血球压积值的测量方法、使用了该测量方法的定量分析方法以及传感器芯片的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够在短时间内以低成本测量血液试样的血球压积值的技术以及传感器芯片。由于计测对施加在传感器芯片所具备的测量用作用极与测量用对极之间的电压进行扫描而得到的响应电流，并基于响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值，所以不需要如以往的血球压积值的测量方法那样测量血球压积值时等待至氧化还原物质的氧化还原反应稳定为止，能够在短时间内测量血液试样的血球压积值。另外，由于不必为了测量血球压积值而需要氧化还原物质，所以能够以低成本测量血球压积值。
【专利说明】血球压积值的测量方法、使用了该测量方法的定量分析方法以及传感器芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用了传感器芯片的血液试样的血球压积值(Hct)的测量方法以及采用了该测量方法的定量分析方法和在这些测量方法以及定量分析方法中使用的传感器芯片，其中，所述传感器芯片具备包括测量用作用极以及测量用对极的电极系统。
【背景技术】
[0002]以往，公知有一种利用传感器芯片来进行血液试样所含有的葡萄糖等测量对象物质的定量的定量分析方法，其中，所述传感器芯片具有包含作用极以及对极的电极系统和包含与测量对象物质特异性反应的酶的反应层。即，计测向作用极与对极之间施加电压来对通过测量对象物质与反应层发生反应所生成的还原物质进行氧化而得到的氧化电流，由此进行测量对象物质的定量。
[0003]传感器芯片通过层叠在由聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的绝缘性基板设置电极而成的电极层、覆盖层和被配置成由电极层与覆盖层夹持的隔离物层而形成。另外，在隔离物层设有用于形成被供给血液试样的腔室的狭缝，通过经由隔离物层对电极层层叠覆盖层并粘合，由电极层以及覆盖层和隔离物层的狭缝的部分形成被供给血液试样的腔室，在传感器芯片的侧面形成有试样导入口。另外，虽然从试样导入口向腔室供给血液试样，但由于基于毛细管现象向腔室供给血液试样，所以在覆盖层形成有与所形成的腔室的终端部分连通的空气孔。
[0004]另外，通过作用极以及对极和与作用极以及对极分别电连接的电极图案设置于电极层，来在电极层形成电极系统。另外，作用极以及对极分别按照其一部分在形成于传感器芯片的腔室露出的方式被设于电极层，在作用极以及对极的露出到腔室的部分设有反应层。因此，如果血液试样从试样导入口被供给至腔室，则血液试样与在腔室露出的各电极以及反应层接触，并且反应层溶解于血液试样。
[0005]另外，设置在作用极以及对极上的反应层中含有与血液试样所含的例如葡萄糖进行特异性反应的葡萄糖氧化酶和作为介质(电子受体)的铁氰化钾。而且，根据铁氰化钾溶解于血液试样所形成的铁氰化离子被葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应而被氧化为葡萄糖酸内酯时释放出的电子还原成作为还原体的亚铁氰化离子。因此，如果从试样导入口向形成于传感器芯片的腔室供给了含有葡萄糖的血液试样，则由于铁氰化离子被因葡萄糖发生氧化而释放出的电子还原，所以生成与含于血液试样并通过酶反应被氧化的葡萄糖的浓度对应的量的铁氰化离子的还原体即亚铁氰化离子。
[0006]在这样构成的传感器芯片中，通过将酶反应的结果产生的介质的还原体在作用极上进行氧化而得到的氧化电流成为取决于血液试样中的葡萄糖浓度的大小。因此，通过计测该氧化电流，能够对血液试样所含的葡萄糖进行定量。
[0007]然而，血液试样中含有红血球等血球，公知上述的氧化电流的大小受到对血液试样中的血球的容积的比例进行表示的血球压积值的大小的影响。另外，近年来希望使用少量的血液试样在短时间内准确地进行血液试样中的测量对象物质的定量分析，为了供给少量的血液试样，在传感器芯片中形成更小容积的腔室。因此，由于形成于传感器芯片的腔室的容积小、测量所使用的血液试样少量，所以作为计测对象的氧化电流的大小较小。因此，虽然由传感器芯片计测的氧化电流中含有取决于血液试样的血球压积值的误差，但由于所计测的氧化电流的大小较小，氧化电流所包含的取决于血球压积值的误差的比例相对变大，所以无法忽略取决于血球压积值的误差。
[0008]鉴于此，当计测上述的氧化电流，并且测量血液试样的血球压积值，基于计测出的氧化电流的大小来进行测量对象物质的定量分析时，尝试了通过基于测量出的血球压积值进行修正，来实现血液试样中的测量对象物质的定量分析的高精度化。例如在专利文献I中记载有一种计测通过对作用极以及对极施加阶梯状的电压而引起的介质等氧化还原物质的氧化还原电流，并基于计测出的氧化还原电流来导出血球压积值的方法。
[0009]S卩，介质等氧化还原物质在反应层溶解于血液试样时其一部分被吸收到红血球中，但即使对作用极与对极之间施加电压，已经被吸收到红血球中的氧化还原物质也不被氧化还原。因此，如图7的现有的血球压积值的测量方法中的响应电流的一个例子所示，若血液试样的血球压积值(Hct)高，则被吸收到红血球中的氧化还原物质的量增加，所以在传感器芯片的腔室内被氧化还原的氧化还原物质的量相对变少，因此，通过向作用极与对极之间施加电压而产生的氧化还原电流变小。
[0010]另外，若血液试样的血球压积值(Hct)低，则被吸收到红血球中的氧化还原物质的量减少，所以在传感器芯片的腔室内被氧化还原的氧化还原物质的量相对变多，因此通过向作用极与对极之间施加电压而产生的氧化还原物质的氧化还原电流变大。因此，通过计测因向作用极与对极之间施加电压而产生的氧化还原物质的氧化还原电流，能够测量血液试样的血球压积值。
