JP2015215323A - 尿酸の検出電極及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
血液中或いは尿液中の尿酸濃度が高過ぎると痛風、高尿酸血症、レッシュ・ナイハン症候群(Lesch−Nyhan syndrome)、及び腎臓病等に繋がる。故に、これら高い尿酸濃度が引き起こす疾病を予防、診断、或いは治療するために、尿酸濃度の計測が非常に重要である。
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物理吸着法は簡単ではあるが、但し酵素が電極から容易に剥離し、電極の寿命が短かった。自己組織化単分子膜法及び包括固定法も類似の問題がある。このため、架橋結合法或いは化学結合法が酵素を固定するための理想的な方式であり、電極の効果を増強させ、耐用年数を延ばす(shelf life)。
金属材料は高価なため、カーボンベースの非金属材料も徐々にウリカーゼ電極に使用され始めている。例えば、グラッシーカーボン電極に自己組織化ウリカーゼがチオニン−酸化グラフェンに混合されるハイブリッドナノシート(self−assembled UOx mixed thionine−graphene oxide hybrid nanosheets)[11]、グラファイトディスク紺青―ニッケルイオン薄膜(Prussian blue−Ni2+ film)修飾電極[16]、サンドイッチ構造の電流式シルクスクリーンカーボン電極[4]、フェロセン修飾酸化グラフェンシルクスクリーン電極[7]、及びシルクスクリーンイリジウムが修飾されるカーボン電極[13]等である。
H2O2→O2+2H++e―
本発明者は以前鉛筆の芯によりブドウ糖検出電極を製造しており(特許文献1参考)、良好な効果を有する。
以下、第1実施形態を図1〜4に基づいて説明する。図1は本発明に係る尿酸の検出電極及びその製造方法を示す。以下の6つの工程を含む。工程(I)では、線材が軸上に巻かれ長さ約3センチメートルのエナメル銅線10(enameled copper wire)が裁断され、カッターで両端約0.8cmのポリイミド層が除去され、粗めのサンドペーパーで研磨され、銅12が露出される。
工程(III)では、電極16を例えばL―メチオニン(L−methionine)溶液等の25℃の濃度20.0mMのアミノ酸溶液に1時間浸し、金粒子とL―メチオニン中のメチルスルファニル基(methylsulfanyl group)とにより共有結合される第一修飾表面14Aを形成させ、且つ第一修飾表面14Aを有する第一修飾電極16Aを形成させる。次に、25℃の脱イオン水で第一修飾電極16Aを洗浄し、金の表面14上の物理的に付着したL―メチオニンを除去する。
工程(IV)では、第一修飾表面14Aを有する第一修飾電極16Aを75℃の濃度20.0mMのフェロセンカルボキシアルデヒド(ferrocene carboxaldehyde、 FcAld、体積比99.5/0.5のエタノール/塩化水素に溶解される)溶液中に1時間浸し、媒体(FcAld)とL―メチオニンのアミノ基(amino group)によりシッフ塩基(ポリアゾメチン)(Schiff base)共有結合される第二修飾表面14Bを形成させ、第二修飾表面14Bを有する第二修飾電極16Bを形成させる。その後、75℃で脱イオン水により第二修飾電極16Bを洗浄する。
工程(V)では、第二修飾電極16Bを40℃でメチルアルコールに溶解される濃度20.0mMのN、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミド(N、N’−dicyclohexylcarbodiimide)溶液中に1時間浸し、N、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミドとL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とにより共有結合を形成させ、第三修飾表面14Cを形成させ、且つ第三修飾表面を有する第三修飾電極16Cを形成させる。そして、メチルアルコール及び脱イオン水を順に用い、40℃で第三修飾電極16Cを洗浄し、未反応のN、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミドを除去する。
