JPH05509408A - 浸潤中に微細加工されたセンサーを分析に使用するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 浸潤中に微細加工されたセンサーを 分析に使用するための方法 関連出願の相互参照 本米国出願は、１９８９年１１月７日に出願された、継続中の米国特許出願第０ ７／４３２．７１４号及び１９８８年９月１５日に出願された同第０７７２４５ 、１０２号に関連し、それらの開示は引用することにより全て本明細書に取り入 れられる。

１、発明の野 本発明は、流体中に存在する所定のアナライト種を定量する方法に関し、乾燥状 態に保持された完全に微細加工された（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ）電気 化学的センサーの良好な平衡浸潤（ｗｅｔ−ｕｐ）特性を利用するものである。

これらの及び他の性能特性は、継続している米国特許出願第０７／４３２．７１ ４号に記載されているように、電気化学的センサーから得られる特性並びに物理 的大きさに関して高度の均一性が達成される製造方法より得られる。本発明は、 当該センサーの信号が依然として平衡浸潤の過程にある間にも、分析データの取 得を特徴とする特に、本方法は、センサーが平衡後浸潤状態（即ち、定常状態） の応答に達する前に選択された信号測定を良好に取得し、かつ操作することによ り、乾燥状態に保持されたセンサーである、微細加工電気化学センサーから、従 来実用的であると考えられたよりもずっと速やかに有用な情報を導き出すことを 含む。特定的には、本発明は、それぞれの流体中で所定のアナライト種の濃度の 比を測定するために、異なった流体で記録された信号測定を相関させるための方 法を提供する。本方法は、アナライト濃度の変化に対する特定の電気化学的セン サーの信号応答、この応答はセンサーのよりゆるやかな単調な“浸潤”挙動に比 較して速やかなものであるが、これを区別しうる演算手段とそれに関連する基準 電極を使用する。

２、発明の背景 臨床化学手法の発展における近年の強調点は、生物学的流体の“リアルタイム” 分析のためのシステム又は患者の近くで、例えば、ベット脇で、あるいは医務室 で実施できる分析法の開発に向けられてきた。これらの生物学的流体には尿、血 漿、血清及び好ましくは全血液が含まれる。もし医者に必要な化学情報が診断後 数時間又は数日の後ということではなく、患者の診断時に得られるならば、明ら かな利点が達成される。かかる目的を達成するための進歩がなされたが、十分に 均一な性能特性及び延長された保管期間を有する電気化学的装置を大量生産する ための確立した製法における制限を含め、多くの問題が依然として残っている。

特に関心のあることは、この電気化学的装置から有用な情報を得るために必要な 時間を最少にする十分な演算手法がないことである。

今日まで、多くの型の電気化学センサーを使用して流体の分析が実施されており 、この中では、電位差測定、電流測定又は導電率測定が定常状態又は動的（例え ば、初期レート）モードにおいて実施されている。この測定に使用される電気化 学的センサーは通常２成分のアセンブリーから構成され、流体とその下におかれ た電極の間に増感された膜が挿入される。膜の組成は、特有の種認識能力を有し ており、これは、電気化学的センサーが当該アナライトを特異的に検出し、複合 生物学的流体中の濃度を測定可能にする。しかしながら、今日まで、機器品質管 理及び操作者による偶然のエラーの両方から生ずる高いエラー発生率と組み合わ さった、大きさ、複雑性及び費用に関する制限が、中央の臨床化学実験室から離 れた緊急室及び医務室のような場所でかかる方法を広〈実施することを妨げてき た。加えて、今日使用されている多くの分析試験方法は、過度に扱いにくく又は 複雑である。より重要なことは、電気化学的装置それ自体の応答は、かかる“リ アルタイム”分析を極めて困難にする程遅いものである。生物的流体（例えば、 全血液）中のグルコース及びカリウムイオンのような特性成分の濃度は、長時間 の間に有意に変化しうることに注意すべきである。変化は、関連する代謝過程の 溶血現象反応から容易に生ずる。

先に述べたとおり、“リアルタイム”の臨床流体分析の成功裏の実施に対する原 則的な支障は、信頼できるセンサーの製造方法がないからである。貯蔵時間を最 大にするために実質的に乾燥して保持される既存の化学的センサー装置から情報 を速やかに入手可能とするデータ取得及び操作方法が欠除している。大部分の標 準的方法では、“乾燥保存された“装置が完全に平衡した“浸潤”状態となった あとで、意味のあるセンサーデータが記録され得ると述べられている。

２．１．　従来の装置及び流体分析方法小型化された化学的なセンサー装置を含 む、改善された試験装置の製造に向けて幾らかの進展がみられた。バーライヒ（ Ｂｕｒｌｅｉｇｈ）らに向けられた米国特許第４．７３４．１８４号は、血液中 に存在する多数のガス及びイオンの濃度をモニターするための電極アセンブリー を開示している。アセンブリーは寿命を長くするために、乾燥して保存されるが 、電極は使用前に完全に含水化（ｗｅｔ−ｕｐ）される。操作の間に、これらは 、キャリプラント溶液、参照溶液及び間欠的な血液試料を含む多くの使用溶液と 長時間、平衡にして接触される。こうして、主題の血液気体、電解質及びヘマト クリットレベルを３６時間までの間、連続的にモニターする間、すべての測定は 安定状態において信号応答を提供するセンサーによりなされる。電極が平衡化さ れた“浸潤“状態に到達する前に固体状態の電極から意味のある分析情報を引き 出すことについては、何も開示がない。

ベーカーとフンク（Ｆｕｎｋ）に与えられた米国特許第４．６５４．１２７号は 、種選択セ゛ンサー及びキャリプラント溶液及び試料溶液が別々の室に含まれる 回転可能な多室貯蔵器を備えたセンサー装置を開示している。この装置により複 数の化学種が検出できる。しかしながら、使用されているセンサーは微細加工さ れていないので、センサーの種々の要素の大きさについて限定された量のコント ロールが可能であったにすぎず、不均一な応答挙動が生じ、各センサーの応答性 をバッチで決定することが必要となっている。応答の値、例えば、切片及び傾斜 は、次いでバーコード上に記録され、これは、所望の化学種の濃度が計算される 前に、テーブルトップアナライザーにより判読されなければならない。さらに、 この特許の開示は検出装置の浸潤の間に有用な測定をするための方法については 述べていない。利用しうる創造物文献からの指摘を含め、すべての指摘は、キャ リプラント溶液及び試料溶液測定は検出応答が安定状態の値に達した後でなされ るという仮定を支持している。加えて、これらの商業的に利用しうるセンサーは 高い湿度包装（即ち、実質的に湿っている（ｗｅｔ））内に保存される。

この包装方法は、以下に記載されるように、競争的乾燥試薬システムに比べて検 出装置の寿命を有意に制限するという作用を有する。しかしながら、この妥協は 貯蔵時に装置が実質的に“浸潤”状態にあることを確保し、その結果、センサー がかなり速やかに結果を提供することを可能にする。残念なことに、この妥協は 装置の有用な寿命を全く酷く切り捨て、殊に酵素に基づく検出装置に対して切り 捨てる。もちろん、寿命は包装を冷蔵することによりある程度は延長することが できる。冷蔵は貯蔵費用を高め、又、これは装置を使用前に室温に戻すことが許 されなければならないことを意味すえ。

一方、米国特許第４．７０８．７７６号及び第４．６０８．１４９号は、改善さ れた“乾燥−操作性（ｄｒｙ−ｏｐｅｒａＨｖｅ）”のイオン選択的電極を開示 する。この発明者は“乾燥−操作性”電極を“使用前に湿った貯蔵又は事前に条 件設定することを必要とすることなく試験水溶液のイオン濃度に関連するイオン 活性を再現可能に電気差測定することを提供するイオン−選択的な電極”として 記載している（上述の２番目の特許第２カラム、第１０〜１５行）。これらの特 許は、また、この電極を使用する方法を開示する。特に、水性液中におけるナト リウム及びカリウム濃度を電位差測定することが記載されている。しかしながら 、この測定は異なる測定に依存しており、これは２個の“均一な”電極、即ち、 一対の同一に形成されたカリウムイオン選択的電極の一番目のものを試料液と接 触させ、当該イオンの既知の量を含む基準流体（キャリプラント）と第２番目の 電極を接触させ、次いで、２つの電位の記録の間で生じた差異を決定することを 含むものである。この方法は、試料とキャリプラント溶液を、アナライト濃度の 信頼しうる測定を得るためには、厳密に同時にそれぞれの電極に接触させること を必要とする。この結果、測定誤差を避けるためにキャリプラント及び試料液の 同時適用のための自動手段を提供することが必要である。

ペース（ｐａｃｅ）は、ヨーロッパ特許出願筒０．０１２．０３５号において、 単一のチップ上で組立てられた自己−キャリブレーション小型マルチセンサーを 記載している。この開示の有用性は、複雑なセンサー構造中に記述された複数の 層のそれぞれに対して使用される物質の正確な性質が明らかにされていないから 、全く限定されたものである。対になった同一の電極が使用され、この対の第１ 番目のものは少なくとも２個の既知の成分の別個の電解質“層”を有しており、 対の他のメンバーは、その相当する層中に存在する電解質を有しないか、または 、最初のメンバーとは有意に異なる濃度でそこに存在する電解質を有するもので ある。マツチした電極のこれらの対の自己キャリプレイティング特性の議論があ り、信号測定の異なる方法が“測定中のいずれのずれ及び片寄りを無効にする” ために使用されることを明らかにしている（第２３頁、第３０〜３１行）。加え て、この参照は、自己キャリブレイションを提供するこれらの多層が信頼性及び 正確度を組み入れることを保証するのみならず、また製造の耐容性をも緩和する ということを明らかにしている（第２６頁、第１〜４行）。このように、大きな 寸法許容誤差をもって一層簡単な構造物を製造しうろことを開示しておらず、又 、完全な浸潤を達成する前に有用な情報が信号応答測定から引き出しうるとの示 唆はなく、このような測定が利用される方法が処理されうることはほとんど示唆 されない。

したがって、現在のところ、好適には精妙な予言可能で、再生可能な化学的応答 と“浸潤”特性を有する、好適には微細加工された電気化学的センサー、及び医 者が当該臨床アナライトの濃度の簡便で精密、正確な測定を得ることを可能にす る方法である、効果的な計算手法を伴なった方法が必要とされている。かかる測 定は、望ましくは５分以下、最も望ましくは１分以内になされる。

２．２．　電位パルスの従来の利用 従来の研究者は、電気化学的測定の感度を増大し、又は電極信号の流れ依存性を 減するために、電位パルス方法を利用してきた。

しかしながら、これらの従前の利用は常にアナライト濃度の連続的モニターのた めに利用された完全に浸潤した装置に関係する。

この利用において従前の研究者は、センサー電極間に電位パルスを印加した後に 直ちに読み取りを行なうことにより信号の出力を改善することを追求した。カソ ードは印加された電位パルスの間で開回路になっている。これらの及び関連する 方法は、より完全に、ショート（Ｓｈｏｒｔ、　Ｄ、　Ｌ、　）及びシェル（Ｓ ｈｅ　Ｉ　１．　Ｇ、　Ｓ、　Ｇ、　）のＪ、Ｐｈｙｓ、　Ｅ、：　Ｓｃｉ、Ｉ ｎｓｔｒｕｍ、１９８５．　１８．７９−８７及びリレイ　（Ｌｉｌｌｅｙ。

Ｍ、　Ｄ、ら）のＪ、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ、　Ｃｈｅｍ、　１９６９．２３ ．４２５−４２９に記載されている。

一方、表面層を微粒子サイズの不活性な研磨材、例えばアルミナでみがくこと、 又は、１モル硫酸のような腐食性の酸性溶液中に電極を置き、印加される電位を 数分間反復させることを含め、触媒表面を活性化するための方法か存在する。明 らかに、これらの既存の方法は破壊的であり、微細加工されたバイオ一層が被覆 された電極表面の活性化のためには不適切である。

３、本発明の概要 本発明おいて、１以上の流体中で事前に選択されたアナライト種の濃度の比を測 定するための方法が開示され、これは以下に完全に記載されるとおり、必須の特 性を有する微細加工されたセンサーを提供すること、及びセンサー及び基準電極 を第１の流体に接触させ、次いて、別個に第２の流体と接触させる間、平衡した 浸潤過程が完了する前に信号測定を行うことから成る。

本発明においては、どの流体を最初にセンサーと接触させるのかは、各々の流体 がセンサー及び基準電極と接触される間、別個の信号測定がなされる限り、重要 なことではない。センサーが数分かかる過程の完全な“浸潤”状態になる前にか かる測定がなされるという事実にもかかわらず、種々の生物学的アナライトにつ いて、驚くべきことに依然として有用な分析情報が得られる。乾燥状態で保存さ れた微細加工がなされた電気化学的センサーからこの情報を得るための演算方法 が開示される。このように、本発明は、可能な限り“リアルタイム”に近くして 所定のアナライト種の測定を提供しつつ、利用される微細加工されたセンサーの 単純さ及び乾燥保持の可能性を与える。

本発明の目的は、少なくとも二種の流体中に存在する所定のアナライト種の濃度 比を決定する方法を提供することにあり、次のことから成る。ｆａ）所定のアナ ライト種の濃度変化に応答を示す少なくとも１つの微細加工された化学センサー 、及び少なくとも２つの信号測定を完了させるのに十分な時間の間良好な基準電 位を維持しつる基準電極、これに対して上記センサーの基準電位は測定されるか 、これらを提供し、このセンサー及び基準電極は実質的に乾燥して保存され、そ して、この応答は流体に接触されるとき上記センサー及び基準電極により示され る“おそい”単調な浸潤挙動に比較して十分に迅速又は“早い”ものであり：（ ｂ）上記センサー、基準電極及び外部演算手段の間に電気的接触を確立する；（ Ｃ）上記センサーと基準電極を第１の流体と接触させる；（ｄ）上記第１の流体 の存在下で所定の第１の時間窓において上記第１の信号測定を実施する；（ｅ） 上記第１の流体を置き換える：げ）上記センサー及び基準電極を第２の流体に接 触させる；（ｇ）第２の流体の存在下で事前に選択された第２の時間窓中で上記 第２の信号測定を行う；及び（ｈ）上記第１又は第２の流体中の上記アナライト 種の既知の濃度に対して上記第１及び第２の信号測定を関連づけて、上記センサ ーが完全な平衡浸潤状態に到達する前に上記流体の別のものにおける上記アナラ イト種の未知の濃度を決定する。

