JPH07119727B2 - バイオセンサの電極リフレッシュ方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明はバイオセンサの電極リフレッシュ方法および
その装置に関し、さらに詳細にいえば、測定開始前に電
極に対して測定時と異なる極性のバイアスを与えるため
の電極リフレッシュ装置に関する。

＜従来の技術、および発明が解決しようとする問題点＞ 従来から、非常に複雑な有機化合物等を高感度、かつ高
選択的に検知することができるという特質に着目して、
種々のバイオセンサの研究が行なわれている。

このようなバイオセンサの代表的なものとして、電極に
生理活性物質を固定しておき、所定の順バイアスを与え
た状態で電極から取出される電気信号に基いて測定対象
物質の存在の有無、存在量等を検知するもの、例えば、
Ptで作用電極、および対向電極を形成し、酵素膜に固定
された酵素と対象物質との反応により生成されるH₂O₂を
H₂O₂透過膜を通して電極表面に導き、透過したH₂O₂の量
に対応する電気信号を取出して測定対象物質の存在の有
無、存在量等を検知するものが提案されている。具体的
には、対向電極を基準として作用電極に0.6Vの順バイア
ス電圧を印加している。

また、このようなバイオセンサにおいては、電極に順バ
イアスを与えた状態での対象物質測定動作を継続するこ
とにより、作用電極表面に酸化膜等の通電妨害膜が形成
され、作用電極の活性が低下するので、ある程度の回数
の測定動作を行なった後、測定動作を行なわない期間に
逆バイアスを与えることにより（上記の具体例に対応さ
せれば、対向電極を基準として、作用電極に−0.6V程度
の逆バイアス電圧を印加することにより）通電妨害膜を
除去し、作用電極の活性を復元させ、取出される電気信
号のレベルを再び元のレベルにまで復元させることが提
案されている（特開昭60−155959号公報参照）。

そして、このように非測定時に所定の逆バイアスを与え
ることにより、低下した測定感度を回復させ、再び高感
度の測定動作を行なうことができる。

しかし、上記の電極リフレッシュ装置においては、作用
電極と対向電極との間にリフレッシュ用の定電圧を印加
しているのであるから、作用電極の表面の酸化膜が還元
されることに伴なって水素、水素イオン等が発生するこ
ととなり、測定用の定電圧を印加した場合にこれら水
素、水素イオン等に起因する拡散電流が流れる。

この結果、取出される電気信号が拡散電流の影響を受け
て小さくなってしまい、測定用の定電圧印加直後におけ
る測定精度が大幅に低下してしまう。また、拡散電流が
十分に小さくなってから測定を行なうようにすれば十分
な測定精度を得ることができるのであるが、著しく長い
待ち時間（例えば、１〜２分）が必要になってしまう。

また、作用電極、および対向電極の他に参照電極を設け
たバイオセンサにおいても同様の不都合がある。

＜発明の目的＞ この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
電極リフレッシュ動作を行なってから測定動作を開始で
きるまえの所要時間を短縮することができるバイオセン
サの電極リフレッシュ方法およびその装置を提供するこ
とを目的としている。

＜問題点を解決するための手段＞ 上記の目的を達成するための、この発明の電極リフレッ
シュ方法は、作用電極に所定の逆バイアスを所定時間供
給した後、逆バイアスの供給により発生した物質を消費
させるために測定時の順バイアスよりも高い順バイアス
を所定時間供給する方法である。

上記の目的を達成するための、この発明の電極リフレッ
シュ装置は、作用電極にリフレッシュ用の電圧を供給す
るリフレッシュ用電圧供給手段と、測定用の電圧を供給
する測定用電圧供給手段と、逆バイアスの供給により発
生した物質を消費させるための、測定用の電圧より高い
電圧を供給する高電圧供給手段と、測定動作遂行時に、
上記リフレッシュ用電圧供給手段によるリフレッシュ用
の電圧供給状態と上記高電圧供給手段による電圧供給状
態と上記測定用電圧供給手段による測定用の電圧供給状
態とをこの順に選択する選択手段とを具備している。

＜作用＞ 以上の電極リフレッシュ方法であれば、逆バイアスを供
給することにより作用電極表面の通電妨害物質を還元し
て活性を高めることができ、次いで測定時の順バイアス
よりも高い順バイアスを供給することにより、通電妨害
物質の還元に伴なって発生した物質を高速に一方の電極
に向かって移動させることができる。したがって、測定
時の順バイアスを供給した状態において上記物質を速や
かに消費させることができ、所定の精度を維持した測定
を開始できるまでの所要時間を著しく短縮できる。

