JPH04279854A - 白金被覆カーボンファイバー電極およびこれを用いた 酵素膜センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、臨床検査，食品検査お
よび水質検査などの電気化学的挙動を原理とする分野に
適用される白金被覆カーボンファイバー電極およびこれ
を用いた酵素膜センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から臨床検査，食品検査および水質
検査などの各種の分野において、電気化学的挙動を原理
とし、各種対象物の定量測定が行なわれている。これら
の分野では、微小部分や少量サンプルで使用可能な微小
電極が切望され、白金や金を用いた微小電極や炭素繊維
を用いた微小電極が開発されている。また、従来から上
記各種対象物の定量測定に上記微小電極からなる酵素膜
センサを用いると、酵素に特異的に反応する物質、すな
わち酵素に合うと、酵素の触媒作用によって酸化され、
過酸化水素を出す物質は、この発生した過酸化水素を定
量測定すれば、対象とする物質の濃度を測定することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、白金や
金を用いた微小電極は、機械的強度が小さく、さらに高
価な材料であるために製造コストが高くなってしまうと
いう問題があった。このような問題を解決するために微
小電極を炭素繊維を用いて構成することにより、上記問
題は解決されるが、その反面、電気化学的挙動によって
得られる応答電流値が小さく、また、測定前に酸化，還
元による電極の表面処理を必要とする上、応答電流に経
時的変化が起こるという問題があった。また、上記微小
電極からなる酵素センサを用いて酵素に反応する物質か
ら発生した過酸化水素を微小な含有量まで測定しようと
しても、従来の酵素膜センサでは検出感度が低く、安定
性に欠けるものが多く、実用にならなかった。このため
、このような対象物の定量測定を可能とする高感度で安
定性が高く、しかも微小なセンサが各利用分野から要望
されているが、未だに長期間にわたり満足する性能を保
持するものは開発されていなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明の第１の発明は、ガラスピペットにより
保持されたカーボンファイバーの一端に白金を被覆して
白金電極を形成し、このカーボンファイバーの他端にリ
ード線を接続して白金被覆カーボンファイバー電極を構
成するものである。また、本発明の第２の発明は、第１
の発明に加えて白金電極部分の表面に酵素膜を設けて酵
素膜センサを構成するものである。また、本発明の第３
の発明は、第１の発明に加えてガラスピペット先端部分
の表面に酵素膜を設けて酵素膜センサを構成するもので
ある。

【０００５】

【作用】本発明における第１の発明においては、測定対
象物が白金電極の電極表面で酸化または還元されること
により、電子の受け渡しが行われる。ここで受け渡され
た電子はカーボンファイバーへと伝わり、最終的には測
定器により電流量が測定される。流れる電流量は測定対
象物の濃度と一定の相関関係を持つので、電流量により
、測定対象物の濃度を知ることができる。本発明におけ
る第２の発明および第３の発明においては、測定対象物
（基質）が白金電極の電極部分表面の酵素膜またはガラ
スピペット先端部分表面の酵素膜に接触すると、分解さ
れ、過酸化水素が発生する。発生した過酸化水素は電極
に接触すると、酸化され、電極に流れる電流はその分増
加する。この応答電流により、測定対象物の濃度を測定
することができる。測定対象物以外の物質が酵素に接触
しても分解されず、過酸化水素が発生しないので、過酸
化水素の酸化による電流は電極に流れない。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明する
。図１は本発明による白金被覆カーボンファイバー電極
の一実施例による構成を示す正面断面図である。同図に
おいて、１は白金被覆カーボンファイバー電極、２は先
端方向に向かって順次細くなる円筒状に形成されかつ先
端には細孔を有するガラスピペット、３は直径が約７μ
ｍ程度のカーボンファイバー、４はガラスピペット２の
細孔内においてカーボンファイバー３の一端に電解めっ
き法で形成された白金電極、５はカーボンファイバー３
をガラスピペット２内に固定する例えばシリコン樹脂な
どからなる絶縁性モールド、６はカーボンファイバー３
を図示しない外部電気機器と接続するリード線、７はカ
ーボンファイバー３の他端とリード線６とを電気的に接
合する導電ペーストである。

