JPH1048177A - バイオセンサ - Google Patents
バイオセンサInfo
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- JPH1048177A JPH1048177A JP8200724A JP20072496A JPH1048177A JP H1048177 A JPH1048177 A JP H1048177A JP 8200724 A JP8200724 A JP 8200724A JP 20072496 A JP20072496 A JP 20072496A JP H1048177 A JPH1048177 A JP H1048177A
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Landscapes
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】生体試料中の測定成分濃度を測定するバイオセ
ンサにおいて、応答が生体試料中のｐＨ値の影響を受け
る。 【解決手段】バイオセンサの例としてグルコースセンサ
について説明する。グルコースセンサ素子は作用極１，
対極２，ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３，参照電極４，上にグルコ
ース検出膜７が形成された構造をしている。酵素反応に
よって生成する過酸化水素量を作用極１，対極２，参照
電極４からなるグルコース検知部で検出し、電流測定回
路によりグルコース濃度をもとめる。このときの酵素近
傍のｐＨをｐＨ−ＩＳＦＥＴ３と参照電極４からなるｐ
Ｈ検知部およびｐＨ測定回路により求める。グルコース
濃度変換処理部においてｐＨ値によりグルコース濃度を
補償し、グルコース濃度表示部で示す。
ンサにおいて、応答が生体試料中のｐＨ値の影響を受け
る。 【解決手段】バイオセンサの例としてグルコースセンサ
について説明する。グルコースセンサ素子は作用極１，
対極２，ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３，参照電極４，上にグルコ
ース検出膜７が形成された構造をしている。酵素反応に
よって生成する過酸化水素量を作用極１，対極２，参照
電極４からなるグルコース検知部で検出し、電流測定回
路によりグルコース濃度をもとめる。このときの酵素近
傍のｐＨをｐＨ−ＩＳＦＥＴ３と参照電極４からなるｐ
Ｈ検知部およびｐＨ測定回路により求める。グルコース
濃度変換処理部においてｐＨ値によりグルコース濃度を
補償し、グルコース濃度表示部で示す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は血液もしくは尿など
の生体試料中に含まれる微量成分の濃度を測定するバイ
オセンサに関し、特に生体試料のｐＨ値の影響を防ぐこ
とのできるバイオセンサに関する。
の生体試料中に含まれる微量成分の濃度を測定するバイ
オセンサに関し、特に生体試料のｐＨ値の影響を防ぐこ
とのできるバイオセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】血液や尿のような生体試料中の微量成分
を酵素反応を利用して測定することは、広く臨床検査と
して行われている。例えば、血糖値（血液中のグルコー
ス濃度）や尿糖値（尿中のグルコース濃度）を簡便に測
定する方法として酵素電極を利用したグルコースセンサ
が使用されている。酵素電極とは酵素と電極を組み合わ
せたもので、このグルコースセンサの場合は、グルコー
ス酸化酵素と過酸化水素電極を組み合わせている。グル
コース酸化酵素（グルコースオキシダーゼ，ＧＯＤ）は
β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに選
択的に酸化する。この反応にともない酸素は過酸化水素
に還元される（反応式１）。この過酸化水素の生成量
を、白金電極上で酸化しその酸化電流を測定することに
よりグルコース濃度を測定する（反応式２）。 β−Ｄ−グルコース＋Ｏ2 → Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン＋Ｈ2 Ｏ2 ・・・（反応式１） Ｈ2 Ｏ2 → ２Ｈ+ ＋Ｏ2 ＋２ｅ- ・・・（反応式２） このような酵素反応を利用したセンサでは、酵素の活性
の影響を受ける。酵素活性は溶液のｐＨの影響を受け、
もっとも活性の高いｐＨを至適ｐＨと称する。一般的に
は至適ｐＨから外れると活性が極端に下がることが多
い。従って、グルコースセンサにおいても、正確な測定
を実現するためには酵素活性を一定に保つ必要があり、
溶液のｐＨを一定に保つ必要がある。測定試料のｐＨ
は、血液の場合は７．４であるが、尿の場合はｐＨ５〜
９の間を変化する。
を酵素反応を利用して測定することは、広く臨床検査と
して行われている。例えば、血糖値（血液中のグルコー
ス濃度）や尿糖値（尿中のグルコース濃度）を簡便に測
定する方法として酵素電極を利用したグルコースセンサ
が使用されている。酵素電極とは酵素と電極を組み合わ
せたもので、このグルコースセンサの場合は、グルコー
