JPS5968344A - 非対称機能膜及びその製法 - 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】 本発明は、新規な非対称機能膜及びその製法に関するも
のである。さらに詳しくいえば、親水性−疎水性の２層
構造をもつ非′！／１称？、孔質フッ累累樹脂膜及び前
記非対称機能膜の親木層に酵素を固定し、酵素反応機能
と、ガス選択透過機能が同時に賦与された型の非対称機
能膜とその製法に関するものである。

酵素固定ｊ漠は、酵素電極のようなセンサ用として、あ
るいは酵素反応の活性膜として利用されているが、これ
らの用途に供する場合には、常に一定の応答、結果が得
られるように、膜厚の一定したものを再現性よく形成し
うろこと、応答速度の速い迅辻な分析が可能であること
、しかも長期間安定な連続操作が出来るような機械的強
度を有すること等の要件が満たされていなければならな
い。

酵素電極は、酵素固定化膜と′電気化学デバイスより構
成される。電気化学デバイスとしてよく利用されている
ものにアンモニアガス選択電極、炭酸ガス選択電極、酸
素電極に代表されるガス選択外電極がある。これらの電
極を用いて酵素電極を作成するには、ガス選択透過機能
をもった膜厚２゜〜１００μｍ程度の多孔質フッ素系樹
脂膜（通常はポリテトラフルオロエチレン咽）上に、別
途作成した？ｉ￥素固全固定膜着させたものを下地電極
上に密着させて作成される。しかし、この様な２枚の膜
を下地電極上に密着させる方法は、組立操作がめんどう
であるばかりか、酵素固定膜と多孔質７ツ素系樹脂ＩＩ
％との密着が必ずしも十分でないという欠点がある。は
なはだしい時には両者の膜の間に気泡が保持される等の
トラブルが生じ？！！極としての性能を著しく低下させ
るという欠点を有していた。

この様な従来法の欠点をなくするためのいくつかの試み
が発表されている。例えば、マッシーニ［Ｍ、　Ｍａｓ
％ｃｊ、ｎＪ、、　ｅｔ　ａｌ、　、　Ａｎａ］、　ｃ
ｈｅｍ、　、　４９．　７９５（１９７７）〕又はアン
フェルト（Ｔ、　Ａｎｆｆｌｔ、　ｅｔ　ａｌ、。

Ａｎａｌ　Ｉ＋ｎｔｔ−＋　１９７３．９６９）　等は
多孔質ポリテトせ ラフルオ四エチレン膜上に酵素膜を直接形成さ牡る試み
を行っている。しかし、ポリテトラフルオロエチレンの
化学的性質から容易に推定できる様に、ｂｙｉｐとポリ
テトラフルオロエチレン、！：　（Ｄ　接着強度は極め
て弱いので、使用中には＜郁スることを防ぎ得ない本ク
シ的欠点を有しており実用的ではなかった。シェルフ等
（Ｓｃｈｕコｔｚａ　ｅｔ　ａｌ、、Ｔｒａｎｓ。

Ａｍ、Ｓｏｃ、Ａｒｔｉｆ、、Ｔｔｔｔｏｒｎ、Ｏｒｇ
ａｎｓｘｘｖ、ｐ６６（］、９７９）〕は、ポリテトラ
フルオロエチレン膜の表面を金閏ナトリウムと有機溶媒
よりなるエッヂンゲ溶液で処ｒ１（シた後、処ｒＪ（表
面上にゲルコースオキシダーゼとアルブミンのゲル状膜
を形ＩＺさせた。

この方法は、マッシーニ（Ｍａｒ、ｃｉｎＪ）やアンフ
ェル）　（Ａｎｆａ、１−、）　Ａｊｊ−の方法に比較
すると、ポリテトラフルオロエチレン膜と酵素膜との接
着強度を増大させることはできるが、機械的強度の小さ
いゲル状の酵素ＩＩゑが、何ら保おされることヰなくポ
リテトラフルオロエチレン膜上に、薄出したｌ（りのも
のであるため不安定であり、使用中のは＜１帷等、実用
上の同順がある。

この様な従来法の欠点をなくするには、例えば、膜厚り
を有する多孔質フッ素系樹脂膜の膜厚方向の所定の深さ
ａ　（ａ＜ｐ）の微小連通孔内に酵素を固定し、酵素固
定膜として機能させ、賎りのＤ−ｄの部分をガス選択透
過膜として機能させる型の非対称機能膜が最適である。

この時ゲル状の酵素膜はフッ素系樹脂膜の強固なマトリ
ックスによって保護されており、機械的にも十分強力な
膜となる。さらに従来２枚の膜で構成された酵素電極が
１枚で４’８ｊ成でき極めて有利である。しかし、フッ
素系樹１指の微小連通孔内に酵素水溶液を浸入させるこ
とは、極めて困難であることが良く知られている。従っ
て何らかの親水化処理を行う必要がある。

