JP2011127937A

JP2011127937A - グルコースセンサチップ

Info

Publication number: JP2011127937A
Application number: JP2009284581A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Hirakawa; 雅章平川; Ikuo Uematsu; 育生植松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US20110142718A1; CN102095728A

Abstract

【課題】本発明では、測定感度の高いセンシング膜を有するグルコースセンサチップを提供する。
【解決手段】基板２の主面上に互いに離間して設けられた一対のグレーティング４を含む光導波路層３と、一対のグレーティング４間の光導波路層３部分にセンシング膜５を備え、センシング膜５は、膜形成高分子化合物、架橋性高分子化合物、及び多孔質化低分子化合物から形成され、膜中に発色剤、グルコースを酸化または還元させる第１酵素、及び第１酵素の生成物と反応し、発色剤を発色させる物質を生成する第２酵素を保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、グルコースセンサチップに関する。

従来のグルコースセンサチップ１１は、図６に示すように、基板１２の主面上に設けられ、両端部にグレーティング１４を有する光導波路層１３と、グレーティング１４間の光導波路層１３部分の表面に設けられ、検体溶液中のグルコースに反応して変色するセンシング膜１５とを備えている。

そして、センシング膜１５は、膜形成高分子化合物（例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）のようなセルロース誘導体）及び架橋性高分子化合物（例えば２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン（ＭＰＣ）とブチルメタクリレート（ＢＭＡ）との共重合体）により形成され、膜中に発色剤（例えば３，３’、５，５‘−テトラメチルベンジン（ＴＭＢＺ））と、グルコースを酸化または還元させる第１酵素（例えばグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ））と、この第１酵素による生成物と反応して発色剤を発色させる物質を発生する第２の酵素（例えばペルオキシダーゼ（ＰＯＤ））とを保持している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２７５９９４号

しかし、上記の特許文献１に記載のグルコースセンサチップでは、センシング膜は、膜形成高分子化合物のバインダーとして機能するセルロース誘導体が、分子間で水素結合をするため経時的に膜が密になり、凝集を引き起こす。そのため、透水性が低下し、それに伴い検体溶液が膜へ浸透し難くなり、測定感度が低下しやすいという課題がある。

本発明では、上記課題に鑑み、測定感度の高いセンシング膜を有するグルコースセンサチップを提供する。

上記目的を達成するために、本発明のグルコースセンサチップは、基板の主面上に互いに離間して設けられた一対のグレーティングを含む光導波路層と、前記一対のグレーティング間の前記光導波路層部分の表面に設けられたセンシング膜とを備え、前記センシング膜は、膜形成高分子化合物、架橋性高分子化合物及び低分子化合物により形成され、膜中に発色剤と、グルコースを酸化または還元させる第１酵素と、前記第１酵素の生成物と反応し、前記発色剤を発色させる物質を生成する第２酵素とを保持することを特徴としている。

本発明では、測定感度の高いセンシング膜を有するグルコースセンサチップを提供することができる。

本発明の実施形態に係るグルコースセンサチップを示す断面図。本発明の実施形態に係るトレハロースを添加した場合のグルコースセンサチップ及び従来のグルコースセンサチップにおける保存期間の経過に伴う吸光度（感度）の変化を示すグラフ。本発明の実施形態に係るスクロースを添加した場合のグルコースセンサチップ及び従来のグルコースセンサチップにおける保存期間の経過に伴う吸光度（感度）の変化を示すグラフ。本発明の実施形態に係るグルコースセンサチップのトレハロースとスクロースの添加濃度と吸光度の関係を示すグラフ。本発明の実施形態に係るトレハロースを添加したグルコースセンサチップ及び従来のグルコースセンサチップのセンシング膜の状態を示すＳＥＭ画像。従来のグルコースセンサチップを示す断面図。

以下、本発明の実施形態に係るグルコースセンサチップを、図１乃至図４を参照して説明する。

図１に示すように、グルコースセンサチップ１は、基板２と、光導波路層３と、センシング膜５とから構成される。

光導波路層３は、基板２の主面上に設けられており、両端部に光を入射、放出する一対のグレーティング４を有する。なお、基板２は光透過性のガラスで構成されている。

この光導波路層３は、一例として、平面光導波路層が用いられる。この平面光導波路層は、例えば酸化シリコン、ガラス、酸化チタン、またはフェノール樹脂やエポキシ樹脂のような有機系樹脂材料で形成される。また、平面光導波路層は、所定の光に対して透過性を有する材料が望まれ、好ましくは、ポリスチレンを主たる材料とするエポキシ樹脂等である。

センシング膜５は、透明な膜からなり、一対のグレーティング４間の光導波路層３部分の表面に設けられている。このセンシング膜５は、膜形成高分子化合物、架橋性高分子化合物及び低分子化合物により形成されており、この膜中には、発色剤、グルコースを酸化または還元させる第１酵素、この第１酵素の生成物と反応し、発色剤を発色させる物質を発生させる第２酵素が活性を保った状態で保持されている。

