JP4413060B2 - Chemical sensor and method for measuring concentration of chemical substance using the same - Google Patents
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本発明は、主に人体の血液や体液から、例えば水素イオン濃度(以下「pH」という。)などの化学的物質の濃度を測定し、酵母や細菌などの微生物による感染の有無を判定するケミカルセンサ及びこれを用いた化学的濃度の測定方法に関するものである。 The present invention is a chemical that measures the concentration of a chemical substance such as hydrogen ion concentration (hereinafter referred to as “pH”) mainly from human blood or body fluid to determine the presence or absence of infection by microorganisms such as yeast and bacteria. The present invention relates to a sensor and a chemical concentration measurement method using the sensor.
従来、人体が酵母や細菌などの微生物(バクテリア)による感染を受けた場合、その感染の有無につき血液のpH値の変化を調べることで行われていた。例えば、人体の血液のpH値は通常pH7.35からpH7.45であるが、バクテリア感染をしている場合にはpH7.0以下になるので、pH計を用いてpHで検定する方法がある(例として非特許文献1参照)。
この測定方法の一例に次のようなものがある。先ず、抗原抗体反応させた固相チップを測定部にセットすると、先ず尿素の入った基質溶液が流れてピロリ菌ウレアーゼと酵素反応する。尿素とピロリ菌ウレアーゼが反応することにより、アンモニアと炭酸ガスが生成する。次に基質溶液が逆流して、pHセンサによって、pHの変化が測定される。ピロリ菌ウレアーゼの量が多いほど、上記の反応によるアンモニアの生成量が増大し、それに伴って固相チップ内部の基質溶液のpHはアルカリ側に上昇する。実際は、逆流前後の基質溶液のpHを測定して、その差をΔpHとして表示する。 An example of this measuring method is as follows. First, when a solid-phase chip subjected to antigen-antibody reaction is set in the measurement part, first, a substrate solution containing urea flows and reacts with H. pylori urease. Reaction of urea and H. pylori urease produces ammonia and carbon dioxide. The substrate solution then flows back and the pH change is measured by the pH sensor. As the amount of H. pylori urease increases, the amount of ammonia produced by the above reaction increases, and the pH of the substrate solution in the solid-phase chip rises to the alkali side accordingly. Actually, the pH of the substrate solution before and after the backflow is measured, and the difference is displayed as ΔpH.
また、pH計のセンサ部を血液サンプルに浸漬するか、センサ部に直接滴下して、そのpH値を読みとる測定方法もある。 In addition, there is a measurement method in which the pH value is read by immersing the sensor unit of the pH meter in a blood sample or by dropping it directly on the sensor unit.
前者のピロリ菌の例では、抗原抗体反応の前処理とフロースルーシステムが必要で、手間と装置が大きく複雑なものとなっている。後者の血液サンプルを直接扱う方法では、pH値の絶対値を測定しているので、pHセンサ部の洗浄や標準液でのゼロ点構成などの操作が煩雑になるという課題が生じた。 In the former example of H. pylori, pretreatment of the antigen-antibody reaction and a flow-through system are necessary, and the labor and apparatus are large and complicated. In the latter method of directly handling a blood sample, since the absolute value of the pH value is measured, there arises a problem that operations such as washing of the pH sensor unit and a zero point configuration with a standard solution become complicated.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、繰り返し測定におけるセンサの洗浄を容易にすることにより、複数のサンプルの化学的物質の濃度をより正確に測定することを可能にしたケミカルセンサ及びこれを用いた化学的物質の濃度の測定方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and makes it possible to more accurately measure the concentration of chemical substances in a plurality of samples by facilitating cleaning of the sensor in repeated measurement. And a method for measuring the concentration of a chemical substance using the same.
上記課題を解決するために、本発明に係るケミカルセンサは、二つのセンサと参照電極を用いた回路構成において、前記センサ並びに参照電極を設けたセンサ部を覆うように交換可能な電解質膜を載せ、さらに、前記電解質膜上に片方の前記センサを覆うようにサンプル阻止膜を載せてあり、それらの上から測定サンプルを前記電解質膜に浸透若しくは透過させた際に、前記二つのセンサに測定サンプルが浸透若しくは透過する時間差から生じる検出値の差分を測定し、その差分の最大値又は前記センサから出力される信号の立ち上がり傾斜を用いて前記測定サンプルの化学的物質の濃度を測定するように構成してあることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a chemical sensor according to the present invention has a replaceable electrolyte membrane so as to cover a sensor portion provided with the sensor and the reference electrode in a circuit configuration using two sensors and a reference electrode. Further, a sample blocking film is placed on the electrolyte membrane so as to cover one of the sensors, and when the measurement sample permeates or permeates the electrolyte membrane from above, the measurement sample is passed to the two sensors. Measures the difference in the detection value resulting from the time difference that permeates or permeates, and measures the concentration of the chemical substance in the measurement sample using the maximum value of the difference or the rising slope of the signal output from the sensor It is characterized by being.
