HU209704B - Enzyme electrodes and process for production thereof - Google Patents

Description

A találmány tárgya javított eljárás enzimelektród előállítására. Az eljárás során egy finom eloszlású platinacsoportbeli fémet vagy fémoxidot, valamint adott esetben egy enzimet, finom eloszlású szén- vagy grafitrészecskéket, és egy vízoldható vagy vízben diszpergálható kötőanyagot tartalmazó homogén szuszpenziót egy elektromosan vezető hordozó felületére felvisszük, a felvitt vékony réteget megszárítjuk és kívánt esetben, az enzimmel impregnáljuk.

A PCT/GB 87/00365 számú nemzetközi szabadalmi leírás (WO87/07295 közzétételi számú) enzimelektródokat ismertet, melyek az illető enzim szubsztrátjának jelenlétében az enzim katalitikus aktivitását amperometrikusan érzékelni képesek. Az enzimelektród immobilizált vagy adszorbeált enzimet tartalmaz egy elektromosan vezető hordozó felszínén. Az elektródnak ez a része egy porózus réteg, ami műgyantával megkötött szén- vagy grafitrészecskékből áll. A hordozóréteg kialakítása előtt az említett részecskékre a platinacsoportba tartozó, finoman eloszlatott fémet visznek, azzal gondosan elkeverve, ráülepítve vagy a felületükön adszorbeálva. így jön létre az a porózus hordozó réteg, melyre az említett enzimet adszorbeálják vagy, melyen megkötik, létrehozva tehát egy műgyantával megkötött szén- vagy grafitrészecskékből álló, lényegesen homogén réteget, melyben egyenletesen eloszlatott állapotban található egy platinacsoportbeli fém. Az előnyös hordozó a műgyantával megkötött, platinázott karbonpapírelektród ami áll tehát a felszínén adszorbeált, kolloidális platinát hordozó szénrészecskékből, melyeket egy szintetikus gyanta, előnyösen politetrafluor-etilén köt a karbonpapír hordozóhoz. Előnyös a glükózoxidáz elektród, melynél glükóz-oxidáz van adszorbeálva vagy kötve a hordozó felszínéhez.

A PCT/GB88/OO868 nemzetközi szabadalmi leírás (WO89/03871) hasonló elektródokat ír le, de a gyantával rögzített szén- vagy grafitrészecskében ez esetben a platinacsoport elemi állapotú fémje helyett oxidokat, például platina-oxidot alkalmazunk.

Amint már leírtuk, ezeknek az enzimelektródoknak előnyös hordozóanyaga a platinázott vagy platina-oxidot hordozó, műgyantával megkötött szén, amit eddig gázdiffúziós elektródokként használtak az üzemanyagtartályokban, és amiket a The Prototech Company (Newton Highlands, USA) forgalmaz. Gyanta kötőanyagként viszonylag magas olvadáspontú, hidrofób fluorokarbon-gyantát, előnyösen politetrafluor-etilént tartalmaznak.

Az ilyen gyantával kötött, platinával kezelt szénből álló, gázdiffúziós elektródanyagok előállítását írja le a 4 044 193, a 4 166 143, a 4 293 396 és a 4 478 696 lajstromszámú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás. Más, de hasonló gázdiffúziós elektródanyagokat ír le a WO87/07295 számú közrebocsátási irat, valamint elektromosan vezető hordozóanyagokat az enzimelektródok számára a 4 229 490 lajstromszámú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás. Közelebbről, ezeket az elektródanyagokat úgy állítják elő, hogy a kolloidális méretű platinát vagy palládiumot vagy más, platinacsoporthoz tartozó fémet finoman elporított szén- vagy grafitrészecskékre visznek, és ezeket a platinával vagy palládiummal kezelt részecskéket fluoro-karbon gyantával, előnyösen politetrafluor-etilénnel elektromosan vezető karbonpapírra vagy szálas szén szövedékére kötik. Hasonló módon készítenek fémoxid tartalmú elektródanyagokat is.

Az enzimelektródokkal foglalkozó WO87/07295, és a 89/03871 számú nemzetközi közrebocsátási iratok kitanítása szerint a megfelelő enzimeket, például glükóz-oxidgázt vagy enzimek keverékét olyan előre kialakított szövedék felületére kötik vagy adszorbeálják, melynek porózus felületét platinázott vagy palládiumozott (ezt a kifejezést a szabadalom általánosan használja, ezért beleérti - hacsak a szöveg külön nem tesz megkülönböztető megnevezést - a megfelelő fémoxidokat, valamint a platinacsoport más elemi féméit is) szén- vagy grafitrészecskéket tartalmazó műgyanta rétegből alakítják ki, amint azt fentebb ismertettük. Az enzim vagy egyszerűen ráadszorbeáltatható a leírt szerkezetű porózus réteg felületére vagy kovalensen köthető, például a jól ismert enzim-immobilizációs eljárásokkal, például karbonil-diimidazol reagenssel, karbodiimiddel, l,6-dinitro-3,4-difluor-benzollal kialakított kovalenskötésen keresztül, vagy glutáraldehides keresztkötésekkel. Valamennyi esetben az enzim vagy enzimkeverék egy elektromosan vezető hordozóra melegítés és nyomás alkalmazásával felvitt porózus réteghez van kötve vagy adszorbeáltatva, mely réteg műgyantával megkötött, platinázott vagy palládiumozott szén- vagy grafitrészecskéket tartalmaz. A finoman eloszlatott elemi fém helyett a platinacsoport megfelelő oxidjai, például platina-oxid vagy palládium-oxid is alkalmazható.

A jelen találmány további előzményei:

Taniello és munkatársai [Analyt. Chem. 54: 10981101 (1982)] olyan közvetítő nélküli detektáló eszközöket írnak le, melyeknél a cianur-kloridos módszenel glükóz-oxidázt és L-aminosav-oxidázt kötöttek kovalnesen a grafitelektródhoz.

