JP2002296217A

JP2002296217A - バイオセンサ

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Publication number: JP2002296217A
Application number: JP2001095727A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Miyaji; 寿明宮地; Yasuyuki Nukina; 康之貫名
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-09
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP4517527B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のバイオセンサは、高濃度のグルコース
が測れない、かつ連続測定ができないという課題を有し
ている。【解決手段】ポリカーボネートフィルム２１に絶縁部
と導通部を設けた電荷移動体２と検体物供給口６および
酸素供給口７および酵素１からなる、水素イオン伝達体
を具備し、正極５は電荷移動体２の導通部および直接被
験物と接触するようにすると、酵素反応面が酸素供給不
足になることなく、高グルコース濃度まで計測できる。
また、正極５に発生した発泡が簡単に大気中に放出で
き、電荷の伝達能力が劣化することがなく、連続的な測
定が可能なバイオセンサとしている。

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。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。

【０００３】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。

【０００４】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。検体供給口６から進入した尿
は、干渉物質除去膜８を通って酵素層９に達する。酵素
層９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。この水素イオンは直流電圧を印加すると陽イオン交
換膜１０を流れて、電荷の移動が起こるものである。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。

【０００５】

【化１】

【０００６】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電極間を伝達され、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。

【０００７】

【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、干渉物質除去膜を介して酸素が尿中に溶解する
ため、酸素の溶解速度が遅いため反応が律速され、ブド
ウ糖濃度５００mg/dlを超えた濃度が反応系に侵入する
と、グルコース濃度とその出力値、電流をグルコース濃
度に換算したもの、の比例関係が成立しないので、測定
範囲がグルコース濃度５００mg/dlまでの計測にとどま
ること、さらに、酵素反応により発生した電極活物質、
一般的に過酸化水素であることが多い、が電極の正極、
および負極表面に付着して、電極活物質の分解物と電極
が導通するのを妨げるため、連続測定ができないという
課題を有している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のバイオセンサは、酵素と、前記酵素に検
体を供給する検体供給部と、前記酵素に酸素を供給する
酸素供給部と、電極活物質の量を検出する検出部を備
え、前記検出部は電極と前記電極活物質が反応するイオ
ンを移動させる電荷移動体から構成しており、酸素が大
気から直接供給されるため、酵素反応に必要な酸素が飽
和濃度供給されるため、反応が律速されず、高濃度の被
検体も計測することができる。

【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、酵素と、前記酵素に検体を供給する検体供給部と、
前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、電極活物質の
量を検出する検出部を備え、前記検出部は電極と前記電
極活物質が反応するイオンを移動させる電荷移動体から
構成したバイオセンサとし、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
物も計測できることができる。

【００１０】本発明の請求項２に記載した発明は、特
に、請求項１記載の電荷移動体を多孔質膜とし、前記多
孔膜に絶縁部と導通部を設けると１枚の膜構造で２役を
担わすことができる。

【００１１】本発明の請求項３に記載した発明は、特に
請求項２に記載した発明の多孔質膜をポリカーボネート
フィルムとする。ポリカーボネートフィルムはその表面
から裏面へ直線的な孔を有する多孔質であるため、絶
縁、導通の役割を果たす材料が毛細管現象により、簡単
に、染みこむことができる。さらに、直線的な孔は導通
部を確保するに際し、水素イオンが移動しやすいという
利点がある。絶縁部は非水溶性材料で、導通部は水溶性
材料で確保すると、導通部に導電材料を含浸するとき
に、水溶性材料を水洗で洗浄、つまり、簡便に水洗でき
るものである。

【００１２】本発明の請求項４に記載した発明は、多孔
質材料であるポリカーボネートフィルムにまず、水溶性
材料を加工し、導通部を確保し、そのフィルタの水溶性
材料にて加工していない部位に非水溶性材料を加工する
請求項２記載の発明のバイオセンサであり、導電性があ
りかつ絶縁性があるバイオセンサとなる。

【００１３】本発明の請求項５に記載した発明は、特に
請求項４にて作成したバイオセンサにおいて、導通性と
絶縁性を有するポリカーボネートフィルムと電極におけ
る接着について規定した。ポリアクリルアミドを含浸し
た部位が電極と密着することにより、導通が確保され、
検体の全量が反応に供される。

【００１４】本発明の請求項６に記載した発明は、特に
請求項１記載の酵素をグルコース酸化分解酵素およびグ
ルコース脱水素酵素とする。よって、酸素が十分に供給
されるため、反応が酸素律速になることなく、高濃度ま
でのグルコースを計測できる。グルコースオキシダーゼ
はその反応時に溶存酸素を利用し、高濃度まで計測が可
能となる。グルコース脱水素酵素は、その反応をすすめ
るために、補酵素として、ニコチンアミドアデニシンジ
ヌクレオチド（ＮＡＤ）を使う。その補酵素は酸素を供
給することにより高濃度まで反応を持続することができ
る。