フッ素系樹脂の親水化方法としては、従来、金属ナトリ
ウム−有機溶媒（又はアンモニア）系による処理、放射
線を用いるゲラフト反応、有機チタン化合物を用いる方
法、界面活性剤や親水性高分子の吸着処理、プラズマ処
理、あるいはコロナ放電処理等が公知である。しかし、
これら公知の処理方法を＋＋Ｃ厚２０〜１００μｍ稈度
の多孔質フッ素系樹脂膜に応用すると膜の厚さ方向全体
にわたつで親水性となるか、あるいはごく衷Ｗｉのみが
親水性となるに止まり、膜厚方向の壬で７の厚み部分の
みを親水［ヒするという高度な処１７：ｉ　＋；ｉ不可
能であった。膜厚方向の全てが親水化されろ［ξｆは、
Ｈ・６（は直ちにガス’ｔ’ｉ’ｉ択ｆＳ過（メ１能を
失い、酊ア電極用として不適である。表面の；ｊ親水化
される時には（：ｌ′ｉｒＦ揄として１′１：動するに
十分な量の酵素を安定に固定しイｒ、：′／ｉいため、
やはり本目的には不適である。

本発明１′ｌら（オ、膜厚１００μｍ程度の多孔質フン
宋系樹Ｉｆｆ”！　Ｉ！！”、　Ｆ）膜Ｉヲ方向の壬意
の距ｎ［（だけ親水化゛した非′ｌＩ称（５４ｒｉｉ２
１；’ｉ及びその製法について、２？２λ意研究した結
果、膜の飲手連通孔内への’ｉｌｌ”にコントロが達成
されることを見出した。また、本発明においては、浸透
速度のわかったフッ素化界面活性剤溶液を用いるので、
目的の距Ｒｄだけ浸透するに要する時間は容易に知るこ
とができる。従って多孔質フッ素化樹脂膜の片面を界面
活性剤溶液で所定の時間だけ浸透処理し、次いで素早く
水洗すれば、界面活性剤溶液の浸透距離を所定のｄとす
ることができる。浸透した部分のフッ素樹脂には界面活
性剤が吸着し親水性となる。従って目的の距容易に酵素
溶液が浸透するので固定化処理を施せば、酵素反応機能
と力゛ス選択透過機能を合せもつ複合機能膜が得られる
。この膜を電極上に密着させて作成した酵素電極は長期
間にわたって安定な出力を出すことを見出し本発明をな
すに至った。

本発明の対象とする多孔質フッ素系樹脂は、その種類、
製法、膜厚、膜の形状、膜の大きさ等を問わずどのよう
なものにも適用できる。また、本発明で用いられるフッ
素化界面活性剤とは、通′帛の界面活性剤の炭化水素銅
の代わりに炭化フッ索鎖を有する型の界面活性剤で、そ
の水溶液の表面張力が２２ダイン／α以下のものであり
、フッ素糸樹脂に１吸着能を有するものならば特にその
化学構造に制限はない。しかし、カチオン性あるいはア
ニオン性のものより、両性又は非イオン性の方が表面張
力低下能も大きく、さらに酵素に対する影響も温和であ
るので一般には、両性又は非イオ性が有利である。本発
明においてフッ素化界面活性剤は、通常、水溶液として
用いられるが、界面活性剤の溶解度を増すために少量の
有機溶媒を加えた混合溶媒を用いることもできる。ここ
で有機溶媒トは、エタ／−ル、２−ブロノ（ノール等の
低級アルコール、ヂオキサン等のエーテル類が好適に用
いられる。しかし、これら有機溶媒を過剰に添加するこ
とは、浸透速度を著しく速くすることになり、浸透距離
のコントロールを困難にするので通常１０％以下が用い
られる。

本発明においては、浸透速度の精密なコントロールが大
切である。例えば浸透速度が極端に速く、数秒にして膜
厚方向全体にわたって浸透する時には、とうてい正確な
浸透距離をコントロールできないばかりか、膜のもつガ
ス選択透過性を失わせることになり本目的には不適とな
る。また、逆に浸透速度が極端に遅い時には、処理時間
が長くなり非能率となる。従って適切な浸透速度を用い
る１ま ことが重要である。最適速度播特に制限はないが通常５
〜２０分の処理時間で目的を達しうる速度が有利に用い
られる。例えば１００μｍの膜厚をもつ多孔質フッ素系
樹脂膜の片側５０μｍのみ部分親水化する時には、５μ
ｍ／ｍｉｎ　〜１０μｍ／　ｍ　ｉ　ｎの浸透速度を選
べば、５〜１０分の処理時間で５０μｍの部分親水化処
理を施すことができる。浸透速度は界面活性剤溶液の表
面張力、粘度、界面活性剤溶液とフッ素樹脂の接触角、
膜の孔径、孔の形や長さ等多くの因子に依存するので、
全ての場合に適用できる公式を得ることは困難である。

