(57)【要約】検出の電気化学的手段の使用は、デバイス製造および使用の容易さの両方に関する簡便さについて、しばしば選択される。本発明は、電気化学的システムでサンプル中の選択分析物をモニタする方法である。この方法は、ＤＣ電位上に重ねられた時間変動電位を電気化学的システムに印加し、信号を発生させる工程；およびファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基づく推定式を解くことにより選択分析物からの寄与を信号から識別する工程を包含する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的システムにおいてサンプル中の選択分析物をモニタする方法であって、以下：
該電気化学的システムに、ＤＣ電位上に重ねられる時間変動電位を印加し、信号を発生させる工程；および
ファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基いて推定式を解くことにより、該選択分析物からの寄与を、該信号から識別する工程
を包含する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記非ファラデー信号成分が、前記電気化学的システムの環境因子を示す、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記ファラデー信号成分が、前記選択分析物の濃度を示す、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記ＤＣ電位が、約０ボルトである、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、約５０ｍＶ未満の最高最低振幅の実質的なシヌソイド電位波形を含む、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、サイクリックボルタンメトリーにおいて用いられる波形である、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、階段関数である、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、５０ｍＶより大きな変動を有し、そして容量性情報が、推定式より導き出される、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、ここで容量性情報が、スペクトル分析により非ファラデー信号成分から導き出される、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、シヌソイド電位であり、そして前記推定式が、前記信号の基本振動数から得られる情報を用いる、方法。
【請求項１１】
電気化学的システム中に存在するサンプルの体積を決定する方法であって、ここで、該電気化学的システムは、表面を有する電極を有し、ここで、該表面は、接触部分および非接触部分を含み、ここで、該電極の該接触部分は、該サンプルと電解接触しており、そして該電極の該非接触部分は、該サンプルと接触しておらず、該方法は、以下：
電位刺激を該システムに印加し、信号を発生させる工程；
該信号を測定する工程；
該発生した信号の全てまたはある部分の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；および
該少なくとも１つのパラメーターに基づいて推定式を解くことにより該接触部分の表面積を決定し、ここで、該表面積は、該サンプルと電解接触している部分と対応する、工程を包含する、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、ここで前記少なくとも１つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、ここで電気化学的電池中に存在する前記サンプルの前記体積が、該電気化学的電池の表面積および次元に基づいて、推定式により解かれる、方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、平行な板の形状において少なくとも２つの平面電極から構成される、方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、同じ形状の平面に置かれている支持基板上の少なくとも２つの電極から構成される、方法。
【請求項１６】
電気化学的システム中の複数の環境因子を決定する方法であって、ここで、該電気化学的システムが、表面を有する電極を含み、ここで、該表面が、接触部分および非接触部分を含み、ここで、該電極の該接触部分が、該サンプルと電解接触しており、そして該電極の該非接触部分が、該サンプルと接触しておらず、該方法は、以下：
時間変動電位刺激を該システムに印加して、信号を発生する工程；
該信号を測定する工程；
該信号の全てまたはある部分の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；および
該少なくとも１つのパラメーターに基づいて推定式を解くことにより該複数の環境因子の値を決定する工程
を包含する、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記少なくとも１つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、表面積を有する電極を含み、ここで前記サンプルと電解接触している該表面積が、前記少なくとも１つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、面積を有する電極を含み、ここで該面積が、前記少なくとも１つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、多量の付着物を有する電極を含み、ここで該付着物が、前記少なくとも１つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記時間変動電位が、重ねられたシヌソイド電位を有するＤＣバイアス電位である、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、ここで前記ＤＣバイアスが、約０ボルトである、方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法であって、ここで前記推定式が、前記信号から容量性情報を導き出す、方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法であって、ここで前記シヌソイド電位が、約５０ｍＶ未満の最高最低振幅を有する、方法。
【請求項２５】
請求項１７に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記電気化学的システムの複素イミッタンスの虚数成分に基づく、方法。
【請求項２６】
請求項１７に記載の方法であって、ここで前記時間変動電流が、振幅を有し、ここで前記容量性情報が、該振幅に基づく、方法。
【請求項２７】
請求項１７に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記信号の減衰速度に基づく、方法。
【請求項２８】
請求項１７に記載の方法であって、ここで前記容量性情報が、前記信号の立上がり速度に基づく、方法。
【請求項２９】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該サンプルの体積が、決定される、方法。
【請求項３０】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、グルコースである、方法。
【請求項３１】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、炭水化物である、方法。
【請求項３２】
請求項１６に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、サンプル中の選択分析物を含み、ここで該選択分析物が、媒介物種である、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法であって、ここで前記媒介物種が、フェロセン／フェロセニウム対である、方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法であって、ここで前記媒介物種が、フェロシアン化物／フェリシアニド対である、方法。
【請求項３５】
電気化学的システム中のサンプル中の分析物濃度を推定する方法であって、以下：
時間変動電位を該システムに印加して信号を発生させる工程；
該信号を測定する工程；
該信号の全てまたはある部分の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；および
ファラデー信号情報および非ファラデー信号情報に基づいて推定式を解くことにより該分析物濃度を決定する工程
を包含する、方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、電極を含み、ここで電極の面積が、前記少なくとも１つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、多量の付着物を有する電極を含み、ここで該付着物が、前記少なくとも１つのパラメーターに基づいて前記推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項３８】
請求項３５に記載の方法であって、ここで前記サンプルと電解接触する程度が、前記少なくとも１つのパラメーターに基いて推定式を解くことにより決定される、方法。
【請求項３９】
請求項３５に記載の方法であって、ここで前記少なくとも１つのパラメーターが、前記電気化学的システムについての容量性情報を含む、方法。
【請求項４０】
装置であって、以下：
電位波形を電気化学的システムに印加し、電気化学的システムから生じる電流を検出するためのポテンシオスタット回路；および
プログラム指示を有する少なくとも１つのメモリおよび該プログラム指示を実行するように構成されたプロセッサであって；
時間変動電位刺激波形を電極システムに印加し、電流信号を発生させる操作；
発生した該信号を測定する操作；
測定した信号のファラデー成分の少なくとも１つのパラメーターを計算する操作；
該測定した信号の非ファラデー成分の少なくとも１つのパラメーターを計算する操作；
該少なくとも１つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも１つの非ファラデーパラメーターを用いて選択分析物の濃度を決定し、該選択分析物についての推定式を解く操作；ならびに
該少なくとも１つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも１つの非ファラデーパラメーターを用いて該電気化学的システムにおける環境因子の値を決定し、該環境因子の値について該推定式を解く操作を実施するための、メモリおよびプロセッサ
を備える、装置。
【請求項４１】
サンプル中の選択分析物をモニタするための推定式を構築する方法であって、以下：
時間変動電位波形を選択して、電気化学的システムに印加される場合に信号を発生させる工程；
該波形を、複数の異なる濃度の該分析物を含むサンプルに印加し、そして生じる信号を測定する工程；
該波形を、複数の異なる環境因子を有するシステムに印加する工程；該信号の特徴を選択し、パラメーターとして用いる工程；
ファラデー信号成分に基づいて、該信号の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；非ファラデー信号成分に基づいて、該信号の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；および
分析物濃度および環境因子の値を該少なくとも１つのファラデーパラメーターおよび該少なくとも１つの非ファラデーパラメーターに関する一組の式を構築する工程
を包含する、方法。
【請求項４２】
電気化学的システムと電解接触しているサンプルの同一性を決定する方法であって、以下：
