JP2006308561A - バイオセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で血液の成分分析を行う。
【解決手段】毛細管現象によって一定量の試料を吸い上げる吸引空洞を備えたバイオセンサであり、吸引空洞と試薬を備える分析空洞とを繋ぐ流路を有し、この流路は、流路面積を狭めた隙間を備えた狭窄部を有する。狭窄部は、吸引空洞に試料を吸い上げるときには試料を吸引空洞に保持する機能と、吸引空洞に試料を保持した状態において、外部から遠心力が加わるときには、吸引空洞に貯められた試料を、隙間を通して分析空洞に流通させる機能を備える。狭窄部が有する２つの機能によって、血液試料の簡易な採取を可能とし、採取した血液試料の遠心力によって、分析領域への簡易な移動を可能とする他、成分抽出を簡易に行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の採取と採取した試料を分析部分に移動する構造を備えたバイオセンサに関する。

近年、ライフスタイルの変化により高血圧、糖尿病、高脂血症患者が増えてきた。これらは生活習慣病と呼ばれ、動脈硬化の危険因子である。国や自治体では、生活習慣を修正して、脳卒中死亡率、虚血性心疾患死亡率、総循環器疾患死亡率を低下させることを目指している。

生活習慣病では生活管理が重要な治療方法であり、医師、看護師、薬剤師などの医療従事者は、治療のためのさまざまな指導も行っている。

しかし、実際には日常生活での忙しさや怠慢で、これを十分に自己管理できないことが多い。患者自身は、健康診断によりこれらの疾病が見つかったとしても、自覚症状がないために治療を怠り、病状を悪化させてしまうことが少なくない。さらに、医療従事者が患者の日常生活の中で、実際に指導内容を実施しているかを確認することは、極めて困難であり不可能である。

このような背景から、患者は本人の強い意志で、薬物療法、食事療法、運動療法を継続して実践していく必要がある。そのために、医療機関で行われる検査に加えて、在宅でも自らの手で病態を把握することは、患者自身による健康管理にとって有効であると期待されている。なぜならば、患者が、患者自身を検査し、その検査結果に基づいて、自ら生活習慣の改善点と今後の課題を再考することや、治療の目標を達成したときに充実感を感じることは、自己管理行動を強化するからである。

そして、この自己管理は、治療意識の維持や向上に繋がり、生活習慣病の治療と予防に大きな成果があると期待されている。そこで、患者が自ら在宅で検査を行えるように、在宅用の検査機器の開発が盛んに行われている。

臨床診断分野の血液検査では、採血した血液から血液中の特定成分を分析することによって、被検者の疾病状態や治療回復状態などを把握している。この検査では、採血した血液を成分別に分離し、被分析物を含む試料だけを分析するのが普通である。血液の生化学検査の項目では血清成分を対象とすることが多い。

在宅検査に使用される検査機器の代表例としては、血液中のグルコース濃度（血糖値）を測定する自己血糖測定機がある。現在広く用いられている自己血糖測定機を用いた検査においては、被検者自身が指先や腕に穿刺針を刺して、出血した少量の血液サンプルを利用する。

血糖値とは、正確に言えば、血清中のグルコース濃度のことである。最も一般的なグルコース濃度の計測法は、酵素電極を用いた方法である。この計測方法では、採血した全ての血液サンプルをバイオセンサに供給して測定している。バイオセンサは、内部に酵素反応層を有する。アンペロメトリ法による測定では、酵素反応層は血球を溶血させることなく、血清中のグルコース濃度に応じた電流を測定する。この測定方法では、血球成分を分離せずに、血清中の特定成分の濃度を測定している。

患者自らが在宅で採血する方法は、自己血糖測定機の場合のように、指先や腕を穿刺して微量な血液を得る方法に限られる。この方法で得られる血液は、一般に50マイクロリットル以下である。

特許文献１には、ヒトの採血した全ての血液サンプルからグルコース濃度を測定する電気化学のバイオセンサが簡易血糖値計として開示されている。このバイオセンサは試料の吸引口を有し、検査試料である全血液サンプルをこの吸引口に加えると、全血液サンプルは毛細管現象により毛細管状充填室と呼ばれる吸引空洞に引き込まれる。この吸引空洞への引き込みは、吸引空洞の奥に形成された空気口から吸引空洞内の空気を逃がすことによって行われる。

この吸引空洞には作用電極と対向電極が配置されている。この電極は、血球成分を含む全血液サンプルの状態でグルコース濃度に相関した電流測定値を取得する。この電流測定値によって、簡易的に血糖値を測定できる。

特許文献２には、遠心操作により血漿分離する血液分析のバイオセンサが開示されている。血液分析のバイオセンサの流路には、遠心分離時の遠心方向に血球成分が溜まる部分が配置されている。遠心分離は、血球成分を底部に集積させ、血漿成分を上清みとして分離する。このバイオセンサでは、試料となる、被検査者から採取した血液サンプルの全てを導入するために、排出口に外部ポンプを取り付けて、血液吸引口から吸引負圧によって全血液サンプルを引き込んでいる。また、遠心分離後の血漿成分の移動も、同様にして、外部ポンプによる吸引負圧によって分析位置に導く構造である。
特開２００２−３１０９７３号公報（第６−８頁） 特開２００４−１０９０８２号公報（第６−９頁）

特許文献１に示すバイオセンサは、血液中のグルコース濃度を簡易な構成で測定する。このバイオセンサは、血漿または血清成分を抽出せずに、血球成分を含む全血状態で分析し、血清中のグルコース濃度と十分に相関した電流測定値を得る。

しかし、グルコース以外の検査項目を分析する場合には、一般的には血球成分を分離して、血漿または血清成分のみを抽出してから分析する必要がある。仮に血球成分を含む全血の状態で検査すると、血球成分は溶血して血漿成分と混ざり合ってしまうために、正確に濃度測定することは不可能であるという問題があった。

また、吸引口から空気口までの毛細管現象によって試料を吸引空洞に吸い上げる構造のバイオセンサに対して、強引に遠心操作を行なった場合には、吸引口または空気口から血液試料が飛び散ってしまうという問題がある。

