JP4185423B2 - Method for producing electrochemical biosensor - Google Patents
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Description
本発明は、生体内もしくは生体試料中に含まれる生体成分を、定量性良く、連続あるいは、繰り返し測定するためのバイオセンサに関する。 The present invention relates to a biosensor for continuously or repeatedly measuring a biological component contained in a living body or in a biological sample with good quantitativeness.
臨床検査や生体機能の解明のため、生体中もしくは生体からサンプリングした試料中の生体成分の測定が盛んに行われ、その手法も数多く報告されている。電気化学バイオセンサでは電極上に酸化酵素が修飾されたセンサが数多く研究されている。なかでもグルコース酸化酵素が修飾されたグルコースセンサの報告例は数多く、(1)グルコース酸化酵素とグルコースとの酵素反応により発生した過酸化水素を電極上で直接酸化、もしくは西洋わさびペルオキシターゼを介して還元し検出する手法(非特許文献1参照)、(2)グルコース酸化酵素との酵素反応により減少した溶存酸素濃度を測定する手法(非特許文献2参照)、(3)グルコース酸化酵素と電極間の電子移動を直接測定する手法(非特許文献3参照)の3つに大別できる。 In order to elucidate clinical tests and biological functions, measurement of biological components in a living body or a sample sampled from a living body has been actively performed, and many techniques have been reported. Many electrochemical biosensors have been studied in which an oxidase is modified on an electrode. Among them, there are many reports of glucose sensors modified with glucose oxidase. (1) Hydrogen peroxide generated by enzymatic reaction between glucose oxidase and glucose is directly oxidized on the electrode or reduced through horseradish peroxidase. (2) A method for measuring the dissolved oxygen concentration decreased by the enzymatic reaction with glucose oxidase (see Non-patent document 2), (3) Between glucose oxidase and the electrode It can be roughly divided into three methods for directly measuring electron movement (see Non-Patent Document 3).
(1)の酵素反応により発生した過酸化水素を電極上で直接酸化することで測定する手法では、通常0.5V程度の電位を印加した電極により測定が行われるため、生体中に存在するアスコルビン酸等の易酸化物質が妨害物質として働き、生体中での測定では定量性に欠けるという問題点があった。また、酵素反応に酸素が必要なため、センサ感度が溶存酸素濃度に大きく影響される。 In the method of measuring by directly oxidizing the hydrogen peroxide generated by the enzyme reaction of (1) on the electrode, the measurement is usually performed with the electrode to which a potential of about 0.5 V is applied, so ascorbine present in the living body. There is a problem that easily oxidizable substances such as acids act as interfering substances, and the measurement in vivo lacks quantitativeness. Moreover, since oxygen is required for the enzyme reaction, the sensor sensitivity is greatly influenced by the dissolved oxygen concentration.
次に、(2)の方法は、生体中の溶存酸素濃度そのものが変動するため、生体中での測定には適していなかった。このため、方式(3)のように、電子移動メディエータを用いて、酵素と電極間の直接電子移動を行わせ、酵素の還元に酸素を必要とせず、測定を行うセンサが開発されている。このセンサでは、溶存酸素濃度に影響され難く、また比較的低電位での測定が可能である。しかしながら、生体中での測定においては酵素膜表面または電極表面にタンパクが吸着するためにセンサ感度が低下してしまい、長期安定性に欠けるという問題点があった。そこで各種生体適合膜をセンサ上に固定化することにより、タンパクの付着を阻害し、定量性良く検出する必要がある。 Next, the method (2) is not suitable for measurement in the living body because the dissolved oxygen concentration itself in the living body fluctuates. For this reason, as in the method (3), a sensor has been developed that uses an electron transfer mediator to perform direct electron transfer between an enzyme and an electrode and does not require oxygen for the reduction of the enzyme, and performs measurement. This sensor is hardly affected by the dissolved oxygen concentration and can be measured at a relatively low potential. However, in the measurement in the living body, protein is adsorbed on the enzyme membrane surface or the electrode surface, so that the sensitivity of the sensor is lowered and there is a problem that the long-term stability is lacking. Therefore, it is necessary to detect proteins with high quantitativeness by immobilizing various biocompatible membranes on the sensor to inhibit protein adhesion.
