JP6259903B2 - バイオセンサ - Google Patents

Description

本発明は、生理学的指標含有量を検出するためのバイオセンサに関する。

近年、最初に臨床検査サンプルを用いて検査するという状況から、医者のオフィス又は患者の近くであれば迅速検査ができる状況に変わって、医療保健分野では大きな変化が起きている。電極システム付きの使い捨てのバイオセンサが迅速検査によく用いられている。糖尿病患者の日常グルコース検出を例として、今、患者が家で使い捨てのバイオセンサによって検出するだけで、被測患者のその時のグルコースレベルを取得することができる。これは、患者が自分の体調をタイムリーに把握し、そして自分の体調に基づいて自分の飲食構成を調整し、或いは病院に行って日常監視で得られたデータに基づき医者に投薬量を調整してもらうことに役立つ。そのため、病気の日常の監視において、このような使い捨てのバイオセンサの正確さが特に重要なものになる。

このような、電極システム付きのバイオセンサは、各種の物質の検出に用いることができる。被分析物の違いにより、電極システムに添加された反応試薬も異なる。例えば、血液におけるグルコースの含有量を測定するバイオセンサは、まず、グルコースオキシダーゼ等の反応試薬を作用電極に添加し、血液サンプルが作用電極に滴下した時、酵素反応試薬が血液に溶解されたため、血液におけるグルコースが作用電極におけるオキシダーゼと反応し、電子受体がそれに伴って還元する。酵素反応が終了した後、還元された電子受体が電気化学的に酸化され、酸化電流値を算出することによりサンプルにおけるグルコースの含有量が得られる。

このようなバイオセンサの基本構造としては、一つの絶縁底板と、この絶縁底板に設けられ、少なくとも作用電極と対電極とを含む電極システムと、サンプルにおける被測物質の含有量に基づき測定可能信号を発生させ、少なくとも一つの作用電極を覆った反応試薬と、作用電極及び対電極の上に位置して隔離層によって形成された一つのテストサンプルチャンネルとを備え、テストサンプルがこのチャンネルを通す時、チャンネル内における反応試薬と反応して検出可能な信号を発生させる。機器が、この信号によって検出結果を得る。

チャンネル内でテストサンプルとの反応に関与する反応試薬の量は、検出結果に大きな影響を与える。そのため、反応に関与する反応試薬の量を如何に精確に制御するかは、当分野での一つの技術的難点である。反応に関与する反応試薬の量が、サンプルチャンネルの面積に反応試薬層の厚さを乗算するものに等しいため、同じバッチで生産された異なる製品に係るサンプルチャンネルのサイズを精確に制御すること、及び、反応試薬の厚さの均一性を制御することは、解決すべき主要な問題である。

サンプルチャンネルのサイズを精確に制御することは、型の精度を向上させ、好適な材料を選択することによって解決できるが、反応試薬の厚さの均一性を制御することは、相対的に解決しにくい課題である。

特許文献１の図１に示すように、長方形試薬拡散制御領域１８を有する絶縁板１６を電極に配置している。この長方形試薬拡散制御領域は、反応試薬が添加される電極部分、即ち電極の活性領域を露出させ、反応試薬がこの制御領域１８に滴下されて電極と接触する一方、電極において反応に関与しない他の部分は、蓋板１６に覆われているため、試薬がその上に添加されず、これにより、反応試薬が作用電極に所望の位置に制限される。我々は、このように反応試薬を添加する時、添加された反応試薬が長方形領域全体を完全に覆うことができない現象がよく発生し、例えば、試薬が長方形拡散制御領域の四つの頂角端に到達できないことを見出した。これは、同じバッチで生産された製品は、その反応試薬の覆った面積が等しくないことを意味する。滴下された反応試薬の体積が同じである場合に、同じバッチで生産された製品の反応試薬の厚さにずれが存在するため、反応に関与する反応試薬量も等しくない。従って、これらの製品により検出して得られた検出結果が正確でなくなる。このような方法により電極に反応試薬を添加する時、より深刻な不良現象が生じることがあり、即ち、反応試薬が長方形領域全体を被せることができないのみならず、ひいては、一部の試薬が長方形試薬拡散制御領域の両側の辺から溢れてしまう。

バイオセンサによってサンプルを測定する時、通常、わずかなサンプル量、例えば０．５マイクロリットルから１マイクロリットルの液体量のみが必要である。バイオセンサも非常に小さな構造に製造されたため、電極を覆った反応試薬がより小さいものである。測定の正確さを高める研究において、人々は、反応試薬がこのような小面積の電極上における拡散状況が多様性を示すとともに、これらの多様性が測定結果に影響を及ぼすことに注意を配らなかった。人々は、いつも、電極の構造、電極材料の選択、測定方法学及び測定機器で研究を行うことによりバイオセンサの検出の正確さを高めるようにしている。その一方、我々は、長方形試薬拡散制御領域によって反応試薬の電極における分布を制御する時、長方形制御領域の面積が細小であって、試薬が表面張力により長方形制御領域の溝の中で半球形液滴状を形成することにより、電極における試薬の厚さが不均一になって、中間が厚くて周りが薄いという結果になってしまい、特に、塗布領域のエッジが不均一になるか、又は、反応試薬が電極活性領域の中心部に集中する現象があることを見出した。また、半球形液滴状エッジに表面張力が存在することによって、試薬が更に周りに拡散することが阻止されるため、試薬のエッジと四つの頂角との間に試薬空白領域が残るという現象が現れ、即ち、四つの頂角が反応試薬で満たされることができない。このような方式によって生産されたバイオセンサにおいて、一部のセンサにおける電極活性領域が反応試薬に均一に覆われたのに対して、一部の電極活性領域の頂角に反応試薬がないか又は覆った厚さが不均一である。電極の一部の位置に反応試薬がないと、一部のサンプルが反応に関与しないことになり、電極を覆った反応試薬の厚さが不均一であると、反応速度の変化が、予め設定された方式に合致しないことになり、これらは、いずれも検出結果の不正確を引き起こす。

