろう。
【０１５１】
代替実施形態では、ＳｕｒＭｏｄｉｃｓ  Ｉｎｃ．社がＰＨＯＴＯＬＩＮＫ（商標）という商標の下で提供している処理工程を使用して、多孔質金属基材上にグルコースオキシダーゼなどの酵素を固定化することができる。このようなＰＨＯＴＯＬＩＮＫ（商標）の方法は、米国特許第３，９５９，０７８号、米国特許第４，７２２，９０６号、米国特許第５，２２９，１７２号、米国特許第５，３０８，６４１号、米国特許第５，３５０，８００号、米国特許第５，４１５，９３８号で説明されている。
【０１５２】
本明細書で開示されているように、本発明の他の実施形態は、本質的に硬質非膨張性多孔質酵素ポリママトリックスを含む。このような背景状況において、クロマトグラフ分離媒体として使用するために、マクロ多孔質ポリマの成形された連続する棒が作成された（例えば、本願に引用して援用する、米国特許第５，４５３，１８５号および国際公開第９３／０７９４５号を参照）。いくつかの実施例は、限定はしないが、ポリ（グリシジルメタクリレート−コ−エチレンジメタクリレート）およびポリ（スチレン−コ−ジビニルベンゼン）を含む。米国特許第５，４５３，１８５号で開示されているように、典型的な重合混合物は、最低限、少なくとも１つのポリビニルモノマ、フリーラジカル生成開始剤、およびポロゲンを含む。この混合物は、さらに、１つ以上のモノビニルモノマおよび／または可溶性ポリマまたは不溶性マクロ多孔質ポリマ粒子を含むことができる。好適なポリビニルモノマは、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルピリジン、アルキレンジメタクリレート類、ヒドロキシアルキレンジメチルアルキレート類、ヒドロキシアルレキンジアクリレート類、オリゴエチレングリコールジメタクリレート類、オリゴエチレングリコールジアクリレート類、ポリカルボン酸類のビニルエステル類、ジビニルエーテル、ペンタエリトリトールジ、トリ、またはテトラメタクリレートまたはアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートまたはアクリレート、アルキレンビスアクリルアミド類またはメタクリルアミド類、およびこのような好適なポリビニルモノマの混合物を含む。アルキレン基は、一般に、約１〜６個の炭素原子を含む。使用されうるモノビニルモノマは、スチレン、置換基がクロロメチルを含む環置換スチレン、最大１８個までの炭素原子を持つアルキル、ヒドロキシル、ｔ−ブチロキシカルボニル、ハロゲン、ニトロ、アミノ基、保護ヒドロキシルまたはアミノ基、ビニルナフタレン、アクリレート類、メタクリレート類、酢酸ビニル、ビニルピロリドン、およびこれらの混合物を含む。ポリビニルモノマまたはポリビニルモノマにモノビニルモノマを加えたものは、一般に、重合混合物内に、約１０から６０体積％だけ、より典型的には、約２０から４０体積％の量だけ存在する。使用されるポロゲンは、さまざまな異なる種類の材料から選択されうる。例えば、好適な液体ポロゲンは、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、エステル類、アルコール類、ケトン類、エーテル類、可溶性ポリマの溶液、およびこれらの混合物を含む。ポロゲンは、一般に、重合混合物内に、約４０から９０体積％、より典型的には、約６０から８０体積％だけ存在する。可溶性ポリマおよび不溶性ポリマ粒子を、モノマと組み合わせて使用することができる。これらのポリマは、重合前に重合混合物に加えられる。可溶性ポリマは、溶媒をプラグに通すことにより形成後にプラグから溶け出す。可溶性ポリマは、最終プラグの多孔度を高めるためにポリマポロゲンとして使用される。本明細書で使用される好適な可溶性ポリマは、スチレンまたは環置換スチレン、アクリレート類、メタクリレート類、ジエン類、塩化ビニル、および酢酸ビニルなどのモノマの非架橋ポリマまたはコポリマを含む。不溶性ポリマ粒子は、重合の際の体積収縮を低減するために使用される。重合混合物中のモノマの体積が小さければ小さいほど、重合後の体積の収縮は小さい。本明細書で使用されている好適な不溶性ポリマ粒子は、同じモノマの架橋コポリマであるマクロ多孔質ポリマ粒子を含む。しかし、組み合わされる相手となる重合混合物を形成するために使用される同じモノマから形成される不溶性ポリマ粒子を使用することは、親和性の面でふつうのことである。ポリマ粒子は、最初に、１から１，０００ミクロン程度の直径を有する。ポリマ粒子の混合物は同じ粒子サイズを有している必要はない。実際、不規則なサイズのポリマ粒子を使用する方が経済的であり、したがってふつうのことである。必要というわけではないが、ポリマ粒子を、ラジカル重合を阻害する阻害剤を含みうる重合混合物と混和しない液体に浸けるとよい。これは、細孔の充てんを引き起こし、実際に分離工程から細孔を取り除くことになるマクロ多孔質粒子の内側における重合を防ぐために行われる。次いで、棒が、分離工程に寄与しえない孔のないプールを含んでもよい。好適な阻害剤として、塩化第二銅および亜硝酸ナトリウムを含む。阻害剤は、粒子総重量に基づき、一般に、０．００１から１重量％程度の量で存在し、より典型的には、０．１から１重量％程度の量で存在する。ポリマ粒子は、典型的には、重合混合物で使用する前に脱気される。これは、当業で知られている従来の手段のどれかにより達成されうる。しかし、適宜重合阻害剤を含む水に粒子を浸けて、５から２０分程度の適当な時間の間、水ポリマ粒子混合物を送水ポンプの真空状態に置くことにより細孔から空気を抜くのが典型的である。次いで、濾過して過剰な水を取り除くことができる。可溶性ポリマは、一般に、重合混合物の体積について約５から４０体積％の量だけ存在し、不溶性ポリマ粒子は約５から５０体積％の量だけ存在する。従来のフリーラジカル生成重合開始剤を使用して、重合を開始することができる。好適な開始剤の例として、ＯＯ−ｔ−アミル−Ｏ−（２−エチルヘキシル）モノペルオキシカルボナート、ジプロピルペルオキシジカルボナート、および過酸化ベンゾイルなどの過酸化物、さらには、アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビス（２−アミジノプロパン）二塩酸塩、および２，２’−アゾビス（イソブチルアミド）二水和物などのアゾ化合物を含む。開始剤の選択は、プラグ内の細孔分布を制御するための手段として使用できることがわかっている。開始剤は、一般に、重合混合物内に、モノマの重量に関して約０．２から５重量％の量だけ存在する。
【０１５３】
本質的に硬質非膨張性多孔質酵素ポリママトリックスを形成するのに有用なポリマは、本質的に非圧縮性であり、溶媒和環境の変化が生じてもその全体的サイズを変えない。重合条件の調整を用いて、細孔の形態を制御することができる。したがって、１〜１００ｎｍおよび１００〜３，０００ｎｍの範囲内の細孔の有意な体積分率（つまり、それぞれ２０％および８０％）を有する多孔度の高い（５０〜７０％）ポリマを作製できる。このタイプの細孔構造を持つポリマは、非常に高い比表面積（つまり、１８５ｍ２／ｇ）を有し、高い酵素固定化密度（１〜１００ｍｇ／ｍＬ）を許容することが予想される。
【０１５４】
硬質非膨張性の多孔質酵素ポリママトリックスの例示的な一実施形態では、求核化合物を使用して、反応エポキシ基を有する硬質マクロ多孔質ポリマを官能化することができる。次いで、架橋剤を使用して、酵素およびポリマ基材の官能基を介してバイオセンシング酵素をポリマに固定化することができる。エポキシド活性ポリマを官能化するために使用できる他の求核化合物は、限定はしないが、アンモニア、エチレンジアミン、エタノールアミン、炭水化物類、システイン、および他のアミノ酸類を含む。所定の酵素および官能化ポリマの組み合わせについて、適切なホモ二官能性（つまり、スベリン酸ジサクシンイミジル）、異種二官能性（つまり、スクシンイミジル−４−［Ｎ−マレイミドメチル］シクロヘキサン−１−カルボキシレート）、三官能性（つまり、４−アジド−２−ニトロフェニルビオシチン−４−ニトロフェニルエステル）、および／または１つ以上のゼロ長（つまり、１−エチル−３−［３−ジメチルアミノプロピル］カルボジイミド塩酸塩）架橋剤は、タンパク質固定化もしくはバイオ共役技術の分野に精通している人であれば選択できる。
【０１５５】
硬質非膨張性多孔質酵素ポリママトリックスの他の実施形態では、バイオセンシング酵素は、酵素に特有のものであるか、または遺伝子工学または指向進化を介して野生型ペプチド配列に加えられた、スルフヒドリル、アミン、ヒドロキシル、および／またはカルボキシル基により求核攻撃を介してエポキシド活性化ポリマ上に直接固定化されるであろう。必要ならば、酵素の求核官能基は、タンパク質共役に精通している人にとっては馴染みがあるであろう化合物（つまり、５，５’−ジチオ−ビス−［２−ニトロ安息香酸］またはＮ−エチルマレイミド）を使用して、固定化時に可逆的に、もしくは不可逆的に阻害するか、または保護することができる。
【０１５６】
硬質非膨張性多孔質酵素ポリママトリックスの他の実施形態では、エポキシ基以外の（またはそれに加えて）モノマを含む官能基が、重合反応のときに硬質マクロ多孔質ポリマ内に組み込まれるであろう（つまり、アミノスチレン）。この実施形態のように、バイオセンシング酵素は、次いで、適切なホモ二官能性、異種二官能性、三官能性、および／またはゼロ長架橋剤を使用してポリマ基材上に固定化されうる。
【０１５７】
