JP3510461B2

JP3510461B2 - バイオセンサデバイス

Info

Publication number: JP3510461B2
Application number: JP28264297A
Authority: JP
Inventors: 正男後藤; 洋白川
Original assignee: Abbott Diabetes Care Inc
Current assignee: Abbott Diabetes Care Inc
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11108879A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バイオセンサデバ
イスに関する。更に詳しくは、酵素や抗体など生体物質
の分子識別機能を利用した物理化学デバイスとしてのバ
イオセンサデバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】生体機能をエレクトロニクス分野に応用
するバイオエレクトロニクスの研究が進んでいる。この
バイオエレクトロニクス分野におけるバイオセンサは、
生体のもつ優れた分子識別機能を利用したデバイスであ
り、化学物質を迅速にしかも簡便に測定できるものとし
て、将来有望視されている。かかるバイオセンサは、微
量試料測定用センサとして応用され、例えば血糖値や尿
糖値を測定して糖尿病を自己管理し、予防する家庭内健
康診断（セルフケア）に使い捨て使用されたり、工業的
には生産ライン上の商品の抜取品質検査等に用いられる
など応用分野は広い。

【０００３】測定の具体例として、採取した水溶液試料
中の計測目的物質を反応部に滴下し、例えば酵素反応に
よって発生した還元物を酸化することで、その酸化によ
る素子電流値を取り出して検出する。この素子電流値に
等価の測定値をデータテーブルを参照して求め、それを
出力して表示するものである。

【０００４】そうした従来からのバイオセンサは、セン
サがデバイス本体に挿入されて測定可能な状態になった
か否かを認識する判断手段として、光学系を用い、セン
サの挿入により変化する反射光や透過光を検出してい
る。そのため、センサ以外の物体が挿入された場合でも
それを光学系が検出し、誤認識して動作する不都合があ
る。

【０００５】また、複雑かつ精密な光学系をデバイス本
体に組み込むために、コストが高騰する他、操作者が測
定終了までの残り時間を認識したい場合、付帯スイッチ
を押す操作などをして残り時間を表示し、そこで初めて
確認できるといった煩わしい操作を必要とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、セン
サ以外の異物挿入時の誤認識による動作を避けることで
デバイスの信頼性を高めるとともに、測定終了時迄の一
連の操作性を向上させ、コスト的にも有利なバイオセン
サ用デバイスを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のバイオセンサデ
バイスは、デバイス本体のコネクタ部に挿入して着脱可
能な素子反応センサ部材に、挿入によりコネクタ部側の
対応する入力端子に電気的に接続する作用極および対極
の各出力端子が設けられ、作用極および対極のうち少な
くとも作用極上に素子反応部が形成されているものにお
いて、素子反応センサ部材に更にセンサ挿入判別用電極
を設けると共に、デバイス本体のコネクタ部にはセンサ
挿入判別用電極出力端子が接触する２つの入力端子を設
け、この２つの入力端子への接触によってデバイス本体
のシステムが起動して制御部によりセンサ挿入を判断す
るように構成している。

【０００８】この場合、素子反応部への測定対象物の滴
下により作用極と対極が閉回路となる信号によって制御
部は測定対象物の滴下を判断し、予め設定された測定終
了までの残り時間を計数開始してそのカウント信号をデ
バイス本体に設けた表示部に送出して表示させるように
なっている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明によるバイオセンサデバイ
スの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明す
る。図１は、本実施の形態によるバイオセンサデバイス
のシステム構成図を示す。システムは、主に、測定対象
である水溶液試料を滴下して素子反応により発生する電
流値を取り出すためのセンサ部材（以下、単にセンサと
呼ぶ）１を有し、取り出された電流値を等価の測定値に
変換して表示するデバイス本体１０を備えて構成されて
いる。センサ１は使い捨て方式とされ、デバイス本体１
０側に設けたコネクタ部１１に簡便に着脱可能となって
いる。

【００１０】矩形状のセンサ１の本体を形成する絶縁性
基板２は、材料にセラミックス、ガラス、紙、生分解性
材料（例えば、微生物生産ポリエステル等）、そしてポ
リエチレンテレフタレートなどのプラスチック材料が用
いられる。基板２上には、例えば酸化還元酵素等の酵素
反応により発生する素子電流を取り出すための一対の電
極３、４がパターン形成されている。これら両電極３、
４は、作用極３と対極４という名称で定義することがで
きる。電極材料にはカーボン、銀、金、パラジウムなど
の導電性金属が用いられ、スクリーン印刷、貼付、蒸
着、スパッタリングなどによってパターンを形成され
る。

