JP2615391B2 - Enzyme analysis system and analysis method using the same - Google Patents

Enzyme analysis system and analysis method using the same

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JP2615391B2
JP2615391B2 JP62304523A JP30452387A JP2615391B2 JP 2615391 B2 JP2615391 B2 JP 2615391B2 JP 62304523 A JP62304523 A JP 62304523A JP 30452387 A JP30452387 A JP 30452387A JP 2615391 B2 JP2615391 B2 JP 2615391B2
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義人 碇山
繁 山内
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国立身体障害者リハビリテーションセンター総長
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は,バイオセンサによる分析システム及びその
分析方法に関する。特に,生体機能物質固定化微小電極
(ミクロ電極)を用い,高速応答性で高感度且つ高出力
のバイオセンサによる分析装置及びそれによる分析方法
に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an analysis system using a biosensor and an analysis method thereof. In particular, the present invention relates to a high-speed, high-sensitivity, high-output biosensor analysis device using a biofunctional substance-immobilized microelectrode (microelectrode) and an analysis method using the biosensor.

[従来の技術] 白金や炭素表面に酵素や抗体,微生物等を固定化した
バイオセンサが種々の化学物質,生体物質を迅速且つ連
続的に測定できることは既に知られている。このような
バイオセンサにおいては,生体機能物質は生体機能物質
を含有した膜を電極上に貼り付ける方法,或いは表面を
化学処理した電極に酵素等を塗布し,酵素等と電極表面
との間に共有結合を形成せしめる方法などによって固定
化されてきた。然し乍ら.バイオセンサの性能は,再現
性,耐久性,高感度,応答速度等によって評価される
が,前者の方法では応答速度の点で難があり,後者の方
法では固定化密度を大きくすることが困難であった。ま
た,いずれの方法においても,固定化には数段階の繁雑
な工程を必要とし,亦ひとつの電極上に数種類の生体機
能物質電極を取り付けた多機能センサとするには困難が
あった。
[Prior Art] It is already known that a biosensor in which an enzyme, an antibody, a microorganism, or the like is immobilized on platinum or carbon surface can measure various chemical substances and biological substances quickly and continuously. In such a biosensor, the biofunctional substance is obtained by attaching a film containing the biofunctional substance on the electrode, or by applying an enzyme or the like to the electrode whose surface has been chemically treated, and then interposing the enzyme between the enzyme and the electrode surface. It has been immobilized by methods such as forming a covalent bond. However. The performance of biosensors is evaluated based on reproducibility, durability, high sensitivity, response speed, etc. However, the former method has difficulty in response speed, and the latter method has difficulty in increasing the immobilization density. Met. Also, in any of the methods, immobilization requires several complicated steps, and it is difficult to obtain a multifunctional sensor in which several types of biofunctional substance electrodes are mounted on one electrode.

また従来の固定化酵素電極は,クラーク型酸素電極,
或いは平板状の白金表面に酵素固定化膜を装着した構造
を有している。そして,その作製法としては,別途調製
した固定化酵素膜を白金電極に貼り合わせる方法,表面
を化学処理した平滑な電極に酵素を塗布し固定化する方
法などがある。然し乍ら,このような方法では微小化が
困難である。一方,この微小化技術として最近注目され
ているものが半導体集積化技術がある。この半導体技術
を用いる方法では,数mmのサイズの酵素電極も作製でき
るが,電位検出法であるので,感度及び応答などの面で
満足のゆく結果が得られていない上に,現在得られるサ
イズ以下のミクロ化もかなり困難視させている。
The conventional immobilized enzyme electrode is a Clark-type oxygen electrode,
Alternatively, it has a structure in which an enzyme-immobilized membrane is mounted on a flat platinum surface. As a method for producing the same, there are a method of attaching a separately prepared immobilized enzyme film to a platinum electrode, and a method of applying and immobilizing an enzyme on a smooth electrode whose surface is chemically treated. However, miniaturization is difficult with such a method. On the other hand, a semiconductor integration technology has recently attracted attention as this miniaturization technology. In this method using semiconductor technology, an enzyme electrode of several mm in size can be manufactured, but since it is a potential detection method, satisfactory results are not obtained in terms of sensitivity and response. The following microsizing is also considered very difficult.

[発明が解決しようとする問題点] 上記のような状況において,本発明者らは,従来のバ
イオセンサシステムと異なり,上記の従来のセンサの有
する難点を克服することを目的に,微小化生体機能物質
電極(以下,ミクロ電極と称する)を用いることによ
り,高速応答でかつ高感度で,極めて微量の試料であっ
ても測定できる分析システム及びそれによる分析方法を
提供する。
[Problems to be Solved by the Invention] Under the circumstances described above, the present inventors differed from the conventional biosensor system in that, for the purpose of overcoming the difficulties of the conventional sensors described above, By using a functional material electrode (hereinafter, referred to as a microelectrode), there is provided an analysis system capable of measuring a very small amount of a sample with high speed response and high sensitivity, and an analysis method using the same.

