(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験センサ内に導入される試料ポートを有する１次エリアと実質的に化学的に隔離された少なくとも２つの２次分析領域とを有するリザーバを形成する少なくとも２つの基材であって、１回または数回の分析の間に、２次分析領域間で試薬の拡散混合または対流混合が実質的に起こらない２つの基材と、
前記リザーバ内に配置された第１の導体および試薬組成物を含む少なくとも１つの第１の作用電極と、
第１の２次分析領域内に配置された第２の導体および少なくとも１つの第１の酸化還元種を含む少なくとも１つの第１の対電極と、
第２の２次分析領域内に配置された第３の導体および少なくとも１つの第２の酸化還元種を含む少なくとも１つの第２の対電極と、を含み、
前記作用電極、前記第１の対電極および前記第２の対電極は、独立に電気的にアドレス指定可能であり、
電極対をなす作用電極と対電極は、実質的に化学的に隔離された環境中に存在し、１つの前記第１の作用電極は分析物との特定の酸化還元電位を有し、所望の電位を有する第１の対電極または第２の対電極の１つと選択的に対にすることができ、
前記少なくとも１つの第１の作用電極は、前記第１及び第２の対電極の少なくとも２つと電極対として組み、それぞれは、実質的に化学的に隔離された環境中に存在し、前記対電極の少なくとも２つは異なる電位で動作可能である、分析物試験センサ。
【請求項２】
少なくとも１つの２次分析領域が、前記１次エリアを挟んで他方の２次分析領域と対向する、請求項１に記載の試験センサ。
【請求項３】
少なくとも２つの２次分析領域が、前記１次エリアを挟んで食い違っている、請求項１または２に記載の試験センサ。
【請求項４】
前記２次分析領域のうち少なくとも１つの２次分析領域が、前記１次エリアから９０°以外の角度で枝分れしている、請求項２または３に記載の試験センサ。
【請求項５】
前記２次分析領域のうち少なくとも１つの２次分析領域が、前記１次エリアから９０°未満の角度で枝分れしている、請求項２または３に記載の試験センサ。
【請求項６】
実質的に化学的に隔離された少なくとも３つの２次分析領域と、
前記２次分析領域の１つに配置され、他方の２次分析領域内に配置された前記第１の対電極および前記第２の対電極の少なくとも一方から実質的に化学的に隔離されている前記第１の作用電極と、を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の試験センサ。
【請求項７】
前記リザーバが多重Ｔチャネル設計である、請求項６に記載の試験センサ。
【請求項８】
前記リザーバが多重Ｙチャネル設計である、請求項６に記載の試験センサ。
【請求項９】
前記第１の作用電極が、前記第１の対電極および前記第２の対電極から実質的に化学的に隔離されている、請求項６に記載の試験センサ。
【請求項１０】
各２次分析領域が単一の電極を含む、請求項６に記載の試験センサ。
【請求項１１】
実質的に化学的に隔離された少なくとも４つの２次分析領域を備え、各領域が１つの電極を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の試験センサ。
【請求項１２】
前記電極のうち、２つの電極が作用電極であり、２つの電極が対電極である、請求項１１に記載の試験センサ。
【請求項１３】
前記電極のうち、１つの電極が作用電極であり、３つの電極が対電極である、請求項１１に記載の試験センサ。
【請求項１４】
第２の作用電極を含む、実質的に化学的に隔離された第４の２次分析領域をさらに備え、前記第１の作用電極と前記第２の作用電極とが一緒に電気的にアドレス指定される、請求項１１に記載の試験センサ。
【請求項１５】
前記実質的に化学的に隔離された２次分析領域が、前記試料が前記リザーバに入り、前記２次分析領域へ流れるときに、前記試料が、２つ以上の電極を横切って別の電極に到達することがないように配置されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の試験センサ。
【請求項１６】
どの２つの電極間においても、前記実質的に化学的に隔離された２次分析領域内を通る直線を引くことができない、請求項１から１５のいずれか一項に記載の試験センサ。
【請求項１７】
少なくとも２つの対電極が、異なる電位で動作するように構成されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載の試験センサ。
【請求項１８】
前記異なる電位が少なくとも５０ｍＶ離隔している、請求項１７に記載の試験センサ。
【請求項１９】
少なくとも２つの酸化還元種が異なり、この違いが、金属と電気活性有機分子との違い、および金属の元素識別の違いからなるグループより選択される、請求項１７に記載の試験センサ。
【請求項２０】
前記異なる電位で動作する構成が、酸化還元対の異なる共役の比を有する、第１の酸化還元種と第２の酸化還元種によって提供される、請求項１７に記載の試験センサ。
【請求項２１】
少なくとも１つの参照電極をさらに備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載の試験センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる２００７年９月２４日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」という名称の米国特許仮出願第６０／９７４，８２３号の恩典を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサは、全血、血清、血漿、尿、唾液、間質液、細胞内液などの生物流体（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｆｌｕｉｄ）の分析を提供する。バイオセンサは一般に、試験センサ内に存在する試料を分析する測定装置を有する。試料は一般に液体であり、生物流体である他に、抽出液、希釈液、濾液、沈殿を再形成したものなど、生物流体の派生物であることもある。バイオセンサによって実行される分析は、アルコール、グルコース、尿酸、乳酸塩およびエステル、コレステロール、ビリルビン、遊離脂肪酸、トリグリセリド、タンパク質、ケトン、フェニルアラニン、酵素など、生物流体中の１種または数種の分析物の存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの分析物の濃度を決定する。この分析は、生理的異常の診断および治療に役立つことがある。例えば、糖尿病の患者は、食事および／または投薬を調節するため、バイオセンサを使用して、全血中のグルコースレベルを決定することができる。
【０００３】
単一の分析物に対して多くのバイオセンサがあり、分析の正確度および／または精度を向上させるために、多くのバイオセンサがさまざまな技法を使用する。正確度は、参照分析物の読みに対するセンサシステムの分析物の読みの偏りとして表すことができ、この偏りの値が大きいほど正確度は低い。一方、精度は、複数の測定間の散らばりすなわち分散として表すことができる。分析の正確度および／または精度を向上させるために、較正情報を使用することができ、較正情報は、分析の前に、試験センサから測定装置に読み込むことができる。測定装置は、この較正情報を使用して、生物流体のタイプ、具体的な分析物（１種または数種）、試験センサの製造時変動など１つまたは複数のパラメータに応じて、生物流体の分析を調節する。バイオセンサは、ベンチトップ型、携帯型などの測定装置を使用して実現することができる。携帯型測定装置はハンドヘルド型とすることができ、試料中の分析物を同定および／または定量することができる。携帯型測定システムの例には、Ｂａｙｅｒ  ＨｅａｌｔｈＣａｒｅ社（米ニューヨーク州Ｔａｒｒｙｔｏｗｎ）のＡｓｃｅｎｓｉａ  Ｂｒｅｅｚｅ（登録商標）およびＥｌｉｔｅ（登録商標）メータなどがあり、ベンチトップ型測定システムの例には、ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（米テキサス州Ａｕｓｔｉｎ）から市販されているＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎなどがある。
【０００４】
測定装置が試験センサに入力する電気信号は、電位または電流とすることができ、また、一定または可変信号、あるいはＤＣ信号オフセットを有するＡＣ信号を印加するときなど、これらの組合せとすることができる。入力信号は、単一のパルスとして、あるいは複数のパルス、シーケンスまたはサイクルとして印加することができる。分析物または測定可能種に入力信号が印加されると、これらは酸化還元反応を受ける。この酸化還元反応によって出力信号が生成され、この信号を、過渡状態および／または定常状態出力の間、常にまたは定期的に測定することができる。変化する過渡状態出力信号とは違い、定常状態出力は、その独立入力変量（時間など）に対する信号の変化が、±１０％以内、±５％以内など、実質的に一定であるときに観察される。
【０００５】
クーロメトリ、アンペロメトリ、ボルタンメトリなど、さまざまな電気化学的方法を使用することができる。クーロメトリとは違い、アンペロメトリおよびボルタンメトリは一般に、分析物が酸化または還元される速度を測定して、試料中の分析物濃度を決定する。アンペロメトリでは、一定電位（電圧）の電気信号を試験センサの電気導体に印加し、測定する出力信号は電流である。ボルタンメトリでは、変動電位を生物流体試料に印加する。交番励起／緩和サイクルを含むゲート制御（ｇａｔｅｄ）アンペロメトリおよびゲート制御ボルタンメトリ法を使用することもできる。
【０００６】
「ヘマトクリット効果」は、全血試料中で実行される分析の正確度および／または精度を低下させることがある１つの因子である。全血試料は、水、グルコース、タンパク質、ケトンおよび他の生体分子の他に、赤血球を含む。ヘマトクリットは、全血試料の全体積に対する赤血球が占める体積であり、しばしば百分率で表現される。このヘマトクリット百分率が、全血試料に対するシステムのヘマトクリット較正値（％）からはずれるほど、バイオセンサから得られる分析物の読みの偏り（誤差）は大きくなる。例えば、一組の較正定数（例えば４０％のヘマトクリットを含む全血試料に対する傾きおよび切片）を有する従来のバイオセンサシステムは、全く同じグルコース濃度を有するが、ヘマトクリット百分率が２０％、４０％、６０％である全血試料に対して、３つの異なるグルコース濃度を報告するであろう。したがって、たとえ全血グルコース濃度が同じであっても、ヘマトクリットが２０％の全血試料は、ヘマトクリットが４０％の全血試料よりも多くのグルコースを含み、ヘマトクリットが６０％の全血試料は、ヘマトクリットが４０％の全血試料よりも少ないグルコースを含むと、そのシステムは報告するであろう。従来のバイオセンサは一般に、全血試料のヘマトクリット含量が４０％であると仮定してグルコース濃度を報告するように構成されているため、４０％未満または４０％を超えるヘマトクリットを含む血液試料に対して実行したグルコース測定は、ヘマトクリット効果に起因するある偏り誤差を含む。
【０００７】
ヘマトクリット偏りは、下式によって表すことができる。
ヘマトクリット偏り（％）＝１００×（Ｇｍ−Ｇｒｅｆ）／Ｇｒｅｆ
上式で、ＧｍおよびＧｒｅｆはそれぞれ、任意のヘマトクリットレベルに対する、測定グルコースの読みおよび参照グルコースの読みである。ヘマトクリット偏り（％）の絶対値が大きいほど、ヘマトクリット効果も大きい。
【０００８】
ヘマトクリット効果だけでなく、測定可能種の濃度が分析物の濃度と相関しないときにも、測定は不正確になることがある。例えば、バイオセンサが、分析物の酸化に対応して生成した還元された媒介物（ｍｅｄｉａｔｏｒ）の濃度を決定するとき、分析物の酸化によって生成したものでない還元された媒介物の存在は、媒介物バックグラウンドのため、正しい値よりも多くの分析物が試料中に存在するとの指示につながる。
【０００９】
分析物の濃度に応答しない因子に起因する出力信号を知ることによって、出力信号の擬似部分を差し引くことができる。従来のシステムは、共通の試料リザーバ内に複数の作用電極／対電極対を配置することにより、出力信号の非応答部分を分離することを試みた。電極を形成するのに使用する試薬を変更することにより、これらのシステムは、２つの出力信号を差し引くことによって、分析物の応答部分と非応答部分とを分離することを試みた。
【００１０】
例えば、従来のセンサシステムの中には、各作用電極が参照電極と向かい合った分割されていない試料室内に、複数の検出エリアを有するものがある。他の態様では、これらのシステムが、単一の参照電極を有することがある。これらのタイプのシステムは、既知の２つの標準を有する試験時センサ較正系を提供することができ、または、例えば分析物用、干渉物用およびヘマトクリット決定用の別々の電極系を提供することができる。これらのシステムに共通する欠点は、試料室が１つであり、隣接する電極系／検出エリアが、拡散および／または液体の移動によって、互いに化学的に汚染しあう可能性があることである。この欠点は、１つの試薬系が他の試薬系よりも長い検定時間を必要とするとき、および／または試料を充填した後に試験センサが機械的な外乱を受けるときに、特に問題となる可能性がある。
【００１１】
診断には、生体試料中に存在する分析物に関する情報がますます多く必要となっているため、医療上重要な複数の生体種を日常的にモニタリングすることがよりいっそう求められている。したがって、改良型のバイオセンサ、特に、複数の分析物に対してよりいっそう正確度および／または精度の高い濃度測定を提供することができるバイオセンサが依然として求められている。本発明のシステム、装置および方法は、従来のバイオセンサに関連した欠点のうちの少なくとも１つの欠点を解決し、または改善する。
【発明の概要】
【００１２】
実質的に化学的に隔離された少なくとも２つの２次分析領域を有するリザーバを形成する少なくとも２つの基材と、このリザーバ内に配置された第１の導体および試薬組成物を含む少なくとも１つの第１の作用電極と、第１の２次分析領域内に配置された第２の導体および少なくとも１つの第１の酸化還元種を含む少なくとも１つの第１の対電極と、第２の２次分析領域内に配置された第３の導体および少なくとも１つの第２の酸化還元種を含む少なくとも１つの第２の対電極とを備え、これらの作用電極、第１の対電極および第２の対電極が、独立にアドレス指定可能である、分析物試験センサを開示する。
