JPH03150458A

JPH03150458A - バイオセンサ

Info

Publication number: JPH03150458A
Application number: JP1288645A
Authority: JP
Inventors: Migiwa Ando; 安藤　汀; Takashi Kato; 隆史加藤; Takeshi Mitsuoka; 健光岡; Junichi Tokumoto; 徳本　淳一; Hideyasu Aoki; 青木　秀保; Tsunetoshi Okura; 常利大蔵; Akemi Kurokawa; 黒川　朱
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1991-06-26
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH0810207B2

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］本発明は化学・食品工業、医療、環境計測などの分野で
利用されるバイオセンサ、特に高応答性の要望される酵
素センサに関する。

［従来技術及び課題］近年、酵素センサが注目されており１例えば疎水性の多
孔質無機担体や高分子担体に酵素を固定化してなる酵素
固定化膜と電極等のトランスデユーサとを組合せ、酵素
固定化膜中の試料液通過時において酵素反応によって生
ずる化学物質等の変化をトランスデユーサによって電気
信号に変換して特定基質濃度を計測するようにした酵素
センサが開発されている。

しかし、酵素固定化膜は試料液拡散の障害物であり、特
に使用酵素が低活性である場合のように、膜を厚くして
酵素固定化量を増やすと、著しい応答性の遅れを生ずる
。

そのため、酵素固定化膜を極力薄くすることが検討され
ている。

しかし、酵素固定化膜を薄くすると、酵素固定化量が減
り、出力信号が小さくなるため、低濃度試料に対する感
度が悪くなったり、センサ小型化に支障をきたす。又、
酵素固定化膜の強度低下にもつながる。

［課題の解決手段及び作用］そこで１本発明はかかる課題を下記手段によって解決し
た。

（１）酵素固定化膜の両面に備えられ、試料液を酵素固
定化膜を通じて電気浸透させる電極と。

酵素固定化膜における酵素反応の物質変化を電気信号に
変換する電極と。

を有することを特徴とするバイオセンサ。

（２）酵素固定化膜の前面側に位置する非固定化膜の両
面に備えられ、試料液を非固定化膜を通じて電気浸透さ
せる電極と。

を有することを特徴とするバイオセンサ。

（３）酵素固定化膜の両面に備えられ、試料液を酵素固
定化膜を通じて電気浸透させると共に、酵素固定化膜に
おける酵素反応の物質変化を電気信号に変換する電極、
を有することを特徴とするバイオセンサ。

一般に、酵素固定化膜又は非固定化膜（固相）は、それ
を通過する試料液（液相）に対して正又は負に帯電して
おり、特にこの帯電は界面動電位（ζ電位）として測定
される。そのため、第１図に示すような電極型酵素セン
サを例にとって云えば、このζ電位が−（マイナス）の
場合において、同図に示すように電気浸透発生用電極５
によって直流電圧を印加すると、電気浸透によって、試
料液は酵素固定化膜４中を拡散して計測用電極２の方（
破線矢印方向）へ速やかに移送される。

特に、トランスデユーサとして計Ｍ］用電極を採用して
なる電極型酵素センサにおいて本発明は好ましく適用で
き　応答性に優れ、しかも高精度の分析が可能となる。

酵素固定化膜又は非固定化膜（「酵素固定化膜等」とも
いう）を構成する多孔質担体としては。

試料液との関係で帯電し易いものを使用するとよい。こ
の帯電性は、試料液からのイオンの吸着。

担体自身の電離等に依存する。従って、その見地から測
定すべき試料液に応じて１種々の無機質。

有機質材料から最適なものを適宜選択して使用すること
が好ましい。無機質担体としては、アルミナ、マグネシ
ア、チタニア、ジルコニアなどの酸化物セラミックス；
及びリン酸塩（アパタイト。

リン酸カルシウム等）、ペロブスカイト、チタン酸塩（
チタン酸バリウム）、アルミン酸塩（ムライト、スピネ
ル）、珪酸塩（ジルコン等）などの複酸化物セラミック
ス；並びにシリカ、硼珪酸などのガラス；及びβ−スポ
デューメン、コーディエライトなどの結晶化ガラス；な
どが挙げられる。他方、窒化物セラミックス、炭化物セ
ラミックスは試料液イオンの吸着、セラミックス自身の
電離が不充分であり、好ましくない。有機質担体として
はポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン等の高分
子材料が挙げられる。特に、これらの材料から成る多孔
質担体を用いて実際に酵素固定化膜として使用したとき
、試料液との間で生じるζ電位の絶対値が少なくとも５
　ｍＶ、特に２０ｍＶ以上になるような材料が好ましい
。ζ電位が高い程より大きな電気浸透力が得られ、応答
性の向上に有利となる。又、多孔質担体について、気孔
率６０％、平均気孔径０．３．厚み０．５ｍｍ程度のも
のが好ましい。