[0011]现有技术文献
[0012]专利文献
[0013]专利文献1:国际公开第08/047843号小册子(段落0002?0006，图7?13，摘
要等)
[0014]在上述的现有的血球压积值的测量方法中，通过对作用极以及对极以阶梯状施加电压，来计测氧化还原物质发生氧化还原反应时的氧化还原电流。在对作用极以及对极以阶梯状施加了电压之后，立即产生大量双电层的充电电流等与作为计测对象的氧化还原电流不同的电流。因此，为了高精度计测计测对象即氧化还原物质的氧化还原电流，必须在对作用极以及对极施加了电压后，等待至氧化还原物质的氧化还原反应稳定为某种程度为止。因此，妨碍实现血液试样的血球压积值的计测时间的缩短。
[0015]另外，为了测量血液试样的血球压积值，对作用极与对极之间施加电压来计测氧化还原物质发生氧化还原反应而引起的氧化还原电流。因此，在血液试样的血球压积值的测量中需要氧化还原物质，导致血球压积值的测量成本增大。
【发明内容】
[0016]本发明是鉴于上述课题提出的，其目的在于，提供一种能够在短时间内以低成本测量血液试样的血球压积值的技术以及传感器芯片。[0017]为了实现上述目的，本发明的血球压积值的测量方法是使用了具备电极系统的传感器芯片的血液试样的血球压积值的测量方法，所述电极系统包括测量用作用极以及测量用对极，该血球压积值的测量方法的特征在于，计测对施加在所述测量用作用极与所述测量用对极之间的电压进行扫描而得到的响应电流，基于所述响应电流相对于被扫描的所述施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值(技术方案I)。
[0018]另外，可使所述施加电压沿正方向增大来对其进行扫描(技术方案2)。
[0019]另外，可以基于所述响应电流的至少两个时刻下的电流值的增加率来计算所述血球压积值(技术方案3)。
[0020]另外，可以基于所述响应电流的至少两个时刻下的电流值之比来计算所述血球压积值(技术方案4)。
[0021]另外，优选所述各电流值的至少一个为所述施加电压是比水的分解电压小的电压值时的计测值，至少一个为所述施加电压是所述水的分解电压以上的电压值时的计测值(技术方案5)。
[0022]另外，可以使所述施加电压线性增大来对其进行扫描(技术方案6)。
[0023]另外，可以使所述施加电压以IV/秒?100V/秒的范围的增加率线性增大来对其进行扫描(技术方案7)。
[0024]另外，本发明的定量分析方法具备:使用技术方案I至7中任意一项所述的血球压积值的测量方法来测量所述血液试样的血球压积值的步骤；对所述电极系统所具有的定量用作用极和定量用对极间之间施加电压，来氧化所述血液试样中的测量对象物质与含有和所述测量对象物质特异性反应的酶的反应层进行反应所生成的还原物质，并对由此得到的氧化电流进行计测的步骤；和基于所述血球压积值以及所述氧化电流来进行所述测量对象物质的定量的步骤(技术方案8)。
[0025]另外，本发明的传感器芯片通过层叠电极层、覆盖层、被配置成由电极层及覆盖层夹持的隔离物层而成，具备由所述电极层以及所述覆盖层和形成于所述隔离物层的狭缝形成的腔室和与所述腔室连通的试样导入口，该传感器芯片的特征在于，在所述电极层中，含有测量用作用极及测量用对极以及定量用作用极及定量用对极的电极系统被设成所述各电极的一部分在所述腔室露出，所述测量用作用极以及所述测量用对极的组被配置在接近于所述试样导入口的上游侧，所述定量用作用极以及所述定量用对极的组被配置在远离所述试样用导入口的下游侧，并且，含有与血液试样中所含的测量对象物质进行特异性反应的酶的反应层以比所述测量用作用极以及所述测量用对极的组靠下游侧配置的方式设于所述腔室(技术方案9)。
[0026]本申请的发明人针对血液试样反复测量了对测量用作用极与测量用对极之间施加了电压时的响应电流。其结果，本申请的发明人发现:对在施加于测量用作用极与测量用对极之间的电压被扫描时得到的响应电流而言，相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性取决于血液试样的血球压积值。
[0027]然而，如果对测量用作用极与测量用对极之间施加电压，则针对血液试样计测在测量用作用极以及测量用对极间流动的电流作为响应电流。此时计测的响应电流是因水的电解、含有氢氧根离子(0H一离子)以及氢离子(H+离子)、钠离子(Na+离子)等的红血球等离子性物质在两个电极间移动而产生的。[0028]但是，作为离子性物质的红血球若与因水被电解而产生的OH离子或Na离子相比，则当对测量用作用极与测量用对极之间施加了电压时在血液试样中移动的速度非常慢。因此，可认为对测量用作用极与测量用对极之间被施加的电压进行扫描而得到的响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性取决于血液试样的血球压积值。即，若血液试样的血球压积值高，则由于被施加了电压时的移动速度慢的红血球在血液试样中的比例大，所以当施加于测量用作用极与测量用对极之间的电压被扫描时，响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性相对变差。另外，若血液试样的血球压积值低，则由于被施加了电压时的移动速度慢的红血球在血液试样中的比例小，所以在施加于测量用作用极与测量用对极之间的电压被扫描时，响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性相对提闻。
[0029]因此，根据技术方案I的发明，由于计测对传感器芯片所具备的测量用作用极与测量用对极之间被施加的电压进行扫描而得到的响应电流，并基于响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值，所以不需要如以往的血球压积值的测量方法那样为了测量血球压积值而等待至氧化还原物质的氧化还原反应稳定为止，能够在短时间内测量血液试样的血球压积值。另外，由于不必为了测量血球压积值而需要氧化还原物质，所以能够以低成本测量血球压积值。
