JPH0634596A - 酸素電極、バイオセンサ、及び、その製造方法 - Google Patents

酸素電極、バイオセンサ、及び、その製造方法

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JPH0634596A
JPH0634596A JP4191768A JP19176892A JPH0634596A JP H0634596 A JPH0634596 A JP H0634596A JP 4191768 A JP4191768 A JP 4191768A JP 19176892 A JP19176892 A JP 19176892A JP H0634596 A JPH0634596 A JP H0634596A
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paper
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gas permeable
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Hiroaki Suzuki
博章 鈴木
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Fujitsu Ltd
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    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S435/817Enzyme or microbe electrode

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  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体中に溶存している気体酸素の濃度を測定
するために使用される酸素電極とこの酸素電極を使用す
るバイオセンサとそれらの製造方法とに関する。 【構成】 プラスチックシート上に2または3のパター
ン状電極が形成され、プラスチックシートの外周部がパ
ラフィンシートをもって覆われ、このパラフィンシート
に囲まれた領域には電解液が含浸された紙が載置され、
この紙とパラフィンシートとはガス透過膜をもって覆わ
れている酸素電極、及び、この酸素電極のガス透過膜の
上に酵素固定膜が形成されたバイオセンサ、及び、これ
らの製造方法であり、構成要素が廉価であるので、製品
価格が安く、使い捨て方式の使用にも適する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液体中に溶存している
気体酸素の濃度を測定するために使用される酸素電極と
その製造方法と、この酸素電極を使用するバイオセンサ
とその製造方法とに関する。特に、それらの構成材料を
低廉にし、製品価格を低廉にする改良に関する。
【0002】
【従来の技術】酸素電極は、塩化カリウム等の電解液中
に負電極よりなる作用極と正電極よりなる対極とが設け
られて構成されており、作用極(負電極)上において、
溶存酸素と水と電子とが反応して、水酸イオンを発生
し、溶存酸素の濃度に比例して対極(正電極)・作用極
(負電極)間に電流を流すので、この電流を測定して、
溶存酸素の濃度を推定するものである。なお、参照極も
設け、3極構成とする場合もある。
【0003】また、炭酸ガスを資化する独立栄養細菌や
その他の酵素等を補助的に使用すれば、炭酸ガスの消費
や醗酵の進行と同時に酸素量も変化するので、上記の酸
素電極を使用して酸素量を測定して、炭酸ガスの濃度等
や醗酵の進行や糖やアルコールの濃度を測定するバイオ
センサも実現することができる。
【0004】上記の酸素電極は種々な産業分野において
使用されることができる。例えば、水中の生化学的酸素
要求量(BOD)の測定、醗酵槽内における糖やアルコ
ールの醗酵進行のパラメータである溶存酸素量の測定等
である。
【0005】上記のバイオセンサの例としては、グルコ
ースを酸化してグルコノラクトンに変化するグルコース
オキシダーゼを補助酵素として使用し、この酸化反応の
結果発生する溶存酸素の減少をパラメータとして使用し
てグルコース濃度を推定するグルコース濃度センサ等が
あり、醗酵工業や糖尿病患者の血糖値測定用等に利用さ
れる。
【0006】伝統的な酸素電極について、図を参照して
説明する。 図10参照 図において、1は作用極(負電極)であり、2は対極
(正電極)であり、3は電解液であり、4はガス透過膜
である。ガス透過膜4を介して電解液中に溶解した酸素
と水とが、作用極(負電極)上で、電子と結合して水酸
イオンとなり、酸素の濃度に比例する電流が流れること
ゝなるから、この電流を測定して酸素濃度を推定する。
【0007】たゞ、この酸素電極は大型であり大量生産
も困難であるので、シリコン基板上に異方性エッチング
法を使用して凹部を形成し、この凹部中に相互に絶縁し
て2個または3個の電極を形成し、凹部中に電解液を充
填し、凹部をガス透過膜をもって覆う構造の小型酸素電
極を開発し、特許出願をなしている(特願昭62−71
739号)。また、この小型酸素電極をさらに改良し
て、工業的に製造しやすくするため、陽極接合の技術を
組み合わせて使用した小型酸素電極も開発し、特許出願
をなしている(特願平2−243849号)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来技術に係る酸素電
極、バイオセンサ、及び、その製造方法は、上記のとお
り、種々改良されてはいるが、構成要素の材料が高価な
ため、製品価格も高く、使い捨て方式にて使用すること