特許文献２は遠心分離に対応したバイオセンサの構造が開示されている。このバイオセンサでは、試料となる全血をバイオセンサに導く操作や、遠心分離後に血漿または血清成分を分析位置に導く操作のために、外部ポンプを取り付けて吸引するための負圧を作り出さなければならない。このために、周辺装置が大型化して在宅機器としては適さないという問題がある。

在宅での血液の検査項目を血糖値だけでなく他の検査項目に拡大するためには、簡単な血漿または血清成分の抽出技術が望まれているが、上記した従来技術では、簡易な構成で血液の成分分析を行うことが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は上記の課題を解決して、簡易な構成で血液の成分分析を行うことを目的とする。

本発明のバイオセンサは、毛細管現象によって一定量の試料を吸い上げる吸引空洞を備えたバイオセンサであり、吸引空洞と試薬を備える分析空洞とを繋ぐ流路を有し、この流路は、流路面積を狭めた隙間を備えた狭窄部を有する。本発明のバイオセンサが流路に有する狭窄部は、吸引空洞に試料を吸い上げるときに試料を吸引空洞に保持する機能と、吸引空洞に試料を保持した状態において、外部から遠心力が加わるときには、吸引空洞に貯められた試料を、隙間を通して分析空洞に流通させる機能を備える。

本発明のバイオセンサは、上記した狭窄部が有する２つの機能によって、血液試料の簡易な採取を可能とし、採取した血液試料の遠心力によって、分析領域への簡易な移動を可能とする他、成分抽出を簡易に行うことができる。本発明のバイオセンサは、流路内に設けた狭窄部を通して、吸引空洞内に吸い上げた試料を分析空洞に移動させることによって、遠心動作時において、吸引空洞内に吸い上げた試料の全てを分析空洞に移動させて、分析対象となる試料の減少を防ぐ他、試料が外部に飛び散ることによる外部の汚染を防ぐことができる。

本発明のバイオセンサは、分析空洞には、電気化学測定のための酵素反応層を有することが望ましい。アンペロメトリ法によれば、酵素反応層は血球を溶血させることなく、血清中のグルコース濃度に応じた電流を測定することができ、血球成分を分離せずに、血清中の特定成分の濃度を測定することができる。

また、本発明のバイオセンサの分析空洞は、複数の酵素反応層を遠心力が加わる方向に分離して配置し、分離される試料の成分を測定することができる。

本発明のバイオセンサの吸引空洞は、遠心力が加わる方向に対して直交する方向に並列する２つの開口部と、前記流路と連通する結合部とを有する。結合部において、各開口部と結合部とを結ぶ方向は、遠心力が加わる方向に対して鈍角で交わる配置関係とする。なお、この鈍角は９０度以上の任意の角度とすることができる。

ここで、一方の開口部は、試料を吸引空洞内に吸い上げる吸い上げ口として作用し、他方の開口部は、試料を吸引空洞内に吸い上げる際に、吸引空洞内に存在する空気を排気する排気口として作用する。

この吸引空洞の配置により、吸引空洞内の試料は、遠心力により吸引空洞から流路方向に向かう力を受け、流路内に導入される。また、上記した、２つの開口部の位置関係と、結合部における角度関係とすることによって、吸引空洞内に保持される試料に遠心力が加わった際に、何れの開口部からも外部に試料が飛び出さないようにすると共に、流路内に向かって試料を導入することができる。

また、吸引空洞内には、試料を前処理するための試薬を設けてもよい。

本発明のバイオセンサは、吸引空洞、流路、および分析空洞を、一方又は両方の対向面に凹凸部が形成された２枚の板状部材を対向して貼り合わせることで形成する。さらに、２枚の板状部材の間に電極基板を挟む構成とし、この電極基板が備える電極は、分析空洞内に露出する構成とすることができる。この電極は、分析空洞内に導入された試料の成分濃度に応じた測定電流を検出する。

板状部材の少なくとも一方は、電極基板の電極と電気的に接続される外部接続用コネクタを外部回路と電気的に接続するための窓部を備える。したがって、この窓部を通して、外部回路をコネクタに電気的に接続することによって、分析空洞内の電極で検出した測定電流を外部回路に導出することができる。

また、板状部材は、窓部の周囲を囲むＯリング又はパッキング部材等の漏れ防止部材を備えることができる。仮に試料が分析空洞から漏れ出たとしても、この漏れ防止部材によって、窓部内の外部接続用コネクタが試料と接触することを防ぐことができる。この漏れ防止部材は、複数の窓部を一括して囲む構成とする他に、複数の窓部をそれぞれ個別に囲む構成としてもよい。

また、外部接続用コネクタは、遠心力が加わる方向において、少なくとも分析空洞よりも遠心力の中心に近い位置に配置する。この配置によって、遠心力作用時には、分析空洞内の試料は、遠心力の作用によって外部接続用コネクタから離れる方向の力を受けるため、外部接続用コネクタと試料との接触を避けることができる。

本発明のバイオセンサは、吸引空洞、流路、分析空洞の外周部分を超音波溶着する。この超音波溶着によって、バイオセンサ内に導入された試料が、外部に漏れ出ることを防ぐことができる。さらに、板状部材の最外周部分を超音波溶着してもよい。

本発明のバイオセンサの吸引空洞の壁面に親水性コーティングを施す構成とすることができ、これによって、外部から吸引空洞内への試料の吸い上げを容易とすることができる。この親水性コーティングは界面活性剤の塗布により形成することができる。

また、本発明のバイオセンサが、流路内に備える狭窄部は疎水性とすることができ、これによって、遠心力を作用しない状態で吸引空洞内に試料を吸い上げる際に、吸い上げた試料がそのまま流路内に導入されることを防ぐことができ、これによって、一定量の試料を吸引空洞内に吸い上げることができる。また、この狭窄部の疎水性は、狭窄部を疎水性の合成樹脂で形成することで取得することができる。また、狭窄部の疎水性は、狭窄部に撥水処理を施すことによっても形成してもよい。

