JPH0697989B2 - Enzyme activity measuring sensor and measuring device and method using the same - Google Patents

Enzyme activity measuring sensor and measuring device and method using the same

Info

Publication number
JPH0697989B2
JPH0697989B2 JP62023405A JP2340587A JPH0697989B2 JP H0697989 B2 JPH0697989 B2 JP H0697989B2 JP 62023405 A JP62023405 A JP 62023405A JP 2340587 A JP2340587 A JP 2340587A JP H0697989 B2 JPH0697989 B2 JP H0697989B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
enzyme
enzyme substrate
substrate
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP62023405A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS62185148A (en
Inventor
オットー・ボルフバイス
Original Assignee
ア−・フアウ・エル ア−・ゲ−
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ア−・フアウ・エル ア−・ゲ− filed Critical ア−・フアウ・エル ア−・ゲ−
Publication of JPS62185148A publication Critical patent/JPS62185148A/en
Publication of JPH0697989B2 publication Critical patent/JPH0697989B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • C12Q1/34Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase
    • 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
    • C12Q1/34Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase
    • C12Q1/40Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving hydrolase involving amylase
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/58Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances
    • G01N33/581Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances with enzyme label (including co-enzymes, co-factors, enzyme inhibitors or substrates)
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N2021/6434Optrodes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/122Kinetic analysis; determining reaction rate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料との接触反応による酵素活性の光学的測
定に用いる光ファイバセンサとそれを組み込んだ酵素活
性測定装置及び測定方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical fiber sensor used for optical measurement of enzyme activity due to contact reaction with a sample, an enzyme activity measuring device incorporating the same, and a measuring method.

酵素活性の測定は生化学や臨床分析において大変重要な
役割をもっている。基準活性からの偏差は、ある種の病
気の発生を意味する。例えば、酵素「酸性フォスファタ
ーゼ」の活性は骨腫瘤又は前立せん腫瘤が生じた場合に
顕著に高くなる。
The measurement of enzyme activity plays a very important role in biochemistry and clinical analysis. Deviation from baseline activity means the occurrence of certain diseases. For example, the activity of the enzyme "acid phosphatase" is significantly increased when a bone mass or a prostatic mass occurs.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

酵素の活性を測定するための多くの方法が知られてい
る。例えば、G・G.ギルボールト(GUILBAULT)著の
「分析の酵素法(Enzymatic Methcds of Analysis)」
(パーガモン・プレス、オックスフォード、1970年)、
及び、H・ベルクマイヤ(ERGMEYER)著の「酵素分析の
基礎(Grundlagen der enzymatischen Analyse)」(フ
ェアラーク・ヘミー、ワインハイム−ニューヨーク、19
77年)に記載されている。又、プロテアーゼ基質を用い
るバクテリア病因の確認にも最近興味が集まっている
(コバーン(COBURN)、ライトル(LYTLE)、フーバ(H
UBER)による「分析化学(Anal.Chem)57」(1669、198
5年)参照)。例えば、合成の色素即ち蛍光の基質を用
いて酵素の活性を測定することが知られている。この測
定に、酵素の影響下で色素生成物に分解する酵素基質が
使用される。時間と共に変化する色や蛍光の増加は、酵
素活性の測定値として用いられる。特にこの方法に適し
た測定可能な加水分解酵素としてカルボキシルエステラ
ーゼ、フォスファターゼ、デアルキラーゼ、グリコシタ
ーゼそしてプロテアーゼが挙げられる。
Many methods are known for measuring the activity of enzymes. For example, "Enzymatic Methcds of Analysis," by GG Gilvault.
(Pergamon Press, Oxford, 1970),
And H. Bergmayer's "Grundlagen der enzymatischen Analyse" (Fairark Hemmie, Weinheim-New York, 19).
1977). Recently, there has been much interest in the confirmation of bacterial etiologies using protease substrates (COBURN, LYTLE, Huba (H
UBER) "Analytical Chemistry (Anal.Chem) 57" (1669, 198)
5 years))). For example, it is known to measure enzyme activity using synthetic dyes or fluorescent substrates. For this measurement an enzyme substrate is used which decomposes into a pigment product under the influence of the enzyme. The increase in color or fluorescence that changes with time is used as a measure of enzyme activity. Measurable hydrolases particularly suitable for this method include carboxylesterases, phosphatases, dealkylases, glycosidases and proteases.

典型的な例としてコラー(KOLLER)とブォルフバイス
(WOLFBEIS)による「分析化学、143、146」(1984年)
で発表されたフォスファターゼの測定方法によれば、下
記の構造Aを有する燐酸エステルが酵素「酸性フォスフ
ァターゼ」によって2つの成分に分解し、イオン加水分
解生成物B及び遊離燐酸イオンが生成する。
A typical example is "Analytical Chemistry, 143, 146" by KOLLER and WOLFBEIS (1984).
According to the method for measuring phosphatase described in the above, a phosphate ester having the following structure A is decomposed into two components by the enzyme "acid phosphatase", and an ionic hydrolysis product B and a free phosphate ion are produced.

このヘノラート−イオンBは、出発基質Aと異なり、強
い黄色又は青緑色の蛍光を発する。時間経過に伴う色変
化と蛍光の増加が「酸性フォスファターゼ」の活性の測
定値として用いられる。
This henolate-ion B, unlike the starting substrate A, emits a strong yellow or blue-green fluorescence. The color change and fluorescence increase over time are used as a measure of the activity of "acid phosphatase".

この測定方法は感度が高く、ミリリットル試料当たり約
0.001活性単位のフォスファターゼの測光検出、及び蛍
光測定におけるミリリットル当たり約60マイクロ単位の
検出を可能にする。
This measurement method has high sensitivity and is
It allows for the photometric detection of 0.001 activity units of phosphatase and about 60 micro units per milliliter in fluorescence measurements.

カルボキシルエステラーゼ、スルファターゼはアミラー
ゼの測定方法も同様に知られている。
Similarly, methods for measuring amylase such as carboxylesterase and sulfatase are known.

プロテアーゼは、上記のコバーン、ライトル、フーバの
論文に記載されているように、合成ペプチド又はアミド
を使って類似の方法で測定することができる。これらの
全ての方法は、酵素反応によって多様な色素又は蛍光生
成物が生じることが共通点である。
Proteases can be measured in a similar manner using synthetic peptides or amides, as described in the Cobain, Lytle, and Huber article, supra. All these methods have in common that the enzymatic reaction gives rise to various dyes or fluorescent products.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

上述した公知の測定方法は、いずれも生きている有機体
すなわち生体に直接適用するには適しておらず、酵素活
性測定は従来、試験管の中でのみ行われていた。しか
し、例えば生体内での測定はリアルタイムで行うことが
できるので、種々の理由から要望されている。逆に、従
来の測定方法では試料採取が必要であり、試料採取や試
料の準備の際に生じる誤差が避けられない。
None of the above-mentioned known measuring methods are suitable for direct application to a living organism, that is, a living body, and enzyme activity measurement has hitherto been performed only in a test tube. However, for example, in-vivo measurement can be performed in real time, and thus it is desired for various reasons. On the contrary, the conventional measurement method requires sampling, and an error that occurs when sampling or preparing a sample cannot be avoided.

さらに酵素基質を用いる前述したような測定方法は、光
学的に透明な溶液又は試料が与えられている場合にのみ
適しており、血液等の生体内での測定には適していな
い。
Furthermore, the above-mentioned measurement method using an enzyme substrate is suitable only when an optically transparent solution or sample is provided, and is not suitable for in vivo measurement of blood or the like.

