JP2009136526A - Analysis chip - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は分析チップに関する。具体的には、マイクロサイズの凹構造を複数有し、皮膚に接触させて体液を採取し、体液内の成分の種類や量を特定する分析チップに関する。また、当該分析チップを用いた生体物質センサに関する。 The present invention relates to an analysis chip. More specifically, the present invention relates to an analysis chip that has a plurality of micro-sized concave structures, collects body fluids by contacting the skin, and identifies the types and amounts of components in the body fluids. The present invention also relates to a biological material sensor using the analysis chip.
近年の人間の食生活の変化、運動不足、過労やストレスによる肉体的・精神的な負担、喫煙、飲酒などによって、人間が本来備えている免疫機構に障害が生じて、様々な病気が発症している。これに関する病気の発症や進行には生活習慣が深く関わっているため、一般的に生活習慣病と言われている。生活習慣病には、肥満、高脂血症、糖尿病、高血圧をはじめ、がん、脳卒中、肝臓病、骨粗しょう病なども含まれる。 Recent changes in human eating habits, lack of exercise, physical and mental burdens due to overwork and stress, smoking, alcohol drinking, etc. have caused damage to the immune system inherent in humans, resulting in various diseases. ing. Since lifestyles are deeply involved in the onset and progression of diseases related to this, it is generally called lifestyle-related diseases. Lifestyle-related diseases include obesity, hyperlipidemia, diabetes, hypertension, cancer, stroke, liver disease, and osteoporosis.
特に、糖尿病の患者数は世界的に著しく増加している。日本では、2005年で糖尿病患者数が690万人と言われており、世界では1億7000万人と言われている。糖尿病は自覚症状がないことが多いので、糖尿病といわれても治療しないでいる人が少なくない。治療しないでいると、体の中でじわりと進行し、失明や下肢の切断にも至りかねない多くの合併症を招く。このため、病気がどの程度進んでいるのかを定期的にチェック(検査)していく必要がある。チェックを続け血糖コントロールの善し悪しを確認し、合併症の兆候を早めに見つけなければならない。 In particular, the number of diabetic patients is increasing significantly worldwide. In Japan, the number of diabetic patients is said to be 6.9 million in 2005, and is said to be 170 million worldwide. Diabetes often has no subjective symptoms, so there are many people who are not treated even if they say diabetes. Without treatment, it progresses slowly in the body, causing many complications that can lead to blindness and amputation. For this reason, it is necessary to regularly check (inspect) how far the disease has progressed. You should continue to check to see if your glycemic control is good or bad and find signs of complications early.
また糖尿病は、膵臓で分泌されるインスリンの量が不足して、糖分が利用されず、血液中にあふれ出ることで生じる病気である。そのため、血糖を定期的にモニタリングし、その結果をふまえて適量のインスリンを体内に注入する必要がある。 Diabetes mellitus is a disease that occurs when the amount of insulin secreted by the pancreas is insufficient, sugar is not used, and overflows into the blood. Therefore, it is necessary to regularly monitor blood sugar and inject an appropriate amount of insulin into the body based on the result.
現在、血糖をモニタリングするには、実際に採血をし、その酵素反応を電気化学的に、もしくは呈色で検出する。しかし、採血には、数々の懸念事項がある。一つは、皮膚を侵襲して採血することによる肉体的・精神的な負担である。糖尿病患者は食前、食後など1日に数回測定することが求められる。すなわち1日に数回皮膚に針を刺して採血する必要がある。また、血は感染の恐れがある。また、重度患者では、睡眠中にもモニタリングする必要があり、連続モニタリングが強く望まれている。そのため、皮膚に針を刺さないで(すなわち、非侵襲で)血糖値をモニタリングできるセンサが強く望まれている。 Currently, in order to monitor blood sugar, blood is actually collected and the enzyme reaction is detected electrochemically or by color. However, there are a number of concerns with blood collection. One is a physical and mental burden caused by blood invading the skin. Diabetic patients are required to measure several times a day before meals and after meals. That is, it is necessary to collect blood by inserting a needle into the skin several times a day. Blood can also be infected. In severe patients, monitoring is also required during sleep, and continuous monitoring is strongly desired. Therefore, a sensor that can monitor blood glucose level without piercing the skin (that is, non-invasively) is strongly desired.
(特許文献1の発明)
血糖値を測定するための分析センサとしては、特開平9−5296号公報(特許文献1)に開示されたものがある。この分析センサは、図1(a)に示すように、保持部材11の内面に設けられた凹部内にバイオセンサチップ12を取り付けたものである。バイオセンサチップ12は、図1(b)に示すように、基板13の下面に一対の櫛歯状電極14a、14bを形成し、その表面を保護電極15で覆ったものであって、その下面には酵素膜16と分離膜17が積層されている。
(Invention of Patent Document 1)
An analysis sensor for measuring a blood glucose level is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-5296 (Patent Document 1). As shown in FIG. 1A, this analysis sensor has a
この分析センサは、バイオセンサチップ12の設けられている側の面を皮膚18の表面に圧接させて使用される。皮膚18に圧接された分析センサは、皮膚表面から分泌された汗を分離膜17を介して採取し、酵素膜16中の酵素と汗に含まれる成分とを反応させ、その際に生じる電気信号を櫛歯状電極14a、14bで検出する。そして、その検出信号に基づいて汗の成分の種類や量を特定する。こうして非侵襲で汗中のグルコース量を測定することで、分析センサにより血糖値を算出することができる。
This analytical sensor is used with the surface on which the
しかし、体表面、特に腕などの皮膚表面は湾曲しており、またミクロレベルで見ると皮膚表面には微細な凹凸がある。しかも、汗は蒸発して逃げやすいので、効率よく汗を採取するには、分析センサと皮膚表面との密着性を高める必要がある。そのためには、センサを皮膚に強く押し当てる必要があり、使用者に不快感や痛感を与えることになる。特に、分析センサが小さくなると、分離膜17や酵素膜16の部分が微小になるので、皮膚表面に痛感を与えやすくなる。
However, the body surface, particularly the skin surface such as the arm, is curved, and when viewed at the micro level, the skin surface has fine irregularities. In addition, since the sweat evaporates and easily escapes, in order to collect the sweat efficiently, it is necessary to improve the adhesion between the analysis sensor and the skin surface. For that purpose, it is necessary to press the sensor strongly against the skin, which gives the user discomfort and pain. In particular, when the analytical sensor is small, the
一方、分析センサのチップサイズを大きくすれば、使用者の不快感は軽減されるが、チップサイズが大きくなると、当然保持部材11の内側の容積が大きくなるので、汗を採取して反応させるまでに必要となる汗の量が多くなる。そのため、分析センサによる測定時間が長くなるという不都合が生じる。
On the other hand, if the chip size of the analysis sensor is increased, the user's discomfort is reduced. However, as the chip size increases, the volume inside the
(特許文献2の発明)
図2及び図3は、特表平10−505761号公報(特許文献2)に開示されたサンプリング装置21の分解斜視図及びその使用状態を示す斜視図である。このサンプリング装置21は、図2に示すように、電極22と、電極22が皮膚に接触するのを防ぐ保護層23と、当該電極22及び保護層23を挟み込んで保持する一対のトランスファ粘着剤層24と、各トランスファ粘着剤層24の外側に貼り付けられた発泡層25と、上側の発泡層25の上面の粘着剤に貼り付けられた透明なトップ層26と、下側の発泡層25の下面の粘着剤に貼着された粘着剤保護層27とからなる。また、トランスファ粘着剤層24及び発泡層25にはそれぞれ円形のリザーバ28が開口している。
(Invention of Patent Document 2)
2 and 3 are an exploded perspective view of the
測定する場合には、サンプリング装置21の粘着剤保護層27を剥がして発泡層25の粘着剤を露出させ、図3に示すように、その粘着剤で一対のサンプリング装置21を体表面に貼り付ける。各サンプリング装置21は、電源を有するコントローラ29につながれる。そして、両サンプリング装置21の電極22に異なる極性で電圧を印加して皮膚に電流を与えることで皮膚内から浸出液が分泌され、リザーバ28内に採取される。
When measuring, the adhesive
しかし、このようなサンプリング装置では、皮膚に電圧を加えているので、電圧の大きさ、すなわち電流密度の大きさに比例して皮膚にダメージ(痛み)を与える。このサンプリング装置では、皮膚に加える電圧を小さくすることに考慮していないため、非侵襲なモニタリングを意図していても、実際には低侵襲なサンプリング装置となっていた。 However, in such a sampling device, since voltage is applied to the skin, damage (pain) is given to the skin in proportion to the magnitude of the voltage, that is, the current density. Since this sampling device does not consider reducing the voltage applied to the skin, it is actually a minimally invasive sampling device even if non-invasive monitoring is intended.
