JP2007232379A - バイオセンサチップ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性金属よりも高い電気抵抗値の電極部材によって形成されたセンサ電極を有するバイオセンサチップを測定器へ挿入して生体情報を測定する場合において、生体情報の測定誤差を抑制する。
【解決手段】 挿入部５に挿入したときに、挿入判別回路側コネクタ電極１３に接触するように設けられた第一センサ電極２１と、一端が測定回路側コネクタ電極１３に接触するように設けられ、他端が反応部２３に電気的に接続されるように設けられた第二センサ電極２２と、一端が接地電極１３に接触するように設けられ、他端が反応部２３に電気的に接続されるように設けられた第三センサ電極２５と、を備え、第一センサ電極２１は、第三センサ電極２５を介して反応部２３に電気的に接続されたバイオセンサチップ。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体物質の生体情報を測定する測定器に着脱可能なバイオセンサチップに関する。

従来、生体機能をエレクトロニクス分野に応用するバイオエレクトロニクスの研究が進んでいる。このバイオエレクトロニクス分野におけるセンサチップは、生体の持つ優れた分子識別機能を利用したデバイスであり、化学物質を迅速にしかも簡便に測定できるものとして、将来有望視されている。かかるセンサチップは、微量試料測定用センサとして応用され、例えば血糖値や尿糖値を測定して糖尿病を自己管理し、予防する家庭内健康診断（セルフケア）に使い捨て使用されたり、工業的には生産ライン上の商品の抜取品質検査等に用いられるなど応用分野は広い。

測定の具体例として、採取した水溶液試料中の計測目的物質を反応部に滴下し、例えば酵素反応によって発生した還元物を酸化することで、その酸化による素子電流値を取り出して検出する。この素子電流値に等価の測定値をデータテーブルを参照して求め、それを出力して表示するものである。

このような素子電流値を測定する測定器には、センサチップが測定器本体に挿入されて測定可能な状態になったか否かを認識する判断手段を備えたものが提案されている。例えば特許文献１には、センサチップに突起あるいは凹部を設け、測定器本体部にこの突起あるいは凹部と嵌合する嵌合部を設けることによって、センサチップの逆挿入を防止すると共に、この嵌合部に駆動電源をオンにするスイッチを設けることによってセンサチップが正しい方向に挿入された場合に作動するように設定された測定器が開示されている。

特許文献２には、サンプル片が適切に挿入されたかを判別するために、検知電極及び励起電極それぞれに２つの接点を設け、何れかの接点が短絡することによって、サンプル片が挿入されたかを検知するように設定されたバイオセンシングメータが開示されている。

また、特許文献３には、測定器にセンサ挿入判別回路が設けられており、センサチップが挿入されたことをセンサ挿入判別回路が検知した後に、計測目的物質の素子電流値の測定値を測定するように構成されたものが提案されている。

特開平０４−３５７４４９号公報 特表平０８−５０４９５３号公報 特開平１１−１０８８７９号公報

本出願人は、バイオセンサシステムにおいて、測定器及びバイオセンサチップの小型化を図るとともに、製造コストを下げることを目的とし、図４に示すように、測定器の接地電極をセンサ挿入判別回路と血糖値測定回路とで兼用する構成とし、バイオセンサチップ側のセンサ電極をセンサ挿入判別回路と血糖値測定回路とで共有する構成バイオセンサシステムを提案している。

図４に示す測定器５０は、バイオセンサチップ４０の着脱を判別するセンサ挿入判別回路５４と、血糖値を測定する血糖値測定回路５５と、センサ挿入判別回路５４に接続され、バイオセンサチップ４０が挿入されることによってバイオセンサチップ４０に形成された第一センサ電極４１と接触する挿入判別回路側コネクタ電極５３と、血糖値測定回路５５に接続され、バイオセンサチップ４０が挿入されることによってバイオセンサチップ４０に形成された第二センサ電極４２と接触する測定回路側コネクタ電極５１と、接地電位ＧＮＤに接続され、バイオセンサチップ４０が挿入されることによってバイオセンサチップ４０に形成された第一センサ電極４１と接触する接地電極５２と、を有している。

測定器５０に挿入されるバイオセンサチップ４０は、主として、第一センサ電極４１と、第二センサ電極４２と、第一センサ電極４１と第二センサ電極４２とに接続された生体物質である血液が載置される血糖値センサ部４３と、を有している。

