JP2005246054A - 分析装置、カートリッジ、カートリッジキットおよび分析方法 - Google Patents
分析装置、カートリッジ、カートリッジキットおよび分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 保存安定性が改善され、しかも分析誤差の少ない生体成分抽出カートリッジ及びこれを使用するための生体成分分析装置を提供する。
【解決手段】
生体成分抽出カートリッジ１１と、生体成分抽出カートリッジ１１を着脱可能に保持する分析ユニット１５と、生体成分抽出カートリッジ１１に取り付けられるセンサ部材１９とにより生体成分分析装置１を構成する。生体成分抽出カートリッジ１１は、樹脂製のカートリッジ本体１２と、グルコース抽出用電極１３（斜線部）と、封止膜とを備え、取付孔２９によって分析ユニット１５に着脱可能に固定される。グルコースと反応する酵素は、センサ部材１９の下面に塗布する。収容物質は液体収容部２５に収容しておき、分析開始時に流路２３を介して反応部３０に移送することによりグルコースの抽出を開始し、抽出されたグルコースは酵素と反応する。
【選択図】 図１
【解決手段】
生体成分抽出カートリッジ１１と、生体成分抽出カートリッジ１１を着脱可能に保持する分析ユニット１５と、生体成分抽出カートリッジ１１に取り付けられるセンサ部材１９とにより生体成分分析装置１を構成する。生体成分抽出カートリッジ１１は、樹脂製のカートリッジ本体１２と、グルコース抽出用電極１３（斜線部）と、封止膜とを備え、取付孔２９によって分析ユニット１５に着脱可能に固定される。グルコースと反応する酵素は、センサ部材１９の下面に塗布する。収容物質は液体収容部２５に収容しておき、分析開始時に流路２３を介して反応部３０に移送することによりグルコースの抽出を開始し、抽出されたグルコースは酵素と反応する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、分析装置、カートリッジ、カートリッジキットおよび分析方法に関する。
生体組織の組織液に含まれるグルコースを皮膚を介して抽出する経皮的分析物抽出アセンブリとして、グルコースをリバースイオントフォレシス法により経皮的に抽出するアセンブリが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。
これらのアセンブリは、グルコースを反応させてグルコン酸および過酸化水素に変換するための触媒となる酵素であるグルコース酸化酵素（ＧＯＤ）などが、予めリザーバーに備えられたゲルなどに含まれており、ゲルに抽出されたグルコースがＧＯＤなどの酵素を触媒として反応することに起因して発生する電荷を検出することによって、グルコース濃度を測定する。
しかし、上記のアセンブリは、ゲルなどが予めリザーバーに備えられているため、アセンブリの使用時にはゲルに含まれる水分が蒸発してしまっていてアセンブリを使用できない場合があるという問題点がある。従って、上記のアセンブリは、長期間保存することが難しい。
また、ＧＯＤなどの酵素は、ゲルや液体などに接触していると水分により短期間で劣化してしまうため、上記アセンブリは保存安定性が悪く、長期保存することが難しいという問題点がある。
上記特許文献１では、また、脱水ゲルなどの乾燥状態の導電媒体を用い、導電媒体が皮膚に取り付けられる前に水や電解溶液を添加することによって、導電媒体の成分を安定させることも提案されている。しかし、上記特許文献１には、水や液体を添加するための機構については記載されていない。また、上記特許文献１では、２つのアセンブリのそれぞれに水などを添加する必要があり、操作が煩雑であるという問題点がある。
国際公開ＷＯ９６／００１１０号パンフレット
国際公開ＷＯ９７／１０３５６号パンフレット
この発明は、上述した問題点を解消した、新規な分析装置、カートリッジ、カートリッジキット、および分析方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の第１の観点による分析装置は、被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置であって、前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構とを備えたことを特徴としている。
本発明の第１の観点による分析装置では、上記のように、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構を備えているので、例えば、分析物に対する触媒となる酵素などが分析物リザーバーに保持されている場合であっても、分析装置の保存中は分析物リザーバーを乾燥した状態にしておき、分析装置を使用する際に液体供給機構から分析物リザーバーに液体を供給して、分析物を抽出することができる。このようにすれば、酵素が水分によって失活することを防止することができるので、分析装置の保存期間を従来のものと比較して長くすることができる。
上記分析装置に於いては、前記分析物を検出するための検出部をさらに含み、前記検出部は、前記液体供給機構によって前記分析物リザーバーに供給された液体に保持された分析物を検出するように構成することが可能である。
ここで、前記液体供給機構は、前記液体を吐出するポンプと、前記ポンプと前記分析物リザーバーとを連通する流路とを含むように構成することができる。
このように構成すれば、分析装置の使用者は、容易に分析物リザーバーに液体を供給することができる。
また、前記液体供給機構は、所定量の前記液体を収容する破断可能な液体容器と、前記液体容器を破断するための破断具と、前記液体容器が前記破断具によって破断されたときに前記液体容器から流出する前記液体を前記分析物リザーバーに導く流路とを含むように構成することが可能である。
このように構成すれば、分析装置の使用者は、容易に分析物リザーバーに液体を供給することができるとともに、分析装置を安価に製作することができる。
