JP2001103994A - Glutamic acid sensor and method for producing the same - Google Patents

Glutamic acid sensor and method for producing the same

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JP2001103994A
JP2001103994A JP29075499A JP29075499A JP2001103994A JP 2001103994 A JP2001103994 A JP 2001103994A JP 29075499 A JP29075499 A JP 29075499A JP 29075499 A JP29075499 A JP 29075499A JP 2001103994 A JP2001103994 A JP 2001103994A
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JP
Japan
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electrode
glutamic acid
glutamate
sensor
working electrode
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JP29075499A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuyoshi Hayashi
勝義 林
Osamu Niwa
修 丹羽
Tsutomu Horiuchi
勉 堀内
Keiichi Torimitsu
慶一 鳥光
Riyouji Kurita
僚二 栗田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a glutamic acid sensor capable of measuring the concentration of a very small amount of glutamic acid being a neurotransmitter contained in a sample solution and to provide a method for producing the glutamic acid sensor. SOLUTION: This glutamic acid sensor has an action electrode 5 modified with a membrane containing a glutamate oxidase treated with a glutaminase inhibitor at a part of a flow channel flowing the sample solution and a cell 3 for preelectrolysis at the upstream part of the action electrode 5. The shape of the flow channel is a thin layer shape along the electrode face of the electrode at a part to be brought into contact with the electrode face of the electrode for the preelectrolysis in the cell 3 for preelectrolysis. The electrode face is modified with a material to promote an electrode reaction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、グルタミン酸セン
サに関するもので、特に生体内から微量の試料を採取
し、それを連続的に定量分析するための医学、生理学研
究用、或いは医療用バイオセンサとして有効なものに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a glutamate sensor, and more particularly to a biosensor for medical or physiological research, or a medical biosensor for continuous quantitative analysis of a small amount of a sample from a living body. Regarding what is valid.

【0002】[0002]

【従来の技術】神経科学や分子生物学などの研究におい
て、生体内の微小領域に含まれる生理活性物質をリアル
タイムで計測しようという試みが数多くなされている。
その中で電気化学的な分析法は、(1)微少量の計測に
適している、(2)感度が比較的高い、(3)選択的な
膜や酵素などで電極を修飾することにより、高選択的な
測定が可能である、(4)簡便で低価格のセンサを作製
することができる、などの特徴を有している。
2. Description of the Related Art In researches on neuroscience and molecular biology, many attempts have been made to measure a physiologically active substance contained in a minute region in a living body in real time.
Among them, electrochemical analysis methods are (1) suitable for measurement of very small amounts, (2) relatively high sensitivity, and (3) by modifying electrodes with selective membranes or enzymes. It has features such as being able to perform highly selective measurement and (4) being able to manufacture a simple and low-cost sensor.

【0003】また、オンライン型のセンサは微小透析法
と組み合わせ、脳内や血管内の低分子量成分を透析し、
その中に含まれる成分を連続的に測定する手法として注
目されている。この方法では、従来、透析液を高速液体
クロマトグラフィなどの分析機器を用いて測定していた
のに対して、目的物質を連続的に測定できることから、
特に生体内分子の変化をリアルタイムでモニタできる特
徴がある。また、生体内には様々な共存分子が存在する
ので、その影響を除くため、センサに電気化学的手法を
用いる場合、電極表面を特異性の高い酵素で修飾し、目
的物質を選択的に酵素反応させ、反応生成物を電極で検
出する方法が一般的な手法となっている。このような方
法を用いて、現在までに、グルコース、乳酸、グルタミ
ン酸などのオンライン測定が報告されている。
[0003] In addition, an online sensor is used in combination with a microdialysis method to dialyze low molecular weight components in the brain and blood vessels.
Attention has been paid to a technique for continuously measuring components contained therein. In this method, conventionally, the dialysate was measured using an analytical instrument such as high-performance liquid chromatography, but since the target substance can be measured continuously,
Particularly, there is a feature that a change of a molecule in a living body can be monitored in real time. In addition, since various coexisting molecules exist in the living body, when electrochemical methods are used for sensors to eliminate the effects, the electrode surface is modified with a highly specific enzyme to selectively target the target substance. A general method is to react and detect a reaction product with an electrode. Up to now, online measurement of glucose, lactic acid, glutamic acid and the like has been reported using such a method.

【0004】このような酵素反応と電極反応とを用いる
電気化学的手法によって生体内のグルコースや乳酸、コ
リンなどの濃度を測定する場合においては、酵素反応の
際に妨害となる共存分子が無いか、或いはその濃度が目
的物質の濃度に比べて低いため、選択性の高い酵素反応
を実現でき、目的物質濃度を正確に測定することが可能
となる。
When measuring the concentration of glucose, lactic acid, choline or the like in a living body by an electrochemical method using such an enzymatic reaction and an electrode reaction, are there any coexisting molecules that hinder the enzymatic reaction? Alternatively, since the concentration is lower than the concentration of the target substance, a highly selective enzyme reaction can be realized, and the concentration of the target substance can be accurately measured.

【0005】しかしながら、グルタミン酸などの低濃度
な神経伝達分子の濃度を測定する場合においては、酵素
の選択性が問題になる場合がある。例えば、酵素の目的
分子と共存分子の反応速度比が10:1でも、目的分子
に対して共存分子の生体内濃度が10倍以上大きい場合
は、目的分子からの信号よりも共存分子からの信号が大
きくなる。そのような共存分子としては、電気化学的に
活性なL-アスコルビン酸や尿酸が挙げられる。これら
の分子は低い電位で容易に酸化されるため、目的分子濃
度測定用電極(以下作用電極と呼ぶ)上で直接酸化さ
れ、測定誤差の原因となる問題があった。
However, when measuring the concentration of a low concentration of a neurotransmitter molecule such as glutamic acid, the selectivity of the enzyme may become a problem. For example, even when the reaction rate ratio between the target molecule and the coexisting molecule of the enzyme is 10: 1, when the concentration of the coexisting molecule in the living body is 10 times or more larger than the target molecule, the signal from the coexisting molecule is more than the signal from the target molecule. Becomes larger. Examples of such coexisting molecules include electrochemically active L-ascorbic acid and uric acid. Since these molecules are easily oxidized at a low potential, they are directly oxidized on an electrode for measuring the concentration of the target molecule (hereinafter, referred to as a working electrode), causing a problem of causing a measurement error.

【0006】例えば、グルコースや乳酸、グルタミン
酸、コリンなどの酸化酵素の反応生成物である過酸化水
素は通常白金電極上で銀/塩化銀電極に対して 0.5V程
度の電位で容易に酸化されるが、L-アスコルビン酸や
尿酸も同じ電位で容易に酸化されるため、過酸化水素の
量によって目的分子の量を求める測定方法においては、
正確に目的分子の濃度を測定することができない。特
に、生体内の濃度がμM(Mはモル濃度:モル/リット
ルを表す)レベルのグルタミン酸などでは、その濃度変
化が、L-アスコルビン酸(脳内濃度:数百μM)の酸
化電流にマスクされてしまうため、検出が難しい。
For example, hydrogen peroxide, which is a reaction product of an oxidase such as glucose, lactic acid, glutamic acid, and choline, is usually easily oxidized on a platinum electrode at a potential of about 0.5 V with respect to a silver / silver chloride electrode. However, since L-ascorbic acid and uric acid are also easily oxidized at the same potential, in a measurement method for determining the amount of the target molecule from the amount of hydrogen peroxide,
The concentration of the target molecule cannot be measured accurately. Particularly, in the case of glutamic acid or the like in which the concentration in the living body is μM (M represents molar concentration: mol / liter), the change in the concentration is masked by the oxidation current of L-ascorbic acid (brain concentration: several hundred μM). Detection is difficult.

【0007】そこで、共存分子の影響を除くために、試
料溶液の流路の作用電極よりも上流側に前電解用電極を
入れ、共存分子を酸化除去する方法、或いは、L-アス
コルビン酸や尿酸はアニオン性であることを利用して、
作用電極の表面をナフィオン膜などのアニオン性高分子
膜で修飾し、静電反発により、共存分子が電極表面へ拡
散する量を減らす方法が知られている。
Therefore, in order to remove the influence of coexisting molecules, a method of inserting a pre-electrolysis electrode upstream of the working electrode in the flow path of the sample solution to oxidize and remove coexisting molecules, or using L-ascorbic acid or uric acid Is anionic,
There is known a method in which the surface of a working electrode is modified with an anionic polymer film such as a Nafion film and the amount of coexisting molecules diffused to the electrode surface is reduced by electrostatic repulsion.

【0008】前電解用電極を用いた場合の電気化学的セ
ンサの従来例を図6に示す。
FIG. 6 shows a conventional example of an electrochemical sensor using an electrode for pre-electrolysis.

