JPH0823546B2 - 酵素電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、量産化並びに高性能化に適した酵素電極
に関する。

（ロ）従来の技術 酵素電極は、被検査液中に浸漬され、酵素反応によ
り、被検査液中に含まれる当該酵素の基質たる特定化学
物質の濃度を、電気的に測定することを可能とするもの
である。

従来、酵素電極としては、第６図（ｅ）に示すものが
知られている。この従来の酵素電極を、その製造方法と
共に、第６図（ａ）乃至第６図（ｅ）を参照しながら以
下に説明する。

第６図（ａ）は、作用電極25及び対照電極26にリード
線30、30を接続した状態を示している。作用電極25は、
ピン状に成形された白金である。一方、対照電26は、筒
状に成形された銀である。

第６図（ｂ）は、前記作用電極25及び対照電極26を、
カップ状のケース29に収納した状態を示している。対照
電極26は、ケース29の開口部29aより嵌込まれて収納さ
れる。一方、作用電極25は、対照電極26の中空部26b内
に、サポート部材27により、対照電極26に対して絶縁さ
れた状態で支持され、この作用電極25と対照電極26が同
軸構造とされる。前記リード線30、30は、ケース29底部
の窓枠29bより下方に引出される。

第６図（ｃ）は、ケース29内部を、エポキシ樹脂28で
封止した状態を示している。このエポキシ樹脂28は、さ
らにケース開口部29a上に盛上がり、前記作用電極25及
び対照電極26を完全に覆う。

第６図（ｄ）は、第６図（ｃ）に示すものの上面を、
ケース29ごと研削・研磨して球面に加工し、作用電極25
及び対照電極26に、それぞれ感応面25a、26aを生成した
状態を示している。感応面25a、26aは、所定面積比とな
るように、作用電極25の径、対照電極26の内径及び外径
等が定められている。この状態のものは、下地電極32と
呼ばれる。

第６図（ｅ）は、第６図（ｄ）に示す下地電極32に、
固定化酵素膜36を装着し、酵素電極31として完成した状
態を示している。固定化酵素膜36は、高分子膜に検出す
べき特定化学物質を基質とする酵素を固定化したもので
あり、下地電極32とは別個に作成される。固定化酵素膜
36は、感応面25a、26aに密着するよう下地電極32の研磨
面32aを被覆し、周縁部36aをＯリング37によりケース29
外周面に止められる。なお、ケース29外周面には、この
Ｏリング37を固定させるための溝29cが設けられてい
る。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 上記従来の酵素電極31は、その製造工程において、手
作業により１つずつ生産されており、大量生産が困難で
ある不都合があった。また、この手作業は微細な作業の
連続であり、材料の損失、特に電極材料の損失が大き
く、酵素電極製造時の歩留まりが低下する不都合があっ
た。さらに、加工費がかかり、製造コストが高くなる不
都合があった。ちなみに、この加工費は、製造コストの
60〜80％を占めている。

一方、上記従来の酵素電極31においては、使用時に、
以下の不都合もあった。先ず、研削・研磨による感応面
25a、26a生成時に、作用電極25周囲のエポキシ樹脂28に
亀裂、間隙が生じる。これは、エポキシ樹脂28、作用電
極25、対照電極26の硬度の差異によるものである。酵素
電極31使用時に、これら亀裂・間隙に水やその他の液体
が侵入すると、ノイズを発生し、測定精度が低下する不
都合があった。また、酵素電極31の出力は、感応面25
a、26aの面積により定まる。ところが、感応面25a、26a
が手作業により生成されるため、感応面25a、26aの面積
が酵素電極間で一定にならず、その出力がばらつく不都
合があった。さらに、固定化酵素膜36の装着不良によ
り、出力の変化が生じる不都合があった。

この発明は、上記不都合に鑑みてなされたもので、大
量生産可能でコストが低く、性能に優れた酵素電極を提
供することを目的としている。

（ニ）問題点を解決するための手段 上記不都合を解決するための手段として、この発明の
酵素電極は、絶縁基板表面に２以上の電極を形成し、前
記２以上の電極のそれぞれの一部である感応部を除いて
前記２以上の電極を絶縁性保護膜で被覆し、前記２以上
の電極にわたって前記感応部を固定化酵素膜で一体に被
覆してなるものである。

