JP4129367B2 - Electrochemical biosensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学式バイオセンサーに関し、特に、電気化学的に活性な物質を介して間接的に試液中に存在する測定対象物質の量を測定し得る電気化学式バイオセンサーに関する。
【0002】
【従来の技術】
アルブミン等のたんぱく質は通常、腎臓で再吸収され尿にはわずかな量しか排泄されないが、腎不全や腎機能障害になると、腎臓でアルブミンを吸収できなくなるため尿中に排泄されるアルブミンの量が増加する。このため、腎疾患の診断のために尿中のアルブミンを測定することは重要である。特に、糖尿病では腎障害を併発する可能性があるため尿中に排泄されているアルブミンの量の測定は重要である。
上記したアルブミン測定方法としては、アルブミン抗体が固定された膜に、尿を滴下し、尿中に含まれるアルブミンと膜に固定されたアルブミン抗体との相互作用を、光の強度変化として検出できる物質とさらにカップリングさせることで検出する光学的測定方法が一般的に用いられている。
しかし、上記した光学的測定方法は、測定システムが煩雑で費用が多くかかるという問題点があり、より簡便で、より低費用な測定方法の開発が市場では求められている。
簡便で、より低費用な測定方法としては、物質の化学反応を電気信号として取り出す電気化学的測定方法が挙げられるが、アルブミンは、電気的に活性な物質ではないので、アルブミンそのものを、この電気化学的測定方法を用いて測定することはできないという問題がある。
上記した問題は、アルブミンに限らず、電気化学的に活性でない物質に共通する問題である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
出願人は、上記した電気化学的に活性でない物質の測定に関する問題点を解決すべく、鋭意研究した結果、測定すべき物質の抗体に基質との反応により電気化学的に活性な物質を生成する酵素を結合させた酵素結合抗体を含む酵素抗体結合層と、前記酵素結合抗体と結合する物質が、少なくとも試液内の測定すべき物質と競合反応するに充分な量、固定された競合反応層と、前記酵素との反応により電気化学的に活性な物質を生成する基質を含有する電気化学反応層と、電極とを設け、前記酵素抗体結合層から測定すべき物質を含有する試液を導入し、酵素抗体結合層に導入された試液が、競合反応層を通過して電気化学反応層に導入され、電気化学反応層での電気化学的な反応を前記電極を介して測定することができるように構成することにより電気化学的に活性でない物質を、電気的に活性な物質を用いて間接的に電気化学的に測定する方法を発明し、その発明を特許出願した(特願2002−93526)。
出願人は、上記した方法の研究をさらに進め、測定すべき物質の量が極めて微量な場合でも電極部で取り出すことができる電気信号の値自体を大きくすることができれば、尿中の微量アルブミン測定のように微量な物質の測定に極めて有効であり、より精密な測定結果が得られるという結論に至り、これを達成するための研究を重ね、本発明を発明するに至った。
本発明は、測定すべき物質の量が極めて微量であっても、電極で充分に大きな値の電気信号を取り出すことができ、微量物質についても精密に測定することが可能になる電気化学式バイオセンサーを提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る電気化学式バイオセンサーは、測定すべき物質の抗体に基質との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する酵素を結合させた酵素結合抗体を含む酵素抗体結合層と、前記酵素結合抗体と結合する物質が、少なくとも試液内の測定すべき物質と競合反応するに充分な量、固定された競合反応層と、前記酵素との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する基質を含有する電気化学反応層と基板上に形成された電極上に積層し、前記基質を、前記検出物質より電気化学的ポテンシャルが高い物質とし、前記電気化学反応層に、前記基質を少なくとも酵素結合抗体との酵素反応により消費される量より多く含ませ、電極上に位置する電気化学反応層において、酵素反応により生成された還元型検出物質が電極で酸化された後、再び、基質と反応して還元型検出物質に再還元される反応サイクルを繰り返すように構成したことを特徴とするものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した幾つかの実施例を参照しながら本発明に係る電気化学式バイオセンサーの実施の形態について説明していく。
図1は、本発明に係る電気化学式バイオセンサーの概略斜視図を示している。
図中符号1は基板を示しており、この基板1上には、電極2がスクリーン印刷されている。
電極2の上部には、3つの層が積層されている。以下の説明では、これら3つの層を試液が通る順番に従って酵素結合抗体層3、競合反応層4及び電気化学反応層5と称する。
酵素結合抗体層3は、本願発明の第一層を形成する最上部に位置する層であり、この酵素結合抗体層3には、測定すべき物質の抗体に、基質との反応により電気化学的に活性な物質を生成する酵素を結合させた物質が含まれている。本明細書では、この測定すべき物質の抗体に酵素を結合した物質のことを酵素結合抗体と称する。
この酵素結合抗体層3に含まれる酵素結合抗体の量は、測定すべき物質に応じて適宜変更され得るが、競合反応層での試液の展開中に測定すべき物質と競合反応する量より多くしておく必要がある。例えば、β−ガラクトシダーゼ標識アルブミン抗体2.5μgが酵素結合抗体層3に含まれ得る。
競合反応層4は、本発明に係る第二層を形成する層であり、酵素結合層3の下流に位置する。この競合反応層4には、酵素結合抗体層3に含まれた酵素結合抗体と結合し得る物質が固定されている。この物質は、測定対象物質と同じ物質であり得るが、これに限定されることなく、酵素結合抗体層3に含まれている酵素結合抗体と結合し得る物質であれば任意の物質でよい。
この競合反応層4に固定される物質の量は、測定すべき物質の量と、酵素結合抗体層3に含まれる酵素結合抗体の量とに応じて適宜決められ得るが、少なくとも、酵素結合抗体層3において測定すべき物質が結合しなかった余剰な酵素結合抗体と競合反応するのに充分な量に設定される。
電気化学反応層5は、本発明に係る第三層を形成する層であり、最下流に位置し、電極2と直接接触している。この電気化学反応層5には、酵素結合抗体層3に含まれた酵素結合抗体における酵素と反応して電気化学的に活性な物質を生成する基質が含まれている。
