JPH0422863A - 酵素電極を用いる測定対象物質の濃度測定方法およびその装置 - 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を用いる測定対象物質の濃度測定方
法およびその装置に関し、さらに詳細にいえば、測定時
にのみ酵素電極を測定対象物質に接触させる濃度測定方
法およびその装置に関する。

〈従来の技術、および発明が解決しようとする課題〉 従来から非常に複雑な有機化合物、蛋白質等を極めて高
感度に、かつ選択的に検知することができるという特質
に着目して、下地電極の表面に生理活性物質を固定化し
てなるバイオセンサ（以下、酵素電極と称する）により
上記有機化合物、蛋白質等のＭ］定を行なうための研究
開発が行なわれている。

そして、上記酵素電極を使用して測定対象物質の測定を
行なうためには生理活性物質を活性状態にしておかなけ
ればならないので、非測定時には、少なくとも生理活性
物質を固定化した固定化活性膜を湿潤状態に保持するよ
うにしている。

したがって、濃度測定装置の具体的な構成としては、酵
素電極を移動させることにより、測定対象物質に接触す
る状態と湿潤状態を得るだめの保存液に接触する状態と
を選択させることが考えられる。

このような構成を採用すれば、酵素電極を移動させて測
定対象物質を含む溶液と接触させることにより、測定対
象物質の酸化反応または還元反応を迅速に行なわせるこ
とができ、この反応の結果、生成され、または消失され
る物質の量を測定することにより溶液中の測定対象物質
の量を測定することができる。そして、測定終了後は、
酵素電極を溶液から離し、保存液に接触させることによ
り生理活性物質の活性を維持するとともに、酵素電極の
表面に残留する測定対象物質の上記反応を保存液に接触
した状態において行なわせることができる。尚、この場
合における酵素電極と測定対象物質との接触時間は、濃
度測定のための電気信号（例えば、酵素電極から出力さ
れる電気信号、またはこの電気信号を時間微分して得ら
れる信号等）がピークに達した後までの十分に長い時間
として設定されている。

したかって、濃度測定のだめの電気信号のピークか確実
に得られ、このピーク値に基づいて被験液中の測定対象
物質の濃度を得ることができる。

しかし、酵素電極を用いた濃度測定装置においては、被
験液か点着されてから固定化酵素膜に到達するまでにか
なりの時間がかかる関係上、上記ピーク値か得られた時
点においてかなりの量の未反応の測定対象物質が存在す
ることになる。また、次の濃度測定を行なうまでには未
反応の測定対象物質を十分に消費させておかなければな
らない。

したがって、次の濃度測定を行ない得る状態になるまで
の待ち時間が著しく長くなり、複数の被験液に含まれる
測定対象物質の濃度を連続して測定する場合における所
要時間が全体として著しく長くなってしまうという不都
合かある。さらに、酵素電極に残留する未反応の測定対
象物質を酸化させ、または還元させることにより消費す
るのであるから、酸化に必要な物質の量か測定対象物質
の量に対応して減少し、または還元の結果生成される物
質の量か測定対象物質の量に対応して増加することにな
り、次の濃度測定を行なう場合において、上記物質量の
減少または物質量の増加の影響を受けて電気信号のレベ
ルの低下を招き、測定精度が低下してしまうという不都
合がある。

また、高濃度の測定限界を高めるために固定化酵素膜へ
の測定対象物質の拡散割合を抑制する拡散制限膜を装着
した酵素電極を使用する場合には、測定対象物質が固定
化酵素膜に十分に拡散するのに長時間を要し、被験液を
長時間にわたって酵素電極と接触しておかなければなら
ないと思われていた。したがって、拡散制限膜の表面側
には著しく多量の未反応の測定対象物質が残留しており
、この測定対象物質か拡散制限膜を通して徐々に拡散し
てくるのであるから、上記不都合が特に顕著になり、拡
散制限膜を装着しているにも拘らず高濃度の測定限界を
余り高めることができないという不都合がある。具体的
には、酵素電極から出力される電流の微分値のピークに
基づいて血液中のグルコース濃度を測定する場合に、上
記ピークを検出した後５秒間は測定を継続することによ
り正しいピークを得るようにすれば、高濃度の測定限界
が５００ｍｑ／ｄＪ程度になっていた。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
待ち時間を大巾に短縮できるとともに、電気信号のレベ
ルの著しい低下を防止でき、しかも高濃度の測定限界を
著しく高めることができる、酵素電極を用いる測定対象
物質の濃度測定方法およびその装置を提供することを目
的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の濃度測定方法
は、酵素電極を測定対象物質に接触させておく時間を、
濃度測定のための電気信号かピークに達するまでの時間
よりも短くする方法である。

