JPH11101770A

JPH11101770A - バイオセンサおよびそれを用いた基質の定量法

Info

Publication number: JPH11101770A
Application number: JP9263483A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ikeda; 信池田; Toshihiko Yoshioka; 俊彦吉岡; Shiro Nankai; 史朗南海
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13
Anticipated expiration: 2017-09-29
Also published as: JP3245103B2

Abstract

(57)【要約】【課題】基質濃度の広い範囲において、高精度に迅速
かつ簡便に基質を定量できるバイオセンサを提供する。【課題手段】本発明のバイオセンサは、基板上に形成
された作用極と対極からなる電極系、および少なくとも
酸化還元酵素と電子伝達体を含有する反応層を具備し、
前記対極が少なくとも１種の還元型レドックス化合物を
含有する。また、このバイオセンサの対極と作用極間の
還元電流値を測定して基質を定量する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、血液、尿、果汁な
どの試料中に含まれる基質を、高精度で迅速かつ簡便に
定量するバイオセンサとこれを用いた基質の定量法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】基質の定量法の一例として、グルコース
の定量法について説明する。電気化学的にグルコースを
定量する方法としては、グルコースオキシダーゼと酸素
電極または過酸化水素電極とを組み合わせた方式が一般
に知られている（例えば、鈴木周一編「バイオセンサ
−」講談社）。グルコースオキシダーゼは、反応系の酸
素を電子伝達体として基質であるβ−Ｄ−グルコースを
Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンに選択的に酸化する。この
反応にともない、酸素は過酸化水素に還元される。この
ときの酸素消費量を酸素電極によって測定するか、また
は過酸化水素の生成量を白金電極等を用いた過酸化水素
電極によって測定することによりグルコースを定量する
ことができる。しかし、上記の方法では、測定対象によ
っては溶存酸素濃度の影響を大きく受け、また酸素のな
い条件下では測定自体が不可能となる。

【０００３】そこで、酸素を電子伝達体として用いず、
フェリシアン化カリウム、フェロセン誘導体、キノン誘
導体等の金属錯体や有機化合物を電子伝達体として用い
るタイプのグルコースセンサが開発されている。このタ
イプのバイオセンサでは、所望の量のグルコースオキシ
ダーゼと電子伝達体を安定な状態で電極上に担持させる
ことが可能となり、電極系と反応層を乾燥状態に近い状
態で一体化することができる。特開平３−２０２７６４
号公報には、このタイプのバイオセンサが開示されてい
る。このバイオセンサは、絶縁性基板上にスクリーン印
刷などの方法によって作用極および対極からなる電極系
を形成し、この電極系上に酸化還元酵素と電子伝達体を
含有する反応層を形成したもので、この絶縁性基板にカ
バーおよびスペーサが組み合わされる。

【０００４】このバイオセンサを用いると、以下のよう
にして試料中の基質を定量することができる。まず、反
応層に試料液を供給して反応層を溶解し、試料液中の基
質と反応層中の酵素を反応させる。この酵素反応に伴
い、反応層中の電子伝達体が還元される。酵素反応終了
後、この還元された電子伝達体を電気化学的に酸化し、
このとき得られる酸化電流値を測定することによって試
料中の基質を定量する。このようなバイオセンサは、種
々の特定成分をそれに対応する酸化還元酵素を用いるこ
とによって定量することができる。また、このようなバ
イオセンサは、使い捨て型であり、測定器に挿入された
センサチップに検体試料を導入するだけで容易に基質の
濃度を測定できることから、近年多くの注目を集めてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、試料中
の基質は、一連の酵素反応の結果生じた電子伝達体の還
元体を作用極上で酸化して得られる酸化電流値から定量
することができる。しかし、試料中には、電子伝達体の
還元体を作用極上で酸化するとき、同時に酸化されて酸
化電流を生じる易酸化性物質、例えばアスコルビン酸や
尿素などが含まれる場合がある。試料中にこれらの易酸
化性物質が含まれていると、測定結果に正の誤差を与え
ることがある。