工程(VI)では、第三修飾電極16Cを25℃で0.1M、pH7.0のリン酸ナトリウム緩衝液(sodium phosphate buffer solution、 NaPB)に浸し、用意された50μMの濃度のウリカーゼ(uricase)溶液中に24時間浸し、置換反応が発生するとウリカーゼとL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とが結合され、アミド結合またはペプチド結合(amide bond or peptide bond)共有結合が形成され、ウリカーゼが第三修飾表面16Cに固定され、第四修飾表面14D及び第四修飾表面を有する第四修飾電極16Dとなる。これによって、第四修飾電極16Dは尿酸の検出電極となり、0.1M、pH7.0、4℃のリン酸ナトリウム緩衝液中に保存される。
図2A乃至図2Gは図1の各工程を経た後、製造された電極の構造をフーリエ変換赤外分光分析(FTIR)により分析する。
図2Aの波数(wavenumber)は2330cm―1の箇所に1つの極弱い反射波頂を有し、これはポリイミドエナメル銅導線からポリイミド外膜を除去した後、銅導線に残留するポリイミドによるものである。前記反射波頂はポリイミドのイソシアン酸塩(R−N=C=O、near 2270cm−1)の振動モードである。
図2Bでは、金粒子が銅導線の表面に電着された後、赤外スペクトラムの信号はない。
図2Cは、L―メチオニンが金粒子に結合された後のスペクトラムである。前記スペクトラムの波数3000―2840cm―1の反射波頂はL―メチオニンのアルカン(alkane)の強C―H伸展振動を表し、波数1465cm―1の反射波頂はL―メチオニンのメチレン基(methylene group、−CH2−)の湾曲振動を表し、波数1375cm―1の反射波頂はメチル基の湾曲振動を表し、波数1600cm―1(非対称)及び1400cm―1(対称)の反射波頂はL―メチオニンのカルボン酸塩(carboxylate)の強伸展振動を表し、波数3300―2600cm―1の反射波頂はL―メチオニンのアミン塩のN―Hワイド伸展振動を表し、波数1610cm―1(非対称)及び1500cm―1(対称)の反射波頂はL―メチオニンの1級アミン塩(primary amine salts)の強N―H湾曲振動を表す。
図2Dはフェロセンカルボキシアルデヒド(FcAld)のアセトアルデヒド基がL―メチオニンのアミノ基(amino group)を修飾させた後のFTIRスペクトラムを表し、波数1690―1640cm―1の反射波頂はフェロセン環のイミン(imine、R2C=N−R)の伸展振動を表し、波数1650―1611cm―1の反射波頂はフェロセン(Fc)環の内C=C二重結合の伸展振動を表す。このほか、波数1000―650cm―1はフェロセン(Fc)環の=C―Hの平面外(out−of−plane)の湾曲を表す。
図2EはL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とN、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミド(N、N’−dicyclohexylcarbodiimide)とがエステル結合を形成させた後のFTIRスペクトラムを表す。波数1350―1000cm―1の反射波頂はC−Nの伸展振動を表す。波数1300―1000cm―1の反射波頂はC―Oの伸展振動を表す。波数1690―1640cm―1の反射波頂はイミン(imine group)の伸展振動を表す。波数3000―2840cm―1の反射波頂はC―Hの伸展振動を表す。このほか、波数1600cm―1(非対称)及び1400cm―1(対称)の反射波頂は反応がカルボン酸塩の伸展振動を弱めたことを示す。
図2FはL―メチオニンとウリカーゼとが置換反応後にアミド結合(-CO-NH-、amide bond)を形成させた後のFTIRスペクトラムを表し、波数1680―1630cm―1のそれぞれの反射波頂はC=Oの伸展振動を表し、波数3475―3150cm―1の反射波頂はN―Hの伸展振動を表す。ウリカーゼはDCC及びウリカーゼのペプチド結合(アミド酸)フレームを代替させて形成される。また、波数1640―1550cm―1の反射波頂はアミド結合のN―H湾曲振動を表す。