【００１３】
独立にアドレス指定可能な少なくとも３つの２次分析領域を含むリザーバを形成する少なくとも２つの基材を備え、これらの２次分析領域の各々が、実質的に化学的に隔離された、分析物試験センサを開示する。
【００１４】
一態様では、作用電極から、第１の２次分析領域および１次エリアを通る直線を、第２の２次分析領域を通って対電極まで引くことができないように、試験センサを構成することができる。２つの基材間に導体が配置され、少なくとも前記２つの基材および前記導体の縁によって、試料ポートを含むリザーバの少なくとも一部分が画定されるように、試験センサを構成することもできる。この場合、導体の縁が、少なくとも第１の電極を画定する。
【００１５】
他の態様では、少なくとも１つの試料ポートに入った流体試料が、第１、第２および第３の電極のうちの２つ以上の電極を横切って別の電極に到達しないように、試験センサを構成することができる。第１の酸化還元種と第２の酸化還元種との混合が、サイクリックボルタンメトリおよびケモアンペロメトリから選択された分析技術によって、試験センサが機械的外乱を受けない場合には１２分以内、試験センサが機械的外乱を受ける場合には１．４分以内に観察されないように、試験センサを構成することもできる。
【００１６】
試料中の少なくとも１つの分析物を測定する方法であって、試料中の少なくとも１つの分析物を化学的または生化学的に酸化または還元すること、少なくとも第１の作用電極および第１の対電極を用いて、試料に第１の入力信号を印加すること、少なくとも第１の作用電極および第２の対電極を用いて、試料に、第１の入力信号とは電位が異なる第２の入力信号を印加すること、第１の入力信号および第２の入力信号からの出力信号を分析して、第１の対電極の電位における試料中の第１の測定可能種の濃度と、第２の対電極の電位における試料中の第２の測定可能種の濃度とを決定すること、ならびに第１の測定可能種の濃度と第２の測定可能種の濃度の少なくとも一方の濃度を、試料中の少なくとも１つの分析物の濃度に変換することを含む方法を開示する。
【００１７】
試料中の少なくとも１つの分析物を測定する方法であって、少なくとも２対の電極を含む試験センサに試料を導入することを含み、前記少なくとも２対の電極が、独立にアドレス指定可能な実質的に化学的に隔離された少なくとも４つの電極を含み、前記電極のうちの少なくとも２つの電極が作用電極であり、前記電極のうちの少なくとも２つの電極が対電極であり、さらに、試料中の分析物を化学的または生化学的に酸化または還元すること、前記少なくとも２対の電極を横切って、試料に、ゲート制御入力信号を印加して、少なくとも２つの出力信号を生成すること、前記少なくとも２つの出力信号を結合すること、およびこの結合した出力信号から、試料中の分析物の濃度を測定することを含む方法を開示する。開示したこれらの試験センサを、開示したこれらの方法で使用するシステムも開示する。
【００１８】
以下の図および詳細な説明を検討した当業者には、本発明の他のデバイス、システム、方法、特徴および利点が明白であり、または明白となろう。このような追加のシステム、方法、特徴および利点は全て、本明細書および本発明の範囲に含まれ、下記の特許請求項によって保護されることが意図されている。
【００１９】
以下の図面および説明を参照すると、本発明をよりいっそう理解することができる。図中の構成要素は必ずしも一様な尺度では描かれておらず、それよりもむしろ、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。さらに、さまざまな図の全体を通じて、同じ参照符号は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】試料ポートを通して１次エリアの最上部に試料が導入され、実質的に対称に流れて、４つの２次分析領域を満たす、試験センサの一配置を示す図である。
【図１Ｂ】参照電極が追加された図１Ａの試験センサを示す図である。
【図１Ｃ】別々の対電極を有する図１Ａの試験センサを示す図である。
【図１Ｄ】参照電極が追加された図１Ｃの試験センサを示す図である。
【図２Ａ】試験センサの一面の試料ポートから１次エリアへ試料が導入され、次いで非対称に流れて２つの２次分析領域を満たす、試験センサの一配置を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａと同じ電極配置を有するが、２次分析領域の配置が異なる試験センサを示す図である。
【図３Ａ】試料が、１次エリアから、第１の潜在的電極位置を横切って流れて、第２の潜在的電極位置に到達する、直線チャネル試験センサ設計を示す図である。
【図３Ｂ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｃ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｄ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｅ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｆ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｇ】試料が、２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替設計を示す図である。
【図３Ｈ】独立にアドレス指定可能な作用電極と独立にアドレス指定可能な対電極の両方を、４つの各２次分析領域に有する、多重Ｔチャネル試験センサを示す図である。
【図３Ｉ】実質的に化学的に隔離された４つの各２次分析領域に、独立にアドレス指定可能な作用電極を有し、対向する４つの各２次分析領域に、独立にアドレス指定可能な対電極を有する、多重Ｔチャネル試験センサを示す図である。
【図３Ｊ】独立にアドレス指定可能な作用電極と独立にアドレス指定可能な対電極の両方を、２つの各２次分析領域に有する、Ｙチャネル試験センサを示す図である。
【図４Ａ】図３Ａに示したような直線チャネル試験センサ設計のサイクリックボルタンモグラムを示す図である。
【図４Ｂ】図３Ｅに示したようなＹチャネル設計のサイクリックボルタンモグラムを示す図である。
【図５Ａ】図４Ａで使用したタイプの直線チャネル試験センサに関して、試料を導入してから約５秒以内に、作用電極においてフェロシアン化物のピークが観察されたことを立証する、ケモアンペロメトリ電流対時間プロットを示す図である。
【図５Ｂ】図４Ｂで使用したタイプのＹチャネル試験センサに関して、試料を導入してから３０秒後に、フェロシアン化物が作用電極に実質的に到達しなかったことを立証する、ケモアンペロメトリ電流対時間プロットを示す図である。
【図５Ｃ】Ｙチャネル設計が、Ｔチャネルが設計よりも優れた潜在的電極位置間の化学的隔離を提供することを立証する、ケモアンペロメトリ電流対時間プロットを示す図である。
【図５Ｄ】３つのＹチャネル設計が、機械的外乱に起因するこのような混合に対して抵抗性であったことを立証する図である。
【図６Ａ】試料が、試料ポートから、２つの２次分析領域がそこから枝分れしたチャネルの形態の１次エリアに入る、２次分析領域の食違い配置を有する試験センサを示す図である。
【図６Ｂ】試料が、試料ポートから、３つの２次分析領域がそこから枝分れしたチャネルの形態の１次エリアに入る試験センサ配置を示す図である。
【図７Ａ】２次分析領域の食違い設計を有する試験センサを示す図である。
【図７Ｂ】２次分析領域の食違い設計を有する試験センサを示す図である。
【図８Ａ】複数の作用電極が電気的に接続された、図７Ａの試験センサの一変型を示す図である。
【図８Ｂ】複数の対電極が電気的に接続された、図７Ａの試験センサの一変型を示す図である。
【図９Ａ】１電子移動媒介物が１つの電子を移動させる過程を示す図である。
【図９Ｂ】多電子移動媒介物が２つの電子を移動させる過程を示す図である。
【図１０Ａ】それぞれが異なる電位で動作する独立にアドレス指定可能な３つの対電極と、異なる電位で動作する媒介物系をそれぞれが有する電気的に接続された３つの作用電極とを有するシステムを示す図である。
【図１０Ｂ】ルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミン、フェリシアン化物および電気活性有機分子のサイクリックボルタンモグラムを示す図である。
【図１０Ｃ】対電極の動作電位と酸化還元共役対比との関係を示すグラフである。
【図１０Ｄ】独立にアドレス指定可能な複数の対電極の電荷移動系を示す図である。
【図１０Ｅ】独立にアドレス指定可能な複数の対電極が１つまたは複数の作用電極に提供することができる異なる動作電位を立証するサイクリックボルタンモグラムを示す図である。
【図１１Ａ】図１０Ｅの電荷移動系の代わりに複数の酸化還元共役対比を使用して、複数の電位をシステムに提供することができることを立証する図である。
【図１１Ｂ】実質的に化学的に隔離された１つの作用電極の電位を、異なる電荷移動系によって提供される異なる電位をそれぞれが有する、実質的に化学的に隔離された独立にアドレス指定可能な３つの対電極によって、順番に繰返し制御したときに得られた電流プロファイルを示す図である。
【図１２Ａ】生体流体試料中の分析物の濃度を決定するバイオセンサシステムの概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの信号発生器とともに使用することができるポテンシオスタットの複数の変型を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ａの信号発生器とともに使用することができるポテンシオスタットの複数の別の変型を示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ａの信号発生器とともに使用することができるポテンシオスタットの複数のまた別の変型を示す図である。
【図１２Ｅ】図１２Ａの信号発生器とともに使用することができるポテンシオスタットの複数のまた別の変型を示す図である。
【図１２Ｆ】図１２Ａの信号発生器とともに使用することができるポテンシオスタットの複数のまた別の変型を示す図である。
【図１３】試料中の少なくとも１つの分析物の存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの分析物の濃度を決定する電気化学分析を示す図である。
【図１４Ａ】独立にアドレス指定可能な対電極および作用電極を有する試験センサと組み合わせて使用される順次ゲート制御アンペロメトリパルス列からの入力信号を示す図である。
【図１４Ｂ】独立にアドレス指定可能な対電極および作用電極を有する試験センサと組み合わせて使用される同時ゲート制御アンペロメトリパルス列からの入力信号を示す図である。
【図１５】試料中の分析物の濃度を決定するために、同じ分析物に対する最大４回の別個の分析の結果を平均した結果を示す図である。
【図１６】信号の平均算出実験から得られた電流の減衰を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
独立にアドレス指定可能な少なくとも３つの分析領域を有する試験センサを含むバイオセンサシステムを開示する。各分析領域は導体または電極を含み、各分析領域を実質的に化学的に隔離することができる。したがって、電極対の作用電極と対電極は、実質的に化学的に隔離された環境の中に位置することができる。１つの作用電極を、実質的に化学的に隔離された環境の中にそれぞれが位置する２つ以上の対電極と組み合わせることができる。したがって、このシステムは、異なる電位で動作する少なくとも２つの対電極を含むことができる。実質的に化学的に隔離された分析領域を独立にアドレス指定できることにより、複数の電位で電気化学分析を実施することができる。
【００２２】
２つ以上の電位で動作するため、複数の分析物を含む試料を分析することができる。同じ分析物を独立に複数回分析して、分析の正確度および／または精度を増大させることができる。この複数分析物および複数回分析特徴に加え、試料インターフェレント（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔ）、ヘマトクリット、媒介物バックグラウンド、温度、製造時変動、試薬失活などに起因する出力信号の部分を決定することができるため、このシステムのコンフィギュラビリティ（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｉｌｉｔｙ）は、正確度および／または精度の増大を可能にする。分析物インターフェレントは、決定された分析物濃度に正または負の偏りを導入する化学、電気化学、生理または生体種である。これらの効果が分かれば、これらの効果を使用して、決定された分析物濃度を変更し、または決定された分析物濃度から、これらの効果を除去することができる。分析物に応答しない分析領域によって較正情報を提供することもできる。
【００２３】
図１Ａは、試料ポート１１５を通して１次エリア１１０の最上部に試料が導入され、実質的に対称に流れて、４つの２次分析領域１５０を満たす、試験センサ１００の一配置を示す。各２次分析領域１５０は、試料の充填中に、試料が、２次分析領域１５０から空気を追い出すことを可能にするベント（ｖｅｎｔ）１２０を含む。ベント１２０は、円形、多角形など、２次分析領域１５０の形状と両立する任意の形状を有することができる。ベント１２０の最大径または最大幅は、２次分析領域１５０内へ試料を所望の流量で供給することができる任意のサイズとすることができ、約０．０２ｍｍから約１．５ｍｍの値が好ましい。
【００２４】
単一の対電極１３０が１次エリアを占有し、各２次分析領域１５０には作用電極１４１〜１４４が存在する。１次エリア１１０内に対電極１３０、２次分析領域１５０内に作用電極１４１〜１４４があるとして示したが、作用電極と対電極の配置を逆にして、複数の対電極が単一の作用電極を取り囲むようにすることもできる（図示せず）。他の態様では、これらの電極が同じ平面になくてもよい。例えば、一部の電極を水平に配置し、他の電極を垂直に配置することができる。他の例では、一部の電極を他の電極よりも高い位置に置き、生物流体が最初に低い方の電極に到達するようにすることができる。他の電極構成を使用することもできる。例えば、図１Ｂは、非変動電位を提供する参照電極１７０が追加された図１Ａの試験センサを表す。