電気浸透発生用電極は、酵素固定化膜等の両面に直接結
合させて備えるとよい。祠料としては通常の電極材料で
ある貴金属、高融点金属、金属酸化物等を広く使用でき
、特に化学的安定性、耐食性に優れた貴金属（Ａｕ、Ｐ
ｔ等）が好ましい。

又、その多孔度については、移送方向の断面における全
面積に対して４０〜７０％程度電極祠料を存在させるよ
うな状態にするとよい。この電極は、導電材料を印刷、
めっき、スパッタリング、蒸着等によって酵素固定化膜
等に被着することにより。

又別途網目状に成形された電極によって酵素固定化膜を
挟持することにより備えるとよい。

酵素固定化膜の一側ないしは両側には、測定誤差をもた
らす有害物質（例えば血液中のグルコス測定におけるア
ルコルビン酸や尿酸：エタノル測定における他のアルコ
ール、酸、アルデヒド）が計測用電極などに付着するの
を防止するために２選択透過膜を存在させることが好ま
しい。

その選択透過膜はセルロースアセテート、テフロン、ア
ルミナゲル等からなり、厚さ　０．１〜１０μｍ。

気孔率３０〜７０％程度にするとよい。

尚、各要素（酵素固定化膜１選択膜、電極など）は密着
していることが好ましい。もっとも。

各要素間において若干の隙間の存在は差支えない。

［実施例］以下、エタノールセンサを例にとって説明する。

（１）酵素の固定化予め、アルミナ純度９９．９％、気孔率３６％、平均気
孔径０２７μｍ、嵩密度２．６ｇ／ｃＪ、サイズ３１×
０．５ｔｍｍである多孔質アルミナ（担体）を用意する
。

このアルミナ多孔体に１次の手順■〜（ホ）で固定化処
理を施す。

■　γ−アミノプロピルトリエトキシシラン１０ｇ及び
トルエン９０ｇからなる溶液に上記多孔体を室温で１５
時間浸す。

（ロ）　トルエン１００耐で５分、エタノール１００　
ｍｌで５分、純水１００ｍｊ！で１０分洗浄する。

（ハ）　１時間自然乾燥した後、グルタルアルデヒド２
．５ｇ及びリン酸塩緩衝液９７．５ｇからなる溶液に２
時間室温で浸す。

に）　アルコールオキシダーゼ（市販品）　　０．５ｇ
及びリン酸塩緩衝液１００　ｍｆｆ１からなる溶液に１
時間室温で浸す。

（ホ）　リン酸塩緩衝液で２時間室温でゆすぐ。

これで酵素固定化膜が得られた。

（２）センサ素子の作成第２図に示すように、アルミナ磁器基板（サイズｌ０Ｘ
ＩＯＸ　　Ｏ，ＢｔｎｌＩｅ）　１の上に計測用電極と
じての白金電極２を蒸着する。その上に順次１選択透過
膜としての酢酸セルロース膜（厚さ２μｍ）３、電気浸
透発生用電極としての金メツシュ（存在部：非存在部−
３：　７）５．酵素固定化膜４゜金メツシュ５を重ね、
最後に接着剤を用いて。

液排出口６ａを有するカバー６をかぶせシールする。こ
れでセンサ素子が組み上った（第３図、第４図）。

（３）測定白金電極２の端子ａ、ｂにはエレクトロメータを接続し
、金メツシュ電極５の端子ｃ、ｄには直流電圧を印加し
て２種々のエタノール濃度の試験液を０．１ｍ１２滴下
し、応答時間及び電流値（アンペロメトリー信号変換方
式）を測定した。

試験液ニリン酸塩緩衝液（ｐＨ７，０）　（試薬）エチ
ルアルコール　　　（試薬）その結果を第１表及び第５図に示す。

（以下余白）第表（エタノル濃度１、００■／（でのデータ） ■）酵素固定化膜の厚み２）試験液を滴下してから。

エレクトロメータで計測される電流値が定常状態になるまでの時間第１表及び第５図から明らかなように、僅かな直流電圧
（２Ｖ程度）を電気浸透発生用電極に印加するだけで、
応答時間が大幅に短縮され　かつ計測電流値も大きいの
で低濃度試料に対しても高感度を維持できた。特に、酵
素固定化膜を厚く（０，５ｍｍ）　Ｉ、た場合に、電圧
を印加しないもの（印加電圧ＯＶ）に比して著しい応答
性の向上が確認された。又１本実施例のように酵素固定
化膜（電気浸透発生用電極）と計測用電極との間に選択
透過膜を介在させた場合であっても、充分な応答性を維
持できることも併せて確認できた。尚。