図2Gは純ウリカーゼのFTIRスペクトラムを表し、図2Gと図2Fとを比較し、ウリカーゼの電極への結合が成功したかを検証する。
サイクリックボルタンメトリー分析(cyclic voltammetric、 CV)により本発明の実施形態で準備される尿酸の検出電極の酸化電位を獲得する。分析の電位のスキャン範囲は―0.8から0.8Vであり、スキャン速度は50mV s―1である。分析サンプルは9種の尿酸標準溶液であり、濃度はそれぞれ0.0mM、0.595mM、1.19mM、1.79mM、2.38mM、2.98mM、3.57mM、4.17mM、4.76mMであり、0.1M、pH9.5のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)を利用する。サイクリックボルタンメトリー分析の温度は35℃である。
NaPB背景溶液の陽極の電流の波頂は―0.61Vであり、これは尿酸濃度が増加したためであり、H2Oの還原も減少する。H2Oの還原によりH2及びOH―が発生し、H+が還原されてH2になるのを抑制させる。然しながら、尿酸濃度が増加し、OH―及びH+が中和しH+の還原電流の波頂も減少する。実験中サイクリックボルタンメトリー分析に於いて、プラチナ対電極(counter electrode)から泡が出る現象が観察された。ここから推察すると、作用電極に以下の反応が発生している。
尿酸+2H2O+ウリカーゼ(OX)→Allantoin+CO2+2H++ウリカーゼ(red)
ウリカーゼ(red)+2FcAld+Dウリカーゼ(OX)+2FcAld
2FcAldD2FcAld++2e―
標準添加校正検量線により尿酸の検出電極の感度を獲得し、限界値(limit of detection、LOD)及び線形濃度の検出範囲を検出する。標準添加校正検量線は標準添加法[19]により35℃で製造される。
次に、40s毎に約5.0μLから885.0μLの体積の尿酸標準溶液を溶液の濃度が2.38mMになるまで添加する。毎回標準添加後の最後の3秒間に電流値を読み取る。尿酸濃度が、例えば2.98mM、3.57mM、及び4.76mM等更に高くなる場合、外部標準法を利用して電流信号を計測する。
4mLの濃度0.1M、pH9.5のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)を、回転速度100rpmの磁石で攪拌させた後、背景溶液とする。
次に、濃度0.1M、pH9.5のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)を用意された270 μLの濃度4.76mMの尿酸標準溶液に背景溶液を加え、人間の模擬血清の尿酸の正常値である0.3mMの尿酸標準濃度まで希釈する。前記溶液の電流信号値を記録する。
続いて、濃度0.1M、pH9.5のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)が調合される1Mの干渉物標準溶液から必要な量抽出し、0.3mMの標準溶液にそれぞれ加え、濃度0.1mMから5.0mMの干渉溶液を準備する。各干渉溶液の電流値を記録し、尿酸標準溶液の電流値を比較し、信号比値及び選択性係数(k尿酸、干渉物)を獲得し、干渉の程度を指示し、計算式は以下のようになる。
信号比値=(信号合計値)尿酸+干渉物/(信号値)尿酸
k尿酸、干渉物=(信号値)干渉物/(信号値)尿酸
尿液サンプルは実験室の研究員から入手する。尿液を取得後、ミクロ細孔膜濾過器により濾過する。濾過後に2mLの尿液サンプルを取得し、0.1M、pH9.5のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)を十倍希釈する。4つの4mLの上述の希釈尿液サンプルを準備し、定量分析を行う。
各尿液サンプルに対し、40s毎に40μLの濃度4.76mMの尿酸溶液を4mLの尿液サンプルに添加し、電流信号は尿酸が未添加の尿液サンプル(unspiked sample)の1.5倍から3倍になる。毎回尿酸を尿液サンプル(spiked sample)溶液に添加した後の濃度はそれぞれ0.047mM、0.09mM、0.14mM、及び0.18mMとなる。
