JP2000002683A

JP2000002683A - バイオセンサ

Info

Publication number: JP2000002683A
Application number: JP10168692A
Authority: JP
Inventors: Soichi Saito; 総一齋藤; Atsushi Saito; 敦齋藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】溶液中で選択透過膜の密着性を確保したバイ
オセンサを提供することにある。【解決手段】選択透過膜３は、作用極２の表面のみを
被覆する形状にパターン形成しており、酵素膜４は、カ
ップリング剤７を介して基板１の表面に接合し、作用極
２と選択透過膜３を密着させている。これにより、作用
極２と選択透過膜３とが密着して安定に保持されること
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液中の成分濃度を
測定するバイオセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】医療においては血液や尿、食料品におい
ては果汁その他の液体の成分を定量的に把握すること
は、診断の精度、生産の効率向上のために極めて重要で
あり、近年、これらを測定するバイオセンサが開発され
ている。この種のバイオセンサを図４に示す。

【０００３】図４に示される従来例に係るバイオセンサ
（特開平９−２１７７９号公報参照）は、セラミック製
の基板１上に白金の作用極２が形成され、作用極２上に
酢酸セルロースからなる選択透過膜３と、アルブミン、
グルコースオキシターゼ、グルタールアルデヒドからな
る酵素膜４、アルブミン、グルタルアルデヒドからなる
制限透過膜５が順に積層形成されている。

【０００４】図４に示される従来例の係るバイオセンサ
は、酢酸セルロースからなる選択透過膜３の密着性を向
上させるために、基板１および作用極２上にＮ−メチル
シラザンを用いてシロキサン基を導入していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示さ
れる従来例に係るバイオセンサでは、酢酸セルロースが
共有結合に関与する感応基をもたないことに着目して、
基板表面の極性を強めて密着性の向上を図る技術である
と考えられる。

【０００６】したがって、図４に示される従来例に係る
バイオセンサは、乾燥状態では相応の効果を発揮するこ
とができるが、実際に測定を行う水溶液中では、ほとん
ど効果が得られないという問題がある。

【０００７】また、特開平３−２８７５２号公報に開示
された技術では、ポリアリルアミン、アルブミン、グル
タルアルデヒドからなる選択透過膜の密着性を向上させ
るために保湿剤としてコラーゲンを含有させ、これによ
って、選択透過膜の乾燥による収縮で膜が剥離すること
を防止している。

【０００８】しかしながら、特開平３−２８７５２号公
報に開示された技術では、膜形成時の剥離を防止する効
果を発揮するが、水溶液中での密着性を向上させる効果
が全くなかった。

【０００９】以上述べたように、従来例の技術では、水
溶液中で選択透過膜の密着性を確保することができない
という問題がある。

【００１０】本発明の目的は、水溶液中で選択透過膜の
密着性を確保したバイオセンサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係るバイオセンサは、少なくとも作用極と
対極を基板上に有し、前記電極上に選択透過膜及び酵素
膜を順次積層したバイオセンサであって、前記選択透過
膜は、前記作用極の少なくとも表面を被覆するものであ
り、前記酵素膜は、カップリング剤を介して前記基板の
表面に接合し、前記作用極と前記選択透過膜を密着させ
るものである。

【００１２】また前記選択透過膜は、前記作用極の表面
及び側面を被覆するものである。

【００１３】また前記選択透過膜は、前記作用極の表面
を完全に覆うため該作用極の表面外形形状より若干大き
めにパターン形成されたものである。

【００１４】また前記選択透過膜は、酢酸セルロースで
ある。

【００１５】また前記酵素膜は、グルタールアルデヒド
を含有するものである。

【００１６】また前記カップリング剤は、シランカップ
リング剤である。

【００１７】また前記基板は、Ｓｉ，ＳｉＯ₂またはＡ
ｌ₂Ｏ₃を主成分とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。

【００１９】図１は、本発明の一実施形態に係るバイオ
センサを示す断面図である。

【００２０】図１に示す本発明の実施形態１に係るバイ
オセンサは、電流検出型のバイオセンサである。

【００２１】図１に示すような電流検出型のバイオセン
サは、一般に絶縁基板１上に作用極２と対極６を形成
し、電極２上に固定化酵素膜（酵素膜）４を設けてお
り、その動作原理は下記の通りである。

