JPH11352092A - 基質の定量法ならびにそれに用いる分析素子および測定器 - Google Patents

基質の定量法ならびにそれに用いる分析素子および測定器

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JPH11352092A
JPH11352092A JP10162411A JP16241198A JPH11352092A JP H11352092 A JPH11352092 A JP H11352092A JP 10162411 A JP10162411 A JP 10162411A JP 16241198 A JP16241198 A JP 16241198A JP H11352092 A JPH11352092 A JP H11352092A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微量の試料で精度よく基質を定量することが
できる分析素子および信頼性の高い基質の定量方法を提
供することを目的とする。 【解決手段】 被検試料に含まれる基質と酸化還元酵素
との反応量を電気化学的に検出するための一対の電極を
備え、電極の一方が素子本体の開口した筒状中空部の壁
面に形成された膜状であって、他方が針状である分析素
子を用いる。好ましくは、針状電極は、その軸を中空部
の軸に沿って中空部内に収容される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料中のスクロー
スやグルコース等の基質を酵素反応に基づいて定量的に
測定する方法およびそれに用いる分析素子に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】近年、家庭において血糖値や尿糖値を容
易に求めることができる定量分析法が求められている。
従来、スクロース、グルコースなど糖類の定量分析法と
して、旋光度計法、比色法、還元滴定法および各種クロ
マトグラフィーを用いた方法等が開発されている。しか
し、これらの方法はいずれも、家庭で容易に実施するこ
とは困難である。たとえば、旋光度計法によれば、操作
は簡便ではあるが、操作時の温度の影響を大きく受け
る。また、血液の旋光度を簡易な設備で精度よく測定す
ることは困難である。さらに、これらいずれの方法にお
いても、糖類に対する特異性があまり高くないので精度
が悪い。
【０００３】そこで、家庭でも糖類の定量分析を容易に
実施するために、酵素の有する特異的触媒作用を利用し
たバイオセンサが開発されている。以下、バイオセンサ
を用いた糖類の定量法の一例として、グルコースの定量
法について説明する。電気化学的なグルコースの定量法
としては、酵素としてのグルコースオキシダーゼ（ＥＣ
１．１．３．４、以下ＧＯＤと略す）と、酸素電極また
は過酸化水素電極を使用して行う方法が一般に知られて
いる（例えば、「バイオセンサー」鈴木周一編（講談
社））。ＧＯＤは、電子伝達体の共存下で、基質である
β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに選
択的に酸化する。酸素の存在下では、酸素が電子伝達体
として機能し、ＧＯＤによる酸化反応過程において酸素
は過酸化水素に還元される。したがって、酸素の減少量
および過酸化水素の増加量は、試料液中のグルコースの
含有量に比例する。そこで、グルコースを含む試料を酸
素の存在下で反応させ、この反応による酸素の減少量を
酸素電極によって、または過酸化水素の増加量を過酸化
水素電極によって測定することによりグルコースの定量
が行われる。
【０００４】しかし、上記のようなバイオセンサを用い
た定量方法によると、その反応過程からも推測できるよ
うに、測定結果は、試料液に含まれる酸素濃度に大きく
影響される。また、試料液に酸素が存在しなければ測定
自体が不可能である。そこで、酸素に代えてフェリシア
ン化カリウム、フェロセン誘導体、キノン誘導体等の有
機化合物や金属錯体を電子伝達体として用いる新しいタ
イプのグルコースセンサが提案されている。この種のセ
ンサを用いた測定では、酵素反応の結果生じた電子伝達