皮膚に加える電圧すなわち電流密度を小さくすれば皮膚への影響を小さくできるが、このサンプリング装置では、電圧すなわち電流密度を小さくすると浸出液や体液抽出のスピードが遅くなり、測定に時間がかかることになる。測定に時間がかかると、血中の血糖値(実際の血糖値)と汗中の血糖値の相関がとれなくなり、採取した浸出液や体液を通して測定した結果が血中の血糖値の時間的な変化に対応できなくなる問題がある。 If the voltage applied to the skin, i.e., the current density, is reduced, the effect on the skin can be reduced. However, if the voltage, i.e., the current density, is reduced, the speed of extraction of exudate and body fluid is reduced, and the measurement takes time. . If the measurement takes time, the blood glucose level in blood (actual blood glucose level) and the blood glucose level in sweat can no longer be correlated, and the results measured through the collected exudate and body fluid change over time in blood glucose level. There is a problem that can not be handled.
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、被験者に痛感や不快感を与えにくく非侵襲で測定を行うことができ、また効率よく発汗もしくは体液抽出を促すと共に少量の体液で特定物質の有無や量などの検査を行うことができるようにし、短い時間で測定を行えるようにした分析チップを提供することにある。 The present invention has been made in view of the technical problems as described above, and the object of the present invention is to make it possible to perform noninvasive measurement without causing pain and discomfort to the subject, and efficiently. An object of the present invention is to provide an analysis chip that facilitates sweating or extraction of body fluids, enables inspection of the presence or amount of a specific substance with a small amount of body fluids, and enables measurement in a short time.
本発明にかかる分析チップは、第1の電極からの信号に基づいて体液中の特定成分を測定するための分析チップであって、皮膚と接触する側の面に体液を採取する微細な複数の凹部を有する基板と、前記凹部の内部に形成され、かつ、酵素を固定された前記第1の電極とを備えたことを特徴としている。 An analysis chip according to the present invention is an analysis chip for measuring a specific component in a body fluid based on a signal from a first electrode, and includes a plurality of fine samples that collect body fluid on a surface in contact with the skin. It is characterized by comprising a substrate having a recess, and the first electrode formed inside the recess and having an enzyme immobilized thereon.
本発明にかかる分析チップにあっては、第1の電極に酵素が固定されているので、体液中の特定成分が酵素と反応して第1の電極からの信号が変化する。よって、第1の電極からの信号に基づいて特定成分の有無、量、濃度などを計測することができる。しかも、この分析チップでは、基板における皮膚との接触面に体液を採取する微細な複数の凹部を設けているので、分析チップを皮膚に押圧しても痛感や不快感を与えにくい。また、第1の電極は微細な凹部の内部に形成されているので、少量の体液によって短い時間で検査を行うことができる。 In the analysis chip according to the present invention, since the enzyme is fixed to the first electrode, a specific component in the body fluid reacts with the enzyme and the signal from the first electrode changes. Therefore, the presence / absence, amount, concentration, etc. of the specific component can be measured based on the signal from the first electrode. Moreover, since this analysis chip is provided with a plurality of fine recesses for collecting body fluid on the contact surface of the substrate with the skin, it is difficult to give pain or discomfort even when the analysis chip is pressed against the skin. In addition, since the first electrode is formed inside the minute recess, the inspection can be performed in a short time with a small amount of body fluid.
本発明にかかる分析チップのある実施態様は、前記基板の皮膚と接触する側の面において、前記凹部の近傍に第2の電極を配置したことを特徴としている。かかる実施態様によれば、微細な複数の各凹部の近傍に第2の電極を配置しているので、第2の電極間の距離が短くなるため、小さな電圧で強い電流密度を得ることができる。また、第2の電極を用いて皮膚に従来と同等の電圧を加えた時に、従来よりも電流密度が大きくなるので、さらなる体液の分泌を促すことができ、測定に要する時間を短くできる。 An embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that a second electrode is disposed in the vicinity of the recess on the surface of the substrate that contacts the skin. According to such an embodiment, since the second electrode is disposed in the vicinity of each of the plurality of fine recesses, the distance between the second electrodes is shortened, so that a strong current density can be obtained with a small voltage. . In addition, when a voltage equivalent to the conventional voltage is applied to the skin using the second electrode, the current density becomes larger than the conventional voltage, so that further secretion of body fluid can be promoted and the time required for the measurement can be shortened.
例えば、前記第2の電極の少なくとも一部に発汗促進剤を設けてあれば、第2の電極に電圧を印加して発汗促進剤を体内に注入することにより、さらに効果的に発汗を促すことができる。 For example, if a sweat enhancer is provided on at least a part of the second electrode, the sweat is promoted more effectively by applying a voltage to the second electrode and injecting the sweat enhancer into the body. Can do.
また、本発明にかかる分析チップの別な実施態様においては、前記第2の電極が、前記基板の皮膚と接触する側の面において、前記凹部の外部に位置する面から前記凹部の内面に至る領域に形成されている。かかる実施態様によれば、第2の電極の皮膚への接触面積を増すことができるので、皮膚との間の電気抵抗が小さくなり、皮膚に流れる電流が増加することで発汗量を大きくすることができる。 In another embodiment of the analysis chip according to the present invention, the second electrode extends from a surface located outside the recess to an inner surface of the recess on the surface of the substrate in contact with the skin. Formed in the region. According to such an embodiment, since the contact area of the second electrode to the skin can be increased, the electrical resistance between the second electrode is reduced, and the amount of sweat is increased by increasing the current flowing through the skin. Can do.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記第2の電極が正極側の電極と負極側の電極とからなり、隣接する正極側の電極と負極側の電極との距離が、200μm以上であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、正負の電極間の距離が表皮の厚みよりも大きくなるので、表皮に沿った方向の抵抗が表皮の厚み方向の抵抗よりも大きくなり、電流を汗腺のある真皮まで流すことができ、発汗促進効果を高めることができる。 In another embodiment of the analysis chip according to the present invention, the second electrode is composed of a positive electrode and a negative electrode, and the distance between the adjacent positive electrode and the negative electrode is 200 μm. It is characterized by the above. According to such an embodiment, since the distance between the positive and negative electrodes is greater than the thickness of the epidermis, the resistance in the direction along the epidermis is greater than the resistance in the thickness direction of the epidermis, and current flows to the dermis with sweat glands. Can increase the sweating promoting effect.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記凹部の配列ピッチが600μm以上であることを特徴としている。汗腺のピッチは600μm程度であるので、凹部の配列ピッチを600μm以上にすれば汗腺のピッチよりもほぼ大きくでき、一つの凹部内にはほぼ少なくとも一つの汗腺が位置することになり、各凹部で体液を採取できる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the arrangement pitch of the recesses is 600 μm or more. Since the pitch of the sweat glands is about 600 μm, if the arrangement pitch of the recesses is set to 600 μm or more, it can be made substantially larger than the pitch of the sweat glands, and at least one sweat gland is located in one recess. Body fluid can be collected.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記基板の皮膚と接触する側の面に粘着剤層を設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、粘着剤層によって分析チップを皮膚の表面に貼り付けて簡単に固定することができる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that an adhesive layer is provided on the surface of the substrate that contacts the skin. According to this embodiment, the analysis chip can be attached to the surface of the skin by the adhesive layer and can be easily fixed.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、測定時に皮膚に押し付ける圧力が、80mmHg以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、分析チップを皮膚に押し付ける圧力が80mmHg以下であるので、被験者に痛感や不快感を与えにくくなる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the pressure applied to the skin during measurement is 80 mmHg or less. According to this embodiment, since the pressure for pressing the analysis chip against the skin is 80 mmHg or less, it is difficult to give pain and discomfort to the subject.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記凹部内に採取した体液を前記凹部の外部へ排液する流路を前記基板に設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、凹部に体液が浸入してきたとき、凹部内の空気を流路から外部へ排出できる。さらに、皮膚から体液が噴き出すところを塞がれると、被験者の肉体的な負担が増すが、流路を設けることにより肉体的負担を小さくできる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the substrate is provided with a flow path for draining the body fluid collected in the recess to the outside of the recess. According to this embodiment, when body fluid enters the recess, the air in the recess can be discharged from the flow path to the outside. Furthermore, if the place where the body fluid spouts from the skin is blocked, the physical burden on the subject increases, but the physical burden can be reduced by providing a flow path.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記第1の電極の下端が、前記基板の下面よりも上方に位置していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、適宜検知電極を用いて発汗開始時間を測定するか、もしくは様々な治験より発汗電極をオンにした後に発汗される時間を算出しそれを発汗開始時間とし、発汗を開始してから体液が第1の電極の下端に達するまでの時間を測定することにより発汗速度を知ることができる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the lower end of the first electrode is located above the lower surface of the substrate. According to such an embodiment, the sweating start time is appropriately measured using the detection electrode, or the sweating time after the sweating electrode is turned on is calculated from various clinical trials, and the sweating start time is used as the sweating start time. The perspiration rate can be determined by measuring the time from when the body fluid reaches the lower end of the first electrode.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記第1の電極から得られる反応開始から所定の信号強度が得られるまでの時間と信号強度から、特定成分の濃度を算出することを特徴としている。第1の電極から得られる反応開始から所定の信号強度が得られるまでの時間、すなわち測定を開始してから体液が第1の電極の下端に達するまでの時間により発汗速度を知ることができ、また信号強度からは単位時間当たりに酵素と反応する特定成分の量(反応速度)を知ることができるので、発汗速度と反応速度から特定成分の濃度を求めることができる。 Still another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the concentration of the specific component is calculated from the time from the start of the reaction obtained from the first electrode until the predetermined signal intensity is obtained and the signal intensity. It is said. The sweating rate can be known from the time from the start of the reaction obtained from the first electrode until the predetermined signal intensity is obtained, that is, the time from the start of measurement until the body fluid reaches the lower end of the first electrode, Further, since the amount of the specific component that reacts with the enzyme per unit time (reaction rate) can be known from the signal intensity, the concentration of the specific component can be determined from the perspiration rate and the reaction rate.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記第1の電極から得られる信号強度の積分値から、特定成分の量を算出することを特徴としている。第1の電極から得られた信号強度からは単位時間当たりに酵素と反応する特定成分の量(反応速度)を知ることができるので、これを積算することによって特定成分の量を求めることができる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the amount of the specific component is calculated from the integrated value of the signal intensity obtained from the first electrode. Since the amount of the specific component that reacts with the enzyme per unit time (reaction rate) can be known from the signal intensity obtained from the first electrode, the amount of the specific component can be obtained by integrating this amount. .