【０００６】また、酸化電流値を作用極と対極のみの二
電極式で測定する場合、作用極上での酸化反応に対応し
て、対極上で還元される酸化体の存在が必要である。し
かし、基質濃度が高い場合は、酵素反応の結果電子伝達
体の大部分が還元体になっているため、対極上で還元さ
れる酸化体が不足する。その結果、対極での還元反応が
律速過程になり、得られる酸化電流値に悪影響を及ぼ
す。本発明は、上記のような不都合をなくし、試料中の
基質濃度を高精度で定量することができるバイオセンサ
を提供することを目的とする。また、このバイオセンサ
を用いて、高精度で迅速かつ簡便に基質を定量する方法
を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるバイオセン
サは、絶縁性基板、前記基板上に形成された作用極と対
極からなる電極系、および前記電極系上に形成された少
なくとも酸化還元酵素および電子伝達体を含有する反応
層を具備し、前記対極が少なくとも１種の還元型レドッ
クス化合物を含有することを特徴とする。また、本発明
による基質の定量法は、上記のバイオセンサを用い、そ
の反応層に試料を添加して基質と酵素を反応させる工
程、前記工程で還元されなかった電子伝達体を還元する
電位を作用極に印加する工程、および前記作用極と対極
間に流れる電流値を測定する工程を有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明による基質の定量法は、前
記のように、まず反応層に試料を添加して基質と酵素と
を反応させる。この酵素反応にともない、反応層中の電
子伝達体が基質濃度に対応して還元される。次に、酵素
反応によって還元されず、反応系中に残存する電子伝達
体を還元する電位を作用極に印加し、その還元電流を測
定することによって基質濃度を求めるものである。反応
層中の電子伝達体の量を一定にしておけば、前記の還元
電流は、試料中の基質濃度に対応する。従って、あらか
じめ既知量の基質を含む標準液の還元電流値を測定して
検量線を作成しておけば、この検量線にもとづいて試料
中の基質濃度を求めることができる。

【０００９】このように本発明は、還元電流から基質を
定量するので、試料中に易酸化性物質が混入していても
これらの影響を受けることがない。また、対極には、還
元型レドックス化合物が含まれているから、試料中の基
質濃度が低く、電子伝達体の還元体が少なくても、作用
極で還元電流を測定する際対極が律速過程となることは
ない。対極に含ませるレドックス化合物は、少なくとも
反応層中に含まれる電子伝達体の量よりも多くするのが
よい。このようなレドックス化合物としては、フェロセ
ン、ビニルフェロセンなどのフェロセン誘導体、金属錯
体およびヒドロキノン等が好適に用いられる。

【００１０】また、基板上に形成した電極系表面に、酵
素や電子伝達体などが接触しないように、あるいは電極
系表面へタンパク質が吸着しないように、電極系表面を
親水性高分子層で被覆することが好ましい。このような
層を形成する親水性高分子としては、カルボキシメチル
セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコ
ール、ゼラチンおよびその誘導体、アクリル酸およびそ
の塩、メタアクリル酸およびその塩、スターチおよびそ
の誘導体、無水マレイン酸およびその塩、そして、ヒド
ロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチル
セルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルヒド
ロキシエチルセルロース、およびカルボキシメチルエチ
ルセルロース等のセルロース誘導体を用いることがき
る。反応層に含ませる電子伝達体としては、フェリシア
ン化カリウム、ｐ−ベンゾキノン、フェナジンメトサル
フェート、メチレンブルーおよびフェロセン誘導体等を
用いることができる。

【００１１】さらに、酸化還元酵素として、グルコース
オキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキ
シダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒド
ロゲナーゼ、ウリカーゼ、コレステロールオキシダー
ゼ、コレステロールオキシダーゼおよびコレステロール
エステラーゼなどを用いることができる。また、上記酵
素を複数組み合わせたもの、例えばグルコースオキシダ
ーゼとインベルターゼ、グルコースオキシダーゼとイン
ベルターゼとムタロターゼ、またはフルクトースデヒド
ロゲナーゼとインベルターゼなどを用いることができ
る。さらに、試料溶液の供給を円滑にするために、反応
層上にレシチン層を形成してもよい。

【００１２】

【実施例】以下に、具体的な実施例を挙げて本発明をよ
り詳細に説明する。図１は、二電極式のグルコ−スセン
サの反応層を除いた分解斜視図を示す。ポリエチレンテ
レフタレ−トからなる絶縁性の基板１上に、スクリ−ン
印刷により銀ペーストを印刷し、リ−ド２、３を形成し
ている。ついで、樹脂バインダーを含む導電性カーボン
ペーストを基板１上に印刷して作用極４を形成してい
る。この作用極４は、リ−ド２と接触している。さら
に、この基板１上に、絶縁性ペ−ストを印刷して絶縁層
６を形成している。絶縁層６は、作用極４の外周部を覆
っており、これにより作用極４の露出部分の面積を一定
に保っている。そして、樹脂バインダ−とレドックス化
合物を含む導電性カ−ボンペ−ストをリ−ド３と接触す
るように印刷してリング状の対極５を形成している。

【００１３】この絶縁性基板１と空気孔１１を備えたカ
バー９およびスペーサー１０を図１中の一点鎖線で示す
ような位置関係をもって接着し、バイオセンサを作製す
る。スペーサー１０には、基板とカバーとの間に試料液
供給路を形成するためのスリット１３が設けてある。１
２は、その試料液供給路の開口部に相当する。図２は、
本発明によるバイオセンサのスペーサー、カバーを除い
た要部の縦断面図である。図１のようにして電極系を形
成した電気絶縁性の基板１上に、酵素類および電子伝達
体を含む反応層７が形成され、反応層７上にレシチン層
８が形成されている。