血液に対する適合性膜については、血液成分が材料表面に付着しないように疎水性の高い高分子、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリジメチルシロキサン、ポリウレタンなどか用いられてきた(非特許文献4参照)。これとは反対に材料表面を親水性の高い高分子、例えばポリ(2−ヒドロキシエチルメタクリレート)やポリアクリルアミドなどを用いて界面自由エネルギーの低い表面を形成し、血液成分の付着を抑制する試みも行われてきた(非特許文献4参照)。血液中の生体成分を測定するバイオセンサには、疎水性膜によるコーティングでは測定対象分子の拡散が阻害され測定することが出来ないため、主に親水性の生体適合膜をバイオセンサ最外層に固定化し、用いられてきた(非特許文献5参照)。近年、オルガノポリシロキサンをグルコース酸化酵素と共に電解重合することにより、血小板の吸着を抑制する構造を有するセンサについても報告されているが、電解重合に時間がかかるために量産性に欠けるという問題点があった(非特許文献6参照)。 As a compatible membrane for blood, polymers having high hydrophobicity such as polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, and polyurethane have been used so that blood components do not adhere to the material surface (see Non-Patent Document 4). Contrary to this, the surface of the material is made of a highly hydrophilic polymer such as poly (2-hydroxyethyl methacrylate) or polyacrylamide to form a surface with low interface free energy, and an attempt to suppress adhesion of blood components is also made. (See Non-Patent Document 4). For biosensors that measure biological components in blood, coating with a hydrophobic membrane inhibits the diffusion of molecules to be measured, making it impossible to measure. Therefore, a hydrophilic biocompatible membrane is mainly fixed to the outermost layer of the biosensor. Have been used (see Non-Patent Document 5). In recent years, sensors having a structure that suppresses adsorption of platelets by electrolytic polymerization of organopolysiloxane with glucose oxidase have also been reported. However, since the electropolymerization takes time, there is a problem that it lacks mass productivity. (See Non-Patent Document 6).
電気化学バイオセンサを用いた生体試料の測定では、タンパクの吸着によってセンサ感度が低下し、定量性良く検出することが出来なかった。このためタンパクの吸着による感度低下を抑制するために、各種生体適合性膜がバイオセンサに応用されてきた。しかしながら、生体適合膜形成の際に有機溶媒を用いる場合や紫外線を照射する必要があり、生体適合膜形成時に電極上に固定化された酵素の活性が低下してしまうという問題があった。また生体適合性膜をセンサ最外層に形成することにより、目的とする基質の拡散が抑制されるため、センサの感度低下や、素早い応答を得ることが出来ないという問題点もあった。 In the measurement of biological samples using an electrochemical biosensor, the sensitivity of the sensor decreased due to protein adsorption, and it was not possible to detect with good quantitativeness. For this reason, various biocompatible membranes have been applied to biosensors in order to suppress sensitivity reduction due to protein adsorption. However, when an organic solvent is used in the formation of a biocompatible film, it is necessary to irradiate ultraviolet rays, and there has been a problem that the activity of the enzyme immobilized on the electrode is reduced during the formation of the biocompatible film. Further, since the biocompatible membrane is formed on the outermost layer of the sensor, diffusion of the target substrate is suppressed, so that there is a problem that the sensitivity of the sensor is lowered and a quick response cannot be obtained.
上記課題を解決するため、電極上に形成する電子移動メディエータおよび酵素において、疎水性メディエータと酵素を固定化するマトリクスとの複合体を形成したバイオセンサを構築した。疎水性メディエータと酵素膜を複合化することにより、試料内酸素濃度の変化の影響を受けないことはもとより、タンパクなどの生体成分の吸着が抑制され、繰り返しセンサを生体物質の測定に使用できる。 In order to solve the above problems, a biosensor was constructed in which a complex of a hydrophobic mediator and a matrix immobilizing an enzyme was formed in an electron transfer mediator and an enzyme formed on an electrode. By combining the hydrophobic mediator and the enzyme membrane, the adsorption of biological components such as proteins is suppressed as well as being unaffected by changes in the oxygen concentration in the sample, and the repeated sensor can be used for measuring biological substances.
本発明の電気化学バイオセンサは、タンパクの吸着を防止し、電子移動メディエータを含む複合膜を有するので、タンパク質吸着による感度低下の抑止、センサー寿命の長期化、および試料中の酸素濃度の影響を受けることのない定量性の高い生体試料の測定が可能である。そして、該複合膜は目的とする基質の速やかに拡散させるので、高い感度および応答速度を得ることができる。 Since the electrochemical biosensor of the present invention has a composite film that prevents protein adsorption and contains an electron transfer mediator, it suppresses the decrease in sensitivity due to protein adsorption, prolongs the sensor life, and affects the influence of oxygen concentration in the sample. It is possible to measure a highly quantitative biological sample that is not received. And since this composite membrane diffuses the target substrate rapidly, high sensitivity and response speed can be obtained.
