JP5073629B2

JP5073629B2 - バイオセンサが取り付けられる計測表示装置および測定方法

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Publication number: JP5073629B2
Application number: JP2008247266A
Authority: JP
Inventors: 和彦石尾
Original assignee: Gunze Ltd
Current assignee: Gunze Ltd
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010078464A

Description

本発明は、バイオセンサが取り付けられて検体の基質の成分量（濃度）を計測する計測表示装置および測定方法に関するものである。

従来、下記の特許文献をはじめとして種々のバイオセンサおよび計測表示装置が開発・開示されている。図３にバイオセンサ１４の一例を示す。ＰＥＴ樹脂の基板１６の上に測定用作用電極１８と測定用対向電極２０が形成されている。これらの電極１８，２０は白金で形成されている。電極１８，２０の上に酵素を含んだ反応部２６が形成されている。酵素と血液などの検体が反応すると、電子の授受がなされる。計測表示装置によって測定用作用電極１８に電圧を印加することにより、測定用作用電極１８と測定用対向電極２０の間に電流が流れる。検体の基質成分量によって流れる電流の値が異なる。計測表示装置は、その電流を測定し、電流値から検体の基質成分量を求める。

バイオセンサ１４は、スペーサー４６によって、反応部２６と一定間隔を有して対向するカバー４８が設けられる。検体はバイオセンサ１４の端部の供給口５０から吸引され、毛細管現象によって徐々に広がっていく。そのため、実際に検体の基質成分量を測定する前に、反応部の上に検体が十分広がったかをチェックする。このチェックのために、測定用作用電極１８と測定用対向電極２０の近傍に検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂが設けられている。図３の例では検出用対向電極２４ａ，２４ｂは２本であり、バイオセンサ１４の端部側が第１検出用対向電極２４ａであり、他方が第２検出用対向電極２４ｂである。検出用作用電極２２と第１検出用対向電極２４ａとで検体が点着されたことを検知する。検出用作用電極２２と第２検出用対向電極２４ｂとで検体が反応部２６の上を広がったことを検知する。反応部２６の上に検体が広がっていくことを吸入と呼ぶ。

チェックの方法は、次に記載する方法によっておこなう。（１）検出用作用電極２２に一定電圧Ｖ３を印加する（図４）。（２）一定電圧Ｖ３を印加している間、検出用対向電極２４ａ，２４ｂから一定間隔で電流値を測定する。図４においては黒丸の箇所で測定をおこなっている。（３）予め閾値を設けておき、電流値が閾値を超えた段階で反応部２６の上に検体が十分吸入されたと判定し、基質成分量の測定をおこなう。

しかし、一定間隔で電流値を測定した場合、ピークＩｐを見逃すおそれがある。例えば、図４のように、ピークＩｐが閾値を超えていたとしても、閾値よりも高いときに測定をおこなっていない。反応部２６の上に検体が十分吸入されたことを検出できず、基質成分量の測定に移行できない。酵素と検体との反応は１回だけであるため、新しいバイオセンサを用いて最初からやり直す必要が生じる。

なお、下記の特許文献についてはいずれも一定電圧を印加する方法であり、上述したように検出をおこなえない可能性がある。

特許２９０１６７８号特許２８００９８１号特開平４−３５７４５２号

本発明の目的は、確実に検体が酵素の上に十分吸入されたことをチェックできる計測表示装置および測定方法を提供することにある。

計測表示装置に取り付けられるバイオセンサは、絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた測定用作用電極と、前記測定用作用電極に対して一定の間隔を隔てて設けられた測定用対向電極と、前記基板の上において、測定用作用電極および測定用対向電極の周縁に設けられた検出用作用電極と、前記基板の上において、測定用作用電極および測定用対向電極の周縁に設けられ、前記検出用作用電極とで対をなす検出用対向電極と、前記測定用作用電極、測定用対向電極、検出用作用電極、および検出用対向電極の上に設けられた酵素を含む反応部とを備える。

