JP4236538B2 - バイオセンサ - Google Patents

Description

本発明は、種々の微量の液体試料中の特定成分、例えば血液や尿等の生体液中に含まれる特定の成分を検査・定量する際に用いられるバイオセンサに関し、液体試料が導入されるキャビティと前記キャビティ内より外部に通じ毛細管現象を促進する為の空気孔とを具備したバイオセンサにおいて、空気孔からの特に表面張力の低い液体の流れ出しを防ぐことに特徴があるものである。

液体試料中の特定の成分を定量するバイオセンサとして、例えば血液中のグルコースとセンサ中に担持されたグルコースオキシダーゼ、フェリシアン化カリウム等の試薬との反応により得られる電流値を計測することにより血糖値などを求めるものがある。

図１は、そのような従来の血糖値測定用のバイオセンサを示す分解斜視図である。なお、図１に示すバイオセンサの主要構成は、本発明に係るバイオセンサにおいても同様であり、本発明においては各部に改良や変更が施される。図１において、ポリエチレンテレフタレート等からなる絶縁基板５上には、スクリーン印刷等により作用極１と対極２からなる電極が形成されており、これら電極上には酵素であるグルコースオキシダーゼ、電子伝達体であるフェリシアン化カリウム及び親水性高分子であるカルボキシメチルセルロースなどを含む試薬層１０が形成されている。

そしてある量の血液を採取し、採取した血液と試薬層１０との反応で生じる電流値を上記電極で検出するためのキャビティ１１を形成するため、電極および試薬上の部分を細長く切り欠いたスペーサ７と、空気孔９を形成したカバー６とを絶縁性基板５上に貼り合わせている。

このような構成のバイオセンサにおいて、血液は吸引口８から毛細管現象によりキャビティ１１内に導入され、電極と試薬のある位置まで導かれる。そして、電極上での血液と試薬との反応により生じる電流値は、リード３、４を通じて図示しない外部の測定装置に接続して読みとられる。

しかしながら、キャビティ内部に吸引された液体試料が、例えば粘性の著しく低い血液や、例えば水溶性高分子などが配合されたコントロール液（市場において一般的に測定機の動作異常を確認するために用いられている標準液）のように表面張力が低い場合には、キャビティ内より外部に通じる空気孔９から液体試料が流れ出す現象が稀に見られる。このような現象が発生した場合には、空気孔９から液体試料に溶解された反応試薬がキャビティ外部に流出することによってキャビティ内の試薬濃度が希薄になり応答値の低下を招くおそれがある。また、流れ出した液体試料がセンサを測定機から取り外す時に手に付着するという操作面での問題もあった。このような現象はカバー６の裏面側（キャビティに接する面）に液体試料のキャビティ内への吸引を促進する目的で界面活性剤等を形成している場合に発生し易く、特に高温多湿環境下での保存においては界面活性剤のブリードが起こりやすいため、その発生頻度は高まる。
特開２００２−２１４１８７号公報

本発明の課題は、かかる問題点を解決し、液体試料の空気孔からの流れ出しを防ぐことにより、測定精度の高い優れたバイオセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のバイオセンサは、液体試料が導入されるキャビティと、該キャビティ内より外部に通じる空気孔とを具備し、導入された前記液体試料と試薬との反応により液体試料中の成分を分析可能なバイオセンサにおいて、少なくとも前記キャビティの外表面における前記空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有していることを特徴とするものからなる。

また、上記課題を解決するために、本発明のもう一つのバイオセンサは、基板とカバーによりキャビティが構成され、該キャビティは、液体試料の入口とその入口より毛細管現象にて液体試料の導入を促進する為の空気孔とを備え、導入された前記液体試料と試薬との反応により液体試料中の成分を分析可能なバイオセンサにおいて、前記キャビティを構成する基板またはカバーの外表面のうち、少なくとも前記空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有していることを特徴とするものからなる。

本発明のバイオセンサにおいては、空気孔の周辺部の表面自由エネルギーが４３ｍＮ／ｍ以下であることが好ましい。また、空気孔の周辺部が撥水性を有する為には化学的処理を施す必要があり、化学的処理としては、シリコーン系樹脂やフルオロカーボン系樹脂などの撥水性の高い物質を表面に塗布することが好ましい。

本発明に係るバイオセンサによれば、キャビティの外表面における空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有しているので、外部に通じる空気孔からの液体試料の流れ出しを防ぐことができ、測定精度の高い優れたバイオセンサを提供することができる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。
本発明は、液体試料が導入されるキャビティと前記キャビティ内より外部に通じる空気孔とを具備し、導入された前記液体試料と試薬の反応により液体試料中の成分を分析可能なバイオセンサについてである。すなわち、全体の主要構成は図１に示したものと同等の構成であるが、少なくともキャビティの外表面における空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有することに特徴がある。そして空気孔の周辺部の表面自由エネルギーが４３ｍＮ／ｍ以下であることに特徴がある。

