JPH0213842A - 酵素電極 - 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】 り束上立■１九災 本発明は、燃料電池、バイオリアクター電極材料、バイ
オセンサニ用電極などとして好適な酵素電極に関する。

災米立肢生 従来から酵素反応を利用して化学物質を検出するセンサ
ーや、化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力
を得る燃料電池などの研究が活発に行なわれており、な
かでもグルコースオキシダーゼを利用したグルコースセ
ンサーについては様々な方式のものが提案されている。

具体的には。

反応によって生成したＨ２Ｏ２を過酸化水素電極により
定量する方式、消費した。２を酸素電極により定量する
方式がある。しかし、これらの方式では溶存酸素が十分
に存在しないとグルコースが正確に定量できないという
欠点がある。そこで、溶存酸素が十分に存在しなくても
電子伝達物質（以下、メデイエータ−という）に酸化還
元酵素と集電体の作用極との間の伝達を行なわせて電気
信号を検出し、グルコースを定量する方式が提案されて
いる。

上述したメデイエータ一方式の酵素電極は、集電体の作
用極表面をメデイエータ−及び酵素で修飾したものであ
るが、上記作用極としては金、白金、パラジウム等の貴
金属板やこれら貴金属の蒸着膜１、或いはカーボン電極
などが使用されている。

目が　　しよ　とする しかし、メデイエータ一方式の酵素電極において集電体
の作用極に貴金属を用いた場合、良好な電気化学的特性
を得ることはできるが、コストが高くなり、酵素電極が
高価になるという問題が生じる。一方１作用極にカーボ
ン電極を用いた場合、コストを下げることはできるもの
の、過電圧の上昇、バックグラウンド電流の増大といっ
た問題が生じ、十分な電気化学的特性を得ることが困難
である。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、コスト的に
安価に作成し得、しかも良好な電気化学的特性を有する
酵素電極を提供することを目的とする。

を　　するこめの　　　び 本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行
なった結果、集電体の作用極に金属酸化物を用いること
、例えばポリエチレンテレフタレート等の不導電性基体
上に金属酸化物導電体層を形成し、更にこの導電体層を
メデイエータ−及び酵素で修飾することなどにより、電
気化学的特性を損なうことなくコストを下げることがで
き、安価でかつ優れた基質応答特性を有する高機能な酵
素電極が得られることを知見し、本発明をなすに至った
。

従って、本発明は、酵素と集電体の作用極との間の電子
伝達を電子伝達物質が媒介する酵素電極において、上記
作用極を金属酸化物導電体で形成したものである。なお
、ここで作用極とは、集電体のうち酵素からの電子を受
容する部分をいう。

この場合、本発明においては、不導電性或いは導電性基
体上に金属酸化物導電体層を形成し、この導電体層を作
用極として構成してもよく、集電体全体を金属酸化物導
電体にて形成し、集電体全体を作用極として構成しても
よいが、不導電性基体上に金属酸化物導電体層を形成し
、これを作用極とすると共に、この作用極表面をメデイ
エータ−及び酵素で修飾することが特に好ましい。

以下、本発明につき更に詳しく説明する。

本発明において作用極として用いる金属酸化物導電体の
種類に限定はないが、酸化スズ、酸化インジウム、酸化
亜鉛、酸化インジウムスズ、酸化タングステン、酸化チ
タンなどが好適に使用され。

特に電気化学的安定性などの点からの醸化インジウムス
ズが好ましい、なお、金属酸化物導電体からなる作用極
は、その表面抵抗を５にΩ／ｃｌＩ以下とすることが好
ましい。

また、不導電性基体上に金属酸化物導電体層を積層する
ことにより集電体を形成し、上記導電体層を作用極とす
る場合、上記不導電性基体の種類は特に制限されないが
、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ
カーボネート、ポリスチレン、アクリル系ポリマー、ポ
リアミド、ポリイミド、ポリサルフオンなどの不導電性
樹脂が成形性の点などから好ましく、更にセラミックや
ガラスなども好適に用いられる。なお、不導電性基体上
に金属酸化物導電体層を形成する方法に特に制限はなく
、蒸着、スパッタリング、イオンブレーティングなどが
好適に採用される。また、この金属酸化物導電体層の厚
さに限定はないが、上述したように表面抵抗を５にΩ／
ａ１以下とすることが望ましい。