【００２２】すなわち、バイオセンサは、その感応部を
溶液に接触させ、溶液に対し所定の電位差を印加して用
いられる。

【００２３】酵素は溶液に接触すると、溶液中の特定物
質を電極（作用極２）で酸化還元可能な別の物質に変換
し、変換された物質は、作用極２上で酸化あるいは還元
される。

【００２４】このとき作用極２と対極６の間には、その
酸化還元反応に比例した電流が流れるため、この電流を
測定すれば、溶液中の特定物質濃度を定量することが可
能となる。

【００２５】しかしながら、電極２，６は、液中に含ま
れる測定対象外の物質とも反応してしまう場合がある。
このような物質を妨害物質と呼ぶ。これを除去するため
に設けられるのが、選択透過膜３あるいは妨害物質除去
膜と呼ばれるものである。

【００２６】選択透過膜３は、分子量あるいは荷電によ
って分子をふるいにかけるフィルターであり、一般的に
は多孔性の高分子である。例えば、もっとも広く普及し
ているグルコースセンサにおいては、主たる妨害物質
は、アスコルビン酸（ビタミンＣ）であり、これを除去
する選択透過膜としては、酢酸セルロースがよく用いら
れる。この他にイオン交換樹脂などが用いられることも
ある。

【００２７】選択透過膜３は、溶液中の基質と反応して
変化したり、汚染物質を吸着することがないよう化学的
に安定でなければならない。このため、選択透過膜３と
電極２，６及び基板１との密着性は、一般的にきわめて
悪い。

【００２８】そして、電極２，６から選択透過膜３が剥
離すると、電極２，６に到達する基質の量が変化するた
め、バイオセンサの出力が不安定になる。

【００２９】そこで、本発明は、酵素膜４をカップリン
グ剤７を介して基板１の表面に接合し、基板１に接着し
た酵素膜４で作用極２と選択透過膜３を密着させること
を特徴とするものである。

【００３０】次に、本発明の具体例を実施形態１として
詳細に説明する。

【００３１】図１に示す本発明の実施形態１に係るバイ
オセンサは、絶縁性基板１上に作用極（測定極）２と対
極６からなる電極を一定距離を離して形成し、作用極２
上に選択透過膜３を形成している。

【００３２】選択透過膜３は、作用極２の表面を完全に
覆うため作用極２の表面外形形状より若干大きめに余白
部３ａをもつ寸法にパターン形成されている。

【００３３】図１に示す本発明の実施形態１では、選択
透過膜３の機能が測定対象の物質を作用極２に透過接触
するものであり、この機能を発揮すれば十分なものであ
ることに着目して、パターン形成された選択透過膜３を
用いて作用極２の表面のみを被覆している。

【００３４】なお、図１に示す選択透過膜３は、作用極
２の表面のみを被覆しているため、その余白部３ａが作
用極２より離れているが、余白部３ａを用いて作用極２
の側面をも被覆し、作用極２の表面を完全に覆うように
してもよい。

【００３５】さらに、酵素膜４は、カップリング剤７を
介して基板１の全面に接合し、基板１に接着した酵素膜
４により作用極２と選択透過膜３を密着させている。

【００３６】またカップリング剤７は、作用極２及び選
択透過膜３を覆って基板１の全面に接着するようになっ
ており、酵素膜４を基板１の全面に接合して、作用極２
と選択透過膜３を密着させる締結力を酵素膜４に付与す
るようにしている。

【００３７】また酵素膜４上には、制限透過膜５を形成
している。また、電極２，６に追加して基準電位を設定
する参照電極を設けることにより、バイオセンサの測定
精度を向上させることが可能となる。

【００３８】基板１にはガラスやセラミックが用いら
れ、電極２，６には、白金，カーボンが用いられる。参
照電極には銀塩化銀電極，白金，金などが用いられる場
合が多い。

【００３９】選択透過膜３としては、酢酸セルロースや
イオン交換樹脂が用いられる。選択透過膜３をパターン
化するには、スピンコート法や滴下法などによって成膜
形成することが可能である。スピンコートの場合は、フ
ィルム上のマスクを用いたマスキング法や、レジストを
用いたリフトオフなどによってパターン化する。ただ
し、通常選択透過膜３は、有機溶剤に可溶であるため、
レジストには水溶性物質を用いるとよい。