上記の目的を達成するための、この発明の濃度測定装置
は、酵素電極が測定対象物質に接触してから濃度測定の
ための電気信号がピークに達するまでの時間よりも短い
所定時間が経過した時点で、測定対象物質から離すべく
酵素電極の移動を開始させる移動開始手段を含んでいる
。

く作用〉 以上の処理方法であれば、酵素電極を測定対象物質に接
触させて測定対象物質の量に対応する電気信号を得、そ
の後、酵素電極を保存液に接触させることにより次の測
定に備える場合において、酵素電極を測定対象物質に接
触させておく時間を、濃度測定のための電気信号がピー
クに達するまでの時間よりも短くするのであるから、被
験液から酵素電極への測定対象物質の拡散量を著しく減
少させることができ、次の濃度測定を行なうまでの待ち
時間を大巾に短縮できる。また、測定対象物質の拡散量
が著しく少ないのであるから、酸化反応に必要な物質の
量が減少しすぎ、または還元反応の結果生成される物質
が増加しすぎるという不都合を解消し、正確な測定値を
得ることができるとともに、高濃度の測定限界を高める
ことができる。この場合において、酵素電極を測定対象
物質から離すことに起因するノイズの発生を考慮して、
ノイズの影響を受けなくなった状態で濃度測定のだめの
電気信号のピークか得られるように接触時間を定めれば
、ノイズに起因する誤動作を簡単に排除できる。また、
上記ピークは、酵素電極から出力される電気信号自体の
ピークであってもよいか、−次時間微分値のピークであ
ってもよく、二次時間微分値のピークであってもよい。

さらに詳細にいえば、酵素の存在下において測定対象物
質を酸化させ、または還元させ、この反応の結果生成さ
れ、または消失される物質の量に対応する電気信号を得
ることにより測定対象物質の濃度測定を行なう場合には
、上述したように、濃度測定のだめの電気信号のピーク
が得られるまで酵素電極を被験液と接触させておかなけ
ればならないと思われていたが、本件発明者が測定対象
物質の拡散と濃度測定のための電気信号のピークとの関
係について研究を重ねた結果、濃度測定のための電気信
号のピークを得るために必要な測定対象物質は、実際に
ピークが得られるよりも前に拡散してきていることを見
出した。したがって、この時点よりも後に拡散してくる
測定対象物質は濃度測定を行なうために必要な物質では
なく、過剰な物質であることが分る。本件発明は上記の
知見に基づいて完成されたものであり、被験液との接触
時間を短縮して過剰な測定対象物質の拡散を防止すると
ともに、接触時間を長くした場合とほぼ同じか、または
高い精度の濃度測定結果を得ることかできた。