続いて、線形標準添加校正検量線のx軸切片値により、希釈の倍数を掛け、原尿液サンプルの尿酸濃度を獲得する。同時に、計測された尿酸濃度の標準偏差値(standard deviation)も計算し、分析の精確性を得る。
確度=1―|([UA]計測合計値/[UA]理論合計値―1)|×100%
本実施形態に係る尿酸の検出電極の計測時の最も好ましいリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)のpH値は、固定電圧0.361Vの条件で標準添加を実行したのちに獲得する。リン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)の濃度は0.1Mに固定され、pH値を7.0から、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5まで変化させ、0.3mM(50ppm)の尿酸標準溶液の電流値をそれぞれ計測させる。計測温度は均しく35℃に制御される。
分散分析(ANOVA)統計方法及び最小有意差検定(least significant test)を用い、獲得された6つの電流計測値の有意差を比較する。pH7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、及び9.5の計測値はそれぞれ6.71±0.83μA、 10.5±1.77μA、 10.3±3.75μA、 11.1±2.27μA、 12.1±1.82μA、 12.1±0.65μAとなる。最大電流と最小相対標準偏差値に基づくと、pH9.5の計測結果が最も好ましい。
尿素、乳酸、ブドウ糖、システイン、チロシン、クレアチニン、及びピルビン酸の内の何れか一つの計測された信号値を加え、明確な差異はない。t検定の結果はこれら物質が明確に干渉効果を与えていないことを示す。アスコルビン酸、グルタミン酸、ヒスタジン、ドーパ、ドーパミンの干渉は大きいが、然しこれらの物質の人体の血液中での濃度は通常非常に低い。このため、本実施形態に係る尿酸の検出電極が人体の尿液の尿酸の計測に用いられても、受ける干渉の程度は極めて小さい。
本発明の実施形態に係る尿酸の検出電極は、以下の5つの特性或いはパラメータを示す。酸化電位、感度、検出限界、反応時間、及び標準添品加検量線の最大の線形濃度範囲を含み、その結果を図4に示す。
1.19mMの尿酸及び標準添加検量線を製造する尿酸濃度に用いられ、サイクリックボルタンメトリー分析を行い、酸化電位を獲得し、濃度0―2.38mMで獲得する線形検量線は他の4つのパラメータに用いられる。実験期間は209日であり、毎週一回計測する。毎回計測後に、電極は0.1M、pH7.0のリン酸ナトリウム緩衝液(NaPB)に保存され、冷蔵庫に温度4℃で保管される。
図4Aは尿酸の検出電極の酸化電位の変化を示す。初期には0.361V及び0.366Vの高い酸化電位を有するが、100日後には0.320Vまで徐々に低下する。総括すると、尿酸の検出電極の尿酸検出電位は長期間相当安定した計測電位を有すると言える。
計測期間の初期には、感度は72.8μA M―1にも達し、全ての計測期間で感度は共に35 μA M―1より大きい。全体としては、感度は50μA M―1前後の変化を示す。
注意すべきは、感度と検出限界値との間には大きな関連性は無い点である。ある実験のパラメータでは、例えば、攪拌速度及び温度は検出限界値に最も影響を与える要因となっている。実験は本発明に係る尿酸の検出電極が長期の使用後にも、十分良好な検出限界値を有していることを示す。ここでは、実験の309日(データは図示せず)後にも本実施形態に係る尿酸の検出電極が使用可能であり、酸化電位は0.338V、反応時間は5s―15s、検出線形の尿酸濃度の範囲は0mM―1.78mM(r2 = 0.9946)、感度は77.6μA M―1、及び検出限界値は13.8μMである。
これらデータは本発明の実施形態に係る尿酸の検出電極は長期的に良好な安定性を保ち、また長期間使用後もウリカーゼの活性が低下しないことを証明している。
