JP7253230B2 - 汗成分センサ - Google Patents
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Description
実施の形態1
図1(a)および(b)に、この発明の実施の形態1に係る汗成分センサの構成を示す。この汗成分センサは、基板1を有し、基板1の表面上に支持枠2、汗抽出部3、作用電極4、参照電極5および対極6が配置されている。また、作用電極4、参照電極5および対極6に検出部7が電気的に接続されている。
汗反応体9は、汗抽出部3で抽出される汗と順次反応するもので、例えば酵素、抗体、イオノフォア、核酸(DNA,RNA)、アプタマー、人工受容体、細胞、微生物、組織、臓器等を用いることができ、汗成分と選択的に安定して反応する点から、酵素、抗体、イオノフォア、核酸(DNA,RNA)、アプタマー、人工受容体を用いることができる。これらの汗反応体9は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。ここで、人工受容体とは、汗成分と化学的相互作用(酸化還元反応、配位結合、水素結合、ファンデルワールス力等)を形成する化合物の総称である。
対極6は、作用電極4と対をなして電流が流れる回路を形成するものであり、参照電極5への通電を極力抑えることで安定した基準電位を示させるものである。
まず、図1に示すように、収容部8の開口から露出する汗抽出部3に被験者の指の皮膚Sが当接され、皮膚Sから発汗される汗が汗抽出部3内に順次浸透する。ここで、汗抽出部3は、塩含有水溶液を含んでいるため、皮膚Sから継続的に発汗を促すことができ、多くの汗を抽出することができる。また、汗抽出部3は、多孔質体により塩含有水溶液が保持されているため、塩含有水溶液の液量および濃度が変化することを抑制することができ、皮膚Sから汗を安定して抽出することができる。
上記の実施の形態1では、汗抽出部3は、上方に開口した収容部8に収容されたが、被験者の皮膚Sを当接することができればよく、これに限られるものではない。
例えば、図2(a)および(b)に示すように、実施の形態1の基板1を除くと共に支持枠2に換えて支持枠21を配置することができる。
また、汗抽出部3内には、支持枠21の後端部から作用電極4、参照電極5および対極6が挿入され、作用電極4の先端部に汗反応体9が固定されている。そして、作用電極4、参照電極5および対極6には、図示しない検出部が接続されている。
また、上記の実施の形態1および2では、作用電極4、参照電極5、および対極6は、検出部7とリード線10を介して有線的に接続されたが、Bluetooth(登録商標)、NearField Communication、あるいはRadio Frequency Identification等を用いて無線で検出部7と接続してもよい。
汗抽出前後において汗抽出部3に含まれる塩含有水溶液のpHの変化を測定した。塩含有水溶液として、ダルベッコリン酸緩衝液(DPBS、2.7mM KCl、137mM NaCl、1.5mM KH2PO4、8.1mM Na2HPO4、pH7.4)を用いた。被験者の人差し指の腹に、50μLのDPBSを10分間接触させ、その前後のpH変化を測定した。その結果、pHは0.2減少した。一方、緩衝能を持たない超純水を用いた場合には、pHが5.4から6.2まで0.8増加した。これにより、pH6以上pH8以下の塩含有水溶液を用いることで、汗抽出時のpHをほぼ一定に保つことができ、測定系を安定して維持できることが分かった。
汗抽出前後において汗抽出部3に含まれる塩含有水溶液のイオン濃度の変化を測定した。被験者の人差し指の腹に50μLのDPBSを10分間接触させ、抽出されたNa+イオンとK+イオンを定量したところ、Na+イオンの濃度は1.2mM前後であり、K+イオンの濃度は0.4mM前後であった。また、汗中のCl-イオン濃度は、Na+イオン濃度と同程度のため(非特許文献 Nature Electronics、2018、1160-171.)、1.2mM前後と予想される。以上の結果とネルンスト式を考慮すると、Na+イオン,K+イオンおよびCl-イオンの少なくとも1つと反応する参照電極5を用いる場合、汗抽出部3に含まれる塩含有水溶液は、参照電極5と反応するイオンを100mM以上含めば、汗抽出中に安定した基準電極を示すことが分かった。
乳酸センサの作製と応答性評価
