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JPS645251B2 - - Google Patents
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JPS645251B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS645251B2
JPS645251B2 JP56014130A JP1413081A JPS645251B2 JP S645251 B2 JPS645251 B2 JP S645251B2 JP 56014130 A JP56014130 A JP 56014130A JP 1413081 A JP1413081 A JP 1413081A JP S645251 B2 JPS645251 B2 JP S645251B2
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JP
Japan
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water
microorganisms
enzymes
organic solvent
electrode
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Application number
JP56014130A
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Japanese (ja)
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JPS57128839A (en
Inventor
Masaru Uehara
Akitaka Uchida
Akihiro Sakimae
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Rayon Co Ltd filed Critical Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Publication of JPS645251B2 publication Critical patent/JPS645251B2/ja
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes

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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電極表面に固定された酵素又は微生
物を有する新規な生物電気化学センサーの製造法
に関するものであり、更に詳しくは、酵素又は生
きた微生物を水不溶性高分子物質で包括した固定
化酵素膜又は固定化微生物膜で電極表面を直接被
覆した生物電気化学センサーの製造法に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing a novel bioelectrochemical sensor having enzymes or microorganisms immobilized on an electrode surface, and more specifically, the present invention relates to a method for producing a novel bioelectrochemical sensor having enzymes or microorganisms immobilized on an electrode surface. The present invention relates to a method for producing a bioelectrochemical sensor in which an electrode surface is directly coated with an immobilized enzyme membrane or an immobilized microbial membrane surrounded by a substance.

近時生物の持つ反応特異性と電気化学デバイス
を組み合せた生物電気化学センサーの開発が行な
われ、特に医療分野に於て、その基質選択性、微
量反応性等から、臨床検査手法の変革を可能にす
るものとして注目されている。
Recently, bioelectrochemical sensors have been developed that combine the reaction specificity of living organisms with electrochemical devices.Especially in the medical field, their substrate selectivity and trace reactivity make it possible to transform clinical testing methods. It is attracting attention as something that can be done.

そして、既にアンペロメトリー、ポテンシオメ
トリーの両電極反応を基本とする酵素電極による
生体成分定量法、さらにバイオアツセイ法を応用
した微生物電極による微量成分定量法等の提案が
なされている。
Already, proposals have been made for methods for quantifying biological components using enzyme electrodes based on both electrode reactions of amperometry and potentiometry, and methods for quantifying trace components using microbial electrodes that apply bioassay methods.

しかしながら、従来提案されている酵素固定化
方法あるいは微生物固定化方法(以下両者併せて
固定化方法と略す)では被固定化物の継続的溶
出、失活、立体構造の変化、比活性が低い、基質
通過が困難等々の欠点があり固定方法によつて
は、分子量の制限によつて固定化できないものも
あり、その発展が停滞している。又一方従来の生
物電気化学センサーは、電極表面に別に作成した
酵素あるいは微生物の固定膜を被覆するものであ
り、その取扱いが煩雑であり、さらに電極の微小
化が難かしい等の問題点もあつた。
However, conventionally proposed enzyme immobilization methods or microbial immobilization methods (hereinafter referred to as "immobilization methods") suffer from continuous elution of immobilized substances, inactivation, changes in steric structure, low specific activity, and There are disadvantages such as difficulty in passing, and some immobilization methods cannot be immobilized due to molecular weight restrictions, and their development has stalled. On the other hand, in conventional bioelectrochemical sensors, the electrode surface is coated with a separately prepared enzyme or microorganism immobilized membrane, which is complicated to handle, and furthermore, there are other problems such as difficulty in miniaturizing the electrode. Ta.

本発明者らは、これらの点に鑑み、酵素、微生
物を自由に選択でき、かつ電極表面を固定化膜で
直接被覆する方法について検討した結果、本発明
に達したものである。
In view of these points, the present inventors have studied a method in which enzymes and microorganisms can be freely selected and in which the electrode surface is directly coated with an immobilized membrane, and as a result, the present invention has been achieved.