ス酸化酵素と過酸化水素電極を組み合わせている。グル
コース酸化酵素（グルコースオキシダーゼ，ＧＯＤ）は
β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに選
択的に酸化する。この反応にともない酸素は過酸化水素
に還元される（反応式１）。この過酸化水素の生成量
を、白金電極上で酸化しその酸化電流を測定することに
よりグルコース濃度を測定する（反応式２）。 β−Ｄ−グルコース＋Ｏ2 → Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン＋Ｈ2 Ｏ2 ・・・（反応式１） Ｈ2 Ｏ2 → ２Ｈ+ ＋Ｏ2 ＋２ｅ- ・・・（反応式２） このような酵素反応を利用したセンサでは、酵素の活性
の影響を受ける。酵素活性は溶液のｐＨの影響を受け、
もっとも活性の高いｐＨを至適ｐＨと称する。一般的に
は至適ｐＨから外れると活性が極端に下がることが多
い。従って、グルコースセンサにおいても、正確な測定
を実現するためには酵素活性を一定に保つ必要があり、
溶液のｐＨを一定に保つ必要がある。測定試料のｐＨ
は、血液の場合は７．４であるが、尿の場合はｐＨ５〜
９の間を変化する。
【０００３】そこで、従来、溶液のｐＨを一定に保つた
めに、特開平７−８３８７２号公報に示されるように、
電極上にｐＨ緩衝剤を含む層を設けたグルコースセンサ
が知られている。図３はこの従来のグルコースセンサの
一例を示す断面図である。このグルコースセンサは、測
定極３０と対極３１からなる電極を形成した基板３２上
に、電子受容体−酵素担持層３３，ｐＨ緩衝剤担持層３
４を順次積層した構成を有する。また、絶縁層３５及び
リード層３６が形成されている。このグルコースセンサ
の測定原理は以下のとおりである。センサ上に滴下され
た試料溶液はｐＨ緩衝剤担持層３４においてｐＨ緩衝作
用により最も高い酵素活性の得られるｐＨに調整され
る。試料溶液中のグルコースは電子受容体−酵素担持層
３３のＧＯＤと特異的に反応するが、このとき、電子受
容体は上記反応で生成する電子によって還元型となる
（反応式３）。電子受容体（還元型）は電極に達し、こ
こで電子受容体（還元型）の酸化電流を測定することに
より、グルコース濃度を測定することができる（反応式
４）。 β−Ｄ−グルコース＋電子受容体（酸化型） → Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン ＋電子受容体（還元型）・・・（反応式３） 電子受容体（還元型） → 電子受容体（酸化型）＋２ｅ- ・・・（反応式４） しかしながら、このグルコースセンサでは１回測定を行
うとｐＨ緩衝剤担持層３４のｐＨ緩衝剤が試料溶液中に
溶解するため、繰り返し測定を行うことができない。
めに、特開平７−８３８７２号公報に示されるように、
電極上にｐＨ緩衝剤を含む層を設けたグルコースセンサ
が知られている。図３はこの従来のグルコースセンサの
一例を示す断面図である。このグルコースセンサは、測
定極３０と対極３１からなる電極を形成した基板３２上
に、電子受容体−酵素担持層３３，ｐＨ緩衝剤担持層３
４を順次積層した構成を有する。また、絶縁層３５及び
リード層３６が形成されている。このグルコースセンサ
の測定原理は以下のとおりである。センサ上に滴下され
た試料溶液はｐＨ緩衝剤担持層３４においてｐＨ緩衝作
用により最も高い酵素活性の得られるｐＨに調整され
る。試料溶液中のグルコースは電子受容体−酵素担持層
３３のＧＯＤと特異的に反応するが、このとき、電子受
容体は上記反応で生成する電子によって還元型となる
（反応式３）。電子受容体（還元型）は電極に達し、こ
こで電子受容体（還元型）の酸化電流を測定することに
より、グルコース濃度を測定することができる（反応式
４）。 β−Ｄ−グルコース＋電子受容体（酸化型） → Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン ＋電子受容体（還元型）・・・（反応式３） 電子受容体（還元型） → 電子受容体（酸化型）＋２ｅ- ・・・（反応式４） しかしながら、このグルコースセンサでは１回測定を行
うとｐＨ緩衝剤担持層３４のｐＨ緩衝剤が試料溶液中に
溶解するため、繰り返し測定を行うことができない。
【０００４】ｐＨの影響を受けずに繰り返し測定を行う
ために、酵素センサで測定対象成分濃度を測定すると同
時に、ｐＨセンサで試料溶液中のｐＨ値を測定し、ｐＨ
値から測定対象成分濃度を補償する方法が考えられる。
例えば酵素としてＧＯＤを使用しグルコースを測定する
場合を考えてみる。ＧＯＤを種々のｐＨに調整した緩衝
溶液中で活性を測定すると、図５に示すような特性を示
す。次にＧＯＤを電極上に固定化し、種々のｐＨに調整
された緩衝液中で測定すると、図５に示すような別の特
性を示す。このように膜に固定化した酵素と固定化して
いない酵素ではｐＨ特性は異なる。これは固定化するこ
とによって酵素の立体構造が変化し特性が変化したこと
も原因の１つであるが、他に以下の２点が考えられる。
ために、酵素センサで測定対象成分濃度を測定すると同
時に、ｐＨセンサで試料溶液中のｐＨ値を測定し、ｐＨ
