JPH0721479B2 - Enzyme electrode, sensor using the same, quantitative analysis method - Google Patents

Enzyme electrode, sensor using the same, quantitative analysis method

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JPH0721479B2
JPH0721479B2 JP63120782A JP12078288A JPH0721479B2 JP H0721479 B2 JPH0721479 B2 JP H0721479B2 JP 63120782 A JP63120782 A JP 63120782A JP 12078288 A JP12078288 A JP 12078288A JP H0721479 B2 JPH0721479 B2 JP H0721479B2
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ジェレミー・リチャード・メイスン
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ジョン・レイング・スティアリング
デヴィット・ロバート・ディケイザー
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ケンブリッジ ライフ サイエンシズ ピーエルシー
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導電性基板の上に酵素が固定化されて成り特
異的な基質の存在下でその酵素の触媒活性に電気的に応
答する酵素電極に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention comprises an enzyme immobilized on a conductive substrate and electrically responds to the catalytic activity of the enzyme in the presence of a specific substrate. It relates to an enzyme electrode.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

生体触媒として酵素を導入した電流検出型バイオセンサ
の利点は、これまでにアストンおよびターナー(Aston
and Turner)「バイオテクノロジー・アンド・ジェネテ
ィクス・イングリッシュ・レビュー(Biotec.Genet.En
g.Rev.),G.ラッセル編(ed.G.Russell)」(1984年,
第1巻,89-120ページ,インターセプトニューキャッス
ル・アポン・タイン(Intercept,Newcastle-upon-Tyn
e))あるいはG.デービス(Davis G.)「バイオセンサ
(Biosensors)」(1985年,第1巻,161-178ページ)に
よりある程度論じられている。これらの技術は信号変換
方式が異なっており、大別すれば(a)電極表面で起こ
る酵素反応の生成物の酸化に起因する電気的応答が検出
されるタイプ、(b)酸化還元試薬によって電子が酵素
から電極へと輸送される「メディエータ関与型」と呼ば
れるタイプ、及び(c)上述のようなメディエータを必
要としない「直接電子輸送型」と呼ばれるタイプの三者
となる。以下これらのタイプ(a)〜(c)の反応につ
き、順に概要を述べる。
The advantages of current-sensing biosensors that incorporate an enzyme as a biocatalyst have been the
and Turner) “Biotechnology and Genetics English Review (Biotec.Genet.En
g.Rev.), G. Russell edition (ed.G.Russell) ”(1984,
Volume 1, Pages 89-120, Intercept, Newcastle-upon-Tyn
e)) or G. Davis "Biosensors" (1985, Volume 1, 161-178). These techniques are different in signal conversion method, and are roughly classified into (a) a type in which an electrical response caused by oxidation of a product of an enzymatic reaction occurring on the electrode surface is detected, and (b) an electron by a redox reagent. Are transferred from the enzyme to the electrode, which is called a "mediator participation type", and (c) a type which is called a "direct electron transport type" which does not require a mediator as described above. Hereinafter, the reactions of these types (a) to (c) will be outlined in order.

上記(a)について このタイプの反応は、反応の進行に伴って過酸化水素を
生成するある種のオキシダーゼ(たとえばグルコースオ
キシダーゼ,アルコールオキシダーゼ等)を例にとる
と、次のように表わされる。
Regarding (a) above, this type of reaction is represented as follows, using a certain oxidase (for example, glucose oxidase, alcohol oxidase, etc.) that produces hydrogen peroxide as the reaction progresses.

基質+O2…(オキシダーゼ)酸化生成物+H2O2 この方法では、過酸化水素は定電位電極の表面にて酸化
される。
Substrate + O 2 (oxidase) Oxidation product + H 2 O 2 In this method, hydrogen peroxide is oxidized on the surface of the potentiostatic electrode.

H2O2O2+2H++2e このような過酸化水素から電極への電子の移動に伴って
電気信号が生成され、条件が適当に選ばれれば酵素反応
により生ずる電流の強さは被検物質の濃度に比例するよ
うになる。
H 2 O 2 O 2 + 2H + + 2e An electric signal is generated along with the transfer of electrons from hydrogen peroxide to the electrode. If the conditions are appropriately selected, the strength of the current generated by the enzymatic reaction is It becomes proportional to the concentration of.

グルコースの定量を行う装置としてはこれまでに様々な
ものが提案されているが、それらの多くは再現性,応答
速度,グルコース濃度の適用範囲に制限があった。商業
ベースである程度の成功を収めたものとしては、グルコ
ースを基質,グルコノ−1,5−ラクトンを生成物とする
系において上述の過酸化水素を利用した例がある。ま
た、過酸化水素の二次反応(たとえば比色分析)やコン
ダクタンス等の物理化学的測定にもとづいた方法も知ら
れている。しかしながら、これらの方法は一般に応答速
度が遅いうえ、試料中の酸素圧に非常に影響されやすい
という欠点を有している この酸素圧は時として大きく変動するものであり、分析
を簡便化しようとして酸素圧を低くすると、電流応答の
直線性が劣化して上限付近において予想値よりも低い値
がでる虞れがある。同様のことは、グルコース以外の基
質を使用する間接分析法についても言える。
Various devices have been proposed so far for quantifying glucose, but most of them are limited in reproducibility, response speed, and applicable range of glucose concentration. One of the commercial successes to some extent is the use of hydrogen peroxide in systems where glucose is the substrate and glucono-1,5-lactone is the product. Further, a method based on a physicochemical measurement such as a secondary reaction of hydrogen peroxide (for example, colorimetric analysis) or conductance is also known. However, these methods generally have a slow response speed and are very sensitive to the oxygen pressure in the sample. This oxygen pressure sometimes fluctuates greatly, and it is attempted to simplify the analysis. If the oxygen pressure is lowered, the linearity of the current response may be deteriorated, and a value lower than the expected value may occur near the upper limit. The same applies to indirect analysis methods that use substrates other than glucose.

上記(b)「メディエータ関与型バイオセンサ」につい
て このタイプの反応では、濃度測定の対象である基質と酵
素が反応することにより、酵素が常に還元型(高電子密
度型)に保たれる。この種の反応に基づくセンサを実用
化するには、電子供給源(酵素分子内の電子密度の高い
活性部位など)と電極本体の間の電気的接続を達成する
ことが要件となる。ところが酵素の活性部位は一般に巨
大分子構造の中の割れ目やひだに埋もれて存在している
ため、このような部位へ電極本体が接近することは不可
能であるか、あるいは非常に難しい。従って、信頼性が
高く鋭敏な信号変換を行うためには両者の電気的接続が
必要であるにもかかわらず、これを実際に達成すること
は難しいのである。しかし、ここで電子の担体、すなわ
ち「メディエータ」を使用すれば、酵素−電極間の電子
移動は容易となる。この「メディエータ」は酸化型の時
には酵素から電子を取り込んで還元型となり、次に電子
を電極に供与することにより自身は再び酸化型に戻る。
Regarding (b) "Mediator-involved biosensor" In this type of reaction, the enzyme is always kept in the reduced type (high electron density type) by reacting the substrate whose concentration is to be measured with the enzyme. In order to put this type of reaction-based sensor into practical use, it is necessary to achieve electrical connection between an electron source (such as an electron-dense active site in the enzyme molecule) and the electrode body. However, the active site of the enzyme is generally buried in the crevices or folds in the macromolecular structure, and it is impossible or extremely difficult for the electrode body to approach such a site. Therefore, in order to perform reliable and sensitive signal conversion, electrical connection between the two is necessary, but it is difficult to actually achieve this. However, the use of electron carriers, or "mediators," here facilitates electron transfer between the enzyme and the electrode. When the "mediator" is in the oxidized form, it takes in electrons from the enzyme to become the reduced form, and then donates the electrons to the electrode to return itself to the oxidized form.

近年、グルコースオキシダーゼを固定化した炭素電極を
利用したバイオセンサがいくつか報告されているが、上
述のメディエータをここに応用することができる。たと
えば、塩化シアヌル法により酵素を共有結合により固定
化し、数ヶ月間安定に使用した例をジョンソンおよびゴ
ートン(Jonsson and Gorton)が報告している「バイオ
センサーズ(Biosensors)」,(1985年第1巻,355-369
ページ)。しかし、このセンサにメディエータとして使
用されているN−メチルフェナジニウムイオン(メト硫
酸フェナジン)は不安定で洗浄により失われやすく、使
用するたびに交換しなければならないのが重大な欠点で
ある。また、このセンサにおいてメディエータを介して
行われる電気化学的変換は酵素の還元反応と良く拮抗す
ることが実証されているものの、この電極は酸素濃度の
影響を受けやすい。この他にも、フェロセンあるいはそ
の誘導体をメディエータとし、固定化グルコースオキシ
ダーゼ電極を有するバイオセンサが、キャス(Cass et
al.)らにより報告されている〔アナリティカル・ケミ
ストリー(Analyt.Chem.)56巻,667-673ページ,1984年
及び欧州特許第0,078,636号〕。この場合、メディエー
タを介した電極への電子移動は次のように進行する。
Recently, some biosensors using a carbon electrode on which glucose oxidase is immobilized have been reported, and the above-mentioned mediator can be applied here. For example, "Biosensors" reported by Jonsson and Gorton, in which the enzyme was covalently immobilized by the cyanuric chloride method and stably used for several months, "Biosensors", (1985, 1st Volume, 355-369
page). However, the N-methylphenazinium ion (phenazine methosulfate) used as a mediator in this sensor is unstable and easily lost by washing, and it is a serious drawback that it must be replaced every time it is used. In addition, although it has been demonstrated that the electrochemical conversion carried out via the mediator in this sensor antagonizes the reduction reaction of the enzyme well, this electrode is susceptible to the oxygen concentration. In addition to this, a biosensor using ferrocene or its derivative as a mediator and having an immobilized glucose oxidase electrode is used.
al.) et al. [Analyt Chem. 56, 667-673, 1984 and EP 0,078,636]. In this case, electron transfer to the electrode via the mediator proceeds as follows.

この電極反応機構の詳細については明らかではない。特
に、どのようにして不溶性の還元型フェロセンが電荷を
電極へ運び、環状化合物であるメディエータの活性を維
持しているのかはわかっていない。もっともこの難問は
イオン性のフェロセン誘導体には無関係かも知れない。
更に、本反応における応答速度は同じ酵素反応における
既知の反応速度から予想される電位応答速度よりもかな
り遅く、また電極の寿命も限られている。これらは恐ら
く酵素の安定性の限界に起因しているものである。
The details of this electrode reaction mechanism are not clear. In particular, it is not known how the insoluble reduced ferrocene carries the charge to the electrode and maintains the activity of the cyclic compound mediator. However, this conundrum may not be related to ionic ferrocene derivatives.
Furthermore, the response rate in this reaction is much slower than the potential response rate expected from the known reaction rate in the same enzyme reaction, and the life of the electrode is also limited. These are probably due to the limited stability of the enzyme.

メディエータを信号変換に使用すると、いくつかの問題
点が付随的に生ずる。まず第一はメディエータが生体触
媒を含有する部位から漏出しやすいこと、第二は酸化
型,還元型、あるいはその両方の型のメディエータが拡
散しにくいこと、第三はメディエータ自身が本来的に不
安定なことである。
The use of mediators for signal conversion has several attendant problems. The first is that the mediator easily leaks from the site containing the biocatalyst, the second is that the oxidized and / or reduced mediators are difficult to diffuse, and the third is that the mediator itself is inherently defective. It is stable.

上記(c)「直接電子輸送型バイオセンサ」について メディエータを使用しないバイオセンサを作成する試み
についてはタラセビッチ(Tarasevich)が生物学的電気
触媒作用に関する最近の総説の中で示唆している「バイ
オエレクトロケミストリー(Bioelectrochemistry)」
(第10巻,231-295ページ,1985年)。
Regarding "(c)" Direct Electron Transport Biosensor "" An attempt to create a biosensor without a mediator was suggested by Tarasevich in a recent review of biological electrocatalysis. Chemistry (Bioelectrochemistry) "
(Vol. 10, pp. 231-295, 1985).

かかるバイオセンサは、「無試薬型」あるいは「メディ
エータレス型」と呼ぶことができる。前出のタラセビッ
チの総説の中にはメディエータレス型酵素電極の例が幾
つか紹介されている。これらの電極にはメチルビオロゲ
ンに類似した構造単位やNMP+TCNQ-(N−メチルフェナ
ジニウムテトラシアノ−4−キノジメタン)等の有機導
電性塩のいずれかあるいは両方を含む有機導電性ポリマ
ーが使用されており、これらが電極の性能を改善し、メ
ディエータの役目を果たしている。このような修飾電極
を介して酸化還元タンパクから電子を変換する方法の多
くはこの範疇に属するものである。
Such a biosensor can be called a “reagentless type” or a “mediatorless type”. Some examples of mediatorless enzyme electrodes are introduced in the above-mentioned review article by Tarasevic. These electrodes structural units and is similar to methyl viologen NMP + TCNQ - organic conductive polymer is used comprising either or both of (N- methyl phenazinium tetracyano-4-quinodimethane) organic conducting salts such as , Which improve the performance of the electrodes and act as mediators. Many of the methods for converting electrons from redox proteins through such modified electrodes belong to this category.

ここで問題となるのは、有機導電性ポリマーや有機導電
性塩の本来的な不安定性である。例えば、アルコール検
出用のバイオセンサとして使用されるNMP/TCNQ修飾電極
の寿命半減期は約15日である。この種の電極は、また酸
素の影響を受けやすい。
The problem here is the inherent instability of the organic conductive polymer and the organic conductive salt. For example, the NMP / TCNQ modified electrode used as a biosensor for alcohol detection has a life half-life of about 15 days. This type of electrode is also susceptible to oxygen.

これまでの報告をみると、炭素基板電極を使用している
例がほとんどであるが、本当の意味でメディエータレス
と言える酵素電極はごく僅かであり、失敗例の多いのが
実情である。前出のジョンソン及びゴートンがグルコー
スオキシダーゼの利用に関する最近の論文の中で示唆し
たところによると、問題の主因は酵素の固定化自体にあ
る。つまり、酵素を固定化すると立体障害をはじめとす
る種々の障害により電子移動能が阻害されやすく、どう
してもメディエータが必要になるのである。
According to the reports so far, most of the examples use carbon substrate electrodes, but there are very few enzyme electrodes that can be said to be mediator-less in the true sense, and the fact is that there are many failures. Johnson and Gorton, supra, suggested in a recent paper on the use of glucose oxidase that the main cause of the problem is the immobilization of the enzyme itself. That is, when an enzyme is immobilized, electron transfer ability is apt to be hindered by various obstacles such as steric hindrance, and a mediator is inevitably necessary.

一方、非常に活性の高いオキシダーゼが炭素電極あるい
は白金電極上に固定化された珍しい例も報告されてい
る。たとえばイアニエロ(Ianiello)ら「アナリティカ
ル・ケミストリー(Analyt.Chem.)」(第54巻,1098-11
01ページ,1982年)は、グルコースオキシダーゼとL−
アミノ酸が塩化シアヌル法により炭素電極上に共有結合
されているメディエータレス型センサを紹介している。
On the other hand, a rare example in which a highly active oxidase is immobilized on a carbon electrode or a platinum electrode has also been reported. For example, Ianiello et al. "Analyt. Chem." (Vol. 54, 1098-11)
01, 1982) is glucose oxidase and L-
Introducing a mediatorless sensor in which amino acids are covalently bonded on a carbon electrode by the cyanuric chloride method.

