JP2004251900A - 化学センサによる測定方法、ならびに化学センサ型測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 化学センサを使用開始する際、乾燥状態の化学センサを保存液とする緩衝液中に浸漬した後、作用極と参照極との間に測定電位と同一方向の電位であって、測定電位よりも大きな絶対値を示す第一の初期処理電位を、第一の初期処理時間の間印加し、引き続き、測定電位と同一の第二の初期処理電位に変更して、この第二の初期処理電位を第二の初期処理時間の間印加する二段階の初期処理操作を施すことで、センサ感度特性の安定化が達成される。
【選択図】 図3
Description
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサを用いて、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方法であって、
前記化学センサに対して、待機中、保存液とする所定の組成の緩衝液中に浸漬し、作用極と参照極との間に所定の測定電位を印加して保持し、
測定時には、前記緩衝液に代えて、測定試料中に浸漬し、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位を利用する、電気化学的反応によって発生する電流量変化に基づき、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方式による測定方法であり、
該化学センサを使用開始する際、
乾燥状態の該化学センサを前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた後、
作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す第一の初期処理電位を印加して、該化学センサを所定の第一の初期処理時間の間、前記緩衝液中にて保持する第一の初期処理工程と、
該第一の初期処理工程の終了後、前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二の初期処理電位に変更して、前記化学センサを該待機状態で保持する第二の初期処理工程とを設け、
該第二の初期処理工程を終えた後、該化学センサを測定試料の測定に供する手順を具えることを特徴とする化学センサによる測定方法である。その際、該第一の初期処理工程の終了後、前記第二の初期処理工程において、所定の第二の初期処理時間の間、該化学センサを待機状態にて保持することが好ましい。
前記化学センサには、作用極上に酵素を固定化してなる固定化酵素膜層を設け、
前記特定物質が該酵素の基質物質であり、
測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定は、該酵素を特定物質に作用させて、特定物質より該酵素反応産物を生成させ、定量的に生成する該酵素反応産物に対する、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位を利用する、電気化学的反応によって発生する電流量変化に基づき、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方式による測定方法であり、
前記化学センサは、作用極と参照極に加えて、さらに対極を有し、
該参照極は、前記緩衝液と接触した際、両者間に所定の化学ポテンシャル差を有する材料で構成され、
該参照極を基準として、作用極と参照極との間に、所望の電位が印加する状態として、
前記測定電位、第一の初期処理電位、第二の初期処理電位の印加は、
前記緩衝液中における対極の電位を、参照極と等しい電位に設定した上で、
作用極の電位を、作用極と参照極との間の電位差が、それぞれ前記測定電位、第一の初期処理電位、第二の初期処理電位に相当する電位差を与えるように設定する形態とすることが好ましい。
測定に際して、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位は、
前記緩衝液中において、該参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、400〜700mVの範囲に選択される作用極の電位で得られる印加電位であることが望ましい。
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、該作用極上において水の電気分解反応の開始する印加電位を印加電位最上限値と、前記測定電位を印加電位最下限値と、それぞれ定義し、
該印加電位上限値と印加電位下限値との差異で定義される最上限・最下限電位差を用いて、
前記測定電位よりも、該最上限・最下限電位差の10%以上大きな印加電位であって、前記印加電位上限値よりも、少なくとも200mV以上小さな印加電位の範囲に選択することも好ましい。
前記第一の初期処理工程において、作用極と参照極との間に印加される前記第一の初期処理電位は、
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、
前記測定電位よりも、少なくとも100mV以上大きな印加電位であって、900mVを超えない範囲に選択することも好ましい。
前記第一の初期処理工程において、作用極と参照極との間に印加される前記第一の初期処理電位は、
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、
少なくとも、750mV〜900mVの範囲に選択し、
前記第一の初期処理時間を4時間以下、少なくとも、1時間を下回らない範囲に選択することがより好ましい。また、前記第二の初期処理時間を、少なくとも、1時間を下回らない範囲に選択することが望ましい。加えて、前記第一の初期処理時間と第二の初期処理時間とを加えた合計を、6時間以下に選択することがより望ましい。
前記化学センサは、作用極と参照極に加えて、さらに対極を有する3極方式のセンサであり、
該作用極、対極、参照極は、絶縁性基板上に形成されており、
少なくとも、作用極の表面上に固定化された酵素膜層を設けてなる酵素電極を利用する電流検出型化学センサであることがより好ましい。
