JP2004101222A

JP2004101222A - バイオセンサ

Info

Publication number: JP2004101222A
Application number: JP2002259783A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Miyaji; 宮地　寿明; Yasuyuki Nukina; 貫名　康之; Azusa Shiga; 志賀　あづさ
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれるバイオセンサを提供すること。
【解決手段】酵素２に検体を供給する検体供給部７と、酵素に酸素を供給する酸素供給部８と、検体中の電極活物質の量を検出する検出部と、これらを装備した筐体１０とを備え、検出部は、電極活物質が反応するイオンを移動させるゲル状の電解質を含浸したポリカーボネートフィルムと電極３、４からなる電荷伝達体１と、前記酵素２とを有するバイオセンサとしたことにより、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はグルコース濃度を計測するバイオセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、グルコース濃度の計測は医療分野のみならず、農業分野、醸造分野等、種々の領域で利用されている。特に、人尿におけるブドウ糖（以下グルコースと記載）濃度計測については以下に述べる特徴がある。
【０００３】
尿は個人の健康状態に関する重要な情報源であり、尿成分を定量分析することで各種の機能障害を検査することができる。このニーズに対応するための手段として、健康診断や医療機関で用いられている尿検査紙が知られている。この尿検査紙は、糖、たんぱく、ウロビリノーゲン、潜血などが尿中に排出されていることを化学反応により検知し、尿検査紙の色調の変化により示すものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、尿検査紙は簡便で誰れにでも扱えるという長所があるが、定性的または半定量的であるため定量分析という観点からは問題があり、他の手段が要請されている。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上をはかったバイオセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のバイオセンサは、電極活物質の量を検出する検出部は、電極活物質が反応するイオンを移動させるゲル状の電解質を含浸したポリカーボネートフィルムと電極からなる電荷伝達体と、酵素とを有するものである。
【０００７】
これにより、酵素反応により発生する電流を計測することで、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、酵素に検体を供給する検体供給部と、前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、検体中の電極活物質の量を検出する検出部と、これらを装備した筐体とを備え、前記検出部は、前記電極活物質が反応するイオンを移動させるゲル状の電解質を含浸したポリカーボネートフィルムと電極からなる電荷伝達体と、前記酵素とを有するバイオセンサとしたことにより、酵素反応により発生する電流を計測することで、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、ゲル状の電解質がポリアクリルアミドである請求項１に記載のバイオセンサとしたことにより、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、電極活物質が反応するポリカーボネートフィルムはアルカリ処理を施した請求項１または２に記載のバイオセンサとしたことにより、多孔質構造を構成する孔の表面が浸食され、ポリアクリルアミド等の電解質との物理的な結合力が増加する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、アルカリ処理はｐＨ１０の水酸化ナトリウムにより実施する請求項３に記載のバイオセンサとしたことにより、使用時また洗浄時に使い勝手がよいもので、かつ、多孔質孔内部がほどよく浸食される。