JP6376684B2 - グルコース感知材料、グルコース感知電極、グルコース感知電極の製造方法及びグルコースセンサー - Google Patents
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これまでのグルコースセンサーは、大まかに、グルコースを感知可能な酵素を備えているタイプと、酵素を備えていないタイプの2種類がある。
グルコースを感知可能な酵素を備えているタイプのグルコースセンサーとしては、グルコースデヒドロゲナーゼ活性を有するタンパク質を有するグルコースセンサー(特許文献1)、ピロロキノリンキノン依存性グルコースデヒドロゲナーゼ変異体を有するグルコースセンサー(特許文献2)などが開発されている。
しかし、これらの従来のグルコースセンサーには、耐久性の点で問題があった。図1は、従来のグルコースセンサーの電圧印加による酵素の変形の一例を説明する図である。図1に示すように、従来のグルコースオキシダーゼを用いたバイオセンサーは、電圧印加したときに、酵素が電極表面に強く押し付けられることにより、形状変形(deformation)されて、壊れる場合があった。形状変形により性能は悪化し、また、繰り返し使用により、使用可能な酵素な数が減り、グルコースの検出感度が低下した。
非特許文献6は、レドックスポリマーを用いたグルコース・バイオセンサーに関するものであるが、酵素が電気化学的に還元される電位(還元電位)は−0.6Vであるが、文献で用いられているレドックスポリマーの還元電位(−0.1〜−0.4V)は酵素の還元電位より正電位側であるため、レドックスポリマーの方が電気化学的に先に還元される。従って、酵素を通過した電子の個数を直接、電流値として計測することはできない。
本発明は、以下の構成を有する。
(2)前記有機/金属ハイブリッドポリマーが、水溶性のコバルト(II)−ビスターピリジン型有機/金属ハイブリッドポリマーであることを特徴とする(1)に記載のグルコース感知材料。
(3)前記糖検出酵素がグルコースオキシダーゼであることを特徴とする(1)又は(2)に記載のグルコース感知材料。
(4)前記有機/金属ハイブリッドポリマーに対して前記糖検出酵素が1wt%以上、20wt%以下で分散されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のグルコース感知材料。
(6)有機/金属ハイブリッドポリマーと糖検出酵素を混合して溶媒に溶かして、混合溶液を調製する工程と、前記混合溶液を、導電体材料からなる電極部材に露出された電極面を覆うように塗布してから、乾燥して、薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とするグルコース感知電極の製造方法。
(7)(5)に記載のグルコース感知電極と、参照電極と、対電極と、各電極に接続された電源部を有することを特徴とするグルコースセンサー。
まず、本発明の実施形態であるグルコース感知電極について説明する。
図2は、本発明の実施形態であるグルコース感知電極の一例を示す図である。
本発明の実施形態であるグルコース感知電極は、導電体材料からなる電極部材22と薄膜24とからなるグルコース感知電極21である。電極部材22は円柱状であり、側面はカバー部材23で覆われている。導電体材料としてはグラッシーカーボンなどを挙げることができる。また、カバー部材としてはテフロンを挙げることができる。
電極部材22に露出された電極面22aが設けられており、電極面22aを覆うように薄膜24が形成されている。
図3は、図2のA部拡大図である。
薄膜24は、本発明の実施形態であるグルコース感知材料10を含有している。グルコース感知材料10が凝縮されて薄膜化されている。
薄膜の膜厚は150nm以上、700nm以下が好ましい。薄すぎると、酵素が安定に保持されず、薄膜から抜け出るおそれが生じる。
次に、本発明の実施形態であるグルコース感知材料について説明する。
図4は、本発明の実施形態であるグルコース感知材料の一例を示す図である。
本発明の実施形態であるグルコース感知材料10は、有機/金属ハイブリッドポリマー12に糖検出酵素11が混合されている。
有機配位子は、配位結合部位を有する有機分子であり、配位結合部位は、例えば、ターピリジン(terpyridine)基である。ターピリジン基が金属イオンと配位結合することにより、有機配位子は長鎖状に連結される。
図5は、有機/金属ハイブリッドポリマー12の一例を示す化学式である。水溶性のコバルト(II)−ビスターピリジン型有機/金属ハイブリッドポリマー(Co(II)−bisterpyridine−based metallo−supramolecular polymer:CoL1と略記する。)である
グルコースオキシダーゼは、二量体のタンパク質からなる酵素であり、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)を有する。
フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)は、生化学的酸化還元反応において電子受容体として作用し、レドックス・センターと機能し、FADH2へ還元される。このとき、β−D−グルコースをD−グルコノ−1,5−ラクトンへ酸化することができる。
化学反応式(1)は、FADとFADH2との間の酸化還元反応を示す式である。
グルコース感知電極21をグルコース含有溶液26に浸漬し、電圧を印加すると、電極反応がなされる。
図6は、電極反応機構の一例を示す説明図である。
(ステップ1)溶液内から薄膜内にグルコースが取り込まれる。
(ステップ2)薄膜内でグルコースがGOx内に取り込まれ、グルコースはグルコノラクトンへ酸化され、GOX(FAD)はGOx(FADH2)へ還元される。
化学反応式(2)は、グルコースをグルコノラクトンへ酸化し、GOx(FAD)がGOx(FADH2)へ還元される反応を示す式である。
化学反応式(4)は、酸素存在下における、GOx(FADH2)のGOx(FAD)への酸化反応を示す式である。還元体FADH2は酸素分子によって酸化され、GOx(FAD)となり、酸素分子は過酸化水素に還元される。
化学反応式(5)は、GOx(FADH2)のGOx(FAD)への酸化反応を示す式である。CoIIL1は、CoIL1に還元される。
次に、グルコース感知電極の製造方法について説明する。
グルコース感知電極の製造方法は、混合溶液調製工程S1と、薄膜形成工程S2と、を有する。
この工程では、有機/金属ハイブリッドポリマーと糖検出酵素を混合して溶媒に溶かして、混合溶液を調製する。
前記有機/金属ハイブリッドポリマーに対して前記糖検出酵素が1wt%以上、20wt%以下で分散することが好ましい。
この工程では、前記混合溶液を、導電体材料からなる電極部材に露出された電極面を覆うように塗布してから、乾燥して、薄膜を形成する。
ディッピング法、キャスト法、スピンコーティング法などの湿式成膜法を用いることができる。
次に、本発明の実施形態であるグルコースセンサーについて説明する。
図7は、本発明の実施形態であるグルコースセンサーの一例を示す図である。
本発明の実施形態であるグルコースセンサー31は、本発明の実施形態であるグルコース感知電極21と、参照電極33と、対電極34と、各電極に配線35により接続された電源部(図示略)を有する。
各電極を容器36に満たされたグルコース含有溶液26に浸漬して、電圧印加することにより、電流値から、グルコース濃度を算出できる。
まず、CoL1とGoxを含む混合溶液を調製した。
次に、薄膜を形成した。
図8は、薄膜形成工程図であり、薄膜形成前の電極側面図(a−1)、薄膜形成前の電極底面図(a−2)、薄膜形成後の電極側面図(b−1)、薄膜形成後の電極底面図(b−2)である。膜厚は350nmとした。
まず、図8(a−1)、(a−2)に示すGCE電極を準備した。電極部材がグラッシーカーボン(GC)であり、カバー部材がテフロンである。
次に、図8(b−1)、(b−2)に示すように、前記混合溶液を電極部に塗布してから、乾燥して、CoL1/GOx/GCE電極(実施例1)を作製した。
次に、CoL1のみを含む溶液を用いた他は実施例1と同様にして、CoL1/GCE電極(比較例1)を作製した。
参照電極(Ag/AgCl)と、対電極(白金)と、電解液(飽和KCl溶液:Sat‘d KCl)を用いて、作成した電極(実施例1、比較例1)を作用電極として、CV特性を測定した。
図9は、CoL1/GCE電極のCVのスキャン速度依存性を示すグラフである。20、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1500mVs−1とスキャン速度を変えて測定した。スキャン速度を大きくするに従い電流値Ipは大きくなった。
電流値とスキャン速度は1次線形の関係となった。
log(スキャン速度)が0付近で、Epとlog(スキャン速度)は1次線形の関係となった。
電流値とスキャン速度はほぼ1次線形の関係となった。
Epとlog(スキャン速度)はほぼ1次線形の関係となった。
Ipc(GOx)はGOxの還元電流値である。
Epは酸化還元電位であり、Epaは還元電位であり、Epcは酸化電位である。
式(1)は、IpとT又はνとの関係を示す式である。
CoL1のΓ*は1.45×10−8モル/cm2であり、GOxのΓ*は7.49×10−11モル/cm2となった。
式(2)は、Lavironの式である。
CoL1のkSは1.17s−1であり、αは0.34となった。CoL1のレドックス再現性はGOxでのDET(直接電子移動)に影響を受けていた。
0.5mgmL−1CoL1、10mgmL−1GOxで混合溶液を調製し、グラッシーカーボン(GC)電極に薄膜を形成して、CoL1/GOx/GCE電極を作製した。
電解質溶液として、N2飽和PBS(N2−saturated PBS)、空気飽和PBS(air−saturated PBS)、空気飽和PBS+1mMグルコース(air−saturated PBS+1mM glucose)を用いた。
フラビンアデニンジヌクレオチドの酸化型であるFADは酸素によって再生され、約−0.55Vで、GOxの還元電流ピークを生じた。
