JPH0697219B2 - 免疫センサー用電極及びその製造方法 - Google Patents

免疫センサー用電極及びその製造方法

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JPH0697219B2 JP60036839A JP3683985A JPH0697219B2 JP H0697219 B2 JPH0697219 B2 JP H0697219B2 JP 60036839 A JP60036839 A JP 60036839A JP 3683985 A JP3683985 A JP 3683985A JP H0697219 B2 JPH0697219 B2 JP H0697219B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は免疫センサー用電極膜、さらに詳しくは、抗原
または抗体を固定したポリピロールまたはポリチオフエ
ンを用いた免疫センサー用電極膜に関する。
免疫センサーを含むバイオセンサーの作用電極、即ち、
測定対象化学物質を含む試料液中に挿入し、その表面で
起る化学的または物理的変化を直接電流値あるいは電圧
値として測定するための電極は、一般に、酵素、抗原ま
たは抗体、結合タンパク質等の生体機能物質(分子識別
素子)を電極本体表面に結合即ち固定させることにより
作製される。その方法は、一般に、化学修飾と称され、
大別すると次の三つの方法により行なわれている。
1)電極表面に生体機能物質を直接結合する(共有結
合、イオン結合、配位結合など) 2)電極表面に高分子被覆層を形成し、これを担体に生
体機能物質を結合する 3)生体機能物質を結合した高分子膜を電極表面に被覆
する 抗原または抗体を生体機能物質とする免疫センサーの電
極の作製においても、例えば、1)の直接結合法として
は、チタン線またはタングステン線を塩酸等で処理し表
面に酸化膜を形成し、これを臭化シアン水溶液で処理
し、さらに抗原または抗体含有液に浸漬して抗原または
抗体を固定化する、いわゆる臭化シアン法があり、ま
た、2)および3)の高分子膜を使用する方法として
は、セルロースアセテート、セフアデツクス、ポリスチ
レン、ポリアクリルアミド等の使用が知られており、こ
れら高分子物質の膜を適当な方法、例えば溶液コーテイ
ング法、共有結合法、電解析出法、気体蒸着法等により
電極表面に形成し、次いで抗原または抗体をその表面に
固定させている。
本発明方法は、2)または3)に属する方法で作製され
る電極膜に関するもので、高分子膜としてポリビロール
またはポリチオフエンを使用することを特徴とする。ポ
リピロールおよびポリチオフエンは、それぞれ以下の分
子ユニツトを有する高分子物質であり光応答性、電導性
などを示す機能性高分子材料として知られている。
しかしながら、このポリピロールまたはポリチオフエン
を免疫センサー用の電極材料として使用あるいは教示し
ている例はなく、本発明者等によって初めて免疫センサ
ー用材料として用いられ、その優れた効果を見い出した
ものである。
即ち、本発明は、抗原または抗体を固定したポリピロー
ルまたはポリチオフエン膜からなる免疫センサー用電極
膜に関するもので、電極電位方式、膜電位方式、その他
いずれの方式の免疫センサーにおいても使用可能な電極
膜を提供する。特に、本発明により電極本体に直接ポリ
ピロールまたはポリチオフエン膜を形成させ抗原または
抗体を固定化させて作製した抗原または抗体固定化ポリ
ピロールまたはポリチオフエン膜被覆電極はすぐれた免
疫応答性の免疫センサー用作用電極を提供する。
本発明の電極膜は電極本体表面上に、ピロールまたはチ
オフエンの電解重合によってポリピロールまたはポリチ
オフエン膜を形成させることにより作製できる。使用で
きる電極本体としては、バイオセンサーの作用電極とし