時間変動電位を該システムに印加して、信号を発生させる工程
該発生した信号を測定する工程；
該発生した信号の全てまたはある部分の少なくとも１つのパラメーターを計算する工程；および
該少なくとも１つのパラメーターを既知のサンプルの既知のパラメーター値と比較することにより、該サンプルの同一性を決定する工程
を包含する、方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の方法であって、ここで前記電気化学的システムが、形状の整列において複数の電極から構成される、方法。
【請求項４４】
請求項４２に記載の方法であって、ここで電気化学的システム中に存在する異なるサンプルの量が、推定される、方法。
【請求項４５】
請求項４２に記載の方法であって、ここで特定のサンプルと電解接触している電極の数が、該特定のサンプルの体積を推定するために用いられる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
検出の電気化学的手段の使用は、しばしば、デバイス製造の点および使用の容易さという点の両方において、その単純性について選択されている。電気化学の選択性の原理的様式は、分析物の還元−酸化電位（「レドックス」電位とも呼ばれる）である（これは、電気化学の目的の化学的種である）。例えば、電流測定（ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｙ）技術（ここでは、電位が電極に印加され、そして得られた電流が測定される）を使用して、その分析物のレドックス電位に基づき、分析物に対する選択性が達成される。
【背景技術】
【０００２】
電極で発生された信号は、多くの要因および電気化学的システムの特性に依存し得る。分析物の輸送に影響を与えるサンプルの特性の例としては、粘度、温度、密度およびイオン強度が挙げられる。次いで、分析物の輸送に影響を与える変分は、測定された電気化学的信号に影響を与え得る。このような輸送機構の例としては、拡散、移動および伝達が挙げられる。
【０００３】
別の例において、電極自体の特性が、分析物の輸送、および／または測定される電気化学的信号を発生し得る任意の反応の反応速度に、影響を与え得る。このような特性の例としては、有効電極面積、電極のジオメトリー、サンプルチャンバのジオメトリー、電極付着物の程度、電極上の拡散障壁膜および電極材料の触媒的特性が挙げられる。
【０００４】
電気化学的センサは、通常、医療的バイオセンサから環境センサおよびガスセンサまで、多くの検出適用において、見出される。通常、電気化学的測定の２つの様式（電流測定および電圧測定）が存在する。電流測定センサは、電極に電圧電位を印加し、そして得られた電流を測定する原理に基づき、作動する。電流測定センサの例としては、大部分の市販のグルコースバイオセンサおよび多くのガスセンサが挙げられる。電圧測定センサは、電極に電流を印加し、そして得られた電圧を測定する原理に基づき、作動する。印加された電流が０アンペア（ａｍｐ）で保たれる場合がしばしば存在する。ｐＨ電極は、電圧測定センサの１例である。
【０００５】
図１は、電圧が電極３１０に印加され、この電極３１０がサンプル中の特定の分析物（測定される物質）に酸化を受けさせること（すなわち、この電極に電子を渡すこと）を生じる、電流測定センサの作用を示す。この酸化は、電流３１５を発生させ、次いでこの電流３１５が検出され得、そして分析され得る。分析物が酸化させる電位は、分析物の「酸化電位」といわれる。
【０００６】
一般的にいうと、句「レドックス電位」は、分析物が酸化されるかまたは還元されるかのいずれかである電位を示すために使用される。図１のセンサにおいて、フェロシアン化物（「ＦＥＲＲＯ」）３００は、電気化学的反応を生じさせるのに電位が十分高い場合に、電子を電極に輸送する。一旦、電子が輸送されると、フェロシアン化物はフェリシアン化物（「ＦＥＲＲＩ」）３０５に酸化される。
【０００７】
従って、図１において、十分高い電位が、フェロシアン化物（還元形態の電気活性種）を酸化形態（フェリシアン化物）へと酸化するために、印加されており、そして電極により検出される、得られた電流３１５は、還元種の濃度に依存する。
【０００８】
上記に論じられるように、電流測定センサからの電流は、目的の分析物の濃度に加えて、多くの要因に依存する。伝統的な電流測定方法は、分析物の濃度のみが測定から測定までに変化するという仮定に依存する；従って、電気化学的システムの他の因子が変動する場合、測定された信号および分析物濃度の評価は不正確であり得る。電位測定センサもまた、関係付けられた要因より損害を受け、これら要因は、分析物の輸送および電極付着物を含む。これら要因における変分は、測定される信号に対して不確実性およびエラーを加える。例えば、図２は、有効電極面積が変更された、２つの電流測定センサからのＤＣ電流を示す。データ点４５５は、１０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて測定される。データ点４５０は、２０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて測定される。両方の場合において、電極面積が変動するにつれて、測定されるＤＣ電流信号も同様に変動する。さらに、所定の電極面積について、分析物濃度を１０ｍＭから２０ｍＭに増大させると、結果として増大した電流信号を測定することとなる。このことは、測定されるＤＣ電流信号の電極面積への依存性、および分析物濃度への依存性を例示する。
【０００９】
いくつかの要因は、種々の電極面積を有するセンサに寄与し得る。１つの要素は、センサからセンサまでの電極面積における変動性を導き得る、製造中のエラーがあり得る。別の要因は、使用中の電極の劣化であり得る。別の要因は、センサ電極とのサンプルの不完全な接触であり得、これらの例は、図８および図９において例示される。
【００１０】
図８ａ〜８ｃは、多くの市販のグルコースバイオセンサのための根幹を形成する、代表的な電気化学試験の小片（ｓｔｒｉｐ）のスキーム図である。図８ａにおいて、２つの電極３５５が存在し、これらの各々がメーターの電子部品とのインターフェースを形成するリード３５０へと連絡される。電極３５５およびリード３５０は、支持基板３７５へと接続され得る。この例において、試験小片は、通常使用される２電極構成を使用する。図８ａにおいて、サンプル３６０は両方の電極を完全に覆い、各々の電極の電極面積全体がサンプルに接触することを確実にする。図８ｂにおいて、サンプル３７０は、一方の電極を完全に覆うが他方の電極は部分的に覆う。図８ｃにおいて、サンプル３６５は、両方の電極を部分的に覆う。
【００１１】
図９は、異なるジオメトリーの電極について、サンプルによる電極の部分的な被覆を例示する。この例において、電気化学試験の小片は、並列した平板の設計で互いに対面する２つの電極で作製される。電極４００および電極４０５は、固体基板材料４２０によって支持される。サンプル４１０は、サンプルチャンバを満たし、そして両電極の面積を完全に覆う。しかし、サンプル４１５は、両電極の面積を部分的に覆うのみであり、そして低減した有効電極面積のシステムを生じる。電極表面のこのような不完全な被覆は、サンプルチャンバの部分的な充填の結果であり得る。１つの例において、血中グルコース濃度の測定をする糖尿病患者は、しばしば、血中グルコース濃度を測定するために、このような電気化学的試験の小片を使用しなければならない。このような場合において、十分な血液がサンプルチャンバ内に入らない場合、不完全な電極システムの被覆を生じ得、不正確なグルコース推定値を生じる。従って、分析物の濃度に依存しない、有効電極面積を評価する方法は、有用である。
【００１２】
さらに、試験小片内に入るサンプルの体積が、推定され得る。図９を参照して、サンプル４１５を収容するサンプルチャンバの３つの寸法（縦横高さ）が既知である場合、サンプル４１５の体積は、電極被覆の分別量によりサンプルチャンバの総ジオメトリー体積を計量することによって、推定され得る。１つの例において、サンプルチャンバの総体積は１００ｎＬである。サンプル４１５が電極４０５の７５％を覆うことが決定される場合、サンプル４１５の体積の１つの推定量は、（０．７５）＊１００ｎＬ＝７５ｎＬである。サンプル体積の推定量は、電気化学的電池中のサンプル体積を認識することに依存する測定を行う場合に、有用である。この認識が有用である場合の１つの例は、電量分析においてである。
【００１３】
図４は、電気化学センサに関する、電極付着物の問題を例示する。電極付着物は、センサ付着物ともいわれ、電極３１０の全体または一部に、接着、吸着またはそれ以外にコーティングする、物質３２０を記述する用語である。この例において、分析物はフェロシアン化物３００であり、このフェロシアン化物３００は付着物質３２０を通って移動し、次いで電極３１０において電子性電流３１５を生じる酸化反応において、電極３２０で反応しなければならない。この反応産物はフェリシアン化物３０５であり、このフェリシアン化物３０５は次いで、付着物質３２０から外に逆に移動する。電極付着物が起こり得る場合の１つの例は、付着物を生じ得る環境におけるセンサの長期にわたる使用の間であり、例えば、体内へのバイオセンサの移植または硫化物を含む環境におけるガスセンサの配備である。このような状況において、ならびに当業者に明らかな他の状況において、物質は電極上に沈着し得、歪んだ信号が測定される原因を生じる。しばしば、測定される信号強度は、最終的にセンサが標的分析物に対して知覚不能になるまで、電極付着物量が増加するにつれて減少する。他の場合において、付着物質は、特定の化学反応に対する触媒として作用し得、そしてセンサの応答は、実際に増強され得る。いずれの場合においても、センサの応答が付着物に起因して変化される場合、得られた測定は不正確である。
【００１４】
図３に示される較正曲線において、データ点４７０は、付着されていない電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのＤＣ電流を測定する。データ点４８０は、３．３３μｇのセルロースアセテートのコーティングにより付着された電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのＤＣ電流を測定する。データ点４９０は、１０μｇのセルロースアセテートのコーティングにより付着された電極を用いて、異なる濃度のフェロシアン化物を有するサンプルからのＤＣ電流を測定する。この例は、この電流測定センサにおいて測定されたＤＣ電流信号が、分析物濃度および電極付着物の程度の両方に依存することを例示する。従って、低いＤＣ信号は、低い分析物濃度の結果であるか、または増大した電極付着物に起因するかのいずれかであり得る。従って、分析物濃度に依存しない電極付着物の程度を決定する手段が、有用である。次いで、このような方法を使用して、測定された電流信号を調整し得、そして電極付着物により生じた信号歪みに対して補正し得る。
【００１５】
これまでの２つの例は、電流測定センサについて例示されているが、当業者は、電圧測定センサに対する適用を認識する。電圧測定センサもまた、電極に接近する分析物に依存する。
【００１６】
従って、電気化学的検出手段が使用される場合、環境的要因（分析物を含むサンプルの特性を含む）は、測定される信号に重大な影響を与え得る。このような要因は、測定に不正確さ（較正変化および感度変化を含むが、これらに限定されない）をもたらし得る。従って、測定される信号に影響を与え得る環境特性（サンプルまたは電極の誘電率、有効電極面積、およびサンプルのイオン強度を含む）を検出するための方法および装置は、電気化学的センサシステムに利益をもたらし、そして環境的要因についての情報に基づき、測定された信号から計算されて、分析物推定濃度に対して補正がなされることを可能にし得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
（発明の要旨）
本発明の一実施形態は、電気化学的システムにおけるサンプル中の選択分析物をモニタするための方法に関する。この方法は、この電気化学的システムに、ＤＣ電位に対して重ね合わされた時間可変電位を印加して、信号を生成する工程；およびファラデー信号成分および非ファラデー信号成分に基づいて推定式を解くことにより、この選択分析物からの寄与をこの信号から識別する工程を包含する。