【0009】図6において、試料溶液はシリンジポンプ
1のシリンジ2から押し出されて、前電解用セル3に入
る。前電解用セル3の役割は、試料中に多量のL-アス
コルビン酸が含まれるような場合に、それを電極酸化し
て、目的分子の濃度の測定に影響を与えないようにする
ことにある。前電解用セル3の前電解用電極として白金
管を用いた例が報告されている。
In FIG. 6, a sample solution is pushed out of a syringe 2 of a syringe pump 1 and enters a pre-electrolysis cell 3. The role of the pre-electrolysis cell 3 is to oxidize the electrode when a large amount of L-ascorbic acid is contained in the sample so as not to affect the measurement of the concentration of the target molecule. . An example in which a platinum tube is used as a pre-electrolysis electrode of the pre-electrolysis cell 3 has been reported.

【0010】電極酸化反応後の試料溶液はフローセル4
に入る。フローセル4には作用電極5と対向電極6と参
照電極7とが配置されている。各電極への電圧の印加お
よび電極電流の計測はポテンシオスタット8により行わ
れ、計測の結果はレコーダ9によって記録される。電極
反応後の試料溶液は廃液としてフローセル4外に排出さ
れる。なお、フローセル4において、ガスケット10
は、作用電極5と対向電極6と間隔を一定に保ち、試料
溶液の流路を確保する役割をもつ。
After the electrode oxidation reaction, the sample solution is supplied to the flow cell 4
to go into. In the flow cell 4, a working electrode 5, a counter electrode 6, and a reference electrode 7 are arranged. The application of a voltage to each electrode and the measurement of the electrode current are performed by a potentiostat 8, and the result of the measurement is recorded by a recorder 9. The sample solution after the electrode reaction is discharged out of the flow cell 4 as a waste liquid. In the flow cell 4, the gasket 10
Has a role of maintaining a constant distance between the working electrode 5 and the counter electrode 6 and securing a flow path of the sample solution.

【0011】図7は、静電反発により共存分子が電極表
面へ拡散する量を減らす方法を示している。図7の
(a)に示した方法においては、作用電極の表面をアニ
オン性高分子膜で修飾し、アニオン性共存分子が電極表
面へ拡散するのを静電反発によって防いでいる。目的分
子も(たとえばグルタミン酸のように)アニオン性であ
る場合には、図7の(a)に示した方法を用いると、目
的分子も作用電極から遠ざけられてしまうので、このよ
うな場合には、図7の(b)に示したように、アニオン
性高分子膜の上に酵素膜を設けて、そこで目的分子の酵
素反応が起こるようにする。
FIG. 7 shows a method for reducing the amount of coexisting molecules diffusing to the electrode surface due to electrostatic repulsion. In the method shown in FIG. 7A, the surface of the working electrode is modified with an anionic polymer film to prevent the anionic coexisting molecules from diffusing to the electrode surface by electrostatic repulsion. If the target molecule is also anionic (such as glutamic acid), the method shown in FIG. 7A will also move the target molecule away from the working electrode. As shown in FIG. 7 (b), an enzyme film is provided on the anionic polymer film so that the enzyme reaction of the target molecule takes place there.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】上記したように、生体
内濃度が低いグルタミン酸などの神経伝達物質の濃度を
正確に測定するには共存物質のセンサ電極表面への拡散
を完全に抑える必要がある。前電解用電極として従来、
微小透析プローブとセンサの間に白金管を挿入した例が
報告されているが、L-アスコルビン酸などの共存物質
の電極反応速度が遅いことと、液を円滑に流すためには
白金管の直径は数十μm以上である必要があり、管の中
心付近を流れてくる共存分子まですべて酸化するには時
間がかかるという問題点があった。
As described above, in order to accurately measure the concentration of a neurotransmitter such as glutamate having a low concentration in a living body, it is necessary to completely suppress the diffusion of a coexisting substance to the sensor electrode surface. . Conventionally as an electrode for pre-electrolysis,
It has been reported that a platinum tube is inserted between the microdialysis probe and the sensor. However, the electrode reaction speed of coexisting substances such as L-ascorbic acid is slow, and the diameter of the platinum tube is required to flow the solution smoothly. Needs to be several tens μm or more, and it takes time to oxidize all coexisting molecules flowing near the center of the tube.

【0013】また、共存物質が(たとえばL-アスコル
ビン酸のように)アニオン性である場合には、図7に示
したように、作用電極の表面をアニオン性高分子で修飾
することより、共存物質による影響を減少させることが
できるが、この方法には、作用電極の応答性が低下した
り、酵素反応生成物を電極で効率良く捕集できない可能
性があるという問題点があった。
When the coexisting substance is anionic (such as L-ascorbic acid), the surface of the working electrode is modified with an anionic polymer as shown in FIG. Although the influence of the substance can be reduced, this method has a problem that the response of the working electrode may be reduced or the enzyme reaction product may not be efficiently collected by the electrode.

【0014】さらに、目的物質がグルタミン酸である場
合には、グルタミン酸酸化酵素とアスパラギン酸、グル
タミンとの反応が報告されており(Obrenovitch, et a
l.,J. Neurosci. Methods, 60:1-9 (1995) 参照)、特
に生体内(脳脊髄液中)におけるグルタミンの濃度はグ
ルタミン酸の10倍以上も高いために、そのような反応
がグルタミン酸濃度測定の際の障害となる可能性がある
という問題点があった。
Further, when the target substance is glutamic acid, a reaction between glutamate oxidase and aspartic acid or glutamine has been reported (Obrenovitch, et al.
l., J. Neurosci. Methods, 60: 1-9 (1995)), and especially in vivo (in the cerebrospinal fluid), the concentration of glutamine is more than 10 times higher than that of glutamic acid. There is a problem that it may hinder the concentration measurement.

【0015】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
試料溶液中に含まれる微量の神経伝達物質であるグルタ
ミン酸の濃度を共存物質の影響なく測定することができ
るグルタミン酸センサ及びその製造方法を提供すること
にある。
An object of the present invention is to solve the above problems,
An object of the present invention is to provide a glutamate sensor capable of measuring the concentration of a small amount of glutamate, which is a neurotransmitter contained in a sample solution, without being affected by coexisting substances, and a method for producing the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明では、試料溶液が流れる流路を、前記前
電解用電極の電極面と接する部位において前記電極面に
沿う薄層の形状とすることによって共存物質が前記電極
面へ到達するのに用する時間を短縮し、かつ、前記電極
面を電極反応を促進する材料で修飾することによって、
共存物質であるL-アスコルビン酸を効率良く電極酸化
して、グルタミン酸濃度の測定に影響を与えないように
する。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, a flow path through which a sample solution flows is formed in a thin layer along the electrode surface at a portion in contact with the electrode surface of the pre-electrode electrode. By reducing the time required for the coexisting substance to reach the electrode surface by adopting the shape of, and by modifying the electrode surface with a material that promotes an electrode reaction,
The co-existing substance, L-ascorbic acid, is efficiently electrode-oxidized so as not to affect the measurement of glutamic acid concentration.

【0017】また、本発明では、センサ作製時に、グル
タミン酸酸化酵素をグルタミナーゼ阻害剤で処理するこ
とによって、共存物質であるグルタミンがグルタミン酸
濃度の測定に影響を与えないようにする。
Further, in the present invention, glutamine oxidase is treated with a glutaminase inhibitor at the time of manufacturing a sensor, so that glutamine, which is a coexisting substance, does not affect the measurement of glutamic acid concentration.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例の
みに限定されるものではない。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited only to the following examples.

【0019】(実施例1)本実施例におけるグルタミン
酸センサの構成、前電解用セルの拡大図及び作用電極の
拡大図を図1に示す。本センサの構成は、前電解用セル
の構成及び作用電極の構成を除いて、図6に示した従来
例の構成と同様である。
Embodiment 1 FIG. 1 shows the configuration of a glutamate sensor, an enlarged view of a pre-electrolysis cell, and an enlarged view of a working electrode in this embodiment. The configuration of the present sensor is the same as the configuration of the conventional example shown in FIG. 6 except for the configuration of the pre-electrolysis cell and the configuration of the working electrode.

【0020】図1において、試料溶液はシリンジポンプ
1のシリンジ2から押し出されて、前電解用セル3に入
る。前電解用セル3の役割は、試料中に多量のL-アス
コルビン酸が含まれるような場合に、それを電極酸化し
て、目的分子の濃度の測定に影響を与えないようにする
ことにある。電極酸化反応後の試料溶液はフローセル4
に入る。フローセル4には作用電極5と対向電極6と参
照電極7とが配置されている。各電極への電圧の印加お
よび電極電流の計測はポテンシオスタット8により行わ
れ、計測の結果はレコーダ9によって記録される。電極
反応後の試料溶液は廃液としてフローセル4外に排出さ
れる。なお、フローセル4において、ガスケット10
は、作用電極5と対向電極6と間隔を一定に保ち、試料
溶液の流路を確保する役割をもつ。
In FIG. 1, a sample solution is pushed out of a syringe 2 of a syringe pump 1 and enters a pre-electrolysis cell 3. The role of the pre-electrolysis cell 3 is to oxidize the electrode when a large amount of L-ascorbic acid is contained in the sample so as not to affect the measurement of the concentration of the target molecule. . The sample solution after the electrode oxidation reaction is flow cell 4
to go into. In the flow cell 4, a working electrode 5, a counter electrode 6, and a reference electrode 7 are arranged. The application of a voltage to each electrode and the measurement of the electrode current are performed by a potentiostat 8, and the result of the measurement is recorded by a recorder 9. The sample solution after the electrode reaction is discharged out of the flow cell 4 as a waste liquid. In the flow cell 4, the gasket 10
Has a role of maintaining a constant distance between the working electrode 5 and the counter electrode 6 and securing a flow path of the sample solution.