更に、検出部を備えた構成では、前記検出部は、前記分析物リザーバーの内部に露出して配置され、前記分析物が、前記液体を介して供給されるセンサ部材と、前記センサ部材を介して得られる、分析物に基づく信号を出力する信号出力器とをさらに含むように構成することができる。
ここで、前記信号出力器は、前記センサ部材に光を照射する光源と、前記光源から照射された光を、前記センサ部材を介して検出し、検出した光に基づく信号を出力する光検出器とを含むように構成し得る。
前記分析物リザーバーは、前記分析物に対する触媒となる酵素を乾燥状態で保持するように構成することが好ましい。
このように構成すれば、酵素が水分によって失活することを防止することができ、分析装置の保存期間を長くすることができる。
加えて、本発明の分析装置は、前記液体供給機構に連通し、前記被験者から抽出される分析物を保持するための液体を保持可能に構成された抽出チャンバと、前記抽出チャンバと前記分析物リザーバーとを連通する流路とをさらに含み、前記液体供給機構は、前記抽出チャンバを介して、前記分析物リザーバーに前記液体を供給し、前記分析物は、前記液体供給機構が前記抽出チャンバに液体を供給した状態で、前記抽出チャンバに前記被験者から抽出され、前記液体供給機構によって、前記抽出チャンバに供給された前記液体とともに前記分析物リザーバーに移送されるように構成し得る。
本発明の分析装置は、前記分析物がグルコースである場合に特に有用である。
本発明の第２の観点によるカートリッジは、被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に着脱可能なカートリッジであって、前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構とを備えたことを特徴とする。
本発明の第２の観点によるカートリッジでは、上記のように、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構を備えているので、例えば、分析物に対する触媒となる酵素などが分析物リザーバーに保持されている場合であっても、カートリッジの保存中は分析物リザーバーを乾燥した状態にしておき、カートリッジを使用する際に液体供給機構から分析物リザーバーに液体を供給して、分析物を抽出することができる。このようにすれば、酵素が水分によって失活することを防止することができるので、カートリッジの保存期間を従来のものと比較して長くすることができる。
上記カートリッジに於いて、前記液体供給機構は、所定量の前記液体を収容する破断可能な液体容器と、前記液体容器を破断するための破断具と、前記液体容器が前記破断具によって破断されたときに前記液体容器から流出する前記液体を前記分析物リザーバーに導く流路とを含むように構成することができる。
このように構成すれば、カートリッジの使用者は、容易に分析物リザーバーに液体を供給することができるとともに、カートリッジを安価に製作することができる。
また、本発明の第３の観点によるカートリッジは、被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に着脱可能なカートリッジであって、前記被験者から抽出された分析物を保持するための分析物保持物質を保持する分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され、前記分析物に対する触媒となる酵素と、前記分析物リザーバーによって保持され、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触しないよう分離する分離部材とを備え、前記分離部材は、前記分析物リザーバーから除去可能であり、前記分離部材が前記分析物リザーバーから除去されると、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触することを特徴とする。
本発明の第３の観点によるカートリッジでは、上記のように、前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され、前記分析物に対する触媒となる酵素と、前記分析物リザーバーに保持され、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触しないように分離する分離部材とを備え、前記分離部材は、前記分析物リザーバーから除去可能であり、前記分離部材が前記分析物リザーバーから除去されると、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触するように構成されているので、カートリッジの保存中に酵素が水分によって失活することを防止することができ、かつ、簡単な構成で、カートリッジの使用前に酵素と分析物保持物質とを接触させることができる。
上記カートリッジは、前記分析物保持物質が液体の場合に好適に使用される。
また、上記カートリッジは、前記分析物リザーバーの内部に露出して配置され、前記分析物が、前記分析物保持物質を介して供給されるセンサ部材をさらに含み、前記酵素は、前記センサ部材の、前記分析物リザーバーに露出した面に塗布されており、前記分離部材は、前記センサ部材の、前記分析物リザーバーに露出した面に貼付されたフィルムであるように構成することができる。
本発明の第４の観点によるカートリッジキットは、被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に使用されるカートリッジキットであって、前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され前記分析物に対する触媒となる酵素とを備えた、前記分析装置に着脱可能な単一のカートリッジと、前記分析物リザーバーに供給される液体を収容する液体容器とを備えたことを特徴とする。