上記の目的を達成するための、この発明の濃度測定装置
であれば、移動手段により酵素電極を移動させ、測定対
象物質に接触させて測定対象物質の量に対応する電気信
号を得、その後、移動手段により酵素電極を移動させ、
保存液に接触させることにより次の測定に備える場合に
おいて、酵素電極が測定対象物質に接触してから濃度６
７定のだめの電気信号がピークに達するまでの時間より
も短い所定時間が経過した時点で、測定対象物質から離
すべく移動開始手段により酵素電極の移動を開始させる
のであるから、濃度測定のための電気信号のピークを得
るのに十分な量の測定対象物質か酵素電極に拡散し、正
確な濃度測定を行なうことができる。そして、未反応の
測定対象物質の残留量を大巾に減少させるのであるから
、次のａ度測定までの待ち時間を大ｒｆｒに短縮できる
。また、未反応の測定対象物質の残留量を大ｒｊＪに減
少させることにより、高濃度の測定限界を大巾に高める
ことかができる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第４図は酵素電極を用いた濃度測定装置を示す概略図で
あり、下地電極の表面に過酸化水素選択透過膜、固定化
酵素膜および拡散制限膜が装着されてなる酵素電極（１
）を支持する支持板（２ａ）が移動手段としてのモータ
（２ｃ）により自転されるねし軸（２ｂ）に係合されて
いるとともに、支持板（２ａ）の所定位置に設けた突軸
（２ｄ）が案内溝（２ｅ）に係合されている。上記案内
溝（２ｅ）は、ねじ軸（２ｂ）に追従して回動するよう
に支持板（２ａ）を案内する水平案内部（２ｒ）と、水
平案内部（２ｒ）の端部においてねじ軸（２ｂ）に追従
し、て昇降するように支持板（２ａ）を案内する垂直案
内部（２ｇ）（２ｈ）とを有しており、一方の垂直案内
部（２ｇ）に案内されて支持板（２ａ）が上昇した状態
で、酵素電極（１）か、被検液か点着された妨害物質分
離膜（３）と接触し、他方の垂直案内部（２ｈ）に案内
されて支持板（２ａ）が上昇した状態で、酵素電極（１
）が、保存液か収容された保存液収容タンク（４）の開
口部と接触するように位置決めされている。

尚、何れかの垂直案内部と水平案内部（２ｆ）との境界
部におけるねじ軸（２ｂ）の逆転に起因する支持板（２
ａ）の復動を規制するための規制部材（図示せず）が設
けられている。

第１図はこの発明の濃度測定方法を示すフローチャート
であり、ステップ■において酵素電極（１）のリフレッ
シュを行ない得る状態になるまで待って、ステップ■に
おいて、酵素電極（１）に所定時間だけ逆バイアス（測
定時のバイアスと逆極性のバイアス）を印加することに
より酵素電極（１）をリフレッシュしく第２図中領域Ｒ
１参照）、活性化を高める。その後、ステップ■におい
て酵素電極（１１に測定用のバイアスを印加する。上記
リフレ・ソシュ直後は酵素電極（１）から出力される電
気信号か著しく大きくなり、その後は徐々に電気信号か
小さくなるので（第２図中領域Ｒ２参照）、ステップ■
において電気信号か安定するまで（具体的には、電気信
号が所定の閾値まで低下するまで）待ち、ステップ■に
おいてモータ（２ｃ）を動作させることにより、酵素電
極（１）を保存液収容タンク（４）から離し、被験液か
点着された妨害物質分離膜（３）と接触させ、ステップ
■において酵素電極（１）から出力される電気信号に基
づく被験液中の測定対象物質濃度の測定を開始するとと
もに、測定開始からの計時を開始する。その後は、ステ
ップ■において計時時間が予め設定した所定時間（ピー
クが得られるより前の所定時間）に達するまで待ち、ス
テップ■においてモータ（２ｃ）を動作させることによ
り酵素電極（１）を妨害物質分離膜（３）から離し、保
存液収容タンク（４）に向かっての移動を開始させる。

そして、ステップ■において濃度測定のための電気信号
のピーク（例えば、酵素電極（１）から出力される電流
の一次時間微分のピーク）が得られるまで待ってから、
ステップ［相］において、得られたピーク値に基づいて
測定対象物質の濃度を算出し、その後は、酵素型ｆｉｉ
（１）が保存液収容タンク（４）に接触して、生理活性
物質の活性を維持されるので、ステップ■において次の
測定開始か指示されるまで待ち、測定開始が指示されれ
ば再びステップ■以下の処理を行なう。

