JPS63120247A - 簡易酵素電極 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、簡易酵素電極に関し、酵素センサー、例えば
血液中や尿中のグルコース濃度測定用の簡易型グルコー
スセンサー等に用いることができる簡易酵素電極に関す
るものである。

（従来の技術とその問題点） 酵素センサー、例えばグルコースセンサーを目的別に分
類すると、臨床検査機器への組み込みを目指したもの、
簡易グルコース計を目指したもの、人工膵臓への組み込
みを目指したものなどが挙げられる。臨床検査機器へ組
み込まれたグルコースセンサーは、すでに市販品もあり
、その特徴として、小量生産のため量産性は高くないが
、測定回数を多くするため、酵素固定化し、酵素再利用
を計っていること５、また被検液の希釈１、血球分離、
標準液による較正、恒温槽の利用など、臨床検査機の装
備充実によりセンサーに対する設計の規制が少ないこと
が挙げられる。

簡易グルコース計に関しては、使い捨て、家庭向による
使い良さを意図するため、精度は臨床検査機器用はど必
要でばないが、被検液の希釈や較正が実質的に出来ない
など使用条件が厳しく、センナ−間の測定誤差の少ない
かつ３、量産性の高いものでなければならない。

簡易グルコース器用として、現在主流になっているもの
は、グルコースセンサ−ゼ、パーオキシダーゼ、色素を
試験紙に組み入れ、グルコース濃度による色調変化を、
目視あるいは測定器で検出する比色法を用いたものであ
る。これは、被検液中の色素、例えば赤血球などにより
測定誤差を生み、精度誤差が大きく、−度つけた被検液
を一定時間後に測定者が拭き取るなど、取扱も容易とは
言えない。

一方、ドライケミストリー・では、。比色法の精度向上
が計られ、臨床検査方面で応用されているが、正確な被
検液量が必要で、簡易型としてみた場合、一検体あたり
の測定時間が長い、被検部恒温化、複雑な検出光学系な
ど、測定器が大掛かりになっている。

他方、電極には基体表面の平滑性、耐久性、耐薬品性な
どが重要な特性として要求され、特に電極表面の平滑度
は測定積度に大きな影響を与えることが判明した。

本発明の目的は、測定誤差が少なく、取扱が容易で、簡
易型の酵素センサー等に用いられるように、小型で猪産
できると共に、平滑性、耐久性、耐薬品性が高い電極素
材を比較的節単に作成することができる簡易酵素電極を
提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、基板表面に極を構成する感応部と、各種と測
定器本体とを電気的に接続する接続部と、感応部の領域
を制限し感応部と接続部間を外部と絶縁する絶縁体でお
おわれた絶縁部とから成る電極と、前記感応部において
、酵素固定化膜、さらにこの酵素固定化膜をおおうよう
に高分子膜を配した酵素固定化部とで構成され、電極が
基板表面と面一となるように転写法によって形成されて
いることを特徴とする簡易酵素電極である。

感応部の極は、基板表面上に作用極、対極および参照極
の３極から構成し、あるいは陽極および陰極の２極から
構成することができる。

感応部は、少なくとも作用極上の一部、または少なくと
も陽極上の一部を酵素固定化膜とこれをおおう高分子膜
を配した酵素固定化部で構成することができる。

また酵素固定化膜は、酵素を含んだ感光性樹脂を用いた
フォトリソグラフィー技術によって作成することが好ま
しい。この場合、感光性樹脂としては、通常市販されて
いるものを使用できる。例えばスチルバゾリウム残基を
付加したポリビニルアルコール、ベンゾインエチルエー
テルをｍ　合間始剤とするポリエチレングリコールメタ
クリレートなどが挙げられる。

高分子膜は、光硬化性樹脂、あるいは二液性または−液
性の富温硬化性樹脂で印刷、あるいは感光性樹脂で６、
フォトリソグラフィーによって作成することが好ましい
。光硬化性樹脂、二液性または一液性樹脂、あるいは感
光性樹脂を用いると、■　印刷技術、フォ［リソグラフ
ィー技術を用いろことができ、量産性および再現性が高
い、■　非溶媒系なので、酵素に対して安全である、志
いう利点がある。

