(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的サンプルを受容して電気化学的セルに電圧が印加される時に前記生物学的サンプルにより形成される静電容量を有する電気化学的セルに電気的に接続される電子回路であって、
前記電気化学的セルの帯電および放電により生じる電圧入力信号を受信するように構成されており、さらに当該電圧入力信号を前記セルの静電容量に比例する発振電圧出力信号に変換するシュミット・トリガー回路を有するように構成されている発振回路と、
前記発振電圧出力信号の周期を測定することにより前記セルの静電容量を導出する手段と、
前記静電容量に基づいて前記サンプルの容積量を導出するための手段と、
を備えている、電子回路。
【請求項２】
請求項１記載の電子回路であって、
前記発振電圧信号に基づいて前記サンプル中の１種類以上の分析物の測定における前記容積量の適性を決定するための手段をさらに備えている、電子回路。
【請求項３】
請求項２記載の電子回路であって、
前記容積量が不適当な場合、前記１種類以上の分析物測定に対して補正を行なうための手段をさらに備えている、電子回路。
【請求項４】
請求項１記載の電子回路であって、
前記シュミット・トリガー回路に電気的に接続されている前記発振電圧出力信号を出力するための抵抗をさらに備えている、電子回路。
【請求項５】
電気化学的セルを有する電気化学的な試験片上に置かれた生物学的サンプルの容積量を決定するキットであって、前記キットは請求項１記載の少なくとも１つの電子回路を備えている、キット。
【請求項６】
請求項５記載のキットであって、
前記電子回路がその中に一体化されている前記サンプルの特性を測定するための自動化装置をさらに備えている、キット。
【請求項７】
請求項６記載のキットであって、
前記電子回路および前記自動化装置を使用するための指示をさらに備えている、キット。
【請求項８】
請求項１記載の電子回路であって、
前記シュミット・トリガー回路と電気的に接続された定電流供給手段をさらに備えている、電子回路。
【請求項９】
生物学的サンプルを受容して電気化学的セルに電圧が印加される時に前記生物学的サンプルにより形成される静電容量を有するように構成されている電気化学的セルを受容するための計器と、
前記セルの静電容量を形成し、前記電気化学的セルを帯電させる前記電気化学的セルに電気的に接続可能に構成されているＤＣ電圧供給手段と、
前記計器と一体に構成されており、さらに前記電気化学的セルに電気的に接続可能に構成されている電子回路であって、前記回路が発振回路を備えており、当該発振回路は、前記電気化学的セルの帯電および放電により生じる電圧入力信号を受信するように構成され、かつ前記電圧入力信号を発振電圧出力信号に変換するように構成されおり、前記発振電圧出力信号の発振周期が前記セルの静電容量に比例している、電子回路と、
を備え、
前記電子回路は前記発振回路に電気的に連結しているマイクロプロセッサーを備え、前記マイクロプロセッサーが前記発振電圧出力信号の周期を測定することにより前記セルの静電容量を導出し、前記静電容量から前記生物学的サンプルの容積量を決定するように構成されている、システム。
【請求項１０】
電気化学的セルに供給される生物学的サンプルの容積量を決定するための方法であって、
請求項９記載のシステムを提供する工程と、
ＤＣ電圧を前記セルに印加することにより前記セルを帯電させる工程であって、静電容量が前記セルの中に形成されて、電圧が前記セルを帯電させることにより発生する、工程と、
前記帯電させられた電圧を前記静電容量に比例する周波数を有する発振電圧に変換する工程と、
を含む方法。
【請求項１１】
電気化学的セル内の生物学的サンプルの容積量を決定するためのキットであって、
請求項９記載のシステムと、
前記システムを使用するための指示と、
を備えている、キット。
【請求項１２】
請求項１１記載のキットであって、
生物学的サンプルの１種類以上の物理的または化学的な特性を測定するための前記電気化学的セルを操作可能に受容してこれと係合するように構成されている前記システムと一体化された自動化装置をさらに備えている、キット。
【請求項１３】
表面積および容積量を持つ電気化学的セル内の生物学的サンプルの容積量を決定するシステムであって、
前記電気化学的セルに第１の電圧を供給するように構成された電圧供給手段と、
前記第１の電圧が前記セルに供給される時に、前記セルにより発生させられる第２の電圧を測定するための手段と、
前記第２の電圧を発振電圧に変換するための手段と、
前記発振電圧の周期を測定することにより前記発振電圧から前記セルの静電容量を導出するための手段と、
前記セルの静電容量から前記生物学的サンプルの容積量を導出するための手段と、
を備えている、システム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムであって、
前記サンプルの容積量が前記生物学的サンプル中の１種類以上の選択された分析物の濃度の正確な測定に適しているか否かを決定するための手段をさらに備えている、システム。
【請求項１５】
請求項１４記載のシステムであって、
前記生物学的サンプル中の１種類以上の選択された分析物の濃度を測定する手段と、
前記サンプルの容積量が不適正である場合に、前記１種類以上の選択された分析物の濃度測定を補正するための手段と、をさらに備えた、システム。
【請求項１６】
請求項１５記載のシステムであって、
前記生物学的サンプル中の１種類以上の選択された分析物の前記測定された濃度を表示するための手段をさらに備えた、システム。
【請求項１７】
請求項１３記載のシステムであって、
前記容積量を導出するための手段は、前記セルの静電容量から前記生物学的サンプルにより被覆されている前記セルの表面積を導出する手段を備え、前記表面積から前記容積量を導出する手段をさらに備えている、システム。
【請求項１８】
電気化学的バイオセンサーに供給される生物学的サンプルの容積量を決定するための方法であって、
直流電圧を前記バイオセンサーに印加することにより前記バイオセンサーを帯電させる工程であって、静電容量が前記バイオセンサーの中に形成されて、電圧が前記バイオセンサーを帯電させることにより発生する、工程と、
前記電圧を前記静電容量に比例する周期を有する発振電圧に変換する工程と、
前記発振電圧の周期を測定することにより前記バイオセンサーの静電容量を決定する工程と、
前記静電容量から前記サンプルの容積量を決定する工程と、
を備えている、方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法であって、
前記サンプルの容積量が前記サンプル中の１種類以上の選択された特性に適しているか否かを決定する工程をさらに備えている、方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法であって、
前記サンプルの容積量が不適正である場合、前記１種類以上の選択された特性の測定を補正するために必要な補正係数を決定する工程と、
前記サンプルの少なくとも１種類の特性を測定する工程と、
前記不適正なサンプルの容積量を補正する工程とをさらに備えている、方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法であって、
前記サンプルの少なくとも１種類以上の特性が前記サンプル中の１種類以上の分析物の濃度である、方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の方法であって、
前記必要な補正係数を決定する工程は、前記不適正なサンプル容積量により充填されている前記バイオセンサーの前記静電容量に対する、前記サンプルにより完全に充填されている場合の前記バイオセンサーの静電容量の比率を決定する工程を備えている、方法。
【請求項２３】
請求項１９記載の方法であって、
前記容積量の決定は前記生物学的サンプルに接触している前記バイオセンサーの部分の表面積を前記静電容量から決定する工程を備え、前記表面積から前記容積量を決定する工程をさらに備えている、方法。
【請求項２４】
請求項１８記載の方法であって、
前記容積量を決定する工程は、前記決定された静電容量に基づいて、前記生物学的サンプルに接触している前記バイオセンサーの部分の表面積を決定する工程を備えている、方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の方法であって、
前記電気化学的バイオセンサーがセル容積を有する電気化学的セルを形成している少なくとも２個の電極を備えており、前記決定された表面積が前記生物学的サンプルにより被覆されている前記少なくとも２個の電極の表面積である、方法。
【請求項２６】
請求項１８記載の方法であって、
前記直流電圧の平均が約０ｍＶ乃至６００ｍＶの範囲内である、方法。
【請求項２７】
生物学的サンプルを受容するように構成されている電気化学的セルに電気的に接続する電子回路であって、
