JPH11352093A - バイオセンサ - Google Patents
バイオセンサInfo
- Publication number
- JPH11352093A JPH11352093A JP10163243A JP16324398A JPH11352093A JP H11352093 A JPH11352093 A JP H11352093A JP 10163243 A JP10163243 A JP 10163243A JP 16324398 A JP16324398 A JP 16324398A JP H11352093 A JPH11352093 A JP H11352093A
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- JP
- Japan
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- substrate
- working electrode
- counter electrode
- electrode
- biosensor
- Prior art date
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- Granted
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/001—Enzyme electrodes
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- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
を与えるバイオセンサを提供する。 【解決手段】 作用極基板11、対極基板14、および
少なくとも酵素および電子伝達体を包含する試薬層から
なるバイオセンサで、作用極基板上に配置された作用極
12と対極基板上に配置された対極15が相互に対向す
る位置に配置され、測定器の端子は、貫通孔25、24
から両電極の端子13、16に接触させることができ
る。
Description
基質を迅速かつ高精度に定量するためのバイオセンサに
関する。
分析法として、施光度計法、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、いずれも糖類に対する特
異性があまり高くないので精度が悪い。これらの方法の
うち施光度計法によれば、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。従って、施光度計法
は、一般の人々が家庭などで簡易に糖類を定量する方法
としては適切でない。ところで、近年、酵素の有する特
異的触媒作用を利用した種々のタイプのバイオセンサが
開発されている。
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、グルコースオキシダー
ゼ(EC1.1.3.4:以下GODと略す)と酸素電
極あるいは過酸化水素電極とを使用して行う方法が一般
に知られている(例えば、鈴木周一編「バイオセンサ
ー」講談社)。GODは、酸素を電子伝達体として、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、GODによ
る酸化反応過程において、酸素が過酸化水素に還元され
る。酸素電極によって、この酸素の減少量を計測する
か、あるいは過酸化水素電極によって過酸化水素の増加
量を計測する。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ので、酸
素の減少量または過酸化水素の増加量からグルコースの
定量が行われる。上記方法では、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
の影響を大きく受ける欠点があり、試料液に酸素が存在
しない場合は測定が不可能となる。
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開発されてきた。
このタイプのセンサでは、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することにより、その酸化
電流量から試料液中に含まれるグルコース濃度が求めら
れる。このような有機化合物や金属錯体を酸素の代わり
に電子伝達体として用いることにより、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。この場
合、反応層を乾燥状態に近い状態で電極系と一体化させ
ることもできるので、この技術に基づいた使い捨て型の
グルコースセンサが近年多くの注目を集めている。その
