JPH07198668A - アルコール濃度測定用バイオセンサ、その製造方法、およびそれを用いた飲酒測定器 - Google Patents

アルコール濃度測定用バイオセンサ、その製造方法、およびそれを用いた飲酒測定器

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JPH07198668A
JPH07198668A JP6271425A JP27142594A JPH07198668A JP H07198668 A JPH07198668 A JP H07198668A JP 6271425 A JP6271425 A JP 6271425A JP 27142594 A JP27142594 A JP 27142594A JP H07198668 A JPH07198668 A JP H07198668A
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biosensor
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alcohol
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Je-Kyun Park
濟 均 朴
Hee Jin Lee
羲 鎭 李
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LG Electronics Inc
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L G DENSHI KK
LG Electronics Inc
Gold Star Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • Y10S435/817—Enzyme or microbe electrode

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エタンノールに対する選択性を有し、呼気中
に含まれている気体状のアルコールと電気的に反応して
飲酒度を測定し得る、電気化学的原理を利用した飲酒測
定用バイオセンサ及びその製造方法を提供すること。 【構成】 本発明のアルコール濃度測定用バイオセンサ
は、絶縁性基板と、絶縁基板上に形成された、多数個の
伝導性ライン接続パッド、多数個の電極を備えた厚膜形
電気化学素子と、前記電気化学素子の多数個の電極のう
ち一電極上に形成された、酵素ペーストが印刷された酵
素固定化層と、前記多数個の電極を含んだ基板上に形成
された、電極系を形成するための外膜と、前記外膜を除
いた基板上に形成された絶縁膜とを含んでなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】発明の分野 本発明は、気体状のアルコールと反応してアルコール濃
度を測定し得るアルコール濃度測定用バイオセンサと、
人間の呼吸時に発生する気体状のアルコール濃度が測定
できるストリップ状のアルコール濃度測定用バイオセン
サの製造方法と、このアルコール濃度測定用バイオセン
サを用いた飲酒測定器とに関するものである。
【０００２】従来の技術 アルコール濃度を測定するための従来のバイオセンサを
用いた飲酒測定技術について説明する。先ず、従来の電
気化学（electronchemical）測定法を用いたガス測定用
バイオセンサの場合においては、酵素微生物などの生体
物質を電極の表面に膜形に固定化させ、固定化された生
体物質と単一酵素または多段階酵素との反応結果生成さ
れた電極活性化物質Ｈ２Ｏ２電極、酸素電極、アンモニ
ウムイオン（ＮＨ４ + ）選択性電極、イオン選択性電界
効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）などの素子を利用して
測定することによりガスを感知するものとして開発され
た。
【０００３】一方、米国第４，６５５，８８０号は、電
極活性化物質が測定できる厚膜形の電気化学素子上に様
々な種類のオキシダーゼを固定化させたバイオセンサに
ついて記述している。しかし、電気化学的測定法を用い
たバイオセンサは、生体反応が起こり易い条件で使用し
なければならないという短所がある。即ち、バイオセン
サは、液状のガスのみを検出することができる。このよ
うなバイオセンサの短所を克服するための、気体状の有
機化学物質が測定できるガス測定用バイオセンサ及びそ
の製造方法が韓国特許出願第９３−１３４８２号に掲載
されている。前記の技術は、電気化学素子の電極上に、
気体状の有機化学物質と反応する酵素が固定化された水
分吸湿性ゲル層を備えた感応膜が形成された構造のバイ
オセンサの製造方法に関するものである。
【０００４】一方、飲酒測定器は、酸化物半導体を利用
したガスセンサ、例えば日本フィガロ社のＴＧ８２２セ
ンサを用いたものが製品化されている。例えば、アルコ
ールチェッカー（alcohol checkeer）（日本ＦＩＧＡＲ
Ｏ）、ＢＲＥＡＴＨ ＡＬＥＲＴ（Breath Alert MFG、
米国）等である。前記飲酒測定技術は、人間の呼吸時に
発生するガスの中に含有されているアルコール濃度０．
１ｍｇ／ｌ乃至０．８ｍｇ／ｌの範囲で測定して、飲酒
程度を段階別にＬＥＤを用いて表す技術であり、飲酒度
が一定の温度以上と高い場合には警報音を発生する技術
も開発されている。
【０００５】前記飲酒測定器を用いた飲酒測定器は、血
液１ｍｌ中に含まれているアルコール濃度は、約２００
０ｍｌの呼気中に含まれているアルコール濃度と同一で
あるという実験報告に基づくものであり、呼気中のアル
コール濃度と血中アルコール濃度との相関関係にその根
拠を置いている。従って、飲酒後、呼吸気体中のアルコ
ール濃度を測定することにより、間接的に血中アルコー
ル濃度が判るので、飲酒の程度を判別することができ
る。
【０００６】韓国の現行法上、刑事立件と運転免許の取
り消しの基準になる酔っ払い運転（血中アルコール濃度
０．０５％）の実否を知るためには、２０乃至５００ｐ
ｐｍの呼気中のアルコール濃度範囲を正確に測定できる