計測表示装置は、前記検出用作用電極と検出用対向電極との間に一定間隔でパルス電圧を印加する手段と、前記パルス電圧を印加した際に流れた検出用電流（非ファラデー電流）を測定する手段とを備える。

また、計測表示装置は、前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加して電位差を発生させる手段と、前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に流れた測定用電流（電解電流）を測定する手段と、前記測定用電流を測定する手段によって測定された電流値から酵素と反応した検体の基質成分量を求める手段とを備え、前記検出用電流が閾値よりも高い場合に、測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加する。

上記の計測表示装置を使用した検体の基質成分量の測定方法は、前記検出用作用電極と検出用対向電極との間に一定間隔でパルス電圧を印加するステップと、前記パルス電圧を印加した際に流れた検出用電流を測定するステップとを含む。

また、前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加して電位差を発生させるステップと、前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に流れた測定用電流を測定するステップと、前記測定用電流を測定する手段によって測定された電流値から酵素と反応した検体の基質成分量を求めるステップとを含み、前記検出用電流が閾値よりも高い場合に、測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加する。

本発明は、パルス電圧に応じて発生する非ファラデー電流を検出するため、酵素の上に検体が十分吸入されたことを見逃すことがない。検体の吸入を確実にチェックできるので、その後、検体の基質成分量の測定に確実に移行することができる。

本発明について図面を用いて説明する。測定される検体としては血液や尿などの液体状の検体が挙げられる。図１に示すように、計測表示装置１２は検体測定装置１０の一部であり、検体測定装置１０は計測表示装置１２以外にバイオセンサ１４を含む。検体の基質成分量の測定に際し、酵素と検体とが不可逆反応を起こすため、バイオセンサ１４は取り替え式である。まず、バイオセンサ１４について説明する。

図１に示すバイオセンサ１４は電極を示しており、実際には図３に示すバイオセンサ１４である。バイオセンサ１４は、絶縁体からなる基板１６と、基板１６の上に設けられた複数の電極と、それらの電極の上に設けられた反応部２６とを備える。

基板１６を構成する絶縁体は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート、脂肪族ユニットおよび芳香族ユニットからなる生分解性ポリエステル樹脂などのポリエステル系樹脂シート、耐熱性、耐薬品性、強度などに優れるポリアミドシート、ポリイミドフィルムシートなどのプラスチックシート、セラミックなどの無機系基板などである。

電極は、測定用作用電極１８、測定用対向電極２０、検出用作用電極２２、および検出用対向電極２４ａ，２４ｂが含まれる。各電極は、白金、金、パラジウム、インジウム−スズ酸化物などの導体によって形成される。形成方法としては、ホットスタンピングなどが挙げられるが、真空蒸着又はスパッタリングによる方法が微細な電極パターンを精度良く形成できるので好ましい。スパッタリングの場合は、電極形成外をマスキングすることで一挙に形成できる。

測定用作用電極１８と測定用対向電極２０は一定間隔を隔てて対向している。両電極１８，２０はほぼ半円形であり、両電極１８，２０によってほぼ円形に近い形になる。これらの電極１８，２０は、検体の基質成分量を測定するために使用される。

検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂは、測定用作用電極１８と測定用対向電極２０の周縁に非接触で設けられている。検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂは、反応部２６の上に検体が吸入されたか否かをチェックするものである。

検出用対向電極２４ａ，２４ｂは２本であり、説明の便宜上、第１検出用対向電極２４ａと第２検出用対向電極２４ｂとする。検出用作用電極２２と第１検出用対向電極２４ａはバイオセンサ１４の端部にあるため、検体が点着されたことをチェックできる。検出用作用電極２２と第２検出用対向電極２４ｂは測定用作用電極１８と測定用対向電極２０を挟むようにしてもうけられているため、反応部２６の上に検体が十分吸入されたかをチェックできる。第１検出用対向電極２４ａと第２検出用対向電極２４ｂとは交互に動作し、交互に検出用作用電極２２とペアになる。