値から測定対象成分濃度を補償する方法が考えられる。
例えば酵素としてＧＯＤを使用しグルコースを測定する
場合を考えてみる。ＧＯＤを種々のｐＨに調整した緩衝
溶液中で活性を測定すると、図５に示すような特性を示
す。次にＧＯＤを電極上に固定化し、種々のｐＨに調整
された緩衝液中で測定すると、図５に示すような別の特
性を示す。このように膜に固定化した酵素と固定化して
いない酵素ではｐＨ特性は異なる。これは固定化するこ
とによって酵素の立体構造が変化し特性が変化したこと
も原因の１つであるが、他に以下の２点が考えられる。
【０００５】第１に酵素固定化膜によってｐＨの勾配が
生じ溶液中のｐＨと酵素固定化膜中のｐＨに差が生じる
ことと、第２に酵素反応や電極反応によって生成する酸
により酵素近傍のｐＨが変化することである。ここで酵
素反応とは反応式１の反応において生成したＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンがさらに酸化してグルコン酸に変化す
ることであり、電極反応とは反応式２の反応において生
成した水素イオンである。従って、図４のように、グル
コースセンサ４０とグルコース検出回路４３及びｐＨ電
極４１とｐＨ検出回路４４からなるシステムを構成し、
グルコースセンサ４０とｐＨ電極４１を試料溶液４２中
に浸し、試料溶液４２中のｐＨからグルコースセンサ４
０の応答を補償したとしても、試料溶液４２中のｐＨと
酵素近傍のｐＨが異なるため正確に補償することができ
ない。
生じ溶液中のｐＨと酵素固定化膜中のｐＨに差が生じる
ことと、第２に酵素反応や電極反応によって生成する酸
により酵素近傍のｐＨが変化することである。ここで酵
素反応とは反応式１の反応において生成したＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンがさらに酸化してグルコン酸に変化す
ることであり、電極反応とは反応式２の反応において生
成した水素イオンである。従って、図４のように、グル
コースセンサ４０とグルコース検出回路４３及びｐＨ電
極４１とｐＨ検出回路４４からなるシステムを構成し、
グルコースセンサ４０とｐＨ電極４１を試料溶液４２中
に浸し、試料溶液４２中のｐＨからグルコースセンサ４
０の応答を補償したとしても、試料溶液４２中のｐＨと
酵素近傍のｐＨが異なるため正確に補償することができ
ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】第１の問題点は、従来
の技術では、生体試料溶液のｐＨの影響を防ぐためにｐ
Ｈ緩衝剤担持層を設けて試料溶液中のｐＨを調整して測
定を行っているが、この方法では繰り返し測定ができな
いということである。その理由は、測定を行うとｐＨ緩
衝剤担持層のｐＨ緩衝剤が試料溶液中に溶解して失われ
るためである。
の技術では、生体試料溶液のｐＨの影響を防ぐためにｐ
Ｈ緩衝剤担持層を設けて試料溶液中のｐＨを調整して測
定を行っているが、この方法では繰り返し測定ができな
いということである。その理由は、測定を行うとｐＨ緩
衝剤担持層のｐＨ緩衝剤が試料溶液中に溶解して失われ
るためである。
【０００７】第２の問題点は、ｐＨの影響を防ぐため
に、酵素電極とｐＨ電極を試料溶液中に浸して、試料溶
液中のｐＨから酵素電極の応答を補償する場合、試料溶
液中のｐＨと酵素近傍のｐＨが異なるため正確に補償す
ることができない。その理由は、酵素固定化膜によって
ｐＨの勾配が生じ溶液中のｐＨと酵素固定化膜中のｐＨ
に差が生じるためと、酵素反応や電極反応によって生成
する酸により酵素近傍のｐＨが変化するためである。
に、酵素電極とｐＨ電極を試料溶液中に浸して、試料溶
液中のｐＨから酵素電極の応答を補償する場合、試料溶
液中のｐＨと酵素近傍のｐＨが異なるため正確に補償す
ることができない。その理由は、酵素固定化膜によって
ｐＨの勾配が生じ溶液中のｐＨと酵素固定化膜中のｐＨ
に差が生じるためと、酵素反応や電極反応によって生成
する酸により酵素近傍のｐＨが変化するためである。
【０００８】本発明の目的は、試料溶液のｐＨ値の影響
を受けず繰り返し測定が可能なバイオセンサを提供する
ことである。
を受けず繰り返し測定が可能なバイオセンサを提供する
ことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によればバイオセ
ンサは、１つの絶縁基板上に作用極と対極の１対の電極
及びｐＨ感受性電界効果型トランジスタ（ｐＨ−ＩＳＦ
ＥＴ）及び銀／塩化銀層からなる参照電極が形成されて
おり、さらにその上に妨害物質除去膜，酵素固定化膜，
制限透過膜，汚染物質除去膜から構成される測定成分検
出膜が形成されている。試料溶液中の測定成分の濃度
は、酵素反応により生成する過酸化水素の濃度に対応
し、この過酸化水素濃度を１対の電極で測定し測定成分
濃度を求める。このときの酵素近傍のｐＨ値をｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴにて測定し、得られたｐＨ値により測定成分の
濃度を補償して示す。このように本発明によるバイオセ
