JP2020115103A

JP2020115103A - 汗成分センサ

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Publication number: JP2020115103A
Application number: JP2019006543A
Authority: JP
Inventors: 邦明長峯; Kuniaki Nagamine; 時任　静士; Shizuo Tokito; 静士時任
Original assignee: Yamagata University NUC
Current assignee: Yamagata University NUC
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: JP7253230B2

Abstract

【課題】汗の成分を高精度に検出する汗成分センサを提供する。【解決手段】被験者の皮膚から汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成され、被験者の皮膚Ｓが当接されることにより汗を順次抽出する汗抽出部３と、汗抽出部３内に配置され、汗抽出部３で抽出される汗と順次反応する汗反応体９と、汗反応体９の近傍において汗抽出部３と電気的に接続するように配置され、汗反応体９の反応により変化する電流あるいは電位を検出する作用電極４と、汗抽出部３に電気的に接続され、作用電極４に対する基準電位を示すように形成された参照電極５とを備え、作用電極４で検出する電流あるいは電位の変化に基づいて汗の成分を検出する。【選択図】図１

Description

この発明は、汗成分センサに係り、特に、被験者の汗の成分を検出する汗成分センサに関する。

近年、例えば健康診断において、血液に代わる非侵襲な体液サンプルとして汗成分が注目されている。汗は、その９０％近くが水であり夾雑物が少なく、体表に出た汗は比較的容易に、非侵襲的に採取可能である。また、近年の網羅的解析技術の進歩により、汗成分と疾患の関連性が示唆されつつある。その一方で、汗成分の定量に要する十分な量の汗を得るために、被験者による運動の実施や高温環境下への暴露、あるいは発汗促進剤（ピロカルピンなど）の投与など、特殊な汗採取法を要するため、いつでも、どこでも、誰でも、簡単に測ることは難しかった。特に、高齢者や患者など、そのような特殊環境下に置くこと自体が危険な場合もある。

そこで、汗の成分を簡単に収集する技術として、例えば、特許文献１には、被験者から汗成分のような液体を次工程の分析装置で使用可能に簡単に収集することができる液体収集装置が提案されている。この液体収集装置は、皮膚から汗を収集し、その汗に含まれるグルコースを検出する装置であり、汗収取部であるスポンジ部内に被験者の指が挿入され、汗成分回収剤（アルコール液）が、スポンジ部内の指の皮膚に噴射されて汗成分と共にスポンジに吸収されるため、汗成分を簡単に収集することができる。

特開２００９−４７６１５号公報

しかしながら、特許文献１の液体収集装置は、指の表面に付着している汗を収集するものであり、外的要因が大きく影響するため、汗の成分を高精度に検出できないおそれがあった。また、特許文献１の液体収集装置は、スポンジから汗成分回収剤を絞り出して、センサチップへ導入し、センサチップを取り外して濃縮・検出工程へと進むため、汗の成分の収集と検出をその場で連続的に行うことが困難であった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、汗の成分を高精度に検出する汗成分センサを提供することを目的とする。

この発明に係る汗成分センサは、被験者の皮膚から汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成され、被験者の皮膚が当接されることにより汗を順次抽出する汗抽出部と、汗抽出部内に配置され、汗抽出部で抽出される汗と順次反応する汗反応体と、汗反応体の近傍において汗抽出部と電気的に接続するように配置され、汗反応体の反応により変化する電流あるいは電位を検出する作用電極と、汗抽出部に電気的に接続され、作用電極に対する基準電位を示すように形成された参照電極とを備え、作用電極で検出する電流あるいは電位の変化に基づいて汗の成分を検出するものである。

ここで、作用電極および参照電極は、汗抽出部と接触するように配置することができる。

また、参照電極は、Ｎａ^＋イオン、Ｋ^＋イオン、およびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つと反応するイオン選択性電極であり、塩含有水溶液は、参照電極と反応するイオンを１００ｍＭ以上含むことが好ましい。

また、塩含有水溶液は、ｐＨ６以上ｐＨ８以下の範囲で緩衝能を有することが好ましい。

また、汗抽出部は、塩含有水溶液を含むハイドロゲルからなることが好ましい。

また、汗反応体は、作用電極に固定され、酵素、抗体、イオノフォア、核酸、アプタマーおよび人工受容体の少なくとも１つからなることが好ましい。

また、作用電極で検出される電流あるいは電位を継続して計測し、被験者の汗と汗反応体との反応により連続して増加または減少する計測値が所定の閾値に達したときの値に基づいて汗の成分を検出することができる。