[0030]根据技术方案2的发明，由于施加于测量用作用极以及测量用对极的电压被以沿正方向增大的方式扫描，所以通过从最初开始对两个电极间施加高电压，能够防止因血液试样中的各种物质发生电化学反应而生成电流，因此，能够高精度地计测在测量用作用极以及测量用对极间流动的电容性的电流作为响应电流。
[0031]根据技术方案3的发明，虽然响应电流中含有与取决于血球压积值的电流分量不同的各种背景分量，但由于基于响应电流的至少两个时刻的电流值的增加率来计算血球压积值，所以能够通过减去响应电流所含的背景分量的影响来将其除去。
[0032]根据技术方案4的发明，虽然响应电流中含有取决于环境温度的误差分量，但即使对两个电极的施加电压被扫描，响应电流的温度依存特性也不变化，所以通过基于响应电流的至少两个时刻的电流值之比来计算血球压积值，能够除去响应电流所含有的取决于环境温度的误差分量。
[0033]根据技术方案5的发明，由于在基于响应电流的至少两个时刻的电流值之比来计算血球压积值时，各电流值的至少一个为施加电压是比水的分解电压小的电压值时的计测值，至少一个为施加电压是水的分解电压以上的电压值时的计测值，所以水进行电解而产生的电流分量之比变大，因此，能够更有效地计测尤其是施加电压比水的分解电压小时的响应电流中所含的取决于血球压积值的电流分量，能够实现提高血球压积值的测量精度。
[0034]根据技术方案6的发明，由于通过使施加电压线性增大并对其进行扫描，能够以低成本的简单电路构成容易地扫描被施加在测量用作用极以及测量用对极之间的电压，所以是实用的。
[0035]根据技术方案7的发明，由于通过以IV/秒?100V/秒的范围的增加率使被施加在两个电极间的电压高速地线性增大来对其进行扫描，血液试样中的移动速度慢的红血球的影响更有效地表现于响应电流的追随性，所以能够实现通过计测响应电流提高血球压积值的测量精度。[0036]根据技术方案8的发明，由于基于血球压积值以及还原物质的氧化电流来进行测量对象物质的定量，所以能够除去血液试样的血球压积值的影响而高精度地进行测量对象物质的定量。另外，由于血液试样的血球压积值被在短时间内测量，并且测量血球压积值时不需要氧化还原物质，所以能够基于血球压积值在短时间内以低成本进行血液试样中的测量对象物质的定量。
[0037]根据技术方案9的发明，在传感器芯片的电极层中，含有测量用作用极及测量用对极以及定量用作用极及定量用对极的电极系统被设成各电极的一部分在腔室露出。因此，可提供一种传感器芯片，该传感器芯片计测对被施加在测量作用极以及测量用对极的电压进行扫描而得到的响应电流，并基于响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性，能够在短时间内以低成本测量血液试样的血球压积值。
[0038]另外，传感器芯片的测量用作用极以及测量用对极的组被配置在接近于试样导入口的上游侧，定量用作用极以及定量用对极的组被配置在远离试样用导入口的下游侧，并且，含有与血液试样中所含的测量对象物质发生特异性反应的酶的反应层以比测量用作用极以及测量用对极的组靠下游侧配置的方式设于腔室。因此，在从试样用导入口向腔室供给了血液试样时，由于反应层被配置在比测量用作用极以及测量用对极靠下游侧的位置，所以能够抑制因反应层溶解于血液试样而生成的物质对通过测量用作用极与测量用对极之间被施加电压来实现的血球压积值的测量造成影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是表示在本发明的定量分析方法中使用的生物传感器系统的一个例子的图。
[0040]图2是表示传感器芯片的一个例子的图。
[0041]图3是传感器芯片的电极层的主要部分放大图。
[0042]图4是表示以测量用对极为基准对测量用作用极施加的电位的一个例子的图。
[0043]图5是表示响应电流的一个例子的图。
[0044]图6是表示计测处理的一个例子的流程图。
[0045]图7是表示以往的血球压积值的测量方法中的响应电流的一个例子的图。
【具体实施方式】
[0046]参照图1?图6对本发明的定量分析方法的一个实施方式进行说明。
[0047]图1是表示在本发明的定量分析方法中使用的生物传感器系统的一个例子的图。图2是表示传感器芯片的一个例子的图，(a)是分解立体图，(b)是立体图。图3是传感器芯片的电极层的主要部分放大图。图4是表示以测量用对极为基准对测量用作用极施加的电位的一个例子的图。图5是表示响应电流的一个例子的图。图6是表示计测处理的一个例子的流程图。
[0048]<生物传感器系统>
[0049]如图1?图3所示，生物传感器系统I具备:电极系统，其包括测量用作用极101a、测量用对极101b、定量用作用极102a以及定量用对极102b ;传感器芯片100，其具有反应层103，该反应层103含有与测量对象物质发生特异性反应的酶；和测量器2，其被装卸自如地安装传感器芯片100。而且，生物传感器系统I通过计测对定量用作用极102a与定量用对极102b之间施加电压来氧化血液试样所含的葡萄糖等测量对象物质与设在传感器芯片100的反应层103发生反应所生成的还原物质而得到的氧化电流，来对血液试样所含的测量对象物质进行定量，其中，所述血液试样被供给至在安装于测量器2的传感器芯片100的前端侧设置的腔室104。
[0050]另外，生物传感器系统I针对被供给至腔室104的血液试样，计测对施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压进行扫描而得到的响应电流，基于响应电流相对于扫描到的施加电压的时间变化的追随性来导出血液试样的血球压积值。