そこで、本発明の目的は、上述のような従来技術の問題
点を解消し、特に酵素活性の生体内での測定を可能とす
る酵素活性測定用センサとそれを用いた測定装置及び測
定方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and particularly to provide an enzyme activity measuring sensor that enables in vivo measurement of enzyme activity, a measuring device and a measuring method using the same. To provide.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

上記目的を達成すべく、本発明によれば、酵素基質が光
ファイバの端部に配設された光ファイバセンサである酵
素活性測定用センサが提供され、この酵素基質が試料と
接触し、酵素よる反応により引き起こされる酵素基質又
は酵素基質からの反応生成物の光スペクトル特性の変化
を測定することによって、酵素活性が測定される。酵素
基質を光ファイバの端部に配設する具体的な方法として
は、例えば酵素基質を直接ファイバ端面に固定する方
法、光ファイバ端部の被覆を剥がしてコア外周面に固定
する方法、ポリマー,イオン変換膜,ポリアクリルアミ
ド,セルロース等の担体フィルムに固定してこれを光フ
ァイバ端部に貼り付ける方法、水溶性又は膨潤性のポリ
マー担体に酵素基質を固定含有させたものを酵素透過性
膜によって包み込んで光ファイバ端部に取り付ける方法
等が好ましい。このようにして得られた光ファイバセン
サからの光出力を測定して測定信号を評価装置に与える
光検出器、フィルタやレンズを含む光学系等を備えて酵
素活性測定装置が構成される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a sensor for measuring enzyme activity, which is an optical fiber sensor in which an enzyme substrate is arranged at the end of an optical fiber. The enzyme activity is measured by measuring the change in the optical spectral properties of the enzyme substrate or the reaction product from the enzyme substrate caused by the reaction. As a specific method of disposing the enzyme substrate on the end of the optical fiber, for example, a method of directly fixing the enzyme substrate to the fiber end surface, a method of peeling off the coating of the end of the optical fiber and fixing it to the outer peripheral surface of the core, a polymer, Ion conversion membrane, polyacrylamide, a method of fixing it on a carrier film such as cellulose and attaching it to the end of an optical fiber, or a method of fixing and containing an enzyme substrate on a water-soluble or swellable polymer carrier by an enzyme-permeable membrane. The method of enclosing and attaching to the end of the optical fiber is preferable. The enzyme activity measuring device is configured by including a photodetector for measuring the light output from the optical fiber sensor thus obtained and giving a measurement signal to the evaluation device, an optical system including a filter and a lens, and the like.

〔作用・効果〕[Action / effect]

上記のように、加水分解活性酵素のための酵素基質を光
ファイバの端部に配設した光ファイバセンサを用いるこ
とによって、生体内での測定が可能になる。光ファイバ
端部の酵素基質は生体内の試料と接触し、試料の酵素活
性によって酵素基質のスペクトル特性が変化する。この
変化は光ファイバを介して測定される。これにより初め
て、予め試料を調製することなく、血液や他の透明でな
い液体の酵素活性測定が可能となる。
As described above, in-vivo measurement is possible by using the optical fiber sensor in which the enzyme substrate for the hydrolytically active enzyme is arranged at the end of the optical fiber. The enzyme substrate at the end of the optical fiber comes into contact with the sample in the living body, and the spectral characteristic of the enzyme substrate changes depending on the enzyme activity of the sample. This change is measured via an optical fiber. For the first time, this makes it possible to measure enzyme activity in blood or other non-transparent liquids without preparing a sample in advance.

本発明による測定装置及び測定方法の実施態様におい
て、酵素反応により引き起こされる酵素基質の光吸収特
性の変化が光ファイバを介して得られ、酵素活性の測定
値として用いられる。あるいは、酵素反応により引き起
こされる酵素基質の蛍光ビームのスペクトル変化、例え
ば蛍光強度の変化や蛍光最大値のずれが光ファイバを介
して得られ、酵素活性の測定値として用いられる。前者
の場合は酵素基質や反応生成物によって減衰する励起光
の強度が測定され、その強度は接触反応による酵素活性
によって影響される基質の吸収特性に左右される。後者
の場合は、例えばフィルタ又はエネルギ分散検知システ
ムを使って酵素の接触反応による酵素基質の蛍光強度の
変化が光ファイバを介して測定され、その測定値が評価
される。
In the embodiment of the measuring device and the measuring method according to the present invention, the change in the light absorption property of the enzyme substrate caused by the enzyme reaction is obtained through the optical fiber and used as the measured value of the enzyme activity. Alternatively, a spectral change of a fluorescent beam of an enzyme substrate caused by an enzymatic reaction, for example, a change in fluorescence intensity or a shift in fluorescence maximum value is obtained through an optical fiber and used as a measurement value of enzyme activity. In the former case, the intensity of the excitation light that is attenuated by the enzyme substrate or reaction product is measured, and the intensity depends on the absorption characteristics of the substrate which is affected by the enzyme activity due to the catalytic reaction. In the latter case, the change in the fluorescence intensity of the enzyme substrate due to the catalytic reaction of the enzyme is measured via an optical fiber using, for example, a filter or an energy dispersive detection system, and the measured value is evaluated.

本発明による測定方法の別実施態様として、酵素活性に
加えてPH値を公知の方法で測定し、この測定値を先に測
定された酵素活性の補正のために用いることも好まし
い。
As another embodiment of the measuring method according to the present invention, it is also preferable to measure the PH value in addition to the enzyme activity by a known method and use this measured value for correction of the previously measured enzyme activity.

良く知られているように、多くの酵素反応の速度は溶液
のPH値によって強く左右される。さらに、加水分解の際
遊離される色素の解離度もPH値に左右される。生理的試
料のPH値はある範囲で変動するので、実際に測定された
酵素活性をPH値に関して補正する必要がある。これは実
験に基づく方法で最もうまくいく。酵素活性のPH依存性
は多くの酵素について既知であるが、固定化された酵素
の場合は新しく測定しなければならない。試料の個々の
PH値の測定は酵素活性の測定と同時に行うことが有益で
ある。真の酵素活性は、実際のPH値の関数として、活性
と相対的な信号変化との実験的に定めた関係を用いるこ
とによって最も正確に求められる。
As is well known, the rate of many enzymatic reactions is strongly dependent on the pH value of the solution. Furthermore, the degree of dissociation of the dye released during hydrolysis also depends on the PH value. Since the PH value of physiological samples varies within a certain range, it is necessary to correct the actually measured enzyme activity with respect to the PH value. This works best with empirical methods. The PH dependence of enzyme activity is known for many enzymes, but in the case of immobilized enzyme, it has to be measured newly. Individual of the sample
It is useful to measure the PH value at the same time as measuring the enzyme activity. True enzyme activity is most accurately determined by using the experimentally defined relationship between activity and relative signal change as a function of actual PH value.