固定化方法の中でも包括法と称される方法は被
固定化物の活性を低下せしめることの少ない方法
として多く用いられている。酵素や微生物を水不
溶性高分子物質で包括して固定化する方法とし
て、水溶性単量体あるいは水溶性高分子物質と水
溶性架橋剤を酵素あるいは微生物とともに水に溶
解せしめたのち、これを過硫酸カリ等の重合触媒
あるいはγ線等の放射線で重合をおこさせると同
時に架橋構造を与え、生成した水不溶性高分子ゲ
ル中に酵素や微生物を包括する方法とか、水不溶
性単量体あるいは水不溶性高分子物質が溶解して
いる有機溶媒中に酵素や微生物を含有する水溶液
を微小な水滴として分散せしめたのち重合を行な
わしめたり、あるいは水不溶性高分子物質を溶解
している有機溶媒を除去したりしてこの水滴を水
不溶性高分子物質で包括する方法などが知られて
いる。
Among the immobilization methods, a method called the inclusion method is often used as a method that does not reduce the activity of the immobilized substance. As a method for enclosing and immobilizing enzymes and microorganisms in water-insoluble polymeric substances, water-soluble monomers or water-soluble polymeric substances and water-soluble crosslinking agents are dissolved in water together with enzymes or microorganisms, and then this is filtrated. A method of polymerizing with a polymerization catalyst such as potassium sulfate or radiation such as gamma rays, simultaneously giving a crosslinked structure, and enclosing enzymes and microorganisms in the resulting water-insoluble polymer gel, or using water-insoluble monomers or water-insoluble polymers An aqueous solution containing enzymes or microorganisms is dispersed as minute water droplets in an organic solvent in which a polymer substance is dissolved, and then polymerization is performed, or an organic solvent in which a water-insoluble polymer substance is dissolved is removed. A known method is to enclose these water droplets with a water-insoluble polymer substance.

しかしながら、これら従来の方法は次のような
欠点を有するものである。即ち、酵素や微生物は
一般に水中においては比較的安定であるが有機溶
媒中では不安定であり、従来の方法では包括材料
としては水溶性のものが多い。水溶性の材料を用
いる場合には、重合や架橋などによつて水溶性の
材料を不溶性にする操作が必要であり、それらの
操作によつて酵素や微生物の変質は免れない。又
包括材料として水不溶性高分子物質を用いようと
すると、これらを溶解するために、有機溶媒を用
いる必要があり、有機溶媒により酵素が失活した
り微生物が死滅したりする場合が多い。本発明者
の一人である崎前らは、これら従来の方法がもつ
欠点を解決すべく研究し、有機溶媒中で酵素や微
生物を水不溶性高分子物質で安定に包活する方法
に関し、いくつかの提案を行つた(特開昭54−
105289、特開昭55−135591)。更にその賦形方法
として、固体構造物の表面を酵素又は微生物を包
括した水不溶性高分子物質で被覆することにより
機械的強度が優れ、しかも固体構造物の形状に合
わせた各種の成型された薄膜状の固定化酵素又は
固定化微生物が容易に製造できることを見い出し
た。
However, these conventional methods have the following drawbacks. That is, enzymes and microorganisms are generally relatively stable in water, but unstable in organic solvents, and in conventional methods, many of the enclosing materials are water-soluble. When using water-soluble materials, it is necessary to make the water-soluble materials insoluble by polymerization, crosslinking, etc., and these operations inevitably cause deterioration of enzymes and microorganisms. Furthermore, when attempting to use water-insoluble polymeric substances as enclosing materials, it is necessary to use organic solvents to dissolve them, and the organic solvents often deactivate enzymes and kill microorganisms. Sakimae et al., one of the inventors of the present invention, conducted research to solve the drawbacks of these conventional methods, and developed several methods for stably encapsulating enzymes and microorganisms with water-insoluble polymeric substances in organic solvents. (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 1989-1999)
105289, Japanese Patent Application Publication No. 55-135591). Furthermore, as a shaping method, the surface of the solid structure is coated with a water-insoluble polymer substance containing enzymes or microorganisms, which provides excellent mechanical strength and various molded thin films that match the shape of the solid structure. It has been found that immobilized enzymes or immobilized microorganisms can be easily produced.

本発明者らは、その方法を応用して電極表面に
直接酵素又は微生物を固定化せしめた生物電気化
学センサーが、その活性、耐久性及び応用性に優
れた性能を有することを見出し本発明に到達し
た。
The present inventors have found that a bioelectrochemical sensor in which enzymes or microorganisms are directly immobilized on the electrode surface by applying this method has excellent performance in terms of activity, durability, and applicability, and has developed the present invention. Reached.

