JP2019078573A - バイオセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象成分の濃度に依存することなくバイオセンサの感度をその製造中に低下させる。【解決手段】バイオセンサの製造方法は、絶縁性の基板上に、少なくとも作用極と対極とを含む電極系を備えるバイオセンサの電極層を形成し、前記電極層の上に測定対象成分と反応する成分を含む検知層を形成し、前記検知層を形成後、前記電極層および前記検知層のうち少なくとも前記検知層を削ることを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、バイオセンサの製造方法に関する。

バイオセンサの分野では、生物由来の生産物質を含む試薬が表面に塗布された２つの測定用電極に接続された２つのリード電極の少なくとも一方に抵抗体が挿入されたバイオセンサがある（例えば、特許文献１参照）。この種のバイオセンサでは、抵抗体をトリミングして抵抗値を調整することで、グルコース測定用の応答電流の測定感度が調整される。他に本願と関連するものとして、以下の特許文献２に記載されたものがある。

特開２００３−１４６８４号公報 特開２００２−１５６３５８号公報

上述したバイオセンサでは、測定対象成分の濃度が低い場合において、抵抗体を削った後の感度が抵抗体を削る前の感度より上昇する。このため、検体中の測定対象成分の濃度に依存せずに感度を下げることができなかった。

本発明は、バイオセンサの製造過程において、測定対象成分の濃度に依存することなくバイオセンサの感度を低下させるバイオセンサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、バイオセンサの製造方法である。この製造方法は、絶縁性の基板上に、少なくとも作用極と対極とを含む電極系を備えるバイオセンサの電極層を形成し、前記電極層の上に測定対象成分と反応する成分を含む検知層を形成し、前記検知層を形成後、前記電極層および前記検知層のうち少なくとも前記検知層を削ることを含む。

本発明によれば、バイオセンサの製造過程において、測定対象成分の濃度に依存することなくバイオセンサの感度を低下させることができる。

図１は、実施形態に係るバイオセンサの分解斜視図である。 図２は、図１に示した絶縁性基板上に形成される電極層（電極パターン）の一例を示す。 図３は、バイオセンサの製造方法を説明する流れ図である。 図４（Ａ）〜（Ｅ）は、検知層（試薬層）に対する加工パターン例を示す。 図５は、各加工パターンの感度の未加工品からの乖離率を示す。

以下、実施形態に係るバイオセンサの製造方法について説明する。実施形態に係るバイオセンサの製造方法は、以下を含む。
（１）絶縁性の基板上に、少なくとも作用極と対極とを含む電極系を備えるバイオセンサの電極層を形成する。
（２）前記電極層の上に測定対象成分と反応する成分を含む検知層を形成する。
（３）前記検知層を形成後、前記電極層および前記検知層のうち少なくとも前記検知層を削る。

実施形態に係るバイオセンサの製造方法によれば、電極層および検知層のうち少なくとも検知層に対する加工により、検知層に含まれる、測定対象成分と反応する成分と検体との反応量を減らすことができる。このため、測定対象成分の濃度に依存することなく、バイオセンサの製造中にバイオセンサの感度を低下させることができる。これによって、ロット間におけるバイオセンサの感度のばらつきを抑えることができる。

実施形態において、基板上に形成されるバイオセンサは、少なくとも一つ、すなわち、単一又は複数の電極系を備える。各電極系は、少なくとも作用極と対極とを含む。また、実施形態において、検知層の削りは、レーザ光を用いたトリミングによってなされてもよく、バイト（刃物）によってなされてもよい。検知層を削る場合に、検知層とともに検知層を削るようにしても良い。例えば、検知層とともに前記検知層の下にある電極層を削る。電極層を削ることで、電極の実効面積を減らして感度を下げることができる。

検体（以下、「試料」ともいう）は、生体試料、生体試料以外の試料を含む。生体試料は、例えば、血液、間質液、尿などである。また、試料中の測定対象成分は、生体内で生成される物質であっても、摂取によって生体内に取り込まれる物質であってもよい。測定対象成分は、グルコース（血糖）、ラクテート（乳酸）、コレステロール、ヘマトクリットなどを含む。さらに、測定対象成分は、アルコール、ザルコシン、フルクトシルアミン、ピルビン酸、乳酸、ヒドロキシ酪酸、アスコルビン酸を含み得る。検知層（試薬層ともいう）は測定対象成分と反応する成分を含む。測定対象成分と反応する成分は、例えば、酵素や酸化還元物質を含む。測定対象成分と反応する成分は、例えば試薬に含められ、試薬を含む検知層が形成される。酵素は、試料の種類や測定対象成分に依存するが、例えばグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）などを含む。但し、酵素はこれらに限定されない。酵素以外の測定対象成分と反応する成分、例えば酸化還元物質は、例えば金属錯体等である。

