JP2000509488A - バイオセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置及び方法は、センサーの生物学的薬剤が相互作用をする成分と接触することにより生じるバイオセンサーのキャパシタンスとコンダクタンスとの少なくともいずれか一方の変動を決定するために、提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 バイオセンサー 本発明はセンサー、特に改良されたバイオセンサーに関する。 酵素又は他の生物学的薬剤が電極回路と関連して設けられるバイオセンサーは 公知である。酵素は酵素と接触する物質中に存在する基質と反応又は相互反応す るので、酵素特性が変更すると、監視可能な物理的変化が生じる。今日までバイ オセンサーは、システムのために測定され得る反応、酸化又は還元により生じる 電位又は電流に基本的に依存してきた。この方法にてバイオセンサーが導入され る物質中の基質含有量は決定され得る。この種類のバイオサンサーは血液検体中 のグルコースを検出するためのグルコース酸化酵素システム等に応用される。 本発明は、基本的に異なりかつ従来使用されていないバイオセンサーの特性が 決定されるシステムに関する。 本発明の第１の態様により、第１及び第２電極と、両電極は高分子物質と生物 学的薬剤とを備えていることと、生物学的薬剤は検査される物質中に存在し得る 又は存在し得ない成分との間の反応に触媒的に作用することと、第１及び第２電 極は制御手段を介して互いに電気的に接続されていることと、制御手段は使用中 の電極に一定周波数の交流電圧を印加することと、回路は電極のコンダクタンス とキャパシタンスとの少なくともいずれか一方を測定する手段を備えることとか らなるバイオセンサーが提供される。 検査物質中に成分が存在するか否かを測定するために、電流又は電圧に反して 、コンダクタンスとキャパシタンスとの少なくともいずれか一方を使用すること は、生じる感度及び分離度の面から見て有利である。 生物学的薬剤は酵素であることが好ましい。生物学的薬剤として一般的に抗原 、全細胞及び蛋白質の提供も考察される。酵素を参照した場合はこれらの代替の 生物学的薬剤をも含む。 酵素は問題にしている成分に対して完全に又は少なくとも高度に特異性がある ことが好ましい。生物学的薬剤は直接的又は間接的に成分と反応的に又は触媒的 に相互作用し得る。 高分子物質は不活性と絶縁性との少なくともいずれか一方であることが好まし い。セルロースプラスチック物質は好ましいポリマーであり、酢酸セルロースが 特に好ましい。高分子物質はゼラチンのようなゲルであり得る。物質、ポリマー 又はゲルの混合物も使用され得る。 酵素はグルコース酸化酵素のようなグルコースシステムにとっては適切な酵素 であり得る。クレアチンシステム、クレアチニンシステム又は硝酸塩／亜硝酸塩 システムのための酵素と同様に、エスエッチ（ＳＨ）酵素、すなわちウレアーゼ 、アスパラギナーゼのような酵素は使用可能である。 酵素はポリマーミックス内で、好ましくは水和物状態で又はポリマーと電極と の間で、不動化され得る。生物学的薬剤は二重層に対して分離、孤立又は別個に 配置されることが好ましい。ポリマーに存在する二重層は電解質と相互作用を行 う。このようにして「拘束された(ｂｏｕｎｄ ｉｎ)」又は「孤立させられた( ｉｓｏｌａｔｅｄ)」酵素を提供することにより、分解に対する安定性及び免疫 性は従来技術のシステムに比べて改良されている。 酵素は架橋高分子物質であることが好ましい。グルタルアルデヒドは特に好ま しい架橋剤である。 高分子物質は金属電極に拘束され得る。白金、金及び銅は適切な電極物質であ り得る。炭素も適切であり得る。第１及び第２電極は相反する関係で、すなわち 互いに対面するように設けられ得るし、或いは平面上等で、互いに並行して設け られ得る。交互嵌合配列として設けられることも考察される。第１及び第２電極 は特性及び構造が同一であり得る。場合により、参考として酵素を塗布していな い電極を用いた差動電極構成が使用され得る。 適用周波数は１Ｈｚと１００ＭＨｚとの間又は１０Ｈｚと１０ＭＨｚとの間に あることが好ましく、１ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間にあることがより好ましい 。５ｋＨｚから２００ｋＨｚ迄の範囲にある周波数が特に適していることが判明 している。１０ｋＨｚ以上の適用周波数が使用されることが好ましい。