JP5088148B2 - Method for measuring metabolite concentration and electrochemical sensor used therefor - Google Patents

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本発明は、体外侵出液の代謝物濃度を測定する方法及びこれに用いられる電気化学センサに関する。   The present invention relates to a method for measuring a metabolite concentration in an exudate and an electrochemical sensor used therefor.

糖尿病が進行すると種々の合併症を起こし、失明や壊疽など深刻な症状に発展することもある。また、糖尿病は、癌とともに高い死亡原因である脳梗塞、心筋梗塞などの原因である動脈硬化を引き起こしやすい。これらを予防することは、人間の健康の増進に寄与することは勿論のこと、近年社会問題化している医療費の高騰を回避する上でも重要である。糖尿病の診断や疾病の発見には空腹時血糖値の測定が、治療には血糖値に応じたインスリン注射などの管理が重要である。しかし、受診者は採血時の苦痛を受けなければならない。特に糖尿病患者は一日に数回、採血による侵襲を伴う血糖値測定が必要であり、このことが多くの患者にとって継続的な治療を受ける上で大きな負担となっている。   As diabetes progresses, it causes various complications and can develop into serious symptoms such as blindness and gangrene. Diabetes tends to cause arteriosclerosis, which is a cause of cerebral infarction and myocardial infarction, which are causes of high death together with cancer. Preventing these problems not only contributes to the improvement of human health, but is also important in avoiding the surge in medical expenses that has become a social problem in recent years. Measurement of fasting blood glucose level is important for diagnosis of diabetes and discovery of disease, and management such as insulin injection according to blood glucose level is important for treatment. However, the examinee must suffer from blood sampling pain. In particular, diabetic patients need to measure blood glucose level with invasion by blood sampling several times a day, which is a great burden for many patients to receive continuous treatment.

このような背景のもと、健康診断や治療において、非侵襲によって血糖値(グルコース濃度)の測定を可能にする非侵襲グルコースセンサが望まれている。すでに、血液とグルコース濃度がほぼ対応する皮膚からの体外侵出液中のグルコース濃度を測定する非侵襲グルコースセンサであるGlucoWatch(商標)が、米シグナス社によって初めて実用化されている。これは電流を皮膚に流すことにより皮膚の細胞外液を体外侵出液として抽出するもので、電流を皮膚に流すことで薬の皮膚への浸透を加速させるイオントフォレーシス(iontophoresis)の原理の逆を利用したものである。イオントフォレーシスは、皮膚または粘膜に外部から電圧を印加することによって、主に荷電した薬物を電気化学ポテンシャルにより能動的に体内に吸収させる方法であり、非侵襲な投薬方法として知られている。これを逆に利用すると、電気浸透により体内から中性物質を引き抜き、その物質による診断を行うことができる。これを特許文献1ではイオン浸透と呼んでいる。   Under such a background, a noninvasive glucose sensor that can measure a blood glucose level (glucose concentration) in a noninvasive manner in medical examination and treatment is desired. The GlucoWatch (trademark), which is a noninvasive glucose sensor that measures the glucose concentration in the exudate from the skin whose blood and glucose concentrations substantially correspond, has already been put into practical use by Cygnus Corporation for the first time. This is to extract the extracellular fluid of the skin as an exudate by passing an electric current through the skin, and the principle of iontophoresis that accelerates the penetration of drugs into the skin by passing an electric current through the skin. This is the reverse of the above. Iontophoresis is a method in which a charged drug is actively absorbed into the body by an electrochemical potential by applying an external voltage to the skin or mucous membrane, and is known as a non-invasive medication method. . If this is used in reverse, a neutral substance can be extracted from the body by electroosmosis, and a diagnosis can be performed using the substance. In Patent Document 1, this is called ion permeation.

特許文献1に開示されるバイオセンサでは、白金及びグラファイトのペーストを用いて形成した電極を用いてSN比を高めることで、低いバックグラウンド電流を確保している。   In the biosensor disclosed in Patent Document 1, a low background current is ensured by increasing the S / N ratio using an electrode formed using a platinum and graphite paste.

一方、唾液中のグルコース濃度と血糖間に相関があることがBen−Aryeh et.al.により示されている(非特許文献1)。さらに、まだ研究の段階であるが、涙中のグルコース濃度も対象になり得る(非特許文献2)。もし、唾液や涙液中のグルコース濃度に基づいて血糖値を診断できれば、非侵襲グルコースセンサが構成され得る。
特許第3155523号公報 Diabetic Complications、1988年、第2巻、p.96 Viadimir他、Clinical. Chemstry、2004年、第50巻、p.2353
On the other hand, it is Ben-Aryeh et. al. (Non-Patent Document 1). Furthermore, although it is still in the research stage, the glucose concentration in tears can also be targeted (Non-patent Document 2). If the blood glucose level can be diagnosed based on the glucose concentration in saliva or tears, a noninvasive glucose sensor can be configured.
Japanese Patent No. 3155523 Diabetical Complications, 1988, Volume 2, p. 96 Viadimir et al., Clinical. Chemstry, 2004, 50, p. 2353

しかしながら、従来の非侵襲による方法では、皮膚表面に生じる分極、電流密度の集中に伴う皮膚刺激やバーニングなどの問題があり、この点で更なる改善が求められていた。   However, the conventional non-invasive method has problems such as polarization occurring on the skin surface, skin irritation and burning due to concentration of current density, and further improvement has been demanded in this respect.

唾液のグルコース濃度を測定する方法によれば、皮膚への刺激の問題は回避されるが、唾液中のグルコース濃度は血液中のそれに比べ約1〜2%程度と極めて低いため、安価な装置を用いて簡易にグルコース濃度を高精度で測定することは困難であり、臨床に普及するには至ってはいない。   According to the method of measuring the glucose concentration of saliva, the problem of irritation to the skin is avoided, but the glucose concentration in saliva is extremely low, about 1-2% compared to that in blood, so an inexpensive device is required. It is difficult to easily measure the glucose concentration with high accuracy, and it has not spread to clinical practice.

そこで、本発明の目的は、皮膚への刺激を抑制しながら、非侵襲による体外侵出液の代謝物濃度測定を高い精度で行うことを可能にする方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a method that enables highly accurate measurement of metabolite concentration of a non-invasive extracorporeal fluid while suppressing irritation to the skin.

本発明は、電気化学センサの作用電極であって導電性のDLC膜又は導電性のダイヤモンド膜を有する当該作用電極を皮膚に接触させながら、そこにパルス電流又は0.1〜10μAcm−2の直流電流を印加することにより体外侵出液を抽出し、抽出された体外侵出液を当該作用電極に接触させるステップと、当該作用電極に接触している体外侵出液の代謝物濃度を当該電気化学センサによって測定するステップとを備える、体外侵出液の代謝物濃度を測定する方法である。 The present invention provides a working electrode of an electrochemical sensor having a conductive DLC film or a conductive diamond film in contact with the skin while a pulse current or a direct current of 0.1 to 10 μAcm −2 is applied thereto. Extracting extracorporeal exudate by applying an electric current, bringing the extracted extracorporeal exudate into contact with the working electrode, and determining the metabolite concentration of the extracorporeal exudate in contact with the working electrode. Measuring the metabolite concentration of the exudate with a chemical sensor.