また、特許文献２では、絶縁板で遮って試薬を添加する方法を用いておらず、スロットコーティングヘッドによって反応試薬を直接に電極に塗布して、連続した試薬ストリップを製造する。塗布した試薬の面積が非常に大きくて、反応試薬を添加する必要がない部分も含むため、試薬の浪費になり、製品のコストが増加する。一方、絶縁性底板の表面張力により、試薬のその上での拡散がある程度抑制され、このような抑制は、反応試薬の電極システムにおける均一な拡散を妨げ、反応試薬が予め設定された位置に到達できなくなる。

米国特許第ＵＳ７６５５１１９号明細書 中国特許第２００４８００２３９２４．８号明細書

人間の血液におけるグルコース濃度を検出するためのバイオセンサのサイズが非常に小さくて、検出メカニズムが非常に複雑であり、用いられた血液サンプル量が通常０．３−１．０マイクロリットルの間にあるため、現在の技術レベルでは、相対的に正確な検出結果しか得られない。米国食品医薬品局（ＦＤＡ）の、人間の血液におけるグルコース濃度を検出するためのバイオセンサに対する法的要求では、９５％以上の検出結果は標準グルコース濃度とのずれが正負２０％以内にあれば製品が合格したものだと認定している。これから分かるように、バイオセンサによる人間血液におけるグルコース濃度の検出の正確さを向上させることは技術的に非常に困難である。

国際糖尿病連合（ＩＤＦ）による２０１１年の統計データが示すように、世界中の糖尿病患者が現在３．６６億人にまで増加してきて、２０年内に６億人弱に達すると予測されている。中国では、糖尿病有病率は、この１０年間で２倍近く増大した。２０１０年に、中国の成人の糖尿病有病率が９．７％であり、糖尿病患者が既に１億４千人超になる。その基数が莫大であるので、測定の正確さが僅か１％高めても、世界中では３６０万人の誤診が低減され、世界中３６０万人がそこから利益を得ることができ、これは、かなりの経済的利益及び社会的利益をもたらすことになる。

糖尿病が非感染性疾患の重要な部分であり、合理的なモニタリング及び治療を行わないと、糖尿病患者の長期的な高血糖状態が、全身の多数の系統に損傷をもたらし、例えば心臓血管疾患、糖尿病性腎症、糖尿病性神経障害、糖尿病性網膜症などの様々な急性および慢性合併症を引き起こす可能性がある、と医学専門家が注意を呼び掛ける。そのため、測定の正確さが非常に重要であり、それは、患者と医者ができるだけ早く病気状態の変化を発見することを効果的に保証し、投薬量及び食習慣をタイムリーに調整し、患者が長期的に高血糖状態にあることを防き、ひどい合併症の発生を回避することができる。反応試薬が電極上で正しく分布しているか否かは、人々に見過ごされたが測定結果全体の正確さを保証する重要な要因の一つである。

上記欠点を解消するために、本発明の一つ目の目的は、反応試薬が精確に位置決めされるとともに、用量が少ないバイオセンサであって、絶縁性底板と、絶縁性底板上に位置する電極システムとを備え、電極システムには、テストサンプルと反応可能な反応試薬と絶縁層とが含まれ、この絶縁層が電極システムの一部を覆うが、反応試薬の所在する位置に絶縁層のない密閉領域を形成し、反応試薬がこの密閉領域内における電極部分の上に位置し、前記の絶縁層によって囲まれてなる密閉領域が、尖角を持たない密閉境界を有し、反応試薬がこの密閉境界を越えないようにこの密閉領域を覆うバイオセンサを提供することである。

本発明の更なる改善として、前記密閉境界の形状が、円形、楕円形、二つの対向した楕円形、又は、四つの頂角が円弧形の矩形である。
本発明の更なる改善として、反応試薬がちょうど前記密閉領域を満たし、反応試薬に覆われた領域の面積が密閉領域の面積に等しい。

本発明の更なる改善として、前記絶縁層の厚さが１−５０ミクロンである。
本発明の更なる改善として、前記絶縁層の厚さが３−３０ミクロンである。
本発明の更なる改善として、前記絶縁層の材料が疎水性材料である。

本発明の更なる改善として、電極システムにおける検出試薬に覆われた電極部分の両側にそれぞれ一つの補助拡散電極が更に含まれ、前記補助拡散電極と検出試薬に覆われた電極部分とが並列に配置される。

本発明の二つ目の目的は、バイオセンサの製造方法であって、
１）絶縁性底板に電極システムを形成するステップと、
２）電極システムに、電極システムの一部を覆う絶縁層を形成するとともに、絶縁層のない密閉領域を形成するステップであって、この密閉領域は尖角を持たない密閉境界を有するステップと、
３） 前記密閉領域に反応試薬を添加するステップであって、反応試薬がこの密閉境界を越えないようにこの密閉領域を覆うステップと、
４）前記反応試薬を乾燥させるステップと、
を含むバイオセンサの製造方法を提供することである。

本発明の更なる改善として、前記密閉領域の密閉境界が、円形、楕円形、又は、四つの頂角が円弧形の方形である。
本発明の更なる改善として、前記絶縁層の厚さが３−３０ミクロンである。

本発明の三つ目の目的は、絶縁性底板と、絶縁性底板上に位置する電極システムとを備え、電極システムに、テストサンプルと反応可能な反応試薬が含まれるバイオセンサであって、前記電極システムが、検出用の機能的電極と、反応試薬の拡散を制御するための補助拡散電極とを含み、機能的電極が補助拡散電極の間に位置することを特徴とするバイオセンサを提供することである。

