JP2007510890A - Biosensor for detecting nitrate ion and measuring method using the same - Google Patents
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Abstract
本発明は、硝酸塩イオン検出用のバイオセンサー及びそれを利用した測定方法を提供する。
本発明により製造された使い捨ての硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーは、電気化学的方法を使用して硝酸塩イオンの正確な濃度を現場で便利に測定できる。また、構造及び製作コストが安く、かつ携帯が可能であるため、既存の測定製品と差別性があり、かつ価格競争力も高い。
本発明の硝酸塩イオン化反応器は、硝酸塩ではない窒素化合物を便利に硝酸塩に転換する装置であって、硝酸塩イオン化反応器と硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーとを結合すれば、試料内の総窒素を便利に測定できる。
The present invention provides a biosensor for detecting nitrate ions and a measurement method using the biosensor.
The disposable biosensor for detecting nitrate ions produced according to the present invention can conveniently measure the exact concentration of nitrate ions in the field using electrochemical methods. In addition, since the structure and manufacturing cost are low and portable, it is different from existing measurement products and has high price competitiveness.
The nitrate ionization reactor of the present invention is a device that conveniently converts nitrogen compounds that are not nitrates into nitrates. By combining the nitrate ionization reactor and a biosensor for detecting nitrate ions, the total nitrogen in the sample is converted. It can be measured conveniently.
Description
本発明は、硝酸塩イオン検出用のバイオセンサー及びそれを利用した測定方法に係り、さらに具体的には、便利に携帯しつつ正確に試料内の硝酸塩イオンの濃度を測定できるバイオセンサー及びそれを利用した硝酸塩イオン濃度の測定方法に関する。また、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換えることによって、総窒素の濃度を測定できるようにする硝酸塩イオン化反応器に関する。 The present invention relates to a biosensor for detecting nitrate ions and a measurement method using the biosensor, and more specifically, a biosensor capable of accurately measuring the concentration of nitrate ions in a sample while being carried conveniently and using the same. Relates to a method for measuring the nitrate ion concentration. The present invention also relates to a nitrate ionization reactor that enables measurement of the concentration of total nitrogen by switching a nitrogen compound that is not nitrate to nitrate.
バイオセンサーは、生体物質が電子測定機器と有機的に結合されて任意試料内の化学的な情報を容易に処理可能な電気的な信号に切り替えるセンサーを言う。前記バイオセンサーは、複雑な化学的、生物学的な処理を行う必要がなく、リアルタイムで所望の化学種の定量的な情報が選択的に得られるという長所のため広く開発されており、主に、医学、環境分野で広く使用されている。 A biosensor refers to a sensor in which a biological substance is organically coupled to an electronic measurement device and switches to an electrical signal that can easily process chemical information in an arbitrary sample. The biosensor has been widely developed due to the advantage that quantitative information of a desired chemical species can be selectively obtained in real time without the need for complicated chemical and biological processing. Widely used in medical, environmental fields.
硝酸塩イオンは、公知の水質汚染物質の一つである。硝酸塩イオンによる広範な汚染は、環境及び人体の健康に対して深刻な脅威となっている。したがって、硝酸塩イオンの分析は非常に重要である。長期間高濃度の硝酸塩を摂取すると、消化系統の癌を誘発し得る可能性が非常に高い。多くの国では、飲み水中の硝酸塩の最高濃度を400ないし800μMと規定しており、米国の環境保護局(EPA)では700μMまで規定している。硝酸塩イオンの化学的な測定は、主に、大きく3つの方法があるが、直接測定法としては、比色分析、イオン選択電極、イオンクロマトグラフィ等があり、間接測定法としては、ポーラログラフィ等があり、そして、硝酸塩を亜硝酸塩、アンモニア、または窒素酸化物などに還元した後に測定する方法がある(非特許文献1)。このような方法は、特異性が劣り、多くのイオンが妨害作用を行う。したがって、測定する前に前処理過程を必要とするため不便であり、長い時間を必要とする。 Nitrate ions are one of the known water pollutants. Extensive contamination with nitrate ions is a serious threat to the environment and human health. Therefore, the analysis of nitrate ions is very important. Ingesting high concentrations of nitrate for long periods of time is very likely to induce cancer of the digestive system. In many countries, the maximum concentration of nitrate in drinking water is specified as 400 to 800 μM, and the US Environmental Protection Agency (EPA) specifies up to 700 μM. There are mainly three methods for chemical measurement of nitrate ions, but direct measurement methods include colorimetric analysis, ion selective electrodes, ion chromatography, and indirect measurement methods include polarography. There is a method of measuring nitrate after it is reduced to nitrite, ammonia, or nitrogen oxide (Non-patent Document 1). Such a method is inferior in specificity, and many ions interfere with it. Therefore, it is inconvenient because a pretreatment process is required before measurement, and a long time is required.
前述した化学的測定方法の他に、バイオセンサー方法でも硝酸塩イオンを測定できる。バイオセンサー方法は、酵素の特異性及び敏感性と、光学的、電気化学的及び熱分析法などの敏感性が結合されたため、医療及び環境分野で特に効果的である。バイオセンサー方法は、化学的方法に比べて装置の製作が簡単かつ経済的であり、使用が便利であり、試料の前処理過程が必要ないので分析時間を大きく短縮させ得るという長所がある。硝酸塩還元酵素(nitrate reductase:以下、NaRと略称する)を使用したバイオセンサーで硝酸塩イオンを測定した論文が発表されたが、あまり活発に研究されてはいない。 In addition to the chemical measurement method described above, nitrate ions can also be measured by a biosensor method. The biosensor method is particularly effective in the medical and environmental fields because it combines the specificity and sensitivity of the enzyme with sensitivities such as optical, electrochemical and thermal analysis methods. The biosensor method has advantages in that the device is easy and economical to manufacture compared to the chemical method, is convenient to use, and does not require a sample pretreatment process, so that the analysis time can be greatly shortened. Although a paper was published in which nitrate ions were measured by a biosensor using nitrate reductase (hereinafter abbreviated as NaR), it has not been actively studied.
特許文献1は、硝酸塩イオンを光学的方法で検出するバイオセンサーを開示している。前記バイオセンサーに含まれたNaRにより硝酸塩イオンが還元されれば、NADPHがNADP+に酸化されつつ直接または間接的に発光剤が光子を生成し、それを光検出器で検出する。しかし、前記光学的方法は、適当な発光剤を必要とし、周囲環境の光の妨害を受け、発光試薬の量に依存するため、小さく作ることは困難であり、光検出器で光信号をさらに検出可能な電気信号に切り換える必要があるという問題点がある。
NaRを利用した硝酸塩イオンの電流法的な測定が1994年に最初に発表されたが(非特許文献2)、NaRが還元反応を媒介するため、酸素の影響を多く受け、これまでの論文では酸素の妨害を減らすためにアルゴン上で一般電極を使用して実験室で測定した。これまで発表された硝酸塩イオンの測定に関するバイオセンサー方法のうち、実験室ではない現場で直ぐに使用可能な電流法測定用のセンサーはまだ報告されたことがない。硝酸塩イオンの電流法現場測定用のセンサーの最大難点は、どのようにして酸素の妨害を減らすかということである。 The galvanostatic measurement of nitrate ion using NaR was first published in 1994 (Non-Patent Document 2), but NaR mediates the reduction reaction, so it was greatly influenced by oxygen. Measured in the laboratory using a common electrode on argon to reduce oxygen interference. Of the biosensor methods for nitrate ion measurement that have been published so far, no sensor for current method measurement that can be used immediately in the field other than the laboratory has been reported. The biggest difficulty with sensors for in situ measurement of nitrate ions is how to reduce oxygen interference.
また、実際の現場で使用する場合において最も重要な用途は、硝酸塩のみの濃度を測定するよりは、全体窒素化合物の量、すなわち、総窒素の量を測定することである。しかし、全体窒素化合物の量を測定するための従来技術による装置は、長時間にかけた前処理及び複雑な分析過程を必要とする実験室規模の装置であるので、現場で直ぐにモニタリングできないという短所があった。 Also, the most important application in actual use in the field is to measure the amount of total nitrogen compounds, that is, the amount of total nitrogen, rather than measuring the concentration of nitrate alone. However, the conventional apparatus for measuring the total amount of nitrogen compounds is a laboratory-scale apparatus that requires a long time of pretreatment and a complicated analysis process, so that it cannot be immediately monitored in the field. there were.
