JPS60100757A - 酵素電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、生体液等に含有される種々の化学物質の濃度
を電気化学的に測定する酵素電極に係り、特に、応答特
性、寿命を向上させ、かつ製作を容易にするための構造
の改良に関するものである。

〔発明の背景〕

近年、生体液内の尿素、グルコース、アミノ酸等の種々
の化学物質の濃度を測定、あるいは監視することは、患
者に対する医師の診断、治療およびその他のいろいろな
分野において重要なものとなってきている。そこで、こ
のような測定を容易にかつ迅速に行なうために、各種イ
オン選択電極あるいはガス電極と固定化酵素とを組み合
わせて構成された種々の酵素電極が開発されている。こ
れらの酵素電極を用いた分析法は、従来の比色分析法に
比べて装置が簡便であること、分析時間が短いこと、小
量の試料で分析可能なこと等、多くの利点を有している
。

しかしながら、この種の酵素電極において、応答特性、
寿命等の点で幾つかの問題点を有しているため、パッチ
式の測定セルには使用可能ではあるものの、特に、−刻
を争う急性患者に対する医師の診断、治療に際して分析
サイクルが短く、連続的に測定することを目的としたフ
ロ一式の測定セルと組み合わせて使用することができな
いという欠点がある。

例えば下記反応式に示すように、 ウレアービ （ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２０−一→　２ＮＨ３＋Ｃ０２Ｎ
Ｈｓ　＋Ｈ２０”−−リＮＨ４”　＋　Ｈｔ　Ｏ・・・
・・・・・・（１）血液中の尿素をウレアーゼによシ分
解し、その分解生成物であるアンモニア（以下ＮＨ３と
記す）を、ＮＨ３ガス電極あるいはＮ　Ｈｓをアンモニ
ウムイオン（以下ＮＨ４＋と記す）としだ後Ｎ　Ｈ４ゝ
選択電極にて検知し、その電位変化から腎不全等の診断
に不可欠な血中尿素濃度を算出する方式をとる尿素電極
において、ＮＨ３ガス電極を使用した場合には、ガス電
極の構成原理上、ＮＨ３のガス電極電解液への溶解拡散
速鹿が律速段階となるだめ、特に高濃度で応答時間を１
２０秒以内に収めることが極めて難しく、またＮ　Ｈａ
ＯｐＫ値が９．６と高く、中性付近での測定が困難であ
るために、１つの流路上に設置されたフロ一式の測定セ
ルをもつ電気化学的測定装置内での他の電極と組みあわ
せて使用できないという欠点がある。また、現在、最も
応答特性がよく、中性付近で使用可能ｆｘ　液ＰＩＮ　
ｍ　？７）　Ｎ　Ｈ４＋選択電極（ｃｂｉｍｉａ　、　
２４　。

３７２（１９７０））を応用した場合においても、第１
図に示すように、内部に内部電解液１および内部電極２
が挿入された絶縁材料製の外管３の一端面上に、シリコ
ンゴムを母材とするＮｌＩ４＋選択膜４を接着剤を用い
て固着し、その作用面上にフィルム状の固定化ウレアー
ゼ膜５をＯリング６にて装着した形で構成されている従
来型の尿素電極（Ａｎａｌ、ｃｈｅｍ、４５．４１７（
１９７３））では、ＮＨ４＋選択膜４の膜径が６Ｂと比
較的大きいため、応答特性に大きな影響を与える三膜間
の密着性を長期的に保持することが難しく、ＮＪ（４＋
選択膜４が内部電解液１と接する液絡部の有効径が所定
の強度を確保する関係上、ＮＨ４°選択膜４の外径に比
べかなり小さくならざるを得す、測定溶液の固定化酵素
５の膜面への接触位置の差により、測定溶液、イオンの
停留や膜電位変化の伝達時間にこの位置の差による差が
生じること等によシ応答特性が低下してしまうといった
欠点がある。

そこで、このような応答特性の劣化を防止するためにＮ
　Ｈ４＋選択Ｊ漢４を薄くシ、かつ膜径を小さくしたも
のもあるが、その場合でも、強度の確保や長期使用に際
しての可塑剤の流出等による応答特性の劣化を最小限に
押える必要性から膜厚を一定以下に薄くすることが難し
く、そのまま膜径を小さくしていった場合には、Ｎ１−
１４＋選択膜４と固定化ウレアーゼ膜５との間の密着性
の向上はみられる反面、ＮＨ４＋選択膜４の厚みによシ
、外管３の端面と固定化ウレアーゼ膜５　、　Ｎ１１４
’選り〈膜４との間にすき−１生じ易くなり、測定溶液
の停留による応答特性の劣化やドリフト音引きおこすと
いう問題点が生じていた。

