JP4493376B2

JP4493376B2 - バイオセンサ

Info

Publication number: JP4493376B2
Application number: JP2004086021A
Authority: JP
Inventors: 浩二高橋; 啓久東原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005274252A

Description

本発明は、液体試料と試薬との反応により液体試料中の特定成分を分析可能な、小型で使い捨て式のバイオセンサに関する。

バイオセンサは、微生物、酵素、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の生物材料の分子認識能を利用し、生物材料を分子識別素子として応用したセンサである。即ち、固定化された生物材料が目的の気質を認識したときに起こる反応、微生物の呼吸による酵素の消費、酵素反応、発光などを利用したものである。バイオセンサの中でも酵素センサの実用化は進んでおり、例えば、グルコース、乳酸、尿素、アミノ酸用の酵素センサは医療計測や食品工業に利用されている。

例えば、酵素センサは、検体試料液に含まれる基質と酵素などとの反応により生成する電子によって電子受容体を還元し、測定装置がその電子受容体の還元量を電気化学的に計測することにより、検体の定量分析を行う（例えば、特許文献１参照）。

以下、図４及び図５を用いて、従来のバイオセンサについて説明する。図４（ａ）はバイオセンサの構成を示す分解斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示したバイオセンサの平面図である。

図４（ａ），（ｂ）において、バイオセンサ４００は、ポリエチレンテレフタレート等からなる第１の絶縁性基板（以下、「第１の基板」と称す。）４１と、試薬層４５と、検体供給路４７を形成するための切欠部を有するスペーサ４６と、空気孔４９が設けられた第２の絶縁性基板（以下、「第２の基板」と称す。）４８とを備え、前記第１の基板４１と第２の基板４８との間に、前記スペーサ４６と前記試薬層４５とが挟み込まれて一体に配置される。

前記第１の基板４１の表面には、例えば金やパラジウムなどの貴金属やカーボン等の電気伝導性物質からなる導体層４１０が、スクリーン印刷法やスパッタリング蒸着法によって形成され、該第１の基板４１上の導体層４１０は、複数のスリットによって分割されて、測定電極（以下作用極ともいう）４２、対電極４３、検知電極４４、及び略円弧状のスリット４１４，４１５が形成されている。なお、４１１，４１２，４１３は、それぞれ測定電極４２、対電極４３、検知電極４４の端子である。

そして、前記電極４２，４３，４４上には、試料液中の特定成分と特異的に反応する酵素や電子伝達体及び水溶性高分子などを含有する試薬を塗布することで試薬層４５が形成され、前記対電極４３に形成された前記略円弧状のスリット４１４，４１５により、該電極４２，４３，４４上に塗布された試薬の拡がりが規制される。

さらに、その上にスペーサ４６が積層され、該スペーサ４６の前縁部中央に設けられた長方形の切欠部により検体供給路４７が形成される。
そして、前記スペーサ４６の切欠部の一端が、前記第２の基板４８に設けられた空気孔４９に通じるように、該スペーサ４６の上に第２の基板４８が積層され、接着される。

このように構成された従来のバイオセンサ４００を用いて、検体試料液中の気質の含有量を測定する流れを、以下に説明する。

まず、前記バイオセンサ４００に図示していない測定装置（図示せず）を接続し、該測定装置によって、前記バイオセンサ４００の対電極４３もしくは測定電極４２と、検知電極４４との間に一定電圧を印加する。そして、前述のバイオセンサ４００の２電極間に電圧を印加した状態で、試料液を検体供給路４７の入口に供給する。供給された試料液は、毛細管現象により検体供給路４７の内部に吸引され、対電極４３ならびに測定電極４２上を通過して検知電極４４に到達し、該検知電極４４に到達した試料液は、試薬層４５を溶解していく。測定装置側では、前記対電極４３もしくは測定電極４２と、検知電極４４との間に生じる電気的変化を検知して、測定動作を開始する。
国際公開第０１／３６９５３号パンフレット

前述したような、少なくとも２枚の第１，第２の基板４１，４８の貼り合わせにより、該基板間に検体試料が吸引される検体供給路４７を形成し、該検体供給路４７内に、前記吸引された検体試料中の成分を分析するための試薬を配置するとともに、前記基板の少なくとも一方に前記検体供給路４７より外部に通じる空気孔４９を形成してなるバイオセンサにおいて、該空気孔４９を形成するとき、従来では、前記第２の基板４８の一部をプレス加工により打ち抜いて、図５（ａ）、（ｂ）に示すような、その開口部の周辺が平坦な孔を開けることで対応してきた。

