JP4219251B2 - 成分濃度測定用電極および濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、採取された試料において、特定成分の濃度を測定する測定装置に関するものである。特に、酵素固定膜などの反応膜を電極に装着し、電極により検出される値により濃度を測定する測定装置に関するものである。

グルコースの濃度測定装置として、グルコース分解酵素であるグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）を用いて試料中のグルコースを分解し、その時に生成する過酸化水素量を過酸化水素電極により検出される電流量を測定し、この電流量の測定結果から試料中のグルコース濃度を求める測定方法を用いたグルコース濃度測定装置が知られている。
このようなグルコース濃度測定装置として、センサ電極にＧＯＤを固定化した反応膜を装着し、このセンサ電極により反応槽内のグルコース濃度を測定するものがある。そして、センサ電極に反応膜を装着する際には、密着性の向上と、装着の際に気泡の混入を防ぐため、緩衝液を反応膜と電極の間に点着している。あるいは、センサ電極への緩衝液などの送液温度を、電極環境温度にあわせて温度調整し、溶存空気の液中空気量を飽和させ、気泡の発生を防いでいる。
また、グルコース濃度の測定装置において、測定精度の安定化や、グルコースオキシダーゼ固定化膜の耐久性を、向上すべく様々な試みがなされている。
例えば、特許文献１に示す技術である。これは、ＧＯＤ固定化膜の被包膜表面に、ある種の親水性モノマーをグラフト重合させ、反応膜であるＧＯＤ固定化膜および被包膜の洗浄性向上を目的としたものである。

特開平６−１７４６８０号公報

発明者等は、グルコースの濃度測定装置において、測定精度の安定化と、反応膜の耐久性向上を目指して、数多くの実験を繰り返し、作業環境の温度差により緩衝液に溶存する空気量が測定の安定化および反応膜の耐久性に大きくかかわることを見出した。
電極が設置される環境温度（反応槽の温度）より反応膜を装着する環境温度が低い場合には、液中の溶存空気量の差により、反応槽内において気泡が発生しやすい状態となる。
そして、反応膜に送液される緩衝液の液中溶存空気量が、電極設置環境温度における飽和空気量を超える場合には、気泡が発生し易くなる。
さらに、反応膜に送液される緩衝液の温度を温度高くした場合には、水分の蒸発により緩衝液の濃度が上昇し、測定に影響を与える可能性がある。
また、反応膜は、複数枚の膜を張り合わせて構成されており、この反応膜内に気泡が発生した場合には、膜同士が泡により分離され、反応膜が破壊される可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は以上の如くであり、発明者等は濃度測定装置において、数多くの実験を繰り返し、緩衝液として３０℃の飽和空気量以下に脱気したものを用いることにより、良好な安定性を確保できることを見出したものである。
次に該課題を解決するための手段を説明する。

請求項１に記載のごとく、反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を測定するための電極であって、脱気された緩衝液を電極反応部に点着して、反応膜を電極反応部に装着する。

請求項２に記載のごとく、点着する緩衝液を３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液とする。

請求項３に記載のごとく、反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を請求項１に記載の成分濃度測定用電極で測定する濃度測定装置において、３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液を空気との接触を防ぐ容器内に収納し、該容器内の緩衝液を前記反応槽に導入する。

請求項１に記載のごとく、反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を測定するための電極であって、脱気された緩衝液を電極反応部に点着して、反応膜を電極反応部に装着するので、
電極反応部における反応が安定し、測定精度の安定化が図れる。さらに、膜体に気泡が接触しにくく、膜体の耐久性を向上でき、濃度測定装置のメンテナンス性を向上できる。

請求項２に記載のごとく、点着する緩衝液を３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液とするので、
グルコースの濃度測定などの、酵素を利用した濃度測定において、安定した測定を行うことが可能であり、気泡の発生による弊害を抑制できる。

