JPH10307119A

JPH10307119A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH10307119A
Application number: JP9118466A
Authority: JP
Inventors: Soichi Saito; 総一齋藤; Atsushi Saito; 敦齋藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-05-08
Filing date: 1997-05-08
Publication date: 1998-11-17
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: JP3060991B2

Abstract

(57)【要約】【課題】カートリッジに実装されたバイオセンサの測定
精度を向上させるとともに、測定時間を短縮する。【解決手段】センサ基板１はカートリッジ２に収納さ
れ、カートリッジ２にはセンサ基板１の感応部３に対応
する位置に開口部４が設けられている。感応部３の他端
には本体と接続するための端子５が設けられ、使用時は
本体のコネクタと液密に嵌合される。開口部４の周りに
はすり鉢状のテーパー部６が設けられている。そしてカ
ートリッジ２には開口部４と先端とを結ぶ排液溝７が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明はバイオセンサに関
し、特にセンサチップをカートリッジに装着して用いる
バイオセンサに関する。

【０００１】

【従来の技術】酵素を利用したバイオセンサは酵素の優
れた基質特異性を利用して複合試料中の特定物質を定量
するものである。現在、主に利用されている方法は、
１）酵素と発色試薬を組み合わせて酵素反応量を色調変
化に変換し、これを光学的に定量する方法と、２）電極
あるいはトランジスタと酵素を組み合わせ酵素反応量を
電気信号に変換して定量する方法の２つである。特に後
者の電気信号に変換する装置は、装置が小型かつ安価で
あるため、近年化学分析や臨床検査機器を中心に急速に
その用途を拡大しつつある。代表的なものに電極や電界
効果型トランジスタ上に酵素を固定化したバイオセンサ
がある。

【０００２】このような電気化学反応を利用したバイオ
センサの中で、平板上に電極やトランジスタを形成した
いわゆるプレーナ型のものは、半導体微細加工技術を利
用して製造できるため小型化に適し、量産性にも優れて
いる。そして、このセンサチップを液密に保持するカー
トリッジに収納して用いるのが一般的である。これはこ
のセンサが通常血液や尿などの液体に接触させて用いら
れるためであり、接続部の防水性確保、センサチップの
保護、交換を容易にすることなどが目的である。このよ
うなバイオセンサの例は特開平７−１５９３６６や特開
平８−２４７９８７号公報に見ることができる。

【０００３】図９は従来のバイオセンサの一例を示す模
式図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は図９
（ａ）のＡ−Ａ′線で切断した部分断面図である。セン
サ基板１０１には一端の近傍に基質感応部である酵素電
極、電界効果型バイオセンサなどが設けられ、他端にセ
ンサと外部の本体とを電気的に接続する端子１０５が設
けられている。なお図では本体は省略してある。センサ
基板１０１はカートリッジ１０２に収納されている。カ
ートリッジ１０２にはセンサ基板１０１の感応部１０３
と対応する位置に開口部１０４が設けられており、その
裏面にはＯリング１０８が設置され、感応部１０３を除
いてセンサ基板１０１を液密に保持している。また、開
口部１０４の周囲はすり鉢型のテーパー部１０６が設け
られている。