【００２５】
図１Ｃは、中央の１次エリア１１０内に、単一の対電極１３０の代わりに、独立した４つの対電極１３１〜１３４が配置された試験センサ１００を示す。１次エリア内に対電極、２次分析領域内に作用電極があるとして示したが、任意の作用電極および任意の対電極の配置を逆にすることができる（図示せず）。他の電極構成を使用することもできる。
【００２６】
図１Ｄは、非変動電位を提供する参照電極１７０が各２次分析領域に追加された図１Ｃの試験センサを示す。参照電極１７０のうちの１つまたは複数の参照電極は、１つまたは複数の電位で動作して、それぞれの分析に対して非変動電位を提供することができる。対電極の動作電位は変動する可能性があるため、従来システムにおいて一般的な作用電極の電位の基準とすることに加えて、１つまたは複数の参照電極を使用して、対電極の電位の基準とすることができる。
【００２７】
この図には示されていないが、生体に埋め込まれた電極、または別の形で生物流体と連続的に接触する電極など、連続モニタリング用途において実現される試験センサに関しては、複数の参照電極を使用することにより、決定される分析物濃度の正確度および／または精度を増大させることができる。この正確度および／または精度の増大は、生体に埋め込まれた作用電極または別の形で生物流体と連続的に接触する作用電極の電位の変化に関連した問題の軽減によって達成することができる。
【００２８】
図１Ａおよび図１Ｂでは、各電極から、試験センサ１００の背部に向かって導体１６０が延びており、この背部において、各導体１６０を測定装置に接続することができ、これにより、各作用電極１４１〜１４４を独立にアドレス指定することが可能になる。このように、導体１６０が単一の電極に接続されているとき、この電極は独立にアドレス指定可能である。導体１６０を独立にアドレス指定可能な状態のままにすることもでき、または２つ以上の任意の導体１６０を電気的に接続することもできる（図示せず）。このように、２つ以上の電極が同じ導体に電気的に接続されているとき、これらの電極は、一緒に電気的にアドレス指定されるため、独立にアドレス指定可能ではない。例えば、作用電極１４１〜１４４のうちの２つの電極、例えば１４１と１４４を電気的に接続することにより、得られる試験センサ１００は、独立にアドレス指定可能な３つの作用電極と１つの対電極１３０とを有することになる。
【００２９】
単一の対電極１３０および独立にアドレス指定可能な４つの作用電極１４１〜１４４を有するように構成されているとき、図１Ａおよび図１Ｂの試験センサ１００は、潜在的に、各作用電極１４１〜１４４において異なる分析を実行することができる。単一の対電極１３０は、単一の電位で機能する電荷移動系を使用することにより、システムに単一の電位を提供することができる。測定装置に応じて、単一の対電極１３０は、２つ以上の電位をシステムに提供することができる。
【００３０】
図１Ａおよび図１Ｂの試験センサ１００に関して電極のタイプを逆にし、独立にアドレス指定可能な４つの対電極および単一の作用電極があるようにした場合には、作用電極におけるエレクトロケミストリ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）を、潜在的に、４つの異なる電位で測定することができる。対電極を独立にアドレス指定できることにより、各対電極を、異なる電荷移動系を有するように形成することができ、したがって分析中に作用電極に提供する電位を変更することができる。作用電極が、４つの異なる電位で１種または数種の分析物と相互作用する試薬を含む場合、適当な対電極を電気的にアドレス指定することによって、それぞれの分析物相互作用を独立に測定することができる。独立にアドレス指定可能な対電極はそれぞれ、単一の電位または電位範囲で動作することが好ましい。
【００３１】
図１Ｃおよび１Ｄでは、各電極から、試験センサ１００の背部に向かって導体１６０が延びており、この背部において、各導体１６０を測定装置に接続することができる。この配置により、各作用電極１４１〜１４４および各対電極１３１〜１３４を独立にアドレス指定することが可能になる。導体１６０を電気的に隔離された状態のままにすることもでき、または２つ以上の導体１６０を電気的に接続することもできる（図示せず）。例えば、２つの対電極、例えば１３２と１３３を電気的に接続することにより、得られる試験センサは、独立にアドレス指定可能な４つの作用電極と独立にアドレス指定可能な３つの対電極とを有することになる。電極は、任意の組合せで電気的に接続することができる。
【００３２】
独立にアドレス指定可能な作用電極は、潜在的に、各作用電極１４１〜１４４で異なる化学反応を測定することを可能にする。動作電位が異なる独立にアドレス指定可能な対電極１３１〜１３４を有することにより、１つの作用電極を、２つ以上の対電極電位に対して動作させることができる。したがって、同じ作用電極に存在する２種類の電荷移動ケミストリを、独立にアドレス指定可能な２つの対電極によって独立に測定することができ、この場合、第１の対電極が、第１の電荷移動ケミストリ（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）の電位で動作し、第２の対電極が、第２の電荷移動ケミストリの電位で動作する。
【００３３】
図１Ｃの試験センサ１００では、４つの作用電極１４１〜１４４および４つの対電極１３１〜１３４を独立にアドレス指定することができる。各対電極１３１〜１３４が異なる電位を提供することができるため、潜在的に、１６の異なる分析を実行することができる。したがって、単一の作用電極のエレクトロケミストリを４つの異なる電位で測定することができ、単一の対電極の電位を、４種類の異なる作用電極ケミストリに対して印加することができる。独立にアドレス指定可能な４つの参照電極１７０を有する図１Ｄの試験センサは、最大４つの異なる非変動電位をシステムに提供することができる。測定装置は、これらの非変動電位のうちの１つまたは複数の非変動電位を使用して、作用電極１４１〜１４４および対電極１３１〜１３４における動作電位を制御し、または決定することができる。
【００３４】
図１Ａから図１Ｄの試験センサ１００に関して、２次分析領域１５０は、それぞれ約６２ｎＬの内容積を提供するため、約０．５ｍｍ２の面積および約０．１２５ｍｍの高さを有することができる。好ましい２次分析領域は１００ｎＬの内容積を有し、７０ｎＬ以下の内容積がより好ましい。これよりも大きな２次分析領域およびこれよりも小さな２次分析領域を使用することもできる。
【００３５】
図２Ａは、試験センサ２００の前縁２１４の試料ポート２１５から１次エリア２１０へ試料が導入され、次いで非対称に流れて、第１の２次分析領域２５１および第２の２次分析領域２５２を満たす、試験センサ２００の一配置を示す。試料の流れが非対称なのは、第１の２次分析領域２５１よりも第２の２次分析領域２５２の方が長いためである。２次分析領域２５１、２５２は、試料の充填中に、試料が、この領域から空気を追い出すことを可能にするベント２２０を含むことができる。
【００３６】
中に入ると、試料は、作用電極２４１と対電極２３１とによって画定された第１の電極対を横切る。この第１の電極対を横切って流れ続ける一方で、試料は、作用電極２４２と対電極２３２（第２の対）および作用電極２４３と対電極２３３（第３の対）によって画定された第２および第３の電極対に向かって流れる。第１および第３の電極対を横切って流れる試料は次いで、作用電極２４４と対電極２３４とによって画定された第４の電極対を横切るまで流れ続ける。したがって、試料は、第１および第３の電極の後に第４の電極対を横切る。試料が横切るとき、試薬組成物２８０が、作用電極／対電極対間に導電性を提供する。電極対を独立にアドレス指定することができることにより、２次分析領域２５１、２５２の充填を監視することができる。他の電極構成を使用することもでき、例えば、任意の作用電極および任意の対電極の配置を逆にすることができる（図示せず）。
【００３７】
２次分析領域２５１、２５２の充填を監視することにより、試験センサ２００は、試料の体積が不十分であることに関連した分析を防ぎまたは排除する充填不足検出システムを提供する。充填が不十分な試験センサから得られた濃度値は不正確である可能性があるため、そのような不正確な分析を防ぎまたは排除することができることにより、得られる濃度値の正確度を増大させることができる。従来の充填不足検出システムは、試験センサ内の試料リザーバの部分充填および／または完全充填を検出する、電極または導体などの１つまたは複数の指示器を有する。複数の２次分析領域間の充填を監視することができると、試験センサ２００の充填状態をより正確に判定することができる。この電気信号を使用して、試料が存在するのかどうか、および試料が特定の分析領域を部分的に満たしているのか、または完全に満たしているのかを指示することができる。
【００３８】
図２Ｂは、図２Ａと同じ電極配置を有するが、２次分析領域の配置が異なる試験センサ２００を示す。第１の電極対を含む１次エリア２１０は、対称に満たされる３つの２次分析領域２５３、２５４、２５５を備える。中に入ると、試料は第１の電極対を横切り、次いで独立に移動して、第２、第３および第４の電極対を横切る。第１の電極対が１次エリアを占有しており、したがって２次分析領域の前に満たされるため、全体として、流体の流れはこの場合も非対称である。各２次分析領域２５３、２５４、２５５は、試験センサ２００への試料の充填中に試料が空気を追い出すことを可能にするベント２２０を含むことができる。
【００３９】
４つの作用電極／対電極対のそれぞれの電極対間に、単一の試薬組成物２８０を延ばすことができる。各電極から、試験センサ２００の背部に向かって導体２６０が延びており、この背部において、導体２６０を測定装置に接続することができ、これにより、各電極を独立にアドレス指定することが可能になる。各電極は独立にアドレス指定可能であり、各電極対の作用電極と対電極の両方に同じ試薬層が接触しているため、電極対はそれぞれ、同じ化学環境を共有する。電極を電気的に隔離された状態のままにすることもでき、または２つ以上の任意の電極を電気的に接続することもできる（図示せず）。非変動電位を提供する１つまたは複数の参照電極を追加することもできる（図示せず）。
【００４０】
対電極が中央に集められ、作用電極が周囲を取り囲むとして示したが、任意の作用電極および対電極の配置を逆にすることができる。独立した４つの作用電極は、４種の異なる試薬組成物を提供して、潜在的に、４つの異なる分析を実行する。独立した４つの対電極がそれぞれ異なる電位で動作して、１６の可能な分析を提供することもできるが、各電極対が９０°分離されることによって、これが非実際的になることがある。
【００４１】
図３Ａは、試料が、１次エリア３１０から、第１の潜在的電極位置３２０を横切って流れて、第２の潜在的電極位置３３０に到達する、直線チャネル試験センサ設計を示す。図３Ｂから図３Ｇは、試料が２つ以上の潜在的電極位置を横切って流れない、２次分析領域に関する代替試験センサ設計を示す。図３Ｂは、従来の一部のセンサで使用されているＴチャネル設計を示す。図３Ｃは、追加の潜在的電極位置３４０および３５０が存在する、多重Ｔチャネル設計を示す。潜在的電極位置をさらに追加したい場合には、追加の「Ｔ」部分を追加することができる。
【００４２】
図３Ｈは、独立にアドレス指定可能な作用電極３３１と独立にアドレス指定可能な対電極３３２の両方を、４つの各２次分析領域３３３に有する、多重Ｔチャネル試験センサ３００を示す。したがって、作用電極／対電極対はそれぞれ同じ化学環境を共有するが、各電極対は、他の全ての電極対から実質的に化学的に隔離されている。各電極対上には、組合せ試薬組成物電荷移動系３３６が付着されている。各作用電極３３１および各対電極３３２は、コンタクト３３５で終わる導体３３４から形成される。コンタクト３３５ａおよびコンタクト３３５ｂはそれぞれ、２次分析領域３３３ａの作用電極および対電極に対応する。各２次分析領域３３３の幅は１．２ｍｍ、１次エリア３１０の幅は１．５ｍｍである。対向する２次分析領域内の電極対間の直線距離は３．４６ｍｍである。各電極対の作用電極の幅は０．５０ｍｍに指定され、対電極からの離隔距離は約０．０５ｍｍから約０．２５ｍｍである。各作用電極３３１上に描かれた円は、試薬組成物の計画カバーエリアである。他の２次分析領域の幅、電極の幅および離隔距離、ならびに試薬組成物カバーエリアを使用することもできる。
【００４３】
図３Ｉは、実質的に化学的に隔離された４つの各２次分析領域に、独立にアドレス指定可能な作用電極３３１を有し、対向する４つの各２次分析領域３３３に、独立にアドレス指定可能な対電極３３２を有する、多重Ｔチャネル試験センサ３００を示す。したがって、各電極は、他の全ての電極から実質的に化学的に隔離されている。各電極は、コンタクト３３５で終わる導体３３４から形成される。
【００４４】
図３Ｄは、２次分析領域が食い違っており（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）、そのため、どの２つの潜在的電極位置間においても、２次分析領域および１次エリア内を通る直線３７０を引くことができない、Ｔチャネル設計からの逸脱を示す。このような食違い設計の潜在的利点は、試料を充填している間に試験センサが機械的外乱を受けた場合の対向する２次分析領域間の混合に対して抵抗性を有することである。「機械的外乱を受ける」は、流体試料の移動を引き起こす十分な力が試験センサに加わることを意味する。
【００４５】
直線を引けないことに加えて、図３Ｅから図３ＧのＹチャネル設計は、図３Ｂおよび３Ｃの設計よりも近い潜在的電極位置間の混合に抵抗する。これは、２次分析領域の分離が、実質的に化学的に隔離するための潜在的電極位置間の距離だけに依存するわけではないからである。Ｙチャネル内の化学的分離は、混合するためには試料が「Ｙ」の「ｖ」部分を回って流れなければならないことからも利益を得ることができる。電極を互いにより小さな間隔で配置することができ、しかも依然として試料の混合に抵抗することができるため、Ｙチャネル設計の試料リザーバの全容積を、同様の化学的分離を有するＴチャネル設計に比べて小さくすることができる。