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサを用いて、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方法であって、
前記化学センサに対して、待機中、保存液とする所定の組成の緩衝液中に浸漬し、作用極と参照極との間に所定の測定電位を印加して保持し、
測定時には、前記緩衝液に代えて、測定試料中に浸漬し、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位を利用する、電気化学的反応によって発生する電流量変化に基づき、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方式による測定方法であり、
該化学センサを、所定の期間使用する毎に、
待機状態の該化学センサについて、前記緩衝液中に浸漬し、少なくとも、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、
作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す第一のリフレッシュ処理電位を印加して、該化学センサを前記緩衝液中にて、所定の第一のリフレッシュ処理時間保持する第一のリフレッシュ処理工程と、
該第一のリフレッシュ処理工程の終了後、前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二のリフレッシュ処理電位に変更して、前記化学センサを第二のリフレッシュ処理時間、待機状態に保持とするリフレッシュ待機処理工程とを設け、
該リフレッシュ待機処理工程を終えた後、再び該化学センサを測定試料の測定に供する手順を具えることを特徴とする化学センサによる測定方法である。
すなわち、本発明にかかる第一の化学センサ型測定装置は、
上述する本発明にかかる第一の化学センサによる測定方法に従った測定動作が可能な化学センサ型測定装置であって、
該測定装置は、
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサと、
少なくとも、前記作用極と参照極との間に電位を印加する手段と、該化学センサにより測定される信号を検出する手段とを具える信号検出回路に加えて、
該化学センサを使用開始する際に、
乾燥状態の該化学センサを前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す前記第一の初期処理電位を、前記第一の初期処理時間の間印加する機構と、
引き続き、該化学センサを前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二の初期処理電位に変更して、該第二の初期処理電位を前記第二の初期処理時間の間印加する機構と、
前記二段階の初期処理操作を終了した時点で、それ以降測定可能となった旨を報知する機構を具える報知装置とを具えることを特徴とする化学センサ型測定装置である。
上述する本発明にかかる第二の化学センサによる測定方法に従った測定動作が可能な化学センサ型測定装置であって、
該測定装置は、
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサと、
少なくとも、前記作用極と参照極との間に電位を印加する手段と、該化学センサにより測定される信号を検出する手段とを具える信号検出回路に加えて、
該化学センサを、所定の期間使用する毎に、
待機状態の該化学センサについて、前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す前記第一のリフレッシュ処理電位を、前記第一のリフレッシュ処理時間の間印加する機構と、
引き続き、該化学センサを前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二のリフレッシュ処理電位に変更して、該第二のリフレッシュ処理電位を前記第二のリフレッシュ処理時間の間印加する機構と、
前記二段階のリフレッシュ処理操作を終了した時点で、それ以降再び測定可能となった旨を報知する機構を具える報知装置とを具えることを特徴とする化学センサ型測定装置である。
図1は、本発明にかかる第1の実施形態に用いる化学センサ構成の一例を模式的に示す断面図である。図1に示す化学センサは、3極方式の化学センサに構成されており、絶縁性基板1上に、導体からなる作用極2および対極3、ならびに、参照極4が形成されている。これら3極方式の電極系の上には、酵素膜5が形成されており、所謂、酵素電極型の化学センサとされている。なお、この酵素電極では、酵素膜5を固定化する際、電極系と酵素膜5との間に、接着層6を設けている。絶縁性基板1は液透過性を示さず、電極系と液との接触は、液透過性を有する酵素膜5と接着層6とを介して達成される。
酵素電極型化学センサとして、図1に示す構成を示す、グルコースセンサを用いた。この酵素電極型化学センサの電極系は、Ptの作用極2、対極3、Ag/AgClの参照極4で構成される3極方式とした。酵素膜5は、グルコースオキシターゼを、アルブミンとグルタルアルデヒドのマトリックスに固定化して形成した。酵素膜5と電極の間には、接着層6としてシランカップリング剤を介在させた。この酵素電極型化学センサを、プラスティック製のカートリッジ7に液密に封入し用いた。カートリッジ7には、グルコースセンサの感応部だけが液と触れるように、窓8を設けた。今後、特に断らない限りカートリッジ7は、かかる酵素電極型化学センサを含むものと定義する。
乾燥状態のセンサを測定器本体9に接続してから、
(i)センサが保存液に浸漬される位置に設置(リードスイッチ等で検知)
(ii)電位を印加せずに5分間保持
→有機膜全体が十分に保存液で濡れていない状態で電位を印加すると膜破壊を起こすため。
(iii)750mVで3時間保持
(iv)450mVで1時間保持
(v)450mVはそのままだが、測定器本体部のインジケータが「測定可」となる。
のような、ソフト的な電位印加タイミング制御、ならびに、それに利用するリードスイッチ等で検知機構、測定器本体部のインジケータ部の追加など、ハード的な変更がなされる。
