JPH06281614A - 電流測定酵素電極 - Google Patents

電流測定酵素電極

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JPH06281614A
JPH06281614A JP5306866A JP30686693A JPH06281614A JP H06281614 A JPH06281614 A JP H06281614A JP 5306866 A JP5306866 A JP 5306866A JP 30686693 A JP30686693 A JP 30686693A JP H06281614 A JPH06281614 A JP H06281614A
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electrode
enzyme
polymer
electrode material
enzyme electrode
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JP5306866A
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Helmut Dr Offenbacher
ヘルムート・オッフェンバッヒャー
Hermann Marsoner
ヘルマン・マルソナー
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A V L MEDICAL INSTR AG
AVL Medical Instruments AG
Original Assignee
A V L MEDICAL INSTR AG
AVL Medical Instruments AG
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes
    • C12Q1/004Enzyme electrodes mediator-assisted
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes
    • C12Q1/002Electrode membranes

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 導電性で多孔質の電極材料4を有し、この電
極材料の上に固定またはその中に吸着された酵素13が
ある、試料に酵素基質の濃度を測定する電流測定酵素電
極を提供する。 【構成】 電極材料4は導電性の顔料8′を有する酸化
還元活性化導体、それ自体導電性でない結合剤8および
その中に微細に分散された触媒物質9で構成されてい
る。この発明によれば、電極材料4の触媒物質9は酸化
還元活性な導体に埋め込まれている、元素の周期律表の
第四周期の遷移元素の安定な酸化物または水酸化物であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電極材料が導電性の
顔料と、それ自体導電性でない結合剤と、この結合剤中
に微細に分散している触媒物質とを有する酸化還元活性
導体を備え、導電性で多孔質の電極材料の上に固定され
ている、あるいは前記電極材料内に吸収されている酵素
を用いて、試料中の酵素基質の濃度を測定する電流測定
酵素電極に関する。
【0002】
【従来の技術】固定された酸化還元酵素を有する過酸化
水素の測定を基礎にした電流測定バイオセンサあるいは
電流測定酵素電極による基質の測定は、多くの特許およ
び出版物の対象であり、生化学センサ分析で相当重要な
役割を演ずる。体液(血液、血清、間質性の液体や尿)
中の、例えばグルコースのような基質を測定する場合、
干渉の問題に出くわす。多数の酸化還元代謝や例えば p
- アセアモル (Acetamol),アスコルバット (Ascorbat),
尿酸等のような薬剤は、この測定原理により基質の測定
を非常に悪化させるか、不可能にする。
【0003】欧州特許第 0 247 850 A1 号明細書には、
電極を使用してこれ等の干渉を抑制している。これ等の
電極では、微細に分散させた白金の粒子をグラファイト
と多孔質のポリマー結合剤から成る多孔質のフィルムの
上に塗布している。この処置によって、触媒を使用しな
いで 600 mV 以上になる H2O2 の分解電圧が、劇的に、
つまり 400 mV 以下に低下する。酸化還元活性の擾乱物
質の分解電圧はただ最小に低減するので、干渉の抑制は
相当なものになる。
【0004】白金粒子の塗布は、通常、酸化還元反応に
より電気化学的に行われるか、あるいはスパッタリング
で行われる。厚膜技術の原理による電極の製造には、こ
の塗布方式が時折コストのかかる製造方法の改良を意味
する。
【0005】過酸化水素は自動酸化的に水と酸素に分解
する。室温ではもちろん分解速度は測定不可能なほど低
いが、例えば白金族の金属で触媒作用により加速する。
