JP4249549B2 - Sample measuring apparatus and sample measuring method - Google Patents

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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酵素センサを組み込んだ検体測定装置および方法に関し、特に医療分野における生体成分の測定に有用な酵素センサを組みこんだ検体測定装置および測定方法である。
【0002】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
酵素センサは、主に生体関連物質、例えばグルコース、アルコール、乳酸、尿酸、尿素、蔗糖等をセンサー材料として利用した化学センサーである。多くの場合、分子認識機能が優れた生体物質を利用するため、卓抜した選択性を発揮し得る。酵素センサは、酵素反応による酸素の消費あるいは過酸化水素の生成を電気化学的に検出するもので、酵素と電極の間の電子移動を電子メディエータを介在させて電極との電子移動を行う方式がある。これにより、検体中のグルコース、アルコール等の特性、あるいは物質量を簡易に定性または定量することができる。検体としては、例えば血液、唾液、尿等が挙げられ、これらの生体試料中の特定成分を検出する。
【0003】
基本的な酵素センサ100を、図8に示す。例えば、プラスチック等の絶縁材料からなる電気絶縁性基板102の表面に、電極系が配設されている。図8においては、電極系は2極であり、一方が測定極104であり他方が測定極に対する対極106でありこれらは近接配置されている。電極系104、106の両端部は、測定本体部と連結する電極端子部と、反応層108が密着固定されている端部となっている。反応層108は少なくとも酵素と電子受容体とを含む。固定化膜に酵素および電子受容体を担持させて、基質検知部とする。測定極104と対極106はリード部を介して外部接続端子に電気接続されている。110は電気絶縁スペーサであり、112は外面カバーである。体液等の検体の液が検体吸入口114から取り込まれ、反応層108に固定された酵素と体液中の基質と反応して酸化還元反応が生じ、これに伴って電子受容体が電子移動媒体として機能する。酸化還元反応も生じる。検体に含まれる基質の量は、反応後の電子受容体の量と相関があるため、電子の授受反応が生じ、電流が基質濃度に比例して、流れることとなる。これを検知し、基質濃度を知ることができる。
【0004】
このような酵素反応を利用し、電極系と酵素反応層を設け、酵素と電子受容体と試料液の反応に際し、物資の濃度変化を電気化学的に電極系で検知させる機能を具備させたバイオセンサが開示されている(例えば、特許文献1)。特許文献1においては、酵素反応層を親水性高分子溶液と電子受容体の混合物からなる反応層を電極系の表面に形成し、電極系を含めた反応層を有するディスポーサブルタイプのバイオセンサを構成し、極めて容易に基質濃度を測定することができる。
【0005】
従来、酵素センサの反応層での反応量を検出する方式として、酵素電極法が提案されている。この酵素電極法においては、測定極と対極の間に定電圧を印加するポテンシャルステップ法(クロノアンペロメトリー、定電圧法)にて酸化還元電流を検出し、特定成分の濃度測定を行っている(例えば、特許文献2)。
【0006】
また、グラウンド電圧を一定にし、徐々に電圧を上げて電圧を走査させ、電流を検知して、特定成分量の同定を行う方法も、開示されている(例えば、特許文献3)。
【0007】
【特許文献1】
特許第2517153号公報
【特許文献2】
特開平3−85435号公報
【特許文献3】
特開2001−311712号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ポテンシャルステップ法は、取り出せる電流が微弱であり、検出電流を電圧に変換する増幅器の増幅率を大きく取る必要がある。従って、ノイズ電流もあわせて増幅してしまう恐れがあり、その結果、センサにとって重要である測定精度に悪影響を与えるおそれがあった。
【0009】
また、上記特許文献3にかかる電圧走査法では、基質の濃度の広い領域で、直線性が劣るという問題があった。
【0010】
ここで、本発明者らは、サイクリックボルタンメトリ法、いわゆる線形電圧走査法を用いる方法を提案する。従来、サイクリックボルタンメトリ法では、ポテンシャルステップ法より大きな検出電流を取り出すことが可能であるが、低濃度域から高濃度域にわたる直線性を得ることができなかった。
【0011】
しかし、本発明者らは、上記問題点を解決し、測定精度においてノイズ電流の影響を受けにくく、基質の濃度変化に対応した検出能力を有する検体測定装置及び測定方法を提供することを目指し、鋭意検討した結果、サイクリックボルタンメトリ−法において、特定範囲内で電圧を走査させることにより、低濃度域から高濃度域まで精度良く直線性を得ることを知った。本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
体測定装置の態様としては、
絶縁性基板に少なくとも測定極及び対極を含む電極部を形成し、少なくとも酵素と電子受容体とを含む反応層にて前記測定極および対極を電気的に橋絡した酵素センサ部と、
前記測定部と対極との間に時間とともに変化する電圧を印加して電位差を発生させる電圧走査部と、
前記電極部に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電圧走査部を制御して所定の電圧を発生させ、前記電流検出部の出力に基づいて検体の基質成分量を判別する、マイクロコンピュータとを備え、
前記電圧走査部は前記酵素センサ部の測定極に印加する電圧を、対極を基準として0Vから電子受容体のピーク電流を計測可能な電圧を経て予め設定した電圧(E1)まで一定の速度で増加または減少させ、前記速度と絶対値同一で符号を逆転させた速度で前記電圧を、電圧E1から減少または増加させ、ピーク電流を計測可能な電圧を経て予め設定した電圧(E2)まで走査させ得る。
【0013】
また、検体測定装置の他の態様としては、
プログラムされたコンピュータによって、検体の基質量を測定して前記基質量値を表示する装置であって、
絶縁性基板に少なくとも測定極及び対極を含む電極部を形成し、少なくとも酵素と電子受容体とを含む反応層にて前記測定極および対極を電気的に橋絡した酵素センサ部と、
前記測定部と対極との間に時間とともに変化する電圧を印加して電位差を発生させる電圧走査部と、
前記電極部に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電圧走査部を制御して所定の電圧を発生させ、前記電流検出部の出力に基づいて検体の基質成分量を判別する、マイクロコンピュータとを備えた検体測定装置であり、
前記マイクロコンピュータが、
(1)予め設定された一定電圧範囲(E1からE2)で電圧走査部と電流検出部の両電極間に電位差を生じさせる手段であって、前記酵素センサ部における前記対極の電圧を基準として前記測定極に電圧0Vから、電圧(E1)まで一定の電圧走査速度(v1)で走査し、その後連続して、前記電圧(E1)から、前記電圧走査速度(v1)と絶対値が同一で符号を逆転させた電圧走査速度(v2=−v1)で、電圧(E2)まで連続的に走査する電圧信号とする手段と、
(2)前記電圧信号をアナログ変換する手段と、
(3)前記電流検出部で検出した電流値をデジタル変換する手段と、
(4)デジタル変換された電流値と走査した電極電圧との電圧−電流曲線から検出されたピーク電流値または電流面積値を算出する手段と、
(5)ピーク電流値または電流面積値を予め作成した基準検量線と対比して、検体の基質濃度の成分量を決定する手段、および
(6)前記検体の基質濃度を表示する手段
からなる制御手段を有しうる。
【0014】
また、検体測定方法の態様としては、
前記の装置を用いて検体の基質量を測定し前記基質量測定値を表示する方法であって、
測定用検体を前記酵素センサ部の反応層上に供給する工程と、
前記電極間の電圧を走査する工程と、
前記酵素センサ部に流れる電流を検出する工程と、
コンピュータが以下の制御工程を行いうる。
(1)予め設定された一定電圧範囲(E1からE2)で電圧走査部と電流検出部の両電極間に電位差を生じさせる工程であって、前記酵素センサ部における前記対極の電圧を基準として前記測定極に電圧0Vから、電圧(E1)まで一定の電圧走査速度(v1)で走査し、その後連続して、前記電圧(E1)から、前記電圧走査速度(v1)と絶対値が同一で符号を逆転させた電圧走査速度(v2=−v1)で、電圧(E2)まで連続的に走査する電圧信号とする工程と、
(2)前記電圧信号をアナログ変換する工程と、
(3)前記電流検出部で検出した電流値をデジタル変換する工程と、
(4)前記デジタル変換された電流値と走査した電極電圧との電圧−電流曲線から検出されたピーク電流値または電流面積値を算出する工程と、
(5)前記ピーク電流値または電流面積値を予め作成した基準検量線と対比して、検体の基質濃度の成分量を決定する工程、および
(6)前記検体の基質濃度を表示する工程。
【0015】
ここで、前記コンピュータを用いた制御工程の(1)の工程が、前記測定極の電圧走査において、電圧0Vから電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経由してE1に至り、さらに前記電圧E1から電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経由して、E2に至るように走査する工程であり得る。
【0016】
また、前記酵素センサ部において、前記酵素がグルコースオキシターゼ、前記電子受容体がフェリシアン化カリウムであり得る。
【0017】
あるいは、前記マイクロコンピュータの電圧走査において、前記電圧E1が−0.2V、前記電圧E2が0.2V、電圧走査速度が10mV/s〜200mV/sであり得る。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、絶縁性基板と、電極系を密着固着させた反応層を有する酵素センサと、これを各検体ごとに交換可能なディスポーサブルなチップとして、酵素センサからなるチップを組み込む測定装置において、従来に比較して検体の基質濃度を精度良好に検出する検体測定装置および検体測定方法である。
【0019】
