JP2008122152A - バイオセンサおよびバイオセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオセンサ、バイオセンサシステムもしくは検査方法の特性を向上させる。特に、少量で、多種の検査を高精度に行うことができるバイオセンサおよびそれを用いたシステムや検査方法を提供する。
【解決手段】判定器２００とバイオセンサ１００とを有するバイオセンサシステムを、バイオセンサ１００が、試料収容部１０３と、複数の検出部１０７と、試料収容部と複数の検出部との間を接続する流路１０５と、を有し、検出部１０７内には、検出手段が配置される面と、気液分離フィルタ１１３が配置される面を有し、判定器２００が、バイオセンサ１００が収容される収容部と、コネクタ２０９と、吸引ポンプ２０３を有する構成とする。判定器によって気液分離フィルタを介して検査部を吸引することにより、検査特性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオセンサシステムに関し、特に、微量な試料の検査を微細なチップで行うシステムに関するものである。

近年、医療や化学物質の分析などの分野において、バイオ関連の分析要素を小さなマイクロ流体チップ（バイオセンサ）を用いて分析するシステムが検討されている。これらの技術は、μＴＡＳ（マイクロ総合分析システム：Micro-Total Analysis Systems）もしくはラボ・オン・チップ（Lab-on-a-chip）などと呼ばれ、医療診断や健康チェック、環境や食品のオンサイト分析、医薬品や化学品などの高付加価値物質の生産、バイオ分析の高効率化など広い分野に応用が見込まれており、近年その開発が重要視されている。

かかる技術によれば、従来の装置と比べて試料の必要量が少ない、反応時間が短い、検査試薬等の使用量が少ない、廃棄物が少ない、などのメリットがある。

例えば、医療分野における血液検査などに適用した場合には、血液など検体の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、また、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体および試薬の量が少ないことから、反応時間が大幅に短縮され検査の効率化を図ることができる。

ここで、例えば下記特許文献１には、少ない試料でも多目的同時測定が可能で、試料搬送路に導入された試料液が少なくとも一方のバイオセンサの試薬の影響を排除できるバイオセンサについての技術が開示されている。
特開２００５−３４５２７９号公報

本発明者は、バイオセンサやバイオセンサシステムに関する研究・開発を行い、これらの特性を向上させるべく、鋭意検討を重ねている。

しかしながら、従来のバイオセンサにおいては、次の課題があった。まず、（１）試料を検出部に移送するために、微細流路の毛管力（毛管現象）を利用している。よって、安定して血液を移送させるために、流路の内壁に界面活性剤や抗血液凝固剤などを被覆する必要があった。また、（２）流路の断面積を途中で拡大することができないため、例えば、検出部の断面（外周）と流路の断面（外周）とを同程度となるよう調整することが必要である。よって、流路を満たすために必要な試料量が増加する。また、（３）その製造工程においては、流路が形成され、試薬が塗布された基板を他の基板と接合する必要がある。この接合手段、例えば、熱圧着や接着剤の紫外線硬化等の工程によって、試薬が変質し、その反応性（活性）を低下させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、バイオセンサシステムの検査特性を向上させることを目的とする。特に、少量で、多種の検査を高精度に行うことができるバイオセンサおよびそれを用いたシステムや検査方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るバイオセンサは、試料収容部と、複数の検出部と、前記試料収容部と前記複数の検出部との間を接続する流路と、を有し、前記検出部内には、検出手段が配置される面と、気液分離フィルタが配置される面を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、検出部を複数設けることにより多種項目の検査を行うことができる。また、気液分離フィルタにより検査前後の試料の漏れを防ぐことができる。また、上記気液分離フィルタを介して検出部を吸引することができる。よって、バイオセンサの検出部まで試料を移送することができ、検査特性を向上させることができる。

例えば、前記気液分離フィルタは、ポリテトラフルオロエチレンフィルタである。かかる構成によれば、容易に気相と液相を分離することができる。

好ましくは、前記検査手段は、前記検出部の中に形成された被膜と、電極を有し、試料と前記被膜との反応を前記電極により電気信号として検出する。かかる構成によれば、被膜と試料との作用（例えば化学反応等）を電気信号として取り出すことができ、試料の定性的もしくは定量的な検査を行うことができる。

（２）本発明に係るバイオセンサの製造方法は、第１基板と開口部を有する第２基板を接合することにより、試料収容部と、前記開口部を有する複数の検出部と、前記試料収容部と前記複数の検出部との間を接続する流路と、を有する接合基板を形成する第１工程と、前記開口部を介して前記検出部内に、被膜を塗布する第２工程と、前記第２工程の後に、前記開口部を気液分離フィルタで覆う第３工程と、を有する。