【０００７】図２は上記白金被覆カーボンファイバー電
極１を作用電極として取り付けられる電解槽１０の構成
を示す図である。同図において、１１は過酸化水素など
の測定対象物を供給するサンプル投入口、１２は対極（
白金電極）、１３は参照電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ　電極）
、１４は電解槽、１５は測定対象物が溶け込んでいるリ
ン酸緩衝溶液、１６はリン酸緩衝溶液１５を攪拌するス
ターラーバー、１７はスターラーバー１６を回転させる
マグネチックスタラーであり、各電極１，１２，１３は
このリン酸緩衝溶液１５内に浸漬されている。

【０００８】図３はカーボンファイバー電極および白金
被覆カーボンファイバー電極のサイクリックボルタモグ
ラムであり、横軸は印加電圧，縦軸は応答電流で示され
ている。同図において、Ａはカーボンファイバーディス
ク電極を、Ｂは白金被覆カーボンファイバー電極をそれ
ぞれ示している。本実験では、ＰＨ＝７．０のリン酸緩
衝溶液を用いて溶液温度約３０℃で行った。印加電圧は
Ａｇ／ＡｇＣｌ　参照電極１３に対して８００ｍＶ／Ｓ
の掃引速度で０ｍＶ→＋１０００ｍＶ→−６００ｍＶ→
０ｍＶと印加した。この結果、図３に示すようにカーボ
ンファイバーディスク電極Ａでは何の応答も見られない
が、図３に示すように白金を被覆した白金被覆カーボン
ファイバー電極Ｂでは酸素の吸着および脱離，水素の吸
着および脱離による応答が見られた。

【０００９】図４は白金被覆カーボンファイバー電極で
パルス法によりＨ２Ｏ２測定を行った場合の一定濃度で
の応答電流の安定性およびＨ２Ｏ２濃度変化による応答
電流の変化を示したものである。測定のための印加パル
ス電位は、Ａｇ／ＡｇＣｌ　参照電極１３に対して図５
に示すような０ｍＶと６００ｍＶとからなる矩形波で、
印加時間はそれぞれ１０ｓｅｃ　ずつ、測定時間は６０
０ｍＶ印加時のパルスの終わりに１６０ｍｓｅｃで行っ
た。

【００１０】また、バックグランド電流に対する濃度５
０μＭのＨ２Ｏ２の応答電流の割合について、白金ディ
スク電極と白金被覆カーボンファイバー電極とについて
調べたところ、前者が約０．９倍であるのに対し、後者
は約１５倍であった。この結果から白金被覆カーボンフ
ァイバー電極は、白金ディスク電極と比較し、Ｈ２Ｏ２
に対して約１６．７倍の活性を持つことが確認された。 これは電解めっき法によりカーボンファイバー先端部分
に析出した白金の表面が極めて複雑な形状をしているこ
とに由来しているものと考えられる。

【００１１】図６は本発明による白金被覆カーボンファ
イバー電極を用いた酵素膜センサの一実施例による構成
を示す正面断面図であり、図１と同一部分には同一符号
を付し、その説明は省略する。同図において、酵素膜セ
ンサ８は、ガラスピペット２の先端部と白金電極４の表
面とに接触して酵素膜９が形成されて構成されている。 この酵素膜９は、牛血清アルブミン（ＢＳＡ）とグルコ
ースオキシダーゼ（ＧＯＤ）とを光架橋性樹脂（ＰＶＡ
−ＳｂＱ）を用いて白金電極４上に包括固定化した後に
グルタルアルデヒドを用いて架橋させることによって形
成される。この結果、酵素膜９はガラスピペット２の先
端および白金電極４の表面に物理的に強固に被着されて
形成される。

