JPH01131446A - センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改善された膜から成る酵素電極型のセンサー、
並びに、そのセンサーを用いる分析方法に関するもので
ある。

酵素電極は血液および他の生理学的液体の検体の中のグ
リコールおよび尿素のような物質の測定するために特に
医学およびその他の研究所においてますます使用されて
いる。そのような電極は多くの刊行物中において、特に
クラークとリヨンによる論文（Ａｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｌ
＋ｅ　　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃ
ｉｅｎｃｅ　、、１０２．２９−４５．１９６２）およ
びクラークとニューマンの米国特許３５３９４５５およ
び３９７９２７４において記述されている。酵素電極は
一般的には、自らは電気化学的に活性ではないが適当な
酵素の存在下においては電極によって容易に検出できる
種を生成する反応に参加し得る物質を測定するのに用い
られる。酵素電極の中においては、酵素は下に横たわる
電極にきわめて近接してポリマー物質の内部にしばしば
配置される。

相当な量の研究が酵素電極中で用いるための膜を改善す
るのに実施されてきており、この目的のための多くの膜
が開示されてきた。しばしば用いられる膜の種類の一例
はニューマンによる米国特許３９７９２７４において開
示される積層化層である。

この膜は、酵素信号を妨害しそうな低分子量物質の通過
を妨げることができる本質上均質の物質、例えばセルロ
ースアセテートの第一層すなわち内側層、酵素自体の近
接接着層（それとブレンドし得るその種の他の物質と一
緒か一緒でない）、および細胞状およびコロイド状の要
素の通過を妨げることができる多孔性支持フィルムの第
二層（この場合には外側層）、から成る。

グルコースの測定を酵素電極による物質測定の例として
取上げることができる。酵素グルコースオキシダーゼの
存在下においては次の反応がおこる： Ｈ，Ｏ□、この反応において生成される過酸化水素は米
国特許３９７９２７４の■りのような膜の第一層を通過
し、電極を使って測定され得る。生成される過酸化水素
は検体中に存在するグルコースに依存するので、グルコ
ース濃度は適当に検量されたセンサーを使って測定する
ことができる。

現在では、多数の困難が酵素電極の有用性を制限し、例
えば血液試料の日常的分析におけるそれらの使用脱膜を
制限してきた。これらの困難の間で重要なのは、酵素触
媒反応についての基質であるグルコースあるいはラクテ
ートのような被検成分（ａｎａｌｙｔｅ）に対する電極
の応答の直線性が制限されることである。その応答は被
検成分の低濃度の限られた範囲にわたってのみ直線性で
あり、従って、測定されるべき物質の濃度は低くなけれ
ばならず、そして−船釣には、酵素電極を用いる分析の
ための検体において稀釈され試料を使用せねばならない
。研究所の外において日常分析用に稀釈試料をつくるこ
とは常に実施可能であるわけではなく、体内モニタリン
グにとって不可能であり得る。

我々の公告された欧州特許出願ＮＯ，２１６５７７にお
いては１．電極と検査されるべき被検成分の検体との間
に膜をもつ、被検成分測定用のセンサーを我々は記述し
かつ特許請求している。好ましくは、その膜は米国特許
３９７９２７４の膜のような膜である。

しかし、欧州特許側Ｎｏ、　２１６５７７のセンサーの
膜においては、酵素含有層と検体との間に透過性を制限
した物質層が存在し、その制限された透過度の膜は、被
検成分が通過でき５％より大きくない気孔率をもつ透過
度の制限された多孔性物質から形成されている領域を含
んでいる。

本発明によると、被検成分測定用の酵素−電極型のセン
サーが提供されるのであり、その被検成分はそのセンサ
ーによって検出することができる種へ酵素存在下におい
て転化し得るものであり：そのセンサーは、電極と、そ
の電極と被検成分を含む検体との間に配置され液体と溶
質に対して透過性である膜と、から成り、その膜は一つ
または一つより多くの酵素を含む層と、その酵素含有層
と検体との間に位置する物質の層と、から成り；該物質
層は、被検成分が通過することができその細孔の全部ま
たは一部が液体で以て充満されそれによって担持液体膜
を形成するよう処理されている多孔質物質から形成され
た領域を含んでいる。

