JPH0462022B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は酵素反応を検知する酵素電極を用いて
電流値を測定し、グルコース濃度を動的に測定す
る方法及びその装置に関するものである。

従来技術 酵素反応を利用してグルコース等の濃度を測定
する方法は種々知られている。例えばグルコース
オキシダーゼによつて酸素と反応させ、その際の
溶存酸素の減少量を酸素電極で測定する方法（講
談社発行、清水哲郎外３名編化学センサーその基
礎と応用で紹介されている）か、もしくは生成さ
れる過酸化水素を過酸化水素電極で測定する方法
がある。すなわち、グルコースはグルコースオキ
シダーゼにより酸化されグルコノラクトンと過酸
化水素に分解される。この反応によつて消費され
る酸素もしくは生成される過酸化水素を酸素電極
もしくは過酸化水素電極で測定することによりグ
ルコース量の測定ができる。

原理を第２図に示す。

第２図中３５は酵素膜、３６はテフロン膜、３
７は陰極を示す。

グルコース溶液から電極へ拡散する酸素は、固
定化グルコースオキシダーゼ膜によりその一部が
消費され、電極に到達する酸素濃度が減少する。

その結果電極での電流値も低下する。しかし時
間と共に酵素膜で消費される酸素量と溶液から拡
散してくる酸素量との間に平衡が成立し、ある電
流値の所で定常状態となる。この電流値が溶液中
のグルコース濃度に依存する。

したがつてあらかじめ濃度値を測定してあるグ
ルコース溶液についてそれぞれの電流値を測定し
検量線を作成することにより未知濃度のグルコー
ス溶液を測定することができる。

以上が溶存酸素電極で測定する方法であるがこ
の他にグルコースにグルコースオキシダーゼを作
用させることにより生成された過酸化水素をパー
オキシターゼとＯ−トルイジン等の発色試薬を用
いて比色定量する方法がある。

又、以上のような酵素電極を有する測定部に緩
衝液とともに血液を流し、流動状態で血液を電極
に接触させ糖分を測定するものが実開昭59−
54847号公報で知られている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、前者の酵素を用いた之等の方法はバツ
チ式でかつオフラインでしか使用することができ
ないため、又試料が高濃度のものの場合、あらか
じめ分析機器の測定範囲に入るように適宜希釈す
る必要があることや、人手による試料供給等実用
としての自動化には問題があつた。後者の公報の
ものはオンラインのものであるが一定グルコース
濃度の試料を測定する場合には酵素反応により発
生する酸素量及び電流量は常に一定値しか得られ
ない。したがつて広い濃度範囲の試料を精度良く
測定できない。

問題点を解決するための手段 したがつて本発明の技術的課題はグルコース濃
度をオンラインで自動的に直接測定できると共に
広い濃度範囲の試料を精度良く測定できる、グル
コースの測定方法とその装置を提供しようとする
ことを目的とするもので、この技術的課題を解決
する本発明の技術的手段は、酵素反応によつて消
費される酸素量もしくは生成される過酸化水素量
を酸素電極もしくは過酸化水素電極で電気量に変
換し、その電気量によつてグルコース濃度を測定
するものであつて、酵素電極を装着した反応セル
に緩衝液を常時流した状態の中に一定量の試料を
間欠に送入し、試料が反応セルを通過する際の酵
素反応による電流変化量からグルコース濃度を測
定するもので試料と酵素との接触時間を緩衝液の
流速調整によつて変えることによりグルコースを
測定するようにしたもので以上のような方法を実
施する装置としては、酵素電極を装着した反応セ
ルと常時一定温度に加温した緩衝液タンクとを導
管で結合し、かつ自動試料定量送入装置を切替弁
を介して前記導管に結合したものである。