上記の条 件下で遂行される測定は、二重層、電解質の条件又は電極現象とは独立して、生 物学的薬剤の作用に対して敏感である。 コンダクタンスとキャパシタンスとの少なくともいずれか一方は、エイシー（ ＡＣ）ブリッジ又は交流コンダクタンスとキャパシタンスとの少なくともいずれ か一方を測定する他の測定機器を使用して測定されることが好ましい。 検出される成分を含有し得る、又は含有し得ない物質は液体であることが好ま しい。水中の電解質が物質として考察される。センサーの廃棄物における用途と 特に医療用途との少なくともいずれか一方が考えられる。センサーは金属イオン 、有機物又はその類似物等の溶解した化学種を検出する免疫学的検定に使用され 得る。 本発明の第２の態様により、物質を第１及び第２電極と接触させることと、両 電極が高分子物質と好ましくは検査される成分に触媒作用を与えるか或いは成分 と相互作用を行う酵素である生物学的薬剤とを備えていることと、第１及び第２ 電極が互いに及び制御手段と電気的に接続されていることと、制御手段は一定周 波数の交流電圧をシステムに印加し、コンダクタンスとキャパシタンスとの少な くともいずれか一方を測定するのに使用されることとからなる物質中の成分の存 在を決定するための方法が提供される。 方法は一定の又はほぼ一定した周波数における電圧を印加することを備え得る 。別例として、多くの異なる周波数が一定期間与えられ得る。 検査される物質は両電極間に導入され得る。電解質は好ましい形状で、ほぼ同 一平面内にある第１及び第２電極の間の空隙を架橋するように配置され得る。 １つ以上の異なる酵素はゲルのような高分子物質中に、或いは高分子物質と電 極との間に存在し得る。２つ以上の第１電極が設けられ得る。それぞれは異なる 酵素又は複数の酵素を組み入れたり又は備え得る。 それぞれの第１電極に適用される周波数は特定の酵素と考察される電解質との 少なくともいずれか一方に適合するように最適化され得る。 本発明の種々の実施の形態及び作用は、単に例示目的のために、以下の図面を 参考にして記載される。 図１はテストセルアセンブリの分解図である。 図２は種々の濃度におけるグルコースの周波数値対コンダクタンスの関係を示 すグラフである。 図３は架橋グルコースセンサーの標線補正プロットと同等の糖であるショ糖へ の反応を示すグラフである。 図４は第２の実施例によるバイオセンサーを示す概略図である。 図１に示すテストセルは適切な接続部材（５）と概略的に示される制御電子部 材（６）とを介して互いに電気的に接続される１対の平板状の銅電極（２，４） とを備える。それぞれの電極（２，４）は電極の相対する面（３，５）に付与さ れた塗布膜を有する固有の塗布膜を保持する。 電極は銅で形成され、ポリマーとしての酢酸セルロースが塗布される。ポリマ ー層はグルタルアルデヒドと架橋したグルコース酸化酵素層を組み入れる。 測定される電解質が導入されるテスト室は入口（１０）を備えた空洞のパース ペクス（ｐｅｒｓｐｅｘ）ハウジング（８）により形成される。ハウジング（８ ）は電極（２，４）と接触するゴム製のＯリング（１２）により封止される。 電子制御装置（６）は交流成分分析器と４８６ディーエックスピーシー（ｄｘ ＰＣ）とを備える。交流成分分析器（１０Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数域）がポリマ ー／酵素で変更された電極／電解質システムの複合アドミタンスを測定するため に使用された。成分分析器（１Ｖピーク−ピーク）からの特定周波数域に亘る交 流電圧信号がセルに供給され、キャパシタンスとコンダクタンスとのデータがジ ーピーアイビー（ＧＰＩＢ）カードインターフェイス及び４６８ディーエックス ピーシー（ｄｘＰＣ）を介して集められた。 テスト手順の目的のために、種々の濃度を有する、監視されるべき基質ととも に、電解質がｐＨ７における１０ｍＭリン酸塩バッファーシステムとして導入さ れた。 テストにおいて、コンダクタンスの変動を調べることによる電解質中の基質濃 度と広い周波数域に亘る基質濃度とが比較された。 上記の方法による既知の電解質から得られた結果が未知の基質の濃度を決定す るのに使用され得る。 適切なシステムを塗布し、かつ電解質と接触状態にある高分子膜は、高分子膜 自体にのみ感度があり、水相には感度を示さないコンダクタンス測定値を与える ことが判明しているので、この方法で監視することは可能である。ポリマーが不 活性で、孤立する物質として存在する時、酵素／基質間の相互作用は変動する。 従って、測定は電解質システム内の多くの他の複合した変数からは独立した元々 の基質濃度を示唆する。 