しかし、イアニエロとヤシニッチ(Yacynych)によると
「アナリティカル・ケミストリー(Analyt.Chem.)」
(第53巻,2090-2095ページ,1981年)、このセンサの寿
命半減期は20〜30日と短い。また、酸素の影響について
は明らかにされていない。
However, according to Ianiero and Yacynych, "Analyt. Chem."
(Vol. 53, pp. 2090-2095, 1981), the life half-life of this sensor is as short as 20 to 30 days. Moreover, the effect of oxygen has not been clarified.

上述のような原理に基づいて機能するバイオセンサ、特
にグルコースセンサは従来数多く開示されており、その
代表的な選択方法も広く受け入れられている。ここで
は、松下電器産業株式会社が日本国特開昭第56−163447
号公報に開示した技術を特に検討する。この公報は、間
接型グルコース電極を開示したものである。ここでは、
グルコースオキシダーゼの存在下でグルコースが酸化さ
れて生成された過酸化水素を白金電極上で酸化させて、
試料の基質(この場合はグルコース)の濃度に比例した
酸化電流を得ている。
A large number of biosensors, particularly glucose sensors, which function based on the above-described principle have been disclosed in the related art, and a typical selection method thereof has been widely accepted. Here, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
The technology disclosed in the publication will be particularly examined. This publication discloses an indirect glucose electrode. here,
The hydrogen peroxide produced by the oxidation of glucose in the presence of glucose oxidase is oxidized on a platinum electrode,
An oxidation current proportional to the concentration of the sample substrate (glucose in this case) is obtained.

この電極は固定化グルコースオキシダーゼ等の固定化酵
素層を支持する導電性の炭素基板より構成されている。
この導電性基板自体はフルオロカーボン樹脂をバインダ
ーとして10重量%以内の割合で含むグラファイト粒子に
より成形されており、当該基板の上には厚さ1μm以下
の白金薄膜が電解作用若しくは蒸着により析出されてい
る。前出の日本国特開昭第56-163447号に開示された発
明においては、白金の表面に直接酵素を固定化させるこ
とに伴う不都合が回避され、応答性が5秒と速く、高感
度で持続性あることを特徴とする酵素電極が紹介されて
いる。しかし最近の実験でかかる酵素電極を使用して
も、上記の種々の効果を得るには至らなかった。
This electrode is composed of a conductive carbon substrate that supports an immobilized enzyme layer such as immobilized glucose oxidase.
The conductive substrate itself is formed of graphite particles containing a fluorocarbon resin as a binder in a proportion of 10% by weight or less, and a platinum thin film having a thickness of 1 μm or less is deposited on the substrate by electrolytic action or vapor deposition. . In the invention disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 56-163447, the inconvenience caused by immobilizing the enzyme directly on the surface of platinum is avoided, the response is as fast as 5 seconds, and the sensitivity is high. An enzyme electrode characterized by being persistent has been introduced. However, in recent experiments, the use of such an enzyme electrode has not led to the above-mentioned various effects.

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

従って、主としてグルコースバイオセンサに用いられ、
信頼性,再現性,早い応答速度と高感度性,及び長期に
わたる安定性を有する酵素電極は依然として必要とされ
ているのである。
Therefore, it is mainly used for glucose biosensors,
There remains a need for reliable, reproducible, fast response and sensitivity, and long-term stability enzyme electrodes.

本発明は、かかる実情に鑑みて提案されたものであっ
て、新規な炭素基板を酵素電極として用い、電極上にグ
ルコースオキシダーゼ等の酵素をより効果的な方法で固
定化することにより、応答性,安定性の優れた電流検出
型センサを提供することを目的とするものである。
The present invention has been proposed in view of such circumstances, using a novel carbon substrate as an enzyme electrode, and by immobilizing an enzyme such as glucose oxidase on the electrode in a more effective manner, the responsiveness is improved. The purpose of the present invention is to provide a current detection type sensor with excellent stability.

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

本発明が提供する改良された酵素電極は、特に所望しな
い限りメディエータを用いなくてもすむほか、非常に低
濃度の溶存酸素の存在下でも機能する。また、上記酵素
電極1cm2あたりの電流密度は10mMグルコース溶液中に
て数百マイクロアンペアと、電流応答特性にも優れる。
かかる電流応答特性は従来の電流検出型バイオセンサに
比して優れているため、電極面積が1mm2以下で0〜100
nAの電流を発生できるようなマイクロプローブ型バイオ
センサの製造にも適している。
The improved enzyme electrodes provided by the present invention do not require the use of mediators unless otherwise desired and also function in the presence of very low concentrations of dissolved oxygen. Further, the current density per cm 2 of the enzyme electrode is several hundred microamperes in a 10 mM glucose solution, which is excellent in current response characteristics.
Since such current response characteristics are superior to conventional current detection biosensors, 0 to 100 when the electrode area is 1 mm 2 or less.
It is also suitable for manufacturing microprobe biosensors that can generate a current of nA.

当該電極はまた非常に微量の固定化酵素を用いて構成す
ることもできる。すなわち保護膜なしの場合には1〜2
秒、保護膜がある場合でも10〜30秒と、従来のいかなる
グルコースセンサよりも速いグルコース応答特性を有す
る。また、この電極は浸漬した状態で保管されれば室温
においても優れた安定性を発揮する。
The electrodes can also be constructed with very small amounts of immobilized enzyme. That is, 1-2 without a protective film
Second, even with a protective film, it has a glucose response speed of 10 to 30 seconds, which is faster than any conventional glucose sensor. In addition, this electrode exhibits excellent stability even at room temperature if it is stored in a dipped state.

この電極の応答特性は数ヵ月使用した後でも、優れてい
た。適用濃度範囲は広く、通常よりもかなり低い電位で
機能し(通常の650mVに対して本電極は325mV)、動作電
位におけるバックグラウンド電流値は非常に低い。
The response characteristics of this electrode were excellent even after several months of use. The applicable concentration range is wide, and it works at a much lower potential than usual (this electrode is 325 mV as compared to the usual 650 mV), and the background current value at the operating potential is very low.

本発明にかかる酵素電極あるいはバイオセンサは、特異
的基質の存在下において酵素の触媒活性に電気的に応答
することが可能な酵素電極において、予め高純度の白金
族金属と均一に混合させるか,あるいは該白金族金属を
個々の粒子の表面に析出または吸着させたカーボン粒子
もしくはグラファイト粒子を樹脂バインダーを用いて成
形することにより形成され、実質的に不均一な樹脂固着
カーボン層あるいは樹脂固着グラファイト層中に白金族
金属が均一に分散されてなる多孔質導電性基板層により
導電性支持体の少なくとも一部が構成されてなり、該多
孔質導電性基板層の表面に酵素が固定化または吸着され
て成るものである。従って、本発明にかかる酵素電極は
前出の日本国特開昭第56−163447号公報に開示されてい
る積層型均一白金被膜炭素電極とは異なり、樹脂バイン
ダーにより結合されたカーボン粒子あるいはグラファイ
ト粒子から成る極めて不均一な層を少なくとも有し、こ
の層の中に白金族元素が極めて均一に分散されたもので
ある。上記樹脂バインダーにより結合されたカーボン粒
子の層は、成形して基板とされる前にコロイド状の白金
またはパラジウムを予め析出あるいは吸着させたカーボ
ン粒子を使用して形成されることがより望ましい。ま
た、本発明において白金被膜付きカーボン粒子を成形し
て電極基板とする際に使用される樹脂バインダーとして
は、ポリテトラフルオロエチレンが特に好ましい。
The enzyme electrode or biosensor according to the present invention is prepared by uniformly mixing with a high-purity platinum group metal in advance in an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, Alternatively, it is formed by molding carbon particles or graphite particles in which the platinum group metal is deposited or adsorbed on the surface of individual particles using a resin binder, and is a substantially non-uniform resin-fixed carbon layer or resin-bonded graphite layer. At least a part of the conductive support is composed of a porous conductive substrate layer having a platinum group metal uniformly dispersed therein, and an enzyme is immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer. It consists of Therefore, the enzyme electrode according to the present invention is different from the laminated type uniform platinum-coated carbon electrode disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 56-163447 in the above-mentioned carbon particles or graphite particles bonded by a resin binder. And a platinum group element dispersed very uniformly in the layer. The layer of carbon particles bound by the resin binder is more preferably formed by using carbon particles in which colloidal platinum or palladium is previously deposited or adsorbed before being formed into a substrate. Further, polytetrafluoroethylene is particularly preferable as the resin binder used when the carbon particles having a platinum coating are molded into an electrode substrate in the present invention.

本発明にかかる酵素電極の構成をもう少し詳しく論ずる
と、まず電極はたとえば白金やパラジウム等の白金族元
素を予め表面に吸着させたカーボン粉末が樹脂バインダ
ーで結合されている層を少なくとも有する導電性基板か
ら成ることが望ましい。
To discuss the structure of the enzyme electrode according to the present invention in a little more detail, first, the electrode is a conductive substrate having at least a layer in which carbon powder having platinum group elements such as platinum and palladium adsorbed on the surface in advance is bound with a resin binder. It is desirable to consist of

上記カーボン粉末としては、後に行われる酵素の固定化
に支障を来さないものであればいかなるものを使用して
も良く、このためにはカルボキシル基、アミノ基、含イ
オン基等の官能基を表面に多く有するものが使用され
る。このようなカーボン粉末は、酵素を良く吸着するこ
とのできないガラス状カーボンとは全く対照的なもので
ある。粒径は3〜50nm、より好ましくは5〜30nmであ
る。
As the carbon powder, any one may be used as long as it does not hinder the subsequent immobilization of the enzyme. Those that have a lot on the surface are used. Such a carbon powder is in direct contrast to glassy carbon, which does not adsorb enzymes well. The particle size is 3 to 50 nm, more preferably 5 to 30 nm.

上記カーボン粒子上へ白金(あるいはパラジウム)を析
出させる方法としては、蒸着、電気化学的析出、あるい
はコロイド懸濁液からの単純吸着等が好適であるが、カ
ーボン粒子と白金族金属を単に混合してもよい。いずれ
の場合にも、白金族金属の割合の範囲は、炭素の重量を
基準として1〜20重量%、より望ましくは5〜15重量%
である。しかし、上記範囲は絶対的なものではなく、実
用上の観点から定められたものである。白金族金属の割
合が1重量%未満の場合には、よほど感度の高い装置を
使用しない限り信号強度が低下して測定困難となる。ま
た白金族金属の割合が20重量%よりも大きいと、コスト
高となる割には応答速度や感度の改善効果が少なく、実
際のところ白金族金属の割合が極端に多いときにはかえ
って感度が低下する。したがって、カーボン粒子上に白
金族金属被膜あるいはパラジウム被膜を形成するには、
たとえば塩化白金酸等の化合物の酸化分解によるか、あ
るいはたとえば英国特許第1,357,494号,米国特許第4,0
44,193号,同第4,166,143号等に開示されているよう
に、酸化されやすい配位子を有する白金あるいはパラジ
ウムの錯体を使用してコロイド状の白金あるいはパラジ
ウムを直接にカーボン粒子表面へ析出させることが好ま
しい。
As a method for depositing platinum (or palladium) on the carbon particles, vapor deposition, electrochemical deposition, simple adsorption from a colloidal suspension or the like is preferable, but carbon particles and platinum group metal are simply mixed. May be. In any case, the platinum group metal proportion ranges from 1 to 20% by weight, more preferably from 5 to 15% by weight, based on the weight of carbon.
Is. However, the above range is not absolute, but is determined from a practical point of view. If the proportion of platinum group metal is less than 1% by weight, the signal strength will be reduced and measurement will be difficult unless a device having extremely high sensitivity is used. Also, if the proportion of platinum group metal is more than 20% by weight, the cost is high, but the response speed and sensitivity improvement effect is small. In fact, if the proportion of platinum group metal is extremely large, the sensitivity is rather reduced. . Therefore, to form a platinum group metal coating or a palladium coating on carbon particles,
For example, by oxidative decomposition of compounds such as chloroplatinic acid, or for example, British Patent No. 1,357,494, US Pat.
As disclosed in Nos. 44,193 and 4,166,143, colloidal platinum or palladium can be directly deposited on the surface of carbon particles by using a complex of platinum or palladium having a ligand that is easily oxidized. preferable.

このようにして白金あるいはパラジウムの被膜を形成し
たカーボン粒子を、次に適当な撥水性樹脂バインダーを
使用して成形する。このときの撥水性樹脂バインダーと
してはポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が特
に好ましい。これにより、樹脂をバインダーとして上記
の白金被膜付きあるいはパラジウム被膜付きカーボン粒
子を主体とする完全な自立型多孔質体を成形するか、あ
るいはより一般的には樹脂をバインダーとする粒子から
なる多孔質層を金属,炭素,グラファイト等の導電性基
板の表面に成形する。樹脂をバインダーとする上記白金
被膜付きカーボン粒子層を形成する基板の材料として特
に好ましいものとしては、たとえば米国特許第4,229,49
0号に開示されているカーボン紙や、米国特許第4,293,3
96号に開示されている開孔型カーボン布が挙げられる。
空孔率をできるだけ大きくとるためには、バインダーと
して使用する樹脂の量を電極層の構造性と安定性を確保
するために必要最小限とする。このときの電極層の厚さ
は例外もあるが0.1〜0.5mm程度かあるいはこれ以下とさ
れるのが普通である。構造性,機械強度,および空孔率
を適正化する観点から、樹脂バインダーの量は白金被膜
付きあるいはパラジウム被膜付きカーボン粉末の重量を
基準として、最低でも5〜10重量%、多くとも80重量%
に選ばれ、通常は30〜70%の範囲とされる。樹脂バイン
ダーの量が5重量%未満であるとカーボン粒子,グラフ
ァイト粒子を互いに結びつけるに不十分である。逆に80
重量%を越えるとカーボン粒子あるいはグラファイト粒
子の含有量が相対的に小さくなり過ぎて出力信号が非常
に弱くなるので記録装置として非常に高感度のものが必
要になってしまう。
The carbon particles thus coated with platinum or palladium are then molded using a suitable water repellent resin binder. As the water-repellent resin binder at this time, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene is particularly preferable. By this, a completely self-supporting porous body mainly composed of the above-mentioned platinum-coated or palladium-coated carbon particles using a resin as a binder is formed, or more generally, a porous material composed of particles using a resin as a binder is formed. The layer is formed on the surface of a conductive substrate such as metal, carbon or graphite. Particularly preferable materials for the substrate for forming the platinum-coated carbon particle layer using a resin as a binder include, for example, U.S. Pat. No. 4,229,49.
Carbon paper disclosed in US Pat. No. 4,293,3
The open-pore type carbon cloth disclosed in No. 96 is mentioned.
In order to maximize the porosity, the amount of the resin used as the binder is set to the minimum necessary for ensuring the structure and stability of the electrode layer. The thickness of the electrode layer at this time is usually 0.1 to 0.5 mm or less, though there are exceptions. From the viewpoint of optimizing structural properties, mechanical strength, and porosity, the amount of resin binder is at least 5 to 10% by weight, and at most 80% by weight, based on the weight of the carbon powder with platinum coating or palladium coating.
It is usually selected in the range of 30-70%. If the amount of the resin binder is less than 5% by weight, the carbon particles and the graphite particles are insufficiently bound to each other. Conversely 80
If it exceeds 5% by weight, the content of carbon particles or graphite particles becomes relatively small and the output signal becomes very weak, so that a recording device having very high sensitivity is required.