上記本発明に係る方法では、パルス電流、又は上記特定範囲の直流電流の印加によって効率的に体外侵出液を抽出することから、皮膚への刺激が十分に抑制される。パルス電流又は比較的弱い直流電流を用いることから、抽出される体外侵出液は微量であるが、DLC膜又はダイヤモンド膜を有する作用電極を備える高感度の電気化学センサを用いたことにより、そのような微量の体外侵出液であってもその代謝物濃度を高い精度で測定することが可能である。皮膚への刺激を更に抑制するために、印加するパルス電流は、周波数1〜100kHz、デューティー比5〜30%若しくは65〜85%、パルス電流密度0.0001〜10mAcm−2であることが好ましい。 In the method according to the present invention, since the exudate is efficiently extracted by applying a pulse current or a direct current in the specific range, irritation to the skin is sufficiently suppressed. The amount of extracorporeal exudate extracted is very small because pulse current or relatively weak direct current is used, but by using a highly sensitive electrochemical sensor equipped with a working electrode having a DLC film or diamond film, Even in such a small amount of exudate, the metabolite concentration can be measured with high accuracy. In order to further suppress irritation to the skin, it is preferable that the applied pulse current has a frequency of 1 to 100 kHz, a duty ratio of 5 to 30% or 65 to 85%, and a pulse current density of 0.0001 to 10 mAcm −2 .

本発明に係る電気化学センサは、導電性のDLC膜又は導電性のダイヤモンド膜を有する作用電極を備え、上記本発明に係る方法によって体外侵出液の代謝物の濃度を測定するためのものである。また、本発明に係る電気化学センサシステムは、本発明に係る電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部とを具備する。   An electrochemical sensor according to the present invention includes a working electrode having a conductive DLC film or a conductive diamond film, and is used for measuring the concentration of a metabolite in an extracorporeal exudate by the method according to the present invention. is there. The electrochemical sensor system according to the present invention includes the electrochemical sensor according to the present invention and a control unit that detects an oxidation-reduction current generated in the electrochemical sensor.

本発明に係る電気化学センサによれば、皮膚への刺激を抑制しながら、非侵襲による体外侵出液の代謝物濃度測定を高い精度で行うことが可能である。   According to the electrochemical sensor of the present invention, it is possible to measure the metabolite concentration of the extracorporeal exudate noninvasively with high accuracy while suppressing irritation to the skin.

本発明によれば、皮膚への刺激を抑制しながら、非侵襲による体外侵出液の代謝物濃度測定を高い精度で行うことが可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to measure the metabolite density | concentration of the extracorporeal exudate by noninvasiveness with high precision, suppressing the irritation | stimulation to skin.

また、本発明によれば残余電流の少ないDLC膜又はダイヤモンド膜を用いることで高いSN比が得られる。そのため、電気浸透のための印加電流を大幅に抑え、また更に皮膚への負担を軽減するためにパルス電流を用いることができる。したがって、非侵襲の測定の際の皮膚刺激やバーニングが十分に抑制される。   Further, according to the present invention, a high SN ratio can be obtained by using a DLC film or a diamond film with a small residual current. Therefore, a pulse current can be used in order to significantly suppress the applied current for electroosmosis and further reduce the burden on the skin. Therefore, skin irritation and burning during non-invasive measurement are sufficiently suppressed.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

本実施形態に係る方法は、作用電極及び対極を有する電気化学センサを用いる非侵襲の測定方法である。具体的には、本実施形態に係る方法は、電気化学センサの作用電極を皮膚に接触させながら、そこに直流電流又はパルス電流を印加することにより皮膚の細胞外液を抽出した体外侵出液を当該作用電極に接触させるステップと、当該作用電極に接触している体外侵出液の代謝物濃度を当該電気化学センサによって測定するステップとを備える。   The method according to the present embodiment is a non-invasive measurement method using an electrochemical sensor having a working electrode and a counter electrode. Specifically, in the method according to the present embodiment, the extracellular fluid extracted from the extracellular fluid of the skin by applying a direct current or a pulsed current to the working electrode of the electrochemical sensor in contact with the skin. And contacting the working electrode with the electrochemical sensor to measure the metabolite concentration of the exudate in contact with the working electrode.

電気化学センサの作用電極が接触している部分の皮膚に対して、直流電流又はパルス電流が印加される。電流の印加は、例えば、作用電極近傍の位置の皮膚に1対の電極を当てる方法によって行われる。   A direct current or a pulsed current is applied to the skin where the working electrode of the electrochemical sensor is in contact. The application of the current is performed, for example, by a method of applying a pair of electrodes to the skin near the working electrode.

直流電流の場合、0.1〜10μAcm−2の電流が印加される。パルス電流の場合、周波数1〜100kHz、デューティー比5〜30%若しくは65〜85%、パルス電流密度0.0001〜10mAcm−2であることが好ましい。係る範囲の電流を印加することにより、皮膚への刺激を特に顕著に抑制しながら体外侵出液を皮膚から抽出することができる。皮膚刺激及び測定精度のバランスの観点から、パルス電流の周波数は好ましくは1〜50kHz、更に好ましくは10〜50kHzである。パルス電流のデューティー比は好ましくは5〜20%若しくは70〜85%、更に好ましくは5〜15%若しくは70〜80%である。パルス電流密度は好ましくは0.001〜5mAcm−2、更に好ましくは0.01〜2mAcm−2である。 In the case of a direct current, a current of 0.1 to 10 μAcm −2 is applied. In the case of a pulse current, it is preferable that the frequency is 1 to 100 kHz, the duty ratio is 5 to 30% or 65 to 85%, and the pulse current density is 0.0001 to 10 mAcm −2 . By applying an electric current in such a range, extracorporeal exudate can be extracted from the skin while suppressing irritation to the skin particularly remarkably. From the viewpoint of balance between skin irritation and measurement accuracy, the frequency of the pulse current is preferably 1 to 50 kHz, more preferably 10 to 50 kHz. The duty ratio of the pulse current is preferably 5 to 20% or 70 to 85%, more preferably 5 to 15% or 70 to 80%. The pulse current density is preferably 0.001 to 5 mAcm −2 , more preferably 0.01 to 2 mAcm −2 .

皮膚から抽出された体外侵出液を作用電極に接触させ、そのときに作用電極−対極間に発生する酸化還元電流値を測定する。所定の電位における代謝物濃度と酸化電流値との関係に基づいて、体外侵出液の代謝物濃度が算出される。   The extracorporeal exudate extracted from the skin is brought into contact with the working electrode, and then the oxidation-reduction current value generated between the working electrode and the counter electrode is measured. Based on the relationship between the metabolite concentration at a predetermined potential and the oxidation current value, the metabolite concentration of the extracorporeal exudate is calculated.

本実施形態に係る方法の測定対象物質である代謝物は、生体内の代謝に関連する物質であり、代謝物の全体を一般にメタボロームと称する場合がある。代謝物の具体例としては、糖(グルコース等)、アミノ酸及び蛋白質がある。これらの中には、基本的代謝物のほかに、酸化ストレスマーカー、精神的ストレスマーカーとして扱うことが可能な物質、あるいは体外で生産されるアスコルビン酸などのビタミン類も含まれており、これらの代謝物の濃度を検出することは臨床的意義がある。   A metabolite that is a measurement target substance of the method according to the present embodiment is a substance related to metabolism in a living body, and the entire metabolite may be generally referred to as a metabolome. Specific examples of metabolites include sugars (such as glucose), amino acids, and proteins. In addition to basic metabolites, these include oxidative stress markers, substances that can be treated as mental stress markers, and vitamins such as ascorbic acid produced outside the body. It is clinically significant to detect the concentration of metabolites.