バイオセンサチップ４０を測定器５０へ挿入すると、第一センサ電極４１によって挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２がショートすることによって、センサ挿入判別回路５４はバイオセンサチップ４０の挿入を判別する。センサ挿入を判別した後、ユーザが血糖値センサ部４３に血液を滴下し、所定時間放置した後に血糖値測定回路５５から所定の電圧が印加されると、滴下された血液の酵素反応によって発生した還元物が酸化される。この酸化によって発生した素子電流値に対応する血糖値を測定器５０の表示部（不図示）へ表示することによって、血糖値の測定が行われる。

ところで、バイオセンサチップは通常、使い捨て方式とされる。このため、電極に使用する部材としては、導電性金属よりも安価であり、製造コストも安い部材であるカーボン等が適している。

ところが、カーボンは導電性金属よりも電気抵抗値の高い部材であるため、カーボン部材で形成された第一センサ電極４１によって挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２とが短絡状態になると、挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２間の電極間抵抗によって第一センサ電極４１は所定の電位を持つことになる。血糖値測定中に第一センサ電極４１が電位（Ｖ0）を持つと、血糖値測定中には血糖値測定回路５５から測定回路側コネクタ電極５１と接地電極５２との間に印加される所定の電圧（Ｖｓｅｔ）のみが印加されるはずのところ、第一センサ電極４１による電位（−Ｖ0）も印加されてしまう。

次に、図５の等価回路図を用いて具体的に説明する。第一センサ電極４１及び第二センサ電極４２の電気抵抗値を考慮した場合、第一センサ電極４１が有する抵抗をＲ１０１（約２．７［ＫΩ］）、第二センサ電極４２が有する抵抗をＲ１００（約２．７［ＫΩ］）とする。挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２との間のカーボン電極抵抗をＲ１０２（約１００［Ω］）とし、Ｒ１０１≫Ｒ１０２とすると、挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２との間に常に参照電圧Ｒｅｆが印加された状態では挿入判別回路側コネクタ電極５３と接地電極５２は第一センサ電極４１を介して短絡されているため、第一センサ電極４１には参照電圧Ｒｅｆがプルアップ抵抗Ｒ１とＲ１０２とで分圧された電圧Ｖ0（＝Ｒｅｆ×Ｒ１０２÷２（Ｒ１＋Ｒ１０２））が印加されてしまう。

このため、血糖値測定中の放置時間には０［Ｖ］を印加するはずが、接地電極５２がＧＮＤに設定されているため、接地電極５２と測定回路側コネクタ電極５１との間にはＧＮＤ（０［Ｖ］）−Ｖ0[Ｖ]が印加されてしまう。さらに、印加時間においては、血糖値測定回路５５より所定の電圧（Ｖｓｅｔ）が印加されなければならないところ、接地電極５２および測定回路側コネクタ電極５１には（Ｖｓｅｔ）−Ｖ0が印加されることになってしまう。このため、測定された血糖値が低い値となって出力されてしまい、測定誤差が生じる虞がある。

そこで、本発明の目的とするところは、導電性金属よりも高い電気抵抗値の電極部材によって形成されたセンサ電極を有するバイオセンサチップを測定器へ挿入して生体情報を測定する場合において、生体情報の測定誤差を抑制するように構成されたバイオセンサチップを提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明に係るバイオセンサチップは、バイオセンサチップの着脱を判別するセンサ挿入判別回路と、生体情報を測定する生体情報測定回路と、バイオセンサチップを挿入可能な挿入部と、前記センサ挿入判別回路に電気的に接続されて前記挿入部に設けられた挿入判別回路側コネクタ電極と、前記生体情報測定回路に電気的に接続されて前記挿入部に設けられた測定回路側コネクタ電極と、前記挿入部に設けられた接地電極と、を有する測定器に着脱可能なバイオセンサチップであって、
生体物質が供給される反応部と、
前記挿入部に挿入したときに、前記挿入判別回路側コネクタ電極に接触するように設けられた第一センサ電極と、
前記挿入部に挿入したときに、一端が前記生体情報測定回路側コネクタ電極に接触するように設けられ、他端が前記反応部に電気的に接続されるように設けられた第二センサ電極と、
前記挿入部に挿入したときに、一端が前記接地電極に接触するように設けられ、他端が前記反応部に電気的に接続されるように設けられた第三センサ電極と、を備え、
前記第一センサ電極は、前記第三センサ電極を介して前記反応部に電気的に接続されていることを特徴とする。