樹脂としては導電性,半導電性のものも含めてあらゆる
種類のものが使用できるが、合成フッ素樹脂、特にポリ
テトラフルオロエチレンが好ましい。ここで、酸化の過
程を考慮するとこのバインダーは酸素透過性であること
が必要である。このため、上記バインダーは大気圧下で
酸素溶解度が最小でなければならず、その値は常温常圧
下でバインダー1cm3あたり少なくとも酸素2×10-3cm3
とする。
As the resin, all kinds of resins including conductive and semi-conductive resins can be used, but synthetic fluororesin, particularly polytetrafluoroethylene is preferable. Here, considering the process of oxidation, this binder needs to be oxygen permeable. For this reason, the above binder must have the minimum oxygen solubility under atmospheric pressure, and the value is at least 2 × 10 −3 cm 3 of oxygen per 1 cm 3 of binder under normal temperature and normal pressure.
And

使用できるバインダーおよびそれらの酸素溶解度を「ポ
リマー・ハンドブック(The Polymer Handbook)」〔J.
ブランドラップ及びE.H.イマーグート編(Ed.J.Brandru
p and E.H. Immergut)(第1版,1967年,インターサイ
エンス社刊(Interscience))〕から抜粋すると以下の
ようになる。
The binders that can be used and their oxygen solubilities are described in "The Polymer Handbook" [J.
Brand wrap and EH Immagut edition (Ed.J.Brandru
p and EH Immergut) (1st edition, 1967, published by Interscience) (Interscience)]

溶解度 ×102(cm3) ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) 0.276 PTFE以外のフッ素樹脂 0.2以上(変動あり) ポリメタクリル酸エチル 8.6 ポリスチレン 18.2(計算値) ポリ酢酸ビニル 6.3 ポリ塩化ビニル 2.92 ポリカーボネート 0.51 ポリ(4−メチルペンテン−1) 24.3 ポリイソプレン 10.3 ポリクロロプレン 7.5 ポリ1,3−ブタジエン 9.7 シリコンゴム 31.1 本発明において使用される電極基板として好ましいもの
は、プロトテック社(米国,マサチューセッツ州)から
プロトテック(Prototech)の商標名で市販され、燃料
電池の電気触媒型気体拡散電極として使用されている一
連の材料がある。これらの材料の調製法は前出の米国特
許第4,044,193号、同第4,166,143号、同第4,293,396
号、および米国特許第4,478,696号に詳述されており、
これらの参照文献まで入手できれば完璧である。概要を
述べると、粒径50〜300Å(5〜30nm)カーボン粒子表
面に粒径15〜25Å(1.5〜2.5nm)のコロイド状白金が吸
着されたものであり、この吸着の様式はたとえばカーボ
ン粒子自身が核形成剤となってその場ですぐに白金ゾル
が形成されるといったものである。
Solubility × 10 2 (cm 3 ) Polytetrafluoroethylene (PTFE) 0.276 Fluororesin other than PTFE 0.2 or more (variable) Polyethyl methacrylate 8.6 Polystyrene 18.2 (calculated value) Polyvinyl acetate 6.3 Polyvinyl chloride 2.92 Polycarbonate 0.51 Poly ( 4-Methylpentene-1) 24.3 Polyisoprene 10.3 Polychloroprene 7.5 Poly 1,3-butadiene 9.7 Silicone rubber 31.1 The preferred electrode substrate used in the present invention is Prototech (Massachusetts, USA) Prototech (US). There is a series of materials marketed under the trade name of Prototech) and used as electrocatalytic gas diffusion electrodes for fuel cells. The method for preparing these materials is described in the above-mentioned U.S. Pat.Nos. 4,044,193, 4,166,143, and 4,293,396.
, And U.S. Pat.No. 4,478,696,
It would be perfect if these references were available. The outline is that colloidal platinum with a particle size of 15 to 25Å (1.5 to 2.5 nm) is adsorbed on the surface of carbon particles with a particle size of 50 to 300 Å (5 to 30 nm). It acts as a nucleating agent and immediately forms platinum sol on the spot.

次にこの白金被膜付きカーボン粒子は、合成樹脂バイン
ダーを使用してカーボン紙等の導電性支持体上に成形さ
れる。このとき、上記合成樹脂バインダーがフッ素樹
脂、特にポリテトラフルオロエチレンであればなお好ま
しい。
Next, the platinum coated carbon particles are molded on a conductive support such as carbon paper using a synthetic resin binder. At this time, it is more preferable that the synthetic resin binder is a fluororesin, particularly polytetrafluoroethylene.

また別の技術として、白金被膜付きカーボン粒子を予め
成形された多孔質カーボン布に含浸させ、フッ素樹脂,
特にポリテトラフルオロエチレンを用いて結合させたも
のが前出の米国特許第4,293,396号に開示されている。
これに対し、本発明において使用される材料はプロトテ
ックに限られず、白金被膜付きあるいはパラジウム被膜
付きカーボン粒子が樹脂結合剤を使用して成形された類
似の材料も含むものである。特に、米国特許第4,229,49
0号に開示されている燃料電池の電極のような材料、す
なわちポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂を含
浸させたカーボン紙を支持体とし、この上にスクリーン
印刷等により白金黒とカーボン粒子あるいはグラファイ
ト粒子との均一混合物にやはりポリテトラフルオナエチ
レン等の撥水性の樹脂をバインダーとして混入した触媒
層が形成されたものも使用できるものと思われる。
Another technique is to impregnate preformed porous carbon cloth with platinum-coated carbon particles,
In particular, those bonded using polytetrafluoroethylene are disclosed in the aforementioned US Pat. No. 4,293,396.
On the other hand, the material used in the present invention is not limited to Prototech, and includes a similar material in which platinum-coated or palladium-coated carbon particles are molded using a resin binder. In particular, U.S. Pat.
A material such as a fuel cell electrode disclosed in No. 0, that is, carbon paper impregnated with a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene is used as a support, and platinum black and carbon particles or carbon particles are formed thereon by screen printing or the like. It is considered that the one in which a catalyst layer formed by mixing a water-repellent resin such as polytetrafluoraethylene as a binder in a homogeneous mixture with graphite particles is also usable.

上述のような樹脂バインダーを有する白金被膜付きある
いはパラジウム被膜付き炭素基板の表面に酵素を固定化
する方法としては、カルボジイミドやカルボニルジイミ
ダゾールを介した共有結合法、1,6−ジニトロ−3,4−ジ
フルオロベンゼン(DFDNB)を介した共有結合法、グル
タルアルデヒドを利用した架橋法等を始めとする従来公
知のあらゆる方法を採用することができる。
As a method for immobilizing an enzyme on the surface of a platinum-coated or palladium-coated carbon substrate having a resin binder as described above, a covalent bond method via carbodiimide or carbonyldiimidazole, 1,6-dinitro-3,4 Any conventionally known method such as a covalent bond method using difluorobenzene (DFDNB) and a cross-linking method using glutaraldehyde can be adopted.

一例として、グルコースオキシダーゼの固定化の手順を
以下に示す。
As an example, the procedure for immobilizing glucose oxidase is shown below.

A.カルボジイミド処理 1.プロトテック電極用シートから適当な大きさの電極を
切り出す。
A. Carbodiimide treatment 1. Cut an electrode of appropriate size from the Prototech electrode sheet.

2.切り出した電極を約5分間エタノールに浸漬し、ポリ
テトラフルオロエチレンでコーティングされたバインダ
ーや裏打ち層に十分に含浸させる。
2. Immerse the cut electrode in ethanol for about 5 minutes to fully impregnate the binder and backing layer coated with polytetrafluoroethylene.

3.電極をエタノールから引き上げ、エタノールが残存し
ないよう蒸留水で完全に洗浄する。
3. Pull up the electrode from ethanol and wash it completely with distilled water so that ethanol does not remain.

4.1−シクロヘキシル−3−(2−モルフォリノ)カル
ボジイミドのp−メチルトルエンスルホン酸塩を0.1M酢
酸緩衝液(pH4.5)中に0.15M濃度に溶解した溶液5ml
(あるいはこれ以下)を用意し、上記電極をこの溶液中
に室温にて90分間浸漬する。このときシェーカーを利用
して穏やかに震盪しても良い。電極が溶液表面に浮き上
がって良く浸漬しなかった場合には、以上の処理を上記
操作2から再度繰り返す。
5 ml of a solution of p-methyltoluenesulfonate of 4-cyclohexyl-3- (2-morpholino) carbodiimide dissolved in 0.1M acetate buffer (pH 4.5) at a concentration of 0.15M
(Or less) and soak the electrode in this solution for 90 minutes at room temperature. At this time, you may shake gently using a shaker. When the electrode floats on the surface of the solution and is not soaked well, the above process is repeated from the above operation 2.

5.電極を引き上げ、蒸留水で完全に洗浄する。次にグル
コースオキシダーゼを5.0mg/mlの割合でpH5.6の酢酸緩
衝液に新しく溶解し、この溶液中に上記の電極を室温に
て90分間浸漬し、穏やかに震盪する。
5. Pull up the electrode and wash it thoroughly with distilled water. Next, glucose oxidase is newly dissolved in an acetate buffer of pH 5.6 at a rate of 5.0 mg / ml, and the above electrode is immersed in this solution at room temperature for 90 minutes and gently shaken.

6.酵素溶液から電極を引き上げ、0.1M酢酸緩衝液で完全
に洗浄する。これで電極は完成である。
6. Pull the electrode out of the enzyme solution and wash it thoroughly with 0.1 M acetate buffer. The electrode is now complete.

7.電極の保存は、0.1M酢酸緩衝液(pH5.6)中、4℃で
行う。
7. Store the electrode in 0.1M acetate buffer (pH 5.6) at 4 ℃.

B.カルボニルジイミダゾール処理 1.上記操作1を行う。上記操作2および操作3は省略す
る。
B. Carbonyldiimidazole treatment 1. Perform operation 1 above. The above operations 2 and 3 are omitted.

2.N,N'−カルボニルジイミダゾールを無水ジメチルホル
ムアミドに40mg/mlの割合で溶解する。
2. Dissolve N, N'-carbonyldiimidazole in anhydrous dimethylformamide at a rate of 40 mg / ml.

3.この溶液中に上記電極を室温にて90分間浸漬する。必
要があれば穏やかに震盪する 4.電極を引き上げ、余分のカルボニルジイミダゾール溶
液を乾燥除去する。次に、この電極を新たに調製したグ
ルコースオキシダーゼ溶液に90分間浸漬する。
3. Immerse the electrode in this solution at room temperature for 90 minutes. Shake gently if necessary 4. Pull up the electrode and dry off excess carbonyldiimidazole solution. Next, this electrode is immersed in a newly prepared glucose oxidase solution for 90 minutes.

5.上記操作6および操作7を行う。5. Perform steps 6 and 7 above.

C.DFDNB処理 1.上記Aの操作1ないし操作3を行う。C. DFDNB treatment 1. Perform steps 1 to 3 of A above.

2.電極を0.1Mホウ酸ナトリウム溶液(pH8.5)で完全に
洗浄する。
2. Thoroughly wash the electrode with 0.1 M sodium borate solution (pH 8.5).

3.1,6−ジニトロ−3,4−ジフルオロベンゼンをメタノー
ルに0.1021g/5mlの割合で溶解する。この溶液中に電極
を室温にて10分間浸漬する。
3.1,6-Dinitro-3,4-difluorobenzene is dissolved in methanol at a rate of 0.1021 g / 5 ml. The electrode is immersed in this solution for 10 minutes at room temperature.

4.電極を引き上げ、ホウ酸ナトリウム溶液で完全に洗浄
する。次に、この電極をグルコースオキシダーゼ溶液に
室温にて90分間浸漬する。
4. Pull up the electrode and wash it thoroughly with sodium borate solution. Next, this electrode is immersed in a glucose oxidase solution at room temperature for 90 minutes.

5.上記操作6および操作7を行う。5. Perform steps 6 and 7 above.

かかる固定化の工程には、他にも種々の鎖長を有する二
官能基系の試薬を使用することができ、たとえばジメチ
ルマロニミデートやジメチルスベリミデートといったジ
ミデート類が用いられる。
In the immobilization step, other bifunctional group-type reagents having various chain lengths can be used. For example, dimidates such as dimethylmalonimidate and dimethylsuberimidate are used.

また、酵素の種類によっては、架橋法等によらなくとも
樹脂バインダーにより固着された白金被膜付きあるいは
パラジウム被膜付きカーボン粒子の支持体の上に単に酵
素を吸着させるだけでも有効であることがわかってお
り、グルコースオキシダーゼを用いて確かめられてい
る。
Further, depending on the type of enzyme, it has been found that simply adsorbing the enzyme on the support of the platinum-coated or palladium-coated carbon particles fixed by a resin binder is effective even without using a crosslinking method or the like. And confirmed using glucose oxidase.

固定化酵素の表面の層は通常ポリカーボネート等の適当
な多孔質の保護フィルム若しくは保護膜を設けることに
より物理的に保護することができる。もっとも上記の保
護フィルム・保護膜は、定量されるグルコース等の酵素
基質を透過させ得るものでなければならないことは言う
までもない。これらの保護膜を設けるとセンサの応答速
度がやや遅くなるので、その点不利といえなくもない
が、本発明にかかる酵素電極あるいはバイオセンサの応
答速度はかかる保護膜が設けられていても従来の酵素電
極の応答速度と同等か、もしくはそれ以上である。
The surface layer of the immobilized enzyme can be physically protected by providing an appropriate porous protective film or protective film such as polycarbonate. Needless to say, however, the above-mentioned protective film / protective film must be capable of permeating an enzyme substrate such as glucose that is quantified. Since the response speed of the sensor becomes slightly slower when these protective films are provided, it cannot be said that there is a disadvantage in that, but the response speed of the enzyme electrode or the biosensor according to the present invention is the same even if such a protective film is provided. The response speed of the enzyme electrode is equal to or higher than that.

上述したように、本発明はグルコースオキシダーゼを固
定化酵素とするグルコースオキシダーゼ電極を念頭にお
いたものであるが、他の酸化還元酵素(オキシドリダク
ターゼ)を使用することも無論可能である。しかし、他
の酸化還元酵素を使用した場合には常に本件と同等の効
果を挙げられるとは限らない。これは、それらの酵素が
本来無効であるからでは必ずしもなく、別の要因による
ものである。たとえば、シュウ酸オキシダーゼを用いて
シュウ酸の定量を行う場合、基質であるシュウ酸自体が
電極基板上で電気化学的に酸化されて、酵素作用の大部
分をマスキングしてしまう。
As described above, the present invention has the glucose oxidase electrode with glucose oxidase as the immobilized enzyme in mind, but it is of course possible to use other oxidoreductases. However, the use of other oxidoreductases does not always give the same effect as this case. This is not necessarily because the enzymes are ineffective by nature, but because of another factor. For example, when oxalic acid is quantified using oxalate oxidase, the substrate oxalic acid itself is electrochemically oxidized on the electrode substrate and masks most of the enzymatic action.

しかし、ラクテートオキシダーゼ、ガラクトースオキシ
ダーゼ、コレステロールオキシダーゼ等の過酸化物生成
酵素は好適である。
However, peroxide-forming enzymes such as lactate oxidase, galactose oxidase, cholesterol oxidase are preferred.

