JP2796983B2 - グルコースセンサ - Google Patents

グルコースセンサ

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は酵素電極を用いて電流法(アンペロメトリッ
ク法)により基質濃度を測定する酵素センサに関し、特
に粘土(モンモリロナイト)の薄膜中に構造的に取り込
まれている2価の鉄イオンの還元触媒作用を利用した酵
素センサ、特にグルコースセンサに関する。
[従来の技術] 酵素センサは、主に臨床化学分析に用いられ、測定対
象としてグルコース(ブドウ糖)、尿素、中性およびリ
ン脂質等に対するものが実用化されている。例えば、測
定対象がグルコースの場合の酵素反応は次式により表わ
される。
すなわち、β−D−グルコースは、β−D−グルコー
スオキシダーゼ(GOx)の作用により、酸素(O2)を消
費して有機酸(グルコノラクトン)と過酸化水素(H
2O2)を生成する。したがって、過酸化水素やグルコノ
ラクトンの発生量、あるいは酸素消費量よりグルコース
濃度を測定できるものである。
ところで、従来、過酸化水素の発生量により、グルコ
ース濃度を測定する場合には、生成した過酸化水素を金
属電極で酸化し、その酸化電流を測定したり、あるいは
還元して還元電流を測定したりする方法が用いられてい
る。しかし、これらの酸化還元電流は、酸素の影響を受
けたり、また従来の検出電極では、その表面状態の変化
の影響を受けやすい。また、電気化学的手法による測定
原理では、電極基体/液/酵素固定膜/被検出液から成
るセンサ構成であり、電極と膜との間に存在する液によ
りセンサの微小化が困難である。
さらに、従来、他の測定方法として、 (1)カタラーゼにより過酸化水素を酸素と水に分解
し、その酸素の量を測定するか、 (2)酵素(ペルオキシダーゼ)や無機触媒(モリブデ
ン)等の潜在下でヨウ化物イオンを酸化し、次の反応を
行わせることによりヨウ素の量を測定し、これにより間
接的に過酸化水素の量を測定する方法がある。
[発明が解決しようとする課題] 上述のように従来、過酸化水素の発生量によりグルコ
ース濃度を測定する場合には、酸素の消費量またはヨウ
素の発生量を測定し、その量により間接的に過酸化水素
の発生量を得ていた。
しかしながら、このように2段階の反応により測定す
る方法では、グルコース等を過酸化水素に分解するため
の酵素電極の他に酸素またはヨウ素を測定するための電
極が別途必要であり、測定が極めて煩雑であるとともに
測定時間が長くなるという問題があった。一方、従来の
電気化学的方法では、前述のようにセンサが内部液を含
むため、測定液の汚染や微小化が困難であるという問題
があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであっ
て、グルコースの基質濃度を簡易かつ短時間に測定する
ことができるとともに、汚染のおそれもなく、かつ微小
化も実現可能なグルコースセンサを提供することを目的
とする。
[課題を解決するための手段] 上記従来の課題を解決するために、本発明に係るグル
コースセンサは、導電性基体と、該導電性基体の少なく
とも一部を被覆するとともに、電子移動媒体および2価
の鉄イオンを含む化合物を有するとともに過酸化水素の
還元反応を行う還元機能層と、該還元機能層の少なくと
も一部を被覆する酵素固定化層とを備えるとともに、前
記電子移動媒体としては、[Ru(NH33+または[R
u(NH35X](ただし、Xはピリジン、ハロゲンイオ
ン、ニコチンアミドまたは結晶水を表わす。)で示され
るものが用いられる。
[作 用] すなわち、本発明のグルコースセンサは、還元機能層
内の電子移動による還元触媒反応を利用するもので、例
えば第1図にその構造を示すような粘土(ナトリウム塩
モンモリロナイト)に含まれるナトリウム塩と、電子移
動媒体としての[Ru(NH33+錯体とを交換置換さ
せ、この[Ru(NH33+を見かけ上粘土層中に固定
化し、この上に酵素固定化層を被着した複合構造を有し
