JPH0198955A - 酵素電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、酵素反応により生じた酸素濃度の変動に基
づいて、特定化学物質濃度の検出を行う酵素電極に関し
、詳しく言えば、量産化、高性能化及び取扱い容易化を
可能とする酵素電極に関する。

（ロ）従来の技術 酵素電極は、被検査液中に浸漬され、酵素反応に伴う、
反応物、生成物量の変動を電気化学的に測定することに
より、酵素の基質たる特定化学物質の濃度を検出するこ
とを可能とするものであり、上記反応物、生成物量を測
定する下地電極に、酵素を固定化した膜を装着してなる
ものである。

従来の酵素電極のうち、下地電極として酸素電極として
用い、酸素濃度の変動に基づいて、特定化学物質濃度を
測定する酵素電極としては、第７図に断面を示すものが
知られている。

５２は、作用電極であり、線状の（例えば直径０．５〜
１．０ｍｍ）の白金（ｐｔ　）よりなる。この作用電極
５２は、サポート部材５３により絶縁されている。サポ
ート部材５３の端面ば、研削、研磨加工が施され、作用
電極５２の端面が露出し、作用電極反応面５２ａとされ
る。

５４は、対照電極であり、コイルバネ状の銀（Ａｇ　）
よりなる。この対照電極５４の表面には、塩化銀（Ａｇ
Ｃ１膜が形成されており、対照電極反応面５４ａとされ
る。

作用電極５２及び対照電極５４は、共に合成樹脂等より
なるケース５５に収納される。作用電極基端部５２ｂ及
び対照基端部５４ｂには、それぞれリード線５７．５７
がはんだ付は等の手段により接続されると共に、これら
がエポキシ樹脂５６により固められる。これより、作用
電極５２と対照電極５４が同軸状に配されて固定される
。この時、作用電極反応面５２ａは、ケース開口部５５
ａより外方に露出し、ケース端面５５ｂに揃う。

ケース端面５５ｂには、酸素透過性膜５９が先ず装着さ
れ、その上に重ねて固定化酵素膜６０が装着される。酸
素透過性膜５９には、テフロン膜、ポリエチレン膜等が
使用される。固定化酵素膜６０は、多孔性の高分子膜に
酵素を固定化してなるものである。酸素透過性膜５９及
び固定化酵素膜６０は、０リング５８により、ケース５
５に固定される。

ケース内部の空隙５５ｃには、ＩＭ又は４Ｍの塩化カリ
ウム（ＫＣｆｆｉ）溶液、あるいはＩＭ又は４Ｍの水酸
化カリウム（ＫＯＨ）溶液が電解液として封入される。

５５ｄは、この電解液の注入口である。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 上記従来の酵素電極は、その製造工程において、手作業
により１つずつ生産されており、大量生産が困難である
問題があった。この手作業は、微細な作業の連続であり
、例えば、作用電極５２と、対照電極５４を第７図に示
すように配して固定する作業、あるいは作用電極反応面
５２ａとケース端面５５ｂとを揃える作業は、高度の熟
練と細心の注意を要している。また、材料の損失、特に
電極材料の損失が大きく、歩留りが低いという問題点が
あった。この歩留りが低いこと、及び上記作業のため、
加工費がかかり、酵素電極の製造コストが上昇する問題
点もあった。ちなみに、この加工費は、製造コストの６
０％〜８０％を占めてい　　　゛る。

一方、上記従来の酵素電極５１は、使用時に、以下の問
題点を生じていた。第１に、電極出力が変動したり、ノ
イズが生じ、測定精度が低下する問題点があった。これ
は、作用電極反応面５２ａを生成する際に、研削、研磨
加工が適用されるが、この加工中にサポート部材５３中
に間隙、亀裂が生じ、この間隙、亀裂中に液体が侵入し
て生じるものである。また、酸素透過性膜５９及び固定
化酵素膜６０の密着の程度によっても電極出力が変動す
る。

第２に、個々の酵素電極間で電極出力のばらつきが生じ
る問題点があった。これは、作用電極反応面５２ａが、
上述のように手作業により生成されており、その面積に
ばらつきが生じるからである。

