明 細 書 Specification
燃料電池型ワイヤレス酵素センサー Fuel cell type wireless enzyme sensor
技術分野 Technical field
[0001] 本発明は、酵素センサーに関する。 The present invention relates to an enzyme sensor.
背景技術 Background art
[0002] 酵素センサーとは、酸素電極、過酸化水素電極等の電極表面上に酵素が固定ィ匕 され、その酵素反応により酵素が基質とする化合物の濃度を電極の信号として検出 するセンサーである。例えば、血糖値を簡便かつ迅速に測定しうるグルコースセンサ 一が開発されている。一方で、糖尿病患者は年々増加する傾向にあり、糖尿病の診 断や、患者の在宅管理が非常に重要であるため、血糖値を簡便かつ迅速に測定しう るグルコースセンサーが開発されている。グルコースセンサー素子としては、ダルコ一 スォキシダーゼ(GOD)が最もよく用いられている。 GODのグルコースの検出原理と しては、 GODのグルコースの酸ィ匕反応の際に消費される酸素を検出する酸素電極 型または生成される過酸化水素を検出する過酸化水素電極型が開発された。 [0002] An enzyme sensor is a sensor in which an enzyme is immobilized on an electrode surface such as an oxygen electrode or a hydrogen peroxide electrode, and the enzyme reaction detects the concentration of a compound used as a substrate by the enzyme as a signal of the electrode. . For example, a glucose sensor that can easily and quickly measure a blood glucose level has been developed. On the other hand, the number of diabetic patients tends to increase year by year, and diagnosis of diabetes and home management of patients are very important. Therefore, glucose sensors that can easily and quickly measure blood glucose levels have been developed. Darcos oxidase (GOD) is most often used as a glucose sensor element. As the principle of GOD glucose detection, an oxygen electrode type that detects oxygen consumed during the oxidation reaction of GOD glucose or a hydrogen peroxide electrode type that detects generated hydrogen peroxide has been developed. Was.
[0003] しかし、この方法では高い印加電位のため、血液中の他の酸化還元物質に影響を 受けてしまうため、 1980年代からは様々な電子メディエータを用いて、印加電位をさ げるメディエータ型のセンサーが開発されてきている。しかし、 GODは、溶存酸素濃 度が高くなると電子をメディエータではなく酸素にも渡してしまうため、正確な測定が できない。 [0003] However, in this method, since a high applied potential is affected by other redox substances in the blood, since the 1980s, a mediator type that reduces the applied potential using various electron mediators has been used. Sensors have been developed. However, GOD cannot transfer accurate electrons to oxygen instead of mediator when the dissolved oxygen concentration is high, so accurate measurement cannot be performed.
[0004] そこで、溶存酸素濃度に影響されないメディエータ型の理想的なセンサー素子とし てグルコース脱水素酵素(GDH)が注目されるようになった。 GDHのなかでも、補酵 素結合型の PQQグルコース脱水素酵素(PQQGDH)は、触媒活性が高ぐターン オーバー数が高いため、フエナジンメトサルフェートなどのメディエータを用いた場合 、応答電流値が高ぐ応答時間もはやい。つまり、正確で迅速な測定が可能である。 また、補酵素結合型であるため反応溶液中に高価な補酵素を添加する必要がな 、。 さらに、酵素が水溶性であれば緩衝溶液中に界面活性剤が不要であり、取り扱いが 容易であるという利点があるため、 Acinetobacter calcoaceticus由来の水溶性 P
QQGDH (PQQGDH-B)はグルコースセンサーの素子として非常に理想的である 。いずれにしても、連続的に、かつ信頼できる血糖の計測装置の開発が望まれてい る。 [0004] Therefore, glucose dehydrogenase (GDH) has been attracting attention as an ideal mediator-type sensor element that is not affected by the concentration of dissolved oxygen. Among the GDHs, the enzyme-linked PQQ glucose dehydrogenase (PQQGDH) has a high catalytic activity and a high turnover number, so that when a mediator such as phenazine methosulfate is used, the response current value is high. High response time no longer. That is, accurate and quick measurement is possible. Also, since it is a coenzyme-bound type, it is not necessary to add an expensive coenzyme to the reaction solution. Furthermore, if the enzyme is water-soluble, a surfactant is not required in the buffer solution, and there is an advantage that the enzyme is easy to handle. QQGDH (PQQGDH-B) is very ideal as an element of a glucose sensor. In any case, continuous and reliable development of a blood glucose measurement device is desired.
