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JP6773406B2 - 酵素電極 - Google Patents

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JP6773406B2 JP2015216941A JP2015216941A JP6773406B2 JP 6773406 B2 JP6773406 B2 JP 6773406B2 JP 2015216941 A JP2015216941 A JP 2015216941A JP 2015216941 A JP2015216941 A JP 2015216941A JP 6773406 B2 JP6773406 B2 JP 6773406B2
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Description

本発明は、電荷移動律速電流を測定するための酵素電極に関する。
基材としての電極と、該電極の表面に酵素及び導電性粒子を架橋剤やバインダを用いて固定化した検知層とを含む酵素電極がある。酵素電極は、酵素反応により生じた電子が酵素から電極へ受け渡される構造を有する。具体的には、特許文献１には検知層に酵素、導電性粒子及び架橋剤を含む酵素電極が開示されている。また、特許文献２には検知層に酵素、導電性粒子及導電性高分子を含む酵素電極が開示されている。
特開2014-006154号公報 特開2014-006155号公報
酵素電極は微量の試料中の目的物質の濃度を測定するために使用されることがある。微量の目的物質の濃度を測定するためには測定感度を向上させる必要があるが、特許文献１及び特許文献２の酵素電極では測定感度に改善の余地があった。
すなわち、本発明の一側面は、目的物質の濃度を高感度かつ定量的に測定するための酵素電極を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。
すなわち、本発明の一側面は、電極と、
前記電極と接触し、酵素と架橋剤と導電性ポリマーと糖とを含む検知層を含み、
前記検知層における前記酵素と前記電極間で電子授受が行われることを特徴とする、酵素電極に関する。上記糖は、二糖類以上の多糖類から選ばれる少なくとも１種類であることが好ましい。また、前記酵素は酸化還元酵素であることが好ましい。
本発明の他の側面の一つは、上記酵素電極を備えたバイオセンサに関する。
また、本発明の他の側面の一つは、上記バイオセンサと、
バイオセンサへの電圧印加を制御する、制御部と、
バイオセンサへの電圧印加により得られる、測定対象物質に由来する電子の電極への移動に基づく電荷移動律速電流を検出する、検出部と、
前記電流値から前記物質の濃度を算出する、演算部と、
前記算出された前記物質の濃度を出力する出力部とから構成される測定装置に関する。
また、本発明の他の側面の一つは、電極上に、酵素と架橋剤と導電性ポリマーと糖との混合液を塗布して検知層を形成することを含む、酵素と電極間で電子授受が行われる酵素電極の製造方法に関する。
本発明によれば、検知層に糖を含む酵素電極を用いることで、測定感度および定量性の向上した酵素電極を提供することができる。
図１は、一実施形態に係る酵素電極の構造を模式的に示す図である。 図２は、本発明の測定装置の一態様を示す模式図である。 図３は、本発明の測定装置を用いた測定プログラムの一態様を示すフローチャート図である。 図４は、検知層が糖を含まない酵素電極を用いた場合（比較例１）または検知層にスクロースを含む酵素電極を用いた場合（実施例１）の、グルコース有り（S）、無し（B）の電流比（S/B）を示すグラフである。 図５は、検知層に各種糖を含む酵素電極を用いた場合の、グルコース有り（S）、無し（B）の電流比（S/B）を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態としての酵素電極について図面を参照して説明する。以下に挙げる実施形態はそれぞれ例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されない。
（酵素電極の構成）
図１は、実施形態に係る酵素電極を模式的に示した図である。図１において、酵素電極Ａは、電極１と、電極１の表面（図１では上面）に形成された検知層２とを備える。
（電極）
