バイオセンサ
【課題】バイオセンサにおいて、測定感度をより一層向上させうる手段を提供する。
【解決手段】絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサにおいて、電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層を形成し、対極の前記開口部からの露出面積を、作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍とする。
【解決手段】絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサにおいて、電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層を形成し、対極の前記開口部からの露出面積を、作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサに関する。詳細には、本発明は、生体試料などに含まれる成分の濃度を測定するためのバイオセンサの精度を向上させるための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオセンサが医療などの分野において応用されている。バイオセンサの測定対象は低分子から高分子に至るまでの様々な化学物質であり、測定対象に応じて、種々の機能を有するバイオセンサの開発が進められている。
【０００３】
なかでも、酵素センサは、酵素の基質認識能と触媒能とを利用したバイオセンサであり、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層が電極系の表面に形成されてなる構造を有する。
【０００４】
酵素センサの例としては、グルコースセンサがある。グルコースセンサは、臨床検査の現場などにおいて血糖値を測定する目的で利用されている。以下、グルコースセンサの作動原理を簡単に説明する。
【０００５】
グルコースセンサに試料溶液（血液試料など）が滴下されると、電極系（作用極および対極）の表面に形成された反応層が溶解し、酵素（グルコースオキシダーゼ）と試料溶液中のグルコースとが反応して、下記化学反応式（１）で表される反応が進行する。
【０００６】
【化１】
【０００７】
上記反応式（１）により生成した過酸化水素は、反応層中の電子受容体（例えば、フェリシアンイオン）に電子を供与することで当該電子受容体を還元し、自身は酸化されて酸素となる。かような反応が充分に進行した後、還元された電子受容体を電気化学的に酸化し、この際に測定される酸化電流の値から、試料溶液中のグルコース濃度を算出する。
【０００８】
このようなグルコースセンサとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。当該文献に記載のセンサでは、電極系およびリード部を特定の材料で構成することで、基質濃度と測定値との間の線形性を向上させ、測定感度の改善を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平６−１０６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記文献に記載のバイオセンサを用いた場合であっても、充分に満足のいく測定感度が得られているとは言えず、バイオセンサの測定感度をより一層向上させるための手段の開発が強く望まれているのが現状である。
【００１１】
そこで本発明は、バイオセンサにおいて、測定感度をより一層向上させうる手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、酸化電流値の測定時における対極での酸化還元反応の飽和が、センサの測定感度の低下に何らかの関与をしているとの知見を得た。かような知見に基づき、本発明者らは、センサの測定感度をより一層向上させるべく、電極系を構成する各電極の露出面積を制御することを試みた。具体的には、対極の露出面積を作用極の露出面積よりもある程度大きくすることにより、センサの測定感度を向上させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のバイオセンサによれば、酸化電流値の測定時における対極での酸化還元反応の飽和が抑制され、センサの測定感度の低下が防止されうる。よって、本発明によれば、より一層測定感度の高いバイオセンサが提供されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のバイオセンサの各構成要素の形成パターンを示す平面図である。（ａ）は、絶縁性基板上でのリード部およびコネクタ部の形成パターンを示す平面図である。（ｂ）は、電極系を構成する参照極の形成パターンを示す平面図である。（ｃ）は、電極系を構成する作用極および対極の形成パターンを示す平面図である。（ｄ）は、絶縁層の形成パターンを示す平面図である。（ｅ）は、スペーサおよび反応層の形成パターンを示す平面図である。
【図２】図１の各図に示す各構成要素の積層順序を示す分解斜視図である。
【図３】図１および図２の各図に示す各構成要素が形成されてなるバイオセンサを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための好ましい一実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには制限されない。
【００１７】
本発明は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサである。
【００１８】
図１は、本発明のバイオセンサ１０の各構成要素の形成パターンを示す平面図である。なお、図１の各図においては、各図により説明するための構成要素に加えて、絶縁性基板２０の外形を示す仮想線が図示されている。図１（ａ）は、絶縁性基板２０上でのリード部３０およびコネクタ部３２の形成パターンを示す平面図である。図１（ｂ）は、電極系４０を構成する参照極４２の形成パターンを示す平面図である。図１（ｃ）は、電極系４０を構成する作用極４４および対極４６の形成パターンを示す平面図である。図１（ｄ）は、絶縁層５０の形成パターンを示す平面図である。図１（ｅ）は、スペーサ６０および反応層７０の形成パターンを示す平面図である。図２は、図１の各図に示す各構成要素の積層順序を示す分解斜視図である。図３は、図１および図２の各図に示す各構成要素が形成されてなるバイオセンサ１０を示す平面図である。図２および図３に示すように、バイオセンサ１０においては、絶縁性基板２０上に、一体化されたリード部３０およびコネクタ部３２、電極系４０、絶縁層５０、スペーサ６０および反応層７０が、絶縁層基板２０の側からこの順に積層されている。なお、バイオセンサ１０は、カバーによりさらに覆われた状態で使用および貯蔵される場合があるが、図１〜図３においてはかようなカバーの図示は省略されている。また、説明の都合上、図面の寸法比率は誇張されており、図示する形態が実際とは異なる場合がある。
【００１９】
バイオセンサ１０は、体液などの試料溶液中の特定成分（以下、「基質」とも称する）の濃度を測定するための装置である。以下、バイオセンサ１０を構成する各部材について詳細に説明する。
【００２０】
バイオセンサ１０は、その基体として絶縁性基板２０を備える。絶縁性基板２０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレン等の樹脂やガラス等のセラミックス、紙などの従来公知の絶縁性材料により構成されうる。絶縁性基板２０の形状やサイズについては、特に制限されない。
【００２１】