このように、イオン選択ル極と固定化階素膜を組み合わ
せて構成される従来の酵素電極においては、その応答時
間に問題があるため、分析゛リイクルに厳しい条件を要
求されないバッチ式の測定セルと＋ｌ＋１１み合わせて
の使用は可能ではあるものの、フロ一式の測定セル内に
設置して、生体液内に含まれる特定の化学物質を迅速か
つ連続的にＩＩｌ：ｉ定することができないという欠点
が・ｂつだ。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、フロ一式の測定セルと組み合わせての
使用が可能な高度の応答特性をもち、試料濃度を連続的
に測定し得る長寿命で、かつ製作が容易な酵素電極を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、弾力性に富むイオン選択膜の作用面上に固定
化酵素膜を圧着し、イオン選択膜の弾性を利用してこの
２膜間の密着性を長期的に保持する構造をとることによ
シ、応答特性の向上を寿命の向上を図るようにしたもの
である。

〔発明の実施例〕

まず本発明の基本構成について説明する。

本発明は、測定溶液中の化学物質濃度に対応する酵素電
極の応答特性がイオン選択膜と固定化酵素膜との間の密
着性を確保し、さらにイオン選択膜の膜径を内部電解液
との液絡部の有効径に比べて、できるノどけ小さくする
ことにより大幅に向上すること、一方、寿命が２つの膜
の間の密着性を長期間に亘って保持することによシ向上
することをそれぞれ実験によって確認し、第２図の基本
構造図に示すような構造としたものである。

すなわち、外管３の一端に内部電解液ｌとの液絡部の有
効径より小さく、かつ充分の接着強度を確保し得、さら
にイオン選択膜４の膜厚よシ若干浅いザグリ穴を設け、
とのザグリ穴に弾力性に冨んだイオン選択膜４を固着し
、つついて、この固着されたイオン選択膜４の作用面上
に一定の引つ張シ強度をもつ固定化酵素膜５が外管３の
端面とほぼ同一平面上にくるように圧后した後固定する
ことによυ、圧着によって押しつけられたイオン選択膜
４の弾性を利用する形でノ換４と５０匝膜間の密着性を
長期的に保持する構造としたものである。

このような構造にすることによシ、酵素′ｉ［極５の長
期使用時において、イオン選択膜４によまれる可塑剤の
流出に伴なう固定化酵素膜間の密着性の劣化を極力抑止
することができ、さらにイオン選択膜４の膜径の増大や
外管３および固定化酵素膜５との間に生じる隙間を最小
限に抑えることができるため、測定溶液の停留等による
応答特性の劣化やドリフトが少なく、理論値に近いスロ
ープ電圧をもった長寿命の酵素電極とすることができる
。また、このようにして得られた酵素電極は、応答速度
が速く、特に７０−型の測定セル中での使用に好適でオ
リ、かつ製作も容易となる。

次に、具体的な実施例について説明する。

第３図は本発明の具体的な実施例を示す断面構成図であ
る。この実施例は、近年、急性腎不全等の診断に不可欠
であυ、臨床検査の１要な一項目となってきている血中
尿素濃度を測定するのに好適な尿素電極を示すものであ
る。ここで、図中１は内部電解液、２は内部電極、３は
絶縁材料製の外管、４はイオン選択膜としてのＮ）１４
”選択膜、５は固定化酵素膜としての固定化ウレアーゼ
膜島〇、７はコネクタおよびリード線である。