これにより、本発明者らは、前記従来技術の問題点を克服するために鋭意研究した結果、硝酸塩還元酵素を固定化させた固定した作動電極、作動電極の周りに相対電極及び基準電極がスクリーンプリンティング技術で配列された3電極のバイオセンサーに酸素除去剤が含まれた試料を適用する場合、現場で硝酸塩イオンを簡便に電気化学的に検出できるということを確認し、本発明を完成するに至った。また、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に容易に切り替える硝酸塩イオン化反応器を開発し、これを前記バイオセンサーと適切に結合することによって従来技術が有する前記問題点を解決できるということを確認した。 As a result, the present inventors have intensively studied to overcome the problems of the prior art, and as a result, a fixed working electrode in which nitrate reductase is immobilized, a relative electrode and a reference electrode around the working electrode are screened. When applying a sample containing an oxygen scavenger to a three-electrode biosensor arranged by a printing technique, it is confirmed that nitrate ions can be easily and electrochemically detected in the field, and the present invention is completed. It came. In addition, a nitrate ionization reactor that easily switches a nitrogen compound that is not a nitrate to a nitrate was developed, and it was confirmed that the above-described problems of the prior art can be solved by appropriately combining this with the biosensor.
本発明が解決しようとする課題は、硝酸塩イオンの濃度を現場モニタリングできる硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a biosensor for detecting nitrate ions capable of in situ monitoring the concentration of nitrate ions.
本発明が解決しようとする他の課題は、硝酸塩ではない窒素化合物を簡便に硝酸塩に切り換え可能な硝酸塩イオン化反応器を提供することである。 Another problem to be solved by the present invention is to provide a nitrate ionization reactor capable of easily switching a nitrogen compound that is not a nitrate to a nitrate.
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、総窒素の濃度を現場モニタリングできるように簡便に測定できる総窒素の濃度測定システムを提供することである。 Still another problem to be solved by the present invention is to provide a total nitrogen concentration measurement system that can be easily measured so that the total nitrogen concentration can be monitored in the field.
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、前記硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーを利用して硝酸塩イオン濃度を測定する測定方法を提供することである。 Still another problem to be solved by the present invention is to provide a measurement method for measuring nitrate ion concentration using the biosensor for detecting nitrate ions.
本発明は、前記課題を解決するために、作動電極と、これと所定間隔離隔された相対電極と基準電極とが配列されたバイオセンサーにおいて、前記作動電極は、硝酸塩還元酵素が固定した炭素電極であって、試料に含まれた硝酸塩イオンが前記硝酸塩還元酵素により還元反応される程度を電気化学的に測定することを特徴とする硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a biosensor in which a working electrode, a relative electrode spaced apart from the working electrode and a reference electrode are arranged, and the working electrode is a carbon electrode fixed with nitrate reductase The biosensor for detecting nitrate ions is characterized by electrochemically measuring the degree to which nitrate ions contained in a sample are reduced by the nitrate reductase.
本発明は、前記他の課題を解決するために、反応槽と、前記反応槽に浸る少なくとも一つ以上の酸化チタン(TiO2)電極と、前記反応槽に浸る少なくとも二つ以上の白金(Pt)電極と、前記反応槽に反応物を投入できる投入口と、前記反応槽から反応物を排出できる排出口と、を有する硝酸塩イオン化反応器を提供する。 In order to solve the other problems, the present invention provides a reaction vessel, at least one titanium oxide (TiO 2 ) electrode immersed in the reaction vessel, and at least two platinum (Pt) immersed in the reaction vessel. ) A nitrate ionization reactor having an electrode, an inlet through which a reactant can be introduced into the reaction tank, and an outlet through which the reactant can be discharged from the reaction tank.
本発明は、前記さらに他の課題を解決するために、前記硝酸塩イオン検出用のバイオセンサー及び前記硝酸塩イオン化反応器を備える総窒素濃度測定システムを提供する。 The present invention provides a total nitrogen concentration measuring system including the biosensor for detecting nitrate ions and the nitrate ionization reactor, in order to solve the still another problem.
本発明は、前記さらに他の課題を解決するために、前記バイオセンサーの試料注入口に試料を投入する工程と、前記バイオセンサーの作動電極に電圧を印加する工程と、前記印加工程で作動電極と相対電極との間に流れる電流の強度を測定する工程と、を含む硝酸塩イオン濃度の測定方法を提供する。 In order to solve the further another problem, the present invention provides a step of introducing a sample into a sample injection port of the biosensor, a step of applying a voltage to the working electrode of the biosensor, and a working electrode in the applying step. And a method for measuring a nitrate ion concentration, comprising: measuring an intensity of a current flowing between the first electrode and a relative electrode.
硝酸塩イオン検出用のバイオセンサー
一般的に、電気化学的センサーストリップを含むバイオセンサーは大きく2部分に分類される。一つは、感知電極の部分であり、他の一つは、携帯用測定装置である。本発明で、バイオセンサーは、狭くは、前記感知電極の部分を意味するが、広くは、前記感知電極が装着された携帯用測定装置を意味する。前記携帯用測定装置は、前記ストリップ状の感知電極の部分が挿入され、感知電極に流れる電流を測定するための一定電位装置などを備え得る。
Biosensors for nitrate ion detection In general, biosensors including electrochemical sensor strips are roughly classified into two parts. One is the sensing electrode part and the other is a portable measuring device. In the present invention, a biosensor means a portion of the sensing electrode in a narrow sense, but broadly means a portable measuring device equipped with the sensing electrode. The portable measuring device may include a constant potential device for measuring a current flowing through the sensing electrode with the strip-shaped sensing electrode portion inserted therein.
本発明の目的を達成するために、本発明は、ストリップ状の基板上に作動電極と、これと所定間隔離隔された相対電極と基準電極とがスクリーンプリンティング技術で配列されて、前記作動電極上に試料注入口が備えられたバイオセンサーにおいて、前記作動電極は、硝酸塩還元酵素が重合体捕獲法で固定した炭素電極として試料に含まれた硝酸塩イオンが、前記硝酸塩還元酵素により還元反応される程度を電気化学的に測定することを特徴とする硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーを提供する。 To achieve the object of the present invention, the present invention provides a working electrode on a strip-shaped substrate, a relative electrode spaced apart from the working electrode by a screen printing technique, and arranged on the working electrode. In the biosensor provided with a sample inlet, the working electrode is a carbon electrode in which nitrate reductase is immobilized by a polymer capture method, and nitrate ions contained in the sample are reduced by the nitrate reductase. A biosensor for detecting nitrate ions is provided.
本発明で使用された電気化学的方法の硝酸塩イオン測定用のバイオセンサーには、硝酸塩還元酵素(Sigma,USA)を使用できる。この酵素は、硝酸塩イオンを亜硝酸塩イオンに還元させる反応を促進するが、活性が相対的に良い。使用される酵素は、分析しようとする試料によって多様である。例えば、硝酸塩還元酵素、亜硝酸塩還元(酸化)酵素、アンモニウム酸化(還元)酵素などを使用できる。 Nitrate reductase (Sigma, USA) can be used for the biosensor for nitrate ion measurement of the electrochemical method used in the present invention. This enzyme promotes the reaction of reducing nitrate ions to nitrite ions, but has relatively good activity. The enzyme used varies depending on the sample to be analyzed. For example, nitrate reductase, nitrite reductive (oxidation) enzyme, ammonium oxidization (reduction) enzyme, and the like can be used.
図1は、本発明の一実施例として、バイオセンサーの感知電極製作に使用した使い捨ての電極模型図である。1は、試料注入口、2は、相対電極、3は、作動電極、4は、基準電極、5は、絶縁層、6は、リード線、7は、リード端子である。ストリップ状の絶縁性基板上に使い捨てのSPCE(screen−printed carbon paste electrode)電極をスクリーンプリンティング技術で形成して、作動電極3の周りを相対電極2及び基準電極4が取り囲むように配列し、それらの電極2,3,4をリード線6を介して基板末端のリード端子7に連結し、前記電極2,3,4上に円形の試料注入口1を形成してバイオセンサーを製造した。このようなストリップタイプセンサーは、測定装備に挿入されて電気計測信号を変換して、試料内の物質濃度を測定できる。
FIG. 1 is a schematic diagram of a disposable electrode used for manufacturing a sensing electrode of a biosensor as one embodiment of the present invention.
