DE3888767T2 - Methode zur Erzeugung einer Biomikroelektrode. - Google Patents

Methode zur Erzeugung einer Biomikroelektrode.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung einer Biomikroelektrode mittels direkter Immobilisierung einer biologisch aktiven Substanz. Dabei kann die biologisch aktive Substanz wie z. B. ein Enzym direkt auf oder in der Oberfläche bzw. den Oberflächen der Mikroelektrode unabhängig davon immobilisiert werden, ob quervernetzende Agenzien eingesetzt werden oder nicht.
  • Bekannte Biosensoren, welche durch Inkorporieren von Enzymen, Antikörpern oder Mikroorganismen auf der Oberfläche von Platin oder Kohlenstoff erzeugt werden, können eine schnelle und kontinuierliche Messung von verschiedenen chemischen und biologisch aktiven Substanzen ermöglichen. Bei der Herstellung wird die biologisch aktive Substanz auf die Oberfläche der Elektrode aufgebracht, indem zunächst unabhängig eine die biologisch aktive Substanz enthaltende Membran hergestellt und dann die Membran auf der Oberfläche der Elektrode anhaften gelassen wird. Ein anderes Herstellungsverfahren wird unter Bildung von kovalenten Bindungen zwischen dem Enzym und der Oberfläche durchgeführt. Während jedoch zu den Charakteristika eines Biosensors die Reproduzierbarkeit, Lebensdauer, hohe Sensitivität und Ansprechvermögen zählen, ist der nach dem ersteren Verfahren hergestellte Sensor nicht zufriedenstellend in Hinsicht auf die Reproduzierbarkeit und der mittels des letzteren Verfahrens hergestellte macht in Hinsicht auf die Erhöhung der Enzymdichte auf der Oberfläche Schwierigkeiten. Desweiteren benötigt das bekannte Verfahren mehrere Schritte zur Bildung der Bioelektrode; außerdem ist es schwierig einen multifunktionellen Sensor herzustellen, bei dem mehrere Arten von biologisch aktiven Substanzen auf einem Sensor inkorporiert sind.
  • Die bekannten Elektroden mit immobilisierten Enzymen weisen ein Struktur auf, bei der eine Membran mit dem immobilisierten Enzym auf der Oberfläche einer Platte oder Scheibe aus Platin anhaften gelassen wird. Die Herstellung derselben beinhaltet das Anhaftenlassen einer zuvor hergestellten Membran mit einem darauf immobilisierten Enzym auf der Plattenelektrode und Beschichten einer chemisch behandelten sauberen Oberfläche der Elektrode mit einem Enzym. In diesem Falle ist die Miniaturisierung der Elektrode schwierig. In jüngster Zeit wurden Fortschritte bei der Miniaturisierung mittels der sogenannten Halbleiter-Integrationstechnik erzielt. Bei dieser Integrationstechnik kann man eine Enzymelektrode mit einer Größe in Bereich von mm einsetzen, jedoch führt auch das übliche Nachweisverfahren mittels Potentialmessung zu befriedigenden Ergebnissen in Hinsicht auf Sensitivität und Ansprechvermögen. Die Größe der üblichen Elektroden kann jedoch nur unter Schwierigkeiten stärker verkleinert werden.
  • Mittels des Biosensors, bei dem ein Enzym, Antikörper oder Mikroorganismus auf der Oberfläche von Platin oder Kohlenstoff immobilisiert wird, sind bekanntermaßen schnelle und kontinuierliche Messungen verschiedener chemischer oder biologischer Substanzen möglich. Bei solchen Biosensoren wird die biologisch aktive Substanz mittels verschiedener Verfahren immobilisiert, beispielsweise durch Anhaftenlassen einer die biologisch aktive Substanz enthaltenden Membran an die Elektrode oder durch Beschichten der chemisch behandelten Elektrodenoberfläche mit einem Enzym o. ä. sowie anschließendem Bilden kovalenter Bindungen zwischen dem Enzym und der Oberfläche. Wenn man jedoch die Leistung eines derartigen Biosensors in Hinsicht auf Reproduzierbarkeit, Beständigkeit, Sensitivität und Ansprechvermögen bewertet, so zeigt ein mittels des ersten Verfahren hergestellter Biosensor Vorteile in Bezug auf das Ansprechvermögen und bei dem nach dem letzteren Verfahren hergestellten ist das Erhöhen der Immobilisierung schwierig.
  • Die JP-A-61 195 346 offenbart einen mittels eines zweistufigen Verfahrens hergestellten Immunosensors, wobei eine Elektrodenmembran aus Poly-Pyrrol oder Poly-Thiophen mit einem darauf immobilisierten, bioaktiven Material versehen wird. Das bioaktive Material wie etwa ein Antigen oder ein Antikörper wird mittels Adsorption auf der Polymer-Membran immobilisiert. Die Polymer-Membran wird mittels elektrolytischer Polymerisierung von Pyrrol oder Thiophen in der Elektrolytlösung hergestellt; danach wird die Membran in eine das Antigen oder den Antikörper enthaltende Lösung eingetaucht.
  • Die JP-A-56 163 447 beschreibt eine mittels eines dreistufigen Verfahrens hergestellte Enzymelektrode, wobei ein hauptsächlich aus Graphit bestehende Substrat mit einer weniger als 1 um dünnen Platinschicht beschichtet wird (1. Verfahrensschritt). Auf diese Elektrode wird eine Lösung eines Enzyms (Glucoseoxidase) aufgebracht (2. Verfahrensschritt). Nach Trocknung wird die Enzymschicht mittels Reaktion in Glutaraldehyddampf quervernetzt (3. Verfahrenschritt).
  • Die US-A-4 224 125 beschreibt eine Enzymelektrode (Redox- Elektrode), wobei das Enzym sowie - falls notwendig dessen Coenzym - in einem Polymer eingebettet sind, das den Elektronentransfer vermittelt (sog. Redox-Polymer, wie etwa Hydroxymethyl-Polyacrylamid). Das Einbettungsverfahren wird durch einfaches Mischen des Polymers mit dem Enzym in wässeriger Lösung bewirkt. Anschließend wird das Redox- Polymer mit dem darin eingefangenen Enzym in einen Hohlraum bei oder nahe bei einem Elektronenkollektor eingebracht.
  • Die JP-A-61-61049 beschreibt eine Oxidase-Elektrode, bei der die Oxidase auf der Oberfläche einer Elektrodenpaste immobilisiert oder fixiert ist. Die Elektrodenpaste aus Kohlenstoff wird durch Vermischen eines Kohlenstoffpulvers mit flüssigem Paraffin gebildet, das hydrophobe Eigenschaft zeigt.
  • Die ältere, jedoch nachveröffentlichte EP-A-0 304 494 beschreibt eine mit einer leitfähigen, feinpartikulären Schicht versehene Mikrobioelektrode, wobei die Schicht mittels elektrochemischer oder elektrolytischer Abscheidung auf einer kleinen Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials gebildet und die biologisch aktive Substanz in der leitfähigen, feinpartikulären Schicht mittels Immersion der Schicht in die die aktive Substanz enthaltende Lösung eingefangen wird.
  • Bei jedem der bekannten Verfahren zur Herstellung eines Biosensors sind mehrere komplizierte Verfahrensschritte notwendig, um Immobilisierung zu erreichen. Weiterhin ist es schwierig einen multifunktionellen Biosensor zu erzeugen, der mehrere Arten von biologisch aktiven Substanzen in einem Biosensor inkorporiert.