【００１１】作用極３の上またはこの作用極３と対極４
の両極上に、素子反応部である混合物層５が形成されて
いる。混合物層５は、酸化還元酵素と電子伝達体（メデ
ィエータ）との混合物、例えばグルコースオキシダーゼ
とフェリシアン化カリウムとの混合物などで形成させる
ことができる。代表的な酸化還元酵素であるグルコース
オキシダーゼを用いた使い捨てグルコースバイオセンサ
の場合、多くは被測定対象物の原液サンプルを採取して
測定が行われる。グルコース水溶液濃度を酸化による素
子電流値で間接的に求める方法は周知であり、グルコー
スオキシダーゼ作用により、フェリシアンイオンを還元
してフェロシアンイオンとすると同時にグルコノラクト
ンを生成させ、フェロシアンイオンを作用極３上で酸化
させてその素子電流値を検出測定する。

【００１２】混合物層５を設けた位置と反対側の作用極
３と対極４の各端部（リード部）は、対向一対の出力端
子６、７として形成されている。出力端子６、７間の基
板２上には、本発明の要旨部材であるセンサ挿入判別用
電極（以下、センサ挿入信号端子という）８が形成され
ている。このセンサ挿入信号端子８もまた、一般に作用
極３および対極４と同材料、同形成法で形成されてい
る。また、基板２上の一部には絶縁層９が熱硬化性ポリ
エステル等の材料でスクリーン印刷などで形成され、上
記各端子６、７、８間を互いに電気的に絶縁状態にして
いる。

【００１３】一方、デバイス本体１０は以下の各部によ
り構成されている。測定時に上記使い捨て方式のセンサ
１を挿入して電気的に接続する部分のコネクタ部１１が
設けられている。このコネクタ部１１は、センサ１側の
作用極３の出力端子６に接続して対応する入力端子１２
と、対極４の出力端子７に接続して対応する入力端子１
３と、そしてセンサ挿入信号端子８に対応する２つの入
力端子１４ａ、１４ｂの計４個のコネクタピンで構成さ
れている。センサ挿入信号端子８に対応して２個の入力
端子１４ａ、１４ｂが設けてあるが、その内の１つの入
力端子１４ａはレギュレータ部１５に接続され、他の１
つの入力端子１４ｂは電源回路１６に接続されている。
したがって、開回路の状態からセンサ挿入による信号端
子８との接触で、２個の入力端子１４ａ、１４ｂが短絡
状態に接続されて閉回路を形成し、レギュレータ部１５
が電源回路１６に接続されることにより、次に説明する
制御部２０に電源を供給し、システムを起動するように
なっている。すなわち、要旨部材としてセンサ挿入信号
端子８を設けたことの意味は、センサ１がデバイス本体
１０に挿入されたことを検出判断してシステムを立ち上
げるためである。

【００１４】システム制御を行う部分として、デバイス
本体１０にマイコンによるＣＰＵ（中央演算処理装置）
等からなる制御部２０が設けられている。この制御部２
０は、検出電流を電圧値に変換する電流電圧変換回路２
１、変換された電圧信号を増幅する増幅回路２２、その
入力データ信号に基づいて演算処理する演算部２３、そ
して演算部２３で処理された値を測定データとしてデジ
タル表示などするＬＣＤ（液晶表示装置）等のディスプ
レイ表示部２４等よりなっている。ＣＰＵでは各部各回
路からＩ／Ｏポートを通して入出力される信号に基づい
て全体的な制御を行う。

【００１５】次に、以上の構成によるバイオセンサデバ
イスの動作および作用について説明する。測定に際して
は、センサ１がデバイス本体１０のコネクタ部１１に挿
入される。このセンサ挿入段階では、採取された測定目
的の被測定物質を含有する水溶液試料が未だセンサ１側
の素子反応部の混合物層５に滴下されていない。したが
って、センサ１の作用極３と対極４との間は開回路のま
まである。

【００１６】センサ挿入により、センサ１の作用極３と
対極４の両出力端子６、７がデバイス本体１０側の対応
する入力端子１２、１３に接続される。同時にセンサ挿
入信号端子８もまたデバイス本体１０のコネクタ部１１
における２個の入力端子１４ａ、１４ｂに接続される。
それによって短絡状態となって閉回路を形成し、レギュ
レータ部１５が電源回路１６に接続され、制御部２０に
電源を供給する。このシステム起動により制御部２０で
は、センサ１が挿入された旨を判定する。このセンサ挿
入判定により、制御部２０から出力された制御信号によ
って作用極３と対極４との間に電圧が印加される。