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、水酸化ナトリウムによる処理時間は３０分以上である請求項４に記載のバイオセンサとしたことにより、ポリカーボネートフイルムの多孔質孔内部が浸食され、その表面が無処理のものと比較するとさらに凹凸となり、ポリアクリルアミドとの結合力が増強される。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、ポリアクリルアミドを４倍架橋構造とし、これにスチレンスルホン酸ナトリウムを添加した請求項２〜５のいずれか１項に記載のバイオセンサとしたことにより、ポリアクリルアミドの分子篩効果を発揮させるとともに溶液のぬれ状態が改善され、ポリカーボネートフイルムの多孔質の孔中にポリアクリルアミドを含浸することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、ポリカーボネートフイルムには、スチレンスルホン酸ナトリウムを添加したポリアクリルアミドを脱気により含浸させた請求項２〜６のいずれか１項に記載のバイオセンサとしたことにより、ポリカーボネートフィルム内の多孔質からなる孔にアクリルアミドを完全に含浸させるものである。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、ポリアクリルアミドを含浸したポリカーボネートフィルムは４０℃から７０℃に加温した請求項２〜７のいずれか１項に記載のバイオセンサとしたことにより、ポリアクリルアミドの重合速度を制御しやすい。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、筐体には、銀を共有結合したリン酸ジルコニウムを０．３〜１．５ｗ／ｗ％の割合で添加した請求項１に記載のバイオセンサとしたことにより、微生物の増殖が抑制され、微生物汚染による酵素失活を防ぐことができる。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例について図１〜図３に基づき説明する。
【００１８】
図１はバイオセンサを示すものであり、１は電荷伝達体で、これに固定化して設けた酵素２とともに電極活物質の量を検出する検出部を構成している。３および４は電荷伝達体１と導通するように上下に設けた正電極および負電極、５は電荷伝達体１を挟み込むように上下に設けたベース、６は電荷伝達体１の両側に浸水防止のために施したシールである。７は酵素２に検体を供給する検体供給部で、上側のベース５に電荷伝達体１と対向して設けた開口部よりなる。８は酵素２に酸素を供給する酸素供給部で、下側のベース５に電荷伝達体１と対向して設けた開口部よりなり、検体供給部７の開口部とは同心円となっている。９は電荷伝達体１、酵素２、正電極３、負電極４等よりなるセンサ主体を保持したセンサホルダー、１０はセンサ主体およびセンサホルダー９を内部に装備した筐体である。
【００１９】
そして、上記バイオセンサは、センサホルダー９、筐体１０構成により、酸素供給ゾーン８ａ、酸素供給口８ｂ、開口部９ａ、９ｂがそれぞれ形成され、電荷伝達体１、酵素２を有する検出部に対し、検体および酸素の供給がなされるようになっている。
【００２０】
また、図２に示すように、電荷伝達体１は、ポリカーボネートフィルム１１と、これに含浸したポリアクリルアミド１２によって構成されている。ポリアクリルアミド１２は電極活物質が反応するイオンを移動させるものである。
【００２１】
先述したように、電荷伝達体１の一部は正電極３および負電極４と接触しており、ポリアクリルアミド１２が含浸されていないポリカーボネートフィルム１１部には前記したシール６が施されている。つまり、ポリカーボネートフィルム１１は、極小径の孔を有する表から裏へダイレクトに孔が開いた多孔質状の構成となっており、その孔には導通を確保する材料としてのポリアクリルアミド１２、絶縁を確保するシール６の材料が含浸されている。この電荷伝達体１の膜は、検体であるグルコースの選択透過を行うとともにグルコース以外の巨大な固形成分、例えば、尿タンパク（アルブミンが主成分）などを除去する。また、この膜はすべての酸素を透過することができる。さらに、電荷伝達体１は酵素２を保持する役割を有し、その位置は酸素供給部７にある。酵素２は酸素供給部７の全体に設けるのではなく、ポリアクリルアミド１２が含浸された場所で、かつ電荷伝達体１上のグルコースと酵素２の反応面で、直接、酸素が供給される場所に設けている。