体の還元体を電極上で酸化させ、その酸化電流量から試
料液中に含まれるグルコース等の基質の濃度を求める。
このような有機化合物や金属錯体を電子伝達体として用
いることで、既知量のＧＯＤとそれらの電子伝達体を安
定な状態で正確に電極上に担持させて反応層を形成する
ことが可能となる。さらに、反応層を乾燥状態に近い状
態で電極系と一体化させることもできる。この技術に基
づいた使い捨て型のグルコースセンサは、近年多くの注
目を集めている。その代表的な例が、特許第２５１７１
５３号公報に開示されたバイオセンサである。このよう
な使い捨て型のグルコースセンサにおいては、測定器に
着脱可能に接続されたセンサに試料液を導入するだけで
容易にグルコース濃度を測定することができる。このよ
うな手法は、グルコースの定量だけに限らず、試料液中
に含まれる他の基質の定量にも適用可能である。
【０００５】上記の様なバイオセンサでは、数マイクロ
リットルの試料で測定が可能であるが、近年では、１マ
イクロリットル以下の更に微量な試料での測定が可能な
分析素子の開発が、各方面において切望されている。し
かし、これまでのところ、試料の量を大幅に低減するこ
とは困難であった。従来、たとえば血糖値を測定する場
合には、ランセット等の専用穿刺器具を用いて皮膚を穿
刺して血液を滲出させた後、採取した血液を専用測定器
具に装着したセンサに導入して測定していた。微量の試
料を用いる場合、試料が乾燥して測定精度が悪化する。
このような乾燥の及ぼす影響を極力低減するためには、
血液の採取からセンサへの導入までを短時間で行うこと
が要求される。しかしながら、上記のように血液の採取
と測定をそれぞれ別個の専用器具を用いることから、所
用の時間を短縮するには限度がある。また、従来のバイ
オセンサでは、一般に一対の電極が同一平面上に配置さ
れていた。したがって、電圧を印加した際に流れる電流
の密度の分布に不均一が生じやすく、測定誤差が大きか
った。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の問題
点を解決するものであり、微量の試料で精度よく基質を
定量化することができる分析素子および信頼性の高い基
質の定量方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、基質の定量
に用いる分析素子として、開口した筒状の中空部を有す
る素子本体と針状部材を備え、素子本体の中空部壁面お
よび針状部材が電極として機能する分析素子を用いる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の分析素子は、被検試料に
含まれる基質と酸化還元酵素との反応量を電気化学的に
検出するための一対の電極を備え、電極の一方が筒状の
中空部の壁面に形成された膜状電極であって、他方が針
状電極である。本発明の分析素子の好ましい態様におい
て、針状電極は、その軸を中空部の軸に沿って中空部に
収容される。これにより、一対の電極を互いに対向して
配置することができ、両極間に電圧を印加した際に流れ
る電流密度の不均一を抑制することができる。したがっ
て、試料の電気化学的反応を精度よく検出することが可
能になる。なお、このとき、針状電極と中空部内面との
間のギャップを小さくすると、被検試料を中空部の開口
した端面に供給するだけで、被検試料を中空部内に浸透
させることができる。
【０００９】本発明の他の分析素子の好ましい態様にお
いて、針状電極の表面の一部に電気絶縁層を備える。こ
れにより、電極面積を一定にすることができる。また、
他方の電極すなわち中空部の壁面に配された膜状電極と
の間の短絡を防止することができる。針状電極表面また
は中空部の壁面に、酸化還元酵素および電子伝達体を含
有する試薬層を備えることが好ましい。酸化還元酵素お
よび電子伝達体をあらかじめ電極系近傍に配することに
より、試料の供給のみによって測定が可能になる。より
好ましくは、電極表面に試薬層を直接形成する。
【００１０】本発明の測定器においては、上記のような
分析素子を用い、分析素子の針状電極をその尖端部が素
子本体の中空部の端面より突出するように移動させる駆
