JP2006512574A - Enzyme electrode preparation method - Google Patents

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Abstract

本発明は、マイクロカプセル化によってケイ酸塩ゾルゲルに固定されたコレステロール・オキシダーゼ(ChOx)をコーティングすることにより酵素電極を調製する方法に関する。The present invention relates to a method for preparing an enzyme electrode by coating cholesterol oxidase (ChOx) immobilized on a silicate sol-gel by microencapsulation.

Description

本発明は、酵素電極調製方法に関する。本発明はまた主として、固定化されたコレステロール・オキシダーゼ(ChOx)とメディエーターをマイクロカプセル化してケイ酸塩ゾルゲルにコーティングすることによる酵素電極の調製方法を提供する。   The present invention relates to a method for preparing an enzyme electrode. The present invention also mainly provides a method for preparing an enzyme electrode by microencapsulating immobilized cholesterol oxidase (ChOx) and a mediator and coating the silicate sol gel.

発明の背景
コレステロールとその脂肪酸エステルは、神経及び脳細胞の成分であり、胆汁酸やステロイド・ホルモンなど、他の生体物質の前駆物質であるから、人間にとって重要な化合物である(P. Y. Yeagle, コレステロールの生物学、 CRC Press: 生物学と医学におけるその機能と代謝:Plenum: New York 1972)。血液中のコレステロール測定は、心臓疾患の診断で臨床的に重要である。過度の飲食による血液中のコレステロールとその脂肪酸エステルの蓄積は致命的なものになる可能性があるからである(D. Noble, Anal. Chem., 1993, 65, 1037A-41A)。血清値の正常範囲は、総コレステロールで3 乃至6 mMであるが、高脂血症の場合はこのレベルが10 mMにまで上昇する。したがって、コレステロールを測定するための便利で迅速な方法を開発することが望ましい。
BACKGROUND OF THE INVENTION Cholesterol and its fatty acid esters are important compounds for humans because they are components of nerves and brain cells and are precursors of other biological substances such as bile acids and steroid hormones (PY Yeagle, cholesterol) CRC Press: Its function and metabolism in biology and medicine: Plenum: New York 1972). Measurement of cholesterol in the blood is clinically important in the diagnosis of heart disease. This is because accumulation of cholesterol and fatty acid esters in blood due to excessive eating and drinking can be fatal (D. Noble, Anal. Chem., 1993, 65, 1037A-41A). The normal range of serum values is 3 to 6 mM in total cholesterol, but this level rises to 10 mM in the case of hyperlipidemia. Therefore, it is desirable to develop a convenient and rapid method for measuring cholesterol.

カーボン・ペースト内に酵素を安定化して固定したり、ガラス状カーボン電極の表面に共有結合で結合したり、又はポリマー・フィルム内に固定したりして酵素電極を調製するためにいろいろな方法が当業者によって用いられてきた。近年、ゾルゲル・マトリックス内に酵素活性を保持して酵素を固定することが新しいバイオセンサーの開発の有力な手段になっている。Avnir et al.は、有機化合物を重合前駆物質と共に導入することによって有機化合物を無機サポートに固定する方法を開示している(J. Phys. Chem. 88 (1984), 5969)。ゾルゲル処理された物質は、導電性、光学、機械的、及び電気光学的用途のためのセラミック・フィルムの開発における利用で知られている(Brinker, C.J. and Scherer, G.W., ゾルゲル科学(Sol-Gel Science), Academic Press, New Tork, (1989); Klein, L.C., Annu. Rev. Mat. Sci., 23 (1993) 437)。 Braun et al.は、アルカリホスファターゼがゾルゲル・マトリックス内で固定されたときにその活性を保持すると報告している(Mter. Lett., 10 (1990) 1)。ゾルゲル・マトリックス内のグルコース・オキシダーゼなど、酵素固定化の分野における開示がある(Yamanaka et al.,Chem. Mater. 4 (1992) 495; Shtelzer et al., Biochem. Biotechnol., 19 (1994) 293; Narang et al, Anal. Chem., 66 (1994) 3139)。   There are various methods for preparing enzyme electrodes by stabilizing and fixing the enzyme in the carbon paste, covalently bonding to the surface of the glassy carbon electrode, or fixing in the polymer film. Have been used by those skilled in the art. In recent years, retaining an enzyme activity in a sol-gel matrix and immobilizing the enzyme has become an effective means for developing a new biosensor. Avnir et al. Discloses a method for fixing an organic compound to an inorganic support by introducing the organic compound together with a polymerization precursor (J. Phys. Chem. 88 (1984), 5969). Sol-gel processed materials are known for their use in the development of ceramic films for conductive, optical, mechanical and electro-optical applications (Brinker, CJ and Scherer, GW, Sol-Gel Science), Academic Press, New Tork, (1989); Klein, LC, Annu. Rev. Mat. Sci., 23 (1993) 437). Braun et al. Report that alkaline phosphatase retains its activity when immobilized in a sol-gel matrix (Mter. Lett., 10 (1990) 1). There are disclosures in the field of enzyme immobilization, such as glucose oxidase in sol-gel matrices (Yamanaka et al., Chem. Mater. 4 (1992) 495; Shtelzer et al., Biochem. Biotechnol., 19 (1994) 293 Narang et al, Anal. Chem., 66 (1994) 3139).

Audebert and SanchezはTMOS及び異なる粒子サイズの市販コロイド状シリカによる二段階ゾルゲル調製法を用いたフェロセンで媒介されたゾルゲル・バイオセンサーの構成を報告している(Chem. Mater. 5 (1993) 911)。この参照文献によると、80%を超えるグルコース・オキシダーゼがゲル内でその活性を保持し、電極のFaradic応答はこの活性に基づく理論的計算と一致している。Lev et alはゾルゲルで得られる複合シリカ-カーボン電極の利用を開示し、シリカ・マトリックスの多孔性と剛性及びグラファイトの導電性という両方の利点を主張している(Anal. Chem., 66 (1994) 1747)。この開示では、グルコース・オキシダーゼがまずカーボン粉末の表面に吸着され、次にガラス状カーボン電極でのゾルゲル・フィルムの調製に用いられる。Kurokawa et al. も、製造されたグルコース・オキシダーゼをドープしたゾルゲル複合物がセルロースやチタン・プロポキシドなどの複合ファイバーから作られる同様な方法を報告している(Biotechnol. Bioeng., 42 (1993) 394; Biotechnology 7 (1993) 5)。   Audebert and Sanchez reported the construction of a ferrocene-mediated sol-gel biosensor using a two-step sol-gel preparation method with TMOS and commercial colloidal silica of different particle sizes (Chem. Mater. 5 (1993) 911). . According to this reference, more than 80% of glucose oxidase retains its activity in the gel, and the Faradic response of the electrode is consistent with a theoretical calculation based on this activity. Lev et al discloses the use of composite silica-carbon electrodes obtained with sol-gels, claiming the advantages of both the porosity and rigidity of silica matrix and the conductivity of graphite (Anal. Chem., 66 (1994 1747). In this disclosure, glucose oxidase is first adsorbed on the surface of a carbon powder and then used to prepare a sol-gel film with a glassy carbon electrode. Kurokawa et al. Also reported a similar method in which manufactured glucose oxidase-doped sol-gel composites are made from composite fibers such as cellulose and titanium propoxide (Biotechnol. Bioeng., 42 (1993)). 394; Biotechnology 7 (1993) 5).