【０００４】次にこのセンサの使用方法について説明す
る。図１０はこのセンサの使用方法を示す断面模式図で
ある。まず、図１０（ａ）のようにカップ１２０に尿な
どの被検液１１４をとり、開口部１０４が完全に液中に
没するようにカートリッジ１０２を被検液１１４に浸漬
する。ここで開口部１０４の周囲にテーパー部１０６が
設けられているために、開口部１０４に気泡が残存せ
ず、被検液１１４は速やかに感応部１０３に接触する。
次に電極間に電圧を印加して電流を測定するなどの所定
の操作を行う。そして測定が終わったら被検液１１４か
らカートリッジ１０２を引き上げる。このとき被検液１
１４は重力あるいは人の手によって加えられる遠心力に
よって、テーパー部１０６を通ってカートリッジ１０２
の外に排出される。次に水などでカートリッジ１０２お
よび感応部１０３を洗浄し、次の測定を行う。以上の測
定は液にカートリッジを浸漬して行うと述べたが、開口
部１０４に被検液１１４を滴下して行っても全く同様の
測定が可能である。この場合、被検液１１４の量が極め
て少なくて済むという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
なバイオセンサには誤差が生じやすく、応答が遅いとい
う問題点があった。図１０（ｂ）はカートリッジ１０２
を被検液１１４から引き上げたときのカートリッジ１０
２の状態を示す断面模式図である。従来のバイオセンサ
では開口部１０４の端面とテーパー部１０６との間に段
差があるため、測定が終わっても図のように開口部１０
４に被検液１１４が残留してしまう。この被検液１１４
は洗浄によって取り除くことができるが、今度は洗浄液
が開口部１０４に残留する。そのままの状態で次の測定
を行うと洗浄液が第２の被検液１１４に混入し測定に誤
差を生ずる。特に被検液１１４を開口部１０４に滴下す
る方法では測定にかかる被検液１１４の量が少ないた
め、誤差は非常に大きくなってしまう。また、浸漬する
方法のように被検液１１４の液量が多くて誤差が無視で
きるような場合でも、開口部内に残留した洗浄液が完全
に被検液１１４と入れ替わるまでに時間を要するため、
結果として測定時間を長くしなければ正確な測定が行え
なくなってしまっていた。

【０００６】以上に述べたような弊害は開口部１０４の
中に残留した液体を紙で吸い取ったり、エアガンで吹き
飛ばすなどすれば解決できるが、このような作業は煩わ
しいだけでなく、センサの感応部１０３を傷付け故障さ
せてしまう可能性があるため好ましくない。

【０００７】本発明は以上の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、高精度な測定を短時間
で行え、かつ取り扱いの容易なバイオセンサを提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の問題点を解決する
ために本発明のバイオセンサでは、センサチップと、こ
のセンサチップを液密に保持するカートリッジと、この
カートリッジがセンサチップの感応部に対応する位置に
開口部を有するバイオセンサにおいて、カートリッジの
開口部とこのカートリッジの一端とを連通する溝を有す
る。また、好ましくは開口部の周囲にすり鉢状のテーパ
ー部を有する。さらに好ましくは溝と異なる方向に第２
の溝を設けている。

【０００９】また、望ましくはセンサチップとカートリ
ッジとが開口部において耐水性両面テープによって液密
に接続されている。

【００１０】あるいはカートリッジの表面が疎水性であ
り、カートリッジの開口部とカートリッジ一端とを連通
する親水性の部分を有している。これはカートリッジの
表面が疎水性であり、親水性の部分が親水処理によって
形成されているか、または親水性コーティングによって
形成されているか、または親水性のシートを貼付するこ
とによって形成されている。

【００１１】あるいはカートリッジが親水性部材によっ
て形成され、親水性の部分を除いて疎水処理されている
か、または親水性の部分を除いて疎水性コーティングさ
れているか、または親水性の部分を除いて疎水性のシー
トを貼付することによって形成されている。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。（発明の実施の形態１）本発明のバイオセンサは少なく
ともセンサ基板１とカートリッジ２と電源、検出回路を
内蔵する本体から構成される。図１は本発明第１の実施
の形態を示す模式図である。（ａ）は平面図であり、
（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線で切断した断面図であ
る。本体は省略してある。

【００１３】図１（ａ）に示すようにセンサ基板１はカ
ートリッジ２に収納され、カートリッジ２にはセンサ基
板１の感応部３に対応する位置に開口部４が設けられて
いる。

【００１４】センサ基板１には一端の近傍に基質感応部
である酵素電極、電界効果型バイオセンサなどが設けら
れ、他端にセンサと外部の本体とを電気的に接続する端
子５が設けられている。なお図では本体は省略してあ
る。端子５は使用時には本体のコネクタと液密に嵌合さ
れる。

