JPH021261B2 - - Google Patents

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JPH021261B2
JPH021261B2 JP56102816A JP10281681A JPH021261B2 JP H021261 B2 JPH021261 B2 JP H021261B2 JP 56102816 A JP56102816 A JP 56102816A JP 10281681 A JP10281681 A JP 10281681A JP H021261 B2 JPH021261 B2 JP H021261B2
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JP
Japan
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electrode
membrane
enzyme
platinum
glucose
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JP56102816A
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Japanese (ja)
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JPS585643A (en
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Shiro Nankai
Akihiro Imai
Takashi Iijima
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
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  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
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  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酵素の特異的触媒作用を受ける基質
に対して電気化学活性を有し、基質の濃度を迅速
かつ簡便に測定することが可能で、しかも繰り返
し使用することのできる酵素電極に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention has electrochemical activity toward a substrate that is subject to specific catalytic action of an enzyme, enables rapid and simple measurement of substrate concentration, and can be used repeatedly. The present invention relates to an enzyme electrode that can be used for various purposes.

酵素の有する特異的触媒作用を工業的に利用す
る試みの一例として、酵素反応系と電気化学反応
系を結びつけることにより、酵素と特異的に反応
する物質である基質の濃度を測定することが試み
られている。その一例として以下の(1)、(2)式に示
す様に、酸素を水素受容体とする酸化還元酵素、
例えばグルコースオキシダーゼの作用により、基
質例えばグルコースが酸化されてH2O2が生成し、
次にこのH2O2を白金電極などを用いて酸化し、
この時得られる酸化電流値からグルコースの濃度
を知ることができる。
As an example of an attempt to industrially utilize the specific catalytic action of enzymes, an attempt was made to measure the concentration of a substrate, a substance that specifically reacts with enzymes, by linking an enzyme reaction system and an electrochemical reaction system. It is being As an example, as shown in the following formulas (1) and (2), an oxidoreductase that uses oxygen as a hydrogen acceptor,
For example, due to the action of glucose oxidase, a substrate such as glucose is oxidized to produce H 2 O 2 ,
Next, this H 2 O 2 is oxidized using a platinum electrode etc.
The concentration of glucose can be determined from the oxidation current value obtained at this time.

グルコース+O2グルコースオキシダー
ゼ ―――――――――――→ グルコノラクトン+H2O2 ……(1) H2O2→2H++2e+O2 ……(2) この原理を応用して繰り返し使用可能な基質濃
度測定用の酵素電極を構成するには、水溶性であ
る酵素を白金電極上またはその近傍に固定化する
必要がある。一方、この様な酵素電極を用いて基
質濃度を測定するにあたつては、被検物中に含ま
れる妨害物質が問題となる。例えば、血液中のグ
ルコースを測定する際には、その中に含まれる尿
酸、アスコルビン酸などの各種の共存物質が白金
電極上で直接電気化学的に酸化される。すなわ
ち、前記(2)式に示したH2O2の電極上での酸化の
際に、これら共存物質が同時に酸化されるため、
得られる電流値に誤差を与えることになる。
Glucose + O 2 Glucose Oxidase――――――――――→ Gluconolactone + H 2 O 2 …(1) H 2 O 2 →2H + +2e+O 2 …(2) Repeat by applying this principle In order to construct a usable enzyme electrode for measuring substrate concentration, it is necessary to immobilize a water-soluble enzyme on or near a platinum electrode. On the other hand, when measuring the substrate concentration using such an enzyme electrode, interfering substances contained in the sample become a problem. For example, when measuring glucose in blood, various coexisting substances contained therein, such as uric acid and ascorbic acid, are directly electrochemically oxidized on a platinum electrode. In other words, when H 2 O 2 is oxidized on the electrode as shown in equation (2) above, these coexisting substances are oxidized at the same time.
This will give an error to the obtained current value.

この様な妨害物質に対する対策の従来例として
は次のものがある。
Conventional examples of countermeasures against such interfering substances include the following.

(1) 2つの白金電極を使用し、一方の電極にのみ
酵素を固定化しておき、両方の電極で得られる
電流値を差し引くことにより、妨害物質の影響
を補償する。
(1) Two platinum electrodes are used, the enzyme is immobilized on only one electrode, and the influence of interfering substances is compensated for by subtracting the current values obtained from both electrodes.

