JPS63307350A - Enzyme electrode - Google Patents

Enzyme electrode

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JPS63307350A
JPS63307350A JP63120782A JP12078288A JPS63307350A JP S63307350 A JPS63307350 A JP S63307350A JP 63120782 A JP63120782 A JP 63120782A JP 12078288 A JP12078288 A JP 12078288A JP S63307350 A JPS63307350 A JP S63307350A
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enzyme
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enzyme electrode
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ジョン・レイング・スティアリング
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導電性基板の上に酵素が固定化されて成り特
異的な基質の存在下でその酵素の触媒活性に電気的に応
答する酵素電極に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention consists of an enzyme immobilized on a conductive substrate, which electrically responds to the catalytic activity of the enzyme in the presence of a specific substrate. This relates to enzyme electrodes.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

生体触媒として酵素を導入した電流検出型バイオセンサ
の利点は、これまでにアストンおよびターナ−(Ast
on a’nd Turner)  rバイオテクノロ
ジー・アンド・ジエネティクス・イングリッシュ・レビ
z−(Biotec、 Genet、 Eng、 Re
v、)、 G、ラッセル&W(ed、’G、 Ru5s
ell) J (1984年、第1巻、89−120ペ
ージ、インターセプトニューキャッスル・アボン0タイ
ン(Intercept、 Newcastle−uρ
on−Tyne>>あるいはG、デービス(Davis
 G、) rバイオセンサ(Biosensors)J
 (1985年、第1巻、 161−178ページ)に
よりある程度論じられている。これらの技術は信号変換
方式が異なっており、大別すれば(a)電極表面で起こ
る酵素反応の生成物の酸化に起因する電気的応答が検出
されるタイプ、(b)酸化還元試薬によって電子が酵素
から電極へと輸送される「メディエータ関与型」と呼ば
れるタイプ、及び(c)上述のようなメディエータを必
要としない「直接電子輸送型」と呼ばれるタイプの王者
となる。以下これらのタイプ(a)〜(c)の反応につ
き、順に概要を述べる。
The advantages of current-detecting biosensors incorporating enzymes as biocatalysts have been demonstrated so far by Aston and Turner (Ast.
on a'and Turner) rBiotechnology and Genetics English Review (Biotec, Genet, Eng, Re
v, ), G, Russell & W (ed, 'G, Ru5s
ell) J (1984, Volume 1, pp. 89-120, Intercept, Newcastle-upon
on-Tyne>> or G, Davis
G,) r Biosensors J
(1985, Vol. 1, pp. 161-178). These technologies differ in their signal conversion methods, and can be roughly divided into (a) types in which electrical responses caused by the oxidation of enzymatic reaction products that occur on the electrode surface are detected; and (b) types in which electrical responses are detected by a redox reagent. (c) A type called "mediator-involved type," in which electrons are transported from the enzyme to the electrode, and (c) a type called "direct electron transport type," which does not require a mediator as described above. Below, the outlines of these types (a) to (c) of reactions will be described in order.

上長ハL尺ユ旦工 このタイプの反応は、反応の進行に伴って過酸化水素を
生成するある種のオキシダーゼ(たとえばグルコースオ
キシダーゼ、アルコールオキシダーゼ等)を例にとると
、次のように表わされる。
This type of reaction is expressed as follows, taking for example certain oxidases (such as glucose oxidase, alcohol oxidase, etc.) that produce hydrogen peroxide as the reaction progresses. It will be done.

基質+02−・ (オキシダーゼ)−・−)酸化生成物
+H,O。
Substrate +02-.(Oxidase)-.-) Oxidation product +H,O.

この方法では、過酸化水素は定電位電極の表面にて酸化
される。
In this method, hydrogen peroxide is oxidized at the surface of a potentiostatic electrode.

Ht Ot  −−−−−−−−−−−−−−−−> 
Ot + 2 H” + ’l eこのような過酸化水
素から電極への電子の移動に伴って電気信号が生成され
、条件が適当に選ばれれば酵素反応により生ずる電流の
強さは被検物質の濃度に比例するようになる。
Ht Ot −−−−−−−−−−−−−−>
Ot + 2 H" + 'l eAn electrical signal is generated as electrons move from hydrogen peroxide to the electrode, and if conditions are appropriately selected, the strength of the current generated by the enzymatic reaction will be similar to that of the analyte. becomes proportional to the concentration of

グルコースの定量を行う装置としてはこれまでに様々な
ものが提案されているが、それらの多くは再現性、応答
速度、グルコース濃度の適用範囲に制限があった。商業
ベースである程度の成功を収めたものとしては、グルコ
ースを基質、グルコノ−1,5−ラクトンを生成物とす
る系において上述の過酸化水素を利用した例がある。ま
た、過酸化水素の二次反応(たとえば比色分析)やコン
ダクタンス等の物理化学的測定にもとづいた方法も知ら
れている。しかしながら、これらの方法は一般に応答速
度が遅いうえ、試料中の酸素圧に非常に影響されやすい
という欠点を有している。
Various devices have been proposed so far as devices for quantifying glucose, but most of them have limitations in reproducibility, response speed, and applicable range of glucose concentration. One example that has achieved some success on a commercial basis is the use of hydrogen peroxide as described above in a system using glucose as a substrate and glucono-1,5-lactone as a product. Also known are methods based on secondary reactions of hydrogen peroxide (for example, colorimetric analysis) and physicochemical measurements such as conductance. However, these methods generally have a slow response speed and are highly sensitive to the oxygen pressure in the sample.

この酸素圧は時として大きく変動するものであリ、分析
を簡便化しようとして酸素圧を低くすると、電流応答の
直線性が劣化して上限付近において予想値よりも低い値
がでる虞れがある。同様のことは、グルコース以外の基
質を使用する間接分析法についても言える。
This oxygen pressure sometimes fluctuates greatly, and if the oxygen pressure is lowered in an attempt to simplify the analysis, there is a risk that the linearity of the current response will deteriorate and a value lower than the expected value will appear near the upper limit. . The same can be said for indirect analytical methods using substrates other than glucose.

上*(b)「メゾイエ−刑バイオセンサ」に2と工 このタイプの反応では、濃度測定の対象である基質と酵
素が反応することにより、酵素が常に還元型(高電子密
度型)に保たれる。この種の反応に基づくセンサを実用
化するには、電子供給源(酵素分子内の電子密度の高い
活性部位など)と電極本体の間の電気的接続を達成する
ことが要件となる。ところが酵素の活性部位は一般に巨
大分子構造の中の割れ目やひだに埋もれて存在している
ため、このような部位へ電極本体が接近することは不可
能であるか、あるいは非常に難しい。従って、信頼性が
高く鋭敏な信号変換を行うためには両者の電気的接続が
必要であるにもかかわらず、これを実際に達成すること
は難しいのである。しかし、ここで電子の担体、すなわ
ち「メディエータ」を使用すれば、酵素〜電極間の電子
移動は容易となる。この「メディエータ」は酸化型の時
には酵素から電子を取り込んで還元型となり、次に電子
を電極に供与することにより自身は再び酸化型に戻る。
Top *(b) 2 and 2 in the "Mezoie biosensor" In this type of reaction, the enzyme is always kept in a reduced form (high electron density type) by reacting with the substrate whose concentration is to be measured. drooping For a sensor based on this type of reaction to be practical, it is a requirement to achieve an electrical connection between the electron source (such as an electron-dense active site within an enzyme molecule) and the electrode body. However, since the active sites of enzymes are generally buried in crevices and folds within the macromolecular structure, it is impossible or extremely difficult for the electrode body to access these sites. Therefore, although electrical connection between the two is necessary for reliable and sensitive signal conversion, this is difficult to achieve in practice. However, if an electron carrier, ie, a "mediator" is used here, electron transfer between the enzyme and the electrode becomes easy. When this "mediator" is in its oxidized form, it takes electrons from the enzyme to become its reduced form, and then returns to its oxidized form by donating electrons to the electrode.

近年、グルコースオキシダーゼを固定化した炭素電極を
利用したバイオセンサがいくつが報告されているが、上
述のメディエータをここに応用することができる。たと
えば、塩化シアヌル法により酵素を共有結合により固定
化し、数ケ月間安定に使用した例をジョンソンおよびゴ
ートン(Jonsson and Gorton)が報
告している「バイオセンサーズ(Biosensors
) J 、 (1985年第1 %、 355−369
ページ)、シかし、このセンサにメディエータとして使
用されているN−メチルフヱナジニウムイオン(メト硫
酸フェナジン)は不安定で洗浄により失われやすく、使
用するたびに交換しなければならないのが重大な欠点で
ある。また、このセンサにおいてメディエータを介して
行われる電気化学的変換は酸素の還元反応と良く拮抗す
ることが実証されているものの、この電極は酸素濃度の
影響を受けやすい、この他にも、フェロセンあるいはそ
の誘導体をメディエータとし、固定化グルコースオキシ
ダーゼ電極を有するバイオセンサが、キャス(Cass
 at al、)らにより報告されているCアナリティ
カル・ケミストリー(Analyt、 Chew、) 
56巻。
In recent years, several biosensors using carbon electrodes on which glucose oxidase is immobilized have been reported, and the above-mentioned mediator can be applied here. For example, Jonsson and Gorton reported an example in which enzymes were covalently immobilized using the cyanuric chloride method and used stably for several months in the ``Biosensors'' method.
) J, (1985 1st %, 355-369
However, the N-methylphenazinium ion (phenazine methosulfate) used as a mediator in this sensor is unstable and easily lost during cleaning, and must be replaced every time it is used. This is a serious drawback. Additionally, although it has been demonstrated that the electrochemical conversion performed via the mediator in this sensor is well-competent with the oxygen reduction reaction, this electrode is sensitive to oxygen concentration. A biosensor that uses its derivative as a mediator and has an immobilized glucose oxidase electrode has been developed using Cass
C analytical chemistry (Analyt, Chew, ) reported by et al.
Volume 56.

667−673ページ、 1984年及び欧州特許第0
.078.636号〕、この場合、メディエータを介し
た電極への電子移動は次のように進行する。
Pages 667-673, 1984 and European Patent No. 0
.. No. 078.636], in which case the electron transfer to the electrode via the mediator proceeds as follows.

グルコース + 酵素 〔酸化型〕 −・・−・・・・
・・−) グルコノ−II5−ラクトン十酵素〔還元型
〕 酵素〔還元型〕+7エロセン〔酸化型〕(フェリジニウ
ムイオン) ・・・・−・・・) 酵素〔酸化型〕÷フェロセン〔還
元型〕フェロセン〔還元型〕 ・−・・ (電極へ電子
が移動) 、 −−−・−・・−・シフェリジニウムイ
オンこの電極反応機構の詳細については明らがではない
、特に、どのようにして不溶性の還元型フェ ′ロセン
が電荷を電極へ運び、環状化合物であるメディエータの
活性を維持しているのがはねがっていない、もっともこ
の難問はイオン性のフェロセン誘導体には無関係かも知
れない。更に、本反応における応答速度は同じ酵素反応
における既知の反応速度から予想される電位応答速度よ
りもがなり遅く、また電極の寿命も限られている。これ
らは恐らく酵素の安定性の限界に起因しているものであ
る。
Glucose + Enzyme [oxidized form] −・・−・・・・
...-) Glucono-II 5-lactone decazyme [reduced form] Enzyme [reduced form] + 7 erosene [oxidized form] (ferridinium ion) ......-) Enzyme [oxidized form] ÷ Ferrocene [reduced form] ] Ferrocene [reduced form] ・−・・ (Electrons are transferred to the electrode) , −−−・−・・−・Ciferidinium ion The details of this electrode reaction mechanism are not clear, especially how It is undeniable that the insoluble reduced form of ferrocene carries charge to the electrode and maintains the activity of the cyclic compound mediator, although this conundrum may not be relevant to ionic ferrocene derivatives. Furthermore, the response speed in this reaction is slower than the potential response speed expected from the known reaction speed in the same enzyme reaction, and the life of the electrode is also limited. These are probably due to the limited stability of the enzyme.

メディエータを信号変換に使用すると、いくつかの問題
点が付随的に生ずる。まず第一はメディエータが生体触
媒を含有する部位から漏出しやすいこと、第二は酸化型
、還元型、あるいはその両方の型のメディエータが拡散
しにくいこと、第三はメディエータ自身が本来的に不安
定なことである。
Several problems are associated with the use of mediators for signal conversion. The first is that the mediator tends to leak out from the site containing the biocatalyst, the second is that the oxidized, reduced, or both forms of the mediator are difficult to diffuse, and the third is that the mediator itself is inherently inert. It's a stable thing.

上”(c)r     ”f’バイオセンサ」について メディエータを使用しないバイオセンサを作成する試み
についてはタラセビソチ(Tarasevich)が生
物学的電気触媒作用に関する最近の総説の中で示唆して
いる「バイオエレクトロケミストリー(Bioelec
trochemistry) J (第10巻、 23
1−295ページ、 1985年)。
Regarding biosensors, Tarasevich (Tarasevich) suggests in his recent review on biological electrocatalysis, "Bioelectrocatalysis". Chemistry (Bioelec
trochemistry) J (Volume 10, 23
1-295, 1985).

かかるバイオセンサは、「無試薬型」あるいは「メディ
エータレス型」と呼ぶことができる。前出のタラセビソ
チの総説の中にはメディエータレス型酵素電極の例が幾
つか紹介されている。これらの電極にはメチルビオロゲ
ンに類似した構造栄位やNMP” TCNQ”  (N
−メチルツェナジニウムテトラシアノ−4−キノジメタ
ン)等の有機導電性塩のいずれかあるいは両方を含む有
機真電性ポリマーが使用されており、これらが電極の性
能を改善し、メディエータの役目を果たしている。
Such a biosensor can be called a "reagent-less type" or a "mediator-less type." Several examples of mediator-less enzyme electrodes are introduced in the review by Tarasevi Sochi mentioned above. These electrodes contain structural molecules similar to methyl viologen and NMP"TCNQ" (N
Organic electroconductive polymers containing one or both organic conductive salts, such as -methylzenadinium tetracyano-4-quinodimethane), have been used to improve electrode performance and act as mediators. There is.

このような修飾電極を介して酸化還元タンパクから電子
を変換する方法の多くはこの範唄に属するものである。
Many of the methods for converting electrons from redox proteins via such modified electrodes belong to this category.

ここで問題となるのは、有機導電性ポリマーや有機導電
性塩の本来的な不安定性である。例えば、アルコール検
出用のバイオセンサとして使用されるNMP/TCNQ
修飾電極の寿命半減期は約15日である。この種の電極
は、また、酸素の影宙を受けやすい。
The problem here is the inherent instability of organic conductive polymers and organic conductive salts. For example, NMP/TCNQ used as a biosensor for alcohol detection.
The modified electrode has a lifetime half-life of about 15 days. This type of electrode is also susceptible to oxygen turbulence.

これまでの報告をみると、炭素基板電極を使用している
仔へがほとんどであるが、本当の意味でメディエータレ
スと言える酵素電極はごく僅かであり、失敗例の多いの
が実情である。前出のジョンソン及びゴートンがグルコ
ースオキシダーゼの利用に関する最近の論文の中で示唆
したとごろによると、問題の主因は酵素の固定化自体に
ある。つまり、酵素を固定化すると立体障害をはじめと
する種々の障害により電子移動能が阻害されやすく、ど
うしてもメディエータが必要になるのである。
Looking at the reports to date, most of them use carbon substrate electrodes, but there are only a few enzyme electrodes that can be said to be truly mediatorless, and the reality is that there are many failures. As suggested by Johnson and Gorton, supra, in a recent paper on the use of glucose oxidase, the main cause of the problem lies in the immobilization of the enzyme itself. In other words, when an enzyme is immobilized, its electron transfer ability is likely to be inhibited by various obstacles including steric hindrance, and a mediator is inevitably required.

一方、非常に活性の高いオキシダーゼが炭素電極あるい
は白金電極上に固定化された珍しい例も報告されている
。たとえばイアニエロ(Ianiello)ら[アナリ
ティカル・ケミストリー(Analyt、Che+n、
) J(第54S、 10984101ページ、 19
82年)は、グルコースオキシダーゼとL−アミノ酸が
塩化シアヌル法により炭素電極上に共有結合されている
メディエータレス型センサを紹介している。
On the other hand, rare cases have been reported in which highly active oxidases were immobilized on carbon or platinum electrodes. For example, Ianiello et al.
) J (No. 54S, page 10984101, 19
(1982) introduced a mediator-less sensor in which glucose oxidase and L-amino acids are covalently bonded onto a carbon electrode by the cyanuric chloride method.

