JPH11101771A - バイオセンサおよびそれを用いた基質の定量法 - Google Patents

バイオセンサおよびそれを用いた基質の定量法

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JPH11101771A
JPH11101771A JP9263492A JP26349297A JPH11101771A JP H11101771 A JPH11101771 A JP H11101771A JP 9263492 A JP9263492 A JP 9263492A JP 26349297 A JP26349297 A JP 26349297A JP H11101771 A JPH11101771 A JP H11101771A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基質濃度の広い範囲において、高精度に迅速
かつ簡便に基質を定量できるバイオセンサを提供する。 【課題手段】 本発明のバイオセンサは、基板上に形成
された作用極と対極からなる電極系、および少なくとも
酸化還元酵素と電子伝達体を含有する反応層を具備し、
前記対極が電解酸化可能な金属からなる。反応層に試料
を添加した後、電子伝達体を還元する電位を作用極に印
加し、作用極と対極間に流れる還元電流値を測定して基
質を定量する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、血液、尿、果汁な
どの試料中に含まれる基質を、高精度で迅速かつ簡便に
定量するバイオセンサとこれを用いた基質の定量法に関
する。
【0002】
【従来の技術】基質の定量法の一例として、グルコース
の定量法について説明する。電気化学的にグルコースを
定量する方法としては、グルコースオキシダーゼと酸素
電極または過酸化水素電極とを組み合わせた方式が一般
に知られている(例えば、鈴木周一編「バイオセンサ
−」講談社)。グルコースオキシダーゼは、反応系の酸
素を電子伝達体として基質であるβ−D−グルコースを
D−グルコノ−δ−ラクトンに選択的に酸化する。この
反応にともない、酸素は過酸化水素に還元される。この
ときの酸素消費量を酸素電極によって測定するか、また
は過酸化水素の生成量を白金電極等を用いた過酸化水素
電極によって測定することによりグルコースを定量する
ことができる。しかし、上記の方法では、測定対象によ
っては溶存酸素濃度の影響を大きく受け、また酸素のな
い条件下では測定自体が不可能となる。
【0003】そこで、酸素を電子伝達体として用いず、
フェリシアン化カリウム、フェロセン誘導体、キノン誘
導体等の金属錯体や有機化合物を電子伝達体として用い
るタイプのグルコースセンサが開発されている。このタ
イプのバイオセンサでは、所望の量のグルコースオキシ
ダーゼと電子伝達体を安定な状態で電極上に担持させる
ことが可能となり、電極系と反応層を乾燥状態に近い状
態で一体化することができる。特開平3−202764
号公報には、このタイプのバイオセンサが開示されてい
る。このバイオセンサは、絶縁性基板上にスクリーン印
刷などの方法によって作用極および対極からなる電極系
を形成し、この電極系上に酸化還元酵素と電子伝達体を
含有する反応層を形成したもので、この絶縁性基板にカ
バーおよびスペーサが組み合わされる。
【0004】このバイオセンサを用いると、以下のよう
にして試料中の基質を定量することができる。まず、反
応層に試料液を供給して反応層を溶解し、試料液中の基
質と反応層中の酵素を反応させる。この酵素反応に伴
い、反応層中の電子伝達体が還元される。酵素反応終了
後、この還元された電子伝達体を電気化学的に酸化し、
このとき得られる酸化電流値を測定することによって試
料中の基質を定量する。このようなバイオセンサは、種
々の特定成分をそれに対応する酸化還元酵素を用いるこ
とによって定量することができる。また、このようなバ
イオセンサは、使い捨て型であり、測定器に挿入された
センサチップに検体試料を導入するだけで容易に基質の
濃度を測定できることから、近年多くの注目を集めてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、試料中
の基質は、一連の酵素反応の結果生じた電子伝達体の還
元体を作用極上で酸化して得られる酸化電流値から定量
することができる。しかし、試料中には、電子伝達体の
還元体を作用極上で酸化するとき、同時に酸化されて酸
化電流を生じる易酸化性物質、例えばアスコルビン酸や
尿素などが含まれる場合がある。試料中にこれらの易酸
化性物質が含まれていると、測定結果に正の誤差を与え
ることがある。
【0006】また、酸化電流値を作用極と対極のみの二
電極式で測定する場合、作用極上での酸化反応に対応し
て、対極上で還元される酸化体の存在が必要である。し
かし、基質濃度が高い場合は、酵素反応の結果電子伝達
体の大部分が還元体になっているため、対極上で還元さ
れる酸化体が不足する。その結果、対極での還元反応が
律速過程になり、得られる酸化電流値に悪影響を及ぼ
す。本発明は、上記のような不都合をなくし、試料中の
基質濃度を高精度で定量することができるバイオセンサ
を提供することを目的とする。また、このバイオセンサ
を用いて、高精度で迅速かつ簡便に基質を定量する方法
