JP2012529041A - 生体物質を測定するバイオセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、一側面に凹部が形成された第１基板と、生体物質に対する生化学反応が起きる基準電極及び作動電極と前記生化学反応によって生じる電気信号を検出装置に伝達する第１及び第２伝達電極を備える第２基板と、前記第２基板に固定され前記生体物質と生化学反応を起こす分析試薬と、を含み、前記試料導入口に向けて高さ方向の傾斜面が前記第１基板または前記第２基板に形成されることを特徴とする生体物質測定装置に関する。前記基準電極及び作動電極が前記凹部を向くようにしながら、前記第２基板が前記第１基板に付着され、前記第１基板と前記第２基板の付着によって試料導入口及び反応チャンバが形成される。本発明の試料導入口に向けて高さ方向に形成される傾斜面は、用いられた基板が実質的に厚さのある３次元構造を有するバイオセンサの試料導入口に試料を導入する際に、指によって試料導入口が塞がれる現象を防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は生体物質を測定する装置に関するもので、特にバイオセンサを構成する基板が実質的な厚さを有する３次元構造を有する場合、試料導入口が指などの接触によって塞がれる現象が生じないようにする生体物質測定装置に関する。

バイオセンサ（ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）は、生物が有する機能を利用して物質の性質などを調査する測定装置である。このようなバイオセンサは生体物質を探知素子として用いるので、感度と反応特異性が優れる。よって、医療・医薬分野における臨床化学分析、バイオ産業の工程計測、環境計測、化学物質の安定性評価などと広範囲な分野において利用されていて、その範囲は拡大されつつある。特に、医薬診断分野においては、試料を含む生体試料を分析するためにバイオセンサが多く用いられている。バイオセンサは、探知素子の種類によって酵素分析法と免疫分析法とに分類され、生体試料内の目的物質を定量分析する方法によって光学的バイオセンサと電気化学的バイオセンサとに分類される。

酵素分析法バイオセンサは、酵素と基質、酵素と酵素阻害剤の特異的反応を利用するものであって、免疫分析法バイオセンサは、抗原と抗体の特異的反応を利用するものである。

光学的バイオセンサは、光透過度、吸光度または波長変化を測定して目的物質の濃度を測定する方法であって、最も一般に用いられてきた方法である。分析しようとする多様な物質の反応メカニズムは既に明らかであって、十分な時間の間に反応が行われた後に測定するので、測定時間に対する偏差が少ないという長所がある。しかしながら、電気化学的バイオセンサに比べ測定時間が長く、多量の試料が必要とされるという問題点がある。また、試料の混濁度により測定結果が影響を受け、かつ、光学部の小型化が困難であるという問題点もある。

電気化学的バイオセンサは、反応によって得られる電気信号を測定して目的物質の濃度を測定する方法である。電気化学的バイオセンサはごく少量の試料からも信号増幅が可能で小型化が容易であり、測定信号を安定的に獲得することができて、情報通信機器などと容易に融合することができるという長所がある。しかし、電極を設ける工程が別途必要で生産コストが高く、測定信号が反応時間に非常に敏感であるという短所がある。

一方、試料導入のための毛細管を備える既存の使い捨てバイオセンサの場合、試料導入口が偏平な断面で形成され血液導入のために指などが接触した場合に試料導入口が完全に塞がれて試料導入ができない問題点があった。それで、ロッシュ（Ｒｏｃｈｅ）は、図１に示すように、試料導入口１２に湾入（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）とノッチ（ｎｏｔｃｈ）が形成されたバイオセンサを製作して試料導入口が指によって塞がれないようにした。また、アークレイ（Ａｒｋｒａｙ）は、図２に示すように、試料導入口１４、１６が尖ったような形状に形成されたバイオセンサを製作して指によって試料導入口１４、１６が塞がれないようにした。