また、本発明は上記のミクロ電極を作用電極として利
用したミクロデバイスにより,極めて微量の試料を迅速
に測定できる高性能バイオセンシングシステムを提供す
ることを目的とする。即ち.本発明は、微量の試料に対
して,電位を印加した時に発生する電流を検知すること
により微量試料中の物質(例えばグルコース)を測定す
ることのできるバイオセンサ分析システムと方法を提供
することを目的とする。更に、本発明は,測定対象の液
量に依存しない分析システムと方法を提供することを目
的とする。また,本発明は,微小の酵素電極(ミクロ電
極)を微小表面に配置できるのでサンプル量を極めて少
なくすることもできる(例えば,最少量では1μl以内
でも測定可能である)バイオ分析システムを提供するこ
とを目的とする。更に,本発明は,ミクロ電極内部の酵
素分子によって生産された電極活性物質を直接検知する
ためにリアルタイムで計測のできるバイオ分析システム
を提供することを目的とする。また,本発明のバイオ分
析システムは,種々のボルタンメトリ検出法を適用でき
るので,試料が静止状態でもかまわずに測定ができるも
のである。本発明のバイオ分析方法は,電極活性物質検
出法なので,酸化酵素や脱水素酵素などの重要な酵素に
も適用できるものである。更に,本発明によるバイオ分
析システムは,酵素免疫分析用電極としても活用できる
ものである。
Another object of the present invention is to provide a high-performance biosensing system that can rapidly measure an extremely small amount of sample by using a microdevice using the above-mentioned microelectrode as a working electrode. That is. The present invention provides a biosensor analysis system and method capable of measuring a substance (eg, glucose) in a trace sample by detecting a current generated when a potential is applied to the trace sample. Aim. It is a further object of the present invention to provide an analysis system and method that do not depend on the amount of liquid to be measured. Further, the present invention provides a bioanalysis system in which a minute enzyme electrode (microelectrode) can be arranged on a minute surface, so that the sample amount can be extremely small (for example, a minimum amount can be measured within 1 μl). The purpose is to: Another object of the present invention is to provide a bioanalytical system capable of real-time measurement for directly detecting an electrode active substance produced by an enzyme molecule inside a microelectrode. Further, since the bioanalytical system of the present invention can apply various voltammetric detection methods, the measurement can be carried out irrespective of the sample being stationary. Since the bioanalytical method of the present invention is an electrode active substance detection method, it can be applied to important enzymes such as oxidase and dehydrogenase. Furthermore, the bioanalysis system according to the present invention can be used as an electrode for enzyme immunoassay.

[発明の構成] [問題点を解決するための手段] ここに、本発明の要旨とするものは、生体機能物質
を、電気化学的或いは無電解メッキ的に析出させた金属
微粒子層に含浸させることにより、該生体機能物質を該
微粒子層内部に取り込み或いは該金属微粒子表面に付着
せしめて、製作された金属微粒子物質表面層を有する生
体機能物質固定化微小電極を作用電極とし、パルス電位
印加手段及び、発生する過渡応答電流を測定する電流測
定装置を備え、発生電流の測定から対象物質の濃度を測
定することを特徴とする分析システムである。そして、
更に、不溶性高分子薄膜を、該金属微粒子表面上に形成
させ、該生体機能物質を安定化させた電極を用いること
が好適である。また、本発明は、生体機能物質を、電気
化学的或いは無電解メッキ的に析出させた金属微粒子層
に含浸させることにより、該生体機能物質を該微粒子層
内部に取り込み或いは該金属微粒子表面に付着せしめ
て、製作された金属微粒子物質表面層を有する生体機能
物質固定化微小電極を作用電極とし、定電位をかけたと
きに、発生する電流値を測定し、対象物質の濃度を決定
することを特徴とする分析方法を提供する。更に、不溶
性高分子薄膜を、該金属微粒子表面上に形成させ、該生
体機能物質を安定化させたことにより好適な分析方法を
提供できる。この生体機能物質を,導電性物質の微粒子
と一体化させる処理方法は,一つは,微小導電性物質の
表面に,導電性物質の微粒子を電気化学的に析出させな
がら,生体機能物質を吸着させるという一工程で成され
る。また,他の一つは,電気化学的に析出させた導電性
金属微粒子を,該生体機能物質の溶液に浸漬し,該生体
機能物質を微粒子内部に取り込んだ後,或いは表面に付
着せしめた後,直接該生体機能物質同志を架橋するか或
いは微粒子表面に高分子薄膜を形成することにより被覆
することで該生体機能物質の溶出を防止するという2工
程処理で成される。この該生体機能物質と微粒子電極と
の一体化により作製されたバイオ電極は,非常に微細な
サイズででき,且つ,その機能は大きなバイオ電極と同
じ能力を有することのできるもので,その構造は微粒子
導電性物質表面層を有し,生体機能物質の固定化された
微小電極である。このバイオ電極を,本発明ではミクロ
電極と称する。即ち,本発明は,このような生体機能物
質固定化ミクロ電極を利用することにより,それに一定
電位をパルス状にかけるときに,発生する電流値を測定
し,その値から,微量対象物質の濃度を決定することが
できることを見出したものである。
[Constitution of the Invention] [Means for Solving the Problems] The gist of the present invention is to impregnate a biofunctional substance into a fine metal particle layer deposited by electrochemical or electroless plating. In this way, the biofunctional substance is taken into the inside of the fine particle layer or adhered to the surface of the fine metal particle, and the biofunctional substance-immobilized microelectrode having the manufactured fine metal particle substance surface layer is used as a working electrode, and a pulse potential applying means is provided. An analysis system comprising a current measurement device for measuring a generated transient response current, and measuring a concentration of a target substance from measurement of the generated current. And
Further, it is preferable to use an electrode in which an insoluble polymer thin film is formed on the surface of the metal fine particles and the biofunctional substance is stabilized. Further, the present invention provides a method in which a biofunctional substance is impregnated into a metal fine particle layer deposited by electrochemical or electroless plating, thereby incorporating the biofunctional substance into the inside of the fine particle layer or adhering to the metal fine particle surface. At the very least, the fabricated biofunctional material-immobilized microelectrode having a surface layer of metal fine particle material was used as the working electrode, and when a constant potential was applied, the current value generated was measured to determine the concentration of the target substance. An analysis method is provided. Furthermore, a suitable analysis method can be provided by forming an insoluble polymer thin film on the surface of the metal fine particles and stabilizing the biofunctional substance. One of the processing methods to integrate this biofunctional material with the conductive material particles is to adsorb the biofunction material while electrochemically depositing the conductive material particles on the surface of the microconductive material. This is done in one step. The other is to immerse electrochemically deposited conductive metal fine particles in a solution of the biofunctional substance, to take the biofunctional substance into the microparticles, or to attach them to the surface. This is accomplished by a two-step process in which the biofunctional substances are directly crosslinked or coated by forming a polymer thin film on the surface of the fine particles to thereby prevent the elution of the biofunctional substances. The bioelectrode produced by integrating the biofunctional substance and the fine particle electrode can be formed in a very fine size and has the same function as a large bioelectrode. It is a microelectrode having a fine particle conductive material surface layer and immobilized biofunctional material. This bioelectrode is referred to as a microelectrode in the present invention. That is, the present invention measures the current value generated when a constant potential is applied to the microelectrode immobilized by using such a biofunctional substance-immobilized microelectrode, and determines the concentration of the trace target substance from the value. Can be determined.