て通常使用される材料、例えば、白金、アルミニウム、
金等の金属電極材料、酸化スズ、酸化チタン等の金属酸
化物材料、シリコン、ヒツ化ガリウム等の半導体材料、
グラフアイト、グラシーカーボン等の炭素電極材料から
なり通常の電極形状を有するものである。
これらの電極本体上にポリピロールまたはポリチオフエ
ン膜を形成させるための電解重合は、ピロールまたはチ
オフエンを含む電解重合用溶液を調製し、これに上記電
極本体、即ち作用電極と対電極を浸漬し適当な電解重合
条件下に通電することによって行うことができる。即
ち、先ず、ピロールまたはチオフエン含有電解重合用溶
液は電解重合用溶媒にピロールまたはチオフエンを溶解
することによって調製する。本発明で使用する電解重合
用溶媒はモノマーのピロールまたはチオフエンは溶解す
るがポリマーのポリピロールまたはポリチオフエンは溶
解しない一般に電気化学的に用いられる極性溶媒であ
り、具体的には、アセトニトリル、ベンゾニトリル等の
ニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、ピリ
ジン等のアミン類、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキ
サン等のエーテル類、酢酸の如き酸類、メタノール、エ
タノールの如きアルコール類があり、そのほかプロピレ
ンカーボネート、ニトロメタン、塩化メチレン、アセト
ン、MEK、水等も使用できる。重合時の溶液中のピロー
ルまたはチオフエン濃度は、一般に20〜200ミリモル/
もあれば十分であり、水の如きピロールまたはチオフ
エンの溶解度が1モル/以下とされているものでも十
分使用できる。かくして調製したピロールまたはチオフ
エン溶液は使用する溶媒の種類によっては、テトラアル
キルアンモニウム四フツ化ほう素、テトラアルキルアン
モニウム過塩素酸塩、テトラアルキル六フツ化リン、テ
トラアルキル硫酸水素塩(いずれもアルキル基は、C1
C10のアルキル基が望ましい)、その他の如き電解質を
添加することが重要であり、添加すべき電解質の種類、
量は使用する溶媒の種類に依存する。例えば、アセトニ
トリルの如きニトリル類を溶媒として使用するときに
は、テトラアルキルアンモニウム四フツ化ほう素、テト
ラアルキルアンモニウム過塩素酸塩等の添加が好まし
く、その添加量は50〜100ミリモル/程度もあれば十
分である。また、1,4−ジオキサン,プロピレンカーボ
ネート、アセトン、ニトロメタンなどを溶媒として使用
するときは、テトラブチルアンモニウム四フツ化ホウ
素、テトラエチルアンモニウム過塩素酸塩を選択でき、
上記と同程度の添加量で使用できる。
また、水のような比較的電導性を有する溶媒では、通常
の無機塩や緩衝溶液さらにはテトラエチルアンモニウム
塩を用いる。この場合、数ミリモル程度の濃度でも使用
できる。また、後述するように抗体あるいは抗原を含ま
せて重合と抗原または抗体の固定を同時に行うような場
合は抗原または抗体自体が電解質として作用するので上
記のような電解質は添加してもしなくてもよい。
次いで、このようにして得たピロールまたはチオフエン
含有電解溶液中に、作用電極(即ち、ポリピロールまた
はポリチオフエンを被覆すべき電極本体、例えば白金
線)と対電極とを、必要ならばAg/AgClO4電極等の基準
電極と共にセツトして適当な電流密度および電気量で通
電することによりピロールまたはチオフエンの電解重合
を開始する。電解は電解溶液中の溶存酸素を除去した後
に行なうことが好ましく、さらに、好ましいのはチツ素
雰囲気下に実施することである。かくして通電後直ちに
黒色のポリピロールまたはポリチオフエン膜が生成し始
めるが、その膜厚および膜形成速度は通電量および電流
密度に依存し、また、使用する溶媒その他の条件によっ
