JPH052102B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は酵素センサに関するものである。特に
生化学用、医療用に適した耐水性の高い小型の酵
素センサに関するものである。

（従来の技術） 従来より細長状のコーテイツドワイヤ電極、半
導体の電界効果を利用した半導体センサ、ポーラ
ログラフの原理を用いたO₂、H₂O₂電極の感応部
にデイツプコーテイングにより酵素固定化膜を被
覆して、膜中での基質と酵素との反応により増
加、もしくは減少する物質の濃度の変化をセンサ
によりとらえて、基質の濃度を測定する酵素セン
サは知られている。（例えば特開昭53−149397号
など） （発明が解決しようとする問題点） しかしながら電極の感応部にデイツプコーテイ
ングにより酵素固定化膜を被覆した酵素センサ
は、使用中に感度が低下したり、ドラフトを生じ
長時間にわたり安定に被測定液中の酵素濃度の測
定を行うことができないという問題があつた。こ
の原因は超小型の電極の感応部のデイツプコーテ
イングによつて均一な膜を形成しようとしても、
針の先端部においてひずみがかかり、ピンホール
や亀裂が生じるのを防ぐことが困難であり、この
ようなピンホールが生じると、この部分より酵素
膜を経ずに基質や、酵素反応により変化すべき物
質が浸入し、測定誤差の原因となるものと考えら
れる。

また小型化した多くの酵素センサは他の酵素セ
ンサまたはイオンセンサと組み合せて多重センサ
として使用される場合が多いが、非常に接近した
電極の感応部に異なる種類の酵素固定化膜やイオ
ン感応膜を正確に被覆することは実際上極めて困
難である。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは上述の問題点を解決するため鋭意
検討した結果本発明に到達したものである。すな
わち細長状の化学物質感応センサの感応部が酵素
を固定化した多孔性または親水性の中空糸の中空
部に挿入されてこの中空糸で被覆されていること
を特徴とする酵素センサである。

（作 用） 本発明では細長状の超小型電極の感応部への酵
素固定化膜の被覆はデイツプコートを採用せざる
を得ないと考えられていた酵素固定化膜の被覆法
として、酵素を固定化した多孔性または親水性の
中空糸を被覆したことに特徴を有している。かか
る特徴により長時間にわたり安定に被測定液中の
酵素濃度を測定できる理由は次のように推測され
る。

酵素を予め成型してある中空糸に固定化する
ため、厚さが一定でピンホールやクラツクがな
い酵素層を得ることができる。

細長状電極の感応部が中空糸の中空部に挿入
固定されているため酵素の剥離がない。

（実施例） 次に本発明の酵素センサの一実施例を図面にて
説明する。第１図及び第２図は電極として例えば
特公昭55−13544号に開示された半導体の電界効
果を利用したイオンセンサ（以下ISFETという）
を用いた酵素センサの断面図であり、細長状の
ISFET１のソース電極とドレイン電極にリード
線３を接続した後、カテーテル２内に収容し、
ISFETの先端に設けられた感応部４（ゲート領
域）をカテーテルの先端部に突出させてカテーテ
ル内に封入された電気絶縁樹脂８によりカテーテ
ル内に固定されている。このISFETの先端感応
部４は酵素を固定化した中空糸６の中空部に挿入
されてこの中空糸６により被覆されている。また
中空糸の先端開口は樹脂７で封止されている。第
２図はISFET１をカテーテル２の側壁に穿設し
た開口内部に位置させた酵素センサの例であり、
酵素を固定化した中空糸６は該開口を閉止するよ
うにカテーテルに被覆される。

カテーテル２に被覆する酵素を固定化した中空
糸は基質もしくは生成物がセンサ表面まで到達す
るために親水性もしくは疎水性の多孔中空糸でな
ければならない。ここで親水性とは絶乾した物を
37℃の水に浸漬した時の重量増加が30％以上のも
のをいう。重量増加が30％より低いと水、基質の
透過性が低くなり感度の低下、応答速度の低下が
起こる。かかる親水性の中空糸としてセルロー
ス、カルボキシメチルセルロースのセルロース誘
導体、ポリアミノ酸、ゼラチン、ヒドロキシエチ
ルメタアクリレート、架橋ポリビニルアルコール
等があげられる。また疎水性の多孔中空糸として
は横断面に連続した孔を有し、その空孔率が30％
以上のものである。空孔率は中空糸を構成してい
る物質の比重と中空糸の比重より求めることがで
きる。また孔のサイズは孔径分布曲線における最
大確率の孔径が0.035μ〜15μのものが好ましい。
かかる疎水性の多孔中空糸としては、ポリプロピ
レン、ポリアクリロニトリルトリアセチルセルロ
ース、ポリスルホン製の中空糸等を挙げることが
できる。

