JPH0769290B2 - 酵素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は新規な酵素センサに関し、更に詳述すると、低
コストで種々物質の測定を簡便かつ安定に行うことがで
きると共に、使い捨てが可能な酵素センサに関する。

従来の技術 近年、酵素を利用して目的物質を測定することが臨床化
学検査、食品分析、生化学研究等の分野で幅広く行われ
ており、特に最近になって各種の分析に応用可能な酵素
が次々に発見、抽出精製されていること、及び酵素を用
いることによって他の分析法にない高い選択性を得られ
ることから、酵素による測定、分析はますます広範囲に
利用されつつある。

従来、酵素を用いる分析法は、その酵素を利用方法にお
いて２つに大別される。即ち、１つは酵素を一種の試薬
として用いる方法であり、酵素は用時に適当な緩衝液等
に溶解して使用する。この場合、他の発色試薬や紫外吸
収をもつ補酵素などを混合し、吸光光度法で測定を行う
ことが多い。また、他の１つは酵素を固定化酵素として
用いる方法であり、通常固定化酵素膜を酸素電極、過酸
化水素電極、アンモニア電極、pHガラス電極などの下地
電極と組合せて使用する。

発明が解決しようとする問題点 しかし、前者の酵素を試薬として用いる方法は、溶解し
た酵素の再使用が不可能で、一回の測定に用いる酵素の
ロスが大きいため、酵素の利用効率が低く、その結果分
析コストが非常に高くつくという欠点がある。しかも、
分析操作が複雑でかつ長時間を要する場合が多い。

また、後者の固定化酵素を用いる方法は、酵素電極方式
をとるため測定は比較的簡単に行うことができ、更に酵
素は固定化されているので酵素の利用効率は高く、分析
コストは割安となるが、酵素を固定化して用いても、グ
ルコースオキシターゼなどの安定な一部の酵素を除いて
大半の酵素は安定性が低く、従ってすべての種類の酵素
について長期にわたって安定な酵素電極を得ることは困
難である。また、安定な酵素を用いた場合でも、測定サ
ンプルが生体成分であるとサンプル中のたん白質などの
夾雑物の影響で酵素膜が劣化し、安定性、再現性が低下
するので、実用上の寿命はかなり短くなり、頻繁に酵素
膜を交換しなければならなくなる。即ち、この酵素電極
法の最大の問題点は不安定な酵素を用いる分析に適用が
不可能であり、しかも電極と呼ぶにふさわしい安定性、
再現性を付与できないことである。更に、電極は白金な
どの貴金属を用いて材料に複雑な加工を施す場合が多い
ので、電極１本の価格はかなり高価にならざるを得な
い。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、酵素の利用
効率が高く、しかも安定性な低い酵素をも利用し得ると
共に、構造が簡単で種々の物質の測定を低コストで簡便
かつ安定に行うことができる使い捨て可能な酵素センサ
を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明者らは、上記目的を達成すべく、効果的な酵素の
利用、簡易な構成、不安定な酵素の使用といった諸条件
を満足する酵素利用分析技術について鋭意検討をした結
果、下記〜に示す知見をなし、本発明をなすに至っ
た。即ち、 絶縁性基板の一面に例えばエッチング、蒸着、印刷等
の方法で検知極及び対極をそれぞれ薄膜状に積層するこ
とにより、酵素電極の下地電極に相当するコンパクトな
電極体を大量生産し得、この電極体を用いることにより
安価で使い捨てが可能なセンサを作製し得ること。

この場合、例えばpHが酵素の活性領域にあり、かつ電
解液として使用できる緩衝液に酵素を混合し、この緩衝
液をゲル化すると共に、このゲルで電極体の検知極及び
対極を覆うことにより、電極体に酵素固定部を兼ねた電
解液を安定な形状に配置し得、酵素センサとして構成で
きること。

