JP4201877B2 - 電気化学的バイオセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、液体試料中の指定成分（分析対象物）の定量に使用することができる電気化学的バイオセンサ及びそのようなバイオセンサの製造方法に関する。
【０００２】
考慮されるタイプの電気化学的バイオセンサは、米国特許第５，１２０，４２０号及び第５，２６４，１０３号明細書に開示されている。これらの特許に開示された装置は、炭素電極をプリントされた絶縁ベースを有し、そのような電極が、分析対象物に特異的なオキシドレダクターゼとともに親水性ポリマーを含む試薬層によって覆われている。通常、ベースの上には、ほぼＵ字形の部品を提供するように切り抜かれたスペーサ要素と、カバー部品とが設けられ、ベース、スペーサ要素及びカバー部品が積層されると、電極及び試薬層を含む毛管空間が形成されるようになる。オキシドレダクターゼに加えて、試薬層又は毛管空間中の別の層に電子受容体が含まれる。水性試験流体を毛管空間に引き込みやすくするために、親水性ポリマー、たとえばカルボキシメチルセルロースが使用される。
【０００３】
米国特許第５，１４１，８６８号明細書には、電極が毛管空隙に含まれるもう一つのセンサが開示されている。この参考文献は、固体粒子、たとえば微細ガラス粒子を含む樹脂を使用してベースとカバープレートとを合わせて、それらの間の所望の空間を保証し、それにより空隙を形成する、センサを調製する好ましい方法を記載している。また、ガラス又はプラスチックのシート材からセンサを形成することが記載されており、また、「プラスチックシート材が使用される場合、それは、たとえば、うねのようなスペーサを設けられて、毛管キャビティの部品壁の制御された離間を達成する精密成形部品の形態であることができる」と記述されている。
【０００４】
本発明は、二つの部分、すなわち、電極構造及び必要に応じて付着される反応体を担持する下部（ベース）と、圧印加工されることで毛管空間の三つの面を形成する上部（ふた）とからなり、ふたとベースとが合わさると、ベースが第四の面を形成する電気化学的センサに関する。ベースとふたとは、たとえば、ふたに塗布される熱活性化接着剤塗膜又は音波溶接によって積層される。センサは、毛管の開口端を試験流体、たとえば血液の小滴に浸すことによって使用する。試験流体が毛管に引き込まれて、電極表面の酵素及び電子受容体を覆うようになる。好ましい実施態様では、電極は、その表面上の水和性ポリマーマトリックス中に分散したオキシドレダクターゼ及び電子受容体を担持する。ポリマーマトリックスの水和性により、それは、水性試験流体中に分散し、それにより、センサが血中グルコース濃度を測定するように設計されている場合にはグルコースオキシダーゼであるオキシドレダクターゼが分析対象物を酸化させて、過剰な電子を電子受容体が作用電極に輸送し、それにより、試験流体中の分析対象物の濃度に比例する測定可能な電流を生じさせる。
【０００５】
本発明の２ピースセンサの構成は酵素層を要しない。たとえば、電極面でじかに検出を行う一般的な範疇のセンサがある。このようなセンサの例は、ヘマトクリットを検出するためのセンサ又は血中鉛を検出するためのセンサである。もう一つのセンサの分類は、化学反応を開始する結合剤を電極面に有するセンサである。たとえば、分析対象物が結合剤に結合したとき検出可能な成分、たとえば陽子を放出し、pH変化を測定することができる結合剤を有するセンサを本発明にしたがって調製することができる。あるいはまた、結合系は、抗体が電極面における反応を抑止又は増強するところの抗原抗体対であることもできる。
【０００６】
上述したような従来技術のセンサの製造は、余計な部分、すなわちスペーサ層の使用と、本発明が関連する２部品（ベースとふた）センサには不要である多数の処理工程とを含む。本センサは、
ａ）ベース材料の上に電極をプリントする工程と、
ｂ）オキシドレダクターゼ及び電子受容体を含有するポリマーマトリックスで電極を被覆する工程と、
ｃ）接着剤層をふたの上に被覆する工程と、
ｄ）ふたを圧印加工して、平坦な面によって包囲される凹形区域をふたに形成する工程と、