第一段階として、微細加工された電位差及び電流測定センサーのアレイ、それぞ れは特に事前に選択されたアナライト種の濃度の変化に敏感であり、そして、そ のアレイも又、十分な時間の間良好な基準電位を持続しうる１又はそれ以上の基 準電極から成るものである、を提供することから成る、試料液中に存在する所定 の複数のアナライト種の濃度を決定する方法を提供することも本発明の目的であ る。好ましくは、一つの基準電極は上記電気差測定センサーの専用であり、他の 基準電極は上記電流測定センサーの専用である。しかしながら、もし上記電流測 定センサーが、また共通のカウンター電極を提供する場合には、単一の基準電極 は両方のタイプのセンサーのために使用し得る。カウンター電極は、基準電極の 分極を防止するように設計されており、分極の作用は電位差測定センサーの性能 にとってより有害である。上記したように、それぞれのセンサーは実質的に乾燥 状態で保存されており、上記特定のアナライト種の濃度における上記変化に対し て、上記センサーの単調な浸潤性能に比較して十分に迅速である応答を示す：（ ｂ）センサーの上記アレイを外部演算手段の間に電気的接触を確立すること；（ Ｃ）センサーの上記アレイを第１の（例えばキャリプラント）流体に接触させる こと；（ｄ）上記の第１の流体の存在下で所定の第１の時間窓で第１セツトの信 号測定を実施する；（ｅ）上記第１の流体を置き代える；（ｆ）上記センサーの アレイを上記第２の流体に接触させるため、このア１／イを上記の複数のアナラ イト種を含む疑いのある第２の（例えば試料）流体と接触させること；（田上記 第２の流体の存在下で所定の第２の時間窓において第２のセットの信号測定を実 施する；及び（目上記第１の流体中の上記所定のアナライト種のそれぞれ既知の 濃度に基づいて、上記第２の流体中の上記所定の複数のアナライト種の濃度を決 定するために、上記第１及び第２セツトの信号応答測定を相関させることである 。

本発明の他の目的は、流体、好ましくはキャリプラント流体と接触させながら、 センサーに一連の電位変化を与えることによって、電流測定センサーの電極表面 を活性化するための方法を提供することである。

本発明のその他の目的は、導電率センサーと接触する流体の導電率が決定でき、 所望ならば、試料中のへマドクリットレベルに関連づけられ、又はずっと簡単に はとの流体がキャリプラント、血漿、血清又は全血液であるかについての指標を 提供し、さらには、キャリプラント流体の試料の存在について確認を提供するた めに関連づけられる、導電率センサーを提供することを含む。

本発明のさらに他の目的は、乾燥保存されたセンサーを使用して、約１分で当該 アナライト種の濃度を決定することを含む。

本発明のまた他の目的は、試験装置を得られた信号の完全さを精査可能とし、及 び特定の分析の拒絶につながるかもしれない本質部分を構成していない又は誤り のデータポイントを除外するためにデータセットを操作可能とする、データ収集 方法を組み込むことにより、試験の“失敗”を生ずることを最小にすることに関 する。

本発明の他の目的は、上述の議論並びに以下の付加的な詳細についての開示から 当業者には容易に明らかになる筈である。

４、図面の簡単な記載 第１図は、接地（ａ）、キャリプラント流体への露出（ｂ）、初期センサー浸潤 （Ｃ）、次いて試料流体への転移（ｅｌについての微細加工された電位差測定カ リウムイオンセンサーにより示される生の波形を示している。各々の流体におい てデータ取得のための適当な所定の時間窓は、第１の流体に対して（ｄｉ及び第 ２の流体に対して（ｆｌの可変のタイムセグメントにより示される。

第２ａ〜２ｅ図は、外部標準コーニング基準電極に関して、それぞれ、カリウム イオンセンサー、ナトリウムイオンセンサー、塩素イオンセンサー、尿素センサ ー及び微細加工されたオン−ポード（ｏｎ−ｂｏａｒｄ）基準電極の流体変化に 対する応答を示す。

第３ａ〜３ｄは、微細加工されたオン−ボード基準電極に関して、それぞれ、カ リウムイオン、ナトリウムイオン、塩素イオン及び尿素センサーの流体変化に対 する応答を示す。

第４図は、ＨＥＰＥＳ緩衝液試料（○）またはＨＥＰＥＳ緩衝液のみ（×）中で ２０ｍＭグルコースを使用する、使用された電極の電位（ｍＶ）に応答する、本 発明方法で使用するのに適した電流測定グルコースセンサーの信号出力（ナノア ンペア電流）を示す。

第５ａ図は、一連の活性パルス群又は電位変化が適用されたときの、微細加工さ れたグルコースセンサーの増加する電流出力を示す。

第５ｂ図は、第４ａ図の活性化されたグルコースセンサーの流体変化に対する応 答を示す。

第５ｃ図は、付加的なパルス群が適用された場合の活性化されたグルコースセン サーの電流出力において実質的な変化がないことを示す。

第６図は初期レート測定に基づく電気化学的クレアチンキナーゼ酵素アッセイを 示す。この図は、さらに、酵素プロセスの生成物、固定された濃度のアデノシン 三燐酸（ＡＴＰ）に対するセンサーの応答を示す。

５、発明の詳細な説明 本発明の方法は、データ操作又は収集方法を含め、試験装置又は外部演算手段に より実施しうる演算手法により、平衡化された浸潤過程の間に与えられた試料流 体中の当該アナライトの濃度の近似した値に達するまで、微細加工されたセンサ ーの定量可能、予測可能な性能を統合することを探求する。

“平衡浸潤（ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｅｄ　ｗｅｔ−ｕｐ）”過程は、乾燥保存さ れたセンサーが水性媒質、湿潤ガス等から成る流れにさらされることにより、操 作可能な状態、そして最終的には定常状態に達する過程を意味する。ここで“平 衡浸潤”という用語は、種々の膜層を通じての電極表面への水の流入のみならず 、センサーが定常状態応答に達する前に起こるすべての物理化学的変化を含むた めに使用される。これらの変化及びその結果には次のものが含まれる：各々の膜 層の含水及びそれを通じてのアナライト、補助因子、イオノホア、酵素、アフィ ニティーラベル等の移動に対する作用；酵素含有層の含水及び酵素活性又はイオ ノホア及びアフィニティーラベルの選択性に対するその作用（即ち、その結合係 数に対する作用）：電極表面の含水及びセンサーの応答性、これは、例えば、金 属水酸化物及び金属水酸化物部位の相対表面母集団又は、代わりに、銀−銀ハラ イド表面が／’％ロゲンーアコ（ａｑｕｏ）金属複合体に変換されうるリガンド −リガンド置換の程度の関数であり得る。

水性の流体又は湿潤気体から成り得る流体の物理化学的特性はセンサーと接触し ても変化しない（即ち、流体中の事前に分析されたアナライトの濃度は、流体、 殊にキャリプラント流体の温度、ｐＨ１浸透圧、イオン強度等に関して一定に留 まる）という事実にもかかわらず、完全に浸潤、平衡化されたセンサーが得られ る前に生ずるかかるすべての変化は、単独で又は協奏して単調に変化する信号出 力を生ずることができる。

上述の過程は、流体と接触したときに自発的に生ずるという意おいて、連続的に 異なる電位を印加することにより電極表面を電気化学的に活性化することは、セ ンサーが一定の状態で信頼性をもって操作される前に必要となる時間を減少させ ることに有意に貢献し、それゆえ、センサーの見かけの“浸潤”　（又はＲＣ浸 潤）に有意に貢献する。

単調な浸潤信号は、普通、抵抗容量（ＲＣ）時定数により記載される、というの は、これは抵抗とコンデンサーを直列又は並列に接続することにより電気的にシ ミュレートできるからである。

このため、かかる回路に印加される電位ステップ（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｔｅｐ ）に対して、時定数で＝ＲＣで指数関数的に減衰する電流ｉ＝との値の５％に対 してはｔ＝３τである。後者の値は、しばしば９５％応答一時間として言及され る。ここで記載したセンサーに関して、センサーが乾燥状態から含水した即ち浸 潤状態に変化し、期待される平衡した定常値の９５％の信号を発生する前に、有 用な分析情報が良好に得られる。

このＲＣ概念のすばらしい入門のための議論は、リンドナー（Ｌｉｎｄｎｅｒ、 Ｅ）　らの’Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｉｏｎ −ＳｅｌｅｔｉｖｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅｓ″ＣＲＣ出版、１９８８及びそこて引 用されている参考書にルは通常“ＲＣ時定数”として言及されるが、センサーの 動作の物理的又は化学的容量性又は抵抗性要素についての特に詳細な説明又は仮 定は、指数関数モデルの適用性を証明するためには要求されないことに留意すべ きである。

本発明において、驚くべきことに、本発明の完全に微細加工されたセンサー及び 基準電極に関連する浸潤のためのＲＣ時定数は、操作でき、かつ厳密にモデル化 しつることが見い出された。この浸潤ＲＣ時定数の再現性及び予言可能性は、い いかえれば、次のセクション、及びより完全には継続中の関連する米国特許第０ ７／４３２．７１４号及び同０７／２４５．１０２号に記載された微細加工手法 の成果である。この微細加工方法は、ラミネーションを含む従前の方法により達 成しうる積層された層の寸法に対してより精密な制御を提供する。実際に、複数 の電気化学的センサーを、単一のシリコンウェハー上に製造することが現在可能 である。最初の実用的な微細加工された基準電極を含め、これらの電気化学的セ ンサーは、臨床化学において必要とされる精密及び正確度をもってなされる電気 化学的測定を可能とするための、十分に良好な特性を有す以下により詳細に記載 するように、本発明者は、単調な浸潤信号における時間とともに進展する即ち変 化の速度は、センサー及び基準電極の最初の流体との接触の後の如何なる時にお いても高度の正確さをもって予測しうることを見い出した。このＲＣ時定数をモ デル化し、分析し、及び操作する可能性は、本発明方法の重要な点であり、この ことはセンサーが完全に浸潤し、平衡した状態に達する前にアナライト種の濃度 を迅速かつ信頼性をもって決定することを可能とする。

本発明の同様に重要なエレメントであり、かつ、再現可能で予測可能な浸潤ＲＣ 定数を保持した直接の結果の１つは、所定のアナライトの濃度の変化に対するセ ンサーの応答に関連したＲＣ定数は、また、高度に予測可能かつ正確であるとい うことである。

ＲＣ時定数、ΩＦ、の単位は次式から明らかなように、秒であＲ（抵抗）＝Ω、 オーム＝ｖ／ｉ Ｃ（容量、単位ファラデーＦ）＝ｑ／ｖ＝　（ｉｘ秒）／ｖＲＣ−ΩＦであるか ら、 ＲＣ−（ｖ／ｉ）Ｘ　（ｉＸ秒）／■＝秒アテアナライト濃度化に応答して化学 センサーがその信号を変化させる場合、化学センサーの信号の時間依存性を支配 する指数関数的時定数は、ταＬ２／Ｄのように変化する。（上記のリンドナー らの“Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　１ｏｎ−５ｅ ｌｅｃｔｉｖｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ”、ＤＲＣ出版、１９８８及びそこで引 用されているブック　（Ｂｕｃｋ、　Ｒ，Ｐ、）の初期の仕事、特に第１章の“ Ｉｏｎ−５ｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｅｌｅｃｔｒａｄｅｓ　ｉｎ　Ａｎａｌｙｔｉｃ ａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ″、Ｆｒｅｉｓｅｒ、　Ｈ，、（Ｅｄ）、　Ｐｌｅｎ ｕｍＰｒｅｓｓ、　１９７８を参照されたい。）アナライトの濃度変化に対する 定常状態の応答に達するまでにセンサーが必要とする時間は、ＲＣ時定数により 表わすことができる。このため、ＲＣ応答時間は式ＲＣ＝Ｌ２／Ｄ、式中、Ｌは ｃｍで表わした膜層の厚さであり、Ｄはｃｍ２ｓｅｃ−’で表わされる膜を通し てのアナライトの拡散係数である、て近似することができる。

膜層を通過するグルコースの拡散係数は、典型的には、溶液中てのその拡散係数 の約１００分の１以下である（Ｄ溶液＝　１０−’ｃｍ２ｓｅｃ−’、Ｄ膜＝１ ０−８ｃｍ２ｓｅｃ−’）　ｏこの結果、もし膜層が厚さが約１μｍ（１０”” ｃｍ）である場合、ＲＣ応答時間は概ね（ｔｏ−’）２／１０−’即ち約１秒で ある。ＲＣ浸潤、この大きさは１０秒のオーダーであるが、応答時間に比べて緩 やかである。例えば、図中の（例えば第１〜３図）センサーの浸潤時定数は、約 ２０秒のτ値を示す。以下に記載するように、浸潤過程がτくｔく３τ、即ち、 信号変化の速度が十分に小さい不完全なレベルにあるとき、この速度を線形ドリ フト速度（第１表参照）としてモデル化することができる。

明らかに、膜層を浸透し定常状態の応答を確立するためにアナライト種の拡散フ ロントに必要とされる時間は、膜の厚さが増加するにつれ増大する。この結果、 センサーの積層された（ｏｖｅｒｌａｉｄ）構造に対して高度の大きさコントロ ールを達成できる製法を有することが、予測でき、再現可能な浸潤及び応答時間 特性を得るために非常に重要である。

１個のセンサーを有する方法を記述することに加えて、本発明は、また、特定の 事前に選択されたアナライト種にそれぞれ敏感なセンサーのアレイを効果的に操 作することに関する。アレイのそれぞれのセンサーは、これに限定されるもので はないが、標準電位差測定、電流測定及び導電率測定又はそれらに基づく動力学 的測定を実施するためにデザインされたものを含め、多数の可能な態様の１つで 操作しうる。これらの型のいくつか、又は全部で構成される種々の電気化学的セ ンサーのアレイの同時操作は問題の独特のセットを与える。

加えて、成る型の微小電極アセンブリーは不活性化されやすく、又は表面触媒活 性を失いやすく、高レベルの感受性を確保するためには、再活性化が必要である 。

少なくとも１種の、好適には、多数の事前に選択されたアナライト種の濃度を導 くための本発明の分析方法の各エレメントの詳細な記述を以下に示す。

５．１．　完全に微細加工されたセンサー完全に微細加工されたセンサー、本発 明方法の好適なエレメントを含むこのセンサーの利用可能性は、本出願人の継続 （７ている米国特許出願第０７／４３２．７１４号に詳細に記載されている。微 細加工された基準電極を含む、集積された環境検出装置の製造に関する付加的な 局面は、米国特許第４．７３９．３８０号及び先の継続している米国特許出願第 ０７７１５６．２６２号に記載されており、それらの完全な記載は参照によって 本明細書に組み入れられる。これらのマイク組立されたセンサーは、製造過程の 種々の段階で、膜のマニュアルによる沈積等により持ち込まれる誤差及び不均一 性を避けるための方法により製造される。このため、ウェハーレベルフォトリン グラフイー及び自動マイクロディスベンシイング（ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｅｎｓｉ ｎｇ）を含む、薄層フィルム手法の組みあわせか、何方もの同一センサー又は異 なったセンサーのアレイを単一のシリコンウェハー上に製造するために使用され る。同じ方法で製造された基準電極もまた、高度にコントロールされた様式で作 られる。

かかる基準電極は、試料溶液中の化学的又は生化学的種の電気化学的測定のため に必要である（Ｅｖｅｓ、　Ｄ、Ｖ、Ｇ、及びＪａｎｚ、　Ｇ、Ｊ。

“Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｐｒ ａｃｔｉｃｅ″Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ。