【００１５】本発明の請求項７に記載した発明は、特に
請求項１または２記載の検体供給部が導通した電極は正
極とすることで、電極活物質が簡単に大気中に放出で
き、電荷の伝達能力が劣化することない。さらに、負極
は複合膜に接触させた構成として、複合膜が電子伝達体
として作用し、正確な測定ができ、かつ連続的な測定が
可能なバイオセンサとしている。

【００１６】

【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３ａとベース３
ｂの上に設けている負電極４ａ、４ｂと、負電極４ａ、
４ｂと導通するように設けている電荷移動体２と、電荷
移動体２の上に設けている正電極５、その上にベース３
ｃ〜３ｄがある。電荷移動体２の上下は検体供給口６と
酸素供給口７ならびに酵素１によって構成されている。

【００１７】前記ベース３ａ〜３ｂ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、最上層のベース
３ｃとベース３ｄとの間は、適当な間隔を有したものと
なっておりこの間隔は検体を採取する検体供給口６とな
っている。また、最下層のベース３ａとベース３ｂとの
間は、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７となっている。

【００１８】前記負極４ａ、４ｂはベース３ａ〜３ｂ上
に設けてあり、正極５ａ、５ｂは電荷移動体２上に設
け、ベース３ｃ〜３ｄで押さえられている。また正極５
ａ、５ｂは、負極４ａ、４ｂともにその一部は大気中に
開放しているものである。

【００１９】図２には電荷移動体２の模式図を示す。電
荷移動体２はポリカーボネートメンブレンフィルム２１
によって構成している。メンブレンフィルム２１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、その孔には導通を確保する材料と、絶
縁を確保する材料が含浸されている。本実施例では、導
通を確保する材料として、ポリアクリルアミド２２、絶
縁材料として、パラフィン２３を含浸している。この膜
は被験物であるグルコース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２は酵素１を保持する役割を有し、その位置は
酸素供給口７にある。酵素はポリアクリルアミド２２が
含浸された場所に、かつ酸素供給口７の全体に塗布され
るのではなく、電荷移動体２上のグルコースと酵素１の
反応面に直接、酸素が供給される構成になっている。

【００２０】ここで、図２を得るに際しその製作法につ
いて述べる。絶縁部と導通部が混在したポリカーボネー
トフィルムを作成するに際し、まず、絶縁部を確保する
ことから始めた。ポリアクリルアミドを含浸させる部位
を前もってプレコートし絶縁材料が、ポリアクリルアミ
ドを加工する部位に侵入することを防止した。水溶性の
材料として可溶性でんぷんを用いた。この加工を行った
後、絶縁材料にポリカーボネートフィルタを含浸した。
この加工により、でんぷんが付着している部位を除き、
細孔全体に絶縁材料が行き渡る。なお、絶縁性材料はパ
ラフィンを使用した。精製水にて可溶性でんぷんを溶解
すると、無加工のポリカーボネートフィルタ部が現れ
る。そこに４倍架橋したポリアクリルアミドを染みこま
せ、４５℃で加熱重合し、電荷移動体を得た。

【００２１】酵素１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２に
直接吸着させて設けている。従って、電荷移動体２のフ
リーの炭素原子と酵素１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２の表面に吸着した酵素１
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。

【００２２】本実施例の動作について図１、図２をもと
に説明する。検体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】負電極４ａ、４ｂと正電極５ａ、５ｂ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、検体を検体供給口６に供給する。
検体供給口６に供給された検体は、電荷移動体２に進入
する。図２に示したように、電荷移動体２は、表から裏
へのストレート状の微小な孔の連続体となった多孔質膜
である。この孔を絶縁体として、パラフィン２３が、導
電体としてポリアクリルアミド２２が含浸している。ポ
リアクリルアミドが含浸された孔は分子篩効果があり、
グルコース以外の大きな固形成分、分子量にして２万以
上のもの、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２全体では、フィルム全面から、さらに酸素
が通過できる。従って、電荷移動体２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。

【００２４】また、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、検体供給口６を介して簡単に大気中へ放出すること
ができる。

【００２５】また、電荷移動体２の下部に酵素１を配置
している。酵素１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。

【００２６】こうして、グルコースは、酵素１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、検体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４と正
電極５間に直流電圧を印加すると電荷移動体２を流れ
て、負電極４と正電極５の間を流れるものである。

【００２７】すなわち、発生した水素イオンが、電荷移
動体２中に伝達され、水素イオンと交換され、水素イオ
ンが負電極４の方に誘導される。こうして、正電極５と
負電極４との間に電流が流れるものである。

【００２８】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、検体中に含まれ
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検体のグルコース濃度が求められ
る。