また、前記第一センサ電極及び前記第二センサ電極は、導電性金属よりも高い電気抵抗値の部材で形成されること、特にカーボンであることが好ましい。

本発明のバイオセンサチップによれば、導電性金属よりも高い電気抵抗値のセンサ電極部材によって形成されたセンサ電極を有するバイオセンサチップを測定器へ挿入して生体情報を測定する場合において、生体情報の測定誤差を抑制することができる。

以下、本発明に係るバイオセンサチップの実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態では、バイオセンサチップに供給される生体物質の一例として血液を挙げ、バイオセンサチップを使用する測定器は、この血液中の血糖値を測定する測定器であり、このバイオセンサチップ及び測定器からなるバイオセンサシステムの例を挙げて説明する。

図１は、本実施形態に係るバイオセンサチップを使用したバイオセンサシステムの外観斜視図である。
図２は、図１のバイオセンサシステムの主要部の構成を示すブロック図である。

まず、バイオセンサシステム１０の外観について説明する。
図１に示すバイオセンサシステム１０は、着脱可能なバイオセンサチップ２０と、このバイオセンサチップ２０が挿入されたことを判別し、バイオセンサチップ２０に供給された血液（生体物質）中の血糖値（生体情報）を測定する測定器１とを備えている。

図１に示すように、測定器１は下部ケース２と上部ケース３とから構成される筐体４の前方中央に、バイオセンサチップ２０が挿入される挿入部５が開口され、挿入部５を中心として左右後方には円形の操作ボタン６，６が設けられている。また、操作ボタン６，６のさらに後方には測定された血糖値を表示する矩形の表示部７が設けられている。詳細は後述するが、挿入部５にはバイオセンサチップ２０が挿入されたとき、バイオセンサチップ２０に設けられた各電極に対して、電気的に接触可能な電極（挿入判別回路側コネクタ電極１３、測定回路側コネクタ電極１１、接地電極１２）が設けられている（図２参照）。

バイオセンサチップ２０は、測定器１の挿入部５に挿入可能なスティック状の絶縁性基板２４の上に、第一センサ電極２１、第二センサ電極２２及び第三センサ電極２５が長手方向に沿って略平行に設けられている。

第一センサ電極２１は、測定器１の挿入部５に挿入したときに、測定器１の挿入判別回路側コネクタ電極１３に接触するように設けられたものである。

第二センサ電極２２は、測定器１の挿入部５に挿入したときに、一端が測定回路側コネクタ電極１１に接触するように設けられ、他端が下記の血糖値センサ部２３に電気的に接続されるように設けられたものである。

第三センサ電極２５は、測定器１の挿入部５に挿入したときに、測定器に挿入される側の一端が接地電極に接触するように設けられ、他端が下記の血糖値センサ部２３に電気的に接続されるように設けられたものである。すなわち、第一センサ電極２１は、第三センサ電極２５を介して下記の血糖値センサ部２３に電気的に接続されている。

さらに、測定器１に挿入される側の反対側の端部近傍には、第三センサ電極２５と第二センサ電極２２とに電気的に接続可能に跨るように略円形状に形成され、血液（生体物質）が供給される血糖値センサ部（反応部）２３が設けられている。

なお、各電極２１、２２、２５は、測定器１の各電極と電気的に接触する部分及び血糖値センサ部２３と電気的に接続する部分以外の部分は、絶縁物の被膜２６で覆われるようにしてもよい。

次に、このバイオセンサチップ２０の形成方法の一例を説明する。
矩形状のバイオセンサチップ２０の本体を形成する絶縁性基板２４は、材料にセラミックス、ガラス、紙、生分解性材料（例えば、微生物生産ポリエステル等）、そしてポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック材料が用いられる。絶縁性基板２４上には、例えば酸化還元酵素等の酵素反応により発生する素子電流を取り出すための第一センサ電極２１、第二センサ電極２２及び第三センサ電極２５からなるセンサ電極をパターン形成する。これらのセンサ電極部材には銀、金、パラジウム、白金、ニッケル、銅、イリジウム等の導電性金属の他、導電性金属よりも電気抵抗値が高いがカーボンや導電性プラスチック（それ自体導電性を有するポリアセチレン、ポリ−ρ−フェニレン、ポリピロール、ポリチオフェンの他、導電性金属粒子を複合化したプラスチックも含む）等の非金属性の材料も使用できる。これらのセンサ電極部材をスクリーン印刷、貼付、蒸着、スパッタリングなどによりパターンを形成する。なお、バイオセンサチップ２０は通常、使い捨て使用されるので、安価で電極形成が容易なカーボンがより好ましい。