硬質非膨張性多孔質酵素ポリママトリックスのさらに他の実施形態では、ＰｈｏｔｏＬｉｎｋ（登録商標）（ミネソタ州イーデンプレーリー所在のＳｕｒＭｏｄｉｃｓ社）の化学作用を用いて、バイオセンシング酵素を成型多孔質硬質ポリマに固定化することができる。この実施形態では、ＰｈｏｔｏＬｉｎｋ（登録商標）の化学作用は実質的にすべての有機ポリマに見られる炭素水素基との反応をもたらすため、ポリマ基材は官能基を有している必要はない。
【０１５８】
Ｃ．検体センサの製造に有用な典型的プロトコルおよび材料
本明細書に示されている開示は、さまざまな周知の技術の組み合わせを使用して生成されうるセンサおよびセンサ設計を含む。この開示では、さらに、これらのタイプのセンサ、さらにはそのような工程により生産されるセンサに非常に薄い酵素コーティングを施す方法も定めている。このような背景状況において、本発明のいくつかの実施形態は、当業で認められている工程に従って基材上にそのようなセンサを形成するための方法を含む。いくつかの実施形態では、基材は、フォトリソグラフィマスクおよびエッチング工程で使用するのに適している硬質の平坦な構造を備える。この点に関して、この基材は、典型的には、均一度の高い平坦さを有する上面を定める。滑らかな上面を定めるために、研磨されたガラス板が使用されうる。代替基材材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム、およびデルリンなどのプラスチック材料がある。他の実施形態では、基材は、非硬質であり、基材として使用されるフィルムまたは絶縁材、例えば、ポリイミド類などのプラスチックのもう１つの層とすることができる。
【０１５９】
本発明の方法の初期ステップは、典型的には、センサのベース層の形成を含む。ベース層は、所望の手段により、例えば、制御したスピンコーティングにより基材上に配置できる。それに加えて、基材層とベース層との間に十分な接着がない場合には、接着剤を使用するとよい。絶縁体のベース層は、典型的には液体状のベース層材料を基材上に塗布し、その後、基材を回転させて薄い、実質的に一様な厚さのベース層を生成することにより、基材上に形成される。これらのステップを繰り返し実行して、十分な厚さのベース層を形成し、その後、一連のフォトリソグラフィおよび／またはケミカルマスクおよびエッチングのステップを実行して、後述の導体を形成する。例示的な一形態では、ベース層は、セラミックまたはポリイミド基材などの絶縁体の薄膜シートを備える。ベース層は、アルミナ基材、ポリイミド基材、ガラス板、制御多孔性ガラス、または平坦化プラスチック液晶ポリマを含むことができる。ベース層は、限定はしないが、炭素、窒素、酸素、ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、アルミニウム、銅、ガリウム、ヒ素、ランタン、ネオジム、ストロンチウム、チタン、イットリウム、またはこれらの組み合わせを含むさまざまな元素のうちの１つ以上の元素を含む材料から形成することができる。それに加えて、基材は、スピンガラス、カルコゲニド、グラファイト、二酸化ケイ素、有機合成ポリマなどの材料を使用する化学気相成長、物理的気相成長、またはスピンコーティングを含む当業で周知のさまざまな方法により固相担体上にコーティングできる。
【０１６０】
本発明の方法は、さらに、１つ以上の感知要素を有する導電層を形成することを含む。典型的には、これらの感知要素は、活性電極の幾何学的形状を定めるためにフォトレジスト、エッチング、およびすすぎなどの当業で知られているさまざまな方法のうちの１つにより形成される。次いで、これらの電極は、例えば、作用電極および対向電極に対する白金黒の電着、さらに参照電極上の銀とその後の塩化銀の電着により、電気化学活性を持たせることができる。次いで、電気化学蒸着または例えばジアルデヒド（グルタルアルデヒド）またはカルボジイミドを使用したスピンコーティングとその後の蒸気架橋などの電気化学蒸着以外の方法により、センサ化学酵素層などのセンサ層を感知層上に配置できる。
【０１６１】
本発明の電極は、当業で知られているさまざまな材料から形成することができる。例えば、電極は、後周期遷移貴金属（noble late transition metals）で作ることができる。金、白金、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、またはオスミウムなどの金属は、本発明のさまざまな実施形態において好適と考えられる。炭素または水銀などの他の組成物も、いくつかのセンサ実施形態において有用と思われる。これらの金属のうちの、銀、金、または白金は、典型的には、参照電極金属として使用される。その後に塩素処理される銀電極は、典型的には、参照電極として使用される。これらの金属は、上で引用されているプラズマ蒸着法を含む、当業で知られている手段により、または金属塩および還元剤を含む溶液中に基材が浸漬されたときにすでに金属化されている領域上への金属の蒸着を伴いうる無電解法により、蒸着されうる。無電解法は、還元剤が電子を導電性（金属化）表面に供与し、それと同時に導電面において金属塩の還元が生じるとともに進行する。この結果が、吸着金属の層である（無電解法の詳細については、ワイズ、イー・エム（Ｗｉｓｅ，Ｅ．Ｍ．）「Ｐａｌｌａｄｉｕｍ：Ｒｅｃｏｖｅｒｙ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ  Ｕｓｅｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９８８）、ワン、ケイ（Ｗｏｎｇ，Ｋ．）ら「Ｐｌａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ」１９８８，７５，７０−７６、マツオカ、エム（Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｍ．）ら、前記、１９８８，７５，１０２−１０６、およびパールスタイン、エフ（Ｐｅａｒｌｓｔｅｉｎ，Ｆ．）、「Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ  Ｐｌａｔｉｎｇ」、Ｍｏｄｅｒｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ，Ｌｏｗｅｎｈｅｉｍ，Ｆ．Ａ．，Ｅｄ．，Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｎ．Ｙ．（１９７４），Ｃｈａｐｔｅｒ  ３１を参照）。しかし、このような金属蒸着工程は、金属間接着が良好で、表面汚染が最小である構造を形成し、高密度の活性部位を有する触媒金属電極表面をもたらすようでなければならない。このような高密度の活性部位は、過酸化水素などの電気活性化学種の効率的な酸化還元変換に必要な特性である。
【０１６２】
本発明の例示的な一実施形態では、ベース層は、最初に、電極蒸着、表面スパッタリング、またはその他の処理工程により薄膜導電層でコーティングされる。一実施形態では、この導電層は、ポリイミドベース層への化学的接着と順に続く薄膜金ベースおよびクロムベースの層のその後の形成に適した初期クロムベース層などの複数の薄膜導電層として形成されうる。代替実施形態では、他の電極層構造または材料を使用することができる。導電層は、従来のフォトリソグラフィ技術に従って、選択されたフォトレジストコーティングで覆われ、接触マスクをフォトレジストコーティング上に施して、好適な撮像を行うことができる。接触マスクは、典型的には、フォトレジストコーティングの適切な露出のため１つ以上の導電トレースパターンを含み、その後、エッチングステップで、ベース層上に残っている複数の導電センサトレースが得られる。皮下グルコースセンサとして使用するように設計された例示的なセンサ構造では、それぞれのセンサトレースは、作用電極、対向電極、および参照電極などの３つの独立の電極と対応する３つの並列センサ要素を含むことができる。
【０１６３】
導電センサ層の一部は、典型的にはシリコンポリマおよび／またはポリイミドなどの材料の絶縁カバー層で典型的には覆われる。絶縁カバー層を所望の方法で施すことができる。例示的な手順により、絶縁カバー層がセンサトレース上の液層内に施され、その後、基材が回転され、その液体材料が薄膜として分散され、センサトレースの上に被さり、センサトレースの限界端面を超えて延び、ベース層と封止接触する。次いで、この液体材料に、当業で知られているような１つ以上の好適な放射線および／または化学および／または熱硬化ステップを適用することができる。代替実施形態では、スプレー技術または他の望ましい塗布手段を使用して液体材料を施すことができる。撮像可能なエポキシアクリレートなどのさまざまな絶縁層材料を、ニュージャージー州ウェスト・パターソン所在のＯＧＧ，Ｉｎｃ．社から製品番号７０２０で市販されている光撮像可能なポリイミドを含む例示的な材料とともに使用することができる。
【０１６４】
上記のように、適宜開口部を通してセンサ先端を露出させた後に、遠位端電極を定める適切な電極化学作用をセンサ先端に施すことができる。グルコースセンサとして使用する３つの電極を有する例示的なセンサ実施形態では、酵素（典型的には、グルコースオキシダーゼ）が開口部の１つの中に入れられ、それにより、センサ先端の１つがコーティングされ、作用電極を定める。他の電極の１つまたは両方に、作用電極と同じコーティングを施すことができる。それとは別に、他の２本の電極に、未コーティングのままの他の酵素などの他の好適な化学作用を施すか、または電気化学センサ用の参照電極と対向電極を定める化学作用を施すことができる。
【０１６５】