そのような一定のシステムのコンダクタンス測定値は周波数域に亘って変動す る。拘束成分及び酵素の構成の変更が変動の理由であると思われる。 図２は種々の既知の濃度のグルコースを含有する一連の電解質試料について種 々の周波数に亘って行った一連のテストを示す。標準の初期バッファー反応がシ ステムの正確な標線補正を可能にするために行われた。 初期バッファー反応と一連のテストの後のバッファーテストとの比較により、 バイオセンサーは高度に安定で、従来技術のシステムにおける酵素により示され た分解には免疫性がある。コンダクタンスの移動はグルコン酸製造時における変 動に基づくと思われる。 図３は本発明による化学的に架橋したグルコースセンサーのための標線補正プ ロットを示し、かつ同等の糖である、ショ糖に対する比較的無視し得る反応をも 示す。図３は本発明の特異性を示唆する。 本発明を使用する、簡単に使用されかつ潜在的に処分可能なセンサーにおいて は、図４に示すように、電極（２０，２２）が互いに近接して平板状の基板（２ ４）上配設される。従って、結果を得るためには、非常に少ない量の電解質の試 料がセンサー上に載置されるだけで十分である。これは、例えば、血液中のグル コース量が決定されるべき患者からの血液の一摘を示す。 本実施例において、制御電子装置（図示せず）は電極に単一の予め決められた 周波数を適用する。この予め決められた周波数は、濃度と反応時間との少なくと もいずれか一方における最良の図形を得るために、問題になっているシステム用 に選択される。 バイオセンサーは酢酸セルロースポリマーと関連して上記に記載されたが、多 くの他の適切なポリマーが存在する。これらポリマーに対する要求点は、これら は問題になっているシステムにおいて不活性であり、かつ電気的に絶縁性である ことだけである。 同様に、クレアチン、クレアチニン、硝酸塩／亜硝酸塩のような他の基質に酵 素を与えることとバイオセンサーに基づく抗原を与えることとの少なくともいず れか一方が考察される。医療用及び環境用の監視用途に使用されるバイオセンサ ーが考察される。 監視の手段としてのコンダクタンスに基づいた上記に記載したバイオセンサー 使用技術は、水和状態の酵素システムに比較して、高度の測定感度、迅速な反応 時間及び高度に安定したシステムを提供するバイオセンサーを備える。更に、シ ステムを考慮中の酵素と電極とに合わせて構成するために、広い電気周波数域で 測定が実行され得る潜在性は向上した柔軟性を備える。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年６月２２日（１９９８．６．２２） 【補正内容】 請求の範囲 １．第１及び第２電極と、両電極は高分子物質と生物学的薬剤とを備えているこ とと、生物学的薬剤は検査される物質中に存在し得る又はし得ない成分との間の 反応に触媒的に作用することと、第１及び第２電極は制御手段を介して互いに電 気的に接続されていることと、制御手段は使用中の電極に一定周波数の電源手段 からの交流電圧を印加することと、回路は電極のコンダクタンスを測定する手段 を備えていることとからなるセンサー。 ２．生物学的成分はセンサーと物質との少なくともいずれか一方のインターフェ イス二重層から隔離されている請求項１に記載のセンサー。 ３．生物学的成分は酵素又は複数の酵素である請求項１又は２に記載のセンサー 。 ４．適用される周波数は１Ｈｚと１０ＭＨｚとの間である請求項１乃至３のいず れか一項に記載のセンサー。 ５．周波数は５ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間の範囲にある請求項１乃至４のいず れか一項に記載のセンサー。 ６．コンダクタンスはエイシー（ＡＣ）ブリッジを使用して測定される請求項１ 乃至５のいずれか一項に記載のセンサー。 ７．高分子物質は不活性で絶縁性である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の センサー。 ８．セルロースプラスチック物質が使用される請求項１乃至７のいずれか一項に 記載のセンサー。 ９．高分子物質はゼラチンのようなゲルである請求項１乃至７のいずれか一項に 記載のセンサー。 １０．酵素は高分子物質に架橋される請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセ ンサー。 １１．グルタルアルデハイドが架橋剤である請求項１０に記載のセンサー。 １２．