JPH0261548A - 酵素電極の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、酵素電極の製造方法に関し、酵素の働きを
利用して各種の有機物質等の検出もしくは測定を行うセ
ンサ等として、各種工業計測や医療等の分野で利用され
る酵素電極を製造する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

酵素電極は、酵素が特定の物質に対して選択的に反応を
示すことに着目して、従来のイオン電極等では検出でき
なかった有機物質等を容易に検出できるセンサ等として
利用されるものである。

第２図は、従来の酵素電極の基本的な構造例を示してお
り、適当な非導電性材料からなる基板１の両面に、白金
などからなる一対の電極、作用極２と対極３が形成され
ており、このうち作用極２の表面に膜状の酵素が固定さ
れて、酵素固定化膜４が設けられたものである。酵素を
電極表面に固定する方法としては、例えば、ゼラチンと
グルタルアルデヒド等を含む希薄な酵素溶液を電極２の
表面に塗布して、電極表面上で製膜を行うとともに、得
られた膜に酵素を共有結合的に固定化することによって
、酵素固定化膜４を形成する方法が採用されている。

上記方法において、ゼラチンは酵素固定化膜４のマトリ
ックス成分となるものであって、希薄な酵素溶液と架橋
剤としてのグルタルアルデヒドだけでは、架橋反応によ
って得られる酵素固定化膜４の強度が弱いので、前記マ
トリックス成分によって膜強度を高めているのである。

例えば、グルコースオキシダーゼを酵素として用いる場
合、酵素に対して５〜１０倍程度のゼラチンを加え、グ
ルタルアルデヒドで架橋させて製膜するようにしている
。

酵素溶液を電ｉ２の表面に塗布するには、マイクロシリ
ンジ等の計量器具で所定量の酵素溶液を計りとって電極
表面に滴下した後、針先等の適当な器具で所定範囲に一
様に拡げて塗布するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記した従来の製造方法の場合、平坦な電極
２の表面に酵素溶液を塗布しているだけなので、前記の
ような手段を用いて一様に拡げようとしても、酵素溶液
の表面張力によって、塗布された酵素溶液がレンズ状に
盛り上がった形になる。この状態の酵素溶液を乾燥し、
架橋反応によって酵素固定化膜４を形成させると、第２
図ｆａｔに示すように、膜厚が一様にならず、酵素固定
化膜４の中央部は分厚く外側はど薄くなってしまう（第
２図（ｂ）において、中央部４ａは分厚く、周辺部４ｂ
は薄くなる）。このように、酵素固定化膜４に膜厚の違
う部分があると、酵素電極を使用している間に膜厚の薄
い周辺部分から破れたり、電極２の表面から剥離したり
して、センサとして使用できなくなる問題が生じる。こ
のような酵素固定化膜４の劣化は、例えば、酵素電極を
センサとして毎日使用した場合、２力月から３力月で発
生していた。

酵素溶液を一様な膜厚に形成する方法として、従来、キ
ャスト法も採用されているが、この方法は粘性の高い有
機溶剤を用いた酵素溶液の場合には有効であるが、前記
したような希薄な酵素水溶液等の場合には、キャスト法
を用いても、やはり均一な膜厚を得ることはできなかっ
た。

そこで、この発明の課題は、酵素電極の製造方法におい
て、膜厚が均一な酵素固定化膜を電極表面に形成するこ
とによって、酵素固定化膜の物理的強度を高め、電極か
らの剥離を防止して、酵素電極の性能向上、長寿命化を
図ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる酵素電極の製造
方法は、電極表面に、酵素固定化膜の設置範囲を囲む枠
部を設け、この枠部内に酵素溶液を一様に塗布すること
によって、酵素固定化膜を形成するようにしている。

〔作　　　用〕

電極表面に設けられた枠部内に酵素溶液を一様に塗布す
れば、塗布された溶液が枠部の内壁に付着することによ
って、溶液の付着力等の作用で、外側に引き伸ばされた
状態で均一な厚みに拡がるので、酵素溶液が乾燥するこ
とによって、枠部内に形成される酵素固定化膜は、中央
部と周辺の枠部近くとの膜厚の差がなくなり、全体が均
一な膜厚を有するものとなる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明を、実施例を示す図面を参照しながら
、以下に詳しく説明する。第１図は、この発明の製造方
法によって製造された酵素電極の概略構造を示している
。