代表的な例が、特許第2517153号公報に示される
バイオセンサである。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器で測
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
にも応用可能である。
スセンサを用いた測定では、数μlオーダーの試料量で
試料中の基質濃度を容易に求めることができる。しかし
ながら近年、更に微量、特に1μl以下の試料で測定が
可能であり、かつ取扱いが簡便で、高性能なバイオセン
サの開発が、各方面において切望されている。しかしな
がら、従来の電気化学グルコースセンサでは、殆どの場
合、一平面上に電極系が配置されている。電極系が一平
面上にあり、かつ試料が極微量な場合には、電極間の電
荷移動、主にイオンの移動、に対する抵抗が大きくな
る。それに伴い、測定結果にばらつきが生ずる場合があ
った。
めに本発明のバイオセンンサは、作用極基板、対極基
板、および少なくとも酵素と電子伝達体を包含する試薬
層を具備し、作用極基板上に配置された作用極と対極基
板上に配置された対極とが空間部を隔てて相互に対向す
る位置に配置されていることを特徴とする。本発明は、
作用極基板、対極基板、前記両基板間に介在するスペー
サ部材、および少なくとも酵素と電子伝達体を包含する
試薬層を具備し、作用極基板上に配置された作用極と対
極基板上に配置された対極とがスペーサ部材を介して相
互に対向する位置に配置されているバイオセンサを提供
する。ここにおいて、前記作用極基板および対極基板の
少なくとも一方が、他方の基板の電極端子を外部に臨ま
せる貫通孔を有することが好ましい。前記作用極基板お
よび対極基板の一方が、他方の基板の電極端子を外部に
臨ませる切欠部を有し、かつ前記一方の基板の電極に接
続されたリードが同基板の側面を経由して当該電極が配
置された面の背面側に導出されていることが好ましい。
または、前記作用極基板および対極基板の一方が、他方
の基板の電極端子を外部に臨ませる切欠部を有し、かつ
前記一方の基板の電極に接続されたリードが同基板の貫
通孔に充填された導電性材料を経由して当該電極が配置
された面の背面側に導出されていることが好ましい。本
発明は、また、表面に溝を有する絶縁性基板、前記絶縁
性基板に接合されて前記溝部に試料を収容する空間部を
形成するカバー部材、前記溝内において相対向して配置
された作用極と対極、および前記溝内に配置された少な
くとも酵素と電子伝達体を包含する試薬層を具備するバ
イオセンサを提供する。
に詳しく説明する。 《実施例1》バイオセンサの一例として、グルコースセ
ンサについて説明する。図1は、本実施例のグルコース
センサの外観を示す。作用極基板1は、以下のようにし
て作製した。絶縁性基板上にパラジウムをスパッタリン
グし、作用極部およびリード/端子部を作製した。次
に、基板上に絶縁性部材7を貼付することにより、作用
極2、および測定器に挿入する端子部3を規定した。一
方、外側に膨出した曲面部6を有する絶縁性基板の前記
曲面部の内壁面に、パラジウムをスパッタリングして対
極5を形成した。これを対極基板4とする。曲面部6の
端部には、空気孔8を有する。GODと、電子伝達体で
あるフェリシアン化カリウムとを含有する水溶液を作用
極基板1の作用極2上に滴下し、乾燥して試薬層を作製
した。最後に、作用極基板1と対極基板4を貼り合わせ
て、グルコースセンサを作製した。これにより作用極2
と対極5は、作用極基板1と曲面部6との間に形成され
る空間を介して対向する位置に配置される。この空間部
は、試料の収容部となり、空間部の解放端側に試料液を
接触させれば毛管現象により試料液は容易に空気孔側へ
移動し、電極系に接触する。
てセンサの空間部に供給し、一定時間経過後に、対極5
を基準にして作用極2に500mVの電圧を印加した。
対極5については、クリップで曲面部6の端部を挟むな
どにより電気的導通を得る。この電圧印加により、作用
極と対極との間に流れた電流値を測定したところ、液中
のグルコース濃度に比例した電流応答が観察された。液
中のフェリシアン化イオン、グルコース、GOD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。よって、その酸化電流に基づい
てグルコース濃度を測定することができる。ほぼ等量の
試料を、基板の一平面上に電極系を設けたセンサに導入
した場合に比較して、本実施例では応答値の増加が観察
された。これは、電極系を対向型にしたことにより、電
極間のイオン移動が円滑になったためと推察される。
を除いたグルコースセンサの分解斜視図であり、電極/
リード配置の一例を示している。作用極基板11は、以
下の手順にて作製した。まず、ポリエチレンテレフタレ
