DD282026A5

DD282026A5 - MODIFIED ENZYME MEMBRANE FOR ENZYME ELECTRODES WITH HIGH SELECTIVITY

Info

Publication number: DD282026A5
Application number: DD30528187A
Authority: DD
Inventors: Juergen Nentwig; Guenter Hanke; Frieder Scheller; Wolfgang Breitmoser; Hartmut Weise
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-07-23
Filing date: 1987-07-23
Publication date: 1990-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine modifizierte Enzymmembran fuer Enzymelektroden. Anwendungsgebiete sind u. a. die klinische Diagnostik, die Lebensmittelindustrie, der Umweltschutz. Erfindungsgemaesz wird eine laminierte Enzymmembran von zwei Zellulosemembranen eingeschlossen. Die Zellulosemembranen wurden mit Zellulosenitrat modifiziert.{Enzymmembran; hohe Selektivitaet; Enzymelektrode; Zellulosemembran; Zellulosenitrat; modifiziert; klinische Diagnostik; Lebensmittelindustrie; Umweltschutz}The invention relates to a modified enzyme membrane for enzyme electrodes. Application areas are u. a. clinical diagnostics, the food industry, environmental protection. According to the invention, a laminated enzyme membrane is enclosed by two cellulose membranes. The cellulosic membranes were modified with cellulose nitrate {enzyme membrane; high selectivity; Enzyme electrode; Cellulose membrane; Cellulose nitrate; modified; clinical diagnostics; Food industry; Environmental Protection}

Description

Characteristic of the known state of the art

Enzymelektroden basieren auf der Kopplung der Umsetzung des zu bestimmenden Substrates unter der Wirkung von immobilisierten Enzymen mit der elektrochemischen Anzeige eines elektrodonaktiven Partners der Enzymreaktion. Während die Enzymreaktionen im allgemeinen eine hohe Selektivität besitzen, ist die daran gekoppelte elektrochemische Anzeigereaktion relativ unspoziFisch. Die Ursache dafür liegt in der elektrochemischen Umsetzung aller Bestandteile der Meßprobe mit einem Abscheidungspotential unterhalb des Potentials der Indikatorelektrode. Diese Störungen werden durch permselektive Membranen ausgeschaltet, die entweder unmittelbar vor die Indikatorelektrode (US-Pat. 3979274) oder zwischen Meßlösung und Enzymschicht (Toshiba Rev. 132) angebracht werden. Diese Membranen besitzen eine selektive Permeabilität aufgrund des Porenausschlußvolumens oder der Ladung des Permoanten. Moleküle mit einem ähnlichen Molekulargewicht wie die an der Elektrode angezeigte Substanz können trotzdem zu Störungen führen. Außerdem ist die Herstellung solcher permselektiver Membranen aufwendig, und die Verwendung in Enzymelektroden ist wegen der mechanischen Instabilität unzweckmäßig. Ein anderes Prinzip zur Ausschaltung dieser Störungen beruht auf der Differenzmessung zwischen einer enzymfreien und einer mit Enzym beladenen Indikatorelektrode (BRD Pat. 1598285). Dieses Verfahren erlaubt zwar die Ausschaltung des Einflusses von Störsubstanzen der Meßprobe, sie ist aber apparativ sehr aufwendig und erfordert ein häufiges Nacheichen. Außerdem ist diese Methode für die „kinetische Meßmethode" nicht geeignet, da das kinetische Verhalten dieser beiden unterschiedlichen Elektroden verschieden ist.Enzyme electrodes are based on the coupling of the reaction of the substrate to be determined under the action of immobilized enzymes with the electrochemical display of an electrodonactive partner of the enzyme reaction. While the enzyme reactions generally have high selectivity, the electrochemical indicator reaction coupled thereto is relatively unspissable. The reason for this lies in the electrochemical conversion of all constituents of the test sample with a deposition potential below the potential of the indicator electrode. These interferences are eliminated by permselective membranes placed either directly in front of the indicator electrode (US Pat. No. 3,979,274) or between measurement solution and enzyme layer (Toshiba Rev. 132). These membranes have a selective permeability due to the pore exclusion volume or the charge of the permoant. Molecules of similar molecular weight as the substance displayed on the electrode can still cause interference. In addition, the preparation of such permselective membranes is expensive, and use in enzyme electrodes is impractical because of mechanical instability. Another principle for the elimination of these disorders is based on the difference measurement between an enzyme-free and an enzyme-loaded indicator electrode (FRG Pat. 1598285). Although this method allows the elimination of the influence of interfering substances of the test sample, but it is very expensive equipment and requires frequent Nacheichen. Moreover, this method is not suitable for the "kinetic measurement method" because the kinetic behavior of these two different electrodes is different.

