JPS63247651A

JPS63247651A - 酵素固定化電極を用いた分析方法

Info

Publication number: JPS63247651A
Application number: JP62082081A
Authority: JP
Inventors: Masao Karube; 征夫軽部; Kazuaki Suzuki; 鈴木　一昭; Hiroko Kameda; 亀田　裕子
Original assignee: Asahi Denka Kogyo KK
Current assignee: Adeka Corp
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1988-10-14

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】Ｃ産業上の利用分野〕本発明は酵素固定化電極を用いた分析方法に関し、詳し
くは酵素反応の電子の授受の媒体となるメディエータ−
を測定溶媒に溶かして該測定溶媒中の測定対象物質の分
析を行う、酵素固定化電極を用いた分析方法に関するも
ので、例えばグルコース、コレステロール、アルコール
等の分析に利用される。

〔従来の技術及び問題点〕

酸化酵素（オキシダーゼ）と電極を組み合わせたバイオ
センサーとしてグルコースセンサーやコレステロールセ
ンサー等がこれまで開発されてきた。

しかし、これらのバイオセンサーは、測定対象物質を添
加して酵素反応を起こし、その際に消費される酸素或い
は生成する過酸化水素を測定するものであるため、測定
溶媒中の溶存酸素濃度が律速段階となる等の影響を受け
たり、生成する過酸化水素を測定する場合、過酸化水素
の酸化電位が＋７００ｍＶと高いため固定化酵素膜が徐
々に劣化してしまう等の問題点があった。

また、上記のような問題点を解決するために、酸化還元
状態をとる補因子を持つ酵素、例えばフラビンアデニン
ジヌクレオチド（以下ＦＡＤという）を持つ酸化酵素を
用いた場合について、電子の授受の媒体となるメディエ
ータ−を用いて、電極表面に酵素とメディエータ−を付
着させバイオセンサーを構築したという報告はあるが、
このようなバイオセンサーは、電極表面に吸着できるメ
ディエータ−の量が少ないため、感度が低く、しかも比
較的低濃度でしか用いることはできず、又、メディエー
タ−が脱落しやすいものであった。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解決した分析法
、即ち、溶存酸素濃度に影響を受けずに、又比較的低電
位でグルコース、コレステロール等の測定対象物質（基
質）の測定が行え、固定化酵素膜の寿命が長く、しかも
高感度に測定することができる、酵素固定化電極を用い
た分析方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段〕本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究し
た結果、有機溶媒と水との混合系の測定溶媒中に酵素反
応の電子の授受の媒体となるメディエータ−を測定対象
物質（基質）と共に溶かすことにより、溶存酸素濃度の
影響を受けずに、高感度で基質を分析することができる
ことを見出し本発明に到達した。

即ち、本発明の酵素固定化電極を用いた分析方法は、酸
化還元状態をとる補因子を持つ酵素を樹脂によって電極
に包括固定したものを酵素固定化電極として用い、測定
溶媒として水をよく混和し酵素を失活させない有機溶媒
と水との混合溶媒を用い、この測定溶媒に、酵素反応の
電子の授受の媒体となるメディエータ−を測定対象物質
と共に溶かし、測定溶媒中の測定対象物質をアンペロメ
トリックに測定することを特徴とするものである。

以下、本発明の酵素固定化電極を用いた分析方法につい
て詳述する。

本発明に使用する酵素としては、酸化還元状態をとる補
因子を持つ酵素であれば特に限定されず、例えばＦＡＤ
を持つグルコースオキシダーゼ、ＦＡＤをもつコレステ
ロールオキシダーゼ、ＦＡＤをもつアルコールオキシダ
ーゼ等を挙げることができ、更にニッケル原子や銅原子
を含有する酵素等も挙げることができる。

本発明に使用する樹脂としては、酵素を包括固定できる
ものなら特に限定されず、酵素反応が滞り無く行われる
程度にポーラスであり、親水性を有するものであればど
のような樹脂でも用いることができるが、酵素を失活さ
せるような樹脂、例えば硬化時にラジカルを発生するも
の等が好ましくないのは勿論のことである。

又、上記のような樹脂の中で、作業性等の点から好まし
いものは、光等の放射線によって架橋可能な樹脂であり
、例えば光硬化性のポリビニルアルコール、アクリル樹
脂、エポキシ樹脂等が挙げられ、このなかでも特にステ
ィルバゾリウム基を有するポリビニルアルコール光感光
性樹脂が好ましい。