AMatsushita Electric Appliance Industry Company az 56-16447 számú japán szabadalmi leírásban (Kokai) egy enzimelektródot ismertet, melynél a maximum a 10 tömegrész fluorokarbon gyantát, például politetrafluor-etilént, mint kötőanyagot tartalmazó elektromosan vezető megformált grafitból álló magra gőzfázisból történő lecsapással vagy elektrolitikusan vékony (1 gm-nál vékonyabb) platinafilmet visznek fel. Az enzim, például a glükóz-oxidáz az elektromosan vezető hordozónak ehhez a platinázott felületéhez van kötve. A találmány állításunk szerint megoldja az enzim közvetlenül a platinához való kötésének problémáját.

A Matsushita Electrical Industrial Co. Ltd. (Nakamura és munkatársai) a 4 392 933 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban olyan immobilizált enzimmel működő elektródot ismertet, mely egy oxido-reduktáz enzimet, például glükóz-oxidázt és egy olyan fémoxidot, például ruténium-oxidot tartalmaz, mely be tud lépni az enzimmel, az enzimmel és a fémoxiddal, illetve magával a fémoxiddal kapcsolatos

HU 209 704 B redox reakcióba, és a fémoxid vagy maga alkot egy elektronkollektort és vezetőt, vagy be van építve egy elektrongyűjtő és vezető anyagba, például grafitba. Ha grafitot használnak elektrongyűjtő és vezető anyagként, a reakcióképes fémoxid, például ruténium-oxid (RuO₂) porát grafitporral tömör testté vagy koronggá sajtolják, melynek felszínén az enzimet, például a glükóz-oxidázt keresztkötéssel, például a glutáraldehides eljárással rögzítik.

Az enzimelektródok fentebb ismertetett valamenynyi előállítása lényegében egy kétlépéses módszeren alapszik, és a grafit- vagy szénhordozó előzetes megformálását feltételezi, gyakran olyan körülmények között, mely a hordozó megolvasztását igényli ahhoz, hogy a kötőanyaggal összeolvadjon, mely kötőanyag, mint már jeleztük, eddig egy magas olvadáspontú, hidrofób műgyanta volt, előnyösen egy fluorokarbon gyanta, mint amilyen a politetrafluor-etilén.

Ezek a módszerek nem alkalmasak nagy mértékű tömegtermelésre, és ezért az így készített enzimelektródok drágák. Igény van tehát olyan eljárásra, mellyel az elektródok egyszerűen, lehetőleg egy lépésben, tömegtermelésre alkalmas technikával előállíthatok, lecsökkentve ezáltal az előállítási költségeket, sőt lehetővé téve az egyszer használatos, eldobható enzimelektródok forgalombahozását. Az orvosi vizsgálatoknál és diagnosztikában nagy szükség lenne az ilyen egyszer használatos, eldobható enzimelektródokra.

Felismertük, hogy az enzimelektródoknál, melyeknél az enzim egy porózus rétegen van kötve vagy adszorbeálva, mely porózus réteg műgyantába kötött platinázott vagy palládiumozott (vagy a platinacsoport más fémével kezelt) szén- vagy grafitrészecskéket tartalmaz, a magas olvadáspontú fluorokarbon vagy más hidrofób gyanta (előnyösen politetrafluor-etilén) alkalmazása vagy teljesen elhagyható, vagy alacsony olvadáspontú, előnyösen vízoldékony vagy vízben diszpergálható kötőanyaggal, például zselatinnal helyettesíthető, vagyis olyan kötőanyaggal, mellyel szobahőmérsékleten is kialakítható a réteg, és nincs szükség magas hőmérsékleten történő megolvasztására.

Ez nagy könnyebbséget jelent az enzimelektródok előállításánál, minthogy lehetővé válik egy olyan keverék elkészítése, mely az enzimet, a platinával vagy palládiummal (vagy a platinacsoport más fémével) kezelt grafit- vagy szénrészecskéket folyékony szuszpenziós közegben, például vízben tartalmazza, mely adott esetben kötőanyagot is tartalmaz. Az enzimet, a platinázott vagy palládiumozott finom eloszlású szenet vagy grafitot és - adott esetben - a kötőanyagot tartalmazó szuszpenziót például filmnyomásos technikával vékony film alakjában felvisszük az elektromosan vezető hordozóra, majd megszárítjuk, ezáltal kialakul az a vékony film, ami lényegében homogén eloszlásban tartalmazza az enzimet, a platinával vagy palládiummal kezelt, finom eloszlású szenet vagy grafitot és adott esetben - a kötőanyagot. A filmnyomásos technika különösen alkalmas a nagyhatékonyságú és nagyérzékenységű enzimelektródok tömeggyártására.

Ugyancsak felismertük, hogy noha a finom eloszlású szén vagy grafit előnyösen működik elektronkollektorként és vezetőként, valójában el is hagyható, és működő enzimelektródhoz juthatunk egészen egyszerűen úgy is, hogy a finom eloszlású platinacsoportbeli fémet vagy megfelelő oxidját, az enzimet és adott esetben az alacsony hőmérsékleten is alkalmazható, előnyösen vízoldékony kötőanyagot tartalmazó szuszpenziót elektromosan vezető nyompályára, például szenes nyompályára vagy más alkalmas hordozóra, például elektromosan vezető karbonpapír-lapra visszük fel, majd szárítjuk, ezáltal egy olyan egyenletes réteget nyerve, ami homogén eloszlásban tartalmazza a finom eloszlású platinacsoportbeli fémet vagy oxidját, az enzimet és - ha alkalmazzuk - a kötőanyagot.

A találmány tárgya eljárás enzimelektródok előállítására, melynek egyik változata szerint egy finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy oxidját és egy enzimet tartalmazó lényegében homogén keveréket elektromosan vezető rétegként egy hordozóra visszük; az elektród amperometrikusan jelzi az enzim aktivitását, ha az enzimet tartalmazó réteg érintkezésbe kerül az illető enzim szubsztrátjával. A finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy oxidját és a kívánt enzime(ke)t folyékony szuszpenziós közegben egyenletesen elszuszpendáljuk, ezt a szuszpenziót a hordozó felületére felvisszük, a szuszpenziőt az enzim deaktiválódását okozó hőfok alatti hőmérséklettartományban szárítjuk, ezáltal a hordozó felszínén egy egyenletes, lényegében homogén borítóréteg alakul ki, ami a finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy oxidját, és a kívánt enzime(ke)t magába záqa.