本発明では、少なくともキャビティの外表面における空気孔９の周辺部に撥水性を持たせれば良いが、さらに空気孔９の断面に撥水性を持たせても良好な結果を得ることができる。またキャビティ１１を形成するカバー６の外表面全面、あるいは基板５の外表面全面に撥水性を持たせても良い。ここで表面自由エネルギーを４３ｍＮ／ｍ以下にするには、例えば、シリコーンオイル、シリコーン系、ハイドロカーボン系、フルオロカーボン系、ワックス系、ポリエチレンイミンーオクタデシルイソシアネート系やポリ（メタ）アクリル酸エステル系、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系樹脂等を有機溶剤や水に適宜溶解・分散して塗布したり、カバーに練り込んだりすることにより効果を得られるが、特にシリコ−ン系樹脂、フルオロカーボン系樹脂を表面に塗布することで非常に大きな効果を得ることができる。ここで、該シリコーン系樹脂としては、ジメチルポリシロキサン等のジアルキルポリシロキサン、フェニルメチルポリシロキサン、フッ素基含有ジアルキルポリシロキサン等のポリオルガノシロキサンあるいはその混合物あるいはその共重合物を主成分として架橋されたもの、前記ポリオルガノシロキサンを側鎖に有するアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の有機樹脂、あるいはシリコーン系レジンが好ましく挙げられる。特に、前記ポリオルガノシロキサンの架橋が付加反応型で行われたものが本発明の目的、効果をより明確にするため好ましい。

この場合、下記（式１）式で代表されるポリオルガノシロキサンとオルガノハイドロジェンポリシロキサンとを塩化白金酸に代表される白金系触媒の存在下で付加反応させてシリコーンの架橋構造を形成させる方法が一般に用いられる。この場合の架橋構造を得るための硬化反応（加熱硬化あるいは紫外線硬化等）は、それぞれ個別または同時に行うことができる。同時に行うときには、プラスチックフィルムの耐熱性（熱的寸法安定性）にも左右されるが、７０℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１６０℃の温度範囲で１５秒以上加熱することが好ましい条件として用いられる。

（ただし式中、Ｒは、アルキル基および／またはフェニル基、Ｖｉはビニル基及び、又はヘキセニル基等の二重結合基を示す。）

カバーには本発明の特性を損なわない範囲で公知の添加剤、例えば架橋剤、塗布性改良剤、帯電防止剤、酸化防止剤、染料等を含有させたり、他の樹脂成分を混合しても良い。また、空気孔の周辺部を研磨するなどして平滑性を持たせることでも撥水性を持たせることができる。研磨する材料としては、目の細かい樹脂や紙、平滑性のある金属等が考えられる。

空気孔の周辺部の表面自由エネルギーは４３ｍＮ／ｍ以下が好ましい。表面自由エネルギーが４３ｍＮ／ｍを越える場合は、表面張力の低い液体試料、例えば水溶性高分子、バッファ成分等を含む様な液体試料では、キャビティ内に吸引された液体試料が空気孔から流れ出し、測定精度が低下し好ましくない。

また、上記撥水性材料の塗布工程において付着量は特に限定されないが０．００１〜１０ｇ／ｍ²であることが好ましく、より好ましくは０．０１〜５ｇ／ｍ²である。付着量が上記範囲より少ないとキャビティ内部に吸引された液体試料が空気孔から流れ出したりして、測定精度が低下し好ましくない。また、付着量が上記範囲より多くなると作業性が悪くなったり、ブロッキングを生じやすくなり好ましくない。また上述したようにカバー６の外表面全体に付着させても良いが、空気孔の周辺にのみ付着させても効果を得ることができる。

本発明の撥水性の高い物質の塗布方法は、公知の塗布方法、例えばリバースコート法、グラビアコート法、ロッドコート法、コンマコート法、ダイコート法等任意の方法を用いることが出来る。

また、絶縁性基板、スペーサ、カバーとしては、プラスチックフィルム、合成紙、紙または表面処理が施された複合シートが好ましく用いられるが、中でも寸法安定性や耐久性等の点からプラスチックフィルムが好ましい。
プラスチックフィルムの材質としては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ−ρ−フェニレンスルフィド、ポリエーテルエステル、ポリ塩化ビニル、ポリ（メタ）アクリル酸エステルが挙げられる。また、これらの共重合体やブレンド物やさらに架橋したを用いることもできる。 さらに、上記プラスチックフィルムの中でも、ポリエステル、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン２，６−ナフタレート、ポリエチレンα，β−ビス（２−クロルフェノキシ）エタン４，４’−ジカルボキシレート、ポリブチレンテレフタレートなどが好ましく、これらの中で機械的特性、作業性などの品質、経済性などを総合的に勘案すると、ポリエチレンテレフタレートが特に好ましく用いられる。

