JPH02266255A

JPH02266255A - 酵素電極

Info

Publication number: JPH02266255A
Application number: JP1087597A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakajima; 聡中嶋; Koichi Takizawa; 滝澤　耕一; Masato Arai; 真人荒井; Hideki Endo; 英樹遠藤
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1989-04-06
Publication date: 1990-10-31
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JP2748526B2

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】（イ）産業上の利用分野この発明は、酵素反応に伴うｐＨ変化を検出し、試料溶
液中の基質濃度を電気的に測定する酵素電極に関する。

（ロ）従来の技術従来、試料溶液中の物質濃度を電気的に測定するには、
この物質を基質とする酵素を用い、この酵素反応に伴う
物質の生成又はｐＨの変動を検出する酵素電極が知られ
ている。この酵素電極としては、過酸化水素電極を使用
したもの、酸素電極を使用したもの及び電界効果トラン
ジスタ（ＦＥＴ）を使用したものの三種類がある。

過酸化水素電極を使用した酵素電極の例を第４図に示す
。この酵素電極１１は、丸棒状の作用電極１３と円筒状
の参照電極１４を同心円状に配置し、樹脂製の本体１２
にモールドしてなるものであり、作用電極１３と参照電
極１４は、球面状に加工された本体１２の端面１２ａに
露出し感応面を構成している。作用電極１３には、白金
（Ｐｔ　）等が、参ＩＩＱ電極１４には、白金（Ｐｔ）
、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、塩化銀（Ａ　ｇ　Ｃｎ　）
等が使用される。

本体端面１２ａには、酵素膜１５が装着されて、この酵
素１１り１５が前記作用電極１３及び参照電極１４に密
着する。酵素ｌｌＩ２１５の周縁部はＯリング１６によ
り本体１２に固定されている。本体１２の他の端面１２
ｂにはコネクタ１７が設けられ、このコネクタ１７と、
作用電極１３と、参照電極１４とは、それぞれリード線
１日により電気的に接続される。

今、酵素膜１５にグルコースオキシダーゼ（ＣＯＤ）が
固定化されるとする。酵素膜１５がβ−Ｄ−グルコース
を含んだ試料溶液に接すると、この試料溶液が酵素膜１
５内に浸透し、以下の式で表される酵素反応が生じる。

β−Ｄ−グルコース＋０２グルコン酸＋８２０□　・・・（１１ＯＤこの時生成したＨ２０□は、作用電極１３上で酸化され
て電流が生じる。この電流（直は、生成したＨ、Ｏ□量
、さらには基質であるβ−Ｄ−グルコースの濃度に対応
しているから、この電流値より試料溶液中のグルコース
濃度を知ることができる。

第５図は、酸素電極を使用した酵素電極２１の断面図を
示している。本体２２は、開口２２ａを有する中空構造
であり、内部に電極支持基材２９．２９“が設けられ、
それぞれ作用電極（例えばＰｔ）２３と参照電極（例え
ばＡｇＣ１）２４が支持される。画電極２３．２４に導
通ずるリード綿２８．２８゛は、電極支持基材２９．２
９゛内を延伸して本体２２の後端面２２ｂより後方に引
き出される。

一方、本体２２には、その開口部２２ａを覆うように、
酵素膜２５、ガス透過膜２７が重ねて装着されており、
０リング２６により固定される。

本体２２内には、内部液ドが充填されており、この内部
液Ｆがガス透過Ｉ＋’；！２７に接触している。

酵素Ｈ％２５に先と同様ＣＯＤが固定化されている七す
ると、酵素膜２５に試料溶液が浸透し酵素反応が開始し
た時には前記（１）弐により、酵素膜２５近傍の酸素濃
度が減少する。よって、ガス透過膜２７を通して、内部
液Ｆ中の酸素濃度が減少して、電極電流が減少する。こ
の電極電流の変化により、試料溶液中のグルコース濃度
を知ることができる。なお、（１）式で生成する過酸化
水素は、ガス透過膜２７を透過できないので、電極電流
に影響を与えることはない。

さらに、第６図は、ＦＥＴを用いた酵素電極の一例を示
す断面図である。この第６図で３８はシリコン基板、３
２はチャネル、３３は地縁層、３４はチャネルリードを
それぞれ示している。ゲト酸化膜３７上には、酵素膜３
５とイオン選択膜３６とが重ねて形成されている。この
酵素電極３１は、酵素Ｗｉ、３５内の酵素反応に伴うイ
オン変化を、イオン選択膜３６を通してゲート電圧の変
化として検出し、この電圧変化から試ｆ１溶液中の基質
濃度を知ることができる。