本発明の更なる改善として、少なくとも二つの補助拡散電極を含む。
本発明の更なる改善として、前記少なくとも二つの補助拡散電極がそれぞれ機能的電極の外側に位置する。

本発明の更なる改善として、補助拡散電極と機能的電極との間の距離は、機能的電極に添加された反応試薬の前端がちょうど該補助拡散電極に当接できるように設定されることができる。

本発明の更なる改善として、機能的電極は、作用電極、対電極及び参照電極を含み、これらの機能的電極と補助電極とが並列に配置され、互いに略平行である。
本発明の更なる改善として、前記補助電極は二つがあり、それぞれ機能的電極の外側に位置する。

本発明の更なる改善として、電極システムの一部を覆う絶縁層を含み、この絶縁層が、反応試薬の所在する位置に、絶縁層のない密閉領域を形成し、反応試薬が、この密閉領域内における電極部分の上に位置し、前記の絶縁層によって囲まれてなる密閉領域が、尖角を持たない密閉境界を有し、反応試薬がこの密閉境界を越えることなくこの密閉領域を覆う。

本発明の更なる改善として、前記密閉境界の形状が、円形、楕円形、二つの対向した楕円形、又は、四つの頂角が円弧形の矩形である。
本発明の更なる改善として、前記絶縁層の厚さが３−３０ミクロンである。

本発明の有益な効果は、大量の実験を通じて、本発明に記載のバイオセンサが、尖角を持たない試薬拡散制御領域のサンプル投入モードを用いるため、反応試薬のエッジ効果が有効に克服され、反応試薬が電極の対応領域に均一に分布されることができるため、同じバッチで生産されたバイオセンサの反応試薬の厚さの均一性を正確に制御することができ、これにより検出結果の正確さが向上することができる。バイオセンサの生産過程において、添加された反応試薬が、その形状と同じ形状の反応試薬添加領域を満たし、反応試薬添加領域の四つの頂角が反応試薬で満たされていない現象が避けられる。一方、本発明に記載の製造方法が簡単であり、複雑な工程を通じて反応試薬の用量を制御する必要がない。もう一方、本発明のバイオセンサにおける電極システムが、少なくとも二つの補助拡散電極を有し、該補助拡散電極が絶縁性底板の表面張力を克服することができ、試薬が電極システム上でスムーズで均一に拡散し、予め設定された位置に到達するようにすることができる。そして、反応試薬が予め設定された領域から溢れることはない。

本発明における第一種のバイオセンサである。 ２Ａ−２Ｅは、図１に示すバイオセンサの生産工程である。 図１に示すバイオセンサの分解図である。 図１に示すバイオセンサに反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 本発明における第二種の反応試薬拡散制御層の構造図である。 図５の構造により反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 補助拡散電極を備えるバイオセンサ分解図である。 図７の構造により反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 第三種の反応試薬拡散制御層の構造図である。 図９の構造により反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 第四種の反応試薬拡散制御層の構造図である。 図１１の構造により反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 従来技術におけるバイオセンサの分解図である。 図１３の構造により反応試薬を滴下した後の電極顕微鏡写真である。 本発明におけるバイオセンサによりグルコース標準液を測定する線形図である。 従来技術におけるバイオセンサによりグルコース標準液を測定する線形図である。 バイオセンサと血液サンプル検出機器とを併用する状態図である。 従来技術において試薬拡散状況を検出する模式図である。 本発明において試薬拡散状況を検出する模式図である。

以下、具体的な図面を結合して本発明について詳しく説明する。これらの具体的な実施例は、あくまでも本発明の精神から逸脱しない範囲内での有限の例示であり、当業者が従来技術と本発明とを組み合わせて生成したその他の具体的な実施形態は除外しない。

図１乃至３に示すバイオセンサ１００は、絶縁性底板１を備え、絶縁性底板において、作用電極２、対電極３及び参照電極４を有する電極システムを含む。電極システムの一部の領域が、反応試薬拡散制御層５に覆われ、この制御層５には、開口を有する反応試薬拡散制御領域６が含まれる。反応試薬拡散制御層５が絶縁材料であるため、絶縁層とも称し、即ち、本特許出願において、反応試薬拡散制御層が絶縁層に同等である。反応試薬拡散制御領域６は、その開口面積が電極に添加されるべき試薬の面積と同じであると同時に、ちょうど電極活性領域の上に位置する。前記電極活性領域は、その上に反応試薬が付着され電子信号が伝達可能なその部分の電極を指す。図３に示す実施形態において、反応試薬拡散制御層５の上に、凹溝９を有する空間造り層７が設けられ、上蓋８が前記空間造り層７を覆って、空間造り層７の凹溝９とともに、サンプルを添加するサンプルチャンネル１０を形成する。上蓋８には排気孔１１が更に設けられ、サンプルが毛管作用でチャンネル内を流れる時、サンプルの前端に位置する気体が排気孔１１を介してチャンネルから排出され、このように、サンプルがチャンネル内で順調に流れることが保証される。