絶縁性基材、スペーサ、カバーの厚みは特に限定されないが、通常１０μｍ〜５００μｍ、好ましくは２０μｍ〜４００μｍ、より好ましくは３０μｍ〜３００μｍであることが望ましい。

本発明における特性の評価方法について次に説明する。
（１）表面自由エネルギー
表面自由エネルギーおよびその各成分（分散力、極性力、水素結合力）が既知の４種の液体（本発明ではＰａｎｚｅｒによる方法ＩＶ（日本接着協会誌ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．３、ｐ９６に記載の水、エチレングリコール、ホルムアミド、ヨウ化メチレンの数値を用いた）を用い、２０℃、５０％ＲＨの条件下で接触角計ＣＡ−Ｄ型（協和界面科学（株）製）にて各液体での接触角を測定した。この値を拡張Ｆｏｗｋｅｓ式とＹｏｕｎｇの式より導入される下記式を用いて各成分を計算した。
（γＳ^d・γＬ^d）^1/2＋（γＳ^p・γＬ^p）^1/2＋（γＳ^h・γＬ^h）^1/2＝γＬ（１＋ｃｏｓθ）／２
ここでγＬ^d、γＬ^p、γＬ^h、γＬは測定液の分散力、極性力、水素結合力の各成分および各成分のトータルの表面自由エネルギーを示し、γＳ^d、γＳ^p、γＳ^h は測定面上の分散力、極性力、水素結合力の各成分を示す。また、θは測定面上での測定液の接触角を表す。１つの測定面に対し５個測定を行いその平均値をθとした。既知の値およびθを上記の式に代入し、連立方程式により測定面の３成分を求める。なお計算は数値計算ソフトである「Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ」の「ＦｉｎｄＭｉｎｉｍｕｍ」のコマンドを用いた。

（２）付着量
塗布液を塗布した基材１００ｃｍ²の重量を測定し（Ａ）、次に塗布前の基材１００ｃｍ²の重量を測定し（Ｂ）、（Ａ−Ｂ）×１００で付着量（ｇ／ｍ²）を算出した。

［各部材の作製方法］
次に、各部材の作製方法について以下に説明する。
（１）スペーサ
東レ（株）製ポリエチレンテレフタレートフィルム”ルミラー”（タイプ１００Ｅ２０）を基材とした。

（２）カバーＡ
東レ（株）製ポリエチレンテレフタレートフィルム“ルミラー”（タイプ１００Ｔ６０）面に付加反応型シリコーン（東レダウコーニングシリコーン製ＬＴＣ３５０Ｇ）を０．１ｇ／ｍ²塗布したものを基材とし、パンチングプレスにてφ０．５ｍｍの空気孔を設けた。（空気孔の周辺部の表面自由エネルギーは１２．０ｍＮ／ｍであった）

（３）カバーＢ
東レ（株）製ポリエチレンテレフタレートフィルム“ルミラー”（タイプ１００Ｔ６０）にポリエステルフィルム製造工程中にアクリル系樹脂を０．１ｇ／ｍ²塗布した（インラインコート法）ものを基材とし、パンチングプレスにてφ０．５ｍｍの空気孔を設けた。（空気孔の周辺部の表面自由エネルギーは４１．０ｍＮ／ｍであった）

（４）カバーＣ（比較例）
東レ（株）製ポリエチレンテレフタレートフィルム“ルミラー”（タイプ１００Ｔ６０）を基材とし、パンチングプレスにてφ０．５ｍｍの空気孔を設けた。（空気孔の周辺部の表面自由エネルギーは４６．９ｍＮ／ｍであった）

［バイオセンサ（血糖センサ）の作製方法］
東レ（株）製ポリエチレンテレフタレートフィルム“ルミラー（タイプ２５０Ｈ１０）”５上に、スクリーン印刷法により作用極１及び対極２からなる電極を設け、その上に酵素（グルコースオキシダーゼ）、電子伝達体（フェリシアン化カリウム）および親水性高分子（カルボキシメチルセルロース）などを含む試薬層１０を形成し、その上から、前記各部材の作製方法（１）の手順で作製した切り欠け部を有するスペーサ７と、前記各部材の作製方法（２）または（３）または（４）の手順で作製したカバーＡまたはカバーＢまたはカバーＣとを接着することで、血液が導かれるキャビティを備えた血糖センサを作製した。空気孔９はφ０.５ｍｍとし、各々のカバーの裏面（キャビティと接する面）には界面活性剤をコーティングした。