本発明のバイオセンサが備える狭窄部は、例えば、吸引空洞側において流路面積が漸減する第１の部分と、吸引空洞側と流路側との間において、所定距離の間、流路面積を狭める第２の部分とを備えた構成とし、第２の部分の後方において、狭めた流路面積から流路の流路面積に増大する形状によって形成することができる。この構成によって、吸引空洞に試料を吸い上げるときに、試料を吸引空洞に保持し、外部から遠心力が加わるときに、吸引空洞に貯められた試料を、隙間を通して前記分析空洞に流通させることができる。

バイオセンサは、吸引口から毛細管現象により血液試料を吸引空洞に吸い上げる。吸引空洞内に血液試料を吸い上げたバイオセンサを回転台に取り付ける。回転台はバイオセンサを回転して遠心力を加える。遠心力が加えられたバイオセンサは、吸引空洞内に保持する全ての血液試料は、狭窄部を通過して分析空洞に導かれる。遠心力を受けた血液試料は、分析空洞内においてその比重に応じた位置に分離される。分離された位置と血液試料の成分とは対応している。分離した位置から血液試料の成分を識別することができる。その位置に対応して電極を配置することにより、その電極の測定電流により血液試料の成分の濃度を測定することができる。

本発明のバイオセンサは、指先や腕に穿刺針を刺して、出血した少量の血液を吸い上げる。その後に、バイオセンサに遠心力を加えることによって、試料血液は分析空洞内に移動する。さらに、試料血液は、遠心分離によって成分別に分離する。分離した成分から被分析物を含む成分を分析する。

この構成により、血漿成分または血清成分の抽出を必要とする血液検査に適応できるバイオセンサを提供することができる。

本発明のバイオセンサは、分析装置が遠心力を加えるだけの単純な機構であり、外部ポンプなど大掛かりな周辺装置を不要とすることができるため、在宅機器に適した構造にすることができる。

本発明のバイオセンサは、血液試料の分析位置への移動と、血液の成分別の分離という二つの動作を、ひとつの回転モーターで実現することで、極めて単純な機構とすることができる。

はじめに、本発明のバイオセンサの第１の実施形態について説明する。図２は、本発明のバイオセンサの一実施形態を示す外観図である。バイオセンサ１は、下板２０、電極基板１０を貼り合わせた構造になっている。図２（Ａ）はバイオセンサを電極基板１０側から見た図を示し、図２（Ｂ）はバイオセンサを下板２０側から見た図を示している。

バイオセンサ１の一方の側面には吸引口２１があり、他方の側面には空気口２２がある。その吸引口２１と空気口２２の間には、下板２０と電極基板１０に挟まれた部分によって形成される隙間が設けられている。この隙間は吸引空洞２３であり、一定量の血液等の試料を吸い上げ、一時的に貯める空間である。試料となる血液は吸引口２１から毛細管現象により吸い上げられ、吸引空洞２３内の空気は空気口２２から抜け出る構造になっている。吸引後は、吸引空洞２３内は血液によって満たされる。なお、何れの開口部を吸引口あるいは空気口２２とするかは任意に定めることができ、符号２１の開口部分を空気口とし、符号２２の開口部分を吸引口としてもよい。

吸引口２１に繋がる吸引空洞部分と、空気口２２に繋がる吸引空洞部分は、バイオセンサ１の内部において結合し、分析空洞（図２では示していない）に向かう流路２５に繋がっている。

バイオセンサ１の裏面にはコネクタ窓２９がある。なお、ここでは、電極基板１０側を表側とし、下板２０側を裏面として取り扱うが、表裏は便宜的に定めたに過ぎず、表裏の関係は反対に定めても良い。

図２において、コネクタ窓２９の奥には、コネクタ端子１２（図示していない）が配置されている。コネクタ端子１２は、電極基板１０に設けられた接点端子であり、分析空洞内に設けた電極と配線によって電気的に接続されている。コネクタ端子１２は、外部の分析装置と電気的に接続することによって、電気化学測定を行う。

なお、電極基板１０は、後述する電極を配設する基板を構成する他、下板２０に対する上板を兼ねている。

図１は、バイオセンサ１の分解斜視図である。下板２０は透明プラスチックで形成され、吸引空洞２３、分析空洞２４および流路２５の試料運搬用の溝が形成されている。一定量の血液３が吸引空洞２３に吸い上げられた状態を示している。流路２５の一部には、狭窄部２６を形成する壁部が接合される箇所が設けられている。吸引空洞２３に一定量の検査試料となる血液を吸い上げるときには、血液３は狭窄部２６の壁部によってせき止められ、吸引空洞２３に保持される。これは流路２５、分析空洞２４には空気抜きの構造がないためである。単に毛細管現象によって分析空洞２４内に吸い上げられた状態の血液３は、狭窄部２６の壁部の途中まで入ることはあっても、決して狭窄部２６を越えて流路２５に流れ込むことはない。血液３が狭窄部２６を超えて流路２５および分析空洞２４内へ侵入しるには、後述する遠心力による作用が必要である。

流路２５は、吸引空洞２３と分析空洞２４とを繋ぐ溝である。狭窄部２６は、吸引空洞２３に隣接した位置の流路２５の一部分であり、遠心力を加えた場合に吸引空洞２３内の血液３を分析空洞２４に流通させることができる狭い隙間を備えている。分析空洞２４は下板２０に掘られた溝と電極基板１０に挟まれた空間である。分析空洞２４の上下面は、電極基板１０と下板２０とによって塞がれ、側面は下板２０の壁部によって塞がれる。分析空洞２４の側面の一部は、流路２５と連通する開口部を有し、この開口部を通して流路２５から血液３を流し込む構造になっている。

そして、分析空洞２４は、血液を分析するための試薬を備える。血液３は外部から一定以上の大きさの遠心力が印加されると、せき止められていた狭窄部２６の壁部を乗り越えて流路２５に流れ込み、さらに、流路２５を経由して分析空洞２４に導かれる。このとき、分析空洞２４にあった一部の空気は、流路２５および吸引空洞２３を通って、分析空洞２４の外側に逃がされる。分析空洞２４内に流入した血液は、試薬と反応して分析が行われる。