本発明による測定装置は、酵素基質が光ファイバの端部
に配設されて試料と接触し、出力側に信号評価装置と接
続する光検出器が備えられ、この光検出器が酵素基質の
反応生成物から放出される蛍光又は反射された励起光を
測定するものである。ビーム分配器を使って励起光の一
部分を基準光検出器に送り、この基準光検出器の出力信
号を用いて光検出器の測定出力を較正することにより、
励起光源の変動の影響を取り除くことも可能である。測
定目的や酵素の性質に応じて種々の測定技術上のアレン
ジが可能である。しかしながら、酵素基質が光ファイバ
の端部に配設されていることやスペクトル特性の変化が
光ファイバを用いて測定されることは全ての測定システ
ムに共通である。
The measuring device according to the present invention is provided with a photodetector, in which the enzyme substrate is disposed at the end of the optical fiber and comes into contact with the sample, and the output side is connected to the signal evaluation device, and the photodetector reacts with the enzyme substrate. The fluorescence emitted from the product or the reflected excitation light is measured. By using the beam splitter to send a portion of the excitation light to the reference photodetector and using the output signal of this reference photodetector to calibrate the measured output of the photodetector,
It is also possible to remove the influence of fluctuations in the excitation light source. Various measurement techniques can be arranged according to the purpose of measurement and the properties of the enzyme. However, it is common to all measurement systems that the enzyme substrate is arranged at the end of the optical fiber and that the change in spectral characteristics is measured using the optical fiber.

光検出器として光電子倍増管、フォトトランジスタ又は
フォトダイオードが適している。フォトダイオードは安
価であるが可視スペクトル領域でのみ感応するので、こ
の場合に使用する酵素基質として、その分解が450nm以
上の波長、理想的には500nm以上の波長で観測されるも
のが好ましい。460nm以上の分析波長であれば、光源と
して経済的な発光ダイオードを使用することができる。
Suitable photodetectors are photomultipliers, phototransistors or photodiodes. Since a photodiode is inexpensive, but it is sensitive only in the visible spectrum region, an enzyme substrate used in this case is preferably one whose decomposition is observed at a wavelength of 450 nm or more, ideally at a wavelength of 500 nm or more. Economical light-emitting diodes can be used as light sources with analysis wavelengths of 460 nm and above.

光源として白熱電球、蛍光灯、発光ダイオード又はレー
ザが挙げられる。ビーム分配器の代わりに二色性鏡を用
いて、散乱又は反射した励起光と蛍光とを一層良く分離
することができる。光ファイバは単一のファイバが好ま
しいが、ファイバ束でもよい。
The light source may be an incandescent lamp, a fluorescent lamp, a light emitting diode or a laser. A dichroic mirror can be used in place of the beam splitter to provide better separation of scattered or reflected excitation light and fluorescence. The optical fiber is preferably a single fiber, but may be a fiber bundle.

蛍光と反射した励起光との分離にフィルタを用いること
も可能である。
It is also possible to use a filter to separate the fluorescence from the reflected excitation light.

本発明による測定装置において、酵素基質は光ファイバ
端部に化学的又は物理的に固定することによって配設さ
れる。例えば酵素基質は直接光ファイバの研摩された出
口端面に固定される。光ファイバの端部の被覆を剥がし
て、コアの外周面に酵素基質を固定することも可能であ
る。励起光の減衰又は蛍光の発生は、いわゆるエバネッ
セント波によって引き起こされる。これは光ファイバの
境界面で全反射が生じる際に、光ファイバより屈折率が
小さい媒質である酵素基質の内部へ数nmだけ進入して境
界面に沿って進む電磁波であって、急激に減衰する。エ
バネッセント波の到達範囲に色素が存在する場合、励起
光がそこで吸収され、また蛍光を引き起こす。反射光ま
たは放射光は光ファイバを通って戻り、光検出器で測定
される。
In the measuring device according to the present invention, the enzyme substrate is provided by being chemically or physically fixed to the end of the optical fiber. For example, the enzyme substrate is directly fixed to the polished exit end face of the optical fiber. It is also possible to fix the enzyme substrate on the outer peripheral surface of the core by peeling off the coating on the end of the optical fiber. Attenuation of excitation light or generation of fluorescence is caused by so-called evanescent waves. This is an electromagnetic wave that travels along the interface by entering a few nm into the inside of the enzyme substrate, which is a medium with a smaller refractive index than the optical fiber, when total internal reflection occurs at the interface of the optical fiber, and is rapidly attenuated. To do. If a dye is present in the reach of the evanescent wave, the excitation light is absorbed there and also causes fluorescence. The reflected or emitted light returns through the optical fiber and is measured by the photodetector.

酵素基質の固定化は種々の方法で行われる。例えば、ク
マリンから誘導された下記の構造の基質はブチル−コリ
ンエステラーゼの測定に適しており、次の方法によって
光ファイバの端部に固定される。
Immobilization of the enzyme substrate is performed by various methods. For example, a substrate of the following structure derived from coumarin is suitable for measuring butyl-cholinesterase, and is immobilized on the end of an optical fiber by the following method.

200μmの太さの石英光ファイバの端面が精密に研摩さ
れ、20%の硫酸水溶液を用いてイオン的な表面の汚れが
取り除かれ、表面が化学的に活性化される。続いて、ガ
ラス表面がガラス誘導化試薬のアミノプロピルートリエ
トキシシランを用いて公知の方法で処理される。この処
理は、基本的にはガラスの活性表面が、トルエンによる
10%シラン溶液中において、100℃で2時間加熱された
後、アセトンで洗浄され、120℃で乾燥することによっ
て行われる。このようにして端部に遊離アミノ基を持つ
光ファイバが得られる。
The end face of a quartz optical fiber with a thickness of 200 μm is precisely polished, and the surface is chemically activated by using a 20% sulfuric acid aqueous solution to remove ionic surface stains. Subsequently, the glass surface is treated in a known manner with the glass-deriving reagent aminopropyl-triethoxysilane. This treatment basically involves the active surface of the glass being treated with toluene.
It is carried out by heating in a 10% silane solution at 100 ° C. for 2 hours, washing with acetone, and drying at 120 ° C. In this way, an optical fiber having a free amino group at the end is obtained.

このアミノ基に公知の化学的方法によって酵素基質が結
合される。先に述べた基質Iはペプチド結合試薬エチル
−N′−(3−ジメチルアミノプロピル)−カルボジイ
ミド−塩酸塩を使って固定化される。別の方法として、
基質を対応する塩化カルボン酸に変換したのちガラス表
面のアミノ基と反応させてもよい。
An enzyme substrate is bound to this amino group by a known chemical method. Substrate I described above is immobilized using the peptide coupling reagent ethyl-N '-(3-dimethylaminopropyl) -carbodiimide-hydrochloride. Alternatively,
The substrate may be converted to the corresponding carboxylic acid chloride and then reacted with amino groups on the glass surface.

このようにして得られた光ファイバの端部を酵素ブチリ
ルコリンエステラーゼを含む溶液と接触させれば、410
〜430nmの分析波長における光吸収の顕著な増加、及
び、460〜470nmにおける蛍光強度の増加がやがて測定装
置に検出される。
By contacting the end of the thus obtained optical fiber with a solution containing the enzyme butyrylcholinesterase, 410
A significant increase in light absorption at the analysis wavelength of ~ 430 nm and an increase in fluorescence intensity at 460-470 nm are eventually detected by the measurement device.

上記の例と同様の方法で、同じ基本分子から導き出され
たスルファターゼ、アミラーゼ、プロテアーゼのための
典型的な基質が固定化される。スルファターゼ、アミラ
ーゼ、プロテアーゼの基質はそれぞれの次の構造II,II
I,IVを有する。
In a manner similar to the above example, typical substrates for sulfatase, amylase, protease derived from the same basic molecule are immobilized. Substrates for sulfatase, amylase, and protease are the following structures II and II, respectively.
It has I and IV.

全ての場合において、試料の酵素活性は420nmにおける
吸収の増加と460nmにおける蛍光の増加とをもたらす。
In all cases, the enzymatic activity of the sample results in an increase in absorption at 420 nm and an increase in fluorescence at 460 nm.

