(57)【要約】【課題】従来のバイオセンサ重層構造であるため構成が複雑でかつ、再使用状態まで復元するために逆電流を印加する必要があるという課題を有している。【解決手段】ＰＥＴフィルム１に白金またはパラジウムをスパッタした電極２、ＰＥＴフィルム１上に固定化された酵素３、電極活物質反応層の場所を決定し、するＯ−リング４および検体供給口が設け、それがＯ−リング４の内部にあり、かつそれと密着する外装５からなる、重層構造をとらず、検体の洗浄および入れ替えが簡単にできるバイオセンサとしている。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化分解酵素と、前記酸化分解酵素に被検物を供給する被検物供給部と、電極活物質の量を検出する検出部、および外装を具備したバイオセンサ。
【請求項２】
検出部は酵素とスパッタした電極と前記電極活物質反応層から構成した請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項３】
スパッタした電極は電極活物質反応層と接触している請求項１または２記載のバイオセンサ。
【請求項４】
電極活物質反応層はＯ−リングからなるゴムである請求項１から３いずれか１項記載のバイオセンサ。
【請求項５】
Ｏ−リングは、検体供給口を有するバイオセンサの外装と密着する事を特徴とする請求項４記載のバイオセンサ。
【請求項６】
スパッタはポリエチレンテレフタレートフィルムに白金あるいはパラジウムである請求項３記載のバイオセンサ。
【請求項７】
酵素は電極活物質反応層内に固定されている請求項１または２記載のバイオセンサ。
【請求項８】
酵素はグルコースオキシダーゼである請求項１、２、７項のいずれか１項記載のバイオセンサ。
【請求項９】
酵素固定はアルブミンとアルデヒドによりなされている請求項１、２、７、８いずれか１項記載のバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブドウ糖濃度を計測するバイオセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブドウ糖濃度の計測は医療分野のみならず、農業分野、醸造分野等、種々の領域で利用されている。特に、人尿におけるブドウ糖濃度計測については以下に述べる特徴がある。
【０００３】
尿は個人の健康状態に関する重要な情報源であり、尿成分を定量分析することで各種の機能障害を検査することができる。このニーズに対応するための手段として、健康診断や医療機関で用いられている尿検査紙がある。尿検査紙は糖、たんぱく、ウロビリノーゲン、潜血などが尿中に排出されていることを化学反応により検知し、試験紙の色調の変化により示すものである。試験紙は簡便でだれにでも扱えるという長所があるが、定性的または半定量てきであるため定量分析という観点からは問題がある。
【０００４】
そこで、尿の特定成分を迅速かつ容易に定量するものとして酵素反応を電極反応と結びつけるバイオセンサによる計測が実施されている。
【０００５】
図３は従来のバイオセンサの構成と動作を説明する説明図である。被験物供給口７から進入した尿は、干渉物質除去膜６を通って酵素層３に達する。酵素層３はグルコースオキシダーゼを有しており、尿中のグルコースをグルコン酸と過酸化水素に分解する。この過酸化水素は、更に水酸基イオンと水素イオンに分解される。この水素イオンは電極１に導通を起こす。この電流の大きさは、尿中に含まれるグルコースの量に応じたものとなっている。したがって、この電流の大きさから被験者の尿中のグルコース量が求められるものである。（化１）はこの反応を示している。
【０００６】
【化１】
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【０００７】
すなわち（化１）に示している過酸化水素の分解反応で生ずる電子が負電極２１と正電極２２間に伝達され、電極間に電流が流れるものである。この電流が流れる回路中に抵抗を配置して、抵抗の両端の電圧を測定することによって流れた電流を測定し、この電流を特定物質の濃度に換算しているものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記、従来のバイオセンサは、多層構造により構成されるため、重層するための技術および、酵素反応系内に反応生成物が残留するため、反応系の洗浄や逆電流を印加しなければならなかった。すなわち、干渉物質除去膜は以下の効果がある。空中の酸素を尿中に供給することおよび反応層におけるブドウ糖の侵入を制限することである。しかしながら、この反応系では、反応時の生成物、および未反応のブドウ糖を反応系外にすみやかに排出しなければならない。そのための手段として、約３０秒間の逆電荷導通時間さらに電極表面をリフレッシュ時間が必要となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酵素と、被検物を供給する被検物供給部と、ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴフィルム）に白金あるいはパラジウムをスパッタした電極およびアルブミンとアルデヒドにより酵素固定化された電極活物質反応層からなり多層構造をとるのではなく、電極と電極活物質反応層からなる簡単構造からなり、酵素反応にともなう生成物や未反応のブドウ糖が簡単に反応系の外部に放出される。