このような構成の尿素電極は次のようにして形成される
。まず、ポリ塩化ビニル（以下ＰＶＣと記す）製の外管
３の直径１．５閣の導通口がおいている一端に、直径３
ｔｔｍ、深さ０．２　ｔｍｎのザグリ穴を設け＼このザ
グリ穴中にＰＶＣを母材とし、ジオクチルアジペート（
以下ＤＯＡと記す）を可塑剤とし、ＮＨ４＋をキャリア
とした抗生物質のノナクチン等を混入して形成した直径
３　ａ　、厚さ０．３ａＩのＮ１１４＋選択膜４を有機
溶剤であるテトラヒドロフラン（以下ＴＨＦと記す）で
固着する。ここで外管３およびＮＨ４＋選択膜４の母材
を同一のＰｖＣとしたことによシ、外管３とＮＨ４”選
択膜４との間を膜特性に影響をおよばずような接着剤を
使用することなしに一体化でき、長期使用に伴なって接
着剤の隙間等に浸透して起るリーク屯ｂｉｔの増大を極
力抑えられること、さらに製造が簡便かつ迅速になると
いう利点がある。

つづいて、外管３の端面よシ約０．１而程度突出した形
で固着されている弾力性に富むＮＨ４”選択膜４の作用
面上に、水に膨潤しに＜＜、かつ液中での引っ張り強度
の変化が少ないポリエステル布を担体として、ウレアー
ゼおよびアルブミ／をグルタルアルデヒドによシ架橋固
定化し／ヒ直径６＋１浦、厚さ０．０４ｔｍの固定化ウ
レアーゼ膜５を外管３の端面と同一平面になるまで押し
つけだ後、固着する。その後、内部電解液１として０．
１　Ｍ　Ｎ　ｌ］４Ｃ１溶液、内部電極２としてＡｇＺ
ＡｇＣｔｔ極を外管３内に封入し、コネクタ７およびリ
ーン線８を接続して尿素電極を構成する。

第４図はこのようにして形成された尿素ｒ（＞極のフロ
一式のａ＋＋＋定系を示すブロック図である。

第４図において、９は測定検体のキャリアとなる緩衝液
、１０はしごきポンプ、１１は試料注入器、１２はミキ
シングコイル、１３は尿素電極、１４はフロー型の尿素
成極測定セル、１５は比較電極セル、ｉ６は比較電極、
１７は増幅器、１８は記録計で必る。この測定系では、
２．０ｍｔ７分の速さで流れている緩衝液９の中に試料
注入器１１からマイクロシリンジにて試料を１ｏμを注
入し、試料がミキシングコイル１２内で希釈されて尿素
電極の作用面に達した時に生ずる電位変化を記録計１８
にて読みとることができる。

そこで−このような構成の測定を用い、第３図に示す尿
素電極のＮＨ４”選択膜４と固定化ウレアーゼ膜５との
間の密着度合の差による応答特性の変化をみる目的で、
外管３の一端にあけられているザグリ穴の深さを変えて
みた場合、第５図および第６図に示すように、ＮＨ４＋
選択膜４が外管３の端面より０，１鰭程度突出して固着
されている時の特性が、出力電圧、応答速度共に最も良
好であることかわかる。この場合、外管３の端面と同一
平面上にＮＨ４＋選択膜４が固着されている場合におい
ても、２つの膜間の密着性は確保されるため、初期特性
は上記の場合と同程度で良好であるが、長期使用に際し
ては、Ｄ（ＪＡの流出によるＮＨ４”選択膜４の退縮に
起因して２つの膜間の密着性の敷少に伴う応答特性の劣
化がみられた。従って、ＮＨ４”　Ａ択膜４は外管３の
端面よりやや突出した形のほうが望ましい。また、ＮＨ
４＋選択膜４の突出し寸法が大きすぎる場合は、製作が
困難であることやＮＨ４”選択膜４に無理な力が加わる
ことなどによシ膜組成変化が促進されて、寿命の劣化を
生じやすくなるため、突出し寸法は大きすぎない方が望
ましい。次に、ＮＨ４”選択膜４の膜径と応答特性との
関係については、第７図に示すように膜径が小さいはど
応答特性が容好であることがわかる。

以上のように、Ｎｋ１４＋選択膜４の弾性を利用して固
定化ウレアーゼ膜５との間の密着性を保持する構造をと
って形成された尿素電極８は、従来型に比べて応答時間
τ９５が６０秒以内となって応答特性が大幅に向上し、
フロ一式の測定セル内に組み込んでの連続使用に十分に
耐えることができると共に、第８図の曲線Ａに示すよう
に曲線Ｂで示す従来型の寿命に比べて大幅に長寿命化を
図ることができることが確認された。