電極層および検知層の削り加工は、以下のような電気的応答値の測定結果に基づいて行ってもよい。電気的応答値の測定は、例えば、基板上に形成する複数のバイオセンサのうちの少なくとも１つに対応する電極層と、この電極層上に形成された検知層とを用いて検体中の測定対象成分に対応する電気的応答値を測定することで行われる。電気的応答値の測定は、測定に使用される電極層および検知層が前記基板から分離された状態で行ってもよく、分離されていない状態で行っても良い。電気的応答値の測定に用いる電極層および検知層の個数は、１つでも２以上でも良い。

〔実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るバイオセンサの製造方法について説明する。以下に説明する実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。以下の実施形態では、検体（試料）中の測定対象成分として、血液中のグルコース値の測定を行うバイオセンサ及びその製造方法について例示する。

＜バイオセンサの構成＞
図１は、実施形態に係るバイオセンサの分解斜視図である。図２は、図１に示した絶縁性基板上に形成される電極層（電極パターン）の一例を示す。図１において、バイオセンサ１０は、絶縁性基板１１（以下単に「基板１１」と称する）と、基板１１の片面に形成された電極層１２と、電極層１２上に積層されるスペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂ及び補強材１３ｃと、スペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂ上に積層されるカバー１４ａと、補強
材１３ｃ上に積層されるカバー１４ｂとを備える。以下の説明において、スペーサ１３ａとスペーサ１３ｂとをまとめて指す場合にはスペーサ１３と表記し、カバー１４ａとカバー１４ｂとをまとめて指す場合はカバー１４と表記する。

バイオセンサ１０は、電極層１２が形成された基板１１と、スペーサ１３及び補強材１３ｃと、カバー１４とが積層されて一体化することで形成される。基板１１と電極層１２の組み合わせは「基材」と呼ばれることもある。

バイオセンサ１０（基板１１）は、長手方向（図１、図２中のＸ方向）と幅方向（図１、図２中のＹ方向）と、高さ（厚さ）方向（Ｚ方向）とを有する。基板１１は、長手方向に一端１１ａと他端１１ｂとを有する平板状又は帯状に形成されている。

基板１１は、絶縁性材料で形成される。絶縁性材料は、例えば合成樹脂（プラスチック）を含む。プラスチックは、例えば、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシのような各種の樹脂を適用できる。基板１１の材料に合成樹脂以外の絶縁性材料を適用してもよい。合成樹脂以外の絶縁性材料は、例えば、紙、ガラス、セラミック、生分解性材料などを含む。スペーサ１３及びカバー１４には、基板１１と同じ材料を適用できる。

電極層１２は、例えば、金属材料を用いて形成可能である。金属材料は、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、アルミニウム、ニッケル、チタン、ルテニウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属やこれらの合金を含む。電極層１２の材料には、金属材料以外に、例えばカーボン（黒鉛）などの炭素材料を適用することができる。

電極層１２は、所望の厚さ（例えば１０μｍ以下、或いは１００ｎｍ以下、好ましくは６０ｎｍ以下）を有し、且つ所定の電極パターンを有する。電極層１２は、例えば、金属材料の薄膜めっき、物理蒸着（ＰＶＤ、例えばスパッタリング）、或いは化学蒸着（ＣＶＤ）による成膜によって形成される。電極パターンは、例えば、金属膜に対し、レーザ光を用いた掘削やマスクを用いたエッチングを施すことで形成される。また、電極層１２は、例えば、カーボン材料（例えば、カーボンインク）の印刷（例えば、スクリーン印刷）によって形成することもできる。

図２に示すように、電極層１２は、測定対象成分の一例であるグルコースの測定に関して、リード部１５を有する作用極１６と、リード部１７を有する対極１８を含む。対極１８は、作用極１６に対し、間隙（溝）を挟んで平行に（等距離に）配置される対極１８ａ及び対極１８ｂを含む。電極層１２は、さらに、グルコース測定以外の用途に用いられる電極を含んでいても良い。図１及び図２に示す例では、例えば、基板１１上に金属層（金属層）を形成し、レーザ光を用いたトリミングにより金属層に所定の電極パターンを描くことによって、リード部１５，作用極１６，リード部１７，対極１８などが形成されている。