（ホ）作用 この発明の酵素電極は、絶縁基板上に作用電極、対照
電極等を設けるものであり、大きな絶縁平板上に複数の
酵素電極を一括して製造することができ、大量生産が可
能となる。また、材料の損失、特に電極材料の損失が小
さくでき、歩留まりを向上させることができる。さら
に、酵素電極の製造を自動化して行うことが容易で、そ
の製造コストの低減が可能となる。

一方、この発明の酵素電極においては、製造工程中に
電極の研削・研磨が含まれないため、電極周辺に亀裂や
間隙が生じず、これに起因するノイズが防止される。ま
た、絶縁性保護膜の窓部の開口面積は、ホトリソグラフ
ィー技術を使用して高い精度で定めることができるた
め、酵素電極の感応部面積が均一化され、その出力のば
らつきが解消される。さらに、固定化酵素膜は、絶縁基
板表面に一体に設けられるものであるから、その出力が
安定する。

（ヘ）実施例 この発明の一実施例を、第１図（ａ）乃至第１図
（ｈ）、第２図（ａ）乃至第２図（ｈ）、第３図乃至第
５図に基づいて以下に説明する。

この実施例に係る酵素電極１は、血液等に含まれるグ
ルコース濃度の検出に適用されるものである。以下、こ
の酵素電極１を、その製造工程を追いながら説明する。

第１図（ａ）は、アルミナセラミック板（アルミナ96
％）２の表面2aに、区画線３、…、３を形成した状態を
示している。アルミナセラミック板２は、その区画４が
後述の絶縁基板９をなすものであり、適切な大きさ（例
えば５×5cm、厚さ0.5mm）のものを使用する。区画線３
は、レーザ加工により形成される切れ目であり、その深
さは、アルミナセラミック板２の厚さの約1/2とされる
〔第２図（ａ）参照〕。この区画線３より、表面2aが適
切な大きさ（例えば４×15mm）の区画４に区分される。
なお、アルミナセラミック板に代えて、他の絶縁素材よ
りなる板材の使用も可能であり、また区画線３の形成方
法も、レーザ加工に限定されるものではない。

上記アルミナセラミック板表面2aの各区画４には、そ
れぞれ作用電極５及び対照電極６が形成される〔第１図
（ｂ）及び第２図（ｂ）参照〕。作用電極５及び対照電
極６は、並行して設けられる帯状の白金等の金属薄膜で
ある。この金属薄膜は、スパッタ・蒸着等の手段で、一
括してアルミナセラミック板表面2aの各区画４に形成さ
れる。

さらに、アルミナセラミック板表面2aには、感光性ポ
リイミドよりなる感光性樹脂膜７が形成され、前記作用
電極５及び対照電極６が完全に被覆される〔第１図
（ｃ）及び第２図（ｃ）参照〕。なお、感光性樹脂は、
感光性ポリイミドに限定されるものではなく、適宜変更
可能である。

感光性樹脂膜７は、ホトマスク（図示せず）をかけて
露光後、現像・リンスされ、不要な部分が除去されて絶
縁性保護膜８、‥‥、８とされる〔第１図（ｄ）及び第
２図（ｄ）参照〕。絶縁性保護膜８は、各区画４に１つ
設けられ、作用電極５及び対照電極６を絶縁・保護す
る。

絶縁性保護膜８には、窓部8a、8b、8c、8dが設けられ
ている。これら窓部8a等は、感光性樹脂膜７露光時に同
時に形成されるもので、その形状は、前記ホトマスクに
より、高い精度で定められている。窓部8aは、作用電極
５の一部を露出させて作用電極感応部5aとする。窓部8b
は、対照電極６の一部を露出させて対照電極感応部6aと
する。窓部8aと8bの開口面積比は、この実施例では1:20
とされている。窓部8c、8dは、それぞれ作用電極５及び
対照電極６の他の一部を露出させて、後述のリード線1
0、10を接続する接続部5b、6bとするものである。な
お、窓部8a、8bの形状は、これに限定されるものではな
く、また、これらを複数の窓部より構成してもよく、適
宜変更可能である。

次いで、アルミナセラミック板２が区画線３に沿って
分割され、個々の絶縁基板９とされる〔第１図（ｅ）及
び第２図（ｅ）参照〕。前記接続部5b、6bには、リード
線10、10の先端がそれぞれはんだ付けされる。接続部5
b、6b上には、透明なエポキシ樹脂11が盛られ、リード
線10のはんだ付け部が絶縁保護される。第１図（ｅ）に
示す状態のものは、下地電極12と呼ばれる。

