JPH0155405B2

JPH0155405B2 -

Info

Publication number: JPH0155405B2
Application number: JP55163533A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakajima; Koichi Takizawa; Kunio Kaede
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1980-11-19
Filing date: 1980-11-19
Publication date: 1989-11-24
Also published as: JPS57110952A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はアンペロメトリツク電極を用いた測
定装置に関し、特にたとえば酵素電極を利用して
生化学物質あるいは酵素活性などを測定するよう
な測定装置に関する。

従来より、臨床化学の分野においては、酵素反
応を利用して体液中に含まれる代謝物質などの濃
度を検査してそれを病態の把握のために利用する
ことが行われている。一般に酵素は反応する際に
著しい基質特異性を示す。この酵素の基質特異性
を利用して、試料中の特定の基質を定量すること
ができる。たとえば酵素としてグルコースオキシ
ダーゼ（Glucose Oxidase；GOD）を用いると、
次式の酵素反応が起こる。

グルコース＋O₂GOD ――――→ グルコン酸＋H₂O₂ この酵素反応によれば、試料溶液中の酸素（O₂）
が消費され、溶液中に過酸化水素（H₂O₂）が生
成される。この酸素の減少量または過酸化水素の
生成量すなわち増加量を測定すれば特定の基質す
なわちグルコース（Glucose；ぶどう糖）の定量
が可能となる。このような酸素または過酸化水素
の測定のために、酵素電極のようなアンペロメト
リツク電極が利用される。

第１図はこの発明の背景となる酵素電極の一例
を示す断面図解図である。酵素電極２はハウジン
グ２１を含み、そのハウジングの一方端側にはた
とえばシリコンチユーブのようなものからなる緩
衝液流路１が貫通しうる穴を有する。この緩衝液
流路１には、所定のPH値の緩衝液とそれに注入さ
れた試料を含む試料溶液が流される。ハウジング
２１内には、たとえばエポキシのような合成樹脂
からなる電極支持体によつて、円柱状の作用電極
２３と環状の対照電極２４とが支持される。この
電極支持体２５には、固定化酵素膜２６が、たと
えばＯリング２７によつて取付けられる。そし
て、電極２３および２４からは、支持体２５およ
びハウジング２１にかぶせられる蓋２２を通して
リード線２８および２９が引出される。固定化酵
素膜２６は、たとえばアセチルセルロースなどを
材料とする多孔性高分子の薄膜２６１を含む。こ
の薄膜２６１に、公知の方法によつて、酵素たと
えば上述の反応式の場合にはGODを固定化する。
そして、この薄膜２６１の一方側は多孔性膜２６
２によつて、また他方側は測定対象にたとえば上
述の反応式の場合は酸素または過酸化水素を透過
する対象透過膜２６３によつて、それぞれ覆われ
る。

この酵素電極２に含まれる作用電極２３および
対照電極２４は、それぞれ、白金および塩化銀な
どを材料として構成される。そして、リード線２
９から対照電極２４に適当な一定電圧（酸素の場
合は−0.6V程度あるいは過酸化水素の場合は
0.6V程度）を印加すると、酵素反応に依存する
酸素量または過酸化水素量に応じた電流が作用電
極２３従つてリード線２８から検出されうる。こ
のように２つの電極を含み、その電極間に流れる
電流を検出して何らかの測定をするものをアンペ
ロメトリツク電極と呼ぶ。

第２図は上述の酵素電極を用いて基質を定量す
るための装置の一例を示す図である。交流電源
AC100Vは、スイツチ３を介して、定電圧回路４
に与えられる。定電圧回路４では、電流電圧変換
回路５および演算回路６などのための電源（±
15V）を発生するとともに、リード線２９すなわ
ち対照電極２４に印加すべき電圧（たとえば−
0.6Vあるいは0.6V）を発生する。酵素電極２の
リード線２８は、上述の電流電圧変換回路５に接
続され、この回路５が先に説明した電流量を検出
する。そして、演算回路６には、予め準備された
検量線を示すデータが憶えられていて、回路５か
ら与えられる電圧値に応じて、試料（たとえばグ
ルコース）の濃度をレコーダ７によつて記録させ
る。

この第２図に示す装置によつてグルコースを定
量する場合には、上述の固定化酵素膜２６にはグ
ルコースオキシダーゼ（GOD）が固定化される。
そして、酸素を検出する場合には膜２６３として
酸素透過性膜を用い、過酸化水素を検出する場合
は過酸化水素透過性膜が用いられる。そして、固
定化酵素膜２６における酵素反応の後膜２６３を
通して酸素または過酸化水素が拡散し、電極２３
および２４の表面に達する。したがつて、酸素ま
たは過酸化水素の量に依存してリード線２８から
取出される電流量が第３図または第４図のように
変化する。第３図に示すのは酸素（O₂）を検出
する場合であり、第４図のは過酸化水素（H₂O₂）
を検出する場合を示す。いずれの場合も、基質が
ない場合すなわち酵素反応前の電流と酵素反応後
の電流との電流差Idiffを検出することによつて、
基質たとえぱグルコースの濃度を知ることができ
る。