【0021】本実施例では、生体内でグルタミン酸を測
定する際に妨害物質となるL-アスコルビン酸を効率良
く除去するために、図1に示したように、前電解用セル
3として薄層セルを使用している。この薄層セル中の前
電解用電極として、図1中の前電解用セル拡大図に示し
たように、金電極を白金黒で修飾したものを使用した。
この修飾手段としては白金黒の電析反応を用いた。白金
黒は、微視的に見ると、その表面積が大きいので、電極
反応を著しく促進し、L-アスコルビン酸を効率良く除
去するのに有効である。
In this embodiment, in order to efficiently remove L-ascorbic acid which is an interfering substance when measuring glutamic acid in a living body, as shown in FIG. You are using As the electrode for pre-electrolysis in this thin-layer cell, as shown in the enlarged view of the cell for pre-electrolysis in FIG. 1, a gold electrode modified with platinum black was used.
As the modification means, an electrodeposition reaction of platinum black was used. Since platinum black has a large surface area when viewed microscopically, it is effective for remarkably accelerating the electrode reaction and efficiently removing L-ascorbic acid.

【0022】薄層セルの作製方法の主要部を図2に示
す。図中、工程はaからjへと進む。まず、ガラスウェ
ハ(a)上にシリコンをマグネトロンスパッタリング装
置(日本シード社製)により 100nm厚にスパッタした
後(b)に、ポジ型フォトレジストを厚さ 10μmにな
るように塗布した(c)。これにCanon社製マスク
アライナーによって電極パタンを露光した。露光時間は
15秒とした。露光後、ウェハをアルカリ現像液で 30秒
間現像し、その後水洗、乾燥を行った(d)。さらに、
塩素と酸素の混合プラズマにより、電極部のシリコンを
除去した(e)。その後、このウェハをフッ酸溶液中
で、深さが 6μmとなるように 15分間ウェットエッチ
ングを行った。残ったレジスト及びシリコンは反応性イ
オンエッチング装置(DEM-451、アネルバ製)を
用い、それぞれ酸素プラズマ、酸素と塩素の混合プラズ
マで除去した(f)。この後、ポジ型フォトレジストを
塗布し(g)、電極部分を再度、露光、現像し、水洗、
乾燥した(h)。このウェハをマグネトロンスパッタリ
ング装置(同上)に入れ、チタン(100nm)、金(400
nm)の順にスパッタした(i)。その後、不要部分を
メチルエチルケトン溶液中で超音波をかけながら除去
(リフトオフ)し、前電解用電極を作製した(j)。
FIG. 2 shows a main part of a method for manufacturing a thin-layer cell. In the figure, the process proceeds from a to j. First, silicon was sputtered on a glass wafer (a) to a thickness of 100 nm by a magnetron sputtering apparatus (manufactured by Nippon Seed Co., Ltd.), and then a positive photoresist was applied to a thickness of 10 μm (c). The electrode pattern was exposed to this using a mask aligner manufactured by Canon. The exposure time is
15 seconds. After the exposure, the wafer was developed with an alkaline developer for 30 seconds, and then washed with water and dried (d). further,
The silicon at the electrode portion was removed by a mixed plasma of chlorine and oxygen (e). Thereafter, the wafer was subjected to wet etching in a hydrofluoric acid solution for a depth of 6 μm for 15 minutes. The remaining resist and silicon were removed by an oxygen plasma and a mixed plasma of oxygen and chlorine, respectively, using a reactive ion etching apparatus (DEM-451, manufactured by Anelva) (f). Thereafter, a positive photoresist is applied (g), and the electrode portion is again exposed and developed, washed with water,
Dried (h). This wafer was placed in a magnetron sputtering apparatus (same as above), and titanium (100 nm) and gold (400
nm) in this order (i). Thereafter, unnecessary portions were removed (lift-off) while applying ultrasonic waves in a methyl ethyl ketone solution to prepare an electrode for pre-electrolysis (j).

【0023】このウエハにダイシングソーを用いて、端
から 1mmが 400μmの深さになるように、幅 400μm
カットし、キャピラリー接続用の溝とした。このように
作製した金電極上に白金黒を形成した。白金黒は、塩化
白金酸六水和物 2g(関東化学製)と酢酸鉛 0.07g
(関東化学製)とを 100gの純水に溶かしたものを電解
液とし、銀参照電極に対して -1.8Vの電位を金電極に
印加することにより形成した。
Using a dicing saw on this wafer, a width of 400 μm is set so that 1 mm from the end becomes a depth of 400 μm.
It was cut to form a groove for capillary connection. Platinum black was formed on the gold electrode thus manufactured. Platinum black consists of 2 g of chloroplatinic acid hexahydrate (Kanto Chemical) and 0.07 g of lead acetate
(Manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) in 100 g of pure water was used as an electrolytic solution, and a potential of -1.8 V with respect to a silver reference electrode was applied to a gold electrode.

【0024】以上のように作製したウェハを2枚、電極
面が向き合うように貼り合わせて、前電解用の薄層セル
とした。ここで、試料溶液の流路は、間隔が 10μmの
2枚の電極の間に挟まれて薄層状となっているために、
試料溶液中のL-アスコルビン酸はきわめて短時間のう
ちに電極面に到達する。しかも、白金黒で修飾した電極
はL-アスコルビン酸を効率良く酸化するので、以上の
2つの理由により、試料溶液中のL-アスコルビン酸が
高効率で酸化、消費される。
[0024] Two wafers prepared as described above were bonded together so that the electrode surfaces faced each other to obtain a thin layer cell for pre-electrolysis. Here, since the flow path of the sample solution is a thin layer between two electrodes with an interval of 10 μm,
L-ascorbic acid in the sample solution reaches the electrode surface in a very short time. Moreover, since the electrode modified with platinum black efficiently oxidizes L-ascorbic acid, L-ascorbic acid in the sample solution is oxidized and consumed with high efficiency for the above two reasons.

【0025】一方、グルタミン酸検出用の作用電極とし
ては、図1の作用電極拡大図に示したように、白金電極
(直径 3mm、バイオアナリティカルシステム(BA
S)社製)の上に、グルタミン酸酸化酵素を牛血清アル
ブミン(2%)とグルタルアルデヒド(0.2%)との混合
溶液に溶解し、2μl 塗布した後、乾燥させたものを使
用した。試料溶液中のグルタミン酸はグルタミン酸酸化
酵素によって酸化され、その際に定量的に発生する過酸
化水素が電極酸化され、その際に流れる酸化電流の測定
によってグルタミン酸の濃度が求められる。
On the other hand, as a working electrode for detecting glutamic acid, a platinum electrode (diameter 3 mm, bioanalytical system (BA
S), glutamate oxidase was dissolved in a mixed solution of bovine serum albumin (2%) and glutaraldehyde (0.2%), 2 μl of the solution was applied, and then dried. Glutamate in the sample solution is oxidized by glutamate oxidase, and hydrogen peroxide generated quantitatively at that time is electrode-oxidized, and the concentration of glutamic acid is determined by measuring an oxidation current flowing at that time.

【0026】以上のように作製した前電解用セル3とフ
ローセル4とをキャピラリーで接続した後、グルタミン
酸酸化酵素の選択性を高めるために、6-ジアゾ-5-オ
キソ-L-ノルロイシン(6-diazo-5-oxo-L-norleucine、
以下 DON と略す)を用いて、グルタミン酸酸化酵素
を処理した。5mM(Mはモル濃度:モル/リットルを
表す)のDONを 5分間センサ内に注入し、その後 10
分間、リン酸緩衝溶液を注入してセンサ内を洗浄した。
最後にセンサの作用電極5と前電解用電極をそれぞれ4
チャネルポテンシオスタット(フィジオテック社製)8
の第一作用電極端子と第二作用電極用端子に、また、対
向電極(ステンレスブロック)6、銀/塩化銀参照電極
7をそれぞれ対向電極端子、参照電極端子に接続した。
以上のように作製したセンサにシリンジを接続し、シリ
ンジポンプを用いて流速 2μl/分で試料を注入した。
印加電位は、前電解用電極、グルタミン酸検出用作用電
極ともに参照電極に対して 500mVに設定した。
After the pre-electrolysis cell 3 and the flow cell 4 prepared as described above are connected by a capillary, in order to enhance the selectivity of glutamate oxidase, 6-diazo-5-oxo-L-norleucine (6- diazo-5-oxo-L-norleucine,
(Hereinafter abbreviated as DON) to treat glutamate oxidase. 5 mM (M represents molarity: mol / liter) of DON was injected into the sensor for 5 minutes, and then 10
The inside of the sensor was washed by injecting a phosphate buffer solution for minutes.
Finally, the working electrode 5 of the sensor and the electrode for pre-electrolysis are each 4
Channel potentiostat (manufactured by Physiotech) 8
And the counter electrode (stainless steel block) 6 and the silver / silver chloride reference electrode 7 were connected to the counter electrode terminal and the reference electrode terminal, respectively.
A syringe was connected to the sensor manufactured as described above, and a sample was injected at a flow rate of 2 μl / min using a syringe pump.
The applied potential was set to 500 mV with respect to the reference electrode for both the pre-electrolysis electrode and the glutamic acid detection working electrode.