ＤＣ電圧を前記電気化学的セルに供給する手段であって、前記ＤＣ電圧が供給される時に、前記電気化学的セルが静電容量を生成させる、手段と、
前記電気化学的セルにより生じる信号を受信する手段と、
前記信号を前記セルの静電容量に比例した発振信号に変換するシュミット・トリガー回路を有する信号変換手段と、
前記発振信号の周期を測定することにより前記発振信号から前記セルの静電容量を導出するための手段と、
前記セルの静電容量に基づいて前記サンプルの容積量を導出するための手段と、
を備えている、電子回路。
【請求項２８】
生物学的サンプルを受容するための電気化学的セルに電気的に接続され、前記電気化学的セルに電圧を供給する場合に、前記生物学的サンプルにより形成される静電容量を有するように構成される電子回路であって、
前記電気化学的セルの帯電および放電により生じる電圧入力信号を受信するように構成され、前記電圧入力信号を前記セルの静電容量に比例する発振電圧出力信号に変換するための比較回路を備えた発振回路と、
前記発振電圧出力信号の周期を測定することにより前記発振電圧出力信号から前記セルの静電容量を導出するための手段と、
前記セルの静電容量に基づいて前記サンプルの容積量を導出するための手段と、
を備えている、電子回路。
【請求項２９】
請求項２７または２８記載の電子回路であって、
前記発振信号または前記発振電圧出力信号に基づいて前記サンプル中の１種類以上の分析物の測定における前記容積量の適正を決定するための手段をさらに備えている、電子回路。
【請求項３０】
請求項２９記載の電子回路であって、
前記容積量が不適正であると決定された場合に前記１種類以上の分析物測定を補正するための手段をさらに備えている、電子回路。
【請求項３１】
請求項２８記載の電子回路であって、
前記比較回路に電気的に接続されている前記発振電圧出力信号を出力するための抵抗をさらに備えている、電子回路。
【請求項３２】
請求項２８記載の電子回路であって、
前記比較回路に電気的に接続されている定電流供給手段をさらに備えている、電子回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の分野は生物学的流体内の分析物の電気化学的な決定方法であり、特に分析物濃度について試験される生物学的流体サンプルの量の適性の電気化学的な決定方法である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、血漿等の血液または血液から誘導される生成物のような生物流体中の分析物濃度決定は今日の社会においてその重要性を高めつつある。このようなアッセイ（定量）は臨床実験用の試験および家庭用の試験等を含む種々の用途および設備において有用であることが分かっており、このような試験により得られる結果は種々の病気の状況の診断および管理において傑出した役割を果たす。関連の一般的な分析物は糖尿病患者の管理のためのグルコース、心臓血管の状況をモニターするためのコレステロール等を含む。このような分析物濃度検出の高まりつつある重要性に応じて、臨床用および家庭用の両方のための種々の分析物検のプロトコルおよび装置がこれまでに開発されている。
【０００３】
分析物濃度のために用いられている方法の一例は電気化学的手法を基礎とする方法である。このような方法においては、水性の液体サンプルが少なくとも２個の電極、すなわち、対向／基準電極および作用電極により構成されている電気化学的セル内の反応領域の中に配置され、この場合に、これらの電極はこれらを電流測定式の測定に適するようにする一定のインピーダンス値を有している。例えば、分析物のような分析を必要とする成分は一方の電極に対して直接的に反応するか、あるいは、レドックス（酸化還元）試薬に対して直接的または間接的に反応してこの分析を必要とする成分、すなわち分析物の濃度に対応する一定の量で酸化可能（または還元可能）な物質を形成することが可能になる。その後、このような存在している酸化可能（または還元可能）な物質の量が電気化学的に推定されて初めのサンプル中に存在している分析物の量に関連付けられる。
【０００４】
一般的に、上記の電気化学的セルは廃棄可能な試験片の形態であり、この試験片の上に生物学的サンプルが置かれ、この試験片は電気化学的濃度を決定するための計器の中に収容できる。バイオセンサーとして呼ばれる場合の多いこのような種類の試験片を用いているアッセイ・システムの例、および計器は米国特許第５，９４２，１０２号、同第６，１７４，４２０Ｂ１号および同第６，１７９，９７９Ｂ１号において見ることができ、これらの開示はそれぞれ本明細書に参考文献として含まれる。これらのシステムにおいて、生物学的サンプル中の分析物の濃度決定は先ず生物学的サンプルを入手する処理およびこのサンプルを上記試験片の反応領域に接触させる処理を含み、これにより、この生物学的サンプル、特に関連の分析物またはその誘導体が、例えば、上記反応領域に付随している１種類以上の試験試薬等の薬品に対して反応できるようにする。関連の１種類以上の特定の分析物の正確な測定値を得るために、最少のサンプル量を上記反応領域に供給する必要がある。しかしながら、使用者の間違いまたは患者の経験不足または判断の誤りによる場合の多い、不適正な量のサンプル量が供給されることは稀でない。さらに、不正確な測定値は、不適正な投薬量の薬物、患者の非応諾状態等の、誤診または不適当な治療状況を生じる可能性がある。このような状況は、例えば、糖尿病患者の体内における分析物の頻繁なモニターに自分の生命を依存している人々にとって深刻で生命を危うくすることさえもある結果を生じる可能性がある。
【０００５】
適当な生物学的サンプルの量を確保するための方法の一例は過飽和にすること、または上記試験片の反応領域を満たすために必要な量よりも多い量のサンプル流体を使用することである。しかしながら、不必要に多量の特に血液サンプル等のサンプル流体の使用における不都合は患者から比較的多量の血液サンプルを抜き取る必要性である。このことはかなり多量の血液サンプルの使用を必要とするので、それだけ大きな直径の針の使用および／または深い皮膚内への侵入を必要とする。これらの要因は患者に与える不快感および痛みを増して、毛細血管が容易に現れない人々に対して行なうことが困難になる可能性がある。例えば、多くの糖尿病患者において、このようなサンプリング処理は１日に頻繁に繰り返されることが有り得るので、その痛みの増加はすぐに耐えがたくなり、ほとんど耐えることができなくなる。
【０００６】
一部の分析物検出バイオセンサーはサンプル量の適性の視覚的確認を行なうために開発されているが、この特徴は、例えば、糖尿病患者の視力低下の可能性等の、サンプル量の適性の判断における患者による潜在的な誤差を排除していない。上記以外の特定の分析物決定用のバイオセンサーはサンプル量の適性を決定するための使用者依存型の手段を提供している。このようなバイオセンサーの例が米国特許第５，６２８，８９０号および同第５，６５０，０６２号およびＰＣＴ国際公開第ＷＯ  ９９／３２８８１号（ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／２７２０３号）において開示されている。特に、上記ＷＯ  ９９／３２８８１号公告は既知の周波数において低レベルのＡＣ電圧信号（ＤＣ電圧オフセットを含まない）を上記バイオセンサーに供給した後に得られたインピーダンスの実数成分および虚数成分の両方を測定することによりバイオセンサーに供給するサンプルの量の適性を決定することを目的としている電気化学的なグルコース・モニター・システムを記載している。その後、これらのインピーダンス値はマイクロプロセッサーのプログラム・メモリー内のルック−アップ・テーブルに対して比較される。しかしながら、上記のシステムが血液のヘマトクリット値および環境の温度変化に依存していることを考えると、この方法の精度もまた問題になると考えられる。
【０００７】
上記ＷＯ  ９９／３２８８１号公告において開示されている技法の別の不都合点は上記サンプルの量が不適である、すなわち、「中止（go-no-go）」と決定された場合に、その分析物測定試験を中止する必要があることである。このことにより、患者からさらに別のサンプルを採集することが必要になり、このことは、上述したように、不都合であり、その患者の投薬プログラムにおいて患者を非応諾状態にするような、患者に極めて痛みを与えることが考えられる。加えて、この試験は繰り返されることが必要であり、これにより、試験片を浪費してその処置の費用が嵩む。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，９４２，１０２号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，１７４，４２０Ｂ１号明細書
【特許文献３】
米国特許第６，１７９，９７９Ｂ１号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，６２８，８９０号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，６５０，０６２号明細書