ここで、吸引空洞２３、狭窄部２６、流路２５の配置および方向の関係について説明を加える。遠心力が加えられる方向をアナログ式時計の６時の方向とした場合、血液試料の入口である吸引口２１は１０時の方向、空気の出口である空気口２２は２時の方向にあり、血液試料を分析空洞２４に導く流路２５は６時方向にある。つまり、吸引空洞２３が有する２つの開口部（吸引口２１および空気口２２）は、遠心力が加わる方向に対して直交する方向で並び、吸引空洞２３が流路２５と連通する結合部において、各開口部２１，２２と結合部とを結ぶ方向が、遠心力が加わる方向と成す角度は鈍角である。バイオセンサ１を平面方向から見たとき、吸引空洞２３と、流路２５及び分析空洞２４は、Ｙ字形状を形成する。

この配置および方向の関係により、吸引空洞内の試料は遠心力により流路方向に向かう力を受ける。遠心力が加えられたときに、吸引空洞２３に貯めた血液３は、吸引口２１と空気口２２から漏れることなく、すべて狭窄部２６を乗り越えて流路２５を通って、分析空洞２４に導かれる。

いま便宜上、吸引口２１と空気口２２を分けて説明したが、ふたつの出入り口は同一形状をしていて、逆の用途でも使用可能であり、２時方向の出入り口から試料を吸い上げることもできる。また、遠心力の方向を６時の方向としたとき、開口部の方向を２時の方向および１０時の方向で説明したが、結合部における角度関係が前記した鈍角の関係を形成するのであれば、開口部の方向は上記方向に限られるものではない。

吸引空洞２３の断面の一例は、1.5ｍｍ（幅）×0.3ｍｍ（深さ）程度であり、断面積は0.45ｍｍ² である。狭窄部２６の隙間の断面は、1ｍｍ（幅）×0.1ｍｍ（深さ）程度であり、断面積は0.1ｍｍ²と極めて細い隙間とし、狭窄部２６の壁部の長さは3ｍｍと比較的長く形成することが望ましい。この数値例は一例であり、狭窄部２６の寸法は、所定の遠心力が印加されるまでは血液を吸引空洞２３内に止め、所定の大きさ以上の遠心力が印加されたときに、血液を流路２５側に流す程度の抵抗を生成する寸法であれば、上記数値に限るものではない。

さらに、下板２０の裏面には、コネクタ端子１２（図１，図２には示していない）と電気的に接続するためのコネクタ窓２９があけられている。電極基板１０は、例えばＰＥＴのポリエステルフィルムによるＦＰＣであり、コネクタ窓２９の上面位置にコネクタ端子１２が配置され、分析空洞２４の上面位置に電気化学測定のための電極１１が配置されている。この電極１１は、作用極、対極、参照極を有する。

電極１１の作用極はカーボン電極であり、作用極の表面には試薬である酸化還元酵素と電子メディエータを含む酵素反応層１１ａが形成されている。電極１１の対極と参照極は銀−塩化銀電極である。例えば、グルコースを測定するバイオセンサの場合には、酸化還元酵素にはグルコースオキシダーゼが、また電子メディエータにはフェリシアン化カリウムなどがそれぞれ用いられる。

図４は、バイオセンサ１の断面図である。図４の（Ａ）は、血液３を吸引する前の状態を示し、図４の（Ｂ）は、血液３が吸引空洞２３に吸い上げられた状態を示している。狭窄部２６は吸引空洞２３に隣接した位置の流路２５の一部分に形成される。遠心力を印加することなく、単に毛細管現象によって吸引空洞２３に一定量の検査試料となる血液を吸い上げるときには、血液３は狭窄部２６の隙間を通過せず、流路２５及び分析空洞２４に流れ込むことはない。つまり、血液３は隔壁２６によってせき止められ、吸引空洞２３に保持される。

図４の（Ｃ）は、血液が血球成分３１と血漿成分３２に成分別に遠心分離された状態を示している。外部から遠心力を加えることで、吸引空洞２３に貯められた試料である血液３は、狭窄部２６の隙間を通過して流路２５に流れ出る。そしてさらに、試料である血液は、試薬を備えた酵素反応層１１ａが形成された分析空洞２４に導かれる。分析空洞２４内に導入された血液は、外部から印加された遠心力によって血球成分３１と血漿成分３２に成分別に遠心分離される。複数の酵素反応層１１ａを遠心力の方向に沿って配置し、各酵素反応層を遠心分離した試料の成分に対応づけることができる。

次に、図２及び図１を用いて、バイオセンサ１の動作について説明する。ここでは、穿刺で得られた血液を吸引してから、遠心機能を備えた分析装置２で分析するまでの動作について説明する。

まず、採血部位である指先に穿刺針を刺して、分析に必要な血液量以上の血液を出す。分析に必要な血液量は例えば約10μＬであり、この必要な血液量を吸い上げるために、吸引空洞２３の容積はこの必要な血液量と同量になっている。そして、血液（全血）をバイオセンサ１の吸引口２１に接触させる。血液３は毛細管現象によって吸引されて、吸引口２１から空気口２２までの吸引空洞２３を満たす。吸引空洞２３は、壁面に界面活性剤等の親水性のコーティングを施す等によって親水性として血液を吸い込み易くすることができる。また、メンブレン等を配置する構成としてもよい。

このとき、血液３は狭窄部２６の途中まで入ることはあっても、決して狭窄部２６の隙間を通過して流路２５側に流れ込むことはない。これは、狭窄部２６に形成された隙間によって流れの抵抗が高められていることや、狭窄部２６よって下流側の空気の排出が制限されているからである。流路２５および分析空洞２４によって形成される空間は、内部の空気が抜け出る場所がない閉じた空間になっている。そのために、流路２５および分析空洞２４の内部の空気は抜け出ない構造になっているために、血液３は流路２５の方向には流れ込むことはない。

なお、吸引された血液３は、透明プラスチックの下板２０の裏面から確認することができる。もしも、血液が十分に吸引されず、吸引空洞２３を満たしていない場合には、再度、指先の穿刺部位から血液を出し、血液を吸引口２１から追加して吸い上げる。これによって、吸引空洞２３は一定量の検査試料である血液を吸い上げることができる。