第３に、取扱いが煩雑であるという問題点があった。こ
れは、内部に電解液が封入されているため、ケース端面
５５ｂを下方に向けて使用しなければならないなど、電
極の使用態様に制限が加わるからである。また、酸素透
過性膜５９と固定化酵素膜６０を二枚重ねて使用するた
め、装着時に、これが破れるなどの取扱いの煩雑さを生
んでいた。

また、膜を二枚に重ねているため、応答速度が遅いとい
う問題点もあった。

この発明は、上記に鑑みなされたものであり、大量生産
可能でコストが低く、高性能で取り扱いの容易な酵素電
極の提供を目的としている。

（ニ）問題点を解決するための手段 この発明の酵素電極の構成を、実施例に対応する第１図
（ロ）及び第２図（６）を用いて説明すると、絶縁基台
２と、この絶縁基台表面２ａに形成され、互いに所定面
積比をなす反応部３ａ、４ａをそれぞれ有する２以上の
電極３．４と、少なくともこれら反応部３ａ、４ａを除
き電極３．４を被覆絶縁する感光性樹脂よりなる絶縁性
保護膜５と、絶縁基台表面２ａに一体に形成され、電極
反応部３ａ、４ａを被覆する固定化酵素膜９とを備え、
この固定化酵素膜内での酵素反応で生じる酸素濃度の変
動に基づいて、特定化学物質の濃度を検出するものであ
る。

（ホ）作用 この発明の酵素電極は、絶縁基台表面２ａに電極３．４
を設けるものであるが、大きな絶縁平板上に複数組の電
極及びこれらを被覆する絶縁性保護膜とを一括して設け
、この絶縁平板を分割して個々の絶縁基台とできるから
、酵素電極の大量生産が可能となる。

また、電極の形成には、真空蒸着、スパッタリング、印
刷等の膜形成技術が、絶縁性保護膜の形成には、ホトリ
ングラフイー技術が適用できるが、これらの技術の自動
化は周知で容易であるから、酵素電極の製造工程が自動
化でき、その加工費を低減することが可能である。

さらに、材料損失、特に電極材料の損失が小さくでき、
歩留りの向上が可能となる。この歩留りの向上及び加工
費の低減により、酵素電極の製造コストを低減すること
ができる。

一方、この発明の酵素電極におていは、製造工程中に電
極の研削、研磨が含まれないため、電極反応面周辺の絶
縁基台、絶縁保護膜に亀裂や間隙が生じず、これらに起
因するノイズが防止される。

また、電極反応部の面積は、ホトリソグラフィー技術を
適用して高精度で定めることができ、個々の酵素電極間
における出力のばらつきが解消される。

さらに、絶縁基台表面に固定化酵素膜が一体に形成され
るから、従来のように固定化酵素膜、酸素透過性膜を二
枚重ねて装着する必要がなくなり、取扱いが容易となる
と共に、固定化酵素膜の密着度の差異により生じる、電
極出力の変動が解消される。

加えて、電解液が不要であるから、使用の態様の制限が
なくなり、取扱いも容易となる。

（へ）実施例 この発明の一実施例を第１図乃至第６図に基づいて以下
に説明する。

この実施例に係る酵素電極は、酵素としてグルコースオ
キシダーゼ（ＣＯＤ）を用い、血液等の被検査液中のグ
ルコース濃度を測定するためのものである。この実施例
酵素電極を、製造工程を追いながら説明する。

第１図（ａ）は、アルミナセラミック板（絶縁平板）１
２の表面１２ａに、区画線１３、・・・・、１３を形成
した状態を示している。アルミナセラミック板１２は、
後に分割されて絶縁基板２を構成するものであり、例え
ばアルミナ９６％の、５０ｍｍＸ５０ｍｍ、厚さ０．４
　ｍｍのものが使用される。区画線１３は、レーザ加工
により形成される切れ目であり、その深さは、アルミナ
セラミック板１２の厚さの約１／２とされる〔第２図（
ａ）参照〕。なお、絶縁平板の材質及び形状、区画線の
形成方法は、上述のものに限定されず適宜設計変更可能
である。