この発明によれば、汗抽出部が、被験者の皮膚から汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成され、被験者の皮膚が当接されることにより汗を順次抽出し、汗抽出部で抽出される汗と汗反応体が反応して変化する電流あるいは電位に基づいて汗の成分を検出するので、汗の成分を高精度に検出する汗成分センサを提供することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る汗成分センサの構成を示す図である。実施の形態２に係る汗成分センサの構成を示す図である。実施の形態２に係る汗成分センサの変形例を示す図である。塩含有水溶液中におけるＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極電位の安定性を評価した結果を示す図である。汗成分センサでＬ−乳酸に対する電位応答を評価した結果を示す図である。多孔質体への人差し指接触時の乳酸応答性作用電極電位の電位応答を評価した結果を示す図である。多孔質体への人差し指接触時のＮａ^＋イオン応答性作用電極電位の電位応答を評価した結果を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１（ａ）および（ｂ）に、この発明の実施の形態１に係る汗成分センサの構成を示す。この汗成分センサは、基板１を有し、基板１の表面上に支持枠２、汗抽出部３、作用電極４、参照電極５および対極６が配置されている。また、作用電極４、参照電極５および対極６に検出部７が電気的に接続されている。

基板１は、絶縁性材料から構成され、例えばガラス、Ｓｉ（シリコン）、樹脂（シリコーン、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリイミド、ポリパラキシリレン（パリレン（登録商標））、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等）、紙等から構成することができる。

支持枠２は、汗抽出部３を支持するもので、平板形状を有し、基板１に沿うように配置されている。支持枠２は、円形状の横断面を有すると共に上方に開口した収容部８が形成され、この収容部８に汗抽出部３が収容されている。支持枠２は、電気的絶縁性を有するものが好ましく、例えば、ガラス、Ｓｉ（シリコン）、樹脂（シリコーン、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリイミド、ポリパラキシリレン（パリレン（登録商標））、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等）、紙等を用いることができる。なお、汗抽出部３を自立して設置可能な場合は支持枠２を用いなくてもよい。

汗抽出部３は、被験者の皮膚Ｓが当接されることにより汗を順次抽出するもので、被験者の皮膚Ｓから汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成されている。汗抽出部３は、収容部８の開口から外部に露出する当接面を有し、この当接面に被験者の皮膚Ｓが当接される。当接面の形状は円形状に限定されるものではなく、多角形でもよい。また、当接面に当接される被験者の皮膚Ｓは特定の部位に限定されるものではなく、全身のいずれかの部位の皮膚Ｓを当接することができる。

汗抽出部３の多孔質体は、保水性、生体親和性および機械強度に優れたものが好ましく、例えばゲルを挙げることができ、特にはハイドロゲルを用いることが好ましい。具体的にハイドロゲルを形成する材料としては、アガロース、ゼラチン、キサンタンガム、ジェランガム、スクレロチウガム、アラビアガム、トラガントガム、カラヤガム、セルロースガム、タマリンドガム、グアーガム、ローカストビーンガム、グルコマンナン、キトサン、カラギーナン、クインスシード、ガラクタン、マンナン、デンプン、デキストリン、カードラン、カゼイン、ペクチン、コラーゲン、フィブリン、ペプチド、コンドロイチン硫酸ナトリウム等のコンドロイチン硫酸塩、ヒアルロン酸（ムコ多糖類）及びヒアルロン酸ナトリウム等のヒアルロン酸塩、アルギン酸、アルギン酸塩、並びにこれらの誘導体等の天然高分子；メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、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、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体及びこれらの塩；ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、アクリル酸・メタクリル酸アルキルコポリマー、等のポリ（メタ）アクリル酸類及びこれらの塩；ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレートの重合体（ＰＰＥＧＤＡ、ＰＰＥＧＤＭ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリ２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリビニルピロリドン、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレングリコール、カルボキシビニルポリマー、アルキル変性カルボキシビニルポリマー、無水マレイン酸コポリマー、ポリアルキレンオキサイド系樹脂、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸無水物）とポリエチレングリコールとの架橋体、ポリエチレングリコール架橋体、Ｎ−ビニルアセトアミド架橋体、アクリルアミド架橋体、デンプン・アクリル酸塩グラフトコポリマー架橋物等の合成高分子を挙げることができる。これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上組み合わせて用いてもよい。多孔質体の含水率は、特に限定されるものではないが、６０〜９９．５質量％が好ましく、より好ましくは７０〜９９質量％であり、更に好ましくは８０〜９９質量％である。