絶縁性基板２０上には、図１〜図３に示すように、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）が形成されている。コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）は、後述する電極系４０とバイオセンサ１０外部とを電気的に接続するための手段として機能し、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）を介して電極系４０と電気的に接続されている。リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）は、図１〜図３に示すように、コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）から、電極系４０の位置まで延長されており、電極系４０の各電極（４２、４４、４６）の下地層を構成する。リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を構成する材料は特に制限されず、バイオセンサのリード部およびコネクタ部の形成に従来用いられている材料が適宜用いられうる。ただし、バイオセンサ１０の応答感度をより一層向上させるという観点から、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）は、１０μｍの厚さにおいて５０ｍΩ／□以下、より好ましくは４０ｍΩ／□以下の表面抵抗値を有する材料から構成されることが好ましい。表面抵抗値が上記の範囲よりも大きい材料を用いてリード部およびコネクタ部を構成すると、基質濃度と応答値との間の線形性が低下し、本発明による測定感度の向上効果が充分に得られない虞がある。一方、当該材料の表面抵抗値の下限については特に制限はないが、リード部３０およびコネクタ部３２と基板との接着性を確保するためにバインダを添加することを考慮すると、リード部３０およびコネクタ部３２の表面抵抗値は、１０μｍの厚さにおいて０．１ｍΩ／□以上程度となることが予想される。ただし、リード部３０およびコネクタ部３２が、これらの範囲を外れる表面抵抗値を有する材料から構成されても、勿論よい。上述した好ましい表面抵抗値を有する材料としては、例えば、銀、金、白金、およびパラジウムなどの金属が挙げられる。各リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）および各コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を構成する材料は、それぞれ同一であってもよいし、異なっていてもよい。ただし、低コストという観点から、リード部およびコネクタ部は、いずれも銀により構成されることが好ましい。リード部およびコネクタ部の形成方法は特に制限されず、スクリーン印刷法やスパッタリング法などの従来公知の手法により形成されうる。この際、リード部およびコネクタ部を構成する材料は、ポリエステル等の樹脂バインダを含むペーストの形態で提供されうる。上記の手法により塗膜を形成した後には、塗膜を硬化させる目的で、５０〜２００℃程度の温度で加熱処理を施すとよい。
【００２２】
図１〜図３に示すように、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）が延長されてなる下地層の上層には、電極系４０が形成されている。この電極系４０は、バイオセンサ１０の使用時において、後述する反応層７０中の試料溶液に電圧を印加するための電圧印加手段、および、試料溶液中に流れる電流を検出するための電流検出手段として機能する。
【００２３】
図示する形態において、電極系４０は、参照極４２、作用極４４、および対極４６の３極からなる。すなわち、図示する形態のバイオセンサ１０は、３電極式センサである。ただし、本発明のバイオセンサは３電極式のみに制限されず、参照極を含まない電極系を備えた２電極式センサであってもよい。なお、電極系４０における電圧の制御がより高精度で行われるという観点からは、２電極式よりも３電極式が好ましく用いられうる。
【００２４】
作用極４４および対極４６は、バイオセンサ１０の使用時に一対となって、後述する反応層７０中の試料溶液に電圧を印加した際に流れる酸化電流（応答電流）を測定するための電流測定手段として機能する。バイオセンサ１０の使用時には、参照極４２と作用極４６との間に所定の電圧が印加される。各電極を構成する材料は特に制限されず、バイオセンサの電極系の形成に従来用いられている材料が適宜用いられうる。ただし、バイオセンサ１０の応答感度をより一層向上させるという観点から、電極系４０は、１０μｍの厚さにおいて１００Ω／□以下、より好ましくは８０Ω／□以下の表面抵抗値を有する材料から構成されることが好ましい。表面抵抗値が上記の範囲よりも大きい材料を用いて電極系４０を構成すると、基質濃度と応答値との間の線形性が低下し、本発明による測定感度の向上効果が充分に得られない虞がある。一方、当該材料の表面抵抗値の下限については特に制限はない。各電極（４２、４４、４６）を構成する材料は、それぞれ同一であってもよいし、異なっていてもよい。ただし、耐腐食性およびコストの観点から、各電極（４２、４４、４６）は、いずれもカーボンにより構成されることが好ましい。ただし、場合によっては、種々の金属等のカーボン以外の材料により、電極系４０が構成されてもよい。電極系４０の形成方法は特に制限されず、スクリーン印刷法やスパッタリング法などの従来公知の手法により形成されうる。この際、電極系を構成する材料は、ポリエステル等の樹脂バインダを含むペーストの形態で、提供されうる。上記の手法により塗膜を形成した後には、塗膜を硬化させる目的で、５０〜２００℃程度の温度で加熱処理を施すとよい。
【００２５】
本発明のバイオセンサ１０において、電極系４０を構成する各電極（４２、４４、４６）は、図３に示すように、電極系４０の上層に形成された絶縁層５０の有する略矩形の開口部から、露出している。そして、前記開口部からの作用極４４および対極４６の露出面積の比の値が、所定の範囲内に制御されている点に特徴を有する。なお、絶縁層５０の詳細については、後述する。
【００２６】
本発明のバイオセンサ１０において、具体的には、対極４６の前記開口部からの露出面積は、作用極４４の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍である。対極４６の露出面積が作用極４４の露出面積の１．２倍未満であると、酸化電流値の測定時における対極４６での酸化還元反応の飽和が充分に抑制されず、バイオセンサ１０の測定感度を向上させるという本発明の効果が充分に得られない虞がある。一方、対極４６の露出面積が作用極４４の露出面積の３．０倍を超えると、バイオセンサ１０の小型化が困難となる虞がある。
【００２７】
絶縁性基板２０上に形成されたリード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）、並びに電極系４０の上層には、図１〜図３に示すように、絶縁層５０が形成されている。上述したように、絶縁層５０は、略矩形の開口部を有しており、電極系４０を構成する各電極（４２、４４、４６）が露出している。絶縁層５０は、電極系４０を構成する各電極間の短絡を防止するための絶縁手段として機能する。絶縁層５０を構成する材料は特に制限されないが、例えば、レジストインクなどにより構成されうる。絶縁層５０の形成方法について特に制限はないが、作用極４４および対極４６の、開口部からの露出面積をより厳密に制御するという観点からは、スクリーン印刷法を用いて絶縁層５０を形成するとよい。
【００２８】
電極系４０および絶縁層５０の上層には、図１〜図３に示すように、スペーサ６０および反応層７０が形成されている。バイオセンサ１０の使用時には、反応層７０において、後述する酵素反応が進行する。また、スペーサ６０を設けることで、バイオセンサ１０の使用時における反応層７０および試料溶液の漏出が防止される。図示する形態において、スペーサ６０には、電極系４０に対応する部位に、円形の孔が設けられており、この孔に反応層７０が設けられている。ただし、反応層７０の形状は円形のみに制限されず、任意の形状が用いられうる。スペーサ６０を構成する材料は特に制限されないが、例えば、ＰＥＴやポリエチレン等の樹脂、ガラス、セラミックス、紙などにより構成されうる。スペーサ６０および反応層７０の形成方法は特に制限されず、例えば、所定の部位に孔を有するスペーサ６０を載置し、この孔に反応層７０を形成するための溶液を滴下して、乾燥させるという手法が用いられうる。