１９６１、を参照。この完全な開示は参照によって本明細書に組み込まれる。） 電位差測定の場合、測定された信号は基準電極の電位に関して化学的に応答する 電極（センサー）の電位である。理想的には、基準電極の電位は、それが接触す る溶液の化学的組成とは厳密に独立している。基準電極はまた電流測定のために 必要である、というのは、それは電流測定センサーの電位をコントロールするか らである。これらの層の組成、これらの物理的大きさ、並びにセンサーアレイ上 のそれらの位置に関して、かかる高度のコントロールが存在するから、ウェハー 上の各センサーの、又は同様に製造されたウェハーの特性及び仕様は良好であり 、予測されうる。

特に、最も好ましい微細加工されたセンサー及び基準電極は、上記センサーの少 なくとも一部の上に載置され、約１２０以上の分子量の分子は実質的に除外する 一方、約５０以下の分子量の分子は自由に透過させるのに十分な厚さを有する透 過選択的な層：及び上記透過選択的な層及び上記センサーの少なくとも一部に載 置されたバイオ層、このバイオ層は（ｉ）特定のアナライト種と選択的に相互作 用することが可能な十分な量のバイオ活性な分子、及び、（ｉｉ）上記バイオ活 性な分子が組み込まれた支持マトリックス、このマトリックスは光形成可能なプ ロティカーゼ様（ｐｒｏｔｅｉｎａｃｅｏｕｓ）混合物、フィルム−形成ラテッ クス及びこれらの組みあわせから導かれるものであり、このマトリックスを通し て上記の種が自由に透過し、そして上記バイオ活性な分子と相互作用しうるもの であるマトリックス、から成るものである上記バイオ層を含むものである。

本発明の好適な態様において、透過選択的な層はポリマーフィルムに由来し、最 も好ましくは式Ｒ’　ｎ５ｉ（ＯＲ）ｔ−１式中、ｎは０゜１又は２から選ばれ る整数であり、Ｒ′は３〜１２の炭素原子を有する炭化水素基であり、Ｒは水素 又は１〜４の炭素原子を有する低級アルキル基である、を有するシラン化合物の 熱処理フィルムから成る。

センサーのバイオ層のバイオ活性分子は当業者によく知られている広範囲の分子 から選択でき、例えば、イオノホア、酵素、蛋白、ポリペプチド、核酸又は免疫 活性分子を含むことができる。

典型的には、バイオ活性分子はイオノホア又は酵素である。

微細加工されたセンサーの他の好適な態様において、光形成可能なプロティカー ゼ様混合物は（ｉ）プロテイナーゼ様物質；　（ｉｉ）上記ブロティナーゼ様物 質中に均一に分散された有効量の光増感剤；及び（伍）水を含む。本発明で使用 されるプロテイナーゼ様物質の例には、アルブミン、カゼイン、ガンマグロブリ ン、コラーゲン、その誘導体及び混合物が含まれる。最も好ましいプロティナー ゼ様物質は、動物ゼラチン、特に魚ゼラチンである。

多くの型の光増感剤が存在する。しかしながら、特に興味のあるのは、高酸化状 態の遷移金属化合物、特に鉄及びクロム塩である。

フィルム形成ラテックスは、合成又は天然物に由来するポリマー又はコポリマー の水性懸濁液を含むことができる。

勿論、付加的な層が微細加工されたセンサー上に存在してもよい。例えば、付加 的な層はアナライト種を含めた選択された分子のセンサーを通じての移動を減す るために使用し得る。電解質層は、特に、電位差測定センサー又は基準電極構造 のために存在し得る。基準電極構造のより完全な記述は本出願人に係る継続中の 米国特許出願第０７／４３２．７１４号及び同第０７／１５６．２６２号に見い 出し得る。

センサーのアレイは共通の基準電極を使用し得ることが再度強調されなければな らない。この結果、一連の電位差測定センサーは、数個の電解質の活性を同時に 測定する、即ち各センサーの信号は共通の基準電極の電位に関連し決定するため に組み込まれることができる。電流測定センサーは、僅かに異なる配置を有し、 それぞれは例えばセンサーとカウンター電極を含むが、アレイ中のすべてのセン サーは共通の基準電極を共有する。

ヘマトクリット測定のための導電率測定センサーは単純なデザインであり、提案 されたアレイ上で適当な距離で離れた２個の貴金属電極を有する。導電率測定を 実施する際、電場は交流信号を印加することにより、一対の金属電極の間に発生 される（直流信号も使用しうる）。好適には、電場効果は対になった金属電極の 直接上方の流体隔室に主に限定される。この配置は赤血球に対して装置の感受性 を最大にする。交流信号に対する適当な周波数を選択する際にいくつかの要素に 注意が払われねばならないことに留意すべきである。これらの要素には、赤血球 による場のゆがみを最大にしつつ、電極表面でのファラデープロセスを最小にす ることが含まれる。

付加的な試薬を必要とする観点において、恐らく最も複雑な電気化学的センサー は、動的測定を実施するために使用されるセンサーである。この種のセンサーは 、例えば酵素関連反応により消費され又は製造される検出可能な種の濃度の変化 速度により反映される酵素活性を決定するために有用である。こうして、ある試 料中の特定酵素の活性が確定しうる。さらに、抗原、ハプテン、抗体、ウィルス 等を含む広範囲の免疫活性及びアフィニティ活性種の分析のための方法を可能と することにより、特定の酵素関連イムノアッセイを実施しうる。

酵素又はイムノアッセイに向けられたセンサーの好適な態様は、試料流体にアク セスでき、１又は他のリガンド／リガンド受容体のペアーが固定される層をもつ べきである。再び、読者は本出願人の先の継続中の米国特許出願第０７７４３２ ．７１４号を一層の詳細に関して参照される。

５、　ｉ、　ｉ、センサーのためのディスポーザブル装置上記の微細加工された センサーは、血流又は他の流体に関して広範囲の測定を実施するために適用する ことのできるディスポーザブル装置に好ましくは取り入れられる。ディスポーザ ブル装置は、試料採取及び保持、センサーのキャリブレーション及び測定を含む 多様な機能をもたせるために構成される。操作中、ディスポーザブル装置は手持 ち式読み取り機に挿入され、これはセンサーとの電気的結合を与え、オペレータ ーの介入なしに自動的に測定順序をコントロールする。

適当なディスポーザブル装置には、上部及び下部ハウジング部材が設けられ、こ の中には複数のセンサーと電気的接点とキャリプラント流体を含む小袋が組み込 まれる。センサーは、試験される流体試料中の特定のイオン種の濃度に依存して 電位を生ずる。

ハウジング部材を一緒に結合させ、装置中の数個の空洞及び導管を画成し、シー ルするために、上部及び下部ハウジング部材の間に、両面粘着シートが配置され る。

第１の空洞は、装置の中央に配置され、空洞の底部にビンを有し、空洞の上部で ディスクをヒンジにより止める。キャリプラント流体を含有する密閉された小袋 は空洞内にあり、第１の導管はこの空洞からセンサーに連絡する。第２の空洞は 流体試料を受け入れるために一方の端部に穴を有し、管の他の末端はキャピラリ ー・ブレイクで終わる。第３の導管はキャピラリーブレイクからセンサーを横切 って第２の空洞に連絡し、シンクとして作用する。

第１の空洞はキャピラリーブレイクの後及びセンサーの前で第３の空洞と一緒に なる。第３の空洞は空気袋（ｂｌａｄｄｅｒ）として機能する。空気袋が押圧さ れるとき、空気は第４の導管から第２の導管へ強制的に押し下げられる。

操作時に、導管の一端にあるオリフィスを試料と接触させることにより、毛細管 作用により、流体試料は第２の導管に引かれる。

試料が第２の導管を充填した後で、オリフィスはシールされる。

キャリプラント流体を含有する小袋は、次に、ディスクを小袋上に押し下げて、 ピンを小袋の反対側に突き通らせることにより、穴をあけられる。小袋に一度穴 があくと、キャリプラント流体は空洞から第１の導管を通じて第３の導管に流れ 、センサーを横切り、その時にセンサーのキャリブレーションが実施される。次 に、空気袋を押圧して空気を第４の導管から第２の導管の一方の端に押し出し、 このことにより、試料を導管の他の端部から押し出し、キャピラリーブレイクを 通過させ、第３の導管に通し、センサーを横断させ、そこで測定を実施する。こ れを行うとき、キャリプラント流体は第３の導管から第２の空洞へ追い出され、 そこで保持される。測定が一度行なわれると、ディスポーザブル装置は捨てるこ とができる。

手持ち式読み取り機は、ディスポーザブル装置を受け入れる開口、及び試験順序 及びセンサーを横切る流体の流れをコントロールする一連のランプ有する。ディ スポーザブル装置が読み取り機に挿入されるとき、ヒンジされたディスクを押圧 することにより読み取り機はキャリプラント流体の小袋を破裂させる。次に、読 み取り機はディスポーザブル装置の電気的接点と接触し、センサーのキャリブレ ーションを行い、流体試料がセンサーを横断するように空気袋を押圧し、センサ ーにより発生された電位を記録し、試験されている化学種の濃度を計算し、そし て、医学的評価及び診断において使用するための情報を表示する。

こうして、例えば、患者の血液のカリウム濃度を測定するために、医者又は専門 家は患者の指を刺して少量の血液を取り出す。

次いで、医者は装置のオリフィスを血液中に入れ、毛細管作用を通して血液を装 置に吸引する。次に、医者はオリフィスを密閉し、装置を読み取り機に挿入する 。挿入によって、医者の介入なくして、一連の工程か読み取り機により自動的に 開始される。読み取り機は、自動的にキャリプラント小袋に穴をあけ、その結果 、キャリプラント流体はセンサー上を流れて、センサーを活性化し、目盛窓めの ために必要な流体を供給する。装置の電気的接点は、次いで、自動的に読み取り 機に接続され、キヤリプレーンヨン測定が自動的になされる。次に読み取り機は 自動的にディスポーザブル装置内の空気袋を押圧し、試料をセンサー上に流す。

センサーにより生成された電位が読み取られ、化学種の濃度が自動的に計算され る。結果は表示され、あるいは医者か使用するためにプリンターにアウトプット される。

この過程が完了すると、医者は読み取り機から装置をはずし、それを適当に処理 する。次に読み取り機は、他のディスポーザブル装置の挿入により開始される、 他の測定をいっても実施できる。

５．２．　信号応答測定を実施するためのデータ取り扱い方法本発明のデータ取 り扱い方法は、外部演算データ記憶及び表示手段を組み込んだ機器において、セ ンサー浸潤、流体工学過度現象（ｆｌｕｉｄｉｃｓ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ）　 （流体の流れに関連する過度現象）、電気的ノイズ、センサー及び基準電極出力 の間の電気的インターフェイス及び演算手段及び他の間欠的な人工物（ａｒｔｉ ｆａｃｔｓ）又は信号のフラクチュエーションに関連する接触ノイズを含むバッ クグランドから必要な情報（即ち、アレイ中の各センサーの電気化学的応答）を 導き出すことを可能とする。センサーの信号を処理するために使用しうる手持ち 式器具の顕著な要素に関する他の情報については、読者は本出願人の先の継続し ている米国特許出願第０７／１８７．６６５号が参照される。

データ取り扱い技術には、第１及び第２の信号測定を相関させるためにデザイン された演算方法が含まれ、この結果、第１及び第２の流体中の事前に選択された アナライト種の濃度比をもたらす。これらの演算方法は、濃度変化に対する相対 的に速いセンサーの応答（電位差測定又は電流測定のいずれか）を、センサー及 び基準電極の両方のより緩やかな単調な浸潤から区別する。

しかしながら、本明細書に記載した特定の態様を学んだ後では、もし単調でない 浸潤特性に遭遇するならば、より複雑な演算方法が信号を処理するために使用し うることは、当業者にとり明らかである筈である。また、他の型の演算方法は、 後記するような信号の欠陥を検出するために、今後、考えられるかもしれない。

とにかく、もし必要性が明らかならば、−次の近似値はより一般的な０次の多項 式、指数関数及びその他のものに拡張することができる。高次の演算に関する唯 一の懸念は、外挿に対する適合性である。

それ（ゆえ、本発明の−の態様において、演算手段は、センサーに接触する流体 の性質の変化、個々のセンサーと外部演算手段の間の接触又は接続から生ずる電 気ノイズ、並びに他の外部からの間欠性の人工物により引き起こされる使用不可 能な信号を検出するために使用される。本発明の演算方法は、許容できない測定 周期を与えることになる人工物の発生の指示をもたらすために使用しうるかもし れない。本方法の好ましい態様において、標準的な演算方法は、装置において得 られたデータのセットからじゃまな人工物又は異常なデータポイントを除くこと を可能とするために拡張される。“補正された”サブセットは次いで同様に処理 されて、有用な測定が提供される。こうして、他の場合には“失敗”として捨て られてしまうであろう、すべてではないが、一定の分析が適切な条件下では救わ れる。

既知の信号処理方法に類似しているが、本方法で使用される演算方法は、それ自 体、当該電気化学的応答及び浸潤特性又は人工物が生の波形にどれ程寄与するか についての重要なアセスメントを行いうろことを指摘されなければならない。次 いて、所望の信号はとり出され、又は、有用な情報が得られる前にさらに処理さ れる。

本データの取り扱い方法は、データ取得部分とデータ処理及び分析のための他の 部分から成る２つの主要な部位に細分化することができる。各々の部分はそれ独 自の演算方法のセットを有しており、そして、それらの関係は次のチャート１を 参照することにより一層良く理解できる。

（本頁以下余白） チャート■ データ取り扱い方法のデータ取得部位において、センサーから得られたアナログ 信号はデータメモリー中に記録するためにデジタルフォーマットに変換される。

エレクトロニクスは、期待される範囲の電位測定に対して十分な分解能をもつ高 インピーダンス電位差測定センサーにとって適切であるようにデザインされる。

電流を測定する電流測定センサーのためのエレクトロニクスは、電流電圧変換器 を有しており、これもまた期待される範囲の電流測定に対して十分な分解能をも つようにデザインされる。測定の間、流体は、流体電位が演算増幅器のレンジか ら飛び出すのを防止するために接地される。

電流測定センセ−は、好適には電気化学的活性化プロセスにさらされることが指 摘されるべきである。出願人は、この活性化プロセスは成る種の酸化還元活性化 学種の還元又は酸化に対してセンサー電極表面の触媒活性を増大させると推測し ている。この電気的活性化プロセスについての一層の議論は、後記する章におい て与えられる。

また、データ取り扱い方法のこの部位は、導電率測定値の収集及びデジタル記憶 を含む。本明細書の別の箇所で述べられているように、この導電率測定は患者の へマドクリットレベルの分析に関連し、また、システムクォリティ　アシュアラ ンス方法に関連する。本明細書で述べられているように導電率測定センサーの浸 潤は、そのセンサーが流体に直接接触する２つの金属電極のみから構成されてい るために、極端に速い（ミリ秒のオーダーである）ことに注意することが重要で ある。それゆえ、間にはさまる膜の引き続く浸潤は観察されない。

