JPH04346063A - 酸素センサ及びこれを用いた分析装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は血液などの生体液中の酸
素分圧を測定するための酸素センサ、これを利用して構
成した生体液中の生化学成分を測定するための酵素セン
サ及びこれらのセンサを用いた分析装置に関し、特に酸
素センサの応答性を改善するための簡便な方法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】酸素分圧を測定する方法には容量法（ウ
インクラー法）や電気化学的なセンサを用いる方法があ
る。後者は白金電極，銀／塩化銀電極，内部溶液及びガ
ス透過膜などから構成され、酸素の還元反応を利用した
クラーク型酸素センサと呼ばれており、簡便性の点です
ぐれていることから一般的に用いられている。このセン
サの詳細な構成や原理などについてはいくつかの成書［
例えば、藤原孝憲著：血液ガス　　測定の理論と臨床応
用、ｐ１７１、真興交易医書出版部（１９８１）］に記
載されている。このセンサは数百マイクロリットル程度
の試料量で測定が可能であり、正確性も高いなどの利点
を有する。しかしながらセンサ特性の中で特に応答性に
関してはイオン濃度を測定するイオンセンサなどに比較
して一般に遅いという問題がある。そのために正確性と
応答性に優れた酸素センサを得ることが難しい。応答性
を改善するための一手段として白金電極の表面を酸素透
過性であり、かつ貴金属や白金などの触媒を含むプラス
チック膜で覆うことが特開昭６２−５４１５４　号で提
案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】血液などの生体液中の
酸素分圧の測定などに適用される従来技術は、安価であ
りかつ簡便な方法により応答性の良いセンサを提供する
という観点において十分な配慮がなされていない。本発
明の目的は、従来の酸素センサの構成を変えることなく
応答性を改善することができる酸素センサ及びこれを用
いた分析装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、酸素センサ
の陰極で起こる酸素の還元反応が進む際に生成される反
応生成物の過酸化水素を速やかに分解することができる
酵素を内部溶液などに添加することにより達成される。

【０００５】

【作用】酸素分圧を測定するのに用いられるクラーク型
酸素センサにおいては、ガス透過膜を拡散してきた酸素
は陰極で還元されるが、陰極では

【０００６】

【化１】

【０００７】

【化２】

【０００８】陽極では

【０００９】

【化３】

【００１０】陽極ではの反応がそれぞれ起こる。陰電極
では■酸素の過酸化水素への還元、■過酸化水素の水へ
の還元の二段階反応が起こる。酸素センサの応答が遅い
原因の一つとして後者の反応が前者に比べて遅いためで
あると言われている。従って、応答の初期は比較的速い
が、応答が完結する直前が遅いため全体的に酸素センサ
の応答性は悪いと考えられている。ところで、過酸化水
素を分解する酵素であるカタラーゼはその分解力はコロ
イド状にした白金よりもはるかに大きく、カタラーゼ１
分子は１分間に５００万個の過酸化水素分子を分解する
ので、上記の分解反応は現在知られている酵素反応の中
で最も早いと言われている。そこで、内部溶液中に過酸
化水素の分解酵素であるカタラーゼを添加すれば、その
触媒的な作用により過酸化水素は速やかに分解されてし
まい、

【００１１】

【化４】

【００１２】となるので、陰極での酸素の還元反応は

【
００１３】

【化５】

【００１４】の一段階反応となるため、酸素センサの応
答性を改善できる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。図１は第１の
実施例を適用した酸素センサの断面構成図を示す。この
酸素センサは白金の細線をガラスまたは樹脂に埋め込ん
で形成した陰極となる白金電極１，陽極となる銀／塩化
銀電極２，塩化物塩などの電解質を含む内部溶液３、こ
れらを収納する電極ボディー４，白金電極１の表面に密
着させかつ電極ボディー４の先端に被覆したガス透過膜
５及びこれを電極ボディー４に保持させるための保持具
６などから構成される。ここで、ガス透過膜５には膜厚
２０ミクロンのポリプロピレンを用いた。本実施例では
内部溶液３としてリン酸塩でｐＨを６．８に調製した、
１０ｍｍｏｌ／ｌの塩化カリウムを含む水溶液に、過酸
化水素を分解する酵素としてカタラーゼを２００Ｕ添加
したものを用いた。ここで、１Ｕとは１分間に１マイク
ロモルの基質（ここでは過酸化水素を意味する）を分解
する酵素量として定義されている。