本発明者らは,以前,白金黒化技術と酵素の電気化学
的吸着技術を利用することにより,微小で効率の良い酵
素電極(ミクロ電極)を作成することに成功し,特許出
願した(特開昭63年第222256号及び特開昭63年223556
号)。このミクロ電極は,高速応答性を有し,高感度の
ものである。
The present inventors have previously succeeded in producing a small and efficient enzyme electrode (microelectrode) by utilizing a platinum blackening technique and an electrochemical adsorption technique of an enzyme, and have applied for a patent. No. 222256 of 1988 and 223556 of 1988
issue). This microelectrode has high-speed response and high sensitivity.

本発明者らは,更に,研究を進めて,このすぐれた特
性のミクロ電極を利用して,極微量の試料中の微量物質
を分析できるバイオ分析システムと分析方法を見出した
ものである。即ち,このミクロ電極を作用電極として,
定電位印加法により極めて迅速に測定できるバイオセン
シングシステムが得られたものである。
The present inventors have further studied and found a bioanalytical system and an analytical method capable of analyzing a trace substance in an extremely small amount of a sample by using a microelectrode having such excellent characteristics. That is, using this microelectrode as a working electrode,
A biosensing system that can measure extremely quickly by a constant potential application method has been obtained.

本発明に利用する生体機能を有するミクロ電極は,白
金などからなる微小な電極の表面に酵素などの生体機能
物質を含浸させた導電性物質微粒子層を有する構造の電
極である。この電極は,本発明に利用するように,白金
黒を生体機能物質の担体とすることは,従来行なわれて
おらず(白金板を腐食により多孔質にしてそれに酵素な
どを架橋剤でつなぐ固定化法があるが),更に白金黒微
粒子のサイズを電気化学的にコントロールして,生体機
能物質を包括し固定化する方法は,従来なかったもので
ある。
The microelectrode having a biological function used in the present invention is an electrode having a structure in which a conductive material fine particle layer impregnated with a biological function material such as an enzyme is provided on the surface of a fine electrode made of platinum or the like. For this electrode, as in the present invention, platinum black has not been used as a carrier of a biofunctional substance, and it has not been conventionally used (a platinum plate is made porous by corrosion and an enzyme or the like is connected with a cross-linking agent. However, there has not been a method of electrochemically controlling the size of platinum black fine particles to cover and immobilize a biofunctional substance.

即ち.このミクロ電極作製において,生体機能物質の
直接固定化方法は,従来化学試薬(架橋剤)を使用しな
ければならなかった担体結合法ではなく,化学処理なし
でも生体機能物質の直接固定化が行なえるものである。
That is. In this microelectrode fabrication, the method for directly immobilizing a biofunctional substance is not the carrier binding method which had to use a chemical reagent (crosslinking agent) in the past, but the biofunctional substance can be directly immobilized without chemical treatment. Things.

