JPS62156555A - 酵素電極を用いた濃度測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、酵素電極を用いた濃度測定装置に関する。

さらに詳細には、酵素電極を用い一１血液等の試料液中
のグルコース等の被検物質の濃度を測定する装置に関す
る。

〈従来の技術〉 従来から、試料液中の被検物質を定量する手段として、
電極上に固定化酵素膜を形成した酵素電極が広く用いら
れている。この酵素電極は、試料中に含まれる種々の被
検物質を直接、温和な条件下に分析できるセンサーとし
て非常に優れたもので、現在、医療、食品、環境計測等
の広い分野で使用され、また研究されている。

従来、この種の酵素電極として、過酸化水素電極と固定
化酵素膜とからなる酵素電極が汎用され、例えば、グル
コースオキシダーゼ酵素（以下、ＧＯＤと称する）を固
定化した膜（以下、固定化ＧＯＤ膜と称する）と、白金
陽極と＠陰極からなる過酸化水素電極とで構成されるグ
ルコースセンサー等・が用いられている。このセンサー
を用いる試料液中の被検物質の？ｌｌｉｌｌ定位置は、
通常、酵素電極と該電極の出力電流値を測定する電流検
出手段からなる。この装置を用いて被検物質の濃度を測
定するには、酵素電極の銀陰極に対して、白金陽極に通
常０．６〜０．７Ｖ程度の電圧を印加し、電極電流が充
分に小さい値に安定した状態になってから、酵ｌＡ＠ｆ
ｆｌを試料液に接触させ、電極からの定常出力電流を計
測して、あらかじめ作成された検量線に基づき、その値
から試料液中の被検物質の濃度を求めるものである（以
下、定常電流法と称する）。

また、測定時間の短縮を図るため、上記の定常電流値の
代りに、醇：Ａ電極からの出力電流の時間に対づ“る微
分の最大値を用いて、試料液中の被検物質の濃度を求め
る方法も提案されている（以下、微分法と称する、特開
昭５２−１２３６９３号公報参照）。

く発明が解決しようとづる問題点〉 しかしながら、従来のこの柿の濃度測定装置にあっては
、長期間の使用により、電極の汚染、劣化等から出力電
流が大きく変〃ノするいわゆる長期ドリフトが生じ、測
定値の精度および信頼性に問題がある。精度Ｊプよび信
頼性を確保するには、測定の度に較正を必要とし、操作
が煩雑になる。

最近、人工膵臓用のグルコースセンサ−として、生体内
留置型の微小’Ｆｔ累電（へが検討されているが、特に
、このようなセンサーは生体内に留置後は、標準液によ
る酵素電極の較正ができないので、測定値は酵素電極の
長期ドリフ１〜に対応する誤差を生ずる。

また、試料液中の溶存酸索吊の制限から、試料液濃度と
電極出力とが直線関係にある領域が狭いので、高濃度の
試料液を測定づる場合には定率希釈する必要があり、操
作が煩雑になる。

〈発明の目的〉 この発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、長
期ドリフトが少なくかつ測定可能な濃度範囲の広い、酵
素電極を用いた濃度測定装置４：提供することを目的と
する。

く問題を解決するための手段および作用〉上記の問題点
を解決すべくなされた、この発明の濃度測定装置は、固
定化酵素膜と過酸化水素電極とを備えた酵素電極と、試
料液中の被検物τｔの濃度測定時に前記過酸化水素電極
の両極に一定方向の電圧を印加する電圧印加手段および
試料液中の被検物質の濃度測定前に外部入力信号を受け
て前記の過酸化水素電極の両極を短絡させるかＪ：たは
両極間に前記の濃度測定時の電圧方向の逆の電圧を印加
する印加電圧調整手段とからなる印加電圧制御手段とで
構成８れ、試料液中の被検物質の濃度を測定する前に、
該酵素電極の過酸化水素電極の両極を短絡させるかまた
は両極間に測定１１の電ＩＬＥ方向の逆の電圧を印加し
、その後、前記の処理をした酵素電極を用いて測定する
ことを待けにとするものである。

この発明は、上記の組成よりなり、その詳細な作用機構
は明確ではないが、測定前に電極を短絡させるかまたは
測定時の電圧方向の逆の電圧を印加することにより、白
金電極の表面に形成されているといわれる白金酸化Ｆ４
　（ＰｔＯ，Ｐｔ２０５）が除去されて白金電極表面が
活性になり、長期ドリフトが防止されるとともに電極か
らの出力電流が増大するものと推察される。