を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によるバイオセン
サは、絶縁性基板、前記基板上に形成された作用極と対
極からなる電極系、および前記電極系上に形成された少
なくとも酸化還元酵素および電子伝達体を含有する反応
層を具備し、前記対極が少なくとも1種の電解酸化可能
な金属からなることを特徴とする。また、本発明による
基質の定量法は、上記のバイオセンサを用い、その反応
層に試料を添加して基質と酵素を反応させる工程、前記
工程で還元されなかった電子伝達体を還元する電位を作
用極に印加する工程、および前記作用極と対極間に流れ
る電流値を測定する工程を有する。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明による基質の定量法は、前
記のように、まず反応層に試料を添加して基質と酵素と
を反応させる。この酵素反応にともない、反応層中の電
子伝達体が基質濃度に対応して還元される。次に、酵素
反応によって還元されず、反応系中に残存する電子伝達
体を還元する電位を作用極に印加し、その還元電流を測
定することによって基質濃度を求めるものである。反応
層中の電子伝達体の量を一定にしておけば、前記の還元
電流は、試料中の基質濃度に対応する。従って、あらか
じめ既知量の基質を含む標準液の還元電流値を測定して
検量線を作成しておけば、この検量線にもとづいて試料
中の基質濃度を求めることができる。
【0009】このように本発明は、還元電流から基質を
定量するので、試料中に易酸化性物質が混入していても
これらの影響を受けることがない。また、対極は、電解
酸化可能な金属から形成されているから、試料中の基質
濃度が低く、電子伝達体の還元体が少なくても、作用極
で還元電流を測定する際、対極が律速過程となることは
ない。前記金属は、ペースト状にするなどして、そのま
ま基板に印刷して対極を作製することができるので、セ
ンサ作製の工程を簡略化することができる。対極は、前
記金属にカーボンを混合した混合物から形成してもよ
い。電解酸化可能な金属としては、銀または銅が好適で
ある。また、鉄や亜鉛等も用いることができる。
【0010】また、基板上に形成した電極系表面に、酵
素や電子伝達体などが接触しないように、あるいは電極
系表面へタンパク質が吸着しないように、電極系表面を
親水性高分子層で被覆することが好ましい。このような
層を形成する親水性高分子としては、カルボキシメチル
セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコ
ール、ゼラチンおよびその誘導体、アクリル酸およびそ
の塩、メタアクリル酸およびその塩、スターチおよびそ
の誘導体、無水マレイン酸およびその塩、そして、ヒド
ロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチル
セルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルヒド
ロキシエチルセルロース、およびカルボキシメチルエチ
ルセルロース等のセルロース誘導体を用いることがき
る。反応層に含ませる電子伝達体としては、フェリシア
ン化カリウム、p−ベンゾキノン、フェナジンメトサル
フェート、メチレンブルーおよびフェロセン誘導体等を
用いることができる。
【0011】さらに、酸化還元酵素として、グルコース
オキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、乳酸オキ
シダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒド
ロゲナーゼ、ウリカーゼ、コレステロールオキシダー
ゼ、コレステロールオキシダーゼおよびコレステロール
エステラーゼなどを用いることができる。また、上記酵
素を複数組み合わせたもの、例えばグルコースオキシダ
ーゼとインベルターゼ、グルコースオキシダーゼとイン
ベルターゼとムタロターゼ、またはフルクトースデヒド
ロゲナーゼとインベルターゼなどを用いることができ
る。さらに、試料溶液の供給を円滑にするために、反応
層上にレシチン層を形成してもよい。
【0012】
【実施例】以下に、本発明を具体的な実施例を挙げてよ
り詳細に説明する。図1は、二電極式のグルコ−スセン
サの反応層を除いた分解斜視図を示す。ポリエチレンテ
レフタレ−トからなる絶縁性の基板1上に、スクリ−ン
印刷により銀ペーストを印刷し、リ−ド2、3を形成し
ている。ついで、樹脂バインダーを含む導電性カーボン
ペーストを基板1上に印刷して作用極4を形成してい
る。この作用極4は、リ−ド2と接触している。さら
に、この基板1上に、絶縁性ペ−ストを印刷して絶縁層
6を形成している。絶縁層6は、作用極4の外周部を覆
っており、これにより作用極4の露出部分の面積を一定
に保っている。そして、銀ペ−ストをリ−ド3と接触す
るように印刷してリング状の対極5を形成している。
【0013】この絶縁性基板1と空気孔11を備えたカ
バー9およびスペーサー10を図1中の一点鎖線で示す
ような位置関係をもって接着し、バイオセンサを作製す
る。スペーサー10には、基板とカバーとの間に試料液
供給路を形成するためのスリット13が設けてある。1
2は、その試料液供給路の開口部に相当する。図2は、
本発明によるバイオセンサのスペーサー、カバーを除い
た要部の縦断面図である。図1のようにして電極系を形
