JPH10170471A

JPH10170471A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH10170471A
Application number: JP8340423A
Authority: JP
Inventors: Tadahisa Toyama; 忠久当山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】迅速に試料液を導入空間に導入でき、作製が
容易なバイオセンサを提供する。【解決手段】上ガラス基板１２の下面に作用極１７と
補正用電極１８とが平行をなすように形成され、下ガラ
ス基板１３の上面に対極１６が形成され、上下ガラス１
２、１３どうしをスペーサ１４を介して接合し、スペー
サ１４に形成されたＴ字形状の切り欠きと上下ガラス基
板１２、１３とで形成される中空部１５内に、作用極１
７と、補正用電極１８と、対極１６とが露出するように
すると共に、作用極１７および補正用電極１８と、対極
１６とが平面的に重なり合わないように配置するように
形成されている。このような構造としたことにより、試
料液導入口１５Ａから導入される試料液が、対極の撥水
性の影響を受けずに毛細管現象により容易に測定空間１
５Ｂ内に進入し易くなり、迅速な濃度測定可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、作用極と対極を
備えるバイオセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、バイオセンサとしては、図２
（ａ）〜（ｃ）に示すような構造のものが提案されてい
る。図２（ａ）は、バイオセンサの平面図、同図（ｂ）
は、同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は下ガラス
基板２の上面に形成された対極３を示す平面図である。
このバイオセンサは、図に示すように、対をなす上ガラ
ス基板１と下ガラス基板２にそれぞれ電極を備え、これ
ら電極間に試料液を介在させることにより、試料液中の
基質濃度を測定している。具体的には、下ガラス基板２
の上面に、全域に亙って白金でなる対極３が形成され、
この対極３の上に電気絶縁性をもつスペーサ４を介して
上ガラス基板１側が設けられている。この上ガラス基板
１側は、上ガラス基板１の下面に金属等の導電材料でな
る作用極５と補正用電極６とが所定距離を隔てて平行に
配置・形成されている。作用極５と補正用電極６の先端
部は円形状に形成されている。この先端部は、スペーサ
４に形成されたＴ字形状の空隙４Ａ内に露出している。
このような構造であるため、作用極５および補正用電極
６は、この空隙４Ａ内で対極３と対向している。なお、
作用極５の先端部下面には、酸化還元酵素、または、酸
化還元酵素およびメディエータの両者、からなる酵素反
応層７が形成されている。このバイオセンサを用いて試
料液の基質濃度を測定するには、空隙４Ａの試料液導入
口４Ｂに試料液を滴下して、試料液を毛管現象により空
隙４Ａ内に浸透させて作用極５および補正用電極６と、
対極３と、の間に試料液が介在された状態で行う。この
とき、酸化還元酵素の触媒作用により、基質が例えば酸
化され、メディエータが還元される。そして、還元され
たメディエータを電気化学的に酸化し、そのとき得られ
るメディエータの酸化電流を検出することにより、試料
液中の基質濃度を求めることが可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような構造のバイ
オセンサには年々、薄型化、小型化が要求されてきてお
り、スペーサ４を介して形成された空隙４の厚さも薄く
する必要があった。しかしながら空隙４内に露出された
作用極５及び補正用電極６は試料液に対し撥水性を有
し、同じ撥水性を有する対極３と重なって配置されてい
るので、空隙４の厚さも薄くするに従い試料液がこれら
電極間への浸入及び移動が困難になり、十分に検査でき
る程度に電極間に試料液が満たされるまでに時間がかか
ってしまうという問題があった。また、撥水性の差、す
なわち液体に対する界面張力の差から作用極５や補正用
電極６の周りのガラス基板部分に先に試料液が浸入する
ため、電極間に気泡が溜まり、基質と酵素との反応が十
分に起こらず、電解測定の再現性が悪いという問題があ
った。また、上記現象を避けるため、電極表面を親水化
処理したり、再湿潤機能を有する界面活性剤を導入する
必要があった。

