(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースとベースとの間に設けられた正電極と負電極と、前記正電極と前記負電極とを導通するように設けられた電荷移動体と、前記電荷移動体に設けられた酵素と、前記電荷移動体に被検物を供給する被検物供給部と、前記被検物供給部とは前記電荷移動体を介して反対側に設けられ前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、前記正電極と前記負電極とに電流を導通させる導線とを具備し、前記酵素は前記被検物供給部側には設けられず前記電荷移動体の前記酸素供給部側にのみ設けられたバイオセンサ。
【請求項２】
導線は平板状である請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
一対の導線の間隙を構成する部材は三角錐形状であり、前記部材の最鋭角部がセンサに接合されていることを特徴とする請求項２に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】
本発明はグルコース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】
グルコース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（以下グルコースと記載）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２は本発明のバイオセンサの構成と動作を説明する説明図である。尿は被検物供給口７から供給され、電荷移動体５に侵入する。電荷移動体５の最下層には酵素９があり、尿がそこまで到達すると尿と酵素が反応する。反応により生じた電荷が正極４１に伝達され、水素イオンが負極２に流れ、導通がおこる。この導通を計算表示する機能を有した回路部まで導かなければ、尿中のグルコース濃度がわからない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
円筒状の導体を用いると、それと接合する電極の一部が膨れあがり、接合不完全や、電極の剥離を起こす危険性がある。さらに、電極から導体を用いて計算表示部に電流を導くときに導体同士が短絡を起こすことがある。また、円筒状導線は本発明品のバイオセンサの小型化において問題がある。また、電極が自己酸化する材料で構成されるとバイオセンサにより発生した電荷量以上の電荷が自動的に導電され、誤表示の原因となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酵素反応により生じた電流を計算表示部に導く手段として平板構造をとる電線を用いるものである。
【０００８】
さらに、一対の平板状の電線は円錐をはさみ、お互い同士が短絡することなく、電極と接合し、電極から電流が移動可能な構成としている。また、自己酸化反応を防止するために、自己反応をしない材料を用い電極を構成するとともに、基材にスパッタすることにより、バイオセンサの小型化を図った。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載した発明はベースとベースとの間に設けられた正電極と負電極と、前記正電極と前記負電極とを導通するように設けられた電荷移動体と、前記電荷移動体に設けられた酵素と、前記電荷移動体に被検物を供給する被検物供給部と、前記被検物供給部とは前記電荷移動体を介して反対側に設けられ前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、前記正電極と前記負電極とに電流を導通させる導線とを具備し、前記酵素は前記被検物供給部側には設けられず前記電荷移動体の前記酸素供給部側にのみ設けられたバイオセンサとすると、酵素と被分解物およびその分解に必要な酸素が飽和濃度供給され、高濃度の被分解物が発生する電流を瞬時に計測装置に伝えその濃度計測できる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載した発明はスパッタ電極と接合する電線を平板状にすることで、電極と電線の接合性が向上し、さらに平板状であるため、電極と電線を接合する面積が大きくなり接合が容易となる。さらに、平板上の電線を用いると、電極と電線の接合部の膨れが一様化され、接続の劣化を起こす要因の侵入が少なくできることができるバイオセンサを提供する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載した発明は一対の導線の間隙を構成する部材を三角錐形状とすると電極が短絡することなく、さらに三角錐の最鋭角部をセンサと接合するとセンサの厚さをコントロールできるバイオセンサを提供するものである。
【００１５】
【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断面図である。本実施例のバイオセンサは、ベース３とベース３の間に設けている正電極４１と、負電極４２と導通するように設けている電荷移動体５がある。電荷移動体５の上下は被検物供給口７と酸素供給口８によって構成されている。酵素は電荷移動体５に存在する。
【００１６】