汗抽出部３の多孔質体は、孔径が０．１μｍから１μｍと大きいため汗成分の透過性が高く、安全で、かつ電気的に中性で電荷を有する汗成分との静電反発を起こしにくいという点から、アガロースが特に好ましい。

また、塩含有水溶液は、参照電極５と反応して安定した基準電位を示す成分濃度を有することが好ましい。例えば、参照電極５がＮａ^＋イオン、Ｋ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つと反応するイオン選択性電極である場合には、塩含有水溶液は参照電極５と反応するイオン、すなわちＮａ^＋イオン、Ｋ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つを１００ｍＭ以上含むことが好ましい。ここで、参照電極５の電位は、ネルンスト式Ｅ＝Ｅ^０＋ＲＴ/ｎＦｌｎ（ａ_ｉ）（ａ_ｉは参照電極５と反応するイオンの活量）で規定され、汗抽出前後の電位変化量ΔＥはＲＴ/ｎＦｌｎ（ａ_{ｉａｆｔｅｒ}/ａ_{ｉｂｅｆｏｒｅ}）（ａ_{ｉｂｅｆｏｒｅ}とａ_{ｉａｆｔｅｒ}はそれぞれ汗抽出前と後の、参照電極５と反応するイオンの活量）で表される。汗抽出前後の、参照電極５と反応するイオンの活量変化量がａ_{ｉｂｅｆｏｒｅ}の１０％以下、例えばイオンの濃度を１００ｍＭ以上とすれば、ΔＥは数ｍＶとなることが想定され、汗成分計測時に作用電極４で検出する電流、あるいは電位にほとんど影響しない程度となる。

また、一般的に、汗はｐＨ３〜８を有するため、塩含有水溶液は、被験者の皮膚ＳからｐＨ３〜８の汗を抽出した後も、作用電極４の先端部に固定された汗反応体９の活性を維持させる目的から、ｐＨ６以上ｐＨ８以下の範囲で緩衝能を有することが望ましい。例えば、塩含有水溶液は、リン酸塩、トリス、ＥＤＴＡ、酢酸、ホウ酸、クエン酸、炭酸、重炭酸、２−Ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＭＥＳ）、Ｂｉｓ（２−ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）ｉｍｉｎｏｔｒｉｓ（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ｍｅｔｈａｎｅ（Ｂｉｓ−Ｔｒｉｓ）、Ｎ−（２−Ａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｉｍｉｎｏｄｉａｃｅｔｉｃａｃｉｄ（ＡＤＡ）、Ｐｉｐｅｒａｚｉｎｅ−１，４−ｂｉｓ（２−ｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−Ａｃｅｔａｍｉｄｏ）−２−ａｍｉｎｏｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−Ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ）−２−ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＭＯＰＳＯ）、コラミン塩酸、Ｎ，Ｎ−Ｂｉｓ（２−ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）−２−ａｍｉｎｏｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＢＥＳ）、３−Ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＭＯＰＳ）、Ｎ−Ｔｒｉｓ（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ｍｅｔｈｙｌ−２−ａｍｉｎｏｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＴＥＳ）、２−［４−（２−Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）−１−ｐｉｐｅｒａｚｉｎｙｌ］ｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＨＥＰＥＳ）、３−［Ｎ−ｔｒｉｓ（ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ｍｅｔｈｙｌ］ａｍｉｎｏ］−２−ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＴＡＰＳＯ）、Ｐｉｐｅｒａｚｉｎｅ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（２−ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＰＯＰＳＯ）、４−（２−Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）−Ｐｉｐｅｒａｚｉｎｅ−１−（２−Ｈｙｄｒｏｘｙ）−ＰｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃＡｃｉｄ（ＨＥＰＳＯ）、３−［４−（２−Ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）−１−ｐｉｐｅｒａｚｉｎｙｌ］ｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＥＰＰＳ），Ｎ−Ｔｒｉｓ（Ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ）ｍｅｔｈｙｌ−３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＴＡＰＳ）、Ｎ−Ｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌ−２−ａｍｉｎｏｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＣＨＥＳ）、Ｎ−Ｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌ−３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ（ＣＡＰＳ）、アセトアミドグリシン、トリシン、グリシンアミド、ビシン等を用いることができる。