【特許文献６】
ＰＣＴ国際公開第ＷＯ  ９９／３２８８１号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、電気化学的な分析物濃度決定において使用するサンプルの量の適性を正確且つ高精度に測定するための新しい技法の認識に対して関心が寄せられ続けている。特に重要であることはサンプルの量の適性を極めて正確且つ迅速に決定できる装置および方法の開発であると考えられる。さらに、サンプル量が不適当であるという決定がその分析物濃度測定試験の中止を必要としないサンプル量適性決定のための装置および技法を開発することが有益的であると考えられる。理想を言えば、この装置および技法は最適なサンプル量よりも少ない値に対して補正を行い、新しいサンプルの供給または新しい試験の実行を必要とせずに正確な測定値を提供できることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は生物学的サンプルの量を測定して、当該サンプルの中に含まれる分析物の濃度のような、その生物学的サンプルにおける少なくとも１個の選択された特性の正確な測定値を得るためにそのサンプルの量が適当であるか否かを決定するための方法、システムおよび装置を提供する。特定のこのような方法、システムおよび装置は一定の測定手順を進行させるために必要な量よりも少ないと決定された一定のサンプル量に対して補正を行なう付加的な機能を備えている。
【００１１】
本発明は一定のサンプル量の生物流体が置かれる電気化学的試験片等のバイオセンサーと、当該試験片を受容して上記生物サンプル中の選択された各分析物の濃度を測定するように構成されている計器と共に用いられる。上記電気化学的試験片は、以下にさらに詳しく説明されているように、対向電極により構成されている電気化学的セルを備えており、これらの電極の間に上記生物サンプルを受容するための反応領域が定められていて、この反応領域が一定の厚さおよび容積を有している。
【００１２】
上記電気化学的セルに対して十分な電圧が供給されると、このセルが帯電して当該帯電したセルの中において電気化学的な反応が生じる。この結果、電荷がこの電気化学的セルにおける各電極に流れる。この電極−溶液間の中間領域はコンデンサーの中間領域に類似している。この電荷の電圧に対する比率がこの電極−溶液間の中間領域における静電容量を決定する。この合計の電荷はこの二重の層の変化と上記の電気化学的反応とにより決まるので、これら２種類の異なる静電容量成分ＣｄｌおよびＣｓが、それぞれ、上記セルの合計のまたはこれと等価な静電容量に寄与する（バード，Ａ．Ｊ．（Bard, A.J.）およびフォールクナー，Ｌ．Ｒ．（Faulkner, L.R.），エレクトロケミカル・メソッド（Electrochemical Methods），１９８０年を参照されたい）。
【００１３】
本発明者は上記電気化学的セルの等価な静電容量が上記サンプルに接触している上記セルの各電極の表面積の量（「被覆されているセルの面積（covered cell area）」）に線形に比例し、それゆえ、当該セル内、すなわち、各電極間におけるサンプルの容積に線形に比例するので、この電気化学的セルの等価な静電容量がサンプル量を正確に決定する場合の最も関連しているファクターであることを発見している。
【００１４】
また、本発明者は電気化学的セルに一定のＤＣ電圧を供給した時にこの電気化学的セルにより生成されるセル等価静電容量に比例する一定の発振周期（または発振周波数の逆数）を有する発振回路の一部分として当該電気化学的セルが使用できることも発見している。従って、本発明の特徴は一定の周期を測定してその測定した周期から上記等価な静電容量を導出するために、一定の発振が当該等価な静電容量に比例する一定の周期を有して生成されるように、上記電気化学的セルに操作可能に連結される発振器を提供することである。
【００１５】
概略的に言って、本発明のシステムは以下の構成要素、すなわち、上記電気化学的セルを帯電するために当該セルに一定の電圧を供給するように構成されている電圧供給手段と、上記帯電したセルから電圧信号を受け取り、この電圧信号を一定の発振信号に変換するための手段と、この発振情報から上記セルの静電容量を導出するための手段と、このセルの静電容量から生物学的サンプルにより被覆されているセルの表面積を導出するための手段と、この被覆されているセルの表面積から生物学的サンプルの量を導出するための手段を備えることができる。特定のシステムは、さらに、上記サンプルの量が、当該生物学的サンプル中の１種類以上の選択された分析物の濃度を含むがこれらに限らない、当該生物学的サンプルの１種類以上の選択された特性の正確な測定を行なうことにおける適否を決定するための手段を備えている。上記システムの内の特定のものは、さらに、不適当なサンプル量並びに上記選択された生物学的サンプルの特性に対して補正を行なうための手段を備えている。
【００１６】
実施形態の一例において、本発明のシステムは上記電気化学的セルに対して第１の電圧を供給するように構成されている電圧供給手段と、この第１の電圧が上記セルに供給される時に当該セルにより発生される第２の電圧を測定するための手段と、この第２の電圧を一定の発振電圧に変換するための手段と、この発振電圧から上記セルの静電容量を導出するための手段と、このセルの静電容量から上記生物学的サンプルにより被覆されている電気化学的セルの表面積を導出するための手段と、この表面積から上記生物学的サンプルの量を導出するための手段を備えている。
【００１７】
上記本発明のシステムにおける各手段は、サンプリングされる試験溶液が内部に置かれるか毛細管作用により吸引される、例えば、廃棄可能な試験片等の形態の、例えば、電気化学的測定セル等のバイオセンサーと共に使用されてこれに電気的に連結されるように構成されている各電子部品および／または回路を備えている。最も一般的には、このような電子回路は、例えば、廃棄可能な試験片等の電気化学的セルを受容してこれに操作可能に係合し、当該電気化学的セルの中に保持されている生物学的サンプルの１種類以上の物理的または化学的な特性を測定するように構成されている計器またはその他の自動化装置の中に組み込まれている。上記のような電子回路は市場において入手可能な各部品により実施可能であり、あるいは、ＡＳＩＣ（アプリケーション・スペシフィック・インテグレーテド・サーキット（Application Specific Integrated Circuit）の一部として実施可能である。最も一般的には、上記特性は生物学的サンプル中の１種類以上の目的の分析物の濃度を含む。また、上記電子回路は、例えば、電圧供給手段等の分離している電子部品、および／または、多数の回路要素および／または、例えば、上記電気化学的セルから受信される特定の信号またはデータ入力に基づいて本発明の方法における特定の工程または機能を実行するように適当にプログラムされているマイクロプロセッサー等の半導体装置を有する集積回路により構成できる。
【００１８】
上記本発明の回路は、さらに、上記制御装置またはマイクロプロセッサーにより供給される選択された経験的または記号的なデータ、情報または出力を表示するための表示装置またはユニットを備えることができる。これらのデータ、情報または出力は選択された入出力信号、インピーダンス要素、サンプル量の大きさ、容量の適性／不適性の指示アイコン、不適当な量の補正係数、関連の分析物の濃度、生物学的サンプル対対照サンプルの指示アイコン、各種較正結果等を含むことができるが、これらに限らない。
【００１９】
特定の実施形態において、本発明のシステムは上記のような電子回路および自動化した測定装置または計器を備えており、この場合の電子回路は上記自動化した測定装置に対して完全に構造的および機能的に一体化している。例えば、このような実施形態の一例は生物学的サンプルを受容して一定の電圧が電気化学的セルに供給される時に当該生物学的サンプルにより形成される一定の静電容量を有するように構成されている一定の電気化学的セルを受容するための計器を備えている。このシステムは、さらに、上記電気化学的セルを帯電させて一定のセル静電容量を形成するために当該電気化学的セルに電気的に接続可能に構成されているＤＣ電圧供給手段、および上記計器に対して一体に構成されていて上記電気化学的セルに対して電気的に接続可能に構成されている電子回路を備えている。この回路は上記電気化学的セルの帯電および放電により生じる一定の電圧入力信号を受信するように構成されていて、さらに、当該電圧入力信号を一定の発振電圧出力信号に変換するように構成されている発振回路を備えており、この場合の発振電圧出力信号の周期は上記セルの静電容量に比例している。
【００２０】