さらに、測定精度に大きな影響ケおよはす検量線につい
ても、従来型の酵素電極では困難であった平常人の血中
尿素濃度濃就である５〜３０ηＮ／　ｄ　を領域での直
線性の確保を容易にし、第９図の曲線Ａに示すように尿
素窒素濃度１〜３００ηＮ／ｄｉ領域において曲線Ｂで
示す従来型よシ十分な対数の線形関数特性となってお、
す、特にこれまで困難とされてきた低濃度領域での測定
精度を飛躍的に向上させ得ることが確認された。また、
このようにして得られた尿素電極８は、市販管理血清の
表示値（比色法による）との相関において、相関係数０
．９８２　、　ｙ＝０．９６　ｘ＋２．０　（ｎ＝１２
）、同時再現性において変動係数１．４％。

７０■ＵＮ±１キ（ｎ＝１０）と良好な特性を示し、特
にフロ一式の測定セルと組みあわせることにより、患者
の血中尿素濃度を迅速かつ連続的に測定する際に極めて
有効な効果を発揮する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、イオン
選択膜の膜径をよシ小さくシ、かつイオン選択膜の弾力
性を利用して置屋化酵素膜との間の密着性を長期的に保
持する構造としたため、製作が容易でかつ応答特性およ
び寿命が向上し、特にフロ一式の測定セルと組み合わせ
て試料濃度を連続的に測定することができるなど極めて
有益な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型の酵素電極の構造を示す１（）［面構成
図、第２図は本発明による酵素電極の基本４％ｆ　虐を
示す断面構成図、第３図は本発明を適用した尿素電極の
一実施例を示す断面構成図、第４図ｔま第３図の尿素成
極の測定係を示すブロック図、第５図は外管端面とＮＨ
４”選択膜作用面との距離と応答出力の関係を示すグラ
フ、第６図は外庁端面とＮＨ４”選択膜作用面との距離
と応答時間の関係を示すグラフ、第７図はＮ　Ｈ４”選
択膜の膜径と応答スロープ出力の関係を示すグラフ、第
８図は本発明による尿素電極と従来型尿素電極の出力の
触時変化の比較を示すグラフ、１ｌｊＪ９図は本発明に
よる尿素電極と従来型尿素電極の応答直線性の比較を示
すグラフである。 １・・・内部電解液、２・・・内部電極、３・・・外管
、４・・・イオン選択膜、５・・・固定化酵話膜、６・
・・０リング、８・・・コネクタ、８・・・リード趣、
９・・・緩衝液、１０・・・しごきボンダ、１１・・・
試料注入器、１２・・・ミキシングコイル、１３・・・
酵素電極、１４・・・酵素電極用セル、１５・・・比較
電極用セル、１６・・・比較電極、１７・・・増幅器、
１８・・・記録計。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 茅１　目 第２０２ ５　４ 茅５　図 −０，３−σ、２−σｔｏｏ、ｒ　θ、２０．３（舛帆
うタト菅！魂６ｆＩ　ン〜Ｎ４＋膜づ綿山シ）ｃり距δ
Ｈ１第６居 茅　７２ Ｎｎ；瑳杖狡’ｆＬ 第８　目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁性材料の外管の中に挿入され、特定の化学物質
   を検知するイオン選択電極と、前記外管の端面に形成さ
   れた内部電解液の液絡部に作用面が固着されたイオン選
   択膜と、このイオン選択膜の外周面に装着された固定化
   酵素膜とを備えた酵素電極において、前記外管の液絡部
   に前記イオン選択膜の膜厚よシ僅かに浅く、かつ液絡部
   外径よｐ小さいザグリ穴を設け、前記イオン選択膜をこ
   のザグリ穴に装着して前記固定化酵素膜によシ圧着固定
   して構成したことを特徴とする酵素電極。 ２、前記外管、イオン選択膜および固定化酵素膜の母材
   が同一であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の酵素電極。 ３、外管の材料およびイオン選択膜の母材がポリ塩化ビ
   ニルで構成され、固定化酵素膜の母材がボＩＪ　エステ
   ルで構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の酵素電極。 ４、前記イオン選択膜は外管端面かもの突出寸法が０．
   ２　ｍ以下になるように固着し、かつその膜径を液絡部
   の２倍以下にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の酵素電極。 ５、前記イオン選択電極を液膜型のアンモニウムイオン
   選択電極で構成し、前記固定化酵素膜をウレアーゼ固定
   化膜で構成したことを／Ｉｆ徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の酵素電極。