特開 2023-182405 バイオセンサの電極用コーティング剤およびバイオセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023182405

(43)【公開日】2023-12-26

(54)【発明の名称】バイオセンサの電極用コーティング剤およびバイオセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/327 20060101AFI20231219BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

G01N27/327 353B

G01N27/327 353F

G01N27/327 353A

G01N27/416 338

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022095995

(22)【出願日】2022-06-14

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｉｔ．ａｃ．ｊｐ／ｆｏｒｕｍ／ｐｄｆ／ｔｉｔｌｅｓ．ｐｄｆ，（第１９回 埼玉工業大学 若手研究フォーラム２０２１の発表題目一覧），令和３年７月３０日掲載 〔刊行物等〕 第１９回埼玉工業大学 若手研究フォーラム２０２１研究発表論文集，第４６～４７頁，埼玉工業大学 先端科学研究所，令和３年８月１１日発行 〔刊行物等〕 第１９回埼玉工業大学 若手研究フォーラム２０２１（ＷＥＢ発表併用），埼玉工業大学 先端科学研究所 主催，令和３年８月１１日開催 〔刊行物等〕 ｈｔｔｐ：／／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ｗｄｃ－ｊｐ．ｃｏｍ／ｊｓａｃ／ｎｅｎｋａｉ／７０／ｐｒｏｇｒａｍ／ｐｒｏｇｒａｍ＿ｆｌａｓｈ．ｈｔｍｌ，（日本分析化学会第７０年会の講演プログラム速報版），令和３年７月２６日掲載 〔刊行物等〕 ｈｔｔｐｓ：／／ｉａｐ－ｊｐ．ｏｒｇ／ｊｓａｃ／ｎｅｎｋａｉ／ｐｒｏｇｒａｍ／ｃｏｎｔｅｎｔｓ／ａｂｓｔｒａｃｔ／ｐｒｏｇｒａｍ＿ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｐｈｐ？ｎｏ＝Ｙ１０１７，（日本分析化学会第７０年会の講演要旨集），令和３年９月８日掲載 〔刊行物等〕 日本分析化学会第７０年会（ＷＥＢ開催），令和３年９月２２日開催 〔刊行物等〕 ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｃ８２ｔｏｕｒｏｎ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｌｉｓｔ，（日本分析化学会 第８２回分析化学討論会のＷｅｂ版講演要旨集），令和４年５月２日掲載 〔刊行物等〕 日本分析化学会 第８２回分析化学討論会，令和４年５月１４日開催

(71)【出願人】

【識別番号】000003506

【氏名又は名称】第一工業製薬株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】515230372

【氏名又は名称】学校法人智香寺学園埼玉工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003395

【氏名又は名称】弁理士法人蔦田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浅井 千穂

(72)【発明者】

【氏名】高村 直宏

(72)【発明者】

【氏名】竹田 勝紀

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 修

(57)【要約】

【課題】妨害物質による影響を抑えて測定対象物質の正確な測定を可能にするバイオセンサの電極用コーティング剤を提供する。
【解決手段】実施形態に係るバイオセンサの電極用コーティング剤は、水系媒体と、前記水系媒体中に分散したアニオン性水系ウレタン樹脂を含む。該コーティング剤は、前記水系媒体中に分散したノニオン性水系ウレタン樹脂をさらに含んでもよい。該コーティング剤は、前記水系媒体中に分散したカチオン性水系ウレタン樹脂をさらに含み、前記カチオン性水系ウレタン樹脂のカチオン性基の数（Ｎｃ）に対する前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数（Ｎａ）の比（Ｎａ／Ｎｃ）が０．８以上でもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水系媒体と、前記水系媒体中に分散したアニオン性水系ウレタン樹脂を含む、バイオセンサの電極用コーティング剤。

【請求項2】

前記水系媒体中に分散したノニオン性水系ウレタン樹脂をさらに含む、請求項１に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。

【請求項3】

前記水系媒体中に分散したカチオン性水系ウレタン樹脂をさらに含み、前記カチオン性水系ウレタン樹脂のカチオン性基の数（Ｎｃ）に対する前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数（Ｎａ）の比（Ｎａ／Ｎｃ）が０．８以上である、請求項１に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。

【請求項4】

前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数が０．０５ｍｍｏｌ／ｇ以上５．０ｍｍｏｌ／ｇ以下である、請求項１に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。

【請求項5】

前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基が、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、およびこれらの塩からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項１に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の電極用コーティング剤によりコーティングされた電極を備えるバイオセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バイオセンサの電極にコーティングされるコーティング剤、およびそれを用いてコーティングされた電極を備えるバイオセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

バイオセンサは、酵素や抗体などの生体分子を検知素子として、その優れた分子認識能力を利用して測定対象物質を選択的に計測するセンサである。電気化学的原理を用いたバイオセンサにおいては、電極上に担持された検知素子である生体分子が、測定対象物質を分子認識することにより生じる電気的信号を電極により検出し、これにより測定対象物質の計測がなされる。

【0003】

バイオセンサにおけるコーティング剤としてポリウレタンを用いた技術が提案されている。例えば、特許文献１には、電気化学的グルコースセンサ用親水性ポリウレタン膜として、乾燥自重の１０～５０％の水を吸収し、グルコース拡散係数に対する酸素拡散係数の比が４０００以下である親水性ポリウレタン組成物からなる膜が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平５－２３８９６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

