JPS63314457A - バイオセンサにおける反応時温度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明はバイオセンサにおける反応時温度検出装置に
関し、さらに詳細にいえば、下地電極を蔽う状態で固定
化酵素膜を装着したバイオセンサにおいて、下地電極部
における反応時の温度を検出するための装置に関する。

〈従来の技術〉 従来から電気信号取出用の電極の表面に、生理活性物質
を固定した固定化酵素膜を設けた構成のバイオセンサが
知られている。そして、このようなバイオセンサは、生
理活性物質、例えば酵素が特定の基質に対してのみ選択
的に反応する関係上、優れた選択性を有しており、臨床
化学分析等の分野で広く使用されている。

そして、このようなバイオセンサは、温度に依存して生
理活性物質の活性度が変化するのであり、電極から取出
される電気信号は温度依存性が非常に大きくなってしま
う。

このような点を考慮して、従来のバイオセンサは、電極
を恒温セルの内部に設けておくことにより、温度を一定
に保持し、電気信号の温度依存性による影響を排除して
正確な（温度変化の一影響を受けない）ｍ気信号を得る
ようにしていた。

グルコースオキシダーゼ（以下、ＣＯＤと略称する）を
固定化酵素膜としてグルコース濃度を測定するセンサを
例にとってさらに詳細に説明すると、ダイナミックレン
ジを拡張するために反応速度、即ち出力電流の変化率を
得ることによりグルコース濃度を算出することが好まし
いのであるが、電極出力には、 ｋ　−Ａ　Ｃｅｘｐ　（ａ　／　Ｔ　）（但し、Ａ１α
は定数、Ｃはグルコース濃度、Ｔは絶対温度） の実験式で表されるのであるから、グルコース濃度Ｃが
一定であっても、温度Ｔが変化すれば、電極出力ｋが変
化するのである。したがって、電極出力ｋに基いてグル
コース濃度Ｃを正確に算出するために、上記のように温
度Ｔを一定に保持した状態において電極出力ｋを得、こ
の電極出力ｋに基いてグルコース濃度Ｃを算出するよう
にしていたのである。

また、上記温度Ｔを検出して、電極出力ｋに対して温度
変化に対応する補正を施すことにより、正確なグルコー
ス濃度Ｃを算出することも考えられる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記のグルコース濃度測定装置のうち、温度Ｔを一定に
保持するようにしたものにおいては、恒温保持精度が高
い恒温装置が必要になるのであるから、全体としての構
成が複雑化するのみならず、高価になってしまうという
問題がある他、全体として大型化してしまうので、携帯
可能なグルコース濃度測定装置を得ることが殆ど不可能
になってしまうという問題がある。

また、恒温装置を省略して、温度Ｔを検出し、電極出力
ｋに対して温度変化に対応する補正を施すことにより、
正確なグルコース濃度Ｃを算出しようとする場合には、
温度検出精度を高めることが必要なのであるが、温度検
出精度を高めることが殆ど不可能であるため、グルコー
ス濃度Ｃの測定精度が低下してしまうという問題がある
。この点についてさらに説明すると、温度Ｔを検出する
ためには、通常サーミスタが使用されるのであり、しか
も、サーミスタの取付け位置は、物理的に、下地電極の
表面からある程度離れた状態になってしまう。

そして、この状態において検出される温度は、下地電極
の熱容量がかなり大きく、しかも、酵素反応が行なわれ
る測定対象溶液の量が非常に少ないのであるから、実際
に反応が行な゛われでいる下他電極の表面の温度ではな
い。したがって、この温度に基く補正を施してみても、
得られた補正値がどのような値になるか全くＴ−測でき
ないことになる。さらに、このような値に基いて算出さ
れたグルコース濃度は実際のグルコース濃度と殆ど関連
のない値になってしまうのである。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
下地電極を通して検出される温度に基いて、実際の反応
が行なわれている下地電極の表面の温度を正確に検出す
ることができる、バイオセンサにおける反応時温度検出
装置を提供することを目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するだめの、この発明のバイオセンサ
における反応時温度検出装置は、温度検出手段と、信号
検出手段と、温度微分手段と、信号微分手段と、温度変
化率ピーク値検出手段と、信号変化率ピーク値検出手段
と、ピーク値レベル判別手段と、反応時温度算出手段と
、選択制御手段とを具備するものである。