【００４６】
好ましい試料リザーバ設計は、図３Ｆに示すように、１次エリア３１０から、９０°未満の角度３９０で枝分れする２次分析領域を有する。このようにすると、流体は試験センサに入り、９０°まで曲がることなく潜在的電極位置に到達することができる。これによって、試料は試験センサに迅速に入ることができ、振動による試料対流によって試薬が混合する可能性を低下させることができる。より好ましい設計は、図３Ｂおよび図３Ｃに示すような２次分析領域および１次エリア内を通過する電極間の直線３７０を欠き、１次エリアから９０°未満の角度で枝分れする２次分析領域を有する。１次エリアおよび／または２次分析領域内に１つまたは複数の曲がりがある設計、２次分析領域が１次エリアから９０°を超える角度で枝分れする設計など、他の設計を使用することもできるが、試料サイズを大きくする必要があることおよび試料充填速度がより遅くなることが、制限因子となる可能性がある。
【００４７】
図３Ｊは、独立にアドレス指定可能な作用電極３３１と独立にアドレス指定可能な対電極３３２の両方を、２つの各２次分析領域３３３に有する、Ｙチャネル試験センサ３００を示す。したがって、電極の作用電極／対電極対はそれぞれ同じ化学環境を共有するが、各電極対は、対向する電極対から実質的に化学的に隔離されている。作用電極３３１は２次分析領域３３３を横断し、対電極３３２は、２次分析領域３３３の周縁によって画定され、２次分析領域３３３は導体３３４から形成される。２次分析領域３３３は、１次エリア３１０から約４５°の角度で枝分れする。各導体３３４はコンタクトエリア３５５で終わる。１つまたは複数の２次分析領域内に単一の電極を形成する設計など、他の電極設計を使用することもできる。２次分析領域に対して他の枝分れ角度を使用することもできる。
【００４８】
試験センサ３００の基材の幅は１１．８ｍｍ、長さは３０ｍｍである。１次エリア３１０の幅は１．２ｍｍである。２つの試薬組成物付着の計画外縁間距離は０．８ｍｍである。各コンタクトエリア３５５の幅は２．９ｍｍ、２つの各２次分析領域３３３の試薬組成物付着の直径は１．８ｍｍである。他の基材寸法、１次エリアおよびコンタクトエリアの幅、ならびに試薬組成物付着の直径を使用することもできる。
【００４９】
電極の数およびタイプ、ならびに電極を独立に電気的にアドレス指定できる程度に加え、試料リザーバの２次分析領域が提供する化学的分離の程度も、試験センサを用いて実行することができる分析の数に影響を及ぼす。「実質的に化学的に隔離された」は、１回または数回の分析の間に、２次分析領域間で試薬の拡散混合または対流混合が実質的に起こらないことを意味する。
【００５０】
作用電極／対電極対が、他の作用電極／対電極対から実質的に化学的に隔離されているが、互いには隔離されていない場合、その電極対は、その対に存在するケミストリと両立する分析を実行することができる。このような構成は、その対の作用電極および対電極に存在する試薬の急速な拡散混合を可能にすることがある。反対に、作用電極および対電極が、他の作用電極および対電極から実質的に化学的に隔離されており、互いからも隔離されている場合、各電極は、潜在的に、独立にアドレス指定可能である場合に、他の任意の電極とともに分析に関与することができる。したがって、実質的に化学的に隔離されている場合、異なる試薬組成物を使用して、電極に、他の電極とは異なる化学分析環境を提供することができる。これらを組み合わせると、分析領域間において実質的に化学的に隔離することにより、各作用電極および／または対電極で異なる試薬を使用することができ、独立に電気的にアドレス指定できることにより、各作用電極を独立に測定することができる。
【００５１】
２次分析領域は、２次領域への入口の断面積、２次分析領域内の任意の２つの電極間の距離、２次分析領域の互いに対する物理的配置および１次エリアに対する物理的配置などに応じて、実質的に化学的に隔離することができる。これらの事項に加えて、試料が対電極（図１Ａから図１Ｄ）または試験センサの入口および両側の電極対（図２Ａおよび図２Ｂ）を横切って流れるときには、試薬の混合によって、実質的な化学的隔離が最初から失われることがある。このように、試薬組成物は、試料によって複数の電極対に運ばれることがある。反対に、試料が２つ以上の電極を横切って流れない（図３Ｂ〜図３Ｊ）ときには、このような流れによる混合を実質的に排除することができる。
【００５２】
図４Ａは、図３Ａに示した直線チャネル設計のサイクリックボルタンメトリプロットを示す。試料ポートに最も近い第１の電極対は、０．５Ｍフェロシアン化カリウムを含む試薬組成物を使用し、チャネルの末端に最も近い第２の電極対は、後に示す構造Ｉによって表される電気的に活性の有機分子を含む試薬組成物を使用した。約７秒以内に２つのピークが観察された。左側のピークは、還元状態の構造Ｉ分子の酸化を表し、右側のピークは、第１の電極対に最初に配置されたフェロシアン化物の酸化を表す。約２０回の完全サイクルのうちに、構造Ｉ分子のピークは消え、フェリシアン化物が構造Ｉ分子を酸化していることを示唆した。
【００５３】
この分析の間に、第１の電極対のフェロシアン化物は、第２の電極で酸化されて、第２の電極対においてフェリシアン化物を形成したと考えられる。形成されたフェリシアン化物は次いで、第２の電極対において、構造Ｉ分子の還元種を化学的に酸化した。これらの結果は、直線チャネル設計では電極対間の化学汚染が迅速に起こることを立証した。この実験は、電極が実質的に化学的に隔離されていない場合、この場合のフェリシアン化物などのより強い酸化剤は、構造Ｉ分子などの他の媒介物から媒介を引き継ぐことを証明している。この汚染は、作用電極に到達する前に対電極を横切る試料、拡散および直線チャネルリザーバ内の対流の組合せに起因すると考えられる。
【００５４】
対照的に、図４Ｂは、図３Ｅに示したＹチャネル設計のサイクリックボルタンモグラムを示す。それぞれの２次分析領域の末端の近くに電極を置いた。２０回の完全サイクル（２０分超）の後、構造Ｉ分子の酸化だけが観察され、このことは、少なくとも１０分の間、Ｙチャネル２次分析領域設計で実質的な化学的隔離が達成されたことを立証している。これらの実験は、バージョン２．０５ソフトウェアを実行するＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ、モデルＣＨＩ６６０Ａを使用して、約２２℃、相対湿度約４５％で実行した。試料は、リン酸ナトリウム０．１Ｍと、重量平均分子量が約２０００のＰＶＰポリマー約１６％（ｗ／ｗ）とを含むｐＨ７．０リン酸緩衝液であった。
【００５５】
時間の関数として電流を測定するケモアンペロメトリ（ｃｈｅｍｏａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｙ）試験でも、同様の効果が観察された。図５Ａでは、電流対時間プロットが、図４Ａで使用したタイプの直線チャネルセンサに関して、試料を導入してから約５秒以内に、作用電極において、動作電位４００ｍＶで、第２のピークが観察されることを立証した。試料の導入はプロットの第１のピークを生成した。第２のピークは、図４Ａのフェロシアン化物の第２のボルタンメトリ波と相関する。図５Ｂでは、３０秒後に、フェロシアン化物が作用電極に実質的に到達していないことが示され、Ｙチャネル２次分析領域試験センサによって、実質的な化学的隔離が達成されることを立証した。これらの実験では、初期の鋭いピークが、最初の試料を表し、電極間の電気的連絡を立証する。このアンペロメトリ試験は、ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎを使用し、約２２℃、相対湿度約４５％で実行した。試料は、リン酸ナトリウム０．１Ｍと、重量平均分子量が約２０００のＰＶＰポリマー約１６％（ｗ／ｗ）とを含むｐＨ７．０リン酸緩衝液であった。
【００５６】
図５Ｃは、Ｙチャネル設計が、Ｔチャネル設計よりも優れた潜在的電極位置間の化学的隔離を提供することを立証するアンペロメトリ電流プロットである。Ｙチャネル線５０１によって示されているように、１０００秒まで、図３Ｅの位置３２０および３３０によって表される潜在的電極位置間の実質的な化学的隔離が観察された。対照的に、Ｔチャネルピーク５０２、５０３によって示されているように、図３Ｂに示したものなどの２つのＴチャネル試験センサに関して、約８４秒後または約６５０秒後に、化学的隔離の失敗および構造Ｉ分子の酸化が観察された。時間変量８４秒と６５０秒の間の大きな変動は、Ｔチャネル設計が、分析中の機械的外乱に起因する対流による混合を受けやすいことによると考えることができる。図５Ｄは、３つのＹチャネル設計が、機械的外乱に起因するこのような混合に対して抵抗性であったことを立証している。約８００秒後に観察されるゆっくりした電流上昇は、拡散によるゆっくりとした混合を指示している可能性がある。
【００５７】
図６Ａは、試料が、試料ポート６１５から、２つの２次分析領域６５１、６５２がそこから枝分れしたチャネルの形態の１次エリア６１０に入る、２次分析領域６５１、６５２の食違い配置を有する試験センサ６００を示す。充填不足検出能力を試験センサ６００に提供するため、１次エリア６１０内へ導体６９０を延ばすことができる。同様に、図６Ｂは、試料が、試料ポート６１５から、３つの２次領域６５１〜６５３がそこから枝分れしたチャネルの形態の１次エリア６１０に入る試験センサ配置を示す。各２次領域６５１〜６５３は、独立にアドレス指定可能な電極または導体を含む。
【００５８】
図６Ａでは、試料が、右側の第１の２次領域６５１を満たし、次いで左側の第２の２次領域６５２を満たす。図６Ｂでは、試料が、左側の第３の２次領域６５３を満たし、次いで右側の第１の２次領域６５１を満たし、次いで左側の第２の２次領域６５２を満たす。
【００５９】
少なくとも２つまたは３つの２次分析領域を有する試験センサ６００によって保持される全試料体積は、２１０ｎＬ以下とすることができる。各２次分析領域および試料ポート６１５とは反対側の１次エリア６１０の端部は、試料の充填中に試料が空気を追い出すことを可能にするベント６２０を含むことができる。１次エリア６１０および２次分析領域６５１〜６５３によって画定される試料リザーバを、複数の２次領域に充填する１つまたは複数の１次エリアに分割することによって、表面張力によって駆動される毛管作用の効果のため、同じまたは同様の体積の図３Ａに示した直線チャネル設計などの実質的に分割されていない試料リザーバよりも速く、試験センサ６００を満たすことができる。したがって、試料リザーバを、電極、電極対、１つまたは複数の導体、あるいはこれらの組合せをそれぞれが含むことができるより小さな２次分析領域に再分割することによって、試験センサ６００の充填速度を増大させることができる。このようにして１次エリアから２次領域に充填することにより、充填中および分析中の２次領域間の実質的な化学的隔離を提供することができる。
【００６０】
試料は主として最も近いベント６２０へと流れるため、２次領域６５１〜６５３は、１次エリア６１０から実質的に順番に満たされる。２次領域６５１〜６５３が順番に満たされるため、測定装置は、２次分析領域６５１〜６５３が満たされるときの試料の速度および流量を監視することができる。試料の流量は、試験センサ６００の試料ポート６１５の近くおよび／または試験センサ６００の１次エリア６１０のベント６２０の近くに、電極または導体を備え付けることによっても監視することができる。したがって、１つまたは複数の導体および／または電極を測定装置によって監視して、試験センサ６００の充填状態を決定することができる。非順次充填設計の充填もこのようにして監視することができるが、システムによって、各２次分析領域の充填を独立に監視することができる場合、またはできない場合がある。
【００６１】
この図には示されていないが、周囲、頂部位置などの２つ以上の位置から試料を導入できるように、１次エリア６１０は、複数の試料ポート６１５を備えることができる。同様に、試験センサ６００は、複数の試料を分析できるように、１次エリアおよび２つ以上の２次領域をそれぞれが有する２つ以上の別個の試料リザーバを備えることができる。リザーバのベント構造を変更することによって、複数の試料ポートを通して異なる試料を同じリザーバに導入し、しかも、分析の間、実質的に化学的に隔離された状態を維持することができる。１つまたは複数の１次エリアと２次領域の間の他の関係を使用することもできる。
【００６２】
１次エリア６１０および／あるいは１つまたは複数の２次領域６５１〜６５３は、試料が試料リザーバ内で分配されるときに、試料の流れを変更する流れ変更材料を含むことができる。例えば、親水性および／または疎水性処理、コーティングまたは材料を使用して、水性試料の流路および／または充填速度を好ましく誘導することができる。他の態様では、１次エリア６１０および／または２次領域６５１〜６５３が、試料の流路および／または充填速度を好ましく誘導する壁、溝、チャネルなどの構造特徴を含むことができる。他の態様では、１次エリア６１０および／または２次領域６５１〜６５３内に、試料の組成を化学的または物理的に変化させる材料を配置することができる。例えば、１次エリアの一部分に、試料から赤血球を濾別する材料を配置して、試料が２次領域に到達する前に赤血球を除去することができる。
【００６３】
図７Ａおよび図７Ｂは、以前に論じた２次分析領域の食違い設計を有する試験センサ７００を示す。図７Ａの設計は、１次エリア７１０に対して約９０°の角度を有する８つの２次分析領域を含み、図７Ｂは、同様のＹチャネル設計である。試験センサ７００は、１次エリア７１０の端の領域を含め、合計９つの２次分析領域を含み、これらの２次分析領域はそれぞれ、電極または導体によって占有されている。この図は、それぞれ８つの２次領域のうちの１つの２次領域に存在する、独立にアドレス指定可能な４つの対電極７３１〜７３４および４つの作用電極７４１〜７４４を示す。対電極７３１〜７３４は１次エリア７１０の一方の側にあり、作用電極７４１〜７４４はもう一方の側にあるが、この配置を混合することもできる。例えば、試料が充填される最初の２つの２次分析領域を作用電極とし、試料が充填される次の２つの２次分析領域を対電極とすることができる。