酸化ストレスマーカーは、細胞の老化やDNAの損傷、動脈硬化などの指標となる物質である。酸素ストレスマーカーは、例えば、ミトコンドリアから生成されるスーパーオキシドや、一酸化窒素、ペルオキシナイトライド、次亜塩素酸又はそれらのフリーラジカル、金属イオン、リポキシゲナーゼ、及びミエロペルオキニダーゼによって引き起こされる酸化反応により生成する。代表的な酸化ストレスマーカーである8−ヒドロキシ−2’−デオキシシデグアノシン(8−OHdG)、8−ヒドロキシグアニン(8−OH−Gua)、8−オキソ−7,8−ジヒドロ−2’−デオキシグアノシン(8−oxodG)、及び8−ニトログアノシンなどのDNA障害マーカーは、DNAの酸化ストレス損傷によって生ずる。他の酸化ストレスマーカーとしては、アラキドン酸のフリーラジカル酸化生成物である8−イソプラスタンや、アミノ酸・蛋白質酸化障害マーカーであるヒドロキシロイシン、ヒドロキシバリン、ニトロチロシン、カルボキシメチルリジン、ペントシジン、ニトロチロシン及びチミングリコール、生体内の酸化成分であるα−トコフェノール、バイオピリン、オレイン酸、チレオドキシン、酸化型コエンザイムQ10、カルボキシメチルリジン、パーオキシナイトライト、一酸化窒素などの窒素酸化物、ニトロソチオール反応物、lipid Peroxide(LPO)、マロンジアルデヒド、酸化LDL及び酸化LP(a)、クレアトールMDA−LDLなどが挙げられる。   An oxidative stress marker is a substance that serves as an indicator of cell aging, DNA damage, arteriosclerosis, and the like. Oxygen stress markers are, for example, due to oxidative reactions caused by superoxide generated from mitochondria, nitric oxide, peroxynitride, hypochlorous acid or their free radicals, metal ions, lipoxygenase, and myeloperoxidinase. Generate. Representative oxidative stress markers, 8-hydroxy-2'-deoxysideguanosine (8-OHdG), 8-hydroxyguanine (8-OH-Gua), 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxy DNA damage markers such as guanosine (8-oxodG) and 8-nitroguanosine are caused by oxidative stress damage of DNA. Other oxidative stress markers include 8-isoplastane, a free radical oxidation product of arachidonic acid, and hydroxyleucine, hydroxyvaline, nitrotyrosine, carboxymethyllysine, pentosidine, nitrotyrosine, which are amino acid / protein oxidation disorder markers. And thymine glycol, α-tocophenol which is an in-vivo oxidizing component, biopyrine, oleic acid, thyrodoxine, oxidized coenzyme Q10, carboxymethyllysine, peroxynitrite, nitrogen oxides such as nitric oxide, nitrosothiol reactant , Lipid peroxide (LPO), malondialdehyde, oxidized LDL and oxidized LP (a), creatol MDA-LDL, and the like.

精神的ストレスマーカーとしては、例えば、コルチゾール、ノルエピネフリン、クロモグラニンA、IgA及びβ−エンドルフィンが挙げられる。   Examples of mental stress markers include cortisol, norepinephrine, chromogranin A, IgA, and β-endorphin.

その他の代謝物は、酸化還元反応を生じる化学物質であれば特に限定されないが、例えば、コレステロール、乳酸、クレアチニン、蛋白質、過酸化水素、アルコール、グルタミン酸、アルコールアミノ酸、フルクトサミン、グリセロール、アシル−コエンザイムA、チラミン、アミノ酸、グリコレート、ピリドキサール−4−、ソルボース、グロノラクトース、ガラクトース、ピラノース、尿酸、ピルビン酸、アスコルビン酸、アンモニア、トリメチルアミン、アセトン、エタン、ペンタン、水素、酸素、メタン、プロパン、ブタン、イソプレン、メルカプタン類がある。   Other metabolites are not particularly limited as long as they are chemical substances that cause a redox reaction. For example, cholesterol, lactic acid, creatinine, protein, hydrogen peroxide, alcohol, glutamic acid, alcohol amino acids, fructosamine, glycerol, acyl-coenzyme A , Tyramine, amino acid, glycolate, pyridoxal-4-, sorbose, guronolactose, galactose, pyranose, uric acid, pyruvic acid, ascorbic acid, ammonia, trimethylamine, acetone, ethane, pentane, hydrogen, oxygen, methane, propane, butane , Isoprene and mercaptans.

以上のような方法において好適に用いられる電気化学センサ及び電気化学センサシステムの実施形態に関して、以下に説明する。   An embodiment of an electrochemical sensor and an electrochemical sensor system suitably used in the above method will be described below.

図1は、電気化学センサシステムの一実施形態の概略を示すブロック図である。図1に示す電気化学センサシステム100は、作用電極2、対極3及び参照電極5を有する電気化学センサ1と、電気化学センサ1を検体中の分析対象化学物質の酸化還元電流が検出されるように制御する制御部10とを備える。作用電極2、対極3及び参照電極5はそれぞれ制御部10と電気的に接続されている。作用電極2は参照電極5を基準として所定の電位に維持されるように制御部10によって制御される。そして、作用電極2と対極3との間の電流が制御部10によって検出される。   FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an embodiment of an electrochemical sensor system. An electrochemical sensor system 100 shown in FIG. 1 has an electrochemical sensor 1 having a working electrode 2, a counter electrode 3, and a reference electrode 5, and the electrochemical sensor 1 detects an oxidation-reduction current of a chemical substance to be analyzed in a specimen. And a control unit 10 for controlling. The working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5 are each electrically connected to the control unit 10. The working electrode 2 is controlled by the control unit 10 so as to be maintained at a predetermined potential with respect to the reference electrode 5. Then, a current between the working electrode 2 and the counter electrode 3 is detected by the control unit 10.

本発明に係る電気化学センサシステムは、例えば図2に示す実施形態のように、参照電極を備えていなくてもよい。この場合、作用電極2の電位は対極3を基準として制御される。   The electrochemical sensor system according to the present invention may not include the reference electrode as in the embodiment shown in FIG. In this case, the potential of the working electrode 2 is controlled with reference to the counter electrode 3.

図3は、電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図3に示す電気化学センサ1は、第1の基板21と、第1の基板21の一方面において一方の端部近傍に設けられた作用電極2、対極3及び参照電極5と、作用電極2、対極3及び参照電極5にそれぞれ接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線2a,3a及び5aと、第1の基板21に接着された、作用電極2、対極3及び参照電極5が露出するような窓25が形成されている第2の基板22とから構成される。第2の基板22は、リード線2a,3a及び5aのうち第1の基板21の他方の端部近傍以外の部分を覆っている。   FIG. 3 is a plan view showing an embodiment of an electrochemical sensor. The electrochemical sensor 1 shown in FIG. 3 includes a first substrate 21, a working electrode 2, a counter electrode 3, a reference electrode 5, and a working electrode 2 provided near one end on one surface of the first substrate 21. Lead wires 2a, 3a and 5a formed on the first substrate 21 so as to be connected to the counter electrode 3 and the reference electrode 5 and to extend to the other end of the first substrate 21, respectively. And a second substrate 22 formed with a window 25 that is exposed to the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5. The second substrate 22 covers portions of the lead wires 2a, 3a, and 5a other than the vicinity of the other end of the first substrate 21.