作用電極４、参照電極５および対極６は、基板１と支持枠２の間を収容部８に向かって延びるように形成され、先端部がそれぞれ収容部８に収容された汗抽出部３内に挿入されている。これにより、作用電極４、参照電極５および対極６は、先端部において汗抽出部３と接触することになる。また、作用電極４の先端部には、汗反応体９が固定されている。
汗反応体９は、汗抽出部３で抽出される汗と順次反応するもので、例えば酵素、抗体、イオノフォア、核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ）、アプタマー、人工受容体、細胞、微生物、組織、臓器等を用いることができ、汗成分と選択的に安定して反応する点から、酵素、抗体、イオノフォア、核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ）、アプタマー、人工受容体を用いることができる。これらの汗反応体９は、１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。ここで、人工受容体とは、汗成分と化学的相互作用（酸化還元反応、配位結合、水素結合、ファンデルワールス力等）を形成する化合物の総称である。

作用電極４は、汗反応体９が汗と反応して変化する電流あるいは電位を検出するもので、導電性材料から構成されている。ここで、作用電極４で検出される電流の変化とは、例えば、汗反応体９と汗が反応して生じた酸化還元物質と作用電極４との電子授受により生じる応答である。また、作用電極４で検出される電位の変化とは、例えば、汗反応体９と相互作用（酸化還元反応、吸着、静電相互作用、配位結合、水素結合等）した汗中イオンあるいは酸化還元物質により、作用電極４と塩含有水溶液の界面、作用電極４と汗反応体９の界面、あるいは汗反応体９と塩含有水溶液の界面に生じる電位の変化である。

参照電極５は、作用電極４に対する基準電位を示すもので、汗の影響などにより電位が大きく変動しないように形成されている。参照電極５は、汗抽出部３中の成分と反応して安定した基準電位を示すものが望ましく、特に、Ｎａ^＋イオン、Ｋ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つと反応するイオン選択性電極を用いることが望ましい。ここで、イオン選択性電極とは、例えば、汗抽出部３中のイオンと直接反応する電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ等）、あるいは、汗抽出部３中のイオンとイオン対を形成あるいは錯形成する化合物（イオノフォア、及びアニオン性、カチオン性化合物）を有するイオン感応膜を有する電極である。
対極６は、作用電極４と対をなして電流が流れる回路を形成するものであり、参照電極５への通電を極力抑えることで安定した基準電位を示させるものである。

作用電極４および対極６は、例えば、カーボン、アルミニウム、金、銀、銅、白金、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、導電性高分子（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリビチオフェン、ポリイソチオフェン、ポリドデシルチオフェン、ポリイソナイトチオフェン、ポリ−３−ヘキシルチオフェン、ポリアニオン、ポリイソチアナフテン、ポリチアジル、ポリフェニレン、ポリフルオレン、ポリジアセチレン、ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレスルフィド）等から構成することができる。

検出部７は、作用電極４、参照電極５および対極６にリード線１０を介して接続されており、作用電極４、参照電極５および対極６に流れる電流または電圧の変化に基づいて汗の成分を検出する。

このような汗成分センサは、例えば、フォトリソグラフィ法、蒸着法およびスパッタリング法等のドライプロセス、スピンコート、バーコートおよびスプレーコート等による塗布法、あるいはスクリーン印刷法、グラビアオフセット印刷法、反転オフセット印刷法およびインクジェット印刷法等の各種印刷機を用いた印刷法などで製造することができる。

次に、この実施の形態１の動作について説明する。
まず、図１に示すように、収容部８の開口から露出する汗抽出部３に被験者の指の皮膚Ｓが当接され、皮膚Ｓから発汗される汗が汗抽出部３内に順次浸透する。ここで、汗抽出部３は、塩含有水溶液を含んでいるため、皮膚Ｓから継続的に発汗を促すことができ、多くの汗を抽出することができる。また、汗抽出部３は、多孔質体により塩含有水溶液が保持されているため、塩含有水溶液の液量および濃度が変化することを抑制することができ、皮膚Ｓから汗を安定して抽出することができる。