【００１７】次いで、例えば０．５重量％グルコース水
溶液試料がセンサ１の混合物層５上に滴下されると、作
用極３と対極４が短絡状態になって閉回路を形成する。
この閉信号によって制御部２０はグルコース水溶液試料
の滴下を判断し、それまで作用極３および対極４間に印
加していた電圧供給を中断する。これに同期して、制御
部２０は、予め設定されている時間数値を起点にして、
測定終了までの残り時間、例えば３０秒を計数開始す
る。計数される残り時間は操作者が認識できるようディ
スプレイ表示部２４に表示される。残り時間が設定時間
に達すると、再び作用極３および対極４間に今度は反応
用として予め設定された値の電圧を印加する。この再電
圧印加により、混合物層５上に滴下されたグルコース水
溶液試料は、酵素反応によって発生した還元物が作用極
３上で酸化され、酸化により発生した素子電流値を検出
して取り込む。

【００１８】反応電圧を一定時間だけ印加した後、電流
電圧変換回路２１では検出して取り込んだ素子電流値を
電圧値に変換し、その変換電圧値を増幅回路２２にて増
幅する。この増幅電圧に対応したデータテーブルを参照
し、演算部２３における算出結果のデータをディスプレ
イ表示部２４に表示する。

【００１９】測定結果のデータを一定時間表示後、セン
サ１がデバイス本体１０から取り外されていない場合は
電源回路１６をオフにする。センサ１を放置状態にして
も例えば２分間経過してデバイス本体１０側の電源回路
１６は自動的にオフにすることができる。センサ１を取
り外すことでもスイッチング作用して電源回路１６はオ
フになる。

【００２０】なお、本実施の形態のセンサ１には、矩形
状の本体基板２上の同一平面内に作用極３と対極４を平
面パターン形成したものが示されたが、この電極パター
ンに限定されない。例えば、作用極３と対極４を対向し
た各基板の内側に形成させることにより、対面構造とす
ることも可能である。また、センサ挿入信号端子８の配
置場所も任意である。更には、測定可能な状態になった
ことの表示、測定時間のカウント計数表示、採取資料中
の目的物質のの濃度表示などの表示形式、表示字体など
も自由である。

【００２１】

【発明の効果】本発明によるバイオセンサデバイスによ
れば、デバイス本体へのセンサ挿入判断を、センサ側に
センサ挿入判別用電極による挿入信号端子を設けること
により確実に検出できるようにしたので、従来構造のよ
うにセンサ以外の異物が挿入された場合でも誤認識して
動作するといった不都合が発生する懸念はない。また、
センサ挿入を検出判断する手段に従来の複雑かつ高コス
トの光学系を用いることなく、電気信号で検出するよう
になっているので、低コストで簡便な使い捨て方式に好
適である。

【００２２】

【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。

【００２３】実施例ポリエチレンテレフタレート製基板上に、カーボンペー
ストを用いたスクリーン印刷法により作用極および対極
を、銀ペーストを用いたスクリーン印刷法によりセンサ
挿入判別用電極を、またスクリーン印刷法により熱硬化
性ポリエステル絶縁層をそれぞれ形成させた素子反応セ
ンサ部材を、システム本体のコネクタ部に挿入すると、
自動的に電源がオンになり、次いで「ＲＥＡＤＹ」（レ
ディ）の表示が表示部に表示された。

【００２４】０．５重量％グルコース水溶液を、センサ
混合物層（グルコースオキシダーゼとフェリシアン化カ
リウムとの混合物層）上に滴下すると、「残り３０秒」
が本体表示部に表示され、残り時間のカウントダウンが
開始された。「残り１０秒」の表示のとき、両電極間に
１．０Ｖの電圧が印加され、その１０秒後酵素反応で発
生した還元物が作用極表面で酸化され、その際発生した
酸化電流値をシステム内の本体回路部に取り込み、その
値を電圧変換、増幅し、それに応じた値をデータテーブ
ルで参照した。表示部に表示値として「０．５％」が出
力された。センサを挿入状態のまま放置したところ、２
分後に本体の電源が自動的にオフとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態のバイオセンサデバイ
スを示すシステム構成図である。

