JPH07101215B2 - Analytical method using biofunctional substance-immobilized electrode - Google Patents

Analytical method using biofunctional substance-immobilized electrode

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JPH07101215B2
JPH07101215B2 JP2093991A JP9399190A JPH07101215B2 JP H07101215 B2 JPH07101215 B2 JP H07101215B2 JP 2093991 A JP2093991 A JP 2093991A JP 9399190 A JP9399190 A JP 9399190A JP H07101215 B2 JPH07101215 B2 JP H07101215B2
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pulse
electrode
current
glucose
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JP2093991A
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繁 山内
義人 碇山
仁 矢尾板
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国立身体障害者リハビリテーションセンター総長
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Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 「産業上の利用分野」 この発明は、生体機能物質の分子識別機能を利用して生
体物質を検知するバイオセンサによる分析方法に関する
ものである。特に、生体機能物質を多孔性電極に直接包
括固定化して作製した固定化電極を用いた、再現性なら
びに信頼性に優れた微量試料に対する迅速分析法に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION “Object of the Invention” “Industrial Application Field” The present invention relates to a biosensor analysis method for detecting a biological substance by utilizing the molecular identification function of the biological functional substance. In particular, the present invention relates to a rapid analysis method for a trace amount sample having excellent reproducibility and reliability, which uses an immobilized electrode produced by directly entrapping a biofunctional substance on a porous electrode.

「従来の技術」 本発明者らは、すでに白金黒表面への生体機能物質の包
括固定化が可能であることを見い出し、これを利用した
固定化電極を作製することに成功し、特許出願した(昭
和62年特許願第55387号(特開昭63-222256号公報)及び
第56472号(特公平6−75054号公報))。さらに、固定
化電極を用い、静止した微量サンプルの測定が可能な分
析システムとこれを用いた電気化学的非定常法に基づく
分析法を開発し、特許出願した(昭和62年特許願第3045
23号(特開平1−147357号公報))。
"Prior Art" The present inventors have already found that a biofunctional substance can be comprehensively immobilized on a platinum black surface, succeeded in producing an immobilized electrode using this, and applied for a patent. (Patent application No. 55387 (Japanese Patent Laid-Open No. 63-222256) and No. 56472 (Japanese Patent Publication No. 6-75054) in 1987). Furthermore, we developed and applied a patent for an analysis system based on an electrochemical unsteady method using an analysis system that can measure a stationary minute sample using an immobilized electrode (patent application No. 3045 in 1987).
No. 23 (JP-A-1-147357).

この方法は、試料溶液の採取量を厳密に規定する必要が
なく、微量の静止試料の測定や無希釈測定が可能であ
り、ミリ秒オーダーでの迅速測定を特徴とする点で、バ
イオセンサの応用範囲の可能性を大きく広げたものであ
った。しかし、事前に測定対象物質を含まない緩衝溶液
(以下ブランク溶液と呼ぶ)でのブランク測定を行い、
その値を目的の試料溶液に対する応答から差し引く必要
があり、その操作が煩雑となる。このため、この方法は
ミリ秒オーダーでの応答を利用した迅速分析法でありな
がら、試料溶液測定前の操作も含めた測定操作全体で
は、その利点を十分に発揮することができなかった。
This method does not require a strict regulation of the amount of sample solution to be taken, and is capable of measuring a small amount of static sample and undiluted measurement, and is characterized by rapid measurement on the order of milliseconds, and It greatly expanded the possibilities of application. However, a blank measurement is performed in advance with a buffer solution that does not contain the substance to be measured (hereinafter referred to as a blank solution),
It is necessary to subtract the value from the response to the target sample solution, which makes the operation complicated. Therefore, although this method is a rapid analysis method utilizing a response on the order of milliseconds, the advantage cannot be sufficiently exhibited in the entire measurement operation including the operation before the sample solution measurement.