  • Unter Berücksichtigung des vorstehend Gesagten stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Biomikroelektrode mittels Immobilisierens einer biologisch aktiven Substanz zur Verfügung, welches den einzigen Schritt einer Elektro-Abscheidung von feinen Teilchen eines leitenden Materials aus einem löslichen Vorläufer desselben gleichzeitig mit der aktiven Substanz auf einem Teil der Oberfläche eines Elektrodensubstrats umfaßt, wobei das leitfähige Material auf dem Elektrodensubstrat unter Bildung einer die darin eingefangene aktive Substanz inkorporierenden, porösen, leitfähigen Materialschicht oder leitfähigen, feinpartikulären Schicht gebildet wird.
  • Die Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die in den abhängigen Ansprüchen wiedergegebenen Maßnahmen fortentwickelt.
  • Die vorliegende Erfindung basiert darauf, ein Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung eines Biosensorsystems zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile der bekannten Biosensoren vermeidet.
  • Desweiteren kann die Mikrovorrichtung, welche eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Mikroelektrode verwendet, ein Biosensorsystem mit hoher Auflösung zur Verfügung stellen, so daß extrem kleine Probenmengen gemessen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren vermag ein Biosensor-Analysesystem zur Verfügung zu stellen, welches Spurensubstanzen (beispielsweise Glucose) in Mikroproben in sehr geringer Menge nachzuweisen vermag, wobei der Strom gemessen wird, welcher bei Anlegen einer Potentialdifferenz an die Mikroproben erzeugt wird.
  • Fernerhin kann das erfindungsgemäße Verfahren ein analytisches System bzw. Verfahren zur Verfügung stellen, das unabhängig von der zu messenden Probenmenge ist. Bei dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen bioanalytischen System kann man Voltammetrie-Techniken verwenden und die Proben sogar in einem stationären Zustand messen. Da das bioanalytische Verfahren zum Nachweis aktive Substanzen verwendet, welche in die Elektrode inkorporiert sind, kann es auf bedeutende Enzyme wie etwa oxidierende und dehydrierende Enzyme angewandt werden. Desweiteren kann das bioanalytische System als Elektrode zur enzymimmunologischen Analyse verwendet werden.
  • Bei der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Biomikroelektrode wird eine biologisch aktive Substanz mit feinen Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials vereinigt, so daß eine Oberflächenschicht von feinen Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials, in welches die biologisch aktive Substanz inkorporiert ist, erzeugt wird; die Elektrode mit einer solchen leitfähigen Oberflächenschicht wird als funktionelle Elektrode verwendet und mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer Potentialdifferenz und einer zur Messung des erzeugten Stroms zusammengebaut. Der Wert des gemessenen Stroms bestimmt die Konzentration der Spurensubstanz.
  • Falls bei dem analytischen Verfahren ein vorgegebenes Potential an die funktionelle Elektrode angelegt wird, welche durch Vereinigen der biologisch aktiven Substanz mit der Oberflächenschicht der feinen Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials auf der Oberfläche der Elektrode erzeugt wurde, wird elektrischer Strom erzeugt und gemessen. Demgemäß kann die Konzentration der Spurensubstanz in der sehr kleinen Probe durch die Messung des Wertes des erzeugten Stroms bestimmt werden. Dieses vereinigende Verfahren, die bioaktive Substanz in der Oberflächenschicht aus feinen Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials zu inkorporieren, wird mittels des einzigen Schritts verwirklicht, bei dem die feinen Teilchen eines elektrischen leitfähigen Materials auf der Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Materials bei gleichzeitiger Adsorption der bioaktiven Substanz abgeschieden werden. Die Biomikroelektrode aus dem die biologisch aktive Substanz inkorporierenden, elektrisch leitfähigen Material kann eine sehr kleine Größe aufweisen und eine den größeren Bioelektroden ähnliche Leistung zeigen. Ihre Struktur beruht auf der Oberflächenschicht von feinen Teilchen des elektrisch leitfähigen Materials, welche die immobilisierte biologisch aktive Substanz inkorporieren. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Biomikroelektrode kann sowohl als Transducer-Element als auch als Bioreaktor fungieren, nicht nur als Biomeßelement. Eine solche Biomikroelektrode kann auch als Mikroelektrode angesehen werden. In anderen Worten wurde gefunden, daß bei Verwendung des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Mikroelementes mit der immobilisierten biologisch aktiven Substanz bei nachfolgender Anwendung eines gegebenen Potentials ein elektrischer Strom erzeugt wird, so daß die Konzentration der Spurensubstanz in der Probe mittels der bestimmten darauf bezogenen Relation der gemessenen Stromwerte bestimmt werden kann.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Biomikroelektrode zeigt eine Schicht von feinen Teilchen eines auf der Oberfläche einer sehr kleinen Platten- oder Scheibenelektrode (z. B. mit einer Größe von 1 bis 100 Mikrometer) gebildeten elektrisch leitfähigen Materials aus vorzugsweise Platin o. ä.. Insbesondere kann eine Elektrode mit einer Oberflächenschicht aus Platinschwarz, das durch elektrochemische Abscheidung von Platin gebildet wird, bekanntermaßen eine hohe katalytische Hydrieraktivität aufweisen, jedoch war bislang das Einbringen oder Inkorporieren einer biologisch aktiven Substanz in solch einer Platinschwarzschicht nicht bekannt (wohingegen Immobilisieren von Enzymen oder ähnlichem in mittels Ätzen erzeugten Poren einer Platinscheibe und anschließendes Binden des Enzyms mittels eines quervernetzenden Agens bekannt war. Desweiteren war es bislang unbekannt, daß man die Dicke des Platinschwarz wie erfindungsgemäß steuern kann, so daß die biologisch aktive Substanz darin inkorporiert und immobilisiert wird. Erst das erfindungsgemäße Verfahren, die biologisch aktive Substanz direkt zu immobilisieren, benötigt nicht notwendigerweise ein chemisches (quervernetzendes) Agens, wie bei Bindung mittels eines Trägermaterials, sondern erlaubt direktes Immobilisieren der biologisch aktiven Substanz ohne irgendeine chemische Behandlung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Biomikroelektrode wird eine biologisch aktive Substanz elektrisch direkt auf dem elektrisch leitfähigen Material wie etwa Platin abgeschieden und gleichzeitig werden feine Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials (wie beispielsweise eines Metalls) zusammen mit der biologisch aktiven Substanz durch reduzierende Elektrolyse eines Metallsalzes präzipitiert. In anderen Worten werden feine Teilchen des leitfähigen Materials auf einer kleinen Oberfläche von beispielsweise Platin gebildet, wobei die biologisch aktive Substanz in die Poren zwischen den feinen Teilchen des leitfähigen Materials inkorporiert wird. Die Größe der Poren und die Menge der biologisch aktiven Substanz kann mittels Stromdichte, Elektrolysezeit und angelegten Potentials gesteuert werden. Die Funktion der erhaltenen Elektrode mit der immobilisierten biologisch aktiven Substanz kann für einen langen Zeitraum aufrecht erhalten werden. Die erzeugte Elektrode kann mit einem dünnen Film eines polymeren Materials wie etwa Protein oder Polysaccharid bedeckt und mittels eines vernetzenden Agens quervernetzt sein, um so die biologische Verwertbarkeit und die Lebensdauer der Elektrode zu bestimmen und die Löslichkeit der biologisch aktiven Substanz zu minimieren.
  • Im folgenden kann der Ausdruck "biologisch aktive Substanz" beispielsweise Enzyme, Antikörper sowie verschiedene Katalysatoren, Mikroorganismen, proliferierte Mikroorganismen, Organellen, Antikörper, Antigene und Haptene umfassen. Weiterhin können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anstelle des Platins elektrisch leitfähige Materialen wie etwa Gold, Rhodium, Ruthenium-Oxid (RuO&sub3;), Kohlenstoff, Palladium sowie Indium verwendet werden.