コレステロール・オキシダーゼとホースラディッシュ・ペルオキシダーゼのゾルゲル・フィルムにおける同時固定が、例えば、Analytica Chimica Acta Vol. 414, 23 pp. 2000に開示されている。この開示の方法は、コレステロールとホースラディッシュ・ペルオキシダーゼをテトラ・オルト・ケイ酸塩から得られるゾルゲル・フィルムで固定化するための物理的吸着、物理的にトラップされたサンドイッチ及びマイクロ封入法の利用を含む。コレステロールの定量(estimation)に関する応答時間は100分を超える。物理的にトラップされた酵素サンドイッチ・ゾルゲル・フィルムで、電流計測によって50秒という応答時間が観測された。さらに、酵素電極は、わずか8週間しか安定でないと報告されている。   Co-immobilization of cholesterol oxidase and horseradish peroxidase in a sol-gel film is disclosed, for example, in Analytica Chimica Acta Vol. 414, 23 pp. 2000. The disclosed method utilizes the use of physical adsorption, physically trapped sandwich and microencapsulation methods to immobilize cholesterol and horseradish peroxidase with sol-gel films derived from tetra-orthosilicate. Including. Response time for cholesterol estimation is over 100 minutes. A response time of 50 seconds was observed by amperometry in a physically trapped enzyme sandwich sol-gel film. Furthermore, enzyme electrodes have been reported to be stable for only 8 weeks.

この分野で用いられているバイオセンサーは安定性と短い貯蔵寿命の点でいくつか問題がある。化学的センシングの研究者で使用されるバイオ認識エレメントの固定化方法はいくつか報告されている(R. F. Tylor, タンパク質固定の基本と応用: Marcel Dicker, New York (1976) Chapter 8, 263-303、及びH. H. Weetal, 固定された酵素:抗原、抗体、及びペプチドの調製と特性評価: Marcel Dicker, New York (1975) Chapter 6, 263-303)。文献で報告されている方法は、一般に次のカテゴリーのいずれかに分類できる:(1)物理的吸着、(2)共有結合付着、又は(3)トラップ捕獲、このうちで物理的吸着が最も単純な固定化方法である。   Biosensors used in this field have several problems in terms of stability and short shelf life. Several methods of immobilizing biorecognition elements used by chemical sensing researchers have been reported (RF Tylor, Fundamentals and Applications of Protein Immobilization: Marcel Dicker, New York (1976) Chapter 8, 263-303, And HH Weetal, Immobilized Enzymes: Preparation and Characterization of Antigens, Antibodies and Peptides: Marcel Dicker, New York (1975) Chapter 6, 263-303). Methods reported in the literature can generally be classified into one of the following categories: (1) physical adsorption, (2) covalent attachment, or (3) trap capture, of which the physical adsorption is the simplest This is an immobilization method.

これらの固定化の方法には、バイオ認識エレメント(例えば、タンパク質、及び酵素)の大きなサイズに関連した問題など、いくつかの問題が生ずる。物理的吸着は、ある範囲のバイオ認識エレメントの方位と見かけの結合(biding)親和度を生ずる。さらに、物理的吸着は一般に標的分析物に完全に応答しないバイオ認識エレメントの集団を生ずる。固定化された分子種は完全に標的分析物に応答しなくなる。固定化された分子種は、しばしば、共有結合でないためにセンシング・インターフェースから溶け出す/離脱する。共有スキームは一般に安定で一様な(バイオ認識方位の中間(interim))インターフェースを生じ、酵素の溶け出しは最小になる。残念ながら、共有結合による付着は一つ以上の化学的変換を伴うことがあり、時間がかかりがちで、コストも高くなる。   These immobilization methods have several problems, including problems associated with the large size of biorecognition elements (eg, proteins and enzymes). Physical adsorption results in a range of biorecognition element orientations and apparent biding affinities. Furthermore, physical adsorption generally results in a population of biorecognition elements that are not fully responsive to the target analyte. The immobilized molecular species becomes completely unresponsive to the target analyte. Immobilized molecular species often dissolve / detach from the sensing interface because they are not covalent bonds. Shared schemes generally yield a stable and uniform (interim biorecognition orientation) interface with minimal enzyme leaching. Unfortunately, covalent attachment can involve one or more chemical transformations, which can be time consuming and costly.

米国特許第 6,342,364号明細書は、サンプルを一度送るだけで低密度リポタンパク質中のコレステロールを電気化学的に測定するセンサーを提供している。このセンサーは、電気的に絶縁性のベースプレートに取付けられた、少なくとも作業電極とカウンター電極を含む電極システム;ベースプレートに電極システムと共に形成される酵素層;及び電極システムへのサンプル溶液供給路で酵素層の前に配置される試薬層;を有する。酵素層は、少なくともオキシドレダクターゼとエレクトロン・メディエーターを含む。試薬層は低密度リポタンパク質以外のリポタンパク質でオキシドレダクターゼとの反応性を抑制する試薬、例えば低密度リポタンパク質以外のリポタンパク質に付着して水溶性の錯体を形成する試薬、を含む。しかし、このセンサーの貯蔵寿命は低すぎる。   US Pat. No. 6,342,364 provides a sensor that electrochemically measures cholesterol in low density lipoproteins with a single sample pass. The sensor includes an electrode system including at least a working electrode and a counter electrode attached to an electrically insulating base plate; an enzyme layer formed with the electrode system on the base plate; A reagent layer disposed in front of each other. The enzyme layer includes at least an oxidoreductase and an electron mediator. The reagent layer includes a reagent that suppresses the reactivity with oxidoreductase with a lipoprotein other than the low-density lipoprotein, for example, a reagent that adheres to a lipoprotein other than the low-density lipoprotein to form a water-soluble complex. However, the shelf life of this sensor is too low.