さらに、前処理反応を必要とする分析では、吸引空洞に試薬を配置することによって、全血を吸引した状態で全血を対象とした前処理を実施することか可能である。例えば、前処理がプロテアーゼ処理のときには、吸引空洞２３にプロテアーゼ処理のための試薬であるプロテアーゼを予め配置しておくことによって、血漿タンパク質をアミノ酸にプロテアーゼ処理することができる。この試薬は、例えば、吸引空洞２３の内壁に塗布した後に乾燥させておく他に、メンブレンに設けるようにしてもよい。

次に、図５を用いて、バイオセンサ１を取り付ける遠心機能付きの分析装置２の構造について簡単に説明する。ただし、図５は分析装置２の遠心機構部の概略構造だけを示すものであり、電気化学測定部、表示部及び操作スイッチ部などは省略している。

分析装置２の遠心機構部は、回転台４０、モーター４１、スプリングコネクタ４２から構成されている。回転台４０は、バイオセンサ１を取り付けて、高速回転する取り付け台である。モーター４１は、回転台４０及びバイオセンサ１を回転させるための駆動モーターであり、例えば直流モーターであり、回転速度は5000回／分である。スプリングコネクタ４２は、バイオセンサ１のコネクタ端子１２（図５には示していない）と、分析装置の電気化学測定部とを電気的に接続する。ここで、バイオセンサ１を分析するときには、遠心機能付き分析装置２の回転台４０に、吸引空洞２３が回転中心側、分析空洞２４が回転外周側となるように取り付ける。分析装置２の操作スイッチを押すと、回転台４０が回転を始める。回転速度は徐々に上がり、最高回転速度は、例えば5000回／分で、５分間継続する。バイオセンサ１は外部の分析装置２から一定の遠心力を加えられたことになる。回転中心から分析空洞２４の先端までの回転半径が7cmの場合には、分析空洞２４の先端での遠心力は、重力のおよそ2000倍になる。

図３はバイオセンサ１を遠心分離した状態を示す分解斜視図である。図３を用いて、バイオセンサ１の内部にある血液３の移動過程について説明する。まず、血液３を採取して遠心力を加える前の状態では、図１に示すように、血液３は吸引空洞２３を満たしている。このとき血液３は、狭窄部２６によってせき止められている。

その後、図５に示すように、バイオセンサ１を取り付けた回転台４０を回転させる。すると、バイオセンサ１は、遠心方向、言い換えればアナログ式時計の６時方向に遠心力が加えられる。そうすると、吸引空洞２３に貯められた血液３は、１０時方向と２時方向の吸引口２１と空気口２２から漏れることなく、遠心力によってすべての６時方向にある狭窄部２６の隙間を通過し、流路２５を通って分析空洞２４に導かれる。

その後さらに回転台４０の回転運動を継続して、外部から一定の遠心力を加えると、血液３は比重によって血球成分３１と血漿成分３２に遠心分離を始める。例えば回転台４０を回転速度5000回／分で、５分間継続して回転すると、血漿成分３２の比重は血球成分３１に比べて小さいために、分析空洞２４では回転半径の遠い方から、血球成分３１、血漿成分３２の順番に並ぶ。なお、酵素反応層１１ａは、分析空洞２４の血漿成分３２が抽出される位置に配置されている（図４参照）。

次に血球成分３１と血漿成分３２の成分別の分離が終ると、バイオセンサ１を取り付けた回転台４０は回転停止する。分析装置２のスプリングコネクタ４２は、バイオセンサ１のコネクタ端子１２（図３には示していない）に接続している。血漿成分３２が位置する分析空洞２４の上面位置には、分析するための試薬を備えた酵素反応層１１ａの作用極が配置されている。これにより、分析空洞２４にある酵素反応層１１では酵素反応が起こり、バイオセンサ１の電気化学測定を行うことができる。

以上のように、バイオセンサ１は、毛細管現象によって一定量の血液を吸引空洞２３に吸い上げる。その後、遠心力を加えると、血液３はせき止めていた狭窄部２６の隙間と通過して、試薬を配置した分析空洞２４に導かれる。このバイオセンサに遠心力を印加し、遠心分離によって試料血液３から血漿成分３２または血清成分が抽出する。これにより、簡便な方法で血液成分を分析することができる。

次に、本発明のバイオセンサが備える狭窄部２６について、図６〜図９を用いて説明する。図６，図９は狭窄部の斜視図を示し、図７，図８は狭窄部の断面を示している。

図６は狭窄部の一構成例を示し、図７はこの狭窄部の断面を示している。なお、図６では、下板２０側に形成した溝部分を示し、電極基板１０等の上側の板状部材は省略している。

図６，７に示す狭窄部２６は、下板２０から壁部２６ａを突出させて、電極基板１０との間の隙間の間隔を狭めた構成である。壁部２６ａは、吸引空洞２３側において流路面積が漸減する第１の部分２６ｂと、吸引空洞２３側と流路２５側との間において、所定距離の間、流路面積を狭める第２の部分２６ｃとを備え、この第２の部分２６ｃの下流側において、狭めた流路面積を流路の流路面積に増大する第３の部分２６ｄを備える。狭窄部２６の断面形状は、第１の部分２６ｂにおいて緩い傾斜面を形成し、第２の部分２６ｃにおいて所定距離の間平面を形成し、第３の部分２６ｄにおいて第２の部分２６ｃから流路２５の面に変化する（図７（Ａ））。

図７（Ｂ）は、吸引空洞２３に血液３が吸い上げられた状態を示している。毛細管現象によって吸い上げられた血液３は、狭窄部２６の第１の部分２６ｂあるいは第２の部分２６ｃの一部まで到達するが、その先までは侵入せずに保持される。

図７（Ｃ）、図７（Ｄ）は遠心力が印加された状態を示している。遠心力を受けた血液３は、狭窄部２６の第２の部分２６ｃの狭い隙間を通過した後（図７（Ｃ））、狭窄部２６の第３の部分２６ｄから流路２５に流入する。流路２５内に流入した血液３は、狭窄部２６の第３の部分２６ｄによって、吸引空洞２３側への逆流が抑制される。