【０００４】この発明が解決しようとする課題は、速や
かに試料液が検査部に吸引されて迅速に測定を行うこと
が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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
互いに離間されて対向する一対の基板のうち一方の前記
基板の対向内側面に作用極が形成され、他方の前記基板
の対向内側面に金属でなる対極が形成され、両基板間に
形成される試料液導入空間内に試料液を導入して基質濃
度の測定を行うバイオセンサにおいて、前記作用極と前
記対極とが平面的に重なり合わないように配置されてい
ることを特徴としている。請求項１記載の発明において
は、作用極と対極とが平面的に重なり合わない配置であ
るため、試料液が一方の電極、特に対極の表面に滴状を
なして保持されることがなく、両基板間の試料液導入空
間に試料液を進入させ易くすることができ、迅速な測定
を行うことが可能となる。このため、対極材料として、
特別に親水性を有する材料を採用したり、親水処理を施
したり、界面活性剤の導入を行う必要がなく、バイオセ
ンサの作製を簡素化することができる。

【０００６】請求項２記載の発明は、前記作用極の表面
には、酵素反応層が形成されていることを特徴としてい
る。請求項３記載の発明は、前記対極が、白金で形成さ
れていることを特徴としている。請求項３記載の発明
は、疎水性を有する白金でなる対極を備えた構成におい
ても試料液の導入を迅速に行うことができる。

【０００７】請求項４記載の発明は、前記作用極が形成
された一方の前記基板に補正用電極が前記作用極と距離
を隔てて形成され、当該補正用電極が前記対極と平面的
に重なり合わないことを特徴としている。請求項４記載
の発明においては、補正用電極を備えたバイオセンサに
おいても、試料液導入空間へ迅速に試料液を進入させる
ことができる。

【０００８】請求項５記載の発明は、前記補正用電極と
前記対極との距離は、前記作用極と前記対極との距離に
実質的に等しいことを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係るバイオセン
サの詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。な
お、本実施形態は、アルコール濃度を測定するバイオセ
ンサに本発明を適用した例である。図１（ａ）は本実施
形態のバイオセンサの平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）
のＸ−Ｘ断面図、図１（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ断面
図である。

【００１０】図中１１は、本実施形態のバイオセンサを
示している。このバイオセンサ１１は、図に示すよう
に、上ガラス基板１２側と下ガラス基板１３側とが絶縁
性材料でなる板状のスペーサ１４を介して接合されてい
る。そして、下ガラス基板１３側は、上ガラス基板１２
側と接合した状態で上ガラス基板１２の一側縁部より外
側に突出する延在部１３Ａが形成されている。なお、ス
ペーサ１４には、図１（ａ）に破線で示すような平面略
Ｔ字形状の試料液導入空間としての中空部１５が形成さ
れている。この中空部１５は、延在部１３Ａの幅方向の
中央位置から内側に向けてスペーサ１４を切り欠いた試
料液導入口１５Ａと、この試料液導入口１５Ａに連通す
る、上下ガラス基板１２、１３の幅方向に沿ってスペー
サ１４を切り欠いた測定空間１５Ｂと、から構成されて
いる。

【００１１】そして、下ガラス基板１３の上面には、白
金（Ｐｔ）でなる対極１６が幅寸法が例えば１ｍｍ程度
の線状パターンに形成されている。この対極１６は、下
ガラス基板１３の幅方向の中央を長手方向に沿って形成
されたものであり、この対極１６の一方の端部は試料液
導入口１５Ａの開口部まで延在され、スペーサ１４の中
空部１５の中央で露出するように形成されている。

【００１２】一方、上ガラス基板１２の下面には、図１
（ａ）に示すように、所定距離を介して、長手方向に沿
って形成された、白金でなる作用極１７と補正用電極１
８とが形成されている。これら作用極１７と補正用電極
１８の一端部は、例えば径寸法が２.５ｍｍの円形状の
測定部１７Ａ、１８Ａが形成されている。なお、作用極
１７および補正用電極１８の測定部１７Ａ、１８Ａ以外
の部分の幅寸法は１ｍｍ程度の線状のパターンに形成さ
れている。そして、これら測定部１７Ａ、１８Ａは、ス
ペーサ１４と上下ガラス基板１２、１３とで形成される
中空部１５の測定空間１５Ｂの臨むように配置されてい
る。さらに、この測定空間１５Ｂ内の測定部１７Ａの表
面には、例えばアルコールオキシダーゼを固定してなる
酵素反応層１９が形成されている。また、補正用電極１
８の測定部１８Ａの表面には、活性を消失させたアルコ
ールオキシダーゼを固定してなる不活性酵素層２０が形
成されている。なお、本実施形態では、図１（ａ）およ
び（ｃ）に示すように平面的に見て、作用極１７の測定
部１７Ａおよび補正用電極１８の測定部１８Ａに対し
て、対極１６が重ならないように配置されている。