本発明に使用する測定溶媒は、下記の混合割合の範囲で
水とよく混和し酵素を失活させない有機溶媒と水との混
合溶媒であり、このような有機溶媒としては、例えばア
セトニトリル、エタノール等のアルコール類、アセトン
、エステル系有機溶剤等が挙げられ、特にアセトニトリ
ルが好ましいが、これらのものに限定されるものではな
い。

上記測定溶媒における有機溶媒と水との混合割合は、基
質（測定対象物質）や酵素の種類或いはこれらの量、濃
度によって種々の割合を選択することができるが、概ね
有機溶媒：水＝９：１〜１　：　９．（容量比）、好ま
しくは９：１〜１：４（容量比）であるのが良い。上記
範囲より、水が少ないと酵素の働きが鈍くなるので好ま
しくなく、有機溶媒が少ないとメディエータ−が溶けに
くくなるのでやはり好ましくない。

また、この測定溶媒には、本発明の目的の範囲内で、所
望により電解質として支持塩を加えても、又、酵素が失
活せずに働＜ｐＨ２好ましくは酵素が最も活性化するｐ
Ｈとなるように緩衝剤を加えても差し支えない。この場
合有機溶媒と水との比によって適宜、有機溶媒に溶けや
すい支持塩と水に溶けやすい支持塩を選択使用するのが
良い。

有機溶媒に溶けやすい支持塩としては、例えばホウフッ
化テトラブチルアンモニウム等を挙げることができ、水
に溶けやすい支持塩としてはＮａ、ＨＰ　Ｏ，、ＮａＨ
ｚＰＯａ、ＫＣＩ等を挙げることができるが、Ｎ　ａ　
ｚＨＰ　Ｏａ及びＮａＨｚＰ０４を用いれば同時に緩衝
液としても作用するのでこれらを用いるのが好ましい。

又、この測定溶媒の温度は、酵素が失活せずに働く温度
、好ましくは酵素が最も活性化する温度に保持するのが
よく、酵素の種類によって種々の値となるが、概ね２５
〜５０°Ｃに保持するのがよく、ｐＨは、使用する酵素
によって異なるが、その酵素が通常使用されている値と
すれば良い。

本発明に使用するメディエータ−としては、酵素反応の
電子の授受の媒体となるものであれば特に限定されない
が、例えばフェロセン及び／又はフェロセンの誘導体、
ハイドロキノン及び／又はハイドロキノンの誘導体、ツ
ェナジニウム及び／又はフヱネジニウムの誘導体等を挙
げることができ、好ましくは１．　１−ジメチルフェロ
セン、ハイドロキノン、５−メチル−ツェナジニウムメ
チルスルフェート等を用いるのがよい。

又、メディエータ−の量は使用する酵素、基質（測定対
象物質）、メディエータ−の種類によって種々異なるが
、その時の溶存酸素濃度以上加えるのが良く、概ね０．
０５Ｍ７１以上となるように加えるのが良い、メディエ
ータ−量は多い程よいので飽和となる程度とするのが好
ましい。

本発明の分析方法は使用する酵素を種々選択することに
よって種々の基質（測定対象物質）、例エバ、クルコー
ス、コレステロール、アルコール等を分析することがで
きる。

以下、本発明の方法をその実施態様について図面を参照
し乍ら説明する。

第１図は、本発明の実施に用いられる計測バッチシステ
ムの概略を示すフローシートで、１は、作用極としての
白金電極１°の先端表面に、樹脂によって酵素を包括固
定化してなる酵素電極で、酵素は酵素膜２として白金電
極ｌ°の表面に密着されている。３は、対極としての白
金電極、４は、参照電極としての飽和カロメル電極であ
る。

各電極は、測定対象物質をアンペロメトリックに測定で
きるものであればよく、作用極には金電極、カーボン電
極などを用いても良く、同様に、対極や参照電極も、白
金電極や飽和カロメル電極に制限されないことは言うま
でもない。

また、５はビーカー６内に収容された測定溶媒、７は測
定溶媒５を所定の濃度に保持する恒温槽で、該恒温槽７
を上記測定溶媒５を撹拌するためのスターシー８上に載
置すると共に、上記電極１，３゜４をポテンシオスタッ
ト（定電位電解装置）９を介してレコーダー１０に接続
することにより測定対象物質（基質）の計測バッチシス
テムが構成されている。