本発明のバイオセンサーにおいて、前記作動電極は、酵素が固定されて還元反応による電流を感知する役割を行い、材質は、炭素電極として炭素ペースト電極または変形された炭素ペースト電極が望ましい。炭素ペーストは、安価であり、使い捨てとして使用でき、量産が可能であり、その上に固定した酵素が相対的に安定的であるためである。 In the biosensor of the present invention, the working electrode serves to sense an electric current due to a reduction reaction with an enzyme immobilized, and the material is preferably a carbon paste electrode or a deformed carbon paste electrode as a carbon electrode. This is because carbon paste is inexpensive, can be used as a disposable, can be mass-produced, and an enzyme immobilized thereon is relatively stable.
本発明のバイオセンサーにおいて、前記相対電極は、作動電極と結合されて電流を流す役割を行い、材質は、作動電極と類似した電極を使用できる。また、前記基準電極は、電流が流れず、作動電極と相対電極との間に一定の作動電圧を維持させる機能を行い、材質は、主に、Ag/AgClが多く使用される。 In the biosensor of the present invention, the relative electrode is combined with the working electrode to flow an electric current, and an electrode similar to the working electrode can be used. Further, the reference electrode has a function of maintaining a constant operating voltage between the working electrode and the relative electrode without flowing current, and the material is mainly Ag / AgCl.
炭素ペースト及び銀ペーストは、Asahi社製(日本)を使用した。基準電極を作るために、銀ペースト層を塩化鉄(FeCl3)飽和溶液で酸化させた後、蒸溜水で洗浄した後に空気中で乾燥させた。 Asahi (Japan) was used as the carbon paste and silver paste. In order to make a reference electrode, the silver paste layer was oxidized with an iron chloride (FeCl 3 ) saturated solution, washed with distilled water, and then dried in air.
本発明のバイオセンサーにおいて、前記硝酸塩還元酵素の固定化のための重合体は、PVA(polyvinyl alcohol)、PAA(polyacrylamide)、PEG(polyethylene glycol)、アガロース、澱粉ゲル、ナイロン、シラスティックゲル、ポリピロール等であり得るが、望ましくは、1ないし5重量%のPVAを混合したものが望ましい。PVAは、−OH基を多く持っているので、水溶性であり、かつ環境にやさしいためである。 In the biosensor of the present invention, the polymer for immobilizing the nitrate reductase is PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylamide), PEG (polyethylene glycol), agarose, starch gel, nylon, silastic gel, polypyrrole. Desirably, a mixture of 1 to 5% by weight of PVA is desirable. This is because PVA has many —OH groups and is therefore water-soluble and environmentally friendly.
本発明のバイオセンサーにおいて、固定した硝酸塩還元酵素(NaR)の量は、6.25ないし25mUであることが望ましい。NaR量が少なければ、センサーの信号が小さくて、測定限界がそれほど高まり、NaR量が多ければ、信号はそれ以上増大しないため、非経済的である。望ましくは、6.25ないし25mUの硝酸塩還元酵素をPVAと均一に混ぜた後、1ないし10mLずつ電極の作動電極に固定できる。 In the biosensor of the present invention, the amount of immobilized nitrate reductase (NaR) is preferably 6.25 to 25 mU. If the amount of NaR is small, the sensor signal is small and the measurement limit increases so much. If the amount of NaR is large, the signal does not increase any more, which is uneconomical. Preferably, 6.25 to 25 mU of nitrate reductase is uniformly mixed with PVA, and then 1 to 10 mL can be fixed to the working electrode.
本発明のバイオセンサーにおいて、基板の材料としては、柔軟性及び強度を有するものが望ましい。望ましくは、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン等の高分子化合物を使用でき、特に、ポリエチレンが望ましい。 In the biosensor of the present invention, the substrate material preferably has flexibility and strength. Desirably, polymer compounds such as polycarbonate, polystyrene, and polyethylene can be used, and polyethylene is particularly desirable.
基板上の電極ストリップは、図2のような通常のスクリーンプリンティング方法によって電極状にあけられているマスクを基板上に置き、電極素材であるペースト(インク)を電極生成部位別に工程別に噴射した後、スキージで擦った後にマスクを除去すればストリップが形成される。マスクの厚さは、約0.1ないし0.25mmが適切である。印刷回路基板(Printed Circuit Board:PCB)の応用技術によって非常に少量で定量分析の可能な電気化学的バイオセンサーストリップの製造技術について米国特許第5,437,999号明細書を参照できる。 The electrode strip on the substrate is formed by placing a mask, which is formed in an electrode shape by a normal screen printing method as shown in FIG. If the mask is removed after rubbing with a squeegee, a strip is formed. A suitable thickness of the mask is about 0.1 to 0.25 mm. Reference can be made to US Pat. No. 5,437,999 for a technique for producing an electrochemical biosensor strip that can be quantitatively analyzed in a very small amount by an application technology of a printed circuit board (PCB).
本発明のバイオセンサーにおいて、前記試料のpHは、5.5ないし8.0であることが望ましい。本発明の実施例で最大の信号は、pH6.5で表れたが、5.5ないし8.0を選択した。その理由は、酸素除去剤の効果を共に考慮したためである。 In the biosensor of the present invention, the pH of the sample is preferably 5.5 to 8.0. In the embodiment of the present invention, the maximum signal appeared at pH 6.5, but 5.5 to 8.0 was selected. The reason is that both the effects of the oxygen scavenger are considered.
本発明のバイオセンサーにおいて、前記試料は、MOPS(3−(N−morpholino)propanesulfonic acid)、MES(2−(N−morpholino)ethanesulfonic acid)、リン酸塩などのバッファを使用できるが、望ましくは、前記試料は、0.05ないし0.2M濃度のMOPSバッファを使用したことを特徴とする。MOPSを選択した理由は、pH範囲が適切な生理的なバッファであり、非常に高い作動電圧(−700ないし−900mV vs.Ag/AgCl)でも安定的であるためである。バッファ濃度が高すぎれば、固定した酵素が不安定であり、濃度が低すぎれば、感応時間が相対的に長くなる。 In the biosensor of the present invention, the sample may use a buffer such as MOPS (3- (N-morpholino) propanesulphonic acid), MES (2- (N-morpholino) ethansulfonic acid), phosphate, etc. The sample is characterized by using a MOPS buffer having a concentration of 0.05 to 0.2M. The reason for choosing MOPS is that the pH range is a suitable physiological buffer and is stable even at very high operating voltages (-700 to -900 mV vs. Ag / AgCl). If the buffer concentration is too high, the immobilized enzyme is unstable, and if the concentration is too low, the sensitivity time is relatively long.
本発明のバイオセンサーにおいて、硝酸塩イオンの還元反応の電子遷移を媒介するために、前記試料にフェノチアジン類、トリフェニルメタン類、スルホンフタレイン類等の電子遷移媒介体をさらに追加できるが、望ましくは、前記試料に電子遷移媒介体として1.0ないし3.0mM濃度のMV(methyl viologen)をさらに追加したことを特徴とする。MVは、前述した電子遷移媒介体と比較するとき、電気化学的な可逆性が最も良好であるため選択した。MV濃度が低すぎれば、信号が相対的に低すぎて、MV濃度が高すぎれば、固定した酵素が不安定となる。 In the biosensor of the present invention, an electronic transition mediator such as phenothiazines, triphenylmethanes, sulfonephthaleins and the like can be added to the sample in order to mediate electronic transition of nitrate ion reduction reaction. In addition, MV (methyl viologen) having a concentration of 1.0 to 3.0 mM is further added to the sample as an electron transition medium. MV was chosen because it has the best electrochemical reversibility when compared to the electron transition mediator described above. If the MV concentration is too low, the signal is relatively low, and if the MV concentration is too high, the immobilized enzyme becomes unstable.