  • Soweit nicht anderweitig Probleme auftreten, kann zur Bildung der Schicht aus feinen Teilchen auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials ein beliebiges leitfähiges Material verwendet werden. Das polymere Material zum zusätzlichen Bedecken der Oberfläche des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Biosensors kann Protein wie etwa Albumin und Polysaccharide wie etwa Heparin umfassen. Als quervernetzendes Agens wird bevorzugt ein Agens verwendet, das an das verwendete Polymermaterial angepaßt ist, was etwa für Albumin Glutaraldehyd beinhaltet; desweiteren sind auch Carbodiimid- und Maleatimid-Quervernetzungsagenzien umfaßt.
  • Als Mediator kann etwa Ferrocen in die feinen Teilchen des biologisch aktiven Materials inkorporiert werden, wodurch die Messung eines Zielmaterials sogar in Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff oder bei geringeren Mengen an gelöstem Sauerstoff, wenn Sauerstoff in der das Zielmaterial enthaltenden Lösung zur Messung gelöst werden muß, ermöglicht wird. Desweiteren wird es dadurch möglich, in signifikanter Weise das Potential zu reduzieren bei dem der Sensor notwendigerweise arbeitet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Immobilisierung der biologisch aktiven Substanz handelt es sich um eine extrem bedeutsame Technologie zur Fortentwicklung der klinischchemischen Analyse wie zur Entwicklung eines tragbaren Gesundheitsuntersuchungssystems, welches vielerlei Nachweisfunktionen benötigt. In jüngster Zeit wurden verschiedene Vielfachsensoren unter Verwendung von ICs vorgeschlagen und das erfindungsgemäße Verfahren zur Immobilisierung eines Enzyms und ähnlichem ist in dieser Hinsicht ebenfalls von Bedeutung. Auch ist es offensichtlich, daß die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Biomikroelektrode, z . B. eine Enzymelektrode, ein hochempfindliches und schnelles Ansprechvermögen zeigt.
  • Die Struktur der die immobilisierte biologisch aktive Substanz inkorporierenden, elektrisch leitfähigen Materialschicht wird in Fig. 1A, B gezeigt. Die feinen Teilchen der biologisch aktiven Substanz sind wie gezeigt homogen in den leitfähigen feinen Teilchen inkorporiert, d. h. Enzyme u.ä. sind in der Elektrode von kleiner Größe durch elektrolytisches Abscheiden der sehr feinen Teilchen des leitfähigen Materials inkorporiert, wodurch die Elektrode mit der immobilisierten biologisch aktiven Substanz gebildet wird.
  • Erfindungsgemäß wird die biologisch aktive Substanz in hoher Dichte in dem leitfähigen Material immobilisiert, so daß eine hochsensitive Elektrode zur Verwendung als Biosensor zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise weist die Elektrode mit einem in einer Platinschwarz- Oberflächenschicht einer Platinelektrode immobilisierten Enzym o. ä. eine hohe Empfindlichkeit auf, wenn sie als Biosensor zur Messung mittels Amperometrie verwendet wird. Deshalb kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Immobilisieren einer biologisch aktiven Substanz ein Biosensor unter Verwendung von Mikroelektroden erzeugt werden.
  • Die Größe der feinen Teilchen der biologisch aktiven Substanz oder die Größe der Poren kann mittels Veränderung der Herstellungsbedingungen oder durch Steuern des reduzierenden Stroms, der Reduzierungsdauer oder des Reduktionspotentials oder - falls Platinschwarz oder Goldschwarz gebildet wird - durch Steuern der Bleiacetatkonzentration in der Elektrolysierlösung verändert werden.
  • Als Material für die Elektrode kommen Gold oder andere Edelmetalle, Kohlenstoff wie etwa glasartiger Kohlenstoff oder Kohlenstoff in Form ,von Graphit wie auch Platin als Substrat in Frage. Anschließend wird in Form einer Schicht ein feinpartikuläres Material wie etwa Platinschwarz, Goldschwarz, Feinteilchen eines Edelmetalls oder Feinteilchen eines leitfähigen Metalloxids zusammen mit der biologisch aktiven Substanz gebildet.
  • Durch Verwendung der Bildung von Platinschwarz und der elektrochemischen Adsorption des Enzyms auf demselben wird ein Biosensorsystem erhalten, so daß eine sehr kleine und wirksame Enzymelektrode (Biomikroelektrode) erzeugt wird, die von dem sehr schnellen Ansprechverhalten und einer hohen Sensitivität Gebrauch macht.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte, eine Biofunktion aufweisende Biomikroelektrode weist in ihrer Struktur eine Oberflächenschicht von feinen Teilchen eines elektrisch leitfähigen Materials wie etwa Platin auf, welches die biologisch aktive Substanz wie etwa ein Enzym einschließt. Die Verwendung von Platinschwarz als einem Trägermaterial für die biologisch aktive Substanz war bislang nicht bekannt, wohingegen es bekannt war, eine Platinplatte durch Ätzen mit Poren zu versehen, in welche das Enzym oder ähnliches eingebracht und mit einem vernetzenden Agens an der Oberfläche vernetzt wird. Weiterhin war es bislang unbekannt, daß man die Größe von feinen Teilchen von Platinschwarz so einstellen kann, daß die biologisch aktive Substanz dahinein inkorporiert wird.
  • Beim Erzeugen der Mikroelektrode wird erfindungsgemäß die biologisch aktive Substanz direkt immobilisiert, wobei es sich nicht um das bekannte Trägermaterial-Bindungsverfahren handelt, welches ein chemisches Agens (Vernetzungsagens) benötigt, vielmehr kann erfindungsgemäß direktes Fixieren der biologisch aktiven Substanz ohne jede chemische Behandlung erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Mikroelektrode besteht aus den Schritten, die biologisch aktive Substanz direkt auf dem leitfähigen Material wie etwa der Schnittfläche eines Platindrahts unter gleichzeitiger Reduktion eines Metallsalzes (Elektrolyse) abzuscheiden, so daß feine leitfähige Teilchen (z. B. aus einem Metall), welche die biologisch aktive Substanz inkorporieren, abgeschieden werden. Beispielsweise werden feine Platinteilchen auf einem Teil der Oberfläche einer Platinelektrode gebildet und die biologisch aktive Substanz gleichzeitig in den kleinen Poren der feinen Teilchen inkorporiert, um die Biomikroelektrode zu erzeugen. Die Porengröße und die Menge an immobilisierter biologisch aktiver Substanz kann durch Regelung von Stromdichte, Elektrolyse, Dauer und gegebenem Potential geregelt werden. Die Funktion der Elektrode mit der immobilisierten biologisch aktiven Substanz kann für einen langen Zeitraum ohne weitere chemische Behandlung aufrecht erhalten werden.
  • Dementsprechend hängt die Größe der Mikroelektrode von dem Durchmesser des verwendeten Platindrahts ab; falls ein sehr dünner Draht verwendet wird, ist die Bioelektrode wesentlich kleiner als im Stand der Technik bekannt. Dementsprechend kann eine Bioelektrode mit einer Größe im Bereich von Mikrometern leicht hergestellt werden und in bequemer Weise für medizinische Anwendungen, wie beispielsweise Anwendungen am lebenden Organismus verwendet werden. Bei Verwendung für analytische Zwecke kann eine Vorrichtung mit einer sehr kleinen Probenzelle hergestellt werden, wodurch die Analyse von nur in Spurenmengen vorhandenen Proben ermöglicht wird, wobei gleichzeitig eine hohe Meßgeschwindigkeit und ein hohes Ansprechverhalten erzielt wird. Falls eine größere Elektrode erzeugt wird, kann die analytische Vorrichtung mit einem höheren Nachweissignal betrieben werden
  • Das bei der Herstellung der Mikroelektrode als Substrat oder Träger verwendete leitfähige Material muß nicht notwendigerweise identisch sein mit dem leitfähigen Material, das feinteilig (poröses Material) abgeschieden werden soll. Beispielsweise kann eine Struktur verwendet werden, bei dem auf der Oberfläche von Graphit Platinschwarz abgeschieden wird. Zur Bildung des porösen leitfähigen Materials kann anstelle von Platin auch ein "elektrisch leitfähiges Material" wie etwa Gold und Rhodium und überhaupt jegliches Material verwendet werden, das imstande ist, eine leitfähige, feinpartikuläre Schicht auf der leitfähigen Oberfläche zu bilden, so weit sich nicht andere Schwierigkeiten ergeben.