そして、上記温度検出手段は、生理活性物質を固定した
固定化酵素膜を設けた電極の温度を検出するものであり
、上記信号検出手段は、上記電極からの出力信号を検出
するものであり、上記温度微分手段は、検出温度を入力
として温度変化率を算出するものであり、上記信号微分
手段は、検出信号を入力として信号変化率を算出するも
のであり、上記温度変化率ピーク値検出手段は、温度変
化率のピーク値を得るものであり、上記信号変化率ピー
ク値検出手段は、信号変化率のピーク値を得るものであ
り、上記ピーク値レベル判別手段は、温度変化率のピー
ク値が所定の閾値範囲内であるか否かを判別するもので
あり、上記反応時温度算出手段は、対象物質の測定前に
おける検出温度Ｔ０、ｆｆｉ度変化率のピーク値ａ０、
および温度変化率のピーク後所定時間経過した時点にお
ける温度変化率ａ１に基いて ＴＯ−βａＯ／ノｎ（ａｌ／ａｏ） （但し、βは電極の材質、および温度検出手段の取付け
位置に基いて定まる係数） の演算を行なって反応時温度を算出するものであり、上
記選択制御手段は、温度変化率のピーク値が所定の閾値
範囲外であることを示す判別信号を入力として反応時温
度算出手段により算出された反応時温度を出力し、温度
変化率のピーク値が所定の閾値内であることを示す判別
信号を入力として、信号変化率のピーク時点に対応する
検出温度を出力するものである。

但し、上記ピーク値レベル判別手段が、著しく小さい閾
値を基準として、温度変化率のピーク値が所定の閾値範
囲内であるか否かを判別するものであることが好ましい
。

また、上記温度検出手段がサーミスタであり、何れかの
下地電極の所定位置に取付けられているものであっても
よく、この場合において、サーミスタと並列にコンデン
サが接続されていることが好ましい。

く作用〉 以上の構成のバイオセンサにおける反応時温度検出装置
であれば、生理活性物質を固定した固定化酵素膜を設け
た電極の温度、および出力信号を、温度検出手段、およ
び信号検出手段によりそれぞれ検出し、温度微分手段、
および信号微分手段によりそれぞれ温度変化率、および
信号変化率を算出することができる。そして、算出され
た温度変化率に基いて、温度変化率ピーク値検出手段に
よりピーク値を得るとともに、信号変化率に基いて、信
号変化率ピーク値検出手段によりピーク値を得、ピーク
値レベル判別手段により温度変化率のピーク値が所定の
閾値範囲内であるか否かを判別する。

そして、温度変化率のピーク値が所定の閾値範囲内であ
ると判別された場合には、選択制御手段を駆動すること
により、信号変化率のピーク時点に対応する検出温度を
出力する。

逆に、温度変化率のピーク値が所定の閾値範囲外である
と判別された場合には、選択制御手段を駆動することに
より、反応時温度算出手段において、対象物質の測定前
における検出温度Ｔ０、温度変化率のピーク値ａ０、お
よび温゛度変化率のビ−り後所定時間経過した時点にお
ける温度変化率ａｌｌ、：基いて ＴＯ−βａＯ／Ｊｌ　ｎ　（ａｌ　／ａＯ）（但し、β
は電極の材質、および温度検出手段の取付け位置に基い
て定まる係数） の演算を行なって算出された反応時温度を出力する。

さらに詳細に説明すると、電極は、反応する物質の温度
のみならず、雰囲気温度の影響をも受け“ているのであ
るから、電極の温度を検出しても反応時温度を検出した
ことにはならない。

