(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバの中に配置され、かつマイクロコントローラに接続された２つの電極を有するバイオセンサチャンバの静電容量を決定する方法であって、
前記バイオセンサチャンバ内に試料が堆積したら前記試料の電気化学反応を開始する工程と、
所定周波数の振動信号を前記チャンバに印加する工程と、
前記所定周波数の出力信号の１周期当たりの所定サンプリング速度に基づいて、前記出力信号の測定のための第１のサンプリング時間間隔を確定する工程と、
前記第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔で前記チャンバからの前記出力信号をサンプリングする工程であって、各々のサンプリングされた出力信号の大きさを、前記第１の時間間隔の代わりに前記第２のサンプリング時間間隔ごとに継続して測定する、工程と、
前記サンプリングする工程からサンプリングされた前記出力信号に基づいて前記チャンバからの出力信号と振動入力信号との間の位相角を決定する工程と、
前記位相角から前記チャンバの静電容量を算出する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第２のサンプリング時間間隔が、前記第１のサンプリング時間間隔に対する所定のオフセット時間に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のサンプリング時間間隔が、前記出力信号の大きさの各階段状変化の間の時間幅を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記オフセット時間が、前記第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記パーセンテージが、前記第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記確定する工程が、
前記所定周波数の前記信号の１つの波の時間幅を決定する工程と、
各波に関して前記時間幅を測定試料の数で分割し、時間幅を得る工程と、
前記第１のサンプリング時間間隔を前記時間幅と概ね等しくなるように設定する工程と、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記確定する工程が、
前記出力信号の各階段状の変化の間の時間幅を決定するために前記出力信号を評価する工程と、
前記第１のサンプリング時間間隔を前記時間幅と概ね等しくなるように設定する工程と、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記オフセット時間が、前記第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含む、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
前記パーセンテージが、前記第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記算出する工程が、前記出力信号をサンプリングするために用いる回路の位相シフトを考慮して位相角補償を用いて静電容量を算出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記算出する工程が、次の方程式：
【数１】
0005695218.tif 000014
（式中、
Ｃ≒静電容量；
ｉＴ≒全電流；
Φ≒全電流と抵抗器電流との間の位相角；
ΦＣＯＭＰ≒位相角補償；
ｆ≒周波数；及び
Ｖ≒電圧）
を用いて静電容量を算出する工程を含む請求項１又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記位相角補償が、約３度から約２０度までの任意の値を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記位相角補償が約１１度を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記算出する工程が、
前記チャンバからの複数の電流出力を、前記周波数の１周期にわたってサンプリングする工程と、
サンプリングされた電流出力の平均値を得る工程と、
前記平均値を前記複数の電流出力の各サンプリングされた電流から減算する工程と、
前記減算する工程からの全ての負値の実効値を抽出して合計電流出力を提供する工程と、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記算出する工程が、
前記電流の、負値から正値への少なくとも１つのクロスオーバーポイントを前記サンプリングから決定する工程と、
前記電流の前記少なくとも１つのクロスオーバーポイントを近似補間して、前記電流が正値から負値に又は負値から正値に変化する第１の角度を決定する工程と、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電流の前記少なくとも１つのクロスオーバーポイントを補間する工程が、
前記サンプリングからの別のクロスオーバーポイントを補間して、前記電流が正値から負値に又は負値から正値に変化する別の角度を決定する工程と、
前記別の角度から約１８０度を減算して第２の角度を提供する工程と、
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記減算する工程が、前記第１の角度及び前記第２の角度の平均を算出する工程を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記算出する工程が、振動入力電流と出力電流との間の角度の差を前記位相角として決定する工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１９】
基材上に堆積された試薬を有する前記基材と、
試験ストリップの試験チャンバ内の前記試薬に近接する少なくとも２つの電極と、
を含む分析物試験ストリップと、
前記２つの電極に接続するように配設されたストリップポートコネクタと、
電源と、
前記ストリップポートコネクタ及び前記電源に電気的に結合されたマイクロコントローラであって、
（ａ）バイオセンサチャンバの中で電気化学反応を開始し、所定周波数の振動電圧を前記チャンバに印加し、
（ｂ）前記所定周波数の出力信号の１周期当たりの所定のサンプリング速度に基づいて、前記出力信号の測定のための第１のサンプリング時間間隔を確定し、
（ｃ）前記第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔で前記チャンバからの前記出力信号をサンプリングし、それにより、各々のサンプリングされた出力信号の大きさを、前記第１の時間間隔の代わりに前記第２のサンプリング時間間隔ごとに継続して測定し、
（ｄ）前記サンプリングされた出力信号に基づいて、前記チャンバからの出力信号と振動電圧との間の位相角を決定し、
（ｅ）決定した前記位相角に基づいて前記チャンバの静電容量を算出する、
ようにプログラムされている、マイクロコントローラと、
を含む分析物計測器と、
を含む分析物測定システム。
【請求項２０】
前記第２のサンプリング時間間隔が、前記第１のサンプリング時間間隔に対する所定のオフセット時間に基づく、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１のサンプリング時間間隔が、前記出力信号の大きさの各階段状変化の間の時間幅を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記オフセット時間が、前記第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含む、請求項２０又は２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記パーセンテージが、前記第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を含む、請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権）
本出願は、２０１１年２月２４日出願の先に出願された第１３／０３４，２８１号（代理人整理番号ＤＤＩ−５１９６）及び２０１１年２月２５日出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／０００２６７（代理人整理番号Ｐ０５６４７８ＷＯ）の一部継続出願として、米国特許法第１２０条に基づく優先権を主張し、該出願は共に２０１０年２月２５日出願の米国特許仮出願第６１／３０８，１６７号（代理人整理番号ＤＤＩ−５１９６）の優先権を主張するものであり、上記出願の全ては参照によりそれら全体が本出願の明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