しかし、前述のような従来構成を有する従来のバイオセンサ４００に、著しく粘性の低い検体試料や、コントロール液などを供給して、検体供給路４７内に吸引させた場合、前記空気孔４９から、溶解した試薬とともに該供給した検体試料等があふれ出てしまって、前記測定装置にて検出する測定値が低下し、高精度な測定値が得られないという問題があった。

この問題を解決する方法として、例えば、第２の基板４８の表面に撥水性を有する樹脂、例えばシリコン等をコーティングして、空気孔４９から液体試料のあふれを防ぐようにすることが考えられる。

しかし、上記方法で、空気孔４９からの液体試料のあふれを防止するようにすると、撥水性材料を第２の基板４８上に塗布するための手間や、コストがかかるという課題がある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、第２の基板表面に化学的処理を施すことなく、検体供給路からの検体試料等の溢れ出しを防止することのできるバイオセンサを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のバイオセンサは、少なくとも第１と第２の基板の貼り合わせにより、供給された検体試料が前記基板間に吸引される検体供給路を形成し、該検体供給路内に前記検体試料中の成分と反応する試薬を配置するとともに、前記第２の基板に、前記検体供給路より外部に通じる空気孔が設けられてなるバイオセンサであって、前記空気孔は、前記第２の基板の前記検体供給路に面する一方面の開口部の周辺部分、及び該第２の基板のもう一方面の開口部の周辺部分に、突出部を有するものである。

これにより、当該バイオセンサに供給される検体試料が、低粘度の検体試料やコントロール液であっても、第２の基板表面に撥水性材料を塗布するなどのコストの高い化学的処理を施すことなく、前記検体供給路から前記検体試料が溢れ出すのを防止することができる。そして、この結果、低コストのバイオセンサを提供することが可能となる。

また、本発明のバイオセンサは、前記空気孔は、前記第２の基板にレーザーを照射して穿孔されるものである。

これにより、第２の基板の両面の開口部周辺に突出部を形成して、該突出部によって検体供給路から前記検体試料が溢れ出すのを防止するバイオセンサを実現できる。

また、本発明のバイオセンサは、前記第２の基板の厚さが、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍで、該第２の基板のもう一方面における開口部の面積が、１．９６×１０^-3〜７．８５×１０^-3ｍｍ²であるとき、前記開口部の周辺部分に形成された突出部の高さが、０．００５〜０．０４ｍｍであるものである。

これにより、第２の基板の両面の開口部周辺に形成された突出部によって、検体供給路から粘性の低い検体試料が溢れ出すのを防止可能なバイオセンサを実現できる。

また、本発明のバイオセンサは、前記第２の基板のもう一方面の開口部の周辺部分に形成された突出部の高さが、前記第２の基板の検体供給路に面する一方面の開口部の周辺部分に形成された突出部の高さより高いものである。

これにより、当該バイオセンサの検体供給路内の空気の抜けを促進することが可能となり、該検体供給路に供給される検体試料の粘性にかかわらず、検体供給路内において気泡が発生することを防ぐことができ、高精度な測定結果を得ることが可能となる。

また、本発明のバイオセンサは、前記空気孔の開口部の形状が、円形、楕円形、極細幅を有する線形、三角形、正方形、長方形、多角形のいずれかの形状であるものである。

本発明のバイオセンサによれば、少なくとも第１と第２の基板の貼り合わせにより、供給された検体試料が前記基板間に吸引される検体供給路を形成し、該検体供給路内に前記検体試料中の成分と反応する試薬を配置するとともに、前記第２の基板に、前記検体供給路より外部に通じる空気孔が設けられてなるバイオセンサであって、前記空気孔は、前記第２の基板の前記検体供給路に面する一方面の開口部の周辺部分、及び該第２の基板のもう一方面の開口部の周辺部分に、突出部を有するようにしたので、該第２の基板表面に撥水性材料を塗布するなどのコストの高い化学的処理を施すことなく、前記検体試料が低粘度の検体やコントロール液であっても、前記検体供給路からの検体試料の溢れ出しを防止することができる。

また、本発明のバイオセンサによれば、前記第２の基板のもう一方面の開口部の周辺部分に形成された突出部の高さが、前記第２の基板の検体供給路に面する一方面の開口部の周辺部分に形成された突出部の高さより高いようにしたので、前記検体供給路に検体試料を吸収した際、該検体供給路内に気泡が残存しにくくでき、この結果、精度の高い測定結果を得ることができる。