「発明が解決しようとする問題点」 白金黒電極上に酵素を包括固定化した酵素電極に電気化
学的非定常法を適用して定電位単純パルスに対する非定
常応答電流を記録したとき、その応答電流は実施2に示
すごとくブランク溶液に対しても0とはならない。この
非定常電流は、パルス印加直後の電気二重層容量の充電
電流の他に、不純物分子や電極表面の電気化学的酸化還
元応答に由来するファラデー電流を含んでいる。このた
め、検体試料対して観測された非定常電流値から、ブラ
ンク溶液について観測された非定常電流値を差し引く必
要がある。また、このブランク溶液に対する応答が検体
試料に対する応答電流に比して無視し得るほど小さくな
い場合には、センサ応答の再現性、信頼性も損なわれ
る。そこで、この発明はブランク溶液に関する応答の測
定、いわゆるブランク測定を必要としない分析方法を提
供しようとするものであり、これによって再現性良く、
信頼性に優れた迅速分析方法を提供するものである。
"Problems to be solved by the invention" When an unsteady response current to a constant potential simple pulse was recorded by applying an electrochemical unsteady method to an enzyme electrode in which an enzyme was entrapped and immobilized on a platinum black electrode, its response The current does not become zero even for the blank solution as shown in Example 2. This unsteady current includes a charging current of the electric double layer capacitance immediately after the pulse application, and a faradaic current derived from the electrochemical redox response of the impurity molecules and the electrode surface. Therefore, it is necessary to subtract the unsteady current value observed for the blank solution from the unsteady current value observed for the specimen sample. Further, when the response to the blank solution is not so small as to be negligible as compared with the response current to the analyte sample, the reproducibility and reliability of the sensor response are also impaired. Therefore, the present invention is intended to provide a method for measuring a response regarding a blank solution, that is, an analytical method that does not require so-called blank measurement, and by this, good reproducibility,
It is intended to provide a highly reliable rapid analysis method.

「発明の構成」 「問題点を解決するための手段」 この発明は、上記の問題点を解決するために、測定パル
スを加える直前に予備パルスを印加し、電気化学的な前
処理によって測定対象物質に由来しない応答を低減せし
め、その後一定時間開回路状態を保った後、引き続く測
定パルスによってセンサ応答の測定を行うことを特徴と
する分析方法を提供する。
[Structure of the Invention] [Means for Solving Problems] In order to solve the above problems, the present invention applies a preliminary pulse immediately before applying a measurement pulse, and measures an object to be measured by electrochemical pretreatment. Provided is an analysis method, which comprises reducing a response not derived from a substance, and thereafter maintaining an open circuit state for a certain period of time, and then measuring a sensor response by a subsequent measurement pulse.

この発明において利用する生体機能物質を包括固定化し
た電極ならびに分析システムは、出願特許(昭和62年特
許願第304523号(特開平1−147357号公報))に述べら
れている非定常応答を用いた分析システムである。すな
わち、昭和62年特許願第55387号(特開昭63-222256号公
報)、第56472号(特公平6−75054号公報)に述べられ
ているように、白金などの微粒子から構成された微小電
極の表面に酵素などの生体機能物質を包括固定化した導
電性微粒子層を有する構造の電極を作用電極とし、銀・
塩化銀などの参照電極ならびに対極を備えた三電極を有
する電気化学システムであり、その構造の一例を第一図
に示す。第一図において、作用電極1は生体機能物質
(例えばグルコース酸化酵素)を包括固定化した微小電
極であり、直径が例えば、約1μm〜500μmの範囲の
微小電極である。これに白金線の対極2と銀・塩化銀系
の参照電極3とをもって構成したものがセンサ素子6で
ある。以上の三電極、すなわち、微小固定化電極1、対
極2と参照電極3は、テフロン(登録商標名)型枠5の
穴のなかにポリエステル樹脂4で包埋されたものであ
る。このようなセンサ素子6は、細い金属線を3本封入
固定しただけの構造であるから、微細加工技術を用いれ
ば、これら全体を非常に微小なセンサに構成することも
できる。
The electrode and the analysis system in which the biological functional substance is comprehensively immobilized used in the present invention uses the non-steady response described in the patent application (Japanese Patent Application No. 304523 of 1987 (JP-A-1-147357)). The analysis system That is, as described in Japanese Patent Application No. 55387 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-222256) and Japanese Patent No. 56472 (Japanese Patent Publication No. 6-75054) in 1987, fine particles composed of fine particles such as platinum. The electrode having a structure having a conductive fine particle layer in which a biofunctional substance such as an enzyme is entrapped and immobilized on the surface of the electrode is used as a working electrode, and silver
It is an electrochemical system having a reference electrode such as silver chloride and three electrodes provided with a counter electrode, and an example of the structure is shown in FIG. In FIG. 1, the working electrode 1 is a microelectrode in which a biological functional substance (eg glucose oxidase) is entrapped and immobilized, and the diameter thereof is, for example, about 1 μm to 500 μm. The sensor element 6 is composed of a counter electrode 2 of a platinum wire and a silver / silver chloride-based reference electrode 3. The above three electrodes, that is, the micro-immobilized electrode 1, the counter electrode 2, and the reference electrode 3 are embedded in the holes of the Teflon (registered trademark) form 5 with the polyester resin 4. Since such a sensor element 6 has a structure in which only three thin metal wires are encapsulated and fixed, it is possible to configure all of them into a very minute sensor by using a fine processing technique.