【００１５】カートリッジ２には開口部４の周りにすり
鉢状のテーパー部６が設けられている。さらに開口部４
と先端とを結ぶ排液溝７が設けられている。また、図１
（ｂ）に示すように開口部４と感応部３の接合面には両
者を液密に接合するためのシール材８が設けられてい
る。ここでカートリッジ２の外形は長さ１０〜１００ｍ
ｍ、幅５〜３０ｍｍ、高さ２〜１０ｍｍであり、開口部
４の直径は１〜５ｍｍである。開口部４の縁はナイフエ
ッジとなっていることが望ましいが０．２〜０．５ｍｍ
の垂直部があっても差し支えない。また、排液溝７の幅
は開口部４の直径と同程度に設定され１〜５ｍｍであ
り、深さはテーパー部６の肉厚よりも若干小さくし１〜
５ｍｍに設定される。なおここでは溝７を開口部４とカ
ートリッジ２の先端とを連通するように設けたが、他の
方向例えばカートリッジ２の側端と開口部４を連通して
設けても良い。テーパー部６の直径は開口部４の直径の
２倍程度で２〜１０ｍｍ、角度は紙面の垂直方向に対し
て３０〜７０°に形成される。

【００１６】図２はセンサ基板１の一例を示す平面模式
図である。ここでは電流検出型のグルコースセンサを用
いる場合について説明する。ガラス、プラスチック、ガ
ラスエポキシなどのセンサ基板１にＰｔやカーボンから
なる作用極９、対極１０および、Ａｇ／ＡｇＣｌからな
る参照極１１とが形成され、各電極から引き出されたリ
ードは他端まで延伸されて端子５と接続されている。各
電極は感応部３と端子５を除いて絶縁膜１２でカバーさ
れている。これら３つの電極系の上には酵素固定化膜、
妨害物質除去膜、制限透過膜からなる感応膜１３が形成
されている。

【００１７】このセンサ基板１の作製方法の一例を下記
に示す。まず、ポリイミド基板に銅配線を形成したフレ
キシブルプリント配線板を用意する。銅配線は感応部の
３つの電極となる領域と端子を除いてポリイミドでカバ
ーされている。この上にフォトレジストを塗布した後、
フォトリソグラフィによって作用極９と対極１０となる
領域のみのレジストを除去する。次いでＰｔをスパッタ
し１００ｎｍ堆積させる。つぎにアセトンに浸漬してフ
ォトレジストを除去し作用極９と対極１０を形成する。
次に同様にして参照極１１となる領域に厚さ１００ｎｍ
のＡｇ電極を形成する。次にこれを塩化鉄水溶液に浸漬
してＡｇ表面にＡｇＣｌを析出させる。こうして電極基
板が完成する。次にこの電極基板に感応膜１３を形成す
る。まずディスペンサを用いて感応部３にγ−アミノプ
ロピルトリエトキシシランを滴下し乾燥させる。さらに
ナフィオン、アセチルセルロース、グルコースオキシタ
ーゼとアルブミンとグルタールアルデヒドの混合溶液、
シリコーンを順次滴下・乾燥して積層する。センサ素子
としてはこのほかにカーボン電極を用いたもの、電界効
果型半導体のゲート部に酵素を固定化したものなども用
いることができる。

【００１８】次にカートリッジ２の構成について説明す
る。図３はカートリッジ２の構成を示す模式図である。
カートリッジ２の材質はＡＢＳ、ポリスチレンなどのプ
ラスチック系材料が用いられる。カートリッジ２は図の
ように上下に分割された形になっており、その間にセン
サ基板１が実装される。実装の際には感応部３と開口部
４の位置を一致させ、両者の間に開口部４より大きな開
口を有するシール材８を挟持する。シール材８の厚さは
０．１ｍｍ前後が適当である。その状態で上下のカート
リッジ２を接着剤やねじなどで接合する。シール材８と
してはＯリングや耐水性両面テープなどを用いることが
できるが、両面テープを用いると位置決めが容易になり
作業性がよい。

【００１９】つぎに本発明のバイオセンサの動作につい
て説明する。図４は測定方法を示す断面模式図である。
まず図４（ａ）のように開口部４が完全に検体液１４の
中に没するようにカートリッジ２を検体液に浸漬する。
この状態で所定時間測定を行う。電流検出型のグルコー
スセンサでは参照極−作用極間に０．４〜０．７Ｖが印
加して作用極９−対極１０間の電流値を測定する。測定
は１０秒程度で完了する。測定が終了したら検体液１４
からカートリッジ２を取り出す。次に図４（ｂ）のよう
に排液溝７の端を下に向けると開口部４に残っていた検
体液１４は、重力の作用により排液溝７を通って図中の
矢印の方向に速やかに排出される。次いでこのカートリ
ッジ２を蒸留水などで洗浄する。洗浄水もまた排液溝７
から速やかに開口部４の外に排出される。このため、す
ぐに次の測定を行っても検体液１４と洗浄水が混合する
ことがない。また、次の測定を連続して行っても開口部
４に洗浄水等が残留していないので、新しい検体液１４
は速やかに感応部３に接触到達する。こうして測定の精
度が向上し、測定時間が短縮した。以上の例では容器に
入れられた被検液１４を測定したが、被検液１４を直接
開口部４に滴下しても良い。