しかし、例えば１．電極の温度が物質の反応時温度に近
似している場合には、電極の温度を検出することにより
、反応時温度に高精度で近似することができる温度を得
ることができる。したがって、温度変化率のピーク値が
所定の閾値範囲内であることが判別された場合に、電極
の温度が物質の反応時温度に近似している状態であると
識別する。

また、信号検出手段により検出された信号に基いて信号
微分手段において算出された信号変化率のピーク値を信
号変化率ピーク値検出手段により得、ピーク値が得られ
た時点における温度検出手段による検出温度を反応時温
度として出力することができる。

したがって、出力された反応時温度を考慮して、電極か
ら出力される信号に基いて必要な演算を行なうことによ
り、正確な対象物質濃度等を算出することができる。

逆に、電極の温度が物質の反応時温度に近似していない
場合には、電極の温度を検出しても、反応時温度と大巾
に異なる温度を得ることができるだけであり、到底温度
補償を行なうための温度として使用することはできない
。

しかし、電極の温度は外部雰囲気の温度の影響を受けて
いるとともに、物質の反応時温度の影響をも受けている
のであり、しかも、外部雰囲気の温度はほぼ一定である
から、電極の温度変化率に着目すれば、正確な反応時温
度を得ることができることを見出した。具体的には、対
象物質の測定前における検出温度Ｔ０、温度変化率のピ
ーク値ａ０、および温度変化率のピーク後所定時間経過
した時点における温度変化率ａｌに基いてＴＯ−βａｏ
　／Ｊ　ｎ　（ａｔ　／ａＯ）（但し、βは電極の材質
、および温度検出手段の取付け位置に基いて定まる係数 ）の演算を行なうことにより、正確な反応時温度を得る
ことができるのである。

したがって、温度変化率のピーク値が所定の閾値範囲内
であることが判別された場合に、電極の温度が物質の反
応時温度に近似している状態であると識別し、上記式 ％式％） に基く演算を行なって正確な反応時温度を出力し、出力
された反応時温度を考慮して、電極から出力される信号
に基いて必要な演算を行なうことにより、正確な対象物
質濃度等を算出することができる。

そして、上記ピーク値レベル判別手段が、著しく小さい
閾値を基準として、温度変化率のピーク値が所定の閾値
範囲内であるか否かを判別するものである場合には、電
極の温度が反応時温度に刻時する状態が否かを判別する
ことができるのであるから、選択制御手段の動作を上記
条件に基いて選択的に行なわせることができ、電極の温
度の如何に拘わらず、正確な反応時温度を得ることがで
きる。

また、上記温度検出手段がサーミスタであり、何れかの
下地電極の所定位置に取付けられているものである場合
にも、上記と同様の作用を達成することができる。この
場合において、サーミスタと並列にコンデンサが接続さ
れていれば、サーミスタの取付位置の誤差、ノイズ等に
起因する反応時温度の検出誤差を低減させることができ
る。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第３図はこの発明の反応時温度検出装置が適用される酵
素電極の一例を示す縦断面図であり、エポキシ樹脂から
なる酵素電極本体（１）の一端面を弧状凸面に形成しで
あるとともに、弧状凸面に露呈されるように、ｐｔから
なる中心電極（２）と、Ａｇからなるリング状の対向電
極（３）とを設けである。

そして、対向電極（３）の内奥端部に比較的浅い凹所（
４）を形成してあり、この凹所（４）にサーミスタ（５
）の一部を収容しである。尚、上記対向電極（３）の表
面から内奥端部までの距離は２　ｍｍに設定されており
、上記凹所（４）の深さは０．５ｍｍに設定されている
。