電極１は、金（Au），白金（Pt），銀（Ag），パラジウムのような金属材料、或いはカーボンのような炭素材料を用いて形成される。電極１は、例えば、図１に示すような絶縁性基板３上に形成される。絶縁性基板３は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）のような熱可塑性樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂のような各種の樹脂（プラスチック）、ガラス、セラミック、紙のような絶縁性材料で形成される。電極１をなす電極材料及び絶縁性基板３の材料は、公知のあらゆる材料を適用することができる。電極１及び絶縁性基板３の大きさ、厚さは適宜設定可能である。以下、絶縁性基板３と電極１との組合せを「基材」と呼ぶこともある。
（検知層）
検知層２は、電極１と接触し、酵素４と、導電性ポリマー５と、糖６と、架橋剤７と、を含んでおり、電子メディエータを含んでいない。
本発明の酵素電極を用いて測定されるのは、測定対象物質に由来する電子の電極への移動に基づく電荷移動律速電流である。これは、酵素と測定対象物質との反応によって、該酵素から電極へ電子が移動する際に生じる電流であり、時間に依存しない定常電流であり、好ましくは電気二重層の充電による過渡電流発生後の定常電流である。
電荷移動律速電流を測定するためには、作用電極を“直接電子移動型の酵素電極”とすることが好ましい。ここで、“直接電子移動型の酵素電極”とは、試薬層で酵素反応により生じた電子が、電子伝達メディエータのような酸化還元物質が関与することなく直接（導電性ポリマーを介する場合も含む）、電極に伝達されることにより、酵素と電極間の電子授受が行われるタイプの酵素電極である。
なお、電子伝達メディエータを用いる場合でも、電子伝達メディエータが固定化されており拡散しないような場合は電荷移動律速電流を測定することができる。
図１に示すように、検知層２内において、酵素４の分子は、架橋剤７によって架橋され、さらに、導電性ポリマー５によって複雑に絡み合った構造を有している。酵素反応により生じた電子は、直接的に、または、導電性を有する導電性ポリマー５を伝って電極１に移
動することができる。すなわち、実施形態に係る酵素電極Ａは、検知層２における直接電子移動によって酵素４と電極１との間で電子授受が行われる。
なお、生理学的反応系において直接電子移動が起こる限界距離は１０−２０Åと云われており、電極と酵素から構成される電気化学的な反応系における電子授受においてもこれより長い距離では、メディエータの移動（例えば拡散による移動）を伴わない限りは電極上での電子授受の検知が困難となる。よって、検知層２内では、酵素４の活性部位（酵素反応により電子を生じる部位）と、導電性ポリマー５の導電性部位とが電子移動に好適な距離関係、すなわち、好適な電子移動が起こる程度に導電性部位が活性部位と近い状態となっている。
（酵素）
酵素４は、例えば、酸化還元酵素が挙げられる。例えばグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、Ｄ−又はＬ−アミノ酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コリンオキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、サルコシンオキシダーゼ、Ｌ−乳酸オキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、チトクロムオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、１７Ｂヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、エストラジオール１７Ｂデヒドロゲナーゼ、アミノ酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド３−リン酸デヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼ、チトクロムオキシドレダクターゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ等が挙げられる。中でも、糖類の酸化還元酵素であることが好ましく、糖類の酸化還元酵素の例としては、例えば、グルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、ガラクトースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼを挙げることができる。