A találmány további tárgya enzimelektród, mely a finoman eloszlatott, platinacsoportbeli fémet vagy oxidját és egy enzimet tartalmazó homogén keveréket egy elektromosan vezető rétegként tartalmazza a hordozó felszínén; a felszíni réteg a platinacsoportbeli, finoman eloszlatott fém vagy oxidja és az enzim rögzítésére szolgáló vízoldható vagy vízben diszpergálható kötőanyagot is tartalmazhat, mellyel az említett komponenseket egy folytonos, összefüggő rétegben olyan hőmérsékleten kötjük a hordozóhoz, mely az enzimet még nem károsítja.

A fenti módszernél magától értetődik, hogy a felszíni réteg szárítása hatékonyan megtörténik olyan hőmérsékleten, mely semmiféle károsodást nem okoz az enzim aktiválásában; a szárítást előnyösen szobahőmérsékleten végfczzük.

A fentiektől eltérő módon eljárhatunk úgy is, hogy a finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy oxidját előzetesen adszorbeáltatjuk a finom eloszlású grafit- vagy szénrészecskékre, vagy azokkal összekeverjük, majd kötőanyaggal vagy anélkül felvisszük az elektromosan vezető hordozóanyagra. A felvitel az előzőekben ismertetett módon történhet, azaz a szuszpenziós közegben, előnyösen vizes közegben elszuszpendáljuk a finom eloszlású platinacsoportbeli fémet vagy oxidját adszorbeálva hordozó vagy azzal összekevert finom eloszlású szén- vagy grafitrészecskéket, ezt a folyékony keveréket felvisszük a felületre, majd rászárítjuk. Ezt követően a száraz réteget az enzimet és adott

HU 209 704 Β esetben a kötőanyagot vagy további kötőanyagot tartalmazó oldattal kezeljük, majd újra szárítjuk, miáltal egy, az enzimet egyenletesen elosztva tartalmazó réteget nyerünk.

A finoman eloszlatott, platinacsoportbeli elemi fém helyett a megfelelő oxidjukat is használhatjuk, például platina- vagy palládium-oxidot. Ezek szerint a „platinázott” vagy „palládiumozott anyag” kifejezés a megfelelő oxidot tartalmazó anyagot is magába foglalja, hacsak a szövegben nem utalunk a konkrét összetételre.

Még meglepőbb, hogy úgy találtuk, nemcsak a fluorokarbon gyanta hagyható el vagy helyettesíthető egy alacsony hőmérsékleten működő, vízoldékony vagy vízben diszpergálható kötőanyaggal, de a finom eloszlású szén vagy grafit is. így az enzimelektród már egészen egyszerűen előállítható oly módon, hogy az enzimet, a finom eloszlású, platinacsoportbeli fémet vagy fémoxidot tartalmazó keveréket kötőanyag segítségével vagy anélkül felvisszük egy elektromosan vezető karbonpapírra vagy egy elektromosan vezető szenes nyompálya felületére. Az enzimmel való összeférhetőségtől függően más elektromosan vezető hordozók is alkalmazhatók. Rögzített túlfeszültségnél az enzimszubsztráttal való érintkezéskor az ilyen elektród jó amperometrikus érzékenységet mutat, az áramerősség széles koncentrációs tartományban egyenesen arányos a szubsztrát koncentrációjával. Ezek az elektródok, és más itt leírtak is, széles alkalmazási területen felhasználható bioszenzorok, különösen a humán és állatorvosi diagnosztikában, ahol a különféle orvosi és klinikai mintáknál alkalmasak az enzimszubsztrát - például glükóz, laktát, koleszterol - koncentrációjának meghatározására.

A találmány szerinti eljárás során a filmnyomáson kívül különféle más technikákat is alkalmazhatunk az enzimet, a finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy fémoxidot - adott esetben finomeloszlású szénvagy grafitrészecskék felületére adszorbeáltatva -, az adott esetben hozzáadott kötőanyagot tartalmazó keveréknek az elektromosan vezető hordozó felületére való felvitelére. A hagyományos felviteli technikák mellett

- például kenőkéses és hengerbevonatos eljárás - az enzimet és a finoman eloszlatott platinacsoportbeli fémet vagy oxidot tartalmazó keveréket a hordozó felületére olyan ismert nyómtatásos eljárásokkal is felvihetjük, mint amilyen a tintafoltos eljárás.

A találmány szerinti eljárás egy másik változata szerint az enzimelektródot elkészíthetjük úgy is, hogy

- például filmnyomással - a hordozó felületén egy vékony filmet hozunk létre, mely a finom eloszlású platinacsoportbeli fém vagy fém-oxid részecskéket és adott esetben finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket vagy adott esetben finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskék felületére adszorbeáltatva tartalmazza a fém vagy fém-oxid részecskéket - és, adott esetben az alacsonyabb hőmérsékleten is működő kötőanyagot tartalmazza, majd ezt követően a kialakított réteget az enzimet tartalmazó keverékkel kezeljük. A kötőanyag a részecskéket anélkül képes a hordozó felületén lévő összefüggő rétegben megkötni, hogy a kötőanyagot meg kellene olvasztani vagy hővel zsugorítani, majd ezt követően kezelni a felvitt réteget az enzimmel.

A találmány tárgya továbbá egy enzimelektród, mely egy finomeloszlású platinacsoportbeli fémet vagy fémoxidot és egy enzimet, továbbá adott esetben szénvagy grafitrészecskéket és ezek valamint a platinacsoportbeli fém és fémoxid számára egy vízoldható vagy vízben diszpergálható kötőanyagot tartalmazó réteggel bevont hordozóból áll.