  • Die im wesentlichen aus Platinschwarz bestehende Elektrode kann in verschiedenerlei Form wie etwa in Form einer Scheibe, in Kugelform oder in tubulärer Form vorliegen. Deshalb kann sie jegliche an Messungen mittels eines Biosensors oder an andere Bedingungen geknüpfte Anforderungen erfüllen und kann auch als Bioreaktor verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäß erhaltene Bioelektrode kann mit einem polymeren Material wie etwa Protein und Polysaccharid zur Beschichtung bedeckt sein und anschließend mit der Deckschicht mittels eines quervernetzenden Agens vernetzt werden, wodurch eine Anpassung an biologische Verhältnisse, eine längere Lebensdauer erzielt und die Loslösung der biologisch aktiven Substanz minimiert wird.
  • Der Ausdruck "biologisch aktive Substanz" beinhaltet beispielsweise Enzyme und Antikörper sowie verschiedene Katalysatoren, Mikroorganismen, proliferierte Mikroorganismen, Organelle, Antigene und Haptene.
  • Weiterhin kann als Mediator etwa Ferrocen in die feinen Teilchen der biologisch aktiven Substanz inkorporiert werden, so daß auch Messung einer Zielsubstanz in Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff oder in Anwesenheit von wenig Sauerstoff möglich wird, wodurch in signifikanter Weise das Arbeitspotential des Sensors verringert wird.
  • Das Abscheidungsverfahren von feinen Teilchen eines leitfähigen Materials zur Herstellung der Biomikroelektrode kann auch ohne die Verwendung der Elektrolyse erfolgen, wohingegen das vorstehend erwähnte Fertigstellungsverfahren mittels elektrolytischer Abscheidung durchgeführt wird.
  • Die Mikroenzymelektrode wird elektrochemisch behandelt oder anodisiert, wodurch die Selektivität der Messung verbessert wird.
  • Beim analytischen Verfahren erfolgt die Messung mittels eines miniaturisierten Biosensorsystems mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sensitivität. Dabei handelt es sich um eine extrem bedeutende Technik zur Fortentwicklung der klinischen Analyse oder zur Entwicklung eines tragbaren Gesundheitsuntersuchungssystems, das Miniaturisieren des Biosensors und Vielfachdetektorfunktionen erfordert.
  • Fig. 5 zeigt eine Mikrovorrichtung (16), welche eine Mikroelektrode (11) mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer bis 500 Mikrometern als funktionelle Elektrode, eine Gegenelektrode (12) aus Platindraht und eine Referenzelektrode (13) aus Silber/Silberchlorid umfaßt, wobei die drei Elektroden in dem Harz (15), welches sich in einem Loch eines PTFE (Polytetrafluoroethylen) - Harzes (14) befindet, befestigt sind. Da diese Mikrovorrichtung (16) lediglich drei darin eingebaute Metalldrähte umfaßt, kann sie in der Größe sehr klein sein.
  • Falls eine derartige Mikrovorrichtung verwendet wird, so gestattet sie, eine mengenmäßig sehr kleine Probe zu messen, z. B. eine Lösung von lediglich einem Volumen von 1 ul. Nach Titrieren der sehr kleinen Probenmenge wird ein Potential angelegt und der dabei erzeugte Strom gemessen, wodurch die Menge an Zielmaterial in der Probe bestimmt wird.
  • Dementsprechend kann das in der Elektrode mittels der biologisch aktiven Substanz wie einer Enzymmolekül erzeugte aktive Material direkt in Echtzeit gemessen werden.
  • Verschiedene voltammetrische Nachweisverfahren können bei der vorstehend beschriebenen Elektrode angewendet werden, wobei die Probe sogar ohne Rühren der Probenflüssigkeit gemessen werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Immobilisieren der biologisch aktiven Substanz stellt eine Biomikroelektrode zur Verfügung, die zum einen ein gutes Ansprechverhalten und hohe Nachweisempfindlichkeit sowie zweitens das vollständige Inkorporieren der biologisch aktiven Substanz wie etwa eines Enzyms ohne Beschädigung derselben durch leichte und direkte Immobilisierung gewährleistet. Drittens wird dabei eine hohe Dichte der auf der Oberfläche der Mikroelektrode immobilisierten aktiven Substanz erzielt, wodurch eine schnelle Antwort erhalten wird; viertens ist leichtes und schnelles Immobilisieren der aktiven Substanz wie etwa eines Enzyms ohne chemische Behandlung auf der kleinen Oberfläche der Elektrode möglich und fünftens wird ein multifunktioneller Enzymsensor mit einer kleinen Oberfläche erhalten, in dem verschiedene Enzyme immobilisiert oder aufgebracht sind. Dabei vermag das Elektrodenelement schnell und empfindlich zu messen, da es trotz der scheinbar kleinen Oberfläche eine sehr große Oberfläche von dem mehrtausendfachen der augenscheinlichen Oberfläche der Elektrode aufweist, was durch Abscheidung der feinen Teilchen auf der Oberfläche der Elektrode erzeugt wird, so daß die Sensitivität das Elements anwächst.
  • Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene analytische System kann zum einen ein Hochleistungs- Biosensorsystem mit einem sehr schnellen Ansprechvermögen und hoher Sensitivität zur Verfügung stellen, das es erlaubt, eine Probe ohne Rühren der Probenflüssigkeit zu messen; zweitens vermag es die zu messende Probenmenge zu reduzieren, da die Mikroenzymelektrode (d. h. die Biomikroelektrode), die Gegenelektrode und die Referenzelektrode auf einer sehr kleinen Oberfläche eingebaut sind. Drittens vermag es direkt durch die Enzymmoleküle innerhalb der Elektrode erzeugtes, aktives Material in Realzeit zu messen. Viertens können verschiedene voltammetrische Verfahren verwendet werden, so daß auch ein Nachweis mit ausreichender Sensitivität sogar ohne Rühren der Probenflüssigkeit möglich ist. Fünftens werden aktive Substanzen in der Elektrode sowie wichtige Enzyme oder biologisch aktive Substanzen wie etwa oxidierende Enzyme oder dehydrierende Enzyme verwendet. Sechstens kann ein in Lebewesen verwendetes Biosensorsystem oder ein tragbarer Biosensor zur Verfügung gestellt werden.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Biomikroelektrode zeigt eine sehr große Oberfläche von dem mehrtausendfachen der augenscheinlichen Oberfläche der Elektrode, so daß sie wie eine Makroelektrode wirkt, wodurch die Nachweissensitivität erhöht wird. Die Biosensorelektrode zeigt eine Schicht von feinen Teilchen und die aktiven Substanzen können sehr tief in die Elektrode eindringen und dort immobilisiert werden, wodurch ein schnelles Ansprechvermögen ermöglicht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Immobilisierung der aktiven Substanzen wird dieselbe direkt immobilisiert oder in Zwischenräumen zwischen den feinen Teilchen des elektrisch leitfähigen Materials fixiert, wodurch die Herstellung leicht gemacht wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert:
  • Es zeigen:
  • Fig. 1A einen schematischen Schnitt durch die Struktur der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Immobilisierung der biologisch aktiven Substanz hergestellten Biomikroelektrode. Fig. 1B zeigt schematisch einen vergrößerten Schnitt der in Fig. 1A eingekreisten Stelle (gestrichelte Linie), wodurch Details der Struktur des feinpartikulären leitfähigen Materials mit der darin imprägnierten biologisch aktiven Substanz gezeigt werden sollen.
  • Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung der Glucosekonzentration und der Verwendung der Biomikroelektrode im batch-System.
  • Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens des Biosensorsystems bei Messung wie in Fig. 2 dargestellt.
  • Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Antwortsignal des Sensors und der Glucosekonzentration, wobei zur Messung das Biosensorelement im System gemäß Fig. 2 verwendet wurde.
  • Fig. 5 ist eine schematisch perspektivische Darstellung der Mikrovorrichtung mit einem Drei-Elektrodensystem (zur Messung mittels Pulsverfahrens), wobei die Biomikroelektrode gemäß Fig. 1A und 1B verwendet wurde.
  • Fig. 6 zeigt in graphischer Darstellung den bei Anlegen eines konstant gepulsten Potentiales an die Mikrovorrichtung gemäß Fig. 5 erhaltenen Strom.
  • Fig. 7 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem erhaltenen Wert für den Strom und der Glucosekonzentration, gemessen mittels des Biosensorelements gemäß Fig. 5.
  • Fig. 8 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Volumen der Glucoseprobe und dem "peak"-Wert (Meßwertspitze) des Stroms, gemessen mittels des analytischen Systems im Pulsverfahren nach Fig. 5.
  • Fig. 9 zeigt eine detaillierte graphische Darstellung des auf ein angelegtes Pulspotential hin erhaltenen Stromsignals gemäß Fig. 6.
  • Fig. 10 ist die zeichnerische Darstellung der Beziehung zwischen Glucosekonzentration und dem zwei Millisekunden nach Anlegen des gepulsten Potentials gemäß Fig. 9 erhaltenen Wert für die Differenz zwischen dem Antwortsignal und dem Leerwert.
  • Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an Glucoseprobe und der zwei Millisekunden nach Anlegen des gepulsten Potentials gemäß Fig. 9 erhaltenen Differenz zwischen dem Wert des erhaltenen Stromsignals und demjenigen des Leerwerts.
  • Fig. 12 ist eine schematische Darstellung des unter Verwendung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Biomikroelektrode dem Nachweis dienenden Teils der Durchflußinjektions-Analysevorrichtung.
  • Fig. 13 zeigt die unter Verwendung der vorstehend genannten Durchflußinjektions-Analysevorrichtung erhaltene Ergebnisse, wenn eine Glucose enthaltende Probe gemessen wird.
  • Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und dem Antwortsignal, wie es bei Verwendung der Durchflußinjektions-Analysevorrichtung erhalten wird.
  • Fig. 15 zeigt in Form einer graphischen Darstellung die Verbesserung in der Selektivität der nachzuweisenden Spurensubstanzen, wie sie unter Verwendung einer oxidativ behandelten Biomikroelektrode gemessen wird.
  • Fig. 16 zeigt in graphischer Darstellung die Selektivität für die zu messenden Spurensubstanzen, wie sie bei Verwendung einer nicht oxidativ behandelten Biomikroelektrode gemessen wird.
  • Die Struktur der Biomikroelektrode, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Immobilisierung der biologisch aktiven Substanz erzeugt wird, ist in den Fig. 1A und 1B in Schnittansicht bzw. als Vergrößerung gezeigt. Es wird eine Mikroelektrode zur Verfügung gestellt, welche feine Teilchen (4) eines elektrisch leitfähigen Materials (4), feine Teilchen (5) der biologisch aktiven Substanz und das elektrisch leitfähige Substrat (7) aufweist.
  • Fig. 5 zeigt die Mikrovorrichtung (16), welche eine Enzym (Glucoseoxidase) - Mikroelektrode (11) mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer bis 500 Mikrometer als funktionelle Elektrode und eine Gegenelektrode (12) aus einem Platindraht sowie eine Referenz- oder Bezugselektrode (13) aus Silber/Silberchlorid aufweist. Diese drei Elektroden, d. h. Mikroelektrode (11), Gegenelektrode (12) und Bezugselektrode (13) sind im Harz (15) fixiert, das in ein Loch des PFTE (Polytetrafluoretyhlen) - Harzes (14) eingebracht und befestigt ist. Eine derartige Mikrovorrichtung (16) zeigt eine lediglich aus drei fixierten Metalldrähten bestehende Struktur und kann deshalb eine sehr kleine Größe aufweisen.
  • Deshalb ist mit der Mikroelektrode ein Nachweis in einer sehr kleinen Probenmenge, beispielsweise in einer Menge von einem Mikroliter möglich. Nachdem die sehr kleine Probenmenge eingebracht ist, wird ein Potential angelegt und der daraufhin erzeugte Stromwert wird gemessen, wodurch die Menge der zu bestimmenden Spurensubstanz in der Probe bestimmt wird.
  • Entsprechend kann die Vorrichtung direkt die in der Elektrode mittels der biologisch aktiven Substanz, beispielsweise mittels eines in der Mikroelektrode enthaltenen Enzyms erzeugte aktive Substanz nachgewiesen werden. Fernerhin können bei der Elektrode verschiedene Arten von voltammetrischen Nachweisverfahren durchgeführt werden. So kann auch die Probe untersucht werden, ohne daß Rühren der Probenflüssigkeit erforderlich ist.
  • Da die Elektrode zum Nachweis von aktiven Substanzen dient, können zur Bioanalyse wichtige aktive Substanzen, wie etwa oxidierende oder dehydrierende Enzyme verwendet werden.
  • Fig. 12 zeigt in Schnittansicht die bei Verwendung des Durchflußinjektionsverfahrens verwendete analytische Vorrichtung. Die Flüssigkeit (21), die die nachzuweisende Spurensubstanz enthält, wird durch den Einlaß (22) zugeführt, strömt anschließend durch einen Durchfluß mit der Mikroelektrode (23) sowie durch einen Durchfluß ,mit der Bezugselektrode (26) und der Gegenelektrode (27), wodurch die in der Probenflüssigkeit (21) enthaltene Substanz nachgewiesen wird. Die Biomikroelektrode zeigt in Form einer einheitlichen Struktur die biologisch aktive Substanz und Platinschwarz auf der Oberfläche des Platindrahts, wodurch die Vorrichtung in einer sehr kleinen Größe, beispielsweise in einer Größe im Bereich von Mikrometern, hergestellt werden kann. Dementsprechend kann auch die Durchflußzelle wie in der Abbildung dargestellt in sehr kleiner Größe hergestellt werden.
  • Dadurch, daß das Biosensorsystem sogar für den Nachweis von sehr kleinen Mengen in kleinen Probenvolumina miniaturisiert werden kann, kann eine auf der Elektrode immobilisierte biologisch aktive Substanz, beispielsweise eine Enzymelektrode verwendet werden. Fernerhin kann man bei kontinuierlichen Messungen mehrere hundert Proben je Minute untersuchen.
  • Das unter Verwendung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Biomikroelektrode erhaltene bioanalytische System kann auch für potentiometrische Messungen verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen in Form von Beispielen näher erläutert:
  • Beispiel 1 Herstellung einer Elektrode mit einer immobilisierten biologisch aktiven Substanz sowie deren Meßeigenschaften
  • In Gegenwart von Glucoseoxidase wird Glucose in Gluconsäure und Wasserstoffperoxid umgewandelt. Deren Konzentration kann durch Messung des der Glucosekonzentration entsprechenden, auf der Oxidation von Wasserstoffperoxid beruhenden Stroms und unter Verwendung einer ein Enzym enthaltenden Platinelektrode bestimmt werden.