言い換えれば、本発明におけるバイオセンサは、絶縁性底板１と、絶縁性底板上に位置する電極システムとを備え、電極システムには、テストサンプルと反応可能な反応試薬と絶縁層５とが含まれ、この絶縁層５が電極システムの一部を覆うが、反応試薬の所在する位置に、絶縁層がない密閉領域６（この密閉領域が反応試薬拡散制御領域６に同等である）を形成し、反応試薬が、この密閉領域６内における電極部分の上に位置し、前記の絶縁層によって囲まれてなる密閉領域が、尖角を持たない密閉境界を有し、反応試薬がこの密閉境界を越えることなくこの密閉領域を覆う。密閉境界の形状が、円形、楕円形、二つの対向した楕円形、又は、四つの頂角が円弧形の矩形等であってもよい。一つの好ましい形態において、反応試薬がちょうど前記密閉領域を満たし、反応試薬に覆われた領域の面積が密閉領域の面積に等しい。絶縁層の厚さが１−５０ミクロンである。より好ましくは３−３０ミクロンである。絶縁層の材料が疎水性材料である。本発明の更なる改善として、電極システムにおける検出試薬に覆われた電極部分の両側に更に一つの補助拡散電極がそれぞれ含まれ、前記補助拡散電極と検出試薬に覆われた電極部分とが並んで配列される。

上記構成は、通常、平行毛管サンプル投入技術と称する。別の実施形態において、垂直サンプル投入の構成を用いてもよく、即ち、サンプル投入孔を有する上蓋が制御層５に接着され、上蓋におけるサンプル投入孔がちょうど試薬拡散制御領域の上に位置するとともに、この制御領域の開口面積と同じ又はそれよりやや小さい。即ち、サンプルがサンプル投入孔に滴下された時、サンプルが垂直に流れて制御領域内における試薬と接触して反応する。

反応試薬拡散制御領域６が、尖角を持たない孔であり、添加された反応試薬が、この制御領域内で拡散して、この制御領域によって画成したすべての領域に到達することができる。試薬拡散制御領域の形状が、円弧状のエッジを有する孔であってもよく、例えば円形、楕円形、ひょうたん形等の形状である。尖角がないその他の形状であってもよく、例えば拡散制御領域内の四つの頂角が円弧形の四角形である。大量のテストを通じて、本発明に記載の試薬拡散制御領域を用いれば、反応試薬が電極に添加された時に、拡散が均一で厚さが一致した試薬層を形成するとともに、試薬層が電極の活性領域全体をカバーすることができることを見つけるために驚いた。

実際に必要な試薬量によって、反応試薬拡散制御領域６の深さ及び面積の大きさを確定する。一つの実施例において、試薬拡散制御領域の深さが１−５０ミクロンであり、より好ましい深さが３−３０ミクロンであり、特に好ましい深さが５−２０ミクロンである。

上蓋８が前記空間造り層７を覆った時、空間造り層７の凹溝とともに、サンプルを添加するチャンネル１０を形成する。サンプルが順調にチャンネルに流れて電極システムに到達できるように、上蓋８に、サンプル投入チャンネル１０の排気孔１１を更に有する。

図２は、本発明図３に示す実施例におけるバイオセンサを製造する方法である。ただし、本発明に記載の製造方法は、図２に示す工程に限らない。
図２Ａに示すように、絶縁底板１が提供され、絶縁性底板の上に電極システムが配置され、本実施例に係る電極システムは、作用電極２、対電極３及び参照電極４を含む。別の実施形態において、電極システムは、作用電極２、対電極３及び参照電極４を含むとともに、図７に示す補助拡散電極１２を更に含む。

絶縁底板１は、カーボン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル樹脂及びポリエステル等の絶縁性材料との各種の材料から選択可能であるがこれらに限らない。一つの具体的な実施形態において、底板がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から作成してもよい。前記底板の厚さが３−１０ミルであり、例えば５ミル（ｍｉｌ，ミル、長さ単位であり、１ミルが千分の一インチに等しく、即ち０．０２５４ミリメートルである）のＰＥＴストリップによって適宜な支持を提供することができ、１４ミルのＰＥＴ白膜が同様に適用される。当然、多くの異なる厚さも本発明において良好な役割を果たすことができる。絶縁底板が、電極及び電極リード線に支持を提供する。

言い換えれば、本発明によるバイオセンサを製造する方法は、
１）絶縁性底板に電極システムを形成するステップと、
２）電極システムに、電極システムの一部を覆う絶縁層を形成するとともに、絶縁層のない密閉領域を形成するステップであって、この密閉領域は尖角を持たない密閉境界を有するステップと、
３）前記密閉領域に反応試薬を添加するステップであって、反応試薬がこの密閉境界を越えないように密閉領域を覆うステップと、
４）前記反応試薬を乾燥させるステップと、
を含む。

様々の方式によって電極を絶縁底板１に配置することができる。これらの方式としては、スクリーン印刷、インクジェット印刷、接着剤結合、リソグラフ印刷及びレーザ彫刻法等を含むがこれらに限定しない。銀又は塩化銀、黒鉛、パラジウム、金、白金、イリジウム、ステンレス鋼及びその他の好適な導電材料は、いずれも電極の材料としてもよい。電極は、これらの材料を組み合わせてなり、単一の成分でなくてもよい。例えば、反応試薬との接触端の電極が石墨を用い、該電極の後端の検出機器との接触端が銀材料を用いる。

図２Ｂに示すように、電極システムが絶縁底板１上で乾燥成形した後、反応試薬拡散制御層５を電極システムに配置し、該制御層における試薬拡散制御領域６がちょうど電極システムの活性領域の上に位置する。反応試薬２００が試薬拡散制御領域６内に添加され、電極の活性領域で均一に拡散され、また、実際に電極を覆った試薬の面積が、予め設定された面積と同じである。

反応試薬拡散制御層５は、粘着、ヒートシール、超音波溶接又はローリング等の方式によって電極システムに配置される。反応試薬拡散制御層５は、例えば絶縁のポリスチレン、絶縁の疎水性インク或テープという疎水性材料から選択されるものである。前記テープが、両面テープ、片面テープ又はトランスファーテープ等であってもよい。一つの実施形態において、反応試薬拡散制御層５が両面テープ材料であり、その一方の面が、制御層を電極システム付きの底板に接着することができ、他方の面が、上蓋８に粘着され又は空間造り層７に粘着される。