Ss wurde weiterhin vorgeschlagen, Störsubstanzen der Meßprobe mittels enzymatischer Reaktion in einer vor der eigentlichen Enzymschicht befindlichen weiteren Schicht zu entfernen. Dieses Verfahren erfordert für jede Störsubstanz ein spezifisches Enzym und ist deshalb nur für den Einsatz bei Meßproben, die jeweils die gleichen Störsubstanzen enthalten, geeignet. Bei einer laminierten Enzymmembran wurde zur Erzielung richtiger Messungen die Enzymschicht zwischen ewe'· semipermeablen Membranen angeordnet. Obwohl alle Spezies bis zu einem Molekulargewicht von 15000 Dalton durch diese laminierte Membran gelangen können, rufen niedrige Konzentrationen an Störsubstanzen keine Meßwertvorfälschung hervor, da das in der Enzymreaktion entstehende H₂O₂ wesentlich schneller durch die Enzymschicht und die zweite Dialysemembran permeiert. Dagegen treten bei der Bestimmung der Uringlucose, wo die Konzentration der Störsubstanzen erheblich höher als die der Analyten sein kann, häufig überhöhte Meßwerte auf.It has also been proposed to remove interfering substances of the test sample by means of an enzymatic reaction in a further layer located in front of the actual enzyme layer. This method requires a specific enzyme for each interfering substance and is therefore suitable only for use in test samples, each containing the same interfering substances. In a laminated enzyme membrane, the enzyme layer was placed between ewe '· semipermeable membranes to obtain correct measurements. Although all species can pass through this laminated membrane up to a molecular weight of 15,000 daltons, low concentrations of interfering substances do not induce measurement bias because the H ₂ O ₂ produced in the enzyme reaction permeates much faster through the enzyme layer and the second dialysis membrane. In contrast, in the determination of urine glucose, where the concentration of the interfering substances can be considerably higher than that of the analytes, often excessive measured values occur.

Weiterhin ist eine Bienzymelektrode bekannt (DD-WP 236553), die sowohl ein die zu bestimmende Substanz in ein elektroaktives Produkt umwandelndes Enzym (Indikatorenzym) als auch ein die interferierenden Substanzen in elektrochemisch nicht interferierende Substanzen umsetzendes Enzym (ENminatorenzym) enthält. Interferierende Substanzen, die nicht effektiv durch das Eliminatorenzym umgesetzt werden, können durch eine vorgeschaltete chemische Reaktion in der Meßlösung in nicht interferierende Substanzen und eine interferierende Substanz, die ein Substrat des Eiiminatorenzyms ist, umgesetzt werden. Agch durch eine zusätzliche Eliminatorelektrode wurde der Einfluß störender Substanzen unterdrückt. Die Differenzmessung und die Verwendung einer Eliminatorelektrode erfordern einen erhöhten apparativen Aufwand und sind dadurch erheblich teurer als einfache Messungen, wobei die Eliminatorelektrode nicht zum vollständigen Ausschluß der Interferenz führt. Die beschriebenen Membranen sind ebenfalls sehr kostenaufwendig, dabei sehr dünn und wenig stabil.Furthermore, a bienzyme electrode is known (DD-WP 236553), which contains both an enzyme which converts the substance to be determined into an electroactive product (indicator enzyme) and an enzyme (ENminatorenzym) which converts the interfering substances into electrochemically non-interfering substances. Interfering substances that are not effectively reacted by the eliminator enzyme can be converted to non-interfering substances by an upstream chemical reaction in the measurement solution and an interfering substance which is a substrate of the eggiminator enzyme. Agh by an additional Eliminatorelektrode the influence of interfering substances was suppressed. The difference measurement and the use of an Eliminatorelektrode require an increased expenditure on equipment and thus are considerably more expensive than simple measurements, the Eliminatorelektrode does not lead to the complete exclusion of interference. The membranes described are also very expensive, while very thin and not very stable.

Durch die Verwendung von mehreren übereinanderliegenden Enzymschichten werden die Messungen wesentlich verlangsamt, wodurch sie für den Einsatz in üblichen Analysatoren nicht geeignet sind.The use of several superimposed enzyme layers slows down the measurements significantly, making them unsuitable for use in conventional analyzers.