また、フラビンアデニンジヌクレオチドの還元型であるFADH2は、Co(II)L1へより少ないDETして、酸素によって酸化された、これにより、CoII/CoIに対応する約−0.86Vで、CoL1の還元電流ピークを生じた。
DETにより、FADH2によって、酸化型であるCo(II)L1が少なくなり、還元電流ピークを減少させた。
0〜700sの間では、0.1mMのグルコースを一定時間ごとに滴下した。
700s〜1750sの間では、0.2mMのグルコースを一定時間ごとに滴下した。
一定時間は、100秒とした。
0.5mgmL−1CoL1/10mgmL−1GOx/GCE電極を用い、0.01MのPBSを電解質溶液とし、印加電圧―0.8Vとして、一定時間ごとにグルコースを滴下して、電流値の変化を測定した。滴下ごとに電流値が階段状に上がった。
47.1μAmM−1cm−2の感度で、グルコース濃度0.1mMから1.4mMの範囲で1次線形の関係が得られた。バックグラウンド・ノイズ(N)と感度値(S)に基づいて、検出限界値(Limit of detection:LOD、S/N=3)は、82.8μMであった。
0.4mMのグルコース、0.04mMのアスコルビン酸(AA)、0.04mMの尿酸(UA)を、この順番で、一定時間ごとに滴下した。
一定時間は、150秒とした。
0.5mgmL−1CoL1/10mgmL−1GOx/GCE電極を用い、0.01MのPBSを電解質溶液とし、印加電圧―0.8Vとして、一定時間ごとにグルコース、AAとUAを滴下して、電流値の変化を測定した。
また、CoL1/GOx/GCE電極(実施例1)は、8.1%のRSDで、繰り返し使用の再現性が高かった。
RSDは相対標準偏差(Relative standard deviation)の略で、(標準偏差(ばらつき)÷平均値)×100%で表される。
0.4mMのグルコースを滴下したとき、|ΔJ|が約16μAcm−2となり、0.04mMのAAを滴下したとき、|ΔJ|が約3.8μAcm−2となり、0.04mMのUAを滴下したとき、|ΔJ|が約1.8μAcm−2となった。
選択性は高かった。
なお、糖及び各酸の添加量は、血中濃度に合わせて設定した。
ITO基板(Bare ITO)、CoL1を成膜したITO基板(CoL1/ITO)、GOx/CoL1を成膜直後のITO基板(GOx/CoL1/ITO(fresh))、GOx/CoL1を成膜し、DETをした直後のITO基板(GOx/CoL1/ITO(after DET))の4種のサンプルの測定をした。
2990nm及び467nmの波長の光で励起しても、Bare ITO及びCoL1/ITOは、320〜620nmの波長範囲で蛍光スペクトルは得られなかった。
一方、GOx/CoL1/ITO(fresh)及びGOx/CoL1/ITO(after DET)の2種のサンプルは、ほぼ同様の蛍光スペクトルを示した。
この結果から、DETしても、酵素が壊れなかったと推察した。
Claims (7)
- 有機/金属ハイブリッドポリマーに糖検出酵素が混合されており、
前記有機/金属ハイブリッドポリマーは、複数の有機配位子が互いに金属イオンを介して直鎖状に連結された高分子であり、
前記複数の有機配位子のそれぞれがターピリジン基を有し、
前記ターピリジン基が前記金属イオンと配位していることを特徴とするグルコース感知材料。 - 前記有機/金属ハイブリッドポリマーが水溶性のコバルト(II)−ビスターピリジン型有機/金属ハイブリッドポリマーであることを特徴とする請求項1に記載のグルコース感知材料。
- 前記糖検出酵素がグルコースオキシダーゼであることを特徴とする請求項1又は2に記載のグルコース感知材料。
- 前記有機/金属ハイブリッドポリマーに対して前記糖検出酵素が1wt%以上、20wt%以下で分散されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のグルコース感知材料。
- 導電体材料からなる電極部材と薄膜とからなるグルコース感知電極であって、
前記電極部材に露出された電極面が設けられており、
前記電極面を覆うように前記薄膜が形成されており、
前記薄膜が請求項1〜4のいずれか1項に記載のグルコース感知材料を含有していることを特徴とするグルコース感知電極。 - 有機/金属ハイブリッドポリマーと糖検出酵素を混合して溶媒に溶かして、混合溶液を調製する工程であって、前記有機/金属ハイブリッドポリマーは、複数の有機配位子が互いに金属イオンを介して直鎖状に連結された高分子であり、前記複数の有機配位子のそれぞれがターピリジン基を有し、前記ターピリジン基が前記金属イオンと配位している、工程と
前記混合溶液を、導電体材料からなる電極部材に露出された電極面を覆うように塗布してから、乾燥して、薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項5に記載のグルコース感知電極の製造方法。 - 請求項5に記載のグルコース感知電極と、参照電極と、対電極と、各電極に接続された電源部を有することを特徴とするグルコースセンサー。
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