而して、本発明の方法は、上記計測バッチシステムを用
いて次の如き態様で実施される。

第１図に示す如く、測定溶媒５をビーカー６内に収容し
、これを恒温槽（温浴）７内にセットし、測定溶媒５中
にメディエータ−を溶かし、測定溶媒５をスター５−８
で撹拌する。メディエータ−として１，１−ジメチルフ
ェロセンを用いた場合には、メディエータ−を溶かした
後酸素を追い出すために、窒素を送り込むのが好ましい
。

斯る状態下に測定溶媒５中に上記電極１．３゜４を浸漬
し、電位をメディエータ−の酸化電位に保持すれば定常
電流値が得られ、次にこの溶媒５中に所定量の測定対象
物質の標準サンプル、例えば所定量のコレステロール標
準サンプルを添加するとコレステロールが酵素を固定化
した膜（酵素膜）２に拡散し、第２図に示すようにコレ
ステロールからコレステノンが生成し、この際に電子の
受容体として測定溶媒中のメディエータ−が働き、この
時にメディエータ−の酸化電位（上記フェロセンの場合
には＋１００〜３００ｍＶ）に保っておけば、コレステ
ロールオキシダーゼが働いた量を測定できる。

〔実施例〕

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

実施例１第１図に示す酵素電極１（作用極）として、構成ビニル
アルコールに対してスティルバゾリウム基を１．３Ｍ％
導入したポリビニルアルコール光架橋性ポリマー（ＰＶ
Ａ−３ｂＱ）　　（Ｋｕｎｉｈｉｒｏ　１ｃｈｉｍｕｒ
ａ、　Ｊ、Ｐｏｌｙｍ、　Ｓｃｉ　Ｖｏｌ、２０１９８
２年）にコレステロールオキシダーゼを混合し紫外線（
１５０Ｗ、水銀ランプ２５０ｎＴＩｌ付近）を６０秒照
射することによって酵素を包括固定化した膜（酵素膜）
２を白金電極１′の先端表面に密着固定したものを用い
、第１図に示す計測バッチシステムにより前述の実施態
様に準じて次の如〈実施した。

まず、０．１Ｍ１ｔ’の濃度でのホウフッ化テトラブチ
ルアンモニウムを支持塩として溶かしたアセトニトリル
と０．１Ｍ／７！リン酸緩衝液を１；１の容量比で混和
した測定溶媒５を１０−入れたビーカー６を３７°Ｃ恒
温槽（温浴）７内にセットし、測定溶媒５にメディエー
タ−として１．１−ジメチルフェロセンを０．１Ｍ／ｊ
＋となるように溶かし、窒素を送り込んだ。

次いで、上記測定溶媒５をスターテ−８により撹拌し、
酵素電極１と参照電極４の間に１．１−ジメチルフェロ
センの酸化電位＋２００ｍＶをかけ乍ら次のようにして
コレステロールをアンペロメトリックに測定した。

先ず、上′記測定溶媒５に上記酵素電極１の先端を浸漬
し、定常電流値を測定した。次にコレステロールの標準
サンプルをそれぞれ特定量ずつ測定溶媒５に添加し、そ
れぞれの濃度の異なるコレステロール溶液中の定常電流
値の経時変化を測定した。コレステロール標準サンプル
添加の前後の定常電流値の差を計算し、時間に対応させ
てプロットしたものを第３閏に示し、濃度変化に対応さ
せてプロットしたものを第４図に示す。

上記の測定において、コレステロール濃度と電流増加値
の間に直線関係が得られた（第４図）。

また、応答時間は第３図から判るように約３分である。

実施例２測定溶媒５として、アセトニトリル：緩衝液を１：４で
混和した溶液を使用し、この溶液に支持塩としての０．
１Ｍホウフン化テトラブチルアンモニウム及びメディエ
ータ−としての１，１−ジメチルフェロセンを溶かし、
実施例１と同様にしてコレステロール濃度に対する電流
増加値を測定した。その結果を第５図に示す。