血液などの体液を検体とする場合、体液にはグルコースなどの測定対象物質だけでなく、アスコルビン酸や尿酸などの妨害物質が含まれることがあり、妨害物質により正確な測定が妨げられる。

【0006】

本発明の実施形態は、以上の点に鑑みてなされたものであり、妨害物質による影響を抑えて測定対象物質の正確な測定を可能にするバイオセンサの電極用コーティング剤を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は以下に示される実施形態を含む。
［１］ 水系媒体と、前記水系媒体中に分散したアニオン性水系ウレタン樹脂を含む、バイオセンサの電極用コーティング剤。
［２］ 前記水系媒体中に分散したノニオン性水系ウレタン樹脂をさらに含む、［１］に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。
［３］ 前記水系媒体中に分散したカチオン性水系ウレタン樹脂をさらに含み、前記カチオン性水系ウレタン樹脂のカチオン性基の数（Ｎｃ）に対する前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数（Ｎａ）の比（Ｎａ／Ｎｃ）が０．８以上である、［１］または［２］に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。
［４］ 前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数が０．０５ｍｍｏｌ／ｇ以上５．０ｍｍｏｌ／ｇ以下である、［１］～［３］のいずれか１項に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。
［５］ 前記アニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基が、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、およびこれらの塩からなる群から選択される少なくとも一種である、［１］～［４］のいずれか１項に記載のバイオセンサの電極用コーティング剤。
［６］ ［１］～［５］のいずれか１項に記載の電極用コーティング剤によりコーティングされた電極を備えるバイオセンサ。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態によれば、アニオン性水系ウレタン樹脂を含むコーティング剤からなるコーティング膜が妨害物質の透過を抑制することにより、妨害物質による影響を抑えて測定対象物質の正確な測定を可能にする。また、検知素子である生体分子を該コーティング剤により固定することができ、バイオセンサの安定性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】バイオセンサの断面模式図

【図2】実施例１のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図3】実施例２のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図4】実施例３のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図5】実施例４のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図6】比較例１のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図7】比較例２のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図8】比較例３のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図9】比較例４のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図10】実施例５のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図11】実施例６のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図12】実施例７のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図13】実施例８のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【図14】実施例９のサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0010】

本実施形態に係るバイオセンサの電極用コーティング剤（以下、単にコーティング剤ということがある。）は、水系媒体と、該水系媒体中に分散したアニオン性水系ウレタン樹脂を含む。一実施形態において、コーティング剤は、アニオン性水系ウレタン樹脂とともに、水系媒体中に分散したノニオン性水系ウレタン樹脂および／またはカチオン性水系ウレタン樹脂を含んでもよい。

【0011】

水系媒体とは、水を含む媒体であり、本実施形態に係るコーティング剤の効果を損なわない範囲で、水とともに低級アルコール（例えば、炭素数１～３のアルコール）などの水溶性の有機溶剤を含んでもよい。酵素や抗体などのタンパク質上にコーティングされるコーティング剤においては、水系媒体は、水単独、または水を主成分とすることが好ましく、水系媒体１００質量％に対する水の量は８０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは９０質量％以上、更に好ましくは１００質量％である。

【0012】

アニオン性水系ウレタン樹脂は、アニオン性基を有する水系ウレタン樹脂であり、水系媒体に分散可能なアニオン性ウレタン樹脂である。コーティング剤がアニオン性水系ウレタン樹脂を含むことにより、妨害物質の透過を抑制することができ、また検知素子である生体分子を該コーティング剤により固定することができる。

【0013】

アニオン性基としては、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基など、およびこれらの塩が挙げられる。これらのアニオン性基は、いずれか１種または２種以上組み合わせてもよい。以下、「カルボキシル基」、「スルホン酸基」および「リン酸基」は、特に断らない限り、それらの塩も包含する概念（即ち、カルボキシル基および／またはその塩、スルホン酸基および／またはその塩、リン酸基および／またはその塩の意味）で用いる。塩としては、特に限定されず、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、アンモニウム塩、１級アミン、２級アミン、３級アミン等のアミン塩等が挙げられる。

【0014】

アニオン性水系ウレタン樹脂において、アニオン性基の数は、特に限定されないが、０．０５ｍｍｏｌ／ｇ以上５．０ｍｍｏｌ／ｇ以下であることが好ましい。アニオン性基の数が０．０５ｍｍｏｌ／ｇ以上であることにより、妨害物質の透過を抑制する効果を高めることができる。アニオン性基の数は、より好ましくは０．１ｍｍｏｌ／ｇ以上であり、更に好ましくは０．２ｍｍｏｌ／ｇ以上であり、また、３．０ｍｍｏｌ／ｇ以下であることが好ましく、より好ましくは１．０ｍｍｏｌ／ｇ以下である。

【0015】

本明細書において、アニオン性基の数は、アニオン性水系ウレタン樹脂の不揮発分あたりのアニオン性基の物質量（質量（ｇ）あたりのｍｍｏｌ）である。ここで、不揮発分とは蒸発残分を意味し、固形分ともいう。アニオン性基の数は、アニオン性水系ウレタン樹脂製造時の活性水素原子およびアニオン性基を有する化合物の使用量から下記式の計算によって算出することができる。２種類以上の活性水素原子およびアニオン性基を有する化合物を用いる場合には下記式をそれぞれ計算し、合計値をアニオン性基の数とする。