さらに本発明によると、検体中の被検成分を測定する方
法が提供されるのであり；その方法は、液体と溶質に対
して透過性であり、かつ、膜を組込んでいるセンサーに
よって検出可能である種へ被検成分がそれらの存在下に
おいて転化することができる一つまたは一つより多くの
酵素と物質の一つまたは一つより多くの層と、から成る
膜の外側層を、検体と接触させ、そして、それらの種に
対するセンサーの応答を測定する、ことから成り；酵素
と検体との間の膜中の層が、被検成分が通過でき細孔の
全部または一部が液体で以て充満されてそれによって担
持液体膜を形成するよう処理された多孔性物質から形成
された領域を含むことを特徴としている。

液体は制限された揮発性のものであり、水中ではさほど
可溶ではなく、従って膜からの液の蒸発および／または
溶解による損失が減り、従って液体膜の安定性が増す。

液体はある程度までは被検成分についての溶剤であり、
従って被検成分は液体膜中の液体を通過して酵素に到達
する。

「限定された溶解度の液体」とは揮発性液体が限定され
た揮発性をもつもう一つの液体の下方で保持される系を
包含し、ただし、その種の系は本発明のセンサー中で利
用性が制限される。好ましくは、限定された揮発性の液
体は、被検成分からの信号を妨害する信号を生ずるアス
コルビン酸のような妨害性の種についての溶剤でないか
、あるいはそのような種についての限定された程度まで
だけの溶剤であるか、のどちらかである。

液体は溶液の形態にあってもよい。液体は脂質または脂
肪酸エステルから成っていてよい。液体処理層は膜を適
当な液体、特に、溶剤としての僑えばｎ−ブタノールま
たはｎデカノールあるいはそれらの混合物の中の脂質溶
液、の中に浸漬することによって形成させることができ
る。液体処理用の好ましい脂質はイソプロピルミリステ
ート（ＩＰＭ）とレシチンである。これらの脂質はほぼ
０．５ｍＭの濃度で使用するききには、カテコールおよ
びグルコースにそれらの中を通り抜けさせるが、しかし
、アスコルビン酸、尿酸、過酸化水素、およびパラセタ
モールのような妨害性の種に対して実質的に不透過性で
ある。

処理された層を形成するための適当な技法は膜を液体、
例えば脂質溶液の中へ短時間、例えば２から４分間浸漬
することである。この時間ののちに、膜を薄葉紙を使っ
て取出し、その後、膜を電極へとりつける。この液体処
理膜は時間に関して全く安定であることが発見された。

本発明のセンサーは被検成分に関して選択的であり、我
々の公開欧州特許ｌｌＮ０．２１６５７７と類似の範囲
にわたって直線性をもつ応答を与える。それは、欧州特
許側ＮＯ，２１６５７７の膜より大きい細孔および／ま
たは気孔率をもつ制約された透過性をもつ層をもつ膜を
使って同程度の直線性が達成されることを可能にする。

処理された領域はそれを含む層に制約された透過性をも
たせる。好ましくは、この層の有効領域の全部または大
部分の部分が処理された。

最も単純な形においては本発明のセンサーは酵素含有層
と処理された層とから成る。この処理層は膜のこの単純
な形における外側層であり、被検成分を測定する本発明
の方法において、検体によって直接に接触される。

しかし、膜は米国特許３９７９２７４において開示され
ている種類の積層化膜であることが可能である。

その種の膜は酵素含有層と電極との間に位置する物質の
第一層すなわち内側層、酵素含有層、および酵素含有層
の他の側の上の物質の第二層、から成り、その第二層は
処理された層である。

本明細書において以後は、記述される本発明のセンサー
は米国特許３９７９２７４に記載の膜が第一層と第二層
とをもち処理された層が第二層である一例である種類の
積層化膜を含む。

本発明のセンサーの中の膜が酵素含有層のほかに物質の
二つより多くの層を含み得ることは当然である。例えば
、第二層、すなわち、処理された層が必ずしも膜の最外
部層である必要はない。第二層すなわち処理された層と
検体との間に、物質のさらに一つの層またはいくつかの
層、すなわち第三、第四などの層があってもよい。しか
ししばしば、第二層が外側層であって、そしてその外側
面が検体によって接触される。

一般的には、処理された層の多孔性物質はポリマー物質
であるが、しかし、他の適当な物質が用いられてよい。

このように、処理された層は多孔質ガラス、レーザーに
よって切り込まれた細孔をもつ金属例えば焼結金属、あ
るいはアルミナのような多孔質の蝕刻および焼結された
セラミックから形成されてよい。

