JP3487410B2 - バイオセンサ - Google Patents

バイオセンサ

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俊彦 吉岡
智浩 山本
史朗 南海
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、血液、尿等の生体
試料、あるいは食品工業における原料、製品などの試料
中に含まれる特定成分を高精度で、迅速かつ簡便に定量
するためのバイオセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】生体試料や食品中の特定成分(基質)
を、試料液の希釈および撹拌などを行うことなく、簡易
に定量し得るバイオセンサが提案されている。その一例
として、絶縁性基板上にスクリーン印刷などの方法によ
って電極系を形成し、この電極系上に酸化還元酵素およ
び電子受容体を含有する反応層を形成したバイオセンサ
が知られている(特開平3−202764号公報)。こ
のバイオセンサは、以下のようにして、試料中の基質濃
度を定量する。まず、試料液をバイオセンサの反応層上
に滴下することにより、反応層が溶解し、試料液中の基
質と反応層の酸化還元酵素との間で酵素反応が進行す
る。この酵素反応に伴い、電子受容体が還元される。一
定時間後、センサの電極に電圧を印加して、この還元さ
れた電子受容体を電気化学的に酸化し、このとき得られ
る酸化電流値から試料液中の基質濃度を定量することが
できる。
【0003】上記技術により特定成分を定量する際、試
料液中に固形成分が含まれていると、その影響を受ける
場合がある。例えば、全血を試料液とした場合には、赤
血球の影響を受けることがある。一方、全血から赤血球
を引き止めることを特徴とした、全血から血漿を分離す
る方法が提案されている(特公平7−85083号公
報)。これは、全血を赤血球凝集化物質と接触させ、赤
血球を繊維含有層により保持することによって、全血か
ら血漿を分離するものである。ポリビニルアルコール等
で被覆されたガラス繊維層と、赤血球凝集化物質とによ
って、全血から溶血させることなく血漿を分離すること
を目的としている。この技術は、色の変化を可視的に評
価するかあるいは分光的に評価する手段との組み合わせ
によって、血液成分を分析するものである。有色の赤血
球の存在あるいは溶血は、特定の色を呈するために測定
を有意に妨害するからである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のバイオセンサに
おいては、全血を試料液とした場合に赤血球の影響を受
けたり、搾りたての果汁を試料液とした場合に果肉の影
響を受けたりすることがある。さらに、従来の全血から
血漿を分離する技術を上記バイオセンサに適用した場合
には、ガラス繊維層が電極系から離れていると、電極系
とガラス繊維層の間に気泡が発生しやすく、この気泡に
よって定量値がばらつく場合がある。また、ガラス繊維
層が電極系と接触しあるいは極めて接近している場合に
は、均質なバイオセンサを大量に作製することが困難な
傾向がある。これは、1回限りの使用を前提としたバイ
オセンサ、すなわち使い捨て型のバイオセンサには不向
きである。
【0005】本発明は、以上に鑑み、試料中に含まれる
基質を、試料中の固形成分の影響を受けずに、高精度
で、迅速かつ容易に定量し得るバイオセンサを提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のバイオセンサ
は、電気絶縁性の基板、基板上に形成された作用極およ
び対極を含む電極系、電極系上に接して配置され、第1
の酵素を含む反応層、および反応層上に接して配置さ
れ、電極系の外郭形状と略一致した形状を有するフィル
タ層を具備し、前記フィルタ層が、第1の酵素とは異な
る第2の酵素を含むことを特徴とする。ここで、フィル
タ層は、界面活性剤を含むことが好ましい。また、第
の酵素がコレステロール酸化酵素であり、第2の酵素
コレステロールエステラーゼであることが好ましい
【0007】
【発明の実施の形態】本発明のバイオセンサの好ましい
実施態様について、図1および図2を用いて説明する。
電気絶縁性の基板1上に、作用極4と対極5とからなる
電極系、前記の各電極に接触するリード2と3、および
絶縁層6を形成する。本発明のバイオセンサは、その精
度をさらに安定させるために、上記作用極4および対極
5に加えて参照極を有する三電極系を基板1上に形成さ
せてよい。上記電極系は、電気絶縁性の基板上に公知の
方法、例えばスクリーン印刷やスパッタ等の手段によっ
て設けることができる。リードおよび電極の材料として
は、公知の導電性材料が使用される。例としては、カー
ボン、銀、白金、金、パラジウム等が挙げられる。
【0008】反応層は、以下のようにして上記電極系上
に配置される。電極系上に第1の酵素の水溶液を滴下
し、乾燥する。本発明のバイオセンサはまた、第1の酵
素と親水性高分子の混合水溶液を滴下し、乾燥して反応
層7を形成することもできる。この場合、電極系表面へ
の反応層7の密着性を高めることができる。このような