(2) シリコーンゴム、セルロースアセテートなど
からなる妨害物質を阻止するための膜を白金電
極の前面(被検液側)に配置することにより、
尿酸、アスコルビン酸が白金電極へ拡散するの
を阻止する。
(2) By placing a membrane made of silicone rubber, cellulose acetate, etc. to block interfering substances in front of the platinum electrode (test liquid side),
Prevents uric acid and ascorbic acid from diffusing into the platinum electrode.

上記方法において、(1)では2つの白金電極の応
答性をうまく釣り合わせるのが大変困難であると
いう欠点を有する。また(2)の方法は簡単である
が、セルロースアセテートなどからなる膜そのも
のを使用するため、膜を使用しない場合と比較し
て、応答電流の低下(感度の低下)や応答速度の
低下は避けられないものであつた。
In the above method, (1) has the drawback that it is very difficult to balance the responsivity of the two platinum electrodes. In addition, method (2) is simple, but because it uses the membrane itself made of cellulose acetate, it avoids a decrease in response current (decrease in sensitivity) and a decrease in response speed compared to when no membrane is used. It was something I couldn't do.

そこで、本発明者らは、以上に述べた諸点につ
いて改良すべく種々検討を重ねた結果、優れた特
性を有する酵素電極を見い出した。本発明の酵素
電極の特徴は、多孔質膜を用い、この膜の孔中あ
るいはさらに一方の膜面上にアセチルセルロース
層を形成し、他方の膜面上に直接白金等をコーテ
イングすることにより、過酸水素検知用電極を形
成し、他の膜面上に酵素を固定化した点にある。
すなわち、1枚の多孔質膜上に白金電極、固定化
酵素層、さらに尿酸、アスコルビン酸を阻止する
ためのアセチルセルロース層が各々形成されてい
る。
Therefore, the present inventors conducted various studies to improve the above-mentioned points, and as a result, they discovered an enzyme electrode with excellent characteristics. The enzyme electrode of the present invention is characterized by using a porous membrane, forming an acetyl cellulose layer in the pores of this membrane or on one membrane surface, and directly coating platinum etc. on the other membrane surface. The point is that an electrode for detecting hydrogen peroxide is formed and the enzyme is immobilized on the other membrane surface.
That is, a platinum electrode, an immobilized enzyme layer, and an acetyl cellulose layer for blocking uric acid and ascorbic acid are each formed on one porous membrane.

第1図に本発明の酵素電極の構成例を断面模式
図で示す。図中1は担体となる多孔質膜であり、
膜の孔中と膜面上にアセチルセルロース層2が形
成されている。膜面のアセチルセルロース層の上
に固定化酵素層3を形成し、反対側の膜面上に蒸
着、スパツタリングなどにより例えば白金などの
薄層4を形成し、全体として1枚の薄膜状として
いる。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the structure of the enzyme electrode of the present invention. In the figure, 1 is a porous membrane that serves as a carrier.
An acetylcellulose layer 2 is formed in the pores of the membrane and on the membrane surface. An immobilized enzyme layer 3 is formed on the acetyl cellulose layer on the membrane surface, and a thin layer 4 of, for example, platinum is formed on the opposite membrane surface by vapor deposition, sputtering, etc., so that the whole is in the form of one thin film. .

この酵素電極を使用する際には、過酸化水素検
知用電極4に対して固定化酵素層3が被検液側に
なるように配置する。被検液中の基質は酵素の作
用でH2O2を生成し、このH2O2は膜中を拡散して
反対側の過酸化水素検知用電極4でアノード電流
として検出される。一方、尿酸、アスコルビン酸
などが共存する場合、これらの妨害物質の拡散
は、アセチルセルロース層の働きで阻止されるた
め、過酸化水素検知用電極まで到達するのは困難
である。
When using this enzyme electrode, it is arranged so that the immobilized enzyme layer 3 is on the test liquid side with respect to the hydrogen peroxide detection electrode 4. The substrate in the test solution generates H 2 O 2 by the action of the enzyme, and this H 2 O 2 diffuses through the membrane and is detected as an anode current by the hydrogen peroxide detection electrode 4 on the opposite side. On the other hand, when uric acid, ascorbic acid, etc. coexist, the diffusion of these interfering substances is blocked by the acetyl cellulose layer, making it difficult for them to reach the hydrogen peroxide detection electrode.