かかる方法によれば、基板を接合した後に、被膜を形成することができる。よって、前記接合工程による被膜の変質を低減することができる。また、生産コストの低減を図ることができる。また、バイオセンサの品質向上を図ることができる。

好ましくは、前記基板の検出部には、電極が配置され、前記被膜は、前記電極上に形成される。かかる方法によれば、電極上に直接皮膜を形成でき、検査の精度が向上する。

例えば、気液分離フィルタは、ポリテトラフルオロエチレンフィルタである。かかる構成によれば、容易に気相と液相を分離することができる。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態のバイオセンサシステムの構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態のバイオセンサの構成を示す断面図であり、図３は、その上面図である。図２の断面図は、図３のＡ−Ａ断面に対応する。また、図４は、本実施の形態の判定器の構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施の形態のバイオセンサシステムは、バイオセンサ（バイオチップ、カートリッジ、μ−ＴＡＳチップ）１００と判定器（検出器）２００とから成る。これらの構成を図面を参照しながら説明する。

＜バイオセンサ＞
図２および図３に示すように、本実施の形態のバイオセンサは、第１基板１０１Ａと第２基板１０１Ｂの積層基板（接合基板）から成る。積層基板中には、試料収容部（液体試料注入部）１０３と複数の検出部（検査孔、検査室）１０７が設けられ、これらの間が流路１０５を介して接続されている。また、検出部１０７の底部には、被膜１１１と電極１０９が配置される。

例えば、上記試料収容部１０３および流路１０５は、第２基板１０１Ｂの裏面（第２面）に設けられた凹部（溝）で構成される。また、検出部１０７は、第２基板１０１Ｂに設けられた開口部（穴）で構成される。一方、電極１０９は、第１基板１００Ａの表面（第１面）に設けられ、この電極１０９の一端上には被膜１１１が配置される。また、電極１０９の他端は、取り出し電極部１０９ａまで延在している。なお、図３においては、この延在部と被膜１１１の表記を省略してある。

上記第１、第２基板１０１Ａ、１０１Ｂを接合することで、積層基板が形成される。ここで、本実施の形態のバイオセンサの特徴は、検出部（開口部）１０７の上部が気液分離フィルタ１１３で覆われていることにある。ここでは、図３に示すように、複数の検出部１０７を覆うよう気液分離フィルタ１１３が配置されている（図３の破線部参照）。ここで、「気液分離フィルタ」とは、気体は通過させるが、液体は通過させない材料をいう。

気液分離フィルタ１１３としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンフィルタ（Polytetrafluoroethylene、PTFEフィルタ、PTFEメンブレン）が有用である。かかる材料によれば容易に気相と液相を分離することができる。

なお、バイオセンサ１００の構成については、実施の形態２（バイオセンサの製造方法）の記載も参考にされたい。

＜判定器＞
図４に示すように、判定器２００には、バイオセンサ１００の収容部（収容空間）が設けられる。ここでは、ステージ（載置台）２０１上にバイオセンサ１００が配置される。ステージ２０１には、コネクタ（コネクタ部）２０９および吸引ポンプ（小型ポンプ）２０３が設けられる。吸引ポンプ２０３には、チューブ２０５が接続され、チューブ２０５の先端には吸引キャップ２０７が取り付けられている。例えば、バイオセンサ１００は、判定器２００のカバーに設けられた開口部から挿入される（図４の矢印参照）。

バイオセンサ１００の収容状態（図１参照）において、コネクタ２０９は、取り出し電極部１０９ａと接触するよう配置されている。また、吸引キャップ２０７は、気液分離フィルタ１１３を覆うよう、検出部１０７の上面に配置されている。よって、バイオセンサ１００を装着するだけで、検査（判定）準備が完了する。具体的には、コネクタ２０９と取り出し電極部１０９ａや、吸引キャップ２０７と気液分離フィルタ１１３との位置あわせができる。

＜検査方法＞
以下、血液中の血糖値を測定（検査、分析）する方法を例に、上記バイオセンサシステムを用いた検査方法を説明する。

まず、ランセットと呼ばれる針で指先を刺し、血液を試料収容部１０３に毛管力により収容させる。次いで、バイオセンサ１００を判定器２００に装着する。次いで、吸引ポンプ２０１を動作させ、検出部１０７を減圧状態とする。この際、血液は、流路１０５を通り、検出部１０７に充満する。ここで、検出部１０７の上部には気液分離フィルタ１１３が配置されているため、検出部１０７の外側に血液が漏れることはない。なお、血液は、毛管現象によっても流路１０５を満たすが、流路１０５から検出部１０７への血液の充填のためには、吸引が必要である。