【００２９】
反応層７０は１層のみからなる層であってもよいし、２層以上からなる層であってもよい。反応層７０が２層からなる形態としては、例えば、電子受容体を含み、酸化還元酵素を実質的に含まない第１反応層と、前記第１反応層の上層に形成された、酸化還元酵素を含み、電子受容体を実質的に含まない第２反応層とから、反応層７０が構成される形態が挙げられる。
【００３０】
また、図示する形態において、反応層７０は電極系４０の上層に形成されているが、場合によっては、図示する形態とは異なり、電極系４０の近傍に反応層７０を形成し、電極系４０と反応層７０とが直接接触しない形態としてもよい。なお、反応層７０が電極系４０の「近傍」に形成される形態としては、電極系４０と反応層７０との間に空間やフィルタが介在する形態や、試料供給口と電極系４０との間に反応層７０が形成される形態などが例示される。
【００３１】
反応層７０は、酸化還元酵素および電子受容体を含む。
【００３２】
酸化還元酵素は、バイオセンサ１０の使用時において、試料溶液中の基質を酸化するという機能を有する。酸化還元酵素の種類は特に制限されず、測定を希望する成分に応じて、適宜選択されうる。反応層７０に含まれる酸化還元酵素の一例を挙げると、グリセロールオキシダーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、サルコシンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースオキシダーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸オキシダーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ペルオキシダーゼなどが例示されうる。また、種々の目的で改良が施された改良型の酵素が用いられてもよい。反応層７０における酸化還元酵素の含有量についても特に制限はなく、測定を希望する成分の種類や試料溶液の添加量などに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、通常は０．００１〜１００活性単位、好ましくは０．０１〜１０活性単位、より好ましくは０．０１〜５活性単位の酸化還元酵素が反応層７０に含まれるとよい。
【００３３】
電子受容体は、バイオセンサ１０の使用時において、酸化還元酵素の作用によって生成した電子を受け取る、すなわち還元される。そして、還元された電子受容体は、酵素反応終了後に電極系４０に流される電流によって電気化学的に酸化される。この際に流れる電流（酸化電流と称する）の大きさから、試料溶液中の所望の成分の濃度が算出されうる。電子受容体の種類についても特に制限はなく、従来公知の電子受容体が適宜選択されうる。一例を挙げると、フェリシアンイオン、ｐ−ベンゾキノンおよびその誘導体、フェナジニウムメチルサルフェートおよびその誘導体、メチレンブルー、チオニン、インジゴカーミン、ガロシアニン、α−ナフトキノンおよびその誘導体、並びにサフラニンからなる群から選択される１種または２種以上の電子受容体が例示される。また、ｐ−ベンゾキノン誘導体、フェナジニウムメチルサルフェート誘導体、α−ナフトキノン誘導体としては、ｐ−ベンゾキノン、フェナジニウムメチルサルフェート、α−ナフトキノンに炭素数１または２のアルキル基、炭素数１または２のアルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲン原子等が結合したものなどが挙げられる。反応層７０における電子受容体の含有量についても特に制限はなく、試料溶液の添加量などに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、０．５〜１０μＬの試料溶液を添加して用いるバイオセンサ１０の反応層７０には、通常は０．０１〜１０００μｇ、好ましくは０．１〜１００μｇ、より好ましくは１〜５０μｇの電子受容体が含まれるとよい。
【００３４】
本発明のより好ましい形態において、反応層７０は、酸化還元酵素として補酵素であるピロロキノリンキノン（ＰＱＱ）依存型のグリセロールデヒドロゲナーゼを含む。この際、電子受容体としてはフェナジニウムメチルサルフェート誘導体である１−メトキシ−５−フェナジニウムメチルサルフェートを含むことがより好ましい。さらに好ましくは、反応層７０がリポプロテインリパーゼをさらに含む。ここで、ＰＱＱ依存型グリセロールデヒドロゲナーゼは溶液中の電子受容体のみを反応に使用し、溶存酸素の影響を受けない。従って、上記のより好ましい形態によれば、還元型の電子受容体の酸化電流を測定することにより、試料溶液中の中性脂肪濃度がより正確に測定されうる。
【００３５】
本発明のバイオセンサ１０において、反応層７０は、酸化還元酵素および電子受容体に加えて、他の成分を含んでもよい。反応層７０に含まれうる他の成分としては、例えば、高分子、酵素安定化剤などが挙げられる。高分子としては、例えば、セルロース、グアーガム、スターチ、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、グアーガム、ゼラチン、タンニン酸、ペクチン、カゼイン、カラギナン、ファーセレラン、プルラン、コラーゲン、キチン、キトサン、コンドロイチン硫酸ナトリウム、リグニンスルホン酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、およびこれらの誘導体などが挙げられる。これらの高分子が反応層７０に含まれることにより、反応層７０の成膜性が向上する。また、これらの高分子を含むことで、電極系４０表面からの反応層７０の剥離や、反応層７０の割れも効果的に防止され、バイオセンサの信頼性が向上しうる。さらに、電極系に吸着しうるタンパク質などの吸着性物質が試料溶液中に含まれる場合には、上記の高分子の作用によって、吸着性物質の電極系への吸着が抑制されうる。このため、反応層７０が上述したような高分子を含むと、バイオセンサ１０の測定感度の向上により一層貢献しうる。なお、吸着性物質の吸着抑制効果に優れる高分子としては、タンニン酸、ペクチン、カゼイン、およびこれらの誘導体が挙げられる。よって、血液などの体液を試料溶液として用いる場合には、これらの高分子を反応層７０に含めるとよい。なお、上記の高分子は、１種のみが単独で反応層７０に含まれてもよいし、２種以上が併せて反応層７０に含まれてもよい。
【００３６】
反応層７０における高分子の含有量については特に制限はなく、反応層７０のサイズなどに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、０．５〜１０μＬの試料溶液を添加して用いるバイオセンサ１０の反応層７０には、通常は０．０１〜１０００μｇ、好ましくは０．１〜１００μｇ、より好ましくは０．３〜５０μｇの高分子が含まれる。
【００３７】
以上、本発明のバイオセンサ１０の構成について詳細に説明したが、上記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の知見を適宜参照して、バイオセンサ１０の構成に種々の改良を施すことも可能である。従来公知の知見としては、例えば、特開平２−０６２９５２号公報、特開平５−８７７６８号公報、特開平１１−２０１９３２号公報などが挙げられる。
【００３８】
続いて、本発明のバイオセンサ１０の動作について説明する。
【００３９】