酵素はポリマーマトリックス内において又は高分子マトリックスの間にお いて又はポリマーと電極との間において不動化される請求項１乃至９のいずれか 一項に記載のセンサー。 １３．物質を第１及び第２電極と接触させることと、両電極が高分子物質と検査 される成分に触媒作用を与えるか或いは成分と相互作用を行う生物学的薬剤とを 備えていることと、第１及び第２電極が互いに電気的に接続されていることと、 制御手段は一定周波数の交流電圧をシステムに印加し、コンダクタンスを測定す るのに使用されることとからなる物質中の成分の存在を決定するための方法。 １４．一定の又はほぼ一定の単一の周波数における電圧を印加することよりなる 請求項１３に記載の方法。 １５．多くの異なる周波数が一定期間適用される請求項１３に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 モアー、ブライアン ロバート イギリス国 ＰＲ４ ０ＸＪ ランカシャ ー プレストン サルウィック スプリン グフィールズ ワークス ブリテイツシ ユ・ニユークリアー・フユールズ・ピー・ エル・シー リサーチ アンド テクノロ ジー ビー516 (72)発明者 ボン、ステファン イギリス国 ＬＬ57 １ＵＴ グウィネズ バンゴー バンゴー ユニバーシティ スクール オブ エレクトロニク エンジ ニアリング (72)発明者 ジャファリ、サムラ イギリス国 ＬＬ57 １ＵＴ グウィネズ バンゴー バンゴー ユニバーシティ スクール オブ エレクトロニク エンジ ニアリング

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１及び第２電極と、両電極は高分子物質と生物学的薬剤とを備えているこ とと、生物学的薬剤は検査される物質中に存在し得る又はし得ない成分との間の 反応に触媒的に作用することと、第１及び第２電極は制御手段を介して互いに電 気的に接続されていることと、制御手段は使用中の電極に一定周波数の交流電圧 を印加することと、回路は電極のコンダクタンスとキャパシタンスとの少なくと もいずれか一方を測定する手段を備えていることとからなるセンサー。 ２．生物学的成分はセンサーと物質との少なくともいずれか一方のインターフェ イス二重層から隔離されている請求項１に記載のセンサー。 ３．生物学的成分は酵素又は複数の酵素である請求項１又は２に記載のセンサー 。 ４．適用される周波数は１Ｈｚと１０ＭＨｚとの間である請求項１乃至３のいず れか一項に記載のセンサー。 ５．周波数は５ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間の範囲にある請求項１乃至４のいず れか一項に記載のセンサー。 ６．コンダクタンスとキャパシタンスとの少なくともいずれか一方はエイシー（ ＡＣ）ブリッジを使用して測定される請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセ ンサー。 ７．高分子物質は不活性で絶縁性である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の センサー。 ８．セルロースプラスチック物質が使用される請求項１乃至７のいずれか一項に 記載のセンサー。 ９．高分子物質はゼラチンのようなゲルである請求項１乃至７のいずれか一項に 記載のセンサー。 １０．酵素は高分子物質に架橋される請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセ ンサー。 １１．グルタルアルデハイドが架橋剤である請求項１０に記載のセンサー。 １２．酵素はポリマーマトリックス内において又はポリマーと電極との間に不動 化される請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセンサー。 １３．物質を第１及び第２電極と接触させることと、両電極が高分子物質と検査 される成分に触媒作用を与えるか或いは成分と相互作用を行う生物学的薬剤とを 備えていることと、第１及び第２電極が互いに電気的に接続されていることと、 制御手段は一定周波数の交流電圧をシステムに印加し、コンダクタンスとキャパ シタンスとの少なくともいずれか一方を測定するのに使用されることとからなる 物質中の成分の存在を決定するための方法。 １４．一定の又はほぼ一定の単一の周波数における電圧を印加することよりなる 請求項１３に記載の方法。 １５．多くの異なる周波数が一定期間適用される請求項１３に記載の方法。