ても異なる。例えば、溶媒としてアセトニトリルを用い
た場合、20〜100μA/cm2の電流密度、20〜100mC/cm2
通電量で、およそ50〜250nmの膜厚を得ることができ、
また水性溶媒中で実施する場合、同程度の膜厚を得るの
に上記アセトニトリルの場合の約10倍の電流密度、約5
〜20倍の通電量を必要とする。即ち、電解重合時の電流
密度および通電量は、使用する溶媒の種類、諸プロセス
パラメーターおよび求むべき膜厚によって適宜選択さる
べきものである。
また、得られるポリピロールまたはポリチオフエン膜の
機械的強度あるいは加工性を増大させる目的で、電解中
のモノマー含有電解溶液にアセチルセルロース例えばブ
ロモアセチルセルロースまたはトリアセチルセルロース
のような被膜増強用物質を少量(約1〜2%程度)共存
させても良い。その場合、ピロールまたはチオフエンお
よびこの増強物質も均質に溶解するような溶媒系を選定
することが重要で、例えば、トリアセチルセルロースを
使用するような場合アセトニトリル/塩化メチレン=3:
2のような混合溶媒系を使用する。
上記の如くして電極本体上に形成させたポリピロールま
たはポリチオフエン膜は、そのまゝあるいは、はく離
し、十分に洗浄したのち、各種抗原または抗体を含む溶
液、例えばpH7.0に調整されたリン酸緩衝液中に浸漬し
て抗原または抗体を膜中に固定させる。この際、測定時
に非特異物質の吸着による誤差が生じないよう、即ち、
測定時に膜上で測定すべき抗原−抗体反応以外の反応が
生じないように比較的高濃度の抗原または抗体を含む溶
液を用いて膜表面にびっしり抗体または抗原を吸着(固
定)することが重要である。また、そのあとポリピロー
ルまたはポリチオフエン膜への非特異吸着は抗原または
抗体固定化後BSA(牛血清アルブミン)等で処理するこ
とによっても防止できる。
さらに、抗原または抗体の固定化に際して、好ましいの
は、グリオキサール、マロンジアルデヒド、スクシンジ
アルデヒド、グルタルアルデヒドまたはアジピンジアル
デヒドの如きジアルデヒド類、アリルアミン、1,8−オ
クタンジアミン、4−アミノ−メチル−1,8−オクタン
ジアミンおよびヘキサメチレンジアミンの如きアミン
類、またはこれらの混合物のような固定化用物質で固定
化前のポリピロールまたはポリチオフエン膜を処理する
ことである。即ち、ポリピロールまたはポリチオフエン
膜を抗原または抗体含有溶液に浸漬する前に上記固定化
用物質を含む溶液で処理する。あるいは、これら物質は
電解重合時に電解溶液中に存在させておいてもよい。か
くして処理したポリピロールまたはポリチオフエン膜は
その表面への抗原または抗体の吸着特性即ち、固定化特
性を著しく向上させる。さらに必要ならば、このように
して抗原または抗体を固定化したポリピロールまたはポ
リチオフエン膜は、ほう酸水素ナトリウム等で処理し、
抗原または抗体の結合を安定化させると共に固定された
抗原、抗体の自由度を向上させることもできる。
本発明でポリピロールまたはポリチオフエン膜に固定さ
せる抗原または抗体はいかなるものでも可能であり、例
えば各種免疫グロブリン(IgG,M,A)、抗免疫グロブリ
ン、アルブミン、hCG等を挙げることができる。
なお、この抗原または抗体のポリピロールまたはポリチ
オフエン膜への固定化は、前記電解重合用の溶媒として
水系溶媒を使用した場合には電解による膜形成と同時に
行ってもよい。即ち、水系溶媒を使用した場合には電解
重合時の溶液中に抗原または抗体を存在させることによ
り抗原または抗体固定化ポリピロールまたはポリチオフ
エン膜が一工程で得られる利点がある。
このようにして得た抗原または抗体固定ポリピロールま
たはポリチオフエン膜は、電極本体に被覆させたまゝあ
るいは電極本体からはく離して、それぞれ、電極電位方
式(第1図)または膜電位方式(第2図)の免疫センサ