請求項３に記載のごとく、反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を請求項１に記載の成分濃度測定用電極で測定する濃度測定装置において、３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液を空気との接触を防ぐ容器内に収納し、該容器内の緩衝液を前記反応槽に導入するので、
濃度測定装置において、メンテナンス後に測定装置が安定するまでにかかる時間を短くできる。また、測定精度の安定化が図れる。さらに、膜体に気泡が接触しにくく、膜体の耐久性を向上でき、濃度測定装置のメンテナンス性を向上できる。

次に本発明の実施の形態を説明する。
本発明は、電極に反応膜体を装着し、目的物の濃度測定を行うものであれば良い。本発明の具体的な実施例として、グルコース濃度測定装置を用いて説明する。
図１は、血液検査装置の全体図、図２は血液検査装置の構成を示す模式図である。
本発明の検体吸引管を利用する装置の一例として、血液検査装置を用いて説明する。この血液検査装置は、本体部１０と、サンプル供給部１１と、ボトルユニット１２により構成されており、本体部１０には、分析された測定値を出力するプリント部１４と、測定値をパネル表示する表示パネル１３等が設けられている。

そして、ノズル駆動部１９と、ポンプシャーシ部２０と、本体部１０の内部に構成された反応検出部２２と、脱気モジュール７３を配置した脱気ユニット２１等の部分より構成されている。なお、脱気ユニット２１の脱気モジュール７３は溶存空気除去部１２３の一部を構成するものである。脱気モジュール７３は気泡除去を行うものであり、溶存空気除去部１２３において、脱気モジュール７３の前段に配設される加温部２３により緩衝液の加温を行い、溶存している気体を気泡として脱気モジュール７３において取り除くものである。

また、血液検査装置の側方には複数個のボトルにより構成されるボトルユニット１２が配置されており、これらは、ＳＴＤ液用ボトル１８、洗浄液ボトル１５、緩衝液ボトル１６、排液ボトル１７等により構成される。
サンプル供給部１１には、密封容器である真空採血管４０が連続的にセットされている。真空採血管４０の内部には検体である血液が入っており、この血液を試料として検体吸引管により採取する。そして、サンプル供給部１１において連続的に供給されてくる血液の入った真空採血管４０から、真空採血管４０の栓体４１を貫通して、ノズル駆動部１９によりサンプリングを行うものである。

血液検査装置の本体内部には、ボトルユニット１２の液を各部に供給するポンプシャーシ２０が構成されている。反応検出部２２の内部には、洗浄槽２５と反応槽２４が配置されている。該洗浄槽２５から反応槽２４への流路内には、開閉電磁弁９が配置されている。
ボトルユニット１２の部分には、ＳＴＤ液用ボトル１８と洗浄液ボトル１５と緩衝液ボトル１６と排液ボトル１７が配置されている。

血液検査装置においては、サンプル供給部１１において連続的に配置され、供給される真空採血管の内部に、ノズル駆動部１９のサンプリングノズル１を貫通させる。該サンプリングノズル１により血液を吸引し、洗浄槽２５の部分で該サンプリングノズル１の外側に付着した余分な血液を洗浄する。
そして、精密に一定量を採取された検体が反応槽２４に供給され、開閉電磁弁９・２６・１３２の開放により、混合された検体が排出される。

該反応槽２４には、緩衝液ボトル１６から精密に一定量を測定された緩衝液が、溶存空気除去部１２３を介して開閉電磁弁２６の開閉により供給される。また、反応槽２４の前段にはインキュベータコイル７４が設けられており、反応槽２４に導入される緩衝液を測定が行われる温度に調節するものである。例えば、グルコースオキシダーゼを利用する場合には、３７℃に設定されるものである。
そして、反応槽２４において、検体成分の測定が行われる。測定結果は、プリント部１４より出力されたり、表示部１３に表示されたりするものである。
ポンプシャーシ部２０においては、往復動ピストン式のポンプが４基配置されており、緩衝液ポンプ２７は、緩衝液ボトル１６内の緩衝液を吸引・供給するポンプであり、洗浄液ポンプ２８は、洗浄液ボトル１５内の洗浄液を、吸引ノズル３に供給するポンプである。また、ＳＴＤ液ポンプ２９は、ＳＴＤ液用ボトル１８内のＳＴＤ液を洗浄槽２５の部分に供給するポンプである。廃液ポンプ３０は、排液ボトル１７内へ、分析終了後の排液を排出するポンプである。