作用電極2は、第1の基板21上に形成された導電性のDLC膜又は導電性のダイヤモンド膜であり、特に好ましくはDLC膜である。DLC膜は、一般にダイヤモンド状炭素膜、ダイヤモンド様炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、又はi−カーボン膜とも呼ばれる。DLC膜は主として炭素及び水素から構成され、sp結合及びsp結合が混在する非晶質炭素膜である。一方、ダイヤモンド膜はダイヤモンド構造を有する結晶を含んだ膜であり、DLC膜とはその構造が異なる。DLC膜とダイヤモンド膜はラマン分光分析によって明確に区別できることが知られている。ラマンスペクトルにおいて、ダイヤモンド膜の場合1333cm−1に明確なピークが観測されるのに対して、DLC膜の場合1350cm−1付近のDisorderedバンドおよび1550cm−1付近のGraphiticバンドにブロードなピークが観測される。 The working electrode 2 is a conductive DLC film or a conductive diamond film formed on the first substrate 21, and is particularly preferably a DLC film. The DLC film is generally called a diamond-like carbon film, a diamond-like carbon film, a diamond-like carbon film, or an i-carbon film. The DLC film is an amorphous carbon film mainly composed of carbon and hydrogen and having a mixture of sp 3 bonds and sp 2 bonds. On the other hand, the diamond film is a film containing a crystal having a diamond structure, and its structure is different from that of the DLC film. It is known that a DLC film and a diamond film can be clearly distinguished by Raman spectroscopy. In the Raman spectrum, a clear peak is observed at 1333 cm −1 for the diamond film, whereas a broad peak is observed in the Disordered band near 1350 cm −1 and the graphic band near 1550 cm −1 for the DLC film. The

DLC膜は、好ましくは、10〜40原子%の水素と、30〜85原子%の炭素とを含む。DLC膜が係る特定範囲の組成を有していることにより、適正な抵抗率を維持しつつ、電気化学センサとしての感度が改善される。また、水素がこの範囲で含まれると、膜中の炭素原子のうち水素終端のダングリングボンドを含むsp結合を形成するものの割合が高くなって、膜が非晶質化する。非晶質なDLC膜は、成膜温度が低く、均一な品質の成膜が容易であり、成膜速度も高いので、工業的な生産に有利である。 The DLC film preferably contains 10-40 atomic% hydrogen and 30-85 atomic% carbon. When the DLC film has a composition in a specific range, the sensitivity as an electrochemical sensor is improved while maintaining an appropriate resistivity. When hydrogen is contained in this range, the proportion of carbon atoms in the film that form sp 3 bonds including dangling bonds terminated with hydrogen increases, and the film becomes amorphous. An amorphous DLC film is advantageous for industrial production because the film formation temperature is low, film formation with uniform quality is easy, and the film formation rate is high.

また、sp結合の炭素を主体とするDLC膜は、電気化学反応によって酸化または還元される化学物質が吸着する過程が極めて少ないので、例えば水に起因する水素や水酸化物やそれらのイオンによる電極への吸着を経る内圏酸化還元反応が極めて起こりににくい。その結果、残余電流と言われるノイズ電流が極端に小さくなるので、検出対象である化学物質の電気化学反応を高SN比で検出することが可能である。 In addition, a DLC film mainly composed of sp 3 -bonded carbon has a very small process of adsorbing chemical substances that are oxidized or reduced by an electrochemical reaction. For example, it is caused by hydrogen, hydroxide, or ions caused by water. The inner sphere redox reaction through adsorption to the electrode is extremely difficult to occur. As a result, a noise current called a residual current becomes extremely small, so that an electrochemical reaction of a chemical substance to be detected can be detected with a high SN ratio.

DLC膜は、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含んでいてもよい。これらの元素が5〜30原子%含まれることにより、DLC膜がn型半導体膜となる。あるいは、DLC膜は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる元素を更に含むんでいてもよい。これら元素が5〜30原子%含まれることにより、DLC膜がp型半導体膜となる。   The DLC film may contain at least one element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth. By containing 5 to 30 atomic% of these elements, the DLC film becomes an n-type semiconductor film. Alternatively, the DLC film may further contain an element selected from the group consisting of boron, gallium and indium. By containing 5 to 30 atomic% of these elements, the DLC film becomes a p-type semiconductor film.

DLC膜は、0.01〜20原子%の酸素を更に含むことが好ましい。また、DLC膜は0.002〜1原子%の塩素を更に含むことが好ましい。塩素の割合が0.002原子%以下であると、絶縁化が起こりにくくなる傾向があり、1原子%を超えると導電性が低下し易くなる傾向がある。   The DLC film preferably further contains 0.01 to 20 atomic% oxygen. The DLC film preferably further contains 0.002 to 1 atom% of chlorine. If the proportion of chlorine is 0.002 atomic% or less, insulation tends to be difficult to occur, and if it exceeds 1 atomic%, the conductivity tends to decrease.

感度向上効果を特に顕著に得るために、DLC膜の抵抗率は、好ましくは10−3〜10Ωcm、より好ましくは10−3〜10Ωcm、さらに好ましくは10−3〜10Ωcmである。 In order to obtain the sensitivity improvement effect particularly remarkably, the resistivity of the DLC film is preferably 10 −3 to 10 6 Ωcm, more preferably 10 −3 to 10 3 Ωcm, and further preferably 10 −3 to 10 2 Ωcm. is there.

DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚は、0.01〜20μmが望ましい。DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚が0.01μmより薄いと作用電極の抵抗率が大きくなったり、ピンホールが生じやすくなる傾向がある。ピンホールが多く生じるとセンサ用の電極として正常に機能しなくなるおそれがある。また、DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚が20μmを超えると、下地としての第1の基板21が反ったりクラックが入ったりし易くなる傾向がある。さらに、DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚が大きいと第1の基板21と溶液の間における電流と抵抗との積に比例して生じる電圧降下が大きくなって、感度が低下し易くなる傾向もある。また、DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚はセンサの小型化の観点からも出来るだけ小さいことが望ましい。同様の観点から、DLC膜またはダイヤモンド膜の膜厚は、より望ましくは0.05〜10μm、更に望ましくは0.1〜5μmである。   The film thickness of the DLC film or diamond film is desirably 0.01 to 20 μm. If the thickness of the DLC film or diamond film is less than 0.01 μm, the resistivity of the working electrode tends to increase or pinholes tend to occur. If many pinholes occur, the sensor electrode may not function normally. On the other hand, when the thickness of the DLC film or diamond film exceeds 20 μm, the first substrate 21 as a base tends to be warped or cracked. Further, when the DLC film or the diamond film is thick, a voltage drop generated in proportion to the product of the current and the resistance between the first substrate 21 and the solution becomes large, and the sensitivity tends to decrease. . The thickness of the DLC film or diamond film is preferably as small as possible from the viewpoint of miniaturization of the sensor. From the same viewpoint, the thickness of the DLC film or diamond film is more preferably 0.05 to 10 μm, and further preferably 0.1 to 5 μm.

導電性のDLC膜は、例えば、第1の基板21を加熱しながら、炭化水素ガスを含む原料ガスを用いた気相法により形成することができる。気相法としては、イオン化蒸着法及び高周波プラズマCVD法が好適である。原料ガスの組成、成膜の際の第1の基板21の加熱温度、プラズマ条件を調節することにより、上述の特定組成を有するDLC膜を形成させることができる。具体的には、例えば、第1の基板21の温度を150〜450℃に加熱しながら成膜することにより、10〜40原子%の水素と、30〜85原子%の炭素とを含むDLC膜が形成される場合が多い。   The conductive DLC film can be formed by, for example, a vapor phase method using a source gas containing a hydrocarbon gas while heating the first substrate 21. As the vapor phase method, an ionized vapor deposition method and a high-frequency plasma CVD method are suitable. By adjusting the composition of the source gas, the heating temperature of the first substrate 21 during film formation, and the plasma conditions, a DLC film having the above-described specific composition can be formed. Specifically, for example, a DLC film containing 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon by forming the film while heating the temperature of the first substrate 21 to 150 to 450 ° C. Is often formed.