【００１３】このような構成の本実施形態のバイオセン
サ１１における作用・動作について以下に説明する。ア
ルコール水溶液を含む試料液を試料液導入口１５Ａの近
傍の延在部１３Ａ上に滴下したり、または試料液導入口
１５Ａへ試料液を付着させると、毛細管現象により、試
料液が速やかに中空部１５へ吸引される。このように、
試料液が中空部１５内に速やかに吸引される理由は、撥
水性を有する白金でなる対極１６が作用極１７および補
正用電極１８と平面的に見て重なり合わない配置である
と共に、対極１６が線状に形成されているため、対極１
６上で試料液が滴状を保たずに迅速に浸入できるからで
ある。すなわち、中空部１５内では、バイオセンサ１１
の厚さ方向において、上ガラス基板１２の、下ガラス基
板１３の対極１６に最も近接している箇所には、測定部
１７Ａ、１８Ａを配置せず、作用極１７及び補正用電極
１８より親水性の材料からなる上ガラス基板１２がある
ので、試料液が浸入しやすくなる。ここで、対極１６と
それぞれ測定部１７Ａ、１８Ａとの距離は互いに等間隔
に設定され、試料液導入口１５Ａから浸入した試料液は
実質的に同時に対極１６−測定部１７Ａ間と対極１６−
測定部１８Ａ間とを満たすことになる。このため、良好
な測定が可能なバイオセンサ１１を薄い構造とすること
ができる。また、作用極１７および補正用電極１８と、
対極１６と、が平面的に重ならない配置であるため、上
下ガラス基板１２、１３に形成された電極間に気泡が混
入する確立を大幅に低減させることができ、このため測
定電流の応答の再現性を向上させることができる。

【００１４】上記バイオセンサ１１はアルコール濃度を
測定するものであったが、グルコース濃度を測定するバ
イオセンサについて以下に説明する。ここで、測定空間
１５Ｂ内のアノード電極である作用極１７の測定部１７
Ａの表面には、アルコールオキシターゼの代わりにグル
コースオキシターゼが固定してなる酵素反応層１９が形
成され、補正用アノード電極である補正用電極１８の測
定部１８Ａの表面には、活性を消失されたグルコースオ
キシターゼが固定してなる不活性酵素層２０が形成され
ている。具体的には、グルコースオキシターゼ（ＧＯ
Ｄ）と牛血清アルブミン（ＢＳＡ）とが固定化されて、
酵素反応層１９が形成されている。この酵素反応層１９
は、基性であるグルコースが作用極１７に到達し得るよ
うに連続孔が連通した状態を保つように固定化されてい
る。このような酵素の固定化方法としては、架橋法や包
括法などが知られている。本実施形態では、基板１２、
１３をスペーサ１４を介して張り合わせる前に、グルコ
ース酸化酵素であるグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）
と牛血清アルブミン（ＢＳＡ）との混合液を、測定部１
７Ａに適量滴下し、乾燥後、グルタルアルデヒド蒸気中
で架橋反応を行って酵素を固定化した。そして、カソー
ド電極である対極１６とアノード電極である作用極１
７、補正用電極１８は、それぞれ電圧印加回路および電
流測定回路に接続されている。

【００１５】このような構成のグルコースセンサを用い
て、試料液に対する電流応答を測定した。試料液として
は、低濃度のグルコース標準溶液を１０μ１滴下して用
いた。なお、試料液の滴下位置は、試料液導入口１５Ａ
の入口位置の下ガラス基板１３の延在部１３Ａである。
このような位置に滴下すると、標準溶液は毛細管現象に
より、試料液導入口１５Ａに沿って測定空間１５Ｂに取
り込まれ、作用極１７側に標準溶液が迅速に拡散して行
く。そして、酵素反応層１９で酵素反応が起こり、グル
コースが酸化されるとともに、過酸化水素が生成され
る。標準溶液が、対向する作用極１７と対極１６との間
に十分染み込むのを待って、所定時間経過後、電極間に
０．７Ｖの電圧を電圧印加回路によって印加した。電圧
印加により、電極間に過酸化水素の電解電流が流れる。
電圧印加してから５秒後の電解電流を電流測定回路によ
り検出した。グルコース濃度０のときのバイアス電流キ
ャンセル後の、グルコース濃度に対する電解電流値をプ
ロットすると、グルコース濃度０〜６０ｍｇ／ｄｌの低
濃度領域で、非常に良い直線性が得られた。また、１０
０ｍｇ／ｄｌのアスコルビン酸溶液に対する応答は、約
０．２μＡとなり、従来のカーボンペースト電極の応答
の約２．２μＡより１０分の１以下となり、アスコルビ
ン酸の影響を著しく削減できた。