検出部１０７へ搬入された血液は、その底部の被膜（例えば、グルコースオキシダーゼとフェリシアン化カリウムを含む膜）１１１と反応し、電極１０９を介してコネクタ２０９から上記反応による電気信号を検出することができる。具体的な酵素電極反応の一例を説明する。例えば、血液中のブドウ糖とグルコースオキシダーゼとフェリシアン化カリウムが反応し、グルコン酸と電子を発生する。この電子はフェリシアン化カリウムをフェロシアン化カリウムとし、これに一定の電圧を加えることで再びフェリシアン化カリウムとなり、そのとき電流が発生する。この電流が血液中のブドウ糖濃度に比例するため、電流値を測定することで、血糖値を測定することができる。

このように、本実施の形態によれば、バイオセンサ１００の検出部１０７上に気液分離フィルタを配置したので、検出部１０７を吸引ポンプで吸引することにより、検出部１０７に血液を充満させることができる。さらに、吸引キャップを用いることで、効率的な吸引を行うことができる。また、検出部に対して流路を相対的に狭く形成することが可能であり、検査に寄与しない流路を満たすためだけの血液を低減することができる。よって、少量の血液採取量で検査を行うことができる。また、吸引により血液の移送を行うため、移送が確実である。つまり、気泡などの混入による移送ミスや、それを原因とする検査ミスを低減することができる。

また、検出部１０７を複数設けても各検出部１０７に効率良く血液を搬送することができる。よって、複数の検査を１のバイオセンサ１００で行うことができる。

また、検査終了後も、バイオセンサ１００の検出部１０７が気液分離フィルタ１１３で覆われているため、廃棄処理を衛生的に行うことができる。

なお、上記実施の形態においては、判定器にコネクタと吸引ポンプとを設けたが、これらを別部材としてもよい。例えば、吸引ポンプを有する吸引器にバイオセンサを装着し、検出部１０７に血液を充満させた後、コネクタを有する判定器にバイオセンサを装着し、検査を行ってもよい。なお、検出部１０７に血液を充満させた状態でも、気液分離フィルタにより検出部１０７が覆われているため、ハンドリングが容易であり、また、衛生的に保持することができる。

また、上記実施の形態においては、気液分離フィルタ１１３をバイオセンサ１００側に設けたが、この気液分離フィルタ１１３を吸引キャップ（吸引ポンプ側）２０７に設けることも考えられる。しかしながら、上記衛生面などの観点から気液分離フィルタ１１３は、バイオセンサ側に設けることが好ましい。

また、上記実施の形態においては、バイオセンサ１００を判定器２００の側壁から挿入したが、図５に示すように、バイオセンサ１００を判定器２００の下から装着してもよい。図５は、本実施の形態の他の判定器の構造を示す断面図である。この場合、吸引キャップ２０７とバイオセンサ１００とを簡単に密着させることができる。

また、上記実施の形態においては、血糖値の測定を例に説明したが、血漿や血清、あるいは血液以外の試料の検査を行ってもよい。また、多種の検査を行ってもよい。例えば、検出部１０７内の検査手段として、上記の酵素電極センサの他、ＳＰＲセンサやその他の光学センサ（発色、蛍光、化学発光）、ＱＣＭセンサなどを配置してもよい。

抗体はある特定の分子を選択的に吸着する性質があるため、金属薄膜の上に抗体を固定して反射光をモニタすると、その抗体だけに結合する分子が結合する時に反射光の強度や反射強度のピーク位置が変化する。これは、金属薄膜中の電子雲が生み出す屈折率がかわるためである。この変化を検出するセンサがＳＰＲ(Surface plasma resonance）センサである。

また、水晶の規則正しい振動発信を利用したセンサがＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサである。即ち、水晶振動子の電極表面に物質が付着すると、その質量に 応じて周波数が変動する（減じる）性質を利用して、きわめて微量（ナノグラムオーダー）の質量変化を計測することができる。

また、上記実施の形態においては、試料収容部１０３および流路１０５を第２基板１０１Ｂ側に設けたが、これらを第１基板１０１Ａ側に設けてもよい。

また、試料収容部１０３への血液等の試料の注入方法については、上記方法に限られず、種々の方法を採用し得る。

また、上記実施の形態においては、吸引ポンプ２０３を用いて試料を検出部１０７に移送させたが、他の手段、例えば遠心力などを用いて試料を検出部１０７に移送させてもよい。