次に、電極の一例としてグルコースセンサの構成について説明する。
図３はグルコースセンサの反応槽への装着構成を示す図、図４はグルコースセンサの測定原理を示す図である。
グルコースセンサ４１は電極４２およびグルコースオキシダーゼ固定化酵素膜（以下ＧＯＤ膜）４３により構成されており、反応槽４４内のグルコースの測定を行うものである。グルコースセンサ４１は、電極４２に反応膜体であるＧＯＤ膜４３を装着した状態で、反応槽４４内に挿入される。
反応槽４４内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的物濃度を、電極４２の先端の露出部に膜体であるＧＯＤ膜４３を装着したグルコースセンサ４１により濃度測定を行うものである。
電極４２は図４に示すごとく、過酸化水素電極である。ＧＯＤ膜４３において、グルコースがグルコン酸に分解される過程で生成される過酸化水を、電極４２により測定する。
これにより、反応槽４４におけるグルコースの濃度を測定するものである。
電極４２に達した過酸化水素に外部電圧をかけると酸化還元反応を起こして、電極４２の陽極と陰極の間に電流が流れる。この電流を測定することにより、グルコース濃度を求める構成となっている。

なお、ＧＯＤ膜４３はポリカーボネート膜と、セルロースアセテート膜で包まれており、電極側にセルロースアセテート膜が配設されている。ポリカーボネート膜にはグルコースより大きなものを通さない３００Åの孔が開いている。
このポリカーボネート膜を通ったグルコースは、ＧＯＤの働きにより、グルコン酸と過酸化水素とに分解される。
生成した過酸化水素は、セルロースアセテート膜を通って電極に達する。セルロースアセテート膜には５〜６Åの孔があいており、過酸化水素を通し、還元物質による妨害反応の影響を受けることなく、電極に達するものである。
電極に達した過酸化水素に外部電圧をかけると、酸化還元反応を起こして陽極と陰極との間に電流が流れる。そして、陽極での過酸化水素の分解でできた電子の量を測定し、エンド・ポイント法を用いてグルコース濃度を求めるものである。

次に、電極４２の構成について説明する。
図５は電極の一部側面断面図である。
電極４２はホルダ５２に保持された状態で、反応槽４４に装着される。電極４２は筒体５６に挿嵌固定された状態で、ホルダ５２内に挿入されている。そして、電極４２の後端には、プラグ５４・５４が導線により接続されている。
電極４２の後端とホルダ５２の後部内側との間には、スプリング５３が配設されており、電極４２がホルダ５２内において一定量摺動可能に構成されている。ＧＯＤ膜４３のホルダが電極４２の先端部に当接した場合には、電極４２に後方に摺動するとともに、スプリング５３によりＧＯＤ膜４３側に付勢される。これにより、電極４２の先端部をＧＯＤ膜４３のホルダに当接させた状態で保持し、電極４２とＧＯＤ膜４３との間隔が一定に保たれる。

電極４２を保持する筒体５６の先端部には、位置決めピン５１が立設されている。電極４２と筒体５６とは相対回動不能に構成されており、この筒体５６の位置決めを行うことにより、電極４２の位置決めを行うものである。
反応槽４４のホルダ５２装着部には位置決めピン５１用の挿入部が構成されており、この挿入部に位置決めピン５１を挿入して、電極４２の反応槽４２に対する位置決めを行うものである。
なお、電極４２には、キャップ５５が装着され、輸送および保存されるものである。