そして、上記対向電極（３）に対するサーミスタ（５）
の取付けは、第４図に示すように、サーミスタ（５）の
先端側の約半分が凹所（４）に収容された状態になって
おり、サーミスタ（５）と対向電極（３）とは直接接触
する状態であってもよく、或は、熱伝導率が高い接骨剤
等で固定された状態であってもよい。このように、約半
分だけを収容するようにしたのは、電極金属に流れる電
流によるノイズの影響を排除するためであり、サーミス
タ（５）を完全に埋め込んだ場合には、かなりのノイズ
を受けることが確認されている。

さらに、上記弧状凸面を蔽う状態で、グルコースオキシ
ダーゼを固定した固定化酵素膜（６）、および拡散制限
膜（７）が設けられている。

第１図はこの発明の反応時温度検出装置を組込んだグル
コース濃度測定装置の一実施例の構成を示すブロック図
であり、サーミスタ（５）から出力される温度検出信号
を温度微分回路（８）に供給しているとともに、両電極
（２）　（３）の間に接続されて生成電流を検出する電
流検出回路（９）から出力される電流検出信号を信号微
分回路（１０）に供給している。

そして、上記各微分回路（８）　（１０）からの出力信
号をそれぞれピークホールド回路（１１）（１２）に供
給しているとともに、測定動作開始のタイミングで開か
れるゲート回路（１３）、ピークホールド回路（１１）
におけるホールドデータが更新されたタイミングで開か
れるゲート回路（１４）、および上記タイミングから１
秒経過した時点で開かれるゲート回路（１５）を通して
温度検出信号Ｔ０、温度変化率信号ａ０、ａｌを、それ
ぞれ温度保持回路（１６）、および温度変化率保持回路
（１７）（１８）に供給している。また、ピークホール
ド回路（１２）におけるホールドデータが更新されたタ
イミングで開かれるゲート回路（２４）を通して温度検
出信号Ｔｓを温度保持回路（２３）に供給している。さ
らに、上記ピークホールド回路（１１）からのホールド
データを、所定の閾値（例えば、０．１℃／５ｅｅ）が
上限用、および下限用の基準信号として供給されており
、各基準信号との比較結果の組合わせ（例えば、論理積
条件）に基いて所定の閾値範囲内であるか否かを判別す
るピーク値レベル判別回路（１９）に供給している。

さらに、上記温度保持回路（１６）に保持されている温
度データＴ０、および温度変化率保持回路（１７）　（
１８）に保持されている温度変化率データａ０、ａ１を
、Ｔｃ−ＴＯ−βａＯ／ｌ　ｎ　（ａｔ　／ａＯ）（但
し、β−１，３）の演算を行なう温度演算部（２０）に
供給しており、温度演算部（２０）からの出力データ、
および上記温度保持回路（２３）からの出力データを選
択制御回路（２１）に供給している。尚、上記選択制御
回路（２１）には、ピーク値レベル判別回路（１９）か
らの判別結果信号が制御信号として供給されており、所
定の閾値範囲内であることを示す判別結果信号が選択制
御回路（２１）に供給された場合に温度保持回路（１６
）からの出力データを選択して出力し、所定の閾値範囲
外であることを示す判別結果信号が選択制御回路（２１
）に供給された場合に温度演算部（２０）からの出力デ
ータを選択して出力するようにしている。

そして、上記選択制御回路（２１）からの出力データＴ
１および上記ピークホールド回路（［２）からの出力デ
ータＰを、Ｃ−Ｐ／　（Ａ　ｅｘｐ（α／Ｔ））（但し
、Ａ、αは定数）の演算を行なうグルコース濃度演算部
（２２）に供給している。

尚、上記各構成要素については、マイクロコンピュータ
等により同等の動作を行なわせるようにすることも可能
である。

上記の構成のグルコース濃度測定装置の動作は次のとお
りである。

例えば、電源スィッチ（図示せず）を投入することによ
り測定動作を行なうことかできる状態とすれば、ゲート
回路（１３）を開いて温度保持回路（１６）に電極初期
温度ＴＯを保持させる。