このような既存のバイオセンサは、殆どが薄いフィルムを用いる平面的な構造をしているので、平面加工だけが可能であり平面上にノッチを実現している。しかし、バイオセンサの製作に用いる基板が実質的に厚さのある３次元構造を有する場合は、試料導入口にノッチを形成させるだけでは試料導入口が指によって塞がれることを十分に防止することができない。

また、既存のバイオセンサは、指を接触させた後、毛細管に血液が十分に満たされる前に指を離す場合、試料が毛細管の空間を十分満たされないため、測定結果に誤差が生じる問題点があった。

本発明は、用いられる基板が実質的に厚さのある３次元構造を有する場合、試料導入口に試料を導入する際に試料導入口が塞がれないようにすることを１つの目的とする。

また、本発明は、毛細管空間に試料が十分に満たされる前に指を離す場合、試料が毛細管空間を十分満たしてないために測定結果に影響を与える問題を解決することを他の目的とする。

本発明の目的は、上述で言及した目的に制限されず、また、ここに言及のない本発明の他の目的及び長所は下記の説明によって理解することができ、本発明の実施例によってさらに明確に理解することができる。また、本発明の目的及び長所は特許請求の範囲に示す手段及びその組み合わせによって実現されることが容易に理解できる。

このような目的を達成するため、本発明は、一側面に凹部が形成された接合基板と、生体物質に対する生化学反応が起きる基準電極及び作動電極と前記生化学反応結果発生する電気信号を検出装置に伝達する第１及び第２伝達電極を備える反応基板と、前記反応基板に固定されて前記生体物質と生化学反応を起こす分析試薬と、を含み、前記反応基板は、前記凹部の一部が試料導入口を形成し、前記基準電極及び作動電極が前記凹部を向くように前記接合基板に付着され、前記試料導入口に向かう高さ方向の傾斜面が前記接合基板または前記反応基板に形成されることを特徴とする生体物質測定装置を提供する。

また、本発明は、接合基板と、試料導入口と反応チャンバを形成するように前記接合基板に付着される反応基板と、前記反応チャンバ内において前記接合基板または反応基板に付着される基準電極及び作動電極と、前記反応チャンバ内に位置して前記生体物質と生化学反応を起こす分析試薬と、を含み、前記試料導入口に向かう高さ方向の傾斜面が前記接合基板または前記反応基板に形成されることを特徴とする生体物質測定装置を提供する。

本発明の試料導入口に向けて高さ方向に形成された傾斜面は、用いる基板が実質的に厚さのある３次元構造を有する場合、試料導入口に試料を導入する際、指によって試料導入口が塞がれる現象を防止することができる。また、本発明の前記傾斜面は、試料を追加してさらに保有することで、毛細管の空間に試料が十分満たされる前に指を離した場合であっても試料が毛細管の空間を十分満たすことができるので、同一試料に対して一定な測定結果が得られる。

湾入とノッチを備える従来バイオセンサを説明する図である。 試料導入口が突状になっている従来バイオセンサを説明する図である。 本発明が適用されるバイオセンサの構造を説明する図である。 試料導入口に高さ方向の傾斜面を備えた本発明の多様な実施例を説明する図である。 傾斜面に円形の突起または溝を備えた本発明の他の実施例を説明する図である。 傾斜面に円形の突起または溝を複数個備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。 傾斜面に帯状の突起または溝を備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。 傾斜面の端に突起またはノッチを備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。 傾斜面の端にノッチを備えて傾斜面内部に円形または帯状の突起または溝を備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。 本発明の反応電極と伝達電極とを電気的に接続する他の実施例を説明する図である。

上述の目的、特徴及び長所は、添付図面を参照して後述する詳細な説明によってより明確になるものであり、それによって本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。また、本発明の説明において、本発明と係わる公知の技術に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要に混乱させると判断した場合に、その詳細な説明を省略するものとする。以下、添付の図面を参照しながら本発明による好適な実施例を詳しく説明する。

図３は、本発明の一実施例によるバイオセンサの構造を説明する図である。図３（ａ）はバイオセンサの側面図であり、図３（ｂ）はバイオセンサの平面図であり、図３（ｃ）はバイオセンサの前面図である。