センサが求められる。
【０００７】一方、酵素反応を利用して飲酒度を測定す
る方法は、日本特許公開公報昭６０−１９６１９８号と
同昭６０−１７２２９８号に提示してある。前記の技術
は、水溶液状（または人間の唾）に含有されているアル
コール濃度をストリップ状の試験紙を用いて測定するこ
とにより、飲酒度を測定する技術である。また、国際特
許出願Ｗ０８８／０１２９９では、人間の呼吸時に発生
するガス中に含有されているアルコール濃度を色の変化
から測定する飲酒測定技術を開示している。しかし、バ
イオセンサを利用して飲酒度を測定する技術は、まだ提
示されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前記の従来のアルコー
ル濃度測定技術には、次のような問題点がある。 １．ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＲｕＯ２などのアルコール反
応性金属酸化物を用いた酸化物半導体ガスセンサを用い
た従来の飲酒測定器は、エタノールに対する選択性（se
lectivity ）をもっていない。即ち、一般に自動車の排
気ガス、ＬＰＧ、タバコの煙、シンナー等の可燃性ガス
による影響を多く受ける。
【０００９】２．短い時間の間に連続的に飲酒測定をし
ようとする時、先に測定した人のアルコール濃度の数値
が高い場合には、次の人の飲酒測定の時アルコール濃度
の数値に多くの影響を及ぼすことになるので、正確性に
欠ける。
【００１０】３．従来の飲酒測定器は、周辺温度に影響
されやすく、測定方法によって測定誤差も大きく、２乃
至３ケ月毎に飲酒測定器を較正しなければならない。
【００１１】４．大抵の飲酒測定器は、飲酒度の測定時
にセンサ吸入口に強い呼吸を少なくとも３秒以上吹き込
まなければならないが、この場合、センサ自体に唾液が
混入する恐れがあり、唾液が混入すると、測定された飲
酒度の信頼性を保障することができない。さらに、唾液
の混入はセンサの故障原因ともなる。
【００１２】５．酵素反応を利用して飲酒度を評価する
従来の技術は、２，６‐ジクロロインドフェノール（2,
6-dichloroindophenol）などで色の変化を測定して評価
するので、測定者によって測定飲酒度が変わるおそれが
ある。よって、飲酒測定の客観性に欠け、より正確な飲
酒測定のためには再び吸光度を測定しなければならない
という喧しさがあった。
【００１３】従って、本発明の気体状の有機化学物質を
測定するバイオセンサを用いた携帯用飲酒測定器は、下
記の技術的な課題を解決するためのものである。 １）電気化学的原理を利用したバイオセンサにおいて、
気体状の試料すなわち、検出ガスを測定するためには、
バイオセンサの感応膜は電極系（electron system ）を
提供すべきである。 ２）気体状の試料と反応する時充分な電気的信号が発生
できるように、センサの上部に固定化された酵素感応膜
と電極との間で電子がよく伝達されなければならない。
このためには電極製作技術と酵素工程化技術、そしてこ
れらの組合せの技術が実現されるべきである。 ３）使い捨てのバイオセンサを使用した飲酒測定器は、
センサ個々の特性が良くなければ、測定装置の客観性を
保障することができない。従来、厚膜形成技術を用いて
電気化学素子を製作した例があるが、この場合には酵素
固定化層を形成するために一々センサ個々の上部に酵素
液を落とさなければならないという喧しさがあるので、
大量生産に困難であり、素子各々の優れた個体特性を期
待し難いという問題点がある。 ４）飲酒測定器とは別に、バイオセンサを続けて供給す
ることができなければならないので、バイオセンサの流
通期間を考慮するとセンサの貯蔵性が充分であるべきで
ある。 ５）ポータブルな飲酒測定器とバイオセンサを利用して
飲酒測定方法を簡便にすべきである。
【００１４】
【発明の概要】本発明の目的は、エタノールに対する選
択性を有し、呼気中に含まれている気体状のアルコール
と電気的に反応して飲酒度を測定し得る、電気化学的原
理を利用した飲酒測定用バイオセンサ及びその製造方法
を提供することにある。
【００１５】本発明の他の目的は、先だって測定した人
のアルコール濃度が後から測定する人のアルコール濃度
に影響を与えることなく、唾液または周辺温度の変化に
も影響を受けることなく、飲酒測定の正確さを期するこ
とのできるバイオセンサ及びその製造方法を提供するこ
とにある。
【００１６】本発明の別の目的は、電極活性化物質が測
定できる厚膜形の電気化学素子を製造した後、指示電極
上に酵素固定化層を形成する方法により一定の粘度を有
する酵素ペーストを製造してこれを印刷することによ
り、量産可能なバイオセンサ及びその製造方法を提供す
ることにある。
【００１７】本発明の別の目的は、飲酒度を定量的に測
定することができ、量産可能であり、かつ優れた個体特
性を有するバイオセンサ及びその製造方法を提供するこ
とにある。
【００１８】本発明の別の目的は、エタノールに対する
選択性を有し、呼気中に含まれている気体状のアルコー
ルと電気的に反応して飲酒度を測定し得る電気化学的原
理を用いたバイオセンサを用いた飲酒測定器を提供する
ことにある。
【００１９】本発明の別の目的は、先に測定した人のア
ルコール濃度が後から測定する人のアルコール濃度に影
響を与えることなく、また唾液または周辺温度の変化に
影響を受けることなく、飲酒度が正確に測定できるバイ
オセンサを用いた飲酒測定器を提供することにある。
【００２０】本発明の別の目的は、測定された飲酒度を
定量的に表わし、量産可能であり、優れた個体特性を有
するバイオセンサを利用して正確に飲酒度が測定できる
飲酒測定器を提供することにある。
【００２１】本発明の別の目的は、簡単な操作と取扱い
により飲酒度を測定することができ、測定した飲酒度を
定量的に表示することができ、測定された飲酒度に客観
性を付与することができる飲酒測定器を提供することに
ある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のアルコール濃度測定用バイオセンサは、絶
縁性基板と、該絶縁基板上に形成された、多数個の伝導
