JP2002174610A

JP2002174610A - バイオセンサ及びバイオセンサを用いた液体試料の測定方法

Info

Publication number: JP2002174610A
Application number: JP2000374173A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Matsumoto; 達松本; Akinobu Nakamura; 彰信中村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-06-21
Also published as: US6780297B2; US20020072103A1

Abstract

(57)【要約】【課題】液体試料が流路内に滞ることなくスムーズに流
れることを可能とし、優れた測定精度、安定した測定感
度および迅速な応答性を実現するとともに、繰り返し測
定または連続測定における感度低下を抑制することがで
きるバイオセンサ及びバイオセンサを用いた液体試料測
定方法の提供。【解決手段】シリコンウェハ１に液体試料が流れる流路
９が微細加工技術を用いて形成され、流路９の内壁には
親水性を有する酸化チタン等の金属酸化膜１０が配設さ
れ、液体試料の成分を検出する酵素層を備えた検出部
５、配線６及び電極パッド７が同様に微細加工技術を用
いて一体的に形成され、その上部がガラスウェハ２で封
止されているものであり、金属酸化膜１０の光触媒機能
により液体試料を滞溜させることなく流路９内をスムー
ズに流すことができ、高い測定精度及び高い測定安定性
で液体試料の成分が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バイオセンサ及び
バイオセンサを用いた液体試料測定方法に関し、特に、
流路内を流れる液体試料中の特定成分を、酵素層を備え
たセンサを用いて高精度に測定するバイオセンサ及びバ
イオセンサを用いた液体試料測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、血液や体液等の液体試料に含まれ
る成分の測定を行う場合、採取した血液や体液等の液体
試料を直接センサ部分に導き、センサにより成分の測定
を行った後、液体試料を排出する方式が広く採用されて
いる。このような方式による測定では、たとえば液体試
料を連続流とし、液体試料がセンサ表面を通過している
間に特定成分の測定を行っている。

【０００３】また、上記液体試料の測定装置に用いられ
るセンサは、一般に酵素層を備えており、測定対象の成
分が酵素層中を拡散し、酵素層中で酵素反応を起こすこ
とにより電極に電流が流れ、この電流値を検出すること
によって成分の測定が行われる。ここで、電極に到達す
る測定対象の成分に由来する化学種の量は、センサ表面
近傍における測定対象成分の濃度に大きく依存する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような液体試料の
測定装置では、粘度が大きい等の理由により液体試料が
スムーズに流動しない場合には、液体試料が流路内で滞
溜し、センサ表面近傍における測定対象成分の濃度が変
動しやすくなってしまう。そして濃度の変動により測定
精度が低下し、測定値が不安定になってしまうという問
題が生じる。

【０００５】上記問題点に対して、従来は流路内に疎水
機能を発揮するフッ素樹脂を形成して液体試料をスムー
ズに流す方法が用いられている。しかしながら、流路内
にフッ素樹脂処理を施しても、わずかながらフッ素樹脂
に液体試料が反応し吸着してしまうために、この方法で
は液体試料をスムーズに流すには限界があった。特に、
酵素層を備えたセンサを用いた場合、測定サンプルによ
っては測定精度の低下、測定値の不安定化、測定溶液の
壁面への吸着および付着が著しく生じるという問題があ
った。

【０００６】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その第１の目的は、液体試料が流路内に滞
ることなくスムーズに流れることを可能とし、優れた測
定精度、安定した測定感度および迅速な応答性を実現す
るとともに、繰り返し測定または連続測定における感度
低下を抑制することができるバイオセンサ及びバイオセ
ンサを用いた液体試料測定方法を提供することにある。

【０００７】また、本発明の第２の目的は、装置の薄型
化、軽量化、高性能化を図り、測定の場所や時間を問わ
ず簡便かつ正確に成分を測定することが可能なバイオセ
ンサ及びバイオセンサを用いた液体試料測定方法を提供
することにある。

【０００８】

【問題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、下部基板に液体試料が流れる流路が形成
され、該流路内に前記液体試料の成分を検出する酵素層
を備えた検出部を有し、前記下部基板上に少なくとも前
記流路上部を覆う上部基板が接合されてなるバイオセン
サにおいて、前記流路の内壁に、親水性の皮膜が形成さ
れているものである。

【０００９】本発明においては、前記上部基板又は前記
下部基板の少なくとも一方が、紫外線を透過する材料か
らなることが好ましい。

【００１０】また、本発明においては、前記下部基板が
シリコンウェハからなり、前記上部基板がガラスウェハ
からなり、少なくとも、前記流路が微細加工技術を用い
て形成されている構成とすることができる。

【００１１】また、本発明においては、前記親水性の被
膜が、光触媒機能を有する金属酸化膜からなり、前記金
属酸化膜が、酸化チタン、酸化亜鉛、チタン酸ストロン
チウム、三酸化タングステン、酸化第二鉄、三酸化二ビ
スマス、酸化スズのいずれかを含むことが好ましい。

