This work aims to develop the handheld electrochemical sensor system for practical use. The Au working electrode, the Au pseudo-reference electrode, and the Au auxiliary electrode are built in the sensor chip. In order to add the selectivity for uric acid, ferrocene terminated alkanethiol monolayer was formed on the Au working electrode by self-assembly method. It succeeded to detect uric acid in phosphate buffer (pH 7.4). However, this system did not work for the real urine sample, because sulfite ion in the sample disturbed the oxidation of ferrocene.

Thus, the fully automated pretreatment module was developed. First, sulfite ion and the organic impurities were removed from the real urine sample by the miniaturized NH2-terminated filter (Pore size is less than 10μm.). In addition, the electrochemical detection essentially requires controlling pH. In the pretreatment system, the filtered sample was mixed with phosphate buffer. The pH of the sample solution was adjusted to pH 7.4 in the sample pH range between 4.5 and 7.5. Then, the electrochemical sensor measured the sample without further pretreatment. The calibration curve shows a good linear relation with respect to the concentration of uric acid between 150 mM to 500 mM.

1. 緒 言

電気化学測定法を用いたバイオセンサは、簡便に高感度かつ高選択的に物質を検出することができる。また、電気回路で構成されたシステムは、小型化するのが容易であるため、実用的な手のひらサイズのセンサデバイスへ展開することが期待されている。これまで報告されている医療診断向けの電気化学バイオセンサの研究では、不純物の含まれていない理想的な緩衝溶液や電解液中で開発した電気化学センサの有用性が示されてきたが¹⁾、実際の検体試料には様々な検出阻害物質を含んでいる可能性がある。

現在、患者の健康状態を検体試料から測定するためには、患者が病院等の専門機関に出向き、臨床検査技師による専門技術を用いた前処理工程経て、検出阻害物質を除去したのちに、各成分の分析が行われている。そのため、患者は、病院等の専門機関に出向いて、検査を受ける必要がある。そのため、家庭で患者が自ら自分の健康状態を診断することができるセンサが求められており、血液中のグルコース量²⁾やアルコール³⁾をセンシングすることができる手のひらサイズのデバイスなどが市販されている。

本研究では、これらのセンシングデバイスのように、患者自身が健康状態を手軽に診断できる簡易な小型なセンシングデバイスの開発を目指している。今回の発表では、実試料として尿中に含まれる尿酸の電気化学センシングの検討を行った結果を報告する。

2. 実験方法

Fig.1には、本研究で開発した電気化学バイオセンサチップを示した。このセンサチップ(3.5cm x 1.2cm)の基板には、作用電極、対極、参照電極として、Au薄膜がスパッタリングされている。配線はすべて基板のポリマー樹脂の中に形成されているため、配線に使われている銅は溶液での反応に関与しない。また、センサ基板のコネクタは汎用のUSBインターフェイスを使っているため、取り外しが容易である。この作用電極のみでセンシングを行うために、以下のような手順で電極基板の調製を行った。

はじめに、エキシマランプで真空紫外光(172nm)を3分間照射することにより、Au表面に付着していた汚染物質を除去した。次に、この電極基板を、2mMフェロセニルヘキサンチオールを含むエタノール溶液中へ浸漬させて、フェロセニルヘキサンチオール自己組織化単分子膜(FcC6HSAM)を電極表面へ形成させた。参照電極と対極にも同様にFcC6SH SAMが形成されているため、-1.5Vの電位を印加することによって、参照電極と対極からFcC6SH SAMを電気化学的に還元脱離させて除去した。

また、Fig.2には、本研究で開発した自動的に尿試料を前処理するためのモジュールを示した。尿の前処理のために、市販されている尿の前処理フィルタのMonoSpinを用いた。MonoSpinは装置の溶液導入部に固定化しており、ペリスタポンプの吸引によって尿試料を濾過する。また、実際の尿のpHは、4.5から7.5の範囲でばらつきがあるため、そのままでは電気化学測定を行うのは難しい。そこで、リン酸緩衝溶液と1:1で混合することによって、電気化学検出部には、pH7.4の溶液が流通するように設計した。

3. 結果と考察

Fig.3には、本研究で開発した電気化学バイオセンサチップで測定したサイクリックボルタモグラムと尿酸の検量線を示した。まず、この測定では、センサチップ上のAu電極を疑似参照電極として用いた。通常の測定では、不活性な電極を参照極とするが、本研究で開発した前処理モジュールを使って処理した尿試料を使う限りでは、Au電極を疑似参照電極として用いることができることがわかった。

また、本研究では、作用電極として、FcC6SHSAM修飾電極を用いている。このFcC6SHSAMを使った尿酸の電気化学反応では、電極表面へ固定化したフェロセンがメディエーターとして機能して、尿試料中の尿酸を電気化学的に酸化する。このときの酸化電流から尿試料中の尿酸を定量した。+0.5 V vs. Auでのピーク電流をプロットすると、0から500μMの濃度範囲で、直線の検量線を得ることができた。健康診断で求められる尿酸の指標は150から450μMの範囲であることから、本研究で開発した電気化学バイオセンサチップは、実用で使用することができる検出感度があることがわかった。