本発明に利用するミクロ電極の1つの作製方法は,例
えば,白金線断面などの導電性物質上に直接に生体機能
物質を電着し,同時に金属塩を電解還元(電析)させ
て,導電性(例えば,金属)微粒子物質を生体機能物質
とともに析出させるものである。例えば,微小白金電極
上に白金微粒子を形成させつつ,生体機能物質を該微粒
子内の細孔に取り込んでいくことにより作製できる。細
孔の大きさ及び固定化される生体機能物質の量は,電流
密度,電析時間などを調製することによってコントロー
ルできる。このようにして得られた固定化生体機能物質
電極の機能は,長期にわたり保持できるものである。
One manufacturing method of the microelectrode used in the present invention is, for example, electrodeposition of a biofunctional substance directly on a conductive substance such as a cross section of a platinum wire, and at the same time, electrolytic reduction (electrodeposition) of a metal salt to form a conductive material. It is intended to precipitate fine particles (e.g., metal) together with biological functional substances. For example, it can be manufactured by incorporating a biofunctional substance into pores in the fine particles while forming platinum fine particles on the fine platinum electrode. The size of the pores and the amount of the immobilized biofunctional substance can be controlled by adjusting the current density, electrodeposition time, and the like. The function of the immobilized biofunctional substance electrode thus obtained can be maintained for a long time.

また,他のミクロ電極の作製法は,2段階処理によって
ミクロ電極を作製するものであり,例えば,細い白金線
(一般的には導電性物質)の上に白金黒などの導電性微
粒子層を作製し,その中に生体機能物質を固定化するも
のである。具体的には,導電性物質微粒子層を形成され
た電極を,生体機能物質の水溶液中に浸漬し,或いは,
それを塗布することにより含浸せしめ,次に生体機能物
質のわずかな溶出を防止し,かつ抗血栓性を付与するた
めに,アルブミンはヘパリンなどの高分子物質をその上
に含浸せしめ,これを架橋剤により不溶性化し,不溶性
高分子薄膜を形成したものである。このようにして作製
したミクロ電極は,酵素を包括固定化しており,所謂,
包括法を金属電極系に適用したものと考えることができ
るが,形成高分子膜は,厚さ数百Å程度以下の薄膜に仕
上げることができ,高分子膜の存在が,生体機能物質の
生体機能の発現の阻害要因になることはないものであ
る。
Another method of fabricating a microelectrode is to fabricate a microelectrode by a two-step process. For example, a conductive fine particle layer such as platinum black is formed on a thin platinum wire (generally a conductive material). It is to manufacture and immobilize the biofunctional substance in it. Specifically, the electrode on which the conductive substance fine particle layer is formed is immersed in an aqueous solution of a biological functional substance, or
By applying it, it is impregnated. Then, in order to prevent slight elution of biofunctional substances and to provide antithrombotic properties, albumin is impregnated with high-molecular substances such as heparin and cross-linked. It is insolubilized by an agent to form an insoluble polymer thin film. The microelectrode fabricated in this way entraps and immobilizes the enzyme.
It can be considered that the inclusive method is applied to the metal electrode system. However, the formed polymer film can be formed into a thin film with a thickness of several hundred mm or less. It does not become a factor inhibiting the expression of the function.

従って,上記のように作製されるミクロ電極のサイズ
は,白金線に直径に依存し,細い白金線を用いると,従
来考えられない程度の極小サイズのバイオ電極が得られ
る。ミクロオーダーのサイズのバイオ電極の作製も容易
であり,この場合医療などへの応用,例えば身体内に埋
め込んで使用する場合,都合が良く,また極小サイズの
電極では,サンプル室の非常に小さい分析装置を作製で
き,微量サンプルの分析が可能になり,また迅速測定,
高い応答性の分析装置が得られる。更に,比較的に大き
なサイズの電極を作製すると,大きな検出出力が得られ
る分析装置を作製できる。
Therefore, the size of the microelectrode manufactured as described above depends on the diameter of the platinum wire, and if a fine platinum wire is used, an extremely small bioelectrode that cannot be considered conventionally can be obtained. It is easy to produce bioelectrodes of micro order size. In this case, it is convenient for medical applications, for example, when implanted in the body, and very small electrodes make very small analysis of the sample chamber. Equipment can be manufactured, analysis of a small amount of sample becomes possible, rapid measurement,
A highly responsive analyzer can be obtained. Further, when an electrode having a relatively large size is manufactured, an analyzer capable of obtaining a large detection output can be manufactured.

以上のミクロ電極の作製において,最初の導電性物質
と,その上に析出すべき微粒子の(即ち多孔質の)導電
性物質,即ち,微粒子金属とは同じ材料である必要はな
く,例えばグラファイトの上に白金黒の析出を行なわせ
た構造のものでもよい。また,白金の代わりに,金,ロ
ジウムなどの「導電性物質」を多孔質導電性物質として
使用出来,「導電性物質」の微粒子層を導電性物質表面
に形成することができるものは,他の障害にない限り好
適に本発明において使用できる。
In the fabrication of the microelectrode described above, the first conductive material and the fine-particle (ie, porous) conductive material to be deposited thereon, that is, the fine-particle metal, need not be the same material. A structure in which platinum black is deposited thereon may be used. In addition, instead of platinum, a conductive material such as gold or rhodium can be used as the porous conductive material, and a fine particle layer of the conductive material can be formed on the surface of the conductive material. The present invention can be suitably used as long as there is no obstacle.

