JPH095296A

JPH095296A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH095296A
Application number: JP7157426A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamaguchi; 昌樹山口
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】小型、かつ軽量で、携帯可能な非侵襲型のバ
イオセンサを提供すること。【構成】バイオセンサ１０は、基材１１の上面に高導
電性材料から成る電極１２を着設し、電極１２の上面に
耐水性材料から成る保護電極１３を着設する。また、電
極１２の上面で、前記保護電極１３が着設されていない
部分に、高分子等から成る保護膜１４を設ける。前記保
護電極１３上面に、酵素膜１５を設け、酵素膜１５の表
面は、経時変化を防止するために分離膜１６で覆う。ま
た、このバイオセンサ１０を生体４０の表面に当接した
状態で保持するための保持部材２２を設ける。そして、
バイオセンサ１０は、生体４０からの汗３０に含まれる
生化学物質の量を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非侵襲型のバイオセン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、酵素のもつ厳密な分子識別機能を
巧みに利用したバイオセンサが種々考案されており、こ
れらのバイオセンサを用いることにより、生体の生理活
性物質の分析の応用化が進んでいる。

【０００３】例えば、糖尿病治療の分野においては、バ
イオセンサが血糖計測技術に大きな変革をもたらしてい
る。１９７０年代には、高分子にブドウ糖酸化還元酵素
（グルコースオキシダーゼ）を固定化した酵素膜を用い
た血糖センサーが開発され、それまで数十分から１時間
以上もかかっていた血糖測定が数分で測定できるように
なった。

【０００４】しかし、これらのバイオセンサは、血液を
用いていたので、患者は測定の度に採血しなければなら
ず、肉体的苦痛を伴うという問題があった。また、血液
を媒体とするウイルス（Ｂ型肝炎、ＡＩＤＳ等）感染の
恐れがあり、患者や看護者に常に精神的な不安感を与え
るという問題もあった。

【０００５】これらの問題点を解決するために、光学的
手法を用いた非侵襲型の生理活性物質計測法が提案され
ており、例えば、七里元亮らの「血糖値の非侵襲的計測
法―光学的ブドウ糖センサの開発、ＢＭＥ、Vol.５、N
o.８、pp.１６-２１、１９９１」等が報告されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学的
手法を用いた非侵襲型の生理活性物質計測法により、例
えば血糖を計測する場合、ブドウ糖の吸光度に基づいて
血糖値を推定するが、ブドウ糖の吸収光の波長が９〜１
１μｍと長いために、その光源として赤外線が必要にな
る。しかし、現状の赤外線レーザは非常に大型であり、
さらに、冷却装置を必要とすることから、計測装置が非
常に大型化するという問題があった。また、この種の装
置は、一般的に、小型で、携帯可能になることが望まれ
ており、光学的手法を用いた装置では実現できないもの
であった。

【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、小型、かつ軽量で、携帯可能な
非侵襲型の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】この目的を達成するため
に本発明のバイオセンサは、酵素、あるいは酵素と同等
の働きをする化学物質を有する触媒体と、生体から分泌
される汗中に含まれる被測定物質が、前記触媒体に含ま
れる酵素、あるいは酵素と同等の働きをする化学物質の
存在下で反応を起こすことにより生成される電極検知可
能物質の増減を電気的に計測する電極部と、前記電極部
によって計測された計測値に基づいて、前記汗中に含ま
れる被測定物質の量、あるいは濃度を検出する検出手段
とを備えている。

【０００９】また、前記触媒体及び前記電極部を一側に
保持すると共に、前記生体の表面に対して、前記触媒体
を直接的あるいは、間接的に当接するように保持するた
めの保持部材を備えていることが望ましい。

【００１０】さらに、前記保持部材は、生体の発汗を促
進するために生体表面を密着して覆うことが可能なシー
トによって構成されていることが望ましい。

【００１１】また、前記酵素、あるいは酵素と同等の働
きをする化学物質はグルコースオキシダーゼであり、前
記検出手段は、前記汗中に含まれるブドウ糖の量、ある
いは濃度を検出するように構成することが望ましい。