【００６４】
試料ポート７１５とは反対側の１次エリア７１０の端に、参照電極７７０などの任意選択の電極が存在する。参照電極７７０は、例えば最後に試料が導入される２次領域または試料ポート７１５の近くに配置することもできる。このように、１次エリア７１０および／または２次領域に１つまたは複数の参照電極を配置して、非変動電位をシステムに提供することができる。２次領域から実質的に化学的に隔離された環境中に存在するため、任意選択の電極は、充填情報または試料に関する情報を提供することができる。
【００６５】
対電極７３１に電気的に接続された導体７９０は、試料ポート７１５に近い１次エリア７１０内へ延ばされる。独立にアドレス指定することはできないが、導体７９０は、測定装置に充填情報を提供することができる。電極および／または導体の他の構成も可能である。各２次領域および１次エリア７１０の端部はベント（図示せず）を含むことができる。
【００６６】
８つの電極７３１〜７３４および７４１〜７４４を、測定装置によって独立にアドレス指定することができる。２次領域は実質的に化学的に隔離されているため、各２次領域は、試料の成分と相互作用する異なるケミストリを提供する試薬組成物を含むことができる。作用電極７４１〜７４４ごとに異なる試薬組成物を使用し、対電極７３１〜７３４ごとに異なる電荷移動系を使用し、各電極を独立にアドレス指定することができるため、各作用電極７４１〜７４４に単一の試薬組成物が存在するときには、４つの異なる分析が可能であることがある。このように、作用電極のそれぞれの試薬組成物を、専用の対電極とともに使用することができる。同様に、各作用電極７４１〜７４４が、異なる酸化還元電位を有する２種類の試薬組成物を含む場合には、合計８つの異なる分析が可能であることがある。最後に、各作用電極を、４つのそれぞれの対電極とともに独立にアドレス指定することができるため、異なる酸化還元電位を有する４種類の試薬組成物を各作用電極に提供することにより、最大１６の異なる分析を提供することができる。作用電極にある２種類以上の試薬組成物間の不必要な相互作用など、考慮すべき実際的な問題が、このシステムによって実行することができる実際の分析数を制限することがある。他の試料リザーバ構造および電極構成を使用することもできる。
【００６７】
図８Ａは、複数の作用電極８４１〜８４４が電気的に接続された、図７Ａの試験センサの一変型を示す。対電極は、独立にアドレス指定可能な状態を維持している。このようにすると、各対電極が、電気的に接続された作用電極に、異なる電位を提供することができる。これらの作用電極のうちの１つまたは複数の作用電極を電気的に接続することによって、選択された対電極の電位に最も近い酸化還元電位を有する作用電極が動作することができる。この動作モードでは、各作用電極が、異なる酸化還元電位をそれぞれが有する異なる媒介物系を有することができる。対電極の異なる電位を使用して、システムの動作電位を低電位から高電位へ階段状にすることによって、作用電極の異なる媒介物系を段階的にアドレス指定することができる。他の試料リザーバ構造および電極構成を使用することもできる。
【００６８】
図８Ｂは、複数の対電極８３１〜８３４が電気的に接続された、図７Ａの一変型を示す。作用電極は、独立にアドレス指定可能な状態を維持している。これらの対電極のうちの１つまたは複数の対電極を電気的に接続することによって、最も高い電位を有する電荷移動系を有する対電極が、システムにその電位を提供することができる。このようにすると、各作用電極において、分析物に応答するエレクトロケミストリを測定することができる。他の試料リザーバ構造および電極構成を使用することもできる。
【００６９】
上述の試験センサに関しては、２次分析領域内に存在する作用電極と対電極を、１，０００マイクロメートル以上離すことができる。１，０００マイクロメートル未満の電極離隔距離を使用することもできる。電極のパターンは、図に示したパターンだけに限定されるわけではなく、試験センサの１次エリアおよび２次分析領域と両立する任意のパターンとすることができる。電極は、試薬組成物および／または電荷移動系を長方形に付着させることによって形成することが好ましい。この付着は、スクリーン印刷法、インクジェット法、マイクロピペット法、ピン付着法または他の方法によって実施することができる。
【００７０】
試薬組成物を導体に塗布すると、試薬層が形成される。例えば、作用電極を形成する試薬層は、酵素、媒介物および結合剤を含むことができ、対電極を形成する試薬層は、媒介物および結合剤を含むことができる。作用電極では分析物が電気化学反応を受け、対電極では反対の電気化学反応が起こって、これらの電極間に電流が流れることが可能になる。例えば、作用電極で分析物が酸化を受ける場合、対電極では還元が起こる。
【００７１】
作用電極および対電極に加え、試験センサは、非変動参照電位をシステムに提供する参照電極を含むことができる。複数の参照電極材料が知られているが、銀（Ａｇ）と塩化銀（ＡｇＣｌ）の混合物が一般的である。これは、銀および塩化塩が試料の水性環境に不溶であるためである。銀金属とＣｌ−の比は試料中であまり変化しないため、電極の電位もあまり変化しない。サイズを大きくし、および／または導電性金属で修飾した場合には、参照電極が電流を通すため、参照電極を対電極として使用することもできる。しかしながら、対電極は、基準電位を提供する半電池を試料溶液から隔離することができないため、参照電極の役目を果たすことはできない。
【００７２】
電極を形成する導体は、電極の配置に応じて、１つまたは複数の基材上に存在することができる。基材は、バイオセンサの形成および動作と両立する任意の材料から製作することができる。基材の好ましい材料には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、モノマーキャストナイロン（ＭＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメタクリル酸樹脂（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、ガラスなどがある。１つまたは複数の基材を形成するのにより好ましい材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）およびポリイミド（ＰＩ）などであり、現時点では、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が好ましい。試験センサを形成するため、ベースとふたの形態の２つの基材を組み合わせて、少なくとも１つの試料ポートおよび少なくとも１つのベントを有する試料リザーバを形成することができる。基材間に、導体、スペーサおよび他の構成要素が存在してもよい。
【００７３】
この１つまたは複数の基材上に導体を形成するのに使用する１種または数種の材料は、任意の電気導体を含むことができる。好ましい電気導体は、試料の分析中に正味の酸化または正味の還元を受けない非イオン化性材料である。導体は、固体金属、金属ペースト、導電性カーボン、導電性カーボンペースト、導電性ポリマーなどの材料から形成することができる。導体は、金、銀、白金、パラジウム、銅、タングステンなどの金属ペーストまたは金属の薄層を含むことが好ましい。導体の全面または一部分に、表面導体を付着させることができる。この表面導体の材料は、炭素、金、白金、パラジウムまたはこれらの組合せを含むことが好ましい。導体の表面に表面導体が存在しない場合、導体は、非イオン化性材料から形成することが好ましい。
【００７４】
これらの導体および任意選択の表面導体材料は、箔付着、化学蒸着、スラリ付着、メタライゼーションなどを含む、試験センサの動作と両立する任意の手段によって、基材上に付着させることができる。他の態様では、レーザおよび／またはマスク技法を使用して導電層をパターンに加工することによって、導体を形成することができる。
【００７５】
電極を形成するのに使用する１種または数種の試薬組成物は、固体、半固体、液体、ゲル、ゲル様、コロイドまたは他の形態で付着させることができ、試薬および任意選択の結合剤を含むことができる。試薬組成物の粘度は、約１ｃｐから約１００ｃｐとすることができる。より好ましい試薬組成物は、約１ｃｐから約２０ｃｐ、または約４ｃｐから約１０ｃｐの範囲の粘度を有する。他の粘度を有する試薬組成物を使用することもできる。粘度は、粘度が３００ｃｐ未満の試薬組成物を測定するためのＵＬＡアセンブリを装着したＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄ  Ｍｏｄｅｌ  ＤＶ３粘度計を使用して決定した。粘度測定は、機器温度を２５℃に設定して、室温で実行した。組成物が薄く剪断されたのか、または厚く剪断されたのかの指示を提供するため、測定は、５０、１００、２００および３００ｃｐｓ（ｃｙｃｌｅ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ（サイクル毎秒））の剪断速度で実行した。１００ｍＭリン酸緩衝液を対照として使用した。この緩衝液は一般に、異なる剪断速度下で、約１ｃｐから約１．３ｃｐの範囲の粘度の読みを与えた。
【００７６】
結合剤は、少なくとも部分的に水溶性であるポリマー材料であることが好ましい。結合剤は、水和したときにゲルまたはゲル状物質を形成することができる。結合剤として使用するのに適した部分的に水溶性のポリマー材料には、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ヒドロキシエチレンセルロース（ＨＥＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリアミノ酸、例えばポリリジン、ポリスチレンスルホネート、ゼラチンおよびその誘導体、ポリアクリル酸ならびにその誘導体および塩、ポリメタクリル酸ならびにその誘導体および塩、デンプンおよびその誘導体、無水マレイン酸およびその塩、アガロースベースのゲルおよびその誘導体などがある。結合剤は、これらの材料のうちの１種または数種の材料の組合せを含むことができる。上記の結合剤材料の中では、ＰＥＯ、ＰＶＡ、ＣＭＣおよびＨＥＣが好ましく、バイオセンサ用としては、現時点ではＣＭＣがより好ましい。他の結合剤を使用することもできる。
【００７７】
分子量が１０，０００から９００，０００、好ましくは３０，０００から３００，０００（重量／平均）の結合剤が好ましい。他の分子量を有する結合剤を使用することもできる。分子量は、サイズ排除クロマトグラフィ（ＳＥＣ）によって決定することができ、一般に、重量平均または数平均として表される。
【００７８】
作用電極を形成するのに使用する試薬組成物は、関心の分析物に応答する生体分子を含むことが好ましい。生体分子は、オキシドレダクターゼなどの活性酵素系を含むことができる。生体分子はさらに、核酸、タンパク質、ペプチドなどのバイオポリマーを含むことができる。他の生体分子を使用することもできる。
【００７９】
オキシドレダクターゼは、電子の移動を触媒し、分析物の酸化または還元を促進する。オキシドレダクターゼは、分子状酸素が電子受容体である酸化反応を促進する「オキシダーゼ」、分析物が還元され、分子状酸素が分析物でない還元反応を促進する「レダクターゼ」、および分子状酸素が電子受容体でない酸化反応を促進する「デヒドロゲナーゼ」を含む。例えば、Ｏｘｆｏｒｄ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ、改訂版、Ａ．Ｄ．Ｓｍｉｔｈ編、ニューヨーク、Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９９７年）、１６１、４７６、４７７および５６０ページを参照されたい。例えば、下表Ｉは、列挙した分析物の分析において有用なオキシドレダクターゼを示す。
【００８０】
表１
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【００８１】
生体分子は、水素結合相互作用が可能なアミン官能基を含むことができる。付着後もその生物活性を維持する重量／平均分子量が１０，０００から５００，０００、好ましくは１００，０００から４００，０００の生体分子が好ましい。オキシドレダクターゼの場合、試験センサまたは分析あたり０．０１から１００単位（Ｕ）、好ましくは０．０５から１０Ｕ、より好ましくは０．１から５Ｕを使用することができる。他の態様では、最大１．３Ｕのオキシドレダクターゼが使用される。
【００８２】
導体上に試薬組成物を付着させることによって形成される試薬層は、分析物の反応を促進し、分析物、特に複雑な生体試料中の分析物に対するセンサシステムの特異性を向上させる可能性がある、分析物に特異的な酵素系を含むことができる。この酵素系は、分析物との酸化還元反応に関与する１種または数種の酵素、補因子および／または他の部分を含むことができる。例えば、アルコールオキシダーゼを使用して、試料中のアルコールの存在を感知することができるバイオセンサを提供することができる。このようなシステムは、血中アルコール濃度を測定する際に有用となりうる。他の例では、グルコースデヒドロゲナーゼまたはグルコースオキシダーゼを使用して、試料中のグルコースの存在を感知することができるバイオセンサを提供することができる。このシステムは、例えば糖尿病であることが分かっている患者または糖尿病の疑いがある患者の血液グルコース濃度を測定する際に有用となりうる。
【００８３】