【００４０】酵素膜４は、タンパク質，酵素，架橋剤の
混合物を含む水溶液をカップリング剤７上に塗布して設
ける。タンパク質としてはゼラチン、アルブミン、架橋
剤には２感応基アルデヒドであるグルタルアルデヒドを
用いるのが一般的である。酵素は、測定対象物質に応じ
て選定される。例えばグルコースを測定する場合は、グ
ルコース酸化酵素、乳酸を測定する場合は、乳酸酸化酵
素などを用いる。

【００４１】カップリング剤７は、酵素膜４を基板１に
接合させるための接着剤として機能するものであり、各
種のシラザンやシランカップリング剤が用いられる。

【００４２】制限透過膜５は、基質の侵入量を制限する
ための膜であり、通常多孔性の膜を用いる。酢酸セルロ
ース、シリコーン等、あるいは不織布や多孔性のポリカ
ーボネートフィルムを貼り付けてもよい。

【００４３】本発明の実施形態１のバイオセンサをグル
コースセンサとして用いる場合の構成について説明す
る。

【００４４】この場合、電極の材料として作用極２と対
極６には、白金を用いる。参照極には、表面が塩化銀に
覆われ内部が銀である銀塩化銀電極を用いる。

【００４５】選択透過膜３としては、酢酸セルロースを
用いる。これは、アスコルビン酸をブロックして測定対
象物質である過酸化水素を透過する性質を有するためで
ある。図２に示すように選択透過膜３は、作用極２の表
面を完全に覆うため作用極２の表面外形形状より若干大
きめにパターン化する。

【００４６】さらに選択透過膜３を含む基板１のほぼ全
面にシランカップリング剤７としてのγ-アミノプロピ
ルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を設け、次いで酵
素膜４を形成される。酵素膜は牛血清アルブミン（ＢＳ
Ａ）とグルコース酸化酵素（ＧＯＤ）の混合物がグルタ
ルアルデヒドと架橋した膜である。

【００４７】γ-アミノプロピルトリエトキシシラン
（ＡＰＴＥＳ）の分子式は、

【化１】である。なお、分子式では主鎖の炭素に結合する水素を
省略している。

【００４８】グルタルアルデヒドの分子式は、

【化２】である。なお、分子式では主鎖の炭素に結合する水素を
省略している。

【００４９】このため、下記に示すように、γ-アミノ
プロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）の一方のＳ
ｉが基板１のガラス分子と結合し、他方のＮ原子が酵素
膜４中のグルタルアルデヒドと結合することなり、基板
１と酵素膜４とは強く密着することとなる。

【化３】

【００５０】前述したように、選択透過膜３としての酢
酸セルロースと、カップリング剤７としてのγ-アミノ
プロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）との間に
は、上述したような化学結合がないため、選択透過膜３
（酢酸セルロース）は、基板１あるいは作用極２との間
の付着力が弱い。

【００５１】しかしながら、本発明の実施形態１の構成
によれば、酵素膜４を基板１の全面に接合して、酵素膜
４の締結力を用いて作用極２と選択透過膜３を密着させ
るため、作用極２と選択透過膜（酢酸セルロース）３と
の間に剥離が生じることがない。

【００５２】また、酵素膜４上には、水溶性シリコーン
からなる制限透過膜５を設ける。制限透過膜５がない場
合は、測定範囲が０〜１００ｍｇ／ｄｌであるが、制限
透過膜５がある場合には、測定範囲を０〜５００ｍｇ／
ｄｌ程度まで拡大することが可能になる。測定範囲は、
制限透過膜５の膜厚及び膜質の制御により任意にコント
ロールされる。膜質の制御は、溶剤と乾燥温度によって
行う。ただし、制限透過膜５は、本発明に必ずしも必要
ではない。

【００５３】また、図２に示すセンサ素子のリード８
は、外部の信号検出回路に接続される。作用極２，対極
６，参照極９等からなる感応部１０以外の部分は、絶縁
膜で覆うか、或いは筐体に収納して溶液と触れないよう
になっている。これは、リード８，８間に電極反応と無
関係な電流が流れないようにするためである。

【００５４】次に本発明の実施形態に係るグルコースセ
ンサを用いて、試料溶液中のグルコース濃度を測定する
方法について説明する。

【００５５】まず、試料溶液中に前述のグルコースセン
サを浸漬するか、或いは溶液を感応部１０上に滴下す
る。

【００５６】次に、参照極９を基準として、作用極２に
一定電位を印加する。この電位は０．６〜０．８Ｖであ
る。

【００５７】試料溶液中のグルコース（Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆）
は、酵素膜中の酵素によってグルコン酸（Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₆）
と過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）に変換される。過酸化水素は、
白金電極表面に到達すると、作用極２に電子を与えて酸
化される。前記の電位は、過酸化水素を効率よく酸化す
るために設定されたものである。