米国特許第 6,214,612号明細書は、コレステロールの定量測定のための、電極システムと反応試薬システムを含むコレステロール・センサーを開示している。電極システムはカーボン電極などの測定電極とカウンター電極を含み、反応試薬システムはコレステロール・デヒドロゲナーゼ、ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド、及び酸化されたエレクトロン・メディエーターを含む。エレクトロン・メディエーターは、フェリシアニド、1,2-ナフトキノン-4-スルホネート、2,6-ジクロロフェノール インドフェノール、ジメチルベンゾキノン、1-メトキシ-5-メチルフェナジニウム スルフェート、メチレンブルー、ガロシアニン、チオニン、フェナジン・メトスルフェート、及びMeldola’sブルー、などを含む。ジアフォラーゼ、コレステロール・エステラーゼ、及び表面活性剤も存在してもよい。上記の電極システムは絶縁性のベースプレート上にあり、ベースプレートはサンプル供給チャンネルである溝を有する被覆部材を有し、この溝はベースプレートの端から電極システムまで延びる。乾燥形態の試薬システムと親水性ポリマーの層を含む反応層がベースプレート又は被覆部材に、又は電極システムと被覆部材の上に、サンプル供給チャンネルにさらされるように設けられる。動作時に、コレステロール・デヒドロゲナーゼによるコレステロールの酸化と合わせてエレクトロン・メディエーターは還元され、エレクトロン・メディエーターを電気化学的に再酸化するために必要な電流は、サンプル中に存在するコレステロールの量と正比例する。しかし、このセンサーは貯蔵寿命が低く、メディエーターと酵素が両方とも溶け出す可能性がある。   US Pat. No. 6,214,612 discloses a cholesterol sensor comprising an electrode system and a reaction reagent system for quantitative determination of cholesterol. The electrode system includes a measurement electrode such as a carbon electrode and a counter electrode, and the reaction reagent system includes cholesterol dehydrogenase, nicotinamide adenine dinucleotide, and oxidized electron mediator. Electron mediators include ferricyanide, 1,2-naphthoquinone-4-sulfonate, 2,6-dichlorophenol indophenol, dimethylbenzoquinone, 1-methoxy-5-methylphenazinium sulfate, methylene blue, garocyanine, thionine, phenazine, Including methosulfate and Meldola's blue. Diaphorases, cholesterol esterases, and surfactants may also be present. The above electrode system is on an insulating base plate, which has a covering member with a groove that is a sample supply channel, which groove extends from the end of the base plate to the electrode system. A reaction layer comprising a reagent system in dry form and a layer of hydrophilic polymer is provided on the base plate or covering member or on the electrode system and covering member so as to be exposed to the sample supply channel. In operation, the electron mediator is reduced in conjunction with the oxidation of cholesterol by cholesterol dehydrogenase, and the current required to electrochemically reoxidize the electron mediator is directly proportional to the amount of cholesterol present in the sample. However, this sensor has a low shelf life, and both mediators and enzymes can dissolve.

米国特許第 6,071,392号明細書は、電気的に絶縁性のベースプレートに形成された測定電極とカウンター電極を有する電極システム、電極システムを覆う電極コーティング層、及び電極コーティング層に又はその近くに形成された反応試薬層を含むコレステロール・センサーを開示しており、このセンサーでは、反応試薬層は少なくともコレステロール酸化を触媒する酵素、コレステロール・エステルの加水分解活性を有する酵素、及び表面活性剤を含み、電極コーティング層は水溶性セルロース誘導体及びサッカライドから成る群から選択された一つを含み、前記センサーに供給されたサンプル溶液に前記電極コーティング層が溶解したときにサンプル溶液に十分な粘度を付与して前記表面活性剤が前記電極システムに侵入することを阻止できるような濃度で含まれる。この特許のセンサーは、電極システムに侵入する表面活性剤による電極の劣化でセンサーの応答が低下することをなくすことが目的である。応答時間は低いと述べられているが、酵素が溶け出す可能性があるために貯蔵寿命はやはり高くない。   U.S. Pat.No. 6,071,392 is formed in or near an electrode system having a measuring electrode and a counter electrode formed on an electrically insulating base plate, an electrode coating layer covering the electrode system, and an electrode coating layer Disclosed is a cholesterol sensor that includes a reactive reagent layer, wherein the reactive reagent layer includes at least an enzyme that catalyzes cholesterol oxidation, an enzyme that has a cholesterol ester hydrolyzing activity, and a surfactant, and an electrode coating The layer includes one selected from the group consisting of a water-soluble cellulose derivative and a saccharide, and when the electrode coating layer is dissolved in the sample solution supplied to the sensor, the sample solution is provided with a sufficient viscosity to provide the surface. Can prevent the active agent from entering the electrode system Contained at such concentrations. The sensor of this patent is intended to eliminate the degradation of the sensor response due to electrode degradation due to surfactants that penetrate the electrode system. Although the response time is stated to be low, the shelf life is still not high due to the potential for the enzyme to dissolve.

米国特許第 6,117,289号明細書は、少なくとも測定電極とカウンター電極から成り電気的に絶縁性のベースプレートに配置された電極システム、及び電極システム上又はその近くに形成された反応層を含むコレステロール・センサーを開示している。反応層は、コレステロール・エステルをコレステロールに変換するコレステロール・エステラーゼ、及びコレステロール・オキシダーゼ及び表面活性剤を含む。応答時間は9分に達していた。さらに、表面活性剤の存在は電極の劣化を生ずる。   US Pat. No. 6,117,289 discloses a cholesterol sensor comprising an electrode system comprising at least a measurement electrode and a counter electrode and disposed on an electrically insulating base plate and a reaction layer formed on or near the electrode system. Disclosure. The reaction layer contains cholesterol esterase that converts cholesterol ester into cholesterol, cholesterol oxidase, and a surfactant. The response time reached 9 minutes. Further, the presence of the surfactant causes electrode degradation.

電気化学的に重合される導電性ポリマーも最近の20年間にかなりの注目を集めている。導電性の酸化(ドープされた)状態と絶縁性の還元(ドープされない)状態の間でスイッチできるこの材料の著しい能力が多くの応用の基礎になっている。例えば、ポリコンジュゲーテッド(polyconjugated)導電性ポリマーが、モノマーの電気化学的酸化によってセンサー電極上に直接かつ容易にデポジットできること、電荷のデポジションによる厚さの制御、及び酸化還元導電性、及びセンサーに応用できるポリマーの高分子電解質特性、などの有利な特性のためにバイオセンサー用途に提案されている。   Electrochemically polymerized conductive polymers have also received considerable attention over the last 20 years. The remarkable ability of this material to switch between a conductive oxidized (doped) state and an insulating reduced (undoped) state is the basis for many applications. For example, polyconjugated conductive polymers can be deposited directly and easily on the sensor electrode by electrochemical oxidation of the monomer, thickness control by charge deposition, and redox conductivity and sensor It has been proposed for biosensor applications because of its advantageous properties such as the polymer electrolyte properties of the polymers that can be applied.

したがって、コレステロールを従来の方法でかつ迅速に測定できるバイオセンサーの開発がきわめて望ましい。   Therefore, it is highly desirable to develop a biosensor that can measure cholesterol rapidly by conventional methods.

発明の目的
本発明の主な目的は水性媒質中のコレステロールの定量に使用できる新しいゾルゲル・ベース酵素電極を提供することである。
Objects of the invention The main object of the present invention is to provide a new sol-gel based enzyme electrode which can be used for the determination of cholesterol in aqueous media.

本発明の別の目的は、溶液中のコレステロールの正確かつ迅速な定量を可能にする新しい酵素電極を調製する方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method for preparing a new enzyme electrode that allows accurate and rapid quantification of cholesterol in solution.

本発明のさらに別の目的は、酵素的に安定な、コスト−効果の高い、高感度の酵素電極を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide enzymatically stable, cost-effective and sensitive enzyme electrodes.

本発明のさらに別の目的は、30秒という短い時間内にコレステロールの正確な測定を可能にする酵素電極を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide an enzyme electrode that allows an accurate measurement of cholesterol within a short period of 30 seconds.

本発明のさらに別の目的は、少なくとも5回再使用できる新しいゾルゲル・ベースの酵素電極を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a new sol-gel based enzyme electrode that can be reused at least five times.