上記中空糸への酵素の固定化法は共有結合法、
架橋法、包括法等いずれを用いてもかまわない。
上記中空糸は市販の膜を用いることができるが特
殊な径の中空糸が必要な場合や、小量の中空糸を
作製したい時には、必要とする内径と同じ径をも
つ針金状の芯にポリマーをコーテイング後、芯を
ひきぬくか、溶解させることにより必要なポリマ
ーを得ることができる。中空糸の径は電極の径に
より決まるが、通常内径１mm以下のものが用いら
れる。また中空糸の肉厚は大きいと応答が遅くな
り、小さすぎると機械的な強度が低下して、セン
サの作製作業が困難となるので通常200μ〜10μの
ものが使用される。

上記中空糸に酵素を固定化するためには、中空
糸作製の際あらかじめ、酵素とポリマー、要すれ
ばグルタルアルデヒド等の架橋剤を加えて中空糸
状に成型するか、または中空糸を作製後、もしく
は中空糸を電極の感応部に被覆した後に酵素の固
定化を行なつてもよい。前者の例としては、セル
ロースアセテートと酵素とグルタルアルデヒドを
塩化メチレンに溶解し、針金にコーテイングして
中空糸状に成型してから針金よりはずすことによ
り得られる。後者の例としては人工腎臓用のセル
ロース中空糸をPH11〜PH12の臭化シアン液で活性
化し、これを酵素溶液に浸すことにより得られ
る。このようにして得られた酵素を固定化した中
空糸は、第１図のように中空糸６の先端７を封止
して、ISFETの感応部４に被覆される。中空糸
の先端を封じるのは、先端より基質及び酵素反応
の生成物が拡散して電極の感応部に到達すること
により、センサの感度が損なわれるのを防ぐため
である。そのため中空糸の先端開口を封止する。
第３図及び第４図は本発明のセンサを用いた多重
センサの例である。第５図ａは多重センサに使用
するISFETの平面図及び第５図ｂ，ｃ，ｄは第
５図ａの各Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図であ
る。このISFETは特公昭55−13544号に記載され
たISFETと同一の構造を有している。このセン
サはドレイン共通で先端部に３つのゲート感応領
域４ａ，４ｂ，４ｃを有し、縦方向に適当な間隔
をおいて並んでいる。ゲート以外の図中斜線で囲
つた部分は表面にP⁺層（チヤネルストツパ）を
作製し各ゲートを分離している。これらのゲート
間の間隔はいくらでも小さくできるが、あまり小
さすぎると感応膜の境界をゲートの間にもつてく
ることが難しくなるため、この間隔は0.5〜３mm
が好ましい。ISFETの他端には出力を取出すた
めのリード線をつなぐための電極が配置されてい
る。第５図では各ISFETに共通のドレイン電極
１０、サブストレート電極１１及びそれぞれの
ISFETのソース電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃの
５個の電極が設けられている。第５図に示す多重
センサは長さ12mm、巾0.5mm、厚さ150μである。
センサのサイズは使用面からは小さければ小さい
ほど好ましいが、あまり小さいと加工時に素子折
れ等が発生するため通常長さ５〜20mm、巾0.3〜
10mm、厚さ100〜300μが好ましい。

上記ISFETはシリコンウエハ上に作製された
ものであるが、サフアイア等の絶縁基板上に作製
することも可能である。

このセンサは第３図ａに示すように電極にリー
ド線３をボンデイングしてからサポート５に固定
しゲート部を残して、カテーテル２内に埋め込ま
れる。多重センサ１とカテーテル内壁間の空隙に
は絶縁樹脂８を充填し、測定液によりボンデイン
グ部がシヨートしないようにする。

このように加工したセンサに第３図ｂの如く、
一番根元のゲート部４ｃに酵素を固定化した中空
糸６ｃをかぶせる。中空糸を被覆する方法は第１
図に示すシングルセンサの場合と同じであるが、
中空糸の先端開口は別の中空糸膜を被覆するので
封止する必要はない。次に中空糸６ｃと異なる酵
素固定化中空糸６ｂを第３図ｃに示すように２番
目のゲート部４ｂに被覆する。各中空糸の外径は
異なつていてもよいが、同じ外径とする方が形状
が滑らかになり好ましい。次いで３番目のゲート
領域４ｃに上記２つの中空糸と異なる酵素固定化
中空糸６ｃをかぶせ第３図ｄに示すように中空糸
の先端開口を接着剤７で封じれば、３種類の酵素
濃度を測定できる多重酵素センサを得ることがで
きる。

また、ISFETの他にシリコンウエハ上にポー
ラログラフイツクなO₂センサやH₂O₂センサを作
製し、これに酵素固定化中空糸を被覆してもよ
い。

このようにして作製された多重センサは、細長
状で耐水性に優れているため血管、カテーテルも
しくは組織中に留置針を用いて挿入し、血液もし
くは体液のモニタリングをするのに適している。