本発明は、さらに、バイオセンサーに配置または移された生物学的サンプル中の１種類以上の選択された分析物の濃度を決定するために使用される生物学的サンプルの量の適性を決定するための方法も含む。上記発振器は上記セルの静電容量を帯電または放電するので、その発振の周波数または周期は当該セルの静電容量の大きさにより決まる。このセルの帯電および放電の電圧は一定の実効ＤＣ電圧が当該セルに印加されるように調整される。次に、上記バイオセンサーの等価セル静電容量がこの発振電圧により決定される。その後、この等価静電容量により、生物学的サンプルに接触している上記バイオセンサーの部分の表面積（「被覆されているセルの面積（covered cell area）」が当該バイオセンサーの中における生物学的サンプルの量を導出するために用いられる。この結果、このサンプル量がその測定試験による進行に十分であると決定されると、その目的の特性、例えば、分析物濃度が測定される。一方、上記サンプル量が不適正であると決定される場合に、本発明の方法は、さらに、その測定処理中に当該不適正なサンプル量に対して補正を行なう処理を含むことができる。このような不適正な量の補正はサンプルの完全に利用可能な量が充填されている場合のバイオセンサーのセル静電容量に対する実際のサンプル量を収容しているバイオセンサーの等価セル静電容量の比率を決定する処理を含む。
【００２１】
上記本発明のシステムおよび方法は尿、涙、唾液等の異なる生物学的サンプルのサンプル量を決定するために使用できるが、これらは特に血液または血液フラクション等のサンプル量の決定における使用において適している。さらに、本発明のシステムおよび方法は上記サンプルにおける種々の物理的および化学的な諸特性を測定するために準備するサンプル量の決定のための手段であるが、これらは特に上記サンプル中の選択された各分析物の濃度測定の準備において有用である。
【００２２】
本発明の上記およびその他の目的、利点、および特徴は以下においてさらに完全に説明されている本発明の各方法および各システムの詳細を読むことにより当該技術分野における熟練者において明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば、分析物濃度等のサンプルにおける選択された特性を測定するための生物学的サンプルの量を決定して、この量が上記選択された特性の正確な測定を行なうために適しているか否かを決定するためのシステムおよび方法を提供する。これら本発明のシステムおよび方法の特定の実施形態は正確な分析物濃度測定を行なうために適している量よりも少ないと決定されたサンプルの量に対して補正を行なう付加的な機能を提供する。
【００２４】
本発明を説明する前に、本発明が以下に説明する特定の各実施形態に限定されず、当然に、変更可能であることが理解されるべきである。また、本明細書において使用されている用語が特定の各実施形態を説明する目的のためのみに用いられていて、限定することを目的としておらず、本発明の範囲が本明細書に記載されている特許請求の範囲およびその実施態様のみにより限定されることが理解されるべきである。
【００２５】
一定の値の範囲が与えられる場合に、その範囲およびそれ以外に述べられているあらゆる範囲の上限値と下限値との間における各中間の値、または上記述べられている範囲内の各中間の値は、その内容が特別に明示しない限り、その下方の制限値の１／１０の単位まで、本発明に含まれる。これらの比較的に小さい範囲における上限値および下限値はそれぞれの比較的に小さい範囲内に独立して含まれることが可能であり、上記述べられている範囲において特定的に除外される制限値として本発明の範囲に含まれることもある。また、述べられている範囲が上記制限値の一方または両方を含む場合に、これらの含まれている制限値のいずれかまたは両方を含む範囲も本発明に含まれる。
【００２６】
特別に定めない限り、本明細書において使用されている全ての技術的および科学的な用語は本発明が属する技術分野における通常の熟練者により一般的に理解されている意味と同一の意味を有する。本明細書において記載されている方法および材料に対して類似または等価である任意の方法および材料も本発明の実施または試験において使用可能であるが、一定の制限された数の例示的な方法および材料が本明細書において説明されている。
【００２７】
本明細書および特許請求の範囲において使用されているように、単数の形態の「１個または一定の（a）または（an）」、および「そのまたはこの（the）」はその内容が特別に明示しない限り複数の表現も含む場合があることに注意する必要がある。
【００２８】
本明細書に記載した全ての公報または刊行物はこれらの文献が引用される各方法および／または材料に関連する各方法および材料を開示および説明するために本明細書に参考文献として含まれる。また、本明細書に記載した各特許公告は本特許出願の出願日よりも前におけるそれぞれの開示について引用されているのみであり、（この引用を）、本発明が先の発明の効力により当該公告よりも先行する権利がないという承認として何ら解釈する必要はない。さらに、それぞれに与えられている公告の期日は実際の公告日と異なっている可能性があり、これらについてはそれぞれ別個に確認する必要がある。
【００２９】
定義
本明細書において使用されているように、用語の「二重の層（double layer）」は電極表面と、一定の電圧がこの電極に印加されている時に当該電極表面に接触している、例えば、生物学的溶液のサンプル等の溶液との間の中間領域において存在している帯電された物体および配向された双極子の配列構造全体を言う。
【００３０】
本明細書において使用されているように、用語の「二重層静電溶液（double layer capacitance）」Ｃdlは上記電極−溶液の中間領域における上記二重の層の変化に起因される静電容量を意味する。
【００３１】
本明細書において使用されているように、用語の「ファラデー静電容量（Faradaic capacitance）」Ｃs は上記電極表面上において生じる電気化学的反応による擬似静電容量成分を言う。
【００３２】
本明細書において使用されているように、用語の「ファラデー電流（Faradaic current）」ＩF は一定の電圧が印加されている電極の表面において生じる電流または電子の移動を意味する。
【００３３】
また、用語の「等価セル静電容量（equivalent cell capacitance）」Ｃは、電気化学的セルに関連して本明細書において使用される場合に、当該電気化学的セルを跨ぐ合計の等価な静電容量を意味しており、この静電容量は一定の電圧が上記電気化学的セルに印加された時に生じる。この等価セル静電容量は上記二重の層の静電容量およびファラデー静電容量により主に構成されている。
【００３４】
また、用語の「等価セル抵抗（equivalent cell resistance）」Ｒは、電気化学的セルに関連して本明細書において使用される場合に、当該電気化学的セルを跨ぐ合計の等価な抵抗を意味しており、この抵抗は一定の電圧が上記電気化学的セルに印加された時に生じる。
【００３５】
さらに、用語の「等価セル・インピーダンス（equivalent cell impedance）」Ｚは、電気回路または部品に関連して本明細書において交換可能に使用される場合に、上記等価セル静電容量と上記等価セル抵抗との組み合わせを含むがこれに限定する必要のない合計のインピーダンスを意味しており、このインピーダンスは一定の電圧が上記電気化学的セルに印加された時に生じる。
【００３６】
以下において、本発明を詳細に説明する。本発明をさらに説明することにおいて、上記本発明のシステムと共に使用可能であり、本発明の方法により採用可能な、例示的な電気化学的バイオセンサーを初めに説明した後に、本発明のシステムおよび本発明の方法を詳細に説明し、さらに、当該本発明の方法の実施において使用するために本発明のシステムを備えている本発明のキットについて説明する。以下の説明において、本発明は分析物濃度測定用途の内容において説明されているが、この説明は本発明の限定を目的としておらず、当該技術分野における熟練者であれば、本発明の各システムおよび各方法が血液凝固時間および血液コレステロールの測定等の生物学的な物質における別の物理的および化学的な諸特性の測定において有用であることが理解できる。
【００３７】
電気化学的バイオセンサー
上記において概説したように、本発明は分析物濃度測定において使用される生物学的物質のサンプルの量を測定してこの量が正確な分析物濃度測定に適しているか否かを決定するためのシステムおよび方法を提供する。これらの方法およびシステムはバイオセンサー、特に電気化学的セルに基づくバイオセンサーと共に使用可能であり、このバイオセンサーの中にサンプリングした生物学的物質が配置または移される。これらの電気化学的セルに基づくバイオセンサーには種々の設計が存在している。このような分析物濃度モニターの分野において採用されているこれらの設計の最も一般的なものは、それぞれの開示が本明細書に参考文献として含まれる、同時係属の米国特許第６，１９３，８７３号および同時係属の米国特許出願第０９／４９７，３０４号、同第０９／４９７，２６９号、同第０９／７３６，７８８号および同第０９／７４６，１１６号において開示されている形態のような、試験片の形態を含む。これらの試験片は上記において確認されている各参考文献に開示されている計器のような、電気化学的測定のために構成されている計器と共に使用される。