【0027】はじめに、濃度 10μMのグルタミン酸と
100μMのL-アスコルビン酸との混合溶液を注入したと
ころ、54nAの応答電流が得られた。次に、前電解用電
極に電位を印加せずに検出用作用電極のみに電位を印加
したところ、380nAの応答電流が得られた。一方、前
電解用電極として平坦な金電極を用いて同様に測定を行
ったところ、85nAの応答電流が得られた。このよう
に、前電解用電極に白金黒電極を用いた方が、前電解用
電極に電位を印加しない、或いは前電解用電極として平
坦な金電極を用いた場合に比べて応答電流が小さな値を
示したのは、白金黒電極の表面積が大きいことにより、
L-アスコルビン酸が高効率で除去されたためである。
また、本発明によるセンサを用いて、濃度 10μMのグ
ルタミン酸溶液に、様々な濃度になるようにL-アスコ
ルビン酸を添加した溶液を測定したところ、L-アスコ
ルビン酸濃度が 300μMまで応答電流はほぼ一定の値
(55nA)を示した。
First, glutamic acid at a concentration of 10 μM was added.
When a mixed solution with 100 μM L-ascorbic acid was injected, a response current of 54 nA was obtained. Next, when a potential was applied only to the working electrode for detection without applying a potential to the electrode for pre-electrolysis, a response current of 380 nA was obtained. On the other hand, when the same measurement was performed using a flat gold electrode as the electrode for pre-electrolysis, a response current of 85 nA was obtained. As described above, when the platinum black electrode is used as the pre-electrode, the response current is smaller than when no potential is applied to the pre-electrode or when a flat gold electrode is used as the pre-electrode. The reason is that the surface area of the platinum black electrode is large,
This is because L-ascorbic acid was removed with high efficiency.
Using the sensor according to the present invention, when a solution in which L-ascorbic acid was added at various concentrations to a glutamic acid solution having a concentration of 10 μM was measured, the response current was almost constant until the L-ascorbic acid concentration was 300 μM. (55 nA).

【0028】次に、グルタミン酸 10μMとグルタミン
100μMの混合溶液を注入し、グルタミン酸の測定を行
った。一方、比較として、グルタミン酸酸化酵素のDO
Nによる処理を行わないセンサについても同様の実験を
行った。
Next, glutamic acid 10 μM and glutamine
A 100 μM mixed solution was injected, and glutamic acid was measured. On the other hand, for comparison, the glutamate oxidase DO
A similar experiment was performed for a sensor that did not perform the process using N.

【0029】その結果、グルタミン酸のみを測定した場
合とグルタミンとの混合溶液を測定した場合と比較する
とほぼ同じ応答電流が得られた。すなわち、選択的にグ
ルタミン酸のみを検出できたのは、グルタミン酸酸化酵
素をDONを用いて処理することにより、酵素内でのグ
ルタミンの反応が抑制されたためである。なお、センサ
作製前にグルタミン酸酸化酵素をDONにより処理した
ものを電極上に固定したところ、上記のセンサと同様な
効果が認められた。一方、グルタミン酸酸化酵素をDO
N処理せずにグルタミン酸とグルタミンの混合溶液を測
定したところ、グルタミン酸酸化酵素とグルタミンとの
反応が生じたために 105nAと応答電流値は増加した。
As a result, almost the same response current was obtained as compared with the case where only glutamic acid was measured and the case where a mixed solution of glutamine was measured. That is, the reason that only glutamic acid was selectively detected was that the treatment of glutamic acid oxidase with DON suppressed the reaction of glutamine in the enzyme. When the glutamate oxidase treated with DON before the production of the sensor was immobilized on the electrode, the same effect as the above-mentioned sensor was observed. On the other hand, glutamate oxidase is DO
When a mixed solution of glutamic acid and glutamine was measured without N treatment, the response current increased to 105 nA due to the reaction between glutamic acid oxidase and glutamine.

【0030】以上のように、DONを用いてグルタミン
酸酸化酵素に処理を施すことにより、グルタミンによる
影響を抑制し、選択性良くグルタミン酸のみを検出でき
る。
As described above, by treating glutamic acid oxidase with DON, the effect of glutamine can be suppressed, and only glutamic acid can be detected with high selectivity.

【0031】本実施例によるセンサでは、生体試料中に
多く存在するL-アスコルビン酸やグルタミンの影響も
受けずにグルタミン酸のみを選択的に検出することが可
能である。従って、グルタミン酸のような生体試料中の
極微量の神経伝達物質を高感度かつ選択性良く検出する
ことができ、脳神経科学や医療研究への応用が期待でき
る。
The sensor according to the present embodiment can selectively detect only glutamic acid without being affected by L-ascorbic acid and glutamine which are often present in a biological sample. Therefore, a very small amount of a neurotransmitter in a biological sample such as glutamic acid can be detected with high sensitivity and selectivity, and application to neuroscience and medical research can be expected.

【0032】(実施例2)本実施例における前電解用薄
層セルの作製方法は、前電解用電極及び作用電極の作製
方法を除いて、実施例1と同様である。本実施例におい
ては、前電解用電極及び作用電極を、酸化還元性を有す
る高分子膜で修飾することによって、前電解用電極にお
いては電極反応の効率を高め、作用電極においては選択
的にグルタミン酸のみを検出できるようにした。本実施
例において使用した酸化還元性を有する高分子膜はオス
ミウム-ポリビニルピリジン錯体膜であり、この膜は、
酸化状態においてL-アスコルビン酸からの電子移動を
起こす性質を有し、前電解用電極における電極反応の効
率を高める。また、この膜に過酸化水素を還元する西洋
わさびペルオキシダーゼ(HRP)を含ませ、その膜で
作用電極を修飾することにより、L-アスコルビン酸の
作用電極上での反応を抑制しながらグルタミン酸濃度の
測定ができるようにした。
(Example 2) The method of manufacturing a thin layer cell for pre-electrolysis in this example is the same as that of Example 1 except for the method of manufacturing an electrode for pre-electrolysis and a working electrode. In the present embodiment, the efficiency of the electrode reaction is increased in the pre-electrode and the glutamic acid is selectively formed in the working electrode by modifying the pre-electrode and the working electrode with a polymer film having a redox property. Only can be detected. The polymer film having redox properties used in this example is an osmium-polyvinylpyridine complex film, and this film is
It has the property of causing electron transfer from L-ascorbic acid in the oxidized state, and enhances the efficiency of the electrode reaction in the pre-electrolysis electrode. In addition, horseradish peroxidase (HRP), which reduces hydrogen peroxide, is included in this membrane, and the working electrode is modified with the membrane to suppress the reaction of L-ascorbic acid on the working electrode while reducing the glutamic acid concentration. Measurement was made possible.

【0033】本実施例における前電解用電極及び検出用
作用電極の構造を図3に示す。前電解用電極は、金電極
をオスミウム-ポリビニルピリジン錯体膜(図3におい
てはOs-gel膜と表示)で修飾したものである。こ
こで、試料溶液の流路は、間隔が 10μmの2枚の電極
の間に挟まれて薄層状となっているために、試料溶液中
のL-アスコルビン酸はきわて短時間のうちに電極面に
到達する。しかも、Os-gel膜中のオスミウムは金
電極によって酸化され、そのような酸化状態にある膜
は、L-アスコルビン酸からオスミウムへの電子移動を
起こし、効率良くL-アスコルビン酸を酸化するので、
以上の2つの理由により、試料溶液中のL-アスコルビ
ン酸が高効率で酸化、消費される。
FIG. 3 shows the structure of the electrode for pre-electrolysis and the working electrode for detection in this embodiment. The electrode for pre-electrolysis is obtained by modifying a gold electrode with an osmium-polyvinylpyridine complex film (in FIG. 3, indicated as an Os-gel film). Here, the flow path of the sample solution is a thin layer sandwiched between two electrodes with a spacing of 10 μm, so that L-ascorbic acid in the sample solution is extremely short-lived. Reach the plane. In addition, osmium in the Os-gel film is oxidized by the gold electrode, and the film in such an oxidized state causes electron transfer from L-ascorbic acid to osmium, and efficiently oxidizes L-ascorbic acid.
For the above two reasons, L-ascorbic acid in the sample solution is oxidized and consumed with high efficiency.