前記ベース３は、構造を維持できる強度を備えているものであれば特に、材質についての制限は必要ないが、本実施例ではポリエチレンテレフタレートの成型品を使用している。また、電荷移動体５の上下は、適当な間隔を有したものとなっておりこの間隔は被験物を採取する被験物供給口７となっている。また、電荷移動体５の下層は、適当な間隔を有したものとなっておりこの間隔は酸素を採取する酸素供給口８となっている。
【００１７】
前記負極４２はベース３上に設けてあり、正極４１は電荷移動体５上に設け、ベース３で押さえられている。また正極４１は、負極４２ともにその一部は大気中に開放しているものである。
【００１８】
図３には電荷移動体５の模式図を示す。電荷移動体５はメンブレンフィルムによって構成している。メンブレンフィルムは、極小径の孔を有する表から裏へダイレクトに孔が開いた構成となっており、その孔にはポリアクリルアミドが含浸されている。この膜は被験物であるグルコース１１の選択透過を行うとともにグルコース以外の巨大な固形成分、例えば、尿タンパク（アルブミンが主成分）などが除去される。また、この膜はすべての酸素を透過することができる。さらに、電荷移動体５は酵素９を保持する役割を有し、その位置は酸素供給口８にある。酵素９は酸素供給口８の全体に塗布されるのではなく、電荷移動体５上のグルコースと酵素９の反応面に直接、酸素が供給される構成になっている。
【００１９】
酵素９として本実施例ではグルコースオキシダーゼを使用しており、本実施例では電荷移動体５に直接吸着させて設けている。従って、電荷移動体５のフリーの炭素原子と酵素９の炭素原子とは、直接結合されている、あるいは、酵素分子を介する結合がなされている。このため、電荷移動体５の表面に吸着した酵素９は、決して層構造を取らず、ポーラスな構造をなしているものである。
【００２０】
図１をもとに本発明品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。
【００２１】
【化１】
0004649767.tif 000002
【００２２】
負電極４２と正電極４１間に、図示していない直流電源から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７に供給する。被験物供給口７に供給された被験物は、電荷移動体５に進入する。図３に示したように、電荷移動体５は、極小径の孔を有する表から裏へのストレート状の孔となっているものであり、グルコース以外の大きな固形成分、例えば、タンパク、アルブミンが主成分、などは除去され、孔を通してグルコースが反応系にまた、電荷移動体５全体では酸素が通過できる。従って、電荷移動体５に進入できる成分は比較的低分子のものと酸素に限定されるものである。このとき、本実施例では電荷移動体５の下部に酵素を配置している。酵素は、グルコースのみと選択的に反応し、他の成分と反応することはない。
【００２３】
こうして、グルコースは、酵素によって分解される。このとき本実施例では前記したように、酵素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。この水素イオンは、負電極４２と正電極４１間に直流電圧を印加すると電荷移動体５を流れて、負電極４２と正電極４１の間を流れるものである。
【００２４】
すなわち、発生した水素イオンが、電荷移動体５中に伝達され、複合膜中の水素イオンと交換され、水素イオンが負電極４２の方に誘導される。こうして、正電極４１と負電極４２との間に電流が流れるものである。
【００２５】
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て、この電流値をグルコース濃度に換算しているものである。この電流の大きさは、被験物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。従って、この電流の大きさから被験物のグルコース濃度が求められる。
【００２６】
なおこのとき、負電極４２と正電極４１との間に印加する直流電圧は、前記したように１Ｖ程度以下がこのましいものである。この理由は印加する直流電圧が大きくなると、尿中の水が電気分解されることによって流れる電流がグルコースの量に応じたものとはならないためである。
【００２７】
このとき本実施例では、正電極４１を被験物と直接接触する位置に設けているものである。このため、前記反応の結果生じた正電極４１の近傍に付着した泡が簡単に大気中に放出されるものである。泡が電極に付着した状態では、電荷の伝達能力が低下することはなく、従って、被験物の糖分の含有量を連続的に測定することが可能になる。
【００２８】
また本実施例によれば、酵素は被検物供給口７と直接接触することがなく、電荷移動体５と酸素供給口８に面した部位に塗布されており徐放性が確保されているため、内部に浸透した被験物成分は大気中に放散されるものである。このため本実施例のバイオセンサは、１回使用するごとに使い捨てる必要はなくなり繰り返し使うことができるものである。次に、本発明のバイオセンサから計算表示部１０へ電荷が導線１を移動する構成について説明する。電荷移動体５で発生した電荷は電極４から導線１を介して計算表示部１０へ移動する。導線１および電極４が断線、短絡することなく、また、本発明のバイオセンサの計測に関与する機能を破壊することなく、電荷を計算表示部１０に導く必要がある。