このセンサ素子を用いれば、例えば1μ1程度の微量試
料でも測定可能である。即ち、微量試料を滴下した後に
電位を印加し、このときに発生する電流値を検知する方
式によって、微量試料中の物質を検知できるものであ
る。
If this sensor element is used, it is possible to measure a minute amount of sample, for example, about 1 μ1. That is, the substance in the trace sample can be detected by the method of applying a potential after dropping the trace sample and detecting the current value generated at this time.

上に述べた分析システムを用いた、定電位パルスに対す
る非定常電流応答を記録してセンサ応答を得るが、単純
パルスに対する応答では、測定対象物質を含まない溶液
に対しても、実例2に示すように無視し得ないほどのフ
ァラデー電流が観測される。従来、ブランク測定が必要
とされたのは、この電流を差し引く必要があったためで
ある。
The sensor response is obtained by recording the unsteady current response to a constant potential pulse using the analysis system described above, but the response to a simple pulse is shown in Example 2 even for a solution containing no measurement target substance. Thus, a faraday current that cannot be ignored is observed. Traditionally, blank measurements were required because this current had to be subtracted.

この発明は、第2図に示すように、測定用の定電位パル
ス9を印加する直前に、予備的な定電位パルス7を印加
し、一定時間の電位を印加しない、いわゆる開回路状態
8に保った後、測定用パルス9を印加することによって
上記問題点を解決せんとするものである。
As shown in FIG. 2, the present invention applies a preliminary constant-potential pulse 7 immediately before applying a constant-potential pulse 9 for measurement and does not apply a potential for a certain period of time to a so-called open circuit state 8. The above problem is solved by applying the measurement pulse 9 after the temperature is maintained.

「作用」 電気化学系に定電位パルスを印加したときに観測される
非定常電流応答は、一般に、電気二重層容量の充電に由
来する容量性電流と電極における電気化学的酸化還元反
応に由来するいわゆるファラデー電流の二つの成分より
成っている。容量性電流は数十マイクロ秒から数百マイ
クロ秒の時定数で減衰してしまうので、この発明で問題
とする数ミリ秒から数十ミリ秒程度の非定常電流におい
て問題となるのはファラデー電流のみであると考えてよ
い。
"Action" The unsteady current response observed when a potentiostatic pulse is applied to an electrochemical system is generally derived from the capacitive current resulting from the charging of the electric double layer capacity and the electrochemical redox reaction at the electrode. It consists of two components of the so-called Faraday current. Since the capacitive current is attenuated with a time constant of several tens of microseconds to several hundreds of microseconds, the problem with the non-steady current of several milliseconds to several tens of milliseconds, which is a problem in the present invention, is the problem of the Faraday current. You can think that it is only.

ブランク溶液に対するファラデー電流は、主として、溶
液中に含まれる不純物の電極反応ならびに電極表面の電
気化学的酸化還元反応から成っていると考えることがで
きる。以下の説明ならびに実施例においては、グルコー
ス検知に適用した場合を例として述べる。この場合、電
極表面に固定化したグルコース酸化酵素の作用によって
グルコースが酸化されるが、この際生成した過酸化水素
電気化学的に酸化するに要する電流を検知することによ
ってグルコースを検出しようとするものである。従っ
て、以下の記述においては予備パルス、測定パルスとも
に酸化パルスを用いているが、生体機能物質と測定対象
物質との組合せによっては、還元パルスを印加すべき場
合もある。
It can be considered that the Faraday current for the blank solution mainly consists of an electrode reaction of impurities contained in the solution and an electrochemical redox reaction of the electrode surface. In the following description and examples, the case of application to glucose detection will be described as an example. In this case, glucose is oxidized by the action of glucose oxidase immobilized on the electrode surface, but the one that tries to detect glucose by detecting the current required for electrochemical oxidation of hydrogen peroxide produced at this time Is. Therefore, in the following description, the oxidation pulse is used for both the preliminary pulse and the measurement pulse, but the reduction pulse may be applied depending on the combination of the biofunctional substance and the measurement target substance.