【００１２】この酵素膜センサ８によってグルコースと
称する対象物の定量測定が可能となる。グルコース濃度
の測定は、酵素反応に伴うＨ２Ｏ２を測定することによ
り行った。すなわち作用極とする酵素膜センサ８に図５
に示す電位を印加し、高電位印加時のパルス末端から１
６０ｍｓｅｃ間の電流値を応答値として使用した。また
、全ての測定はＰＨ＝７．０のリン酸緩衝溶液中、約３
０℃の条件下でバッチ方式で行った。まず、白金被覆カ
ーボンファイバー電極１に６００ｍＶの定電位を印加し
てＨ２Ｏ２に対する応答を検討した結果、得られた応答
値は白金被覆をしないカーボンファイバーディスク電極
のおよそ５０倍の電流値であった。また、酵素膜９を固
定した後、図５に示すパルスを用いてグルコース濃度を
測定した結果、図７に示すように極めて安定な出力電流
値が得られた。次にグルコース濃度に対するパルス応答
値を測定したところ、図８に示すように濃度２μＭ〜２
ｍＭにかけて良好な相関関係が成り立つことが確認でき
た。なお、最小検出濃度（２μＭ）における電流応答値
は４．７ｐＡと極めて微小であるにもかかわらず充分に
安定であった。また、グルコースオキシダーゼに代わっ
てグルタミン酸オキシダーゼを用いた酵素膜によるグル
タミン酸センサでグルタミン酸に対する感度を測定した
ところ、図９に示すように良好な相関関係が得られた。

【００１３】なお、上述した実施例では、カーボンファ
イバー３の先端に形成した白金電極４はガラスピペット
２の先端内部に配置された場合について説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、ガラスピペット
２の先端部にカーボンファイバー３の先端を突出させ、
このカーボンファイバー３先端部に白金電極４を設けて
構成しても上述と同様の効果が得られることは言うまで
もない。

【００１４】また、上述した実施例では、酵素膜９を白
金電極４の表面とガラスピペット２の先端部分の表面と
に設けた場合について説明したが、白金電極４の表面に
設けた場合やガラスピペット２の先端部分に設けた場合
でも上述と全く同様の作用効果が得られることは言うま
でもない。

【００１５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明による白金
被覆カーボンファイバー電極によれば、カーボンファイ
バーの先端に白金を被覆して白金電極を形成したことに
より、同一条件下で使用したカーボンファイバー電極に
比較して大きな応答電流が得られ、検出電極としての感
度を大幅に向上させることができるという極めて優れた
効果が得られる。また、本発明による酵素膜センサによ
れば、白金電極部分の表面またはガラスピペット先端部
分の表面に酵素膜を設けたことにより、高感度化および
安定性の向上に極めて有効であるなどの極めて優れた効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による白金被覆カーボンファ
イバー電極の構成を示す断面図である。

【図２】白金被覆カーボンファイバー電極を作用電極と
して取り付けた電解槽の構成を示す断面図である。

【図３】本発明に係わる白金被覆カーボンファイバー電
極のサイクリックボルタモグラムを示す図である。

【図４】白金被覆カーボンファイバー電極のＨ２Ｏ２に
対する応答特性を示す図である。

【図５】白金被覆カーボンファイバー電極に印加するパ
ルスの電圧波形を示す図である。

【図６】本発明の一実施例による酵素膜センサの構成を
示す断面図である。

【図７】酵素膜を用いたグルコースセンサのグルコース
に対する応答特性を示す図である。

【図８】酵素膜を用いたグルコースセンサのグルコース
に対する応答特性を示す図である。

【図９】酵素膜を用いたグルタミン酸センサのグルタミ
ン酸に対する応答特性を示すを図である。

【符号の説明】

１　　　　白金被覆カーボンファイバー電極２　　　　
ガラスピペット ３　　　　カーボンファイバー ４　　　　白金電極 ５　　　　絶縁性モールド ６　　　　リード線 ７　　　　導電ペースト ８　　　　酵素膜センサ ９　　　　酵素膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガラスピペットの先端部にカーボンフ
   ァイバーの一端が保持されるとともにこのカーボンファ
   イバーの一端に白金を被覆して白金電極を形成し、この
   カーボンファイバーの他端にリード線を接続して構成す
   ることを特徴とした白金被覆カーボンファイバー電極。
2. 【請求項２】　　請求項１において、上記白金電極の表
   面に酵素膜を形成することを特徴とした酵素膜センサ。
3. 【請求項３】　　請求項１において、上記ガラスピペッ
   ト先端の保持部分の表面に酵素膜を形成することを特徴
   とした酵素膜センサ。