  • Zunächst wird die Herstellung der Elektrode mit dem darauf fixierten Enzym dargestellt und anschließend der Test zur Messung der Glucosekonzentration unter Verwendung der erhaltenen Elektrode näher ausgeführt.
  • Ein Platindraht mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern wurde an einem Sodaglas-Röhrchen fixiert und an seinem Ende mittels Aluminiumoxidpulver poliert.
  • Die Immobilisierung des Enzyms erfolgt mittels der nachfolgend beschriebenen zwei verschiedenen Verfahrensvarianten:
  • (A) Eine Elektrolyse wurde in einer Lösung von Natriumsulfat (0,2 M; PH = 3,2) mit einem Gehalt an Hexachlorplatinat (1 mg/ml) und Glucoseoxidase (1 mg/ml) unter Verwendung einer Silber/Silberchlorid-Elektrode als Bezugselektrode und des vorbereiteten Platindrahts als funktionelle Elektrode unter Anlegen eines konstanten Potentials von -0,2 V zehn Minuten lang durchgeführt, wodurch ein das Enzym inkorporierender Niederschlag von Platinschwarz gebildet wurde.
  • (B) In 1 ml einer Lösung von Natriumsulfat (pH = 3,5) mit einem Gehalt an Hexachlorplatinat (33 mg), Bleiacetat (0,6 mg) sowie Glucoseoxidase (10 mg) wurde mittels Anlegen eines konstanten Stroms von -5 uA zehn Minuten lang eine Elektrolyse durchgeführt, wodurch ein das Enzym inkorporierender Niederschlag von Platinschwarz gebildet wurde.
  • Die erhaltene Elektrode wurde danach in 0,1 M Phosphorsäure-Pufferlösung gewaschen und anschließend in Bezug auf die Messung von Glucosekonzentrationen untersucht, wie nachfolgend beschrieben:
  • Die Elektrode wird einfach in einem Schritt hergestellt und kann im Batch-System mit stabilem und schnellem Ansprechverhalten verwendet werden. Die Struktur der auf der Oberfläche der Elektrode abgeschiedenen Schicht ist in Fig. 1B in Schnittansicht gezeigt und stellt den Sensorteil dar.
  • Bei der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellung der Elektrode wurde positiv geladene Glucoseoxidase (mit einem isoelektrischen Punkt von 4,2) auf der Oberfläche der Elektrode unter Bildung von elektolysiertem Platin abgeschieden; als Ergebnis wurde das Enzym in den Poren der feinen Teilchen von Platinschwarz immobilisiert.
  • Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 zeigt eine Bezugselektrode (1), eine Gegenelektrode (2), eine funktionelle Elektrode (3), feine Teilchen (4) eines elektrisch leitfähigen Materials, eine biologisch aktive Substanz (5) sowie das leitfähige Substrat (7).
  • Das Enzym kann mit jedem der vorstehend erwähnten beiden Verfahren zur Erzeugung der Elektrode immobilisiert werden. Die festgelegte Menge an Enzym kann man eher mittels des Verfahrens A einstellen, so daß eine einheitliche Schicht aus feinen Teilchen von Platinschwarz mit darin inkorporiertem Enzym gebildet wird, da das positiv geladene Enzym im Bereich eines negativen Potentiales abgeschieden wird und das Platinschwarz bei einem konstanten Potential wachsen gelassen werden kann. Dagegen ändert sich bei dem Verfahren B, bei dem man den Niederschlag durch Anlegen eines konstanten Stroms bildet, das Potential, wodurch sich die Stromdichte bei Abscheidung der Platinschwarzschicht langsam ändert. Somit ist die dabei benötigte Zeit zur Herstellung verlängert und es ist schwierig, einen homogenen Niederschlag zu erzeugen.
  • Mit der Biomikroelektrode wurde ein Test mit dem Ziel durchgeführt, in einer Phosphorsäure-Pufferlösung mittels einer Meßvorrichtung im Batch-Verfahren gemäß Fig. 2 das Ansprechverhalten zu bewerten. Dabei repräsentiert das Bezugszeichen (1) die Bezugs- bzw. Standard-Elektrode, (2) die Gegenelektrode, (3) die funktionelle Elektrode, wobei es sich um die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Platinschwarz-Elektrode mit darin fixierter Glucoseoxidase handelt. Jede dieser Elektroden wurde wie in den Zeichnungen gezeigt mit jeder Elektrode der potentiometrischen Vorrichtung verbunden. Unter Anlegen einer Spannung von 0,6 V an die funktionelle Elektrode (3) relativ zu der Bezugselektrode (1) wurde Glucose unter Rühren der Lösung hinzugefügt und der zwischen der Gegenelektrode und der funktionellen Elektrode erzeugte Oxidationsstrom in Abhängigkeit von dem erzeugten Wasserstoffperoxid gemessen.
  • Das von dem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Signal war assoziiert mit der Zugabe von Glucose zu der Lösung, womit gemeint ist, daß - wie in Fig. 3 gezeigt - sehr schnell ein Signal erhalten wird, wenn sich der Oxidationsstrom durch erzeugtes Wasserstoffperoxid ändert. Es wurde gefunden, daß die Antwort innerhalb von drei Sekunden auf die Rate von 100% steigt. Die Antwort des Sensors erfolgte sehr schnell und erreichte schnell diesen konstanten Wert. Das erzielte Ergebnis ist in Fig. 4 gezeigt, wobei die Beziehung zwischen Glucosekonzentration und dem Signal des Sensors gezeigt ist. Es ist offensichtlich, daß der Biosensor sogar eine Konzentration von 0,1 mg/dl messen kann sowie daß eine Linearität zwischen dem gemessenen Wert und der Konzentration im zu messenden Bereich von 0,1 mg/dl bis 100 mg/dl besteht.
  • Durch erfindungsgemäßes Immobilisieren der biologisch aktiven Substanz zeigt der Biosensor ein schnelles Ansprechverhalten und hohe Sensitivität und kann auch leicht und schnell hergestellt werden.
  • Beispiel 2 Analytische Vorrichtung bzw. Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Biomikroelektrode
  • Ein feiner Platindraht von 100 Mikrometern Durchmesser, ein Platindraht von 200 Mikrometern Durchmesser für die Gegenelektrode und ein Silberdraht von 500 Mikrometern Durchmesser wurden mittels des Harzes (14) fixiert und anschließend erfolgte unter Verwendung von Aluminiumoxidpulver das Polieren des feinen Platindrahts. Auf der solcherart polierten Oberfläche wurde das Enzym wie nachstehend beschrieben immobilisiert:
  • Der polierte Draht wurde in eine Lösung (1 ml; pH = 3,5) mit 33 mg Hexachlorplatinat, 0,6 mg Bleiacetat und 10 mg Glucoseoxidase eingetaucht und anschließend wurde unter Anlegen eines konstanten Potentials von -0,2 V oder eines konstanten Stroms von -0,5 uA eine zehnminütige Elektrolyse durchgeführt, wodurch ein Niederschlag von in Platinschwarz immobilisierter Glucoseoxidase erzeugt wurde.
  • Die in Fig. 5 gezeigte Mikrovorrichtung (16) verwendet wie vorstehend erwähnt einen Silberdraht als Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode und wird in 0,1 M Phosphorsäure-Pufferlösung über Nacht gewaschen, was zu einer Drei-Elektroden-Mikrovorrichtung führt. Fig. 5 zeigt eine funktionelle Elektrode (Mikroelektrode) (11), eine Gegenelektrode (12), eine Bezugselektrode (13), das Harz (15), aus PTFE (Polytetrafluorethylen) (14) und die Mikrovorrichtung (16).