アルミナセラミック板表面１２ａの、区画線１３で区切
られる区画１４、・・・・、１４には、−括して作用電
極３、・・・・、３が形成される〔第１図（ｂ）及び第
２図ら）参照〕。各作用電極３は、帯状（例えばｌＸ１
１ｍｍ、厚さ１５００人）の白金薄膜であり、メタルマ
スクを用いてスパッタリングにより形成される。

次に、区画１４、・・・・、１４に、−括して対照電極
４、・・・・、４が形成される〔第１図（Ｃ）及び第２
図（Ｃ）参照〕。各対照電極４は、帯状（ＩＸＩＩＭ、
厚さ１５００人）の銀薄膜であり、スパッタリング又は
真空蒸着により形成される。各区画１４には、作用電極
３と対照電極４の一対が形成されることとなる。

アルミナセラミック板表面１２ａ全面には、感光性ポリ
イミド樹脂（フォトニス：登録商標）が塗布されて感光
性樹脂膜１５が形成される〔第１図（ｄ）及び第２図（
ｄ）参照〕。この感光性樹脂膜１５は、感光性ポリイミ
ドに限定されないのはもちろんである。

感光性樹脂膜１５には、ホトマスク（図示せず）がかけ
られて露光した後、現像・リンスされ不要な部分が除去
され、各区画１４に、絶縁性保護膜５が形成される〔第
１図（ｅ）及び第２図（ｅ）参照〕。

絶縁性保護膜５は、作用電極３及び対照電極４を被覆絶
縁する。

絶縁性保護膜５には、窓部５ａａ、５ａｂ、５ｂａ、５
ｂｂが形成されている。窓部５ａａは、作用電極３の一
部を露出させて、作用電極反応面３ａとするもので、例
えば０．２Ｘ０．２ｎｖｎの大きさとされる。窓部５ｂ
ａは、対照電極４の一部を露出させて、対照電極反応面
４ａとするもので、例えば０．４Ｘ５．Ｏｍｍの大きさ
とされる。窓部５ａａと窓部５ｂａとの面積比は１：５
０とされている。

一方、窓部５ａｂ、５ｂｂは、それぞれ作用電極３及び
対照電極４の他の一部を露出させ、接続部３ｂ、４ｂと
するものである。

次に、アルミナセラミック板１２は区画線１３に沿って
分割され、個々の絶縁基板（絶縁基台）２とされる〔第
１図（ｆ）及び第２図（ｆ）参照〕。各々の絶縁基板２
の接続部３ｂ、４ｂには、導電性接着剤又ははんだを使
用して、リード線７．７が接続され、エポキシ樹脂６で
封止される。この状態のものでは、下地電極１０と呼ば
れる。

作用電極反応面３ａ上には、塩化銀膜８が形成されてい
る。この塩化銀膜８は、次のようにして形成される。ま
ず、対照電極反応面４ａを図示しない白金電極と共に、
０．１〜１．０Ｍの塩酸溶液（ＨＣｊ２）中に浸漬し、
０．１〜１０　ｍ　Ａ　／　ｃｒｎ−２の電流密度で電
解すればよい。対照電極反応面４ａに塩化銀ＩＪＨを形
成することは必ずしも必要でないが、酸素電極としては
良好な結果が得られる。

次に絶縁基台２表面には、固定化酵素膜９が形成される
。先ず、下地電極１０を、３％アセチルセルロース溶液
（アセトン：シクロヘキサノン−４：１）に浸漬し、デ
イツプコーティングにより第１のアセチルセルロース膜
９ａを形成する。

続いて、酵素層９ｂが形成される。この酵素層９ｂは、
微量の酵素溶液をマイクロピペット第１のアセチルセル
ロース膜９ａ上に滴下し、これを風乾させて形成される
。この酵素溶液は、グルコースオキシダーゼ２■を、０
．１Ｍリン酸緩衝液（ｐＨ６，０）１００μβに溶解し
たものと、同じリン酸緩衝液で調製された０、５％グル
タルアルデヒド溶液とを混合してなるものである。