以上の方法により血液中のグルコース濃度を測定するに
当って酵素電極（１）と血液との接触時間を１秒に設定
したところ、得られるピーク値は、ピーク検出後５秒間
酵素電極（１）と血液とを接触させ続けた場合と同し値
であり、しかも酵素電極（１）が妨害物質分離膜（３）
に接触してから約２秒後にビーり値か得られた。しかし
、この実施例の場合には、酵素電極（１）に拡散してい
る過剰な測定対象物質の量が著しく少ないのであるから
、ピーク検出後における濃度測定のための電気信号が短
時間で小さくなり、所定の閾値に達する。この結果、リ
フレッシュ開始までの所要時間を含む待ち時間を大巾に
短縮できる。また、未反応の測定対象物質の量が少ない
のであるから、未反応の残留測定対象物質を消費するた
めに必要な物質（濃度測定のための反応に必要な物質と
同じ物質）が必要以上に減少するという不都合を解消で
き、次の濃度測定を高精度に達成できるとともに、高濃
度の測定限界を高めることかできる。

〈実施例２〉 第３図はこの発明の濃度測定装置の一実施例の電気的構
成を示すブロック図であり、測定開始前に酵素電極（１
）に対して活性化のための逆バイアスを所定時間だけ印
加する（リフレッシュする）リフレッシュ電源（１１）
と、測定用の順バイアスを印加する測定用電源（１２）
と、逆バイアス印加後における酵素電極（１）から出力
される電気信号が所定の閾値に達したことを検出するリ
フレッシュ終了検出部（１３）と、順バイアス印加状態
における酵素電極から出力される電気信号の微分値を得
る微分部（１４）と、微分値の最大値を抽出する最大値
抽出部（１５）と、抽出された最大値に基づいて被験液
中の測定対象物質の濃度を算出する濃度算出部（１６）
と、測定後における酵素電極（１）から出力される電気
信号が所定の閾値に達したことを検出するリフレッシュ
開始可能検出部（１７）と、酵素電極（１）の妨害物質
分離膜（３）への接触時間が所定時間に達したか否かを
判別する接触時間判別部（１８）と、リフレッシュ終了
検出部（１３）、リフレッシュ開始可能検出部（１７）
からの検出信号および接触時間判別部（１８）からの判
別信号を入力として逆バイアス印加状態、順バイアス印
加状態を選択するとともに、対応する信号処理、検出部
を選択的に動作させ、しかも必要に応じてモータ（２ｃ
）を動作させる制御部（１９）とを有している。

上記の構成の濃度測定装置の動作は次のとおりである。

濃度測定が指示されていない場合には、酵素電極（１）
か保存液収容タンク（４）と接触し、生理活性物質の活
性を維持している。そして、図示しないスイッチの操作
により濃度測定の開始が指示された場合には、リフレッ
シュ開始可能検出部（１７）により、酵素電極（１）か
ら出力される電気信号が所定の閾値に達したか否かを判
別し、所定の閾値に達したことか検出されれば、制御部
（１９）によりリフレッシュ電源（１１）を動作させ、
酵素電極（１）に所定時間たけ所定の逆バイアスを印加
する。その後は制御部（１９）により測定用電源（Ｉ２
）を動作させ、酵素電極（１）に所定の測定用の順バイ
アスを印加する。

したがって、酵素電極（１）を構成する下地電極の表面
の酸化膜等か除去され、酵素電極（１）の活性を者しく
高めることかできる。しかし、この状態、即ち、順バイ
アス印加初期においては、酵素電極（１）の活性が高い
ものの、安定性に欠けているのであるから、逆バイアス
印加後における酵素電極（１）から出力される電気信号
が所定の閾値に達したか否かをリフレッシュ終了検出部
（１３）により判別する。

そして、所定の閾値に達したことが検出されれば、測定
対象物質の濃度および反応時間に対応して酵素電極（１
）から出力される電気信号に基づく濃度測定動作を行な
う。勿論、この測定開始時点においては酵素電極（１）
が既に、被験液を点着した妨害物質分離膜（３）に接触
されているが、予め設定した所定時間（例えば１秒）が
経過した時点で接触時間判別部（１８）から接触時間が
所定時間に達したことを示す判別信号が出力されるので
、制御部（１９）によりモータ（２ｃ）を動作させるこ
とにより、微分値のピークか検出されていないにも拘ら
ず保存液収容タンク（４）に向かって酵素電極（１）を
移動させ、以後の測定対象物質の酵素電極（１）への拡
散を阻止する。そして、酵素電極（１）の移動中に、酵
素電極（１）から出ツｊされる電気信号の時間微分値を
微分部（１４）により得、最大値抽出部（１５）により
時間微分値の最大値を得ることができるので、濃度算出
部（１６）において、時間微分値の最大値に基づいて測
定対象物質の濃度を算出できる。