ンサは、試料溶液のｐＨの影響を防ぐために、ｐＨ緩衝
剤を使用していないので繰り返し測定することが可能で
あり、１つの絶縁基板上に酵素反応を利用した測定成分
検知部及びｐＨ検知部が集積化されているため、酵素近
傍のｐＨを測定して測定成分の濃度を補償することが可
能であり、簡単に高精度な測定が実現できる。
ンサは、１つの絶縁基板上に作用極と対極の１対の電極
及びｐＨ感受性電界効果型トランジスタ（ｐＨ−ＩＳＦ
ＥＴ）及び銀／塩化銀層からなる参照電極が形成されて
おり、さらにその上に妨害物質除去膜，酵素固定化膜，
制限透過膜，汚染物質除去膜から構成される測定成分検
出膜が形成されている。試料溶液中の測定成分の濃度
は、酵素反応により生成する過酸化水素の濃度に対応
し、この過酸化水素濃度を１対の電極で測定し測定成分
濃度を求める。このときの酵素近傍のｐＨ値をｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴにて測定し、得られたｐＨ値により測定成分の
濃度を補償して示す。このように本発明によるバイオセ
ンサは、試料溶液のｐＨの影響を防ぐために、ｐＨ緩衝
剤を使用していないので繰り返し測定することが可能で
あり、１つの絶縁基板上に酵素反応を利用した測定成分
検知部及びｐＨ検知部が集積化されているため、酵素近
傍のｐＨを測定して測定成分の濃度を補償することが可
能であり、簡単に高精度な測定が実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００１１】図１（ａ）は本発明の一実施の形態である
グルコースセンサを説明する為のセンサ素子の平面図で
ある。センサ素子の大きさは５×７ｍｍであり、その中
に作用極１（１００×４００μｍ），対極２（２００×
４００μｍ），ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３（３００×４００μ
ｍ，ゲート長１００μｍゲート幅４００μｍ），参照電
極４（１００×４００μｍ），リード部５，コンタクト
電極６（１００×１００μｍ）及びグルコース検出膜７
が形成されている。
グルコースセンサを説明する為のセンサ素子の平面図で
ある。センサ素子の大きさは５×７ｍｍであり、その中
に作用極１（１００×４００μｍ），対極２（２００×
４００μｍ），ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３（３００×４００μ
ｍ，ゲート長１００μｍゲート幅４００μｍ），参照電
極４（１００×４００μｍ），リード部５，コンタクト
電極６（１００×１００μｍ）及びグルコース検出膜７
が形成されている。
【００１２】図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線におけ
る拡大断面図である。サファイア基板８上に形成された
窒化シリコン膜９上にチタン層１０，白金層１１から成
る作用極１と対極２からなる１対の電極が形成されてい
る。絶縁基板はサファイア基板８に限らず、シリコン基
板上に酸化シリコン膜を形成した基板，ガラス，石英で
も良い。電極材料は金，イリジウム，パラジウム等の貴
金属の中から選ばれるが、白金が望ましい。電極は蒸着
法もしくはスパッタ法により形成され、膜厚はチタン層
では０．０２〜０．２μｍ，白金層では０．１〜１．０
μｍである。作用極１及び対極２に近傍して、サファイ
ア基板８上にはｎ型シリコン領域１２，ｐ型シリコン領
域１３，酸化シリコン膜１５，窒化シリコン膜９から構
成されるｐＨ−ＩＳＦＥＴ３が形成されている。この製
造方法は特公平４−２６０５４号公報に明らかにされて
いるサファイア基板上に設けられた島状シリコン層を用
いて形成される製造方法に基づいているが、シリコンオ
ンインシュレイタ（ＳＯＩ）基板などのシリコン基板を
用いても作製できる。また、絶縁基板としてガラスや石
英上に堆積したアモルファスシリコンやポリシリコンを
利用しても同様に製作できる。ｐＨ感受性膜として窒化
シリコン膜９を示したが、この他にもタンタルオキサイ
ド膜，酸化アルミニウム膜などを用いることができる。
る拡大断面図である。サファイア基板８上に形成された
窒化シリコン膜９上にチタン層１０，白金層１１から成
る作用極１と対極２からなる１対の電極が形成されてい
る。絶縁基板はサファイア基板８に限らず、シリコン基
板上に酸化シリコン膜を形成した基板，ガラス，石英で
も良い。電極材料は金，イリジウム，パラジウム等の貴
金属の中から選ばれるが、白金が望ましい。電極は蒸着
法もしくはスパッタ法により形成され、膜厚はチタン層
では０．０２〜０．２μｍ，白金層では０．１〜１．０
μｍである。作用極１及び対極２に近傍して、サファイ
ア基板８上にはｎ型シリコン領域１２，ｐ型シリコン領
域１３，酸化シリコン膜１５，窒化シリコン膜９から構
成されるｐＨ−ＩＳＦＥＴ３が形成されている。この製
造方法は特公平４−２６０５４号公報に明らかにされて
いるサファイア基板上に設けられた島状シリコン層を用
いて形成される製造方法に基づいているが、シリコンオ
ンインシュレイタ（ＳＯＩ）基板などのシリコン基板を
用いても作製できる。また、絶縁基板としてガラスや石