図６，図７で示す構成例は、下板２０側に狭窄部２６の壁部２６ａを設けるものであるが、電極基板１０（上側の板状部材）側に狭窄部２６の壁部２６ａを設ける構成としてもよい。図８は、電極基板側に狭窄部の壁部を設ける構成例を示している。

図８に示す狭窄部２６は、電極基板１０から壁部２６ａを突出させて、下板２０との間の隙間の間隔を狭めた構成である。壁部２６ａは、図６，７で示した構成と同様に、第１の部分２６ｂと第２の部分２６ｃと第３の部分２６ｄを備える。第１の部分２６ｂは緩い傾斜面を形成し、第２の部分２６ｃは所定距離の間平面を形成し、第３の部分２６ｄにおいて第２の部分２６ｃから流路２５の面に変化する（図８（Ａ））。

図８（Ｂ）は、吸引空洞２３に血液３が吸い上げられた状態を示している。毛細管現象によって吸い上げられた血液３は、狭窄部２６の第１の部分２６ｂあるいは第２の部分２６ｃの一部まで到達するが、その先までは侵入せずに保持される。

図８（Ｃ）、図８（Ｄ）は遠心力が印加された状態を示している。遠心力を受けた血液３は、狭窄部２６の第２の部分２６ｃの狭い隙間を通過した後（図８（Ｃ））、狭窄部２６の第３の部分２６ｄから流路２５に流入する。流路２５内に流入した血液３は、狭窄部２６の第３の部分２６ｄによって、吸引空洞２３側への逆流が抑制される。

図６〜図８に示した構成は、下板あるいは電極基板の何れか一方に設けた壁部によって狭窄部を形成しているが、下板および電極基板の両方に壁部を設けてもよい。このとき、壁部は、上板および電極基板の対向する部分に設ける構成の他に、流路２５で流れる方向で位置をずらして設ける構成としてもよい。

また、狭窄部２６は、上記したように、下板あるいは電極基板から対向する電極基板あるいは下板に向かって壁部を突出させる設ける構成に限らず、下板あるいは電極基板の側壁に壁部を設ける構成としてもよい。図９は、下板の側壁に壁部を設ける狭窄部の構成例を示している。

流路２５の一部において、下板２０の側壁部を突出させて壁部２６Ａ，２６Ｂを形成し、この壁部２６Ａ，２６Ｂに挟まれる部分によって隙間を形成する。この構成においても、前記した構成と同様に、壁部２６Ａ，Ｂは第１の部分〜第３の部分を備える。第１の部分は緩い傾斜面を形成し、第２の部分は所定距離の間平面を形成し、第３の部分において第２の部分から流路２５の面に変化する。

次に、本発明のバイオセンサの他の実施形態について説明する。

図１０，図１１，図１３は、本発明のバイオセンサの第２の実施形態を示す図であり、図１０は下板部分の平面図と断面図を示している。なお、第２の実施形態は、前記した第１の実施形態とほぼ同様の構成であるため、ここでは、主に相違する構成について説明し、共通する構成については説明を省略する。

図１０，図１１，図１３において、第２の実施形態のバイオセンサ１は、上板１３と下板２０との間に、電極基板１０を貼り合わせる構造である。ここでは、下板２０側に凹部を設けることによって、吸引空洞２３、分析空洞２４、および流路２５を形成し、この下板２０上に電極基板１０を挟んで上板１３を配置し、超音波溶着によって貼り合わせる例を示している。

図１０、図１１において、斜線を施した部分は、超音波溶着によって下板２０と上板１３とを貼り合わせる部分を示している。超音波溶着部１７は、吸引空洞２３、分析空洞２４、および流路２５等の、試料を内側に保持する部分を囲むように形成される。図１０では、この他、バイオセンサの内周部６１および外周部６０についても超音波溶着によって下板２０と上板１３を貼り合わせている。

なお、図１０、図１１に示すように、外周部６０の一部に開口部６２を形成してもよい。この開口部６２は、バイオセンサの内周部６２と外周部６０との間に挟まれる空間と、バイオセンサの外部と連通し、前記空間内の気体が膨張した場合に、超音波溶着部に与える損傷を防ぐことができる。

また、上記した超音波溶着部の他に、図１０、図１１中の符号２８の部分で超音波溶着してもよい。この溶着部２８は、上板１３、電極基板１０、および下板２０の位置合わせに用いる他に、後述するＯリングやパッキング部材等の漏れ防止部の弾性によって、上板１３と下板２０との間隔が拡がるのを押させて固定するために用いられる。なお、電極基板１０には、下板２０の溶着部２８を通すための開口部１４が形成されている。

電極基板１０の一方の面には、前記した電極１１と、この電極１１で形成した測定電流を外部に導出するためのコネクタ端子１２とが形成され、この電極１１とコネクタ端子１２との間は配線により接続されている。コネクタ端子１２は、スプリングコネクタ４２等の外部端子と接続することによって、外部の分析装置と接続される。下板２０は、コネクタ端子１２と対応する位置にコネクタ窓２９が形成される。外部端子は、このコネクタ窓２９を通してコネクタ端子１２と電気的に接続することができる。

コネクタ端子１２は電極１１と配線を介して接続されており、また、電極１１は分析空洞２４内に配置されているため、分析空洞２４内に導入された試料は、毛細管現象等によって、下板と電極基板との接合面や配線を介してコネクタ端子１２まで浸透し、コネクタ端子１２を短絡等の故障の原因となるおそれがある。

そこで、本発明のバイオセンサ１は、コネクタ端子１２での短絡故障を防ぐ構成として、コネクタ端子１２の配置位置を、遠心力の作用方向において、少なくとも分析空洞２４よりも遠心力の中心に近い側とする。図１０、図１１に示す構成では、遠心力を印加したときに吸引空洞２３内の血液が飛び出さないように、吸引空洞２３は遠心力の中心に近い側に配置され、分析空洞２４は遠心力の中心から遠い側に配置される。ここで、コネクタ端子１２を少なくとも分析空洞２４よりも遠心力の中心に近い側に配置することによって、遠心力を印加した際には、遠心力は、分析空洞２４内の試料血液をコネクタ端子１２から離す方向に作用する。これによって、分析空洞２４からの試料血液がコネクタ端子１２に到達することを防いでいる。