即ち本発明の要旨とするところは、酵素又は微
生物を含有した氷塊と水不溶性高分子物質を溶解
した有機溶媒との混合物で白金線からなる電極の
表面を被覆したのち、有機溶媒を除去することを
特徴とする、電極表面に、水不溶性高分子マトリ
ツクス中に包括された酵素又は微生物が該高分子
マトリツクスを介して直接被覆されてなる生物電
気化学センサーの製造法にある。
That is, the gist of the present invention is to coat the surface of an electrode made of platinum wire with a mixture of ice cubes containing enzymes or microorganisms and an organic solvent in which a water-insoluble polymer substance is dissolved, and then remove the organic solvent. A method for producing a bioelectrochemical sensor, characterized in that an enzyme or microorganism encapsulated in a water-insoluble polymer matrix is directly coated on an electrode surface via the polymer matrix.

本発明の電気化学センサーの特徴は図a,bに
示したごとく電極1の表面に水不溶性高分子マト
リツクス2に包括された酵素又は微生物3が、該
高分子マトリツクス2を介して電極表面に直接被
覆されていることである。4は電極表面を被覆し
ている絶縁体である。
The feature of the electrochemical sensor of the present invention is that, as shown in Figures a and b, enzymes or microorganisms 3 enclosed in a water-insoluble polymer matrix 2 are directly attached to the electrode surface via the polymer matrix 2 on the surface of the electrode 1. It must be covered. 4 is an insulator covering the electrode surface.

即ち、従来の固定化酵素を用いた電極は、たと
えば特開昭54−102193号明細書第2図に示されて
いるごとく、固定化酵素膜を一旦別途成形し、こ
の膜を電極表面に被覆する方法がとられている。
That is, in conventional electrodes using immobilized enzymes, for example, as shown in Figure 2 of JP-A No. 54-102193, an immobilized enzyme membrane is separately formed, and this membrane is coated on the electrode surface. A method is being taken to do so.

このような方法による場合、電極が白金線のよ
うな細いものである場合、被覆時に膜が破れたり
して非常な困難を伴なう。一方本発明の電極で
は、酵素の固定化と電極への固定化酵素膜の被覆
が製造時に一体化して行なわれるため、非常に微
小な電極表面にも被覆が可能であり、さらに製造
条件の適当な選択により、被覆膜の厚みや多孔度
を任意に選択出来る。特に白金線を電極として用
いた場合、検出される電流値は安定したものとな
り好ましい結果を与える。上記のように電極へ一
体固定化されたものは、測定時に固定化酵素膜の
脱落が起りにくく外部溶液への浸漬による使用は
もちろん、生体組織内へ挿入して測定する場合、
安全に使用出来るものである。
When using such a method, if the electrode is thin such as a platinum wire, it is very difficult to coat the electrode because the film may break during coating. On the other hand, in the electrode of the present invention, since the immobilization of the enzyme and the coating of the immobilized enzyme membrane on the electrode are carried out in an integrated manner during manufacturing, it is possible to coat even extremely small electrode surfaces, and furthermore, it is possible to coat even extremely small electrode surfaces. By making appropriate selections, the thickness and porosity of the coating film can be arbitrarily selected. In particular, when a platinum wire is used as an electrode, the detected current value is stable and provides favorable results. When the enzyme membrane is integrally immobilized on the electrode as described above, it is difficult for the immobilized enzyme membrane to fall off during measurement, and it can be used not only by immersion in an external solution, but also when inserted into living tissue for measurement.
It is safe to use.

酵素又は微生物を包括した高分子マトリツクス
は、多孔質のものが好ましく、被測定溶液中の基
質が十分な速度で透過出来るものでなければなら
ない。高分子マトリツクスの膜厚は薄い程好まし
いが強度との関連で20〜300μmの範囲が好まし
い。
The polymer matrix enclosing the enzyme or microorganism is preferably porous and must allow the substrate in the solution to be measured to permeate through it at a sufficient rate. The thickness of the polymer matrix is preferably as thin as possible, but from the viewpoint of strength, it is preferably in the range of 20 to 300 μm.