銀・塩化銀参照電極に対して0.6Vの定電位パルスを印加
したときに観測される酸化電流は、過酸化水素の酸化電
流の他に、電極近傍の還元性不純物の酸化電流および白
金黒表面を酸化して表面酸化物を生成する酸化電流を含
む可能性がある。ブランク溶液において観測される非定
常電流は主として還元性不純物の酸化電流ならびに白金
黒表面の酸化電流に由来すると考えられる。従って、測
定パルスに先立つ予備パルスの印加によって、ブランク
溶液に対しては、電極表面近傍に存在した還元性不純物
を酸化し、白金黒表面の酸化状態を、測定用パルスを印
加した場合と同じ状態に調整する効果があるために、ブ
ランク溶液の応答を無視しうるほど小さくすることがで
きる。
Oxidation current observed when a 0.6V constant potential pulse was applied to the silver / silver chloride reference electrode was observed in addition to the oxidation current of hydrogen peroxide, the oxidation current of reducing impurities near the electrode, and the platinum black surface. It may include an oxidation current that oxidizes the to produce surface oxides. It is considered that the unsteady current observed in the blank solution is mainly derived from the oxidation current of the reducing impurities and the oxidation current of the platinum black surface. Therefore, by applying the preliminary pulse prior to the measurement pulse, for the blank solution, the reducing impurities existing near the electrode surface were oxidized, and the oxidation state of the platinum black surface was the same as when the measurement pulse was applied. The response of the blank solution can be made negligibly small due to the effect of adjusting to.

グルコースを含む試料溶液に対しては、すでに生成して
いた過酸化水素も予備パルスによって同様に酸化される
が、8の開回路状態の期間にグルコースの反応によって
再び過酸化水素が生成するので、このとき発生した過酸
化水素を測定パルス9によって検出することになる。こ
のような開回路状態は従来の定電位パルス印加法等の電
気化学測定では電極電位が不定となるため使用されるこ
とのなかった技術であるが、本発明の生体機能電極では
必須の技術である。
For the sample solution containing glucose, the hydrogen peroxide that has already been generated is similarly oxidized by the preliminary pulse, but since hydrogen peroxide is again generated by the reaction of glucose during the open circuit state of 8, The hydrogen peroxide generated at this time is detected by the measurement pulse 9. Such an open circuit state is a technique that has not been used because the electrode potential becomes indefinite in the electrochemical measurement such as the conventional constant potential pulse application method, but it is an essential technique in the biofunctional electrode of the present invention. is there.

「実施例」 実施例1 センサ素子の作製 第一図に示したセンサは以下の手順によって作製した。
テフロン型枠5の中に、1μm〜500μm径の範囲の微
小白金線、200μm径の対極用の白金線、そして500μm
〜1mm径程度の銀線をそれぞれ1本ずつポリエステル樹
脂4で封入した後に、アルミナ研磨剤で研磨した。白金
作用電極表面に対する酵素の固定化は次の方法で行っ
た。
“Example” Example 1 Preparation of Sensor Element The sensor shown in FIG. 1 was prepared by the following procedure.
In the Teflon mold 5, a minute platinum wire with a diameter of 1 μm to 500 μm, a platinum wire for a counter electrode with a diameter of 200 μm, and 500 μm
Each of the silver wires having a diameter of about 1 mm was sealed with polyester resin 4 and then polished with an alumina abrasive. Immobilization of the enzyme on the surface of the platinum working electrode was performed by the following method.

300ppmの酢酸鉛含有の3%塩化白金酸溶液の中で、銀・
塩化銀参照電極に対し、−0.1Vの電位で5分間定電位電
解して白金黒の電解析出を行い、厚さ約数μmの白金黒
を得た。次に、得られた白金黒析出電極を室温で60秒間
乾燥した後に、0.5M硫酸水溶液中で−0.3Vに30分間保持
し、白金黒電極から水素を発生させた。60秒間風乾した
後に、1.2Vの一定電位を15分間印加し、電極表面の酸化
処理を行った後、5500単位のグルコース酸化酵素含有リ
ン酸緩衝液(pH6.8)1mlに30分間浸漬し、再度風乾し
た。
In a 3% chloroplatinic acid solution containing 300 ppm of lead acetate,
The silver chloride reference electrode was subjected to constant potential electrolysis at a potential of -0.1 V for 5 minutes to perform electrolytic deposition of platinum black to obtain platinum black having a thickness of about several μm. Next, the obtained platinum black deposition electrode was dried at room temperature for 60 seconds, and then held at −0.3 V for 30 minutes in a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution to generate hydrogen from the platinum black electrode. After air-drying for 60 seconds, a constant potential of 1.2 V was applied for 15 minutes to oxidize the electrode surface, and then immersed in 1 ml of 5500 glucose oxidase-containing phosphate buffer (pH 6.8) for 30 minutes, Air dried again.

次に、以上のようにして得られた微小電極を有するセン
サ素子6において、銀線を銀・塩化銀参照電極とした。
このようにして作製した三電極より成るセンサ素子6を
0.1Mリン酸緩衝溶液中で一昼夜攪拌、洗浄し、この発明
に用いる三電極系センサ素子を得た。
Next, in the sensor element 6 having the microelectrodes obtained as described above, the silver wire was used as a silver / silver chloride reference electrode.
The sensor element 6 composed of three electrodes produced in this way
The mixture was stirred and washed in a 0.1 M phosphate buffer solution for 24 hours to obtain a three-electrode type sensor element used in the present invention.