また、本発明の電気化学バイオセンサの製造方法では、酵素の塗布時または塗布後に有機溶媒も紫外線照射も用いないので、それらによる酵素の活性低下に伴う低感度化を伴わずに、該センサを製造することが可能である。 Further, in the method for producing an electrochemical biosensor of the present invention, neither an organic solvent nor ultraviolet irradiation is used at the time of application or after application of the enzyme. It is possible to manufacture.
本発明の電気化学バイオセンサは、電極(作用電極)と、前記作用電極を覆う、マトリクス、酵素および電子移動メディエータを含む複合膜とを有する構造を具備する。前記作用電極は、当該技術において知られている任意の材料(たとえば、金、白金、銀、炭素、酸化スズ、ITO、導電性ダイヤモンド、有機導電体)から形成されていてもよい。また、前記作用電極の形状は当該技術において知られている任意のものであってもよい。たとえば、作用電極は、所望の断面積を有する金線の周囲をエポキシ樹脂などのポリマーで被覆し、金線の端面のみを露出させる構造を有していてもよい。 The electrochemical biosensor of the present invention has a structure having an electrode (working electrode) and a composite film covering the working electrode and containing a matrix, an enzyme, and an electron transfer mediator. The working electrode may be formed of any material known in the art (eg, gold, platinum, silver, carbon, tin oxide, ITO, conductive diamond, organic conductor). The working electrode may have any shape known in the art. For example, the working electrode may have a structure in which a gold wire having a desired cross-sectional area is covered with a polymer such as an epoxy resin so that only the end surface of the gold wire is exposed.
前記複合膜は、マトリクスと、酵素と、疎水性の官能基を有する低分子の電子移動メディエータとを含む膜である。前記酵素は、電子移動メディエータを介して作用電極との間で電子の授受を行い、検出すべき化合物を酸化/還元させることが可能であることを条件として、当該技術において知られている任意のものであってもよい。たとえば、グルコース、乳酸、グルタミン酸、アルコール、コレステロールなどを酸化/還元する酵素を用いて、それら物質を検出するための様々なバイオセンサに応用可能である。 The composite film is a film including a matrix, an enzyme, and a low-molecular electron transfer mediator having a hydrophobic functional group. The enzyme is capable of transferring electrons to and from the working electrode via an electron transfer mediator, and is capable of oxidizing / reducing a compound to be detected, as long as it is any known in the art. It may be a thing. For example, it can be applied to various biosensors for detecting these substances using enzymes that oxidize / reduce glucose, lactic acid, glutamic acid, alcohol, cholesterol and the like.
電子移動メディエータは、複合膜中に閉じ込められて、作用電極と酵素との間に導電性電子移動経路を形成するための構成要素である。電子移動メディエータとして、疎水性で、低分子量の有機化合物ないし錯体を用いることが好ましい。本発明において「疎水性」であるとは、溶液に飽和濃度に溶解した当該電子移動メディエータが、サイクリックボルタンメトリーによって酸化還元ピーク電流を与えないことを意味する。また、本発明における「低分子量」とは、モノマーの分子量が300以下であることを意味する。さらに、本発明において用いられる電子移動メディエータは、架橋可能なビニル基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボン酸などの官能基を有することが好ましい。特にビニル基が有用である。本発明において好ましい電子移動メディエータはビニルフェロセンおよびその誘導体を含む。用いることができるビニルフェロセン誘導体は、メチルビニルフェロセン、ヒドロキシビニルフェロセン、アミノビニルフェロセンの各誘導体を含む。 The electron transfer mediator is a component that is confined in the composite membrane to form a conductive electron transfer path between the working electrode and the enzyme. As the electron transfer mediator, it is preferable to use a hydrophobic, low molecular weight organic compound or complex. In the present invention, “hydrophobic” means that the electron transfer mediator dissolved in a solution at a saturated concentration does not give a redox peak current by cyclic voltammetry. Further, “low molecular weight” in the present invention means that the molecular weight of the monomer is 300 or less. Furthermore, the electron transfer mediator used in the present invention preferably has a functional group such as a crosslinkable vinyl group, hydroxyl group, amino group or carboxylic acid. A vinyl group is particularly useful. Preferred electron transfer mediators in the present invention include vinyl ferrocene and its derivatives. Vinyl ferrocene derivatives that can be used include methyl vinyl ferrocene, hydroxy vinyl ferrocene, and amino vinyl ferrocene derivatives.