前記した酵素及び基質は、反応により電気化学的に活性な検出物質を生成し、かつ、基質の電気化学的ポテンシャルが検出物質より高いものが用いられる。具体的には、酵素としてはβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)が用いられ、基質としては、検出物質であるパラアミノフェノールPAPより電気化学的ポテンシャルが高いパラアミノフェミルガラクシドPAPGが用いられる。
この電気化学反応層5に含まれている基質の量は、第一層と同様、測定すべき物質の量より多く、即ち、酵素との反応により消費される量より多くしておく必要がある。
【0006】
上記したように構成された電気化学式バイオセンサーの作用を説明する。
以下の説明では、一例として、測定対象物質をアルブミンAlb、抗体をアルブミン抗体Ab、酵素をβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)、基質をパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGとして説明していく。
酵素結合抗体層3から試液として尿を導入すると、酵素結合抗体層において、尿中にアルブミン抗体とβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)とを結合させた酵素結合抗体Ab+Galが溶け出す。
尿中に溶け出した酵素結合抗体Ab+Galは、尿中のアルブミンAlbと結合して、β−ガラクトシダーゼ(β−Gal)が結合したアルブミン−抗体複合体(以下、酵素結合型アルブミン−抗体結合体と称する。)となり競合反応層4に入る。
競合反応層4に入った尿には、酵素結合型アルブミン−抗体結合体と、アルブミンAlbと結合できなかった酵素結合抗体Ab+Galが含まれている。競合反応層4には、酵素結合抗体Ab+Galと結合する物質としてアルブミンAlbが予め固定されているので、余剰な酵素結合抗体Ab+Galは、競合反応層4に固定されたアルブミンAlbと結合して競合反応層4に止まる。
従って、競合反応層4で競合反応により測定物質であるアルブミンと結合しない酵素結合抗体Al+Galは尿中から取り除かれ、電気化学反応層5には、測定すべきアルブミンから生成された酵素結合型アルブミン−抗体結合体だけが入る。
電気化学反応層5には、β−ガラクトシダーゼ(β−Gal)の基質であるパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGが含まれているので、尿中に含まれている酵素結合型アルブミン−抗体結合体のβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)とパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGとの酵素反応によりパラアミノフェノールPAPが生成される。
ここで、電気化学反応層5における化学反応を図2を用いて詳細に説明する。図面に示すようにβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)とパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGとの酵素反応により生成された還元型パラアミノフェノールPAPは、電極2に電子を受け渡して、酸化型パラアミノフェノールPAPとなる。
一方、電気化学反応層5には、パラアミノフェノールPAPより電気化学的ポテンシャルの高いパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGが含まれているため、酸化型パラアミノフェノールPAPは、パラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGによる還元反応により再び還元型パラアミノフェノールPAPになる。ここで生成される還元型パラアミノフェノールPAPは電極2に電子を受け渡して酸化型パラアミノフェノールPAPとなり、再びパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGにより還元されるので、一度、酵素反応により還元型パラアミノフェノールPAPが生成されると、その後は、還元型パラアミノフェノールPAPとパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGとの反応の繰り返しにより電極で得られる電子の数、即ち、電極から取り出される電気信号の値は飛躍的に大きくなる。
その結果、測定対象物が微量であっても、電極から大きな値の電気信号を取り出し、不図示の測定装置に出力することが可能になる。
そして、この電気化学反応層で生成される還元型パラアミノフェノールPAPの量は、尿中に含まれているアルブミンAlbの量と比例関係を持つので、尿中のアルブミンAlbのように、その量が微量なものであっても、測定装置で、精度の高い測定値を算出することが可能になる。
【0007】
次に、図3〜図7を参照して本発明に係る電気化学的バイオセンサーの第二の実施例について説明していく。
図3は電気化学的バイオセンサーの第二実施例の概略上面図、図4は図3に示した電気化学的バイオセンサーの一部断面概略斜視図、図5は図3のA−A断面図、図6は図3のB−B断面図を各々示している。
図中符号10は絶縁性プラスチックフィルムからなる基板を示しており、この基板10上には、導電性ペーストインク材料をスクリーン印刷してなる作用極11及び測定極12が設けられている。
上記した二つの電極11及び12は電極部分及び端子部分を除いて絶縁性レジスト膜13で被覆されている。
上記したように構成された電極11及び12の上には、酵素結合抗体層14、競合反応層15及び電気化学反応層16が図4〜図6に示すように設けられる。以下に、これら各層14〜16のレイアウトについて説明する。
電気化学反応層16は電極11及び12の上に設けられ、電極部分と直接接触するように構成されている。
競合反応層15は、ラテラルフローメンブレンから成り、基板10の後方(図3における左側)から基板10の前方(図3における右側)に向かって伸び、電気化学反応層16の上を微細な隙間17をあけて通過して、電気化学反応層16より前方で、基板10上に形成されているレジスト膜13に接触するように湾曲され、その先端が前記レジスト膜13に固定される。前記競合反応層15は、その露出している上面部分が液密にコーティングされている。また、競合反応層15とレジスト膜13の結合部分は、外側(電極の端子側)には液が漏れないが、内側(電極部分側)には液が漏れ出るようにコーティングされている。
酵素結合抗体層14は、競合反応層15の上流部分に、競合反応層15と直接接触するように設けられる。
尚、図中、符号18はスペーサを示している。
