JPH0658338B2

JPH0658338B2 - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH0658338B2
Application number: JP63121002A
Authority: JP
Inventors: 史朗南海; 真理子河栗; 真由美藤田; 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: 1994-08-03
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPH01291153A

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サに関する。

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
液の希釈や撹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６１−２９４３５１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′），５３（５
３′），５４（５４′）を形成し、絶縁層５５を設けた
後、電極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とカバー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
電子受容体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を設けたもので
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３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ＣＭＣ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−ＧＯＤ層からなる反応
層１４を形成した。この場合、ＣＭＣとＧＯＤ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の厚みを有し、その中央部を幅２mm、長さ７mm
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２mm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／ｄｌ）
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満
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１Ｖ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、酵素反応で生成した過酸化水素が測定電極で酸化さ
れ、これにともなう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サ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。

また、上記と同一仕様のグルコーセンサ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、従来構成のものにおいては低湿度
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−ＧＯＤ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シアン化カリウムを用い、平
均粒系が約１０μmm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−
ＧＯＤ−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１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。

上記においては、ＣＭＣ、ＧＯＤ、電子受容体の層を順
次形成して反応層を作成したが、これら３成分の混合水
溶液を電極上へ展開、乾燥することにより、均質な反応
層を製造することができた。このようにして得られたセ
ンサ３０箇について前記同様にグルコース標準液に対す
る応答電流値を測定したところ、変動係数は2.3％と良
好であった。

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５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、２１、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「くし
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、１
２、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く、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。

さらに、上記３組の電極系に各々異なる酸化還元酵素を
担持することにより、１箇のセンサで多成分を同時に計
測しうるマルチセンサを構成することができる。

（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１１、１２と共通の導入口
１０がカバーに設けてある。

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びカバーは独立した部
材からなっているが、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親水性とするこ
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か、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０．１〜０．５mm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、デンプン系、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……リード、４，４１，４２，４３，
５３′……測定極、５，５′，５２′……対極、６，５
５……絶縁層、７，７′……スペーサ、８，８１，８２
……空間部、９，５８……カバー、１０……導入口、１
１，１２，１３……排出口、１４……反応層、５４′…
…参照極、５６……保持枠、５７……多孔体、。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。