アルブミンは、複合膜に対して生体適合性(特に血液適合性)を付与し、酵素を固定化する担体となるマトリクスである。マトリクスとしては、架橋反応により不溶化した、アルブミンなど生体由来のタンパク質などのポリペプチド、合成的に得られるポリリジン、ポリアスパラギン酸などのポリアミノ酸、その他ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、デキストラン、カルボキシメチルセルロースを用いることができる。アルブミンなどの生体由来マトリクス材料は、グルタルアルデヒドなどの架橋剤を用いることにより、室温のような温和な条件下で容易に架橋することが可能であるので、架橋したマトリクス/架橋剤のネットワーク中に酵素および電子移動メディエータを固定化することが可能である。また、ある種の酵素および電子移動メディエータは、マトリクスおよび/または架橋剤と架橋することができるので、それら酵素および電子移動メディエータは、化学結合によってマトリクスと架橋されていてもよい。 Albumin is a matrix that imparts biocompatibility (particularly blood compatibility) to the composite membrane and serves as a carrier for immobilizing the enzyme. As a matrix, polypeptides such as albumin-derived proteins insolubilized by cross-linking reaction, polylysine obtained synthetically, polyamino acids such as polyaspartic acid, other polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, dextran, carboxymethylcellulose Can be used. Biological matrix materials such as albumin can be easily cross-linked under mild conditions such as room temperature by using a cross-linking agent such as glutaraldehyde. Enzymes and electron transfer mediators can be immobilized. Also, certain enzymes and electron transfer mediators can be cross-linked with the matrix and / or cross-linking agent, so the enzymes and electron transfer mediators may be cross-linked with the matrix by chemical bonds.
本発明の電気化学バイオセンサは、作用電極に対して、電子移動メディエータを含む溶液(分散液)を塗布する工程と、マトリクスおよび酵素を含む水溶液(または水分散液)を塗布する工程とを用いて製造することができる。 The electrochemical biosensor of the present invention uses a step of applying a solution (dispersion) containing an electron transfer mediator to a working electrode and a step of applying an aqueous solution (or aqueous dispersion) containing a matrix and an enzyme. Can be manufactured.
電子移動メディエータを塗布する工程は、エタノール、アセトンなどの低沸点有機溶剤に疎水性である電子移動メディエータを溶解させた溶液または電子移動メディエータの水分散液を用い、キャスト法、ディップコート法またはスピンコーティング法など、従来技術において知られている任意の方法によって実施することが可能である。低沸点有機溶剤を用いる場合は、引き続きマトリクスおよび酵素の塗布工程前に該溶剤を揮発させることが望ましい。それによって、溶剤による酵素活性の低下を抑制することが可能となる。 The step of applying the electron transfer mediator is a casting method, a dip coating method or a spin method using a solution in which a hydrophobic electron transfer mediator is dissolved in a low boiling point organic solvent such as ethanol or acetone, or an aqueous dispersion of the electron transfer mediator. It can be carried out by any method known in the prior art, such as a coating method. When a low-boiling organic solvent is used, it is desirable to volatilize the solvent before the matrix and enzyme coating step. Thereby, it is possible to suppress a decrease in enzyme activity due to the solvent.
マトリクスおよび酵素を塗布する工程も、同様にキャスト法、ディップコート法またはスピンコーティング法など、従来技術において知られている任意の方法によって実施することが可能である。マトリクスおよび酵素を含む水溶液(水分散液)は、グルタルアルデヒドのような架橋剤をさらに含んでもよい。架橋剤をさらに含む溶液を塗布することによって、マトリクスの架橋、あるいはマトリクスと酵素もしくは電子移動メディエータとの架橋を進行させると同時に、マトリクス中への電子移動メディエータの拡散を行わせて、本発明の複合膜を形成することができる。このとき、酵素は、架橋剤を介してマトリクスと化学結合により結合されて固定化されていてもよく、マトリクス/架橋剤のネットワーク内に取り込まれることによって固定化されていてもよい。電子移動メディエータも同様である。 Similarly, the step of applying the matrix and the enzyme can be performed by any method known in the prior art, such as a casting method, a dip coating method, or a spin coating method. The aqueous solution (aqueous dispersion) containing the matrix and the enzyme may further contain a crosslinking agent such as glutaraldehyde. By applying a solution further containing a cross-linking agent, the cross-linking of the matrix or the cross-linking of the matrix and the enzyme or the electron transfer mediator is advanced simultaneously with the diffusion of the electron transfer mediator into the matrix. A composite membrane can be formed. At this time, the enzyme may be immobilized by being chemically bonded to the matrix via the cross-linking agent, or may be immobilized by being incorporated into the matrix / cross-linking agent network. The same applies to the electron transfer mediator.