さらに、下地電極１０には、第２のアセチルセルロース
膜９Ｃが形成される。この第２のアセチルセルロース膜
９ｃも、デイツプコーティングにより形成され、下地電
極１０を２％アセチルセルロース１ｍ（アセトン：エタ
ノール−４＝１）に浸漬して形成される。

次に、実施例酵素電極１の特性測定の結果を説明する。

第３図は、特性測定に使用された測定系２１を示してい
る。２２は、恒温槽であり、内部にｐ　Ｈ７，０に調製
された０、１Ｍリン酸緩衝液２３が、一定温度に保たれ
て貯溜されている。このリン酸緩衝液２３は、スター５
２４により撹拌される。２５は、このスター５２４の回
転子である。

酵素電極１のリード線７は、エレクトロン・メータ２６
に接続され、所定の印加電圧（この実施例の場合は一〇
、６Ｖ）が加えられる。エレクトロン・メータ２６には
、レコーダ２７が接続され、酵素電極１の電極出力（電
流値）が記録される。

第４図は、酵素電極１を構成する下地電極１０が酸素電
極として確実に挙動しているかを試験した結果を示して
いる。この試験では、測定系２Ｉのリン酸緩衝液２３中
に、ハイドロサルファイドナトリウム（Ｎ　ａ　ｚ　Ｓ
　ｚ　Ｏａ　）溶液を注入し、リン酸緩衝液２３のＮ　
ａ　２　Ｓ　ｔ　Ｏ４濃度を０．４ｍＭ及び０．８ｍＭ
にしている。リン酸緩衝液２３中の溶存酸素レベルは、
ＮａｚＳ、Ｏ，の還元作用により低下するが、電極出力
も、Ｎａ２５ｚ０４濃度に応じて減少する。すなわち、
下地電極１０が酸素電極として確実に挙動していること
が確認できる。なお、第４図横軸は、ＮａｚＳ２０ａ溶
液注入後の経過時間を示している。

第５図は、測定系２１のリン酸緩衝液２３を、いくつか
のグルコース濃度（■／ｄ１）とした時の、電極出力（
ｎＡ）をプロットしたものである。リン酸緩衝液２３を
、所定のグルコース濃度とするには、所定量のグルコー
ス溶液（例えば１００μ！！、）を注入する。この時、
固定化酵素膜９内で、この反応に伴う、酸素（０□）濃
度の変動に応じた電極出力が得られるのが、第５図に示
されている。

第５図中、各点を結ぶ線を検量線として、任意のグルコ
ース濃度を測定することができる。

第６図は、この実施例酵素電極の変形例を示している。

この変形例酵素電極３１は、先に述べた酵素電極１と比
較すると、絶縁基板３２の一表面３２ａに作用電極３３
を、他の表面３２ｂに作用電極２４を形成している点が
相違する。

作用電極３３は、白金薄膜よりなり、感光性樹脂からな
る絶縁性保護膜３５で被覆絶縁されている。この絶縁性
保護膜３５には、窓３５ａが設けられ、作用電極３３の
一部を反応面３３ａとしている。また、絶縁性保護膜３
５には、図示しないもう１つの窓部が設けられており、
作用電極３３の他の一部を接続部（図示せず）としてい
る。この接続部には、リード線３７が接続されて、エポ
キシ樹脂３６で封止される。

一方、対照電極３４は、銀薄膜よりなり、絶縁性保護膜
３５”で被覆絶縁されている。この絶縁保護膜３５゛に
も窓部３５”ａが設けられており、対照電極３４の一部
を露出させて反応面３４ａとしている。この反応面３４
ａ上には、塩化銀膜３８が重ねて形成されている点は、
先と同様である。

絶縁性保護膜３５′にも、やはりもう一つの図示しない
窓部が設けられており、対照電極３４の他の一部を露出
させて、接続部（図示せず）としている。この接続部に
もリード３７が接続され、エポキシ樹脂（図示せず）で
封止される。