本発明の第４の観点によるカートリッジキットでは、上記のように、前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保存可能に構成された分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され、前記分析物に対する触媒となる酵素とを備えた、前記分析装置に着脱可能な単一のカートリッジと、前記分析物リザーバーに供給される液体を収容する液体容器とを備えているので、カートリッジの保存中に酵素が水分によって失活することを防止することができ、かつ、分析装置へのカートリッジの装着が簡単なカートリッジキットを提供することができる。
上記カートリッジキットに於いて、前記液体容器は、所定量の液体を前記分析物リザーバーに供給する液体サプライヤーを含んでいるように構成され得る。
また、前記分析物リザーバーに配置され、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持可能な乾燥した液体保持部材をさらに含むように構成され得る。
本発明の第５の観点による分析方法は、被験者から抽出される分析物に対する触媒となる酵素を保持する酵素ホルダーを含む分析装置を用いて被験者から分析物を抽出し、分析する分析方法であって、（ａ）前記酵素ホルダーに乾燥状態で保持された酵素を、被験者から抽出される分析物を保持するための分析物保持物質と接触させるステップと、（ｂ）前記分析装置を被験者にセットするステップと、（ｃ）前記被験者から前記分析物保持物質に前記分析物を抽出するステップと、（ｄ）前記分析物保持物質に抽出された前記分析物を分析するステップとを包含することを特徴とする。
本発明の第５の観点による分析方法では、上記のように、前記酵素ホルダーに乾燥状態で保持された酵素を、被験者から抽出される分析物を保持するための分析物保持物質と接触させるステップと、前記分析装置を被験者にセットするステップと、前記被験者から前記分析物保持物質に前記分析物を抽出するステップとを包含しているので、分析装置の保存中に酵素が水分によって失活することを防止することができ、分析装置の保存期間をより長くすることができる。
以下、図面に基づき、本発明の最良の実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定して解釈されるものではない。
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る生体成分分析装置１の一部破断平面図である。本実施形態の生体成分分析装置１は、生体成分の一つであるグルコースを分析する装置であり、生体成分抽出カートリッジ１１と、この生体成分抽出カートリッジ１１を着脱可能に下面側（皮膚側）に保持する分析ユニット１５とを備えている。生体成分抽出カートリッジ１１は、アクリル等の樹脂からなるカートリッジ本体１２と、グルコースを抽出するための抽出用電極１３（斜線部）と、センサ部材１９と、後述する封止膜１４（図４）とによって構成されている。カートリッジ本体１２には、２つの取付孔２９が設けられている。分析ユニット１５は、２本の爪２９ａを取付孔２９に対応する下面側の位置に備えている。２本の爪２９ａは、互いの間隔が広くなる方向に付勢されている。生体成分抽出カートリッジ１１は、２つの取付孔２９のそれぞれに爪２９ａが挿入され、２本の爪２９ａの付勢力によって支持されることによって分析ユニット１５に着脱可能に固定されている。生体成分抽出カートリッジ１１は、グルコースの測定の毎に交換して使用される。分析ユニット１５には、分析ユニット１５を被験者の手首１６に固定するためのバンド２２と、配管２４と、配管２４を介して生体成分抽出カートリッジ１１に液体を供給する、分析ユニット１５に着脱可能なシリンジポンプ２５と、グルコース量を算出しその算出したグルコース量から血糖値を算出する制御部３１と、定電圧電源３２と、算出したグルコース量及び血糖値を表示する表示部３８などが設けられている。制御部３１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータと、アナログデジタル変換回路などを備えている。図１（ｂ）は生体成分分析装置１を被検者の手首１６にバンド２２により装着した場合の断面図であり、生体成分分析装置１は生体成分抽出カートリッジ１１の下面が被検者の手首１６の皮膚に密着するように装着される。
図２から図４を使用して、生体成分分析装置１についてさらに説明する。図２に示すように、カートリッジ本体１２にはセンサ部材１９を配置するための略十字型の凹部１７が設けられており、この凹部１７の略中央部には、カートリッジ本体１２の分析ユニット１５側（上面側）と皮膚側（下面側）とを貫通する略矩形の貫通孔が設けられている。この貫通孔の分析ユニット１５側の開口が第１開口１８であり、皮膚側の開口が第２開口２０（図４参照）である。センサ部材１９は、凹部１７に配置され、第１開口１８を塞いでいる。センサ部材１９の下面の、第１開口１８から皮膚側に露出している部分は、計測面４３である。この計測面４３には、グルコースに対する触媒となる酵素（グルコースオキシターゼ（ＧＯＤ））、ＧＯＤが存在することによってグルコースから生成される過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）に対する触媒となる酵素（ペルオキシターゼ（ＰＯＤ））、および、ＰＯＤが存在することによってＨ2Ｏ2から生成される活性酸素（Ｏ*）と反応する発色色素（Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジカリウム塩）を含有するゲルが塗布され、そのゲルを乾燥させる処理が施されている。
封止膜１４は、カートリッジ本体１２の下面（皮膚側の面）と同じ大きさを有するシートであり、開口２０に対応する位置に開口２０より大きさが小さい開口を有している。
カートリッジ本体１２の下面に封止膜１４が貼り付けられ、これによって、この封止膜１４は、第２開口２０の一部を除いて、カートリッジ本体１２の下面の全面を覆う。
封止膜１４の上面の、第２開口２０から分析ユニット１５側に露出している部分には、抽出用電極１３の２本の作用部１３ｂが、第２開口を挟んで設けられている（図４参照）。反応部３０は、凹部１７の略中央に形成された貫通孔を封止膜１４の一部とセンサ部材１９とで封鎖することによって形成されるチャンバである。上記のＧＯＤおよびＰＯＤなどの酵素と発色色素とは、反応部３０の内部に露出している計測面４３に塗布されることによって、反応部３０に保持されている。