ｅ）ふたをベースにヒートシールする工程と、
を含む簡潔な手法で調製される。
【０００７】
本発明は、流体試料中の分析対象物を検出するための電気化学的センサであって、
ａ）絶縁ベースプレートと、
ｂ）ベースプレート上の電極層と、
ｃ）凹形区域を一部に備え、凹形区域を包囲する平面を残す変形性材料のふたであって、ベースと合わさると、ベースとで毛管空間を形成するふたと、
を含み、この毛管空間の中で、酵素が、毛管作用によって毛管空間に引き込まれる流体試料と直接接触することができる電気化学的センサである。
【０００８】
通常、電極は、分析対象物と反応して移動性の電子を生成する酵素と動作的に接続している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明が関するセンサの構造を図１に示す。センサ３４は絶縁ベース３６を含み、このベースの上に、導電体パターン３８、電極パターン３９及び４０、絶縁（誘電体）パターン４２、そして最後に試薬層４４が、通常はスクリーン印刷技術によって順にプリントされる。試薬層の機能は、グルコース又は他の分析対象物を、それが発生させる電流に関して電極パターン中の部品によって電気化学的に測定可能である化学種に化学量論的に転換することである。電極プリントの二つの部分３９及び４０が、電気化学的測定に必要な作用電極及び基準電極を提供する。厚さ約１４μ（０．０００５５インチ）である電極インクは通常、電気化学的に活性な炭を含む。導体インクの成分は、極と、電極が動作的に接続された計器との間に、センサ４５の尾びれ形端部の導体パターンとの接触を介して、低化学抵抗路を提供するように選択された、炭素と銀との混合物である。構造全体の典型的な厚さは６μ（０．０００２５インチ）である。誘電体パターンの機能は、電極パターン４１の中心の近くに画定された区域の中を除き、電極を試料から絶縁して、センサ読み値の再現精度を高めることである。測定される電流は、分析対象物の濃度と、試料を含有する分析対象物に露出された電極区域との両方に依存するため、このタイプの電気化学的測定には、区域の画定が重要である。典型的な誘電体層は、厚さ約１０μ（０．０００４インチ）のＵＶ硬化アクリレート変性ポリウレタンを含む。通常は変形性材料の平坦なシート材を圧印加工することによって形成される凹形空間４８を提供するふた４６は、通気孔５０を設けるために穿孔され、ヒートシール処理でベース３６に接合される。ベースとふたとは、音波溶接によってシールすることができる。音波溶接では、まず、ベースとふたとを重ね合わせたのち、振動性ヒートシール部材もしくはホーンと固定ジョーとの間にはさんで押し合わせる。ホーンは、接触が平坦な圧印加工されていないふたの領域だけで起こるような形状である。結晶変換器又は他の変換器からの超音波エネルギーを使用して金属ホーン中に振動を励起する。この機械的エネルギーがプラスチック結合における熱として放散されて、熱可塑性材料の結合を可能にする。この手法は、米国特許第３，５０５，１３６号明細書、第３，５７３，１３９号明細書、第３，５６２，０４１号明細書及び第４，３１３，７７４号明細書にさらに詳細に記載されている。これらはまた、ふたの下面に適用した接着剤の使用によって接合することもできる。この実施態様では、まず、ベースとふたとをぴったり重ね合わせたのち、ふたの平坦な圧印加工されていない領域５２とだけ接触するような形状の加熱金属板によって押し合わせる。それにより、ふたの底面にある接着剤塗膜が溶融し、冷却すると、ふた４６とベース３６とを融着させるように作用する。この接着剤塗膜は、好ましくは水分散性ポリウレタンである。加熱板の典型的な温度は１６５℃であり、圧力は２，２００psi である。これらの熱及び圧力の条件下で１・１／４秒間ふたとベースとを合わせて保持すると、流体試料を受け入れるための毛管空間を有する所望の一体型センサが得られる。ポリウレタン層は、ふたの平坦な領域の下で、ベースの一番上の露出層（点線の縁の誘電体４２）に結合する。あるいはまた、誘電体の縁はわずかに狭まり（実線の縁の誘電体層４２によって表す）、それが、ポリウレタンを電極プリントパターン４０の材料と結合させる。接着剤と電極インクとの結合強度は、接着剤と誘電体材料との結合強度よりも大きく、それにより、より漏れにくい毛管空間を提供するため、これは好ましい構造である。