絶縁基板３２には、固定化酵素膜３９が形成される。こ
の固定化酵素膜３９も、先と同様にデイツプコーティン
グにより形成される第１及び第２のアセチルセルロース
膜３９ａ、３９ｃと酵素層３９ｂとより構成されるもの
である。この変形例では絶縁基板３２の両面３２ａ、３
２ｂにそれぞれ作用電極３３、対照電極３４を形成して
いるから、−層の小形化を図ることができる。

なお、上記実施例では、固定化酵素膜に酵素として、グ
ルコースオキシグーゼを固定化しているが、酵素はこれ
に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。

（ト）発明の詳細 な説明したように、この発明の酵素電極は、大量生産が
可能である利点を有し、また、歩留まりを向上でき、製
造コストを低減できる利点を有している。

一方、この発明の酵素電極は、電極出力が安定し、ノイ
ズが少なく、高精度の測定を行える利点を有している。

また、個々の酵素電極間の電極出力のばらつきが解消で
きる利点を有している。さらに取扱いが容易であり、使
用の態様も制限されない利点をも有している。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図（ｂ）、第１図（Ｃ）、第１図（
ｄ）、第１図（ｅ）、第１図（ｆ）及び第１図（２）は
、この発明の一実施例に係る酵素電極の製造工程を説明
する図、第２図（ａ）は、第１図（ａ）中ＩＩａ−Ｉｌ
ａ線における要部断面図、第２図０））は、第１図（ｂ
）中ｎｂ−■ｂ線における要部断面図、第２図（Ｃ）は
、第１図（Ｃ）中■ｃ−Ｉｌｃ線における要部断面図、
第２図（ｄ）は、第１図（ｄ）中Ｉｒｄ−Ｉｒｄ線にお
ける要部断面図、第２図（ｅ）は、第１図（ｅ）中Ｕｅ
−Ｉｌｅ線における要部断面図、第２図（ｆ）は、第１
図げ）中１１ｆ−Ｉｆｆ線における断面図、第２図（９
）は、第１図（９）中Ｉｒｇ−ＩＩｇ線における断面図
、第３図は、同酵素電極の特性測定に使用された測定系
を説明する図、第４図は、同酵素電極を構成する下地電
極の特性を説明する図、第５図は、同酵素電極のグルコ
ース濃度と電極出力との関係を示す図、第６図（ａ）は
、同酵素電極の変形例を示す外観斜視図、第６図（ｂ）
は、第６図（ａ）中ｖｒｂ−ｖｒｂ線における断面図、
第７図は、従来の酵素電極の縦断面図である。 １・３１：酵素電極、２・３２：絶縁基板、３・３３：
作用電極、４・３４：対照電極、３ａ・３３ａ：作用電
極反応面、 ４ａ・３４ａ：対照電極反応面、 ５・３５・３５゛：絶縁性保護膜、 ９・３９：固定化酵素膜。 特許出願人　　　　　立石電機株式会社代理人　　弁理
士　　中　村　茂　信 第１図（ｆ） 第２図（ｆ） ａ　　　２ Ｑ　　○　　○　　ＯＯＯ。 ｃ’ｕ　　　ｏ　　　ｃｏ　　　Φ　　ぐ　　Ｏ」（Ｖ
ｕ）　　９罪？） （Ｖｕ）η丁噌扁 「（〜ＩＹ）　ＩＹ）ママ頃り】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基台と、この絶縁基台表面に形成され、互い
   に所定面積比をなす反応部をそれぞれ有する２以上の電
   極と、少なくともこれら反応部を除き前記電極を被覆絶
   縁する、感光性樹脂よりなる絶縁性保護膜と、前記絶縁
   基台表面に一体に形成され、前記電極反応部を被覆する
   固定化酵素膜とを備え、この固定化酵素膜内での酵素反
   応で生じる酸素濃度の変動に基づいて、特定化学物質の
   濃度を検出する酵素電極。