ている。したがって、グルコース液に接触させると、こ
のとき前述の(1)式で示したようにクルコースの酸化
反応により生成される過酸化水素が、粘土層中に構造的
に取り込まれている鉄イオンの2価により水まで還元さ
れ、これにより導電性基体中に還元電流が生じる。この
電流値は、グルコースの濃度と比較関係にあり、したが
って当該電流値を測定することにより、グルコースの濃
度を測定することができる。なお、第1図(a)(b)
中において、○は酸素、◎は水素、●はアルミニウムま
たはマグネシウム、および・はシリコンまたはアルミ
ニウムの原子をそれぞれ示している。
第1図は上記酵素固定化層におけるグルコースの酸化
反応と、還元機能層中の[Ru(NH33+錯体と2価
の鉄イオンの還元触媒反応とによるグルコース濃度の測
定原理の概略を示すものである。
なお、酵素濃度の測定には電流(アンペロメトリッ
ク)法が用いられるもので[Ru(NH33+錯体の構
造式中のXを変えることにより過酸化水素の還元電流値
を変えることが可能である。
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面を参照して具体的に説明
する。
(実施例1) 導電性カーボン(UCC社製,BPG)を、直径約1mmφの円
筒状に切削し、その一方の端面を銀ペーストで銅線(リ
ード線)と接着させ、またこのカーボン筒の側面を熱収
縮チューブ(ペンジェクト社製テフロンチューブ,登録
商標PENNTUBEWTH)で固定し、隙間に絶縁性エポキシ樹
脂(スリーボンド社製,TB2067)を充填し熱固化させ
て、カーボン電極を作成した。
次いで、このカーボン電極を粘土(モンモリロナイ
ト)溶液(濃度0.5重量%)により約1μm膜厚で被覆
した。そして、やや乾燥させた後(完全乾燥ではひびが
発生する)、この電極を0.2mMの[Ru(NH33+錯体
を含む0.1Mリン酸緩衝液(pH=7.00)の混合溶液中に浸
し、溶液を窒素雰囲気にしてから、+0.2〜−0.6V(対
飽和塩化ナトリウムカロメロ電極:SSCE)の範囲で掃引
させ、粘土中に[Ru(NH33+錯体を取り込ませた
(5分間)。
次に、当該カーボン電極を乾燥させた後、マイクロシ
リンジにて酵素溶液を電極上に滴下し、均一にこれら溶
液を引き伸し、架橋反応を行わせて酵素を固定化した。
なお、酵素溶液は次の通りとした。
a)4mg/mlグルコースオキシダーゼ(GOx)+15%牛血
清アルブミンと50mMリン酸緩衝液(pH=7.00) 1.0μ
b)25重量%グルタルアルデヒド溶液 1.2μ 次いで、5×10-2mMの[Ru(NH33+錯体を含む
0.1Mリン酸緩衝液(pH=7.00)溶液中に15分間浸した
後、未反応のグルコースオキシダーゼを取り除くため
に、10重量%グリシン溶液中に2分間浸した。
実験例1 グルコース濃度を測定するための実験を行った。すな
わち、1.6×10-2Mの[Ru(NH33+錯体を含む0.1M
リン酸緩衝液(pH=7.00)の混合溶液をセル(容積25m
l)中に入れ、この中の溶液を窒素ガスで十分置換させ
た。作用極、対極(白金網)、基準極(飽和塩化ナトリ
ウムカロメロ電極:SSCE)から成る三電極セルを用い
て、定電位電流法によりグルコース濃度の測定を行っ
た。この場合、一定電位(−0.18V対SSCE)条件下にお
いて、還元電流値(95%以上のほぼ飽和還元電流値)を
測定する方法で行った。
実験例2 実施例1において作製した導電性カーボン/粘土層
(膜厚1μm)/酵素固定化膜(膜厚0.3μm)からな
る酵素センサを実験例1で述べた三電極構成を組んで、
サイクリックボルタンメトリーを行った。
実験には、測定液として、1.16×10-2mM[Ru(NH3
3+錯体を含むリン酸緩衝液(pH=7.00)の混合溶液
を用い、印加電圧は掃引速度200mV/秒で、−0.6〜0.2V
(対SSCE)の間で掃引させた。このときのサイクリック
ボルタモグラムを第3図に示す。波形および酸化ピーク
電位:−0.2V(対SSCE)と還元ピーク電位:−0.27V
