JP4819052B2 - 電気化学的センサ - Google Patents

Description

本発明は、電気化学的センサ及び電気化学的検出方法に関する。

電気化学的バイオセンサでは、作用電極が対向電極及び参照電極とともに使用されるが、後者の２つは、擬似参照電極として組み合わせてもよい。以下の文では、文脈が要求しない限り、用語「参照電極」は、擬似参照電極を指すものと解釈されるべきである。測定を行うために、作用電極と参照電極との間に電位差を印加し、得られる電流を電圧の範囲にわたって測定する。流体中に存在する分析対象物の濃度及び分析対象物の種は、固有の電位差で電流測定から導出することができる。測定したボルタンメトリーピーク位置（及び／又は中間点位置）及びボルタンメトリーピーク距離間隔から、補足的な情報を導出することができる。そのようなバイオセンサで使用することができる電極が、ＷＯ０３／０５６３１９に記載されている（この文献を参照として本明細書にその全体で取り込む）。

そのようなセンサで行われる測定は、特に携帯型装置で迅速な測定を行わなければならない場合、誤差を被るおそれがあることが発見された。

したがって、本発明は、
標的溶液と電気的に接触する作用電極と参照電極との間に、電位差が実質的にゼロから第一の所定電位まで増加するランプアップ期間と、及び前記電位差が前記第一の所定の電位で実質的に一定に維持されるプラトー期間と、を有する時変電位を印加すること；並びに
前記プラトー期間中に前記作用電極と参照電極との間を流れる電流をサンプリングすること
を含む電気化学的検出方法を提供する。
本発明は、標的溶液と電気的に接触する作用電極と参照電極との間に、電位差が第一の所定の電位から第二の所定の電位まで増加するランプアップ期間と、続いて、前記電位差が前記第二の所定の電位で実質的に一定に維持されるプラトー期間と、を有する時変電位を印加すること；及び
前記プラトー期間中に、前記作用電極と対向電極との間を流れる電流を測定のためにサンプリングすること、
を含む電気化学的検出方法であって、
時変電位が、電位差を第三の所定の電位から第四の所定の電位まで増加する第二のランプアップ期間と、及び前記電位差が前記第四の所定の電位で実質的に一定に維持される第二のプラトー期間と、をさらに含み；方法が、前記第二のプラトー期間中に前記電流をサンプリングすることをさらに含む、電気化学的検出方法を提供する。
前記第一の電位が開路電位であることができる。
前記第三の電位が開路電位であることができる。
本発明は、標的溶液と電気的に接触する作用電極と対向電極との間に電位を印加し及び両電極間を流れる電流をサンプリングするためのポテンシオスタットと、
ポテンシオスタットを制御して、電位差が第一の所定の電位から第二の所定の電位まで増加するランプアップ期間と、続いて、前記電位差が前記第二の所定の電位で実質的に一定に維持されるプラトー期間と、を有する時変電位を印加させ、及び前記プラトー期間中に、前記作用電極と対向電極との間を流れる電流をサンプリングするためのコントローラと
を含む電気化学的検出装置であって、
コントローラがさらに、時変電位が、電位差が第三の所定の電位から第四の所定の電位まで増加する第二のランプアップ期間及び前記電位差が前記第四の所定の電位で実質的に一定に維持される第二のプラトー期間をさらに含むようにポテンシオスタットを制御し；及び前記第二のプラトー期間中に前記電流をサンプリングするように適合されている、電気化学的検出装置を提供する。
前記第一の電位が開路電位であることができる。
前記第三の電位が開路電位であることができる。

本発明者らは、測定におけるいくつかの誤差はステップ電位を電極に印加することから生じると判断した。電位におけるステップ上昇が電流スパイクを生じ、ある程度電極容量による減衰（減衰の形態はまた、標的溶液の濃度に依存し、したがって予測することはできない）、携帯型装置に高い過渡電流をシンクすることの困難さが続く。したがって、測定は非定常状態で実施され、誤差を生じる。