【数1】

【0016】

アニオン性水系ウレタン樹脂としては、２個以上の活性水素原子含有化合物と、有機ポリイソシアネートと、活性水素原子およびアニオン性基を有する化合物とを反応させることにより得られるものが挙げられる。例えば、（１）２個以上の活性水素原子含有化合物、有機ポリイソシアネート、ならびに、活性水素原子およびアニオン性の塩形成基を有する化合物から、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーに塩形成剤を添加し、水中に乳化後、多価アミン化合物や水で鎖伸長することにより、アニオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。あるいは、（２）２個以上の活性水素原子含有化合物、および、有機ポリイソシアネートから、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーに、活性水素原子およびアニオン性基を有する化合物を反応させた後、水中に乳化させることにより、アニオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。

【0017】

上記２個以上の活性水素原子含有化合物とは、分子内に活性水素原子を２個以上有する化合物であり、ウレタン工業の分野において公知のものを使用することができる。例えば、分子末端または分子内に２個以上のヒドロキシル基および／またはアミノ基を有するものが挙げられる。好ましいのは、分子末端に２個以上のヒドロキシル基を有する化合物である。

【0018】

２個以上の活性水素原子含有化合物の具体例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、３－メチル－１，５－ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ネオペチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、１，４－シクロヘキサンジメタノール、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、水素添加ビスフェノールＡ、ジブロモビスフェノールＡ、１，４－シクロヘキサンジメタノール、ジヒドロキシエチルテレフタレート、ハイドロキノンジヒドロキシエチルエーテル、トリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトール等の多価アルコール、それらのオキシアルキレン誘導体又はそれらの多価アルコール及びオキシアルキレン誘導体と多価カルボン酸、多価カルボン酸無水物、若しくは多価カルボン酸エステルからのエステル化物、ポリカーボネートポリオール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリアセタールポリオール、ポリテトラメチレングリコール、ポリブタジエンポリオール、ヒマシ油ポリオール、大豆油ポリオール、フッ素ポリオール、シリコンポリオール等のポリオール化合物やその変性体が挙げられる。該具体例としては、また、エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの脂肪族ポリアミン化合物、メタキシレンジアミン、トリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン等の芳香族ポリアミン化合物、ピペラジン、イソホロンジアミン等の脂環族ポリアミン化合物、ヒドラジン、アジピン酸ジヒドラジドのようなポリヒドラジド化合物等の多価アミン化合物が挙げられる。なお、アルキレンオキサイドとしては、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイドなどが挙げられる。これらの活性水素原子含有化合物はいずれか１種用いてもよく２種以上を併用してもよい。

【0019】

有機ポリイソシアネートとしては、特に限定されず、ウレタン工業の分野において公知のものを使用することができ、脂肪族ジイソシアネート、脂環式ジイソシアネート、芳香族ジイソシアネートなどが挙げられる。

【0020】

有機ポリイソシアネートの具体例としては、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）ポリメリックＭＤＩ、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＭＤＩ）、キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、テトラメチルキシリレンジイソシアネート（ＴＭＸＤＩ）、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、水素添加ＭＤＩ（Ｈ１２ＭＤＩ）、リジンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ノルボルナフタレンジイソシアネート、およびそれらのイソシアヌレート体、アダクト体、ビュレット体、アロフェネート体、カルボジイミド体などが挙げられる。これらはいずれか１種用いてもよく２種以上を併用してもよい。

【0021】

活性水素原子およびアニオン性基を有する化合物としては、活性水素原子と塩形成基を有する化合物として、例えば、グリコール酸、リンゴ酸、グリシン、アミノ安息香酸、アラニン、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸等のヒドロキシ酸、アミノカルボン酸、多価ヒドロキシ酸類などのカルボキシル基を有する化合物、アミノエチルスルホン酸、２－ヒドロキシエタンスルホン酸等のアミノスルホン酸、ヒドロキシスルホン酸類等のスルホン酸基を有する化合物が挙げられる。これらはいずれか１種用いても２種以上併用してもよい。また、それに対応する塩形成剤としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物、アンモニア、トリメチルアミン、トリエチルアミンなどの３級アミン化合物などが挙げられ、これらはいずれか１種用いても２種以上併用してもよい。

【0022】

鎖伸張剤としての多価アミン化合物としては、上記の脂肪族ポリアミン化合物、芳香族ポリアミン化合物、脂環族ポリアミン化合物、ポリヒドラジド化合物などが挙げられる。

【0023】

ノニオン性水系ウレタン樹脂は、アニオン性基およびカチオン性基を有しない非電荷の水系ウレタン樹脂であり、水系媒体に分散可能なノニオン性ウレタン樹脂である。コーティング剤がノニオン性水系ウレタン樹脂を含むことにより、コーティング剤の成膜性を向上することができる。