上記センシング膜５中の発色剤と第１酵素、第２酵素は、例えば下表１に示す組み合わせで用いられる。

膜形成高分子化合物としては、例えばセルロース系高分子化合物を挙げることができる。イオン性セルロース誘導体または非イオン性セルロース誘導体を用いることができる。

イオン性セルロース誘導体は、例えばカルボキシメチルセルロース、硫酸セルロースまたはその塩化合物のアニオン性セルロース誘導体及びその塩化合物、キチン、キトサン等のカチオン性セルロース誘導体またはそれらの塩酸塩等の塩化合物等を挙げることができ、これらは単体または混合物の形態で用いることができる。ここで、塩化合物としては、ナトリウム塩、カリウム塩等を挙げることができる。

非イオン性セルロース誘導体は、例えばメチルセルロース、エチルセルロースのようなアルキルセルロース；ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースのようなヒドロキシアルキルセルロース；ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルエチルセルロース、ヒドロキシジエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロースのようなヒドロキシアルキルアルキルセルロース；及びミクロフィブロ化セルロース等を挙げることができ、これらは単体または混合物の形態で用いることができる。

架橋性高分子化合物としては、例えばヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、イオン性官能基から選ばれる少なくとも１つに基を持つ親水性モノマーと疎水性モノマーとの共重合体を挙げることができる。この親水性モノマーと疎水性モノマーとの共重合体は、特に２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンとブチルメタクリレートとの共重合体であることが望ましいことを実験にて確認している。

また、架橋性高分子化合物は、センシング膜５の全組成物に関する重量比で１０^−４〜１０重量％含有されることが好ましい。架橋性高分子化合物の含有量を全組成物に対して１０^−４重量％未満にすると、加温状態で膜構造が溶解して崩壊したり、膜構造中の空隙に保持している発色剤や酵素等が外部媒体に溶出したりすることを防ぐことが困難になる。一方、架橋性高分子化合物の含有量が１０重量％を超えると、膜中の発色剤や酵素の量が相対的に低下して測定感度が低下する虞がある。

低分子化合物は、膜を構成する物質全体の約１．８％を占めており、例えばトレハロースやスクロース、マルトース等の二糖類を用いることができる。特にトレハロースを使用することが望ましいことを実験にて確認している。

また、低分子化合物を添加するときの濃度は、約２μＭ以上であることが望ましい。その理由として、２μＭよりも濃度が低い場合、膜の凝集を防ぐには少なすぎるため、検体溶液との反応が難しくなるためである。一方、あまり濃度を高くし過ぎると（例えば２００μＭ以上）膜が不透明になるため、光導波路層３内を伝搬する光に対して、光を散乱させる散乱体として働き、その結果測定感度が低下し、更に測定の再現性も悪化するからである。

次に、図２と図３を参照して、本実施形態のグルコースセンサチップ１の測定感度について説明する。

図２は、本実施形態としてセンシング膜中にトレハロースを添加したもの及び従来のグルコースセンサチップ１１における保存期間の経過に伴う吸光度（感度）を測定した結果を示したグラフである。この測定で添加されたトレハロースは一定（約１３０μＭ）であり、センシング膜を形成してから３７℃の保存状態で０日後、３日後、５日後経過した本実施形態及び従来のグルコースセンサチップのセンシング膜に、濃度０．２５ｍｇ／ｄ?のグルコース水を３μ?滴下した後、図１に示すように、レーザ光を基板２の裏面側から入射することにより、そのレーザ光を入射側のグレーティング４で屈折させてセンシング膜５中を伝播させた後、出射側グレーティング４で屈折させて受光素子で受光し、レーザ光強度（吸光度）を測定した。

その結果、本実施形態のグルコースセンサチップ１では、０日後の吸光度を１とすると、３日後と５日後の吸光度は約１．１となり、日数が経過しても吸光度が低下しないことが分かる。

一方、従来のグルコースセンサチップ１１では、０日後の吸光度を１とすると、３日後の吸光度は約０．７６に低下し、５日後の吸光度は約０．７２にさらに低下している。このことから、従来のグルコースセンサチップ１１は、日数が経過するにつれ、吸光度が低下していくことが分かる。このことから、本実施形態のグルコースセンサチップ１は、従来のグルコースセンサチップ１１に比べて測定感度を安定に維持できることが分かる。

図３は、本実施形態としてセンシング膜中にスクロースを添加したもの及び従来のグルコースセンサチップ１１における保存期間の経過に伴う吸光度（感度）を測定した結果を示したグラフである。この測定で添加されたスクロースは一定（約１３０μＭ）であり、図２の時と同様にセンシング膜を形成してから３７℃の保存状態で０日後、３日後、５日後経過した本実施形態及び従来のグルコースセンサチップ１１のセンシング膜に、濃度０．２５ｍｇ／ｄ?のグルコース水を３μ?滴下した後、図１に示すように、レーザ光を基板２の裏面側から入射することにより、そのレーザ光を入射側のグレーティング４で屈折させてセンシング膜５中を伝播させた後、出射側グレーティング４で屈折させて受光素子で受光し、レーザ光強度（吸光度）を測定した。