なお、図２の例では、グルコース測定に関して作用極１６及び対極１８を有する２極の電極構造を例示する。但し、グルコース測定に関して作用極、対極及び参照極の３極の電極構造を有するバイオセンサについても、実施形態の製造方法を適用可能である。参照極は、例えば、銀／塩化銀（Ag/AgCl）を用いて形成される。図２の例は、一つのバイオセ
ンサ１０が備える電極系として、作用極１６及び対極１８を有する１つの電極系を備えるバイオセンサ１０の例示である。バイオセンサ１０は、２以上の電極系を有していてもよ
く、各電極系が、作用極及び対極以外の電極を有していてもよい。

図２において、電極上、少なくとも作用極１６上には、酵素又はメディエータを含む検知層（試薬層）２０が設けられている。試薬層２０は、電極に試薬を滴下又は塗布し、乾燥させて固化させることで、電極上に固定化されている。図２に示す例では、試薬層２０は、作用極１６と、作用極１６を挟む対極１８ａ，１８ｂに跨がって設けられている。但し、対極１８ａ，１８ｂ上に試薬層２０が設けられなくても良い。

試薬層２０は、例えば、酵素、メディエータ、又は酵素及びメディエータの両方を含む。酵素は試料の種別や測定対象成分に応じて適宜選択される。測定対象成分が血液や間質液中のグルコースである場合、酵素として、酸化還元酵素であるグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）やグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）が適用される。メディエータは、例えば、フェリシアン化物、ｐ−ベンゾキノン、ｐ−ベンゾキノン誘導体、フェナジンメトサルフェート、メチレンブルー、フェロセン、フェロセン誘導体、ルテニウム錯体、フェリシアン化カリウム、オスミウム錯体等である。但し、試薬層２０がメディエータを含まない場合もあり得る。試薬層２０は、バインダ（架橋剤）を含み得る。バインダは、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）や、架橋剤(Biosurfine-AWP-MRH（東洋合成工業製)）等を含む。

スペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂは、基板１１の一端１１ａ側において、基板１１の長手方向（Ｘ方向）に、試薬層２０を挟むようにして平行に配置される。また、補強材１３ｃはスペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂと一定の間隙を設けて電極層１２上に配置されている。補強材１３ｃとスペーサ１３ａとの間隙、補強材１３ｃとスペーサ１３ｂとの間隙は、それぞれ溝２２を形成する。

カバー１４ａは、矩形に形成されている。カバー１４ａの一辺の長さは、スペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂの長さ方向の長さと同様の長さを有する。カバー１４ａのもう一つの一辺の長さは、基板１１の幅方向の長さと同様の長さを有する。カバー１４ａは、スペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂ上に配置される。また、カバー１４ｂは、カバー１４ａと間隙を設けて補強材１３ｃに重ねて配置される。

スペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂ、補強材１３ｃの材料として例えば両面テープを適用できる。この場合、スペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂ、補強材１３ｃは、基材とカバー１４ａ、カバー１４ｂとを接着する接着剤として作用する。また、スペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂ、補強材１３ｃの厚さを容易に揃えることができる。

スペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂ上にカバー１４ａが接着されることで、試薬層２０が形成された電極層１２の上面と、スペーサ１３ａ及びスペーサ１３ｂの内側面、カバー１４ａの内面で囲まれた液体試料の流路（キャピラリ）２１が形成される。この流路２１は、一端１１ａ側の開口部２１ａと、その逆側の開口部２１ｂとを有する。逆側の開口部２１ｂは、溝２２並びにカバー１４ａとカバー１４ｂとの間隙に連通している。

一端１１ａ側の端部の開口部２１ａは、バイオセンサ１０に点着される試料（例えば血液）の導入口として使用される。試料は、開口部２１ａから毛管現象により流路２１の内部に引き込まれる。試料の流入により、流路２１内の空気は、開口部２１ｂから溝２２を介して排出される。なお、カバー１４ａは透明な樹脂材料で形成できる。カバー１４ａが透明である場合、流路２１に対する試料の導入具合を視認することができる。

＜測定対象成分の測定方法＞
測定対象成分の測定方法の一例として、バイオセンサ１０を用いたグルコース測定を例
示する。バイオセンサ１０を用いたグルコース測定は、例えば以下のようにして行われる。バイオセンサ１０のリード部１５及び１６は、血糖値計（図示せず）と電気的に接続される。接続状態のバイオセンサ１０に対し、検体（試料）の点着が行われる。試料として、例えば被験者から採取された血液にバイオセンサ１０の開口部２１ａを接触させると、毛管力により血液が流路２１に引き込まれ、流路２１内を満たす。

