JPH0612352B2 - 酵素機能電極 - Google Patents

酵素機能電極

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JPH0612352B2
JPH0612352B2 JP59266942A JP26694284A JPH0612352B2 JP H0612352 B2 JPH0612352 B2 JP H0612352B2 JP 59266942 A JP59266942 A JP 59266942A JP 26694284 A JP26694284 A JP 26694284A JP H0612352 B2 JPH0612352 B2 JP H0612352B2
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篤治 池田
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    • 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
    • C12Q1/004Enzyme electrodes mediator-assisted

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  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この発明は.酵素機能電極。すなわち.電解質中に存在
するグルコース.ガラクトース等のオキシダーゼ酵素の
基質となりうる物質や乳酸.アルコール.グリセロール
等のデヒドロゲナーゼ酵素の基質となりうる物質の濃度
をアンペロナトリックに測定する電極に関する。
(ロ) 従来技術 最近.酸化還元酵素固定化電極が注目されるようになっ
てきた。この電極は酵素反応に対する化学的な電子運搬
体の代わりとして挙動するもので.酵素電極。フローシ
ステムの検出器.生物化学的燃料電池.酵素反応器等の
新しい用途に使用できることが提案されている。
そして.この電極のうちオキシダーゼ酵素の基質となり
うる物質の濃度を測定する電極としては.酵素電極や白
金電極等の感応面に酵素固定化膜を積層し.酵素反応で
生じる物質例えば過酸化水素の発生量を測定して間接的
に酵素反応に寄与する基質を定量する方式のものがあ
る。
更に.デヒドロゲナーゼ酵素の基質となりうる物質の濃
度を測定する電極としては.NAD(ニコチンアミドアデ
ニンジヌクレオチド)を酵素と共に固定化したもの.具
体的にはNADをアガロースやデキストラン等の高分子
化合物に化学結合させたNAD−高分子化合物を酵素と
共に適当な基質透過性膜内面にトラップし白金や黒鉛電
極に固定したもの.基質透過性膜にNADを直接化学結
合させ.この膜内に同時に酵素をトラップした白金や黒
鉛電極に固定したもの.基質透過性膜に化学処理を施
してNADの透過が生じ難い膜とし.この膜の内面に酵素
をトラップして白金や黒鉛電極に固定したものがある。
また.上記の電極以外のものとして本件出願人は.昭和
59年8月31日に.黒鉛ペースト中に電子受容性化合
物を含有させたペースト状電極と.該ペースト状電極の
表面に固定化されたオキシダーゼ酵素又はデヒドロゲナ
ーゼ酵素及びその外面を被覆するオキシダーゼ酵素又は
デヒロゲナーゼ酵素の基質の透過性薄膜.とから構成さ
れた基質感応部を備えてなるオキシダーゼ電極又はデヒ
ドロゲナーゼ電極を出願している。
(ハ) 発明が解決しようとする問題点 上述した電極のうち.酸素電極や白金電極等を用いるも
のは被測定液中の酸素分圧の変動に影響されるという問
題点を有しており.また.NAD を酵素と共に固定化した
ものは.NADの漏れ出し等の問題点を有していた。
更に.本件出願人の先願に係る発明では.酵素を固定化
する電極は黒鉛ペースト電極に限られている。
(ニ) 問題点を解決するための手段 この発明は.被測定液中の酸素分圧の変動に影響され
ず.また.電極部材も黒鉛ペーストに限定されない等を
目的としてなされたもので.その構成は.固定化酵素層
での基質の変化を電子運搬体を介して電極へ伝達する酵
素機能電極において.電子運搬体が固定化酵素層に徐々
に溶け出し供給されるように半溶融状態の電子運搬体の
貯蔵層を固定化酵素層に接して設けたことを特徴とす
る。
電子運搬体の貯蔵層としては.例えば多孔質電極のすき
間に電子運搬体を含浸したものと.間隙を有する金属ミ
ニグリッド電極上に電子運搬体をペースト体.ゲル状に
して接触させたものがある。
(ホ) 作 用 この発明の電極では,電子運搬体の貯蔵層から電子運搬
体が徐々に溶け出し固定化酵素層に供給されて,固定化
酵素層と電極との間の電子授受を仲介する。
(ヘ) 実施例 以下に,この発明の実施例について説明する。
実施例1 (電子運搬体含浸多孔質電極) まず,電子運搬体の貯蔵層として多孔質電極のすき間に
電子運搬体を含浸させたものを使用する酵素機能電極に
ついて説明する。
(A) 電極の作製 次に述べるのはグルコース測定用の電極を作製する場合
の一実施例である。
試 薬 グルコースオキシダーゼ(GOD)…………TypeII,
シグマ社製(アスベリギルス.ニガー由来のEC1,
1,3・4) p−ベンゾキノン(BQ)……和光純薬社製(使用前
に昇華して精製) コロジオン液(5%)………和光純薬社製 流動パラフイン………………メルク社製 電極材料 多孔質グラファイト板……RVC 2×1−100,INF
ケモトロニクス社 まず,多孔質グラファイト板からコルクポーラーで直径
3.4mmの円柱を切り抜きその一端に伝導性接着剤を用
いてリード線を接続した。接着面は溶媒の浸入を防ぐた
め全面にエポキシ接着剤を塗布し,同時に内径3.4mm
のガラス管に接着した。その上から熱収縮チューブを用
いて電極側面の絶縁と電極固定を行った。このようにし
て調製された多孔質電極の穴内に,キノン含有物を含浸
させ貯蔵層(キノン含浸多孔質電極)を作製した。キノ
ン含有物はP−ベンゾキノン40mgを流動パラフイン
0.3mlとめのう乳鉢上で混合することにより調整し
た。
次いでGOD(1mg/ml)10μlを貯蔵層(キノン
含浸多孔質電極)表面上にのせ水を蒸発させた。その
後,ナイロンネットで表面をおおい,20μlコロジオ
ン−エタノール(容量比1:4)混液を流延,乾燥させ
電極表面にニトロセルロース薄膜を形成した。ナイロン
ネットはパラフィルムで電極に固定し,その際ナイロン
ネットの電極表面以外の部分はグリースを塗布した。
以上のようにして得られたグルコース測定用の電極(1)
を第1図に示す。図中(2)は貯蔵層,(3)は固定化GOD
層,(4)はニトロセルロース薄膜,(5)はリード線(白金
線),(6)はガラス管,(7)はナイロンネット,(8)は熱
収縮チューブ,(9)は伝導性接着剤,(10)はエポキシ樹
脂をそれぞれ示すものである。
なお,この電極(1)を使用に供するまで蒸留水で数回洗
浄し,pH5.0の酢酸塩バッファー中に一晩浸漬保存し
た。
(B) サイクリックボルタンメトリー 上記グルコースオキシダーゼ電極についての三極法によ
るボルタンメトリーを行なった。測定条件は以下の通り
である。
装 置 ポテンショスタット(扶桑社製) 信号発生器(HB−104;北斗電工社製) 対極(白金板) 参照電極(飽和カロメル電極) 記録計(X−Yレコ-ダ-;横河電機社製) 電解質 脱酸素したpH5.0の0.1M酢酸塩バッファー 温度………25±1℃ 撹拌速度……500r・p・m 結 果 この発明の電極を,上記酢酸塩バッファーに浸漬し,50
mV/sの電位走査速度でサイクリックボルタンモノグラ
ムを記録した。第2図の実線に示すようにカソード波及
びアノード波についてそれぞれ−0.07V及び+0.40V
(vs SCE)にピークが認められた。サイクリックな電位
走査を更に連続して数時間行なったが電流の減少は見ら
れなかった。p−ベンゾキノンを含有していない同様な
電極について同様な評価を行なったが第2図の破線のご
とくボルタンメトリックなピークは生じなかった。
このように,ボルタンメトリックなピークは,キノン含
浸多孔質電極とニトロセルロース薄膜との境界領域に貯
蔵層から移向したp−ベンゾキノンの電気化学的な還元
及び再酸化反応に基づいておりp−ベンゾキノンが電子
運搬体として作用していることが判明した。
(C) グルコースの電気触媒的酸化 p−ベンゾキノンの酸化還元電位より電位を十分正(E
=+0.5Vvs.SCE)に設定し上記バッフアー中にグルコ
ースを順次濃度を増加させて(O→100mM)添加
し,ベースからの電流の増加を測定した。この結果を第
3図に示す。
この結果よりこの発明の電極がグルコース濃度の微小な
変化にも対応できグルコース測定用の電極として有用な
ことが判明した。
なお,以上の説明では,貯蔵層に用いるキノン含有物と
してp−ベンゾキノンと流動パラフィンを混合したもの
についてだけ説明したが,これ以外でも勿論よく下表に
示すもの でも同様な結果が得られることが確かめられた。
また,貯蔵層に用いる電子運搬体もP−ベンゾキノンに
限られずフェリシアン化カリウム,ジブロモイドサリシ
リックアシッド,ジクロロフェニールインドフェノール
(DCIP)フェナジンメトサルフェート(PMS)NAD等でも
よい。
更に上述の電極はグルコース測定用の電極であったが固
定化させる酵素を変えることにより種々の基質の測定用
の電極として使用することができる。
その酵素/基質の組合せとしては,アルコールデヒドロ
ゲナーゼ/エタノール,グルコースデヒドロゲナーゼ/
グルコース,グルタメートデヒドロゲナーゼ/グルタミ
ン酸,乳酸デヒドロゲナーゼ/乳酸,グリセロールデヒ
ドロゲナーゼ/グリセロール,ガラクトースオキシダー
ゼ/ガラクトース,アルコールオキシダーゼ/エタノー
ル,コレステロールオキシダーゼ/コレステロール,ア
ミノ酸オキシダーゼ/アミノ酸,尿酸オキシダーゼ/尿
酸等が挙げられる。
実施例2 (電子運搬体接触ミニグリッド電極) 電子運搬体の貯蔵層として間隙を有する金属ミニグリッ
ド電極上に電子運搬体をペースト状,ゲル状にして接触