また、本発明のバイオセンサ１は、コネクタ端子１２での短絡故障を防ぐ構成として、コネクタ端子１２を囲むようにＯリングやパッキング部材等の漏れ防止部５０のシールを設ける。図１０に示す漏れ防止部５０は、複数のコネクタ端子１２を一括して囲む構成例を示し、図１１に示す漏れ防止部５０は、複数のコネクタ端子１２を個別に囲む構成例を示している。また、複数のコネクタをまとめて囲む構成では、コネクタの配置等に応じて一つの漏れ防止部によって任意の個数のコネクタを囲むようにしてもよい。この漏れ防止部５０によって、分析空洞２４から下板と電極基板との接合面や配線を介して侵入する試料血液がコネクタ端子１２に到達することを防いでいる。

図１２は、超音波溶着による上板と下板の結合を説明するための概略断面図である。図１２（Ａ）は超音波溶着前の状態を示し、図１２（Ｂ）は超音波溶着後の状態を示している。

図１２（Ａ）において、合成樹脂製の下板２０は、超音波溶着を行う部分に上板１３に向かって突出する突起部２７ａを備える。上板１３を下板２０に近接させると、上板１３は下板２０の突出部２７ａに当接する。この当接した状態で、圧力を印加しながら超音波を出射すると、図１２（Ｂ）に示すように、突出部２７ａが変形して上板１３と溶着する。なお、突出変形部２７ｂは、変形することによって上板１３と下板２０とで挟まれた空間部分の容積が減少する。この空間部分が密閉されている場合には、空間部分の内圧が上昇して溶着部分に変形や解離を生じさせるおそれがある。しかしながら、前記したように、バイオセンサの外周部に開口部６２を設けることによって、この溶着部分の変形や解離を防止することができる。

図１３は、図１１に示す構成において、外周部６０を除いた構成例である。分析空洞２４を形成する外周部６３を最外周部としている。

次に、本発明のバイオセンサの第３の実施形態について、図１４〜図１７を用いて説明する。第３の実施形態は、電極基板の、分析空洞２４と対向する面に電極を配置し、反対側の面にコネクタを配置する。この配置構成によって、上板１３に設けたコネクタ窓を介してコネクタと外部装置との接続を行う。

図１４に示す構成例は、前記した図１１，１３の構成において、電極基板１０の一方に面に電極１１を設け、反対側の面にコネクタ端子１２を設ける。電極１１とコネクタ端子１２との間は、電極基板１０内に設けた配線によって電気的接続を行う。上板１３には、コネクタ端子１２と対応する位置にコネクタ窓１５を備える。外部装置と接続されたスプリングコネクタ４２は、このコネクタ窓１５を通してコネクタ端子１２と電気的に接触し、電極１１からの測定電流を導出する。

吸引空洞２３や分析空洞２４からの試料血液がコネクタ端子１２に侵入することを防ぐために、上板１３にコネクタ端子１２を囲むようにＯリングやパッキング部材等の漏れ防止部１６を設けてもよい。なお、図１４（Ａ），図１４（Ｂ）は、上板および下板の平面図を示し、図１４（Ｃ）は図１４（Ｂ）中において一点鎖線で示す部分の下板の断面を示している。

図１５に示す構成例は、図１４の構成と同様に、電極基板１０の一方に面に電極１１を設け、反対側の面にコネクタ端子１２を設ける。また、上板１３に、コネクタ端子１２と対応する位置にコネクタ窓１５を設け、このコネクタ窓１５を通してコネクタ端子１２とスプリングコネクタ４２とを電気的に接触し、電極１１からの測定電流を導出する。

電極１１とコネクタ端子１２とが電極基板１０を介して反対側の面に設ける構成では、電極１１からコネクタ端子１２に試料血液の伝わりは少ないと考えられる。そこで、図１５に示す構成例では、図１４に設けたＯリングやパッキング部材等の漏れ防止部を省いた構成としている。なお、図１５（Ａ），図１５（Ｂ）は、上板および下板の平面図を示し、図１５（Ｃ）は図１５（Ｂ）中において一点鎖線で示す部分の下板の断面を示している。

図１６，図１７に示す構成例は、図１５の構成と同様に、電極基板１０の一方に面に電極１１を設け、反対側の面にコネクタ端子１２を設けると共に、上板１３に、コネクタ端子１２と対応する位置にコネクタ窓１５を設け、このコネクタ窓１５を通してコネクタ端子１２とスプリングコネクタ４２とを電気的に接触し、電極１１からの測定電流を導出する。さらに、図１６，図１７の構成では、電極基板１０を上板１３内に組み込む構成である。

図１６に示す構成では、コネクタ窓１５を、電極基板１０を挟んで電極１１と対向する位置に設ける例を示し、図１７に示す構成では、コネクタ窓１５を、電極１１よりも遠心力の中心に近い位置に設ける例を示している。なお、図１６（Ａ），図１６（Ｂ），図１７（Ａ），図１７（Ｂ）は、上板および下板の平面図を示し、図１６（Ｃ），図１７（Ｃ）は図１６（Ｂ），図１７（Ｂ）中において一点鎖線で示す部分の下板の断面を示している。

また、本発明のバイオセンサへの遠心力の印加は、前記図５で示した回転台をモーター駆動する構成に限らず、バイオセンサを手動で振ることによっても行うことができる。図１８は、バイオセンサに対する手動による遠心力の印加を説明するため図である。図１８（Ａ）において、バイオセンサ１の吸引空洞２３が形成される端部に開口部６４を設け、この開口部６４に紐７０の一端を結びつける。

この紐７０の他端を手で持って、バイオセンサ１を回転させることによって、バイオセンサ１に遠心力を印加する。また、バイオセンサ１の吸引空洞２３が形成される端部を手で持ち、バイオセンサ１を振ることによってバイオセンサ１に遠心力を印加してもよい。

なお、この手動による場合には、バイオセンサ１に印加される遠心力は、モーター駆動するよりも小さくなるため、試料血液は血球成分３１と血漿成分３２に成分別に遠心分離されないと予想される。