更に、上記ゲル化電解液を気密性シート体で覆うこと
により、ゲルの乾燥、酵素の失活を防止することがで
き、これによってセンサを例えば冷蔵庫内等で長期に亘
って保存することが可能になると共に、使用時にシート
体を剥がしてゲルにサンプルを加えることにより簡便に
目的物質を測定し得ること。

従って、本発明は、絶縁性基板の一面に薄膜状の検知極
及び対極を非導通状態でそれぞれ積層することにより電
極体を形成し、この電極体に上記検知極及び対極を覆っ
て酵素の作動pHに調整した酵素含有ゲル状電解液を配置
することによりこのゲル状電解液を介して検知極と対極
とを導通すると共に、上記ゲル状電解液を覆って外気と
遮断する気密性シート体を取り外し可能に設けてなるこ
とを特徴とする酵素センサを提供する。

本発明の酵素センサは、上述した構成としたことによ
り、使用時には気密性シート体を除去し、ゲル状電解液
に目的成分を含むサンプルを加えた場合、目的物質に酵
素が作用して両極間に電流若しくは電位差が生じ、従っ
てこのセンサの出力を受信計で検知することにより簡単
に目的成分の測定を行うことができるもので、上述した
酵素の試薬としての使用とも酵素電極としての使用とも
異なる新規な分析技術を提供するものである。

以下、本発明につき更に詳しく説明する。

本発明においては、電極体として絶縁性基板の一面に薄
膜状の検知極及び対極をそれぞれ積層したものを用い
る。

ここで、絶縁性基板の材料に限定はないが、プラスチッ
ク、ゴム等からなるものを用いることが好ましい。

また、検知極及び対極の材料は測定対象物質、使用酵素
の種類等に応じて適宜決定することができ、例えば貴金
属、カーボン等の種々導電性材料の中から選択し、これ
らを用いて両極をそれぞれ形成することができる。

更に、両極の形状、配置は任意に行うことができるが、
特に後述する実施例に示すように円形リング状対極の中
空部に円形検知極を配置することが好ましく、これによ
り電気化学的反応を効果的に行わせることが可能になる
と共に、製作上の再現性を向上させることができる。な
お、検知極と対極との組合せを複数個形成し、複数の項
目のセンサとしても差支えない。また、両極の厚さは１
〜100μ程度とすることが好適である。

この場合、基板に検知極及び対極を積層する方法に制限
はなく、例えば薄膜状に形成した両極材料を基板に接着
剤等で貼着することにより両極を形成することもできる
が、特に基板の一面にエッチング、蒸着、印刷等の表面
処理技術を利用して両極を形成することが好ましく、こ
れいより電極体を安価に大量生産することが可能とな
る。この場合、検知極及び対極はエッチング、蒸着、印
刷等で直接基板上に形成してもよく、また検知極や対極
に用いる材料がこれら表面処理方法で基板上に直接形成
しにくいときは、これらの方法で処理し易い材料を用い
て基板上に導電線を兼ねる下地の導電性膜を形成し、こ
の導電性膜の必要な箇所にのみ更に薄膜状の検知極や対
極をエッチング等で積層するようにしてもよい。例え
ば、過酸化水素測定用電極体であれば、貴金属やカーボ
ン等を用いてエッチング、蒸着、印刷等で基板上に両極
を形成することにより容易に大量生産することができ
る。この場合、印刷容易で安価なカーボンを用いても、
測定時に印加電圧をかけて過酸化水素の酸化反応を起こ
させれば、容易に電解電流を検出することができる。ま
た、電極体が電位差電極であると対極の塩化銀薄膜に対
して検知極は固体金属塩や液体感応膜であることが多い
が、この場合はこれらの感応膜を塩化銀薄膜の上にエッ
チングその他の公知の方法で薄膜化して検知極とするこ
とができる。

本発明酵素センサは、上述した電極体に検知極及び対極
を覆って酵素の作動pHに調整した酵素含有ゲル状電解液
を配置することによりこのゲル状電解液を介して検知極
と対極とを導通すると共に、上記ゲル状電解液を覆って
外気と遮断する気密性シート体を設けるものである。