また、上記実施の形態においては、検出部１０７の上部を気液分離フィルタ１１３を介して吸引したが、検出部１０７の側壁から気液分離フィルタ１１３を介して吸引してもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態においては、バイオセンサの製造方法について説明する。図６および図７は、本実施の形態のバイオセンサの製造工程を示す工程断面図である。なお、実施の形態１において説明した部位については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６（Ａ）に示すように、試料収容部１０３と、複数の検出部１０７と、これらの間を接続する流路１０５とが形成された第２基板１０１Ｂを準備する。さらに、電極１０９が設けられた第１基板１０１Ａを準備する。

次いで、第１および第２基板を、それぞれ流路１０５の形成側と電極１０９の形成側を対向させ、これらの面を接合する（図６（Ｂ））。この際、検出部１０７中に電極１０９が位置するよう位置合わせする。接合には、熱圧着や接着剤（熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂）を用いた接着などがある。

次いで、図７（Ａ）に示すように、接合基板（積層基板、基板）の検出部１０７の電極１０９上に、試薬塗布用ニードル３００を用いて試薬１１１ａを塗布する。なお、塗布には、他のディスペンサを用いてもよい。この後、図７（Ｂ）に示すように、試薬を乾燥（個化）させ、被膜１１１とする。

次いで、図７（Ｃ）に示すように、検出部１０７上に気液分離フィルタ１１３を貼り付ける。以上の工程により、バイオセンサ１００が完成する。

このように、本実施の形態によれば、第１、第２基板１０１Ａ、１０１Ｂの接合後に、試薬１１１ａの塗布を行ったので、被膜（試薬）１１１の変質を防止することができる。例えば、熱や紫外線による被膜１１１の変質を防止することができる。また、基板の接合に熱圧着や接着剤（熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂）を用いることができる。その結果、より安価で強固な接着が行なえる。また、被膜１１１の変質を低減できるので、その管理や保管が容易となる。以上のように、生産コストを低減できる。また、その品質向上を図ることができる。

なお、上記発明の実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。

実施の形態１のバイオセンサシステムの構成を示す断面図である。 実施の形態１のバイオセンサの構成を示す断面図である。 実施の形態１のバイオセンサの構成を示す上面図である。 実施の形態１の判定器の構成を示す断面図である。 実施の形態１の他の判定器の構成を示す断面図である。 実施の形態２のバイオセンサの製造工程を示す工程断面図である。 実施の形態２のバイオセンサの製造工程を示す工程断面図である。

符号の説明

１００…バイオセンサ、１０１Ａ…第１基板、１０１Ｂ…第２基板、１０３…試料収容部、１０５…流路、１０７…検出部、１０９…電極、１０９ａ…取り出し電極部、１１１…被膜、１１１ａ…試薬、１１３…気液分離フィルタ、２００…判定器、２０１…ステージ、２０３…吸引ポンプ、２０５…チューブ、２０７…吸引キャップ、３００…試薬塗布用ニードル

Claims (6)

1. 試料収容部と、複数の検出部と、前記試料収容部と前記複数の検出部との間を接続する流路と、を有し、
   前記検出部内には、検出手段が配置される面と、気液分離フィルタが配置される面を有することを特徴とするバイオセンサ。
2. 前記気液分離フィルタは、ポリテトラフルオロエチレンフィルタであることを特徴とする請求項１記載のバイオセンサ。
3. 前記検査手段は、前記検出部の中に形成された被膜と、電極を有し、試料と前記被膜との反応を前記電極により電気信号として検出することを特徴とする請求項１又は２記載のバイオセンサ。
4. 第１基板と開口部を有する第２基板を接合することにより、試料収容部と、前記開口部を有する複数の検出部と、前記試料収容部と前記複数の検出部との間を接続する流路と、を有する接合基板を形成する第１工程と、
   前記開口部を介して前記検出部内に、被膜を塗布する第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記開口部を気液分離フィルタで覆う第３工程と、
   を有することを特徴とするバイオセンサの製造方法。
5. 前記基板の検出部には、電極が配置され、前記被膜は、前記電極上に形成されることを特徴とする請求項４記載のバイオセンサの製造方法。
6. 前記気液分離フィルタは、ポリテトラフルオロエチレンフィルタであることを特徴とする請求項４又は５記載のバイオセンサの製造方法。

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