【００１２】本発明の測定方法は、下部基板に液体試料
が流れる流路が形成され、該流路内に前記液体試料の成
分を検出する酵素層を備えた検出部を有し、前記下部基
板上に少なくとも前記流路上部を覆う上部基板が接合さ
れ、前記流路の内壁に親水性の皮膜が形成されてなるバ
イオセンサを用いた液体試料の測定方法であって、前記
流路の所定の位置に、前記流路を連続して流れる前記液
体試料の流量又は流速を調整する手段を備え、該調整手
段により、前記液体試料の流量又は流速が、前記液体試
料の成分濃度に略比例した出力が得られる範囲となるよ
うに調整するものである。

【００１３】このように本発明の構成によれば、流路の
内壁に光触媒機能を発生する金属酸化膜等の親水性皮膜
を形成し、親水性の機能を発揮させることによって、流
路内の液体試料を滞ることなくスムーズに流すことがで
きるため、酵素センサの測定精度、測定値の安定性およ
び応答性を改善することができ、微量のサンプルでも充
分な測定精度を得ることが可能となる。

【００１４】また、下部基板としてシリコンウェハを用
い、微細加工技術を応用して、流路及び検出部を精密に
形成することにより、薄型化、小型化、軽量化を図り、
測定精度と共に利便性を向上させることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係るバイオセンサは、そ
の好ましい一実施の形態において、シリコンウェハ１に
液体試料が流れる流路９が微細加工技術を用いて形成さ
れ、流路９の内壁には親水性を有する酸化チタン等の金
属酸化膜１０が配設され、液体試料の成分を検出する酵
素層を備えた検出部５、配線６及び電極パッド７が同様
に微細加工技術を用いて一体的に形成され、その上部が
ガラスウェハ２で封止されているものであり、金属酸化
膜１０の光触媒機能により液体試料を滞溜させることな
く流路９内をスムーズに流すことができ、高い測定精度
及び高い測定安定性で液体試料の成分が検出される。以
下にその詳細な構造について説明する。

【００１６】［実施の形態１］本発明に係る第１の実施
の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。図
１及び図２は、第１の実施の形態に係るバイオセンサの
構造を模式的に示す図であり、図１は上面図、図２は図
１のＡ−Ａ′線、Ｂ−Ｂ′線における断面図である。ま
た、図３はバイオセンサの検出部の断面図であり、図４
は本実施形態の他の構造を示す断面図である。

【００１７】図１及び図２に示すように、本実施の形態
のバイオセンサ８は、シリコンウェハ１等からなる下部
基板とガラスウェハ２等からなる上部基板と液体試料中
の特定成分の測定を可能とする検出部５、配線６及び電
極パッド７とからなり、シリコンウェハ１には液体試料
を検出部５に導く流路９が微細加工技術を用いて形成さ
れ、更に流路９の内壁には、本発明の特徴である光触媒
機能を有する金属酸化膜１０等の親水性を有する皮膜が
形成されている。

【００１８】上記構成のバイオセンサ８の製造方法につ
いて以下に説明する。まず、４インチ程度の大きさのシ
リコンウェハ１上に、公知のリソグラフィー技術を用い
て流路となる領域が露出するようにレジストパターンを
形成し、フッ酸、硝酸及び酢酸の混酸等のエッチング液
を用いて露出したシリコンウェハ１をエッチングし、流
路９となる幅及び深さが５００μｍ程度の溝をシリコン
ウェハ１を横断するように形成する。ここで、流路９の
幅及び深さは、粘性の大きい液体試料をスムーズに流
し、検出部５を形成することができる寸法であればよい
が、直線状にのびたものが好適に利用でき、少量の試料
を検出するためにデッドボリュームを低減させたものが
好ましい。

【００１９】なお、シリコンのエッチングは上記以外の
エッチング液を用いても良く、エッチング液の種類、濃
度、温度等を調整することによって流路９の断面を矩
形、円形、台形等の所望の形状に加工することも可能で
ある。また、液体試料の流量、流速等を正確に制御する
ために精密な寸法が要求される場合には、ウェットエッ
チングに代えてドライエッチング法を用いることもでき
る。

【００２０】そして、流路９の所定の位置に液体試料の
成分を検出する検出部５を形成する。この検出部５とし
ては、アンペロメトリック型検出方式やポテンシオメト
リック型検出方式の電気化学センサ等を使用することが
でき、具体的には酵素の触媒反応で生成した電極活性物
質やイオン等を検出できるセンサ等を使用することがで
きるが、検出部５はこれらに限定されるものではない。

【００２１】アンペロメトリック型検出方式の酵素セン
サとしては、例えば、グルコース、乳酸、尿酸、コレス
テロール、コリン、胆汁酸等の検出が可能なセンサがあ
り、また、ポテンシオメトリック型検出方式のイオン感
受性電界効果型トランジスタを用いたセンサとしては、
例えば、水素イオン濃度、ナトリウムイオン、カリウム
イオン、塩素イオン等のイオン成分の測定が可能なセン
サがある。

【００２２】検出部５の形成方法としては、まず、検出
部５を構成する電極（作用極１１）、配線６及び電極パ
ッド７を、白金をターゲット材としてスパッタリング法
等により形成する。この作用極１１、配線６及び電極パ
ッド７のサイズは特に限定されないが、本実施の形態で
は、作用極１１は５００μｍ×１０００μｍ程度、配線
６の幅は１ｍｍ程度、電極パッド７は２ｍｍ×２ｍｍ程
度の大きさとしている。

