JPH1038844A - Online biosensor - Google Patents

Online biosensor

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JPH1038844A
JPH1038844A JP8214946A JP21494696A JPH1038844A JP H1038844 A JPH1038844 A JP H1038844A JP 8214946 A JP8214946 A JP 8214946A JP 21494696 A JP21494696 A JP 21494696A JP H1038844 A JPH1038844 A JP H1038844A
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JP
Japan
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measurement
electrode
sampling portion
tube
approx
Prior art date
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Pending
Application number
JP8214946A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Niwa
修 丹羽
Keiichi Torimitsu
慶一 鳥光
Tsutomu Horiuchi
勉 堀内
Masao Morita
雅夫 森田
Hisao Tabei
久男 田部井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPH1038844A publication Critical patent/JPH1038844A/en
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain quantitative measurement in a small area by incorporating a sampling portion of a capillary, an oxygen reactor, and an electrochemical detector in a flow cell and pumping them by a syringe pump. SOLUTION: A glass capillary of 0.7mm in inner diameter is fused and extended, a sampling portion of approx. 15μ in tip inner diameter is prepared, and a teflon tube of 100 micrometers in inner diameter is plugged from a non- extension side and sealed by epoxy resin. That tube is introduced into a radial flow type electrochemical detector through a fine platinum tube in approx. 3m. On a surface of a grassy carbon electrode of approx. 6mm in diameter, Os polymer containing Western horseradish per-oxydase, enzyme glutamic acid oxide, and bovine serum albumin cross-linked with glutaric aldehyde are qualified by the Os polymer. An output side of the flow cell is connected to a syringe pump through a teflon tube and absorbed. The sampling portion is fined to units of micrometer and is absorbed to measure in a small area.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は培養細胞の計測にお
いて単一細胞などの微小領域での定量測定を目的とした
バイオセンサーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a biosensor for measuring a cultured cell for quantitative measurement in a small area such as a single cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、神経科学や分子生物学などの発展
により、生体内の微小領域に含まれる生理活性物質をリ
アルタイムで計測しようという試みが数多くなされてい
る。その中で電気化学的な分析法は、(1)微少量の計
測に適している、(2)感度が比較的高い、(3)選択
的な膜や酵素などで電極を修飾することにより高選択的
な測定が可能である、(4)簡便で低価格のセンサーを
作製することができる、などの特徴を有している。生体
を生かしたままで直接、電気化学的に生理活性物質を測
定する試みとしては、炭素繊維電極などの微小電極を直
接生体内の特定領域に挿入して、その場計測を行うか、
又はマイクロダイヤリシスプローブと呼ばれる1〜5m
m程度の微小な透析膜を図2に示すように生体中に挿入
し、ポンプにより透析液を送って、生体に含まれる生理
活性物質を膜を介してサンプリングし、オンラインで電
気化学センサーに送り込むことにより生体物質をリアル
タイム計測している。センサーに目的物質と選択的に反
応し電気化学的に活性な物質を生成する酵素膜などを修
飾した電極を用いることにより、グルコース、ラクトー
スなどの糖類、グルタミン酸などの神経伝達物質がリア
ルタイムで計測されている。すなわち、図2は、生体内
〔イン ビボ(in vivo)〕計測を目的とし、マイクロダ
イヤリシス膜を用いる一般的なバイオセンサーの基本構
造を示す図である。一方、培養細胞などの計測では細胞
一個の計測など、マイクロメーターオーダーの微小領域
の計測が求められている。微小電極法では直径数μmの
炭素繊維電極が容易に利用できるため、カテコールアミ
ンなど電極で直接電気化学反応して計測できる神経伝達
物質などでは単一細胞レベルの計測が行われている〔例
えば、T.J.シュレーダー(T.J.Schroeder)、J.
A.ヤンコウスキー(J.A.Jankowski)、K.T.カワゴ
ー(K.T.Kawagoe)、R.M.ワイトマン(R.M.Wightma
n) 、C.レフロウ(C.Lefrou) 、及びC.アマトア
(C.Amatore)、アナリチカルケミストリー(Analytical
Chemistry) 、第64巻、第3077〜3083頁(1
992)〕。また、走査型電気化学顕微鏡を利用してマ
イクロメータオーダーの微小領域での酵素反応や免疫反
応の検出が試みられている〔例えば、H.シク(H.Shik
u)、T.マツエ(T.Matsue) 、及びI.ウチダ(I.Uchi
da) 、アナリチカル ケミストリー、第68巻、第12
76〜78頁(1996)〕。一方、マイクロダイヤリ
シスプローブと電気化学検出を組合せたセンサーを利用
した、培養細胞の計測が行われており(例えば丹羽、鳥
光、森田、オズボーン、山本、電気化学会63回大会予
稿)、微小電極法に比較し、定量性や長期安定性に優
れ、キャリブレーションしやすいのが特徴である。
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of neuroscience and molecular biology, many attempts have been made to measure a physiologically active substance contained in a minute region in a living body in real time. Among them, electrochemical analysis methods are (1) suitable for measurement of minute amounts, (2) relatively high sensitivity, and (3) high efficiency by modifying electrodes with selective membranes or enzymes. (4) A simple and low-cost sensor can be manufactured. As an attempt to directly measure a biologically active substance electrochemically while keeping a living body alive, insert a microelectrode such as a carbon fiber electrode directly into a specific region in the living body and perform in-situ measurement,