また、本発明のバイオセンサによれば、前記空気孔をレーザーにより穿孔するようにしたので、プレス加工で形成される孔よりも微小の孔をあけることができ、さらに、プレス加工で空気孔を形成していた際に生じていた抜きカスも発生しないという効果がある。

以下、本発明の実施の形態１のバイオセンサ１００を、図面とともに詳細に説明する。

図１（ａ）はバイオセンサの分解斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す本バイオセンサの平面図である。

図１（ａ），（ｂ）において、１はポリエチレンテレフタレート等からなる第１の絶縁性基板１（以下、「第１の基板」と称す。）であって、該第１の基板１の表面には、例えば金やパラジウムなどの貴金属やカーボン等の電気伝導性物質からなる導電性層１０が、スクリーン印刷法やスパッタリング蒸着法によって形成されている。なお、前記導電性層１０は、第１の基板１の全面または少なくとも一部に形成されていればよい。

そして、前記第１の基板１上には、複数のスリットによって導電性層１０が分割され、対電極３、測定電極２、検知電極４、及び試薬溢れ出し防止ライン１４、１５が形成されている。

８は中央部にほぼ円形の空気孔９がＳＵＮＸ製ＣＯ₂レーザーマーカＬＰ−２１１にて穿孔された第２の絶縁性基板８（以下、「第２の基板」と称す。）であって、その基板材料としては、プラスチックフィルムが好ましく、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエーテル、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、ポリ塩化ビニルなどが挙げられる。また、前記第２の基板８には、これらの共重合体やブレンド物、さらに架橋したものが使用でき、その厚さとしては０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍのものが使用できる。なお、空気孔９の大きさは、レーザー条件、あるいは照射条件を変化させることで可能であり、例えば、レーザー照射光の径を大きくしたり、レーザーパワーを大きくしたり、レーザー照射時間を長くすることで実現できる。

そして、前記第２の基板８は、当該バイオセンサ１００中に検体試薬を供給する検体試薬供給路７を形成するための切欠部を有するスペーサ６と、試薬が含浸された試薬層５とを、前記第１の基板１との間に挟み込み、該第１の基板１と一体に配置される。

前記スペーサ６は、前記第１の基板１上の対電極３、測定電極２、及び検知電極４を覆うように配置され、スペーサ６の前縁部分中央に設けられた長方形の切欠部によって検体供給路７が形成されるものであり、前記試薬層５は、スペーサ６の切欠部から露出している対電極３、測定電極２、及び検知電極４に、酵素、電子受容体、アミノ酸及び糖アルコール等を含有する試薬を塗布することで形成されるものである。なお、図１中の１１、１２、１３はそれぞれ、測定電極２、対電極３、検知電極４の各端子である。

ここで、図２及び図３を用いて、前記第２の基板８に形成される空気孔９の形状について詳細に説明する。図２は、本実施の形態１にかかる、ＣＯ₂レーザー加工によって第２の基板に穿孔された空気孔の形状を示す図であり、図２（ａ）はＣＯ₂レーザー照射面側から見た空気孔の斜視図であり、図２（ｂ）はＣＯ₂レーザー非照射面側から見た空気孔の斜視図であり、図２（ｃ）はＣＯ₂レーザー加工によって形成された空気孔の断面図である。

図２（ｃ）における開口部９ｂはＣＯ₂レーザー照射面８ｂ側の開口部を指し、開口部９ａはＣＯ₂レーザー非照射面８ａ側の開口部を指し、ｘは該開口部９ａの口径の直径を、またｙａ，ｙｂは、前記第２の基板８の両面の開口部９ａ，９ｂの周辺部分に形成される突出部の高さを示す。

図２に示すように、本実施の形態１における空気孔９は、前記第２の基板の両面に、ほぼ円形状の開口部９ａ，９ｂを有する。そして、前記空気孔９は、前記第２の基板８をレーザー照射し、該第２の基板８を加熱溶融して穿孔するものであるため、該開口部９ｂ，９ａの周辺部分に、前記第２の基板８の溶融した樹脂が盛り上がって突出部が形成される。

図３は、厚さ０．１ｍｍのポリエチレンテレフタレートの材料からなる第２の基板に、ＳＵＮＸ製ＣＯ₂レーザーマーカＬＰ−２１１にて、様々な口径の空気孔を穿孔した場合に形成される、第２の基板の両表面の開口周辺の突出部の高さｙａ，ｙｂの推移を示したものである。なお、以下の説明で、「空気孔径」とは、第２の基板８を貫通した空気孔９のレーザー非照射面８ａ側に形成される開口部９ａの口径ｘを指す。