【0034】一方、作用電極上には、下層に過酸化水素
を還元する西洋わさびペルオキシダーゼ(HRP)を含
むオスミウム-ポリビニルピリジン錯体膜(図3におい
てはOs-gel-HRP膜と表示)を修飾した後、上層
にグルタミン酸酸化酵素を固定した。本実施例において
も実施例1と同様にDONによりグルタミン酸酸化酵素
を処理した。試料溶液中のグルタミン酸はグルタミン酸
酸化酵素によって酸化され、その際に定量的に発生する
過酸化水素がOs-gel-HRP膜を介して電極還元さ
れ、その際に流れる還元電流の測定によってグルタミン
酸の濃度が求められる。
On the other hand, on the working electrode, an osmium-polyvinylpyridine complex film containing horseradish peroxidase (HRP) for reducing hydrogen peroxide in the lower layer (indicated as Os-gel-HRP film in FIG. 3) was modified. Thereafter, glutamate oxidase was immobilized on the upper layer. In this example, glutamate oxidase was treated with DON in the same manner as in Example 1. Glutamate in the sample solution is oxidized by glutamate oxidase, and the hydrogen peroxide generated quantitatively at that time is electrode-reduced through the Os-gel-HRP membrane, and the concentration of glutamic acid is measured by measuring the reduction current flowing at that time. Is required.

【0035】測定の際には、前電解用電極及び作用電極
の印加電位を銀/塩化銀参照電極に対してそれぞれ 400
mV及び0mVに設定した。酸化還元性を有するオスミ
ウム-ポリビニルピリジン錯体膜を作用電極上に用いる
ことで、作用電極の印加電位を低く設定することができ
るため、妨害物質であるL-アスコルビン酸(その濃度
は前電解酸化反応によって著しく低下している)の作用
電極上での反応も抑制することができ、その結果とし
て、極めて高い効率でL-アスコルビン酸による影響を
取り除くことが可能となる。
At the time of measurement, the potentials applied to the pre-electrode electrode and the working electrode were set to 400 with respect to the silver / silver chloride reference electrode, respectively.
mV and 0 mV. By using a redox osmium-polyvinylpyridine complex film on the working electrode, the potential applied to the working electrode can be set low, so that the interfering substance L-ascorbic acid (the concentration of The reaction on the working electrode (which is significantly reduced by the above) can also be suppressed, and as a result, the effect of L-ascorbic acid can be removed with extremely high efficiency.

【0036】センサには透析液プローブ(マイクロダイ
ヤリシスプローブ)とシリンジを接続し、シリンジポン
プによりセンサ内に試料を導入した。試料導入速度は、
2μl/分とした。
A dialysate probe (microdialysis probe) and a syringe were connected to the sensor, and a sample was introduced into the sensor by a syringe pump. The sample introduction speed is
2 μl / min.

【0037】このセンサを用いて、実施例1と同様な測
定を行ったところ、試料溶液中のL-アスコルビン酸濃
度を 300μMまで増加させても応答電流は一定の値を示
した。すなわち、前電解用電極と作用電極に酸化還元性
を有する高分子を修飾し、このことによって作用電極の
印加電位を低く抑えることができるために、L-アスコ
ルビン酸による影響を抑制し、高感度かつ選択性良くグ
ルタミン酸を検出することができた。また、同様に試料
中のグルタミン濃度を増加させても、応答電流の値はほ
ぼ一定であり、L-アスコルビン酸だけでなくグルタミ
ンの影響も同様に抑制することができた。
When the same measurement as in Example 1 was performed using this sensor, the response current showed a constant value even when the L-ascorbic acid concentration in the sample solution was increased to 300 μM. In other words, the pre-electrode electrode and the working electrode are modified with a polymer having a redox property, whereby the potential applied to the working electrode can be kept low. Therefore, the effect of L-ascorbic acid is suppressed, and high sensitivity is achieved. Glutamic acid was detected with good selectivity. Similarly, even when the glutamine concentration in the sample was increased, the value of the response current was almost constant, and the effect of glutamine as well as L-ascorbic acid could be similarly suppressed.

【0038】本実施例におけるセンサを用いてインビボ
測定を行った。その測定系を図4に示す。マイクロダイ
ヤリシスプローブをラットの脳内に挿入し、グルタミン
酸を測定した。マイクロダイヤリシスプローブをシリン
ジと接続し、シリンジを 2μm/分の速さで押しなが
ら、脳内に 160mMの塩化カリウム溶液を投与すること
により放出されたグルタミン酸を含む試料をセンサ内へ
注入した。
In vivo measurement was performed using the sensor in this embodiment. FIG. 4 shows the measurement system. A microdialysis probe was inserted into the brain of the rat, and glutamic acid was measured. The microdialysis probe was connected to a syringe, and a sample containing glutamic acid released by administering a 160 mM potassium chloride solution into the brain was injected into the sensor while pushing the syringe at a speed of 2 μm / min.

【0039】このとき、180nAの応答電流がリアルタ
イムに得られ、極微量な神経伝達物質の測定にも十分使
用可能であることが明らかとなった。比較として、前電
解用電極には電位を印加せずに同様な測定を行ったとこ
ろ、15nAの応答電流しか得られなかった。このように
前電解を行った場合と比較して小さな値が得られたの
は、L-アスコルビン酸が、HRPを含むオスミウム-ポ
リビニルピリジン錯体膜中のオスミウムを還元してしま
い、その分だけ電極上におけるオスミウムの電極還元反
応の量が減少したためである。
At this time, it was revealed that a response current of 180 nA was obtained in real time, and that it could be used sufficiently for measurement of a trace amount of neurotransmitter. As a comparison, when the same measurement was performed without applying a potential to the electrode for pre-electrolysis, only a response current of 15 nA was obtained. The reason why a small value was obtained as compared with the case where pre-electrolysis was performed was that L-ascorbic acid reduced osmium in the osmium-polyvinylpyridine complex film containing HRP, and the electrode was reduced accordingly. This is because the amount of the electrode reduction reaction of osmium in the above was reduced.

【0040】以上のように、本発明によるグルタミン酸
センサを用いることにより、脳内で放出されるグルタミ
ン酸の濃度を高感度かつ選択性良く検出できるため、学
習・記憶といった脳機能の解明に役立てることができ
る。本実施例において生体試料中の数百μMのL-アス
コルビン酸や、グルタミン酸の数倍以上も脳内濃度の高
いグルタミンの影響を受けずに再現性良く検出できたの
は、前電解用電極においてL-アスコルビン酸を除去
し、かつ作用電極上でのL-アスコルビン酸の反応を抑
制したためである。
As described above, by using the glutamate sensor according to the present invention, the concentration of glutamate released in the brain can be detected with high sensitivity and selectivity, which is useful for elucidation of brain functions such as learning and memory. it can. In this example, L-ascorbic acid at a concentration of several hundred μM in a biological sample and glutamic acid several times more than that of glutamine whose concentration in the brain could be detected with high reproducibility without being affected by the pre-electrolysis electrode This is because L-ascorbic acid was removed and the reaction of L-ascorbic acid on the working electrode was suppressed.

【0041】(実施例3)本実施例では導電性高分子膜
を用いて電極を修飾したセンサについて述べる。使用し
た導電性高分子膜はポリピロール膜である。この膜も酸
化還元性を有する高分子膜であり、酸化状態(すなわち
正電位に保たれた状態)においてL-アスコルビン酸か
ら膜への電子移動を起こし、L-アスコルビン酸を効率
良く酸化する。
(Embodiment 3) In this embodiment, a sensor in which electrodes are modified using a conductive polymer film will be described. The conductive polymer film used was a polypyrrole film. This film is also a polymer film having a redox property, and in the oxidized state (that is, a state maintained at a positive potential), electrons are transferred from L-ascorbic acid to the film, thereby efficiently oxidizing L-ascorbic acid.

【0042】実施例1、2のように作製した金電極上に
ポリピロール膜を形成した。ポリピロール膜は、電解重
合法を用いてピロール 0.2M、塩化ナトリウム 0.2Mを
含む溶液から、電位を銀参照電極に対して 650mV印加
することにより形成した。このようにポリピロール膜で
修飾した電極基板を2枚貼り合わせて前電解用の薄層セ
ルとした。
A polypyrrole film was formed on the gold electrode manufactured as in Examples 1 and 2. The polypyrrole film was formed by applying a potential of 650 mV to a silver reference electrode from a solution containing 0.2 M of pyrrole and 0.2 M of sodium chloride using an electrolytic polymerization method. Two electrode substrates thus modified with a polypyrrole film were bonded to form a thin layer cell for pre-electrolysis.