  • Messung der Glucosekonzentration unter Verwendung der Elektrode mit dem immobilisierten Enzym
  • 20 ul einer Glucoseprobe wurden in die Mikrovorrichtungen des Dreielektrodensystems gemäß Fig. 5 eingebracht und ein Potential von 0,6 V angelegt. Mehrere Proben mit verschiedener Glucosekonzentration wurden in die Vorrichtung unter Anlegen des Potentiales von 0,6 V eingetropft. Die maximalen Werte für den erhaltenen Strom wurden gemessen und die Beziehung zwischen diesen gemessenen Werten und den Glucosekonzentrationen untersucht. Das Ergebnis ist in Fig. 6 gezeigt.
  • Falls man ein Potential von 0,6 V anlegt wird der in Fig. 6 gezeigte Strom erzeugt. Wenn die Probe keinerlei Glucose enthält, wird ein Strom wie im linken Teil der Fig. 6 gezeigt erzeugt. Falls es sich bei der Probe um eine Phosphorsäure-Pufferlösung (50 mM, pH = 7, 0,05 mM NaCl) mit 10 mM Glucose handelt, zeigt sich ein Signalstrom wie im rechten Teil der Fig. 6 gezeigt.
  • Aus dieser Fig. 6 ergibt sich, daß der Antwort- oder Signalstrom unmittelbar nach Anlegen des Potentials erzeugt wird und sich anschließend schnell verringert. Dies unterstützt die Annahme, daß das mittels des Glucose oxidierenden Enzyms erzeugte Wasserstoffperoxid direkt und sofort oxidiert wird, wenn das Potential angelegt wird.
  • Falls man das Potential mehrfach anlegt, verbleibt der minimale Wert des Antwortstroms konstant nach Anlegen von mehreren Zeitzyklen.
  • Falls das Potential in einer Phosphorsäure-Pufferlösung angelegt wird, wird ein ähnliches Ergebnis in ähnlicher Weise erhalten. Der Wert für die maximale Stromantwort, sog. "Peak"-Wert wurde an Proben mit gegebener Glucosekonzentration im Vergleich zu dem maximalen Antwortstrom gemessen, der in einer Lösung ohne Glucose (sog. Leerwert) erhalten wurde. Die Differenz dieser beiden maximalen Werte für den Antwortstrom mit und ohne Glucose in der Lösung wurden berechnet. Die Beziehung dieser Differenzwerte zur gegebenen Glucosekonzentration wurde untersucht. Das Ergebnis ist in Fig. 7 gezeigt, wobei das Volumen (V) der Probelösung 20 ul und die Größe (d) der Elektrode 50 um beträgt. Wenn sich die Glucosekonzentration im Bereich von 1 mM bis 100 mM ändert, wird die in Fig. 7 gezeigt Kurve gemessen, welche die Beziehung zu dem maximalen Wert des Antwortstroms zeigt.
  • Folglich kann man mit dem Enzym-Analysesystem die Konzentration von Spurensubstanzen in Echtzeit sogar in einer sehr kleinen Probenmenge ohne Rühren messen.
  • Untersuchung der Abhängigkeit von der Probenmenge
  • 2, 5, 10, 15 bzw. 20 ul einer Glucosestandardprobe mit 10 mM Glucose wurden für jeden Test in den Biomikrosensor eingetropft und jeweils der bei Anlegen eines Potentials von 0,6 V erzeugte Strom gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 8 gezeigt, wobei die vorstehend erläuterten Abkürzungen verwendet wurden. Es wurde gefunden, daß der maximale Antwortstrom unabhängig von der Probenmenge ist.
  • Selektive Konzentrationsbestimmung durch Messung der transienten Antwort mittels Pulsvoltammetrie
  • Das Anfangsstadium der Antwort des Sensors wurde mittels eines Momentanspeichers aufgezeichnet, um bei Anlegen eines Potentiales von 0,6 V an die Enzymelektrode eine detaillierte Messung des im rechten Teil der Fig. 6 gezeigten Pulses zu ermöglichen. Das Ergebnis ist in Fig. 9 gezeigt. Es zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen der anfänglichen Antwort in der glucosehaltigen Pufferlösung und derjenigen in der Probe mit dem Leerwert (Phosphorsäurepuffer) sowie einer fructosehaltigen Phosphorsäure-Pufferlöung. Deshalb wurde, wie in Fig. 10 gezeigt, die Differenz in der Stromantwort 2 Millisekunden nach Anlegen des Potentials an glucosehaltige Probe bzw. Leerwert zu der Konzentration an Glucose in Bezug gesetzt und graphisch aufgetragen. Eine lineare Beziehung in Abhängigkeit von der Glucosekonzentration wurde im Bereich zwischen 1 mM und 100 mM gefunden.
  • Desweiteren wurde die Beziehung zwischen dem Sensorsignal und der Probenmenge gemessen, wobei die Glucosekonzentration konstant gehalten wurde. Das gemessene Ergebnis ist in Fig. 11 gezeigt. Hier wird bestätigt, daß das Sensorsignal nicht von der Probenmenge (ul) abhängt.
  • Somit wurde gezeigt, daß das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene analytische System Information über die gesamte Probe im stationären Zustand liefert, wobei nur ein Teil der Probe einer Messung unterzogen wird.
  • Weiterhin bedarf das analytische System nicht der Durchführung eines Rührvorgangs und kann deshalb als Biosensorsystems innerhalb von Lebewesen oder als tragbarer Biosensor verwendet werden. Das bioanalytische System kann in einen Gegenstrombehälter oder nach Art des Batch- Verfahrens, aber auch in einem stationären Behälter verwendet werden und vermag schnell und hochsensitiv Hochgeschwindigkeitsergebnisse zu liefern.
  • Beispiel 3 Durchflußinjektions-Analysevorrichtung bzw. Verfahren unter Verwendung der Mikroelektrode
  • Zunächst wird die Endoberfläche eines dünnen Platindrahts von 100 um Durchmesser mittels Aluminiumoxidpulver poliert, so daß eine Mikroplatinelektrode erhalten wird. Anschließend wird eine zehnminütige Elektrolyse in einem Milliliter einer Lösung (pH = 3,5) mit Hexachlorplatinat (33 mg), Bleiacetat (0,6 mg) und Glucoseoxidase (10 mg) unter Anlegen eines konstanten Potentials von -0,2 V oder eines konstanten Stroms von -5 uA durchgeführt, wodurch ein Niederschlag an Glucoseoxidase inkorporierendem Platinschwarz gebildet wird. Der so hergestellte Platinschwarzniederschlag mit der darin inkorporierten Glucoseoxidase war mehrere Mikrometer dick.
  • Die so erhaltene Mikroelektrode wurde als funktionelle Elektrode verwendet und in die Mikrovorrichtung gemäß Fig. 12 eingebaut. Bei der Messung im Durchflußinjektionsverfahren fließt die Flüssigkeit (21) aus einem Einlaß (22) längs des Durchgangs (25) mit der Elektrode (23). Als Referenzelektrode (26) wird eine Silber/Silberchlorid- Elektrode verwendet und als Gegenelektrode (27) eine Elektrode aus rostfreiem Stahl.
  • Messung der Glucosekonzentration
  • Die zu messende Flüssigkeit wurde in das Durchflußinjektionsmessystem gemäß Fig. 12 mittels einer Einmalspritze (ER 8711 - Typ hergestellt von Erma Inc.) eingebracht. Eine Blockelektrode aus rostfreiem Stahl wurde als Gegenelektrode sowie eine Silber/Silberchloridelektrode als Bezugselektrode verwendet. Ein Potential von 0,6 V wurde an die Mikroelektrode angelegt und das dadurch sich bildende Wasserstoffperoxid oxidiert. Eine 0,1 M Phosphorsäure-Pufferlösung (pH = 6,8) wurde als mobile Phase verwendet und mehrere Arten von Proben mit verschiedenen Glucosekonzentrationen wurden untersucht. Die Durchflußgeschwindigkeit variierte im Bereich von 0,4 ml/min bis 1,8 ml/min.
