JPH07122625B2 - バイオセンサの電極バイアス装置 - 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バイアス装置に関し、さ
らに詳細にいえば、測定時には電極を順バイアス（測定
のために必要な極性の電圧を印加すること、以下同じ）
し、電極リフレッシュ時には電極を逆バイアス（順バイ
アスと逆極性の電圧を印加すること、以下同じ）するた
めの電極バイアス装置に関する。

＜従来の技術＞ 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電極をアノードとし、Ag電極をカソードとし、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H₂
O₂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。

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、電極表面に酸化膜等の通電妨害膜が形成さ
れ、取出される電気信号のレベルが低下することになる
ので、所定のタイミングで、電極間に逆バイアスを与
え、通電妨害膜を除去し、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）。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記のように電極間に順バイアスを与える状態と、逆バ
イアスを与える状態とを選択的に出現させるための装置
として、例えば第４図に示すように、演算増幅器（41）
の反転入力端子（42）と出力端子（44）との間に抵抗
（45）を接続してなる電流−電圧変換回路を採用し、非
反転入力端子（43）を順バイアス供給源（46）と接続す
るとともに、電極（47）の一方（47a）を上記反転入力
端子（42）に接続し、電極（47）の他方（47b）を逆バ
イアス供給源（48）と接続する構成を採用することが考
えられる。

そして、このような構成を採用した場合には、順バイア
ス供給源（46）のみから順バイアスを与えることによ
り、第４図中に矢印で示すように、演算増幅器（41）の
出力端子→抵抗（45）→電極（47）の他方（47b）→電
極（47）の一方（47a）の順に電流が流れるので、電極
（47）に対して順バイアスを与えることができ、逆に、
逆バイアス供給源（48）のみから逆バイアスを与えるこ
とにより、電極（47）に対して逆バイアスを与えること
ができる。

したがって、順バイアスが与えられた状態において対象
物質の測定を行なうことができ、逆バイアスが与えられ
た状態において電極（47）のリフレッシュ（通電妨害膜
の除去）を行なうことができる。

しかし、上記電極（47）に対して与えられる順バイアス
電圧と逆バイアス電圧とは余り大差がないのであるが、
測定電流とリフレッシュ電流とを比較すると、リフレッ
シュ電流の方が大きい｛例えば、H₂O₂の量に対応する電
気信号を取出す電極の場合には、数百から数千mVの順バ
イアス電圧（変動を伴なわない一定値）に対して0.5〜2
Vの逆バイアス電圧（変動を伴なわない一定値）である
が、リフレッシュ電流は測定電流の数百倍程度である｝
ので、第４図の構成の装置であれば、リフレッシュ動作
時に演算増幅器（41）の出力端子（42）における出力電
圧が簡単に飽和してしまい、反転入力端子（42）におけ
る電位が変動するので、電極（47）に対して所定の逆バ
イアス電圧を与え続けることができず、初期のリフレッ
シュ性能を発揮させることができなくなるという問題が
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、
出力電圧が飽和し易い電流−電圧変換器を使用し、しか
も出力電圧の飽和の影響を受けることなく電極に一定の
送バイアスを与え続けることができるバイオセンサの電
極バイアス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、この発明の電極バイアス
装置は、電極の一方を、演算増幅器と、演算増幅器の反
転入力端子および出力端子の間に接続された抵抗とから
なる電流−電圧変換器の一方の入力端子に接続し、電極
の他方を逆バイアス供給源に接続しているとともに、電
流−電圧変換器の他方の入力端子を順バイアス供給源に
接続し、上記電流−電圧変換器の一方の入力端子と他方
に入力端子との間に、電極逆バイアス状態において導通
状態となる選択導通手段を接続しているものである。

この場合において、上記電流−電圧変換器の反転入力端
子が電極の一方に接続されているとともに、非反転入力
端子が順バイアス供給源に接続されているものであって
もよい。

＜作用＞ 以上の構成の電極バイアス装置であれば、生理活性物質
が固定された電極間に所定の順バイアスを供給すること
により対象物質の測定を行なう場合には、順バイアス供
給源から、演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子お
よび出力端子の間に接続された抵抗とからなる電流−電
圧変換器の他方の入力端子に電圧を供給することによ
り、電極間に所定の順バイアスを与えることができる。
逆に、逆バイアス供給源から電極の他方に対して電圧を
供給することにより、電極を逆バイアス状態とし、通電
妨害膜を除去することができる。そして、この逆バイア
ス状態において、逆バイアス電流が著しく大きく、電流
−電圧変換器が飽和しようとすることになるのである
が、選択導通手段により電流−電圧変換器の両入力端子
間が導通されるので、上記飽和状態は出現せず、一定の
逆バイアス電圧を与えた状態を継続させることにより、
通電妨害膜の除去を確実に行なうことができる。