好ましい酵素系は、酸素独立の酵素系、したがって酸素によって実質的に酸化されない酵素系である。このような酸素独立の１つの酵素群が、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）である。異なる補酵素または補因子を使用して、異なる媒介物が異なる方式でＧＤＨを媒介することができる。それらとＧＤＨとの関連性に応じて、ホスト酵素であるＧＤＨが、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）などの補因子をしっかりと保持することができ（例えばＦＡＤ−ＧＤＨの場合）、またはこのホスト酵素に、ピロロキノリンキノン（ＰＱＱ）などの補因子を共有結合させることができる（例えばＰＱＱ−ＧＤＨの場合）。ホスト酵素は、これらのそれぞれの酵素系中の補因子を恒久的に保持することができ、または、試薬組成物に酵素系を加える前に、補酵素およびアポ酵素を再形成することができる。試薬組成物中のホスト酵素部分に補酵素を独立に加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドＮＡＤ／ＮＡＤＨ＋、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸ＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨ＋の場合などのように、ホスト酵素の触媒機能を助けることができる。他の有用なデヒドロゲナーゼ酵素系には、アルコールデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、β−ヒドロキシ酪酸デヒドロゲナーゼ、グルコース−６−リン酸デヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼなどがある。
【００８４】
試薬層はさらに、分析物の反応の結果を導体に伝える媒介物を含むことができる。媒介物は酸化または還元され、１つまたは複数の電子を移動させることができる。媒介物は、電気化学分析における試薬であり、関心の分析物ではないが、分析物の間接測定を提供する。単純な系では、分析物の酸化または還元に応答して、媒介物が酸化還元反応を受ける。酸化または還元された媒介物は次いで、試験センサの作用電極において反対の反応を受け、その元の酸化数に戻ることができる。このようにして、媒介物は、分析物から作用電極への電子の移動を促進することができる。
【００８５】
媒介物は、その電気化学活性に基づいて２つのグループに分けられる。１電子移動媒介物は、電気化学反応条件中に、追加の１つの電子を受け取ることができる化学部分である。多電子移動媒介物は、反応条件中に、２つ以上の電子を受け取ることができる化学部分である。図９Ａに示すように、１電子移動媒介物は、酵素から作用電極へ１つの電子を移動させることができ、一方、図９Ｂに示すように、多電子移動媒介物は、２つの電子を移動させることができる。
【００８６】
１電子移動媒介物の例には、１，１’−ジメチルフェロセン、フェロシアン化物およびフェリシアン化物、ルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミン、ルテニウム（ＩＩ）ヘキサアミンなどの化合物が含まれる。２電子媒介物には、フェナントロリンキノンなどの有機キノンおよびヒドロキノン；フェノチアジンおよびフェノキサジン誘導体；３−（フェニルアミノ）−３Ｈ−フェノキサジン；フェノチアジン；ならびに７−ヒドロキシ−９，９−ジメチル−９Ｈ−アクリジン−２−オンおよびその誘導体などがある。追加の２電子媒介物の例には、例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，３９３，６１５号、第５，４９８，５４２号および第５，５２０，７８６号に記載されている電気活性有機分子が含まれる。
【００８７】
好ましい２電子移動媒介物には、３−フェニルイミノ−３Ｈ−フェノチアジン（ＰＩＰＴ）および３−フェニルイミノ−３Ｈ−フェノキサジン（ＰＩＰＯ）が含まれる。より好ましい２電子媒介物には、カルボン酸またはアンモニウム塩などのフェノチアジン誘導体の塩が含まれる。現時点の特に好ましい２電子媒介物には、（Ｅ）−２−（３Ｈ−フェノチアジン−３−イリデンアミノ）ベンゼン−１，４−二スルホン酸（構造Ｉ）、（Ｅ）−５−（３Ｈ−フェノチアジン−３−イリデンアミノ）イソフタル酸（構造ＩＩ）、アンモニウム（Ｅ）−３−（３Ｈ−フェノチアジン−３−イリデンアミノ）−５−カルボキシ安息香酸アンモニウム（構造ＩＩＩ）およびこれらの組合せが含まれる。これらの媒介物の構造式を下に示す。構造Ｉ媒介物の二酸形だけが示されているが、この酸の一および二アルカリ金属塩も含まれる。現時点では、構造Ｉ媒介物に対しては、この酸のナトリウム塩が好ましい。構造ＩＩ媒介物のアルカリ金属塩を使用することもできる。
【００８８】
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【００８９】
他の点では、好ましい２電子媒介物は、フェリシアン化物よりも少なくとも１００ｍＶ低い、より好ましくは少なくとも１５０ｍＶ低い酸化還元電位を有する。
【００９０】
電荷移動系は、対電極からまたは対電極へ１つまたは複数の電子を移動させることができる、電気化学的に活性な任意の１つの種または種の組合せである。例えば、システムの作用電極が、測定装置を通して対電極に電子を移動させる場合、対電極の電荷移動系は、対電極からの電子を受け入れて、システムを流れる電流の測定を可能にする。特定の電位または電位範囲の電子を受け入れることによって、電荷移動系は、測定のために作用電極が電子を移動させることができる電位に影響を与える。電荷移動系は、作用電極に存在する媒介物を含んでも、または含まなくてもよいが、それを含む場合には、対電極にある媒介物の少なくとも一部分は、作用電極にある媒介物の酸化状態とは異なる酸化状態を有することが好ましい。
【００９１】
最も低い電位を有する電気化学反応が最初に起こるため、オキシドレダクターゼなどの分析物に応答する１種または数種の生体分子および／あるいは増大する複数の電位で電荷を輸送する媒介物を作用電極に提供することにより、複数の作用電極のエレクトロケミストリを、最も低い動作電位から最も高い動作電位へと順番に分析することができる。作用電極および対電極を独立にアドレス指定することができる場合、分析物との特定の酸化還元電位を有する作用電極を、所望の電位を有する対電極と選択的に対にすることができる。独立にアドレス指定可能な複数の作用電極における分析物、分析物に応答する生体分子および／または媒介物の酸化還元電位が異なる場合、電気的に接続された対電極を使用すると、個々の分析に対する別個の出力信号を測定することができる。反対に、独立にアドレス指定可能な複数の対電極における電荷移動種の酸化還元電位が異なる場合、電気的に接続された作用電極を使用すると、個々の分析に対する別個の出力信号を測定することができる。複数の対電極が、異なる電荷移動種を有するが、電気的に接続されているときには、システムの電位が２番目に高い電位を有する対電極の電位まで下がるまで、最も高い電位を有する対電極が作用電極に動作電位を提供する。
【００９２】
図１０Ａは、それぞれが異なる電位で動作する独立にアドレス指定可能な３つの対電極（ＣＥ１〜ＣＥ３）と、異なる電位で動作する媒介物系をそれぞれが有する電気的に接続された３つの作用電極とを有するシステムを示す。このシステムの動作電位を対電極ＣＥ１からＣＥ３へ増大させると、電気的に接続された作用電極の媒介物（Ｍｅｄ１〜Ｍｅｄ３）の酸化還元特性を独立に測定することができる。例えば、ＣＥ１を作用電極に結合したときには、Ｍｅｄ１がその電極で反応する。ＣＥ２を作用電極に結合すると、Ｍｅｄ１およびＭｅｄ２がその電極で反応する。最後に、ＣＥ３を作用電極に結合すると、３つの全ての媒介物系がその作用電極で反応することができる。
【００９３】
対電極を形成するために異なる導体上に付着させる電荷移動系を変えることによって、複数の動作電位をシステムに提供することができる。特定の対電極が提供する電位は、異なる酸化還元種（酸化および／または還元される可能性がある部分）、および／またはフェロシアン化物／フェリシアン化物などの酸化還元種の異なる酸化還元共役対（同じ酸化還元種の還元部分と酸化部分）比を含む電荷移動系を用いて変更することができる。電荷移動系で使用する異なる酸化還元種の例には、可溶性または不溶性の酸化還元種が含まれ、可溶性酸化還元種は、少なくとも１．０グラム／リットルの濃度で水（ｐＨ７、２５℃）に可溶であり、水に不溶またはわずかに可溶の元素金属および孤立金属イオンは除外される。有用な酸化還元種には、電気活性有機分子、有機遷移金属錯体および遷移金属配位錯体が含まれる。有機遷移金属錯体および配位錯体を含む金属とは違い、電気活性有機分子は、酸化または還元を受けることができる金属を含まない。電荷移動系で使用する好ましい酸化還元種には、ルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミン、フェリシアン化物、およびＰＩＰＴ、ＰＩＰＯなどの電気活性有機分子などがある。図１０Ｂは、ルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミン、フェリシアン化物、および構造Ｉ／ＩＩ／ＩＩＩとして上に示した電気活性有機分子のサイクリックボルタンモグラムを示す。このグラフに示すように、それぞれの酸化還元種の相対電位位置は約２００ｍＶ離隔している。
【００９４】
異なる酸化還元共役対比の例は、電荷移動系中のフェロシアン化物とフェリシアン化物の比である。例えば、最も低い電位を有する対電極に対して９．５：０．５の比を使用することができ、段階的に増大する動作電位を有する対電極を提供するために、８：２、５：５、２：８および０．５：９．５の比を使用することができる。６つの対電極に対しては、純粋なフェリシアン化物を使用して、最も高い動作電位を有する対電極を提供することができる。このようにすると、それぞれが異なる電位をシステムに提供する異なる酸化還元共役対比を使用して、独立にアドレス指定可能な６つの対電極を形成することができる。このように、酸化還元種の異なる共役対比を使用すると、少なくとも５０ｍＶ、少なくとも１００ｍＶなど、異なる酸化還元種を用いて得られる電位差よりも小さな電位差を得ることができる。
【００９５】
対電極の動作電位と酸化還元共役対比との関係は、ネルンスト式によって特徴づけられる。これを図１０Ｃに示す。分析中に、対電極で酸化が起こっているのか、または還元が起こっているのかに応じ、付着させる電荷移動系に対して適当な酸化還元共役対比を選択することによって、対電極に所望の電位を提供することができる。電荷移動系に対して異なる酸化還元共役対比を選択することによって、異なるフェロシアン化物／フェリシアン化物比に関しては、電荷移動系の電位を約±１５０ｍＶ変化させることができる。したがって、異なる酸化還元種を使用する他に、酸化還元種の異なる共役比を使用することによっても、複数の対電極に異なる動作電位を提供することができる。２次領域間の物理的な分離によって提供することができる実質的な化学的隔離は、各対電極の異なる電荷移動系が、分析中に、異なる動作電位をシステムに提供することを可能にする。
【００９６】
図１０Ｄは、独立にアドレス指定可能な複数の対電極（ＣＥ１〜ＣＥ３）の電荷移動系が、−２００ｍＶ、０ｍＶ、＋２００ｍＶなどの異なる絶対動作電位を提供し、同時に、対電極と作用電極の間の同じ０．４Ｖの相対動作電位を実質的に維持する状況を示す。中央の酸化還元対には、任意に、標準水素電極、飽和カロメル電極などに対してゼロの固定電位を割り当てることができる。したがって、ルテニウムヘキサアミンは、構造Ｉ／ＩＩ／ＩＩＩ分子の酸化還元電位よりも約２００ｍＶ低い酸化還元電位を有し、フェリシアン化物は、約２００ｍＶ高い酸化還元電位を有する。既知の電位に対して異なる絶対動作電位で対電極を動作させることによって、システムは、電気的に接続された作用電極ＷＥ１〜ＷＥ３の異なる媒介物系（Ｍｅｄ１〜Ｍｅｄ３）を独立に分析することができる。
【００９７】
図１０Ｅは、独立にアドレス指定可能な複数の対電極が１つまたは複数の作用電極に提供することができる異なる動作電位を立証するサイクリックボルタンモグラムを示す。８つの２次分析領域を有する、前に図３Ｉに示したものなどの多重Ｔ設計を有する試験センサを製造した。８つの２次分析領域のうちの４つの２次分析領域は、独立にアドレス指定可能な作用電極を備え、８つの２次分析領域のうちの４つの２次分析領域は、独立にアドレス指定可能な対電極を備える。各作用電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％重量／重量（ｗ／ｗ）、構造Ｉ分子５０ｍＭおよびＰＱＱ−ＧＤＨ酵素系２Ｕ／μＬを含む試薬組成物を有するように形成した。第１の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）およびルテニウムヘキサアミン１００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成した。第２の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および構造Ｉ分子１００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成した。第３および第４の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）およびフェリシアン化物１００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成した。
【００９８】
グルコース３００ｍｇ／ｄＬを含む試料を導入した後、作用電極の１つおよび第１、第２および第３の各対電極に対して、前記ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社の機器を２５ｍＶ／秒の速度で走査した。図１０Ｅに示すように、ルテニウムヘキサアミン対電極の電位（線１０１０）は、フェリシアン化物（線１０３０）よりも約４００ｍＶ高い電位でピークに達し、構造Ｉ分子は、そのほぼ中間でピークに達した（線１０２０）。このように、図１０Ｅのサイクリックボルタンモグラムにおいて観察された結果は、複数の２次分析領域を有する多重Ｔ試験センサ設計においても再現された。したがって、異なる電荷移動系を有する複数の対電極を使用することによって、試験センサが複数の電位で動作することができることが証明された。
【００９９】