等は不可能であった。一方、この種酸素電極の需要は旺
盛であり、製品価格低下の要請が強い。
【0009】本発明の目的は、この要請に応えることに
あり、構成材料の価格を低廉にし、その結果製品価格が
低廉にされた酸素電極(第1の目的)と、バイオセンサ
(第2の目的)と、それらの製造方法(第3・第4の目
的)とを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的のうち、第1
の目的は、プラスチックシート(5)上に2または3の
パターン状電極が形成され、前記のプラスチックシート
(5)の外周部がパラフィンシート(7)をもって覆わ
れ、このパラフィンシート(7)に囲まれた領域には電
解液が含浸された紙(8)が載置され、この紙(8)と
前記のパラフィンシート(7)とはガス透過膜(9)を
もって覆われている酸素電極によって達成される。な
お、前記のガス透過膜(9)はフッ素化エチレンプロピ
レンシートであることが好ましい。
【0011】上記の目的のうち、第2の目的は、プラス
チックシート(5)上に2または3のパターン状電極が
形成され、前記のプラスチックシート(5)の外周部が
パラフィンシート(7)をもって覆われ、このパラフィ
ンシート(7)に囲まれた領域には電解液が含浸された
紙(8)が載置され、この紙(8)と前記のパラフィン
シート(7)とはガス透過膜(9)をもって覆われてお
り、このガス透過膜(9)上には酵素または細菌が固定
され、酵素固定膜(10)が形成されているバイオセンサ
によって達成される。なお、前記のガス透過膜(9)は
フッ素化エチレンプロピレンシートであることが好まし
い。
【0012】上記の目的のうち、第3の目的は、プラス
チックシート(5)上に2または3のパターン電極を形
成し、前記のプラスチックシート(5)の外周部にパラ
フィンシート(7)を融着し、このパラフィンシート
(7)に囲まれた領域に紙(8)を載置し、この紙
(8)と前記のパラフィンシート(7)とをガス透過膜
(9)をもって覆い、前記の紙(8)に電解液を含浸す
る工程を有する酸素電極の製造方法によって達成され
る。なお、前記のパターン電極は、メタルマスクを用い
て形成する選択的真空蒸着法を使用して形成することが
好ましい。
【0013】上記の目的のうち、第4の目的は、プラス
チックシート(5)上に2または3のパターン電極を形
成し、前記のプラスチックシート(5)の外周部にパラ
フィンシート(7)を融着し、このパラフィンシート
(7)に囲まれた領域に紙(8)を載置し、この紙
(8)と前記のパラフィンシート(7)とをガス透過膜
(9)をもって覆い、このガス透過膜(9)上に酵素ま
たは細菌を固定して酵素固定膜(10)を形成し、前記の
紙(8)に電解液を含浸する工程を有するバイオセンサ
の製造方法によって達成される。
【0014】
【作用】本発明に係る酸素電極・バイオセンサは、その
構成材料として、プラスチックシート・パラフィンシー
ト・紙・フッ素化エチレンプロピレンシート等いづれも
価格的に低廉であり、加工・取り扱いが容易な材料が使
用されているので、製品価格が低廉であり、使い捨て方
式にて使用することも可能である。
【0015】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例に係
る酸素電極について説明する。
【0016】A.酸素電極 図5参照 25mm×5mm×100μmのポリエステルシート5
を、アセトン等の有機溶剤をもって洗浄した。なお、2
5mm×5mmに切り出すことを前提として長尺のポリ
エステルシートを使用してもよい。
【0017】上記のポリエステルシート5の片面に、ス
テンレス製メタルマスク(図示せず。)を介して、銀を
400nmの厚さに真空蒸着して、図示するパターン状
の銀電極を4000Åの厚さに形成した。図において、
62は負電極よりなる作用極であり、61は正電極よりなる
対極である。なお、参照電極を加えて、3極形式として
もよい。
【0018】図6参照 プラスチックシート5の外周部をパラフィンシート7を
もって覆い、130℃に加熱して融着した。
【0019】図7参照 パラフィンシート7に囲まれた領域に紙8を載置した。
【0020】図1・図2参照 全面を、フッ素化エチレンプロピレンシート(東レ製1
2μm厚のFEP膜)よりなるガス透過膜9をもって覆
い、130℃に加熱して融着した。長尺のポリエステル
シートが使用されているときは、この段階で25mm×
5mmの大きさに切り出した。
【0021】つゞいて、紙8に、例えば50mMTris/
HCl緩衝液(pH8.5)に溶解した0.1Mの塩化
カリウム等の電解液を含浸して、酸素電極を完成した。
図1は平面図であり、図2はそのA−A断面図である。
【0022】このようにして製造した酸素電極は、ポー
ラロ型(固定電位型)としてもガルバニ型(自由電位
型)としても使用しうるが、ポーラロ型として使用する
ときは、作用極(負電極)62と対極(正電極)61間に−
0.6Vを印加し、その間に流れる電流を計測すれば、
ガス透過膜9を透過して電解液中に溶存する気体酸素の
濃度を測定することができる。
【0023】この酸素電極は、その構成要素の材料が極
めて廉価であるから、その製造価格も極めて低廉であ
り、使い捨て方式をもって使用することもできる。
【0024】B.バイオセンサ 図3・図4参照 上記の酸素電極のガス透過膜9の上に、例えば炭酸ガス
を資化する独立栄養細菌やグルコースオキシダーゼ等の
酵素5mgと10%の牛血清アルブミン溶液20μlと
10%のグルタルアルデヒド20μlとの溶液をよく攪
拌して塗布して固定して、酵素固定膜10を形成すれば、
バイオセンサが完成する。図3は平面図であり、図4は
そのB−B断面図である。