接合基板１０５は物理的に支持する役割をして、試料導入口１０１を備える凹部１１０が一側面に形成される。反応基板１０４は、基準電極１０２と作動電極１０３および伝達電極１１２、１１３を備える。分析試薬（図示せず）は、基準電極１０２と作動電極１０３を横切って反応基板１０４に固定されて凹部１１０内に位置する。分析試薬と試料との間の生化学反応は、分析試薬が固定されている基準電極１０２と作動電極１０３との付近で発生する。伝達電極１１２は基準電極１０２と電気的に接続され、伝達電極１１３は作動電極１０３と電気的に接続されることで、分析試薬と試料との間の生化学反応によって基準電極１０２と作動電極１０３から発生する電気信号を検出装置に伝達する。ここでは、基準電極及び作動電極のように、生化学反応に係わる電極のことを総称して「反応電極」とし、生化学反応によって生成された信号を測定装置に伝達する伝達電極とは区別して用いる。基準電極（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は、この技術分野において一般に対応電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）とも称される。

図１において、試料導入口１０１は、前面が開放された凹部１１０を備える接合基板１０５と、複数の電極が形成された平面構造の反応基板１０４を接合することで、形成される。しかし、前面が開放されていない凹部の一部のみを反応基板が覆い、残り一部の凹部が開放されるようにすることによって試料導入口を形成することもできる。

接合基板１０５と反応基板１０４との接合により毛細管構造の反応チャンバ（ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）が形成される。反応基板１０４は、基準電極１０２と作動電極１０３が凹部１１０に向くようにして、凹部１１０が反応基板１０４の少なくとも１つの端面１０９とベントスリット（ｖｅｎｔ ｓｌｉｔ）１０７を形成するように接合基板１０５に付着される。ベントスリット１０７は、試料導入口１０１と連続してバイオセンサ１００の長手方向に形成される。なお、バイオセンサ１００の長手方向は、試料が凹部１１０または反応チャンバに導入する方向を意味する。

反応基板１０４から凹部１１０に向ける側面には、基準電極１０２及び作動電極１０３が形成され、その反対面には、基準電極１０２と電気的に接続される伝達電極１１２と、作動電極１０３と電気的に接続される伝達電極１１３が形成される。伝達電極１１２及び１１３は、反応基板１０４を貫通する伝導体１１４を介して基準電極１０２及び作動電極１０３と電気的に接続される。

本実施例では、伝達電極１１２、１１３が、反応基板１０４において基準電極１０２及び作動電極１０３と異なる側面に形成されるが、同一側面に形成されてもよい。また、試料導入口１０１の反対側にて、ベントホール（ｖｅｎｔ ｈｏｌｅ）１０６が形成されが、ベントホール１０６は、反応基板１０４に形成されるか、いずれの基板にも形成されないこともある。

試料は、毛細管現象により反応チャンバ内に導入され、このような毛細管は、凹部１１０に向かう反応基板１０４の側面と接合基板１０５の凹部１１０底面との間だけで形成されるだけではなく、反応基板１０４の端面１０９と凹部１１０の壁面１１１との間でも形成される。すなわち、ベントスリット１０７は、試料が導入されることにより、反応チャンバ内の空気を外部に流出させる空気出口になると同時に、反応チャンバ内に試料が導入されるようにする毛細管を形成するので、反応チャンバ内への試料導入をさらに速くする。

試料が分析試薬と反応する空間において、反応基板１０４は物理的に孤立している。すなわち、既存のバイオセンサとは異なって、反応基板１０４はベントスリット１０７により他のいずれの基板とも接触しない状態で位置することになる。本実施例において、ベントスリット１０７は、特定基板を別途加工して作られるものではなく、反応基板１０４と接合基板１０５との位置関係の結果として３次元的に形成される。ベントスリット１０７の空間は、反応基板１０４の厚さによって容易に調節可能である。