また、複合酵素系も可能であり、たとえば第一の基質に
作用してオキシダーゼのための第二の基質を生成する非
オキシダーゼと、上記第二の基質に作用して第一の基質
の濃度に比例した電流を発生させるオキシダーゼとを組
み合わせた系が考えられる。このような組み合わせの例
としては、β−ガラクトシダーゼとグルコースオキシダ
ーゼからなる二酵素系(ラクトース定量用)、β−グル
カン分解酵素とβ−グルコシダーゼとグルコースオキシ
ダーゼからなる三酵素系(β−グルカン定量用)、イン
ベルターゼとムターゼとグルコースオキシダーゼからな
る三酵素系(シュクロース定量用)等がある。
A complex enzyme system is also possible, for example a non-oxidase that acts on a first substrate to produce a second substrate for an oxidase and a concentration on the first substrate that acts on the second substrate. A system in combination with an oxidase that generates a proportional current can be considered. Examples of such a combination include a two-enzyme system consisting of β-galactosidase and glucose oxidase (for lactose quantification), a three-enzyme system consisting of β-glucan degrading enzyme, β-glucosidase and glucose oxidase (for quantification of β-glucan). , A three-enzyme system consisting of invertase, mutase and glucose oxidase (for sucrose quantification) and the like.

さらにセンサの別の応用形態としては、まず前駆体反応
により第一の基質に作用し、その生成物を本発明にかか
る酵素電極の基質とするような試薬(酵素であってもな
くても可)やプロセスを利用するものも可能である。
Further, as another application form of the sensor, first, a reagent that acts on the first substrate by a precursor reaction and uses the product as a substrate of the enzyme electrode according to the present invention (whether an enzyme or not) ) And processes are also possible.

このような前駆体反応の例は免疫反応の分野に多く見ら
れるものである。免疫センサも含めた各種センサを構築
するうえで、上述のような反応に基づく酵素電極を使用
することは、当業者であれば容易であろう。
Examples of such precursor reactions are common in the field of immune reactions. It will be easy for those skilled in the art to use the above-mentioned reaction-based enzyme electrode in constructing various sensors including an immunosensor.

しかしながら本発明にかかる酵素電極は、特に血液,血
清,血漿,尿,汗,涙,唾液等の臨床試料中に存在する
グルコース等の還元性基質を検出または定量するための
バイオセンサとしてまず適用されることを念頭においた
ものである。
However, the enzyme electrode according to the present invention is first applied as a biosensor for detecting or quantifying reducing substrates such as glucose present in clinical samples such as blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, and saliva. With that in mind.

非臨床分野への応用としては、次のようなものが考えら
れる。
The following are possible applications in the non-clinical field.

(a)醗酵過程の監視 (b)産業工程管理 (c)環境モニタリング、即ち排ガスや排液による汚染
の管理 (d)食品検査 (e)獣医学的応用、特に上述の臨床的応用に類似する
もの 本発明にかかる酵素電極材料を採用しているバイオセン
サ等の各種センサにおいては、その他の構造部材、電
線、非導電(絶縁)支持体やプローブ等に従来公知のも
のを使用することができ、詳述するまでもない。しかし
敢えて言うならば、電極材料は一般に紙製の薄手シート
かウェハである。バイオセンサの場合は、絶縁支持体あ
るいはプローブの上に電極材料が搭載され、サンプル中
に浸漬できるようになっているのが普通である。このよ
うな場合の電極材料の大きさは実際には非常に小さく、
数平方mmを越えることはまずない。電極材料との電気的
接触はいろいろな方法でとることができ、たとえばこの
電極材料を白金や銀等の適当な導電体からなる電気接点
や端子と対向接触させることが考えられる。
(A) Fermentation process monitoring (b) Industrial process control (c) Environmental monitoring, ie control of pollution by exhaust gas and effluent (d) Food inspection (e) Veterinary applications, especially similar to the clinical applications mentioned above In various sensors such as biosensors that employ the enzyme electrode material according to the present invention, conventionally known materials can be used for other structural members, electric wires, non-conductive (insulating) supports, probes and the like. , Of course. However, dare to say, the electrode material is generally a thin sheet or wafer made of paper. In the case of a biosensor, an electrode material is usually mounted on an insulating support or a probe so that it can be immersed in a sample. The size of the electrode material in such cases is actually very small,
It rarely exceeds a few square millimeters. The electrical contact with the electrode material can be made by various methods. For example, it is conceivable to bring this electrode material into contact with an electrical contact or terminal made of a suitable conductor such as platinum or silver.

この場合、電極材料はそれを保持するための絶縁支持体
や担体が無くとも自立できる程度に十分な厚みと強度を
有することが必要であり、電線は該電極材料の表面に直
接接続される。
In this case, the electrode material needs to have sufficient thickness and strength to be self-supporting without an insulating support or carrier for holding it, and the electric wire is directly connected to the surface of the electrode material.

支持体としては、カーボン紙以外にも電界効果トランジ
スタ等の半導体面や非導電性面等を使用することができ
る。後者を使用する場合には、電気的接続は白金族元素
の被膜を有する樹脂バインダー入りカーボン粒子層ある
いはグラファイトの層に対して直接に行われる。
As the support, other than carbon paper, a semiconductor surface such as a field effect transistor or a non-conductive surface can be used. When the latter is used, the electrical connection is made directly to the resin binder-containing carbon particle layer or graphite layer having the platinum group element coating.

〔実施例〕〔Example〕

以下の例において、本発明にかかる酵素電極材料の調製
と性質を説明する。
The following examples illustrate the preparation and properties of enzyme electrode materials according to the present invention.

例1(比較例となる従来技術) まず、酵素電極を従来技術にしたがっで作成した。すな
わち、公称粒径30nmのカーボンブラック粒子(バルカン
XC−72)を市販のグラファイト化カーボン紙上に10重量
%のポリテトラフルオロエチレンをバインダーとして塗
布した多孔質カーボン紙を導電性基板とし、この上に電
解析出法により白金薄膜(厚さ1μm未満)を形成し
た。このような白金被膜カーボン紙を各種調製した。
Example 1 (prior art as a comparative example) First, an enzyme electrode was prepared according to the prior art. That is, carbon black particles (Vulcan
XC-72) is a commercially available graphitized carbon paper coated with 10% by weight of polytetrafluoroethylene as a binder. A porous carbon paper is used as a conductive substrate, and a platinum thin film (thickness less than 1 μm is formed on the conductive substrate by electrolytic deposition. ) Was formed. Various types of such platinum-coated carbon paper were prepared.

次に、アスペルギルス・ニジェール(Aspergillus nige
r)由来のグルコースオキシダーゼを前述のカルボジイ
ミド処理およびグルタルアルデヒド架橋により固定化し
た。すなわち、白金被膜を施した電極表面をまずグルコ
ースオキシダーゼの水溶液で処理した後、乾燥させ、析
出したグルコースオキシダーゼを室温(25℃)にてグル
タルアルデヒドで架橋した。
Next, Aspergillus nige
The glucose oxidase derived from r) was immobilized by the above-mentioned carbodiimide treatment and glutaraldehyde crosslinking. That is, the surface of the platinum-coated electrode was first treated with an aqueous solution of glucose oxidase and then dried, and the precipitated glucose oxidase was crosslinked with glutaraldehyde at room temperature (25 ° C).

この電極材料を直径2mnのディスク状に切り抜き、試験
用の試料とした。
This electrode material was cut out into a disk shape having a diameter of 2 mn to obtain a test sample.

例2(グルコース電極) プロトテック社(米国,マサチューセッツ州)から「プ
ロトテック」(Prototech)の商標名で市販されている
プラチナ被膜付きカーボン紙上に、アスペルギルス・ニ
ジェール(Aspergillus niger)由来のグルコースオキ
シダーゼを固定化した。ここで、上記白金被膜付きカー
ボン紙に使用されている白金被膜付きカーボン粒子(バ
ルカンXC−72)は、前出の米国特許第4,044,193号の実
施例1に開示されている如く、過酸化水素による白金
(II)亜硫酸錯体の酸化的分解によりコロイド状白金
(粒径1.5〜2.5nm)をカーボン粒子(公称粒径30nm)の
表面に析出させたものである。このカーボン粒子は、さ
らに市販のグラファイト化カーボン紙の表面に約50重量
%のポリテトラフルオロエチレンを使用して成形・結合
されている。最終的な白金含量は0.24mg/cm2(カーボン
粒子に対して7.5〜10重量%)である。
Example 2 (Glucose Electrode) Glucose oxidase derived from Aspergillus niger was placed on a platinum-coated carbon paper marketed by Prototech (Massachusetts, USA) under the trade name of "Prototech". It was fixed. Here, the platinum-coated carbon particles (Vulcan XC-72) used in the platinum-coated carbon paper are treated with hydrogen peroxide as disclosed in Example 1 of the above-mentioned US Pat. No. 4,044,193. Colloidal platinum (particle size 1.5 to 2.5 nm) is deposited on the surface of carbon particles (nominal particle size 30 nm) by oxidative decomposition of platinum (II) sulfite complex. The carbon particles are further shaped and bonded to the surface of commercially available graphitized carbon paper using about 50% by weight of polytetrafluoroethylene. The final platinum content is 0.24 mg / cm 2 (7.5-10% by weight with respect to the carbon particles).

このようなプロトテック電極を各種調製し、これらの上
に前述の各種の方法、すなわちカルボジイミド処理、カ
ルボニルデイミダゾール処理あるいはDNDFB処理により
グルコースオキシダーゼを固定化した。
Various kinds of such prototech electrodes were prepared, and glucose oxidase was immobilized thereon by the various methods described above, that is, carbodiimide treatment, carbonyldiimidazole treatment or DNDFB treatment.

上述の電極の他、グルタルアルデヒド架橋あるいは単な
る吸着によりグルコースオキシダーゼをプロトテック電
極に固定化したものも作成した。後者の場合は、グルコ
ースオキシダーゼを酢酸緩衝液(pH5.6)に5.0mg/mlの
割合で新たに溶解し、この溶液中にプロトテック電極を
室温にて90分間浸漬した。またこのような方法によらな
くとも、電極基板を酵素溶液中に浸漬して陽極とし、60
分間の電気泳動を行って酵素を簡便に吸着させることも
できる。
In addition to the above-mentioned electrodes, those in which glucose oxidase was immobilized on a prototech electrode by glutaraldehyde crosslinking or simple adsorption were also prepared. In the latter case, glucose oxidase was newly dissolved in acetate buffer (pH 5.6) at a rate of 5.0 mg / ml, and the prototech electrode was immersed in this solution for 90 minutes at room temperature. Even without such a method, the electrode substrate is immersed in an enzyme solution to form an anode,
The enzyme can be easily adsorbed by performing electrophoresis for a minute.

例3 予め白金被膜を施したカーボン粒子層をポリテトラフル
オロエチレンをバインダーとしてカーボン紙上に成形し
た(前出の米国特許第4,044,193号)プロトテック白金
被膜カーボン紙上に、前述のカルボジイミド処理により
次に挙げる酵素を固定化した。
Example 3 A layer of carbon particles coated with platinum in advance was formed on carbon paper by using polytetrafluoroethylene as a binder (US Pat. No. 4,044,193, cited above). The enzyme was immobilized.

ラクテートオキシダーゼ ガラクトースオキシダーゼ グルコースオキシダーゼ/β−ガラクトシダーゼ 従来技術と比較した本発明の利点および酵素電極材料の
性質を明らかにするため、上述の各例で作成された各酵
素電極を改良型ランク酸素電極システム〔ランク・ブラ
ザース社(Rank Brothers)ボティシャム,ケンブリッ
ジ(Bottisham,Cambridge)〕を搭載したセルにセット
し、電流応答特性を調べた。このシステムは、添付図面
およびアナリティカ・キミカ・アクタ,(Analytica Ch
imica Acta)(183巻,59〜66ページ,1986年)に図示さ
れているとおりである。本システムにおいては、その膜
の代わりに本発明にかかるカーボン紙を支持体とする酵
素電極(直径5mm)が採用されており、この酵素電極は
さらにボタン型の白金電極に支持されている。対極(白
金箔)はセルのカバーを通して挿入し、また参照電極と
して銀−塩化銀電極を使用した。これとは別に、対極と
参照電極とを酵素電極を取り巻く塩化銀のリングとして
一体型に構成した二電極系の実験も行った。この場合、
保護膜を新たに設けるが、攪拌装置は設けない。通常
は、試験に使用するpH7.0の緩衝溶液は磁気攪拌装置に
より攪拌し、作用電極の電位はポテンショスタットを用
いて参照電極に対して600mVとなるように設定する。但
し、二電極系の場合はこの電位を325mVとした。電流の
バックグラウンド値が低くなるまで十分に待ってから、
基質溶液をシリンジから注入した。
Lactate oxidase Galactose oxidase Glucose oxidase / β-galactosidase In order to clarify the advantages of the present invention as compared to the prior art and the properties of the enzyme electrode material, each enzyme electrode prepared in each of the above examples was modified with an improved rank oxygen electrode system [ The current response characteristics were examined by setting the cells in a cell equipped with Rank Brothers (Bottisham, Cambridge). This system consists of the attached drawings and Analytica Kimika Actor (Analytica Ch
imica Acta) (183, pp. 59-66, 1986). In this system, an enzyme electrode (diameter 5 mm) having a carbon paper according to the present invention as a support is adopted in place of the membrane, and the enzyme electrode is further supported by a button type platinum electrode. The counter electrode (platinum foil) was inserted through the cell cover and a silver-silver chloride electrode was used as the reference electrode. Separately from this, a two-electrode system experiment was also conducted in which the counter electrode and the reference electrode were integrally configured as a silver chloride ring surrounding the enzyme electrode. in this case,
A protective film is newly provided, but a stirrer is not provided. Usually, the pH 7.0 buffer solution used in the test is stirred by a magnetic stirrer, and the potential of the working electrode is set to 600 mV with respect to the reference electrode using a potentiostat. However, in the case of a two-electrode system, this potential was 325 mV. Wait long enough for the current background value to decrease, then
The substrate solution was injected via syringe.

電流応答はチャートに記録した。The current response was recorded on the chart.

以下、この実験結果を図面を用いて詳述する。ここで、
図面の内容は以下のとおりである。
Hereinafter, the experimental results will be described in detail with reference to the drawings. here,
The contents of the drawings are as follows.

第1図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極と
従来型の炭素電極材料を使用したグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を比較して示す特性図である。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention and a glucose oxidase electrode using a conventional carbon electrode material in comparison.

第2図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
安定性を示す特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention.

第3図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
電流応答特性とグルコース濃度との関係を示す特性図で
ある。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the current response characteristic and the glucose concentration of the glucose oxidase electrode according to the present invention.

第4図は酸素圧を変化させた場合の本発明にかかるグル
コースオキシダーゼ電極の電流応答特性の変化を示す特
性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention when oxygen pressure is changed.

第5図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極を
室温で保存した場合の安定性を示す特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention when stored at room temperature.

第6図は比較例として従来技術にかかるグルコースオキ
シダーゼ電極を室温で保存した場合の安定性を示す特性
図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the stability of a glucose oxidase electrode according to the prior art as a comparative example when stored at room temperature.

第7図は本発明および従来技術にかかるグルタルアルデ
ヒド架橋型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性
を比較して示す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the glutaraldehyde cross-linked glucose oxidase electrodes according to the present invention and the prior art in comparison.

第8図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the carbodiimide-treated glucose oxidase electrodes according to the present invention and the prior art in comparison.

第9図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型ラクテートオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the carbodiimide-treated lactate oxidase electrode according to the present invention and the prior art in comparison.

第10図は本発明にかかるガラクトースオキシダーゼ電極
の電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the galactose oxidase electrode according to the present invention.