汗抽出部３内に浸透した汗は、作用電極４の先端部に固定された汗反応体９と反応し、この反応に応じて作用電極４に流れる電流、または作用電極４と塩含有水溶液の界面、作用電極４と汗反応体９の界面、あるいは汗反応体９と塩含有水溶液の界面に生じる電位が変化する。そして、検出部７が、作用電極４における電流または電位の変化に基づいて汗抽出部３で抽出された汗の成分を検出する。具体的には、検出部７は、作用電極４の電位の変化を検出する場合は、作用電極４と参照電極５の２極を用い、それらの電極間に生じる電位差を計測する。また、検出部７は、作用電極４に流れる電流の変化を検出する場合は、作用電極４と参照電極５と、必要に応じて対極６を用い、参照電極５に対して作用電極４に任意の電圧を印加しながら、作用電極４に流れる電流を計測する。

このように、検出部７は、被験者の皮膚Ｓから汗抽出部３により順次抽出される汗の成分を検出するため、被験者の皮膚Ｓに付着した外的成分の影響を抑制することができ、汗の成分を高精度に検出することができる。また、検出部７は、作用電極４に流れる電流または電位を継続して計測し、所定の電流または電位に達したときの値に基づいて汗の成分を検出するため、汗の抽出と検出を別々に行わずに連続して行うことができ、汗の成分の検出を容易に行うことができる。

本実施の形態によれば、塩含有水溶液を含む多孔質体から形成された汗抽出部３に被験者の皮膚Ｓが当接されて汗を順次抽出し、その順次抽出される汗と汗反応体９との反応による電流または電位の変化を検出するため、被験者の皮膚Ｓに付着した外的成分の影響を抑制することができ、汗の成分を高精度に検出することができる。

実施の形態２
上記の実施の形態１では、汗抽出部３は、上方に開口した収容部８に収容されたが、被験者の皮膚Ｓを当接することができればよく、これに限られるものではない。
例えば、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、実施の形態１の基板１を除くと共に支持枠２に換えて支持枠２１を配置することができる。

支持枠２１は、円筒形状を有し、内部に汗抽出部３を収容する収容部８が形成されている。汗抽出部３は、塩含有水溶液を含む多孔質体であり、収容部８を全て満たすように収容されている。これにより、汗抽出部３は、支持枠２１の先端部から外部に露出する当接面が形成され、この当接面が被験者の皮膚Ｓに当接される。
また、汗抽出部３内には、支持枠２１の後端部から作用電極４、参照電極５および対極６が挿入され、作用電極４の先端部に汗反応体９が固定されている。そして、作用電極４、参照電極５および対極６には、図示しない検出部が接続されている。

このような構成により、支持枠２１の先端部から露出する汗抽出部３の当接面を被験者の皮膚Ｓに当接することにより、皮膚Ｓから発汗される汗を汗抽出部３で順次抽出することができる。汗抽出部３で抽出された汗は汗反応体９と反応し、この反応による電流または電位の変化が検出部で検出される。

本実施の形態によれば、支持枠２１が筒形状を有するため、汗抽出部３の当接面を被験者の皮膚Ｓに対して様々な角度から容易に当接することができ、被験者の様々な部位の汗の成分を検出することができる。

なお、上記の実施の形態１および２では、作用電極４、参照電極５および対極６は、汗抽出部３内に挿入されたが、汗抽出部３と電気的に接続されていればよく、これに限られるものではない。例えば、図３に示すように、実施の形態２において、作用電極４、参照電極５および対極６の先端部が汗抽出部３の表面に接触するように配置することもできる。また、作用電極４、参照電極５、および対極６は、基板１の表面、または支持枠２および２１の汗抽出部３と接する壁面に配置し、基板１または支持枠２および２１を介して汗抽出部３と電気的に接続することもできる。また、作用電極４、参照電極５および対極６は、収容部８とは別に作製された、汗抽出部３と電気的に接続された部位に配置されてもよい。