反応試薬に、液体サンプルに被分析物が存在するか否か又はその含有量を検出するための一種又は多種の化学成分が含まれる。例えば、電気化学バイオセンサの反応試薬に、酸化還元酵素及び電子受容体を含み、両者によってサンプルを検出すると同時に、電子検出システムに測定可能な反応生成物が生成される。血液におけるグルコースの含有量を検出する実施形態において、反応試薬に、グルコースオキシダーゼ、塩化ヘキサミンルテニウム（ＩＩＩ）、ＢＳＡ、ＣａＳ０４、ＴｒｉｔｏｎＸ−１００及びＰＶＰ等を含む。スクリーン印刷、液体滴下、ブレード塗工、及び、スロットノズルによるスプレー等のプロセスによって、反応試薬を電極に添加する。

図２Ｃに示すように、電極に添加された反応試薬が乾燥した後、凹溝付きの空間造り層７を、電極システム及び反応試薬を有する底板上に配置する。反応試薬層を有する一端に、空間造り層が、サンプルと接触しない電極部分を覆うと共に、反応試薬層を凹溝９に露出させる。空間造り層が、反応試薬層を有する一端と対向した他端の電極を覆っていないため、この部分の露出した電極が、図１７に示す接続方式のように、検出機器３００におけるピンと接触可能になる。空間造り層は、粘着、ヒートシール、超音波溶接又はローリング等の方式によって電極システムに配置される。その材料は、絶縁疎水性材料例えば接着剤の材料である。空間造り層が絶縁のポリスチレンを用いる時、この層の両面に接着剤を塗布することにより、試薬拡散制御層５及び上蓋８に接着させることができる。一つの実施形態において、サンプルが凹溝の中で順調に流れるように、凹溝９に対して親水化処理を行うことができ、例えば、凹溝の表面に表面活性剤を塗布するか又はプラズマ処理を行い、サンプルと接触する凹溝の表面に親水性を付与する。

図２Ｄに示すように、上蓋８を空間造り層７の上に配置して、バイオセンサを作成する。図２Ｅに示すように、上蓋８が、凹溝付きの空間造り層を覆った後、凹溝９は、サンプルがバイオセンサに入るチャンネル１０になる。サンプルが、チャンネルの入口からバイオセンサに入って、凹溝によって生成された毛管作用により順調に入って反応試薬と接触する。上蓋材料が、絶縁の疎水性材料又はその他の性質の材料であってもよい。上蓋８が排気孔１１を有し、前記排気孔１１が凹溝９の上に位置するとともにサンプルチャンネルの入口端から離れる。

図７は、本発明に記載のもう一種のバイオセンサ１００であり、絶縁性底板１を含み、絶縁性底板に電極システムが含まれる。前記電極システムが、作用電極２、対電極３、又は、参照電極４等などの機能的電極を含む。絶縁性底板に補助拡散電極１２を更に含み、該補助拡散電極は、機能的電極に滴下された反応試薬が電極上で迅速で均一に拡散することに寄与する。反応試薬が添加されるべき電極システムの両側に補助拡散電極を有する。例えば、機能的電極が補助拡散電極の間に位置し、補助拡散電極が機能的電極の外側に位置する。補助拡散電極と機能的電極との間の距離を適当にして、この距離で、機能的電極に滴下された反応試薬の前端が該補助拡散電極に触れるようにすることができる。

好ましい構成において、補助拡散電極が多孔性材料から作成され、例えば、カーボン電極である。本特許出願の発明者は、研究を経て、電極材料の多孔構造によって毛管効果が形成され、該電極に到達した溶液が毛管作用の下で該補助電極において迅速に拡散し、このような補助拡散電極上における拡散によって発生した動力が液体の表面張力よりも大きいため、溶液が電極上で快速に拡散して予め設定された範囲に達するようにすることを見出した。そのため、反応試薬が拡散して、楕円形状、近似楕円形状、矩形、近似矩形、又は、その他の、一方向でのサイズが他の方向でのサイズよりも大きい形状をなす場合、反応試薬の拡散後の形状の中心点から比較的に遠い位置（例えば楕円長軸の二端点の外側、矩形の比較的短い辺の外側）に拡散性電極を設けると、試薬のこの方向での拡散速度が、拡散性電極が設けられていないその方向よりも速いため、試薬を各方向で形状の輪郭境界に同時に到達させることに役に立ち、試薬の拡散の均一性を向上させるのに有利である。この目的に達するために、試薬拡散速度が相対的遅い任意の位置に、試薬の拡散速度を速める補助拡散電極を一つ又は複数設けてもよい。もう一つの好ましい構成において、補助拡散電極は、滴下される溶液の性質によって、予めに補助拡散電極に対して親水化処理を行っておく。

図７に記載の実施形態において、バイオセンサは、電極システムを覆った反応試薬拡散制御層５を更に含み、該制御層５に、開口を有する反応試薬拡散制御領域６を含む。試薬拡散制御領域６は、その開口面積が電極に添加されるべき試薬の面積と同じであると同時に、ちょうど電極活性領域の上に位置する。反応試薬拡散制御層５の上に、凹溝９付きの空間造り層７が備えられ、上蓋８が、前記空間造り層７を覆って、空間造り層７の凹溝９とともに、サンプルを添加するチャンネル１０を形成する。上蓋８にまた排気孔１１を有し、サンプルが毛管作用でチャンネル内を流れる時、サンプルの前端に位置する気体が、排気孔１１を介してチャンネルから排出され、サンプルがチャンネル内で順調に流れることが保証される。