親水性高分子としては、カルボ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、メチルセルロース、エチルセルロース、エチル
ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルエチル
セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコ
ール、ポリリジンなどのポリアミノ酸、ポリスチレンス
ルホン酸、ゼラチンおよびその誘導体、ポリアクリル酸
およびその塩、ポリメタアクリル酸およびその塩、スタ
ーチおよびその誘導体、無水マレイン酸またはその塩の
重合体が挙げられる。特に、カルボキシメチルセルロー
スが好適に用いられる。
【0009】さらに本発明のバイオセンサは、必要に応
じて反応層中へ電子受容体を含有させることができる
電子受容体としては、フェリシアンイオン、p−ベンゾ
キノンおよびその誘導体、フェナジンメトサルフェー
ト、メチレンブルー、フェロセンおよびその誘導体など
が挙げられる。電子受容体は、これらの1種またはそれ
以上が用いられる。次に、上記電極系の外郭形状と略一
致した形状を有するフィルタ層12を、上記反応層7上
に接して配置する。フィルタ層12の固定は、反応層7
上へ軽く圧着させても良いが、図1に示したスペーサ8
およびカバー9を用いるとさらに効果的である。フィル
タ層12には、ガラス繊維、セルロース繊維、その他高
分子化合物を主とする繊維材料をフリース様あるいはフ
ェルト様に積層したものを用いることができる。特にガ
ラス繊維が好ましい。
【0010】本発明者らは、種々検討の結果、電極系の
外郭形状と略一致した形状を有するフィルタ層12を反
応層7上へ接して配置することにより、正確な基質濃度
を測定できることを見いだした。電極系上の外郭形状と
は異なる形状のフィルタ層を用いた場合には、理由は明
らかではないが、定量値のばらつきが大きくなる。ま
た、フィルタ層を反応層7上から離れた位置に配置した
場合には、電極系とフィルタ層間に生成する気泡の影響
がその一因と思われる定量値のばらつきが認められた。
さらに、フィルタ層12には、界面活性剤を含有し得
る。この場合、試料液のフィルタ層通過をより円滑に進
めることができる。全血を試料液とした場合は、ある程
度の溶血は認められるが、電極系を用いた定量に際して
は、大きな影響は認められない。界面活性剤としては、
n−オクチル−β−D−チオグルコシド、ポリエチレン
グリコールモノドデシルエーテル、コール酸ナトリウ
ム、ドデシル−β−マルトシド、デオキシコール酸ナト
リウム、タウロデオキシコール酸ナトリウム、等から選
択することができる。
【0011】電気絶縁性の基板1、スリット10を有す
るスペーサ8、およびカバー9を組み合わせることによ
って、スリット10の部分に、電極系に試料液を供給す
る試料液供給路を構成する空間部を設けることができ
る。スペーサ8は、フィルタ層12の形状に見合う切り
欠き部10aを有する。カバー9は、空気孔11を有す
る。スペーサの開口部10bから試料液を供給する際に
は、空気孔11が空気排出口として作用する。スペーサ
8およびカバー9を設けない場合には、試料液はフィル
タ層12の上部より供給すればよい。さらに、フィルタ
層12には第1の酵素とは異なる第2の酵素を含有
る。第1の酵素と第2の酵素の組み合わせとしては、第
1の酵素としてコレステロールオキシダーゼを用い、第
2の酵素としてコレステロールエステラーゼを用いた組
み合わせなどがある。この組み合わせによると、総コレ
ステロールを定量可能なバイオセンサが得られる。
【0012】本発明のバイオセンサの動作について、以
下に説明する。特定成分(基質)を含有する試料液を、
本発明のバイオセンサの反応層に供給すると、試料液中
の基質は、反応層中の酵素と選択的に反応する。酵素と
して酸化還元酵素を用いると、基質の酸化反応が進行
し、これと同時に、試料液内の溶存酸素は過酸化水素に
還元される。この後に、電極系に適当な電圧を印加する
と、過酸化水素が酸化される。この時生じる応答電流
は、生成した過酸化水素濃度、すなわち試料液内の基質
濃度に比例するので、その応答電流値を測定することに
より、試料液中の基質濃度が求められる。反応層にあら
かじめ適当な電子受容体を含有させると、上記過酸化水
素が生成する代わりに、酵素反応と同時に電子受容体の
還元体を生成する。この後に、電極系に適当な電圧を印
加すると、電子受容体の還元体が酸化される。この時生
じる応答電流は、生成した電子受容体の還元体濃度、す
なわち試料液内の基質濃度に比例するので、その応答電
流値を測定することにより、試料液中の基質濃度が求め
られる。
【0013】
【実施例】以下、本発明のバイオセンサを実施例に基づ
いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。なお、各実施例の説明に用いら
れる図面において、共通する要素には同一番号を付け、
必要に応じて一部説明を省略する。図1は、本発明によ
るバイオセンサの分解斜視図である。ポリエチレンテレ
フタレートからなる電気絶縁性の基板1上に、スクリー
ン印刷により銀ペーストを印刷し、リード2、3を形成
している。次いで、樹脂バインダーを含む導電性カーボ
