JP2001050925A - バイオセンサ - Google Patents

バイオセンサ

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JP2001050925A
JP2001050925A JP11222816A JP22281699A JP2001050925A JP 2001050925 A JP2001050925 A JP 2001050925A JP 11222816 A JP11222816 A JP 11222816A JP 22281699 A JP22281699 A JP 22281699A JP 2001050925 A JP2001050925 A JP 2001050925A
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JP
Japan
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electrode
working electrode
active agent
drying
glucose
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JP11222816A
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Hiroki Mure
博樹 牟礼
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Nok Corp
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Nok Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作用極上に酸化還元酵素および電子受容体を
含む酵素反応層を設けたバイオセンサであって、出力を
向上させまた出力のバラツキの小さいものを提供する。 【解決手段】 絶縁性基板上に少なくとも作用極および
対極の2電極を設け、(1)作用極上に酸化還元酵素−電
子伝達体−陽イオン界面活性剤混合物層または(2)これ
らの電極上に順次陽イオン界面活性剤層および酸化還元
酵素−電子伝達体混合物層を形成させたバイオセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バイオセンサに関
する。更に詳しくは、作用極上に酸化還元酵素および電
子伝達体の混合物層を形成せしめたバイオセンサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】絶縁性基板上に少なくとも作用極および
対極の2電極を設け、この作用極上に酸化還元酵素およ
び電子伝達体からなる酵素反応層を設けたバイオセンサ
が従来から知られている。しかるに、このような構成の
バイオセンサにあっては、酸化還元酵素と電子伝達体と
の混合物を水溶液として各電極上に塗布し、真空乾燥さ
せて混合物層を形成させているため、乾燥後の混合物層
の形状が不均一となって、測定サンプルによる酵素反応
層(混合物層)の溶解時に酸化還元酵素と電子伝達体の濃
度が不均一となる結果をもたらし、それが原因となって
出力のバラツキが大きいという問題がみられた。
【0003】また、ポリエチレンポリフタレート(PET)
等の絶縁性基板上にカーボンを用いて作用極および対極
を形成させたバイオセンサにあっては、PET-カーボン間
の撥水性が高いため、向い会った両電極間に血液等の測
定サンプルが侵入しないという現象がみられる。こうし
た事態を避けるため、PETやカーボンに非イオン系の界
面活性剤を塗布すると、血糖の酵素反応時に生成する電
荷を持ったメディエータ(電荷運搬分子)がカーボン電極
と接触しずらくなり、その結果出力が低下し、安定しな
くなるという現象がみられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、作用
極上に酸化還元酵素および電子受容体を含む酵素反応層
を設けたバイオセンサであって、出力を向上させまた出
力のバラツキの小さいものを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】かかる本発明の目的は、
絶縁性基板上に少なくとも作用極および対極の2電極を
設け、(1)該作用極上に酸化還元酵素−電子伝達体−陽
イオン界面活性剤混合物層または(2)これらの電極上に
順次陽イオン界面活性剤層および酸化還元酵素−電子伝
達体混合物層を形成させたバイオセンサによって達成さ
れる。
【0006】
【発明の実施の形態】セラミックス、ガラス、プラスチ
ック、紙、生分解性材料(例えば、微生物生産ポリエス
テル等)などの絶縁性基板上には、作用極および対極あ
るいは作用極、対極および参照極が設けられる。作用
極、対極および参照極リードは、スクリーン印刷法、蒸
着法、スパッタリング法などによって白金、金、カーボ