【００１８】
（詳細な説明）
ここで本発明のいくつかの例示的な実施形態（それらの例は、添付の図面に示される）を詳細に参照する。可能な場合は必ず、同じ部分または類似の部分を参照するために図面全体を通して同じ参照番号が使用される。
【００１９】
デジタル信号処理技術を介してセンサの精度および生産性を改善するためのシステムおよび方法が本明細書中に提供される。特に、特定の例示的実施形態によれば、測定されたセンサ信号に影響を及ぼし得る環境効果（例えば、有効電極面積および／または付着物の程度）をモニタして測定誤差を補正するための方法が、本明細書中に提供される。このようにして、環境要因に起因する測定された信号の変化は、実質的に減少されて、標的分析物（例えば、フェロシアン化物）の濃度をより正確に測定し得る。
【００２０】
本明細書中で使用される場合、用語「トランスデューサー」とは、ある形態のエネルギーを別の形態のエネルギーに変換する物質または装置をいう。トランスデューサーの例としては、電極、発光ダイオード、フォトダイオード、圧電材料、およびマイクロホンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２１】
本明細書中で使用される場合、用語「容量特性」とは、システムのキャパシタンスに寄与し得るか、かつ／またはキャパシタンスに影響し得る、そのシステムのあらゆる特性をいい、これらとしては、電極面積、誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）、誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）、二重層特性、サンプルのイオン強度、およびキャパシタンスが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２２】
本明細書中で使用される場合、用語「ブランク」とは、支持電解質から構成されるサンプルをいう。
【００２３】
本明細書中で使用される場合、用語「バックグラウンド」は、用語「ブランク」と交換可能に使用され得、そしてブランクサンプルにより生成される信号をいう。
【００２４】
本明細書中で使用される場合、用語「ＣＤＡＳ」とは、容量支配アドミタンススペクトルをいい、そして電気化学的システムのアドミタンス値が、その電気化学的システムの容量成分により支配される周波数範囲を示し；これは、一般的には、より高い周波数範囲に向かい得るが、検討中の特定の電気化学的システムの特性に依存して他の範囲にあり得る。
【００２５】
本明細書中で使用される場合、用語「ＥＳＳ」とは、電気化学的信号源をいい、これは、電気化学的信号を生じ得るサンプル中の実体である；用語「ＥＳＳｓ」は、複数のＥＳＳをいうために使用される。一般的なＥＳＳは、電気活性化学種であるが、本発明は、このような供給源からだけの信号のアッセイに限定されず、そして電気不活性化学種、バックグラウンド電解質、二重層キャパシタンス、非化学的供給源、およびサンプル中にない供給源（例えば、一般的にＲＦ干渉として知られる、電磁干渉）を含む。
【００２６】
本明細書中で使用される場合、用語「ＥＳＳＩ」とは、測定されるべき目的のＥＳＳをいい、これらとしては、化学種、またはバックグラウンドもしくはブランク信号を生じ得るサンプルのバックグラウンド構成、またはトランスデューサー−サンプルインターフェースにより測定され得るキャパシタンスが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２７】
用語「変分」とは、本明細書中で使用される場合、その適用の過程における波形の最大値と最小値との間の差分の絶対値をいう。
【００２８】
本明細書中で使用される場合、用語「ＴＳＩ」とは、トランスデューサーと、ＥＳＳｓのセットを含み得るサンプルとの間のインターフェースから構成されるトランスデューサー−サンプルインターフェースをいう。
【００２９】
本明細書中で使用される場合、用語「ＦＦＴ」とは、高速フーリエ変換をいう。
【００３０】
本明細書中で使用される場合、用語「ＦＴ」とは、フーリエ変換をいう。
【００３１】
本明細書中で使用される場合、用語「ＤＦＴ」とは、離散フーリエ変換をいう。
【００３２】
本明細書中で使用される場合、用語「ＷＴ」とは、ウェーブレット変換をいう。
【００３３】
本明細書中で使用される場合、用語「ＤＴＦＴ」とは、離散時間フーリエ変換をいう。
【００３４】
本明細書中で使用される場合、用語「ＡＤＣ」とは、アナログデジタル変換器をいう。
【００３５】
本明細書中で使用される場合、用語「誘導された量」とは、電気化学的システムからの測定データならびにデータおよび／または情報の外部供給源に関して計算され得る量をいう。
【００３６】
本明細書中で使用される場合、用語「ファラデー（の）」とは、電荷がＴＳＩを横切って伝達される電気化学反応をいう。これらの反応は、分析物の酸化または還元を指す。
【００３７】
本明細書中に使用される場合、用語「有効電極面積」とは、サンプルと電解接触している電極面積をいう。この有効電極面積は、電極のジオメトリーを変更することまたはサンプルに対する電極の部分接触により変化され得る。
【００３８】
本明細書中で使用される場合、用語「電極付着物の程度」とは、電極またはセンサの全てまたは一部に吸着し得るかまたは他の方法で被覆し得る物質の量、ジオメトリー、密度、および／または組成をいう。
【００３９】
本明細書中で使用される場合、用語「環境要因」とは、測定される電気化学信号に影響を及ぼす、分析物濃度以外の特性および／または要因をいう。例としては、電極面積、電極付着物の程度、サンプルの誘電体、温度、およびサンプルのイオン濃度が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４０】
本明細書中で使用される場合、用語「電解接触」とは、サンプルから電気化学的情報を集めるような様式で展開された少なくとも１つの電極から構成される電気化学的システムを有することをいう。例としては、サンプルと物理接触している電極；膜、フィルム、または他の材料によりサンプルと分離された電極；および水性媒体によりサンプルから分離された電極が挙げられるが、これらに限定されない。電気化学的情報の例としては、ファラデー電流、非ファラデー電流、および化学ポテンシャルが挙げられる。
【００４１】
本明細書中で使用される場合、用語「電気化学的システム」とは、電気化学的データを集めるために使用される少なくとも１つの電極から構成されるシステムをいう。電気化学的システムの例としては、二電極構成；三電極構成；および電極アレイが挙げられる。
【００４２】
本明細書中で使用される場合、用語「電極セット」とは、少なくとも１つの電極から構成される電気化学的システムをいう。
【００４３】
本明細書中で使用される場合、用語「スペクトル分析」とは、信号または信号の一部のスペクトル成分を分析する方法をいう。スペクトル分析のために使用される方法の例としては、ＦＴ、ＦＦＴ、ＤＦＴ、ＤＴＦＴ、およびＷＴが挙げられる。
【００４４】
図５〜７は、印加された電圧波形に応答して電気化学的信号を変化させる環境因子に起因する、信号変動を決定するための方法およびシステムの例示的な実施形態を示す。例えば、環境因子によって引き起こされる信号の変動は、必要である場合に、見かけの測定された分析物濃度の推定を変化させることによって、定量および補正され得る。図５および６は、この方法の実施形態を、流れ図の形態で示す。
【００４５】
図７は、図５および６の方法を実施するためのシステムのより詳細な例を示すが、図５および６の方法は、多数の異なるシステムおよび装置によって実施され得ることが、理解されるべきである。例えば、図７のシステムは、次に、血液中のグルコース濃度を試験するためのような、携帯型テスターとして実施され得る。
【００４６】
図７は、本発明の実施形態による、ＴＳＩの容量特性を同定および定量するための、例示的な方法を示す。全ての矢印は、他に標識されない限り、通信チャネルのセットを表し、そして物理的伝導体を介する電気伝達、無線伝達、およびマルチチャネルの通信が挙げられるが、これらに限定されない。以下の工程は、本発明を説明する１つの例示的な装置および１つの例示的なプロセスを概説する。
【００４７】
１．適切なトランスデューサーのセット６が、サンプル２におけるＥＳＳ４の検出のために適切な様式で展開される。この例において、トランスデューサー６は、トランスデューサー−サンプルインターフェース３８がサンプル２と電解接触するように配置された電極である。このサンプル２は複数のＥＳＳ４（ＥＳＳ１、ＥＳＳ２およびＥＳＳｎと標識される）を含有し、ここで、ｎは、サンプル２における他のＥＳＳから独特のＥＳＳを表す番号を示す。トランスデューサーの他の例は、膜を備える電極、化学修飾された電極、または電気化学的トランスデューサーとして使用され得る他の要素が挙げられる。
【００４８】
２．制御信号３４が、トランスデューサー制御装置１２からトランスデューサー６に印加され、この信号は、光学フィルタリングプロセス１０（例えば、フィルタリングプロセスを実施する回路または計算装置）によって処理され得る。フィルタリングプロセス１０は、トランスデューサー制御装置１２の一部であり得る。フィルタの１つの利点は、印加された信号から所望でないノイズを除去することである。この実施形態において、制御信号３４は、ポテンシオスタット回路の形態でトランスデューサー制御装置１２によって印加される、電圧電位波形である。ポテンシオスタットとは、電気化学的データを制御および記録するために通常使用され、そして「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、第１版、Ｏｘｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９９３（Ｃ．Ｍ．Ａ．ＢｒｅｔｔおよびＡ．Ｍ．Ｏ．Ｂｒｅｔｔ）において説明されている回路である。
【００４９】
３．トランスデューサー制御装置１２を用いてトランスデューサー６からの時間領域信号３６（すなわち、時間の関数として発生される電流信号）が測定され、そして必要な場合、保存される。光学フィルタリングプロセス８は、このプロセスの一部であり得、そしてさらに、トランスデューサー制御装置１２の一部であり得る。フィルタリングプロセスは、図の項目１０と類似であり得、そして所望でない信号ノイズを除去する有用な利点を提供する。
【００５０】
４．信号が、必要に応じて、フィルタリングプロセス１４を使用してフィルタリングされる。このようなフィルタの１つの例としては、アナログ信号をデジタル信号に変換するプロセスと組み合わせて使用される、アンチアリアジング（ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇ）フィルタが挙げられる。当業者に明らかなフィルタの他の例としては、高域フィルタ、低域フィルタ、帯域フィルタ、およびバンドストップフィルタが挙げられる。
【００５１】
５．信号が、ＡＤＣ１６を使用して、アナログ形態からデジタル形態に変換されて、計算装置１８によるこの信号の処理を可能にする。この例は、本発明の方法の一部を実施するための、デジタル計算装置の使用を示す；しかし、デジタル計算装置は、例として使用され、そして本発明を限定しない。計算装置１８の例としては、アナログ回路、デジタル回路、マイクロプロセッサおよびマイクロコントローラが挙げられる。現在使用されるマイクロコントローラの例としては、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｈ８／３８８７、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ３１８５２６５−Ｆ、Ｓｉｅｒｒａ  ＳＣ８４０３６ＣＶ、Ａｍｔｅｌ  Ｓ５６４０  ＡＳＩＣ、ＮＥＣ  ＦＴＡ−Ｒ２  ＡＣＩＣ、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｈ８／３８４７、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  ＭＮ１０１Ｃ０９７ＫＢ１、ＡＳＩＣ（Ｉｎｔｅｌ  ８０５１の周囲に構築される）などが挙げられる。