【0043】一方、グルタミン酸の検出用作用電極には
グラッシーカーボンを用い、この電極上に、下層にはピ
ロール、西洋わさびペルオキシダーゼ(HRP)、塩化
ナトリウムを含む溶液から電解重合法によりポリピロー
ル膜を形成し、上層にはグルタミン酸酸化酵素を固定し
た。ポリピロール膜の作製方法は前述の通りである。試
料溶液中のグルタミン酸はグルタミン酸酸化酵素によっ
て酸化され、その際に定量的に発生する過酸化水素がポ
リピロール膜を介して電極還元され、その際に流れる還
元電流の測定によってグルタミン酸の濃度が求められ
る。
On the other hand, glassy carbon is used as a working electrode for detecting glutamic acid, and a polypyrrole film is formed on this electrode by electrolytic polymerization from a solution containing pyrrole, horseradish peroxidase (HRP), and sodium chloride as a lower layer. Glutamate oxidase was immobilized on the upper layer. The method for producing the polypyrrole film is as described above. Glutamic acid in the sample solution is oxidized by glutamate oxidase, and hydrogen peroxide generated quantitatively at that time is electrode-reduced through a polypyrrole film, and the concentration of glutamic acid is determined by measuring a reduction current flowing at that time.

【0044】センサ作製後、実施例1と同様にDONに
より、グルタミン酸酸化酵素に処理を施した。
After the preparation of the sensor, the glutamate oxidase was treated with DON in the same manner as in Example 1.

【0045】以上のように作製したセンサをポテンシオ
スタットに接続し、前電解用電極と作用電極のそれぞれ
に銀/塩化銀参照電極に対して 500mV、-300mVの電
位を印加してグルタミン酸の測定を行った。グルタミン
酸 10μMと様々な濃度のL-アスコルビン酸、グルタミ
ンの混合溶液について測定を行ったところ、応答電流は
50nA前後であまり変化せず、実施例1とほぼ同じ値
が得られた。従って、他のメディエーターを用いた場合
でも前電解用電極として十分に効果があることが示され
た。
The sensor prepared as described above was connected to a potentiostat, and a potential of 500 mV and -300 mV with respect to a silver / silver chloride reference electrode was applied to each of the pre-electrode and the working electrode to measure glutamic acid. Was done. Glutamic acid 10 μM and various concentrations of L-ascorbic acid and glutamine mixed solutions were measured.
There was not much change around 50 nA, and almost the same value as in Example 1 was obtained. Therefore, it was shown that even when another mediator was used, it was sufficiently effective as an electrode for pre-electrolysis.

【0046】(実施例4)図5は、本発明による集積型
センサの構造を示す。図において、符号1はシリンジポ
ンプ、2はシリンジ、8はポテンシオスタット、、9は
レコーダ、11は、下層にHRPを含むオスミウム-ポ
リビニルピリジン錯体膜を、上層にグルタミン酸酸化酵
素含有膜を修飾した作用電極、12は参照電極、13は
対向電極、14は前電解用電極、15はサンプリング用
ガラスキャピラリー、16は電極が形成されたガラス基
板、17は矩形断面の薄層流路18が形成されたガラス
基板である。図が示すように、すべての電極が、1つの
薄層流路18の内部に集積されている。
(Embodiment 4) FIG. 5 shows the structure of an integrated sensor according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a syringe pump, 2 denotes a syringe, 8 denotes a potentiostat, 9 denotes a recorder, 11 denotes an osmium-polyvinylpyridine complex film containing HRP in a lower layer, and a glutamate oxidase-containing film in an upper layer. A working electrode, 12 is a reference electrode, 13 is a counter electrode, 14 is an electrode for pre-electrolysis, 15 is a glass capillary for sampling, 16 is a glass substrate on which electrodes are formed, and 17 is a thin-layer channel 18 having a rectangular cross section. Glass substrate. As the figure shows, all electrodes are integrated inside one laminar channel 18.

【0047】図5において、キャピラリー15から連続
的に採取された試料は薄層セルを通りシリンジ2に吸引
される。試料溶液中のL-アスコルビン酸は前電解用電
極14上で電気化学反応により酸化されて妨害物質でな
くなり、グルタミン酸は作用電極11上でグルタミン酸
酸化酵素で酸化され、その際に定量的に発生する過酸化
水素がHRPを含むオスミウム-ポリビニルピリジン錯
体膜を介して電極還元され、その際に流れる還元電流を
測定することによってグルタミン酸の濃度が求められ
る。
In FIG. 5, a sample continuously taken from the capillary 15 is sucked into the syringe 2 through the thin-layer cell. L-ascorbic acid in the sample solution is oxidized by the electrochemical reaction on the electrode for pre-electrolysis 14 and is no longer an interfering substance, and glutamic acid is oxidized on the working electrode 11 by glutamic acid oxidase and is quantitatively generated at that time. Hydrogen peroxide is electrode-reduced through an osmium-polyvinylpyridine complex film containing HRP, and the concentration of glutamic acid is determined by measuring the reduction current flowing at that time.

【0048】センサは、矩形断面の薄層流路18を有す
るガラス基板17と、薄膜状の各種電極を有するガラス
基板16とを貼り合わせて作製されている。
The sensor is manufactured by laminating a glass substrate 17 having a thin-layer flow path 18 having a rectangular cross section and a glass substrate 16 having various thin-film electrodes.

【0049】センサの作製工程の主要部分を以下に示
す。
The main parts of the manufacturing process of the sensor are described below.

【0050】矩形断面の薄層流路を有するガラス基板を
次のようにして作製した。すなわち、パイレックスガラ
スウェハ(3インチ)上にポリイミド(東レ製)を厚さ
20μmになるようスピンコートした。次に、シリコン
系ドライエッチング用フォトレジスト(NTT-AT社
製)をスピンコーター(ミカサ社製)により毎分 2000
回転で回転塗布した。その後、流路パタンが描かれたフ
ォトマスクをウエハに重ね、マスクアライナー(PLA
-501、Canon社製)を用いて流路のパタンを露
光した。露光後、アルカリ現像液中で現像を行い、水
洗、乾燥してレジストパタンを形成した。現像後のウエ
ハでは流路以外の部分がシリコン系レジストパタンに覆
われているので、このレジスト付き基板を反応性イオン
エッチング装置(DEM-451、アネルバ製)に入
れ、シリコン系レジストパタンをマスクにして酸素プラ
ズマによりレジストに覆われていない部分のポリイミド
膜を除去した。エッチング条件は、圧力 5Pa、パワー
100W、酸素流量 100SCCMで時間は 110分とした。
ポリイミドパタンを形成後、基板を別の反応性イオンエ
ッチング装置(DEM−451、アネルバ製)に入れ、
ポリイミドをマスクにしてC26ガスのプラズマにより
ガラスをエッチングした。条件は圧力 2Pa、パワー 5
00W、流量 100SCCM、時間 120分とし、深さを 22
μmとした。ガラス流路を形成後、反応性イオンエッチ
ング装置を用いて酸素プラズマにより、残ったポリイミ
ド膜を取り除きガラス流路を得た。その後、流路の両端
から約 7mm程ダイシングソー(ディスコ社製)によ
り、端から 1mmが 400μmの深さになるように、幅 4
00μmカットしキャピラリー接続用の溝とした。
A glass substrate having a thin layer flow path having a rectangular cross section was manufactured as follows. That is, the thickness of polyimide (made by Toray) on Pyrex glass wafer (3 inches)
Spin coating was performed so as to be 20 μm. Next, a photoresist for silicon-based dry etching (manufactured by NTT-AT) is applied with a spin coater (manufactured by Mikasa) at a rate of 2000 / min.
Spin coating was performed by spinning. Then, a photomask on which a flow path pattern is drawn is superimposed on the wafer, and a mask aligner (PLA) is formed.
-501, manufactured by Canon Inc.). After exposure, development was performed in an alkaline developer, washed with water and dried to form a resist pattern. Since parts other than the flow path of the wafer after development are covered with a silicon-based resist pattern, the substrate with the resist is put into a reactive ion etching apparatus (DEM-451, manufactured by Anelva), and the silicon-based resist pattern is used as a mask. The portion of the polyimide film not covered with the resist was removed by oxygen plasma. Etching conditions are pressure 5Pa, power
At 100 W and an oxygen flow rate of 100 SCCM, the time was 110 minutes.
After forming the polyimide pattern, the substrate is put into another reactive ion etching apparatus (DEM-451, manufactured by Anelva),
The glass was etched with C 2 F 6 gas plasma using polyimide as a mask. Conditions are pressure 2Pa, power 5
00W, flow rate 100SCCM, time 120 minutes, depth 22
μm. After forming the glass flow path, the remaining polyimide film was removed by oxygen plasma using a reactive ion etching apparatus to obtain a glass flow path. Then, use a dicing saw (manufactured by Disco) about 7 mm from both ends of the flow path so that 1 mm from the end becomes 400 μm deep.
It was cut by 00 μm to form a groove for capillary connection.