光硬化性樹脂としてはウレタンアクリレート、ポリエス
テルアクリレート、エポキシアクリレートが挙げられ、
これに反応性希釈剤や光重合開始剤等を配合することが
できる。二液性の常温硬化性（Ｍ脂としてはイソシアネ
ートとポリオールを配合したものや、エポキシ樹脂系、
シリコン樹脂系等が挙げられ、これらの他にいずれも市
販のものを使用できる。感光性樹脂としては、水または
水を主成分とした現像液で現像できるものが好ましく、
例えばポリビニルアルコール類、２−ヒドロキシエチル
メタクリレートとポリビニルアルコール、コロネートＬ
とポリエチレングリコールモノアクリレートとポリビニ
ルアルコールを配合した感光性樹脂等を用いることがで
きる。

電極素材は、ジアリルフタレート樹脂をバインダー樹脂
としてカーボン粉末、あるいは銀粉末を含んだ豹、電性
印刷インクを用いた印Ｘｉ’ｌ＋によって作成すること
が好ましい。即ち、印刷により電極部を作成するに当た
っては、平１ｕに研磨した金属板上に、ジアリルイソフ
タレート樹脂をバインダー樹脂とするベーストを用いて
所望のパターンをスクリーン印刷して形成し、次にこの
ようにパターンを印ｆｉｌ形成した金属板を金型の一部
とする成形型に入れ、ジアリルフタレート樹脂の成形樹
脂により熱圧縮成形を行なって成形体を形成し、成形後
、加熱硬化を行いＱ後に成形体を前記パターンと一体と
して金属板から剥離する。このように総ての要素をジア
リルフタレ−１・を以て構成すると５、それらの熱膨張
係数、硬度、耐熱性がほぼ等しくなるため、パターンの
変形はなく、表面の平滑性も高く、耐久性にも冨むこと
になる。勿論、上記成形樹脂として他の高分子材料が適
用可能なことはＳうまでもなく、導電ベーストのバイン
ダー樹脂も挿々条件に応じて変更可能である。

これにより、平坦な表面を有する平滑性、耐久性、耐熱
性などを満足する電極製材が得られる。

本発明の酵素電極に用いられる酵素としては、グルコー
スオキシダーゼの他に通常酵素電極に使用されているも
のを使用でき、例えばグルコースオキシダーゼ、コ１／
ステロールオキシダーゼ、アルコールオキシダーゼ、ア
ルデヒドオキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、ピル
ベートオキシダーゼ、ザルコシンオキシダーゼ、ウレー
トオキシダーゼ、アスコルベートオキシダーゼ、グリセ
ロールオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼなどが挙げられ
る。

次に、本発明の簡易酵素雪掻の実施例を図面に基づき説
明する。

（実施例） 第１図は、酵素電極の電極パターンを示す概略平面図で
ある。

作用極１、対極２および参照極３を有し、耐水性電気絶
縁体で感応部４と接点（外部接続部）５を分離する絶縁
部９を形成する。

第２図は、感応部の断面を示し、作用極１上に酵素を含
んだ感光性樹脂による酵素固定化膜６、その上に二液性
または一液性常温硬化性樹脂、光硬化性樹脂などによる
オーバーコート膜７を形成する。

グルコースセンサに使用した場合、感応部りに被検液を
滴下すると、被検液中のグルコースはオーバーコート膜
によって拡散制限を受）Ｊて、グルコースオキシダーゼ
固定化膜中に達し、そこでＯ２の存在のもとＱこ、グル
コノラクトンに変換され、０２は１（２０□にぶ元され
る。そのＨ２０□を、作用極上で酸化する酸化電流から
、あらかじめ求められている検量線（酸化電流対グルコ
ース濃度）をもとにして、グルコース濃度が算出される
。この時、作用極にはＨ，０□酸化電位として、参照電
極を基準として９００＋ｎＶ（Ａｇ／ＡｇＣ１）を印加
シタ。マタ、対掘ハ電流供給のための極である。

また、バイオセンサーとして多項目化する場合には、本
発明の酵素電極の感応部の作用極を複数化して、例えば
、３個の作用極を設け、それぞれグル１−スオキシダー
ゼ、コレステロールオキシダーゼ、ウレートオキシダー
ゼの酵素固定化膜を用い、対極および参照極を設け、グ
ルコース、コレステロールおよび尿酸を同時に測定する
ことができろ。