まず、濃度の測定を希望する成分を含む試料溶液の所定量を、バイオセンサ１０の反応層７０に供給する。試料溶液の具体的な形態は特に制限されず、バイオセンサ１０に用いられる酸化還元酵素の基質を含む溶液が適宜用いられうる。試料溶液としては、例えば、血液、尿、唾液などの生体試料、果物、野菜、加工食品原料などの食品等が用いられうる。ただし、その他の溶液が試料として用いられてもよい。また、試料溶液は原液がそのまま用いられてもよいし、粘度などを調節する目的で適当な溶媒で希釈された溶液が用いられてもよい。試料溶液に含まれる基質についても特に制限はなく、上述した酸化還元酵素と反応しうる物質であればよい。基質としては、例えば、グルコースなどの糖類、グリセロール、ソルビトール、アラビトールなどの多価アルコール、中性脂肪、コレステロールなどの脂質、グルタミン酸や乳酸などの有機酸類、クレアチン、クレアチニンなどが挙げられる。試料溶液を反応層７０へ供給する形態は特に制限されず、所定量の試料溶液を反応層７０に対して垂直に直接滴下することにより供給してもよいし、別途設けた試料溶液供給手段により、反応層７０に対して水平方向から試料溶液を供給してもよい。
【００４０】
反応層７０へと試料溶液が供給されると、試料溶液中の所望の成分は、反応層７０に含まれる酸化還元酵素の作用によって酸化され、自身の酸化と同時に電子を放出する。基質から放出された電子は、電子受容体に捕捉され、これに伴って電子受容体は酸化型から還元型へと変化する。試料溶液の添加後、バイオセンサ１０を所定時間放置することにより、酸化還元酵素によって基質が完全に酸化され、一定量の電子受容体が酸化型から還元型へと変換される。基質と酵素との反応を完結させるための放置時間については特に制限はないが、試料溶液添加後、通常は０〜５分間、好ましくは０〜１分間、バイオセンサ１０を放置すればよい。
【００４１】
その後、還元型の電子受容体を酸化する目的で、電極系４０を介して、作用極４４と対極４６との間に、所定の電圧を印加する。これにより、反応層７０中に電流（本明細書中、「酸化電流」とも称する）が流れ、この電流によって還元型の電子受容体が電気化学的に酸化され、酸化型へと変換される。この際に測定される酸化電流の値から、電圧印加前の還元型の電子受容体の量が算出され、さらに、酵素と反応した基質の量が定量されうる。ここで、本発明のバイオセンサ１０においては、酸化電流測定時に利用される対極４６の面積が、作用極４４と比較してある程度大きい。このため、従来のバイオセンサを用いた酸化電流値の測定時の測定感度の低下に関与していたことが予想される、対極４６での酸化還元反応の飽和が、効果的に抑制されうる。よって、本発明によれば、測定感度がより一層向上したバイオセンサ１０が提供されうる。なお、酸化電流を流す際に印加される電圧の値は特に制限されず、従来公知の知見を参照して適宜調節されうる。一例を挙げると、−２００〜７００ｍＶ程度、好ましくは０〜５００ｍＶの電圧を、参照極４２と作用極４４との間に印加すればよい。電圧を印加するための電圧印加手段についても特に制限はなく、従来公知の電圧印加手段が適宜用いられうる。
【００４２】
酸化電流値の測定、および当該電流値から基質濃度への換算の手法としては、所定の電圧を印加してから一定時間後の電流値を測定するクロノアンペロメトリー法が用いられてもよいし、クロノアンペロメトリー法による電流応答を時間で積分して得られる電荷量を測定するクロノクーロメトリー法が用いられてもよい。簡単な装置系により測定されるという点で、クロノアンペロメトリー法が好ましく用いられうる。
【００４３】
以上、還元型の電子受容体を酸化する際の電流（酸化電流）を測定することにより基質濃度を算出する形態を例に挙げて説明したが、場合によっては、還元されずに残存している酸化型の電子受容体を還元する際の電流（還元電流）を測定することにより基質濃度を算出する形態が採用されてもよい。かような形態においても、本発明のバイオセンサ１０によれば、上述したのと同様のメカニズムによって、還元電流測定時の対極４６における酸化還元反応の飽和が抑制され、バイオセンサ１０の測定感度の低下が効果的に抑制されうる。
【実施例】
【００４４】
次に実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例は本発明の技術的範囲に何ら影響を及ぼすことはない。
【００４５】
＜実施例＞
以下の手法により、図１〜図３に示す形態のバイオセンサ１０の電極系４０を作製した。
【００４６】
まず、絶縁性基板２０として、ポリエステル製シートを準備した。次いで、銀を主成分とするペーストであるＬＳ−４１１ＡＷ（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ａ）に示すような形成パターンを有するリード部３０およびコネクタ部３２を形成した。その後、参照極４２に対応するリード部３０ａの先端部位に、銀／塩化銀を主成分とするペーストであるＤＢ９２３４２（日本アチソン株式会社製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｂ）に示すような形成パターンを有する参照極４２を形成した。一方、作用極４４および対極４６に対応するリード部（３０ｂ、３０ｃ）の先端部位に、カーボンを主成分とするペーストであるＦＴＵ−４０ＣＡ（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｃ）に示すような形成パターンを有する作用極４４および対極４６を形成した。次いで、リード部３０および電極系４０が形成された基板上に、絶縁性材料であるレジストを主成分とするペーストであるＣＲ−１８Ｇ−ＫＴ１（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｄ）に示すような形成パターンを有する絶縁層５０を形成した。ここで、絶縁層５０は矩形の開口部を有しているが、当該開口部からの作用極４４の露出面積は８．７５ｃｍ２であり、対極４６の露出面積は１５．２５ｃｍ２であった。よって、対極４６の露出面積は、作用極４４の露出面積の１．７４倍であった。
【符号の説明】
【００４７】
１０ バイオセンサ、
２０ 絶縁性基板、
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ リード部、
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ コネクタ部、
４０ 電極系、
４２ 参照極、
４４ 作用極、
４６ 対極、
５０ 絶縁層、
６０ スペーサ、
７０ 反応層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサに関する。詳細には、本発明は、生体試料などに含まれる成分の濃度を測定するためのバイオセンサの精度を向上させるための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオセンサが医療などの分野において応用されている。バイオセンサの測定対象は低分子から高分子に至るまでの様々な化学物質であり、測定対象に応じて、種々の機能を有するバイオセンサの開発が進められている。
【０００３】
なかでも、酵素センサは、酵素の基質認識能と触媒能とを利用したバイオセンサであり、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層が電極系の表面に形成されてなる構造を有する。
【０００４】
酵素センサの例としては、グルコースセンサがある。グルコースセンサは、臨床検査の現場などにおいて血糖値を測定する目的で利用されている。以下、グルコースセンサの作動原理を簡単に説明する。
【０００５】
グルコースセンサに試料溶液（血液試料など）が滴下されると、電極系（作用極および対極）の表面に形成された反応層が溶解し、酵素（グルコースオキシダーゼ）と試料溶液中のグルコースとが反応して、下記化学反応式（１）で表される反応が進行する。
【０００６】
【化１】
【０００７】
上記反応式（１）により生成した過酸化水素は、反応層中の電子受容体（例えば、フェリシアンイオン）に電子を供与することで当該電子受容体を還元し、自身は酸化されて酸素となる。かような反応が充分に進行した後、還元された電子受容体を電気化学的に酸化し、この際に測定される酸化電流の値から、試料溶液中のグルコース濃度を算出する。