（ハ）発明が解決しようとする課題上記従来の酵素電極の内、過酸化水素電極型１１と酸素
電極型２１とは、反応電流を検出するので、ノイズを防
止するためにも、一定収上の電流値を確保しなければな
らず、電極感応面の面積を一定以上とする必要があり、
酵素電極の小型化が困難である。とくに酸素電極型２１
は内部液Ｆが必要なので小型化が困難であるばかりでな
く、この内部液Ｆの保守も必要であり取り扱いが煩雑で
ある。また、過酸化水素電極型１１、酸素電極型２１と
ともに、応答時間の短縮化が困難である。

さらに、複数項目の同時測定を行う場合には、過酸化水
素電極型１１では電極間で干渉を生じるために、電気的
に絶縁する必要が生じ、測定系が複雑となる。

一方、ＦＥＴ型３１では、拡散、エツチング、酸化等製
造工程が複雑であり、個々の特性のばらつきが生じやす
い。また、半導体であるために光による出力の変動が生
じる。さらに、ＦＥＴ駆動用の定電圧、定電流回路が必
要となり、測定系が？１雑化する問題点があった。加え
て、太平生産しないかぎり低価格化を図れない問題点も
あった。

この発明は、上記に鑑みなされたもので、小型で取り扱
いやすく、応答時間が早く、個々のばらつきが少なく、
測定系が簡略化できる酵素電極の提供を目的としている
。

（ニ）課題を解決するための手段及び作用上記課題を解
決するため、この発明の酵素電極は、電極支持基材上に
窒化チタン膜を形成し、この窒化チタン膜の少なくとも
一部を感応面とし、この感応面を覆うように酵素Ｈりを
設けてなるものである。

窒化チタンは水素イオンに対する感応性を有しており、
水素イオン濃度の変化が電位差として現れる。よって、
窒化チタン膜を酵素膜で覆えば、酵素膜内の酵素反応に
伴う水素イオン濃度の変化により電位差が変化し、この
電位差の変化より試料溶液中の基質濃度を知ることがで
きる。このようにこの発明の酵素電極は電位差の変化を
検出するものであり、感応面面積が小さくてもよく、酵
素電極間の干渉も生じにくく、測定系も簡略にすること
ができる。

また、この発明の酵素電極は、内部液が必要でなく取り
扱いが容易であり、構造が簡弔で生産が容易で、特に窒
化チタン膜１２はスパッタリングやイオンブレーティン
グ等の薄膜形成技術を提供することができ、大量生産し
なくても低価格で生産できる。

（ホ）実施例この発明の一実施例を第１図乃至第３図に基づいて以下
に説明する。

第１図（ａ）は、この実施例酵素電極１の縦断面図であ
る。２は、絶縁基材であり、例えばセラミックやポリイ
ミドフィルム等の絶縁材料が使用できる。この絶縁基材
２上には、窒化チタン膜３がスパッタリング、反応性ス
パッタリング、イオンブレーティング等の方法により形
成されている。窒化チタン膜３の端子部３ａには、リー
ド％？１４が接続され、この端子部３ａはモールド層５
で保護される。窒化チタン１１り３の感応部３ｂ上には
、酵素＋１！Ｊ　６が重ねて形成されている。

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の酵素電極ｌの変形例を
示しており、窒化チタン膜感応部３ｂが酵素膜６で覆わ
れている点は第１図（ａ）の場合と同じであるが、端子
部３ａは露出しており、中央部３Ｃのみモールド層５で
保護されている。この酵素電極１゜はコネクタ７に挿入
して用いられ、コネクタ７のバネ状接点７ａが露出した
端子部３ａに圧接する。

なお、窒化チタンは耐摩耗性にすぐれており、端子部３
ａをそのまま接点としても問題が生じない。

このようにコネクタ７を用いることにより、操作性を向
上させることができる。

上記いずれの酵素電極１．１”においても、大型の絶縁
基材を用意し、この絶縁基材上に一括して窒化チタン膜
を形成し、その後で、個々の絶縁基材に分割して固定化
酵素膜等を形成するようにすれば、大型生産も容易であ
る。

前記酵素膜６には、グルコースオキシダーゼ（ＣＯＤ）
、ウレアーゼ等の酵素が固定化される。

例えばＣＯＤが固定化されている場合には、前記（１）
弐による反応が生じ、グルコン酸の生成に伴って水素イ
オン濃度が増加する。これにより、酵素電極１の基準電
極に対する電位が上昇するが、この上昇の度合は試料溶
液中のβ−Ｄ−グルコース濃度に対応している。