Or 1-5m called microdialysis probe
As shown in Fig. 2, a small dialysis membrane of about m is inserted into a living body, a dialysate is sent by a pump, and a physiologically active substance contained in the living body is sampled through the membrane and sent to an electrochemical sensor online. In this way, biological materials are measured in real time. By using a sensor with an electrode modified with an enzyme membrane that selectively reacts with the target substance to generate an electrochemically active substance, sugars such as glucose and lactose, and neurotransmitters such as glutamate are measured in real time. ing. That is, FIG. 2 is a diagram showing a basic structure of a general biosensor using a microdialysis film for the purpose of in vivo [in vivo] measurement. On the other hand, in the measurement of a cultured cell or the like, measurement of a micro area on the order of a micrometer, such as measurement of a single cell, is required. In the microelectrode method, since a carbon fiber electrode having a diameter of several μm can be easily used, a single-cell level measurement is performed for a neurotransmitter or the like which can be measured by an electrochemical reaction directly with an electrode such as catecholamine [eg, T . J. Schroeder, J. et al.
A. JA Jankowski, K.M. T. Kawagoe, R.K. M. Wightman (RMWightma
n), C.I. C. Lefrou, and C.L. Amatoa (C. Amatore), analytical chemistry (Analytical
Chemistry), Vol. 64, pp. 3077-3083 (1
992)]. Further, detection of an enzymatic reaction or an immune reaction in a micro area on the order of micrometers has been attempted by using a scanning electrochemical microscope [for example, H. H .; H.Shik
u), T.I. T. Matsue, and I. Uchida (I.Uchi
da), Analytical Chemistry, Vol. 68, No. 12
76-78 (1996)]. On the other hand, measurement of cultured cells has been performed using a sensor combining a microdialysis probe and electrochemical detection (for example, Niwa, Torimitsu, Morita, Osborne, Yamamoto, 63rd Annual Meeting of the Institute of Electrical Chemistry). Compared to the electrode method, it is superior in quantitative property and long-term stability, and is easy to calibrate.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】培養細胞の計測におい
て細胞は通常10μm前後の大きさを有するために、測
定に用いる電極、あるいはサンプリングプローブは細胞
と同一オーダーまで微小化する必要がある。マイクロダ
イヤリシスと電気化学センサーを組合せた方法では、高
感度で定量性に優れる反面、マイクロメーターオーダー
の透析チューブを作製するのが極めて困難なため単一細
胞レベルでの測定が難しい。またプローブが小さくなる
と目的物質の回収率(外部溶液から何%の目的物質を透
析してサンプルできるかを示す数値)が減少するために
高感度な測定が難しい。一方、ファイバー型の微小電極
では、単一細胞レベルでのサイズまで容易に微小化で
き、電気化学反応を容易に起こす化合物については、極
めて高感度に検出することができるが、電気化学反応を
起こさず、酵素反応と電極反応を組合せて測定を行う系
では微小電極上に固定化できる酵素量が少なく、利用す
る酵素によっては長期安定性に劣る。また、共存物質が
存在する系では、その影響をすべて電極上で除く必要が
あるため、高い選択性を得るのが困難であるなどの欠点
を有している。また、酵素反応に補酵素などの物質が必
要な場合測定を行う培養系にその物質を加える必要があ
り、その生体試料への影響を常に考慮する必要があっ
た。本発明の目的は、前記したような問題点を解決し
た、微小領域での定量測定を目的とするオンラインバイ
オセンサーを提供することにある。
In the measurement of cultured cells, the cells usually have a size of about 10 μm, so that the electrodes or sampling probes used in the measurement need to be miniaturized to the same order as the cells. A method combining microdialysis and an electrochemical sensor has high sensitivity and excellent quantitativeness, but it is extremely difficult to prepare a dialysis tube on the order of a micrometer, so that measurement at a single cell level is difficult. In addition, when the probe is small, the recovery rate of the target substance (a numerical value indicating what percentage of the target substance can be dialyzed from the external solution and sampled) decreases, so that highly sensitive measurement is difficult. On the other hand, a fiber-type microelectrode can easily be miniaturized to the size of a single cell, and compounds that easily cause an electrochemical reaction can be detected with extremely high sensitivity. On the other hand, in a system