更に,このミクロ電極の白金黒による電極は,円板
状,球状,チューブ状などの多様な形状に形成できるも
のであるから,バイオセンサとして,測定,その他の要
請条件に従う形状にでき,他の用途にも用いられうるも
のである。
Furthermore, since the platinum electrode of the microelectrode can be formed into various shapes such as a disk shape, a spherical shape, and a tube shape, it can be formed into a shape according to measurement and other requirements as a biosensor. It can also be used for applications.

更に,本発明により利用するミクロ電極は,蛋白質,
多糖類などの高分子物質を塗布し架橋剤で架橋した薄膜
を形成し,生体適合性の付与,性能の維持,生体機能物
質の溶出を最少にすることもできる。
Further, the microelectrodes utilized according to the present invention may be proteins,
It is also possible to apply a high molecular substance such as a polysaccharide and form a thin film cross-linked with a cross-linking agent to impart biocompatibility, maintain performance, and minimize elution of a biofunctional substance.

ここにおいては,「生体機能物質」とは,酵素,抗体
に代表されるもので,各種の触媒,微生物菌体,増殖微
生物,オルガネラ,抗原,抗体,ハプテンなどを含むも
のである。
Here, the "biofunctional substance" is represented by enzymes and antibodies, and includes various catalysts, microbial cells, proliferating microorganisms, organelles, antigens, antibodies, haptens, and the like.

また,本発明に利用するバイオ電極を被覆するために
付加的に使用できる高分子物質には,アルビミンなどの
蛋白質;イオン交換樹脂;或いはヘパリンなどの多糖類
などが挙げられる。架橋剤としては,使用する高分子物
質に対して適する架橋剤があり,例えば,アルブミンに
対しては,グルタールアルデヒド,またカルボジイミ
ド,マレイミド架橋剤などが用いられる。
In addition, examples of the polymer substance that can be additionally used to coat the bioelectrode used in the present invention include proteins such as albumin; ion exchange resins; and polysaccharides such as heparin. As the cross-linking agent, there is a cross-linking agent suitable for the polymer substance to be used. For example, for albumin, glutaraldehyde, carbodiimide, maleimide cross-linking agent and the like are used.

以上において,ミクロ電極における,多孔質(微粒
子)導電性物質の析出法は,電解析出で,説明したが,
無電解法で行なうこともできることは明らかである。
In the above, the deposition method of the porous (fine particle) conductive material in the microelectrode was explained by electrolytic deposition.
Obviously, it can be performed by an electroless method.

本発明による分析法は,高速応答で,高感度,且つ,
小型のバイオセンシングシステムが実用化されたもので
あり,バイオセンサのミクロ化,多機能化などの多項目
計測が要求される臨床化学分析,携帯型の健康監視シス
テムの開発に,極めて重要な技術となろう。
The analysis method according to the present invention has a fast response, high sensitivity, and
A small biosensing system has been put into practical use. It is a very important technology for clinical chemistry analysis, which requires multi-item measurement such as microscopic and multifunctional biosensors, and the development of a portable health monitoring system. Let's be.

第1図は,微小酵素(グルコース・オキシダーゼ)デ
バイス1で,直径が例えば,約1μm〜500μmにでき
るミクロ電極を作用電極1とし,白金線の対極2と銀・
塩化銀を参照電極3に用いる構成のミクロデバイス6を
示す。以上の三電極,ミクロ電極1,対極2と参照電極3
は,テフロン樹脂5の穴の中に樹脂4で固められ,固定
されたものである。このようなミクロデバイス6は,細
い金属線を3本封入固定しただけの構造であるから,非
常に微小なサイズのデバイスにできる。
FIG. 1 shows a microenzyme (glucose oxidase) device 1 in which a microelectrode having a diameter of, for example, about 1 μm to 500 μm is defined as a working electrode 1, and a counter electrode 2 of a platinum wire and a silver electrode.
A micro device 6 having a configuration using silver chloride for the reference electrode 3 is shown. The above three electrodes, microelectrode 1, counter electrode 2 and reference electrode 3
Is fixed with resin 4 in the hole of Teflon resin 5 and fixed. Since such a micro device 6 has a structure in which only three thin metal wires are enclosed and fixed, a device having a very small size can be obtained.

このミクロ電極に対しては,例えば,微量,例えば1
μlの試料でも測定可能である。即ち,微量試料を滴下
した後にパルス電位を印加し,このときに発生する電流
値を検知する方式によって,微量試料中の物質を検知で
きるものである。
For this microelectrode, for example,
It can be measured even with μl of sample. That is, a substance in the trace sample can be detected by a method of applying a pulse potential after dropping the trace sample and detecting a current value generated at this time.