その後は、温度微分回路（８）、および信号微分回路０
０）によりそれぞれ温度変化率ｄＴ／ｄｔ、および信号
変化率ｄ　ｉ　／　ｄ　ｔを算出し、ピークホールド回
路（１１）（１２）において、それぞれ温度変化率のピ
ーク値ａ０、および信号変化率のピーク値ｂＯを得る。

そして、上記ピークホールド回路（１１）におけるホー
ルドデータが更新されたタイミングでゲート回路（１４
）が開かれるとともに、上記タイミングから１秒経過し
た時点でゲート回路（１５）が開かれるので、最終的に
上記温度変化率保持回路（１７）（１８）に温度変化率
信号のピーク値ａ０、およびピーク後１秒経過した時点
の値ａ１を、それぞれ温度変化率保持回路（１７）（１
８）に保持させることができる。さらに、上記温度変化
率のピーク値ａＯがピーク値レベル判別回路（１９）に
供給されることにより、１８０　１＞０．１の条件を充
足するか否か、即ち、電極温度が反応時温度とかなり異
なるか否かが判別される。

さらに、上記温度保持回路（１６）に保持されている温
度データＴ０、および温度変化率保持回路（１７）（１
８）に保持されている温度変化率データａ０、ａ１が温
度演算部（２０）に供給されることにより、Ｔｅ　＝Ｔ
Ｏ−βａＯ／ノｎ（ａｌ／ａＯ）（但し、β−１，３）
の演算を行なって、反応時温度に相当する可能性が高い
演算結果データを生成しておき、この演算結果データＴ
Ｃ１および温度保持回路（２３）に保持されている温度
データＴｓを選択制御回路（２１）に供給している。し
たがって、上記ピーク値レベル判別回路（１９）からの
出力信号に基いて選択制御回路（２１）を制御すること
により、上記演算結果データＴｅ、或は温度データＴｓ
のうち必要なデータを選択的に出力することができる。

そして、選択制御回路（２１）から選択的に出力された
データＴを上記ピークホールド回路（１２）からの出力
データＰと共にグルコース濃度演算部（２２）に供給す
ることにより、 Ｃ−Ｐ／　（Ａ　ｅｘｐ（α／Ｔ）Ｊ の演算を行なって、温度補償を施した正確なグルコース
濃度Ｃを得ることができる。

第２図中実線は第１図のグルコース濃度測定装置により
得られた測定結果を示す図であり、グルコース溶液の温
度に拘わらず、正確なグルコース濃度を得ることができ
た。

尚、第２図中破線で示す測定値は、温度補償を全く行な
わない場合に対応しており、グルコース溶液の温度の変
化に対応してグルコース濃度測定値が大１１に変化して
いるのであるから、側底正確なグルコース濃度の測定を
行なうことができないのである。

即ち、上記測定データを比較すれば明らかなように、電
極温度の変化率に基く補償を施すのみで、正確なグルコ
ース濃度の測定が可能になるのである。

第５図はサーミスタの取付け位置を変化させた状態を示
す酵素電極の縦断面図であり、中心電極（２）に対して
サーミスタ（５）を取付けている。

したがって、この実施例の場合には、酵素反応時の温度
をよりスムーズにサーミスタ（５）に伝達することがで
き、温度補償精度を一層高めることができる。但し、中
心電極（２）は比較的小径であるとともに、信号取出し
用のリード線を接続する必要があるので、物理的に取付
けが困難になる。したがって、温度補償精度、或は物理
的取付けの容易さの何れを重視するかに基いて、第３図
の構成、或は第５図の構成の何れを採用するかを決定す
ればよい。

また、上記第３図の実施例、第５図の実施例において、
サーミスタ（５）と並列にコンデンサ（図示せず）を接
続することが好ましい。但し、コンデンサの容量は、サ
ーミスタ（５）と並列接続した状態における時定数が１
秒程度になるように設定している。