図３のグラフから明らかなように、レーザー照射面８ｂ側の開口部９ｂ周辺に形成される突出部の高さｙｂは、空気孔径ｘが０．０５〜０．５ｍｍの間で変化しても、ほぼ同じ高さを保つ。一方、レーザー非照射面８ａ側の開口部９ａ周辺に形成される突出部の高さｙａは、空気孔径ｘが０．０５〜０．３ｍｍの間で急激に変化し、空気孔径ｘが０．３ｍｍ以上になるとほぼ同じ高さを保つ。具体的には、第２の基板８の厚みが１．０ｍｍの場合、レーザー照射面８ｂ側の開口部９ｂ周辺に形成される突出部の高さｙｂは０．０１５〜０．０２５ｍｍであり、レーザー非照射面８ａ側の開口部９ａ周辺に形成される突出部の高さｙａは０．００５〜０．０４０ｍｍである。

以下、このような空気孔９が穿孔された第２の基板８を備えた本実施の形態１のバイオセンサ１００に検体試料液を供給して検体供給路７中に吸引させたときの、該検体供給路７からの検体試料液の漏れ出しについて検証した検証結果を、下記の表１に示す。

なお、ここでは、図１（ａ）に示すように、第２の基板８のレーザー照射面８ｂ側を前記検体供給路７に面するように配置するものとする。

表１は、厚さ０．１ｍｍのポリエチレンテレフタレートの材料からなる第２の基板８に、様々な口径（０．０５〜０．５ｍｍ）の空気孔をＳＵＮＸ製ＣＯ₂レーザーマーカＬＰ−２１１にて穿孔し、１．５ｍｍ×３．４ｍｍ×０．１５５ｍｍの検体供給路７内に２５ｍＰａｓである粘性の小さいコントロール液を吸引させたときの、該空気孔周辺部、ここでは開口部９ａからの漏れ出しの検証結果を示したものである。表１においては、空気孔９を、従来方法であるプレス加工により穿孔した場合と、本実施の形態１のようにレーザー加工により穿孔した場合、さらに、前記２つの穿孔方法で穿孔した空気孔９の周辺部分に対し、撥水処理が施されている場合と、施されていない場合、の４ケースについて、検証を行っている。

表１に示されるように、プレス加工により空気孔９を穿孔した場合、該空気孔９の周辺部分に撥水処理がされているときは、検体供給路７から検体試料は漏れ出ないが、空気孔９の周辺部分に撥水処理がされていないときは、前記検体供給路７から検体試料が漏れ出てしまう。これは、図５（ａ），（ｂ）に示すように、従来のプレス加工により穿孔された空気孔４９では、第２の基板４８に形成される開口部の周辺が平坦になるためである。

一方、本実施の形態１のようにレーザー加工により空気孔９を穿孔した場合には、該空気孔周辺部に対する撥水処理が施されているか、施されていないかに関わらず、また、該空気孔径ｘの大きさ、あるいは突出部の高さに関係なく、空気孔９から検体試料は漏れ出ない。

このことから、第２の基板８として上述した材料や厚みのものを使用する場合、該第２の基板８に穿孔する空気孔９の空気孔径ｘが０．０５〜０．５ｍｍ（面積でいうと１．９６×１０^-3〜７．０７×１０^-2ｍｍ²）で、該開口部９ａの周辺部分の突出部の高さｙａが０．００５〜０．０４ｍｍであれば、当該バイオセンサ１００の検体供給路７に著しく粘性の低い検体試料を吸引した際、前記第２の基板８の表面に撥水処理を施さなくても、開口部９ａの周辺部分に形成された突出部によって、検体試料が溢れ出すのを防止することができることがわかる。

以上のように、本実施の形態１によれば、バイオセンサ１００の第２の基板８の一表面側から他表面に向かって、ＣＯ₂レーザーを照射して第２の基板８を加熱溶融することで空気孔９を穿孔し、該第２の基板８の両表面８ａ，８ｂの開口部９ａ，９ｂ周辺に突出部を形成するようにしたので、これまで必要とされてきた第２の基板８の表面撥水処理を当該バイオセンサの作成工程から除去しても、該検体供給路７から検体試料が溢れ出すのを防止することができ、この結果、より低コストのバイオセンサを提供することができる。