しかし、イアニエロとヤシニッチ(Yacynych)
によると「アナリティカル・ケミストリー(Analy
t。
However, Ianniello and Yacynych
According to “Analytical Chemistry”
t.

Chem、)J (第53巻、 2090−2095ペ
ージ、 1981年)、このセンサの寿命半減期は20
〜30日と短い。また、酸素の影響については明らかに
されていない。
Chem,) J (Vol. 53, pp. 2090-2095, 1981), the half-life of this sensor is 20
It is short at ~30 days. Furthermore, the influence of oxygen has not been clarified.

上述のような原理に基づいて機能するバイオセンサ、特
にグルコースセンサは従来数多く開示されており、その
代表的な選択方法も広く受は入れられている。ここでは
、松下電器産業株式会社が日本国特開間第56−163
447号公報に開示した技術を特に検討する。この公報
は、間接型グルコース電極を開示したものである。 こ
こでは、グルコースオキシダーゼの存在下でグルコース
が酸化されて生成された過酸化水素を白金電極上で酸化
させて、試料の基質(この場合はグルコース)の濃度に
比例した酸化電流を得ている。
Many biosensors, particularly glucose sensors, which function based on the above-mentioned principle have been disclosed in the past, and representative selection methods thereof are also widely accepted. Here, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
The technique disclosed in Japanese Patent No. 447 will be particularly considered. This publication discloses an indirect glucose electrode. Here, hydrogen peroxide produced by oxidizing glucose in the presence of glucose oxidase is oxidized on a platinum electrode to obtain an oxidation current proportional to the concentration of the substrate (glucose in this case) in the sample.

この電極は固定化グルコースオキシダーゼ等の固定化酵
素層を支持する導電性の炭素基板より構成されている。
This electrode is composed of a conductive carbon substrate supporting a layer of an immobilized enzyme such as immobilized glucose oxidase.

この導電性基板自体はフルオロカーボン樹脂をバインダ
ーとして10重量%以内の割合で含むグラファイト粒子
により成形されており、当該基板の上には厚さ1μm以
下の白金薄膜が電解作用若しくは蒸着により析出されて
いる。前出の日本国特開間第56−163447号に開
示された発明においては、白金の表面に直接酵素を固定
化させることに伴う不都合が回避され、応答性が5秒と
速く、高感度で持続性あることを特徴とする酵素電極が
紹介されている。しかし最近の実験でかかる酵素電極を
使用しても、上記の種々の効果を得るには至らなかった
This conductive substrate itself is made of graphite particles containing fluorocarbon resin as a binder at a proportion of 10% by weight or less, and a thin platinum film with a thickness of 1 μm or less is deposited on the substrate by electrolytic action or vapor deposition. . The invention disclosed in Japanese Patent Publication No. 56-163447 mentioned above avoids the inconveniences associated with directly immobilizing enzymes on the surface of platinum, and has a fast response of 5 seconds and a high sensitivity that lasts. An enzyme electrode that is characterized by its unique characteristics is introduced. However, even when such enzyme electrodes were used in recent experiments, the various effects described above could not be obtained.

(発明が解決しようとする課題〕 従って、主としてグルコースバイオセンサに用いられ、
信頼性、再現性、早い応答速度と高感度性、及び長期に
わたる安定性を有する酵素電極は依然として必要とされ
ているのである。
(Problem to be solved by the invention) Therefore, it is mainly used for glucose biosensors,
There remains a need for enzyme electrodes that are reliable, reproducible, fast response times and sensitive, and have long-term stability.

未発明は、かかる実情に鑑みて提案されたものであって
、新規な炭素基板を酵素電極として用い、電極上にグル
コースオキシダーゼ等の酵素をより効果的な方法で固定
化することにより、応答性。
The uninvented invention was proposed in view of the above circumstances, and uses a new carbon substrate as an enzyme electrode and immobilizes an enzyme such as glucose oxidase on the electrode in a more effective manner to improve responsiveness. .

安定性の優れた電流検出型センサを提供することを目的
とするものである。
The purpose of this invention is to provide a current detection type sensor with excellent stability.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明が提供する改良された酵素電極は、特に所望しな
い限りメディエータを用いなくてもすむほか、非常に低
濃度の溶存酸素の存在下でも機能する。また、上記酵素
電極1−あたりの電流密度は10mMグルコース溶液中
にて数百マイクロアンペアと、電流応答特性にも優れる
。かかる電流応答特性は従来の電流検出型バイオセンサ
に比して優れているため、電極面積が1mm”以下でO
〜100nAの電流を発生できるようなマイクロプロー
ブ型バイオセンサの製造にも適している。
The improved enzyme electrode provided by the present invention eliminates the need for a mediator unless specifically desired and also functions in the presence of very low concentrations of dissolved oxygen. Further, the current density per enzyme electrode 1 is several hundred microamperes in a 10 mM glucose solution, and the current response characteristics are excellent. This current response characteristic is superior to conventional current detection biosensors, so even if the electrode area is 1 mm or less, O
It is also suitable for manufacturing a microprobe type biosensor that can generate a current of ~100 nA.

当該電極はまた非常に微量の薗定化醇素を用いて構成す
ることもできる。すなわち保護膜なしの場合には1〜2
秒、保護膜がある場合でも10〜30秒と、従来のいか
なるグルコースセンサよりも速いグルコース応答特性を
有する。また、この電極は浸漬した状態で保管されれば
室温においても優れた安定性を発揮する。
The electrodes can also be constructed using very small amounts of Sonodaka fluorine. That is, in the case of no protective film, 1 to 2
It has faster glucose response characteristics than any conventional glucose sensor, with a response time of 10 to 30 seconds even with a protective film. Furthermore, this electrode exhibits excellent stability even at room temperature if stored in a immersed state.

この電極の応答特性は数ケ月使用した後でも、優れてい
た。適用濃度範囲は広く、通常よりもかなり低い電位で
もataL (通常の650mVに対して本電極は32
5mV)、動作電位におけるバックグラウンド電流値は
非常に低い。
The response characteristics of this electrode were excellent even after several months of use. The applicable concentration range is wide, and even at a much lower potential than usual, ataL (32 mV compared to the normal 650 mV)
5 mV), the background current value at the operating potential is very low.

本発明にかかる酵素電極あるいはバイオセンサは、特異
的基質の存在下において酵素の触媒活性に電気的に応答
することが可能な酵素電極においど、予め高純度の白金
族金属と均一に混合させるか、あるいは該白金族金属を
個々の粒子の表面に析出または吸着させたカーボン粒子
もしくはグラファイト粒子を樹脂バインダーを用いて成
形することにより形成され、実質的に不均一な樹脂固着
カーボン層あるいは樹脂固着グラファイト層中に白金族
金属が均一に分散されてなる多孔質導電性基板層により
導電性支持体の少なくとも一部が構成されてなり、該多
孔質導電性基板層の表面に酵素が固定化または吸着され
て成るものである。従って、本発明にかかる酵素電極は
前出の日本国特開間第56−163447号公報に開示
されている積暦型均−白金被膜炭素電極とは異なり、樹
脂バインダーにより結合されたカーボン粒子あるいはグ
ラファイト粒子から成る極めて不均一な層を少なくとも
有し、この層の中に白金族元素が極めて均一に分散され
たものである。上記樹脂バインダーにより結合されたカ
ーボン粒子の層は、成形して基板とされる前にコロイド
状の白金またはパラジウムを予め析出あるいは吸着させ
たカーボン粒子を使用して形成されることがより望まし
い、また、本発明において白金被膜付きカーボン粒子を
成形して電極基板とする際に使用される樹脂バインダー
としては、ポリテトラフルオロエチレンが特に好ましい
The enzyme electrode or biosensor according to the present invention is prepared by uniformly mixing a highly pure platinum group metal in advance in an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate. or a substantially non-uniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite formed by molding carbon particles or graphite particles in which the platinum group metal is precipitated or adsorbed onto the surface of individual particles using a resin binder. At least a part of the conductive support is constituted by a porous conductive substrate layer in which a platinum group metal is uniformly dispersed, and the enzyme is immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer. It is made up of Therefore, the enzyme electrode according to the present invention differs from the Seireki-type homogeneous platinum-coated carbon electrode disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Publication No. 56-163447, in which carbon particles or graphite are bonded together by a resin binder. It has at least a highly non-uniform layer of particles in which the platinum group element is extremely uniformly dispersed. It is more preferable that the layer of carbon particles bound by the resin binder is formed using carbon particles on which colloidal platinum or palladium has been precipitated or adsorbed before being molded into a substrate. In the present invention, polytetrafluoroethylene is particularly preferred as the resin binder used when forming the platinum-coated carbon particles into an electrode substrate.

本発明にかかる酵素電極の構成をもう少し詳しく論する
と、まず電極はたとえば白金やパラジウム等の白金族元
素を予め表面に吸着させたカーボン粉末が樹脂バインダ
ーで結合されている層を少なくとも有する導電性基板か
ら成ることが望ましい。
Discussing the structure of the enzyme electrode according to the present invention in more detail, first, the electrode is a conductive substrate having at least a layer in which carbon powder, on which a platinum group element such as platinum or palladium has been adsorbed in advance, is bonded with a resin binder. It is desirable that the

上記カーボン粉末としては、後に行われる酵素の固定化
に支障を来さないものであればいかなるものを使用して
も良く、このためにはカルボキシル基、アミノ基、含イ
オウ基等の官能基を表面に多く有するものが使用される
。このようなカーボン粉末は、酵素を良く吸着すること
のできないガラス伏カーボンとは全く対照的なものであ
る。粒径は3〜50nm、より好ましくは5〜30nm
である。
Any carbon powder may be used as long as it does not interfere with the subsequent immobilization of the enzyme. Those with a large amount on the surface are used. Such carbon powder is in stark contrast to glass-covered carbon, which cannot adsorb enzymes well. Particle size is 3-50 nm, more preferably 5-30 nm
It is.

上記カーボン粒子上へ白金(あるいはパラジウム)を析
出させる方法としては、蒸着、電気化学的析出、あるい
はコロイド懸濁液からの単純吸着等が好適であるが、カ
ーボン粒子と白金族金属を単に混合してもよい。いずれ
の場合にも、白金族金属の割合の範囲は、炭素の重量を
基準として1〜20重量%、より望ましくは5〜15重
量%である。
Preferred methods for depositing platinum (or palladium) on the carbon particles include vapor deposition, electrochemical deposition, or simple adsorption from a colloidal suspension. It's okay. In each case, the proportion of platinum group metal ranges from 1 to 20% by weight, more preferably from 5 to 15% by weight, based on the weight of carbon.

しかし、上記範囲は絶対的なものではなく、実用上の観
点から定められたものである。白金族金属の割合が1重
量%未満の場合には、よほど感度の高い装置を使用しな
い限り信号強度が低下して測定困難となる。また白金族
金属の割合が20重量%よりも大きいと、コスト高とな
る割には応答速度や感度の改善効果が少なく、実際のと
ころ内釜族金属の割合が極端に多いときにはかえって感
度が低下する。したがって、カーボン粒子上に白金被膜
あるいはパラジウム被膜を形成するには、たとえば塩化
白金酸等の化合物の酸化分解によるか、あるいはたとえ
ば 英国特許第1,357,494号、米国特許第4,
044,193号、同第4.166、143号等に開示
されているように、酸化されやすい配位子を有する白金
あるいはパラジウムの錯体を使用してコロイド状の白金
あるいはパラジウムを直接にカーボン粒子表面へ析出さ
せることが好ましい。
However, the above range is not absolute, but is determined from a practical standpoint. If the proportion of platinum group metal is less than 1% by weight, the signal intensity will decrease and measurement will be difficult unless a very sensitive device is used. Furthermore, if the proportion of platinum group metal is greater than 20% by weight, the effect of improving response speed and sensitivity will be small in spite of the high cost, and in fact, if the proportion of inner pot group metal is extremely high, the sensitivity will actually decrease. do. Therefore, formation of platinum or palladium coatings on carbon particles can be achieved by oxidative decomposition of compounds such as chloroplatinic acid, or by e.g.
As disclosed in Nos. 044,193 and 4.166, 143, colloidal platinum or palladium is directly applied to carbon particles using a platinum or palladium complex having an easily oxidized ligand. Preferably, it is deposited on the surface.

このようにして白金あるいはパラジウムの被膜を形成し
たカーボン粒子を、次に適当な撥水性樹脂バインダーを
使用して成形する。このときのIΩ水性樹脂バインダー
としてはポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が
特に好ましい。これにより、樹脂をバインダーとして上
記の白金被膜付きあるいはパラジウム被膜付きカーボン
粒子を主体とする完全な自立型多孔質体を成形するか、
あるいはより一般的には樹脂をバインダーとする粒子か
らなる多孔質層を金属、炭素、グラファイト等の導電性
基板の表面に成形する。樹脂をバインダーとする上記白
金被膜付きカーボン粒子層を形成する基板の材料として
特に好ましいものとしては、たとえば米国特許第4,2
29.490号に開示されているカーボン紙や、米国特
許第4,293,396号に開示されている開孔型カー
ボン布が挙げられる。
The carbon particles coated with platinum or palladium in this manner are then molded using a suitable water-repellent resin binder. As the IΩ aqueous resin binder at this time, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene is particularly preferable. As a result, a completely self-supporting porous body mainly composed of the above-mentioned platinum-coated or palladium-coated carbon particles is formed using the resin as a binder, or
Alternatively, more generally, a porous layer made of particles with resin as a binder is formed on the surface of a conductive substrate made of metal, carbon, graphite, or the like. Particularly preferable materials for the substrate on which the platinum-coated carbon particle layer is formed using resin as a binder include, for example, U.S. Pat.
Examples include carbon paper as disclosed in US Pat. No. 29,490 and open-pore carbon cloth as disclosed in US Pat.

空孔率をできるだけ大きくとるためには、バインダーと
して使用する樹脂の量を電極層の構造性と安定性を確保
するために必要最小限とする。このときの電極層の厚さ
は例外もあるが0.1〜0.5mm程度かあるいはこれ
以下とされるのが普通である。構造性1機械強度、およ
び空孔率を適正化する観点から、樹脂バインダーの量は
白金被膜付きあるいはパラジウム被膜付きカーボン粉末
の重量を基準として、最低でも5〜10重量%、多くと
も80重量%に選ばれ、通常は30〜70%の範囲とさ
れる。樹脂バインダーの量が5重量%未満であるとカー
ボン粒子、グラファイト粒子を互いに結びつけるに不十
分である。逆に80重量%を越えるとカーボン粒子ある
いはグラフ141粒子の含有量が相対的に小さくなり過
ぎて出力信号が非常に弱くなるので記録装置として非常
に高感度のものが必要になってしまう。
In order to increase the porosity as much as possible, the amount of resin used as a binder is minimized to ensure the structural properties and stability of the electrode layer. Although there are some exceptions, the thickness of the electrode layer at this time is generally about 0.1 to 0.5 mm or less. Structural Properties 1 From the viewpoint of optimizing mechanical strength and porosity, the amount of the resin binder is at least 5 to 10% by weight, and at most 80% by weight, based on the weight of the platinum-coated or palladium-coated carbon powder. It is usually in the range of 30 to 70%. If the amount of the resin binder is less than 5% by weight, it is insufficient to bind carbon particles and graphite particles to each other. On the other hand, if it exceeds 80% by weight, the content of carbon particles or Graph 141 particles becomes relatively too small and the output signal becomes very weak, requiring a recording device with very high sensitivity.

樹脂としては導電性、半導電性のものも含めてあらゆる
種類のものが使用できるが、合成フッ素樹脂、特にポリ
テトラフルオロエチレンが好ましい。ここで、酸化の過
程を考慮するとこのバインダーは酸素i3過性であるこ
とが必要である。このため、上記バインダーは大気圧下
で酸素溶解度が1小でなければならず、その値は常温常
圧下でバインダー1cm’あたり少な(とも酸素2X1
0−’cm’ とする。
All kinds of resins can be used, including conductive and semiconductive ones, but synthetic fluororesins, particularly polytetrafluoroethylene, are preferred. Here, in consideration of the oxidation process, it is necessary that this binder is permeable to oxygen i3. For this reason, the above binder must have an oxygen solubility of 1 less under atmospheric pressure, and the value is less per 1 cm' of binder at room temperature and normal pressure (also known as oxygen 2
0-'cm'.