この下地電極12には、固定化酵素膜16が設けられる。
それには、先ず、絶縁基板表面9aにアセチルセルロース
膜13を形成する〔第１図（ｆ）及び第２図（ｆ）参
照〕。このアセチルセルロース膜13は、前記作用電極感
応部5a及び対照電極感応部6aを、一体且つ完全に被覆し
ている。

上記アセチルセルロース膜13を形成するには、下地電
極12をスピナ（回転器、図示せず）に装着し、絶縁基板
表面9aに５％アセチルセルロース溶液（アセトン：シク
ロヘキサノン＝3:1）を滴下する。そして、下地電極12
を約2000rpmの回転数で５秒間回転させる。

このアセチルセルロース膜13上には、酵素溶液14が滴
下され、さらに第２のアセチルセルロース膜15で被覆さ
れて、酵素電極１が完成する〔第１図（ｇ）及び第２図
（ｇ）参照〕。

酵素溶液14は、グルコースオキシダーゼ20mgを、0.1M
リン酸緩衝液（pH6.0）100μに溶解した溶液と、同じ
リン酸緩衝液で調製された0.5％グルタルアルデヒド溶
液100μとを混合してなるものである。

この酵素溶液14が滴下された絶縁基板９を、４％アセ
チルセルロース溶液（アセトン：エタノール4:1）中に
ディップして、第２のアセチルセルロース膜15をコーテ
ィングする。この第２のアセチルセルロース膜15は、血
液等の被検査液中に含まれる、タンパク質等の高分子が
酵素溶液14中に侵入するのを防止するためのものであ
る。上記アセチルセルロース膜13、酵素溶液14及び第２
のアセチルセルロース膜15により、固定化酵素膜16が構
成される。

なお、第２のアセチルセルロース膜15に代えて、ポリ
カーボネイト膜15′を使用することもできる（第１図
（ｈ）及び第２図（ｈ）参照〕。このポリカーボネイト
膜15′は、市販のものを所定の大きさに切ったものを用
い、絶縁基台表面9aに載置されて、酵素溶液14を被覆す
る。

次に、第１図（ｅ）に示す下地電極12の特性について
の試験と、その結果を、第３図を参照しながら以下に説
明する。酵素電極１の性能は、下地電極12の特性に左右
されるから、これを確認しておくことは有意義なことで
ある。

第３図は、下地電極12をH₂O₂を含むリン酸緩衝液に浸
漬した時の、各H₂O₂濃度（０、１、２、３、4ppm）に対
する、印加電圧（Ｖ）と電極電流（nA）との関係を示し
ている。これにより、下地電極12は、H₂O₂濃度によく応
答していることが確認される。また、印加電圧は、0.4
〜0.6Vが適切な値であることが示されている。

続いて、この実施例酵素電極１のグルコース検出特性
を、第４図及び第５図を参照しながら、以下に説明す
る。

第４図は、酵素電極１の特性測定に使用された測定系
18を示している。19は恒温槽であり、内部にpH7.0に調
製された0.1Mリン酸緩衝液20が貯溜されている。このリ
ン酸緩衝液20中に、酵素電極１が浸漬される。また、こ
のリン酸緩衝液20は、スターラ21によって撹拌される。
22はスターラ21の回転子である。

酵素電極１のリード線10は、エレクトロン・メータ23
に接続され、所定の印加電圧（この測定では0.5V）が加
えられる。エレクトロン・メータ23には、レコーダ24が
接続され、酵素電極１の電極出力（電流）が記録され
る。

前記リン酸緩衝液20には、マイクロピペット（図示せ
ず）により、所定量のグルコース溶液が滴下される。こ
のグルコース（Glc）は、酵素電極１の固定化酵素膜16
内で、以下の反応を生じさせる。

このH₂O₂が作用電極感応部5a及び対照電極感応部6aを
感応させ、両電極５、６間にH₂O₂濃度に対応した電極出
力が生じる。第５図は、いくつかのグルコース濃度ｃ
（mg/dl）に対して、電極出力（nA）を白丸でプロット
したものである。また、第５図中に示す曲線は、プロッ
トされた点をつないだ検量線である。この検量線に基づ
いて、任意の検体、例えば血液中のグルコース濃度を定
量することができる。