【００２３】次に、検出部５となる領域以外をレジスト
で保護し、作用極１１表面に結合層１２を介して固定化
酵素層１３及び制限透過層１４を形成し、検出部５を形
成する（図３参照）。この流路９内に形成される検出部
５の厚さは、液体試料の流れを阻害しない厚さに設定す
ることが好ましく、例えば、１μｍ以下が好ましい。

【００２４】ここで、検出部５を構成する結合層１２、
固定化酵素層１３及び制限透過層１４の製法等について
説明する。結合層１２は、作用極１１と固定化酵素層１
３との密着性を向上させるために形成するものであり、
固定化酵素層１３は、測定対象成分に応じて選択される
酵素が固定化された層である。これらは、例えば、電極
表面に１ｖ／ｖ％のγ−アミノプロピルトリエトキシシ
ラン溶液をスピンコートして結合層１２を形成した後、
酵素溶液として５６．５Ｕ／μｌの酸化酵素（グルコー
ス酸化酵素）を含み、かつ、１ｖ／ｖ％のグルタルアル
デヒドを含む２２．５ｗ／ｖ％のアルブミン溶液をスピ
ンコートして製作することができる。

【００２５】この固定化酵素層１３に用いられる酵素と
しては、乳酸酸化酵素、グルコース酸化酵素、尿酸酸化
酵素、ガラクトース酸化酵素、ラクトース酸化酵素、ス
クロース酸化酵素、エタノール酸化酵素、メタノール酸
化酵素、スターチ酸化酵素、アミノ酸酸化酵素、モノア
ミン酸化酵素、コレステロール酸化酵素、コリン酸化酵
素およびピルビン酸酸化酵素等の酵素が挙げられる。こ
れらの酵素を単独で用いても２種類以上を同時に用いて
もよい。

【００２６】また、制限透過層１４は、液体試料を制限
的に透過させる層であり、例えば、２ｖ／ｖ％のメタク
リル酸樹脂のポリフルオロアルコールエステル溶液であ
る住友スリーエム社製のフロラードＦＣ−７２２をスピ
ンコートして製作することができる。なお、製作時に
は、パーフルオロヘキサンで適宜希釈してスピンコート
することができる。

【００２７】次に、検出部５をレジストで保護し、流路
９の内面に光触媒機能を持つ金属酸化膜１０を形成す
る。形成方法としては、金属酸化膜１０をターゲット材
としたスパッタ法や、酸化物を分散させた無機バインダ
ー溶液の溶液中に浸漬する方法、スピンコート法、ある
いは、シリンジ等を用いて流路９内部に防汚処理層材料
の溶液を導入する方法等がある。この金属酸化膜１０に
より超親水性の機能が発揮され、流路９内での液体試料
の移動が円滑となり、液体試料が流路９内で滞溜した
り、液体試料の流れが不均一となって測定精度や測定安
定性が低下するといった問題を解決することができる。

【００２８】この光触媒機能を持つ金属酸化膜１０の材
料としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、チタン酸
ストロンチウム、三酸化タングステン、酸化第二鉄、三
酸化二ビスマス、酸化スズ等を用いることができ、これ
らの光触媒機能を有する物質を単体又は複数併用して金
属酸化膜１０が形成される。なお、この金属酸化膜１０
の厚さは、０．１μｍ以上、１０μｍ以下であることが
好ましい。

【００２９】そして、検出部５を覆ったレジストを剥離
した後、シリコンウェハ１表面に、予め流路９となる部
分に金属酸化膜１０を形成したガラスウェハ２等を、少
なくとも流路９上面を覆うように被せて（本実施の形態
では、シリコンウェハ１と略同じ大きさのガラスウェハ
２を使用）、これらを陽極接合装置等を用いて接合する
ことにより本実施の形態のバイオセンサ８の主要部が作
製される。なお、シリコンウェハ１表面にガラスウェハ
２を被せた後、流路９内に一括して金属酸化膜１０を形
成してもよい。

【００３０】このように本実施の形態のバイオセンサ８
は、微細加工技術を応用してシリコンウェハ１に直接、
流路９となる溝を形成し、溝の所定の位置に検出部５を
同様に微細加工技術を応用して一体的に形成した後、流
路９内壁に光触媒機能を有する金属酸化膜１０を形成す
ることにより、検出部５表面近傍での液体試料の流動状
態を安定化することができ、薄型、軽量で、かつ測定精
度の高いバイオセンサを精密に形成することができ、測
定精度及び測定安定性を向上させることができる。

【００３１】なお、検出部５の電極として使用されてい
る作用極１１以外の参照極１６や対極１７は検出部５内
に設けなくてもよい。例えば、図４に示すようにバイオ
センサ８とチューブ等によって接続される外部領域に設
けても良く、このような構成の場合は、流路９内に形成
する構造体を減らすことにより、流路９内の液体試料の
流れをよりスムーズにすることができる。

【００３２】また、液体試料としては、液体であれば特
に限定されないが、例えば、人を含む生体の皮膚、粘膜
等の上皮上の液体試料とすることができ、具体的には、
汗、血液、浸出液、間質液、尿等が例示される。測定対
象となる液体試料中の成分は、例えば、グルコース、乳
酸、尿酸、コレステロール、コリン、胆汁酸等が挙げら
れ、本センサは糖尿病のモニタリング等においてもその
効果を発揮することができる。