発明の効果 この技術的手段によれば、緩衝液を常時流した
状態の中に一定量の試料を間欠的に送入すること
によりグルコース濃度を測定することができる特
徴があり、試料と酵素との接触時間を緩衝液の流
速調整によつて変えることにより試料の測定範囲
を調節でき、したがつて高濃度のグルコース溶液
でも希釈作業を除くことができ、オンライン方式
で自動的に連続測定ができるという特徴がある。
換言すれば酵素と試料の接触時間をコントロール
することにより消費する酸素量が制御でき、さら
に電流量が制御できるものでグルコース高濃度の
試料を測定する場合は流速を高め酵素に接触する
時間を短縮し消費酸素量を抑制して常に検量の直
線領域で測定でき、又、低濃度試料の場合は逆に
酵素との反応時間が長くなるように流速を制御
し、検量線の直線領域で測定できるもので、かか
る酵素反応の制御を行うことにより広い濃度範囲
の試料も精度良く測定できる。注入量を変位させ
希釈させる場合は希釈率の大きくなるような高濃
度サンプルは誤差の原因となるが、本発明のもの
は緩衝液の流速を制御し、流速に応じた検量線を
設定し流速に応じて検量線を切り替え電流値から
グルコース濃度を測定しているので希釈誤差はな
く広い範囲で精度良く測定できるという利点があ
る。

実施例 以下図面に示す実施例について説明する。

第１図において１は例えば乳糖分解用固定化酵
素（固定化ラクターゼ）を充填したカラムであつ
て、分解乳が出口２から製品として排出される。

３はその分枝管でポンプ４からＴ字形接手３
２、切替弁５を介してオートピペツト６に連通し
ている。余分な製品は導管３３より排出される。

又、標準液タンク７も導管８で切替弁５を介し
てオートピペツト６に連通している。

緩衝液タンク１４の緩衝液には導管１０から空
気が送り込まれて溶存酸素量が飽和状態となつて
おり又、ヒーター１１で加熱され、その温度がセ
ンサー１２を介してコントローラー１３で制御さ
れている。

タンク１４の緩衝液はペリスタポンプすなわち
定量ポンプ１５で導管１６を介して恒温槽１７中
のグルコースセンサー１８に供給されるようにな
つている。

又、前記したオートピペツト６に吸引された試
料又は標準液は供給弁１９を介して前記導管１６
に接続されている。

したがつて供給弁１９の切替によつて試料又は
標準液の一定量を導管１６中に常時流れている緩
衝液に供給することができる。又、測定時以外の
試料又は標準液は、導管３４より排出される。

グルコースセンサー１８は第３図に示す通りの
ものであつて、その３８は酸素電極、３９はテフ
ロン膜、４０は酵素膜、４１はセルローズ透析
膜、４２はセル、４３はＯリングである。そして
緩衝液は反応セルの通路４４，４５，４６を常時
流れる。

第１図においてグルコースセンサー１８で検知
された電流値は増幅器２６で増幅され、機器２７
でノイズが除去され、コンピユーター２８で演算
されてグルコース濃度が測定される。なお、２９
は出力プリンターを示す。

さて切替弁５によつて試料と標準液を適時切替
え、オートピペツト６で一定量吸引し、供給弁１
９へ送入する。

緩衝液は定量ポンプ１５でＴ字形接手３１を通
りグルコースセンサー１８の反応セル内に送入さ
れ管３０から排出される。試料は、緩衝液が常時
流れている状態で供給弁１９が切り換わり、オー
トピペツト６で試料あるいは標準液が一定量注入
される。

電極の指示値から濃度を測定する方法は、導管
８より既知濃度のグルコース溶液をオートピペツ
ト６にて吸引し、Ｔ型接手３１より注入する。

そしてセンサー１８の反応セルを通過する際の
電流変化とグルコース濃度との関係を求めてお
き、この関係を用いて導管３から試料を同様に注
入した時に得られる指示値からコンピユーター２
８でグルコース濃度を測定する。