適切には、処理された物質層は０．０５から２０％の範
囲にある気孔率をもつ物質から形成される。

細孔寸法は、限られた揮発性の液体が細孔の全部または
一部を充満して担持液体膜を形成するよう選ばれる。細
孔の平均直径は５μｍ以下であってよく、好ましくは３
μｍに等しいかあるいはそれ以下である。例えば、細孔
の平均直径は、液体がイソプロピルミリステートから成
りかつ層がポリカーボネートから形成される場合に特に
、３μｍから０．０５μｍの範囲にあってよい。

本発明のセンサーは脱着可能膜をもっていてもよく、あ
るいは接着膜をもつ使いすてセンサーであってよい。セ
ンサー用の適当な電極の形成に用いられる物質は不活性
金属および／または炭素を包括する。

センサーが米国特許３９７９２７４に開示されている種
類の積層化膜を組込んでいるときには、酵素層と電極と
の間に配置されるべきである第一層は適切にはポリメチ
ルメタクリレート、ポリウレタン、セルロースアセテー
ト、あるいは、アスコルビン酸およびチロシンのような
電気的活性の妨害化合物の通過を制約または防止する別
の多孔質物質で形成される。適切には、第一層は０．１
　ミクロンから１．０　ミクロンの範囲にある厚さをも
つ、好ましくは、膜は我々の公開欧州特許願ＮＯ，２２
５０９４において記述されているとおりのポリアリール
スルホンまたはポリアリールケトンから形成される層を
含む。

第二層のための適当な多孔性物質は多孔性のポリカーボ
ネート、ポリウレタン、および改質セルロース特にセル
ロースナイトレート、セルロースアセテートおよび再生
セルロースを包括する。

本発明のセンサー中に存在する酵素は適当ないずれかの
方式で膜中に配置されてよい。好ましくは積層化膜にお
いて、それは物質の第一層と第二層との間で存在し、そ
れらの間で結合を形成する。

この状況において、かつまた−船釣に、酵素はゲル中で
不動化されるのが好ましい。この目的にきわめて適当で
ある物質はゲルタルアルデヒドであり、アルブミンのよ
うな蛋白質および他の物質も含められてよい。センサー
からの迅速で安定な読みを得ることを容易にするために
は、酵素含有層が薄く、すなわち厚さが５ミクロンより
大きくないことが好ましい。

本発明のセンサー中で使用すべき酵素は、濃度が測定さ
れるべき被検成分に依存する。被検成分がグルコースで
ある場合には、酵素は例えばグルコース・オキシダーゼ
である。存在してよい他の酵素は尿酸および乳酸をそれ
ぞれ測定するためのウニカーゼおよびラクテート・オキ
シダーゼを包含する。二つまたは二つより多くの酵素か
ら成る酵素系も存在してよい。

グルコース測定用に本発明のセンサー中で用いるための
積層化膜は次の階段を含む方法によってつくられてよい
。

１．２０％より低い気孔率と１０μ−以下で好ましくは
５μ−以下の直径の細孔とをもつ多孔性のポリカーボネ
ート・フィルムをｎ−ブタノール中のイソプロピルミリ
ステートの中で３分間浸漬してそれを処理する。溶液か
ら取出すとき、過剰の液体を薄葉紙を使ってフィルムか
ら除去する。

２．１■のグルコース・オキシダーゼを５０μｌの（１
００＋ａｇ／　ｍ　ｌ　）アルブミン中で溶かす。

３．３μＰの１２．５％グルタルアルデヒド溶液を３μ
２の酵素／アルブミン混合物とガラス製の顕微鏡スライ
ド上で混合する。

４、　前階段において生成される混合物の１μ２を階段
ｌにおいて生成されるｌｃｊのポリカーボネートの一面
へ施用する。

５、　　酵３１Ｊの他の表面を薄いセルロースアセテー
ト・フィルムで以て直ちに被覆し、得られた積層化膜を
３分間ガラス・スライド間に締付ける。

６、　膜を白金電極へ施用して本発明のセンサーを形成
し、セルロースアセテート・フィルムが電極へ最も近く
かつ第一層を形成する。

本発明の方法の使用は濃度対センサ一応答のグラフが直
線的である濃度範囲の増加という利点を与える。慣用的
方法の場合には、その直線性は一般的にはグルコースに
ついてわずかに、約３ミリモル／ｌまで広がるだけであ
る。本発明の方法を使用すると、直線性が増し、その範
囲は５０ミリモル／ｌおよびそれ以上にさえおよぶグル
コース濃度へ広がる。これは酵素層中への基質の入り込
みを制約することにより達成され、従って多少の感度低
下がともなう。このようにして、その範囲は血液試料中
で評価され得て従ってこれによって血液グルコース水準
がより手軽に測定されることを可能にすることができる
グルコース濃度を含んでいる。このことは、きわめて多
数の測定を規則的にかつ最小の試料調製で以て行なわね
ばならない状況下において、相当に有利である。直線性
はまた、膜の第二層へ我々の公開欧州特許側Ｎｏ、　２
０４４６８において記載されているとおりの反応性基を
もつ有機シランから成る媒体を施用することによって、
ひろげられる。この処理を本発明のセンサー中の膜の第
二層へ施用して組合せ効果とさらに改善された直線性を
もたらす。