図４は、試料導入口に高さ方向の傾斜面を備えた本発明の多様な実施例を説明する図面であって、図３の点線部分Ａを拡大したものである。

図４（ａ）は、試料導入口４０８を向いた高さ方向の傾斜面４０６が反応基板４０２に備えられたセンサを示すものである。試料導入口４０６は反応基板４０２と接合基板４０４によって形成され、反応基板４０２と接合基板４０４は端部分が一致する。図４（ｂ）は、試料導入口４１４に向けた高さ方向の傾斜面４１６が接合基板４１２に備えられたセンサを示すものである。試料導入口４１４は、反応基板４１０と接合基板４１２によって形成され、反応基板４１０と接合基板４１２は端部分が一致する。

図４（ｃ）は試料導入口４２２に向いた高さ方向の傾斜面４２４が反応基板４１８に備えられたセンサを示すものである。試料導入口４２２は反応基板４１８と接合基板４２０によって形成され、傾斜面４２４が形成された反応基板４１８の端部分は接合基板４２０の端部分よりも前に突出している。図４（ｄ）は試料導入口４３０を向いた高さ方向の傾斜面４３２が接合基板４２８に備えられたセンサを示すものである。試料導入口４３０は、反応基板４２６と接合基板４２８によって形成され、傾斜面４３２が形成された接合基板４２８の端部分は反応基板４２６の端部分よりも前に突出している。図４（ｃ）または（ｄ）のように 、反応基板と接合基板の端部分が互いに一致しない場合に、指により試料導入口が塞がれることを防止する効果は大きいが、短い方を基準に電極が形成されるので、電極面積が狭くなる弱点がある。

図４に示すように、接合基板または反応基板において、試料導入口が形成される部分に試料導入口に向かう高さ方向の傾斜面を形成すると、試料導入のために指が接触した場合、指が試料導入口を塞がず、試料導入が容易になる。また、傾斜面は保存所（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）のように、試料を追加的に保有することで、毛細管が十分満たされるようにして、試料による測定結果が一定となる。

図５は、傾斜面に円形の突起を備えた本発明の他の実施例を説明する図である。接合基板５０２の端部分に傾斜面５０４が形成され、傾斜面５０４の中央部分に円形の突起５０６が形成されている。傾斜面５０４に形成された突起５０６は、試料導入口５０８が指によって塞がれることをより効果的に防止するだけでなく、試料が突起５０６にかかるようにして試料をさらに保有させることができる。図５では突起が形成されているが、凹状の溝が形成されてもよい。

図６は、傾斜面に円形の突起を備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。図６（ａ）は１つの円形突起６０２が傾斜面６０４に形成された場合で、図６（ｂ）は複数個の円形突起が一列に傾斜面に形成された場合で、図６（ｃ）は複数個の円形突起がアレイ状に傾斜面に形成された場合である。円形突起が傾斜面に多く形成されるほど、試料導入口が指によって塞がれることを防止して試料を保有させる機能が向上する。図６には突起が形成されているが、凹状の溝が形成されてもよい。

図７は、傾斜面に帯状の突起を備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。図７（ａ）は１つの帯状の突起７０２が傾斜面７０４に形成された場合であり、図７（ｂ）は複数個の帯状の突起が水平方向に傾斜面に形成された場合であり、図７（ｃ）は複数個の帯状の突起が垂直方向に傾斜面に形成された場合である。帯状の突起が傾斜面に多く形成されるほど、試料導入口が指によって塞がれることを防止し、試料を保有させる機能が向上する。図７には突起が形成されているが、凹状の溝が形成されてもよい。また傾斜面が階段状に形成されてもよい。

一方、図７（ｂ）のように、複数個の帯状の突起が水平方向で傾斜面に形成された場合には試料保有機能が高い。図７（ｃ）のように、帯状の突起が垂直方向で傾斜面に形成された場合には、帯状の突起が試料導入のガイドの役割をするので毛細管空間に試料を導入する機能が向上される。