また、上記の実施の形態１および２において、作用電極４、参照電極５および対極６の形状は、円形、多角形、櫛形でもよく、平面形状でも立体形状でもよい。
また、上記の実施の形態１および２では、作用電極４、参照電極５、および対極６は、検出部７とリード線１０を介して有線的に接続されたが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、あるいはＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ等を用いて無線で検出部７と接続してもよい。

また、上記の実施の形態１および２では、作用電極４は、汗反応体９が固定されたが、汗反応体９の反応により変化する電流あるいは電位を検出できる程度に汗反応体９の近傍に配置されていればよく、汗反応体９を固定するものに限られるものではない。

（実施例１）
汗抽出前後において汗抽出部３に含まれる塩含有水溶液のｐＨの変化を測定した。塩含有水溶液として、ダルベッコリン酸緩衝液（ＤＰＢＳ、２．７ｍＭＫＣｌ、１３７ｍＭＮａＣｌ、１．５ｍＭＫＨ_２ＰＯ_４、８．１ｍＭＮａ_２ＨＰＯ_４、ｐＨ７．４）を用いた。被験者の人差し指の腹に、５０μＬのＤＰＢＳを１０分間接触させ、その前後のｐＨ変化を測定した。その結果、ｐＨは０．２減少した。一方、緩衝能を持たない超純水を用いた場合には、ｐＨが５．４から６．２まで０．８増加した。これにより、ｐＨ６以上ｐＨ８以下の塩含有水溶液を用いることで、汗抽出時のｐＨをほぼ一定に保つことができ、測定系を安定して維持できることが分かった。

（実施例２）
汗抽出前後において汗抽出部３に含まれる塩含有水溶液のイオン濃度の変化を測定した。被験者の人差し指の腹に５０μＬのＤＰＢＳを１０分間接触させ、抽出されたＮａ^＋イオンとＫ^＋イオンを定量したところ、Ｎａ^＋イオンの濃度は１．２ｍＭ前後であり、Ｋ^＋イオンの濃度は０．４ｍＭ前後であった。また、汗中のＣｌ⁻イオン濃度は、Ｎａ^＋イオン濃度と同程度のため（非特許文献ＮａｔｕｒｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２０１８、１１６０−１７１．）、１．２ｍＭ前後と予想される。以上の結果とネルンスト式を考慮すると、Ｎａ^＋イオン，Ｋ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つと反応する参照電極５を用いる場合、汗抽出部３に含まれる塩含有水溶液は、参照電極５と反応するイオンを１００ｍＭ以上含めば、汗抽出中に安定した基準電極を示すことが分かった。

図４に、ＤＰＢＳ中でのＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極の安定性を評価した結果を示す。作製したＡｇ／ＡｇＣｌ電極と、市販のＡｇ／ＡｇＣｌをＤＰＢＳに浸漬し、ＮａＣｌ濃度を１ｍＭから１０ｍＭ追加（上記、汗抽出時のＣｌ⁻イオン濃度の増加分を想定）した時の電極間電位差を計測した。１０ｍＭ追加後の電位差の変化量は約１．２ｍＶであり、ネルンスト式から予想される電位変化量とほぼ同程度であった。これより、参照電極５と反応するイオンを１００ｍＭ以上含む上記のＤＰＢＳを塩含有水溶液として用いることで、汗抽出時に塩含有水溶液のＣｌ⁻イオン濃度が仮に１０ｍＭ増加しても参照電極５の電位変化は１．２ｍＶ程度であり、安定した基準電極が得られることが分かった。

（実施例３）
乳酸センサの作製と応答性評価
図５に、汗成分センサとして乳酸センサを作製し、その乳酸センサの基礎特性を評価した結果を示す。図５（ａ）は乳酸センサの構成を示す図である。乳酸センサの作製方法は、まず基板１であるポリエチレンナフタレートフィルム（ＰＥＮフィルム、厚さ１２５μｍ、テオネックス、帝人社製）上に、インクジェットプリンタ（富士フィルム、ＤｉＭａｘＤＭＰ２８３１）により、銀ナノ粒子（ＨａｒｉｍａＣｈｅｍｉｃａｌｓ、ＮＰＳ−ＪＬ）インクを用いて作用電極４および参照電極５の配線パターンを形成した。１２０℃で３０分間ベークすることで焼結し銀配線パターンを得た。作用電極４パターン先端部に、２ｍｍｘ２ｍｍの面積でプルシンブルー（ＰＢ）含有カーボンペースト（Ｃ２０７０４２４Ｐ２、Ｇｗｅｎｔ社製）を塗布し、６０℃で３０分焼成することでＰＢ電極膜を形成した。また、参照電極５パターン先端部に、２ｍｍ×２ｍｍの面積でＡｇ／ＡｇＣｌペースト（Ｃ２１３０８０９Ｄ５、Ｇｗｅｎｔ社製）を塗布し、６０℃で３０分焼成することでＡｇ／ＡｇＣｌ電極を作製した。作用電極４および参照電極５のリードパターン部はテフロン（登録商標）（５ｗｔ％、ＡＦ１６００、三井・デュポンフロロケミカル社製）で被覆し、６０℃で３０分ベークすることで絶縁した。