【００３３】［実施の形態２］次に、本発明の第２の実
施の形態に係るバイオセンサについて、図５及び図６を
参照して説明する。図５は、本実施形態に係るバイオセ
ンサ８及び周辺機器を模式的に示す断面図であり、図６
はバイオセンサ８の他の構造を示す図である。なお、本
実施の形態はバイオセンサの接続例に関するものであ
り、他の部分の構造、製造方法等に関しては、前記した
第１の実施の形態と同様である。

【００３４】本実施の形態のバイオセンサ８は、たとえ
ば図５に示すような測定システムに組み込んだ形態で使
用される。図５に示す測定システムでは、液体導入口３
にチューブ２３が接続されており、チューブ２３の先端
には接続管２２を介して体液採取セル２１が取り付けら
れ、体液採取セル２１は皮膚２０に装着されている。ま
た、液体排出口４はチューブ２３を介してポンプ２４に
接続されている。

【００３５】このポンプ２４を運転することによって、
チューブ２３内、バイオセンサ８内および体液採取セル
２１内が減圧され、体液が採取される。そして採取され
た体液は、体液採取セル２１内から接続管２２、チュー
ブ２３を通り、バイオセンサ内８に送り込まれて分析さ
れ、分析後はチューブ２３を通り、ポンプ２４を通って
外部に排出される。

【００３６】更に、液体試料を検出部５表面で連続的に
移動させ、その間に液体試料中の成分の測定を行う測定
方法にあっては、液体試料の移動速度によって測定精度
および測定値の安定性が変動しやすい。そこで、チュー
ブ２３、バイオセンサ８内等の液体試料の流れる任意の
場所に、液体試料の流量、流速や内部の圧力を検出し、
調整（具体的には、測定対象成分の濃度に比例したセン
サ出力が得られるように調整）する手段２５を設けるこ
とにより、より優れた測定精度および測定値の安定性を
得ることができる。

【００３７】また、図６に示すバイオセンサ８では、流
路９内に複数の検出部５を実装している。このように複
数の検出部５を設けることにより液体試料中の複数の特
定成分を同時に測定することができるため、測定時間を
短縮することができ、また、検出部５の交換に要する工
数を削減することができる。

【００３８】［実施の形態３］次に、本発明に係る第３
の実施の形態について、図７乃至図１０を参照して説明
する。図７乃至図１０は、第３の実施の形態に係るバイ
オセンサの構造を模式的に示す図であり、図７は断面
図、図８は上面図、図９は斜視図、図１０は筐体を分解
した斜視図である。なお、本実施の形態は、流量の多い
液体試料を測定するためのサイズの大きいバイオセンサ
８をプラスチック等の安価な部材を使って作製すること
を特徴とするものであり、検出部５の構造等に関しては
前記した実施の形態と同様である。

【００３９】図７乃至図１０に示すように、本実施の形
態のバイオセンサは、液体試料中の特定成分の測定を可
能とする筐体２６、液体導入口３、液体排出口４、検出
部５、および流路９を備え、液体試料に接する液体導入
口３、流路９、および液体排出口４の内壁の全面には、
光触媒機能を有する金属酸化膜１０等の親水性を有する
皮膜が形成されている。

【００４０】ここで、本実施の形態に係るバイオセンサ
の各構成物について詳述する。まず、筐体２６は、図１
０に示すように、上部筐体２６ａと下部筐体２６ｂとが
貼り合わされて形成されており、上部筐体２６ａ及び下
部筐体２６ｂとしては、例えば、低コストで加工しやす
いプラスチックスやガラス等が用いられる。そして、上
部筐体２６ａには液体導入口３と液体排出口４とが形成
され、下部筐体２６ｂには液体試料を検出部５に導く流
路９が形成されている。

【００４１】この液体導入口３と液体排出口４の断面形
状、長さ等は液体試料のスムーズな注入、保持、流れが
確保できるものであればよいが、断面が円形で、直線状
に伸びたものが好適に利用でき、できるだけデットボリ
ュームを低減させたものが好ましい。この液体導入口３
と液体排出口４は一般的な機械加工で形成してもよく、
また、微細加工技術を応用して製作しても良い。

【００４２】また、下部筐体２６ｂに形成されている流
路９の長さ、幅等は、液体試料がスムーズに流れ、検出
部５を形成することができる寸法であればよいが、断面
は円形で、直線状にのびたものが好適に利用でき、デッ
ドボリュームを低減させたものが好ましい。この流路９
の形成方法も特に限定されるものではなく、射出成形等
で形成してもよい。なお、流路９の形状を円筒形にする
ために、上部筐体２６ａと下部筐体２６ｂとを貼り合わ
せた状態で円筒形になるようにこれらの筐体の双方を加
工しても良い。

【００４３】そして、上部筐体２６ａに形成される液体
導入口３、液体排出口４及び下部筐体２６ｂに形成され
る流路９の内面に光触媒機能を持つ金属酸化膜１０を形
成することにより親水性の機能が発揮され、流路内での
液体試料の移動が円滑となり、液体試料が流路９内で滞
溜したり、液体試料の流れが不均一となって測定精度や
測定安定性が低下するといった問題を解決することがで
きる。