【符号の説明】

１素子反応センサ部材２センサ基板３作用極４対極５混合物層による素子反応部６作用極の出力端子７対極の出力端子８センサ挿入判別用電極（出力端子）９絶縁層１０デバイス本体１１コネクタ部１２作用極対応の入力端子１３対極対応の入力端子１４センサ挿入判別用電極対応の２つの入力端子１５レギュレータ部１６電源回路２０制御部２１電流電圧変換回路２２増幅回路２３演算部２４ＬＣＤ等による表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−55755（ＪＰ，Ａ) 特表平８−502589（ＪＰ，Ａ) 実表平８−504953（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/327

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力端子を有するコネクタ部、及びディ
スプレイ表示部を有する制御部を備えたデバイス本体
と、作用極及び対極を有するとともに前記デバイス本体
のコネクタ部に着脱可能に挿入されるべき素子反応セン
サ部材とからなり、前記素子反応センサ部材は、同部材
が前記デバイス本体のコネクタ部に挿入されたときに前
記コネクタ部の第１の組の２つの入力端子に電気接続さ
れる作用極の出力端子と対極の出力端子とを有し、少な
くとも前記作用極上には素子反応部が形成されており、
前記素子反応センサ部材はセンサ挿入信号端子をさらに
有し、前記デバイス本体のコネクタ部は第２の組の２つ
の入力端子を有し、及び、前記センサ挿入信号端子は、
同信号端子の出力端子が前記第２の組の２つの入力端子
と接触したときに前記デバイス本体のディスプレイ表示
部を備えた制御部を起動すべく、前記第２の組の２つの
入力端子と接触する前記出力端子を有する、バイオセン
サ。
【請求項２】前記素子反応部への測定試料の滴下によ
り前記作用極と対極が閉回路となる信号によって前記滴
下を判断し、予め設定された測定終了までの残り時間の
計数を開始し、及び計数時間をディスプレイ表示部に送
出して表示させる制御部をさらに有する請求項１に記載
のバイオセンサ。
【請求項３】前記作用極及び対極は前記素子反応セン
サ部材に相対して同一平面内に設けられている請求項１
に記載のバイオセンサ。
【請求項４】前記素子反応部は酸化還元酵素と電子伝
達体から形成された層として形成されている請求項１に
記載のバイオセンサ。
【請求項５】被測定試料は、センサ挿入後に作用極と
対極との間に電圧が印加された状態で素子反応部上に滴
下され、酸化により電流値が発生して測定のために取り
出される請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項６】前記制御部は電流電圧変換回路、増幅回
路、及び演算部をさらに有する請求項１に記載のバイオ
センサ。
【請求項７】前記酸化還元酵素はグルコースオキシダ
ーゼである請求項４に記載のバイオセンサ。
【請求項８】前記電子伝達体はフェリシアン化カリウ
ムである請求項４に記載のバイオセンサ。
【請求項９】入力端子を有するコネクタ部、及びディ
スプレイ表示部を備えたデバイス本体と、前記デバイス
本体のコネクタ部に着脱可能に挿入されるべき素子反応
センサ部材とからなり、前記素子反応センサ部材は、同
部材が前記デバイス本体のコネクタ部に挿入されたとき
に前記コネクタ部の第１の入力端子に電気接続される作
用極の出力端子と前記コネクタ部の第２の入力端子に電
気接続される対極の出力端子とを有し、少なくとも前記
作用極上には素子反応部が形成されており、前記素子反
応センサ部材は前記出力端子から電気的に絶縁された状
態にあるセンサ挿入信号端子をさらに有し、前記デバイ
ス本体のコネクタ部は第３の入力端子及び第４の入力端
子を有し、及び、前記センサ挿入信号端子は、同信号端
子が前記第３の入力端子及び第４の入力端子と接触した
ときに前記デバイス本体のディスプレイ表示部を起動す
べく、前記コネクタ部の第３の入力端子及び第４の入力
端子と接触する前記出力端子を有する、バイオセンサ。
【請求項１０】前記素子反応部は酸化還元酵素と電子
伝達体の混合物から形成された層として形成されている
