JPH0894575A - 酵素電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電極面積を精度よく簡単に決められ、位置合わ
せが容易である電極構成の酵素電極を提供する。 【構成】本発明は上記の課題を解決するために、絶縁性
基板上に設置したリードに、少なくとも対照電極と酵素
を固定化した測定電極とを形成した酵素電極において、
所定の幅をもつ電極系及び吸液層が、それぞれ長さ方向
の内側で交差、接触した積層構造をなす酵素電極であ
る。また、上記のものの前記吸液層上に開口を有する絶
縁性カバーを設けた酵素電極である。実施態様として
は、上記吸液層が、印刷法により形成される酵素電極や
絶縁性基板上の上記リードが、銅を主体とする材料で印
刷により設けられた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、体液または食品などの
試料液中の被検出成分について、成分濃度を迅速かつ簡
易に定量することができ、量産化、小型化に適した酵素
電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酵素電極は、少なくとも測定電極と対照
電極からなり、試料液を滴下することで、測定電極中に
固定化された酵素により被検出成分を特異的に感知す
る。このとき、被検出成分の濃度に応じた酵素反応量
が、電子伝達物質を介して電気化学的な変化量に変換さ
れ、成分濃度を検知することができる。

【０００３】近年、酵素電極は、量産化への取り組みが
著しい。量産化をはかることで、電極のコストを低下す
ることができ、電極の使い捨てというの概念も提案され
ている。また、微量な試料液でも十分な応答が得られる
酵素電極が望まれている。特に、試料液が血液などの場
合、その必要性は高い。さらには、試料液の微量測定に
ともない、酵素電極自体の小型化も試みられている。

【０００４】従来、上述したような量産化、微量な試料
液の定量に対応した酵素電極として、図９、図１０、図
１１、図１２に示す電極が知られている。これらの酵素
電極を以下に説明する。

【０００５】図９、図１０に示す酵素電極は、絶縁性基
板１、リード２、測定電極３、対照電極４、絶縁性カバ
ー５、酵素固定化層８から構成される。これまでの立体
構造の電極から、構造の平面化により作製工程を簡易化
し、量産化を試みたものである（特開昭６３−１８４０
５１号及び特開昭６３−１８４０５２号）。この作製手
順は、まず、導電性材料からなるリード２を絶縁性基板
１に設置した後、感光性樹脂で絶縁性カバー５を被覆す
ることにより、測定電極３及び対照電極４の感応部を形
成する。その後、酵素と酵素を固定化する結合剤との混
合溶液で、電極感応部を被覆する。

【０００６】絶縁性カバー５は、試料液を供したとき、
測定電極用リード及び対照電極用リードの間の導通を断
つとともに、一定の電極面積を設定する役割を担う。酵
素電極間で電極面積が異なる場合、試料液中の被検出成
分との反応量に差が生じ、応答電流のばらつきにつなが
る。そのため、電極面積の設定には、十分な精度を必要
とする。

【０００７】一方、微量な資料液でも充分な定量を可能
とする手段として、図１１に示す吸液層６の設置が提案
されている（特開平２−２９１３号）。吸液層６は、微
量な試料液を両電極間に展開する役割を担う。吸液層の
材料としては、吸取紙、不織布などが用いられる。ま
た、これら吸液層を固着する方法として、図１２のごと
く保持層７で固定する構造も提案されている（特開昭６
１−２９４３５１号）。

【０００８】しかしながら、上述したような従来の酵素
電極は、量産化、小型化において以下のような課題を有
していた。

【０００９】電極の小型化にともない、絶縁性カバーに
よる電極面積の設定が困難となっている。図９に示す酵
素電極では、絶縁性カバーから露出する電極系が常に所
定の面積となるよう、絶縁性カバーの被覆または酵素固
定化層の固着の精度に配慮しなければならない。また、
図１０に示すような、所定の電極面積を開けた絶縁性カ
バーにおいても、この電極面積を決める孔を電極上に設
置するための位置合わせが困難となっている。図１１に
示す酵素電極においては、吸水層を設置する工程が増え
る。さらに、図１２の酵素電極では、吸液層を固定する
保持層も加わるため、構成の積層化がよりすすみ、小型
化がより困難となる。