抽出用電極１３は、図１の斜線で示すように、生体成分抽出カートリッジ１１の両端の２つの円形の端子部１３ａと、端子部１３ａにそれぞれ接続される中央の２本の作用部１３ｂとを有する。抽出用電極１３は、金属等の導電性材料からなる板を打ち抜くことによって形成され、封止膜１４の上面に接着されている。なお、抽出用電極１３は、金属等の導電性材料を蒸着することによって形成してもよい。図１に示すように、２つの端子部１３ａはカートリッジ本体１２に設けられた２つの固定穴２１にそれぞれ収納され、図４に示すように固定部材２１ａによって固定されている。抽出用電極１３の２つの端子部１３ａは、分析ユニット１５に設けられた定電圧電源３２の陰極側に接続されており、この定電圧電源３２の陰極側から被検者の皮膚を介してグルコースを抽出するための電流が供給される。また、定電圧電源３２の陽極側は、図１（ｂ）に示すように、被検者の皮膚に電気的に接続された陽極３３に接続されている。
また、図２に示すように、カートリッジ本体１２には反応部３０からカートリッジ本体１２の主に縦方向に延伸する流路２３が設けられている。流路２３は、図３（ｂ）及び図４に示すように、カートリッジ本体１２の下面側に溝状に形成され、封止膜１４によってその下面を封鎖されることにより、断面矩形の管状の流路を形成する。図２及び図３（ａ）に示すように、流路２３の上端の連通孔２３ａは、分析ユニット１５に設けられたシリンジポンプ２５に配管２４を介して接続されている。シリンジポンプ２５は複数回の測定に必要な量の生理食塩水を収容しており、ピストン２６を押し込むことにより、配管２４及び流路２３を介して反応部３０を満たすのに必要な量の生理食塩水が反応部３０に供給される。反応部３０に供給された生理食塩水は、被験者から抽出されるグルコースを保持し、計測面４３へと供給する。
更に、図２に示すように、カートリッジ本体１２には反応部３０からカートリッジ本体１２の主に縦方向に流路２３と平行に延伸する排出路２７が設けられている。排出路２７は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、カートリッジ本体１２の下面側に溝状に形成され、封止膜１４によってその下面を封鎖されることにより、断面矩形の管状の排出路を形成している。排出路２７は、緩衝空間２８を介して外部（大気）に開放されている。
図５は、本実施形態の生体成分抽出カートリッジ１１に取り付けられているセンサ部材１９の断面図を示している。このセンサ部材１９は、ガラスからなる基板４１を有し、この基板４１の皮膚側の表面には基板４１より高屈折率の第１光導波路層４２が形成されている。第１光導波路層４２の中央部の皮膚側の表面には、外周が傾斜した形状を有し第１光導波路層４２より高い屈折率を有する第２光導波路層４４が形成されている。第１光導波路層４２の皮膚側の表面の第２光導波路層４４が形成されていない部分には保護膜４５が形成され、保護膜４５の皮膚側の表面は遮光層４７によって覆われている。第２光導波路層４４の皮膚側に露出している部分は、計測面４３である。
分析ユニット１５は、図４および図５に示すように、センサ部材１９に分析用の光を供給するために、単色光源３４と、この単色光源３４からの光を基板４１を介して第１光導波路層４２に導くためのレンズ３５とを備えている。第１光導波路層４２に導かれた光は第２光導波路層４４に入射し、全反射を繰り返して再び第１光導波路層４２に導かれ、基板４１及びレンズ３７を介して受光素子３６に入射する。このレンズ３７及び受光素子３６も、分析ユニット１５に設けられている。受光素子３６に入射した光は、受光素子３６によってその光量に応じた電気信号に変換され、制御部３１に入力される。
センサ部材１９は、計測面４３が、カートリッジ本体１２の第１開口１８に一致するように配置される。
グルコースが被験者から抽出され、シリンジポンプ２５から反応部３０に供給された生理食塩水を介して計測面４３に到達すると、計測面に塗布されているＧＯＤが触媒として作用し、グルコースが反応してＨ2Ｏ2とグルコン酸が生成される。そして、計測面に塗布されているＰＯＤが触媒として作用し、Ｈ2Ｏ2が反応して活性酸素（Ｏ*）と水（Ｈ2Ｏ）が生成される。そして、活性酸素と計測面に塗布されている発色色素が反応することによって、発色する。この発色によって、反応部３０内の生理食塩水に接している第２光導波路層４４内を全反射しながら通過する光は、吸収された後、受光素子３６に達する。従って、受光素子３６から出力される電気信号は、計測面４３に到達したグルコース量を反映した大きさとなる。
なお、上述のグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）に代えて、ピラノースオキシターゼ、ヘキソキナーゼ、グルコキナーゼ、グルコース脱水素酵素等を用いることができる。また、発色試薬としては、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジカリウム塩に代えて、３，３’，５，５’−テトラメチルベンジリデン等を用いることができる。
以上の構成を有する本実施形態の生体成分分析装置１は、以下のようにして使用される。まず、生体成分抽出カートリッジ１１を分析ユニット１５に装着し、生体成分抽出カートリッジ１１の下面の封止膜１４が被検者の皮膚に接するように、生体成分分析装置１をバンド２２により被験者の手首に固定する。そして、ピストン２６を押し込むことにより、生理食塩水がシリンジポンプ２５から配管２４及び流路２３を介して移送され、反応部３０内に生理食塩水が満たされる。続いて、定電圧電源３２から抽出用電極１３に所定電圧（２Ｖ）を所定時間（３分間）印加することにより、生体成分であるグルコースを被検者の皮膚を介して反応部３０内の生理食塩水に抽出する。反応部３０内の生理食塩水に抽出されたグルコースは、生理食塩水内を移動し、計測面４３に到達する。