Weiterhin wird die Funktionsstabilität des Eiiminatorenzyms häufig durch Produkte der Indikator-Enzymreaktion, z. B. H₂O₂, drastisch herabgesetzt, so daß die Einsatzdauer nur sehr kurz ist.Furthermore, the functional stability of the eggiminator enzyme is often due to products of the indicator enzyme reaction, e.g. As H ₂ O ₂ , drastically reduced, so that the duration of use is very short.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine modifizierte Membran mit hoher Selektivität für Enzymelektroden zu entwickeln, mit der der Gehalt an verschiedenen elektrodenaktiven Störsubstanzen in dar jeweiligen Meßprobe das Meßergebnis nicht verfälscht, die sich durch eine gute mechanische Stabilität auszeichnet und preisgünstig ist.The object of the invention is to develop a modified membrane with high selectivity for enzyme electrodes, with which the content of different electrode-active interfering substances in each test sample does not distort the measurement result, which is characterized by a good mechanical stability and is inexpensive.

Explanation of the essence of the invention.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine modifizierte laminierte Enzymmembran zu entwickeln, bei der Störsubstanzen der Meßprobe auch bei hohen Konzentrationen nicht den Meßwert für den Analyten verfälschen. Erfindungsgemäß wird eine laminierte Enzymmembran vor dem Einsatz auf beiden Seiten von einer Zellulosemembran eingeschlossen. Die zwei Zellulosemembranen werden mit Zellulosenitratlösung behandelt. Diese Modifizierung der Membran führt zu einer Verlangsamung der Permeation geladener Substanzen, während der Transport des Produktes der enzymatischen Reaktion - H₂O₂ - nur unwesentlich verlangsamt wird. Deshalb wird beim kinetischon Meßprinzip nur der Verlauf der H₂O₂-Bildung erfaßt. Diese Membran besitzt eine gute mechanische Stabilität, ist preisgünstig, da kein Eliminatorenzym benötigt wird und hat eine lange störungsfreie Funktionsstabilität.The object of the invention is to develop a modified laminated enzyme membrane in which interfering substances of the test sample do not distort the measured value for the analyte even at high concentrations. According to the invention, a laminated enzyme membrane is enclosed by a cellulosic membrane on both sides prior to use. The two cellulose membranes are treated with cellulose nitrate solution. This modification of the membrane slows down the permeation of charged substances, while slowing down the transport of the product of the enzymatic reaction - H ₂ O ₂ - only insignificantly. Therefore, only the course of H ₂ O ₂ formation is detected in kinetischon measurement principle. This membrane has good mechanical stability, is inexpensive because no Eliminatorenzym is needed and has a long trouble-free functional stability.

Ausführungsbeispielembodiment

Modifizierte Enzymmembran: Ein Enzym (Glucoseoxidase, Lactatoxidase) wird inbekannterWeiseinein Polyurethansystem eingebettet und mit zwei Zellulosemembranen abgedeckt. Die so hergestellte Sandwichmembran wird auf beiden Seiten mit je 5-1 ΟμΙ Zellulosenitratlösung (Lösungsmittel: Aceton oder Essigsäureethylester, Konzentration der Lösung: 0,15-0,05%) betropft. Die Zellulosenitratlösung läßt man 1-2 min bei Raumtemperatur trocknen. Anschließend ist die Membran für den Meßprozeß einsatzfähig.Modified enzyme membrane: An enzyme (glucose oxidase, lactate oxidase) is embedded in a known manner in a polyurethane system and covered with two cellulose membranes. The sandwich membrane produced in this way is dripped on both sides with 5-1 ΙΟΙ cellulose nitrate solution (solvent: acetone or ethyl acetate, concentration of the solution: 0.15-0.05%). The cellulose nitrate solution is allowed to dry for 1-2 minutes at room temperature. Subsequently, the membrane for the measurement process is operational.

Claims

1. A modified enzyme membrane of high selectivity for enzyme electrodes, characterized in that one includes a laminated enzyme membrane with two cellulose membranes.

2. Membrane according to claim 1, characterized in that the cellulose membranes are coated with cellulose nitrate.

Field of application of the invention

The invention relates to a modified enzyme membrane with high selectivity for enzyme electrodes, for use, for. As in the determination of glucose, lactate, sucrose or uric acid in physiological solutions, fermentation samples and beverages and food. The invention is einseizbar in clinical diagnostics, the food industry, fermentation control and environmental protection.