一 データ取得の付加的な局面である、処理及び分析は後記する章において詳細に議 論される。

（来貢以下余白） ５．２．１、ジグナチャー分析 チャー２のシダナチャー分析項は、第１及び第２データ時間窓において行った信 号測定値の完全性を分析する段階である。本項において使用される演算法は、過 度の湿潤ＲＣ時定数、スパイク、誤信号及びノイズを検出し、かつ、メモリー内 に保持された好ましい値と時間窓内に観察された値とを比較する。

本方法の具体的な実施態様において、シダナチャー分析の第１段階はリアルタイ ム（すなわち、データ収集中に）で行われる。

そこにおいて、最初の７点の時間窓から初まる７点スライド窓傾斜分析が実行さ れる。測定が第１液の存在下で行われたか第２液の存在下で行われたかにかかわ らず、各時間窓について計２５のデータ点（＋、−２５）を実際に収集する。ス ライド窓については任意の大きさ選択することができるが、７点スライド窓は容 認できる程度の分解能を提供する。

この演算法は、各時間窓におけるデータ収集の間に各センサーに適用される。セ ンサーのアレイを用いる実施態様において、この演算法はどのセンサーが作動し ているか及び時間窓が開始したか否かを記録する。各７点窓の傾斜は線型回帰の 再帰的形態に基づいて算出する。新しい各点が収集されかつ７点窓を傾斜させる ときに、新しい７点窓（点２−８）の傾斜は最初の７点窓（点１７）と比較され る。最初の傾斜（基本傾斜）の値に基づく新しい傾斜の受容範囲を設定すること ができ、かつ特定の窓がその範囲外にあることが発見される場合には、後の使用 のためのフラッグとしてそのセンサーについてのビットが設定される。

本スライド窓傾斜分析は、−次微分変化を調べることにより時間窓内のスパイク 及び誤信号を検出する。新しい傾斜を最初の７点窓の傾斜と比較する代わりに、 新しい善意の傾斜をその直前の先行窓の傾斜と比較できることは明らかである。

しかしながら、新しい傾斜を最初の７点窓の傾斜と比較することは、演算性全体 を通しての各パスについて基本傾斜のための新しい値をメモリー内に保存する必 要性を回避できることから、時間の節約となる。

更に、この方法は信号の完全性を決定する際にトレードオフを必を示す。更に別 の方法として、直前のポイントのみではなく最も近接する双方の２つの傾斜を比 較することもできる。さらに他の方法も、当業者には明らかであるはずである。

このシグナチャー分析項の第２段階は、観察値についての限界値をチェックする ためのポストデータ収集処理演算法を含む。この演算法は、−次微分係数、線適 合のエラーまたは推定値、デルタドリフト率、平均ドリフト率、二次微分係数、 曲率度合などの計算を含む。つまり、この演算法は観察されるデータをメモリー 中に保持された期待範囲値と比較する。本方法の具体的な実施態様においては、 限界は、各時間窓のドリフト率（傾斜）、各時間窓のドリフト串間の差異（すな わち、第１液の時間窓と第２液の時間窓との間のデルタドリフト率）、及び各時 間窓において得られる応答の中値もしくは平均値に置かれる。このドリフト率及 び平均値は直線回帰分析から取得する。各変数についての最高及び最低設定値は 各センサーについて異なっていてよい。更にポストデータ収集シダナチャー分析 演算法の追加項では、最小二乗適合に関連するエラーを計算し、かつこのエラー 値をアレー内にある各センサーについて設定される限界値と比較する。限界値の 随意の組み合わせの選択により達成することができる正確さ及び精度が決まる。

例えば、ノイズ限界をしぼり込み湿潤状態ＲＣ時定数を緩和させることは逆転手 順に関して好ましいこととなるかもしれない。

データ処理パッケージにおけるデータ操作および分析の次に続く項は、個々のセ ンサー類の時間窓が期待される範囲外に出ているスパイク、誤信号、ノイズまた は観察値（例えば、ドリフト率、デルタドリフト率、推定平均値または誤差）を 含む場合には、更に進んだ処置を指令する。欠陥を生じているセンサーの結果は 表示されず、適切な勧告事項が装置のモニター上に表示される。

しかしながら、データが処理しやすい異常を含む場合は、不正データ回復演算法 を利用して、充分な情報を演鐸的に推論して利用価値のある結果を引き出す。不 正データ回復演算法は、検出される誤信号及び／又はスパイクが、すべての時間 窓に適応される線適合の妥当性に有害な影響を与えるほど大きいかどうかを決定 することを含む。この分析は、全体の時間窓に応用される線適合を、第１傾斜７ 点窓から取得される基本傾斜に対して比較することにより行われる。その代用法 として、邪魔になる誤信号を除去した線適合とそれを除去していない線適合とを 比較してもよく、その総体的な統合度についての決定を行うことができる。更に 他の回復演算法においては、ある種の中間フィルターを実行して検出される誤信 号を平にする。また、他の回復法を考えることができる。

この段階において、典型的な流体分析周期における代表的な微線加工されたセン サーの作用を簡単に記載することが有用であろう。図１は、本発明において使用 される電位差カリウムイオンセンサーの時間に対する関数としての電位応答を説 明する。最初の数秒間において、測定周期は電気的に開始し、センサーアレイ間 に電気的接触を生じさせる。これらのセンサーは好ましくは使い捨て装置（例え ば、先に継続中の米国特許出願Ｎｏ、　０７／２４５，１０２に記載のものであ り、該出願の全記載は参照としてここに引用される）でありかつ外部の計算手段 上に装着することが好ましい。この初期期間中、全てのセンサーはアースされて いる。この初期の電気的接触が確立した後の数秒間内に第１液の溢流が起こり、 センサーアレイと接触する。その後湿潤が生じる際に、電位差測定センサーの電 位は基本的に指数関数的に単調化されてくる。

図１において説明されているシーケンスにおいて、約７２秒後に流体交換を行う が、カリウムイオン濃度を取得することがこの分析周期の唯一の目標である場合 には、明らかに、第２液の導入をより早い時期に行うことができる。本説明にお いては、第１時間窓を、第１液がセンサー全体に行き渡った後でかつ第２液の導 入以前の任意の適切な時開に選定することかできる。第２時間窓においては信号 測定値の第２設定を行うが、これは、流体交換を行なったすぐ後に初めることか 好ましい。

５、　２．　２．　センサー応答の算 適切なデータセットが得られたときに、センサー応答つまり第１及び第２液間の 電位測定値における変化（デルタ電圧）の計算を行う。センサーの応答を計算に 使用される本アルゴリズムでは２つの線最小二乗適合を行う。一つの最小二乗適 合を第１液の時間窓内で実行し、他方を第２液の時間窓内で実行する。

図１に示すような生の波型からセンサー応答を抽出する多くの方法が存在する。

デルタ応答を導くための数種の例には、２．３挙げてみると、直線／直線外挿、 直線／平均計算、平均／平均法あるいは平均／直線法があるが、これらに限定は されない。直線／直線法の場合においては、第１時間窓に対する適合が推定流体 変位点つまり変異期間の中央値の前方へ外挿する。第２時間窓に対する適合は同 じ推定変位点の後方に外挿するが、自明なことではあるが、流体変位点をその中 央点に特定して選定することは必要でなく他の任意の点を選択ｊ−でもよい。こ れらの外挿した電圧間の演算上での差異がセンサーのデルタ応答である。それに 代わる方法では、電流測定用センサーに由来する電流を測定する場合に外挿した 値開の比率を算出する。次いで、試料液中の対象となるアナライト種の濃度をキ ャリプラント流体中におけるアナライトの既知の化学活性（濃度）に基づいて決 定することができる。

ネルンストの式のニコルスキー拡張（１）もやはり流体中に存在する妨害的なイ オンのセンサー応答における効果を考慮するものであるが、これを電位差測定セ ンサーの場合にこの決定法として使用する。

Ｅ　ｆｆｉ　Ｅ０＋　Ｒτ／ｎＦ工ｏｇ　［Ａ十Σ−に４ｌ−ｈＢｌ　（１）式 中、Ｅは測定起電力（信号）、Ｒは気体法則定数、Ｔは絶対温度、ｎはアナライ ト種ａにおける電荷の絶対値（例えば、アンモニウムイオンについては、ｎ＝１ である）、Ｆはファラデ一定数、Ａはアナライト積立の活性、Ｂは妨害性化学積 立の活性、ｋＴ、Ａ、又はＢに依存しない定数である。ニコルスキーの式の追加 的な論議については、Ａｍｍａｎ、Ｄ、　Ｉｏｎ−３ｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｍ＋ｃ ｒｏｅｌｅｃｅｒｏｄｅｓ、　Ｓｐｒ：ｎｇｅｒ、　Ｂｅｒｌｉｎ（１９８８） 　ｐ、６８　、及び、その文献中に引用されている引用文献が参照される。そし て、その開示全体は本明細書中に引用文献として取り込まれる。

未知のもしくは試料液中のアナライトの計算された化学活性の補正は、ヘンダー ソンの式（２）により得られる。そこにおいて条件Ｅｊは式（１）に含まれ、か つキャリプラントと試料液との間のイオン強度の差及びマトリックス効果を考慮 する。なお前記差は通常基準電極の僅かな応答として表される。

式中、ｚｌは電荷、μｍは移動度、Ｃ２は種ｉのモル濃度であり、かつ、α及び βはトランスファー係数である。

電流測定センサーに関し、試料液中のアナライト濃度は測定電流比、キャリプラ ント流体中の予め選択されたアナライトの既知の濃度、及びシステム定数から得 られる。従って、式３を使用することができる。

１　（ｉｌ／１２）　Ｃ１γ】＋δ−Ｃ２（３）式中、１＋及び１２は第１及び 第２液の測定電流であり、かつｃｌ及びＣ２は予め選択しであるアナライトのモ ル濃度である。

第１液かキャリプラントである場合にはＣ１は既知の価であり、試料中の０２の 値は容易に取得することができる。補正因子γ及びδは実験的にかつキャリプラ ントと試料液の物理化学的物性の差を考慮に入れて入する。

直線／平均法においては、キャリプラントの時間窓に対する線適合は、前もって しかし試料時間窓の中点に対して前方向に外挿する。キャリプラントの適合から の外挿した値と平均試料値との間の差異がデルタ応答である。第２の時間窓の中 点値に対するーの時間窓の外挿値の比率は所望により計算することができる。平 均／直線法の場合は、前述の方法において使用した外挿の方向を逆にする。また 、平均／平均法の計算のやり方も全く自明であろう。

結局、センサー応答計算のための選択法はそのセンサーの特性に依存しかつ慣例 の実験を通して最善のものが決定される。しかしながら、センサー応答測定値の 質はどの方法が最も適切であるかについての影響を持つ。例えば、第１と第２時 間窓におけるデータ点の傾斜の間にかなり大きい差異が存在する場合に、直線法 を用いると歪んだ結果がもたらされる可能性があり、その場合には特定の時間窓 の平均値がより適切であるかもしれない。既に論議したように、データ収集、処 理及び分析の間に用いる演算法は、窓の［滑らかさくｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ）Ｊ を決定する目的で各時間窓においてデータ点を収集する際に、ドリフト率（傾斜 ）を考察するのに強化（ｅｎｈａｎｃｅ）される。同様に、充分にサンプルされ た時間窓の−次及び二次微分係数を「強化した」演算法を用いて比較することが できる。

５．３．　キャリプラント流体 キャリプラント流体は予め選択されたアナライトの既知の濃度を含む。このキャ リプラント流体は湿潤気体を含むことができるが、水性液体からなることが好ま しい。キャリプラント中の予め選択されたアナライトの選択濃度は、未知の試料 中に見い出されると予想される濃度に類似していることが好ましい。必要であれ ば、防腐剤類（例えば、ｐ〜ヒドロキシ安息香酸、フェニル第二水銀酢酸エステ ル、ｐ−アミノベンズアルデヒド、及びその類のもの）も微生物の混入を予防す るために含まれることがあってよい。本発明の好ましい方法においては、キャリ プラント流体は数種のアナライト類の水溶液であり、その濃度は未知の試料、通 常は全血液中において決定されると予想される濃度に類似している。

発明者が経験してきたことであるが、２つの流体の特性（例えば、粘性）上の差 異に起因して、もし少量の血液を少量のキャリプラント流体と置換させるために 使用するとすれば、それは本方法の実施を簡便化させる。つまり、第１液はキャ リプラントであることが好ましく、かつ第２液は血液試料であることが好ましい 。

しかしなから、本方法はさほど限定的ではなく、かつセンサーに導入される流体 類の順番及び性質が選択すべき事項である。

５．４．　位差信号答 電極と接触する流体の化学組成の変化についてのイオン選択的電極（ＩＳＥ）の 信号応答現象は化学雑誌における数多くの研究の対象であるか、水性培地との第 １接触（湿潤状態）における乾燥保存されたＩＳＥの時間依存的な信号は比較的 注目されていない。前述したように、このような軽視の傾向は、完全に確立され た湿潤状態を達成する以前にはＩＳＥは分析的価値を持ちえないという当業者の 間で一般的に受け入れられている見解の結果である。しかしながら、この前提は 伝統的な方法で繊維化される微細電極については事実であるかもしれないが、微 細加工された装置についてはかならずしも事実でない。

明らかに、可能な限り「リアルタイムＪに近い状態で有用な測定値を取得するた めには、平衡湿潤状態過程が完了する以前に、乾燥保存されたＩＳＥからの分析 的数値を記録することが非常に望まれる。この測定値を取得するための一つの方 法には前述した従来の技術による微分法があり、この方法では、同一の形をした 一対の電極を各アナライト種及び対応するキャリプラント溶液について使用する 。この構成においては、従来の基準電極は存在しない。微分測定値は、ＩＳＥが 第１に応答するその特定の化学種に関する、未知の濃度に対する既知の濃度の比 率を提供する。ＩＳＥの多対は、例えば物理的大きさ及び物質組成のように湿潤 状態ＲＣ時定数をもたらす特性について同一であるという仮定に基づくと、単調 な湿潤状態信号が微分測定値から削除されるという予想が正当なものと思われる 。幾分有効な方法ではあるが、それは各組み合わされた対の各ＩＳＥとキャリプ ラント及び試料液との間の各々厳密な同時接触を必要とすることから、並列の迅 速な多重積の電気化学的アッセイに関しである種の固有な制限を有してする。複 数の種の分析に多数のこれらのマツチした電極対のアレイを導入しかつ使用する ことに付随する問題は、これらの電極対が単一のアナライトの決定のためにのみ 使用されてきたことから、そのような使用法を思い止まらせるようなものであろ う。