続いて、１．４μＬの１０ｕｎｉｔ／μＬの乳酸オキシダーゼ（ＴＯＹＯＢＯ社製）を含むＤＰＢＳと、１０μＬの０．１ｗｔ％キトサン（純正化学社製）を含む塩酸溶液（ｐＨ５．４ , ０．１ｗｔ％）を混合し、その混合溶液全量をＰＢ電極膜表面に滴下し、３０℃で１時間乾燥することで乳酸オキシダーゼ修飾作用電極を得た。シリコーンゴムシート（厚さ０．５ｍｍ、ＡＳＯＮＥ社製）の中央部に直径６ｍｍの円形貫通孔を形成して支持枠２を作製した。作用電極４の酵素修飾部（汗反応体９）とＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極５が貫通孔から露出するようにシリコーンゴムシートをＰＥＮフィルムに貼付した。０．０４ｇのアガロース粉末（ゲル化温度３０〜３１℃、ナカライテスク社製）を１ｍＬのＤＰＢＳ溶液に添加し、沸騰させることで溶解させた。このアガロース溶液を３５℃付近まで冷却させ、シリコーンゴム貫通孔部（収容部８）に充填・ゲル化させ汗抽出部３を形成した。

このようにして得られたセンサチップを検出部７の電圧計（ＡＬＳｍｏｄｅｌ６０２Ｅ、ＢＡＳ社製）に接続し、作用電極４と参照電極５の間の電位差を計測した。測定原理としては、図５（ａ）右端図に示すように、まず乳酸が、酵素である乳酸オキシダーゼにより酸化され、その過程で過酸化水素を生じる。その過酸化水素でプルシアンブルーが酸化されることで電極電位が変化する。実験は、図５（ａ）側面図に示すように、支持枠２の貫通孔の半分までをアガロースゲルで満たし（厚さ０．５ｍｍ）、残り上半分にＤＢＰＳ溶液を添加、そこへ乳酸を滴下したときの応答を計測した。
図５（ｂ）および（ｃ）は、種々の濃度のＬ−乳酸に対する作用電極４と参照電極５の間の電位差の変化である。Ｌ−乳酸の濃度依存的な応答が得られ、アガロースゲル中のＬ−乳酸濃度を計測可能であることが示された。

（実施例４）
上記の乳酸センサのアガロースゲルへ人差し指の腹を３０秒間接触させた時の写真を図６（ａ）に示し、その時の電位差の変化を図６（ｂ）に示す。汗反応体９として乳酸オキシダーゼを作用電極４の表面に固定化した場合、Ｔｉｍｅ=１００秒の点で指をアガロースゲルに接触させたところ、約２０秒のタイムラグの後に電位が連続して増加する変化を示した。このタイムラグは、アガロースゲルの厚みを厚くすると増加したことから、汗成分がアガロースゲルを拡散する速度に依存することが分かった。一方、乳酸オキシダーゼを固定化しない場合は電位応答が得られなかった。つまり、電位応答は、汗から抽出された乳酸に由来することが示された。また、乳酸オキシダーゼが無い場合に電位の変化がなかったことから、乳酸以外の汗成分が作用電極４あるいは参照電極５と直接反応して電位応答を生じることがほとんどなく、高い選択性と、参照電極５の高い電位安定性が示された。また、作用電極４で検出される電位を継続して計測し、被験者の汗と汗反応体９との反応により連続して増加する計測値が所定の閾値、例えば２０ｍＶに達したときの値に基づいて汗の成分を検出することで、汗の成分を高精度に検出できることが分かった。