この発明で使用される過酸化水素電極は、慣用の過酸化
水素電極で、例えば、陽極に白金、陰極に銀を用いた電
極等が挙げられる。

また、この光間で使用される固定化酵素膜にＪ５ける酵
素としては、基質との酵素反応により過酸化水素を発生
させる酵素であれば、いずれの酵素も使用でき、前記の
ＧＯＤの他に、例えば、ウリカーゼ、コレステ０−）レ
オキシダーゼ、アルコールオキシダーピ、乳酸オキシダ
ーゼ、ガラクトースオキシダーゼ等が挙げられる。

これらの酵素を含有する固定化ＩＷ索脱−６慣用の方法
で形成δれ、例えば、ジアゾ法、グルタルアルデヒド法
、臭化シアン法等の共有結合法、アクリルアミド等の高
分子担体を使用した包括法零が挙げられる。

〈実施例〉 以下、図面に基づいて、この発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図は、この発明の潤度測定装置の概略を示す図で、
酵素電極（１）については、その−例の概略断面図を併
せて示ザ。この実施例では、固定化酵素膜として、固定
化ＧＯＤ膜が使用されている。

プラスチック等の高絶縁性物質からなる本体（１（）上
に白金陽極（２）が設けられ、この白金陽極（２）を取
囲むように環状の銀陰極（３）が形成され、過酸イヒ水
木電極が構成される。この電極上に固定化ＧＯＤ膜（４
）およびグルコースの拡散を制限する膜（５）が積層さ
れ、これらの固定化ＧＯＤｖ！（７１１およびグルコー
スの拡散を制限づる膜（５）は、キャップ（６）で本体
（Ｂ）に固定され、酵素市＃Ａ（１１が構成される。ま
た、これらの固定化ＧＯＤＩ（４）およびグルコースの
拡散を制限する躾（５）は、使用される酵素の最適ｐＨ
１過酸化水木電極の特性等に応じて好適の電解液で満た
されている。

白金陽極（２）および銀陰極（３）からの各端子（７８
Ｍ＞よひ（７ｂ）は、印７１＋１電圧制御手段（８）に
接続される。

印加電圧制御手段（８）は、濃度測定時に前記の過酸化
水素電極の両極に一定方向の電圧を印加づる電圧印加手
段（９）と、外部信号入力手段（１１）からの入力信号
を受けて、スイッチ等により、前記の過酸化水素電極の
両極を短絡させるかまたは過酸化水木電４〜の両極に測
定時の逆方向の電圧を印加する印加電圧制御手段００１
とからなる。また、前記過酸化水素電極からの各端子（
７ａ）および（７ｂ）の一方と印加電圧制御手段（８）
との間には、電極からの出力電流値を検出覆る電流検出
手段（１２）が設（プられ（第１図は、（７ａ）側に設
けた例を示す）、該電流検出手段（１２）からの出力は
記録計（１３）に入力され、記録される。

なお、前記の電流検出手段（１２）と記録計（１３）と
の間に、電流検出手段（１２）からの出力電流を時間に
対して微分する微分手段および該微分手段からの微分出
力のピーク値を検出するピーク検出手段を設けることに
より、微分値により測定する装置と覆ることができる。

上記の実施例にあって、グルコースの拡散を制限する膜
（５）は、この発明に使用される酵素電極においては必
須のものではないが、該膜を使用することにより、試料
液中のグルコースが該膜を拡散して、固定化ＧＯＤ模（
４）に到達するため、酵素電極の測定可能な濃度範囲を
広げることができる。

１ｙなわら、試料液中のグルコースは、該膜を拡散、透
過して固定化ＧＯＤ膜（１）に到達し、酵素反応が進行
する。固定化ＧＯｒ）膜にｔｌ遅するグルコースの量は
試料液中のグルコース濃度と相関するが、到達グルコー
ス吊は、試料液中のグルコース伍に比べて少ないので、
固定化ＧＯＤ膜中の溶存酸素が充分に存在づ゛る条件下
で酵素反応が進行する。

従って、膜厚などの測定条件を一定にして検出１腺を作
成しておけば、高グルコース濃度の試料液にあっても、
希釈等の操作を必要とせずに測定が可能となる。また、
該膜を使用することにより、試料液中の妨害物質（例え
ば、試料液が血液の場合、血球、蛋白等）やごみを除去
し、固定化酵素膜の汚染、該膜中の酵素の失活を防止す
ることができる。