in which measurement is performed by combining an enzyme reaction and an electrode reaction, the amount of enzyme that can be immobilized on a microelectrode is small, and the long-term stability is poor depending on the enzyme used. Further, a system in which a coexisting substance is present has a drawback such that it is difficult to obtain high selectivity because it is necessary to remove all the effects on the electrode. Further, when a substance such as a coenzyme is required for the enzymatic reaction, it is necessary to add the substance to the culture system for performing the measurement, and it is necessary to always consider the influence on the biological sample. An object of the present invention is to provide an on-line biosensor for solving quantitative problems in a minute area, which solves the above-mentioned problems.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明の第1の発明はオンラインバイオセンサー関する発
明であって、キャピラリのサンプリング部分、酵素反応
器、電気化学検出器を配置したフローセル、吸引モード
で駆動されるシリンジポンプからなることを特徴とす
る。また、本発明の第2の発明は他のオンラインバイオ
センサー関する発明であって、キャピラリのサンプリン
グ部分、酵素修飾電極を配置したフローセル、吸引モー
ドで駆動されるシリンジポンプからなることを特徴とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION To summarize the present invention, a first invention of the present invention relates to an online biosensor, and comprises a flow cell in which a capillary sampling portion, an enzyme reactor, and an electrochemical detector are arranged. And a syringe pump driven in a suction mode. The second invention of the present invention relates to another on-line biosensor, and is characterized by comprising a sampling portion of a capillary, a flow cell having an enzyme-modified electrode, and a syringe pump driven in a suction mode.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。本発明のオンラインバイオセンサーの構造を図1に
示す。すなわち図1は培養系での単一細胞計測など、微
小領域の計測を目的とした本発明のオンラインセンサー
の基本構造を示す図である。本発明においては、従来ミ
リメーターオーダーの透析膜を介してサンプリングを行
っていたオンラインバイオセンサーにおいてサンプリン
グ部分を先端がマイクロメートルオーダーまで微小化す
ることができるマイクロキャピラリ化し、吸引により試
料をサンプリング化するため、マイクロダイヤリシス法
に比較し、より微小領域での測定が可能になる。また、
ダイヤリシス法のように微小化による回収率の低下がな
いために高感度で測定ができる。次に、サンプリングキ
ャピラリと検出用電極の間に微小な反応器を挿入するこ
とにより、(1)目的物質の酵素反応による電気化学的
な活性物質の生成、(2)妨害物質の除去、などをオン
ラインで行うことができるために、修飾した微小電極を
用いる計測に比較し目的物質の高い反応効率や、妨害物
質に対する高い選択性を実現することができる。更に、
酵素反応や電極反応に必要な物質を測定試料内に加える
ことなく、従来のマイクロダイヤリシス法同様に図7に
示す合流回路により加えることが容易に行えるために、
複雑な反応も行うことができる特徴を有している。本発
明においては、フローセルとして、ラディアルフロー型
薄膜セルを用いることが好適である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below. FIG. 1 shows the structure of the online biosensor of the present invention. That is, FIG. 1 is a diagram showing the basic structure of the online sensor of the present invention for the purpose of measuring a small area, such as single cell measurement in a culture system. In the present invention, in an online biosensor which conventionally performed sampling through a dialysis membrane of millimeter order, the sampling portion is formed into a microcapillary whose tip can be miniaturized to micrometer order, and the sample is sampled by suction. Therefore, it is possible to perform measurement in a finer area as compared with the microdialysis method. Also,
The measurement can be performed with high sensitivity because there is no decrease in the recovery rate due to miniaturization as in the diamond lysis method. Next, by inserting a small reactor between the sampling capillary and the detection electrode, it is possible to (1) generate an electrochemically active substance by an enzymatic reaction of a target substance, and (2) remove an interfering substance. Since it can be performed on-line, higher reaction efficiency of the target substance and higher selectivity to interfering substances can be realized as compared with measurement using a modified microelectrode. Furthermore,
Since the substance necessary for the enzyme reaction or the electrode reaction can be easily added by the confluence circuit shown in FIG.
It has the characteristic that a complicated reaction can be performed. In the present invention, it is preferable to use a radial flow type thin film cell as the flow cell.