ここで、上記酵素含有ゲル状電解液の組成、製法等に限
定はないが、例えばpHが酵素の活性範囲にある緩衝液に
酵素を混合し、これをアクリル酸系等のゲル化剤を用い
てゲル化したものなどを好適に使用し得る。この場合、
酵素は測定対象物質に応じて適宜選択し得るが、本発明
においては安定性の高い酵素はもちろん、低い酵素でも
好適に使用することができる。

また、ゲル状電解液の性状は特に制限されないが、ゲル
をどの程度の粘性にするかはセンサの応答速度に影響す
る。ゲルの粘性が高い場合は半固形状となり応答速度は
おそくなるが、例えばゲル上にサンプル液を何回かディ
ッピングして使用してももとの形状を保っていて堅牢で
ある。粘性が低いとその逆で、応答速度は速いがサンプ
ルをゲル上にディップすると形状がくずれることがあ
る。

なお、ゲル状電解液の電極体への配置手段に限定はない
が、例えば後述する実施例に示すように、基体表面に両
極部を除いて絶縁性材料をラミネートし、この時両極部
上方に形成される凹部（非ラミネート部分）に電解液を
充填する方法等を好適に採用し得る。この場合、ラミネ
ートの膜厚は同時にゲルの膜厚を決定することになる
が、一般にゲルの膜厚は薄いほど応答速度は速くなる。
従って、センサを高感度用にするか低感度用にするかで
ラミネートの膜厚を調整し、ゲルの投入量を決めること
ができる。

また、気密性シート体の材料、形状は特に限られない。
この気密性シート体の目的はゲル中の水分が蒸発するの
を防ぐことであり、ゲル中の水分が蒸発すると酵素は失
活する。従って、センサを作製した後、長期に保存し得
るためにはこの気密性シート体は不可欠であるが、この
目的を達成し得るものであればいかなる材料、形状のも
のでも使用することが可能である。

なお、本発明においては、必要に応じゲル化電解液に親
水性保持膜をコーティングし、この保持膜を通してゲル
にサンプルを加えるようにすることができ、これによっ
て測定時にゲルの形状がくずれることを良好に防止し得
る。この場合、上記保持膜は極力薄くすることが好まし
く、これによりサンプルの保持膜通過を容易にしてセン
サの応答を速くすることができる。

次に実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発
明は下記実施例に限定されるものではない。

実施例 第１図及び第２図は本発明の一実施例に係る酵素センサ
を示す。図中１は電極体で、この電極体１は、第３図に
示すように方形の絶縁性基板２の一面先端側に円形の薄
膜状検知極３を積層すると共に、基板２一面の検知極３
周囲に基板２の基端に対向した開口部４を有する円形リ
ング状の薄膜状対極５を同心上に積層することにより形
成されている。ここで、基板２内には、基端部から上記
対極５の開口部４下方を通過して検知極３に達する検知
極用導電線６と、基端部から対極５に達する対極用導電
線７とがそれぞれ互に平行に埋設されていると共に、基
板１の基端部には上記導電線6,7を測定器のメータ等に
連結し得る構造のコネクタ部８が形成されている。

また、電極体１の基板２一面には、上記対極５及びその
中空部を除く部分に絶縁性フィルム９がラミネートさ
れ、これによりフィルム９がラミネートされていない部
分、即ち対極５及びその中空部の上方に円形凹部10が形
成されていると共に、この凹部10内には酵素の作動pHに
調整された酵素含有ゲル状電解液11が充填され、これに
より検知極３及び対極５がゲル状電解液11で被覆され、
この電解液11を介して両極3,5が導通されている。

更に、本センサにおいては、上記絶縁性フィルム９及び
電解液を11を覆って親水性保持膜12が積層されていると
共に、この保持膜12に気密性シート体13が取り外し可能
に被覆されている。