使用できるバインダーおよびそれらの酸素溶解度を「ポ
リマー−ハンドブック(The Polymer Ha
ndbook) J  (J、ブランドラップ及びE、
H,イマーグート1i(Ed、  J、  Brand
rup and E、Il、  fmergut)(第
1版、 1967年、インターサイエンス社刊(Int
erscience)) )から抜粋すると以下のよう
になる。
The binders that can be used and their oxygen solubility are listed in The Polymer Handbook.
ndbook) J (J, brand wrap and E,
H, Immergut 1i (Ed, J, Brand
rup and E, Il, fmergut) (1st edition, 1967, published by Interscience (Int
The following is an excerpt from erscience))).

” ”J”   xto” (cm’)ポリテトラフル
オロエチレン(PTFε)  0.276PTFE以外
のフッ素樹脂  0.2以上(変動あり)ポリメタクリ
ル酸エチル       8.6ポリスチレン    
   18.2  (計算値)ポリ酢酸ビニル    
       6.3ポリ塩化ビニル        
   2.’92ポリカーボネート         
  0.51ポリ (4−メチルペンテン−1)   
 24.3ポリイソプレン          1O0
3ポリクロロプレン          7.5ポリ1
.3−ブタジエン       9.7シリコンゴム 
           31.1本発明において使用さ
れる電極基板として好ましいものには、プロトチック社
(米国、マサチューセッツ州)からプロトチック(Pr
ototech)の商標名で市販され、燃料電池の電気
触媒型気体拡散電極として使用されている一連の材料が
ある。これらの材料の調製法は前出の米国特許第4,0
44,193号、同第4.166、143号、同第4.
293.396号、および米国特許第4,478.69
6号に詳述されており、これらの参照文献まで入手でき
れば完璧である。
""J"
18.2 (Calculated value) Polyvinyl acetate
6.3 Polyvinyl chloride
2. '92 polycarbonate
0.51 poly (4-methylpentene-1)
24.3 Polyisoprene 1O0
3 Polychloroprene 7.5 Poly 1
.. 3-Butadiene 9.7 Silicone rubber
31.1 Preferred electrode substrates for use in the present invention include those manufactured by Protochik (Massachusetts, USA);
There is a series of materials commercially available under the trade name ototech that are used as electrocatalytic gas diffusion electrodes in fuel cells. Methods for preparing these materials are described in U.S. Pat.
No. 44,193, No. 4.166, No. 143, No. 4.
No. 293.396, and U.S. Pat. No. 4,478.69.
6, and it would be perfect if these references could be obtained.

概要を述べると、粒径50〜300人 (5〜30nm
)カーボン粒子表面に粒径15〜25人(1,5〜2.
5nm)のコロイド状白金が吸着されたものであり、こ
の吸着の様式はたとえばカーボン粒子自身が核形成剤と
なってその場ですぐに白金ゾルが形成されるといったも
のである。
To give an overview, the particle size is 50 to 300 nm (5 to 30 nm).
) Particle size 15-25 (1,5-2.) on the carbon particle surface.
5 nm) colloidal platinum is adsorbed, and the mode of this adsorption is such that, for example, the carbon particles themselves serve as a nucleating agent and a platinum sol is immediately formed on the spot.

次にこの白金被膜付きカーボン粒子は、合成樹脂バイン
ダーを使用してカーボン紙等の導電性支持体上に成形さ
れる。このとき、上記合成樹脂バインダーがフッ素樹脂
、特にポリテトラフルオロエチレンであればなお好まし
い。
Next, the platinum-coated carbon particles are molded onto a conductive support such as carbon paper using a synthetic resin binder. At this time, it is more preferable that the synthetic resin binder is a fluororesin, particularly polytetrafluoroethylene.

また別の技術として、白金被膜付きカーボン粒子を予め
成形された多孔質カーボン布に含浸させ、フッ素樹脂、
特にポリテトラフルオロエチレンを用いて結合させたも
のが前出の米国特許第4,293゜396号に開示され
ている。これに対し、本発明に勺いて使用される材料は
プロトチックに限られず、白金被膜付きあるいはパラジ
ウム被膜付きカーボン粒子が樹脂結合剤を使用して成形
された類似の材料も含むものである。特に、米国特許第
4,229゜490号に開示されている燃料電池の電極
のような材料、すなわちポリテトラフルオロエチレン等
の撥水性樹脂を含浸させたカーボン紙を支持体とし、こ
の上にスクリーン印刷等により白金黒とカーボン粒子あ
るいはグラファイト粒子との均一混合物にやはりポリテ
トラフルオロエチレン等のto水性の樹脂をバインダー
として混入した触媒層が形成されたものも使用できるも
のと思われる。
Another technique is to impregnate a pre-formed porous carbon cloth with platinum-coated carbon particles,
In particular, bonding using polytetrafluoroethylene is disclosed in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,293,396. In contrast, the materials used in the present invention are not limited to protodic materials, but also include similar materials in which platinum-coated or palladium-coated carbon particles are molded using a resin binder. In particular, materials such as the electrodes of fuel cells disclosed in U.S. Pat. It is also possible to use a catalyst layer formed by printing or the like in which a homogeneous mixture of platinum black and carbon particles or graphite particles is mixed with a water-based resin such as polytetrafluoroethylene as a binder.

上述のような樹脂バインダーを有する白金被膜付きある
いはパラジウム被膜付き炭素基板の表面に酵素を固定化
する方法としては、カルボジイミドやカルボニルジイミ
ダゾールを介した共有結合2L1,6−シニトロー3.
4−ジフルオロベンゼン(DFDNB)を介した共有結
合法、グルタルアルデヒドを利用した架橋法等を始めと
する従来公知のあらゆる方法を採用することができる。
As a method for immobilizing an enzyme on the surface of a platinum-coated or palladium-coated carbon substrate having a resin binder as described above, covalent bonding via carbodiimide or carbonyldiimidazole, 2L1,6-sinitro3.
Any conventionally known method can be employed, including a covalent bonding method using 4-difluorobenzene (DFDNB), a crosslinking method using glutaraldehyde, and the like.

−例として、グルコースオキシダーゼの固定化の手順を
以下に示す。
- As an example, the procedure for immobilization of glucose oxidase is shown below.

A、力lレボシイミドル 1、プロトチック電極用シートから適当な大きさの電極
を切り出す。
A. Force L Revoshii Middle 1. Cut out an electrode of an appropriate size from a prototic electrode sheet.

2、切り出した電極を約5分間エタノールに浸漬し、ポ
リテトラフルオロエチレンでコーティングされたバイン
ダーや裏打ち層に十分に含浸させる。
2. Immerse the cut electrode in ethanol for about 5 minutes to fully impregnate the binder and backing layer coated with polytetrafluoroethylene.

3、電極をエタノールから引き上げ、エタノールが残存
しないよう蒸留水で完全に洗浄する。
3. Remove the electrode from the ethanol and thoroughly wash it with distilled water so that no ethanol remains.

4.1−シクロへキシル−3−(2−モルフォリノ)カ
ルボジイミドのp−メチルトルエンスルホン酸塩を0.
1M酢酸緩衝液(pH4,5)中に0.15M濃度に溶
解した溶液5mj! (あるいはこれ以下)を用意し、
上記電極をこの溶液中に室温にて90分間浸漬する。こ
のときシェーカーを利用して穏やかに震盪しても良い、
電極が溶液表面に浮き上がって良く浸漬しなかった場合
には、以上の処理を上記操作2から再度繰り返す。
4. 1-cyclohexyl-3-(2-morpholino)carbodiimide p-methyltoluenesulfonate at 0.
5mj of solution dissolved in 1M acetate buffer (pH 4,5) to a concentration of 0.15M! (or less),
The electrode is immersed in this solution for 90 minutes at room temperature. At this time, you can use a shaker to gently shake.
If the electrode floats to the surface of the solution and is not immersed well, the above process is repeated from step 2 above.

5、電極を引き上げ、蒸留水で完全に洗浄する。5. Pull up the electrode and clean it thoroughly with distilled water.

次にグルコースオキシダーゼを5.0mg/mlの割合
でpH5,6の酢酸緩衝液に新しく溶解し、この溶液中
に上記の電極を室温にて90分間浸漬し、穏やかに震盪
する。
Next, glucose oxidase is freshly dissolved at a rate of 5.0 mg/ml in an acetate buffer of pH 5.6, and the above electrode is immersed in this solution at room temperature for 90 minutes, followed by gentle shaking.

6、酵素溶液から電極を引き上げ、0.1M酢酸緩衝液
で完全に洗浄する。これで電極は完成である。
6. Remove the electrode from the enzyme solution and wash thoroughly with 0.1M acetate buffer. The electrode is now complete.

7、電極の保存は、0.1 M酢酸緩衝液(pH5,6
)中、4℃で行う。
7. Preserve the electrode in 0.1 M acetate buffer (pH 5, 6).
) at 4°C.

B、カルポニルジイミタソール几 1.上記操作1を行う。上記操作2および操作3は省略
する。
B. Carponyldiimitasol 1. Perform operation 1 above. The above operations 2 and 3 are omitted.

2、N、N’  −カルボニルジイミダゾールを無水ジ
メチルホルムアミドに40mg/mnの割合で溶解する
2.N,N'-carbonyldiimidazole is dissolved in anhydrous dimethylformamide at a rate of 40 mg/mn.

3、この溶液中に上記電極を室温にて90分間浸漬する
。必要があれば穏やかにglする。
3. Immerse the electrode in this solution for 90 minutes at room temperature. Glance gently if necessary.

4、電極を引き上げ、余分のカルボニルジイミダゾール
溶液を乾燥除去する。次に、この電極を新たに調製した
グルコースオキシダーゼ溶液に90分間浸漬する。
4. Pull up the electrode and dry and remove excess carbonyldiimidazole solution. The electrode is then immersed in a freshly prepared glucose oxidase solution for 90 minutes.

5、上記操作6および操作7を行う。5. Perform operations 6 and 7 above.

旦一旦ヱ旦Σl光1 ■、上記Aの操作工ないし操作3を行う。once once ヱdanΣllight 1 (2) Perform operation A or operation 3 above.

2、電極を0.1 Mホウ酸ナトリウム溶液(pH8゜
5)で完全に洗浄する。
2. Thoroughly wash the electrode with 0.1 M sodium borate solution (pH 8.5).

3.1.6−シニトロー3.4−ジフルオロベンゼンを
メタノールに0.1021 g / 5 m lの割合
で溶解する。この溶液中に電極を室温にて10分間浸漬
する。
3. Dissolve 1.6-sinitro 3.4-difluorobenzene in methanol at a ratio of 0.1021 g/5 ml. The electrodes are immersed in this solution for 10 minutes at room temperature.

4、電極を引き上げ、ホウ酸ナトリウム溶?lで完全に
洗浄する。次に、この電極をグルコースオキシダーゼ溶
液に室温にて90分間浸漬する。
4. Pull up the electrode and add sodium borate solution? Wash thoroughly with l. Next, this electrode is immersed in a glucose oxidase solution for 90 minutes at room temperature.

5、上記操作6および操作7を行う。5. Perform operations 6 and 7 above.

かかる固定化の工程には、他にも種々の鎖長を有する二
官能基系の試薬を使用することができ、たとえばジメチ
ルマロニミデートやジメチルスへりミデートといったシ
ミデート類が用いられる。
Other bifunctional reagents having various chain lengths can be used in this immobilization step, such as cimidates such as dimethylmalonimidate and dimethylsherimidate.

また、酵素の種類によっては、架橋法等によらなくとも
樹脂バインダーにより固着された白金被膜付きあるいは
パラジウム被膜付きカーボン粒子の支持体の上に単に酵
素を吸着させるだけでも有効であることがわかっており
、グルコースオキシダーゼを用いて確かめられている。
Additionally, depending on the type of enzyme, it has been found that it is effective to simply adsorb the enzyme onto a platinum-coated or palladium-coated carbon particle support that is fixed with a resin binder without using a crosslinking method. This has been confirmed using glucose oxidase.

固定化酵素の表面の層は通常ポリカーボネート等の適当
な多孔質の保護フィルム若しくは保護膜を設けることに
より物理的に保護することができる。もっとも上記の保
護フィルム・保護膜は、定量されるグルコース等の酵素
基質を透過させ得るものでなければならないことは言う
までもない。
The surface layer of the immobilized enzyme can usually be physically protected by providing a suitable porous protective film or protective membrane such as polycarbonate. However, it goes without saying that the above-mentioned protective film/protective membrane must be able to permeate the enzyme substrate such as glucose to be quantified.

これらの保護膜を設けるとセンサの応答速度がやや遅く
なるので、その点不利といえなくもないが、本発明にか
かる酵素電極あるいはバイオセンサの応答速度はかかる
保護膜が設けられていても従来の酵素電極の応答速度と
同等か、もしくはそれ以上である。
Providing these protective films slightly slows down the response speed of the sensor, which can be considered a disadvantage, but the response speed of the enzyme electrode or biosensor according to the present invention is lower than that of the conventional technology even with such a protective film. The response speed is equivalent to or faster than that of the enzyme electrode.

上述したように、本発明はグルコースオキシダーゼを固
定化酵素とするグルコースオキシダーゼ電極を念頭にお
いたものであるが、他の酸化還元酵素(オキシドリダク
ターゼ)を使用することも無論可能である。しかし、他
の酸化還元酵素を使用した場合には常に本件と同等の効
果を挙げられるとは限らない。これは、それらの酵素が
本来無効であるからでは必ずしもなく、別の要因による
ものである。たとえば、シュウ酸オキシダーゼを用いて
シュウ酸の定量を行う場合、基質であるシュウ酸自体が
電極基板上で電気化学的に酸化されて、酵素作用の大部
分をマスキングしてしまう。
As described above, the present invention is directed to a glucose oxidase electrode in which glucose oxidase is an immobilized enzyme, but it is of course possible to use other oxidoreductases (oxidoreductases). However, when using other oxidoreductases, it is not always possible to achieve the same effect as the present case. This is not necessarily because these enzymes are inherently ineffective, but is due to other factors. For example, when oxalate is quantified using oxalate oxidase, the substrate oxalate itself is electrochemically oxidized on the electrode substrate, masking most of the enzymatic action.

しかし、ラクテートオキシダーゼ、ガラクトースオキシ
ダーゼ、コレステロールオキシダーゼ等の過酸化物生成
酵素は好適である。
However, peroxide-producing enzymes such as lactate oxidase, galactose oxidase, cholesterol oxidase are preferred.

また、複合酵素系も可能であり、たとえば第一の基質に
作用してオキシダーゼのための第二の基質を生成する非
オキシダーゼと、上記第二の基質に作用して第一の基質
の濃度に比例した電流を発生させるオキシダーゼとを組
み合わせた系が考えられる。このような組み合わせの例
としては、β−ガラクトシダーゼとグルコースオキシダ
ーゼからなる二酵素系(ラクトース定量用)、β−グル
カン分解酵素とβ−グルコシダーゼとグルコースオキシ
ダーゼからなる三酵素系(β−グルカン定量用)、イン
ベルターゼとムターゼとグルコースオキシダーゼからな
る三酵素系(シュクロース定量用)等がある。
Complex enzyme systems are also possible, for example a non-oxidase that acts on a first substrate to generate a second substrate for the oxidase, and a non-oxidase that acts on said second substrate to raise the concentration of the first substrate. A system in combination with oxidase that generates a proportional current is considered. Examples of such combinations include a two-enzyme system consisting of β-galactosidase and glucose oxidase (for lactose determination), and a three-enzyme system consisting of β-glucan degrading enzyme, β-glucosidase, and glucose oxidase (for β-glucan determination). , a three-enzyme system (for sucrose determination) consisting of invertase, mutase, and glucose oxidase.

さらにセンサの別の応用形態としては、まず前駆体反応
により第一の51に作用し、その生成物を本発明にかか
る酵素電極の基質とするような試薬(酵素であってもな
くても可)やプロセスを利用するものも可能である。
Furthermore, as another application form of the sensor, a reagent (which may or may not be an enzyme) that first acts on the first 51 through a precursor reaction and uses the product as a substrate for the enzyme electrode according to the present invention is proposed. ) and processes are also possible.

このような前駆体反応の例は免疫反応の分野に多く見ら
れるものである。免疫センサも含めた各種センサを構築
するうえで、上述のような反応に基づく酵素電極を使用
することは、当業者であれば容易であろう。
Many examples of such precursor reactions are found in the field of immune reactions. Those skilled in the art will easily be able to use enzyme electrodes based on the above-mentioned reactions in constructing various sensors including immunosensors.