第11図は本発明にかかるラクテートオキシダーゼ電極の
電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the lactate oxidase electrode according to the present invention.

第12図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ/β−
ガラクトシダーゼ複合電極の電流応答特性を示す特性図
である。
FIG. 12 shows glucose oxidase / β- according to the present invention.
It is a characteristic view which shows the current response characteristic of a galactosidase composite electrode.

第13図は白金被膜付きカーボン粒子に対するバインダー
としてポリテトラフルオロエチレンの代わりにポリ酢酸
ビニルを使用した本発明にかかるグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention in which polyvinyl acetate is used in place of polytetrafluoroethylene as a binder for platinum-coated carbon particles.

第14図はポリテトラフルオロエチレンをバインダーとし
てカーボン紙上に形成されたパラジウム被膜付きカーボ
ン粒子層の上にグルコースオキシダーゼが固定化されて
なる本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の電流
応答特性を示す特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention in which glucose oxidase is immobilized on a carbon particle layer with a palladium coating formed on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder. is there.

第15図は本発明にかかる酵素電極の動作特性を測定する
ための改良型ランク電気化学セルの概略断面図である。
FIG. 15 is a schematic sectional view of an improved rank electrochemical cell for measuring the operating characteristics of the enzyme electrode according to the present invention.

第16図は一部の測定で使用された二電極系の実験装置を
示す概略断面図である。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a two-electrode system experimental apparatus used in some measurements.

上記のデータの多くは第15図に示す電気化学セルを使用
して得られたものである。このセルは基台(1)、およ
び貯水室(h)を内蔵し水を循環させることによりセル
の温度を制御する環状ジャケット(2)という2つの主
要部から構成されており、これら両者はねじを切った専
用の継輪(3)で互いに連結される。上記基台(1)の
中央には白金接点(d)があり、この上に酵素を固定化
したカーボン紙電極の試験用ディスク(a)が置かれ
る。この試験用ディスク(a)は、上記2つの主要部が
組み合わされた時にゴム製のOリング(e)および
(f)により定位置に固定される。
Most of the above data was obtained using the electrochemical cell shown in FIG. This cell is composed of two main parts, a base (1) and an annular jacket (2) that contains a water storage chamber (h) and controls the temperature of the cell by circulating water. It is connected to each other by a dedicated joint ring (3) that is cut. At the center of the base (1), there is a platinum contact (d), on which the enzyme-immobilized carbon paper electrode test disk (a) is placed. This test disc (a) is fixed in place by rubber O-rings (e) and (f) when the two main parts are combined.

酵素溶液を満たしたセルの頂部からは可調整継輪(g)
の付いたストッパ(4)が挿入され、該ストッパ(4)
を貫いて白金製の対極(b)および銀−塩化銀参照電極
(c)が装着される。すでに述べたように測定時には作
用電極の電位を600mVに調整し、電流出力は基質溶液と
接触する電極の見掛けの表面積を0.14cm2として測定し
た。測定結果は、上述の各特性図において電流密度、す
なわち基質と接触している電極(a)の単位面積当たり
の電流出力として表した。
Adjustable joint ring (g) from the top of the cell filled with enzyme solution
The stopper (4) with a mark is inserted, and the stopper (4) is inserted.
A counter electrode made of platinum (b) and a silver-silver chloride reference electrode (c) are attached therethrough. As described above, the potential of the working electrode was adjusted to 600 mV at the time of measurement, and the current output was measured with the apparent surface area of the electrode in contact with the substrate solution being 0.14 cm 2 . The measurement results are shown as the current density in each of the above characteristic diagrams, that is, the current output per unit area of the electrode (a) in contact with the substrate.

第16図に示す構成では、白金接点(B)は絶縁スリーブ
(G)を介して参照/対極複合電極(C)に囲まれてい
る。Oリング上に装着された多孔質ポリカーボネート膜
は試験用ディスク(E)(酵素が固定化されたカーボン
紙電極)を上記白金接点上に正しく保持するためのもの
である。試料室(F)は開放型となっており、ポリカー
ボネート膜上に試料が滴下できるようになっている。作
用電極の電位は325mVに設定し、電流はポテンショスタ
ット(A)により検出される。作用電極の電位を325mV
とする二電極系は、同電位を600mVとする三電極系より
も使い易さおよびバックグラウンド電流値の低い点で優
れている。しかしどちらの電極系を選択しても、本発明
にかかる酵素電極の保存安定性,動作安定性,応答の直
線性,酸素濃度依存性等の諸特性に大きな差は現れな
い。
In the configuration shown in FIG. 16, the platinum contact (B) is surrounded by the reference / counter electrode composite electrode (C) through the insulating sleeve (G). The porous polycarbonate membrane mounted on the O-ring is for properly holding the test disc (E) (carbon paper electrode on which enzyme is immobilized) on the platinum contact. The sample chamber (F) is open so that the sample can be dropped on the polycarbonate film. The working electrode potential is set to 325 mV and the current is detected by the potentiostat (A). Working electrode potential 325 mV
The two-electrode system, which is defined as, is superior to the three-electrode system in which the same potential is 600 mV in terms of ease of use and lower background current value. However, no matter which electrode system is selected, there is no significant difference in various characteristics such as storage stability, operation stability, linearity of response, and oxygen concentration dependency of the enzyme electrode according to the present invention.

以下に、本実験の結果をさらに詳しく述べる。The results of this experiment will be described in more detail below.

電流応答特性の直線性および時間依存性 第1図は、攪拌装置付きの三電極系において連続的にグ
ルコースを添加し、最終濃度を35mMまでの範囲で変化さ
せた場合の電流応答特性の一例を示したものである。電
極A,B,およびCはいずれも前述の方法Aによりグルコー
スオキシダーゼが固定化されているものであり、電極A
は本発明にかかる白金被膜付き活性炭素支持体、すなわ
ち、白金被膜付きカーボン粒子がポリテトラフルオロエ
チレンをバインダーとしてカーボン紙上に塗布されてい
る電極材料(商標名:プロトテック)、電極Bはグラフ
ァイト棒を輪切りにした導電性支持体、電極Cは白金被
膜を有しない市販のカーボン紙を切り取って作成した導
電性支持体からそれぞれなるものである。この図をみる
と、電極Bおよび電極Cの電流応答は全体的に低レベル
で変動が少なく、従来の文献によくみられるメディエー
タ型電極の結果に近いものである。これに対し電極Aの
電流応答はより信頼性が高く安定しており、応答時間は
約1秒である。(ここで、応答の初期にシグナルの頭に
みられる鋭い突起はグルコースの注入操作に起因するも
のであって特に重要な意味は持たない。平坦部がグルコ
ース濃度に依存するシグナルとしての意味を持つ部分で
ある。)これら3種類の電極の電流応答は、第2図に示
すようにいずれもグルコース濃度に対して高い直線性を
示した(但し、第2図には電極Aと電極Cの結果のみを
示す)。したがって、たとえばグルコースの血中濃度を
直接測定する場合等の適用濃度範囲が広くとれるように
なる(0〜30mM)。
Linearity and time dependence of current response characteristics Fig. 1 shows an example of current response characteristics when glucose is continuously added in a three-electrode system equipped with a stirrer and the final concentration is changed up to 35 mM. It is shown. Electrodes A, B, and C all have glucose oxidase immobilized by the method A described above.
Is a platinum coated activated carbon support according to the present invention, that is, an electrode material (trade name: Prototech) in which platinum coated carbon particles are coated on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder, and electrode B is a graphite rod. The electrode C is formed by cutting off a commercially available carbon paper having no platinum coating, and the electrode C is formed by cutting the electrode. As seen from this figure, the current response of the electrodes B and C is low level and has little fluctuation as a whole, which is close to the result of the mediator type electrode often seen in the conventional literature. On the other hand, the current response of the electrode A is more reliable and stable, and the response time is about 1 second. (Here, the sharp protrusion at the head of the signal in the early stage of the response has no particular significance because it is caused by the infusion operation of glucose. The plateau has a meaning as a signal depending on the glucose concentration. The current response of these three types of electrodes showed high linearity with respect to glucose concentration as shown in FIG. 2 (however, in FIG. 2, the results of electrode A and electrode C were shown. Only shown). Therefore, for example, when the blood glucose concentration is directly measured, the applicable concentration range can be widened (0 to 30 mM).

この電極Aにおけるグルコースオキシダーゼが前述のB
の方法により固定化された場合にも同様の結果が得られ
ることから、この方法によれば一層広い濃度範囲にわた
り良好な直線性が実現されることが示唆される。
The glucose oxidase at this electrode A is
Similar results are obtained when immobilized by the method of 1), suggesting that this method achieves good linearity over a wider concentration range.

第2図から明らかなように、電極Aの応答特性は23日後
でも事実上変化しなかったが、他の電極(図には電極C
のみ示す。)の応答特性は時間とともに劣化した。同様
の挙動は前述の他の酵素固定化方法を採用した場合にも
みられ、いずれの方法によっても電極Aと同じ活性炭素
材料を使用した場合には応答性に優れかつ安定性の高い
電極が得られたが、不活性炭素材料を使用した場合には
良好な電極は得られなかった。また電極Aの応答時間は
23日間不変であったが、他の電極は初期の応答時間が23
〜30秒であったのに対し、8日後には2〜3分に延び
た。電極Aのような活性型電極も一般に第1日目で若干
の応答性の低下を起こすが、その後は安定し、経時変化
はほとんどみられない。さらに、電極Aの応答特性はpH
5.6の緩衝液中に4℃で6ヶ月以上保存した後でも最初
の数日間はほとんど変化しなかった。6ヶ月以降は徐々
に応答特性が低下するものの、12ヶ月後にも初期値の70
%の応答性が維持されていた。
As is clear from FIG. 2, the response characteristics of the electrode A remained virtually unchanged after 23 days, but the other electrodes (electrode C
Only shown. The response characteristics of) deteriorated with time. Similar behavior is also observed when the other enzyme immobilization methods described above are adopted, and by any method, when the same activated carbon material as the electrode A is used, an electrode with excellent responsiveness and high stability is obtained. However, a good electrode was not obtained when an inert carbon material was used. The response time of electrode A is
It remained unchanged for 23 days, but the other electrodes had an initial response time of 23
It was ~ 30 seconds, while it increased to 2-3 minutes after 8 days. An active electrode such as the electrode A generally causes a slight decrease in responsiveness on the first day, but is stable thereafter and hardly changes with time. Furthermore, the response characteristic of electrode A is pH
After storage in the buffer of 5.6 at 4 ° C. for 6 months or more, there was almost no change during the first few days. After 6 months, the response characteristics gradually decreased, but after 12 months, the initial value was 70.
% Responsiveness was maintained.

以上、第1図および第2図は、第15図に示すような三電
極系において作用電極の電位を600mVとした場合の酵素
電極の電流出力をμA/cm2の単位で示したものである。
As described above, FIGS. 1 and 2 show the current output of the enzyme electrode in the unit of μA / cm 2 when the potential of the working electrode in the three-electrode system as shown in FIG. 15 is 600 mV. .

第5図は上記電極をさらに長期間保存し、安定性を調べ
た結果を示すものである。すなわち、カルボジイミド処
理により酵素を固定化したグルコースオキシダーゼ電極
を室温にてpH5.6の酢酸緩衝液中で180日間保存した後、
5mMのグルコースを基質として応答特性を調べた。比較
のため、従来技術にかかる電極(例1)の結果を第6図
に示す。第5図の結果は三電極系において作用電極の電
位を600mVとした測定から得られたものであり、第6図
の結果は二電極系において作用電極の電位を325mVとし
た測定から得られたものである。
FIG. 5 shows the results of examining the stability of the above electrodes stored for a longer period of time. That is, the glucose oxidase electrode on which the enzyme was immobilized by carbodiimide treatment was stored at room temperature in an acetate buffer of pH 5.6 for 180 days,
The response characteristics were investigated using 5 mM glucose as a substrate. For comparison, the results of the electrode according to the prior art (Example 1) are shown in FIG. The results of FIG. 5 are obtained from the measurement of the working electrode potential of 600 mV in the three-electrode system, and the results of FIG. 6 are obtained of the measurement of the working electrode potential of 325 mV in the two-electrode system. It is a thing.

さらに第7図乃至第9図には、使用する酵素およびその
固定化方法の異なる各種の電極を使用して従来技術(例
1)と本発明の比較を行った結果を示す。これらの測定
はすべて二電極系,作用電極電位325mVにて行った。
Further, FIGS. 7 to 9 show the results of comparison between the prior art (Example 1) and the present invention using various electrodes having different enzymes and different immobilization methods. All of these measurements were performed with a two-electrode system and a working electrode potential of 325 mV.

第10図乃至第12図には、ガラクトース,ラクテート,ラ
クトースをそれぞれ基質とする場合の応答特性を示す。
これらの測定はすべて三電極系,作用電極電位600mVに
て行った。
FIGS. 10 to 12 show the response characteristics when galactose, lactate, and lactose were used as substrates, respectively.
All of these measurements were performed with a three-electrode system and a working electrode potential of 600 mV.

電極の再利用:繰り返し測定の可能性 本発明にかかる酵素電極は、連続的に基質が供給されて
いる間はいずれもこれまでの電極では達成できなかった
長寿命を有している。このことは、以下の一連の厳密な
試験により実証された。
Reuse of Electrode: Possibility of Repeated Measurement The enzyme electrode according to the present invention has a long service life which cannot be achieved by conventional electrodes while the substrate is continuously supplied. This was demonstrated by the following stringent string of tests.

まず、グルコースオキシダーゼ電極(例2)をグルコー
ス溶液を満たした攪拌装置付きの密閉型セルにセット
し、初期濃度5mM,初期電流100μAとして電流を検出さ
せた。この状態で電極を連続18時間使用すると、シグナ
ルは徐々に低下して10μA以下となる。検出された電流
の積算値は、1分子のグルコースから2個の電子が生成
するとして理論的に算出される値の約75%である。
First, the glucose oxidase electrode (Example 2) was set in a closed cell equipped with a stirrer, which was filled with a glucose solution, and the current was detected with an initial concentration of 5 mM and an initial current of 100 μA. When the electrode is continuously used for 18 hours in this state, the signal gradually decreases to 10 μA or less. The integrated value of the detected currents is about 75% of the value theoretically calculated that two electrons are produced from one molecule of glucose.

同じ電極に対してグルコース溶液を交換して上記実験を
直ちに繰り返すと、初期電流の値が回復し、連続的に供
給される基質も同様に減少した。
When the glucose solution was exchanged for the same electrode and the above experiment was immediately repeated, the value of the initial current was restored, and the continuously supplied substrate was similarly reduced.

また、ある連続実験では、大型の貯液槽から連続的に溶
液を循環させることによってグルコース濃度を5mMに維
持し、電流の発生をさらに5.7日間持続させた。100時間
の間に電流出力は徐々に低下して45μAに落ち着き、こ
の状態が40時間続いた。これは、しっかり結合されてい
なかった酵素が電極基板からこの期間中に脱落したか
(ただし、電流出力と攪拌速度の間には相関はみられな
かった。)、あるいは他の要因が働いた結果であると考
えられる。
Moreover, in a continuous experiment, the glucose concentration was maintained at 5 mM by continuously circulating the solution from a large storage tank, and the current generation was continued for another 5.7 days. During 100 hours, the current output gradually decreased and settled down to 45 μA, and this state continued for 40 hours. This is because the enzyme that was not tightly bound dropped from the electrode substrate during this period (however, there was no correlation between the current output and the stirring speed), or other factors worked. Is considered to be.