【0006】[0006]

【実施例】以下、実施例及び図面を参照して本発明を更
に具体的に説明する。なお本発明は以下の実施例のみに
限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and drawings. The present invention is not limited only to the following examples.

【0007】実施例1 図3は、本発明によるオンラインバイオセンサーの一実
施例による構成を説明する概略図である。図3中におい
てサンプリング部分は、内径0.7mmのガラスキャピ
ラリをマイクロピペット製作器(成茂、PP83)によ
り溶融延伸することにより先端内径15μmのサンプリ
ング部分を作製し、内径約100μmのテフロンチュー
ブ(CMAマイクロダイヤリシス社製)を延伸した側の
反対側から奥まで差し込んでエポキシにより封入した。
図3に示すようにそのチューブを3cmの微小白金管を
通してラディアルフロー型電気化学検出器に導入した。
検出に用いた電極を図4に示す。すなわち、図4は検出
器修飾電極の断面図である。なお、図4において、符号
1はグラッシーカーボン(GC)電極、2は西洋ワサビ
ペルオキシターゼを含むオスミウム−ポリビニルピリジ
ンフィルム、3は牛血アルブミン/グルタミン酸酸化酵
素/グルタルアルデヒド=1/1/0.1を意味する。
図4に示すように直径6mmのグラッシーカーボン(G
C)電極〔バイオアナリチカル システムズ(Bioanaly
tical systems)社製〕とし、表面を過酸化水素を低い電
位で還元する性質を有する西洋ワサビペルオキシターゼ
(HRP)を含むオスミウム(Os)ポリビニルピリジ
ン酸化還元ポリマー(Osポリマー)〔例えば、アナリ
チカル ケミストリー、第64巻、第3084〜309
0頁(1992)〕、及びグルタミン酸酸化酵素(ヤマ
サ醤油社製)と牛血アルブミン(BSA)(シグマ社
製)をグルタルアルデヒドに架橋したものをOsポリマ
ー上により2層に修飾した。ラディアルフローセルのア
ウトレット側はテフロンチューブを介してシリンジポン
プ(CMAマイクロダイヤリシス社製)と接続した。シ
リンジポンプは治具により、通常と逆に吸引モードで駆
動するように改造した。このセンサーと白金チューブ電
極と修飾したGC電極を液体クロマトグラフィ用バイポ
テンシオスタットLC4C(バイオアナリチカル シス
テムズ社製)に接続した。参照電極は銀/塩化銀電極を
用い、ラディアルフローセル中に配置してある。また対
向電極はフローセルのブロック(ステンレス製)を利用
した。測定は、白金管電極を400mVに、修飾GC電
極を0mVに電位設定し、初めにリン酸緩衝生理食塩水
を流速16μl/minで送液し、その後、L−グルタ
ミン酸1μmol/リットルを含むリン酸緩衝溶液の測
定を行った。リン酸緩衝溶液をグルタミン酸を含む溶液
に切り替えると約30秒後に電流が増加し始め、−16
nAの定常電流値が得られた。この値は、サンプリング
されたグルタミン酸がすべて酸化されたと仮定した時の
理論値の70%以上の値を示しており、反応効率の大き
いラディアルフロー型薄層セル中に電気化学検出器を配
置したことによるものである。次にL−グルタミン酸1
μmol/リットルとL−アスコルビン酸20μmol
/リットルを含むリン酸緩衝生理食塩水の測定を行う
と、白金管電極では約1.2μAの酸化反応による定常
電流が観測された。一方、修飾GC電極では−11nA
の定常状態電流(還元電流)が観測された。しかしなが
ら、白金管電極に電位を印加せずに測定を行うと、修飾
GC電極の定常電流値は2nAとなり、グルタミン酸を
検出することは困難であった。白金管電極でプレ電解を
行うことにより、妨害物質であるL−アスコルビン酸を
ほとんど除去し、L−グルタミン酸を選択的に検出する
ことができた。
Embodiment 1 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of an online biosensor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, the sampling portion is a glass capillary having an inner diameter of 0.7 mm, which is melt-drawn by a micropipette maker (Narimo, PP83) to produce a sampling portion having a tip inner diameter of 15 μm. (Micro Dialysis Co., Ltd.) was inserted all the way from the opposite side to the stretched side and sealed with epoxy.
As shown in FIG. 3, the tube was introduced into a radial flow type electrochemical detector through a small platinum tube of 3 cm.
The electrodes used for detection are shown in FIG. That is, FIG. 4 is a cross-sectional view of the detector modification electrode. In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a glassy carbon (GC) electrode, 2 denotes an osmium-polyvinyl pyridine film containing horseradish peroxidase, and 3 denotes bovine blood albumin / glutamate oxidase / glutaraldehyde = 1/1 / 0.1. means.
