JP5241250B2 - バイオセンサが取り付けられる計測表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオセンサが接続されて基質の成分量を計測する計測表示装置に関するものである。

従来、特許文献１を始めとして種々のバイオセンサおよび計測表示装置が開示されている。例えば、図２にバイオセンサ１００の一部を示す。ＰＥＴ樹脂１０２の上に２本の白金電極１０４が積層されている。酵素を含む塗布液が２本の電極１０４の上にディスペンサにより塗布され、酵素の膜１０６が形成されている。酵素と血液などが反応することによって電子の授受がなされ、２本の電極１０４が導通する。血液などに含まれる血糖値などによって、電極１０４に流れる電流値が異なる。すなわち、酵素に特異性を持つ基質の成分量（または濃度）に比例した電気信号を得ることができる。この電気信号を計測表示装置で測定し表示する。バイオセンサは血液の血糖値に限定されるものではなく、酵素を適宜選択することにより、種々の成分を検査できる。

図３に計測表示装置３０の回路構成を示す。使用するバイオセンサ１００は血糖値センサである。電圧源１２の演算制御部１８ｂから出力された電圧がディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）２２でアナログ値に変換され、バイオセンサ１００の一方の電極１０４に印加される。図４に示すように電圧の印加は、（１）最初に所定値にし、電流が検出されるのを待つ。（２）電流が検出されてから所定時間待ち、酵素と血液との反応を進行させる。（３）所定時間経過後、時間とともに電位をＥ１まで下げ、その後電位をＥ２まで上昇させる。

上記のように酵素と血液が反応することによって電子の授受が発生し、２本の電極１０４が導通する。オペアンプＯＰ１の出力端子Ｐ３の電位Ｖ_ｏｕｔは、ｉ×Ｒｘ＋Ｖ_ＧＮＤとなる。この電位Ｖ_ｏｕｔがアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）２４でディジタルデータに変換されて演算制御部１８ａに入力される。演算制御部１８ａは、入力された電位の値から所定の計算をおこない、血糖値を求める。

血糖値を測定する場合、低濃度域で測定精度を高くすることが求められている。抵抗Ｒｘ、オペアンプＯＰ１などの精度を上げても、２つの変換器２２，２４の精度および分解能が従来と同じであれば、測定精度は改善されない。２つの変換器２２，２４の分解能が高いビット数に変えたり（例えば１０ビットから１２ビットへ変更）、ΔΣ型のアナログ・ディジタル変換を使用すること（特許文献２参照）が考えられるが、電源ノイズなどにより限界がある。

また、図５のようにオペアンプＯＰ１と演算制御部１８ａとの間に増幅回路４２を追加した計測表示装置４０が考えられる。増幅をおこなうことによって、低濃度域の測定精度を上げる。しかし、図６に示すように血糖値によって電流が大きく異なる。したがって、低濃度域であれば増幅できても、増幅によって高濃度域が早く飽和し、高濃度域での測定がおこなえない。血糖値は所定範囲の値に対して高くても低くても悪く、高濃度と低濃度の両方を正確に測定する必要があるが、上記のように一方しか測定できないのが現状である。

血糖値センサを例に説明したが、他のバイオセンサであっても酵素に特異性を持つ基質の濃度によって上述した問題が発生する。

特開２０００−１６２１７６号公報 特開２００２−３４０８５３号公報

本発明の目的は、バイオセンサが有する酵素に特異性を持つ基質の濃度の高低に関係なく測定が可能な計測表示装置を提供することにある。

本発明の計測表示装置は、少なくとも２本の電極の上に酵素を有するバイオセンサが取り付けられる。計測表示装置は、電極に対して電圧を印加する電圧源と、電極に流れた電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路の出力電圧が入力され、その出力電圧を増幅する増幅回路と、電流電圧変換回路の出力電圧と増幅回路の出力電圧とが入力される演算制御部とを含む。

酵素と検体の基質とが反応することによって、電源から電極に電圧を印加すると電極間で電子の授受がおこなわれる。電極に流れた電流を電流電圧変換回路で電圧に変換する。また、電流電圧変換回路の出力を増幅回路で増幅させる。電流電圧変換回路の出力と増幅回路の出力とは両方が演算制御部に入力される。

演算制御部は、増幅回路の出力電圧が予め記憶しておいた閾値の範囲内であれば増幅回路の出力電圧を選択し、増幅回路の出力電圧が予め記憶しておいた閾値の範囲外であれば電流電圧変換回路の出力電圧を選択する。

電流電圧変換回路の出力電圧と増幅回路の出力電圧とを交互に演算制御部に入力するためのスイッチを含んでも良い。演算制御部に入力される際、スイッチによって両出力が交互に入力されるようにする。