ここでセンサー１８の反応セルを通過する際の
電流変化量とグルコース濃度との関係を求めるに
当り次のような結果をえた。

すなわち、グルコース溶液から酵素膜を通して
電極へ拡散する酸素の消費量、もしくは減少する
酸素濃度とその結果生じる電極での電流値の低下
現象から電流値がグルコース濃度に依存すること
はさきに述べたとおりであるが、実験に当たり酵
素電極として後述するようなグルコースオキシダ
ーゼをDEAEセルローズ膜にイオン結合法によつ
て固定化した固定化酵素膜を溶存酸素電極の検知
面に装着したグルコースセンサーを用い、これを
緩衝液が常時流れるようにした緩衝液流路中に設
置し、この流路にあらかじめ測定してある濃度の
グルコース溶液を流して実験を試みたところ緩衝
液の流速によつてもその電流値が変化することが
わかつた。

すなわち、流速を一定にしてあらかじめ測定し
てある濃度のグルコース溶液の電流変化量を測定
し、同様に流速を変化させて同一試料の電流変化
量を測定したところ濃度と電流変化量との間に第
４図に示すような結果を示した。

第４図の縦軸は電流値変化量で横軸が濃度であ
る。表中流速V1，V2，V3，V4，V5はそれぞれ
0.38cm／sec、1.47cm／sec、2.92cm／sec、6.95
cm／sec、8.88cm／secである。

ところで電流変化量が緩衝液のみの通液時の電
流値を100％とすると50〜80％の範囲内の各流速
の検量線は直線を示しその傾きも同じであつた。

したがつて、測定においては、第５図に示すよ
うに、流速Vaにてあらかじめ濃度値を測定して
ある２種類以上のグルコース溶液について、それ
ぞれの電流変化量を測定し、検量線ｙ＝alogx＋
ｂを求める。ここでｘは濃度、ｙは電流変化量で
ある。次にこの流速Vaにおいて測定範囲80％の
電流変化量Iaを示すグルコース溶液を流速を変え
ながら測定し、測定範囲50％の電流変化量Ibを示
す流速Vbを求める。この事により流速Vbにおけ
る検量線は流速Vaにおける検量線の傾きと同じ
であるから、 Ia−Ib）の分だけ、切片移動したＹ＝alogx＋
ｂ‐（Ia−Ib）となる。それ以降の流速を変えた
場合の検量線の式は、ｙ＝ａ logx＋ｂ‐ｎ（Ia
−Ib）にて求めることが出来る。尚ここでのｎは
検量の移動数でｎ＝２、３、４……である。

又、それぞれの検量線の流速は、（Vb−Va）
ｎの分だけ移動すればよく、式Vx＝Va＋（Vb−
Va）ｎで求める事が出来る。ここでのｎは先程
のｎと同じ値をとる。この２つの式を用いること
により、図５に示すような検量線を作成し、それ
ぞれの流速と検量線の式をコンピユーターに記憶
させておく。そして、未知濃度グルコース溶液を
流した時の電流変化量ｙが緩衝液通液時の電流値
を100％とした時の50％〜80％の範囲の電流値を
とるように、先程設定した流速の中から、段階的
に選び出し、その流速での検量線からグルコース
濃度を求めることができる。

さて以上のような測定に基づき、カラム１の牛
乳量を自動的に制御して乳糖分解率を一定に保つ
ことができるものであり、第１図仮想線で示すよ
うにポンプ４、オートピペツト６、ポンプ１５、
供給弁１９を自動的に制御することができる。

カラムに乳糖分解乳用固定化酵素を充填し、牛
乳を一定流量でカラム１に流し、分解乳を作ると
きの以上のような装置を用いての制御方法につい
て述べると、一般に長期間運転すると固定化ラク
ターゼの活性が低下し、分解率が変動してくる。

そこで分解乳をペリスタポンプで一定量グルコ
ースセンサーに送り、グルコース量を測定電気信
号に変え、その信号をコンピユーター２８へ送
る。コンピユーター２８内で測定電気信号を分解
率に換算し、設定分解率と比較する。もし測定値
と設定値の間に差がある場合にはその大きさにし
たがつてカラムに牛乳を供給する図示しないポン
プの流量を調節し、仰乳の分解率が設定分解率に
なるように制御するものである。

