JPS584983B2 - 酵素電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酵素反応と電気化学反応を結合させた、いわ
ゆる酵素電極に関するもので、酵素の特異的触媒作用を
受ける基質の濃度を迅速かつ簡便に測定することができ
、しかも連続使用、繰り返し使用の可能な新規な固定化
酵素電極を提供するものである。

先に本発明者らは、固定化酵素、レドックス化合物、集
電体としての電子伝導性物質（導電材）を適切な状態に
一体化した酵素電極について提案した。

その中で酵素電極により酵素基質の迅速な測定が可能で
あることについて詳細に説明した。

これら酵素電極は、一例として、電子伝導性物質の例え
ばカーボン粉末とレドックス化合物の混合物をプレス成
型した後、この成型体上に酵素を固定化する方法、ある
いは前記混合物中に予め酵素を固定化したカーボン粉末
を混合した後に成型体とするなどの方法により構成され
る。

この様にして得られた酵素電極の応答性能は良好である
が、電極成型体は強度的にもろい性質を有し、また長期
使用においては電極構成要素の脱落等も懸念される。

本発明者らは、上記の点について種々検討を重ねた結果
、連続使用、繰り返し使用に優れた性質を有する新規な
酵素電極を見い出した。

すなわち本発明の酵素電極の特徴は、電子伝導性物質と
レドックス化合物の双方の働きを兼ね備えた結晶性二酸
化マンガン基板上に酵素を固定化し、かつこの二酸化マ
ンガン基板面が結晶発達方向と垂直な面である点にある
。

電解二酸化マンガン、特に塩化マンガン浴からの電析で
得られる二酸化マンガンは結晶性に富み、緻密なファイ
バー構造を有していることが知られている。

このものの特徴として、結晶発達方向の電気抵抗は非常
に低（，７〜１５Ωｃｍ−１であり、結晶発達方向と垂
直な方向では数百Ωｃｍ−１である。

そこで結晶発達方向に垂直な面で切断して得られる二酸
化マンガン基板を使用すれば、導電材を必要としない。

一方、酵素反応は適当なレドックス化合物を介すること
により電気化学反応に結びつけることが可能である。

クロルアニル等はレドックス化合物の一例であり、酵素
−基質反応で還元（又は酸化）されたレドックス化合物
は、次に電気化学的に酸化（又は還元）され、再び酵素
反応にあずかる。

このサイクルが、繰り返されることにより円滑な反応が
維持される。

これらレドックス化合物を使用する場合には適当な導電
材、例えばカーボンなどを必要とするが、本発明の酵素
電極では、電気抵抗の低い二酸化マンガン基板上にグル
コースオキシダーゼ等の酸化還元酵素を固定化しており
、導電材の必要はない。

酵素電極における二酸化マンガンの挙動の詳細は明らか
ではないが、酵素反応に共役して還元（又は酸化）状態
となった後、電気化学的に酸化（又は還元）状態となる
反応により、前記クロルアニルなどのレドックス化合物
と同等の作用をするものと考えられる。

本発明の酵素電極はまた、結晶性の良い緻密な二酸化マ
ンガン基板上に酵素を固定化しているので、基質に対す
る反応は円滑に進み、その反応効率も高く、また堅牢で
あり、長期使用、繰り返し使用に伴う電極の性能劣化も
ほとんどないなど、優れた性能を有している。

以下本発明をその実施例により説明する。

塩化マンガン１．５モル／ｌ、塩酸ｏ、５モル／ｌの浴
を用い、浴温度９５℃、電流密度２０〜３０ｍＡ／ｃｍ
２の条件下で電析して得られた結晶性二酸化マンガンの
板を結晶発達方向に直径１０ｍｍの円柱状に切り、さら
に結晶発達方向と垂直な方向に厚さ約１ｍｍ程度に切断
し、円板状の基板とした。

この基板上へ、グルコースオキシダーゼ溶液を展開し、
乾燥した後グルタルアルデヒドを用いて固定化した。

こうして得られた本発明による電極をＡとする。

この電極の断面模式図を第１図に示す。図中１は結晶発
達方向に垂直な面を有する二酸化マンガン基板、２は該
面上に固定化されたグルコースオキシダーゼである。

なお矢印は二酸化マンガンの結晶発達方向を示す。

また比較のため、粉末とした二酸化マンガンに導電材と
してグラファイト粉末を混合したものを、直径１０ｍｍ
、厚さ約１ｍｍの円板状にプレス成型し、この成型板上
に前記と同様の方法でグルコースオキシダーゼを固定化
して電極とした。

これをＢとする。上記の電極Ａ、Ｂを各々電極ホルダー
に組み込み、第２図に示す測定系で試験に供した。

図中３は記録計、４はポテンショスタット、５は飽和カ
ロメル参照極、６は塩橋、７は対極、８は下端部に酵素
電極９を装着した電極ホルダーであり、白金リードで電
気的接触を保っている。

１０は基質としてのグルコースを含む緩衝液である。

酵素電極を参照極に対し＋０．４０Ｖの一定電位に保持
し、次に基質を添加し、これに伴う応答電流変化を検出
した。

なお酵素を固定化していない二酸化マンガン電極では、
基質の添加による電流変化は認められなかった。

第３図にＡ、Ｂ各々の電極におけるグルコースの濃度変
化に伴う応答電流の変化量を示す。

図により明らかなように、本発明の電極Ａは基質濃度変
化に伴う応答電流増加が大きく、より低濃度の基質を検
出することができる。

また、応答電流変化の直線性はＢに比較してＡの方がよ
り高い基質濃度域まで保たれるなど優れた性能を有する
ことが認められる。

またすでに述べた様に本発明の酵素電極では、測定、洗
浄の繰り返しに伴う電極構成要素の脱落等がほとんどな
いため、長期にわたって安定な性能を維持することも認
められた。

固定化する酸化還元酵素としては、前記のグルコースオ
キシダーゼ以外に、二酸化マンガンと共役レドックス系
を構成するアミノ酸オキシダーゼ、キサンチンオキシダ
ーゼ等のオキシダーゼ系酵素を使用することができ、グ
ルコースオキシダーゼの場合と同様に優れた性能を有す
ることが認められた。

以上述べたごとく、本発明によれば、広範囲の基質濃度
域で良好な応答性能を有し、かつ長期の使用に耐えるな
ど優れた性能を有する酵素電極を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酵素電極の構成例を示す縦断面略図、
第２図は基質濃度の測定系を示す図、第３図はグルコー
ス濃度と応答電流増加量の関係を示す。 １・・・・・・二酸化マンガン基板、２・・・・・・酵
素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化還元酵素と結晶性二酸化マンガンからなり、前
   記酵素を前記二酸化マンガンの結晶発達方向と垂直な断
   面上に固定化したことを特徴とする酵素電極。 ２ 酸化還元酵素が、オキシダーゼ系酵素の中から選択
   された少なくとも１種である特許請求の範囲第１項記載
   の酵素電極。