本発明酵素電極は、上記作用極表面をメデイエータ−及
び酵素で修飾するものであり、この場合メデイエータ−
としては種々のものを使用し得るが、ポリアニリン等の
導電性高分子物質又はフェノチアジン類、フェノキサジ
ン類等の還元型レドックス化合物が好適に用いられる。

即ち、例えばグルコースオキシダーゼのような基質を酸
化する酵素のメデイエータ−としては、従来フェロセン
。

ベンゾキノン、クロラニル、チオニンなどの酸化型レド
ックス化合物が主に用いられてきたが５醸化型レドック
ス化合物は熱力学的に酸化状態が安定なため系全体の反
応速度はメデイエータ−の還元反応、すなわち酵素から
の電子受容反応によって律速となり、そのため酵素から
の電子受容反応が効率よく行なわれなくなり、大きな電
流値が得られなくなる場合があるのに対し、メデイエー
タ−に還元状態で安定な還元型レドックス化合物を用い
、これらレドックス化合物の酸化還元電位以上の電位を
印加し電解酸化することにより、系全体の反応速度はメ
デイエータ−の還元反応によって律速にはならないので
、酵素からの電子受容反応が効率良く行なわれ、より大
きな電流値を得ることができる、また、還元型レドック
ス化合物は酸化型のものと異なり水に対する溶解度が非
常に低く、シかも有機溶剤に可溶であるため、この還元
型レドックス化合物をメデイエータ−として用いること
により、メデイエータ−が溶出して電極の感度が低下す
ることが防止されるものである。

なお、上記水に不溶で有機溶剤に可溶な還元型レドック
ス化合物としては、下記式（１）で示されるフェノチア
ジン類又はフェノキサジン類を好適に使用できる。

（但し、Ｘは硫黄原子又は酸素原子、Ｒ１〜Ｒ’はそれ
ぞれ水素原子、アルキル基、ハロゲン原子。

ニトロ基、アルコキシ基、アリール基から選ばれる原子
又は基、Ｒ３は水素原子又はアルキル基を示す、） また１本発明の酵素電極に用いられる酵素としては、進
行させたい化学反応の種類に応じた基質特異性及び反応
特異性などにより適宜選択され。

特に制限はないが、例えば、グルコースオキシダーゼ、
アルコールデヒドロゲナーゼ、ウレアーゼ。

グルコキナーゼ、ペルオキシダーゼ、コレステロールエ
ステラーゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼ。

カタラーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、グルコアミラーゼ
、ガラクトースオキシダーゼ、ペニシリナーゼ、チロシ
ナーゼなどが挙げられる。

本発明酵素電極の作製法としては、特に限定されるもの
ではないが、上記還元型レドックス化合物等のメデイエ
ータ−を少量の有機溶剤に溶解し、高分子化合物の溶液
状態又は水分散状態のものと混合して、上記作用極上に
この組成物を塗布又は印刷によって形成し、乾燥同化後
、酵素を固定する方法、或いは上記組成物に酵素を混入
したものを作用極上に塗布、印刷又は圧着する方法など
が用いられる。なお、これらの組成物にカーボンなどの
導電体を入れてもよい。

この場合、上記メデイエータ−及び／又は酵素と混合す
る高分子化合物としては、ポリ四フッ化エチレン、ポリ
クロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、
四フッ化エチレンー六フフ化プロピレン共重合体、四フ
ッ化エチレンーエチレン共重合体等のフッ素系樹脂；パ
ーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン
酸ポリマー等のフッ素系高分子電解質；ポリビニルアル
コール、ポリアクリルアミド等の親水性高分子化合物及
びその架橋体；ポリエステル、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリスチレン、塩化ビニル等の熱可塑性樹脂；シ
リコーン、エポキシ、ウレタン等の熱硬化性樹脂並びに
アルブミン、酢酸セルロース、ニトロセルロース等の生
体由来の高分子物質及びその誘導体などの１種又は２種
以上を混合して用いることができる。また、測定溶液と
のぬれ性を向上させるため還元型レドックス化合物等の
メデイエータ−と高分子化合物とからなる組成物に界面
活性剤又はシリカ、酸化チタン等の微粉末を添加するこ
と、またカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維等
の導電体を添加することは差支えない。なお、メデイエ
ータ−と高分子化合物との混合比は１通常メデイエータ
ー１重量部に対して高分子化合物１０〜１０００重量部
である。