As shown in FIG. 4, glassy carbon (G
C) Electrode [Bioanalytical Systems (Bioanaly
osmium (Os) polyvinyl pyridine redox polymer (Os polymer) containing horseradish peroxidase (HRP) having the property of reducing hydrogen peroxide at a low potential on the surface [for example, Analytical Chemistry, No. 64 volumes, 3084-309
P. 0 (1992)], and glutamate oxidase (Yamasa Shoyu Co., Ltd.) and bovine blood albumin (BSA) (Sigma) cross-linked to glutaraldehyde were modified into two layers on the Os polymer. The outlet side of the radial flow cell was connected to a syringe pump (manufactured by CMA Microdialysis) via a Teflon tube. The syringe pump was modified by a jig so that it was driven in the suction mode, contrary to the normal mode. This sensor, a platinum tube electrode and a modified GC electrode were connected to a bipotentiostat LC4C for liquid chromatography (manufactured by Bioanalytical Systems). The reference electrode uses a silver / silver chloride electrode and is arranged in a radial flow cell. The counter electrode used was a flow cell block (made of stainless steel). The measurement was performed by setting the potential of the platinum tube electrode to 400 mV and the potential of the modified GC electrode to 0 mV. First, phosphate buffered saline was sent at a flow rate of 16 μl / min, and then phosphoric acid containing 1 μmol / L of L-glutamic acid was used. The measurement of the buffer solution was performed. When the phosphate buffer solution was switched to a solution containing glutamic acid, the current started to increase after about 30 seconds, and -16
A steady-state current value of nA was obtained. This value is 70% or more of the theoretical value assuming that all the sampled glutamic acid was oxidized, and the electrochemical detector was arranged in a radial flow type thin layer cell having high reaction efficiency. It is due to. Next, L-glutamic acid 1
μmol / liter and L-ascorbic acid 20μmol
When a phosphate buffered saline solution containing 1 / liter was measured, a steady-state current due to an oxidation reaction of about 1.2 μA was observed at the platinum tube electrode. On the other hand, -11 nA for the modified GC electrode
A steady state current (reduction current) was observed. However, when the measurement was performed without applying a potential to the platinum tube electrode, the steady-state current value of the modified GC electrode was 2 nA, and it was difficult to detect glutamic acid. By performing the pre-electrolysis with the platinum tube electrode, L-ascorbic acid which is an interfering substance was almost removed, and L-glutamic acid could be selectively detected.