成膜の際、炭素源としての炭化水素ガスとともに、窒素ガス、アンモニアガス及びピリジン等の含窒素有機物、酸化ホウ素とアルコール類若しくはケト類、又はホウ素アルコキシドのようなガスを併用することにより、窒素、ホウ素等によりドープされたDLC膜が形成される。例えば、炭化水素ガスと、窒素ガスと、場合により水素、ネオン、ヘリウム、アルゴン及び酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の添加ガスとを含む混合ガスを真空成膜装置内に原料ガスとして導入しながら、原料ガスに13.56MHzの周波数の電圧を印加してプラズマ化させ、プラズマ化した原料ガスから生成した炭化水素を堆積させる方法により、導電性のDLC膜を形成することができる。   Nitrogen gas, ammonia gas, nitrogen-containing organic substances such as pyridine, boron oxide and alcohols or keto, or a gas such as boron alkoxide, together with hydrocarbon gas as a carbon source during film formation, nitrogen is used. Then, a DLC film doped with boron or the like is formed. For example, a mixed gas containing hydrocarbon gas, nitrogen gas, and optionally at least one additive gas selected from the group consisting of hydrogen, neon, helium, argon and oxygen is introduced as a source gas into the vacuum film forming apparatus. However, the conductive DLC film can be formed by applying a voltage of 13.56 MHz to the raw material gas to form plasma and depositing hydrocarbons generated from the plasmaized raw material gas.

作用電極2は、上記DLC膜またはダイヤモンド膜上に形成された機能膜を有していてもよい。この機能膜は、検体中の代謝物の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含む。酵素の具体例としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、クレアチンホスホキナーゼ、グリセロールオキシダーゼ、アシル−コエンザイムAオキシダーゼ、チラミンオキシダーゼ、アミノ酸オキシダーゼ、グリコレートオキシダーゼ、ピリドキサール−4−オキシダーゼ、ソルボースオキシダーゼ、グロノラクトースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ピラノースオキシダ−ゼ、ウリカーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼが挙げられる。   The working electrode 2 may have a functional film formed on the DLC film or the diamond film. This functional membrane contains an enzyme that selectively causes an electrochemical reaction of a metabolite in a specimen. Specific examples of enzymes include glucose oxidase, glucose dehydrogenase, cholesterol oxidase, cholesterol dehydrogenase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, xanthine oxidase, lactate oxidase, lactate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, ascorbate oxidase, creatine phosphokinase, glycerol oxidase, acyl- Coenzyme A oxidase, tyramine oxidase, amino acid oxidase, glycolate oxidase, pyridoxal-4-oxidase, sorbose oxidase, glonolactooxidase, galactose oxidase, pyranose oxidase, uricase, pyruvate dehydrogenase, pyruvate oxidase Fine bilirubin oxidase and the like.

グルコースオキシダーゼの作用により、電極に必要な電位が印加されたときに試料液中のグルコースがグルコン酸に酸化され、過酸化水素が発生する。このときフェリシアン化カリウム、フェロセン、1,1’−ジメチルフェロセン、フェロセンカルボン酸及びフェロセンカルボキシアルデヒド等のフェロセン誘導体、ハイドロキノン、クロラニル及びブロマニル等のキノン類、または、フェリシアンイオン、オクタシアノタングステン酸イオン及びオクタシアノモリブデン酸イオン等の金属錯体イオンのようなメディエータを用いると、グルコースの濃度に比例した電流をDLC膜またはダイヤモンド膜によって選択的且つ高感度に検知できる。   By the action of glucose oxidase, when a necessary potential is applied to the electrode, glucose in the sample solution is oxidized to gluconic acid to generate hydrogen peroxide. At this time, ferrocene derivatives such as potassium ferricyanide, ferrocene, 1,1′-dimethylferrocene, ferrocenecarboxylic acid and ferrocenecarboxaldehyde, quinones such as hydroquinone, chloranil and bromanyl, or ferricyanide, octacyanotungstate and octane. When a mediator such as a metal complex ion such as cyanomolybdate ion is used, a current proportional to the glucose concentration can be detected selectively and with high sensitivity by a DLC film or a diamond film.

酵素を含む機能膜は、例えば、酵素及び必要によりメディエータ等の他の成分を含む溶液の膜をDLC膜またはダイヤモンド膜上に形成し、これを乾燥する方法により形成することができる。   The functional film containing an enzyme can be formed, for example, by forming a film of a solution containing an enzyme and, if necessary, other components such as a mediator on a DLC film or a diamond film and drying the film.

第1の基板21は、作用電極2、対極3及び参照電極5を支持する支持体である。第1の基板21は、電気化学センサとしての使用に耐え得る物理的強度を有していればよい。   The first substrate 21 is a support that supports the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5. The first substrate 21 only needs to have a physical strength that can withstand use as an electrochemical sensor.

DLC膜がn型半導体膜であるとき、第1の基板21はn型結晶性シリコン基板であることが好ましい。これにより第1の基板21とDLC膜との間にショットキー障壁などの界面抵抗が生じにくくなる。電気化学センサの検出電流は通常1mA以下程度の微小電流であることから、IRドロップの発生が十分に防止される。同様の観点から、DLC膜がp型半導体膜であるとき、第1の基板21はp型結晶性シリコン基板であることが好ましい。   When the DLC film is an n-type semiconductor film, the first substrate 21 is preferably an n-type crystalline silicon substrate. This makes it difficult for interface resistance such as a Schottky barrier to occur between the first substrate 21 and the DLC film. Since the detection current of the electrochemical sensor is usually a minute current of about 1 mA or less, the occurrence of IR drop is sufficiently prevented. From the same viewpoint, when the DLC film is a p-type semiconductor film, the first substrate 21 is preferably a p-type crystalline silicon substrate.

対極3は、電気化学反応において通常用いられる電極用の導電性材料から構成される。好ましくは、対極3は、白金及び金のような貴金属、または作用電極2と同様の導電性のDLC膜から構成される。   The counter electrode 3 is comprised from the electroconductive material for electrodes normally used in an electrochemical reaction. Preferably, the counter electrode 3 is composed of a noble metal such as platinum and gold, or a conductive DLC film similar to the working electrode 2.

参照電極5は、典型的には、銀−塩化銀、又は水銀−塩化水銀から構成される。参照電極5はペーストを用いる方法により形成することができる。   The reference electrode 5 is typically composed of silver-silver chloride or mercury-mercury chloride. The reference electrode 5 can be formed by a method using a paste.

リード線2a,3a,5aは、銅等の導電性材料から構成され、メタルマスクを用いた通常の方法により形成することができる。   The lead wires 2a, 3a, 5a are made of a conductive material such as copper and can be formed by a normal method using a metal mask.

第2の基板22は、第1の基板21と同様の基板が用いられる。第1の基板21と第2の基板22は作用電極2等を間に挟んで接着剤により接着される。   As the second substrate 22, a substrate similar to the first substrate 21 is used. The first substrate 21 and the second substrate 22 are bonded by an adhesive with the working electrode 2 and the like interposed therebetween.

図4は、参照電極を備えていない電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図4に示す電気化学センサ1は、参照電極5及びこれに接続されるリード線5aが形成されていないことの他は、図3の電気化学センサ1と同様の構成を有する。   FIG. 4 is a plan view illustrating an embodiment of an electrochemical sensor that does not include a reference electrode. The electrochemical sensor 1 shown in FIG. 4 has the same configuration as the electrochemical sensor 1 of FIG. 3 except that the reference electrode 5 and the lead wire 5a connected thereto are not formed.