前記センサ並びに参照電極を同一基板に配置してあることを特徴とする。
また、前記電解質膜をゲル状の物質で構成してあることを特徴とする。
さらに、前記電解質膜を多孔性の物質で構成してあることを特徴とする。
The sensor and the reference electrode are arranged on the same substrate.
Further, the electrolyte membrane is made of a gel substance.
Further, the electrolyte membrane is made of a porous material.
前記二つのセンサでpHを検出するようにしてあることを特徴とする。 The pH is detected by the two sensors.
前記二つのセンサをISFETで構成してあることを特徴とする。
また、前記二つのISFETのドレイン電極を共通にし、電源電圧を一定に印加するように構成してあることを特徴とする。
さらに、前記二つのISFETのソース端子に同一の定電流源を設けてあり、二つのISFETのソース電流を一定とする回路構成にし、ソースフォロア回路による差動FET動作になるように構成してあることを特徴とする。
The two sensors are composed of ISFETs .
Further, the drain electrodes of the two ISFETs are made common and the power supply voltage is applied to be constant.
Further, the same constant current source is provided at the source terminals of the two ISFETs, the circuit configuration is such that the source currents of the two ISFETs are constant, and the differential FET operation is performed by the source follower circuit. It is characterized by that.
また、本発明に係る前記ケミカルセンサを用いた化学的物質の濃度の測定方法は、前記センサ並びに参照電極を設けたセンサ部を覆うように電解質膜を載せ、さらに、片方の前記センサを覆うように前記電解質膜上にサンプル阻止膜を載せ、その上から測定サンプルを前記電解質膜に浸透若しくは透過させて、前記二つのセンサに測定サンプルが浸透若しくは透過する時間差から生じる検出値の差分を測定し、その差分の最大値又は前記センサから出力される信号の立ち上がり傾斜を用いて前記測定サンプルの化学的物質の濃度を測定することを特徴とする。 Further, in the method for measuring the concentration of a chemical substance using the chemical sensor according to the present invention, an electrolyte membrane is placed so as to cover the sensor and a sensor portion provided with a reference electrode, and further, one of the sensors is covered. A sample blocking film is placed on the electrolyte membrane, and a measurement sample is allowed to permeate or permeate the electrolyte membrane from above, and a difference between detection values resulting from a time difference between the measurement sample permeating or permeating the two sensors is measured. , and measuring the concentration of a chemical substance in the measurement sample using a rising slope of the signal output from the maximum value or the sensor of the difference.
本発明によれば、ワンチップ上に、二つのセンサと参照電極を配置し、その上部にセンサ並びに参照電極を覆うように交換可能な電解質膜(シート)を載せ、さらにその膜上にサンプルを浸透若しくは透過させて、二つのセンサ信号の時間差から生じる検出値の差分を測定するようにしたことにより、サンプルのバクテリア感染の有無を判定することができるとともに、異なったサンプルを測定する場合、電解質膜を交換することにより、センサ部の洗浄が容易であるとともに、標準液でのゼロ点校正などの操作も不要になり、作業性が向上するという効果がある。 According to the present invention, two sensors and a reference electrode are arranged on a single chip, an exchangeable electrolyte membrane (sheet) is placed on the upper portion so as to cover the sensor and the reference electrode, and a sample is further placed on the membrane. By detecting the difference between the detected values resulting from the time difference between the two sensor signals by permeation or permeation, it is possible to determine the presence or absence of bacterial infection in the sample, and when measuring different samples, By exchanging the membrane, it is easy to clean the sensor part, and there is no need for an operation such as zero point calibration with a standard solution, thereby improving workability.