[0005] しかし、これらの酸化還元酵素を酵素電極に応用する場合、酵素反応の結果、還 元する電子受容体を再酸化するために、一定の電位を印加する必要があり、そのた めの外部力もの電力供給が不可欠である。さらに電位を加えるために、酵素反応の 結果生じた還元物質以外に、例えば生体中に存在する種々の酸化される化合物が 電極上で酸化され、夾雑シグナルを呈するという問題もある。さらに、通常の自己血 糖診断装置に用いられている使い捨て型のグルコースセンサーでは自己採血し、そ の血液試料をセンサーチップに添カ卩し、そのセンサーチップを電位が印加できる電 源を含むセンサー本体に差込み計測することから、常時、血糖値をモニタリングする には適さない。さらに最近開発されてきた連続グルコースモニタリングシステム、いわ ゆる Continuous Glucose Monitoring System、 CGMSにおいては、従来の 酵素センサーチップを体表に装着し、電源を含むセンサー本体を身体に固定するこ とで、常時、血糖を測定することを目的としている。しかし、電源が必要なことから、原 理的に微細化することは困難である。 発明の開示 [0005] However, when these oxidoreductases are applied to an enzyme electrode, it is necessary to apply a constant potential in order to reoxidize the reduced electron acceptor as a result of the enzymatic reaction. External power supply is indispensable. Furthermore, in order to apply a potential, there is a problem that, in addition to the reducing substance generated as a result of the enzymatic reaction, for example, various oxidized compounds present in a living body are oxidized on the electrode, and a contaminant signal is exhibited. In addition, a disposable glucose sensor used in a normal autoglycemic diagnostic apparatus collects blood by itself, attaches the blood sample to a sensor chip, and uses the sensor chip with a power supply capable of applying a potential. It is not suitable for constant monitoring of blood glucose because it is plugged into the main unit. Furthermore, in the recently developed continuous glucose monitoring system, so-called Continuous Glucose Monitoring System, and CGMS, a conventional enzyme sensor chip is attached to the body surface, and the sensor body including the power supply is fixed to the body, so that It is intended to measure blood sugar. However, miniaturization is difficult in principle because a power supply is required. Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題 Problems to be solved by the invention
[0006] 本発明は、ワイヤレスで連続的に基質の濃度が計測できかつ、電源を含まない酵 素センサーの新 、原理を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段 An object of the present invention is to provide a new principle of an enzyme sensor that can continuously measure the concentration of a substrate wirelessly and does not include a power source. Means for solving the problem
[0007] 本発明は、外部からワイヤレスで供給される電波により共振する回路と、その回路 に電位を印加する酵素燃料電池とから構成される。さらに燃料電池は、測定対象基 質濃度に依存して電位 (起電力)が変化する、アノードに酵素を用いる酵素燃料電池 である。また、酵素燃料電池の起電力の変化を共振周波数の変化に変換する共振 回路とから構成される使 、捨てセンサーチップと、これを外部力 制御 ·表示 ·電波送
受信を行う外部コントローラ力も構成される酵素センサーシステムである。 [0007] The present invention includes a circuit that resonates by radio waves supplied wirelessly from the outside, and an enzyme fuel cell that applies a potential to the circuit. Furthermore, a fuel cell is an enzyme fuel cell that uses an enzyme for the anode, where the potential (electromotive force) changes depending on the concentration of the substrate to be measured. In addition, a disposable sensor chip consisting of a resonance circuit that converts the change in electromotive force of the enzyme fuel cell into a change in resonance frequency is used, and this is used for external force control, display, and radio wave transmission. It is an enzyme sensor system that also comprises the power of an external controller for receiving.
[0008] また、燃料電池の起電力に応答し、その電位の変化をコンデンサの容量変化として 回路の共振周波数を変化させることを特徴としている。特にそのコンデンサとして、バ リキャップダイオードを用いた共振回路で構成されて 、る。 [0008] Further, in response to the electromotive force of the fuel cell, a change in the potential is used as a change in the capacitance of the capacitor to change the resonance frequency of the circuit. Particularly, the capacitor is constituted by a resonance circuit using a varicap diode.
[0009] 好ましくはそのアノードに用いる酵素は酸ィ匕還元酵素であり、特にグルコースを計 測対象とする場合は、グルコース酸ィ匕酵素あるいはグルコース脱水素酵素である。ま た、グルコース脱水素酵素としては補酵素としてピロ口キノリニンキノン (PQQ)あるい はフラビンアデ-ンジヌクレオチド (FAD)を含む酵素である。 [0009] Preferably, the enzyme used for the anode is acid oxidase, particularly when glucose is to be measured, glucose oxidase or glucose dehydrogenase. In addition, glucose dehydrogenase is an enzyme containing pyro-mouth quinolinine quinone (PQQ) or flavin adenine dinucleotide (FAD) as a coenzyme.
[0010] より具体的には、本発明は、アノードにおける酵素反応により生じる電子を、カソー ドにおいて電子受容体に渡すことにより生じる起電力により、基質の濃度を測定する ことを特徴とする酵素センサーである。 [0010] More specifically, the present invention relates to an enzyme sensor characterized in that the concentration of a substrate is measured by an electromotive force generated by passing electrons generated by an enzyme reaction at an anode to an electron acceptor at a cathode. It is.