【００２２】
また、酵素２としては、グルコースオキシダーゼを使用しており、電荷伝達体１に直接吸着させて設けている。
【００２３】
上記したバイオセンサは、非使用時には保存液（リン酸緩衝生理食塩水）に浸して保存し、使用時には保存液から取り出して用いるものである。ここで、人尿におけるグルコース量計測においては、酵素反応により電流が発生する。この電流の大きさから、（化１）の反応により被験者の尿中のグルコース量が求められるものである。
【００２４】
【化１】

【００２５】
すなわち（化１）に示している過酸化水素の分解反応で生ずる電子が電極間を伝達され、電極３、４間に電流が流れるものである。この電流が流れる回路中に抵抗を配置して、抵抗の両端の電圧を測定することによって流れた電流を測定し、この電流を特定物質の濃度に換算しているものである。本実施例によるバイオセンサはグルコース濃度２０００ｍｇ／ｄｌまで計測できる。
【００２６】
さらに、バイオセンサによる検体の計測について詳述する。検体は筐体１０の開口部９ａからセンサ内部に侵入する。すなわち、検体はベース５の検体供給部７を通過し、電荷伝達体１の内部に湿潤していく。電荷移動体１は、ポリカーボネートフィルム１１、ポリアクリルアミド１２より構成されているので、検体はポリカーボネートフィルム１１による分子の大きさの選定、ポリアクリルアミド１２の分子篩効果により、グルコースが選択的に酵素２まで到達し反応が起こる。こうして、グルコースは、酵素２によってグルコン酸と過酸化水素に分解する。この過酸化水素は、更に水酸基イオンと水素イオンに分解される。この水素イオンは、負電極４と正電極３間に直流電圧を印加すると電荷伝達体１を流れて、負電極４と正電極３の間を流れるものである。この電流値をグルコース濃度に換算しているものである。
【００２７】
なお、このとき、負電極４と正電極３との間に印加する直流電圧は、１Ｖ程度以下が好ましいものである。この理由は印加する直流電圧が大きくなると、尿中の水が電気分解されることによって流れる電流がグルコースの量に応じたものとはならないためである。
【００２８】
本実施例では、正電極３を検体と直接接触する位置に設けているため、前記反応の結果生じた正電極３の近傍に付着した泡が簡単に大気中に放出されるものである。泡が正電極３に付着した状態では、電荷の伝達能力が低下するが、本実施例ではそのようなことがなく、従って、検体の糖分の含有量を連続的に測定することが可能になる。なお、酵素反応に必要な酸素は酸素供給部８ｂを通じて筐体１０からセンサ内部に供給される。供給された酸素は開口部９ｂを通じ、酸素供給部８に導かれ、反応の場に供給され、反応律速となる酸素供給不足を解消する。
【００２９】
上記において、電極活物質が反応するイオンを移動させるものとして、ポリアクリルアミド１２を用いたが、水素イオンが電子伝達体となり泳動可能なフリーの陰イオンを持った電解質でゲル状のものであれば、ポリアクリルアミドに限られるものでなく、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼを利用した反応においても、同様な導通が確保されるものである。
【００３０】
次に、ポリアクリルアミド１２をポリカーボネートフィルム１１に含浸する手段について図２を基に説明する。
【００３１】
図２（Ａ）はリン酸緩衝生理食塩水を用い洗浄したポリカーボネートフィルム１１をポリアクリルアミド１２の水溶液に浸す、いわゆるフィルム全体を漬けて重合したものである。これは、ポリカーボネートフィルム１１の多孔質の孔中に空気が入っている状態、つまり空気が抜けていないため、ポリアクリルアミド１２とポリカーボネートフィルム１１の間に空隙１４が生じやすい。さらに、ポリアクリルアミド１２を重合後、乾燥するときに、ポリカーボネートフィルム１１とポリアクリルアミド１２の収縮率が異なることから、空隙１４が発生する。さらにこの方法では、ポリカーボネートフィルム１１の多孔質の孔は、その一部にはポリアクリルアミド１２が全く含浸できないところが発生しやすいものである。これにより、ポリアクリルアミド１２がポリカーボネートフィルム１１から剥がれやすくなる可能性がある。