発明を実施するための最良の形態の説明図を図1及び図2に示す。このケミカルセンサは、図1に示すように、一つの基板11の一部に参照電極1を設置し、その近傍に二つのセンサ12,13を設置して、センサ部10を構成してある。センサ12,13及び参照電極1は測定回路に接続し、pHを検出して、測定回路に検出結果を送信するものである。
An explanatory diagram of the best mode for carrying out the invention is shown in FIGS. In this chemical sensor, as shown in FIG. 1, a reference electrode 1 is installed on a part of one
図1に示すように、ケミカルセンサは交換可能な電解質膜21を設けてある。なお、本実施例の電解質膜21はゲル状の物質で構成してあるが、多孔性の物質でもよい。この電解質膜21のほぼ半分の面上にサンプル阻止膜22を載せてあり、図2に示すように、サンプル阻止膜22を載せた電解質膜21がセンサ部10を覆うように載せ、サンプル阻止膜22が他方のセンサ13を覆うように載せてある。
As shown in FIG. 1, the chemical sensor is provided with a
以上のように構成してあるケミカルセンサによるpH測定方法について図2及び図3を用いて説明する。先ず、参照電極1及びセンサ部10を洗浄した状態で、サンプル阻止膜22を載置した電解質膜21をセンサ部10に載せる。この際、センサ部10を覆うように電解質膜21を載せ、さらに、他方のセンサ13を覆う電解質膜21上にサンプル阻止膜22を載せる。その上から測定サンプル溶液30を滴下して、二つのセンサ12,13のpH値の差で測定サンプル溶液30のpH変化を測定する。センサ12,13で測定したpH値は信号として測定部に出力される。
The pH measurement method using the chemical sensor configured as described above will be described with reference to FIGS. First, in a state where the reference electrode 1 and the
測定サンプル溶液30は電解質膜21の上面にサンプル阻止膜22を載せていない部分から先に浸透する。そのため、先ず一方のセンサ12でpH変化が起こる。このpH変化が起こっている間、変化するpH値を信号に変換して測定部に出力する。しばらくすると、サンプル阻止膜22により、測定サンプル溶液30が電解質膜21に横方向に拡散し浸透すると、他方のセンサ12でもpH変化が起こり、双方のセンサ12,13でpH値が同一になる。従って、双方のセンサ信号の差分はゼロになる。センサ12,13による測定サンプル溶液30のpH値判定は、双方の信号の差分を測定することにより求めるために、その差分の最大値を測定する。差分が最大に達した値を用いて測定サンプル溶液30のpH値を判定する。なお、差分の最大値の代わりに信号の立ち上がり傾斜から測定サンプル溶液30のpH値を判定することも可能である。
The
なお、この実施形態においては、pHのみに限定せず、グルコース濃度その他の化学的変化量も測定することができる。例えば、グルコール濃度を測定して血糖値や尿糖値を判定する場合は、電解質膜21に酵素を含めて酵素反応を利用して測定する手段を用いるとよい。
In this embodiment, not only the pH but also the chemical concentration such as glucose concentration can be measured. For example, when measuring the glucose concentration to determine the blood glucose level or the urine sugar level, it is preferable to use a means for measuring by using an enzyme reaction including an enzyme in the
実施例1の説明図を図4及び図5に示す。このケミカルセンサは、図4に示すように、センサ部をISFET40で構成してある。ISFET40はシリコン基板41の表面に絶縁膜42を覆って構成してあり、その一部に金属で構成した参照電極1を設置してある。ISFET40の表面には参照電極1で相対するようにゲート領域43,44を二つ設けてある。このゲート領域43,44で測定サンプルのpHを検出し、測定回路に検出結果を送信するものである。そのため、シリコン基板41上に2つのゲート領域43,44を設け、これらゲート領域43,44間に絶縁膜42を設けてある。一部の絶縁膜42上に参照電極1を載せ、全ての絶縁膜42の下面にはチャネルストッパ45を設けてある。参照電極1を載せた絶縁膜42に接するチャネルストッパ45の周縁にドレイン領域46を設けてあり、その他の絶縁膜42に接するチャネルストッパ45の周縁にはソース領域47を設けてあり、ISFETを2つ設ける構成にしてある。
An explanatory diagram of Example 1 is shown in FIGS. In this chemical sensor, as shown in FIG. The ISFET 40 is configured by covering the surface of a
図4に示すように、ケミカルセンサは交換可能な電解質膜21を設けてある。なお、本実施例の電解質膜21はゲル状の物質で構成してあるが、多孔性の物質でもよい。この電解質膜21のほぼ半分の面上にサンプル阻止膜22を載せてあり、図5に示すように、サンプル阻止膜22を載せた電解質膜21がISFET40を覆うように載せ、サンプル阻止膜22が他方のゲート領域44を覆うように載せてある。
As shown in FIG. 4, the chemical sensor is provided with a
