JPH02140656A

JPH02140656A - 酵素電極

Info

Publication number: JPH02140656A
Application number: JP63294899A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Shimizu; 義浩清水; Kenichi Morita; 健一森田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1990-05-30

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】［産業上の利用分野］本発明は、安定性および感度が優れた酵素電極に関する
。

［従来の技術］従来、酵素センサあるいは酵素電極としては、クラーク
型酸素センサあるいは白金電極上に酵素固定化膜を張っ
たセンサが用いられている。

最近、アナライティカル　レターズ（ＡＮＡＬＹ丁ＩＣ
ＡＬ　１ｅｔｔｅｒｓ）、２０（９）、１４０７−１４
１６（１９８７）あるいは第５回電気化学協会大会講演
要旨集ｐ、５５において、白金あるいは炭素電極に直接
酵素を吸着し、アルブミンタンパクで固定する方法が提
案されている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、クラーク型酸素センサに酵素固定化膜を
張った酸素センサは、その構造から内部電解液室を必要
とするので微小化が困難であり、収扱いがめんどうであ
る。

また、白金電極上に酵素固定化膜を張ったセンサは感度
がわるい、応答が遅いなどの欠点がある。

さらに、アルブミンタンパクで固定する電極は、長時間
使用すると安定性が悪くなるといった問題がある。

本発明は、かかる従来技術の欠点を解消しようとするも
のであり、微小化が容易で、応答および感度に優れ、長
時間安定性のよい酵素電極を提供することを目的とする
。

［課題を解決しようとする手段］本発明は、上記目的を達成するなめに、下記の構成を有
する。

「　炭素繊維とそれを覆う非導電性物質とから成り、炭
素繊維の一端を削り込むことにより微細孔を形成し、か
つ該削り込まれた炭素繊維の先端が４０度未満の鋭角に
尖っていて、さらに該炭素繊維の先端上に酵素を固定し
てなることを特徴とする酵素電極。」第１図は本発明の酵素電極の概略綿を示す断面図である
。第１図中、１は炭素繊維、２は非導電性物質、３は微
細孔、４は酵素、５は白金を示す。

炭素繊維１の先端は、４０度未満に尖っていることが必
要であり、さらには、その先端角度は小さい方が好まし
く、１５度以下がより好ましい。

角度が小さいほど、炭素電極先端の表面積が広くなり、
多くの酵素を固定可能となるため、安定性が増大し好ま
しい。また、「４０度未満Ｊとは、炭素繊維の先端部内
での角度を意味し、炭素繊維と非導電性物質との間に形
成される角度を意味するものではい。

微細孔３を形成する方法、すなわち炭素繊維の一端を削
り込む方法としては、電解酸化法が好ましい。電解酸化
法について説明する。電解液としては、酸性あるいはア
ルカリ性水溶液に支持電解質を溶解した水溶液、または
メタノールなどのアルコール類が用いられる。炭素繊維
電極を陽極に接続し、対極（陰極）に金属電極を用いる
ことにより、陽極酸化する。削り込む時の酸化速度いい
かえれば電流値によって炭素繊維の先端の角度は決まる
。例えば、本発明実施例１における、直径７μｍの炭素
繊維１０００本から作製された電極において炭素繊維を
削る場合の、０．４２クーロン（秒Ｘアンペア）の電気
量を流した場合の、電流値と炭素繊維の先端角度との関
係を第２図に示す。

本発明において、「炭素繊維の先端上に酵素を固定して
なる」とは、削り込まれた炭素繊維の先端表面に直接酵
素を固定するか、あるいは、炭素繊維の先端表面上にメ
ツキなどで白金、金などの貴金属を修飾して、その上に
酵素を固定する場合も含み、後者の方法が本発明におい
てより好ましい。また貴金属の上に電気化学的に重合で
きる膜を電解酸化重合法を用いて張り、その膜の上に酵
素を固定してもよい。電気化学的に重合できる膜として
は、ビロール、Ｎ−メチルピロール、アニリン、４．４
−一ジアミノジフェニルエーテル、４．４−一ジアミノ
ジフェニルスルフィド、フェノール、１．２−ジアミノ
ベンゼン等があげられる。また、本発明において、微細
孔を形成している非導電性物質の側面に酵素が付いてい
ても問題はない。