従って,本発明ではミクロ電極内部で生体機能物質例
えば酵素分子によって生産された電極内の活性物質を直
接に検知するためにリアルタイムで計測ができる。
Therefore, in the present invention, real-time measurement can be performed in order to directly detect a biologically functional substance, for example, an active substance in an electrode produced by an enzyme molecule inside the microelectrode.

更に,以上の構造の電極で種々のボルタンメトリ検出
法を適用できるので試料は,静止状態でもかまわずに測
定可能である。
Further, since various voltammetric detection methods can be applied to the electrode having the above structure, the sample can be measured irrespective of the stationary state.

また,電極内での活性物質検出法であるので,酸化酵
素や脱水素酵素などの重要な生体機能物質にも適用でき
るバイオ分析システムである。
In addition, since it is a method for detecting an active substance in an electrode, it is a bioanalysis system that can be applied to important biological functional substances such as oxidase and dehydrogenase.

本発明を以下実施例によって,詳細に説明するが,本
発明はそれによって限定されるものではない。
The present invention will be described in detail with reference to examples below, but the present invention is not limited thereto.

[実施例1] 製造方法 1μm〜500μm径の範囲の種々の微小白金線,200μ
m径の対極用の白金線,そして500μm〜1mm径程度の銀
線を樹脂4で封入した後に,微小白金線表面をアルミナ
パウダーで研磨した。この研摩白金表面に対し,酵素の
固定化は次の2つの方法で行なった。
[Example 1] Manufacturing method Various fine platinum wires having a diameter of 1 µm to 500 µm, 200 µm
After encapsulating a platinum wire having a diameter of m for the counter electrode and a silver wire having a diameter of about 500 μm to 1 mm with the resin 4, the surface of the fine platinum wire was polished with alumina powder. The enzyme was immobilized on the polished platinum surface by the following two methods.

(A)塩化白金酸(33mg),酢酸鉛(0.6mg)とグルコ
ースオキシダーゼ(10mg)を含む溶液(pH3.5)1ml中
で,定電位(−0.2V)或いは定電流(−5μA)で10分
間電解して,グルコースオキシダーゼ含浸白金黒を析出
させた。
(A) In a 1 ml solution (pH 3.5) containing chloroplatinic acid (33 mg), lead acetate (0.6 mg) and glucose oxidase (10 mg) at a constant potential (-0.2 V) or a constant current (-5 μA). The mixture was electrolyzed for a minute to precipitate glucose oxidase-impregnated platinum black.

(B)300ppmの酢酸鉛含有の3%塩化白金酸溶液中に浸
し,電流値−50μAで10分間白金黒の電気析出を行い,
厚さ約数μmの白金黒を得た。次に,得られた白金黒析
出電極を25℃で60秒間乾燥した後に,0.5M硫酸水溶液中
で−0.3Vに30分間保持し,白金黒析出電極から水素を発
生させた。次に、20℃,60秒間風乾した後に,5500単位の
グルコースオキシダーゼ含有燐酸緩衝液(pH6.8)1mlに
20分間浸漬し,再度風乾した。
(B) immersed in a 3% chloroplatinic acid solution containing 300 ppm of lead acetate, and electro-deposited platinum black at a current value of −50 μA for 10 minutes;
Platinum black having a thickness of about several μm was obtained. Next, after the obtained platinum black deposition electrode was dried at 25 ° C. for 60 seconds, it was kept at −0.3 V for 30 minutes in a 0.5 M aqueous sulfuric acid solution to generate hydrogen from the platinum black deposition electrode. Next, after air-drying at 20 ° C. for 60 seconds, 5 ml of glucose oxidase-containing phosphate buffer (pH 6.8) was added to 1 ml.
Immerse for 20 minutes and air dry again.

次に,以上のようにして得られたミクロ電極を有する
ミクロデバイス6において,銀線を銀・塩化銀参照電極
とした後に、このようにして作製した三電極よりなるミ
クロデバイス6を,0.1M燐酸緩衝液中で一昼夜撹拌し洗
浄し,本発明に用いる三電極系ミクロデバイスを得た。
Next, in the microdevice 6 having the microelectrode obtained as described above, the silver wire was used as a silver / silver chloride reference electrode, and the microdevice 6 composed of the three electrodes thus prepared was replaced with 0.1 M The mixture was stirred and washed for 24 hours in a phosphate buffer to obtain a three-electrode microdevice used in the present invention.

[実施例2] グルコース濃度の測定 この三電極系ミクロデバイスにグルコース試料20μl
を滴下した後,0.6Vの電位を印加した。この時発生する
ピーク電流値とグルコース濃度との関係を調べた。次
に,10mMのグルコースを含む試料の液量を変えて,ピー
ク電流値と液量との関係を調べた。即ち.各種濃度のグ
ルコース試料を滴下し,0.6Vの電位を印加した。その結
果は,第2図に示すような応答が見られた。
[Example 2] Measurement of glucose concentration A glucose sample of 20 µl was added to this three-electrode micro device.
After dropping, a potential of 0.6 V was applied. The relationship between the peak current value generated at this time and the glucose concentration was examined. Next, the relationship between the peak current value and the solution volume was examined by changing the volume of the sample containing 10 mM glucose. That is. Various concentrations of glucose samples were dropped, and a potential of 0.6 V was applied. As a result, a response as shown in FIG. 2 was observed.