具体的に実施した例を述べると次のようであ
る。グルコースセンサーに用いられる固定化グル
コースオキシダーゼ膜の固定化はグルコースオキ
シダーゼ（天野製薬製）10mgをPH6.0，0.1M酢酸
緩衝液10mlに溶解し、直径６mmのDEAEセルロー
ズ膜をその溶液中に３時間浸漬し、吸引炉過にて
固定した。

この固定化膜を溶存酸素電極（石川製作所製）
の検知面上にのせ透析膜で覆つてＯリングで止め
た。

この酵素電極をフローセルに装着した。

緩衝液は0.1M酢酸と0.1M酢酸ナトリウムから
PH6.0に調整して用いた。

測定装置は恒温槽及び緩衝液を40℃にし、緩衝
液流速は2.08cm／sec、6.95cm／secとした。

オートピペツトによる注入量は0.5mlとした。

標準液は医療用グルコース溶液５％を希釈して
0.6ｇ／dl、0.7ｇ／dl、0.8ｇ／dl、0.9ｇ／dl、
1.0ｇ／dlを作り、試料としては乳糖分解乳を用
い、この装置と従来法すなわち、YSI社製シユガ
ーアナライザーでの値と比較したところほとんど
遜色はなかつた。

何れにしても本発明は緩衝液を常時一定流量で
グルコースセンサーの反応セルに流した状態で試
料を一定量注入することにより試料がグルコース
センサーの反応セルを通過する際の酵素との反応
による電流変化量から濃度を算出するもので測定
範囲は緩衝液の流速を変えることにより調整する
ことができるものであつて高濃度のグルコースを
正確かつ容易に測定でき、特に希釈作業なしに直
接自動的に測定できるという効果がある。

なお、実施例のものでは反応による検知物質は
溶存酸素を対象としたが過酸化水素でもよい。
又、酵素は膜状に固定化したものが望ましい。更
に又、緩衝液及びグルコースを含む試料を反応セ
ルに接続された導管より送入排出させるが、エア
ーが混入した際ただちに抜けるようなものがよ
い、そして緩衝液は実施例では酢酸を用いたが酵
素反応を阻害しないものであれば特に限定しない
し、オートピペツトは電動式のものが望ましい、
又、高精度の微量定量ポンプでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の説明図、第２図は測定原
理を示す説明図、第３図はグルコースセンサーの
説明図、第４図は電流変化量と濃度との関係図、
第５図は検量線の説明図である。 １……カラム、５……切替弁、６……オートピ
ペツト、７……標準液タンク、１４……緩衝液タ
ンク、１７……恒温槽、１８……グルコースセン
サー、２８…コンピユーター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酵素反応によつて消費される酸素量もしく
   は、生成される過酸化水素量を酸素電極もしくは
   過酸化水素電極で電気量に変換し、その電気量に
   よつてグルコース濃度を測定するものであつて、
   これら酵素電極を装着した反応セルに緩衝液を常
   時流した状態の中に一定量の試料を間欠的に送入
   し、試料が反応セルを通過する際の酵素反応によ
   る電流変化量からグルコース濃度を測定するもの
   で試料と酵素との接触時間を緩衝液の流速調整に
   よつて変えることによりグルコースを測定するこ
   とを特徴とするグルコースの自動測定方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のグルコースの自
   動測定方法において、被測定グルコース濃度の変
   動に伴い、電流変化量が緩衝液のみの通液時にお
   ける電流値を100％とすると、グルコースを流し
   た時常に50％から80％の範囲をとるように予め設
   定された流速毎の検量線を求めておき、測定され
   た電流値が前記検量線の何れかに入るように流速
   を切替えてその流速に応じた検量線の電流値から
   グルコース濃度を自動的に測定することを特徴と
   するグルコースの自動測定方法。 ３ 酵素電極を装着した反応セルと常時一定温度
   に加温した緩衝液タンクとを導管で結合し、かつ
   自動試料定量送入装置を切替弁を介して前記導管
   に結合してなるグルコースの自動測定装置。