あるいはまた、架橋剤を含まないマトリクス/酵素水溶液(水分散液)を塗布し、その後に架橋剤を作用させることによって、本発明の複合膜を形成してもよい。架橋剤は、液相または気相状態で作用させることができる。たとえば、架橋剤を含む溶液を塗布すること、または架橋剤の蒸気に暴露することが可能である。この場合には、マトリクス中への電子移動メディエータの拡散が起こった後に、架橋剤の作用により、マトリクスの架橋、あるいはマトリクスと酵素もしくは電子移動メディエータとの架橋が進行する。このとき、酵素は、架橋剤を介してマトリクスと化学結合により結合されて固定化されていてもよく、マトリクス/架橋剤のネットワーク内に取り込まれることによって固定化されていてもよい。電子移動メディエータも同様である。 Alternatively, the composite membrane of the present invention may be formed by applying a matrix / enzyme aqueous solution (aqueous dispersion) that does not contain a crosslinking agent, and then allowing the crosslinking agent to act. The cross-linking agent can act in the liquid phase or the gas phase. For example, it is possible to apply a solution containing a cross-linking agent or to be exposed to the vapor of the cross-linking agent. In this case, after the diffusion of the electron transfer mediator into the matrix, the cross-linking of the matrix or the cross-linking of the matrix and the enzyme or the electron transfer mediator proceeds by the action of the cross-linking agent. At this time, the enzyme may be immobilized by being chemically bonded to the matrix via the cross-linking agent, or may be immobilized by being incorporated into the matrix / cross-linking agent network. The same applies to the electron transfer mediator.
以下、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described. In addition, this invention is not limited only to a following example.
(実施例1)
図1は本発明による電気化学グルコースセンサ構造断面の模式図を示す。図1の電気化学グルコースセンサは、直径1.6mmの金電極1、エポキシ樹脂2、ビニルフェロセン層3、ビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酸化酵素複合層4を有する。
(Example 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a cross section of an electrochemical glucose sensor structure according to the present invention. The electrochemical glucose sensor of FIG. 1 has a
直径1.6mm金電極(BAS社製)1は、電極表面を研磨した後、イオン交換水で洗浄し、風乾させた。その後、ビニルフェロセンのエタノール溶液(0.1M)を4μl電極上にキャストし、室温で10分間乾燥させ、電極上にビニルフェロセン層3を形成した。さらに2%の牛血清アルブミン溶液に重量比2%になるようにグルコース酸化酵素を混合し、さらに終濃度0.5%になるようにグルタルアルデヒドを加えた溶液を、ビニルフェロセン層3の上に2μl塗布した。ビニルフェロセン層上にグルタルアルデヒドで架橋が進行しているアルブミン溶液を塗布することにより、ビニルフェロセンがアルブミン−酵素膜中に取り込まれ、ビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酸化酵素複合膜4を形成した。
A 1.6 mm diameter gold electrode (manufactured by BAS) 1 was polished with ion-exchanged water and air-dried after polishing the electrode surface. Thereafter, an ethanol solution (0.1 M) of vinyl ferrocene was cast on a 4 μl electrode and dried at room temperature for 10 minutes to form a
図2は、電極上に形成した膜をX線光電子分光法(XPS)を用いて分析した結果を示している。図2(a)は金電極上にビニルフェロセン層3のみを形成した基板表面のXPS測定による元素分析の結果を、図2(b)は、本発明の手法により金電極上に形成した複合膜4の膜表面の元素分析結果を示す。図2(a)のスペクトルではフェロセンに含まれる鉄に加えて、電極の金のピークが検出されている。すなわち、電極がビニルフェロセン層によって完全には覆われていないことを示している。しかしながら、図2(b)の複合膜4においては、基板の金のピークが検出されることなく膜表面のみの分析が行われていることが確認できる。また、アルブミンに含まれる窒素や硫黄の他に鉄が検出されている。これは、本手法により金電極表面に形成したビニルフェロセンが、その後塗布したアルブミン膜中に拡散し、膜表面付近まで達することにより、ビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酵素複合膜が形成されていることを示している。また、表面に存在する鉄は、後述のグルコース測定装置を用いた測定後もあまり減少せず、ビニルフェロセンが酵素−マトリクス膜に安定に保持されていることを示唆している。
FIG. 2 shows the result of analyzing the film formed on the electrode using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). FIG. 2 (a) shows the result of elemental analysis by XPS measurement of the substrate surface on which only the
