JPH08285815A

JPH08285815A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH08285815A
Application number: JP7115270A
Authority: JP
Inventors: Tadahisa Toyama; 忠久当山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】迅速且つ安定した測定が行えるバイオセンサ
を提供する。【構成】連続多孔質基板１１の表面に作用極１２が形
成され、裏面に対極１３が形成されると共に、連続多孔
質基板１１が孔径０．２μｍ程度の小径多孔質基板１１
ａと、孔径１００μｍ程度の大径多孔質基板１１ｂとを
接合して形成されている。小径多孔質基板１１ａ内に
は、酵素が固定化され、大径多孔質基板１１ｂ内には酵
素を固定化しない構成とする。このような構成とするこ
とにより、被検査液が大径多孔質基板１１ｂ内に速やか
に浸入し、小径多孔質基板１１ａの周囲から被検査液が
均一に浸入するため、迅速で安定した基質濃度の測定が
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、バイオセンサに関
し、さらに詳しくは、各種液体の成分濃度を、固定化し
た酵素などを利用して検出する、臨床検査や水質検査な
どに用いられる酵素センサに係る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のバイオセンサとしては、
図５に示すようなものが知られている。このバイオセン
サは、連続多孔質基板１の表面に作用極２が、裏面に対
極３が形成され、作用極２と対極３の表面にはそれぞれ
絶縁膜４、５が形成されている。そして、この連続多孔
質基板１には、例えばグルコースの酸化酵素であるグル
コースオキシダーゼが全体にわたって分布するように固
定化されている。なお、連続多孔質基板１内に形成され
ている孔の径寸法は、０．１または０．２μｍ程度の均
一なものであり、連続多孔質基板１の露出表面より被検
査液が、作用極２と対極３との間に浸入し得るようにな
っている。

【０００３】このような構成のバイオセンサを用いて被
検査液中のグルコース濃度を測定するには、まず、作用
極２と対極３との間に所定の電圧を印加し、同時に両極
間を流れる電流の検出を可能な状態とする。そして、被
検査液中にセンサを浸し、被検査液を作用極２と対極３
との間に浸透させる。このとき、グルコースが酵素の酸
化触媒作用により酸化され、酸素が消費されるとともに
過酸化水素が発生する。この酸素消費量、または過酸化
水素発生量は、グルコース濃度と相関があり、これを測
定することでグルコース濃度を測定することが可能とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のバイオセンサにあっては、連続多孔質基板１全
体に酵素が固定化されている構成であるため、酵素自体
が物理的に障害物となり、被検査液が連続多孔質基板内
に浸入するまでに時間を要するという問題があった。特
に、連続多孔質基板の作用極及び対極の重なり部分は、
これらの電極自体も物理的な障害物になるので、特に被
検査液が浸入しにくく、このため、測定の初期の状態で
は、電極間に対応する連続多孔質に被検査液の濃度が電
極間の位置によって大幅に異なり、位置によって酵素反
応を起こす時間的にズレが生じ、被検査液の濃度に応じ
た電極間に流れる電流が定常状態になるのに時間がかか
るという問題点があった。また、連続多孔質基板内の酵
素の数を減らすと迅速かつ高精度に測定することができ
なかった。

【０００５】この発明が解決しようとする課題は、基質
濃度を迅速かつ高精度に測定できるバイオセンサを得る
にはどのような手段を講じればよいかという点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
連続多孔質基板の表裏面にそれぞれ電極が形成されると
共に、前記連続多孔質基板内に、酵素、あるいは酵素と
メディエータとが固定化された酵素固定化領域が形成さ
れたバイオセンサにおいて、前記連続多孔質基板の前記
酵素固定化領域は一方の電極近傍に形成され、該酵素固
定化領域以外の前記連続多孔質基板中の孔の径の平均の
寸法が、該酵素固定化領域中の孔の径の平均の寸法より
大きいことを、この解決手段としている。また、請求項
２記載の発明は、前記連続多孔質基板が、前記酵素固定
化領域を構成する小径多孔質基板と、それ以外の部分を
構成する大径多孔質基板とが接合されてなることを特徴
としている。