図5は、本発明にかかる第2の実施形態に用いる化学センサ構成の一例を模式的に示す断面図である。図2に示す化学センサは、3極方式の化学センサに構成されており、絶縁性基板1上に、導体からなる作用極2および対極3、ならびに、参照極4が形成されている。これら3極方式の電極系の上には、酵素膜5が形成されており、所謂、酵素電極型の化学センサとされている。なお、この酵素電極では、酵素膜5の表面側に制限透過膜11を、また、酵素膜5の電極側には選択透過膜12を設けてあり、これらの膜を固定化する際、電極系と選択透過膜12との間に、接着層6を設けている。絶縁性基板1は液透過性を示さず、電極系と液との接触は、液透過性を有する、制限透過膜11、酵素膜5、選択透過膜12、ならびに接着層6とを介して達成される。この最表面に制限透過膜を具える、酵素電極を利用する酵素電極型化学センサの具体例は、例えば、特許掲載公報第2943700号に開示されている。
本実施例2では、酵素電極型化学センサとして、図5に示す構成を示す、グルコースセンサを用いた。この酵素電極型化学センサの電極系は、Ptの作用極2、対極3、Ag/AgClの参照極4で構成される3極方式とした。酵素膜5は、グルコースオキシターゼを、アルブミンとグルタルアルデヒドのマトリックスに固定化した固定化酵素膜であり、電極上に、接着層6としてシランカップリング剤を介在させて、イオン交換樹脂からなる選択透過膜12を、引き続き、酵素膜5を設け、最表面を、フッ素系樹脂からなる制限透過膜11で被覆する形態とされている。この酵素電極型化学センサを、プラスティック製のカートリッジ7に液密に封入し用いた。カートリッジ7には、グルコースセンサの感応部だけが液と触れるように、窓8を設けた。
図5に示す選択透過膜12と制限透過膜11を設ける構成の酵素電極型化学センサについても、上述する第2の実施形態に記載する初期処理操作を施すことで、使用開始から安定したセンサ感度が得られるものの、その後、長期間使用すると、徐々にセンサ感度が低下してくることが分かった。
実施例2と同じ構造のグルコースセンサ10本を用いて、2ヶ月に渡り、公称グルコース濃度280mg/dlのコントロール尿(Baio Rad社製アブノーマル)を、定期的に測定した。10本のセンサを、5本ずつの群に分け、一方の群は、1週間に一度、リフレッシュ処理として、基準とする参照極4に対して、作用極2に測定電位より高い750mVの電位を印加して、30分間保持した後、作用極2に印加する電位を、測定電位と同じ450mVに変更し、30分以上経過した時点で、測定を行った。一方、他方の群は、かかるリフレッシュ処理は施さず、待機状態の際にも、作用極2に測定電位と同じ450mVの定電位を連続印加した。
2 作用極
3 対極
4 参照極
5 酵素膜
6 接着層
7 カートリッジ
8 窓
9 本体
10 報知装置
11 制限透過膜
12 選択透過膜
101 セル
102 酵素膜
103 作用極
104 対極
Claims (13)
- 少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサを用いて、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方法であって、
前記化学センサに対して、待機中、保存液とする所定の組成の緩衝液中に浸漬し、作用極と参照極との間に所定の測定電位を印加して保持し、
測定時には、前記緩衝液に代えて、測定試料中に浸漬し、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位を利用する、電気化学的反応によって発生する電流量変化に基づき、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方式による測定方法であり、
該化学センサを使用開始する際、
乾燥状態の該化学センサを前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた後、
作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す第一の初期処理電位を印加して、該化学センサを所定の第一の初期処理時間の間、前記緩衝液中にて保持する第一の初期処理工程と、
該第一の初期処理工程の終了後、前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二の初期処理電位に変更して、前記化学センサを該待機状態で保持する第二の初期処理工程とを設け、
該第二の初期処理工程を終えた後、該化学センサを測定試料の測定に供する手順を具えることを特徴とする化学センサによる測定方法。 - 該第一の初期処理工程の終了後、前記第二の初期処理工程において、所定の第二の初期処理時間の間、該化学センサを待機状態にて保持することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記化学センサは、作用極と参照極に加えて、さらに対極を有し、
該参照極は、前記緩衝液と接触した際、作用極との間に所定の化学ポテンシャル差を有する材料で構成され、
該参照極を基準として、作用極の電位を設定することで、作用極と参照極との間に、所望の電位が印加する状態として、
前記測定電位、第一の初期処理電位、第二の初期処理電位の印加は、
前記緩衝液中における参照極の電位と作用極の電位との間の電位差が、それぞれ前記測定電位、第一の初期処理電位、第二の初期処理電位に相当する電位差を与えるように設定することを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記参照極として、銀/塩化銀電極を用い、作用極と対極とを白金電極とし、
測定に際して、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位は、
前記緩衝液中において、該参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、400〜700mVの範囲に選択される作用極の電位で得られる印加電位であることを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記第一の初期処理工程において、作用極と参照極との間に印加される前記第一の初期処理電位は、
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、該作用極と対極とにおいて水の電気分解反応の開始する印加電位を印加電位最上限値と、前記測定電位を印加電位最下限値と、それぞれ定義し、