また、酸化還元酵素は、触媒サブユニット及び触媒ドメインとして、ピロロキノリンキノン（PQQ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）のうち少なくとも一方を含むことができる。例えば、PQQを含む酸化還元酵素として、PQQグルコースデヒドロゲナーゼ（PQQGDH）が挙げられ、FADを含む酸化還元酵素として、FADを含んだαサブユニットを持つシトクロムグルコースデヒドロゲナーゼ（Cy-GDH）、グルコースオキシダーゼ（GOD）が挙げられる。
また、酸化還元酵素は、電子伝達サブユニット若しくは、電子伝達ドメインを含むことができる。電子伝達サブユニットとしては、例えば、電子授受の機能を持つヘムを有するサブユニット挙げられる。このヘムを有するサブユニットを含む酸化還元酵素としては、シトクロムを含むものが挙げられ、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼや、PQQGDHとシトクロムとの融合蛋白質を適用することができる。
また、電子伝達ドメインを含む酵素としては、コレステロールオキシダーゼ、キノヘムエタノールデヒドロゲナーゼ（QHEDH (PQQ Ethanol dh)が挙げられる。さらに、電子伝達ドメインは、電子授受の機能を持つヘムを有するシトクロムを含むドメインを適用するのが好ましい。例えば、 "QHGDH" (fusion enzyme; GDH with heme domain of QHGDH)）、ソルビトールデヒドロゲナーゼ（Sorbitol DH）、Ｄ-フルクトースデヒドロゲナーゼ（Fructose DH）、Agrobacterium tumefasience由来のグルコース-3-デヒドロゲナーゼ（Glucose-3-Dehydrogenase）（G3DH from Agrobacterium tumefasience)、セロビオースデヒドロゲナーゼが挙げられる。なお、上述したシトクロムを含むサブユニットの例示であるPQQGDHとシトクロムとの融合蛋白質、及びシトクロムを含むドメインの例示であるPQQGDHのシトクロムドメインは、例えば、国際公開WO2005/030807号公報に開示されている。また、
酸化還元酵素は、少なくとも触媒サブユニットおよび電子受容体の機能を持つヘムを有するシトクロムを含むサブユニットから構成されているオリゴマー酵素を適用するのが好ましい。
（導電性ポリマー）
導電性ポリマー５としては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリスチレンスルホネート、ポリチオフェン、ポリイソチアナフテン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート））、又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらの市販品として、例えば、ポリピロールとして、例えば、「ＳＳＰＹ」（３−メチル−４−ピロールカルボン酸エチル）（化研産業株式会社製）等がある。また、ポリアニリンとして、例えば「ＡｑｕａＰＡＳＳ ０１−ｘ」（ティーエーケミカル社製）等がある。また、ポリスチレンスルホネートとして、例えば「ポリナス」（東ソー有機化学株式会社製）等がある。ポリチオフェンとして、例えば「エスペイサー１００」（ティーエーケミカル社製）等がある。ポリイソチアナフテンとして、例えば「エスペイサー３００」（ティーエーケミカル社製）等がある。ポリエチレンジオキシチオフェン（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート））として、例えば、「ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ」（Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．）等がある。
また、様々な属性（例えば、水溶性）を有する導電性ポリマーを適用することができる。導電性ポリマー５の官能基は、水酸基又はスルホ基を有することが好ましい。
（糖）
糖６は酵素４の基質とならない糖であり、糖６の構成糖の数は、例えば、１〜６であり、好ましくは２〜６である。これらはＤ体、Ｌ体のいずれであってもよく、またその混合物であっても良く、１種単独で又は２種以上を適宜組み合わせて使用することができる。ただし、グルコースなどの糖を測定対象とするときは、糖６として、測定対象の糖とは異なる糖であって、酵素４の基質とならない糖を用いる。