以上の構成の電極リフレッシュ装置であれば、実際に測
定動作を開始する前に、選択手段により、リフレッシュ
用電圧供給手段によるリフレッシュ用の電圧供給状態お
よび高電圧供給手段による電圧供給状態とをこの順に選
択するので、先ず、作用電極表面における通電妨害物質
の除去を行なう。そして、通電妨害物質が除去された後
は、測定用の電圧よりも高い電圧を供給して、通電妨害
物質の除去に伴なって発生する物質を高速に一方の電極
に向かって移動させる。その後は測定用の電圧を供給し
た場合に、上記物質が速かに消費され、短時間で所定の
精度での対象物質の濃度測定を開始できる。

さらに詳細に説明すると、上記リフレッシュ動作は、作
用電極の表面に形成された通電妨害物質を除去する動作
であり、通電妨害物質は酸化により生成されているので
あるから還元動作を行なわせることにより簡単に通電妨
害物質を除去できる。この場合において、通電妨害物質
の除去に伴なって必然的に水素、水素イオン等が発生
し、測定用の電圧を供給した場合にこれらの発生物質が
拡散するので、拡散電流が十分に小さくなって後でなけ
れば高精度の対象物質の濃度測定を行なうことができな
い。具体的には、例えば測定用の順バイアスを0.75Vに
設定し、逆バイアスを−1V、４秒間に設定した場合に１
〜２分待たなければ拡散電流が十分には小さくならな
い。したがって、測定を開始できるまでに長い待ち時間
が必要であるという不都合がある。

しかし、この発明においては、測定用の電圧を供給する
前に測定用の電圧よりも高い電圧を供給するようにして
いるので、通電妨害物質の除去に伴なって発生した物質
を高速に一方の電極に向かって移動させることができ
る。したがって、測定用の電圧を供給した時点において
上記物質は十分に一方の電極に接近しているのであるか
ら、測定用の電圧を供給した場合に上記物質が速かに消
費され、高精度の対象物質の濃度測定を開始できるまで
の時間を大幅に短縮できる。

第４図は上記動作を説明する図であり、同図（A1）〜
（A3）は従来の場合に、同図（B1）〜（B3）はこの発明
の場合にそれぞれ対応している。

即ち、同図（A1）（B1）に示すように、通電妨害物質が
除去された時点においては同じ量の生成物質が作用電極
と参照電極との間に存在している。そして、従来の場合
には、同図（A2）に示すように作用電極に向かう比較的
小さい移動力が生成物質に作用するだけであるから、所
定量の生成物質が消費されるまでの所要時間が長くな
る。即ち、同図（A3）に示すように、所定時間が経過し
た時点において生成物質は余り作用電極に接近しておら
ず、これらの大半が作用電極に到達して消費されるまで
に長時間がかかることになる。これに対してこの発明の
場合には、同図（B2）に示すように先ず、作用電極に向
かう比較的大きい移動力が生成物質に作用するので、上
記時間と等しい時間が経過した時点において生成物質が
作用電極にかなり接近することになる（同図（B3）参
照）。その後は、従来の場合と同じ移動力が作用するの
であるが、生成物質が既に作用電極に接近しているので
あるから、所定量の生成物質が消費されるまでの所要時
間が短くなる。

この結果、実際の測定動作を開始できるまでの所要時間
を大巾に短縮することができる。尚、第４図は３電極式
のバイオセンサの場合を示しているが、参照電極を有し
ていない２電極式のバイオセンサであっても同様であ
る。

＜実施例＞ 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の電極リフレッシュ装置の一実施例を
示す電気回路図であり、Ptからなる作用電極（１）と、
Agからなる参照電極（２）および対向電極（３）を有す
る、いわゆる３電極式の酵素電極に対するリフレッシュ
を行なわせるようにしてある。

上記参照電極（２）、および対向電極（３）は、それぞ
れオペアンプ（４）の反転入力端子（4a）および出力端
子（4c）に接続されており、上記オペアンプ（４）の非
反転入力端子（4b）がスイッチ素子（6a）を介して抵抗
分圧回路（７）の高電圧タップ（7a）、低電圧タップ
（7b）およびアースと選択的に接続されている。また、
測定信号取出し用の電流−電圧変換用オペアンプ（８）
の反転入力端子（8a）を上記作用電極（１）と接続して
おり、出力端子（8c）と反転入力端子（8a）との間に電
流−電圧変換用抵抗（９）を接続しているとともに、反
転入力端子（8a）と非反転入力端子（8b）との間に、ダ
イオード（10a）（10b）を互に逆極性で並列接続してい
る。そして、非反転入力端子（11b）に測定用の直流電
源（12）を接続し、出力端子（11c）と反転入力端子（1
1a）とを直接接続したバッファアンプ（11）の出力端子
（11c）を上記電流−電圧変換用オペアンプ（８）の非
反転入力端子と接続している。尚、上記直流電源（12）
は0.75Vの順バイアスを与えるものであり、上記高電圧
タップ（7a）および低電圧タップ（7b）は、それぞれ−
1V,1Vのバイアスを与えるものであり、（18）はスイッ
チ素子（6a）の動作を制御する選択手段としての制御部
である。