【００１０】
絶縁ベースに適した材料には、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートならびに寸法安定性のビニル及びアクリルポリマー、さらにポリマーブレンド、たとえばポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート及び金属箔構造、たとえばナイロン／アルミニウム／ポリ塩化ビニル積層体がある。ふたは通常、変形性のポリマーシート材料、たとえばポリカーボネート又は圧印加工可能な等級のポリエチレンテレフタレート、グリコール変性ポリエチレンテレフタレートもしくは金属箔組成物、たとえばアルミニウム箔構造から製造される。誘電体層は、紫外線（ＵＶ）硬化性もしくは湿分硬化性のアクリレート変性ポリウレタン又は熱硬化性のビニルポリマーから製造することができる。
【００１１】
本発明は、従来技術のセンサ要素におけるスペーサの使用ではなく、圧印加工したふた（図１、符号４６）の使用を容易にする。従来技術のセンサ要素では、圧印加工の代わりに、スペーサ要素から毛管空間の二つの面を形成する。圧印加工したふたの使用が、余分な部品、すなわちスペーサの使用及び多数の加工工程を回避させる。センサを含むスペーサを組み立てるのに伴う工程は以下のものである。
【００１２】
ｉ．試薬層を含む完全な電極構造を調製する（毛管空間への血液の吸収を誘発するための薬剤を一番上の層に含める必要がある）。
ii．毛管空間への血液の吸収を誘発するための薬剤を含むさらなる層を加える（その薬剤が薬品層に含まれるならば、この層を省いてもよい）。
iii.通常は、剥離ライナ／接着剤／スペーサ材料／接着剤／剥離ライナの積層体であるスペーサ材料の中に毛管路を打ち抜く。
iv．スペーサ材料の片側から剥離ライナを除去し、スペーサをベースに取り付ける。
ｖ．剥離ライナを除去し、ふたをスペーサの反対側に組み付ける。
【００１３】
本発明は、
ｉ．ベース材料の上に電極をプリントし、場合によっては、試薬層を電極に適用し、
ii．場合によってはふたの下面に接着剤層を被覆し、
iii.毛管空間の上面及び両側面をふたの中に圧印加工し、
iv．ふたをベースと合わせ、熱を加えることによってそれらを封止することにより、センサを製造することを可能にする。
【００１４】
本発明のセンサは、ふたの配列、すなわち、圧印加工された複数の凹形くぼみを中に有するふた材料の平坦なシートを、対応するベースの配列と合わせ、ふた素材とベース材料のシートとを合わせて、ヒートシールしたのち、ダイによって個々のセンサを配列から打ち抜くことによって製造することができる。
【００１５】
本発明のセンサの構成は、以下の例にしたがって達成することができる。
【００１６】
【実施例】
この例では、展開して平面にしたポリカーボネートのロールシートから多数のセンサふたを製造した。このシートは多数のふたの供給源であるため、これを「ふた素材」と呼ぶ。
【００１７】
水性ポリウレタン分散系を含む二機能性被覆溶液を、ワイヤ巻きロッド又はスロットダイコータにより、ポリカーボネートシートの片側に延展し、空気乾燥させた。この材料は、ふたをベースに付着するための接着剤として働き、また、ふたの内側に湿潤面を提供して、毛管空間を試験流体で満たす能力を高めるものであった。４０％〜５０％の典型的な固形分含量の場合、乾燥塗膜厚さは０．０００７インチ〜０．００２インチ（１７μ〜５０μ）の範囲であり、湿潤塗膜厚さは０．００１４インチ〜０．００５インチ（３５μ〜１２５μm)の範囲であった。二機能性層は、乾燥後しばらくはいくらか粘着を示した。シートをロールに巻き戻すとき、一時的なライナ又はインターリーフを塗膜と接触させてはさみ込んだ。数時間後、初期粘着性は失われ、塗膜に損傷を加えずにポリカーボネートふた素材を展開することができた。ライナに適した材料は、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートである。