次に上述した電極素材を印判、転写により作成する方法
を詳細に説明する。

第３図に示すように表面を光学的に平坦に研磨した金属
板２０を用意し、その鏡面上に、表面層１２の所望のパ
ターンに対応した開口部２１ａを有するスクリーンマス
ク２１を当て、」一方からスキージ２２によりベースト
２３を開口部２１ａを介して金属板表面に塗布する。こ
のようにして所望のパターンを有する表面層１２をスク
リーン印刷することができる。ベーストとしてはジアリ
ルイソフタレートとカーボンブラックとを適当な？容剤
を加えて？昆練したものを使用することができる。この
場合、抵抗値等は混入させるカーボンブラックの■によ
って決まる。

ペーストは、ジアリＪレフタレートとカーボン圭分末、
ジアリルフタＩ／　−１・と銀粉等を溶剤を加えてン昆
練したもの等を用いることができる。このようにスクリ
ーン印刷により電極層を形成するが、層の厚さは使用す
るスクリーンマスクの厚さによ２って決まる。次に」−
述したスクリーン印刷により形成した後、例えば３０〜
・６０分間１５０℃の温度に保ってペーストを硬化させ
る。

次に第４図に示すように印刷により形成した層を有する
金属板２０を、予め加熱しである金型２５．９２６に入
れる。この場合、上側の金型２６と金属板２０とによっ
て空間が形成されるので、金属板２０は金型の一部を形
成することになる。」−例の金型２６には中間に隔壁２
６ａを形成し、この隔壁には開口２６ｂを形成する。隔
壁２６ａの上方に形成される空間に、成形材として用い
るジアリルフタレートを収容した後、ブレス２７により
加圧する。この加圧成形は例えば２００　ｋｇ　／　ｃ
ｉの圧力で約３分間行い、金型温度は１７０℃とする。

このようにして熱圧縮成形することによりジアリルフタ
レートは開口２６ｂを経て金属板２０と上側金型２６と
によって囲まれる空間内に圧入され、基体が形成される
。

次に金属板２０を金型２５．２６から取り外すと、第５
図に示すように金属板２０上に印刷により形成された府
と熱圧縮成形により形成された基体とが一体となった成
形体１１が得られる。成形体１１は金属板２０から容易
に剥離する。この際、ジアリルフタレ−１・は金属との
密着性または接着性がよくないので、成形体１１を金属
板２０から容易にｒ１ｊ離することかでき、特別な離型
剤は必要でない。また、このｆｆ１ｌ＋　離の際に成形
体１１に無理な応力が加わることがないので、形成され
たパターンが変形したり、ｒ皮１員することもない。最
後にこのように剥離した成形体１１をオーブンに入れ、
例えば１５０〜２００　’Ｃの温度で１５〜２０時間加
熱して硬化する。このような加熱硬化処理を施すことに
よりカーボンと樹脂との粘合状態が良好となり、抵抗値
が下がった状態で安定となる。

このように金属板２０から成形体１１をｆ、ｌ離した後
、加熱硬化することにより本発明に使用する第２図に示
すような電極素材８が得られる。この場合、電極素材８
の表面は金属板２０の平坦に研磨した表面と同等の平１
ｕさを有しており、光学的な平滑面となる。また、この
表面を構成する材料は総てジアリルフタレートを主成分
とするものであるので、熱膨張係数はほぼ等しく、変形
や割れ、剥れなどが生ずる恐れは少なく、耐久性に富ん
だものとなると共に、ジアリルフタレ−１−の硬度はパ
ーコール硬さ７６と高いものであるから耐摩耗性も高く
なる。

電極面を平坦にすることによって、以下のような利点が
生じる。

■　電極のベースライン、応答電流変化の安定化および
反応安定化までの時間短縮が得られる。

■　通常は電極パターンの厚みが１０〜２０ｍあり、基
板」−が凸状になっていると、酵素膜をコーティングす
る場合、電極上に均一の膜が得られないが、平坦な場合
は均一の膜が得られやすい。

これを図面により説明すると−，リン酸緩衝液ｐＨ７，
２中で３０゛Ｃの場合のベースライン変化を、第６図は
、基板上に通常の印刷で（１られた電極について求めた
グラフ、第７図は、アルミナで研磨して得られた電極に
ついて求めたグラフ、第８図は、本発明に用いた転写法
による電極について求めたグラフである。第６図の電極
は、電流値が安定せず実用に耐えないが、研磨した第７
図の電極、転写法による第８図の電極は、電流が安定し
ており、安定化に要する時間も短い。また、転写法によ
る電極は研磨工程の必要がなく安定度が高い。