ここで、上記したように構成された電気化学式バイオセンサーにおける試液の流れについて図7を参照しながら簡単に説明しておくと、酵素結合抗体層14に導入された試液は、競合反応層15に流入する。競合反応層15はセンサーの前後方向に試液が流れるように配置されたラテラルフローメンブレンで形成されているので、競合反応層15に流入した試液は、競合反応層15の先端に向かって流れる。
競合反応層15の先端に到達した試液は、競合反応膜15の先端から内側に漏れ出し、毛細管現象により、電極リード部を形成することで基板10上に生じさせた段部に沿って電極11及び12の電極部分に向かって流れ、さらに、競合反応層15と電気化学反応層16との間に形成された微細な間隙17に引き込まれ、電気化学反応層16の上面から均一に、電気化学反応層16に入り込むようになる。
上記したように構成することにより、ラテラルフローメンブレンを使用しているにもかかわらず試液が電気化学反応層16により均一に流入するようになり、より良好な測定結果を得ることが可能になる。
【0008】
上記したように構成された電気化学式バイオセンサーを用いて実際に試液中に含まれるアルブミンの量を測定した結果を図8に示す。
この実験では、
酵素結合抗体層14に、アルブミン抗体とβ−ガラクトシダーゼ(β−Gal)とを結合させた酵素結合抗体Ab+Galを2.5μg含ませ、
競合反応層15に、アルブミンAlbを20μg/cm2固定し、
電気化学反応層16に、パラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGを22μg含ませ、
予め1〜1000mg/Lのアルブミンを含ませた試液を酵素結合抗体層14から導入して電極での出力電流量を測定した。
図8の実験結果から、上記したように構成された電気化学式バイオセンサーを用いればアルブミン含有量が低い試液でも測定するのに十分な出力電流量が得られることが分かる。
【0009】
次に、パラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGを用いたことによる出力電流量の増幅効果を表す実験結果を図9に示す。
図9はパラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGの量の変化に応じた出力電流量を示すグラフであり、図10はパラアミノフェノールPAPの変化に応じた出力電流量を示すグラフである。
この実験では、
電極上に電気化学反応層だけを設け、その電気化学反応層に、パラアミノフェミルガラクトシドPAPGを0〜100mmol/L含ませ、
予め0.25〜1.0mmol/LのパラアミノフェノールPAPを含ませた試液を滴下して電極での出力電流量の測定を行った。
図9及び図10に示すように、電極から得られる出力値がパラアミノフェミルガラクトシドPAPGの濃度に応じて増加しており、この値に基づいてパラアミノフェミルガラクトシドPAPGによる増幅効果のあることが分かる。
【0010】
尚、上記した実施例では、電気化学式バイオセンサーを、酵素結合抗体層、競合反応層及び電気化学反応層の三つの層から形成しているが、必要に応じて、第一層を構成する酵素結合抗体層の上部に、試液中に含まれる電気化学的に酸化されやすい物質を、予め酸化して除去することができる物質を積層してもよい。これにより、試液中に含まれていて電気的に酸化され易いので測定に影響を及ぼす可能性があるアスコルビン酸、尿酸、アセトアミノフェン等の物質を予め除去しておくことが可能になる。
この電気化学的に酸化されやすい物質を、予め酸化して除去することができる物質としては、例えば、二酸化鉛や二酸化すず等がある。
【0011】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電気化学式バイオセンサーは、測定すべき物質の抗体に基質との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する酵素を結合させた酵素結合抗体を含む酵素抗体結合層と、前記酵素結合抗体と結合する物質が、少なくとも試液内の測定すべき物質と競合反応するに充分な量、固定された競合反応層と、前記酵素との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する基質を含有する電気化学反応層と基板上に形成された電極上に積層し、前記基質を、前記検出物質より電気化学的ポテンシャルが高い物質とし、前記電気化学反応層に、前記基質を少なくとも酵素結合抗体との酵素反応により消費される量より多く含ませ、電極上に位置する電気化学反応層において、酵素反応により生成された還元型検出物質が電極で酸化された後、再び、基質と反応して還元型検出物質に再還元される反応サイクルを繰り返すように構成しているので、測定すべき物質の量が極めて微量であっても、検出物質が基質と電極との間で酸化還元反応を繰り返すことにより電極で得られる電子の数、即ち、電極から取り出される電極信号の値が飛躍的に大きくなり、微量物質についても精密に測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電気化学式バイオセンサーの概略斜視図である。
【図2】 電気化学反応層5における化学反応を示す図である。
【図3】 電気化学的バイオセンサーの第二実施例の概略上面図である。
【図4】 図3に示した電気化学的バイオセンサーの一部断面概略斜視図である。
【図5】 図3のA−A断面図である。
【図6】 図3のB−B断面図である。
【図7】 図4の一部断面斜視図に試液の流れを矢印で示した説明図である。
【図8】 図3〜図7に示した電気化学式バイオセンサーを用いて実際に試液中のアルブミン量を測定した実験結果を示すグラフである。
【図9】 パラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGを用いたことによる出力電流量の増幅効果を表す実験結果である。
【図10】 パラアミノフェニルガラクトピラノシドPAPGを用いたことによる出力電流量の増幅効果を表す実験結果である。
【符号の説明】
1 基板
2 電極
3 酵素結合層
4 余剰酵素除去層
5 電気化学反応層
10 基板
11 作用極
12 測定極
13 レジスト膜
14 酵素結合層
15 余剰酵素除去層
16 電気化学反応層
17 隙間
18 スペーサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrochemical biosensor, and more particularly, to an electrochemical biosensor capable of measuring the amount of a measurement target substance present in a test solution indirectly via an electrochemically active substance.