また、前記第２の基板８の、レーザー照射面８ｂ面側を検体供給路７に面するように配置するようにすれば、該検体供給路７側の開口部周辺に形成される突出部の高さｙｂが低いので、該突出部が検体試料の流れ及び該検体試料に含まれる気泡の進路を妨害することがなく、当該バイオセンサ１００の検体供給路７内の空気の抜けを促進することが可能となり、該検体供給路７に供給される検体試料の粘性にかかわらず、検体供給路７内において気泡が発生することを防いで、高い精度の測定結果を得ることができるという効果もある。

さらに、本実施の形態１によれば、バイオセンサ１００の第２の基板８に対して、ＣＯ₂レーザーを照射することで、空気孔９を穿孔するようにしたので、従来のプレス加工とは違って、打ち抜きカスの発生が無く、産業上の廃棄物を削減することが可能となる。

また、本実施の形態１においては、空気孔９の開口部９ａ，９ｂの形状が、ほぼ円形状である場合を例に挙げたが、これに限るものではなく、例えば、楕円形、極細幅を有する線形、三角形、正方形、長方形、多角形等であってもよい。

本発明にかかるバイオセンサは、バイオセンサの作成工程から表面撥水処理工程を除去することが可能となり、血液など粘性に個人差のある検体を分析するバイオセンサを低コストで提供するものとして有用である。また、本発明にかかるバイオセンサは、レーザを用いて融解することで空気孔を加工しているため、従来のプレス加工とは異なり打ち抜きカスの発生が無く、産業上の廃棄物を削減するものとしても有用である。

本発明の実施の形態１にかかるバイオセンサの分解斜視図である。本発明の実施の形態１にかかるバイオセンサの平面図である。本発明の実施の形態１にかかる空気孔の、レーザー照射面側の開口部の形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる空気孔の、レーザー非照射面側の開口部の形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる空気孔の断面図である。本発明の実施の形態１にかかるバイオセンサにおいて、第２の基板にＣＯ₂レーザーにて様々な口径の空気孔を穿孔した場合に形成される、第２の基板の両表面の開口周辺の突出部の高さｙａ，ｙｂの推移を示すグラフである。従来のバイオセンサの分解斜視図である。従来のバイオセンサの平面図である。従来のプレス加工による空気孔の形状を示す斜視図である。従来のプレス加工による空気孔の断面図である。

符号の説明

１，４１第１の絶縁体基板
２，４２測定電極
３，４３対電極
４，４４検知電極
５，４５試薬層
６，４６スペーサ
７，４７検体供給路
８，４８第２の絶縁体基板
８ａレーザー非照射面
８ｂレーザー照射面
９，４９空気孔
９ａ，９ｂ開口部
１０，４１０導体層
１１，１２，１３，４１１，４１２，４１３端子
１４，１５，４１４，４１５スリット
１００，４００バイオセンサ
ｘ空気孔径
ｙａレーザー非照射面側の開口部周辺に形成される突出部の高さ
ｙｂレーザー照射面側の開口部周辺に形成される突出部の高さ

Claims

少なくとも第１と第２の基板の貼り合わせにより、供給された検体試料が前記基板間に吸引される検体供給路を形成し、該検体供給路内に前記検体試料中の成分と反応する試薬を配置するとともに、前記第２の基板に、前記検体供給路より外部に通じる空気孔が設けられてなるバイオセンサであって、
前記空気孔は、前記第２の基板にレーザを照射して開口部が形成されたものであり、前記第２の基板の前記検体供給路に面する一方面の開口部の周辺部分、及び該第２の基板のもう一方面の開口部の周辺部分に、突出部を有し、
前記第２の基板は、レーザの照射面側が前記検体供給路に面するように配置し、レーザの照射によって、レーザ照射面側の開口部周辺に比べて、その開口部周辺により大なる突出部が形成された前記レーザの非照射面側が、センサの外表面側に位置するよう、前記第１の基板に貼り合わせられたことを特徴とするバイオセンサ。
請求項１に記載のバイオセンサにおいて、
前記第２の基板の厚さが、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍで、該第２の基板のレーザ非照射面側における開口部の面積が、１．９６×１０^-3〜７．８５×１０^-3ｍｍ²であるとき、
前記開口部の周辺部分に形成された突出部の高さが、０．００５〜０．０４ｍｍである、ことを特徴とするバイオセンサ。
請求項１に記載のバイオセンサにおいて、
前記空気孔の開口部の形状が、円形、楕円形、極細幅を有する線形、三角形、正方形、長方形、多角形のいずれかの形状である、
ことを特徴とするバイオセンサ。