酵素の固定は、酵素を溶解した溶液中に電極を浸漬し、
数時間〜数十時間、ゆっくり撹拌することによって酵素
が固定化される。その撹拌速度としては、１０〜１００
　ｒｐｍであることが好ましい。

ゆっくり撹拌しながら浸漬することによって、非導電性
物質の側面に比べ、炭素繊維先端表面上に多くの酵素が
固定される。さらに、溶液中にカルボジイミド化合物を
添加することも、炭素繊維先端表面上に多くの酵素を固
定するためには好ましい。さらに、アルブミン溶液中に
浸漬して、グルタルアルデヒドで固定を強化してもよい
。

酵素としては、グルコースオキシダーゼ、乳酸オキシタ
ーゼ、Ｌ−アミノ酸オキシターゼ、キサンチンオキシダ
ーゼ、尿酸オキシダーゼ、ピルベートオキシダーゼ、ラ
クテートオキシダーゼ等の各種オキシダーゼ系酵素が好
ましく用いられるがこれに限定されるものではない。

本発明において微細孔の径、すなわち炭素繊維は、汚れ
にくい、流速の影響を受けにくいという点から２０μｍ
以下であることが好ましく、特に好ましいのは１０μｍ
以下である。

また、微細孔の深さは、エツチング電流値と時間との積
に比例し、任意に変えられるものである。

本発明においては、応答速度と電極の安定性の面から０
．５〜５００μｍであることが好ましく、さらに、１０
０〜４００μｍであることが好ましい。

非導電性物質としては特に制限はないが、弗素樹脂、ポ
リエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリフェニレンオキシ
ド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ウレタン樹脂
、シリコン樹脂、塩化ビニル樹脂、フェノール樹脂など
の高分子材料が用いられる。

［実施例］実施例１炭素繊維１０００本の束（東し株式会社製″°トレカＴ
３００”、ＩＫ、直径７μｍ）を硬化剤を含んだエポキ
シ樹脂中をはしらせ、含浸させた。

つぎにこの含浸した炭素繊維束を引張ったまま加熱して
硬化させ、直径的０．５ｍｍの針金状の複合材料を得た
。これの側面をエポキシ樹脂で完全に絶縁したのち切断
し、一方の断面を常法で研磨し、他方の端に銀ペースト
を用いてリード線を接続して電極を作成した。

研磨した部分を２ミリモルの硫酸水溶液につけ対極に白
金線を用い０．３４ミリアンペアの電流で１０分間陽極
酸化を行うことにより、炭素繊維の先端を削り込み、先
端角度を約３０度としな。

この電極を生理食塩水中にて三電極方式（対極として白
金を用い、参照極として飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を
用いる方法）で−０，６Ｖ（ｖｓ。

５ＣＥ）の電位をかけて約１時間遠元した。その後、こ
の電極を白金メツキ液（塩化白金酸、０゜０３７モル／
ｌ　、りん酸アンモニウム０．１３４モル／ｌ　、りん
酸ナトリウム０．７０モル／、ｌ！を含む水溶液）に浸
漬し、白金を対極として定電流で４ミリクーロンの電気
量を流した。白金メツキされた電極をイオン交換水で洗
浄した後、りん酸緩衝液（りん酸水素ナトリウム０．０
３３モル／ｇ、りん酸水素カリウム０．０３３３３モル
／に５分程度浸した。その後、グルコースオキシダーゼ
５ｍｇ　（１００ｘ１０４ｕｎｉｔ／ｇ、ナガセ製）と
１−シクロへキシル−３（２モルフォリノエチル）カル
ボジイミド２０＋ｎｃ＋を含むｌｃｃりん酸緩衝液に約
４時間、約６Ｏｒｐｍの速度で撹拌しながら浸し、白金
メツキ上に酵素を固定して微細孔の深さが１００μｍで
ある酵素電極を得た。

この電極と銀／塩化銀電極（銀線の上に陽極酸化で塩化
銀をつけたもの）をりん酸緩衝液中に入れ、定電圧０．
６Ｖ　（ｖｓ、Ａｇ／ＡｇＣ，ｌｌ　）をかけた。りん
酸ｙｊ：ｉ液中にグルコースを添加し、検量線を調べた
。結果を第３図に示す。第３図中、△で示された線が本
実施例の値を示す。