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記凹部がプリズム形状又はレンズ形状となっていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、凹部の形状を単純にすることができる。中でもプリズム状の凹部は平面で構成されるので、第1の電極の作製が容易になる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the concave portion has a prism shape or a lens shape. According to such an embodiment, the shape of the recess can be simplified. In particular, the prism-shaped recess is formed of a flat surface, so that the first electrode can be easily manufactured.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記基板が合成樹脂によって形成されたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、分析チップを曲げることが可能になるので、腕などの湾曲した皮膚表面に分析チップをぴったりと装着することが可能になる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the substrate is made of a synthetic resin. According to this embodiment, since the analysis chip can be bent, it becomes possible to fit the analysis chip tightly on a curved skin surface such as an arm.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記基板が熱硬化性樹脂又は紫外線硬化型樹脂によって成形されたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、基板を射出成形法やスタンパ法などで成形することができ、分析チップの製造効率が向上する。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that the substrate is formed of a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin. According to such an embodiment, the substrate can be formed by an injection molding method, a stamper method, or the like, and the manufacturing efficiency of the analysis chip is improved.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、前記基板に電池を内蔵したことを特徴としている。本発明の分析チップによれば第2の電極から皮膚に流す電流を小さくできるので、電池容量の少ない小さい電池を用いることができ、基板に電池を内蔵させることが可能になる。また、電池容量を少なくできるため、電池のコストが安くなり、分析チップへの内蔵が可能となる。これらによって、センサもしくは装置のサイズやコストの負担を減らすことができる。分析チップに電池を内蔵した場合は、皮膚に接触した時に、自動で第2の電極がオンになるようにすることもできる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that a battery is built in the substrate. According to the analysis chip of the present invention, since the current flowing from the second electrode to the skin can be reduced, a small battery with a small battery capacity can be used, and the battery can be built in the substrate. In addition, since the battery capacity can be reduced, the cost of the battery is reduced, and the battery can be built in the analysis chip. By these, the burden of the size or cost of the sensor or device can be reduced. In the case where a battery is built in the analysis chip, the second electrode can be automatically turned on when it comes into contact with the skin.
本発明にかかる分析チップのさらに別な実施態様は、腕又は指に巻き付けて固定するための固定具を備えたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、被験者によって形状が異なる皮膚表面に分析チップを取り付けることができ、体液を採取する際の漏れを防止することができる。 Yet another embodiment of the analysis chip according to the present invention is characterized in that it comprises a fixture for wrapping around an arm or finger for fixation. According to this embodiment, the analysis chip can be attached to the skin surface having a different shape depending on the subject, and leakage when collecting body fluid can be prevented.
本発明にかかるグルコースセンサは、本発明にかかる分析チップと、前記分析チップの信号を解析する分析装置本体とからなり、前記分析チップの前記第1の電極には、生体由来の特定成分と特異的に結合する酵素を固定していることを特徴としている。 A glucose sensor according to the present invention includes an analysis chip according to the present invention and an analysis apparatus main body that analyzes a signal of the analysis chip. The first electrode of the analysis chip has a specific component derived from a living body and a specific component. It is characterized by fixing an enzyme that binds automatically.
本発明にかかる生体物質センサによれば、グルコースやコレステロールなどの生体由来の特定成分を測定することができ、生活習慣病をモニタリングできる。または健康チェック装置としても使用することができる。 According to the biological material sensor of the present invention, specific components derived from a living body such as glucose and cholesterol can be measured, and lifestyle-related diseases can be monitored. Or it can be used as a health check device.
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。 The means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態の構造)
以下、図4〜図7を参照して本発明の第1の実施形態による分析チップ31の構造を説明する。図4は分析チップ31の下面図、図5は分析チップ31の下面から絶縁膜36と発汗電極37a、37bを除いた状態の下面図である。図6は図4のX−X線に沿った断面を示す概略断面図、図7は図6のY部を詳細に示す拡大断面図である。
(Structure of the first embodiment)
Hereinafter, the structure of the
分析チップ31は、基板32の下面に複数個の検知ユニット39と複数組の発汗電極37a、37bなどを設けたものである。基板32は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化型樹脂などの基板材料をシート状に成形したものであって、皮膚表面に沿って容易に湾曲する厚みとなっている。基板32の下面にはプリズム状(ピラミッド状、角錐台状)をしたマイクロサイズの凹部33が複数形成されており、凹部33は格子状に規則的に配列している。凹部33は人の体液(汗)を採取するための窪みであって、各凹部33内には一対の微小な酵素電極34a、34b(第1の電極)を対向する位置に設けてある。
The
検知ユニット39は、凹部33内に酵素電極34a、34bを設けたものであって、酵素電極34a、34bの少なくとも一方の表面、好ましくは双方の表面には検査対象物質(特定成分)に応じた酵素を含む酵素膜40が固定されている。酵素膜40に含まれる酵素はすべての検知ユニット39で同じものを用いてもよく、それぞれ異なる種類のものでもよい。複数種類の酵素膜40を用いれば、グルコース、コレステロール等の複数種類の検査対象物質を一度に検査することができる。ただし、すべての検査対象物質が酵素と反応しないうちに酵素と検査対象物質との反応が飽和することのないよう、検査対象物質の量よりも十分多量の酵素を酵素電極34a、34bの表面に固定している。
The
各酵素電極34a(正極)は微細な酵素電極配線35aによって結線されており、各酵素電極34b(負極)は微細な酵素電極配線35bによって結線されている。すなわち、図5に示すように、酵素電極配線35a、35bはそれぞれ基板32の下面に配線されており、分岐した酵素電極配線35aは凹部33内に入って酵素電極34aに繋がり、分岐した酵素電極配線35bは凹部33内に入って酵素電極34bに繋がっており、各検知ユニット39は互いに並列に電気接続されている。正極側の酵素電極配線35aと負極側の酵素電極配線35bとが交差しないようにするためには、図5に示すように酵素電極配線35aと酵素電極配線35bが基板32の反対側の縁を通るようにすればよい。ただし、複数種類の酵素膜が用いられている場合には、異なる検査対象物質の信号が混じり合わないように、各種類の酵素膜を固定された酵素電極34a、34bごとに別な酵素電極配線35a、35bを用いる。また各検知ユニット39にはそれぞれスイッチング素子(図示せず)を設けてもよい。これによって、各検知ユニット39を走査することで、各検知ユニット39における反応を別々にセンシングすることが可能となり、様々な複数種類の物質をセンシングすることができる。さらには、一つの検知ユニット39で発生したエラーをキャンセルする(無視する)ことが可能となり、一つの物質を複数の検知ユニット39でセンシングするようにしておけば、データ数は減少するが、特定物質のセンシングが可能となる。
Each
基板32の下面(凹部33を除く領域)には、図4及び図7に示すように、酵素電極配線35a、35bを覆うようにして絶縁膜36が形成されている。そして、絶縁膜36の表面には、列方向に延びた発汗電極37aと発汗電極37bが、凹部33どうしの中間の領域と行方向両端に設けられており、各発汗電極37aは発汗電極配線38aによって結線され、各発汗電極37bは発汗電極配線38bによって結線されている。発汗電極配線38aと発汗電極配線38bが交差しないよう、図4に示すように、発汗電極配線38a、38bは基板32の反対側の縁を通過しており、発汗電極37a及び発汗電極配線38aと、発汗電極37b及び発汗電極配線38bとはいずれも櫛歯状に形成されている。酵素電極配線35a、35bと発汗電極配線38a、38bとは絶縁膜36によって互いに絶縁状態に保たれている。
