JPH07270373A - 酵素電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】優れた応答性を持ち、大量生産技術により製造
可能な一回限りの使い捨て酵素電極を提供する。 【構成】絶縁性基板上に設けられた少なくとも測定極と
対極とを有する電極系において、測定極が少なくとも導
電性粉末、酵素、電子伝達物質、バインダーおよび吸水
性物質を含む導電性インキを塗工したものからなる酵素
電極である。実施態様としては、前記吸水性物質の含有
量が、前記導電性インキの全固形分中０．５〜２０パー
セントである上記の酵素電極、あるいは前記導電性イン
キの塗工を印刷方式により形成した上記の酵素電極が挙
げられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、血液、尿等の体液試料
中の成分や食品中の成分濃度を簡易に定量する酵素電極
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、検量線の校正や電極の洗浄が不
要、すなわちメンテナンスフリーで小型化が可能な使い
捨て型の酵素電極が注目されている。酵素電極とは、一
般には電極と固定化酵素から構成され、酵素反応による
物質変化を電極により電気信号の変化として取りだし、
その酵素が特異的に作用する基質の濃度を測定するもの
である。これを実現する一つの形態として、導電性粉末
と酵素または／および電子伝達物質をポリマーとともに
混合、固定化して電極とする方法がある．この混合法で
は、酵素および電子伝達物質が電極となる導電性粉末の
近傍に、あるいは表面に吸着して存在しているため、電
子授受がスムースに行われ、優れた応答性が得られる。

【０００３】例えば、特開平２−２９８８５５号公報や
特表平３−５０３９３１号公報には、導電性粉末と酵素
および電子伝達物質を含んで成る電極部を持つものが報
告されている。ただし、これらはペースト状の電極成分
を電極ホルダ等の容器につめて用いるものであり、使い
捨てあるいは小型のセンサーにふさわしい形態とは言い
難い。特願平５−２２３２３９号のように、この混合イ
ンキを印刷方式と組み合わせることにより、電極形成と
酵素固定化の両者が一工程で作成できるので、大量生産
が可能となり、製造コストの低い、使い捨て型の酵素電
極を実現する事ができる。

【０００４】電極の性能を最大に引き出すためには、電
極で均一にかつ速やかに反応を進行させる状態を作るこ
とが必要である。そのための１つの方法として、電極の
表面に多孔体や親水性高分子層からなる吸水層を設けた
ものがある。電極表面に検液を速やかに一定量供給する
ための工夫である。ところが、吸水層を電極の表面に層
状に重ねた構造では、接着性が低く、製造過程や使用中
に剥離脱落しやすいという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】よって本発明が解決し
ようとする課題は、優れた応答性を持ち、大量生産技術
により製造可能な一回限りの使い捨て酵素電極を提供す
る事である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁性基板上
に設けられた少なくとも測定極と対極とを有する電極系
において、測定極が少なくとも導電性粉末、酵素、電子
伝達物質、バインダーおよび吸水性物質を含む導電性イ
ンキを塗工したものからなる酵素電極である。実施態様
としては、前記吸水性物質の含有量が、前記導電性イン
キの全固形分中０．５〜２０パーセントである上記の酵
素電極、あるいは前記導電性インキの塗工を印刷方式に
より形成した上記の酵素電極が挙げられる。

【０００７】本発明に用いるバインダーとしては、でん
ぷん系，セルロース系，アルギン酸系，ガム類，タンパ
ク質系などの天然高分子類、アクリル系，ブチラール
系，酢酸ビニル共重合体系，ポリアミド系，ポリエステ
ル系，ポリウレタン系などの合成高分子類が挙げられ
る。水溶性のバインダーを用いる場合には、非水溶性バ
インダーと混合して用いる必要がある。水溶性バインダ
ーのみでは使用中に電極部の溶解、脱落が起きてしまう
ため安定性に欠け、測定ができなくなる。バインダーの
含有量は、インキとしての流動性や印刷適性とのバラン
スで決定され、通常導電性インキの総固形分の５〜５０
％程度である。さらに好ましくは、１０〜３０％であ
る。

【０００８】導電体として働く導電性粉末としては、金
属およびその酸化物、カーボン、グラファイト等の顔料
が挙げられるが、コスト、表面の親水性およびインキ適
性等よりカーボンブラックが好ましい。特に、ストラク
チャー（立体構造）が発達した導電性カーボンブラック
が望ましい。導電性粉末の含有量は、導電性とインキ特
性（粘度、流動性等）、印刷特性（基材への接着性）等
を加味して、他の混合要素との兼ね合いにより決定さ
れ、３０〜７０％程度、さらに好ましくは４０〜６０％
である。

【０００９】インキ中に含有させる酵素は、酸化還元酵
素であれば特に制限なく、たとえばグルコースオキシダ
ーゼ、コレステロールオキシダーゼ、ラクテートオキシ
ダーゼ、アルコールオキシダーゼ、キサンチンオキシダ
ーゼ、ピルベートオキシダーゼ、アルデヒドオキシダー
ゼ等が用いられる。