そこで、この手動によるバイオセンサへの遠心力の印加は、モーター駆動する機構が不要であるため簡易な分析が可能であり、遠心分離を要さない分析に適用することができる。

本発明のバイオセンサの分解斜視図である。 本発明のバイオセンサを斜め上方と下方から見た外観図である。 本発明のバイオセンサの遠心分離した状態を示す分解斜視図である。 本発明のバイオセンサを示す断面図である。 本発明のバイオセンサを取り付けた遠心機能の概略構造図である。 本発明のバイオセンサが備える狭窄部の斜視図である。 本発明のバイオセンサが備える狭窄部の断面図である。 本発明のバイオセンサが備える狭窄部の断面図である。 本発明のバイオセンサが備える狭窄部の斜視図である 本発明のバイオセンサの第２の実施形態の下板の平面図および断面図である。 本発明のバイオセンサの第２の実施形態を説明するための図である。 超音波溶着による上板と下板の結合を説明するための概略断面図である。 本発明のバイオセンサの第３の実施形態を説明するための図である。 本発明のバイオセンサの第３の実施形態を説明するための図である。 本発明のバイオセンサの第３の実施形態を説明するための図である。 本発明のバイオセンサの第３の実施形態を説明するための図である。 本発明のバイオセンサの第３の実施形態を説明するための図である。 バイオセンサに対する手動による遠心力の印加を説明するための図である。

符号の説明

１ バイオセンサ
２ 分析装置
３ 血液
１０ 電極基板
１１ 電極
１１ａ 酵素反応層
１２ コネクタ端子
１３ 上板
１４ 開口部
１５ コネクタ窓部
１６ 漏れ防止部
２０ 下板
２１ 吸引口
２２ 空気口
２３ 吸引空洞
２４ 分析空洞
２５ 流路
２６ 狭窄部
２６ａ 壁部
２６ｂ 第１の部分
２６ｃ 第２の部分
２６ｄ 第３の部分
２７ 溶着部
２７ａ 突出部
２７ｂ 突出変形部
２８ 溶着部
２９ コネクタ窓
３１ 血球成分
３２ 血漿成分
４０ 回転台
４１ モーター
４２ スプリングコネクタ
５０ 漏れ防止部
６０ 外周部
６１ 内周部
６２ 開口部
６３ 外周部
６４ 開口部
７０ 紐

Claims (20)

1. 毛細管現象によって一定量の試料を吸い上げる吸引空洞を備えたバイオセンサであって、前記吸引空洞と試薬を備える分析空洞とを繋ぐ流路を有し、
   前記流路は、流路面積を狭めた隙間を備えた狭窄部を有し、
   前記狭窄部は、前記吸引空洞に試料を吸い上げるときに、前記試料を前記吸引空洞に保持し、外部から遠心力が加わるときに、前記吸引空洞に貯められた試料を、前記隙間を通して前記分析空洞に流通させることを特徴とする、バイオセンサ。
2. 前記分析空洞は、電気化学測定のための酵素反応層を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 前記分析空洞は、複数の酵素反応層を遠心力の方向に沿って配置し、各酵素反応層は遠心分離した試料の成分に対応すること特徴とする、請求項２に記載のバイオセンサ。
4. 前記吸引空洞は、遠心力が加わる方向に対して直交する方向に並列する２つの開口部と、前記流路と連通する結合部とを有し、
   前記結合部において、各開口部と結合部とを結ぶ方向と、遠心力が加わる方向とが成す角度は鈍角であり、吸引空洞内の試料は遠心力により前記流路方向に向かう力を受けることを特徴とする請求項１から請求項３の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
5. 前記試料を前処理するための試薬を、前記吸引空洞に備えることを特徴とする請求項１から請求項４の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
6. 前記吸引空洞、流路、および分析空洞は、一方又は両方の対向面に凹凸部が形成された２枚の板状部材を対向して貼り合わせることで形成されることを特徴とする、請求項１から請求項５の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
7. 前記２枚の板状部材の間に、前記分析空洞内に露出する電極を有した電極基板を挟むことを特徴とする、請求項６に記載のバイオセンサ。
8. 前記板状部材の少なくとも一方は、前記電極基板の電極と電気的に接続される外部接続用コネクタを外部回路と電気的に接続するための窓部を備えることを特徴とする、請求項７に記載のバイオセンサ。
9. 前記板状部材は、前記窓部の周囲を囲むＯリング又はパッキング部材を備えることを特徴とする、請求項８に記載のバイオセンサ。
10. 前記板状部材は、複数の窓部を一括して囲む一つのＯリング又はパッキング部材を備えることを特徴とする、請求項９に記載のバイオセンサ。
11. 前記板状部材は、複数の窓部をそれぞれ個別に囲む複数のＯリング又はパッキング部材を備えることを特徴とする、請求項９に記載のバイオセンサ。
12. 前記外部接続用コネクタは、遠心力が加わる方向において、少なくとも分析空洞よりも遠心力の中心に近い位置に配置することを特徴とする、請求項７に記載のバイオセンサ。
13. 前記吸引空洞、流路、分析空洞の外周部分を超音波溶着することを特徴とする、請求項１から請求項１２の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
14. 前記板状部材の最外周部分を超音波溶着することを特徴とする、請求項１から請求項１３の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
15. 前記吸引空洞の壁面は親水性コーティングが施されることを特徴とする、請求項１から請求項１４の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
16. 前記親水性コーティングは界面活性剤の塗布により形成することを特徴とする、請求項１５に記載のバイオセンサ。
17. 前記狭窄部は疎水性であることを特徴とする、請求項１から請求項１６の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。
18. 前記狭窄部は疎水性の合成樹脂で形成することを特徴とする、請求項１７に記載のバイオセンサ。
19. 前記狭窄部に撥水処理を施すことを特徴とする、請求項１７に記載のバイオセンサ。
20. 前記狭窄部は、
    吸引空洞側において流路面積が漸減する第１の部分と、
    前記吸引空洞側と前記流路側との間において、所定距離の間、流路面積を狭める第２の部分とを備え、
    前記第２の部分の後方において、前記狭められた流路面積から流路の流路面積に増大することを特徴とする、請求項１から請求項１９の少なくとも何れか一つに記載のバイオセンサ。

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