本方法によりこのような制限は除去される。この湿潤状態現象を、センサー及び 基準電極の物理的大きさ及び物質特性と共に、高い度合いの信頼性を持つように 調節することができる。本発明において、出力は、湿潤状態がτくｔく３τゆっ くした変化率を線ドリフトとして処理することができるレベルにまで進んだこと を示し、かつこの線関係は例えば３０秒のような短い間の時間定義域においてセ ンサー出力を前方に安定して突出させる。この可能性は、センサー及び基準電極 と接している溶液例えば（未知の）試料もしくは（既知の）キャリプラントを変 えて、２つの流体の間の読み比較する場合に重要となる。この方法において、「 基準」電極に対するキャリプラントの導入及び「作用」電極に対する未知の試料 の導入とを厳密に同時に行うことの必要性は回避される。

微細加工された基準電極は、その基準としての品質が水性培地からのイオン種の 偶発的な内方向もしくは外方向の拡散により弱められていそうではあるものの、 この操作は長い時間領域においては典型的には単調であることを指摘すべきであ る。結果として、このような基準電極に対して測定されるセンサーの出力は直線 関係により確実にモデル化できる。直線関係は一般的には高い次数の多項関数よ りも好ましい。その理由は、それは基本的に簡便であり、妨害に対して信号が影 響を受けにくく、さらにより前のものに関連する有意義な外挿値を確実に取得す ることができるためである。更に、このような緩和現象の一般的な指数時間依存 性は数学的に示すことができ、それにより充分大きい時間値における直線関数に よって良好に近似させることができることにも注目すべきである。実験的関数の ティラー級数展開が独立変数（−１／τ）の近似法（−α）としての直線項によ り支配されることを銘記していれば、この近似の適当性が明確になる。

図１〜図３は、銀−塩化銀基準電極を通しての完全湿潤状態にある伝統的なフロ ーについての数々の異なる完全な微細加工されたセンサーの湿潤状態ダイナミク ス、並びに、類似する湿潤状態効果を受ける微細加工された基準電極に対するこ のようなセンサーの動作を説明している。一つの流体における実測値の直線適合 は、第２液における後続の測定値と比較することで、後の時間における測定値が 幾つになるかを正確に予想することを可能にすることが理解できる。

キャリプラント流体に対して露出する乾燥保存され薄いフィルム状のイオン選択 性電極の湿潤状態動向特性を決定することは重要である。図１に示すように、ア ース通路を除去しかつカリウムセンサーと基準電極との間に流体通路を確立した 後に（約９秒の間隔で）、生の波型はより操作しやすくなる。定常状態値への電 位出力の指数関数的減衰は、カリウムセンサーの湿潤状態及びその固有のＲＣ時 定数の関数である。

図２ａ〜２ｅは、標準的なコーニング社の基準電極に対する、カリウム、ナトリ ウム、塩化物、尿素、及び、搭載した微細加工された基準電極それぞれの、キャ リプラントから約５０秒後に未知の（試料）流体への変化についての応答特性を 示している。（これらの及びその後に続く図においては、キャリプラント流体の 導入前のセンサーの応答は示していない。）これらのＩＳＥ全てについての湿潤 状態応答は類似したものであり、約４０秒後にはほぼ直線のドリフト率を示す。

搭載した基準電極（図２ｅ）は流体交換に対して微細な修正可能なイオン強度及 びマトリックス効果を越えて応答することはないことを銘記しておくことは特に 重要である。従って、これをカリウム、ナトリウム、塩化物、及び、尿素センサ ーのための事実上の基準電極として都合よく使用することができる。図３ａ〜３ ｄにおいて、微細加工された基準電極を搭載基準として用いているこれら各々の センサーに関連するデータは、搭載した基準電極は機械的に作動し、かつ図２ａ −２ｄにおける流体交換に関連する誤信号すら除去することを、まさに証明して いる。この結果は、恐らく、センサー類に対して搭載した基準電極がかなり近接 しているために観察されるのである。

データ処理及び分析のための演算法の種類の選択的基準に関しては経験的な方法 を利用することができ、この方法には、各１次的な関係についての的確性と正確 性の決定がある。直線／直線法は、カリウム、ナトリウム、及び、塩化物センサ ー類について優れていることが見いだされている。尿素センサーはより緩慢な応 答時間を有し、直線／平均適合度を使用する場合に最良の結果を提供する。デー タ獲得用窓の厳密な位置及び持続期間をもこの方法で決定することができる。

５．５．　電流測定信号答 センサーの応答の理想的な感応性を基礎定数類及び示強熱力学量（ｉｎｔｅｎｓ ｉｖｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）によりネルンス トの式を通して決定する電位差測定とは異なり、電流測定における電流出力はシ ステムに依存する。これはつまり、その結果が、電極の表面特性と同様に、めっ き構造の幾何学及び輸送特性に依存するということである。しかしながら、ある 特定の濃度範囲において、電流応答は、アナライトのバルク濃度に正比例するも のと思われる。しかしながら、任意の一定バルク濃度における絶対電流は、一般 的に、乾燥保存しであるめっき構造が水和するような、時間領域において増加し 、これはつまり、膜を通過する輸送速度が増加することである。この方法は、試 料（未知の）液中においてキャリブレーション及び後続する測定を時間領域中に 殆ど同時に行わないかぎり、センサーの分析的有用性を弱めることがあり、その センサーが達成しうる的確性及び正確性を限定する。明らかに、乾燥保存しであ る、単独使用される電流測定センサー類は、測定過程中に行われる一連の操作段 階が注意深く制御されていることを必要とする。

本発明の好ましい実施態様においては、少なくとも２つの電流測定センサー信号 （例えば、電流出力）を、各データ獲得用時間窓において決定する（繰り返すが 、少なくとも２つの時間窓が存在するべきであり、それは各々の液について一つ づつでなければならない）。各時間窓（例えば、検定液の時間窓）において決定 されるセンサー信号のうちの一つを最初に応用する電位において測定し、更に、 センサー信号のもう一つのものを、歯間−の時間窓内で、第２印加電位において 測定することが最も好ましい。その後流体交換を行い、上述の信号測定過程を繰 り返す。例えば、印加電位を第１時間窓においである電位からより高い印加電位 へと段階的に高め、次に第２時間窓においてこれを行う場合、そのようなより高 い電位から低い印加電位へと段階的に下げるのに都合がよいことがある。

個々の信号を測定する印加電位の範囲は、特有な応用法の必要性に応じて変化す ることかてきる。グルコースセンサーの場合は、このような印加電位を、約１０ ０から約３００ｍＶの範囲になるように選択することができる。ある一定の時間 窓における少なくとも２つの信号測定の内の一つを約１２５ｍＶの印加電位にお いて行い、かつ、他の測定を約２２５ｍＶにおいて行うことが最も好ましい。各 印加電位において取得される信号値を、その後、印加電位曲線に対する信号（例 えば、電流）、及び、各時間窓について算出及び比較したこのような数値により 決定される線の傾斜上にプロットする。このようにして、予め選択された種の既 知の濃度を有するキャリプラント流体について取得される線の傾斜を、その後、 試料液から得られる線について記録された線と比較することかできる。

本実施態様の更に詳しい実施例として、読者の関心は、直前に記載しである、印 加電位に対するこのような信号についての例を示す図４に向けられる。＋１００ から約＋２００ｍＶの間にある曲線の領域を吟味してみれば、過酸化水素の電気 触媒的酸化として測定することができる小総容Ｉの陽性電流がそれに対応する還 元過程により充分に平衡化されていないことに気が付くであろう。しかしながら 、この領域、あるいは、約−１００から約＋３５０ｍＶの間の任意の一定な領域 においては、単純なＨＥＰＥＳ緩衝液（Ｘ）による曲線の傾斜は、ＨＥＰＥＳ緩 衝液（０）中の２０ｍＭグルコースの溶液による曲線のものとは顕著に異なるこ とは明らかである。実際、各曲線の傾斜は、各様々な流体のグルコース濃度に直 接関係している。

印加電位は、総電位が０であるかあるいはそれに近い領域のほぼ中央にあること が好ましい。このようにして、総電流に対する妨害的還元過程の寄与もしくは測 定用電子工学に関する任意のバイアス電流を最小限にし、かつ、最大限の傾斜に ついての最善の概算値を取得する。

５．６．　センサーの活性化 活性装置である電流測定センサー類についての操作方法は、電気的に受動である 電位差測定センサーとは異なって、特に複雑であることがある。電流測定センサ ーは、電極−溶液接点を横切る電子移送の割合を測定する。通常は、電極表面は このような電子移送（酸化還元）応答類においては触媒的役割を果たしており、 そのため、電流は、センサーの表面領域のみに依存するのではなく、その表面の 触媒活性にも依存する。

電極表面に混入物が入り込んだり、または電極表面が不活性化されることはまれ ではない。グルコース電極についての基本的センサーとして作動する触媒（例え ば、前記米国特許出願第０７／４３２．７１４号を参照せよ）としてのイリジウ ム表面が、めっき構造が沈殿前に過酸化水素の酸化に対して非常に活性であるに も示かわらず、その触媒活性はこのような処理後にはかなり低減する。以下に示 す方法は、確立されためつき構造を損なうことなく、不活性化された金属表面の 感応性の大半を復元するように設計しである。

５、　６．　１．　グルコース活性化の方法本新規の操作法は、めっき構造に有 害な影響を及ぼすことなく、乾燥保存しである電流測定用グルコースセンサーの 電極表面を迅速に活性化させるのに有用である。この活性化は、センサー類につ いての総体的な見かけの湿潤状態ＲＣ時定数を低減させるのに重要な寄与をなす 。測定の分析段階中（すなわち、装置が完全に湿潤状態で、かつ、そのパルスが データ取得に関連している間）に、常に実行される従来の技術のパルス法と異な り、本活性化は非腐食性流体の存在中で、しかも、データ取得前であり、かつ、 センサーが完全に湿潤状態になる以前においてにおいて実行される。

この構造を活性化するには、一連のパルス群を、キャリプラントもしくは試料液 の存在中下のグルコースセンサーに応用させる。

この方法には、逆の符号の数値の間の印加電位を変化させる（サイクルさせる） ことがある（例えば、１−１ｖから−ＩＶ）。このパルスを都合よく完全な増加 段階（つまり、最大限の±１ｖ１ｖ）に応用される。しかしながら、このような サイクルは、（ｉ）パルス発生、（ｉ　ｉ）希望する正電位への中間的な増大段 階とその後の希望する負電位への中間的な増大段階、（ｉｉｉ）各希望する電位 への直線的電位掃引、及び、（ｉｖ）非線形の電位掃引もしくはなだらかなサイ ン曲線波に類似するそのような掃引、を含む、これらに限定されない他の多様な 方法においても実行することができるということは、当業者には明らかであろう 。

大まかには、この装置における最初の２つのパルス群は、電極の触媒表面を充分 に活性化させるだけのマグニチュード及び持続時間を有する。これらのパルス群 は、めっき構造の水和をも促進することができる。この装置における第３パルス 群が作動して、実際の作用電位の印加時の電流の初期変化率を低減させる。ここ で図５ａを参照してみると（時間ゼロは、センサーが、流体、好ましい実施例に おいてはキャリプラント、に接触するようになる時間に相当する）、最初の２つ のパルス群を印加している間に、過酸化水素の酸化及び還元についてのピーク電 流が劇的に増大１゜ていることが観察される。図５ｂは、１０ｍＭのヒト血清（ 約５４秒以降）に対する操作が引き続きなされる５ｍＭのグルコースキャリプラ ント溶液（２６−５３秒）に対する、作用電位における活性化されたセンサーの 応答をより詳しく示している。このグルコースセンサーの分析的価値は自明であ り、両方の流体について顕著な電流が観察され、かつ、そのセンサーにおいては 、キャリプラント溶液よりも高いグルコース濃度を有する生物学的流体に対して そのセンサーを露出させた後に、電流が増加するのである。＋３５０ｍＶの作用 電位においては、センサーは０．　１−３０ｍＭのグルコースの範囲における線 形電流応答を生じる。図５０は、そのセンサーが殆ど完全に活性化されているこ とを示唆しているが、それは、パルスシーケンス全体を同一のセンサーについて 繰り返したとき、最大限の過酸化水素酸化及び還元電流が僅かに増加したのみで あるためである。

印加電位をサイクルさせるための実行可能な代用方法の一つには、必要な電位が ある予め決定されている値もしくは変化率に達するまで、センサーに一定電流源 を接続するセンサーの活性化についての定電流制御（ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉ ｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ）がある。

センサー類の電流出力を測定するための他の代用方法は、活性化のレベルを決定 するために、そのうちの一つがセンサーである２つの電極間の電導率測定を行う ことを含む。

本方法のある実施態様においては、過酸化水素測定用センサー類のためのパルス 列は以下に示す通りである。パルス群１及び２は、酸化用端末において＋０．７ から＋１．２Ｖ及び還元用末端における一〇、７から−１，２Ｖという制限を用 いては、約５秒の持続時間であるべきであり、このパルスは対称的に印加しても よいし、または、しなくてもよい。標準的なパルス列がその後に現れる単一の拡 張された負パルス列も都合よく応用することができる。本発明者らは、負パルス は活性化段階の重要な側面であることを観察し、また、彼らは、この活性化段階 はイリジウム電極の官能基の１つもしくは複数の種類の還元に関連しているらし いと推測している。しかしながら、本発明者らは、本推測に捕われることを望ま ず、かつ、分子レベルにおける表面活性化段階の特別な解釈を行うことによって 本発明の範囲を制限することを望んではいない。

第３パルス群は、最終電位段階が＋４００ｍＶから＋８００ｍＶの範囲である群 から選択されるべきである。図５ｂに示されているように、５ｍＭのグルコース キャリプラント流体について記録される電流は、センサーが充分な度合いの湿潤 及び活性に達したことを示している。４６から５２秒の期間の間、後の外挿のた めに、データが第１時間窓内に記録される。５３秒以降、キャリプラント流体が 消耗して生物学的流体（試料）がセンサー内に配置される。薄いフィルムの微細 構造状生物層類の利点は、応答時間（つまり、第２流体中のアナライトのバルク 濃度に比例する数値にまで電流が変化するのに要する時間）が速いことであり、 これは通常は５秒よりも短い。この微細構造化された装置の追加的特性こそが、 本分析方法の成功に寄与するものである。６１から６６秒までの期間中には、デ ータは第２時間窓内に記録される。

電位差測定センサーを用いる場合と同様に、データ取得窓の適切な場所の選択及 びデータ適合演算法の選択は、各適合度を用いて取得することができる的確性及 び正確さの経験的な計算法に基づくものである。電位差測定用の尿素センサーを 用いる場合と同様に、線形／平均適合度が、グルコースセンサーについては好ま しい。

５、　６．２．　操作法の概略 光の論議は、酵素応答により発生された過酸化水素が、内蔵されている銀−塩化 銀基準電極に対して＋３５０ｍＶの作用電位における電気化学的酸化法を用いて 測定されるイリジウム電気触媒を含むグルコースセンサーに関連するものである 。このセンサーを操作するための代替方法の一つは、過酸化水素の電気化学的還 元に基づいている。この操作は、ゼロｍＶから一２５０ｍＶの範囲における作用 電位を印加することにより達成されるが、上述の１及び２に類似するパルス群が これに先行し、−２００ｍＶから一５００ｍＶまでの範囲における最終電位セッ トを有するノ々ルス群３を使用する。