【0008】細胞計測を行うために、ラット大脳の神経
細胞をシャーレー上に20日間培養した。この培養細胞
の一つの細胞に図5のようにマニピュレーターを用いて
キャピラリを近接させて細胞近傍の溶液を連続サンプリ
ングしながら、もう一本のキャピラリから100mMの
塩化カリウム水溶液を極微量細胞に振りかけると、電流
値が−0.5nA減少した。これは神経細胞の刺激によ
るグルタミン酸放出をセンサーによりリアルタイムに計
測できたことを示している。なお、図5は本発明のセン
サーによる単一神経細胞からの神経伝達物質放出計測の
概略図である。
To perform cell counting, rat cerebral nerve cells were cultured on a petri dish for 20 days. As shown in FIG. 5, a capillary was brought close to one of the cultured cells using a manipulator to continuously sample a solution in the vicinity of the cell, and a 100 mM potassium chloride aqueous solution was sprinkled from the other capillary onto a very small amount of cells. , The current value decreased by -0.5 nA. This indicates that the glutamate release due to nerve cell stimulation could be measured in real time by the sensor. FIG. 5 is a schematic diagram showing measurement of neurotransmitter release from a single neuron by the sensor of the present invention.

【0009】実施例2 図6は、本発明によるオンラインバイオセンサーの一実
施例による構成を説明する概略図である。装置は基本的
に実施例1と同様なものを使用し、白金管電極の代り
に、コリンオキシターゼとカタラーゼの2種類の酵素を
固定化したビーズ充てんした酵素反応器を接続した。ま
た、検出には6mmのGC電極にHRPを含むOsポリ
マーフィルム、アセチルコリンエステラーゼとカタラー
ゼの2種類の酵素をグルタルアルデヒドにより架橋した
フィルムにより修飾したものを用いた。測定はアセチル
コリンの高感度な選択的測定を目的とした。1μM(M
=mol/リットル)のアセチルコリンを含むリン酸緩
衝溶液を送液すると、送液開始後30秒後に還元電流が
流れ始め、−31nAの定常電流値が得られた。次に、
2μMのコリンと、100nMのアセチルコリンを含む
緩衝溶液の測定を行ったところ、−3.0nAの値が得
られ、コリンがプレカラム内のコリンオキシターゼです
べて酸化され、発生した過酸化水素もすべてカタラーゼ
により分解されていることが分かった。一方、炭素ファ
イバー電極上にアセチルコリンエステラーゼとコリンオ
キシターゼを固定化した電極では同一の溶液に対して−
60nAの値が得られ、コリンの反応によりアセチルコ
リンのみの濃度を評価することが困難だった。本発明の
センサーでは2μMのコリン存在下で2.5nMまでの
濃度の測定を定量的に行うことができた。
Embodiment 2 FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of an online biosensor according to an embodiment of the present invention. The apparatus used was basically the same as in Example 1, except that instead of a platinum tube electrode, an enzyme reactor filled with beads immobilized with two kinds of enzymes, choline oxidase and catalase, was connected. For the detection, an Os polymer film containing HRP on a 6-mm GC electrode, and a film obtained by modifying two kinds of enzymes, acetylcholinesterase and catalase, with a cross-linked film with glutaraldehyde were used. The measurement was aimed at highly sensitive and selective measurement of acetylcholine. 1 μM (M
= Mol / L), a reduction current began to flow 30 seconds after the start of the liquid supply, and a steady current value of -31 nA was obtained. next,
When a buffer solution containing 2 μM choline and 100 nM acetylcholine was measured, a value of −3.0 nA was obtained. Choline was completely oxidized by choline oxidase in the precolumn, and all the generated hydrogen peroxide was also converted by catalase. It was found to be decomposed. On the other hand, an electrode in which acetylcholinesterase and choline oxidase are immobilized on a carbon fiber electrode has the same
A value of 60 nA was obtained, making it difficult to evaluate the concentration of acetylcholine alone due to the choline reaction. The sensor of the present invention could quantitatively measure concentrations up to 2.5 nM in the presence of 2 μM choline.