本発明の重要な一態様は、増強された材料特性を有する電極化学作用のための極めて薄いコーティング（例えば、厚さが２ミクロン未満の酵素コーティング）を有するセンサを製造する工程を伴う。本発明の極端に薄い酵素コーティングを形成する方法は、スピンコーティング工程、浸漬および乾燥工程、低剪断噴霧工程、インクジェット印刷工程、シルクスクリーン工程などを含む。当業者であれば、当業の工程により施される酵素コートの厚さを容易に決定できるので、本発明の極めて薄いコーティングを形成することができる方法を容易に識別できる。典型的には、このようなコーティングは、塗布後に蒸気架橋される。驚くべきことに、これらの工程により製造されるセンサは、高められた寿命、直線性、規則性、さらには改善された信号対雑音比を含む、電着により形成されたコーティングを有するセンサの特性を超える材料特性を有する。それに加えて、そのような工程により形成されるグルコースオキシダーゼコーティングを使用する本発明のいくつかの実施形態は、過酸化水素を再生利用し、そのようなセンサの生体適合性プロファイルを改善するように設計されている。
【０１６６】
特定の科学理論に束縛されないが、そのような工程により生産されるセンサの驚くべき特性は、電着により厚さ３〜５ミクロンの酵素層が形成され、反応性のある酵素の一部しか感知対象の検体に接近できないため、電着により生成される層に比べて高い特性を有すると考えられる。さらに、グルコースオキシダーゼを使用するセンサでは、電着により形成される厚いコーティングは、反応界面で発生する過酸化水素がセンサ表面に到達し、それにより信号を発生するという能力を妨げる可能性がある。それに加えて、そのような厚いコーティングであるためセンサ表面に到達できない過酸化水素は、センサが置かれている環境内にセンサの方へと典型的に拡散し、それにより、そのようなセンサの生体適合性を減じる。それに加えて、グルコースオキシダーゼおよびアルブミンは、異なる等電点を有するので、電着工程の結果として、酵素と担体タンパク質との最適な形で決定された比が悪影響を及ぼす変化を示し、グルコースオキシダーゼおよび担体タンパク質が配置されている酵素層全体にわたって実質的に一様に分散されない表面コーティングが生じることがある。本明細書で開示されているセンサを製造するために使用される薄いコーティングの工程では、電着に付随するこれらの問題点を回避する。
【０１６７】
スピンコーティング工程などの工程により生産されるセンサでは、さらに、電着工程においてセンサに加えられる材料応力に関する問題など、電着に付随する他の問題点が回避される。特に、電着の工程は、センサ上の機械的応力、例えば、張力および／または圧縮力から結果として生じる機械的応力を発生することが観察される。いくつかの背景状況では、このような機械的応力の結果として、センサはひび割れ、または層剥離を生じる何らかの傾向を持つコーティングが得られる。これは、スピンコーティングまたは他の低応力工程を介してセンサ上に配置されるコーティングでは観察されない。その結果、本発明のさらに他の実施形態は、スピンコーティング工程を介してコーティングを施すことを含むセンサ上のコーティングの電着の影響を受けたひび割れおよび層剥離を回避する方法である。
【０１６８】
センサ要素の処理の後、１つ以上の追加の機能性コーティングまたはカバー層は、次いで、噴霧、浸漬など当業で知られているさまざまな方法のうちの１つにより施されうる。本発明のいくつかの実施形態は、酵素含有層上に配置されている検体調節層を含む。活性センサ表面と接触する（１つまたは複数の）検体の量を調節する際に使用することに加えて、検体制限膜層を使用することにより、異物によるセンサ汚染の問題も解消される。当業で知られているように、検体調節膜層の厚さは、活性酵素に到達する検体の量に影響を及ぼしうる。その結果、定められた処理条件の下で、典型的にはその適用が実行され、その厚さ寸法が厳密に制御される。下位層の微細加工は、検体調節膜層の寸法制御さらには検体制限膜層材料それ自体の正確な組成にも影響を及ぼす要因となりうる。この点に関して、複数のタイプのコポリマ、例えば、シロキサンおよび非シロキサン部分が特に有用であることがわかっている。これらの材料は、制御された厚さに合わせて微量分注されるか、またはスピンコーティングされうる。その最終的構造も、本明細書で説明されている他の離散構造に従ってパターニングおよびフォトリソグラフィ技術により設計されうる。これらの非シロキサン−シロキサンコポリマは、限定はしないが、ジメチルシロキサン−アルケン酸化物、テトラメチルジシロキサン−ジビニルベンゼン、テトラメチルジシロキサン−エチレン、ジメチルシロキサン−シルフェニレン、ジメチルシロキサン−シルフェニレン酸化物、ジメチルシロキサン−ａ−メチルスチレン、ジメチルシロキサン−ビスフェノールＡカーボネートコポリマ、または好適なそれらの組み合わせを含む。コポリマの非シロキサン成分の重量パーセントは、有用な値に合わせて事前選択されうるが、典型的には、この割合は約４０〜８０ｗｔ％の範囲内にある。上記のコポリマのうち、５０〜５５ｗｔ％の非シロキサン成分を含むジメチルシロキサン−ビスフェノールＡカーボネートコポリマが典型的である。これらの材料は、米国ペンシルベニア州ブリストル所在のＰｅｔｒａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から購入することができ、この会社の製品カタログに説明がある。検体制限膜層として使用できる他の材料は、限定はしないが、ポリウレタン類、酢酸セルロース、硝酸セルロース、シリコーンゴム、または親和性がある場合には、シロキサン非シロキサンコポリマを含むそれらの材料の組み合わせを含む。
【０１６９】
本発明のいくつかの実施形態では、センサは、センサ層の酵素と接触できる検体の量を調節することが可能な親水性膜コーティングを含む検体調節層を施す方法により製造される。例えば、本発明のグルコースセンサのカバー層は、グルコース制限膜を含むことができ、これにより、電極上でグルコースオキシダーゼ酵素層と接触するグルコースの量を調節する。そのようなグルコース制限膜は、そのような目的に適していることが知られている広範な材料、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン類、ポリウレタン類、酢酸セルロース類、ナフィオン、ポリエステルスルホン酸類（例えば、Ｋｏｄａｋ  ＡＱ）、ヒドロゲル、またはそのような目的に適している当業者に知られている他の膜から作ることができる。過酸化水素再生利用能力を有するセンサに関係する本発明のいくつかの実施形態では、グルコースオキシダーゼ酵素層上に配置されている膜層は、センサが配置された環境内への過酸化水素の放出を抑制し、過酸化水素分子と電極感知要素との間の接触を促進する機能を有する。
【０１７０】
本発明の方法のいくつかの実施形態では、接着促進層は、カバー層（例えば、検体調節膜層）とセンサ化学層との間にそれらの接触を促進するように配置され、またセンサ装置の安定性を高められるように選択される。本明細書で指摘しているように、接着促進層の組成は、センサの安定性をもたらすことができることに加えて、多数の望ましい特性を備えるように選択される。例えば、接着促進層で使用するいくつかの組成物は、干渉除去に関与するだけでなく、所望の検体の質量移動を制御するようにも選択される。接着促進層は、そのような層の間の接着を容易にするために当業で知られているさまざまな材料のうちのいずれか１つから作ることができ、また当業で知られているさまざまな方法のうちのいずれか１つにより施すことができる。典型的には、接着促進層は、γ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのシラン化合物を含む。本発明のいくつかの実施形態では、接着促進層および／または検体調節層は、近位に存在するシロキサン部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。本発明の他の実施形態では、接着促進層および／または検体調節層は、近位層内に存在するタンパク質のアミンまたはカルボキシル部分を架橋する能力について選択された薬剤を含む。オプションの実施形態では、ＡＰ層は、さらに、グルコース制限膜などの検体調節層内に典型的に存在するポリマである、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む。例示的ないくつかの実施形態では、この処方は、０．５〜２０％のＰＤＭＳ、典型的には５〜１５％のＰＤＭＳ、最も典型的には１０％のＰＤＭＳを含む。ＰＤＭＳをＡＰ層に加えることは、センサの製造の際にＡＰ層内に孔またはギャップが生じる可能性が低減される背景状況では有利な場合がある。
【０１７１】