Noha a találmány szerinti finomeloszlású szén vagy grafit előnyösen olyan finomeloszlású aktivált szénvagy grafitrészecskéket jelent, melyek felületén finomeloszlású, platinacsoportbeli elemi fém - például platina, palládium, irídium vagy ródium, előnyösen platina vagy ródium - van adszorbeáltatva, vagy jelentheti a grafit- és szénrészecskék és az említett fémrészecskék keverékét, az elemi fémek helyett alkalmazhatjuk az oxidjaikat is, például platina-oxidot, palládium-oxidot vagy ródium-oxidot. A „platinázott” vagy „palládiumozott” kifejezés tehát - hacsak másként nem utalunk rá jelenti az oxidok alkalmazását is. Az „aktivált” szén vagy grafit kifejezés erősen porózus, igen nagy felületű szenet vagy grafitot jelent, melyhez például úgy juthatunk, hogy a szén- vagy grafitport szén-dioxid-áramban hővel kezeljük. Az így kapott nagyfelületű terméket a szakirodalom „aktív szénnek” hívja. Az ilyen aktivált anyagok grammjának a felülete 10 m² felett van, tipikusan 200-600 m²/g. A részecskeméret nem döntő, de előnyös, ha a szén- vagy grafitpor részecskemérete a 3-150 nm, még előnyösebb, ha a 3-50 nm tartományba esik.

A szénpor felületére adszorbeált platinacsoportbeli fém vagy fémoxid mennyisége általában 0,1-20 tömegszázalékot tesz ki a szén tömegére vonatkoztatva; előnyösen 0,5-5%. Ezek a határok azonban gyakorlatilag csak tanácsoltak, de nem döntőek. 0,1% alatt a kimenőjel olyan szintre esik, ami már gyakorlatilag túl alacsony ahhoz, hogy mérni lehessen, hacsak nem használtunk extraérzékeny mérőberendezést. 20% feletti fémmennyiség alkalmazása gazdaságtalanná válik, minthogy az elektród reagálása vagy érzékenysége ekkor már csak kissé javul. A platinacsoportbeli fém vagy oxid részecskéjének nagysága előnyösen 1 nm-től 20pm-ig terjed, legelőnyösebb az 1-4 m-es kolloid méret.

Amennyiben az enzimelektród elkészítéséhez kötőanyagot is alkalmazunk, az bármelyik alacsonyabb hőmérsékleti tartományban is működő kötőanyag lehet. Az ilyen kötőanyagok tehát szobahőmérsékleten is képesek rögzíteni a platinázott vagy palládiumozott szénvagy grafitporból és enzimből álló keveréket, anélkül, hogy hővel a kötőanyagot meg kellene előzetesen olvasztani. A vízoldékony vagy vízben diszpergálható kötőanyagok közül előnyös a hidroxi-etil-cellulóz vagy a zselatin, de alkalmazhatunk más kötőanyagot is, ideértve a keményítő- és cellulózszármazékokat, mint amilyen a keményítőacetát, cellulózacetát, celluIózacetát-butirát, etilcellulóz, továbbá a vízoldékony, szintetikus vagy félszintetikus polimereket, mint amilyen a polivinil-alkohol vagy a polivinil-pirrolidon. A

HU 209 704 Β kötőanyag mennyisége az enzim és a platinázott vagy palládiumozott szénpor össztömegének 5-100% tömegszázalékát teheti ki (száraztömegre vonatkozik); előnyösen 20-50%.

Noha az itt leírt enzimelektródokat úgy jellemezzük, mint közvetítő nélkülieket, elektronátvivő mediátorok, mint amilyen a ferrocence - ha szükséges bevihetők az elektród elkészítéséhez felhasznált szuszpenzióba.

Bár a platinázott vagy palládiumozott szénport és az enzimet tartalmazó keveréket előnyösen vízben szuszpendáljuk mielőtt az elektromosan vezető hordozóra - például filmnyomásos módszerrel - felvinnénk, más alkalmas folyékony közeget is alkalmazhatunk, beleértve a szerves oldószereket is, például ciklohexanont vagy diklór-metánt. Az elektromosan vezető hordozóra való felvitel után a borítóréteg vastagsága 5500 gm.

Az enzimmel való feltöltődés széles tartományban változik az adott enzimtől függően. A glükóz-oxidáz esetében 10-5000 gg enzimet tartunk megfelelőnek az elektronfelület emseként; előnyösen ez az érték 1002000 gg/cm².

Elektromosan vezető hordozóként különféle anyagokat használhatunk, például platinából vagy más elektromosan vezető fémből készült szalagot, elektromosan vezető szintetikus polimerfilmet, de a legelőnyösebben használható hordozó az elektromosan vezető karbonpapír vagy szenes nyompálya, ami azt jelenti, hogy egy nem-vezető hordozón szénrészecskékből egy vezető sávot alakítanak ki; mindezek a kereskedelmi forgalomból beszerezhetők.

Az enzimelektród felületét általában, de nem szükségszerűen, fizikai védelemmel látjuk el, vagyis egy alkalmasan porózus membránnal vagy filmmel védjük, melynek anyaga például polikarbonát lehet. Ennek a védőrétegnek természetesen a meghatározandó enzimszubsztrát számára (glükóz) átj árhatónak kell lennie. Ezeknek a membránoknak az a hátránya, hogy valamelyest megnövelik az elektród reagálási idejét, de a találmány szerinti elektródok reagálási ideje még ilyen membránnal ellátva is összevethető a szokásos enzimelektródokéval vagy azokéval még így is lényegesen jobb.

Amint azt már említettük, a találmány főként a glükóz-oxidáz elektródokra vonatkozik, vagyis amelyeknél a rögzített enzim a glükóz-oxidáz, de nyilvánvaló, hogy más oxid-reduktázok is alkalmazhatók, ha nem is mindig azonos hatékonysággal. Ez nem szükségszerű követelménye az adott enzim hatásosságának, hanem más tényezőktől is függ. így például a húgysav urikázzal történő meghatározásánál a húgysav-szubsztrát magán az alapelektródon elektrokémiai oxidáción megy át, ami nagymértékben elfedi az enzimkatalizálta reakciót. Alkalmas oxido-reduktázok viszont a laktátoxidáz, galaktóz-oxidáz, koleszterol-oxidáz és más, peroxidtermelő enzimek. Az immobilizált enzimeket kombinálhatjuk is oly módon, hogy egy nem-oxidázt együtt alkalmazunk egy oxidázzal. Az első enzim úgy hat a számunkra érdekes szubsztrátra, hogy abból egy, az oxidáz számára szubsztrátként szolgáló, oxidálható termék keletkezik, a második enzimatikus lépésnél jelentkező elektromos jel nagysága arányos a kérdéses szubsztrát koncentrációjával. Ilyen kombináció a β-galaktozidáz és a glükóz-oxidáz (a laktóz mennyiségi meghatározására) vagy egy β-glükán-depolimerizáló enzim, a β-glükozidáz és a glükóz-oxidáz (a β-glükánok meghatározására).