【００２０】図５はこのバイオセンサを用いて尿の測定
と蒸留水による洗浄を繰り返したときの結果である。比
較のために排液溝７がないバイオセンサでの測定結果も
合わせて記載した。このグラフから明らかなように本発
明によって測定精度が向上した。また出力が飽和するま
での応答時間も３０秒前後から５秒前後に短縮された。（発明の実施の形態２）図６は本発明第２の実施の形態
を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
である。本実施の形態のカートリッジ２の表面は疎水性
であり、一端を開口部４、他端をカートリッジ２の先端
とする線分の近傍にのみ親水性領域１５が形成してあ
る。その幅は開口部４の直径と同程度とし、１〜５ｍｍ
程度である。なお親水性領域１５の他端はカートリッジ
２の先端以外の端面でも良い。他の構成は排液溝７のな
いことを除き実施の形態１と同一である。本実施の形態
の最も簡易な構成はカートリッジ２を疎水性の材料、例
えばポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂、ポリ
スチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いて作
製し、所定領域に親水処理を施すことである。ここで疎
水性材料とは水の接触角が８０°以上のものと定義す
る。また、親水処理としては処理不要部分をマスクした
後、クロム酸を主成分とする水溶液（Ｋ₂ Ｃｒ₂ Ｏ₇ ：
Ｈ₂ ＳＯ₄ ：Ｈ₂Ｏ＝７５ｇ：１５０ｇ：１２０ｇ）や
８０℃程度に熱した硫酸溶液に浸漬する方法が代表的で
ある。またさらに簡易には所定領域のみにγ−アミノプ
ロピルトリエトキシシラン、３−（２−アミノエチルア
ミノプロピル）トリメトキシシランなど親水基を有する
シランカップリング剤を塗布すればよい。ここで疎水性
材料とは水の接触角が８０°以上のものと定義する。あ
るいはポリビニルアルコール、ポリアクリル酸メチルな
ど親水性で厚さが０．１ｍｍ程度のシートを貼付しても
良い。

【００２１】また、前述の方法とは逆にポリビニルアル
コール、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ヒド
ロキシエチルなどの親水性の材料によってカートリッジ
２を形成し、液を排出する経路以外をジメチルクロロシ
ラン、オクタデシルトリエトキシシランなどのシランカ
ップリング剤やジメチルポリシロキサンなどを塗布して
疎水化処理しても良いし、ポリエチレン、ポリプロピレ
ンなど疎水性のシートを貼付して形成しても良い。ここ
で親水性材料とは水の接触角が６０°以下のものと定義
する。

【００２２】図７はこのバイオセンサの排液の概念を示
す模式図である。開口部４に残留した被検液１４は表面
張力によって図中の矢印に示す方向に向かって引き寄せ
られ、図の下方に向かって速やかに排出される。

【００２３】また、本実施の形態の親水処理を実施の形
態１の排液溝７について行えば、排液の効率はさらに向
上する。（発明の実施の形態３）図８は本発明第３の実施の形態
を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
である。本実施例ではカートリッジ２において実施の形
態１における排液のための排液溝７の他に、被検液を導
入するための導入溝１６が付加されている。カートリッ
ジ２を容器内の液に浸漬する使い方が多い場合には導入
溝１６を開口部４のカートリッジ２後端側に設けると良
い。こうすると開口部３に付着した気泡が上方に移動し
やすくなるので、気泡の残留による測定の失敗が少なく
なる。また、その幅および深さは排液溝７と同程度でよ
く、幅は１〜５ｍｍ、深さは１〜５ｍｍ程度であり、長
さは５〜１０ｍｍ程度が望ましい。なお、排液溝７への
排液の凝集を妨げないためには導入溝１６は疎水性であ
ることが望ましい。