（発明の効果） 以上、本発明のｆＹ素電極によれば、 ■　平滑性、耐久性、耐熱性、信頬性が高い電極素材を
比較的簡単に作成できる、 ■　感応部の酵素固定化膜およびオーバーコート膜を、
感光性樹脂、無溶媒の二液性または一液性硬化性樹脂、
あるいは光硬化樹脂の印刷、フォトリソグラフィー技術
を用いて容易に作成できる、という特徴を持ち、量産性
が高く軽量化が可能なので筒易型の酵素センサーに組み
込むことができ、オーバーコート膜によりグルコースな
どの酵素の透過制限と、酵素固定化膜の密着性の向」二
による応答の安定化が得られる結果、応答１／ンジが広
くなり、例えばグルコースでは１００ｍＭ　（１８００
ｍｇ／Ｌｉ１）以上まで可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による電極パターンを示す概略
平面図、 第２図は第１図の感応部を示す断面図、第３図は本発明
に用いる電極素材の製造中におけるスクリーン印刷工程
を示す図、 第４図は同じくその製造中に才３ける熱圧縮成形工程を
示す図、 第５図は同じくその製造中における剥店工程を示す図で
ある。 第６図は、リン酸緩衝液ｐＨ７，２中で３０℃の場合の
ベースライン変化を、基板上に通常の印刷で得られた電
極について求めたグラフ、 第７図は、同じくアルミナで研磨して得られた電極につ
いて求めたグラフ、 第８図は、同じく本発明に用いた転写法による電極につ
いて求めたグラフである。 ｌ・−作用極、　２一対極、　３・−参照極、４−感応
部、　５−・・接点、　６・−酵素固定化膜、７・・−
オーバーコート膜、　８−・電極素材、。 ９−絶縁部、　１１−・成形体、　１２−表面層、２〇
−全屈（反、　２１−　スクリーンマスク、２１ａ　−
開口部、　２２・スキージ、２３−・・ペースト、　２
５．２６−金型、　２６ａ・−隔壁、２６ｂ・開口、　
２７−・−ブレス 特許出願人　株式会社　タケダメディカル第１図　　　
　　　第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板表面に極を構成する感応部と、 各極と測定器本体とを電気的に接続する接続部と、 感応部の領域を制限し感応部と接続部間を外部と絶縁す
   る絶縁体でおおわれた絶縁部と から成る電極と、 感応部において、酵素固定化膜、さらにこの酵素固定化
   膜をおおうように高分子膜を配した酵素固定化部とで構
   成され、 電極が基板表面と面一となるように転写法によって形成
   されていることを特徴とする簡易酵素電極。 ２）電極素材が、ジアリルイソフタレート樹脂をバイン
   ダー樹脂とするものを用いると共に、成形樹脂としてジ
   アリルフタレート樹脂を用い、さらに成形後、加熱硬化
   を行い印刷、転写することによって作成された特許請求
   の範囲第１項記載の簡易酵素電極。 ３）感応部の極を、基板表面上に作用極、対極および参
   照極の３極から構成し、感応部の少なくとも作用極上の
   一部を、酵素固定化膜とこれをおおう高分子膜を配した
   酵素固定化部で構成した特許請求の範囲第１項記載の簡
   易酵素電極。 ４）感応部の極を、基板表面上に陽極および陰極の２極
   から構成し、感応部の少なくとも陽極上の一部を、酵素
   固定化膜とこれをおおう高分子膜を配した酵素固定化部
   で構成した特許請求の範囲第１項記載の簡易酵素電極。 ５）感応部において、酵素固定化膜が、酵素を含んだ感
   光性樹脂を用いたフォトリソグラフィー技術によって作
   成され、および高分子膜が、光硬化性樹脂あるいは二液
   性または一液性の常温硬化性樹脂で印刷、あるいは感光
   性樹脂でフォトリソグラフィー技術によって作成された
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項に記
   載の簡易酵素電極記載の簡易酵素電極。 ６）電極素材が、カーボン粉末、あるいは銀粉末を含ん
   だ導電性印刷インクを用いた印刷によって作成された特
   許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項に記載
   の簡易酵素電極。