JP3102613B2 - バイオセンサ - Google Patents
バイオセンサInfo
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Description
いて、迅速かつ高精度な定量を簡便に実施することので
きるバイオセンサに関する。
ンサについて説明する。酵素電極を用いたスクロースの
定量方法としては、インベルターゼ(EC3.2.1.
26:以下INVと略す)、ムタロターゼ(EC5.
1.3.3:以下MUTと略す)、グルコースオキシダ
ーゼ(EC1.1.3.4:以下GODと略す)の3つ
の酵素と酸素電極あるいは過酸化水素電極とを組み合わ
せた方式が一般によく知られている(例えば、鈴木周一
編「バイオセンサー」講談社)。上記方法について説明
する。試料中のスクロースはINVによってα−グルコ
ースとフルクトースに加水分解される。つぎにMUTに
よってα−グルコースからβ−グルコースへの異性化が
促進され、このβ−グルコースがGODにより選択的に
酸化される。酸素の存在下では、前記GODによる酸化
反応過程において酸素が過酸化水素に還元される。この
ときの酸素減少量を酸素電極によって計測するか、ある
いは過酸化水素の増加量を過酸化水素電極によって計る
ことでスクロースの定量を行うものである。
を電子受容体として機能させる方式について説明する。
この方式のバイオセンサとして、試料液の希釈や攪拌な
どを行うことなく簡易に定量しうる方法が提案されてい
る(特開平3−54447号公報)。このバイオセンサ
は、絶縁性の基板上にスクリーン印刷等の方法で電極系
を形成し、上記電極系上に親水性高分子と酸化還元酵素
を含む層、親水性高分子層および電子受容体を含む層を
順に形成したものである。試料液を酵素反応層上へ滴下
すると反応層が溶解し、試料液中の基質との間で酵素反
応が進行し、電子受容体が還元される。酵素反応終了
後、この還元された電子受容体を電気化学的に酸化し、
このとき得られる酸化電流値から試料液中の基質濃度を
求めるものである。
は、測定対象となるスクロースを加水分解してβ−グル
コースを生じさせ、このβ−グルコースを酸化させるこ
とによってスクロースを定量するために、試料液中にス
クロースとβ−グルコースが共存する場合にはスクロー
スのみを正確に定量することが難しかった。さらに、レ
ドックス化合物を電子受容体として機能させる方式のバ
イオセンサにおいては、試料液中にアスコルビン酸が含
まれている場合には、センサ応答に誤差を与える場合が
あり、正確な基質定量が妨げられるという問題点を有し
ていた。
めに本発明は、電気絶縁性の基板、前記基板上に形成さ
れた少なくとも作用極と対極からなる電極系、少なくと
も親水性高分子と酵素と電子受容体を含有し、前記電極
系上に接して設けられた第1の反応層、前記第1の反応
層における測定対象物の反応系に関与する妨害物質を前
記反応系に関与しない物質に変換する酵素を含有し、前
記電極系近傍に設けられた第2の反応層、および測定対
象物は透過するが第2の反応層の酵素の透過を制限する
膜からなり、前記第1の反応層を被覆する隔離層を具備
するバイオセンサを提供するものである。
酵素等の好ましい組合せを挙げると、第1の反応層に含
有される酵素がグルコースオキシダーゼであり、第2の
反応層に含有される酵素がピラノースオキシダーゼであ
るバイオセンサがある。また、第1の反応層に含有され
る酵素が、インベルターゼ、マルターゼ、β−ガラクト
シダーゼおよびセルラーゼよりなる群から選ばれた少な
くとも一つとグルコースオキシダーゼの組合せからな
り、第2の反応層に含有される酵素がヘキソキナーゼで
あり、さらに第2の反応層がアデノシン−5’−三リン
酸を含有するバイオセンサ、および第2の反応層が、さ
らにグルコース−6−リン酸デヒドロゲナーゼおよびβ
−ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸を含有
するバイオセンサがある。さらに、第2の反応層に含有
される酵素がアスコルビン酸オキシダーゼであるバイオ
センサがある。
象物を含む試料液中に共存する応答妨害物質を測定対象
物の反応系に関与しない物質に化学的に変化させること