[0011] また、本発明は、上記の酵素センサーであって、さらに発振回路を含み、該発振回 路における共振周波数が該起電力に基づいて変化し、該共振周波数を検出すること により基質の濃度を測定することを特徴とする、酵素センサーである。 [0011] Further, the present invention is the above-described enzyme sensor, further comprising an oscillation circuit, wherein a resonance frequency in the oscillation circuit changes based on the electromotive force, and the resonance frequency is detected to detect a substrate. An enzyme sensor characterized by measuring a concentration.
[0012] また、本発明は、外部から供給される電波により該共振周波数が検出されることを 特徴とする、上記の酵素センサーである。 [0012] The present invention is the enzyme sensor described above, wherein the resonance frequency is detected by a radio wave supplied from the outside.
[0013] また、本発明は、アノードにおける基質濃度に依存した起電力変化が、発振回路に おける共振周波数を変化させることを特徴とする、上記の酵素センサーである。 [0013] Further, the present invention is the enzyme sensor described above, wherein the change in electromotive force depending on the substrate concentration at the anode changes the resonance frequency in the oscillation circuit.
[0014] また、本発明は、起電力変化をコンデンサ容量の変化として変換する共振回路を 用いることを特徴とする、上記の酵素センサーである。 [0014] Further, the present invention is the enzyme sensor described above, characterized by using a resonance circuit that converts a change in electromotive force into a change in capacitor capacitance.
[0015] また、本発明は、起電力変化をコンデンサ容量の変化として変換するためにバリキ ヤップダイオードを用いることを特徴とする、上記の酵素センサーである。 [0015] Further, the present invention is the above-mentioned enzyme sensor, characterized by using a barrier diode to convert a change in electromotive force into a change in capacitor capacitance.
[0016] また、本発明は、外部力 ワイヤレスで供給される電波により共振する回路を含むこ とを特徴とした酵素センサーであって、 [0016] Further, the present invention relates to an enzyme sensor including a circuit that resonates with a radio wave supplied wirelessly by an external force,
[0017] 該回路の共振周波数が回路に印加される電位に依存して変化し、 [0017] The resonance frequency of the circuit changes depending on the potential applied to the circuit,
[0018] 該電位の変化が、アノードに酵素を用いる酵素燃料電池の起電力の変化により 生じ、 [0018] The change in the potential is caused by a change in electromotive force of an enzyme fuel cell using an enzyme as an anode,
[0019] 該起電力の変化が、測定対象基質濃度に依存する、
酵素センサーである。 [0019] The change in the electromotive force depends on the concentration of the substrate to be measured, It is an enzyme sensor.
[0020] また、本発明は、アノード酵素としてグルコースを基質とする酵素を用いることを特 徴とする、上記の酵素センサーである。 [0020] The present invention is the above-mentioned enzyme sensor, characterized by using an enzyme using glucose as a substrate as an anode enzyme.
[0021] また、本発明は、酵素がグルコース酸ィ匕酵素であることを特徴とする、上記の酵素 センサーである。 [0021] The present invention also provides the enzyme sensor described above, wherein the enzyme is a glucose oxidase.
[0022] また、本発明は、酵素がグルコース脱水素酵素であることを特徴とする、上記の酵 素センサーである。 [0022] Further, the present invention is the above enzyme sensor, wherein the enzyme is glucose dehydrogenase.
[0023] また、本発明は、グルコース脱水素酵素が補酵素としてピロ口キノリンキノンを保有 することを特徴とする、上記の酵素センサーである。 [0023] Further, the present invention is the above enzyme sensor, wherein the glucose dehydrogenase has pyroquinoline quinone as a coenzyme.
[0024] また、本発明は、グルコース脱水素酵素が補酵素としてフラビンアデ-ンジヌクレオ チド (FAD)を保有することを特徴とする、上記の酵素センサーである。 図面の簡単な説明 [0024] Further, the present invention is the above-mentioned enzyme sensor, wherein the glucose dehydrogenase has flavin adenyldinucleotide (FAD) as a coenzyme. Brief Description of Drawings
[0025] [図 1]図 1は、本発明の酵素燃料電池の構成図を表す。 FIG. 1 shows a configuration diagram of an enzyme fuel cell of the present invention.
[図 2]図 2は、本発明の燃料電池型ワイヤレス酵素センサーの回路図を表す。 FIG. 2 shows a circuit diagram of a fuel cell type wireless enzyme sensor of the present invention.
[図 3]図 3は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニット をアノード酵素に用いた酵素燃料電池の出力電流のグルコース濃度依存性を表す。 FIG. 3 shows the glucose concentration dependence of the output current of an enzyme fuel cell using the catalytic subunit of glucose dehydrogenase using FAD as a coenzyme of the present invention as an anode enzyme.
[図 4]図 4は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニット をアノード酵素に用いた酵素燃料電池の出力電圧のグルコース濃度依存性を表す。 FIG. 4 shows the glucose concentration dependence of the output voltage of an enzyme fuel cell using the catalytic subunit of glucose dehydrogenase using FAD of the present invention as a coenzyme as an anode enzyme.