【０００７】請求項３記載の発明では、連続多孔質基板
の孔の径の平均の寸法は、連続多孔質基板の一方の電極
面側から他方の電極面側に向けて漸次大きくなることを
特徴としている。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明においては、酵素固定化領
域以外の連続多孔質基板中の孔の径寸法が大きいため、
被検査液が酵素固定化領域の周囲全面に速やかに浸入さ
れることが可能となる。このため、酵素固定化領域内に
は被検査液が領域周囲からほぼ同時に浸入し、被検査液
中の基質は酵素の触媒作用を受けて酵素反応を起こす。
被検査液は酵素固定化領域内に均一に浸入するため、酵
素固定化領域内では酵素反応が迅速かつ均一に起こり始
め、一方の電極に流れる電流は速やかに定常状態とな
る。これにより、電極間に基質濃度に応じて流れる電流
を測定することで基質濃度を安定して検出することが可
能となる。また、請求項２記載の発明においては、連続
多孔質基板を、酵素固定化領域を構成する小径多孔質基
板と、それ以外の部分を構成する大径多孔質基板とが接
合されてなる構成であるため、酵素固定化領域の形状の
小径多孔質基板と、大径多孔質基板とを別々に用意すれ
ばよく孔径の設定が容易となる。

【０００９】請求項３記載の発明においては、連続多孔
質基板を構成する大径多孔質基板の表面から電極に平行
をなす方向に被検査液が浸入し、一方の電極近傍に形成
された酵素固定化領域の周囲を被検査液が速やかに覆
い、酵素固定化領域内に被検査液が均一に浸入する。こ
のため、酵素固定化領域内では酵素反応が迅速かつ均一
に起こり始め、一方の電極に流れる電流は速やかに定常
状態となる。ことにより、電極間に基質濃度に応じて流
れる電流を初期状態より安定して測定することができ、
基質濃度を迅速に検出することが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明に係るバイオセンサの詳細を
図面に示す各実施例に基づいて説明する。（実施例１）図１（Ａ）および（Ｂ）は、この発明に係
るバイオセンサの実施例１を示している。図中１０はバ
イオセンサであって、連続多孔質基板１１の一側表面に
一方の電極としての作用極１２が形成され、連続多孔質
基板１１の一側表面に対向する表面に他方の電極として
の対極１３が形成されて大略構成されている。また、作
用極１２の表面には絶縁膜１４が形成され、対極１３の
表面には絶縁膜１５が形成されている。

【００１１】連続多孔質基板１１は、孔の径がほぼ均一
で、孔の径の平均の寸法が例えば０．２μｍ程度の小径
多孔質基板１１ａと、孔の径がはぼ均一で孔の径の平均
寸法が例えば１００μ程度の大径多孔質基板１１ｂと、
が接合されて構成されている。なお、これら基板１１
ａ、１１ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンなど
のフッ素樹脂を連続多孔質構造にしたもので形成されて
いる。小径多孔質基板１１ａは、円盤形状で上縁から下
縁に向けて周面が略テーパ面となっており、側面形状が
皿形状となっている。一方、大径多孔質基板１１ｂは、
小径多孔質基板１１ａより径寸法の大きな円盤形状であ
り、その上面中央に小径多孔質基板１１ａを嵌合する凹
部１１ｃが形成されている。そして、大径多孔質基板１
１ｂと小径多孔質基板１１ａとは、凹部１１ｃに小径多
孔質基板１１ａが嵌合した状態で接合されている。しか
も、本実施例では、小径多孔質基板１１ａ全体にグルコ
ース酸化酵素であるグルコースオキシダーゼが例えば架
橋法や包括法などにより固定化されている。このため、
小径多孔質基板１１ａ全体が酵素固定化領域となってい
る。なお、図示しないが作用極１２と対極１３には配線
を介して電圧印加回路と電流測定回路とが接続されてい
る。

【００１２】本実施例のバイオセンサ１０を用いて被検
査液中の基質であるグルコースの濃度を測定するには、
バイオセンサ１０を被検査液に浸け、作用極１２と対極
１３とに所定の電圧を印加すると共に、両極間を流れる
電流を測定することにより、グルコース濃度が測定でき
る。

【００１３】本実施例のバイオセンサ１０においては、
図１（Ｂ）に示すように、被検査液が破線で示す経路で
浸入して小径多孔質基板１１ａに到達する。すなわち、
バイオセンサ１０が被検査液に浸けられると、小径多孔
質基板１１ａより大径多孔質基板１１ｂの孔の径寸法の
方が大きいため、被検査液は大径多孔質基板１１ｂの露
出表面から対極１３と平行な方向に速やかに浸透する。
したがって小径多孔質基板１１ａの界面全面から速やか
に浸透されるので効率良く測定することができる。な
お、小径多孔質基板１１ａの露出表面からも被検査液は
浸透するが、大径多孔質基板１１ｂ中を浸透する速度の
方が大幅に速いため、露出していない部分の小径多孔質
基板１１ａの周囲にも略同時に被検査液が到達して浸透
が始まる。