【0024】

ノニオン性水系ウレタン樹脂としては、２個以上の活性水素原子含有化合物と、有機ポリイソシアネートとを反応させることにより得られるものが挙げられる。例えば、（１）２個以上の活性水素原子含有化合物、有機ポリイソシアネート、ならびにモノアルコールまたは多価アルコールのエチレンオキサイド単独もしくはエチレンオキサイド及びプロピレンオキサイド付加物から、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーを水中に乳化後、多価アミン化合物や水で鎖伸長することにより、ノニオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。あるいは、（２）２個以上の活性水素原子含有化合物、および有機ポリイソシアネートからイソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーを界面活性剤を用いて水中に乳化後、多価アミン化合物や水で鎖伸長することにより、ノニオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。

【0025】

ここで、ノニオン性水系ウレタン樹脂の合成に用いられる、２個以上の活性水素原子含有化合物、有機ポリイソシアネート、および多価アミン化合物の詳細および具体例については、アニオン性水系ウレタン樹脂において上述したとおりである。

【0026】

カチオン性水系ウレタン樹脂は、カチオン性基を有する水系ウレタン樹脂であり、水系媒体に分散可能なカチオン性ウレタン樹脂である。コーティング剤がカチオン性水系ウレタン樹脂を含むことにより、コーティング剤の成膜性を向上することができ、皮膜形成温度を低くして、酵素などのタンパク質の変性による失活を抑えることができる。

【0027】

カチオン性基としては、第四級アンモニウム基などが挙げられる。カチオン性水系ウレタン樹脂において、カチオン性基の数は、特に限定されず、例えば、０．０５ｍｍｏｌ／ｇ以上５ｍｍｏｌ／ｇ以下でもよい。カチオン性基の数は、より好ましくは０．１ｍｍｏｌ／ｇ以上であり、更に好ましくは０．２ｍｍｏｌ／ｇ以上であり、また、３ｍｍｏｌ／ｇ以下であることが好ましく、より好ましくは１ｍｍｏｌ／ｇ以下である。

【0028】

本明細書において、カチオン性基の数は、カチオン性水系ウレタン樹脂の不揮発分あたりのカチオン性基の物質量（質量（ｇ）あたりのｍｍｏｌ）である。カチオン性基の数は、カチオン性水系ウレタン樹脂製造時の活性水素原子およびカチオン性基を有する化合物の使用量から下記式の計算によって算出することができる。２種類以上の活性水素原子およびカチオン性基を有する化合物を用いる場合には下記式をそれぞれ計算し、合計値をカチオン性基の数とする。

【数2】

【0029】

カチオン性水系ウレタン樹脂としては、２個以上の活性水素原子含有化合物と、有機ポリイソシアネートと、活性水素原子およびカチオン性基を有する化合物とを反応させることにより得られるものが挙げられる。例えば、（１）２個以上の活性水素原子含有化合物、有機ポリイソシアネート、ならびに、活性水素原子およびカチオン性の塩形成基を有する化合物から、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーに塩形成剤を添加し、水中に乳化後、多価アミン化合物や水で鎖伸長することにより、カチオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。あるいは、（２）２個以上の活性水素原子含有化合物、および、有機ポリイソシアネートから、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該プレポリマーに、活性水素原子およびカチオン性基を有する化合物を反応させた後、水中に乳化させることにより、カチオン性水系ウレタン樹脂の水分散体が得られる。

【0030】

ここで、カチオン性水系ウレタン樹脂の合成に用いられる、２個以上の活性水素原子含有化合物、有機ポリイソシアネート、および多価アミン化合物の詳細および具体例については、アニオン性水系ウレタン樹脂において上述したとおりである。

【0031】

活性水素原子およびカチオン性基を有する化合物としては、活性水素原子と塩形成基を有する化合物として、例えば、Ｎ，Ｎ－ジメチルエタノールアミン、Ｎ－メチルジエタノールアミン、Ｎ－エチルジエタノールアミンなどのＮ－アルキルジアルカノールアミンなどが挙げられる。これらはいずれか１種用いても２種以上併用してもよい。また、それに対応する塩形成剤としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、乳酸、リンゴ酸、マロン酸、アジピン酸、硫酸ジメチル、硫酸ジエチル、メチルクロライド、ベンジルクロライドなどの有機酸類、ギ酸、塩酸、燐酸、硝酸などの無機酸類、反応性ハロゲン原子を有する化合物が挙げられる。

【0032】

本実施形態に係るコーティング剤において、アニオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、特に限定されず、例えば、１～６０質量％でもよく、１～１０質量％でもよい。コーティング剤の不揮発分１００質量％中に含まれるアニオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、例えば、２０～１００質量％でもよく、５０～１００質量％でもよい。

【0033】

コーティング剤がアニオン性水系ウレタン樹脂とともにノニオン性水系ウレタン樹脂を含む場合、ノニオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、特に限定されず、例えば、０．５～６０質量％でもよく、１～１０質量％でもよい。ノニオン性水系ウレタン樹脂を含む場合における、コーティング剤の不揮発分１００質量％中に含まれるノニオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、例えば、１～５０質量％でもよく、５～２０質量％でもよい。

【0034】

アニオン性水系ウレタン樹脂とノニオン性水系ウレタン樹脂の配合比（不揮発分としての質量比）は、特に限定されず、ノニオン性水系ウレタン樹脂の質量（Ｍｎ）に対するアニオン性水系ウレタン樹脂の質量（Ｍａ）の比（Ｍａ／Ｍｎ）が０．３～１０でもよい。妨害物質の透過抑制効果の観点からは、アニオン性水系ウレタン樹脂を主成分とすることが好ましく、比（Ｍａ／Ｍｎ）は１．０～５．０であることが好ましく、より好ましくは１．５～４．０である。