【００１６】第２の実施例では図１に示した白金電極１
の材質をガラスとし、シランカップリング剤を用いてガ
ラス表面に直接カタラーゼを固定化した。酵素の固定化
方法にはいくつかの方法があるが、そのなかで架橋法と
呼ばれる方法を採用した。すなわち、ガラス表面を１０
％（Ｗ／Ｖ）のγ−アミノプロピルトリエトキシシラン
溶液に浸漬してシラン化し、十分水洗した後に架橋剤と
して２．５％（Ｗ／Ｖ）のグルタルアルデヒド溶液を用
いて１００Ｕのカタラーゼを固定化した。架橋する際に
はアルブミンなどの蛋白質を添加して架橋力を増しても
良い。また、シラン化剤としては上記化合物と同様な分
子構造のＮ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピル
トリメトキシシランなど

【００１７】

【化６】

【００１８】なる一般式で表される分子構造のシランカ
ップリング剤を用いることができる。Ｙはアミノ基を含
む有機基である。ここで、ＯＲで示されるアルコキシ基
は水分などにより加水分解されてシラノール基（ＳｉＯ
Ｈ）を生成し、これがガラス表面のＳｉＯＨとシロキサ
ン結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を形成するために結合性
がもたらされることになる。

【００１９】第３の実施例では白金電極の電気化学的に
活性な部位となる白金や貴金属などの金属表面にカタラ
ーゼを固定化した。金属を電解研磨すると金属結合に基
づきその表面には水酸基が結合してＭ−ＯＨ（Ｍ：金属
）が生成される。そこで、第２の実施例と同様にγ−ア
ミノプロピルトリエトキシシランで金属表面をシラン化
すると、γ−アミノプロピルトリエトキシシランのシラ
ノール基と金属表面の水酸基の間に水素結合またはＳｉ
ＯＭ結合が生じる。その後架橋剤のグルタルアルデヒド
を介してカタラーゼをγ−アミノプロピルトリエトキシ
シランの官能基に結合させた。

【００２０】第４の実施例ではカタラーゼを電極ボディ
ー４の表面でかつ内部溶液に接触する面に固定化した。 本実施例では電極ボディーの材質としてアクリルを用い
、その表面で、かつ内部溶液に接する側をビニルトリス
（β−メトキシ−エトキシ）シランでシラン化した。 その後、第２の実施例と同様な試薬と方法によりにカタ
ラーゼを固定化した。

【００２１】第１の実施例と第２の実施例ないし第４の
実施例の間には、カタラーゼを内部溶液に溶解するか、
あるいはガラスなど酸素センサ構成部材の表面に化学的
手法を用いて固定化するかの相違がある。また、第２の
実施例ないし第４の実施例の方が固定化したカタラーゼ
を繰り返し反復して使うことができるので第１の実施例
よりも無駄がないという利点がある。また、第２の実施
例ないし第４の実施例は基本的にカタラーゼを固定化す
る部位が異なるだけであるため、それぞれ別個にまたは
それぞれ組み合わせて適用することが可能である。

【００２２】図２は第５の実施例を適用した電解効果型
酸素センサの断面構成図を示す。

【００２３】ＳｉＯ２　７の基板上にスパッタ法を利用
して白金電極１を、スクリーン印刷法を利用して銀／塩
化銀電極２を形成した。また、これらの周囲をセンサ壁
としてポリイミド８で形成し、その内側の空間に内部溶
液を充填した。その後ガス透過膜５として膜厚１５ミク
ロンのポリプロピレンをポリイミド８の上端部に接着し
て電界効果型酸素センサを形成した。本実施例では内部
溶液３には基本的に第１の実施例と同じ組成のものを用
いたが、カタラーゼの濃度は７０Ｕとした。

【００２４】第６の実施例では第５の実施例と同じく電
界効果型酸素センサであるが、スパッタ法及びスクリー
ン印刷法を利用して白金電極１及び銀／塩化銀電極２を
形成する基板としてガラス基板を用いた。これにより第
２の実施例と同様にカタラーゼを白金及び銀／塩化銀が
形成されていない部分のガラス基板上に、あるいは銀／
塩化銀が形成されていない部分のガラス基板上に固定化
することができる。

【００２５】第７の実施例では第１の実施例を内部電極
（下地電極）とする酵素センサに適用した。一例として
、グルコースはグルコースオキシダ−ゼの作用により

【
００２６】

【化７】

【００２７】となるので、この反応における酸素の消費
量を酸素センサで測定することによりグルコースを分析
できる。そこで、第１の実施例で用いたガス透過膜の代
わりにグルコースオキシダーゼを固定化した酢酸セルロ
ースの薄膜を用いてグルコースセンサを構成した。グル
コースセンサ以外に、酸素の消費が関与するオキシダー
ゼ系の酵素を酢酸セルロースなどの有機膜に固定化した
酵素膜を用いればすべて本実施例の酵素センサとして適
用できる。

