JP4992693B2 - 生体情報測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオセンサチップに供給される生体物質に基づき生体情報を測定する生体情報測定装置に関する。

従来から、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バイオセンサチップは、生体が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。

かかるバイオセンサチップは、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たりするなど応用分野は広い。

前記バイオセンサチップを利用する生体情報測定装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。この生体情報測定装置では、バイオセンサチップを、コネクタ端子を介して測定回路に挿入可能とする構成を持ち、コネクタ端子の挿入後にスイッチを入れて電源としての電池からオペアンプを介してバイオセンサチップに電圧を印加可能にしている。

バイオセンサチップの反応部における抵抗値は、生体物質としての試料（血液など）が供給されていない状態では無限大であるが、試料が供給されるとその抵抗値は急激に低下する。このため、オペアンプの出力電圧が急激に増加し、この出力電圧の変化を検出して測定タイマーをスタートさせると同時に、前記スイッチを切る。

これにより、試料に対する電圧供給が遮断される。この電圧の遮断期間は試料の酵素反応が促進される。この電圧の遮断期間は試料の酵素反応を促進するために設けられる放置期間であり、この放置期間の所定期間後に再び前記スイッチを接続する。これにより、酵素反応の促進により得られた蓄積電荷に基づく電流値から生体情報を得ることとしている。
特公平８−２０４１２号公報

しかしながら、従来の生体情報測定装置にあっては、前記試料の酵素反応を促進するために設定された放置期間は、前記スイッチの遮断時から開始されるものの、このスイッチを含む回路および接地間の浮遊容量の存在によって電流の立下りが鈍く、試料に流れる電流が時間を掛けて徐々に減り続ける。
このため、予め設定された放置期間における酵素反応が不安定になって、試料ごとの酵素反応が一定でなくなり、前記蓄積電荷に基づいて得られる測定電流値、さらにこの測定電流値に基づいて得られる生体情報の信頼性が低下するという不都合があった。

本発明は前記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、試料に対する印加電圧を遮断するのではなく、０Ｖ付近まで連続可変可能な構成とすることによって、放置期間における酵素反応を安定化し、この酵素反応の測定結果およびこの測定結果に基づく生体情報を信頼性の高いものとすることができる生体情報測定装置及び生体情報測定方法を得ることを目的とする。

前記目的達成のために、本発明に係る生体情報測定装置は、バイオセンサチップの反応部に供給された生体物質の生体情報を測定する生体情報測定装置であって、
正の入力端子および前記反応部を介して接地される負の入力端子を有するオペアンプと負帰還回路とを備える作動増幅回路と、
前記作動増幅回路の負の入力端子に第１の抵抗を介して電流を供給するとともに、前記作動増幅回路の正の入力端子に第２の抵抗を介して第２の抵抗に接続され反対側が接地された第３の抵抗との接続部より電圧を印加する電圧発生部と、前記反応部に印加する電圧を酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げ、前記反応部に生体物質が供給された後、該反応部に対して印可する印加電圧を酸化還元電位以下に維持する放置期間を設け、前記放置期間の後、前記印加電圧を再び前記酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げた後の所定タイミングにおいて前記反応部から得られる反応電流のレベルを測定するように、前記電圧発生部を制御する生体情報測定回路と、を含む制御部と、を備えることを特徴とする。

さらに、前記生体情報測定装置は、前記作動増幅回路に用いるオペアンプは、単電源動作型であることをが好ましい。
また、前記電圧発生部は、ディジタル／アナログ変換回路を用いて構成されることが好ましい。

前記目的達成のために、本発明に係る生体情報測定方法は、複数のセンサ電極に接続するように設けられかつ少なくとも酸化還元酵素と電子伝導体とを含む反応部を備えるバイオセンサチップを用いて、前記反応部に供給された生体物質の生体情報を測定する生体情報測定方法であって、
前記反応部に生体物質を供給した後、前記複数のセンサ電極間に酸化還元電位以下の電圧を印加することにより前記反応部に酸化還元電位以下の電圧を加え、
前記反応部に加える前記酸化還元電位以下の電圧を予め設定された放置期間の間維持して生体物質の酵素反応により生成される電荷を前記反応部に蓄積させた後、酸化還元電位よりも高い所定レベルの電圧を前記反応部に印加することにより、前記反応部に酵素反応に基づく反応電流が放流され、この反応電流値に対応する生体情報を測定することを特徴とする。