比較例１本比較例は、メディエータ−を使わずに生成する過酸化
水素を直接電極でアンペロメトリックに測定する従来法
である。酵素を固定化した電極を作用電極とし、対極及
び参照電極とともに測定溶液中に浸し、作用極と参照電
極との間を過酸化水素が酸化される電位＋７０　ＯｍＶ
に保持し、その時の電流値から測定対称物１ｔ（たとえ
ばコレステロール、グルコースなど）の濃度を測定した
。この場合、＋７００ｍＶという高い電位に保持する必
要があるので、フェロセンをメディエータ−として用い
た場合（本発明の方法）と比較すると、酵素固定化膜の
劣化が激しい。メディエータ−の有無、すなわち、保持
する電位を＋２０−ＯｍＶと＋７０　ＯｍＶとしたとき
の酵素固定化膜の劣化を比較したものを第６図に示す、
第６図は緩衝液中に酵素固定化電極を、対極、参照電極
とともに浸漬し、＋２００ｍＶあるいは＋７００ｍＶに
保持した場合の定常電流値、すなわちベースラインの安
定性を調べたもので、＋２０　ＯｍＶに保持した場合は
殆どベースラインが変化していないが、＋７０　ＯｍＶ
の場合は８時間後には最初の１／３以下になっている。

このことから、＋２００ｍＶに保持しフェロセンをメデ
ィエータ−として用いた方が、より正確な測定が行なえ
ることが判る。

〔発明の効果〕

本発明の酵素固定化電極を用いた分析方法によれば、溶
存酸素濃度に影響を受けずに、又比較的低電位で、グル
コース、コレステロール等の測定対象物質（基質）の測
定が行え、固定化酵素膜の寿命が長く、しかも高感度に
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に用いられる計測バッチシステ
ムの概要を示すフローシート、第２図は、フェロセンを
介しての酵素と電極間の電子の授受を示す図、第３〜５
図は何れも実施例における測定結果を示すもので、第３
図は実施例１の電流値一時間の関係グラフ、第４図は実
施例１の基質濃度−電流値の関係グラフ、第５図は実施
例２の基質濃度−電流値の関係グラフ、第６図は比較例
１の時間に対する酵素固定化膜の劣化を示すグラフであ
る。１・・・酵素電極（作用極）２・・・酵素膜３・・・白金電極（対極）４・・・飽和カロメル電極（参照極）５・・・測定溶媒第２図第３図時間（ロ）ｉｎ〕コレステロール濃度〔ｍＭ〕第６図時間〔ｈｒｌ手続補正書昭和６２年　５月　１日、事件の表示特願昭６２−８２０８１、発明の名称酵素固定化電極を用いた分析方法、補正をする者事件との関係　　特許出願人（０３８）旭電化工業株式会社 −０代理人東京都港区赤坂九丁目６番２９号５、補正命令の日付自発補正（出願口から１年３ケ月以内の補正）〔７、？ｌｌｉ正の内容＋１ｌｆｆｉ７貞１５行の「フエネジニウム」を「フェ
リ・ジニウム」と補正。（２）第８頁２行のＩＯ，０５Ｍ／ＩＪをｒｏ、０５ｎ
ｏｌ／１」と補正。（３）第１Ｏ頁１９行のｒ　１．３　Ｍ％」をｒｌ、３
＋ｍｏ１％Ｊと補正。（４）第１）頁８行のｒＯ，１Ｍ１７！ＪをｒＯ，１ｍ
ｏｌ／ＬＪと補正。（５）第１）頁８行〜９行及び第１２頁１７行〜１８行
の「ホウフッ化テトラブチルアンモニウム」を何れも「
ホウフン化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム」と補正。（６）第１）頁１０行及び１４行のｒｏ、１Ｍ／１Ｊを
何れも［０，１翔ｏ１／６Ｊと補正。（７）第１３頁９行〜１０行の「（たとえばコレステロ
ール、クルコースなど）」を「（コレステロール）」と
補正。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化還元状態をとる補因子を持つ酵素を樹脂によ
って電極に包括固定したものを酵素固定化電極として用
い、測定溶媒として水とよく混和し酵素を失活させない
有機溶媒と水との混合溶媒を用い、この測定溶媒に、酵
素反応の電子の授受の媒体となるメディエーターを測定
対象物質と共に溶かし、測定溶媒中の測定対象物質をア
ンペロメトリックに測定することを特徴とする酵素固定
化電極を用いた分析方法。