【００４４】また、本実施の形態においても金属酸化膜
１０の製膜方法は特に限定されないが、たとえば、流路
９に設けられた上部筐体２６ａと下部筐体２６ｂとを上
記酸化物を分散させた無機バインダー溶液の溶液中に浸
漬する方法、スピンコート法、あるいは、シリンジ等を
用いて流路９内部に防汚処理層材料の溶液を導入する等
の方法により、金属酸化膜１０を形成することができ
る。

【００４５】そして、検出部５と上部筐体２６ａおよび
下部筐体２６ｂとを接着剤等を用いて組み立てることに
より、本実施の形態のバイオセンサの主要部が作製され
る。このように本実施の形態のバイオセンサは、液体試
料が流れる液体導入口３、流路９、液体排出口４の内壁
に光触媒機能を有する金属酸化膜１０を形成することに
より、検出部５表面近傍での液体試料の流動状態を安定
化することができ、測定値の精度を高めることができ
る。また、前記した第１の実施の形態に比べてサイズは
大きくなるが、安価に製作することができる。

【００４６】［実施の形態４］次に、本発明の第４の実
施形態に係るバイオセンサについて、図１１及び図１２
を参照して説明する。図１１及び図１２は本実施形態に
係るバイオセンサの構造を模式的に示す断面図である。
なお、本実施の形態は筐体２６を構成する上部筐体２６
ａと下部筐体２６ｂとの接続方法に関するものであり、
他の部分の構造、製造方法等に関しては、前記した第１
の実施の形態と同様である。

【００４７】図１１に示すように、本実施形態に係るバ
イオセンサは、液体試料中の特定成分の測定を可能にす
る検出部５と、これを上下から挟む上部筐体２６ａおよ
び下部筐体２６ｂとを備えている。そして、本実施の形
態では、上部筐体２６ａと下部筐体２６ｂとがネジ１８
により一体化されていることを特徴としている。このネ
ジ１８による組立は、検出部５の交換を容易に行う上で
好ましいが、検出部５の交換が可能であれば組立方式は
ネジ１８を利用する方式に限定されない。また、検出部
５が上部筐体２６ａと下部筐体２６ｂによって確実に実
装される限りにおいては、ネジ１８の数に制限はない。

【００４８】また、図１２に示すバイオセンサでは、上
部筐体２６ａと下部筐体２６ｂとがツメ１９によって組
み立てられている。この組立方式は、上部筐体２６ａに
設けられたツメ１９が下部筐体２６ｂに設けられたツメ
を保持する溝（図示せず）に保持されることによって両
者を固定するものであり、ネジを使用しない分だけ低コ
ストでバイオセンサを製作することが可能になる。ま
た、ネジ締時のトルクの過不足が発生しなくなり、上部
筐体２６ａの底面と下部筐体２６ｂの上面とを全面にわ
たって均一に密着させることができる。

【００４９】

【実施例】上記した本発明の実施の形態に記載したバイ
オセンサを用い、実際に液体試料の成分の測定を行っ
た。その結果について以下に記載する。

【００５０】［実施例１］まず、本発明の第１の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。本実施例では、図７に示すセンサを図５のシステム
に組み込んだ構造により、グルコース、乳酸、および尿
素の３種類のバイオセンサを作製した。各々のバイオセ
ンサには、それぞれ、グルコースセンサ、乳酸センサ、
尿素センサを実装している。

【００５１】図７に示すバイオセンサをプラスチックス
を用い、射出成形で製作し、流路９の内壁に光触媒機能
を示す金属酸化膜１０として酸化チタンを製膜した。な
お、この酸化チタンは、石原産業製ST-K201（固形分0.2
wt%、無機バインダー配合）を用いた。

【００５２】一方、検出部５は以下のようにして作製し
た。まず、８ｍｍ×４．５ｍｍの白金からなる作用極１
１（面積２ｍｍ²）と対極１７（面積０．５ｍｍ²）、銀
／塩化銀からなる参照極１６（面積０．５ｍｍ²）を形
成した。つづいて、全面に１ｖ／ｖ％のγ−アミノプロ
ピルトリエトキシシラン溶液をスピンコートして結合層
１２を形成し、その後、５６．５Ｕ／μｌの酸化酵素
（グルコース酸化酵素、乳酸酸化酵素、および尿素酸化
酵素）を含み、かつ１ｖ／ｖ％のグルタルアルデヒドを
含む２２．５ｗ／ｖ％のアルブミン溶液をスピンコート
して固定化酵素層１３を形成した。そして、その上に
０．２ｖ／ｖ％のメタクリル酸樹脂のポリフルオロアル
コールエステル溶液をスピンコートして制限透過層１４
を形成した。なお、スピンコートの条件は３０００ｒｐ
ｍ、３０秒とした。メタクリル酸樹脂のポリフルオロア
ルコールエステルの分子量は７０００程度である。

【００５３】次に、上記したバイオセンサを用いて液体
試料を測定する方法について説明する。まず、液体導入
口３にチューブ２３をつないで、１５０ｍＭの塩化ナト
リウムを含むｐＨ７の１ｍＭＴＥＳ（エヌ・トリス（ハ
イドロキシル）・メチル・２−アミノエタンサルフォニ
ックアシッド）緩衝液を注入し、検出部５が濡れた状態
にした。そして、バイオセンサの電源を入れ、参照極１
６を基準として作用極１１に０．７Ｖの電圧を印加し
た。