即ち,0.6Vの電位をかけると,第2図右図のごとき電
流を発生した。グルコースを含有しないときは,第2図
の左図に示すような電流が生じ,10mMグルコースを含む
リン酸緩衝液(50mM,pH7.0,50mMNaCl)を標準試料とし
た時は,第2図の右図に示すような応答電流が生じた。
That is, when a potential of 0.6 V was applied, a current as shown in the right diagram of FIG. 2 was generated. When glucose is not contained, a current as shown in the left diagram of FIG. 2 is generated. When a phosphate buffer solution (50 mM, pH 7.0, 50 mM NaCl) containing 10 mM glucose is used as a standard sample, the current shown in FIG. The response current as shown in the right figure occurred.

即ち,第2図から明らかなように,電位印加にともな
い直ちに応答電流が発生し,急速に減衰することが分か
る。このことは,電極内部のグルコース酸化酵素によっ
て生成された過酸化水素が電位印加にともない直ちに酸
化されることを示している。電位印加を繰り返すと数回
目からピーク電流が一定になることが分かった。
That is, as is apparent from FIG. 2, a response current is generated immediately with the application of the potential, and rapidly attenuates. This indicates that the hydrogen peroxide generated by the glucose oxidase inside the electrode is immediately oxidized with the application of the potential. It was found that the peak current became constant from several times when the potential application was repeated.

一方,リン酸緩衝液でも同様の挙動が観測されたもの
の,ピーク電流値は小さかった。そこで各種グルコース
濃度に対するピーク電流値を測定し,グルコース含有な
しのリン酸緩衝液で得られたピーク電流値(即ち.ブラ
ンク値)との差をとり,グルコース濃度との関係を調べ
た。その結果は,第3図に示すものである。即ち,グル
コース濃度が1〜100mMの範囲に変化するときに,ピー
ク電流値との間に第3図に示すような測定曲線が得られ
ることが分かった。
On the other hand, the same behavior was observed with the phosphate buffer, but the peak current value was small. Therefore, the peak current value for each glucose concentration was measured, and the difference from the peak current value (ie, blank value) obtained with the phosphate buffer containing no glucose was determined to examine the relationship with the glucose concentration. The result is shown in FIG. That is, it was found that when the glucose concentration was changed in the range of 1 to 100 mM, a measurement curve as shown in FIG. 3 was obtained between the glucose concentration and the peak current value.

また,本発明による酵素分析システムでは,微量の静
止試料に対しては,リアルタイムで濃度を計測できるこ
とが示された(ミリ秒オーダーで微量試料から特定物質
を測定できる)。
Further, it has been shown that the enzyme analysis system according to the present invention can measure the concentration of a small amount of a stationary sample in real time (a specific substance can be measured from a small amount of a sample in the order of milliseconds).

[実施例3] 液量依存性試験 10mMのグルコース標準試料を各々2,5,10,15,20μlを
取りミクロバイオセンサーシステムに滴下した後,電位
0.6Vの定電位を印加したときの,発生電流を測定した。
その結果,第4図に示すものが得られた。即ち.得られ
るピーク電流は,試料の液量に依存しないことが分かっ
た。
[Example 3] Liquid volume dependency test After taking 2,5,10,15,20 µl of a 10 mM glucose standard sample and dropping it into a microbiosensor system, the potential was measured.
The generated current when a constant potential of 0.6 V was applied was measured.
As a result, the one shown in FIG. 4 was obtained. That is. It was found that the obtained peak current did not depend on the liquid volume of the sample.

以上の結果により,本発明による分析システム及び方
法では,その計測において測定試料の一部だけの検知に
よって,測定でき,静止状態の試料全体の情報を取り出
しえることが示された。
The above results show that in the analysis system and method according to the present invention, the measurement can be performed by detecting only a part of the measurement sample in the measurement, and the information of the whole sample in a stationary state can be extracted.

以上のように本発明による分析システム及び方法で
は,試料を撹拌する必要がなく,そのために,体内バイ
センシグシステム,或いは携帯型バイオセンサーとして
の利用できる可能性を示している。
As described above, in the analysis system and method according to the present invention, it is not necessary to stir the sample, and therefore, it is possible to use it as an in-vivo bisensing system or a portable biosensor.

本発明によるバイオ分析システムでは,対流容器で
も,バッチ式でも,静置式と同様に高速応答で迅速に高
感度で測定できることは言うまでもない。
It goes without saying that in the bioanalytical system according to the present invention, measurement can be performed quickly and with high sensitivity in a convection vessel or in a batch system, with a high-speed response as in the stationary system.

[発明の効果] 本発明の分析システム及び方法は,次のような顕著な
技術的な効果を奏したものである。
[Effects of the Invention] The analysis system and method of the present invention have the following remarkable technical effects.

第1に、応答が非常に迅速で,感度よく,静止試料でも
測定検出できる高性能バイオセンシグが提供できる。
First, it is possible to provide a high-performance biosensing which has a very quick response, high sensitivity, and can measure and detect even a stationary sample.