しかしながら本発明にかかる酵素電極は、特に血液、血
清、血漿、尿、汗、涙、唾液等の臨床試料中に存在する
グルコース等の還元性基質を検出または定量するための
バイオセンサとしてまず適用されることを念頭においた
ものである。
However, the enzyme electrode according to the present invention is first applied as a biosensor for detecting or quantifying reducing substrates such as glucose present in clinical samples such as blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, and saliva. This was done with this in mind.

非臨床分野への応用としては、次のようなものが考えら
れる。
Possible applications to non-clinical fields include the following.

(a)醗酵過程の監視 (b)産業工程管理 (C)環境モニタリング、即ち排ガスや排液による汚染
の管理 (d)食品検査 (tlり獣医学的応用、特に上述の臨床的応用に類似す
るもの 本発明にかかる酵素電極材料を採用しているバイオセン
サ等の各種センサにおいては、その他の構造部材、電線
、非導電(絶縁)支持体やプローブ等に従来公知のもの
を使用することができ、詳述するまでもない、しかし敢
えて言うならば、電極材料は一般に紙製の薄手シートか
ウェハである。
(a) monitoring of fermentation processes; (b) industrial process control; (C) environmental monitoring, i.e. control of contamination by exhaust gases and effluents; (d) food testing (veterinary applications, especially similar to the clinical applications mentioned above). In various sensors such as biosensors that employ the enzyme electrode material according to the present invention, conventionally known materials can be used for other structural members, electric wires, non-conductive (insulated) supports, probes, etc. There is no need to go into detail, but the electrode material is generally a thin sheet or wafer of paper.

バイオセンサの場合は、絶縁支持体あるいはプローブの
上に電極材料が搭載され、サンプル中に浸漬できるよう
になっているのが普通である。このような場合の電極材
料の大きさは実際には非常に小さく、数平方mmを越え
ることはまずない。電極材料との電気的接触はいろいろ
な方法でとることができ、たとえばこの電極材料を白金
や銀等の適当な導電体からなる電気接点や端子と対向接
触させることが考えられる。
In the case of biosensors, electrode materials are typically mounted on an insulating support or probe that can be immersed into a sample. The size of the electrode material in such cases is actually very small, rarely exceeding a few square mm. Electrical contact with the electrode material can be made in various ways, for example by bringing the electrode material into opposing contact with an electrical contact or terminal made of a suitable conductor such as platinum or silver.

この場合、電極材料はそれを保持するための絶縁支持体
や担体が無くとも自立できる程度に十分な厚みと強度を
有することが必要であり、電線は該電極材料の表面に直
接接続される。
In this case, the electrode material needs to have sufficient thickness and strength to stand on its own without an insulating support or carrier to hold it, and the electric wire is directly connected to the surface of the electrode material.

支持体としては、カーボン紙以外にも電界効果トランジ
スタ等の半導体面や非導電性面等を使用することができ
る。後者を使用する場合には、電気的接続は白金族元素
の被膜を有する樹脂バインダー入りカーボン粒子層ある
いはグラファイトの層に対して直接に行われる。
As the support, in addition to carbon paper, a semiconductor surface such as a field effect transistor, a non-conductive surface, etc. can be used. If the latter is used, the electrical connection is made directly to the layer of resin-bound carbon particles or graphite with a coating of platinum group elements.

〔実施例〕〔Example〕

以下の例において、本発明にかかる酵素電極材料の調製
と性質を説明する。
The following examples illustrate the preparation and properties of enzyme electrode materials according to the invention.

lJ(・ となる   ′) まず、酵素電極を従来技術にしたがって作成した。すな
わち、公称粒径30nmのカーボンブラック粒子(パル
カンXC−72)を市販のグラファイト化カーボン紙上
に10重世%のポリテトラフルオロエチレンをバインダ
ーとして塗布した多孔質カーボン紙を導電性基板とし、
この上に電解析出法、こより白金mW!ji (厚さl
jIm未満)を形成した。
lJ (becomes ') First, an enzyme electrode was prepared according to the conventional technique. That is, a porous carbon paper in which carbon black particles (Palcan XC-72) with a nominal particle size of 30 nm were coated with 10% polytetrafluoroethylene as a binder on a commercially available graphitized carbon paper was used as a conductive substrate.
On top of this is electrolytic deposition, platinum mW! ji (thickness l
jIm) was formed.

このような白金被膜カーボン紙を各種調製した。Various types of such platinum-coated carbon papers were prepared.

次に、アスペルギルス・ニジエール(Aspergi 
IIus niger)由来のグルコースオキシダーゼ
を前述のカルボジイミド処理およびグルタルアルデヒド
架橋により固定化した。すなわち、白金被膜を施した電
極表面をまずグルコースオキシダーゼの水溶液で処理し
た後、乾燥させ、析出したグルコースオキシダーゼを室
温(25℃)にてグルタルアルデヒドで架橋した。
Next, Aspergillus niger
Glucose oxidase derived from P. IIus niger was immobilized by the aforementioned carbodiimide treatment and glutaraldehyde crosslinking. That is, the electrode surface coated with platinum was first treated with an aqueous solution of glucose oxidase, then dried, and the precipitated glucose oxidase was crosslinked with glutaraldehyde at room temperature (25° C.).

この電極材料を直径2mmのディスク状に切り抜き、試
験用の試料とした。
This electrode material was cut out into a disk shape with a diameter of 2 mm, and used as a test sample.

2 グルコース  ) プロトチック社(米国、マサチューセソ゛ン州)から「
プロトチックJ (Prototech)の商標名で市
販されているプラチナ被膜付きカーボン紙上に、゛lス
ペルギルス・ニジエール(Aspergillus n
iger)由来のグルコースオキシダーゼを固定化した
。ここで、上記白金被膜付きカーボン紙に使用されてい
る白金被膜付きカーボン粒子(パルカンXC−72)は
、前出の米国特許第4,044.193号の実施例1に
開示されている如く、過酸化水素による白金(II)亜
硫M錯体の酸化的分解によりコロイド状白金(粒径1.
5〜2.5 nm)をカーボン粒子(公称粒径3’On
 m )の表面に析出させたものである。
2 Glucose) From Protochik (Massachusetts, USA)
Aspergillus n.
Glucose oxidase derived from P. iger) was immobilized. Here, the platinum-coated carbon particles (Palcan XC-72) used in the platinum-coated carbon paper are as disclosed in Example 1 of the aforementioned U.S. Pat. No. 4,044.193. Oxidative decomposition of the platinum(II) sulfite M complex with hydrogen peroxide produces colloidal platinum (particle size 1.
5 to 2.5 nm) to carbon particles (nominal particle size 3'On
m).

このカーボン粒子は、さらに市販のグラファイト化カー
ボン紙の表面に約50重量%のポリテトラフルオロエチ
レンを使用して成形・結合されている。
These carbon particles are further molded and bonded to the surface of commercially available graphitized carbon paper using about 50% by weight of polytetrafluoroethylene.

最終的な白金含量は0.24 B/cm”  (カーボ
ン粒子に対して7.5〜10重景%)である。
The final platinum content is 0.24 B/cm'' (7.5-10 weight percent relative to carbon particles).

このようなプロトチック電極を各種調製し、これらの上
に前述の各種の方法、すなわちカルボジイミド処理、カ
ルボニルディミダゾール処理あるいはDNDFB処理に
よりグルコースオキシダーゼを固定化した。
Various types of such prototic electrodes were prepared, and glucose oxidase was immobilized thereon by the various methods described above, ie, carbodiimide treatment, carbonyl dimidazole treatment, or DNDFB treatment.

上述の電極の他、グルタルアルデヒド架橋あるいは単な
る吸着によりグルコースオキシダーゼをプロトチック電
極に固定化したものも作成した。
In addition to the electrodes described above, we also created prototic electrodes in which glucose oxidase was immobilized by glutaraldehyde crosslinking or simple adsorption.

後者の場合は、グルコースオキシダーゼを酢酸覆街液(
pH5,6)に5.0m g / m Aの割合で新た
に溶解し、この溶液中にプロトチック電極を室温にて9
0分間浸漬した。またこのような方法によらなくとも、
電極基板を酵素溶液中に浸漬して陽極とし、60分間の
電気泳動を行って酵素を簡便に吸着させることもできる
In the latter case, glucose oxidase should be dissolved in acetic acid solution (
(pH 5, 6) at a rate of 5.0 mg/m A, and a prototic electrode was placed in this solution at room temperature for 90 minutes.
It was immersed for 0 minutes. Also, even if you do not use this method,
The enzyme can also be simply adsorbed by immersing the electrode substrate in an enzyme solution to serve as an anode and performing electrophoresis for 60 minutes.

予め白金被膜を施したカーボン粒子層をポリテトラフル
オロエチレンをバインダーとしてカーボン紙上に成形し
た(前出の米国特許第4,044,193号)プロトチ
ック白金被膜カーボン紙上に、前述のカルボジイミド処
理により次に挙げる酵素を固定化した。
A layer of carbon particles coated with platinum in advance was formed on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder (U.S. Pat. No. 4,044,193 mentioned above), and then the following was formed on the carbon paper coated with platinum using the carbodiimide treatment described above. The enzymes listed in were immobilized.

ラクテートオキシダーゼ ガラクトースオキシダーゼ グルコースオキシダーゼ/β−ガラクトシダーゼ従来技
術と比較した本発明の利点および酵素電極材料の性質を
明らかにするため、上述の各別で作成された各酵素電極
を改良型ランク酸素電極システム〔ランク・ブラザース
社(Rank Brothers)ボティシャム、ケン
ブリッジ(Bottisham、 Cambridge
) )を搭載したセルにセットし、電流応答特性を調べ
た。このシステムは、添付図面およびアナリティ力・キ
ミ力・アクタ、(Δnalytica Chimica
Acta) (183巻、 59〜66ページ、 19
86年)に図示されているとおりである。本システムに
おいては、その膜の代わりに本発明にかかるカーボン紙
を支持体とする酵素電極(直径5mm)が採用されてお
り、この酵素電極はさらにボタン型の白金電極に支持さ
れている。対極(白金箔)はセルのカバーを通して挿入
し、また参照電極として銀−塩化銀電極を使用した。こ
れとは別に、対極と参照電極とを酵素電極を取り巻く塩
化銀のリングとして一体型に構成した二電極系の実験も
行った。この場合、保護膜を新たに設けるが、攪拌装置
は設けない。通常は、試験に使用するpH7,0の緩衝
溶液は磁気攪拌装置により攪拌し、作用電極の電位はポ
テンショスタンドを用いて参照電極に対してGOOmV
となるように設定する。但し、二電極系の場合はこの電
位を325mVとした。電流のバックグラウンド値が低
くなるまで十分に待ってから、ik質温溶液シリンジか
ら注入した。
Lactate oxidase Galactose oxidase Glucose oxidase/β-galactosidase In order to demonstrate the advantages of the present invention over the prior art and the properties of the enzyme electrode materials, each of the separately prepared enzyme electrodes described above was used as an improved rank oxygen electrode system. Rank Brothers Bottisham, Cambridge
) ) was installed in a cell equipped with a 1000 MHz battery, and the current response characteristics were investigated. This system is based on the attached drawings and the power of analysis, your power, and the actors (Δanalytica Chimica
Acta) (Volume 183, pages 59-66, 19
As illustrated in 1986). In this system, instead of the membrane, an enzyme electrode (diameter 5 mm) using the carbon paper according to the present invention as a support is used, and this enzyme electrode is further supported by a button-shaped platinum electrode. A counter electrode (platinum foil) was inserted through the cover of the cell, and a silver-silver chloride electrode was used as a reference electrode. Separately, we also conducted experiments with a two-electrode system in which the counter electrode and reference electrode were integrally constructed as a silver chloride ring surrounding the enzyme electrode. In this case, a protective film is newly provided, but a stirring device is not provided. Normally, the pH 7.0 buffer solution used in the test is stirred with a magnetic stirrer, and the potential of the working electrode is adjusted to GOOmV with respect to the reference electrode using a potentiometer.
Set it so that However, in the case of a two-electrode system, this potential was set to 325 mV. Wait until the background value of the current is low before injecting from the ik thermothermal solution syringe.

電流応答はチャートに記録した。The current response was recorded on a chart.

以下、この実験結果を図面を用いて詳述する。The results of this experiment will be explained in detail below using drawings.

ここで、図面の内容は以下のとおりである。Here, the contents of the drawing are as follows.

第1図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極と
従来型の炭素電極材料を使用したグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を比較して示す特性図である。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention and a glucose oxidase electrode using a conventional carbon electrode material.

第2図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
安定性を示す特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention.

第3図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
電流応答特性とグルコース?;度との関係を示す特性図
である。
FIG. 3 shows the current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention and glucose? ; It is a characteristic diagram showing the relationship with degree.

第4図は酸素圧を変化させた場合の本発明にかかるグル
コースオキシダーゼ電極の電流応答特性の変化を示す特
性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention when oxygen pressure is changed.

第5図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極を
室温で保存した場合の安定性を示す特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention when stored at room temperature.

第6図は比較例として従来技術にかかるグルコースオキ
シダーゼ電極を室温で保存した場合の安定性を示す特性
図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the stability of a glucose oxidase electrode according to the prior art stored at room temperature as a comparative example.

第7図は本発明および従来技術にかかるグルタルアルデ
ヒド架橋型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性
を比較して示す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the glutaraldehyde crosslinked glucose oxidase electrode according to the present invention and the prior art.

第8図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the carbodiimide-treated glucose oxidase electrode according to the present invention and the prior art.

第9図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型ラクテートオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the carbodiimide-treated lactate oxidase electrode according to the present invention and the conventional technique.

第10図は本発明にかかるガラクトースオキシダーゼ電
極の電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the galactose oxidase electrode according to the present invention.

第11図は本発明にかかるラクテートオキシダーゼ電極
の電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the lactate oxidase electrode according to the present invention.

第12図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ/β
−ガラクトシダーゼ複合電極の電流応答特性を示す特性
図である。
FIG. 12 shows glucose oxidase/β according to the present invention.
- It is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a galactosidase composite electrode.

第13図は白金被膜付きカーボン粒子に対するバインダ
ーとしてポリテトラフルオロエチレンの代わりにポリ酢
酸ビニルを使用した本発明にかがるグルコースオキシダ
ーゼ電極の電流応答特性を示す特性図である。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention in which polyvinyl acetate is used instead of polytetrafluoroethylene as a binder for platinum-coated carbon particles.

第14図はポリテトラフルオロエチレンをバインダーと
してカーボン紙上に形成されたパラジウム被膜付きカー
ボン粒子層の上にグルコースオキシダーゼが固定化され
てなる本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の電
流応答特性を示す特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention, in which glucose oxidase is immobilized on a palladium-coated carbon particle layer formed on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder. be.

第15図は本発明にかかる酵素電極の動作特性を測定す
るための改良型ランク電気化学セルの概略断面図である
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an improved rank electrochemical cell for measuring the operating characteristics of the enzyme electrode according to the present invention.

第16図は一部の測定で使用された二電極系の実験装置
を示す概略断面図である。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a two-electrode experimental apparatus used in some of the measurements.

上記のデータの多くは第1!V!Iに示す電気化学セル
を使用して得られたものである。このセルは基台(1)
、および貯水室(h)を内蔵し水を循環させることによ
りセルの温度を制御する環状ジャケット(2)という2
つの主要部から構成されており、これら両者はねじを切
った専用の継輪(3)で互いに連結される。上記基台(
1)の中央には白金接点(d)があり、この上に酵素を
固定化したカーボン紙電極の試験用ディスク(a )が
置かれる。この試験用ディスク(a)は、上記2つの主
要部が組み合わされた時にゴム製の0リング(e)およ
び(f)により定位置に固定される。
Most of the above data is No. 1! V! This was obtained using the electrochemical cell shown in I. This cell is the base (1)
, and an annular jacket (2) containing a water storage chamber (h) and controlling the temperature of the cell by circulating water.
It consists of two main parts, both of which are connected to each other by a special threaded joint (3). The above base (
In the center of 1) is a platinum contact (d), on which a test disk (a) of a carbon paper electrode on which enzymes are immobilized is placed. This test disc (a) is held in place by rubber O-rings (e) and (f) when the two main parts are assembled.