【0051】一方、薄膜電極を有する基板は次のように
して作製した。すなわち、まず3インチのパイレックス
ウェハを用い、熱CVD法により炭素薄膜(膜厚:100
nm)を形成した。CVD法は、石英基板をガラス管内
において 1000℃に加熱し、出発物質としてフタロシア
ニンを用い、400℃で昇華、ウエハ上で熱分解させる方
法を用いた。炭素膜が形成されたウェハ上にシリコン系
ドライエッチング(RIE)用フォトレジスト(NTT
-AT社製)をスピナー(ミカサ社製)により毎分 4000
回転で回転塗布した。その後、電極パタンが描かれたフ
ォトマスクをウェハに重ね、マスクアライナー(PLA
-501、Canon社製)を用いて4電極のパタンを
露光した。露光後、アルカリ現像液中で現像を行い、水
洗、乾燥してレジストパタンを形成した。現像後のウェ
ハでは電極パタンの部分のみがレジストパタンに覆われ
ているので、このレジスト付き基板を反応性イオンエッ
チング装置(DEM-451、アネルバ製)に入れ、レ
ジストパタンをマスクにして酸素プラズマによりレジス
トに覆われていない部分の炭素膜を除去した。エッチン
グ条件は、パワー70W、圧力 2Pa、酸素流量 100SC
CMとした。その後、アセトン中で、レジストを剥離し
電極パタンを得た。電極はサンプリング用のキャピラリ
ーが接続されている側から前電解用電極、作用電極、参
照電極、対向電極として用いた。実施例2と同様に、前
電解用電極にはオスミウム-ポリビニルピリジン錯体膜
を、作用電極の下層にはHRPを含むオスミウム-ポリ
ビニルピリジン錯体膜を、上層にはグルタミン酸酸化酵
素含有高分子を塗布し、膜を形成した。また、参照電極
用基板上には参照物質として銀をメッキした。
On the other hand, a substrate having a thin film electrode was manufactured as follows. That is, first, a 3-inch Pyrex wafer is used, and a carbon thin film (film thickness: 100
nm). In the CVD method, a method in which a quartz substrate is heated to 1000 ° C. in a glass tube, phthalocyanine is used as a starting material, sublimated at 400 ° C., and thermally decomposed on a wafer is used. A silicon-based dry etching (RIE) photoresist (NTT) is formed on a wafer having a carbon film formed thereon.
-AT) by spinner (Mikasa) 4000
Spin coating was performed by spinning. Thereafter, a photomask on which the electrode pattern is drawn is superimposed on the wafer, and a mask aligner (PLA) is formed.
-501, manufactured by Canon Inc.) to expose a pattern of four electrodes. After exposure, development was performed in an alkaline developer, washed with water and dried to form a resist pattern. Since only the electrode pattern is covered with the resist pattern on the wafer after development, the substrate with the resist is put into a reactive ion etching apparatus (DEM-451, manufactured by Anelva), and oxygen plasma is applied using the resist pattern as a mask. The portion of the carbon film not covered with the resist was removed. Etching conditions are: power 70 W, pressure 2 Pa, oxygen flow rate 100 SC
CM. Thereafter, the resist was stripped in acetone to obtain an electrode pattern. The electrodes were used as a pre-electrolysis electrode, a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode from the side to which the sampling capillary was connected. As in Example 2, an osmium-polyvinylpyridine complex film was applied to the electrode for pre-electrolysis, an osmium-polyvinylpyridine complex film containing HRP was applied to the lower layer of the working electrode, and a glutamate oxidase-containing polymer was applied to the upper layer. A film was formed. Further, silver was plated as a reference substance on the reference electrode substrate.

【0052】その後、矩形断面の薄層流路が形成された
基板に先端を熱で延伸して細くしたキャピラリー15及
びシリンジ側キャピラリーを接続したものと、薄膜電極
が形成された基板とを、両方の流路が向かい合うように
押しあて、位置合わせをした後、光硬化性の接着剤を周
りから浸み込ませた。接着剤が浸みこんだ後、高圧水銀
ランプを用いて光を照射し、基板を接着した。この後、
グルタミン酸酸化酵素をDONにより処理した。センサ
の前電解用電極14、グルタミン酸を検出するための作
用電極11、参照及び対向電極(12及び13)をポテ
ンシオスタットLC4C(BAS社製)の端子に接続し
た。
After that, the capillary 15 and the syringe-side capillary, whose tips are extended by heat, are connected to the substrate on which the thin-layer flow path having the rectangular cross section is formed, and the substrate on which the thin-film electrode is formed are both connected. After the channels were pressed so as to face each other and aligned, a photocurable adhesive was infiltrated from around. After the adhesive was infiltrated, light was irradiated using a high-pressure mercury lamp to bond the substrates. After this,
Glutamate oxidase was treated with DON. The electrode 14 for pre-electrolysis of the sensor, the working electrode 11 for detecting glutamic acid, and the reference and counter electrodes (12 and 13) were connected to terminals of a potentiostat LC4C (manufactured by BAS).

【0053】測定はシリンジポンプ1を用いてサンプリ
ング用のキャピラリー15から溶液を吸引しながら、前
電解用電極及び作用電極にそれぞれ 400mV、-50mV
の電位を印加して行った。流速 1μl/分で溶液を吸引
し、試料として 1μMのグルタミン酸溶液を吸引すると
2.4nAの還元電流が観測された。一方、100μMのL-
アスコルビン酸のみを測定すると応答電流は観測されな
かった。このことから、本発明によるセンサはL-アス
コルビン酸による影響を全く受けずにグルタミン酸のみ
を検出できることが明らかとなった。また応答性は流速
を上げると更に向上させることができた。
The measurement was carried out by using the syringe pump 1 to suck the solution from the sampling capillary 15 while applying 400 mV and -50 mV to the pre-electrolysis electrode and the working electrode, respectively.
Was applied. Aspirate the solution at a flow rate of 1 μl / min and aspirate a 1 μM glutamic acid solution as a sample.
A reduction current of 2.4 nA was observed. On the other hand, 100 μM L-
When only ascorbic acid was measured, no response current was observed. From this, it became clear that the sensor according to the present invention can detect only glutamic acid without being affected by L-ascorbic acid at all. In addition, the responsiveness could be further improved by increasing the flow rate.

【0054】本実施例によるセンサを用いて実施例2と
同様にインビボ測定を行った。この際、試料採取用にマ
イクロダイヤリシスプローブを用いた。160mMの塩化
カリウムを投与することより、放出されたグルタミン酸
を含む溶液を 1μl/分の速さでセンサ内に注入し、同
様に測定を行ったところ、得られた応答電流は 85nA
であった。このように、さらに応答性が向上し、リアル
タイムにグルタミン酸の放出を追跡することができた。
これは、前電解用電極とその他の電極、特に検出用作用
電極とを試料溶液流路の同一薄層状部分に設けて集積化
したことにより、前電解用電極と検出用作用電極との間
に介在していたキャピラリー分の無効体積が減少したた
めである。
In-vivo measurement was performed in the same manner as in Example 2 using the sensor according to this example. At this time, a microdialysis probe was used for sampling. When 160 mM potassium chloride was administered, a solution containing the released glutamic acid was injected into the sensor at a rate of 1 μl / min, and the same measurement was performed. The obtained response current was 85 nA.
Met. Thus, the response was further improved, and the release of glutamate could be tracked in real time.
This is because the electrode for pre-electrolysis and other electrodes, particularly the working electrode for detection, are provided and integrated in the same thin layer portion of the sample solution flow path, so that the electrode for pre-electrolysis and the working electrode for detection are interposed. This is because the ineffective volume of the intervening capillary was reduced.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上説明したように、本発明による生体
内濃度測定用グルタミン酸センサにおいては、前電解用
電極を白金黒で修飾し、微視的電極面積を増加させて電
極反応速度を上げる方法、もしくは前電解用電極を酸化
還元性の高分子膜で修飾し、高分子の酸化還元を介して
L-アスコルビン酸などの共存物質を酸化する方法を用
いる。このような前電解用電極を用いることにより、透
析液中に含まれるL-アスコルビン酸や尿酸などの共存
物質をほぼ100%オンラインで除去でき、透析中に含
まれる微量の神経伝達物質であるグルタミン酸を共存物
質の影響なく測定することができる。
As described above, in the glutamic acid sensor for measuring the concentration in a living body according to the present invention, the electrode for pre-electrolysis is modified with platinum black to increase the microscopic electrode area to increase the electrode reaction speed. Alternatively, a method is used in which the electrode for pre-electrolysis is modified with a redox polymer film, and a coexisting substance such as L-ascorbic acid is oxidized through redox of the polymer. By using such an electrode for pre-electrolysis, almost 100% of coexisting substances such as L-ascorbic acid and uric acid contained in the dialysate can be removed online, and glutamate, a trace amount of neurotransmitter contained in the dialysis, can be removed. Can be measured without the influence of coexisting substances.