動部を具備する。生体より血液等の体液を採取するとき
などには、中空部の開口した端面に生体の皮膚を当接さ
せておき、針状電極の尖端部を一時的に同端面より突出
させて皮膚を穿刺する。その後、針状電極を再び中空部
内に収容する。皮膚より滲出した体液は、針状電極に付
着して、さらには上記のような毛細管現象により、中空
部内に浸透する。これにより体液が電極間に供給され、
即時に測定が可能になる。ここで、針状電極の尖端部が
突出するのは一瞬であればよいことから、駆動部にバネ
を用いることが、その価格や制御の点で好ましい。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を用い
て詳細に説明する。なお、以下の実施例においては、基
質の定量法の一例として、いずれもグルコースの定量法
について説明する。
【００１２】《実施例１》本実施例で用いる測定器を図
１に示す。測定器は、分析素子１と装置本体５により構
成される。分析素子１は、円筒状の筒状部材２と、導電
性の針状部材３を有する。筒状部材２は、合成樹脂製
で、その両端面が開放された中空部２ａを有する。中空
部２ａは、直径が１．２ｍｍで長さが１０ｍｍの円筒状
で、その側壁には、銀を主体とする導電膜４が形成され
ている。導電膜４は、たとえば銀粉末を含むペーストを
塗布乾燥して形成する。針状部材３は、カーボンを主体
とし、その直径は１．０ｍｍで、長さは２０ｍｍであ
る。針状部材３は、筒状部材２の中空部２ａに、中空部
２ａと軸方向を一致させて配されている。本分析素子１
において、針状部材３は被検試料の電気化学的な反応を
検出する作用極として機能し、導電膜４は対極として機
能する。針状部材３と導電膜４は、それぞれ装置本体５
と接続されている。装置本体５は、分析素子１の針状部
材３と導電膜４の間に一定電圧を印加する電圧印加部６
と、針状部材３に流れる電流を検出する電流検出部７を
有する。
【００１３】実際に、上記の測定器を用いて分析素子の
動作を確認した。β−Ｄ−グルコース濃度の異なる数種
類の溶液に、ＧＯＤおよびフェリシアン化カリウムを含
む溶液を一定量それぞれ混合して、β−Ｄ−グルコース
濃度の異なる試料液をそれぞれ調製した。得られた試料
液を、一定時間放置後、中空部２ａの開口部に導入し
た。中空部２ａの開口部に導入された試料液は、毛細管
現象によって内部に浸透し、針状部材３と導電膜４の間
に供給される。導電膜４を基準にして５００ｍＶの電圧
を針状部材３に印加し、その際に針状部材３に流れる電
流値を測定したところ、試料液のグルコース濃度に比例
した電流応答が観察された。以上のように、分析素子１
を用いて酸化電流の大きさを測定することにより、被検
試料のグルコース濃度を測定することができる。特に本
実施例の分析素子では、作用極と対極を互いに対向して
配することができるため、両極を同一平面上に配した分
析素子と比べて電極表面の電流密度を均一化することが
できる。したがって、より精度の高い基質の定量が可能
になる。
【００１４】なお、上記のような電流は、以下の電気化
学的な反応に起因する。ＧＯＤの存在下で、試料液中の
フェリシアン化イオンおよびグルコースが反応し、その
結果、グルコースがグルコノラクトンに酸化され、フェ
リシアン化イオンがフェロシアン化イオンに還元され
る。このフェロシアン化イオンの濃度は、グルコースの
濃度に比例する。酵素反応後の試料液に電圧を印加する
と、フェロシアン化イオンがフェリシアン化イオンに酸
化される。本実施例では、針状部材３においてこの酸化
電流を検出した。
【００１５】《実施例２》本実施例では、実施例１の分
析素子と同様に針状部材と円筒部材を有する分析素子を
用いた測定器の一例を説明する。本実施例の測定器は、
特に生体の体液中に含まれる基質の定量に適する。本実
施例の測定器の構成の概略を図２に示す。本測定器は、
実施例１の分析素子と同様に膜状電極４を有する筒状部
材２と針状部材３とを備えた分析素子を用いる。ただ
し、本測定器は、筒状部材２の開口部より針状部材３を
突出させる駆動部１１を有し、針状部材３は穿刺用器具
としても機能する。本測定器の分析装置１０には、分析