本発明は付属図面の図１によって例証される。

図１において、参照数字１はイソプロピルミリステート
（ＩＰＭ）の３０％溶液で以て処理されたポリカーボネ
ート・フィルムから形成された膜の第二層であり、２は
アルブミン中で溶解しグルタルアルデヒドと混合したグ
ルコース・オキシダーゼ酵素の層であり、３はセルロー
ス・アセテートから形成される第一層であり、４は白金
作動電極であり、５は銀標準電極である。１，２および
３は一緒になって積層化膜を形成する。白金作動電極４
はアノードとして作用し、一方、銀標準電極５はカソー
ドとして作用する。膜は外側層１上で６におけるその外
側の縁へ向けて圧し下げるパースペックス製のリングに
よって電極上で所定位置に保持される。

図１に示すセンサーの使用は以下の実施例において例証
される。

裏嵐斑 上述のとおりに調製した膜をもつセンサーを使って実験
を実施した。使用した膜の第二層すなわち外側層はｎ−
ブタノール、ｎ−デカンおよびこれらの溶剤の混合物の
中の脂質溶液の中に浸没することによって処理したポリ
カーボネート・フィルムから形成された。使用脂質はレ
シチンとイソプロピルミリステートであった。これらの
処理された膜はカテコールに対して易透過性であるが、
過酸化水素、アスコルビン酸、パラセタモールおよびフ
ィログルシノールのような種（使用すれた種の濃度は０
．５ｍＭであった）に対しては透過が困難であることが
見出された。これは、０．８　μｍおよび０．２μｍの
細孔径をもつポリカーボネート膜をｒｐＭで以て処理す
るときに妨害種の各々について観察される信号の大きさ
の減少を示す次の表において例証される。

処理された膜はグルコースに対して透過性であったが、
ただし、センサーによって示される応答の大きさは減少
した。各種のグルコース濃度での一連の実験において得
られる応答の直線性の範囲は処理された膜において増加
した。

これは図面の図２から１０に示されるグラフによって例
証され、それらの図においては応答の大きさがグルコー
ス濃度（＋＋Ｍ）に対してプロットされている。言及さ
れている処理膜はＩＰＭで以て処理されたポリカーボネ
ートである。

図２に示すとおり、ｆＰＭで以て処理された膜で以て得
られた応答（任意単位における）（プロットＡ）は、非
処理膜で以て得られる応答（プロットＢ）と対照的に、
少くとも５０＋＊Ｍまで直線的である。

図３からＩＯはさらに図２に示す結果を例証しており、
そしてまた応答の直線性におよぼす細孔径の影響も示し
ている。図３において、プロットＢは２μｍの細孔径を
もつ非処理膜で以て得られた応答であり、プロットＡは
ＩＰＭで処理した膜で得られた応答である。

直線性はこのように、処理された膜について増加する。

図４は０．２μｍの細孔径をもつ膜で得られた応答を示
す。非処理膜は僅かに２ｍＭのグルコースを丁度こえる
濃度まで直線的応答を与え（プロットＢ）、一方、処理
された膜（プロ７）Ａ）は少くとも１０ＩＩＭの濃度ま
で直線的応答を与える。

図５と６において示すとおり、０．０５μｍの細孔径を
もつ非処理膜で以て得られた応答は４ｍＭのグルコース
の大約濃度まで直線的であり、（図５）、一方、処理さ
れた膜は少くとも６（ｌｓＭグルコースまで直線的応答
を与える（図６）。

０．８μｍの細孔径ををもつ膜で以て得られた応答は図
７と８において示されている。図７に示されるとおり、
非処理膜はわずかに２ｍＭのグルコース濃度までしか直
線的応答を与えない（プロットＢ）。しかし、ＩＰＭで
以て処理された膜は約２０＋ｗＭのグルコース濃度まで
直線的応答を与える（図７プロツトＡ、と図８を見よ）
。

