JPS6371649A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JPS6371649A
JPS6371649A JP61215981A JP21598186A JPS6371649A JP S6371649 A JPS6371649 A JP S6371649A JP 61215981 A JP61215981 A JP 61215981A JP 21598186 A JP21598186 A JP 21598186A JP S6371649 A JPS6371649 A JP S6371649A
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JP
Japan
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sensor
oxygen
cathodes
gas
electrolyte
Prior art date
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Pending
Application number
JP61215981A
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Japanese (ja)
Inventor
Akio Sugama
明夫 菅間
▲やぎ▼下 皓男
Akio Yagishita
Fumio Takei
文雄 武井
Ei Yano
映 矢野
Naomi Nakane
中根 尚美
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6371649A publication Critical patent/JPS6371649A/en
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Abstract

PURPOSE:To miniaturize a biosensor and to simultaneously measure many components by combining >=2 working electrodes with one pair of a counter electrode and an electrolyte. CONSTITUTION:Different working electrodes 1a-1c are combined with the pair of the counter electrode 2 and electrolyte 3 independently of the another. An oxygen sensor shown as an example is constituted by fixing cathodes 5a-5c of gold covered with an FEP film on cathodes of a U-shape oxygen permeable film retainers 11a-11c. Cathodes 15a-15c are cathode lead-out parts which are connected to the cathodes 5a-5c and connect wiring to the respective cathodes. Thus, plural working electrodes are present in one gas sensor, so a multifunctional biosensor is easily manufacture. Further, the counter electrode and electrolyte are used in common, so that the sensor is miniaturized.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 本発明は、バイオセンサにトランスデユーサとして用い
られるガスセンサにおいて、1つのガスセンサ上に複数
の作用電極を構成することにより、小型化と、多成分の
同時測定を可能にしたものである。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention provides a gas sensor used as a transducer in a biosensor, by configuring a plurality of working electrodes on one gas sensor. This made measurement possible.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

最近盛んに研究されているバイオセンサは、分子識別素
子としての生体関連物質を有J3膜に固定化した分子識
別部(レセプタ)と信号変換部(トランスデユーサ)を
組み合わせた構造を有している。トランスデユーサは、
レセプタにおいて発生する物理的あるいは化学的変化、
具体的には被測定物質とレセプタ上の生体関連物質とが
反応し、複合体を形成する結果として発生する変化、を
電気出力に変換する能力を有している。本発明は、この
バイオセンサのトランスデユーサとしての利用が進んで
いる、酸素センサを代表とするガスセンサの改良に係る
Biosensors, which have been actively researched recently, have a structure that combines a molecular recognition part (receptor) in which a biologically relevant substance as a molecular recognition element is immobilized on a J3 membrane, and a signal conversion part (transducer). There is. The transducer is
physical or chemical changes that occur in receptors;
Specifically, it has the ability to convert changes that occur as a result of the reaction between the substance to be measured and the biological substance on the receptor to form a complex into electrical output. The present invention relates to the improvement of gas sensors, typified by oxygen sensors, which are increasingly being used as biosensors as transducers.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来のガスセンサは、−11Qに、第4図に略示される
ように、作用電極l、対極2、電解液3、そしてガス透
過膜4を含んで構成されている。被測定ガスは、ガス透
過膜4を通り、作用電極l上で酸化、または還元される
。このとき作用電極1及び対極2間に流れる電流を測定
することにより、ガス4度を知ることができる。
A conventional gas sensor includes a working electrode 1, a counter electrode 2, an electrolytic solution 3, and a gas permeable membrane 4, as schematically shown in FIG. The gas to be measured passes through the gas permeable membrane 4 and is oxidized or reduced on the working electrode l. At this time, by measuring the current flowing between the working electrode 1 and the counter electrode 2, it is possible to know the gas temperature of 4 degrees.