【００１６】本実施形態では、電圧印加により例えば尿
酸の酸化電流が生じても、作用極１７と補正用アノード
電極１８との両方に流れ、酵素反応後に生じる過酸化水
素の酸化電流は作用極１７のみに流れるため、２つの電
流の差を取れば、尿酸やその他の還元性物質による影響
を除去することができる。具体的には、尿酸１００ｍｇ
／ｄｌ、グルコース１０ｍｇ／ｄｌの混合溶液に対する
電流応答とグルコース１０ｍｇ／ｄｌ溶液に対する電流
応答の差は０．１μＡとなり、グルコースの１０倍濃度
の尿酸を含むに拘わらず、その影響は著しく削減され
た。また、作用電極１７が白金でなるため、アスコルビ
ン酸１００ｍｇ／ｄｌ溶液に対する応答は、約０．２μ
Ａとなり、従来のカーボンペースト電極の応答の約２．
２μＡより１０分の１以下となり、アスコルビン酸に起
因する妨害電流の影響を著しく低減することができた。

【００１７】以上、実施形態について説明したが、本発
明はこれに限定されるものではなく、構成の要旨に付随
する各種の変更が可能である。例えば、上記実施形態
は、酵素反応層１９の設定に応じて本発明をアルコール
濃度やグルコース濃度を測定するバイオセンサに適用し
たが、コレステロール測定用のバイオセンサ、乳酸測定
用のバイオセンサなど各種のバイオセンサに本発明を適
用することが可能である。また、上記実施形態では、酵
素反応層１９として、グルコースオキシダーゼを固定化
したものを用いたが、これに加えてメディエータを共存
させる構成としても勿論よい。さらに、上記実施形態で
は、作用極１７と補正用電極１８とを有する構成である
が、少なくとも作用極と対極とを有する構成であれば本
発明を適用することができる。またさらに、上記実施形
態においては、基板としてガラス基板を用いたが、絶縁
性材料であればガラス以外の材料を用いても勿論よい。
また、対極１６を除く下ガラス基板１３上全面に、その
膜厚が２００〜２００μｍで、孔径が０．２μｍに設定
された親水性処理を施した、ポリテトラフルオロエチレ
ンを施しても良い。

【００１８】

【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、電極に特別な親水化処理や、界面活性剤の
導入を行うことなく、速やかに試料液が検査部に吸引さ
れて迅速に測定を行うことができるバイオセンサを実現
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係るバイオセンサの実施形態
の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は
（ａ）のＹ−Ｙ断面図。

【図２】（ａ）は従来のバイオセンサの平面図、（ｂ）
は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は対極を示す平面図。

【符号の説明】

１１バイオセンサ１２上ガラス基板１３下ガラス基板１４スペーサ１５中空部１５Ａ試料液導入口１５Ｂ測定空間１６対極１７作用極１７Ａ測定部１８補正用電極１８Ａ測定部１９酵素反応層２０不活性酵素層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに離間されて対向する一対の基板の
うち一方の前記基板の対向内側面に作用極が形成され、
他方の前記基板の対向内側面に金属でなる対極が形成さ
れ、両基板間に形成される試料液導入空間内に試料液を
導入して基質濃度の測定を行うバイオセンサにおいて、前記作用極と前記対極とが平面的に重なり合わないよう
に配置されていることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記作用極の表面には、酵素反応層が形
成されてい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】前記対極は、白金で形成されていること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のバイオセ
ンサ。
【請求項４】前記作用極が形成された一方の前記基板
に補正用電極が前記作用極と距離を隔てて形成され、当
該補正用電極が前記対極と平面的に重なり合わないこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイオセ
ンサ。
【請求項５】前記補正用電極と前記対極との距離は、
前記作用極と前記対極との距離に実質的に等しいことを
特徴とする請求項４記載のバイオセンサ。