【００２４】一方、尿を分析するバイオセンサにおいて
は放出された尿を直接かけて使用される場合がある。こ
の場合、一旦開口部４に入った尿が衝突の反動で再び外
に出ていってしまう可能性がある。ところが本実施の形
態のように導入溝１６があると被検液１４を一時的に蓄
えることができるので、安定して測定ができるようにな
る。この場合には導入溝１６がカートリッジ２後端側以
外の方向に形成されていても同様の効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】本発明のバイオセンサでは、センサチッ
プの感応部に対応する位置に開口部を有しこれを液密に
保持するカートリッジに、該開口部と該カートリッジの
一端とを連通する排液溝７、あるいは親水性の部分を設
けているため、測定完了後開口部に残った廃液、洗浄水
を速やかに排除することができる。このため液体中の成
分を定量する検査や分析の精度が向上し、測定に要する
時間が短縮された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施の形態を示す平面模式図およ
び断面模式図である。

【図２】本発明に用いられるセンサ基板の一例を示す平
面模式図である。

【図３】本発明のカートリッジの構成を示す斜視模式図
である。

【図４】本発明による動作を示す断面模式図である。

【図５】本発明による測定例を示す断面模式図である。

【図６】本発明第２の実施の形態を示す平面模式図およ
び断面模式図である。

【図７】本発明第２の実施の形態の動作を示す概念図で
ある。

【図８】本発明第３の実施の形態を示す平面模式図およ
び断面模式図である。

【図９】従来のバイオセンサの平面模式図および断面模
式図である。

【図１０】従来のバイオセンサの動作を示す断面模式図
である。

【符号の説明】

１，１０１センサ基板２，２０２カートリッジ３，１０３感応部４，１０４開口部５，１０５端子６，１０６テーパー部７排液溝８シール材９作用極１０対極１１参照極１２絶縁膜１３感応膜１４被検液１５親水処理部１６導入溝１０８Ｏリング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサチップと、前記センサチップを液
密に保持するカートリッジとを有し、前記カートリッジ
が前記センサチップの感応部に対応する位置に開口部を
有するバイオセンサにおいて、前記カートリッジの前記
開口部と前記カートリッジの一端とを連通する溝を有す
ることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記開口部の周囲にすり鉢状のテーパー
部を有す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】前記溝と異なる方向に第２の溝を有する
ことを特徴とする請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項４】前記カートリッジが撥水性部材で構成さ
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５】前記センサチップと前記カートリッジと
が前記開口部において耐水性両面テープによって液密に
接続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６】センサチップと、前記センサチップを液
密に保持するカートリッジとを有し、前記カートリッジ
が前記センサチップの感応部に対応する位置に開口部を
有するバイオセンサにおいて、前記カートリッジの表面
が疎水性であり、前記カートリッジの前記開口部と前記
カートリッジ一端とを連通する親水性の部分を有するこ
とを特徴とするバイオセンサ。
【請求項７】前記カートリッジが疎水性の部材で構成
され前記親水性の部分が親水処理によって形成されてい
ることを特徴とする請求項６記載のバイオセンサ。
【請求項８】前記カートリッジが疎水性の部材で構成
され前記親水性の部分が親水性コーティングによって形
成されていることを特徴とする請求項６記載のバイオセ
ンサ。
【請求項９】前記カートリッジが疎水性の部材で構成
され前記親水性の部分が親水性のシートを貼付すること
によって形成されていることを特徴とする請求項６記載
のバイオセンサ。
【請求項１０】前記カートリッジが親水性部材によっ
て形成され、前記親水性の部分を除いて疎水処理されて
いることを特徴とする請求項６記載のバイオセンサ。
【請求項１１】前記カートリッジが親水性部材によっ
て形成され、前記親水性の部分を除いて疎水性コーティ
ングされていることを特徴とする請求項６記載のバイオ
センサ。
【請求項１２】前記カートリッジが親水性部材によっ
て形成され、前記親水性の部分を除いて疎水性のシート
を貼付することによって形成されていることを特徴とす
る請求項６記載のバイオセンサ。