上記操作法を、イリジウムに代わる電気触媒としてプラチナもしくは他の貴金属 を使用している活性化センサーについて応用することもでき、これらの表面もや はり、処理段階後の期間に不活性化される。

米国特許出願第０７／４３２．７１４号において記載されている種類の酸素セン サーは、酸素還元に適する金の電気触媒を使用するものであるが、これもやはり 、この種類の活性化法で操作することができる。しかしながら、パルス群ｌ及び ２の持続時間及びマグニチュードを改善することがしばしば望まれるところであ るが、それは、様々な金属表面が、めっき構造の沈殿化及び関連する処理段階中 に様々な度合いに不活性化されるためである。更に、パルス群３は、−６００ｍ Ｖから一８００ｍＶの範囲になるように選択するのが好ましく、この範囲におい ては、−４００ｍＶから一５５０ｍＶの範囲の作用電位が金電極の酸素還元につ いて期待される。

５、　６．　３．　酵素分析及び免疫分析に対する演算方法代謝物質分析におい ては、演算法の対象はその代謝物質のバルク濃度の決定である。明らかに、この 測定が分析的価値を有するものである場合には、センサーは代謝物質のバルク濃 度を混乱させるべきてはない。

酵素センサーもしくは酵素関連性免疫センサーに基づく分析については、対照的 に、センサー演算法の対象は、電気活性種の濃度における変化率を決定すること であり、この電気活性種は、分析が行われている間に消費もしくは発生するもの であり、この変化率は、系内に存在する酵素活性を反映するものである。酵素及 び酵素関連性免疫分析に適するセンサー類は、再度米国特許出願第０７／４３２ ，７１４号において開示されている。

この分析の生産物が過酸化水素（つまり、分析の過程において生産される電気活 性種である）である場合には、演算方法を以下に示すように改良することができ る。すなわち、一連の活性化パルス群を適応させるとともに、キャリプラント検 定電流の測定を行った後、上述したように、酵素もしくは酵素関連性免疫分析の ための基質類もしくは試薬類がセンサーに導入される。短時間の誘導もしくは混 合期間後、電流は着実に変化し、更に、その後、初期変化率ｄ　ｉ　／　ｄ　ｔ が計算される（図６を参照せよ）。電流及びキャリプラント中の一定の濃度に対 応する電気活性種の既知の電流の変化率から、その濃度における増加率を推定す ることができる。この変化率を酵素活性として表現することができ、これはつま り、一定の温度、ｐＨ等において、単位時間当たりに消費される基質のモル数で ある。データ収集期間が数分にわたる場合には、上述したパルス群が、その時間 領域内においてキャリプラント信号が簡単に前方向に外挿されるほど充分な度合 いまでセンサー構造を湿潤させることに留意することは重要である。別な方法で は、変化率測定はキャリプラント流体の存在中における初期センサー応答に基づ くものであるが（キャリプラントを、試料の導入以前に導入させる場合）、これ はかなり危険を伴うことであることがある（キャリプラントと試料の測定を殆ど 同時に行うことの重要性に関連する前述の論議を参照せよ）。この方法における 微細構造化させた免疫センサー類の用途により、完全な湿潤状態をセンサーが獲 得する以前に変化率の測定値を取得することが可能となる。

延長期間（２−３分）にセンサーを操作する場合に遭遇する他の問題点は、生産 物の集積もしくは応答減少領域がバルク溶液内へ広がる拡散濃度勾配を伴いなが ら電極のめっき構造内に生じることである。センサーに接近したそのような異質 部分は、その遂行に逆効果を与える虞がある。例えば、電極に接近している水素 イオン濃度とバルク溶液内の水素イオン濃度との間の過度の落差（ｅｘｃｅｓｓ ｉｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）により、過酸化水素酸化のための活性化エ ネルギーの変化か生じる。この変化は、結果として非線形の電流応答を生じるこ とがある。この問題点は、予め選択した時間間隔において追加的な一連のパルス 群を導入するように演算法を改善することにより回避することができる。当初の ３つのパルス群のセットを応用しキャリブレーションを行った後、上述したよう に、分析についての基質類もしくは試薬類をセンサーに行き渡らせる。その後、 グルコースについて前述したのと全く同様の方法で測定を行う。しかしながら、 この測定後、パルス列、あるいはその改良部分かを繰り返され、更に、第２回目 の測定が行われる。この列が数回繰り返され（通常５から１０回）、正確な時間 間隔において行われる一連の電流測定値を得る。電流における初期変化率を、そ の後、この一連の電流測定値からより正確に推定することかできるが、それは、 繰り返し行うパルスが電極表面及びめっき構造を洗浄しかつセンサー付近にある 流体の層及び濃度勾配をかき乱す効果を有するためである。繰り返すが、これら 全ての過程は、湿潤を受ける、つまりｔ≦３τであるセンサー上に記録される。

５、６．４．　高度な処理方法 高度な処理方法はまたシステムを“高性能”にするのに用いられる。そのような 方法はセンサーのリアルタイム処理中に、またはポストデータ収集処理中に適用 される。特に、２−３例をあげると電流測定センサーの活性化を制御し、所定の データ点の組合せの適否を評価し、データ窓の最善の位置を決定するための柔軟 な方法が取り入れられている。

従って、これらの方法は同一のパルス列を配列内に存在する全ての電流測定セン サーに適用する以外に別の方法をも含んでいる。

例えば、各電位パルスと共に観測されたピーク電流が有限値に達するまで、また は各パルス中に通過する電荷が有限値に達するまで、または全パルス列を通過す る電荷が有限値に達するまで、または所定のパルスの後センサーのＲＣ時定数が 予定範囲の値になるまでパルス・グループ１と２を用いられるように処理方法を 変更できる。さらに、ピーク電流、通過する電荷、またはＲＣ時定数から見た場 合、連続パルス間の変化率が前もって選択した範囲内になるまでパルス・グルー プ１と２を用いることもできる。

エラー回復のために高度な方法を実行することもできる。特に、データセット中 の欠陥の存在を検出するために、そのような欠陥が単独のものかまたは数多いも のかどうか、または欠陥が通常のバックグランドノイズと関連しているものかど うかについての演算方法を適所に設置できる。完全性の欠陥を感知する高度な方 法は、例えば中間フィルター処理のような適切な解決法を示唆する。

また、システム中に記憶された別のデータ窓から得られた別のデータセットを選 択できる。例えば、試料がセンサーからの異常に遅い応答を引き起こすか、また はセンサーと接触する際に理想的でない波形を発生するか、または、一般に、良 好な波形を発生しない場合、第１および第２の時間窓が最初に最善の場所に位置 していないのかも（７れない。センサーのわずかな欠陥の存在もまた望ましいと は言えない応答を起こす。応答が遅い場合、第２の信号測定を行なう前では試料 すなわち第２の流体の最大値がまだ達成されていない（すなわち、第２時間窓は 第１またはキャリプラント流体と接続した第１時間窓との比較のために選ばれる ）。最大値に達するとすぐに試料に関係する信号は急速に低下し、その結果信号 が低下しなければ観測されたであろう値よりも低い値を出す。

前段で記載された両方の場合において、演算方法は適正なデータ収集窓を探し、 前もって選択された分析対象種の濃度のよりよい推定値を出力する最大値を決定 する。またあるエラー限界に達するかまたは越えた場合でさえ、傾斜の値の再点 検および全体的ドリフトの質により装置は得られた値を受け入れるように促され る。いくつかの場合おいて、デルタドリフト値は異常な数の欠陥または高いレベ ルのノイズでデータ窓を台なしにする。もちろん傾斜を推定延長し、信号測定値 間の相異を計算する種々の方法が選ばれる。これらの非理想でない応答は、機能 的に複雑性を増したセンサーにより頻繁に見受けられる。

前記のように、充分な数のデータ点が収集されるかどうかまたはその時点を決定 するのに適した柔軟な演算方法も考えることができる。そのような高度な方法は データ収集や分析を実行するのに必要な特開を少なくてきる。

５．７．導電率測定 血液のようなコロイド懸濁物では、電気的コンダクタンスは粒子の性質、培地お よび全体積中で粒子により占められる部分の関数である。血液のように粒子濃度 が高い場合、粒子の外面的形態および方向性をも考慮する必要がある。

キャリプラント中および血液中でのデータ収集の全時間は、はんの約１秒しかか からない。この時間中にセンサーと流体のインターフェースでのインピーダンス を最小化するために充分に高く、かつ赤血球細胞膜をまたがる容量性カップリン グを最小化するために充分に低く選択された周波数で交流導電率を測定する。好 ましい周波数は約５０ＫＨｚである。

キャリブレーションがなされると、キャリプラント流体は取り除かれ、血液が導 入される。続いて血液が静止状態であるがかなりの量の赤血球が沈澱する前とな るように選択された実際の測定時間で測定サイクルを繰り返す。

導電率センサーは、平面上に微細加工され適当な外面的形態を有するように設計 された２つの貴金属電極から成る。

導電率測定のために、シグナチャー分析を行う精巧な演算方法は必要ではない。

血液中のへマドクリット％の計算は電子装置中に記憶された、実験で測定された キャリブレーション線かまたはさらに好ましくはＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｎ ｅｖａｌ　Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ　１９４０．２３．７５２−７７１に記載され ているＶｅｌｉｃｋおよびＧｏｒｉｎにより開発された等式を用いてなされる。

そのような導電率測定はまた流体取り替え操作の成功または失敗を決定するため にも用いられる。すなわち、予測された流体導電率の記憶されている値を観測さ れた測定値と比較し、流体間に存在する障害となる空気領域の存在、キャリプラ ント流体を廃棄側に移動させることの失敗、または流体工学的動きに関連した他 のシステムの故障を検出する、質のよい確実な方法を提供する。

５．８．　システム統合 この開示に記載されているように、臨床的環境において最も魅力的なシステムと いうものは単一のアナライトの不連続な測定に限定されない。その代り、生物の 体液中の多くの異なるアナライトを、複数で別々に測定するようにデザインされ たセンサーアレイが好ましい。このセンサーアレイは単一の共通したキャリプラ ント流体にさらされることが好ましく、そのキャリプラント流体は全てのセンサ ーをキャリブレーションした後で取り除かれる。

その後でしか第２　（試料）液はセンサーに導入されない。このような統合環境 は、全てのセンサーが化学的および電気的に適合していなければならないことを 意味する：すなわち、センサーは湿潤状態で、互いに干渉することなくほぼ同じ 速度で応答しなければならない。従って、センサーの適合性とシステム統合は、 電流測定に用いられるパルス列が電位差測定を行う前に終了すれば、高められる 。なぜならパルス発生と共に溶液中の高い電流の流れが電位差信号の保全性を悪 くするからである。

また、導電率センサーを起動する場合、約１Ｏ−３Ａの電流が一対の金属電極間 の溶液中に流れる。この電流は小さいようであるが、これは電流を基にした分析 で測定した電流よりもオーダーが約６倍も大きな量である。また電流測定センサ ーがパルスを与えられている期間中、約１０−’Ａの最大電流も流れる。導電率 測定センサーと電流測定センサー間のキャリブレーション中の干渉を最小化する ために、電流測定センサーを起動した後でかつ電流測定データを得る前に導電率 測定センサーを作動させることが好ましい。

流体を入れ替えた後、第２の導電率測定がなされる前に電流測定データ収集を行 う。交流導電率測定中に一連の抵抗器（約１０５オーム）もまた電流測定センサ ーを保護するために用いられる。

前記のように、導電率センサーはまた体液の一般的組成物を区別するために用い られる。すなわち、センサーがキャリプラント流体、血清または全血液、さらに は試料なしくすなわち空気）と接触しているかどうかである。上記のように多く のセンサーはマトリックス作用を示すので、この測定は前もって選択されたアナ ライトの濃度の計算を適切に訂正するために用いられる。

導電率測定の電位差測定との統合に関しては、明確な妨害はない。しかしながら 、電位差測定センサーでのデータ収集中には導電率測定を避けることが好ましい 。

さらに、導電率センサーを起動した場合、電位差測定センサーの近辺に流体に接 する電極が存在し流体中で生成した過剰な電荷を吸収することが好ましい。過剰 な電荷は電位差膜を分極化する望ましくない作用を有する。さらに、膜は分析上 の価値を有しようとすれば、すぐに脱分極化されなければならない。

最後に、導電率測定センサーは電位差測定センサーとは別のチップ上に置くこと が望ましい。通常、これらセンサー構造は、実際に二酸化珪素の約０．５　Ｘｌ ０−６ｍの厚さの絶縁層を有するシリコンウェーハ上に加工されている。下層の シリコンは半導体であり、これはセンサー間の容量性カップリングが信号干渉を 作り得ることを意味する。異なるチップ上にセンサーを分離することはこの問題 の可能性を除去する。

６、実施例 本発明の方法をさらに説明するために、下記の実施例が記載されている。チャー ト２を参照すると、データ収集方法のさらに詳細なフローチャートが示されてい る。上記のように、データ収集はいくつかの異なる方法、例えばただ連続的に測 定し、データを記憶することにより、達成される。好ましい実施態様の方法は入 力データを収集しながらリアルタイムでの測定の保全性を確実なものとする。デ ータ分析段階で完全なデータ保全性分析が提供されているが、このオンライン検 証方法により、データ中のスパイク、誤信号、および他のノイズの早期検出そし てできれば除去が可能になる。また時間窓は、データ点がノイズにより著しく影 響されない柔軟な間隔で理知的に決定される。従って、そのようなスムースな時 間窓は容易に決定される。

（来貢以下余白） 本実施例において、データ収集処理は、各データ点が測定されスブロ、＋ｌウク ｌ１ｌ−″餉中スーギー々＃隻１寸７＋ログ層会アブ子Ｉハ　滴七月チャート■ なければ、制御はテスト２４に移動させられる。

Ｑノーツノ乙ＩＮ幻エロ。フーノ仏未１ｉ／フーノ１６勺’、：１Ｊ’ｄ’、　 Ｘ５ＷＪな記憶場所のデジタルフォーマットでそれを記録する。システムが６０ サイクル・ノイズに影響を受けないのを確実にするために、１秒の１　／６０毎 に一組の８０デ一タ点を記録することが好ましい（明らかに、５０サイクル・ノ イズが標準の国においては、サンプリング速度を１秒の１１５０毎の８０デ一タ 点に設定する）。続いて、その組の平均値を計算し、そしてその値を“単一”デ ータ点とする。続いてこの“単一”データ点をさらに別の計算に用いる。