成した電気絶縁性の基板1上に、酵素類をおよび電子伝
達体を含む反応層7が形成され、反応層7上にレシチン
層8が形成されている。
【0014】《実施例1》図1の基板1上の電極系上
に、グルコースオキシダーゼ(EC1.1.3.4、以
下GODと略す。)とフェリシアン化カリウムの混合水
溶液を滴下し、乾燥して反応層7を形成した。次に、反
応層7上にレシチンのトルエン溶液を滴下し、乾燥して
レシチン層8を形成した。そして、基板1とカバー9お
よびスペーサー10を図1中、一点鎖線で示すような位
置関係をもって接着してグルコ−スセンサを作製した。
グルコ−ス標準水溶液3μlを試料液供給路の開口部1
2より供給した。試料液は、空気孔11部分まで達し、
電極系上の反応層7が溶解した。反応層7が溶解する
と、試料液中のグルコースは、GODによってグルコノ
ラクトンに酸化される。この酵素反応によって、フェリ
シアン化イオンは、フェロシアン化イオンに還元され
る。
【0015】そして、試料液を供給してから一定時間後
に、対極5を基準にして作用極4に−0.8Vの電圧を
印加した。この電圧の印加により、作用極では酵素反応
によって還元されなかったフェリシアン化カリウムの還
元反応が生じる。そして対極の銀が、銀イオンに酸化さ
れる。そして、電圧印加5秒後の電流値を測定した。得
られた電流値は、グルコース濃度の増加に伴って減少し
た。つまり、対極を銀で作製したため、反応系に還元体
が十分存在することになり、得られた電流値は、作用極
上でのフェリシアン化イオンの還元反応に依存したこと
を示す。得られた電流応答値の測定精度は高かった。
【0016】《実施例2》図1の基板1の電極系上に、
カルボキシメチルセルロース(以下、CMCと略す。)
水溶液を滴下、乾燥してCMC層を形成した。このCM
C層上に、実施例1と同様にして、反応層、レシチン層
を形成した。そして、実施例1と同様にしてグルコ−ス
センサを作製し、グルコ−ス標準液対する応答を測定し
たところ、実施例1と同様の応答特性が得られた。
【0017】《実施例3》図1の対極5を銅ペーストを
用いて形成した以外は、実施例1と同様にしてグルコー
スセンサを作製し、グルコース標準液に対する応答を測
定したところ、実施例1と同様の応答特性が得られた。
【0018】《実施例4》図1の対極5を銀とカーボン
の混合ペーストを用いて形成した以外は、実施例2と同
様にしてグルコースセンサを作製し、グルコース標準液
に対する応答を測定したところ、実施例2と同様の応答
特性が得られた。
【0019】《実施例5》試料液として既知量のアスコ
ルビン酸を含むグルコ−ス水溶液を用いる他は、実施例
2と同様にして電流応答値を測定した。その結果、アス
コルビン酸を含まないグルコース標準水溶液を用いた実
施例2と同様の応答特性が得られた。
【0020】《比較例1》実施例2と同じセンサとアス
コルビン酸を含むグルコース標準水溶液を用い、対極を
基準にして作用極に0.5Vの電圧を印加し、5秒後の
電流値を測定して酸化電流値を測定した。その結果、標
準水溶液中のアスコルビン酸の量が増加するのに伴い、
電流応答値も増加した。
【0021】
【発明の効果】上記のように、本発明によると、試料中
の基質を高精度で迅速かつ簡便に定量することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に用いたグルコースセンサの
反応層を除いた分解斜視図である。
【図2】同グルコ−スセンサのスペーサー、カバーを除
いた要部の縦断面図である。
【符号の説明】
1 絶縁性の基板 2、3 リ−ド 4 作用極 5 対極 6 絶縁層 7 反応層 8 レシチン層 9 カバ− 10 スペ−サ− 11 空気孔 12 試料液供給路の開口部 13 スリット

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板、前記基板上に形成された作
    用極と対極からなる電極系、および前記電極系上に形成
    された少なくとも酸化還元酵素および電子伝達体を含有
    する反応層を具備するバイオセンサであって、前記対極
    が少なくとも1種の電解酸化可能な金属からなることを
    特徴とするバイオセンサ。
  2. 【請求項2】 絶縁性基板、前記基板上に形成された作
    用極と対極からなる電極系、および前記電極系上に形成
    された少なくとも酸化還元酵素および電子伝達体を含有
    する反応層を具備するバイオセンサであって、前記対極
    が少なくとも1種の電解酸化可能な金属とカーボンの混
    合物からなることを特徴とするバイオセンサ。
  3. 【請求項3】 前記金属が、銀または銅である請求項1
    または2記載のバイオセンサ。
  4. 【請求項4】 前記反応層が、さらに親水性高分子を含
    有する請求項1または2記載のバイオセンサ。
  5. 【請求項5】 請求項1または2記載のバイオセンサを
    用い、前記反応層に試料を添加して基質と酵素を反応さ
    せる工程、前記工程で還元されなかった電子伝達体を還
    元する電位を作用極に印加する工程、および前記対極と
    作用極間の電流値を測定する工程を有することを特徴と
    する基質の定量法。
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