上記実施例のセンサを用いて測定を行う場合、電極体１
を測定器に連結すると共に、気密性シート体13を取り外
し、電解液11に保持膜12を通してサンプルを加えた時に
両極間に生じる電流或いは電位差を測定器で検知するも
のである。なお、サンプルを電解液11に加える場合、電
解液11上方の保持膜12にサンプル液を滴下したり、保持
膜12のこの部分を被測定物に当てたりすることができ
る。

従って、本実施例のセンサによれば簡便に測定を行うこ
とができ、使用後は使い捨てにすることが可能である。
この場合、本実施例においては両極を上述した形状、配
置に構成したので、電気化学反応が効率的に行われると
共に、親水性保持膜12を設けたことにより、測定時にゲ
ルの形状が崩れることがなく、従って複数回の使用が可
能で、センサの校正を行うこともできる。

なお、上記実施例では基板２を方形状に形成したが、他
の形状としてもよい。また、導電線6,7を基板２内に埋
設したが、例えば基板２の一面に検知極３及び対極５と
それぞれ一体に形成してもよく、更にその他の構成につ
いても本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更して差
支えない。

次いで、実験例により本発明の効果を具体的に示す。

実験例 上記実施例のセンサを用いてグルコースの測定を行っ
た。この場合、ゲル状電解液11としては、グルコースオ
キシターゼをpH7.0のリン酸緩衝液に溶かし、アクリル
酸系ゲル化剤を用いてゲル化したものを用いた。結果を
第４図に示す。

第４図の結果より、本発明センサによればグルコースを
良好に測定し得ることが認められる。

発明の効果 以上説明したように、本発明に係る酵素センサは、種々
物質の測定を低コストで、しかも簡便かつ安定に行うこ
とができるもので、下記特長を有する。

対極、検知極を持つ電気化学的方法を基礎としている
ので、酵素の働きによる出力は電流乃至電力で得られ、
簡単な受信計で校正、読み取り操作が可能となる。

酵素を対極、検知極の周辺の狭い面積内にのみ保持す
ることが可能で、このため酵素の単位バイアル当りから
大量のセンサを作ることができる。従って酵素は極めて
効率的に利用される。

使い捨て可能なので、センサ個々の長期安定性、使用
寿命などは考慮する必要がなく、例えば冷蔵保存を前提
とした場合、冷蔵保存下で安定な酵素はすべて利用で
き、測定対象が広がる。

不安定な酵素でも、センサの使い捨てができるので、
数回の使用に耐えればよく、またサンプル中の夾雑物に
よる劣化という問題もなくなる。

本発明に用いる電極体は、エッチング、蒸着、印刷等
の大量処理可能な表面処理技術を用いて作ることによ
り、大量に安価に品質を揃えて作ることが可能になり、
試薬紙並みに簡易に用いることも可能となる。しかし、
試験紙法と異なり、校正操作もでき、保存中の酵素特性
の低下に対しても用事校正をすることによって対処し得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る酵素センサの平面図、
第２図は第１図II−II線に沿った断面図、第３図は同例
の電極体を示す平面図、第４図は同例によるグルコース
オキシターゼを用いてグルコースの測定を行ったときの
センサ出力を示すグラフである。 １……電極体、２……基板、３……検知極、 ５……対極、11……酵素含有ゲル状電解液、 12……親水性保持膜、13……気密性シート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板の一面に薄膜状の検知極及び対
   極を非導通状態でそれぞれ積層することにより電極体を
   形成し、この電極体に上記検知極及び対極を覆って酵素
   の作動pHに調整した酵素含有ゲル状電解液を配置するこ
   とによりこのゲル状電解液を介して検知極と対極とを導
   通すると共に、上記ゲル状電解液を覆って外気と遮断す
   る気密性シート体を取り外し可能に設けてなることを特
   徴とする酵素センサ。
2. 【請求項２】ゲル状電解液が親水性保持膜でコーティン
   グされた特許請求の範囲第１項記載の酵素センサ。