性ライン接続パッド、多数個の電極を備えた厚膜形電気
化学素子と、前記電気化学素子の多数個の電極のうち一
電極上に形成された、酵素ペーストが印刷された酵素固
定化層と、前記多数個の電極を含んだ基板上に形成され
た、電極系を形成するための外膜と、前記外膜を除いた
基板上に形成された絶縁膜と、を含んでなるものであ
る。
【００２３】また、バイオセンサの製造方法は、酵素ペ
ーストを製造する段階と、厚膜形の電気化学素子を絶縁
性基板上に形成する段階と、電気化学素子上に前記酵素
ペーストを印刷して酵素固定化層を形成する段階と、電
気化学素子の電極上に外膜を印刷して形成する段階と、
を含んでなるものである。
【００２４】さらに、バイオセンサを用いた飲酒測定器
回路は、バイオセンサがアルコールと反応して発生する
電流を感知して増幅するセンサ及び増幅回路と、前記セ
ンサ及び増幅回路から出力される信号をデジタル信号に
変換するアナログデジタル変換器と、前記アナログデジ
タル変換器から出力されるデジタル信号を信号処理して
飲酒度に換算するマイクロプロセッサと、前記マイクロ
プロセッサから出力される信号を入力して飲酒度を表わ
す表示部と、を含んでなるものである。
【００２５】またさらに、バイオセンサを用いた飲酒測
定器は、気体状のアルコールセンサと反応するバイオセ
ンサと、前記バイオセンサより感知された電流を信号処
理してアルコール濃度に換算するマイクロプロセッサ
と、前記マイクロプロセッサのアルコール濃度値を表わ
すための表示部と、前記マイクロプロセッサとバイオセ
ンサが装着される本体と、本体に開閉可能に連結された
蓋と、前記蓋と対向した本体の裏側面にバイオセンサを
据え置くためのバイオセンサ据置部と、前記蓋の側面に
形成された被測定者の呼気を吹き込む試料ガス吸入口
と、前記試料ガス吸入口に吸入されたガスが前記バイオ
センサの感応部分を経由するように案内する試料ガス通
路と、前記試料ガス通路を通過した残留ガスを排出する
ための試料ガス排出口とを含んでなるものである。
【００２６】
【発明の具体的説明】よく知られたように、電気化学的
測定法を用いたバイオセンサの場合には、気体状の有機
化学物質を測定するために電解質が存在しなければなら
ない。ところが、血液などのような液状の試料を分析す
るためには試料溶液内に存在する塩イオンが電解質の役
をするので電極系の形成には問題はないが、気体状の試
料を分析するためには固体電解質を使用するか又は電解
質層が液状に存在しなければならない。しかし、ジルコ
ニアのような固体電解質は、酵素のように用いることが
できず、また固定化酵素膜上に電解質を液状に形成する
のは困難である。
【００２７】このために、従来では、酵素の担体機能と
共に電解質機能を付与することのできる吸湿性ゲル（hy
drogel）を使用して酵素感応膜を構成したが、この技術
は既に言及したように酵素固定化層を形成するため一々
センサ個々の上部に酵素液を一定量ずつ落とさなければ
ならない喧しさがあるので、量産に困難があり、優れた
固体特性を確保することが難かしいという問題点があ
る。
【００２８】従って、本発明では炭素ペースト（carbon
paste）等を使用してＮＡＤＨ（1,4-dihydronico tina
mide adenine dinucleotide ）のような電極活性化物質
を測定し得る厚膜形電気素子を製作した後、指示電極上
に酵素固定化層を形成させる方法として一定の粘度を有
する酵素ペーストを製造して印刷する方法を使用する。
【００２９】なお、本発明は、外膜（outer membrane）
として、ヒドロキシエチルセルロースが含有されたペー
ストを製造し印刷して、センサの使用時に測定しようと
する試料ガスの中の水分に対する吸湿効果を高める。
【００３０】このような方法によれば、気体状のアルコ
ールを測定するとき、試料ガスに含有された水分のみに
よって容易に電極系形成ができ、酵素膜が乾燥された状
態にバイオセンサを保管できるので、バイオセンサの保
管時に酵素膜の力価（enzymeactivity ）が減少するこ
とを防止する。すなわち、人間の呼吸時排出される呼気
中には、約８０ｍｇの水分が含有されているので、人間
の呼気を利用してアルコール濃度を測定する時、前記の
方法を適用することにより、試料ガスに含有された水分
のみでも電極系形成に差し支えがない。
【００３１】従って、バイオセンサを乾燥包装した後、
測定時にのみ気体状の試料と反応させることができ、そ
の結果、熱に対する安定性及び寿命を向上させることが
でき、水溶液状で用いられる他のバイオセンサとは違っ
て信号／雑音比が少なく、気体状の有機化学物質に対す
る酵素の高い基質親和力（enzyme affinity ）を利用す
ることができるので、液状で測定し難い薄い濃度の試料
も分析できる。
【００３２】また、指示電極にも炭素を使用し、酵素の
電極吸着力を良いものとすることができる。炭素粉、高
分子、酵素などからなる酵素ペーストをスクリーン印刷
して酵素固定化層（enzyme immobilization ）を形成さ
せる。よって、酵素固定化過程を含んでバイオセンサを
製造する全工程を厚膜形成電気化学素子を作るプロセス
に含ませることができるので、量産に有利である。
【００３３】絶縁性基板として、アルミナ基板の代わり
にＰＶＣ、ポリカーボネート、ポリエステルなどの高分
子材料を使用する場合、単位センサ素子がより安価に製
作できるが、本発明では電極製造用ペーストの接着性及
び印刷効果が一番優れたポリエステル基板を使用する。
但し、高分子の特性上８５０℃位の高温での焼結を必要
とするペーストは用いることができず、約１５０℃未満
の焼結によって電極特性が発揮できる高分子厚膜インク
を用いる。
【００３４】図１は、本発明の実施例によるバイオセン
サの製造工程を示す斜視図である。本発明のバイオセン
サの製造方法は、酵素ペーストを製造する段階と、電極
を含む厚膜形の電気化学素子を絶縁性基板上に形成する
段階と、電気化学素子上に酵素ペーストを印刷して酵素
固定化層７を形成する段階と、電気化学素子の電極上に
外膜８を印刷して形成する段階とを含む。
【００３５】電気化学素子を形成する段階は、絶縁性基
板１上に伝導性ライン及び接続パッド２をスクリーン印