させたものを使用する酵素機能電極について説明する。
(A) 電極の作製 次に述べるのはグルコース測定用の電極を作製する場合
の一実施例である。
試薬は実施例1と同じものを使用した。
電極材料 金ミニグリッド電極……500lpi;バックビーメア
ーズ社製 まず500mgグラファイト粉末に0.3ml流動パラフ
ィンを加え乳鉢上で混合し,さらに40mgのP−ベン
ゾキノンを加え均一に混合した。これを内径3.4mmの
ガラス管に充てんし表面をワックスペーパー上で平滑に
し貯蔵層を作製した。次いで,貯蔵層上にGOD 液(1mg
/ml)を10μlのせ溶媒を蒸発させた後,金ミニグリ
ッド電極をのせナイロンネットで固定した。ナイロンネ
ットはパラフィルムで固定した。更に,ナイロンネット
の上から,金ミニグリッド電極上にGOD 液(1mg/ml)
を10μlのせ溶媒を蒸発させた。そして,その上か
ら,コロジオン−エタノール液(1:4)を20μlの
せ乾燥させてから,伝導性接着剤でミニグリッド電極と
リード線の接続を行い第4図の電極(11)を得た。
図中,第1図と同じものには同じ番号が付してある。(1
2)は貯蔵層,(13)は金ミニグリッド電極,(14)はコロジ
オン膜である。
なお,この電極(11)を使用に供するまでの保存は実施例
1と同様である。
(B) サイクリックボルタンメトリー 実施例1と同様の測定条件でサイクリックボルタンメト
リーを行ったところ第5図の結果を得た。第5図に示す
如くこの実施例に係る電極においても貯蔵層からP−ベ
ンゾキノンが移向して電子運搬体として作用しているこ
とが判明した。
(C) グルコースの電気触媒的酸化 実施例1と同様にバッファー中にグルコースを順次濃度
を増加させて添加しベースからの電流の増加を測定し
た。
この結果を第6図に示す。この結果より,上述の電極が
グルコース濃度の微小な変化にも対応でき,グルコース
測定用の電極として有用なことが判明した。
なお,以上の説明では,貯蔵層としてP−ベンゾキノン
をペースト状にしたものを用いることだけ説明が,これ
以外でも勿論よく,例えばP−ベンゾキノンを ゲルオ
ールDで調整したキノンゲルでも同様な結果が得られ
た。
また,電極材料も金ミニグリッド電極に限定されず,白
金ミニグリッド電極など全ての金属ミニグリッド電極が
使用できる。
更に,貯蔵層に用いる電子運搬体がP−ベンゾキノンに
限定されないこと,グルコース測定以外の電極にも作製
できることは実施例1と同様である。
なお,電極全体の構成も実施例1,実施例2のものに限
定されず,例えば炭素繊維,グラッシーカーボングレイ
ン(東海電極製),60〜100メッシュのビーズを束
ねたものの間に電子運搬体をつめて貯蔵層を作製し,こ
の表面に酵素を固定化させても同様な作用を示す電極が
できる。
(ト) 効 果 この発明の酵素機能電極は,被測定溶液中に他のいかな
る電子運搬体を加えることなくグルコース,エタノール
等の基質に対する大きな電流応答を示すという効果を有
するとともに,電極材料も任意のものが選択できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は,電子運搬体含浸多孔質電極の一実施例,第2
図は第1図の電極を用いてバッファー中でサイクリック
ボルタンメトリーを行った図,第3図は,第1図の電極
を用いてグルコース応答を測定して作成した検量線,第
4図は電子運搬体接触ミニグリッド電極の一実施例,第
5図は第4図の電極を用いてバッファー中でサイクリッ
クボルタンメトリーを行った図,第6図は第4図の電極
を用いてグルコース応答を測定して作成した検量線であ
る。 2,12……貯蔵層、3……固定化GOD層 5……リード線、6……ガラス管 13……ミニグリッド電極

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固定化酵素層での基質の変化を電子運搬体
    を介して電極へ伝達する酵素機能電極において、 電子運搬体が固定化酵素層に徐々に溶け出し供給される
    ように半溶融状態の電子運搬体の貯蔵層を固定化酵素層
    に接して設けたことを特徴とする酵素機能電極。
JP59266942A 1984-08-31 1984-12-17 酵素機能電極 Expired - Lifetime JPH0612352B2 (ja)

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EP85111018A EP0177743B1 (en) 1984-08-31 1985-09-02 Enzyme electrodes
DE8585111018T DE3584605D1 (de) 1984-08-31 1985-09-02 Enzymelektroden.
CN 85107223 CN1008215B (zh) 1984-12-17 1985-09-28 酶电极

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