【００１０】
さらに、電極活物質反応層がＯ−リングからなるゴムにより外装と密着すると、酵素反応が起こる場所が限定され、他の所にブドウ糖を含んだ水溶液が流出しないため、バイオセンサが短絡することがない。連続的な測定が可能なバイオセンサとしている。本構成をとるバイオセンサは、使いやすく、ハンディに加工できる特徴を備えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１にかかる発明は、酵素と、前記酸化分解酵素に被検物を供給する被検物供給部と、電極活物質の量を検出する検出部、および外装を備えた、積層構造を取らない、簡単構成のセンサのしくみを提供するものである。
【００１２】
請求項２にかかる発明は、検出部は酵素とスパッタした電極と前記電極活物質反応層から構成した簡単構成によるセンサのしくみを提供するものである。
【００１３】
請求項３にかかる発明は、スパッタした電極は電極活物質反応層と接触し、反応により発生する水素イオンを導通する、反応層と導通層が同じ層内にあることでしくみが複雑化しないセンサを提供するものである。
【００１４】
請求項４にかかる発明は、電極活物質反応層はＯ−リングからなるゴムとすると電極活物質反応層を電極が構成されている材料のどこにでも自由に設置できる構成を有するセンサのしくみを提供するものである。
【００１５】
請求項５にかかる発明は、Ｏ−リングは検体供給口を有するバイオセンサの外装と密着すると反応に関与する水溶液がＯ−リングの外部に漏れることなく、絶縁性、漏電のないセンサのしくみを提供するものである。
【００１６】
請求項６にかかる発明は、スパッタする材料はポリエチレンテレフタレートフィルムに白金あるいはパラジウムとすると、薄膜化ができ、かつ電極が自己酸化しないしくみを有するセンサを提供するものである。
【００１７】
請求項７にかかる発明は、酵素は電極活物質反応層内に固定すると、酵素を繰り返し使用できるセンサを提供するものである。
【００１８】
請求項８にかかる発明は、酵素は酸化酵素である、グルコースオキシダーゼを使用すると、水溶液中の溶存酸素を利用し、酸化分解ができるため、その他の酵素を添加することなく、１種類の酵素のみで反応が完結できるセンサを提供するものである。
【００１９】
請求項９にかかる発明は、酵素の固定はグルコースオキシダーゼ、アルブミンをアルデヒドが還元により、化学結合する。これにより、水溶液への徐放性が獲得でき、１本のセンサで繰り返し計測ができるセンサを提供するものである。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は本実施例のバイオセンサの構成を示すブロック図である。本実施例のバイオセンサは、ＰＥＴフィルム（１）上にスパッタ電極（２）が構成されている。電極（２）間に酵素（３）が固定されている。さらに酵素が反応し、電極活物質が生成する範囲をＯ−リング（４）で構成している。すなわち、酵素反応はＯ−リング（４）内部で起こり、この反応により生じた電極活物質がスパッタ電極（２）に伝播し、導通が起こる。
【００２１】
図２には本発明品のセンサを外装に装備した断面図を示した。ＰＥＴフィルム（１）上にスパッタした電極（２）上に酵素（３）およびＯ−リング（４）を具備したセンサを外装（５）に装着したものである。外装（５）が連続しない位置は、被験物供給口（６）である。尿は被験対供給口（６）から侵入する。
【００２２】
以下、本実施例の動作について説明する。被験物には何千もの化学物質が含まれている。本実施例のバイオセンサはその中から、人体の健康情報を示す指標の一つである糖分の含有量を計測するものである。糖分はグルコースで代表して計測している。
【００２３】
電極（１）に、図示していない直流電源から０．１Ｖ以下程度の直流電圧を印加した状態で、被験物を被験物供給口（６）に供給する。被験物採取口（６）に供給された被験物は、Ｏ−リング（４）に充満される。その内部には酵素（３）が固定されており、ブドウ糖があると反応し、水素イオンを放出する。その水素イオンが電極活物質となり、電極を導通し、最終的には演算の上、ブドウ糖濃度が表示される。このとき本実施例では前記したように、酵素（１）としてグルコースオキシダーゼを使用している。グルコースオキシダーゼは従来例の（化１）で説明したように、被験物中のグルコースをグルコン酸と過酸化水素に分解する、この過酸化水素は、更に水酸基イオンと水素イオンに分解される。
【００２４】
本発明は以下の利点がある。電極をＰＥＴフィルムベースに白金またはパラジウムをスパッタしたものの上に、Ｏ−リングからなる電極活物質反応層をもうけ、その中に酵素を固定化したことにある。つまり、従来のセンサと比較すると干渉物質除去膜や酵素を固定化した層を電極上部に積層しなくてもよい簡単構成にある。
【００２５】
まず、ベース基材としてＰＥＴフィルムを選んだことについてのべる。スパッタベースとしてはプラスチックおよびセラミックスがあるが、センサを薄く作れる、また、本反応は水溶液の反応であるため、耐水性および、基材が親水化されにくいという観点から選定した。薄くするためにはフィルム状に加工できるプラスチックを選んだ。セラミックスは６３５μｍの厚さのものが汎用されているが、５０〜１００μｍの加工で汎用化されているフィルムを選んだ。次に、親水化されないという観点からＰＥＴフィルムやポリプロピレンがあるが、スパッタしたときにスパッタ結晶が付着されやすいという観点からＰＥＴフィルムを選んだ。ＰＥＴフィルムはカーボンの転写・固定効率を高めるために表面を加工したＯＨＰシートとして利用されているものや、フィラーを多くして絶縁性を高めたものがあるが、本発明ではＰＥＴフィルムの加工法は問わない。