本発明のバイオセンサーにおいて、前記硝酸塩還元酵素は、還元酵素として従来の血糖測定のためのグルコース酸化酵素とは違って、酸素の影響を多く受けるため、還元酵素に対する酸素の妨害を減らすために前記試料に亜硫酸塩、メタバイスルファイト、バイスルファイトのような酸素除去剤をさらに追加できるが、望ましくは、前記試料に酸素除去剤として0.5ないし4mM濃度の亜硫酸塩を使用することが望ましい。前述した酸素除去剤のうち亜硫酸塩の効果が最も優秀である。酸素除去剤の濃度が低すぎれば、酸素除去効果が不十分であり、濃度が高すぎれば、さらに高い濃度では不要であり、また、固定化した酵素層が不安定となる。 In the biosensor of the present invention, unlike the conventional glucose oxidase for blood glucose measurement, the nitrate reductase as a reductase is greatly affected by oxygen. An oxygen scavenger such as sulfite, metabisulfite, or bisulfite can be further added to the sample, but it is desirable to use 0.5 to 4 mM sulfite as the oxygen scavenger in the sample. . Of the oxygen scavengers described above, the effect of sulfite is the best. If the concentration of the oxygen scavenger is too low, the effect of removing oxygen is insufficient, and if the concentration is too high, it is not necessary at a higher concentration, and the immobilized enzyme layer becomes unstable.
硝酸塩イオン化反応器
本発明の他の目的を達成するために、前記本発明に係るバイオセンサーを利用するために試料を前処理する硝酸塩イオン化反応器を提供する。
Nitrate Ionization Reactor To achieve another object of the present invention, there is provided a nitrate ionization reactor for pretreating a sample in order to utilize the biosensor according to the present invention.
すなわち、本発明のバイオセンサーを利用して試料中に含まれた総窒素を測定するためには、硝酸塩ではない窒素化合物、例えば、アミノ酸、アミン、イミン、アミド、アンモニウム塩イオン、亜硝酸塩イオンなどを酸化させて硝酸塩に切り換える前処理が必要であるが、前記硝酸塩イオン化反応器は、このような要求を満足させるためのものであって、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換える。 That is, in order to measure the total nitrogen contained in a sample using the biosensor of the present invention, nitrogen compounds that are not nitrates, such as amino acids, amines, imines, amides, ammonium salt ions, nitrite ions, etc. The nitrate ionization reactor is for satisfying such a requirement, and a nitrogen compound that is not a nitrate is switched to a nitrate.
前記硝酸塩イオン化反応器は、反応槽と、前記反応槽に浸る少なくとも一つ以上のTiO2電極と、前記反応槽に浸る少なくとも二つ以上のPt電極と、前記反応槽に反応物を投入できる投入口と、前記反応槽から反応物を排出できる排出口と、を備える。 The nitrate ionization reactor includes a reaction tank, at least one or more TiO 2 electrodes immersed in the reaction tank, at least two or more Pt electrodes immersed in the reaction tank, and an input capable of charging a reactant into the reaction tank. And a discharge port through which the reactant can be discharged from the reaction vessel.
硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換えるためには、酸化剤と、前記切り換え反応に触媒作用を行う触媒とが必要である。前記硝酸塩イオン化反応器の電極として前記触媒作用を行える物質を使用すれば、電極を通じて試料を通過する電子の流れが酸化剤の役割を行うので、このような要求を満足させ得る。ところが、試料中には有機窒素化合物も含まれ、無機窒素化合物も含まれ得る。前記触媒作用を行える物質は、試料が有機窒素化合物であるか、または無機窒素化合物であるかによって変わり得る。 In order to switch a nitrogen compound that is not a nitrate to a nitrate, an oxidizing agent and a catalyst that catalyzes the switching reaction are required. If a substance capable of the catalytic action is used as the electrode of the nitrate ionization reactor, the flow of electrons passing through the sample through the electrode acts as an oxidant, so that such a requirement can be satisfied. However, an organic nitrogen compound is also included in the sample, and an inorganic nitrogen compound can also be included. The substance capable of performing the catalytic action may vary depending on whether the sample is an organic nitrogen compound or an inorganic nitrogen compound.
無機窒素化合物を前処理するためには、カソード電極としてはPt材質が望ましく、アノード電極としてはTiO2電極が望ましい。このとき、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換える反応の概念図を図16に示した。ここで、TiO2は、酸化のための触媒役割を行い、本酸化反応は、アルカリ雰囲気でさらに活性化される。 In order to pretreat the inorganic nitrogen compound, a Pt material is desirable as the cathode electrode, and a TiO 2 electrode is desirable as the anode electrode. At this time, the conceptual diagram of the reaction which switches the nitrogen compound which is not nitrate to nitrate is shown in FIG. Here, TiO 2 plays a catalytic role for oxidation, and the oxidation reaction is further activated in an alkaline atmosphere.
有機窒素化合物を前処理するためには、カソード電極とアノード電極とが何れもPt材質であることが望ましい。このとき、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換える反応の概念図を図17に示した。前記電極をなすPtは、有機窒素化合物が酸化される反応に触媒作用を行う。有機窒素化合物は、前記酸化反応により炭素骨格が分解され、窒素は、アンモニウムイオンのような中間体を経て硝酸塩に切り換わる。 In order to pretreat the organic nitrogen compound, it is desirable that both the cathode electrode and the anode electrode are made of Pt material. At this time, the conceptual diagram of the reaction which switches the nitrogen compound which is not nitrate to nitrate is shown in FIG. The Pt forming the electrode catalyzes a reaction in which the organic nitrogen compound is oxidized. The organic nitrogen compound is decomposed in the carbon skeleton by the oxidation reaction, and the nitrogen is switched to nitrate through an intermediate such as an ammonium ion.
したがって、有機窒素化合物及び無機窒素化合物を何れも含む試料を適切に硝酸塩に切り換えるためには、少なくとも一つのTiO2電極及び少なくとも二つ以上のPt電極を含むことが要求される。 Therefore, in order to appropriately switch a sample containing both organic nitrogen compound and inorganic nitrogen compound to nitrate, it is required to include at least one TiO 2 electrode and at least two or more Pt electrodes.
前記硝酸塩イオン化反応器の電極は、横方向に対向する2つのPt電極と、縦方向に対向するPt電極及びTiO2電極とを備えることが望ましい。また、前記電極は、反応表面積を拡大するために、突出部を有することが望ましい。前記電極の突出部は、外部回路の短絡を防止するために、他の電極の突出部と接触しないことが望ましく、相互接触せずとも反応面積を拡大させるために離隔されつつ、突出部が交互に重なる形態であり得る。このような形態の例示的な立面図を図12の(b)に示した。 The electrode of the nitrate ionization reactor preferably includes two Pt electrodes facing in the lateral direction, and a Pt electrode and a TiO 2 electrode facing in the vertical direction. The electrode preferably has a protrusion in order to increase the reaction surface area. The protrusions of the electrodes are preferably not in contact with the protrusions of other electrodes in order to prevent a short circuit in the external circuit, and the protrusions are alternately spaced apart to increase the reaction area without mutual contact. It may be in a form overlapping. An exemplary elevation view of such a configuration is shown in FIG.
前記硝酸塩イオン化反応器の電極に全て同時に電源を供給してもよく、例えば、所定時間の間隔で順次に一対の電極ずつ交互に電源を供給しても良い。 Power may be supplied to all the electrodes of the nitrate ionization reactor at the same time. For example, power may be supplied alternately in pairs at predetermined time intervals.
前記反応槽の材質は、反応物と化学的な反応を起こさない耐化学性を有するものであれば、何れも可能であり、特別に限定されない。また、前記反応槽の形態及び構造も、当業界に知られた形態及び構造を利用でき、特別に限定されるものではない。前記反応槽が反応物を収容できる容量は特別に限定されず、必要な試料の量により変化させ得るが、0.1μlないし10mLであることが望ましい。 Any material can be used for the reaction vessel as long as it has chemical resistance that does not cause a chemical reaction with the reactant, and is not particularly limited. Further, the form and structure of the reaction vessel are not particularly limited, and the form and structure known in the art can be used. The volume in which the reaction vessel can accommodate the reaction product is not particularly limited and can be changed depending on the amount of sample required, but is preferably 0.1 μl to 10 mL.