ができる。さらに、隔離層により第2の反応層中の酵素
が第1の反応層中の酵素反応系に関与することを防ぐこ
とができる。したがって、共存する妨害物質の影響を小
さくすることができる。
ンサについて説明する。図1は本発明のバイオセンサの
一実施例として作製したスクロースセンサの分解斜視
図、図2は同スクロースセンサのうち第1および第2の
反応層と隔離層を除いた分解斜視図、図3は同スクロー
スセンサのカバーおよびスペーサーを除いた模式断面図
である。
て説明する。ポリエチレンテレフタレートからなる電気
絶縁性の基板1に、スクリーン印刷により銀ペ−ストを
印刷しリ−ド2、3を形成する。つぎに、樹脂バインダ
ーを含む導電性カーボンペーストを印刷して作用極4を
形成する。作用極4はリード2と接触している。つぎ
に、絶縁性ペーストを印刷して絶縁層6を形成する。絶
縁層6は、作用極4の外周部を覆っており、これによっ
て作用極4の露出部分の面積を一定に保っている。さら
に、絶縁層6は、リード2、3を部分的に覆っている。
つぎに、樹脂バインダーを含む導電性カーボンペースト
をリード3と接触するように印刷して対極5を形成す
る。
上に親水性高分子としてカルボキシメチルセルロ−ス
(以下CMCと略す)の0.5wt%水溶液を滴下し、乾
燥させてCMC層を形成する。続いて、前記CMC層上
に酵素としてINV、MUT、GODおよび電子受容体
としてフェリシアン化カリウムをリン酸緩衝液(0.2
M:KH2PO4−0.2M:Na2HPO4;pH=7.
4)に溶解させた混合溶液を滴下し、50℃の温風乾燥
器中で10分間乾燥させて親水性高分子、酵素および電
子受容体を含む第1の反応層7を形成する。CMC層上
に、酵素および電子受容体の混合水溶液を滴下すると、
親水性高分子であるCMC層は一度溶解し、その後の乾
燥過程で酵素などと混合された状態で親水性高分子、酵
素および電子受容体からなる第1の反応層7を形成す
る。しかし、攪拌をともなわないため完全な混合状態と
はならず、電極系表面はCMCのみによって被覆された
状態となる。すなわち、電極系表面へのタンパク質の吸
着などを防ぐことができる。
ドロキシエチルメタクリレート)(以下PHEMAと略
す)の2wt%メタノール溶液を前記第1の反応層7上へ
滴下し、乾燥させて非水溶性高分子からなる隔離層8を
形成する。CMC、酵素、フェリシアン化カリウムはメ
タノールにはほとんど溶解しない。したがって、第1の
反応層7はPHEMAの膜からなる独立した隔離層8に
より被履される。
1.1.3.10:以下、PyODと略す)の水溶液を
絶縁層6上に滴下し、乾燥させて第2の反応層9を形成
する。この場合、PyODを溶解する際の溶媒には水を
用いたが、必要に応じてリン酸などの適当な緩衝溶液を
溶媒として用いることにより、PyODと緩衝塩を含む
第2の反応層を形成することもできる。第2の反応層9
は、必ずしも上記のように第1の反応層7と離れた位置
に形成する必要はない。第1および第2の反応層を離れ
た位置に形成した場合には、各酵素試薬の活性低下に基
づくセンサ保存特性の低下を小さくすることができる。
一方、第2の反応層9を第1の反応層7上の隔離層8に
接して形成することも可能である。この場合には、第2
の反応層の形成場所が隔離層8を介して第1の反応層と
一致するためにセンサ形状をより小さくすることが可能
である。上記のようにして第1の反応層7、隔離層8お
よび第2の反応層9を形成した後、カバー22およびス
ペーサー21を図1または図2中、一点鎖線で示すよう
な位置関係をもって接着してスクロースセンサを作製す
る。
ロースとグルコースの混合水溶液3μlを試料供給孔2
3より供給すると、試料液は空気孔24部分まで達し、
第2の反応層9および第1の反応層7が順次溶解する。
試料液を供給してから3分後に電極系の対極5と作用極
4間に+0.5Vの電圧を印加し、5秒後の電流値を測
定したところ、試料液中のスクロース濃度のみに比例し
た値が得られた。
中のグルコースは、第2の反応層に含まれるPyODに
よって酸化されるが、PyODはスクロースに対しては
酸化作用を及ぼさない。従って、第2の反応層を溶解さ
せた後の試料液中にはグルコースはほとんど存在しな