次に、電極先端部の構成について説明する。
図６は電極先端部の構成を示す図、図６（ａ）は電極の側面図、図６（ｂ）は電極先端部の側面一部断面図、図６（ｃ）は電極先端部の正面図である。
電極４２は、図６（ａ）に示すごとく、後部および中央部の径が先端部Ａの径より大きく構成されている。先端部Ａの中心には、正面視円形の陽極６１が配設されている。陽極６１の側周部は絶縁層６２により被装されており、絶縁層６２の外側は陰極６３により被装されるものである。そして陽極６１と陰極６３とは、絶縁層６２により、電極４２において絶縁されるものである。
陰極６３の外側は硬質樹脂層６４により被装されている。電極４２は全体がこの硬質樹脂層６４により覆われており、先端部Ａにおいて陽極６１および陰極６３が露出した構成となっている。
電極４２の先端部は、陽極６１および陰極６３が露出した部分となっている。そして、電極４２の露出面において、陽極６１および陰極６３により測定が行われる。

先端部Ａの正面には、図６（ｃ）に示すごとく、溝６５・６５・・が刻設されている。
溝６５は先端部Ａの正面において、硬質樹脂層６４から陰極６３および絶縁層６２にかけて設けられている。溝６５は正面視楕円形状に構成されており、硬質樹脂層６４より陽極６１に向けて設けられている。
溝６５は電極４２の外側において幅を広く、深さを大きくしている。
溝６５の形状は、外側より陽極６１に向けて見た場合に、底面形状が円弧状に構成されており、溝側部において浅く、溝中央部において深く構成されている。さらに、溝６５の延出方向に沿った断面においては、底面は直線的に構成されている。電極４２の外側部において溝６５は深く、中央部付近において浅く構成されている。
溝６５の幅は陽極６１の幅と略同一もしくは若干小さく構成されている。
なお、陽極６１および陰極６３は、絶縁層６２より若干前方に突出した構成となっている。

次に、緩衝液の脱気構成について説明する。
電極４２においては、前述のごとく、陽極での反応により酸素が発生する。このため、空気の溶存量の少ない緩衝液を電極部に供給することにより、電極での気泡の発生を抑制することができる。
予め脱気を行い、溶存空気量を少なくした緩衝液を反応槽２４に供給することにより、安定した測定を行うことが可能となるものである。

次に、緩衝液の脱気構成について、図７を用いて説明する。
図７は緩衝液の脱気構成を示す模式図、図７（ａ）は脱気経路の模式図、図７（ｂ）は脱気モジュールの模式図である。
緩衝液の脱気を行う構成は、主に加温部２３、脱気モジュール７２、エアポンプ７３により構成されている。
緩衝液ボトル１６内の緩衝液は、加温部２３に導入され、緩衝液の温度を３７℃にして脱気モジュール７２に供給される。脱気モジュール７２にはエアポンプ７３が接続されており、脱気モジュール７２を通る緩衝液に溶存している酸素等が脱気されるものである。
脱気モジュール７２を通った緩衝液は、三方弁を解して緩衝液ポンプ２７に導入され、さらに緩衝液ポンプ２７によりインキュベータを介して反応槽へと供給される。
上述の緩衝液の脱気構成を濃度測定用の反応槽直前に設けるので、溶存空気の少ない緩衝液を反応槽に供給できる。これにより、安定した濃度測定を行うことができる。

脱気モジュール７２の構成について説明する。
脱気モジュール７２は、真空チャンバー８２およびガス透過性チューブ８１により構成されている。ガス透過性チューブ８１は、真空チャンバー８２内に配設され、ガス透過性チューブ８１内に緩衝液が通る構成となっている。
真空チャンバー８２には前述のポンプ７３が接続され、真空チャンバー８２内の減圧を行うものである。これにより、ガス透過性チューブ８１内を通る緩衝液が減圧脱気される。
真空チャンバー８２に圧力センサ８３を接続し、圧力センサ８３の値によりポンプ７３を制御することも可能である。圧力センサ８３により真空チャンバー８２内の圧力を認識し、圧力センサ８３とポンプ７３をコントローラ８４に接続する。そして、コントローラ８４によりポンプ７３の駆動を制御し、真空チャンバー８２内の圧力を調節できる。

