検出対象物質を検出する検出装置
【課題】検出対象物質を検出する検出装置として、迅速な検出・測定が可能な検出装置を提供する。
【解決手段】検出対象物質を検出する検出装置１において、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサ１０と、電極１２に電圧を印加する電圧印加手段２０と、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を測定する電流測定手段３０と、を備え、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【解決手段】検出対象物質を検出する検出装置１において、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサ１０と、電極１２に電圧を印加する電圧印加手段２０と、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を測定する電流測定手段３０と、を備え、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物質を検出する検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の検出対象物質を検出するバイオセンサが知られている。具体的には、このようなセンサとしては、例えば、酵素が検出対象物質と選択的に反応すること等を利用して検出対象物質を検出する酵素センサが知られている。酵素センサのセンシング法には、検出対象物質と酵素との反応により生成した物質の影響に伴う電圧変化、電流変化、ｐＨ変化等を検出する方式がある。また、光学的に色変化を検出する方式等もある。これらの方式の中で比較的高感度な検出方式として、クロノアンペロメトリー法等の電流変化を検出する方式が挙げられる（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５１９００号公報
【特許文献２】特開２００９−１４５０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、応答電流値を検出する方式、例えば、クロノアンペロメトリー法等では、電圧印加時に電極と電解液との界面に形成される電気二重層を充電するための充電電流が流れるので、この充電電流が収束して応答電流値が安定するまでは、検出を開始することができない。特に低濃度の検出対象物質を検出する際には、応答電流値がｎＡオーダーで安定する必要があるため、検出開始までに時間がかかる場合があり、迅速な検出・測定の妨げとなっている。
【０００５】
本発明の課題は、検出対象物質を検出する検出装置として、迅速な検出・測定が可能な検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、検出対象物質を検出する検出装置において、
前記検出対象物質を電気化学的に検出するための電極を備えるセンサと、
前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による電圧印加時に前記電極に流れる電流値を測定する電流測定手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、目的とする設定電圧値の電圧の印加に先立って当該設定電圧値よりも大きい初期電圧値の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと減少させて当該設定電圧値の電圧を印加することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の検出装置において、
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと所定期間で漸次減少させることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の検出装置において、
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記センサは、酵素センサであり、
前記検出対象物質は、前記酵素センサが備える酵素の活性を阻害する物質であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、初期電圧値の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。その結果、検出対象物質の迅速な検出・測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】（ａ）実施形態のセンサの構成の一例を示す模式図、（ｂ）実施形態のセンサの要部の構成の一例を示す模式図である。
【図３】実施形態のセンサによって、電気化学的計測法により検出対象物質（農薬）を検出する原理について説明するための図である。
【図４】電圧印加パターンの一例を説明するための図である。
【図５】充電電流のモデルを示す図である。
【図６】図５に示すモデルにおいて、図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図５に示すモデルにおいて、図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流の測定結果を示す図である。
【図９】図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例における電圧印加パターンを示す図である。
【図１１】（ａ）比較例における充電電流の測定結果を示す図、（ｂ）実施例における充電電流の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照して、本発明の実施形態を説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００１３】
［検出装置］
まず、本実施形態の検出装置１の構成について説明する。
検出装置１は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質を、当該検出対象物質がコリンエステラーゼ等の酵素の活性を阻害することを利用して電気化学的計測法により検出する装置である。
【００１４】
図１は、検出装置１の構成の一例を示すブロック図である。
検出装置１は、図１に示すように、主に、センサ１０と、接続手段４０を介してセンサ１０と接続する電圧印加手段２０および電流測定手段３０と、を備えて構成される。
なお、図１では、接続手段４０から延びる１本のリード線に電圧印加手段２０および電流測定手段３０が接続されているが、接続手段４０と電圧印加手段２０および電流測定手段３０との接続の仕方はこれに限定されるものではない。具体的には、例えば、接続手段４０から延びる複数本のリード線のうち一部のリード線に電圧印加手段２０が接続されるとともに、他の一部のリード線に電流測定手段３０が接続されるように構成することも可能である。
【００１５】
本実施形態の検出装置１が備えるセンサ１０は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質を、当該検出対象物質がコリンエステラーゼ等の酵素の活性を阻害することを利用して検出するための酵素センサである。
図２（ａ）は、センサ１０の構成の一例を示す模式図であり、図２（ｂ）は、センサ１０の要部（具体的には、液溜形成部１４および絶縁膜１５を除いた部分）の構成の一例を示す模式図である。
センサ１０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、主に、基板１１と、基板１１上に形成された電極１２（作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３）と、作用電極１２１上に形成された酵素含有部１３と、酵素含有部１３の周囲に液溜を形成するための液溜形成部１４と、電極１２からの配線を保護するための絶縁膜１５と、を備えて構成される。
【００１６】