Egy másik típusú megoldásnál egy enzimatikus vagy nem-enzimatikus reagenst vagy folyamatot használunk, mely egy előzetes reakcióban a számunkra érdekes szubszráttal olyan reakciót játszat le, melynek terméke viszont a találmány szerinti enzimelektródnak szubszrátja. Az immunkémiai reakciók területén számos példát találhatunk az ilyen előzetes reakciólépésekre, és a szakemberek számára egy ilyen reakció alkalmazása kézenfekvő a találmány szerinti enzimelektródok felhasználásakor.

A találmány szerinti elektródok elsődleges alkalmazása azonban az oxidálható szubsztrátok kimutatására és/vagy mennyiségi meghatározására vonatkozik. Ilyen szubsztrát mindenekelőtt a glükóz, melyet főként klinikai mintákban - vér, szérum, plazma, vizelet, verejték, könny és nyál - vizsgálunk.

Más, nem-klinikai alkalmazási lehetőségek:

(a) fermentáció nyomonkövetése;

(b) ipari folyamatok ellenőrzése;

(c) környezetszennyezési ellenőrzés, például folyadékok és gázok szennyezettsége;

(d) élelmiszerellenőrzés;

(e) állatorvosi alkalmazás, különösen a fentebb megnevezett klinikai vizsgálatokra.

Az enzimelektródok további szerkezeti elemei, az elektromosan vezetékek, a nem-vevő szigetelők, csatlakozások, stb., a hasonló berendezések szokásos alkotórészei, és részletesebb ismertetésük itt nem szükséges. Az elektród anyagával történő elektromos összeköttetés több módon történhet, például az elektród anyagát közvetlenül kapcsolatba hozva egy elektromos vezetővel vagy kimenettel, például platina vagy más alkalmas vezetékkel.

Az enzimszubsztrát jelenlétében az enzimelektródban termelődő áramot egy rögzített feszültségnél mérjük a szakterületen már jól ismert módon. Általánosságban mondva az áramerősséget 200-600 mV tartományban rögzített feszültségnél méljük egy ezüst/ezüst-klorid referens elektródra vonatkoztatva. Két és három elektródcellának az ilyen mérésekhez való alkalmazására két részletes és szemléletes példát találunk a WO87/07295 számú nemzetközi szabadalomban, melyre már utaltunk.

Az elmondottak szemléltetésére az alábbiakban példákat adunk meg, melyek kizárólag a találmány szerinti eljárás jobb megértésére szolgálnak, de a találmány oltalmi körét nem korlátozzák.

A találmány szerinti különféle enzimelektródokkal kapott eredményeket az 1-17. ábrákon mutatjuk be. Részletesebben, az 1-11. példákban leírt eljárással előállított elektródák alkalmazásával elért enzimválaszt az 1-11. ábrák, a 12. példa szerint elektródával elért en5

HU 209 704 Β zimválaszt a 12. és 13. ábrák, a 13. példa szerinti elektródával elért enzimválaszt a 14. ábra, és a 14. példa szerinti elektróda alkalmazásával elért enzimválaszt a 15-17. ábrák szemléltetik.

1. példa

A glükóz-oxidáz-elektród előállításához körülbelül 10 tömegszázalék platinát hordozó 200 mg szénpont - mely platinázott szénpont a The Prototech Companytól szerezzük be (Newton Highlands, Massachusetts; Vulvan XC-72 szénpor, névleges részecskeméret: 30 nm; a szénen adszorbeált kolloidális platina részecskemérete: 1,5-2,4 nm) - 400 μί foszfátpufferben szuszpendáljuk. A foszfátpuffer összetétele: literenként 2 mmol nátrium-dihidrogén-foszfát, 16 mmol dinátrium-hidrogén-foszfát, 100 mmol nátrium-klorid, 0,1 mmol etilén-diamin-tetraecetsav-dikálium-só x 2 víz; a pH = 7,4. A szuszpenzióhoz hozzáadunk 40 mg glükóz-oxidázt, kevertetjük, majd egy órán át szobahőmérsékleten hagyjuk állni.

A szuszpenzióból kézzel vékony filmet képezünk egy elektromosan vezető karbonpapír íven (Toray alátétpapír) és szobahőmérsékleten hagyjuk megszáradni. Amikor az enzimelektród anyaga megszárad, 1,5 mmes koronggá vágjuk, és egy-két elektrokémiai cellás rendszerben ellenőrizzük a glükóz érzékenységét 400 mV fesültségnél ezüst/ezüst-klorid elektróddal szemben, amint azt a WO87/07295 számú szabadalom leírja.

A különböző glükózkoncentrációknál kapott áramerősséget (μΑ) az 1. ábrán mutatjuk be. A kapott eredmények két figyelemre méltó hatást mutatnak. Az első, hogy 0-30 mmól/1 glükózkoncentráció tartományban az elektromos válasz lényegében lineárisan változik a koncentrációval. A második, hogy ezeket az eredményeket olyan kötőanyag nélkül kaptuk, mely biztosítaná az „oxigénben gazdag” környezetet. Az előző ismeretek szerint, kivéve a WO87/07295 közrebocsátási iratot, linearitást csak korlátozott glükóztartományban, például 2-5 mmól/1 koncentrációnál kaptak. [Yao. T, Analitica Chimica Acta, 148: 27-33 (1983)].

További előzetes kitanítás szerint a glükózelektród válaszának linearitása növekszik, ha az oxigén szabad diffúziója biztosított. [Lobéi E. és Rishpon 1, Analitical Chemistry, 53: 51-53 (1981)], mely kitanítást a WO87/07295 számú közrebocsátási irat is támogatja, ahol olyan kötőanyagot használnak, melynek az oxigénaffinitása vagy oxigént oldó képessége. Ezzel ellentétben a jelen találmány szerint sokkal szélesebb tartományú glükózkoncentrációnál kapunk linearitást, mégha kötőanyag nincs is jelen.