【００１４】そして、被検査液が小径多孔質基板１１ａ
内に浸透して固定化されたグルコースオキシダーゼに接
触すると、その触媒作用により被検査液中の基質（グル
コース）が酸化される。その際、この基質の濃度に応じ
て被検査液中の酸素が消費され、これによって作用極１
２と対極１３との間に流れる電流が減少する。したがっ
て、この電流減少量を電流測定回路によって測定された
電流値から求め、予め作成された検量線のデータと照ら
し合わせることにより、基質濃度を確定することができ
る。本実施例では、小径多孔質基板１１ａ内へ被検査液
が均一に浸透し始めるため、上記電流の変化が定常状態
になるのに時間が掛からず、迅速な基質濃度の測定が可
能となる。

【００１５】（実施例２）図２は、この発明に係るバイ
オセンサの実施例２を示している。本実施例のバイオセ
ンサ１０においては、同図に示すように、連続多孔質基
板１１が、小径多孔質基板１１ａと、大径多孔質基板１
１ｂと、小径多孔質基板１１ａの周囲を囲む大径多孔質
部１１ｄとで構成されている。そして、小径多孔質基板
１１ａ内のみに酵素（グルコースオキシダーゼ）が固定
化されている。また、作用極１２は、小径多孔質基板１
１ａの表面を覆うように形成されている。なお、他の構
成は、上記実施例１と同様である。

【００１６】本実施例においては、連続多孔質基板１１
を構成する小径多孔質基板１１ａ、大径多孔質基板１１
ｂ、並びに大径多孔質部１１ｄの加工が行い易く、組み
付けることで容易に構成できるという利点がある。ま
た、本実施例によれば、全体に酵素を固定化した大型の
小径多孔質ベース板を用意し、このベース板上全面に作
用極１２を構成する材料膜と絶縁膜とを形成し、単位小
径多孔質基板１１ａ毎に切断することにより、小径多孔
質基板１１ａに作用極１２、絶縁膜１４が形成されたも
のを複数作成することができ、量産し易いという利点が
ある。

【００１７】（実施例３）図３は、この発明に係るバイ
オセンサの実施例３を示している。本実施例では、連続
多孔質基板１１が大径多孔質基板１１ｂに形成した凹部
１１ｃに小径多孔質基板が埋め込まれている構成からな
る点で、上記した実施例１と同様であるが、小径多孔質
基板１１ａ内の孔が作用極１２に向けて漸次小径となる
ように形成されている。なお、酵素（本実施例ではグル
コースオキシダーゼ）が固定化される領域は、小径多孔
質基板１１ａ全体、または、作用極１２から小径多孔質
基板１１ａの所定深さまで形成されている。本実施例に
おける作用・効果は、上記実施例１と同様である。

【００１８】（実施例４）図４（Ａ）、（Ｂ）は、この
発明に係るバイオセンサの実施例４を示している。本実
施例のバイオセンサ１０に用いられる連続多孔質基板１
１は、小径多孔質基板１１ａと、大径多孔質基板１１ｂ
とを貼り合わせた構成となっている。そして、作用極１
２の近傍の小径多孔質基板１１ａの部分には、グルコー
スオキシダーゼが固定化された酵素固定化領域１６が形
成されている。なお、本実施例における他の構成は、上
記実施例１と同様である。

【００１９】本実施例では、図４（Ｂ）に破線で示すよ
うな経路で被検査液が酵素固定化領域１６へ浸透する。
すなわち、大径多孔質基板１１ｂの露出表面より浸透し
た被検査液は速やかに対極１３と平行をなす方向に浸入
し、酵素固定化領域１６に到達する。そして、被検査液
は、大径多孔質基板１１ｂと小径多孔質基板１１ａとの
界面からほぼ均一に酵素固定化領域１６内に浸入して、
酵素による触媒反応を起こす。このため、本実施例にお
いても、測定電流が速やかに定常状態となり迅速に基質
濃度の測定を行うことができる。

【００２０】以上、実施例１〜４の説明をしたが、本発
明はこれらに限定されるものではなく、構成の要旨に付
随する各種の設計変更が可能である。例えば、上記各実
施例では、小径多孔質基板１１ａに固定化する酵素をグ
ルコースオキシダーゼとすることにより、本発明のバイ
オセンサをグルコース濃度測定に供されるものとした
が、この他、アルコール酸化酵素であるアルコールオキ
シダーゼを用いればアルコール濃度を測定するためのバ
イオセンサとすることができ、また、コレステロール酸
化酵素であるコレステロールオキシダーゼを用いれば、
コレステロール濃度を測定するためのバイオセンサとす
ることができる。