【００１０】電子伝達物質としては、酸化還元酵素の電
子伝達体として機能するレドックス化合物であれば特に
制限されない。具体的には、フェロセンおよびその誘導
体、ベンゾキノン、メチレンブルー、２，６−ジクロロ
インドフェノール、金属シアン化錯体等が挙げられる。
酵素と電子伝達物質の含有量は、両者を合わせて総固形
分の５〜２０％程度となるのが好ましい。これらの含有
割合を高くすると酵素反応も増すため検出感度も向上す
るが、総固形分＝バインダー＋導電性粉末＋（酵素＋電
子伝達物質）＋吸水性物質であるから、導電性粉末の割
合が低くなり、導電性が低下して電極としての働きを果
たせなくなるため、含有量の調整が必要である。特に酵
素および導電性粉末は高価であるため、性能を発揮でき
る範囲では含有量は少ない方が好ましい。また、その中
で酵素と電子伝達物質の割合を決定する．この割合は、
それぞれの酵素種、活性および電子伝達物質の特性によ
って決定される。

【００１１】本発明に用いられる吸水性物質とは、水湿
潤性を持つが、水または溶剤には不溶の物質である。具
体的には、セルロース、でんぷん、キチン、キトサン、
アガロース等の多糖類およびその変性物質、ポリアクリ
ル酸塩、無水マレイン酸共重合体、ポリビニルアルコー
ル、ポリエチレンオキサイド等の水溶性高分子を適度に
架橋して不溶化した吸水性高分子、シリカゲル、ゼオラ
イト、アルミナ等の無機の多孔体および有機物の多孔体
等が挙げられる。これらの中から２、３種類を組み合わ
せて用いるのが好ましい。例えば、吸収性高分子は吸水
能が高いため速やかに検液を吸収するが、膨潤しやすく
電極の安定性に欠ける。そこで低吸収性の物質を混合す
ることによって、膨潤を抑えながらもある程度の吸収能
を保持できるようになる。特に多糖類の変性物質と高吸
収性高分子の組み合わせが良好な特性を現す。

【００１２】吸水性物質の含有量は、導電性インキ中の
固形分の２〜２０％程度が好ましい。２％以下では十分
な吸水能を得られず、２０％以上ではインキとしての流
動性が低下し、また電極とした後も基材との接着力が弱
く脱離しやすいものとなってしまう。さらに、必要以上
の吸水能を持つため、かえって吸液にムラが生じて不安
定要因となる恐れも生じる。

【００１３】絶縁性基板としては、セラミック、ガラ
ス、ガラスエポキシ、プラスチック等、検液によって侵
されないものであればなんでもよいが、使い捨てである
ため安価で扱い易いポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポ
リエチレン、ポリプロピレン等のプラスチックフィルム
が好ましい。また、生分解生プラスチック等も廃棄も面
から好ましい。

【００１４】なお、一般的に体液中に含まれる特定の生
体成分、例えばアスコルビン酸等によって測定中検体の
ｐＨが変化しないよう緩衝作用を働かせるため、緩衝剤
を添加してもよい。細粉砕した固体の緩衝剤を導電性イ
ンキ中に混合する、あるいは水溶液として添加しても良
い。電極が測定時検体と接したときに、検体中の水分に
よって電極中の固体の緩衝剤が溶かされて緩衝作用を発
揮する。緩衝剤は用いる酵素の至適ｐＨに合わせて種類
を選択し、測定に用いる検体量から１電極あたりに加え
る量を計算して決定する。例えばグルコースオキシダー
ゼはｐＨ７付近で最大の活性を示すため、りん酸系の緩
衝剤を選び、検体に溶け出した時の濃度が、０．０５〜
０．０２５Ｍ程度となるように含有量を決める。

【００１５】印刷方法としては、スクリーン印刷の他、
グラビア印刷、グラビアオフセット印刷、ノズルコーテ
ィング、ディスペンサー印刷、インキジェット印刷等が
応用できる。例えば、スクリーン印刷方法にて形成する
場合には、インキ粘度が１０〜２０００ポイズ程度にな
るよう調整し、スクリーン編み目１００〜４００メッシ
ュのスクリーン版を用いて印刷し、電極部を形成する。

【００１６】

【作用】導電性インキ中に吸水性粉末を混合して電極を
形成する事により、従来よりも検液が速やかに電極全体
に行きわたる。また、これまで電極表面でのみ反応して
いたものが、検液が内部にまで吸収されることにより反
応の場が増し、表面積が増すのと同様の効果が得られ
る。電極内部に混合しているため、バインダーで結着さ
れ、脱落等もない。