【００５２】
６．信号が、フィルタリングプロセス２０を使用してフィルタリングされる。このようなフィルタは、信号をより最適な波形（計算装置１８における他の計算プロセスのためにより適切である）に再形成および／または変換するために使用され得る。このようなフィルタの１つの例は、測定される信号から特定の範囲の周波数のみを選択し、そして他の周波数を抑制する、帯域フィルタであり得る。このようなフィルタは、電流信号が非線形電気化学的プロセスによって発生される場合に有用であり、より高い周波数成分を、電圧刺激として使用された基本周波数に加えて生じる。
【００５３】
７．信号のスペクトル成分が、目的の各周波数成分の大きさと位相角との両方の観点で、スペクトル分析プロセス２２を使用して特徴付けられる；通常使用されるプロセスは、ＦＴであり、そして関連するプロセス（例えば、ＦＦＴ、ＤＦＴ、ＷＴ、ＤＴＦＴ）を含む。当業者は、検討中のシステムについて適切であるとして、他のスペクトル分析プロセスを使用する可能性を認識する。
【００５４】
８．測定される信号における、システムの容量特性を生じるＥＳＳからの信号寄与が、容量特性定量プロセス２４を使用して決定される。例えば、このようなプロセス２４の１つの実施形態は、以下である：
ａ．高周波数の信号スペクトルを計算し、そしてスペクトルのこの部分の関連する特徴を定量する。なぜなら、スペクトルの高周波数部分は、その信号の容量特性についてのより多くの情報を含むと予測されるからである。１つの例において、周波数スペクトルの大きさおよび位相角が、その信号の特徴として使用される。
【００５５】
ｂ．必要であり得る任意の外部データ源Ａ２６を使用して、信号の容量特性に関連する値を計算する；このような特性としては、インピーダンス、リアクタンス、抵抗、およびキャパシタンスが挙げられ得るが、これらに限定されない。
【００５６】
９．上記計算から誘導され得る他の値を、誘導量計算プロセスを使用して計算する。このプロセスは、外部データ源Ｂ３０を参照し得る。データ源Ａ２６およびデータ源Ｂは、同じデータ源であり得る。これらは、情報を保存する手段を代表し、そして単一のメモリユニット内の異なるデータ構造であり得る。外部データ源Ｂ３０が含み得る情報の例としては、トランスデューサーの特性（例えば、異なる適用についての電極面積および周波数応答曲線）；サンプルの特性（例えば、イオン強度、粘度、密度、二重層キャパシタンス値、および誘電率）；電極の汚染を引き起こし得る、サンプル中の任意の物質の特性（例えば、誘電率および関連する値）；電極を覆い得る任意の膜または類似の材料の誘電率または厚さもしくは容量特性のような特性が挙げられる。誘導量の例としては、較正データとの比較による分析物の濃度の計算、有効電極面積の計算、電極汚染の程度の計算、ならびに等式および電解質の組成を示す他のデータとの比較によるバックグラウンド電解質の誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）および誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）定数が挙げられる。
【００５７】
１０．誘導量計算プロセス２８からの誘導量が、補正プロセス４０において使用され、このプロセスは、上で同定および定量された環境の変動および物理的変動によって引き起こされる、測定された信号３６のひずみまたは変動を補正する。補正プロセスの例は、誘導量計算プロセス２８によって決定された推定された分析物濃度を、容量特性定量プロセス２４によって決定されるような、有効電極面積の変化を反映する値または電極汚染の程度を反映する値によって、縮尺される。
【００５８】
１１．出力３２が、使用可能な形態で発生される。例としては、電子形態での全てのＥＳＳＩの濃度値の伝達、または推定された分析物濃度の、ＬＣＤディスプレイにおいてのセンサの使用者への表示が挙げられる。
【００５９】
図５および６は、図７のシステムにおいて実行されるプロセスに関する。図５を参照すると、波形が選択され得（工程１００）、そして既知の濃度の目的の分析物を含有するサンプルを測定するために、電極システムに印加され得る。第一の例示的実施形態において、電極面積は、較正データを収集するために異なる濃度の分析物が測定される（工程１０５、１１０、１１５、１２０、１２５）場合に、電極汚染なしで系統的に変化される。第二の例示的実施形態において、較正データを収集するために異なる濃度の分析物が測定される（工程１０５、１１０、１３０、１３５、１４０）場合に、電極面積は一定に維持されるが、電極汚染の程度が変動する。
【００６０】
これらの例示的実施形態において、刺激波形は、所望の分析物の濃度に依存する信号成分および環境因子に依存する信号成分が測定されるように、選択される（工程１００）。この例において、説明される２つの環境因子は、有効電極面積および電極汚染の程度である。ある実施形態によれば、刺激波形は、電気化学的システムの容量特性が抽出可能（工程１１０）かつ定量可能であるように選択される。別の実施形態において、刺激波形は、容量信号成分が環境因子（例えば、電極面積および電極汚染）に対してより感受性であり、そして分析物濃度に対してはさほど感受性ではなく、これによって、分析物濃度とは独立した、電極面積または電極汚染の影響のモニタを可能にするように、選択される。このことは、分析物濃度に依存しない環境変動のみの定量を可能にする。
【００６１】
有効電極面積の変動を補正する実施形態によれば、較正データは、異なる既知の有効面積の電極を用い、既知の異なる分析物濃度を含有するサンプルを用いて測定を行うことによって、収集され得る（工程１１５）。各電極面積を用いてなされる測定について、ファラデー信号成分をサンプル中の分析物の濃度に関連付ける較正曲線が構築され得る（工程１２０）。異なる分析物濃度のサンプルを測定する場合に、容量信号成分を電極面積の変動に関連付ける較正曲線もまた、構築され得る（工程１２０）。図７のシステムにおいて、フィルタプロセス２０、スペクトル分析プロセス２２、および容量定量プロセス２４は、較正信号成分を定量するために使用され得る。
【００６２】
ある実施形態によれば、分析物濃度を推定する較正曲線を、ファラデー信号成分に基づいて、センサの有効電極面積の変動から生じ得る誤差について、有効電極面積を定量する容量較正データを使用して補正するための等式が構築され得る（工程１２５）。
【００６３】
一旦較正曲線および補正式が決定されると、図７のシステムにおいて、この情報は、データ源Ａ２６および／またはデータ源Ｂ３０に保存され得る。補正式を、補正プロセス４０において使用して、未知の分析物濃度のサンプルにおいて、有効電極領域が未知である電極を用いて測定がなされる場合、有効電極領域における変動によって変更された誤った分析物推定について補正し得る。
【００６４】
図６および７を参照して、トランスデューサー６（電極として示される）は、ＥＳＳ４によって示される未知の濃度の分析物を含むサンプル２と接触するように、配置され得る。選択された刺激波形（工程１０５）は、トランスデューサー制御装置１２として示されるポテンシオスタットによって、電極に対して印加され得る。この刺激波形の適用は、信号３４として示される。応答信号３６は、計算装置１８によって測定および分析されて、容量信号成分およびファラデー信号成分を定量し得る（工程１１０）。容量信号成分（これは、スペクトル分析プロセス２２および容量特性定量プロセス２４によって計算されたばかりである）は、データ源Ａ２６中に保存された較正データと比較されて、有効電極領域を決定し得る（工程２００）。次いで、ファラデー信号成分は、データ源Ｂ３０からの較正データと比較されて、サンプル中の分析物濃度を決定し得る（工程２２５）。
【００６５】
この分析物推定は、有効電極領域の変動から生じ得る誤差について、まだ補正されていない。データ源Ｂ３０からの補正式は、補正プロセス４０における最初の分析物推定と共に使用されて、有効電極領域の変化の原因となる推定分析物濃度を調節し得る（工程２０５）。次いで、補正された分析物推定は、例えば、ＬＣＤディスプレイを使用して、使用可能な形態で出力３２であり得る（工程２１０）。
【００６６】
電極付着物の程度の変動について補正する実施形態によれば、較正データは、既知の異なる分析物の濃度を含むサンプルを用いて、既知の異なる程度の付着物の電極を用いて測定を行うことによって、収集され得る（工程１３０）。これらの測定について、サンプル中の分析物濃度にファラデー信号成分を関係付ける較正曲線が、構築され得る（工程１３５）。異なる分析物濃度を有するサンプルを測定する場合、電極付着物の程度における変動に、容量信号成分を関連付ける較正曲線もまた、構築され得る（工程１３５）。図７のシステムにおいて、フィルタプロセス２０、スペクトル分析プロセス２２および容量定量プロセス２４は、容量信号成分を定量するために使用され得る。
【００６７】
１実施形態によれば、式は、電極付着物の程度を定量する容量較正データを使用して、電極付着物の程度の変動から生じ得る誤差について、ファラデー信号成分に基づいて、分析物濃度を推定する較正曲線を補正するように構築される（工程１４０）。
【００６８】
一旦較正曲線および補正式が決定されると、図７のシステムにおいて、この情報は、例えば、データ源Ａ２６および／またはデータ源Ｂ３０に保存され得る。補正式を、補正プロセス４０において使用して、例えば、未知の分析物濃度のサンプルにおいて、付着物の程度が未知である電極を用いて測定がなされる場合、電極付着物の程度における変動によって変更されたもののような、誤った分析物推定について補正し得る。
【００６９】
次いで、図６および７を参照して、電極システム（トランスデューサー６として示される）は、未知の濃度の分析物を含むサンプル２（ＥＳＳ４として示される）と接触するように配置され得る。選択された刺激波形（工程１０５）は、ポテンシオスタット（トランスデューサー制御装置１２として示される）によって、電極に対して印加され得る。この波形は、信号３４として示される。応答信号３６は、計算装置１８によって測定および分析されて、容量信号成分およびファラデー信号成分を定量し得る（工程１１０）。容量信号成分（これは、スペクトル分析プロセス２２および容量特性定量プロセス２４によって計算されたばかりである）は、データ源Ａ２６中に保存された較正データと比較されて、電極付着物の程度を決定し得る（工程２１５）。ファラデー信号成分は、データ源Ｂ３０からの較正データと比較されて、サンプル中の分析物濃度を決定する（工程２２５）。この分析物推定は、電極付着物の程度の変動から生じ得る誤差について、まだ補正されていない。データ源Ｂ３０からの補正式は、補正プロセス４０における最初の分析物推定と共に使用されて、電極付着物の程度の変化の原因となる推定分析物濃度を調節し得る（工程２２０）。次いで、補正された分析物推定は、例えば、ＬＣＤディスプレイでユーザに示される、使用可能な形態で出力３２であり得る（工程２１０）。
【００７０】
この例において、刺激波形は、異なる濃度の分析物を含むサンプルから、異なる環境因子を用いて較正データを収集して、補正式を形成するために、最初に使用される。この同じ波形は、未知の濃度の分析物および未知の環境因子を含むサンプルに印加される。この例において、フェロシアン化物は、所望の（すなわち、標的）分析物として同定され、そして有効電極領域および電極付着物の程度は、例示的な環境因子として同定される。
【００７１】
この刺激波形は、ＤＣ電位であり得、高周波数小振幅のＡＣ正弦波が重ねられる。句「高周波数低振幅正弦波」は、本明細書中で使用する場合、印加された電位と線形関係によって近似され得る、サンプルからの信号応答を生じる正弦波形（代表的には、ピーク間の振幅が５０ｍＶ未満であり、かつ代表的には、約１００Ｈｚより上である）を示す。例示的な波形形式は、図１１に示される。ＤＣ電位が電極に印加され、そしてＡＣシヌソイド電圧５１０が、このＤＣ電位上に重ねられる。このＡＣ電圧５１０の振幅は、５０ｍＶ未満に維持される必要はなく、そして使用可能な信号を生じる任意の値であり得る。ＡＣ電圧５１０の周波数は、電気化学系の容量特徴を誘発するのに必要な場合、調節され得、そしてその範囲は、考慮すべきシステムについて必要な場合に調節され得、そして本発明の範囲を如何様にも限定しない。次いで、ＡＣ電圧５１０は、ある範囲の周波数を通じて段階的にされて、あるスペクトル範囲にわたって電気化学的システムのスペクトル特徴をプローブし得る。当業者は、異なる刺激周波数および異なる形状の波形を使用することを含む、電気化学的システムの容量特性を抽出し得る他の波形を使用することの可能性を認識している。