ンペーストを基板1上に印刷して作用極4を形成してい
る。この作用極4は、リード2と接触している。さら
に、この基板1上に、電気絶縁性ペーストを印刷して絶
縁層6を形成している。絶縁層6は、作用極4の外周部
を覆っており、これにより作用極4の露出部分の面積を
一定に保っている。そして、樹脂バインダーを含む導電
性カーボンペーストをリード3と接触するように基板1
上に印刷してリング状の対極5を形成している。図2
は、本発明によるバイオセンサの縦断面図である。図1
のようにして電極系を形成した電気絶縁性の基板1上
に、第1の酵素を含む反応層7を形成してある。さら
に、反応層7上に接してフィルタ層12を形成してあ
る。フィルタ層12は、電極系の対極5の外郭形状と略
一致しており、スペーサ8は、フィルタ層12の外郭形
状に部分的に略一致した切り欠き部を有する。
【0014】《実施例》 図1の基板1の電極系上に、コレステロール酸化酵素と
してコレステロールオキシダーゼ(以下、ChODと略
す。)とフェリシアン化カリウムとカルボキシメチルセ
ルロース(以下、CMCと略す。)を含む水溶液を滴下
し、乾燥させて反応層7を形成した。反応層7の形状
は、電極系の対極5の外郭形状に略一致した。次に、反
応層7上に接して、ガラス繊維を主成分とするフィルタ
層12を設置した。フィルタ層12にはあらかじめ、第
2の酵素としてのコレステロールエステラーゼと界面活
性剤としてのコール酸ナトリウムを含む水溶液を滴下
し、乾燥させることにより、コレステロールエステラー
ゼと界面活性剤を含ませておいた。フィルタ層12の形
状は、電極系の対極5の外郭形状に略一致した円形の
のを用い、反応層7の全面を覆うように位置決めした。
さらに、スペーサ8およびカバー9を、電気絶縁性の基
板1上に接着して、バイオセンサを作製した。
【0015】次に、スペーサ8の開口部10bを通して
全血をセンサへ供給した。全血がフィルタ層12を通る
際には、赤血球が濾過されると共に、全血中のエステル
型コレステロールがコレステロールエステラーゼによっ
て触媒反応を受けてフリー型コレステロールが生成し
た。上記触媒反応によって生成したフリー型コレステロ
ールと、初めから全血中に存在したフリー型コレステロ
ールを含む血漿成分が反応層7へ到達した。反応層7は
血漿に溶解し、血漿中のフリー型コレステロールは、コ
レステロールオキシダーゼにより酸化される。そして、
これと同時に反応層中のフェリシアンイオンが還元さ
れ、フェロシアンイオンが生成する。全血の供給から3
分後に、対極5に対して作用極4に+0.5Vの電圧を
印加してフェロシアンイオンを酸化した。そして、電圧
印加から5秒後に、作用極と対極間に流れる電流値を測
定した。この電流値は、生成したフェロシアンイオンの
濃度、すなわち全血中のエステル型コレステロールとフ
リー型コレステロールの両者(以後、総コレステロール
と略す。)の濃度に比例するので、この電流値を測定す
ることにより、全血中の総コレステロール濃度を求める
ことができる。
【0016】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、血液、尿
等の生体試料、食品工業における原料や製品などの試料
中に含まれる基質(特定成分)を高精度で、迅速かつ容
易に定量し得るバイオセンサを得ることがでぎる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例におけるバイオセンサの分解
斜視図である。
【図2】同バイオセンサの縦断面図である。
【符号の説明】
1 電気絶縁性の基板 2、3 リード 4 作用極 5 対極 6 絶縁層 7 反応層 8 スペーサ 9 カバー 10 スリット 11 空気孔 12 フィルタ層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−202764(JP,A) 特開 平9−318588(JP,A) 特開 平2−245650(JP,A) 特開 昭60−173457(JP,A) 特開 昭61−91558(JP,A) 国際公開97/048979(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/327 G01N 27/416

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気絶縁性の基板、前記基板上に形成さ
    れた作用極および対極を含む電極系、前記電極系上に接
    して配置され、第1の酵素を含む反応層、および前記反
    応層上に接して配置され、前記電極系の外郭形状と略一
    致した形状を有するフィルタ層を具備し、前記フィルタ
    層が、第1の酵素とは異なる第2の酵素を含むことを特
    徴とするバイオセンサ。
  2. 【請求項2】 前記フィルタ層が界面活性剤を含む請求
    記載のバイオセンサ。
  3. 【請求項3】 第1の酵素がコレステロール酸化酵素で
    あり、第2の酵素がコレステロールエステラーゼである
    請求項記載のバイオセンサ
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