−トからなる絶縁性基板上に、スクリ−ン印刷により銀
ペーストを印刷し、リ−ド13を形成した。ついで、樹
脂バインダーを含む導電性カーボンペーストを基板上に
印刷して作用極12を形成した。この作用極12は、リ
−ド13と接触している。さらに、この基板11上に、
絶縁性ペ−ストを印刷して絶縁層17を形成した。絶縁
層17は、作用極12の外周部を覆っており、これによ
り作用極12の露出部分の面積を一定に保っている。同
様の手順にて、対極基板14を作製した。すなわち、絶
縁性基板の裏面に銀ペーストを印刷してリード16を形
成し、次いで導電性カーボンペーストを印刷して対極1
5を形成し、さらに絶縁性ペーストを印刷して絶縁層1
8を形成した。対極基板には、空気孔19を形成した。
作用極基板11と対極基板14との間に挟み込むスペー
サ21は、スリット22を有しており、このスリット2
2は作用極基板と対極基板との間に試料供給路を形成す
るものである。
作製した後、作用極基板11、対極基板14、およびス
ペーサ21を図2中の一点鎖線で示すような位置関係を
もって接着することにより、バイオセンサを作製した。
対極および試薬層を有する作用極は、スペーサ21のス
リット22の部分に形成される試料供給路内で向き合う
こととなる。対極基板の空気孔19は、この試料供給路
に連通しているから、スリットの解放端に形成される試
料供給口23に試料液を接触させれば、毛管現象により
試料液は容易に試料供給路内の試薬層に達する。次い
で、実施例1と同様の手順にてグルコースの測定を行っ
た。両基板間にスペーサを介在させることにより、基板
に対して働く物理的圧力に対してセンサの強度が増加す
る。よって、試料供給路の容積が一定に保たれやすく、
センサ応答に与える物理的圧力等の影響が軽減される。
測定の結果、液中のグルコース濃度に比例した電流応答
が観察され、応答のばらつきが低減した。
を除いたグルコースセンサの分解斜視図である。作用極
基板11および対極基板14にそれぞれ端子を外部に臨
ませるための貫通孔24および25を設けた以外は、実
施例2と同じ構成である。貫通孔を両基板に設けること
により、作用極基板11の貫通孔24からは対極基板1
4のリード/端子16の一部が露出する。一方、対極基
板14の貫通孔25からは作用極基板11のリード/端
子13の一部が露出する。スペーサ21が端子部まで延
在している場合には、対応する貫通孔をスペーサにも設
ければよい。これにより、貼り合わせ型センサチップの
測定器への装着、すなわちセンサチップと測定器との電
気的接続がより確実なものになり、測定精度が向上す
る。
を除いたグルコースセンサの分解斜視図である。作用極
基板11およびスペーサ21は、実施例2と同じ構成で
ある。一方、対極基板34は、作用極基板11の端子部
13に対応する部分を切り欠いた切欠部36を有する絶
縁性基板に、側面も含めた全面にパラジウムをスパッタ
リングして作製した。従って、対極基板34の下面に形
成されたパラジウム層35が対極として働き、この対極
は基板の側面から上面に形成されたパラジウム層の端子
部に導通している。実施例1と同様に作用極基板の作用
極上に試薬層を作製した後、作用極基板11、空気孔3
9を備えた対極基板34、およびスペーサ21を図4中
の一点鎖線で示すような位置関係をもって接着し、バイ
オセンサを作製した。切欠部36を対極基板34に設け
ることにより、切欠部36からは作用極基板11のリー
ド/端子の一部が露出する。スペーサ21が端子部まで
延在している場合には、対応する切欠部をスペーサ21
にも設ければよい。一方、対極35に電気的に接続され
ているリードは、対極基板34の側面を経由して、上面
に導出される。これにより、片面のみに両端子部が露出
されていることとなる。従って、このような構造のセン
サに対しては、従来一般的に用いられてきた測定器側の
接続端子を、そのまま適用することができるから、製造
コストの低減に効果がある。シート状の基板の側面部に
配置されたリード部は、上面部、下面部に比べて物理的
強度に問題がある場合がある。そのような場合は、図5
に示すように、対極基板34に貫通孔37を設け、そこ
に、例えば銀ペーストやカーボンペーストのような導電
性材料を充填してもよい。その場合には、基板の下面に
配置された電極のリードは、この導電性材料を経由して
基板上面の端子部に接続される。
部36、あるいはさらに貫通孔37を設けた例について
述べたが、これら切欠部や貫通孔を、作用極基板11に
設けた場合においても同様の効果が得られる。しかしな
がらその場合は、絶縁層等を用いて作用極面積を規定す
る必要がある
除いたグルコースセンサの分解斜視図である。絶縁性基
板40は、先端面および上面を解放した溝41を有し、