素子の両極間に電圧を印加する電圧印加部１２、電極に
流れる電流を検出する電流検出部１４、これらを制御す
る制御部１３、電流検出部１４により検出された電流値
を、あらかじめ記憶されている基質濃度に対する電流量
の関係すなわち検量線と比較して基質濃度を算出する演
算部１５、および得られた算出値等を表示する表示部１
６が配されている。制御部１３は、針状部材３による穿
刺を検知し、それより一定時間（例えば３０秒）経過後
に、電圧印加部１２に、導電膜４を基準にして一定電圧
（例えば５００ｍＶ）を針状部材３に印加するよう指令
信号を発する。電流検出部１４は、制御部１３の指令信
号に基づいて、電圧印加によって針状部材３に流れる電
流すなわち電子伝達体の酸化電流量を検出する。
【００１６】具体的な測定器の一例を図３に示す。機器
本体２０には、上記のような駆動部および分析装置が一
体化されている。機器本体２０の筒体２１には、筒体２
１の内壁形状と略一致した筒状の針ホルダ２４が収容さ
れている。筒体２１の一方の端面には、キャップ２３が
螺合している。筒体２１の他方の端面には、筒状部材２
６が着脱可能に嵌合している。筒状部材２６の内壁面に
は、実施例１と同様に対極としての導電膜２７が形成さ
れている。図示しないが、導電膜２７の表面には、さら
にＧＯＤとフェリシアン化カリウムを含む試薬層が形成
されている。針ホルダ２４は、バネ２２を介してキャッ
プ２３に接続されている。針ホルダ２４の先端には、カ
ーボンを主体とする針２５が装着されている。なお、針
２５の着脱は、キャップ２３を機器本体２０より外し、
針ホルダ２４を取り出してから行う。針２５は、実施例
１で用いた針状部材と同様に作用極として機能する。
【００１７】測定開始前は、針ホルダ２４は、図３に示
すように、ストッパ２４ａが筒体２１の内壁に設けられ
た段部２９に係止して固定されている。このとき、バネ
２２は圧縮されている。使用者は、筒状部材２６の開口
部を被検体の皮膚に圧接し、スイッチ２８を押す。これ
により、段部２９とストッパ２４ａの係合が外れ、針ホ
ルダ２４は、バネ２２の弾性力により、図中下方向に移
動する。針ホルダ２４の先端に装着された針２５は、図
４（ａ）に示すように筒状部材２６の開口部より突出
し、被検体の皮膚を穿刺する。針２５により被検体の皮
膚が穿刺されると、その箇所より体液が滲出する。
【００１８】針２５は、被検体の皮膚を穿刺した後、バ
ネ２２の復元力により、逆方向すなわち図３に示す状態
に回復しようとする。しかし、針ホルダ２４は、段部３
０によりストッパ２４ａが係止されて、図４（ｂ）に示
すように針２５が導電膜２７と対向するようにして固定
される。穿刺により滲出した体液は、針２５に付着して
または毛細管現象により筒状部材２６内を浸透すること
から、体液が電極系に供給される。導電膜２７上に形成
された試薬層に体液が達すると、試薬層が溶解し、試薬
層中の酵素によって反応が励起される。
【００１９】このように、本実施例によると、針２５を
用いて、被検体の皮膚を穿刺し、さらに、この針２５を
センサの作用極に用いる。したがって、被検試料の採取
とその素子の電極系への供給をほぼ同時に行うことがで
きる。また、試料の乾燥を避けることができ、それに起
因する測定誤差が低減される。したがって、微量の試料
で精度の高い測定が可能になる。ここで、測定時には、
穿刺後の針ホルダ２４のストッパ２４ａを、段部２９に
係止することにより、筒状部材２７に供給される試料の
量がほぼ一定となり、応答電流のばらつきが低減され
る。
【００２０】《実施例３》実施例２の測定器では、筒状
部材２７の着脱は容易であるが、針２５を着脱するに
は、キャップ２３を外してから、針ホルダ２４を取り出
す必要がある。この作業は測定の度に行う必要があるた
め、多数回測定する場合には非常に面倒である。そこ
で、本実施例では、実施例２と同様の測定器に、針装着
機構を付加した測定器の一例について説明する。本実施
例の測定器の要部を図５に示す。本測定器は、機器本体
４０のスイッチ１９よりバネ２２側の筒体の一部が切り
欠かれていて、図６に示すようなカートリッジ３５が装
着されるようになっている。カートリッジ３５には、筒