図5、6は、皮膚に電流を印加するための印加電極を備えた電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図5に示す電気化学センサ1は、作用電極2、対極3及び参照電極5を間に挟んで対向配置された1対の印加電極51,52と、印加電極51に接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線51aと、印加電極52に接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線52aとを備える。その他の構成は図2、3の電気化学センサと同様である。印加電極51,52により、作用電極2が接触している部分の皮膚に対して電流が印加される。同様に、図6に示す電気化学センサ1は、作用電極2及び対極3を間に挟んで対向配置された1対の印加電極51,52と、印加電極51に接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線51aと、印加電極52に接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線52aとを備える。   5 and 6 are plan views showing an embodiment of an electrochemical sensor provided with an application electrode for applying an electric current to the skin. The electrochemical sensor 1 shown in FIG. 5 is connected to the application electrode 51 and a pair of application electrodes 51, 52 arranged to face each other with the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5 interposed therebetween. A lead wire 51 a formed on the first substrate 21 so as to extend to the other end portion of the substrate 21 and an application electrode 52 and extend to the other end portion of the first substrate 21. In this way, a lead wire 52a formed on the first substrate 21 is provided. Other configurations are the same as those of the electrochemical sensor of FIGS. The application electrodes 51 and 52 apply current to the skin where the working electrode 2 is in contact. Similarly, the electrochemical sensor 1 shown in FIG. 6 includes a pair of application electrodes 51 and 52 arranged to face each other with the working electrode 2 and the counter electrode 3 interposed therebetween, and a first substrate connected to the application electrode 51. The lead wire 51 a formed on the first substrate 21 so as to extend to the other end of the first substrate 21 and the application electrode 52 and extend to the other end of the first substrate 21. And a lead wire 52 a formed on the first substrate 21.

体外侵出液の抽出及びその代謝物濃度の測定は、電気化学センサ1の窓25内の部分を皮膚に押し当てながら、印加電極51,52間に所定の直流電流又はパルス電流を印加して行われる。   Extraction of the extracorporeal exudate and measurement of its metabolite concentration are performed by applying a predetermined direct current or pulse current between the application electrodes 51 and 52 while pressing the portion in the window 25 of the electrochemical sensor 1 against the skin. Done.

電気化学センサシステム100を構成する制御部10は、例えば、作用電極2の参照電極5に対する電位を制御するポテンシオスタットと、作用電極2と対極3との間に流れる電流を計測する電流計と、ポテンシオスタット及び電流計を制御するプロセッサと、ポテンシオスタット及び電流計を制御するためのソフトウエアとから構成される。プロセッサ(CPU=中央演算装置)は、上記ソフトウエアを実行することにより、ポテンシオスタット及び電流計を制御する。ポテンシオスタットは、作用電極2の電位を検体中の分析対象化学物質に固有の酸化還元電流が適切に検出されるような所定の電位に維持するように制御される。また、プロセッサは、所定の電位における検体中の分析対象化学物質の濃度と酸化電流値との関係に関する検量線を読み込んでこの検量線に基づいて検体中の分析対象化学物質の濃度を算出する。電気化学センサシステム100は、算出された結果を表示するモニターを備えていることが好ましい。   The controller 10 constituting the electrochemical sensor system 100 includes, for example, a potentiostat that controls the potential of the working electrode 2 with respect to the reference electrode 5, and an ammeter that measures a current flowing between the working electrode 2 and the counter electrode 3. , A processor for controlling the potentiostat and the ammeter, and software for controlling the potentiostat and the ammeter. The processor (CPU = central processing unit) controls the potentiostat and the ammeter by executing the software. The potentiostat is controlled so that the potential of the working electrode 2 is maintained at a predetermined potential such that the redox current inherent to the chemical substance to be analyzed in the sample is appropriately detected. Further, the processor reads a calibration curve relating to the relationship between the concentration of the chemical substance to be analyzed in the sample at a predetermined potential and the oxidation current value, and calculates the concentration of the chemical substance to be analyzed in the sample based on this calibration curve. The electrochemical sensor system 100 preferably includes a monitor that displays the calculated results.

図7は、抽出された体外侵出液の代謝物濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。ステップS1では予め作成された検量線データがプロセッサに読み込まれる。ステップS2で作用電極を所定の電位Eに保持し、ステップS3で作用電極−対極間の電流値Iを電圧印加の開始から所定の時間t秒後に測定する。ステップS4で電流値Iを読み込み、ステップS5で検量線からの内挿に基づいて検体である体外侵出液中の代謝物の濃度Cが算出される。ステップS6で算出結果の妥当性を判断し、妥当であればステップS7で結果が表示される。算出結果が妥当でないと判断された場合、ステップS2に戻る。 FIG. 7 is a flow diagram illustrating one embodiment of a method for measuring the metabolite concentration of an extracted extracorporeal exudate. In step S1, calibration curve data created in advance is read into the processor. The working electrode in step S2 is held at a predetermined potential E n, the working electrode in the step S3 - measuring a current value I n at a given time t n seconds after the start of the voltage application between the counter electrode. It reads the current value I n in step S4, the concentration C of metabolite in vitro leaching solution is sample based on interpolation from the calibration curve in step S5 is calculated. In step S6, the validity of the calculation result is determined. If it is valid, the result is displayed in step S7. If it is determined that the calculation result is not valid, the process returns to step S2.

このような電気化学センサシステムによれば、体外侵出液中の代謝物に固有の酸化還元電位を利用した電位設定により、複数種の代謝物を分離して検出することが可能である。この点で本実施形態に係るシステムは、複数種の代謝物を区別して検出することができない半導体式センサよりも優れる。   According to such an electrochemical sensor system, a plurality of types of metabolites can be separated and detected by setting a potential using a redox potential unique to the metabolite in the exudate. In this respect, the system according to this embodiment is superior to a semiconductor sensor that cannot distinguish and detect a plurality of types of metabolites.

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
n型(100)面単結晶シリコンウエハを、対向して配置された電極を備える真空成膜装置内に置いた。そして、シリコンウエハを200℃に加熱しながら、原料ガスとしてエチレン及び窒素を5:5sccmで導入し、13.56MHzの周波数で500Wの電力にて真空装置内をプラズマ化させることにより、シリコンウエハ上に導電性のDLC膜を形成させた。形成されたDLC膜の抵抗率は0.3Ωcmであり、その組成は水素10原子%、窒素5原子%、炭素85原子%であった。DLC膜を成膜したシリコンウエハを5mm角に切り分けて、n型単結晶シリコン基板上にDLC膜が形成されたチップを得た。
Example 1
An n-type (100) plane single crystal silicon wafer was placed in a vacuum film forming apparatus provided with electrodes arranged to face each other. Then, while heating the silicon wafer to 200 ° C., ethylene and nitrogen are introduced as source gases at 5: 5 sccm, and the inside of the vacuum apparatus is turned into plasma with a power of 500 W at a frequency of 13.56 MHz. A conductive DLC film was formed. The resistivity of the formed DLC film was 0.3 Ωcm, and its composition was 10 atomic% hydrogen, 5 atomic% nitrogen, and 85 atomic% carbon. The silicon wafer on which the DLC film was formed was cut into 5 mm square to obtain a chip in which the DLC film was formed on the n-type single crystal silicon substrate.

次いで、酵素として2Uのグルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素として0.025mgのフラビンアデニンジヌクレオチド、及びメディエータとして0.025mgフェリシアン化カリウムを、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液5μLに溶解させた。得られた溶液を導電性DLC膜上に適下し、更に、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液を用いて調製した1wt%ウシアルブミン溶液1μL、20wt%グルタルアルデヒド溶液1μLを順に適下した。その後、30℃、湿度10%の環境で30分乾燥させて、DLC膜上に機能膜を形成させた。   Next, 2 U glucose dehydrogenase as an enzyme, 0.025 mg flavin adenine dinucleotide as a coenzyme, and 0.025 mg potassium ferricyanide as a mediator were dissolved in 5 μL of a 0.05 M phosphate buffer solution at pH 7.2. Appropriately apply the obtained solution onto the conductive DLC membrane, and then apply 1 μL of 1 wt% bovine albumin solution and 1 μL of 20 wt% glutaraldehyde solution prepared using 0.05 M phosphate buffer solution of pH 7.2 in order. did. Thereafter, the film was dried in an environment of 30 ° C. and a humidity of 10% for 30 minutes to form a functional film on the DLC film.