溝41の互いに対向する側壁から上面にまたがってパラ
ジウムをスパッタリングし、次にレーザでトリミングす
ることにより、作用極42、対極45、および各電極に
対応したリード部/端子部43、46を形成した。ま
た、前記のリード部を部分的に覆うように絶縁層47を
形成した。次に、GODとフェリシアン化カリウムを含
む水溶液を溝41に滴下し、乾燥して試薬層を形成し
た。そして、溝41の奥側と対応する位置に空気孔49
を有するカバー48を、図6中の一点鎖線で示すような
位置関係をもって基板40に接着し、バイオセンサを作
製した。このバイオセンサにおいては、基板の溝41の
部分が試料収容部であり、基板の端面の溝41の解放部
に試料液を接触させれば、毛管現象により試料液は容易
に空気孔側へ移動し、両電極に接触する。前記実施例の
ように、電極を有する基板同志を貼り合わせて組み立て
られるセンサでは、その貼り合わせ工程において電極間
の位置ずれが生ずる場合がある。本実施例のセンサで
は、溝41の内壁面に電極系を形成するために、貼り付
け工程に伴う電極間の位置ずれがなく、従って電極間の
位置ずれに起因する測定精度の低下は生じない。
500mVとしたが、これに限定されることはない。酵
素反応に伴い還元された電子伝達体が酸化される電圧で
あればよい。反応層に含有される酸化還元酵素として
は、試料液に含まれる測定対象の基質に対応したものが
用いられる。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、フェロセン誘導休
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
または二種以上が使用される。試薬層は、これを作用極
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、架橋固定法あ
るいは吸着法が好ましい。また、電極材料中に混合させ
てもよい。
端子、および測定器側の接続端子を前記の端子に接触さ
せるために基板に設ける貫通孔や切欠部を示したが、そ
れらの形状、配置等は実施例のものに限定されるもので
はない。また、上記実施例では、電極材料としてカーボ
ンあるいはパラジウムについて述べたが、これに限定さ
れることはない。作用極材料としては、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性材料であれば
使用できる。また、対極材料としては、銀、白金等の一
般的に用いられる導電性材料であれば使用できる。
料で高い信頼性および精度の測定値を与えるバイオセン
サが得られる。
示す斜視図である。
の分解斜視図である。
の分解斜視図である。
斜視図である。
の分解斜視図である。
斜視図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 作用極基板、対極基板、および少なくと
も酵素および電子伝達体を包含する試薬層を具備し、作
用極基板上に配置された作用極と対極基板上に配置され
た対極とが空間部を隔てて相互に対向する位置に配置さ
れていることを特徴とするバイオセンサ。 - 【請求項2】 作用極基板、対極基板、前記両基板間に
介在するスペーサ部材、および少なくとも酵素と電子伝
達体を包含する試薬層を具備し、作用極基板上に配置さ
れた作用極と対極基板上に配置された対極とがスペーサ
部材を介して相互に対向する位置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3】 前記作用極基板および対極基板の少なく
とも一方が、他方の基板の電極端子を外部に臨ませる貫
通孔を有する請求項1または2に記載のバイオセンサ。 - 【請求項4】 前記作用極基板および対極基板の一方
が、他方の基板の電極端子を外部に臨ませる切欠部を有
し、かつ前記一方の基板の電極に接続されたリードが同
基板の側面を経由して当該電極が配置された面の背面側
に導出されている請求項1または2に記載のバイオセン
サ。 - 【請求項5】 前記作用極基板および対極基板の一方
が、他方の基板の電極端子を外部に臨ませる切欠部を有
し、かつ前記一方の基板の電極に接続されたリードが同
基板の貫通孔に充填された導電性材料を経由して当該電
極が配置された面の背面側に導出されている請求項1ま
たは2に記載のバイオセンサ。 - 【請求項6】 表面に溝を有する絶縁性基板、前記絶縁
性基板に接合されて前記溝部に試料を収容する空間部を
形成するカバー部材、前記溝内において相対向して配置
された作用極と対極、および前記溝内に配置された少な
くとも酵素と電子伝達体を包含する試薬層を具備するこ
とを特徴とするバイオセンサ。
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