【００５８】このとき作用極２に流れる電流は、反応し
た過酸化水素の量に比例する。そして過酸化水素の量
は、溶液中のグルコースの量に比例するため、電流値を
測定することによって溶液中のグルコース濃度を定量す
ることができる。

【００５９】一方、白金電極ではアスコルビン酸も酸化
され、酸化電流は測定誤差となる。この影響を取り除く
ために設けられているのが、選択透過膜３の酢酸セルロ
ースである。酢酸セルロース膜（選択透過膜３）は、多
孔性の高分子膜であり、小さな分子を通し、大きな分子
は通さない。すなわち、分子量３４の過酸化水素を透過
し、分子量１７６のアスコルビン酸を透過しないという
選択性を有する。このため、試料溶液に含まれるアスコ
ルビン酸は、作用極２の表面に到達せず精度の高い測定
が可能となる。

【００６０】次に、測定中の膜の状態について説明す
る。前述のように酢酸セルロース（選択透過膜３）は、
シランカップリング剤７、基板１、作用極２のいずれと
も共有結合をもたず、選択透過膜３の付着力は、分子の
極性に由来する分子間力によって生じている。

【００６１】このため、選択透過膜３が乾燥状態である
場合には、ある程度の密着性を期待できるが、水溶液中
では、水の極性によって逆方向も引力が加わるため、選
択透過膜３の付着力は、ほとんどなくなっている。

【００６２】したがって、酢酸セルロースからなる選択
透過膜３を基板全面に塗布した場合、上層の酵素膜４と
一体で基板１から剥離してしまう。筐体などで膜の周囲
を押さえていればセンサが破壊することはないが、酵素
膜４と作用極２の間の距離が変動するため、センサ出力
が不安定になる。

【００６３】しかしながら、本発明の実施形態に係るグ
ルコースセンサでは、作用極２上に位置する酢酸セルロ
ースの選択透過膜３の周囲を酵素膜４で強固に押さえ付
けているため、酢酸セルロースの選択透過膜３が浮き上
がることがなく、安定な出力が得られる。

【００６４】図３は、グルコース濃度１００ｍｇ／ｄｌ
の標準液を１０回繰り返し測定したときの結果である。
従来のように酢酸セルロース（選択透過膜）を全面に塗
布した場合は、出力の変動係数（標準偏差を平均値で割
算したもの）が０．１１であったが、本発明では０．０
１８となり、変動係数が改善されている。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板に接合した酵素膜の締結力を用いて作用極と選択透過
膜とを密着して安定に保持するため、センサ出力の再現
性を得ることができるとともに、安定性に優れたバイオ
センサを得ることができ、特に、繰り返し使用した場
合、その効果は顕著に現れる。

【００６６】さらに選択透過膜は、作用極の表面を完全
に覆うため該作用極の表面外形形状より若干大きめにパ
ターン形成されて余白部を有しており、その余白部を利
用して作用極の表面及び側面を覆うことにより、作用極
の表面を完全に覆うことができ、測定対象の物質を作用
極に透過接触させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施形態を示す平面図である。

【図３】繰り返し測定におけるセンサ出力の変動を示す
特性図である。

【図４】従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１基板２作用極３選択透過膜４酵素膜５制限透過膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも作用極と対極を基板上に有
し、前記電極上に選択透過膜及び酵素膜を順次積層した
バイオセンサであって、前記選択透過膜は、前記作用極の少なくとも表面を被覆
するものであり、前記酵素膜は、カップリング剤を介して前記基板の表面
に接合し、前記作用極と前記選択透過膜を密着させるも
のであることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記選択透過膜は、前記作用極の表面及
び側面を被覆するものである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】前記選択透過膜は、前記作用極の表面を
完全に覆うため該作用極の表面外形形状より若干大きめ
にパターン形成されたものであることを特徴とする請求
項１又は２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】前記選択透過膜は、酢酸セルロースであ
る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５】前記酵素膜は、グルタールアルデヒドを
含有するものである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６】前記カップリング剤は、シランカップリ
ング剤である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７】前記基板は、Ｓｉ，ＳｉＯ₂またはＡｌ₂
Ｏ₃を主成分とするものであることを特徴とするバイオ
センサ。