図5に、汗成分センサとして乳酸センサを作製し、その乳酸センサの基礎特性を評価した結果を示す。図5(a)は乳酸センサの構成を示す図である。乳酸センサの作製方法は、まず基板1であるポリエチレンナフタレートフィルム(PENフィルム、厚さ125μm、テオネックス、帝人社製)上に、インクジェットプリンタ(富士フィルム、DiMax DMP2831)により、銀ナノ粒子(Harima Chemicals、NPS-JL)インクを用いて作用電極4および参照電極5の配線パターンを形成した。120℃で30分間ベークすることで焼結し銀配線パターンを得た。作用電極4パターン先端部に、2mmx2mmの面積でプルシンブルー(PB)含有カーボンペースト(C2070424P2、Gwent社製)を塗布し、60℃で30分焼成することでPB電極膜を形成した。また、参照電極5パターン先端部に、2mm×2mmの面積でAg/AgClペースト(C2130809D5、Gwent社製)を塗布し、60℃で30分焼成することでAg/AgCl電極を作製した。作用電極4および参照電極5のリードパターン部はテフロン(登録商標)(5wt%、AF1600、三井・デュポンフロロケミカル社製)で被覆し、60℃で30分ベークすることで絶縁した。
図5(b)および(c)は、種々の濃度のL-乳酸に対する作用電極4と参照電極5の間の電位差の変化である。L-乳酸の濃度依存的な応答が得られ、アガロースゲル中のL-乳酸濃度を計測可能であることが示された。
上記の乳酸センサのアガロースゲルへ人差し指の腹を30秒間接触させた時の写真を図6(a)に示し、その時の電位差の変化を図6(b)に示す。汗反応体9として乳酸オキシダーゼを作用電極4の表面に固定化した場合、Time=100秒の点で指をアガロースゲルに接触させたところ、約20秒のタイムラグの後に電位が連続して増加する変化を示した。このタイムラグは、アガロースゲルの厚みを厚くすると増加したことから、汗成分がアガロースゲルを拡散する速度に依存することが分かった。一方、乳酸オキシダーゼを固定化しない場合は電位応答が得られなかった。つまり、電位応答は、汗から抽出された乳酸に由来することが示された。また、乳酸オキシダーゼが無い場合に電位の変化がなかったことから、乳酸以外の汗成分が作用電極4あるいは参照電極5と直接反応して電位応答を生じることがほとんどなく、高い選択性と、参照電極5の高い電位安定性が示された。また、作用電極4で検出される電位を継続して計測し、被験者の汗と汗反応体9との反応により連続して増加する計測値が所定の閾値、例えば20mVに達したときの値に基づいて汗の成分を検出することで、汗の成分を高精度に検出できることが分かった。
Na+イオンセンサの作製と応答性評価
イオノフォアである1mgSodium Ionophore X(Sigma Aldrich社製)、0.55mg sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate(Sigma Aldrich社製)、33mg ポリ塩化ビニル(Sigma Aldrich社製)、71.9μL bis(2-ethylehexyl)sebacate(東京化成社製)、660μL テトラヒドロフラン(東京化成社製)を混合し、Na+イオン感応膜のプレ溶液を調製した。作用電極4の表面にNa+イオン感応膜プレ溶液を50μL滴下し、室温で一晩乾燥させNa+イオン感応膜を形成した(汗反応体9)。以上の操作によりNa+イオン応答性電極を作製した。参照電極5にはAg/AgCl電極パターンを作製した。0.04gのアガロース粉末(ゲル化温度30~31℃、ナカライテスク社製)を1mLのDPBS溶液に添加し、沸騰させることで溶解させた。このアガロース溶液を35℃付近まで冷却させ、Na+イオン応答性電極とAg/AgCl参照電極の表面を覆うように滴下してゲル化させた(汗抽出部3)。
2,21 支持枠
3 汗抽出部
4 作用電極
5 参照電極
6 対極
7 検出部
8 収容部
9 汗反応体
10 リード線
S 皮膚
Claims (1)
- 被験者の皮膚から汗を抽出するための塩含有水溶液を含む多孔質体から形成され、前記被験者の皮膚が当接されることにより汗を順次抽出する汗抽出部と、
前記汗抽出部内に配置され、前記汗抽出部で抽出される汗と順次反応する汗反応体と、
前記汗反応体の近傍において前記汗抽出部と電気的に接続するように配置され、前記汗反応体の反応により変化する電流あるいは電位を検出する作用電極と、
前記汗抽出部に電気的に接続され、前記作用電極に対する基準電位を示すように形成された参照電極と
を備え、
前記作用電極で検出する電流あるいは電位の変化に基づいて汗の成分を検出し、
前記作用電極で検出される電流あるいは電位を継続して計測し、被験者の汗と前記汗反応体との反応により連続して増加または減少する計測値が所定の閾値に達したときの値に基づいて汗の成分を検出する汗成分センサ。
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