【００１２】さらに、前記酵素、あるいは酵素と同等の
働きをする化学物質は、前記触媒体中において固体の状
態で保持されていることが望ましい。

【００１３】

【作用】上記構成を有する本発明のバイオセンサよれ
ば、酵素、あるいは酵素と同等の働きをする化学物質を
有する触媒体と、生体から分泌される汗中に含まれる被
測定物質が、前記触媒体に含まれる酵素、あるいは酵素
と同等の働きをする化学物質の存在下で反応を起こすこ
とにより生成される電極検知可能物質の増減を電気的に
計測する電極部と、前記電極部によって計測された計測
値に基づいて、前記汗中に含まれる被測定物質の量、あ
るいは濃度を検出する検出手段とを備えているので、小
型、かつ軽量で、携帯可能な非侵襲型のバイオセンサを
実現することができる。

【００１４】また、前記触媒体及び前記電極部を一側に
保持すると共に、前記生体の表面に対して、前記触媒体
を直接的あるいは、間接的に当接するように保持するた
めの保持部材を備えているので、前記触媒体を生体の表
面に対して容易に保持することができる。

【００１５】さらに、前記保持部材は、生体の発汗を促
進するために生体表面を密着して覆うことが可能なシー
トによって構成されているので、短時間で、効率よく被
測定物質の量、あるいは濃度を検出することができる。

【００１６】また、前記酵素、あるいは酵素と同等の働
きをする化学物質はグルコースオキシダーゼであり、前
記検出手段は、前記汗中に含まれるブドウ糖の量、ある
いは濃度を検出するように構成されているので、非侵襲
型で、容易に血糖値を検出することができる。

【００１７】さらに、前記酵素、あるいは酵素と同等の
働きをする化学物質は、前記触媒体中において固体の状
態で保持されているので、前記酵素、あるいは酵素と同
等の働きをする化学物質を安定した状態で保持すること
ができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明のバイオセンサを具体化した実
施例を図面を参照して説明する。

【００１９】本実施例のバイオセンサの縦断面図を図１
に示す。図１に示すように、本実施例のバイオセンサ１
０は、基材１１の上面に高導電性材料から成る電極１２
が着設され、その電極１２の上面に耐水性材料から成る
保護電極１３が着設されている。前記電極１２の高導電
性材料としては、金、銀及びプラチナ等の貴金属や、
銅、アルミニウム等の金属材料が考えられる。この電極
１２が、本実施例の電極部を構成している。

【００２０】また、前記保護電極１３は、電極１２に水
分が付着して腐食するのを防止するために設けられてお
り、この保護電極１３の耐水性材料としては、カーボン
等が考えられる。但し、バイオセンサを使い捨て式のセ
ンサとして用いる場合には、あえて保護電極１３を設け
る必要はない。

【００２１】また、電極１２の上面で、前記保護電極１
３が着設されていない部分には、高分子等から成る保護
膜１４が設けられている。さらに、前記保護電極１３上
面には、酵素膜１５が設けられている。そして、酵素膜
１５の表面は、経時変化を防止するために分離膜１６で
覆われている。この酵素膜１５が、本発明の触媒体を構
成している。

【００２２】上記した電極１２、保護電極１３及び保護
膜１４の作成方法としては、例えばスクリーン印刷によ
って形成することができ、前記基材１１、酵素膜１５の
母材、及び分離膜１６の材質としては、例えば、図２に
示すような材料を用いることができる。

【００２３】次に、前記酵素膜１５及び分離膜１６の作
成方法について説明する。１. 電極１２の前準備１）純水１［Ｌ］に１［ｇ］のカルボキシメチルセルロ
ース（以下、ＣＭＣと略す）を少量ずつ加えながら１〜
２時間攪拌した後に一晩放置し、０.１重量％のＣＭＣ
溶液を作成する。