基板１１は、例えば、シリコン、セラミックス、ガラス、プラスチック、紙、生分解性材料（例えば、微生物生産ポリエステル等）等からなる絶縁性基板である。
【００１７】
電極１２は、例えば、スクリーン印刷によって基板１１上に作製されたカーボン電極である。
なお、電極１２は、カーボン電極に限定されるものではなく、電極１２の材質は、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、さらには、白金、金、銀、ニッケル、バラジウム、鉄、銅等の金属、或いは、これらをカーボンや樹脂へ混ぜ込んだもの、多孔質にしたもの等、適宜任意に変更可能である。
また、センサ１０の電極方式は、作用電極と対電極と参照電極との三極方式に限定されるものではなく、作用電極と対電極との二極方式であっても良い。
また、電極１２は、スクリーン印刷によって作製されたものに限定されるものではなく、電極１２の作製方法は適宜任意に変更可能である。具体的には、電極１２は、例えば、蒸着法、スパッタリング法等によって作製することも可能である。
【００１８】
また、作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３の大きさ、形状、構成には、特に制限はない。
具体的には、例えば、これらの電極は、市販の電解セル、測定セル等で使用する大きな電極であっても良いし、ディスク電極、回転リングディスク電極、ファイバー電極等であっても良いし、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の微細加工技術により作製した微小電極（円盤電極、円筒電極、帯状電極、配列帯状電極、配列円盤電極、リング電極、球状電極、櫛型電極、ペア電極等）であっても良い。また、作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３はそれぞれ同じ大きさ、形状、構成であっても良いし、異なる大きさ、形状、構成であっても良い。
【００１９】
酵素含有部１３は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質によって活性が阻害される酵素として、アセチルコリンエステラーゼ（ＡＣｈＥ）やブチリルコリンエステラーゼ（ＢＣｈＥ）等のコリンエステラーゼを含有している。
酵素含有部１３は、例えば、ポリビニルアルコール樹脂等の所定の樹脂に酵素を添加し、それを作用電極１２１上に塗布することによって形成される。
なお、作用電極１２１上に酵素を固定する手法は、酵素が添加された所定の樹脂を作用電極１２１上に塗布する手法に限定されるものではなく、適宜任意に変更可能である。具体的には、例えば、作用電極１２１上に配設された多孔体が有する細孔の内部に酵素を固定化する手法等であっても良い。
また、酵素含有部１３は、酵素に加えて、酵素と電極（作用電極１２１）との間の電子の受け渡しを促進するための電子伝達物質や、酵素の活性の発現を触媒するための補酵素等を含有していても良い。
【００２０】
液溜形成部１４は、電極１２を露出するための開口部１４ａを有するカバー部材である。基板１１の電極１２が形成された側の面上に液溜形成部１４を配置した状態（すなわち、図２（ａ）の状態）において、開口部１４ａは、窪みとなるため、そこに液体（例えば、検出対象物質を含む試料液）を溜めることができる。
【００２１】
ここで、本実施形態のセンサ１０（酵素センサ）によって、電気化学的計測法により検出対象物質を検出する原理について、図３を参照して説明する。
センサ１０を所定の液体に浸漬させた状態で当該液体に基質（アセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン））を添加したり、基質（アセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン））を含む液体にセンサ１０を浸漬させたりして、センサ１０を基質に接触させると、図３に示すように、センサ１０の酵素（コリンエステラーゼ）は、選択的触媒作用により基質を分解して、チオコリンを生成する。なお、センサ１０の酵素含有部１３がＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）等の電子伝達物質を含有していない場合には、例えば、センサ１０が浸漬している液体にＴＣＮＱ等の電子伝達物質を添加しても良い（センサ１０が浸漬する前に添加しても良いし、浸漬した後に添加しても良い）。
【００２２】
次いで、作用電極１２１を正にして、作用電極１２１と参照電極１２３との間に電圧を印加することによりセンサ１０が浸漬している液体に対して電圧を印加すると、チオコリンは、電子伝達物質を介して間接的に電子（ｅ−）を作用電極１２１に渡し、ジチオビスコリンになる。この際、作用電極１２１と対電極１２２との間には、還元型の電子伝達物質を再酸化する電流が流れる。当該電流の値（以下「応答電流値」と称する。）は、酵素の活性に比例するため、応答電流値を測定することにより、その測定された応答電流値から酵素の活性を求めることができる。
【００２３】
有機リン系農薬は、コリンエステラーゼ等の酵素に不可逆的に、また、カーバメート系農薬は、コリンエステラーゼ等の酵素に可逆的に結合して、触媒作用（活性）を阻害する。
そのため、試料液に接触させていないセンサ１０における酵素の活性と、試料液に接触させたセンサ１０における酵素の活性と、を比較することによって、試料液中の検出対象物質を検出することができる。さらに、検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる酵素の活性の低下度合いから、試料液中の検出対象物質の濃度を測定することができる。
【００２４】
具体的には、例えば、試料液に接触させていないセンサ１０の応答電流値と、試料液に接触させたセンサ１０の応答電流値と、を測定して、応答電流値の低下（検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる応答電流値の低下）が生じていれば、試料液中に検出対象物質が含まれていたこととなる。さらに、検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる応答電流値の低下度合いを求めると、検出対象物質の濃度と応答電流値の低下度合いとの関係を示す検量線等を参照して、当該求めた応答電流値の低下度合いから、試料液中の検出対象物質の濃度を求めることができる。
なお、試料液に接触させたセンサ１０は、センサ１０の液溜（すなわち、電極１２上に配置された液溜形成部１４の開口部１４ａ内）に試料液を滴下したり、試料液にセンサ１０を浸漬させたりすることによって得ることができる。
【００２５】
本実施形態の検出装置１が備える電圧印加手段２０は、電極１２に所定の電圧値の電圧を印加する。
具体的には、電圧印加手段２０は、作用電極１２１を正にして、作用電極１２１と参照電極１２３との間に電圧を印加する。センサ１０による検出対象物質の検出の際には、センサ１０による検出対象物質の検出に適した電圧値として予め設定されている設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【００２６】
本実施形態の検出装置１が備える電流測定手段３０は、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を応答電流値として測定する。
具体的には、例えば、酵素をコリンエステラーゼとし、基質をアセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン）とした場合、電流測定手段３０は、酵素反応により生成されるチオコリンを、電子伝達物質を用いて電極（作用電極１２１）上で酸化することによる酸化電流値を応答電流値として測定する。
【００２７】
ところで、電圧印加時に電極と電解液との界面に形成される電気二重層を充電するための充電電流が流れるので、この充電電流が収束して応答電流値が安定するまでは、検出を開始することが難しい。