上記のように、センサ層の間の接着を促進するために一般に使用されるカップリング試薬は、γ−アミノプロピルトリメトキシシランである。シラン化合物は、通常、好適な溶媒と混合され、液体混合物を形成する。次いで、限定はしないが、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、および微量分注を含む多数の方法により、この液体混合物は、ウェハまたは平面状感知デバイス上に塗布または定着されうる。微量分注工程は、材料のマイクロスポットがデバイスの複数の事前選択された領域に分注される自動化工程として実行できる。それに加えて、「リフトオフ」、またはフォトレジストキャップの使用などのフォトリソグラフィ技術を使用して、結果として得られる選択透過膜（すなわち、選択的透過性を有する膜）の幾何学的形状をローカライズし、定めることができる。シラン混合物を形成する際に使用するのに適している溶媒は、水溶性だけでなく水混和性の有機溶媒、およびその混合物を含む。アルコール水混和性有機溶媒およびその水溶性混合物は、特に有益である。これらの溶媒混合物は、さらに、例えば分子量が約２００から約６，０００の範囲内であるポリエチレングリコール類（ＰＥＧ）などの非イオン性界面活性剤を含んでいてもよい。液体混合物へのこれらの界面活性剤の添加は、混合物の濃度が約０．００５から約０．２ｇ／ｄＬであれば、結果として得られる薄膜を平坦化するのに役立つ。また、シラン試薬の塗布に先立つウェハ表面のプラズマ処理も、平坦度のより高い定着層を促進する改質表面をもたらしうる。水非混和性有機溶媒も、シラン化合物の溶液を調製する際に使用できる。これらの有機溶媒の実施例は、限定はしないが、ジフェニルエーテル、ベンゼン、トルエン、塩化メチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、またはこれらの混合物を含む。プロトン性溶媒またはその混合物が使用される場合、水は、最終的に、アルコキシ基の加水分解を引き起こし、凝縮してポリ（オルガノシロキサン）を形成する有機ケイ素水酸化物（特にｎ＝１の場合）を生成する。これらの加水分解されたシラン試薬は、さらに、基材表面上に存在することがある、ヒドロキシルなどの極性基とともに凝縮することができる。非プロトン性溶媒が使用される場合、大気中水分は、最初にシラン試薬上に存在するアルコキシ基を加水分解するのに十分なだけありうる。シラン化合物のＲ’基（ｎ＝１または２の場合）は、その後に施される追加の層に機能的に適合するように選択される。Ｒ’基は、通常、基材表面に酵素を共有結合するのに有用な末端アミン基を含む（例えばグルタルアルデヒドなどの化合物は、ムラカミ、ティー（Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｔ．）らが「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」１９８６，１９，１９７３−８６で説明しているような連結剤として使用できる）。
【０１７２】
センサのいくつかの他のコーティング層と同様に、この接着促進層に、当業で知られているような１つ以上の好適な放射線および／または化学および／または熱硬化ステップを適用することができる。代替実施形態では、酵素層は、接着促進層が存在していない場合に膜カバー層がセンサ化学層と直接接触して配置されるように十分に架橋されるか、または他の何らかの方法で調製されうる。
【０１７３】
本発明の例示的な実施形態は、ベース層を形成し、センサ層をベース層上に形成し、酵素層をセンサ層上にスピンコーティングし、次いで検体接触層（例えば、グルコース制限膜などの検体調節層）をセンサ上に形成することによりセンサを製造する方法であるが、ただし、検体接触層は、酵素層と接触できる検体の量を調節する。いくつかの方法では、酵素層は、センサ層に蒸気架橋される。本発明の典型的な実施形態では、センサ層は、少なくとも１つの作用電極と少なくとも１つの対向電極を備えるように形成される。いくつかの実施形態では、酵素層は、作用電極の少なくとも一部と対向電極の少なくとも一部の上に形成される。典型的には、センサ層上に形成されている酵素層は、２、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満の厚さである。典型的には、酵素層は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ヘキソキナーゼ、または乳酸デヒドロゲナーゼ、および／または類似の酵素などの１つ以上の酵素を含む。特定の方法において、酵素層は、固定された比率で担体タンパク質と組み合わせてセンサ層上にコーティングすることにより安定化されたグルコースオキシダーゼを含む。典型的には、担体タンパク質は、アルブミンである。典型的には、このような方法は、グルコースオキシダーゼ層と検体接触層との間に配置される接着促進層を形成するステップを含む。適宜、接着促進層は、検体接触層の形成に先立って硬化工程に曝される。
【０１７４】
本発明の関連する一実施形態は、ベース層を形成し、少なくとも１つの作用電極および少なくとも１つの対向電極を備えるセンサ層をベース層上に形成し、スピンコーティング工程によりセンサ層上に、作用電極の少なくとも一部および対向電極の少なくとも一部をコーティングするグルコースオキシダーゼ層を形成し（固定された比率でグルコースオキシダーゼとアルブミンを組み合わせることにより典型的には安定化される層）、次いで、グルコースオキシダーゼ層と接触することができるグルコースの量を調節するためにグルコース制限層をグルコースセンサ上に形成することによりグルコースセンサを製造する方法である。このような工程において、センサ層上に形成されているグルコースオキシダーゼ層は、２、１、０．５、０．２５、または０．１ミクロン未満の厚さである。典型的には、グルコースオキシダーゼコーティングは、センサ層に蒸気架橋される。適宜、グルコースオキシダーゼコーティングは、センサ層全体を覆う。本発明のいくつかの実施形態では、接着促進層は、グルコースオキシダーゼ層と検体接触層との間に配置される。本発明のいくつかの実施形態では、検体センサは、さらに、典型的には電気絶縁保護層である１つ以上のカバー層を含む（例えば、図２の要素１０６を参照）。典型的には、このようなカバー層は、検体調節層の少なくとも一部に配置される。
【０１７５】
このような工程により生産される完成センサは、典型的には、基材上のそれぞれのセンサを囲む線にそって切断することにより、支持基材（使用されている場合）から速やかに、容易に取り外される。切断ステップでは、ベース層とカバー層および機能性コーティング層を、それぞれのセンサを囲む線、またはその境界線にそって、典型的には導電性要素から少なくともわずかに外向きに間隔をあけて並ぶように、また完成センサの側縁を封止する十分な相互接続ベースおよびカバー層材料が残るようにして切り抜く際に使用されるＵＶレーザ切断デバイスを含むものなどの当業で典型的に使用される方法を使用することができる。それに加えて、セラミック基材を切断するために典型的に使用されるダイスカット技術を、適切なセンサ実施形態とともに使用することができる。ベース層は、典型的には下位支持基材に物理的に付着していないか、または下位支持基材に最低限度しか直接接着されていないため、センサは、付着しているセンサを支持基材から物理的に引っ張ったり、剥ぎ取ったりすることにより生じる応力によるもたらされる著しいさらなる処理工程または潜在的損傷を被ることなく、支持基材から素早く、容易に持ち上げられうる。支持基材は、その後、洗浄して再利用されるか、または他の何らかの方法で廃棄されうる。他のセンサコンポーネントが支持基材から（例えば、切断により）取り除かれる前、または取り除かれた後に（１つまたは複数の）機能性コーティング層を施すことができる。
【０１７６】
Ｄ．バイオセンサ電極を形成するための金属の循環メッキ
本発明の他の例示的な実施形態は、このような方法により形成されるバイオセンサおよび電極で有用な金属電極を製作する方法である。金属電極を製作するこれらの方法は、異なる電気メッキ条件を数サイクルに分けて適用し電極を備える複数の金属層を電着することを含む。典型的には、この方法は、第１の表面積および基材と第１の金属層との間の第１の接着強度を有する第１の金属層を形成するように選択された第１の条件群の下で基材上に金属が電着される電気メッキの第１のサイクルを含む。次いで、この方法は、第２の表面積および第１の金属層と第２の金属層との間の第２の接着強度を有する第２の金属層を形成するように選択された第２の条件群の下で第１の金属層上に金属組成物が引き続いて電着される電気メッキの第２のサイクルを伴う。この方法において、第１および第２の条件群は、第１の条件群により形成された第１の金属層の第１の表面積よりも広い（例えば、少なくとも５％、１０％、１５％、２０％、２５％、または３０％広い）第２の表面積を有する第２の金属層および第１の金属層と第１の条件群により形成された基材との間の接着よりも大きい（例えば、少なくとも５％、１０％、１５％、２０％、２５％、または３０％大きい）第１の金属層との接着を有する第２の金属層を形成するように選択される。適宜、この方法は、さらに、電気メッキの追加のサイクルを含む。このような一実施例において、この方法は、第３の表面積を有する第３の金属層を形成するように選択された第３の条件群の下で金属組成物が第２の層上に電着される電気メッキの第３のサイクルを含む。典型的には、第２および第３の条件群は、第２の金属層の密度よりも大きな（例えば、少なくとも５％、１０％、１５％、２０％、２５％、または３０％大きい）密度を有する第３の金属層を形成するように選択される。本発明のいくつかの実施形態では、第３の条件群は、第２の条件群により形成された第２の金属層の第２の表面積よりも小さい第３の表面積を有する第３の金属層を形成する。
【０１７７】
本発明のこれらの実施形態は、さまざまな状況において使用できる。本発明のいくつかの実施形態では、基材は、白金を含まず、またポリマまたは金などの他の金属を含む。適宜、基材は、電気メッキされた金属組成物の表面積を増加するように選択された幾何学的特徴を含む。本発明のいくつかの実施形態では、この金属組成物は、多孔質基材上に電気メッキされる。適宜、基材は、平面を有し、また平面の境界のところにエッジまたはリップを備え、さらに、異なる電気メッキ条件を数サイクルに分けて適用することで、平面および平面の境界のところのエッジまたはリップ上に電着された金属層の蒸着が凸凹になるのを抑制する。典型的には、抑制される金属層の凸凹の蒸着は、平面上の金属の蒸着に関して平面の境界のところのエッジまたはリップ上の金属のより大きな蒸着となっている。適宜、電気メッキされた金属組成物は、白金を含む。適宜、第３の層の表面積は、第３の層の幾何学的形状面積の少なくとも１６０、１７０、または１８０倍あり、典型的には第３の層の幾何学的形状面積の２３０〜２６０倍である。