【００２４】２）保護電極１３上に単位面積当たり０.
８［μＬ／ｍｍ²］のＣＭＣを塗布しする。

【００２５】３）電極１２の劣化を防止するために、出
来るだけ低い温度、例えば４０℃で１時間乾燥し、ＣＭ
Ｃ層を作成する。２.酵素の溶解例えば、血糖センサを作成する場合には、１０［ｍｇ］
のグルコースオキシダーゼを６７［ｍＬ］の純水に混合
し、１０［μＭ］の酵素溶液を作成する。この時、酵素
の失活を防止するために、マグネチックスターラ等は使
用せず、手でゆっくりと攪拌するのが望ましい。３.酵素の固定１）１６.４６３［ｇ］のフェリシアン化カリウム（ヘ
キサシアノ鉄カリウム、Ｋ₃［Ｆe（ＣＮ）₆］）を１
［Ｌ］の純水に混合し、５０［ｍＭ］のフェリシアン化
カリウム溶液を作成する。

【００２６】２）ＣＭＣ溶液、酵素溶液及びフェリシア
ン化カリウム溶液各々１０［ｍＬ］を１：１：１で加え
た混合水溶液を作成する。

【００２７】３）混合水溶液を前記ＣＭＣ層の上に単位
面積当たり１.０［μＬ／ｍｍ²］滴下した後４０℃で１
時間乾燥し、酵素膜１５を作成する。４.分離膜１６の作成（必要に応じて行う）１）１［ｇ］のポリビニルピロリドン（以下、ＰＶＰと
略す）を１００［ｇ］のエタノールに混合し、約１時間
攪拌して１重量％のＰＶＰ溶液を作成する。

【００２８】２）ＰＶＰ溶液を酵素膜１５上に単位面積
当たり０.４［μＬ／ｍｍ²］展開し、４０℃で２０分間
乾燥させて分離膜１６を形成する。

【００２９】この方法によれば、酵素膜１５中の酵素
（グルコースオキシダーゼ）は固体の状態で保持される
ので、経時的な変化の少ない酵素膜１５を得ることがで
きる。

【００３０】尚、本発明の酵素膜１５に保持される酵素
は、上記グルコースオキシダーゼに限定させるものでは
なく、酸化還元酵素、加水分解酵素をはじめとして種々
の酵素を用いることが可能であり、その結果として、グ
ルコース（ブドウ糖）以外の生体生化学物質、例えば、
エタノール、乳酸、尿素、中性脂肪、総コレストロー
ル、あるいはピルビン酸等を測定するセンサを実現する
ことができる。

【００３１】ここで、前記バイオセンサ１０の２次元形
状の一例を図３に示す。図３においては、前記電極１２
及び保護電極１３の形状を明確にするために、前記酵素
膜１５及び分離膜１６を省いた状態を示している。ま
た、電極１２及び保護電極１３は、各々陽極１２ａ，１
３ａ、陰極１２ｂ，１３ｂの２つの部分から構成されて
いる。そして、点線Ｂで示した部分の内側に、前記酵素
膜１５が形成される。

【００３２】次に、上述したようなバイオセンサ１０を
用い、生体の分泌物である汗に含まれる物質を被測定物
質として計測する場合について、図４，５に基づいて説
明する。

【００３３】汗中の被測定物質を計測する場合には、図
４に示すように、バイオセンサ１０の酵素膜１５の表面
（分離膜１６を設けた場合はこの分離膜１６の上面）を
生体４０の表面に当接した状態で保持するための保持部
材２２を設ける必要がある。この保持部材２２の内側面
に、バイオセンサ１０の基材１１の前記電極１２が着設
されていない側の面を接着しておき、保持部材２２の端
部を生体４０に貼着することにより、酵素膜１５（分離
膜１６）の表面を生体４０の表面に当接させた状態でバ
イオセンサ１０が保持される。

【００３４】保持部材２２の一部、あるいは全部には、
強力な接着力を有すると共に、耐汗性にも優れ、かつ皮
膚の弱い部位でもかぶれ等を生じにくい材質を使用する
必要がある。例えば、心電計に用いられる電極のように
流動性ペーストやゲルを使用し、生体４０の皮膚に貼着
可能に構成する。また、前記保持部材２２は生体の発汗
を促進するために生体４０の表面を密着して覆うことが
可能なシート状に形成することが望ましい。