また本発明の酵素センサを複数個横に並べるこ
ともできる。第４図は横型の多重センサの例であ
り一枚のシリコンウエハに各ISFETを横に並べ
て形成されている。この時ボンデイング部は一体
に配置されているが、ゲート感応部はそれぞれ切
り離された作製されている。このそれぞれの
ISFETに中空糸６ａ，６ｂ，６ｃをかぶせるこ
とにより多重センサを作ることができる。このセ
ンサは主としてフロースルーセルタイプのセンサ
として適しており、またこのセンサのゲート部を
直接測定液と接触させることにより極微量の試料
の化学物質の濃度を測定することが可能である。

実施例 １ 内径300μ、外径360μの多孔質ポリプロピレン
中空糸（三菱レイヨンKPF360A）を１％ウレア
ーゼりん酸緩衡液（PH6.86）に30分浸漬し、ウレ
アーゼを吸着させた後、水洗乾燥した。この中空
糸膜の先端開口をエポキシ樹脂で封止し、第１図
に示すようにISFETのPHセンサのゲート領域に
被覆した。このセンサを0.01Mのりん酸緩衡液に
溶解した尿素溶液中に浸漬した時のソース電位を
第６図に示す。第６図に示すように尿素濃度10^-2
〜10^-4ｇ／mlでよい相関を示す。またこの範囲で
センサの50％応答時間は10秒以下であり、迅速な
応答を示した。

実施例 ２ 平均重合度1700のポリビニルアルコール８Kg、
分子量1000のポリエチレングリコール４Kg、ホウ
酸160ｇ、酢酸30ｇを50の熱水に溶解した。こ
の溶液を環状ノズルより、カセイソーダ80ｇ／
、芒硝230ｇ／の凝固浴中へ吐出して中空糸
を得た。ついでグルタルアルデヒド0.5ｇ／、
塩酸３ｇ／の浴中で50℃、２時間架橋処理を施
し、さらに100℃の熱水中で１時間熱処理後、水
洗した。このようにして得られたポリビニルアル
コール中空糸の内径は700μ、外径は1000μで、そ
の膜壁は均質多孔構造を有していた。水銀ボロシ
メーターによる孔径分布曲線から求められたモー
ドの孔径は0.26μであり、中空糸膜の見掛比重か
ら求められる空孔率は57％であつた。また牛血清
アルブミンの透過率は100％、牛ガンマーグロブ
リンＧの透過率は97％であつた。

このポリビニルアルコール中空糸を、５％のア
ミノアセトアルデヒドジメチルアセタールと10％
の硫酸よりなる溶液中に80℃で５時間浸漬し、水
酸基のアミノアセタール化を行なつた後グルタル
アルデヒド水溶液中に室温下で５時間浸漬してシ
ツフ塩基を形成させ、５時間流水洗浄し、次いで
15℃の１％グルコースオキシダーゼりん酸かん衡
液に１時間浸漬し、りん酸緩衡液中で１晩洗滌し
た。この中空糸をクラーク型の静脈血測定用酵素
センサ（コントロン社製〔Instravascular PO₂
monitor636〕）の直径0.65mmのPO₂感応部に被覆
してグルコースセンサを作製した。このセンサは
グルコース濃度０〜100mg／dl間でよい相関が得
られた。

実施例 ３ 第５図に示す３つのゲートを各1.2mm間隔で有
する多重ISFETを作製し、この素子をナイロン
11製カテーテル（内径0.6mm、外径1.05mm）に、
サポートとして直径0.3mmのステンレス線ととも
に第３図ａに示すように挿入し、エポキシ樹脂で
固定した。このセンサの２つのゲート部４ａ，４
ｂに実施例２の方法で作製したウレアーゼ及びグ
ルコースオキシダーゼを固定化した中空糸を被覆
して第３図ｃに示すセンサを作製した。このセン
サを尿素及びグルコース濃度の異なる液に浸漬し
ソース電位の差を測定したところ、ゲート領域４
ａと４ｂを有する各ソース電位とゲート領域４ｃ
を有するソース電位の差はそれぞれ尿素、グルコ
ース濃度とよい相関を示した。

（効 果） 以上のように、本発明の酵素センサは耐久性の
良好な性能の均一のシングルセンサ及び多重セン
サが歩溜りよく得られ実用上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の酵素センサの断面
図であり、第３図は多重酵素センサの製造法を説
明する各工程における多重センサの断面図であ
り、第４図は横型多重センサの平面図であり、第
５図ａ，ｂ，ｃ，ｄは縦型多重センサの平面及び
断面図であり、第６図は尿素濃度とソース電位の
関係を示すグラフである。 １…ISFET、２…カテーテル、３…リード線、
４…感応部、６…酵素固定化中空糸、７…樹脂、
８…電気絶縁樹脂。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 細長状の化学物質感応センサの感応部が酵素
   を固定化した多孔性または親水性の中空糸の中空
   部に挿入されてこの中空糸で被覆されていること
   を特徴とする酵素センサ。