ン等から形成され、参照極は参照極リード上にスクリー
ン印刷法、蒸着法、スパッタリング法などによって一旦
銀電極を形成させた後、定電流電解する方法あるいは塩
化第2鉄水溶液中に浸漬する方法、更にはスクリーン印
刷法によって塩化銀を塗布、積層させる方法などによっ
て形成される。その後、各電極の中央部分が樹脂製絶縁
膜などによって被覆される。なお、参照極を設けない2
電極構造のものとすることもできる。
【0007】前記(1)の態様にあっては、作用極上には
酸化還元酵素、電子伝達体および陽イオン界面活性剤の
混合物層の形成が行われる。酸化還元酵素としてはグル
コースオキシダーゼ(GOD)、乳酸オキシダーゼ、アルコ
ールオキシダーゼ、ピルビル酸オキシダーゼ、グルコー
スデヒドロナーゼ、アルコールデヒドロナーゼ、ピルビ
ル酸デヒドロナーゼ等が、また電子伝達体としてはフェ
リシアン化カリウム、パラベンゾキノン等が一般に用い
られる。
【0008】グルコースがGODの作用により酵素の存在
下で酸化されてグルコノラクトンを生成させ、そのとき
発生するH2O2を作用極上で酸化し、その際の酸化電流値
を測定することにより、グルコース濃度を間接的に求め
る方法は周知である。しかしながら、測定液が水で希釈
されない原液サンプルの場合には、酸化反応が溶存酸素
濃度に律速されるため、グルコース濃度が約100mg/dl程
度迄しか直線検量範囲を示さない。
【0009】そこで、溶液中濃度が有限である酸素の代
わりに、電子伝達体(メディエータ)がGOD等と共に用い
られる。メディエータがフェリシアン化カリウムK3Fe(C
N)6の場合、この反応は次のように進行する。 この際発生したフェロシアンイオンは、作用極で酸化さ
れて酸化電流を生ずる。
【0010】また、メディエータとしてフェリシアン化
カリウムの代わりにパラベンゾキノンを用いた場合に
は、GOD存在下でのグルコースとパラベンゾキノンとの
反応でヒドロキノンが生成し、この際生成したヒドロキ
ノンは作用極で酸化され、酸化電流を生ずるのでその値
が測定される。
【0011】酵素反応層(混合物層)には、酸化還元酵素
および電子伝達体に加えて、陽イオン界面活性剤が更に
添加して用いられる。陽イオン界面活性剤、好ましくは
4級アンモニウム塩系界面活性剤の添加は、乾燥中のド
ープ液滴の表面張力を抑えて、液滴がなるべく拡った状
態で乾燥させることにより、乾燥後の混合物層が均一と
なり、その結果として測定出力を向上させまた素子出力
を安定化させる。4級アンモニウム塩系界面活性剤とし
ては、例えばアルキルトリメチルアンモニウム系、ジア
ルキルジメチルアンモニウム系、トリアルキルメチルア
ンモニウム系のもの等が用いられる。
【0012】作用極上への混合物層の形成は、水1ml当
りGOD約1〜50mg、好ましくは約1〜20mg(165800単位の場
合)、パラベンゾキノン約1〜200mg、好ましくは約50〜1
80mgまたはフェリシアン化カリウム約1〜100mg、好まし
くは約10〜60mgおよび4級アンモニウム塩系界面活性剤
を約5〜40μg、好ましくは約5〜20μgを溶解させた水溶
液約0.5〜10μl、好ましくは約0.5〜3μlを滴下法、ス
ピンコート法などによって作用極上に滴下することによ
って行われ、そこに約0.05〜10μm、好ましくは約0.1〜
2μmの膜厚の混合物層を室温条件下で形成させる。
【0013】混合物層の形成に先立って、作用極および
対極にも陽イオン界面活性剤を塗布しておくと、電極表
面が親水性となり、より好ましい結果を与える。その塗
布量は、単位面積(mm2)当り10-11モルのオーダー程度で
十分である。
【0014】また、前記(2)の態様にあっては、作用極
および対極の2電極、とりわけ互いに向き会って形成さ
れているカーボン製のこれら2電極上に陽イオン界面活
性剤層および酸化還元酵素−電子伝達体混合物層が順次
形成される。
【0015】この場合にあっても、2電極上に最初に形
成される陽イオン界面活性剤層の塗布量は、単位面積(m
m2)当り10-11モルのオーダー程度で十分であり、次に形
成される酸化還元酵素−電子伝達体混合物層(酵素反応
層)も、前記(1)の態様と同様に形成される。
【0016】グルコース濃度の測定は、このようにして
作製されたグルコースバイオセンサに所定濃度のグルコ
ース溶液を滴下して約1〜60秒間程度反応させた後、そ
こに約0.5〜1.5V、好ましくは約0.8〜1.2Vの電圧を印加
し、例えば印加10秒後の電流値を測定することによって
行われる。測定には、ポテンショガルバノスタットおよ
びファンクションジェネレータが用いられる。
【0017】
【発明の効果】作用極上にグルコースオキシダーゼによ
って代表される酸化還元酵素、電子伝達体および陽イオ
ン界面活性剤の混合物層を形成させることにより、測定
出力の向上および素子出力の安定化が達成されるばかり
ではなく、溶存酸素に律速されることなく、広い検量範
囲(20〜800mg/dlまたはそれ以上)でグルコース溶液など