【００２９】
そのための手段として以下の２点を発明した。導線１は平板状とすると電極４と導線１との密着性が高まり、断線や短絡がなくなる。また、平板状の導線は電極４と導線１との空隙がなくなり、本発明品が計測するグルコースが入った溶液が電極４と導線１に侵入する危険性が回避される。平板状の導線はペット（ＰＥＴ）樹脂フィルム上に折り曲げが可能な厚さの平板状銅線を乗せ、その上にＰＥＴフィルムを乗せ、ＰＥＴフィルム同士を接合したものである。
【００３０】
図１の三角錐２の効果について説明する。導線１は三角錐２に接着されている。三角錐は一対の導線１において間隙を構成する役目を負う。間隙をとると、計算表示部１０へ、結線するときの利便性が向上する。さらに、三角錐をＡＢＳ等のプラスチックにより構成すると、導線１と三角錐２はプラスチック接着剤により容易に接着できるとともに、絶縁性も向上する。また、三角錐は最鋭角をセンサと接合することとする。
【００３１】
次に、電極４を構成する材料について説明する。導電性ペーストは電極を繰り返し使用するには耐久性に疑問がある。電極は自己酸化を起こさないこと、低抵抗性、耐水性が求められる。検出する電流値が最大で１mＶであるため、銀のような電極自体が自己酸化すると数百mＡの起電流が発生する。この状態になると酵素反応により発生した電流を計測することは不可能である。また、本発明品のバイオセンサは湿潤保存するため、基材と電極材料が剥離を起こすようなものは使用できない。そこで、セロファンテープを作成した電極に貼り、剥がす行為を行い、電極が剥離しない形状の結晶構造をとる材料を選定した。以上、述べてきたことからスパッタ加工による電極を採用した。スパッタする材料は低抵抗性が保証される白金あるいはパラジウムとした。
【００３２】
今回、開発した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ひとつであるグルコース濃度を計測するものである。グルコース濃度を計測する手段は酵素を利用したバイオ方式の他に、化学反応によるもの、旋光度、屈折率、赤外吸収を計測するものがあるが、バイオ方式に比べ、基質特異性が低いこと、他の尿中成分の影響を受けやすいこと等、負に働く要因によりグルコース濃度が実際の値より低く計算されることがある。この課題を解決したのが今回の発明に採用した酵素方式である。グルコースオキシダーゼを用いるとグルコースのみと選択的に反応し、他の物質と反応することはない。
【００３３】
グルコース（グルコース）が酵素（グルコースオキシダーゼ）により分解され、グルコン酸と副生成物として、過酸化水素に分解される。この過酸化水素が水酸基イオンと水素イオンに分解される。水素イオンが電子伝達体となり、電荷移動体５に含浸されたポリアクリルアミド部を泳動され、電極の負極のほうに誘導される。そのときに、電流が流れるしくみである。電子伝達体が泳動可能なフリーの陰イオンを持った電解質をゲル状にしたものであれば、ポリアクリルアミドでなくても電子伝達が行われ、電流が流れるしくみとなっている。
【００３４】
では、図１をもとに本実施例の特徴を説明する。被検物は被検物供給口７からバイオセンサ内部へと導かれる。センサの最上部にはポリアクリルアミドゲルを含浸した多孔性ポリカーボネートからなる電荷移動体５が具備され、孔を通過するものはグルコースと酸素のみであり、それ以外の巨大固形成分（例えばタンパク尿の場合はアルブミンが主成分）などが除去される。また、酸素はフィルム全面から反応系内部に侵入できる。これより、反応系へ侵入可能な成分は比較的低分子の尿成分と酸素に限定される。
【００３５】
一方、本実施例では、電極をろ過する前の検体と接することにより、検体の陰イオン性物質のみならず、酵素反応により生成される酸素等の副生成物も正極方向へ誘導し、被検物供給口７を介して簡単に大気中へ放出することができる。酵素反応により生成した電流は導線１を介して計算表示部１０へ導かれ、グルコース濃度が算出される。電極４は白金またはパラジウムからなり、低抵抗性が保証されている。電極４と導通した導線１はフレキシブルな平面構造をとるものからなり、この一端は三角錐と接着されている。この三角錐は計算表示部１０に電流を導く際に、その接続をやりやすいようにするために用いた。さらに電極４はスパッタにより構成することで、本実施例のバイオセンサの小型化が可能となる。
【００３６】
図２は図１で示されたバイオセンサのセンサ面を表記したものである。電荷移動体５の最下層に今回の反応に不可欠な酵素９がある。
【００３７】
図３は電荷移動体におけるブドウ糖９と酸素１０の透過について示した模式図である。
【００３８】
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。
【００３９】
（実施例１）
（表１）には本発明のバイオセンサの測定性能、繰り返し計測回数および厚さを示した。開発品は図１に示したものを、従来品は図２に示した構成をとるバイオセンサの電極に円筒状の導線を装着したものである。計測はグルコースを溶解した人工尿を用い、被検体液とした。連続測定回数計測は自動計測器を用い、上記人工尿にグルコース濃度０、５００、２０００、７５０、４０００、１００mg/dlとし、この順で連続的に計測するサイクルを廻し、そのサイクル数から計測回数を求めた。