酵素ン容液を満たしたセルの頂部からは可調整継輪(g
)の付いたストッパ(4)が挿入され、該ストッパ(4
)を貫いて白金型の対極(b)および銀−塩化銀参照電
極(c)が装着される。すでに述べたように測定時には
作用電極の電位を600mVに調整し、電流出力は基質
溶液と接触する電極の見掛けの表面積を0.14 cm
”として測定した。測定結果は、上述の各特性図におい
て電流密度、すなわち基質と接触している電極(a)の
単位面積当たりの電流出力として表した。
An adjustable ring (g
) is inserted, and the stopper (4) is inserted.
), through which a platinum-type counter electrode (b) and a silver-silver chloride reference electrode (c) are mounted. As mentioned above, during measurement, the potential of the working electrode was adjusted to 600 mV, and the current output was determined by adjusting the apparent surface area of the electrode in contact with the substrate solution to 0.14 cm.
The measurement results were expressed as the current density, that is, the current output per unit area of the electrode (a) in contact with the substrate in each of the above characteristic diagrams.

第16図に示す構成では、白金接点(B)は絶縁スリー
ブ(G)を介して参照/対極複合電極(C)に囲まれて
いる。0リング上に装着された多孔質ポリカーボネート
膜は試験用ディスク(E)(酵素が固定化されたカーボ
ン紙電極)を上記白金接点上に正しく保持するためのも
のである。試料室(F)は;5r!放型となっており、
ポリカーボネート膜上に試料が滴下できるようになって
いる0作用電極の電位は325mVに設定し、電流はボ
テンシロスタット(八)により検出される。作用電極の
電位を325mVとする二電極系は、同電位を600m
Vとする三電極系よりも使い易さおよびバックグラウン
ド電流値の低い点で優れている。しかしどちらの電極系
を選択しても、本発明にかかる酵素電極の保存安定性、
動作安定性、応答の直線性、酸素濃度依存性等の緒特性
に大きな差は現れない。
In the configuration shown in FIG. 16, the platinum contact (B) is surrounded by a reference/counter electrode composite electrode (C) via an insulating sleeve (G). A porous polycarbonate membrane mounted on the O-ring is used to properly hold the test disk (E) (carbon paper electrode with immobilized enzyme) on the platinum contact. The sample room (F) is; 5r! It is open-molded,
The potential of the zero working electrode, which allows the sample to be dropped onto the polycarbonate membrane, is set at 325 mV, and the current is detected by a botenshirostat (8). A two-electrode system with a working electrode potential of 325 mV has a working electrode potential of 600 mV.
It is superior to the three-electrode system with V in terms of ease of use and low background current value. However, no matter which electrode system is selected, the storage stability of the enzyme electrode according to the present invention
There are no major differences in the operating stability, response linearity, oxygen concentration dependence, and other characteristics.

以下に、本実験の結果をさらに詳しく述べる。The results of this experiment will be described in more detail below.

21心′ 、生の宵、 および目、−性第1図は、攪拌
装置付きの三電極系において連続的にグルコースを添加
し、最終濃度を35mMまでの範囲で変化させた場合の
電流応答特性の一例を示したものである。電極A、B、
およびCはいずれも前述の方法Aによりグルコースオキ
シダーゼが固定化されているものであり、電極Aは本発
明にかかる白金被膜付き活性炭素支持体、すなわち、白
金被膜付きカーボン粒子がポリテトラフルオロエチレン
をバインダーとしてカーボン紙上に塗布されている電極
材料(商標名:ブロトテック)、電極Bはグラファイト
棒を輪切りにした導電性支持体、電極Cは白金被膜を有
しない市販のカーボン紙を切り取って作成した導電性支
持体からそれぞれなるものである。この図をみると、電
極Bおよび電極Cの電流応答は全体的に低レベルで変動
が少なく、従来の文献によくみられるメディエータ型電
極の結果に近いものである。これに対し電極への電流応
答はより信頼性が高く安定しており、応答時間は約1秒
である。(ここで、応答の初期にシグナルの頭にみられ
る鋭い突起はグルコースの注入操作に起因するものであ
って特に重要な意味は持たない。平坦部がグルコース濃
度に依有するシグナルとしての意味を持つ部分である。
Figure 1 shows the current response characteristics when glucose is added continuously in a three-electrode system equipped with a stirrer and the final concentration is varied up to 35mM. This is an example. Electrodes A, B,
Electrode A is a platinum-coated activated carbon support according to the present invention, in which platinum-coated carbon particles are immobilized with polytetrafluoroethylene. Electrode material (trade name: Brototec) coated on carbon paper as a binder; Electrode B is a conductive support made of sliced graphite rods; Electrode C is a conductive material made by cutting commercially available carbon paper that does not have a platinum coating. Each of them consists of a sexual support. Looking at this figure, the current responses of electrodes B and C are generally low level and less variable, and are close to the results of mediator type electrodes commonly seen in the prior literature. In contrast, the current response to the electrodes is more reliable and stable, with a response time of about 1 second. (Here, the sharp protrusion seen at the head of the signal at the beginning of the response is due to the glucose injection operation and has no particular significance.The flat part has the meaning of a signal that depends on the glucose concentration. It is a part.

)これら3種類の電極の電流応答は、第2図に示すよう
にいずれもグルコース濃度に対して高い直線性を示した
(但し、第2図には電極Aと電極Cの結果のみを示す)
。したがって、たとえばグルコースの血中濃度を直接測
定する場合等の適用濃度範囲が広くとれるようになる(
0〜30mM)。
) The current responses of these three types of electrodes all showed high linearity with respect to glucose concentration, as shown in Figure 2 (However, Figure 2 only shows the results for electrodes A and C).
. Therefore, the applicable concentration range can be widened, for example, when directly measuring the blood glucose concentration (
0-30mM).

この電極へにおけるグルコースオキシダーゼが前述のB
の方法により固定化された場合にも同様の結果が得られ
ることから、この方法によれば一層広い濃度範囲にわた
り良好な直線性が実現されることが示唆される。
Glucose oxidase to this electrode is
Similar results were obtained when immobilized by the method described above, suggesting that this method achieves good linearity over a wider concentration range.

第2図から明らかなように、電極Aの応答特性は23日
後でも事実上変化しなかったが、他の電極(図には電極
Cのみ示す。)の応答特性は時間とともに劣化した。同
様の挙動は前述の他の酵素固定化方法を採用した場合に
もみられ、いずれの方法によっても電極Aと同じ活性炭
素材料を使用した場合には応答性に優れかつ安定性の高
い電極が得られたが、不活性炭素材料を使用した場合に
は良好な電極は得られなかった。また電極への応答時間
は23日間不変であったが、他の電極は初期の応答時間
が23〜30秒であったのに対し、8日後には2〜3分
に延びた。電極Aのような活性型電極も一般に第1日目
で若干の応答性の低下を起こすが、その後は安定し、経
時変化はほとんどみられない。さらに、電極Aの応答特
性はpH5,6の緩衝液中に4℃で6ケ月以上保存した
後でも最初の数日間はほとんど変化しなかった。6ケ月
以降は徐々に応答特性が低下するものの、12ケ月後に
も初期値の70%の応答性が維持されていた。
As is clear from FIG. 2, the response characteristics of electrode A remained virtually unchanged even after 23 days, but the response characteristics of the other electrodes (only electrode C is shown in the figure) deteriorated over time. Similar behavior is observed when other enzyme immobilization methods mentioned above are used, and when using the same activated carbon material as electrode A, an electrode with excellent responsiveness and high stability can be obtained using any of the methods. However, good electrodes could not be obtained when inert carbon materials were used. Also, the response time for the electrode remained unchanged for 23 days, but the response time for the other electrodes increased from an initial response time of 23 to 30 seconds to 2 to 3 minutes after 8 days. Active electrodes such as electrode A generally exhibit a slight decrease in responsiveness on the first day, but thereafter become stable and show little change over time. Furthermore, the response characteristics of Electrode A hardly changed during the first few days even after being stored in a pH 5.6 buffer at 4° C. for more than 6 months. Although the response characteristics gradually decreased after 6 months, 70% of the initial value was maintained even after 12 months.

以上、第1図および第2図は、第15図に示すような三
電極系において作用電極の電位を600mVとした場合
の酵素電極の電流出力をμA/cm”の単位で示したも
のである。
Above, Figures 1 and 2 show the current output of the enzyme electrode in units of μA/cm when the potential of the working electrode is 600 mV in the three-electrode system shown in Figure 15. .

第5図は上記電極をさらに長期間保存し、安定性を調べ
た結果を示すものである。すなわち、カルボジイミド処
理により酵素を固定化したグルコースオキシダーゼ電極
を室温にてp H5,6の酢酸緩衝液中で180日間保
存した後、5mMのグルコースを基質として応答特性を
調べた。比較のため、従来技術にかかる電極(例1)の
結果を第6図に示す。第5図の結果は三電極系において
作用電極の電位を600mVとした測定から得られたも
のであり、第6図の結果は二電極系において作用電極の
電位を325mVとした測定から得られたものである。
FIG. 5 shows the results of storing the above electrode for a longer period of time and examining its stability. That is, a glucose oxidase electrode on which the enzyme had been immobilized by carbodiimide treatment was stored for 180 days in an acetate buffer at pH 5 or 6 at room temperature, and then its response characteristics were investigated using 5 mM glucose as a substrate. For comparison, the results of the electrode according to the prior art (Example 1) are shown in FIG. The results in Figure 5 were obtained from measurements with a working electrode potential of 600 mV in a three-electrode system, and the results in Figure 6 were obtained from measurements with a working electrode potential of 325 mV in a two-electrode system. It is something.

さらに第7図乃至第9図には、使用する酵素およびその
固定化方法の異なる各種の電極を使用して従来技術(例
1)と本発明の比較を行った結果を示す。これらの測定
はすべて二電極系1作用電極室位325mVにて行った
Furthermore, FIGS. 7 to 9 show the results of a comparison between the prior art (Example 1) and the present invention using various electrodes with different enzymes and different immobilization methods. All these measurements were carried out at a voltage of 325 mV in one working electrode chamber of the two-electrode system.

第10図乃至第12図には、ガラクトース、ラクテート
、ラクトースをそれぞれ基質とする場合の応答特性を示
す。これらの測定はすべて三電極系。
FIGS. 10 to 12 show the response characteristics when galactose, lactate, and lactose are used as substrates, respectively. All of these measurements are performed using a three-electrode system.

作用電極電位600mVにて行った。The working electrode potential was 600 mV.

雪玉の l  : 1゛LJ、1″″″の可2生本発明
にかかる酵素電極は、連続的に基質が供給されている間
はいずれもこれまでの電極では達成できなかった長寿命
を有している。このことは、以下の一連の厳密な試験に
より実証された。
Snowball L: 1゛LJ, 1'''' The enzyme electrode according to the present invention has a long lifespan that has not been achieved with conventional electrodes while the substrate is continuously supplied. This was demonstrated through the following series of rigorous tests.

まず、グルコースオキシダーゼ電極(例2)をグルコー
ス溶液を満たした攪拌装置付きの密閉型セルにセットし
、初期濃度5 m M +初期電流100μAとして電
流を検出させた。この状態で電極を連続18時間使用す
ると、シグナルは徐々に低下して10μA以下となる。
First, the glucose oxidase electrode (Example 2) was set in a closed cell with a stirring device filled with a glucose solution, and current was detected at an initial concentration of 5 m M + initial current of 100 μA. When the electrode is continuously used in this state for 18 hours, the signal gradually decreases to 10 μA or less.

検出された電流の積算値は、1分子のグルコースから2
個の電子が生成するとして理論的に算出される値の約7
5%である。
The integrated value of the detected current is calculated from 1 molecule of glucose to 2
The theoretically calculated value of approximately 7
It is 5%.

同じ電極に対してグルコース溶液を交換して上記実験を
直ちに繰り返すと、初期電流の値が回復し、連続的に供
給される基質も同様に減少した。
Immediately repeating the above experiment by exchanging the glucose solution for the same electrode restored the initial current value and the continuously delivered substrate decreased as well.

また、ある連続実験では、大型の貯液槽から連続的に溶
液を循環させることによつてグルコース濃度を5mMに
維持し、電流の発生をさらに5.7日間持続させた。1
00時間の間に電流出力は徐々に低下して45μAに落
ち着き、この状態が40時時間−た。これは、しっかり
結合されていなかった酵素が電極基板からこの期間中に
脱落したか(ただし、電流出力と攪拌速度の間には相関
はみられなかった。)、あるいは他の要因、が働いた結
果であると考えられる。
Also, in one continuous experiment, the glucose concentration was maintained at 5mM by continuously circulating the solution from a large reservoir, and the current generation was sustained for an additional 5.7 days. 1
During 00 hours, the current output gradually decreased and settled at 45 μA, and this state remained for 40 hours. This may be due to enzymes that were not tightly bound falling off the electrode substrate during this period (although no correlation was observed between current output and stirring speed), or other factors. This is thought to be the result.

上記の長期試験を行った後、前述の方法にしたがっであ
るグルコース濃度範囲における酵素電極の電流応答特性
を測定した。信号増幅度は新しい基質溶液を使用した場
合に比べて低かったものの、0〜30mMのグルコース
濃度範囲において非常に鋭敏な階段状の変化を示し、こ
の酵素電極は一定の基質濃度のもとて長期間使用した場
合にも電流応答特性が劣化しないことが確認された。こ
の結果は、上記酵素電極を4℃にて1週間保存した後。
After performing the above long-term test, the current response characteristics of the enzyme electrode over a range of glucose concentrations were measured according to the method described above. Although the signal amplification was lower than when fresh substrate solution was used, it showed a very sharp step-like change in the glucose concentration range of 0 to 30 mM, and the enzyme electrode showed a very sharp step-like change in the glucose concentration range of 0 to 30 mM. It was confirmed that the current response characteristics did not deteriorate even when used for a period of time. This result was obtained after the enzyme electrode was stored at 4°C for one week.

8週間保存した後、あるいはさらに4.7日間一定の基
質濃度下で使用するという3通りの実験によってもi1
1認され、いずれの実験においてもグルコース濃度によ
る応答特性の変化はみられなかった。
The i1
1, and no change in response characteristics depending on glucose concentration was observed in any of the experiments.

これらの試験結果から、この酵素電極は少なくとも合計
250時間(15,000分以上)は使用でき、あるい
は極めて長寿命を有していることがわかる。
These test results show that this enzyme electrode can be used for a total of at least 250 hours (more than 15,000 minutes), or has an extremely long life.

従来技術における酵素電極の動作寿命は本発明にかかる
酵素電極の寿命よりも温かに短かく、多くの場合それは
わずか数時間である〔ターナ−(Turnet) rプ
ロシーディンゲス・オブ・バイオテクノロジー(Pro
ceedings Biotech) J (85巻、
 1985年。
The operating life of enzyme electrodes in the prior art is much shorter than that of enzyme electrodes according to the invention, often only a few hours [Turnet Proc.
ceedings Biotech) J (Volume 85,
1985.

(ヨーロッパ) (Europe) +オンライン・パ
ブリケーションズ、ビナ−+ (Online Pub
lications、 Pinner)英国、 181
−192ページ〕。たとえば、フェロセンとカップリン
グさせたグルコースオキシダーゼを使用したグルコース
電極の半寿命は一般に24時間程度であり (ターナ−
1前出)、キャス等(Casset al) (アナリ
ティカル・ケミストリー。
(Europe) +Online Publications, Bina+ (Online Pub
lications, Pinner) UK, 181
-192 pages]. For example, the half-life of a glucose electrode using glucose oxidase coupled with ferrocene is generally about 24 hours (Turner).
1 supra), Casset al. (Analytical Chemistry.

(Analyt、 Chem、)第56巻、  667
〜673ページ、 1984年〕 (前出)は同じ電極
で安定に50時間使用できるものを発表している。この
電極は、50mM?s度のグルコース溶液について50
回の連続測定行っても標準偏差は1%以下であった。
(Analyt, Chem,) Volume 56, 667
~Page 673, 1984] (cited above) announced that the same electrode could be used stably for 50 hours. This electrode is 50mM? 50 for glucose solution at s degree
The standard deviation was less than 1% even after repeated measurements.

″屓 への′ 上述の繰り返し使用試験で確認された最終的な応答信号
レベル(5mMのグルコース溶液について45μA)は
グルコース溶液を曝気しても変化せず、また数週間保存
した後でも゛変化しなかった。
The final response signal level (45 μA for a 5 mM glucose solution) observed in the repeated use test described above did not change when the glucose solution was aerated, and it did not change even after several weeks of storage. There wasn't.