ここで、本願発明に用いられる検体測定装置について説明する。本発明にかかる検体測定装置の実施態様の1例を、図1に従って示す。10は本発明の検体測定装置であり、測定極とこれに対する対極との2極型の電極系を有する酵素センサ部12、およびこの酵素センサ部を検体測定装置本体に組み込んだ検体測定装置の概略を示すブロック図である。酵素センサ部12は、例えば、チップ状の酵素センサであり、本発明にかかる検体測定装置の接続部14に接続される。上記酵素センサ12には、酵素センサ部の対極に電圧を印加し電極間に電位差を生じさせその電圧を走査する電圧走査部16と、酵素センサ部の測定極から発せられる電流を検出するための電流検出部18が接続され、電圧走査部16には、電極間に印加するべき測定電極電圧が供給される。電流検出部18では、電流を検出する。マイクロコンピュータ(以下、「マイコン」という。)20は、電圧走査部16と電流検出部18に接続される。
【0020】
酵素センサ部12は、主として電極系と、反応層とで構成される。電極系は、少なくとも測定極および対極の2極よりなり、絶縁性基板上に設けられている。
【0021】
反応層は電極系の上に密着固定され、少なくとも上記酵素と電子受容体とを担持して含む。担体は、例えば、微細結晶セルロースが挙げられる。酵素は、検体中の基質と選択的に反応し、電子受容体は、その基質と酵素の反応に伴う電子授受に相関して反応する。酵素としては、測定したい検体中の基質、例えばグルコース成分、アルコール成分、乳酸成分、尿酸成分等、により選択されるが、例えば、グルコースを検出したい基質とすれば、酸化還元酵素であるグルコースオキシターゼが挙げられる。また、電子受容体としては、上記酵素の反応を活性化させる無機または有機化合物であり、例えば、フェリシアン化アルカリ金属塩、フェロセンまたはそのアルキル置換体、p−ベンゾキノン、メチレンブルー、β―ナフトキノン4−スルホン酸カリウム、フェナジンメトサルフェート、2,6−ジクロロフェノールインドフェノール等が挙げられる。水等の溶媒への溶解性等の観点より、好ましくは、フェリシアン化アルカリ金属塩、特には、カリウム塩、やフェロセン系が挙げられる。例えば、血中のグルコースを測定する場合、グルコースがグルコースオキシターゼと反応し酸化される際に、フェリシアン化カリウムがフェロシアン化カリウムに還元される。生成されるフェロシアン化カリウムの量はグルコース濃度にほぼ比例する。
【0022】
本発明の検体測定装置のマイコンは、電圧の制御、酵素センサ部で測定された電流の検知、電流値の補正、電流値から被検成分量の演算等を制御する。マイコン20は、酵素センサ部12に印加する電圧を決定し、酵素センサ部12に印加する、さらに電流検知部で検知した電流を、演算加工し表示する役割を果たす。マイコン20は、D/A(デジタル/アナログ)変換と、A/D(アナログ/デジタル)変換との両変換機能が内蔵されている。D/A(デジタル/アナログ)変換機能は、予め決定されている酵素センサに印加する電圧を電圧走査部に印加するための電流をD/A変換する役割を果たす。測定中、電圧走査部16から、酵素センサには一連の電圧が走査されて印加される。A/D変換機能は、検出される基質成分と酵素との反応により発生した電流をA/D変換する役割をする。電流検出部より検知された一定時間内の電流値は、マイコン中の演算機能により、印加電圧との関係において演算加工され、検体中の基質量として換算され、表示される。
【0023】
電圧走査は、具体的には、酵素センサ部における対極の電圧を基準として測定極に電圧0Vから、予め設定した電圧(E1)までの一定の電圧走査速度(v1)にて走査し、その後連続して、電圧(E1)から、電圧走査速度(v1)と符号逆で絶対値が同一の電圧走査速度(v2=−v1)で、予め設定した電圧(E2)まで走査して、測定電極電圧を供給することができる。
【0024】
測定中、電圧走査部16から酵素センサ部12へは、電圧が一定範囲内で一定速度で変化するように常にマイコンで所定電圧がコントロールされ、マイコンからの電圧信号がアナログ変換されて印加されている。
【0025】
次に、本発明の検体測定装置の操作手順を説明する。検出する体液等を浸潤させる酵素センサ部を準備する。酵素センサ部は、例えば、チップ状の酵素センサを、本発明にかかる検出装置の接続部14に接続する。酵素センサ部12が検体の液に浸漬され、検体の液が反応層に導かれると、被検成分と酵素との反応が開始され、被検成分の量に比例した電流iが発生する。この電流iは電流検出部18で検出される。この値は、マイコン20のA/D変換機能によりデジタル変換される。時系列的にデジタル変換して取り込まれた電流値から、ピーク電流または、電流積分値を算出する。この値が、マイコン内で、設定されたテーブルと比較され、検体中の基質量が決定され、測定値として表示されることとなる。
【0026】
前記ブロック図1を更に詳細にした図2に基づいて、具体的に測定機構と測定手順を説明する。図2においては、図1の各機能部14、16、18、20に対応する電気回路を点線で囲み、相互の関係を表示してある。
【0027】
酵素センサ部12が、酵素センサ部の接続部14に接続されると、マイコン20の制御の下でD/A変換器22aからバッファ24aを通過して所定電圧P1が出力される。
【0028】
測定極と対極の間が検液で浸漬されると、電流iが流れる。この電流iを検出する。電流iを検出すると、マイコン20の制御により測定極と対極との間の電圧印加が停止される。引き続き、一定時間、酵素が検液に溶解するまで、測定極と対極との間の電圧印加を停止する。
【0029】
本発明においては、酵素センサに担持される酵素や電子受容体と基体との反応条件によるが、通常一定時間は、基質と酵素の反応時間に相当し、2秒〜10秒である。一定時間経過後、マイコン20の制御の下でD/A変換器22aからバッファ24aを通過して所定電圧P1が出力される。もう1つのD/A変換器22bからバッファ24bを通過して所定電圧P2が出力される。
【0030】
酵素センサ部の対極(3d)の電圧は、P1、測定極(3c)の電圧は、P2であり、演算増幅回路26cの−、+端子は仮想短絡なので、酵素センサ部端子(外部端子3c、3d)には電圧(P2−P1)が与えられる。
【0031】
酵素センサ部は導通状態にあるとき、酵素センサ部の基質検知部に電流iが流れる。この結果、抵抗RxとコンデンサC1及び演算増幅器26cとにより回路形成された電流電圧変換回路28bの出力端子に、
Px=P2+i・Rx
の電圧が観測されることになる。
そして、ここで、P2が加算されるので、減算回路30によりP2の電圧を除いた新たな電圧P3が出力される。
このP3は、
(Px+P4)−P2=[(P2+i・Rx)+P4]−P2=i・Rx+P4によって演算された値をとる。この演算式におけるP4は、グランド電圧であり、単電源駆動回路の場合には正電圧に設定される。
【0032】
電流iに対応する電圧P3は、A/D変換回路22cにより、A/D変換され、さらにマイコン20により数値化される。
【0033】
ここで、本発明の特徴は、上記装置において、電圧を走査する手段において、サイクリックボルタンメトリ法に従って、電圧をマイナスからプラスに反転またはプラスからマイナスへ反転させることである。上記P2−P1の電圧を、図3に示す。電圧に対し、検出電流は、曲線を描いてプロットされる。
【0034】
本発明においては、電圧走査の手順に特徴を有する。すなわち、電圧(P2−P1)は、電圧印加開始時は0Vであり、一定の走査速度(単位:mV/s)にて、対極を基準にして測定値に、0Vから電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経て予め設定した電圧(−E1)まで一定の速度で電圧走査した後、連続して対極を基準にして、大きさが同じで符号逆の電圧走査速度で、電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経て予め設定した電圧(E2=E1)まで電圧走査を行うように設定される。
【0035】
例えば、基質をグルコース、酵素をグルコースオキシターゼ、電子受容体をフェリシアン[Fe(CN)]3−として、説明する。
【0036】
(P2−P1)は電圧印加開始時0Vとし、一定の電圧走査速度にて、負に走査していくと、ある電圧からフェリシアン[Fe(CN)]3−が測定極から電子を受け取る還元が起こる。
【0037】
ピーク電流を観測できる電圧を経て−E1まで電圧走査される。その結果、測定極近傍においては、フェロシアン[Fe(CN)]4−が増加する。
このとき、対極近傍においては、フェロシアン[Fe(CN)]4−が対極に電子を渡す酸化が起こり、その結果、対極近傍においてフェリシアン[Fe(CN)]−が増加する。フェロシアン[Fe(CN)]4−は、グルコースオキシターゼとの反応によって生成した量のみであり、フェリシアン[Fe(CN)]3−になる量は有限であり、対極近傍のすべてのフェロシアン[Fe(CN)]4−が、フェリシアン[Fe(CN)]3−に酸化される。
【0038】
測定極にて増加するフェロシアン[Fe(CN)]4−は、対極にて減少したフェロシアン[Fe(CN)]4−と同量であり、その結果、測定極近傍では、グルコースオキシダーゼとグルコースの酵素反応にて生成したフェロシアン[Fe(CN)]4−の2倍のフェロシアン[Fe(CN)]4−が存在する。
【0039】
P2−P1=−E1Vから、上記と同様の電圧走査速度で、正に走査していくと、ある電圧からフェロシアン[Fe(CN)]4− が測定極に電子を渡す酸化が起こり、ピーク電流を観測できる電圧を経て、E2Vまで電圧走査される。その結果、測定極近傍において、フェリシアン[Fe(CN)]3−が増加する。
【0040】
本発明において、−E1Vまで反対方向に走査した理由は、ピーク電流が0V付近にあるためである。また、反対方向に走査することにより、フェロシアン[Fe(CN)]4−の量が約2倍に増加し、検出できる電流値が大きくなり、ノイズによる影響を受けても、検体ごとの数値化が精度良好に得られることとなる。なお、電圧の走査は、一旦マイナスに振ってからプラスに反転させても、まずプラスに振ってからマイナスに反転させても、同様の効果を得ることができる。
【0041】
電圧と検出電流値を関連づけて、上記電圧−電流曲線により、検出される基質成分量を決定する。この決定方法には以下の2つの方法が挙げる。
【0042】
一つの方法は、図3に示すように、P2−P1の電圧を0Vから−E1まで電圧走査するとき、−E1を経由した後、ピークが、立ち上がるまでは線形に推移する。
【0043】
上記−E1からピークが立ち上がるまでの区間の接線と、最大値電流(imax)が観測された電圧を通り、i軸に平行な直線との交点をiとする。ピーク電流は、
ip=imax−i
にて算出する。このピーク電流ipと被検成分濃度は高い相関が得られる。
酵素活性は一般に温度依存性があるので、実際の測定温度でのピーク電流値ipを基準温度でのピーク電流値ipに補正する。温度補正はマイコン100によりあらかじめ作成した温度補正テーブルを用いる。その後、マイコン100により、ピーク電流ipを予め作成した基準検量線に対比して、検出される基質の成分量を演算する。