まず、この発明の製造方法で使用される酵素溶液として
は、通常の酵素電極に用いられているものと同様の、各
種酵素および架橋剤、マトリックス、溶剤等を含んだも
のが使用される。

そのうち、マトリックス成分としてはゼラチンが好まし
い。ゼラチンは、アミノ基を多く含む水溶性高分子であ
って、製膜性および密着性に優れている。ゼラチンは、
脱イオンしてから用いるのが好ましい。マトリックス成
分としては、ゼラチンの働きを阻害しない範囲で、アル
ブミン等を併用することもできる。

架橋剤としては、多官能性化合物が使用されるが、具体
的には、グルタルアルデヒド、フタル酸ジアルデヒド、
グリオキザール等のアルデヒド化合物や、ジイソシアネ
ート、ジカルボン酸、ジアルコール、ジグリシジル化合
物等が挙げられる。

酵素溶液は、上記のようなマトリックス成分に架橋剤と
酵素を適当量配合するとともに、これらの成分を水や緩
衝液等の溶媒に溶解・希釈したものであり、この酵素溶
液を電極表面に所定量塗布し、乾燥させることによって
酵素固定化膜が得られる。

酵素固定化膜を設ける電極および基板の構造および製造
方法は、前記した第２図の従来例とほぼ同様であるので
、同じ構造部分には同じ符号を付けるとともに、重複す
る説明は省略する。

非導電性材料からなる基板１の両面に、作用極２と対極
３からなる電極が形成されているのは、従来の構造と全
く同様であるが、作用極２側には、酵素固定化膜の設置
範囲に対応する枠部５を形成しておく。図示した実施例
では、四角い額縁状の枠体５０を電極２の形成面に設け
、この枠体５０を枠部５としている。枠体５０を形成す
るには、酵素固定化膜溶液と反応しないととともに、酵
素電極を使用するときの測定溶液にも不溶な樹脂材料を
用いて、適宜成形手段等によって所定形状の枠体５０を
形成すればよい。このとき使用する樹脂材料としては、
シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ＵＶ硬化性樹脂等が用い
られる。そして、例えば、シリコン樹脂の場合、針先等
に適量の樹脂をとり、電極２の表面に枠体５０の形成位
置に沿って樹脂を適当な厚みで棒状に塗布し、この枠状
の樹脂を乾燥硬化させれば、枠体５０が形成できる。樹
脂材料を硬化させるには、熱、光、電子線等、それぞれ
の樹脂に応じた硬化手段が適用できる。なお、枠部５を
設けるには、上記のように、平坦な基板１および電極２
の上に枠体５０を形成するほか、電極２等と別個に作製
した枠体５０を電極２の上に貼付して枠部５を形成した
り、基板１を適宜手段で掘り込んで、掘り込まれた部分
の外周を枠部５として利用することもできる。なお、こ
のように、基板１を掘り込んで枠部５を形成する場合に
は、枠部５を形成した後で電極２を形成する。その他に
も、各種の電子回路基板やセンサ素子等の製造技術を利
用して、枠部５を形成することができる。

枠部５の高さは、内側に塗布する酵素溶液の塗布量に応
じて決定されるが、例えば、５Ｘ５ｍｍの広さの電極表
面に、グルコースオキシターゼ溶液を３μｌ塗布する場
合には、枠部５の高さを１００μ程度にしておくのが好
ましい。

上記のようにして、枠部５が設けられた電極２の上に、
前記した酵素固定化膜溶液を塗布する。

塗布方法としては、例えば、マイクロシリンジ等の計量
器具で所定量の溶液を計りとって、枠部５の内側に滴下
する。滴下した溶液は、針先等を使って枠部５の内側全
体に拡げるが、特に、枠部５の内壁全周にも充分に付着
するように、全体に−様に拡げることが望ましい。なお
、枠部５の内壁に溶液が付着すると、溶液と壁面との付
着力によって、溶液が外周側に引き延ばされるので、平
坦な面に塗布した場合のように、表面張力で中央が盛り
上がって厚みの差ができることがない。