As shown in FIGS. 4 and 7, an insulating
なお、発汗電極37a、37b及び発汗電極配線38a、38bは、図8に示すようなパターンで配置してもよい。この例では、絶縁膜36の表面において、列方向に延びた発汗電極37bを、検知ユニット39の中間と行方向両端に設けており、基板32の縁には行方向に長い1本の発汗電極37aを設けている。このような配置パターンでは、発汗電極37a、37bに電圧を印加したときに各検知ユニット39で電界分布が異なるので、発汗量の制御や、測定値へのフィートバックが難しくなる。しかし、発汗電極37a、37bを作製する工程では、発汗電極37a及び発汗電極配線38aの形状が単純になるので、電極及び配線の作製が容易になる。
The sweating
分析チップ31では、発汗電極37a、37bのうち一方の電極の表面にピロカルピン等の発汗促進剤41を設けてあり、他方の電極の表面に粘着剤層42を設けてある。具体的には、発汗促進剤41がカチオン性薬剤の場合には、発汗促進剤41を正極側の発汗電極に設け、発汗促進剤41がアニオン性薬剤の場合には、発汗促進剤41を負極側の発汗電極に設ける。
In the
皮膚に直接に電極を当てると、皮膚の凹凸や湾曲のため電極と皮膚との接触面積が変動し、ばらつきが生じる。これを解消するためには、柔らかな誘電体であるゲルを電極表面に塗布すればよく、それによって電極と皮膚との接触面積を安定させることができる。従って、発汗促進剤41及び粘着剤層42をゲル質のもので形成すれば、皮膚との密着性が向上し、また接触面積の安定性を保つことができる。
When the electrode is directly applied to the skin, the contact area between the electrode and the skin fluctuates due to unevenness and curvature of the skin, resulting in variations. In order to solve this problem, a gel, which is a soft dielectric, may be applied to the electrode surface, thereby stabilizing the contact area between the electrode and the skin. Therefore, if the
また、皮膚に直接電極を当てる場合、電極材料によっては皮膚に影響(化学的反応)を与える恐れがある。従って、皮膚と接触する発汗電極37a、37bには、生体に影響のない材料、もしくは生体に影響の少ない材料を用いることが好ましい。さらには、反応への影響をさけるためイオン化しにくい材料が好ましい。例えば、電極材料として、銀(Ag)、塩化銀(AgCl)、白金(Pt)、金(Au)、ステンレス鋼(SUS)などを用いるのが好ましい。
In addition, when the electrode is directly applied to the skin, there is a risk of affecting the skin (chemical reaction) depending on the electrode material. Therefore, it is preferable to use a material that does not affect the living body or a material that does not affect the living body for the sweating
なお、使用前の分析チップ31は、下面に保護シートを貼り付けて酵素電極34a、34bや発汗促進剤41、粘着剤層42などが汚染しないよう保護している。あるいは、分析チップ31をパッケージ内に封止してあってもよい。
Note that the
(使用方法)
分析チップ31は、下面に保護シート等が貼られている場合には保護シート等を剥がした後、図9に示すように、粘着剤層42によって皮膚の表面に貼り付ける。分析チップ31は、データ解析用の分析装置本体43やコンピュータなど(以下、分析装置本体43等という。)に接続して使用される。分析チップ31は、分析装置本体43等から発汗電極37a、37b間に直流電圧が印加され、酵素電極34a、34b間にも直流電圧が印加される。また、酵素電極34a、34b間に流れる電流は分析装置本体43等によって計測される。
(how to use)
When a protective sheet or the like is attached to the lower surface of the
なお、分析チップ31は、図10に示すように、ボタン電池等の電池44を基板32に内蔵していてもよい。この場合には、電池44によって発汗電極37a、37b間と、酵素電極34a、34b間に電圧を印加することができる。分析チップ31では、後述のように皮膚に流れる電流を小さくすることができるので、電池容量の小さな小型の電池を使用することが可能になり、よって基板32に内蔵させることができる。また、分析チップ31と分析装置本体43が一体に構成されていてもよい。
The
こうして分析チップ31を皮膚表面に貼り付けた後、発汗電極37a、37b間に数ボルトの直流電圧を印加すると、皮膚に接触している発汗促進剤41が体内に注入され(イオン導入法 iontophoresis)、それによって体液の分泌(発汗)が促進される。
After affixing the
こうして皮膚から体液が分泌されると、分泌された体液は各検知ユニット39内に採取される。そして、分析装置本体43では、酵素電極34a、34b間に流れる電流の値に基づいて体液中のグルコース濃度が解析され、解析結果は分析装置本体43等に表示される。よって、分析チップ31と分析装置本体43によってグルコースセンサが構成されている。
When the body fluid is thus secreted from the skin, the secreted body fluid is collected in each
(測定原理)
図11はグルコース濃度の解析方法を説明する図であって、測定開始してからの経過時間と単位時間当たりに反応したグルコース量(mg/sec)との関係を模式的に表している。時間T0は発汗開始時間であって、このとき検知ユニット39内は空の状態となっている。測定が開始すると、発汗電極37a、37bに電流が流れて発汗促進剤41が皮膚に注入され、皮膚から体液が分泌される。このときの時間が発汗開始時間TOである。皮膚から分泌された体液は、各検知ユニット39内に浸入する。発汗開始時間TOは、検知電極(第4の実施形態を参照)を用いて測定するか、もしくは様々な治験より測定開始後に発汗される時間を算出することで求めることができる。
(Measurement principle)
FIG. 11 is a diagram for explaining a method for analyzing glucose concentration, and schematically shows the relationship between the elapsed time from the start of measurement and the amount of glucose reacted per unit time (mg / sec). Time T0 is a sweating start time, and at this time, the inside of the
体液が検知ユニット39内に浸入しても、酵素電極34a、34bの下端に達する時間(T1)までは体液が酵素電極34a、34bに接触しないので、グルコースは検出されない。したがって、時間T1までの間は、単位時間当たりに酵素と反応したグルコース量(以下、グルコース反応速度という。)はゼロに保たれる。
Even when the body fluid enters the
検知ユニット39内で体液が上昇して酵素電極34a、34bの下端に達すると(時間T1)、体液に含まれているグルコースが酵素と反応を開始する。このとき体液に含まれるグルコースは酵素の働きでグルコン酸に変化し、グルコースが放出した電子によってメディエータ(電子伝達体)が還元される。還元されたメディエータは酵素電極34a、34bの正極側に電子を運んで酵素電極34a、34b間に電流を流す。よって、グルコース反応速度は酵素電極34a、34bに流れる電流に比例するので、酵素電極34a、34b間に流れる電流を計測することによってグルコース反応速度を求めることができる。
When the body fluid rises in the
検知ユニット39内の体液が酵素電極34a、34bの下端より高く上昇しても、当初は体液と酵素膜40との接触面積が小さいので、酵素と反応したグルコース量よりも酵素と反応していないグルコース量の方が多い。そのため、体液の界面が上昇するにつれてグルコースと酵素との反応が速やかに進行し、グルコース反応速度は次第に大きくなる。すなわち新たな酵素層に試料が浸透してくることで反応量が増加する(時間T1からT2まで)。そして、グルコースと酵素が平衡状態になる、すなわち酵素層への糖拡散量と酵素反応量が安定(平衡)状態になり酵素層内の一定量または全量の糖が分解される状態となると(時間T2)、その後は検知ユニット39内に新たに入り込んだ体液中のグルコースだけが酵素と反応するので、グルコース反応速度は一定となる。
Even if the bodily fluid in the
よって、グルコース反応速度の変化を模式的に表すと、図11に示すように、グルコース反応速度は当初はゼロに保たれており、ついで次第に大きくなった後、再びある値αで一定に保たれる。 Therefore, when the change of the glucose reaction rate is schematically represented, as shown in FIG. 11, the glucose reaction rate was initially maintained at zero, and then gradually increased and then maintained constant at a certain value α again. It is.
したがって、体液中のグルコース濃度(単位体積の体液中に含まれるグルコース量)は、次のようにして算出される。まず、発汗開始してからグルコース反応速度が上昇し始めるまでの時間ΔT=T1−T0は体液が酵素電極34a、34bの下端に達するのに要する時間であり、検知ユニット39内における酵素電極34a、34bの下端よりも下の容積Vgは既知であるから、1つの検知ユニット39内における単位時間当たりの発汗量、すなわち発汗速度βは、
β=Vg/ΔT
で求まる。一方、一定値で安定したときのグルコース反応速度αは、上記のように、1つの検知ユニット39内に単位時間の間に送り込まれた体液に含まれるグルコース量を表している。よって、体液のグルコース濃度は、
グルコース濃度=α/β=(α・ΔT)/Vg
によって求めることができる。また、グルコース反応速度を時間で積算すれば、グルコース量を求めることもできる。
Therefore, the glucose concentration in the body fluid (the amount of glucose contained in the body fluid in a unit volume) is calculated as follows. First, the time ΔT = T1−T0 from the start of sweating until the glucose reaction rate starts to increase is the time required for the body fluid to reach the lower ends of the
β = Vg / ΔT
It is obtained by On the other hand, the glucose reaction rate α when stabilized at a constant value represents the amount of glucose contained in the body fluid sent into one
Glucose concentration = α / β = (α · ΔT) / Vg
Can be obtained. Moreover, if the glucose reaction rate is integrated over time, the amount of glucose can also be determined.
こうして求めたグルコース濃度やグルコース量は、糖尿病等の予防、診断に役立てることができる。 The glucose concentration and glucose amount thus determined can be useful for the prevention and diagnosis of diabetes and the like.