【００３２】
図２（Ｂ）はポリカーボネートフィルム１１をｐＨ１０の水酸化ナトリウムで３０分以上処理することで、ポリカーボネートフィルム１１はその表面が凹凸化した構造となる。凹凸構造により、ポリアクリルアミド１２とポリカーボネートフィルム１１のかみ合わせがよくなる。これにより、長期使用や保存液での保存にも耐え、ポリアクリルアミド１２がポリカーボネートフィルム１１から剥がれることがなくなる。ｐＨの決定因子は、ポリカーボネートフィルムの劣化から判断した。ｐＨ１４では５分も水酸化ナトリウム溶液に漬けておくと、フィルムが脆くなり、原型をとどめることができない。ポリカーボネートフィルムの厚さはおよそ１０μｍである。また、ｐＨ８では３時間以上浸漬しても、フィルム表面に変化がないことを、電子顕微鏡レベルで確認した。処理時間は３０分未満では、十分な凹凸構造が得られない。以上のことから、ｐＨおよび処理の条件を導き出した。
【００３３】
次に、ポリカーボネートフィルム１１へ、ポリアクリルアミド１２を含浸させる際の脱気について説明する。ポリカーボネートフィルム１１をアクリルアミド１２の水溶液に、そのまま含浸するとポリカーボネートフィルム１１の多孔質中に存在する空気が気泡となり、多孔質中に存在したままとなる。そこで、多孔質の孔からろ過あるいは減圧による脱気を行っている。これらろ過と減圧の２手段ともに、多孔質から空気が抜け出ることを確認した。
【００３４】
さらに、多孔質の孔に万遍なく、ポリアクリルアミド１２を含浸するために、ポリアクリルアミド１２の液性を改良し、すべり性をよくしている。そのため、ポリアクリルアミドを４倍架橋構造とし、これにスチレンスルホン酸ナトリウムを添加した。４倍架橋構造となるポリアクリルアミド１２は分子量２万以下のものがその架橋内部に侵入することができる。さらに、スチレンスルホン酸ナトリウムはポリアクリルアミド１２の重合に影響を与えることなく、すべり性を改良する。なお、添加量は０．５％である。電子顕微鏡でポリアクリルアミド１２を含浸したポリカーボネートフィルム１１の断面を観察すると図２（Ｂ）に示されたように観察できる。
【００３５】
さらに、重合するときの条件について説明する。重合開始方法として、温度、紫外線照射、テトタエチルメトキシジアミンを添加することがある。紫外線およびテトタエチルメトキシジアミンを添加は、急激に重合がはじまるので、図２（Ｂ）に示すような構成がとれず、ポリアクリルアミド１２とポリカーボネートフィルム１１の間に空隙が生じる。この空隙を生じさせないために加温するものである。加温は実行する温度により、重合速度を簡単に制御できる。本実施例では、加温を４０〜７０℃の範囲ですると、約５分で重合が終了する。これにより、図２（Ｂ）に示すような、空隙のない、ポリアクリルアミド１２が含浸されたポリカーボネートフィルム１１を得ることができた。
【００３６】
次に、筐体１０の抗菌加工について説明する。検体である尿はアミノ酸、タンパク質、糖等があり、さらにｐＨが弱酸性であるため、微生物が増殖しやすい環境にある。また、バイオセンサの保存液はリン酸緩衝生理食塩水であるため、センサを使用するたびに洗浄することによるリスク回避、つまり、尿成分の保存液への混入に対する対策を十分に講ずる必要がある。さらに、筐体１０に付着した微生物が増殖すると、その二次代謝物として、菌体外酵素を産生するものがある。菌体外酵素のなかでも、アミラーゼがあると、使用する酵素、すなわちグルコースオキシダーゼがそれにより失活する。
【００３７】
そこで、微生物汚染による酵素失活を防ぐために、銀を共有結合したリン酸ジルコニウム、いわゆる銀系無機抗菌剤を、筐体１０を構成する材料、例えば、プラスチック樹脂に混練して添加した。抗菌加工することにより、筐体１０表面における微生物の増殖が抑制され、微生物の二次代謝物に由来する酵素の失活がなくなる。つまり、銀表面で活性酸素が産生され、それが微生物の細胞膜を酸化させることにより、微生物が死滅することになり、アミラーゼ等の消化酵素がセンサ内部に侵入することがなくなる。
【００３８】