この電極の電流出力は、細菌汚染によるグルコース濃度
の低下を生じさせないような条件下で滅菌されたグルコ
ース溶液を使用して測定を行った結果、12時間は安定
に取り出せることが確認された。このときの信号レベル
は測定期間全般にわたって一定であった。この電極は数
日間にわたって攪拌あるいは循環させた溶液中で「コン
ディショニング」を行っており、このことが好結果をも
たらしたと言える。このように、電極のコンディショニ
ングあるいは洗浄を適切に行えばグルコース 1の連続
測定も可能である。
The current output of this electrode was measured using a sterilized glucose solution under conditions that would not cause a decrease in glucose concentration due to bacterial contamination, and it was confirmed that the current output could be stably obtained for 12 hours. The signal level at this time was constant throughout the measurement period. The electrodes were "conditioned" in a solution that was stirred or circulated over several days, which may have led to good results. In this way, continuous measurement of glucose 1 is also possible if the electrodes are properly conditioned or cleaned.

バーチ にお番る 清浄で適切な作成条件が整ってさえいれば、本発明にか
かる酵素電極は繰り返し使用に耐え1.グルコースに対
して高い応答性を示す、同じ方法で同じ大きさの電極を
何組も作成したところ、それらの性能は非常に近位して
おり、同一条件下で電流応答特性を測定しても数%の誤
差しか生じなかった。さらに、このようにして作成され
た電極はすべて、上述のように従来の電極と比べて寿命
が非常に長くまた高い信顛性を有していた。本発明にか
かる電極は保存中にも性能が変化せず、何週間にもわた
って使用できるのに対し、従来の電極は単一のバッチ内
でも性能がばらついていることが多い。たとえば前出の
ターナ−は、1バツチ内には半寿命が600時間にも及
ぶような極めて寿命の長いグルコースオキシダーゼ電極
がごく少数あるが、大多数の電極の半寿命は24時間と
短いと述べている。したがって、これらの電極を24時
間を大幅に上回って使用しても信頌性は保証できない。
As long as the enzyme electrode is clean and suitable for birch preparation, the enzyme electrode of the present invention can withstand repeated use.1. When we created several pairs of electrodes of the same size using the same method that showed high responsiveness to glucose, their performances were very similar, and even when their current response characteristics were measured under the same conditions, The error was only a few percent. Furthermore, all the electrodes made in this way had a much longer lifespan and higher reliability than conventional electrodes, as mentioned above. The electrodes of the present invention do not change in performance during storage and can be used for many weeks, whereas conventional electrodes often exhibit variable performance even within a single batch. For example, Turner mentioned above that there are a very small number of glucose oxidase electrodes in one batch that have an extremely long half-life of 600 hours, but the majority of electrodes have a short half-life of 24 hours. ing. Therefore, authenticity cannot be guaranteed even if these electrodes are used for significantly more than 24 hours.

iヱメー、・ ′ の    、?mr白′    −
溶存酸素の影響を調べるため、試験用セルを改良し、グ
ルコース電極に加えて新たに酸素電極を設けた。一連の
実験では、アルゴンを吹き込むことにより溶存酸素を系
外へ除去した。このような条件下では上述の電極Aはグ
ルコースの添加に対して鋭敏に応答し、この応答機構は
溶存酸素濃度□こはほぼ依存せず、むしろ適切な酵素固
定化方法とあいまった電極の表面構造に特有の性質に起
因していることが示唆された。このような結果は過去に
報告されていない。
Ieme,・'no,? mr white' -
In order to investigate the effects of dissolved oxygen, the test cell was modified and added an oxygen electrode in addition to the glucose electrode. In a series of experiments, dissolved oxygen was removed from the system by blowing argon. Under these conditions, the electrode A described above responds sharply to the addition of glucose, and this response mechanism is almost independent of the dissolved oxygen concentration, but rather depends on the surface of the electrode combined with an appropriate enzyme immobilization method. It was suggested that this is due to properties specific to the structure. Such results have not been reported in the past.

さらに、前述の方法Aにより作成した電極Aの電位を6
00mVに設定し、連続的にアルゴンを吹き込みながら
出力信号を測定する実験を行った。
Furthermore, the potential of electrode A created by method A described above was increased to 6
An experiment was conducted in which the output signal was measured while continuously blowing argon at a voltage of 00 mV.

このとき、試料中の酸素濃度も同時に測定した。At this time, the oxygen concentration in the sample was also measured at the same time.

この結果を第4図に示す。この図をみると、電流信号(
上のグラフ)はほぼ一定しており、実質的に試料中の酸
素濃度(下のグラフ)には依存していないことが明らか
である。また別の実験により、この電流信号は酸素濃度
が急速に低下しても10分間はほとんど変化しないこと
が確認された。
The results are shown in FIG. Looking at this diagram, we see that the current signal (
It is clear that the graph (upper graph) is almost constant and does not substantially depend on the oxygen concentration in the sample (lower graph). In another experiment, it was confirmed that this current signal hardly changes for 10 minutes even if the oxygen concentration rapidly decreases.

これに対し前述の方法Bにより作成した電極Bでは3分
間に5%以内の電流信号の低下が生し、この間に酸素濃
度が90%減少していた。この場合、酸素を再び系内に
導入すると比較的ゆっくりではあるが電流応答が回復し
た。アルゴンの吹き込みを続けるとこれらの電極は限ら
れたグルコース濃度範囲でしか働かなくなることから、
基質から水素を抜き取るという酵素機能の一部を発現さ
せるためには極11の酸素が必要であるものと思われる
。また、酵素電極では検出できないほど微量の酸素が電
極に吸着されて何らかの役割を担っている可能性も否定
できない。
On the other hand, in electrode B prepared by method B described above, the current signal decreased within 5% within 3 minutes, and the oxygen concentration decreased by 90% during this period. In this case, when oxygen was reintroduced into the system, the current response recovered, albeit relatively slowly. Continuing to blow argon will cause these electrodes to work only within a limited range of glucose concentrations;
It appears that oxygen at the pole 11 is required to express part of the enzyme's function of extracting hydrogen from the substrate. Furthermore, the possibility cannot be denied that a trace amount of oxygen that cannot be detected by the enzyme electrode is adsorbed by the electrode and plays some role.

H未見」足±1 グルコースの減少速度と最大電流密度をそれぞれ測定し
た結果、電極Aに失活せずに固定化された酵素の量は電
極表面積1cm”当たり約7μgの活性酵素が固定化さ
れているに等しいことがわかった。(バイオセンサにお
けるグルコースオキシダーゼの固定化量を論した文献は
過去にもほとんどない。)上述の各固定化方法では、酵
素溶液を10倍以上に希釈してもなお非常に活性の高い
電極が作成できることがわかった。
As a result of measuring the rate of decrease in glucose and the maximum current density, the amount of enzyme immobilized on electrode A without being deactivated was approximately 7 μg of active enzyme per 1 cm of electrode surface area. It was found that the amount of glucose oxidase immobilized in a biosensor has been discussed in almost no literature.In each of the above-mentioned immobilization methods, the enzyme solution is diluted 10 times or more. It was found that electrodes with very high activity could still be created.

2応1  の口   生 グルコース濃度範囲を0〜30mMとし、電極Aの電流
応答特性を10〜37℃の温叉範囲で調べた。
Part 2 of 1 The raw glucose concentration range was set to 0 to 30 mM, and the current response characteristics of electrode A were investigated in the temperature range of 10 to 37°C.

温度係敬は1℃当たり2〜3%であった。これは、アー
レニウスの活性化エネルギー(約24kJ1モル)に対
応している。これに対し、フェロセンとカップリングさ
せたバイオセンサ(前出のキャス等による文献参照)で
は温度係数は1℃あたり4%と報告されている。
The temperature coefficient was 2-3% per degree Celsius. This corresponds to the Arrhenius activation energy (approximately 24 kJ 1 mol). On the other hand, in a biosensor coupled with ferrocene (see the above-mentioned literature by Cass et al.), the temperature coefficient is reported to be 4% per 1°C.

L且依立件 電流応答性のp H依存性は若干認められたが、pH7
,0〜8.0の領域ではグルコース濃度が非常に高い場
合(25mM以と)を除いて実質的にp H依存性は無
いとみて良い。
A slight pH dependence of current response was observed, but at pH 7
, 0 to 8.0, it can be considered that there is virtually no pH dependence, except when the glucose concentration is very high (25 mM or higher).

・i を する9 の雲、・、町iM性溶液撹拌を伴う
実験系では、ポリカーボネート膜が信号波形と大きさに
ほとんど影響を与えずに使用できることがわかった。溶
液攪拌を行わない系では応答時間は約20秒であった。
・9 Clouds with i, ・, Machi It was found that in an experimental system involving stirring of an iM solution, a polycarbonate membrane could be used with almost no effect on the signal waveform and magnitude. In the system without solution stirring, the response time was about 20 seconds.

全血量 コ  への心 ポリカーボネート保護膜を有する電極は、グルコースの
血中濃度の直接測定に好適であった。5m M 974
度のグルコース溶液について測定した場合、0.2mM
のアスコルビン酸により妨害された信号は2.5%であ
った。
The electrode with a cardiac polycarbonate protective membrane to whole blood volume was suitable for direct measurement of blood concentration of glucose. 5m M 974
When measured on a glucose solution of 0.2mM
The signal interfered with by ascorbic acid was 2.5%.

一重ノ   バイオセンサへの・ 本発明にかかる酵素電極を改良型クラーク電極を使用し
たランク型セルに適用して好結果が得られたことは上述
のとおりであるが、プローブのような他の応用形態にお
いても非常に良い結果が得られることがわかった。
As mentioned above, good results were obtained when the enzyme electrode of the present invention was applied to a rank cell using an improved Clark electrode. It was found that very good results were obtained in terms of morphology as well.

一例として、上記電極を電線に接続してガラス竹に封入
し、従来一般的に用いられているような直径2mmのプ
ローブを作成した。ビーカー等の容器にグルコースの被
検液を入れて攪拌し、この中に上述のようなプローブを
参照電極および対極と共に挿入すると、溶存酸素を除去
しなくても信頼性の高い濃度測定を行うことができる。
As an example, the above electrode was connected to an electric wire and encapsulated in a glass bamboo to create a probe with a diameter of 2 mm, which is commonly used in the past. If a glucose test solution is placed in a container such as a beaker, stirred, and a probe like the one described above is inserted into the container along with a reference electrode and a counter electrode, highly reliable concentration measurements can be made without removing dissolved oxygen. Can be done.

上記プローブ、あるいは同じ構造のこれよりさらに小型
のプローブを用いて測定を行ったところ、グルコース濃
度が同じであれば電流応答性はおおよそ電極の見掛けの
面積あるいは重量に比例することがわかった。
When measurements were performed using the above probe or an even smaller probe with the same structure, it was found that current responsiveness is roughly proportional to the apparent area or weight of the electrode if the glucose concentration is the same.

さらに小型化(面積約0.25〜0.50mm” 、重
量30〜60μg)した電極と使用したプローブも作成
した。ここで電線の接続部はプラスチック製のスリーブ
で覆い、このプローブを直径1.5 mmのカテーテル
針に組み込んだ。このカテーテル針は、ゴム製のシール
を貫通して被検液の入った醗酵槽。
We also created a probe using a smaller electrode (approximately 0.25 to 0.50 mm in area and 30 to 60 μg in weight).Here, the wire connection was covered with a plastic sleeve, and the probe was made with a diameter of 1.5 mm. It was assembled into a 5 mm catheter needle, which penetrated a rubber seal into the fermentation tank containing the test liquid.

廃液溜め等の容器に挿入し、液中のグルコース濃度を測
定するプローブ型センサーとして使用することができる
。このような構成をとると、挿入時には電極がカテーテ
ル針で保護されているうえ、カテーテル針を清浄に保つ
こともできる。
It can be inserted into a container such as a waste liquid reservoir and used as a probe type sensor to measure the glucose concentration in the liquid. With this configuration, the electrode is protected by the catheter needle during insertion, and the catheter needle can also be kept clean.

上述のような小型電極からは通常1〜10μAの電流信
号が取り出されるが、装置の工夫次第では1〜100n
Aの範囲で精密な測定をすることも可能である。このよ
うな範囲の信号電流を取り出す酵素電極は非常に小型な
ものとなる(面積約0.005mm”、重量1μg)た
め、生体測定で使用されているような細い釘型のマイク
ロプローブ等に組み込んで使用する。
Normally, a current signal of 1 to 10 μA is extracted from the small electrodes mentioned above, but depending on the device's ingenuity, a current signal of 1 to 100 μA can be extracted.
It is also possible to perform precise measurements within the range of A. Enzyme electrodes that extract signal currents in this range are extremely small (approximately 0.005 mm in area and 1 μg in weight), so they cannot be incorporated into thin nail-shaped microprobes such as those used in biological measurements. Use with.

本発明にかかる酵素電極の動作機構については必ずしも
明らかでないが、実験結果からある程度の結論を引き出
すことはできる。
Although the operating mechanism of the enzyme electrode according to the present invention is not necessarily clear, certain conclusions can be drawn from the experimental results.

これまでに、高温下で表面酸化を行って炭素の表面に形
成された活性基が酵素の固定化の場合と同様な架橋反応
に関与し、このような表面基の数および種類は白金(あ
るいはパラジウム等の白金属元素)が薄層型の表面触媒
として存在すると増加することが知られている〔木下お
よびストンバー ) 、 (Stonehart) r
モダン・アスペツク・オブ・エレクトロケミストリー(
Modern Aspects  of Electr
ochen+1stry) J (No、12.ポック
リス−コンウェイ共m(Ed、 Bockris an
d Conway)+ プレナム。
It has been reported that active groups formed on the carbon surface by surface oxidation at high temperatures participate in a cross-linking reaction similar to that used for enzyme immobilization, and that the number and type of such surface groups are different from that of platinum (or It is known that it increases when a platinum metal element such as palladium is present as a thin layer surface catalyst [Kinoshita and Stonehart].
Modern Aspects of Electrochemistry (
Modern Aspects of Electr
ochen+1stry) J (No, 12. Bockris and Conway (Ed, Bockris an
d Conway) + Plenum.

プレス(Plenum Press)社刊、ニューヨー
ク、 183−266ページ、 1977年〕。固定化
方法が異なれば酵素の結合状態が異なるのは明らかであ
る。たとえば、これまでに報告されているところでは酵
素中の様々なアミノ酸残基が固定化に利用されている例
が多いが、塩化シアヌルで活性化された材料とfil素
とが結合される場合には、酵素のりジン残基のみが固定
化に利用されることが知られている(前出のイアニエロ
およびヤシニッチ「アナリティカル・ケミストリー」5
3巻、 2090〜2095ページ。
Plenum Press, New York, pp. 183-266, 1977]. It is clear that the binding state of the enzyme differs depending on the immobilization method. For example, in many cases reported so far, various amino acid residues in enzymes are used for immobilization, but when a material activated with cyanuric chloride and fil element are combined, It is known that only the enzyme residue is used for immobilization (Ianniello and Yasinich, “Analytical Chemistry”, 5).
Volume 3, pages 2090-2095.

1981年参照)、固定化に起因する酵素の三次構造の
変化もすべての固定化方法について同じとは考えられず
、このような多様性がこの種の研究において酵素活性お
よび安定性に大きな差異を生ずる原因となっているもの
と思われる。
(1981), changes in the tertiary structure of the enzyme due to immobilization are also unlikely to be the same for all immobilization methods, and such variability may result in large differences in enzyme activity and stability in this type of study. This seems to be the cause of this.

本発明で使用した電極基板材料は、たとえば前出の日本
国特開昭56−163447号公報に開示されているよ
うな積層型の均一な材料とは違って極めて不均一な性質
を有している。このことは、それだけ架橋構造に多様性
をもたらし、三次元構造にも様々な配向が現れる可能性
を高めるものである。
The electrode substrate material used in the present invention has extremely non-uniform properties, unlike the laminated uniform material disclosed in the aforementioned Japanese Patent Application Laid-open No. 56-163447. There is. This brings diversity to the crosslinked structure and increases the possibility that various orientations will appear in the three-dimensional structure.

架橋剤を使用しない場合でも、表面吸着は強く川れる。Even when no crosslinking agent is used, surface adsorption is strong.