二糖類としては、キシロビオース、アガロビオース、カラビオース、マルトース、イソマルトース、ソホロース、セロビオース、トレハロース、ネオトレハロース、イソトレハロース、イヌロビオース、ビシアノース、イソプリメベロース、サンブビオース、プリメベロース、ソラビオース、メリビオース、ラクトース、リコビオース、エピセロビオース、スクロース、ツラノース、マルツロース、ラクツロース、エピゲンチビオース、ロビノビオース、シラノビオース、ルチノース等が挙げられる。三糖類としては、グルコシルトレハロース、セロトリオース、カコトリオース、ゲンチアノース、イソマルトトリオース、イソパノース、マルトトリオース、マンニノトリオース、メレジトース、パノース、プランテオース、ラフィノース、ソラトリオース、ウンベリフェロースなどが挙げられる。四糖類としては、マルトシルトレハロース、マルトテトラオース、スタキオースなどが挙げられる。五糖類としては、マルトトリオシルトレハロース、マルトペンタオース、ベルバスコースなどが挙げられる。六糖類としてはマルトヘキサオースなどが挙げられる。
（架橋剤）
架橋剤７の種類として、具体的には、アルデヒド基含有化合物として、グルタルアルデヒド、ホルムアルデヒド、マロンアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、バレルアルデヒド、イソバレルアルデヒド、シンナムアルデヒド、ニコチンアルデヒド、グリセルアルデヒド、グリコアルデヒド、スクシンアルデヒド、アジプアルデヒド、イソフタルアルデヒド、テレフタルアルデヒドなどが挙げられる。カルボジイミド基含有化合物として、ヘキサメチレンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、１，１２−ジイソシアネートドデカン、ノルボルナンジイソシアネート、２，４−ビス−（８−イソシアネートオクチル）−１，３−ジオクチルシクロブタン、４，４’−ジシク
ロヘキシルメタンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートなどが挙げられる。またカルボジイミド基含有化合物はカルボジライトＶ−０２、カルボジライトＶ−０２−Ｌ２、カルボジライトＶ−０４、カルボジライトＶ−０６、カルボジライトＥ−０２、カルボジライトＶ−０１、カルボジライトＶ−０３、カルボジライトＶ−０５、カルボジライトＶ−０７、カルボジライトＶ−０９（何れも商品名、日清紡ケミカル株式会社製）などとして市販されている。マレイミド基含有化合物として、ｍ−マレイミドベンゾイル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル、スルホスクシンイミジル４−（ｐ−マレイミドフェニル）ブチレート、ｍ−マレイミドベンゾイルスルホスクシンイミドエステル、Ｎ−γ−マレイミドブチリルオキシスクシンイミドエステル、スクシンイミジル４−（Ｎ−マレイミドメチル）シクロヘキサン１−カルボキシレート、Ｎ−スクシニミジル−２−マレイミド酢酸、Ｎ−スクシンイミジル４−マレイミド酪酸、Ｎ−スクシンイミジル６−マレイミドヘキサン酸、Ｎ-スクシンイミジル４−マレイミドメチルシクロヘキサン−１−カルボン酸、Ｎ−スルホスクシンイミジル４−マレイミドメチルシクロヘキサン−１−カルボン酸、Ｎ−スクシンイミジル４−マレイミドメチル安息香酸、Ｎ−スクシンイミジル３−マレイミド安息香酸、Ｎ-スクシンイミジル４−マレイミドフェニル−４−酪酸、Ｎ−スルホスクシンイミジル４−マレイミドフェニル−４−酪酸、Ｎ,Ｎ’−オキシジメチレン−ジマレイミド、Ｎ,Ｎ’−ｏ−フェニレン-ジマレイミド、Ｎ,Ｎ’−ｍ−フェニレン−ジマレイミド、Ｎ，Ｎ’−p−フェニレン-ジマレイミド、Ｎ,Ｎ’−ヘキサメチレン−ジマレイミド、Ｎ−スクシンイミジルマレイミドカルボン酸などが挙げられる。また、サンフェルＢＭ−Ｇ（三新化学工業株式会社製）などの市販品も挙げられる。オキサゾリン基含有化合物として、２，２’−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−メチレン− ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−エチレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−トリメチレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−テトラメチレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−ヘキサメチレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−オクタメチレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−エチレン−ビス−（４，４’−ジメチル−２−オキサゾリン）、２，２’−ｐ−フェニレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−ｍ−フェニレン−ビス−（２−オキサゾリン）、２，２’−ｍ−フェニレン−ビス−（４，４’−ジメチル−２−オキサゾリン）、ビス−（２−オキサゾリニルシクロヘキサン）スルフィド、ビス−（２−オキサゾリニルノルボルナン）スルフィドなどのオキサゾリン化合物。また、付加重合性オキサゾリン化合物として２−ビニル−２−オキサゾリン、２−ビニル−４−メチル−２−オキサゾリン、２−ビニル−５−メチル−２−オキサゾリン、２−イソプロペニル−２−オキサゾリン、２−イソプロペニル−４−メチル−２−オキサゾリン、２−イソプロペニル−５−エチル−２−オキサゾリンなどが挙げられ、これらの１種もしくは２種以上の化合物を重合または共重合したものを使用可能である。またオキサゾリン基含有化合物は、エポクロスＷＳ−５００、エポクロスＷＳ−７００、エポクロスＫ−１０１０Ｅ、エポクロスＫ−１０２０Ｅ、エポクロスＫ−１０３０Ｅ、エポクロスＫ−２０１０Ｅ、エポクロスＫ−２０２０Ｅ、エポクロスＫ−２０３０Ｅ、エポクロスＲＰＳ−１００５、エポクロスＲＡＳ−１００５ (いずれも株式会社日本触媒社製)、ＮＫリンカーＦＸ(新中村化学工業株式会社製)などとして市販されている。エポキシ基含有化合物として、具体的には、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、グリセロールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、などが挙げられ、これらの化合物を２種以上併用して用いることもできる。またエポキシ基含有化合物は、デナコールＥＸ−６１１、デナコールＥＸ−６１２、デナコールＥＸ−６１４、デナコールＥＸ−６１４Ｂ、デナコールＥＸ−５１２、デナコールＥＸ−５２１、デナコールＥＸ−４２１、デナコールＥＸ−３１３、デナコールＥＸ−３１４、デナコールＥＸ−３２１、デナコールＥＸ−８１０、デナコールＥＸ−８１１、デナコールＥＸ−８５０、デナコールＥＸ−
８５１、デナコールＥＸ−８２１、デナコールＥＸ−８３０、デナコールＥＸ−８３２、デナコールＥＸ−８４１、デナコールＥＸ−８６１、デナコールＥＸ−９１１、デナコールＥＸ−９４１、デナコールＥＸ−９２０、デナコールＥＸ−１４５、デナコールＥＸ−１７１（いずれも商品名、ナガセケムテックス株式会社製）、ＳＲ−ＰＧ、ＳＲ−２ＥＧ、ＳＲ−８ＥＧ、ＳＲ−８ＥＧＳ、ＳＲ−ＧＬＧ、ＳＲ−ＤＧＥ、ＳＲ−４ＧＬ、ＳＲ−４ＧＬＳ、ＳＲ−ＳＥＰ（いずれも商品名、阪本薬品工業株式会社製）、エポライト２００Ｅ、エポライト４００Ｅ、エポライト４００Ｐ（いずれも共栄社化学株式会社製）、などとして市販されている。架橋剤の種類は、上記化合物、市販品に限定されず、アルデヒド基、マレイミド基、カルボジイミド基、オキサゾリン基、エポキシ基の少なくとも１つの官能基を含む化合物であってもよい。また架橋剤の形態も限定されず、モノマー、ポリマーの何れの形態であってもよい。
（導電性粒子）
検知層はさらに導電性粒子を含むことが好ましい。導電性粒子は、金、白金、銀、パラジウムのような金属製粒子、或いは、炭素を材料とした高次構造体を適用することができる。高次構造体は、例えば、導電性カーボンブラック，ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレンから選択される微粒子（炭素微粒子）の１種以上を含有することができる。
なお、検知層２の表面は、セルロースアセテートのような外層膜によって被覆されてもよい。外層膜の原料としては、その他、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。
（酵素電極の作製方法）
上記した酵素電極Ａは、例えば、以下のようにして作製される。すなわち、絶縁性基板３の片面に、電極１として機能する金属層を形成する。例えば、所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）のフィルム状の絶縁性基板３の片面に、金属材料を物理蒸着（ＰＶＤ，例えばスパッタリング）、或いは化学蒸着（ＣＶＤ）によって成膜することによって、所望の厚さ（例えば３０ｎｍ程度）を有する金属層が形成される。金属層の代わりに、炭素材料で形成された電極層を形成することもできる。