【００３８】
試験片以外の電気化学的バイオセンサーも本発明と共に使用することに適することができる。例えば、上記電気化学的セルは円筒形の形態を有することができ、この場合に、コア状の電極が第２の管状の電極の中に同軸に配置されている。このような電気化学的セルの構成は微小針の形態にすることができ、それゆえ、原位置（例えば、一般的に皮膚表面の下）の測定装置における針の構造体の中に一体になっているか、あるいは、一定の微小針構造体に対して物理的にまたは液体を介して連絡している。このような微小針の例が、２００１年６月１２日に出願されていて本明細書に参考文献として含まれている同時係属の米国特許出願第０９／８７８，７４２号および同第０９／８７９，１０６号において開示されている。本発明の開示の目的において、本発明の装置は試験片の形態における電気化学的セルを伴う使用において説明されるが、当該技術分野における熟練者であれば、本発明の装置が微小針の形態を含む任意の適当な電気化学的セルの形態を伴って使用可能であることが理解できる。
【００３９】
行なわれる電気化学的測定の種類はそのアッセイおよび上記電気化学的試験片が用いられている計器の特定の性質により、例えば、上記アッセイが電量分析式、電流測定式または電位測定式のいずれであるかにより、変更可能である。つまり、上記電気化学的セルは電量分析式アッセイにおいて電荷を測定し、電流測定式アッセイにおいて電流を測定し、電位測定式アッセイにおいては電位を測定する。本発明の開示の目的において、本発明は電流測定式アッセイの内容において説明されているが、本発明の装置は任意の種類のアッセイおよび電気化学的測定法と共に使用可能である。
【００４０】
一般に、任意の形態において、電気化学的セルは対向している配列様式または同一平面内における横並びの配列様式のいずれかで離間している少なくとも２個の電極を備えている。この第１の配列様式において、各電極は薄いスペーサー層により分離されており、このスペーサー層は一定の反応領域または区域、あるいはチャンバーを定めており、この中に生物学的サンプルが分析物濃度測定のために配置または移送される。また、横並びの形態においては、各電極は一定の厚さおよび容積のチャンバーの中に存在している。さらに、上記目的の各分析物に対して化学的に反応するように選択された１種類以上のレドックス試薬が上記反応領域またはチャンバーの中に存在しており、上記各電極の対向面部の１個以上に塗布されている。これらのレドックス試薬は一般的に酵素および仲介物質を含む。
【００４１】
本発明と共に使用することに適している例示的な従来の電気化学的試験片２の代表例が図１の分解図において示されている。この試験片２はスペーサー層１２により分離されている２個の電極４，８により構成されており、スペーサー層１２は反応領域または反応区域１４を定めている切取部分を有している。一般に、各電極４，８は細長い長方形の部材片の形態で構成されており、各部材片は約２ｃｍ乃至６ｃｍ、通常的に約３ｃｍ乃至４ｃｍの範囲内の長さを有しており、さらに約０．３ｃｍ乃至１．０ｃｍ、通常的に約０．５ｃｍ乃至０．７ｃｍの範囲内の幅を有しており、さらに約０．２ｍｍ乃至１．２ｍｍ、通常的に約０．３８ｍｍ乃至０．６４ｍｍの範囲内の厚さを有している。
【００４２】
上記試験片内の反応領域に面している各電極４，８の表面部分は導電性の材料、好ましくは金属により作成されており、この場合の関連の金属はパラジウム、金、プラチナ、銀、イリジウム、炭素、ドーピングしたインジウム錫酸化物、ステンレス・スチール等を含む。また、各電極４，８の外側の表面部分６，１０は不活性な支持材料または裏打ち材料により作成されている。任意の適当な不活性な裏打ち材料が各電極４，８において使用可能であり、この場合に、一般的に、この材料は各電極、さらに、全体としての上記電気化学的試験片に対して構造的な支持を行なうことのできる剛性材料である。このような適当な材料は、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、ガラス等の可塑材料を含む。各電極４，８および試験片２は関連の技術における熟練者において既知の任意の種々の製造技法により製造できる。上述したように、薄いスペーサー層１２は各電極４，８の間に配置または挟まれている。このスペーサー層１２の厚さは一般に約１ｍｍ乃至５００ｍｍ、通常的に約５０ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲である。このスペーサー層１２は任意の従来的な材料により製造可能であり、この場合の代表的で適当な材料はＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリイミド、ポリカーボネート等を含む。また、このスペーサー層１２の各表面部分は各電極４，８に対して接着性を有するように処理することができ、これにより上記電気化学的試験片２の構造が維持できる。
【００４３】
上記スペーサー層１２は円形、正方形、三角形、長方形または不規則な形状の各反応領域等を含む任意の適当な形状の反応領域または反応区域１４を形成するために切断されている。この反応領域１４の上部および下部は各電極４，８の対向面部により定められ、スペーサー層１２はこの反応領域１４の各側壁部を定めている。この反応領域の容積は少なくとも約０．１ｍｌ乃至１０ｍｌ、通常的に約０．２μｌ乃至５．０μｌ、さらに通常的に約０．３μｌ乃至１．６μｌの範囲である。
【００４４】
上記反応領域１４の中にレドックス試薬システムが存在しており、この試薬システムは上記電極により検出されることにより生物学的サンプル中の分析物の濃度を導出するために使用される種類の物質を提供する。この反応領域内に存在しているレドックス試薬システムは一般的に少なくとも１種類以上の酵素および仲介物質を含む。多くの実施形態において、上記レドックス試薬システムの酵素要素は関連の分析物を協力して酸化するように作用する１種類の酵素または複数の酵素である。換言すれば、このレドックス試薬システムにおける酵素成分は１種類の分析物酸化性の酵素または関連の分析物を協力して酸化するように作用する２種類以上の酵素の集合物により構成されている。関連の一般的な酵素はオキドレダクターゼ、ヒドロラーゼ、トランスファラーゼ等を含むが、上記反応領域内に存在している特定の酵素は上記電気化学的試験片が検出するために設計されている特定の分析物により決まる。上記関連の分析物が、例えば、グルコースである場合に、適当な酵素はグルコース・オキシダーゼ、グルコース・デヒドロゲナーゼ（ｂ−ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド基剤型（ＮＡＤ）または４，５−ジヒドロ−４，５−ジオキソ−１Ｈ−ピロロ［２，３−ｆ］キノリン−２，７，９−トリカルボン酸機剤型（ＰＱＱ）のいずれか）を含む。また、上記分析物がコレステロールの場合は、適当な酵素はコレステロール・エステラーゼおよびコレステロール・オキシダーゼを含む。上記以外の分析物の場合には、リポタンパク質リパーゼ、グリセロール・キナーゼ、グリセロール−３−ホスフェート・オキシダーゼ、ラクテート・オキシダーゼ、ラクテート・デヒドロゲナーゼ、ピルベート・オキシダーゼ、アルコール・オキシダーゼ、ビリルビン・オキシダーゼ、ウリカーゼ等を含むがこれらに限らない酵素が使用できる。
【００４５】
上記レドックス試薬システムにおける第２の成分は仲介物質成分であり、この成分は１種類以上の仲介物質により構成されている。種々の異なる仲介物質が当業界において知られており、フェリシアニド、フェナジン・エトサルフェート、フェナジン・メトサルフェート、フェニレンジアミン、１−メトキシ−フェナジン・メトサルフェート、２，６−ジメチル−１，４−ベンゾキノン、２，５−ジクロロ−１，４−ベンゾキノン、フェロセン誘導体、オスミウム・ビピリジル錯体、ルテニウム錯体等を含む。グルコースが関連の分析物であり、グルコース・オキシダーゼまたはグルコース・デヒドロゲナーゼがその酵素成分である各実施形態においては、特定の関連の仲介物質はフェリシアニドである。さらに、上記反応領域内に存在し得る別の試薬は、例えば、シトラコン酸塩、クエン酸塩、リン酸塩、「グッド（Good）」緩衝液等の緩衝剤を含む。
【００４６】
上記レドックス試薬システムは乾燥状態の形態で一般に存在している。上記種々の成分の量は変更可能であるが、この場合の上記酵素成分の量は一般的に約０．１重量％乃至２０重量％の範囲である。
【００４７】