上記の長期試験を行った後、前述の方法にしたがってあ
るグルコース濃度範囲における酵素電極の電流応答特性
を測定した。信号増幅度は新しい基質溶液を使用した場
合に比べて低かったものの、0〜30mMのグルコース濃度
範囲において非常に鋭敏な階段状の変化を示し、この酵
素電極は一定の基質濃度のもとで長期間使用した場合に
も電流応答特性が劣化しないことが確認された。この結
果は、上記酵素電極を4℃にて1週間保存した後,8週間
保存した後,あるいはさらに4.7日間一定の基質濃度下
で使用するという3通りの実験によっても確認され、い
ずれの実験においてもグルコース濃度による応答特性の
変化はみられなかった。
After performing the above-mentioned long-term test, the current response characteristics of the enzyme electrode in a certain glucose concentration range were measured according to the method described above. Although the signal amplification was lower than that when using a new substrate solution, it showed a very sharp step change in the glucose concentration range of 0 to 30 mM, and this enzyme electrode was long under a constant substrate concentration. It was confirmed that the current response characteristics did not deteriorate even when used for a period of time. This result was confirmed by three experiments in which the enzyme electrode was stored at 4 ° C. for 1 week, after 8 weeks, or for an additional 4.7 days under a constant substrate concentration. The response characteristics did not change with glucose concentration.

これらの試験結果から、この酵素電極は少なくとも合計
250時間(15,000分以上)は使用でき、あるいは極めて
長寿命を有していることがわかる。従来技術における酵
素電極の動作寿命は本発明にかかる酵素電極の寿命より
も遥かに短かく、多くの場合それはわずか数時間である
〔ターナー(Turner)「プロシーディングス・オブ・バ
イオテクノロジー(Proceedings Biotech)」(85巻,19
85年,(ヨーロッパ)(Europe),オンライン・パブリ
ケーションズ,ピナー,(Online Publications,Pinne
r)英国,181-192ページ〕。たとえば、フェロセンとカ
ップリングさせたグルコースオキシダーゼを使用したグ
ルコース電極の半寿命は一般に24時間程度であり(ター
ナー,前出)、キャス等(Cass et al)〔アナリティカ
ル・ケミストリー,(Analyt.Chem.)第56巻,667〜673
ページ,1984年〕(前出)は同じ電極で安定に50時間使
用できるものを発表している。この電極は、50mM濃度の
グルコース溶液について50回の連続測定行っても標準偏
差は1%以下であった。
From these test results, the enzyme electrode
It can be seen that it can be used for 250 hours (15,000 minutes or more) or has an extremely long life. The working life of the enzyme electrode in the prior art is much shorter than that of the enzyme electrode according to the present invention, often it is only a few hours [Turner "Proceedings Biotech"]. (Vol. 85, 19
1985, (Europe), Online Publications, Pinner, (Online Publications, Pinne
r) UK, pp. 181-192]. For example, the half-life of glucose electrodes using glucose oxidase coupled with ferrocene is generally on the order of 24 hours (Turner, supra), Cass et al (Analytical Chemistry, (Analyt. Chem. ) Volume 56, 667-673
Page, 1984] (supra), presents a stable electrode that can be used for 50 hours. This electrode had a standard deviation of 1% or less even after conducting 50 consecutive measurements on a glucose solution having a concentration of 50 mM.

連続測定への適用性 上述の繰り返し使用試験で確認された最終的な応答信号
レベル(5mMのグルコース溶液について45μA)はグル
コース溶液を曝気しても変化せず、また数週間保存した
後でも変化しなかった。
Applicability to continuous measurement The final response signal level (45 μA for 5 mM glucose solution) confirmed in the above repeated use test did not change even after aeration of the glucose solution, and also after storage for several weeks. There wasn't.

この電極の電流出力は、細菌汚染によるグルコース濃度
の低下を生じさせないような条件下で滅菌されたグルコ
ース溶液を使用して測定を行った結果、12時間は安定に
取り出せることが確認された。このときの信号レベルは
測定期間全般にわたって一定であった。この電極は数日
間にわたって攪拌あるいは循環させた溶液中で「コンデ
ィショニング」を行っており、このことが好結果をもた
らしたと言える。このように、電極のコンディショニン
グあるいは洗浄を適切に行えばグルコースの連続測定も
可能である。
The current output of this electrode was measured using a glucose solution that had been sterilized under conditions that did not cause a decrease in glucose concentration due to bacterial contamination, and as a result, it was confirmed that it could be stably taken out for 12 hours. The signal level at this time was constant over the entire measurement period. This electrode has been "conditioned" in a solution that has been stirred or circulated for several days, which may have been successful. As described above, continuous measurement of glucose is possible by appropriately conditioning or cleaning the electrodes.

バッチ内における再現性 清浄で適切な作成条件が整ってさえいれば、本発明にか
かる酵素電極は繰り返し使用に耐え、グルコースに対し
て高い応答性を示す。同じ方法で同じ大きさの電極を何
組も作成したところ、それらの性能は非常に近似してお
り、同一条件下で電流応答特性を測定しても数%の誤差
しか生じなかった。さらに、このようにして作成された
電極はすべて、上述のように従来の電極と比べて寿命が
非常に長くまた高い信頼性を有していた。本発明にかか
る電極は保存中にも性能が変化せず、何週間にもわたっ
て使用できるのに対し、従来の電極は単一のバッチ内で
も性能がばらついていることが多い。たとえば前出のタ
ーナーは、1バッチ内には半寿命が600時間にも及ぶよ
うな極めて寿命の長いグルコースオキシダーゼ電極がご
く少数あるが、大多数の電極の半寿命は24時間と短いと
述べている。したがって、これらの電極を24時間を大幅
に上回って使用しても信頼性は保証できない。
Reproducibility within a batch The enzyme electrode according to the present invention can withstand repeated use and exhibits high responsiveness to glucose as long as it is clean and provided with appropriate preparation conditions. When several sets of electrodes of the same size were made by the same method, their performances were very close to each other, and even if the current response characteristics were measured under the same conditions, only a few percent error occurred. Further, all the electrodes thus produced had a very long life and high reliability as compared with the conventional electrodes as described above. The electrodes of the present invention do not change in performance during storage and can be used for weeks, whereas conventional electrodes often have varying performance within a single batch. For example, the Turner mentioned above states that there are only a few glucose oxidase electrodes that have an extremely long life span, with a half-life of 600 hours in a batch, but the majority of the electrodes have a short half-life of 24 hours. There is. Therefore, reliability cannot be guaranteed even if these electrodes are used for significantly longer than 24 hours.

電流応答性能の酸素濃度依存性 溶存酸素の影響を調べるため、試験用セルを改良し、グ
ルコース電極に加えて新たに酸素電極を設けた。一連の
実験では、アルゴンを吹き込むことにより溶存酸素を系
外へ除去した。このような条件下では上述の電極Aはグ
ルコースの添加に対して鋭敏に応答し、この応答機構は
溶存酸素濃度にはほぼ依存せず、むしろ適切な酵素固定
化方法とあいまった電極の表面構造に特有の性質に起因
していることが示唆された。このような結果は過去に報
告されていない。
Oxygen concentration dependence of current response performance In order to investigate the effect of dissolved oxygen, the test cell was improved and a new oxygen electrode was provided in addition to the glucose electrode. In a series of experiments, dissolved oxygen was removed from the system by blowing argon. Under such conditions, the above-mentioned electrode A sensitively responds to the addition of glucose, and this response mechanism is almost independent of the dissolved oxygen concentration, and rather the surface structure of the electrode combined with a suitable enzyme immobilization method. It was suggested that this is due to the peculiar property of. Such results have not been reported in the past.

さらに、前述の方法Aにより作成した電極Aの電位を60
0mVに設定し、連続的にアルゴンを吹き込みながら出力
信号を測定する実験を行った。このとき、試料中の酸素
濃度も同時に測定した。
Furthermore, the potential of the electrode A prepared by the above method A is set to 60
An experiment was conducted to set the output signal to 0 mV and measure the output signal while continuously blowing in argon. At this time, the oxygen concentration in the sample was also measured at the same time.

この結果を第4図に示す。この図をみると、電流信号
(上のグラフ)はほぼ一定しており、実質的に試料中の
酸素濃度(下のグラフ)には依存していないことが明ら
かである。また別の実験により、この電流信号は酸素濃
度が急速に低下しても10分間はほとんど変化しないこと
が確認された。これに対し前述の方法Bにより作成した
電極Bでは3分間に5%以内の電流信号の低下が生じ、
この間に酸素濃度が90%減少していた。この場合、酸素
を再び系内に導入すると比較的ゆっくりではあるが電流
応答が回復した。アルゴンの吹き込みを続けるとこれら
の電極は限られたグルコース濃度範囲でしか働かなくな
ることから、基質から水素を抜き取るという酵素機能の
一部を発現させるためには極微量の酸素が必要であるも
のと思われる。また、酵素電極では検出できないほど微
量の酸素が電極に吸着されて何らかの役割を担っている
可能性も否定できない。
The results are shown in FIG. From this figure, it is clear that the current signal (upper graph) is almost constant and does not substantially depend on the oxygen concentration in the sample (lower graph). In another experiment, it was confirmed that this current signal hardly changed for 10 minutes even when the oxygen concentration rapidly decreased. On the other hand, in the electrode B prepared by the above-mentioned method B, the current signal drops within 5% within 3 minutes,
During this period, the oxygen concentration decreased by 90%. In this case, when oxygen was introduced into the system again, the current response was recovered, albeit relatively slowly. Since these electrodes work only in a limited glucose concentration range when argon is continuously blown in, an extremely small amount of oxygen is required to express a part of the enzyme function of extracting hydrogen from the substrate. Seem. In addition, it cannot be denied that a very small amount of oxygen, which cannot be detected by the enzyme electrode, is adsorbed on the electrode and plays a role.

酵素の固定化量 グルコースの減少速度と最大電流密度をそれぞれ測定し
た結果、電極Aに失活せずに固定化された酵素の量は電
極表面積1cm2当たり約7μgの活性酵素が固定化され
ているに等しいことがわかった。(バイオセンサにおけ
るグルコースオキシダーゼの固定化量を論じた文献は過
去にもほとんどない。)上述の各固定化方法では、酵素
溶液を10倍以上に希釈してもなお非常に活性の高い電極
が作成できることがわかった。
Enzyme immobilization amount As a result of measuring the glucose reduction rate and the maximum current density, respectively, the amount of enzyme immobilized on the electrode A without deactivation was about 7 μg of active enzyme immobilized per 1 cm 2 of the electrode surface area. It turned out to be equal to (There have been few references discussing the immobilized amount of glucose oxidase in biosensors in the past.) With each of the above-mentioned immobilization methods, an electrode with extremely high activity was produced even when the enzyme solution was diluted 10 times or more. I knew I could do it.

電流応答特性の温度依存性 グルコース濃度範囲を0〜30mMとし、電極Aの電流応答
特性を10〜37℃の温度範囲で調べた。温度係数は1℃当
たり2〜3%であった。これは、アーレニウスの活性化
エネルギー(約24kJ/モル)に対応している。これに対
し、フェロセンとカップリングさせたバイオセンサ(前
出のキャス等による文献参照)では温度係数は1℃あた
り4%と報告されている。
Temperature dependence of current response characteristics The glucose concentration range was set to 0 to 30 mM, and the current response characteristics of the electrode A were examined in the temperature range of 10 to 37 ° C. The temperature coefficient was 2-3% per 1 ° C. This corresponds to the activation energy of Arrhenius (about 24 kJ / mol). On the other hand, the temperature coefficient of the biosensor coupled with ferrocene (see the literature by Cass et al., Supra) is reported to be 4% per 1 ° C.

pH依存性 電流応答性のpH依存性は若干認められたが、pH7.0〜8.0
の領域ではグルコース濃度が非常に高い場合(25mM以
上)を除いて実質的にpH依存性は無いとみて良い。
pH dependence A slight pH dependence of current responsiveness was observed, but pH 7.0-8.0
It can be considered that there is substantially no pH dependence in the region (2) except when the glucose concentration is very high (25 mM or more).

保護膜を有する電極の電流応答特性 溶液攪拌を伴う実験系では、ポリカーボネート膜が信号
波形と大きさにはほとんど影響を与えずに使用できるこ
とがわかった。溶液攪拌を行わない系では応答時間は約
20秒であった。
Current Response Characteristics of Electrodes with Protective Film In an experimental system with solution stirring, it was found that a polycarbonate film can be used with almost no effect on the signal waveform and size. The response time is approx.
It was 20 seconds.

全血試料分析への応用 ポリカーボネート保護膜を有する電極は、グルコースの
血中濃度の直接測定に好適であった。5mM濃度のグルコ
ース溶液について測定した場合、0.2mMのアスコルビン
酸により妨害された信号は2.5%であった。
Application to Whole Blood Sample Analysis An electrode with a polycarbonate overcoat was suitable for direct measurement of blood glucose concentration. The signal interfered by 0.2 mM ascorbic acid was 2.5% when measured on a glucose solution with a concentration of 5 mM.

各種分析用バイオセンサへの応用 本発明にかかる酵素電極を改良型クラーク電極を使用し
たランク型セルに適用して好結果が得られたことは上述
のとおりであるが、プローブのような他の応用形態にお
いても非常に良い結果が得られることがわかった。
Application to various analytical biosensors As described above, good results were obtained by applying the enzyme electrode according to the present invention to a rank type cell using an improved Clark electrode. It has been found that very good results can be obtained in the applied form.

一例として、上記電極を電線に接続してガラス管に封入
し、従来一般的に用いられているような直径2mmのプロ
ーブを作成した。ビーカー等の容器にグルコースの被検
液を入れて攪拌し、この中に上述のようなプローブを参
照電極および対極と共に挿入すると、溶存酸素を除去し
なくても信頼性の高い濃度測定を行うことができる。上
記プローブ、あるいは同じ構造のこれよりさらに小型の
プローブを用いて測定を行ったところ、グルコース濃度
が同じであれば電流応答性はおおよそ電極の見掛けの面
積あるいは重量に比例することがわかった。
As an example, the above electrode was connected to an electric wire and enclosed in a glass tube to prepare a probe having a diameter of 2 mm which is generally used conventionally. Put glucose test solution in a container such as a beaker, stir it, and insert the probe as described above together with the reference electrode and counter electrode into it to perform reliable concentration measurement without removing dissolved oxygen. You can When the measurement was performed using the above-mentioned probe or a probe having the same structure and smaller than this, it was found that the current responsiveness is approximately proportional to the apparent area or weight of the electrode when the glucose concentration is the same.

さらに小型化(面積約0.25〜0.50mm2,重量30〜60μ
g)した電極と使用したプローブも作成した。ここで電
線の接続部はプラスチック製のスリーブで覆い、このプ
ローブを直径1.5mmのカテーテル針に組み込んだ。この
カテーテル針は、ゴム製のシールを貫通して被検液の入
った醗酵槽,廃液溜め等の容器に挿入し、液中のグルコ
ース濃度を測定するプローブ型センサーとして使用する
ことができる。このような構成をとると、挿入時には電
極がカテーテル針で保護されているうえ、カテーテル針
を清浄に保つこともできる。
Further miniaturization (area about 0.25 ~ 0.50mm 2 , weight 30 ~ 60μ
The electrode used in g) and the probe used were also prepared. Here, the connection part of the electric wire was covered with a plastic sleeve, and this probe was incorporated into a catheter needle having a diameter of 1.5 mm. This catheter needle can be used as a probe-type sensor that penetrates through a rubber seal and is inserted into a container such as a fermentor containing a test liquid or a waste liquid reservoir to measure the glucose concentration in the liquid. With this configuration, the electrode is protected by the catheter needle during insertion, and the catheter needle can be kept clean.