特に、酵素センサは、酵素の電極上への固定化の方法（具体的には、酵素固定化層（本実施形態の場合、酵素含有部１３）の材質や厚み等）等によって、拡散が制限されたり、ある種の電荷を持つ物質の動きが妨げられたりして、応答電流値が安定するまでに時間がかかる。
【００２８】
そこで、本実施形態においては、充電電流の収束時間（収束までに要する時間）を短縮して、電圧印加開始から検出開始までに要する時間を短縮することとする。
具体的には、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
このように構成することで、初期電圧値Ｖ０の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。
【００２９】
なお、設定電圧値Ｖ１は、測定したい物質の酸化電位または還元電位（具体的には、例えば、酵素をコリンエステラーゼとし、基質をアセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン）とした場合は、チオコリンの酸化電位）によって定まる。
また、初期電圧値Ｖ０は、電極１２を傷めない範囲内であり、かつ、電極活性物質と電極１２との反応で生じる電流が許容範囲に収まる範囲内であることが望ましい（ただし、Ｖ０＞Ｖ１）。例えば、血液を試料液とし、カーボン電極または白金電極を電極１２として、血液中の検出対象物質を検出する場合、アスコルビン酸等の影響を避けるためには、初期電圧値Ｖ０≦０．４(V)であることが望ましい。
【００３０】
ここで、初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１への電圧値の減少のさせ方について説明する。
初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１への電圧値の減少のさせ方としては、例えば図４に示すように、パターン１〜５が挙げられる。なお、図４に示す各曲線は、電圧波形の包絡線である。
【００３１】
パターン１は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、徐々に減少の程度が大きくなっていくパターンである。
パターン２は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、減少の程度が一定のパターンである。
パターン３は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、徐々に減少の程度が小さくなっていくパターンである。
パターン４は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間があるパターンであって、所定期間のうち最後の期間で電圧値が減少し、その前の期間では電圧値が初期電圧値Ｖ０でほぼ一定であるパターンである。
パターン５は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間があるパターンであって、所定期間のうち最初の期間で電圧値が減少し、その後の期間では電圧値が設定電圧値Ｖ１でほぼ一定であるパターンである。
一方、パターン０は、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加しないパターンであって、所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加しているパターンである。
なお、図４では電圧印加パターンの一例として、所定期間を１０秒間とし、初期電圧値Ｖ０を０．３Ｖとし、設定電圧値Ｖ１を０．１Ｖとした場合の電圧印加パターンを示しているが、所定期間、初期電圧値Ｖ０および設定電圧値Ｖ１は、図４に示すものに限定されず、適宜任意に変更可能である。
【００３２】
充電電流は、大まかには、図５に示すコンデンサＣへの直流電圧印加時に流れる電流として見積もることができる。図５に示すモデルにおいて、抵抗Ｒの電気抵抗が約１ｋΩであり、コンデンサＣの電気容量が約３０μＦであるときの電流値をシミュレーションした結果を図６に示す。
図６に示すように、充電電流の収束時間は、パターン４＜パターン１＜パターン２＜パターン３＜パターン５≒パターン０となっている。すなわち、充電電流の収束時間はパターン４が最も短く、収束時間が短い順に並べるとパターン４、パターン１、パターン２、パターン３、パターン５となる。これにより、所定期間の最初の方に高い電圧値の電圧を印加して電気二重層に急速に電荷を貯めた方が充電電流の収束時間を短縮できることが予想される。充電電流が収束して応答電流値が安定することを、例えば、Y＝２(nA)として、
Abs(I_T(t_i＋x)−I_T(t_i))＜Y for all ０≦x≦１０(秒), arbitrary i≧０
が成り立つことと定義すると、パターン４はt＝４９(秒)、パターン１はt＝６１(秒)、パターン２はt＝７０(秒)、パターン３はt＝７９(秒)、パターン５はt＝９９(秒)となる。これにより、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加すると、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を２０％〜５０％近く短縮できることが分かった。
なお、上記の式では、電流値の変化が−２ｎＡよりも大きく＋２ｎＡよりも小さい期間が１０秒間続いた場合に、充電電流が収束した（すなわち、応答電流値が安定した）と判定しているが、応答電流値の安定の判定基準は適宜任意に変更可能であり、例えば、電流値が所定の閾値以下となった場合に、充電電流が収束した（すなわち、応答電流値が安定した）と判定することも可能である。
【００３３】
なお、時定数（ＣＲ）の値が小さい場合は、電圧の変化率（減少率）が大きいと、負の充電電流値が流れる場合も生じる。
具体的には、例えば、図５に示すモデルにおいて、抵抗Ｒの電気抵抗が約１ｋΩであり、コンデンサＣの電気容量が約１０μＦであるときの電流値をシミュレーションした結果を図７に示す。
図７に示すように、パターン１〜４は、充電電流値が負になる場合があり、所定期間の最後の方の電圧の減少の程度が大きいパターンほど、その傾向が大きいことが分かった。電流値が負の充電電流が流れると、その分、新たに充電電流が生じる可能性があるため、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できない場合もある。なお、コンデンサＣの電気容量や抵抗Ｒの電気抵抗の値は、電極１２の種類等によって異なってくるので、一意的に決めるのは困難である。
【００３４】
次に、所定期間の長さを１０秒とし、初期電圧値Ｖ０を３００ｍＶとし、設定電圧値Ｖ１を１００ｍＶとして、パターン０〜５の各パターンで電圧を印加した場合の、実際の応答電流値を測定した。その結果を図８および図９に示す。
図８に示すように、パターン１〜３の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合は、パターン０の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できることが分かる。
一方、図９に示すように、パターン４および５の場合も、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合であり、パターン０の場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できている。しかしながら、パターン４および５の場合は、電圧変化が急激であるため（階段波形を入れているため）に、パターン４ではt＝１０(秒)付近で、パターン５ではt＝０(秒)付近で、電流値が負の充電電流が流れてしまっている。
なお、この場合、電圧波形の包絡線の接線の傾きは、パターン２では２０ｍＶ／秒となり、パターン４および５では２００ｍＶ／秒以上となる。
【００３５】
このように、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加すると、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。