前記硝酸塩イオン化反応器は、反応物を希釈できる希釈槽をさらに備えることができ、前記希釈槽は、前記反応槽及び投入口を通じて連結され得る。前記希釈槽は、硝酸塩イオン化反応が終了した反応物の濃度を希釈させるために利用され、前記反応槽の上部に設置することが望ましい。前記希釈槽には、反応物のような液体を定量できる目盛りを表示することが望ましい。希釈槽の材質、形態及び構造などは特別に限定されず、当業界に公知の材質、形態及び構造であり得る。ただし、試料と化学的に反応しない耐化学性の材質であることが望ましい。 The nitrate ionization reactor may further include a dilution tank capable of diluting a reactant, and the dilution tank may be connected through the reaction tank and a charging port. The dilution tank is used to dilute the concentration of the reactant after the nitrate ionization reaction, and is preferably installed in the upper part of the reaction tank. It is desirable to display a scale for quantifying a liquid such as a reactant in the dilution tank. The material, form, and structure of the dilution tank are not particularly limited, and may be a material, form, and structure known in the art. However, a chemically resistant material that does not chemically react with the sample is desirable.
経験的に、生活下水、汚水、産業廃水の原水には硝酸塩イオンの濃度が総窒素の40ないし80%を占めるため、硝酸塩イオンバイオセンサーで硝酸塩イオンの濃度を測定することによって希釈係数を容易に決定できる。また、処理工程を通じて処理した放流数の硝酸塩イオンの濃度は、総窒素の90%以上である場合がほとんどである。しかし、工場から処理場に移動する過程の廃水中に存在する有機窒素と硝酸塩イオンとの濃度比は、工場の廃水処理及び管理者を通じて情報化が可能である。したがって、硝酸塩イオン化反応後の希釈倍率は経験的に決定するか、または事前情報を利用して決定するか、または多様な濃度に希釈して全て適用する方法を取らなければならない。 Empirically, the concentration of nitrate ions in raw sewage, sewage, and industrial wastewater accounts for 40 to 80% of total nitrogen, so the dilution factor can be easily measured by measuring the nitrate ion concentration with a nitrate ion biosensor. Can be determined. Further, the concentration of nitrate ions in the number of discharges processed through the treatment process is almost 90% or more of the total nitrogen. However, the concentration ratio between organic nitrogen and nitrate ions present in the wastewater during the process of moving from the factory to the treatment plant can be computerized through the factory wastewater treatment and management. Therefore, the dilution rate after the nitrate ionization reaction must be determined empirically, or determined using prior information, or a method in which all dilutions are applied to various concentrations.
前記排出口は、重力を利用して反応物を排出できるように前記反応槽の下部に設置されることが望ましい。 The discharge port is preferably installed at a lower portion of the reaction tank so that the reactant can be discharged using gravity.
本発明の硝酸塩イオン化反応器は、外部の電源供給装置に連結されて使用されてもよく、自主的な電源供給装置を備えても良い。自主的な電源供給装置をさらに備える場合は、作動時間によって電源を供給するか、または中止させ得るタイマー装置をさらに備え得る。 The nitrate ionization reactor of the present invention may be used by being connected to an external power supply device, or may be provided with a voluntary power supply device. In the case of further including a voluntary power supply device, it may further include a timer device that can supply power or stop the operation depending on the operation time.
総窒素の濃度測定システム
本発明の他の目的を達成するために、試料中の総窒素の濃度を簡便に測定できる総窒素の濃度測定システムを提供する。
Total Nitrogen Concentration Measurement System In order to achieve another object of the present invention, a total nitrogen concentration measurement system capable of easily measuring the total nitrogen concentration in a sample is provided.
すなわち、本発明の硝酸塩イオン化反応器と本発明の硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーとを一体型に結合して前記目的を達成できる。前記硝酸塩イオン化反応器と前記硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーとの結合関係は特別に限定されず、例えば、前記硝酸塩イオン化反応器の反応槽の排出口を前記硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーの試料注入口と連結させてもよく、特別に限定されるものではない。 That is, the object can be achieved by combining the nitrate ionization reactor of the present invention and the biosensor for detecting nitrate ions of the present invention in an integrated manner. The connection relationship between the nitrate ionization reactor and the biosensor for detecting nitrate ions is not particularly limited. For example, an outlet of the reaction vessel of the nitrate ionization reactor is connected to a sample injection of the biosensor for detecting nitrate ions. It may be connected to the entrance and is not particularly limited.
硝酸塩イオン濃度の測定方法
本発明の他の目的を達成するために、本発明は、前記本発明に係るバイオセンサーの試料注入口に試料を投入する工程と、前記バイオセンサーの作動電極に電圧を印加する工程と、前記印加工程で作動電極と相対電極との間に流れる電流の強度を測定する工程と、を含む硝酸塩イオン濃度の測定方法を提供する。
Method for Measuring Nitrate Ion Concentration To achieve another object of the present invention, the present invention comprises a step of introducing a sample into the sample inlet of the biosensor according to the present invention, and a voltage applied to the working electrode of the biosensor. There is provided a method for measuring a nitrate ion concentration comprising: an applying step; and a step of measuring an intensity of a current flowing between a working electrode and a relative electrode in the applying step.
本発明の測定方法において、第2工程で作動電極に−700ないし−900mV(vs.Ag/AgCl)の作動電圧を印加し、第3工程で、電流の強度は循環電圧測定法(Kissinger et al.,J.Chem.Ed.60(9),702〜706を参照)で測定された。 In the measuring method of the present invention, an operating voltage of −700 to −900 mV (vs. Ag / AgCl) is applied to the working electrode in the second step, and in the third step, the current intensity is measured by a circulating voltage measuring method (Kissinger et al. , J. Chem. Ed. 60 (9), 702-706).
また、本発明の硝酸塩イオン濃度の測定方法において、前記第1工程で、前記バイオセンサーの試料注入口に投入する前に前記試料を硝酸塩イオン化反応器に投入する工程と、前記硝酸塩イオン化反応器に電源を印加して、試料内の硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に切り換える工程と、をさらに含み得る。このようにする場合、本体の試料内に存在する全ての窒素化合物の濃度を測定できる。 Further, in the nitrate ion concentration measuring method of the present invention, in the first step, before the sample is introduced into the sample inlet of the biosensor, the sample is introduced into a nitrate ionization reactor, and the nitrate ionization reactor is introduced into the nitrate ionization reactor. Applying a power source to switching a non-nitrate nitrogen compound in the sample to nitrate. In this case, the concentration of all nitrogen compounds present in the sample of the main body can be measured.
前記のように試料を硝酸塩イオン化反応器に投入して、硝酸塩ではない窒素化合物を硝酸塩に転換するとき、酸性またはアルカリ性の物質を投入して試料を酸性またはアルカリ性の溶液にすれば、硝酸塩への転換がさらに迅速に行われる。ただし、酸性の物質は、電極の腐食を引き起こし得るので、アルカリ性の物質が望ましく、水酸化ナトリウムが特に望ましい。望ましい水酸化ナトリウムの濃度は、0.1ないし2.0N濃度である。前記水酸化ナトリウムの濃度が0.1Nより低ければ、硝酸塩への転換を促進する効果が微々であり、前記水酸化ナトリウムの濃度が2.0Nより高ければ、バイオセンサーに適用するときに中和させる工程が追加されなければならないという短所がある。 As described above, when a sample is put into a nitrate ionization reactor and a non-nitrate nitrogen compound is converted to nitrate, an acidic or alkaline substance is added to make the sample into an acidic or alkaline solution. Conversion takes place more quickly. However, since an acidic substance can cause corrosion of the electrode, an alkaline substance is desirable, and sodium hydroxide is particularly desirable. The preferred sodium hydroxide concentration is between 0.1 and 2.0N. If the concentration of sodium hydroxide is lower than 0.1N, the effect of promoting the conversion to nitrate is insignificant, and if the concentration of sodium hydroxide is higher than 2.0N, it is neutralized when applied to a biosensor. There is a disadvantage that an additional process must be added.