ー系において使用することができる。電極本体からはく
離して膜電位方式の電極膜として使用する場合は膜があ
まり薄いと電極からはく離することが難かしくなるの
で、電極として用いる場合の10〜20倍程度厚くすること
が望ましい。得られたポリピロールとポリチオフエンを
比べた場合、好ましいのは膜の取り扱い易さ及び抗原ま
たは抗体の吸着性の点でポリピロールである。
第1図は、作用電極としての本発明の抗原(または抗
体)固定ポリピロールまたはポリチオフエン電極10と基
準電極11とからなる電極電位方式の免疫センサー配列の
一例を示す。基準電極11は飽和カロメロ電極、Ag/AgCl
電極等の一般的な基準電極を用い得る。このようなセン
サー系において、作用電極10を適当な容器16内に入れた
抗体(または抗原)を含む溶液12に浸漬する。溶液12は
基準電極例えば飽和カロメロ電極の電極液とフイルター
13を有する連結管即ち、ブリツヂ14により連結されてお
り、浸漬時に作用電極10上で生じた抗原−抗体反応によ
る電位変化を電圧計(図示せず)によって読み取る。測
定時には、溶液12はマグネツトスターラー15のような適
当な撹拌手段によって撹拌することが好ましい。測定す
べき抗体(または抗原)を含む溶液としては、通常、生
理食塩水溶液、PBS溶液等を用いる。
第2図は、前述の如くして調製した抗原(または抗体)
固定ポリピロールまたはポリチオフエン膜自体を用いた
膜電位方式によるセンサー系の一例である。即ち、第2
図は基準電極としての2つの飽和カロメロ電極23,24間
に置かれた抗原(または抗体)固定ポリピロールまたは
ポリチオフエン膜21からなり、ポリピロールまたはポリ
チオフエン膜21は測定すべき抗体(または抗原)を含む
溶液22を調製するのに用いた生理食塩水またはPBS液の
およそ1/10濃度の希釈液29を入れたガラス管28に固定さ
れている。電極23がブリツヂ25により液29と、電極24が
フイルター27を有するブリツヂ26により溶液22と、それ
ぞれ連結できるようにしておく。このような系におい
て、容器30に溶液22を入れ、好ましくはマグネチックス
ターラー31により撹拌しながら膜21の膜電位の変化を測
定することにより測定すべき抗体(または抗原)を選択
的に識別できるようになる。
また、本発明の電極膜はラジオアイソトープ、酵素、螢
光物質等の標識剤を用いる標識免疫センサーにも用いる
ことができる。標識免疫センサーは超微量測定において
有用である。
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例1 先ず、ピロールとテトラエチルアンモニウム四フッ化ホ
ウ素とをそれぞれ0.1モル/の濃度となるようにアセ
トニトリル中に溶解して電解重合用溶液を調製した。こ
の電解液に作用電極として1mmφ、長さ4mmのPt線および
対電極としての適当なPtプレートを浸漬し、窒素雰囲気
下に電流密度20μA/cm2で通電して、通電量をコントロ
ールすることにより、各種膜厚のポリピロール膜被膜Pt
電極を得た。ここで、通電量が80mC/cm2の時、膜厚は約
200nmであった。
これらのポリピロール膜被膜電極を抗IgG2.32×10-3mg/
ml溶液に20分間浸漬して、当該電極表面に抗IgGを固定
化した。このようにして得られた電極の抗IgG固定化前
後の電極電位の変化(‐ΔE/mV)を、第1図に示した測
定システムを用いて測定し、その結果と各電極の通電量
の関係を第3図にプロットした。電位は抗IgG固定前と
抗IgG固定後の電位変化を示すもので、本発明で形成し
たポリピロール膜が十分抗IgGを吸着していることが判
る。特に、通電量が20〜100mC/cm2の時、顕著な応答性
を示し、これは膜厚約50〜250nmに相当する。
実施例2 次に実施例1で調製した電解重合用溶液を用い、作用電