(対SSCE)の値から、この錯体の酸化還元反応が可逆的
であることを示している。
次に、この測定系に、グルコースを添加し、グルコー
スオキシダーゼの働きにより生成する過酸化水素を電極
被覆層である粘土の表面で還元させ、このとき還元電流
値を求めた(但し、電位は−0.18V(対SSCE)で一
定)。測定は酸素雰囲気下で行った。
グルコース濃度(2〜80mg/dl)変化に対応する電流
値変化を第4図(a),(b)に示す。また、このとき
のグルコース濃度と電流値の関係を第5図に示す。第5
図中、○は第4図(a)、●は第4図(b)にそれぞれ
対応し、また□は空気雰囲気中で測定したものを示すも
のである。
測定結果によれば、酸素雰囲気下では、グルコース濃
度が50mg/dl付近までは、その濃度と還元電液値とはほ
ぼ直線性を示している。一方、空気雰囲気下で測定した
場合、グルコース濃度は約20mg/dl以上では電流値が飽
和に到達することが明らかとなった。
なお、一定電位値を−0.27V(対SSCE)として還元電
流値を測定すると、還元電流値が時間に対して減少する
方向に表示された。したがって、本実験では、還元電流
値がグルコースの分解反応に比例して生成する、過酸化
水素の還元電流に応答する電位として、−0.18V(対SSC
E)を選んだ。
以上のことから、グルコースオキシダーゼの酵素反応
により生成した過酸化水素を[Ru(NH32+錯体を
取り込んだ粘土(ナトリウム塩モンモリロナイト)で還
元させることにより、グルコースを定量できることが明
らかになった。
[発明の効果] 以上説明したように本発明に係るグルコースセンサに
よれば、電子移動媒体および2価の鉄イオンを含む化合
物を有する還元機能層と、該還元機能層を被覆する酵素
固定化膜との2層の固定膜構造とし、酵素固定化膜にお
いてグルコース等を分解して生成する過酸化水素を、還
元機能層中の電子移動媒体および2価の鉄イオンにより
還元させるようにするとともに、電子移動媒体として構
造式が、 [Ru(NH33+または[Ru(NH35X](ただし、X
はピリジン、ハロゲンイオン、ニコチンアミドまたは結
晶水を表わす。)を用いるようにしたので、構造が簡素
化されるとともに、測定が極めて容易となり、また測定
時間の短縮化を図ることもできる。さらに、酵素固定膜
の形成に電解反応法、ディッピング法、スピンコート法
等が適用できるので、電極基板の大きさが微小であって
も膜被覆が可能であり、その上固体電極構成であり、従
来のような内部液室等が不要であるため、測定液の汚染
のような問題がない。また、超微小電極の作製も可能と
なり、特に医療分野のセンサとしてその利用度が極めて
高くなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係るグルコースセンサに適用
されるモンモリロナイトの構造図、第2図は本発明の基
本原理を示す概略構成図、第3図は本発明の実施例に係
る酵素電極のサイクリックボルタモグラムを示す図、第
4図は同じくグルコース濃度に対応する電流値の変化を
示す図、第5図は第4図の特性値に基づいてグルコース
濃度と電流値との関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/327

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性基体と、該導電性基体の少なくとも
    一部を被覆するとともに、電子移動媒体および2価の鉄
    イオンを含む化合物を有するとともに過酸化水素の還元
    反応を行う還元機能層と、該還元機能層の少なくとも一
    部を被覆する酵素固定化層とを備えるとともに、前記電
    子移動媒体は、構造式が、 [Ru(NH33+または[Ru(NH35X] (ただし、Xはピリジン、ハロゲンイオン、ニコチンア
    ミドまたは結晶水を表わす。)であることを特徴とする
    グルコースセンサ。
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