また、上記還元型レドックス化合物等のメデイエータ−
と高分子化合物とを含む組成物より形成された成形物に
酵素を固定する方法としては、特に制限はないが、包括
法、担体結合法、共有結合法、イオン結合法、吸着法、
架橋法などが挙げられ、中でも酵素を高分子のネットワ
ークに包み込む包括法やグルタルアルデヒドによりシッ
フ塩基を形成する方法が好適に用いられる。ここで、還
元型レドックス化合物等のメデイエータ−に対する酵素
の量としては必ずしも制限されるものではないが、１〜
５０，０００単位／■とするのが好ましく、処理温度と
しては０〜３０℃、ＰＨは３〜１０の範囲とするのが好
ましい。

見班立羞来 以上説明したように、本発明の酵素電極は、集電体の作
用極を金属酸化物導電体で形成し、この作用極をメデイ
エータ−及び酵素で修飾したことにより、良好な電気化
学的特性を有し、優れた基質応答特性を示すと共に、安
価かつ簡易に作製し得るものである。この酵素電極は、
たとえば、血糖値又は尿糖値などを測定するセンサーと
して好適に用いられる。

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明す
るが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない
。

〔実施例〕

フェノチアジン（和光純薬製）１重量部を少量のアセト
ンに溶解し、水分散性テフロンディスバージョン（固形
分６０％）１０００重量部を添加して、メノウ乳鉢にて
充分混合した。更に、５重量部のグルコースオキシダー
ゼ（シグマ社製）を混合して液状組成物を調製した。こ
うして得られた液状組成物を、ポリエチレンテレフタレ
ートフィルム（不導電性基体）上に蒸着法によって形成
した酸化イジウムスズ電極（作用極表面抵抗１にΩ以下
）上に塗布、乾燥して酵素電極を得た。

次に、この酵素電極を用い、　ｐＨ７，４のリン倣緩衝
溶液中で銀・塩化銀電極を参照極としてサイクリックポ
ルタモグラムを測定したところ、第１図に示すような曲
線が得られた。この結果より、フェノチアジンの酸化還
元に由来する明瞭なピークを示し、フェノチアジンと電
極の電子移動が良好に行なわれていることがわかる。

また、この酵素電極を用いて、各濃度のブドウ糖標準溶
液中において、銀・塩化銀電極対比＋０．５Ｖにおける
電流を測定したところ、第３図において実線Ａで示す通
りの結果が得られ、この実施例に係る酵素電極は５００
■／ｄＱのブドウ糖濃度で１３０μＡ／ｄの大きな電流
密度が得られることが認められた。しかも、ブドウ糖濃
度と電流密度との対応も良好である。

〔比較例〕

実施例に示したフェノチアジン、グルコースオキシダー
ゼ、テフロンディスバージョンからなる液状組成物を、
ポリエチレンテレフタレートフィルム上に蒸着法によっ
て形成したパラジウム電極（表面抵抗１にΩ以下）上に
塗布、乾燥して酵素電極を得た。

実施例と同様にしてｐＨ７，４リン酸のリン酸緩衝溶液
中で銀・塩化銀電極を参照極としてサイクリックポルタ
モグラムを測定したところ、第２図に示すような曲線が
得られた。この結果より、フェノチアジンの酸化還元ピ
ークが不明瞭となり、フェノチアジンと電極の電子移動
が良好ではないことが認められる。

更に、ブドウ糖に対する応答電流を測定したところ、第
３図において実線Ｂで示す通りの結果が得られ、５００
■／ｄｌｌのブドウ糖濃度で８０μＡ／ｄの電流密度が
得られるにとどまった。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の酵素電極のサイクリックポルタモグラ
ム、第２図は比較例の酵素電極のサイクリックポルタモ
グラム、第３図は実施例（実線Ａ）及び比較例（実線Ｂ
）の酵素電極を用いた場合におけるブドウ糖濃度と電流
密度との関係を示すグラフである。 出願人　　株式会社　ブリデストン 代理人　　弁理士　小　島　隆　司

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、酵素と集電体の作用極との間の電子伝達を電子伝達
   物質が媒介する酵素電極において、該作用極が金属酸化
   物導電体からなることを特徴とする酵素電極。