【００１０】このような、正確な電極面積の設定、困難
な位置合わせ、構成の積層化は、作製工程をも複雑と
し、量産化においても不適である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上ような問
題点を解決するもので、電極面積を精度よく簡単に決め
られ、位置合わせが容易である電極構成の酵素電極を提
供する事を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために、絶縁性基板上に設置したリードに、少な
くとも対照電極と酵素を固定化した測定電極とを形成し
た酵素電極において、所定の幅をもつ電極系及び吸液層
が、それぞれ長さ方向の内側で交差、接触した積層構造
をなす酵素電極である。また、上記のものの前記吸液層
上に開口を有する絶縁性カバーを設けた酵素電極であ
る。実施態様としては、上記吸液層が、印刷法により形
成される酵素電極や絶縁性基板上の上記リードが、銅を
主体とする材料で印刷される酵素電極が挙げられる。

【００１３】電極系と吸液層が交差、接触する積層構造
について、図１〜図７を用いて以下に説明する。

【００１４】図１の平面図に示す酵素電極の構成は、絶
縁性基板１、リード２、測定電極３、対照電極４、吸液
層６である。ここで、所定の幅をもつ短冊状の吸液層６
が、同じく所定の幅をもち、短冊状に形成された測定電
極３及び対照電極４のほぼ中央部を、横切る方向に、上
部より積層、すなわち交差、接触して積層している。

【００１５】この酵素電極において、電極系と吸水層６
の接触面積は電極面積を意味する。すなわち、短冊状に
形成された測定電極３、対照電極４及び吸液層６のそれ
ぞれの幅が決まれば、試料液と接触する測定電極及び対
照電極の面積が決定される。そのため、本発明の請求項
１の酵素電極は、絶縁性カバーを用いることなく電極面
積を設定することができ、電極構成の簡易化が可能とな
る。

【００１６】吸液層の材料として、濾紙、ガーゼ、不織
布、吸水性高分子などが挙げられる。濾紙などの場合、
固着面に水溶性接着剤などを塗布して、容易に電極上に
固着、形成できる。しかし、工程面の簡易度から、印刷
により形成できる吸水性高分子がより好ましい。吸水性
高分子として、デンプン系、セルロース系、タンパク質
系、ポリビニルアルコール系、ポリアクリル酸系、ポリ
アクリルアミド系、ポリオキシエチレン系、などが挙げ
られる。これらの、高分子は水溶液、または有機溶剤、
さらにはバインダー溶液に溶解し、印刷、乾燥すること
により吸液層を形成することができる。

【００１７】さらに、図１に示す酵素電極では、電極系
に対して吸液層の積層位置が、短冊状に形成された電極
系の長さ方向に並行移動した場合（図２、図３）でも、
長さ方向に収まる範囲内であれば、電極面積は一定に保
たれる。そのため、所定の幅をもつ電極系及び吸液層
が、長さ方向の範囲内で交差する構造は、厳密な位置合
わせが不要となり、作製工程の簡易化が可能となる。ま
た、リードに接触しない構造であれば、図４に示すよう
に、電極系の下部に吸液層を設置することも可能であ
る。また、図５、図６、図７のような構成でもよい。図
１〜図７は電極系と吸液層が直交しているが、必ずしも
直交しなくてもよく、電極の長さ方向の内側であれば多
少角度がついていてもよい。しかし、同じロット内では
角度が変化してはいけない。

【００１８】測定電極は、酵素と電子伝達物質をバイン
ダー溶液中に分散させ、塗工，乾燥することで形成でき
る。その際、導電性粉末を同時に添加し、酵素含有導電
性インキとすることで、酵素反応からの電子伝達効率を
大幅に向上することができる。