反応部２６は、酸化還元酵素および電子受容体を含んだ膜である。反応部２６は、液体状の材料をディスペンサによって所望の位置に滴下し、乾燥して形成する。

反応部２６の上に検体が吸入されると、反応部２６と検体が反応し、各電極間に電位差を生じさせると電子の授受が発生する。このとき、反応部２６の材料によって検体の基質成分量に比例した電子の授受を生じさせることができる。例えば、血液であれば血糖値の違いによって授受される電子の量が変わる。

その他、必要に応じて反応部２６と一定間隔を有して対向する透明のカバー４８が設けられる。バイオセンサ１４の先端の供給口５０に検体が点着されると、検体が毛細管現象によって内部に浸透していく。

バイオセンサ１４の各電極から延長された端子２８と計測表示装置１２の端子３０とが接続される。計測表示装置１２は、制御手段３２によって電圧の印加や電流の測定がおこなわれる。制御手段３２は、具体的には、下記のように動作する回路、ソフト、またはその両方で構成される。

制御手段３２は、電源部３４と測定部３６とを備える。電源部３４は、検出用作用電極２２に一定間隔でパルス電圧Ｖ１，Ｖ２を印加する（図２）。測定部３６は、パルス電圧Ｖ１，Ｖ２を印加した際に検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂとの間に流れた非ファラデー電流Ｉｏを測定する。

従来であれば、図４のように一定電圧Ｖ３を印加していたが、本発明がパルス電圧Ｖ１，Ｖ２を印加する理由を説明する。検出用作用電極２２から検出用対向電極２４ａ，２４ｂまで検体が吸入されたとき、電気二重層コンデンサーと同様の構成となる。すなわち、電気二重層コンデンサーの電解液が検体に置き換えられる。このときに電圧が印加されると電気二重層コンデンサーに充電をおこなうときと同じように非ファラデー電流が流れる。従来であれば一定電圧Ｖ３を印加しているので、酵素の上に検体が十分吸入された瞬間に非ファラデー電流Ｉｏが流れる（図４）。検体が吸入されたときに電圧が印加されていなければ、その後に電圧が印加されると非ファラデー電流Ｉｏが流れる。本発明のようにパルス電圧Ｖ１，Ｖ２であれば、検体が吸入された後のパルス電圧Ｖ１，Ｖ２によって非ファラデー電流Ｉｏが流れる。パルス電圧Ｖ１，Ｖ２に同期して非ファラデー電流Ｉｏが流れるため、パルス電圧Ｖ１，Ｖ２に同期して電流の測定をおこなえば、検体が十分吸入されたことを見逃すことはない。なお、非ファラデー電流Ｉｏが流れる時間は非常に短時間であるため、従来のように一体間隔で電流の検知をおこなっていると、ほとんど非ファラデー電流Ｉｏを測定することはできない。

電源部３４が発するパルス電圧Ｖ１，Ｖ２は、第１検出用対向電極２４ａで検出するための第１パルス電圧Ｖ１と第２検出用対向電極２４ｂで検出するための第２パルス電圧Ｖ２がある（図２）。電源部３４は、それぞれのパルス電圧Ｖ１，Ｖ２を交互に出力し、各パルス電圧Ｖ１，Ｖ２に応じて動作する検出用対向電極２４ａ，２４ｂを切り替える。

パルス電圧Ｖ１，Ｖ２は酵素の種類や測定する基質などによって適宜設計する。各パルス電圧Ｖ１，Ｖ２の一例としては、周期が５０ｍｓ、パルス幅が１〜２ｍｓ、パルス高が０．２Ｖである。第１パルス電圧Ｖ１同士の中間に第２パルス電圧Ｖ２が出力される。

電源部３４と検出用作用電極２２との間にディジタル／アナログ変換回路３８、スイッチＳ１を備える。制御手段３２内ではディジタルデータによって制御されているため、電極２２に電圧を印加する際にアナログ値に変換して電圧を印加する。スイッチＳ１をオンにすることによって、電源部３４と検出用作用電極２２とを接続する。