【０００８】
このようなグルコースセンサとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。当該文献に記載のセンサでは、電極系およびリード部を特定の材料で構成することで、基質濃度と測定値との間の線形性を向上させ、測定感度の改善を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平６−１０６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記文献に記載のバイオセンサを用いた場合であっても、充分に満足のいく測定感度が得られているとは言えず、バイオセンサの測定感度をより一層向上させるための手段の開発が強く望まれているのが現状である。
【００１１】
そこで本発明は、バイオセンサにおいて、測定感度をより一層向上させうる手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、酸化電流値の測定時における対極での酸化還元反応の飽和が、センサの測定感度の低下に何らかの関与をしているとの知見を得た。かような知見に基づき、本発明者らは、センサの測定感度をより一層向上させるべく、電極系を構成する各電極の露出面積を制御することを試みた。具体的には、対極の露出面積を作用極の露出面積よりもある程度大きくすることにより、センサの測定感度を向上させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のバイオセンサによれば、酸化電流値の測定時における対極での酸化還元反応の飽和が抑制され、センサの測定感度の低下が防止されうる。よって、本発明によれば、より一層測定感度の高いバイオセンサが提供されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のバイオセンサの各構成要素の形成パターンを示す平面図である。（ａ）は、絶縁性基板上でのリード部およびコネクタ部の形成パターンを示す平面図である。（ｂ）は、電極系を構成する参照極の形成パターンを示す平面図である。（ｃ）は、電極系を構成する作用極および対極の形成パターンを示す平面図である。（ｄ）は、絶縁層の形成パターンを示す平面図である。（ｅ）は、スペーサおよび反応層の形成パターンを示す平面図である。
【図２】図１の各図に示す各構成要素の積層順序を示す分解斜視図である。
【図３】図１および図２の各図に示す各構成要素が形成されてなるバイオセンサを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための好ましい一実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには制限されない。
【００１７】
本発明は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサである。
【００１８】
図１は、本発明のバイオセンサ１０の各構成要素の形成パターンを示す平面図である。なお、図１の各図においては、各図により説明するための構成要素に加えて、絶縁性基板２０の外形を示す仮想線が図示されている。図１（ａ）は、絶縁性基板２０上でのリード部３０およびコネクタ部３２の形成パターンを示す平面図である。図１（ｂ）は、電極系４０を構成する参照極４２の形成パターンを示す平面図である。図１（ｃ）は、電極系４０を構成する作用極４４および対極４６の形成パターンを示す平面図である。図１（ｄ）は、絶縁層５０の形成パターンを示す平面図である。図１（ｅ）は、スペーサ６０および反応層７０の形成パターンを示す平面図である。図２は、図１の各図に示す各構成要素の積層順序を示す分解斜視図である。図３は、図１および図２の各図に示す各構成要素が形成されてなるバイオセンサ１０を示す平面図である。図２および図３に示すように、バイオセンサ１０においては、絶縁性基板２０上に、一体化されたリード部３０およびコネクタ部３２、電極系４０、絶縁層５０、スペーサ６０および反応層７０が、絶縁層基板２０の側からこの順に積層されている。なお、バイオセンサ１０は、カバーによりさらに覆われた状態で使用および貯蔵される場合があるが、図１〜図３においてはかようなカバーの図示は省略されている。また、説明の都合上、図面の寸法比率は誇張されており、図示する形態が実際とは異なる場合がある。
【００１９】
バイオセンサ１０は、体液などの試料溶液中の特定成分（以下、「基質」とも称する）の濃度を測定するための装置である。以下、バイオセンサ１０を構成する各部材について詳細に説明する。
【００２０】
バイオセンサ１０は、その基体として絶縁性基板２０を備える。絶縁性基板２０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレン等の樹脂やガラス等のセラミックス、紙などの従来公知の絶縁性材料により構成されうる。絶縁性基板２０の形状やサイズについては、特に制限されない。
【００２１】
絶縁性基板２０上には、図１〜図３に示すように、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）が形成されている。コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）は、後述する電極系４０とバイオセンサ１０外部とを電気的に接続するための手段として機能し、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）を介して電極系４０と電気的に接続されている。リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）は、図１〜図３に示すように、コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）から、電極系４０の位置まで延長されており、電極系４０の各電極（４２、４４、４６）の下地層を構成する。リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を構成する材料は特に制限されず、バイオセンサのリード部およびコネクタ部の形成に従来用いられている材料が適宜用いられうる。ただし、バイオセンサ１０の応答感度をより一層向上させるという観点から、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）は、１０μｍの厚さにおいて５０ｍΩ／□以下、より好ましくは４０ｍΩ／□以下の表面抵抗値を有する材料から構成されることが好ましい。表面抵抗値が上記の範囲よりも大きい材料を用いてリード部およびコネクタ部を構成すると、基質濃度と応答値との間の線形性が低下し、本発明による測定感度の向上効果が充分に得られない虞がある。一方、当該材料の表面抵抗値の下限については特に制限はないが、リード部３０およびコネクタ部３２と基板との接着性を確保するためにバインダを添加することを考慮すると、リード部３０およびコネクタ部３２の表面抵抗値は、１０μｍの厚さにおいて０．１ｍΩ／□以上程度となることが予想される。ただし、リード部３０およびコネクタ部３２が、これらの範囲を外れる表面抵抗値を有する材料から構成されても、勿論よい。上述した好ましい表面抵抗値を有する材料としては、例えば、銀、金、白金、およびパラジウムなどの金属が挙げられる。各リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）および各コネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を構成する材料は、それぞれ同一であってもよいし、異なっていてもよい。ただし、低コストという観点から、リード部およびコネクタ部は、いずれも銀により構成されることが好ましい。リード部およびコネクタ部の形成方法は特に制限されず、スクリーン印刷法やスパッタリング法などの従来公知の手法により形成されうる。この際、リード部およびコネクタ部を構成する材料は、ポリエステル等の樹脂バインダを含むペーストの形態で提供されうる。上記の手法により塗膜を形成した後には、塗膜を硬化させる目的で、５０〜２００℃程度の温度で加熱処理を施すとよい。