本発明の各システムおよび各方法の以下における説明を理解するために、図１の試験片の電気化学的セルにおけるインピーダンス回路４０の単純化したモデルが図２において示されている。このインピーダンス回路４０は生物学的溶液のサンプルを収容していて一定の電圧が印加されている場合の試験片における各インピーダンス要素の代表例である。一定のＤＣ電圧が上記セルに印加されている場合に、インピーダンス回路４０は等価セル静電容量（Ｃ）４２を含み、この静電容量は二重層（Ｃdl）の静電容量およびファラデー（Ｃs ）静電容量の各成分を含み、さらに、上記回路４０は上記電気化学的セルにおける等価セル抵抗（Ｒ）４６を含む。
【００４８】
本発明のシステム
本発明のシステムは、例えば、図１に関連して既に説明したような廃棄可能な試験片の形態の電気化学的測定セルのようなバイオセンサーに電気的に連結するように構成されている電子回路を含み、このバイオセンサーの中に試験するためにサンプリングされた生物学的溶液が配置または移される。一般的に、このような電子回路は上記において参照されている種類の電気化学的計器の中に一体に構成されている。さらに、本発明のシステムはこのような計器および一体に構成されている本発明の各装置を備えている。
【００４９】
図３において、バイオセンサー７０、特に、上述したような試験片内の電気化学的セルにおける各電極（図示せず）に電気的に連結されている本発明のシステムにおける例示的な電子回路５０の概略的ブロック図が示されている。バイオセンサー７０内に示されている並列のコンデンサーＣおよび抵抗器Ｒは上記電気化学的セルにおける等価静電容量および等価抵抗をそれぞれ示しており、集合的にバイオセンサー７０のインピーダンスを示している。回路５０は発振回路５４に電気的に連結しているマイクロプロセッサー５２を含む。バイオセンサー７０は各端子７２および７４を介して発振回路５４に電気的に連結している。上記セルに印加される電圧が図４において示されており、その平均のＤＣ電圧が基準数６０により示されている。
【００５０】
上記回路５４は一般に発振回路として動作して、図４において示されているように、長方形状の波形の出力電圧ＶO を供給する。この回路５４は電力供給手段Ｖcc、フィードバック抵抗器Ｒ１、コンデンサーＣ１および演算増幅器５６および各抵抗器Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を含むシュミット・トリガー（Schmidt trigger）回路を含む。本発明の電子回路と共に使用できる別の適当な発振器は集積回路型発振器を含むがこれに限らない。上記シュミット・トリガー回路はバイオセンサー７０からの電圧入力信号ＶI を受信して、この信号をバイオセンサー７０の等価セル静電容量Ｃに比例する一定の発振周期を有する正確に整形された長方形のパルス波形の形態の出力信号ＶO に変換して、この出力信号ＶO をデジタル入力としてマイクロプロセッサー５２に供給する。
【００５１】
上記シュミット・トリガー回路は約３５０ｍＶの上方トリガー電圧ＶH と、約２５０ｍＶの下方トリガー電圧ＶL を有している。従って、上記セル内に全くサンプル溶液が存在していない場合に、ＲおよびＣは存在しないことになる。この回路が電力供給されると、Ｃ１が初めに放電し、これにより入力信号ＶI が２５０ｍＶよりも低くなる。この条件下において、演算増幅器５６の出力は高電圧、すなわち、供給電圧ＶCCにほぼ近くなり、これによりＣ１がＲ１を介して電力供給電圧ＶCCにより帯電して、出力電圧ＶO が約１．８Ｖ乃至５Ｖの範囲内、さらに一般的に約３Ｖである供給電圧ＶCCに維持される。コンデンサーＣ１が帯電している時と、端子７２からの入力信号ＶI はその電圧が３５０ｍＶ以上に到達するまで増加する。この時点において、演算増幅器５６の出力はゼロ・ボルトになり、これによりＣ１が抵抗器Ｒ１を介して放電して、出力電圧ＶO がゼロ・ボルトに維持される。この結果、コンデンサーＣ１の帯電および放電が上記シュミット・トリガー回路の出力電圧ＶO を調整して長方形の発振を生じるようにする。上記バイオセンサー７０の中にサンプルが存在していない場合に、Ｒ１およびＣ１が上記出力電圧ＶO の発振周期または周波数を決定する。この後者の発振周期は以下の式により決定される。
【数１】
0004298269.tif 000002
この式におけるＴ1 は発振周期であり、Ｒ１およびＣ１は上述した各成分であり、ＶH およびＶL はそれぞれ上記シュミット・トリガー回路の高電圧水準および低電圧水準であり、ＶCCはシュミット・トリガー回路に対する供給電圧である。さらに、サンプルがバイオセンサー７０に供給されると、上記セル静電容量Ｃがバイオセンサー７０の中に形成されて、Ｒ１をＲ１＜＜Ｒとなるように選択している、以下の式により決定される出力電圧の発振周期を生じる。
【数２】
0004298269.tif 000003
【００５２】
従って、サンプル無しのバイオセンサー７０の入力信号から発生する出力信号の発振周期（Ｔ１）およびサンプル有りのバイオセンサー７０の場合の発振周期（Ｔ２）における差または変化（ＤＴ）は以下の式により決定される。
【数３】
0004298269.tif 000004
【００５３】
【数４】
0004298269.tif 000005
上記の式は上記セル等価静電容量Ｃの線形関数である。それゆえ、この等価セル静電容量を測定することにより上記の差が測定できる。
【００５４】
本発明のシステムと共に使用できる発振回路の別の実施形態が図５において示されており、この場合に、抵抗器Ｒ１はサンプルに供給される電流の量を制御するために一定電流供給源ＩCCに置き換えられている。この電流供給源により供給される電流の方向は演算増幅器５６の出力、すなわち、出力信号ＶO により制御される。この出力信号ＶO が高い場合には、上記電流供給源は端子７２を介してバイオセンサー７０に電流を供給して上記等価セル静電容量を帯電させる。この結果、コンデンサーＣ１を跨ぐ電圧が図３の実施形態におけるように指数関数的ではなく線形に上昇する。Ｖ1 が３５０ｍＶの近くに到達すると、演算増幅器５６の出力が電流供給源５７の方向を変えて、上記セルのコンデンサーＣおよび回路のコンデンサーＣ１を放電させるので、Ｖ1 が降下する。この工程が繰り返されて、長方形の形状の波形が演算増幅器５６の出力において発生する（ＶO ）。
【００５５】
上記発振回路のいずれかにより、上記出力信号ＶO が端子５８を介してマイクロプロセッサー５２に供給される。この出力電圧はゼロ・ボルトか電力供給電圧に近いので、利用可能なマイクロプロセッサーのＩ／Ｏポートの一方に直接的に接続されており、その周期信号をデジタル形式に変換するためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を使用する必要がない。マイクロプロセッサー５２は上記信号ＶO を受信し、例えば、セル静電容量、生物学的サンプルに接触しているバイオセンサーの表面積、生物学的サンプルの量、補正係数等の関連の各要素またはパラメーターを導出および／または決定して、これらの関数のそれぞれのタイミングを調整するようにプログラムされている。また、このマイクロプロセッサー５２は本発明の各方法における各工程および各機能を実行するために必要または有用である電気化学的セルの合計の容積、較正パラメーター、動作温度範囲、サンプルの種類の情報、サンプル検出情報等の所定の、予め選択されているまたは較正されているデータまたは情報を記憶するためのメモリー記憶手段を備えることができる。なお、上記においてマイクロプロセッサーを本発明の原理に従ってデータを記憶および処理する目的のために説明してきたが、当該技術分野における熟練者であれば、別の異なる電子部品が本発明の諸目的を達成するために集合的に構成可能であることが認識できる。
【００５６】
本発明のシステムはさらに上記制御装置またはマイクロプロセッサーにより供給される選択された経験的または記号的なデータ、情報または出力を表示するための表示装置またはユニット８０を備えることができる。これらのデータ、情報または出力は選択される出力信号およびインピーダンス要素の測定値または導出値、サンプル量の大きさ、量の適性／不適性の指示アイコン、不適当な量に対する補正係数、関連の分析物濃度、生物学的サンプル／対照サンプルの指示アイコン、較正結果等を含むことができるが、これらに限らない。
【００５７】
関連技術における熟練者であれば、本発明の装置が上述した種類のバイオセンサーまたは電気化学的測定装置を備えていないアッセイ・システムと共に使用可能であることが理解できる。このような別の種類のシステムは、例えば、少なくとも２個の電極および一定濃度の各種イオンを含むレドックス試薬システムを備えている電気化学的セルを含み、この場合に、各電極は生物学的サンプルまたは一定濃度の各種イオンを含む環境の中に配置されるように構成されている。
【００５８】
本発明の方法
本発明により、分析物濃度測定のために供給される生物学的サンプルの量を決定し、この量が正確な分析物濃度測定を行なうために適当であるか否かを決定するための方法およびプロトコルも提供される。上述したように、サンプル量を決定することにおける本発明の特徴は上記セルの等価静電容量、並びに、等価セル抵抗の決定である。従って、本発明の方法は従来技術により達成されていた測定方法よりもさらに正確なサンプル量の測定を行なう。