2. példa

Az 1. példában leírtak szerint készítjük el az enzimelektródot, de a platinával kezelt Vulcan XC-72 helyett a Johson Matthey Chemicalstól (Royston, Nagy-Britannia) beszerzett CH15969/01 „folyamat katalizátort” használjuk, mely 5% platinát tartalmazó finom eloszlású grafitpor. Amint a 2. ábrán látható, lényegében az előzőhöz hasonló elektródválaszt kapunk.

3. példa

A 2. példában leírtak szerint járunk el, tehát a Johson Mattey cég finoman eloszlatott, platinával (5%) kezelt grafitját használjuk az enzim/platinázott grafit szuszpenzió elkészítéséhez. Ez esetben azonban 37 ’C hőmérsékletű 20%-os (tömeg/térfogat) vizes zselatinoldatot adunk a szuszpenzióhoz 2:1 térfogatarányban.

A zselatint tartalmazó pasztát Toray alátétpapírra kenjük, a szobahőmérsékleten való szárítás után egysokkal vaskosabb terméket kapunk, de ez is lineáris elektródválaszt ad a glükózkoncentráció változására, amint az a 3. ábrából kitűnik.

4. példa

Vizes pasztát készítünk 45 mg platinázott szénporból (Vulcan XC-72, 10 súlyszázalék adszorbeált kolloidális platinát tartalmaz; The Prototech Company, Massachusetts) és 5 mg glükóz-oxidázból, ami 100 mg 0,1 M kálium-klorid oldatban elkészített 10%-os hidroxi-etil-cellulóz oldatban van szuszpendálva. A pasztát kézzel felkenjük egy előre megnedvesített karbonpapírra (Toray alátétpapír), és hagyjuk megszáradni.

A száraz elektródanyagból 1,5 mm-es korongokat vágunk ki, és a leírtak szerint egy két-elektród cellás rendszerben 40 mV feszültségnél, Ag/AgCl elektróddal szemben vizsgáljuk az elektródunk glükózkoncentrációra adott válaszát.

A mindenkori áramerősséget különböző glükózkoncentrációnál méljük. Az eredményeket a 4. ábrán mutatjuk be. 0-30 mmól/liter koncentrációtartományban a válasz lényegében lineáris.

5. és 6. példa

A 4. példa eljárástát ismételjük meg, de olyan platinázott szénporral (Vulcan XC-72), mely 1%, illetve 0,2% platinát tartalmaz. Az elektródáról lejövő áramerősséget ugyanolyan körülmények között mérjük ez esetben is. Az eredményeket az 5. és 6. ábrán láthatjuk. Az 5. ábra tanúsága szerint a glükózkoncentráció változására 0-30 mmól/liter tartományon belül hasonlóan lineáris elektródválaszt kapunk. A kevesebb (0,2%) platinát tartalmazó elektródanyagnál a linearitás megfigyelhető, de csak egy szűkebb, 0-20 mmól/liter, koncentrációtartományban.

7. példa

A 4. példában leírtak szerint járunk el, de 0,5 mg glükóz-oxidázt használunk. A hasonló körülmények között kapott eredményeket a 7. ábrán szemléltetjük. A glükózkoncentráció változásra adott elektródválasz 020 mmól/liter koncentrációtartományban lineáris.

8. példa

A 4. példában leírtak szerint készítjük el az elektródanyagot, de 45 mg szénport (Vulcan XC 22) használnuk, mely 10% (tömeg) kolloidális platina-oxidot tartalmaz adszorbeálva a fémplatina helyett.

Az előzőekhez hasonló körülmények között 1,5 mm-es korongokkal vizsgáljuk a két-elektródcellás

HU 209 704 Β rendszerben a különféle glükózkoncentrációnál az elektródválaszt 400 mV feszültségnél, Ag/AgCl elektróddal szemben. A kapott eredményeket a 8. ábrán mutatjuk be.

9. példa

Az elektródanyag elkészítéséhez a pasztát 5 mg platinakoromból, 400 mg aktivált szénporból (Vulcan XC-72) és 5 mg glükóz-oxidázból állítjuk össze 100 mg 0,1 M kálium-klorid-oldatban elkészített 10%os hidroxi-etil-cellulóz közegben.

A pasztát kézzel Toray alátétpapírra kenjük és hagyjuk megszáradni.

A száraz elektródanyagból 1,5 mm-es korongokat vágunk ki, és az ismertetett körülmények között vizsgáljuk az elektródválaszt a különböző glükózkoncentrációknál.

Az elektródválasz 0-30 mmól/liter glükózkoncentráció-tartományban lineáris. (9. ábra).

10. példa

A 4. példában leírtak szerint készítjük el az elektródanyagot, de glükóz-oxidáz helyett 5 mg laktát-oxidázt, EC 1.1.3.2 használunk.

Az előzőekben ismertetett körülmények között vizsgáljuk az elektródnak a laktátkoncentráció változására adott válaszát, azaz két-elektródcellás rendszerben, 400 mV feszültségnél, ezüst/ezüst-klorid referens elektróddal szemben.

Amint a 10. ábrán látható az elektród válasz lényegében lineáris a 0-20 mmól/liter laktátkoncentrációtartományban.

77. példa

Szenet nem tartalmazó enzimelektródot készítünk 5 mg platinakorom, 5 mg glükóz-oxidáz 100 mg 10%os hidroxi-etil-cellulózban készült szuszpenziójából. A hidroxi-etil-cellulózos közeget 0,1 M kálium-kloridban készítjük el.

A szuszpenziót kézzel kenjük a Toray alátétpapírra és megszárítjuk.

1,5 mm-es korongokat vágunk ki a száraz elektródanyagból, és különböző glükózkoncentrációknál vizsgáljuk az így kapott enzimelektród válaszát a már ismertetett körülmények között. All. ábrán bemutatott eredmények alapján az enzimválasz 0-20 mmól%liter glükózkoncentráció-tartományban lényegében lineáris.