刷して形成する段階と、前記伝導性ライン及び接続パッ
ド２上に呼気中のアルコールと反応するとき、電流が流
れる電極を形成する段階と、前記電極部分を除いた基板
の全表面に絶縁層６を形成する段階とを含む。
【００３６】１．酵素ペースト製造 本発明では酵素ペースト物質として炭素粉を使用した。
炭素粉は直径５ミクロン、純度９９．９％であるものを
使用した。酵素としては、力価４００Ｕ／ｍｇprotein
の酵母から抽出したアルコールデヒドロゲナーゼ（alch
ohol dehydrogenase）を使用し、助酵素としては、ＮＡ
Ｄ+ （β-nicotinamide-adenine dinudeotide ）を使用
する。乳鉢にＮＡＤ+ ４５０ｍｇ及びアルコールデヒド
ロゲナーゼ１５０ｍｇを、６％エチレングリコール含有
の２％ヒドロキシエチルセルロース４．２９ｍｌと一緒
に入れ、充分混ぜて均質の酵素溶液を作る。乳鉢を利用
して１．２９ｇの炭素粉を均質の酵素溶液に完全に混ぜ
て酵素ペーストを得る。得られた酵素ペーストを冷蔵保
管する。
【００３７】２．スクリーン印刷 図１を参照しながら説明する。基板としては厚さ０．３
ｍｍ、大きさ８６ｍｍ×８４ｍｍであるポリエステルか
らなる絶縁性基板１を用意する。絶縁性基板１上に銀ペ
ーストをスクリーン印刷し、１１０℃で１０分間乾燥さ
せて、多数個の伝送性ライン及び接続パッド（２−１，
２−２，２−３）を形成する。炭素ペーストをスクリー
ン印刷して、指示電極３と対電極４を前記伝導性ライン
及び接続パッド（２−１，２−３）の一方の面上に並べ
て形成し、次いでＡｇＣｌ含有の銀ペーストをスクリー
ン印刷して指示電極３と前記対電極４の間の伝導性ライ
ン及び接続パッド（２−２）上に比較電極５を形成す
る。前記電極の上部の外膜が形成されるべき部位、及び
基板の裏面以外の基板上に誘電体ペーストをスクリーン
印刷し、８０Ｗ／ｃｍ容量の紫外線ＵＶを９ｍ／ｍｉｎ
の速度で照射して絶縁層６を形成する。これにより、厚
膜形の電気化学素子が完成される。このような工程によ
り前記絶縁基板上に２０個の厚膜形電気化学素子が得ら
れる。絶縁層が形成されない指示電極３の上部に前記の
ようにして製造した酵素ペーストをスクリーン印刷して
酵素固定化層７を形成する。最終的に前記各電極を含ん
だ基板の面上に６％ヒドロキシエチルセルロースペース
トを印刷して外膜８を形成することによりバイオセンサ
を得る。
【００３８】図２は、前記と同様の工程順で進行して製
造したバイオセンサの断面図である。図３は図２のＡ−
Ａ′線に沿った断面図を示し、バイオセンサの感応部分
の断面図である。
【００３９】図２及び図３を参照しながら説明する。飲
酒測定用バイオセンサは、絶縁性基板１と、絶縁基板１
上に形成された、多数個の伝導性ライン及び接続パッド
２、多数個の電極３〜５を備えた厚膜形電気化学素子
と、前記電気化学素子の多数個の電極のうち一電極上に
形成された、酵素ペーストが印刷された酵素固定化層７
と、前記多数個の電極を含んだ基板上に形成された、電
極系を形成するための外膜８と、前記外膜８を除いた基
板上に形成された絶縁膜６とを含む。前記の電気化学素
子は、絶縁性基板１上に３個の伝導性ライン及び接続パ
ッド２が並んで形成され、前記伝導性ライン及び接続パ
ッド２のうち第１及び第３伝導性ライン及び接続パッド
２−１，２−３が各々形成された基板の一方の面上に指
示電極３及び対電極４が形成され、第２伝導性ライン及
び接続パッド２−２が形成された基板の一方の面上に比
較電極５が形成された構造を有する。この際、前記指示
電極３及び対電極４は、その下部の第１及び第３伝導性
ライン及び接続パッド２−１，２−３より広い幅を有す
るように形成され、対電極５はその下部の第２伝導性ラ
イン及び接続パッド２−２と同一幅を有するように形成
された。前記酵素感応層７は指示電極３の上部にのみ形
成された。
【００４０】図３を参照しながら説明する。バイオセン
サの感応部分９Ａは、指示電極３、対電極４及び比較電
極５、酵素固定化層７が印刷された部分であり、この感
応部分９Ａと呼吸ガスが反応し、この感応部分から発生
した電子に相応する電流が電極間に流れ、この電極間に
流れる電流を感知して飲酒度を測定可能とする。
【００４１】３．エタノールバイオセンサの包装 上述したようにスクリーン印刷された各々のセンサを切
断した後、室温乾燥または冷凍乾燥させて気密包装する
ことにより、バイオセンサが包装完了される。このよう
に個別包装された個々のバイオセンサは飲酒測定時に提
供される。前記のような一連の工程により製造された本
発明のバイオセンサを下記の方法により評価した。
【００４２】図４は本発明のバイオセンサの特性を評価
する装置の構成図である。図４を参照しながら説明す
る。バイオセンサ９の特性を評価するための装置は、サ
ンプル抽出によりバイオセンサの特性を評価する装置で
あり、２５ｍｌ測定セル１０の中に込められており、窒
素ガスの供給経路を制御するための２個の３方弁（3-wa
y valve ）１１，１２が備えられ、０．１Ｍリン酸塩緩
衝溶液１３とエタノール標準溶液１４は各々容器１３−
１，１４−１に込められており、各容器１３−１，１３
−２には窒素ガスを供給するテフロン管１１−１，１２
−１が連結される。そして、前記測定セル１０、３方弁
１１，１２、緩衝溶液１３及びエタノール標準溶液１４
は、恒温槽１５の内部に備えられる。
【００４３】そして、測定セル１０においてバイオセン
サ９の比較電極に対する指示電極の電位差を一定に保持
し、指示電極から対電極に流れる電流を検出するポテン
シオスタット１７と、ポテンシオスタット１７の動作条
件を設定し、検出された情報値を処理してバイオセンサ
の特性を算出するコンピューター１６とが恒温槽１５の
外部に備えられる。
【００４４】本発明のバイオセンサ特性の評価のための
図４の装置において、バイオセンサ９の特性を評価する
ための全ての電気化学的測定時ポテンシオスタット１７
として、ＥＧ＆Ｇ Princeton Applied Research Corp.,
社のPotentiostat ２７３を使用した。
【００４５】前記装置を用いたバイオセンサの特性測定