また、一定濃度のグルコースを含むりん酸緩ｆｒ液中に
て連続使用時の電流変化を第４図に示しな。

第４図中、△で示された線が本実施例の値を示す。

実施例２実施例１において、炭素繊維を削り込む際の電流値を０
．３４ミリアンペアに、時間を２０分に変えた以外は、
実施例１と同様にして、微細孔の深さが２００μｍであ
る以外は、実施例１と同様の酵素電極を得た。

また、実施例１と同様に検量線を調べた。結果を第３図
に示す。第３図中、○で示された線が本実施例の値を示
す。この電極を約２ケ月、室温、リン酸干渉液中に放置
後、検量線を調べたが、出力電流の低下は全くなかっな
。

実施例３実施例１において、炭素繊維を削り込む際の電流値を０
．３４ミリアンペアに、時間を３０分に変えた以外は、
実施例１と同様にして、微細孔の深さが３００μｍであ
る以外は、実施例１と同様の酵素電極を得た。

また、実施例１と同様に検量線を調べた。結果を第３図
に示す。第３図中、・で示された線が本実施例の値を示
す。この電極を約２ケ月、室温、リン酸干渉液中に放置
後、検量線を調べたが、出力電流の低下は全くなかった
。

実施例４実施例１において、炭素繊維を削り込む際の電流値を０
．３４ミリアンペアに、時間を４０分に変えた以外は、
実施例１と同様にして、微細孔の深さが４４０μｍであ
る以外は、実施例１と同様の酵素電極を得た。

また、実施例１と同様に検量線を調べた。結果を第３図
に示す。第３図中、口で示された線が本実施例の値を示
す。この電極を約２ケ月、室温、リン酸干渉液中に放置
後、検量線を調べたが、出力電流の低下は全くなかった
。

比鮫例１炭素繊維を削り込まず実施例１と同様に酵素電極を作成
しな。この電極はグルコース濃度１０ｍｇ／ｄ、Ｑまで
しか応答せず、しかも連続使用したときには数時間で応
答しなくなった。

実施例５実施例２において、炭素繊維を削り込む際の電流値を０
．１ミリアンペアに、時間を６８分に変えた以外は、実
施例２と同様にして、炭素繊維の先端角度が１５度であ
る以外は、実施例２と同様の＠細孔の深さが２００μｍ
である酵素電極を得た。

この電極を用いて一定濃度のグルコースを含むりんｖｉ
緩衝液中にて連続使用時の電流変化を調べた。結果を第
５図に示す。第５図中、本実施例を麿で示し、実施例２
を○で示す。

［発明の効果］本発明は、炭素繊維を削り込み、さらにその先端を４０
度未満とし、その先端に酵素を固定することにより、応
答性および感度に優れ、かつ、長時間安定性に優れた酵
素電極を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例１の酵素電極先端部の断面図で
ある。１は炭素繊維、２は非導電性物質、３は微細孔、４は酵
素、５は白金を示す。第２図は、本発明実施例１において０．４２クーロンの
電気量を流した場合の、削り込む電流値と、削り込まれ
た炭素繊維の先端角度との関係を示す。第３図は、本発明実施例１，２，３．および４の電極の
検量線を示す。 △は実施例ＬＯは実施例２、・は実施例３、口は実施例
４の電極についての結果である。第４図は、本発明１．２．３および４の電極についての
連続測定時間と出力電流変化率との関係を示す。 △は実施例１、○は実施例２、・は実施例３、口は実施
例４の電極についての結果である。第５図は、本発明実施例２と実施例５の電極についての
連続測定時間と出力電流変化率との関係を示す。・は実施例２、目は実施例５の結果を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素繊維とそれを覆う非導電性物質とから成り、
炭素繊維の一端を削り込むことにより微細孔を形成し、
かつ該削り込まれた炭素繊維の先端が４０度未満の鋭角
に尖っていて、さらに該炭素繊維の先端上に酵素を固定
してなることを特徴とする酵素電極。