72. példa

A 4. példában leírt eljárást követve készítjük el a glükóz-oxidáz elektródot, de az aktivált szénrészecskéken (Vulcan XC-72) ez esetben 1 tömegszázaléknyi (a szén tömegére vonatkoztatva) finom eloszlású, kolloidális irídium és ródium van adszorbeáltatva a platina helyett. A 0,1 M kálium-kloridos közeg helyett az 1. példában használt foszfátpuffert alkalmazzuk. Az elektródanyag a hidroxi-etil-cellulózzal karbonpapírra rögzített homogén réteg, ami a ródiumot és irídiumot hordozó szénrészecskékből és glükóz-oxidázból áll. 1,5 mm-es korongokat vágunk ki, és 0-40 mmól/liter glükóz szubsztrátkoncentrációnál vizsgáljuk az elektród mikroamperben megadott válaszát 400 mV feszültségnél, ezüst/ezüst-klorid referens elektródot alkalmazva. A12. (irídium) és 13. (ródium) ábrán szemléltetjük a kapott eredményeket Ez esetben is lineáris választ kapunk. Érdemes megjegyezni, hogy a ródium esetében a kapott elektromos jelek erősebbek.

13. példa mg koleszterol-oxidázt (16 μ/mg) kevertetünk 150 μΐ 5% (tömeg/térf.) hidroxi-etil-cellulózt tartalmazó foszfátpufferben, amíg fel nem oldódik. A foszfátpuffer összetétele: literenként 1,6 mmól nátrium-dihidrogén-foszfát, 5,3 mmól dinátrium-hidrogén-foszfát, 52 mmól nátrium-klorid, 0,15 mmól etilén-diamin-tetraecetsav, pH - 7,4. 72 mg 5% platinát tartalmazó finomeloszlású platinázott grafitport adunk hozzá, és összekeverve pasztát képezünk.

Az elektromosan vezető (Toray) karbonpapírt két héten át áztatjuk a következő összetételű foszfátpufferben: literenként 2 mmól nátrium-dihidrogén-foszfát, 16 mmól dinátrium-hidrogén-foszfát, 100 mmól nátrium-klorid, 1 mmól etilén-diamin-tetraecetsav, 0,1 térfogatszázalék Triton X100 felületaktív anyag; pH = 7,4. A hordozót szárazra leitatjuk és a koleszterol-oxidázt, platinázott grafitot és a hidroxi-etil-cellulózt tartalmazó pasztát kézzel egyenletesen elkenjük a felületen. Az elektródanyagot szobahőmérsékleten 2 órán át, majd 30 °C hőmérsékleten 30 percen át szárítjuk. A tárolhatósági idő meghosszabbítása céljából az elektródot 2 percre 5%-os (tömeg/térf.) szacharózoldatba merítjük és 1 órán át 20 °C hőmérsékleten szárítjuk.

A száraz elektródanyagból 1,5 mm-es korongokat vágunk ki, és vizsgáljuk a koleszterolra adott elektródválaszt egy két-elektródcellás rendszerben, +340 mV feszültségnél ezüst/ezüst-klorid referens elektróddal szemben. Az elektródot 0,05 μ-os polikarbonát (Nucleopore) membránnal védjük. A vizsgálatokhoz standard koleszterololdatokat készítünk 6 mM koleszterol törzsoldatból. A koleszterol törzsoldatot 22% vízoldékony β-ciklodextrint (Molecusol) tartalmazó foszfátpufferben (literenként 1 mmól foszfát, 100 mmól nátrium-klorid, 1 mmól etilén-diamin-tetraecetsav; pH = 7,4 készítjük el. A hígítási sorozat egyes tagjaiban a koleszterolkoncentráció: literenként 0,5, 1,2,4 és 6 mmól.

A mikroamperben kapott eredményeket a 14. ábrán tüntettük fel, és amint látható az elektródválasz a 06 mmól/liter koleszterolkoncentrációknál lineáris.

14. példa

Az enzimelektródokat nem-vizes közegben az alábbiak szerint állítjuk elő.

mg glükóz-oxidázt és 40 mg 5% platinát tartalmazó platinázott grafitport tartalmazó pasztát a következő nem-vizes közegben készítjük el:

(a) 400 μΐ 10% (tömeg/térf.) cellulózacetátot tartalmazó ciklohexanonban;

(b) 600 μΐ 5% (tömeg/térf.) cellulóz-acetát-butirátot tartalmazó diklór-metánban;

(c) 400 μΐ 5% (tömeg/térf.) etil-cellulózt tartalmazó ciklohexanonban.

A kevertetést követően a pasztát az elektromosan

HU 209 704 B vezető karbonpapírra (Toray) kenjük, és hagyjuk szobahőmérsékleten megszáradni.

A megszáradt elektródanyagból 1,5 mm-es korongokat vágunk ki, és vizsgáljuk a glükózkoncentráció változására adott választ két-elektródcellás rendszerben, 340 mV feszültségnél, ezüst/ezüst-klorid referens elektróddal szemben. Az elektródanyagot egy aranyelektródhoz csatlakoztatjuk, és 0,03 μ-os polikarbonát (Nucleopore) membránnal rögzítjük rajta. A standard glükózoldatokat foszfátpufferben készítjük el, melynek összetétele: literenként 2 mmól nátrium-dihidrogén-foszfát, 16 mmól dinátrium-hidrogén-foszfát, 100 mmól nátrium-klorid, 1 mmól etilén-diamin-tetraecetsav, pH = 7,4. Ahígítási sorozatban a glükózkoncentráció: 0, 2,5, 5,10 és 20 mmol/liter. A mikroamperben megadott eredményeket grafikusan a 15-17. ábrán szemléltetjük.

15. ábra - cellulóz-acetát ciklohexanonban.

16. ábra - cellulóz-acetát-butirát diklór-metánban.

17. ábra - etil-cellulóz-ciklohexanonban.

Az ábrák bizonyítják, hogy a találmány szerinti enzimelektród elkészítéséhez nem-vizes rendszereket is használhatunk, valamint más, alacsonyabb hőmérsékleten működő kötőanyagokat is alkalmazhatunk.