極としての1mmφ、長さ6mmのPt線上に次の各条件でポリ
ピロール膜を形成させIgGを固定させ6種の電極を作製
した。
(1)電流密度100μA/cm2、通電量60mC/cm2(20μA,10
分間)で電解重合を行い、Pt線上に形成したポリピロー
ル膜をアセトニトリルで洗浄し、さらに水洗して150mg/
mlのIgG溶液に3.5日浸漬し、さらに1%BSAに2日間浸
漬して、IgG固定ポリピロール膜被膜Pt電極Aを得た。
(2)(1)と同様にしてPt線上にポリピロール膜を形
成し洗浄した後、4−アミノメチル−1,8−オクタンジ
アミン(液状であるのでそのまゝで)で4日間、5%グ
ルタルアルデヒド水溶液で1日間浸漬し、さらに150mg/
mlIgG溶液に7日間、5%BSAに5日間浸漬してIgG固定
ポリピロール膜被覆Pt電極Bを得た。
(3)上記電解重合用溶液に0.1モル/のアリルアミ
ンを添加し、電流密度25mA/cm2、通電量90C/cm2(5mA、
1時間)で電解重合を行い、(1)同様にして膜を洗浄
後、150mg/mlのIgG溶液に3日間浸漬し、さらに5%BSA
に2日間浸漬してIgG固定ポリピロール膜被覆Pt電極C
を得た。
(4)上記電解重合用溶液にグルタルアルデヒドを5%
濃度となるように添加したのち電流密度100μA/cm2、通
電量300mC/cm2(20μA、50分間)で電解重合を行い、
(1)同様にして膜を洗浄後、150mg/ml溶液に2日間浸
漬し、さらに5%BSAに2日間浸漬してIgG固定ポリピロ
ール膜被覆Pt電極Dを得た。
(5)(4)と同じグルタルアルデヒド5%含有電解重
合用溶液を電流密度100μA/cm2、通電量360mC/cm2(20
μA、60分間)で電解重合し、(1)同様にして膜を洗
浄後、4−アミノメチル−1,8−オクタンジアミンに4
日間、50%グルタルアルデヒド水溶液に1日間浸漬後、
150mg/mlのIgG溶液に2日間、さらに5%BSAに5日間浸
漬してIgG固定ポリピロール膜被膜Pt電極Eを得た。
(6)上記電解重合用溶液にグルタルアルデヒドを10%
濃度となるように添加し、電流密度100μA/cm2、通電量
720mC/cm2(20μA、2時間)、さらに250μA/cm2、900
mC/cm2(50μ、1時間)で電解重合を行い、(1)と同
様に膜を洗浄したあと150mg/mlのIgG溶液に2日間、さ
らに0.1N NaBH4(pH7.8)に1日浸漬して、IgG固定ポリ
ピロール膜被膜Pt電極Fを得た。
上記で得られた電極A〜Fを第1図に示す免疫センサー
の作用電極として8.52×10-3mg/mlの抗IgG溶液に浸漬し
て各電極の電位変化(−△E/mV)を測定した。結果は第
4図のグラフに示すとおりでいずれも良好な免疫応答性
を示しているが、本発明の各固定化用物質で処理した電
極(B)〜(F)はより良好な免疫応答性を示してい
る。
実施例3 実施例2で作製した電極Fを用いて、種々の濃度の抗Ig
G溶液との免疫応答性を実施例2と同様にして測定し
た。結果は第5図に示すとおりで10-5mg/mlオーダーの
抗IgGまで十分測定可能であることを示している。ま
た、この結果を20分後の電位変化量でプロツトした検量
線で示すと第6図のとおりで良好な直線性を示すことが
分る。同様の検量線は、例えば3分後の値を用いても得
られる。
実施例4 適当量のピロール飽和水溶液を調製し、これにIgGを15m
g/ml濃度となるように添加して得た電解重合用溶液に作
用電極として0.5mmφ、長さ5.8mmのPt線を浸漬し、チツ
素雰囲気下に電流密度1mA/cm2、通電量400mC/cm2(100
μA、6分間)で電解重合を行い、膜厚100nmのIgG固定
ポリピロール膜被膜Pt電極を得た。この電極を第1図の
免疫センサーの作用電極として用い、各種濃度の抗IgG
との免疫応答性を測定して第7図の結果を得た。いずれ
