JPH09292355A - バイオセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生体試料の導入が容易であり、しかも高湿度
環境下での保存時における性能劣化、接着剤に起因する
性能劣化を大幅に抑制することができるバイオセンサを
提供する。 【解決手段】 所定形状の基部１ａと基部１ａの所定位
置から突出形成された細幅の突出部１ｂとを有する基板
１と、基板１とほぼ等しい平面形状を有するカバー部材
２と、前記突出部１ｂの上面所定位置に設けられた電極
系３と、前記突出部１ｂの上面所定位置に設けられた反
応層４，４´とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はバイオセンサに関
し、さらに詳細にいえば、微量の生体試料に含まれる特
定の成分の定量を行うことができるバイオセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、血液などの生体試料中の特定
の成分を定量するためのバイオセンサとして、基板上に
電極系と酵素を担持する反応層とを設け、この基板上
に、電極系および反応層を含む透孔を有する第１の平板
を設け、第１の平板を覆うように第２の平板を設け、第
２の平板の所定位置に透孔と連通される導入口を、第１
の平板の所定位置に透孔と連通される導出口をそれぞれ
設けてなる構成のバイオセンサが提案されている。

【０００３】この構成のバイオセンサであれば、導入口
から血液などの生体試料を導入することにより、生体試
料を反応層に導くことができる。この反応層において
は、酵素の存在下において測定対象物質の反応が行わ
れ、所定の物質を生成し、もしくは所定の物質を消失さ
せる。そして、生成され、もしくは消失される物質の量
に対応する電気信号を電極系から出力する。したがっ
て、電極系から出力される電気信号および予め得られて
いる検量線に基づいて生体試料中の特定の測定対象物質
の定量を達成することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の構成の
バイオセンサを採用した場合には、導入口が比較的小さ
いのであるから、例えば、指などから直接に血液などの
生体試料を導入するに当って、生体試料の導入が困難に
なってしまうという不都合がある。また、指などから直
接に血液などの生体試料を導入するに当って、指などを
導入口に密着させすぎると導入口が塞がれてしまい、生
体試料を導入することができなくなってしまうという不
都合もある。

【０００５】さらに、電極系および反応層をほぼ完全に
覆うようにしているので、高湿度環境下での保存時に、
電極系および反応層を含む空間の内部に結露が生じ、バ
イオセンサの性能が劣化するという不都合もある。具体
的には、温度が３５℃、湿度が８５％の環境下で１時間
保存しただけでも電極系から出力される電気信号がかな
り変化する。この不都合は、結露が吸水性の素材に吸い
取られ反応層が変形することに起因すると思われる。こ
のことは、製造過程において人体が反応層に接触しただ
けで性能が劣化することからも首肯できると思われる。

【０００６】さらにまた、基板と第１の平板と第２の平
板とをそれぞれ互いに接着するために接着剤もしくは粘
着剤（以下、単に接着剤と称する）が必須であり、製造
過程において接着剤から揮発した成分がかなりの時間、
前記空間内に留まることに起因して反応層の表面などに
付着して、バイオセンサの性能を劣化させてしまうとい
う不都合もある。

【０００７】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、生体試料の導入が容易であり、しかも高
湿度環境下での保存時における性能劣化、接着剤に起因
する性能劣化を大幅に抑制することができるバイオセン
サを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１のバイオセンサ
は、電極系と酵素を担持する反応層とを有する基板と、
所定間隔を存して基板と対向する平板とを有し、基板と
平板との周縁において間隙の内部の空気の自由流動を許
容すべく間隙が開放されてあり、酵素の存在下における
被験液中の測定対象物質の反応により生成され、もしく
は消失される物質の濃度に対応する電気信号を前記電極
系から出力するものである。

【０００９】請求項２のバイオセンサは、平板の電極系
側の面が親水性を有しているものである。請求項３のバ
イオセンサは、平板の所定位置に、基板と平板との間隙
を保持するための突部が形成されたものである。

【００１０】

【作用】請求項１のバイオセンサであれば、電極系と酵
素を担持する反応層とを有する基板と、所定間隔を存し
て基板と対向する平板とを有し、基板と平板との周縁に
おいて間隙の内部の空気の自由流動を許容すべく間隙が
開放されてあるのであるから、間隙が開放されている部
分であれば、任意の箇所から被験液を導入することがで
き、指などを密着させすぎても何ら不都合なく被験液を
導入することができ、また、間隙が空気の自由流動を許
容すべく開放されているので、空気が間隙に閉じ込めら
れるという不都合が殆どなく、結露が発生し難いことに
起因して高湿度環境下での保存による性能劣化を大幅に
抑制することができる。さらに、間隙が広い範囲におい
て開放されていることになるのであるから、接着剤の使
用量を少なくすることができるとともに、接着剤の塗布
位置を電極系、反応層から十分に離すことができ、しか
も、接着剤からの揮発成分も、空気の流動性が高いこと
に起因して、迅速に外部に放散させられ、ひいては、性
能劣化を大幅に抑制することができる。