[0051]在检测到传感器芯片100的安装时，测量器2自动接通电源，若血液等血液试样被供给至传感器芯片100，则开始血液试样中的葡萄糖等测量对象物质的测量。而且，如果血液试样中的测量对象物质的定量结束，则测量结果被显示于由IXD等显示单元形成的显示部3，并且从扬声器4输出表示计测结束的警报，测量结果被存储于由存储器等存储介质形成的存储部5。
[0052]另外，测量器2具备由操作开关等形成的操作部6，通过操作部6被操作来执行各种初始设定，或将存储部5中存储的过去的计测结果等显示于显示部3。
[0053]另外，测量器2具备串行接口 7(I/F)，能够与经由I/F7连接的外部的个人计算机之间进行测量结果等数据的收发。其中，在存储部5中保存有过去的测量结果、用于基于对传感器芯片100的测量用作用极IOla施加规定电位而计测的响应电流来导出血液试样的血球压积值的换算式、用于基于对传感器芯片100的定量用作用极102a施加规定电位而计测的氧化电流来进行血液试样所含的测量对象物质的定量的换算式、通过被CPU8执行来实现各种功能的程序等。
[0054]另外，测量器2具备电压输出部9、电流电压变换部10和A/D变换部11。电压输出部9具有数字一模拟变换功能(D/A变换功能)，基于来自CPU8的控制指令，对安装于测量器2的传感器芯片100的测量用对极IOlb以及定量用对极102b输出一定的参照电位，并且，对测量用作用极IOla以及定量用作用极102a输出以分别施加给测量用对极IOlb以及定量用对极102b的参照电位为基准的规定电位。
[0055]电流电压变换部10具有由运算放大器、电阻元件形成的一般的电流电压变换电路，通过由电压输出部9对传感器芯片100的测量用作用极IOla以及定量用作用极102a分别施加规定电位，来将在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间流动的响应电流以及在定量用作用极102a与定量用对极102b之间流动的氧化电流变化成电压信号以便被CPU8获取。A/D变换部11将被电流电压变换部10变换后的电压信号变换成数字信号。然后，由A/D变换部11变换后的数字信号被CPU8获取，通过在CPU8中被实施规定的运算而从电压信号变换成电流信号。
[0056]CPU8测量血液试样的血球压积值，通过为了对血液试样所含的测量对象物质进行定量而执行在存储部5中存储的各种程序，具备以下的功能。
[0057]检测部8a通过对经由A/D变换部11输入至CPU8的在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间流动的电流值进行监视，来检测因测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb间基于由液体构成的血液试样的短路引起的电阻值的变化，检测出对设于传感器芯片100的腔室104供给了血液试样。
[0058]计时部8b基于从省略图示的时钟电路输出的时钟信号，例如对由检测部8a检测出血液试样向腔室104的供给起的经过时间、通过电压输出部9对测量用作用极IOla以及定量用作用极102a施加规定电位的施加时间等进行计时。
[0059]在由电压输出部9对测量用作用极IOla以及定量用作用极102a分别施加了以测量用对极IOlb以及定量用对极102b为基准的规定电位时，计测部8c计测在测量作用极IOla与测量用对极IOlb之间流动的响应电流以及在定量用作用极102a与定量用对极102b之间流动的氧化电流。在该实施方式中，利用计测部Sc计测由电压输出部9将电压扫描并施加给测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间时获得的响应电流。另外，利用计测部8c计测在向传感器芯片100供给了血液试样后的规定定时由电压输出部9对定量用作用极102a施加了以定量用对极102b为基准的规定电位时获得的氧化电流。
[0060]当在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间扫描了由电压输出部9施加的电压时，定量部8d基于由计测部Sc计测出的响应电流相对于所扫描的施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值。具体而言，通过预先计测当在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间扫描了由电压输出部9施加的电压时通过计测部Sc计测的响应电流与血液试样的血球压积值之间的关系，来导出用于根据由计测部Sc计测出的响应电流的增加率、响应电流的至少两个时刻下的电流值之比等来换算血球压积值的换算式，并预先储存到存储部5中。而且，根据由计测部Sc计测出的响应电流的增加率、响应电流的至少两个时刻下的电流值之比等，并基于存储部5中储存的换算式，由定量部8d导出血液试样的血球压积值。
[0061]另外，在向腔室104供给了血液试样后的规定定时,定量部8d基于由电压输出部9对定量用作用极102a施加了以定量用对极102b为基准的规定电位时由计测部Sc计测的氧化电流，来进行血液试样中的测量对象物质的定量。具体而言，通过预先计测当由电压输出部9对定量用作用极102a施加了以定量用对极102b为基准的规定电位时通过计测部8c计测的氧化电流与血液试样所含的测量对象物质的浓度之间的关系，来导出用于根据由计测部8c计测出的氧化电流来换算浓度的换算式，并预先储存到存储部5中。然后，根据由计测部8c计测出的氧化电流，并基于存储部5中储存的换算式，由定量部8d进行测量对象物质的定量。