次に、電極１上に検知層２が形成される。すなわち、酵素４、導電性ポリマー５、糖６、架橋剤７を含有する溶液（試薬）が調製される。ここで、糖の濃度は０．１〜２重量％が好ましく、０．２〜２重量％がより好ましい。溶液（試薬）は、電極１の表面に滴下される。溶液（試薬）が電極１上で乾燥により固化することで、電極１上に検知層２が形成された酵素電極Ａを得ることができる。
本発明の酵素電極を用いることにより、試料中に含まれる被検物質の濃度を電荷移動律速電流に基づいて測定することができる。ここで、測定対象物質としては本発明の酵素電極を用いた測定方法によって測定可能な物質であれば特に制限されないが、生体由来の物質であって疾患や健康状態の指標となりうる物質であることが好ましく、例えば、グルコースやコレステロールなどが挙げられる。試料は測定対象物質を含む試料であれば特に制限されないが、生体試料が好ましく、血液、尿などが挙げられる。
（バイオセンサ）
本発明の酵素電極はグルコースセンサなどのバイオセンサに使用できる。バイオセンサは、本発明の酵素電極とともに対極となる電極を含む。対極としては、バイオセンサの対極として一般的に使用できるものであればよいが、例えば、スクリーン印刷により製膜したカーボン電極や、物理蒸着（ＰＶＤ，例えばスパッタリング）、或いは化学蒸着（ＣＶＤ）によって成膜した金属電極や、スクリーン印刷により製膜した銀／塩化銀電極を用いる
ことができる。また、銀/塩化銀電極やスクリーン印刷により製膜したカーボン電極や、物理蒸着（ＰＶＤ，例えばスパッタリング）、或いは化学蒸着（ＣＶＤ）によって成膜した金属電極を参照極とした３電極系を用いてもよい。
（装置）
次に、図面を用いて、本発明の測定装置について説明する。ここでは、バイオセンサとしてグルコースセンサを使用したグルコース測定装置について例示したが、本発明の測定装置は以下の態様には限定されない。
図２は、測定装置Ｂ内に収容された主な電子部品の構成例を示す。制御コンピュータ１８，ポテンショスタット１９，電力供給装置１１が、筐体内に収容された基板２０上に設けられている。
制御コンピュータ１８は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）のようなプロセッサと、メモリ（ＲＡＭ（Random Access Memory）,ＲＯＭ（Read Only Memory））のような記録媒体と、通信ユニットを含んでおり、プロセッサが記録媒体（例えばＲＯＭ）に記憶されたプログラムをＲＡＭにロードして実行することによって、出力部１０、制御部１２、演算部１３及び検出部１４を備えた装置として機能する。なお、制御コンピュータ１８は、半導体メモリ（ＥＥＰＲＯＭ，フラッシュメモリ）やハードディスクのような、補助記憶装置を含んでいても良い。
制御部１２は、電圧印加のタイミング，印加電圧値などを制御する。電力供給装置１１は、バッテリ１６を有しており、制御コンピュータ１８やポテンショスタット１９に動作用の電力を供給する。なお、電力供給装置１１は、筐体の外部に置くこともできる。
ポテンショスタット１９は、作用極の電位を参照電極に対して一定にする装置であり、制御部１２によって制御され、端子ＣＲ，Ｗを用いて、グルコースセンサ１７の対極と作用極との間に所定の電圧を印加し、端子Ｗで得られる作用極の応答電流を測定し、応答電流の測定結果を検出部１４に送る。
演算部１３は検出された電流値から測定対象物質の濃度の演算を行い、記憶する。出力部１０は、表示部ユニット１５との間でデータ通信を行い、演算部１３による測定対象物質の濃度の演算結果を表示部ユニット１５に送信する。表示部ユニット１５は、例えば、測定装置Ｂから受信されたグルコース濃度の演算結果を所定のフォーマットで表示画面に表示することができる。
図３は、制御コンピュータ１８によるグルコース濃度測定処理の例を示すフローチャートである。制御コンピュータ１８のＣＰＵ（制御部１２）は、グルコース濃度測定の開始指示を受け付けると、制御部１２は、ポテンショスタット１９を制御して、作用極への所定の電圧を印加し、作用極からの応答電流の測定を開始する（ステップＳ０１）。なお、測定装置へのセンサの装着の検知を、濃度測定開始指示としてもよい。
次に、ポテンショスタット１９は、電圧印加によって得られる応答電流、すなわち、試料内の測定対象物質（ここではグルコース）に由来する電子の電極への移動に基づく電荷移動律速電流、好ましくは、電気二重層の充電による過渡電流発生後、例えば、電圧印加から１〜２０秒後の定常電流を測定し、検出部１４へ送る（ステップＳ０２）。