【０１７８】
電気メッキを介して本発明の電極を製造するためのさまざまなプロトコルおよび条件は、３０年間、当業では周知のことである。例えば、本願に引用して援用するフェルサム（Ｆｅｌｔｈａｍ）およびスピロ（Ｓｐｉｒｏ）の「Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ」、１９７１，Ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．２，ｐｐ：１７７−１９３では、電気メッキを介して電極を製作する例示的なプロトコルおよび条件を教示しており、さらに、これらの条件（例えば、電流密度）を電着された金属層の材料特性、例えば、その密度および粗さ（表面積に相関する因子）に影響を与えるようにどのように制御できるかも教示している。電着条件および電着金属層の材料特性に影響を与えるようにこれらの条件を制御する方法は、さらに、例えば、本願に引用して援用する、米国特許第４，１５３，５２１号、第４，２８０，８８２号、第４，２８５，７８４号、第４，３５８，３５２号、第４，４２７，５０２号、第４，８７９，０１３号、第４，９１９，７６８号、第５，３１０，４７５号、第６，１３９，７１１号、および第６，５９６，１４９号でも説明されている。本願に引用して援用する、「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ」（４ｔｈ  ｅｄｉｔｉｏｎ）、エム・シュレジンジャー（Ｍ．Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ）およびエム・ポノビック（Ｍ．Ｐａｕｎｏｖｉｃ）（編集者）、Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，２０００、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、エム・ポノビック（Ｍ．Ｐａｕｎｏｖｉｃ）およびエム・シュレジンジャー（Ｍ．Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ）、Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９８も参照のこと。
【０１７９】
当業で知られているいくつかのプロトコルでは、比較的高い電流密度で白金黒がセンサ電極上に電気メッキされ（例えば、グルコースオキシダーゼベースのグルコースセンサで使用されているように）、これにより、非常に粗い白金表面が形成される。例えば、１２０秒間、１８６μＡ／ｍｍ２のメッキ電流密度で、フェルサム（Ｆｅｌｔｈａｍ）とスピロ（Ｓｐｉｒｏ）の論文（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，１９７１，Ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．２）の１９３ページで説明されている、推奨される白金メッキの溶液と手順を使用すると、その結果得られる表面積は、幾何学的表面積の１６０倍から１８０倍の範囲内である。この条件群により、広い表面積が得られるけれども、いくつかの実施形態では、このような条件ではいくぶん問題のある材料特性を持つ電極が形成されうる。例えば、制御された条件（例えば、溶液濃度）の下でこのタイプの電流密度プロトコルを使用すると、平面および平面の境界のところのエッジまたはリップを持つ基材上に（１つまたは複数の）金属の層を電着することにより形成される電極の周囲にそって過剰な金属（例えば、白金）「成長」が観察されうる。この「成長」の結果、例えば、平面および平面の境界のところのエッジまたはリップ上に電着された金属層に凸凹が生じる。この過剰成長に加えて、制御された条件の下でこの電流密度を使用すると、その結果、脆く、さらに下位基材との接着の劣る金属層（例えば、下位金表面への限界接着を示す脆い白金層）が得られる。
【０１８０】
例えばフェルサム（Ｆｅｌｔｈａｍ）およびスピロ（Ｓｐｉｒｏ）の論文の１９３ページに説明されている推奨白金メッキ溶液および手順を使用する本発明の例示的ないくつかの実施形態では、メッキ工程で印加される電流密度を変化させる循環メッキ条件が使用される。特定の例示的な条件は、以下の表１および２にまとめられている。電気メッキされた金属の定められた溶液中で電流密度および時間を変える条件の例示的なサイクルにおいて、最初に低電流密度が３０から１２０秒間印加される（９０μＡ／ｍｍ２）。次いで、より大きな電流が、３０から１２０秒間、印加される（１４０μＡ／ｍｍ２）。最後に、低電流密度が、再び、３０から１２０秒間、印加されうる（９０μＡ／ｍｍ２）。循環メッキ条件のこのような特定の組み合わせにより形成される電極は、多数の驚くべき、また有益な材料特性を示す。例えば、この例示的な実施形態では、第１の低電流密度サイクル条件の結果、白金層が滑らかになり、これにより、基材との接着が強くなり、それに呼応して、磨耗耐久性も改善される（例えば、ＤＩＮ、ＴＢＳ、またはＴａｂｅｒ磨耗試験法などの当業で認められている磨耗試験により測定される）。本発明のいくつかの実施形態では、第１の条件群の下で電気メッキされた第１の金属層は、したがって、第２の条件群の下で基材に電気メッキされた金属層により示される磨耗耐久性よりも大きな、基材からの磨耗耐久性を示す。したがって、このサイクルにおける循環メッキ条件により、要素（例えば、基材と第１の金属層との）間の良好な接着の有益な材料特性を有する金属層が形成される。第１の層は、この第１の条件群により「固着（anchored）」された後、電極における電流の変化を測定することにより測定できる濃度の変化を持つ分子と反応し、および／または生成することができる酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）などの酵素層で例えばコーティングされる電極の望ましい特性である、広い表面積と相関する粗さを示す他の層をこのベース層上に形成するために第２のより高い電流密度サイクルが使用される。それと同時に、これらの第１および第２の条件を使用して作られる電極は、過剰な「エッジ」成長（電極構造の不安定性をもたらしうる因子）が抑制される電着金属層を形成する。本発明のいくつかの実施形態では、次にさらなる低密度サイクルメッキサイクルを使用して、第２のサイクルで形成される金属の粗い層を本質的に硬化させる追加の金属層をメッキする（例えば、層を高密度にすることにより）。思いがけなく、このメッキ条件サイクルで形成される電極は、（１）基材への良好な接着（例えば、サイクル１の条件の結果として生じる）、（２）望ましい量または程度の表面積（例えば、サイクル２の条件の結果として生じる）、および（３）電極の最終表面積に対する望ましい硬度または密度（例えば、サイクル３の条件の結果として生じる）を含む望ましい一連の材料特性を示す。単独で、また本質的に組み合わせることで、これらの材料特性はすべて、安定化された電極構造の形成に寄与する。この方法でメッキされた電極は、金基材への良好な接着だけでなく、良好な耐摩耗性を示す。さらに、その結果得られる表面積は、幾何学的表面積の２３０〜２６０倍���範囲である。
【０１８１】
本発明の他の実施形態は、第１の表面積および第１の接着強度を有する、基材上に電着される第１の金属層と第１の金属層上に蒸着され、第２の表面積および第２の接着強度を有する、第１の層上に電着され、第２の表面積が第１の表面積よりも広く、第２の接着強度が第１の接着強度よりも大きい第２の金属層とを含む複数の電着金属層と、さらに電極上に配置され、酵素層内の酵素が電力のところに生じる電流の変化を測定することにより測定されうる濃度の変化を有する分子と反応し、および／または生成することができる、酵素層とを備える電極を具備する植え込み型バイオセンサである。本発明のいくつかの実施形態では、電極は、第２の金属層上に蒸着された、第２の金属層の密度よりも大きな密度を有する第３の金属層を備える。適宜、酵素層は、グルコースオキシダーゼまたは乳酸オキシダーゼを含む。
【０１８２】
本発明のさらに他の実施形態は、第１の表面積を有する第１の金属層と、第１の金属層上に蒸着され、第１の金属層の第１の表面積よりも広い第２の表面積を有する第２の金属層と、第２の金属層上に蒸着され、第２の金属層の密度よりも高い密度を有する第３の金属層を含む複数の電着金属層を備える電極である。適宜、基材は、電着された金属組成物の表面積を増加するように選択された幾何学的特徴を含む。
【０１８３】
Ｅ．選択透過センサ層として使用する微細加工ポリ（ジメチルシロキサン）膜
上述のように、いくつかのセンサ実施形態は、共反応化合物としてグルコースまたは乳酸塩（センサ検体）とともに酸素を消費するグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）または乳酸デヒドロゲナーゼ（ＬＤＨ）などの固定化酵素を通じて生物特異性を実現する。そのようなセンサ内の酸素濃度に対する反応速度の感度を最小にするために、１モル過剰の酸素が必要である。しかし、正常生理学的条件は、グルコース（〜５ｍＭ）および乳酸塩（〜１ｍＭ）がほとんどいつでもモル過剰の酸素（〜０．０５ｍＭ）中で見つかるような条件である。したがって、ほとんどの既存のセンサ設計では、検体に対する透過性よりも酸素に対する透過性の方が著しく高い膜を使用する。これらの選択透過膜は、通常、生体適合性があり、典型的には酸素に対する透過性が異常に高く、グルコースまたは乳酸塩などの検体にする透過性が実質的にないポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）を含む。制限された検体透過性は、典型的には、ＰＤＭＳを親水性ポリマ（つまり、Ｊｅｆｆａｍｉｎｅ（登録商標））と共重合させるか、またはＰＤＭＳのチューブまたはシート内に肉眼で見える「窓（window）」を切開することにより、ＰＤＭＳ系材料に付与される。