[0002]
[Prior art]
Proteins such as albumin are usually reabsorbed by the kidney and excreted in the urine only in a small amount, but when renal failure or renal dysfunction occurs, the kidney cannot absorb albumin, so the amount of albumin excreted in the urine is reduced. To increase. For this reason, it is important to measure albumin in urine for the diagnosis of kidney disease. In particular, in diabetes, measurement of the amount of albumin excreted in urine is important because it may cause renal damage.
As the above-mentioned albumin measuring method, urine is dropped onto a membrane on which albumin antibody is immobilized, and a substance capable of detecting the interaction between albumin contained in urine and albumin antibody immobilized on the membrane as a change in light intensity. In general, an optical measurement method for detecting by further coupling is used.
However, the optical measurement method described above has a problem that the measurement system is complicated and expensive, and the development of a simpler and lower cost measurement method is required in the market.
As a simpler and less expensive measuring method, there is an electrochemical measuring method in which a chemical reaction of a substance is extracted as an electric signal. However, since albumin is not an electrically active substance, albumin itself is used as an electric signal. There is a problem that it cannot be measured using a chemical measurement method.
The above-mentioned problem is not limited to albumin but is a problem common to substances that are not electrochemically active.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems related to measurement of non-electrochemically active substances, the applicant generates an electrochemically active substance by reacting the antibody of the substance to be measured with a substrate. An enzyme-antibody-binding layer containing an enzyme-bound antibody to which an enzyme is bound, and a substance that binds to the enzyme-bound antibody, at least in an amount sufficient to cause a competitive reaction with the substance to be measured in the reagent solution, Providing an electrochemical reaction layer containing a substrate that generates an electrochemically active substance by reaction with the enzyme, and an electrode, introducing a test solution containing the substance to be measured from the enzyme antibody binding layer, The reagent introduced into the enzyme-antibody binding layer passes through the competitive reaction layer and is introduced into the electrochemical reaction layer so that the electrochemical reaction in the electrochemical reaction layer can be measured through the electrode. To make up The material is not more electrochemically active, indirectly it invented a method of electrochemical measurement using an electrically active material was patent the invention (Japanese Patent Application No. 2002-93526).