75. példa

Egy glükóz-oxidáz-elektród előállításához körülbelül 10 tömegszázalék platinát hordozó 200 mg szénport - mely platinázott szénport a The Prototech Companytól szereztünk be (Newton Highlands, Massachusetts; Vulvan XC-72 szénpor, névleges részecskeméret: 30 nm; a szénen adszorbeált kolloidális platina részecskemérete: 1,5-2,5 nm) - 400 μΐ foszfátpufferben szuszpendáljuk. A foszfátpuffer összetétele: literenként 2 mmol nátrium-dihidrogén-foszfát, 16 mmol dinátrium-hidrogén-foszfát, 100 mmol nátrium-klorid, 0,1 mmol K₂H₂ (EDTA) x 2H₂O; a pH = 7,4. A szuszpenzióhoz hozzáadunk 0,1 KCl-dal képzett 10 t%-os hidroxietil-cellulóz oldatból 100 mg-ot, kevertetjük, majd egy órán át szobahőmérsékleten hagyjuk állni.

A szuszpenzióból vékony filmet képezünk egy elektromosan vezető karbonpapír íven (Toray alátétpapír) és szobahőmérsékleten hagyjuk megszáradni. A száraz felületi réteget ezután impregnáljuk 5 mg glükóz-oxidáznak egy foszfát pufferral képzett oldatával, majd az elektródot újból megszárítjuk.

Miután az enzimelektródot 1,5 mm-es korongokká vágtuk egy két elektrokémiai cellás rendszerben ellenőrizzük a glükóz érzékenységet 400 mV feszültségnél ezüst/ezüst-klorid elektróddal szemben, ahogyan azt az előzőekben már leírtuk.

A különböző glükózkoncentrációknál kapott áramerősség (μΑ) lényegileg megfelel a 4. példa szerinti elektróddal kapott értékeknek, melyek a 4. ábrán láthatók.

Claims (18)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás egy elektromosan vezető hordozóanyagból és ennek felületére felvitt finomeloszlású, platinacsoportbeli fém vagy fémoxid részecskéket és egy enzimet, továbbá adott esetben finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket és adott esetben egy kötőanyagot tartalmazó porózus rétegből álló enzimelektrós előállítására, azzal jellemezve, hogy

   i) a) egy szuszpenziót állítunk elő, mely

   - finomeloszlású platinacsoportbeli fém vagy fémoxid részecskéket,

   - adott esetben egy enzimet,

   - adott esetben finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket, és

   - adott esetben egy kötőanyagot tartalmaz, vagy b) egy szuszpenziót állítunk elő, mely

   - finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket, melyek felületére előzőleg finomeloszlású platinacsoportbeli fém- vagy fémoxid részecskéket adszorbeáltunk,

   - adott esetben egy enzimet, és

   - adott esetben egy kötőanyagot tartalmaz, folyékony diszperziós közegben való diszpergálással;

   ii) a kapott homogén szuszpenziót vékony rétegként felvisszük a hordozó felületére, majd iii) a felvitt réteget megszámítjuk, és kívánt esetben a réteget az enzimmel impregnáljuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az iii) művelet során a felvitt réteget az enzim dezaktiválódását okozó hőmérséklet alatti hőmérsékleten szárítjuk meg.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a finomeloszlású platinacsoportbeli fém részecskéket és adott esetben a szén- vagy grafitrészecskéket, vagy kötőanyagot tartalmazó réteget kialakítjuk a hordozó felületén, majd erre a rétegre felvisszük az enzimet.
4. 4. Az 1. i) a), 2. vagy 3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a finomeloszlású platinacsoportbeli fém- vagy fémoxid részecskék mellett finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket is diszpergálunk a folyékony diszperziós közegben.
5. 5. A 1. i) b). 2. vagy 3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szuszpenzió készítéséhez olyan finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket alkalmazunk, melyek felületére előzőleg a finomeloszlású platinacsoportbeli fém vagy fémoxid részecskéket adszorbeáltuk.
6. 6. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy olyan szuszpenziót készítünk, melyben a finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskék mérete 3150 nm, és amelyben a finomeloszlású platinacsoportbeli fém vagy fémoxid részecskék mérete 1-4 nm.
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kötőanyagot is diszpergálunk a folyékony diszperziós közegben.
8. 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy vizes diszperziós közeget alkalmazunk.
9. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy vízoldható kötőanyagot is diszpergálunk a vizes diszperziós közegben.
10. 10. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy vízoldható kötőanyagként zselatint vagy hidroxietil-cellulózt alkalmazunk.

    HU 209 704 Β
11. 11. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szuszpenziót a hordozó felületére nyomtatásos módszerrel visszük fel.
12. 12. A 11. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy elektromosan vezető hordozóként elektromosan vezető karbonpapírt alkalmazunk.
13. 13. A 1-12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy finomeloszlású platinacsoportbeli fémként finomeloszlású platinát vagy rádiumot alkalmazunk.
14. 14. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy enzimént glükóz-oxidázt, laktáz-oxidázt vagy koleszterol-oxidázt alkalmazunk.
15. 15. Egy enzimet, egy platinacsoportbeli fém vagy fémoxidot és adott esetben szén- vagy grafitrészecské- 15 két tartalmazó enzimelektród, azzal jellemezve, hogy egy finomeloszlású platinacsoportbeli fémet vagy fémoxidot és egy enzimet, valamint adott esetben finomeloszlású szén- vagy grafitrészecskéket és adott 5 esetben egy vízoldható vagy vízben diszpergálható kötőanyagot tartalmazó szuszpenzióval vékony rétegként bevont elektromosan vezető hordozóanyagból áll.
16. 16. A 15. igénypont szerinti enzimelektród, azzal jellemezve, hogy a kötőanyag zselatin vagy hidroxi10 etil-cellulóz.
17. 17. A 16. igénypont szerinti enzimelektród, azzal jellemezve, hogy a szuszpenzió filmnyomással kerül fel a hordozó felületére.
18. 18. A 15. igénypont szerinti enzimelektród, azzal jellemezve, hogy a hordozóanyag elektromosan vezető karbonpapír.