さらに、電流値が負の充電電流が流れないという観点から、パターン４および５の場合、具体的には、所定期間の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間がある場合よりも、パターン１〜３の場合、具体的には、所定期間の間に電圧値が減少し続ける場合（すなわち、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと所定期間で漸次減少させる場合）の方が好ましいことが分かった。なお、電圧値が所定期間で漸次減少する場合であっても、電圧変化が急激な箇所があると負の応答電流値が流れる可能性がある。したがって、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て約１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることがより好ましい。
【００３６】
以下、具体的な実施例によって本発明を説明するが、発明はこれらに限定されるものではない。
【００３７】
まず、センサ１０として酵素センサを用意した。
センサ１０は、基板１１上に電極１２としてスクリーン印刷によりカーボン電極を作製し、その上に液溜形成部１４と絶縁膜１５とを配設し、液溜形成部１４の開口部１４ａから露出している作用電極１２１上に酵素（コリンエステラーゼ）を含む架橋型ポリビニルアルコール樹脂を塗布して酵素含有部１３を形成することによって作製した。
【００３８】
次いで、用意したセンサ１０を、接続手段４０を介して電圧印加手段２０および電流測定手段３０に接続した。
そして、図１０に示すように、所定期間の長さを１０秒とし、初期電圧値Ｖ０を２００ｍＶとし、設定電圧値Ｖ１を１００ｍＶとして、パターン２で電圧を印加した場合の実際の応答電流値を測定した。また、パターン０で電圧を印加した場合（具体的には、所定期間の間も設定電圧値Ｖ１（１００ｍＶ）の電圧を印加した場合）の実際の応答電流値を測定した。その結果を図１１（ｂ）に示す。
【００３９】
また、比較のために、酵素含有部１３を備えていない点以外はセンサ１０と同様の構成の比較用センサも用意し、比較用センサを用いて同様の測定を行った。その結果を図１１（ａ）に示す。
【００４０】
図１１（ａ），（ｂ）に示すように、酵素含有部１３を備えている場合も備えていない場合も、パターン２の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合の方が、パターン０の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できることが分かった。
また、酵素含有部１３を備えている場合と酵素含有部１３を備えていない場合とで、応答電流値の変化の仕方が異なることが分かった。具体的には、酵素含有部１３を備えていない場合（図１１（ａ）の場合）よりも酵素含有部１３を備えている場合（図１１（ｂ）の場合）の方が、応答電流値が安定するまでに時間がかかっている。これは、酵素含有部１３によって、拡散が制限されたり、ある種の電荷をもつ物質の動きが妨げられたりして、実質的なコンデンサ容量が大きいためと考えられる。
【００４１】
以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、検出対象物質を検出する検出装置１において、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサ１０と、電極１２に電圧を印加する電圧印加手段２０と、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を測定する電流測定手段３０と、を備え、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【００４２】
したがって、初期電圧値Ｖ０の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。その結果、検出対象物質の迅速な検出・測定が可能となる。
【００４３】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、電圧印加手段２０は、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと所定期間で漸次減少させることも可能である。
【００４４】
これにより、電流値が負の充電電流が流れないので、的確に応答電流値が安定するまでの時間を短縮することができる。
【００４５】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、電圧印加手段２０は、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることも可能である。
【００４６】
これにより、充電電流値が負になることを確実に抑制できるので、応答電流値が安定するまでの時間を確実に短縮することが可能となる。
【００４７】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、センサ１０は、酵素センサであり、検出対象物質は、酵素センサであるセンサ１０が備える酵素の活性を阻害する物質である。
したがって、酵素センサであるセンサ１０が備える酵素の活性を阻害する物質を、迅速に検出・測定することが可能である。
【００４８】
なお、本発明は、上記した実施の形態のものに限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４９】
検出対象物質は、酵素の活性を阻害する物質に限ることはなく、酵素の基質、或いは、基質を含む物質など、適宜任意に変更可能である。また、酵素も、検出対象物質に合わせて適宜任意に変更可能である。また、検出対象物質や酵素に合わせて、基質等も適宜任意に変更可能である。
【００５０】
センサ１０は、酵素センサに限ることはなく、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサであれば任意である。
また、センサ１０による電気化学的計測は、一つの基板上に形成した二極構造（作用電極１２１と対電極１２２）又は三極構造（作用電極１２１と対電極１２２と参照電極１２３）の電極を用いても良いし、独立した各電極（作用電極１２１、対電極１２２、参照電極１２３）を組み合わせて用いても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ 検出装置
１０ センサ
１２ 電極
２０ 電圧印加手段
３０ 電流測定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物質を検出する検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の検出対象物質を検出するバイオセンサが知られている。具体的には、このようなセンサとしては、例えば、酵素が検出対象物質と選択的に反応すること等を利用して検出対象物質を検出する酵素センサが知られている。酵素センサのセンシング法には、検出対象物質と酵素との反応により生成した物質の影響に伴う電圧変化、電流変化、ｐＨ変化等を検出する方式がある。また、光学的に色変化を検出する方式等もある。これらの方式の中で比較的高感度な検出方式として、クロノアンペロメトリー法等の電流変化を検出する方式が挙げられる（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５１９００号公報
【特許文献２】特開２００９−１４５０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、応答電流値を検出する方式、例えば、クロノアンペロメトリー法等では、電圧印加時に電極と電解液との界面に形成される電気二重層を充電するための充電電流が流れるので、この充電電流が収束して応答電流値が安定するまでは、検出を開始することができない。特に低濃度の検出対象物質を検出する際には、応答電流値がｎＡオーダーで安定する必要があるため、検出開始までに時間がかかる場合があり、迅速な検出・測定の妨げとなっている。