【0025】このようにして製造したバイオセンサは、
炭酸ガスを資化する独立栄養細菌が固定されていれば、
炭酸ガスの消費量に比例して消費される酸素量を測定し
て炭酸ガス濃度を測定することができ、グルコースオキ
シダーゼが固定されていれば、グルコースオキシダーゼ
の糖化作用に比例して消費される酸素量を測定して糖の
濃度を測定することができる。
【0026】このバイオセンサは、その製造価格も極め
て低廉であり、使い捨て方式をもって使用することもで
きる。
【0027】効果確認のために、既に溶存酸素濃度が知
られている水溶液の溶存酸素濃度を、本発明に係る酸素
電極を使用して測定した結果を図8に示す。溶存酸素濃
度と検出電流とはおゝむね正確に比例しており、精度は
十分満足すべきものであることが確認された。次に、溶
存酸素濃度が飽和状態にある水溶液中に本発明に係る酸
素電極を浸漬しておき、この水溶液に硫酸ナトリウムを
急激に添加して溶存酸素濃度を急激に零まで低下させ、
溶存酸素濃度の追従速度を測定した結果を図9に示す。
図から明らかなように、1分以下と極めて急速に追従す
ることが確認された。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る酸素
電極やバイオセンサは、その構成要素の材料が極めて廉
価であり、その構造を極めて簡略であるから、その製品
価格が極めて低廉であり、使い捨て方式をもって使用す
ることが可能であり、この原理にもとづく酸素電極とバ
イオセンサの需要を急増する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る酸素電極の平面図であ
る。
【図2】本発明の一実施例に係る酸素電極の側断面図で
ある。
【図3】本発明の一実施例に係るバイオセンサの平面図
である。
【図4】本発明の一実施例に係るバイオセンサの側断面
図である。
【図5】本発明の一実施例に係る酸素電極の工程図(平
面図)である。
【図6】本発明の一実施例に係る酸素電極の工程図(平
面図)である。
【図7】本発明の一実施例に係る酸素電極の工程図(平
面図)である。
【図8】本発明の一実施例に係る酸素電極の検出電流/
酸素濃度特性を表すグラフである。
【図9】本発明の一実施例に係る酸素電極の追従速度を
表すグラフである。
【図10】従来技術に係る酸素電極の概念的構成図であ
る。
【符号の説明】
1 作用極(負電極) 2 対極(正電極) 3 電解液 4 ガス透過膜 5 ポリエステルシート 61 対極(正電極) 62 作用極(負電極) 7 パラフィンシート 8 紙 9 ガス透過膜(フッ素化エチレンプロピレンシー
ト) 10 酵素固定膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 7235−2J G01N 27/30 355

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラスチックシート(5)上に2または
    3のパターン状電極が形成され、 前記プラスチックシート(5)の外周部がパラフィンシ
    ート(7)をもって覆われ、 該パラフィンシート(7)に囲まれた領域には電解液が
    含浸された紙(8)が載置され、 該紙(8)と前記パラフィンシート(7)とはガス透過
    膜(9)をもって覆われてなることを特徴とする酸素電
    極。
  2. 【請求項2】 前記ガス透過膜(9)はフッ素化エチレ
    ンプロピレンシートであることを特徴とする請求項1記
    載の酸素電極。
  3. 【請求項3】 プラスチックシート(5)上に2または
    3のパターン状電極が形成され、 前記プラスチックシート(5)の外周部がパラフィンシ
    ート(7)をもって覆われ、 該パラフィンシート(7)に囲まれた領域には電解液が
    含浸された紙(8)が載置され、 該紙(8)と前記パラフィンシート(7)とはガス透過
    膜(9)をもって覆われてなり、 該ガス透過膜(9)上には酵素または細菌が固定され、
    酵素固定膜(10)が形成されてなることを特徴とするバ
    イオセンサ。
  4. 【請求項4】 前記ガス透過膜(9)はフッ素化エチレ
    ンプロピレンシートであることを特徴とする請求項3記
    載のバイオセンサ。
  5. 【請求項5】 プラスチックシート(5)上に2または
    3のパターン電極を形成し、 前記プラスチックシート(5)の外周部にパラフィンシ
    ート(7)を融着し、 該パラフィンシート(7)に囲まれた領域に紙(8)を
    載置し、 該紙(8)と前記パラフィンシート(7)とをガス透過
    膜(9)をもって覆い、 前記紙(8)に電解液を含浸する工程を有することを特
    徴とする酸素電極の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記パターン電極は、メタルマスクを用
    いて形成する選択的真空蒸着法を使用して形成すること
    を特徴とする請求項5記載の酸素電極の製造方法。
  7. 【請求項7】 プラスチックシート(5)上に2または
    3のパターン電極を形成し、 前記プラスチックシート(5)の外周部にパラフィンシ
    ート(7)を融着し、 該パラフィンシート(7)に囲まれた領域に紙(8)を
    載置し、 該紙(8)と前記パラフィンシート(7)とをガス透過
    膜(9)をもって覆い、 該ガス透過膜(9)上に酵素または細菌を固定して酵素
    固定膜(10)を形成し、 前記紙(8)に電解液を含浸する工程を有することを特
    徴とするバイオセンサの製造方法。
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