本発明で使用される酵素は動植物組織から得ら
れたものでも、あるいは微生物が産生したもので
も、その供給源を問わず使用できる。
The enzyme used in the present invention can be obtained from animal or plant tissues or produced by microorganisms, regardless of its source.

また酵素は精製されたものでも未精製のもの例
えば酵素含有組織のホモジネートや微生物細胞の
ようなものでも差しつかえない。
Further, the enzyme may be purified or unpurified, such as a homogenate of an enzyme-containing tissue or a microbial cell.

本発明で使用される酵素は特に制限されない
が、例えば特開昭54−105289号に記載されたグル
コースオキシターゼなどの酸化還元酵素、アスパ
ラギン酸トランスカルバミラーゼなどの転移酵
素、アミラーゼ、ウレアーゼなどの加水分解酵素
等各種酵素が全て使用されうる。
Enzymes used in the present invention are not particularly limited, but include, for example, oxidoreductases such as glucose oxidase described in JP-A-54-105289, transferases such as aspartate transcarbamylase, hydrolyzing enzymes such as amylase, urease, etc. All kinds of enzymes such as enzymes can be used.

又、本発明で使用されうる微生物はカビ、酵
母、細菌、放線菌、不完全菌に分類される微生物
であり、その種類は特に制限されないが、例えば
特開昭55−135591号に記載された各種の微生物が
全て使用されうる。
Further, the microorganisms that can be used in the present invention are those classified into molds, yeasts, bacteria, actinomycetes, and Deuteromyces, and the types thereof are not particularly limited, but for example, the microorganisms described in JP-A-55-135591 are All types of microorganisms can be used.

これらの微生物は栄養培地で生育せしめられた
のち、生きた状態で使用されうる。ここに生きた
状態とは微生物が自己再生能力を有することであ
り、微生物の生育に適する環境下で培養すること
により確認することができる。
These microorganisms can be grown in a nutrient medium and then used in a live state. The living state here means that the microorganism has the ability to self-regenerate, and can be confirmed by culturing it in an environment suitable for the growth of the microorganism.

本発明で使用される酵素又は微生物を含有する
氷塊は、上記の酵素や微生物を含有する水溶液を
0℃以下に凍結し、氷塊の内部にこれらを包含せ
しめたものである。この氷塊は酵素や微生物を含
有する水溶液を深冷された雰囲気中に分散せしめ
ると同時に急速凍結を行ない調製することができ
る。深冷された雰囲気としては、冷却されたガス
あるいは液いずれでもよいが、好ましくは液状の
冷却媒体を用いるのがよい。
The ice block containing enzymes or microorganisms used in the present invention is obtained by freezing an aqueous solution containing the enzymes or microorganisms described above to 0° C. or lower, and incorporating them inside the ice block. This block of ice can be prepared by dispersing an aqueous solution containing enzymes and microorganisms in a deep-chilled atmosphere and simultaneously rapidly freezing the solution. The deep-cooled atmosphere may be either a cooled gas or a cooled liquid, but it is preferable to use a liquid cooling medium.

液状の冷却媒体としては、凝固点が0℃以下の
液状物、例えばメタノール、エタノール、アセト
ン、酢酸エチル、二塩化メチレン、クロロホル
ム、四塩化炭素、エチルエーテル、テトラヒドロ
フラン、トルエン、n−ヘキサン、石油エーテ
ル、液体窒素、液体酸素などであり、これらを冷
却するには蒸発熱を利用したり、ドライアイス等
を投入して直接冷却するか、又は冷凍機などによ
り間接に冷却する方法などがとられる。
Examples of the liquid cooling medium include liquids having a freezing point of 0° C. or lower, such as methanol, ethanol, acetone, ethyl acetate, methylene dichloride, chloroform, carbon tetrachloride, ethyl ether, tetrahydrofuran, toluene, n-hexane, petroleum ether, Liquid nitrogen, liquid oxygen, etc. can be cooled by using heat of evaporation, directly cooling by adding dry ice, or indirectly cooling by using a refrigerator.