【0035】

コーティング剤がアニオン性水系ウレタン樹脂とともにカチオン性水系ウレタン樹脂を含む場合、カチオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、例えば、０．３～６０質量％でもよく、０．５～１０質量％でもよい。カチオン性水系ウレタン樹脂を含む場合における、コーティング剤の不揮発分１００質量％中に含まれるカチオン性水系ウレタン樹脂の含有量は、例えば、１～５０質量％でもよく、５～２０質量％でもよい。

【0036】

アニオン性水系ウレタン樹脂とカチオン性水系ウレタン樹脂との比率は次のように設定されることが好ましい。すなわち、カチオン性水系ウレタン樹脂のカチオン性基の数（Ｎｃ）に対するアニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数（Ｎａ）の比（Ｎａ／Ｎｃ）が０．８以上であることが好ましい。このような比で併用することにより、妨害物質の透過抑制効果を高めることができる。また、成膜に必要な温度を下げることができる。比（Ｎａ／Ｎｃ）は、より好ましくは０．８～５０であり、更に好ましくは１．０～２０．０であり、更に好ましくは１．５～１０．０である。

【0037】

本実施形態に係るコーティング剤には、上記成分の他、例えば、レベリング剤、分散剤、架橋剤、造膜助剤、消泡剤、防腐剤などの添加剤を、本実施形態の目的を損なわない範囲で加えてもよい。

【0038】

本実施形態に係るコーティング剤は、バイオセンサの電極をコーティングするために用いられる。バイオセンサは、酵素や抗体などの生体分子を検知素子として、該生体分子の分子認識能力を利用して測定対象物質（目的物質）を選択的に計測するセンサである。電気化学的原理を用いたバイオセンサでは、電極上に担持された検知素子である生体分子が、測定対象物質を分子認識することにより生じる電気的信号（例えば酵素反応によって生じる電流）を電極により検出し、これにより測定対象物質の計測を行う。

【0039】

本実施形態に係るコーティング剤は、バイオセンサの電極において、検知素子としての生体分子を被覆するために用いられる。詳細には、例えば、電極上に担持された検知素子（生体分子）の上にコーティング剤をコーティングすることにより、検知素子上を被覆するコーティング膜を形成してもよい。あるいはまた、検知素子（生体分子）をコーティング剤とあらかじめ混合したものを電極上にコーティングすることにより、コーティング剤からなるウレタン樹脂で検知素子のまわりを被覆してなる層（ウレタン樹脂をマトリックスとして内部に検知素子が分散した層）を電極上に形成してもよい。これにより、例えば、血液などの体液を検体とする場合に、体液に含まれるアスコルビン酸や尿酸などの妨害物質の透過を抑制し、それらの検出を抑制することにより、妨害物質による影響を抑えることができる。

【0040】

測定対象物質としては、特に限定されず、例えば、体液を検体とする場合、体液中に存在するグルコース、乳酸、アセトン、イソプロパノール、エタノール、アセトアルデヒド、アンモニア、ノネナール、メチルメルカプタン、ニコチンなどが挙げられる。本明細書において、体液とは、動物の体内に存在する液体である血液、リンパ液、組織液などの狭義の体液だけでなく、唾液、汗、尿などの体外に分泌される分泌液も含む広義の体液である。

【0041】

検知素子としての生体分子は、測定対象物質に対して分子認識能力を持つ物質であり、例えば、酵素、抗体などのタンパク質が挙げられ、測定対象物質に応じて選択し使用される。

【0042】

妨害物質としては、例えば、体液を検体とする場合、測定対象物質とともに体液中に含まれて、測定を阻害する物質が挙げられ、例えば、アスコルビン酸、尿酸などが挙げられる。

【0043】

図１は、一実施形態に係るバイオセンサ１０を模式的に示した断面図である。電気絶縁体からなる基板１２上には、作用電極１４、対電極１６および参照電極１８が設けられ、対電極１６と参照電極１８の間に作用電極１４が配置されている。作用電極１４上には、検知素子としての生体分子を含む検知素子層２０が設けられている。そして、検知素子層２０上に、上記コーティング剤からなるコーティング膜２２が設けられ、検知素子層２０の全体を被覆している。なお、図示しないが、コーティング膜２２は、作用電極１４、対電極１６および参照電極１８の全体を被覆するように設けてもよい。

【0044】

検知素子層２０には、検知素子としての生体分子とともに、電子伝達物質（メディエータ）が含まれてもよい。

【0045】

コーティング膜の厚みは、特に限定されず、例えば１～１０００μｍでもよく、１０～１００μｍでもよい。

【0046】

一実施形態に係るバイオセンサにおいて、検体として血液を用いて血液中のグルコースを検出する場合、検知素子としての生体分子としてはグルコースに作用する酸化酵素または脱水素酵素（すなわち、グルコースオキシダーゼまたはグルコースデヒドロゲナーゼ）が用いられる。この場合、上記コーティング剤により形成されるコーティング膜は、グルコースを透過させる一方で、血液中に含まれる妨害物質であるアスコルビン酸および尿酸の透過を抑制することができる。そのため、妨害物質の検出を抑制しながら、目的物質であるグルコースを計測することができる。このようなバイオセンサは、糖尿病の検査に利用することができる。