方法を説明する。バイオセンサ９を２５ｍｌ測定セル１
０に装着し、恒温槽１５内の温度を調節する。３方弁１
１，１２を利用して０．１Ｍリン酸塩緩衝溶液１３が入
っている容器１３−１に窒素ガスをテフロン管１１−１
を介して流しながら、測定セル１０内のバイオセンサ９
を活性化（activation）させる。次に、コンピュータ１
６と連結されたポテンシオスタット１７を利用してバイ
オセンサ９の指示電極の電位差をＡｇ／ＡｇＣｌからな
る比較電極に対して６５０ｍＶとする。次いで、３方弁
１１，１２を利用して窒素ガスを所定の濃度のエタノー
ル標準溶液１４が一定量入っている容器１４−１内に通
過させて気化されたエタノールガスがバイオセンサ９と
反応させる。この際、バイオセンサ９が装着された測定
セル１０内のエタノールガスの濃度は、ガスクロマトグ
ラフ方法により補正する。
【００４６】実験の結果、２５℃で気化させたエタノー
ルガスに対するクロノアンペロメトリック（chrono amp
erometric ）の応答は図５の通りであった。図５を参照
すると、電位差が６５０ｍＶである時、エタノール分子
が酵素固定化層７に吸水されると、固定化されている酵
素の作用によって電極活性化物質であるＮＡＤＨが生成
され、生成されたＮＡＤＨは指示電極３上でＮＡＤ+ に
酸化されながら、指示電極３から対電極４へ電流が流れ
ることになる。この際、指示電極３から対電極へ流れる
電流はエタノールの濃度に比例する。エタノールの濃度
は、飽和状態に達した電流値（Steady state Current）
を利用するか又は初期反応速度（initial rate）を測定
することにより求められる。
【００４７】図６は、飽和状態に達した電流値を利用し
て得たエタノール濃度の標準定量曲線を示す。図６を参
照すると、エタノールガスが３ｐｐｍ〜６００ｐｐｍの
範囲内で良い応答特性を示すことが判り、バイオセンサ
のモジュールをデバイス化するのに支障のない信号（０
乃至２０μＡ）、感度及び線形の特性に優れたことが判
る。
【００４８】以上のように、特性評価済みの優れた特性
のバイオセンサを利用して携帯用飲酒測定器を製作す
る。図７は本発明のバイオセンサを用いた飲酒測定器の
回路ブロック図、図８は図７のセンサ及び増幅回路の詳
細回路図、図９は飲酒測定器の斜視図、図１０は図９の
本発明の蓋を開けた場合の飲酒測定器の斜視図を各々示
す。
【００４９】図７を参照すると、本発明のバイオセンサ
を用いた飲酒測定器は、気体状のアルコールガスと反応
するバイオセンサ９と、前記バイオセンサ９がアルコー
ルガスと反応の時生成した電流を感知して増幅するセン
サ及び増幅回路１８と、前記センサ及び増幅回路１８か
ら出力された信号をデジタル信号に変換するアナログデ
ジタル変換器１９と、前記センサ及び増幅回路１８を通
じてバイオセンサ９上の比較電極に対する指示電極の電
位差を一定の値に調節する定電圧回路２０と、前記アナ
ログデジタル変換器１９から出力されたデジタル信号を
処理して飲酒度に換算し出力するマイクロプロセッサ２
１と、前記マイクロプロセッサ２１から出力された飲酒
度を数字で表すための表示部２２とからなる。
【００５０】前記の構成を有する飲酒測定器の動作を説
明する。定電圧回路２０は、センサ及び増幅回路１８を
通じてバイオセンサ９の比較電極に対する指示電極３の
電位差を６５０ｍＶとなるように調節する。これによ
り、バイオセンサ９が被測定者の呼気中のエタノールガ
スと反応して生成されたＮＡＤＨが指示電極３でＮＡＤ
+ に酸化されながら指示電極３から対電極４側へ電流が
流れることになる。指示電極３から対電極４へ流れる電
流は、センサ及び増幅回路１８を通じて感知及び増幅さ
れ、増幅された信号をアナログデジタル変換器１９に印
可され、デジタル信号に変換される。
【００５１】アナログデジタル変換器１９は、入力され
た飲酒測定信号をデジタル信号に変換してマイクロプロ
セッサ２１に印可し、マイクロプロセッサ２１は入力さ
れたデジタル飲酒測定値を信号処理し、表示部２２はマ
イクロプロセッサ２１から信号処理された信号を入力し
てエタノール濃度を数字で表示する。
【００５２】前記のエタノール濃度によってバイオセン
サの電極間を流れる電流を感知し増幅する動作を図８の
センサ及び増幅回路１８の詳細図を参照して詳しく説明
する。
【００５３】センサ及び増幅回路１８は、定電圧回路２
０で印加される静電圧電源Ｖccが抵抗Ｒ１，Ｒ２により
分配されて演算増幅機Ａ２の非反転端子（＋）に印加さ
れ、演算増幅器Ａ２の出力信号は、バイオセンサ９と演
算増幅器Ａ１を通じてフィードバックされて反転端子
（−）に印加され、バイオセンサ９上の比較電極５に対
する指示電極３の電位差を６５０ｍＶとなるように調節
する。電位差が調節された状態において、バイオセンサ
９が人間の呼気に含有されているエタノールガスと反応
し、エタノールとの反応によって生成されたＮＡＤＨが
指示電極３でＮＡＤ+ に酸化されながら、バイオセンサ
９の指示電極３から対電極４へ電流Ｉが流れる。指示電
極３から対電極４へ流れる電流Ｉは、抵抗Ｒ３により決
められる利得に応じて演算増幅器Ａ３を通じて増幅され
た出力端ＯＵＴに出力される。センサ及び増幅回路１８
から増幅されて出力された電流値はエタノールの濃度、
即ち飲酒度を測定した信号であり、この信号はアナログ
デジタル変換器１９に供給されて、上述したように飲酒
度が表示部２２により表示される。
【００５４】前記の回路構成を有する飲酒測定器をの具
体例を図９及び図１０に示す。図９を参照しながら説明
する。本発明の飲酒測定器は、測定器本体２３上に表示
部２２が備えられ、この表示部２２は飲酒度の認識を容
易にするために７‐セグメントディスプレイ素子で構成
する。そして、飲酒測定器の本体２３には、本体２３と
蝶番２６−１で連結されて開閉可能な蓋２４が備えら
れ、この蓋２４の前面には外部に露出される試料ガス吸
入口２５が形成されて、飲酒測定時に被測定者の呼吸ガ
スを吹き込むことを可能とする。試料ガス呼吸口２５に
吹き込まれた被測定者の呼気と飲酒測定器の本体２３内
のバイオセンサが反応した後の残留ガスを排出するため
の試料ガス排出口２６が蓋２４の側面に形成された構造
を有する。