以上のようにして測定対象物質の濃度を測定した後は、
酵素電極（１）を保存液収容タンク（４）と接触させて
、生理活性物質の活性を維持する。また、測定対象物質
の濃度が測定された後も未反応の測定対象物質が消費さ
れるのであるが、接触時間か短いことに起因して消費さ
れるべき未反応の測定対象物質の量か少ないのであるか
ら、次の測定までの待ち時間を大巾に短縮でき、しかも
ダイナミック・レンジを広くできる。また、未反応の測
定対象物質か著しく少ない状態で保存液収容タンク（４
）に接触するのであるから、保存液収容タンク（４）の
汚染を大巾に低減できる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば、グルコース以外の測定対象物質の濃度、例え
ば、尿素濃度等の測定に適用できるほか、生理活性物質
の存在下において行なわれる酸化反応、還元反応の何れ
にも適用でき、さらに、３電極式の酵素電極を有する濃
度測定装置に適用することができるほか、異なる機構に
より酵素電極を移動させる濃度測定装置に適用すること
がてき、さらには酵素電極（１）から出力される電気信
号に基づいて直接濃度を測定する場合、二次時間微分値
に基づいて濃度を測定する場合等に適用することができ
るほか、この発明の要旨を変更しない範囲内において種
々の設計変更を施すことか可能である。

〈発明の効果〉 以上のように第１の発明は、酵素電極と測定対象物質と
の接触時間を著しく短縮しているので、酵素電極に残留
する未反応の測定対象物質の量を著しく減少させて、次
の測定までの待ち時間を大巾に短縮でき、しかも測定対
象物質の反応に必要な物質の量が酵素電極において確保
されるので正確な測定値を得ることができ、さらには高
濃度の測定限界を高めることができるという特有の効果
を奏する。

第２の発明も、酵素電極と測定対象物質との接触時間を
著しく短縮しているので、酵素電極に残留する未反応の
測定対象物質の量を著しく減少させて、次の測定までの
待ち時間を大巾に短縮でき、しかも測定対象物質の反応
に必要な物質の量か酵素電極において確保されるので正
確な測定値を得ることができ、さらには高濃度の測定限
界を高めることができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の濃度測定方法の一実施例を示すフロ
ーチャート、 第２図は測定開始前における酵素電極からの出力信号の
変化を示す図、 第３図はこの発明の濃度測定装置の一実施例の電気的構
成を示すブロック図、 第４図は酵素電極を用いた濃度測定装置を示す概略図。 （１）・・・酵素電極、（２ｃ）・・移動手段としての
モータ、（３）・・・被験液が点着される妨害物質分離
膜、（４）・・・保存液収容タンク、（１８）・・・接
触時間判別部、（１９）・・・制御部、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酵素電極（１）を測定対象物質に接触させ、その後
   、酵素電極（１）を保存液に接触させるべく移動させる
   測定対象物質の濃度測 定装置において、酵素電極（１）を測定対象物質に接触
   させておく時間を、濃度測定 のための電気信号がピークに達するまで の時間よりも短くしたことを特徴とする 酵素電極を用いる測定対象物質の濃度測 定方法。 ２、酵素電極（１）を測定対象物質に接触させ、その後
   、酵素電極（１）を保存液に接触させるべく移動手段（
   ２ｃ）により移動させる測定対象物質の濃度測定装置に
   おいて、酵 素電極（１）が測定対象物質に接触してから濃度測定の
   ための電気信号がピークに達 するまでの時間よりも短い所定時間が経 過した時点で、測定対象物質から離すべ く酵素電極（１）の移動を開始させる移動開始手段（１
   ８）（１９）を含むことを特徴とする酵素電極に残留す
   る測定対象物質の処理 装置。