すると、前述したように、ＧＯＤが触媒として作用してグルコースが反応することに起因して発色色素が発色する。このときの光量を受光素子３６が検出し、制御部３１に光量に応じた電気信号を入力する。制御部３１は、この信号に基づいてグルコース量を算出し、この算出したグルコース量から血糖値を算出する。算出されたグルコース量及び血糖値は、表示部３８に表示される。
なお、本実施形態では、生体成分分析装置１を被験者の手首に装着した後に、シリンジポンプ２５から反応部３０への生理食塩水の供給を行っているが、本発明はこれに限らず、生体成分分析装置１を被験者の手首に装着する前に、シリンジポンプ２５から反応部３０内に生理食塩水を供給し、その後、生体成分分析装置１を被験者の手首に装着してもよい。
本実施形態の生体成分分析装置１では、生体成分分析装置１を使用していない状態では、酵素と生理食塩水とが分離して保存されており、かつ、酵素を含有しているゲルは乾燥状態であるので、酵素の水分による失活が防止され、生体成分抽出カートリッジ１１を長期に亘って保存することが可能となる。また、本実施形態の生体成分分析装置１は、液体である生理食塩水を用いているので、生理食塩水を確実に被験者の皮膚に密着することができる。これによって、被験者から抽出されるグルコースの量が安定し、分析精度が向上する。また、本実施形態の生体成分分析装置１は、カートリッジを長期保存した後でも、シリンジポンプ２５から反応部３０に生理食塩水を供給して使用することができる。従って、従来のものと比較して、カートリッジを長期保存することが可能となる。また、本実施形態の生体成分分析装置１は、単一の生体成分抽出カートリッジ１１を分析ユニット１５に装着すれば、グルコースの抽出が可能であるので、操作が簡単である。
図６から図８を使用して、他の実施形態の生体成分分析装置２について説明する。前述の生体成分分析装置１では反応部３０に於いてグルコースの抽出と検出とを行ったが、本実施形態の生体成分分析装置２は、反応部３０とは別に抽出部５０を設けた点が、図１〜５の生体成分分析装置１と主に異なる点である。なお、本実施形態の図６〜図８では、図１〜５に対応する同じ要素に対して同じ符号が付してある。
生体成分分析装置２では、カートリッジ本体５２の凹部１７内のほぼ中央に第１凹部５８が形成されている。第１凹部５８の開口にはセンサ部材１９の計測面４３が配置されている。従って、生体成分分析装置２では、反応部３０は、第１凹部５８をセンサ部材１９で塞ぐことによって形成されるチャンバである。
また、生体成分分析装置２は、第１凹部５８に隣接して抽出用凹部５９がカートリッジ本体５２の下面側に設けられている（図８参照）。
封止膜１４は、カートリッジ本体５２の下面と同じ大きさを有するシートであり、抽出用凹部５９の開口に対応する位置に、その開口より大きさが小さい開口を有している。カートリッジ本体５２の下面に封止膜１４が貼り付けられ、これによって、この封止膜１４は、抽出用凹部５９の開口の一部を除いて、カートリッジ本体５２の下面の全面を覆う。
封止膜１４の上面の、抽出用凹部５９の開口から分析ユニット１５側に露出している部分には、抽出用電極１３の２本の作用部１３ｂが、この開口を挟んで設けられている。
抽出部５０は、抽出用凹部５９と、その開口の一部を覆う封止膜１４とによって形成されるチャンバである。なお、抽出用凹部５９の内部にはセンサ部材１９は露出していない。また、反応部３０と抽出部５０とは、流路１８ａを介して連通している。反応部３０は、排出路２７及び緩衝空間２８を介して外部（大気）に開放されている。抽出部５０は、流路２３と配管２４とを介してシリンジポンプ２５に連通している。
本実施形態の生体成分分析装置２では、以下のようにしてグルコースの分析が行われる。まず、この生体成分抽出カートリッジ５１を分析ユニット１５に装着し、生体成分抽出カートリッジ５１の下面の封止膜１４が被検者の皮膚に接するように、生体成分分析装置２をバンド２２により被験者の手首に固定する。そして、ピストン２６を押し込むことにより、シリンジポンプ２５から配管２４及び流路２３を介して生理食塩水が移送される。これにより、抽出部５０内に生理食塩水が満たされる。続いて、定電圧電源３２から抽出用電極１３に所定電圧（２Ｖ）を所定時間（３分間）印加することにより、生体成分であるグルコースを被検者の皮膚を介して抽出部５０内の生理食塩水に抽出する。次に、再度ピストン２６を押し込むみ、抽出部５０内のグルコースが抽出された生理食塩水を反応部３０に移送する。反応部３０に於いては、前述のように計測面４３に塗布した酵素を触媒としてグルコースが反応することに起因して発色色素が発色し、上述と同様に受光素子３６によりグルコースの量を反映した信号が出力されることとなる。制御部３１は、この信号に基づいてグルコース量を算出し、この算出したグルコース量から血糖値を算出する。算出されたグルコース量及び血糖値は表示部３８に表示される。
なお、上記２つの実施形態では、被験者がピストン２６を押し込むことによって、生理食塩水を反応部３０や抽出部５０に移送する例について説明したが、本発明はこれに限らず、被験者が測定開始スイッチを押すと、ポンプが自動的に駆動して生理食塩水を反応部３０や抽出部５０に移送するように構成された生体成分分析装置に本発明を適用してもよい。測定開始スイッチ２６は表示部３３の近くや分析ユニット１５の側面などに設けてもよい。
図９および図１０を使用して、さらに他の実施形態の生体成分分析装置について説明する。本実施形態では、前述の生体成分分析装置１と比べて、分析ユニット１５に設けたシリンジポンプ２５に代えて、カートリッジ本体７２に液体収容部７５が設けられている点が、主に異なっている。なお、本実施形態では、分析ユニットについての説明は省略し、生体成分抽出カートリッジのみ説明する。また、図９及び図１０では、図１〜５に対応する同じ要素に対して同じ符号が付してある。