以上のように構成してあるケミカルセンサは図6に示すような回路構成を有する。具体的には、2つのISFET51,52間に参照電極1を設け、ISFET51,52のドレイン電極を共通にし、電源電圧を一定に印加するように構成してある。また、2つのISFET51,52のソース端子に同一の定電流源53,54を設けてあり、2つのISFET51,52のソース電流を一定とする回路構成にし、ソースフォロア回路による差動FET動作になるように構成してある。
The chemical sensor configured as described above has a circuit configuration as shown in FIG. Specifically, the reference electrode 1 is provided between the two ISFETs 51 and 52, the drain electrodes of the
以上のように構成してあるケミカルセンサによるpH測定方法について図5、図6並びに図7を用いて説明する。先ず、ISFET40を洗浄した状態で、サンプル阻止膜22を載置した電解質膜21をISFET40に載せる。この際、ISFET40を覆うように電解質膜21を載せ、さらに、電解質膜21上に他方のゲート領域45を覆うようにサンプル阻止膜22を載せる。その上からpH変化に時間差が生じるように、測定サンプル溶液30を滴下して、二つのゲート領域44,45のpH値の差で測定サンプル溶液30のpH変化を測定する。ゲート領域44,45で測定したpH値は信号として測定部に出力される。
The pH measurement method using the chemical sensor configured as described above will be described with reference to FIGS. First, with the ISFET 40 being cleaned, the
測定サンプル溶液30は電解質膜21の上面にサンプル阻止膜22を載せていない部分から先に浸透する。そのため、図8に示すように、先ず、一方のゲート領域44でpH変化が起こる。このpH変化が起こっている間、変化するpH値を信号に変換して測定部に出力する。しばらくすると、図8に示すように、サンプル阻止膜22により、その後他方のゲート領域45でpH変化が起こり、このpH変化が起こっている間、変化するpH値をpHセンサにて電気信号に変換して測定部に出力する。その後測定サンプル溶液30が電解質膜21に浸透すると、双方のゲート領域44,45でpH値が同一になり、pH差はゼロになる。そこで、pH値の測定では双方の信号の差分を測定し、その差分の最大値で判定する。差分が最大に達した値を用いて測定サンプル溶液30のpH値を測定する。
The
電気的には、以下の作用をする。先ず、上記に示したソースフォロア回路では、2つのFET51,52はゲート電極の電位変化に追従してソース電極電位が変化し、増幅率は1となるので、ソース電位を測定することにより直接にFET51,52のゲート膜電位より界面電位を測定することができる。測定サンプル溶液30・ゲート膜界面の電位はpHに比例するので、この構成でpH測定ができる。
Electrically, it operates as follows. First, in the source follower circuit shown above, since the source electrode potential of the two
本発明によれば、ワンチップ上に、二つのセンサと参照電極を配置し、その上部にセンサ並びに参照電極を覆うように交換可能な電解質膜(シート)を載せ、さらにその膜上にサンプルを浸透若しくは透過させて、二つのセンサ信号の時間差から生じる検出値の差分を測定するようにしたことにより、サンプルのバクテリア感染の有無を判定することができるとともに、異なったサンプルを繰り返し測定する場合、電解質膜を交換することにより、センサ部の洗浄が容易であるとともに、標準液でのゼロ点校正などの操作も不要になり、作業性が向上する。 According to the present invention, two sensors and a reference electrode are arranged on a single chip, an exchangeable electrolyte membrane (sheet) is placed on the upper portion so as to cover the sensor and the reference electrode, and a sample is further placed on the membrane. By penetrating or penetrating and measuring the difference in detection value resulting from the time difference between the two sensor signals, it is possible to determine the presence or absence of bacterial infection of the sample, and when repeatedly measuring different samples, By exchanging the electrolyte membrane, the sensor part can be easily cleaned, and operations such as zero point calibration with a standard solution are no longer necessary, thereby improving workability.
1 参照電極
10 センサ部
11 基板
12,13 センサ
21 電解質膜
22 サンプル阻止膜
30 測定サンプル溶液
40 ISFET
41 シリコン基板
42 絶縁膜
43,44 ゲート領域
45 チャネルストッパ
46 ドレイン領域
47 ソース領域
51,52 ISFET
53,54 定電流源
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41
53, 54 Constant current source
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