本発明は、基質の濃度を求める演算制御部に電流電圧変換回路の出力電圧と増幅回路の出力電圧を入力する。基質の濃度を求めるときに、いずれの出力電圧を利用するかを適宜選択可能であり、基質の濃度の高低に関係なく演算が可能である。

本発明の計測表示装置について図面を用いて説明する。計測表示装置に接続されるバイオセンサは従来技術で説明した図２のバイオセンサ１００を使用して説明する。

図１に示す計測表示装置１０は、バイオセンサ１００の電極１０４に電圧を印加する電圧源１２と、電極１０４に流れた電流を電圧に変換する電流電圧変換回路１４と、電流電圧変換回路１４の出力電圧を増幅する増幅回路１６と、電流電圧変換回路１４の出力電圧と増幅回路１６の出力電圧が入力される演算制御部１８ａとを含む。

電圧源１２は、演算制御部１８ｂとディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）２２とで構成される。電圧源１２は、バイオセンサ１００の電極１０４に電圧を印加する。演算制御部１８ｂによって指定された電圧は、ＤＡＣ２２によってディジタルの値からアナログの電圧に変換されて、電極１０４に印加する。印加する電圧は、一定時間経過後、時間とともに変化する。具体的には、図４に示すように、（１）酵素と血液とが反応した電流を検知するまで一定電位で待ち、（２）電源１２をオフにして酵素と血液の反応が進行するまで一定時間待ち、（３）電源１２をオンにしてから電位をＥ１まで直線的に降下させ、その後Ｅ２まで直線的に上昇させる。なお、電圧源１２の演算制御部１８ｂは、基質の成分量を演算によって求める図１の右側の演算制御部１８ａと同じであってもよい。

電流電圧変換回路１４は、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒｘとを含む。オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）には抵抗Ｒｘが接続されており、非反転入力端子（＋）はグランドレベルＶ_ＧＮＤである。オペアンプＯＰ１の出力端子Ｐ３から抵抗Ｒｘを介して負帰還をかけている。オペアンプＯＰ１自体の入力インピーダンスが非常に高いため、電極１０４に流れた電流はほとんど抵抗Ｒｘに流れる。オペアンプＯＰ１の出力端子Ｐ３の電位Ｖ_ｏｕｔ１は、下記の数式１となる。

増幅回路１６は、オペアンプＯＰ２、抵抗Ｒｆ、Ｒｓを含む。オペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）に電流電圧変換回路１４の出力が入力される。反転入力端子（−）は、抵抗Ｒｓを接続して接地し、出力端子Ｐ４から抵抗Ｒｆによって負帰還をかける。オペアンプＯＰ２の出力端子Ｐ４の電位Ｖ_ｏｕｔ２は、下記の数式２となる。

増幅回路１６の増幅率は１＋Ｒｆ／Ｒｓであり、抵抗Ｒｆ，Ｒｓを適宜選択して所望の増幅ができるようにする。大きすぎると増幅できる基質の濃度の範囲が狭くなる。小さいと増幅できる基質の濃度の範囲は広がるが、十分な増幅ができない。例えば、４倍の増幅が可能な抵抗Ｒｆ，Ｒｓを選択する。

電流電圧変換回路１４の出力電圧と増幅回路１６の出力電圧は、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）２４を介して演算制御部１８ａに入力される。演算制御部１８ａは、入力された出力電圧から所定の計算をおこない、血糖値を求めるマイクロコンピュータである。バイオセンサの種類によって求める基質の値が異なる。出力端子Ｐ３とＰ４のそれぞれにＡＤＣ２４を接続しても良い。

演算制御部１８ａには２つの入力がある。演算制御部１８ａは、増幅回路１６の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２が予め記憶しておいた閾値の範囲内であれば増幅回路１６の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２を選択する。増幅回路１６の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２が予め記憶しておいた閾値の範囲外であれば電流電圧変換回路１４の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を選択する。閾値は、増幅回路１６で増幅したときに出力Ｖ_ｏｕｔ２が飽和しないときの値である。閾値は一定の範囲を有する値であり、使用するバイオセンサ１００や増幅回路１６などの仕様に合わせて予め設定しておく。したがって、増幅したときに飽和しなければその値を使用し、増幅したときに飽和すれば増幅しない値を使用することになる。演算制御部１８ａは、選択された値を使用して血糖値などの基質の成分量を求める。

演算制御部１８ａに上記の２つの入力をおこなう理由は、バイオセンサ１００と測定すべき基質とは不可逆反応であり、例えば増幅された出力電圧のみを取得していると、飽和したときにバイオセンサ１００を取り替えて、増幅をさせない状態で最初からやり直さなければならない。増幅の有無に関係なく両方の出力電圧を得るようにすることによって、最初からやり直すことを防いでいる。