本実施形態では、図９に示すように、カートリッジ本体７２の流路２３の延長上には液体収容部７５が設けられている。この液体収容部７５は、カートリッジ本体７２の上面に設けられた収容凹部７６と、この収容凹部７６の開口を覆うフィルム７７とによって構成され、収容凹部７６とフィルム７７とによって囲まれた内部に生理食塩水７８が収納されている。液体収容部７５は連通孔２３ａを介して流路２３に連通しており、流路２３の途中には、生理食塩水７８が、カートリッジの使用前に反応部３０に流入してしまうことを防止するための封止栓２３ｂが設けられている。この封止栓２３ｂは、例えば高分子等の物質を詰めたもので、カートリッジの使用に際しては、熱、光、電気、圧力等により、変形、溶解等することにより、液体収容部７５内の生理食塩水７８を反応部３０に移送し得るように構成されている。なお、封止栓２３ｂは、フィルム７７によって収容凹部７６を密閉していれば、生理食塩水７８が反応部３０に流入してしまうことはないため、必ずしも必要ではない。
カートリッジの使用に際しては、被験者がフィルム７７を剥がす。これによって、収容凹部７６に収容されている生理食塩水は、大気圧によって反応部３０へと押し出される。
本実施形態の生体成分分析装置によれば、生理食塩水７８は予め生体成分抽出カートリッジに収納されているので、分析ユニット１５にシリンジポンプ２５などのポンプを設ける必要がなく、生体成分分析装置を簡単な構成とすることができる。
なお、図９に示した実施形態のカートリッジにおいて、液体収容部７５に、カッターと、カッターによって破断可能な材料で形成された液体カプセルをカッターの下部に収容し、その液体カプセルに生理食塩水を収容しておいてもよい。この場合、カートリッジの使用に際しては、被験者がフィルム７７を下向きに押し込む。これによって、液体カプセルがカッターによって破断し、生理食塩水が液体カプセルから流出する。流出した生理食塩水は、流路２３を介して反応部３０に流入する。
なお、シリンジポンプ２５および流路２３に代えて、液体収容部７５とカッターと液体カプセルと流路２３とによって構成される液体供給機構を、分析ユニット１５に設けてもよい。
また、図９に示した実施形態のカートリッジにおいて、液体収容部７５および流路２３を削除した構成としてもよい。この場合、１つの実施形態として、反応部３０に露出しているセンサ部材１９の計測面４３にフィルムをセンサ部材１９から除去可能に貼付しておき、反応部３０内に生理食塩水を予め収容しておく。この構成によって、センサ部材１９の計測面４３に塗布されている酵素（ＧＯＤおよびＰＯＤ）および発色色素は、フィルムによって生理食塩水と分離される。カートリッジの使用に際しては、被験者が、このフィルムをセンサ部材１９から除去することによって、酵素（ＧＯＤおよびＰＯＤ）および発色色素が生理食塩水と接触する。なお、フィルムは、被験者が抜き取ってもよいし、熱エネルギーや光エネルギーを用いて溶解してもよい。また、生理食塩水に代えてゲルなどの半固体状の物質を使用してもよい。
また、図９に示した実施形態のカートリッジから液体収容部７５および流路２３を削除した構成において、生理食塩水を収容した容器を準備し、その容器を用いて生理食塩水を第２開口２０を介して反応部30内に注入するようにしてもよい。図１７に容器の一例を示す。容器８１は、容器本体８２と、蓋８３とからなり、容器本体８２には、生理食塩水が収容されている。容器本体８２は、可撓性を有する樹脂によって形成されている。使用に際しては、被験者が蓋８３を取り外し、容器本体の口部８５を第２開口２０を介して反応部３０内に挿入し、容器本体８２の側面を掴む。これによって、生理食塩水８３が口部８５から流出し、生理食塩水８３が反応部３０に供給される。この場合、反応部３０内に、乾燥したスポンジや、乾燥したメッシュ状のシートなどの部材を収納しておき、供給された生理食塩水をこれらの部材によって保持するようにしてもよい。なお、容器から反応部３０に生理食塩水を供給するために、スポイトを用いてもよい。
図１１から図１６を使用して、他の実施形態によるグルコースの抽出および分析方法について説明する。本実施形態の抽出および分析方法では、生体成分分析装置１および図１１に示すマイクロニードル１０１を用いる。マイクロニードル１０１は、図１１（ａ）に示すように、多数の針１０３をホルダー１０６によって束ねた構造を有し、本実施形態〜では３０本の針１０３を使用し、ホルダー１０６の外径が１０ｍｍ、内径が３ｍｍ、ホルダー１０６の端面１０６ａから突き出している針１０３の部分の長さが３００μｍのものを使用している。
また、図１１（ｂ）に示すように、針１０３の端面１０６ａから突き出している部分は、円錐形状であり、端面１０６ａに最も近い部分、すなわち円錐の底面の直径が１６０μｍである。
本実施形態の分析方法を図１２を参照して説明する。ステップＳ１において、被験者は、挿入装置１０１の複数の針１０３を、手首の皮膚に押し当てることによって、抽出孔を形成する。
図１３は、抽出孔が形成された皮膚の断面を模式的に示している。同図に示すように、皮膚の最外面には、外気に直接接触する表皮１１３が存在している。この表皮１１３は、電気抵抗が大きい角質層１１１と、角質層１１１の下側に位置する顆粒層１１２等によって構成される。表皮１１３の下には真皮１１４が存在し、真皮１１４の下には、皮下組織１１５が存在している。挿入装置１０１の複数の針１０３を皮膚に押し当てることによって形成される複数の抽出孔１２２は、表皮１１３、すなわち、角質層１１１と顆粒層１１２等とを貫通し、真皮１１４の中間付近または下部には達するが、皮下組織１１５には達していない。抽出孔１２２は、皮膚表面における径が最も大きく、皮下組織１１５に近づくにつれて径が小さくなっている。抽出孔１２２の皮膚表面における径は、約１６０μｍであり、抽出孔１２２の深さは、約３００μｍである。ステップＳ１において抽出孔１２２が形成されると、矢印Ｓで示すように、真皮１１４に充満している体液が抽出孔１２２中に滲み出る。なお、この体液には、グルコースが含まれている。