表三は本発明の実施形態に係る尿酸の検出電極と、他の7つの文献の尿酸の検出電極の効果の比較である。これら8種類の尿酸の検出電極に使用される電極材料は主に3種類あり、高分子薄膜(Arora et al.、 2007)、金属(Huang、 et al.、 2013; Rawal et al.、 2012; Chauhan and Pundir、 2011; 本発明)、及びカーボン(Dey and Raj、 2013; Piermarini、 et al.、 2013; Kanyong et al.、 2012)を含む。しかしながら、近年の目覚しい発展に伴い、複合材料を使用した多くの尿酸の検出電極が製造され、電極効果を増加させている。これら文献のウリカーゼの固定方法は、物理付着或いは化学結合を含み、但し絶対多数は酸化還元媒体を使用しておらず、O2を酸化尿酸の代替とし、このため更に高い酸化電位により続いてH2O2を酸化させる必要があるのみならず、空気中に含まれるO2の波動が大きな計測の誤差を引き起こす。
表四から分かるように、フェロセンを酸化還元媒体の2つの電極(Dey and Raj、2013;本発明)として使用し、酸化尿酸は直接相当に低い酸化電位を有する。本発明の実施形態では、酸化還元媒体及びウリカーゼが同時に電極に結合され、低い尿酸濃度の場合、感応時間は僅か5sであり、高い尿酸濃度の場合、感応時間は15sである。他の電極に比べ、更に高速である。表四の結果からは、本発明の実施形態に係る尿酸の検出電極は更に広い標準添加検量線の線形濃度の範囲(0.0−2.38 mM、 r2 ≧ 0.9952)を有していると分かり、理想的な検出限界値(約2.4 μM)であり、209日の計測期間中も感度を保持させている。本発明の実施形態に係る尿酸の検出電極の再使用性は、他の文献の電極よりも優れており、臨床でも長期間重複して使用可能な潜在力を有する。
12 銅線
14 金の表面
14A 第一修飾表面
14B 第二修飾表面
14C 第三修飾表面
14D 第四修飾表面
16 電極
16A 第一修飾電極
16B 第二修飾電極
16C 第三修飾電極
16D 第四修飾電極
工程(III)では、電極16を例えばL―メチオニン(L−methionine)溶液等の25℃の濃度20.0mMのアミノ酸溶液に1時間浸し、金粒子とL―メチオニン中のメチルスルファニル基(methylsulfanyl group)とにより共有結合される第一修飾表面14Aを形成させ、且つ第一修飾表面14Aを有する第一修飾電極16Aを形成させる。次に、25℃の脱イオン水で第一修飾電極16Aを洗浄し、金の表面14上の物理的に付着したL―メチオニンを除去する。
工程(IV)では、第一修飾表面14Aを有する第一修飾電極16Aを75℃の濃度20.0mMのフェロセンカルボキシアルデヒド(ferrocene carboxaldehyde、 FcAld、体積比99.5/0.5のエタノール/塩化水素に溶解される)溶液中に1時間浸し、媒体(FcAld)とL―メチオニンのアミノ基(amino group)によりシッフ塩基(ポリアゾメチン)(Schiff base)共有結合される第二修飾表面14Bを形成させ、第二修飾表面14Bを有する第二修飾電極16Bを形成させる。その後、75℃で脱イオン水により第二修飾電極16Bを洗浄する。
工程(V)では、第二修飾電極16Bを40℃でメチルアルコールに溶解される濃度20.0mMのN、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミド(N、N’−dicyclohexylcarbodiimide)溶液中に1時間浸し、N、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミドとL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とにより共有結合を形成させ、第三修飾表面14Cを形成させ、且つ第三修飾表面を有する第三修飾電極16Cを形成させる。そして、メチルアルコール及び脱イオン水を順に用い、40℃で第三修飾電極16Cを洗浄し、未反応のN、N´―ジシクロヘキシルカルボジイミドを除去する。