反応試薬拡散制御領域６が、尖角を持たない孔であり、添加された反応試薬が、この制御領域内で拡散して、この制御領域によって画成されたすべての領域に到達することができる。試薬拡散制御領域の形状が、円弧状のエッジを有する孔であってもよく、例えば円形、楕円形、ひょうたん形等の形状である。尖角がないその他の形状であってもよく、例えば拡散制御領域内の四つの頂角が円弧形の四角形である。

図２に示す方法によって図７に示すバイオセンサを製造してもよい。製造過程において、図２Ａというステップで電極システムを配置すると同時に、又はその後、又はその前に、補助拡散電極１２を絶縁底板に配置する。図７に示すバイオセンサは、その他の方法によって製造してもよい。

言い換えれば、本発明におけるバイオセンサは、絶縁性底板１と、絶縁性底板上に位置する電極システムとを備え、電極システムに、テストサンプルと反応可能な反応試薬が含まれ、前記電極システムは、検出用の機能的電極（２、３、４）と、反応試薬の拡散を制御するための補助拡散電極（１０、１２）とを含み、機能的電極が補助拡散電極の間に位置する。本発明は、少なくとも二つの補助拡散電極を含む。前記少なくとも二つの補助拡散電極がそれぞれ機能的電極の外側に位置する。補助拡散電極と機能的電極との間の距離で、機能的電極上に添加された反応試薬の前端がちょうど該補助拡散電極に触れるようにすることができる。機能的電極は、作用電極、対電極及び参照電極を含み、これらの機能的電極と補助電極とが並んで配列され、お互いにほぼ平行している。前記補助電極が二つであり、それぞれ機能的電極の外側に位置する。また、電極システムの一部を覆う絶縁層を含み、この絶縁層は、反応試薬の所在する位置に、絶縁層のない密閉領域が形成され、反応試薬が、この密閉領域内における電極部分の上に位置し、前記の絶縁層によって囲まれてなる密閉領域が、尖角を持たない密閉境界を有し、反応試薬がこの密閉境界を越えることなくこの密閉領域を覆う。前記密閉境界の形状が、円形、楕円形、二つの対向した楕円形、又は、四つの頂角が円弧形の矩形である。前記絶縁層の厚さが３−３０ミクロンである。

以下、本発明の動作原理を説明する。
図１８を参考する。図１８は、従来技術における反応試薬の拡散の一つの状況である。そのうち、符号２００が拡散後の反応試薬であり、符号６が絶縁材料によって囲まれてなる密閉領域（本願において反応試薬拡散制御領域とも称する）であり、符号７が空間造り層であり、符号９が空間造り層７に形成された凹溝であり、空間造り層７のこの凹溝９を形成するための側壁が、絶縁底板１と上蓋８とともにサンプルチャンネル１０を形成する。研究及び実験を通じて、我々は、それらのチャンネル１０外に位置する反応試薬（例えば空間造り層に覆われたその部分の試薬）がほとんどテストサンプルとの反応に関与することなく、それらのチャンネル１０内に位置する反応試薬だけが、テストサンプルとの反応に関与し、チャンネル１０内における反応試薬の量が、検出結果に影響を与える重要な要因であることを見出した。そのため、同じバッチで生産された異なる製品の間のチャンネル内における反応試薬の量のずれを効果的に減小すれば、これらの製品の検出結果の正確さを向上させるのに有利である。

従来技術において、絶縁層によって形成された密閉領域６（本願において反応試薬拡散制御領域とも称する）が方形、矩形等の尖角を持つ形状であるため、同じバッチで生産された異なる製品に反応試薬を添加する時、反応試薬の密閉領域６内で拡散した後の形状における差異が大きくて（反応試薬がすべての尖角領域を覆うのが難しいため）、異なる製品の間では反応試薬の拡散後の面積における差異も大きいが、添加された反応試薬の総量がほとんど同じであるため、異なる製品の間では反応試薬の拡散後の厚さに大きな違いがあることにより、チャンネル１０内における反応試薬の量に大きな違いがあることになる。即ち、異なる製品の間では、チャンネル１０内における反応試薬の量の一致性が比較的悪い。これによって、同じバッチで生産された異なる製品によって同じサンプルを検出する時、得られた検出結果のずれが大きくて、検出結果が不正確になる。

図１９を参考する。本発明において、絶縁層によって形成された密閉領域６（本願において反応試薬拡散制御領域とも称する）が円形、楕円形又はその他の尖角を持たない形状であるため、液状の反応試薬を添加する時、従来技術より、反応試薬で密閉領域６全体を満たすのがより容易であり、反応試薬に覆われていない「デッドスペース」が残りにくい。そのため、同じバッチで生産された異なる製品に反応試薬を添加する時、反応試薬の密閉領域６内で拡散後の形状における差異が小さくて（密閉領域の形状とほとんど一致し）、異なる製品の間では反応試薬の拡散後の面積における差異も小さくて（密閉領域の面積にほとんど等しく）、また、添加された反応試薬の総量がほとんど同じであるため、異なる製品の間では反応試薬の拡散後の厚さがほとんど同じであることにより、チャンネル１０内における反応試薬の量がほとんど同じである。即ち、異なる製品の間では、チャンネル１０内における反応試薬の量の一致性が良い。これによって、同じバッチで生産された異なる製品によって同じサンプルを検出する時、得られた検出結果のずれが小さくて、検出結果の正確さが向上する。