[図 5]図 5は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニット をアノード酵素に用いた酵素燃料電池の出力のグルコース濃度依存性を表す。 FIG. 5 shows the glucose concentration dependence of the output of an enzyme fuel cell using the catalytic subunit of glucose dehydrogenase using FAD of the present invention as a coenzyme as an anode enzyme.
[図 6]図 6は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体をアノード 酵素に用いた酵素燃料電池の出力電流のグルコース濃度依存性を表す。 FIG. 6 shows the glucose concentration dependence of the output current of an enzyme fuel cell using the glucose dehydrogenase complex using FAD of the present invention as a coenzyme as an anodic enzyme.
[図 7]図 7は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体をアノード 酵素に用いた酵素燃料電池の出力電圧のグルコース濃度依存性を表す。 FIG. 7 shows the glucose concentration dependency of the output voltage of an enzyme fuel cell using the glucose dehydrogenase complex using FAD of the present invention as a coenzyme as an anode enzyme.
[図 8]図 8は、本発明の FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体をアノード 酵素に用!、た酵素燃料電池の出力のダルコース濃度依存性を表す。 [Fig. 8] Fig. 8 shows the dependence of the output of an enzyme fuel cell on the dulcose concentration when the glucose dehydrogenase complex of the present invention using FAD as a coenzyme was used as an anodic enzyme.
[図 9]図 9は、本発明の燃料電池型ワイヤレス酵素センサーのブロック図を表す。
[図 10]図 10は、本発明の燃料電池型ワイヤレス酵素センサー (信号増幅部 (アンプ) を含む)のブロック図を表す。 FIG. 9 shows a block diagram of a fuel cell type wireless enzyme sensor of the present invention. FIG. 10 shows a block diagram of a fuel cell type wireless enzyme sensor (including a signal amplifier (amplifier)) of the present invention.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0026] 本発明のアノードに用いる酵素としては、種々の酸ィ匕還元酵素を用いることができ る。例えば FADを補酵素とするアルコール、グルコース、コレステロール、フルクトシ ルァミン、グリセリン、尿酸の酸化酵素、 FADを補酵素とするアルコール、グルコース 、グリセリンの脱水素酵素、 PQQを補酵素とするアルコール、グルコース、グリセリン の脱水素酵素などがあげられる。特にグルコースを測定対象とする場合はグルコース 酸ィ匕酵素や FADあるいは PQQを補酵素とするグルコース脱水素酵素が望ま 、。 これは、該酵素を産生する微生物、細胞から単離精製した酵素でもよぐ大腸菌など で組換え生産された酵素でもよ ヽ。 [0026] As the enzyme used for the anode of the present invention, various acid reductases can be used. For example, alcohol, glucose, cholesterol, fructosylamine, glycerin, uric acid oxidase with FAD as coenzyme, alcohol, glucose, glycerin dehydrogenase with FAD as coenzyme, alcohol, glucose, glycerin with PQQ as coenzyme Dehydrogenase. In particular, when glucose is to be measured, glucose dehydrogenase using glucose oxidase or FAD or PQQ as a coenzyme is desired. This may be a microorganism producing the enzyme, an enzyme isolated and purified from cells, or an enzyme recombinantly produced in E. coli or the like.
[0027] 本発明に用いる燃料電池は、酸ィ匕酵素あるいは脱水素酵素をアノードに固定して いることを特徴とする酵素燃料電池である。力ソードとしては、ピリルビン酸化酵素の ように酸素を還元する酵素を用いる電極、ある 、は適当な電子受容体を組み合わせ た電極でもよい。アノードは、酵素とともに電子受容体を含む構成とすることができる 。すなわち、酵素反応により得られた電子を人工電子受容体に渡し、これを電極上で 酸ィ匕するものでもよ ヽ。 [0027] The fuel cell used in the present invention is an enzyme fuel cell characterized in that an oxidase or a dehydrogenase is fixed to an anode. The force source may be an electrode using an enzyme that reduces oxygen, such as pyrilvin oxidase, or an electrode combining an appropriate electron acceptor. The anode can be configured to include an electron acceptor together with the enzyme. That is, an electron obtained by the enzymatic reaction may be passed to an artificial electron acceptor, and this may be oxidized on an electrode.
[0028] あるいはシトクロームを電子伝達サブユニットに有する酵素など、電極と直接電子移 動を行える脱水素酵素などは、人工電子受容体を添加しな ヽでアノードを構成する ことができる。アノードおよび力ソードの電極材料としては炭素電極、金電極、白金電 極などを用いることができる。アノードの人工電子受容体としては、特に限定されない 力 オスミウム錯体、ルテニウム錯体、フエナジンメトサルフェートおよびその誘導体な どを用いることができる。 [0028] Alternatively, a dehydrogenase that can transfer electrons directly to an electrode, such as an enzyme having cytochrome in the electron transfer subunit, can form an anode without adding an artificial electron acceptor. A carbon electrode, a gold electrode, a platinum electrode, or the like can be used as an electrode material for the anode and the force source. The artificial electron acceptor of the anode is not particularly limited, and examples thereof include an osmium complex, a ruthenium complex, phenazine methosulfate, and derivatives thereof.