本発明によれば、反応部に生体物質が供給された後、該反応部に対し印加する印加電圧を酸化還元電位以下に維持するので、対接地浮遊容量に基づいて放置期間における酵素反応が不安定化になるという従来の不都合を回避することができる。このため、放置期間ではすべての試料について同等の酵素反応を行わせることができ、結果として生体情報の測定結果に正確を期すことができる。

以下に、本発明の実施形態による生体情報測定装置及び生体情報測定方法を、図面を参照して説明する。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（試料）の一例として血液を挙げ、この血液中の血糖値を測定する測定装置を例にして説明する。

図１は、本実施形態に係る生体情報測定装置を示す回路図、図２は、本実施形態に係る生体情報測定装置各部の電圧電流波形のタイミングチャートである。

この生体情報測定装置２は、バイオセンサチップ１に供給された生体物質の生体情報を測定する生体情報測定装置２である。

バイオセンサチップ１は、複数のセンサ電極３ａ、３ｂに接続するように設けられ、かつ生体物質が供給（滴下）される反応部４を備えている。反応部４は、例えば血糖値反応用として構成されるものでは、酸化還元酵素と電子伝導体（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により形成される。

生体情報測定装置２は、コネクタ電極６ａ、６ｂ、オペアンプ（演算増幅器）７および抵抗８からなる作動増幅回路９、入力回路１０および制御部１1を有する。

入力回路１０は、ＤＡＣ１９の出力電圧をオペアンプ７の負の入力端子に入力しオペアンプ７の出力電圧のオフセット値調整を行うための抵抗１２（第１の抵抗）、ＤＡＣ１９の出力電圧を分圧しバイオセンサチップ１の印可電圧としてオペアンプ７の正入力端子に入力する抵抗１３（第２の抵抗）、１４（第３の抵抗）およびノイズ除去用のコンデンサ１５からなる。

制御部１１は、アナログ／ディジタル変換回路（以下、ＡＤＣという）１６、生体情報測定回路１７、メモリ１８、電圧発生部であるディジタル／アナログ変換回路（以下、ＤＡＣという）１９を有する。

生体情報測定回路１７は、挿入部５へのバイオセンサチップ１の挿入によって、反応部４に対する印加電圧を酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げる。
また、この生体情報測定回路１７は、反応部４に血液が供給されると、この反応部４に対する印加電圧を所定時間、酸化還元電位以下の電圧（０Ｖから酸化還元電位の範囲の一定の電圧）に維持する。
なお、上記酸化還元電位は反応物質によって異なり、例えば、反応物質がフェリシアン化カリウムの場合は０．３３Ｖである。
これにより、前記血液の酵素反応による電荷の生成が促される。生体情報測定回路１７は、前記酸化還元電位よりも高い所定レベルの印加電圧を設定時間内で再び立ち上げた後、所定時間内における反応部４の電荷放出による反応電流値を測定するように機能する。

ＤＡＣ１９は、０Ｖ以上のレベル可変の電圧を生成することができ、この電圧を前記抵抗１２および抵抗１３、１４を介してそれぞれオペアンプ７の負の入力端子および正の入力端子に同時に入力することができる。これにより、オペアンプ７と、センサ電極３ａ、３ｂおよびコネクタ電極６ａ、６ｂを介して接続された反応部４とに０Ｖを含む所定レベルの電圧を、任意かつ簡単に設定することができる。