このような炭素質裁板の空孔には酸素が入り込むことが
でき、酵素の表面積を広げ、安定性および活性に支障を
きたさない立体配座をとらせるのに役立つ。この点は、
白金、ガラス状カーボンあるいはグラファイトといった
比較的平坦ではるかに表面積も小さい面上に酵素が結合
されており、結果として酵素のとり得る立体配座が制限
されているような従来の結合様式との大きな違いである
。しかも、本発明にかかる酵素電極の応答性は1〜2秒
と極めて速く、酵素活性の高いことはもちろん、電極自
身に電子受容部位が多く存在することにより電子移動が
極めて速やかに行われていることを物語っている。この
ことは、微細構造中の非常に広い面積にわたって白金被
膜付きカーボン粒子が高密度に存在し、表面の白金と酵
素の活性部位とが首尾良く接近できるようになっている
ためである。
The pores in these carbonaceous plates allow oxygen to enter, which increases the surface area of the enzyme and helps it adopt a conformation that does not interfere with stability and activity. This point is
There are significant differences with traditional bonding modes in which enzymes are bound to relatively flat surfaces with much smaller surface areas, such as platinum, glassy carbon, or graphite, thereby limiting the possible conformations of the enzyme. That's the difference. Moreover, the responsiveness of the enzyme electrode according to the present invention is extremely fast at 1 to 2 seconds, and not only is the enzyme activity high, but the electrode itself has many electron accepting sites, so electron transfer is extremely rapid. That's telling. This is because the platinum-coated carbon particles are present at a high density over a very wide area in the microstructure, allowing the surface platinum and the active site of the enzyme to successfully approach each other.

本発明にかかる酵素電極において、樹脂バインダーの量
がどのような影響を及ぼすが、他の樹脂がバインダーと
して利用できるが否が、また他の白金属元素が適用でき
るか否かを検討するため、樹脂バインダーの量を変えた
グルコースオキシダーゼ電極、バインダーとしてポリ酢
酸ビニルを使用したグルコースオキシダーゼ電極、ある
いは白金族元素としてパラジウムを使用したグルコース
オキシダーゼ電極を作成した。
In the enzyme electrode according to the present invention, in order to examine what effect the amount of the resin binder has, whether other resins can be used as the binder, and whether other platinum metal elements can be applied, Glucose oxidase electrodes with varying amounts of resin binder, glucose oxidase electrodes using polyvinyl acetate as a binder, and glucose oxidase electrodes using palladium as a platinum group element were created.

樹脂バインダーの量に関しては、本発明者等が実際に3
0〜70重星9A(白金族金属と均一に混合されるか、
あるいは該白金族金属が個々の粒子表面に析出または吸
着されたカーボン粒子、グラファイト粒子を基準とした
値。)の範囲について実験を行った。
Regarding the amount of resin binder, the present inventors actually calculated 3
0-70 double star 9A (uniformly mixed with platinum group metals or
Alternatively, the value is based on carbon particles or graphite particles in which the platinum group metal is precipitated or adsorbed on the surface of each particle. ) experiments were conducted on the range of

ポリテトラフルオロエチレンが30重量%の場合、4.
8ミリモルのグルコース濃度に対する電流出力は106
μAであり、グルコース濃度33.3ミリモルでは58
9μ八に上昇した。一方、ポリテトラフルオロエチレン
が70重〒%の場合、4.8ミリモルのグルコース濃度
に対する電流出力は65μAまで低下し、グルコース濃
度が33.3ミリモルでも330μAまでしか上昇しな
かった。
When polytetrafluoroethylene is 30% by weight, 4.
The current output for a glucose concentration of 8 mmol is 106
μA, and at a glucose concentration of 33.3 mmol, 58
It rose to 9μ8. On the other hand, when polytetrafluoroethylene was 70% by weight, the current output decreased to 65 μA for a glucose concentration of 4.8 mmol, and increased only to 330 μA even when the glucose concentration was 33.3 mmol.

このように樹脂バインダーの量を増すと電流出力が低下
することについては二つの原因が考えられる。第一には
、疎水性のバインダーの量が増すと電極自体の疎水性も
高くなり、被検溶液に対する濡れが低下するためである
。第二には、ポリテトラフルオロエチレンは非導電体で
あるため、その量を増すと電極の導電性が低下して出力
信号が弱(なるためである。
There are two possible reasons why the current output decreases as the amount of resin binder increases. Firstly, as the amount of the hydrophobic binder increases, the hydrophobicity of the electrode itself also increases, reducing its wettability to the test solution. Second, since polytetrafluoroethylene is a non-conductor, increasing the amount thereof will reduce the conductivity of the electrode, resulting in a weak output signal.

また、バインダーとしてポリ酢酸ビニルを使用したグル
コースオキシダーゼ電極については、グルコースオキシ
ダーゼの固定化方法として前述の方法人を採用し、また
上記グルコースオキシダーゼが固定化される白金被膜カ
ーボン紙電極はバインダーとしてポリテトラフルオロエ
チレンの代わりに50重量%のポリ酢酸ビニルを使用し
た以外はほぼ前述の例2の方法にしたがって作成した。
In addition, for the glucose oxidase electrode using polyvinyl acetate as a binder, the above-mentioned method was adopted as the method for immobilizing glucose oxidase, and the platinum-coated carbon paper electrode on which the glucose oxidase is immobilized was made using polyvinyl acetate as the binder. It was prepared substantially according to the method of Example 2 above, except that 50% by weight polyvinyl acetate was used in place of fluoroethylene.

この電極の電位を325mVとして同様に改良型ランク
電極システムで測定した結果、第13図に示すようにほ
ぼ直線的な電流応答特性が達成された。
When the potential of this electrode was set to 325 mV and measurement was similarly performed using an improved rank electrode system, a substantially linear current response characteristic was achieved as shown in FIG. 13.

さらに白金族元素としてパラジウムを使用したグルコー
スオキシダーゼ電極については、グルコースオキシダー
ゼの固定化方法として前述の方法へを採用し、また上記
グルコースオキシダーゼが固定化されるパラジウム被膜
カーボン紙電極はコロイド状パラジウムをカーボン粒子
(公称粒径3゜r+m、 1標名パルカンXC−72)
表面に析出させた後、このパラジウム被膜付きカーボン
粒子に対して50重量%のポリテトラフルオロエチレン
をバインダーとしてこれを導電性カーボン紙上に厚さ0
゜1mmの薄層に成形することにより作成した。
Furthermore, for the glucose oxidase electrode that uses palladium as the platinum group element, the above-mentioned method is adopted as the method for immobilizing glucose oxidase, and the palladium-coated carbon paper electrode on which the glucose oxidase is immobilized uses colloidal palladium on carbon. Particles (nominal particle size 3゜r+m, 1 name Palcan XC-72)
After depositing on the surface, the palladium-coated carbon particles were coated with 50% by weight of polytetrafluoroethylene as a binder on conductive carbon paper to a thickness of 0.
It was created by molding into a thin layer of 1 mm.

このパラジウム被膜カーボン紙電極から直径2mmのデ
ィスクを切り抜いて第16図に示ずような二電罹系セル
の白金接点上にセットし、電位を325mVとしてグル
コースに対する応答性を調べた。
A disk with a diameter of 2 mm was cut out from this palladium-coated carbon paper electrode and set on the platinum contact of a two-electrode cell as shown in FIG. 16, and the responsiveness to glucose was examined at a potential of 325 mV.

この結果は第14(2Iに示すとおりであり、この場合
もグルコース濃度に対してほぼ直線的な応答特性が確認
された。
The results are as shown in Section 14 (2I), and in this case as well, a nearly linear response characteristic to the glucose concentration was confirmed.

気体拡散電極に使用される白金族元素が互いに非常に類
似した挙動を示すことが前出の米国特許第4,293,
396号等に開示されていることから類推して、本発明
にかかる酵素電極においてもルテニウムやロジウム等の
他の白金族元素が白金やパラジウムの代用となり得るも
のと考えられる。
No. 4,293, cited above, shows that the platinum group elements used in gas diffusion electrodes behave very similarly to each other.
By analogy with what is disclosed in No. 396 and the like, it is considered that other platinum group elements such as ruthenium and rhodium can be substituted for platinum and palladium in the enzyme electrode according to the present invention.

最後に、実用上の意義が大きいと考えられるコレステロ
ール電極、シュクロース電極への応用例について述べる
Finally, we will discuss examples of application to cholesterol electrodes and sucrose electrodes, which are considered to have great practical significance.

4 (コレステロール帯 ) 上述の例2において使用したプロトチック社製の白金被
膜付カーボン紙を、リン酸緩衝液(pH7,4)にコレ
ステロールオキシダーゼ(EC1,1,3゜6、)を5
■/mlの濃度に溶解させた溶液に22℃で3時間含浸
させた。
4 (Cholesterol band) The platinum-coated carbon paper manufactured by Protochik used in Example 2 above was mixed with cholesterol oxidase (EC 1, 1, 3° 6,) in phosphate buffer (pH 7, 4).
It was immersed in a solution dissolved at a concentration of 1/ml at 22°C for 3 hours.

次に、コレステロールオキシダーゼを吸着した上記白金
被膜付カーボン紙を直径1.5鶴のディスク状に切り抜
いて電極とし、これを第16図に示すような二電極系の
セルにセットして銀−塩化銀電極に対して340+w 
Vの電位に設定し、コレステロール標準液に対する応答
性を調べた。
Next, the platinum-coated carbon paper that had adsorbed cholesterol oxidase was cut out into a disc shape with a diameter of 1.5 squares to be used as an electrode, and this was set in a two-electrode cell as shown in Figure 16, and silver-chloride was removed. 340+w for silver electrode
The potential was set to V, and the responsiveness to a cholesterol standard solution was examined.

上記コレステロール標準液は、5%の界面活性;T’l
 ()リドンX−100)を含むリン酸緩衝液(pH7
,4)にコレステロールを50.100.200■7d
lの割合で添加し、超音波攪拌後、70℃に加熱するこ
とにより調製した。
The above cholesterol standard solution has a surface activity of 5%; T'l
Phosphate buffer (pH 7) containing Lydon X-100)
,4) Add cholesterol to 50.100.200■7d
The mixture was added at a ratio of 1 liter, ultrasonic stirring, and then heated to 70°C.

コレステロールに対する上記電極の応答性は以下の表の
通りである。
The responsiveness of the above electrode to cholesterol is shown in the table below.

表 5 (シュクロース  ) このシュクロース電極は、3種類の酵素からなる複合酵
素系を適用したものであり、これら酵素は、シュクロー
スをα−グルコースに転換するインベルターゼ、α−グ
ルコースをα−およびβ−グルコースの混合物に転換す
るムターゼ、およびβ−グルコースに作用してシュクロ
ースの初期濃度に比例した出力信号を発生させるグルコ
ースオキシダーゼである。
Table 5 (Sucrose) This sucrose electrode uses a complex enzyme system consisting of three types of enzymes: invertase, which converts sucrose into α-glucose; mutase, which converts the β-glucose into a mixture, and glucose oxidase, which acts on the β-glucose to generate an output signal proportional to the initial concentration of sucrose.

上述の例2において使用したプロトチック社製の白金被
膜付カーボン紙を、リン酸緩衝液(pH7,0)に以下
の酵素を溶解させた酵素混合溶液に室温で90分間含浸
させた。
The platinum-coated carbon paper manufactured by Protochik used in Example 2 above was impregnated with an enzyme mixed solution in which the following enzymes were dissolved in phosphate buffer (pH 7.0) at room temperature for 90 minutes.

グルコースオキシダーゼ(EC1,1,3,4,)  
6mg/mlインヘルターゼ    (IiC3,2,
1,26,) 6 IIf/m Itムタロターゼ  
   (EC5,1,3,3,)  2 try/m1
次に、これらの酵素を吸着した上記白金被膜付カーボン
紙を直径5龍のディスク状に切り抜いて電極とし、これ
を第15図に示すような三電極系のセルにセットして恨
−塩化銀電極に対して400IIl■の電位に設定し、
シュクロースを含む水溶液に対する応答性を調べた。な
お、上記電極の被検溶液との接触面積は0.16cdで
ある。
Glucose oxidase (EC1, 1, 3, 4,)
6mg/ml inhertase (IiC3,2,
1,26,) 6 IIf/m It mutarotase
(EC5,1,3,3,) 2 try/m1
Next, the platinum-coated carbon paper on which these enzymes have been adsorbed is cut out into a disc shape with a diameter of 5 mm to serve as an electrode, and this is set in a three-electrode cell as shown in Fig. 15 to inject silver chloride. Set to a potential of 400IIl■ with respect to the electrode,
The response to an aqueous solution containing sucrose was investigated. Note that the contact area of the electrode with the test solution is 0.16 cd.

また、カルボジイミド処理あるいはグルタルアルデヒド
架橋法により上記白金被膜付カーボン紙にこれら3種類
の酵素を同時に固定化して作成した電極についても、同
様の測定を行った。
Similar measurements were also performed on electrodes prepared by simultaneously immobilizing these three types of enzymes on the platinum-coated carbon paper using carbodiimide treatment or glutaraldehyde crosslinking.

これら3種類の電極のシュクロース溶液に対する応答曲
線を第17図に示す。
The response curves of these three types of electrodes to the sucrose solution are shown in FIG.

この第17図より、吸着、カルボジイミド処理。From this Figure 17, adsorption and carbodiimide treatment.

グルタルアルデヒド架橋のいずれを行った場合にもほぼ
直線的な応答性が得られることがわかった。
It was found that almost linear response was obtained in any case of glutaraldehyde crosslinking.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明は、新規な炭素基板を酵素電極として用い、電極
上にグルコースオキシダーゼ等の酵素をより効果的な方
法で固定化することにより、応答性、安定性の優れた電
流検出型センサを提供することができる。本発明が提供
する改良された酵素1tFiは、特に所望しない限りメ
ディエータを用いなくでもすむほか、非常に低レベルの
溶存酸素の存在下でも機能する。のみならず、10mM
ta度のグルコース溶液中1平方cmあたりの電流密度
は数百マイクロアンペアと、電流応答特性にも優れる。
The present invention provides a current detection sensor with excellent responsiveness and stability by using a novel carbon substrate as an enzyme electrode and immobilizing an enzyme such as glucose oxidase on the electrode in a more effective manner. be able to. The improved enzyme ItFi provided by the present invention does not require the use of a mediator unless specifically desired and also functions in the presence of very low levels of dissolved oxygen. Not only 10mM
The current density per square centimeter in a glucose solution of 100° C. is several hundred microamperes, and the current response characteristics are excellent.

かかる電流応答特性は従来の電流検出型バイオセンサに
比して優れているため、電極面積が1mm以下でO〜1
00nAの電流出力を発揮するマイクロプローブ型バイ
オセンサの製造にも適している。
Such current response characteristics are superior to conventional current detection type biosensors, so the electrode area is 1 mm or less and O~1
It is also suitable for manufacturing a microprobe type biosensor that exhibits a current output of 00 nA.

当該電橋はまた非常に微量の固定化酵素を用いて構成す
ることもできる。すなわち保護膜なしの場合には1〜2
秒、保護膜がある場合には10.〜30秒と、従来のい
かなるグルコースセンサよりも速いグルコース応答特性
を有する。また、この電極は浸漬した状態で保管されれ
ば室温においても優れた安定性を発揮する。
The bridge can also be constructed using very small amounts of immobilized enzyme. That is, in the case of no protective film, 1 to 2
seconds, 10 seconds if there is a protective film. ~30 seconds, which is faster than any conventional glucose sensor. Furthermore, this electrode exhibits excellent stability even at room temperature if stored in a immersed state.