血糖値計は、点着前に作用極１６と対極１８間に電圧を印加し、印加した電圧を観測し、点着によって血液と電極とが接触することによる電圧の変化を検出して、血液が流路２１に導入されたことを検出する。すると、血糖値計はグルコースの測定を開始する。すなわち、血糖値計は、グルコース測定用の所定の電圧を作用極１６と対極１８との間に印加し、印加電圧に対する血液の電気的応答値（応答電流）を測定する。なお、応答電流は、検体（試料）が試薬層２０を溶解して試料と酵素との反応により生じた電荷がメディエータを介して電極に到達することにより生じる電流として検知される。

血糖値計は、検量線データや検量線テーブルを用いて、電気的応答値をグルコース値に換算することによって、グルコース値を測定する。血糖値計は、グルコース値を、ディスプレイ装置に表示したり、記憶装置（メモリ）に保存したり、ネットワークを介して所定の宛先へ送信したりすることができる。

＜バイオセンサの製造方法＞
次に、バイオセンサ１０の製造方法の一例を説明する。図３は、バイオセンサの製造方法を説明する流れ図である。図３におけるＳ０１では、電極層の形成が行われる。すなわち、所定のサイズを有する絶縁性の基板を用意し、絶縁性の基板の片側にスパッタリングなどで金属層を形成する。金属層に対し、例えばレーザ光を用いたトリミングによって、２以上の所定個数分の電極層１２の電極パターンを形成する。トリミングは、レーザ以外にバイト（刃物）などを用いて形成し得る。或いは、電極層１２は、カーボンインクを用いたスクリーン印刷によって、所定個数分の電極パターンを絶縁性の基板の片側に印刷することで形成されても良い。

Ｓ０２では、検知層（試薬層）の形成が行われる。例えば、酵素、バインダ、メディエータを含んだ試薬液を調製し、各電極パターンの所定位置（作用極１６上）に試薬液を滴下又は塗布する。その後、乾燥により試薬液を固化させて試薬層２０を形成する。

Ｓ０３では、試験用センサの作製が行われる。上記した電極層１２及び試薬層２０が形成された絶縁性の基板から、試験回数に応じた所定数の個片（電極層１２及び試薬層２０が形成された基板１１）を切り出し、スペーサ１３ａ、スペーサ１３ｂ、補強材１３ｃ、カバー１４ａ、カバー１４ｂを積層して試験用のバイオセンサを生成する。但し、試験用のため、補強材やカバー１４ａは省略し得る。各個片は、バイオセンサ１０を形成する電極層１２及び試薬層２０を有する。所定数は１つでも２以上でも良い。

Ｓ０４では、試験用センサを用いた測定対象成分（例えばグルコース）の測定を行う。すなわち、試験用のバイオセンサを血糖値計（図示せず）に接続し、上述した測定方法を用いて検体（血液）の電気的応答値（応答電流）又は電気的応答値から換算したグルコース濃度を測定する。試験は、例えば２以上の試験用のバイオセンサについて行い、測定結果からロット（１つの絶縁性基板から得られる複数のバイオセンサ１０）についての感度特性を求める。

Ｓ０５では、検知層（試薬層）２０に対する追加加工を行う。すなわち、試験にて得られた電気的応答値又はグルコース濃度の測定結果から求まる感度特性に応じて、残りの（試験用のバイオセンサ以外の）バイオセンサに対応する電極層１２及び試薬層２０の少な
くとも一方が削られる。電極層１２及び試薬層２０の少なくとも一方の削り加工は、レーザ光を用いたトリミングであってもよく、バイトを用いた掘削であっても良い。トリミングによって感度を調整する。

Ｓ０５における感度調整が終了すると、Ｓ０６において、絶縁性の基板に対し、スペーサ１３及びカバー１４を積層して、流路２１を形成する。Ｓ０７では、絶縁性の基板の切り離し処理によって、複数のバイオセンサ１０の個片に分離する。このようにすることで、感度が製造中に調整された複数のバイオセンサ１０を出荷できる。