【００３５】このような保持部材２２を設けることによ
り、前記酵素膜１５（分離膜１６）を生体４０の表面に
対して容易に保持することができる。

【００３６】また、図５に示すように、バイオセンサ１
０には、そのバイオセンサ１０の電極１２からの信号に
基づいて、各種演算処理を行うＣＰＵ５０が接続されて
おり、また、ＣＰＵ５０には、そのＣＰＵ５０において
演算処理がなされる際に参照されるデータを記憶してい
る記憶部５１、及びＣＰＵ５０による演算結果、即ち被
測定物質の量、あるいは濃度等を出力するための出力部
５２がそれぞれ接続されている。このＣＰＵ５０が、本
発明の検出手段を構成している。

【００３７】図４に示すように、本実施例のバイオセン
サ１０を保持部材２２により生体４０の表面に貼着する
と、図４中の矢印で示されるように発汗現象が促進さ
れ、前記酵素膜１５（分離膜１６）の表面に、生体４０
の分泌物である汗３０が接触するようになる。この時、
その汗３０が電解質となり、前記酵素膜１５に保持され
ている酵素、例えばグルコースオキシダーゼが汗中に溶
け出すことになる。その結果、以下に示す化学反応が酵
素（グルコースオキシダーゼ）によって触媒される。

【００３８】

【数１】

【００３９】この時、前記電極１２の陽極１２ａ及び陰
極１２ｂの間に電源（図示せず）から所定電圧が印加さ
れると、上記化学反応で生成されたH₂O₂によって電極１
２では電気分解が発生し、以下の化学反応が行われる。

【００４０】

【数２】

【００４１】そして、この陽極１２ａと陰極１２ｂとの
間に流れる電流の時間的変化が、前記ＣＰＵ５０に送ら
れ、図６に示すような特性が得られる。尚、図６中の矢
印Ａで示される変化は酵素膜１５が含む化学物質が汗３
０中に溶け出す拡散現象に基づく過度現象であると考え
られる。

【００４２】ここで、図６中の所定時間ｔ₁、ｔ₂の電流
値に基づいて、初期の電流値Ｉ₀ を演算により求める
と、H₂O₂の発生量に比例した電流値が得られる。上記式
（１）から推測されるように、このH₂O₂の発生量は前記
β-D- グルコース、即ちブドウ糖の量に比例しているの
で、電流値Ｉ₀ は汗３０に含まれるブドウ糖の量に比例
することが分かる。そして、この電流値Ｉ₀ を用い、Ｃ
ＰＵ５０において、前記記憶部５１に記憶されているデ
ータに基づいて演算処理がなされ、汗３０中のブドウ糖
量が求められ、さらに、血糖値が算出される。この算出
は、前記記憶部５１に前記電流値Ｉ₀と汗３０中のブド
ウ糖量と血糖値との関係が記憶されており、この対応関
係に基づいて行われる。また、ＣＰＵ５０において換算
された血糖値は、出力部５２によって出力される。この
出力部５２として、例えば、表示装置等のように視覚的
に確認できるようなものを用いる。

【００４３】このように、本実施例のバイオセンサによ
れば、生体４０から自然に発生する汗３０を利用して、
その汗３０中に含まれる被測定物質（例えば、ブドウ
糖）の量を検出することができるので、従来のように採
血による苦痛を伴うことなく、衛生的に生化学物質の計
測を行うことができる。

【００４４】また、装置の小型化、及び軽量化を図るこ
とができ、携帯することも可能になる。

【００４５】さらに、前記保持部材２２によって、生体
４０の発汗が促進されるので、短時間で、効率よく被測
定物質の量を検出することができる。

【００４６】尚、本発明は、上記実施例に限定されるも
のではなく、種々の変更を加えることができる。例え
ば、酵素膜に用いられ、電気分解に寄与する化学物質
は、上記フェリシアン化カリウムに限定させるものでは
なく、種々のイオン化物質、即ち金属や錯塩を用いるこ
とが可能である。例えば、ベンゾキノン、ハイドロキノ
ンや、David L W, Alfred R D Jr, Alexander Kらの文
献「Electrochemical-Enzymatic Analysis of Blood Gl
ucose and Lactate，Analytical Chemistry，Vol.42，N
o.1，pp.118-121，1970」に提案されているように、フ
ェロシアン化カリウムやその誘導体を用いても良い。