次の構造Vは酵素リバーゼのための基質である。The following structure V is a substrate for the enzyme revertase.

これはVIで示す構造を有するI−ヒドロキシピレン−3,
6,8−トリスルフォナートから誘導され、静電的に固定
化される酸素基質の一例である。この固定化は基質の負
に帯電したスルフォン基と、担体として用いられる陰イ
オン交換体の正に帯電した表面アンモニウム基との間の
相互作用による。
It has the structure I-hydroxypyrene-3,
It is an example of an oxygen substrate derived from 6,8-trisulfonate and electrostatically immobilized. This immobilization is due to the interaction between the negatively charged sulfone groups of the substrate and the positively charged surface ammonium groups of the anion exchanger used as carrier.

本発明によるさらに別な実施態様において、酵素基質を
薄い担体フィルムに固定しておき、これを光ファイバの
端部に取り付けることができる。次に酵素基質を静電的
に固定化した膜の典型的な調製について説明する。
In yet another embodiment according to the invention, the enzyme substrate can be fixed to a thin carrier film and attached to the end of the optical fiber. Next, a typical preparation of a membrane in which an enzyme substrate is electrostatically immobilized will be described.

陰イオン交換膜を50mlのメタノールによる1gの1−ヒド
ロキシピレン−3,6,8−トリスルフォナートVIの溶液に
浸す。約2分後に、黄色に変色した緑色の蛍光を発する
膜を溶液から引き上げ、これをまずPH7の約0.06モルの
リン酸塩緩衝液で洗浄し、それから水で洗浄する。これ
を乾燥した後、100mgのラウリン酸無水物のジオキサン
溶液に浸し、これによって膜の表面に結合しているVIが
Vに変換される。このラウリン酸無水物の溶液は1mlの
ジオキサンに0.1gのラウリン酸を溶かし、0.1gのN、
N′−ジシクロヘキシルカルボジイミドを添加し、生じ
た沈澱物をろ過することによって作られる。2時間後に
この膜を溶液から取出して乾性アセトンで洗う。この膜
は蛍光や今は青紫色となり、黄色は消えている。
The anion exchange membrane is immersed in a solution of 1 g of 1-hydroxypyrene-3,6,8-trisulphonate VI in 50 ml of methanol. After about 2 minutes, the green-fluorescing, yellow-colored, fluorescing membrane is withdrawn from the solution, which is first washed with about 0.06 molar phosphate buffer of PH7 and then with water. After it is dried, it is immersed in a solution of 100 mg of lauric anhydride in dioxane, which converts VI bound to the surface of the membrane into V. This lauric anhydride solution was prepared by dissolving 0.1 g of lauric acid in 1 ml of dioxane and adding 0.1 g of N,
It is made by adding N'-dicyclohexylcarbodiimide and filtering the resulting precipitate. After 2 hours, the membrane is removed from the solution and washed with dry acetone. The film is fluorescent and now bluish-purple and the yellow has disappeared.

この膜が光ファイバの端部に取り付けられ、酵素リバー
ゼの溶液に接触すると、その基質は酵素によって、鮮明
な緑色の蛍光を発する黄色の加水分解生成物に変化す
る。460nmでの吸収の増加、又は520〜535nmでの緑色蛍
光の増加は光ファイバを介して検出される。これによっ
て試料中の酵素活性が直接測定される。この基質の分解
は酵素リバーゼのみならず、血清アルブミンによっても
生ずる。後者の活性はかなり高いので、このセンサは人
間の例えば血液中の血清アルブミンの測定に用いられ
る。
When the membrane is attached to the end of an optical fiber and comes into contact with a solution of the enzyme revertase, the substrate is enzymatically converted to a bright green fluorescent yellow hydrolysis product. An increase in absorption at 460 nm or an increase in green fluorescence at 520-535 nm is detected via the optical fiber. This directly measures the enzyme activity in the sample. Degradation of this substrate is caused not only by the enzyme ribase but also by serum albumin. Since the activity of the latter is quite high, this sensor is used for measuring serum albumin in humans, for example in blood.

後者の方法は、ヒドロラーゼのための他の固定化酵素基
質の製造にも適している。これは酵素感応膜を調製する
ための方法としてだけでなく既に使用されたセンサの再
生のためにも用いられる。
The latter method is also suitable for producing other immobilized enzyme substrates for hydrolases. It is used not only as a method for preparing enzyme-sensitive membranes, but also for the regeneration of already used sensors.

種々の加水分解酵素による固定化酵素基質の分解は固体
表面つまり基質の担体上で生ずる。かかる分解は、化学
的に固定された基質の場合、基質が周囲全方向で酵素に
さらされる溶液中に比べてゆっくりと進行する。加水分
解の速度が遅いほど、小規模に起こる非酵素による基質
の加水分解の影響が大きく現れてくる。
Degradation of the immobilized enzyme substrate by various hydrolases occurs on the solid surface or substrate of the substrate. Such degradation proceeds more slowly with chemically immobilized substrates than in solutions where the substrate is exposed to the enzyme in all directions around. The slower the rate of hydrolysis, the greater the effect of non-enzymatic substrate hydrolysis on a small scale.

本発明に従って、光ファイバの表面又は担体フィルムの
表面と酵素基質との間に長鎖のスペーサーを存在させる
ことにより、固定化された基質の酵素による加水分解の
速度はかなり加速されることがわかった。
According to the present invention, the presence of a long chain spacer between the surface of the optical fiber or the surface of the carrier film and the enzyme substrate was found to significantly accelerate the rate of enzymatic hydrolysis of the immobilized substrate. It was

適当なスペーサとして、例えばヘキサメチレンジアミン
のような長鎖のジアミンが用いられる。スペーサはシリ
ル化試薬と共に例えば「長鎖アミン」を用いて直接導入
される。
As a suitable spacer, a long-chain diamine such as hexamethylenediamine is used. The spacer is directly introduced with the silylating reagent, for example using a "long chain amine".

色の濃い試料、例えば血液が光学系に影響を与えること
を防ぐために、光ファイバの端部を保護キャップで覆う
ことが好ましい。この保護キャップは大きい有色粒子、
例えば赤血球の侵入を阻止する一方、酵素の通過は許容
する。この蛋白質透過性の保護キャップのための理想的
な材料はセルロースである。
To prevent dark samples, such as blood, from affecting the optics, it is preferable to cover the end of the optical fiber with a protective cap. This protective cap has large colored particles,
For example, it blocks the entry of red blood cells while allowing the passage of enzymes. The ideal material for this protein-permeable protective cap is cellulose.

光ファイバの端部に直接酵素基質を固定化する代わり
に、反応室を形成する酸素透過性膜によって光ファイバ
の端部を包み込む構成も好ましい。この膜は酵素基質を
含み、試料の細胞成分を透過させない。上記反応室は測
定されるべき酵素が透過できなければならないが、同時
に酵素基質が拡散によって出て行くのを防止する必要が
ある。
Instead of directly immobilizing the enzyme substrate on the end of the optical fiber, it is also preferable to wrap the end of the optical fiber with an oxygen permeable membrane forming a reaction chamber. This membrane contains the enzyme substrate and is impermeable to the cellular components of the sample. The reaction chamber must be permeable to the enzyme to be measured, but at the same time it must prevent the enzyme substrate from diffusing out.