酵素溶液の塗布量は、枠部５内に塗布したときの液面が
、枠部５の上端とほぼ同じ位置になる程度で実施するの
が望ましい。

酵素溶液を乾燥させると、溶液内では架橋反応が進行し
て、溶液が硬化するとともに、電極２に固定一体化され
、所望の酵素固定化膜４が得られる。前記したように、
溶液が−様な厚みで塗布されているので、得られた酵素
固定化膜４も、第１図（ａ）に示すように、全体が均一
な膜厚を有するものとなる。溶液の乾燥および硬化方法
は、溶液の成分や溶媒の種類等によって、適当な方法が
採用されるが、例えば、酵素としてグルコースオキシタ
ーゼ、マトリックス成分としてゼラチン、架橋剤として
グルタルアルデヒドを用いた酵素溶液の場合、湿度８０
％の室温で、ゆっくり自然乾燥させるのが望ましい。

このようにして酵素電極が製造されるが、この酵素電極
は、酵素固定化膜４の厚みが均一であるので、膜の剥離
や破れを起こし難く、酵素電極の寿命が３力月以上にも
伸びる。また、枠体５０を電極２の外周に沿って設けて
おくと、電極２の端面処理にもなるので、電極２が端面
から剥離するのを防止する効果もある。

一実施例− つぎに、この発明にかかる製造方法によって酵素電極を
製造した具体的実施例について説明する第１図に示すよ
うな構造の酵素電極を製造した。まず、非導電性材料か
らなる基板５に、白金からなる所定パターンの電極（作
用極２および対極３）を貼付した後、作用極２側の表面
に、シリコン樹脂等からなり、内部の広さが５×５１の
枠体５０を所定の高さに形成した。なお、枠体５０を構
成する樹脂材料および枠体５０の高さは、第１表に示し
たような条件で実施した。つぎに、枠体５０の内側に、
第１表に示す各配合の酵素溶液を塗布して、乾燥させる
とともに架橋させて、酵素固定化膜４を形成した。

なお、比較例として、前記第２図に示すような、枠体５
０を設けないとともに実施例１と同じ配合の酵素溶液を
用いた酵素電極も製造した。

このようにして製造された各実施例および比較例の酵素
電極に対して、バッチ式で電圧０．７Ｖ（対Ａｇ／Ａｇ
Ｃ１電極）を印加して、濃度１００ｍｇ／ｄ　ｌのグル
コース溶液の測定に使用した。毎日使用して、酵素固定
化Ｆｉ！４が、電極２の表面から剥離し始めるまでの経
過日数を測定して、第１表に示している。

以上の結果から、実施例１〜４の酵素電極は、何れも９
０日以上経過した後に初めて剥離が生じているのに対し
、比較例の場合は、４０日経過後から剥離が生じており
、１００日経過すると剥離部分から破れて、酵素電極と
して使用不可能になった。特に、第２図に示す膜厚の薄
い周辺部４ｂの個所から剥離が始まっていた。したがっ
て、この発明にかかる製造方法によれば、酵素固定化膜
４の剥離を起こし難く、酵素固定化膜４と電極２との一
体性に優れた酵素電極を製造できることが実証できた。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる酵素電極の製造方法に
よれば、電極表面に設けられた枠部内に−様な膜厚の酵
素固定化膜を形成することができるので、電極との一体
性が高く、剥離し難くなる。したがって、酵素固定化膜
の剥離や破れによる酵素電極の性能劣化が起こり難く、
酵素電極の寿命を大幅に延長することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる製造方法で製造された酵素電
極を示し、第１図（ａ）は断面図、第１図山）は平面図
、第２図は従来例を示し、第２図（ａｌは断面図、第２
図（ｂｌは平面図である。 ｌ・・・基板　２・・・作用極（電極）　　４・・・酵
素固定化ＩＩＩ　　５・・・枠部 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 手続補正書（師 １゜ ２゜ ３゜ ４゜ １■牛の耘 昭和６３年特前梯２１２９７９号 発明の名称 酵素電極の製造方法 補正をする者 羽生との関係　　　特許出願人 住　　　所　　　　大阪府門真市大字門真１０４８番地
名　称（５８３）松下電工株式会社 代表者　　イ懺輔役三　好　俊　夫

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　電極表面に酵素固定化膜を設けてなる酵素電極を製
   造する方法であって、電極表面に、酵素固定化膜の設置
   範囲を囲む枠部を設け、この枠部内に酵素溶液を一様に
   塗布することによって酵素固定化膜を形成することを特
   徴とする酵素電極の製造方法。