欧州特許第 0 247 850 A1 号明細書により明らかなよう
に、白金は H2O2 の自動酸化分解を触媒作用で加速す
る。この場合、 H2O2 測定に重要な反応 (1)で、分解電
圧 E0 の≧ 0.6 Vから< 0.4 Vへの移動が行われる。こ
こで、 H2O2 → 2H+ + 2e- + O2 (1) 白金粒子の高い電気伝導度によってこのタイプの電極で
は触媒と引出電極が同一にされている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、冒
頭に述べた酵素電極を前提にして、コストに見合い、製
造が容易で、しかも厚膜技術の原理で作製する場合で
も、問題の生じない電流測定酵素電極を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べた種類の酵素電極にあって、電極材
料4の触媒物質9が、酸化還元活性導体中に埋め込まれ
ている周期律表の第四周期の遷移元素の安定な酸化物ま
たは水酸化物であることによって解決されている。
【0008】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【0009】
【作用】驚くことに、自動酸化分解に重要な上記酸化物
あるいは水酸化物の触媒が貴金属に比べて導電度の悪
い、あるいは絶縁体であるが、上記等式 (1)による H2O
2の酸化に同じように影響を与える、つまり E0 を低下
させるため、干渉を抑制することにもなることが発見さ
れた。
【0010】触媒物質としては、貴金属の代わりに、こ
の発明によれば、 MnO2, FeOOH, Fe 3O4, Fe2O3, Cr2O3
あるいは V2O5 のグループの少なくとも一つの材料を使
用できる。
【0011】この発明の二つの例示的な実施例では、電
極材料が触媒物質、好ましくは MnO 2 の粒子と活性炭の
粒子とを有するか、あるいは電極材料が触媒物質、好ま
しくは MnO2 を表面に微細に分散させてある活性炭粒子
を有し、その場合、粒子はグラファイト粒子を充填させ
たポリマー結合剤でそれぞれ多孔質組織に結合されてい
る。
【0012】ポリマー結合剤に関して過剰充電である
(つまり結合剤成分の少ない)電極の素材中で、例えば
二酸化マンガンをグラファイトに密に混合することによ
り、表面を無数のグラファイト粒子のブリッジと接触し
て、あるいは活性炭に微細に分散させた状態で塗布し
て、それ自体絶縁体として働く触媒を準導電性にする。
その場合、この発明によれば、ポリマー結合剤に対する
電極材料の粉末あるいは粒子状の成分の比が少なくとも
2 : 1になる。
【0013】上記の過剰充填により、ポリマー結合剤は
ただ粒子の接着機能しか持っていなく、合成された電極
材料は多孔度が高く、それ故に表面活性度が高い点で優
れている。
【0014】電極材料を作製するには、例えば MnO2
末をグラファイトないし活性炭とグラファイト、および
ポリマー結合剤と共に処理してペーストにし、このペー
ストの層が溶媒を飛ばした後、多かれ少なかれ多孔質の
構造となり、それ故に活性度の高い表面となる。更に、
例えば MnO2 が適当な酸化還元反応によって活性炭上に
脱落し、合成された粉末を純粋な酸化マンガンのように
グラファイトおよびポリマー結合剤と共にスクリーン印
刷のできるペーストに加工できる。
【0015】ブラウン石(Braunstein)(マンガン (IV)
酸化物) を電極触媒として使用し、この発明による酵素
電極の作製をより詳しく説明する。上に説明した擾乱物
質の外に、以下に記載する H2O2 の測定は生理学的な p
H 値で行われた。
【0016】例(電極材料の作製) 1) 20 重量成分のマンガン (IV) 酸化物を粉末にして
100重量成分のグラファイトペースト (例えば、Electro
dag 4233 SS, AchesonColloiden B. V.社、Scheenda/
オランダ) と混ぜ合わせ、ボールミルで一様なペースト
にする。 2) 10 重量成分の二酸化マンガンと 10 成分の活性炭
を例 1と同じように 100重量成分のグラファイトペース
トと混ぜ合わせる。
【0017】 3a) 活性炭の上へのマンガン (IV) 酸化物の析出 10 g の活性炭を 100 ml の NaOH 中に懸濁させて、沸
騰するまで短時間加熱する。冷却後、懸濁液を 1 gの K
MnO2と 500 ml の 1n NaOHから成る溶液に入れる。攪拌
して、溶液が脱色するまで亜硫酸ナトリウムが水に溶け
て分解させる。
【0018】3b) 等式 (2)による比例関係による MnO
2 の析出 2 MnO4 - + 3 Mn3+ + 4 OH- → 5 MnO2 + 2 H2O (2) 10 g の活性炭を 200 ml の 1n. NaOH に懸濁し、短時
間加熱して沸騰させる。冷却後、懸濁液を 0.2 gの KMn
O4と 200 ml の水から成る溶液に入れ、脱色するまで希
薄マンガン (II) 溶液と混合する。