【0047】

一実施形態に係るバイオセンサにおいて、検体として血液を用いて血液中の乳酸を検出する場合、検知素子としての生体分子としては乳酸に作用する酸化酵素または脱水素酵素（すなわち、ラクテートオキシダーゼまたはラクテートデヒドロゲナーゼ）が用いられる。この場合、上記コーティング剤により形成されるコーティング膜は、乳酸を透過させる一方で、血液中に含まれる妨害物質であるアスコルビン酸および尿素の透過を抑制することができる。そのため、妨害物質の検出を抑制しながら、目的物質である乳酸を計測することができる。このようなバイオセンサは、脂肪の燃焼などの運動効果の測定に利用することができる。

【実施例0048】

以下、実施例及び比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれにより限定されない。

【0049】

実施例及び比較例において使用した水系ウレタン樹脂は以下のとおりである。
（アニオン性水系ウレタン樹脂）
・Ａ－１：合成例１で得られた水分散体
・Ａ－２：合成例２で得られた水分散体
・Ａ－３：合成例３で得られた水分散体
・Ａ－４：合成例４で得られた水分散体
（カチオン性水系ウレタン樹脂）
・Ｃ－１：合成例５で得られた水分散体
・Ｃ－２：合成例６で得られた水分散体
（ノニオン性水系ウレタン樹脂）
・Ｎ－１：スーパーフレックス５００Ｍ（商品名）、第一工業製薬株式会社製、不揮発分＝約４５質量％の水分散体

【0050】

［水系ウレタン樹脂の合成］
（合成例１：アニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－１）
攪拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリカーボネートポリオール（日本ポリウレタン工業（株）製「ニッポラン９８１」、活性水素原子数２）２３４質量部、トリメチロールプロパン（活性水素原子数３）１１．７質量部、ジメチロールプロピオン酸（活性水素原子数２）２３．４質量部、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート１８７質量部、メチルエチルケトン５００質量部を加え、７５℃で４時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量が３．１質量％であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液を４５℃まで冷却し、トリエチルアミンを１４．２質量部加えて中和後、水９７０質量部を徐々に加えてホモジナイザーを使用し乳化分散させた。その後、エチレンジアミンを８．２質量部添加してアミン伸長した。これを減圧、５０℃の下、脱溶剤を行い、不揮発分約３２質量％、不揮発分あたりのカルボキシル基数が０．３７ｍｍｏｌ／ｇのアニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－１の水分散体を得た。

【0051】

（合成例２：アニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－２）
攪拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリエステルポリオール（日立化成ポリマー（株）製「テスラック２５０８－７０」、活性水素原子数２）４３７質量部、トリメチロールプロパン７．６質量部、ジメチロールプロピオン酸５５質量部、イソホロンジイソシアネート１５８質量部、メチルエチルケトン２８４質量部を加え、７５℃で４時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量が０．８質量％であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液を４５℃まで冷却し、トリエチルアミンを２４．８質量部加えて中和後、水１１１８質量部を徐々に加えてホモジナイザーを使用し乳化分散させた。これを減圧、５０℃の下、脱溶剤を行い、不揮発分３５質量％、不揮発分あたりのカルボキシル基数が０．７５ｍｍｏｌ／ｇのアニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－２の水分散体を得た。

【0052】

（合成例３：アニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－３）
撹拌機、還流冷却管、温度計及び窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリエステルポリオール（日本ポリウレタン工業（株）製「ニッポラン４００９」、活性水素原子数２）８０．８質量部、ビスフェノールＡのプロピレンオキサイド付加物（株式会社ＡＤＥＫＡ製「ポリエーテルＢＰＸ－１１」、活性水素原子数２）１６２質量部、トリメチロールプロパン６．８質量部と、ジメチロールプロピオン酸１６．２質量部、ヘキサメチレンジイソシアネート１３５．８質量部、メチルエチルケトン３２１質量部とを加え、７５℃で４時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基の含有量が１．５質量％であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液を４５℃まで冷却し、鉱物油系化合物（共栄社化学（株）製「ラスミンＫＰ－７００」）２０質量部を添加し、トリエチルアミン１２質量部を加えて中和した後、ホモジナイザーを使用しながら水１０３１質量部を徐々に加えて乳化分散させた。これを減圧し、５０℃で脱溶剤を行い、不揮発分約３０質量％、不揮発分あたりのカルボキシル基数が０．２９ｍｍｏｌ／ｇのアニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－３の水分散体を得た。

【0053】

（合成例４：アニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－４）
撹拌機、還流冷却管、温度計及び窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリエステルポリオール（日立化成ポリマー（株）製「テスラックＴＡ－２２－５７２」、１，４ブタンジオール／アジピン酸；ＯＨＶ＝４５、活性水素原子数２）２５０．０質量部、ポリエーテルポリオール（第一工業製薬（株）製「ポリハードナーＤ－３４０Ｗ」、ＥＯ／ＰＯ付加物、ＯＨＶ＝３３．０、活性水素原子数２）７．１５質量部、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド１．７９質量部、イソホロンジイソシアネートのイソシアヌレート体１５３．３質量部、メチルエチルケトン３３０質量部を添加し、７５℃で４時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基の含有量が４．３５質量％であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液を５５℃まで冷却し、メチルエチルケトオキシム１８．３質量部を添加し、５５℃で２０分間反応させた。このときの遊離イソシアネート基含有量は２．１０質量％であった。更に、４０℃まで冷却した後、３５質量％タウリン酸Ｎａ水溶液８８．１質量部を添加し、４０℃で２０分間反応させた。遊離イソシアネート基含有量（固形分換算）の消失を確認した後、水で希釈し、ホモジナイザーを使用しながら水１０３４質量部を徐々に加えて乳化分散させた。これを減圧し、５０℃で脱溶剤を行い、不揮発分約３０質量％、不揮発分あたりのスルホン酸基数が０．１３ｍｍｏｌ／ｇのアニオン性水系ウレタン樹脂Ａ－４の水分散体を得た。