実施例2 単純パルスを用いたグルコース濃度の測定 グルコース濃度の測定にあたっては、第3図に示した測
定系を用いた。即ち、センサ素子6の作用電極1、対極
2、参照電極8をそれぞれポテンシオスタット10に結線
し、パルスの印加は、ファンクションジェネレータ11か
らの信号によってポテンシオスタットを駆動せしめた。
非定常電流は、ディジタルメモリスコープ12に記録し
た。直径50μmの白金線を用いて作製した固定化酵素電
極を作用極とし、銀・塩化銀参照電極に対して0.6Vの単
純定電位パルスを印加したときの非定常電流応答を第4
図に示す。曲線13は20mMのグルコースを含むリン酸緩衝
溶液に対する応答であり、14はリン酸緩衝溶液のみのブ
ランク溶液に対する応答であって、15は20mMフルクトー
スを含むリン酸緩衝溶液に対する応答である。
Example 2 Measurement of Glucose Concentration Using Simple Pulse The measurement system shown in FIG. 3 was used to measure the glucose concentration. That is, the working electrode 1, the counter electrode 2, and the reference electrode 8 of the sensor element 6 were respectively connected to the potentiostat 10, and the application of the pulse actuated the potentiostat by the signal from the function generator 11.
The unsteady current was recorded in the digital memory scope 12. The unsteady current response when a simple constant potential pulse of 0.6 V was applied to the silver / silver chloride reference electrode was used as the working electrode with the immobilized enzyme electrode prepared using a platinum wire of 50 μm in diameter.
Shown in the figure. Curve 13 is the response to a phosphate buffer solution containing 20 mM glucose, 14 is the response to a blank solution of phosphate buffer solution only, and 15 is the response to a phosphate buffer solution containing 20 mM fructose.

いずれの応答も、1ミリ秒程度で二重層容量の充電によ
ると思われる初期のピーク電流は減衰し、2ミリ秒以降
はファラデー電流が観測されていると思われる。フルク
トース溶液がブランク溶液とほぼ同一の曲線を与えてい
ることから、曲線13と14との差は、20mMの濃度のグルコ
ースの存在によって生成した過酸化水素を、電気化学的
に酸化するに際して流れた電流に由来するものと考えら
れる。そこで、2ミリ秒後のグルコース溶液とブランク
溶液との電流応答の差をセンサ応答と定義し、種々の濃
度におけるセンサ応答を測定した。この結果を第5図に
示すが、センサ応答は濃度に対して一義的に対応してお
り、この応答からグルコース濃度を知ることができる。
しかしながら、第4図に示したデータを再現性良く得る
ためには、センサと溶液とが接触してから測定開始まで
の時間を一定に保たねばならず、また、ブランク溶液に
対する応答もその都度測定することが必要であった。
In both responses, it is considered that the initial peak current, which is considered to be due to charging of the double-layer capacity, attenuates in about 1 millisecond, and the Faraday current is observed after 2 milliseconds. Since the fructose solution gave almost the same curve as the blank solution, the difference between curves 13 and 14 flowed during the electrochemical oxidation of hydrogen peroxide produced by the presence of glucose at a concentration of 20 mM. It is considered to be derived from the electric current. Therefore, the difference in current response between the glucose solution and the blank solution after 2 milliseconds was defined as the sensor response, and the sensor response at various concentrations was measured. The results are shown in FIG. 5, and the sensor response uniquely corresponds to the concentration, and the glucose concentration can be known from this response.
However, in order to obtain the data shown in FIG. 4 with good reproducibility, the time from the contact between the sensor and the solution to the start of measurement must be kept constant, and the response to the blank solution must be kept constant. It was necessary to measure.

実施例3 予備パルスを用いたグルコース濃度の測定 実施例2と同じ装置を用い、第2図に示した予備パルス
7を与えた後、一定時間開回路状態8に保持し、その後
測定パルス9による測定を行った。銀・塩化銀参照電極
に対して0.6Vの定電位予備パルスを60秒間与えた後、10
秒間開回路状態に保ち、引き続いて同じく0.6Vの定電位
測定パルスを印加して得られた非定常電流応答を第6図
に示す。曲線16は、5mMグルコースに対する応答であ
り、17はブランク溶液に対する応答である。
Example 3 Measurement of Glucose Concentration Using Preliminary Pulse Using the same apparatus as in Example 2, after applying the preliminary pulse 7 shown in FIG. 2, the open circuit state 8 was maintained for a certain period of time, and then the measurement pulse 9 was used. The measurement was performed. After applying a 0.6V constant-potential preliminary pulse to the silver / silver chloride reference electrode for 60 seconds,
Fig. 6 shows the unsteady current response obtained by keeping the circuit open for a second and then applying a constant potential measuring pulse of 0.6V. Curve 16 is the response to 5 mM glucose and 17 is the response to the blank solution.