図3は上記手法により作製したグルコースセンサを用いたグルコース測定装置の概略図を示す。図3のグルコース測定装置は、グルコースセンサ5、銀・塩化銀参照電極6、白金線7、pH7リン酸バッファ8、攪拌子9、マグネティックスターラ10、ポテンシオスタット11、コンピュータ12、ガラス容器13を含む。前述のように調製した本発明によるグルコースセンサ5を、ガラス容器13に満たされたリン酸バッファ8に浸した。また同様に参照電極として銀・塩化銀電極6(BAS社製)および対向電極として直径1mmの白金線をリン酸バッファ8に浸した。グルコースセンサ5、銀・塩化銀参照電極6、白金線7はそれぞれポテンシオスタット11(CHI社製)の作用電極、参照電極、対向電極の端子に接続した。ポテンシオスタット11を用いてグルコースセンサ5に0.3から0.7Vの電位(対銀・塩化銀参照電極6)を印加し、電流値の変化をコンピュータ12で記録、保存した。またリン酸バッファ8を、ガラス容器14に入れた攪拌子9およびマグネティックスターラ10により一定速度で攪拌した。
FIG. 3 shows a schematic diagram of a glucose measuring device using a glucose sensor produced by the above method. 3 includes a
図4(a)は本発明によるグルコースセンサ5の応答電流値の変化を示す。ポテンシオスタット11を用いてグルコースセンサ5の電極(作用電極)に銀・塩化銀参照電極6(参照電極)に対して0.3Vの電位を印加し、安定した電流値を得た後、終濃度が5mMになるようにグルコース溶液を加えた。グルコース溶液注入後、すぐに酸化電流値が増加し、約0.3μAの一定電流値を示した。さらに終濃度が10%になるようにウマ血清をリン酸バッファ内に注入したが、電流値は全く変化しなかった。このことから、本発明のグルコースセンサは、血清中に含まれるタンパク質の存在下でも、定量性良くグルコースを検出可能であることが確認できた。
FIG. 4A shows a change in response current value of the
(比較例1)
白金電極による過酸化水素直接酸化型グルコースセンサを作製し、ウマ血清存在下でのグルコース測定を行った。
(Comparative Example 1)
A hydrogen peroxide direct oxidation glucose sensor using a platinum electrode was prepared, and glucose measurement was performed in the presence of horse serum.
白金電極での過酸化水素直接酸化型グルコースセンサは、直径1.6mmの白金電極に2%牛血清アルブミンに重量比2%になるようにグルコース酸化酵素を混合し、さらに終濃度0.5%になるようにグルタルアルデヒドを加えた溶液を、白金電極上に4μl塗布して積層し、グルコースセンサとした。 The hydrogen peroxide direct oxidation glucose sensor at the platinum electrode is a 1.6 mm diameter platinum electrode mixed with 2% bovine serum albumin at 2% by weight glucose oxidase, and a final concentration of 0.5%. Then, 4 μl of a solution to which glutaraldehyde was added was applied and laminated on the platinum electrode to obtain a glucose sensor.
図4(b)は過酸化水素直接酸化型グルコースセンサを用いてグルコースを測定した際の電流値の変化を示す。実施例1と同様の測定装置を用いて、該センサの白金電極に対して、0.5V(対参照電極)の電位を印加し、安定した電流値を得た後、終濃度が5mMになるようにグルコース溶液を加えた。溶液注入後、酸化電流値が増加し、約0.8μAの一定電流値を示した。 FIG. 4B shows a change in current value when glucose is measured using a hydrogen peroxide direct oxidation glucose sensor. Using the same measurement apparatus as in Example 1, a potential of 0.5 V (vs. reference electrode) was applied to the platinum electrode of the sensor to obtain a stable current value, and the final concentration became 5 mM. Glucose solution was added as follows. After the solution injection, the oxidation current value increased and showed a constant current value of about 0.8 μA.
その状態で、測定装置内のバッファ溶液に終濃度が10%になるようにウマ血清を加えると、酸化電流値は減少していき、酸化電流値が約半分程度で一定値を示した(図4(b)参照)。上記結果は、白金電極を用いた過酸化水素の直接酸化によるグルコース測定では、血清存在下において血清中のタンパクが電極上に固定化されたマトリクス層に付着し、グルコースや過酸化水素の拡散が阻害され、センサ感度が大幅に減少してしまうという従来の問題点を示している。 In this state, when horse serum was added to the buffer solution in the measuring device so that the final concentration was 10%, the oxidation current value decreased, and the oxidation current value was about half and showed a constant value (Fig. 4 (b)). The above results show that in the measurement of glucose by direct oxidation of hydrogen peroxide using a platinum electrode, serum proteins adhere to the matrix layer immobilized on the electrode in the presence of serum, and glucose and hydrogen peroxide diffuse. This shows the conventional problem that the sensor sensitivity is greatly reduced due to the hindrance.