【0054】

（合成例５：カチオン性水系ウレタン樹脂Ｃ－１）
攪拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリエステルポリオール（日立化成ポリマー（株）製「テスラック２４７７」、１，６－へキサンジオール及びエチレングリコールとイソフタル酸及びアジピン酸とからなるポリオール。分子量１７００）３００質量部、トリメチロールプロパン１０質量部と、Ｎ－メチル－Ｎ，Ｎ－ジエタノールアミン４８質量部、イソホロンジイソシアネート１９０質量部、メチルエチルケトン２６７質量部を加え、７５℃で４時間反応させ、ウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。得られたウレタンプレポリマーにジメチル硫酸を３８．１質量部添加し、５５℃で６０分間反応させて、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基の含有量が２．５質量％であるカチオン性ウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液に水１３７０質量部を徐々に加えてホモジナイザーを使用し乳化分散させた。これを減圧、５０℃の下、脱溶剤を行い、揮発分３０質量％、不揮発分あたりの第四級アンモニウム基数０．６０ｍｍｏｌ／ｇのカチオン性水系ウレタン樹脂Ｃ－１の水分散体を得た。

【0055】

（合成例６：カチオン性水系ウレタン樹脂Ｃ－２）
攪拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた４つ口フラスコにポリカーボネートポリオール（日本ポリウレタン工業（株）製「ニッポラン９８１」、分子量１０００）２２８質量部、ポリエチレングリコール（第一工業製薬（株）製「ＰＥＧ」、分子量６００）１３．７質量部、トリメチロールプロパン５．７質量部、Ｎ－メチル－Ｎ，Ｎ－ジエタノールアミン２７．４質量部、イソホロンジイソシアネート１４７質量部、メチルエチルケトン２１１質量部を加え、７５℃で４時間反応させ、ウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。得られたウレタンプレポリマーにジメチル硫酸を２７．６質量部添加し、５５℃で６０分間反応させて、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基の含有量が２．２質量％であるカチオン性ウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。その後、水１０６０質量部を徐々に加えてホモジナイザーを使用し乳化分散させた。これを減圧、５０℃の下、脱溶剤を行い、不揮発分２６質量％、不揮発分あたりの第四級アンモニウム基数０．４８ｍｍｏｌ／ｇのカチオン性水系ウレタン樹脂Ｃ－２の水分散体を得た。

【0056】

［実施例１～４，比較例１～４］
（検体の調製）
測定対象物質であるグルコース、妨害物質であるＬ－アスコルビン酸および尿酸を、下記表１の濃度になるようにｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸緩衝液に溶解し、検体１～６を作製した。

【表1】

【0057】

（バイオセンサ用電極の作製）
ケッチェンブラック水分散体（ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製「ライオンペーストＷ３１０Ａ」、固形分１７．５質量％）４５．７質量部、カルボキシメチルセルロース（第一工業製薬株式会社製「セロゲンＢＳＨ－６」）２．０質量部、および、純水５２．３質量部を混合してディスパーで分散して、水性カーボンインキを得た。得られた水性カーボンインキをスクリーン印刷機でＰＥＴ製基板に塗工し、８０℃で１０分間乾燥させて、作用電極、対電極、参照電極からなる印刷電極を得た。得られた印刷電極の作用電極上に、０．５ｍｇ／ｍＬグルコース脱水素酵素（富士フィルム和光純薬株式会社）と０．５ｍｏｌ／ｍ^３１，２－ナフトキノンを１：１（質量比）にて混合した溶液を１０μＬ滴下し、２５℃で１時間乾燥させた。

【0058】

（コーティング膜の作製）
実施例１～４および比較例２～４では、下記表２に記載のとおりの水系ウレタン樹脂の水分散体を用いて、不揮発分が５質量％になるように純水で希釈してコーティング剤を調製した。マイクロピペットでコーティング剤３μＬを作用電極の酵素上に塗布し、表２に記載の条件で乾燥を行うことによりコーティング膜を作製した。比較例１では、コーティング膜を作製せず、酵素とメディエータ（１，２－ナフトキノン）を担持させた印刷電極を評価に用いた。

【0059】

（サイクリックボルタンメトリー測定）
コーティング膜を形成した電極を検体に浸漬させた。開始電圧を－０．３Ｖ、折り返し電圧を＋０．８Ｖ、終了電圧を－０．３Ｖとし、０．０１Ｖ／ｓの走査速度で一回目の測定を行った。一回目の測定後に電極をｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸緩衝液中で１週間浸漬させた後、一回目と同様の条件で二回目の測定を行った。

【0060】

サイクリックボルタンメトリー測定における、検体１～６の一回目および二回目の測定のそれぞれについて、酸化電流の変曲点の値を表２に示す。また、実施例１～４および比較例１～４についてのサイクリックボルタンメトリー測定におけるグルコース濃度と酸化電流の変曲点との関係を図２～９に示す。

【0061】

【表2】

【0062】

図６に示すように、コーティング膜を形成していない比較例１では、妨害物質ありの場合、妨害物質なしの場合に比べて酸化電流の変曲点が高く、妨害物質の影響が大きかった。また、一回目の測定と二回目の測定との違いが大きく、酵素が十分に固定されていなかった。図７および図８に示すように、比較例２，３ではコーティング剤を形成したことにより一回目の測定と二回目の測定との違いは小さく、酵素の剥がれは防止されたが、コーティング膜がカチオン性水系ウレタン樹脂からなるため、妨害物質の影響が大きかった。図９に示すように、比較例４は、コーティング膜がノニオン性水系ウレタン樹脂で形成されたものであり、比較例２，３に比べて妨害物質の影響が低減されていた。

【0063】

図２～５に示すように、コーティング膜をアニオン性水系ウレタン樹脂で形成した実施例１～４では、グルコース濃度と酸化電流の変曲点が比例関係にあり、妨害物質の有無による違いはほとんど見られなかった。そのため、妨害物質であるアスコルビン酸および尿酸のコーティング膜に対する透過を抑制することができ、グルコースの正確な計測が可能であった。また、一回目の測定と二回目の測定との違いもわずかであり、酵素がしっかりと固定されていた。

【0064】

［実施例５，６］
水系ウレタン樹脂として、アニオン性水系ウレタン樹脂とノニオン性水系ウレタン樹脂を、下記表３の比率で混合し、不揮発分が５質量％になるよう純水で希釈してコーティング剤を調製した。マイクロピペットでコーティング剤３μＬを作用電極の酵素上に塗布し、表３の条件で乾燥を行うことによりコーティング膜を作製した。検体の調製およびバイオセンサ用電極の作製は、実施例１と同様であり、コーティング膜を作製した電極について、実施例１と同様の方法でサイクリックボルタンメトリー測定を行った。結果を表３および図１０，１１に示す。

【0065】

【表3】

【0066】

図１０，１１に示すように、コーティング膜をアニオン性水系ウレタン樹脂とノニオン性水系ウレタン樹脂で形成した実施例５，６では、グルコース濃度と酸化電流の変曲点が比例関係にあり、妨害物質の有無による違いはほとんど見られなかった。そのため、妨害物質であるアスコルビン酸および尿酸のコーティング膜に対する透過を抑制することができ、グルコースの正確な計測が可能であった。また、一回目の測定と二回目の測定との違いもわずかであり、酵素がしっかりと固定されていた。

【0067】

［実施例７～９］
水系ウレタン樹脂として、アニオン性水系ウレタン樹脂とカチオン性水系ウレタン樹脂を、下記表４の比率で混合し、不揮発分が５質量％になるよう純水で希釈してコーティング剤を調製した。マイクロピペットでコーティング剤３μＬを作用電極の酵素上に塗布し、表４の条件で乾燥を行うことによりコーティング膜を作製した。検体の調製およびバイオセンサ用電極の作製は、実施例１と同様であり、コーティング膜を作製した電極について、実施例１と同様の方法でサイクリックボルタンメトリー測定を行った。結果を表４および図１２～１４に示す。

【0068】

実施例７～９、および上記の実施例２と比較例３のコーティング剤について、最低造膜温度を測定した。最低造膜温度は、膜厚１００μｍの塗膜を作成し、造膜温度（ＭＦＴ）測定装置（ヨシミツ精機（株））で測定を行った。

【0069】

表４中の「アニオン性基／カチオン性基」は、カチオン性水系ウレタン樹脂のカチオン性基の数（Ｎｃ）に対するアニオン性水系ウレタン樹脂のアニオン性基の数（Ｎａ）の比（Ｎａ／Ｎｃ）である。

【0070】

【表4】

【0071】

図１２～１４に示されるように、コーティング膜をアニオン性水系ウレタン樹脂とカチオン性水系ウレタン樹脂で形成した実施例７～９では、グルコース濃度と酸化電流の変曲点が比例関係にあり、妨害物質の有無による違いはほとんど見られなかった。そのため、妨害物質であるアスコルビン酸および尿酸のコーティング膜に対する透過を抑制することができ、グルコースの正確な計測が可能であった。また、一回目の測定と二回目の測定との違いもわずかであり、酵素がしっかりと固定されていた。また、実施例７～９では、アニオン性水系ウレタン樹脂単独の実施例２に比べて、最低造膜温度が低かった。

【0072】

なお、明細書に記載の種々の数値範囲は、それぞれそれらの上限値と下限値を任意に組み合わせることができ、それら全ての組み合わせが好ましい数値範囲として本明細書に記載されているものとする。また、「Ｘ～Ｙ」との数値範囲の記載は、Ｘ以上Ｙ以下を意味する。

【0073】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその省略、置き換え、変更などは、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0074】

１０…バイオセンサ、１２…基板、１４…作用電極、１６…対電極、
１８…参照電極、２０…検知素子層、２２…コーティング膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】