【００４７】また、本実施例では、汗中に含まれる被測
定物質の量を検出するように構成したが、濃度を検出す
るように構成してもよく、この場合、検出に利用した汗
の体積を検出する必要があり、その所定の体積中に被測
定物質がどれだけ含まれているかによって演算処理を行
い、濃度を算出することができる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
本発明のバイオセンサによれば、酵素、あるいは酵素と
同等の働きをする化学物質を有する触媒体と、生体から
分泌される汗中に含まれる被測定物質が、前記触媒体に
含まれる酵素、あるいは酵素と同等の働きをする化学物
質の存在下で反応を起こすことにより生成される電極検
知可能物質の増減を電気的に計測する電極部と、前記電
極部によって計測された計測値に基づいて、前記汗中に
含まれる被測定物質の量、あるいは濃度を検出する検出
手段とを備えているので、小型、かつ軽量で、携帯可能
な非侵襲型のバイオセンサを実現することができる。

【００４９】また、前記触媒体及び前記電極部を一側に
保持すると共に、前記生体の表面に対して、前記触媒体
を直接的あるいは、間接的に当接するように保持するた
めの保持部材を備えているので、前記触媒体を生体の表
面に対して容易に保持することができる。

【００５０】さらに、前記保持部材は、生体の発汗を促
進するために生体表面を密着して覆うことが可能なシー
トによって構成されているので、短時間で、効率よく被
測定物質の量、あるいは濃度を検出することができる。

【００５１】また、前記酵素、あるいは酵素と同等の働
きをする化学物質は、前記触媒体中において固体の状態
で保持されているので、前記酵素、あるいは酵素と同等
の働きをする化学物質を安定した状態で保持することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のバイオセンサの断面図である。

【図２】本実施例のバイオセンサの分離膜、酵素膜及び
基材として使用可能な材質を示す図である。

【図３】本実施例のバイオセンサの上面図である。

【図４】本実施例のバイオセンサの断面図である。

【図５】バイオセンサの概略的構成を示す図である。

【図６】バイオセンサの電気特性を示す図である。

【符号の説明】

１０バイオセンサ１２電極１５酵素膜２２保持部材３０汗４０生体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 33/66 Ｇ０１Ｎ 27/30 ３５３Ｊ 27/46 ３８６Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酵素、あるいは酵素と同等の働きをする
化学物質を有する触媒体と、生体から分泌される汗中に含まれる被測定物質が、前記
触媒体に含まれる酵素、あるいは酵素と同等の働きをす
る化学物質の存在下で反応を起こすことにより生成され
る電極検知可能物質の増減を電気的に計測する電極部
と、前記電極部によって計測された計測値に基づいて、前記
汗中に含まれる被測定物質の量、あるいは濃度を検出す
る検出手段と、を備えたことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記触媒体及び前記電極部を一側に保持
すると共に、前記生体の表面に対して、前記触媒体を直
接的あるいは、間接的に当接するように保持するための
保持部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のバ
イオセンサ。
【請求項３】前記保持部材は、生体の発汗を促進する
ために生体表面を密着して覆うことが可能なシートによ
って構成されていることを特徴とする請求項２に記載の
バイオセンサ。
【請求項４】前記酵素、あるいは酵素と同等の働きを
する化学物質はグルコースオキシダーゼであり、前記検出手段は、前記汗中に含まれるブドウ糖の量、あ
るいは濃度を検出することを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項５】前記酵素、あるいは酵素と同等の働きを
する化学物質は、前記触媒体中において固体の状態で保
持されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
かに記載のバイオセンサ。