従って、本実施形態では、バイオセンサチップ１の挿入部５への挿入タイミングｔ１時から血液滴下時を含む所定時間及びｔ３時からｔ４時を含む期間は、酸化還元電位よりも高い所定レベルの電圧に設定することができる。また、ｔ２時からｔ３時を含む期間は、酸化還元電位以下の電圧（０Ｖから酸化還元電位の範囲の一定の電圧）に設定できる。

次に本実施形態に係る生体情報測定方法によるバイオセンサシステムの動作を、図２のタイミングチャートを参照しながら説明する。
まず、測定開始時には、制御部１１のＤＡＣ１９及び抵抗１３、１４から印加電圧を出力し、さらにバイオセンサチップ１を生体情報測定装置２の挿入部５に挿し込む。

このとき印加電圧はオペアンプ７の負の入力端子に印加されるとともに、センサ電極３ａ、３ｂおよびコネクタ電極６ａ、６ｂを介して反応部４にも印加される。なお、抵抗１２の値を変更することでオペアンプ７の出力電圧のオフセット値を調整することができる。

このため、この印加電圧によって反応部４に電流が流れ、この電流及び抵抗１２を介して流れる電流の和が作動増幅回路９の前記抵抗８に流れる。作動増幅回路９の出力側には、前記印加電圧に対し抵抗８の抵抗値と反応部４に流れる電流及び抵抗１２を介して流れる電流の和との積の電圧を加えた出力電圧が得られ、この出力電圧が図２（ａ）において、ｔ１時にＡＤＣ１６を介して制御部１１の生体情報測定回路１７に入力される。

このようにバイオセンサチップ１を挿入部５へ挿入した後は、所定時間経過した後のｔ２時に、反応部４上に生体物質を、ここでは血液を供給(滴下)する。この血液の滴下によって反応部４に流れる反応電流は、図２（ｂ）に示すように瞬時に立ち上がる。制御部１１はこの血液の滴下を、瞬時に立ち上がるパルス状の電流に基づいて認識する。

続いて、制御部１１は、ＤＡＣ１９を用いて酸化還元電位以下の電圧を、抵抗１３及び１４を介してオペアンプ７の負の入力端子に入力する。これにより、オペアンプ１３及びセンサ電極３ａ、３ｂ及びコネクタ電極６ａ、６ｂを介して反応部４に加えられる電圧も、前記酸化還元電位以下の電圧に瞬時に低下する。
制御部１１は、反応部４に加える前記酸化還元電位以下の電圧を予め設定された放置期間（ｔ３時まで）維持し、この間に血液の化学(酵素)反応により生成される電荷を反応部４に蓄積させる。

次に、制御部１１は、ｔ２時からの放置期間を経過したｔ３時に、ＤＡＣ１９を用いて前記抵抗１３及び１４を介して前記酸化還元電位よりも高い所定レベルの電圧を再び反応部４の両端に印加する。これにより反応部４には酵素反応に基づく電荷量生成に応じた、図２（ｂ）に示すような反応電流が放流される。この反応電流値に抵抗１４の抵抗値を乗算した印加電圧が、前述のように制御部１１に印加される。

前記反応電流は、印加電圧の印加時に鋭く所定の高レベルに立ち上がった後、反応部４における前記電荷の放電時定数に従って徐々に漸減していく傾向にある。そこで、この反応電流の漸減動作終盤付近の所定タイミングｔ４で反応電流値をそれぞれ採取する。

そして、この反応電流値をメモリ１８に格納されたデータテーブルを参照して等価の生体情報値（血糖値等）に変換し、表示部（図示しない）に表示する。なお、採取された反応電流値（測定値）は、前記血糖値の高低に応じた値となる。

ところで、本実施形態では、ＤＡＣ１９の出力電圧を分圧抵抗としての抵抗１３、１４（両抵抗値が等しい）で分圧してオペアンプ７の正の入力端子に印加電圧として印加している。この分圧比は、０を越えるいかなる数値でも良いが、値を変更する場合は、これに応じて（印可電圧とオペアンプ７の出力オフセット値を最適な値に設定するために）ＤＡＣ１９の出力電圧と抵抗１２の値を調整することが必要となる。