Applicants will continue to study the method described above, and if the value of the electrical signal that can be taken out at the electrode section can be increased even when the amount of the substance to be measured is extremely small, measurement of microalbumin in urine will be possible. As described above, the present inventors have come to the conclusion that it is extremely effective for measuring a very small amount of a substance and that a more precise measurement result can be obtained.
The present invention is an electrochemical biosensor that can extract a sufficiently large electrical signal with an electrode even when the amount of a substance to be measured is extremely small, and can accurately measure even a small quantity of substance. The purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, an electrochemical biosensor according to the present invention is an enzyme in which an enzyme that produces an electrochemically active reduced detection substance by reaction with a substrate is bound to an antibody to be measured. Reaction between the enzyme-antibody-binding layer containing the bound antibody, the amount of the substance that binds to the enzyme-bound antibody, and the immobilized competitive reaction layer, which is at least sufficient for a competitive reaction with the substance to be measured in the test solution, and the enzyme electrochemically active and electrochemical reaction layer containing a substrate to produce a reduced form detection substance laminated on an electrode formed on the substrate by, the substrate, electrochemical potential is higher than the target substance and material, the electrochemical reaction layer, the substrate was included more than the amount consumed by the enzymatic reaction with at least an enzyme-linked antibody, the electrochemical reaction layer located on the electrode, the enzyme reaction After reduction detecting substance produced Ri is oxidized at the electrode, in which again, is characterized by being configured to repeat the reaction cycle which reacts with the substrate is re-reduced to the reduced form detection substance.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an electrochemical biosensor according to the present invention will be described below with reference to some examples shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a schematic perspective view of an electrochemical biosensor according to the present invention.
Reference numeral 1 in the drawing denotes a substrate, and an electrode 2 is screen-printed on the substrate 1.
Three layers are stacked on the electrode 2. In the following description, these three layers are referred to as an enzyme-linked antibody layer 3, a competitive reaction layer 4, and an electrochemical reaction layer 5 in the order in which the test solution passes.
The enzyme-linked antibody layer 3 is the uppermost layer that forms the first layer of the present invention. The enzyme-linked antibody layer 3 is formed by electrochemically reacting an antibody of a substance to be measured with a substrate by reaction with the substrate. Contains a substance bound with an enzyme that produces an active substance. In the present specification, a substance obtained by binding an enzyme to the antibody of the substance to be measured is referred to as an enzyme-linked antibody.
The amount of the enzyme-bound antibody contained in the enzyme-bound antibody layer 3 can be appropriately changed depending on the substance to be measured, but is larger than the amount that undergoes a competitive reaction with the substance to be measured during the development of the test solution in the competitive reaction layer. It is necessary to keep it. For example, 2.5 μg of β-galactosidase labeled albumin antibody can be included in the enzyme-linked antibody layer 3.
The competitive reaction layer 4 is a layer that forms the second layer according to the present invention, and is located downstream of the enzyme binding layer 3. A substance capable of binding to the enzyme-linked antibody contained in the enzyme-linked antibody layer 3 is fixed to the competitive reaction layer 4. This substance may be the same substance as the substance to be measured, but is not limited thereto, and may be any substance as long as it can bind to the enzyme-linked antibody contained in the enzyme-linked antibody layer 3.
The amount of the substance immobilized on the competitive reaction layer 4 can be appropriately determined according to the amount of the substance to be measured and the amount of the enzyme-bound antibody contained in the enzyme-bound antibody layer 3, but at least the enzyme-bound antibody The amount of the substance to be measured in the layer 3 is set to an amount sufficient for a competitive reaction with the surplus enzyme-linked antibody that has not been bound.
The electrochemical reaction layer 5 is a layer forming the third layer according to the present invention, is located on the most downstream side, and is in direct contact with the electrode 2. The electrochemical reaction layer 5 includes a substrate that reacts with an enzyme in the enzyme-linked antibody contained in the enzyme-linked antibody layer 3 to generate an electrochemically active substance.
As the above-described enzyme and substrate, those which generate an electrochemically active detection substance by reaction and whose substrate has an electrochemical potential higher than that of the detection substance are used. Specifically, β-galactosidase (β-Gal) is used as the enzyme, and paraaminofemilgalactoside PAPG having an electrochemical potential higher than that of the detection material paraaminophenol PAP is used as the substrate.
The amount of the substrate contained in the electrochemical reaction layer 5 needs to be larger than the amount of the substance to be measured, that is, the amount consumed by the reaction with the enzyme, like the first layer. .
[0006]
The operation of the electrochemical biosensor configured as described above will be described.