発明の要約
したがって、本発明は、水性媒質中のコレステロールの定量に使用できる酵素電極に関し、前記電極は:
i. 導電性のベースプレート、
ii. その上にデポジットされたゾルゲル誘導物質のフィルム、を含み、
iii. ステップb)の前記ゾルゲル誘導物質はマイクロカプセル化されたコレステロール・オキシダーゼとエレクトロン・メディエーターであり、
前記酵素電極は、カプセル化された酵素及びエレクトロン・メディエーターの溶け出しを何も示さず、応答時間は30秒であり、少なくとも5回再使用でき、貯蔵寿命は6ヶ月である。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention relates to an enzyme electrode that can be used for the determination of cholesterol in an aqueous medium, said electrode comprising:
i. conductive base plate,
ii. a film of a sol-gel derivative deposited thereon,
iii. The sol-gel inducer of step b) is a microencapsulated cholesterol oxidase and an electron mediator,
The enzyme electrode shows no leaching of the encapsulated enzyme and electron mediator, the response time is 30 seconds, it can be reused at least 5 times, and the shelf life is 6 months.

本発明の別の実施の形態では、導電性ベースプレートはインジウム錫酸化物がコーティングされたガラス・プレートと銀コーティングされた非導電性ポリマー表面から選択される。   In another embodiment of the present invention, the conductive base plate is selected from a glass plate coated with indium tin oxide and a non-conductive polymer surface coated with silver.

本発明のさらに別の実施の形態では、非導電性ポリマー表面はフィルムとシートから選択される。   In yet another embodiment of the invention, the non-conductive polymer surface is selected from films and sheets.

本発明のさらに別の実施の形態では、非導電性ポリマー表面は、ポリアクリルアミド、ポリ塩化ビニル、及びポリエチレンから成る群から選択される。   In yet another embodiment of the invention, the non-conductive polymer surface is selected from the group consisting of polyacrylamide, polyvinyl chloride, and polyethylene.

本発明の別の実施の形態では、ゾル物質はシリカゾルである。   In another embodiment of the invention, the sol material is a silica sol.

本発明のさらに別の実施の形態では、シリカゾルはテトラエチル・オルト・ケイ酸塩とテトラメチル・オルト・ケイ酸塩から選択される。   In yet another embodiment of the present invention, the silica sol is selected from tetraethylorthosilicate and tetramethylorthosilicate.

本発明の別の実施の形態では、エレクトロン・メディエーターはフェリシアン化カリウム、フェロセン、及びプルシアンブルーから選択される。   In another embodiment of the invention, the electron mediator is selected from potassium ferricyanide, ferrocene, and Prussian blue.

本発明のさらに別の実施の形態では、酵素電極は感度が0.4ボルトである。   In yet another embodiment of the invention, the enzyme electrode has a sensitivity of 0.4 volts.

本発明の別の実施の形態では、用いられるコレステロール・オキシダーゼの強度(strength)は表面積1×1 cm2あたり3〜5 IUである。 In another embodiment of the invention, the cholesterol oxidase used has a strength of 3-5 IU per 1 × 1 cm 2 surface area.

本発明のさらに別の実施の形態では、酵素電極は6.5〜7.2の範囲のpHで動作する。   In yet another embodiment of the invention, the enzyme electrode operates at a pH in the range of 6.5 to 7.2.

本発明はまた、水性媒質中のコレステロールの定量で使用できる酵素電極を調製する方法に関し、この方法は以下のステップ:
a. 公知の方法によってケイ酸塩溶液を調製するステップ;
b. 3〜5 IUのコレステロール・オキシダーゼと約0.01 Mのメディエーターを含む0.05〜0.1 Mのリン酸バッファーをステップa)の前記ケイ酸塩溶液にゆっくりと加えて、酵素コレステロール・オキシダーゼとエレクトロン・メディエーターを固定化するステップ;
c. 得られた前記混合物を、濁度を観測することによって酵素とメディエーターが完全にカプセル化されるまで静置するステップ;
d. 得られた濁った混合物を導電性ベースプレートに通常の方法で拡げるステップ;
e. 導電性ベースプレートを拡げられた混合物と共に少なくとも1日、25〜30℃の範囲の温度で乾燥して所望の酵素電極を得るステップ;
を含む。
The present invention also relates to a method of preparing an enzyme electrode that can be used for the determination of cholesterol in an aqueous medium, which method comprises the following steps:
a. preparing a silicate solution by known methods;
b. Slowly add 0.05-0.1 M phosphate buffer containing 3-5 IU cholesterol oxidase and about 0.01 M mediator to the silicate solution of step a) to make enzyme cholesterol oxidase and electron mediator Immobilizing the step;
c. allowing the resulting mixture to stand until the enzyme and mediator are completely encapsulated by observing turbidity;
d. spreading the resulting turbid mixture to a conductive base plate in the usual manner;
e. drying the conductive base plate with the spread mixture for at least one day at a temperature in the range of 25-30 ° C. to obtain the desired enzyme electrode;
including.

本発明のある実施の形態では、用いられるケイ酸塩ゾルはテトラエチル・オルト・ケイ酸塩とテトラメチル・オルト・ケイ酸塩から選択される。   In one embodiment of the invention, the silicate sol used is selected from tetraethylorthosilicate and tetramethylorthosilicate.

本発明の別の実施の形態では、用いられるリン酸バッファーはpHが6.5〜7.2の範囲にある。   In another embodiment of the invention, the phosphate buffer used has a pH in the range of 6.5 to 7.2.

本発明のさらに別の実施の形態では、酵素電極を調製する方法は単一ステップの方法である。
発明の詳細な説明
In yet another embodiment of the invention, the method of preparing the enzyme electrode is a single step method.
Detailed Description of the Invention

この開示は本質的に、ゾルの調製及びコレステロール・オキシダーゼと合わせたバッファー溶液中のメディエーターのゾルへの同時添加の諸段階に関する。ゾルと固定された酵素の混合物は、酵素の完全なカプセル化が達成されるまで静置される。この段階は混合物における濁りの発生を観測して判定される。混合物が濁ったら、それは基板にデポジットして所望の電極を調製するのに使用できる。拡げられた混合物が約24時間という長い時間約25〜30℃の温度で乾燥されると、コレステロール感知性質を有する薄いフィルムが得られる。   This disclosure essentially relates to the steps of sol preparation and simultaneous addition of mediator to the sol in a buffer solution combined with cholesterol oxidase. The sol and immobilized enzyme mixture is allowed to stand until complete encapsulation of the enzyme is achieved. This stage is determined by observing the occurrence of turbidity in the mixture. If the mixture becomes cloudy, it can be deposited on a substrate and used to prepare the desired electrode. When the spread mixture is dried at a temperature of about 25-30 ° C. for as long as about 24 hours, a thin film with cholesterol sensing properties is obtained.