の濃度を測定することができるようになる。
【0018】また、作用極および対極上に陽イオン界面
活性剤層および酸化還元酵素−電子伝達体混合物層を順
次形成させることにより、作用極および対極が互いに向
い会って形成され、しかもこれらの電極がカーボン製で
あっても、界面活性剤の電荷によるメディエータの電極
への接触は良好に制御され、測定範囲の拡大および測定
精度の向上という効果をもたらす。
【0019】このようなバイオセンサは、原液サンプル
が測定液とされる使い捨てバイオセンサとして、グルコ
ースセンサばかりではなく、アルコールセンサ、乳酸セ
ンサ、ピルビン酸センサ等にも応用可能であり、実際に
は家庭内健康診断(セルフケァ)、特に血糖、尿糖の測定
による糖尿病の自己管理、糖尿病の予防および早期発見
などに効果的に用いることができ、また食品製造工程中
のグルコース管理に用いられるなど、幅広い用途を期待
することができる。
【0020】
【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。
【0021】実施例1 ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚さ0.25mm)上
に、いずれも厚さ5μmのカーボン製対極およびカーボン
製作用極をスクリーン印刷法で形成させた後、これらの
各電極の中央部分をスクリーン印刷法により厚さ5μmの
ポリエステル樹脂製絶縁膜で覆った。
【0022】これら作用極および対極の絶縁膜で覆われ
ていない部分に、電極の単位面積(mm2)当り2×10-11〜4
×10-11モルのステアリルトリメチルアンモニウムクロ
ライド系界面活性剤(花王製品コータミン60W)水溶液を
塗布し、風乾させた。
【0023】この陽イオン界面活性剤塗布各電極上に、
水1mlに対してGOD(165800U/g)10mg、フェリシアン化カ
リウム48mgおよびステアリルトリメチルアンモニウムク
ロライド系界面活性剤(コータミン60W)20μgを溶解させ
た水溶液(ドープ液)0.5μlを滴下法によって滴下し、デ
シケータ内で真空乾燥させ、作用極と対極とをスペーサ
を兼ねた粘着剤を挟んで向い会うように貼り合せ、使い
捨てグルコースバイオセンサを作製した。
【0024】作製されたグルコースバイオセンサに、緬
羊全血にグルコースを添加し、グルコース濃度を130mg/
dlとしたサンプル1μlを吸引させ、20秒間靜置した
後、0.9Vの電圧を印加し、印加10秒後の電流値を測定し
た。測定には、ポテンショガルバノスタット(北斗電工
製HA-501)およびファンクションジェネレータ(同社製HB
-104)が用いられた。なお、センサは1サンプル測定毎
に使い捨てとした。
【0025】その結果、平均出力2.5μA、CV値(平均値
に対する標準偏差値の割合)3%、検量範囲20〜800mg/dl
という測定値が得られた。
【0026】比較例1 実施例1において、ドープ液中に陽イオン界面活性剤が
添加されなかった。このグルコースバイオセンサを用い
た場合には、平均出力1.3μA、CV値4%、検量範囲20〜60
0mg/dlという測定結果であった。
【0027】実施例2 実施例1の陽イオン系界面活性剤塗布各電極上に、水1
mlに対してGOD(165800U/g)10mgおよびフェリシアン化カ
リウム48mgを溶解させた水溶液(ドープ液)0.5μlを滴下
法によって滴下し、デシケータ内で真空乾燥させ、作用
極と対極とをスペーサを兼ねた粘着剤を挟んで向い会う
ように貼り合せ、使い捨てグルコースバイオセンサを作
製した。
【0028】作製されたグルコースバイオセンサに、緬
羊全血にグルコースを添加し、グルコース濃度を130mg/
dlとしたサンプル1μlを吸引させ、20秒間靜置した
後、0.9Vの電圧を印加し、印加10秒後の電流値を測定し
た。測定には、ポテンショガルバノスタット(北斗電工
製HA-501)およびファンクションジェネレータ(同社製HB
-104)が用いられた。なお、センサは1サンプル測定毎
に使い捨てとした。
【0029】対極陽イオン界面活性剤塗布量を2.00×10
-11モル/mm2に固定し、作用極陽イオン界面活性剤塗布
量を種々変更したときの出力を測定すると、次のような
結果が得られた。 作用極塗布量(×10 -11 モル/mm 2 ) 出力(μA) - 1.2 1.00 1.9 2.00 2.4 3.00 2.2 4.00 2.0 5.00 1.9 8.00 1.5
【0030】また、作用極陽イオン界面活性剤塗布量を
2.00×10-11モル/mm2に固定し、対極陽イオン界面活性
剤塗布量を種々変更したときの出力を測定すると、次の
ような結果が得られた。 対極塗布量(×10 -11 モル/mm 2 ) 出力(μA) - 1.5 1.00 1.9 2.00 2.4 3.00 2.6 4.00 2.5 5.00 2.1 8.00 1.4
【0031】比較例2 実施例2において、対極非イオン界面活性剤塗布量を2.