【００５４】続いて、印加後の検出部５に対して液体導
入口３につないだチューブ２３から既知濃度のグルコー
ス溶液、乳酸溶液、および尿素溶液をそれぞれ順番に注
入し、得られるセンサ出力（電流値）を測定してセンサ
の較正を行い、検量線を作成した。なお、注入速度は
０．１リットル／分で行った。

【００５５】次に、再度、緩衝液を注入して検出部５が
定常状態になるまで放置してから、成人男性（３４歳、
体重６８ｋｇ）の上腕部に液体試料採取セル２１を装着
して、体液（減圧吸引により取得された吸引浸出液）中
のグルコース、乳酸、尿素、および尿酸の値を１０分間
隔毎に２時間測定した。また、同時に既存の測定装置で
ある臨床検査装置（商品名、日立自動測定装置７０５
０）でこれらの成分を同一条件で測定した。

【００５６】そして、得られた個々の成分の値を回帰処
理し、相関関係を算出して評価した。その結果を表１に
示す。表１から分かるように、本実施例で用いた各測定
装置は簡易型の装置でありながら、臨床検査用の大型装
置と同等の高い測定精度を示しており、本発明のバイオ
センサの効果が実証された。

【００５７】

【表１】

【００５８】［実施例２］次に、本発明の第２の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。まず、流路９内に検出部５を３種類備えたバイオセ
ンサをプラスチックスを用いて射出成形で製作し、第１
の実施例と同様に、流路９の内壁に光触媒機能を示す酸
化チタンを製膜した。なお、酸化チタンは石原産業製ST
-K201（固形分0.2wt%、無機バインダー配合）を用い
た。そして、第１の実施例で使用したグルコースセン
サ、乳酸センサ、および尿素センサの３種類のセンサを
同一装置内に実装したバイオセンサを製作した。測定方
法は第１の実施例と同様である。

【００５９】この装置を用い、成人男性（３４歳、体重
６８ｋｇ）の上腕部に体液採取セル２１を装着して体液
（減圧吸引により取得された吸引浸出液）中のグルコー
ス、乳酸、および尿素の値を１０分間隔毎に２時間測定
した。また、同時に既存の測定装置である臨床検査装置
（商品名、日立自動測定装置７０５０）でこれらの成分
を同一条件で測定した。そして得られた個々の成分の値
を回帰処理し、相関関係を算出して評価した結果を表２
に示す。表２から分かるように、本実施例で用いた各測
定装置は、いずれの成分についても臨床検査用の大型装
置と同等の高い測定精度を示しており、第２の実施の形
態に記載した複数のセンサを搭載する構造においても本
発明の効果が得られることを確認した。

【００６０】

【表２】

【００６１】［実施例３］次に、本発明の第３の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。まず、図７に示すバイオセンサをプラスチックスを
用いて射出成形で製作し、検出部５は第１の実施例で使
用したグルコースセンサとした。この装置内の検出部５
の表面を除く液体試料の触れる部分全体、すなわち、液
体導入口３、液体排出口４、および流路９内壁面に対
し、フッ素ポリマー（ポリメタクリル酸1H,1H-パーフル
オロオクチル）および光触媒機能を示す金属酸化膜１０
（酸化チタン）を用いて防汚処理層を形成し、２種類の
バイオセンサを作製した。なお、フッ素樹脂は住友スリ
ーエム社のフロラードFC-722を用い、酸化チタンは石原
産業製ST-K201（固形分0.2wt%、無機バインダー配合）
を用いた。また、対照として防汚処理層を形成していな
い装置も同時に製作した。測定方法は第１の実施例と同
様である。

【００６２】この測定装置を用い、糖尿病患者（成人男
性５５歳、体重７０ｋｇ）の血液を０．１ｍｌ／ｍｉｎ
の速度で注入し、同速度で純水を注入する工程を１０回
繰り返して行った。注入時間は１５分間とした。そして
注入工程終了後、液体導入口３、液体排出口４、および
流路９に付着する不純物を目視観察した。観察は目視観
察できる付着物の箇所を数えることにより行った。その
結果を表３に示す。表３から分かるように、酸化チタン
を形成したものについては全く不純物を確認できなかっ
たが、ポリメタクリル酸1H, 1H-パーフルオロオクチ
ル、対照の装置の順に汚染物質が付着している面積が増
加し、酸化チタン処理が防汚に有効であることを確認し
た。

【００６３】

【表３】

【００６４】［実施例４］次に、本発明の第４の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。図７に示すバイオセンサをプラスチックスを用いて
射出成形で製作し、検出部５は第１の実施例で使用した
グルコースセンサとした。この装置内の検出部５の表面
を除く液体試料の触れる部分全体、すなわち、液体導入
口３、液体排出口４、および流路９内壁面に対し、フッ
素ポリマー（ポリメタクリル酸1H,1H-パーフルオロオク
チル）および光触媒機能を示す金属酸化膜１０（酸化チ
タン）を用いて防汚処理層を形成し、２種類のバイオセ
ンサを作製した。なお、フッ素樹脂は住友スリーエム社
のフロラードFC-722を用い、酸化チタンは石原産業製ST
-K201（固形分0.2wt%、無機バインダー配合）を用い
た。また、対照として防汚処理層を形成していない装置
も同時に製作した。測定方法は第１の実施例と同様であ
る。

