JPH0224564A - 試料溶液中の物質濃度を測定する方法および装置 - Google Patents

試料溶液中の物質濃度を測定する方法および装置

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JPH0224564A
JPH0224564A JP1124581A JP12458189A JPH0224564A JP H0224564 A JPH0224564 A JP H0224564A JP 1124581 A JP1124581 A JP 1124581A JP 12458189 A JP12458189 A JP 12458189A JP H0224564 A JPH0224564 A JP H0224564A
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JP
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solution
mediator
enzyme
substance
electrode means
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JP1124581A
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Alan F Cattell
アラン フランク カテル
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EMI Group Ltd
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Thorn EMI PLC
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶液中における代謝産物のような物質の濃度を
測定する方法および装置に関する。特に、本発明は酵素
反応によって流動溶液中の代謝産物の濃度を測定する方
法および装置に関する。
頻繁に測定されるひとつの代謝産物はグルコースである
。流動流体中のグルコースの濃度をモニターする方法が
米国特許第3902970号(levin)に開示され
ている。ガラスビード上で不動化された酵素グルコース
オキシダーゼよりなるコラム中に検査すべき溶液の試料
が通され、そのグルコースがグルコン酸と過酸化水素に
変換される。過酸化水素の濃度は、測定用、カウンタ用
および基準用の各電極を有する小孔貫流型電流セル内で
測定される。測定電極と基準電極との間に一定の印加さ
れたときに測定用電極から流れる電流がテスト溶液中の
過酸化水素の濃度、したがってグルコースの濃度の値を
与える。しかし、この方法には多くの難点がある。まず
第一に、測定用電極が溶液中に存在する他の種(spe
cies)をも酸化する。第二に、現在入手可能なグル
コースオキシダーゼは過酸化水素を消費する酵素カタラ
ーゼを不可避的に含有している。第三に、反応速度が溶
液中の酸素濃度に依存し、酸素飽和血液でさえ反応を終
了するのに充分な酸素を含有していない。これらはすべ
て、試料中のグルコース濃度の測定値に誤差を生ずる原
因となる。
流動溶液中のグルコース濃度をモニターする他の方法が
米国特許第33678.49号(Blaedelほか)
に開示されている。試験溶液がフェロシアン化物とグル
コースオキシダーゼを含有した緩衝溶液と混合され、そ
の試験溶液中に存在するグルコースの量に比例した速度
で電解還元可能なフェロシアン化物を形成する。その混
合された溶液が第1の小孔管状電極を通り、そして電極
間溶液遅延領域を通ってフェロシアン化物が形成される
ための時間を確保し、そして第2の小孔管状電極を通る
。前記第1および第2の電極がブリッジの2つのアーム
を構成する。ブリッジ回路が、電極間溶液遅延ラインに
形成されたフェロシアン化物による第1および第2の電
極を流れる電流の変化に対応したブリッジの2つの半体
間の電位の変化を感知する。
しかし、試料中のグルコースの濃度の測定値は、グルコ
ースの触媒作用反応が、その反応のある段階のあいだ、
グルコースの濃度に依存する直線速度で進行すること、
つまりグルコースの酸化を開始させて直線速度で進行さ
せるようにするための遅延ラインが装置に設けられなけ
ればならいという仮定に基づいている。したがって、反
応のある段階における反応速度の測定値に基づくこのよ
うな装置は、物質の量そのものを測定する装置には存在