この様に、本発明の酵素電極は、妨害物質の影
響を効果的に減ずることができるとともに、過酸
化水素検知用電極を膜に直接形成しており、全体
として薄膜状であるので、応答速度、応答感度に
優れており、また使用中の膜の伸縮、変形等によ
つても応答特性はほとんど影響されず、安定した
応答を得ることができる。
In this way, the enzyme electrode of the present invention can effectively reduce the influence of interfering substances, and since the hydrogen peroxide detection electrode is formed directly on the membrane and the entire membrane is thin, the response speed is , it has excellent response sensitivity, and the response characteristics are hardly affected by expansion, contraction, deformation, etc. of the membrane during use, and a stable response can be obtained.

使用する酵素は1種類に限定されることはな
く、酸素反応に際してH2O2を生成するものであ
れば複合酵素系であつても良い。また膜面上に形
成する過酸化水素検知用電極としては、白金以外
に、ルテニウムあるいはこれらの酸化物など、す
でに述べた目的に合う金属、金属酸化物であれば
良い。
The enzyme used is not limited to one type, and may be a complex enzyme system as long as it generates H 2 O 2 during the oxygen reaction. Further, as the hydrogen peroxide detection electrode formed on the membrane surface, any metal or metal oxide other than platinum, such as ruthenium or oxides thereof, may be used as long as it meets the purpose described above.

担体として用いる多孔質膜としては、膜上に過
酸化水素検知用電極を形成することができ、水溶
液中での使用に際して、白金等との密着性が損な
われない様な材質のものが良い。この様な多孔質
膜としては、ポリカーボネート、ポリエチレン、
ポリプロピレン等の水に対して膨潤性を有しない
多孔質膜が最適である。
The porous membrane used as a carrier is preferably made of a material on which an electrode for detecting hydrogen peroxide can be formed and which does not impair adhesion to platinum or the like when used in an aqueous solution. Such porous membranes include polycarbonate, polyethylene,
Porous membranes that do not swell with water, such as polypropylene, are optimal.

以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.

担体膜として、孔径2000Å、膜厚10μm、孔密
度3×108個/cm2のポリカーボネート多孔質膜を
用いた。この膜の片側面をアセチルセルロースの
アセトン溶液に浸漬し、次に乾燥する。この操作
を数回繰り返すことにより、孔中と膜の片側面に
アセチルセルロース層を形成することができる。
得られた膜のアセチルセルロース層が形成されて
いない側の膜面上へ白金をスパツタし、数百〜数
千オングストロームの厚さの過酸化水素検出用電
極を形成した。次に、この白金形成面とは反対側
の膜面上に酵素としてグルコースオキシダーゼの
水溶液(濃度200mg/ml)を展開、乾燥し、グル
タルアルデヒド蒸気中にて固定化反応を行わせた
後、十分に水洗した。この様にして得られた本発
明による酵素電極をAとする。
A polycarbonate porous membrane with a pore diameter of 2000 Å, a membrane thickness of 10 μm, and a pore density of 3×10 8 /cm 2 was used as the carrier membrane. One side of the membrane is immersed in an acetone solution of cellulose acetate and then dried. By repeating this operation several times, an acetylcellulose layer can be formed in the pores and on one side of the membrane.
Platinum was sputtered onto the surface of the obtained membrane on the side where the acetyl cellulose layer was not formed, to form a hydrogen peroxide detection electrode having a thickness of several hundred to several thousand angstroms. Next, an aqueous solution of glucose oxidase (concentration 200 mg/ml) was spread as an enzyme on the membrane surface opposite to the platinum-forming surface, dried, and immobilized in glutaraldehyde vapor, followed by sufficient Washed with water. The enzyme electrode according to the present invention thus obtained is designated as A.

また比較のため、アセチルセルロース処理をせ
ずに、それ以外は上記Aと同じ条件で作製した酵
素電極をBとする。
For comparison, an enzyme electrode B was prepared under the same conditions as A above without acetylcellulose treatment.

上記の酵素電極を第2図に示す円筒形の電極ホ
ルダーに装着し、測定に供した。図中5は参照
極、6は対極、7は白金リードである。8は酵素
電極であり、膜の白金電極側はリード7に接して
おり、パツキン9を介してキヤツプ10により樹
脂製の筒状本体11に保持されている。また電極
ホルダー内は電解液12で満たされている。
The enzyme electrode described above was attached to a cylindrical electrode holder shown in FIG. 2 and subjected to measurement. In the figure, 5 is a reference electrode, 6 is a counter electrode, and 7 is a platinum lead. Reference numeral 8 denotes an enzyme electrode, the platinum electrode side of the membrane is in contact with the lead 7, and is held in a resin cylindrical body 11 by a cap 10 via a packing 9. Further, the inside of the electrode holder is filled with an electrolytic solution 12.