しかしながら、一般に、アンペロメトリツク電
極は基質の有無にかかわらず、スイツチ３をオン
して定電圧回路４から対照電極２４に一定電圧を
印加すると、それに応じて過大電流が流れる。そ
して、そのような電流はその後減少するがなお相
当量の残余電流が流れる（第５図）。この第５図
において時刻ｔ１がスイツチ３をオンにした時点
である。この第５図からも理解されるように、正
確な基質の定量を行なうためには、そのような残
余電流が安定するまで（第５図でいえば時刻ｔ２
になるまで）待たなければならない。このような
電源投入初期待機時間は数十分にもなる。

従来より、このようなアンペロメトリツク電極
を用いた測定装置において、安定化を促進し、し
たがつて待機時間を短縮するための種々の試みが
提案されている。そのような１つは電源投入時に
は一定電圧（たとえば0.6V）より高い高電圧を
印加する方法であり、他の１つは基質濃度を高く
しておき電源投入初期においては飽和状態で動作
させる方法である。高電圧を印加する方法は、回
路が複雑になり、しかもその改善度はあまりよく
ない。基質濃度を高くしておく方法でも、同様に
改善度があまり良くない。

そこで、この発明は酵素反応を利用して行なわ
れる生化学物質あるいは酵素活性などの測定対象
の測定を、電源投入後待機時間がほとんどなく、
安定的に行なえるようなアンペロメトリツク電極
を用いた測定装置を提供することを目的とする。

この発明は、要約すれば、アンペロメトリツク
電極を用い、酵素反応を利用して測定対象を測定
する測定装置において、測定中にオンされるべき
スイツチがオンされているときに能動化される第
１の電源とこのスイツチをオフしたときに能動化
されるたとえばバツテリのような第２の電源を設
け、スイツチがオフされたときその第２の電源に
よつてアンペロメトリツク電極の一方の電極に所
定電圧を印加させるようにした装置である。

以下には、図面を参照して、実施例について詳
細に説明する。

第６図はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。構成において、交流電源AC100Vはスイツチ
３を介して電源回路４１に与えられる。このスイ
ツチ３は、このような測定装置のパネル（図示せ
ず）に設けられ、測定中はオンされるものであ
る。電源回路４１は、交流100Vを降圧しさらに
直流に変換して、２種類の電源すなわち＋15Vお
よび−15Vを発生する。＋15Vの電圧は電源ライ
ン４１１に導出され、−15Vは電源ライン４１３
に導出される。電源ライン４１２は接地される
（GND）。これら電源ライン４１１〜４１３は、
印加電圧発生回路４２、電流電圧変換回路５およ
び演算電圧６に、それぞれ電源を供給するために
接続される。印加電圧発生回路４２は、＋15Vの
電圧を受け、0.6V（測定対象が過酸化水素の場
合）の印加電圧を発生する。

電源回路４１からの電源ライン４１１と４１２
との間には、所定の降圧抵抗８２および９２を介
して、リードリレーコイル８および９が接続され
る。リードリレーコイル８および９を含むリード
リレーには、それぞれ、スイツチ片８１および９
１ならびに接点８１ａ，８１ｂ，８１ｃおよび９
１ａ，９１ｂ，９１ｃが含まれる。一方のリード
リレーに含まれる接点９１ａは印加電圧発生回路
４２の出力端に接続され、接点９１ｂはバツテリ
１０のプラス側に接続され、接点９１ｃは酵素電
極２のリード線２９に接続される。バツテリ１０
はスイツチ３のオンまたはオフにかかわらず常に
電源供給可能であり、したがつて第２の電源を構
成する。他方のリードリレーに含まれる接点８１
ａは電流電圧変換回路５の入力端に接続され、接
点８１ｂは接地されれ、接点８１ｃが酵素電極２
のリード線２８に接続される。

動作において、スイツチ３をオンしているとき
は、リードリレーに含まれるコイル８および９が
ともに付勢されている。したがつて、スイツチ片
８１および９１は、接点８１ｃと８１ａおよび９
１ｃと９１ａとを接続するように切換えられてい
る。したがつて、このスイツチ３の投入に応じ
て、印加電圧発生回路４２から接点９１ａ，９１
ｃを介して、酵素電極２のリード線２９に一定電
圧（0.6V）が印加される。逆に、スイツチ３が
オフされた場合には、コイル８および９はともに
消勢されるため、スイツチ片８１および９１は、
ともに、接点８１ｃと８１ｂおよび９１ｃと９１
ｂとを接続するように切換わる。そのために、こ
のスイツチ３のオフ期間においては、リード線２
９かつ従つて対照電極２４（第１図）には、第２
の電源としてのバツテリ１０からの一定電圧
（0.6V）が印加され、リード線２８従つて作用電
極２３が接点８１ｂを介して接地されることにな
る。したがつて、たとえば第７図における時刻ｔ
１において操作スイツチ３をオンしても、それま
でにすなわちスイツチ３のオフ期間において、対
照電極２４には一定電圧が印加されているので、
電極間電流(I)はすぐに時刻ｔ２′で安定する。