上記の固定化ＧＯＤ膜（４）上に設けられるグルコース
の拡散を制限する膜（５）には、親水性の膝が用いられ
、例えば、限外繍過映として使用されているセルロース
アセテ−１〜ｎＱ１ポリカーボネート膜、セルロースナ
イトレート膜などが挙げられ、またアクリル系共！５合
体フィルター、セロファン等でもよい。これらの膜は、
膜厚が１０〜２００μＩｒＬ１孔径がｏ、ｏｏｉ〜２μ
７ｒＬの範囲が好ましい。膜厚が１０μｍ未満であると
癩械的強度が弱く、取扱が困テ「てあり、２００μｍを
越えると応答時間が長くなるとどしに出力が小さくなり
、好ましくない。また、孔径が０．００１μｍ未満であ
るとグルコースが拡散、透過せず、２μ汎を越えると高
グルコース濃度で出力が飽和するので適当でない。

また、第１図の酵素電極において、電極ｆ２］　ｄ；よ
び（３）と固定化ＧＯＤ膜（４）の間に、アはチルセル
ロ−スの非対称膜等の過酸化水素選択透過膜を設【プて
もよい。この過酸化水素選択透過膜は、酵素反応により
弁士した過酸化水素のみを）バ択的に透過し、アスコル
ビン酸、尿酸等の透過８阻止する性質があり、白液等の
グルコース濃度を測定づる場合には、過酸化水素電極と
反応して、電４帖電流４−生ずる妨害！１１７Ｉ買の影
響を排除づ−る効果がある。

次に、この弁明にかかる濃度測定装置の使用方法の一例
を具体的に説明する。試料液の被検物１１の濃度を測定
するに際し、まず、上記の酵素電極を緩衝液に浸漬し、
スイッチ等の外部信号入力手段（１１）より１３号を入
力する。この信号を受けて印加電圧調整手段（Ｉ））に
より、例えば、過酸化水素電極の両極が短絡される。電
極間を短絡させる時間は、特に限定されないが、通常１
〜１０秒程度、好ましくは３〜５秒程度であり、この短
絡時間は、あらかじめ設定された時間に基づき印加電圧
調整手段（ト））により自動的に調節される。短絡させ
た後、電圧印加手段（９）から所定の電Ｉｔ　（例えば
、０．７Ｖ）を印加ザるど、短時間（約１〜２分）は大
ぎな電流（数μＡ）が流れ、次第に定常状態に近ずく。

この定常状態になった酵素電極を試料液に接触させ、以
下、常法に従って、弁士するｙＡ酸イヒ水索吊を過酸化
水素電極で測定し、試料液中の被検物質の濃度を求める
。

また、上記の例では、電極間を短絡させる方法を示した
が、印加電圧調整手段（Ｉ））により過酸化水素電極の
両極間に、濃度測定時の逆方向の電圧を印加してもよい
。この場合、両極間に印７１目する電圧は、１．２Ｖ以
下、好ましくは１．Ｏｖ以下がよい。

印加電圧が１．２Ｖを越えると、電解液中の水の電気分
解が生じ、酵素電極内に気泡が発生し、酵素電極の性能
が悪くなる。

なお、過酸化水素電極の両極を短絡し１、または逆の電
圧を印加する前記の操作は、必ずしも測定のたびごとに
行う必要はなく、一定時間ごとまたは一定の測定回数ご
とに行ってもよい。

この弁明は上記の実施例に限定されるものではなく、例
えば、検量線をあらかじめ記憶させたマイクロコンピュ
タ−を使用して、電極からの出力信号に阜づき被検物質
濃度を表示させるなど、この発明の要旨を逸脱しない範
囲で適宜変更できる。

次に、具体例をもって、この発明をより詳細に説明する
。

具体例１ 前記の第１図に示される濃度測定装置および該装置を微
分値をもって測定できるように変更した装置を使用し、
濃度１５（１／１１ｇ／旧のグルコース溶液を３０日間
に亘って測定した。測定は、グルコース溶液および該酵
素電極を２５℃に保ち、測定点１）−にＭ″ＡＡ電極極
と陽極を約５秒間短絡した後、白金陽極に射陰極に対し
て０．７Ｖの電圧を印加する。電極からの出力電流が小
さく（３０ｎＡ以下）なるのを待って、電極からの定常
電流値の測定および該電流値の時間に対する１次微分の
最大値の測定を行った。その結果を第２図（定常電流法
）および第３図（微分法）に示す。