【0044】
他の方法は、図4に示すように、電圧(P2−P1)を0Vから−E1を経て、折り返しE1まで電圧走査するとき、−E1を経由した後、ピークが立ち上がるまでの区間の接線と、−E1からE1までの電圧走査により得られた電圧−電流曲線により囲まれた面積を電流面積値Sとする。この電流面積値と検体中の基質成分量は高い相関が得られる。
【0045】
その後、マイコン20により、電流積分値S0を、予め作成した基準検量線に対比して被検成分量を演算する。
【0046】
以上のような機構により検液中の被検成分量が測定される。いずれによって決定された成分量も、基質濃度に直線的に対応する。図5(a)は、ピーク電圧とピーク電流の相関性を示す図、および図5(b)は、ピーク電流と電流積分値との相関性を示す図である。これにより、ピーク電流とピーク電圧は相関し、さらに、ピーク電流と電流積分値も相関することがわかる。
【0047】
電圧走査速度は、特には制限されないが、測定時間を短縮するためには、50〜200mV/sが好ましい。早くしすぎると、必要以上に出力電流が大きくなってしまう。出力電流が大きくなるに従い、ピーク電圧が大きくなる方向にシフトし、0.15V以上のところにピーク電圧がくると、グルコース濃度と電流積分値に間の直線性が失われてしまう。この範囲においては、ピーク電流と走査速度は、相関性がある。図6は、ピーク電流と走査速度の関係を示したグラフであり、走査速度を50、100、200mV/sで変化させた場合の走査速度の平方根に対しピーク電流の値をプロットしたものである。本発明においては、電圧走査速度は、一定範囲の電圧走査の過程において常に一定であることが、正確なピーク電流または電流積分値を得るのに必要である。
【0048】
本発明において走査される電圧は、電圧0Vから、マイナスまたはプラスに振って、ピーク電流が観測されるピーク電圧を超えてから逆の電圧に走査することが本発明の特徴である。電子受容体にフェリシアン化カリウムを選択した場合には、走査される電圧は、好ましくは、−0.3V〜+0.3V、特に好ましくは、−0.2V〜+0.2Vである。この動作方法は、マイコンにおいて設定される。
【0049】
上記得られたピーク電流値または電流積分値は、マイコンに含まれるA/D変換機能により、デジタル化される。ここで、酵素活性は一般に温度依存があるので、実際の測定温度でのピーク電流値または電流積分値は、基準温度でのピーク電流値または電流積分値に補正される。温度補正はマイコン20によりあらかじめ作成した温度補正テーブルを用いる。
【0050】
上記補正されたデジタル化されたピーク電流値または電流積分値は、マイコン内で予め作成されている基準測定値に対比され、検体中の基質の成分量が、決定される。決定された成分量は、表示手段により表示される。
【0051】
以上、本発明について説明したが、本発明は、これらの実施の態様のみに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づき、種々なる改良、変更、修正を加えた態様で実施しうるものである。
【0052】
【実施例】
以下、本発明の方法及びその装置の実施の形態を以下の実施例により詳しく説明する。
【0053】
酵素センサおよび検体測定装置として図2に示す検体測定装置を用いた。
酸化還元酵素:グルコースオキシターゼ(東洋紡績株式会社製 活性165ユニット(u)/mg)、電子受容体:純フェリシアン化カリウム(株式会社ナカライテスク製)を、微細結晶セルロース溶液:ゼオラスクリーム(旭化成工業株式会社製 FP−03で結晶セルロース10wt%)水溶液に溶解したものを、PETフィルムに滴下乾燥し、酵素センサの反応層として用いた。
【0054】
電圧走査は、以下のようにして行った。P2−P1は、電圧印加開始時は0Vであり、50mV/sの電圧走査速度にて、負に走査し、ピーク電流を観測できる電圧:P2−P1=−0.2Vから、50mV/sの電圧走査速度にて、正に走査し、ピーク電流を観測できる電圧を経て、0.2Vまで、電圧走査した。
【0055】
【実施例1】
検体として濃度100mg/dLグルコース標準液を調製した。サンプルをグルコース標準液とし、酵素センサチップの吸入口からグルコース標準液を5μLを注入したサンプルを3個作製した(サンプル1−1)(サンプル1−2)(サンプル1−3)。溶解時間4秒とし、この時間経過後直ちに、電圧走査を行った。走査方式100mV/sで、電圧を0Vから−0.2Vにした後、同一の走査方式により−0.2Vから+0.2Vに変化させた。(サンプル1−1)のピーク電圧およびピーク電圧時の測定電流は、−0.06Vで−20.2μA、0.075Vで+34.8μAであった。
(サンプル1−2)のピーク電圧およびピーク電圧時の測定電流は、−0.06Vで−22.2μA、0.075Vで+33.92μAであった。(サンプル1−3)のピーク電圧およびピーク電圧時の測定電流は、−0.06Vで−22.2μA、0.075Vで+33.43μAであった。
【0056】
【実施例2】
サンプルを実施例1で調製したグルコース標準液とし、酵素センサチップの吸入口からグルコース標準液5μLを注入したサンプルを2個作製した(サンプル2−1)(サンプル2−2)。溶解時間8秒とし、この時間経過後直ちに、電圧走査を行った。走査方式50mV/sで、電圧を0Vから−0.2Vにした後、同一の走査方式により−0.2Vから+0.2Vに変化させた。
(サンプル2−1)のピーク電圧およびピーク電圧時の測定電流は、−0.08Vで−16.84μA、0.045Vで+24.4μAであった。(サンプル2−2)のピーク電圧およびピーク電圧時の測定電流は、−0.055Vで−16.84μA、0.07Vで+25.38μAであった。
【0057】
上記測定電流から電流積分値を求め、以下の式により、CV値を求めた。
【0058】
【数1】

Figure 0004249549
【0059】
結果を表1に示す。表1は、実施例1,2の電流積分値、グルコース濃度0mg/dlの電流積分値の平均値との差、および標準偏差、上記数1により求めたCV値を示す。CV値は、3%以下であり、精度が良好であることがわかった。なお、表2は、グルコース濃度0mg/dlの蒸留水での電流積分値を標準1−1,1−2,2−1,2−2として求めた表である。
【0060】
【表1】
Figure 0004249549
【0061】
【表2】
Figure 0004249549
【0062】
【実施例3】
グルコース濃度をそれぞれ、1mg/dl、199mg/dl、445mg/dl、660mg/dl、901mg/dlとしたサンプルを準備し、これらを5μLを注入したサンプルを5個作製した。溶解時間8秒とし、この時間経過後直ちに、電圧走査を行った。走査方式50mV/sで、電圧を0Vから−0.2Vにした後、同一の走査方式により−0.2Vから+0.2Vに変化させた。これらのサンプルの検出電流値から、電圧との電流積分値を求めた。電流積分値を表3に記載する。
【0063】
【比較例1】
グルコース濃度をそれぞれ、1mg/dl、199mg/dl、445mg/dl、660mg/dl、901mg/dlとしたサンプルを準備し、これらを5μLを注入したサンプルを5個作製した。溶解時間8秒とし、この時間経過後直ちに、電圧走査を行った。走査方式50mV/sとし、電圧を−0.5Vから+0.2Vに変化させた。これらのサンプルの検出電流値から、電圧との電流積分値を求めた。電流積分値を表3に記載する。なお、比較例1は、特開平2001−311712号公報に開示される方法で測定したものである。
【0064】
【表3】
Figure 0004249549
【0065】
図7に、実施例3及び比較例1とを、X軸をグルコース濃度、Y軸を電流積分値とした座標のグラフで示した。比較例1が、グルコース濃度600mg/dlから直線性を失い、曲線を描くのに対し、本願発明の方法および装置による実施例3は、グルコース濃度1000mg/dlまで、直線性を保持することができることがグラフより解る。
【0066】
【発明の効果】
従来の定電圧法、電圧走査法に比較して、高感度で検液中の被検成分量が測定でき、濃度の増加に対しても、精度良く直線性を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を実施するための装置のブロック図である。
【図2】 本発明を実施するための装置の回路図である。
【図3】 電圧電流曲線から、ピーク電流値を求める方法を示す。
【図4】 電圧電流曲線から、電流積分値を求める方法を示す。
【図5】 図5(a)は、ピーク電圧とピーク電流の相関性を示すグラフであり、図5(b)は、ピーク電流と電流積分値との相関性を示すグラフである。
【図6】 走査速度の平方根とピーク電流との関係を示すグラフである。
【図7】 実施例3と比較例1のグルコース濃度に対する電流積分値を示すグラフである。
【図8】 一般に用いられている酵素センサの一例である。
【符号の説明】
10;本発明の検体測定装置
12;酵素センサ部
14;検体測定装置の接続部
16;電圧走査部
18;電流検出部
20;マイクロコンピュータ
22a、22b;D/A変換器
22c;A/D変換器
24a,24b;バッファ
26c;演算増幅回路
28b;電流電圧変換回路
100;基本的な酵素センサ
102;電気絶縁性基板
104;測定極
106;対極
108;反応層
110;電気絶縁スペーサ
112;外面カバー
114;検体吸入口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sample measuring apparatus and method incorporating an enzyme sensor, and more particularly to a sample measuring apparatus and measuring method incorporating an enzyme sensor useful for measuring biological components in the medical field.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