【０００５】
本発明の課題は、検出対象物質を検出する検出装置として、迅速な検出・測定が可能な検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、検出対象物質を検出する検出装置において、
前記検出対象物質を電気化学的に検出するための電極を備えるセンサと、
前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による電圧印加時に前記電極に流れる電流値を測定する電流測定手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、目的とする設定電圧値の電圧の印加に先立って当該設定電圧値よりも大きい初期電圧値の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと減少させて当該設定電圧値の電圧を印加することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の検出装置において、
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと所定期間で漸次減少させることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の検出装置において、
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記センサは、酵素センサであり、
前記検出対象物質は、前記酵素センサが備える酵素の活性を阻害する物質であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、初期電圧値の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。その結果、検出対象物質の迅速な検出・測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】（ａ）実施形態のセンサの構成の一例を示す模式図、（ｂ）実施形態のセンサの要部の構成の一例を示す模式図である。
【図３】実施形態のセンサによって、電気化学的計測法により検出対象物質（農薬）を検出する原理について説明するための図である。
【図４】電圧印加パターンの一例を説明するための図である。
【図５】充電電流のモデルを示す図である。
【図６】図５に示すモデルにおいて、図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図５に示すモデルにおいて、図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流の測定結果を示す図である。
【図９】図４に示す各電圧印加パターンで電圧を印加した場合における充電電流の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例における電圧印加パターンを示す図である。
【図１１】（ａ）比較例における充電電流の測定結果を示す図、（ｂ）実施例における充電電流の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照して、本発明の実施形態を説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００１３】
［検出装置］
まず、本実施形態の検出装置１の構成について説明する。
検出装置１は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質を、当該検出対象物質がコリンエステラーゼ等の酵素の活性を阻害することを利用して電気化学的計測法により検出する装置である。
【００１４】
図１は、検出装置１の構成の一例を示すブロック図である。
検出装置１は、図１に示すように、主に、センサ１０と、接続手段４０を介してセンサ１０と接続する電圧印加手段２０および電流測定手段３０と、を備えて構成される。
なお、図１では、接続手段４０から延びる１本のリード線に電圧印加手段２０および電流測定手段３０が接続されているが、接続手段４０と電圧印加手段２０および電流測定手段３０との接続の仕方はこれに限定されるものではない。具体的には、例えば、接続手段４０から延びる複数本のリード線のうち一部のリード線に電圧印加手段２０が接続されるとともに、他の一部のリード線に電流測定手段３０が接続されるように構成することも可能である。
【００１５】
本実施形態の検出装置１が備えるセンサ１０は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質を、当該検出対象物質がコリンエステラーゼ等の酵素の活性を阻害することを利用して検出するための酵素センサである。
図２（ａ）は、センサ１０の構成の一例を示す模式図であり、図２（ｂ）は、センサ１０の要部（具体的には、液溜形成部１４および絶縁膜１５を除いた部分）の構成の一例を示す模式図である。
センサ１０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、主に、基板１１と、基板１１上に形成された電極１２（作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３）と、作用電極１２１上に形成された酵素含有部１３と、酵素含有部１３の周囲に液溜を形成するための液溜形成部１４と、電極１２からの配線を保護するための絶縁膜１５と、を備えて構成される。
【００１６】
基板１１は、例えば、シリコン、セラミックス、ガラス、プラスチック、紙、生分解性材料（例えば、微生物生産ポリエステル等）等からなる絶縁性基板である。
【００１７】
電極１２は、例えば、スクリーン印刷によって基板１１上に作製されたカーボン電極である。
なお、電極１２は、カーボン電極に限定されるものではなく、電極１２の材質は、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、さらには、白金、金、銀、ニッケル、バラジウム、鉄、銅等の金属、或いは、これらをカーボンや樹脂へ混ぜ込んだもの、多孔質にしたもの等、適宜任意に変更可能である。
また、センサ１０の電極方式は、作用電極と対電極と参照電極との三極方式に限定されるものではなく、作用電極と対電極との二極方式であっても良い。
また、電極１２は、スクリーン印刷によって作製されたものに限定されるものではなく、電極１２の作製方法は適宜任意に変更可能である。具体的には、電極１２は、例えば、蒸着法、スパッタリング法等によって作製することも可能である。
【００１８】
また、作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３の大きさ、形状、構成には、特に制限はない。
具体的には、例えば、これらの電極は、市販の電解セル、測定セル等で使用する大きな電極であっても良いし、ディスク電極、回転リングディスク電極、ファイバー電極等であっても良いし、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の微細加工技術により作製した微小電極（円盤電極、円筒電極、帯状電極、配列帯状電極、配列円盤電極、リング電極、球状電極、櫛型電極、ペア電極等）であっても良い。また、作用電極１２１、対電極１２２および参照電極１２３はそれぞれ同じ大きさ、形状、構成であっても良いし、異なる大きさ、形状、構成であっても良い。
【００１９】
酵素含有部１３は、有機リン系農薬やカーバメート系農薬等の検出対象物質によって活性が阻害される酵素として、アセチルコリンエステラーゼ（ＡＣｈＥ）やブチリルコリンエステラーゼ（ＢＣｈＥ）等のコリンエステラーゼを含有している。
酵素含有部１３は、例えば、ポリビニルアルコール樹脂等の所定の樹脂に酵素を添加し、それを作用電極１２１上に塗布することによって形成される。
なお、作用電極１２１上に酵素を固定する手法は、酵素が添加された所定の樹脂を作用電極１２１上に塗布する手法に限定されるものではなく、適宜任意に変更可能である。具体的には、例えば、作用電極１２１上に配設された多孔体が有する細孔の内部に酵素を固定化する手法等であっても良い。