前記硝酸塩イオン化反応を行う時間は、5分ないし30分が望ましい。反応時間が5分より短ければ、反応が十分に行われず、以後の測定結果に誤差が発生する恐れがあり、反応時間が30分より長ければ、反応が既に十分であるので非経済的である。 The time for performing the nitrate ionization reaction is preferably 5 to 30 minutes. If the reaction time is shorter than 5 minutes, the reaction is not sufficiently performed, and an error may occur in subsequent measurement results. If the reaction time is longer than 30 minutes, the reaction is already sufficient, which is uneconomical. .
前記硝酸塩イオン化反応のために印加される電源の電圧は、5ないし30Vであることが望ましい。前記電圧が5Vより低い場合には、電圧が低くて反応が良好に行われないこともあり、前記電圧が30Vより高い場合には、電圧による効果が飽和されて非経済的であり、電極の損傷及び過熱の恐れがあるため望ましくない。前記電圧は、反応槽のサイズに比例して適切に選択できる。 The voltage of the power source applied for the nitrate ionization reaction is preferably 5 to 30V. When the voltage is lower than 5V, the reaction may not be performed satisfactorily because the voltage is low. When the voltage is higher than 30V, the effect due to the voltage is saturated and uneconomical. Undesirable because of the risk of damage and overheating. The voltage can be appropriately selected in proportion to the size of the reaction vessel.
本発明の硝酸塩イオン濃度の測定方法において、前記試料のpHは、5.5ないし8.0であることが望ましい。その理由は、前述した通りである。 In the method for measuring nitrate ion concentration according to the present invention, the pH of the sample is preferably 5.5 to 8.0. The reason is as described above.
本発明の硝酸塩イオン濃度の測定方法において、前記試料は、MOPS、MES、リン酸塩などのバッファを使用できるが、望ましくは、前記試料は、0.05ないし0.2M濃度のMOPSバッファを使用したことを特徴とする。MOPSを選択した理由は、前述した通りである。バッファ濃度が高すぎれば、固定した酵素が不安定であり、濃度が低すぎれば、感応時間が相対的に長くなる。 In the method for measuring nitrate ion concentration of the present invention, the sample may use a buffer such as MOPS, MES, and phosphate, but preferably the sample uses a MOPS buffer having a concentration of 0.05 to 0.2M. It is characterized by that. The reason for selecting MOPS is as described above. If the buffer concentration is too high, the immobilized enzyme is unstable, and if the concentration is too low, the sensitivity time is relatively long.
本発明の硝酸塩イオン濃度の測定方法において、硝酸塩イオンの還元反応の電子遷移を媒介するために、前記試料にフェノチアジン類、トリフェニルメタン類、スルホンフタレイン類などの電子遷移媒介体をさらに追加できるが、望ましくは、前記試料に電子遷移媒介体として1.0ないし3.0mM濃度のMVをさらに追加したことを特徴とする。MV濃度が低すぎれば信号が相対的に低すぎ、MV濃度が高すぎれば固定した酵素が不安定となる。 In the method for measuring nitrate ion concentration of the present invention, an electronic transition medium such as phenothiazines, triphenylmethanes, sulfonephthaleins and the like can be further added to the sample in order to mediate electronic transition of nitrate ion reduction reaction. Preferably, however, MV having a concentration of 1.0 to 3.0 mM is further added to the sample as an electron transition medium. If the MV concentration is too low, the signal is relatively low, and if the MV concentration is too high, the immobilized enzyme becomes unstable.
本発明の硝酸塩イオン濃度の測定方法において、前記硝酸塩還元酵素は、還元酵素として従来の血糖測定のためのグルコース酸化酵素とは違って、酸素の影響を多く受けるため、還元酵素に対する酸素の妨害を減らすために前記試料に亜硫酸塩、メタバイスルファイト、バイスルファイトのような酸素除去剤をさらに追加できるが、望ましくは、前記試料に酸素除去剤として0.5ないし4mM濃度の亜硫酸塩を使用することが望ましい。酸素除去剤の濃度が低すぎれば、酸素除去効果が不十分であり、濃度が高すぎれば、さらに高い濃度では不要であり、また、固定化した酵素層が不安定となる。 In the method for measuring nitrate ion concentration according to the present invention, the nitrate reductase, unlike the conventional glucose oxidase for blood glucose measurement as a reductase, is greatly influenced by oxygen, and therefore, it interferes with oxygen against the reductase. In order to reduce the sample, an oxygen scavenger such as sulfite, metabisulfite and bisulfite can be added to the sample. Preferably, 0.5 to 4 mM sulfite is used as the oxygen scavenger in the sample. It is desirable to do. If the concentration of the oxygen scavenger is too low, the effect of removing oxygen is insufficient, and if the concentration is too high, it is not necessary at a higher concentration, and the immobilized enzyme layer becomes unstable.
以下、具体的な実施例及び比較例で本発明の構成及び効果をさらに詳細に説明するが、これらの実施例は、単に本発明をさらに明確に理解させるためのものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。 Hereinafter, the structure and effects of the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and comparative examples. However, these examples are merely for the purpose of clearly understanding the present invention, and are within the scope of the present invention. Not trying to limit.
硝酸塩還元酵素の電気化学的な特性
電気化学実験は、3電極系で行った。作動電極は、glassy carbon disk電極(3mm)であり、補助電極は、螺旋形態のPt線であり、参照電極は、Ag/AgCl(3M KCl)を使用した。cDAQ−1604ポテンショスタット(Elbio、韓国)を循環電圧測定法(cyclic voltammogram:CV)、そして電流−電圧の記録に使用した。電流−電圧を記録する実験では、作動電位を−0.4ないし1.0mV(vs.Ag/AgCl)を印加した。
Electrochemical characteristics of nitrate reductase Electrochemical experiments were conducted with a three-electrode system. The working electrode was a glassy carbon disk electrode (3 mm), the auxiliary electrode was a helical Pt wire, and the reference electrode was Ag / AgCl (3M KCl). cDAQ-1604 potentiostat (Elbio, Korea) was used for cyclic voltage measurement (CV) and current-voltage recording. In experiments where current-voltage was recorded, an operating potential of -0.4 to 1.0 mV (vs. Ag / AgCl) was applied.
図3は、本発明のバイオセンサーの硝酸塩還元酵素を利用した基質(硝酸塩イオン)濃度別の循環電圧測定の結果であって、電圧変化による電流の強度を示すグラフである。図3で硝酸塩還元酵素及び電子媒介体を作動電極に反応させ、基質の濃度が上昇するほど、還元電流は上昇するということが分かる。これは、硝酸塩還元酵素が硝酸塩を亜硝酸塩に還元することを意味し、同時に、MVが媒介体の役割を行うことが分かる。基質の濃度が50、100μMであると、同じ傾向を表した。実験結果によると、電気化学的にMVを持続的に還元させれば、電気化学的方法を通じて硝酸塩イオンの還元電流が得られ、未知の基質の濃度を測定できる。 FIG. 3 is a graph showing the results of circulating voltage measurement for each substrate (nitrate ion) concentration using nitrate reductase of the biosensor of the present invention, and showing the current intensity due to voltage change. In FIG. 3, it can be seen that the reduction current increases as the concentration of the substrate increases when nitrate reductase and an electron mediator are reacted with the working electrode. This means that nitrate reductase reduces nitrate to nitrite, and at the same time it can be seen that MV plays a mediator role. The same tendency was expressed when the concentration of the substrate was 50, 100 μM. According to the experimental results, if MV is continuously reduced electrochemically, a reduction current of nitrate ions can be obtained through an electrochemical method, and the concentration of an unknown substrate can be measured.
感知電極センサーストリップの製造及び最適化
使い捨てのSPCE電極をスクリーン−プリンティング技術で携帯用測定機器のサイズに合わせて、幅12.8mm、長さ65mmに、図1に示すようにポリエチレン基板(PE板)上に製作した。酸素除去剤、電子遷移媒介体、MOPS、基質を含む溶液 3μLをピペットで酵素が固定した使い捨ての電極の端に接触させる。溶液が吸い込まれた後、−700ないし−900mV(vs.Ag/AgCl)の電圧を印加した後、cDAQ−1604ポテンショスタット(Elbio、韓国)を利用してデータを収集した。
Production and Optimization of Sensing Electrode Sensor Strip Disposable SPCE electrode is screen-printed to fit the size of portable measuring instrument to 12.8mm wide and 65mm long, as shown in Fig. 1, polyethylene substrate (PE board) ) Made above.