（実施例５）
Ｎａ^＋イオンセンサの作製と応答性評価
イオノフォアである１ｍｇＳｏｄｉｕｍＩｏｎｏｐｈｏｒｅＸ（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ社製）、０．５５ｍｇｓｏｄｉｕｍｔｅｔｒａｋｉｓ［３，５−ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ］ｂｏｒａｔｅ（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ社製）、３３ｍｇポリ塩化ビニル（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ社製）、７１．９μＬｂｉｓ（２−ｅｔｈｙｌｅｈｅｘｙｌ）ｓｅｂａｃａｔｅ（東京化成社製）、６６０μＬテトラヒドロフラン（東京化成社製）を混合し、Ｎａ⁺イオン感応膜のプレ溶液を調製した。作用電極４の表面にＮａ⁺イオン感応膜プレ溶液を５０μＬ滴下し、室温で一晩乾燥させＮａ⁺イオン感応膜を形成した（汗反応体９）。以上の操作によりＮａ⁺イオン応答性電極を作製した。参照電極５にはＡｇ／ＡｇＣｌ電極パターンを作製した。０．０４ｇのアガロース粉末（ゲル化温度３０〜３１℃、ナカライテスク社製）を１ｍＬのＤＰＢＳ溶液に添加し、沸騰させることで溶解させた。このアガロース溶液を３５℃付近まで冷却させ、Ｎａ⁺イオン応答性電極とＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極の表面を覆うように滴下してゲル化させた（汗抽出部３）。

図７は、アガロースゲルへ人差し指の腹を接触させ続けた時の、Ｎａ⁺イオン応答性電極とＡｇ/ＡｇＣｌ参照電極間の電位差の変化である。時間０秒で皮膚を接触後、約２０秒のタイムラグの後に電位が正方向に増加した。これはＮａ⁺イオンの増加を表す応答であり、被験者の皮膚Ｓから汗を抽出しつつ汗中のＮａ⁺イオンを順次検出可能であることが示された。また、実施例４と同様に、作用電極４で検出される電位を継続して計測し、被験者の汗と汗反応体９との反応により連続して増加する計測値が所定の閾値、例えば２０ｍＶに達したときの値に基づいて汗の成分を検出することで、汗の成分を高精度に検出できることが分かった。

１基板
２，２１支持枠
３汗抽出部
４作用電極
５参照電極
６対極
７検出部
８収容部
９汗反応体
１０リード線
Ｓ皮膚

Claims

被験者の皮膚から汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成され、前記被験者の皮膚が当接されることにより汗を順次抽出する汗抽出部と、
前記汗抽出部内に配置され、前記汗抽出部で抽出される汗と順次反応する汗反応体と、
前記汗反応体の近傍において前記汗抽出部と電気的に接続するように配置され、前記汗反応体の反応により変化する電流あるいは電位を検出する作用電極と、
前記汗抽出部に電気的に接続され、前記作用電極に対する基準電位を示すように形成された参照電極と
を備え、
前記作用電極で検出する電流あるいは電位の変化に基づいて汗の成分を検出する汗成分センサ。
前記作用電極および前記参照電極は、前記汗抽出部と接触するように配置される請求項１に記載の汗成分センサ。
前記参照電極は、Ｎａ^＋イオン、Ｋ^＋イオン、およびＣｌ⁻イオンの少なくとも１つと反応するイオン選択性電極であり、
前記塩含有水溶液は、前記参照電極と反応するイオンを１００ｍＭ以上含む請求項１または２に記載の汗成分センサ。
前記塩含有水溶液は、ｐＨ６以上ｐＨ８以下の範囲で緩衝能を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の汗成分センサ。
前記汗抽出部は、前記塩含有水溶液を含むハイドロゲルからなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の汗成分センサ。
前記汗反応体は、前記作用電極に固定され、酵素、抗体、イオノフォア、核酸、アプタマーおよび人工受容体の少なくとも１つからなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の汗成分センサ。
前記作用電極で検出される電流あるいは電位を継続して計測し、被験者の汗と前記汗反応体との反応により連続して増加または減少する計測値が所定の閾値に達したときの値に基づいて汗の成分を検出する請求項１〜６のいずれか一項に記載の汗成分センサ。