同様に、応答の直線性の増加はｏ、ｏｉｓμｍの細孔の
場合にｒＰＭで処理したときに観察された。図９（非処
理膜）と図１０（処理膜）を見よ。

上記で言及した実験は、直線性の範囲が処理膜で以てひ
ろがることを描いている。その範囲の濃度上限は液体の
濃度とともに変動し得る。例えば、非処理ポリカーボネ
ート膜（細孔径０．２μｍ）は２１１Ｍグルコースを丁
度こえるまで直線的応答を与えたが、一方、１００％Ｉ
ＰＭで処理した膜は３０ｍＭまで直線的であり、９０％
ＩＰＭ　／１０％ｎ−デカノールで処理した膜は少くと
も６０ｓ＋Ｍグルコースまで直線的であった。

実験はまた、脂肪酸エステル、メチルオレコート、およ
びメチルリルエートで処理した膜がＩＰＭと頚偵の様式
で応答の直線性を増すことを示した。

レシチンで処理した膜はまたＩＰＭで処理したこれらと
類似の様式で挙動した。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明のセンサーであり、参照数字１゜２、およ
び３が積層化された一つの膜を示し、ｌはそれの第二層
、２が酵素含有層、３が第一層でス濃度測定時のグルコ
ース濃度対センサ一応答の直線性を、本発明による処理
の有無、物質層の細孔径、に関して例証するものである
。 （外４名） に答　輸Ｖノ 扁・　　穿　（刺Ｖ） 九・　浴 ノスご　　　り６ミ　　　（９１ｖ） ノ・・　　　　　　疹 〆４゜ 応゛　ン拓；　（学・ｖ） 爲・　謄 へ′蛋　（勿Ｖ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被検成分測定用の酵素−電極型のセンサーであって
   、該被検成分がセンサーによって検出できる物質種へ酵
   素存在下において転化可能のものであり； そのセンサーは、電極と、その電極と被検成分を含む検
   体との間に配置されて液体および溶質に対して透過性で
   ある膜と、から成り、 上記の膜が一つまたは一つより多くの酵素を含む層と、
   その酵素含有層と検体との間に位置する物質の層とから
   成り、該物質層は、細孔の全部または一部を液体で以て
   充満させそれによって、担持液体膜を形成するよう処理
   されている多孔質物質で形成された、被検成分が通過で
   きる領域を含むことを特徴とする、センサー。 ２、物質の第一層と物質の第二層との間に位置する酵素
   含有層から成り、物質の第一層が酵素含有層とセンサー
   中の電極との間にありかつ第二層が処理された層である
   積層化層を組込んでいる、請求項１記載のセンサー。 ３、物質の第一層がポリメチルメタクリレート、ポリウ
   レタンあるいはセルロースアセテートから形成される、
   請求項２記載のセンサー。 ４、処理された層がポリカーボネート、ポリウレタン、
   あるいは改質セルロースから形成される、請求項１、２
   または３記載のセンサー。 ５、処理された層が０．０５から２０％の範囲にある気
   孔率を持つ物質から形成される、請求項１から４のいず
   れかに記載のセンサー。 ６、細孔の平均直径が５μｍより小さい、請求項１から
   ５のいずれかに記載のセンサー。 ７、細孔の平均値径が３μｍから０．０５μｍの範囲に
   ある、請求項６記載のセンサー。 ８、液体が脂質から成る、前記請求項各項のいずれかに
   記載のセンサー。 ９、液体がイソプロピルミリステートから成る、請求項
   ８記載のセンサー。 １０、液体がレシチンから成る、請求項８記載のセンサ
   ー。 １１、液体が脂肪酸のエステルから成る、請求項１から
   ８のいずれかに記載のセンサー。 １２、液体がメチルオレエートまたはメチルリノレエー
   トから成る、請求項１１記載のセンサー。 １３、膜がポリアリールスルホンあるいはポリアリール
   ケトンから形成される層を含む、前記請求項各項のいず
   れかに記載のセンサー。 １４、検体中の被検成分を測定する方法であって；液体
   および溶質に対して透過性でありかつ膜を組込んでいる
   センサーによって検出できる物質種へ被検成分がそれの
   存在下において転化し得る一つまたは一つより多くの酵
   素と物質の一つまたは一つより多くの層とから成る膜、
   の外側層を検体と接触させ、そして、その物質種に対す
   るセンサーの応答を測定することから成り、酵素と検体
   との間の膜の中の一つの層が、被検成分が通ることがで
   きかつ、細孔の全部または一部を液体で以て充満させそ
   れによって担持液体膜を形成するよう処理してある多孔
   質物質から形成された領域を含む、ことを特徴とする、
   測定方法。