第2に、微小な酵素電極(即ち,ミクロ電極),対極及
び基準電極を微小表面に配置できるのでサンプル量を極
めて少なくすることができ,従って,非常に微量な試料
でも迅速に,応答性よく測定できる分析システムと方法
が提供される。
Secondly, since a minute enzyme electrode (ie, microelectrode), counter electrode and reference electrode can be arranged on a minute surface, the amount of sample can be extremely small, and therefore, even a very small amount of sample can be quickly and responsively. Analytical systems and methods that can be measured are provided.

第3に,内部の酵素分子のよって生産された電極活性物
質を直接に検知するためにリアルタイムで計測できるシ
ステムを提供できる。
Third, it is possible to provide a system capable of real-time measurement for directly detecting an electrode active substance produced by an internal enzyme molecule.

第4に,種々のボルタンメトリ検出法を適用できのでサ
ンプルは静止状態でも感度よく,検出できる分析システ
ムを提供できる。
Fourth, since various voltammetric detection methods can be applied, an analysis system capable of detecting a sample with high sensitivity even when the sample is in a stationary state can be provided.

第5に,電極活性物質検出法なので,酸化酵素や脱水素
酵素などの重要な酵素,生体機能物質にも適用できる。
Fifth, since it is an electrode active substance detection method, it can be applied to important enzymes such as oxidase and dehydrogenase, and biological functional substances.

第6に,体内バイセンシングシステム,或いは携帯型バ
イオセンサーとしても利用できるバイオ分析システムを
提供できる。
Sixth, it is possible to provide a bioanalysis system that can be used as an in-vivo bisensing system or a portable biosensor.

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

第1図は,本発明による分析システムに用いる三電極系
のミクロデバイスの構造と製法を説明する説明図であ
る。 第2図は,本発明により定電位をかけた時の発生電流を
示すグラフである。 第3図は,本発明のミクロ分析システムによるグルコー
ス濃度と発生電流値の関係を示すグラフである。 第4図は,本発明による分析システムによるグルコース
試料の容量とピーク電流値の関係を示すグラフである。 [主要な部分の符号の説明] 1……作用極(ミクロ電極) 2……対極 3……参照電極 4……樹脂 5……テフロン(登録商標) 6……ミクロデバイス
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the structure and manufacturing method of a three-electrode microdevice used in the analysis system according to the present invention. FIG. 2 is a graph showing a current generated when a constant potential is applied according to the present invention. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the glucose concentration and the generated current value by the micro analysis system of the present invention. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the capacity of a glucose sample and the peak current value by the analysis system according to the present invention. [Explanation of Signs of Main Parts] 1 working electrode (micro electrode) 2 counter electrode 3 reference electrode 4 resin 5 Teflon (registered trademark) 6 micro device

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】生体機能物質を、電気化学的或いは無電解
メッキ的に析出させた金属微粒子層に含浸させることに
より、該生体機能物質を該微粒子層内部に取り込み或い
は該金属微粒子表面に付着せしめて、製作された金属微
粒子物質表面層を有する生体機能物質固定化微小電極を
作用電極とし、パルス電位印加手段及び、発生する過渡
応答電流を測定する電流測定装置を備え、発生電流の測
定から対象物質の濃度を測定することを特徴とする分析
システム。
1. A biofunctional substance is impregnated into a metal fine particle layer deposited electrochemically or by electroless plating so that the biofunctional substance is taken into the fine particle layer or adhered to the surface of the metal fine particles. And a pulse potential applying means, and a current measuring device for measuring a generated transient response current. An analytical system characterized by measuring the concentration of a substance.
【請求項2】更に、不溶性高分子薄膜を、該金属微粒子
表面上に形成させ、該生体機能物質を安定化させたこと
を特徴とする請求項1に記載の分析システム。
2. The analysis system according to claim 1, further comprising forming an insoluble polymer thin film on the surface of the metal fine particles to stabilize the biofunctional substance.
【請求項3】生体機能物質を、電気化学的或いは無電解
メッキ的に析出させた金属微粒子層に含浸させることに
より、該生体機能物質を該微粒子層内部に取り込み或い
は該金属微粒子表面に付着せしめて、製作された金属微
粒子物質表面層を有する生体機能物質固定化微小電極を
作用電極とし、定電位をかけたときに、発生する電流値
を測定し、対象物質の濃度を決定することを特徴とする
分析方法。
3. A biofunctional substance is impregnated in a metal fine particle layer deposited electrochemically or by electroless plating, so that the biofunctional substance is taken into the fine particle layer or adhered to the surface of the metal fine particles. The microelectrode with a biofunctional substance immobilized on it has a surface layer made of metal microparticles, which is used as the working electrode.When a constant potential is applied, the current value generated is measured to determine the concentration of the target substance. Analysis method.
【請求項4】更に、不溶性高分子薄膜を、該金属微粒子
表面上に形成させ、該生体機能物質を安定化させたこと
を特徴とする請求項3に記載の分析方法。
4. The analysis method according to claim 3, further comprising forming an insoluble polymer thin film on the surface of the metal fine particles to stabilize the biofunctional substance.
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