The enzyme sensor is a chemical sensor that mainly uses biological substances such as glucose, alcohol, lactic acid, uric acid, urea, sucrose as sensor materials. In many cases, a biological material having an excellent molecular recognition function is used, so that it can exhibit outstanding selectivity. An enzyme sensor is an electrochemical sensor that detects the consumption of oxygen or the production of hydrogen peroxide by an enzyme reaction. The method of transferring electrons between an enzyme and an electrode through an electron mediator is used. is there. This makes it possible to easily qualitatively or quantify the characteristics of glucose, alcohol, etc., or the amount of substance in the specimen. Examples of the specimen include blood, saliva, urine and the like, and specific components in these biological samples are detected.
[0003]
A basic enzyme sensor 100 is shown in FIG. For example, an electrode system is disposed on the surface of an electrically insulating substrate 102 made of an insulating material such as plastic. In FIG. 8, the electrode system has two electrodes, one is the measurement electrode 104, and the other is the counter electrode 106 with respect to the measurement electrode, which are arranged in close proximity. Both end portions of the electrode systems 104 and 106 are electrode terminal portions connected to the measurement main body portion and end portions to which the reaction layer 108 is closely fixed. The reaction layer 108 includes at least an enzyme and an electron acceptor. An enzyme and an electron acceptor are supported on the immobilization film to form a substrate detection unit. The measurement electrode 104 and the counter electrode 106 are electrically connected to an external connection terminal via a lead portion. 110 is an electrically insulating spacer, and 112 is an outer cover. A sample fluid such as a body fluid is taken in from the sample inlet 114 and reacts with an enzyme immobilized on the reaction layer 108 and a substrate in the body fluid to cause an oxidation-reduction reaction. Function. A redox reaction also occurs. Since the amount of the substrate contained in the sample is correlated with the amount of the electron acceptor after the reaction, an electron transfer reaction occurs, and the current flows in proportion to the substrate concentration. This can be detected to know the substrate concentration.
[0004]
Utilizing such an enzyme reaction, an electrode system and an enzyme reaction layer are provided, and a biohaving function of electrochemically detecting a change in the concentration of a substance with an electrode system in the reaction of an enzyme, an electron acceptor and a sample solution. A sensor is disclosed (for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a disposable biosensor having a reaction layer including an electrode system is formed by forming an enzyme reaction layer on a surface of an electrode system, which is a mixture of a hydrophilic polymer solution and an electron acceptor. Thus, the substrate concentration can be measured very easily.
[0005]
Conventionally, an enzyme electrode method has been proposed as a method for detecting a reaction amount in a reaction layer of an enzyme sensor. In this enzyme electrode method, the oxidation-reduction current is detected by the potential step method (chronoamperometry, constant voltage method) in which a constant voltage is applied between the measurement electrode and the counter electrode, and the concentration of a specific component is measured. (For example, Patent Document 2).
[0006]
Also disclosed is a method of identifying a specific component amount by making the ground voltage constant, gradually increasing the voltage, scanning the voltage, detecting the current, and identifying the specific component amount (for example, Patent Document 3).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2517153
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-85435
[Patent Document 3]
JP 2001-311712 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the potential step method, the current that can be extracted is weak, and it is necessary to increase the amplification factor of the amplifier that converts the detected current into a voltage. Accordingly, there is a possibility that the noise current is also amplified, and as a result, there is a possibility that the measurement accuracy which is important for the sensor is adversely affected.
[0009]
Further, the voltage scanning method according to Patent Document 3 has a problem that the linearity is inferior in a region where the substrate concentration is wide.
[0010]
Here, the present inventors propose a method using a cyclic voltammetry method, a so-called linear voltage scanning method. Conventionally, in the cyclic voltammetry method, it is possible to extract a larger detection current than in the potential step method, but it has not been possible to obtain linearity from a low concentration region to a high concentration region.