[0062]其中，当由电压输出部9对定量用作用极102a施加了以定量用对极102b为基准的规定电位时通过计测部8c计测的氧化电流的大小取决于测量对象物质的浓度以及血液试样的血球压积值。因此，存储部5中储存有:用于基于血液试样的血球压积值来修正浓度的修正式，所述浓度是基于用于根据氧化电流的大小来换算测量对象物质的浓度的换算式而计算出的浓度；按每个血球压积值的测量对象物质的浓度换算用的多个换算式。然后，基于向定量用作用极102a以及定量用对极102b间施加了规定电压时的氧化电流与在该氧化电流的计测之前测量出的血液试样的血球压积值，来进行测量对象物质的定量。
[0063]报告部8e通过将定量部8d的定量结果显不于显不部3或从扬声器4输出表不测量已结束的警报来进行报告。
[0064]<传感器芯片>
[0065]如图2以及图3所示，传感器芯片100分别由陶瓷、玻璃、塑料、纸、生分解性材料、聚对苯二甲酸乙二醇酯等绝缘性材料形成，形成有电极层110、形成有空气孔106的覆盖层130、用于形成腔室104的狭缝105，其中，上述电极层110设有测量作用极101a、测量用对极10lb、定量用作用极102a以及定量用对极102b，如图2(a)所示，被配置成由电极层110以及覆盖层130夹持的隔离物层120通过以前端侧对齐的状态层叠并粘合而形成。而且，通过从后端侧插入到测量器2的规定的插入口来进行安装，使得传感器芯片100被安装于测量器2。
[0066]在该实施方式中，电极层110由利用聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的基板形成。另夕卜，对通过网版印刷或溅射蒸镀法在电极层110的基板上形成的由钼、金、钯等贵金属或碳、铜、铝、钛、ΙΤ0、Ζη0等导电性物质构成的电极膜实施基于激光加工或光刻法的图案形成处理，由此设置了在测量用作用极IOla及测量用对极IOlb以及定量用作用极102a及定量用对极102b和传感器芯片100被安装于测量器2时与各电极101a、101b、102a的每一个和测量器2电连接的电极图案107a、107b、108a、108b。
[0067]另外，测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb的组被配置于与在传感器芯片100的前端形成的试样导入口 104a接近的上游侧，定量用作用极102a以及定量用对极102b的组被配置于远离试样导入口 104a的下游侧。
[0068]另外，隔离物层120由利用聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的基板形成，在基板的前端边缘部的大致中央形成有用于形成腔室104的狭缝105，如图2(a)所示，与电极层110以前端对齐的状态层叠并粘合。
[0069]反应层103是通过在层叠覆盖层130之前，对一部分在向电极层110层叠隔离物层120而形成的腔室104露出的定量用作用极102a以及定量用对极102b滴落含有羧甲基纤维素或明矾等增粘剂、酶、介质、氨基酸或有机酸等添加物的试剂来形成的。另外，为了顺利地向腔室104供给血液等血液试样，在腔室104内壁涂敷界面活性剂或磷脂等亲水剂。
[0070]作为酶，能够使用葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、胆固醇氧化酶、醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、果糖基氨基酸氧化酶、丙酮酸氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、羟基酪酸脱氢酶、胆固醇酯酶、肌酐酶、肌酸酶、DNA聚合酶等，通过根据想要检测这些酶的测量对象物质进行选择，能够形成各种传感器。
[0071]例如，如果使用葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶则可形成检测血液试样中的葡萄糖的葡萄糖传感器，如果使用醇氧化酶或者醇脱氢酶则可形成检测血液试样中的乙醇的乙醇传感器，如果使用乳酸氧化酶则可形成检测血液试样中的乳酸的乳酸传感器，如果使用胆固醇酯酶与胆固醇氧化酶的混合物则可形成总胆固醇传感器。
[0072]作为介质，可使用铁氰化钾、二茂铁、二茂铁衍生物、苯醌、醌衍生物、锇络合物、钌络合物等。
[0073]作为增粘剂，可使用羧甲基纤维素、羧甲基乙基纤维素、聚乙烯亚胺、DEAE纤维素、二甲氨基乙基葡聚糖、卡拉胶、海藻酸钠、葡聚糖等。作为亲水剂，可使用TritonXlOO (Sigma-Aldrich公司制造)、Tween20 (东京化成工业公司制造)、双(2-乙基己基)磺基丁二酸钠等界面活性剂、卵磷脂等磷脂。
[0074]另外，为了降低血液试样所含的离子浓度的偏差，也可以设置磷酸等缓冲剂。其中，反应层103只要以比一部分在腔室104露出的测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb的组靠下游侧配置的方式设于腔室104即可，对测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb只滴落亲水剂。另外，利用反应层103所含的增粘剂，可以防止在反应层103溶解于供给至腔室104的血液试样时，反应层103所含的酶、介质扩散到测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb附近。
[0075]覆盖层130由利用聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的基板形成，在基板上形成有被层叠于隔离物层120时与腔室104连通的空气孔106。而且，在反应层103形成于露出至腔室104的定量用作用极102a以及定量用对极102b上之后，通过覆盖层130被层叠于隔离物层120并粘合，从而形成为了将血液试样向腔室104供给而在前端形成有与腔室104连通的试样导入口 104a的传感器芯片100。