[0029] 力ソードの酵素としては特に限定されないが、ピリルビン酸化酵素やラッカーゼが応 用できる。力ソードの人工電子受容体としては特に限定されないが、フェリシアン化力 リウム、 ABTSなどを用いることができる。 [0029] The enzyme of force sword is not particularly limited, but pyrylvin oxidase and laccase can be applied. The artificial electron acceptor of the force sword is not particularly limited, but potassium ferricyanide, ABTS and the like can be used.
[0030] 本発明にお 、てアノード用酵素としては種々の酸化酵素ある!/、は脱水素酵素を用 いることができる。特にグルコースを計測対象とした場合は、グルコース酸ィ匕酵素、 P
QQあるいは FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素を用いることができる。 [0030] In the present invention, various oxidases can be used as the anode enzyme! /, And dehydrogenase can be used. In particular, when measuring glucose, glucose oxidizing enzyme, P Glucose dehydrogenase using QQ or FAD as a coenzyme can be used.
[0031] 本発明において酵素を電極に装着する方法としては、そのままカーボンペーストな どの電極材料と混合して用いるものが挙げられる。あるいは、一般の酵素固定化方 法を用いて、固定ィ匕酵素を調製したあとに電極上に装着することもできる。例えば、 両者を混合した後に、ダルタルアルデヒドなどの二架橋性試薬で架橋処理する、光 架橋性ポリマーや導電性ポリマーや酸ィ匕還元ポリマーなどの合成ポリマーあるいは 天然高分子マトリックス中に包括固定する方法があげられる。このようにして調製した 混合蛋白質を、カーボンペーストと混合あるいはカーボンペーストと混合した後にさら に架橋処理することにより調製した混合物を、カーボンあるいは金、あるいは白金な どで構成される電極上に装着する。 In the present invention, as a method for attaching an enzyme to an electrode, a method in which an enzyme is directly mixed with an electrode material such as a carbon paste is used. Alternatively, the immobilized enzyme may be prepared and then mounted on an electrode using a general enzyme immobilization method. For example, after mixing the two, cross-linking treatment is performed with a di-crosslinking reagent such as daltaraldehyde, and the mixture is immobilized in a synthetic polymer such as a photo-crosslinkable polymer, a conductive polymer, or an acid-reducing polymer, or a natural polymer matrix. There is a method. The mixed protein thus prepared is mixed with the carbon paste or mixed with the carbon paste and then subjected to a crosslinking treatment, and the mixture prepared is mounted on an electrode made of carbon, gold, platinum, or the like. .
[0032] さらに、このようにして電極上に酵素を装着するときに、同時に人工電子受容体を 固定することも可能である。典型的には、 FADを補酵素とするグルコース脱水素酵 素、 FADGDHとメトキシフエナジンメトサルフェート(mPMS)とを混合し、これをさら にカーボンペーストと混合した後に凍結乾燥する。これをカーボン電極上に装着し、 その状態でダルタルアルデヒド水溶液に浸し、蛋白質を架橋し、酵素電極を作成す る。 [0032] Further, when the enzyme is mounted on the electrode in this way, the artificial electron acceptor can be immobilized at the same time. Typically, glucose dehydrogenase using FAD as a coenzyme, FADGDH, and methoxyphenazine methosulfate (mPMS) are mixed, further mixed with a carbon paste, and then freeze-dried. This is mounted on a carbon electrode, and immersed in an aqueous solution of daltaraldehyde in that state to crosslink the protein and create an enzyme electrode.
[0033] 本発明に用いる酵素燃料電池は、計測対象を基質とする酸化あるいは脱水素控訴 をアノード電極に固定する。力ソードには、酸素還元酵素を固定する。このようにして 作製した電極をアノードおよび力ソード用電極とし、アノードは例えば m-PMSを人 ェ電子受容体として、また、力ソードには例えば、 ABTSを人工電子受容体とできる。 両極間を可変抵抗器でつな ヽで電池を構築し、測定対象基質を含む試料を添加す ることによって、得られた電流値あるいは電圧値が計測される。 [0033] In the enzyme fuel cell used in the present invention, oxidation or dehydrogenation appeal using the measurement object as a substrate is fixed to the anode electrode. An oxygen reductase is immobilized on the force sword. The electrode thus prepared is used as an anode and an electrode for a force source. For the anode, for example, m-PMS can be used as a human electron acceptor, and for the force source, for example, ABTS can be used as an artificial electron acceptor. A battery is constructed by connecting a variable resistor between the two electrodes, and the resulting current or voltage value is measured by adding a sample containing the substrate to be measured.