測定条件にもよるが１通常のセンサの場合計測電流値が
１／／Ａ未満になると正確な測定が困難となる。

第６図は酵素固定化膜４の前面側に別にシリカ質非固定
化膜（酵素を固定化していない多孔質担体）７を設け、
該非固定化膜７の両面に電気浸透用電極５を備えた実施
例である。尚、８は液排出孔である。

前記例では、酵素固定化膜４における酵素反応１によって生ずる電極活物質（過酸化水素）を電気浸透発
生用電極５によっても僅かながら電極反応（酸化分解）
により電流値に変換してしまい　測定誤差をもたらすお
それがある。しかし２本実施例にあっては、前記例に比
して若干の応答性の遅れはあるものの、電気浸透発生用
電極５による電気浸透力を利用して試料液の酵素固定化
膜４の通過（従って計測用電極２への移送）も確実に行
ない得る。しかも、酵素反応によって生じた電極活物質
を計測用電極２によって正確に電流値に変換でき、より
高精度の測定が可能である。

第７図は−の電極（一対）５が電気浸透発生用電極と計
測用電極を兼ねた実施例である。又。

対の電極５の間には、酵素固定化膜４とともに選択透過
膜３を介在させている。

本実施例にあっては−の電極５によって、電気浸透力を
効率良く利用して酵素反応によって生じた電極活物質の
電極反応をも行なわせしめるため、最も応答性に優れ、
しかも構造を簡素化できる。

２各実施例のセンサ素子は、試料液中に挿入して測定を行
なうバッチシステム、又通液型のセル中に装置して試料
液を注入することにより測定を行なうフローシステム、
更にはバッチフローシステムのいずれにも適用可能であ
る。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば
電気浸透発生用電極は、その作用を発揮し得る限り、そ
の形状、厚み、大きさ等は何等問わない。又、エタノー
ルセンサに限らず、他のアルコールセンサ、更には糖セ
ンサ（グルコース、マルトース等の測定）、脂質センサ
（コレステロール等の測定）にも本発明のバイオセンサ
は適用され得る。又、多孔質担体への酵素の固定化法と
して、共有結合法、架橋化法、包括法等種々のものを使
用できることも勿論である。

更に、固定化膜を利用する他の種々のバイオセンサ、例
えば免疫センサ、微生物センサ、においセンサ、鮮度セ
ンサ等へ本発明を適用可能であることも自明であろう。

【図面の簡単な説明】

３第１図は本発明の詳細な説明するためのバイオセンサ素
子の一例を示す断面図。第２〜４図は本発明（請求項１）に係るバイオセンサ素
子の実施例を示す図であって、第２図はセンサ索子をそ
の構成要素（酵素固定化膜など）毎に示した平面図、第
３図はセンサ素子の斜視図、及び第４図は第３図のＩＶ
−ＩＶ断面図。第５図は厚さ　０．５ｍｍの酵素固定化膜を用い、印加
電圧がＯＶ、ＩＯＶであるときの試験結果であって、エ
タノール濃度と計測電流との関係を示したもの。第６図は本発明（請求項２）に係るバイオセンサ素子の
実施例を示す断面図　そして第７図は本発明（請求項３）に係るバイオセンサ素子の
実施例を示す断面図。を夫々表わす。Ａ・・バイオセンサ素子２・・・Ｐｔ（計測用）電極３・・・酢酸セルロース（選択透過膜）５・・アルコールオキシダーゼ（酵素）固定化膜・・Ａｕメツシュ（電気浸透発生用）・・非固定化膜電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酵素固定化膜の両面に備えられ、試料液を酵素固
定化膜を通じて電気浸透させる電極と、酵素固定化膜に
おける酵素反応の物質変化を電気信号に変換する電極と
、を有することを特徴とするバイオセンサ。
（２）酵素固定化膜の前面側に位置する非固定化膜の両
面に備えられ、試料液を非固定化膜を通じて電気浸透さ
せる電極と、酵素固定化膜における酵素反応の物質変化を電気信号に
変換する電極と、を有することを特徴とするバイオセンサ。
（３）酵素固定化膜の両面に備えられ、試料液を酵素固
定化膜を通じて電気浸透させると共に、酵素固定化膜に
おける酵素反応の物質変化を電気信号に変換する電極、
を有することを特徴とするバイオセンサ。