【００６５】この測定装置を用い、糖尿病患者（成人男
性５５歳、体重７０ｋｇ）の血液を０．１ｍｌ／ｍｉｎ
の速度で注入し、同速度で純水を注入する工程を１０回
繰り返して行った。注入時間は１５分間とした。そして
注入工程終了後、測定値が得られるまでの時間を測定
し、検出部５の応答速度の違いを評価した。評価は１０
回の測定値の平均を求めた。その結果を表４に示す。表
４から分かるように、酸化チタン処理を施すことによっ
て、血液等の液体試料をスムーズに流すことができ、こ
れにより応答速度も向上し、測定値が得られる時間を短
縮することができた。

【００６６】

【表４】

【００６７】［実施例５］次に、本発明の第５の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。参照極１６及び対極１７が外部に形成されるバイオ
センサをプラスチックスを用いて射出成形で製作した。
そして、第１の実施例と同様に、流路９の内壁に光触媒
機能を示す酸化チタンを製膜した。酸化チタンは石原産
業製ST-K201（固形分0.2wt%、無機バインダー配合）を
用い、検出部５は第１の実施例で使用したグルコースセ
ンサとした。また、検出部５は作用極１１、対極１７、
および参照極１６で構成されており、対極１７と参照極
１６は液体導入口３の入り口に設けた。測定方法は第１
の実施例と同様である。

【００６８】この装置を用い、成人男性（３４歳、体重
６８ｋｇ）の上腕部に液体試料採取セル２１を装着して
体液（減圧吸引により取得された吸引浸出液）中のグル
コースの値を１０分間隔毎に２時間測定した。また、同
時に既存の測定装置である臨床検査装置（商品名、日立
自動測定装置７０５０）でこれらの成分を同一条件で測
定した。そして得られた個々の成分の値を回帰処理し、
相関関係を算出して評価した。その結果、前記した第１
の実施例で得られた相関係数とほぼ一致する０．９８５
の相関係数が得られた。これにより、作用極１１が対極
１７及び参照極１６と離れた場所に実装されていても良
好な測定精度が得られることを確認した。

【００６９】［実施例６］次に、本発明の第６の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。図７に示すバイオセンサをプラスチックスを用いて
射出成形で製作し、センサは第１の実施例で使用したグ
ルコースセンサとした。この装置内の検出部５の表面を
除く液体試料の触れる部分全体、すなわち、液体導入口
３、液体排出口４、および流路９内壁面に対し、フッ素
ポリマー（ポリメタクリル酸1H,1H-パーフルオロオクチ
ル）および光触媒機能を示す金属酸化膜１０（酸化チタ
ン）を用いて防汚処理層を形成し、２種類のバイオセン
サを作製した。フッ素樹脂は住友スリーエム社のフロラ
ードFC-722を用い、酸化チタンは石原産業製ST-K201
（固形分0.2wt%、無機バインダー配合）を用いた。ま
た、対照として防汚処理層を形成していない装置も同時
に製作した。測定方法は第１の実施例と同様である。

【００７０】この測定装置を用い、糖尿病患者（成人男
性５５歳、体重７０ｋｇ）の血液を０．１ｍｌ／ｍｉｎ
の速度で注入し、液体導入口３、液体排出口４、および
流路９内部を血液で満たしてから、血液を排出した。そ
の後、３０ワットの蛍光灯の照射下において４０℃、２
４時間恒温槽で放置した後、液体導入口３、液体排出口
４、および流路９内部のカビの繁殖の有無を目視観察し
た。

【００７１】その結果、ポリメタクリル酸1H, 1H-パー
フルオロオクチル処理した場合及び無処理の場合には多
数のカビが繁殖していることが確認されたが、酸化チタ
ン処理を施したものには、全くカビは繁殖していなかっ
た。このことから酸化チタン処理が抗菌機能も有してい
ることを確認した。

【００７２】［実施例７］次に、本発明の第７の実施例
に係る液体試料測定方法及び測定結果について説明す
る。図１および図５に示すバイオセンサを、シリコンウ
ェハ１にエッチングによる微細加工技術で流路９を形成
し、ガラスウエハ２に液体導入口３と液体排出口４を製
作した後、シリコンウェハ１とガラスウエハ２とを貼り
合わせて製作した。なお、液体導入口３と液体排出口４
の直径は略１ｍｍ、流路９の深さは略０．１ｍｍであ
る。そして、流路９の内壁に光触媒機能を示す酸化チタ
ンを製膜した。酸化チタンは石原産業製ST-K201（固形
分0.2wt%、無機バインダー配合）を用い、センサは第１
の実施例で用いたグルコースセンサとした。ただし、電
極面積は０．８ｍｍ×４．５ｍｍとした。測定方法は第
１の実施例と同様である。

【００７３】この装置を用い、成人男性（３４歳、体重
６８ｋｇ）の上腕部に体液採取セル２１を装着して体液
（減圧吸引により取得された吸引浸出液）中のグルコー
スの値を１０分間隔毎に２時間測定した。また、同時に
既存の測定装置である臨床検査装置（商品名、日立自動
測定装置７０５０）でこれらの成分を同一条件で測定し
た。そして得られた値を回帰処理し、相関関係を算出し
て評価した。その結果を表５に示す。表５から分かるよ
うに、本実施例で用いた各測定装置は、いずれの成分に
ついても臨床検査用の大型装置と同等の高い測定精度を
示し、装置を微小化しても測定精度が低下することがな
いことを確認した。