【００７２】
ＤＣ電位およびＡＣ電位の印加は、ＤＣ電流およびＡＣ電流の発生を生じ得、このＡＣ電流は、刺激ＡＣ電位と同じ周波数から構成され得る。電気化学的システムが線形の場合、得られるＡＣ電流は、刺激ＡＣ電位と同じ周波数成分のみを含む。しかし、電気化学的システムが完全に線形でない場合、ＡＣ電流信号において他の周波数成分が存在し得る。
【００７３】
この刺激周波数で、電圧信号および電流信号のフェーザー表示は、以下によって与えられ得る：
【００７４】
【数１】
2005518527.tif 000002
ここで、
【００７５】
【数２】
2005518527.tif 000003
および
【００７６】
【数３】
2005518527.tif 000004
は、フェーザーと呼ばれるベクトルであり、それぞれ、特定の目的の周波数での、ＡＣ電圧信号およびＡＣ電流信号の強度および位相角の情報を示す。フェーザーは、この情報を複素数として示し、ここで、下付き文字ｒおよびｉは、それぞれ、実数成分および虚数成分を示す。さらに、フェーザーの強度および位相角は、以下によって与えられ得る：
【００７７】
【数４】
2005518527.tif 000005
。
【００７８】
フェーザーの使用に関する理解は、この情報が、目的の特定の周波数をいうことである。正弦波信号のフェーザー分析は、Ｂ．Ｐ．Ｌａｔｈｉ、「Ｌｉｎｅａｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌｓ」、Ｂｅｒｋｅｌｅｙ−Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｐｒｅｓｓ，Ｃａｒｍｉｃｈａｅｌ，ＣＡ，１９９２において説明されるように、周知の方法である。ＡＣ正弦波信号を使用することの１つの例は、ある範囲の周波数にわたって、電気化学的システムをプローブすることの使用を示す。１実施形態によれば、ある範囲の周波数を通じて段階的にする例示的な方法は、以下の工程を包含し得る：
１．特定の周波数で電圧の振動を開始する工程；
２．読み取りが安定するときに得られる電流信号を記録する工程；
３．振動周波数を新たな値に変化させる工程；および
４．目的の範囲をカバーするように、必要に応じて工程２〜４を繰り返す工程。
【００７９】
ある範囲の周波数を通じて段階的にすることの１つの例としては、特定の周波数で振動を開始し、次いで、この周波数を対数的に増大させることが挙げられる。しかし、当業者は、高い周波数で開始し、そして所望の範囲を通じてその周波数を減少させる可能性、または対数様式ではなく線形様式で、周波数を通じて段階的にする可能性を、認識する。
【００８０】
スペクトル分析プロセス２２は、本発明の１実施形態に従って、電圧信号および電流信号について、必要なフェーザー情報を計算し得る。１例において、各周波数の刺激が、次第にトランスデューサーに印加される。スペクトル分析のそのような１つの可能な方法は、各周波数の刺激についてのフェーザー情報を計算し、次にその周波数での測定を行う。可能な方法の別の例は、測定されそして適用された全ての信号データを最初に保存し、次いで、データ獲得工程の最後に、１工程で全ての計算を行うことである。可能な方法の別の例は、線形電気化学的システムの場合であり、目的の全ての周波数は、電圧刺激と同時に重ねられ得；次いで、得られた電流信号は、全ての刺激周波数での応答を含むと予測され得る。これは、線形システムについての場合であるので、ＦＴ分析を全信号について一度に実施することは、目的の各周波数についてのファーザー情報を同時に明らかにする。当業者は、多くの異なる実施形態で、スペクトル分析プロセス２２を実行し得ることを認識している。例えば、測定された信号と、異なる周波数および異なる位相シフトの参照シヌソイド波のセットとの間の相関を測定することによって、スペクトル分析を実施することが可能であり得る。
【００８１】
電流および電圧ＡＣ信号についてのフェーザー情報は、次いで、容量特性定量プロセス２４によって使用され得る。容量特性を定量する１つの方法としては、電気化学的システムのイミッタンス値の計算が挙げられるが、これに限定されない。イミッタンスは、
【００８２】
【化５】
2005518527.tif 000006
によって与えられるインピーダンスか、または
【００８３】
【化６】
2005518527.tif 000007
によって与えられるアドミッタンスに換算して計算され得る。１つの実施例において、アドミッタンスは、以下のように計算される：
【００８４】
【化７】
2005518527.tif 000008
ここで、全ての値は、特定周波数において与えられるようにとられる。
【００８５】
アドミッタンス値は、容量特性の計算に使用され得る。電気回路分析において従来的に考慮される理想コンデンサは、以下のアドミッタンス特性を有する：
【００８６】
【化８】
2005518527.tif 000009
ここで、Ｃは、キャパシタンスであり、電荷を貯蔵するためのシステムの容量を記載し、ｊは、虚数
【００８７】
【化９】
2005518527.tif 000010
であり、そしてωは、ω＝２πｆによって与えられるシヌソイド刺激の周波数であり、ｆは、周波数（単位はヘルツ）である。
【００８８】
電気化学的システムはまた、容量成分でありうるが、これらの特性は、理想的な電気容量の特性に従わないかも知れない。この容量特性は、以下を含むが、これらに限定されない、幾つかの考慮点から生じ得る：
１．荷電した種を含むサンプル中に電極を配置することは、理想的な電気コンデンサの電気特性の幾つかを接近させる；
２．理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させる双極子モーメントを有し得るＥＳＳｓを含むサンプル中に電極を配置すること；ならびに
３．電荷が電極表面に蓄積することを可能にすることにより、経時的に電極電位または電流を変化させて、理想的な電気コンデンサの幾つかの電気特性を接近させ、それにより、経時的にサンプル中で電極表面付近に適切な電荷の蓄積を引き起こすこと。
【００８９】
電極−サンプルインターフェース３８の容量特性の起源は、よく理解されており、Ｃ．Ｍ．Ａ．ＢｒｅｔｔおよびＡ．Ｍ．Ｏ．Ｂｒｅｔｔによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」第１版，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９９３に考察される。高周波数測定において、全電気化学信号は、容量成分によって支配され得る。それゆえに、この実施例において、電気化学的システムの用量特性の調査について考慮されるのは、高周波数スペクトルである。
【００９０】
本発明は、電気化学的システムの容量を計算するための幾つかの方法を包含する。１つの例は、高周波数シヌソイド電位波形から生じる電流信号を得ることである。容量特性を明らかにするアドミッタンス値は、理想的でないかも知れない。理想容量挙動からの偏差は、測定される周波数の範囲内で９０°ではないアドミッタンス位相角が挙げられるが、これに限定されない方法で具体化され得る。しかし、アドミッタンス振幅スペクトルは、Ｂｏｄｅプロットにおいてなされるように、対数−対数軸上にプロットされる場合でもなお、線形であり得る。これらは、電気化学的システムの容量特性が、いかに実システムにおいて現われ得るかの例であり、そして、それらのように、例示目的についての例であることが意図され、本発明の範囲を限定しない。
【００９１】
電気化学的システムの容量特性の分析において、理想容量からの偏差は、考慮される必要があり得る。変分が、どのように処理され得るかの１つの例は、目的の各周波数に対して９０°であるアドミッタンスの成分を考慮することである。図１２は、この概念を示す。特定の周波数において、アドミッタンス５０を表すベクトルは、９０°の理想コンデンサ値ではない。しかし、ベクトル５４の理想成分および虚部成分５２を使用して、全アドミッタンスベクトル５０を２つのベクトルへと分解し得る。それゆえに、虚部成分５２の値のみを考慮することによって、全アドミッタンスの容量成分が、選択され得る。このことにより、電圧信号の位相から９０°であるまさに電流信号成分の抽出が可能になり、これは、電気化学的システムの容量性質の測定値であり得る。このように、ＣＤＡＳの非理想的特性は、理想的９０°位相角からの偏差を引き起こし得、最終分析において最小化され得る。
【００９２】
電気化学的システムの非理想的容量特性を分析する別の例は、振幅スペクトルを考量することである。この実施例において、容量信号によって支配される周波数範囲における振幅スペクトルは、対数−対数Ｂｏｄｅプロットにおいて線形であるようにとられる。このように、振幅プロットの線形性質は、非容量成分に対する電気化学的システムにおける容量成分の支配を示し得る。幾つかの適用において、振幅スペクトルの傾きは、ＴＳＩの異なる特性に相関し得、そして、システムを特徴付けるために使用され得る。
【００９３】
電気化学的システムの容量特性に影響を及ぼし得る幾つかの例示的な要素としては、以下が挙げられる：
１．有効電極面積
２．サンプルのイオン構成、サンプルの非イオン構成、種々のＥＳＳの存在が挙げられるが、これらに限定されないサンプルを含む成分
３．サンプルの粘度
４．サンプルの密度
５．電極付着物の程度
６．電極を覆い得る膜
７．印加されるＤＣ電圧
８．印加されるＡＣ電圧
９．対流、サンプル成分の拡散、サンプル成分の移動、サンプルの流速を含む、サンプルの質量移動
１０．温度
１１．電極において起こり得る反応。
【００９４】
電気化学的システムのキャパシタンスの測定は、電気化学的システムの特性をプローブするのに用いられ得る。このシステムをいかに具体化するかの１例は、平行板コンデンサに対するキャパシタンスを定義する１つの等式を検討することによる：
【００９５】
【数１０】
2005518527.tif 000011
Ｃが、キャパシタンスの大きさである場合、Ａは、電極の領域であり、εは、誘電率であり（そしてシステムに対する誘電特性を反映し）、そしてｄは、平行板コンデンサの平面板の間の距離である。この例の電気化学的システムにおいて、コンデンサの１つの板は、電極表面と考えられ得、そしてもう１つの板は、空間的に分布した電荷の層を含むサンプル中の平面と考えられ得る。これは、ＴＳＩの周知の記載であり、「二重層」として一般に言及され、そしてＣ．Ｍ．Ａ．ＢｒｅｔｔおよびＡ．Ｍ．Ｏ．Ｂｒｅｔｔによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ、ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」第１版  Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９９３において考察される。当業者は、電気化学的セットアップの物理的特性へのキャパシタンスに関する他の等式を有する可能性を理解する。例えば、円柱状のコンデンサの等式は、ワイヤ電極に対してより適切であり得る。検討しているシステムについて必要かつ適切なこのような関係は、データ源Ａ２６により供給され得る。この例における検討している電気化学的システムのキャパシタンスを記載するために上記の等式を仮定すると、以下のようにキャパシタンスとアドミタンスを等式化することが可能である：
【００９６】
【数１１】
2005518527.tif 000012
従って、アドミタンスの大きさが、所定の振動数で既知である場合、次いで、３つの未知数、すなわちＡ、ε、およびｄが残っている。これらの未知数の２つの値を含み得る外部データ源Ａ２６を利用して、次いで第３の未知数が、コンデンサの特性定量化プロセス２４により上記の等式により計算され得る。さらなる実施例として、キャパシタンスを記載するパラメーターの値は、明示的に知られる必要はない。その代わりに、これらの値は、総計として知られ得、これらのパラメーターの１つに起因するキャパシタンスにおける変化がまた、プロセス２４においてコンデンサの特性を定量化する測定として用いられ得る。この分析の利益は、これらのパラメーターのいくつかがしばしば知られ得、しかし１つは、知られないで変化し得る。このキャパシタンスの特性は、補正プロセス４０によりＴＳＩ中のバリエーションに対して補正するよう利用される。