い。試料液中のスクロースは、第1の反応層中のINV
によって加水分解され、α−グルコースとフルクトース
が生成する。このα−グルコースからβ−グルコースへ
の異性化はMUTによって促進され、β−グルコースが
GODによって選択的に酸化される。このとき第1の反
応層中に共存するフェリシアン化カリウムが還元されて
フェロシアン化カリウムが生成する。このフェロシアン
化カリウムの生成量は、試料液中のスクロース量に比例
する。前記電圧印加によりフェロシアン化カリウムの生
成量に比例した酸化電流値が得られる。したがって、前
記酸化電流値よりスクロース濃度を定量することができ
る。
させるが、第2の反応層9中のPyODを透過させず、
従って、PyODがINV、MUT、GODによる第1
の反応層における酵素反応系に関与するのを妨げる効果
を有する。これは、メタノール溶液から形成したPHE
MAの膜がスクロースより2桁ほど大きい酵素分子の透
過を妨げるに適当な孔径の微孔を有することによるもの
と思われる。
スクロースセンサについて説明する。実施例1と同様に
して、ポリエチレンテレフタレートからなる絶縁性の基
板1上に、リ−ド2、3と電極系(作用極4、対極5)
および絶縁層6を形成する。さらに、実施例1と同様に
して、CMC、INV、MUT、GOD、フェリシアン
化カリウムを主成分とする親水性高分子−酵素−電子受
容体からなる第1の反応層7および、PHEMAからな
る隔離層8を形成する。つぎに、ヘキソキナーゼ(EC
2.7.1.1:以下、HXと略す)とアデノシン−
5’−三リン酸二ナトリウム(以下、ATPと略す)の
混合水溶液を絶縁層6上に滴下し、乾燥させて第2の反
応層9を形成し、さらに、実施例1と同様にしてカバー
22およびスペーサー21と共に一体化してスクロース
センサを作製した。
試料液としてスクロースとグルコースの混合水溶液3μ
lを実施例1と同様に試料供給孔23から供給してセン
サ応答電流を測定したところ、グルコース濃度には依存
せず、スクロース濃度のみに比例した値が得られた。以
下、測定原理について簡単に説明する。試料液中のグル
コースは、第2の反応層に含まれるHXによってリン酸
化され、グルコース−6−リン酸となる。上記HXによ
るグルコースのリン酸化反応にはATPが必要であり、
ATPはアデノシン−5’−二リン酸塩となる。HXは
スクロースに対しては作用を及ぼさない。従って、第2
の反応層を溶解させた後の試料液中にはグルコースはほ
とんど存在しない。試料液中のスクロースは、実施例1
と同様にして第1の反応層中の酵素と反応し、フェロシ
アン化カリウムが生成する。さらに、実施例1と同様に
して、このフェロシアン化カリウムの酸化電流よりスク
ロース濃度を定量することができる。
スクロースセンサについて説明する。実施例1と同様に
して、ポリエチレンテレフタレートからなる絶縁性の基
板1上に、リ−ド2、3と電極系(作用極4、対極5)
および絶縁層6を形成する。さらに、実施例1と同様に
して、CMC、INV、MUT、GOD、フェリシアン
化カリウムを主成分とする親水性高分子−酵素−電子受
容体からなる第1の反応層7および、PHEMAからな
る隔離層8を形成する。
リン酸デヒドロゲナーゼ(EC1.1.1.49:以
下、G6PDHと略す)、β−ニコチンアミドアデニン
ジヌクレオチドリン酸塩(以下、NADPと略す)とC
MCの混合水溶液を絶縁層6上に滴下し、乾燥させて第
2の反応層9を形成する。さらに、実施例1と同様にし
てカバー22およびスペーサー21と共に一体化してス
クロースセンサを作製する。第2の反応層9中にCMC
のような親水性高分子を含有させることによって、形成
後の第2の反応層9のひび割れや絶縁層6からの剥離な
どを防ぐことができる。この作用は、本実施例のように
第2の反応層中に含有する試薬の量が多い場合に、特に
有効である。
試料液としてスクロースとグルコースの混合水溶液3μ
lを実施例1と同様に試料供給孔23から供給してセン
サ応答電流を測定したところ、グルコース濃度には影響
を受けず、スクロース濃度に比例した値が得られた。以
下、測定原理について簡単に説明する。試料液中のグル
コースは、第2の反応層に含まれるHXによってリン酸
化され、グルコース−6−リン酸となる。このグルコー
