JPH0669363B2

JPH0669363B2 - バイオセンサ装置

Info

Publication number: JPH0669363B2
Application number: JP23900688A
Authority: JP
Inventors: 哲郎朝倉; 弘基田村
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH0286799A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はバイオセンサに関し、特に酵素を用いたバイオ
センサ装置に関する。

［従来の技術］第６図を参照して、従来の酵素を用いたバイオセンサを
説明する。

一端を閉じた透明な石英ガラスパイプ57の先端部58の内
側にシリコンのPINホトダイオードのような光センサ51
を納め、その受光面と対向するようにガラスパイプ57の
先端部58の外面に酵素52を吸着法で埋め込んで製膜した
セルローストリアセテート膜53が密着して張り付けられ
てバイオセンサ50を構成している。

このように固定化される酵素52としては、触媒として働
くパーオキシダーゼ（POD）または触媒酵素PODとある種
の生体成分酵素との組み合わせ等がある。

光センサ51の出力は電流計55、記録計54に接続されて、
測定結果を読み取り、記録できるようにされている。

測定すべきサンプルは、化学発光物質ルミノールを含有
させたサンプル溶液61として試料室62に納められてい
る。測定対象は、過酸化水素ないしはある種の生体成分
である。

第７図を参照して、測定動作を説明する。測定対象が過
酸化水素である場合を説明する。まず第６図に示すよう
に、試料室62にサンプル溶液61を納め、そこにバイオセ
ンサ50を浸す。サンプル溶液61がセルローストリアセテ
ート膜53中に浸透して、第７図に示すように触媒酵素PO
Dの存在下で、過酸化水素とルミノールが以下のように
反応する。

ルミノール＋H₂O₂ →アミノフタレート＋N₂＋H₂O＋ｈν この化学発光ｈνが光センサ51を照射し、電流計55で検
出される。発光は青色である。このようにして過酸化水
素の定量分析を含む検出が行える。

つぎに検出対象がある種の生体成分（グリコースを例と
する）である場合を説明する。

グリコースと化学発光物質ルミノールとを含むサンプル
溶液61を準備する。セルローストリアセテート膜53中の
酵素52は触媒酵素PODとグリコースオキシダーゼGODとの
組合せを含むものとする。サンプル溶液61がセルロース
トリアセテート膜53中に入って酵素52と接触する。する
と、サンプル溶液61の中のグリコースが膜中の生体酵素
であるグリコースオキシダーゼと反応して過酸化水素H₂
O₂を発する。この発生したH₂O₂が触媒酵素PODの存在下
でルミノールと反応し、ルミノール化学発光反応によっ
て青色光を発する。この青色光を光センサ51で受光して
光電流に変換し、電流計55で検出して、記録形54に記録
する。このようにして生体成分（本例の場合はグリコー
ス）が定量分析を含めて検出される。

このように、従来のバイオセンサによって過酸化水素な
いしある種の生体成分を検出することができる。

しかしながら、このような従来のバイオセンサは以下の
ような課題を有している。

（１）成膜法が吸着法のため酵素固定化能が低く酵素が
離脱しやすい。

（２）固定化できる酵素の量が限られる。

（３）測定物質の濃度範囲が狭い。

（４）センサとしての反応速度が遅い。これは吸着法で
あり、セルローストリアセテートの構造のため発光サイ
トが多く一度に発光しないためと考えられる。

（５）酵素固定化膜の形状が限られている。

ここで固定化能とは、酵素を離脱しないようにしっかり
固定化する能力をさす。

［発明が解決しようとする課題］従来例のバイオセンサ装置においては、セルローストリ
アセテート膜に吸着法により酵素を固定化していたた
め、酵素固定化能が低く、かつ酵素を十分多量に固定化
して使用できなかった。固定化できる酵素の量が少ない
ため測定物質の検出濃度範囲を広くできなかった。

本発明の目的は、光透過度の高い材料に酵素固定化能が
高い状態で、酵素を固定化したバイオセンサを提供する
ことである。

本発明の他の目的は、光透過度の高い材料に触媒酵素パ
ーオキシダーゼを酵素固定化能が高い状態で、固定化し
たバイオセンサ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、光透過度の高い材料に触媒酵素パ
ーオキシダーゼと過酸化水素発生機能を有する生体成分
酵素との複合酵素を酵素固定化能が高い状態で、固定化
したバイオセンサ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］酵素を絹フィブロイン膜の内部に膜の厚さ方向に関して
対称的に、例えば均一に、包括法によって固定化し、光
センサを絹フィブロイン膜と光学的に結合する。