[0076]在该实施方式中，生物传感器系统I的形成目的在于进行血液中的葡萄糖的定量，含有葡萄糖氧化酶作为与作为测量对象物质的葡萄糖发生特异性反应的酶，在露出至腔室104的定量用作用极102a以及定量用对极102b设有反应层103，该反应层103含有铁氰化钾作为介质，该介质被根据测量对象物即葡萄糖与葡萄糖氧化酶的反应所生成的电子还原而成为还原物质。
[0077]在如此构成的传感器芯片100中，通过使血液试样与前端的血液试样导入口 104a接触，血液试样基于毛细管现象被向空气孔106吸引来向腔室104供给血液试样。而且，通过反应层103溶解于被供给至腔室104的血液试样，基于血液试样中的作为测量对象物质的葡萄糖与葡萄糖氧化酶的酶反应而释放出电子，铁氰化离子被释放出的电子还原而生成作为还原物质的亚铁氰化离子。
[0078]若血液试样被供给至腔室104，则测量器2通过计测对施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压进行扫描而得到的响应电流，来测量血液试样的血球压积值。另外，通过对传感器芯片100的定量用作用极102a与定量用对极102b之间施加电压而以电化学方式氧化基于反应层103溶解于血液试样而发生的氧化还原反应所生成的还原物质，由此在定量用作用极102a与定量用对极102b之间流动氧化电流，测量器2通过计测该氧化电流来进行血液试样中的葡萄糖的定量。
[0079]此外，在该实施方式中，传感器芯片100形成为具有定量用作用极102a以及定量用对极102b的双极电极构造，但也可以通过进一步设置参照极来将传感器芯片100形成为三极电极构造。该情况下，只要以使定量用对极102b接地并利用电压输出部9对参照极施加了参照电位的状态，对定量用作用极102a施加以定量用对极102b为基准的规定电位即可。
[0080]另外，在该实施方式中，构成为通过监视因对测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间施加规定电压而在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间流动的电流，来检测向腔室104供给了血液试样，但也可以同样地通过监视在定量用作用极102a与定量用对极102b之间流动的电流值，来检测向设于传感器芯片100的腔室104供给了血液试样。另外，也可以进一步设置血液试样检测用电极，通过对测量用对极IOlb或者定量用对极102b与血液试样检测用电极之间施加规定电压，来监视在测量用对极102b或者定量用对极102b与血液试样检测用电极之间流动的电流，由此检测向腔室104供给了血液试样。另外，为了能够视觉确认血液试样被供给至腔室104，优选为形成传感器芯片100的电极层110、隔离物层120以及覆盖层130中的至少覆盖层130由透明的部件形成。
[0081]<血球压积值的测量原理>
[0082]接下来，对被供给至传感器芯片100的腔室104的血液试样的血球压积值的测量原理进行说明。[0083]如图4以及图5所示，当对施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压进行了扫描时得到的响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性取决于血液试样的血球压积值。即，如图4所示那样例如以20V/秒的增加率使施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压线性地向正方向增大0.1秒并对其扫描而得到的响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性如图5所不,在血球压积值为0%时最佳(图5中的?标记)，随着血球压积值增加至20% (图5中的□标记)一40% (图5中的Λ标记)一60% (图5中的X标记)而变差。
[0084]因此，通过预先计测对施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压进行扫描而得到的响应电流与血球压积值之间的关系，并计测向传感器芯片100的腔室104供给了血液试样时的实际的响应电流,能够测量血液试样的血球压积值。
[0085]此外，在为了测量血球压积值而计测响应电流时，也可以使施加于测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb的电压沿正方向单调增大。由此，由于通过从最初开始对两个电极IOlaUOlb间施加高电压，能够防止因血液试样中的各种物质进行电化学反应而产生电流，所以能够将在测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb间流动的电容性的电流作为响应电流高精度计测。
[0086]具体而言，能够使对测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间施加的电压，
[0087]a)线性增大，
[0088]b)相对于初始电位以tn(t:时间，η:常量)的增加率增大，
[0089]c)相对于初始电位以At:时间，a:常量)的增加率增大，
[0090]d)相对于初始电位以ln(t) (t:时间)的增加率增大，
[0091]e)相对于初始电位以sin (at) (t:时间，a:常量，O < at < Ji /2)的增加率增大，
[0092]f)通过以矩形波近似而以a)?e)的增加率增大，