【0019】例 3a)と 3b)により作製された MnO2 と活
性炭の混合物を濾過して、蒸留水で入念に洗浄して、10
0 ℃で乾燥させる。この沈殿物の 10 成分を 50 重量成
分のグラファイトペーストと一緒に攪拌して、ボールミ
ルで例 1) と同じように処理する。
【0020】電極の作製 これ等の電極はそれぞれ 1.5 x 8 mm あるいは 2 x 1 m
m の長方形にして銀のパターン導線を印刷したプレクス
ガラス (Plexiglas)板上にスクリーン印刷法で塗布さ
れ、銀のパターン導線の剥き出し面を絶縁ラッカーで被
覆する。
【0021】冒頭に述べた酸化還元代謝の干渉を更に抑
制するため、この発明による酵素電極の電極材料には試
料側の被覆膜あるいは電極材料の穴の中にある遮断膜が
あり、この遮断膜は多イオン性のポリマーで構成されて
いる。
【0022】この発明によれば、多イオン性のポリマー
は多陽イオン性のポリマー、多陽イオンを形成するポリ
マー、あるいは正や負の共有結合のグループを有するポ
リマーで構成され、例えば多陽イオンポリマーはアミノ
グループおよび第四アンモニウムグループであるか、あ
るいは正や負のグループを有するポリマーはバイオポリ
マー、好ましくはプロティンである。
【0023】干渉を研究するため、例 1) のペーストで
作製された電極面に、例えばナフィオン(Nafion),アル
ブミンのような多イオン性のポリマーあるいは混合比 2
: 1のポリエチレンイミンとアルブミンを被覆し、アル
ブミンを含む層を後からグルタルディアフヒドで架橋す
る。
【0024】例 3a)あるいは 3b)により作製した電極
は、直接にも、過フッ化ナフィオン(Aldrich-Chemie
社、Steinheim/ドイツ連邦共和国) を被覆した後にも、
5 %のグルコーズオキシダーゼ(GOD)溶液の0.2 μl で
被覆してグルタルジアルデヒドの蒸気中で(室温で 30
分) 架橋して固定する。
【0025】測 定 個々のパラメータの測定は、対向電極(陰極)として働
く Ag/AgCl電極で静電位式に行われた。
【0026】印加電圧を変えて各電極に対して最適な条
件を確認した。基準系として、Pt板、貴金属・活性炭・
グラファイトの電極および純グラファイトの電極を測定
した。
【0027】酸化還元処理により塩化金から析出させた
5 %のコロイド状に分布する金を含む活性炭を混ぜて、
金・炭素の電極を例 1と同じように作製した。ルテニウ
ム・炭素の電極も同じように作製した。しかし、ルテニ
ウムは活性炭上のルテニウム5%で電極素材に付けた。
白金化した炭素は英国特許第 21 91 003 B号(H. P.Ben
etto et al)により作製し、 1.5 x 8 mm の広い電極板
にして試験した。
【0028】更に、例 1のように MnO2 を Fe2O3, Fe3O
4, FeOOH, Cr2O3 および V2O5 に置き換えて電極材料を
可変した。試験材料としては、 H2O2 (1.0, 2.0 と 5.0
mM), アスコルバット,p-アセタモル, 尿酸塩 (それぞ
れ 1.0 mM)およびグルコース (2.5, 5.0, 10.0 mM)の全
てを標準 A (AVL MEDICAL INSTRUMENTS 社の ISE電解
液、 pH = 7.38 および生理学的に重要なイオン性のバ
ックグランド) に溶解して使用した。基準としては、同
じように標準 Aを使用した。
【0029】個々のパラメータに応じて電流を測定し
た。表Iには MnO2 の電極、貴金属の電極(Au/C, Ru/
C, Pt板および白金化した炭素) および純グラファイト
の電極に対して、最適電圧、酸化還元分析対象物 (H
2O2) あるいは妨害物の濃度を可変した場合の電流 I
(μA)の変化を対比し、1 mMの干渉性物質が存在してい
る場合の電流に相当する H2O2 の濃度を表する。この測
定では、電極に多イオン性の被覆膜が付けてない。
【0030】
【表1】
【0031】
【実施例】以下では、この発明の実施例を図面に基づき
説明する。図1によれば、支持体1の上に金属性の導電
層2,例えば銀のパターン導線が付けてある。この層の
上には電気触媒性の多孔質電極材料4がある。その上に
配置された透過度を選択する被覆層5が示してある。絶
縁層3は試料と導電層2の間の直接接触を防止してい
る。
【0032】電極材料4は多孔質の組織を有し、活性炭
粒子10と触媒性物質の粒子9,例えば二酸化マンガン
の粒子で構成されているか、あるいは表面上に触媒性物
質が微細に分布している活性炭粒子11(図1の右側)
で構成されている。個々の粒子9,10と11は結合剤
8でつながっている。この結合剤には導電性の顔料8′
としてグラファイト粒子が存在する。第四周期の遷移元
素の酸化物または水酸化物の触媒性物質は導電性の顔料
8′を有する結合剤8から成る酸化還元活性導体の中に
埋め込まれている。電極材料4の穴12の中には、酵素
13、例えばグルコースオキシダーゼが吸収結合させて