好ましくは、ランプアップ期間中の電位変化の速度は、約２５０Vs^-1以下、好ましくは約１５０Vs^-1未満、もっとも好ましくは約５〜７５Vs^-1の範囲である。そのような速度は、電位増加によって生じる電流ピークを下げ、そのため、プラトー期間中に実施される測定は、実質的に誤差がない。

時変電位は、電位差が実質的にゼロから第二の所定電位まで増加する第二のランプアップ期間、及び前記電位差が前記第二の所定の電位で実質的に一定に維持される第二のプラトー期間をさらに含んでいてもよく、並びに方法は、前記第二のプラトー期間中に前記電流をサンプリングすることをさらに含む。

ランプアップ及び測定の繰り返しが、平均にすることを改善するためのさらなるデータ点を提供する。特定の実施態様では、第二の所定の電位は、第一の所定の電位とは反対の極性であり、異なる大きさを有するが、他の実施態様では、第一の所定の電位と第二の所定の電位とが、同じ極性を有することもできる。

本発明の好ましい実施態様では、ランプアップ期間中の電位差は、実質的に、シヌソイド関数の一部、特に周期の半分をたどる。そのような波形は、電流過渡現象を最小限にし、また、実時間で生成することが比較的簡単である。

以下、例示的な実施態様及び添付図面を参照して本発明をさらに説明する。

センサ装置は、使い捨て可能であってもよい電極ユニット２０が接続されている電子部品ユニット１０を含む。電極ユニット２０は、複数の作用電極ＷＥ１〜ＷＥ６並びに参照電極ＲＥ及び対向（補助）電極ＣＥを有している。他の実施態様では、より多数又はより少数の作用電極を使用してもよい。本発明のいくつかの実施態様では、参照電極と対向電極とを擬似参照電極として組み合わせてもよい。作用電極と参照電極との間に電気化学的セルが形成されている。電極と電気的に接続している標的溶液の測定を行うためには、様々な電圧（静的及び時変）を作用電極の１つと参照電極との間に印加し、得られる電流を検出する。たとえば、試料中のルテニウム（Ｒｕ）濃度は、定電圧を印加し、電流を測定することによって決定することができる。

センサ装置の電子部品ユニット１０の全体的な制御は、システムソフトウェアを記憶するための内部メモリを含むマイクロコントローラ１０１によって実行される。マイクロコントローラは、専用ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又は適切にプログラムされた汎用コントローラであってもよい。マイクロコントローラは、デジタル・アナログ変換器１０３を介してポテンシオスタット１０４を制御し、アナログ・デジタル変換器１０２を介してポテンシオスタット１０２から測定結果を受け取る。ポテンシオスタット１０４は、所望の電圧を作用電極ＷＥ、参照電極ＲＥ及び対向電極ＣＥに印加し、セルマルチプレクサ１０５が、マイクロプロセッサ１０１の制御の下で、作用電極の適切な一つを選択する。電極は、好ましくは、たとえば約５０μm未満の幅を有するマイクロ電極、マイクロバンド電極又はマイクロ電極アレイである。

グラフィックス表示装置１０８が、ユーザに対する操作メニュー、キーパッド１０９を介して入力されるオプション及び測定結果の表示を可能にする。電気的に消去可能なＲＡＭ１２０が定数及び測定情報の記憶を可能にする。また、センサを医学的又は獣医学的用途で使用する場合、特に患者情報のデータの入力のためにバーコードリーダを設けてもよい。プリンタ、ネットワーク及び他の装置、たとえば患者記録システムへの接続のために、たとえばＲＳ２３２、Bluetooth（登録商標）、Ethernet（登録商標）、ＵＳＢ又はWiFi（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇなど）規格に合致するインタフェースを設けてもよい。別々に示されている回路を一つ以上のＡＳＩＣ又はＦＰＧＡに組み合わせてもよい。