図１３は、抽出孔が形成された皮膚の断面を模式的に示している。同図に示すように、皮膚の最外面には、外気に直接接触する表皮１１３が存在している。この表皮１１３は、電気抵抗が大きい角質層１１１と、角質層１１１の下側に位置する顆粒層１１２等によって構成される。表皮１１３の下には真皮１１４が存在し、真皮１１４の下には、皮下組織１１５が存在している。挿入装置１０１の複数の針１０３を皮膚に押し当てることによって形成される複数の抽出孔１２２は、表皮１１３、すなわち、角質層１１１と顆粒層１１２等とを貫通し、真皮１１４の中間付近または下部には達するが、皮下組織１１５には達していない。抽出孔１２２は、皮膚表面における径が最も大きく、皮下組織１１５に近づくにつれて径が小さくなっている。抽出孔１２２の皮膚表面における径は、約１６０μｍであり、抽出孔１２２の深さは、約３００μｍである。ステップＳ１において抽出孔１２２が形成されると、矢印Ｓで示すように、真皮１１４に充満している体液が抽出孔１２２中に滲み出る。なお、この体液には、グルコースが含まれている。
ステップＳ２において、被験者は、図１（ｂ）に示すように、生体成分分析装置１を手首に装着する。このとき、第２開口２０（図４参照）と、ステップＳ１において抽出孔１２２が形成された皮膚の部位とを一致させる。
ステップＳ３において、被験者は、ピストン２６を押し込むことにより、シリンジポンプ２５から反応部３０内に生理食塩水を移送する。これによって、反応部３０が生理食塩水で満たされるとともに、図１４に示すように、一部の生理食塩水が反応部３０から第２開口２０介して複数の抽出孔１２２内に流入する。生理食塩水が抽出孔１２２の内部に流入すると、ステップＳ１での抽出孔１２２の形成によって抽出孔１２２中に滲み出ている体液は、図１５に示すように、反応部３０に存在する生理食塩水の方向（図１５のＴ方向）に移動する。すると、抽出孔１２２中の生理食塩水に対する体液の濃度が低くなるので、矢印Ｓで示すように、体液が真皮１１４から抽出孔１２２中の生理食塩水に抽出される。
ステップＳ４において、定電圧電源３２から抽出用電極１３に所定電圧（０．８Ｖ）を所定時間（３分）印加する。これによって、抽出孔１２２に滲み出ている体液は、電荷を帯びているので、図１６に示すように、反応部３０の方向（図１６のＴ方向）への移動が促進される。なお、体液に含まれているグルコースは、電荷を帯びていないが、電荷を帯びている他の成分の移動に伴ってＴ方向に移動する。
ステップＳ５において、上述と同様に受光素子３６によりグルコースの量を反映した信号が出力され、制御部３１は、この信号に基づいてグルコース量を算出し、この算出したグルコース量から血糖値を算出する。算出されたグルコース量及び血糖値は表示部３８に表示される。
なお、上記何れの実施形態に於いても、酵素および発色色素をゲルに含有させた状態でセンサ部材１９の計測面４３に塗布し、そのゲルを乾燥させておく構成について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、酵素と発色色素とを光架橋性ポリビニルアルコールのような架橋高分子で固定化した構成や、酵素を色素の発色機能を発現する分子構造を持つ公知の脂質分子で固定化した構成も採用することができる。また、酵素をセンサ部材１９の計測面４３に塗布しておき、発色色素を生理食塩水に溶解しておいてもよい。
また、上記実施形態では、酵素および発色色素は、センサ部材１９の計測面４３に乾燥状態で塗布されているが、本発明はこれに限らず、酵素や発色色素を反応部３０の内壁に乾燥状態で塗布してもよい。
また、上記実施形態では、光信号に基づいてグルコースを検出する生体成分分析装置に生体成分抽出カートリッジを適用した場合について例示したが、本発明はこれに限らず、酵素電極法による電気信号に基づいてグルコースを検出する生体成分分析装置に本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、被験者から抽出されたグルコースをセンサ部材まで移動可能に保持するために、導電性の液体である生理食塩水を用いているが、本発明はこれに限らず、非導電性の液体である純水を用いてもよい。この場合、抽出用電極および陽極の両方を反応部３０または抽出部５０に配置してもよい。
なお、上記実施形態では、分析結果としてグルコース量および血糖値を算出する生体成分分析装置について説明したが、本発明はこれに限られず、分析結果として乳酸、尿酸、コレステロールなどの生化学項目を算出する生体成分分析装置に本発明を適用してもよい。
本発明の分析装置、カートリッジ、カートリッジキット及び分析方法は、医療産業の分野において有用である。
１，２ 生体成分分析装置
１１ 生体成分抽出カートリッジ
１２，５２，７２ カートリッジ本体
１３ 抽出用電極
１３ａ 端子部
１３ｂ 作用部
１４ 封止膜
１５ 分析ユニット
１７ 凹部
１８ 第１開口部
１８ａ 連通部
１９ センサ部材
２０ 第２開口
２２ バンド
２３ 流路
２３ａ 連通孔
２３ｂ 封止栓
２５，７５ 液体収容部
２６ 測定開始スイッチ
２７ 排出路
２８ 緩衝空間
２９ 取付孔
３０ 反応部
３１ 制御部
３２ 定電圧電源
３４ 単色光源
３５，３７ レンズ
３６ 受光素子
３８ 表示部
４１ 基板
４２ 第１光導波路層
４３ 計測面
４４ 第２光導波路層
４５ 保護膜
４７ 遮光層
５０ 抽出部
５８ 第１凹部
５９ 抽出用凹部
７６ 収容凹部
７７ フィルム
７８ 収容物質
１１ 生体成分抽出カートリッジ
１２，５２，７２ カートリッジ本体
１３ 抽出用電極
１３ａ 端子部
１３ｂ 作用部
１４ 封止膜
１５ 分析ユニット
１７ 凹部
１８ 第１開口部
１８ａ 連通部
１９ センサ部材
２０ 第２開口
２２ バンド
２３ 流路
２３ａ 連通孔
２３ｂ 封止栓
２５，７５ 液体収容部
２６ 測定開始スイッチ
２７ 排出路
２８ 緩衝空間
２９ 取付孔
３０ 反応部
３１ 制御部
３２ 定電圧電源
３４ 単色光源
３５，３７ レンズ
３６ 受光素子
３８ 表示部
４１ 基板
４２ 第１光導波路層
４３ 計測面
４４ 第２光導波路層
４５ 保護膜
４７ 遮光層
５０ 抽出部
５８ 第１凹部
５９ 抽出用凹部
７６ 収容凹部
７７ フィルム
７８ 収容物質
Claims (18)
- 被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置であって、