【００９７】
電気化学的システムのコンデンサの特性を測定するこれらの手順は、測定の固有の性質が、電気化学的システムが作用する環境の主な物理的特性および物質的特性をモニタするよう導く事実に起因して有用であり得る。電気化学的システムの物理的効果および環境的効果を特徴付けるための全体の測定規準を確立するのに役立ち、エラーのこのような源について計量し得る補正機構４０を発達させるための基礎を形成し、そして種々の目的のより多くの詳細な測定について拡張し得る。例えば：
１．電極またはトランスデューサの状態を診断する工程であって、効果的電極領域を決定する工程を包含する、工程。
【００９８】
２．電極付着シナリオの種々の特性を決定する工程であって、付着層の厚さ、付着物質構築速度および付着物質の電気的特性を包含するが、これらに限定されない工程。
【００９９】
実際には、刺激波形が、検出プロセスに含まれるプロセスの実験的試行および理論的検証の組み合わせを介して選択され得る。この波形の選択が、特定の分析物および環境因子により産生される特定の独特の信号特性を達成するためになされる。測定された信号のＤＣ成分は、ファラデー信号成分の大半を含み得、これは、分析物濃度および環境因子により作用される。しかし、測定された信号のＡＣ成分は、分析物によりあまり作用されず、環境因子に応答性である、コンデンサの信号成分のほとんどを含み得る。従って、ＡＣ成分は、分析物濃度により影響されること無く、環境因子についての情報を独立して増加するのに用いられ得る。
【０１００】
波形を選択する場合に注意すべき要因としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：参照電極に対して作用電極のより正の電位の使用は、一般に、酸化速度を増加させる；同様に、参照電極に対して作業電極のより負の電位の使用は、一般に、還元速度を増加させる；および反応速度が分析物の輸送速度よりはるかに速い場合（例えば、分散によって）、電位を適切な方向（酸化について正、または還元について負）に増加させることによる反応速度のさらなる増加は、ファラデー電流を有意には増加させないかもしれない；より高い周波数のＡＣ正弦波は、より低い周波数のＡＣ正弦波よりも、非ファラデー容量特性に対して感受性であり得る。
【０１０１】
波形の選択後、データが、異なる濃度の標的および異なる環境因子を含むサンプルから集められ得る（工程１１５および１３０）例えば、有効電極面積および分析物濃度の影響の区別および決定において、当業者は、以下の濃度：０ｍＭ、１ｍＭ、２ｍＭ、３ｍＭ，５ｍＭ、１０ｍＭ、１５ｍＭ，２０ｍＭ、のフェロシアン化物の各々について選択された波形を使用し、以下の有効面積：０．１ｍｍ２、０．２ｍｍ２、０．３ｍｍ２、０．５ｍｍ２、０．７ｍｍ２、１０ｍｍ２、の各々の電極を使用して、５回の反復測定を実施し得る。別の例において、電極の汚れの程度および分析物濃度の影響の区別および決定において、当業者は、以下の濃度：０ｍＭ、１ｍＭ、２ｍＭ、３ｍＭ，５ｍＭ、１０ｍＭ、１５ｍＭ、２０ｍＭ、のフェロシアン化物の各々について選択された波形を使用し、以下の厚み：１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、の各々の付着物質でコーティングされた電極を使用して、５回の反復測定を実施し得る。異なるタイプの付着物をエミュレートするために使用され得る物質の例としては、ポリマー（例えば、酢酸セルロースおよびポリチラミン）、またはタンパク質（例えば、ウシ血清アルブミン）が挙げられる。
【実施例】
【０１０２】
（実施例１：）
図５および図６の方法および例えば、図７のシステムによって実施されるようなシステムを使用する実施例が、分析物のフェロシアン化物を含むサンプルの濃度および可変有効電極面積の分析の点において、ここで記載される。ＤＣ電位によって検出されるファラデー反応は、以下により与えられる：
フェロシアン化物→フェリシアニド＋ｅ−
これは、酸化反応である。電気化学的電池は、パラジウム作用電極、白金対電極、およびＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を用いる従来の３電極構成であり得る。この作用電極は、参照電極に対して−４００ｍＶのＤＣ電位で維持され得る。図２は、異なる有効電極面積で実施される測定について、２つのサンプルからのＤＣ電流を示し、一方のサンプルは，１０ｍＭの鉄（ＦＥＲＲＯ）を含み、そして他方のサンプルは、２０ｍＭの鉄を含む。
【０１０３】
図２は、−４００ｍＶのＤＣ電位を、２０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルに印加することによって測定されたデータ点４５０を示す。測定４５０を、異なる有効面積の電極を用いて実施し、そしてそのデータを、図２にプロットする。Ｘ軸は、これらの測定を実施するために使用された電極の有効電極面積を示し、そしてＹ軸は、測定されたＤＣ電流の値を示す。次いで、同じ電極を使用して、測定を、１０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルにおいて実施し、そしてデータ点４５５として示す。この図は、ＤＣ電位を使用して電流測定信号を測定することの問題を示す。測定された信号は、分析物の濃度および有効電極面積の両方によって影響を受ける。この関係を説明するために使用され得る１つの式は、以下である：
Ｉ＝αＡｅ［ＦＥＲＲＯ］。
ここで、αは、比例定数であり、Ａｅは、有効電極面積であり、そして［ＦＥＲＲＯ］は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的研究および実験的研究の組合せによって決定され得る。図１０は、Ａｅの２つの値についてのこの関係を示す。データ点５００は、Ａｅ＝０．８９２５ｍｍ２の電極を用いて実施されたＤＣ電流の測定値である。このＡｅの較正曲線の式は、以下である：
Ｉ＝１０９．２１［ＦＥＲＲＯ］。
【０１０４】
データ点５０５は、Ａｅ＝１．５７５ｍｍ２の電極を用いて実施されたＤＣ電流測定値である。このＡｅの較正曲線の式は、以下である：
Ｉ＝１７１．１３［ＦＥＲＲＯ］。
【０１０５】
従って、Ａｅ＝１．５７５ｍｍ２という仮定の下で、電極を用いて測定を実施する場合、フェロシアン化物濃度は、以下の式を用いて推定される：
［ＦＥＲＲＯ］＝Ｉ／１７１．１３。
ここで、Ｉは、測定されたＤＣ電流（ｎＡ）であり、［ＦＥＲＲＯ］は、推定フェロシアン化物濃度（ｍＭ）である。
【０１０６】
しかし、有効電極面積が、１．５７５ｍｍ２と等しくないことが分からない場合、計算されたフェロシアン化物の推定値は、不正確であり得る。例えば、Ａｅが、実際に、０．８９２５ｍｍ２である場合、２０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルは、図１０においてデータ点５００により示されるように、２１８８ｎＡの測定電流信号を生じる。Ａｅにおけるこのような変化がどのように生じ得るかの例としては、サンプルの製造中のエラーまたはサンプルと電極との部分的な接触が挙げられる。Ａｅが１．５７５ｍｍ２であるという仮定を使用して、推定フェロシアン化物濃度が、以下の較正式によって計算される：
［ＦＥＲＲＯ］＝２１８８／１７１．１３＝１２．３ｍＭ。
【０１０７】
これは、有効電極面積が分からないで変化した場合に生じ得る分析物の濃度の推定におけるエラーのタイプを例示する。しかし、有効電極面積の測定値を得ることができることにより、分析物の推定値を測定システムにおけるこのような変化について較正することが可能になる。
【０１０８】
有効電極面積を調査するために、この実施例において、４０ｍＶのピーク間振幅の１０００Ｈｚの正弦波を、図１１の曲線５１０に示すように、−４００ｍＶのＤＣバイアス電位に上書きした（工程１００）。次いで、この波形を、電極システムに印加した（工程１０５）。得られた電流信号のフーリエ変換を行って、１０００ＨｚのＡＣ正弦成分を選択した（工程１１０）。なぜなら、このシステムの容量特性は、信号の高振動数成分に反映されると予想されるからである。この実施例において，ＡＣ正弦波電位の振幅は、ピーク間で４０ｍＶで一定に維持されるので、上記のＡＣアドミタンスとＡＣ電流とＡＣ電位との間の数学的関係によって定義されるように、アドミタンス値を計算する代わりに、容量特性の計算にＡＣ電流値を使用するだけで十分である。
【０１０９】
図１３は、１０ｍＭのフェロシアン化物のサンプル（黒色のデータ点５１５）および２０ｍＭのフェロシアン化物のサンプル（白色のデータ点５２０）における異なる有効面積の電極を用いて集められた１０００ＨｚのＡＣ電流信号の虚部成分によって表される容量信号データを示す。このデータから、容量信号成分と有効電極面積との間に直線関係が存在することが明らかであり、従って、この容量信号データは、サンプル中のフェロシアン化物の濃度によって有意には影響を受けない。
【０１１０】
虚部ＡＣ電流を有効電極面積（これは、分析物の濃度に依存しない）に関連付ける式（工程１２０）は、以下である：
Ｉｉ．ＡＣ＝（８１８．２６）（Ａｅ，ａｃｔｕａｌ）−１４．３３。
ここで、Ｉｉ．ＡＣは、１０００ＨｚにおけるＡＣ電流の虚部成分であり、Ａｅ，ａｃｔｕａｌは、実際の有効電極面積である。
【０１１１】
サンプル中のフェロシアン化物を推定するために較正曲線において使用される、測定されたファラデーＤＣ電極電流（ＩＦ）を記載するために使用され得る１つの式は、以下である：
ＩＦ＝αＡｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ［ＦＥＲＲＯ］
［ＦＥＲＲＯ］＝（１／αＡｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ）ＩＦ
ここで、Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄは、電極が有すると予測される有効電極面積の値である。較正曲線は、測定されたファラデー信号をフェロシアン化物濃度に関連付けるためのファラデー信号データに基づいて、電極システムを使用することによって作製された（工程１２０）ので、有効面積Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄの電極が使用された。未知のサンプルが、Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄの電極を用いて測定され、これらの較正曲線がサンプル中のフェロシアン化物濃度を推定するために使用される場合（工程２２５）、当業者は、この推定フェロシアン化物濃度がサンプル中の実際の代表的な濃度であることを推定し得る。しかし、この未知のサンプルが、Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄと等しくない有効面積の電極を用いて測定される場合、フェロシアン化物の誤った推定値が、生じる可能性があり得る。
【０１１２】
従って、有効電極面積における変化について推定フェロシアン化物濃度を調整する（工程２０５）するために使用され得る１つの較正式（工程１２５）は、以下である：
［ＦＥＲＲＯ］ｃ＝（１／αＡｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ）（Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ／Ａｅ，ａｃｔｕａｌ）ＩＦ
［ＦＥＲＲＯ］ｃ＝（Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ／Ａｅ，ａｃｔｕａｌ）［ＦＥＲＲＯ］ｕ
Ａｅ，ａｃｔｕａｌ＝（Ｉｉ，ＡＣ＋１４．３３）／８１８．２６
ここで、Ａｅ，ａｃｔｕａｌは、上記のようにして計算される。［ＦＥＲＲＯ］ｃは、有効電極面積における変化について補正されたフェロシアン化物濃度であり、そして［ＦＥＲＲＯ］ｕは、補正していないフェロシアン化物濃度である。
【０１１３】