上記のように、エレクトロニクスは予想される範囲の測定に対して充分な分解能 を有する高いインピーダンスの電位差測定センサーに適切なように設計される。

電流測定センサーの電子装置は予想される電流測定範囲に対して充分な分解能を 有するように設計された電流・電圧コンバーターを含む。

次に、方法のフローはブロック２２に移り、時間窓内に収集されるデータ点の総 数を追跡するカウンター（ＤＡＴＡ　Ｃ０ＵＮＴＥＲ）が１だけ加算される。（ ＤＡＴＡ　Ｃ０ＵＮＴＥＲは所定の時間窓の第一データポイントの収集前に０に 初期化される）。続いて方法のフローはブロック２３に移り、収集されたデータ 点（ＤＡＴＡ　Ｃ０ＵＮＴＥＲ）の総数を選択されたスライド窓セット（ＳＬｒ ＤｒＮＧ　ＰＯＩＮＴＳ）のデータ点の数と比較する。スライド窓の大きさは計 算時間とエラー検出の正確性との間の交換取引に基すいて選択される。その際、 ７点スライド窓が２５点時間窓から選択される。テスト２３によると、収集され た点の合計数かひとつのスライド窓の大きさよりも少ない場合、制御はブロック ２１に戻りそこで別のデータ点か収集される。さも際、基本窓は第１スライド窓 と定義され、所定の時間窓でのデータ収集処理の間中同じである。基本窓を選択 する他の方法があることを当業者には明らかであろう。例えば、基本窓は電流ス ライきる。しかしながら、基本窓が０の値である場合、比の代りに差を用いる。

従って、その比または差が範囲外である場合、フラッグ（エラー）がセットされ る。その際、エラー・フラッグはただの１ビツトである。また、エラー・フラッ グ値は、傾斜の比率を範囲外にする特定のデータ点のポインタを含むかもしれな い。次に、フローはテスト２８に入り、そこでさらに別のデータ点が所定の時間 窓間に測定されるかどうか確認さるれ。時間窓点（Ｗ点）の全てが収集されない 場合、フローはブロック４１に戻る：さもなければ制御は（流体間に存在する空 気部分で、キャリプラント流体を試料液に置き換える）新しい処理ステップに移 動させられる。最後の時間窓を収集した場合、ポストデータ分析段階が行なわれ る。Ｗ点がアレイ中の各活性センサーのために収集されることは明らかである。

従って、チャートＨの各処理ブロックは本質的には各活性センサーのために並行 して行なわれる。

チャート■は、アナライトの濃度が各センサーの測定から決定される方法のデー タ分析段階のステップを略図により示す。この段階では、第１　（例えばキャリ プラント）および第２　（例えば試料）時間窓のデータ点が収集され、適切な記 憶場所に記憶される。テストブロック４１−４７はアレイ中の各活性センサーの ために行なわれ、テストブロック４８−５１は全アレイのために１度だけ行なわ れる。

エラー・ビットの状態をテストするためにエラーかデータ収集段階で検出される がどうか確かめるテスト４１から処理が始まる。

エラービットをセットした場合、エラー回復を行うブロック４２に方法の流れは 直接移る。さもなければ（すなわちデータ収集段階で全くエラーがない場合）流 れはブロック４２に移る。

（来貢以下余白） チャート■ ブロック４２では、線形回帰を善意のデータ点に用いてデータ窓のドリフト速度 （傾斜）に近づける。線形最小自乗適合は補間法のうちでよく知られた方法であ り、この方法では、データ点を線“ｙ＝ａｘ＋ｂ”に近つけるためにつなぎ、そ の式の定数“ａ”と“ｂ″は実際のデータ点からの偏差の２乗の総計が最小にな るように選ばれる。また、高い順序回帰、すなわち第２．３番目１９．２、ｎ番 目の関数に近づくものは容易に実行される。一般に、適用した回帰の順序は、選 択された時間窓間隔中のセンサーの湿潤状態と波形の程度により決定される。

次にフローはテスト４３に移り、そこで側窓のデータ点が予想外の値かどうか確 認する。続いて下記のデータ保全性確認を行う＝（第１窓傾斜−第２窓傾斜）　 ＜ＭＡＸ　ＤＩＦＦ第１窓エラー近似値＜ＭＡＸ　ＥＲＲＯＲ第２窓エラー近似 値＜ＭＡＸ　ＥＲＲＯＲＭＩＮ　５ＬＯＰＥ　、ＭＡＸ　５ＬＯＰＥ　、ＭＡＸ 　５ＬＯＰＥ　Ｓ　ＭＩＮ　ＭＥＡＮ、ＭＡＸＳＭＥＡＮ　１およびＭＡＸ　Ｉ ｌ’ＲＲＯＲの値は上記パラメーターの予想された範囲のものである、特定の値 はセンサーの応答曲線の予測される特徴に基づいて決定される。表１は種々のデ ータ窓パラメーターの示唆された値を示している。

表　Ｉ 種々のデータ・窓・パラメーターの示唆された限界センサー　最小　最大　最小 　最大　最大ＣＩ　−０，６５０，６５−２００＋１００　０．２Ｋ　−０，２ ５］、、Ｏ−２５０＋１００　０．２Ｎａ　０．０　１．０　−２５０　＋１０ ０　０．２ＢＬｌｔｌｌ”　−０，６５０，６５−２００＋１００　０．２Ｇｌ ｕｃｂ−０，０２’　０．０２ｅＯ，２’　３’　０．０１５’センサー　最小 　最大　最小　最大　最大ＣＩ　−０，６５０，６５−２００＋ｌＯＯＯ，２Ｋ 　−０゜２５　１．０　−２５０　＋ｌＯＯＯ，２Ｎａ　０．０　１．０　−２ ５０　＋１００　０．２ＢＵＮ”　−１，０１，０−２００＋１００　０．４Ｇ ｌｕｅｂ−０，１’　Ｏ５Ｉ’　０．０５’　３２’　０．０１５’”　ＣＩ、 　Ｋ、　ＮａおよびＢｔＪＮはそれぞれ塩化物カリウム、ナトリウムおよび血液 尿素窒素センサーを示す。

’　Ｇｌｕｃはグルコースセンサーを示す。

０この値はｎＡ／ｓ単位である にの値はｎＡである。

本発明において、各時間窓の傾斜の値（ｍＶ／ｓでの）の差異に対する限度は、 塩化物、カリウム、ナトリウムおよびＢＵＮセンサーのそれぞれの最大値を０． ５０．０．３０．０．３０および１．００に設定されている。グルコースのよう に微細加工電流測定センサーに接触している第２流体の観測された波形は、最大 値または最小値を示す；従って線／平均適合が好ましい。

測定が範囲外であることを上記テストのひとつが示す場合、そのセンサーにより 出力された全ての測定値は信頼できないものとして棄却される。しかしながら、 本発明の方法は間違ったデータのエラー回復を提供する。従って、エラーをテス ト４３で検出した場合、方法の流れはテスト４４に移る。エラーが検出されない 場合、制御はブロック４７に移動させられ、そこでセンサーの応答を測定する。

テスト４４は、エラーを訂正する前の試みがすでになされたかどうか決定する。

このステップでは、変数の“ＦＩＲ５Ｔ　ＴＩＭＢ”は１が加算される。（“Ｆ ＩＲ３Ｔ　ＴＩＭＥ”は、各時間窓のデータ分析の始めに０に初期化される。） １以上の”ＦＩＲ３Ｔ　ＴＩＭＥ”の値は、エラーを訂正する前の試みがなされ たことを示す。続いて、流れはテスト４４に戻るので、エラー回復の失敗は１度 だけで、繰り返されてはならない。この場合において“失敗”ビットがセットさ れて（そのようなセンサーのために残された、さらに別の処理はブロック５１で エラー・メツセージを表示するだけになる）この特定の測定が失敗したことを示 すブロック４６に方法の流れは移る。さもなければ、”ＦＩＲ３Ｔ　ＴＩＭＥ″ の値は１てありそして流れはエラー回復が試みられるブロック４６に移る。

エラー回復は様々な方法で実行される。例えばデータ中のノイズおよびスパイク は、上記の中間フィルター等、すなわち観測値の再評価（例えば第００頁参照） のような既知デジタル技術により除去される。他の方法は、所定の時間窓の最初 の数点に基づいた曲線の補間、および補間から顕著に逸脱する点を廃棄すること を必要とする。多くの場合において、所定の時間窓に必要なデータ点以上のデー タ点を収集することが望ましく、その結果エラー回復は別の時間窓セットを選択 することにより達成される。ブロック４６でのエラー回復から、訂正されたデー タセットの点が補間され、新しい傾斜と近似値のエラーが計算される、ブロック ４２に方法の流れは戻る。

（キャリプラント）時間窓の測定値と第２（試料）時間窓の測定値を関係づける ことによりセンサーの応答を測定する、ブロック４７に制御を移動させる。電位 差測定センサーでは、関心のある分析値は、アナライトの選択された点て測定さ れる振幅とキャリプラント応答曲線との間の差異である、デルタ応答である。電 流測定センサーでは、デルタ応答はそれぞれの振幅の比率に相当する。上記のよ うに、データ収集はセンサーが単調な湿潤状態応答を示す間に行なわれる。その 際、応答は線上の補間が応答ドリフトを描くのに充分正確なように選択された時 間窓で測定される。その結果、ブロック４２の線上の近似値は流体変化に対する 各センサーの応答を比較できるように調子を合せて前後に正確に描かれる。上記 のように第ｎ番目の近似値もまたこの目的のために用いられる。

□Ｑ 続いて、特定のセンサーのデルタ応答は、線形／線形デルタ、線形／平均デルタ 、平均／平均デルタ、平均／線形デルタ、最大／線形デルタ、線形／最大デルタ 、線形／最小デルタ、および最小／線形デルタ方法を含むが、これらに限定され ない多くの異なる方法のひとって計算される。線形／線形の場合において、第１ 窓に適合するものを、推定の流体転移点、すなわち第１窓と第２窓の中間点の前 方向に推定延長する。第２窓（試料）に適合するものを、同じ推定の転移点のう しろ方向へ推定延長する。これらの推定延長間の相異は特定のセンサーのデルタ 応答である。線形／平均方法において、キャリプラントに対して線上で適合する ものを試料窓の中間値の前方　向に推定延長し、試料応答曲線の中間値と比較す る。平均／線形方法においては前の順序を逆にする。

平均／平均方法において、デルタ応答は試料窓の中間点とキャリブレーション窓 の中間値の差異である。線形／最大、最大／線形、線形／最小および最小／線形 方法は平均値を対応する時間窓の最大値または最小値で置き換えることを除いて は、線形／平均および平均／線形方法と類似している。通常の実験に基づき、分 析の基準方法と比較した場合、上記方法のひとつは、特定のアナライトの濃度の さらに正確な測定を得るために他の方法よりも、より望ましいことがわかった。

現在、線形／線形方法は、カリウム、ナトリウム、塩化物センサーに優れている ことがわかった。線形／平均方法はグルコースおよび尿素センサーの本発明の実 施態には最適である。

各センサーについてデルタ応答を計算した後で、流れはブロック４８に移る。ブ ロック４８では、基準電極の応答はブロック４７で測定されたデルタ応答から引 き算される。この段階では、マトリックス作用と流体のイオン強度の相異のため に基準電極のわずかな応答に対して、いくつかの訂正がなされる。次に、上記の ように電位差測定センサーでは等式ｌと等式２から得られた係数を用いてアナラ イト濃度を測定する。ブロック４９に流れは移る。電流セン　サーでは、等式３ を用いる。続いて、ブロック５０では、標準化された値を得るために結果は適切 に評価される。最後に、異常な値がみつからない場合ブロック５１は計算された 濃度の表示または適切なメツセージの表示を提供する。

上記実施例は本発明を実施する方法を説明するために記載されたのであり、決し て本発明を限定するものと解釈されるべきではない。確かに、本発明の範囲が次 の請求の範囲により定義されている、本発明の意図から著しく逸脱しないような 他の実施態様も考えられる。

ミリポルト ム− ｕ −ロ ＳＪ Ｏ ○ ℃ Ｊ わ ℃ 口 ば） ■ 要約 試料流体中に存在する所定のアナライト種の濃度を測定する方法を開示し、この 方法は、（ａ）外部演算手段、基準電極及び、完全平衡浸潤状態に達する前に所 定のアナライト種の濃度変化への応答を示すことのできる実質的に乾燥保存され た少なくとも１つのセンサーを用意すること、（ｂ）前記センサー、基準電極及 び外部演算手段の間に電気的接触を確立すること、（Ｃ）前記センサー及び基準 電極をキャリプラント流体と接触させること、（ｄ）前記キャリプラント流体の 存在下において第１の時間窓中に第１の信号測定を行うこと、（ｅ）前記第１の 信号測定を行った後前記キャリプラント流体を排除すること、（ｆ）前記センサ ー及び基準電極を試料流体と接触させること、（ｇ）前記試料流体の存在下にお いて第２の時間窓中に第２の信号測定を行うこと、（ｈ）前記センサーが完全浸 潤状態に達する前に前記使用流体中の所定のアナライト種の濃度を決定するため に前記第１及び第２の信号測定値を関連づけることからなる。興味あるアナライ ト濃度を有効に評価するために信号測定の結果を収集し、関連付け、そして操作 するための他の方法が更に開示されている。