【０１８４】
コポリマタイプの選択透過膜は、臨床的に承認されている短期間（１週間以内）の皮下グルコースセンサ（例えば、連続グルコース監視システム（「ＣＧＭＳ」）および／または遠隔測定グルコース監視システム（「ＴＧＭＳ」）で使用され成功を収めている。このタイプの膜は、単に、センサ直線性および応答時間にとって最適な厚さ全体にわたって検体が拡散することを要求する。しかし、親水性ポリマの長期（つまり、１年）インビボ安定性が低いため、長期植え込み型センサ内でそのような選択透過膜を使用することができるかは、疑問である。その一方で、肉眼で見える窓型選択透過膜は、インビボでの優れた長期安定性を示す。しかし、このタイプの膜は、検体が余分な巨視的寸法で拡散する必要があり、センサの直線性だけでなく応答時間にも悪影響を及ぼしうる。本発明の実施形態では、コポリマと窓型バイオセンサ膜の両方の固有の利点を有する微細加工ＰＤＭＳから作られる選択透過膜を形成する。他のものは、相補的微細加工レリーフパターンへのＰＤＭＳプレポリマのキャストを通じてＰＤＭＳ微細構造を形成しているが（例えば、クマール（Ｋｕｍａｒ）ら、１９９４，Ｌａｎｇｍｕｉｒ  １０：１４９８−１５１１、ダプリッヒ（Ｄａｐｐｒｉｃｈ）、２００３年米国特許第６，５８５，９３９号）、以前に、微細加工ＰＤＭＳを酵素電気化学バイオセンサ内の選択透過膜として使用することを述べるものは誰もいなかった。
【０１８５】
本発明の一実施形態では、フォトリソグラフィ、リソグラフィ成形、厚膜印刷、プラズマ重合（シャドウマスキングがあるものとないもの）、または離散ナノ分注を使用して、硬化性ＰＤＭＳ官能基化誘導体、コポリマ、またはその混合物を、予めキャストされている免疫隔離膜上に微細パターン化することができる。免疫隔離膜の細孔の充てんを促進するために、真空または圧力勾配を加えても加えなくてもよい。そのような方法で形成された複合膜は、層化、細孔充てん、またはそれらの何らかの組み合わせの形態をとりうる。
【０１８６】
本発明の他の実施形態では、前記の技術を使用することで、硬化性ＰＤＭＳ誘導体、コポリマ、またはそれらの混合物を一時的基材上に微細パターン化することができる。最終的なセンサアセンブリでは、スタンドアローン部分は、ＰＤＭＳ（細孔を充てんする）の別の部分として、または上にキャストすることができる相逆転膜（「ＰＩＭ」）とともに使用することができる。当業者は、接着を促進するさまざまな方法を採用することができる。
【０１８７】
代替実施形態では、上述の技術を使用することで、硬化性ＰＤＭＳ誘導体、コポリマ、またはそれらの混合物をセンサアセンブリ上に直接微細パターン化することができる。ＰＩＭは、微細パターン化されたＰＤＭＳの上に置くか、またはキャストすることができる。当業者は、接着を促進するさまざまな方法を採用することができる。
【０１８８】
他の実施形態では、レーザを使用する微細機械加工により、ＰＤＭＳコポリマ（または「シリコーンゴム」などの他のポリマ組成物）の形成部分に孔（０．１〜１０００ミクロン）を開け、マイクロ多孔質膜を形成することができる。ここでもまた、ＰＤＭＳ膜は、最終センサアセンブリ内でＰＩＭあり、またはなしで使用することができる。当業者は、接着を促進するさまざまな方法を採用することができる。
【０１８９】
ＰＤＭＳおよび／またはＰＤＭＳコポリマを官能基化するために使用されうる例示的な化学的活性基は、限定はしないが、メタクリレート類、アクリレート類、ビニル類、水素化物、シラノール類、アルコキシ類、アミン類、エポキシド類、カルビノール類、およびメルカプト類を含む。ＰＤＭＳコポリマを形成するために使用できるモノマの例は、限定はしないが、フェニルメチル−シロキサン類、ビニルメチル−シロキサン類、ジエチル−シロキサン類、メタクリルオキシプロピルメチル−シロキサン類、アクリルオキシプロピルメチル−シロキサン類、およびアルキルメチル−シロキサン類を含む。免疫隔離膜は、例えば生体材料および高分子化学の分野で十分な訓練を積んだ個人により最適化されうる相逆転処理工程を使用して、ポリ（アクリロニトリル−塩化ビニル）（ＰＡＮ−ＰＶＣ）などの生体適合性ポリマからプレキャストできる。相逆転膜（ＰＩＭ）のキャスティングおよびＰＤＭＳの微細パターン化は、センサアセンブリ自体に、またはスライドガラスまたはシリコンウェハなどの一時的基材上で実行することができる（例えば、別の部分を形成するために）。微細パターン化された一時的基材は、さらに、ＰＤＭＳがパターン化されうるＰＩＭにマイクロウェルを形成するために使用できる。それに加えて、当業者は、ＰＤＭＳとＰＩＭとの間の接着を促進するためにさまざまな化学薬品および技術を使用することができる。例としては、限定はしないが、官能基化されたＰＤＭＳ誘導体、シラン類、シランエステル類、官能基化されたシランエステル類、架橋剤、反応性ポリマコーティング（つまり、ラハン（Ｌａｈａｎｎ）ら、２００３，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７５：２１１７−２１２２）、プラズマ処理、プラズマ重合、シャドウマスキング、および化学気相成長の使用が挙げられる。
【０１９０】
ポリ（ジメチルシロキサン）を含む選択透過膜には、本発明のさまざまな実施形態がある。本発明の一実施形態は、酸素、グルコースおよび乳酸塩に対し透過性を有する免疫グロブリンに対し不浸透性の生体適合性ポリマ組成物を含む材料の第１の層を形成し、次いで、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマとの混合物を含む第２の層に第１の層を結合し、植え込み型検体で使用する膜を形成することにより、植え込み型検体センサとともに使用する膜を形成する方法である。本発明のいくつかの実施形態では、免疫グロブリンに対し不浸透性の生体適合性ポリマ組成物を含む材料の第１の層は、「免疫隔離膜（immuno-isolation membrane）」と呼ばれる。この方法により形成される膜は、グルコースおよび／または乳酸塩などの大分子量の化合物に対する浸透性よりも酸素に対する浸透性が高い。そのような方法で形成された複合膜は、層化、細孔充てん、またはそれらの何らかの組み合わせのものを含むさまざまな形態をとるように形成されうる。
【０１９１】
ＰＤＭＳおよび／またはＰＤＭＳコポリマを官能基化するために使用されうる例示的な化学的活性基は、限定はしないが、メタクリレート類、アクリレート類、ビニル類、水素化物、シラノール類、アルコキシ類、アミン類、エポキシド類、カルビノール類、およびメルカプト類を含む。ＰＤＭＳコポリマを形成するために使用できるモノマの例は、限定はしないが、フェニルメチル−シロキサン類、ビニルメチル−シロキサン類、ジエチル−シロキサン類、メタクリルオキシプロピルメチル−シロキサン類、アクリルオキシプロピルメチル−シロキサン類、およびアルキルメチル−シロキサン類を含む。他の層（例えば、免疫隔離膜）は、例えば生体材料および高分子化学の分野で十分な訓練を積んだ個人により最適化されうる相逆転処理工程を使用して、ポリ（アクリロニトリル−塩化ビニル）（ＰＡＮ−ＰＶＣ）などの生体適合性ポリマからプレキャストできる。相逆転膜（ＰＩＭ）のキャスティングおよびＰＤＭＳの微細パターン化は、センサアセンブリ自体に、またはスライドガラスまたはシリコンウェハなどの一時的基材上で実行することができる（例えば、別の部分を形成するために）。微細パターン化された一時的基材は、さらに、ＰＤＭＳがパターン化されうるＰＩＭにマイクロウェルを形成するために使用できる。本発明のいくつかの実施形態は、複合膜を有する検体センサを含むが、ＰＤＭＳ膜は、最終センサアセンブリ内でＰＩＭあり、またはなしで使用することができる。
【０１９２】
これらの膜の実施形態は、さまざまな周知の技術を使用して作ることができる。例えば、例示的な一実施形態では、フォトリソグラフィ、リソグラフィ成形、厚膜印刷、プラズマ重合（シャドウマスキングがあるものとないもの）、または離散ナノ分注を使用して、硬化性ＰＤＭＳ官能基化誘導体、コポリマ、またはその混合物を、予めキャストされている免疫隔離膜上に微細パターン化することができる。本発明の他の実施形態では、説明されている技術を使用することで、硬化性ＰＤＭＳ誘導体、コポリマ、またはそれらの混合物を一時的基材上に微細パターン化することができる。最終的なセンサアセンブリでは、スタンドアローン部分は、ＰＤＭＳ（細孔を充てんする）の別の部分として、または上にキャストすることができる相逆転膜とともに使用することができる。代替実施形態では、上述の技術を使用することで、硬化性ＰＤＭＳ誘導体、コポリマ、またはそれらの混合物をセンサアセンブリ上に直接微細パターン化することができる。ＰＩＭは、微細パターン化されたＰＤＭＳの上に置くか、またはキャストすることができる。
【０１９３】