(発汗量を大きくするための構造)
現在市販されている発汗・回収チップでは、必要量の体液を得るのに長い時間がかかっていた。図12(b)は現在市販されている発汗・回収チップにおける経過時間と体液採取量(発汗量)との関係の一例を示す図である。これは、図12(a)に示すように、発汗電極37aの発汗促進剤41と発汗電極37bの粘着剤層42を約3cm以上の距離離して皮膚46の表面に設置し、発汗電極37a、37b間に直流電源45で15〜30Vの電圧を加え、経過時間(電圧印加時間)と体液採取量との関係を測定したものである。図12(b)によれば、単位時間当たりの体液採取量は、約5μl/minであり、これを単位面積当たりの体液採取量に換算すると、約0.8〜1.0μl/(min・cm2))となる。現在市販のチップでは、チップ容積は流路など反応と直接関係のない容積を含めて50〜100μlあり、汗を回収する部分の面積は皮膚を押圧することで小さくなるため、約5cm2と考えられる。よって、現在市販されている発汗・回収チップでは、必要な容積を汗で満たすのに10分以上かかっている。
(Structure to increase sweating amount)
With the currently available sweating / recovery chips, it took a long time to obtain the required amount of body fluid. FIG. 12B is a diagram showing an example of the relationship between the elapsed time and the amount of collected body fluid (sweat volume) in a sweat / collection chip currently on the market. As shown in FIG. 12 (a), the
発汗量を大きくして体液の採取時間を短くするためには、発汗電極37a、37bによって皮膚に流れる電流あるいは電流密度を増加させればよい。図13は、皮膚に流れる電流が1.5mAのときの体液採取量と、電流が0.75mAのときの体液採取量の時間的変化を市販の発汗・回収チップを用いて測定した結果を示す図である。この測定結果からは、皮膚に流れる電流が増加するほど発汗量が大きくなることが分かる。
In order to increase the amount of perspiration and shorten the body fluid collection time, the current or current density flowing through the skin may be increased by the
皮膚に流れる電流を増加させて発汗量を大きくするためには、発汗電極37a、37bに印加する電圧を大きくすればよい。しかし、印加電圧を大きくしたり、皮膚に流れる電流を大きくしたりすると、それに比例して人体に影響を与える可能性がある。人体に対する電流や電圧の影響は、電圧の場合では、20V以下であれば確実に安全であると言われている。
(http://www.mre.aist.go.jp/db-uwt1/DUCK/full/uwc2232.htm)
また、電流密度の場合では、0.1μA/cm3であれば安全であると言われている(電子情報通信学会2005年2月号「電磁界による健康影響の概説」)。
In order to increase the amount of sweat by increasing the current flowing through the skin, the voltage applied to the
(Http://www.mre.aist.go.jp/db-uwt1/DUCK/full/uwc2232.htm)
In the case of current density, 0.1 μA / cm 3 is said to be safe (February 2005 issue of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers “Summary of health effects due to electromagnetic fields”).
また、皮膚に与える電圧や電流が強すぎると、皮膚(表皮)の抵抗が大きいためにジュール熱が大きくなり、やけどを負わせる恐れがある。 If the voltage or current applied to the skin is too strong, the resistance of the skin (the epidermis) will increase and Joule heat will increase, which may cause burns.
図14は、発汗電極37a、37bを押し当てられた皮膚の断面を表している。発汗電極37aは表皮47a(厚さTh1=0.06〜0.2mm)の表面に当てられており、表皮47aの下の真皮47b(厚さTh2=1〜4mm)に毛根48や汗腺49が存在している。
FIG. 14 shows a cross section of the skin pressed against the
図15は、図14に示した皮膚の等価回路モデルである。図15において、Raxは皮膚表面と平行な方向における発汗電極37a、37b間の表皮47aの等価抵抗、Ray1、Ray2は表皮47aの厚み方向における等価抵抗であり、Rbxは皮膚表面と平行な方向における発汗電極37a、37b間の真皮47bの等価抵抗、Rby1、Rby2は真皮47bの厚み方向における等価抵抗である。表皮47a(角質層)は水分が少ないので抵抗率は約10MΩ/100μmであり、真皮47bは水分を多く含み、電気を通し易い。従って、表皮47aの抵抗Rax、Ray1、Ray2は大きく、真皮47bの抵抗Rbx、Rby1、Rby2は小さい。
FIG. 15 is an equivalent circuit model of the skin shown in FIG. In FIG. 15, Rax is the equivalent resistance of the
よって、皮膚表面に電圧を加えて効率よく発汗させるには、発汗電極37a、37bに印加する電圧を大きくすることなく、真皮47bに効率よく電流を流す一方で、表皮47aの抵抗を小さくして表皮47aにおける発熱(ジュール熱)を小さくする工夫が必要になる。
Therefore, in order to apply a voltage to the skin surface and sweat efficiently, the current applied to the
表皮47aの抵抗Raxは、発汗電極37a、37b間の距離Pによって変化するから、抵抗Raxを小さくするには発汗電極37a、37b間の距離Pを小さくすればよい。
Since the resistance Rax of the
しかし、発汗電極37a、37b間の距離Pを短くして抵抗Raxが厚み方向の抵抗Ray1、Ray2よりも小さくなると、皮膚の等価回路モデルは図16のようになる。従って、図16に矢印で示すように、大部分の電流が表皮47a(Rax)に沿って流れる。特に、発汗電極37a、37b間の距離Pが200μmよりも短くなると、抵抗値がRax<Ray1、Ray2となり、電流が表皮47aにばかり流れて汗腺49のある真皮47bに届きにくくなり、発汗作用が抑えられる。したがって、隣接する発汗電極37a、37b間の距離Pは200μm以上とすることが望ましい。
However, when the distance P between the
もっとも、唇のように表皮47aが薄くて湿潤である場合には、表皮47aの抵抗Rax、Ray1、Ray2が小さくなり、従って、いずれの抵抗Rax、Ray1、Ray2、Rbx、Rby1、Rby2も小さくなるので、発汗電極37a、37b間の距離Pを短くしても電流は図17のように流れ、しかも同じ電圧であっても真皮47bに流れる電流が大きくなることで発汗を促進することができる。
However, when the
しかし、発汗電極37a、37b間の距離には、別な面からも制約がある。各検知ユニット39で体液を採取するためには、全ての検知ユニット39に少なくとも1つの汗腺49が対向していることが望ましい。従って、検知ユニット39の配列ピッチは汗腺49のピッチよりも大きいことが望ましい。汗腺49は1平方センチメートル当たり250個以上あると言われている(「汗の常識・非常識」小川徳雄著、講談社刊)。すなわち汗腺49のピッチは600μm以上である。よって、凹部33の配列ピッチは600μm以上であれば、各検知ユニット39内には少なくとも1つの汗腺49が含まれていると期待でき、各検知ユニット39で体液を採取することができる。分析チップ31では、検知ユニット39の配列ピッチは、発汗電極37a、37bのピッチに等しいから、発汗電極37a、37b間の距離Pも600μm以上であることが好ましい。
However, the distance between the
距離P=600μmという値は、発汗電極37a、37b間の距離Pを小さくして発汗量を大きくするのに十分な値である。すなわち、距離Pを600μmにすれば、R=ρ×(d/S)、V=RI(R:抵抗値、ρ:抵抗率、d:抵抗の長さ、S:抵抗の断面積、V:電圧、I:電流値)より同じ電流値を得るには、電圧は従来の約1/50でよいことになる。
The value P = 600 μm is a value sufficient to increase the amount of sweat by reducing the distance P between the
よって、発汗電極37a、37b間の距離P、あるいは検知ユニット39の配列ピッチが600μm以上であれば、分析チップ31の検知ユニット39を微細化することで、発汗効率を向上させることができる。
Therefore, if the distance P between the sweating
つぎに、基板32や発汗電極37a、37bと皮膚との接触面積について述べる。図18は皮膚に接触させた電極の面積と抵抗(皮膚の等価抵抗)との関係を表した図である。図18から分かるように、電極面積が大きくなると抵抗値は小さくなっている。従って、発汗電極37a、37bの電極面積(接触面積)を大きくすれば、表皮47aの抵抗が小さくなり、真皮47bにより大きな電流を流して発汗効率を大きくできることが分かる。また、表皮47aの抵抗が小さくなることで、表皮47aで発生するジュール熱を小さくし、皮膚の損傷(やけど)を防ぐことができる。
Next, the contact area between the
図19は検知ユニット39(凹部33)が一つしかない場合を表している。このような分析チップでは、比較的大きな凹部が存在するので、皮膚に凹凸がある場合には、分析チップに圧力をかけていないと、皮膚と分析チップとの間に隙間が生じ易く、そこから体液53が漏れる。この隙間をなくすためには、分析チップに大きな圧力をかけて皮膚に押し付ける必要がある。そうすると被験者は皮膚に違和感を生じ、精神的・肉体的負担を生じる。なお、皮膚の凹凸の周期は約100〜340μmであり、深さは15〜170μmである。
(http://www.ymdlab.mce.uec.ac.jp/thesis/2006/A27mashitayukari.pdf)
したがって、検知ユニット39のサイズが1mm程度よりも大きく、深さが数百μm以上ある場合には、このような状況となる。
FIG. 19 shows a case where there is only one detection unit 39 (concave portion 33). In such an analysis chip, since there is a relatively large recess, if there is unevenness on the skin, a gap is easily generated between the skin and the analysis chip unless pressure is applied to the analysis chip.