図８は、傾斜面の端に突起またはノッチを備えた本発明のさらに他の実施例を説明する図である。図８（ａ）は傾斜面８０２の下端８０３に突起８０４が形成された場合であって、図８（ｂ）は傾斜面８０６の下端８０７にノッチ８０８が形成された場合である。このような突起８０４とノッチ８０８は、傾斜面８０２、８０６のように、試料導入口が指によって塞がれることを防止する。

図９は、傾斜面の端に形成されたノッチと、傾斜面内部に形成された円形または帯状の突起とが組み合わされた本発明のさらに他の実施例を説明するものである。図９（ａ）は、傾斜面９０２の下端に形成されたノッチ９０４と傾斜面９０２上に形成されたアレイ状の円形突起９０６が組み合わされた場合であって、図９（ｂ）は傾斜面９０８の下端に形成されたノッチ９１０と傾斜面９０８上に垂直方向に形成された帯状の突起９１２が組み合わされた場合である。図９には傾斜面上に円形または帯状の突起が形成されているが、凹状の溝が形成されてもよい。

図１０は、本発明の反応電極と伝達電極を電気的に接続する他の実施例を説明する図である。図示のように、反応基板１４０２の一側に形成された第１または第２伝達電極１４０６は、反応基板１４０２の端に設けられる伝導性クランピング部材（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）１４０８を介して反応電極１４０４と電気的に接続されることができる。伝達電極１４０６と反応電極１４０４を安定的に固定するために、伝導性クランピング部材１４０８は弾性がある材料で構成されることが好ましい。

以上で説明した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者において、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内でさまざまな置換、変形及び変更が可能であるので、上述の実施例及び添付図面によって限定されるのではない。特に、上述の実施例は２電極系を対象とするが、本発明は３電極系を含むすべての電極形態に適用される。

Claims (10)

1. 一側面に凹部が形成された第１基板と、
   試料に対する生化学反応が起きる複数個の反応電極と前記生化学反応によって生じる信号を検出装置に伝達する複数個の伝達電極を備える第２基板と、
   前記凹部内に位置して前記試料と生化学反応を起こす分析試薬と、を含み、
   前記第２基板は、前記反応電極が前記凹部を向くようにしながら、前記凹部が前記第２基板の端面と少なくとも１つのベントスリットを形成するように前記第１基板に付着し、
   前記第１基板と前記第２基板との付着によって試料導入口及び反応チャンバが形成され、
   前記試料導入口に向けた高さ方向の傾斜面が前記第１基板または前記第２基板に形成されることを特徴とする生体物質測定装置。
2. 第１基板と、
   試料導入口及び反応チャンバが形成されるように前記第１基板に付着される第２基板と、
   前記反応チャンバ内に位置して前記第１基板または第２基板に付着される複数個の電極と、
   前記反応チャンバ内に位置して前記試料と生化学反応を起こす分析試薬と、を含み、
   前記試料導入口を向いた高さ方向の傾斜面が前記第１基板または前記第２基板に形成されることを特徴とする生体物質測定装置。
3. 前記凹部の一部が開放されていることを特徴とする請求項１に記載の生体物質測定装置。
4. 前記凹部が前記第２基板の少なくとも１つの端面とベントスリットを形成することを特徴とする請求項１に記載の生体物質測定装置。
5. 前記傾斜面は、突起または溝をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の生体物質測定装置。
6. 前記突起または溝は、帯状であることを特徴とする請求項５に記載の生体物質測定装置。
7. 前記突起または溝は、複数個であることを特徴とする請求項５に記載の生体物質測定装置。
8. 前記傾斜面は、階段状であることを特徴とする請求項１または２に記載の生体物質測定装置。
9. 前記第１基板または第２基板は、ノッチをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の生体物質測定装置。
10. 前記傾斜面は垂直方向に帯状の突起または溝をさらに備え、前記帯状の突起または溝は前記ノッチと接続されることを特徴とする請求項９に記載の生体物質測定装置。