[0093]g)将a)?e)的增加率组合来增大，也可以可使施加电压任意增大。
[0094]例如，通过如a)那样使施加电压线性增大并进行扫描，能够通过低成本的简单电路构成的电压输出部9容易地扫描对测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb之间施加的电压，因此是实用的。
[0095]另外，由于通过例如以IV/秒?100V/秒的范围的增加率使对两个电极101a、IOlb间施加的电压高速线性增大并进行扫描，使得血液试样中的移动速度慢的红血球的影响被更有效地表现于响应电流的追随性，所以能够实现提高通过计测响应电流而实现的血球压积值的测量精度。
[0096]另外，使用扫描施加于测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间的电压变为规定电压值的定时下的响应电流的电流值，例如施加电压变为水的分解电压以上的2.0V的定时下的响应电流的电流值，能够测量血球压积值，但也可以基于响应电流的至少两个时刻下的电流值的增加率或比值来测量血球压积值。
[0097]由此，虽然响应电流中含有与取决于血球压积值的电流分量不同的各种背景分量，但通过基于响应电流的至少两个时刻下的电流值的增加率来计算血球压积值，能够通过减去响应电流所含的背景分量的影响来将其除去。
[0098]另外，虽然响应电流中含有取决于环境温度的误差分量，但由于即使扫描针对两个电极IOlaUOlb的施加电压，响应电流的温度依存特性也不发生变化，所以通过基于响应电流的至少两个时刻下的电流值之比来计算血球压积值，能够除去响应电流所含的取决于环境温度的误差分量。
[0099]另外，也可以在基于响应电流的至少两个时刻下的电流值之比来计算血球压积值时，各电流值的至少一个为施加电压是比水的分解电压小的电压值时的计测值，至少一个为施加电压是水的分解电压以上的电压值时的计测值。由此，由于通过水进行电解而引起的电流分量之比变大，所以能够更有效地计测尤其是施加电压比水的分解电压小时的响应电流所含的取决于血球压积值的电流分量，能够实现血球压积值的测量精度的提高。
[0100]此外，在基于响应电流的规定定时下的一个电流值来测量血球压积值的情况下，如果对两个电极IOlaUOlb间施加的电压为水的分解电压以上、即为IV以上，则由于响应电流的电流值增大，所以能够更高精度地测量血球压积值。
[0101]另外，由于若对两个电极101a、101b间施加的电压为水的分解电压以上则响应电流的电流值增大，所以例如通过基于施加电压从1.8V增大至2.0V时的响应电流的增加率来测量血球压积值，能够更高精度地测量血球压积值。另外，在基于两个以上时刻下的响应电流的电流值之比来测量血球压积值的情况下，可以如上述那样，基于两个电极IOlaUOlb间的施加电压为小于水的分解电压的例如0.5V时的响应电流的电流值与两个电极101a、IOlb间的施加电压为水的分解电压以上的例如2.0V时的响应电流的电流值之比来测量血球压积值。
[0102]<计测处理>
[0103]接下来，说明在生物传感器系统I中执行的对血液试样中的葡萄糖进行定量的计测处理的一个例子。若通过省略图示的检测电路检测到传感器芯片100被安装到测量器2，则对测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间施加用于检测血液试样被供给至传感器芯片100的腔室104的血液试样检测用电压(步骤SI)。然后，若血液试样被供给至腔室104、测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb因血液试样而发生液体间电路连接(liquidjunction),则由于在测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间流动的电流增大,所以可检测出电阻值的变化，由此，通过检测部8a检测出血液试样被供给至腔室104 (步骤S2)。
[0104]若通过检测部8a检测出血液试样被供给至腔室104，则利用电压输出部9对测量用作用极IOla与测量用对极IOlb之间施加血球压积值(Hct)测量用的电压(步骤S3)，利用计测部8c在规定的定时计测响应电流(步骤S4)。
[0105]接下来，利用电压输出部9对定量用作用极102a与定量用对极102b之间施加葡萄糖浓度(血糖值)测量用的电压(例如0.3V)(步骤S5)，利用计测部Sc计测从被施加电压起经过规定时间(3?5秒)后的氧化电流的电流值(步骤S6)。
[0106]然后，基于计测出的响应电流的电流值，由定量部8d导出血球压积值，并基于导出的血球压积值以及计测出的氧化电流的电流值和在存储部5中存储的换算式，由定量部Sd进行血液试样所含的葡萄糖的定量，基于利用报告部Se报告测量结果来结束处理。
[0107]如上所述，由于计测对传感器芯片100所具备的测量用作用极IOla与测量用对极10 Ib之间被施加的电压进行扫描而得到的响应电流，并基于响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值，所以不需要如以往的血球压积值的测量方法那样为了测量血球压积值而等待至氧化还原物质的氧化还原反应稳定为止，能够在短时间内测量血液试样的血球压积值。另外，由于测量血球压积值时不需要氧化还原物质，所以能够以低成本测量血球压积值。
[0108]另外，由于基于血球压积值以及还原物质的氧化电流来进行测量对象物质的定量，所以能够除去血液试样的血球压积值的影响来高精度地