DLC膜を作用電極として用い、銀/塩化銀ペーストの印刷により参照電極としての銀−塩化銀電極を形成し、対極としてのDLC膜を上記と同様の方法で形成して、図1に示すような回路を有する電気化学センサを構成した。   A silver-silver chloride electrode as a reference electrode is formed by printing a silver / silver chloride paste using a DLC film as a working electrode, and a DLC film as a counter electrode is formed in the same manner as above, as shown in FIG. An electrochemical sensor having a simple circuit was constructed.

作製した電気化学センサを、駆動用ソフトウェアが読み込まれたプロセッサによって制御される自作ポテンシオスタットに接続し、作用電極−対極間に流れる電流値が計測されるように電気化学センサシステムを構成した。駆動用ソフトウェアは検出電位を参照電極に対して1.2Vとなるように設定した。   The produced electrochemical sensor was connected to a self-made potentiostat controlled by a processor loaded with driving software, and an electrochemical sensor system was configured to measure the current value flowing between the working electrode and the counter electrode. The driving software was set so that the detection potential was 1.2 V with respect to the reference electrode.

0.05Mリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるpH7.2の緩衝溶液にグルコースを3mMの濃度で溶解したグルコース溶液を準備し、そこに電気化学センサを浸して電流値を測定した。また、ブランクとしてグルコースを溶解していない緩衝液の電流値も測定した。測定結果から算出されたグルコース濃度を、SN比とともに表1に示す。   A glucose solution in which glucose was dissolved at a concentration of 3 mM in a buffer solution of pH 7.2 with 0.05 M disodium hydrogen phosphate-potassium dihydrogen phosphate was prepared, and an electrochemical sensor was immersed therein to measure the current value. Moreover, the electric current value of the buffer solution which did not melt | dissolve glucose as a blank was also measured. Table 1 shows the glucose concentration calculated from the measurement results together with the SN ratio.

実施例2〜5
実施例1と同様の方法で、エチレンと窒素ガスの導入比率を変化させることにより、組成の異なる導電性のDLC膜をシリコン基板上に形成させた。これ以外は実施例7と同様にして、電気化学センサ及び電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサを用いて実施例1と同様にグルコース濃度の測定を行った。結果を表1にまとめて示す。
Examples 2-5
By changing the introduction ratio of ethylene and nitrogen gas in the same manner as in Example 1, conductive DLC films having different compositions were formed on the silicon substrate. Except this, it carried out similarly to Example 7, and prepared the electrochemical sensor and the electrochemical sensor system. The glucose concentration was measured in the same manner as in Example 1 using the obtained electrochemical sensor. The results are summarized in Table 1.

Figure 0005088148
Figure 0005088148

比較例1
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例1と同様にして電気化学センサシステムを準備し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は2.8mMであり、SN比は6.7であった。
Comparative Example 1
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1 except that a platinum plate was used as the working electrode, and the glucose concentration was measured. The calculated glucose concentration was 2.8 mM and the SN ratio was 6.7.

比較例2
作用電極としてグラシーカーボンを用いたことの他は実施例1と同様にして電気化学センサシステムを準備し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は2.7mMであり、SN比は7.7であった。
Comparative Example 2
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1 except that glassy carbon was used as the working electrode, and the glucose concentration was measured. The calculated glucose concentration was 2.7 mM, and the SN ratio was 7.7.

Figure 0005088148
Figure 0005088148

実施例6
印加電極を更に形成したことの他は実施例1と同様にして、図5に示される実施形態と同様の構成を有する電気化学センサを準備した。
Example 6
An electrochemical sensor having the same configuration as that of the embodiment shown in FIG. 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the application electrode was further formed.

得られた電気化学センサを用いて、血液から採取した血漿、涙液、唾液及び皮膚からの体外侵出液中のグルコース濃度を測定した。体外侵出液中のグルコース濃度の測定は、被験者の皮膚に対極及び印加電極を押し当てながら、印加電極間に周波数、デューティー比、パルス電流密度の各パラメータを表3の実施例6−1〜6−5に示す値に設定したパルス電流、又は実施例6−6〜6−8に示す直流電流を印加することにより捕捉した体外侵出液を対象にして、行った。刺激感については、直流3mA/cmの電流印加の際の刺激感を100として、体外侵出液測定の際の刺激感の大きさを被験者の判断に基づいて相対的に評価した。 Using the obtained electrochemical sensor, the glucose concentration in plasma, tears, saliva and exudate from the skin collected from blood was measured. The measurement of the glucose concentration in the exudate was carried out by pressing the counter electrode and the application electrode against the skin of the subject, and changing the frequency, duty ratio, and pulse current density parameters between the application electrodes in Examples 6-1 to Table 6-1. The test was performed on the exudate that was captured by applying the pulse current set to the value shown in 6-5 or the direct current shown in Examples 6-6 to 6-8. Regarding the feeling of irritation, the irritation feeling when applying a current of DC 3 mA / cm 2 was set as 100, and the magnitude of the irritation feeling when measuring the exuding fluid was relatively evaluated based on the judgment of the subject.

比較例3
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例6と同様の構成を有する電気化学センサを比較例3として準備し、同様のグルコース濃度測定を行った。
Comparative Example 3
An electrochemical sensor having the same configuration as that of Example 6 was prepared as Comparative Example 3 except that a platinum plate was used as the working electrode, and the same glucose concentration measurement was performed.

比較例4
実施例6と同様の電気化学センサにて、血液から採取した血漿、涙液、唾液及び皮膚からの体外侵出液中のグルコース濃度を測定した。体外侵出液中のグルコース濃度の測定は、被験者の皮膚に対極及び印加電極を押し当てながら、印加電極間に周波数、デューティー比、パルス電流密度の各パラメータを表3の比較例4−1〜4−2に示す値に設定したパルス電流、又は比較例4−3〜4−5に示す直流電流を印加することにより捕捉した体外侵出液を対象にして、行った。
Comparative Example 4
With the same electrochemical sensor as in Example 6, the glucose concentration in plasma, tears, saliva and exudates from the skin collected from blood was measured. The measurement of the glucose concentration in the exudate was carried out by pressing the counter electrode and the applied electrode against the subject's skin while changing the frequency, duty ratio, and pulse current density parameters between the applied electrodes in Comparative Example 4-1 in Table 3. The test was performed on the exudate that was captured by applying the pulse current set to the value shown in 4-2 or the direct current shown in Comparative Examples 4-3 to 4-5.

更に、血液から採取した血漿、涙液、唾液中のグルコース濃度をヘキソナーゼ法により測定し、その値を比較のため表3に示した。   Further, glucose concentrations in plasma, tears and saliva collected from blood were measured by the hexonase method, and the values are shown in Table 3 for comparison.

Figure 0005088148
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表3に示されるように、実施例6はヘキソナーゼ法の結果をよく再現したが、比較例3は測定誤差が大きかった。また、比較例4−1、4−2、4−4、4−5は測定精度は良好であったものの、皮膚への刺激感が大きかった。0.1μA/cm−2を下回る直流電流を印加した比較例4−3は皮膚刺激は小さいものの、体外侵出液の捕捉量が少ないためにグルコース濃度を測定することができなかった。 As shown in Table 3, Example 6 well reproduced the results of the hexonase method, but Comparative Example 3 had a large measurement error. In Comparative Examples 4-1, 4-2, 4-4, and 4-5, although the measurement accuracy was good, the feeling of irritation to the skin was great. In Comparative Example 4-3 to which a direct current less than 0.1 μA / cm −2 was applied, although the skin irritation was small, the glucose concentration could not be measured because the amount of extracorporeal exudate was small.