【００２１】また、上記各実施例では、酸素の消費に伴
う電流の減少を測定することにより、基質濃度を確定す
る構成としたが、酵素の触媒作用により生成される過酸
化水素を検出して基質濃度を測定するようにしても勿論
よい。

【００２２】さらに、上記各実施例では、小径多孔質基
板１１ａ中に酵素のみを固定化したが、これに加えてメ
ディエータ（例えばフェロセン誘導体など）を共存させ
てもよい。このようにメディエータを共存させれば、基
質を酸化させて還元型に変化した酵素が元の酸化型に戻
る際、メディエータが酵素から電子を奪い還元型メディ
エータとなる。そして、この還元型メディエータが電極
反応によって電極に電子を与え、これにより元の酸化型
メディエータに戻る。すなわち、酵素とメディエータと
を含む小径多孔質基板１１ａ中に基質が存在すれば、酵
素とメディエータとを仲介して電子が電極に移動し、基
質濃度に応じた電流が流れる。したがって、この電流を
検出すれば基質濃度を測定することができる。そして、
このように酵素とメディエータとを小径多孔質基板１１
ａ中に共存させて固定化すれば、被検査液中に溶存酸素
が全く無いか、あるいはその量が少ないときでも、基質
濃度に応じた電流が流れるため、溶存酸素濃度に依存し
ないバイオセンサとなる。

【００２３】また、上記各実施例では、連続多孔質基板
１１を複数の多孔質部材を組み付けることにより構成し
たが、一枚の連続多孔質基板で構成し、その内部の孔の
径寸法を作用極１３側から放射状に実質的に漸次大きく
した構成としてもよい。また、連続多孔質基板１１の作
用極１２側の面から対極１３側の面に向けて孔の径寸法
を漸次大きくした構成でもよい。この場合、孔径の小さ
い（０．２μｍ程度）部分では酵素分子は固定化される
が、孔径の大きい（１００μｍ程度）部分では孔径が酵
素分子の大きさよりはるかに大きいため固定化されず酵
素がほとんど存在しない状態を作り出すことができる。
また、このような構成とすると、基質を含む被検査液が
作用極に向かう際に、粒子や分子の大きな夾（きょう）
雑物質の浸入を阻止することができ、小さな分子の基質
のみが酵素固定化領域に到達するようにすることができ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、被検査液が、連続多孔質基板の孔径の大き
い部分を速やかに浸透して酵素固定化領域の周囲に均一
に到達するため、迅速に基質濃度が測定できるという効
果がある。また、酵素固定化領域内に被検査液中の基質
が均一に拡散するため、酵素反応の時間的ズレが生じに
くくなり、基質濃度の測定を効率的にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の実施例１を示す断面図、
（Ｂ）は実施例１の被検査液の浸入経路を示す説明図。

【図２】この発明の実施例２を示す断面図。

【図３】この発明の実施例３を示す断面図。

【図４】（Ａ）はこの発明の実施例４を示す断面図、
（Ｂ）は実施例４の被検査液の経路を示す説明図。

【図５】従来のバイオセンサを示す断面図。

【符号の説明】

１０バイオセンサ１１連続多孔質基板１１ａ小径多孔質基板１１ｂ大径多孔質基板１２作用極１３対極１６酵素固定化領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続多孔質基板の表裏面にそれぞれ電極
が形成されると共に、前記連続多孔質基板内に、酵素、
あるいは酵素とメディエータとが固定化された酵素固定
化領域が形成されたバイオセンサにおいて、前記連続多孔質基板の前記酵素固定化領域は、一方の電
極近傍に形成され、該酵素固定化領域以外の前記連続多
孔質基板中の孔の径の平均の寸法が、該酵素固定化領域
中の孔の径の平均の寸法より大きいことを特徴とするバ
イオセンサ。
【請求項２】前記連続多孔質基板は、前記酵素固定化
領域を構成する小径多孔質基板と、それ以外の部分を構
成する大径多孔質基板とが接合されてなることを特徴と
する請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項３】前記連続多孔質基板の孔の径の平均の寸
法は前記連続多孔質基板の一方の電極面側から他方の電
極面側に向けて漸次大きくなることを特徴とする請求項
１記載のバイオセンサ。