【００５９】
上記等価セル静電容量およびサンプル量を決定することにおける本発明の別の特徴は上記等価静電容量の決定に影響を及ぼさないかそのような影響を示さないように厳密に制御されているサンプリングした溶液または周囲の諸条件における特定の特性または要素を無視することである。このような制御されているまたは上記等価静電容量に無関係な各要素はイオン性物質の濃度、血液のヘマトクリット値、血液グルコース濃度、環境温度、血液ドナー、および血液、細胞の厚さおよびバイオセンサーの経時変化において一般的に見られるセンサー障害を含むがこれらに限らない。
【００６０】
さらに、本発明の別の特徴は一定の発振が上記等価セル静電容量に比例する一定の周期を有して生成されてこの発振周期からその静電容量が導出できるように上記電気化学的セルに操作可能に連結される発振器を提供することである。
【００６１】
本発明を実施する前に、測定するための生物学的サンプルを入手してこのサンプルを上記試験片のセルの中に配置することが先ず必要である。このことは上記試験片を試験計器の中に先ず挿入してから上記サンプルをこの試験片に供給すること（「オン−メーター供給（on-meter-dosing）」方式）により達成できるか、あるいは、上記サンプルを先ず試験片に供給してからこの試験片を試験計器の中に挿入すること（「オフ−メーター供給（off-meter-dosing）」方式）により達成できる。後者の順序は病院の環境内において好まれる場合が多く、この理由は、計器の中において交差汚染しやすいからである。その後、（米国特許第６，１９３，８７３号において開示されているように）上記測定計器は生物学的サンプルが電気化学的セルの中に導入されていることを検出する。
【００６２】
本発明の各方法を実施する場合に、サンプルの上記バイオセンサー７０の中、すなわち、上記試験片における電気化学的セルの反応領域内への配置または移送の直後に、発振回路が上記試験片に取り付けられていてその電気化学的セルが帯電および放電できることが検出される。このセルに供給される電圧の平均値は当該電気化学的セルの等価静電容量を比較的に速く安定化させるための一定の実効ＤＣ電圧である。この印加されるＤＣ電圧の大きさの平均値はグルコース測定の要求条件に対して互換性のあるグルコース測定において使用される値に等しい。その後、上記セル静電容量（Ｃ）を跨ぐ帯電および放電電圧が入力信号ＶI として電気回路５０、特に発振回路５４に供給または印加される。この入力信号ＶI から、回路５４は上記等価セル静電容量の周期に比例する一定の周期を有する発振電圧出力（ＶO ）を形成する。
【００６３】
当該技術分野における熟練者において周知であるように、一定のコンデンサーの単純化したモデル、すなわち、絶縁体または誘電体の材料により分離されている２個の平行なプレートにおける静電容量（Ｃａｐ）は以下の関係式により示される。
【数５】
0004298269.tif 000006
【００６４】
この式におけるεO は８．８５×１０-12 Ｎ-1ｍ-2Ｃ2 であり、自由空間における誘電率または比誘電率であるεr は上記誘電体材料の比誘電率であり、Ａは当該誘電体材料に接触しているプレートの側面の表面積であり、ｄは各プレートにおける誘電体に接触している各表面の間の離間距離である。従って、上記のコンデンサー・モデルの特性はその静電容量が各プレートの表面積に直接的に比例することである。それゆえ、発振器の出力信号の周期を測定することにより、上記等価セル静電容量が測定され、この静電容量が上記セルの被覆面積に対して線形的に比例するので、この被覆されたセルの面積が発振器の周期から得られる。
【００６５】
上記サンプル溶液に接触している電極の表面積を決定すると、そのバイオセンサーの中、すなわち、その電気化学的セルにおける反応領域の中のサンプル溶液の量（ＶS ）が以下の式に従って決定できる。
【数６】
0004298269.tif 000007
この式におけるｄは対向している電極形態の各セル電極の間の距離または横並びの電極形態におけるセルの深さである。
【００６６】
次に、上記試験片に供給されたサンプルの量がその分析物濃度測定による進行に適しているか否かについて決定が行なわれる。この量の適性決定は上記の計算したサンプル量を上記電気化学的セルの合計の容積に対して比較することにより行なわれる。
【００６７】
本発明の各システムについて既に説明したように、合計のセル容積の値、動作温度範囲、適正な試験片の計器内への挿入を含むがこれらに限らない特定のパラメーターは、上記特定の電気化学的セルに関連するこれら以外のデータ（静的および動的の両方）またはパラメーターの中から、例えば、計器および本発明のシステムにおけるその他の関連の構成部品の較正時に、マイクロプロセッサーのメモリーの中に保管される。
【００６８】
上記サンプル量が適当であると決定される場合に、例えば、分析物濃度のような所望の特性の測定が行なわれて、これらの結果を本発明について既に説明したような表示装置上に表示することができる。一方、上記サンプル量が不適当である、すなわち、正確な測定を行なうためには少なすぎる、と決定される場合には、上記表示装置は一定の少量アイコンを示すことができる。
【００６９】
上述したように、本発明の各方法の特定の実施形態は、上記のサンプリングおよび試験の各工程を繰り返すことを必要とせずに、例えば、目的の各分析物の濃度のような選択された特性の正確な測定を行なうために、不適当なサンプル溶液の量に対して補正を行なう付加的な機能を備えている。
【００７０】
上記セル内の生物学的サンプルにおける、グルコース等の、選択された分析物の濃度が一定のＤＣ電圧を印加した場合に上記電気化学的セル内を通過するファラデー電流（ＩF ）に比例すること、すなわち、このセル電流が上記サンプルの溶液により被覆されている上記セルの表面積に比例することが当業界において知られている。上述したように、本発明者は上記表面積が上記セルの等価静電容量に比例することを既に確定している。従って、上記選択された分析物の濃度はこの等価セル静電容量に比例することになる。それゆえ、サンプル溶液が存在している場合の上記等価セル静電容量を決定してその生物学的溶液により完全に満たされている場合のこのセルの静電容量（一定の較正処理により決定される）を知ることにより、一定の少ないサンプル量に対する補正および正確な分析物濃度測定を行なうために必要な補正係数（Ｆcf）が以下の式により決定できる。
【数７】
0004298269.tif 000008
【００７１】
この式におけるＣf は完全に充填されている時の上記電気化学的セルの等価静電容量であり、Ｃpfは不適当な量の生物学的サンプルを収容している電気化学的セルの等価静電容量である。その後関連の分析物の濃度測定値（Ｇ）が以下の式に従って上記の適当な補正係数（Ｆcf）により作成される。
【数８】
0004298269.tif 000009
【００７２】
この式におけるＧpfは不適当な量の生物学的サンプルを収容している上記セルにより計算した分析物濃度である。不適当に少ないサンプル量に対する補正を可能にすることにおいて、本発明の方法は試験片の浪費を回避して、費用を削減し、分析物測定を行なうために必要な時間を短縮する。
【００７３】
従って、上記の原理および発見に従って概ねまとめると、本発明の特定の方法はバイオセンサーを帯電させるために当該バイオセンサーに一定のＤＣ電圧を印加する工程と、その変化の結果として発生する電圧信号を一定の発振信号に変化する工程と、この発振信号により上記バイオセンサーの静電容量を決定する工程と、この決定された静電容量に基づいてサンプルに接触しているバイオセンサーの部分の表面積を決定する工程と、その後にこの決定された表面積に基づいてバイオセンサー内のサンプルの量を決定する工程を含む。
【００７４】
別の本発明の方法は、上記サンプルの量が適当であるという決定に基づいて、１種類以上の選択された分析物の濃度等の、上記生物学的サンプルの１種類以上の物理的または化学的な特性を測定する工程を含むことができる。また、さらに別の本発明の方法は上記生物学的サンプルの少なくとも１種類の特性の測定のために電気化学的なバイオセンサーの中に保持されている不適当な量の生物学的サンプルに対して補正を行なってその特性の値を正確に測定するための工程を含むことができる。このような補正の方法は不適当なサンプル量として決定されているサンプルの量に対して補正を行なうために必要な補正係数を決定し、その後に、例えば、そのサンプル中に存在している選択された分析物の濃度等を測定しながらその不適当なサンプル量に対して補正を行なう工程を含む。この必要な補正係数を決定する工程は不適当なサンプル量により充填されているバイオセンサーの等価静電容量に対するサンプルにより完全に充填されているバイオセンサーの等価静電容量の比率値を決定する処理を含む。なお、上記サンプルにより完全に充填されているバイオセンサーの等価静電容量の値はメモリー記憶手段によりアクセス可能である。
【００７５】
実験的実施例