測定部３６は、電源部３４がパルス電圧Ｖ１，Ｖ２を出力した際に電極間に流れる電流を測定する。測定するタイミングは、パルス電圧Ｖ１，Ｖ２が印加されている間であれば何時でも良く、例えば、パルス電圧Ｖ１，Ｖ２の立ち下がり時に測定をおこなう。図２においては、黒丸の箇所で測定をおこなっている。測定部３６は非ファラデー電流Ｉｏに対する閾値を記憶しておく。測定した電流値が閾値を超えた場合に検体の基質成分量を測定できるように電源部３４と測定部３６を切り替える。閾値は検体の種類や測定する基質などに応じて適宜変更する。

検出用対向電極２４ａ，２４ｂと測定部３６との間は、スイッチＳ２，Ｓ３、電流電圧変換回路４０、アナログ／ディジタル変換回路４２を備える。電流電圧変換回路４０で電流を電圧に変換する。アナログ／ディジタル変換回路４２は、制御手段３２内で処理がおこなえるようにディジタルデータに変換する。第１検出用対向電極２４ａと第２検出用対向電極２４ｂとはスイッチＳ２，Ｓ３で切り替えて測定部３６に接続する。

非ファラデー電流Ｉｏが流れた後、酵素と検体との反応が進み、電圧を印加すると電解電流が流れる。この電解電流を計測することによって、検体の基質成分量を測定する。そのために、電源部３４と測定部３６は次のように動作が切り替えられる。電源部３４は測定用作用電極１８に所定の電圧を印加する。測定部３６は測定用作用電極１８と測定用対向電極２０との間に流れた測定用電流を測定する。この際、スイッチＳ４，Ｓ５をオンにして、他のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３をオフにすることにより、使用する電極を切り替える。

さらに、測定部３６で測定された電流値から検体の基質成分量を求める計算部４４を備える。基質成分量によって電流値が異なるため、所定の計算やテーブル変換などをおこなうことによって基質成分量を求める。

スイッチＳ１〜５は、ＭＯＳＦＥＴなどの電気的にオン・オフが可能な素子を使用する。制御手段３２からゲートに信号を入力してオン・オフの切り替えをおこなう。

その他、基質成分量を計算するときに使用するメモリー、基質成分量を表示するディスプレイ、装置１２のオン・オフをおこなうためのボタンなどを備える。

次に計測表示装置１２を使用した基質成分量の測定方法を説明する。（１）バイオセンサ１４を計測表示装置１２に接続する。（２）電源部３４から検出用作用電極２２にパルス電圧Ｖ１，Ｖ２を一定間隔で印加する。（３）測定部３６は、パルス電圧Ｖ１，Ｖ２の印加によって測定用作用電極２２と測定用対向電極２４ａ，２４ｂとの間に流れた電流を測定する。（４）電流値が閾値を超えると、電源部３４および測定部３６は検体の基質成分量の計測をおこなうように切り替える。（５）電源部３４は、測定用作用電極１８に所定の電圧を印加する。（６）測定部３６は測定用作用電極１８と測定用対向電極２０との間に流れた電流を測定する。（７）計算部４４は、測定部３６が測定した電流値から基質成分量を求める。

以上のように本発明は検体に直流電圧を印加したときに生じる電気二重層現象を利用し、作用電極、対向電極間に非ファラデー電流を流し、検体の吸入の有無を確認した。パルス電圧に応じて必ず非ファラデー電流が流れるため、検体の吸入を見逃すことがなくなる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。例えば、検出用作用電極２２が１本で、検出用対向電極２４ａ，２４ｂが２本であったが、本数は逆であっても良い。電源部３４は、２本の検出用作用電極に交互にパルス電圧を印加し、検出用対向電極に接続された測定部３６が電流の測定をおこなう。

検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂの本数はバイオセンサ１４の構造によって適宜変更し、検体が反応部２６の上に吸入されたことを検出する。例えば、図３の検出用作用電極２２と第２検出用対向電極２４ｂのみであっても良い。検体の点着は確認せずに、検体が反応部２６の上に十分吸入されたことのみを確認する。