本発明で酵素の使い捨てのストリップタイプのセンサーを製作するために、まず、電極の部位に酵素の固定を容易にするために、安定性及び保存性に優れたPVAを使用した。
濃度を1%(wt)、2.5%、5%、10%、15%、20%別に実験した。最適のPVA濃度は、1ないし5wt%で表された。濃度が高ければ高いほど、ノイズが大きく表され、1wt%より低い濃度は、信号が相対的に低いため良好ではなかった。図4は、本発明のバイオセンサーのPVA濃度別の電流変化量(△I)を示すグラフである。
In order to fabricate a disposable strip type sensor of the enzyme in the present invention, first, PVA excellent in stability and storage stability was used in order to facilitate the fixation of the enzyme at the electrode site.
Experiments were performed separately for concentrations of 1% (wt), 2.5%, 5%, 10%, 15%, and 20%. The optimal PVA concentration was expressed as 1 to 5 wt%. The higher the concentration, the larger the noise, and the concentration lower than 1 wt% was not good because the signal was relatively low. FIG. 4 is a graph showing the amount of current change (ΔI) for each PVA concentration of the biosensor of the present invention.
電極信号の発生に必要な酵素の最適の量を調べるために、酵素の濃度を6.25、12.5、25、50mU/3μLで実験した。図5は、本発明にバイオセンサーの硝酸塩還元酵素の濃度による電流変化量(△I)を示すグラフである。固定化した酵素量の増加によって信号が増大するが、濃度別に増加する幅は、酵素の濃度が高ければ高いほど大きく鈍化した。望ましくは、固定化した最適の酵素の量を6.25ないし25mU/3μLに設定することが望ましい。 In order to determine the optimal amount of enzyme required for the generation of the electrode signal, experiments were performed with enzyme concentrations of 6.25, 12.5, 25, 50 mU / 3 μL. FIG. 5 is a graph showing the amount of current change (ΔI) depending on the concentration of nitrate reductase of the biosensor according to the present invention. The signal increases with an increase in the amount of immobilized enzyme, but the range of increase by concentration is greatly reduced as the enzyme concentration is higher. Desirably, the optimal amount of immobilized enzyme is set to 6.25 to 25 mU / 3 μL.
硝酸塩の測定電極のpH依存性を調べるために、MESバッファ、MOPSバッファを使用して実験した。図6は、本発明のバイオセンサーの試料のpHによる電流量を示すグラフである。pH5.5ないし6.0の間は、MESバッファで実験し、6.5ないし8.0の間は、MOPSバッファを使用した。pH6.5、MESバッファから得たデータを、pH6.5、MOPSバッファから得たデータと比較して、MESバッファから得たデータを正規化した。実験結果によると、最適のpHを6.5ないし7.0に設定することが望ましい。 In order to investigate the pH dependence of the nitrate measurement electrode, experiments were performed using MES buffer and MOPS buffer. FIG. 6 is a graph showing the amount of current depending on the pH of the sample of the biosensor of the present invention. Experiments were performed with MES buffer between pH 5.5 and 6.0, and MOPS buffer was used between 6.5 and 8.0. The data obtained from the MES buffer was normalized by comparing the data obtained from the pH 6.5, MES buffer with the data obtained from the pH 6.5, MOPS buffer. According to the experimental results, it is desirable to set the optimum pH to 6.5 to 7.0.
バッファ濃度の効果を調べるために、MOPSバッファの濃度を0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MとしてpH7.0で実験した。図7は、本発明のバイオセンサーのMOPSバッファの濃度による敏感度を示すグラフである。実験結果によると、全てのバッファ濃度で類似した信号を表した。信号は、平均敏感度 7.13を基準に標準偏差が1.4%に集中した。高いバッファの濃度では固定化酵素の安定性が相対的に悪いため、最適のバッファ濃度を0.05ないし0.2Mに設定した。 In order to examine the effect of buffer concentration, experiments were conducted at pH 7.0 with MOPS buffer concentrations of 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, and 0.4M. FIG. 7 is a graph showing the sensitivity according to the concentration of the MOPS buffer of the biosensor of the present invention. Experimental results showed similar signals at all buffer concentrations. The signal was centered at 1.4% standard deviation based on an average sensitivity of 7.13. Since the stability of the immobilized enzyme is relatively poor at high buffer concentrations, the optimal buffer concentration was set to 0.05 to 0.2M.
最適のMV(電子遷移媒介体)の濃度を調べるために、MVの濃度を1mMないし5mMまで実験した。図8は、本発明のバイオセンサーの電子遷移媒介体としてMVの濃度による見掛けの電流を示すグラフである。実験結果を見ると、MVの濃度上昇によって信号は線形に増大した。そして、固定した酵素の量と基質の量とを比べてみると、最適のMV濃度は1.0ないし3.0mMが好適であった。 To determine the optimal MV (Electron Transition Mediator) concentration, the MV concentration was tested from 1 mM to 5 mM. FIG. 8 is a graph showing the apparent current according to the concentration of MV as an electronic transition mediator of the biosensor of the present invention. From the experimental results, the signal increased linearly as the concentration of MV increased. When comparing the amount of immobilized enzyme and the amount of substrate, the optimum MV concentration was preferably 1.0 to 3.0 mM.
酵素の酸素に対する反応を除去するために、最適の酸素除去剤として知られた亜硫酸濃度を0.5、1、2、4、6、8、10mMで変化させつつ実験した。SO3 2−の酸素除去反応は次の通りである:2SO3 2−+O2→2SO4 2− In order to remove the enzyme's reaction to oxygen, experiments were conducted while varying the concentration of sulfurous acid known as the optimum oxygen scavenger at 0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 10 mM. The oxygen removal reaction of SO 3 2− is as follows: 2SO 3 2− + O 2 → 2SO 4 2−
図10は、本発明のバイオセンサーの酸素除去剤として、亜硫酸塩の濃度による電流量を示すグラフである。酸素の除去が行われる間にバッファの中に溶解されて入る酸素を同時に考慮して、最適の酸素除去剤の濃度は0.5ないし4mMが好適であった。 FIG. 10 is a graph showing the amount of current depending on the concentration of sulfite as an oxygen scavenger of the biosensor of the present invention. Considering simultaneously the oxygen that is dissolved in the buffer during the oxygen removal, the optimum oxygen scavenger concentration is preferably 0.5 to 4 mM.
硝酸塩の測定電極の検定曲線を得るために、基質の濃度を50、100、150、200、250、300mMの間で変化させつつ重複実験を行った(n=30)。図11は、本発明にバイオセンサーの硝酸塩の濃度による酵素電極システム(ストリップ型のセンサー)から発生した電流量変化(△I)を示すグラフである。実験結果を見ると、線形方程式は、Y=5.42X−38.43(r2=0.996)であった。 To obtain a calibration curve for the nitrate measuring electrode, duplicate experiments were performed with the substrate concentration varied between 50, 100, 150, 200, 250 and 300 mM (n = 30). FIG. 11 is a graph showing a change in the amount of current (ΔI) generated from the enzyme electrode system (strip type sensor) according to the nitrate concentration of the biosensor in the present invention. Looking at the experimental results, the linear equation was Y = 5.42X−38.43 (r2 = 0.996).
非硝酸塩イオン性窒素の硝酸塩イオン化反応の最適化
図12は、アンモニウム塩イオン及び有機窒素化合物の硝酸塩イオン化反応器であって、電解質として0.1ないし2.0Nの水酸化ナトリウムが存在する条件で、反応物質の濃度によって5ないし30Vの直流電源のみで付随的な酸化剤や触媒なしに、5ないし30分間の反応でアンモニウム塩イオン及び有機窒素を硝酸塩イオンに酸化できる。バイオセンサーに適用できる量及び濃度を考慮して、反応器の容量は0.1mlに調整し、バイオセンサーの感知能力の範囲に好適に適当な希釈及び中和が必要であり、バッファ溶液で希釈できるように20mlの希釈槽により構成した。
Optimization of Nitrate Ionization Reaction of Non-Nitrate Ionic Nitrogen FIG. 12 is a nitrate ionization reactor of ammonium salt ions and organic nitrogen compounds in the presence of 0.1 to 2.0 N sodium hydroxide as electrolyte. Depending on the concentration of the reactants, ammonium salt ions and organic nitrogen can be oxidized to nitrate ions in a reaction for 5 to 30 minutes using only a DC power source of 5 to 30 V and without an accompanying oxidant or catalyst. In consideration of the volume and concentration applicable to the biosensor, the reactor volume should be adjusted to 0.1 ml, and appropriate dilution and neutralization is necessary, preferably in the range of the biosensor's sensing ability. A 20 ml dilution tank was used as possible.
図13は、本発明の硝酸塩イオン化反応器の運用のために製作した電源供給装置の側面図であって、供給される電圧及び反応時間を自由に調節できるように製作し、電流量は、反応物質の濃度によって自動的に調整されるようにした。電流量は、反応物質の濃度に比例して増減し得る余裕のために、最大5Aに、使用可能な最大の電圧は30Vに調整した。 FIG. 13 is a side view of a power supply device manufactured for the operation of the nitrate ionization reactor of the present invention. The power supply device is manufactured so that the supplied voltage and reaction time can be freely adjusted. It was adjusted automatically according to the concentration of the substance. The amount of current was adjusted to a maximum of 5 A and the maximum usable voltage to 30 V in order to allow a margin of increase / decrease in proportion to the concentration of the reactant.
図14は、非硝酸塩イオン−アンモニア及び有機窒素(グルタミン酸ナトリウム)を、本発明の硝酸塩イオン化反応器を利用して硝酸塩イオン化した結果を示すグラフであって、20Vの電圧で反応に必要な時間を決定するための試験結果であり、試験に使用した物質の濃度は100ppmに調整した。その結果、図14に示すように、反応時間10分以後には反応効率の飛躍的な上昇は表されていない。したがって、現場で試験するとき、準備、反応、測定などの時間を考慮して10分が適すると決定した。試料の数が多い場合には、反応器の数を増やして処理できるので、全体的な処理時間には大きな延長はないと判断される。 FIG. 14 is a graph showing the result of nitrate ionization of non-nitrate ion-ammonia and organic nitrogen (sodium glutamate) using the nitrate ionization reactor of the present invention, and shows the time required for the reaction at a voltage of 20V. This is a test result for determination, and the concentration of the substance used in the test was adjusted to 100 ppm. As a result, as shown in FIG. 14, no dramatic increase in reaction efficiency is shown after the reaction time of 10 minutes. Therefore, when testing in the field, it was determined that 10 minutes was appropriate considering the time for preparation, reaction, measurement, etc. When the number of samples is large, the number of reactors can be increased for processing, so it is determined that there is no significant increase in the overall processing time.
図15は、非硝酸塩イオン−有機窒素(グルタミン酸ナトリウム)を、電気化学触媒酸化方法によって硝酸塩イオン化した結果を示すグラフであって、試験に使用した物質の濃度は100ppmに調整し、試験結果は、図15に示すように、10分間十分な酸化反応が行われるのに必要な電圧は約25Vであり、これは自動車バッテリー電圧の2倍に該当する。したがって、処理した物質の濃度と、自然水に存在する有機窒素の量が微量であるという点とに鑑みれば、15Vで十分であると考えられる。 FIG. 15 is a graph showing the result of nitrate ionization of non-nitrate ion-organic nitrogen (sodium glutamate) by an electrochemical catalytic oxidation method, and the concentration of the substance used in the test was adjusted to 100 ppm. As shown in FIG. 15, the voltage required for a sufficient oxidation reaction for 10 minutes is about 25 V, which corresponds to twice the vehicle battery voltage. Therefore, in view of the concentration of the treated substance and the small amount of organic nitrogen present in natural water, 15V is considered sufficient.
表1は、本発明の硝酸塩イオン化反応器を利用して、アンモニア性窒素、有機窒素、河川数、処理場の下水などの硝酸塩イオン化の効率及び本発明の硝酸塩測定用のバイオセンサーで測定した総窒素の濃度を比較してまとめたものである。表1から分かるように、アンモニア性窒素の硝酸塩イオン化の効率は97%以上と非常に高かった。しかし、自然河川や下水処理場に流入される水、処理中である下水などの硝酸塩イオン化の効率は、全般的に85ないし95%程度と比較的に処理効率が高かった。これは、自然河川や下水などには有機性窒素の含有量より、アンモニア性、亜硝酸性、硝酸性窒素などが相対的に高く含まれているためであると考えられる。また、バイオセンサーで測定した総窒素の濃度は、イオンクロマトグラフィ(IC)で測定した値と非常に類似しているが、これは、試料の硝酸塩イオン化反応とバイオセンサーとを連係した測定方法が、総窒素の測定のために合理的に適用され得るということを表す。 Table 1 shows the efficiency of nitrate ionization of ammonia nitrogen, organic nitrogen, the number of rivers, sewage from a treatment plant, and the like measured by the biosensor for nitrate measurement of the present invention using the nitrate ionization reactor of the present invention. It summarizes the concentration of nitrogen. As can be seen from Table 1, the efficiency of nitrate ionization of ammoniacal nitrogen was as high as 97% or more. However, the efficiency of nitrate ionization of natural rivers, water flowing into sewage treatment plants, sewage being treated, etc. was generally about 85 to 95%, and the treatment efficiency was relatively high. This is presumably because natural rivers and sewage contain relatively higher amounts of ammonia, nitrite, nitrate nitrogen, etc. than the content of organic nitrogen. In addition, the total nitrogen concentration measured by the biosensor is very similar to the value measured by ion chromatography (IC), but this is a measurement method that links the nitrate ionization reaction of the sample and the biosensor. Represents that it can be reasonably applied for the measurement of total nitrogen.
前記表1で(a)は、ハック(HACH)を利用して測定した総窒素の量であり、(b)は、イオンクロマトグラフィ(IC)を利用して測定した硝酸塩の量であり、(c)は、本発明の硝酸塩イオン化反応器を利用して硝酸塩に転換した後、これを100倍に希釈して、本発明のバイオセンサーを利用して測定した硝酸塩の量である。 In Table 1, (a) is the amount of total nitrogen measured using hack (HACH), (b) is the amount of nitrate measured using ion chromatography (IC), (c ) Is the amount of nitrate measured using the biosensor of the present invention after being converted to nitrate using the nitrate ionization reactor of the present invention and diluted 100 times.
前記表1から分かるように、本発明の硝酸塩イオン化反応器及び硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーの正確度が、2ないし3%以内の誤差を示しているので、非常に優秀であるということが分かる。 As can be seen from Table 1, the accuracy of the nitrate ionization reactor of the present invention and the biosensor for detecting nitrate ions shows an error within 2 to 3%, which indicates that the accuracy is excellent. .
以上で説明したように、本発明の望ましい実施例について詳細に記述されたが、当業者ならば、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を逸脱せずとも本発明を多様に変形して実施できるであろう。したがって、本発明の今後の実施例の変更は、本発明の技術を逸脱できないであろう。 Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art will recognize that the present invention can be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention as defined in the claims. Modifications could be made. Accordingly, changes to future embodiments of the invention will not depart from the technology of the invention.
本発明により製造された使い捨ての硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーは、電気化学的方法を使用して硝酸塩イオンの正確な濃度を現場で便利に測定できる。また、構造及び製作コストが安く、かつ携帯が可能であるため、既存の測定製品と差別性があって価格競争力も高い。 The disposable biosensor for detecting nitrate ions produced according to the present invention can conveniently measure the exact concentration of nitrate ions in the field using electrochemical methods. In addition, since the structure and manufacturing cost are low and portable, it is different from existing measurement products and has high price competitiveness.
本発明の硝酸塩イオン化反応器は、硝酸塩ではない窒素化合物を便利に硝酸塩に転換する装置であって、前記硝酸塩イオン化反応器と前記硝酸塩イオン検出用のバイオセンサーと結合すれば、試料内の総窒素を便利に測定できる。 The nitrate ionization reactor of the present invention is a device that conveniently converts nitrogen compounds that are not nitrates into nitrates, and if combined with the nitrate ionization reactor and the biosensor for detecting nitrate ions, the total nitrogen in the sample Can be measured conveniently.
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