血糖値センサ部２３は、酸化還元酵素と電子伝達体（メディエータ）との混合物、例えばグルコースオキシダーゼとフェリシアン化カリウムとの混合物などで形成することができる。代表的な酸化還元酵素であるグルコースオキシダーゼを用いた使い捨てグルコースバイオセンサの場合、多くは被測定対象物の原液サンプルを採取して測定が行われる。グルコース水溶液濃度を酸化による素子電流値で間接的に求める方法は周知であり、グルコースオキシダーゼ作用により、フェリシアンイオンを還元してフェロシアンイオンとすると同時にグルコノラクトンを生成させ、フェロシアンイオンを酸化させてその素子電流値を検出測定する。

次に、図１のバイオセンサシステムの主要部の構成を図２を参照して説明する。

図２に示すように、測定器１には、バイオセンサチップ２０が測定器本体に挿入されて測定可能な状態になったか否かを認識する判断手段として、センサ挿入判別回路１４を備えている。そして、バイオセンサチップ２０が挿入されたことを検知した後に、計測目的物質である血液の素子電流値の測定値（すなわち、血糖値）を測定する血糖値測定回路１５を備えている。

また、センサ挿入判別回路１４に電気的に接続され、バイオセンサチップ２０が挿入されることによって、バイオセンサチップ２０に設けられた第一センサ電極２１と接触するように設けられた挿入判別回路側コネクタ電極１３を備えている。

また、血糖値測定回路１５に接続され、バイオセンサチップ２０が挿入されることによって、バイオセンサチップ２０に設けられた第二センサ電極２２と接触するように設けられた測定回路側コネクタ電極１１を備えている。

さらに、接地電位ＧＮＤに接続され、バイオセンサチップ２０が挿入されることによって、バイオセンサチップ２０に設けられた第三センサ電極２５と接触するように設けられた接地電極１２を備えている。

以上のように、測定器１は、接地電極１２をセンサ挿入判別回路１４と血糖値測定回路１５とで兼用する構成となっている。

このように、従来の測定器に設けられていた４つのコネクタ電極を３つに減らしたので、従来の測定器に比べて電極１つ分のスペースが必要なくなり、筐体を小型にすることができる。そして、上記筐体の小型化、電極１つ分の部材の低減、接地回路の低減などにより測定器１の製造コストを抑えることが可能である。

本実施形態では、測定器１にバイオセンサチップ２０が挿入されると、第一センサ電極２１が挿入判別回路側コネクタ電極１３に、第三センサ電極２５が接地電極１２に接続されることによって、挿入判別回路側コネクタ電極１３と接地電極１２とが短絡状態となり挿入前の開回路状態から閉回路状態が形成される。そして、参照電圧Ｒｅｆによって挿入判別回路側コネクタ電極１３及び接地電極１２との間に電圧が印加されると、センサ挿入判別回路１４がバイオセンサチップ２０の挿入を判別するようになっている。

測定器１の全体の制御を行う部分としては、測定器１にマイコンによるＣＰＵ（中央演算処理装置）等からなる制御部（不図示）が設けられている。この制御部は、血糖値測定回路１５で検出された素子電流を電圧値に変換する電流電圧変換回路、変換された電圧信号を増幅する増幅回路、その入力データ信号に基づいて演算処理する演算部等から構成され、演算部で処理された値を測定データとして表示部７へ表示するように構成されている。ＣＰＵでは各部各回路からＩ／Ｏポートを通して入出力される信号に基づいて全体的な制御を行う。

また、挿入判別回路側コネクタ電極１３とセンサ挿入判別回路１４の間にはプルアップ抵抗Ｒ１が接続されている。プルアップ抵抗Ｒ１を接続することによって、センサ挿入判別回路１４への入力レベルを「Ｈｉｇｈ」に設定することができる。バイオセンサチップ２０が挿入部５から挿入されると、挿入判別回路側コネクタ電極１３と接地電極１２が短絡状態となり、センサ挿入判別回路１４には「Ｌｏｗ」が入力される。このように、センサ挿入判別回路１４への入力レベルが「Ｈｉｇｈ」から「Ｌｏｗ」へ変化することによって測定器１はバイオセンサチップ２０が挿入部５から挿入されたことを判別することができる。