電源は、バッテリーの寿命を最適化しバッテリーの再充電を制御する電力管理ユニット１０６の制御の下で、バッテリー１０７から供給される。

所望の電位差が電気化学的セルに印加されるとき、ポテンシオスタットの出力がその電位まで階段関数で単純に上昇する場合、過渡電流が起こる。初期電流ピークのサイズ及び減衰の速度は、要因、例えば印加電位並びに電気化学的セル及びそれに至る導体の電気容量、インダクタンス及び抵抗に依存する。電気化学的セルの電気容量及び抵抗は、一部には、測定される試料中のイオンの濃度によって決まり、そのため、過渡電流の形状は、十分な精度で予測することはできない。ポテンシオスタットの増幅器中の電流飽和がさらなる複雑さを加える。過渡電流が完全に減衰する前に電流測定が実施される場合、誤差が生じる。携帯型装置では、測定が実施される前に、有意な減衰が観察されるべく過渡電流を速やかに吸収するための大きな電流シンクを設けることは困難である。これは測定時間を増加し、それは、与えられた試料に対して多数の測定が実施される場合、特に不都合である。

実質的な過渡電流の発生を避けるために、本実施態様は、図２に示すような電位波形を電気化学的セルに印加する。波形は、一連のデジタル値を入力としてデジタル・アナログ変換器１０３に供給することによって生成してもよく、次いでデジタル・アナログ変換器がポテンシオスタット１０４を駆動する。適切なデジタル値は、マイクロコントローラ１０１によって実行済みの簡単なアルゴリズムによって計算できるか、又は事前に計算され、メモリに記憶することができる。

電気化学的セルに印加される波形は二つの部分を有し、第一の部分（ｔ０〜ｔ４）では正の電位がセルに印加され、第二の部分（ｔ４〜ｔ８）では負の電位が印加される。この例では、第二の部分は、第一の部分と類似した構造だが、反対の極性及び異なる大きさを有する。しかし、第二の部分は、同じ極性及び大きさを有してもよいし、たとえばさらなる測定を提供することを必要としなければ、省いてもよい。

波形の双方の部分で、電圧が実質的に０に保持される初期遅延ｔ０〜ｔ１の後に、期間ｔ１〜ｔ２で、波形は所望の電圧＋Ｖ₁までランプアップする。この期間中の電圧は、正弦波曲線の一部（約半サイクル）に合致して過渡電流を最小限にするが、他の波形を適用してもよい。ランプアップ部の後に、セルに印加される電位が実質的に一定に保持されるプラトーｔ２〜ｔ４がある。プラトーの後半では、時間ｔ３〜ｔ４の間で、セルを通る電流がサンプリングされる。サンプルの数及びデータ速度は、行われる固有の電気化学的測定に適合するように選択することができ、たとえば、約３００Hzの速度で２０個のサンプルを採取してもよい。測定中に電気化学的セルに印加される電位差、すなわちプラトー電位は、検出及び／又は測定される種に依存する。±２Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対して測定された）の範囲の電位が適切である。

上述したように、例の波形の立ち下がり部は、例の波形の立ち上がり部の相当する部分の反転であるランプアップ部ｔ５〜ｔ６及びプラトー部ｔ６〜ｔ８を有する。当然、他の実施態様では、波形の第二の部分は、第一の部分と同じ極性及び／又は異なる大きさを有してもよい。

ランプアップ部分中、最大傾きは、過渡電流をポテンシオスタットの増幅器にシンクすることができるレベルよりも低く維持するように決定される。たとえば、約５０Vs^-1の速度が適切である。これは、約１００msで０から±０．５Ｖまでの上昇を提供することになる。電位が１ms未満で上昇するステップ電位は、６００Vs^-1の速度を生じさせることができる。

プラトーの最後で、過渡現象がさらなる測定に影響するのではなく、弱いランプダウンも使用してもよい場合、特に、他の測定をすぐ後に実行する場合、電圧を望みどおり速やかにゼロに戻すことができる。