ゾルの調製は、好ましくは純水とHClでテトラエチル・ケイ酸塩を用いて行われる。しかし、テトラメチル・ケイ酸塩を用いても良い。ゾルの調製に用いられる水は、好ましくは純水であるが、さらに好ましくは15 Mオームよりも高い脱イオン水である。ゾルの調製は従来から当業者に公知のどんな手段によって行っても良い。例えば、ストックのゾルゲル溶液は、4.5 mlのテトラエチル・オルト・ケイ酸塩(TEOS)、1.4 mlのH2O、及び100 μlの0.1 M HClをガラスのバイアル中で混合して調製される。混合物はクリーンな溶液が得られるまで一定に攪拌された。この溶液が実験全体にわたって、必要に応じて希釈して用いられた。個々の鋳造液(casting solution)は0.5 mlのストック溶液と0〜0.2 mlの脱イオン水を混合して調製された。 The preparation of the sol is preferably carried out with pure water and HCl using tetraethyl silicate. However, tetramethyl silicate may be used. The water used for the preparation of the sol is preferably pure water, more preferably deionized water higher than 15 M ohms. The sol may be prepared by any means conventionally known to those skilled in the art. For example, a stock sol-gel solution is prepared by mixing 4.5 ml tetraethylorthosilicate (TEOS), 1.4 ml H 2 O, and 100 μl 0.1 M HCl in a glass vial. The mixture was stirred constantly until a clean solution was obtained. This solution was used diluted as needed throughout the experiment. Each casting solution was prepared by mixing 0.5 ml stock solution and 0-0.2 ml deionized water.

次の重要なステップは、固定化されたコレステロール・オキシダーゼ酵素を含むゾルゲルの調製である。このステップの特別な点は、メディエーターを。酵素を含むバッファーと共にゾルに漸次加えて酵素のカプセル化と固定化を同時に行うことである。用いる酵素は濃度が表面積1平方センチメートルあたり3〜5 IUという範囲のコレステロール・オキシダーゼである。用いるメディエーターは、フェリシアン化カリウムが好ましい。コレステロール・オキシダーゼ(ChOx)の固定化には80μlのストック溶液が、3UのChOxを含む0.1 Mのリン酸バッファー(pH 7.0)で作られた0.01 Mフェリシアン化カリウム溶液20μlに加えられ、シリカ・ネットワークを形成する成長しつつある加水分解されたゲルに酵素とメディエーターとしてのフェリシアン化カリウムを同時にトラップする。酵素とメディエーターが成長するネットワーク内に完全にカプセル化されるまで溶液は放置された。   The next important step is the preparation of a sol gel containing immobilized cholesterol oxidase enzyme. The special point of this step is the mediator. The enzyme is encapsulated and immobilized simultaneously by gradually adding to the sol together with a buffer containing the enzyme. The enzyme used is cholesterol oxidase with a concentration in the range of 3-5 IU per square centimeter of surface area. The mediator used is preferably potassium ferricyanide. For immobilization of cholesterol oxidase (ChOx), 80 μl of the stock solution is added to 20 μl of 0.01 M potassium ferricyanide solution made with 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing 3 U ChOx, and the silica network is added. Simultaneously trap the enzyme and potassium ferricyanide as mediator in the growing hydrolyzed gel that forms. The solution was allowed to stand until it was completely encapsulated within the growing network of enzymes and mediators.

固定化されマイクロカプセル化された酵素を含むゾルゲルが調製されたら、それは導電基板にフィルムとしてデポジットするのにいつでも使用することができる。導電基板は、インジウム錫酸化物(ITO)などの導電性フィルムをコーティングしたガラス・プレートであっても、ポリマー・フィルムやシートなどの他の基板であってもよい。これらは銀のフィルムをデポジットして、カプセル化された酵素を含むゾルゲルのフィルムをデポジットするための導電性表面として使用することができる。フィルムを鋳造する前に、インジウム錫酸化物(ITO)がコーティングされたガラス・プレートは最初にHNO3で約2時間処理され、その後Millipore waterで3回水洗された。最後に、ガラス・スライドはフィルム・コーティングの手法の前にn-プロパノールで洗浄された。フィルムは当業者に公知の従来のどんな手段で調製してもよく、好ましくは25〜30℃の範囲の温度で空気中に保持して乾燥させる。その後、ChOxがドープされたいろいろな厚さのフィルムがウオーター・ゾルゲル希釈スキームによってITOガラスに鋳造された。フィルムは25℃で乾燥され4℃で貯蔵された。 Once the sol-gel containing the immobilized and microencapsulated enzyme is prepared, it can be used at any time to deposit as a film on a conductive substrate. The conductive substrate may be a glass plate coated with a conductive film such as indium tin oxide (ITO), or another substrate such as a polymer film or sheet. These can be used as conductive surfaces for depositing silver films and depositing sol-gel films containing encapsulated enzymes. Prior to casting the film, a glass plate coated with indium tin oxide (ITO) was first treated with HNO 3 for about 2 hours and then washed three times with Millipore water. Finally, the glass slide was cleaned with n-propanol prior to the film coating procedure. The film may be prepared by any conventional means known to those skilled in the art and is preferably kept in air and dried at a temperature in the range of 25-30 ° C. Thereafter, various thickness films doped with ChOx were cast into ITO glass by a water sol-gel dilution scheme. The film was dried at 25 ° C and stored at 4 ° C.

標準コレステロール溶液は、3 mgのコレステロールを12.8 mlのプロパ-2-ノールに溶解して調製し、5.85 mlのTriton X-100表面活性剤と混合した。均一にした後、0.1 Mリン酸バッファー(pH 7.0)によって量を100 mlまで増やし、35℃で恒温に保った。この標準溶液をさらに水で希釈していろいろなコレステロール溶液を作った。   A standard cholesterol solution was prepared by dissolving 3 mg of cholesterol in 12.8 ml of prop-2-anol and mixing with 5.85 ml of Triton X-100 surfactant. After homogenization, the volume was increased to 100 ml with 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) and kept constant at 35 ° C. This standard solution was further diluted with water to prepare various cholesterol solutions.

酵素をコーティングした基板の特性は、上で調製された標準コレステロール溶液を用いて電流計測応答研究によって測定される。電流計測法は当業者には周知である。この方法では、本質的に三電極セル形態(three electrode cell configuration)が用いられる。用いる電極は、作業電極、すなわち、本発明の酵素電極である。普通、酵素電極はITOコーティングサレタガラス上に作られた。第二の電極はAg/AgClの基準電極である。実際の測定ではpH 7.0のリン酸バッファー中で0.5〜10 mMの間で変化する強度のコレステロール溶液が上述した二つの電極と共に用いられた。酵素的に生成されたH2O2による電流が100秒毎に測定された。普通、何秒という応答時間が、コレステロール濃度に対して測定される。電流を生ずる反応は以下のスキームによる。
コレステロール + O2 → Δ-コレステン-3-オン + H2O2
H2O2 → O2 +2H+ + 2e-
The properties of the enzyme-coated substrate are measured by an amperometric response study using the standard cholesterol solution prepared above. Current measurement methods are well known to those skilled in the art. This method essentially uses a three electrode cell configuration. The electrode used is the working electrode, ie the enzyme electrode of the present invention. Usually, enzyme electrodes were made on ITO-coated sales glass. The second electrode is an Ag / AgCl reference electrode. In actual measurements, a strong cholesterol solution varying between 0.5 and 10 mM in a pH 7.0 phosphate buffer was used with the two electrodes described above. The current due to enzymatically generated H 2 O 2 was measured every 100 seconds. Usually response times in seconds are measured against cholesterol concentration. The reaction that produces the current is according to the following scheme.
Cholesterol + O 2 → Δ-cholesten-3-one + H 2 O 2
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e -

実験の結果は図1に示されている。コレステロールにグルコースやアスコルビン酸などの干渉物質を加えたときに酵素電極の応答に何か有害な影響がないかどうかをチェックするために、コレステロール溶液に干渉物質を混合して実験を繰り返した。これらの干渉物質は酵素電極に対する応答に何も影響を示さないことが分かった。   The result of the experiment is shown in FIG. In order to check if there was any detrimental effect on the response of the enzyme electrode when an interfering substance such as glucose or ascorbic acid was added to the cholesterol, the experiment was repeated with the interfering substance mixed in the cholesterol solution. These interfering substances were found to have no effect on the response to the enzyme electrode.