体の内壁に略一致した形状を有する複数のセルが設けら
れている。各セルには、針３４が固定して収容される。
針ホルダ３３は、針ホルダ３３を手動で図中上下方向に
移動させるためのレバー３２と接続されていて、機器本
体４０の側壁には、レバー３２を案内するための溝３６
が形成されている。溝３６の上端には、フック３７が設
けられていて、レバー３２は図に示す位置で係止して固
定されるようになっている。
【００２１】針３４は、以下のようにして着脱する。針
３４を取り外そうとする際には、カートリッジ３５の空
のセルが筒体に露出している。レバー３２を用いて、段
部２９または３０に係止された針ホルダ３３を図５に示
す位置まで引き上げると、カートリッジ３５のセルに針
３４が収容される。ついで、カートリッジ３５を紙面垂
直方向に移動させると、保持部３３ａが外れ、針３４が
針ホルダ３３より取り外される。カートリッジ３５を同
様に移動させて、未使用の針３４が収容されたセルを筒
体部に露出させると、針３４が交換される。この状態で
レバー３２の係止を解除すると、新たな針３４を装着し
た針ホルダ３３は、バネ２２の弾性力で図中下方に移動
し、段部３０によって係止される。使用者は、以上のよ
うにして装着された針３４を用いて、実施例２と同様に
測定することができる。
【００２２】《実施例４》実施例２で用いたものと同様
の針の先端部分１ｍｍおよびその針ホルダ２４に固定さ
れる付け根部分１ｍｍを除き電気絶縁膜で被覆した。得
られた針を用いて実施例２と同様に血中グルコース濃度
を測定した。その結果、血中グルコース濃度に依存した
電流応答が観察され、電流応答のばらつきが大幅に低減
されることが確認された。上記のように作用極である針
２５の一部を電気絶縁材で被覆することにより、作用極
面積が規定され、精度の高い測定が可能になる。また、
筒状部材２６の壁面に配置された導電膜２７との短絡を
防止することができ、安定した測定が可能になる。
【００２３】《実施例５》ここで、実施例２のように導
電膜２７上に試薬層を配置すると、万が一、穿刺後の針
２５の位置が所定の位置よりずれた場合には、試薬層と
作用極の距離が変わることとなる。これにより、試料導
入時における作用極界面近傍の状態（例えば作用極近傍
の電子伝達体の濃度分布、およびその経時変化等）が通
常の場合とは異なり、測定結果に誤差を与える恐れがあ
る。そこで、針２５上に試薬層を配置することで、万が
一、穿刺後の針１６の位置が設定位置よりずれた場合に
おいても、作用極界面近傍の状態を測定毎にほぼ同じ状
態に保つことができる。実際に、ＧＯＤとフェリシアン
化カリウムを含む溶液を針２５の一定部位に塗布乾燥し
て試薬層を形成し、この針２５を用いて実施例２と同様
に血中グルコース濃度を測定した。その結果、血中グル
コース濃度に依存した電流応答が観察され、電流応答の
ばらつきが低減されることが確認された。
【００２４】なお、上記実施例では、分析素子および測
定器の具体例を説明したが、それらの形状、配置等は実
施例に限定されるものではなく、筒状部材の内面に形成
された膜状の電極と針状の電極を立体的に対向させるこ
とで同様の効果が得られる。例えば、上記実施例では、
針状部材を作用極とし、膜状電極を対極に用いたが、作
用極と対極を逆にしてもよい。作用極に用いる材料とし
ては、カーボン以外にも、電子伝達体を酸化する際にそ
れ自身が酸化されない導電材料であれば用いることがで
きる。対極に用いる材料としては、銀以外にも、カーボ
ン、白金等の一般的に用いられる導電性材料が使用でき
る。もちろん、電気絶縁性の材料の表面をこれらの導電
材料で被覆して用いてもよい。ただし、針状部材を穿刺
器具として用いる場合には、穿刺に耐えうる強度を有す
る必要があることは言うまでもない。また、上記実施例
では、電極系への印加電圧を５００ｍＶとしたが、これ
に限定されない。
【００２５】酸化還元酵素としては、定量しようとする
基質に対して適したものを選択して用いればよい。酸化
還元酵素としては、例えば、フルクトースデヒドロゲナ
ーゼ、グルコースオキシダーゼ、アルコールオキシダー
ゼ、乳酸オキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、