(Http://www.ymdlab.mce.uec.ac.jp/thesis/2006/A27mashitayukari.pdf)
Therefore, such a situation occurs when the size of the
これに対し、第1の実施形態の分析チップ31では、微小な検知ユニット39を基板32の下面に一定の間隔で配列しているので、図20に示すように、基板32の下面に密着する皮膚面積が大きくなる。そして、基板32の下面に分布している検知ユニット39のうちで体液53を採取したもののみで分析を行うことにより、分析チップ31に大きな圧力をかけて皮膚に押し付けることなく、測定エラーの頻度を激減させることができる。また、体液を採取した検知ユニット39でデータ処理すると、体液を採取できた箇所が増えれば増えるほどデータの信頼度が向上する。検知ユニット39の配列ピッチは100μmにするのが望ましいが、汗腺49のピッチが約600μmなので、検知ユニット39の配列ピッチは600μmよりも大きく、1mm以下であることが望ましく、特に600μm程度が最良であると考えられる。また、複数の検知ユニット39で得たデータを平均化することで測定誤差を小さくできる。
On the other hand, in the
図21(a)(b)(c)は、基板32の下面が平坦となっており、その下面全体に電極54を形成したものを表している。基板32の下面全体に形成された電極54を皮膚46の表面に接触させる場合、押し付け力がゼロであれば、図21(a)に示すように、皮膚46との接触面積は小さい。基板32を皮膚46に押圧した場合には、図21(b)に示すように、皮膚46との接触面積は電極54の面積Aとなる。さらに、基板32を強く押圧したときには、図21(c)に示すように、基板32は皮膚46に押し込まれて端面でも接触するので、端面の接触面積をaとすれば、全体の接触面積はA+2×aとなる。
FIGS. 21A, 21B, and 21C show the
これに対し、本実施形態の分析チップ31の場合には、皮膚46への押し付け力がゼロであれば、図22(a)に示すように、皮膚46との接触面積は小さい。分析チップ31を皮膚に押圧した場合には、図22(b)に示すように、接触面積は基板下面の発汗電極37a、37bの面積Aとなる。さらに、分析チップ31を強く押圧したときには、図22(c)に示すように、基板32は皮膚46に押し込まれて端面でも接触し、さらに皮膚46が凹部33内に入り込むので、端面の接触面積をa、凹部33の数をNとすれば、全体の接触面積はA+2×(N+1)×aとなり、接触面積が大きくなる。
On the other hand, in the case of the
よって、本実施形態の分析チップ31では、強く皮膚に押し付けた場合には、平坦な基板32と比べても接触面積が大きくなり、皮膚に加わる圧力が軽減されて被験者の肉体的な負担を軽減することができる。
Therefore, in the
また、本実施形態の分析チップ31では、検知ユニットが一つのもの(図19参照)や基板の下面が平坦なもの(図21参照)と比較しても、分析チップ31と皮膚との接触面積が大きくなる。したがって、これに伴って発汗電極37a、37bと皮膚との接触面積も大きくなる。そして、発汗電極37a、37bと皮膚との接触面積が増えると、電流の流れる断面が大きくなるので皮膚の抵抗が小さくなる。よって、発汗電極37a、37bから皮膚に流れる電流が増加して発汗がさらに促進されるとともに、ジュール熱による発熱が低減されて皮膚への損傷(やけど)を低減することができる。
Further, in the
つぎに、発汗電極37a、37bの皮膚への押圧力について説明する。図23は、棒状テンションゲージで円形電極(電極面積12.3cm2)を皮膚に押さえ付け、そのときの押え付け力と皮膚の抵抗との関係を測定した結果を示している。この測定結果によれば、ばらつきが大きいものの、押え付け力が大きくなると皮膚の抵抗が小さくなる傾向のあることが分かる。これは表皮47aが押さえ付けられることによって表皮47aの厚みが薄くなるためであると考えられる。
Next, the pressing force of the
また、図24は皮膚の押え付け力と接触面積との関係を示す。これは、棒状テンションゲージを用いて放物線状の備品を皮膚に押さえつけ、備品に予め塗っておいた塗料が皮膚に付着した面積を画像処理で計算して接触面積としたものである。この測定結果によれば、皮膚の押え付け力が大きくなると、接触面積が大きくなることを確認できる。 FIG. 24 shows the relationship between the skin pressing force and the contact area. In this method, a parabolic fixture is pressed against the skin using a bar-shaped tension gauge, and the area where the paint previously applied to the fixture is attached to the skin is calculated by image processing to obtain a contact area. According to this measurement result, it can be confirmed that the contact area increases as the skin pressing force increases.
従って、分析チップ31を皮膚に押し付けると、発汗電極37a、37bで47aが押されて表皮47aの厚さが薄くなり、また発汗電極37a、37bと皮膚との接触面積が大きくなる。そして、表皮47aが薄くなることと、発汗電極37a、37bと皮膚との接触面積が小さくなることとが相俟って表皮47aの厚み方向の抵抗Ray1、Ray2が小さくなる。その結果、図25の等価回路図に示すように、同じ電圧または電力が供給されていても、真皮47bに流れる電流が大きくなり、発汗効率が向上する。
Therefore, when the
分析チップ31を皮膚に押し付ける方法としては、後述の生体物質センサ(図39参照)のようにベルトなどで腕や指に取り付けることで分析チップ31を皮膚に押圧させればよい。あるいは、分析チップ31を弾性的に湾曲させた状態で皮膚表面に貼り付け、その弾性復帰力で分析チップ31を皮膚に押し付ける方法も考えられる。ただし、皮膚に加える圧力が80mmHg以下であれば人体に影響のないことが分かっているので、分析チップ31を皮膚に押し付ける強さも80mmHg以下の圧力となるようにするのが好ましい。
As a method of pressing the
以上のように、本実施形態の分析チップ31では、種々の工夫を施しているので、皮膚に損傷を与えたり不快感を与えたりすることなく、非侵襲で測定を行うことができる。しかも、効率よく発汗を促すと共に少量の体液で特定物質の有無や量などの検査を行うことができ、短い時間で測定を行得ことができる。
As described above, the
(製造方法)
つぎに、分析チップ31の製造方法を説明する。図26は、分析チップ31の製造方法の一例を示す概略断面図である。以下、図26に従って分析チップ31の製造工程を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
図26(a)に示すものは、凹部33の反転形状、すなわちプリズム状の凸部51を有するスタンパ(金型)52である。このスタンパ52は、例えばスタンバ材料の表面を切削加工することによって作製することができる。あるいは、Si基板などを異方性エッチングして作製してもよい。また、フォトレジストによって凹部を形成したフォトレジスト原盤から電鋳法によってスタンパ52を作製してもよい。
What is shown in FIG. 26A is a stamper (mold) 52 having an inverted shape of the
ついで、図26(b)に示すように、スタンパ52を用いて基板32を作製し、凸部51によって基板32に凹部33を形成する。例えば、スタンパ52を射出成形機の金型内にセットし、金型内に熱硬化性樹脂を注入して凹部33を有する基板32を成形する。あるいは、透明な樹脂平板の上に紫外線硬化型樹脂を滴下し、これをスタンパ52で押さえて樹脂平板全体に押し広げ、その状態で紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させ、スタンパ52を剥離して基板32を得る。
Next, as shown in FIG. 26B, the
この後、図26(c)に示すように、基板32の凹部33が設けられている側の面に、スクリーン印刷法、インクジェット法、スパッタ法、真空蒸着法、CVD法などによって電極材料を所定パターンに成膜し、凹部33の内面と基板32の下面に酵素電極34a、34bと酵素電極配線35a、35bとを作製する。
Thereafter, as shown in FIG. 26C, an electrode material is predetermined on the surface of the
さらに、図26(e)に示すように、マイクロコンタクト法により基板32の下面に絶縁膜36を形成する。すなわち、この工程では、図26(d)のように予め薄く成膜された絶縁膜36を基板32の下面に押し付けて転写し、基板32の下面を絶縁膜36で覆う。
Further, as shown in FIG. 26E, an insulating
つぎに、図26(f)に示すように、絶縁膜36の表面に、スクリーン印刷法、インクジェット法、スパッタ法、真空蒸着法、CVD法などによって電極材料を所定パターンに成膜し、発汗電極37a、37bと発汗電極配線38a、38bを作製する。
Next, as shown in FIG. 26 (f), an electrode material is formed in a predetermined pattern on the surface of the insulating
そして、図26(g)に示すように、インクジェット法によって酵素電極34a、34bの表面に酵素膜40を固定すると共に、発汗電極37aの下面に発汗促進剤41を塗布し、発汗電極37bの下面に粘着剤層42を塗布し、分析チップ31を得る。
Then, as shown in FIG. 26 (g), the
このような製造方法によれば、品質の安定した分析チップ31を安価に作製することができる。また、大きな基板を用いて複数個分の分析チップ31を一度に作製した後、個々の分析チップ31に切り離すようにすれば、量産性も良好となる。
According to such a manufacturing method, the
また、基板に凹部を作製する方法としては、上記のようなスタンパを用いることなく、切削刃で直接基板を削って凹部を作製したり、エッチングによって凹部を形成したり、フォトリソグラフィ技術により凹部を形成したりしてもよい。ここで切削刃を用いる方法は、切削刃に圧力や熱を与えて基板に凹部を切削加工する方法である。エッチングによる方法は、化学薬品などの腐食作用を応用した塑形ないし表面加工の技法であって、使用する素材の必要部分にのみ防食処理を施し、腐食剤(エッチャント)によって不要部分を除去することで目的形状の凹部を得る方法である。特に、異方性エッチングによれば、結晶方位によるエッチングレートの違いを利用して非等方的な形状を加工することができる。フォトリソグラフィ技術を用いる方法では、フォトレジストと呼ばれる感光剤を塗布した基板の上に、パターンを書き込んだマスク(遮光材)を重ね、マスクを介してフォトレジストに光を照射し、フォトレジストの露光により感光した部分を化学的に腐食させ(エッチング)、所望の凹部を形成する方法である。ただし、製造効率やコストの点からは、スタンパを用いる方法が望ましい。 In addition, as a method of manufacturing the concave portion on the substrate, without using the stamper as described above, the concave portion is formed by directly cutting the substrate with a cutting blade, the concave portion is formed by etching, or the concave portion is formed by photolithography technology. Or may be formed. Here, the method using a cutting blade is a method of cutting a recess in a substrate by applying pressure or heat to the cutting blade. The etching method is a plastic or surface processing technique that applies the corrosive action of chemicals, etc., and applies anticorrosion treatment only to the necessary parts of the material to be used, and removes unnecessary parts with a corrosive agent (etchant). This is a method for obtaining a recess having a desired shape. In particular, according to anisotropic etching, an anisotropic shape can be processed using a difference in etching rate depending on crystal orientation. In a method using photolithography technology, a mask (light-shielding material) on which a pattern is written is overlaid on a substrate coated with a photosensitive agent called a photoresist, and the photoresist is irradiated with light through the mask to expose the photoresist. In this method, the exposed portion is chemically corroded (etched) to form a desired recess. However, a method using a stamper is desirable from the viewpoint of manufacturing efficiency and cost.