その結果、従来のグルコースセンサチップ１１の結果は図２での結果と同様であり、本実施形態のグルコースセンサチップ１では、０日後の吸光度を１とすると、３日後の吸高度は約０．９５であり、５日後の吸光度は約０．９となった。このことから、トレハロースを添加した場合より吸光度の低下がみられるものの、スクロースを添加しなかった場合より、吸光度が低下しないことが分かる。

図２と図３の結果から、本実施形態のグルコースセンサチップ１は、従来のグルコースセンサチップ１１に比べて測定感度を安定に維持できることが分かる。

図４は、本実施形態のグルコースセンサチップにおいて、低分子化合物としてトレハロースとスクロースをセンシング膜にそれぞれ約２μＭ、約１３μＭ、約２５μＭ、約１３０μＭ添加したものを用意し、５日経過したものの吸光度を測定した結果を示したグラフである。なお、この測定においては、グルコースの濃度及び滴下量は、上述の保存期間の経過に伴う吸光度（感度）を測定の場合と同じである。

その結果、トレハロースを添加した場合、濃度が約２μＭの場合には約０．７７となり、約１３μＭの場合には約０．７９、約２５μＭの場合には約０．８８、約１３０μＭの場合には約１．１１となった。また、スクロースを添加した場合、濃度が約２μＭの場合には約０．７６となり、約１３μＭの場合には約０．７９、約２５μＭの場合には約０．８３、約１３０μＭの場合には約０．９３となった。

このことから、添加した低分子化合物の濃度が約２μＭ、約１３μＭ、約２５μＭ、約１３０μＭの場合、５日経過したものにおいて全て従来のグルコースセンサチップ１１に比べて吸光度は高く、測定感度を安定して維持できることが分かる。従って、上述したように、低分子化合物の添加濃度は、約２μＭ以上であることが望ましいと分かる。

次に、図５を参照し、本実施形態で測定感度を安定して維持出来ると考えられるトレハロースを添加したもの及び従来のグルコースセンサチップ１１において、膜形成後の５日経過したセンシング膜の表面状態について説明する。

図５（ａ）は本実施形態のグルコースセンサチップ１１のセンシング膜表面のＳＥＭ写真で、図５（ｂ）は従来のグルコースセンサチップ１のセンシング膜表面のＳＥＭ写真である。なお、添加するトレハロース濃度は約１３０μＭとしたものである。

図５（ａ）に示す本実施形態のグルコースセンサチップ１では、約０．５μｍ以下の大きさの孔がセンシング膜の表面全体にわたって形成されている。しかし、図５（ｂ）に示す従来のグルコースセンサチップ１１では、約０．５μｍ以下の大きさの孔が形成されていない。即ち、図５（ａ）に示す本実施形態のグルコースセンサチップ１では、センシング膜は多孔質（透光性）膜となっていることが分かる。

図５（ａ）に示す本実施形態のセンシング膜の表面全体にわたって約０．５μｍ以下の孔が形成される理由としては、例えばトレハロースのような低分子化合物を混合させることにより、低分子化合物が膜形成高分子化合物のバインダーとして機能するセルロース誘導体の分子間に入り込んでセルロース誘導体と水素結合し、セルロース誘導体の分子間同士での水素結合による凝集を抑制するためである。なお、約０．５μｍ以上の略円形状のものは、水素結合による凝集を引き起こしているものである。

このことから、本実施形態のグルコースセンサチップ１では、センシング膜は多孔質膜となっているため、従来のグルコースセンサチップ１１に比べてより透水性が高く、膜内に検体溶液が浸透し易いとが分かる。

以上、本実施形態によれば、測定感度の高い多孔質膜のセンシング膜を有するグルコースセンサチップを提供することができる。

１，１１…グルコースセンサチップ
２，１２…基板
３，１３…光導波路層
４，１４…グレーティング
５，１５…センシング膜

Claims

基板の主面上に互いに離間して設けられた一対のグレーティングを含む光導波路層と、前記一対のグレーティング間の前記光導波路層部分の表面に設けられたセンシング膜とを備え、
前記センシング膜は、膜形成高分子化合物、架橋性高分子化合物及び低分子化合物により形成され、膜中に発色剤、グルコースを酸化または還元させる第１酵素、及び前記第１酵素の生成物と反応し、前記発色剤を発色させる物質を生成する第２酵素を保持する、
ことを特徴とするグルコースセンサチップ。
前記低分子化合物は、二糖類であることを特徴とする請求項１記載のグルコースセンサチップ。
前記二糖類の低分子化合物が、トレハロース、スクロース、マルトースからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２記載のグルコースセンサチップ。
前記センシング膜における前記低分子化合物の濃度が、２μＭ〜２００μＭであることを特徴とする請求項１記載のグルコースセンサチップ。