[0011]
However, the present inventors aim to provide a sample measuring apparatus and a measuring method that solve the above problems, are less susceptible to noise current in measurement accuracy, and have a detection capability corresponding to a change in the concentration of the substrate. As a result of intensive studies, it has been found that in the cyclic voltammetry method, linearity can be obtained with high accuracy from a low concentration region to a high concentration region by scanning a voltage within a specific range. The present invention has been completed based on these findings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
InspectionAs an aspect of the body measuring device,
Forming an electrode portion including at least a measurement electrode and a counter electrode on an insulating substrate, and an enzyme sensor unit electrically bridging the measurement electrode and the counter electrode in a reaction layer including at least an enzyme and an electron acceptor;
A voltage scanning unit that generates a potential difference by applying a voltage that varies with time between the measurement unit and the counter electrode; and
A current detection unit for detecting a current flowing through the electrode unit;
A microcomputer for controlling the voltage scanning unit to generate a predetermined voltage, and determining a substrate component amount of the specimen based on an output of the current detection unit;
The voltage scanning unit increases the voltage applied to the measurement electrode of the enzyme sensor unit at a constant rate from 0 V to a preset voltage (E1) through a voltage capable of measuring the peak current of the electron acceptor with reference to the counter electrode. Alternatively, the voltage may be decreased or increased from the voltage E1 at a speed that is the same absolute value as the speed but reversed in sign, and scanned to a preset voltage (E2) through a voltage that can measure the peak current. .
[0013]
Also, InspectionAs another aspect of the body measuring device,
An apparatus for measuring the basic mass of a specimen by a programmed computer and displaying the basic mass value,
Forming an electrode portion including at least a measurement electrode and a counter electrode on an insulating substrate, and an enzyme sensor unit electrically bridging the measurement electrode and the counter electrode in a reaction layer including at least an enzyme and an electron acceptor;
A voltage scanning unit that generates a potential difference by applying a voltage that varies with time between the measurement unit and the counter electrode; and
A current detection unit for detecting a current flowing through the electrode unit;
A sample measuring device including a microcomputer that controls the voltage scanning unit to generate a predetermined voltage and discriminates a substrate component amount of the sample based on an output of the current detection unit;
The microcomputer is
(1) Means for generating a potential difference between both electrodes of the voltage scanning unit and the current detection unit in a predetermined constant voltage range (E1 to E2), and the voltage of the counter electrode in the enzyme sensor unit is used as a reference The measuring electrode is scanned from the voltage 0 V to the voltage (E1) at a constant voltage scanning speed (v1), and then continuously, the voltage scanning speed (v1) and the absolute value are the same from the voltage (E1). A voltage signal that continuously scans up to a voltage (E2) at a voltage scanning speed (v2 = −v1) in which
(2) means for analog conversion of the voltage signal;
(3) means for digitally converting the current value detected by the current detector;
(4) means for calculating a peak current value or a current area value detected from a voltage-current curve of the digitally converted current value and the scanned electrode voltage;
(5) means for comparing the peak current value or current area value with a reference calibration curve prepared in advance, and determining the component amount of the substrate concentration of the specimen; and
(6) Means for displaying the substrate concentration of the specimen
It may have a control means consisting of
[0014]
Also, InspectionAs an aspect of the body measurement method,
A method for measuring a basic mass of a specimen using the apparatus and displaying the measured basic mass value,
Supplying a sample for measurement onto the reaction layer of the enzyme sensor unit;
Scanning the voltage between the electrodes;
Detecting the current flowing through the enzyme sensor unit;
The computer can perform the following control steps.
(1) A step of generating a potential difference between both electrodes of the voltage scanning unit and the current detection unit within a preset constant voltage range (E1 to E2), wherein the voltage of the counter electrode in the enzyme sensor unit is used as a reference The measuring electrode is scanned from the voltage 0 V to the voltage (E1) at a constant voltage scanning speed (v1), and then continuously, the voltage scanning speed (v1) and the absolute value are the same from the voltage (E1). A voltage signal for continuously scanning up to the voltage (E2) at a voltage scanning speed (v2 = −v1) obtained by reversing
(2) converting the voltage signal into analog;
(3) a step of digitally converting the current value detected by the current detection unit;
(4) calculating a peak current value or a current area value detected from a voltage-current curve of the digitally converted current value and the scanned electrode voltage;
(5) a step of determining a component amount of a substrate concentration of the specimen by comparing the peak current value or the current area value with a reference calibration curve prepared in advance; and
(6) A step of displaying the substrate concentration of the specimen.
[0015]
Here, the step (1) of the control step using the computer reaches E1 from the voltage 0V via the voltage at which the peak current of the electron acceptor can be observed in the voltage scan of the measuring electrode, and further the voltage It may be a step of scanning from E1 to E2 via a voltage at which the peak current of the electron acceptor can be observed.
[0016]
In the enzyme sensor unit, the enzyme may be glucose oxidase and the electron acceptor may be potassium ferricyanide.
[0017]
Alternatively, in the voltage scanning of the microcomputer, the voltage E1 may be −0.2V, the voltage E2 may be 0.2V, and the voltage scanning speed may be 10 mV / s to 200 mV / s.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to an enzyme sensor having an insulating substrate, a reaction layer in which an electrode system is adhered and fixed, and a disposable chip that can be replaced for each specimen, and a measuring apparatus incorporating a chip composed of an enzyme sensor. Compared to the above, there are provided a sample measuring apparatus and a sample measuring method for detecting the substrate concentration of the sample with high accuracy.
[0019]
Here, the sample measuring apparatus used in the present invention will be described. An example of an embodiment of the sample measuring apparatus according to the present invention is shown according to FIG. Reference numeral 10 denotes a sample measurement apparatus according to the present invention, which is an outline of an enzyme sensor unit 12 having a bipolar electrode system of a measurement electrode and a counter electrode for the measurement electrode, and a sample measurement device in which this enzyme sensor unit is incorporated in the sample measurement device body. FIG. The enzyme sensor unit 12 is, for example, a chip-shaped enzyme sensor, and is connected to the connection unit 14 of the sample measurement device according to the present invention. In the enzyme sensor 12, a voltage is applied to the counter electrode of the enzyme sensor unit, a potential difference is generated between the electrodes, and the voltage is scanned, and a current generated from the measurement electrode of the enzyme sensor unit is detected. A current detection unit 18 is connected, and the voltage scanning unit 16 is supplied with a measurement electrode voltage to be applied between the electrodes. The current detector 18 detects a current. A microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) 20 is connected to the voltage scanning unit 16 and the current detection unit 18.
[0020]
The enzyme sensor unit 12 is mainly composed of an electrode system and a reaction layer. The electrode system includes at least two electrodes, a measurement electrode and a counter electrode, and is provided on an insulating substrate.
[0021]
The reaction layer is tightly fixed on the electrode system and contains at least the enzyme and the electron acceptor. Examples of the carrier include microcrystalline cellulose. The enzyme reacts selectively with the substrate in the sample, and the electron acceptor reacts in correlation with the electron transfer associated with the reaction between the substrate and the enzyme. The enzyme is selected depending on the substrate in the specimen to be measured, for example, glucose component, alcohol component, lactic acid component, uric acid component, etc. For example, if glucose is to be detected, glucose oxidase, which is an oxidoreductase, is selected. Can be mentioned. The electron acceptor is an inorganic or organic compound that activates the reaction of the enzyme. For example, alkali metal ferricyanate, ferrocene or an alkyl-substituted product thereof, p-benzoquinone, methylene blue, β-naphthoquinone 4- Examples include potassium sulfonate, phenazine methosulfate, and 2,6-dichlorophenolindophenol. From the viewpoint of solubility in a solvent such as water, ferricyanide alkali metal salts, particularly potassium salts and ferrocenes are preferable. For example, when measuring glucose in blood, potassium ferricyanide is reduced to potassium ferrocyanide when glucose reacts with glucose oxidase and is oxidized. The amount of potassium ferrocyanide produced is approximately proportional to the glucose concentration.
[0022]
The microcomputer of the sample measurement apparatus of the present invention controls voltage control, detection of current measured by the enzyme sensor unit, correction of current value, calculation of the amount of test component from the current value, and the like. The microcomputer 20 determines a voltage to be applied to the enzyme sensor unit 12, plays a role of calculating and displaying the current applied to the enzyme sensor unit 12 and further detected by the current detection unit. The microcomputer 20 incorporates both conversion functions of D / A (digital / analog) conversion and A / D (analog / digital) conversion. The D / A (digital / analog) conversion function plays a role of D / A converting a current for applying a predetermined voltage to the enzyme sensor to the voltage scanning unit. During the measurement, a series of voltages are scanned and applied from the voltage scanning unit 16 to the enzyme sensor. The A / D conversion function plays a role of A / D converting the current generated by the reaction between the detected substrate component and the enzyme. The current value detected by the current detection unit within a certain period of time is calculated and processed in relation to the applied voltage by the calculation function in the microcomputer, converted into the basic mass in the sample, and displayed.