＜加工パターン＞
図４（Ａ）〜（Ｅ）は、電極層および検知層（試薬層）に対する加工パターン例を示す。図４（Ａ）は、未加工の状態を示す。図４（Ｂ）は、作用極１６上の中心をレーザ光によりトリミングした例を示す。図４（Ｃ）は、作用極１６と対極１８ａ，１８ｂとの界面（境界）に沿って、作用極１６のやや内側をレーザ光によりトリミングした例を示す。図４（Ｄ）は、作用極１６と対極１８ａ，１８ｂとの界面（境界）上をレーザ光によりトリミングした例を示す。図４（Ｅ）は、作用極１６の中心をレーザ光によりトリミングした例を示す。

図４（Ｂ）〜（Ｅ）において、トリミング跡は符号３０で示す。トリミングの位置、形状、大きさは適宜選択可能である。また、複数の加工パターン（トリミングパターン）を同時に採用することもできる。トリミングの深さは、試薬層２０を介して電極層１２に達する。但し、トリミングが電極層１２に達しないように削り取りが行われる場合もあり得る。また、試薬層２０を削ることなく電極層１２を削ることもあり得る。

図５は、各加工パターンの感度の未加工品からの乖離率を示す。図５では、比較対象として、リード部を削る加工パターンと（比較例、図示せず）と、図４（Ｂ）〜（Ｅ）に示した加工パターン（加工パターンＰ１〜Ｐ４）とについての乖離度が示されている。

未加工品（図４（Ａ））のバイオセンサを用いて、グルコース濃度が２００ｍｇ／ｄＬの試料と、グルコース濃度が６００ｍｇ／ｄＬの試料とについて電気的応答値を測定した。また、比較例及び加工パターンＰ１〜Ｐ４のバイオセンサを用いて、グルコース濃度が２００ｍｇ／ｄＬの試料と、グルコース濃度が６００ｍｇ／ｄＬの試料とについて電気的応答値を測定した。電気的応答値の差分から乖離率を求め、グラフ（図５）にプロットした。

図５によれば、比較例では、グルコースの低濃度時（２００ｍｇ／ｄＬ）に感度（電気的応答値）が未加工品より上昇し、高濃度時（２００ｍｇ／ｄＬ）に感度が未加工品より低下する。これに対し、加工パターンＰ１では、低濃度時の感度は未加工品とほぼ同等である一方、高濃度時の感度が未加工品に比べて大きく低下する。加工パターンＰ２では、グルコースの濃度に関わらず、ほぼ一定の乖離率で感度が低下する。加工パターンＰ３では、傾きは比較例に近いが、低濃度時でもグルコースの感度が低下する。加工パターンＰ４では、高濃度時の乖離率が低濃度時の乖離率がより小さくなる。

実施形態に係るバイオセンサの製造方法によれば、比較例と異なり、測定対象成分（グルコース）の濃度に依存することなく、バイオセンサ１０の感度（測定する応答電流値）を低下させることができる。これにより、例えば、試薬量（反応量）を予め多く見積もった状態で試薬層２０を形成し、感度に応じて試薬層２０を削ることで、バイオセンサ１０の感度を一定の範囲に調整し得る。すなわち、製造ロット間において、バイオセンサ１０の感度のばらつきを抑えることができる。また、加工パターンの組み合わせで、濃度に応じた感度調整が可能となる。さらに、実施形態に係る製造方法では、感度調整用の回路パ
ターンを用意しなくて良いので構成が簡易で且つコストも抑えられる。実施形態で説明した構成は適宜組み合わせることができる。

１０・・・バイオセンサ
１１・・・絶縁性基板
１２・・・電極層
１３ａ，１３ｂ・・・スペーサ
１３ｃ・・・補強板
１４ａ，１４ｂ・・・カバー
１６・・・作用極
１８・・・対極
２０・・・試薬層（検知層）
２１・・・流路
３０・・・トリミング跡

Claims (5)

1. 絶縁性の基板上に、少なくとも作用極と対極とを含む電極系を備えるバイオセンサの電極層を形成し、
   前記電極層の上に測定対象成分と反応する成分を含む検知層を形成し、
   前記検知層を形成後、前記電極層および前記検知層のうち少なくとも前記検知層を削ることを含むバイオセンサの製造方法。
2. レーザ光を用いたトリミングによって前記検知層を削る
   請求項１に記載のバイオセンサの製造方法。
3. 前記検知層とともに前記電極層を削る
   請求項１又は２に記載のバイオセンサの製造方法。
4. 前記測定対象成分がグルコースである
   請求項１から３のいずれか１項に記載のバイオセンサの製造方法。
5. 前記電極層の形成において、それぞれが少なくとも作用極と対極とを含む複数の電極系を備えるバイオセンサの電極層を形成する
   請求項１から４のいずれか１項に記載のバイオセンサの製造方法。