【0056】一方、グルタミン酸濃度測定用作用電極に
ついては、電極をグルタミン酸酸化酵素含有膜のみで修
飾するか、もしくはペルオキシダーゼ含有酸化還元性高
分子とグルタミン酸酸化酵素含有膜との複合膜で修飾し
て、酵素反応で生成した過酸化水素を電極酸化するか、
もしくはペルオキシダーゼ含有酸化還元性高分子を介し
て電極還元し、その際に流れる酸化電流もしくは還元電
流を測定することよってグルタミン酸濃度を求める。い
ずれの場合においても、グルタミン酸酸化酵素を修飾す
る前か、或いは修飾した後に、グルタミン酸酸化酵素
を、グルタミナーゼ阻害剤を含む溶液に接触させること
により、脳脊髄液中のように、濃度がグルタミン酸の1
0倍以上高いグルタミンの酵素反応を抑制し、グルタミ
ン酸のみを選択的に検出することができる。
On the other hand, for the working electrode for measuring glutamate concentration, the electrode is modified only with a glutamate oxidase-containing membrane or with a composite membrane of a peroxidase-containing redox polymer and a glutamate oxidase-containing membrane. Electrode oxidation of hydrogen peroxide generated by enzymatic reaction,
Alternatively, the electrode is reduced via a peroxidase-containing redox polymer, and the concentration of glutamic acid is determined by measuring the oxidation current or reduction current flowing at that time. In either case, before or after modification of glutamate oxidase, the glutamate oxidase is contacted with a solution containing a glutaminase inhibitor, so that the concentration of glutamate is one such as in cerebrospinal fluid.
The enzyme reaction of glutamine which is at least 0 times higher can be suppressed, and only glutamic acid can be selectively detected.

【0057】このように、本発明に係るグルタミン酸セ
ンサを用いることによって、妨害物質の影響を抑えて脳
内のグルタミン酸濃度を高感度かつリアルタイムに測定
することが可能となるため、本発明の脳神経科学や医療
研究への著しい応用効果が期待できる。
As described above, the use of the glutamate sensor according to the present invention makes it possible to measure the concentration of glutamate in the brain with high sensitivity and in real time while suppressing the influence of interfering substances. And significant application effects to medical research.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1におけるグルタミン酸測定用センサの
構成と前電解用セルの拡大図と作用電極の拡大図とを示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a sensor for measuring glutamic acid, an enlarged view of a cell for pre-electrolysis, and an enlarged view of a working electrode in Example 1.

【図2】本発明に係る前電解用電極を有する薄層セルの
作製方法を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a method for producing a thin-layer cell having a pre-electrolysis electrode according to the present invention.

【図3】本発明に係る前電解用電極及びグルタミン酸検
出用作用電極を説明する図である。
FIG. 3 is a view illustrating an electrode for pre-electrolysis and a working electrode for detecting glutamic acid according to the present invention.

【図4】本発明に係るグルタミン酸センサを用いたイン
ビボ測定を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating in vivo measurement using the glutamate sensor according to the present invention.

【図5】本発明に係るグルタミン酸濃度測定用集積型薄
層セルを説明する図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an integrated thin-layer cell for measuring glutamic acid concentration according to the present invention.

【図6】前電解用電極を用いた場合の電気化学的センサ
の従来例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a conventional example of an electrochemical sensor using a pre-electrolysis electrode.

【図7】静電反発により共存分子が電極表面へ拡散する
量を減らす方法を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a method for reducing the amount of coexisting molecules diffusing to the electrode surface due to electrostatic repulsion.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリンジポンプ、2…シリンジ、3…前電解用セ
ル、4…フローセル、5…作用電極、6…対向電極、7
…参照電極、8…ポテンシオスタット、9…レコーダ、
10…ガスケット、11…作用電極、12…参照電極、
13…対向電極、14…前電解用電極、15…サンプリ
ング用ガラスキャピラリー、16…電極が形成されたガ
ラス基板、17…薄層流路が形成されたガラス基板、1
8…薄層流路。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Syringe pump, 2 ... Syringe, 3 ... Pre-electrolysis cell, 4 ... Flow cell, 5 ... Working electrode, 6 ... Counter electrode, 7
... reference electrode, 8 ... potentiostat, 9 ... recorder,
10 gasket, 11 working electrode, 12 reference electrode,
13: Counter electrode, 14: Electrode for pre-electrolysis, 15: Glass capillary for sampling, 16: Glass substrate on which electrodes are formed, 17: Glass substrate on which thin-layer flow path is formed, 1
8 ... Thin layer flow path.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀内 勉 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 鳥光 慶一 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 栗田 僚二 東京都新宿区西新宿二丁目1番1号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内 Fターム(参考) 4B063 QA01 QA05 QA19 QQ02 QQ80 QR03 QR10 QR50 QR84 QR90 QS20 QS36 QS39 QX04  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsutomu Horiuchi 2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Within Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Keiichi Torimitsu 2-chome, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo No. 1 Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Ryoji Kurita 2-1-1 Nishi-Shinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo NTT Advanced Technology Co., Ltd. F-term (reference) 4B063 QA01 QA05 QA19 QQ02 QQ80 QR03 QR10 QR50 QR84 QR90 QS20 QS36 QS39 QX04

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料溶液が流れる流路の一部分にグルタミ
ン酸酸化酵素を含有する膜により修飾された作用電極を
有し、前記流路の前記作用電極の位置よりも上流部分に
前電解用電極を有するグルタミン酸センサであって、前
記流路の形状が、前記前電解用電極の電極面と接する部
位において、前記電極面に沿う薄層形状となり、前記電
極面は電極反応を促進する材料で修飾されていることを
特徴とするグルタミン酸センサ。
A working electrode modified with a membrane containing glutamic acid oxidase is provided in a part of a flow path through which a sample solution flows, and a pre-electrolysis electrode is provided in a part of the flow path upstream of a position of the working electrode. A glutamic acid sensor having, wherein the shape of the flow path is a thin layer along the electrode surface at a portion in contact with the electrode surface of the pre-electrode, and the electrode surface is modified with a material that promotes an electrode reaction. A glutamate sensor.
【請求項2】前記電極反応を促進する材料が白金黒であ
ることを特徴とする請求項1記載のグルタミン酸セン
サ。
2. The glutamic acid sensor according to claim 1, wherein the material for promoting the electrode reaction is platinum black.
【請求項3】前記電極反応を促進する材料が酸化状態に
おいてL-アスコルビン酸からの電子移動を起こす膜で
あることを特徴とする請求項1記載のグルタミン酸セン
サ。
3. The glutamic acid sensor according to claim 1, wherein the material that promotes the electrode reaction is a film that causes electron transfer from L-ascorbic acid in an oxidized state.
【請求項4】前記酸化状態においてL-アスコルビン酸
からの電子移動を起こす膜がオスミウム-ポリビニルピ
リジン錯体膜であることを特徴とする請求項3記載のグ
ルタミン酸センサ。
4. The glutamic acid sensor according to claim 3, wherein the film that causes electron transfer from L-ascorbic acid in the oxidized state is an osmium-polyvinylpyridine complex film.
【請求項5】前記酸化状態においてL-アスコルビン酸
からの電子移動を起こす膜がポリピロール膜であること
を特徴とする請求項3記載のグルタミン酸センサ。
5. The glutamic acid sensor according to claim 3, wherein the film that causes electron transfer from L-ascorbic acid in the oxidized state is a polypyrrole film.
【請求項6】試料溶液が流れる流路の一部分にグルタミ
ン酸酸化酵素を含有する膜により修飾された作用電極を
有し、前記流路の前記作用電極の位置よりも上流部分に
前電解用電極を有するグルタミン酸センサであって、前
記グルタミン酸酸化酵素がグルタミナーゼ阻害剤で処理
されていることを特徴とするグルタミン酸センサ。
6. A flow path through which a sample solution flows, comprising a working electrode modified with a membrane containing glutamic acid oxidase, and a pre-electrode electrode provided upstream of the position of the working electrode in the flow path. A glutamate sensor comprising: a glutamate sensor, wherein the glutamate oxidase is treated with a glutaminase inhibitor.
【請求項7】前記前電解用電極と前記作用電極とが前記
流路の同一薄層状部分に設けられていることを特徴とす
る請求項1乃至6記載のグルタミン酸センサ。
7. The glutamic acid sensor according to claim 1, wherein the pre-electrolysis electrode and the working electrode are provided in the same thin layer portion of the flow channel.
【請求項8】試料溶液が流れる流路の一部分にグルタミ
ン酸酸化酵素を含有する膜により修飾された作用電極を
有し、前記流路の前記作用電極の位置よりも上流部分に
前電解用電極を有するグルタミン酸センサを製造する方
法において、前記グルタミン酸酸化酵素を含有する膜で
前記作用電極を修飾する工程の前または後に、前記グル
タミン酸酸化酵素をグルタミナーゼ阻害剤水溶液で処理
する工程を有することを特徴とするグルタミン酸センサ
の製造方法。
8. A flow path through which a sample solution flows, a working electrode modified with a membrane containing glutamic acid oxidase, and a pre-electrolysis electrode in a part of the flow path upstream of the position of the working electrode. In the method for producing a glutamate sensor having, before or after the step of modifying the working electrode with the membrane containing the glutamate oxidase, a step of treating the glutamate oxidase with a glutaminase inhibitor aqueous solution, A method for manufacturing a glutamate sensor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2007129383A1 (en) * 2006-05-01 2009-09-17 株式会社島津製作所 Total organic carbon measuring device
JP2014048220A (en) * 2012-09-03 2014-03-17 Meidensha Corp Nitrite nitrogen concentration measuring method and device therefor

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