上述のような小型電極からは通常1〜10μAの電流信号
が取り出されるが、装置の工夫次第では1〜100nAの範
囲で精密な測定をすることも可能である。このような範
囲の信号電流を取り出す酵素電極は非常に小型なものと
なる(面積約0.005mm2,重量1μg)ため、生体測定で
使用されているような細い針型のマイクロプローブ等に
組み込んで使用する。
A current signal of 1 to 10 μA is usually taken out from the small electrode as described above, but it is possible to perform precise measurement in the range of 1 to 100 nA depending on the device devised. Since the enzyme electrode that takes out the signal current in such a range is extremely small (area: about 0.005 mm 2 , weight: 1 μg), it should be incorporated into a thin needle-type microprobe used in biometrics. use.

本発明にかかる酵素電極の動作機構については必ずしも
明らかでないが、実験結果からある程度の結論を引き出
すことはできる。
The operating mechanism of the enzyme electrode according to the present invention is not necessarily clear, but some conclusions can be drawn from the experimental results.

これまでに、高温下で表面酸化を行って炭素の表面に形
成された活性基が酵素の固定化の場合と同様な架橋反応
に関与し、このような表面基の数および種類は白金(あ
るいはパラジウム等の白金属元素)が薄層型の表面触媒
として存在すると増加することが知られている〔木下お
よびストンハート(Stonehart)「モダン・アスペクツ
・オブ・エレクトロケミストリー(Modern Aspects of
Electrochemistry)」(No.12,ボックリス−コンウェイ
共編(Ed. Bockris and Conway),プレナム・プレス
(Plenum Press)社刊,ニューヨーク,183-266ページ,1
977年〕。固定化方法が異なれば酵素の結合状態が異な
るのは明らかである。たとえば、これまでに報告されて
いるところでは酵素中の様々なアミノ酸残基が固定化に
利用されている例が多いが、塩化シアヌルで活性化され
た材料と酵素とが結合される場合には、酵素のリジン残
基のみが固定化に利用されることが知られている(前出
のイアニエロおよびヤシニッチ「アナリティカル・ケミ
ストリー」53巻,2090〜2095ページ,1981年参照)。固定
化に起因する酵素の三次構造の変化もすべての固定化方
法について同じとは考えられず、このような多様性がこ
の種の研究において酵素活性および安定性に大きな差異
を生ずる原因となっているものと思われる。
So far, the active groups formed on the surface of carbon by performing surface oxidation at high temperature participate in the same crosslinking reaction as in the case of immobilization of the enzyme, and the number and type of such surface groups are platinum (or It is known that white metal elements such as palladium) increase when present as thin-layer surface catalysts [Kinoshita and Stonehart, “Modern Aspects of Electrochemistry”].
Electrochemistry ”(No. 12, Ed. Bockris and Conway, Ed. Bockris and Conway, Plenum Press, New York, pages 183-266, 1)
977]. It is clear that different immobilization methods result in different enzyme binding states. For example, it has been reported so far that various amino acid residues in the enzyme are used for immobilization, but when the material activated by cyanuric chloride and the enzyme are bound to each other, It is known that only the lysine residue of the enzyme is used for immobilization (see Ianiero and Yashinich, “Analytical Chemistry”, Vol. 53, 2090-2095, 1981, supra). Changes in the tertiary structure of the enzyme due to immobilization are also not considered to be the same for all immobilization methods, and such variability is responsible for the large differences in enzyme activity and stability in this type of study. It seems that there is.

本発明で使用した電極基板材料は、例えば前出の日本国
特開昭56−163447号公報に開示されているような積層型
の均一な材料とは違って極めて不均一な性質を有してい
る。このことは、それだけ架橋構造に多様性をもたら
し、三次元構造にも様々な配向が現れる可能性を高める
ものである。架橋剤を使用しない場合でも、表面吸着は
強く現れる。このような炭素質基板の空孔には酸素が入
り込むことができ、酵素の表面積を広げ、安定性および
活性に支障をきたさない立体配座をとらせるのに役立
つ。この点は、白金,ガラス状カーボンあるいはグラフ
ァイトといった比較的平坦ではるかに表面積も小さい面
上に酵素が結合されており、結果として酵素のとり得る
立体配座が制限されているような従来の結合様式との大
きな違いである。しかも、本発明にかかる酵素電極の応
答性は1〜2秒と極めて速く、酵素活性の高いことはも
ちろん、電極自身に電子受容部位が多く存在することに
より電子移動が極めて速やかに行われていることを物語
っている。このことは、微細構造中の非常に広い面積に
わたって白金被膜付きカーボン粒子が高密度に存在し、
表面の白金と酵素の活性部位とが首尾良く接近できるよ
うになっているためである。
The electrode substrate material used in the present invention has an extremely non-uniform property, unlike a layered uniform material as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 56-163447 mentioned above. There is. This brings diversity to the cross-linking structure and increases the possibility that various orientations appear in the three-dimensional structure. Even if no cross-linking agent is used, surface adsorption is strong. Oxygen can enter into the pores of such a carbonaceous substrate, which serves to increase the surface area of the enzyme and to adopt a conformation that does not affect stability and activity. This is because the enzyme is bound to a relatively flat surface with a much smaller surface area, such as platinum, glassy carbon, or graphite, and as a result, the conventional conformation in which the conformation that the enzyme can take is limited. This is a big difference from the style. Moreover, the responsiveness of the enzyme electrode according to the present invention is extremely fast at 1 to 2 seconds, and not only the enzyme activity is high, but also the electrode itself has a large number of electron accepting sites, so that the electron transfer is performed very quickly. Tells that. This means that the platinum-coated carbon particles are present in high density over a very large area in the microstructure,
This is because the platinum on the surface and the active site of the enzyme can be successfully brought close to each other.

本発明にかかる酵素電極において、樹脂バインダーの量
がどのような影響を及ぼすか、他の樹脂がバインダーと
して利用できるか否か、また他の白金属元素が適用でき
るか否かを検討するため、樹脂バインダーの量を変えた
グルコースオキシダーゼ電極、バインダーとしてポリ酢
酸ビニルを使用したグルコースオキシダーゼ電極、ある
いは白金族元素としてパラジウムを使用したグルコース
オキシダーゼ電極を作成した。
In the enzyme electrode according to the present invention, in order to examine what influence the amount of the resin binder has, whether other resins can be used as the binder, and whether other white metal elements can be applied, Glucose oxidase electrodes with varying amounts of resin binder, glucose oxidase electrodes using polyvinyl acetate as a binder, or glucose oxidase electrodes using palladium as a platinum group element were prepared.

樹脂バインダーの量に関しては、本発明者等が実際に30
〜70重量%(白金族金属と均一に混合されるか、あるい
は該白金族金属が個々の粒子表面に析出または吸着され
たカーボン粒子,グラファイト粒子を基準とした値。)
の範囲について実験を行った。
Regarding the amount of resin binder, the present inventors actually
70% by weight (value based on carbon particles or graphite particles that are uniformly mixed with the platinum group metal, or the platinum group metal is deposited or adsorbed on the surface of each particle)
Experiments were conducted in the range of.

ポリテトラフルオロエチレンが30重量%の場合、4.8ミ
リモルのグルコース濃度に対する電流出力は106μAで
あり、グルコース濃度33.3ミリモルでは589μAに上昇
した。一方、ポリテトラフルオロエチレンが70重量%の
場合、4.8ミリモルのグルコース濃度に対する電流出力
は65μAまで低下し、グルコース濃度が33.3ミリモルで
も330μAまでしか上昇しなかった。
When polytetrafluoroethylene was 30% by weight, the current output was 106 μA for a glucose concentration of 4.8 mmol, and it increased to 589 μA at a glucose concentration of 33.3 mmol. On the other hand, when polytetrafluoroethylene was 70% by weight, the current output decreased to 65 μA for a glucose concentration of 4.8 mmol, and even when the glucose concentration was 33.3 mmol, it increased to 330 μA.

このように樹脂バインダーの量を増すと電流出力が低下
することについては二つの原因が考えられる。第一に
は、疎水性のバインダーの量が増すと電極自体の疎水性
も高くなり、被検溶液に対する濡れが低下するためであ
る。第二には、ポリテトラフルオロエチレンは非導電体
であるため、その量を増すと電極の導電性が低下して出
力信号が弱くなるためである。
There are two possible causes for the decrease in current output when the amount of resin binder is increased. First, as the amount of the hydrophobic binder increases, the hydrophobicity of the electrode itself also increases and the wetting of the test solution decreases. Secondly, since polytetrafluoroethylene is a non-conductor, increasing the amount thereof decreases the conductivity of the electrode and weakens the output signal.

また、バインダーとしてポリ酢酸ビニルを使用したグル
コースオキシダーゼ電極については、グルコースオキシ
ダーゼの固定化方法として前述の方法Aを採用し、また
上記グルコースオキシダーゼが固定化される白金被膜カ
ーボン紙電極はバインダーとしてポリテトラフルオロエ
チレンの代わりに50重量%のポリ酢酸ビニルを使用した
以外はほぼ前述の例2の方法にしたがって作成した。
Further, for a glucose oxidase electrode using polyvinyl acetate as a binder, the above-mentioned method A is adopted as a method for immobilizing glucose oxidase, and the platinum-coated carbon paper electrode on which the glucose oxidase is immobilized is made of polytetrafluoroethylene as a binder. The procedure was as described in Example 2 above, except that 50% by weight of polyvinyl acetate was used instead of fluoroethylene.

この電極の電位を325mVとして同様に改良型ランク電極
システムで測定した結果、第13図に示すようにほぼ直線
的な電流応答特性が達成された。
When the potential of this electrode was set to 325 mV and the measurement was carried out by the improved rank electrode system as well, a substantially linear current response characteristic was achieved as shown in FIG.

さらに白金族元素としてパラジウムを使用したグルコー
スオキシダーゼ電極については、グルコースオキシダー
ゼの固定化方法として前述の方法Aを採用し、また上記
グルコースオキシダーゼが固定化されるパラジウム被膜
カーボン紙電極はコロイド状パラジウムをカーボン粒子
(公称粒径30nm,商標名バルカンXC−72)表面に析出さ
せた後、このパラジムウ被膜付きカーボン粒子に対して
50重量%のポリテトラフルオロエチレンをバインダーと
してこれを導電性カーボン紙上に厚さ0.1mmの薄層に成
形することにより作成した。
Further, regarding a glucose oxidase electrode using palladium as a platinum group element, the above-mentioned method A is adopted as a method for immobilizing glucose oxidase, and the palladium-coated carbon paper electrode on which the glucose oxidase is immobilized is a colloidal palladium carbon. After depositing on the surface of particles (nominal particle size 30 nm, trade name Vulcan XC-72),
It was prepared by forming a thin layer having a thickness of 0.1 mm on conductive carbon paper using 50% by weight of polytetrafluoroethylene as a binder.

このパラジウム被膜カーボン紙電極から直径2mmのディ
スクを切り抜いて第16図に示すような二電極系セルの白
金接点上にセットし、電位を325mVとしてグルコースに
対する応答性を調べた。この結果は第14図に示すとおり
であり、この場合もグルコース濃度に対してほぼ直線的
な応答特性が確認された。
A disk with a diameter of 2 mm was cut out from this palladium-coated carbon paper electrode and set on a platinum contact of a two-electrode cell as shown in Fig. 16, and the potential for 325 mV was examined for the response to glucose. The results are shown in FIG. 14, and in this case as well, a nearly linear response characteristic was confirmed with respect to the glucose concentration.

気体拡散電極に使用される白金族元素が互いに非常に類
似した挙動を示すことが前出の米国特許第4,293,396号
等に開示されていることから類推して、本発明にかかる
酵素電極においてもルテニウムやロジウム等の他の白金
族元素が白金やパラジウムの代用となり得るものと考え
られる。
By analogy with the fact that the platinum group elements used in the gas diffusion electrode exhibit behaviors very similar to each other as disclosed in the above-mentioned US Pat. It is believed that other platinum group elements, such as rhodium and rhodium, can substitute for platinum and palladium.

最後に、実用上の意義が大きいと考えられるコレステロ
ール電極,シュクロース電極への応用例について述べ
る。
Finally, we will describe examples of application to cholesterol electrodes and sucrose electrodes, which are considered to have great practical significance.

例4(コレステロール電極) 上述の例2において使用したプロトテック社製の白金被
膜付カーボン紙を、リン酸緩衝液(pH7.4)にコレステ
ロールオキシダーゼ(EC1.1.3.6.)を5mg/mlの濃度に溶
解させた溶液に22℃で3時間含浸させた。
Example 4 (Cholesterol Electrode) The platinum-coated carbon paper manufactured by Prototech Co., which was used in Example 2 above, was mixed with phosphate buffer (pH 7.4) and cholesterol oxidase (EC1.1.3.6. The solution dissolved in the concentration was impregnated at 22 ° C. for 3 hours.

次に、コレステロールオキシダーゼを吸着した上記白金
被膜付カーボン紙を直径1.5mmのディスク状に切り抜い
て電極とし、これを第16図に示すような二電極系のセル
にセットして銀−塩化銀電極に対して340mVの電位に設
定し、コレステロール標準液に対する応答性を調べた。
Next, the platinum-coated carbon paper which adsorbed cholesterol oxidase was cut out into a disk with a diameter of 1.5 mm to form an electrode, which was set in a two-electrode system cell as shown in FIG. Was set to a potential of 340 mV, and the responsiveness to a cholesterol standard solution was examined.

上記コレステロール標準液は、5%の界面活性剤(トリ
トンX-100、登録商標名)を含むリン酸緩衝液(pH7.4)
にコレステロールを50,100,200mg/dlの割合で添加し、
超音波攪拌後、70℃に加熱することにより調製した。
The above cholesterol standard solution is a phosphate buffer solution (pH 7.4) containing 5% surfactant (Triton X-100, registered trademark).
Add cholesterol at a rate of 50,100,200 mg / dl to
It was prepared by heating to 70 ° C. after ultrasonic stirring.

コレステロールに対する上記電極の応答性は以下の表の
通りである。
The responsiveness of the above electrodes to cholesterol is shown in the table below.

例5(シュクロース電極) このシュクロース電極は、3種類の酵素からなり複合酵
素系を適用したものであり、これら酵素は、シュクロー
スをα−グルコースに転換するインベルターゼ、α−グ
ルコースをα−およびβ−グルコースの混合物に転換す
るムターゼ、およびβ−グルコースに作用してシュクロ
ースの初期濃度に比例した出力信号を発生させるグルコ
ースオキシダーゼである。
Example 5 (Sucrose Electrode) This sucrose electrode is an enzyme to which a complex enzyme system composed of three kinds of enzymes is applied, and these enzymes convert α-glucose into invertase, which converts α-glucose into α-glucose. A mutase that converts to a mixture of β-glucose and glucose oxidase that acts on β-glucose to produce an output signal proportional to the initial concentration of sucrose.

上述の例2において使用したプロトテック社製の白金被
膜付カーボン紙を、リン酸緩衝液(pH7.0)に以下の酵
素を溶解させた酵素混合溶液に室温で90分間含浸させ
た。
The platinum coated carbon paper manufactured by Prototech Co. used in Example 2 was impregnated with an enzyme mixed solution prepared by dissolving the following enzymes in a phosphate buffer (pH 7.0) at room temperature for 90 minutes.