抗菌剤の添加量はプラスチック樹脂の違いにより異なるもので、ポリプロピレンではその表面に抗菌剤が露呈しやすいため、低添加量で、０．３ｗ／ｗ％添加で効果が発揮される。一方、ＡＢＳ樹脂では、表面局在化が困難であるため、高添加量が必要となる。１．５ｗ／ｗ％の添加量が必要となる。以上のことから、抗菌剤の添加濃度は０．３〜１．５ｗ／ｗ％とした。
【００３９】
さらに、今回使用した抗菌剤は銀がリン酸ジルコニウムに共有結合しているため、検体や保存液に銀が溶出することがない。したがって、電極表面のイオン化傾向により影響を最小限に制御できる。
【００４０】
以上説明した本実施例におけるバイオセンサの実験例を（表１）に示した。これから明らかなとおり、９０日間保存液に浸漬したセンサにおいても、新品センサとほぼ同様なグルコース濃度計測（１０％の範囲内）ができた。なお、この実験例は、２０００ｍｇ／ｄｌまでに調製したグルコース濃度を計測したときの電流値を示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
なお、図２（Ａ）で説明した、リン酸緩衝生理食塩水を用い洗浄したポリカーボネートフィルムをポリアクリルアミドの水溶液に浸す、いわゆるフィルム全体を漬けて重合したものにおいては、従来の尿検査紙に比して、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上をはかったバイオセンサとなるが、保存液に１ヶ月程度の浸漬までは使用可能なものである。
【００４３】
上記した各手段はそれぞれ適宜組み合わせて使用することができるものであり、各手段を独立して単独でのみ実施するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
上記のように本発明のバイオセンサは、酵素反応により発生する電流を計測することで、特定成分を迅速かつ容易に定量分析できるとともに反復測定を可能としその精度向上がはかれるものである。特に、電荷伝達体を構成するポリカーボネートフィルムを各種処理することにより、さらに大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるバイオセンサの構成を示す断面図
【図２】同バイオセンサの主要部の拡大断面図
【図３】（Ａ）同バイオセンサの電荷伝達体を構成するポリカーボネートフィルムをポリアクリルアミドの水溶液に浸し重合した状態を示す模式図
（Ｂ）同ポリカーボネートフィルムを予め処理しポリアクリルアミドを重合した状態を示す模式図
【符号の説明】
１　電荷伝達体
２　酵素
３　正電極
４　負電極
５　ベース
６　シール
７　検体供給部
８　酸素供給部
１０　筐体
１１　ポリカーボネートフィルム
１２　ポリアクリルアミド

Claims

酵素に検体を供給する検体供給部と、前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、検体中の電極活物質の量を検出する検出部と、これらを装備した筐体とを備え、前記検出部は、前記電極活物質が反応するイオンを移動させるゲル状の電解質を含浸したポリカーボネートフィルムと電極からなる電荷伝達体と、前記酵素とを有するバイオセンサ。
ゲル状の電解質がポリアクリルアミドである請求項１に記載のバイオセンサ。
電極活物質が反応するポリカーボネートフィルムはアルカリ処理を施した請求項１または２に記載のバイオセンサ。
アルカリ処理はｐＨ１０の水酸化ナトリウムにより実施する請求項３に記載のバイオセンサ。
水酸化ナトリウムによる処理時間は３０分以上である請求項４に記載のバイオセンサ。
ポリアクリルアミドを４倍架橋構造とし、これにスチレンスルホン酸ナトリウムを添加した請求項２〜５のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
ポリカーボネートフイルムには、スチレンスルホン酸ナトリウムを添加したポリアクリルアミドを脱気により含浸させた請求項２〜６のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
ポリアクリルアミドを含浸したポリカーボネートフィルムは４０℃〜７０℃に加温した請求項２〜７のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
筐体には、銀を共有結合したリン酸ジルコニウムを０．３〜１．５ｗ／ｗ％の割合で添加した請求項１に記載のバイオセンサ。