【００１７】

【実施例】以下、実施例と比較例を挙げて詳細に述べ
る。

【００１８】＜実施例１＞グルコースオキシダーゼによ
って血液中のグルコースを測定する場合の例を示す．ア
セチレンブラック（旭電化工業（株）製）１０ｇ、フェ
リシアン化カリウム１ｇ、カルボキシメチルセルロース
１０％溶液２０ｇ、ポリエステル樹脂エリーテルＵＥ−
３２００（ユニチカ（株）製）の１０％溶液４０ｇおよ
び酢酸セロソルブ１００ｇ、吸水性物質としてセルロー
スパウダー Ｃタイプ（東洋濾紙（株）製）１０ｇ、Ｐ
Ｑポリマー ＰＬ−１００（大阪有機化学（株）製）
２．５ｇを３本ロールにて混合分散させた。これに、グ
ルコースオキシダーゼ（メルク社製 ８ユニット／ｍ
ｇ）０．５ｇを添加し、均一になるまで混合して導電性
インキを作製した。

【００１９】図１に示すように、銀対極（１）を設けた
ポリエチレンテレフタレートからなる絶縁性の基板
（２）に、上述の酵素含有導電性インキを用いてスクリ
ーン印刷法によって測定極（３）を形成した。このとき
用いたスクリーン版は、１５０メッシュ、ゾル厚５０μ
ｍである。その上に電極を一部残して絶縁性のポリマー
層（４）を上に設けた。このようにして作製した酵素電
極を用いて、グルコース濃度と出力電流の関係を調べ
た。グルコース濃度を変化させた溶液を電極上に５０μ
ｌ滴下し、測定極と対極との間に０．７Ｖの直流電圧を
印加して３０秒後の電流値を測定した。結果を図２に示
す。グルコース濃度０〜５００ｍｇ／ｄｌの範囲で良好
な応答が得られた。また、各電極部の吸液量を（表１）
に示す。この時の平均値は約１０μｌで、ばらつきは非
常に小さいものであった。

【００２０】

【表１】

【００２１】＜実施例２＞カーボンブラック−コンダク
テックスＳＣ（コロンビアンカーボン社製）１５ｇ、フ
ェロセン２ｇ、ブチラール樹脂エスレック（ユニチカ
（株）製）の５％溶液１００ｇおよびブチルセロソルブ
１００ｇをペイントシェーカーにて３時間混合分散させ
た。これに、グルコースオキシダーゼ（東京化成（株）
製 ２０ユニット／ｍｇ）０．３ｇを０．１Ｍりん酸緩
衝液５ｍｌに溶解したものを添加し、均一になるまで混
合した後、吸水性物質として不溶性デキストラン微粒子
（日清紡（株）製）６．５ｇおよびＫＩゲル２０１Ｋ−
Ｆ２（（株）クラレ製）１ｇを添加して導電性インキを
作製した。この導電性インキを用いて、ディスペンサー
印刷方式によって電極部を形成する以外は実施例１と同
様にして電極を作製した。この酵素電極を、濃度が２０
０ｍｇ／ｄｌのグルコース水溶液を２０ｌ滴下し、測定
極と対極との間に０．４Ｖの直流電圧を印加して一定時
間後の電流値を測定した。結果を図３に示す。グルコー
ス添加後１０秒程度で安定電流値が得られた。

【００２２】＜比較例＞実施例２において、吸水性物質
を添加しない以外は全く同様の操作による実験を行なっ
た。結果を図４に示す。グルコース添加後安定電流値に
達するまでに３０秒程度かかった。また、同じ電極面積
であるにもかかわらず、電流の絶対値が実施例２と比較
して小さいものとなった。

【００２３】

【発明の効果】本発明の酵素電極では、従来よりも検液
が速やかに電極全体に行きわたるため反応安定時間の短
縮につながる。また、検液が内部に吸収されることによ
り、検液との接触面積が増し表面積が増すのと同様の効
果が得られる。すなわち、電極面積および膜厚が小さく
ても十分な応答性が取れるため、酵素量やメディエータ
等が少なくて済むので経済効果も上がり、吸水性物質の
性質により、電極からの酵素や電子伝達物質の流出が抑
えられる。さらに、電極内部に混合しているため、バイ
ンダーで結着され、脱落等もない。また、すべての必要
要素を内部に混合してインキ化するために、１工程で電
極を形成することが可能であり、生産効率も良い。

【００２４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る酵素電極の斜視図であ
る。

【図２】実施例１における実験結果グラフ図である。

【図３】実施例２における実験結果グラフ図である。

【図４】比較例における実験結果グラフ図である。

【符号の説明】

１…対極 ２…ポリエチレンテレフタレート基板 ３…
導電性インキからなる測定極 ４…絶縁性ポリマー層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に設けられた少なくとも測定
   極と対極とを有する電極系において、測定極が少なくと
   も導電性粉末、酵素、電子伝達物質、バインダーおよび
   吸水性物質を含む導電性インキを塗工したものからなる
   ことを特徴とする酵素電極。
2. 【請求項２】前記吸水性物質の含有量が、前記導電性イ
   ンキの全固形分中０．５〜２０パーセントである請求項
   １記載の酵素電極。
3. 【請求項３】前記導電性インキの塗工を印刷方式により
   形成したことを特徴とする請求項１記載の酵素電極。