本発明の分析チップ31は、上記のような種々の特徴を有するものであり、体液(汗)を溜める微小な凹部33を基板に複数設けられているので、各々の検知ユニット39では微量な体液によって測定を行うことができ、被験者に対する肉体的負担を軽減すると共に測定時間を短くすることができる。また、複数の凹部33が一枚の基板32に設けられているので、部品点数を削減でき、コストも低減することができる。
The
また、微小な複数の検知ユニット39は樹脂製の基板32に形成されているので、分析チップ31の材料コストが安価になると共に金型製作によって安価に製造することができる。よって、分析チップ31をローコスト化することができ、分析チップ31を使い捨てにすることが可能になる。また、樹脂製の基板32は柔らかいので、分析チップ31は皮膚表面の湾曲に追従して湾曲でき、皮膚表面と密着することで体液の漏れを防ぐことができる。
In addition, since the plurality of
また、各検知ユニット39の内部にはそれぞれ酵素電極34a、34bが形成されているので、個々の検知ユニット39毎に検査を行うことができる。さらに、複数種類の酵素を用いれば、グルコースやコレステロール等の複数種類の検査対象物質を一度に検査することができ、さまざまな生活習慣病を同時に検査することができる。
Further, since the
また、皮膚と接触する部分には発汗電極37a、37bを設け、一方の発汗電極に発汗促進剤を設け、他方の発汗電極に粘着剤層を設けているので、発汗電極37a、37bに電圧を掛けることにより発汗促進剤を注して発汗を促進することができ、測定時間を短くできる。また、粘着層を設けることで分析チップ31を皮膚に密着させることができ、体液が漏れにくくなる。
In addition,
しかも、この分析チップ31は、被験者に痛感や不快感を与えにくく非侵襲で測定を行うことができ、また効率よく発汗を促すと共に少量の体液で特定物質の有無や量などの検査を行うことができるようにし、短い時間で測定を行えるという特徴を有している。
In addition, the
また、第1の実施形態による分析チップ31では、マイクロサイズの凹部33内に酵素電極34a、34bを配置して検知ユニット39を構成しており、さらに反応とは関係のない構造、例えば凹部33内に体液を送り込むための送液部や体液排出のための流路(図29〜図36参照)を設けていないので、少量の体液で測定を行うことができ、測定時間を短くできる。
Further, in the
また、第1の実施形態の分析チップ31では、各検知ユニット39が並列に接続されているので、いずれかの検知ユニット39で体液が採取されない場合でもグルコース等の検査対象物質を測定することができると共に、信号強度も大きくなる。
Further, in the
(変形例)
上記分析チップ31では、凹部33の形状はプリズム状ないしピラミッド状となっていたが、凹部33の形状はプリズム状などに限るものではない。例えば、図27に示すように、レンズ状(半球状、球面状)をした凹部33の内面に酵素電極34a、34b等を設けて検知ユニット39を形成してもよい。
(Modification)
In the
プリズム状の凹部33とレンズ状の凹部33との製作工程を比較すると、以下のような特徴がある。切削刃を用いて凹部を加工する方法では、レンズ状の凹部では球面を出すのに高い精度で切削刃を制御する必要があるが、プリズム状の凹部であれば、凹部の形状を作製しやすい。
When manufacturing processes of the prism-shaped
エッチングによって凹部を形成する方法では、プリズム状の凹部の場合には、Si基板等の異方性エッチングにより容易に凹部を得ることができる。 In the method of forming a recess by etching, in the case of a prism-shaped recess, the recess can be easily obtained by anisotropic etching of a Si substrate or the like.
フォトリソグラフィ技術を用いる方法では、フォトレジストへの露光量をコントロールすることにより、プリズム状の凹部でもレンズ状の凹部でも作製することができる。 In the method using the photolithography technique, a prism-shaped concave portion or a lens-shaped concave portion can be manufactured by controlling the exposure amount to the photoresist.
また、酵素を酵素電極又は凹部内面に固定する工程では、レンズ状の凹部では曲面に酵素を固定することになるのに対し、プリズム状の凹部では平面に酵素を固定すればよく、酵素の固定が容易に行えるとともに酵素膜の膜厚を均一にすることができる。 In the step of fixing the enzyme to the inner surface of the enzyme electrode or the recess, the enzyme is fixed to the curved surface in the lens-shaped recess, whereas the enzyme is fixed to the plane in the prism-shaped recess. Can be easily performed and the thickness of the enzyme membrane can be made uniform.