しない問題を生ずる。
本発明のひとつの目的は溶液中における物質の濃度を測
定する装置であって、上述した問題点のうちの幾つかを
軽減する装置を提供することである。
本発明の第1の態様によれば、試料溶液中の物質の反応
に対して触媒作用をする酵素を用いて前記物質の濃度を
測定する方法において、a)既知の容量の前記試料溶液
と剰余の媒介物質よりなる試験溶液を作成し、前記媒介
物質の還元または酸化のうちの一方が前記反応に関連す
るものとなし、 b)前記媒介物質が完全に酸化または還元されるように
なしかつ干渉性の種を除去するようになされた第1の電
極手段に前記試験溶液をおくり、C)前記酵素を含む酵
素チャンネルに前記試験溶液を通して前記試験溶液中に
存在する前記物質のすべての反応を許容し、それにより
ある量の媒介物質を還元または酸化させ、 d)前記ある量の媒介物質を酸化または還元させるよう
になされた第2の電極手段に前記試験溶液をおくり、前
記第2の電極手段を通じてある量のチャージを生じさせ
、 e)前記ある量のチャージを測定することよりなる、試
料溶液中の物質濃度を測定する方法が提供される。
本発明に従って提供される方法では、試験溶液中の媒介
物質は、その試験溶液が酵素チャンネルを通される前に
それぞれ完全に酸化または還元され、前記第2の電極手
段にあたえられた溶液中で還元または酸化された媒介物
質のすべてが、酵素チャンネル内における前記物質の前
記反応に対する結合によってそれぞれ還元または酸化さ
れている。したがって、試験溶液に存在する干渉性の種
が除去されると、媒介物質の爾後の酸化または還元によ
る前記第2の電極手段において生成されかつ測定される
チャージの量が、試験溶液中の前記物質の量、したがっ
て試料溶液中の前記物質の濃度を直接の測定値となる。
このようにして、この方法は、使用される装置の事前較
正を必要とすることなしに試料溶液中における前記物質
の濃度の絶対的な測定値を与える。
本発明の第2の態様によれば、試料溶液中の物質の濃度
を測定するための装置において、第1の電極手段と、第
2の電極手段と、前記第1および第2の電極手段間の酵
素チャンネルを具備し、前記酵素チャンネルは前記物質
の反応に対して触媒作用をする酵素を含んでおり、使用
時には、既知の量の前記試料溶液が余剰の媒介物質を含
んだ試験溶液内で前記第1の電極手段にとおされ、前記
媒介物質の還元または酸化のうちの一方が前記物質の前
記反応と結合され、前記第1の電極手段は前記媒介物質
が完全に酸化または還元されようにし、かつ干渉性の種
を除去するようになされており、前記試験溶液が前記酵
素チャンエル中を通されて前記溶液中に存在する前記物
質のすべての反応を許容し、それによりある量の媒介物
質が還元または酸化され、前記試験溶液が前記ある量の
媒介物質を酸化または還元させ、前記第2の電極手段を
通じてある量のチャージを発生するようになされた第2
の電極手段に通され、さらに前記ある量のチャージを測
定する手段を具備している試料溶液中の物質の濃度を測
定するための装置が提供される。
本発明の方法に従って試料溶液中における物質の濃度を
測定するこのような装置は事前の較正を必要とせずにそ
の濃度の絶対的な測定値を与える。
この装置は既知の容量の試料溶液と適当なバッファ中の
媒介物質の溶液から試験溶液を作成するための手段をさ
らに具備することが好ましい。したがって、第1および
第2の電極手段は試料溶液が加えられる前に、導通電流
が本質的にゼロまで低下するまで、媒介物質溶液によっ
て調整されうる。これによりこのような電極手段に一般
にみられるスタートアップ問題を軽減ないしは克服する
。
濃度を測定すべき物質がグルコースである場合には、使
用される酵素はグルコースを酸化するグルコースオキシ
ダーゼであることが好ましい。適当な媒介物質はフェロ
シアン化物であり、それに適したバッファはリン酸塩を
含む。
以下図面を参照して本発明の実施例につき説明する。
第1図を参照すると、試料溶液中における物質の濃度を
測定するための装置は、第1の取入れ口4と第2の取入
れ口6を有するチューブ2を具備している。使用時には
、適当なバッファ(たとえばリン酸塩)と媒介物質(こ
の媒介物質の量は濃度測定に必要な量よりも10倍多い
)を含有した溶液8が第1の取入れ口4を通じて装置内
に流入する。適当な仲介物質はフェロシアン化物Fe(
CN)’−であり、それの酸化した状態はフェリシアン
化物Fe (CN) ”−である。既知の容量の血液試
料10が第2の取入れ口6を通じて流動溶液8中に供給
され、第1および第2の取入れ口4.6の接合部に試験
溶液を生成する。
図面では試験溶液の流れ方向が矢印Aで示されている。
試験溶液12は第1の作用電極20、基準電極22およ
びカウンタ電極24よりなる第1の組の電極を通り、さ
らに酵素コラム14を通り、そして第2の作用電極30
、基準電極32およびカウンタ電極34よりなる第2の
紐の電極を通って流れ、廃棄または貯蔵される。
第1の電極手段20.22.24と第2の電極手段30
.32.34に関連した電気回路には類似性がある。差
動増幅器26.36は作用電極20.30とカウンタ電
極24.34との間の電流を自動的に調節し、その作用
電極20.30と基準電極22.32との間に公知の態
様で一定の電位差を維持する。増幅器26.36の反転
入力はカウンタ電極24.34に接続され、増幅器2G
、36の出力は基準電極22.32に接続されている。
作用電極20.30と基準電極22.32との間の電位
差は増幅器26.36の非反転入力に接続されたポテン
ショメータ27.36と、作用電極20.30に接続さ
れたポテンショメータ28.38とによって決定される
。
第2の作用電極30に接続された回路も差動増幅器40
を具備しており、それの非反転入力にポテンショメータ
38が接続され、反転入力と出力との間に可変抵抗器4
2が接続されている。増幅器40の出力に接続された電
流積分器44は作用電極30から流れる電流をディジタ
ル化しかつそれを積分して、電極30から流れるチャー
ジの量に対応した出力を与える。
第1の電極手段20.22.24は、試験溶液中の仲介
物質が完全に酸化されるようにするとともに、アスコル
ビン酸のような測定に干渉するおそれのあるイオンを含
んだ種(すなわち干渉性柱)が溶液から除去されるよう
にする。酵素コラム14は多孔性コラムよりなり、それ
の表面が酵素グルコースオキシダーゼを含んでいて酵素
チャンネルを与える。酵素は血液試料内に存在するグル
コースの反応に触媒作用を及ぼし、グルコン酸を生成す
る。
この反応は媒介物質の還元を結合して、還元されたフェ
ロシアン化物のふたつのイオンが溶液中のグルコースの
各分子に対して生成される。還元された媒介物質は第2
の電極手段30.32.34において作用電極30によ
り再度酸化され、電流を生ずる。
ほかにも第1および第2の電極手段を設けてもよい。第
1の電極手段は媒介物質が完全に酸化されるようにする
とともに、干渉性媒介物質が除去されるようにする。第
2の電極手段は酵素チャンネル内で還元された媒介物質
を再度酸化させる。
前述のように、電極から流れる電流は積分されて、電極
30からながれるチャージの量に対応した出力を与える
。チャージの量は電極30により再度酸化される媒介物
質の量、したがって試験溶液中に存在するグルコースの
量の測定値を与える。媒介物質を再酸化するためにもち
いられるイオンの数はQ/eである。ただしQは電流積
分器で測定される全体のチャージであり、eは電子のチ
ャージである。したがって、容量■の血液試料中におけ
るグルコース分子の数はQ/2eで与えられ、そして血
液試料中におけるグルコースの濃度が単位容積当りQ/
2eVの分子である。
酵素グルコースオキシダーゼを用いてグルコースの濃度
を測定するための本発明に従って提供される重要な要件
は次の通りである。
1、用いられる試料溶液の容fiVが正確に判っている
こと。
2、媒介物質が第1および第2の電極手段の両方で完全
に酸化されること。これは後述するように電極面積と溶
液流量とに依存する。
還元された媒介物質が電極の上方のバルク溶液から電極
表面まで拡散するための拡散時間は、溶液が電極の長さ
だけ流動するための時間よりはるかに短ければ、測定は
拡散限定されない。流動する血液試料の希釈係数が2:
1であり、かつ電極の面積が1errrである場合には
、50μmの溶液を用いて1分以内でこのような測定を
行うことができるであろう。
3、存在するすべてのグルコースが酵素によって触媒作
用を受けてグルコン酸を形成する。これは、溶液の流量
に依存する、すなわち試験溶液が酵素チャンネル内にあ
る時間は溶液中に存在するグルコースの反応が生ずるた
めの時間より長くなければならない。
緩衝溶液8は、試料溶液が加えられる前に第1および第
2の電極手段を安定化し、かつ一連の試験試料の測定の
間に装置を清掃するために用いることができる。
上述した方法および装置は血液試料中のグルコース濃度
に関するものであった。本発明によれば、酵素による触
媒作用を受けることができかつ媒介物質の酸化または還