図１ではスイッチＳ１〜Ｓ５を示しているが、電源部３４や測定部３６の中にスイッチＳ１〜Ｓ５を内蔵するようにしても良い。各電極から延びる端子が計測表示装置に接続されたか否かをチェックする手段を設けても良い。

なお、検体が所定量よりも少ない場合は反応部の上に十分検体が広がらない。そのため、タイマーを設け、一方の検出電極のみ電流が流れ、他方の検出電極で一定時間電流が流れなければエラーと判定して、ディスプレイにその旨を表示するようにしても良い。使用者はバイオセンサを取り替え、新しいバイオセンサに検体を吸引させて再度計測する。

図３では検出用作用電極２２および検出用対向電極２４ａ，２４ｂの上を反応部２６が覆っているが、反応部２６がなくても非ファラデー電流Ｉｏは流れる。したがって、検出用作用電極２２と検出用対向電極２４ａ，２４ｂの上には反応部２６がなくても良い。なお、反応部２６がないと非ファラデー電流Ｉｏが流れた後の電解電流が流れないので、測定用作用電極１８と測定用対向電極２０の上には必ず反応部２６が設けられる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の計測表示装置の構成を示す図である。本発明の計測表示装置が出力するパルス電圧と検体の吸入量と非ファラデー電流の関係を示す図である。バイオセンサを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。従来の計測表示装置が出力する電圧と検体の吸入量と電解電流の関係を示す図である。

符号の説明

１０：検体測定装置
１２：計測表示装置
１４：バイオセンサ
１６：基板
１８：測定用作用電極
２０：測定用対向電極
２２：検出用作用電極
２４ａ，２４ｂ：検出用対向電極
２６：反応部
２８，３０：端子
３２：制御手段
３４：電源部
３６：測定部
３８：ディジタル／アナログ変換回路
４０：電流電圧変換回路
４２：アナログ／ディジタル変換回路
４４：計算部
４６：スペーサー
４８：カバー
５０：供給口

Claims

絶縁性の基板と、
前記基板上に設けられた測定用作用電極と、
前記測定用作用電極に対して一定の間隔を隔てて設けられた測定用対向電極と、
前記基板の上に設けられた検出用作用電極と、
前記基板の上に設けられ、前記検出用作用電極に電圧が印加されたときに動作する検出用対向電極と、
少なくとも前記測定用作用電極および測定用対向電極の上を覆う酵素を含む反応部と、
を備えるバイオセンサが取り付けられ、
前記検出用作用電極と検出用対向電極との間に一定間隔でパルス電圧を印加する手段と、
前記パルス電圧を印加した際に流れた検出用電流を測定する手段と、
を備える計測表示装置。
前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加して電位差を発生させる手段と、
前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に流れた測定用電流を測定する手段と、
前記測定用電流を測定する手段によって測定された電流値から酵素と反応した検体の基質成分量を求める手段と、
を備え、
前記検出用電流が閾値よりも高い場合に、測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加する請求項１の計測表示装置。
絶縁性の基板と、
前記基板上に設けられた測定用作用電極と、
前記測定用作用電極に対して一定の間隔を隔てて設けられた測定用対向電極と、
前記基板の上に設けられた検出用作用電極と、
前記基板の上に設けられ、前記検出用作用電極に電圧が印加されたときに動作する検出用対向電極と、
少なくとも前記測定用作用電極および測定用対向電極の上を覆う酵素を含む反応部と、
を備えるバイオセンサが取り付けられ、
前記検出用作用電極と検出用対向電極との間に一定間隔でパルス電圧を印加するステップと、
前記パルス電圧を印加した際に流れた検出用電流を測定するステップと、
を備える検体の基質成分量の測定方法。
前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加して電位差を発生させるステップと、
前記測定用作用電極と測定用対向電極との間に流れた測定用電流を測定するステップと、
前記測定用電流を測定する手段によって測定された電流値から酵素と反応した検体の基質成分量を求めるステップと、
を備え、
前記検出用電流が閾値よりも高い場合に、測定用作用電極と測定用対向電極との間に電圧を印加する請求項３の測定方法。