In the following description, as an example, the measurement target substance is albumin Alb, the antibody is albumin antibody Ab, the enzyme is β-galactosidase (β-Gal), and the substrate is paraaminophenylgalactopyranoside PAPG.
When urine is introduced from the enzyme-bound antibody layer 3 as a test solution, the enzyme-bound antibody Ab + Gal in which albumin antibody and β-galactosidase (β-Gal) are bound in the urine is dissolved in the enzyme-bound antibody layer.
The enzyme-linked antibody Ab + Gal dissolved in the urine is bound to albumin Alb in the urine, and an albumin-antibody complex in which β-galactosidase (β-Gal) is bound (hereinafter referred to as an enzyme-linked albumin-antibody conjugate). Into the competitive reaction layer 4.
The urine that has entered the competitive reaction layer 4 contains an enzyme-bound albumin-antibody conjugate and an enzyme-bound antibody Ab + Gal that could not be bound to albumin Alb. Since the albumin Alb is immobilized in advance in the competitive reaction layer 4 as a substance that binds to the enzyme-bound antibody Ab + Gal, the surplus enzyme-bound antibody Ab + Gal binds to the albumin Alb immobilized in the competitive reaction layer 4 to perform a competitive reaction. Stops at layer 4.
Therefore, the enzyme-bound antibody Al + Gal that does not bind to the measurement substance albumin by the competitive reaction in the competitive reaction layer 4 is removed from the urine, and the electrochemical reaction layer 5 contains the enzyme-bound albumin− generated from the albumin to be measured. Contains only antibody conjugates.
Since the electrochemical reaction layer 5 contains paraaminophenylgalactopyranoside PAPG which is a substrate of β-galactosidase (β-Gal), the enzyme-bound albumin-antibody conjugate of urine is contained. Paraaminophenol PAP is produced by an enzymatic reaction between β-galactosidase (β-Gal) and paraaminophenylgalactopyranoside PAPG.
Here, the chemical reaction in the electrochemical reaction layer 5 will be described in detail with reference to FIG. As shown in the drawing, the reduced paraaminophenol PAP produced by the enzymatic reaction of β-galactosidase (β-Gal) and paraaminophenylgalactopyranoside PAPG delivers electrons to the electrode 2 to give oxidized paraaminophenol PAP and Become.
On the other hand, since the electrochemical reaction layer 5 contains paraaminophenylgalactopyranoside PAPG having a higher electrochemical potential than paraaminophenol PAP, the oxidized paraaminophenol PAP is reduced by paraaminophenylgalactopyranoside PAPG. The reaction again becomes reduced paraaminophenol PAP. The reduced paraaminophenol PAP produced here is transferred to the electrode 2 to become oxidized paraaminophenol PAP, which is reduced again by paraaminophenylgalactopyranoside PAPG. Once generated, the number of electrons obtained at the electrode by repeating the reaction of reduced paraaminophenol PAP and paraaminophenyl galactopyranoside PAPG, that is, the value of the electrical signal extracted from the electrode is dramatically increased. Become.
As a result, even if the measurement object is a very small amount, it is possible to take out a large electrical signal from the electrode and output it to a measurement device (not shown).
The amount of reduced paraaminophenol PAP produced in this electrochemical reaction layer is proportional to the amount of albumin Alb contained in the urine. Even with a very small amount, it is possible to calculate a measurement value with high accuracy by the measuring device.
[0007]
Next, a second embodiment of the electrochemical biosensor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
3 is a schematic top view of a second embodiment of the electrochemical biosensor, FIG. 4 is a partial cross-sectional schematic perspective view of the electrochemical biosensor shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 6 shows a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
In the figure, reference numeral 10 denotes a substrate made of an insulating plastic film. On this substrate 10, a working electrode 11 and a measuring electrode 12 formed by screen printing a conductive paste ink material are provided.
The two electrodes 11 and 12 described above are covered with an insulating resist film 13 except for electrode portions and terminal portions.
On the electrodes 11 and 12 configured as described above, an enzyme-linked antibody layer 14, a competitive reaction layer 15, and an electrochemical reaction layer 16 are provided as shown in FIGS. Hereinafter, the layout of each of the layers 14 to 16 will be described.
The electrochemical reaction layer 16 is provided on the electrodes 11 and 12 and is configured to be in direct contact with the electrode portion.
The competitive reaction layer 15 is composed of a lateral flow membrane, extends from the rear side of the substrate 10 (left side in FIG. 3) toward the front side of the substrate 10 (right side in FIG. 3), and has a fine gap 17 over the electrochemical reaction layer 16. It passes through, is bent so as to come into contact with the resist film 13 formed on the substrate 10 in front of the electrochemical reaction layer 16, and its tip is fixed to the resist film 13. The competitive reaction layer 15 is liquid-tightly coated on the exposed upper surface portion. Further, the joint portion between the competitive reaction layer 15 and the resist film 13 is coated so that the liquid does not leak to the outside (electrode terminal side), but the liquid leaks to the inside (electrode portion side).