また、この場合において、電流−電圧変換器の反転入力
端子が電極の一方に接続されているとともに、非反転入
力端子が順バイアス供給源に接続されている場合にも、
上記と同様の作用を達成することができる。

＜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バイアス装置の一実施例を示す
電気回路図であり、電流−電圧変換用オペアンプ（１）
の出力端子（1c）と反転入力端子（1a）との間に電流−
電圧変換用抵抗（２）を接続しているとともに、、反転
入力端子（1a）と非反転入力端子（1b）との間に、アノ
ードが反転入力端子側となるようにダイオード（３）を
接続している。そして、上記反転入力端子（1a）を、生
理活性物質を固定した電極（４）のうち、アノード側電
極（4a）と接続し、カソード側電極（4b）を抵抗（5a）
を介して逆バイアス供給端子（５）と接続しているとと
もに、ツェナーダイオード（６）を介してアース（７）
と接続している。また、定電圧源（８）からの出力電圧
を抵抗（8a）（8b）により分圧し、バッファアンプ
（９）を通して上記非反転入力端子（1b）に供給してい
る。

第２図は電極（４）の一例を示す概略図であり、Pt等か
らなる中心電極（11）と、Ag等からなる対向電極（12）
とを互に所定間隔を隔てて配設しているとともに、上記
両電極（11）（12）の表面を蔽うように固定化酵素膜
（13）、および測定対象物質の透過を制限する拡散制限
膜（14）を配設している。

したがって、測定対象物質の濃度が高くても、拡散制限
膜（14）により透過が制限されて、余り濃度が高くない
状態で固定化酵素膜（13）に導かれることになる。そし
て、固定化酵素膜（13）において測定対象物質と酵素と
が反応することにより、H₂O₂等を生成し、或は、O₂等を
消失させるので、上記両電極（11）（12）の間に所定の
順バイアス電圧を印加した状態において（H₂O₂の量に対
応する信号を生成する場合には、中心電極（11）がアノ
ードに設定され、逆に、O₂の量に対応する信号を生成す
る場合には、中心電極（11）がカソードに設定された状
態において）、生成物質、或は消失物質の量に対応する
電気信号（具体的には、変化する電流信号）を上記両電
極（11）（12）から取出すことができる。

上記の構成の電極バイアス装置の動作は次のとおりであ
る。

対象物質の測定を行なう場合には、逆バイアス供給端子
（５）から0Vを出力することにより、カソード側電極
（4b）を接地状態にすればよい。

さらに詳細に説明すれば、定電圧源（８）により常時所
定電圧を生成して抵抗（8a）（8b）により分圧し（分圧
電圧は、Pt−Ag電極の場合には0.9Vに分圧し）、バッフ
ァアンプ（９）を通して上記電流−電圧変換用オペアン
プ（１）の非反転入力端子（1b）に供給しているのであ
るから、ダイオード（３）が逆バイアス状態になるの
で、アノード側電極（4a）には、電流−電圧変換用オペ
アンプ（１）の反転・非反転入力端子間の仮想接地によ
り、反転入力端子（1a）を介して上記分圧電圧が印加さ
れる。即ち、電極（４）は順バイアス状態になる。この
場合の電流経路は、第１図中に矢印で示すように、定電
圧源（８）→分圧抵抗→バッファアンプ（９）→電流−
電圧変換用オペアンプ（１）の非反転入力端子→電流−
電圧変換用オペアンプ（１）の出力端子→電流−電圧変
換用抵抗（２）→アノード側電極（4a）→カソード側電
極（4b）となる。

したがって、この順バイアス状態において、固定化酵素
膜（13）の固定された酵素と測定対象物質との反応によ
り生成され、或は消失させられた物質の量に対応する電
流がアノード側電極（4a）からカソード側電極（4b）に
向かって流れ、しかも、ダイオード（３）が非導通状態
になっているのであるから、電流−電圧変換用オペアン
プ（１）の出力端子（1c）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。