【００１４】《実施例１》レドックス化合物としてフェ
ロセンを用いて、図１のように基板１上に電極系を作製
した。この電極系上に、グルコースオキシダーゼ（ＥＣ
１．１．３．４、以下ＧＯＤと略す。）とフェリシアン
化カリウムの混合水溶液を滴下し、乾燥して反応層７を
形成した。次に、反応層７上にレシチンのトルエン溶液
を滴下し、乾燥してレシチン層８を形成した。そして、
基板１とカバー９およびスペーサー１０を図１中、一点
鎖線で示すような位置関係をもって接着してグルコ−ス
センサを作製した。

【００１５】グルコ−ス標準水溶液３μｌを試料液供給
路の開口部１２より供給した。試料液は、空気孔１１部
分まで達し、電極系上の反応層７が溶解した。反応層７
が溶解すると、試料液中のグルコースは、ＧＯＤによっ
てグルコノラクトンに酸化される。この酵素反応によっ
て、フェリシアン化イオンは、フェロシアン化イオンに
還元される。そして、試料液を供給してから一定時間後
に、対極５を基準にして作用極４に−１．０Ｖの電圧を
印加した。この電圧の印加により、作用極では還元され
ずに残存したフェリシアン化カリウムの還元反応が生じ
る。そして対極では、対極中に含まれるフェロセンの酸
化反応が生じ、フェロセンがフェリシニウムイオンにな
る。そして、電圧印加５秒後の電流値を測定した。

【００１６】得られた電流値は、グルコース濃度の増加
に伴って減少した。つまり、対極にフェロセンを含有さ
せたため、反応系に還元体が十分存在することになり、
得られた電流値は、作用極上でのフェリシアン化イオン
の還元反応に依存したことを示す。得られた電流応答値
の測定精度は高かった。

【００１７】《実施例２》図１の基板１の電極系上に、
カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと略す。）
水溶液を滴下し、乾燥してＣＭＣ層を形成した。このＣ
ＭＣ層上に、実施例１と同様にして、反応層、レシチン
層を形成した。そして、実施例１と同様にしてグルコ−
スセンサを作製し、グルコ−ス標準液対する応答を測定
したところ、実施例１と同様の応答特性が得られた。

【００１８】《実施例３》試料液として既知量のアスコ
ルビン酸を含むグルコ−ス水溶液を用いる他は、実施例
２と同様にして電流応答値を測定した。その結果、アス
コルビン酸を含まないグルコース標準水溶液を用いた実
施例２と同様の応答特性が得られた。

【００１９】《比較例１》実施例３と同じセンサとアス
コルビン酸を含むグルコース標準水溶液を用い、対極を
基準にして作用極に０．５Ｖの電圧を印加し、５秒後の
電流値を測定して酸化電流値を測定した。その結果、標
準水溶液中のアスコルビン酸の量が増加するのに伴い、
電流応答値も増加した。

【００２０】《実施例４》レドックス化合物としてビニ
ルフェロセンを用いる以外は、実施例２と同様にして、
グルコースセンサを作製し、グルコース標準水溶液に対
する応答を測定したところ、実施例２と同様の応答特性
が得られた。

【００２１】

【発明の効果】上記のように、本発明によると試料中に
含まれる基質を高精度で迅速かつ簡便に定量することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に用いたグルコースセンサの
反応層を除いた分解斜視図である。

【図２】同グルコ−スセンサのスペーサー、カバーを除
いた要部の縦断面図である。

【符号の説明】

１絶縁性の基板２、３リ−ド４作用極５対極６絶縁層７反応層８レシチン層９カバ− １０スペ−サ− １１空気孔１２試料液供給路開口部１３スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板、前記基板上に形成された作
用極と対極からなる電極系、および前記電極系上に形成
された少なくとも酸化還元酵素および電子伝達体を含有
する反応層を具備するバイオセンサであって、前記対極
が少なくとも１種の還元型レドックス化合物を含有する
ことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】前記レドックス化合物が、フェロセンま
たはその誘導体である請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項３】前記反応層が、さらに親水性高分子を含
有する請求項１記載のバイオセンサ。
【請求項４】絶縁性基板上に形成された作用極と少な
くとも１種の還元型レドックス化合物を含有する対極か
らなる電極系、および前記電極系上に形成された少なく
とも酸化還元酵素および電子伝達体を含有する反応層を
具備するバイオセンサを用い、前記反応層に試料を添加
して基質と酵素を反応させる工程、前記工程で還元され
なかった電子伝達体を還元する電位を作用極に印加する
工程、および前記対極と作用極間の電流値を測定する工
程を有することを特徴とする基質の定量法。