従来技術で開示されているコレステロール測定の欠点を解消するために、生体分子がゾルゲルで固定化され、貯蔵寿命が改善された。これは、(i)いろいろな酵素をゾルゲル・マトリックスでカプセル化して光学的に透明なガラスにすることができる、(ii)このマトリックスで酵素は非常に安定である、(iii)これらの酵素はゾルゲル・ガラスで特徴的な可逆的反応を行う、(iv)ゾルゲル・ガラスで起こる分光学的変化は光学的な分光測定で容易に定量化できる、といったことによる。ゾルゲル法は、加熱する必要がほとんど全くないという利点がある。基板との化学結合では、分子の活性が擾乱されるから、これらの酵素分子は無機マトリックスに化学的に結合するというよりも、共有結合ネットワークにトラップされる。乾燥したガラスの細かい孔の(<10 nm)ネットワークは、可視光を散乱させず、小さな分子が電極表面へ拡散することができる。テトラエチル・オルト・ケイ酸塩(TEOS)誘導ゾルゲルなどの多孔質の無機キセロゲルは、物理的剛性、水溶液における無視できるほどの膨潤、化学的な不活性、及び耐熱性をあわせ持つので電気化学的バイオセンサーにとって特に魅力的なマトリックスである。これらのバイオセンサーは原理的に感度と迅速な応答時間を有し、また酵素活性に対する有害な影響という問題も免れている。   In order to eliminate the shortcomings of cholesterol measurement disclosed in the prior art, biomolecules were immobilized with sol-gel and shelf life was improved. This is because (i) various enzymes can be encapsulated in a sol-gel matrix into an optically clear glass, (ii) the enzyme is very stable in this matrix, (iii) these enzymes are This is because a characteristic reversible reaction occurs in sol-gel glass, and (iv) spectroscopic changes occurring in sol-gel glass can be easily quantified by optical spectroscopic measurement. The sol-gel method has the advantage that almost no heating is required. Because chemical activity with the substrate disturbs the activity of the molecules, these enzyme molecules are trapped in the covalent network rather than chemically bound to the inorganic matrix. The dried glass fine pore (<10 nm) network does not scatter visible light and allows small molecules to diffuse to the electrode surface. Porous inorganic xerogels, such as tetraethyl ortho silicate (TEOS) derived sol-gel, combine electrochemical rigidity with physical rigidity, negligible swelling in aqueous solution, chemical inertness, and heat resistance. It is a particularly attractive matrix for sensors. These biosensors are in principle sensitive and have a rapid response time, and are free from the problem of harmful effects on enzyme activity.

従来の酵素電極と比べたときに見られるもう一つの著しい利点は、酵素とメディエーターの溶け出しがゼロであるということである。本発明の電極はまた、応答時間が30秒と短く、再使用できる。また、電極の貯蔵寿命は長く、25〜30℃という周囲温度で約6ヶ月である。   Another significant advantage seen when compared to conventional enzyme electrodes is that the elution of enzyme and mediator is zero. The electrodes of the present invention can also be reused with a response time as short as 30 seconds. Also, the shelf life of the electrodes is long, about 6 months at an ambient temperature of 25-30 ° C.

本発明の進歩性は、酵素コレステロール・オキシダーゼ(ChOx)とエレクトロン・メディエーターをケイ酸塩ゾルゲルにマイクロカプセル化法によって固定し、上記マイクロカプセル化された酵素とメディエーターのゾルゲル・フィルムを導電性のインジウム錫酸化物(ITO)がコーティングされたガラス・プレートにデポジットして溶液中のコレステロールを測定するために使用できる酵素電極を調製することにある。   The inventive step is achieved by immobilizing the enzyme cholesterol oxidase (ChOx) and an electron mediator on a silicate sol-gel by microencapsulation, and the sol-gel film of the microencapsulated enzyme and mediator is made of conductive indium. The purpose is to prepare an enzyme electrode that can be deposited on a tin oxide (ITO) coated glass plate and used to measure cholesterol in solution.

以下の実施例は説明のために示されるものであり、本発明の範囲をいかなる意味でも制限するように構成してはならない。
実施例1:酵素活性の測定
The following examples are given for illustrative purposes and should not be construed to limit the scope of the invention in any way.
Example 1: Measurement of enzyme activity

プロパン-2-olに溶解された6 mMコレステロールの溶液0.05 cm3と体積3 cm3の0.1 Mリン酸バッファー(pH 7.0)を混合し、35℃の恒温槽に保管した。ChOxを固定したゾルゲル・フィルムをコーティングしたITOガラス・プレートを浸し2分間インキュベートし、プレートを取り出し溶液の吸収率を240 nmでダブルビーム分光計によって測定して酵素反応によって生じたコレステロールを決定した。見かけの酵素活性(Ucm3)が、酵素を固定したゾルゲル・ガラス・プレートのインキュベーションの前後の吸収率の差に基づいて以下の手順で評価された。

Figure 2006512574
A solution of 0.05 mM 3 of 6 mM cholesterol dissolved in propan-2-ol and 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) having a volume of 3 cm 3 were mixed and stored in a thermostatic chamber at 35 ° C. An ITO glass plate coated with a sol-gel film immobilizing ChOx was immersed and incubated for 2 minutes. The plate was removed, and the absorbance of the solution was measured by a double beam spectrometer at 240 nm to determine the cholesterol produced by the enzyme reaction. Apparent enzyme activity (Ucm 3 ) was evaluated by the following procedure based on the difference in absorbance before and after incubation of the enzyme-immobilized sol-gel glass plate.
Figure 2006512574

ここで、Aはインキュベーションの前後の吸収率の差、Vは全体積(3.05 cm3)、εはコレステロールのミリモル消光係数(12.2)、tは反応時間(分)そしてsはゾルゲル・フィルムの表面積(cm3)である。1単位の酵素活性(Ucm3)とは毎分1μlモルのコレステロールを産生する活性と定義される。酵素活性の測定は、酵素(ChOx/HRP)固定ゾルゲル・フィルムで行われた。控訴固定ゾルゲル・フィルムからの酵素(ChOx/HRP)の溶け出しは何も観測されなかった。 Where A is the difference in absorbance before and after incubation, V is the total volume (3.05 cm3), ε is the millimolar extinction coefficient of cholesterol (12.2), t is the reaction time (minutes), and s is the surface area of the sol-gel film ( cm 3 ). One unit of enzyme activity (Ucm 3 ) is defined as the activity that produces 1 μl mole of cholesterol per minute. The enzyme activity was measured with an enzyme (ChOx / HRP) -fixed sol-gel film. No dissolution of the enzyme (ChOx / HRP) from the appeal fixed sol-gel film was observed.