次に、図３を参照して本実施形態のバイオセンサチップを使用することによる作用・効果を説明する。図３は、本実施形態のバイオセンサチップを使用した場合の作用・効果を説明する等価回路図である。

図３に示すように、例えば、第三センサ電極２５が有する抵抗をＲ１０１（約２．７［ＫΩ］）、第二センサ電極２２が有する抵抗をＲ１００（約２．７［ＫΩ］）とする。また、挿入判別回路側コネクタ電極１３と接地電極１２との間のカーボン電極抵抗をＲ１０２（約１００［Ω］）とし、Ｒ１０１≫Ｒ１０２とすると、第一センサ電極２１は、第三センサ電極を介してのみ血糖値センサ部２３に接続されるため、血糖値測定中において参照電圧ＲｅｆがＲ１とＲ１０２によって分圧されることがない。

すなわち、第一センサ電極２１と血糖値センサ部２３とは直接接続されていないので図４で示した例のように、測定回路側コネクタ電極１１と接地電極１２との間に分圧分が印加されることはない。

このように、血糖値測定中において参照電圧Ｒｅｆが印加されている状態でも、血糖値測定中には、測定回路側コネクタ電極１１と接地電極１２との間には血糖値測定回路１５からの電圧だけが印加されるので、図４の例のような、分圧（Ｖ0）によって本来の血糖値よりも低い血糖値が出力されてしまうことを防止することが可能である。これにより、比較的低い血糖値でも正しく測定することができるので、測定器１の測定範囲を広げることができる。よって、バイオセンサチップ２０を測定器１へ挿入して血糖値を測定する場合に生じる測定誤差を抑制することが可能である。

本発明の実施形態に係るバイオセンサチップを使用したバイオセンサシステムの外観斜視図である。 図１のバイオセンサシステムの主要部の構成図である。 本実施形態のバイオセンサチップを使用した場合の作用・効果を説明する等価回路図である。 本出願人が提案したバイオセンサシステムの主要部の構成図である。 図４のバイオセンサシステムの主要部の等価回路図である。

符号の説明

１ 測定器
５ 挿入部
１０ バイオセンサシステム
１１ 測定回路側コネクタ電極
１３ 挿入判別回路側コネクタ電極
１２ 接地電極
１４ センサ挿入判別回路
１５ 血糖値測定回路（生体情報測定回路）
２０ バイオセンサチップ
２１ 第一センサ電極
２２ 第二センサ電極
２３ 血糖値センサ部（反応部）
２５ 第三センサ電極
Ｒ１ プルアップ抵抗
Ｒｅｆ 参照電圧
ＧＮＤ 接地電位

Claims (3)

1. バイオセンサチップの着脱を判別するセンサ挿入判別回路と、生体情報を測定する生体情報測定回路と、バイオセンサチップを挿入可能な挿入部と、前記センサ挿入判別回路に電気的に接続されて前記挿入部に設けられた挿入判別回路側コネクタ電極と、前記生体情報測定回路に電気的に接続されて前記挿入部に設けられた測定回路側コネクタ電極と、前記挿入部に設けられた接地電極と、を有する測定器に着脱可能なバイオセンサチップであって、
   生体物質が供給される反応部と、
   前記挿入部に挿入したときに、前記挿入判別回路側コネクタ電極に接触するように設けられた第一センサ電極と、
   前記挿入部に挿入したときに、一端が前記測定回路側コネクタ電極に接触するように設けられ、他端が前記反応部に電気的に接続されるように設けられた第二センサ電極と、
   前記挿入部に挿入したときに、一端が前記接地電極に接触するように設けられ、他端が前記反応部に電気的に接続されるように設けられた第三センサ電極と、を備え、
   前記第一センサ電極は、前記第三センサ電極を介して前記反応部に電気的に接続されていることを特徴とするバイオセンサチップ。
2. 前記第一センサ電極、前記第二センサ電極及び前記第三センサ電極は、導電性金属よりも高い電気抵抗値のセンサ電極部材によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサチップ。
3. センサ電極部材は、カーボンであることを特徴とする請求項２に記載のバイオセンサチップ。

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