実施例7
実施例6で用いた電気化学センサを用いて、経皮的抽出可能なデバイス(内容詳細は特許3328290の23列20行〜24列4行の実施例1、図1A〜Cに準じる。)を作成し、センサを皮膚に当て、印加電極に2μA/cmの直流電流を通して体外侵出液を捕捉し、次いでセンサによって体外侵出液のグルコース濃度を測定した。
Example 7
A device capable of transcutaneous extraction using the electrochemical sensor used in Example 6 (details are in accordance with Example 1 of Patent 23328290, 23 columns, 20 rows to 24 columns, 4 rows, FIGS. 1A to C). And the sensor was applied to the skin, the exudate was captured through a direct current of 2 μA / cm 2 at the applied electrode, and then the glucose concentration of the exudate was measured by the sensor.

実施例8
周波数10kHz、デューティー比25%、パルス電流密度2mAcm−2のパルス電流を印加したことの他は実施例7と同様にして、体外侵出液のグルコース濃度を測定した。
Example 8
The glucose concentration of the exudate was measured in the same manner as in Example 7 except that a pulse current having a frequency of 10 kHz, a duty ratio of 25%, and a pulse current density of 2 mAcm −2 was applied.

比較例5
0.32mA/cmの直流電流を印加したことの他は実施例7と同様にして、体外侵出液のグルコース濃度を測定した。
Comparative Example 5
The glucose concentration of the extracorporeal exudate was measured in the same manner as in Example 7 except that a direct current of 0.32 mA / cm 2 was applied.

比較例6
白金電極を作用電極として有する比較例3の電気化学センサを用いたことの他は実施例7と同様にして、体外侵出液のグルコース濃度を測定した。
Comparative Example 6
The glucose concentration of the extracorporeal exudate was measured in the same manner as in Example 7 except that the electrochemical sensor of Comparative Example 3 having a platinum electrode as a working electrode was used.

比較例7
0.32mA/cmの直流電流を印加したことの他は比較例6と同様にして、体外侵出液のグルコース濃度を測定した。
Comparative Example 7
The glucose concentration of the extracorporeal exudate was measured in the same manner as in Comparative Example 6 except that a direct current of 0.32 mA / cm 2 was applied.

上記実施例及び比較例において、体外侵出液のグルコース濃度測定の際の刺激感を、比較例5(0.32mA/cm)の場合を100として、刺激感の大きさを被験者の判断に基づいて相対的に評価した。皮膚から体外侵出液を抽出する速度を示すフラックスの測定も行った。さらに、それぞれの電気化学センサを用いて、別途血液採取しその中の血漿中のグルコース濃度も測定した。 In the above Examples and Comparative Examples, the stimulation feeling when measuring the glucose concentration of the extracorporeal exudate was set to 100 in Comparative Example 5 (0.32 mA / cm 2 ), and the magnitude of the stimulation feeling was determined by the subject. Based on relative evaluation. We also measured flux, which indicates the rate at which extracorporeal exudate was extracted from the skin. Furthermore, using each electrochemical sensor, blood was collected separately and the glucose concentration in the plasma was also measured.

Figure 0005088148
Figure 0005088148

表4に示されるように、患者の皮膚への刺激感は、直流2μA/cmやパルス電流では軽減できた。2μA/cmのような微弱な直流電流で体外侵出液の採取量が少ない場合であっても、実施例7のように導電性のDLC膜を用いれば、白金を用いた比較例6に比べグルコース濃度を感度よく検出できる。さらにパルス電流では体外侵出液を抽出する速度を表すフラックスが優れており、患者の刺激感を抑えつつ、高い感度で測定が可能であることがわかった。なお、本発明は、グルコースのみならず、電気化学反応による検出が可能な全ての代謝物に適用できる。 As shown in Table 4, the feeling of irritation to the patient's skin could be reduced by direct current 2 μA / cm 2 or pulse current. Even when a small amount of extracorporeal exudate is collected with a weak direct current such as 2 μA / cm 2 , if a conductive DLC film is used as in Example 7, Comparative Example 6 using platinum is used. In comparison, the glucose concentration can be detected with high sensitivity. In addition, it was found that the pulse current is excellent in the flux representing the speed of extracting the exudate and can be measured with high sensitivity while suppressing the patient's irritation. The present invention can be applied not only to glucose but also to all metabolites that can be detected by an electrochemical reaction.

電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of an electrochemical sensor system. 電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of an electrochemical sensor system. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 体外侵出液の代謝物濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。It is a flowchart which shows one Embodiment of the method of measuring the metabolite density | concentration of extracorporeal exudate.

符号の説明Explanation of symbols

1…電気化学センサ、2…作用電極、3…対極、5…参照電極、10…制御部、21…第1の基板(支持体)、22…第2の基板、51,52…印加電極、100…電気化学センサシステム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrochemical sensor, 2 ... Working electrode, 3 ... Counter electrode, 5 ... Reference electrode, 10 ... Control part, 21 ... 1st board | substrate (support body), 22 ... 2nd board | substrate, 51, 52 ... Applied electrode, 100: Electrochemical sensor system.

Claims (6)

電気化学センサの作用電極であって導電性のDLC膜を有する当該作用電極を皮膚に接触させながら、当該作用電極に接触している部分の皮膚にパルス電流を印加することにより体外侵出液を抽出し、抽出された体外侵出液を当該作用電極に接触させるステップと、
当該作用電極に接触している前記体外侵出液の代謝物濃度を当該電気化学センサによって測定するステップと、
を備え
前記パルス電流が、周波数1〜100kHz、デューティー比5〜30%若しくは65〜85%、パルス電流密度0.0001〜10mAcm −2 である、
体外侵出液の代謝物濃度を測定する方法。
While the working electrode having the DLC film was a conductive working electrode of an electrochemical sensor in contact with the skin, external exuding liquid by applying a pulse current to the skin of the portion in contact with the working electrode Extracting the extracorporeal exudate into contact with the working electrode;
Measuring the metabolite concentration of the exudate in contact with the working electrode with the electrochemical sensor;
Equipped with a,
The pulse current has a frequency of 1 to 100 kHz, a duty ratio of 5 to 30% or 65 to 85%, and a pulse current density of 0.0001 to 10 mAcm −2 .
A method for measuring the concentration of metabolites in exudates.
前記DLC膜が、10〜40原子%の水素と、30〜85原子%の炭素とを含む、請求項1記載の方法。The method of claim 1, wherein the DLC film comprises 10-40 atomic percent hydrogen and 30-85 atomic percent carbon. 前記DLC膜が、0.01〜20原子%の酸素を更に含む、請求項2記載の方法。The method of claim 2, wherein the DLC film further comprises 0.01-20 atomic percent oxygen. 前記DLC膜が、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を5〜30原子%含むn型半導体膜である、又は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる元素を5〜30原子%含むp型半導体膜である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。The DLC film is an n-type semiconductor film containing 5 to 30 atomic% of at least one element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony and bismuth, or from the group consisting of boron, gallium and indium. The method as described in any one of Claims 1-3 which is a p-type semiconductor film containing 5-30 atomic% of the selected elements. 導電性のDLC膜を有する作用電極を備え、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法によって体外侵出液の代謝物濃度を測定するための電気化学センサ。 An electrochemical sensor, comprising a working electrode having a conductive DLC film, for measuring a metabolite concentration of an exudate by means of the method according to any one of claims 1 to 4 . 請求項記載の電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部と、を具備する電気化学センサシステム。 An electrochemical sensor system comprising: the electrochemical sensor according to claim 4; and a control unit that detects an oxidation-reduction current generated in the electrochemical sensor.
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