国際調査報告 １＋＋−一へｌ啼５−＾−−吋一〜ｅ六ハ１ぐ。ｌｌ’ｌζｎフ１−一一−Ａ− 一−１１＠、　’　ＰＣ７７υ５９１１０５０７１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）外部演算手段、基準電極及び、完全平衝浸潤状態に達する前に所定の アナライト種の濃度変化への応答を示すことのできる実質的に乾燥保存された少 なくとも１つのセンサーを用意すること、 （ｂ）前記センサー、基準電極及び外部演算手段の間に電気的接触を確立するこ と、 （ｃ）前記センサー及び基準電極をキャリブラント流体と接触させること、 （ｄ）前記キャリブラント流体の存在下において第１の時間窓中に第１の信号測 定を行うこと、 （ｅ）前記第１の信号測定を行った後前記キャリブラント流体を排除すること、 （ｆ）前記センサー及び基準電極を試料流体と接触させること、（ｇ）前記試料 流体の存在下において第２の時間窓中に第２の信号測定を行うこと、 （ｈ）前記センサーが完全浸潤状態に達する前に前記使用流体中の所定のアナラ イト種の濃度を決定するために前記第１及び第２の信号測定値を関連づけること 、 を含む試料流体中に存在する所定のアナライト種の濃度を測定する方法。 ２．（ａ）所定のアナライト種の濃度変化に感応する少なくとも１つの微細加工 電位差測定センサー及び十分な時間の間良好な基準電位を持続することのできる 基準電極であって、該センサー及び基準電極は実質的に乾燥保存されており、該 センサーは完全平衡浸潤状態に達する前に前記所定のアナライト種の濃度変化に 迅速な応答を示すセンサー及び基準電極、並びに外部演算手段を用意すること、 （ｂ）前記センサー、基準電極及び外部演算手段の間に電気的接触を確立するこ と、 （ｃ）前記センサー及び基準電極をキャリブラント流体と接触させること、 （ｄ）前記キャリブラント流体の存在下において第１の時間窓中に第１の信号測 定を行うこと、 （ｅ）前記第１の信号測定を行った後前記キャリブラント流体を排除すること、 （ｆ）前記センサー及び基準電極を試料流体と接触させること、（ｇ）前記試料 流体の存在下において第２の時間窓中に第２の信号測定を行うこと、 （ｈ）前記センサーが完全浸潤状態に達する前に前記試料流体中の所定のアナラ イト種の濃度を決定するために前記第１及び第２の信号測定値を関連づけること 、 を含む試料流体中に存在する所定のアナライト種の濃度を測定する方法。 ３．（ａ）異なる所定のアナライト種の濃度変化に各々感応する微細加工電位差 測定及び電流測定センサーアレイであって、該アレイは、個別のセンサー及び十 分な時間の間良好な基準電位を持続することができ、一方の基準電極は他方の基 準電極が前記電流センサーに接続されている間前記電位差センサーに接続されて いる、少なくとも２つの基準電極を含み、また、各センサーは実質的に乾燥保存 されていて完全平衡浸潤状態に達する前に異なる所定のアナライト種の前記濃度 変化に応答を示すものであるアレイ、 を用意すること、 （ｂ）前記センサーアレイと外部演算手段の間に電気的接触を確立すること、 （ｃ）前記センサーアレイをキャリブラント流体と接触させること、 （ｄ）前記キャリブラント流体の存在下において第１の時間窓中に第１の組の信 号測定を行うこと、 （ｅ）前記第１の組の信号測定を行った後前記キャリブラント流体を排除するこ と、 （ｆ）前記センサーアレイを試料流体と接触させること、（ｇ）前記試料流体の 存在下において第２の時間窓中に第２の組の信号測定を行うこと、 （ｈ）各センサーが完全平衡浸潤状態に達する前に前記試料流体中の複数の異な る所定のアナライト種の濃度を決定するために前記第１及び第２の信号測定値の 組を関連づけること、を含む試料流体中に存在する複数の異なる所定のアナライ ト種の濃度を測定する方法。 ４．（ａ）所定のアナライト種の濃度変化に感応する少なくとも１つの微細加工 電流測定センサー及び十分な時間の間良好な基準電位を持続することのできる基 準電極であって、該センサー及び基準電極は実質的に乾燥保存されており、該セ ンサーは完全平衡浸潤状態に達する前に前記所定のアナライト種の濃度変化に迅 速な応答を示すセンサー及び基準電極、並びに外部演算手段を用意すること、 （ｂ）前記センサー、基準電極及び外部演算手段の間に電気的接触を確立するこ と、 （ｃ）前記センサー及び基準電極を第１の流体と接触させること、 （ｄ）前記第１の流体の存在下において第１の時間窓中に第１の信号測定を行う こと、 （ｅ）前記第１の信号測定を行った後前記第１の流体を排除すること、 （ｆ）前記センサー及び基準電極を第２の流体と接触させること、 （ｇ）前記第２の流体の存在下において第２の時間窓中に第２の信号測定を行う こと、 （ｈ）前記センサーが完全浸潤状態に達する前に前記第１及び第２の流体中の所 定のアナライト種の濃度比を決定するために前記第１及び第２の信号測定値を関 連づけること、を含む２つの流体中に存在する所定のアナライト種の濃度比を測 定する方法。 ５．（ａ）所定のアナライト種の濃度変化に応答を示すことができ、該応答は該 センサーが流体と接触したとき該センサーの単調な浸潤作用に対して迷い、少な くとも１つの乾燥保存された微細加工センサーを用意すること、 （ｂ）少なくとも２つの信号測定を完了するのに十分な時間の間良好な基準電位 を持続することができ、流体と接触したとき前記センサーが示すのに類似した単 調な浸潤作用を示す、乾燥保存された微細加工基準電極を用意すること、（ｃ） 前記センサー、基準電極及び外部演算手段の間の電気的接触を確立すること、 （ｄ）前記センサー及び基準電極を第１の流体と接触させること、 （ｅ）前記センサー及び基準電極が完全平衡浸潤状態に達する前に前記第１の流 体の存在下において所定の第１の時間窓中に第１の信号測定を行うこと、 （ｆ）前記第１の信号測定を行った後前記第１の流体を排除すること、 （ｇ）前記センサー及び基準電極を第２の流体と接触させること、 （ｈ）前記センサー及び基準電極が完全平衡浸潤状態に達する前に前記第２の流 体の存在下において所定の第２の時間窓中に第２の信号測定を行うこと、 （ｉ）前記センサー及び基準電極の緩慢な単調浸潤作用と前記所定のアナライト の濃度変化へのセンサーの比較的速い応答とを弁別する演算法によって前記第１ 及び第２の流体中の前記アナライト種の濃度比を決定するために第１及び第２の 信号測定値を関連づけること、 を含む２つの流体中に存在する所定のアナライト種の濃度比を測定する方法。 ６．前記センサー、基準電極又はそのアレイを前記キャリブラント及び試料流体 と接触させる順序を逆転した請求項１、２又は３の方法。 ７．前記第１及び第２の信号測定又はその組が各々前記試料及びキャリブラント 流体の存在下に実施される請求項６記載の方法。 ８．前記第１の流体はキャリブラント流体である請求項４又は５記載の方法。 ９．前記第２の流体は試料流体である請求項８記載の方法。 １０．前記第１の流体は試料流体である請求項４又は５記載の方法。 １１．前記第２の流体はキャリブラントである請求項１０記載の方法。 １２．接触している流体の導電率を測定できる導電率センサーを更に含む請求項 １、２、３、４又は５記載の方法。 １３．前記キャリブラント流体の存在下に第１の導電率測定を行うことを更に含 む請求項１、２又は３記載の方法。１１４．前記第１の流体の存在下に第１の導 電率測定を行うことを更に含む請求項４又は５記載の方法。 １５．前記試料流体の存在下に第２の導電率測定を行うことを更に含む請求項１ ３記載の方法。 １６．前記第２の流体の存在下に第２の導電率測定を行うことを更に含む請求項 １４記載の方法。 １７．前記第１の導電率測定を前記第１の信号測定又はその組の前に行う請求項 １３記載の方法。 １８．前記第１の導電率測定を前記第１の信号測定の前に行う請求項１４記載の 方法。 １９．前記第２の導電率測定を前記第２の信号測定又はその組の後で行う請求項 １５記載の方法。 ２０．前記第２の導電率測定を前記第２の信号測定の後で行う請求項１６記載の 方法。 ２１．前記電流センサー又はそのアレイを活性化することを更に含む請求項３又 は４記載の方法。 ２２．前記電流センサーの活性化は前記キャリブラント又は第１の流体の存在下 に前記電流センサーを一連の電位変化にさらすことを含む請求項２１記載の方法 。 ２３．前記電位変化は印加電位を前記基準電極に対して反対符号の値の間で反復 変化させることを含む請求項２２記載の方法。 ２４．前記一連の電位変化は印加電位を第１の値に維持し次に該第１の値と大き さが同じであるが符号が反対の第２の値にスイッチするサイクルを少なくとも１ ０回反復する第１のグループを含む請求項２２記載の方法。 ２５．前記一連の電位変化は印加電位を第１の値に維持し次に該第１の値と大き さが同じであるが符号が反対の第２の値にスイッチするサイクルを少なくとも５ 回反復する第２のグループを更に含む請求項２４記載の方法。 ２６．前記一連の電位変化は印加電位を第１の値に維持し次に該第１の値と大き さが同じであるが符号が反対の第２の値にスイッチするサイクルを少なくとも５ 回反復する第３のグループを更に含む請求項２５記載の方法。 ２７．前記第１のグループの印加は前記キャリブラント又は第１の流体が前記電 流センサーと接触した後約１秒以内に開始される請求項２４記載の方法。 ２８．前記第２のグループの印加は前記キャリブラント又は第１の流体が前記電 流センサーと接触した後約１２秒以内に開始される請求項２５記載の方法。 ２９．前記第３のグループの印加は前記キャリブラント又は第１の流体が前記電 流センサーと接触した後約２０秒以内に開始される請求項２５記載の方法。 ３０．前記第１及び第２のグループに対する前記第１の値は約＋１０００ｍＶで ある請求項２５記載の方法。 ３１．前記第３のグループに対する前記第１の値は前記電流センサーの動作電位 の大きさの２倍以内である請求項２６記載の方法。 ３２．接触している流体の導電率を測定できる導電率センサーを用意すること、 前記キャリブラント流体の存在下に前記電流センサーを活性化すること、及び 前記電流センサーの活性化の後であるが信号測定を行う前に、前記キャリブラン ト流体の存在下に第１の導電率測定を行うこと、 を更に含む請求項３記載の方法。 ３３．全ての組の信号測定を実施した後、前記試料流体の存在下に第２の導電率 測定を行うことを更に含む請求項３２記載の方法。 ３４．前記信号測定又はその組が約２分以内に行われる請求項１、２、３、４又 は５記載の方法。 ３５．前記第１の時間窓の終了と前記第２の時間窓の開始が約３〜約６秒分離し ている請求項１、２、３、４、又は５記載の方法。 ３６．前記第１の時間窓の終了と前記第２の時間窓の開始がわずか約１０秒分離 している請求項１、２、３、４、又は５記載の方法。 ３７．前記時間窓の持続時間が約５〜約１５秒である請求項１、２、３、４又は ５記載の方法。 ３８．前記基準電極の１つがカウンター電極で置換されていて、残りの基準電極 は前記電位センサー及び電流センサーの両方に共用であり、前記カウンター電極 は前記電流センサーの専用になっている請求項３記載の方法。 ３９．前記キャリブラント流体の排除は前記試料流体の導入によって実行される 請求項１、２又は３記載の方法。 ４０．前記試料流体による前記キャリブラント流体の排除は前記流体を分離して いるエアーセグメントによって実行される請求項３９記載の方法。 ４１．前記第１の流体の排除は前記第２の流体の導入によって実行される請求項 ４又は５記載の方法。 ４２．前記第２の流体による前記第１の流体の排除は前記流体を分離しているエ アーセグメントによって実行される請求項４１記載の方法。 ４３．前記信号測定の実施は前記時間窓の時間内に所定数のデータ点を獲得する ことからなる請求項１記載の方法。 ４４．前記データ点の獲得は、 （ａ）前記時間窓の一部である第１のスライド窓で前記データ点の第１の所定の 部分を収集すること、及び（ｂ）前記時間窓中の全てのデータ点が少なくとも１ つのスライド窓に含まれるまで引き続くスライド窓で前記データ点の付加的な所 定の部分を収集すること を含む請求項４３記載の方法。 ４５．前記第１及び引き続くスライド窓の持続時間が等しい請求項４４記載の方 法。 ４６．前記第１及び付加的な所定の部分が等しい数のデータ点を含む請求項４４ 記載の方法。 ４７．前記データ点の付加的な部分の収集は、前記第１のスライド窓中の少なく とも１つの新しいデータ点を含んで引き続くスライド窓を形成することを含む請 求項４４記載の方法。 ４８．前記データ点の付加的部分の収集は、前記第１のスライド窓で収集された 少なくとも最も初期のデータ点を除去し、残りのデータ点に少なくとも１つのデ ータ点を加えて引き続くスライド窓を形成することを含む請求項４４記載の方法 。 ４９．前記所定の部分の１つをデータ点のベースセットを形成するものとして指 定すること及びその特性を決定することを更に含む請求項４４記載の方法。 ５０．前記データ点のベースセットの特性と残りの所定の部分の特性を比較する ことを更に含む請求項４９記載の方法。 ５１．前記特性の１つはその各々のスライド窓中の各所定部分のスロープを含む 請求項５０記載の方法。 ５２．そのような比較に基づいて異常なデータ点の存在を検出することを更に含 む請求項５０記載の方法。 ５３．前記異常なデータ点の存在が検出されたときは該データ点の有害な効果を 無効にすることを更に含む請求項５２記載の方法。 ５４．前記異常なデータ点の有害な効果の無効化は、中間フィルター法、所望範 囲から外れたデータ点の消去及び残りのデータ点による内挿、デジタルフィルタ ー法又は前記有害なデータ点を含むスライド窓の廃棄からなるグループから選択 された１つのステップを実行することを含む請求項５３記載の方法。 ５５．特定の時間窓中のデータ点のスロープを期待値の範囲と比較して対応する 信号測定の完全性を決定することを更に含む請求項１記載の方法。 ５６．前記第１の時間窓中のデータ点のスロープと前記第２の時間窓中のデータ 点のスロープの差を所定の限界値の範囲と比較して前記信号測定の完全性を決定 することを更に含む請求項１記載の方法。 ５７．所定の時間窓中のデータ点の平均値を期待値の範囲と比較して前記信号測 定の完全性を決定することを更に含む請求項１記載の方法。 ５８．特定の時間窓中のデータ点の前記データ点の直線内挿からの偏りを所定の 限界値の範囲と比較して前記信号測定の完全性を決定することを更に含む請求項 １記載の方法。 ５９．前記信号測定値の関連づけが （ａ）前記第１の時間窓中のデータ点の内挿すること、（ｂ）前記第２の時間窓 中のデータ点の内挿すること、（ｃ）前記第１の時間窓を前記第１及び第２の時 間窓の間の位置に外挿すること、 （ｄ）前記第２の時間窓内挿を前記位置に向けて逆方向に外挿すること、及び （ｅ）前記外挿から得られた値の比を計算すること、を含み、その比から前記所 定のアナライト種の濃度を決定できるものである請求項１、２、３、４又は５記 載の方法。 ６０．前記キャリブラント流体は水溶液又は湿潤ガスからなる請求項１、２又は ３記載の方法。 ６１．前記電位変化はパルス、増分ステップ、正弦波、リニヤスイープ又はそれ らの組み合わせの形で印加される請求項２２記載の方法。 ６２．前記第１及び第２の時間窓の各々で少なくとも２つの信号測定が行われ、 該信号測定の１つは第１の印加電位で行われ、他の信号測定は第２の印加電位で 行われる請求項１、２、３、４、又は５記載の方法。 ６３．前記信号測定は電流の測定を含む請求項６２記載の方法。 ６４．前記第１及び第２の印加電位は約１００〜約３００ｍＶの範囲にある請求 項６２記載の方法。 ６５．前記第１の時間窓での前記信号測定の１つは印加電位約１２５ｍＶで行わ れ、他の測定は約２２５ｍＶで行われる請求項６２記載の方法。 ６６．前記第２の時間窓での前記信号測定の１つは印加電位約２２５ｍＶで行わ れ、他の測定は約１２５ｍＶで行われる請求項６５記載の方法。 ６７．各時間窓で実施された前記信号測定から得られた信号対印加電位曲線上の 少なくとも２点によって定められる直線の傾きを測定することを更に含む請求項 ６２記載の方法。６８．前記信号測定値を関連づけることが前記所定のアナライ ト種の濃度を決定するために前記時間窓から得られた前記直線の傾きを比較する ことを含む請求項６７記載の方法。