英上に堆積したアモルファスシリコンやポリシリコンを
利用しても同様に製作できる。ｐＨ感受性膜として窒化
シリコン膜９を示したが、この他にもタンタルオキサイ
ド膜，酸化アルミニウム膜などを用いることができる。
【００１３】参照電極４はサファイア基板８上に形成さ
れた窒化シリコン膜９上に銀層１６を形成し次に銀層表
面を処理して塩化銀層１７を形成し作製される。密着性
を向上させるために銀層の下地にチタン，白金を積層し
てもよい。これらの膜は蒸着法やスパッタ法により形成
され、銀層１６の厚さは０．１〜１．０μｍである。塩
化銀層１７は塩化鉄（ＩＩＩ）もしくは塩化クロム（Ｉ
ＩＩ）水溶液で処理する方法あるいは塩化物水溶液中で
電解する方法により形成することができる。塩化銀層１
７上にさらに塩化カリウムを含む保護膜を形成すると参
照電極の安定性が増加する。保護膜の材料はポリビニー
ルアルコール，親水性ポリメタクリル酸，ポリアクリル
アミド，ポリヒドロキシエチルメタクリル酸，親水性ポ
リシロキサンなどから選ばれる。
れた窒化シリコン膜９上に銀層１６を形成し次に銀層表
面を処理して塩化銀層１７を形成し作製される。密着性
を向上させるために銀層の下地にチタン，白金を積層し
てもよい。これらの膜は蒸着法やスパッタ法により形成
され、銀層１６の厚さは０．１〜１．０μｍである。塩
化銀層１７は塩化鉄（ＩＩＩ）もしくは塩化クロム（Ｉ
ＩＩ）水溶液で処理する方法あるいは塩化物水溶液中で
電解する方法により形成することができる。塩化銀層１
７上にさらに塩化カリウムを含む保護膜を形成すると参
照電極の安定性が増加する。保護膜の材料はポリビニー
ルアルコール，親水性ポリメタクリル酸，ポリアクリル
アミド，ポリヒドロキシエチルメタクリル酸，親水性ポ
リシロキサンなどから選ばれる。
【００１４】作用極１及び対極２，ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３
のゲート部分，参照電極４の上には第１から第４の膜で
構成される、グルコース検出膜７が形成されている。第
１の膜として妨害物質除去膜１８が形成されている。妨
害物質除去膜１８はシランカップリング剤，ナフィオ
ン，アセチルセルロースから少なくとも１つを成膜した
ものである。成膜方法はスピン塗布あるいはディスペン
サーによる滴下法が用いられる。第２の膜はＧＯＤ固定
化膜１９である。ＧＯＤ，アルブミン，グルタルアルデ
ヒドを含む水溶液をスピン塗布あるいは滴下して形成さ
れる。第３の膜はグルコース制限透過膜２０であり、シ
リコーン，カルボキシメチルセルロース，ポリウレタ
ン，から選択され、スピン塗布あるいは滴下により形成
される。第４の膜は汚染物質除去膜２１であり、親水性
の高分子膜，例えばアルブミン−グルタルアルデヒド架
橋膜，アルギン酸，κ−カラギーナン，ポリビニールア
ルコール，親水性ポリメタクリル酸，ポリアクリルアミ
ド，ポリヒドロキシエチルメタクリル酸，親水性ポリシ
ロキサンなどから選択され、スピン塗布あるいは滴下に
より形成される。積層された膜の厚さは１μｍ以下であ
り、大きさは４００×５００μｍである。
のゲート部分，参照電極４の上には第１から第４の膜で
構成される、グルコース検出膜７が形成されている。第
１の膜として妨害物質除去膜１８が形成されている。妨
害物質除去膜１８はシランカップリング剤，ナフィオ
ン，アセチルセルロースから少なくとも１つを成膜した
ものである。成膜方法はスピン塗布あるいはディスペン
サーによる滴下法が用いられる。第２の膜はＧＯＤ固定
化膜１９である。ＧＯＤ，アルブミン，グルタルアルデ
ヒドを含む水溶液をスピン塗布あるいは滴下して形成さ
れる。第３の膜はグルコース制限透過膜２０であり、シ
リコーン，カルボキシメチルセルロース，ポリウレタ
ン，から選択され、スピン塗布あるいは滴下により形成
される。第４の膜は汚染物質除去膜２１であり、親水性
の高分子膜，例えばアルブミン−グルタルアルデヒド架
橋膜，アルギン酸，κ−カラギーナン，ポリビニールア
ルコール，親水性ポリメタクリル酸，ポリアクリルアミ
ド，ポリヒドロキシエチルメタクリル酸，親水性ポリシ
ロキサンなどから選択され、スピン塗布あるいは滴下に
より形成される。積層された膜の厚さは１μｍ以下であ
り、大きさは４００×５００μｍである。
【００１５】グルコース検出膜７を所定の部分に形成す
るために特公平５−４８４１８号公報により明らかにさ
れているフォトレジストによるリフトオフ法を用いるこ
とができる。すなわち、作用極１及び対極２，ｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴ３，参照電極４が形成されたサファイア基板８
上にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフ
ィー法により所定の部分のフォトレジスト膜を除き、次
に第１から第４までの膜材料をスピン塗布あるいはディ
スペンサによる滴下により順次積層し、最後にフォトレ
ジスト膜を溶解させることにより、所定の部分にのみに
膜を形成する。
るために特公平５−４８４１８号公報により明らかにさ