[0034] 特に、試料添加によって、基質濃度依存的に電圧値が変化し、この電圧値によつ て、共振回路を構成するバリキャップダイオードのコンデンサ容量が変化し、結果とし て共振周波数が変化する。外部から適当な電波を供給し、共振する周波数を検索す ることにより、該基質の濃度を計測できる。すなわち、あらかじめ共振する周波数と基 質濃度との相関を記録し、それにもとづく校正曲線を作成し、観測される共振周波数 から未知試料の基質濃度を測定できる。
[0035] たとえば、グルコースを対象基質として計測するときは FADGDH、 Myrothecium sp.由来ピリルビン酸化酵素(Bilirubin Oxidase ; BOD) (天野ェンザィム社提 供)をカーボンペーストと混合して凍結乾燥後、カーボンペースト電極の表面に充填 し、 1%ダルタルアルデヒドで架橋処理してそれぞれ、酵素が固定されたアノードおよ び力ソードを調製する。このようにして作製した電極をアノードおよび力ソード用電極 とし、アノードは m— PMSを電子メディエータまた、力ソードは ABTSを電子メデイエ ータとする。両極間を可変抵抗器でつないで電池を構築し、グルコースを含む試料 を添加することによって、濃度依存的に電流値および電圧値が変化する。これを共 振回路を用いて外部電波により計測することで、未知試料のグルコース濃度を計測 できる。 In particular, the addition of a sample changes the voltage value in a substrate concentration-dependent manner, and the voltage value changes the capacitance of the varicap diode constituting the resonance circuit, resulting in a change in the resonance frequency. I do. By supplying an appropriate radio wave from the outside and searching for the resonating frequency, the concentration of the substrate can be measured. That is, the correlation between the resonance frequency and the substrate concentration is recorded in advance, a calibration curve is created based on the correlation, and the substrate concentration of the unknown sample can be measured from the observed resonance frequency. [0035] For example, when measuring glucose as a target substrate, FADGDH, Myrothecium sp.-derived pyrilrubin oxidase (BOD) (provided by Amano Enzym) is mixed with a carbon paste, lyophilized, and then lyophilized. The surface is then filled and cross-linked with 1% dataraldehyde to prepare the enzyme-immobilized anode and force sword, respectively. The electrode thus produced is used as an anode and an electrode for a force sword. The anode is an m-PMS as an electronic mediator, and the force sword is an ABTS as an electronic mediator. By constructing a battery by connecting both electrodes with a variable resistor and adding a sample containing glucose, the current value and voltage value change in a concentration-dependent manner. By measuring this with an external radio wave using a resonance circuit, the glucose concentration of the unknown sample can be measured.
[0036] 以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に 限定されるものではない。 実施例 1 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Example 1
[0037] < FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニットをアノードに用いた 酵素燃料電池の構築 > <Construction of an enzyme fuel cell using a glucose dehydrogenase catalytic subunit using FAD as a coenzyme as the anode>
[0038] FADを補酵素とする耐熱性のグルコース脱水素酵素触媒サブユニットを既報に従 い調製し、アノード電極を固定した。酵素は大腸菌を用いて組換え生産したものを用 ヽた。アノード反応液 ίま lOOmM p. p. b. (pH7. 0)、 200 mM m— PMS 50 ^ ほたは 100 1 (終濃度; ImMまたは 2 mM)、 2Mグルコース 100 1 (終濃度; 20 mM)を混合し全量を 10 mlとした。 [0038] A heat-resistant glucose dehydrogenase catalytic subunit using FAD as a coenzyme was prepared according to a previous report, and the anode electrode was fixed. The enzyme used was recombinantly produced using Escherichia coli. Anode reaction solution lOOmM ppb (pH 7.0), 200 mM m— PMS 50 ^ Approx. 100 1 (final concentration; ImM or 2 mM), 2M glucose 100 1 (final concentration; 20 mM) To 10 ml.