ガスセンサの一例として、アンベロメトリーによる酵素
センサの一例としてのグルコース電極に使用した酸素セ
ンサについて述べると、次の通りである(鈴木周−編、
「イオン電極と酵素電極」、講談社を参照)二本例のグ
ルコース電極は、グルコースオキシダーゼ固定化膜と酸
素センサとから構成される。ここで用いる酸素センサは
、溶存酸素計として知られているタイプのもので、対極
(ここではアノード)として鉛電極、作用電極(ここで
はカソード)として白金電極が用いられる。電解液とし
て例えば30%NaOH又はKOHのような高濃度のア
ルカリ液を使用し、白金電極は酸素ガスの透過性薄膜、
例えばテフロン(商品名)膜で被覆されている。この酸
素センサは、溶存酸素濃度が酸素分圧に比例することに
着目して作られたもので、これを溶液中に挿入すると溶
液中の溶存酸素がガス透過膜を透過して白金電極上に到
達し、ここで還元されるために電流が得られる。
As an example of a gas sensor, an oxygen sensor used for a glucose electrode as an example of an enzyme sensor using amberometry is as follows (ed. by Shu Suzuki).
(See "Ion Electrodes and Enzyme Electrodes," Kodansha) The two examples of glucose electrodes are composed of a glucose oxidase-immobilized membrane and an oxygen sensor. The oxygen sensor used here is of a type known as a dissolved oxygen meter, and uses a lead electrode as the counter electrode (here, the anode) and a platinum electrode as the working electrode (here, the cathode). A highly concentrated alkaline solution such as 30% NaOH or KOH is used as the electrolyte, and the platinum electrode is a thin film permeable to oxygen gas.
For example, it is coated with a Teflon (trade name) film. This oxygen sensor was created with the focus on the fact that the dissolved oxygen concentration is proportional to the oxygen partial pressure. When this sensor is inserted into a solution, the dissolved oxygen in the solution passes through the gas permeable membrane and is deposited onto the platinum electrode. electric current is obtained because it is reached and reduced here.

この電流値は、溶存酸素23度に比例する。この酸素セ
ンサのガス透過膜上にグルコースオキシダーゼ固定化膜
(たとえばコラーゲン膜中に包括法で固定化する)を密
着させてOリングで固定すると、グルコース電極が製作
される。このグルコース電極を緩衝液中に挿入すると、
定常電流が得られる。
This current value is proportional to 23 degrees of dissolved oxygen. A glucose electrode is manufactured by closely adhering a glucose oxidase-immobilized membrane (for example, immobilized in a collagen membrane by an entrapment method) onto the gas-permeable membrane of the oxygen sensor and fixing it with an O-ring. When this glucose electrode is inserted into a buffer solution,
A steady current can be obtained.

この場合、試料液中にはグルコースが存在していないの
で、試料中の溶存酸素レベルに相当する電流値が得られ
る。次に、この試料液中に所定量のグルコースを添加す
ると、グルコースが酵素膜に拡散し、ここでグルコース
オキシダーゼの作用を受けて酸化され、グルコノラクト
ンが生成する。
In this case, since glucose is not present in the sample liquid, a current value corresponding to the dissolved oxygen level in the sample is obtained. Next, when a predetermined amount of glucose is added to this sample solution, the glucose diffuses into the enzyme membrane, where it is oxidized by the action of glucose oxidase to produce gluconolactone.

この反応で酸素が消費されて過酸化水素が生成し、グル
コースオキシダーゼ膜近傍の酸素濃度が減少する。した
がって、溶液中から酸素センサへ拡散する酸素の一部が
酵素反応で消費されるため、センサへ到達する酸素量が
減少することになる。明らかなように、酸素センサに到
達する酸素濃度が減少すると、電流値が次第に低下する
。しかし、溶液からグルコースオキシダーゼ膜に拡散す
るグルコースおよび酸素は定常になるので、膜で消費さ
れる酸素量と溶液から拡散してくる酸素量の間に平衡が
成立し、定常電流値が得られる。この定常電流値は試料
液中のグルコース濃度に依存する。
This reaction consumes oxygen and produces hydrogen peroxide, reducing the oxygen concentration near the glucose oxidase membrane. Therefore, part of the oxygen that diffuses from the solution to the oxygen sensor is consumed by the enzyme reaction, resulting in a decrease in the amount of oxygen that reaches the sensor. As is clear, as the oxygen concentration reaching the oxygen sensor decreases, the current value gradually decreases. However, since the glucose and oxygen that diffuse into the glucose oxidase membrane from the solution become stationary, an equilibrium is established between the amount of oxygen consumed by the membrane and the amount of oxygen that diffuses from the solution, and a steady current value is obtained. This steady-state current value depends on the glucose concentration in the sample solution.

したがって、既知濃度のグルコースについてそれぞれ電
流値を測定し、検量線を作成しておけば、この検量線を
用いて試料液中の未知濃度のグルコースを酸素センサで
測定することができる。
Therefore, by measuring the current value for each glucose of known concentration and creating a calibration curve, the oxygen sensor can measure the unknown concentration of glucose in the sample liquid using this calibration curve.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