ス−6−リン酸はG6PDHによって酸化されグルコノ
ラクトン−6−リン酸となる。上記G6PDHによるグ
ルコース−6−リン酸の酸化反応にはNADPが必要で
あり、NADPは還元されNADPHとなる。G6PD
Hがグルコース−6−リン酸を酸化させることによっ
て、HXによる反応の平衡がグルコース−6−リン酸の
生成方向へ移行する。したがって、HXによるグルコー
スのリン酸化反応が加速され、妨害物質として試料液中
にあらかじめ存在したグルコースの除去の効果を高める
ことができる。試料液中のスクロースは、実施例1と同
様にして第1の反応層中の酵素と反応し、フェロシアン
化カリウムが生成する。さらに、実施例1同様にして、
このフェロシアン化カリウムの酸化電流よりスクロース
濃度を定量することができる。
センサについて示したが、本発明は第1の反応層中に含
有する酵素としてINV、MUT、GODの組合せを用
いる代わりにマルターゼとGODの組合せを用いること
でマルトースセンサに、β−ガラクトシダーゼとGOD
の組合せを用いることでラクトースセンサに、セルラー
ゼとGODの組合せを用いることでセルロースセンサに
ついても適用することができる。
グルコースセンサについて説明する。実施例1と同様に
して、ポリエチレンテレフタレートからなる絶縁性の基
板1上に、リ−ド2、3と電極系(作用極4、対極5)
および絶縁層6を形成する。さらに、実施例1と同様に
して電極系(作用極4、対極5)上にCMC層を形成
し、続いて、前記CMC層上に酵素としてGODおよび
電子受容体としてフェリシアン化カリウムの混合水溶液
を滴下し、温風乾燥器中で乾燥させて親水性高分子−酵
素−電子受容体からなる第1の反応層7を形成する。
の2wt%メタノール溶液を前記第1の反応層7上へ滴下
し、乾燥させて隔離層8を形成する。つぎに、アスコル
ビン酸オキシダーゼ(EC1.10.3.3:以下、A
sODと略す)の水溶液を絶縁層6上に滴下し、乾燥さ
せて第2の反応層9を形成する。上記のようにして第1
の反応層7、隔離層8および第2の反応層9を形成した
後、カバー22およびスペーサー21を図1または図2
中、一点鎖線で示すような位置関係をもって接着してグ
ルコースセンサを作製する。
コースとアスコルビン酸の混合水溶液3μlを試料供給
孔23より供給した。試料液は空気孔24部分まで達
し、第2の反応層9および第1の反応層7が順次溶解し
た。試料液を供給してから1分後に電極系の対極5と作
用極4間に+0.5Vの電圧を印加し、5秒後の電流値
を測定したところ、アスコルビン酸の影響はほとんど受
けず、試料液中のグルコース濃度に比例した値が得られ
た。以下、測定原理について簡単に説明する。試料液中
のアスコルビン酸は、第2の反応層に含まれるAsOD
によって酸化され、デヒドロアスコルビン酸となる。試
料液中のグルコースは、第1の反応層中のGODと反応
し、同時にフェリシアン化カリウムが還元されてフェロ
シアン化カリウムが生成する。さらに、前記電圧印加に
よってこのフェロシアン化カリウムの酸化電流が得られ
る。このフェロシアン化カリウム生成量は、試料液中の
グルコース量に比例するため、グルコース濃度を定量す
ることができる。
合には、試料液中のアスコルビン酸が以下の理由によっ
てセンサ応答を妨害する。アスコルビン酸は第1の反応
層中のフェリシアン化カリウムと反応し、GODとグル
コースとの反応とは別にフェロシアン化カリウムが生成
する。したがってこの場合には、フェロシアン化カリウ
ムの生成量は、アスコルビン酸とグルコースの両方に依
存するため、フェロシアン化カリウムの還元電流からグ
ルコース濃度を正確に定量することができない。
について示したが、本発明は他の糖類、例えばフルクト
ース、マルトース、ラクトースのセンサやセルロースセ
ンサ、乳酸センサ、アルコールセンサ、コレステロール
センサなど酸化還元酵素の関与する反応系に広く適用す
ることができる。酵素としてはインベルターゼ、ムタロ
ターゼ、グルコースオキシダーゼ以外に、フルクトース
デヒドロゲナーゼ、マルターゼ、β−ガラクトシダー
ゼ、セルラーゼ、乳酸オキシダーゼ、アルコールオキシ
ダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、キサンチンオキ