【００５５】図１０は蓋２４を開けた場合の飲酒測定器
の斜視図である。蓋２４を開けると、測定器本体２３の
蓋２４で覆われていた所にバイオセンサ９を据え置くた
めのバイオセンサ据置部２７が形成されている。このバ
イオセンサ据置部２７の一側にはバイオセンサ９との電
気的な連結のためのバイオセンサ接続パッド２８が構成
されている。蓋の裏側には前記バイオセンサの接続パッ
ド２８とぶつかることになる別のバイオセンサの接続パ
ッド２９が形成され、蓋を閉じた時、両パッドが互いに
当接して測定器の電源が入るようになっている。さら
に、蓋２４の裏側には試料ガス吸入口２５に吹き込まれ
た人間の呼吸気体を試料ガス排出口２６に排出するため
の試料ガス通路３０が形成されている。この試料ガス通
路３０の中間部分にバイオセンサ９の感応部位９Ａが位
置し、試料ガス中のエタノールと反応するようになって
いる。
【００５６】従って、このような飲酒測定器により飲酒
度を測定するときには、個別包装されたバイオセンサを
先ず開封し、飲酒測定器の蓋２４を開けて開封されたバ
イオセンサ９をバイオセンサ据置部２７に据え置く。こ
の際バイオセンサ９の感応部位９Ａを試料ガス通路３０
側に据え置き、蓋２４を閉じる。蓋２４が閉ざされる
と、蓋２４に装着されたバイオセンサ接続パッド２９が
本体２３側のバイオセンサ接続パッド２８と当接すると
ともに、飲酒測定器の電源スイッチがオンとなる。即
ち、定電圧回路２０による電源が供給されてバイオセン
サ９のエタノールガスとの反応電流が感知できる状態と
なる。
【００５７】この状態において、試料ガス吸入口２５に
被測定者の呼気を吹き込むと、呼吸気体は試料ガス通路
３０を経由しながらバイオセンサ９の感応部位９Ａと反
応し、残るガスは試料ガス排出口２６を通じて排出され
る。感応部位９Ａの反応は前記図７及び図８に基づいて
説明したように、バイオセンサ９の電極上でエンタノー
ルの濃度に比例する電流を発生させ、発生された電流は
前記の信号処理によって被測定者の飲酒度として算出さ
れて表示部２２に表示され、測定者は表示部２２に表示
された飲酒度を認識することにより、被測定者のアルコ
ール濃度を知ることができる。
【００５８】図１１は本発明の他の実施例によるバイオ
センサの構成図である。他の実施例では二つの指示電極
３Ａ，３Ｂを形成して差動増幅回路を利用して酵素反応
以外の温度変化など、他の応答妨害（interference）効
果を排除することができる。即ち、図１の第１の実施例
のバイオセンサにおいて、指示電極３と対電極４の大き
さが同一とされ、指示電極３と対電極４を二つの指示電
極３Ａ，３Ｂとして形成し、各電極に現れるエタノール
反応電流値を差動増幅回路を利用して検出することによ
り、酵素反応以外の温度変化など他の応答妨害要因を除
去し、出力信号の感度を高めることができる。この際、
酵素固定化層７は、一方の指示電極３Ａにのみ形成さ
れ、酵素の活性を除去した層７Ａを他方の指示電極３Ｂ
に印刷して形成し、この他の製造工程は前記第１の実施
例と同様である。
【００５９】本発明の他の実施例のバイオセンサでは、
水溶液（人間の唾または血液など）に含有されているア
ルコール濃度を測定することができる。ただし、飲酒
後、血中アルコール濃度を分析する場合、血液内に存在
するアルコルビン酸などＮＡＤＨ以外の電極活性化物質
による応答妨害効果が問題となる。これはＮＡＤＨの酸
化反応に必要な電位差が６５０ｍＶであるが、こういう
電位差ではアルコルビン酸等とともに酸化されるためで
ある。
【００６０】このような現象を克服するためにＮＡＤ+
の電気化学的再生化（regeneration）が容易になるよう
に電子伝達体を炭素指示電極上に吸着させるか、または
水溶性高分子に結合させて、酵素固定化層の印刷時に使
用すると低い電位差で電極を動作させることができるの
で、血液内に存在する別の電極活性化物質による応答妨
害効果を排除することができ、消費電力も節減すること
ができるようになる。
【００６１】
【発明の効果】以上の本発明によると、下記の効果が得
られる。 １．人間の呼吸時に発生する気体状のアルコール濃度が
測定できるストリップ状のバイオセンサ及びその製造方
法、バイオセンサを用いた飲酒測定器を提供することが
できる。 ２．バイオセンサを用いた飲酒測定器は、飲酒程度を正
確に測定することができて、既存のガスセンサを用いた
飲酒測定器に比べて飲酒度の測定に客観性を付与するこ
とができる。 ３．酵素固定化層を含んだ本発明のバイオセンサの全工
程を電気化学素子を作る工程により形成することができ
るので、バイオセンサの大量生産に有利である。 ４．本発明は、ガス測定時試料ガスに含有された水分の
みによっても電極系を有利に形成することができ、バイ
オセンサを個別乾燥包装して飲酒測定時にのみ気体状の
試料と反応できるようにすることで、熱に対する安定性
の向上及び長寿命化を計ることができ、水溶液状で用い
られる他のバイオセンサに比べて信号雑音が一層小さい
という長所がある。 ５．気体状の有機化学物質に対する酵素の高い基質親和
力が利用できるので、液状で測定し難い低い濃度の試料
でも飲酒測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるバイオセンサの製造時の
スクリーン印刷工程を示す図面である。
【図２】図１の工程により製造されたバイオセンサの平
面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ′線に沿ったバイオセンサの断面
図である。
【図４】本発明のバイオセンサの特性を評価するための
装置の構成例である。
【図５】本発明のバイオセンサの特性のうちエタノール
ガス：クロノアンペロメトリックの応答特性を示すグラ
フである。
【図６】本発明のバイオセンサの特性中エタノール：指
示電極一対電極間の電流を示すグラフである。
【図７】本発明の携帯用飲酒測定器の回路構成を示すブ
ロック図である。
【図８】図７の携帯用飲酒測定器においてセンサ及び増
幅回路の詳細図である。
【図９】本発明の携帯用飲酒測定器の斜視図である。
【図１０】本発明の飲酒測定器の蓋を開けた時の斜視図
である。
【図１１】本発明のバイオセンサの実施例の断面図であ