本発明によれば、酸素基質の拡散は、酵素基質を水溶性
又は膨潤性のポリマに例えば化学固定化によって結合す
ることによって阻止される。反応室における酵素基質の
担体として用いられる水溶性又は膨潤性のポリマとし
て、デキストラン、アガロース、ポリエチレンイミン、
ポリアクリルアミド又はポリアルコールがある。担体ポ
リマは、その分子が保護キャップを通り抜けることがで
きない十分大きなものでなければならない。固定化され
た基質は酵素によって加水分解され、そのスペクトル特
性が変化する。この変化は光ファイバを介して、酵素活
性として測定される。発生した色素の相当量がセルロー
ス膜を通って拡散するので、酵素反応が拡散に比べてか
なり速く行われる必要がある。
According to the invention, diffusion of the oxygen substrate is prevented by binding the enzyme substrate to the water-soluble or swellable polymer, for example by chemical immobilization. As the water-soluble or swellable polymer used as a carrier for the enzyme substrate in the reaction chamber, dextran, agarose, polyethyleneimine,
There are polyacrylamides or polyalcohols. The carrier polymer must be large enough so that the molecule cannot pass through the protective cap. The immobilized substrate is hydrolyzed by the enzyme, changing its spectral properties. This change is measured as enzyme activity via the optical fiber. Since a considerable amount of the generated dye diffuses through the cellulose membrane, the enzymatic reaction needs to take place much faster than the diffusion.

上記装置の場合、スペクトル特性が酵素反応により顕著
に変化する酵素基質だけが使われる。これは、光ファイ
バが酵素基質及びその分解生成物の両方信号を伝達する
ことによる。それ故、別の実施態様にあっては、酵素基
質が光ファイバの端部に配設された円柱状の反応室の内
周面に固定化され、反応室の試料側端面には試料の細胞
を透過させない酵素透過性膜が備えられ、かつ酸素反応
によって生じた反応生成物が反応室内へ拡散するように
構成される。酵素基質とその分裂生成物との分離によ
り、分解生成物の生成が顕著に観察される。
In the case of the above device, only enzyme substrates whose spectral properties are significantly changed by the enzymatic reaction are used. This is due to the fact that the optical fiber carries signals for both the enzyme substrate and its degradation products. Therefore, in another embodiment, the enzyme substrate is immobilized on the inner peripheral surface of the cylindrical reaction chamber arranged at the end of the optical fiber, and the cells of the sample are attached to the sample-side end face of the reaction chamber. An enzyme-permeable membrane that does not allow the permeation of oxygen is provided, and the reaction product generated by the oxygen reaction is configured to diffuse into the reaction chamber. Due to the separation of the enzyme substrate and its fission products, the production of degradation products is noticeably observed.

励起光の最大出射角αと前記円柱状反応室の直径及び長
さの関係により、光学的な分離が簡単に得られ、これに
よって酵素基質が直接励起されることが回避される。内
周面に酵素基質を備える円柱壁は、最大射出角αで光フ
ァイバから出る励起光の領域外に位置し、酵素反応が生
じない限り酵素基質は信号を生成しない。
Due to the relationship between the maximum exit angle α of excitation light and the diameter and length of the cylindrical reaction chamber, an optical separation is easily obtained, which avoids direct excitation of the enzyme substrate. The cylindrical wall provided with the enzyme substrate on the inner peripheral surface is located outside the region of the excitation light emitted from the optical fiber at the maximum emission angle α, and the enzyme substrate does not generate a signal unless an enzymatic reaction occurs.

測定されるべき酵素が反応室に入ると、色素の放出を伴
う酵素反応が生ずる。その色素は反応室内で分散し、そ
の色又は蛍光が光ファイバを介して検出される。色ある
いは蛍光強度の増加が酵素活性として測定される。
When the enzyme to be measured enters the reaction chamber, an enzymatic reaction occurs with the release of dye. The dye disperses in the reaction chamber and its color or fluorescence is detected via the optical fiber. An increase in color or fluorescence intensity is measured as enzyme activity.

上記の測定装置は以下のような基本的な利点を有する。The above measuring device has the following basic advantages.

(a)酵素基質とその分解生成物が空間的に分離してい
るため光スペクトルの重複がなく、高い無効値(blank
values)が避けられる。
(A) Since the enzyme substrate and its degradation products are spatially separated, there is no overlap in the optical spectra, and a high ineffective value (blank
values) are avoided.

(b)合成の酵素基質のみならず、色素で染められた自
然の基質も使用することができる。
(B) Not only a synthetic enzyme substrate, but also a dye-dyed natural substrate can be used.

次の例は、本発明による測定装置の適用範囲の広さを示
しており、その固定化はほとんどがポリマ担体、スペー
サー、そして本来の色素の化学的結合によって行われ
る。
The following example illustrates the wide range of applicability of the measuring device according to the invention, the immobilization of which is largely done by the chemical binding of the polymer carrier, the spacer and the natural dye.

(1)7−オキシクマリン−3−カルボン酸のスペーサ
(アジピン酸)を介するセルロース膜又は他のOH基を持
つポリマの表面への固定化によって次の構造を有する表
面ができる。
(1) By immobilizing 7-oxycoumarin-3-carboxylic acid on the surface of a cellulose membrane or another polymer having an OH group through a spacer (adipic acid), a surface having the following structure is formed.

カルボキシスエステラーゼのグループの酵素によるCO−
O−結合の分解によって色素が発生し、この色素が光フ
ァイバからの励起光の領域内に拡散して測定される。
CO by enzymes in the carboxyesterase group
A dye is generated by the decomposition of the O-bond, and this dye is diffused into the region of the excitation light from the optical fiber and measured.

(2)3−シアノ−7−ヒドロキシクマリンのCH2−CH2
−CH2−CH2スペーサを介するOHを含むポリマへの固定化
によって次の構造ができる。
(2) the 3-cyano-7-hydroxycoumarin CH 2 -CH 2
Immobilization on the polymer containing OH via the —CH 2 —CH 2 spacer gives the following structure.

このプロセスから生まれる固定化色素はデアルキラーゼ
のための合成基質である。これはエーテル基を分解して
蛍光色素7−ヒドロシクマリン−3−カルボン酸を遊離
し、この色素が光ファイバを介して検出される。
The immobilized dye resulting from this process is a synthetic substrate for dealkylase. This decomposes the ether groups to liberate the fluorescent dye 7-hydrocyclmarin-3-carboxylic acid, which is detected via the optical fiber.

(3)ガラス表面に固定化されたプロテアーゼ基質の構
造を次に示す。
(3) The structure of the protease substrate immobilized on the glass surface is shown below.

合成基質のみならず、色素で染められた自然の基質、例
えば蛋白質も反応室の内面に固定化される。例えば卵白
リゾチームが壁の内面に固定化され、次に蛍光色素、例
えばフルオレセイン−イソチオシアン酸塩で染められ
る。この基質は酸素トリプシンと接触すると分解する。
フルオレセインとフルオレセインによって染められたリ
ゾチームは、光ファイバから出る励起光の領域内に拡散
して蛍光分析により測定される。
Not only the synthetic substrate, but also a natural substrate dyed with a dye, such as a protein, is immobilized on the inner surface of the reaction chamber. For example, egg white lysozyme is immobilized on the inner surface of the wall and then dyed with a fluorescent dye such as fluorescein-isothiocyanate. This substrate decomposes on contact with oxygen trypsin.
Fluorescein and lysozyme dyed with fluorescein diffuse into the region of the excitation light exiting the optical fiber and are measured by fluorescence analysis.