も良好な結果を示している。
実施例5 実施例1の電解重合用溶液を用い、通電量1.6C/cm2でPt
プレート上に形成させたポリピロール膜をアセトニトリ
ルで洗浄し、アセトニトリル中あるいは蒸留水中でPtプ
レートから注意深くはがして膜厚4μの膜を得た。これ
を4−アミノメチル−1,8−オクタンジアミンおよび50
%グルタルアルデヒド水溶液の10:1(体積比)混合液中
で1日処理した後150mg/mlを含むIgG溶液に2日間浸漬
しIgGを十分に吸着させた。この膜を第2図の免疫セン
サー系の作用膜として用い、抗IgGとの応答性測定した
ところ明らかな電位変化の応答を示した。
これに対し通常の方法で作製しIgGを固定させたトリア
セチルセルロースおよびポリアクリルアミドを同様にし
て膜電位変化を測定したものは本発明の膜に比し著しく
低い(約1/10)応答性しか示さなかった。
実施例6 また、実施例5においてピロールの代りにチオフエンを
用いて作製した厚さ4.5μを有するIgG固定ポリチオフエ
ン膜も、実施例5のポリピロール膜よりも電位変化は若
干低かったが、同様の抗IgG応答性を示した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の抗原または抗体固定ポリピロール膜被
覆電極を作用電極として用いた免疫センサー配列の1例
を示す。 第2図は本発明の抗原または抗体固定ポリピロール膜を
作用膜として用いた免疫センサー配列の1例を示す。 第3図は本発明方法により作製したポリピロール膜の抗
体(または抗原)の吸着性(固定性)を示すグラフであ
る。 第4図は本発明の種々の方法で作製した抗原(または抗
体)固定ポリピロール膜被覆電極の免疫応答性を示すグ
ラフである。 第5図は本発明の抗原(または抗体)固定ポリピロール
被覆電極の各種濃度の抗体(または抗原)に対する応答
性を示すグラフである。 第6図は、第5図で示す応答性を検量線で示したもので
ある。 第7図は本発明の別の実施態様で作製した電極の免疫応
答性を示す。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】抗原または抗体を固定したポリピロールま
    たはポリチオフェン膜と当該膜を被覆した電極本体から
    なる免疫センサー用電極。
  2. 【請求項2】ピロールまたはチオフェンを電解重合用溶
    媒に溶解してピロールまたはチオフェン含有電解溶液を
    調製し、この電解溶液に作用電極および対電極を浸漬し
    て通常の電解重合条件下に通電することによってピロー
    ルまたはチオフェンの電解重合を行い、作用電極上にポ
    リピロールまたはポリチオフェン膜を形成し、さらに当
    該膜が形成した作用電極を抗原または抗体含有溶液と接
    触させて、ポリピロール膜またはポリチオフェン膜表面
    に抗原または抗体を固定することを特徴とする免疫セン
    サー用電極の製造方法。
  3. 【請求項3】抗原または抗体固定化前のポリピロールま
    たはポリチオフェン膜を、ジアルデヒド類およびアミン
    類から選ばれた固定化用物質で処理する特許請求の範囲
    第(2)項記載の方法。
  4. 【請求項4】ジアルデヒドがグルタルアルデヒド、グリ
    オキサール、マロンジアルデヒド、スクシンジアルデヒ
    ドまたはアジピンジアルデヒドである特許請求の範囲第
    (3)項記載の方法。
  5. 【請求項5】アミンがアリルアミン、1,8-オクタンジア
    ミン、4-アミノ‐メチル‐1,8-オクタンジアミンまたは
    ヘキサメチレンジアミンである特許請求の範囲第(3)
    項記載の方法。
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