本発明における補助電極を追加する技術構成において、研究及び実験の結果によると、反応試薬の拡散時に到達しにくい（所定時間内に常に到達できない場合及びたまに到達できない場合を含む）、又は、その他の領域よりも明らかに遅く到達する領域（この領域は、反応試薬に覆われるべき領域である）に補助電極を追加するという技術構成では、反応試薬のこれらの領域での拡散能力を向上させるため、該構成は、反応試薬が密閉領域内で均一に拡散するとともに、密閉領域の境界を越えることなく密閉領域全体を覆うようにすることにより、反応試薬の拡散後の厚さを均一にするという目的に達することに有利であることが分かる。本特許出願（明細書及び特許請求の範囲を含むがこれらに限定しない）において、反応試薬が密閉領域６を充填し、満たし、ちょうど充填し、ちょうど満たし、覆う、ちょうど覆う（又はその他の類似した術語）とは、反応試薬が密閉領域６のすべての面積をほとんど完全に覆うとともに、この密閉領域６の境界をほとんど越えない又は溢れないことを指す。上記分析によって、該技術構成は、検出結果の正確さを向上させた。

実施例１ 楕円形試薬拡散制御領域を用いて電極に反応試薬を添加する
図３に示すバイオセンサは、絶縁性底板１、作用電極２、対電極３及び参照電極４を含む。電極システムに、反応試薬拡散制御層５が覆われており、この制御層５に、楕円形をなす反応試薬拡散制御領域６が含まれ、この試薬拡散制御領域６は、その開口面積が電極に添加されるべき試薬の面積と同じであると同時に、ちょうど電極活性領域の上に位置する。本実施例に記載のバイオセンサは、更に、空間造り層７と、排気孔を有する上蓋８とを含む。

バイオセンサの製造過程において、液体滴下方法によって反応試薬を楕円形の試薬拡散制御領域を介して電極に添加する。反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番ＭＯＴＩＣＡＭ２３０６、製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ（麦克迪奥実業集団有限公司））によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図４に表すように、電極に添加された反応試薬が均一に拡散し、試薬拡散制御領域によって限定された境界線６−１から溢れた試薬もない。そして、反応試薬２００が、境界線６−１によって画成された試薬領域全体をカバーし、制御領域全体が反応試薬の色を示す。そのため、本実施例に記載のバイオセンサにおいて、反応試薬の電極上における分布の一致性が良い。

実施例２ 円形試薬拡散制御領域を用いて電極に反応試薬を添加する
図５に示すのは、反応試薬拡散制御領域６の形状が円形である反応試薬拡散制御層５である。バイオセンサの製造過程において、液体滴下方法によって反応試薬を円形の試薬拡散制御領域を介して電極に添加する。反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番Ｍ０ＴＩＣＡＭ２３０６，製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ）によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図６に表すように、添加された反応試薬が、作用電極２、対電極３及び参照電極上で均一に拡散し、試薬拡散制御領域によって限定された境界線６−１から溢れた試薬もない。そして、反応試薬２００が試薬領域全体をカバーし、即ち、制御領域全体が反応試薬の色を示す。そのため、本実施例に記載のバイオセンサにおいて、反応試薬の電極上における分布の一致性が良い。

実施例３ 補助拡散電極付きの電極システムに反応試薬を添加する
図７に示すバイオセンサの電極システムは、機能的電極２、３、４と補助電極１２とを含む。該バイオセンサは、楕円形６を有する反応試薬拡散制御層５を更に含む。バイオセンサの製造過程において、液体滴下方法によって反応試薬を楕円形の試薬拡散制御領域を介して電極に添加する。反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番ＭＯＴＩＣＡＭ２３０６、製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ）によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図８に表すように、添加された反応試薬が電極上で均一に拡散し、試薬拡散制御領域によって限定された境界線６−１から溢れた試薬もない。そして、反応試薬２００が試薬領域全体をカバーし、即ち、制御領域全体が反応試薬の色を示す。そのため、本実施例に記載のバイオセンサにおいて、反応試薬の電極上における分布の一致性が良い。

実施例４ ダブル円形試薬拡散制御領域に補助拡散電極を結合するデザインを用いる
図９に示すのは、ダブル円形６を有する反応試薬拡散制御層５である。面と向かったダブル円形試薬拡散制御層は、二つのバイオセンサを同時に製造することに用いることができる。バイオセンサの製造過程において、絶縁底板上に２セットの電極システムを面と向かって配置し、電極システムに、作用電極２、対電極３及び参照電極４を含み、また、補助拡散電極１２も含む。図９に、三つの補助拡散電極１２が含まれ、そのうちの二つが２セットの機能的電極（作用電極２、対電極３及び参照電極４）の最外端に位置し、もう一つが２セットの機能的電極の中間に位置して、共通の補助拡散電極とする。図９に示す反応試薬拡散層をこの電極システムの上に配置してから、電極システムに反応試薬を滴下する。

バイオセンサの製造過程において、液体滴下方法によって反応試薬を楕円形の試薬拡散制御領域を介して電極に添加する。反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番ＭＯＴＩＣＡＭ２３０６、製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ）によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図１０に表すように、添加された反応試薬が均一に拡散し、試薬拡散制御領域によって限定された境界線６−１から溢れた試薬もない。そして、反応試薬２００が試薬領域全体をカバーし、即ち、制御領域全体が反応試薬の色を示す。そのため、本実施例に記載のバイオセンサにおいて、反応試薬の電極上における分布の一致性が良い。

実施例５ 頂角が弧形であるダブル矩形試薬拡散制御領域に補助拡散電極を結合するデザインを用いる
図１１に示すのは、頂角が弧形であるダブル矩形試薬拡散制御領域６を有する反応試薬拡散制御層５である。このようなダブル矩形試薬拡散制御層は、二つのバイオセンサを同時に製造することに用いることができる。バイオセンサの製造過程において、絶縁底板上に２セットの電極システムを面と向かって配置し、電極システムに、作用電極２、対電極３及び参照電極４を含み、また、補助拡散電極１２も含む。図１１に、三つの補助拡散電極１２が含まれ、そのうちの二つが２セットの機能的電極の最外端に位置し、もう一つが２セットの機能的電極の中間に位置して共共通の補助拡散電極とする。図１１に示す反応試薬拡散層をこの電極システムの上に配置してから、電極システムに反応試薬を滴下する。

バイオセンサの製造過程において、液体滴下方法によって、反応試薬を、円弧形頂角を有する矩形の試薬拡散制御領域を介して電極に添加する。反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番Ｍ０ＴＩＣＡＭ２３０６、製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ）によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図１２に表すように、添加された反応試薬が均一に拡散し、溢れた試薬もない。そして、反応試薬が試薬領域全体をカバーし、即ち、制御領域全体が反応試薬の色を示す。そのため、本実施例に記載のバイオセンサにおいて、反応試薬の電極上における分布の一致性が良い。

実施例６ 直角長方形試薬拡散制御領域を用いて電極に反応試薬を添加する
図１３に示すのは、従来技術における方法によりバイオセンサを製造することである。絶縁性底板１に電極システムを添加し、電極に、矩形試薬拡散制御領域６を有する拡散制御層５を覆い、矩形試薬拡散制御領域がちょうど電極の活性領域即ち電極反応試薬が添加されるべき領域に位置する。液体滴下方法によって、反応試薬を試薬拡散制御領域という溝孔を介して電極に添加した後、空間造り層７及び上蓋８を被せる。

反応試薬が電極システムに添加された後、デジタルステレオ顕微鏡（顕微鏡型番ＭＯＴＩＣＡＭ２３０６，製造元ＭＯＴＩＣ ＣＨＩＮＡ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．， ＬＴＤ） によって試薬の電極上における分布状況を撮影することにより、反応試薬の電極上における分布状況図を観察する。図１４に表すように、添加された反応試薬が矩形領域全体を覆うことができなく、矩形拡散制御領域の四つの頂端５０に試薬が到達していないが矩形領域の両側からは添加された試薬が溢れてしまい、これで、電極上における試薬の厚さが不均一になることを引き起こす。

実施例７は、バイオセンサによる標準品におけるグルコースの含有量測定の正確さ分析
グルコース標準品の溶液を調製して、実施例３及び実施例６におけるバイオセンサによって該標準液におけるグルコースの含有量を測定する。

表１及び図１５は、本発明に記載の実施例３におけるバイオセンサによって標準品におけるグルコースの含有量を測定することである。実施例３におけるバイオセンサの電極システムが、補助拡散電極を含み、また、楕円形拡散制御領域を有する反応試薬拡散制御層も含む。測定結果から、その測定された相関係数Ｒ２値が０．９９９３に至ったことが分かる。表２及び図１６は、従来技術における実施例６のバイオセンサによって標準品におけるグルコースの含有量を測定することである。実施例６におけるバイオセンサは、補助拡散電極を含まなく、反応試薬拡散制御領域が、頂角が直角の矩形である。測定結果から、その測定された相関係数Ｒ２値がただ０．９９４１であることが分かる。

表１ 実施例３におけるバイオセンサによって標準品におけるグルコースの含有量を測定する測定結果

表２ 実施例７におけるバイオセンサによって標準品におけるグルコースの含有量を測定する測定結果

実験結果から分かるように、実施例３において、補助拡散電極が用いられ、また、そのバイオセンサに、楕円形拡散制御領域を有する反応試薬拡散制御層が含まれ、その測定結果の変動係数（ＣＶ）及び標準偏差（ＳＤ）は、いずれも従来技術におけるバイオセンサ（即ち、補助拡散電極が用いられず、試薬拡散制御領域が長方形デザインである）によって測定された結果の変動係数（ＣＶ）及び標準偏差（ＳＤ）の値よりも低い。そのため、本発明におけるバイオセンサによりサンプルにおけるグルコースの含有量を測定すると、その含有量測定の再現性が良く（即ち、同じバッチで生産された複数のバイオセンサによって同じバッチのサンプルを検出する時、得られた検出結果の間の差異が従来技術よりも小さく）、測定結果がより正確である。

Claims (9)

1. 絶縁性底板と、絶縁性底板の上に位置する電極システムとを備え、電極システムにはテストサンプルと反応可能な反応試薬が設けられるバイオセンサであって、
   前記電極システムが、検出用の機能的電極と、反応試薬の拡散を制御するための補助拡散電極とを含み、機能的電極が補助拡散電極の間に位置し、前記補助拡散電極が前記機能的電極よりも前記反応試薬の拡散制御領域の中心点から比較的に遠い位置に設けられることを特徴とするバイオセンサ。
2. 少なくとも二つの補助拡散電極を含むことを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 前記少なくとも二つの補助拡散電極がそれぞれ機能的電極の外側に位置することを特徴とする請求項２に記載のバイオセンサ。
4. 補助拡散電極と機能的電極との間の距離は、機能的電極に添加された反応試薬の前端がちょうど該補助拡散電極に当接できるように設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
5. 機能的電極は、作用電極、対電極及び参照電極を含み、これらの機能的電極と補助電極とが並列に配置され、互いに略平行であることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
6. 前記補助電極は二つがあり、それぞれ機能的電極の外側に位置することを特徴とする請求項５に記載のバイオセンサ。
7. 電極システムの一部を覆う絶縁層を含み、この絶縁層は、反応試薬の所在する位置に絶縁層のない密閉領域を形成し、反応試薬が、この密閉領域内における電極部分の上に位置し、前記の絶縁層によって囲まれてなる密閉領域が、尖角を持たない密閉境界を有し、反応試薬が前記密閉境界を越えないように前記密閉領域を覆うことを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
8. 前記密閉境界の形状が、円形、楕円形、二つの対向した楕円形、又は四つの頂角が円弧形の矩形であることを特徴とする請求項７に記載のバイオセンサ。
9. 前記絶縁層の厚さが３−３０ミクロンであることを特徴とする請求項８に記載のバイオセンサ。