そして、この場合には、サーミスタ（５）による応答を
少し遅らせることにより、サーミスタ（５）の取付け位
置のばらつきに起因する測定誤差の発生を低減すること
ができるとともに、電極金属を流れる電流に起因するノ
イズの影響をも低減することができる。

また、上記時定数は、大きければ大きい程、上記低減効
果を高めることができるのであるが、実際に温度補償を
行なうために使用される温度変化率のピークが小さくな
ってしまい、４度補償精度が低下してしまうから１秒程
度に設定したのである。具体的には、時定数を２秒にし
た場合には、温度変化率のピークを得ることができず、
温度補償を全く行なうことができなかった。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えばピーク値レベル判別回路（１９）からの出力デ
ータに基いて温度演算部（２０）の動作を制御し、必要
な場合にのみ演算動作を行なわせることが可能である他
、他の基質の測定を行なうバイオセンサに適用すること
が可能であり、さらに、サーミスタ以外の温度検出素子
を使用することも可能であり、その他、この発明の要旨
を変更しない範囲内において種々の設計変更を施すこと
が可能である。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明は、単に電極温度のみを検出し、
電極温度の変化率に基いて所定の演算を行なうだけで、
従来不可能とされていた反応時温度を高精度で得ること
ができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の反応時温度検出装置を組込んだグル
コース濃度ｎｊ定装置の電気的構成を示すブロック図、 第２図はグルコース濃度測定データを示す図、第３図は
サーミスタを取付けた酵素電極の一実施例を示す縦断面
図、 第４図は第３図の要部を示す拡大図、 第５図はサーミスタを取付けた酵素電極の他の実施例を
示す縦断面図。 （２）・・・中心電極、（３）・・・対向電極、（４）
・・・凹所、（５）・・・サーミスタ、（８）・・・温
度微分回路、（１０）・・・信号微分回路、（１１）（
１２）・・・ピークホールド回路、（１９）・・・ピー
ク値レベル判別回路、（２０）・・・温度演算部、（２
１）・・・選択制御回路第２図 第３図　　　　第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、生理活性物質を固定した固定化酵素膜 を設けた電極の温度、および出力信号を それぞれ検出する温度検出手段、および 信号検出手段と、検出温度を入力として 温度変化率を算出する温度微分手段と、 検出信号を入力として信号変化率を算出 する信号微分手段と、温度変化率のピー ク値を得る温度変化率ピーク値検出手段 と、信号変化率のピーク値を得る信号変 化率ピーク値検出手段と、温度変化率の ピーク値が所定の閾値範囲内であるか否 かを判別するピーク値レベル判別手段と、 対象物質の測定前における検出温度Ｔ０、 温度変化率のピーク値ａ０、および温度 変化率のピーク後所定時間経過した時点 における温度変化率ａ１に基いてＴ０− βａ０／ｌｎ（ａ１／ａ０）（但し、β は電極の材質、および温度検出手段の取 付け位置に基いて定まる係数）の演算を 行なって反応時温度を算出する反応時温 度算出手段と、温度変化率のピーク値が 所定の閾値範囲外であることを示す判別 信号を入力として反応温度算出手段によ り算出された反応時温度を出力し、温度 変化率のピーク値が所定の閾値内である ことを示す判別信号を入力として、信号 変化率のピーク時点に対応する検出温度 を出力する選択制御手段とを具備するこ とを特徴とするバイオセンサにおける反 応時温度検出装置。 ２、ピーク値レベル判別手段が、著しく小 さい閾値を基準として、温度変化率のピ ーク値が所定の閾値範囲内であるか否か を判別するものである上記特許請求の範 囲第１項記載のバイオセンサにおける反 応時温度検出装置。 ３、温度検出手段がサーミスタであり、何 れかの下地電極の所定位置に取付けられ ている上記特許請求の範囲第１項、また は第２項に記載のバイオセンサにおける 反応時温度検出装置。 ４、サーミスタと並列にコンデンサが接続 されている上記特許請求の範囲第３項記 載のバイオセンサにおける反応時温度検 出装置。