固定化された蛋白質は簡単に調製することができるが、
市販品を入手することもできる。サッカライド、つまり
砂糖状化合物も固定化された形で市販されている。例え
ば固定化N−アセチルグルコサミン、乳糖、メリビオー
ゼ、N−アセチルガラクトサミン、フコース、マンノー
ス、セロビオース、ガラクトース、そしてグルコースで
ある。これらを反応室の内壁に付着させて色素で染めれ
ばよい。その色素としては、フルオレセイン−イソチオ
シアン酸塩、ダンシル塩化物、フルオレスカミン、ナフ
チルイソシアン酸塩そしてユーロピウムキレートがあ
る。染色された分子は酵素反応によって遊離して反応室
に拡散し、光ファイバによって検出される。
Immobilized proteins can be easily prepared,
A commercial product can also be obtained. Saccharides, sugar-like compounds, are also commercially available in immobilized form. For example, immobilized N-acetylglucosamine, lactose, melibiose, N-acetylgalactosamine, fucose, mannose, cellobiose, galactose, and glucose. These may be attached to the inner wall of the reaction chamber and dyed with a dye. The dyes include fluorescein-isothiocyanate, dansyl chloride, fluorescamine, naphthyl isocyanate and europium chelate. The dyed molecules are released by the enzymatic reaction, diffused into the reaction chamber, and detected by the optical fiber.

反応室を囲む壁材料は酵素基質自体であってもよい。例
えばポリグルコシドに属するアミロースを用い、壁材料
の内面が蛍光色素で染められる。ポリペプチドや脂肪酸
エステルを含む他の物質も基質及び壁材料として使用さ
れる。非水溶性物質のみが使用されることはいうまでも
ない。
The wall material surrounding the reaction chamber may be the enzyme substrate itself. For example, amylose belonging to polyglucoside is used, and the inner surface of the wall material is dyed with a fluorescent dye. Other substances, including polypeptides and fatty acid esters, are also used as substrates and wall materials. It goes without saying that only water-insoluble substances are used.

染色された自然の酵素基質を使用する利点は、自然の基
質に対して酵素が有する高い特異性を有することができ
ることにある。蛍光分析との組み合わせによって、感度
が良く、且つ、特異的な測定方法を見出す目的が達成さ
れた。
The advantage of using a stained natural enzyme substrate is that it can have the high specificity that the enzyme has for the natural substrate. In combination with fluorescence analysis, the purpose of finding a sensitive and specific measurement method was achieved.

多くの酵素は複数の形で生じ、サブグループを形成す
る。典型的な例はフォスファターゼである。これには、
アルカル溶液内で最大活性を呈するアルカリ性フォスフ
ァターゼと酸性溶液内で最大活性を呈する酸性フォスフ
ァターゼとがある。臨床的に重要な酸性フォスファター
ゼは、例えばPH7.4では、アルカリ性フォスファターゼ
の活性を少なくとも部分的に包含していなければ測定す
ることができない。
Many enzymes occur in multiple forms, forming subgroups. A typical example is phosphatase. This includes
There are alkaline phosphatases that exhibit maximum activity in alcal solutions and acid phosphatases that exhibit maximum activity in acidic solutions. Clinically important acid phosphatases, for example in PH7.4, cannot be measured unless they at least partially include the activity of alkaline phosphatase.

この問題は、2つの酵素感応性光ファイバカテーテルを
使用することによって回避される。これらのカテーテル
は、それぞれの終端部に備えられた酵素基質が各酵素に
対して異なる親和力を有し、且つ、異なる最大反応速度
を有する点で区別される必要がある。基質に対する酵素
の親和力はミカエリス−メンテン定数によって与えら
れ、最大速度は最大反応速度を示す量によって与えられ
る。
This problem is avoided by using two enzyme sensitive fiber optic catheters. These catheters must be distinguished in that the enzyme substrates provided at their respective ends have different affinities for each enzyme and have different maximum reaction rates. The affinity of the enzyme for the substrate is given by the Michaelis-Menten constant, and the maximum rate is given by the amount giving the maximum reaction rate.

〔実施例〕〔Example〕

次に本発明を第1図から第5図に示した実施例に基づい
て詳しく説明する。第1図において、光源1から発する
光はコリメータレンズ2で集光され、フィルタ3を通っ
たのちフォーカスレンズ4によって光ファイバ6の入力
側端部5に入り込む。その光の波長は、酵素による加水
分解で遊離した色素による吸収が最大になるようにフィ
ルタ3を用いて調整される。光の一部分はビーム分配器
7によって分けられ標準光検出器8に入る。この標準光
検出器8は光源1の強度変動の影響を除去するために用
いられる。
Next, the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS. In FIG. 1, the light emitted from the light source 1 is condensed by the collimator lens 2, passes through the filter 3, and then enters the input side end 5 of the optical fiber 6 by the focus lens 4. The wavelength of the light is adjusted using the filter 3 so that the absorption by the dye liberated by the hydrolysis by the enzyme is maximized. A portion of the light is split by the beam splitter 7 and enters the standard photodetector 8. This standard photodetector 8 is used to eliminate the influence of the intensity fluctuation of the light source 1.

光ファイバ6を介して励起光が入射する酵素基質9は、
光ファイバ6の出口側端部10に固定化されている。酵素
基質9が酵素によって分解されると、入射した光は色素
反応生成物9′の形成によって徐々に吸収されて減衰す
る。一方、その色素が蛍光性であれば、徐々に強くなっ
ていく蛍光強度が観測される。反射励起光及び蛍光は同
じ光ファイバ6により戻され、ビーム分配器7のハーフ
ミラーになっている表面11で反射し、レンズ12、13を通
って光検出器14に達する。蛍光を測定する場合は、ビー
ム分配器7から検出器14までの光路に反射励起光を通さ
ない第2の光学フィルタ15を設置し、これにより選択さ
れた蛍光だけが検出される。
The enzyme substrate 9 on which the excitation light enters through the optical fiber 6 is
It is fixed to the exit end 10 of the optical fiber 6. When the enzyme substrate 9 is decomposed by the enzyme, the incident light is gradually absorbed and attenuated by the formation of the dye reaction product 9 '. On the other hand, if the dye is fluorescent, a gradually increasing fluorescence intensity is observed. The reflected excitation light and the fluorescent light are returned by the same optical fiber 6, reflected by the half-mirrored surface 11 of the beam distributor 7 and pass through lenses 12, 13 to reach the photodetector 14. When measuring fluorescence, a second optical filter 15 that does not pass the reflected excitation light is installed in the optical path from the beam distributor 7 to the detector 14, and only the selected fluorescence is detected.

光検出器14の出力である測定信号Sならびに標準光検出
器8の出力である標準信号Rは増幅され、図示されてい
ない表示装置または評価装置に送られる。
The measurement signal S, which is the output of the photodetector 14, and the standard signal R, which is the output of the standard photodetector 8, are amplified and sent to a display device or evaluation device (not shown).

第2図はコア16と被覆(sheathing)17が異なる屈折率
を有する光ファイバ6の端部10を拡大して示している。
酵素基質9は薄い担体フィルム18、例えばセルロース、
イオン交換膜又はポリアクリルアミドでつくられたもの
に固定化され、光ファイバ6の出口側端部10に貼り付け
られる。
FIG. 2 shows an enlarged end 10 of an optical fiber 6 in which the core 16 and the sheathing 17 have different refractive indices.
The enzyme substrate 9 is a thin carrier film 18, eg cellulose,
It is fixed to an ion exchange membrane or one made of polyacrylamide, and is attached to the exit side end portion 10 of the optical fiber 6.