【００２９】なおこのとき、負電極４と正電極５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。

【００３０】また、本実施例では、正電極５を検体と直
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５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、電荷の伝達能力が低下することはなく、従っ
て、検体の糖分の含有量を連続的に測定することが可能
になる。

【００３１】また本実施例によれば、酵素１は検体供給
口６と直接接触することがなく、電荷移動体２と酸素供
給口７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、内部に浸透した検体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。

【００３２】さらに、電荷移動体２は負極４および正極
５と密着すると、検体が電荷移動体と電極により構成さ
れているところの空隙に溜まることがなくなり、導通が
確保されるとともにに検体の全量が電荷移動体内に侵入
し、反応に供される。

【００３３】次に、本発明の他方の酵素、グルコース脱
水素酵素を用いた場合の反応について述べる。

【００３４】

【化２】

【００３５】グルコース脱水素酵素によるブドウ糖の分
解はニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ）
補酵素の酸化、還元により反応が進む。

【００３６】ブドウ糖（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２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。
グルコースデヒドロゲナーゼを利用した反応において
も、水素イオンが生成され、上述のようなメカニズムを
へて導通が確保される。

【００３７】ポリアクリルアミドの重合と電流の流れ方
およびその耐久性について記載する。基本的にポリアク
リルアミドの重合と電流の流れ方には相関はない。これ
は１倍架橋のもので水素イオンの伝達に必要なイオンが
多寡状態であるため、その相関は得られないほど、多く
イオンが存在している。重合の割合が大きいほど、分子
篩の編み目が小さくなり、透過できる分子の大きさが小
さくなる。

【００３８】（表１）に本実施例と従来例の特性につい
て示した。従来例は図３に記載された構成のバイオセン
サを用いた。計測はグルコースを溶解した人工尿を用い
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、２０００、７５０、１５００、１
００、２５００mg/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。

【００３９】

【表１】

【００４０】（表１）は、計測範囲が本実施例と従来例
の発明について大きく異なることを示す。これは酵素と
グルコースが反応する反応系が従来例は液層と固層であ
るが、本発明は液層、気層および固層の３層界面とな
り、酵素反応に不可欠の酸素が充分供給されることによ
る。健康な人を対象としたバイオセンサではグルコース
濃度５００mg/dlまで計測できれば、その変化から体調
管理をするには十分な計測範囲である。一方、糖尿病患
者の尿から排泄されるグルコース濃度を計測するには、
十分な計測範囲であるとはいえない。糖尿病患者尿から
グルコース濃度を計測するには２０００mg/dlまで計測
する能力が求められる。本発明はこのニーズを充分満足
するものである。

【００４１】

【表２】

【００４２】（表１）の条件で得られた電流値を（表
２）に示した。グルコース濃度２５００mg/dlまで直線
性、かつ正比例の関係が得られた。実施例には示さない
が、酵素１をグルコースデヒドロゲナーゼにしたものに
ついても、同様に２５００mg/dlまで直線性かつ正比例
の関係および２４０回の繰り返し計測ができた。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、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、酵素の定量精度を増加した高濃度測定が可能なセン
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構成図

【図２】電荷移動体における絶縁部と導通部の構成を示
す模式図

【図３】従来のバイオセンサの構成図

【符号の説明】

１酵素２電荷移動体２１ポリカーボネートメンブレンフィルム２２ポリアクリルアミド２３パラフィン３ａ〜３ｄベース４ａ〜４ｂ負極５ａ〜５ｂ正極６検体供給口７酸素供給口８干渉物質除去膜９酵素層１０陽イオン交換膜１１電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酵素と、前記酵素に検体を供給する検体
供給部と、前記酵素に酸素を供給する酸素供給部と、電
極活物質の量を検出する検出部を備え、前記検出部は電
極と前記電極活物質が反応するイオンを移動させる電荷
移動体から構成したバイオセンサ。
【請求項２】電荷移動体は多孔質膜からなり、絶縁部
と導通部とから構成されている請求項１記載のバイオセ
ンサ。
【請求項３】多孔質膜はポリカーボネートフィルム、
絶縁部は非水溶性材料、導通部は水溶性材料からなる請
求項２記載のバイオセンサ。
【請求項４】ポリカーボネートフィルムに水溶性材料
を印刷し、さらに、非水溶性材料を印刷した後、水溶性
材料を水洗するとともに、最後に水溶性材料があったと
ころに、４倍架橋のポリアクリルアミドを含浸させる請
求項３記載のバイオセンサの作製方法。
【請求項５】導通部は電極と密着している請求項３記
載のバイオセンサ。
【請求項６】酵素が、グルコース酸化分解酵素、ある
いはグルコース脱水素酵素とする請求項１記載のバイオ
センサ。
【請求項７】検体供給部と導通した電極は正極、酸素
供給部と導通した電極は負極である請求項１、２項のい
ずれか１項記載のバイオセンサ。