バイオセンサでは、それを小型化し、多成分の同時測定
等を可能にすること、すなわち、多機能化することが究
極的な目的である。しかし、現実には、そのトランスデ
ユーサとして使用するガスセンサでは、1つのセンサ内
に1つの作用電極しかないため、単一物質の測定しかで
きないという欠点があり、また、このため、多成分の同
時測定をするためには、複数のガスセンサを使用しなけ
ればならず、小型化も達成できなかった。本発明は、こ
れらの問題点を解決しようとするものである。
The ultimate goal of a biosensor is to miniaturize it and make it possible to measure multiple components simultaneously, that is, to make it multifunctional. However, in reality, the gas sensor used as the transducer has only one working electrode in one sensor, so it has the disadvantage that it can only measure a single substance. In order to make measurements, multiple gas sensors had to be used, and miniaturization could not be achieved. The present invention seeks to solve these problems.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記した問題点は、本発明によれば、ガス4度を電極反
応を利用して測定する電気化学式ガスセンサであって、
1対の対極及び電解液に対して2個もしくはそれ以上の
作用電極が組み合わさっていることを特徴とするガスセ
ンサによって解決することができる。
According to the present invention, the above-mentioned problems are solved by an electrochemical gas sensor that measures gas 4 degrees using an electrode reaction.
A solution can be provided by a gas sensor characterized in that it combines a pair of counter electrodes and two or more working electrodes for an electrolyte.

本発明によるガスセンサは、それを原理的に図示すると
、第1図のようになる。すなわち、本発明のガスセンサ
は、対極2及び電解液3の対に対して、異なる作用電極
1a、lb及びICを互いに独立に組み合わせたところ
に特徴がある。ガス透過膜4a 、4b及び4Cは、同
一もしくは異なるガス透過性の薄膜、例えばテフロン(
商品名)及びFEP (弗素化エチレンプロピレン)な
どのような弗素樹脂のフィルム、シリコーンゴムなどか
らなる。ガス透過膜は、それぞれ、その上方に分子識別
部(レセプタ)を有することが可能であり、これは常法
により適用することができる。なお、図示の例の場合、
3個の作用電極を使用しているけれども、測定しようと
しているガス成分の数に応じて2個の作用電極を使用し
ても、あるいは4個もしくはそれ以上の作用電極を使用
してもよい。
The principle of the gas sensor according to the present invention is illustrated in FIG. 1. That is, the gas sensor of the present invention is characterized in that different working electrodes 1a, lb, and ICs are independently combined with each other for a pair of counter electrode 2 and electrolyte 3. The gas permeable membranes 4a, 4b and 4C are made of the same or different gas permeable thin films, for example Teflon (
(trade name) and fluororesin films such as FEP (fluorinated ethylene propylene), silicone rubber, etc. Each gas permeable membrane can have a molecular recognition part (receptor) above it, which can be applied in a conventional manner. In addition, in the case of the illustrated example,
Although three working electrodes are used, two working electrodes or four or more working electrodes may be used depending on the number of gas components being measured.

本発明は、電気化学式ガスセンサに広く適用することが
でき、具体的には、代表的な酸素(02)センサのほか
、COセンサ、30wセンサ、NO□センサ、Noセン
サなどをあげることができる。
The present invention can be widely applied to electrochemical gas sensors, and specifically includes a typical oxygen (02) sensor, a CO sensor, a 30W sensor, a NO□ sensor, a No sensor, and the like.

なお、本願明細書では、これらの被測定ガスの種類に応
じてカソード及びアノードが変更する場合もあり得るの
で、上記したように作用電極及び対極なる語を使用して
いる。
In this specification, the terms working electrode and counter electrode are used as described above, since the cathode and anode may be changed depending on the type of gas to be measured.

〔作 用〕[For production]

本発明のガスセンサの複数の作用電極は、それぞれ独立
したガス透過膜を持っているため、各作用電極は隣とは
独立に作動させることができる。
Since the plurality of working electrodes of the gas sensor of the present invention each have an independent gas permeable membrane, each working electrode can be operated independently of its neighbor.

それぞれのガス透過膜には、被測定ガスに適当なレセプ
タを組み合わせることができる。
A receptor suitable for the gas to be measured can be combined with each gas permeable membrane.

〔実施例〕〔Example〕

次いで、本発明の一実施例としての酸素センサを例にと
って、第2図及び第3図(A>及び(B)を参照しなが
ら本発明を説明する。
Next, the present invention will be explained using an oxygen sensor as an example of the present invention with reference to FIGS. 2 and 3 (A> and (B)).