【００１８】
次の処理段階は、凹形区域の圧印加工と、ポリカーボネートシート中の、位置合わせ及びトラッキング用の種々の穴の打ち抜きとを含み、その後で、ふた素材の引き裂いたリボンをロールに巻いた。接着剤は、圧印加工工具及び打ち抜き工具のいずれにも付着せず、リボン形態でロールに巻いたときにポリカーボネート支持体にも付着しないよう、非粘着性であることが不可欠である。また、接着剤は、打ち抜き工具又は圧印加工工具の上に、頻繁な清浄を要するようなガム質の付着物を形成しないことが不可欠である。
【００１９】
通常はポリカーボネートであるベース素材に対し、種々のインクでプリントして電極を形成したのち、露出した電極の所望の面を残すように設計された所定のパターンで誘電体層をオーバコートした。ふたを誘電体層に直接合わせたとき、二機能性材料が誘電体材料に付着しなければならない。あるいはまた、誘電体材料の一部を削除して、接着剤が電極材料に接触し、場合によっては、より良い結合を形成するようにすることもできる。ふた素材をベースに組み付けるために、ふた素材の連続したリボンを巻き出し、特殊なラミネータに通し、そこで、位置を合わせたのち、熱及び圧力の影響のもと、ベース素材の細片と合わせた。ヒートシール処理には約１秒しか要しないことが望ましく、それには、強力な結合を非常に急速に形成することができる接着剤を要する。ヒートシールしたのち、積層体の連続したリボンをリールに巻き取った。
【００２０】
もう一つの実施態様では、アルミニウム箔構造（主としてナイロン／アルミニウム／ポリ塩化ビニルからなる三層積層体）をふたとして使用した。ポリ塩化ビニルは熱可塑性樹脂であり、熱活性化接着剤として効果的に働く。この材料を、上述したものと同じ方法で圧印加工し、成形したのち、ガスプラズマ処理した（酸素０．６トル、２５０Ｗ、３．５分間）。表面エネルギーは、処理の前では３２ダイン／cmであり、処理後では６０ダイン／cmを超えた。熱及び圧力の条件の下でビニルベースに積層したのち、センサを配列から切り出した。
【００２１】
積層体リボンから個々のセンサを切り分けるために、積層体を打ち抜き装置に通し、この中で、配列調製物から個々のセンサを打ち抜いて、それを貯蔵用の箔ブリスタパッケージに配置した。センサを使用する好ましい方法では、センサは、半径方向に配設された１０個の独立したコンパートメントを有する円形のディスクに包装される。ディスクは、バースト箔カバーによって封止されてセンサを周囲の湿分及び他のセンサから隔離するアルミニウム箔／プラスチックの積層体から製造されている。ディスクは、特殊な設計の計器の中に取り付けられる。センサを取り出すには、ナイフをディスクのハブにもっとも近い端部からバースト箔に突き刺して細長い個々のコンパートメントに入れたのち、半径方向にブリスタの周縁に向けて動かす。その際、ナイフが、そのコンパートメント中のセンサの後部（尾びれ形）と係合する。ナイフの半径方向の移動がセンサの先端をバースト箔及び計器の一部に突き通して外に出すと、センサのノーズが完全に計器から出て、流体試料、たとえば血液を受ける用意ができる。この段階で、センサのベースとふたとの間の結合が、センサが箔を突き破るときに発生する剪断力に耐えることが不可欠である。センサを使用に備えて提供するこの方法は、米国特許第５，５７５，４０３号明細書で詳細に記載されている。
【００２２】
使用中、毛管空間に通じる開口を含むセンサ先端を、通常は、指を何かで突き刺すことによって得られる血液である流体試料の小滴と接触させる。血液が急速に毛管空間に引き込まれ、そこで、酵素との相互作用が起こり、計器が信号を受けてその計時シーケンスを開始する。計時シーケンスを開始するためには、毛管空間の空間的に向きにかかわらず、血液が非常に急速に毛管空間に引き込まれることが不可欠である。血液を毛管空間に引き込みやすくするために、毛管空間の寸法は通常、高さ０．１２５mm〜０．３８mm（０．００５インチ〜０．０１５インチ）、幅２．５mm〜３．７５mm（０．１インチ〜０．１５インチ）のオーダである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気化学的センサの展開図である。