また、酵素含有部１３は、酵素に加えて、酵素と電極（作用電極１２１）との間の電子の受け渡しを促進するための電子伝達物質や、酵素の活性の発現を触媒するための補酵素等を含有していても良い。
【００２０】
液溜形成部１４は、電極１２を露出するための開口部１４ａを有するカバー部材である。基板１１の電極１２が形成された側の面上に液溜形成部１４を配置した状態（すなわち、図２（ａ）の状態）において、開口部１４ａは、窪みとなるため、そこに液体（例えば、検出対象物質を含む試料液）を溜めることができる。
【００２１】
ここで、本実施形態のセンサ１０（酵素センサ）によって、電気化学的計測法により検出対象物質を検出する原理について、図３を参照して説明する。
センサ１０を所定の液体に浸漬させた状態で当該液体に基質（アセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン））を添加したり、基質（アセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン））を含む液体にセンサ１０を浸漬させたりして、センサ１０を基質に接触させると、図３に示すように、センサ１０の酵素（コリンエステラーゼ）は、選択的触媒作用により基質を分解して、チオコリンを生成する。なお、センサ１０の酵素含有部１３がＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）等の電子伝達物質を含有していない場合には、例えば、センサ１０が浸漬している液体にＴＣＮＱ等の電子伝達物質を添加しても良い（センサ１０が浸漬する前に添加しても良いし、浸漬した後に添加しても良い）。
【００２２】
次いで、作用電極１２１を正にして、作用電極１２１と参照電極１２３との間に電圧を印加することによりセンサ１０が浸漬している液体に対して電圧を印加すると、チオコリンは、電子伝達物質を介して間接的に電子（ｅ−）を作用電極１２１に渡し、ジチオビスコリンになる。この際、作用電極１２１と対電極１２２との間には、還元型の電子伝達物質を再酸化する電流が流れる。当該電流の値（以下「応答電流値」と称する。）は、酵素の活性に比例するため、応答電流値を測定することにより、その測定された応答電流値から酵素の活性を求めることができる。
【００２３】
有機リン系農薬は、コリンエステラーゼ等の酵素に不可逆的に、また、カーバメート系農薬は、コリンエステラーゼ等の酵素に可逆的に結合して、触媒作用（活性）を阻害する。
そのため、試料液に接触させていないセンサ１０における酵素の活性と、試料液に接触させたセンサ１０における酵素の活性と、を比較することによって、試料液中の検出対象物質を検出することができる。さらに、検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる酵素の活性の低下度合いから、試料液中の検出対象物質の濃度を測定することができる。
【００２４】
具体的には、例えば、試料液に接触させていないセンサ１０の応答電流値と、試料液に接触させたセンサ１０の応答電流値と、を測定して、応答電流値の低下（検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる応答電流値の低下）が生じていれば、試料液中に検出対象物質が含まれていたこととなる。さらに、検出対象物質によって酵素の活性が阻害されることに伴い生じる応答電流値の低下度合いを求めると、検出対象物質の濃度と応答電流値の低下度合いとの関係を示す検量線等を参照して、当該求めた応答電流値の低下度合いから、試料液中の検出対象物質の濃度を求めることができる。
なお、試料液に接触させたセンサ１０は、センサ１０の液溜（すなわち、電極１２上に配置された液溜形成部１４の開口部１４ａ内）に試料液を滴下したり、試料液にセンサ１０を浸漬させたりすることによって得ることができる。
【００２５】
本実施形態の検出装置１が備える電圧印加手段２０は、電極１２に所定の電圧値の電圧を印加する。
具体的には、電圧印加手段２０は、作用電極１２１を正にして、作用電極１２１と参照電極１２３との間に電圧を印加する。センサ１０による検出対象物質の検出の際には、センサ１０による検出対象物質の検出に適した電圧値として予め設定されている設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【００２６】
本実施形態の検出装置１が備える電流測定手段３０は、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を応答電流値として測定する。
具体的には、例えば、酵素をコリンエステラーゼとし、基質をアセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン）とした場合、電流測定手段３０は、酵素反応により生成されるチオコリンを、電子伝達物質を用いて電極（作用電極１２１）上で酸化することによる酸化電流値を応答電流値として測定する。
【００２７】
ところで、電圧印加時に電極と電解液との界面に形成される電気二重層を充電するための充電電流が流れるので、この充電電流が収束して応答電流値が安定するまでは、検出を開始することが難しい。
特に、酵素センサは、酵素の電極上への固定化の方法（具体的には、酵素固定化層（本実施形態の場合、酵素含有部１３）の材質や厚み等）等によって、拡散が制限されたり、ある種の電荷を持つ物質の動きが妨げられたりして、応答電流値が安定するまでに時間がかかる。
【００２８】
そこで、本実施形態においては、充電電流の収束時間（収束までに要する時間）を短縮して、電圧印加開始から検出開始までに要する時間を短縮することとする。
具体的には、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
このように構成することで、初期電圧値Ｖ０の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。
【００２９】
なお、設定電圧値Ｖ１は、測定したい物質の酸化電位または還元電位（具体的には、例えば、酵素をコリンエステラーゼとし、基質をアセチルチオコリン（或いは、ブチリルチオコリン）とした場合は、チオコリンの酸化電位）によって定まる。
また、初期電圧値Ｖ０は、電極１２を傷めない範囲内であり、かつ、電極活性物質と電極１２との反応で生じる電流が許容範囲に収まる範囲内であることが望ましい（ただし、Ｖ０＞Ｖ１）。例えば、血液を試料液とし、カーボン電極または白金電極を電極１２として、血液中の検出対象物質を検出する場合、アスコルビン酸等の影響を避けるためには、初期電圧値Ｖ０≦０．４(V)であることが望ましい。
【００３０】
ここで、初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１への電圧値の減少のさせ方について説明する。
初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１への電圧値の減少のさせ方としては、例えば図４に示すように、パターン１〜５が挙げられる。なお、図４に示す各曲線は、電圧波形の包絡線である。
【００３１】
パターン１は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、徐々に減少の程度が大きくなっていくパターンである。
パターン２は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、減少の程度が一定のパターンである。
パターン３は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少し続けるパターンであって、徐々に減少の程度が小さくなっていくパターンである。
パターン４は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間があるパターンであって、所定期間のうち最後の期間で電圧値が減少し、その前の期間では電圧値が初期電圧値Ｖ０でほぼ一定であるパターンである。