【００１９】酵素としては、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を用いる
ことができる。

【００２０】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、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。

【００２１】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。

【００２２】バインダーは、測定電極の構成成分を絶縁
性基板に固定化する役割を担う。通常、有機溶剤に溶解
させるか、または水溶液として用い、導電性インキの粘
度を調節する用途も兼ねる。具体的には、デンプン系・
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・ポリビニルアルコール
系・ポリビニルブチラール系・塩化ビニル系・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・ポリスチレン系・などの合成高分子樹脂類が
挙げられ、２種類以上の混合系を用いることもできる。
水溶性バインダーを使用する場合には、測定中に電極部
の溶解、脱落が起きないように非水溶性バインダーと混
合して用いる。

【００２３】有機溶剤は、上記の導電性インキのバイン
ダーおよび他の構成成分を均一に溶解または分散させる
ものが好ましい。また、構成成分に対して安定であるこ
とも必要である。具体的には、アルコール系、多価アル
コール系、エステル系、ケトン系、芳香族炭化水素系、
脂肪酸炭化水素系などが用いられる。

【００２４】リードの材料としては、金、白金、銀、
銅、カーボンなどの導電性材料などが挙げられ、エッチ
ング加工、蒸着、バインダー溶液中に分散させたペース
トなどにより形成することができる。しかし、コスト
面、導電性、取扱い、加工性、形成工程など考慮する
と、銅ペーストによる印刷形成が好ましい。

【００２５】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、試料液により侵
されないものが用いられる．特に、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。

【００２６】印刷方法としては、スクリーン印刷、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ポイス゛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することで電極系を形成す
ることができる。

【００２７】

【作用】本発明の酵素電極は、所定の幅をもつ電極系及
び吸液層が、それぞれ長さ方向の内側で交差、接触した
積層構造をなすので、電極面積の設定が電極系と吸液層
の接触面積でなされ、絶縁性カバーで電極面積の設定を
する必要がない。また、図５に示す請求項２の発明のよ
うに、絶縁性カバーを設ける場合でもカバーの開口部が
吸液層の上にあればどこでもよく、位置合わせの精度が
いらない。また、吸液層を印刷で設けることにより、安
価で大量生産可能である。さらに、絶縁性基板上のリー
ドを銅を主体とする材料で印刷することにより、安価
で、全て乾式で行なうことが可能となる。

【００２８】

【実施例】

＜実施例１＞酵素電極の一例として、グルコースオキシ
ダーゼにより試料液中のグルコースを測定する電極を図
６に示す。銅張積層板にエッチング処理を施し、測定電
極及び対照電極用のリード２を形成した。その一方の先
端に、カーボンペーストをスクリーン印刷で塗工、乾燥
して対照電極４とした。測定電極用の酵素含有導電性イ
ンキは、導電性粉末であるアセチレンブラック（旭電化
工業（株）製）４０重量部、バインダー溶液であるポリ
ビニルブチラール樹脂（ＫＳ−５Ｚ；積水化学工業
（株）製）４０重量部／ブチルセロソルブ溶液３６０重
量部、酵素であるグルコースオキシダーゼ（メルク社
製：８Ｕ／ｍｇ）１０重量部、電子伝達物質であるフェ
リシアン化カリウム１０重量部を乳鉢で混連することで
調液し、リード先端にスクリーン印刷で塗工、乾燥する
ことで測定電極３を形成した。その後、吸液層６とし
て、短冊状の濾紙を測定電極及び対照電極と直交する位
置に、水溶性粘着剤で固着した。