れているフォトレジストによるリフトオフ法を用いるこ
とができる。すなわち、作用極１及び対極２，ｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴ３，参照電極４が形成されたサファイア基板８
上にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフ
ィー法により所定の部分のフォトレジスト膜を除き、次
に第１から第４までの膜材料をスピン塗布あるいはディ
スペンサによる滴下により順次積層し、最後にフォトレ
ジスト膜を溶解させることにより、所定の部分にのみに
膜を形成する。
【００１６】図２は本発明の実施の形態であるグルコー
スセンサ全体の構成図である。グルコースセンサは、グ
ルコース検知部２７とｐＨ検知部２８とが形成されたグ
ルコースセンサ素子２２と、検知部２７に所定の電圧を
印加し発生する電流値を検出する電流測定回路２３と、
ｐＨ検知部２８の電圧を検出するｐＨ測定回路２４、電
流測定回路２３及びｐＨ測定回路からの信号をグルコー
ス濃度及びｐＨ値に変換すると共に測定成分濃度をｐＨ
値により補償するグルコース濃度変換処理部２５と、グ
ルコース濃度表示部２６とから主に構成される。ここで
グルコース検知部２７は作用極１，対極２，参照電極
４，グルコース検出膜７から構成される。また、ｐＨ検
知部２８はｐＨ−ＩＳＦＥＴ３，参照電極４，グルコー
ス検出膜７から構成される。試料溶液中のグルコース分
子はＧＯＤ固定化膜内でＧＯＤの作用によりＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンと過酸化水素に変換される。この過酸
化水素は作用極表面で酸化され、作用極１から対極２へ
電流が流れる（反応式１）。電流測定回路２３はポテン
ショスタットと呼ばれ、過酸化水素を酸化するために参
照極４に対して作用極１に０．７Ｖの電圧を印加し、こ
の電圧が保たれるように対極の電位を変化させながら、
作用極１から対極２へ流れる過酸化水素の酸化電流を測
定する（反応式２）。この電流値は信号としてグルコー
ス濃度変換処理部２５に出力され、グルコース濃度に変
換される。
スセンサ全体の構成図である。グルコースセンサは、グ
ルコース検知部２７とｐＨ検知部２８とが形成されたグ
ルコースセンサ素子２２と、検知部２７に所定の電圧を
印加し発生する電流値を検出する電流測定回路２３と、
ｐＨ検知部２８の電圧を検出するｐＨ測定回路２４、電
流測定回路２３及びｐＨ測定回路からの信号をグルコー
ス濃度及びｐＨ値に変換すると共に測定成分濃度をｐＨ
値により補償するグルコース濃度変換処理部２５と、グ
ルコース濃度表示部２６とから主に構成される。ここで
グルコース検知部２７は作用極１，対極２，参照電極
４，グルコース検出膜７から構成される。また、ｐＨ検
知部２８はｐＨ−ＩＳＦＥＴ３，参照電極４，グルコー
ス検出膜７から構成される。試料溶液中のグルコース分
子はＧＯＤ固定化膜内でＧＯＤの作用によりＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンと過酸化水素に変換される。この過酸
化水素は作用極表面で酸化され、作用極１から対極２へ
電流が流れる（反応式１）。電流測定回路２３はポテン
ショスタットと呼ばれ、過酸化水素を酸化するために参
照極４に対して作用極１に０．７Ｖの電圧を印加し、こ
の電圧が保たれるように対極の電位を変化させながら、
作用極１から対極２へ流れる過酸化水素の酸化電流を測
定する（反応式２）。この電流値は信号としてグルコー
ス濃度変換処理部２５に出力され、グルコース濃度に変
換される。
【００１７】更に詳細に説明すると、グルコース濃度変
換処理部２５はＣＰＵ（中央演算処理装置），ＲＯＭ
（リードオンリーメモリ），ＲＡＭ（ランダムアクセス
メモリ），Ａ／Ｄコンバータ（アナログ／デジタル変換
装置）等より構成され、電流測定回路からの信号をＡ／
Ｄコンバータでデジタル信号に変換した後、ＣＰＵにお
いてＲＯＭに格納された変換式に従い、例えばｐＨ７に
おけるグルコース濃度に変換しＲＡＭに保存する。
換処理部２５はＣＰＵ（中央演算処理装置），ＲＯＭ
（リードオンリーメモリ），ＲＡＭ（ランダムアクセス
メモリ），Ａ／Ｄコンバータ（アナログ／デジタル変換
装置）等より構成され、電流測定回路からの信号をＡ／
Ｄコンバータでデジタル信号に変換した後、ＣＰＵにお
いてＲＯＭに格納された変換式に従い、例えばｐＨ７に
おけるグルコース濃度に変換しＲＡＭに保存する。
【００１８】試料溶液のｐＨは、ｐＨ−ＩＳＦＥＴ３に
よって検出される。ｐＨ感受性絶縁膜は水素イオンを選
択的に検出し界面電位変化を生じる。この電位変化を参
照電極に対するゲート電圧変化としてＦＥＴで検出し、
ｐＨ測定回路２４により測定する。この信号はグルコー
ス濃度変換処理部においてグルコースの場合と同様な処
理によりｐＨ値に変換され、保存される。さらにグルコ
ース濃度変換処理部において、この測定されたｐＨ値を
もとにｐＨ７におけるグルコース濃度を補償して、グル
コース濃度表示部２６に出力される。グルコース濃度表