この電極の応答特性は数ケ月使用した後でも、優れてい
た。適用濃度範囲は広く、通常よりもかなり低い電位で
も機能しく通常の650mVに対して本電極は325m
V)、動作電位におけるバックグラウンド電流値は非常
に低い。
The response characteristics of this electrode were excellent even after several months of use. The applicable concentration range is wide, and it functions even at a much lower potential than usual.This electrode has a voltage of 325 mV, compared to the normal 650 mV.
V), the background current value at the operating potential is very low.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明にかかるグルコースオキシダーぎ電極と
従来型の炭素電極材料を使用したグルコースオキシダー
ゼ電極の電流応答特性を比較して示す特性図である。 第2図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
安定性を示す特性図である。 第3図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の
電流応答特性とグルコース濃度との関係を示す特性図で
ある。 第4図は酸素圧を変化させた場合の本発明にかかるグル
コースオキシダーゼ電極の電流応答特性の変化を示す特
性図である。 第5図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極を
室温で保存した場合の安定性を示す特性図である。 第6図は比較例として従来技術にかかるグルコースオキ
シダーゼ電極を室温で保存した場合の安定性を示す特性
図である。 第7図は本発明および従来技術にかかるグルタルアルデ
ヒド架橋型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性
を比較して示す特性図である。 第8図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型グルコースオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。 第9図は本発明および従来技術にかかるカルボジイミド
処理型ラクテートオキシダーゼ電極の電流応答特性を比
較して示す特性図である。 第10図は本発明にかかるガラクトースオキシダーゼ電
極の電流応答特性を示す特性図である。 第11図は本発明にかかるラクテートオキシダーゼ電極
の電流応答特性を示す特性図である。 第12図は本発明にかかるグルコースオキシダーゼ/β
−ガラクトシダーゼ複合電極の電流応答特性を示す特性
図である。 第13図は白金vL膜付きカーボン粒子に対するバイン
ダーとしてポリテトラフルオロエチレンの代わりにポリ
酢酸ビニルを使用した本発明にかかるグルコースオキシ
ダーゼ電極の電流応答特性を示す特性図である。 第14図はポリテトラフルオロエチレンをバインダーと
してカーボン紙上に形成されたパラジウム被膜付きカー
ボン粒子層の上にグルコースオキシダーゼが固定化され
てなる本発明にかかるグルコースオキシダーゼ電極の電
流応答特性を示す特性図である。 第15図は本発明にかかる酵素電極の動作特性を測定す
るための改良型ランク電気化学セルの概略断面図である
。 第16図は一部の測定で使用された二電極系の実験装置
を示す概略断面図である。 第17図は本発明を適用したシュクロース電極の電流応
答性を示す特性図である。 特許出願人 ケンブリッジ ライフ′サイエンシズビー
エルシー I辷理人 弁理士  小 池  晃((lh2名)クラ
L2−ス4友      /rnmolL−’7’tb
コーX3慝79    /mmolL第3図 日 峯廻               (日)第5図 第6図 ’7’iLコ−IJI度/rnmolL第7図 りjLフコース焦fl    /mmolじ1ラクデー
ト;If  /mmolL−’第10図 ラフチー)517t  /mrnolL第11図 ラクト−又4fl    /rnmolL−’5   
 Io    15   20       30  
    40’A=+−z:@fi−/mmolL Nse a”’IT   r7i り−+t−コース5*I  / mmolL−’第14
図 第15図 第j6図
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention and a glucose oxidase electrode using a conventional carbon electrode material. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the current response characteristics and glucose concentration of the glucose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention when oxygen pressure is changed. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the stability of the glucose oxidase electrode according to the present invention when stored at room temperature. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the stability of a glucose oxidase electrode according to the prior art stored at room temperature as a comparative example. FIG. 7 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the glutaraldehyde crosslinked glucose oxidase electrode according to the present invention and the prior art. FIG. 8 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the carbodiimide-treated glucose oxidase electrode according to the present invention and the prior art. FIG. 9 is a characteristic diagram showing a comparison of the current response characteristics of the carbodiimide-treated lactate oxidase electrode according to the present invention and the conventional technique. FIG. 10 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the galactose oxidase electrode according to the present invention. FIG. 11 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the lactate oxidase electrode according to the present invention. FIG. 12 shows glucose oxidase/β according to the present invention.
- It is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a galactosidase composite electrode. FIG. 13 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of a glucose oxidase electrode according to the present invention in which polyvinyl acetate is used instead of polytetrafluoroethylene as a binder for carbon particles with a platinum VL film. FIG. 14 is a characteristic diagram showing the current response characteristics of the glucose oxidase electrode according to the present invention, in which glucose oxidase is immobilized on a palladium-coated carbon particle layer formed on carbon paper using polytetrafluoroethylene as a binder. be. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an improved rank electrochemical cell for measuring the operating characteristics of the enzyme electrode according to the present invention. FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a two-electrode experimental apparatus used in some of the measurements. FIG. 17 is a characteristic diagram showing the current responsiveness of the sucrose electrode to which the present invention is applied. Patent applicant: Cambridge Life'Sciences BLC I, Patent attorney: Akira Koike ((lh2 people) Class L2-S4 Friends /rnmolL-'7'tb
Cor Fig. 10 Roughchie) 517t/mrnolL Fig. 11 Lacto-also 4fl/rnmolL-'5
Io 15 20 30
40'A=+-z: @fi-/mmolL Nse a'''IT r7i ri-+t- course 5*I/mmolL-'14th
Figure 15 Figure j6

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)特異的基質の存在下において酵素の触媒活性に電
気的に応答することが可能な酵素電極において、 予め高純度の白金族金属と均一に混合させるか、あるい
は該白金族金属を個々の粒子の表面に析出または吸着さ
せたカーボン粒子もしくはグラファイト粒子を樹脂バイ
ンダーを用いて成形することにより形成され、実質的に
不均一な樹脂固着カーボン層あるいは樹脂固着グラファ
イト層中にカーボン粒子あるいはグラファイト粒子に対
して1〜20重量%の割合で白金族金属が均一に分散さ
れてなる多孔質導電性基板層により導電性支持体の少な
くとも一部が構成されてなり、 該多孔質導電性基板層の表面に酵素が固定化または吸着
されてなる酵素電極。
(1) In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, a high purity platinum group metal is homogeneously mixed in advance, or the platinum group metal is mixed with individual platinum group metals. It is formed by molding carbon particles or graphite particles precipitated or adsorbed on the surface of particles using a resin binder, and the carbon particles or graphite particles are formed in a substantially nonuniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite layer. At least a part of the conductive support is constituted by a porous conductive substrate layer in which a platinum group metal is uniformly dispersed in a proportion of 1 to 20% by weight, and the surface of the porous conductive substrate layer An enzyme electrode is an enzyme that has an enzyme immobilized or adsorbed on it.
(2)樹脂バインダーの割合が、白金族金属と均一に混
合されるか、あるいは該白金族金属が個々の粒子の表面
に析出または吸着されたカーボン粒子あるいはグラファ
イト粒子を基準として5〜80重量%であることを特徴
とする請求項1記載の酵素電極。
(2) The proportion of the resin binder is 5 to 80% by weight based on the carbon particles or graphite particles in which the platinum group metal is uniformly mixed or the platinum group metal is precipitated or adsorbed on the surface of each particle. The enzyme electrode according to claim 1, characterized in that:
(3)白金族金属が白金又はパラジウムであることを特
徴とする請求項1又は請求項2記載の酵素電極。
(3) The enzyme electrode according to claim 1 or 2, wherein the platinum group metal is platinum or palladium.
(4)樹脂バインダーは常温常圧下で1cm^2当り2
×10^−^3cm^2以上の酸素溶解度を有する樹脂
バインダーであることを特徴とする請求項1乃至請求項
3記載の酵素電極。
(4) The resin binder is 2 per cm^2 at room temperature and normal pressure.
4. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the enzyme electrode is a resin binder having an oxygen solubility of x10^-^3cm^2 or more.
(5)樹脂バインダーがフッ素樹脂、ポリ酢酸ビニル、
ポリメタクリル酸エチル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリカーボネート、ポリ(4−メチルペンテン−1
)、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、ポリ−1,3
−ブタジエン、シリコンゴムの少なくとも1種である請
求項4記載の酵素電極。
(5) The resin binder is fluororesin, polyvinyl acetate,
Polyethyl methacrylate, polystyrene, polyvinyl chloride, polycarbonate, poly(4-methylpentene-1)
), polyisoprene, polychloroprene, poly-1,3
The enzyme electrode according to claim 4, wherein the enzyme electrode is at least one of -butadiene and silicone rubber.
(6)多孔質導電性基板層の表面に固定化あるいは吸着
される酵素が酸化還元酵素であることを特徴とする請求
項1乃至請求項5記載の酵素電極。
(6) The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the enzyme immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer is an oxidoreductase.
(7)酸化還元酵素がグルコースオキシダーゼ、ガラク
トースオキシダーゼ、ラクテートオキシダーゼ、コレス
テロールオキシダーゼの何れか1種である請求項6記載
の酵素電極。
(7) The enzyme electrode according to claim 6, wherein the oxidoreductase is any one of glucose oxidase, galactose oxidase, lactate oxidase, and cholesterol oxidase.
(8)多孔質導電性基板層の表面に固定化あるいは吸着
される酵素が複合酵素系であることを特徴とする請求項
1乃至請求項5記載の酵素電極。
(8) The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the enzyme immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer is a complex enzyme system.
(9)複合酵素系がグルコースオキシダーゼとβ−ガラ
クトシダーゼの組み合わせ、あるいはβ−グルコシダー
ゼとグルコースオキシダーゼの組み合わせである請求項
8記載の酵素電極。
(9) The enzyme electrode according to claim 8, wherein the composite enzyme system is a combination of glucose oxidase and β-galactosidase, or a combination of β-glucosidase and glucose oxidase.
(10)多孔質導電性基板層が導電性ベースに接合され
導電性支持体とされていることを特徴とする請求項1乃
至請求項9記載の酵素電極。
(10) The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 9, wherein the porous conductive substrate layer is bonded to a conductive base to serve as a conductive support.
(11)導電性ベースが導電性カーボン紙である請求項
10記載の酵素電極。
(11) The enzyme electrode according to claim 10, wherein the conductive base is conductive carbon paper.
(12)多孔質導電性基板層が予め白金族金属を析出あ
るいは吸着させたカーボン粒子またはグラファイト粒子
を樹脂バインダーを用いて成形した樹脂固着カーボン層
あるいは樹脂固着グラファイト層であることを特徴とす
る請求項1乃至請求項11記載の酵素電極。
(12) A claim characterized in that the porous conductive substrate layer is a resin-fixed carbon layer or a resin-fixed graphite layer formed by molding carbon particles or graphite particles on which a platinum group metal has been precipitated or adsorbed using a resin binder. The enzyme electrode according to claims 1 to 11.
(13)カーボン粒子またはグラファイト粒子の粒径が
5〜30nmであり、その表面に吸着される白金族金属
の粒径が1.5〜2.5nmであることを特徴とする請
求項12記載の酵素電極。
(13) The particle size of the carbon particles or graphite particles is 5 to 30 nm, and the particle size of the platinum group metal adsorbed to the surface thereof is 1.5 to 2.5 nm. Enzyme electrode.
(14)導電性支持体の表面が基質に対して透過性を有
する微細多孔質膜によって保護されている請求項1乃至
請求項13記載の酵素電極。
(14) The enzyme electrode according to any one of claims 1 to 13, wherein the surface of the conductive support is protected by a microporous membrane that is permeable to the substrate.
(15)微細多孔質膜がポリカーボネート膜である請求
項14記載の酵素電極。
(15) The enzyme electrode according to claim 14, wherein the microporous membrane is a polycarbonate membrane.
(16)特異的基質の存在下において酵素の触媒活性に
電気的に応答することが可能な酵素電極において、 予め高純度の白金族金属と均一に混合させるか、あるい
は該白金族金属を個々の粒子の表面に析出または吸着さ
せたカーボン粒子もしくはグラファイト粒子を常温常圧
下で1cm^2当り2×10^−^3cm^2以上の酸
素溶解度を有する樹脂バインダーを用いて成形すること
により形成され、実質的に不均一な樹脂固着カーボン層
あるいは樹脂固着グラファイト層中に白金族金属が均一
に分散されてなる多孔質導電性基板層により導電性支持
体の少なくとも一部が構成されてなり、 該多孔質導電性基板層の表面に酵素が固定化または吸着
されてなる酵素電極。
(16) In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, the platinum group metal is homogeneously mixed in advance with a highly purified platinum group metal, or the platinum group metal is mixed with individual platinum group metals. It is formed by molding carbon particles or graphite particles precipitated or adsorbed on the surface of the particles at room temperature and normal pressure using a resin binder having an oxygen solubility of 2 x 10^-^3 cm^2 or more per cm^2, At least a portion of the conductive support is constituted by a porous conductive substrate layer in which a platinum group metal is uniformly dispersed in a substantially nonuniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite layer, and the porous An enzyme electrode in which an enzyme is immobilized or adsorbed on the surface of a highly conductive substrate layer.
(17)特異的基質の存在下において酵素の触媒活性に
電気的に応答することが可能な酵素電極において、 予め高純度のパラジウムと均一に混合させるか、あるい
は該パラジウムを個々の粒子の表面に析出または吸着さ
せたカーボン粒子もしくはグラファイト粒子を樹脂バイ
ンダーを用いて成形することにより形成され、実質的に
不均一な樹脂固着カーボン層あるいは樹脂固着グラファ
イト層中にパラジウムが均一に分散されてなる多孔質導
電性基板層により導電性支持体の少なくとも一部が構成
されてなり、 該多孔質導電性基板層の表面に酵素が固定化または吸着
されてなる酵素電極。
(17) In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, the palladium is homogeneously mixed with high-purity palladium in advance, or the palladium is applied to the surface of individual particles. Porous material formed by molding precipitated or adsorbed carbon particles or graphite particles using a resin binder, with palladium uniformly dispersed in a substantially non-uniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite layer. An enzyme electrode in which at least a part of a conductive support is constituted by a conductive substrate layer, and an enzyme is immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer.
(18)特異的基質の存在下において酵素の触媒活性に
電気的に応答することが可能な酵素電極において、 予め高純度の白金族金属と均一に混合させるか、あるい
は該白金族金属を個々の粒子の表面に析出または吸着さ
せたカーボン粒子もしくはグラファイト粒子を樹脂バイ
ンダーを用いて成形することにより形成され、実質的に
不均一な樹脂固着カーボン層あるいは樹脂固着グラファ
イト層中に白金族金属が均一に分散されてなる多孔質導
電性基板層により導電性支持体の少なくとも一部が構成
されてなり、 該多孔質導電性基板層の表面にガラクトースオキシダー
ゼ、ラクテートオキシダーゼ、コレステロールオキシダ
ーゼの何れか1種が固定化または吸着されてなる酵素電
極。
(18) In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, the platinum group metal is homogeneously mixed with a highly purified platinum group metal in advance, or the platinum group metal is mixed with individual platinum group metals. It is formed by molding carbon particles or graphite particles precipitated or adsorbed on the particle surface using a resin binder, and the platinum group metal is uniformly distributed in the substantially nonuniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite layer. At least a part of the conductive support is constituted by a dispersed porous conductive substrate layer, and any one of galactose oxidase, lactate oxidase, and cholesterol oxidase is immobilized on the surface of the porous conductive substrate layer. Enzyme electrode made by adsorption or oxidation.
(19)特異的基質の存在下において酵素の触媒活性に
電気的に応答することが可能な酵素電極において、 予め高純度の白金族金属と均一に混合させるか、あるい
は該白金族金属を個々の粒子の表面に析出または吸着さ
せたカーボン粒子もしくはグラファイト粒子を樹脂バイ
ンダーを用いて成形することにより形成され、実質的に
不均一な樹脂固着カーボン層あるいは樹脂固着グラファ
イト層中に白金族金属が均一に分散されてなる多孔質導
電性基板層により導電性支持体の少なくとも一部が構成
されてなり、 該多孔質導電性基板層の表面に複合酵素系が固定化また
は吸着されてなる酵素電極。
(19) In an enzyme electrode capable of electrically responding to the catalytic activity of an enzyme in the presence of a specific substrate, the platinum group metal can be homogeneously mixed with a high purity platinum group metal in advance, or the platinum group metal can be mixed with individual platinum group metals. It is formed by molding carbon particles or graphite particles precipitated or adsorbed on the particle surface using a resin binder, and the platinum group metal is uniformly distributed in the substantially nonuniform resin-fixed carbon layer or resin-fixed graphite layer. An enzyme electrode, wherein at least a part of a conductive support is constituted by a dispersed porous conductive substrate layer, and a composite enzyme system is immobilized or adsorbed on the surface of the porous conductive substrate layer.
(20)複合酵素系がグルコースオキシダーゼとβ−ガ
ラクトシダーゼとからなることを特徴とする請求項20
記載の酵素電極。
(20) Claim 20 characterized in that the composite enzyme system consists of glucose oxidase and β-galactosidase.
The enzyme electrode described.
(21)複合酵素系がインベルターゼとムターゼとグル
コースオキシダーゼとからなることを特徴とする請求項
20記載の酵素電極。
(21) The enzyme electrode according to claim 20, wherein the composite enzyme system consists of invertase, mutase, and glucose oxidase.
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