請求項９に記載のバイオセンサ。
【請求項１１】前記酸化還元酵素はグルコースオキシ
ダーゼである請求項１０に記載のバイオセンサ。
【請求項１２】前記電子伝達体はフェリシアン化カリ
ウムである請求項１０に記載のバイオセンサ。
【請求項１３】前記デバイス本体は制御部を有する請
求項９に記載のバイオセンサ。
【請求項１４】前記制御部は前記ディスプレイ表示部
を有する請求項１３に記載のバイオセンサ。
【請求項１５】前記作用極及び対極は前記素子反応セ
ンサ部材に相対して同一平面内に設けられている請求項
１に記載のバイオセンサ。
【請求項１６】入力端子を有するコネクタ部、及びデ
ィスプレイ表示部を備えたデバイス本体と、前記デバイ
ス本体のコネクタ部に着脱可能に挿入されるべき素子反
応センサ部材とからなり、前記素子反応センサ部材は、
同部材が前記デバイス本体のコネクタ部に挿入されたと
きに前記コネクタ部の入力端子に電気接続される作用極
の出力端子と対極の出力端子とを有し、少なくとも前記
作用極上には素子反応部が形成されており、前記素子反
応センサ部材は前記出力端子から電気的に絶縁された状
態にあるセンサ挿入信号端子をさらに有し、前記センサ
挿入信号端子は、同信号端子の出力端子が前記デバイス
本体の入力端子と接触したときに前記デバイス本体のデ
ィスプレイ表示部を起動すべく、前記コネクタ部の入力
端子と接触する前記出力端子を有する、バイオセンサ。
【請求項１７】前記素子反応部材は矩形の形状をなす
請求項１６に記載のバイオセンサ。
【請求項１８】前記素子反応部はグルコースオキシダ
ーゼを含有する請求項１６に記載のバイオセンサデバイ
ス。
【請求項１９】前記素子反応部はフェリシアン化カリ
ウムを含有する請求項１６に記載のバイオセンサデバイ
ス。
【請求項２０】前記素子反応部は使い捨て可能である
請求項１６に記載のバイオセンサデバイス。
【請求項２１】前記デバイス本体は制御部を有する請
求項１６に記載のバイオセンサ。
【請求項２２】前記ディスプレイ表示部には液晶表示
装置が含まれる請求項１６に記載のバイオセンサ。
【請求項２３】前記制御部は前記ディスプレイ表示部
を有する請求項２１に記載のバイオセンサ。
【請求項２４】前記制御部は中央演算処理装置を有す
る請求項２１に記載のバイオセンサ。
【請求項２５】前記作用極及び対極は前記素子反応セ
ンサ部材に相対して同一平面内に設けられている請求項
１６に記載のバイオセンサ。
【請求項２６】入力端子を有するコネクタ部、電源回
路、及びディスプレイ表示部を備えたデバイス本体と、
前記デバイス本体のコネクタ部に挿入されるべきセンサ
とからなり、前記センサは、同センサが前記デバイス本
体のコネクタ部に挿入されたときに前記コネクタ部の入
力端子に電気接続される作用極の出力端子と対極の出力
端子とを有し、前記センサはセンサ挿入信号端子をさら
に有し、前記センサ挿入信号端子は、同信号端子の出力
端子が前記２つの入力端子と接触したときに前記デバイ
ス本体のディスプレイ表示部を前記電源回路に電気接続
すべく、前記コネクタ部の入力端子と接触する前記出力
端子を有する、バイオセンサ。
【請求項２７】前記素子反応部は少なくとも前記作用
極から形成され、前記素子反応部は酸化還元酵素及び電
子伝達体を含有する請求項２６に記載のバイオセンサ。
【請求項２８】前記酸化還元酵素はグルコースオキシ
ダーゼであり、前記電子伝達体はフェリシアン化カリウ
ムである請求項２７に記載のバイオセンサ。
【請求項２９】入力端子を有するコネクタ部、電源回
路、及びディスプレイ表示部を備えたデバイス本体と、
前記デバイス本体のコネクタ部に挿入されるべきセンサ
とからなり、前記センサは、同部材が前記デバイス本体
のコネクタ部に挿入されたときに前記コネクタ部の第１
の組の２つの入力端子に電気接続される作用極の出力端
子と対極の出力端子とを有し、前記センサはセンサ挿入
信号端子をさらに有し、前記センサ挿入信号端子は、同
信号端子の出力端子が第２の組の２つの入力端子と接触
したときに前記デバイス本体のディスプレイ表示部を前
記電源回路に電気接続すべく、前記コネクタ部の前記第
２の組の２つの入力端子と接触する前記出力端子を有す
る、バイオセンサ。