あるか、あるいは架橋させて化学的に固定されている。
【0033】透過度選択性の干渉阻止膜として作用する
被覆層5は、正に帯電したグループが共有結合している
直線状あるいは編み目状のグロブリンのポリマー枠6で
構成されている。電子の中性関係により、この結合して
いる陽イオンはイオン交換可能な小さな負の逆イオン
(静電的に固定された陰イオン)によって電荷の補償が
されている。
【0034】多孔質の電極材料4の穴12の内で行われ
る化学的あるいは電気化学的な反応は図2と3に模式的
に示してある。図2には、 MnO2 の粒子9が、ポリマー
結合剤8でつながっているグラファイト粒子8′を介し
て接触している。図3には、 MnO2 粒子9が活性炭粒子
10の上に微細に分布している。記号13は酵素、例え
ばグルコースオキシダーゼを表す。
【0035】図4と5は電極配置を示す。この電極で
は、銀のパターン導線2を有する支持体1、例えばプレ
キシイガラス板に 1.5 x 8 mm あるいは 2 x 1 mm の長
方形の電極材料4が付けてある。銀のパターン導線の剥
き出しの表面を絶縁層3で被覆してもよい。
【0036】表 II は多イオン性の電極被膜が MnO2
グラファイトの電極での干渉の抑制にどのように影響す
るかを示す。
【0037】
【表2】 図6aと6bは MnO2 グラファイト電極 (a)に関して、
および白金化された炭素で作製した電極 (b)に関して測
定された酸化還元活性パラメータ(o= H2O2,x = pア
セタモル, +=アスコルバット、・=尿)の濃度 C (m
M) に対する電流 I (μa)を示す。
【0038】図7aと7bには、 MnO2 とグラファイト
の電極 (a)と(b) に関して、および白金化された炭素
(c)に関して測定された酸化還元活性パラメータ(図6
a,6bと同じパラメータ)の濃度 C (mM) に対する電
流 I (μa)が記入されている。
【0039】これ等の電極は以下のように改良されてい
る。 a = MnO2/C ・ナフィオン・ GOD b = MnO2/C ・ GOD c =白金化された炭素・ナフィオン・ GOD 図8はこの発明による最適な電極の場合、グルコース濃
度に対する電圧が 350mV の場合の電流 I (μA)を示
す。この場合には、酵素を含む図1の電極層の上に透過
度を選択する被膜が付けてある。グルコース濃度に対す
る電流の関数は 0〜 250 mg/dl (12.5 mM)の範囲で直線
的である。
【0040】この発明によれば、多イオン性の化ポリマ
ーは粉末あるいは粒子状の電極成分に対する結合剤とし
ても機能する。最後に、この多イオン性の化ポリマーは
酵素を固定化してあるいは吸収して保有しいている。
【0041】この発明による電極を用いる測定は、 MnO
2 とグラファイトの電極が分解電圧の移動に関して白金
化された炭素に似た特性を呈する、つまり電解質に関し
て対等であることを示している。このような強い移動は
白金板でもルテニウムと活性炭とグラファイトの電極や
金と活性炭とグラファイトの電極でも観察できないこと
は驚くことである。
【0042】表Iに示してない鉄、クロムおよびバナジ
ウムの酸化物とグラファイトの電極では(例1の MnO2
と炭素の電極と同じように作製する) 、 MnO2 と比べて
分解電圧の移動が相当弱いことが観察される。その場
合、以下の順になる。即ち、 MnO2 > FeOOH> Fe3O4
Fe2O3焼成> Cr2O3> Fe2O3鉱物性 (赤鉄鉱) 。
【0043】同様に表Iからも同じように判るように、
分解電圧の移動と共に干渉の抑制も増加する。多イオン
性のポリマーの塗布あるいは付着に関しては、陰イオン
性の干渉(アスコルバット、尿および pアセタモルの溶
解成分)が、例えば電極に多陰イオン性の被覆膜を付け
て静電反発により陽極への移行を防止している。
【0044】表 II から判ることは、上記の効果が負に
帯電したグループのポリマーによるだけでなく、主とし
て正に帯電したポリマーによって、また一般的に多イオ
ン性のポリマーによっても得られることにある。この場
合、ポリマーと試料媒体との間の界面上の静電的な障害
物が弱くなるより、むしろそのようなポリマーのイオン
交換効果(通過時の擾乱イオンの恒久的な吸着や解離に
よりポリマーフィルム中での拡散速度の低下)がイオン
交換クロマトグラフと同じように役割を演ずる。蛋白質
阻止層の場合には、擾乱物が生理的条件下で完全に溶解
する場合には、干渉の著しい抑制が生じる。
【0045】表 IIIおよび図7a〜7cと図8は、 H2O
2 とグルコースの測定に関して、この発明による電極の
場合、貴金属触媒に比べて、一部改善された干渉抑制が
保証されることを示す。
【0046】
【表3】
【0047】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
電流測定酵素電極を使用すると、コストに見合い、製造