【００７４】

【表５】

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のバイオセ
ンサ及びバイオセンサを用いた液体試料測定方法によれ
ば、液体導入口、液体排出口、および流路内部に光触媒
機能をもつ金属酸化膜を形成することにより、液体試料
が装置内部で滞溜することなくスムーズに流れるため、
高い測定精度及び測定値の安定性を得ることができ、ま
た、センサの応答性も迅速にすることができる。

【００７６】また、バイオセンサをシリコンウェハを用
い微細加工技術を応用して形成することにより、高い精
度で流路、検出器を製作することができ、測定精度及び
測定安定性を更に高め、かつ、薄型、小型化、軽量化を
図ることにより利便性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサの
構造を示す上面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサの
構造を示す断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサの
検出部の構造を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサの
他の構造を示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサを
用いたシステム構成を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサの
他の構造を示す断面図である。

【図７】本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサの
構造を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサの
構造を示す上面図である。

【図９】本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサの
構造を示す斜視図である。

【図１０】本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサ
の構造を示す分解図である。

【図１１】本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサ
の構造を示す断面図である。

【図１２】本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサ
の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１シリコンウェハ２ガラスウェハ３液体導入口４液体排出口５検出部６配線７電極パッド８バイオセンサ９流路１０金属酸化膜１１作用極１２結合層１３固定化酵素層１４制限透過層１５チューブ１６参照極１７対極１８ねじ１９ツメ２０皮膚２１体液採取セル２２接続管２３チューブ２４ポンプ２５調整手段２６筐体２６ａ上部筐体２６ｂ下部筐体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/327 Ｇ０１Ｎ 27/30 ３０１Ｅ 27/416 ３０１Ｌ 33/483 ３０１Ｚ３５３Ｂ３５３Ｊ 27/46 Ｕ３３６Ｈ３３６Ｇ３３８３８６ＧＦターム(参考） 2G045 CA25 CA26 CB30 DA31 FB05 GC20 JA01 JA07 4B029 AA07 AA21 FA12 4B063 QR01 QS36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部基板に液体試料が流れる流路が形成さ
れ、該流路内に前記液体試料の成分を検出する酵素層を
備えた検出部を有し、前記下部基板上に少なくとも前記
流路上部を覆う上部基板が接合されてなるバイオセンサ
において、前記流路の内壁に、親水性の皮膜が形成されていること
を特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記上部基板又は前記下部基板の少なくと
も一方が、紫外線を透過する材料からなることを特徴と
する請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項３】前記下部基板がシリコンウェハからなり、
前記上部基板がガラスウェハからなることを特徴とする
請求項２記載のバイオセンサ。
【請求項４】少なくとも、前記流路が微細加工技術を用
いて形成されていることを特徴とする請求項３記載のバ
イオセンサ。
【請求項５】前記親水性の被膜が、光触媒機能を有する
金属酸化膜からなることを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか一に記載のバイオセンサ。
【請求項６】前記金属酸化膜が、酸化チタン、酸化亜
鉛、チタン酸ストロンチウム、三酸化タングステン、酸
化第二鉄、三酸化二ビスマス、酸化スズのいずれかを含
むことを特徴とする請求項５記載のバイオセンサ。
【請求項７】前記検出部が、前記液体試料の各々異なる
成分を検出する複数の検出部で構成されることを特徴と
する請求項１乃至６のいずれか一に記載のバイオセン
サ。
【請求項８】前記上部基板と前記下部基板とが、着脱可
能に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の
いずれか一に記載のバイオセンサ。
【請求項９】前記流路の所定の位置に、前記流路を連続
して流れる前記液体試料の流量又は流速を調整する手段
を備え、該調整手段により、前記液体試料の流量又は流
速が、前記液体試料の成分濃度に略比例した出力が得ら
れる範囲となるように調整されることを特徴とする請求
項１乃至７のいずれか一に記載のバイオセンサ。
【請求項１０】下部基板に液体試料が流れる流路が形成
され、該流路内に前記液体試料の成分を検出する酵素層
を備えた検出部を有し、前記下部基板上に少なくとも前
記流路上部を覆う上部基板が接合され、前記流路の内壁
に親水性の皮膜が形成されてなるバイオセンサを用いた
液体試料の測定方法であって、前記流路の所定の位置に、前記流路を連続して流れる前
記液体試料の流量又は流速を調整する手段を備え、該調
整手段により、前記液体試料の流量又は流速が、前記液
体試料の成分濃度に略比例した出力が得られる範囲とな
るように調整することを特徴とするバイオセンサを用い
た液体試料の測定方法。
【請求項１１】前記親水性の被膜が、光触媒機能を有す
る金属酸化膜からなることを特徴とする請求項１０記載
のバイオセンサの測定方法。
【請求項１２】前記金属酸化膜が、酸化チタン、酸化亜
鉛、チタン酸ストロンチウム、三酸化タングステン、酸
化第二鉄、三酸化二ビスマス、酸化スズのいずれかを含
むことを特徴とする請求項１１記載のバイオセンサの測
定方法。