表１はカバーＡ,Ｂ,Ｃを用いて作製された本実施例センサと従来センサの空気孔からの液体試料の流れ出しの発生頻度とそれに伴うセンサ精度を比較したものである。また、液体試料の流れ出しは高温・多湿環境下保存で顕著に観察される為、ここでは４０℃８０％の環境で１ヶ月間保存されたセンサを用いて評価を行なった。この際の液体には水溶性高分子を含む表面張力の小さいコントロール液を使用した。

表１から明らかなように、従来カバーであるカバーＣを用いて作製されたセンサで観察された液体試料の流れ出しは、カバーＡあるいはＢを用いることで改善されている。これは、カバー（空気孔周辺）の表面自由エネルギーが液体試料の流れ出しに大きく関与していることを示唆するものである。

また流れ出しが発生しなくなることで、センサ精度の向上が確認された。これは滲み出しが発生しなくなることで、キャビティ内に一定量の液体試料を保持することが可能となり、空気孔から液体試料に溶解された反応試薬の不必要な流出を防ぐことができるため、均一な応答値が得られたことを示唆するものである。

上記実施例においては血液中のグルコース濃度を計測するバイオセンサについて示したが、測定対象とする液体試料、物質、およびバイオセンサの形式はこれに限定されるものではない。

例えば、液体試料としては血液以外にも生体試料液として唾液、細胞間質液、尿や汗などを、また、食品や飲料水なども用いることができる。

対象物質としては、グルコース以外にも乳酸、コレステロール、尿酸、アスコルビン酸、ビリルビンなどを用いることができる。

バイオセンサに用いる電極材料としてはカーボンや金、白金、パラジウムなどの貴金属があり、電極形成方法としては前述のスクリーン印刷法以外にもスパッタリング蒸着法などを用いることができる。

また、グルコースオキシダーゼ以外の酵素としては、ラクテートオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールエステラーゼ、ウリカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼなどを、電子伝達体としてはフェリシアン化カリウム以外にもｐ−ベンゾキノン及びその誘導体、フェナジンメトサルフェート、メチレンブルー、フェロセン及びその誘導体などを、また、親水性高分子としてはカルボキシメチルセルロース以外にも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、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリリジン等のポリアミノ酸、ポリスチレンスルホン酸、ゼラチン及びその誘導体、アクリル酸及びその塩、メタクリル酸及びその塩、スターチ及びその誘導体、無水マレイン酸およびその塩、アガロースゲル及びその誘導体などがあげられる。

これらの試薬を含む試薬層は電極上の全面もしくは一部に配置する以外にも、センサ性能を悪化させない限り、液体試料が導かれるキャビティ内であれば何れの場所に配置しても構わない。

また、電流測定においては、作用極と対極のみの２電極方式と、参照極や液体試料液不足を検知する検知極などを加えた３電極方式があり、３電極方式のほうがより正確な測定が可能である。

本発明は、外部に通じる空気孔からの液体試料の流れ出しを防ぐことができ、測定精度を向上することができる。

バイオセンサの主要構成を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 作用極
２ 対極
３ 作用極用リード
４ 対極用リード
５ 絶縁基板
６ カバー
７ スペーサ
８ 吸引口
９ 空気孔
１０ 試薬層
１１ キャビティ

Claims (4)

1. 液体試料が導入されるキャビティと、該キャビティ内より外部に通じる空気孔とを具備し、導入された前記液体試料と試薬との反応により液体試料中の成分を分析可能なバイオセンサにおいて、少なくとも前記キャビティの外表面における前記空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有していることを特徴とするバイオセンサ。
2. 基板とカバーによりキャビティが構成され、該キャビティは、液体試料の入口とその入口より毛細管現象にて液体試料の導入を促進する為の空気孔とを備え、導入された前記液体試料と試薬との反応により液体試料中の成分を分析可能なバイオセンサにおいて、前記キャビティを構成する基板またはカバーの外表面のうち、少なくとも前記空気孔の周辺部が化学的な処理を施すことで撥水性を有していることを特徴とするバイオセンサ。
3. 前記化学的な処理が撥水性の高い物質を塗布することであることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオセンサ。
4. 前記撥水性の高い物質が、シリコーンオイル、シリコーン系、ハイドロカーボン系、フルオロカーボン系、ワックス系、ポリエチレンイミンーオクタデシルイソシアネート系やポリ（メタ）アクリル酸エステル系、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系樹脂であることを特徴とする請求項３記載のバイオセンサ。

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