る。
【符号の説明】
１ 絶縁性基板 ２ 接続パッド ３ 指示電極 ４ 対電極 ５ 比較電極 ６ 絶縁層 ７ 酵素固定化層 ８ 外膜 ９ バイオセンサ １０ 測定セル １１，１２ ３方弁 １３ リン酸塩緩衝溶液 １４ エタノール標準溶液 １５ 恒温槽 １６ コンピューター １７ ポタンシオスタット １８ センサ回路及び増幅回路 １９ アナログ／デジタル変換器 ２０ 定電圧回路 ２１ マイクロプロセッサ ２２ 表示部 ２３ 測定器本体 ２４ 測定器の蓋 ２５ 試料ガス吸入口 ２６ 試料ガス排出口 ２７ バイオセンサ据置部 ２８，２９ バイオセンサの接続パッド ３０ 試料ガス通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/416 33/497 Ａ Ｇ０１Ｎ 27/46 ３１１ Ｇ

Claims (42)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁性基板と、 該絶縁基板上に形成された、多数個の伝導性ライン接続
    パッド、および多数個の電極を備えた厚膜形電気化学素
    子と、 前記電気化学素子の多数個の電極のうち一電極上に形成
    された、酵素ペーストが印刷された酵素固定化層と、 前記多数個の電極を含んだ基板上に形成された、電極系
    を形成するための外膜と、 前記外膜部分を除く基板上に形成された絶縁膜と、を含
    んでなることを特徴とする、アルコール濃度測定用バイ
    オセンサ。
  2. 【請求項２】前記絶縁性基板が高分子物質である、請求
    項１記載のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  3. 【請求項３】絶縁性基板がＰＶＣである、請求項２記載
    のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  4. 【請求項４】前記絶縁性基板がポリカーボネートであ
    る、請求項２記載のアルコール濃度測定用バイオセン
    サ。
  5. 【請求項５】絶縁性基板がポリエステルである、請求項
    ２記載のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  6. 【請求項６】前記多数個の電極が、指示電極、対電極、
    及び比較電極からなる請求項１記載のアルコール濃度測
    定用バイオセンサ。
  7. 【請求項７】前記対電極として炭素ペーストが使用され
    てなる、請求項６記載のアルコール濃度測定用バイオセ
    ンサ。
  8. 【請求項８】前記指示電極として炭素ペーストが使用さ
    れてなる、請求項６記載のアルコール濃度測定用バイオ
    センサ。
  9. 【請求項９】前記比較電極として銀ペーストが使用され
    てなる、請求項６記載のアルコール濃度測定用バイオセ
    ンサ。
  10. 【請求項１０】前記の電気化学素子が、絶縁膜が形成さ
    れない絶縁性基板上に第１乃至第３伝導性ライン及び接
    続パッドが並んで形成され、前記伝導性ライン及び接続
    パッドのうち第１及び第３伝導性ライン及び接続パッド
    が各々形成された基板の上面に指示電極及び対電極が形
    成され、酵素感応層の下部には指示電極が形成され、第
    ２伝導性ライン及び接続パッドが形成された基板の上に
    比較電極が形成された構造を有するものである、請求項
    １記載のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  11. 【請求項１１】前記電極部が２個の指示電極と比較電極
    とから構成される、請求項１記載のアルコール濃度測定
    用バイオセンサ。
  12. 【請求項１２】前記２個の指示電極のうち一方の指示電
    極上には酵素固定化層が形成され、他方の指示電極上に
    は酵素活性化層が除かれた層が形成されてなる、請求項
    １１記載のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  13. 【請求項１３】前記指示電極として炭素ペーストが使用
    されてなる、請求項１１記載のアルコール濃度測定用バ
    イオセンサ。
  14. 【請求項１４】前記比較電極として銀ペーストが使用さ
    れてなる、請求項１１記載のアルコール濃度測定用バイ
    オセンサ。
  15. 【請求項１５】絶縁膜として誘電体ペーストが使用され
    てなる、請求項１記載のアルコール濃度測定用バイオセ
    ンサ。
  16. 【請求項１６】前記酵素固定化層が、高分子物質、酵
    素、及び助酵素からなる、請求項１記載のアルコール濃
    度測定用バイオセンサ。
  17. 【請求項１７】高分子物質が、炭素粉、ヒドロキシエチ
    ルセルロースからなるものである、請求項１６記載のア
    ルコール濃度測定用バイオセンサ。
  18. 【請求項１８】酵素が、アルコールデヒドロゲナーゼで
    ある、請求項１６記載のアルコール濃度測定用バイオセ
    ンサ。
  19. 【請求項１９】助酵素が、ＮＡＤ+ である、請求項１６
    記載のアルコール濃度測定用バイオセンサ。
  20. 【請求項２０】前記外膜が、ヒドロキシエチルセルロー
    スである、請求項１記載のアルコール濃度測定用バイオ
    センサ。
  21. 【請求項２１】酵素ペーストを製造する段階と、 厚膜形の電気化学素子を絶縁性基板上に形成する段階
    と、 電気化学素子上に酵素ペーストを印刷して酵素固定化層
    を形成する段階と、 電気化学素子の電極上に外膜を印刷して形成する段階
    と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定用バイ
    オセンサの製造方法。
  22. 【請求項２２】前記絶縁基板が、高分子物質である、請
    求項２１記載のアルコール濃度測定用バイオセンサの製
    造方法。
  23. 【請求項２３】高分子物質が、１５０℃未満の焼結条件