シダーゼ、アミノ酸オキシダーゼ等も用いることができ
る。また上記実施例1から4では、非水溶性高分子とし
てはPHEMAを用いたが、これに限定されることはな
く、上記の効果が得られるものを自由に選択することが
できる。
液としてKH2PO4−Na2HPO4(pH=7.4)を
用いたが、これら以外にも、HEPES−NaOH、K
H2PO4−K2HPO4、NaH2PO4−K2HPO4、N
aH2PO4−Na2HPO4、クエン酸−Na2HPO4、
クエン酸−K2HPO4、Tris−Tris塩酸塩、
[N−トリス(ヒドロキシメチル)メチル−2−アミノ
エタンスルホン酸]−NaOH、[ピペラジン−N,
N’−ビス(2−エタンスルホン酸)]−NaOHの組
合せをpH7〜8付近の値に調整して用いても同様の効
果が得られる。さらに、上記実施例では親水性高分子と
してCMCを用いたが、これらに限定されることはな
く、他のセルロース誘導体、具体的にはヒドロキシエチ
ルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチル
セルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチ
ルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロースを用
いてもよく、さらには、ポリビニルピロリドン、ポリビ
ニルアルコール、ゼラチンおよびその誘導体、アクリル
酸およびその塩、メタアクリル酸およびその塩、スター
チおよびその誘導体、無水マレイン酸およびその塩を用
いても同様の効果が得られる。
示したフェリシアン化カリウム以外に、p−ベンゾキノ
ン、フェナジンメトサルフェート、メチレンブルー、フ
ェロセン誘導体なども使用できる。また、上記実施例に
おいて酵素および電子受容体については試料液に溶解す
る方式について示したが、これに制限されることはな
く、固定化によって試料液に不溶化させた場合にも適用
することができる。また、上記実施例では、作用極と対
極のみの二極電極系について述べたが、参照極を加えた
三電極方式にすれば、より正確な測定が可能である。
に共存する応答妨害物質の影響を受けず、高精度な定量
が可能なバイオセンサを提供することができる。
分解斜視図である。
第2の反応層を除いた分解斜視図である。
を除いた模式断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 電気絶縁性の基板、前記基板上に形成さ
れた作用極および対極を有する電極系、少なくとも親水
性高分子と酵素と電子受容体を含有し、前記電極系上に
接して設けられた第1の反応層、前記第1の反応層にお
ける測定対象物の反応系に関与する妨害物質を前記反応
系に関与しない物質に変換する酵素を含有し、前記電極
系近傍に設けられた第2の反応層、および測定対象物は
透過するが第2の反応層の酵素の透過を制限する膜から
なり、前記第1の反応層を被覆した隔離層を具備するこ
とを特徴とするバイオセンサ。 - 【請求項2】 第2の反応層がさらに親水性高分子を含
有する請求項1記載のバイオセンサ。 - 【請求項3】 第1の反応層に含有される酵素がグルコ
ースオキシダーゼであり、第2の反応層に含有される酵
素がピラノースオキシダーゼである請求項1記載のバイ
オセンサ。 - 【請求項4】 第1の反応層に含有される酵素が、イン
ベルターゼ、マルターゼ、β−ガラクトシダーゼおよび
セルラーゼよりなる群から選ばれた少なくとも一つとグ
ルコースオキシダーゼの組合せからなり、第2の反応層
に含有される酵素がヘキソキナーゼであり、さらに第2
の反応層がアデノシン−5’−三リン酸を含有する請求
項1記載のバイオセンサ。 - 【請求項5】 第2の反応層が、さらにグルコース−6
−リン酸デヒドロゲナーゼおよびβ−ニコチンアミドア
デニンジヌクレオチドリン酸を含有する請求項4記載の
バイオセンサ。 - 【請求項6】 第2の反応層に含有される酵素がアスコ
ルビン酸オキシダーゼである請求項1記載のバイオセン
サ。
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