以下の結果は本発明に関して観察されたものである。図６は適当な血液サンプル量を有する試験片１３０と適当な血液サンプル量よりも少ないサンプル量を有する試験片１３２とにより得られた時間（ｘ軸）に対する各発振周期（ｙ軸）の比較を示している。この実験の結果は試験片がサンプル溶液により完全に満たされている場合に発振周期における著しい増加があることを示している。なお、これらの経験的な結果は例示のために示されており、限定を目的としていない。
【００７６】
キット
さらに、本発明の実施において使用するためのキットも本発明により提供される。この本発明のキットは、試験片に供給されているサンプルの量が正確な分析物濃度測定を行なうために十分に適当であるか否かを決定するための、上述したような、電子回路を含む、あるいは、上述したような、計器またはその他の自動化した器具の形態の本発明のシステムを備えている。その他の特定のキットにおいて、本発明のシステムは一定の分析物濃度測定を行なう際に不適当な量に対して補正も行なう。これらのキットはさらに電気化学的セル内に保持されているサンプリングした溶液または材料の量の決定において、試験片または微小針等の形態の電気化学的セルを伴う本発明の方法に従って本発明のシステムを使用するための指示または説明を備えている。これらの説明は１個以上のパッケージ、ラベル・インサート等において存在させることができる。
【００７７】
本発明のシステム、装置および方法における各特徴が電気化学的な分析物濃度分析用の試験片上に配置される生物学的サンプルの量を決定するための従来技術の各技法における不都合点の多くを解消して、当該従来技術の各装置よりもはるかに迅速で簡単なサンプル量の決定を行なうための極めて正確な手段および技法を提供することを含むがこれらに限らない特定の利点を提供することが上記の説明により明らかである。さらに、本発明の別の利点は不適当なサンプル量に対して補正を行なってその試験手順を中止することを必要とせずにその分析物濃度測定を進行させるための能力を含む。従って、本発明は流体の生物学的サンプル量の決定および分析物濃度測定の分野に有意義な貢献を提供する。
【００７８】
本発明は最も実用的で好ましい実施形態と考えられる形態で本明細書において図示および説明されている。しかしながら、これらの変形および変更がこれらに基づいて作成可能であると共に、本発明の範囲内に含まれていること、および上記における本発明の開示を読むことにより当該技術分野における熟練者においてその明らかな変更が考え出せることが認識されると考える。
【００７９】
開示されている特定の各装置および各方法は例示的であり限定を目的としていない。すなわち、関連技術における熟練者において容易に考え出せる各態様のような、開示されている概念の等価物の意味および範囲内に含まれる各変更は、本明細書において記載されている特許請求の範囲およびその実施態様に当然に含まれると考えられる。
【００８０】
本発明の実施態様、関連態様は以下の通りである。
（Ａ）  生物学的サンプルを受容して電気化学的セルに一定の電圧が印加される時に前記生物学的サンプルにより形成される一定の静電容量を有する電気化学的セルに電気的に接続可能であるように構成されている電子回路において、
前記電気化学的セルの帯電および放電により生じる電圧入力信号を受信するように構成されており、さらに当該電圧入力信号を前記セルの静電容量に比例する一定の発振電圧出力信号に変換するように構成されている発振回路を備えている電子回路。
（１）前記発振回路がシュミット・トリガー（Schmidt trigger）回路である関連態様（Ａ）に記載の電子回路。
（２）さらに、前記発振回路に操作可能に電気的に連結されているマイクロプロセッサーを備えている関連態様（Ａ）に記載の電子回路。
（３）前記マイクロプロセッサーが前記サンプルの量の値を導出するための手段を備えている関連態様（２）に記載の電子回路。
（４）前記マイクロプロセッサーが前記サンプル中の１種類以上の分析物の測定における前記量の適性を決定するための手段を備えている関連態様（３）に記載の電子回路。
（５）前記マイクロプロセッサーが前記分析物測定を進行させるために不適当なサンプルの量に対して補正を行なうための手段を備えている関連態様（４）に記載の電子回路。
【００８１】
（６）さらに、約１．８Ｖ乃至５．０Ｖの範囲内の一定の供給電圧を備えており、前記発振回路が約２００ｍＶ乃至６００ｍＶの範囲内の一定の上方電圧および約０ｍＶ乃至５００ｍＶの範囲内の一定の下方電圧を有する演算増幅器を備えている関連態様（Ａ）に記載の電子回路。
（７）前記供給電圧が約３Ｖであり、前記上方電圧が約３５０ｍＶおよび前記下方電圧が約２５０ｍＶである関連態様（６）に記載の電子回路。
（Ｂ）  システムにおいて、
生物学的サンプルを受容して電気化学的セルに一定の電圧が印加される時に当該生物学的サンプルにより形成される一定の静電容量を有するように構成されている電気化学的セルを受容するための計器と、
前記電気化学的セルを帯電させて一定のセル静電容量を形成するために当該電気化学的セルに電気的に接続可能に構成されているＤＣ電圧供給手段と、
前記計器と一体に構成されており、さらに前記電気化学的セルに電気的に接続可能に構成されている電子回路を備えており、当該回路が前記電気化学的セルの帯電および放電により生じる電圧入力信号を受信するように構成されており、さらに当該電圧入力信号を一定の発振電圧出力信号に変換するように構成されている発振回路を備えており、当該発振電圧出力信号の周期が前記セルの静電容量に比例しているシステム。
（８）前記電子回路がさらに前記発振回路に電気的に接続されていて前記生物学的サンプルの量を決定するように構成されているマイクロプロセッサーを備えている関連態様（Ｂ）記載のシステム。
（Ｃ）  電気化学的バイオセンサーに供給される生物学的サンプルの量を決定するための方法において、
一定の直流電圧を前記バイオセンサーに印加することにより当該バイオセンサーを帯電させる工程を含み、一定の静電容量が当該バイオセンサーの中に形成されて、一定の電圧が当該バイオセンサーを帯電させることにより発生し、さらに、
前記電圧を前記静電容量に比例する一定の周期を有する発振電圧に変換する工程と、
前記バイオセンサーの静電容量を決定する工程と、
前記決定された静電容量に基づいて前記生物学的サンプルに接触している前記バイオセンサーの部分の表面積を決定する工程と、
前記決定された表面積から前記サンプルの量を決定する工程を含む方法。
（９）さらに、前記サンプルの量が不適当であるという決定に基づいて当該不適当な量に対して補正を行なうために必要な補正係数を決定する工程と、前記不適当なサンプルの量に対して補正を行なう工程と、前記サンプルの少なくとも１種類の特性を測定する工程を含む関連態様（Ｃ）に記載の方法。
（１０）前記電気化学的バイオセンサーが一定のセル容積を有する電気化学的セルを形成している少なくとも２個の電極を備えており、前記決定された表面積が前記生物学的サンプルにより被覆されている前記少なくとも２個の電極の表面積である関連態様（Ｃ）に記載の方法。
（１１）前記平均の直流電圧が約０ｍＶ乃至６００ｍＶの範囲内である関連態様（Ｃ）に記載の方法。
【００８２】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、電気化学的な分析物濃度決定において使用するサンプルの量の適性を正確且つ高精度に測定するための新しい装置および方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と共に使用可能な電気化学的な分析物濃度決定のための例示的な従来の電気化学的試験片の分解図である。
【図２】図１の試験片の等価セル・インピーダンスを表す回路の概略図である。
【図３】本発明によるサンプル量の適性を決定するための電気化学的バイオセンサーに操作可能に連結されている本発明のシステムの実施形態の電子回路の部分概略的な部分ブロック図である。
【図４】図３の電子回路からの本発明による試験片の電気化学的セルに供給される入力電圧（ＶI ）の波形および発振器出力電圧（Ｖo ）の波形を示しているグラフである。
【図５】図３の電子回路における発振回路の別の実施形態の概略図である。
【図６】一定のサンプリング溶液による、それぞれセルを完全に充填した場合および半分だけ充填した場合の、血液サンプルを当該セルに供給した後の、経時的に（ｘ軸）電気化学的セルにより生成される発振周期（ｙ軸）における変化の関係を示しているグラフである。
【符号の説明】
２  電気化学的試験片
４，８  電極
６，８  各電極の外表面部
１２  スペーサー層
１４  反応領域
４０  インピーダンス回路
５０  電子回路
５２  マイクロプロセッサー
５４  発振回路
６０  基準数
７０  バイオセンサー
【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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