第3図に示すように、光ファイバ6の出口側端部10のコ
ア16の外周面19に酵素基質9を付着することもできる。
この場合、光ファイバ6の出口側端部10の被覆17は剥が
される。そして、光ファイバ6の端面には光を反射する
キャップ21が着けられる。
As shown in FIG. 3, the enzyme substrate 9 can be attached to the outer peripheral surface 19 of the core 16 at the exit side end 10 of the optical fiber 6.
In this case, the coating 17 on the exit side end 10 of the optical fiber 6 is peeled off. A cap 21 that reflects light is attached to the end surface of the optical fiber 6.

第4図には、例えばセルロースでつくられた蛋白質透過
性膜23によって囲まれた球状の反応室22を出口側端部10
に備えた光ファイバ6が示されている。反応室22には比
較的小さい分子の酵素基質9が含まれ、この酵素基質9
は膜23を通って外部に拡散し得る。この拡散を阻止する
ために酵素基質9は大きな分子の水溶性ポリマに固定化
される。反応室22内の酵素基質のための担体として水溶
性又は膨潤性のポリマが適している。
In FIG. 4, a spherical reaction chamber 22 surrounded by a protein permeable membrane 23 made of, for example, cellulose is shown at the outlet end 10.
The optical fiber 6 provided in FIG. The reaction chamber 22 contains an enzyme substrate 9 of a relatively small molecule.
Can diffuse out through the membrane 23. To prevent this diffusion, the enzyme substrate 9 is immobilized on a large molecule of water-soluble polymer. Water-soluble or swellable polymers are suitable as carriers for the enzyme substrates in the reaction chamber 22.

第5図に示す実施例では反応生成物9′がもとの酵素基
質9から空間的に分離される。光ファイバ6の出口側端
部10に円筒体26で囲まれた反応空間24が設けられ、その
試料側端面は例えばセルロースや多孔性ポリカーボネー
トでつくられた酵素が透過可能な膜23で覆われている。
円筒体26の内壁25は色素即ち蛍光酵素基質9で覆われて
いる。前述の実施例と異なり、酵素基質9は反応空間全
体にに一様に分布しておらず、円筒体26の内壁25にのみ
化学的、静電的又は物理的に固定化されている。
In the embodiment shown in FIG. 5, the reaction product 9'is spatially separated from the original enzyme substrate 9. A reaction space 24 surrounded by a cylindrical body 26 is provided at the exit side end 10 of the optical fiber 6, and the sample side end face thereof is covered with an enzyme-permeable membrane 23 made of, for example, cellulose or porous polycarbonate. There is.
The inner wall 25 of the cylinder 26 is covered with a dye or fluorescent enzyme substrate 9. Unlike the above-mentioned embodiment, the enzyme substrate 9 is not uniformly distributed in the entire reaction space, and is immobilized chemically, electrostatically or physically only on the inner wall 25 of the cylindrical body 26.

測定されるべき酵素が矢印29に沿って膜23を通って反応
空間24に入ると、酵素反応が起こり反応生成物9′を放
出する。この反応生成物9′は反応空間24内を自由に動
き、励起光の最大出射角αによって決まる領域内に拡散
する。この構成では、光ファイバ6の端面から出る励起
光が円筒体の内壁25に固定化された酵素基質9に当たら
ないように、円筒体26の直径27及び長さ28を決める必要
がある。
When the enzyme to be measured enters the reaction space 24 through the membrane 23 along the arrow 29, an enzymatic reaction takes place, releasing the reaction product 9 '. This reaction product 9'moves freely in the reaction space 24 and diffuses into a region determined by the maximum emission angle α of the excitation light. In this configuration, it is necessary to determine the diameter 27 and the length 28 of the cylindrical body 26 so that the excitation light emitted from the end face of the optical fiber 6 does not hit the enzyme substrate 9 immobilized on the inner wall 25 of the cylindrical body.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例に係る酵素活性の光学的測定装
置の概略構成図、第2図から第5図は第1図の測定装置
に用いる光ファイバセンサの種々の実施例を示す光ファ
イバ端部の拡大断面図である。 6……光ファイバ、7……ビーム分配器、9……酵素基
質、9′……反応生成物、10……光ファイバの端部、16
……光ファイバのコア、20……光ファイバの端面、14…
…光検出器、18……担体フィルム、23……酵素透過性
膜、24……反応空間、26……円筒体、25……円筒体の内
壁面。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measuring apparatus for enzyme activity according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 5 are optical signals showing various embodiments of an optical fiber sensor used in the measuring apparatus of FIG. It is an expanded sectional view of an end of a fiber. 6 ... Optical fiber, 7 ... Beam distributor, 9 ... Enzyme substrate, 9 '... Reaction product, 10 ... End of optical fiber, 16
... optical fiber core, 20 ... optical fiber end face, 14 ...
… Photodetector, 18 …… Carrier film, 23 …… Enzyme permeable membrane, 24 …… Reaction space, 26 …… Cylindrical body, 25 …… Cylindrical inner wall surface.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酵素基質(9)を光ファイバ(6)の端部
(10)に試料と接触可能に配設した酵素活性測定用セン
サ。
1. A sensor for measuring enzyme activity, wherein an enzyme substrate (9) is arranged at the end (10) of an optical fiber (6) so that it can come into contact with a sample.
【請求項2】酵素基質(9)を光ファイバ(6)の端面
(20)又はコア(16)の外周面(19)に物理的又は化学
的に固定した特許請求の範囲第1項記載のセンサ。
2. The method according to claim 1, wherein the enzyme substrate (9) is physically or chemically fixed to the end surface (20) of the optical fiber (6) or the outer peripheral surface (19) of the core (16). Sensor.
【請求項3】酵素基質(9)を担体フィルム(18)に固
定し、この担体フィルム(18)を光ファイバ(6)の端
部(10)に貼り付けた特許請求の範囲第1項又は第2項
記載のセンサ。
3. The method according to claim 1, wherein the enzyme substrate (9) is fixed to a carrier film (18), and the carrier film (18) is attached to the end (10) of the optical fiber (6). The sensor according to item 2.
【請求項4】光ファイバ(6)の表面又は担体フィルム
(18)の表面にスペーサーを介して酵素基質(9)を固
定した特許請求の範囲第1項、第2項、又は第3項記載
のセンサ。
4. An enzyme substrate (9) fixed to the surface of an optical fiber (6) or the surface of a carrier film (18) through a spacer, as claimed in claim 1, claim 2, or claim 3. Sensor.
【請求項5】酵素基質(9)を光ファイバ(6)の端部
(10)に試料と接触可能に配設した光ファイバセンサ
と、その光出力を測定して測定信号(S)を評価装置に
与える光検出器(14)とが備えられ、この検出器(14)
が酵素基質(9)又はその反応生成物(9′)によって
放出される蛍光又は励起光の変化を光ファイバを介して
測定する酵素活性測定装置。
5. An optical fiber sensor in which an enzyme substrate (9) is arranged at the end (10) of an optical fiber (6) so as to be in contact with a sample, and its optical output is measured to evaluate a measurement signal (S). And a photodetector (14) for supplying the device, and this detector (14)
An enzyme activity measuring device for measuring the change of fluorescence or excitation light emitted by the enzyme substrate (9) or its reaction product (9 ') via an optical fiber.
【請求項6】酵素基質(9)が光ファイバ(6)の端部
(10)に配設された反応空間(24)を形成する円筒体
(26)の内壁面(25)に固定され、前記円筒体(26)の
試料側端面には試料の細胞を透過させない酵素透過性膜
(23)が備えられ、酵素反応によって生成した反応生成
物(9′)が前記反応空間(24)に拡散する特許請求の
範囲第5項記載の測定装置。
6. An enzyme substrate (9) is fixed to an inner wall surface (25) of a cylindrical body (26) forming a reaction space (24) arranged at an end (10) of an optical fiber (6), An enzyme permeable membrane (23) that does not allow the cells of the sample to permeate is provided on the end surface of the cylindrical body (26) on the sample side, and the reaction product (9 ') generated by the enzymatic reaction diffuses into the reaction space (24). The measuring device according to claim 5.
【請求項7】光ファイバ(6)の端面(20)から最大出
射角(α)より小さい角度で出射する励起光が前記円筒
体の内壁面(25)に固定された酵素基質(9)に当たら
ないように、前記円筒体(26)の直径及び長さが決めら
れている特許請求の範囲第6項記載の測定装置。
7. Excitation light emitted from an end face (20) of an optical fiber (6) at an angle smaller than a maximum emission angle (α) is applied to an enzyme substrate (9) fixed to an inner wall surface (25) of the cylindrical body. The measuring device according to claim 6, wherein the diameter and the length of the cylindrical body (26) are determined so as not to hit.
【請求項8】酵素基質を光ファイバの端部に試料と接触
可能に配設した光ファイバセンサを用いて、酵素基質又
はその反応生成物によって放出される蛍光又は励起光の
変化を前記光ファイバを介して測定する酵素活性測定方
法。
8. An optical fiber sensor in which an enzyme substrate is arranged at the end of an optical fiber so that it can come into contact with a sample, and a change in fluorescence or excitation light emitted by the enzyme substrate or a reaction product thereof is detected by the optical fiber. A method for measuring enzyme activity, which is measured via.
【請求項9】酵素活性に加えて試料のPH値も測定され、
このPH測定値が酵素活性の測定値の補正のために用いら
れる特許請求の範囲第8項記載の測定方法。
9. The pH value of the sample is measured in addition to the enzyme activity,
9. The measuring method according to claim 8, wherein the measured PH value is used for correcting the measured enzyme activity value.
JP62023405A 1986-02-03 1987-02-03 Enzyme activity measuring sensor and measuring device and method using the same Expired - Fee Related JPH0697989B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT255/86 1986-02-03
AT255/86A AT392539B (en) 1986-02-03 1986-02-03 METHOD FOR OPTICALLY DETERMINING THE CATALYTIC ENCYMACTIVITY OF A SAMPLE, AND AN ARRANGEMENT FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS62185148A JPS62185148A (en) 1987-08-13
JPH0697989B2 true JPH0697989B2 (en) 1994-12-07