第１図で示すような酵素電極を用いて過酸化水
素を測定する場合について実験してみると、第２
図に示す従来装置では、スイツチ３をオンしてか
ら残余電流が安定するまでにすなわち第５図の時
刻ｔ１からｔ２までに18分程度を要した。しかし
ながら、この第６図実施例においては、残余電流
が安定するまですなわち第７図における時刻ｔ１
からｔ２′までに10秒もかからなかつた。また、
第８図の時刻ｔ３におけるように測定中にスイツ
チ３がオフされた場合であつても、時刻ｔ４でス
イツチ３を再びオンにすれば、時刻ｔ５にはすで
に時刻ｔ３における電流値に安定した。この時刻
ｔ４からｔ５までにも、20秒もかからなかつた。

また、このような電極間電流(I)は、基質がない
ときの消費電流はごくわずか（ナノオーダ）であ
るため、第２の電源としてバツテリを用いても、
非常に長い間使用が可能である。また、この実施
例のように、第２の電源としてバツテリを用いれ
ば、特に小形の電極装置を考えた場合に、非測定
時には全く交流電源（商用電源）を切つておける
ので、非常に有効である。

なお、上述の実施例においては、第２の電源と
してバツテリを用いるようにしたが、これはスイ
ツチ３がオフされても交流電源AC100Vによつて
付勢されるような第２の電源回路を用いることも
可能であろう。しかしながら、この場合には、ス
イツチ３をオフにしてもコンセント（図示せず）
は抜かないようにしなければならない。

また、上述の実施例では、電極への印加電圧を
切換えるために、リードリレーを用いた。しかし
ながら、このような切換手段としては種々のスイ
ツチング素子たとえば接合型（Ｊ）FETなどの
半導体スイツチング素子などが利用可能であろ
う。しかしながら、この切換手段に利用されるべ
きスイツチング素子としては、電極間電流が非常
に小さい場合には、可及的漏れ電流が小さいこと
が要求される。

さらに、上述の実施例ではアンペロメトリツク
電極の一例として酵素電極について説明したが、
この発明は、第１の電極と第２の電極とを含み両
電極間に測定電圧を与えてそこに流れる電流を測
定し、それによつて測定対象の特性を測定するよ
うなすべての測定装置に実施可能なことはもちろ
んである。

以上のように、この発明によれば、操作スイツ
チをオフしている場合でも酵素電極を構成する一
方の電極に一定電圧を印加するようにしたので、
酵素電極を予備動作状態にしておくことができ
る。そのために、測定に際して操作スイツチをオ
ンした初期においても安定状態になるまでの待機
時間が従来のものに比べて非常に短縮されうる。
したがつて、従来のものに比べて効率が向上する
ばかりでなく緊急検査が可能となり、さらには商
用電源が停電してその後回復したような場合でも
直ちに測定を再開することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となる酵素電極の一例
を示す断面図解図である。第２図は従来の測定装
置の一例を示す図である。第３図および第４図
は、それぞれ、測定対象を酸素（O₂）および過
酸化水素（H₂O₂）としたときの電圧変化を示す
グラフである。第５図は従来装置における待機時
間を説明するためのグラフである。第６図はこの
発明の一実施例を示す図である。第７図および第
８図はこの発明の動作ないし作用を説明するため
のグラフである。図において、２は酵素電極、２８および２９は
リード線、３はスイツチ、４１は電源回路、４２
は印加電圧発生回路、８，９はリードリレーコイ
ル、１０はバツテリを示す。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の電極と第２の電極とそれらの電極の少
なくとも一方の表面に接する固定化酵素膜との組
合わせを含む酵素電極を含み、前記第１の電極と
第２の電極との間に測定電圧を印加して、酵素反
応により現われる両電極間の電流を測定すること
によつて測定対象の特性を測定するようなアンペ
ロメトリツク電極を用いた測定装置であつて、測定中にオンされるべき操作スイツチ、前記操作スイツチがオンのとき電源供給可能と
なる第１電源、前記操作スイツチのオンまたはオフにかかわら
ず電源供給可能である第２の電源、および前記操作スイツチがオンのとき前記第１の電源
から前記第１の電極および第２の電極の一方に電
源を供給し、かつ前記操作スイツチがオフされた
ことに応じて前記第２の電源から前記第１の電極
および第２の電極の一方に電源を供給するための
切換手段を備える、アンペロメトリツク電極を用
いた測定装置。２前記第２の電源はバツテリを含む、特許請求
の範囲第１項記載のアンペロメトリツク電極を用
いた測定装置。３前記切換手段はリレーコイルおよびそれに関
連するリレー接点を含んで構成される、特許請求
の範囲第１項または第２項記載のアンペロメトリ
ツク電極を用いた測定装置。