工程(VI)では、第三修飾電極16Cを25℃で0.1M、pH7.0のリン酸ナトリウム緩衝液(sodium phosphate buffer solution、 NaPB)に浸し、用意された50μMの濃度のウリカーゼ(uricase)溶液中に24時間浸し、置換反応が発生するとウリカーゼとL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とが結合され、アミド結合またはペプチド結合(amide bond or peptide bond)共有結合が形成され、ウリカーゼが第三修飾表面16Cに固定され、第四修飾表面14D及び第四修飾表面を有する第四修飾電極16Dとなる。これによって、第四修飾電極16Dは尿酸の検出電極となり、0.1M、pH7.0、4℃のリン酸ナトリウム緩衝液中に保存される。
NaPB背景溶液の陽極の電流の波頂は―0.61Vであり、これは尿酸濃度が増加したためであり、H2Oの還元も減少する。H2Oの還元によりH2及びOH―が発生し、H+が還元されてH2になるのを抑制させる。然しながら、尿酸濃度が増加し、OH―及びH+が中和しH+の還元電流の波頂も減少する。実験中サイクリックボルタンメトリー分析に於いて、プラチナ対電極(counter electrode)から泡が出る現象が観察された。ここから推察すると、作用電極に以下の反応が発生している。
Claims (8)
- 金属基材を提供する工程と、
前記金属基材の表面に金の表面を形成させることで、電極を形成させる工程と、
L―メチオニン(L−methionine)により前記金の表面を修飾させ、金粒子とL―メチオニン内のメチルスルファニル基(methylsulfanyl group)との共有結合を形成させ、第一修飾表面を有する第一修飾電極を形成させる工程と、
アルデヒド基(aldehyde group)を含有する酸化還元媒体とL―メチオニンのアミノによりシッフ塩基(ポリアゾメチン)(Schiff Base)共有結合を形成させ、且つ第二修飾表面を有する第二修飾電極を形成させる工程と、
N、N’―ジシクロヘキシルカルボジイミド(N、N’−dicyclohexylcarbodiimide)により前記第二修飾表面を修飾させ、前記N、N’―ジシクロヘキシルカルボジイミドとL―メチオニン的カルボキシル基(carboxyl group)との共有結合を形成させ、第三修飾表面を有する第三修飾電極を形成させる工程と、
前記第三修飾表面とウリカーゼとを接触させることで、ウリカーゼとL―メチオニンのカルボキシル基(carboxyl group)とのアミド結合(amide bond)共有結合を形成させ、第四修飾表面を有する第四修飾電極を形成させる工程と、を順に含むことを特徴とする、
尿酸の検出電極及びその製造方法。 - 前記金属基材は銅であることを特徴とする請求項1に記載の尿酸の検出電極及びその製造方法。
- 前記酸化還元媒体はフェロセンカルボキシアルデヒド(ferrocene carboxaldehyde)を含有することを特徴とする請求項1に記載の尿酸の検出電極及びその製造方法。
- 金属表面を有する基材構造と、
前記金属表面の少なくとも一部分に形成される金の表面と、
L―メチオニンがメチルスルファニル基(methylsulfanyl group)により前記金の表面に結合されることと、
アルデヒド基(aldehyde group)を含有する酸化還元媒体であり、前記酸化還元媒体と前記L―メチオニンのアミノとのシッフ塩基(ポリアゾメチン)(Schiff Base)を形成させることと、
ウリカーゼはジイミド(diimide)を有するペプチド結合剤(peptide coupling agent)により前記アミド酸と結合され、前記ウリカーゼと前記ペプチド結合剤とがアミド結合(amide bond)を形成させることと、を備えることを特徴とする、
尿酸の検出電極。 - 前記ペプチド結合剤はN、N’―ジシクロヘキシルカルボジイミド(N、N’−dicyclohexylcarbodiimide)であることを特徴とする、請求項4に記載の尿酸の検出電極。
- 前記酸化還元媒体はフェロセンカルボキシアルデヒド(ferrocene carboxaldehyde)を含有することを特徴とする、請求項4に記載の尿酸の検出電極。
- 前記金属表面は銅の表面であることを特徴とする、請求項4に記載の尿酸の検出電極。
- 209日重複使用すると、酸化還元電位は約0.33Vを維持させ、感度は約50μA M―1を維持させ、検出限界値は20.2μM以下を維持させることを特徴とする、請求項4に記載の尿酸の検出電極。
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