ブランク溶液に対する応答は、5ミリ秒程度で1.5μA
程度であって、10ミリ秒以降はグルコース溶液に対する
応答電流に比較して無視できるほど小さい。即ち、予備
パルスを用いた場合には、ブランク溶液の応答は非常に
小さいので、ブランク溶液に対する応答をその都度測定
して電流値を差し引く操作は必要ない。
Response to blank solution is 1.5 μA in about 5 ms
However, after 10 ms, it is negligibly small compared to the response current to the glucose solution. That is, when the preliminary pulse is used, the response of the blank solution is very small, and therefore it is not necessary to measure the response to the blank solution each time and subtract the current value.

実施例4 センサ応答のグルコース濃度依存 実施例3で得られた非定常電流応答からグルコース濃度
を定めるために、測定パルス印加後一定時間における電
流値とグルコース濃度との関係を求めた。
Example 4 Glucose Concentration Dependence of Sensor Response In order to determine the glucose concentration from the unsteady current response obtained in Example 3, the relationship between the current value and the glucose concentration at a fixed time after the application of the measurement pulse was obtained.

種々のグルコース濃度の試料溶液に対して、実施例3と
同時に予備パルスを20秒間印加した後、10秒間開回路状
態に保ち、その後定電位測定パルスに対する非定常電流
の測定を行い、10ミリ秒後の電流値をセンサ応答とし
て、そのグルコース濃度依存を測定した結果を第7図に
示す。グルコース濃度0.1Mから10mMまでの間で良い直線
性を示しており、予備パルスを用いることによってブラ
ンク溶液に対する応答の測定なしに、測定パルスに対す
る非定常電流値からグルコース濃度を直接定めることが
できることを示している。
Simultaneously with Example 3, a preliminary pulse was applied to sample solutions having various glucose concentrations for 20 seconds, then kept in an open circuit state for 10 seconds, and then a non-steady-state current was measured with respect to a potentiostatic measurement pulse. FIG. 7 shows the results of measuring the glucose concentration dependence of the current value as the sensor response. It shows good linearity between glucose concentrations of 0.1M and 10mM, and that the glucose concentration can be directly determined from the unsteady current value for the measurement pulse by using the preliminary pulse without measuring the response to the blank solution. Shows.

実施例5 パルス印加時間とセンサ応答 実施例2と同じ装置を用いて、実施例3、4と同じ電位
条件にて、第2図におけるパルス印加時間とセンサ応答
の関連について調べた。予備パルス印加時間を1秒から
60秒まで変化させ、10秒間開回路状態に保った後に測定
した10ミリ秒後の非定常電流値を第8図に示す。曲線18
は5mMグルコースを含むリン酸緩衝溶液に対する応答
を、19はブランク溶液に対する応答を示す。
Example 5 Pulse application time and sensor response The same apparatus as in Example 2 was used to examine the relationship between the pulse application time and the sensor response in FIG. 2 under the same potential conditions as in Examples 3 and 4. Pre-pulse application time from 1 second
Fig. 8 shows the non-steady-state current value after 10 milliseconds measured after changing to 60 seconds and keeping the circuit open for 10 seconds. Curve 18
Indicates a response to a phosphate buffer solution containing 5 mM glucose, and 19 indicates a response to a blank solution.

ブランク溶液に対する応答は、予備パルス15秒程度まで
急速に減少し、十分に減衰するには60秒程度を必要とす
る。一方、グルコースに対する応答は、30秒程度でほぼ
一定値をとる。
The response to the blank solution rapidly decreases to about 15 seconds of the preliminary pulse, and about 60 seconds are required for sufficient decay. On the other hand, the response to glucose takes a nearly constant value in about 30 seconds.

一方、開回路時間とセンサ応答との関係を調べるため
に、予備パルス時間を20秒に保ち、開回路時間を1秒か
ら30秒へと変化させた時の、10ミリ秒後の非定常電流値
で定義したセンサ応答を調べた結果を第9図に示す。曲
線20、21、22はそれぞれ10mM、5mM、2mMグルコース溶液
に対する応答である。この結果から開回路状態において
は、主としてグルコース酸化酵素によるグルコースの酸
化反応が進行し、電極表面において過酸化水素の生成が
進行するものと考えられる。
On the other hand, in order to investigate the relationship between the open circuit time and the sensor response, the unsteady current after 10 milliseconds when the preliminary pulse time was kept at 20 seconds and the open circuit time was changed from 1 second to 30 seconds FIG. 9 shows the result of examining the sensor response defined by the value. Curves 20, 21, and 22 are the responses to 10 mM, 5 mM, and 2 mM glucose solutions, respectively. From these results, it is considered that in the open circuit state, the oxidation reaction of glucose mainly by glucose oxidase proceeds, and the production of hydrogen peroxide proceeds on the electrode surface.