元と連結しうる反応が生じるメタポライド(または他の
物質)の濃度を決定するための同様の測定を行なう方法
と装置も提供されうる。
【図面の簡単な説明】
第1図は試料中のある物質の濃度を測定するための本発
明による装置を示す図である。 図面において、2はチューブ、4は第1の取入れ口、6
は第2の取入れ口、8は溶液、12は試験溶液、14は
酵素コラム、20.22.24は第1の電極手段、30
.32.34は第2の電極手段、26.36は増幅器、
27.37はポテンショメータ、40は差動増幅器、4
4は電流積分器をそれぞれ示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、試料溶液中の物質の反応に対して触媒作用をする酵
    素を用いて前記物質の濃度を測定する方法において、 a)既知の容量の前記試料溶液と剰余の媒介物質よりな
    る試験溶液を作成し、前記媒介物質の還元または酸化の
    うちの一方が前記反応に関連するものとなし、 b)前記媒介物質が完全に酸化または還元されるように
    なしかつ干渉性の種を除去するようになされた第1の電
    極手段に前記試験溶液をおくり、c)前記酵素を含む酵
    素チャンネルに前記試験溶液を通して前記試験溶液中に
    存在する前記物質のすべての反応を許容し、それにより
    ある量の媒介物質を還元または酸化させ、 d)前記ある量の媒介物質を酸化または還元させるよう
    になされた第2の電極手段に前記試験溶液をおくり、前
    記第2の電極手段を通じてある量のチャージを生じさせ
    、 e)前記ある量のチャージを測定することよりなる、試
    料溶液中の物質濃度を測定する方法。 2、前記溶液を前記第1の電極手段におくる前に媒介物
    質の溶液を前記第1および前記第2の電極手段におくる
    工程を含む請求項1の方法。 3、前記酵素がグルコースオキシダーゼである請求項1
    または2の方法。 4、試料溶液中の物質の濃度を測定するための装置にお
    いて、第1の電極手段と、第2の電極手段と、前記第1
    および第2の電極手段間の酵素チャンネルを具備し、前
    記酵素チャンネルは前記物質の反応に対して触媒作用を
    する酵素を含んでおり、使用時には、既知の量の前記試
    料溶液が余剰の媒介物質を含んだ試験溶液内で前記第1
    の電極手段にとおされ、前記媒介物質の還元または酸化
    のうちの一方が前記物質の前記反応と結合され、前記第
    1の電極手段は前記媒介物質が完全に酸化または還元さ
    れようにし、かつ干渉性の種を除去するようになされて
    おり、前記試験溶液が前記酵素チャンエル中を通されて
    前記溶液中に存在する前記物質のすべての反応を許容し
    、それによりある量の媒介物質が還元または酸化され、
    前記試験溶液が前記ある量の媒介物質を酸化または還元
    させ、前記第2の電極手段を通じてある量のチャージを
    発生するようになされた第2の電極手段に通され、さら
    に前記ある量のチャージを測定する手段を具備している
    試料溶液中の物質の濃度を測定するための装置。 5、既知の量の試料溶液と適当なバッファにおける前記
    媒介物質の溶液から試験溶液を生成する手段をさらに具
    備した請求項4の装置。 6、前記酵素がグルコースオキシダーゼである請求項4
    または5の装置。
JP1124581A 1988-05-19 1989-05-19 試料溶液中の物質濃度を測定する方法および装置 Pending JPH0224564A (ja)

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GB8811860.9 1988-05-19
GB888811860A GB8811860D0 (en) 1988-05-19 1988-05-19 Amperometric measurement of metabolites

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JP (1) JPH0224564A (ja)
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DE (1) DE68908767T2 (ja)
GB (1) GB8811860D0 (ja)

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