[0023]
Specifically, the voltage scanning is performed by scanning the measurement electrode at a constant voltage scanning speed (v1) from a voltage 0 V to a preset voltage (E1) with reference to the counter electrode voltage in the enzyme sensor unit, and then continuously. Then, scanning from the voltage (E1) to the preset voltage (E2) at the voltage scanning speed (v2 = −v1) whose sign is the same as that of the voltage scanning speed (v1) and whose sign is the same, Can be supplied.
[0024]
During the measurement, a predetermined voltage is always controlled by the microcomputer so that the voltage changes at a constant speed within a certain range, and the voltage signal from the microcomputer is converted into an analog signal and applied from the voltage scanning unit 16 to the enzyme sensor unit 12. Yes.
[0025]
Next, the operation procedure of the sample measurement apparatus of the present invention will be described. An enzyme sensor unit for infiltrating body fluid to be detected is prepared. The enzyme sensor unit connects, for example, a chip-shaped enzyme sensor to the connection unit 14 of the detection device according to the present invention. When the enzyme sensor unit 12 is immersed in the sample liquid and the sample liquid is guided to the reaction layer, the reaction between the test component and the enzyme is started, and a current i proportional to the amount of the test component is generated. This current i is detected by the current detector 18. This value is digitally converted by the A / D conversion function of the microcomputer 20. A peak current or a current integral value is calculated from a current value obtained by digital conversion in time series. This value is compared with a set table in the microcomputer, the basic mass in the specimen is determined, and displayed as a measured value.
[0026]
The measurement mechanism and the measurement procedure will be specifically described with reference to FIG. In FIG. 2, the electric circuits corresponding to the functional units 14, 16, 18, and 20 in FIG. 1 are surrounded by dotted lines, and their mutual relationships are displayed.
[0027]
When the enzyme sensor unit 12 is connected to the connection unit 14 of the enzyme sensor unit, a predetermined voltage P1 is output from the D / A converter 22a through the buffer 24a under the control of the microcomputer 20.
[0028]
When the gap between the measurement electrode and the counter electrode is immersed in the test solution, a current i flows. This current i is detected. When the current i is detected, voltage application between the measurement electrode and the counter electrode is stopped under the control of the microcomputer 20. Subsequently, voltage application between the measurement electrode and the counter electrode is stopped until the enzyme is dissolved in the test solution for a certain time.
[0029]
In the present invention, although depending on the reaction conditions of the enzyme or electron acceptor supported on the enzyme sensor and the substrate, the certain time is usually 2 seconds to 10 seconds, corresponding to the reaction time of the substrate and the enzyme. After a predetermined time has elapsed, under the control of the microcomputer 20, the D / A converter 22a passes through the buffer 24a and the predetermined voltage P1 is output. The predetermined voltage P2 is output from the other D / A converter 22b through the buffer 24b.
[0030]
Since the voltage of the counter electrode (3d) of the enzyme sensor unit is P1, the voltage of the measurement electrode (3c) is P2, and the-and + terminals of the operational amplifier circuit 26c are virtual short circuits, the enzyme sensor unit terminals (external terminals 3c, 3d) is given a voltage (P2-P1).
[0031]
When the enzyme sensor unit is in a conducting state, a current i flows through the substrate detection unit of the enzyme sensor unit. As a result, the output terminal of the current-voltage conversion circuit 28b formed by the resistor Rx, the capacitor C1, and the operational amplifier 26c is connected to the output terminal.
Px = P2 + i · Rx
Will be observed.
Since P2 is added here, the subtraction circuit 30 outputs a new voltage P3 excluding the voltage P2.
This P3 is
(Px + P4) −P2 = [(P2 + i · Rx) + P4] −P2 = takes a value calculated by i · Rx + P4. P4 in this arithmetic expression is a ground voltage, and is set to a positive voltage in the case of a single power supply driving circuit.
[0032]
The voltage P3 corresponding to the current i is A / D converted by the A / D conversion circuit 22c and further digitized by the microcomputer 20.
[0033]
Here, a feature of the present invention is that, in the above-described apparatus, the voltage scanning means inverts the voltage from minus to plus or from plus to minus according to the cyclic voltammetry method. The voltage P2-P1 is shown in FIG. The detected current is plotted against the voltage.
[0034]
The present invention is characterized by a voltage scanning procedure. That is, the voltage (P2-P1) is 0 V at the start of voltage application, and the measured value from 0 V to the peak current of the electron acceptor is measured with respect to the counter electrode at a constant scanning speed (unit: mV / s). The voltage is scanned at a constant speed up to a preset voltage (−E1) via a voltage that can be observed, and then continuously with the counter electrode as a reference, at the same voltage scanning speed with the same sign and the opposite sign. The voltage scanning is set to a preset voltage (E2 = E1) through a voltage at which the peak current can be observed.
[0035]
For example, the substrate is glucose, the enzyme is glucose oxidase, the electron acceptor is ferricyan [Fe (CN)6]3-Will be described.
[0036]
(P2-P1) is set to 0 V at the start of voltage application. When negative scanning is performed at a constant voltage scanning speed, Felicyan [Fe (CN)6]3-A reduction takes place that receives electrons from the measuring electrode.
[0037]
The voltage is scanned to -E1 through a voltage at which the peak current can be observed. As a result, in the vicinity of the measurement pole, ferrocyan [Fe (CN)6]4-Will increase.
At this time, in the vicinity of the counter electrode, ferrocyan [Fe (CN)6]4-Oxidation passes electrons to the counter electrode, and as a result, ferricyan [Fe (CN)6]3-Increases. Ferrocyan [Fe (CN)6]4-Is only the amount produced by reaction with glucose oxidase, and ferricyan [Fe (CN)6]3-The amount to be finite is all ferrocyan near the counter electrode [Fe (CN)6]4-But Felician [Fe (CN)6]3-It is oxidized to.
[0038]
Ferrocyan increase at measuring electrode [Fe (CN)6]4-Is a decrease in the ferrocyan [Fe (CN)6]4-As a result, in the vicinity of the measurement pole, ferrocyanine produced by enzymatic reaction of glucose oxidase and glucose [Fe (CN)6]4-Twice as much ferrocyan [Fe (CN)6]4-Exists.
[0039]
From P2−P1 = −E1V, when scanning positively at the same voltage scanning speed as described above, from a certain voltage, ferrocyan [Fe (CN)6]4-Oxidation passing electrons to the measuring electrode occurs, and the voltage is scanned up to E2V through a voltage at which a peak current can be observed. As a result, in the vicinity of the measurement pole, ferricyan [Fe (CN)6]3-Will increase.
[0040]
In the present invention, the reason for scanning in the opposite direction to -E1V is that the peak current is in the vicinity of 0V. Also, by scanning in the opposite direction, ferrocyan [Fe (CN)6]4-As a result, the current value that can be detected increases, and even if it is affected by noise, the numerical value for each sample can be obtained with good accuracy. Note that the same effect can be obtained by scanning the voltage once it is swung to the minus and then reversed to the plus, or first swung to the plus and then reversed to the minus.
[0041]
By correlating the voltage with the detected current value, the substrate component amount to be detected is determined by the voltage-current curve. The following two methods are mentioned as this determination method.
[0042]
In one method, as shown in FIG. 3, when the voltage of P2-P1 is scanned from 0V to -E1, the peak changes linearly until it rises after passing through -E1.
[0043]
The intersection point between the tangent line from −E1 until the peak rises and the straight line passing through the voltage at which the maximum current (imax) is observed and parallel to the i-axis is i.0And The peak current is
ip = imax−i0
Calculate with A high correlation is obtained between the peak current ip and the test component concentration.
Since the enzyme activity is generally temperature dependent, the peak current value ip at the actual measurement temperature is changed to the peak current value ip at the reference temperature.0To correct. For temperature correction, a temperature correction table created in advance by the microcomputer 100 is used. After that, the microcomputer 100 uses the peak current ip0Is compared with a reference calibration curve prepared in advance, and the component amount of the detected substrate is calculated.