演算部１３は、電流値に基づいて演算処理を行い、グルコース濃度を算出する（ステップＳ０３）。例えば、制御コンピュータ３の演算部１３は、電極上に配置されたグルコースデヒドロゲナーゼに対応する、グルコース濃度の計算式またはグルコース濃度の検量線データを予め保持しており、これらの計算式または検量線を用いてグルコース濃度を算出する。
出力部１０は、グルコース濃度の算出結果を、表示部ユニット１５との間に形成された通信リンクを通じて表示部ユニット１５へ送信する（ステップＳ０４）。その後、制御部１２は、測定エラーの有無を検知し（ステップＳ０５）、エラーがなければ測定を終了し、グルコース濃度を表示部に表示する。エラーがあればエラー表示をした後に、図３のフローによる処理を終了する。また、算出結果を演算部１３に保存し、後から算出結果を呼び出して、表示部に表示し確認することも可能である。なお、ここでは、算出結果の表示部ユニット１５への送信（ステップＳ０４）後に、制御部１２による測定エラー検知（ステップＳ０５）を行っているが、これらのステップの順番を入れ替えることも可能である。
以下、酵素電極の実施例について説明する。
（試験１）
（試薬溶液の調製）
以下のような実施例１、比較例１に係る２種類の試薬溶液を調製した。
（実施例１）
ケッチェンブラック（三菱カーボンブラック） １．２０％
導電性ポリマー：スルホン化 ポリアニリン水溶液（商品名：ａｑｕａＰＡＳＳ−０１ｘ、三菱レイヨン株式会社製） ０．４０％
オキサゾリン基含有ポリマーエポクロスWS-700（日本触媒）６．０％
酵素（Ｃｙ−ＧＤＨ） ４．５ｍｇ／ｍＬ
糖 （スクロース） ０．５０％
リン酸緩衝液（ｐＨ５．８） １０ｍＭ
なお、“％”は、試薬溶液中に含まれる試薬の重量％濃度を示す。
（比較例１）
ケッチェンブラック（三菱カーボンブラック） １．２０％
導電性ポリマー：スルホン化 ポリアニリン水溶液（商品名：ａｑｕａＰＡＳＳ−０１ｘ
、三菱レイヨン株式会社製） ０．４０％
オキサゾリン基含有ポリマーエポクロスWS-700（日本触媒）６．０％
酵素（Ｃｙ−ＧＤＨ） ４．５ｍｇ／ｍＬ
リン酸緩衝液（ｐＨ５．８） １０ｍＭ
なお、“％”は、試薬溶液中に含まれる試薬の重量％濃度を示す。このように、比較例１の試薬溶液は、実施例１の試薬溶液から糖が除かれたものである。
（酵素電極（試料）の作製）
次に、片面に金蒸着によって電極（電極層）が形成された複数の絶縁性基板（基材）を用意し、各絶縁性基板に実施例１、比較例１に係る試薬溶液を夫々分注し、低湿度乾燥炉で３０分間放置し、乾燥させた。このようにして、試薬が電極上で固化することにより検知層が形成された実施例１に係る酵素電極（試料）と、比較例１に係る酵素電極（試料）とを得た。
（グルコース濃度の測定）
次に、各酵素電極を用いて、グルコース３４３mg/dLに調整したヒト全血（サンプル：S）またはグルコース０mg/dLヒト全血（ブランク：B）に対する応答電流値の測定を行った。グルコース測定は、電極基板上に形成された参照極・対極（共にカーボン）、参照極（銀/塩化銀）を用い、作用極への印加電圧を＋０．２Ｖ（vs.銀/塩化銀）で測定を行った。
（測定結果の評価）
図４は、比較例１と実施例１の酵素電極を用いて得られた電流値のS/B比を示すグラフで
ある。図４に示す試験結果によれば、糖を検知層に含む実施例１の酵素電極では、糖を検知層に含まない比較例１の酵素電極を用いた場合と比べて、検出感度が向上することがわかる。
比較例２
以下の組成の検知層を有する酵素電極を上記と同様の手順で作製した。
ケッチェンブラック（三菱カーボンブラック） １．２０％
導電性ポリマー：スルホン化 ポリアニリン水溶液（商品名：ａｑｕａＰＡＳＳ−０１ｘ、三菱レイヨン株式会社製） ０．４０％
酵素（Ｃｙ−ＧＤＨ） ４．５ｍｇ／ｍＬ
糖 ０．５０％
リン酸緩衝液（ｐＨ５．８） １０ｍＭ
なお、“％”は、試薬溶液中に含まれる試薬の重量％濃度を示す。このように、比較例２の試薬溶液は、実施例１の試薬溶液から架橋剤が除かれたものである。
比較例２の酵素電極を用いてグルコース３４３mg/dl水溶液（サンプル：S）または水（ブランク：B）に対する応答電流値の測定を行ったところ、グルコース水溶液を用いた場合でも電流はほとんど流れず、グルコース濃度の測定は不可能であった。
（試験２）
実施例１において、糖として、スクロースの代わりに各種糖を検知層に含有させた以外は同じ組成を有する検知層を有する酵素電極を作製し、実施例１と同様にして、調整したヒト全血グルコース濃度２５６mg/dl、５１２mg/dl（サンプル：S）またはヒト全血グルコース濃度０mg/dL（ブランク：B）に対する応答電流値の測定を行い、それぞれ、S/B比を測定した。