逆に、電極のリフレッシュを行なう場合には、逆バイア
ス供給端子（５）から上記分圧電圧よりも高い電圧（例
えば5V）を出力すればよい。

さらに詳細に説明すれば、上記電流−電圧変換用オペア
ンプ（１）の非反転入力端子（1b）には、順バイアス時
と同様に分圧電圧が供給されているのであるから、ツェ
ナーダイオード（６）を通して電極（４）が逆バイアス
状態になる（逆バイアス電圧は、ダイオード（３）の端
子間電圧等を考慮すれば、2.1Vになる）。

したがって、この逆バイアス状態においては、カソード
側電極（4b）からアノード側電極（4a）に向かって電流
が流れる。そして、電流の増加に伴なって電流−電圧変
換用オペアンプ（１）の出力が飽和し、反転入力端子
（1a）の電圧が非反転入力端子（1b）の電圧よりも大き
くなると、ダイオード（３）が順バイアス状態になり、
導通するので、リフレッシュ電流がダイオード（３）に
よりバイパスされた状態になり、所定の逆バイアスを与
えた状態で電極（４）に十分な電流を流し、確実なリフ
レッシュを行なわせることができる。

第３図は他の実施例を示す電気回路図であり、上記実施
例と異なる点は、ダイオード（３）に代えてnpnタイプ
のスイッチングトランジスタ（14）を接続し、スイッチ
ングトランジスタ（14）のベース端子を抵抗を介して逆
バイアス供給端子（５）に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、逆バイアス供給端
子（５）における電圧に基いて強制的にスイッチングト
ランジスタ（14）の状態が制御されることになる。

具体的に説明すると、逆バイアス供給端子（５）から0V
を出力した状態においてはスイッチングトランジスタ
（14）が遮断状態になるので、上記実施例の場合と同様
に電極（４）に対して所定の順バイアスを与えることが
でき、この状態において測定対象物質の測定を行なうこ
とができる。

逆に、逆バイアス供給端子から分圧電圧よりも高い電圧
を出力した状態においてはスイッチングトランジスタ
（14）が導通状態になるので、上記実施例の場合と同様
に電極（４）に対して所定の逆バイアスを与えることが
でき、この状態において電極（４）のリフレッシュを行
なうことができる。

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npnタイプのスイッチングトランジスタ（1
4）に代えてpnpタイプのスイッチングトランジスタを使
用することが可能である他、電界効果トランジスタを使
用することも可能であり、その他、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＞ 以上のようにこの発明は、バイオセンサの電極に対し
て、演算増幅器と、演算増幅器の反転入力端子および出
力端子の間に接続された抵抗とからなる電流−電圧変換
器により順バイアスを与えるとともに、逆バイアスを与
えた場合において電流−電圧変換器をバイパスさせる選
択導通手段を設けているので、外部要因により変化する
ことのない順バイアスを与えた状態での正確な対象物質
の測定を行なうことができるとともに、リフレッシュの
ための逆バイアスを与えた状態での電流−電圧変換器の
飽和の影響を選択導通手段により排除し、外部要因によ
り変化することのない逆バイアスを与えた状態で十分な
リフレッシュ電流を流すことが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バイアス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図は他の実施例を示す電気回路図、 第４図は従来例を示す電気回路図。 （１）……電流−電圧変換用オペアンプ、 （２）……電流−電圧変換用抵抗、（３）……ダイオー
ド、 （４）……電極、（５）……逆バイアス供給端子、 （８）……定電圧源、（8a）（8b）……抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生理活性物質が固定された電極間に所定の
   順バイアスを供給することにより対象物質の測定を行な
   うバイオセンサにおいて、電極の一方を、演算増幅器
   と、演算増幅器の反転入力端子および出力端子の間に接
   続された抵抗とからなる電流−電圧変換器の一方の入力
   端子に接続し、電極の他方を逆バイアス供給源に接続し
   ているとともに、電流−電圧変換器の他方の入力端子を
   順バイアス供給源に接続し、上記電流−電圧変換器の一
   方の入力端子と他方の入力端子との間に、電極逆バイア
   ス状態において導通状態となる選択導通手段を接続して
   いることを特徴とするバイオセンサの電極バイアス装
   置。
2. 【請求項２】電流−電圧変換器の反転入力端子が電極の
   一方に接続されているとともに、非反転入力端子が順バ
   イアス供給源に接続されている上記特許請求の範囲第１
   項記載のバイオセンサの電極バイアス装置。