[0044]
In another method, as shown in FIG. 4, when the voltage (P2-P1) is scanned from 0V to -E1 to the turn-back E1, the tangent line in the interval until the peak rises after passing through -E1. The area surrounded by the voltage-current curve obtained by voltage scanning from -E1 to E1 is defined as a current area value S. A high correlation is obtained between the current area value and the amount of the substrate component in the specimen.
[0045]
Thereafter, the microcomputer 20 calculates the test component amount by comparing the current integration value S0 with a reference calibration curve created in advance.
[0046]
The amount of the test component in the test solution is measured by the mechanism as described above. The amount of components determined by either corresponds linearly to the substrate concentration. FIG. 5A is a diagram showing the correlation between the peak voltage and the peak current, and FIG. 5B is a diagram showing the correlation between the peak current and the current integrated value. Thus, it can be seen that the peak current and the peak voltage are correlated, and further, the peak current and the current integrated value are also correlated.
[0047]
The voltage scanning speed is not particularly limited, but is preferably 50 to 200 mV / s in order to shorten the measurement time. If it is too fast, the output current will be larger than necessary. As the output current increases, the peak voltage shifts in the direction of increasing. When the peak voltage reaches 0.15 V or more, the linearity between the glucose concentration and the current integrated value is lost. In this range, the peak current and the scanning speed are correlated. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the peak current and the scanning speed, in which the peak current value is plotted against the square root of the scanning speed when the scanning speed is changed at 50, 100, and 200 mV / s. . In the present invention, it is necessary for the voltage scanning speed to be always constant in the process of voltage scanning in a certain range in order to obtain an accurate peak current or current integral value.
[0048]
It is a feature of the present invention that the voltage scanned in the present invention is changed from the voltage 0 V to minus or plus and scanned to the reverse voltage after the peak voltage exceeds the observed peak voltage. When potassium ferricyanide is selected as the electron acceptor, the scanned voltage is preferably −0.3 V to +0.3 V, particularly preferably −0.2 V to +0.2 V. This operation method is set in the microcomputer.
[0049]
The obtained peak current value or current integrated value is digitized by an A / D conversion function included in the microcomputer. Here, since the enzyme activity generally has temperature dependence, the peak current value or current integral value at the actual measurement temperature is corrected to the peak current value or current integral value at the reference temperature. For the temperature correction, a temperature correction table created in advance by the microcomputer 20 is used.
[0050]
The corrected digitized peak current value or current integral value is compared with a reference measurement value prepared in advance in the microcomputer, and the amount of the component of the substrate in the sample is determined. The determined component amount is displayed by the display means.
[0051]
Although the present invention has been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various improvements, changes, and modifications can be made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. It can implement in the aspect which added.
[0052]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the method and apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the following examples.
[0053]
The sample measuring device shown in FIG. 2 was used as the enzyme sensor and the sample measuring device.
Redox enzyme: glucose oxidase (active 165 units (u) / mg, manufactured by Toyobo Co., Ltd.), electron acceptor: pure potassium ferricyanide (manufactured by Nacalai Tesque, Inc.), microcrystalline cellulose solution: Zeolus cream (Asahi Kasei Corporation) What was dissolved in an aqueous solution of FP-03 (crystalline cellulose 10 wt%) was dripped and dried onto a PET film and used as a reaction layer of an enzyme sensor.
[0054]
The voltage scan was performed as follows. P2-P1 is 0 V at the start of voltage application, is negatively scanned at a voltage scanning speed of 50 mV / s, and a voltage at which peak current can be observed: P2-P1 = −0.2 V, 50 mV / s The voltage was scanned positively at a voltage scanning speed, and the voltage was scanned to 0.2 V through a voltage at which a peak current can be observed.
[0055]
[Example 1]
A 100 mg / dL glucose standard solution was prepared as a specimen. Three samples were prepared by using the sample as a glucose standard solution and injecting 5 μL of the glucose standard solution from the inlet of the enzyme sensor chip (Sample 1-1) (Sample 1-2) (Sample 1-3). The dissolution time was 4 seconds, and voltage scanning was performed immediately after this time. The voltage was changed from 0 V to -0.2 V at a scanning method of 100 mV / s, and then changed from -0.2 V to +0.2 V by the same scanning method. The peak voltage of (Sample 1-1) and the measured current at the peak voltage were −0.26 μA at −0.06 V and +34.8 μA at 0.075 V.
The peak voltage of (Sample 1-2) and the measured current at the peak voltage were −2.26 μA at −0.06 V and +33.92 μA at 0.075 V. The peak voltage of (Sample 1-3) and the measured current at the peak voltage were −22.2 μA at −0.06 V and +33.43 μA at 0.075 V.
[0056]
[Example 2]
The sample was the glucose standard solution prepared in Example 1, and two samples were prepared by injecting 5 μL of the glucose standard solution from the inlet of the enzyme sensor chip (Sample 2-1) (Sample 2-2). The dissolution time was 8 seconds, and voltage scanning was performed immediately after this time had elapsed. The voltage was changed from 0 V to -0.2 V at a scanning method of 50 mV / s, and then changed from -0.2 V to +0.2 V by the same scanning method.
The peak voltage of (Sample 2-1) and the measured current at the peak voltage were −16.84 μA at −0.08 V and +24.4 μA at 0.045 V. The peak voltage of (Sample 2-2) and the measured current at the peak voltage were -16.84 μA at −0.055 V and +25.38 μA at 0.07 V.
[0057]
A current integrated value was obtained from the measured current, and a CV value was obtained by the following equation.
[0058]
[Expression 1]
Figure 0004249549
[0059]
The results are shown in Table 1. Table 1 shows the difference between the current integrated value of Examples 1 and 2 and the average value of the current integrated value of glucose concentration 0 mg / dl, the standard deviation, and the CV value obtained by the above formula 1. The CV value was 3% or less, and it was found that the accuracy was good. In addition, Table 2 is a table | surface which calculated | required the current integral value in distilled water with a glucose concentration of 0 mg / dl as standard 1-1, 1-2, 2-1, 2-2.
[0060]
[Table 1]
Figure 0004249549
[0061]
[Table 2]
Figure 0004249549
[0062]
[Example 3]
Samples having glucose concentrations of 1 mg / dl, 199 mg / dl, 445 mg / dl, 660 mg / dl, and 901 mg / dl were prepared, and five samples were prepared by injecting 5 μL of these samples. The dissolution time was 8 seconds, and voltage scanning was performed immediately after this time had elapsed. The voltage was changed from 0 V to -0.2 V at a scanning method of 50 mV / s, and then changed from -0.2 V to +0.2 V by the same scanning method. From the detected current values of these samples, the current integrated value with the voltage was obtained. The current integration values are listed in Table 3.
[0063]
[Comparative Example 1]
Samples having glucose concentrations of 1 mg / dl, 199 mg / dl, 445 mg / dl, 660 mg / dl, and 901 mg / dl were prepared, and five samples were prepared by injecting 5 μL of these samples. The dissolution time was 8 seconds, and voltage scanning was performed immediately after this time had elapsed. The scanning method was 50 mV / s, and the voltage was changed from −0.5 V to +0.2 V. From the detected current values of these samples, the current integrated value with the voltage was obtained. The current integration values are listed in Table 3. Comparative Example 1 was measured by the method disclosed in JP-A-2001-311712.
[0064]
[Table 3]
Figure 0004249549
[0065]
In FIG. 7, Example 3 and Comparative Example 1 are shown in a graph of coordinates with the X axis as the glucose concentration and the Y axis as the current integration value. Comparative Example 1 loses linearity from a glucose concentration of 600 mg / dl and draws a curve, whereas Example 3 according to the method and apparatus of the present invention can maintain linearity up to a glucose concentration of 1000 mg / dl. Is understood from the graph.
[0066]
【The invention's effect】
Compared to the conventional constant voltage method and voltage scanning method, the amount of the test component in the test solution can be measured with high sensitivity, and the linearity can be maintained with high accuracy even when the concentration increases.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for carrying out the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of an apparatus for carrying out the present invention.
FIG. 3 shows a method for obtaining a peak current value from a voltage-current curve.
FIG. 4 shows a method for obtaining an integrated current value from a voltage-current curve.
FIG. 5A is a graph showing the correlation between the peak voltage and the peak current, and FIG. 5B is a graph showing the correlation between the peak current and the current integrated value.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the square root of the scanning speed and the peak current.
7 is a graph showing current integration values with respect to glucose concentrations in Example 3 and Comparative Example 1. FIG.
FIG. 8 shows an example of a commonly used enzyme sensor.