ランプアップ部分の目的は、ポテンシオスタットの一部を形成するＩＥ変換器の過負荷を防ぐことであるため、要求された電位変化の速度は、図３に示すような基本的なポテンシオスタット回路の考察から決定することができる。ポテンシオスタットへの変調入力が図の右手側に示され、増幅され、電気化学的セルの共通電極ＣＥに印加される。電位計が参照電極ＲＥの電気化学的電位をバッファリングし、この電位を加算増幅器に戻して、対向電極の電位が参照電極に対して維持されるようにする。ＩＥ変換器は、作用電極から流れ出す電流ｉを電圧出力Ｖ＝ＲＢ*ｉ（ＲＢは、本質的には演算増幅器電流フォロワ回路である、ＩＥ変換器のフィードバック抵抗器の値である）に変換する。

実際の回路では、演算増幅器の最大電圧出力は、電源電圧及び選択された演算増幅器の特性によって制限される。演算増幅器の電圧出力はその電源電圧を超えることができないということは言外に含まれている。

ＩＥ変換器の電圧出力がＶ＝ＲＢ*ｉによって求められるならば、電源電圧によって規定される、回路に入力することができるｉの最大値がある。ｉがこの値を超える状況では、演算増幅器の電圧出力は電源電圧によって制限される。この出力はもはや電流ｉを表さない。また、負の入力に対する影響も考慮すべきである。通常の演算では、負の入力における電位はゼロであり、ｉと、ＲＢを通過する電流との和である。過負荷状態では、ＲＢを通過する電流は、ｉに釣り合うにはもはや不十分であり、この結果、負の入力における電位はもはやゼロには保持されず、３電極システムではＣＥの電位に向かって上昇し、又は２電極システムでは擬似参照電極とでシフトする。これは、ポテンシオスタットをして電位制御を失わせ、そのため、電気化学的セルはもはや所望の電位に保持されない。電気化学的セルを通過する電流は、ＩＥ変換器の飽和によって制限されるという結果になる。したがって、最大ランプアップ速度は、ＩＥ変換器の飽和を防ぐためにセットされるべきであり、それは事実上、過渡電流が、測定される最大電流よりも大きくてはならないことを意味する。

この条件は、電力を節約し、回路を縮小するために電源電圧が最小限である必要があるバッテリーを動力源とした計器の場合に特に当てはまる。

固有の実施態様に関して本発明を説明したが、本発明は、他の形態で具現化してもよい。たとえば、線形掃引、対数関数、シグモイド関数、双曲線、ロジスティック関数、ワイブル関数、ゴンペルツ成長モデル、ヒル関数、チャップマンモデルを含む他の関数を使用してランプアップを規定してもよい。この文献における極性は、ＩＵＰＡＣ規則を使用して定義されるが、結果は、他の規則に容易に変換することができる。したがって、本発明の範囲は、前記説明ではなく請求の範囲によって決定される。

本発明を取り入れた携帯型電気化学的センサ装置の略図である。 本発明の実施態様における電極に印加された波形の電位対時間のグラフである。 基本的なポテンシオスタットの略図である。

Claims (21)