その他、血糖値などの値を表示するディスプレイ、計測表示装置１０の始動・終了のためのボタンを含む。演算制御部１８ａは、必要に応じてメモリを使用し、求めた基質の値の記憶などをおこなう。

なお、アナログ・ディジタル変換を１０ビットでおこない、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２のオフセット電圧、基準電源の精度を上げても機器間差が発生する。アナログ・ディジタル変換を１２ビットでおこなうと、機器間差が改善される。

以上のように、本発明は演算制御部１８ａに２つの値が入力される。演算制御部１８ａは基質の濃度に合わせて使用する値の切り替えができるようになっている。低濃度であれば、増幅した値を使用して精度を上げることができる。高濃度であれば、増幅させない値を使用して飽和させることを防止できる。基質の濃度を求める際、最適な出力を使用することができるため、求めた基質の濃度の正確性が高くなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は上記の実施形態に限定されることは無い。例えば、電流電圧変換回路１４の出力端子Ｐ３と増幅回路１６の出力端子Ｐ４にそれぞれスイッチを接続しても良い。スイッチはＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を利用する。両スイッチが交互にオンになるように、両スイッチにパルスが入力される。演算制御部１８ａからパルスを出力するようにしても良い。交互にスイッチがオンになることによって、出力Ｖ_ｏｕｔ１とＶ_ｏｕｔ２が演算制御部１８ａに入力される。

両スイッチを交互にオンにする理由は、増幅の有無にかかわらずに出力Ｖ_ｏｕｔ１とＶ_ｏｕｔ２を演算制御部１８ａに入力するためである。上述したように、バイオセンサ１００の酵素は不可逆反応しかできず、例えば増幅された出力電圧のみを取得していると、飽和したときにバイオセンサ１００を取り替えて、増幅をさせない状態で最初からやり直さなければならない。高速でスイッチングをおこなうことにより、増幅の有無に関係なく両方の出力電圧を得ることができる。

また、Ｖ_ｏｕｔ２が飽和するまではＶ_ｏｕｔ２を演算制御部１８ａに入力し、飽和したときにＶ_ｏｕｔ１を演算制御部１８ａに入力するようにしても良い。演算制御部１８ａが基質の成分量を求めるとき、飽和するまではＶ_ｏｕｔ２を使用し、飽和後はＶ_ｏｕｔ１を使用する。Ｖ_ｏｕｔ２が飽和しなければ、Ｖ_ｏｕｔ２だけで基質の成分量を求める。電流電圧変換回路１４の出力端子Ｐ３と増幅回路１６の出力端子Ｐ４にそれぞれスイッチを接続し、演算制御部１８ａは、上述したような動作になるようにスイッチに信号を送る。演算制御部１８ａは基質の濃度に合わせて使用する値を切り替えることができ、最適な値を使用して基質の濃度を求めることができる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の計測表示装置の回路構成を示す図である。 バイオセンサの一部を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。 従来の計測表示装置の回路構成を示す図である。 バイオセンサへの印加電圧と電極に流れる電流の時間変化を示すグラフである。 図３の計測表示装置に増幅回路を追加した回路構成を示す図である。 血糖値を検査するときの走査電位と電極に流れる電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０、３０，４０：計測表示装置
１２：電圧源
１４：電流電圧変換回路
１６、４２：増幅回路
１８ａ、１８ｂ：演算制御部
２２：ディジタル・アナログ変換器
２４：アナログ・ディジタル変換器
１００：バイオセンサ
１０２：ＰＥＴ樹脂
１０４：電極
１０６：酵素の膜
ＯＰ１，ＯＰ２：オペアンプ
Ｒｘ，Ｒｆ，Ｒｓ：抵抗

Claims (1)

1. 少なくとも２本の電極の上に酵素を有するバイオセンサが取り付けられる計測表示装置であって、
   前記電極に対して電圧を印加する電圧源と、
   前記電極に流れた電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、
   前記電流電圧変換回路の出力電圧が入力され、該出力電圧を増幅する増幅回路と、
   前記電流電圧変換回路の出力電圧と増幅回路の出力電圧とが入力され、増幅回路の出力電圧が予め記憶しておいた閾値の範囲内であれば増幅回路の出力電圧を選択し、増幅回路の出力電圧が予め記憶しておいた閾値の範囲外であれば電流電圧変換回路の出力電圧を選択し、酵素と反応した検体の基質成分量を求める演算制御部と、
   前記電流電圧変換回路の出力と増幅回路の出力に取り付けられ、電流電圧変換回路の出力電圧と増幅回路の出力電圧とを増幅の有無に関係なく交互に演算制御部に入力するためのスイッチと、
   を含む計測表示装置。

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