図１１Ａは、図１０Ｅの電荷移動系の代わりに複数の酸化還元共役対比を使用して、複数の電位をシステムに提供することができることを立証する。図１０Ｅの場合と同様に試験センサを準備したが、第１の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および比１：９のフェリシアン化物：フェロシアン化物２００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成し、第２の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および比１：１のフェリシアン化物：フェロシアン化物２００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成し、第３の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および比９：１のフェリシアン化物：フェロシアン化物２００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成し、第４の対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および実質的に純粋はフェリシアン化物２００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成した。
【０１００】
グルコース３００ｍｇ／ｄＬを含む試料を導入した後、作用電極の１つおよび第１、第２、第３および第４の各対電極に対して、前記機器を２５ｍＶ／秒の速度で走査した。図１１Ａは、第１の対電極が約０．１４９Ｖのピーク電位を有し（Ｗ１−Ｃ１）、第２の対電極が約０．０６０Ｖのピーク電位を有し（Ｗ２−Ｃ２）、第３の対電極が約−０．００７Ｖのピーク電位を有し（Ｗ３−Ｃ３）、第４の対電極が約−０．０４７Ｖのピーク電位を有する（Ｗ４−Ｃ４）ことを示した。したがって、異なる酸化還元共役対比に依存する電荷移動系を有する複数の対電極を使用することによって、試験センサが複数の電位で動作することができることが証明された。
【０１０１】
図１１Ｂは、実質的に化学的に隔離された１つの作用電極の電位を、異なる電荷移動系によって提供される異なる電位をそれぞれが有する、実質的に化学的に隔離された独立にアドレス指定可能な３つの対電極によって、順番に繰返し制御したときに得られた電流プロファイルを示す。図１０Ｅと同様に試験センサを準備したが、複数の作用電極の代わりに単一の作用電極を使用した。３つのピークからなる６つのそれぞれのピーク系列の第１のピーク１１１０は、第１の対電極から得られ、３つのピークからなる６つのそれぞれのピーク系列の第２のピーク１１２０は、第２の対電極から得られ、３つのピークからなる６つのそれぞれのピーク系列の第３のピーク１１３０は、第３の対電極から得られたものである。第１のピーク１１１０は、ルテニウムヘキサミンを第１の対電極の電荷移動系として使用することによって得られた電流レベルを示す。第２のピーク１１２０は、構造Ｉ分子を第２の対電極の電荷移動系として使用することによって得られた電流レベルを示す。第３のピーク１１３０は、フェリシアン化物を第３の対電極の電荷移動系として使用することによって得られた電流レベルを示す。このように、同じ電位に対して、異なる対電極電位が、同じ酸化波の異なる酸化点をアドレス指定する。したがって、複数の対電極が、作用電極における動作電位を制御することができることの証明に加えて、このシステムが、ゲート制御入力信号を有する作用電極において、３つの別個の分析を実施することができることが立証された。
【０１０２】
図１２Ａは、生物流体試料中の分析物の濃度を、入力信号を使用して決定するバイオセンサシステム１２００の概略図を示す。バイオセンサシステム１２００は、測定装置１２０２および試験センサ１２０４を含み、これらは、ベンチトップ型装置、携帯型またはハンドヘルド型装置などを含む分析機器内に実装することができる。バイオセンサシステム１２００を利用して、グルコース、尿酸、乳酸塩、コレステロール、ビリルビンの濃度などを含む、分析物の濃度を決定することができる。
【０１０３】
特定の１つの構成が示したが、バイオセンサシステム１２００は、追加の構成要素を有する構成を含む、他の構成を有することもできる。例えば、試験センサ１２０４を、生体の外側、内側または部分的に内側で使用するように適合させることができる。生体の外側で使用するときには、試験センサ１２０４の試料リザーバに生物流体試料を導入する。試験センサ１２０４は、分析用試料を導入する前、導入した後または導入している最中に、測定装置内に配置することができる。生体の内側または部分的に内側で使用するときには、試料中に試験センサを連続的に浸しておくことができ、または試料をセンサに断続的に導入することができる。
【０１０４】
試験センサ１２０４は、開口１２１２を有するリザーバ１２０８を形成するベース１２０６を有する。リザーバ１２０８は、ベントを有するふたによって形成することができる。リザーバ１２０８は、部分的に囲われた容積を画定するが、試料（図示せず）に対して開放することができる。したがって、試料は、試験センサ内を連続的に流れることができ、または、分析のため、試料を遮断することができる。
【０１０５】
リザーバ１２０８は、液体試料の保持を助ける、水膨潤性ポリマー、多孔質ポリマーマトリックスなどの組成物を含むことができる。リザーバ１２０８内に試薬を付着させることできる。試薬は、１種または数種の酵素、酵素系、媒介物、結合剤などの種を含むことができる。結合剤は、ＨＥＣ（ヒドロキシエチルセルロース）、ＣＭＣ（カルボキシルメチルセルロース）および／またはＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）など、さまざまなタイプおよびさまざまな分子量のポリマーを含むことができる。試薬を一緒に結合することに加えて、結合剤は、赤血球を濾別するのを助け、赤血球が電極表面１２１１を覆うことを防ぐことができる。試験センサ１２０４はさらに、リザーバ１２０８に隣接して配置された試料インタフェース１２１４を有することができる。試料インタフェース１２１４は、リザーバ１２０８を部分的にまたは完全に取り囲むことができる。試験センサ１２０４は他の構成を有することもできる。例えば、多孔質材料からリザーバ１２０８を形成し、または試料が保持される多孔質材料の後ろにリザーバ１２０８を形成することによって、試験センサ１２０４を、経皮的に使用するように適合させることができる。
【０１０６】
試料インタフェース１２１４は、少なくとも１つの作用電極および少なくとも２つの対電極に接続された導体１２９０を有する。これらの電極は実質的に同じ平面に配置することができ、または、向い合せに配置するときなど、２つ以上の平面に配置することができる。電極は、リザーバ１２０８を形成するベース１２０６の表面に配置することができる。電極は、リザーバ１２０８内へ延出しまたは突き出すことができる。電極によって提供されない機能を提供するため、導体１２９０のうちの１つまたは複数の導体も、リザーバ１２０８内へ延出することができる。誘電体層が、これらの導体および／または電極を部分的に覆ってもよい。対電極を使用して、分析の間、１つまたは複数の作用電極における電位を平衡させることができる。この平衡電位は、炭素などの不活性材料から対電極を形成し、フェリシアン化物などの可溶性酸化還元種をリザーバ１２０８内に含めることによって、提供することができる。あるいは、この平衡電位を、Ａｇ／ＡｇＣｌなどの参照酸化還元対から対電極を形成して、組合せ参照電極−対電極を提供することによって達成される参照電位とすることもできる。試料インタフェース１２１４は他の電極および導体を有することもできる。
【０１０７】
測定装置１２０２は、センサインタフェース１２１８とディスプレイ１２２０とに接続された電気回路１２１６を含む。電気回路１２１６は、信号発生器１２２４と、任意選択の温度センサ１２２６と、記憶媒体１２２８とに接続されたプロセッサ１２２２を含む。
【０１０８】
信号発生器１２２４は、プロセッサ１２２２に応答してセンサインタフェース１２１８に電気入力信号を送る。生物流体試料に印加するため、この電気入力信号を、センサインタフェース１２１８によって試料インタフェース１２１４に送信することができる。この電気入力信号は、試料インタフェース１２１４の全部または一部の導体１２９０を通して伝送することができる。この電気入力信号は電位または電流とすることができ、また、一定または可変信号、あるいはＤＣ信号オフセットを有するＡＣ信号を印加するときなど、これらの組合せとすることができる。この電気入力信号は、単一のパルスとして、あるいは複数のパルス、シーケンスまたはサイクルとして印加することができる。信号発生器１２２４はさらに、発生器−記録器として、センサインタフェースからの出力信号を記録することができる。
【０１０９】
信号発生器１２２４は、独立にアドレス指定可能な複数の作用電極と独立にアドレス指定可能な複数の対電極との間でスイッチングすることができる図１２Ｂのポテンシオスタットを含むことができ、または、図１２Ｃの複数のポテンシオスタットシステムを含むことができる。図１２Ｄは、４つの対電極と電気的に接続された作用電極との間でスイッチングするように信号発生器内に実装することができるポテンシオスタットを示す。図１２Ｅは、４つの作用電極と電気的に接続された対電極との間でスイッチングするように実装されたポテンシオスタットを示す。図１２Ｆは、４つの参照電極と電気的に接続された作用電極との間でスイッチングするように実装されたポテンシオスタットを示す。この１つまたは複数のポテンシオスタットは、試料インタフェース１２１４に異なる動作電位を提供することができる。関数発生器が、ポテンシオスタットへのゲート制御波入力をトリガするように、信号発生器１２２４を構成することができる。信号発生器１２２４は他の構成を有することもできる。
【０１１０】
任意選択の温度センサ１２２６は、試験センサ１２０４のリザーバ内の試料の温度を決定する。試料の温度は、測定し、出力信号から計算し、あるいは周囲温度またはバイオセンサシステムを実装した装置の温度の測定値と同じまたは同様と仮定することができる。この温度は、サーミスタ、温度計または他の温度感知装置を使用して測定することができる。他の技法を使用して試料温度を決定することもできる。
【０１１１】
記憶媒体１２２８は、磁気、光または半導体メモリ、あるいは他の記憶装置等とすることができる。記憶媒体１２２８は、固定記憶装置もしくはメモリカードなどの取外し可能な記憶装置とすることができ、または遠隔アクセスすることができ、あるいは他の記憶媒体とすることができる。
【０１１２】
プロセッサ１２２２は、記憶媒体１２２８に記憶されたコンピュータ可読ソフトウェアコードおよびデータを使用して、分析物の分析およびデータ処理を実現する。プロセッサ１２２２は、センサインタフェース１２１８に試験センサ１２０４が存在すること、試験センサ１２０４に試料が導入されたこと、ユーザ入力などに応答して、分析物の分析を開始することができる。プロセッサ１２２２は、センサインタフェース１２１８に電気入力信号を供給するよう、信号発生器１２２４に指示する。プロセッサ１２２２は、任意選択の温度センサ１２２６から試料温度を受け取ることができる。
【０１１３】
プロセッサ１２２２は、センサインタフェース１２１８から出力信号を受け取る。この出力信号は、試料中の測定可能種の酸化還元反応に応答して生成されたものである。試験センサからのこの電気出力信号は、（アンペロメトリまたはボルタンメトリによって生成された）電流、（電位差測定／電流測定法によって生成された）電位、または（クーロメトリによって生成された）蓄積電荷とすることができる。この出力信号を、プロセッサ１２２２内の１つまたは複数の相関方程式を使用して、試料中の１種または数種の分析物の濃度と相関させる。この分析物分析の結果をディスプレイ１２２０に出力し、記憶媒体１２２８に記憶することができる。
【０１１４】
分析物濃度と出力信号との間の相関方程式は、グラフ、数式、グラフと数式の組合せなどで表すことができる。相関方程式は、記憶媒体１２２８に記憶されたプログラム番号（ＰＮＡ）テーブル、他のルックアップテーブルなどによって表すことができる。記憶媒体１２２８に記憶されたコンピュータ可読ソフトウェアコードによって、分析物分析の実現に関する命令を提供することができる。このコードは、本明細書に記載された機能を記述または制御するオブジェクトコードまたは他の任意のコードとすることができる。プロセッサ１２２２において、分析物分析のデータを、減衰率、Ｋ定数、比などの決定を含む、１つまたは複数のデータ処理にかけることができる。
【０１１５】
センサインタフェース１２１８は、試験センサ１２０４の試料インタフェース１２１４内の導体１２９０に接続し、またはこれと電気的に連絡するコンタクト１２９５を有する。センサインタフェース１２１８は、信号発生器１２２４からの電気入力信号を、センサインタフェース１２１８内のコネクタを通して、試料インタフェース１２１４内のコンタクト１２９５に送信する。センサインタフェース１２１８はさらに、試料からの出力信号を、コンタクト１２９５を通して、プロセッサ１２２２および／または信号発生器１２２４に送信する。
【０１１６】
ディスプレイ１２２０は、アナログまたはディジタルディスプレイとすることができる。このディスプレイを、読みを数字で表示するように適合されたＬＣＤディスプレイとすることができる。
【０１１７】
使用時、試料ポート１２１２に液体を導入することによって、分析用の液体試料がリザーバ１２０８内へ移される。この液体試料は、試料ポート１２１２を通って流れ、リザーバ１２０８を満たし、同時に、それまで含まれていた空気を追い出す。この液体試料は、リザーバ１２０８の２次分析領域内に付着した試薬と化学反応する。
【０１１８】
試験センサ１２０２は、測定装置１２０２に隣接して配置される。「隣接」は、試料インタフェース１２１４がセンサインタフェース１２０８と電気的に連絡する位置を含む。電気的連絡は、センサインタフェース１２１８内のコンタクトと試料インタフェース１２１４内の導体１２９０との間の入力信号および／または出力信号の転送を含む。
【０１１９】