1. 標的溶液と電気的に接触する作用電極と参照電極との間に、電位差が第一の所定の電位から第二の所定の電位まで増加するランプアップ期間と、続いて、前記電位差が前記第二の所定の電位で実質的に一定に維持されるプラトー期間と、を有する時変電位を印加すること；及び
   前記プラトー期間中に、前記作用電極と対向電極との間を流れる電流を測定のためにサンプリングすること、
   を含む電気化学的検出方法であって、
   時変電位が、電位差を第三の所定の電位から第四の所定の電位まで増加する第二のランプアップ期間と、及び前記電位差が前記第四の所定の電位で実質的に一定に維持される第二のプラトー期間と、をさらに含み；方法が、前記第二のプラトー期間中に前記電流をサンプリングすることをさらに含む、電気化学的検出方法。
2. ランプアップ期間中の電位変化の速度が、約２５０Vs^-1以下の範囲である、請求項１記載の方法。
3. 第四の所定の電位が第二の所定の電位とは反対の極性である、請求項１又は２記載の方法。
4. 第四の所定の電位が第二の所定の電位とは異なる大きさである、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. ランプアップ期間中の電位差が、実質的に、シヌソイド関数の一部、特に周期の半分をたどる、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. ランプアップ期間中の電位差が、実質的に、
   線形掃引、
   対数関数、
   シグモイド関数、
   双曲線、
   ロジスティック関数、
   ワイブル関数、
   ゴンペルツ成長モデル、
   ヒル関数、
   チャップマンモデル
   からなる群より選択される関数の一部をたどる、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
7. ランプアップ期間中の電位差の波形が実時間で計算される、請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記第一の電位が開路電位である、請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記第三の電位が開路電位である、請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記電極が、マイクロ電極、マイクロバンド電極又はマイクロ電極アレイである、請求項１〜９のいずれか１項記載の方法。
11. 標的溶液と電気的に接触する作用電極と対向電極との間に電位を印加し及び両電極間を流れる電流をサンプリングするためのポテンシオスタットと、
    ポテンシオスタットを制御して、電位差が第一の所定の電位から第二の所定の電位まで増加するランプアップ期間と、続いて、前記電位差が前記第二の所定の電位で実質的に一定に維持されるプラトー期間と、を有する時変電位を印加させ、及び前記プラトー期間中に、前記作用電極と対向電極との間を流れる電流をサンプリングするためのコントローラと
    を含む電気化学的検出装置であって、
    コントローラがさらに、時変電位が、電位差が第三の所定の電位から第四の所定の電位まで増加する第二のランプアップ期間及び前記電位差が前記第四の所定の電位で実質的に一定に維持される第二のプラトー期間をさらに含むようにポテンシオスタットを制御し；及び前記第二のプラトー期間中に前記電流をサンプリングするように適合されている、電気化学的検出装置。
12. コントローラが、ランプアップ期間中の電位変化の速度が約２５０Vs^-1以下の範囲になるようにポテンシオスタットを制御するように適合されている、請求項１１記載の装置。
13. 第四の所定の電位が第二の所定の電位とは反対の極性である、請求項１２記載の装置。
14. ランプアップ期間中の電位差が、実質的に、シヌソイド関数の一部、特に周期の半分をたどる、請求項１１〜１３のいずれか１項記載の装置。
15. ランプアップ期間中の電位差が、実質的に、
    線形掃引、
    対数関数、
    シグモイド関数、
    双曲線、
    ロジスティック関数、
    ワイブル関数、
    ゴンペルツ成長モデル、
    ヒル関数、
    チャップマンモデル
    からなる群より選択される関数の一部をたどる、請求項１１〜１３のいずれか１項記載の装置。
16. 前記第一の電位が開路電位である、請求項１１〜１５のいずれか１項記載の装置。
17. 前記第三の電位が開路電位である、請求項１１〜１６のいずれか１項記載の装置。
18. 前記電極が、マイクロ電極、マイクロバンド電極又はマイクロ電極アレイである、請求項１１〜１７のいずれか１項記載の装置。
19. ランプアップ期間中の電位差の波形をリアルタイムで生成するように設けられた波形生成装置をさらに含む、請求項１１〜１８のいずれか１項記載の装置。
20. 前記電極に印加される波形を表す複数の値を記憶するためのメモリをさらに含み、前記コントローラが、前記メモリから前記値を順に読み取るように適合されている、請求項１１〜１８のいずれか１項記載の装置。
21. 前記装置が、バッテリーを動力源とし、及び手で保持される、請求項１１〜２０のいずれか１項記載の装置。

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