酸素又は微生物を含有する水溶液を液状冷却媒
体を用いて凍結するに際しては、これらを含有す
る水溶液を容器等に入れて間接的に凍結してもよ
く、又液状冷却媒体中で直接凍結させてもよい。
When freezing an aqueous solution containing oxygen or microorganisms using a liquid cooling medium, the aqueous solution containing these may be placed in a container etc. and frozen indirectly, or it may be directly frozen in the liquid cooling medium. good.

冷却媒体中で直接凍結する場合においては、酵
素の失活あるいは微生物の死滅を極力抑えるため
に、冷却媒体の温度をできるだけ低温にし、更に
水溶液を噴霧器などを用いて、微小水滴下して急
速凍結することが望ましい。又微小水滴化する為
に予め、酵素あるいは微生物の水溶液を必要なら
ば界面活性剤を用いて、n−ヘキサン、石油エー
テル等の飽和炭化水素系の溶媒に分散させておい
てもよい。
When freezing directly in a cooling medium, in order to minimize the deactivation of enzymes or the death of microorganisms, the temperature of the cooling medium should be kept as low as possible, and the aqueous solution should be rapidly frozen by using a sprayer or the like to drop small drops of water. It is desirable to do so. Furthermore, in order to form fine water droplets, an aqueous solution of enzymes or microorganisms may be previously dispersed in a saturated hydrocarbon solvent such as n-hexane or petroleum ether using a surfactant if necessary.

本発明で使用される氷塊は、酵素や微生物以外
に次の物質を共含したものでもよい。例えばポリ
ビニルアルコール、ポリエチレングリコール、タ
ンパク質、核酸、多糖等の水溶性高分子物質、グ
リセリン等の多価アルコール類、ジメチルスルホ
オキサイド等の極性有機溶媒、シヨ糖、乳糖など
の少糖類、グルタミン酸、アスパラギン酸等のア
ミノ酸類、α−ケトクルタール酸、リンゴ酸等の
有機酸、マグネシウム、マンガン、コバルト、カ
ルシウム等の金属塩類、粉末活性炭、珪藻土、ラ
テツクス等の微小な固形物が挙げられる。その他
特に酵素の場合は該酵素の基質、反応生成物、補
酵素なども共含してもよい。これらの物質は主に
固定化操作中における酵素や微生物の保護、ある
いは固定化後の製品の物性改良を目的として使用
されるのであり、酵素や微生物を含有する水溶液
に加えられたのち、急速凍結されて氷塊中に共含
せしめられる。
The ice block used in the present invention may contain the following substances in addition to enzymes and microorganisms. For example, water-soluble polymer substances such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, proteins, nucleic acids, and polysaccharides, polyhydric alcohols such as glycerin, polar organic solvents such as dimethyl sulfoxide, oligosaccharides such as sucrose and lactose, glutamic acid, and aspartic acid. Examples include amino acids such as α-ketocultaric acid and malic acid, metal salts such as magnesium, manganese, cobalt, and calcium, and minute solids such as powdered activated carbon, diatomaceous earth, and latex. In addition, especially in the case of an enzyme, the enzyme's substrate, reaction product, coenzyme, etc. may also be included. These substances are mainly used to protect enzymes and microorganisms during the immobilization process, or to improve the physical properties of products after immobilization.After being added to an aqueous solution containing enzymes and microorganisms, they are quickly frozen. and co-incorporated into the ice block.

本発明で使用される水不溶性高分子物質とは有
機溶媒に溶解し水に不溶な高分子量の重合体であ
り、0℃以下の有機溶媒にわずかでも溶解するも
のならばすべて本発明に使用できるが、好ましく
は0℃以下の有機溶媒に0.1重量%以上溶解する
水不溶性高分子物質が適当である。ここで水不溶
性高分子物質が有機溶媒に溶解するとは水不溶性
高分子物質が有機溶媒と相分離を起こさない濃度
で有機溶媒と均一に混合していることである。
The water-insoluble polymer substance used in the present invention is a high molecular weight polymer that is soluble in an organic solvent and insoluble in water, and any substance that is even slightly soluble in an organic solvent at 0°C or lower can be used in the present invention. However, preferably a water-insoluble polymeric substance that dissolves at least 0.1% by weight in an organic solvent at 0° C. or lower is suitable. Here, the fact that the water-insoluble polymeric substance is dissolved in the organic solvent means that the water-insoluble polymeric substance is uniformly mixed with the organic solvent at a concentration that does not cause phase separation from the organic solvent.