以上の結果をまとめると、予備パルス時間の長いほどブ
ランク溶液の与える応答は小さく、開回路時間の長いほ
どセンサ応答は大きくなることがわかる。一方、実用上
の見地に立てば、これらの時間の短い方が迅速分析には
有利である。そこで、予備パルス5秒、開回路時間5秒
の条件で種々の濃度のグルコース溶液に対するセンサ応
答の測定を行った結果を第10図に示す。
Summarizing the above results, it can be seen that the longer the preliminary pulse time, the smaller the response given by the blank solution, and the longer the open circuit time, the larger the sensor response. On the other hand, from a practical point of view, the shorter time is more advantageous for rapid analysis. Therefore, FIG. 10 shows the results of measuring the sensor response to glucose solutions of various concentrations under the conditions of a preliminary pulse of 5 seconds and an open circuit time of 5 seconds.

グルコース濃度ゼロ、即ち、ブランク溶液に対する応答
はゼロとはならないが、それぞれのグルコース濃度に対
して再現性の良いセンサ応答が得られており、予備パル
スを与えた場合、ブランク溶液に対する応答が完全にゼ
ロとなるまで待たない場合にも再現性の良い測定が可能
である場合があり、必要に応じて、この条件によって測
定の迅速化をはかることも可能であることを示してい
る。
The glucose concentration is zero, that is, the response to the blank solution is not zero, but the reproducible sensor response is obtained for each glucose concentration, and when the preliminary pulse is given, the response to the blank solution is completely reduced. It is shown that the measurement can be performed with good reproducibility even when it does not wait until it reaches zero, and it is possible to speed up the measurement under this condition if necessary.

実施例6 応答の再現性の検討 予備パルスの印加による再現性の向上を検討するため
に、予備パルスを用いた場合と単純パルスを用いた場合
とについてセンサ応答を繰り返し測定した。測定装置は
実施例2と同じであり、10mMグルコース溶液を試料と
し、予備パルス時間は20秒、開回路時間は30秒であっ
た。結果の一例を第11図に示す。
Example 6 Examination of Reproducibility of Response In order to examine the improvement of reproducibility by applying the preliminary pulse, the sensor response was repeatedly measured for the case of using the preliminary pulse and the case of using the simple pulse. The measuring apparatus was the same as in Example 2, using a 10 mM glucose solution as a sample, the preliminary pulse time was 20 seconds, and the open circuit time was 30 seconds. An example of the results is shown in FIG.

第11図の白丸は予備パルスを用いない単純パルスの場合
のセンサ応答であり、黒丸が上記予備パルスを用いた結
果である。
The white circles in FIG. 11 show the sensor response in the case of a simple pulse that does not use the preliminary pulse, and the black circles show the results when the preliminary pulse is used.

単純パルスの場合、第1回目の応答は常に異常に大きい
値を与え、2回目以降についても標準偏差3%程度のば
らつきが観測された。一方、予備パルスを用いた場合、
再現性も向上し、標準偏差は0.4%程度となった。
In the case of a simple pulse, the first response always gave an abnormally large value, and a variation with a standard deviation of about 3% was also observed after the second response. On the other hand, when using the preliminary pulse,
The reproducibility was also improved, and the standard deviation was about 0.4%.

「発明の効果」 電気化学的非定常法を酵素包括白金黒電極に適用し、生
体物質の検知に利用することは、センサ応答が試料量に
依存しない迅速分析法を確立するための道を拓いたもの
であったが、ブランク測定を要する等簡便さに難があ
り、糖尿病性網膜症患者等の血糖値の自己管理等に利用
するためのセンサ素子としてはそのままで実用化するに
は困難があった。この発明による予備パルスと開回路状
態との併用によって、実施例3、4、5に示した如く操
作は著しく簡便化することが可能となり、かつ、実施例
6に示した如く信頼性は著しく向上した。
"Effects of the invention" Applying an electrochemical unsteady method to an enzyme-encapsulated platinum black electrode and using it for the detection of biological substances will open the way for establishing a rapid analysis method in which the sensor response does not depend on the sample amount. However, there is a difficulty in convenience such as requiring a blank measurement, and it is difficult to put the sensor element into practical use as it is as a sensor element for use in self-management of blood glucose level of diabetic retinopathy patients and the like. there were. The combined use of the preliminary pulse and the open circuit state according to the present invention makes it possible to remarkably simplify the operation as shown in Examples 3, 4 and 5, and the reliability is remarkably improved as shown in Example 6. did.