実施例2
コレステロール・オキシダーゼ固定ゾルゲルITO(ChOx/ゾルゲル/ITO)電極を用いた干渉物質を含むコレステロールの電気化学的定量
Example 2
Electrochemical determination of cholesterol containing interfering substances using cholesterol / oxidase immobilized sol-gel ITO (ChOx / sol-gel / ITO) electrodes

サイクリック電圧計測(Voltametry)研究
コレステロールがChOx固定TEOS誘導ゾルゲル・フィルムを含む酵素電極と接触すると次のような酵素反応及び電気化学的反応が起こる。
コレステロール + O2 → Δ-コレステン-3-オン + H2O2
H2O2 → O2 +2H+ + 2e-
Cyclic Voltage Measurement Study When cholesterol comes into contact with an enzyme electrode containing a ChOx-fixed TEOS-derived sol-gel film, the following enzymatic and electrochemical reactions occur.
Cholesterol + O 2 → Δ-cholesten-3-one + H 2 O 2
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e -

H2O2の酸化電流は、電流計測バイオセンサーのセンサー応答として記録される。酵素が直接固定化されているため、時間や感度などのセンサー性質は固定された酵素を反映する。サイクリック電圧計測(voltammetry)実験は、いろいろな濃度(0.5 mMから10 mM)のコレステロールを含む0.1 Mリン酸バッファー(pH 7.0)中で酵素固定ゾルゲル・フィルムをITOガラス・プレートに付着させたものを作業電極として、Ag/AgCl基準電極とPt線をカウンター電極として用いて行われた。上記の実験が、干渉物質としての0.1 mMのアスコルビン酸と0.5 mMのグルコースの不在下と存在下で行われた。サイクリック電圧計測は750 mVの酸化ピークを示し、それはコレステロールの濃度が0.5 mMから10 mMまで増加すると共に陽極電流を増加させ続ける。この増加はITOコーティングされたガラス・プレートの表面でのH2O2の直接酸化に起因している。しかし、0.75Vの酸化ピークは、0.1 mMアスコルビン酸の存在下で陽極電流の増加と共に陽極的に(anodically)150 mV移動して0.9 V Vs Ag/AgClとなる。コレステロール溶液(1mM)中の0.5 mMグルコースの存在も陽極電流の増加を示すが、H2O2の酸化ポテンシャルには何も認められるほどの影響を示さない。したがって、コレステロール中の0.1 mMのアスコルビン酸及び0.5 mMのグルコースの存在はどちらも観測される陽極電流に顕著な影響を及ぼす。 The oxidation current of H 2 O 2 is recorded as the sensor response of the amperometric biosensor. Since the enzyme is directly immobilized, sensor properties such as time and sensitivity reflect the immobilized enzyme. Cyclic voltage measurement (voltammetry) experiments were performed by attaching an enzyme-immobilized sol-gel film to an ITO glass plate in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing various concentrations (0.5 mM to 10 mM) of cholesterol. Was used as a working electrode, an Ag / AgCl reference electrode and a Pt wire as a counter electrode. The above experiments were performed in the absence and presence of 0.1 mM ascorbic acid and 0.5 mM glucose as interfering substances. Cyclic voltage measurements show an oxidation peak of 750 mV, which continues to increase the anodic current as the cholesterol concentration increases from 0.5 mM to 10 mM. This increase is due to the direct oxidation of H 2 O 2 on the surface of the ITO coated glass plate. However, the oxidation peak at 0.75 V moves anodically 150 mV with increasing anodic current in the presence of 0.1 mM ascorbic acid to 0.9 V Vs Ag / AgCl. The presence of 0.5 mM glucose in cholesterol solution (1 mM) also shows an increase in anodic current, but no appreciable effect on the oxidation potential of H 2 O 2 . Thus, the presence of 0.1 mM ascorbic acid and 0.5 mM glucose in cholesterol both significantly affects the observed anodic current.

実施例3:電流計測応答研究
サイクリック電圧計測実験で用いられたと同様な三電極セル形態が、リン酸バッファー(pH 7.0)中のコレステロールの電流計測測定でも用いられた。作業電極(ITOガラス上のコレステロール・オキシダーゼChOx固定ゾルゲルから成る)が0.9 V vrsus Ag/AgClで分極され、コレステロール(0.5〜10 mM)に対する電流計測応答が酵素的に生成されるH2O2に対する電流計測校正を用いて測定された。電流はセルに異なる濃度のコレステロール溶液(2〜10 mM)を小出しした後100秒毎にモニターされた。10 mMで最大電流5.0μAが得られ、それより上では電流に認められるほどの変化は見られなかった。総コレステロールに対する応答時間は90 secであることが見出された。
Example 3: Current measurement response study A three-electrode cell configuration similar to that used in cyclic voltage measurement experiments was also used in amperometric measurements of cholesterol in phosphate buffer (pH 7.0). Working electrode (consisting of cholesterol oxidase ChOx immobilized sol-gel on ITO glass) is polarized with 0.9 V vrsus Ag / AgCl and an amperometric response to cholesterol (0.5-10 mM) is generated enzymatically against H 2 O 2 Measured using amperometric calibration. The current was monitored every 100 seconds after dispensing different concentrations of cholesterol solution (2-10 mM) into the cell. A maximum current of 5.0 μA was obtained at 10 mM, above which there was no appreciable change in current. The response time for total cholesterol was found to be 90 sec.

実施例4
電極としてコレステロール・オキシダーゼとフェリシアン化カリウム固定ゾルゲル・インジウム錫酸化物(ChOx/Fe3+/ゾルゲル/ITO)を用いてコレステロールを電気化学的に定量し、アスコルビン酸(0.1 mM)及びグルコース(0.5mM)などの干渉物質の影響を調べる。
Example 4
Cholesterol is electrochemically quantified using cholesterol oxidase and potassium ferricyanide-fixed sol-gel indium tin oxide (ChOx / Fe 3+ / sol-gel / ITO) as electrodes, ascorbic acid (0.1 mM) and glucose (0.5 mM) Investigate the effects of interfering substances such as

サイクリック電圧計測研究
サイクリック電圧計測実験は、いろいろな濃度のコレステロールを含む0.1 Mリン酸バッファー(pH 7.0)中で酵素コレステロール・オキシダーゼ及びフェリシアン化カリウム固定ゾルゲル・インジウム錫酸化物(ChOx/Fe3+/ゾルゲル/ITO)フィルムを作業電極として、Ag/AgCl基準電極とPt線をカウンター電極として用いて行われた。次の反応が起こる。
コレステロール + ChOx → コレステノン + ChOxred
ChOxred + Fe3+ (フェリシアナイド) → ChOx + Fe2+ (フェロシアナイド)
0.4 V
Fe2+ (フェロシアナイド) → Fe3+ (フェリシアナイド) + e-(電極で)
Cyclic voltage measurement study Cyclic voltage measurement experiments were performed in the enzyme cholesterol oxidase and potassium ferricyanide fixed sol-gel indium tin oxide (ChOx / Fe 3+ ) in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing various concentrations of cholesterol. / Sol-gel / ITO) film as working electrode, Ag / AgCl reference electrode and Pt wire as counter electrode. The following reactions occur:
Cholesterol + ChOx → Cholestenone + ChOx red
ChOx red + Fe 3+ (ferricyanide) → ChOx + Fe 2+ (ferrocyanide)
0.4 V
Fe 2+ (ferrocyanide) → Fe 3+ (ferricyanide) + e- (at electrode)