なお、上記実施例においては、固定化酵素膜16に、酵
素としてグルコースオキシダーゼを固定化しているが、
酵素はこれに限定されるものではなく、適宜変更可能で
ある。

また、絶縁基板の大きさ・形状、あるいは電極、絶縁
性保護膜の形状・配置等は、上記実施例のものに限定さ
れず、適宜設計変更可能である。

（ト）発明の効果 この発明の酵素電極は、絶縁基板表面に２以上の電極
を形成し、前記２以上の電極のそれぞれの一部である感
応部を除いて前記２以上の電極を絶縁性保護膜で被覆
し、前記２以上の電極にわたって前記感応部を固定化酵
素膜で一体的に被覆してなるものである。従って、一枚
の絶縁板に複数の酵素電極を同時に製作していくことが
でき、大量生産が可能となる利点を有している。また、
酵素電極製造工程の自動化が容易であり、製造コストを
低減できる利点を有している。さらに、製造工程におい
て、材料の損失が少ないため、歩留まりが向上できる利
点も有している。

一方、酵素電極の性能面においては、先ず、製造工程
中に電極の研削・研磨が含まれないため、電極周囲に亀
裂・間隙が生じず、ノイズが少なくなる利点を有する。
また、大量生産により一括して製造されるため、電極感
応部面積が均一化され、電極間の出力のばらつきが小さ
くなる利点を有している。さらに、絶縁基板表面に固定
化酵素膜が一体に形成されるため、出力が安定する利点
をも有している。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図（ｂ）、第１図（ｃ）、第１図
（ｄ）、第１図（ｅ）、第１図（ｆ）及び第１図（ｇ）
は、この発明の一実施例に係る酵素電極の製造工程を説
明する図、第１図（ｈ）は、同酵素電極の変形を説明す
る外観斜視図、第２図（ａ）は、第１図（ａ）中IIa−I
Ia線における要部拡大断面図、第２図（ｂ）は、第１図
（ｂ）中IIb−IIb線における要部拡大断面図、第２図
（ｃ）は、第１図（ｃ）中IIc−IIc線における要部拡大
断面図、第２図（ｄ）は、第１図（ｄ）中IId−IId線に
おける要部拡大断面図、第２図（ｅ）は、第１図（ｅ）
中IIe−IIe線における断面図、第２図（ｆ）は、第１図
（ｆ）中IIf−IIf線における断面図、第２図（ｇ）は、
第１図（ｇ）中IIg−IIg線における断面図、第２図
（ｈ）は、第１図（ｈ）中IIh−IIhにおける断面図、第
３図は、前記酵素電極を構成する下地電極の特性を示す
図、第４図は、同酵素電極の特性測定に使用された測定
系を示す図、第５図は、同酵素電極の特性を示す図、第
６図（ａ）、第６図（ｂ）、第６図（ｃ）、第６図
（ｄ）及び第６図（ｅ）は、従来の酵素電極及びその製
造工程を説明する図である。 5:作用電極、5a:作用電極感応部、 6:対照電極、6a:対照電極感応部、 8:絶縁性保護膜、8a・8b:窓部、 9:絶縁基板、9a:絶縁基板表面、 16:固定化酵素膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板表面に２以上の電極を形成し、前
   記２以上の電極のそれぞれの一部である感応部を除いて
   前記２以上の電極を絶縁性保護膜で被覆し、前記２以上
   の電極にわたって前記感応部を固定化酵素膜で一体に被
   覆してなる酵素電極。
2. 【請求項２】前記絶縁性保護膜は、感応性樹脂よりなる
   特許請求の範囲第１項記載の酵素電極。
3. 【請求項３】前記２以上の電極は作用電極と対照電極と
   を含み、作用電極の前記感応部と対照電極の前記感応部
   の面積は、互いに異なることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の酵素電極。
4. 【請求項４】前記固定化酵素膜は、絶縁基板上に、基板
   側より順に積層した第１のアセチルセルロース膜と第２
   のアセチルセルロース膜と、これら第１及び第２のアセ
   チルセルロース膜間に含ませた酵素溶液とを含んでいる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、また
   は第３項記載の酵素電極。