[Explanation of symbols]
10; Sample measuring apparatus of the present invention
12: Enzyme sensor unit
14; Connection part of sample measuring device
16: Voltage scanning unit
18; Current detector
20; Microcomputer
22a, 22b; D / A converter
22c; A / D converter
24a, 24b; buffer
26c; operational amplifier circuit
28b; current-voltage conversion circuit
100; Basic enzyme sensor
102; Electrically insulating substrate
104; Measuring pole
106; counter electrode
108; reaction layer
110; electric insulating spacer
112; outer cover
114; sample inlet

Claims (5)

プログラムされたコンピュータによって、検体の基質量を測
定して前記基質量値を表示する装置であって、
絶縁性基板に少なくとも測定極及び対極を含む電極部を形成し、少なくとも酵素と電子受容体とを含む反応層にて前記測定極および対極を電気的に橋絡した酵素センサ部と、
前記測定と対極との間に時間とともに変化する電圧を印加して電位差を発生させる電圧走査部と、
前記電極部に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電圧走査部を制御して所定の電圧を発生させ、前記電流検出部の出力に基づいて検体の基質成分量を判別する、マイクロコンピュータとを備えた検体測定装置であり、
前記マイクロコンピュータが、
(1)予め設定された一定電圧範囲(E1からE2)で電圧走査部と電流検出部の両電極間に電位差を生じさせる手段であって、前記酵素センサ部における前記対極の電圧を基準として前記測定極に電圧0Vから、電圧(E1)まで一定の電圧走査速度(v1)で走査し、その後連続して、前記電圧(E1)から、前記電圧走査速度(v1)と絶対値が同一で符号を逆転させた電圧走査速度(v2=−v1)で、電圧(E2)まで連続的に走査することで、前記電圧をマイナスからプラスに反転またはプラスからマイナスに反転させる電圧信号とする手段と、
(2)前記電圧信号をアナログ変換する手段と、
(3)前記電流検出部で検出した電流値をデジタル変換する手段と、
(4)前記デジタル変換された電流値と走査した電極電圧との電圧−電流曲線から検出されたピーク電流値または電流面積値を算出する手段と、
(5)ピーク電流値または電流面積値を予め作成した基準検量線と対比して、検体の基質濃度の成分量を決定する手段、および
(6)前記検体の基質濃度を表示する手段
からなる制御手段を有する、検体測定装置。
An apparatus for measuring the basic mass of a specimen by a programmed computer and displaying the basic mass value,
Forming an electrode portion including at least a measurement electrode and a counter electrode on an insulating substrate, and an enzyme sensor unit electrically bridging the measurement electrode and the counter electrode in a reaction layer including at least an enzyme and an electron acceptor;
A voltage scanning unit that generates a potential difference by applying a voltage that varies with time between the measurement electrode and the counter electrode; and
A current detection unit for detecting a current flowing through the electrode unit;
A sample measuring device including a microcomputer that controls the voltage scanning unit to generate a predetermined voltage and discriminates a substrate component amount of the sample based on an output of the current detection unit;
The microcomputer is
(1) Means for generating a potential difference between both electrodes of the voltage scanning unit and the current detection unit in a predetermined constant voltage range (E1 to E2), and the voltage of the counter electrode in the enzyme sensor unit is used as a reference The measuring electrode is scanned from the voltage 0 V to the voltage (E1) at a constant voltage scanning speed (v1), and then continuously, the voltage scanning speed (v1) and the absolute value are the same from the voltage (E1). A voltage signal that reverses the voltage from minus to plus or from plus to minus by continuously scanning up to the voltage (E2) at a voltage scanning speed (v2 = −v1) in which
(2) means for analog conversion of the voltage signal;
(3) means for digitally converting the current value detected by the current detector;
(4) means for calculating a peak current value or a current area value detected from a voltage-current curve of the digitally converted current value and the scanned electrode voltage;
(5) Control comprising: means for determining the component amount of the substrate concentration of the sample by comparing the peak current value or current area value with a reference calibration curve prepared in advance; and (6) means for displaying the substrate concentration of the sample. A sample measuring apparatus having means.
前記請求項1記載の装置を用いて検体の基質量を測定し前記基質量測定値を表示する方法であって、
測定用検体を前記酵素センサ部の反応層上に供給する工程と、
前記電極間の電圧を走査する工程と、
前記酵素センサ部に流れる電流を検出する工程と、
コンピュータが以下の制御工程を行う、検体の基質量を測定し、前記基質量測定値を表示する方法
(1)予め設定された一定電圧範囲(E1からE2)で電圧走査部と電流検出部の両電極間に電位差を生じさせる工程であって、前記酵素センサ部における前記対極の電圧を基準として前記測定極に電圧0Vから、電圧(E1)まで一定の電圧走査速度(v1)で走査し、その後連続して、前記電圧(E1)から、前記電圧走査速度(v1)と絶対値が同一で符号を逆転させた電圧走査速度(v2=−v1)で、電圧(E2)まで連続的に走査することで、前記電圧をマイナスからプラスに反転またはプラスからマイナスに反転させる電圧信号とする工程と、
(2)前記電圧信号をアナログ変換する工程と、
(3)前記電流検出部で検出した電流値をデジタル変換する工程と、
(4)前記デジタル変換された電流値と走査した電極電圧との電圧−電流曲線から検出されたピーク電流値または電流面積値を算出する工程と、
(5)前記ピーク電流値または電流面積値を予め作成した基準検量線と対比して、検体の基質濃度の成分量を決定する工程、および
(6)前記検体の基質濃度を表示する工程
A method for measuring a basic mass of a specimen using the apparatus according to claim 1 and displaying the measured basic mass value.
Supplying a sample for measurement onto the reaction layer of the enzyme sensor unit;
Scanning the voltage between the electrodes;
Detecting the current flowing through the enzyme sensor unit;
A method in which a computer performs the following control steps to measure a base mass of a specimen and display the base mass measurement value .
(1) A step of generating a potential difference between both electrodes of the voltage scanning unit and the current detection unit within a preset constant voltage range (E1 to E2), wherein the voltage of the counter electrode in the enzyme sensor unit is used as a reference The measuring electrode is scanned from the voltage 0 V to the voltage (E1) at a constant voltage scanning speed (v1), and then continuously, the voltage scanning speed (v1) and the absolute value are the same from the voltage (E1). A voltage signal that reverses the voltage from minus to plus or from plus to minus by continuously scanning up to the voltage (E2) at a voltage scanning speed (v2 = −v1) that is reversed .
(2) converting the voltage signal into analog;
(3) a step of digitally converting the current value detected by the current detection unit;
(4) calculating a peak current value or a current area value detected from a voltage-current curve of the digitally converted current value and the scanned electrode voltage;
(5) a step of determining the component amount of the substrate concentration of the sample by comparing the peak current value or the current area value with a reference calibration curve prepared in advance; and (6) a step of displaying the substrate concentration of the sample.
前記コンピュータを用いた制御工程の(1)の工程が、前記測定極の電圧走査において、電圧0Vから電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経由してE1に至り、さらに前記電圧E1から電子受容体のピーク電流を観測できる電圧を経由して、E2に至るように走査する工程である、請求項記載の検体の基質量を測定し、前記基質量測定値を表示する方法In step (1) of the control step using the computer, in the voltage scan of the measuring electrode, E1 is reached from a voltage of 0 V through a voltage at which the peak current of the electron acceptor can be observed. The method for measuring a base mass of an analyte and displaying the measured base mass value according to claim 2 , which is a step of scanning to reach E2 via a voltage at which a peak current of a receptor can be observed. 前記酵素センサ部において、前記酵素がグルコースオキシターゼ、前記電子受容体がフェリシアン化カリウムである、請求項または請求項に記載の検体の基質量を測定し、前記基質量測定値を表示する方法4. The method for measuring a base mass of a specimen according to claim 2 or 3 , wherein the enzyme is glucose oxidase and the electron acceptor is potassium ferricyanide and displaying the base mass measurement value . 前記マイクロコンピュータの電圧走査において、前記電圧E1が−0.2V、前記電圧E2が0.2V、電圧走査速度が10mV/s〜200mV/sであることを特徴とする請求項乃至請求項のいずれかに記載の検体の基質量を測定し、前記基質量測定値を表示する方法In the voltage scanning of the microcomputer, the voltage E1 -0.2V, the voltage E2 is 0.2V, claims 2 to 4 the voltage scanning rate, characterized in that a 10mV / s~200mV / s A method for measuring the base mass of the specimen according to any one of the above and displaying the measured base mass .
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