パターン５は、所定期間（図４の場合、１０秒間）の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間があるパターンであって、所定期間のうち最初の期間で電圧値が減少し、その後の期間では電圧値が設定電圧値Ｖ１でほぼ一定であるパターンである。
一方、パターン０は、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加しないパターンであって、所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加しているパターンである。
なお、図４では電圧印加パターンの一例として、所定期間を１０秒間とし、初期電圧値Ｖ０を０．３Ｖとし、設定電圧値Ｖ１を０．１Ｖとした場合の電圧印加パターンを示しているが、所定期間、初期電圧値Ｖ０および設定電圧値Ｖ１は、図４に示すものに限定されず、適宜任意に変更可能である。
【００３２】
充電電流は、大まかには、図５に示すコンデンサＣへの直流電圧印加時に流れる電流として見積もることができる。図５に示すモデルにおいて、抵抗Ｒの電気抵抗が約１ｋΩであり、コンデンサＣの電気容量が約３０μＦであるときの電流値をシミュレーションした結果を図６に示す。
図６に示すように、充電電流の収束時間は、パターン４＜パターン１＜パターン２＜パターン３＜パターン５≒パターン０となっている。すなわち、充電電流の収束時間はパターン４が最も短く、収束時間が短い順に並べるとパターン４、パターン１、パターン２、パターン３、パターン５となる。これにより、所定期間の最初の方に高い電圧値の電圧を印加して電気二重層に急速に電荷を貯めた方が充電電流の収束時間を短縮できることが予想される。充電電流が収束して応答電流値が安定することを、例えば、Y＝２(nA)として、
Abs(I_T(t_i＋x)−I_T(t_i))＜Y for all ０≦x≦１０(秒), arbitrary i≧０
が成り立つことと定義すると、パターン４はt＝４９(秒)、パターン１はt＝６１(秒)、パターン２はt＝７０(秒)、パターン３はt＝７９(秒)、パターン５はt＝９９(秒)となる。これにより、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加すると、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を２０％〜５０％近く短縮できることが分かった。
なお、上記の式では、電流値の変化が−２ｎＡよりも大きく＋２ｎＡよりも小さい期間が１０秒間続いた場合に、充電電流が収束した（すなわち、応答電流値が安定した）と判定しているが、応答電流値の安定の判定基準は適宜任意に変更可能であり、例えば、電流値が所定の閾値以下となった場合に、充電電流が収束した（すなわち、応答電流値が安定した）と判定することも可能である。
【００３３】
なお、時定数（ＣＲ）の値が小さい場合は、電圧の変化率（減少率）が大きいと、負の充電電流値が流れる場合も生じる。
具体的には、例えば、図５に示すモデルにおいて、抵抗Ｒの電気抵抗が約１ｋΩであり、コンデンサＣの電気容量が約１０μＦであるときの電流値をシミュレーションした結果を図７に示す。
図７に示すように、パターン１〜４は、充電電流値が負になる場合があり、所定期間の最後の方の電圧の減少の程度が大きいパターンほど、その傾向が大きいことが分かった。電流値が負の充電電流が流れると、その分、新たに充電電流が生じる可能性があるため、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できない場合もある。なお、コンデンサＣの電気容量や抵抗Ｒの電気抵抗の値は、電極１２の種類等によって異なってくるので、一意的に決めるのは困難である。
【００３４】
次に、所定期間の長さを１０秒とし、初期電圧値Ｖ０を３００ｍＶとし、設定電圧値Ｖ１を１００ｍＶとして、パターン０〜５の各パターンで電圧を印加した場合の、実際の応答電流値を測定した。その結果を図８および図９に示す。
図８に示すように、パターン１〜３の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合は、パターン０の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できることが分かる。
一方、図９に示すように、パターン４および５の場合も、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合であり、パターン０の場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できている。しかしながら、パターン４および５の場合は、電圧変化が急激であるため（階段波形を入れているため）に、パターン４ではt＝１０(秒)付近で、パターン５ではt＝０(秒)付近で、電流値が負の充電電流が流れてしまっている。
なお、この場合、電圧波形の包絡線の接線の傾きは、パターン２では２０ｍＶ／秒となり、パターン４および５では２００ｍＶ／秒以上となる。
【００３５】
このように、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加すると、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。
さらに、電流値が負の充電電流が流れないという観点から、パターン４および５の場合、具体的には、所定期間の間に電圧値が減少せずに一定となっている期間がある場合よりも、パターン１〜３の場合、具体的には、所定期間の間に電圧値が減少し続ける場合（すなわち、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと所定期間で漸次減少させる場合）の方が好ましいことが分かった。なお、電圧値が所定期間で漸次減少する場合であっても、電圧変化が急激な箇所があると負の応答電流値が流れる可能性がある。したがって、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て約１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることがより好ましい。
【００３６】
以下、具体的な実施例によって本発明を説明するが、発明はこれらに限定されるものではない。
【００３７】
まず、センサ１０として酵素センサを用意した。
センサ１０は、基板１１上に電極１２としてスクリーン印刷によりカーボン電極を作製し、その上に液溜形成部１４と絶縁膜１５とを配設し、液溜形成部１４の開口部１４ａから露出している作用電極１２１上に酵素（コリンエステラーゼ）を含む架橋型ポリビニルアルコール樹脂を塗布して酵素含有部１３を形成することによって作製した。
【００３８】
次いで、用意したセンサ１０を、接続手段４０を介して電圧印加手段２０および電流測定手段３０に接続した。
そして、図１０に示すように、所定期間の長さを１０秒とし、初期電圧値Ｖ０を２００ｍＶとし、設定電圧値Ｖ１を１００ｍＶとして、パターン２で電圧を印加した場合の実際の応答電流値を測定した。また、パターン０で電圧を印加した場合（具体的には、所定期間の間も設定電圧値Ｖ１（１００ｍＶ）の電圧を印加した場合）の実際の応答電流値を測定した。その結果を図１１（ｂ）に示す。
【００３９】
また、比較のために、酵素含有部１３を備えていない点以外はセンサ１０と同様の構成の比較用センサも用意し、比較用センサを用いて同様の測定を行った。その結果を図１１（ａ）に示す。
【００４０】
図１１（ａ），（ｂ）に示すように、酵素含有部１３を備えている場合も備えていない場合も、パターン２の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させて設定電圧値Ｖ１の電圧を印加した場合の方が、パターン０の場合、すなわち、設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って初期電圧値Ｖ０の電圧を印加せずに所定期間の間も設定電圧値Ｖ１の電圧を印加する場合よりも、応答電流値が安定するまでの時間を短縮できることが分かった。