The enzyme-linked antibody layer 14 is provided in the upstream portion of the competitive reaction layer 15 so as to be in direct contact with the competitive reaction layer 15.
In the figure, reference numeral 18 denotes a spacer.
Here, the flow of the reagent solution in the electrochemical biosensor configured as described above will be briefly described with reference to FIG. 7. The reagent solution introduced into the enzyme-linked antibody layer 14 is transferred to the competitive reaction layer 15. Inflow. Since the competitive reaction layer 15 is formed of a lateral flow membrane arranged so that the test solution flows in the front-rear direction of the sensor, the sample solution that has flowed into the competitive reaction layer 15 flows toward the tip of the competitive reaction layer 15.
The reagent solution that has reached the tip of the competitive reaction layer 15 leaks inward from the tip of the competitive reaction film 15 and forms an electrode lead portion by capillary action along the step portion generated on the substrate 10. And 12 are drawn into a fine gap 17 formed between the competitive reaction layer 15 and the electrochemical reaction layer 16, and uniformly electrochemically from the upper surface of the electrochemical reaction layer 16. The reaction layer 16 enters.
With the configuration as described above, the test solution can flow into the electrochemical reaction layer 16 evenly even though the lateral flow membrane is used, and a better measurement result can be obtained.
[0008]
FIG. 8 shows the results of measuring the amount of albumin actually contained in the test solution using the electrochemical biosensor configured as described above.
In this experiment,
The enzyme-linked antibody layer 14 contains 2.5 μg of enzyme-linked antibody Ab + Gal in which albumin antibody and β-galactosidase (β-Gal) are bound,
20 μg / cm 2 of albumin Alb was fixed to the competitive reaction layer 15;
The electrochemical reaction layer 16 contains 22 μg of paraaminophenylgalactopyranoside PAPG,
A test solution containing 1 to 1000 mg / L of albumin in advance was introduced from the enzyme-linked antibody layer 14 and the amount of output current at the electrode was measured.
From the experimental results shown in FIG. 8, it can be seen that if the electrochemical biosensor configured as described above is used, a sufficient amount of output current can be obtained even for a test solution having a low albumin content.
[0009]
Next, the experimental result showing the amplification effect of the output current amount by using paraaminophenyl galactopyranoside PAPG is shown in FIG.
FIG. 9 is a graph showing the amount of output current according to the change in the amount of paraaminophenylgalactopyranoside PAPG, and FIG. 10 is a graph showing the amount of output current according to the change in paraaminophenol PAP.
In this experiment,
Only an electrochemical reaction layer is provided on the electrode, and the electrochemical reaction layer contains paraaminofemil galactoside PAPG in an amount of 0 to 100 mmol / L,
A test solution containing 0.25 to 1.0 mmol / L of paraaminophenol PAP was dropped, and the amount of output current at the electrode was measured.
As shown in FIGS. 9 and 10, the output value obtained from the electrode increases with the concentration of paraaminofemil galactoside PAPG, and it can be seen that there is an amplification effect by paraaminofemil galactoside PAPG based on this value. .
[0010]
In the above-described embodiment, the electrochemical biosensor is formed of three layers, an enzyme-linked antibody layer, a competitive reaction layer, and an electrochemical reaction layer. If necessary, the enzyme constituting the first layer On the upper part of the bound antibody layer, a substance that can be oxidized and removed in advance from a substance that is easily oxidized in the test solution may be laminated. This makes it possible to previously remove substances such as ascorbic acid, uric acid, and acetaminophen that are included in the test solution and are likely to be electrically oxidized, which may affect the measurement.
Examples of substances that can be oxidized and removed in advance from the electrochemically oxidizable substance include lead dioxide and tin dioxide.
[0011]
【The invention's effect】
As described above, the electrochemical biosensor according to the present invention includes an enzyme-linked antibody in which an enzyme that produces an electrochemically active reduced-type detection substance by a reaction with a substrate is bound to an antibody to be measured. An enzyme antibody-binding layer, and a substance that binds to the enzyme-bound antibody, at least in an amount sufficient to cause a competitive reaction with the substance to be measured in the test solution, is immobilized by the reaction between the enzyme and the enzyme. An electrochemical reaction layer containing a substrate that generates a reductive detection substance that is active in an active state, and is stacked on an electrode formed on the substrate, and the substrate has a higher electrochemical potential than the detection substance, the electrochemical reaction layer, the substrate was included more than the amount consumed by the enzymatic reaction with at least an enzyme-linked antibody, the electrochemical reaction layer located on the electrode, generating of the enzymatic reaction And after reduction detection substance is oxidized at the electrode, again, because then reacts with the substrate are configured to repeat the reaction cycle to be re-reduced to the reduced form detection material, amount of substance to be determined is very small Even so, the number of electrons obtained at the electrode, that is, the value of the electrode signal taken out from the electrode, increases dramatically when the detection substance repeats the oxidation-reduction reaction between the substrate and the electrode. Can also be measured accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of an electrochemical biosensor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a chemical reaction in an electrochemical reaction layer 5;
FIG. 3 is a schematic top view of a second embodiment of an electrochemical biosensor.