【００２８】第８の実施例では本発明に基づく酸素セン
サを生体液中の酸素分圧を測定する分析装置に適用した
。図３はその分析装置の基本的な構成を示す。測定試料
９はしごきポンプなどの吸引器１０によりセンサ部１１
に導かれ、その出力に基づいて演算器１２で酸素分圧に
換算され、表示部１３にその結果が表示される。センサ
部１１には本発明に基づく酸素センサを単独で、または
血液ガス分析装置のように炭酸ガスセンサ及びｐＨセン
サと組み合わせて、あるいはこれらにイオンセンサや酵
素センサなどの電気化学的センサも組み合わせて用いる
ことができる。次に、第１の実施例を用いて本発明の効
果について記す。比較例として構成は第１の実施例と同
じであるが、内部溶液としてカタラーゼを含まず、第１
の実施例と同じ組成の電解質溶液を用いた酸素センサを
適用した。酸素分圧が５０ｍｍＨｇと１５０ｍｍＨｇの
測定試料を用いて両者の応答速度を調べた結果を図４に
示す。酸素センサを酸素分圧が５０ｍｍＨｇから１５０
ｍｍＨｇの試料へ応答させたときの９５％応答時間は第
１の実施例が１５秒であるが、比較例は４０秒であった
。一方、酸素分圧が１５０ｍｍＨｇから５０ｍｍＨｇの
試料へ応答させたときの９５％応答時間は第１の実施例
が２０秒であるが、比較例は５０秒であった。このよう
に両者には明らかな応答速度の差異が認められた。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、過酸化水素を分解する
ための触媒作用を有するものとして白金や貴金属などの
高価な材料を用いず、安価に入手可能な酵素を用いてし
かも簡便な方法で酸素センサの応答性を改善できる効果
がある。また、この応答性に優れた酸素センサを用いる
ので、これを用いた分析装置の分析処理速度を早めるこ
とができる効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施例である酸素センサの
断面構造を示す図である。

【図２】本発明を適用した一実施例である電界効果型酸
素センサの断面構造を示す図である。

【図３】本発明を適用した酸素センサを用いた分析装置
の構成を示す図である。

【図４】本発明を適用した第一の実施例による酸素セン
サの応答特性を比較例と共に示した図である。

【符号の説明】

１…白金電極、２…銀／塩化銀電極、３…内部溶液、４
…電極ボディー、５…ガス透過膜、６…保持具、７…Ｓ
ｉＯ２　、８…ポリイミド、９…測定試料、１０…吸引
器、１１…センサ部、１２…演算部、１３…表示部。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】白金や貴金属を用いた陰極，銀／塩化銀を
   用いた陽極，電解質を含む内部溶液、これらを収納する
   電極ボディー及び陰極表面に密着させかつ電極ボディー
   の先端に被覆した酸素透過性のガス透過膜などから構成
   された酸素センサにおいて、センサ内に過酸化水素を分
   解する酵素を含有させたことを特徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】請求項１の酸素センサにおいて、過酸化水
   素を分解する酵素を内部溶液中に溶解させたことを特徴
   とする酸素センサ。
3. 【請求項３】請求項１の酸素センサにおいて、陰極は電
   気化学的に活性な部位となる白金や貴金属などの金属と
   ガラスにより形成し、該ガラスの表面には過酸化水素を
   分解する酵素が固定化されていることを特徴とする酸素
   センサ。
4. 【請求項４】請求項１の酸素センサにおいて、陰極先端
   部の一部に形成された電気化学的に活性な部位となる白
   金や貴金属などの金属表面に過酸化水素を分解する酵素
   が固定化されていることを特徴とする酸素センサ。
5. 【請求項５】請求項１の酸素センサにおいて、電極ボデ
   ィーの表面でかつ内部溶液に接触する面に過酸化水素を
   分解する酵素が固定化されていることを特徴とする酸素
   センサ。
6. 【請求項６】請求項１の酸素センサにおいて、該センサ
   は電解効果型トランジスタを用いて構成したことを特徴
   とする酸素センサ。
7. 【請求項７】酸素センサを内部電極とする酵素センサに
   おいて、請求項１ないし請求項６の酸素センサを用いた
   ことを特徴とする酵素センサ。
8. 【請求項８】生体液中の酸素分圧を直接または経皮的に
   測定するための酸素センサを用いた分析装置において、
   請求項１ないし請求項６の酸素センサを用いたことを特
   徴とする分析装置。
9. 【請求項９】生体液中の生化学成分を酵素センサを用い
   て測定する分析装置において、請求項７の酵素センサを
   用いたことを特徴とする分析装置。