【００１１】請求項２のバイオセンサであれば、平板の
電極系側の面が親水性を有しているのであるから、被験
液の導入を容易にすることができるほか、請求項１と同
様の作用を達成することができる。請求項３のバイオセ
ンサであれば、平板の所定位置に、基板と平板との間隙
を保持するための突部が形成されているので、所期の間
隙を保持し続けることができるほか、請求項１または請
求項２と同様の作用を達成することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面によってこの発明
の実施の態様を詳細に説明する。図１はこの発明のバイ
オセンサの一実施態様を示す分解斜視図、図２は要部を
示す拡大平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図
である。このバイオセンサは、所定形状の基部１ａと基
部１ａの所定位置から突出形成された細幅の突出部１ｂ
とを有する基板１と、基板１とほぼ等しい平面形状を有
するカバー部材２と、前記突出部１ｂの上面所定位置に
設けられた電極系３と、前記突出部１ｂの上面所定位置
に設けられた反応層４，４´とを有している。

【００１３】前記カバー部材２は、基板１の突出部１ｂ
と対応する部分のみが薄肉に形成され、カバー部材２を
基板１に接着固定した状態において、突出部１ｂとカバ
ー部材２との間に所定の間隙を形成する。ここで、突出
部１ｂの幅は、例えば、１．２ｍｍもしくは１．５ｍｍ
に設定され、間隙は、例えば、２５０μｍもしくは５０
０μｍに設定される。幅および間隙をこのように設定す
ることにより、被験液導入時に十分な毛細管現象を得る
ことができ、また、突出部１ｂとカバー部材２との間の
空間における空気の流動性を高めることができる。な
お、ここで、間隙は、その周縁の殆どの範囲において開
放されているが、１／２以上の範囲において開放されて
いればよい。

【００１４】前記電極系３は、第１対向電極３ａ、第１
作用電極３ｂ、第２対向電極３ｃ、第２作用電極３ｄお
よび第３対向電極３ｅをこの順に突出部１ｂ上に、かつ
突出部１ｂの長手方向に配設してあるとともに、第３対
向電極３ｅに対して突出部１ｂの幅方向に併設する状態
で参照電極３ｆを形成してある。前記反応層４は、第１
対向電極３ａ、第１作用電極３ｂおよび第２対向電極３
ｃを覆うものであり、前記反応層４´は、第２対向電極
３ｃ、第２作用電極３ｄ、第３対向電極３ｅおよび参照
電極３ｆを覆うものである。また、反応層４は、第１対
向電極３ａ、第１作用電極３ｂおよび第２対向電極３ｃ
を覆う固定化酵素膜４ａと、この固定化酵素膜４ａの全
範囲を覆うオーバーコート膜４ｂとで構成されている。
反応層４´は、第２対向電極３ｃ、第２作用電極３ｄ、
第３対向電極３ｅおよび参照電極３ｆを覆う４ａ´と、
この４ａ´の全範囲を覆うオーバーコート膜４ｂ´とで
構成されている。

【００１５】前記基部１ａ上の、突出部１ｂと反対側の
端縁部には４つの接点が併設されてあり、前記第１対向
電極３ａ、第１作用電極３ｂ、第２対向電極３ｃ、第２
作用電極３ｄ、第３対向電極３ｅおよび参照電極３ｆが
それぞれ配線によって対応する接点と電気的に接続され
ている。ただし、３つの対向電極は共に１つの接点と接
続されている。

【００１６】図４は前記の構成のバイオセンサを用いて
生体試料中の測定対象物質の濃度を測定する装置の構成
を概略的に示す透視側面図である。この装置は、本体ケ
ーシング１１と、前記の構成のバイオセンサを含むセン
サ単体１０を所定枚数だけ積層状態で収容するセンサカ
ートリッジ１２と、センサカートリッジ１２からセンサ
単体１０を１枚ずつ送り出す操作部材１３と、センサ単
体１０に対して所定のバイアス電圧を印加するととも
に、センサ単体１０から出力される電気信号に基づく処
理（微分処理、または最大値検出処理など）を行って測
定対象物質の濃度を示す信号を出力する信号処理部（図
示せず）と、対象物質の濃度を可視的に表示する濃度表
示部１４と、信号処理部に動作電圧を供給する電源部１
５とを有している。