【００２６】
次にスパッタする材料について述べる。電極は自らが酸化し電子を発生するものは使用できない。また、スパッタがＰＥＴフィルムに固定されるときに、個々の粒子が単独で付着するのではなく、粒子同士が結合し、導通が確保されなければならない。以上の観点から白金またはパラジウムをスパッタした。スパッタ作業は室温で行い、加温によるＰＥＴフィルムの波打ち等を防止した。
【００２７】
電極活物質反応層について記載する。これは酵素反応を行う場を確保したものである。反応の場は必要以上に大きくなると、短絡や漏電により、酵素反応により計測される電流値が正確に測定できない。そこで、電極活物質を計測する必要最小限の場を設けた。そのための手段はＯ−リングとそれに密着する外装からなるものである。Ｏ−リングはシリコンゴムやブタジエンゴム等、弾力性に富むものを採用すると密着性が高くなる。
【００２８】
最後に酵素について記載する。酵素はグルコースオキシダーゼを選んだ。これをＰＥＴフィルム上に固定化した。固定手段は水溶液に対し比較的安定性が高い、ウシケッセイアルブミン（ＢＳＡ）粉末と酵素９に対しＢＳＡ１の割合で混合したものを飽和溶液のグルタルアルデヒド水溶液が充満されたデシケーターの中に入れて行った。アルデヒドにより、グルコースオキシダーゼの酵素活性を示す活性基が破壊されることなく、その他の構造部が変性する。
【００２９】
また変性時には、酵素自体が還元されるのみならず、ＢＳＡとの結合が一部では起こり、グルコースオキシダーゼの固定化、つまり水溶液に対する、徐放化処理が行われる。ＰＥＴフィルム表面への加工はアルデヒドにより固定化処理が行われたものを精製水に懸濁して、滴下後、乾燥させた。この処理により、本発明のバイオセンサ１本で１８０回の繰り返し測定が可能となる。さらに、反応式１に記載しているように、本反応は溶存酸素を利用した酸化反応であるため、水溶液中に酸素が溶けていれば、ブドウ糖があると反応が開始され、ブドウ糖の値が計測できる。
【００３０】
では、図１および図２をもとに本発明の特徴を説明する。検体は被験物供給口（６）からバイオセンサ内部へと導かれる。センサ内部はスパッタした電極（２）および酵素（３）により構成されている。検体はＯ−リング（４）の内部に拡散し、酵素と反応し、化学式１で示される反応を経て、水素イオンが生成される。その水素イオンが電極と接触し導通が起こる。導通はブドウ糖の濃度により変動し、図では示していないが、計測装置により濃度が表示される。計測が終了した検体は水道水などで洗い流すことにより簡単にブドウ糖が存在しない水溶液に置換できる。説明したように本発明のバイオセンサは重層構造をとらないために、簡単に作成できるとともに、計測後の洗浄についても、逆電流等を印加することなく洗浄だけでよいという利点がある。
【００３１】
ここからは本発明内容について実施例とともに具体的に説明する。まず、電極が直接尿と接触することによる効果について述べる。
【００３２】
（実施例１）
図１に示したセンサを計測に使用した。計測に用いたブドウ糖は５０ｍｇ／ｄｌから５００ｍｇ／ｄｌの濃度になるようにリン酸緩衝生理食塩水に溶かした。測定は電流を抵抗に通じて電圧として表示した。その結果を表１に示す。表１からわかるように、酵素、すなわち、グルコースオキシダーゼを封じていないセンサではリン酸緩衝生理食塩水のみを計測、さらに５００ｍｇ／ｄｌのブドウ糖のみを計測しても電圧値の増加は認められなかった。また、酵素を封じても、リン酸緩衝生理食塩水では電圧値は認められなかった。ところが、酵素を封じたものは電圧値の増加が認められ、濃度勾配と直線性の関係があった。この結果から、複合膜は電荷の移動をつかさどるものである。なお、測定に使用した酵素は天野製薬製製グルコースオキシダーゼ（３２００００ユニット）である。
【００３３】
実施例１の条件において、コントロール尿（バイオラッド製）にブドウ糖５００ｍｇ／ｄｌになるように調製したものについても、同様に電圧値を計測したところ、ブドウ糖が入っていないと考えられるコントロール尿では電圧が計測されなかったが、ブドウ糖を添加したものでは、リン酸緩衝生理食塩水にブドウ糖５００ｍｇ／ｄｌとなるように調製したものを計測した時の数値と、ほぼ同様の数値を計測した。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、酵素と、前記酸化分解酵素に被検物を供給する被検物供給部と、電極活物質の量を検出する検出部、および外装を備えた、積層構造を取らない、簡単構成のセンサのしくみを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるバイオセンサのブロック図
【図２】本発明におけるバイオセンサの断面図
【図３】従来のバイオセンサの説明図
【符号の説明】
１　ＰＥＴフィルム
２　スパッタ電極
３　酵素
４　Ｏ−リング
５　外装
６　被験物供給口
７　干渉物質除去膜
８　ベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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