【００４０】
【表１】
0004649767.tif 000003
【００４１】
（表１）からわかるようにスパッタにより構成した電極を用いると、その使用回数が増加し、バイオセンサの長寿命化が図れる。さらにフレキシブルは導線を用いるとバイオセンサの厚みが０．５mm薄くできる。
【００４２】
（実施例２）
次に、酵素反応における電荷の計測について述べる。日本特許第２９４０００７号、および日本特許第２９４３７００号によると、電荷の伝達にはポリカーボネートフィルムにポリアクリルアミドを含浸した電荷移動体５を使用している。本発明では電荷移動体５における電子伝達に関与するものとして、水素イオンにその役割をになわした。
【００４３】
図３をもとに電荷移動体の組成について述べる。電荷移動体はポリアクリルアミドをゲルとしてポリカーボネートフィルムに重層している。ポリカーボネートフィルムの細孔および全体がポリアクリルアミドに胞埋されている。細孔を封入したポリアクリルアミドは水素イオンの授受に関与する。つまり細孔に電解質を充満させて電極間において水素イオンのやり取りをする。この課題は、ポリアクリルアミドをポリカーボネートフィルムに含浸させる手段である。
【００４４】
ポリカーボネートフィルムには表裏に鉛直状に細孔がある。その細孔を介して水素イオンが伝授され、その結果電流が流れる。水素イオン１個が細孔を通過することを考えると、その移動距離は１０-8μmのイオンが４０μmの幅を移動することとなり、莫大な距離を進むこととなる。そこで、細孔に電解質を封入すると、酵素反応におり生じた水素イオンが、それ自身で莫大な距離を移動する必要がなくなり、酵素反応により生成した水素イオンが、その近傍の電解質と反応し、水素イオンが電解質を伝播していくこととなり、水素イオン１個の労力は少なくなる。また、ポリカーボネートフィルムの細孔がないところでも、酸素が通過することにこのフィルムの特徴がある。ポリアクリルアミドは網目状構造をとる。その網目の大きさを決めるのが重合度である。重合度が高くなると排斥分子量が小さくなり、分子量が小さいものがポリアクリルアミド内部に侵入することができにくくなる。本発明における反応系に必要なものはグルコースであり、その他のものはできるだけ排斥したい。以上の理由から、重合度を４倍重合相当にした。
【００４５】
今度は、ポリアクリルアミドの重合方法について述べる。重合手段はテトラメトキシエチレンアミドを重合開始剤とする方法、加熱による方法、紫外線照射による方法がある。薬品を用いる手段では穏和な反応は期待できず、ポリカーボネートフィルムをフィルム状で保持することができない。紫外線照射は紫外線ランプとともに防御装置も必要とするため、なるべく使いたくない。そこで、加温による重合を洗濯した。重合開始前の、アクリルアミドとビスアクリルアミドが溶解した液体にポリカーボネートフィルムを含浸すると、細孔へ液体が毛細管現象で取り込まれる。それを加温により重合させた。重合温度は３０℃から７０℃位とし、穏和な条件で重合すると、ポリカーボネートフィルムの細孔にむらなく重合することができる。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１にかかる発明は、ベースとベースとの間に設けられた正電極と負電極と、前記正電極と前記負電極とを導通するように設けられた電荷移動体と、前記電荷移動体に設けられた酵素と、前記電荷移動体に被検物を供給する被検物供給部と、前記被検物供給部とは前記電荷移動体を介して反対側に設けられ前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、前記正電極と前記負電極とに電流を導通させる導線とを具備し、前記酵素は前記被検物供給部側には設けられず前記電荷移動体の前記酸素供給部側にのみ設けられたバイオセンサとすると、小型、耐久性、定量性に優れたセンサのしくみを提供するものである。
【００５０】
請求項２にかかる発明は導線がフレキシブルな平板状のものを使用すると、電極と導線が接合されたときに、不必要な空隙を構成することなく、断線を防止できる。さらに平板状の導線はバイオセンサの厚みを抑制する効果もあり、断線しにくく、センサの厚みを抑制するバイオセンサを提供するものである。
【００５１】
請求項３にかかる発明は電極から取り出した導線が計算表示装置に導かれるまでの導線の取り回しについて規定した。導線と導線の間にスペーサを入れると、導線同士が短絡する危険性が回避される。スペーサは三角錐を用いることにより、センサ部のさらにバイオセンサを提供する。
【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第１の構成図
【図２】本発明の実施例におけるバイオセンサの第２の構成図
【図３】電荷移動体におけるブドウ糖と酸素の制限透過を示す模式図
【符号の説明】
１  導線
２  三角錐
３  ベース
４  電極
５  電荷移動体
６  シール
７  被検物供給口
８  酸素供給口
９  酵素
１０  計算表示部
１１  ブドウ糖
１２  酸素
４１  正極
４２  負極
【図１】
0004649767.tif 000004
【図２】
0004649767.tif 000005
【図３】
0004649767.tif 000006