この電極ホルダーをPH5.6の緩衝液中に浸漬し、
酵素電極の電位を参照極に対しH2O2の十分な酸
化電位に設定した後、グルコースあるいはアスコ
ルビン酸を添加し、その濃度変化に伴う電流変化
(定常値)を測定した。A,B各々の酵素電極に
ついて、電流増加量を第3図に示す。図中、実線
はグルコース濃度変化に対する応答特性、破線は
アスコルビン酸濃度変化に対する応答特性を示
す。図より明らかなごとく、本発明による酵素電
極Aはアセチルセルロース処理なしの酵素電極B
に比較して、グルコースに対する応答性特性をほ
ぼ維持しており、かつアスコルビン酸の影響をほ
とんど受けないという特性を有することがわか
る。アスコルビン酸に対するこの様な優れた特性
は、尿酸、さらにはグルタチオンなどの妨害物質
に対しても同様であつた。また、本発明の酵素電
極においては、グルコースの添加後、H2O2の酸
化電流は10秒程度で定常値に達するなど、応答速
度においてもきわめて優れた特性を有するもので
あつた。
This electrode holder is immersed in a pH5.6 buffer solution,
After setting the potential of the enzyme electrode to a sufficient oxidation potential of H 2 O 2 with respect to the reference electrode, glucose or ascorbic acid was added, and changes in current (steady value) due to changes in concentration were measured. Figure 3 shows the amount of current increase for each of the enzyme electrodes A and B. In the figure, the solid line shows the response characteristics to changes in glucose concentration, and the broken line shows the response characteristics to changes in ascorbic acid concentration. As is clear from the figure, enzyme electrode A according to the present invention is enzyme electrode B without acetylcellulose treatment.
It can be seen that compared to the above, it has the property that it almost maintains its responsiveness to glucose and is almost unaffected by ascorbic acid. These excellent properties against ascorbic acid were also observed against interfering substances such as uric acid and even glutathione. Furthermore, the enzyme electrode of the present invention had extremely excellent characteristics in terms of response speed, with the oxidation current of H 2 O 2 reaching a steady value in about 10 seconds after the addition of glucose.

以上のごとく、本発明の酵素電極は優れた性能
を有するものである。
As described above, the enzyme electrode of the present invention has excellent performance.

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

第1図は本発明の酵素電極の構成例を示す断面
模式図、第2図は酵素電極を装着した電極ホルダ
ーを用いた電極系を示す縦断面図、第3図はグル
コースおよびアスコルビン酸について濃度と電流
増加量の関係を示す図である。 1……多孔質膜、2……アセチルセルロース
層、3……酵素、4……過酸化水素検知用電極。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the enzyme electrode of the present invention, FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing an electrode system using an electrode holder equipped with an enzyme electrode, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing the concentration of glucose and ascorbic acid. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the current increase amount and the current increase amount. 1... Porous membrane, 2... Acetyl cellulose layer, 3... Enzyme, 4... Hydrogen peroxide detection electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 多孔質膜と、この多孔質膜の孔中あるいはさ
らに一方の膜面上に形成したアセチルセルロース
膜と、多孔質膜の前記一方の膜面上に固定化した
酵素と、多孔質膜の他方の膜面上に形成した過酸
化水素検知用電極とを有することを特徴とする酵
素電極。 2 前記多孔質膜が、水に対して膨潤性を有しな
いものである特許請求の範囲第1項記載の酵素電
極。
[Scope of Claims] 1. A porous membrane, an acetylcellulose membrane formed in the pores of the porous membrane or on one membrane surface, and an enzyme immobilized on the one membrane surface of the porous membrane. An enzyme electrode comprising: a hydrogen peroxide detection electrode formed on the other membrane surface of the porous membrane; 2. The enzyme electrode according to claim 1, wherein the porous membrane has no swelling property with respect to water.
JP56102816A 1981-06-30 1981-06-30 Enzyme electrode Granted JPS585643A (en)

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JP3118015B2 (en) * 1991-05-17 2000-12-18 アークレイ株式会社 Biosensor and separation and quantification method using the same

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