示部２６はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）及び表示コント
ロールユニットから構成され、グルコース濃度を表示す
る。図６はｐＨが異なる場合のグルコースセンサの検量
線を示している。例えばグルコース検知部の電流出力値
が３０ｎＡであり、ｐＨ値が８であった場合、試料溶液
中のグルコース濃度は３００ｍｇ／ｄｌとなる。この変
更は濃度変換処理部２５で行なわれる。
よって検出される。ｐＨ感受性絶縁膜は水素イオンを選
択的に検出し界面電位変化を生じる。この電位変化を参
照電極に対するゲート電圧変化としてＦＥＴで検出し、
ｐＨ測定回路２４により測定する。この信号はグルコー
ス濃度変換処理部においてグルコースの場合と同様な処
理によりｐＨ値に変換され、保存される。さらにグルコ
ース濃度変換処理部において、この測定されたｐＨ値を
もとにｐＨ７におけるグルコース濃度を補償して、グル
コース濃度表示部２６に出力される。グルコース濃度表
示部２６はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）及び表示コント
ロールユニットから構成され、グルコース濃度を表示す
る。図６はｐＨが異なる場合のグルコースセンサの検量
線を示している。例えばグルコース検知部の電流出力値
が３０ｎＡであり、ｐＨ値が８であった場合、試料溶液
中のグルコース濃度は３００ｍｇ／ｄｌとなる。この変
更は濃度変換処理部２５で行なわれる。
【００１９】本発明の実施の形態では酵素としてグルコ
ース酸化酵素を使用したグルコースセンサについて説明
したが、本発明ではこの酵素に限定するものではない。
例えば、図１（ｂ）のＧＯＤ固定化膜１９において、Ｇ
ＯＤに代わりにアルコール酸化酵素を使用することによ
りアルコール酸化酵素固定化膜を形成し、グルコース制
限透過膜２０については作製条件を改良しアルコール制
限透過膜を形成することによりアルコール検出膜を構成
することが可能となり、アルコールセンサを実現するこ
とができる。アルコール酸化酵素の他にも酵素として、
乳酸酸化酵素，コレステロール酸化酵素，グルタミン酸
化酵素などの各種の酸化酵素を用いて、乳酸センサ，コ
レステロールセンサ，グルタミン酸センサを同様にして
構成することができる。
ース酸化酵素を使用したグルコースセンサについて説明
したが、本発明ではこの酵素に限定するものではない。
例えば、図１（ｂ）のＧＯＤ固定化膜１９において、Ｇ
ＯＤに代わりにアルコール酸化酵素を使用することによ
りアルコール酸化酵素固定化膜を形成し、グルコース制
限透過膜２０については作製条件を改良しアルコール制
限透過膜を形成することによりアルコール検出膜を構成
することが可能となり、アルコールセンサを実現するこ
とができる。アルコール酸化酵素の他にも酵素として、
乳酸酸化酵素，コレステロール酸化酵素，グルタミン酸
化酵素などの各種の酸化酵素を用いて、乳酸センサ，コ
レステロールセンサ，グルタミン酸センサを同様にして
構成することができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明の効果は試料溶液中のｐＨ値に関
係なく連続で正確な測定成分濃度を小型のセンサで測定
することができることである。このため血液の他、尿の
ようにｐＨ値が大きく変化する試料に適用することがで
きる。
係なく連続で正確な測定成分濃度を小型のセンサで測定
することができることである。このため血液の他、尿の
ようにｐＨ値が大きく変化する試料に適用することがで
きる。
【００２１】その理由は酵素近傍のｐＨ値を、ｐＨ−Ｉ
ＳＦＥＴによって測定し、補償するためである。
ＳＦＥＴによって測定し、補償するためである。
【図１】本発明の実施の形態を説明する為のグルコース
センサ素子の平面図及び断面図。
センサ素子の平面図及び断面図。
【図２】本発明の実施の形態を説明する為のグルコース
センサの構成図。
センサの構成図。
【図３】従来のグルコースセンサの断面図。
【図４】従来のグルコースセンサのｐＨ補償を説明する
為の構成図。
為の構成図。
【図５】ＧＯＤ及び固定化ＧＯＤのｐＨ特性を示す図。
【図６】実施の形態を説明する為のグルコース濃度とセ
ンサ出力との関係を示す図。
ンサ出力との関係を示す図。
１ 作用極 ２ 対極 ３ ｐＨ−ＩＳＦＥＴ ４ 参照電極 ５ リード部 ６ コンタクト電極 ７ グルコース検出膜 ８ サファイア基板 ９ 窒化シリコン膜 １０ チタン膜 １１ 白金層 １２ ｎ型シリコン領域 １３ ｐ型シリコン領域 １５ 酸化シリコン膜 １６ 銀電極 １７ 塩化銀層 １８ 妨害物質除去膜 １９ ＧＯＤ固定化膜 ２０ グルコース制限透過膜 ２１ 汚染物質除去膜 ２２ グルコースセンサ素子 ２３ 電流測定回路 ２４ ｐＨ測定回路 ２５ グルコース濃度変換処理部 ２６ グルコース濃度表示部 ２７ グルコース検知部 ２８ ｐＨ検知部 ３０ 測定極 ３１ 対極 ３２ 基板 ３３ 電子受容体−酵素担持層 ３４ ｐＨ緩衝剤担持層 ３５ 絶縁層 ３６ リード ４０ グルコースセンサ ４１ ｐＨ電極 ４２ 試料溶液 ４３ グルコース検出回路 ４４ ｐＨ検出回路
Claims (6)