酸化電流は、電流計測バイオセンサーのセンサー応答として記録される。酵素が直接固定化されているため、時間や感度などのセンサー性質は固定された酵素を反映する。実施例2で、メディエーターなしの酵素固定ゾルゲル・フィルムを電極として用いたときに0.9 V vs. Ag/AgClで観測された酸化ピークは、今度は陰極的に(cathdically)300mVずれて0.4 V versus Ag/AgClで観測され、それがコレステロール濃度の増加(2から10 mM)と共に増加する。コレステロール溶液中の0.1 mMのアスコルビン酸及び0.5 mMのグルコースの存在は酸化ポテンシャルに何も認められるほどの影響を示さない。   The oxidation current is recorded as the sensor response of the amperometric biosensor. Since the enzyme is directly immobilized, sensor properties such as time and sensitivity reflect the immobilized enzyme. In Example 2, the oxidation peak observed at 0.9 V vs. Ag / AgCl when using an enzyme-immobilized sol-gel film without mediator as the electrode is now cathodically offset by 300 mV to 0.4 V versus Ag. Observed with / AgCl, which increases with increasing cholesterol concentration (2 to 10 mM). The presence of 0.1 mM ascorbic acid and 0.5 mM glucose in the cholesterol solution has no appreciable effect on the oxidation potential.

実施例5:電流計測応答研究
サイクリック電圧計測実験で用いられたと同様な三電極セル形態が、リン酸バッファー(pH 7.0)中のコレステロールの電流計測測定でも用いられた。作業電極(ITOガラス上のコレステロール・オキシダーゼChOx固定ゾルゲルから成る)が0.4 V vrsus Ag/AgClで分極され、2 mMから10 mMまで変わる濃度のコレステロールに対する電流計測応答が測定された。電流はセルに異なる濃度のコレステロール溶液(2 mM〜10 mM)を加えた後100秒毎にモニターされた(図1)。6 mMコレステロール溶液(1 mL)で、0.4 Vに分極されたChOx/Fe3+/ゾルゲル/ITOで測定された陽極電流は、30秒で安定状態を生じ、コレステロール溶液に対するこの応答は5%以内で再現できた。コレステロール検出の下方限界は電流計測的には0.5 mMであることが見出された。
Example 5: Current measurement response study A three-electrode cell configuration similar to that used in cyclic voltage measurement experiments was also used in amperometric measurements of cholesterol in phosphate buffer (pH 7.0). A working electrode (consisting of a cholesterol oxidase ChOx immobilized sol-gel on ITO glass) was polarized with 0.4 V vrsus Ag / AgCl and the amperometric response to concentrations of cholesterol varying from 2 mM to 10 mM was measured. The current was monitored every 100 seconds after adding different concentrations of cholesterol solution (2 mM to 10 mM) to the cell (FIG. 1). Anode current measured with ChOx / Fe 3+ / sol gel / ITO polarized to 0.4 V in 6 mM cholesterol solution (1 mL) results in a steady state in 30 seconds, and this response to cholesterol solution is within 5% Was reproduced. The lower limit of cholesterol detection was found to be 0.5 mM amperometrically.

本発明の主な利点は次のようなものである:
1. 本発明によって調製される酵素電極は酵素の溶け出しが無視できる程度である。
2. 調製された酵素電極は溶液中のコレステロールに対する速い応答を示す。
3. 調製された酵素電極は従来よりも長時間安定である。
4. 調製された酵素電極はコレステロールに対する感度がきわめて高い。
The main advantages of the present invention are as follows:
1. The enzyme electrode prepared according to the present invention has negligible enzyme dissolution.
2. The prepared enzyme electrode shows a fast response to cholesterol in solution.
3. The prepared enzyme electrode is more stable than before.
4). The prepared enzyme electrode is extremely sensitive to cholesterol.

コレステロール溶液の濃度の関数としての酵素電極の応答を示す図である。FIG. 5 shows the response of an enzyme electrode as a function of the concentration of a cholesterol solution.

Claims (9)

水性媒質中のコレステロールの定量に有用な酵素電極を調製する方法であって、以下のステップ:
a. ケイ酸塩溶液を調製するステップ;
b. 3〜5 IUのコレステロール・オキシダーゼと約0.01 Mのエレクトロン・メディエーターを含む0.05〜0.1 Mのリン酸バッファーをステップa)の前記ケイ酸塩溶液にゆっくりと加えて、酵素コレステロール・オキシダーゼとエレクトロン・メディエーターを固定化するステップ;
c. 得られた前記混合物を、濁度を観測することによって酵素とメディエーターが完全にカプセル化されるまで静置するステップ;
d. 得られた濁った混合物を導電性ベースプレートに拡げるステップ;
e. 導電性ベースプレートを拡げられた混合物と共に少なくとも1日、25〜30℃の範囲の温度で乾燥して酵素電極を得るステップ;
を含む方法。
A method for preparing an enzyme electrode useful for the quantification of cholesterol in an aqueous medium comprising the following steps:
a. preparing a silicate solution;
b. Slowly add 0.05-0.1 M phosphate buffer containing 3-5 IU cholesterol oxidase and about 0.01 M electron mediator to the silicate solution of step a) to make the enzymes cholesterol oxidase and electron -Immobilizing the mediator;
c. allowing the resulting mixture to stand until the enzyme and mediator are completely encapsulated by observing turbidity;
d. spreading the resulting turbid mixture onto a conductive base plate;
e. drying the conductive base plate with the spread mixture for at least one day at a temperature in the range of 25-30 ° C. to obtain an enzyme electrode;
Including methods.
用いられるケイ酸塩ゾルはテトラエチル・オルト・ケイ酸塩とテトラメチル・オルト・ケイ酸塩から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   2. Process according to claim 1, characterized in that the silicate sol used is selected from tetraethylorthosilicate and tetramethylorthosilicate. 用いられるリン酸バッファーはpHが6.5〜7.2の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, characterized in that the phosphate buffer used has a pH in the range of 6.5 to 7.2. 導電性ベースプレートはインジウム錫酸化物がコーティングされたガラス・プレートと銀コーティングされた非導電性ポリマー表面から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the conductive base plate is selected from a glass plate coated with indium tin oxide and a non-conductive polymer surface coated with silver. 該非導電性ポリマー表面が、フィルム及びシートから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the non-conductive polymer surface is selected from films and sheets. 該非導電性ポリマー表面が、ポリアクリルアミド、ポリ塩化ビニル、及びポリエチレンから成る群から選択されることを特徴とする請求項5に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the non-conductive polymer surface is selected from the group consisting of polyacrylamide, polyvinyl chloride, and polyethylene. 該エレクトロン・メディエーターが、フェリシアン化カリウム、フェロセン、及びプルシアン・ブルーから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein the electron mediator is selected from potassium ferricyanide, ferrocene, and Prussian blue. コレステロール・オキシダーゼの強度がゾルゲル表面積1×1 cm2あたり3〜5 IUの範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。 2. The method according to claim 1, wherein the strength of cholesterol oxidase is in the range of 3-5 IU per 1 × 1 cm 2 of sol-gel surface area. 酵素電極を調製する方法が単一ステップの方法であることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the method of preparing the enzyme electrode is a single step method.
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