【符号の説明】
３４ センサ
３６ 絶縁ベース
３８ 導電体パターン
３９、４０ 電極パターン
４２ 絶縁パターン
４４ 試薬層
４６ ふた
４８ 凹形空間
５０ 通気孔
５２ 平坦領域

Claims (19)

1. 流体試料中の分析対象物を検出するための電気化学的センサにおいて、底部から上方に向って、
   ａ）絶縁ベースプレートと、
   ｂ）該ベースプレート上の電極層と、
   ｃ）画定された区域を除き電極層を流体試料から絶縁する誘電体層と、
   ｄ）ベースプレートと合わさると、ベースプレートと共に、その中で、電極層が、毛管作用によって毛管空間に引き込まれる流体試料と接触することができる毛管空間を形成するように、その中央部に凹形区域を有する変形性材料のふたと、
   をこの順序で含み、
   ふたの、ベースプレートに面する側に接着剤層があり、この層が、ふたのこの側を実質的に覆い、
   誘電体層が、電極層の一部を接着剤層と直接接触させるために露出したまま残すような形状であり、
   接着剤層と電極層との結合強度が、接着剤層と誘電体層との結合強度より大きいことを特徴とするセンサ。
2. ふたとベースとが音波溶接技術によって接合している、請求項１記載のセンサ。
3. 分析対象物と反応して電極層に移動性電子を生成する酵素を含む反応層がある、請求項１記載のセンサ。
4. ふたが、その縁が誘電体層と合わさるような形状である、請求項１記載のセンサ。
5. 誘電体層が、電極層の一部をふたの縁との直接接触のために露出したまま残すような形状である、請求項４記載のセンサ。
6. 反応層における酵素が親水性ポリマーと一緒にされている、請求項３記載のセンサ。
7. 反応層が電子受容体をも含有する、請求項６記載のセンサ。
8. 電子受容体がフェリシアン化物である、請求項７記載のセンサ。
9. 親水性ポリマーがポリ（エチレンオキシド）である、請求項６記載のセンサ。
10. 凹形区域が、変形性材料の平坦なシートを圧印加工することによって形成される、請求項１記載のセンサ。
11. 接着剤層が、ふたとベースプレートとが合わさることによって形成される毛管空間の湿潤性を高める親水性材料である、請求項１記載のセンサ。
12. 接着剤層が、ふたとベースプレートとを合わせることによって形成される毛管空間の湿潤性を高めるように処理することができる材料である、請求項１記載のセンサ。
13. 電気化学的センサを調製する方法において、電極構造を表面に担持するベースを、毛管空間の三面を形成する凹形空間を提供する変形性材料のふたと合わせる工程を含み、ふたとベースとが、大気に通じる毛管空間を有する電気化学的センサに、ベースの表面上にあって、毛管空間に露出している電極構造を与え、誘電体層により画定された区域を除き電極構造を流体試料から絶縁し、
    ふたが、ふたをベースに接着させる接着剤をその下面に有し、接着剤がふたの下面を実質的に覆い、ふたとベースとを合わせると毛細空間が形成され、
    誘電体層が、電極構造の一部を接着剤と直接接触させるために露出したまま残すような形状であり、
    接着剤と電極構造との結合強度が、接着剤と誘電体層との結合強度より大きい
    ことを特徴とする方法。
14. 音波溶接によってふたとベースとを互いに接着させる、請求項１３記載の方法。
15. 電極構造が、その表面上に、水和性ポリマーマトリックス中に分散したオキシドレダクターゼ及び電子受容体を担持する、請求項１３記載の方法。
16. 水和性ポリマーマトリックスがポリ（エチレンオキシド）からなる、請求項１５記載の方法。
17. オキシドレダクターゼがグルコースオキシダーゼであり、電子受容体がフェリシアン化物である、請求項１５記載の方法。
18. 接着剤を熱活性化し、ヒートシールによってふたをベースに固着し、それにより、接着剤を活性化し、冷却したときふたをベースにシールする、請求項１３記載の方法。
19. ふたの下面の接着剤が親水性材料であり、ふたとベースとを合わせて毛管空間を形成すると、毛管空間の湿潤性が高まる、請求項１３記載の方法。

Images