適宜、接着層は、膜の第１の層と第２の層との間に、第１の層と第２の層との間の接着を促進するために配置される（それだけでなく、そのような接着層が適切である他のセンサ層も）。当業者は、膜の層の間の接着を促進するためにさまざまな方法を採用することができる。例えば、微細パターン化された一時的基材は、さらに、ＰＤＭＳがパターン化されうるＰＩＭにマイクロウェルを形成するために使用できる。それに加えて、当業者は、ＰＤＭＳとＰＩＭとの間の接着を促進するためにさまざまな化学薬品および技術を使用することができる。例としては、限定はしないが、官能基化されたＰＤＭＳ誘導体、シラン類、シランエステル類、官能基化されたシランエステル類、架橋剤、反応性ポリマコーティング（例えば、ラハン（Ｌａｈａｎｎ）ら、２００３，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７５：２１１７−２１２２を参照）、プラズマ処理、プラズマ重合、シャドウマスキング、および化学気相成長の使用が挙げられる。
【０１９４】
本発明のいくつかの実施形態では、検体センサ膜は、本明細書で説明されているような検体センサの製造で使用される他の組成物を有する追加の層を含むことができる。それに加えて、本発明のいくつかの実施形態では、この膜の第１の層および／または第２の層は、複数の細孔を備えるように形成される。例えば、レーザを使用する微細機械加工により、ＰＤＭＳコポリマ（または「シリコーンゴム」などの他のポリマ組成物）の形成部分に孔（例えば、約０．１から約１０００ミクロンのサイズ）を開け、マイクロ多孔質膜を形成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、第２の層内に配置されている複数の細孔のうちの少なくとも１つの細孔は、第１の層の官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマの混合物を含む。
【０１９５】
本発明の関連する実施形態は、開示されている方法により形成される膜である。本発明のそのような一実施形態は、酸素、グルコースおよび乳酸塩に対し透過性を有する免疫グロブリンに対し不浸透性の生体適合性ポリマ組成物を含む材料の第１の層、および官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマとの混合物を含む、膜の透過性がグルコースおよび／または乳酸塩と比べて酸素の場合の方が大きい、第１の層に結合された第２の層を含む植え込み型検体センサとともに使用する膜である。本発明のいくつかの実施形態では、この膜相の第１層および／または第２の層は、複数の細孔を備える。本発明のいくつかの実施形態では、接着層が、第１の層と第２の層との間に配置され、接着層は第１の層と第２の層との間の接着を促進する。適宜、第２の層内に配置されている複数の細孔のうちの少なくとも１つの細孔は、第２の層の官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマの混合物を含む。本発明のさらに他の実施形態は、上で開示されている膜を有する検体センサ、例えば、説明されている方法により形成された膜を有する検体センサである。関連する実施形態は、このような膜を有する検体センサを製造する方法である。
【０１９６】
本発明の他の実施形態は、酸素、グルコースおよび乳酸塩に対し透過性を有する免疫グロブリンに対し不浸透性の生体適合性ポリマ組成物を含む材料の第１の層、および官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマとの混合物を含む、第１の層に結合された第２の層を含む植え込み型検体センサとともに使用する膜である。本発明のこの実施形態では、膜は、典型的には、グルコースおよび／または乳酸に対する透過性よりも酸素に対する透過性の方が大きい。
【０１９７】
適宜、植え込み型検体センサとともに使用するこの膜では、第１の層および／または第２の層は、配置される複数の細孔を含む。本発明のいくつかの実施形態では、第２の層内に配置されている複数の細孔のうちの少なくとも１つの細孔は、第２の層の官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマの混合物を含む。本発明のいくつかの実施形態では、接着層は、第１の層と第２の層との間に配置することができ、接着層は第１の層と第２の層との間の接着を促進する。
【０１９８】
本発明の関連する実施形態は、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマとの混合物を含む第１の層を生成し、免疫グロブリンに対し不浸透性を有し、グルコースおよび／または乳酸塩よりも酸素に対して透過性の高い膜が作られるように酸素、グルコース、および乳酸塩に対し透過性を有する生体適合性ポリマ組成物を含む、第１の層に結合された第２の層を生成する植え込み型検体センサとともに使用する膜を形成する方法である。適宜、この方法では、第１の層および／または第２の層は、中に配置される複数の細孔を含むように形成されうる。本発明のいくつかの実施形態では、第２の層内に配置されている複数の細孔のうちの少なくとも１つの細孔は、第２の層の官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）、官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマ、または官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）と官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン）コポリマの混合物を含むように形成される。この方法のいくつかの実施形態では、接着層は、第１の層と第２の層との間に配置されうる。
【０１９９】
Ｆ．金型の微細加工
ポリ（ジメチルシロキサン）または「ＰＤＭＳ」などの重合組成物の微細加工に対するさまざまな方法が、近年開発されており、現在ではＭＥＭＳ（微小電気機械システム）などのデバイスの製造用に、さらには自己集合単分子層の微細パターン化（例えば、「ソフトリソグラフィ」）において一般に使用されている。典型的には、これらの方法は、硬化され（重合され）、次いで微細加工されたＰＤＭＳ要素を生産するために放出される重合可能組成物（例えば、ＰＤＭＳプレポリマ）をその後に充てんされる鋳型の加工を伴う。
【０２００】
これらの手順で使用される鋳型は、通常、２つの異なるアプローチのうちの一方を使用して加工される。第１のそのようなアプローチでは、ネガ型フォトレジストは、コーティングされ、フォトリソグラフィによりパターン化され、ベース基材上に現像される。第２のそのようなアプローチでは、シリコンウェハがエッチングされ、レリーフパターンを形成する。このような状況において、小さな高アスペクト比の特徴を有する鋳型の加工には、かなりの難題が残っている。例えば、これらの極端な幾何学的形状を有する鋳型は、典型的には、機械的特性が劣り、例えば、ポリマ遊離時に下位基材から脱離することがある。
【０２０１】
数学モデル化によれば、高アスペクト比の微小孔性ＰＤＭＳの層は、例えば酵素電気化学グルコースセンサにおいて使用されるタイプの選択透過膜として使用できることが予測される。この数学的モデル化では、このような膜を有するセンサが、グルコースに対する高速線形応答を示すことが予測される。さらに、インビボでＰＤＭＳが周知の長期安定性を有していることから、選択透過膜がＬＴＧＳなどの長期植え込み型センサで使用するうえで魅力的なものとなっている。明らかに、ＰＤＭＳ放出に耐える十分な機械的強度を有する小さな高アスペクト比の特徴を持つ鋳型の微細加工が、大いに望ましい。このような背景状況において、本明細書で開示されている本発明のいくつかの実施形態は、サイズが小さく、および／または当業ですでに説明されている方法を通じて生産できるものと比べて高いアスペクト比を有する機械的に堅牢な特徴を持つ鋳型を製造する新規性のある微細加工法を含む。
【０２０２】
層化された基材を形成するために、限定はしないが、ガラス、ケイ素、窒化ケイ素、または酸化アルミニウムなどの材料から形成されるベース基材は、スパッタリングなどの工程により、限定はしないが、金、銀、白金、銅、またはクロムなどの導電性材料をコーティングされる。ベース基材は、上部の導電層の接着を促進するためにクロムまたはチタンの層を事前コーティングするとよい。次いで、ＡＺ  ４６２０などのポジ型フォトレジストを、スピンコーティングまたは微細加工の技術の当業者に馴染みのある他の方法により施すことができる。プレベーク後、クロムなどの金属の犠牲薄膜をポジ型フォトレジストの層上にスパッタリングすることができる。ＳＵ−８などのネガ型フォトレジストを、スピンコーティングまたは当業者に馴染みのある他の方法により施すことができる。層化された基材は、標準フォトリソグラフィおよびその後のネガレジストの現像を通じて形成されうる。クロムエッチまたは他の適切なエッチャントを使用して、ネガレジストの現像により露出された犠牲金属層の領域を除去することができる。次いで、フォトマスクを使用して、または使用せずに、基材をＵＶ光に再露光することができる。次いで、当業者側で選択できる、適切な展開溶媒を使用して、ポジレジストを現像することができる。その結果得られる基材を、限定はしないが、金、銀、白金、銅、またはクロムなどの導電性材料で電気メッキすることができる。基材をアセトンまたは当業者により選択されうる他の溶媒に曝すことにより、ポジレジスト、犠牲金属層、およびネガレジストを基材から除去することができる。必要と考えられる場合には、当業者は、クロムエッチおよびネガレジストストリップなどの他の溶媒および／またはエッチャントを選択し、施すことができる。その結果得られる鋳型は、ＰＤＭＳおよび他のエラストマーを微細加工するために繰り返し使用できる。また、この鋳型は、電気メッキされた材料が化学的エッチャントまたは電気化学的酸化により除去できる本発明の実施形態において非弾性／硬質材料を微細加工するためにも使用できる。