(比較例2)
オスミウムポリビニルピリジン錯体(Os-gel-HRP)を電子移動メディエータとするグルコースセンサを作製し、ウマ血清存在下でのグルコース測定を行った。
酵素反応により生成した過酸化水素を還元して検出するバイオセンサとして、Os-gel-HRPをメディエータとするグルコースセンサは以下のようにして作製した。まず直径1.6mmの白金電極上にOs-gel-HRPを2μl、キャスト法により修飾した。室温で1時間乾燥させた後、2%牛血清アルブミンに重量比2%になるようにグルコース酸化酵素を混合し、さらに終濃度0.5%になるようにグルタルアルデヒドを加えた溶液を、Os-gel-HRPが修飾された白金電極上に2μl塗布し、積層させた。
(Comparative Example 2)
A glucose sensor using an osmium polyvinylpyridine complex (Os-gel-HRP) as an electron transfer mediator was prepared, and glucose was measured in the presence of horse serum.
A glucose sensor using Os-gel-HRP as a mediator was prepared as follows as a biosensor for detecting hydrogen peroxide produced by an enzymatic reaction by reduction. First, 2 μl of Os-gel-HRP was modified on a platinum electrode having a diameter of 1.6 mm by a casting method. After drying at room temperature for 1 hour, glucose oxidase was mixed with 2% bovine serum albumin so that the weight ratio was 2%, and glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5%. 2 μl of -gel-HRP was coated on a modified platinum electrode and laminated.
図4(c)はOs-gel-HRPを電子移動メディエータとするグルコースセンサを用いて、グルコースを測定した際の電流値の変化を示す。実施例1と同様の測定装置を用いて、該センサの電極(作用電極)に参照電極に対して0Vの電位を印加し、安定した電流値を得た後、終濃度が5mMになるようにグルコース溶液を加えた。溶液注入後、還元電流値が増加し、約0.5μAの一定電流値を示した。 FIG. 4C shows a change in current value when glucose is measured using a glucose sensor using Os-gel-HRP as an electron transfer mediator. Using the same measuring apparatus as in Example 1, a potential of 0 V was applied to the sensor electrode (working electrode) with respect to the reference electrode to obtain a stable current value, and the final concentration was 5 mM. Glucose solution was added. After the solution injection, the reduction current value increased and showed a constant current value of about 0.5 μA.
その状態で、測定装置内のバッファ溶液に終濃度が10%になるようにウマ血清を加えると、還元電流値は減少し、還元電流値が約半分程度で一定値を示した(図4(c)参照)。これは、電極上に固定化されたマトリクス層に血清中のタンパクが付着し、グルコースおよび過酸化水素の拡散が阻害され感度が低下するという、従来の問題点を示している。 In this state, when horse serum was added to the buffer solution in the measuring device so that the final concentration was 10%, the reduction current value decreased, and the reduction current value was about half and showed a constant value (FIG. 4 ( c)). This shows the conventional problem that the protein in serum adheres to the matrix layer fixed on the electrode, the diffusion of glucose and hydrogen peroxide is inhibited, and the sensitivity is lowered.
これら比較例の結果からも、本発明によるグルコースセンサは血清存在下でもビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酸化酵素複合層によりタンパクの付着を阻害し、血清中でも定量性良くグルコースを検出可能であることを示している。 The results of these comparative examples also show that the glucose sensor according to the present invention inhibits protein adhesion by the vinylferrocene-albumin-glucose oxidase complex layer even in the presence of serum and can detect glucose with good quantitativeness in serum. ing.
(実施例2)
直径1.6mmの金電極上に実施例1と同様にビニルフェロセン層を形成した。その後、2%牛血清アルブミンに重量比2%になるように乳酸酸化酵素を混合し、さらに終濃度0.5になるようにグルタルアルデヒドを加えた溶液4μlを、ビニルフェロセン上に塗布した。
(Example 2)
A vinylferrocene layer was formed on a gold electrode having a diameter of 1.6 mm in the same manner as in Example 1. Thereafter, 4 μl of a solution in which lactate oxidase was mixed with 2% bovine serum albumin to a weight ratio of 2% and glutaraldehyde was added to a final concentration of 0.5 was applied onto vinylferrocene.