【００２２】
図１〜図３に示すように、リード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）が延長されてなる下地層の上層には、電極系４０が形成されている。この電極系４０は、バイオセンサ１０の使用時において、後述する反応層７０中の試料溶液に電圧を印加するための電圧印加手段、および、試料溶液中に流れる電流を検出するための電流検出手段として機能する。
【００２３】
図示する形態において、電極系４０は、参照極４２、作用極４４、および対極４６の３極からなる。すなわち、図示する形態のバイオセンサ１０は、３電極式センサである。ただし、本発明のバイオセンサは３電極式のみに制限されず、参照極を含まない電極系を備えた２電極式センサであってもよい。なお、電極系４０における電圧の制御がより高精度で行われるという観点からは、２電極式よりも３電極式が好ましく用いられうる。
【００２４】
作用極４４および対極４６は、バイオセンサ１０の使用時に一対となって、後述する反応層７０中の試料溶液に電圧を印加した際に流れる酸化電流（応答電流）を測定するための電流測定手段として機能する。バイオセンサ１０の使用時には、参照極４２と作用極４６との間に所定の電圧が印加される。各電極を構成する材料は特に制限されず、バイオセンサの電極系の形成に従来用いられている材料が適宜用いられうる。ただし、バイオセンサ１０の応答感度をより一層向上させるという観点から、電極系４０は、１０μｍの厚さにおいて１００Ω／□以下、より好ましくは８０Ω／□以下の表面抵抗値を有する材料から構成されることが好ましい。表面抵抗値が上記の範囲よりも大きい材料を用いて電極系４０を構成すると、基質濃度と応答値との間の線形性が低下し、本発明による測定感度の向上効果が充分に得られない虞がある。一方、当該材料の表面抵抗値の下限については特に制限はない。各電極（４２、４４、４６）を構成する材料は、それぞれ同一であってもよいし、異なっていてもよい。ただし、耐腐食性およびコストの観点から、各電極（４２、４４、４６）は、いずれもカーボンにより構成されることが好ましい。ただし、場合によっては、種々の金属等のカーボン以外の材料により、電極系４０が構成されてもよい。電極系４０の形成方法は特に制限されず、スクリーン印刷法やスパッタリング法などの従来公知の手法により形成されうる。この際、電極系を構成する材料は、ポリエステル等の樹脂バインダを含むペーストの形態で、提供されうる。上記の手法により塗膜を形成した後には、塗膜を硬化させる目的で、５０〜２００℃程度の温度で加熱処理を施すとよい。
【００２５】
本発明のバイオセンサ１０において、電極系４０を構成する各電極（４２、４４、４６）は、図３に示すように、電極系４０の上層に形成された絶縁層５０の有する略矩形の開口部から、露出している。そして、前記開口部からの作用極４４および対極４６の露出面積の比の値が、所定の範囲内に制御されている点に特徴を有する。なお、絶縁層５０の詳細については、後述する。
【００２６】
本発明のバイオセンサ１０において、具体的には、対極４６の前記開口部からの露出面積は、作用極４４の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍である。対極４６の露出面積が作用極４４の露出面積の１．２倍未満であると、酸化電流値の測定時における対極４６での酸化還元反応の飽和が充分に抑制されず、バイオセンサ１０の測定感度を向上させるという本発明の効果が充分に得られない虞がある。一方、対極４６の露出面積が作用極４４の露出面積の３．０倍を超えると、バイオセンサ１０の小型化が困難となる虞がある。
【００２７】
絶縁性基板２０上に形成されたリード部（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）およびコネクタ部（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）、並びに電極系４０の上層には、図１〜図３に示すように、絶縁層５０が形成されている。上述したように、絶縁層５０は、略矩形の開口部を有しており、電極系４０を構成する各電極（４２、４４、４６）が露出している。絶縁層５０は、電極系４０を構成する各電極間の短絡を防止するための絶縁手段として機能する。絶縁層５０を構成する材料は特に制限されないが、例えば、レジストインクなどにより構成されうる。絶縁層５０の形成方法について特に制限はないが、作用極４４および対極４６の、開口部からの露出面積をより厳密に制御するという観点からは、スクリーン印刷法を用いて絶縁層５０を形成するとよい。
【００２８】
電極系４０および絶縁層５０の上層には、図１〜図３に示すように、スペーサ６０および反応層７０が形成されている。バイオセンサ１０の使用時には、反応層７０において、後述する酵素反応が進行する。また、スペーサ６０を設けることで、バイオセンサ１０の使用時における反応層７０および試料溶液の漏出が防止される。図示する形態において、スペーサ６０には、電極系４０に対応する部位に、円形の孔が設けられており、この孔に反応層７０が設けられている。ただし、反応層７０の形状は円形のみに制限されず、任意の形状が用いられうる。スペーサ６０を構成する材料は特に制限されないが、例えば、ＰＥＴやポリエチレン等の樹脂、ガラス、セラミックス、紙などにより構成されうる。スペーサ６０および反応層７０の形成方法は特に制限されず、例えば、所定の部位に孔を有するスペーサ６０を載置し、この孔に反応層７０を形成するための溶液を滴下して、乾燥させるという手法が用いられうる。
【００２９】
反応層７０は１層のみからなる層であってもよいし、２層以上からなる層であってもよい。反応層７０が２層からなる形態としては、例えば、電子受容体を含み、酸化還元酵素を実質的に含まない第１反応層と、前記第１反応層の上層に形成された、酸化還元酵素を含み、電子受容体を実質的に含まない第２反応層とから、反応層７０が構成される形態が挙げられる。
【００３０】
また、図示する形態において、反応層７０は電極系４０の上層に形成されているが、場合によっては、図示する形態とは異なり、電極系４０の近傍に反応層７０を形成し、電極系４０と反応層７０とが直接接触しない形態としてもよい。なお、反応層７０が電極系４０の「近傍」に形成される形態としては、電極系４０と反応層７０との間に空間やフィルタが介在する形態や、試料供給口と電極系４０との間に反応層７０が形成される形態などが例示される。
【００３１】
反応層７０は、酸化還元酵素および電子受容体を含む。
【００３２】
酸化還元酵素は、バイオセンサ１０の使用時において、試料溶液中の基質を酸化するという機能を有する。酸化還元酵素の種類は特に制限されず、測定を希望する成分に応じて、適宜選択されうる。反応層７０に含まれる酸化還元酵素の一例を挙げると、グリセロールオキシダーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、サルコシンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースオキシダーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸オキシダーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ペルオキシダーゼなどが例示されうる。また、種々の目的で改良が施された改良型の酵素が用いられてもよい。反応層７０における酸化還元酵素の含有量についても特に制限はなく、測定を希望する成分の種類や試料溶液の添加量などに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、通常は０．００１〜１００活性単位、好ましくは０．０１〜１０活性単位、より好ましくは０．０１〜５活性単位の酸化還元酵素が反応層７０に含まれるとよい。