また、酵素含有部１３を備えている場合と酵素含有部１３を備えていない場合とで、応答電流値の変化の仕方が異なることが分かった。具体的には、酵素含有部１３を備えていない場合（図１１（ａ）の場合）よりも酵素含有部１３を備えている場合（図１１（ｂ）の場合）の方が、応答電流値が安定するまでに時間がかかっている。これは、酵素含有部１３によって、拡散が制限されたり、ある種の電荷をもつ物質の動きが妨げられたりして、実質的なコンデンサ容量が大きいためと考えられる。
【００４１】
以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、検出対象物質を検出する検出装置１において、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサ１０と、電極１２に電圧を印加する電圧印加手段２０と、電圧印加手段２０による電圧印加時に電極１２に流れる電流値を測定する電流測定手段３０と、を備え、電圧印加手段２０は、目的とする設定電圧値Ｖ１の電圧の印加に先立って当該設定電圧値Ｖ１よりも大きい初期電圧値Ｖ０の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと減少させて当該設定電圧値Ｖ１の電圧を印加するように構成されている。
【００４２】
したがって、初期電圧値Ｖ０の電圧の印加（すなわち、目的とする設定電圧値より大きい電圧値の電圧の印加）によって急激に電気二重層を充電することができるため、充電電流が収束して応答電流値が安定するまでの時間を短縮できる。その結果、検出対象物質の迅速な検出・測定が可能となる。
【００４３】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、電圧印加手段２０は、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値Ｖ０から当該設定電圧値Ｖ１へと所定期間で漸次減少させることも可能である。
【００４４】
これにより、電流値が負の充電電流が流れないので、的確に応答電流値が安定するまでの時間を短縮することができる。
【００４５】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、電圧印加手段２０は、印加する電圧の電圧値を初期電圧値Ｖ０から設定電圧値Ｖ１へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることも可能である。
【００４６】
これにより、充電電流値が負になることを確実に抑制できるので、応答電流値が安定するまでの時間を確実に短縮することが可能となる。
【００４７】
また、以上説明した本実施形態の検出装置１によれば、センサ１０は、酵素センサであり、検出対象物質は、酵素センサであるセンサ１０が備える酵素の活性を阻害する物質である。
したがって、酵素センサであるセンサ１０が備える酵素の活性を阻害する物質を、迅速に検出・測定することが可能である。
【００４８】
なお、本発明は、上記した実施の形態のものに限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４９】
検出対象物質は、酵素の活性を阻害する物質に限ることはなく、酵素の基質、或いは、基質を含む物質など、適宜任意に変更可能である。また、酵素も、検出対象物質に合わせて適宜任意に変更可能である。また、検出対象物質や酵素に合わせて、基質等も適宜任意に変更可能である。
【００５０】
センサ１０は、酵素センサに限ることはなく、検出対象物質を電気化学的に検出するための電極１２を備えるセンサであれば任意である。
また、センサ１０による電気化学的計測は、一つの基板上に形成した二極構造（作用電極１２１と対電極１２２）又は三極構造（作用電極１２１と対電極１２２と参照電極１２３）の電極を用いても良いし、独立した各電極（作用電極１２１、対電極１２２、参照電極１２３）を組み合わせて用いても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ 検出装置
１０ センサ
１２ 電極
２０ 電圧印加手段
３０ 電流測定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象物質を検出する検出装置において、
前記検出対象物質を電気化学的に検出するための電極を備えるセンサと、
前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による電圧印加時に前記電極に流れる電流値を測定する電流測定手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、目的とする設定電圧値の電圧の印加に先立って当該設定電圧値よりも大きい初期電圧値の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと減少させて当該設定電圧値の電圧を印加することを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと所定期間で漸次減少させることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記センサは、酵素センサであり、
前記検出対象物質は、前記酵素センサが備える酵素の活性を阻害する物質であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１】
検出対象物質を検出する検出装置において、
前記検出対象物質を電気化学的に検出するための電極を備えるセンサと、
前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による電圧印加時に前記電極に流れる電流値を測定する電流測定手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、目的とする設定電圧値の電圧の印加に先立って当該設定電圧値よりも大きい初期電圧値の電圧を印加し、その後、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと減少させて当該設定電圧値の電圧を印加することを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧値を当該初期電圧値から当該設定電圧値へと所定期間で漸次減少させることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、印加する電圧の電圧値を前記初期電圧値から前記設定電圧値へと減少させる際、印加する電圧の電圧波形の包絡線の接線の傾きが全て１００ｍＶ／秒以下となるように減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記センサは、酵素センサであり、
前記検出対象物質は、前記酵素センサが備える酵素の活性を阻害する物質であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５３９２５（Ｐ２０１３−５３９２５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２３１４（Ｐ２０１１−１９２３１４）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度研究成果展開事業 先端計測分析技術・機器開発プログラム委託研究に基づく特許出願
【出願人】（５０５３０３０５９）株式会社船井電機新応用技術研究所 (108)
【出願人】（０００２０１１１３）船井電機株式会社 (7,855)
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度研究成果展開事業 先端計測分析技術・機器開発プログラム委託研究に基づく特許出願
【出願人】（５０５３０３０５９）株式会社船井電機新応用技術研究所 (108)
【出願人】（０００２０１１１３）船井電機株式会社 (7,855)
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