よって、プリズム状の凹部33とレンズ状の凹部33とを比較すると、製造工程上は、プリズム状の凹部33が望ましい。
Therefore, when the prism-shaped
図28は、第1の実施形態の別な変形例を示す断面図である。第1の実施形態では、酵素電極34a、34bの表面に酵素膜40を固定していたが、この変形例では、凹部33内に酵素40aを充填している。このような変形例によれば、小さな凹部33に多量の酵素40aを保持させておくことができる。
FIG. 28 is a cross-sectional view showing another modification of the first embodiment. In the first embodiment, the
(第2の実施形態)
図29(a)は本発明の第2の実施形態による分析チップ61を示す平面図、図29(b)はその断面図である。この分析チップ61では、各検知ユニット39の最上部から基板32の上面に貫通した流路62を設けている。この実施形態では、検知ユニット39の上端に流路62を設けているので、検知ユニット39内に体液が浸入してきたとき、検知ユニット39内の空気は流路62から外部へ排出される。さらに、皮膚から体液が噴き出すところを塞がれると、被験者の肉体的な負担が増すが、流路62を設けることにより、このような肉体的負担を小さくできる。
(Second Embodiment)
FIG. 29A is a plan view showing an
また、この実施形態の分析チップ61は、発汗電極37a、37b、発汗電極配線38a、38bと発汗促進剤41を有していない。したがって、自然発汗により分泌された体液を採取するが、自然発汗の場合には発汗量に個人差がある。発汗量が多い被験者の場合には、余分な体液は検知ユニット39内で溢れることなく、流路62から外部へ排出される。
Further, the
図30は上記分析チップ61の製造方法の一部を説明する概略断面図である。図30(a)に示すように、スタンパ52に設けられた凸部51の頂部からピン63が突出している。図30(b)(c)に示すように、このスタンパ52を金型64の上にセットしてスタンパ52と金型64の間に熱硬化性樹脂を射出成形することにより、あるいは平板の上に塗布された紫外線硬化型樹脂をスタンパ52で押圧して紫外線を照射することにより、基板32を成形する。こうして成形された基板32には、図30(d)のように、凸部51によって凹部33が成形され、ピン63によって流路62が成形される。この後の工程は、第1の実施形態を表した図26(c)〜(g)と同じであるので、図示及び説明を省略する。
FIG. 30 is a schematic cross-sectional view for explaining a part of the manufacturing method of the
(変形例)
図31(a)は第2の実施形態の変形例を示す平面図、図31(b)はその断面図である。この変形例では、検知ユニット39の上端に設けられた流路62は、基板32の上面に抜けず、基板32の表面と平行に設けられた複数本の共通流路65のいずれかを通って基板32の側面に開口している。
(Modification)
FIG. 31A is a plan view showing a modification of the second embodiment, and FIG. 31B is a sectional view thereof. In this modification, the
さらに、図32(a)(b)に示すように、複数本の共通流路65が基板32の端部で一つに集まっていてもよい。
Further, as shown in FIGS. 32A and 32B, a plurality of
図33は第2の実施形態のさらに別な変形例を示す断面図である。この変形例では、基板32内の端部に余分の体液を溜めるためのリザーバー66(空洞)が設けられており、共通流路65の端部がリザーバー66につながっている。この変形例によれば、検知ユニット39から溢れた余分の体液はリザーバー66内に溜まるので、体液が基板32から漏れ出て周囲を汚す恐れがない。
FIG. 33 is a cross-sectional view showing still another modification of the second embodiment. In this modification, a reservoir 66 (cavity) for storing extra body fluid is provided at an end portion in the
また、図34に示すように、リザーバー66に空気抜穴67を設けてもよい。空気抜穴67を設けておけば、リザーバー66内に体液が溜まったとき、リザーバー66内にあった空気は空気抜穴67から外部へ排出される。
Further, as shown in FIG. 34, an
また、図35に示す変形例では、リザーバー66の内面に酵素電極34a、34bを設けて、両電極34a、34bの表面に酵素膜40を固定している。この変形例では、複数の凹部33で採取した体液を毛細管現象などで流路62および共通流路65を経てリザーバー66へ送り、リザーバー66内の酵素電極34a、34bでグルコース等の検査対象物質の測定を行う。
35,
図36は、図31(a)(b)に示した変形例の製造方法を説明する図である。図36(a)〜(c)は、凹部33と流路62を有する基板32を作製する工程であって、第2の実施形態を表した図30(a)〜(d)の工程と同じである。また、この変形例では、図36(c)の基板32とは別に、図36(d)のような、下面に溝状の共通流路65を凹設されたカバー部材68が成形される。このカバー部材68は、基板32と同じ樹脂で成形することが好ましい。このカバー部材68を図36(e)に示すように基板32の上面に重ねて接着することにより、図36(f)に示すような流路62と共通流路65とが連通した基板32を得ることができる。
FIG. 36 is a diagram for explaining the manufacturing method of the modified example shown in FIGS. FIGS. 36A to 36C are steps for manufacturing the
(第3の実施形態)
図37は、本発明の第3の実施形態による分析チップ71の構造を示す断面図である。この分析チップ71では、発汗電極37aと発汗電極37bをそれぞれ酵素電極34a、34bに接触しない範囲で、凹部33内へ延長している。分析チップ71を皮膚に押圧させたとき、皮膚は凹部33内に入り込む(図22参照)ので、発汗電極37a、37bが凹部33内に延長されていると、発汗電極37a、37bの皮膚への接触面積を増すことができる。よって、皮膚との間の電気抵抗が小さくなり、皮膚に加わる電圧が同じであっても皮膚に流れる電流が増加することで発汗量を大きくすることができる。
(Third embodiment)
FIG. 37 is a cross-sectional view showing the structure of an
(第4の実施形態)
図38は、本発明の第4の実施形態による分析チップ72の構造を示す断面図である。この分析チップ72では、凹部33の下端に体液を検出するための微小な検知電極73a、73bを設けている。検知電極73a、73b間に電圧を掛けておけば、検知電極73a、73b間に体液が達したときに検知電極73a、73b間に電流が流れて体液を検知できるので、検知電極73a、73bで体液を検知した時間(発汗開始時間)から酵素電極34a、34bの下端に体液が達するまでの時間と、検知電極73a、73bと34a、34bの下端との間の凹部33内の容積とから発汗速度を求めることができ、発汗速度の計測精度を高めることができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 38 is a cross-sectional view showing the structure of the
(第5の実施形態)
図39(a)は、本発明の生体物質センサ81の構造を示す概略図である。この生体物質センサ81は、分析装置本体43の下面に突出するようにして分析チップ31を着脱自在に設けたものである。分析装置本体43は電池を内蔵するとともに、その上面には測定結果を表示するための表示部83やスイッチなどが設けられている。また、分析装置本体43には装着用のベルト82が設けられている。ここで、ベルト82は軟質樹脂や布などの柔らかな材料でできていることが望ましく、伸縮性のあるものやゴムのように弾性的に伸びるものであってもよい。
(Fifth embodiment)
FIG. 39 (a) is a schematic diagram showing the structure of the
しかして、測定を行う場合には、図39(b)に示すように、分析チップ31を皮膚の表面に当て、ベルト82を腕84(指でもよい。)に巻き付けて生体物質センサ81を装着する。ベルト82が柔らかい材料でできているので、被験者によって太さや形状が異なる腕や指などに生体物質センサ81をぴったりと安定に装着することができ、体液を採取する際に体液の漏れを防止することができる。また、分析チップ31は、平らな状態で分析装置本体43の下面に取り付けられているが、分析装置本体43に強固に固定されておらず、例えば両端だけを保持されている。したがって、生体物質センサ81を腕などに装着したとき、分析チップ31は皮膚の表面に沿って弾性的に湾曲する。その結果、分析チップ31が皮膚に密着して体液が外に漏れにくくなると共に、体液を確実に採取することができる。
When measurement is performed, as shown in FIG. 39 (b), the
また、分析チップ31は、分析装置本体43の下面に着脱できるようになっており、しかも、主として合成樹脂によって安価に製作されているので、使い捨てにすることができる。
Further, the
図40は、生体物質センサ81を用いて測定を行う手順を表した流れ図である。まず、生体物質センサ81を装着しようとする部位の皮膚をアルコールや清浄綿などで清浄に拭い、あるいは消毒してクリーニングする(ステップS1)。なお、この皮膚をクリーニングする工程は省略することができる。ついで、未使用の分析チップ31を分析装置本体43の下面にセットする(ステップS2)。そして、生体物質センサ81を図39(b)のように腕84や指に装着し、分析装置本体43のスタートボタンを押して計測を開始する(ステップS3)。
FIG. 40 is a flowchart showing a procedure for performing measurement using the
スタートボタンが押されると、分析装置本体43は分析チップ31の発汗電極37a、37bに電圧を加えて発汗促進剤41を皮下注入する(ステップS4)。発汗促進剤41が注入されると、皮膚からの発汗が起きる(ステップS5)ので、体液を検知ユニット39内に採取して酵素膜40と反応させる(ステップS6)。そして、酵素電極34a、34bに流れる電流を計測し、これを解析して体液に含まれる生体分子濃度などを求め(ステップS7)、解析結果を表示部83に表示する(ステップS8)。
When the start button is pressed, the analyzer
被験者ないし生体物質センサ81の使用者は、表示を確認し終わったら、分析装置本体43をオフにして生体物質センサ81を取り外し(ステップS9)、必要に応じて使用済みの分析チップ31を廃棄する。
When the subject or the user of the
なお、この生体物質センサ81は、グルコース濃度やグルコース量を測定できるようになっていれば、糖尿病診断用のグルコースセンサとして用いられる。これ以外にも、生体物質センサ81は、コレステロール、ホルモン、乱用の疑いのある薬物、禁止薬物その他の計測にも用いることができる。特に、この生体物質センサ81は、糖尿病や肥満症などの生活習慣病の予防・診断や、健康チェック用などに、病院のみならず、家庭などでも手軽に測定を行うのに適している。
The
31 分析チップ
32 基板
33 凹部
34a、34b 酵素電極
35a、35b 酵素電極配線
36 絶縁膜
37a、37b 発汗電極
38a、38b 発汗電極配線
39 検知ユニット
40 酵素膜
41 発汗促進剤
42 粘着剤層
43 分析装置本体
44 電池
61 分析チップ
62 流路
65 共通流路
66 リザーバー
67 空気抜穴
71 分析チップ
72 分析チップ
73a、73b 検知電極
81 生体物質センサ
31
Claims (18)
皮膚と接触する側の面に体液を採取する微細な複数の凹部を有する基板と、
前記凹部のそれぞれの内部に形成され、かつ、酵素を固定された前記第1の電極と、
を備えたことを特徴とする分析チップ。 An analysis chip for measuring a specific component in a body fluid based on a signal from a first electrode,
A substrate having a plurality of fine recesses for collecting body fluid on the surface in contact with the skin;
The first electrode formed inside each of the recesses and having the enzyme immobilized thereon;
An analysis chip comprising:
前記分析チップの前記第1の電極には、生体由来の特定成分と特異的に結合する酵素を固定していることを特徴とする生体物質センサ。 The analysis chip according to any one of claims 1 to 17, and an analysis apparatus main body that analyzes a signal of the analysis chip,
A biological substance sensor, wherein an enzyme that specifically binds to a specific component derived from a living body is fixed to the first electrode of the analysis chip.
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