【００３３】
電子受容体は、バイオセンサ１０の使用時において、酸化還元酵素の作用によって生成した電子を受け取る、すなわち還元される。そして、還元された電子受容体は、酵素反応終了後に電極系４０に流される電流によって電気化学的に酸化される。この際に流れる電流（酸化電流と称する）の大きさから、試料溶液中の所望の成分の濃度が算出されうる。電子受容体の種類についても特に制限はなく、従来公知の電子受容体が適宜選択されうる。一例を挙げると、フェリシアンイオン、ｐ−ベンゾキノンおよびその誘導体、フェナジニウムメチルサルフェートおよびその誘導体、メチレンブルー、チオニン、インジゴカーミン、ガロシアニン、α−ナフトキノンおよびその誘導体、並びにサフラニンからなる群から選択される１種または２種以上の電子受容体が例示される。また、ｐ−ベンゾキノン誘導体、フェナジニウムメチルサルフェート誘導体、α−ナフトキノン誘導体としては、ｐ−ベンゾキノン、フェナジニウムメチルサルフェート、α−ナフトキノンに炭素数１または２のアルキル基、炭素数１または２のアルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲン原子等が結合したものなどが挙げられる。反応層７０における電子受容体の含有量についても特に制限はなく、試料溶液の添加量などに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、０．５〜１０μＬの試料溶液を添加して用いるバイオセンサ１０の反応層７０には、通常は０．０１〜１０００μｇ、好ましくは０．１〜１００μｇ、より好ましくは１〜５０μｇの電子受容体が含まれるとよい。
【００３４】
本発明のより好ましい形態において、反応層７０は、酸化還元酵素として補酵素であるピロロキノリンキノン（ＰＱＱ）依存型のグリセロールデヒドロゲナーゼを含む。この際、電子受容体としてはフェナジニウムメチルサルフェート誘導体である１−メトキシ−５−フェナジニウムメチルサルフェートを含むことがより好ましい。さらに好ましくは、反応層７０がリポプロテインリパーゼをさらに含む。ここで、ＰＱＱ依存型グリセロールデヒドロゲナーゼは溶液中の電子受容体のみを反応に使用し、溶存酸素の影響を受けない。従って、上記のより好ましい形態によれば、還元型の電子受容体の酸化電流を測定することにより、試料溶液中の中性脂肪濃度がより正確に測定されうる。
【００３５】
本発明のバイオセンサ１０において、反応層７０は、酸化還元酵素および電子受容体に加えて、他の成分を含んでもよい。反応層７０に含まれうる他の成分としては、例えば、高分子、酵素安定化剤などが挙げられる。高分子としては、例えば、セルロース、グアーガム、スターチ、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、グアーガム、ゼラチン、タンニン酸、ペクチン、カゼイン、カラギナン、ファーセレラン、プルラン、コラーゲン、キチン、キトサン、コンドロイチン硫酸ナトリウム、リグニンスルホン酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、およびこれらの誘導体などが挙げられる。これらの高分子が反応層７０に含まれることにより、反応層７０の成膜性が向上する。また、これらの高分子を含むことで、電極系４０表面からの反応層７０の剥離や、反応層７０の割れも効果的に防止され、バイオセンサの信頼性が向上しうる。さらに、電極系に吸着しうるタンパク質などの吸着性物質が試料溶液中に含まれる場合には、上記の高分子の作用によって、吸着性物質の電極系への吸着が抑制されうる。このため、反応層７０が上述したような高分子を含むと、バイオセンサ１０の測定感度の向上により一層貢献しうる。なお、吸着性物質の吸着抑制効果に優れる高分子としては、タンニン酸、ペクチン、カゼイン、およびこれらの誘導体が挙げられる。よって、血液などの体液を試料溶液として用いる場合には、これらの高分子を反応層７０に含めるとよい。なお、上記の高分子は、１種のみが単独で反応層７０に含まれてもよいし、２種以上が併せて反応層７０に含まれてもよい。
【００３６】
反応層７０における高分子の含有量については特に制限はなく、反応層７０のサイズなどに応じて適宜調節されうる。一例を挙げると、０．５〜１０μＬの試料溶液を添加して用いるバイオセンサ１０の反応層７０には、通常は０．０１〜１０００μｇ、好ましくは０．１〜１００μｇ、より好ましくは０．３〜５０μｇの高分子が含まれる。
【００３７】
以上、本発明のバイオセンサ１０の構成について詳細に説明したが、上記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の知見を適宜参照して、バイオセンサ１０の構成に種々の改良を施すことも可能である。従来公知の知見としては、例えば、特開平２−０６２９５２号公報、特開平５−８７７６８号公報、特開平１１−２０１９３２号公報などが挙げられる。
【００３８】
続いて、本発明のバイオセンサ１０の動作について説明する。
【００３９】
まず、濃度の測定を希望する成分を含む試料溶液の所定量を、バイオセンサ１０の反応層７０に供給する。試料溶液の具体的な形態は特に制限されず、バイオセンサ１０に用いられる酸化還元酵素の基質を含む溶液が適宜用いられうる。試料溶液としては、例えば、血液、尿、唾液などの生体試料、果物、野菜、加工食品原料などの食品等が用いられうる。ただし、その他の溶液が試料として用いられてもよい。また、試料溶液は原液がそのまま用いられてもよいし、粘度などを調節する目的で適当な溶媒で希釈された溶液が用いられてもよい。試料溶液に含まれる基質についても特に制限はなく、上述した酸化還元酵素と反応しうる物質であればよい。基質としては、例えば、グルコースなどの糖類、グリセロール、ソルビトール、アラビトールなどの多価アルコール、中性脂肪、コレステロールなどの脂質、グルタミン酸や乳酸などの有機酸類、クレアチン、クレアチニンなどが挙げられる。試料溶液を反応層７０へ供給する形態は特に制限されず、所定量の試料溶液を反応層７０に対して垂直に直接滴下することにより供給してもよいし、別途設けた試料溶液供給手段により、反応層７０に対して水平方向から試料溶液を供給してもよい。
【００４０】
反応層７０へと試料溶液が供給されると、試料溶液中の所望の成分は、反応層７０に含まれる酸化還元酵素の作用によって酸化され、自身の酸化と同時に電子を放出する。基質から放出された電子は、電子受容体に捕捉され、これに伴って電子受容体は酸化型から還元型へと変化する。試料溶液の添加後、バイオセンサ１０を所定時間放置することにより、酸化還元酵素によって基質が完全に酸化され、一定量の電子受容体が酸化型から還元型へと変換される。基質と酵素との反応を完結させるための放置時間については特に制限はないが、試料溶液添加後、通常は０〜５分間、好ましくは０〜１分間、バイオセンサ１０を放置すればよい。
【００４１】
その後、還元型の電子受容体を酸化する目的で、電極系４０を介して、作用極４４と対極４６との間に、所定の電圧を印加する。これにより、反応層７０中に電流（本明細書中、「酸化電流」とも称する）が流れ、この電流によって還元型の電子受容体が電気化学的に酸化され、酸化型へと変換される。この際に測定される酸化電流の値から、電圧印加前の還元型の電子受容体の量が算出され、さらに、酵素と反応した基質の量が定量されうる。ここで、本発明のバイオセンサ１０においては、酸化電流測定時に利用される対極４６の面積が、作用極４４と比較してある程度大きい。このため、従来のバイオセンサを用いた酸化電流値の測定時の測定感度の低下に関与していたことが予想される、対極４６での酸化還元反応の飽和が、効果的に抑制されうる。よって、本発明によれば、測定感度がより一層向上したバイオセンサ１０が提供されうる。なお、酸化電流を流す際に印加される電圧の値は特に制限されず、従来公知の知見を参照して適宜調節されうる。一例を挙げると、−２００〜７００ｍＶ程度、好ましくは０〜５００ｍＶの電圧を、参照極４２と作用極４４との間に印加すればよい。電圧を印加するための電圧印加手段についても特に制限はなく、従来公知の電圧印加手段が適宜用いられうる。