4 is a partial cross-sectional schematic perspective view of the electrochemical biosensor shown in FIG. 3. FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
7 is an explanatory diagram showing the flow of the test solution with arrows in the partial cross-sectional perspective view of FIG. 4;
FIG. 8 is a graph showing experimental results obtained by actually measuring the amount of albumin in the test solution using the electrochemical biosensor shown in FIGS.
FIG. 9 is an experimental result showing an amplification effect of an output current amount by using paraaminophenyl galactopyranoside PAPG.
FIG. 10 is an experimental result showing an amplification effect of an output current amount by using paraaminophenyl galactopyranoside PAPG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Electrode 3 Enzyme binding layer 4 Excess enzyme removal layer 5 Electrochemical reaction layer 10 Substrate 11 Working electrode 12 Measurement electrode 13 Resist film 14 Enzyme binding layer 15 Excess enzyme removal layer 16 Electrochemical reaction layer 17 Gap 18 Spacer

Claims (4)

測定すべき物質の抗体に基質との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する酵素を結合させた酵素結合抗体を含む酵素抗体結合層と、
前記酵素結合抗体と結合する物質が、少なくとも試液内の測定すべき物質と競合反応するに充分な量、固定された競合反応層と、
前記酵素との反応により電気化学的に活性な還元型検出物質を生成する基質を含有する電気化学反応層と
基板上に形成された電極上に積層し、
前記基質を、前記検出物質より電気化学的ポテンシャルが高い物質とし、前記電気化学反応層に、前記基質を少なくとも酵素結合抗体との酵素反応により消費される量より多く含ませ
電極上に位置する電気化学反応層において、酵素反応により生成された還元型検出物質が電極で酸化された後、再び、基質と反応して還元型検出物質に再還元される反応サイクルを繰り返すように構成した
ことを特徴とする電気化学的バイオセンサー。
An enzyme-antibody-binding layer comprising an enzyme-linked antibody in which an enzyme that generates an electrochemically active reduced-type detection substance by reacting with an antibody of a substance to be measured is bound;
A substance that binds to the enzyme-linked antibody, at least in an amount sufficient for a competitive reaction with the substance to be measured in the test solution, and a fixed competitive reaction layer;
The electrochemical reaction layer containing an electrochemically substrate to produce an active reduced form detectable substance laminated on an electrode formed on the substrate by reaction with the enzyme,
The substrate is a substance having an electrochemical potential higher than that of the detection substance, and the electrochemical reaction layer contains the substrate at least in an amount consumed by an enzyme reaction with an enzyme-bound antibody ,
In the electrochemical reaction layer located on the electrode, after the reduced detection substance produced by the enzyme reaction is oxidized at the electrode, the reaction cycle is repeated again, which reacts with the substrate and is reduced again to the reduced detection substance. An electrochemical biosensor characterized by comprising
酵素と基質との反応により生成される還元型検出物質が還元型パラアミノフェノールであり、
前記基質が、パラアミノフェニルガラクトピラノシドである
ことを特徴とする請求項1に記載の電気化学式バイオセンサー。
The reduced detection substance produced by the reaction between the enzyme and the substrate is reduced paraaminophenol,
The electrochemical biosensor according to claim 1, wherein the substrate is paraaminophenylgalactopyranoside.
前記測定すべき物質が尿中に含まれたアルブミンであり、
前記抗体がアルブミン抗体であり、
酵素と基質との反応を介して間接的に尿中のアルブミン量を測定することができるようにした
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学式バイオセンサー。
The substance to be measured is albumin contained in urine,
The antibody is an albumin antibody;
The electrochemical biosensor according to claim 1 or 2, wherein the amount of albumin in urine can be indirectly measured through a reaction between an enzyme and a substrate.
前記測定すべき物質が尿中に含まれたアルブミンであり、
前記抗体がアルブミン抗体であり、
前記電気化学的反応層に、基質としてのパラアミノフェノルガラクトピラノシドが、1〜100mmol/L含有されている
ことを特徴とする請求項2に記載の電気化学式バイオセンサー。
The substance to be measured is albumin contained in urine,
The antibody is an albumin antibody;
The electrochemical biosensor according to claim 2, wherein the electrochemical reaction layer contains 1 to 100 mmol / L of paraaminophenolgalactopyranoside as a substrate.
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