【0010】実施例3 図7は、本発明によるオンラインバイオセンサーの一実
施例による構成を説明する概略図である。装置は基本的
に実施例1と同様なものを使用し、合流回路により、酸
素を飽和させたリン酸緩衝生理食塩水を白金管電極直後
に合流させた。測定は、白金管電極を400mVに、修
飾GC電極を0mVに電位設定し、初めに合流回路を取
り付けずにシリンジポンプでリン酸緩衝生理食塩水を流
速16μl/minで吸引し、その後、L−グルタミン
酸1〜100μmol/リットルを含むリン酸緩衝溶液
の測定を行った。リン酸緩衝溶液をグルタミン酸を含む
溶液に切り替えると約30秒後に電流が増加し始め、−
16nAの定常電流値が得られた。次にL−グルタミン
酸10μmol/リットルと50μmol/リットル、
100μmol/リットルの溶液を測定するとそれぞれ
−155nA、−600nA、−930nAとなり良い
直線性を得ることができなかった。一方、合流回路を連
結して、サンプル側と合流側の溶液量がほぼ1:1にな
るように送液して測定を行うと、グルタミン酸濃度、
1、10、50、100μmol/リットルに対して−
8.2nA、−79nA、−390nA、−760nA
となり、低濃度側での電流値は希釈により約半分に減少
したが、1〜100μmol/リットルのグルタミン酸
計測に関しての直線性は向上した。これはグルタミン酸
酸化酵素が、高濃度のグルタミン酸の測定の際に酸素不
足を生じることによる応答低下が、酸素を飽和させた溶
液を連続的に流すことにより、酸素不足を来すことなく
酵素反応が進行したためである。グルタミン酸の測定で
は、グルタミン酸酸化酵素の替りにグルタメートジハイ
ドロゲナーゼを用いることもできる。その際には補酵素
としてNAD+ を供給する必要がある。この際にもサン
プル溶液中にNAD+ を加えることなく、グルタメート
ジハイドロゲナーゼを固定化した反応器(あるいは電
極)直前にNAD+を含む溶液を合流させることにより
微小領域計測を目的としたセンサーを形成することがで
きる。
Embodiment 3 FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of an online biosensor according to an embodiment of the present invention. The apparatus used was basically the same as that in Example 1, and the oxygen-saturated phosphate buffered saline was merged immediately after the platinum tube electrode by a merging circuit. In the measurement, the potential of the platinum tube electrode was set to 400 mV, and the potential of the modified GC electrode was set to 0 mV. First, phosphate buffered saline was sucked at a flow rate of 16 μl / min with a syringe pump without attaching a merging circuit. A phosphate buffer solution containing 1 to 100 μmol / liter of glutamic acid was measured. When the phosphate buffer solution was switched to a solution containing glutamic acid, the current started to increase after about 30 seconds, and-
A steady-state current value of 16 nA was obtained. Next, L-glutamic acid 10 μmol / liter and 50 μmol / liter,
When a 100 μmol / liter solution was measured, it was -155 nA, -600 nA, and -930 nA, respectively, indicating that good linearity could not be obtained. On the other hand, when the merging circuit is connected and the solution is sent so that the solution volume on the sample side and the solution volume on the merging side becomes approximately 1: 1 and the measurement is performed, the glutamic acid concentration,
For 1, 10, 50, 100 μmol / liter-
8.2 nA, -79 nA, -390 nA, -760 nA
And the current value on the low concentration side was reduced to about half by dilution, but the linearity with respect to the measurement of glutamic acid of 1 to 100 μmol / liter was improved. This is because glutamate oxidase causes a decrease in response due to lack of oxygen when measuring high-concentration glutamate.However, by continuously flowing a solution saturated with oxygen, the enzyme reaction can be performed without oxygen shortage. This is because it has progressed. In the measurement of glutamate, glutamate dihydrogenase can be used instead of glutamate oxidase. In that case, it is necessary to supply NAD + as a coenzyme. Also in this case, the sensor for the purpose of measuring a micro area can be obtained by combining a solution containing NAD + immediately before the reactor (or electrode) on which glutamate dihydrogenase is immobilized without adding NAD + to the sample solution. Can be formed.

【0011】[0011]

【発明の効果】以上、説明したように本発明によるオン
ラインバイオセンサーはキャピラリのサンプリング部
分、酵素反応器、薄層電気化学検出器、吸引モードで駆
動されるシリンジからなるか、あるいはオンラインバイ
オセンサー、あるいは、キャピラリのサンプリング部
分、酵素修飾電気化学検出器、吸引モードで駆動される
シリンジポンプからなることを特徴とする。このセンサ
ーではサンプリング部がガラスキャピラリのために従来
のマイクロダイヤリシス膜をサンプリングプローブに用
いるオンラインセンサーに比較し微小化が極めて容易
で、微小領域の計測用センサーとして有効である。ま
た、サンプリング部分と検出器の間に妨害物質を反応さ
せてオンラインで除去する酵素反応器や前電解用の電極
を挿入することができるため、ファイバー型の微小電極
に比較し高い選択性を実現することができる。更に電極
のサイズはある程度大きくても良いために、寿命に問題
がある酵素をファイバー型電極に比較し多く固定化で
き、長期安定性に優れている。更に、目的物質の計測に
酸素や補酵素などの第3の化学物質を連続的に供給する
際にも、測定対象溶液に試薬を加えることなく他の溶液
溜からオンラインで合流させることができる利点を有し
ており、培養神経細胞での伝達物質計測や単一細胞での
計測など神経化学や単一細胞レベルでの研究のツールと
して極めて利用価値が高い。それに加え、ラディアルフ
ロー型薄層セルを用いると高い電気化学反応の反応効率
が達成され、より高感度な計測が可能になる。
As described above, the on-line biosensor according to the present invention comprises a sampling portion of a capillary, an enzyme reactor, a thin-layer electrochemical detector, a syringe driven in a suction mode, or an on-line biosensor. Alternatively, it is characterized by comprising a sampling portion of a capillary, an enzyme-modified electrochemical detector, and a syringe pump driven in a suction mode. In this sensor, since the sampling unit is a glass capillary, miniaturization is extremely easy as compared with a conventional online sensor using a microdialysis film as a sampling probe, and it is effective as a sensor for measuring a minute area. In addition, an enzyme reactor that reacts with interfering substances and removes it online between the sampling part and the detector can be inserted, and electrodes for pre-electrolysis can be inserted, achieving higher selectivity compared to fiber-type microelectrodes. can do. Further, since the size of the electrode may be somewhat large, more enzymes having a problem in life can be immobilized than the fiber-type electrode, and the long-term stability is excellent. Furthermore, even when a third chemical substance such as oxygen or coenzyme is continuously supplied for measurement of a target substance, it can be merged online from another solution reservoir without adding a reagent to the solution to be measured. It is extremely useful as a tool for neurochemistry and single cell level research such as measurement of transmitters in cultured neurons and measurement of single cells. In addition, the use of the radial flow type thin-layer cell achieves high reaction efficiency of the electrochemical reaction, and enables more sensitive measurement.