図１３は、試料中の少なくとも１つの分析物の存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの分析物の濃度を決定する電気化学的分析１３００を示す。試料導入１３１０では、試験センサに試料を導入する。酸化還元反応１３２０では、試料中の分析物の一部が酸化還元反応を受ける。電子移動１３３０では、任意選択で、分析物から媒介物に電子を移動させる。第１の入力信号の印加１３４０では、作用電極と第１の対電極との間に入力信号を印加する。第２の入力信号の印加１３５０では、作用電極と第２の対電極との間に、異なる電位の入力信号を印加する。試料決定１３６０では、１つまたは複数の出力信号から、試料中の１種または数種の測定可能種の存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの測定可能種の濃度を決定し、試料濃度送信１３７０では、決定された測定可能種の濃度を表示し、記憶し、さらに処理することなどができる。
【０１２０】
試料導入１３１０では、試験センサなどのシステムのセンサ部分に試料を導入する。試験センサは、少なくとも１つの作用電極と少なくとも２つの対電極とを含む。これらの電極は、１層または数層の試薬組成物層を含むことができる。作用電極は、試薬組成物層と一体の拡散障壁層または試薬組成物層とは別個の拡散障壁層を含むことができる。この拡散障壁層は、測定可能種が存在することができる内部容積を有する多孔質空間を提供する。拡散障壁層の細孔は、測定可能種が拡散障壁層内へ拡散することができ、同時に、赤血球などの物理的により大きな試料成分が実質的に排除されるように選択することができる。作用電極が別個の拡散障壁層を含むとき、試薬層は、拡散障壁層上に配置されても、または配置されなくてもよい。分析１３００の性質によっては、導体が電極の役目を果たすことができる。この態様では、電極に隣接して試薬を付着させた場合など、試薬が試料中に存在することができる。
【０１２１】
図１３の酸化還元反応１３２０では、試料中に存在する分析物の一部が、オキシドレダクターゼまたは同種の種などによって、化学的または生化学的に酸化または還元される。この酸化還元反応は、試料が試薬を水和させたときに起こる。酸化または還元の後、任意選択で、電子移動１３３０において、分析物と媒介物の間で電子を移動させることができる。こうすると、分析物、媒介物などから、分析物に応答した試料濃度を有するイオン化した測定可能種が形成される。試薬を分析物と反応させるため、初期時間遅れすなわち「インキュベーション期間」を設けると有利なことがある。
【０１２２】
図１３の第１の入力信号の印加１３４０では、システムが、第１の対電極を使用して試料に入力信号を印加する。入力信号は、電流、電位などの電気信号であり、緩和によって分離された励起パルス列とすることができる。システムは、分析物の存在の有無を判定し、かつ／または分析物の濃度を決定するために使用する入力信号、ならびに試料のヘマトクリット含量、試験センサの充填状態などの他の因子を決定するために使用する入力信号を含む、１つまたは複数の入力信号を試料に印加することができる。
【０１２３】
第１の入力信号の印加１３４０に加えて、第１の入力信号の印加１３４０の前に、初期ポーリング電位を入力して、試料の存在の有無を判定することができる。任意の電極および／または導体対間に電位を印加して、電極および／または導体表面から材料を除去し、電極のケミストリを変更し、あるいは電荷移動系の一部を酸化または還元することもできる。このような電位は分析の前に印加することができる。
【０１２４】
図１３の第２の入力信号の印加１３５０では、システムが、第２の対電極を使用して、試料に、異なる電位の第２の入力信号を印加する。複数の作用電極の作用電位を選択することができること、および／または複数の対電極の動作電位を選択することができることによって、複数のタイプの分析を実行することができるバイオセンサシステムが得られる。分析中に、複数の作用電極、対電極および／または参照電極のうちの任意の電極対間の電位を測定して、有用な情報を得ることができる。順番に満たされる複数の２次分析領域を有する試料リザーバを提供することにより、２回以上の入力信号の印加１３４０、１３５０を使用して、試料によるリザーバ充填の進捗を監視することができる。
【０１２５】
試料決定１３６０では、測定装置が、これらの２つの入力信号に対する応答である出力信号を分析して、それぞれの電位における試料中の少なくとも１種の測定可能種の存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの測定可能種の濃度を決定する。酸化還元反応１３２０で使用するオキシドレダクターゼまたは同種の種が、単一の分析物と反応する場合、生成される電気信号の一部分に特異性を与えることができる。入力信号の異なる部分によって、２つ以上の測定可能種をイオン化することができるため、複数の分析物、媒介物、インターフェレントなどの存在の有無を判定し、かつ／またはそれらの濃度を決定することができる。追加の電流、時間および／または他の値を分析することもできる。例えば、１つの分析物、媒介物またはインターフェレントに対して決定された電流を、他の分析物、媒介物またはインターフェレントに対して決定された電流によって修正して、システムの測定性能を増大させることができる。
【０１２６】
ゲート制御アンペロメトリ信号、ゲート制御ボルタンメトリ信号および／またはこれらの組合せなどのゲート制御入力信号を使用して、特定の媒介物の電位をアドレス指定し、一組の線形方程式を解くことができる。例えば、電気的に独立した対電極と電気的に接続された作用電極とを有する試験センサを使用するときには、式（１）から（３）を解くことによって、異なる３つの測定可能種の濃度を決定することができる。
ilow=A1・S1+Int1          (1)
imedium=ilow+i2=k1・(A1・S1+Int1)+k2・(A2・S2+Int2)          (2)
ihigh=imedium+i3=k1・(A1・S1+Int1)+k2・(A2・S2+Int2)+k3・(A3・S3+Int3)          (3)
上式で、ｉｌｏｗ、ｉｍｅｄｉｕｍおよびｉｈｉｇｈは、低、中および高電位の対電極との結合からの電流、Ａ１、Ａ２およびＡ３は、異なる３つの測定可能種の濃度、ｋ１、ｋ２およびｋ３は、２つの動作電位間の電流の差を表現する比例定数、ＳおよびＩｎｔはそれぞれ、各分析物較正系の傾きおよび切片である。
【０１２７】
図１４Ａは、独立にアドレス指定可能な対電極および作用電極（ＷＥ１〜ＷＥ４）を有する試験センサと組み合わせて使用される順次ゲート制御アンペロメトリパルス列からの入力信号を示す。この場合、一度に１つの作用電極が動作し、各電極対に入力信号が順番に入力される。このようにすると、複数の電極対からの出力信号を決定するのに、多電位ポテンシオスタットは必要ない。図１４Ｂは、独立にアドレス指定可能な対電極および作用電極（ＷＥ１〜ＷＥ４）を有する試験センサと組み合わせて使用される同時ゲート制御アンペロメトリパルス列からの入力信号を示す。この場合、それぞれの励起に対して、４つの全ての電極対が同じ電位で同時に動作する。この図には示されていないが、２つ以上の電極に入力信号を同時に印加し、その一方で、他の電極には入力信号を順番に印加することもできる。
【０１２８】
独立にアドレス指定可能な複数の対電極を電流／電圧コンバータに接続することによって、その分析に由来する出力電流を別々に測定することができる。この動作を、１つの対電極がオフであり、第２の対電極がオンであるゲート制御入力信号と組み合わせることができる。その結果得られる独立した対電極からの測定電流のカスケードは、試料の複数の分析物および他の成分を分析する方法を提供する。式の線形結合を解いて、個々の分析物の濃度および／または他のパラメータを決定することができる。
【０１２９】
印加入力信号は、０．０５から１．０Ｖ、好ましくは０．１から０．８Ｖ、より多く好ましくは０．２から０．５Ｖの電圧を有することができる。入力信号は、関心の１種または数種の分析物に応じて、０．０１秒から３分間の持続時間にわたって印加することができる。例えば、グルコースの分析は５秒未満で完了することがあり、他の分析物は、それよりも持続時間が長い入力信号の方が有利なことがある。入力信号が複数の励起および緩和を含む場合、それぞれの励起の持続時間は、例えばグルコースに関しては、０．０１から７秒、好ましくは０．５から３秒、より好ましくは０．１から２秒とすることができる。他の入力信号持続時間および励起持続時間を使用することもできる。
【０１３０】
図１３の試料濃度送信１３７０では、測定装置が、少なくとも１つの測定可能種の濃度を試料分析物濃度に変換し、測定装置は、決定された測定可能種濃度のうちの１つまたは複数の濃度を表示し、将来の参照のために記憶し、さらに処理し、かつ／または追加の計算に使用することができる。例えば、１つの分析物、媒介物またはインターフェレントに対して決定された値を、他の分析物、媒介物またはインターフェレントに対して決定された値によって修正して、システムの測定性能を増大させることができる。
【０１３１】
電荷移動系中に存在する酸化可能種を有する対電極を、オキシドレダクターゼを含まない作用電極として使用し、これにより、ヘマトクリットを決定するために分析し、出力信号のバックグラウンド成分を決定する能力を提供することもできる。分析物濃度を、この情報および他の情報によって修正して、正確度および／または精度を増大させることができる。対電極を、開回路の間、作用電極として使用して、１つまたは複数のヘマトクリットパラメータを測定することができる。他の態様では、１つまたは複数の出力信号を、較正曲線またはルックアップテーブルと相関させて、ヘマトクリット偏りまたはインターフェレントに起因する偏りを決定することができる。
【０１３２】
分析物の性質によっては、１つの分析物の濃度を使用して、他の分析物の読みを変更することができる。例えば、第１の分析物の濃度が、第２の分析物の濃度に対して正の干渉を引き起こすとき、第１の分析物の濃度を第２の分析物の濃度から差し引いて、決定される第２の分析物の濃度値の正確度および／または精度を増大させることができる。
【０１３３】
図１５は、試料中の分析物の濃度を決定するために、同じ分析物に対する最大４回の別個の分析の結果を平均した結果を示す。このグラフに示されているように、実行する別個の分析の回数を１回から３回に増やすことによって、参照ＹＳＩ機器と比較したときに、得られる濃度値の９８％は、±１５％の偏り範囲内に収まった。このグラフの基礎データは、別々の試験センサから得られたものだが、２つ以上の２次分析領域を有する試験センサを、異なる分析物を分析することに加えて、２つ以上の２次領域において同じ分析を実行するように構成することができる。したがって、実質的に化学的に隔離された複数の２次分析領域は、単一の試験センサによる信号の平均値算出という利点を提供することができる。
【０１３４】
単一の試験センサ上で同じ分析を複数回実行できることによって、決定される分析物濃度の正確度および／または精度を相当に増大させることができる。したがって、同じ試験センサ上で同じ分析を複数回実行することによって可能となる信号の平均値算出は、（標準偏差ｓｄ値によって特徴づけられる）不規則雑音を、従来のセンサシステムに比べて１／√ｎに低減することにより、その試験センサの信号対雑音比を向上させることができる。
【０１３５】
図１６は、個別にアドレス指定可能な実質的に化学的に隔離された８つの電極に、ゲート制御アンペロメトリ入力信号を同時に印加したときに得られた電流の減衰を示す。これらの電極は、１次チャネルを挟んで４つの作用電極と４つの対電極が対向する、前に図３Ｉに示したものなどの多重Ｔ設計として構成した。各作用電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）、構造Ｉ分子５０ｍＬおよびＰＱＱ−ＧＤＨ酵素系２Ｕ／μＬを含む試薬組成物を有するように形成した。各対電極は、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にＨＥＣ結合剤０．５％（ｗ／ｗ）および実質的に純粋はフェリシアン化物１００ｍＭを含む電荷移動系を有するように形成した。
【０１３６】
実験を実施するため、ｐＨ７のリン酸緩衝液中にグルコース１００ｍｇ／ｄＬを含む試料を試験センサに導入し、４つの対向するそれぞれの電極対間に、ゲート制御アンプロメトリ入力信号を同時に印加した。ゲート制御入力信号は、可変パルス幅を有する２回の初期励起と、それに続くパルス幅０．３７５秒の７回の励起とを含む。後者の７回の励起は、１秒の緩和期間によって分離した。２秒の時間点で印加した励起の終わり近くに、各電極対（Ｗ１−Ｃ１、Ｗ２−Ｃ２、Ｗ３−Ｃ３およびＷ４−Ｃ４）に対応する４つの電流値を平均する。この４つの電流値の平均値から、１つまたは複数の相関方程式あるいは同様の方法を使用して、試料の分析物濃度を決定することができる。このようにすると、複数回の分析を平均することによって得られる前に論じた正確度および／または精度の利点を、単一の試験センサによって得ることができる。
【０１３７】
本発明のさまざまな実施形態を説明したが、本発明の範囲内において、他の実施形態および実施態様が可能であることは、当業者には明白である。したがって、添付の特許請求項およびそれらの等価物を考慮したときを除き、本発明は限定されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
0005523323.tif 000009
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
0005523323.tif 000013
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
0005523323.tif 000017
【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
0005523323.tif 000019
【図３Ｊ】
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【図４Ａ】
0005523323.tif 000021
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
0005523323.tif 000027
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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