図５は、試験２の結果、すなわち各種糖を検知層に含む酵素電極を用いた場合の電流のS/B比を示すグラフである。図５に示す試験結果によれば、キシリトール、マンノース、フルクトースを配合した酵素電極はS/B比は小さく、濃度依存性もほとんど見られないのに対し、トレハロース、スクロース、マルトトリオース、ラフィノース、マルトヘキサオースを配合した酵素電極ではS/B比が向上し、グルコースの濃度依存性も見られた。これらの結果から、多糖類を検知層に配合することにより、検出感度が向上し、定量的な測定が可能になることがわかった。
Ａ・・・酵素電極
１・・・電極
２・・・検知層
３・・・絶縁性基板
４・・・酵素
５・・・導電性ポリマー
６・・・糖
７・・・架橋剤（主鎖）
７’・・・架橋剤（側鎖）
Ｂ・・・測定装置
１０・・・出力部
１１・・・電力供給装置
１２・・・制御部
１３・・・演算部
１４・・・検出部
１５・・・表示部ユニット
１６・・・バッテリ
１７・・・グルコースセンサ
１８・・・制御コンピュータ
１９・・・ポテンショスタット
２０・・・基板
ＣＲ、Ｗ・・・端子

Claims (13)

  1. 電極と、
    前記電極と接触し、酵素と架橋剤と導電性ポリマーと糖とを含む検知層を含み、
    前記検知層における前記酵素と前記電極間で電子授受が行われることを特徴とし、前記検知層は電子メディエータを含まない、直接電子移動型の酵素電極。
  2. 糖は、二糖類以上の多糖類から選ばれる少なくとも１種類である、請求項１に記載の酵素電極。
  3. 前記糖は、二糖類、三糖類、四糖類、五糖類、又は六糖類である、請求項２に記載の酵素電極。
  4. 前記糖は、トレハロース、スクロース、マルトトリオース、ラフィノース、又はマルトヘキサオースである、請求項３に記載の酵素電極。
  5. 前記酵素は酸化還元酵素である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の酵素電極。
  6. 前記酵素は糖類のグルコースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼおよびソルビトールデヒドロゲナーゼから選択される酸化還元酵素である、請求項５に記載の酵素電極。
  7. 前記酵素はシトクロムグルコースデヒドロゲナーゼである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の酵素電極。
  8. 前記架橋剤は、アルデヒド基、マレイミド基、カルボジイミド基、オキサゾリン基、エポキシ基の少なくとも１つの官能基を含む化合物である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の酵素電極。
  9. 前記導電性ポリマーは、ポリピロール、ポリアニリン、ポリスチレンスルホネート、ポリチオフェン、ポリイソチアナフテン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート））、又はこれらの組み合わ
    せである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の酵素電極。
  10. 前記検知層は導電性粒子を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の酵素電極。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の酵素電極を備えたバイオセンサ。
  12. 請求項１１に記載のバイオセンサと、
    バイオセンサへの電圧印加を制御する、制御部と、
    バイオセンサへの電圧印加により得られる、測定対象物質に由来する電子の電極への移動に基づく電荷移動律速電流を検出する、検出部と、
    前記電荷移動律速電流の値から前記物質の濃度を算出する、演算部と、
    前記算出された前記物質の濃度を出力する出力部とから構成される測定装置。
  13. 電極上に、酵素と架橋剤と導電性ポリマーと糖との混合液を塗布して検知層を形成することを含む、酵素と電極間で電子授受が行われる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の酵素電極の製造方法。
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