が容易であり、しかも厚膜技術の原理で作製した場合で
も問題の生じない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による電流測定酵素電極の模式断面図
である。
【図2】図1の詳細図である。
【図3】図1の詳細図である。
【図4】酵素電極の配置の平面図である。
【図5】図4で線分 V−V から見た断面図である。
【図6】この発明による酵素電極を用いた濃度に対する
電流値の測定グラフ (a), (b)である。
【図7】この発明による酵素電極を用いた濃度に対する
電流値の測定グラフ (a), (b),(c)である。
【図8】この発明による酵素電極を用いたグルコースの
濃度に対する電流値の測定グラフである。
【符号の説明】
1 支持体 2 金属導電層 3 絶縁層 4 電極材料 5 被覆層 6 ポリマー枠 7′ 陰イオン 8 結合剤 8′ 導電性の顔料 9 触媒物質の粒子 10 活性炭の粒子 11 表面に触媒物質を付けた活性炭の粒子 12 穴 13 酵素

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極材料(4)が導電性の顔料(8′)
    と、それ自体導電性でない結合剤(8)と、この結合剤
    中に微細に分散している触媒物質(9)とを有する酸化
    還元活性導体を備え、導電性で多孔質の電極材料(4)
    の上に固定されている、あるいは前記電極材料(4)内
    に吸収されている酵素(13)を用いて、試料中の酵素
    基質の濃度を測定する電流測定酵素電極において、電極
    材料(4)の触媒物質(9)が酸化還元活性導体中に埋
    め込まれている周期律表の第四周期の遷移元素の安定な
    酸化物または水酸化物であることを特徴とする請求項1
    に記載の酵素電極。
  2. 【請求項2】 電極材料(4)の触媒物質(9)は MnO
    2, FeOOH, Fe3O4, Fe2O3, Cr2O3 あるいは V2O5 のグル
    ープの少なくとも一つの材料で構成されていることを特
    徴とする請求項1に記載の酵素電極。
  3. 【請求項3】 電極材料(4)は触媒物質、好ましくは
    MnO2 の粒子(9)と活性炭の粒子(10)とを有し、
    これ等の粒子(9,10)はグラファイト粉末(8′)
    で充填したポリマー結合剤(8)で結合させて多孔質の
    構造物にされていることを特徴とする請求項1または2
    に記載の酵素電極。
  4. 【請求項4】 電極材料(4)は活性炭粒子(10)を
    有し、この粒子の表面上に触媒物質、好ましくは MnO2
    が微細に分散していて、活性炭粒子(10)はグラファ
    イト粉末(8′)で充填したポリマー結合剤(8)で結
    合させて多孔質の構造物にされていることを特徴とする
    請求項1または2に記載の酵素電極。
  5. 【請求項5】 ポリマー結合剤(8)に対する電極材料
    (4)の粉末あるいは粒子状の成分(8′,9,10)
    の比は少なくとも 2 : 1であることを特徴とする請求項
    1〜4のいずれか1項に記載の酵素電極。
  6. 【請求項6】 電極材料(4)は試料側の被覆層(5)
    あるいは電極材料(4)の穴(12)の中にある遮断層
    を有し、この層が多イオン性のポリマーで構成されてい
    ることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載
    の酵素電極。
  7. 【請求項7】 多イオン性のポリマーは、多陽イオン性
    のポリマー、多陽イオンを形成するポリマー、あるいは
    正や負の共有結合のグループを有するポリマーで構成さ
    れていることを特徴とする請求項6に記載の酵素電極。
  8. 【請求項8】 多陽イオン性のポリマーはアミノグルー
    プや第四族アンモニウムグループを有することを特徴と
    する請求項7に記載の酵素電極。
  9. 【請求項9】 正や負のブループを有するポリマーはバ
    イオポリマー、好ましくは蛋白質であることを特徴とす
    る請求項7に記載の酵素電極。
  10. 【請求項10】 多イオン性のポリマーは、粉末状ある
    いは粒子状の電極成分(8′,9,10)の結合剤とし
    て働くことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に
    記載の酵素電極。
  11. 【請求項11】 多イオン性のポリマーは酵素(13)
    を固定して、または吸収して含むことを特徴とする請求
    項7〜10のいずれか1項に記載の酵素電極。
JP5306866A 1992-12-15 1993-12-07 電流測定酵素電極 Pending JPH06281614A (ja)

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