【００２９】＜実施例２＞グルコースオキシダーゼによ
り試料液中のグルコースを測定する酵素電極の別の実施
例を図７に示す。絶縁性基板１としてポリエチレンテレ
フタレート基板に銅ペースト（（株）アサヒ化学研究所
製）をスクリーン印刷で塗工、乾燥し、測定電極及び対
照電極用のリード２を形成した。その一方の先端に、カ
ーボンペーストをスクリーン印刷で塗工、乾燥して対照
電極４とした。 測定電極用の酵素含有導電性インキ
は、導電性粉末であるカーボンブラック（コロンビアカ
ーボン（株）製）４０重量部、バインダー溶液であるア
クリル樹脂（ＢＲ−７７：三菱レイヨン（株）製）４０
重量部／酢酸セロソルブ溶液３６０重量部、酵素である
グルコースオキシダーゼ（メルク社製：８Ｕ／ｍｇ）１
０重量部、電子伝達物質であるベンゾキノン１０重量部
を乳鉢で混連することで調液し、リード先端にスクリー
ン印刷で塗工、乾燥しすることで測定電極３を形成し
た。その後、吸液層６として、ポリビニルアルコール／
マレイン酸塩系吸水性高分子（スミカゲル：住友化学工
業（株）製）のバインダー溶液を、測定電極及び対照電
極と直交する位置にスクリーン印刷で塗工、乾燥した。

【００３０】作製した酵素電極に各濃度のグルコース溶
液を滴下し、測定電極と対照電極との間に０．７Ｖの電
位を印加して１０秒後に増加する電流を測定した。グル
コース濃度と出力電流の関係を調べたところ、グルコー
ス濃度０〜５００ｍｇ／ｄｌの範囲で良好な応答が得ら
れた。結果を図８に示す。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、所定の幅をもつ電極系と
吸液層が、それぞれ長さ方向の内側で交差、接触した積
層構造をなすことにより、電極面積が決定されるので、
絶縁性カバーで電極面積を決定する必要がない。よっ
て、必ずしも絶縁性カバーを必要としない。また、請求
項２の絶縁性カバーを設ける場合でも、電極面積を決め
る作用は必要ないので、位置合わせが容易である。請求
項３の発明のように、吸液層を印刷で設けることによ
り、安価で大量生産ができる。さらに、請求項４の発明
のように、リードを銅を主体とする材料で印刷で、設け
ることにより、安価で全て乾式（塗工）で製造可能とな
る。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酵素電極の一実施例を示す平面図であ
る。

【図２】本発明の酵素電極の一実施例を示す平面図であ
る。

【図３】本発明の酵素電極の一実施例を示す平面図であ
る。

【図４】本発明の酵素電極の一実施例を示す平面図であ
る。

【図５】本発明の絶縁性カバーを設けた酵素電極の一実
施例を示す平面図である。

【図６】本発明の実施例１の酵素電極を示す平面図であ
る。

【図７】本発明の実施例２の酵素電極を示す平面図であ
る。

【図８】実施例２の酵素電極の応答電流特性を示すグラ
フである。

【図９】従来の酵素電極の斜視図である。

【図１０】従来の酵素電極の斜視図である。

【図１１】従来の酵素電極の断面図である。

【図１２】従来の酵素電極の断面図である。

【符号の説明】

１…基板 ２…リード ３…測定電極 ４…対照電極
５…絶縁性カバー ６…吸液層 ７…保持層 ８…酵素
固定化層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に設置したリードに、少なく
   とも対照電極と酵素を固定化した測定電極とを形成した
   酵素電極において、所定の幅をもつ電極系及び吸液層
   が、それぞれ長さ方向の内側で交差、接触した積層構造
   をなすことを特徴とする酵素電極。
2. 【請求項２】絶縁性基板上に設置したリードに、少なく
   とも対照電極と酵素を固定化した測定電極とを形成した
   酵素電極において、所定の幅をもつ電極系及び吸液層
   が、それぞれ長さ方向の内側で交差、接触した積層構造
   をなし、かつ、前記吸液層上に開口を有する絶縁性カバ
   ーを設けたことを特徴とする酵素電極。
3. 【請求項３】上記吸液層が、印刷法により形成されるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の酵素電
   極。
4. 【請求項４】絶縁性基板上の上記リードが、銅を主体と
   する材料で印刷されることを特徴とする請求項１乃至請
   求項３のいずれかに記載の酵素電極。