Family

ID=3485676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62023405A Expired - Fee Related JPH0697989B2 (en) 1986-02-03 1987-02-03 Enzyme activity measuring sensor and measuring device and method using the same

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JPH0697989B2 (en)
AT (1) AT392539B (en)
DE (1) DE3701833A1 (en)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4892383A (en) * 1989-02-17 1990-01-09 Fiberchem Inc. Reservoir fiber optic chemical sensors
DE3923921A1 (en) * 1989-07-19 1991-01-24 Biotechnolog Forschung Gmbh OPTICAL BIOSENSOR
US5271073A (en) * 1990-08-10 1993-12-14 Puritan-Bennett Corporation Optical fiber sensor and method of manufacture
DE9110757U1 (en) * 1991-08-30 1992-02-13 Klein, Rainer, 5840 Schwerte Integrated optical fabric sensor
DE4227665A1 (en) * 1992-08-21 1994-02-24 Boehringer Mannheim Gmbh Analysis element for the analysis of a liquid sample
AT397458B (en) * 1992-09-25 1994-04-25 Avl Verbrennungskraft Messtech SENSOR ARRANGEMENT
WO1997032198A1 (en) * 1996-02-28 1997-09-04 Laboratory Of Molecular Biophotonics Method and apparatus for assaying enzymatic reaction
NO994873D0 (en) * 1999-10-06 1999-10-06 Sinvent As Method for synthesis and analysis of combinatorial chemistry libraries
DE10204531A1 (en) * 2002-02-01 2003-08-21 Inst Chemo Biosensorik cover element
AU2003266899B2 (en) * 2002-09-20 2008-02-28 Queen's University At Kingston Detection of biological molecules by differential partitioning of enzyme substrates and products
DE10251893A1 (en) * 2002-11-07 2004-05-19 C-Cit Ag Optical sensor, for quantitative measurement of enzyme activities, has a transparent layer on a carrier with a grid between them to switch electromagnetic waves on/off as a disposable chip
US7473548B2 (en) 2003-04-25 2009-01-06 Medtronic, Inc. Optical detector for enzyme activation
DE102007020544A1 (en) * 2007-04-25 2008-10-30 Siemens Ag Analytical device or method for investigating the catalytic activity of surfaces
KR100867703B1 (en) * 2007-10-22 2008-11-10 현대자동차주식회사 Glove box for vehicles
JP2021086744A (en) 2019-11-28 2021-06-03 パナソニックIpマネジメント株式会社 Light emitting device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD106086A1 (en) * 1973-07-16 1974-05-20
DE2948904C2 (en) * 1979-12-05 1986-06-19 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen Device for the optical measurement of concentrations of substances
GB2103786A (en) * 1981-08-14 1983-02-23 Ici Plc Fibre optic sensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE3701833C2 (en) 1989-03-16
DE3701833A1 (en) 1987-08-06
JPS62185148A (en) 1987-08-13
AT392539B (en) 1991-04-25
ATA25586A (en) 1990-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH0697989B2 (en) Enzyme activity measuring sensor and measuring device and method using the same
Lin Recent development and applications of optical and fiber-optic pH sensors
JP2597634B2 (en) Optical fiber active chemical converter
MacCraith et al. Sol-gel coatings for optical chemical sensors and biosensors
Gabel et al. Changes in conformation of insolubilized trypsin and chymotrypsin, followed by fluorescence
US5640470A (en) Fiber-optic detectors with terpolymeric analyte-permeable matrix coating
Zhang et al. Poly (vinyl alcohol) as a substrate for indicator immobilization for fiber-optic chemical sensors
Kuswandi et al. Optical fibre biosensors based on immobilised enzymes
US4965087A (en) Method of making a sensor element for fluorescence-optical measurements
Díaz et al. Sol-gel cholinesterase biosensor for organophosphorus pesticide fluorimetric analysis
US5238809A (en) Method for optical determination of the catalytic enzyme activity and arrangement for implementing this method
Schaffar et al. A fast responding fibre optic glucose biosensor based on an oxygen optrode
US5057431A (en) Device for optical measuring of physical dimensions and material concentrations
Fuh et al. Single fiber-optic fluorescence enzyme-based sensor
JPH02501860A (en) Chemical sensors using catalytic antibodies
EP0645007B1 (en) Sensor for optical assay
Schaffar et al. Chemically mediated fiberoptic biosensors
JPH0720055A (en) Method for measuring cis-diol, solid supporting body and measuring kit
Scheper et al. Optical sensors for biotechnological applications
Narayanaswamy et al. Optical technology until the year 2000: an historical overview
Li et al. Determination of bilirubin by fiberoptic biosensor
Höbel et al. Penicillinase optodes: substrate determinations using batch, continuous flow and flow injection analysis operation conditions
AU1263892A (en) Measurement of bacterial co2 production in an isolated fluorophore by monitoring an absorbance regulated change of fluorescence
Seitz Transducer mechanisms for optical biosensors. Part 1: The chemistry of transduction
Pandey et al. An evanescent wave sensor for the detection of organophosphorus compounds based on the inhibition of cholinesterase

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees