JPH01291153A

JPH01291153A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH01291153A
Application number: JP63121002A
Authority: JP
Inventors: Shiro Nankai; 史朗南海; Mariko Kawaguri; 真理子河栗; Mayumi Fujita; 真由美藤田; Takashi Iijima; 孝志飯島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1989-11-22
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPH0658338B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、種々の微量の生体試料中の特定成分について
、試料液を希釈することなく迅速かつ簡便に定量するこ
とのできるバイオセンナに関する。

従来の技術従来、血液などの生体試料中の特定成分について、試料
液の希釈や攪拌などを行なうことなく簡易に定量し得る
方式として、特開昭Ｅｌｌ−２９４３５１号公報に記載
のバイオセンサを提案した（第１０図）。このバイオセ
ンサは、絶縁性の基板５１上にスクリーン印刷等の方法
でカーボンなどからなる電極系５２　（５２’　）、５
３　（５３’　）。

５４　（５４’　）を形成し、絶縁層５５を設けた後、
電ｉ系の上を酸化還元酵素と電子受容体を担持した多孔
体５７で覆い保持枠５６と力／＜−５８で全体を一体化
したものである。試料液を多孔体上へ滴下すると、多孔
体に担持されている酸化還元酵素と電子受容体が試料液
に溶解し、試料液中の基質との間で酵素反応が進行し電
子受容体が還元される。反応終了後、この還元された電
子受容を電気化学的に酸化し、このとき得られる酸化電
流値から試料液中の基質濃度を求める。

発明が解決しようとする課題この様な従来の構成では、電極系を含む基板面の濡れが
必ずしも一様とならないため、多孔体と基板との間に気
泡が残り、応答電流に影響を与えたり反応速度が低下す
る場合があった。また、周囲の湿度が低いときには測定
中に試料液の水分が蒸発し、応答の変動がみうけられた
。

課題を解決するための手段本発明は上記課題を解決するため、電極系と反応層を有
する基板上に該反応層を含む空間部を形成し、前記空間
部に被検液を導入する導入口と、前記空間部の気体を前
記被検液の流入によって排出する排出口設けたものであ
る。

作用本発明によれば、ごく僅かの被検液量で極めて容易に、
かつ精度よく基質濃度を測定することのできるディスポ
ーザブルタイプのバイオセンサを構成することができる
。

実施例以下、本発明を実施例により説明する。

（実施例１）バイオセンサの一例として、グルコースセンサについて
説明する。

第１図は本発明のバイオセンサの一実施例として作製し
たグルコースセンサの分解斜視図であり、第２図はその
外観図、また第３図は、第２図に示すバイオセンサを長
手方向に中央部で切断した場合の断面図である。なお、
第１図には、第り図に示す反応層１４は示されていない
。

以下に、センサの作製方法について説明する。

ポリエチレンテレフタレートからなる絶縁性の基板１に
、スクリーン印刷により銀ペーストを印刷しリード２．
３（３’）を形成する。次に、樹脂バインダーを含む導
電性カーボンペーストを印刷し、加熱乾燥することによ
り、測定極４、対極５　（５”）からなる電極系を形成
する。さらに、電極系を部分的に覆い、電極の露出部分
の面積を一定とし、かつリードの不要部を覆うように絶
縁性ペーストを印刷し、加熱処理をして絶縁層６を形成
する。

次に、電極系４．５（５’）の露出部分を研磨後、空気
中で１００℃にて４時間熱処理を施した。

このようにして電極部分を構成した後、親水性高分子と
して、カルボキシメチルセルロース（以下ＣＭＣと略す
）の０．　５ｗｔ％水溶液を電極上へ展開、乾燥しＣＭ
Ｃ層を形成する。次に、このＣＭＣ層を覆うように、酵
素としてグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）をリン酸緩
衝液に溶解したものを展開し、乾燥させ、ＣＭＣ−ＧＯ
Ｄ層からなる反応層１４を形成した。この場合、ＣＭＣ
とＧ。

Ｄは部分的に混合された状態で厚さ数ミクロンの薄膜状
となっている。

次に、この基板１と樹脂板からなるスペーサ７とカバー
９の３つの部材について、第１図に示す様に、各部材間
が破線で示す位置関係になるように接着し、第２図の外
観図に示すように一体化した。ここで、スペーサは約３
００μｍの厚みを有−シ、その中央部を幅２關、長さ７
　ｍｍのＵ字型に切りとった形状をしており、切りとら
れた部分の端部は一体化したときに試料液の導入口１０
となり、中央部は空間部８を形成する。また、カバー９
は直径２　＋ｎの穴を有しており、一体化したときに排
出口１１となる。

上記のように構成したグルコースセンサの先端の導入口
を試料液であるグルコース標準液（２００ｍｇ／ｄ　ｌ
）に接触させると、試料液は導入口１０より内部へ導か
れる。このとき空間部８内の空気は排出口１１から速や
かに排出され、同時に空間部は排出口近傍まで試料液で
溝たされた。このように試料液は電極面上を速やかに拡
がり空間部を満たすため、気泡の残留は認められなかっ
た。

これは、導入口と排出口を設けることにより試料液の流
れが一方向となり、また、電極上に予め形成された親水
性高分子層により電極面の濡れが向上し、気液の交換が
円滑に行なわれることによるものと考えられる。

さらに、カバーやスペーサなど、空間部を構成する部材
の表面を界面活性剤で予め処理して親水性とすることに
より、さらに円滑な試料液の導入が可能であった。

一方、添加された試料液はＣＭＣを溶解し粘調な液体と
なり、試料液中のグルコースは電極上に担持されたグル
コースオキシダーゼの作用で酸素と反応して過酸化水素
を生成する。そこで、試料液を導入して１分後に電極間
にＩＶの電圧を印加することにより、測定極をアノード
方向へ分極した。上記のアノード方向への電圧印加によ
り、生成し過酸化水素の酸化電流が得られた。この電流
値は基質であるグルコースの濃度に対応する。

上記構成になるセンナの応答特性の一例として、電圧印
加５秒後の電流値とグルコース濃度との関係を第４図Ａ
に示すが、良好な応答特性が得られた。

マタ、上記と同一仕様のグルコ−センサス３０ケについ
て同じ試料液で試験したところ、変動係数は約５％と良
好であった。

さらに、第１０図に示す従来例の構成で試作したグルコ
ースセンサとともに、湿度が３０％と８０％の条件下で
、蒸発による影響についてそれぞれ１０ケのセンサを用
いて比較検討したところ、本発明になるグルコースセン
サにおいては５分放置後においてもその影響は無視し得
るものであったが、従来構成のものについては低湿度の
方が２分後において約３％高値を示した。

以上のように、本発明になる上記構成のグルコースセン
サは、微量の試料液をすみやかに反応層領域へ吸入し、
周囲の湿度等による影響を受けることなく、簡易、迅速
かつ高精度にグルコース濃度を測定することができる。

（実施例２）ＣＭＣ−Ｃ０Ｄ層を形成するまでは実施例１と全く同様
に作製した後、さらに以下に示す方法でＣＭＣ−ＧＯＤ
−電子受容体層からなる反応層を形成した。

電子受容体としてはフェリどアン化カリウムを用い、平
均粒系が約１０μｍ以下のものをトルエン中にレシチン
を用いて分散し、得られた分散液をｃＭｃ−ＧＯＤ層上
へ展開した。この後、トルエンを蒸発させて、ＣＭＣ−
Ｃ０Ｄ−電子受容体層からなる反応層を電極系上に形成
し、さらに実施例工と同様にしてスペーサ、カバーとと
もに一体化し、第２図に示す構造のグルコースセンサと
した。

次に、前記同様にしてセンサ先端部分よりグルコース標
準液を導入し、約１分後に両極間に６００ｍｖの電圧を
印加することにより、酵素反応で生成したフェロシアン
化カリウムを測定極で酸化し、このときの電圧印加５秒
後の電流値を測定した。この結果、第４図Ｂに示す様に
グルコース濃度と応答電流値の間に極めて良好な直線関
係が得られた。また、３０ケのセンサを用いて変動係数
を調べたところ、グルコース標準液について２゜６％、
全血試料について３％と極めて良好な値を示した。また
、蒸発の影響について実施例１と同様に試験したところ
、前記同様の効果が得られた。

上記実施例において、導入口及び排出口を設けるにあた
っては、第１図〜第３図に示した配置以外に、第６図の
分解斜視図および第６図の外観図に示すように、カバー
９と基板１にそれぞれ穴を設けて導入口１０と排出口１
１としてもよい。

また、第７図の分解斜視図に示すように、スペーサを７
と７′の２つに分けることにより、空間部８と導入口１
０及び排出口１１とすることもできる。

（実施例３）実施例１と同様の方法により、第８図に示す電極部を構
成した。すなわち、基板上に銀リード３．２Ｌ　　２２
．２３とこれらに対応する対極５及び３ケの測定極４１
．４２．４３を形成することにより、対極を共有する３
組の電極系を構成した。

次に、各々の測定極近傍に実施例２と同様にしてＣＭＣ
−ＧＯＤ−フェリシアン化カリウム層からなる反応層を
形成した。

次に、スペーサおよびカバーを実施例１と同様に接着し
て一体化した。ここで、スペーサはその一部が「＜シ状
」に切りとられており、この切りとられた部分が空間部
８を形成している。この空間部はそれぞれの電極系上に
分割されているが、全体としては連続しており、共通の
空間部となっている。また、端部は導入口１０となる。

これらの各電極系上に分割されて構成された空間部に対
応して、カバー９には３ケの穴をあけ排出口１１．１２
．１３を設けている。導入口１０を試料液に接触させる
と、３ケの排出口より空間部内の空気が排出されながら
試料液は空間部内へ速やかに導入される。

実施例２と同様にして、グルコース標準液に対する応答
を３ケの電極系について測定し、その平均値を求めて１
ケのセンサの応答値とした。これを、３０ケの同一仕様
の上記グルコースセンサについて試験したところ、変動
係数は２％と良好な値を示した。

ディスポーザブルタイプのセンサにおいては、各センサ
毎の電極面積などの差異をはじめとする誤差要因をいか
に小さくするかが信頼性向上において重要である。これ
らセンサ間の差異は同一試料液に対する測定値の差を生
ずる原因となっている。しかしながら、上記のように、
同一センサに複数の電極系を設け、その応答値の平均値
を得ることにより、より高精度な測定を迅速に行なうこ
とができる。

第８図には３組の電極を有する例について示したが、こ
れに限定されることはな（、さらに多数の電極系を設置
することが可能である。また、空間部の形状については
、電極系の形状や配置も同様であるが、図示したものに
限定されるものではない。

（実施例４）第９図に複数の電極系を有する構成の変形例を示す。す
でに述べた実施例１と同様の方法で、基板上に銀リード
２１．２２．３とこれらに対応する測定極４１．４２と
共通の対極５からなる２組の電極系を構成した。次に、
実施例２と同様にして、ＣＭＣ−ＧＯＤ−フェリシアン
化カリウム層からなる反応層を各々の電極系上へ形成し
た後、スペーサ７とカバー９を接着した。ここでスペー
サは独立した空間部８１．８２となる２ケの穴を有して
おり、これに対応する排出口ｌＬ１２と共通の導入口ｌ
Ｏがカバーに設けである。

上記構成のグルコースセンサについて、実施例３に述べ
たと同様に、グルコース標準液に対する２組の電極系の
応答値を平均して１ケのセンサの測定値とし、３０ケの
同一仕様のセンサについて試験したところ、変動係数は
２．２％と良好であった。

この様に、第９図に示すセンサにおいては、より高精度
な測定ができるほか、独立した空間部を有しているので
、１ケのセンサで異なる試料液、あるいは時間や温度等
の異なる条件下での測定に供することもできる。

上記においては、カバーに１ケの穴を設けて共通の導入
口としたが、この構成に限定されることはない。複数組
の電極系と複数の独立した空間部からなる測定系を構成
することが重要な点であり、２ケの穴を設けて、それぞ
れの空間部に対する導入口を構成してもよい。

以上に述べた実施例１〜４においては、空間部につなが
る導入口と排出口については、その好適な位置関係の一
例を実施例として図示したものであり、排出口を導入口
として、また導入口を排出口として用いてもよい。さら
に、各々の図に示したスペーサおよびカバーは独立した
部材がらなっているが、成形などにより１ケの一体部材
とすれば量産上有利である。

また上記、空間部を構成する部材表面を新水性とするこ
とにより、試料液の導入がより円滑となるが、このため
には親水性の材料を用いるが、あるいは実施例に述べた
ように、予め界面活°性剤で処理し親水性とすればよい
。

一方、基板とカバーの間隔は、スペーサの厚みあるいは
これに相当する部分の寸法を変えることによって調節す
ることができるが、大きすぎると空間部を満たすに要す
る試料液が多くなり、また毛管現象による液導入にも支
障をきたす。また、間隔が小さすぎると、電極間の抵抗
の増大や電流分布の乱れを生ずる。以上の点から、間隔
としては０．０５〜１．０ｍｍが適当であり、さらに好
ましくは０．１〜０．５．、である。

実施例においては、親水性高分子としてＣＭＣを用いた
が、その役割は、すでに述べたように試料液の円滑な導
入の他に、試料液に含まれる吸着性物質が電極へ吸着し
応答に影響するのを防止することにある。

親水性高分子としてはＣＭＣの他にゼラチンやメチルセ
ルロースなども使用でき、デンフン系、カルボキシメチ
ルセルロース系、ゼラチン系、アクリル酸塩系、ビニル
アルコール系、ビニルピロリドン系、無水マレイン酸系
のものが好ましい。

これらの吸水性あるいは水溶性の親水性高分子を適当な
濃度の溶液にしたものを塗布、乾燥することにより、必
要な膜厚の親水性高分子層を電極上に形成することがで
きる。

なお、以上の実施例においては電極部分が測定極と対極
の２電極からなる電極系について述べたが、電極系を参
照極を加えた３電極から構成することにより、さらに精
度を向上することがでる。

また、電極材料としては、実施例に示したカーボンは安
定で安価な材料として適しているが、これに制限される
ことはなく、他の貴金属材料や酸化物材料を用いてもよ
い。

また、電子受容体としては、実施例に示したフェリシア
ン化カリウムは安定性や反応速度の点で優れたものであ
るが、これ以外に、例えばキノン系化合物やフェロセン
系化合物などのレドックス化合物を用いることもできる
。

さらに、酸化還元酵素としては上記実施例に示したグル
コースオキシダーゼに限定されることはなく、アルコー
ルオキシダーゼやコレステロールオキシダーゼなど種々
の酵素を用いることができる。

発明の効果以上のように本発明によれば、電極系と反応層を有する
基板上に反応層を含む空間部を形成し、この空間部につ
ながる試料液の導入口と気体の排出口を設けることによ
り、ごく僅かの被検液量で極めて容易に、かつ精度よく
基質濃度を測定することのできる安価なディスポーザブ
ルタイプのバイオセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるバイオセンサの分解斜
視図、第２図はその外観図、第３図はその断面模式図、
第４図はバイオセンサの応答特性図、第５図は別の実施
例であるバイオセンサの分解斜視図、第６図はその外観
図、第７図、第８図および第９図はさらに別の実施例で
あるバイオセンサの分解斜視図、第１０図は従来のバイ
オセンサの分解斜視図である。１、５１・・・・・・基板、　２．　３．　３’、　　
２１．　２２゜２３、　　５２．　　５３．　　５４・
・・・・・　リ　−　ド、　　４，４１゜４２．４３．
５３’・・・・・・測定極、５．　５’、　　５２′・
・・・・・対極、８，５５・・・・・・絶縁層、７．７
’・・・・・・スペーサ、８，８１，８２・・・・・・
空間部、９．５８・・・・・・カバー、１０・・・・・
・導入口、１１．　１２．　１３・・・・・・排出口、
１４−・・・・・反応層、５４′・・・・・・参照極、
５６・・・・・・保持枠、５７・・・用多孔体、。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第　２　図第　３　図／　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
３　　　　　　ど　　　　　　８′第　４　図り゛ルコース鼻崖　（処Ｊム勾第５図ｔθ 第６図ｑ　　　　　　　　　　　／θ ／　　　７第７図第８図／　　　　　　　　　　　　Ｓ第９因＼第１０図ｓｉ　　　　　　　　　　、ｓｚ’

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電極系と反応層を有する基板上に前記反応層を含
む空間部を形成し、前記空間部に被検液を導入する導入
口と、前記空間部の気体を前記被検液の流入によって排
出する排出口を設けてなり、前記電極系は少くとも測定
極と対極を備え、前記反応層には酵素を担持してなり、
前記酵素と前記被検液の反応に際しての物質濃度変化を
前記電極系で検知し、前記被検液中の基質濃度を測定す
るバイオセンサ。
（２）電極系が複数組の電極系からなり、前記複数組の
電極系に各々対応した反応層と、共通の空間部を有して
なる請求項１記載のバイオセンサ。
（３）電極系が複数組の電極系からなり、前記複数組の
電極系に対応した反応層と空間部を各々有してなる請求
項１記載のバイオセンサ。
（４）反応層が、酵素と親水性高分子からなる請求項１
、２または３記載のバイオセンサ。
（５）反応層が、酵素と親水性高分子と電子受容体から
なる請求項１、２または３記載のバイオセンサ。
（６）空間部を構成する部材の表面が親水性を有してな
る請求項１、２または３記載のバイオセンサ。