グルコースオキシダーゼ(EC1.1.3.4.)6mg/ml インベルターゼ (EC3.2.1.26.)6mg/ml ムタロターゼ (EC5.1.3.3.)2mg/ml 次に、これらの酵素を吸着した上記白金被膜付カーボン
紙を直径5mmのディスク状に切り抜いて電極とし、これ
を第15図に示すような三電極系のセルにセットして銀−
塩化銀電極に対して400mVの電位に設定し、シュクロー
スを含む水溶液に対する応答性を調べた。なお、上記電
極の被検溶液との接触面積は0.16cm2である。
Glucose oxidase (EC1.1.3.4.) 6mg / ml Invertase (EC3.2.1.26.) 6mg / ml Mutarotase (EC5.1.3.3.) 2mg / ml Next, with the platinum coating adsorbing these enzymes. Cut out carbon paper in the shape of a disk with a diameter of 5 mm to make an electrode.Set this in a three-electrode cell as shown in Fig. 15 and set the silver-
The response to an aqueous solution containing sucrose was investigated by setting the potential of 400 mV to the silver chloride electrode. The contact area of the electrode with the test solution is 0.16 cm 2 .

また、カルボジイミド処理あるいはグルタルアルデヒド
架橋法により上記白金被膜付カーボン紙にこれら3種類
の酵素を同時に固定化して作成した電極についても、同
様の測定を行った。
Further, the same measurement was carried out for an electrode prepared by simultaneously immobilizing these three kinds of enzymes on the platinum-coated carbon paper by carbodiimide treatment or glutaraldehyde crosslinking method.

これら3種類の電極のシュクロース溶液に対する応答曲
線を第17図に示す。
The response curves of these three types of electrodes to the sucrose solution are shown in FIG.

この第17図より、吸着,カルボジイミド処理,グルタル
アルデヒド架橋のいずれを行った場合にもほぼ直線的な
応答性が得られることがわかった。
From FIG. 17, it was found that almost linear response was obtained when any of adsorption, carbodiimide treatment and glutaraldehyde crosslinking was performed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明は、新規な炭素基板を酵素電極として用い、電極
上にグルコースオキシダーゼ等の酵素をより効果的な方
法で固定化することにより、応答性,安定性の優れた電
流検出型センサを提供することができる。本発明が提供
する改良された酵素電極は、特に所望しない限りメディ
エータを用いなくてもすむほか、非常に低レベルの溶存
酸素の存在下でも機能する。のみならず、10mM濃度のグ
ルコース溶液中1平方cmあたりの電流密度は数百マイク
ロアンペアと、電流応答特性にも優れる。かかる電流応
答特性は従来の電流検出型バイオセンサに比して優れて
いるため、電極面積が1mm以下で0〜100nAの電流出力を
発揮するマイクロプローブ型バイオセンサの製造にも適
している。
The present invention provides a current detection type sensor having excellent responsiveness and stability by using a novel carbon substrate as an enzyme electrode and immobilizing an enzyme such as glucose oxidase on the electrode by a more effective method. be able to. The improved enzyme electrodes provided by the present invention do not require mediators unless otherwise desired and function in the presence of very low levels of dissolved oxygen. Not only that, the current density per square cm in a glucose solution having a concentration of 10 mM is several hundred microamperes, which is excellent in current response characteristics. Since such current response characteristics are superior to those of the conventional current detection type biosensor, it is also suitable for manufacturing a microprobe type biosensor that exhibits a current output of 0 to 100 nA when the electrode area is 1 mm or less.

当該電極はまた非常に微量の固定化酵素を用いて構成す
ることもできる。すなわち保護膜なしの場合には1〜2
秒、保護膜がある場合には10〜30秒と、従来のいかなる
グルコースセンサよりも速いグルコース応答特性を有す
る。また、この電極は浸漬した状態で保管されれば室温
においても優れた安定性を発揮する。
The electrodes can also be constructed with very small amounts of immobilized enzyme. That is, 1-2 without a protective film
Second, with a protective film, it has a faster glucose response characteristic than that of any conventional glucose sensor, which is 10 to 30 seconds. In addition, this electrode exhibits excellent stability even at room temperature if it is stored in a dipped state.

この電極の応答特性は数ヵ月使用した後でも、優れてい
た。適用濃度範囲は広く、通常よりもかなり低い電位で
も機能し(通常の650mVに対して本電極は325mV)、動作
電位におけるバックグラウンド電流値は非常に低い。
The response characteristics of this electrode were excellent even after several months of use. The applicable concentration range is wide, and it works even at a potential much lower than usual (this electrode is 325 mV as compared with the normal 650 mV), and the background current value at the operating potential is very low.

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

第1図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極と
従来型の炭素電極材料を使用したグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を比較して示す特性図である。 第2図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
安定性を示す特性図である。 第3図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
電流応答特性とグルコース濃度との関係を示す特性図で
ある。 第4図は酸素圧を変化させた場合の本発明にかかるグル
コースオキシダーゼ電極の電流応答特性の変化を示す特
性図である。 第5図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極を
室温で保存した場合の安定性を示す特性図である。 第6図は比較例として従来技術にかかるグルコースオキ
シダーゼ電極を室温で保存した場合の安定性を示す特性
図である。 第7図は本発明および従来技術にかかるグルタルアルデ
ヒド架橋型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性
を比較して示す特性図である。 第8図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。 第9図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型ラクテートオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。 第10図は本発明にかかるガラクトースオキシダーゼ電極
の電流応答特性を示す特性図である。 第11図は本発明にかかるラクテートオキシダーゼ電極の
電流応答特性を示す特性図である。 第12図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ/β−
ガラクトシダーゼ複合電極の電流応答特性を示す特性図
である。 第13図は白金被膜付きカーボン粒子に対するバインダー
としてポリテトラフルオロエチレンの代わりにポリ酢酸
ビニルを使用した本発明にかかるグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を示す特性図である。 第14図はポリテトラフルオロエチレンをバインダーとし
てカーボン紙上に形成されたパラジウム被膜付きカーボ
ン粒子層の上にグルコースオキシダーゼが固定化されて
なる本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の電流
応答特性を示す特性図である。 第15図は本発明にかかる酵素電極の動作特性を測定する
ための改良型ランク電気化学セルの概略断面図である。 第16図は一部の測定で使用された二電極系の実験装置を
示す概略断面図である。 第17図は本発明を適用したシュクロース電極の電流応答
性を示す特性図である。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention and a glucose oxidase electrode using a conventional carbon electrode material in comparison. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the current response characteristic and the glucose concentration of the glucose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention when oxygen pressure is changed. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention when stored at room temperature. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the stability of a glucose oxidase electrode according to the prior art as a comparative example when stored at room temperature. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the glutaraldehyde cross-linked glucose oxidase electrodes according to the present invention and the prior art in comparison. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the carbodiimide-treated glucose oxidase electrodes according to the present invention and the prior art in comparison. FIG. 9 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the carbodiimide-treated lactate oxidase electrode according to the present invention and the prior art in comparison. FIG. 10 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the galactose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 11 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the lactate oxidase electrode according to the present invention. FIG. 12 shows glucose oxidase / β- according to the present invention.
It is a characteristic view which shows the current response characteristic of a galactosidase composite electrode. FIG. 13 is a characteristic diagram showing current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention in which polyvinyl acetate is used in place of polytetrafluoroethylene as a binder for platinum-coated carbon particles. FIG. 14 is a characteristic diagram showing current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention in which glucose oxidase is immobilized on a carbon particle layer with a palladium coating formed on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder. is there. FIG. 15 is a schematic sectional view of an improved rank electrochemical cell for measuring the operating characteristics of the enzyme electrode according to the present invention. FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a two-electrode system experimental apparatus used in some measurements. FIG. 17 is a characteristic diagram showing current response of the sucrose electrode to which the present invention is applied.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェレミー・リチャード・メイスン 英国、ロンドン ダブリュウ3、フライア ズ・プレイス・レイン 45番地 (72)発明者 クリストファー・フランク・サーストン 英国、ロンドン ダブリュウ5、ランレ イ・ロード 26番地 (72)発明者 ジョン・レイング・スティアリング 英国、ロンドン ダブリュウ3、ツウィフ ォード アベニュウ 78番地 (72)発明者 デヴィット・ロバート・ディケイザー 英国、サレイ ジーユー22、8エルエー、 オールド・ウォーキング、パウンドフィー ルド・コート 4番地 (56)参考文献 特開 昭55−129745(JP,A) 特公 昭58−53745(JP,B2) 特公 昭59−12135(JP,B2) 「蛋白質、核酸、酵素」,Vol.30, No.4(1985),P.247〜276 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Jeremy Richard Mason, London, London, W3-3, Flyers Place Lane 45, (72) Inventor, Christopher Frank Thurston, London, W5, Runley, London Road 26 (72) Inventor John Ling Stealing London W3, London 3, Twifo Avenyu 78 (72) Inventor David Robert Deceaser United Kingdom, Surrey GU 22, 8Aue, Old Walking, Pound Fee Ludo Court No. 4 (56) Reference JP-A-55-129745 (JP, A) JP-B-58-53745 (JP, B2) JP-B-59-12135 (JP, B2) White matter, nucleic acid, enzyme ", Vol. 30, No. 4 (1985), p. 247 ~ 276

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】樹脂バインダー結合したカーボン粒子又は
グラファイト粒子の層からなり白金又は白金族金属を含
有する導電性支持体と、この導電性支持体上に固定又は
吸着された酸化還元酵素からなり、特異的基質の存在下
において酵素の触媒活性に電気的に応答することが可能
な酵素電極において、 導電性支持体は、表面に白金族金属がカーボン又はグラ
ファイトを基準として1〜20重量%の割合で予め吸着さ
れた粒径3〜50nmのカーボン粒子又はグラファイト粒子
が樹脂バインダーにより結合された多孔質層からなり、
白金族金属がこの多孔質層に均一に分散され、 樹脂バインダーは、常温常圧下で1cm3当り2×10-3cm3
以上の酵素溶解度を有し、カーボン粒子又はグラファイ
ト粒子を基準として5〜80重量%の割合で多孔質層に存
在し、 酸化還元酵素は、表面に白金族金属が吸着されたカーボ
ン粒子又はグラファイト粒子に接触して多孔質層に含浸
され、メディエータや電子輸送剤を介さず導電層への直
接電子輸送を行なう酸化還元酵素であることを特徴とす
る酵素電極。
1. A conductive support comprising a layer of carbon particles or graphite particles bound to a resin binder and containing platinum or a platinum group metal, and an oxidoreductase immobilized or adsorbed on the conductive support, In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, the conductive support has a platinum group metal on the surface of 1 to 20% by weight based on carbon or graphite. Consisting of a porous layer in which carbon particles or graphite particles having a particle size of 3 to 50 nm pre-adsorbed with are bound by a resin binder,
The platinum group metal is uniformly dispersed in this porous layer, and the resin binder is 2 × 10 -3 cm 3 per cm 3 under normal temperature and pressure.
It has the above enzyme solubility and is present in the porous layer at a ratio of 5 to 80% by weight based on the carbon particles or graphite particles. The redox enzyme is a carbon particle or graphite particle having a platinum group metal adsorbed on the surface. An enzyme electrode characterized by being an oxidoreductase that is directly impregnated into a porous layer in contact with a substrate and directly transports electrons to a conductive layer without passing through a mediator or an electron transfer agent.
【請求項2】白金族金属が白金又はパラジウムであるこ
とを特徴とする請求項1記載の酵素電極。
2. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the platinum group metal is platinum or palladium.
【請求項3】樹脂バインダーがフルオロカーボン樹脂又
はポリビニルアセテートであることを特徴とする請求項
1又は2記載の酵素電極。
3. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the resin binder is a fluorocarbon resin or polyvinyl acetate.
【請求項4】樹脂バインダーがポリテトラフルオロエチ
レンであることを特徴とする請求項3記載の酵素電極。
4. The enzyme electrode according to claim 3, wherein the resin binder is polytetrafluoroethylene.
【請求項5】酸化還元酵素がグルコースオキシダーゼで
あることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか
一記載の酵素電極。
5. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the redox enzyme is glucose oxidase.
【請求項6】白金族金属粒子が予め表面に吸着されたカ
ーボン粒子又はグラファイト粒子を樹脂バインダーで結
合させてなる多孔質層が、カーボン紙からなる導電性片
の表面に堆積されていることを特徴とする請求項1乃至
請求項5のいずれか一記載の酵素電極。
6. A porous layer formed by binding carbon particles or graphite particles, which are preliminarily adsorbed on the surface of platinum group metal particles, with a resin binder is deposited on the surface of a conductive piece made of carbon paper. The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 5, which is characterized.
【請求項7】多孔質層が、粒径1.5〜2.5nmのコロイド白
金がカーボン粒子の表面に予め吸着された粒径5〜30nm
のカーボン粒子からなる白金カーボン粉を含むことを特
徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一記載の酵素
電極。
7. The porous layer has a particle size of 5 to 30 nm in which colloidal platinum having a particle size of 1.5 to 2.5 nm is pre-adsorbed on the surface of carbon particles.
7. The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 6, further comprising platinum carbon powder composed of the carbon particles described above.
【請求項8】酸化還元酵素が、共有結合を持たずに単に
多孔質層に吸着されることを特徴とする請求項1乃至請
求項7のいずれか一記載の酵素電極。
8. The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein the oxidoreductase is simply adsorbed on the porous layer without having a covalent bond.
【請求項9】導電性支持体の表面が基質に対して透過性
を有する微細多孔質膜により保護されていることを特徴
とする請求項1乃至請求項7のいずれか一記載の酵素電
極。
9. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the surface of the conductive support is protected by a microporous membrane that is permeable to the substrate.
【請求項10】微細多孔質膜がポリカーボネート膜であ
ることを特徴とする請求項8記載の酵素電極。
10. The enzyme electrode according to claim 8, wherein the microporous membrane is a polycarbonate membrane.
【請求項11】請求項1乃至請求項7のいずれか一記載
の酵素電極を組み込んだセンサ。
11. A sensor incorporating the enzyme electrode according to any one of claims 1 to 7.
【請求項12】サンプル中の分析対象基質の定量分析方
法において、上記分析対象基質自体をそのまま、あるい
はこの分析対象基質を酸化還元酵素に対して反応性を示
しこれによってその濃度に比例する測定可能な電流を発
生し得る基質種へ変換した後、請求項1乃至請求項9の
いずれか一記載の酵素電極に接触させることを特徴とす
る定量分析方法。
12. A method for quantitative analysis of a substrate to be analyzed in a sample, wherein the substrate to be analyzed itself is used as it is, or the substrate to be analyzed shows reactivity with an oxidoreductase, which allows measurement in proportion to its concentration. A quantitative analysis method, which comprises contacting with the enzyme electrode according to any one of claims 1 to 9 after converting into a substrate species capable of generating a different electric current.
【請求項13】サンプルが臨床サンプルであることを特
徴とする請求項12記載の定量分析方法。
13. The quantitative analysis method according to claim 12, wherein the sample is a clinical sample.
【請求項14】サンプルが血液サンプルであり、分析剤
がグルコースであり、酸化還元酵素がグルコースオキシ
ダーゼであることを特徴とする請求項13記載の定量分析
方法。
14. The quantitative analysis method according to claim 13, wherein the sample is a blood sample, the analytical agent is glucose, and the redox enzyme is glucose oxidase.
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