【００１７】前記センサ単体１０は、前記の構成のバイ
オセンサの接点側の端縁から外方に延びる平板部材をさ
らに有しているとともに、この平板部材の上面を外部に
露呈し、露呈部に前記接点と電気的に接続された接点を
有している。前記センサカートリッジ１２は、積層され
たセンサ単体１０を上方に付勢すべくコイルバネなどか
らなる付勢部材１２ａを有しているとともに、最も上部
に位置するセンサ単体１０の送り出しを許容する送り出
し用開口（図示せず）および前記操作部材１３の先端部
の侵入を許容する操作部材受け入れ用開口（図示せず）
を有しており、しかも、センサ単体１０が、バイオセン
サの全長よりも短い所定長さだけ送り出された状態にお
いて、前記平板部材の接点と本体ケーシング１１の所定
位置に設けた接点（図示せず）との電気的接続を許容す
る開口部（図示せず）を有している。また、センサカー
トリッジ１２は、本体ケーシング１１に対して取り出し
可能に収容されている。

【００１８】図５は濃度測定のための電気回路の要部を
示す電気回路図である。第１作用電極３ｂをオペアンプ
２１の反転入力端子と接続するとともに、オペアンプ２
１の非反転入力端子にワーク電極電位を供給し、オペア
ンプ２１の反転入力端子と出力端子との間に抵抗２１ａ
を接続して第１電流電圧変換器を構成し、第２作用電極
３ｄをオペアンプ２２の反転入力端子と接続するととも
に、オペアンプ２２の非反転入力端子に前記ワーク電極
電位を供給し、オペアンプ２２の反転入力端子と出力端
子との間に抵抗２２ａを接続して第２電流電圧変換器を
構成し、変化させられる印加電圧が非反転入力端子に供
給されるオペアンプ２３の反転入力端子を対向電極３
ａ，３ｃ，３ｅに接続するとともに、オペアンプ２３の
出力端子を参照電極３ｆに接続している。

【００１９】したがって、ワーク電極電位を固定し、印
加電圧を変化させることにより、リフレッシュのための
逆バイアス、測定のための順バイアスを供給することが
できる。そして、第１作用電極３ｂ、第２作用電極３ｄ
から出力される電流を電流電圧変換器により電圧に変換
することができる。この変換された電圧は例えば、Ａ／
Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されて前記信号処理
部に供給される。

【００２０】前記の構成の装置を用いて生体試料中の測
定対象物質の濃度を測定する場合には、先ず、操作部材
１３を操作して最も上部のセンサ単体１０をバイオセン
サの全長よりも短い所定長さだけ送り出し、バイオセン
サと本体ケーシング１１側との間の電気的接続を達成す
る。この状態において、基板１の突出部１ｂとカバー部
材２とからなる部分の先端部を生体試料摂取部（例え
ば、指など）に接近させれば、毛細管現象により生体試
料が突出部１ｂとカバー部材２との間隙に導入される。

【００２１】導入された生体試料は、オーバーコート膜
４ｂ，４ｂ´を通して固定化酵素膜４ａおよび膜４ａ´
に導かれ、膜４ａ´に導かれた生体試料中の測定対象物
質が所定の反応を行う。具体的には、例えば、酵素とし
てグルコースオキシダーゼを採用した場合には、生体試
料中のグルコースと水とがグルコースオキシダーゼの存
在下において反応してグルコノラクトンおよび過酸化水
素を発生させる。そして、第２作用電極３ｄにおいて
は、過酸化水素を分解して水素イオンと酸素と電荷とを
生じさせ、対向電極３ｃ，３ｅにおいては、分解により
生じた水素イオンと酸素と電荷から水を生じさせる。し
たがって、これらの反応によって、第２作用電極３ｄか
らグルコース濃度に対応する電流が出力される。また、
第１作用電極３ｂからは、グルコース濃度に無関係な電
流（血球などの妨害物質などに起因する電流）が出力さ
れる。したがって、両作用電極から出力される電流を電
圧に変換し、差分をとることにより、グルコース濃度の
みに対応する電圧を得ることができ、この電圧を信号処
理部に供給することにより、グルコース濃度に対応する
電気信号を得、濃度表示部１４により可視的に表示する
ことができる。