【００４２】
酸化電流値の測定、および当該電流値から基質濃度への換算の手法としては、所定の電圧を印加してから一定時間後の電流値を測定するクロノアンペロメトリー法が用いられてもよいし、クロノアンペロメトリー法による電流応答を時間で積分して得られる電荷量を測定するクロノクーロメトリー法が用いられてもよい。簡単な装置系により測定されるという点で、クロノアンペロメトリー法が好ましく用いられうる。
【００４３】
以上、還元型の電子受容体を酸化する際の電流（酸化電流）を測定することにより基質濃度を算出する形態を例に挙げて説明したが、場合によっては、還元されずに残存している酸化型の電子受容体を還元する際の電流（還元電流）を測定することにより基質濃度を算出する形態が採用されてもよい。かような形態においても、本発明のバイオセンサ１０によれば、上述したのと同様のメカニズムによって、還元電流測定時の対極４６における酸化還元反応の飽和が抑制され、バイオセンサ１０の測定感度の低下が効果的に抑制されうる。
【実施例】
【００４４】
次に実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例は本発明の技術的範囲に何ら影響を及ぼすことはない。
【００４５】
＜実施例＞
以下の手法により、図１〜図３に示す形態のバイオセンサ１０の電極系４０を作製した。
【００４６】
まず、絶縁性基板２０として、ポリエステル製シートを準備した。次いで、銀を主成分とするペーストであるＬＳ−４１１ＡＷ（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ａ）に示すような形成パターンを有するリード部３０およびコネクタ部３２を形成した。その後、参照極４２に対応するリード部３０ａの先端部位に、銀／塩化銀を主成分とするペーストであるＤＢ９２３４２（日本アチソン株式会社製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｂ）に示すような形成パターンを有する参照極４２を形成した。一方、作用極４４および対極４６に対応するリード部（３０ｂ、３０ｃ）の先端部位に、カーボンを主成分とするペーストであるＦＴＵ−４０ＣＡ（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｃ）に示すような形成パターンを有する作用極４４および対極４６を形成した。次いで、リード部３０および電極系４０が形成された基板上に、絶縁性材料であるレジストを主成分とするペーストであるＣＲ−１８Ｇ−ＫＴ１（株式会社アサヒ化学研究所製）を、スクリーン印刷法により塗布し、１２０℃にて３０分間加熱硬化処理を行って、図１（ｄ）に示すような形成パターンを有する絶縁層５０を形成した。ここで、絶縁層５０は矩形の開口部を有しているが、当該開口部からの作用極４４の露出面積は８．７５ｃｍ２であり、対極４６の露出面積は１５．２５ｃｍ２であった。よって、対極４６の露出面積は、作用極４４の露出面積の１．７４倍であった。
【符号の説明】
【００４７】
１０ バイオセンサ、
２０ 絶縁性基板、
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ リード部、
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ コネクタ部、
４０ 電極系、
４２ 参照極、
４４ 作用極、
４６ 対極、
５０ 絶縁層、
６０ スペーサ、
７０ 反応層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、
前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、
を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、
前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサ。
【請求項２】
前記電極系をバイオセンサ外部へと電気的に導通させるためのリード部およびコネクタ部をさらに備え、
前記電極系を構成する材料が、１０μｍの厚さにおいて１００Ω／□以下の表面抵抗値を有するカーボンを主成分とする材料であり、前記リード部および前記コネクタ部を構成する材料が、１０μｍの厚さにおいて５０ｍΩ／□以下の表面抵抗値を有する金属を主成分とする材料である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記金属が、銀、金、白金、およびパラジウムからなる群から選択される１種または２種以上の金属である、請求項２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記酸化還元酵素がＰＱＱ依存型グリセロールデヒドロゲナーゼであり、前記電子受容体が１−メトキシ−５−フェナジニウムメチルサルフェートであり、前記反応層がリポプロテインリパーゼをさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に形成された、作用極および対極を含む電極系と、
前記電極系の上部または近傍に形成された、酸化還元酵素および電子受容体を含む反応層と、
を備え、前記電極系に流れる電流値に基づいて前記酸化還元酵素の基質の濃度を測定するための、バイオセンサであって、
前記電極系の上層に、略矩形の開口部を有する絶縁層が形成され、前記対極の前記開口部からの露出面積が、前記作用極の前記開口部からの露出面積の１．２〜３．０倍であることを特徴とする、バイオセンサ。
【請求項２】
前記電極系をバイオセンサ外部へと電気的に導通させるためのリード部およびコネクタ部をさらに備え、
前記電極系を構成する材料が、１０μｍの厚さにおいて１００Ω／□以下の表面抵抗値を有するカーボンを主成分とする材料であり、前記リード部および前記コネクタ部を構成する材料が、１０μｍの厚さにおいて５０ｍΩ／□以下の表面抵抗値を有する金属を主成分とする材料である、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記金属が、銀、金、白金、およびパラジウムからなる群から選択される１種または２種以上の金属である、請求項２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記酸化還元酵素がＰＱＱ依存型グリセロールデヒドロゲナーゼであり、前記電子受容体が１−メトキシ−５−フェナジニウムメチルサルフェートであり、前記反応層がリポプロテインリパーゼをさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１４９９６０（Ｐ２０１１−１４９９６０Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４６４２（Ｐ２０１１−１０４６４２）
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【分割の表示】特願２００５−９６４２５（Ｐ２００５−９６４２５）の分割
【原出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【出願人】（０００１０６７７１）シーシーアイ株式会社 (245)
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【分割の表示】特願２００５−９６４２５（Ｐ２００５−９６４２５）の分割
【原出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【出願人】（０００１０６７７１）シーシーアイ株式会社 (245)
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