[0039] 力ソード電極は Myrothecium sp.由来ビリルビン酸化酵素(Bilirubin Oxidas e ;BOD) (天野ェンザィム社提供)をカーボンペースト 20mgと混合し凍結乾燥した。 用いる酵素量は以前の報告により 50Uとした。これをよく混合した後、すでにカーボ ンペーストが約 40mg充填されたカーボンペースト電極の表面だけに充填し、濾紙上 で研磨した。これらの電極を、 1%のグルタルアルデヒドを含む 10mM MOPS buf fer (pH7. 0)中で 30分室温で撹拌し、さらに lOmM Tris buffer (pH7. 0)中で 2 0分室温で攪拌した。この電極は lOmM MOPS buffer (pH7. 0)中で 1時間以
上室温で撹拌し、平衡化した。測定時以外は 10mM MOPS buffer (pH7. 0)中 で、 4°Cで保存した。このようにして作製した BOD電極、力ソード反応溶液は 100m M p. p. b. (pH7. 0) 9800 1、 25mM ABTS 200 1 (終濃度; 0. 5mM)を混 合し全量を 10mMとして用いた。各電極、反応溶液をアノード、力ソードそれぞれ別 の恒温セルにセットし、両セル間を塩橋(2. 17M KC1溶液を 30%ァガロースで固 めたもの)でつないで電池を構築した。各電極間には可変抵抗器、デジタルマルチメ ータを接続した(図 1)。測定は 25°Cで行なった。また可変抵抗器にて負荷を 1 Ωから 1M Ωまで段階的に変化させ、そのとき得られる電流値と電圧値をデジタルマルチメ ータで測定した。アノード、力ソードとデジタルマルチメータは電流値測定の際には直 列に、電圧測定の際には並列につないで測定した。電力は電流値と電圧値の積によ つて求めた。 実施例 2 The force source electrode was prepared by mixing Myrothecium sp.-derived bilirubin oxidase (Bilirubin Oxidase; BOD) (provided by Amano Enzym) with 20 mg of carbon paste and freeze-drying. The amount of enzyme used was 50 U according to a previous report. After mixing this well, it was filled only on the surface of the carbon paste electrode already filled with about 40 mg of carbon paste, and polished on filter paper. These electrodes, and stirred at 10mM MOPS buf fer (pH7. 0 ) 30 min in room temperature with 1% glutaraldehyde, further lOmM Tris buffer (pH 7. 0 ) was stirred at 2 0 min at room temperature in. This electrode is kept in lOmM MOPS buffer (pH 7.0) for 1 hour or less. Stir at room temperature to equilibrate. Except during measurement, the cells were stored at 4 ° C in 10 mM MOPS buffer (pH 7.0). The thus prepared BOD electrode and force sword reaction solution were mixed with 100 mM ppb (pH 7.0) 98001 and 25 mM ABTS 2001 (final concentration; 0.5 mM), and the total amount was used as 10 mM. The electrodes and the reaction solution were set in separate thermostat cells for the anode and the power source, and the cells were connected by a salt bridge (a 2.17M KC1 solution solidified with 30% agarose) to construct a battery. A variable resistor and digital multimeter were connected between each electrode (Fig. 1). The measurement was performed at 25 ° C. The load was changed stepwise from 1 Ω to 1 MΩ with a variable resistor, and the resulting current and voltage values were measured with a digital multimeter. The anode, force sword and digital multimeter were connected in series for current measurement and connected in parallel for voltage measurement. The power was determined by the product of the current value and the voltage value. Example 2
[0040] < FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニットをアノードに用いた 酵素燃料電池型の酵素センサーの構築およびグルコースの計測 > <Construction of Enzyme Fuel Cell-Type Enzyme Sensor Using GAD Dehydrogenase Catalytic Subunit Using FAD as Coenzyme for Anode and Measurement of Glucose>
20Uの触媒サブユニットを固定したアノード電極を用いた酵素燃料電池において、 m— PMS濃度を 2mMとして電池を構築した。抵抗値 (40k Ω )の負荷をかけ、ァノー ドのグルコース濃度を OmM力も段階的に増カロさせ、各グルコース濃度にて得られる 電流値、電圧値をデジタルマルチメータで測定して電力を算出した。また、電流密度 および電力密度は電極表面積(7. 1 X 10"2cm2)に対する得られた電流値および電 力値の商により求めた。 A cell was constructed with an m-PMS concentration of 2 mM in an enzyme fuel cell using an anode electrode on which a 20 U catalytic subunit was fixed. A load of resistance (40 kΩ) was applied, the glucose concentration of the anode was gradually increased by the OmM force, and the current and voltage values obtained at each glucose concentration were measured with a digital multimeter to calculate the power. . The current density and the power density were determined by the quotient of the obtained current value and power value with respect to the electrode surface area (7.1 × 10 ″ 2 cm 2 ).
[0041] FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素触媒サブユニット 20Uを固定した電池 の電流、電圧ならびに電力のグルコース濃度依存性を図 3、 4、 5に示す。グルコース の添カ卩により電力が得られ、グルコース濃度依存的に電力が増加した。このように本 酵素燃料電池の出力から未知試料のグルコース濃度を計測できる。 実施例 3 [0041] Figures 3, 4 and 5 show the glucose concentration dependence of the current, voltage and power of the battery in which the glucose dehydrogenase catalytic subunit 20U using FAD as a coenzyme is immobilized. Electric power was obtained by the addition of glucose, and the electric power increased in a glucose concentration-dependent manner. Thus, the glucose concentration of the unknown sample can be measured from the output of the present enzyme fuel cell. Example 3
[0042] <FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体をアノードに用いた酵素燃料