前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、
前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構と
を備えた分析装置。 - 請求項１記載の分析装置であって、
前記分析物を検出するための検出部をさらに含み、
前記検出部は、前記液体供給機構によって前記分析物リザーバーに供給された液体に保持された分析物を検出する分析装置。 - 請求項１又は２記載の分析装置であって、
前記液体供給機構は、前記液体を吐出するポンプと、前記ポンプと前記分析物リザーバーとを連通する流路とを含む分析装置。 - 請求項１又は２記載の分析装置であって、
前記液体供給機構は、所定量の前記液体を収容する破断可能な液体容器と、前記液体容器を破断するための破断具と、前記液体容器が前記破断具によって破断されたときに前記液体容器から流出する前記液体を前記分析物リザーバーに導く流路とを含む分析装置。 - 請求項２乃至４の何れかに記載の分析装置であって、
前記検出部は、前記分析物リザーバーの内部に露出して配置され、前記分析物が、前記液体を介して供給されるセンサ部材と、前記センサ部材を介して得られる、分析物に基づく信号を出力する信号出力器と、をさらに含む分析装置。 - 請求項５の分析装置であって、
前記信号出力器は、前記センサ部材に光を照射する光源と、前記光源から照射された光を、前記センサ部材を介して検出し、検出した光に基づく信号を出力する光検出器とを含む分析装置。 - 請求項１乃至６の何れかに記載の分析装置であって、
前記分析物リザーバーは、前記分析物に対する触媒となる酵素を乾燥状態で保持する分析装置。 - 請求項１乃至７の何れかに記載の分析装置であって、
前記液体供給機構に連通し、前記被験者から抽出される分析物を保持するための液体を保持可能に構成された抽出チャンバと、
前記抽出チャンバと前記分析物リザーバーとを連通する第２流路と
をさらに含み、
前記液体供給機構は、前記抽出チャンバを介して、前記分析物リザーバーに前記液体を供給し、
前記分析物は、前記液体供給機構が前記抽出チャンバに液体を供給した状態で、前記抽出チャンバに前記被験者から抽出され、前記液体供給機構によって、前記抽出チャンバに供給された前記液体とともに前記分析物リザーバーに移送される分析装置。 - 請求項１乃至８の何れかに記載の分析装置であって、
前記分析物は、グルコースである分析装置。 - 被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に着脱可能なカートリッジであって、
前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、
前記分析物リザーバーに供給される液体を保持し、その液体を前記分析物リザーバーに供給する液体供給機構と
を備えたカートリッジ。 - 請求項１０のカートリッジであって、
前記液体供給機構は、所定量の前記液体を収容する破断可能な液体容器と、前記液体容器を破断するための破断具と、前記液体容器が前記破断具によって破断されたときに前記液体容器から流出する前記液体を前記分析物リザーバーに導く流路とを含むカートリッジ。 - 被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に着脱可能なカートリッジであって、
前記被験者から抽出された分析物を保持するための分析物保持物質を保持する分析物リザーバーと、
前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され、前記分析物に対する触媒となる酵素と、
前記分析物リザーバーによって保持され、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触しないよう分離する分離部材と
を備え、
前記分離部材は、前記分析物リザーバーから除去可能であり、前記分離部材が前記分析物リザーバーから除去されると、前記酵素と前記分析物保持物質とが接触するカートリッジ。 - 請求項１２のカートリッジであって、
前記分析物保持物質は、液体であるカートリッジ。 - 請求項１２又は１３記載カートリッジであって、
前記分析物リザーバーの内部に露出して配置され、前記分析物が、前記分析物保持物質を介して供給されるセンサ部材をさらに含み、
前記酵素は、前記センサ部材の、前記分析物リザーバーに露出した面に塗布されており、
前記分離部材は、前記センサ部材の、前記分析物リザーバーに露出した面に貼付されたフィルムであるカートリッジ。 - 被験者から分析物を抽出し、分析する分析装置に使用されるカートリッジキットであって、
前記被験者から抽出された分析物を保持するための液体を保持可能に構成された分析物リザーバーと、前記分析物リザーバーによって乾燥状態で保持され前記分析物に対する触媒となる酵素とを備えた、前記分析装置に着脱可能な単一のカートリッジと、
前記分析物リザーバーに供給される液体を収容する液体容器と
を備えたカートリッジキット。 - 請求項1５のカートリッジキットであって、
前記液体容器は、所定量の液体を前記分析物リザーバーに供給する液体サプライヤーを含んでいるカートリッジキット。 - 請求項１５のカートリッジキットであって、
前記分析物リザーバーに配置され、前記分析物リザーバーに供給される液体を保持可能な乾燥した液体保持部材をさらに含むカートリッジキット。 - 被験者から抽出される分析物に対する触媒となる酵素を保持する酵素ホルダーを含む分析装置を用いて被験者から分析物を抽出し、分析する分析方法であって、
（ａ）前記酵素ホルダーに乾燥状態で保持された酵素を、被験者から抽出される分析物を保持するための分析物保持物質と接触させるステップと、
（ｂ）前記分析装置を被験者にセットするステップと、
（ｃ）前記被験者から前記分析物保持物質に前記分析物を抽出するステップと、
（ｄ）前記分析物保持物質に抽出された前記分析物を分析するステップと
を包含する分析方法。
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