例示的な例を続けると、フェロシアン化物濃度を推定するための較正曲線が、Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ＝１．５７５ｍｍ２である推定電極面積で作成され、そして測定が、Ａｅ，ａｃｔｕａｌ＝０．８９２５ｍｍ２を有する電極を使用して、２０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプル中で行われる場合、上記のように、フェロシアン化物濃度の誤った推定値が生じ、［ＦＥＲＲＯ］＝２１８８／１７１．１３＝１２．３ｍＭを与える。しかし、容量信号データ（１０００Ｈｚ  ＡＣ正弦電流の虚部成分によって表される）を使用して、推定フェロシアン化物濃度が、有効電極面積における変化について補正され得る。図１３において、データ点５１５によって示されるように、Ａｅ，ａｃｔｕａｌ＝０．８９２５ｍｍ２を有する電極によって測定される２０ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルは、Ｉａ，ＡＣ＝６８０ｎＡを生じる。従って、
Ａｅ，ａｃｔｕａｌ＝（Ｉｉ，ＡＣ＋１４．３３）／８１８．２６＝（６８０＋１４．３）／８１８．２６＝０．８５０ｍｍ２；
［ＦＥＲＲＯ］ｃ＝（Ａｅ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ／Ａｅ，ａｃｔｕａｌ）［ＦＥＲＲＯ］ｕ＝（１．５７５／０．８５０）×１２．３＝２２．８ｍＭ。
これにより、１２．３ｍＭの補正されていない推定値と比較して、２２．８ｍＭのフェロシアン化物の補正された推定値が得られ、ほぼ３倍の誤差の減少を示す。
【０１１４】
これは、有効電極面積における変動から生じる測定誤差を補正するための容量性信号情報を使用する１つの例示的な実施形態を説明する。この例が正弦波の１つの周波数を用いて示されたが、この方法に対する改良は、シヌソイド刺激の複数の周波数からの情報を使用し、ある範囲の周波数を変換して、使用されるべき１セットの補正式を構築することによって実現され得る。改善の別の例は、より大きなデータマトリクスを用いて較正曲線を構築することである。図１０および１３は、２つの異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルからの較正データを示した：しかし、較正データは、異なる濃度のフェロシアン化物のより大きな選択から構成されるサンプルから獲得されて、より精製されたセットの較正曲線を作製し得る。同様に、データは、多くのより異なる有効面積を用する電極から獲得されて、より精製されたセットの較正曲線を作製し得る。
【０１１５】
（実施例２）：
図５および６の方法を使用する実施例ならびに例えば図７のシステムによって実施されるシステムを、ここで、分析物フェロシアン化物および種々の程度の電極付着物を含むサンプルの濃度を分析する点で記載される。実施例１におけるように、検出されるファラデー反応は、フェロシアン化物のフェリシアン化物への酸化であり、そして等価な３−電極電気化学系が使用され、ここで、作用電極が３．１４ｍｍ２の白金電極である。この実施例において、有効電極面積は、一定に保持され得、そして電極付着物の程度を、測定された信号および推定されたフェロシアン化物濃度に対する効果を示すために変動させる。電極付着物に起因して生じ得るフェロシアン化物推定における誤差を補正するために容量性信号情報を使用するための方法が記載される。
【０１１６】
作用電極は、セルロースアセテート（「ＣＡ」）膜で電極面積全体をコーティングすることによって、付着された。電極付着の程度は、２つの場合について変更された。１つの場合において、ＣＡは、１ｍＬのアセトン当たり１０ｍｇのセルロースアセテートの割合でアセトン中に溶解した。１μＬのこの溶液を、作用電極上に滴下コーティングし、白金表面全体を覆った。この溶液を乾燥させ、セルロースアセテートのコーティングを形成し、合計約１０μｇのＣＡを与える。第２の場合、ＣＡを、１ｍＬアセトン当たり３．３３ｍｇ  ＣＡの割合でアセトン中に溶解した。１μＬのこの溶液を、作用電極上に滴下コーティングし、白金表面全体を覆った。この溶液を乾燥させ、約１／３の量のセルロースアセテート（約３．３３μｇのＣＡ）を含むＣＡのコーティングを形成する。従って、この実施例において、ＣＡの量を、異なる程度の電極付着物をエミュレートするように変動された；より多くの程度の電極付着物が、電極をより多くのセルロースアセテートでコーティングすることによってエミュレートされ得ることが予想される。
【０１１７】
図３は、付着物無し（データ点４７０）、３．３３μｇのＣＡの付着物（データ点４８０）、および１０μｇのＣＡの付着物（データ点４９０）で、電極を使用して、異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルに、−４００ｍＶのＤＣ電位を印加することによって構成される較正曲線を示す。測定されたＤＣ電流信号（フェロシアン化物の酸化からのファラデー電流成分によって支配される）が、フェロシアン化物の濃度および電極付着物の程度の両方に依存する。この関係を記載するために使用され得る較正曲線の１つの式は、以下である：
ＩＤＣ＝αＥｆ１Ａｅ［ＦＥＲＲＯ］＋βＥｆ２
ここで、αおよびβは、定数であり、Ａｅは、有効電極面積であり、Ｅｆ１は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の傾きに影響するかの尺度であり、Ｅｆ２は、電極付着物の程度がどのように較正曲線の切片に影響するかの尺度であり、ＩＤＣは、測定されたＤＣ電流であり、そして［ＦＥＲＲＯ］は、サンプル中のフェロシアン化物の濃度である。当業者は、存在し得る他の関係の可能性を認識し、そしてこれらの関係は、理論的調査および実験的調査の組み合わせによって決定され得た。
【０１１８】
付着物無し（データ点４７０）の実施例において、較正曲線を記載する１つの式は、以下：
ＩＤＣ＝０．８７５７［ＦＥＲＲＯ］＋１．６
Ａｅ＝３．１４ｍｍ２
αＥｆ＝０．２７９μＡｍｍ−２ｍＭ
のように与えられ得る。
【０１１９】
３．３３μｇのＣＡの付着物（データ点４８０）の実施例において、較正曲線を記載する１つの式は、以下：
ＩＤＣ＝０．６６４［ＦＥＲＲＯ］＋０．１７１７
Ａｅ＝３．１４ｍｍ２
αＥｆ＝０．２１１μＡｍｍ−２ｍＭ
のように与えられ得る。
【０１２０】
１０μｇのＣＡの付着物（データ点４９０）の実施例において、較正曲線を記載する１つの式は、以下：
ＩＤＣ＝０．１７２９［ＦＥＲＲＯ］＋０．２７０３
Ａｅ＝３．１４ｍｍ２
αＥｆ＝０．０５５μＡｍｍ−２ｍＭ
のように与えられ得る。
【０１２１】
電極付着物の程度が、較正曲線の傾きおよび切片の両方に影響することが見られ得る。図１５は、電極付着物の程度と線形較正曲線のパラメーターとの間の関係（この実施例において、傾きおよび切片である）が、どのように表現され得るかの実施例である。データ点５４０は、量αＥｆ１Ａｅによって与えられる、電極付着物の異なる程度について、［ＦＥＲＲＯ］をＩＤＣに関連させる較正曲線の傾きの値を表す；データ点５４５は、量βＥｆ２によって与えられる、電極付着物の異なる程度について、［ＦＥＲＲＯ］をＩＤＣに関連させる較正曲線の切片の値を表す。これらの関係を記載するための１つの実施例のセットの式は、以下：
ＩＤＣ＝αＥｆ１Ａｅ［ＦＥＲＲＯ］＋βＥｆ２
αＥｆ１Ａｅ＝−０．０７０８（ＭＣＡ）＋０．８８５３
βＥｆ２＝０．０４４４（ＭＣＡ）２−０．５７６７（ＭＣＡ）＋１．６
であり、ここで、ＭＣＡは、電極に付着するために使用されるＣＡの質量（マイクログラム）である。当業者は、他の式および関係が、データの性質に依存して使用され得ることを認識する。
【０１２２】
図１４は、さらに、３つの異なる程度の付着物を有する電極を使用して、３つの濃度のフェロシアン化物について、測定電流、フェロシアン化物濃度、および電極付着物の程度の間の関係を説明する。データ点５２５は、５ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプル由来であり、データ点５３０は、３ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプル由来であり、そしてデータ点５３５は、２ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプル由来である。データを図１４にプロットし、Ｙ軸は、測定されたＤＣ電流の逆数を表す。この実施例において、このような表示は、電極に付着するように使用されるＣＡの量と測定されるＤＣ電流との間でおよその直線的関係が、観測されることを可能にする。当業者は、電気化学的システムの性質および付着物の性質に依存して、他の関係が存在し得ることを認識する。図１４に示される実施例のデータにおいて、ＤＣ電流と付着物の程度との間の関係は、以下：
【０１２３】
【数１２】
2005518527.tif 000013
のように与えられ得、ここで、ＩＤＣは、ＤＣ電流（マイクロアンペア）であり、そしてＭＣＡは、電極に付着するように使用されるＣＡの量（マイクログラム）である。
【０１２４】
従って、電着付着物が無いという仮定で測定がなされる場合、この場合を表す較正曲線が使用され得る。しかし、電極が未知の程度まで付着される場合、不適切なフェロシアン化物の推定が計算され得る。例えば、電極が３．３３μｇのＣＡによって付着され、そして測定は、５ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルで作製された場合、図１４に従って、ＩＤＣ＝３．４μＡである。この実施例において、電極付着物の程度が、既知でなく、定量されていないので、フェロシアン化物濃度を推定するために使用される較正曲線は、上記のように、付着されていない電極由来のデータを用いて構成される較正曲線である。この較正曲線を用いて、以下のフェロシアン化物濃度の不正確な推定が得られる：
【０１２５】
【数１３】
2005518527.tif 000014
従って、傾きおよび切片の較正曲線パラメーターがサンプル中のフェロシアン化物濃度をより正確に推定するために変更され得るように、電極付着物の程度を定量するための方法が必要とされる。電極付着物の程度を調べるために、４０ｍＶピーク間振幅の１０００Ｈｚの正弦波を、図１１の曲線５１０に示されるように、−４００ｍＶのＤＣバイアス電位に重ねた（工程１００）。次いで、この波形を、電極系に印加された（工程１０５）。この実施例において、このシステムの容量性特性が、信号の高周波部分の主要成分であることが予期されるので、ＡＣ電流信号のピーク間振幅は、最後の完全に測定されたサイクルについての正弦波電流のピークと正弦波電流の谷との間の差異を得ることによって計算された（工程１１０）。
【０１２６】
図１６は、付着物無し（データ点５５０）、電極に付着するように使用された３．３３μｇのＣＡ（データ点５５５）、および電極に付着するように使用された１０μｇのＣＡ（データ点５６０）で、電極を使用して、異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルから収集された１０００ＨｚのＡＣ電流信号のピーク間振幅によって表される容量性信号データを示す。ＡＣ電流振幅が、付着物の程度によって大部分影響し、そしてフェロシアン化物の濃度によって最小限に影響することが、このデータから明らかである。従って、ＡＣ電流の平均値は、固定された程度の電極付着物を用いてなされた測定の各セットについて計算した。図１７は、この実施例において、平均ＡＣ電流振幅（データ点５６５）と電極付着物の程度との間に直線的関係が存在する。電極付着物の程度とＡＣ電流との間の関係を記載するための１つの較正式は、以下：
ＩＡＣ＝（−８．０５９８）（ＭＣＡ）＋１１９．０５
によって与えられ、ここで、ＩＡＣは、１０００Ｈｚのシヌソイド電流成分のピーク間振幅であり、そして、ＭＣＡは、電極に付着するように使用されるＣＡの質量である。
【０１２７】
ＡＣ測定は、この実施例における分析物濃度に対して不感受性であり得、そして独立し得る。それゆえ、ＡＣ電流値は、電極付着物の程度を推定するために使用され得る。一旦、電極付着物の程度が推定されると、濃度較正曲線に対する補正は、フェロシアン化物濃度のより正確な推定を生じるようになされ得る。
【０１２８】
図１６に従って、３．３３μｇのＣＡによって付着された電極を用いて５ｍＭのフェロシアン化物を含むサンプルを測定する実施例を続けて、９６．８μＡのＡＣ電流が記録される。ＡＣ電流をＣＡの質量と関連させる較正曲線を使用して、ＣＡの質量の以下の推定は、以下：
【０１２９】
【数１４】
2005518527.tif 000015
によって得られる。
【０１３０】
電極付着物の測定としてＣＡのこの推定された質量を使用して、較正曲線傾きおよび切片に対する補正因子は、上記されるような方程式を使用して決定され得る：
【０１３１】
【数１５】
2005518527.tif 000016
ここで、［ＦＥＲＲＯ］ｃは、電極付着物の程度に対して補正された、サンプル中のフェロシアン化物の推定値である。従って、フェロシアン化物の補正された推定値は、４．４ｍＭであり；２．１ｍＭの補正されない推定値に比べた場合、補正方法は、誤差のほぼ５倍の減少を示す。
【０１３２】
これは、電極付着物の程度の変分から生じる測定誤差に対して補正するための容量性の信号情報を使用する１つの例の実施形態を示す。この実施例は、正弦波の１つの周波数を用いて例示されたが、本方法に対する改善は、シヌソイド刺激の複数周波数からの情報を使用することによって実現され得、使用されるべき補正方程式の１セットを構成する周波数の周波数のある範囲を含む。改善の別の例は、より大きなデータマトリクスを用いて較正曲線を構成することである。図１４、図１５、図１６、および図１７は、３つの程度の付着物を有する電極からの較正データを示すが；較正データは、異なる範囲の付着物のより大きな選択を用いて電極から獲得され、より洗練されたセットの較正曲線を作成し得る。同様に、データは、多くのより異なる濃度のフェロシアン化物を含むサンプルから獲得され、より洗練されたセットの較正曲線を作成する。改善の別の例は、ＡＣ電流信号の虚部を使用することである。なぜなら、ＡＣ信号の虚部は、電気化学的システムの容量特性を反映することが期待されるからである。
【０１３３】
（実施例３）
容量測定の有用な利益の別の例は、サンプルが変化する時点を検出することである。図１９に示されるように、燃料タンク貯蔵において外来材料が、これらのタンクに漏れる状況が存在し得る。例えば、ガソリン製品を含む燃料タンクに水がしみ入ることは、まれなことではない。いくつかの状況において、水およびガソリンは、混合することが出来ず、各液体は、タンク内で層に分離する。これは、上に水の層５８を有するガソリンの層５６によって、図中に示される。同様にこの水相の上に空気空間の層６０が存在し得る。電極６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４のアレイが、タンクの側面に沿って並ぶ場合、ガソリン層内の水層の分布を空間的に解明することは可能であり得る。これが実施され得る１つの方法は、ＣＤＡＳを測定することによって各電極システム６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４の容量を測定することによる方法である。１つの例において、これは、小さな振幅の高振動数の正弦波を、電極システムに印加し、そして得られた電流を測定することによって、達成され得る。ＡＣ電流成分は、電気化学的システムに関する容量性情報を含む。ガソリンサンプルおよび水サンプルに対するＣＤＡＳプロフィールを含む外部データ３０を参照することによって、導出された物理量計算プロセス２８は、水サンプルと接触したセットの電極７２および７０、そして、ガソリンサンプルと接触した電極（６２、６４、６６、６８）、そしていずれとも接触しなかった電極７４を決定し得る。次いで、これは、ガソリン貯蔵タンクへの水のしみ出た量を空間的に解明することを可能にし得る。この例において、２体積部のガソリンに対して約１体積部の水がタンク中に存在することが推定され得る。なぜなら、２つのセンサ７２および７０が、水５８と接触し、４つのセンサ６２、６４、６６、６８が、ガソリン５６と接触するからである。
【０１３４】
当業者はまた、電気化学的システムの容量関連特性の値を計算することにおいて、データの他の供給源を使用する可能性を認識する。１つの例としては、異なる電極構成およびサンプル構成についての容量値のデータベースを生成することが挙げられる。例えば、以下についてのアドミタンススペクトルのセットを開発することは可能であり得る：
１．所定のサンプル中の種々のイオン強度のバックグラウンド電解質；
２．電極を覆う特定の膜または膜の部分の種々の厚さ；
３．電極を汚染し得る物質の種々の厚さ；
４．種々のサンプル；
５．種々の電極形態。
【０１３５】
当業者はまた、他の信号パラメ−ターを使用し、電極システムについての容量性情報を得る可能性を認識する。１つの例としては、階段電位に応じた測定信号の減衰の初期速度が挙げられる。別の例は、サイクリックボルタンメトリーの電気化学的技術が使用される場合に観察される、ヒステリシスの量である。
【０１３６】
図１８は、上記される種々の方法を実行するために使用され得るグルコースメーターの例示的実施形態を示す。このメーターは、試験ストリップをこのメーターに連結するための試験ストリップコネクター６００を備える。試験ストリップは、例えば、３つの電極（作用電極、参照電極、および対向（ｃｏｕｎｔｅｒ）電極）を備え得る。
【０１３７】
信号条件付け回路６０２は、試験ストリップコネクター６００に連結され、そして試験ストリップにおいて電極に対して印加される波形のフィルタリングを実施する。信号条件付け回路６０４は、試験ストリップから得られた電流信号のフィルタリングを実施し、電流信号を記録する。回路６０２および６０４は、ポテンシオスタット回路として公知である回路を一緒に構成する。ＤＡＣ６０６は、コントローラー６１０からのデジタル信号を、アナログ信号に変換する。ＡＤＣ６０８は、アナログ信号を、コントローラー６１０による使用のためのデジタル形式に変換する。コントローラー６１０は、例えば、図５および６の前述の例示的実施形態において教示された様式での試験ストリップコネクターによって検知される電流信号を処理することによって、メーター中で信号を処理する。
【０１３８】
ボタン６１２は、ユーザーがメーターを操作するためのユーザーインターフェースを提供する。出力回路６１４は、通常は電池の形態で、メーターに対して電力を提供し、ＬＣＤ６１６は、ユーザーに対してグルコース濃度を示す。
【０１３９】
図１８のメーターの形式、ならびに本明細書中において図５〜７において教示される信号処理のシステムおよび方法は、グルコース以外の分析物を検知するために使用され得ることに留意すべきである。このような適用としては、電気化学免疫アッセイ検知；工業的気体検知、水質モニタ（生物学的金属または毒性金属）、化学戦争兵器剤および生物戦争兵器剤の検知が挙げられる。
【０１４０】
本明細書中で教示される信号処理技術はまた、現存する検知デバイス（例えば、現存するグルコーステスター）に適用され得る。この改変は、現存するコントローラーに対するファームウェアアップグレードの形態で存在し得る。
【０１４１】
ファームウェアアップグレードの機能は、本明細書中に教示される、以下の信号処理技術を実行することである：
１）サンプルに対してカスタマイズされた波形を印加すること。波形の形状をコードするデータは、メモリー中に存在し得、このデータは、マイクロプロセッサーによって読み取られ、所望の波形が、生成され、そしてデジタルからアナログへの変換器（例えば、図１８のＤＡＣ６０６）に適用され得る。
２）生じた電流信号の読み込み。ファームウェアは、マイクロプロセッサーに、アナログデジタル変換器（例えば、図１８のＡＤＣ６０８）からのデジタル化されたデータ（試験ストリップから検知された）の読み込みを指示し得、このデジタル化されたデータをメモリに保存し得る。ファームウェアは、所望のデータを読み込むために必要とされるメモリー管理を実施し得る。
３）信号処理を実行するための数学的操作を実施する。これは、ファームウェアの指示に従ってパラメーターを計算する（例えば、信号のフーリエ変換を計算する）工程、および（例えば、図５または図６の方法によって生成された）推定式においてこれらのパラメーター値を使用して、グルコース濃度を決定する工程を包含する。
【０１４２】
ファームウェアによって実施された他のプロセスは、現存するファームウェアに残され得、アップグレードの一部である必要はない。例えば、ファームウェアはまた、（例えば、ＬＣＤ６１６ディスプレイによる）ユーザーに対する結果の表示を制御し得、メーターの他の「舞台裏の（ｂｅｈｉｎｄ  ｔｈｅ  ｓｃｅｎｅｓ）」操作（例えば、電力管理）は、ユーザーの要求（例えば、データのスクローリング、データの平均化、ＰＣへのデータ転送など）に応答する。
【０１４３】
さらなる種々の改変および変分が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明においてなされ得ることは、当業者に明らかである。
【０１４４】
本発明の他の実施形態は、本明細書の考察および本明細書中に開示される本発明の実施から、当業者に明らかになる。本明細書および実施例は、例としてのみ考慮され、本発明の真の範囲が、以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【０１４５】
本明細書に組み込まれ、そして本明細書の一部を成す添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を例示し、そしてその記載と共に、本発明の原理を説明するために役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】図１は、フェロシアン化物を測定するための電流測定センサである。
【図２】図２は、異なるフェロシアン化物濃度を有する２つのサンプルについての電極面積の増加に起因するＤＣ電流の増加を示すチャートである。
【図３】図３は、異なる程度の付着物を有する３つの電極を使用して、フェロシアン化物濃度の増加に起因するＤＣ電流の増加を示す較正曲線である。
【図４】図４は、電極に付着物がついている、フェロシアン化物を測定するための電流測定センサである。
【図５】図５は、例示的な実施形態に従って電気化学的信号を処理するための方法を例示する流れ図である。
【図６】図６は、別の例示的な実施形態に従って電気化学的信号を処理するための方法を例示する流れ図である。
【図７】図７は、別の例示的な実施形態に従って電気化学的信号を処理するためのシステムである。
【図８】図８は、電極の１つの特定の幾何的構成に関して電極とサンプルとを接触させ得る方法の３つの例を示す。
【図９】図９は、電極の別の特定の幾何的構成に関して電極とサンプルとを接触させ得る方法の２つの例を示す。
【図１０】図１０は、２つの異なる有効面積の電極を用いて得られたフェロシアン化物についての較正曲線を示す。
【図１１】図１１は、図５および図６の方法を使用して実行された例に従う電極システムに印加される波形を示す。
【図１２】図１２は、複素平面におけるベクトルを、どのように実部と虚部とに分解し得るかを示す。
【図１３】図１３は、異なる濃度のフェロシアン化物を含む２つのサンプルから作成された測定値からの電極面積の増加に伴うＡＣ電流の虚数成分の増加を示すチャートである。
【図１４】図１４は、異なる量のフェロシアン化物を含む３つのサンプルからの電極付着物の程度に対するＤＣ電流の依存性を示すチャートである。
【図１５】図１５は、フェロシアン化物の濃度をＤＣ電流に関連づける較正曲線の勾配と切片との間の関係が、電極付着物の程度にどのように依存するかを示す。
【図１６】図１６は、異なる程度の付着物を有する３つの電極を用いて測定された場合の異なる濃度のフェロシアン化物についてのＡＣ電流の振幅を示すチャートである。
【図１７】図１７は、異なる程度の付着物を有する電極を用いて作成された測定値についてのＡＣ電流の値を示す。
【図１８】図１８は、例示的な実施形態に従うグルコースメーターである。
【図１９】図１９は、ガソリンおよび水の空間的に分離された層を備える燃料タンクの例示である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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