キサンチンオキシダーゼ、アミノ酸オキシダーゼなどが
あげられる。電子伝達体としては、フェリシアン化カリ
ウム、ｐ−ベンゾキノン、フェナジンメトサルフェー
ト、メチレンブルー、フェロセン誘導体などがあげられ
る。また、酸素を電子伝達体とした場合にも電流応答が
得られる。電子伝達体は、これらの一種または二種以上
を使用することができる。試薬層を作用極に固定化する
ことによって、酵素あるいは電子伝達体を不溶化させて
もよい。固定化する場合は、架橋固定法または吸着法が
好ましい。
【００２６】
【発明の効果】本発明によると、立体的に配された電極
系を用いることから、電流密度の不均一を抑制すること
ができ、精度の高い基質の定量法を提供することができ
る。また、試料の採取および基質の定量を迅速に行うこ
とができることから、測定に用いる試料の量を少なくす
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の測定器の構成を示す概略図
である。
【図２】本発明の他の実施例の測定器の構成を示す概略
図である。
【図３】同測定器の縦断面図である。
【図４】同測定器の動作を示す要部の縦断面図であっ
て、（ａ）は試料採取時の状態を示し、（ｂ）は測定時
の状態を示す。
【図５】本発明のさらに他の実施例の測定器の要部の縦
断面図である。
【図６】同測定器に用いるカートリッジの斜視図であ
る。
【符号の説明】
１ 分析素子 ２、２６ 筒状部材 ２ａ 中空部 ３ 針状部材 ４、２７ 導電膜 ５ 装置本体 ６ 電圧印加部 ７ 電流検出部 １０ 分析機器 ２０、４０ 機器本体 ２１ 筒体 ２２ バネ ２３ キャップ ２４、３３ 針ホルダ ２４ａ ストッパ ２５、３４ 針 ２７ 筒状部材 ２８ スイッチ ２９、３０ 段部 ３２ レバー ３５ カートリッジ ３６ 溝 ３７ フック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南海 史朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一方の端面が開口した筒状の
    中空部を有する素子本体、前記中空部の内壁面に形成さ
    れた膜状電極、および前記中空部に収容された針状電極
    を備えた分析素子を用い、被検試料を前記中空部に供給
    するステップと、前記被検試料に含まれる基質を酸化還
    元酵素と反応させるステップと、前記膜状電極および針
    状電極の間に電圧を印加して前記膜状電極または針状電
    極に流れる電流を測定するステップを具備する基質の定
    量法。
  2. 【請求項２】 酸化還元酵素と被検試料に含まれる基質
    との反応量を電気化学的に検出するための一対の電極を
    備え、前記電極の一方が筒状の中空部の壁面に形成され
    た膜状電極であって、他方が針状電極である分析素子。
  3. 【請求項３】 前記針状電極が、その軸が前記中空部の
    軸に沿うようにして前記中空部に収容された請求項２記
    載の分析素子。
  4. 【請求項４】 前記針状電極の表面の一部に電気絶縁層
    を備えた請求項３記載の分析素子。
  5. 【請求項５】 前記針状電極の表面に、酸化還元酵素お
    よび電子伝達体を含有する試薬層を備えた請求項２記載
    の分析素子。
  6. 【請求項６】 前記中空部の壁面に、酸化還元酵素およ
    び電子伝達体を含有する試薬層をさらに備えた請求項２
    記載の分析素子。
  7. 【請求項７】 少なくとも一方の端面が開口した筒状の
    中空部を有する素子本体、前記中空部の内壁面に形成さ
    れた膜状電極および前記中空部に収容された針状電極を
    具備する分析素子を用いて酸化還元酵素と被検試料に含
    まれる基質との反応量を電気化学的に検出する測定器で
    あって、前記針状電極をその尖端部が前記中空部の端面
    より突出するように移動させる駆動部を具備する測定
    器。
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