以上要するに、この発明の技術的効果は、微量試料に対
して、簡便、かつ、信頼性の高い高感度迅速分析を可能
とする点にある。
In short, the technical effect of the present invention is that it enables simple, reliable, highly sensitive and rapid analysis of a small amount of sample.

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

第1図 この発明において利用するセンサ素子の構成例
である。 第2図 この発明において用いる予備パルスおよび開回
路状態のプログラムの一例である。 第3図 実施例2−実施例6において用いた測定系の概
念図である。 第4図 定電位単純パルスを印加したときの非定常電流
応答の例である。 第5図 定電位単純パルスに対する非定常電流応答を用
いて得られたセンサ応答のグルコース濃度に対する依存
を表す。 第6図 予備パルスを用いたときの非定常電流応答の例
である。 第7図 予備パルスを用いたときの非定常電流応答から
得られたセンサ応答のグルコース濃度依存を表す。 第8図 センサ応答の予備パルス時間に対する依存を表
す。 第9図 開回路状態の時間に対するセンサ応答の依存を
表す。 第10図 予備パルス、開回路状態ともに5秒間としたと
きのセンサ応答を表す。 第11図 単純定電位パルスに対する応答から得られたセ
ンサ応答と予備パルスを用いた場合のセンサ応答の再現
性を比較したものである。 「主要な部分の符号の説明」 1……生体機能物質固定化電極 2……対極 3……銀・塩化銀参照電極 4……ポリエステル樹脂 5……テフロン型枠 6……センサ素子 7……予備パルス 8……開回路期間 9……定電位測定パルス 10……ポテンシオスタット 11……ファンクションジェネレーター 12……ディジタルメモリースコープ 13……20mMグルコースに対する応答 14……ブランク溶液に対する応答 15……20mMフルクトース溶液に対する応答 16……5mMグルコースに対する応答 17……ブランク溶液に対する応答 18……5mMグルコースに対する応答 19……ブランク溶液に対する応答 20……10mMグルコースに対する応答 21……5mMグルコースに対する応答 22……2mMグルコースに対する応答
FIG. 1 is a structural example of a sensor element used in the present invention. FIG. 2 is an example of a preliminary pulse and an open circuit state program used in the present invention. FIG. 3 is a conceptual diagram of a measurement system used in Examples 2 to 6. FIG. 4 is an example of an unsteady current response when a constant potential simple pulse is applied. FIG. 5 shows the dependence of the sensor response obtained by using a non-stationary current response to a constant potential simple pulse on the glucose concentration. FIG. 6 is an example of an unsteady current response when a preliminary pulse is used. FIG. 7 shows the glucose concentration dependence of the sensor response obtained from the unsteady current response when using the preliminary pulse. FIG. 8 shows the dependence of the sensor response on the preliminary pulse time. FIG. 9 shows the dependence of the sensor response on the time of the open circuit state. Figure 10 shows the sensor response when the preliminary pulse and open circuit state are both set to 5 seconds. Fig. 11 is a comparison of the sensor response obtained from the response to a simple constant potential pulse and the reproducibility of the sensor response when a preliminary pulse is used. “Explanation of symbols for main parts” 1 …… Biofunctional substance-immobilized electrode 2 …… Counter electrode 3 …… Silver / silver chloride reference electrode 4 …… Polyester resin 5 …… Teflon mold 6 …… Sensor element 7 …… Preliminary pulse 8 …… Open circuit period 9 …… Constant potential measurement pulse 10 …… Potentiostat 11 …… Function generator 12 …… Digital memory scope 13 …… 20mM Glucose response 14 …… Blank solution response 15 …… 20mM Response to fructose solution 16 …… 5mM Response to glucose 17 …… Blank solution response 18 …… 5mM glucose response 19 …… Blank solution response 20 …… 10mM glucose response 21 …… 5mM glucose response 22 …… 2mM Response to glucose

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】生体機能物質を固定化した白金黒および金
黒等の多孔性電極を用いて電気化学的非定常法により測
定対象物質の検出または濃度の決定を行うシステムにお
いて、定電位測定パルスに先立つ定電位予備パルスによ
る電気化学的な前処理と一定時間の開回路状態を保つこ
とを特徴とする分析方法。
1. A potentiostatic measuring pulse in a system for detecting a substance to be measured or determining a concentration by an electrochemical unsteady method using a porous electrode such as platinum black and gold black on which a biofunctional substance is immobilized. Analytical method characterized in that an electrochemical pretreatment with a constant potential preliminary pulse prior to the above and an open circuit state for a certain period of time are maintained.
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