生理液、例えば血液又は血液由来の製品中の分析物を検出することは、今日の社会にとっての重要性が高まる一方である。分析物検出アッセイは、臨床検査、家庭検査などを含めて、多様な用途に利用法が見出されるものであり、そのような検査の結果は、多様な病状の診断及び処置において主要な役割を果たしている。目的の分析物には、糖尿病の処置のためのグルコース、コレステロールなどが挙げられる。こうした分析物検出の重要性の高まりに応じて、臨床での使用と家庭での使用の両方に対応する多様な分析物検出の手順及びデバイスが開発されてきた。
【０００３】
分析物検出に用いられる方法の１つの種類は電気化学的方法である。かかる方法では、水性液体試料が、２つの電極、例えば対極及び作用電極を含む電気化学セルの中の試料受容試験セルに入れられる。分析物をレドックス剤と反応させて、分析物濃度に対応する量の酸化可能（又は還元可能）物質を形成する。次いで、存在する酸化可能（又は還元可能）物質の量を電気化学的に推定して、初期試料中に存在する分析物の量と関連付ける。
【０００４】
こうしたシステムは、様々なモードの無効化及び／又は誤差を受けやすい。例えば、温度の変動は、その方法の結果に影響を与え得る。このことは、家庭用途又は第三世界各国における場合によくあるように、特にその方法が制御されていない環境で行われる場合に関係がある。誤差は、試料サイズが正確な結果を得るのに十分でない場合にも生じ得る。測定試験電流は、試料で湿潤された作用電極の面積に比例するので、部分的に充填された試験ストリップは不正確な結果をもたらす可能性があり得る。したがって、部分的に充填された試験ストリップは、一定の状況下で、負にバイアスされたグルコース濃度をもたらす可能性がある。
【０００５】
これらの問題のいくつかを軽減するために、バイオセンサ研究者は、試験チャンバの充填充足性を決定するために試験チャンバの静電容量を用いることに注意を向けるようになった。例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４に示されかつ説明されており、これらは全て参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，８５６，１２５号
【特許文献２】米国特許第６，８７２，２９８号
【特許文献３】米国特許第７，１９５，７０４号
【特許文献４】米国特許第７，１９９，５９４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願人は、充填されたバイオセンサ試験ストリップを判定する際の平行ストリップの抵抗の効果が無視されて、特により低い並列抵抗に遭遇したときに、試験ストリップの静電容量の測定値が不正確に高くなると考える。本出願人の発明の例示的な実施形態は、この効果を考慮に入れると同時に、バイオセンサの電気化学試験セル内の抵抗を測定する必要性を不要にする。
【０００８】
一態様では、試験ストリップの電気化学的バイオセンサ試験セルの静電容量を決定する方法が提供される。試験チャンバは、チャンバの中に配置され、かつマイクロコントローラに接続された少なくとも２つの電極を有する。本方法は、バイオセンサチャンバ内に試料を堆積させたらすぐに試料の電気化学反応を開始する工程と、所定周波数の振動信号をチャンバに印加する工程と、所定周波数の出力信号の１周期当たりの所定のサンプリング速度に基づいて、出力信号の測定のための第１のサンプリング時間間隔を確定する工程と、第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔でチャンバからの出力信号をサンプリングする工程であって、それにより、各々のサンプリングされた出力信号の大きさを、第１の時間間隔の代わりに第２のサンプリング時間間隔ごとに継続して測定する、工程と、サンプリングする工程からサンプリングされた出力信号に基づいて、チャンバからの出力信号と振動入力信号との間の位相角を決定する工程と、位相角からチャンバの静電容量を算出する工程と、によって達成される。この態様の変形形態では、第２のサンプリング時間間隔は、第１のサンプリング時間間隔に対する所定のオフセット時間に基づき、又は第１のサンプリング時間間隔は、出力信号の大きさの各階段状変化の間の時間幅を含み、オフセット時間は、第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含み、該パーセンテージは、第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を含む。この態様の別の変形形態では、確定する工程が、所定周波数の信号の１つの波の時間幅を決定する工程と、各波に関して時間幅を測定試料の数で分割して時間幅を得ることと、第１のサンプリング時間間隔を該時間幅と概ね等しくなるように設定する工程と、を含む。更なる変形形態では、確定する工程が、出力信号の各階段状の変化の間の時間幅を決定するために出力信号を評価する工程と、第１のサンプリング時間間隔を該時間幅と概ね等しくなるように設定する工程と、を含む。更に、この態様では、オフセット時間が、第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含んでもよく、該パーセンテージが、第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を含むことが注目される。この態様の更なる変形形態では、算出する工程は、出力信号をサンプリングするために用いる回路の位相シフトを考慮すべく、位相角補償を有する静電容量を算出する工程を含み得る。具体的には、算出する工程は、次の形態の等式を用いて静電容量を算出する工程を含む。
【数１】
0005695218.tif 000002
（式中、
Ｃ≒静電容量；
ｉＴ≒全電流；
Φ≒全電流と抵抗器電流との間の位相角；
ΦＣＯＭＰ≒位相角補償；
ｆ≒周波数；及び
Ｖ≒電圧。）
【０００９】
別の変形形態では、位相角補償が、約３度から約２０度までの任意の値を含み得る。より特定の変形形態では、位相角補償が約１１度を含み得る。更なる変形形態では、算出する工程が、チャンバからの複数の電流出力を、周波数の１周期にわたってサンプリングする工程と、サンプリングされた電流出力の平均値を得ることと、複数の電流出力の各サンプリングされた電流から平均値を減算する工程と、減算から全ての負値の実効値を抽出して合計電流出力を提供する工程と、を含み得ることに留意すべきである。あるいは、算出する工程が、電流の、負値から正値への少なくとも１つのクロスオーバーポイントをサンプリングから決定する工程と、電流の少なくとも１つのクロスオーバーポイントを近似補間して、電流が正値から負値に又は負値から正値に変化する第１の角度を決定する工程と、を含み得る。電流の少なくとも１つのクロスオーバーポイントを補間する工程が、サンプリングからの別のクロスオーバーポイントを補間して、電流が正値から負値に又は負値から正値に変化する別の角度を決定する工程と、別の角度から約１８０度を減算して第２の角度を提供する工程と、を含み得ることに更に留意すべきである。減算する工程が、第１の角度及び第２の角度の平均を算出する工程を更に含み得る。算出する工程が、振動入力電流と出力電流との間の角度の差を位相角として決定する工程を含み得る。
【００１０】
更に別の態様では、分析物試験ストリップと分析物測定器とを含む分析物測定システムが提供される。分析物試験ストリップは、その上に試薬が配置された基材と、試験ストリップの試験チャンバ内の試薬に近接する少なくとも２つの電極と、を含む。分析物測定器は、２つの電極に接続するように配置されたストリップポートコネクタと、電源と、ストリップポートコネクタ及び電源に電気的に結合されたマイクロコントローラと、を含む。マイクロコントローラは、バイオセンサチャンバの中で電気化学反応を開始し、所定周波数の振動電圧をチャンバに印加し、所定周波数の出力信号の１周期当たりの所定のサンプリング速度に基づいて、出力信号の測定のための第１のサンプリング時間間隔を確定し、各サンプリングされた出力信号の大きさを第１の時間間隔で測定する代わりに各一連の第２のサンプリング時間間隔で測定するように、第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔でチャンバからの出力信号をサンプリングし、サンプリングされた出力信号に基づいて、チャンバからの出力信号と振動入力信号との間の位相角を決定し、決定した位相角に基づいてチャンバの静電容量を算出する、ようにプログラムされている。このシステムでは、第２のサンプリング時間間隔は、第１のサンプリング時間間隔に対する所定のオフセット時間に基づく。更に、第１のサンプリング時間間隔は、出力信号の大きさの各階段状変化の間の時間幅を含み得る。具体的には、オフセット時間は第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージを含んでもよく、該パーセンテージは、第１のサンプリング時間間隔の約５％〜約３０％の範囲を有してもよい。
【００１１】
これら及び他の実施形態、特徴並びに利点は、以下に述べる本発明の異なる例示的実施形態のより詳細な説明を、はじめに下記に簡単に述べる付属の図面とあわせて参照することによって当業者にとって明らかになるであろう。
【００１２】
本明細書に援用する明細書の一部をなす添付図面は、現時点における本発明の好適な実施形態を示したものであって、上記に述べた一般的説明並びに下記に述べる詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明する役割を果たすものである（同様の数字は同様の要素を表す）。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】分析物測定器と試験ストリップとを含む例示的な分析物測定システムを示す。
【図２】図１の測定器の例示的な回路基板の簡略化された概略図を示す。
【図３Ａ】図１の試験ストリップの分解斜視図を示す。
【図３Ｂ】試験チャンバ６１の図式電気モデル、及び抵抗器−容量性モデルのフェーザ図を示す。
【図４】充填された試験ストリップの静電容量を測定するための構成要素の簡略図を示す。
【図５Ａ】試験ストリップに印加される、時間経過に伴う電圧の印加を示す。
【図５Ｂ】時間経過に伴う試験ストリップからの電流出力応答の振幅を示す。
【図６Ａ】領域６０２で示される電流出力のサンプリングを示す。
【図６Ｂ】図６Ａのサンプリングされたデータから直流成分が除去された時点の交流出力を示す。
【図６Ｃ】試験ストリップに印加される交流電圧と、試験ストリップからの交流出力との間の位相角を示す。
【図６Ｄ】試験ストリップに印加される交流電圧と、試験ストリップからの交流出力との間の位相角を示す。
【図６Ｅ】図６Ｃの印加電流のクロスオーバーポイントとの比較を目的として図６Ｄのクロスオーバーポイントを決定するための、サンプリングされたデータの補間を示す。
【図７Ａ】試験ストリップのそれぞれの構成要素及び試験セルの静電容量からの様々な抵抗源を示すための、図３Ａのストリップの輪郭の上の電気モデルのオーバレイを示す。
【図７Ｂ】試験セル６１及び試験ストリップコネクタの抵抗のモデルの電気略図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｂのモデルのフェーザ図を示す。
【図７Ｄ】従来の試作品と比較した場合の実施形態の改善を示す。
【図８Ａ】図７Ｂの試験ストリップの参照モデルにおける試験セル抵抗及び試験セル静電容量に関する参照出力応答を示す。
【図８Ｂ】実際の試験ストリップにおける試験セル抵抗及び試験セル静電容量に関する実際の出力応答を示す。
【図９Ａ】システムによってサンプリングされた出力振動信号を示し、出力信号を区分的な又は階段状の信号として提供する６４の個別の電流試料によって生成される信号を示している。
【図９Ｂ】参照振動出力信号９０２と比較した場合の実際にサンプリングされた振動信号９０４のオーバレイを示し、サンプリングされた信号はストリップ抵抗が高いストリップから得た。
【図９Ｃ】参照振動出力信号９０２と比較した場合の実際にサンプリングされた振動信号９０６のオーバレイを示し、サンプリングされた信号９０６は、図９Ｂのストリップ抵抗に比べてストリップ抵抗が低いストリップから得た。
【図９Ｄ】滑らかな出力信号９０２と比較した場合の、区分的な又は階段状の出力信号９０６における階段状の変化によって引き起こされるエラーを詳細に示す。
【図９Ｅ】滑らかな出力信号９０２と比較した場合の、区分的な又は階段状の出力信号９０６における階段状の変化によって引き起こされるエラーを詳細に示す。
【図９Ｆ】より正確な静電容量の測定を可能にする第２のサンプリング時間間隔を提供するために、第１のサンプリング時間間隔が時間オフセットによってどのように変更されるかをグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の詳細な説明は、図面を参照しつつ読まれるべきもので、異なる図面中、同様の要素は同様の参照符号にて示してある。図面は必ずしも一定の縮尺を有さず、選択した実施形態を示したものであって、本発明の範囲を限定するものではない。詳細な説明は本発明の原理を限定するものではなく、あくまでも例として説明するものである。この説明文は、当業者による発明の製造及び使用を明確に可能ならしめるものであり、出願時における発明を実施するための最良の形態と考えられるものを含む、発明の複数の実施形態、適応例、変形例、代替例、並びに使用例を述べるものである。
【００１５】
本明細書で任意の数値や数値の範囲について用いる「約」又は「およそ」という用語は、構成要素の部分又は構成要素の集合が、本明細書で述べるその所望の目的に沿って機能することを可能とするような適当な寸法の許容誤差を示すものである。更に、本明細書で用いる「患者」、「ホスト」、「ユーザー」、及び「被験者」という用語は任意のヒト又は動物患者を指し、システム又は方法をヒトにおける使用に限定することを目的としたものではないが、ヒト患者における本発明の使用は好ましい実施形態を代表するものである。
【００１６】
本発明のシステム及び方法は、多種多様な試料中の多種多様な分析物の測定で使用するのに好適であり、全血、血漿、血清、間質液、又はそれらの類縁体中の分析物の測定で使用するのに特に好適である。例示的な実施形態において、対向する電極を有する薄層セル設計及び速い（例えば、約５秒の分析時間）３つのパルス電気化学設計に基づくグルコース試験システムが必要とするのは、少量の試料（例えば、約０．４μＬ（マイクロリットル））であり、血液グルコース測定の改善された信頼性及び精度を提供することができる。反応セルでは、試料中のグルコースは、グルコースデヒドロゲナーゼを使用してグルコノラクトンに酸化することができ、電気化学的に活性である媒介物質は、酵素から作用電極に電子をシャトル輸送するために使用することができる。３つのパルスの電位波形を作用電極及び対電極に印加するために定電位を利用することができ、結果として、グルコース濃度を算出するために使用される試験電流遷移を生じる。更に、試験電流遷移から得られる追加的な情報は、サンプルマトリックス間の区別、及びヘマトクリット値、温度変化、電気化学的活性成分による血液サンプルの変動性の補正、並びに起こり得るシステムエラーの同定のために使用され得る。
【００１７】
標記方法は、原理的には、離間した第一及び第二電極と試薬層とを有する任意のタイプの電気化学セルと共に使用することができる。例えば、電気化学セルは、試験ストリップの形状であることができる。一態様では、試験ストリップは、試料受容試験セル又は試薬層が位置決めされる領域を画定するために薄いスペーサにより分離された２つの対向する電極を含んでもよい。例えば、同一平面上の電極を有する試験ストリップなどの他の種類の試験ストリップを、本明細書に記載される方法と共に使用してもよいことを、当業者なら理解するであろう。
【００１８】
図１は、糖尿病データ管理ユニット１０と、グルコース試験ストリップ８０の形態のバイオセンサとを含む糖尿病管理システムを示す。糖尿病データ管理ユニット（ＤＭＵ）は、分析物測定及び管理ユニット、グルコース測定器、測定器、及び分析物測定デバイスと呼ばれる場合もあることに留意されたい。一実施形態において、ＤＭＵは、インスリン送達デバイス、追加の分析物試験デバイス、及び薬物送達デバイスと組み合わされてもよい。ＤＭＵは、ケーブル又は好適な無線技術、例えば、ＧＳＭ（登録商標）、ＣＤＭＡ、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ等を介して、コンピュータ２６又はサーバ７０に接続されてもよい。
【００１９】
図１に戻って参照すると、グルコース測定器１０は、ハウジング１１、ユーザーインターフェースボタン（１６、１８、及び２０）、ディスプレイ１４、及びストリップポート開口２２を含むことができる。ユーザーインターフェースボタン（１６、１８及び２０）は、データの入力、メニューのナビゲーション、及びコマンドの実行を可能とするように構成することができる。ユーザーインターフェースボタン１８は、２方向トグルスイッチの形態であることができる。データには、検体濃度及び／又は患者の日常の生活習慣に関連した情報を表す値を挙げることができる。日常の生活習慣に関連した情報には、食物の摂取、薬の使用、健康診断の実施、並びに個々の一般的な健康状態及び運動レベルを挙げることができる。
【００２０】
測定器１０の電子構成要素は、ハウジング１１内部の回路基板３４上に配置することができる。図２は、回路基板３４の上面上に配置された電子構成要素を（概略的な形で）示す。上面上の電子構成要素としては、ストリップポート開口３０８、マイクロコントローラ３８、不揮発性フラッシュメモリ３０６、データポート１３、リアルタイムクロック４２、及び複数のオペアンプ（４６〜４９）が挙げられる。底面上の電子構成要素としては、複数のアナログスイッチ、バックライトドライバ、及び電気的消却・プログラム可能型読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ、図示せず）が挙げられる。マイクロコントローラ３８は、ストリップポート開口３０８、不揮発性フラッシュメモリ３０６、データポート１３、リアルタイムクロック４２、複数のオペアンプ（４６〜４９）、複数のアナログスイッチ、バックライトドライバ、及びＥＥＰＲＯＭに電気的に接続され得る。
【００２１】
図２に戻って参照すると、複数のオペアンプは、利得段オペアンプ（４６及び４７）、トランスインピーダンスオペアンプ４８、及びバイアスドライバオペアンプ４９を含み得る。複数のオペアンプは、ポテンシオスタット機能及び電流測定機能の一部を提供するように構成され得る。ポテンシオスタット機能とは、試験ストリップの少なくとも２つの電極間に試験電圧を加えることを指し得る。電流機能とは、加えられた試験電圧によって生じる試験電流を測定する工程を指し得る。電流測定は、電流電圧変換器によって行うことができる。マイクロコントローラ３８は、例えばＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ＭＳＰ  ４３０などの混合シグナルマイクロプロセッサ（ＭＳＰ）の形態であってよい。ＭＳＰ  ４３０は、ポテンシオスタット機能及び電流測定機能の一部を行うように構成することもできる。更に、ＭＳＰ  ４３０はまた、揮発性及び不揮発性メモリを含むことができる。別の実施形態では、電子構成要素の多くは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形態でマイクロコントローラと統合され得る。
【００２２】
ストリップポートコネクタ３０８は、ストリップポート開口２２に近接して位置決めされ、かつ試験ストリップと電気的接続を形成するように構成されることができる。ディスプレイ１４は、測定された血糖値を報告し、生活習慣に関連した情報の入力を容易にするための、液晶ディスプレイの形態であってよい。ディスプレイ１４は、任意にバックライトを有してよい。データポート１３は、接続リード線に取り付けられた適当なコネクタを受容することにより、グルコース測定器１０をパーソナルコンピュータなどの外部装置に接続することができるようになっている。データポート１３は、例えば、シリアル、ＵＳＢ、又はパラレルポートなど、データ送信が可能な任意のポートであってもよい。
【００２３】
リアルタイムクロック４２は、ユーザーが位置する地理的領域に関連する現在時刻を維持し、また時間を計測するように構成され得る。リアルタイムクロック４２は、クロック回路４５、クリスタル４４、及び超コンデンサ４３を含んでもよい。ＤＭＵは、例えば、電池などの電源に電気的に接続されるように構成され得る。超コンデンサ４３は、電力供給障害があった場合にリアルタイムクロック４２に電力供給するために、長時間電力供給するように構成され得る。したがって、電池が放電する又は交換されるときに、ユーザーがリアルタイムクロックを固有時間に再設定する必要がない。リアルタイムクロック４２を超コンデンサ４３と一緒に使用することによって、ユーザーがリアルタイムクロック４２を誤って再設定するかもしれないリスクを軽減することができる。
【００２４】
図３Ａは例示的な試験ストリップ８０を示しており、そのストリップ８０は、遠位端８０から近位端８２まで延びかつ側縁部を有する細長い本体を含む。ここで示されるように、試験ストリップ８０はまた、第１の電極層６６ａと、絶縁層６６ｂと、第２の電極層６４ａと、絶縁層６４ｂと、２つの電極層６４ａ及び６６ａの間に挟まれたスペーサ６０とを含む。第１の電極層６６ａは、第１の電極６７ａと、第１の接続トラック７６と、第１の接触パッド４７とを含むことができ、図３Ａ及び図４に示されるように、第１の接続トラック７６は、第１の電極層６６ａを第１の接触パッド６７に電気的に接続する。第１の電極６７ａは、試薬層７２の直下にある第１の電極層６６ａの一部であることに留意されたい。同様に、第２の電極層６４ａは、第２の電極６７ｂと、第２の接続トラック７８と、第２の接触パッド７８とを含むことができ、図３及び図４に示されるように、第２の接続トラック７８は、第２の電極６７ｂを第２の接触パッド７８に電気的に接続する。第２の電極は、試薬層７２の上方にある第２の電極層６４ａの一部を含むことに留意されたい。
【００２５】
図３Ａに示されるように、試料受容電気化学試験セル６１は、第１の電極６７ａ、第２の電極６７ｂ、及び試験ストリップ８０の遠位端８０の近くのスペーサ６０によって画定される第１の電極６７ａ及び第２の電極６７ｂは、それぞれ、試料受容電気化学試験セル６１の底部及び上部を画定することができる。スペーサ６０の切欠き領域６８は、試料受容電気化学試験セル６１の側壁を画定することができる一態様では、試料受容電気化学試験セル６１は、試料入口及び／又は通気口を提供するポート７０を含むことができる。例えば、ポートの１つは流体試料が入るのを可能にし、他のポートは空気が出るのを可能にし得る。１つの例示的な実施形態において、第１の電極層６６ａ及び第２の電極層６４ａは、それぞれ、スパッタされたパラジウム及びスパッタされた金から作製することができる。スペーサ６０として使用することができる好適な材料としては、例えば、プラスチック（例えば、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスチレン）、シリコン、セラミック、ガラス、接着剤、及びこれらの組み合わせなどの様々な絶縁材料が挙げられる。一実施形態において、スペーサ６０は、ポリエステルのシートの両面にコーティングされた両面接着剤の形態であってもよく、その場合、接着剤は、感圧性接着剤又は加熱活性化接着剤であってもよい。
【００２６】
図３Ａに戻って参照すると、第１の電極及び第２の電極の面積は、２つの側縁部及び切欠き領域６８によって画定され得る。この面積は、液体試料によって湿潤される電極層の表面として定義され得ることに留意されたい。一実施形態において、スペーサ６０の接着剤部分は、接着剤が第１の電極層６６Ａと結合を形成するように、試薬層に混ざる及び／又は部分的に溶解することができる。このような接着結合は、液体試料によって湿潤され得る電極層の一部分を画定するのを助け、更には媒介物質を電解酸化又は電解還元するのを助ける。
【００２７】
第１の電極又は第２の電極のいずれかは、印加された試験電圧の大きさ及び／又は極性に応じて、作用電極の機能を実行することができる。作用電極は、還元された媒介物質の濃度に比例する限界試験電流を測定することができる。例えば、電流を制限する種が還元された媒介物質（例えば、フェロシアン化物）である場合、試験電圧が第２の電極に対する酸化還元媒介物質の電位より十分に低ければ、還元された媒介物質を第１の電極で酸化できる。かかる状況において、第１の電極は作用電極の機能を実行し、第２の電極は対電極／参照電極の機能を実行する。当業者は、対電極／参照電極を単に参照電極又は対電極として参照してもよいことに留意すべきである。制限酸化は、測定された酸化電流が、バルク溶液から作用電極表面へ拡散する還元された媒介物質の流量に比例するように、全ての還元された媒介物質が作用電極面で枯渇したときに生じる。バルク溶液という用語は、枯渇領域内に還元された媒介物質が存在しない、作用電極から十分に離れた溶液の一部を指す。試験ストリップ８０に関して特に明記しない限り、以下、測定器１０により印加された電位は全て、第２の電極に関して記述されるものであることに留意するべきである。同様に、試験電圧が酸化還元媒介物質の電位より十分に高い場合、その還元された媒介物質は、制限電流として第２の電極で酸化され得る。このような状況では、第２の電極は作用電極の機能を実行し、第１の電極は対電極／参照電極としての機能を実行する。例示的な試験ストリップ、ストリップの操作、及び試験測定器に関する詳細は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、写しが付属書類に添付される、米国特許出願公開第２００９０３０１８９９号に見出される。
【００２８】
図３Ａを参照すると、試験ストリップ８０は、１つ以上の作用電極と対電極とを含むことができる。試験ストリップ８０は、更に複数の電気的接触パッドを有することができ、その場合、各電極は少なくとも１つの電気的接触パッドと電気的に導通することができる。ストリップポートコネクタ３０８は、電気的接触パッドと電気的にインターフェースして、電極と電気的導通を形成するように構成され得る。試験ストリップ８０は、少なくとも１つの電極上に配置されている試薬層を含むことができる。試薬層は、酵素及び調節物質を含み得る。試薬層に使用するのに適した例示的な酵素としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ（ピロロキノリンキノン補因子「ＰＱＱ」とともに）、及びグルコースデヒドロゲナーゼ（フラビンアデニンジヌクレオチド補因子「ＦＡＤ」とともに）が挙げられる。試薬層に使用するのに適した例示的な調節物質としては、フェリシアニドがあり、この場合では酸化型である。試薬層は、グルコースを酵素的副産物に物理的に変換させ、その過程でグルコース濃度に比例した所定量の還元型の調節物質（例、フェロシアニド）を生成するように構成することができる。この後、作用電極によって還元型調節物質の濃度を電流の形態で測定することができる。次いで、グルコース測定器１０は電流の大きさをグルコース濃度に変換することができる。好ましい試験ストリップの詳細は、米国特許第６１７９９７９号、同第６１９３８７３号、同第６２８４１２５号、同第６４１３４１０号、同第６４７５３７２号、同第６７１６５７７号、同第６７４９８８７号、同第６８６３８０１号、同第６８９０４２１号、同第７０４５０４６号、同第７２９１２５６号、同第７４９８１３２号に提供されており、当該特許の全ては、参照によりそれら全てが本明細書に組み込まれる。
【００２９】
図４は、静電容量の測定のために使用される種々の機能的構成要素を概略的な形で示す。具体的には、構成要素はマイクロコントローラ３００を含む。マイクロコントローラ３００の好ましい実施形態は、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔから超低電力マイクロコントローラモデルＭＳＰ４３０として入手可能である。マイクロコントローラ（「ＭＣ」）３００は、ＤＡＣ出力及び内蔵Ａ−Ｄ変換器を備えていてもよい。ＭＣ  ３００は、液晶ディスプレイ画面３０４に好適に接続されて、検査結果又は検査結果に関連したその他の情報の表示を提供する。メモリ３０６は、検査結果、感度電流、及び他の必要な情報又はデータを保存するために、ＭＣ  ３００に電気的に接続される。試験ストリップは、試験測定のためにストリップポートコネクタ（「ＳＰＣ」）３０８を介して連結され得る。ＳＰＣ  ３０８は、試験ストリップが、第１の接触パッド４７ａ、４７ｂ及び第２の接触パッド４３を介してＭＣ  ３００とインターフェースをとるのを可能にする。図４に示されるように、第２の接触パッド４３を使用して、試験測定器に対する電気的接続を、Ｕ字形の切欠き部４５を介して確立することができる。ＳＰＣ  ３０８には、電極コネクタ３０８ａ及び３０８ｃもまた備わっていてもよい。第１の接触パッド４７は、４７ａ及び４７ｂで表わされるプロングを含むことができる。１つの例示的な実施形態において、第１の電極コネクタ３０８ａ及び３０８ｃは、それぞれ、プロング４７ａ及び４７ｂに別々に接続される。第２の電極コネクタ３０８ｂは、第２の接触パッド４３に接続することができる。試験測定器１０は、試験ストリップ８０が試験測定器１０に電気的に接続されているか否かを判定するために、プロング４７ａと４７ｂとの間の抵抗又は電気的導通を測定することができる。
【００３０】
図４を参照すると、ＳＰＣ  ３０８はスイッチ３１０に接続される。スイッチ３１０はバイアスドライバ３１２に接続される。バイアスドライバ３１２には、ＤＡＣ信号３１２ａ、カレントドライブ３１２ｂ、及びスイッチ信号３１２ｃが供給される。ＭＣ  ３００はＤＡＣ信号３１２ａを提供し、その信号は、０からＶｒｅｆ（例えば、約２．０４８Ｖ）の範囲のアナログ電圧を包含する。バイアスドライバ３１２は、定電圧又は定電流の２つのモードで動作することができる。カレントドライバライン３１２ｂは、バイアスドライバ３１２のモードを制御する。ライン３１２ｂを低く設定すると、バイアスドライバ３１２のオペアンプは電圧フォロワー増幅器になる。ＤＡＣ信号３１２ａ出力は、Ｖｒｅｆ／２＋／−４００ｍＶフルスケールにスケーリングされる。バイアスドライバのオペアンプは、この電圧をライン・ドライバ−ライン３１２ｄとしてＭＣ  ３００に直接出力する。ライン３１２ｄの電圧は、Ｖｒｅｆ／２仮想接地に対して生成される。好適なバイアス（例えば、約２０ｍＶのバイアス）で駆動するために、ＤＡＣは（好適なスケーラを介して）約１．０４４Ｖで駆動する必要がある。約＋３００ｍＶのバイアスで駆動するために、ＤＡＣは、通常、約１．３２４Ｖを提供する必要があり、−３００ｍＶのバイアスでは、ＤＡＣは通常、約０．７２４Ｖを提供する必要がある。バイアスドライバ回路３１２はまた、１０９Ｈｚの正弦波を生成し、静電容量測定によって充填を検出するために使用される。
【００３１】
一方、バイアスドライバ３１２に対するカレントドライブ信号３１２ａが高く保たれる場合、ＤＡＣ出力は、約０〜約６０ｍＶフルスケールにスケーリングされる。スイッチ信号３１２ｃも給電されて、試験ストリップを通る電流路をバイアスドライバ３１２の抵抗器を通って迂回させることができる。バイアスドライバ３１２のオペアンプは、抵抗器にわたる電圧降下が、スケーリングされたＤＡＣドライブと同じとなるように制御することを試み、この場合には約６００ｎＡの電流を生成する。この電流は、試験測定を開始するために、試料検出に使用される。
【００３２】
バイアスドライバ３１２は、トランスインピーダンス増幅回路（「ＴＩＡ回路」）３１４にも接続される。ＴＩＡ回路３１４は、ストリップの電極層６６ａ（例えば、パラジウム）を通って電極層６４ａ（例えば、金）接点まで流れる電流を電圧に変換する。全体的な利得は、ＴＩＡ回路３１４の抵抗器によって制御される。ストリップ８０は高容量性負荷であるので、標準的な低オフセット増幅器は振動する傾向がある。このため、低価格のオペアンプがＴＩＡ回路３１４にユニティ・ゲイン・バッファとして提供され、全体のフィードバックループ内に組み込まれる。機能ブロックとして、回路３１４は、高い駆動能力及び低電圧オフセットの両方を備えたデュアルオペアンプシステムとしての機能を果たす。ＴＩＡ回路３１４はまた、仮想接地（又は仮想アース）を利用して、ＳＰＣ  ３０８の電極層６４ａ（例えば、金）接点上に１．０２４Ｖのバイアスを生成する。回路３１４は、Ｖｒｅｆ増幅回路３１６にも接続される。この回路は、電流測定モードのとき、Ｖｒｅｆ／２（約１．０２４Ｖ）に設定された仮想接地レールを使用し、正電流及び負電流の両方を測定できるようにする。この電圧は利得増幅段３１８の全てに供給される。あらゆる回線負荷がこの電圧を「引き上げる」のを防止するため、ユニティ・ゲイン・バッファ増幅器をＶｒｅｆ増幅回路３１６内で使用してもよい。
【００３３】
ＴＩＡ回路３１４からのストリップ電流信号３１４ａ及び電圧基準増幅器３１６からの仮想接地レール３１６ａ（〜Ｖｒｅｆ／２）は、試験測定周期の種々の段階での必要性に応じてスケールアップされる。例示的な実施形態において、ＭＣ  ３００には、試験ストリップから感知された増幅信号の４つの回線が備わっており、分析物アッセイ中の試験ストリップの測定周期の異なる段階での必要性に応じて感度電流の増幅は変化する。
【００３４】
一実施形態において、試験測定器１０は、試験ストリップ８０の第１の接触パッド４７と第２の接触パッド４３との間に、試験電圧及び／又は電流を印加することができる。ストリップ８０が挿入されたことを試験測定器１０が認識した時点で、試験測定器１０のスイッチが入り、流体検出モードを開始する。一実施形態では、測定器は、ストリップ８０を流れる微小電流（例えば０．２〜１μＡ）を駆動することを試みる。試料が存在しない場合、抵抗は数メガオームを超えるので、電流を印加しようとするオペアンプの駆動電圧はレールに進む。試料が導入されると、抵抗は急激に低下し、駆動電圧がそれに続く。駆動電圧が所定の閾値未満に降下すると、試験手順が開始される。
【００３５】
図５Ａは、電極間に印加される電圧を示す。時間ゼロは、試料が最初にストリップを充填し始めたことを試料検出方法が検出した時刻とする。図５Ａにおいて約１．３秒に示される正弦波成分は、図示の目的で正確なタイムスケールで描かれていないことに留意されたい。
【００３６】
試料が試験ストリップチャンバ６１の中で検出された後、ストリップ電極間の電圧は、ミリボルトの大きさで好適な電圧まで増大されて、一定時間、即ち、約１秒維持され、より高い電圧まで増大されて一定時間保持され、次に正弦波電圧をＤＣ電圧の先端に一定時間印加し、次にＤＣ電圧が更なる時間印加され、その後負電圧に反転されて一定時間保持される。次に、この電圧はストリップから切断される。この一連の印加電圧は、図５Ｂに示されるもののような電流トランジェントを生成する。
【００３７】
図５Ｂにおいて、約０から約１秒までの電流信号（及びその後の電流試料）は、エラーチェックのため、かつ対照溶液試料を血液試料と区別するために使用され得る。約１秒から約５秒までの信号を分析して、グルコース結果を得る。この期間の信号は、様々な誤差に関しても分析される。約１．３秒から１．４秒までの信号を使用して、センサが完全に試料で充填されているか否かを検出する。１．３秒から１．３２秒までの電流は、ここではトレース５００として示されており、約１５０マイクロ秒間隔でサンプリングされて、十分な量の生理液が試験ストリップのチャンバ６１を充填したか否かを判定する。
【００３８】
十分な量かどうかをチェックする一実施形態では、静電容量測定を用いて、試験ストリップ８０のチャンバ６１の十分な分析物充填を推測する。静電容量の大きさは、試料流体で覆われた電極の面積に比例し得る。静電容量の大きさを測定した時点で、その値が閾値よりも大きく、したがって正確な測定のために十分な量の液体を試験ストリップが有する場合、グルコース濃度が出力され得る。しかしながら、その値が閾値以下である場合には、試験ストリップが有する液体の量が正確な測定のために不十分であることを示し、エラーメッセージが出力され得る。
【００３９】
試料が試験ストリップチャンバ６１の中で検出された後、ストリップ電極間の電圧は、ミリボルトの大きさで好適な電圧まで増大されて、一定時間、例えば、約１秒維持された後、より高い電圧まで増大されて一定時間保持され、次に正弦波電圧をＤＣ電圧の先端に一定時間印加し、次にＤＣ電圧が更なる時間印加され、その後負電圧に反転されて一定時間保持される。次に、この電圧はストリップから切断される。この一連の印加電圧は、図５Ｂに示されるもののような電流トランジェントを生成する。
【００４０】
静電容量を測定するための１つの方法では、定数成分と振動成分とを有する試験電圧が試験ストリップに印加される。そのような場合、得られる試験電流は、以下により詳細い記載されるように、静電容量値を決定するために数学的に処理され得る。
【００４１】
本出願人は、電極層を備えるバイオセンサの試験チャンバ６１は、図３Ｂに示されるような並列抵抗器及びコンデンサを有する回路の形態にモデリングされ得ると考える。
【００４２】
図３Ｂのこのモデルにおいて、Ｒは、電流が遭遇する抵抗を表し、Ｃは、電極に電気的に結合された生理液と試薬との組み合わせから生じる静電容量を表す。チャンバの静電容量の測定を開始するために、チャンバの中に配置されたそれぞれの電極間に交流バイアス電圧を印加することができ、チャンバからの電流が測定される。チャンバ６１の充填物は、一般に静電容量のみの測定値であると考えられるので、例えば、Ｒなどのあらゆる寄生抵抗を、静電容量のあらゆる決定又は算出に含めるべきではない。したがって、電流を測定又は検知する上で、あらゆる寄生抵抗は、測定電流に影響を与えると考えられる。しかしながら、本出願人は、上記でモデリングされたようなチャンバを通る抵抗の利用又は知識を必要とせずに静電容量を得るための技術を発見した。この技術を更に説明するために、この技術の根底にある数学的基礎の短い説明を提供する。
【００４３】
キルヒホッフの法則によると、図３Ｂの回路を通る合計電流（ｉＴ）は、抵抗器（ｉＲ）及びコンデンサ（ｉＣ）を流れる電流のほぼ合計である。交流電圧Ｖ（ＲＭＳとして測定）が印加されると、抵抗器電流（ｉＲ）は次の式１で表わすことができる。
【数２】
0005695218.tif 000003
【００４４】
コンデンサの電流（ｉＣ）は次の式２で表わすことができる。
【数３】
0005695218.tif 000004
式中、
ｊは、コンデンサ内の電流が電圧より約９０度進んでいることを示す虚数演算子であり、
ωは角周波数２πｆである（式中、ｆは、ヘルツ（Ｈｚ）単位で示した周波数である）。
【００４５】
これら構成要素の概略は、図３Ｂのフェーザ図に示されている。フェーザ図において、Φは、出力と比べた場合の入力の位相角を表す。位相角Φは、次の三角関数によって決定される。
【数４】
0005695218.tif 000005
【００４６】
ピタゴラスの定理により、合計電流ｉＴの２乗は次の式４のように算出される。
【数５】
0005695218.tif 000006
【００４７】
等式４を整理して等式３を代入すると、次の等式が得られる。
【数６】
0005695218.tif 000007
【００４８】
コンデンサ電流ｉＣを解いて式２と組み合わせる。
【数７】
0005695218.tif 000008
【００４９】
Ｃを再整理し、ωを展開すると、静電容量は次の式７になる。
【数８】
0005695218.tif 000009
【００５０】
等式７を単純化することにより次式となる。
【数９】
0005695218.tif 000010
【００５１】
等式８は抵抗器電流を参照しないことが分かる。その結果、システムが、周波数ｆ及び実効（「ＲＭＳ」）振幅Ｖの交流電圧を駆動し、かつ合計電流ｉＴをＲＭＳ値及び位相角Φとして測定する場合、試験チャンバ６１の静電容量Ｃを、バイオセンサの試験チャンバの抵抗を測定する必要なく正確に算出することができる。バイオセンサのストリップの抵抗は測定が困難であり、５秒アッセイ時間にわたって変化するので、このことは大きな利点であると考えられる。抵抗は、所与の電気バイアス（電圧）でストリップを流れることができる電荷担体の数によって生じると考えられており、したがって反応依存性である。アッセイの１．３秒時点では、抵抗は１０ｋΩから１００ｋΩまでのいずれかとなることが見込まれる。したがって、バイオセンサチャンバの抵抗、又は更にはセンサ抵抗器などの測定回路の抵抗を決定する必要がないことにより、本出願人の発明は、試験ストリップ全体を改善することにより現況技術を進歩させた。
【００５２】
等式８に基づいて静電容量Ｃを決定するための典型的な技術の実施は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅ、及び図７と関連付けて理解することができる。図５Ａ及び図７に示されるように、約１０９ＨｚのＡＣ試験電圧（±５０ｍＶピークトゥピーク）を、約１〜１．３秒の間に２周期、又は少なくとも１周期の間印加することができる。好ましい実施形態において、第１の周期は調整パルスとして用いることができ、第２の周期は、静電容量を測定するために用いることができる。交流試験電圧は、例えば、ピークが約５０ミリボルトの約１０９ヘルツの正弦波といった、好適な波形であることができる（図６Ｃ）。サンプリングは、例えば、図６Ａに示される１周期当たり約６４〜６５といったように、１周期当たり好適な任意の試料量であり得る。したがって、各試料は、約５．６度の例示的な正弦波を示す。
【００５３】
図６Ａでは、システムは交流バイアスに直流電圧オフセットを加え、したがって、図６Ａで測定された試料は、直流オフセットも有することになり、これは、出願人らの技術の一例に従って合計電流ｉＴを測定するために、工程７０６及び７０８を介して除去されなければならない。
【００５４】
この技術では、図６Ａにおいて６０２で表わされる６４〜６５個の試料全ての平均値が得られ、これは試料の交流成分のゼロ電流に対する閾値を提供する。これを得ることの利点は、試料にわたるノイズが平均されることである。各サンプリングポイントに関し、平均値が各サンプリングポイントから減算され、これにより、ここでは図６Ｂに示されるように交流成分を分離する結果となる。したがって、全ての負値のＲＭＳ値が取られて、全電流ｉＴのほぼ正確な大きさが得られる。正値のＲＭＳ値をとることもできるが、本出願人は、正値は、周期全体の第１象限及び第４象限にわたって分割されるのでまとまりがなく、したがって負値が好ましいと考えることを指摘しておく。ＤＣオフセットを除去するために試料６０２を操作し終わった時点で、ここでは図６Ｂにおいて６０４で表わされるように、試料をプロットして時間経過に伴う電流の出力を示すことができる。
【００５５】
位相角を決定するために、適切にプログラムされたシステム又はプロセッサ３００は、ここでは図６Ｃに示される振動入力電圧を振動出力電流と比較して、位相角を決定することができる。好ましい実施形態において、サンプリングされたデータ６０４を分析して、正電流と負電流のクロスオーバーポイントを判定する。サンプリングは離散的な数の試料に基づいているので、出力電流がゼロ電流ラインを超えるのが実質的にいつであるかを決定するために補間を用いることができる。ここで記載される実施形態では、位相角Φは、９０度未満及び約８７度である。精度を上げるために、この第２の補間点から約１８０度を減算して、別のクロスオーバーポイントで補間を行うことができる。これら２つの補間値は２〜３度以内でなければならず、精度を高めるために平均化されてもよい。
【００５６】
位相角が得られたら、式８を用いて静電容量を算出することができる。試験ストリップ８０の静電容量を判定したら、２点較正を行って、静電容量値を、アナログ構成要素（例えば、抵抗器、コンデンサ、オペアンプ、スイッチ等）のあらゆる公差と無関係である値に正規化する。簡潔に述べると、並列抵抗が３０ｋの５５０ｎＦのコンデンサを測定入力にわたって設置し、静電容量を測定するように測定器に指示し、生成された値を記録する；並列抵抗が３０ｋの８００ｎＦのコンデンサを測定入力にわたって設置し、静電容量を測定するように測定器に指示し、生成された値を記録する、ことによって２点較正を行う。これら２点は、この特定のハードウェアインスタンス（設計ではない）の測定性能の利得及びオフセットの指標を提供する。次に、測定誤差から傾斜及びオフセットを算出し、測定器のメモリに保存する。ここで測定器が較正される。ストリップが挿入されて試料が提供されると、静電容量が測定され、保存された傾斜及びオフセットが適用されて測定値を補正する。
【００５７】
デバイスの較正の完了後、試験チャンバ６１が試験流体で十分に充填されているか否かを判定するための評価が行われる。この評価は、良好に充填された試験ストリップの大きな試料から得た平均静電容量値の少なくとも６５％〜８５％である静電容量の大きさに基づくことができる。
【００５８】
上述の技術的特徴は、その意図される用途にとって十分であると考えられるが、よりしっかりした静電容量の測定をより包括的なモデルによって行うことが可能である。そのため、本出願人は、図３Ａの電極層を有するバイオセンサ試験ストリップ８０及び試験セル６１を、図７Ａの一連の抵抗器ＲＰｄｃｏｎｔａｃｔ、ＲＰｄＦｉｌｍ、ＲＡｕＣｏｎｔａｃｔ、及びＲＡｕＦｉｌｍとして表わすことができ、試験セル６１を、図７ＡのＲＣｅｌｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ及びＣＤｏｕｂｌｅＬａｙｅｒを有する並列抵抗器−コンデンサ回路として表わすことができると考える。ストリップ８０の抵抗器及び試験セル６１の並列抵抗器−コンデンサは、図７Ｂに示されるように、ストリップの金及びパラジウム層のための直列抵抗器Ｒｓｔｒｉｐと、試験セル６１のための並列抵抗器Ｒｃｅｌｌ及びコンデンサＣ回路とを有する回路の形態でモデリングされ得る。図７Ｂのこのモデルでは、システムは、周波数ｆ及び二乗平均平方根（「ＲＭＳ」）振幅Ｖを有する交流電圧を駆動し、かつ全電流ｉＴをＲＭＳ値及び位相角Φとして測定し、試験セル６１の静電容量Ｃは、ストリップの抵抗率Ｒｓｔｒｉｐ及び測定回路によるあらゆる位相ずれを考慮する適切なオフセットで得ることができる。
【００５９】
実測及び数学モデリングを用いることにより、Ｒｓｔｒｉｐの抵抗を、ＡｕとＰｄの接点の変化に応じて約１２０オーム〜約１５０オーム（約１３５オームが一般的である）の範囲であると決定した。約１５０オームの範囲内のＲｓｔｒｉｐの抵抗は、Ｒｃｅｌｌ及びＣｃｅｌｌのずっと大きなインピーダンスと比較すると無視できるほどであった。したがって、１０９ヘルツにおけるＲｃｅｌｌの公称値が約３３キロオームであり、Ｃｃｅｌｌが約６００ナノファラッドであると仮定すると、位相角は約８５．６度であった。しかしながら、Ｒｓｔｒｉｐ（〜１５０オーム）の抵抗がセルに加わると、測定される位相角は約８２．７度とあり、その差は約３．５度であった。小さいとはいえ、この差は静電容量の測定に有意な影響を与えると考えられる。更に、トランスインピーダンス段３１４（図４）は、このステージに関連する位相シフトを実質的に全く有さないので（位相シフトは約１０９Ｈｚにおいて約０．００７度である）、約１０９Ｈｚにおける利得段３１８（図４）は、名目上は約６．１度の位相シフトを示した。この追加の位相シフトは、Ｒｓｔｒｉｐ及び図４の回路の様々な段による位相シフトを算出することによって、補償値ΦＣＯＭＰを導入することによってオフセットされ得る。補償値ΦＣＯＭＰを等式８に適用し、等式９でより正確な静電容量の測定値を得ることができる。
【数１０】
0005695218.tif 000011
【００６０】
好ましい実施形態では、補償位相角ΦＣＯＭＰは、約３〜約２５度、好ましくは約１１度である。
【００６１】
上記技術によってもたらされる改善を実証するために、実験を行って、静電容量応答に通常影響を及ぼす阻害物質のレベルが高いにもかかわらず静電容量を決定する上記技術の能力を判定した。図７Ｄは、異なる試作品への様々なレベルのゲンチシン酸による妨害に対して測定した静電容量を示す。試作品番号１は、オランダにおいて商品名Ｖｅｒｉｏで入手可能な血液グルコース測定システムであり、位相角補正なしで用いられ；試作品番号２は、フランスにおいて商品名Ｖｅｒｉｏ  Ｐｒｏで入手可能な血液グルコース測定システムであり：試作品番号３は試作品番号２と同様であったが、等式９と共に、及び測定回路を考慮すべく約６度の補償位相角と共に用いられ；試作品番号４は、約１５０オームのストリップ抵抗Ｒｓｔｒｉｐに合わせて較正されたストリップを備えた、位相角補償を１１度とした試作品番号３である。数字「０  １  ２  ３  ４」は、血液量及び生理食塩水に添加されたゲンチシン酸の増加するレベルを示す。具体的には、「０」レベルではゲンチシン酸は添加されず、「１」レベルでは濃度は約０．４５ミリグラム・パー・デシリットルであり、「２」レベルでは濃度は約０．９０ｍｇ／ｄＬであり、「３」レベルでは濃度は約１．３５ｍｇ／ｄＬであり、「４」レベルでは濃度は約１．８ｍｇ／ｄＬである。図７Ｄで用いるパラメータは表１に提供されており、「試験レベル」は、実験で用いる試料中のゲンチシン酸の最終濃度であり、レベル０は、試料中にゲンチシン酸が存在しないことを意味し、レベル１は、試料体積１デシリットル当たり約０．４５ｍｇのゲンチシン酸を意味し、レベル２は約０．９０ｍｇ／ｄＬを意味し、レベル３は約１．３５ｍｇ／ｄＬを意味し、レベル４は約１．８ｍｇ／ｄＬを意味し、これら試料は、様々な濃度の試験試料４０００マイクロリットルがもたらされるように、血液量、阻害物質（即ち、ゲンチシン酸）、及び生理食塩水を含む。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
図７Ｄを参照し、本出願は、高レベルの酸濃度は試験セル、ＲＣＥＬＬの抵抗を低下させる効果を有することを指摘する。試作品番号１では、試料中にゲンチシン酸はなく、静電容量計測は約５５２ナノファラッドに平均された。ゲンチシン酸の上記濃度が加えられると、静電容量値は約５９９ナノファラッドまで増加し、差は約４７ナノファラッドとなる。試作品番号２では、ゲンチシン酸の濃度が増加すると、静電容量の大きさは平均で約６２５ナノファラッド（ゲンチシン酸なし）から約５７３ナノファラッドまで下降し、つまり差は約５２ナノファラッドであった。測定回路の位相角補償がある試作品番号３では、平均で６３５ナノファラッド（ゲンチシン酸を添加せず）から約６０７ナノファラッドまでの低下を示し、つまり差は約２８ナノファラッドであった。それに対して、位相角補償があり、かつ約１５０オームに設定されたストリップ抵抗を用いる試作品番号４は、平均で約５９８ナノファラッドから約５８６ナノファラッドまでの低下を示し、差は約１２ナノファラッドであり、つまり試作品番号３から５０％を超えて減少した。最も高い平均静電容量と最も低い静電容量との間の差が減少するだけでなく、各ゲンチシン酸レベルにおける静電容量の最高と最低との間の変化（各垂直に配向された長方形の面積）が、試作品番号２から試作品番号４に向かってより小さくなる。これらの結果は、静電容量の測定は、本出願人の技術を用いると、様々な濃度の阻害物質（ゲンチシン酸など）に対する感受性が低くなることを示す。
【００６４】
図７Ｂのモデリングされた回路は、電気化学試験セルの静電容量（ＣＣＥＬＬ）、電気化学試験セルの抵抗（ＲＣＥＬＬ）、及び図８Ａに示されるストリップ抵抗（ＲＳＴＲＩＰ）の関数として変化する電気化学試験セル６１の応答を予測する。図８Ａから分かるように、ストリップ抵抗を約０オームと仮定すると、電気化学試験セル６１の予測又は参照静電容量性応答（線７００で示される）は、約１２０キロオームから約２０キロオームまでの試験セル抵抗の範囲にわたって概ね線形（約４３５ナノファラッド）であり、約２０キロオームの時点で予測又は参照静電容量性応答は約４５０ナノファラッドまでほとんど急激に増加する。ストリップ抵抗器を約５０オームと仮定すると、電気化学試験セル６１の予測又は参照静電容量性応答７０２は、約１２０キロオームから約２０キロオームまでの電気化学試験セル６１の抵抗にわたって概ね線形であり、約２０キロオームの時点で予測又は参照静電容量性応答は非線形に増加するが、ストリップ抵抗が約０である静電容量性応答７００ほどでなはい。ストリップ抵抗を約１００オームと仮定すると、電気化学試験セル６１の予測又は参照静電容量性応答７０４は、約１２０キロオームから約２０キロオームまでの試験セル６１の抵抗にわたって概ね線形であり、約２０キロオームの時点で予測又は参照静電容量性応答はやや非線形で減少する。ストリップ抵抗を約１００オームと仮定すると、試験セル６１の予測又は参照静電容量性応答７０４は、約１２０キロオームから約２０キロオームまでの試験セル６１の抵抗にわたって概ね線形であり、約２０キロオームの時点で予測又は参照静電容量性応答は急激に減少する。ＲＳＴＲＩＰ値の全てのケースで、セルの静電容量は、ＲＣＥＬＬが約１００キロオームの場合には概ね共通の値に向かって収束し、約２０キロオームから約０オームまではＲＳＴＲＩＰ値に応じて分岐する。
【００６５】
その一方、図３Ａの代表的な試験ストリップから得られる図８Ｂにおける実際の容量性及び抵抗性応答は、図８Ａの参照容量性／抵抗性応答とは全く異なる。具体的には、静電容量性応答は、高い値のＲＣＥＬＬにおいて共通の容量値に向かって収束しない。更に、実際のストリップの静電容量性応答は、図８Ｂの約０オームのＲｃｅｌｌにおいて概ね共通の値である約５９０ナノファラッドに向かって収束することによって、ＲＣＥＬＬの抵抗の低い端において図８Ａの参照又は予測モデルと反対の挙動を呈した。
【００６６】
異なるＲＣＥＬＬの値におけるＣＣＥＬＬの挙動の異常を更に調査した。交番信号がどのようにサンプリングされたかをもっとよく見てみると、本出願人がかかる異常の理由であると考えるものが示された。具体的には、参照モデルは純正弦波を用いているのに対し、実際の波９００は、本明細書において図９Ａに示されるように、１つの波当たり６４の異なる電流試料を有して区分的に生成される。図９Ａの波９００は滑らかな線ではなくステップを含むので、ＲＳＴＲＩＰに高度に依存するという結果になる測定回路の異なる応答を生成すると考えられる。
【００６７】
ＲＳＴＲＩＰを約２００オームとすると、純正弦波による励起による理論出力は、滑らかな連続した線９０２であるのに対し、ステップのある鋸歯状の線９０４は、例えば、図９Ａの区分的な信号９００などのステップ波信号を用いた出力であることが、図９Ｂから分かる。区分的な応答９０４を測定又はサンプリングするタイミングに依存して、振幅及び位相測定値は多少変化し得ることが分かる。図８Ａと図８Ｂとの間のこの異常をもたらすのは、電圧測定の不正確さに起因するストリップ抵抗ＲＳＴＲＩＰに対する静電容量の感度である。ＲＳＴＲＩＰが２００オームであるこの例では、位相差は、測定に深刻な影響を与えるのにはやや小さいことが分かる。
【００６８】
しかしながら、ＲＳＴＲＩＰが約０オームに設定される場合、位相差は有意であり得る。図９Ｃから分かるように、区分状応答９０６（反転した波整流を有するように見える）は、応答９０６がどこでサンプリングされるかに応じて、最大約２０％の出力差を提供することができる。この差は、より大きな静電容量の測定誤差を引き起こすので顕著であると考えられる。本出願人は、セルの抵抗であるＲＣＥＬＬが低減すると、区分的な波９００に起因する妨害の振幅も低減し、このことが、ＲＣＥＬＬが約５キロオームであるときに静電容量の測定が単一の容量値に収束する傾向の理由であると考えられることを指摘する。
【００６９】
この影響を補償するため、区分的な波９０６の階段状の変化のあとの適切な時に、区分出力信号をサンプリングしなければならない。図９Ｄに示されるように、区分的な波９０６は、純粋波９０２と比較すると、波９０６の方向の変化の間に純粋波９０２から遅れる又は進む傾向がある。図９Ｄの拡大部分（図９Ｅに示されてる）を見ると、区分的な波９０６のピーク９０８と、区分的な波９０６がクロスオーバーポイント９１０において純粋波９０２と交差する位置との間に、時間差Δｔが存在することが分かる。
【００７０】
異常の原因についてのこの発見から、本出願人は、図９Ｆ及び表１を参照し、ＣＣＥＬＬ、ＲＳＴＲＩＰ、及びＲＣＥＬＬの値域を用いて、この時間差Δｔを測定する実験を進めた。図９Ｆにおいて、参照符「ａ」は、区分的変化がステップするピーク９０８を示し、参照符「ｂ」は、利得増幅段３１４の出力が理論波形と一致する所望のサンプリング点を示す。測定は、正弦波の正及び負の相の両方の複数の点で行われた。全体の結果は表１に示されており、ストリップ及び測定器システムの変動の境界条件についての有用な手掛かりを提供する。
【００７１】
表１から、様々な境界条件から平均値を算出して、代表的システムのための好ましいサンプリングタイミングを得ることができる。本出願人は、オフセットタイミングは、波９０６のピークトゥピークからの階段状の変化の時間幅の約２０％であるべきだと考える。駆動周波数約１０９Ｈｚ及び波１周期当たり６４試料であるこの特定の例では、１４３マイクロ秒の階段状の変化の時間幅の２０％は約２８マイクロ秒である。しかしながら、駆動周波数、サンプリング速度、階段状変化の時間幅、並びに使用する測定器及びストリップシステムに応じて、５％〜４０％（又は約１７マイクロ秒〜約３８マイクロ秒）の他の値も機能することに留意すべきである。
【００７２】
【表２】
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【００７３】
上記に基づき、本出願人は、チャンバの中に配置され、かつマイクロコントローラに接続された少なくとも２つの電極を有するバイオセンサチャンバの静電容量を決定する方法を発見した。該方法は、バイオセンサチャンバの中に試料を堆積して試料の電気化学反応を開始した後、所定周波数の振動信号をチャンバに印加する工程と、所定周波数の出力信号の１周期当たりの所定のサンプリング速度に基づいて、出力信号の測定のための第１のサンプリング時間間隔を確定する工程と、第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔でチャンバからの出力信号をサンプリングする工程であって、それにより、各々のサンプリングされた出力信号の大きさを、第１の時間間隔の代わりに第２のサンプリング時間間隔ごとに継続して測定する、工程と、サンプリングる工程からサンプリングされた出力信号に基づいて、チャンバからの出力信号と振動入力信号との間の位相角を決定する工程と、を含む。
【００７４】
印加する工程において、振動信号は交流電流（「ＡＣ」）信号又は多方向信号であってもよく、所定周波数は約１０９ヘルツであってもよい。確定工程において、第１のサンプリング時間間隔は、所定周波数及び信号の各周期毎に行われる試料測定の回数に基づいて得られる。一例として、図６Ａでは、入力信号の所定周波数は毎秒約１０９周期であり、これは出力信号の１周期が約０．００９秒であることを意味する。所望のサンプリング速度が毎秒Ｎ、例えば、６４個の試料である場合には、１つの波にかかる時間（０．００９秒）をＮ（又は６４）個の試料で分割することによって各試料（例えば、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３．．．Ｓｎ）が取り込まれ、サンプリング時間は約１４３マイクロ秒となる。言い換えると、出力応答６０２の大きさは１４３マイクロ秒ごとにサンプリングされ、この測定値は保存される。サンプリングステップにおいて、出力信号の大きさは、サンプリングされた出力応答の大きさが理論的連続出力信号（例えば、純正弦波出力）由来でないことを確実にするために、第１のサンプリング時間間隔と異なる第２のサンプリング時間間隔で測定される。第２のサンプリング時間間隔は、第１の時間間隔からの所定時間オフセット、又は第１のサンプリング時間間隔のパーセンテージであり得る。このパーセンテージは約５％〜約３０％であり得る。あるいは区分出力信号（例えば、図９Ｅの９０６）のピーク間の時間幅を用いて、第１のサンプリング時間間隔ＳＴ１を設定することができる。例えば、図９Ｅに示されるように、ピーク９０８からピーク９１２までの時間幅を用いて、第１のサンプリング時間幅ＳＴ１を設定することができ、又は信号９０６の１つの波における全てのピークのピーク間の長さの平均を用いて、第１のサンプリング時間幅を設定することができる。第２のサンプリング時間間隔ＳＴ２は、第１のサンプリング時間間隔ＳＴ１のパーセンテージ増加（又は波の方向によっては減少）であり得る。一実施形態では、パーセンテージは約５％から約３０％までの任意の値であり得、好ましくは約２０％であり得る。第２のサンプリング時間間隔が決定したら、出力信号９０６（図９Ｆ）の大きさを、一連の第２のサンプリング時間間隔ＳＴ２のそれぞれにおいて測定し、図９Ｆでは２つの後続の時間間隔ＳＴ２がＳＴ２（ａ）及びＳＴ２（ｂ）として示されており、出力信号の大きさは、９１０、９１２、９１４及びその他でサンプリングされる。サンプリングされた出力信号の大きさから、入力信号と出力信号との間の電圧位相角差を決定し、静電容量を先に記載の通りに測定することができる。このように、オフセットタイミングの本出願人の利用は、サンプリングされた出力信号の大きさの差を平坦化するサンプリング間隔を可能にし、それと同時に、より正確な測定目的のために、できるだけ連続的（非区分的）出力信号と一致する変更されたサンプリング時間間隔を可能にする。
【００７５】
本出願人は、生理液の静電容量測定の有用性を試験するために有用な１つの技術は、試料に妨害物質を入れてかかる測定を行うことであると考える。阻害物質は、生理液の一部であるとは考えられず、生理液の構成成分を正確に測定するバイオセンサの能力を妨げる可能性がある材料又は物質である。静電容量の測定に影響を与えることが知られている阻害物質はゲンチシン酸である。即ち、生理液（この場合は、血液）の同じバッチに添加されるゲンチシン酸の量が増加すると、静電容量計測は大幅に変化する。
【００７６】
例示的な実施形態、方法、及びシステムが血糖ストリップに関して記載されてきたが、本明細書に記載される原理は、少なくとも２つの電極間に配置された試薬上の生理液を使用するあらゆる分析物測定ストリップにも同様に適用することができる。
【００７７】
上述のように、本明細書に記載する様々なプロセスの工程を一般に実施するように、マイクロコントローラをプログラムすることができる。このマイクロコントローラは、例えば、グルコース測定器、インスリンペン、インスリンポンプ、サーバ、携帯電話、パーソナルコンピュータ、又は移動携帯型デバイスなどの特定のデバイスの一部であり得る。更に、本明細書に記載する様々な方法を用いて、例えば、Ｃ＋、Ｃ＋＋、若しくはＣ−Ｓｈａｒｐなどの、例えば、Ｃ又はＣの変形などの既製のソフトウェア開発ツールを用いて、ソフトウェアコードを生成することができる。しかしながら、これらの方法は、こうした方法をコードするための新しいソフトウェア言語の必要条件及び入手可能性に応じて、他のソフトウェア言語に変換することもできる。更に、本明細書に記載する様々な方法は、好適なソフトウェアコードに一旦変換されれば、好適なマイクロコントローラ又はコンピュータによって実行される際に、これらの方法において記載された工程をあらゆる他の必要な工程とともに実行するように動作する、任意のコンピュータ読み取り可能な記憶媒介物質として実施することができる。
【００７８】
本発明を特定の変形例及び説明図に関して述べたが、当業者には本発明が上述された変形例又は図に限定されないことが認識されよう。更に、上述の方法及び工程が特定の順序で起こる特定の事象を示している場合、当業者には特定の工程の順序が変更可能であり、そうした変更は本発明の変形例に従うものである点が認識されよう。更に、こうした工程のうちのあるものは、上述のように順次行われるが、場合に応じて並行したプロセスで同時に行われてもよい。したがって、開示の趣旨及び請求項に見出される本発明の同等物の範囲内にある本発明の変形が存在する範囲では、本特許請求がこうした変形例をも包含することが意図されるところである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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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９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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