  • Unter Verwendung der Mikroelektrode, welche auf der Endoberfläche des Platindrahts mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern ein Glucoseoxidase inkorporierendes Platinschwarzpräzipitat aufwies, wurde die Antwort auf ein schubweises Einbringen einer Glucoselösung (10 mM) gemessen und aufgezeichnet. Das Ergebnis ist in Fig. 13 gezeigt. Wie in den Zeichnungen gezeigt, erreicht der Antwortstrom seinen maximalen Wert drei Sekunden nach Beladung mit der Probe und kehrt innerhalb von zehn Sekunden auf den ursprünglichen Wert zurück.
  • Wenn die Vorrichtung innerhalb von einer Minute mit sieben Proben beladen wird, bleibt das ermittelte Stromsignal vollständig unabhängig von den verschiedenen maximalen Werten, welche der Beladung mit jeweils einer Probe entsprechen. Es wurde gefunden, daß eine Probe innerhalb von neun Sekunden gemessen werden konnte. Die für die vollständige Messung einer Probe benötigte Zeitdauer ist eng von der Größe der Mikroelektrode abhängig. Falls der Durchmesser der Mikroelektrode kleiner ist, ist die Zeitdauer zur Messung der Probe kürzer. Deshalb können Hochgeschwindigkeitsmessungen bei Verringerung des Durchmessers der Mikroelektrode durchgeführt werden.
  • Als nächstes wurde die Zeitdauer ermittelt, die notwendig war, um die Glucosekonzentration und den maximalen Antwortstrom zu messen, wobei die Durchflußrate der mobilen Phase, d. h. der Lösung variiert wurde. Es wurde gefunden, daß die zur Messung der Glucosekonzentration benötigte Zeit kürzer war, wenn man die Durchflußrate erhöhte und daß gleichzeitig der Wert für die maximale Stromantwort niedriger war.
  • Die Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und der maximalen Stromantwort ist in Fig. 14 gezeigt. Aus dieser Fig. 14 geht hervor, daß eine Linearität zwischen der maximalen Stromantwort und der Glucosekonzentration im Bereich von 50 uM bis 20 mM besteht.
  • Beispiel 4 Ergebnisse der anodischen Polarisierung
  • Ein Platindraht mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern wurde in einen Acrylharzblock versiegelt und die Oberfläche dieses Blocks wurde mit einem Aluminiumoxidschleifmittel mit einem Teilchendurchmesser von 30 um bis 0,05 um poliert. Anschließend erfolgte Eintauchen in eine Lösung von 3% Hexachlorplatinat mit 500 ppm Bleiacetat und 10% Glucoseoxidase, worauf sich eine Elektrolyse zur Bildung eines Präzipitats von feinen Platinteilchen auf der glatten Endoberfläche des Platindrahts anschloß. Diese Elektrolyse wurde fünf Minuten lang bei einem angelegten Potential von -0,08 Volt durchgeführt. Sechs von diesen Elektroden mit feinen Platinteilchen wurden hergestellt, wovon hernach drei einer anodischen Oxidation unterzogen wurden, die drei übrigen aber nicht. Diese Behandlung wurde durch Eintauchen der erhaltenen porösen Enzymelektroden und anschließende zehnminütige Elektrolyse bei einer angelegten Spannung von 1,0 Volt durchgeführt. Danach wurde die Elektrode mit der darin inkorporierten Glucoseoxidase über Nacht in einer 0,1 M Phosphatpufferlösung gewaschen. Die so erhaltene Glucoseoxidase-Elektrode wurde als funktionelle Elektrode in die Durchflußmeßvorrichtung gemäß Fig. 11 eingebaut. Probenlösungen mit verschiedenen Arten von Sacchariden wurden mittels Durchflußinjektion unter Verwendung einer Einmalspritze oder -pumpe (SPY 2502 U, hergestellt von Nippon Seimitu Co.) in das Meßsystem eingebracht, so daß Messungen an den oxidierten Elektroden in den Proben mit verschiedenen Sacchariden durchgeführt werden konnten. Als Gegenelektrode wurde eine Blockelektrode aus rostfreiem Stahl verwendet. Als mobile Phase wurde eine Lösung von 0,1 M Phosphorsäure-Puffer verwendet. Die an die Glucoseoxidase-Elektrode angelegte Spannung betrug 0,6 V. Fig. 15 zeigt die erhaltenen Werte, wenn die oxidierten, d. h. einer anodischen Polarisation unterzogenen Glucoseoxidase-Elektroden verwendet wurden. Analog dazu zeigt
  • Fig. 16 die Stromantwort, welche unter Verwendung der unbehandelten Glucoseoxidase-Elektroden erzielt wurde.
  • Normalerweise können Saccharide wie Glucose, Galactose und Fructose nicht bei einem Potential von 0,6 V oxidiert werden. Jedoch kann bei dem vorliegenden Experiment Glucose mittels der Wirkung der auf die Elektrode angebrachten Glucoseoxidase oxidiert und ein der Menge an Glucose entsprechender Oxidationsstrom nachgewiesen werden. Die anderen Saccharide können nicht oxidiert werden, da die Glucoseoxidase dazu nicht in der Lage ist. Also erfolgt keine Stromänderung, sogar wenn eine die anderen Saccharide enthaltene Lösung in die in der Zelle befindliche Lösung injiziert wird. Jedoch zeigen die unbehandelten, d. h. nicht einer anodischen Polarisierung unterzogenen glucoseoxidasehaltigen Elektroden nach Injektion von Galactose und Fructose eine Stromantwort. Umgekehrt dazu erfolgt eine solche Stromantwort nicht bei Injektion der anderen Saccharide, wenn die einer oxidierenden Behandlung, d. h. einer anodischen Polarisierung unterzogenen glucoseoxidasehaltigen Elektroden verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Immobilisierung einer biologisch aktiven Substanz, die damit hergestellte Biomikroelektrode und die analytische Methode unter Verwendung der Biomikroelektrode können für eine Vielzahl von Messungen sowie Meßvorrichtungen unter Verwendung einer biologisch aktiven Substanz eingesetzt werden. Auch ist es möglich die als Meßwandler oder Reaktionselement fungierende Biomikroelektrode zur Messung in einer Analysevorrichtung von sehr kleiner Größe bei gleichzeitig sehr schnellem Ansprechverhalten und hoher Sensitivität anzupassen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Biomikroelektrode mittels Immobilisierens einer biologisch aktiven Substanz, welches den einzigen Schritt einer Elektro-Abscheidung von feinen Teilchen (4) eines leitenden Materials aus einem löslichen Vorläufer desselben gleichzeitig mit der aktiven Substanz auf einem Teil der Oberfläche eines Elektrodensubstrats (7) umfaßt, wobei das leitfähige Material auf dem Elektrodensubstrat (7) unter Bildung einer die darin eingefangene aktive Substanz inkorporierenden, porösen, leitfähigen Materialschicht oder leitfähigen, feinpartikulären Schicht gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Material (4) aus Platin, Gold, Rhodium, Palladium, Indium oder Rutheniumoxid (RuO&sub3;) ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähige Materialschicht mittels anodischer Oxidation behandelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Biomikroelektrode mittels eines quervernetzenden Agens desweiteren stabilisiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Polymerfilm auf der Oberfläche der Leitfähigen Materialschicht gebildet wird, so daß die aktive Substanz am Auslaufen gehindert wird.
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