この酸化還元電位以下の電圧は、従来のようにスイッチの遮断によって与えられるのではないため、遮断直後に反応部４に流れる反応電流が対地浮遊容量の影響による時定数によって徐々に変化し、直ぐには前記酸化還元電位以下に落ち着かないという事態を回避できる。
従って、反応部４における酵素反応を速やかに前記放置状態に導くことができ、酵素反応を設定時間内で効率的に促進させることができる。この結果、正確な生体情報の測定が実現できる。

このように、本実施形態では、正の入力端子および反応部４を介して接地される負の入力端子を有するオペアンプ７と負帰還回路（抵抗８）とを備える作動増幅回路９と、作動増幅回路９の（オペアンプ７の）負の入力端子に第１の抵抗（抵抗１２）を介して電圧を印加するとともに、作動増幅回路９の（オペアンプ７の）正の入力端子に第２の抵抗（抵抗１３）及び第３の抵抗（抵抗１４）を用いて電圧を印加する電圧発生部（ディジタル／アナログ変換回路１９）と、反応部４に印加する電圧を酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げ、反応部４に生体物質が供給された後、反応部４に対して印可する印加電圧を酸化還元電位以下に維持する放置期間を設け、この放置期間の後、印加電圧を再び酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げた後の所定タイミングにおいて反応部４から得られる反応電流のレベルを測定するように、電圧発生部（ディジタル／アナログ変換回路１９）を制御する生体情報測定回路１７と、を含む制御部１１を備える。

従って、反応部４の放置期間中は、反応部４に酸化還元電位以下の電圧が安定して印加されるため、放置期間中における反応部４における酵素物質の反応を効率的に促進し、その反応部４における蓄積電荷量から所定タイミングにおける反応電流値を採取して、これを生体情報値（血糖値など）として測定および表示することができる。
また、反応部４に対する印加電圧の切り替え供給を、従来のようにスイッチによって行わないため、対接地浮遊容量に基づいて設定された放置期間内の反応電流の変化が緩慢になることを回避できる。この結果、正規の放置期間内で正規の酵素反応を促し、結果として正確な生体情報を迅速に得ることとなる。

本実施形態に係る測定装置示す回路図である。 本実施形態に係る測定装置各部における電流、電圧のタイミングチャートである。

符号の説明

１ バイオセンサチップ
２ 生体情報測定装置
３ａ、３ｂ センサ電極
４ 反応部
５ 挿入部
６ａ、６ｂ コネクタ電極
７ オペアンプ
８ 抵抗
９ 作動増幅回路
１１ 制御部
１２、１３、１４ 抵抗
１６ アナログ／ディジタル変換回路（ＡＤＣ）
１７ 生体情報測定回路
１８ メモリ
１９ ディジタル／アナログ変換回路（ＤＡＣ）（電圧発生部）

Claims (3)

1. バイオセンサチップの反応部に供給された生体物質の生体情報を測定する生体情報測定装置であって、
   正の入力端子および前記反応部を介して接地される負の入力端子を有するオペアンプと負帰還回路とを備える作動増幅回路と、
   前記作動増幅回路の負の入力端子に第１の抵抗を介して電流を供給するとともに、前記作動増幅回路の正の入力端子に第２の抵抗を介して第２の抵抗に接続され反対側が接地された第３の抵抗との接続部より電圧を印加する電圧発生部と、前記反応部に印加する電圧を酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げ、前記反応部に生体物質が供給された後、該反応部に対して印可する印加電圧を酸化還元電位以下に維持する放置期間を設け、前記放置期間の後、前記印加電圧を再び前記酸化還元電位よりも高い所定レベルに立ち上げた後の所定タイミングにおいて前記反応部から得られる反応電流のレベルを測定するように、前記電圧発生部を制御する生体情報測定回路と、を含む制御部と、を備えることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記作動増幅回路に用いるオペアンプは、単電源動作型であることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記電圧発生部は、ディジタル／アナログ変換回路を用いて構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体情報測定装置。

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