また、酵素として触媒酵素パーオキシダーゼを用いる。

また、酵素として触媒酵素パーオキシダーゼと過酸化水
素発生機能を有する生体成分酵素との複合酵素を用い
る。

［作用］絹フィブロインは包括法によって酵素を固定化できる酵
素の固定化能が優れていることが判った。

また、絹フィブロインは可視光に対する透過率が非常に
高い。

従って、絹フィブロイン膜の内部に酵素を固定化する
と、優れた特性のバイオセンサ装置を提供できる。

［実施例］以下図面を参照して実施例を説明する。

第１図はバイオセンサ装置を利用した測定システムを示
す概略図、第２図はその要部を拡大して示す概略断面図
である。片端を透明石英の底板８で閉じた石英管７を用
意し、その内側に受光面を底板８と結合させて光センサ
１を配置する。光センサ１は、例えば、光起電力型のシ
リコンホトダイオードである。

透明石英の底板８の反対側（外面）には酵素固定化絹フ
ィブロイン膜３を光センサ１と対向して密着させて張り
付け、バイオセンサ10を形成している。

酵素２を固定化した絹フィブロイン膜３は、絹フィブロ
イン膜３の内部に酵素２を包括法によって厚さ方向に関
して対称的に固定化したものである。例えば、担体であ
る絹フィブロインと機能物質である酵素とを混合して均
一な分布状態の混合物を作り、これを膜に成形する。特
性も良いセンサを作ることができる。

包括法で固定化した酵素は感度は低いが高濃度領域まで
感度をもち、高濃度領域で飽和してしまう従来の欠点を
解決する。これは固定化する酵素量が多い事が一因と考
えられる。

また、絹フィブロインに固定化した酵素は、その活性を
失う失活温度が高く、特性の温度安定性が高い。

酵素としては、過酸化水素検出の場合はパーオキシダー
ゼ（POD）等を、ある種の生体成分を検出する場合はそ
の生体成分と反応して過酸化水素を発生させる過酸化水
素発生機能を有する生体成分酵素と触媒酵素パーオキシ
ダーゼとの複合酵素を用いることができる。このような
生体成分酵素としてはグリコースに働くグリコースオキ
シダーゼ、尿酸に働くウリアーゼ、ピリビン酸に働くピ
リビン酸オキシダーゼ、コレステロールに働くコレステ
ロールオキシダーゼ等がある。

なお、特に石英の底板８のような底板を設けずに光セン
サ１の受光面を利用して石英管７の底部端を封止しても
よい。その場合は、光センサ１の受光面に直接酵素固定
化絹フィブロイン膜３を装着する。

光センサ１からの出力リード線６は電流計５、記録計４
に接続されている。

測定試料11は、化学発生物質ルミナールを添加した溶液
であり、溶液導入口13、溶液排出口14を備えた試料室12
に収納されている。ポンプ15が測定試料11をフローさせ
ている。フローにより連続測定が可能にされ、バイオセ
ンサ10の反応速度が速いことにより、高速測定が可能に
されている。

測定対象は試料11中の過酸化水素H₂O₂、又はグリコー
ス、尿酸、ピルビン酸、血液等の生体成分である。

このバイオセンサが過酸化水素（H₂O₂）の検出センサで
ある場合、第３図（Ａ）に示すように絹フィブロイン膜
３は触媒酵素パーオキシダーゼ（POD）2aを含む。

まず試料の溶液の化学発光物質ルミナールと過酸化水素
が酵素固定化絹フィブロイン膜の表面の高密度固定化酵
素PODの触媒作用によって化学発光をし、青色（λｐ＝4
25nm）の光を発光する。これを直ちに光センサ１のシリ
コンホトダイオードで受光して光電流に変換し、これを
電流計５で検出し、記録計４で記録して過酸化水素の検
出をする。

ルミノール反応は、ルミノール＋H₂O₂ →アミノフタレート＋N₂＋H₂O＋ｈν である。

このバイオセンサが種々の生体成分の検出センサである
場合は、第３図（Ｂ）で示すように絹フィブロイン膜３
は、ある種の生体成分酵素（例えばグリコースオキシダ
ーゼ）2bと触媒酵素パーオキシダーゼ2aとの複合酵素を
含む。