第２図は上記電極リフレッシュ装置が適用される酵素電
極の一例を示す縦断面図であり、電極本体（13）の所定
位置に作用電極（１）を設けているとともに、作用電極
（１）の全外周を包囲するリング状の参照電極（２）、
および対向電極（３）をこの順に設けている。そして、
上記作用電極（１）、参照電極（２）、および対向電極
（３）を設けている側の面を凸面にしているとともに、
凸面に沿うように、過酸化水素選択透過膜（14）、グル
コースオキシダーゼ（以下、GODと略称する）を固定し
た固定化GOD膜（15）、およびポリビニルアセテート等
からなる拡散制限膜（16）をこの順に設けている。尚、
（17）は上記作用電極（１）、参照電極（２）、および
対向電極（３）とそれぞれ接続された信号取出し端子で
ある。

上記の構成のグルコース濃度センサの動作は次のとおり
である。

グルコース濃度の測定を行なう場合には、先ず、スイッ
チ素子（6a）を動作させることによりオペアンプ（４）
の非反転入力端子（4b）と抵抗分圧回路（７）の高電圧
タップ（7a）とを接続し、作用電極（１）と参照電極
（２）との間にリフレッシュ用の定電圧（例えば、−1
V）を印加する（第３図（Ａ）（Ｂ）中領域R1参照）。

この状態においては、作用電極（１）の表面に形成され
た通電妨害物質を還元すべく電流が流れるので、比較的
短い所定時間だけリフレッシュ用の定電圧印加状態を継
続することにより、通電妨害物質を完全に除去し、作用
電極（１）の活性を復元させることができる。そして、
この状態においては作用電極（１）と参照電極（２）と
の間に水素、水素イオン等が存在することになる。

次いで、スイッチング素子（6a）を制御することによ
り、オペアンプ（４）の非反転入力端子（4b）と抵抗分
圧回路（７）の低電圧タップ（7b）とを接続し、作用電
極（１）と参照電極（２）との間に測定用の電圧よりも
高い電圧（例えば、1V）を印加する（第３図（Ａ）
（Ｂ）中領域R2参照）。

この状態においては、浮遊している水素、水素イオン等
を作用電極（１）に向かって移動させるべく大きな移動
力が作用するので、比較的短い時間だけ高い電圧を印加
するだけで水素、水素イオン等の殆どを作用電極（１）
に接近させることができる。

その後、スイッチング素子（6a）をさらに制御すること
によりオペアンプ（４）の非反転入力端子（4b）とアー
スとを接続し、作用電極（１）に対して、参照電極
（２）を基準として所定の電圧（例えば、0.75V）を順
バイアスとして印加すれば、短時間で水素、水素イオン
等を消費し、濃度測定可能な状態とすることができる。
具体的には、従来１〜２分程度の時間がかかっていたの
に対してこの実施例においては30〜45秒程度に短縮でき
た。

したがって、この状態において測定対象溶液を酵素電極
に滴下すればよく、以下のようにしてグルコース濃度に
対応する信号を出力することができる。

上記滴下された測定対象溶液は、拡散制限膜（16）によ
りグルコースの透過がある程度制限された状態で固定化
GOD膜（15）に導かれ、 で示される酵素反応が行なわれる結果、存在するグルコ
ース濃度に対応する量のH₂O₂が生成される。そして、生
成されたH₂O₂が、過酸化水素選択透過膜（14）を通して
十分な活性を有する状態に復元させられた作用電極
（１）の表面に導かれ、しかも上記順バイアス電圧が印
加されているので、作用電極（１）の表面において酸化
反応が行なわれると同時に作用電極（１）を通してH₂O₂
の量に対応する電流が流入する。この電流は、電流−電
圧変換用オペアンプ（８）の反転入力端子（8a）に供給
されるのであるから、出力端子（8c）から、上記電流に
比例した電圧信号に順バイアスによるオフセット電圧が
重畳された電圧信号を取出すことができる。