- 【請求項１】 酵素反応を利用した測定成分検知部とｐ
Ｈ検知部からなる測定成分検知センサ素子と、前記測定
成分検知部に所定の電圧を印加し発生する電流値を検出
する電流測定回路と、前記ｐＨ検知部から発生する電圧
を検出するｐＨ測定回路と、前記電流測定回路及び前記
ｐＨ測定回路からの信号を測定成分濃度及びｐＨ値に変
換すると共に測定成分濃度をｐＨ値により補償する濃度
変換処理部と、前記濃度変換処理部において変換された
測定成分濃度を表示する濃度表示部とを含むことを特徴
とするバイオセンサ。 - 【請求項２】 測定成分検知部が、絶縁基板上に形成さ
れた測定電極及び参照電極と、前記電極上に形成された
酵素を含む測定成分検出膜から構成され、ｐＨ検知部が
前記絶縁基板上に形成されたｐＨ電極及び参照電極と、
前記ｐＨ電極及び参照電極上に形成された酵素を含む測
定成分検出膜から構成される請求項１記載のバイオセン
サ。 - 【請求項３】 測定電極が作用極と対極の１対の電極か
ら構成される請求項２記載のバイオセンサ。 - 【請求項４】 参照極が順次形成された銀層及び塩化銀
層から構成される請求項２記載のバイオセンサ。 - 【請求項５】 ｐＨ電極がｐＨ感受性電界効果型トラン
ジスタである請求項２記載のバイオセンサ。 - 【請求項６】 測定成分検出膜が順次形成された妨害物
質除去膜とグルコース酸化酵素固定化膜とグルコース制
限透過膜と汚染物質除去膜からなり、測定成分がグルコ
ースである請求項２記載のバイオセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08200724A JP3102356B2 (ja) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | バイオセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08200724A JP3102356B2 (ja) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | バイオセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1048177A true JPH1048177A (ja) | 1998-02-20 |
| JP3102356B2 JP3102356B2 (ja) | 2000-10-23 |
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ID=16429147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08200724A Expired - Fee Related JP3102356B2 (ja) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | バイオセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3102356B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100586832B1 (ko) | 2004-08-27 | 2006-06-08 | 주식회사 인포피아 | 바이오센서의 시료반응결과 측정장치 |
| JP2007139729A (ja) * | 2005-11-23 | 2007-06-07 | Japan Science & Technology Agency | 酵素固定化バイオセンサー |
| JP2012513821A (ja) * | 2008-12-24 | 2012-06-21 | エドワーズ ライフサイエンシーズ コーポレイション | 電気化学バイオセンサのための膜層およびｅｍｆ場およびｒｆ場に対処する方法 |
| GB2539224A (en) * | 2015-06-09 | 2016-12-14 | Giuseppe Occhipinti Luigi | Method of forming a chemical sensor device and device |
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|---|---|---|---|---|
| JPH0639630U (ja) * | 1992-10-30 | 1994-05-27 | 株式会社カンセイ | 自動車のインストルメントパネル |
| JP6550680B2 (ja) * | 2016-09-20 | 2019-07-31 | 株式会社日立パワーソリューションズ | 腐食影響度判定装置、プローブ装置、及び腐食影響度判定方法 |
-
1996
- 1996-07-30 JP JP08200724A patent/JP3102356B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3102356B2 (ja) | 2000-10-23 |
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