しかし、実験的に浸透速度を決定することは容易である
ので、前もって実験的に決定しておくことができる。第
１図は孔径３μｍの多孔質ポリテトラフルオロエチレン
膜（膜厚７０μｍ）について、両性型（ａ）及び非イオ
ン型（ｂ）フッ素化界面活性剤の浸透速度（膜の片面か
ら浸透し他の面まで浸透するに要する時間より求めた）
と界面活性剤濃度との関係である。第１図より両性型を
用いればＱ、　３％の濃度での浸透速度は７μｍ／　ｍ
　１．　ｎであるので膜厚７０μｍの半分、３５μｍを
親水化する場合には５分間浸透処理すればよいことがわ
かる。

次に実施例により本発明をさらにｕｉｔＩｌに説明する
Ｏ なお、実施例では、フッ素系樹脂の代表例としてポリテ
トラフルオロエチレン膜の膜について説明を行うが、こ
れはポリテトラフルオロエチレンが最も疎水性の高い樹
脂であるため例に選んだもので、特に本発明の適用樹脂
の種類を制限するものではない。

実施例１ 直径１．５　ｃｍの円形全した膜厚７０μ鴫平均孔径０
３μｍの多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜の表面上
に、両性のフッ素化界面活性剤〔旭硝子株製サーフロン
Ｓ−１３２）の０．３％水溶液を滴下し、膜面に一様に
拡がらせた。次いで膜を水蒸気で飽和したガラス容器内
に４分間静置浸透せしめた。

その後素早く過剰の界面活性剤溶液を水洗し、さらに３
０分間蒸留水にて微小孔内に存在する過剰の界面活性剤
分子を洗浄除去した。以上の処理によって得た非対称膜
を減圧下で乾燥後、処理表面側より蒸留水を浸透させた
ところ２．Ｑ　ｍｙの水が微小孔内に保持されることが
わかった。未処理表１ｆＪＪｆｆｔＪからの水の浸透量
はＯであり、本発明の膜が親水−疎水の２層よりなる非
対称機能膜となっていることが明らかとなった。なお、
同じ膜が膜全体を親水化された時には、６２ｍ９の水を
微小孔内に保持できるので、親水化された距離ｄは約２
９５μｍであると判明した。浸透速度は７μｍ　／　ｍ
　ｉ　ｎであったので、４分間の浸透圧熱の計算値は２
８μｍとなる。微小孔の膜内分布が不均一であることを
考えると両者は良く一致していると言える。

次いで非対称機能膜の親水化表面側より１］５゜単位１
ｆｎ１．のアデノシンデアミナーゼ（Ａｄｅｎｏｓｉ′
ｎｅｄｅａｍｉ、ｎａｓｅ　Ｅ、　０．３．５．４．４
）水溶液に１５％のアルブミンを添加した溶液１５μｌ
を滴下、６０分間飽和水蒸気中で静置浸透ざぜた。続い
て過剰の酵素液をろ紙でぬぐい去った後、５％ゲルタル
アルデヒドにて５分間架橋、Ｏ，１Ｍグリシン溶液中に
１時間含浸し、アデノシンデアミナーゼを固定し、非対
称機能膜を得た。

この様にして製造した非対称機能膜をアンモニアカ′ス
選択電極の力゛ス透過膜の代わりに装着し、ｐＨ−ａ５
．０．１ｍ０１／ｌ！のトリス塩酸バッファー中でアデ
ノシンに対する応答特性を調べた。

その結果を、アデノシン濃度（２Ｘ　１０〜１．０　ｍ
ｏｌ、／Ｉりと出力電圧の関係を示すグラフとして添付
図面第２図のカーブａに表わした。このグラフから明ら
かな様に、＋ｔｉＪ記の溶度範囲では出力とアデノシン
０度は良好な直線関係を示した。この際の出力電圧が定
常値に達するまでの時間すなわち応答時間は１０　ｍ０
１　／′ｌで５分、］○ｍｏｌ／Ｉ！で２分、１０ｍ　
ｏ　１　／ｌ！以上で１分であった。２枚の膜を用いた
同種の電柵はデンゲ（１，Ｄｅｎｇ　Ａｎａｌ、　ｃｈ
ｅｍ、　５礼１９３７　］、　９　ｓ　ｏ）等により報
告されているが、その応答時間は］、Ｏｍｏ］／ｌｍｏ
ｌ７〜１２分、］。ＯＮ１０　ｍｏ１／ｌ　Ｔ’　６〜
Ｉｎ分、　１０ｍｏｌ／Ｉ！で２〜４分であり、本発明
の電極にに比べ大幅に遅いことがわかる。これは非対称
機能膜を用いた酵素電極の有効さの表われである。