今ここで例示する酸素センサにおいて作用電極は金また
は白金のカソード、対極は銀のアノード、電解液は1モ
ルの塩化カリウム水溶液、そしてガス透過膜はFEPフ
ィルムが用いられる。図中、5a、5b及び5CはFE
Pフィルムで覆われた金のカソードであり、FEPフィ
ルムはそれぞれコの字形をした酸素透過膜押えlla、
llb及び11cでカソード上に固定されている。15
a、15b及び15cは、それぞれ、カソード5a、5
b及び5Cに接続した、それぞれのカソードに配線を接
続するためのカソード取り出し部である。また、16は
、アノード(図示せず)に配線を接続するためのアノー
ド取り出し部である。本体7、底板9、そして配線絶縁
膜10は、それぞれ、旭化成(株)製の感光性樹脂“A
PR”  (商品名)で製作されていて、小型(約10
uax約25mm)、Lかも精密である。なお、金のカ
ソードを被覆したFEPフィルムのそれぞれには、図示
しないけれども、レセプタ、例えば酸素固定化膜、微生
物固定化膜等が施される。
In the oxygen sensor exemplified here, the working electrode is a gold or platinum cathode, the counter electrode is a silver anode, the electrolyte is a 1 mol potassium chloride aqueous solution, and the gas permeable membrane is an FEP film. In the figure, 5a, 5b and 5C are FE
The gold cathode is covered with a P film, and the FEP film is a U-shaped oxygen permeable membrane holder.
llb and 11c are fixed on the cathode. 15
a, 15b and 15c are cathodes 5a and 5, respectively.
This is a cathode extraction part for connecting wiring to each cathode connected to b and 5C. Further, 16 is an anode take-out portion for connecting wiring to an anode (not shown). The main body 7, the bottom plate 9, and the wiring insulating film 10 are each made of photosensitive resin “A” manufactured by Asahi Kasei Corporation.
PR” (product name) and is small (approximately 10
Uax approx. 25mm), L is also precise. Note that each of the FEP films coated with the gold cathode is provided with a receptor, such as an oxygen fixing membrane, a microorganism fixing membrane, etc., although not shown.

第2図に示した酸素センサの組立ては、そのセンサの分
解図である第3図(A)及び(B)から容易に理解され
るであろう。図(B)に示す、銀のアノード6が薄膜と
して被覆された底板8を用意する。この底板8に、図(
A)に示す、塩化カリウム電極液が貯えられるようにな
っている電解液溜め9を有する本体7を反転して接着し
、カソードを取り付け、電解液を注入し、そして酸素透
過膜の装着を行なう。このようにして、第2図に図示の
酸素センサが完成する。
The assembly of the oxygen sensor shown in FIG. 2 will be readily understood from FIGS. 3A and 3B, which are exploded views of the sensor. A bottom plate 8 coated with a silver anode 6 as a thin film is prepared, as shown in Figure (B). On this bottom plate 8, there is a figure (
The main body 7 shown in A), which has an electrolyte reservoir 9 configured to store potassium chloride electrode solution, is inverted and glued, a cathode is attached, an electrolyte is injected, and an oxygen permeable membrane is attached. . In this way, the oxygen sensor shown in FIG. 2 is completed.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、1つのガスセンサ内に複数の作用電極
が存在することから、容易に多機能型バイオセンサの作
製ができる。また、対極および電解液を共通にしている
ため、センサのサイズを小型化することが可能になる。
According to the present invention, since a plurality of working electrodes are present in one gas sensor, a multifunctional biosensor can be easily produced. Furthermore, since the counter electrode and electrolyte are common, it is possible to reduce the size of the sensor.

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

第1図は本発明のガスセンサの原理を説明する図、第2
図は本発明の一実施例を示す斜視図、第3図は第2図の
実施例の分解図、そして第4図は従来例のガスセンサの
原理図である。図において、la、lb及びICは作用
電極、2は対極、3は電解液、そして4a 、4b及び
4Cはガス透過膜である。
Figure 1 is a diagram explaining the principle of the gas sensor of the present invention, Figure 2 is a diagram explaining the principle of the gas sensor of the present invention.
The figure is a perspective view showing one embodiment of the present invention, FIG. 3 is an exploded view of the embodiment of FIG. 2, and FIG. 4 is a principle diagram of a conventional gas sensor. In the figure, la, lb and IC are working electrodes, 2 is a counter electrode, 3 is an electrolyte, and 4a, 4b and 4C are gas permeable membranes.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、ガス濃度を電極反応を利用して測定する電気化学式
ガスセンサであって、1対の対極(2)及び電解液(3
)に対して2個もしくはそれ以上の作用電極(1a、1
b、・・・)が組み合わさっていることを特徴とするガ
スセンサ。
1. An electrochemical gas sensor that measures gas concentration using an electrode reaction, which includes a pair of counter electrodes (2) and an electrolyte (3).
) with two or more working electrodes (1a, 1
A gas sensor characterized by a combination of (b,...).
JP61215981A 1986-09-16 1986-09-16 Gas sensor Pending JPS6371649A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0540974A2 (en) * 1991-11-08 1993-05-12 Compur Monitors Sensor Technology GmbH Apparatus for simultaneous determination of different gas components
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