実施例1と同様の装置を用いて、上記手法により作製した乳酸センサの電極に対して0.3V(対銀・塩化銀参照電極)の電位を印加し、安定したベースラインを得た後、終濃度が5mMになるように乳酸を加えた。その後、徐々に酸化電流値が上昇し、約0.2μAで一定電流値を示した。 Using a device similar to that of Example 1, a potential of 0.3 V (vs. silver / silver chloride reference electrode) was applied to the electrode of the lactic acid sensor produced by the above method to obtain a stable baseline. Lactic acid was added so that the final concentration was 5 mM. Thereafter, the oxidation current value gradually increased and showed a constant current value at about 0.2 μA.
上記結果は、電極上に固定化された疎水性メディエータ上に積層する酵素を目的とする基質と反応する酵素を固定化することにより、グルコースセンサのみでなく、乳酸、グルタミン酸、アルコール、コレステロールなど様々なバイオセンサに応用可能であることを示している。 The above results indicate that not only glucose sensors but also lactic acid, glutamic acid, alcohol, cholesterol, etc. can be obtained by immobilizing an enzyme that reacts with a target substrate on an enzyme laminated on a hydrophobic mediator immobilized on an electrode. It can be applied to various biosensors.
(実施例3)
実施例1と同様に、電極上にビニルフェロセン層3を形成した。さらに2%の牛血清アルブミン溶液に重量比2%になるようにグルコース酸化酵素を混合した溶液を、ビニルフェロセン層3の上に2μl塗布し、風乾した。この電極を25%グルタルアルデヒド(シグマ社製)1ml底面に入れた容器に入れグルタルアルデヒドの蒸気によって牛血清アルブミンとグルコース酸化酵素の混合膜を不溶化し、ビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酸化酵素複合層4を形成した。
(Example 3)
Similarly to Example 1, a
実施例1と同様にこの電極をグルコースの測定を行うために装置に接続した。まず、グルコースを含まないリン酸バッファ中でサイクリックボルタンメトリーを行い、メディエータの電流応答が安定するまで電位操作を繰り返した。その後、実施例1と同様にグルコースの測定を行った結果、グルコースの定量ができ、ウマ血清の注入によるセンサ感度の低下を防ぐことができた。この場合、ビニルフェロセン層3は固体状態である。このセンサーをバッファ溶液に浸漬し、この溶液にエチルアルコールを50%になるように加える前後でのサイクリックボルタモグラムを比較すると。疎水性相互作用で酵素−マトリクス膜に保持されていたビニルフェロセンがエチルアルコールを加えたことにより溶解して、溶液中のビニルフェロセンの濃度が上昇して、大きな電流を与えた。このことから、疎水性のビニルフェロセンは、その疎水性によってバッファ中に溶解せず固体状態として存在するが、メディエータとして機能することが示された。
As in Example 1, this electrode was connected to a device for measuring glucose. First, cyclic voltammetry was performed in a phosphate buffer not containing glucose, and the potential operation was repeated until the current response of the mediator was stabilized. Thereafter, glucose was measured in the same manner as in Example 1. As a result, glucose could be quantified, and a decrease in sensor sensitivity due to injection of horse serum could be prevented. In this case, the
1 白金電極
2 エポキン樹脂
3 ビニルフェロセン層
4 ビニルフェロセン−アルブミン−グルコース酸化酵素複合膜
5 グルコースセンサ
6 銀・塩化銀参照電極
7 白金線
8 pH7リン酸バッファ
9 攪拌子
10 マグネティックスターラ
11 ポテンシオスタット
12 コンピュータ
13 ガラス容器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
酵素およびグルタルアルデヒドを溶解させたアルブミン水溶液を、前記電子移動メディエータ上に塗布して、前記電子移動メディエータをアルブミン中に拡散させる工程と、
前記アルブミン、酵素および電子移動メディエータを反応架橋させて、複合膜を形成する工程と
を具えたことを特徴とする電気化学バイオセンサの製造方法。 Applying an electron transfer mediator on the electrode;
Coating an albumin aqueous solution in which an enzyme and glutaraldehyde are dissolved on the electron transfer mediator to diffuse the electron transfer mediator into albumin;
A method for producing an electrochemical biosensor, comprising: reacting and crosslinking the albumin, an enzyme, and an electron transfer mediator to form a composite film.
酵素およびグルタルアルデヒドを溶解させたアルブミン水溶液を、前記電子移動メディエータ上に塗布して、前記電子移動メディエータをアルブミン中に拡散させる工程と、
を具えたことを特徴とする電気化学バイオセンサの製造方法。 Applying a hydrophobic electron transfer mediator of vinylferrocene and its derivatives on the electrode;
Coating an albumin aqueous solution in which an enzyme and glutaraldehyde are dissolved on the electron transfer mediator to diffuse the electron transfer mediator into albumin;
A method for producing an electrochemical biosensor, comprising:
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