なお出力電圧は室温にて（２０検体／８）少なくとも２
週間は安定であった。

実施例２ ２０ＬＭ四方の正方形をした膜厚１５０μｍの平均孔形
０１μｍの多孔質ポリチドリフルオロエチレン膜の表面
上に、非イオン性フッ素化界面活性剤〔旭硝子ｇ１＋〕
製ザーフロンＳ−１４５）３％水溶液を膜面に一様に拡
がらせ実施例１と同様の方法で１０分間浸透処理を行っ
た。その後実施例１と同様に水洗をして親水−疎水２層
よりなる非力ｊ称機能膜を得た。この時親水化された深
さは１００μｍであった。

次いで実施例１と同様の方法でアデノシンデアミナーゼ
−アルブミン溶液、あるいは１５０７ｎ９のウレアーゼ
（５単位／ｍ９）と１５０■のアルブミンを含む水溶液
を膜面上に拡げ実施例］と同様にして固定化した非対称
機能膜を得た。この非対称機能膜を直径１．５儂の円形
に切り抜いて電極装着用固定膜を多数得た。

この様にして得た２種の非対称機能膜をアンモニアカス
選択宙、４ｉ！Ｊ！のガス透過膜の代わりに装着し、ｐ
　Ｈ−８，５、Ｏ，ｌ　ｍ　ｏ　］、　／　ｌ　　のト
リス塩酸バッファー中でアデノシンにつ・１する応答を
、またｐＨ−８，５，０，２ｍｏ１／ｌノドリスＩ：ｆ
；ｔ　酸バッファー中で尿素に対する応答特性を４１．
′１へた。

その結果、アゾ／シンについては実施例］−と同様の結
果を得た。尿素については、添イ＼Ｊ図面第２１閑のカ
ーブｂに表わした様に２　Ｘ　１０〜３　Ｘ　１０　ｍ
　ｏ　１　／Ｉ！のｔｊｐ度範囲で良好な直線関係を得
た。応答時間は２〜５分で、出力は少なくとも２週間は
安定であった。

実施例３ 実施例１と同様な方法で得た非対称機能膜にアルフミン
１００ｍ９を含む水ｆ８液１　ｍｌにメギザレートデキ
ルボキシラーゼ（０５穿位／　７１１ｇ）を２００ｍ９
加えた酵素溶液を実施例コと同様にして固定した非対称
機能膜を得た。この膜を炭酸ガス選択電極のガス透過膜
の代わりに装着し、シュウ酸に対する応答をｐＨ−３，
５，クエン酸−リン酸ナトリウムバッファー中で調べた
。その結果、シュウ酸濃度３×−６ １０〜５×］Ｏｍ○土、／ｌの葭１．囲にわたって、出
力電圧〜シュウ酸濃度ｔｒ：＋に良、ｒｌ’Ｊ”　’Ｉ
ｒ　ｊｉ’１線関係全関係。応答”６”　ｐｉ］　１ｌ
１３〜１２分て、１月間は安定であった。

【図面の簡単な説明】

；ＩＳ１図は、多７Ｌ角二フッ素系円脂膜中へのフッ素
化界面活性剤溶液のθ透速度と濃度の関係を示すグラフ
であり、第２図は、本発明の非対称機能膜を６）！素’
ｒＪ極として用いた時のアデノシンシ１１度とｆｆｔｆ
ｔ圧電圧−ブａ）及び尿素濃度と出力電圧（カーブｂ）
との関係を示すグラフである。 特許出願人　工業技術院長　石　坂　誠　−第　　　１
）４ １農度（中：１１σ；） 第　　　　　”　　　　　ｔ’４ 「 Ｊ　　　　　　　　５　　　　　−　４　　　　　　−
−３　　　　　　　　２　　　　　　−−１、・“′１
１−罰・Ｄｏｌ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　膜厚方向の所定の深度まで親水化された多孔質フッ
   素系樹脂膜。 ？　多孔質フッ素系樹脂膜の親水化された微小連通死因
   に酵素を含むゲル状物質を充てんした、酵素反応機能と
   ガス選択透過機能をあわぜもつ特許請求の範囲第１項記
   載の非対称機能膜。 ３　多孔質フッ素系樹脂膜の膜厚方向の所定の深度のみ
   フッ素化界面活性剤溶液で浸透処理したのち、これに酵
   素及びゲル形成剤を含む水溶液を含浸させ、次いで固定
   化処理を施すことにより酵素反応機能とガス選択透過機
   能をあわせもつことを特徴とする非対称機能膜の製法。