したがって、その後は、上記電流に比例する電圧信号の
みを抽出し、一次微分を施して、一次微分値のピーク値
を検出し、必要な処理を行なうことにより高精度のグル
コース濃度検出信号を得ることができる。

＜実施例２＞ 第５図は他の実施例を示すブロック図であり、上記実施
例と異なる点は、オペアンプ（４）の非反転入力端子
（4b）をコンデンサ（５）を介してアースと接続した
点、および非反転入力端子（4b）を抵抗（5a）およびス
イッチ素子（6a）を介して抵抗分圧回路（７）の高電圧
タップ（7a）、低電圧タップ（7b）と接続した点のみで
ある。

したがって、この実施例の場合には、抵抗（5a）および
コンデンサ（５）に基づいて定まる時定数でバイアスが
増加し（第６図（Ａ）参照）、この結果、第６図（Ｂ）
に示すように、通電電流のアンダーシュート、オーバー
シュートを大幅に抑制できる。即ち、過大な電流が流れ
ることを確実に防止できる。また、過大な電流が流れる
ことを防止できる関係上、電極表面の薄膜が受けるダメ
ージを大幅に低減し、従来は１カ月程度であった薄膜の
寿命を１年程度にまで延ばすことができた。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、例えばリフレッシュ用の電圧、高い電圧の値を代え
ること、および電圧値に対応して印加時間を変化させる
ことが可能であるほか、グルコース以外の物質の濃度を
測定する装置に適用することが可能であり、さらに２電
極式のバイオセンサに適用することが可能であるほか、
この発明の要旨を変更しない範囲内において種々の設計
変更を施すことが可能である。

＜発明の効果＞ 以上のように第１の発明は、バイオセンサの作用電極に
一定の逆バイアスを供給することにより作用電極のリフ
レッシュを行なわせ、その後、作用電極に測定用の順バ
イアスを供給する前に逆バイアスの供給により発生した
物質を消費させるために測定用の順バイアスよりも高い
順バイアスを供給するのであるから、リフレッシュに伴
なって発生した物質を速かに消費させることができ、所
定の精度での測定を行ない得るまでの所要時間を大幅に
短縮できるという特有の効果を奏する。

第２の発明も、所定の精度での測定を行ない得るまでの
所要時間を大幅に短縮できるという特有の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電極リフレッシュ装置の一実施例を
示す電気回路図、 第２図は電極の一例を示す概略図、 第３図は電極リフレッシュ時におけるバイアスの変化お
よび電流の変化を示す図 第４図はリフレッシュに伴なって発生する物質の挙動を
説明する図、 第５図は電極リフレッシュ装置の他の実施例を示す電気
回路図、 第６図は電極リフレッシュ時におけるバイアスの変化お
よび電流の変化を示す図。 （１）……作用電極、（２）……参照電極、 （３）……対向電極、（４）……オペアンプ、 （6a）……スイッチ素子、（7a）……高電圧タップ、 （7b）……低電圧タップ、（12）……直流電源、 （18）……制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酵素が固定された作用電極（１）に所定の
   順バイアスを供給した状態で、作用電極（１）と対向電
   極（３）との間に生成される電気的信号に基いて対象物
   質の濃度測定を行なうバイオセンサにおいて、作用電極
   （１）に所定の逆バイアスを所定時間供給した後、逆バ
   イアスの供給により発生した物質を消費させるために測
   定時の順バイアスよりも高い順バイアスを所定時間供給
   することを特徴とするバイオセンサの電極リフレッシュ
   方法。
2. 【請求項２】酵素が固定された作用電極（１）に所定の
   順バイアスを供給した状態で、作用電極（１）と対向電
   極（３）との間に生成される電気的信号に基いて対象物
   質の濃度測定を行なうバイオセンサにおいて、作用電極
   （１）にリフレッシュ用の電圧を供給するリフレッシュ
   用電圧供給手段（6a）（7a）と、測定用の電圧を供給す
   る測定用電圧供給手段（12）と、逆バイアスの供給によ
   り発生した物質を消費させるための、測定用の電圧より
   も高い電圧を供給する高電圧供給手段（6b）（7b）と、
   測定動作遂行時に、上記リフレッシュ用電圧供給手段
   （6a）（7a）によるリフレッシュ用の電圧供給状態と上
   記高電圧供給手段（6b）（7b）による電圧供給状態と上
   記測定用電圧供給手段（12）による測定用の電圧供給状
   態とをこの順に選択する選択手段（18）とを具備するこ
   とを特徴とするバイオセンサの電極リフレッシュ装置。