一方、比較として、上記の方法において、両極間を短絡
させない従来の方法で、同一濃度のクルコース溶液を３
０日間に亘って測定した結果を、第２図（定常電流法）
および第３図（微分法）に併せて示した。

第２図６３よび第３図から明らかなように、この発明の
装置によれば、３０日間に亘る測定値の変動は、±２％
以内で長期ドリフトはないのに対して、従来法による測
定値は、日々変動しており、概して口数の経過とともに
測定値の低下が見られる。従って、従来法では、出力が
ドリフトするため、測定に際しては、１日に１回以上の
較正を必要どづるのに対し、この弁明の装置によれば、
長期間に回り安定した出力が得られるので、較正の頻度
が大幅に減少覆る。

具体例２ 具体例１と同様な方法にて、種々の濃度のグツ崎コース
溶液について、グルコース濃度と電極の定常電流値およ
び電流値の時間に対する１次微分の最大値の関係を調べ
た。その結果を、第４図（定常電流法）および第５図（
微分法）に示す。

一方、比較として、電極を短絡させない従来の方法で、
同様にして測定した結果を第４図（定常電流法）および
第５図（微分法）に併ゼて示した。

第４図および第５図から明らかなように、この発明の装
置の出力電流は、従来法の出力電流に比べ数倍大きい。

また、出力値の直線領域についても、この発明の装置に
よれば、１５０ｍｇ／　ｄ　Ｉ　（定常電流法、第４図
）および３５０ｍｙ／　ｄ　Ｉ　（微分法、第５図）で
あるのに対し、従来法の直線領域は狭い。

く効果〉 以上のＪ、うに、この弁明の酵素電極を用いた温度測定
装置によれば、簡便な方法にて、長期ドリフトの少ない
安定した出力が得られ、較正の操作が大幅に省略できる
。特に、較正の困難な生体留置型センサーにあっては、
測定値の信頼性の向上に寄与１Ｊる。また、測定可能な
温度範囲が広いので低濃度から高濃度の試料液まで直接
測定でき、さらに電極からの出力信号が大きいので測定
′Ｉｈ度が向上りるという特有の効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の温度測定装置の概略図、第２図Ｊ
５よび第３図は、この弁明の温度測定装置Ｊ３よび従来
法による電極出力の長期ドリフトを示η図、 第４図ｉｄ３よび第５図は、この発明の濃度測定２置Ｊ
５よび従来法によるグル＝Ｊ−ス濃度と電極出力値との
関係を示１図である。 （１）・・・・・・酵素電極　　　（２）・・・・・・
白金陽極（３）・・・・・・銀陰極　　　　（４）・・
・・・・固定化Ｇ　ＯＤ　ＩＩＡ（５）・・・・・・グ
ルコースの拡散を制限づるＷ−（６）・・・・・・キト
ツブ　　　（Ｂ）・・・本体（８）・・・・・・印加電
圧制御手段 （９）・・・・・・電圧印加手段 （ト））・・・・・・印加電圧調整手段、１１ 特許出願人　　ダイキン工業株式会社 （ほか２名）　　’−１＝−・じ ＯＴｏｏ　　２００　　３００　４艶　５■グルコ一ス
濃度（ｊｉｇ／ｄＦ） ０　　１００　２００　　３００　４ＣＸ）　　　５０
０グルコ一ス謬度（”ｇ／ｄ））

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定化酵素膜と過酸化水素電極とを備 えた酵素電極を用いた濃度測定装置におい て、試料液中の被検物質の濃度測定時に前 記過酸化水素電極の両極に一定方向の電圧 を印加する電圧印加手段と、試料液中の被 検物質の濃度測定前に外部入力信号を受け て前記の過酸化水素電極の両極を短絡させ るかまたは両極間に前記の濃度測定時の電 圧方向の逆の電圧を印加する印加電圧調整 手段とからなる印加電圧制御手段を設けた ことを特徴とする酵素電極を用いた濃度測 定装置。 ２、固定化酵素膜が、その試料液側の面上 に被検物質の拡散を制限する膜が積層され た固定化酵素膜である上記特許請求の範囲 第１項記載の酵素電極を用いた濃度測定装 置。 ３、固定化酵素膜が、グルコースオキシダ ーゼを固定化した膜である上記特許請求の 範囲第１項または第２項記載の酵素電極を 用いた濃度測定装置。