測定時には、反応槽２４に３７℃の緩衝液が導入されるものであり、グルコース濃度の測定が３７℃において行われる。緩衝液を測定温度以上に加温することにより、測定時における気泡の発生を抑制できるものである。
このため、プレインキュベータ７０において、緩衝液を３７℃に加熱し、脱気モジュール７２に導入する。そして、３７℃において脱気を行うことにより、測定条件における酸素の溶存量を減少でき、効率的な脱気を行うことができる。
このように、３０℃の飽和空気量以下もしくは酸素量換算で７．５ｍｇ／Ｌ以下に脱気することにより、安定した測定を行うことが出来るものである。

緩衝液ボトル１６内の緩衝液も予め脱気したものを用いることにより、電極における反応を安定化し、測定精度を安定化させることができる。
３０℃の飽和空気量以下に脱気した緩衝液を用いることにより、脱気モジュール７２にかかる負荷を軽減することができる。そして、緩衝液の供給速度を向上でき、処理時間を短縮することが可能となる。
また、脱気された緩衝液を空気との接触を防ぐ容器に封入し、緩衝液の供給源とすることも可能である。例えば、フレキシブルな容器に、脱気した緩衝液を封入し、この容器より緩衝を取り出すと、緩衝液の減少に伴い容器の容積が減少し、容器内の緩衝液が空気と接触しない。これにより、容器内の緩衝液に酸素等が溶け込むことを防ぎ、酸素の溶存量の少ない緩衝液を安定して供給することができる。
このような緩衝液を濃度測定および洗浄に用いることにより、濃度測定を行う部分において、気泡が発生しにくく、安定した測定を行うことができ、測定精度が安定する。

次に、ＧＯＤ膜を電極に取り付ける際に、脱気した緩衝液を用いる手法について説明する。
図８はＧＯＤ膜を電極に取り付ける際の手順を示す図である。
ＧＯＤ膜を電極に取り付ける際には、まず、図８（ａ）に示すごとく、ＧＯＤ膜４３の表面に脱気した緩衝液を滴下する。そして、図８（ｂ）に示すごとく、電極４２の先端部を上方に向けて、先端正面に陽極および陰極が露出した面に、脱気した緩衝液を滴下する。
そして、図８（ｃ）に示すごとく、脱気した緩衝液でぬれたＧＯＤ膜４３を先端部に脱気した緩衝液が付着した電極４２に組み付けるものである。これにより、ＧＯＤ膜４３内および、ＧＯＤ膜４３と電極４２間の緩衝液における溶存酸素量を少なくでき、安定した測定を行うことができるものである。

血液検査装置の全体図。 血液検査装置の構成を示す模式図。 グルコースセンサの反応槽への装着構成を示す図。 グルコースセンサの測定原理を示す図。 電極の一部側面断面図。 電極先端部の構成を示す図。 緩衝液の脱気構成を示す模式図。 ＧＯＤ膜を電極に取り付ける際の手順を示す図。

符号の説明

４１ グルコースセンサ
４２ 電極
４３ ＧＯＤ膜
６１ 陽極
６２ 絶縁層
６３ 陰極
６４ 硬質樹脂層
６５ 溝

Claims (3)

1. 反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を測定するための電極であって、
   脱気された緩衝液を電極反応部に点着して、反応膜を電極反応部に装着することを特徴とする成分濃度測定用電極。
2. 点着する緩衝液が、３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液であることを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定用電極。
3. 反応槽内に緩衝液を導入し、緩衝液中で試料中の目的成分濃度を請求項１に記載の成分濃度測定用電極で測定する濃度測定装置において、
   ３０℃の飽和空気量以下に脱気された緩衝液を空気との接触を防ぐ容器内に収納し、該容器内の緩衝液を前記反応槽に導入することを特徴とする濃度測定装置。