該印加電位上限値と印加電位下限値との差異で定義される最上限・最下限電位差を用いて、
前記測定電位よりも、該最上限・最下限電位差の10%以上大きな印加電位であって、前記印加電位上限値よりも、少なくとも200mV以上小さな印加電位の範囲に選択することを特徴とする請求項3また4に記載の方法。 - 前記参照極として、銀/塩化銀電極を用い、作用極と対極とを白金電極とする際、
前記第一の初期処理工程において、作用極と参照極との間に印加される前記第一の初期処理電位は、
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、
前記測定電位よりも、少なくとも100mV以上大きな印加電位であって、900mVを超えない範囲に選択することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記参照極として、銀/塩化銀電極を用い、作用極と対極とを白金電極とする際、
前記第一の初期処理工程において、作用極と参照極との間に印加される前記第一の初期処理電位は、
前記緩衝液中において、参照極とする銀/塩化銀電極を基準として、
少なくとも、750mV〜900mVの範囲に選択し、
前記第一の初期処理時間を4時間以下、少なくとも、1時間を下回らない範囲に選択することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記第二の初期処理時間を、少なくとも、1時間を下回らない範囲に選択することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記第一の初期処理時間と第二の初期処理時間とを加えた合計を、6時間以下に選択することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記化学センサは、作用極と参照極に加えて、さらに対極を有する3極方式のセンサであり、
該作用極、対極、参照極は、絶縁性基板上に形成されており、
少なくとも、作用極の表面上に固定化された酵素膜層を設けてなる酵素電極を利用する電流検出型化学センサであることを特徴とする請求項3〜9に記載の方法。 - 少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサを用いて、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方法であって、
前記化学センサに対して、待機中、保存液とする所定の組成の緩衝液中に浸漬し、作用極と参照極との間に所定の測定電位を印加して保持し、
測定時には、前記緩衝液に代えて、測定試料中に浸漬し、作用極と参照極との間に印加される前記測定電位を利用する、電気化学的反応によって発生する電流量変化に基づき、測定試料中に含有される特定物質の濃度を測定する方式による測定方法であり、
該化学センサを、所定の期間使用する毎に、
待機状態の該化学センサについて、前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と対極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、
作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す第一のリフレッシュ処理電位を印加して、該化学センサを前記緩衝液中にて、所定の第一のリフレッシュ処理時間保持する第一のリフレッシュ処理工程と、
該第一のリフレッシュ処理工程の終了後、前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二のリフレッシュ処理電位に変更して、前記化学センサを第二のリフレッシュ処理時間、待機状態に保持するリフレッシュ待機処理工程とを設け、
該リフレッシュ待機処理工程を終えた後、再び該化学センサを測定試料の測定に供する手順を具えることを特徴とする化学センサによる測定方法。 - 前記請求項2に記載の化学センサによる測定方法に従った測定動作が可能な化学センサ型測定装置であって、
該測定装置は、
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサと、
少なくとも、前記作用極と参照極との間に電位を印加する手段と、該化学センサにより測定される信号を検出する手段とを具える信号検出回路に加えて、
該化学センサを使用開始する際に、
乾燥状態の該化学センサを前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す前記第一の初期処理電位を、前記第一の初期処理時間の間印加する機構と、
引き続き、該化学センサを前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二の初期処理電位に変更して、該第二の初期処理電位を前記第二の初期処理時間の間印加する機構と、
前記二段階の初期処理操作を終了した時点で、それ以降測定可能となった旨を報知する機構を具える報知装置とを具えることを特徴とする化学センサ型測定装置。 - 前記請求項11に記載の化学センサによる測定方法に従った測定動作が可能な化学センサ型測定装置であって、
該測定装置は、
少なくとも作用極と参照極とを具える化学センサと、
少なくとも、前記作用極と参照極との間に電位を印加する手段と、該化学センサにより測定される信号を検出する手段とを具える信号検出回路に加えて、
該化学センサを、所定の期間使用する毎に、
待機状態の該化学センサについて、前記緩衝液中に浸漬し、前記作用極表面と参照極表面とを該緩衝液に接触させた状態で、作用極と参照極との間に、前記測定電位と同一方向の電位であって、該測定電位よりも大きな絶対値を示す前記第一のリフレッシュ処理電位を、前記第一のリフレッシュ処理時間の間印加する機構と、
引き続き、該化学センサを前記緩衝液中に浸漬したまま、作用極と参照極との間に印加する電位を前記測定電位と同一の第二のリフレッシュ処理電位に変更して、該第二のリフレッシュ処理電位を前記第二のリフレッシュ処理時間の間印加する機構と、
前記二段階のリフレッシュ処理操作を終了した時点で、それ以降再び測定可能となった旨を報知する機構を具える報知装置とを具えることを特徴とする化学センサ型測定装置。
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