【０２０３】
本発明の一実施形態は、上述の方法により作られる鋳型である。本発明の関連する実施形態は、重合可能組成物を含むことができる金属基材を含む所定の幾何学的形状を有する重合組成物を形成するための鋳型であり、この鋳型により形成された重合組成物は、感知プロセスに関わる分子の選択的拡散または移動を容易にするように選択されたアスペクト比の幾何学的形状を有する。本発明の他の実施形態は、重合可能組成物を含むことができる金属基材を含む所定の幾何学的形状を有する重合組成物を形成するための鋳型であり、この鋳型により形成された重合組成物は、約１０から２０００ミクロンまでの厚さを有する。本発明の他の実施形態は、重合可能組成物を含むことができる金属基材を含む所定の幾何学的形状を有する重合組成物を形成するための鋳型であり、この鋳型は、破砕することなく重合ポリ（ジメチルシロキサン）組成物の放出に十分耐えられる機械的強度を有する。本発明のいくつかの実施形態では、鋳型はこれらの特徴のうちの２つ以上を有する。
【０２０４】
本発明の一実施形態は、ベース基材を形成することと、導電層をベース基材（の少なくとも一部）の上に配置することと、ポジ型フォトレジスト層を導電層上に配置することと、犠牲金属層をポジ型フォトレジスト層上に配置することと、ネガ型フォトレジスト層を犠牲金属層上に配置することと、（フォトマスクを使用して、または使用せずに）ＵＶフォトリソグラフィを使ってネガ型フォトレジスト層を現像することと、エッチャントを使用してネガレジスト層の現像により露出された犠牲金属層の領域を除去することと、これらのコンポーネントをＵＶフォトリソグラフィに曝すことと、展開溶媒を使ってポジ型フォトレジスト層を現像することと、これらのコンポーネントを導電性材料の層で電気メッキすることと、鋳型が作られるように溶媒を使用してそのようにして層化されている基材からポジ型フォトレジスト層、犠牲金属層、およびネガ型フォトレジスト層を除去することとにより、所定の幾何学的形状の重合組成物を形成するための鋳型を製造する方法である。典型的には、この方法により製造される鋳型は、繰り返し使用できる。本発明の他の実施形態は、説明されている鋳型を使用して形成される重合組成物層とともに、説明されている鋳型を使用して形成される重合組成物層を含む検体センサを備える。
【０２０５】
本発明のいくつかの実施形態では、ベース基材は、ガラス、ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどのさまざまな材料から形成されうる。本発明のいくつかの実施形態では、導電性材料は、スパッタリングなどの処理工程によりベース上に配置される。本発明の実施形態で使用する導電性材料は、金、銀、白金、銅、クロムなどを含む。本発明のいくつかの実施形態では、ベース基材と導電層との接着を促進するために、導電性材料を施す前に、ベース基材をクロムまたはチタンの層でコーティングする。本発明のいくつかの実施形態では、基材は、犠牲金属層をポジ型フォトレジスト層上に配置する前にベーキングされる。適宜、これらの方法において、ネガ型フォトレジスト層および／またはポジ型フォトレジスト層は、スピンコーティングにより基材に施される。
【０２０６】
本発明の一実施形態は、重合可能組成物を含むことができる金属基材を含む所定の幾何学的形状を有する重合組成物を形成するための鋳型であり、鋳型により形成された重合組成物は、最適なアスペクト比幾何学的形状を有し、鋳型により形成された重合組成物は、約１０から２０００ミクロンの厚さを有し、鋳型は、破砕することなく重合ポリ（ジメチルシロキサン）組成物の放出に十分耐えられる機械的強度を有する。本発明の関連する実施形態は、所定の幾何学的形状の重合組成物を形成するための鋳型を製造する方法であって、ベース基材を形成することと、導電層をベース基材（の一部）の上に配置することと、ポジ型フォトレジスト層を導電層上に配置することと、犠牲金属層をポジ型フォトレジスト層上に配置することと、ネガ型フォトレジスト層を犠牲金属層上に配置することと、ＵＶフォトリソグラフィを使ってネガ型フォトレジスト層を現像することと、エッチャントを使用してネガレジスト層の現像により露出された犠牲金属層の領域を除去することと、（フォトマスクを使用して、または使用せずに）これらのコンポーネントをＵＶフォトリソグラフィに曝すことと、展開溶媒を使ってポジ型フォトレジスト層を現像することと、これらのコンポーネントを導電性材料の層で電気メッキすることと、鋳型が作られるように溶媒を使用してそのようにして層化されている基材からポジ型フォトレジスト層、犠牲金属層、およびネガ型フォトレジスト層を除去することとを含む。典型的には、この方法により製造される鋳型は、繰り返し使用できる。適宜、この方法では、ベース基材と導電層との接着を促進するために、導電層を施す前に、ベース基材をクロムまたはチタンの層でコーティングする。適宜、基材は、犠牲金属層をポジ型フォトレジスト層上に配置する前にベーキングされる。適宜、ネガ型フォトレジスト層および／またはポジ型フォトレジスト層は、スピンコーティングにより基材に施される。
【０２０７】
ＩＩＩ．本発明の検体センサ装置を使用する方法
本発明の関連する実施形態は、哺乳類の体内の検体を感知する方法であり、この方法は、本明細書で開示されている検体センサ実施形態を哺乳類の中に植え込むことと、次いで、作用電極における電流の変化を感知し、検体が存在する場合に電流の変化の相関を求め、検体が感知されるようにすることとを含む。典型的には、検体センサは、電流の変化が感知される作用電極が陽極となるように陽極分極する。このような一方法では、検体センサ装置は、哺乳類体内のグルコースを感知する。代替方法では、検体センサ装置は、乳酸塩、カリウム、カルシウム、酸素、ｐＨ、および／または哺乳類体内の生理学的に関係する検体を感知する。
【０２０８】
上述の構造を有するいくつかの検体センサは、哺乳類体内の検体を感知するためのさまざまな方法を利用できるようにする多数の非常に望ましい特性を有する。例えば、このような方法では、哺乳類体内に植え込まれた検体センサ装置は、１、２、３、４、５、または６カ月以上の間、哺乳類の体内の検体を感知するように機能する。典型的には、このように哺乳類体内に植え込まれた検体センサ装置は、検体がセンサと接触している１５、１０、５、または２分以内に検体に応答する電流の変化を感知する。このような方法では、センサは、例えば、血管および非血管の両方の空間内の、哺乳類の体内のさまざまな場所に植え込むことができる。
【０２０９】
ＩＶ．本発明のキットおよびセンサセット
本発明の他の実施形態では、上述のような検体を感知するのに有用な、キットおよび／またはセンサセットが構成される。キットおよび／またはセンサセットは、典型的には、容器、ラベル、および上述のような検体センサを備える。好適な容器としては、例えば、金属箔などの材料で作られた、開けやすいパッケージ、瓶、バイアル、注射器、および試験管がある。容器は、金属（例えば、金属箔）、紙製品、ガラス、またはプラスチックなどのさまざまな材料から形成されうる。容器に貼られたラベル、または容器に関連付けられているラベルは、選択する検体のアッセイにセンサが使用されることを示している。いくつかの実施形態では、容器は、グルコースオキシダーゼなどの酵素の層でコーティングされた多孔質マトリックスを保持する。キットおよび／またはセンサセットは、さらに、センサを検体環境内に導入しやすくするように設計された要素またはデバイス、他の緩衝液、希釈剤、フィルタ、針、注射器、および使用説明書が付属するパッケージ挿入物を含む、商業的観点およびユーザの観点から望ましい他の材料などを備えることができる。
【０２１０】
さまざまな引用が、本明細書全体を通して参照されている。それに加えて、本発明のさまざまな実施形態をより明確に描くために、従来の技術の資料も本明細書に複写してある。本明細書において言及している部分の開示は、本願に引用して援用される。
【０２１１】
【表１】
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【０２１２】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【０２１３】
【図１】グルコースとグルコースオキシダーゼとの間の周知の反応を示す略図である。段階的に示されているように、この反応は、グルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）、グルコース、および水の中の酸素を伴う。反応の還元側では、２個の水素イオンと電子とが、β−Ｄ−グルコースから酵素生産ｄ−グルコノラクトンに移動する。反応の酸化側では、酵素は、分子酸素生産過酸化水素により酸化される。ｄ−グルコノラクトンは、次いで、水と反応して、ラクトン環を加水分解し、グルコン酸を生成する。本発明のいくつかの電気化学センサでは、この反応により生成された過酸化水素は、作用電極のところで酸化される（Ｈ２Ｏ２→２Ｈ＋＋Ｏ２＋２ｅ−）。
【図２】本発明の典型的な検体センサ構成を示す線図である。
【図１】
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【図２】
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