[0109]另外，在传感器芯片100的电极层110中，包括测量用作用极IOla及测量用对极IOlb以及定量用作用极102a及定量用对极102b的电极系统被设成各电极101a、101b、102a、102b的一部分在腔室104露出。因此，能够提供一种计测对测量作用极IOla以及测量用对极IOlb施加的电压进行扫描而得到的响应电流，基于响应电流相对于被扫描的施加电压的时间变化的追随性，能够在短时间内以低成本测量血液试样的血球压积值的传感器芯片100。
[0110]另外，传感器芯片100的测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb的组被配置在接近于试样导入口 104a的上游侧，定量用作用极102a以及定量用对极102b的组被配置在远离试样用导入口 104a的下游侧，并且，含有与血液试样中所含的测量对象物质发生特异性反应的酶的反应层103以比测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb的组配置在下游侧的方式设于腔室104。因此,在从试样用导入口 104a向腔室104供给了血液试样时，由于反应层103被配置在比测量用作用极IOla以及测量用对极IOlb靠下游侧的位置，所以能够抑制因反应层103溶解于血液试样而生成的物质对通过测量用作用极IOla与测量用对极10 Ib之间被施加电压来实现的血球压积值的测量造成影响。
[0111]此外，本发明并不限定于上述的实施方式，只要不脱离其主旨便能够进行上述实施方式以外的各种变更，例如可以通过对上述的传感器芯片100的反应层103所含的酶以及介质的组合进行变更来形成乙醇传感器或乳酸传感器等。另外，反应层103中不必一定含有介质，该情况下，只要计测通过葡萄糖等测量对象物质的酶反应而产生的过氧化氢或酶的还原体等还原物质被氧化所形成的氧化电流即可。
[0112]另外，上述的实施方式中的计测定时以及施加电位的大小等都是一个例子，只要根据测量对象物质的种类、反应层103所含的酶或介质的种类等适当地设定最佳值，以使响应电流以及氧化电流被以足够的大小计测即可。
[0113]工业上的可利用性
[0114]本发明能够应用于进行使用各种传感器芯片的测量的血球压积值的测量方法以及定量分析方法。
[0115]附图标记说明
[0116]100 一传感器芯片；101a —测量用作用极；101b —测量用对极；102a —定量用作用极；102b —定量用对极；103 —反应层；104 —腔室；104a —试样导入口 ；105 —狭缝；110 —电极层；120 —隔尚物层；130 —覆盖层。
【权利要求】
1.一种血球压积值的测量方法，其是使用了具备电极系统的传感器芯片的血液试样的血球压积值的测量方法，所述电极系统包括测量用作用极以及测量用对极，所述血球压积值的测量方法的特征在于， 计测对施加在所述测量用作用极与所述测量用对极之间的电压进行扫描而得到的响应电流，基于所述响应电流相对于被扫描的所述施加电压的时间变化的追随性来导出血球压积值。
2.根据权利要求1所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 使所述施加电压沿正方向增大来对其进行扫描。
3.根据权利要求1或2所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 基于所述响应电流的至少两个时刻下的电流值的增加率来计算所述血球压积值。
4.根据权利要求1或2所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 基于所述响应电流的至少两个时刻下的电流值之比来计算所述血球压积值。
5.根据权利要求4所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 所述各电流值的至少一个为所述施加电压是比水的分解电压小的电压值时的计测值，至少另一个为所述施加电压是所述水的分解电压以上的电压值时的计测值。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 使所述施加电压线性增大来对其进行扫描。
7.根据权利要求6所述的血球压积值的测量方法，其特征在于， 使所述施加电压以IV/秒?IOOV/秒的范围的增加率线性增大来对其进行扫描。
8.一种定量分析方法，其特征在于，具备: 使用权利要求1至7中任意一项所述的血球压积值的测量方法来测量所述血液试样的血球压积值的步骤； 对所述电极系统所具有的定量用作用极和定量用对极间之间施加电压，来氧化由所述血液试样中的测量对象物质与含有和所述测量对象物质发生特异性反应的酶的反应层进行反应所生成的还原物质，并对由此得到的氧化电流进行计测的步骤；和 基于所述血球压积值以及所述氧化电流来进行所述测量对象物质的定量的步骤。
9.一种传感器芯片，其通过层叠电极层、覆盖层、被配置成由电极层及覆盖层夹持的隔离物层而成，并具备由所述电极层以及所述覆盖层和形成于所述隔离物层的狭缝形成的腔室和与所述腔室连通的试样导入口，所述传感器芯片的特征在于， 在所述电极层中，含有测量用作用极及测量用对极以及定量用作用极及定量用对极的电极系统被设成所述各电极的一部分在所述腔室露出， 所述测量用作用极以及所述测量用对极的组被配置在接近于所述试样导入口的上游侦牝所述定量用作用极以及所述定量用对极的组被配置在远离所述试样用导入口的下游侦牝并且，含有与血液试样中所含的测量对象物质发生特异性反应的酶的反应层以比所述测量用作用极以及所述测量用对极的组靠下游侧配置的方式设于所述腔室。
【文档编号】G01N27/416GK103946702SQ201280055942
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年7月10日 优先权日:2011年11月18日
【发明者】大江秀明, 高木纯, 横山宪二, 平塚淳典, 吉田信行, 佐佐木典子 申请人:株式会社村田制作所