【００２２】その後は、操作部材１３を前記と同じ方向
にさらに操作することにより、最も上部のセンサ単体１
０をその全長とほぼ等しい長さだけ送り出し、本体ケー
シング１１から自然落下させることができる。そして、
操作部材１３を復動させれば、付勢部材１２ａによって
センサカートリッジ１２内の全てのセンサ単体１０が押
し上げられ、次の測定に備えることができる。

【００２３】また、以上の説明から明らかなように、セ
ンサ単体１０は、例えば、製造後に乾燥剤などを含む状
態で個装されていても、センサカートリッジ１２に収容
される時点で包装が破棄されるので、高湿度環境下にお
いては、結露などに起因してセンサ出力が変動すること
になる。この場合において、従来のバイオセンサのよう
に、導入口、導出口を除いて電極系および反応層を完全
に包囲していれば、空気の流動性が著しく低いので、温
度低下に伴って結露が生じ、図６中（Ｂ）に示すよう
に、センサ出力の変動が著しくなってしまう。しかし、
この実施態様のバイオセンサでは、基板２の突出部１ｂ
とカバー部材２とで構成される間隙のほぼ全範囲が開放
されているので、空気の流動性が高くなり、図６中
（Ａ）に示すように、センサ出力の変動を著しく少なく
することができる。尚、図６の測定結果は、３５℃、Ｒ
Ｈ９０％で開封保存した後、１００ｍｇ／ｄｌの被験液
を用いて測定を行うことにより得られたものである。

【００２４】この実施態様のバイオセンサを採用すれ
ば、著しく少量（例えば、約２μｌ）の生体試料で測定
対象物質の濃度測定を行うことができ、この結果、生体
試料中の溶存酸素の影響を受けにくい。また、生体試料
の導入に毛細管現象を用いているので操作性が著しく向
上し、血球などの妨害物質の影響を殆ど皆無にすること
ができる。さらに、常温常湿度雰囲気中でかなり長期間
にわたって保存することができ、しかもセンサ出力の変
動を大幅に抑制することができる。

【００２５】前記の実施態様においては、突出部１ｂと
カバー部材２との間隙をカバー部材２の保形性により確
保するようにしているが、この間隙の保持をより確実に
するたてめに、突出部１ｂの先端部に対応させてカバー
部材２の突軸部材を設けることが好ましい。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明は、間隙が開放されてい
る部分であれば、任意の箇所から被験液を導入すること
ができ、指などを密着させすぎても何ら不都合なく被験
液を導入することができ、また、間隙が空気の自由流動
を許容すべく開放されているので、空気が間隙に閉じ込
められるという不都合が殆どなく、結露が発生し難いこ
とに起因して高湿度環境下での保存による性能劣化を大
幅に抑制することができ、さらに、間隙が広い範囲にお
いて開放されていることになるのであるから、接着剤の
使用量を少なくすることができるとともに、接着剤の塗
布位置を電極系、反応層から十分に離すことができ、し
かも、接着剤からの揮発成分も、空気の流動性が高いこ
とに起因して、迅速に外部に放散させられ、ひいては、
性能劣化を大幅に抑制することができるという特有の効
果を奏する。

【００２７】請求項２の発明は、被験液の導入を容易に
することができるほか、請求項１と同様の効果を奏す
る。請求項３の発明は、所期の間隙を保持し続けること
ができるほか、請求項１または請求項２と同様の効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のバイオセンサの一実施態様を示す分
解斜視図である。

【図２】図１の要部を示す拡大平面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

【図４】図１のバイオセンサを用いて生体試料中の測定
対象物質の濃度を測定する装置の構成を概略的に示す透
視側面図である。

【図５】濃度測定のための電気回路の要部を示す電気回
路図である。

【図６】バイオセンサの保存日数に対するセンサ出力の
変動を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ カバー部材 ３ 電極系 ４ 反応層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極系（３）と酵素を担持する反応層
   （４）とを有する基板（１）と、所定間隔を存して基板
   （１）と対向する平板（２）とを有し、基板（１）と平
   板（２）との周縁において間隙の内部の空気の自由流動
   を許容すべく間隙が開放されてあり、酵素の存在下にお
   ける被験液中の測定対象物質の反応により生成され、も
   しくは消失される物質の濃度に対応する電気信号を前記
   電極系（３）から出力することを特徴とするバイオセン
   サ。
2. 【請求項２】 前記平板（２）の電極系（３）側の面が
   親水性を有している請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 【請求項３】 前記平板（２）の所定位置に、基板
   （１）と平板（２）との間隙を保持するための突部が形
   成されてある請求項１または請求項２に記載のバイオセ
   ンサ。