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

【図1】培養系での単一細胞計測など、微小領域の計測
を目的とした本発明のオンラインバイオセンサーの基本
構造を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of an on-line biosensor of the present invention for measuring a small area such as a single cell measurement in a culture system.

【図2】生体内計測を目的とし、マイクロダイヤリシス
膜を用いる一般的なバイオセンサーの基本構造を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a basic structure of a general biosensor using a microdialysis film for the purpose of in vivo measurement.

【図3】本発明の実施例1に示すオンライングルタミン
酸センサーの構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of an online glutamate sensor shown in Example 1 of the present invention.

【図4】図3に示す検出器修飾電極の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the detector modification electrode shown in FIG.

【図5】本発明のセンサーによる単一神経細胞からの神
経伝達物質放出計測の概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of measurement of neurotransmitter release from a single neuron by the sensor of the present invention.

【図6】本発明の実施例2に示すオンラインアセチルコ
リンセンサーの構造を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the structure of an online acetylcholine sensor shown in Example 2 of the present invention.

【図7】本発明の実施例3に示す高濃度のグルタミン酸
計測用オンラインセンサーの構造を示す図である。
FIG. 7 is a view showing the structure of an on-line sensor for measuring high concentration of glutamic acid shown in Example 3 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:グラッシーカーボン(GC)電極、2:西洋ワサビ
ペルオキシターゼを含むオスミウム−ポリビニルピリジ
ンフィルム、3:牛血アルブミン/グルタミン酸酸化酵
素/グルタルアルデヒド=1/1/0.1
1: glassy carbon (GC) electrode, 2: osmium-polyvinylpyridine film containing horseradish peroxidase, 3: bovine blood albumin / glutamic acid oxidase / glutaraldehyde = 1/1 / 0.1

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 雅夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 田部井 久男 東京都武蔵野市御殿山一丁目1番3号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Masao Morita, Inventor 3-19-2, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo Inside Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Hisao Tabei 1-3-1, Gotenyama, Musashino-shi, Tokyo Inside NTT Advanced Technology Co., Ltd.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 キャピラリのサンプリング部分、酵素反
応器、電気化学検出器を配置したフローセル、吸引モー
ドで駆動されるシリンジポンプからなることを特徴とす
るオンラインバイオセンサー。
1. An on-line biosensor comprising a capillary sampling part, an enzyme reactor, a flow cell in which an electrochemical detector is arranged, and a syringe pump driven in a suction mode.
【請求項2】 キャピラリのサンプリング部分、酵素修
飾電極を配置したフローセル、吸引モードで駆動される
シリンジポンプからなることを特徴とするオンラインバ
イオセンサー。
2. An on-line biosensor comprising a capillary sampling portion, a flow cell having an enzyme-modified electrode, and a syringe pump driven in a suction mode.
【請求項3】 フローセルとしてラディアルフロー型薄
層セルを用いることを特徴とする請求項1又は2記載の
オンラインバイオセンサー。
3. The online biosensor according to claim 1, wherein a radial flow type thin layer cell is used as the flow cell.
JP8214946A 1996-07-29 1996-07-29 Online biosensor Pending JPH1038844A (en)

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