    を有する高分子厚膜インクである、請求項２２記載のア
    ルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  24. 【請求項２４】高分子物質が、ＰＶＣ、ポリカーボネー
    ト、ポリエステルのいずれか一つである、請求項２２記
    載のアルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  25. 【請求項２５】電気化学素子を形成する段階が、 絶縁性基板上に多数個の伝導性ライン及び接続パッドを
    スクリーン印刷して並んで形成する段階と、 前記伝導性ライン及び接続パッド上に多数個の電極を形
    成する段階と、 前記電極以外の基板の全表面に絶縁層を形成する段階
    と、 を含んでなる、請求項２１記載のアルコール濃度測定用
    バイオセンサの製造方法。
  26. 【請求項２６】多数個の電極が、指示電極、対電極、及
    び比較電極からなる、請求項２５記載のアルコール濃度
    測定用バイオセンサの製造方法。
  27. 【請求項２７】伝導性ライン及び接続パッドが、銀ペー
    ストをスクリーン印刷して形成される、請求項２６記載
    のアルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  28. 【請求項２８】前記指示電極および対電極が、炭素ペー
    ストをスクリーン印刷して形成される、請求項２６記載
    のアルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  29. 【請求項２９】前記比較電極が、銀ペーストを印刷して
    形成される、請求項２６記載のアルコール濃度測定用バ
    イオセンサの製造方法。
  30. 【請求項３０】前記銀ペーストが、塩化銀（ＡｇＣＬ）
    を含有するものである、請求項２９記載のアルコール濃
    度測定用バイオセンサの製造方法。
  31. 【請求項３１】前記絶縁膜が、誘電体ペーストをスクリ
    ーン印刷して形成される、請求項２６記載のアルコール
    濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  32. 【請求項３２】酵素固定化層のための酵素ペーストが、
    高分子物質、酵素、及び助酵素からなる、請求項２１記
    載のアルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  33. 【請求項３３】高分子物質が、炭素粉、およびヒドロキ
    シエチルセルロースからなる、請求項３２記載のアルコ
    ール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  34. 【請求項３４】前記炭素粉が、直径５μ以下、純度９
    ９．９％ものである、請求項３３記載のアルコール濃度
    測定用バイオセンサの製造方法。
  35. 【請求項３５】ヒドロキシエチルセルロースが、６％エ
    チレングリコール含有の２％ヒドロキシエチルセルロー
    スである、請求項３４記載のアルコール濃度測定用バイ
    オセンサの製造方法。
  36. 【請求項３６】前記酵素が、力価４００Ｕ／ｍｇのアル
    コールデヒドロゲナーゼである、請求項３２記載のアル
    コール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  37. 【請求項３７】助酵素は、ＮＡＤ+ であることを特徴と
    する請求項３２記載のアルコール濃度測定用バイオセン
    サの製造方法。
  38. 【請求項３８】外膜が、ヒドロキシエチルセルロースペ
    ーストである、請求項２１記載のアルコール濃度測定用
    バイオセンサの製造方法。
  39. 【請求項３９】ヒドロキシエチルセルロースとして、６
    ％ヒドロキシエチルセルロースを使用する、請求項３８
    記載のアルコール濃度測定用バイオセンサの製造方法。
  40. 【請求項４０】気体状のアルコールガスに反応するバイ
    オセンサと、 前記バイオセンサがアルコールと反応して発生する電流
    を感知して増幅するセンサ及び増幅回路と、 前記センサ及び増幅回路から出力される信号をデジタル
    信号に変換するアナログデジタル変換器と、 前記アナログデジタル変換器から出力されるデジタル信
    号を信号処理して飲酒度に換算するマイクロプロセッサ
    と、 前記マイクロプロセッサから出力される信号を入力して
    飲酒度を表わす表示部とを含んでなる、アルコール濃度
    測定用バイオセンサを用いた飲酒測定器。
  41. 【請求項４１】気体状のアルコールセンサと反応するバ
    イオセンサと、 前記バイオセンサより感知された電流を信号処理してア
    ルコール濃度に換算するマイクロプロセッサと、 前記マイクロプロセッサのアルコール濃度値を表わすた
    めの表示部と、 前記マイクロプロセッサとバイオセンサが装着される本
    体と、 本体に開閉可能に連結された蓋と、 前記蓋と対向した本体の裏側面にバイオセンサを据え置
    くためのバイオセンサ据置部と、 前記蓋の側面に形成された被測定者の呼気を吹き込む試
    料ガス吸入口と、 前記試料ガス吸入口に吸入されたガスが前記バイオセン
    サの感応部分を経由するように案内する試料ガス通路
    と、 前記試料ガス通路を通過した残留ガスを排出するための
    試料ガス排出口と、を含んでなる、アルコール濃度測定
    用バイオセンサを用いた飲酒測定器。
  42. 【請求項４２】前記蓋の裏側にバイオセンサ接続パッド
    を構成し、バイオ接続パッドと対向する本体側にバイオ
    センサ接続パッドを構成して、蓋を閉じると、電源が印
    加されるスイッチがオンとなる、請求項４１記載のアル
    コール濃度測定用バイオセンサを用いた飲酒測定器。
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