第２図は、順にグルコース濃度が高くなるように調製し
た５種類の溶液に、実施例酵素電極１（１°）と基準電
極とを順に浸漬し、酵素電極１の）５　ｔＦ主電極対す
る電位差を記録したものである。

５種類の溶液は、すべて１／４０Ｍの中性リン酸標準液
を溶媒としており、グルコース濃度は順に２０．４０．
６０．８０．１００　ｍｇ／ｄｉとされている。第２図
より電位差の変化がグルコース濃度に対応していること
がわかる。

第３図は、第２図の結果をグルコース濃度を横軸にとり
、電極出力（電位差の変化）を縦軸に取って白丸（○）
でプロットしたものである。これら白丸を結んで得られ
る綿を検量線として未知の試料？８　ｆ’ＰＲのグルコ
ース濃度を知ることができる。

ウレアーゼを酵素膜に用いた場合には、酵素膜６内で以
下の（２）式で示される反応が生じる。

ウレ７−セ［（ｚＮｃＯＮＨ，＋ＨｚＯ−−→　２ＮＨ，＋Ｃ○２
この時生成するアンモニア（ＮＨ３）により酵素膜６内
での水素イオン濃度が減少し、酵素電極１の電位差が減
少する。この電位差の減少は試料溶液中の基質たる尿素
（Ｈ２ＮＣＯＮＨ２）ｉｉｆｆ度に対応しているから、
ＣＯＤの場合と同様、電極出力より尿素濃度を知ること
ができる。なお、ウレアーゼ等のように、過酸化水素や
酸素の増減を伴わない酵素反応を起こす酵素でも、この
発明の酵素電極に使用することができるので、測定可能
な基質の種類が、従来の過酸化水素電極型、酸素電極型
に比べて広がる。

なお、上記実施例では基材が平板状である場合を示した
が、基材の形状は、筒状や針状など任意の形状にするこ
とが、できる。

・・・（２）（へ）発明の詳細な説明したように、この発明の酵素電極は、Ｔｌ掻支持
基材上に窒化チタン膜を形成し、この窒化チタン膜の少
なくとも一部を感応面とし、この感応面を覆うように酵
素膜を設けてなるものであり、以下に列挙する利点を有
している。

ｉ：電位差を検出するものであり、電極出力は電極の感
応面面積に依存しないから、酵素電極の小形化し、集積
化が可能となり、また、複数項目測定の際酵素電極間の
干渉が防止できる。

ｉｉ：ｆＭ造が簡単となり、個々の特性のばらつきが抑
えられ、信頼性が向上する。

１１１：窒化チタン膜は、スパッタリングやイオンブレ
ーティング等の薄膜形成技術により容易に形成でき、大
量生産しない場合でも、低価格化を図ることができる。

１ｖ：窒化チタンは導体であり、測定系は比較的低イン
ピーダンスのオペアンプが一つあればよく、測定系の小
形簡略化及び低価格化が可能となる。

ｖ　：　ｐ　ｆ（変化を伴う酵素反応を容易に測定でき
、測定可能な基質の種類が増える。

ｖｉ：製法上曲面にも窒化チタン膜を容易に形成できる
ので、用途に応じた形状、例えば筒状や針状の酵素電極
を容易に作成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、この発明の一実施例に係る酵素電極の
継断面図、第１図（ｂ）は、同酵素電極の変形例を示す
縦断面図、第２図は、同酵素電極にグルコースオキシダ
ーゼを適用し、この酵素電極を１１浪次濃度の異なるグ
ルコース溶液に浸漬した場合の電位差の変化を説明する
図、第３図は、同酵素電極にグルコースオキシダーゼを
適用した場合のグルコース濃度と電極出力との関係を説
明する図、第４図は、従来の過酸化水素型の酵素電極の
断面図、第５図は、従来の酸素電極型の酵素電極の断面
図、第６図は、従来の電界効果トランジスタ型の酵素電
極の縦断面図である。２：基材、　　　　　３：窒化チタン膜、３ｂ：感応部
、　　６：酵素膜。 ′ｓ１　図＜ａ＞第２図（ｍｍ）祷図第区第図第図泡

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電極支持基材上に窒化チタン膜を形成し、この窒
化チタン膜の少なくとも一部を感応面とし、この感応面
を覆うように酵素膜を設けてなる酵素電極。