まずある種の生体成分（例えばグリコース）とその生体
成分酵素（例えばグリコースオキシダーゼ）とが反応し
て過酸化水素を発生する。試料溶液中の化学発生物質ル
ミノールが先に述べた膜中の触媒酵素PODの触媒作用で
この過酸化水素と化学発光反応（ルミノール反応）を起
こし、青色（λｐ＝425nm）の光を検出する。これを光
センサ１のシリコンホトダイオードで受光して、光電流
に変換してこれを記録し、ある種の生体成分（例えばグ
リコース）の検出並びに定量を行う。

絹フィブロインは、包括法で酵素を固定化でき、以下の
ような特性を持つ。

（１）絹フィブロインは、酵素の固定化能が従来品に比
し優れ、酵素が離脱しにくい。

（２）酵素の固定化量を多くすることができる。。

（３）検出濃度範囲を広くすることができる。

（４）絹フィブロインの膜は生体親和性に優れ、安定で
ある。従って生体内測定が可能である。

（５）絹フィブロインの膜は可視光透過率が非常に高
い。

（６）応答速度が速い。

（７）膜、粉末、ゲル等の形態での使用が目的に応じて
可能である。

ここで、本実施例の応答速度について測定した結果を示
す。

過酸化水素測定の場合を例として、第４図に上記実施例
による過酸化水素検出バイオセンサの例の応答速度の測
定結果を示す。

酵素としてPODを１％絹フィブロイン膜の内部に包括法
で均一に埋め込み、H₂O₂濃度9.12×10^-2Mの溶液（25℃
でpH8.0）を測定した。矢印がH₂O₂の投入時点である。
出力信号は鋭く立ち上がり、後次第に立ち下がってい
る。

第８図にセルローストリアセテート膜を用いた従来例の
測定結果を示す。第４図と第８図とを比べると応答速度
がいかに異なるかがより理解しやすいであろう。従来例
バイオセンサの測定においては、立上がりがゆっくり上
昇し、溶液のフローもないので測定値はやがて飽和して
いる。この立上がりと比較すれば、第４図の立上がりは
際立って速いことが判る。

第５図は上述の実施例によるバイオセンサの感度特性を
示す。約10×10^-2Mまでの濃度範囲でほぼリニアな感度
が得られている。

第９図に従来例のバイオセンサ装置の感度特性を示す。
従来例のバイオセンサでは約１×10^-2Mまでの濃度範囲
でしかほぼリニアな感度は得られない。

このように、本実施例によれば応答速度が速く、検出応
答範囲が広いバイオセンサ装置が得られる。

［発明の効果］光透過度の高い材料に酵素固定化能が高い状態で、酵素
を固定化した高性能のバイオセンサ装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例によるバイオセンサを備え
た測定システムを示す概略ブロック図、第２図は、第１図のバイオセンサ部を拡大して示す概略
断面図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は、バイオセンサの酵素固定化絹
フィブロイン膜の２つの形態を示す断面図、第４図は、本発明の１実施例によるバイオセンサ装置の
応答速度を示すグラフ、第５図は本発明の１実施例によるバイオセンサの測定濃
度範囲における応答を示すグラフ、第６図は、従来技術によるバイオセンサを含む測定シス
テムの概略ブロック図、第７図は、第６図のバイオセンサ部を拡大した概略断面
図、第８図は、従来技術によるバイオセンサを用いた測定シ
ステムの応答速度を示すグラフ、第９図は従来技術によるバイオセンサを用いた測定シス
テムの測定濃度範囲における応答を示すグラフである。図において、１……光センサ２……酵素３……絹フィブロイン膜４……記録計５……電流計６……出力リード７……石英管８……底板 10……バイオセンサ 11……サンプル溶液 12……サンプル室 13……溶液導入口 14……溶液排出口 15……ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絹フィブロイン膜の膜中に酵素を膜の厚さ
方向に関して対称的に包括法によって固定化した酵素固
定化絹フィブロイン膜と、前記酵素固定化絹フィブロイン膜と光学的に結合した光
センサとを含むバイオセンサ装置。
【請求項２】前記酵素がパーオキシダーゼであり、過酸
化水素を検出する請求項１記載のバイオセンサ装置。
【請求項３】前記酵素がパーオキシダーゼと過酸化水素
発生機能を有する生体成分酵素との複合酵素であり、生
体成分ないし過酸化水素を検出する請求項１記載のバイ
オセンサ装置。