00×10-11モル/mm2に固定し、作用極非イオン界面活性
剤塗布量を種々変更したときの出力を測定すると、次の
ような結果が得られた。なお、非イオン界面活性剤とし
ては、トリトンX-100が用いられた。 作用極塗布量(×10 -11 モル/mm 2 ) 出力(μA) - 1.1 1.00 1.2 2.00 1.1 3.00 1.0 4.00 1.2 5.00 1.0 8.00 1.1
【0032】また、作用極非イオン界面活性剤塗布量を
2.00×10-11モル/mm2に固定し、対極非イオン界面活性
剤塗布量を種々変更したときの出力を測定すると、次の
ような結果が得られた。 対極塗布量(×10 -11 モル/mm 2 ) 出力(μA) - 0.9 1.00 0.8 2.00 1.1 3.00 1.2 4.00 0.9 5.00 1.0 8.00 1.1
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年7月21日(2000.7.2
1)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】 前記(1)の態様にあっては、作用極上に
は酸化還元酵素、電子伝達体および陽イオン界面活性剤
の混合物層の形成が行われる。酸化還元酵素としてはグ
ルコースオキシダーゼ(GOD)、乳酸オキシダーゼ、アル
コールオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、グルコ
ースデヒドロナーゼ、アルコールデヒドロナーゼ、ピル
ビン酸デヒドロナーゼ等が、また電子伝達体としてはフ
ェリシアン化カリウム、パラベンゾキノン等が一般に用
いられる。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0019
【補正方法】変更
【補正内容】
【0019】 このようなバイオセンサは、原液サンプ
ルが測定液とされる使い捨てバイオセンサとして、グル
コースセンサばかりではなく、アルコールセンサ、乳酸
センサ、ピルビン酸センサ等にも応用可能であり、実際
には家庭内健康診断(セルフケア)、特に血糖、尿糖の測
定による糖尿病の自己管理、糖尿病の予防および早期発
見などに効果的に用いることができ、また食品製造工程
中のグルコース管理に用いられるなど、幅広い用途を期
待することができる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板上に少なくとも作用極および
    対極の2電極を設け、該作用極上に酸化還元酵素−電子
    伝達体−陽イオン界面活性剤混合物層を形成せしめてな
    るバイオセンサ。
  2. 【請求項2】 陽イオン界面活性剤を作用極および対極
    に塗布し、陽イオン界面活性剤塗布作用極上に混合物層
    を形成させた請求項1記載のバイオセンサ。
  3. 【請求項3】 絶縁性基板上に少なくとも作用極および
    対極の2電極を設け、これらの電極上に陽イオン界面活
    性剤層および酸化還元酵素−電子伝達体混合物層を順次
    形成せしめてなるバイオセンサ。
  4. 【請求項4】 作用極および対極が互いに向い会って形
    成されている請求項1、2または3記載のバイオセン
    サ。
  5. 【請求項5】 作用極および対極がカーボン製である請
    求項1、2、3または4記載のバイオセンサ。
JP11222816A 1999-06-04 1999-08-05 バイオセンサ Pending JP2001050925A (ja)

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JP11-157311 1999-06-04
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