電池の構築 > <Enzyme Fuel Using Glucose Dehydrogenase Complex Using FAD as Coenzyme for Anode Battery construction>
[0043] FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体を固定した電極をアノードに用 V、た燃料電池を構築した。グルコース脱水素酵素複合体 20U (290 μ g)をカーボン ペースト 20mgと混合し凍結乾燥した。これをよく混合した後、あらかじめカーボンぺ 一ストが約 40mg充填されたカーボンペースト電極の表面に充填し、濾紙上で研磨し た。これらの電極を、 1%のグルタルアルデヒドを含む lOOmM p. p. b. (pH7. 0) 中で 30分室温で撹拌し、さらに lOmM Tris buffer (pH7. 0)中で 20分室温で攪 拌した。これらの電極は lOOmM p. p. b. (pH7. 0)中で 1時間以上室温で撹拌し た。この電極は測定時以外は lOOmM p. p. b. (pH7. 0)中で、 4°Cで保存した。 アノード反応液 ίま lOOmM p. p. b. (pH7. 0) 9700 μ 200mM m— PMS 1 00 1 (終濃度; 2mM)、 2M グルコース(終濃度; 40mM)を混合し全量を 10mlとし 、力ソード電極は上記で作製した BOD電極、力ソード反応溶液は lOOmM p. p. b . (pH7. 0) 9800 μ 25mM ABTS 200 /z 1 (終濃度; 0. 5mM)を混合し全 量を 10mMとして用いた。各電極、反応溶液をアノード、力ソードそれぞれ別の恒温 セルにセットし、両セル間を塩橋(2. 17M KC1溶液を 30%ァガロースで固めたもの )でつないで電池を構築した。各電極間には可変抵抗器、デジタルマルチメータを接 続した。測定は 25°Cで行なった。また、可変抵抗器にて負荷を 1 Ω力も 1Μ Ωまで段 階的に変化させ、そのとき得られる電流値と電圧値をデジタルマルチメータで測定し た。アノード、力ソードとデジタルマルチメータは電流値測定の際には直列に、電圧 測定の際には並列につないで測定した。電力は電流値と電圧値の積によって求めた [0043] A fuel cell was constructed in which an electrode on which a glucose dehydrogenase complex having FAD as a coenzyme was immobilized was used as an anode. 20 U (290 μg) of glucose dehydrogenase complex was mixed with 20 mg of carbon paste and freeze-dried. After mixing well, the surface of the carbon paste electrode previously filled with about 40 mg of carbon paste was filled and polished on filter paper. These electrodes were stirred in lOOmM p.p.b. (pH 7.0) containing 1% glutaraldehyde for 30 minutes at room temperature, and further stirred in lOmM Tris buffer (pH 7.0) for 20 minutes at room temperature. These electrodes were stirred at room temperature in lOOmM p.p.b. (pH 7.0) for 1 hour or more. This electrode was stored at 100C in lOOmM p.p.b. (pH 7.0) except during measurement. Anode reaction solution PuOmM ppb (pH 7.0) 9700 μ 200 mM m—PMS 1001 (final concentration; 2 mM), 2M glucose (final concentration; 40 mM) were mixed to make a total volume of 10 ml. The prepared BOD electrode and force sword reaction solution were mixed with 100 mM pp b. (PH 7.0) 9800 μ25 mM ABTS 200 / z 1 (final concentration; 0.5 mM) to make the total amount 10 mM. Each electrode and reaction solution were set in a separate thermostat cell for the anode and the power source, and the cells were connected by a salt bridge (a 2.17M KC1 solution solidified with 30% agarose). A variable resistor and digital multimeter were connected between each electrode. The measurement was performed at 25 ° C. The load was varied stepwise from 1 Ω to 1ΜΩ with a variable resistor, and the resulting current and voltage values were measured with a digital multimeter. The anode, force sword, and digital multimeter were connected in series for current measurement, and connected in parallel for voltage measurement. Power was obtained by multiplying current and voltage
実施例 4 Example 4
[0044] <FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体をアノードに用いた酵素燃料 電池型の酵素センサーの構築およびグルコースの計測 > <Construction of Enzyme Fuel Cell Type Enzyme Sensor Using Glucose Dehydrogenase Complex Using FAD as Coenzyme for Anode and Measurement of Glucose>
[0045] 抵抗値の負荷 40k Ωをかけ、アノードのグルコース濃度を OmMカゝら段階的に増加 させ、各グルコース濃度にて得られる電流値、電圧値をデジタルマルチメータで測定 して電力を算出した。 FADを補酵素とするグルコース脱水素酵素複合体 20Uを固定
した電池の電流、電圧ならびに電力のグルコース濃度依存性を図 6、 7、 8に示す。グ ルコースの添カ卩により電力が得られ、グルコース濃度依存的に電力が増加した。この ように本酵素燃料電池の出力から未知試料のグルコース濃度を計測できる。 [0045] A resistance load of 40kΩ is applied, the glucose concentration at the anode is increased stepwise from OmM, and the current and voltage values obtained at each glucose concentration are measured with a digital multimeter to calculate the power. did. Immobilize glucose dehydrogenase complex 20U with FAD as coenzyme Figures 6, 7, and 8 show the glucose concentration dependence of the battery current, voltage and power. Electric power was obtained by the addition of glucose, and the electric power increased in a glucose concentration-dependent manner. Thus, the glucose concentration of the unknown sample can be measured from the output of the present enzyme fuel cell.
産業上の利用可能性 Industrial applicability
本発明によりワイヤレスで連続的に基質の濃度が計測できかつ、電源を含まない酵 素センサーの新 、原理を提供する。
The present invention provides a new principle of an enzyme sensor that can continuously measure the concentration of a substrate wirelessly and does not include a power source.