本発明で使用される代表的な水不溶性高分子物
質としてはポリアクリロニトリル、ポリアクリル
酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリス
チレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ
カーボネートなどのホモポリマーまたはこれらホ
モポリマーを構成する単量体を成分とするような
コポリマー、あるいは酢酸セルロース、エチルセ
ルロースのようなセルロース誘導体などである
が、もちろんこれだけに限定されるものではな
い。これらの水不溶性高分子物質を0℃以下で
0.1重量%以上溶解する有機溶媒は0℃以下で液
体で存在するもののなかから選ばれ、例えばメタ
ノール、エタノール、プロパノール、アセトン、
メチルエチルケトン、酢酸エチル、二塩化メチレ
ン、クロロホルム、四塩化炭素、エチルエーテ
ル、トルエン、キシレン、n−ヘキサン、石油エ
ーテル、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、
N,N′−ジメチルホルムアミド、N,N′−ジメ
チルアセトアミド、γ−ブチロチクトン、アセト
ニトリルなどが好ましく使用されるが、もちろん
これらに限定されるものではない。水不溶性高分
子物質はこれらの有機溶媒に溶解せしめられたの
ち、0℃以下に冷却されて使用される。
Typical water-insoluble polymeric substances used in the present invention include homopolymers such as polyacrylonitrile, polyacrylic esters, polymethacrylic esters, polystyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, and polycarbonate, or homopolymers composed of these homopolymers. Examples include copolymers containing monomers that contain monomers such as those described above, and cellulose derivatives such as cellulose acetate and ethyl cellulose, but of course they are not limited to these. These water-insoluble polymer substances at temperatures below 0°C
Organic solvents that dissolve 0.1% by weight or more are selected from those that exist in liquid form below 0°C, such as methanol, ethanol, propanol, acetone,
Methyl ethyl ketone, ethyl acetate, methylene dichloride, chloroform, carbon tetrachloride, ethyl ether, toluene, xylene, n-hexane, petroleum ether, tetrahydrofuran, cyclohexane,
N,N'-dimethylformamide, N,N'-dimethylacetamide, γ-butyrotictone, acetonitrile and the like are preferably used, but the present invention is not limited thereto. The water-insoluble polymeric substance is dissolved in these organic solvents and then cooled to 0° C. or lower before use.

酵素又は微生物を含有した氷塊と水不溶性高分
子物質を溶解した有機溶媒との混合物とは、氷塊
を水不溶性高分子物質を溶解した0℃以下の有機
溶媒中に懸濁状態で分散せしめたものである。分
散せしめるにあたつては水不溶性高分子物質を溶
解した有機溶媒に別途調製した氷塊を加えて急速
撹拌などにより懸濁状に分散せしめてもよく、ま
た冷却下の水不溶性高分子物質を溶解した有機溶
媒中に酵素又は微生物を含有する水溶液を微小水
滴として直接分散させて急速凍結しこれらを含有
する氷塊を生成させてもよい。
A mixture of ice cubes containing enzymes or microorganisms and an organic solvent in which a water-insoluble polymeric substance is dissolved is a mixture of ice cubes dispersed in a suspended state in an organic solvent at 0°C or lower in which a water-insoluble polymeric substance is dissolved. It is. For dispersion, separately prepared ice cubes may be added to the organic solvent in which the water-insoluble polymer substance has been dissolved, and the water-insoluble polymer substance may be dispersed into a suspension by rapid stirring, or the water-insoluble polymer substance may be dissolved under cooling. An aqueous solution containing enzymes or microorganisms may be directly dispersed in the form of minute water droplets in an organic solvent, and then quickly frozen to produce ice cubes containing the enzymes or microorganisms.

氷塊を有機溶媒に均一に分散させるためには氷
塊の粒径が小さい程効果的であり氷塊の大きさと
して直径が1mm以下のものを使用することが好ま
しい。又一旦分散された氷塊を有機溶媒中で安定
に維持するためには、氷塊分散時に氷塊とともに
該水不溶性高分子物質の非溶媒を適当量加えても
よい。特に氷塊の比重と水不溶性高分子物質を溶
解した有機溶媒との比重が異なる場合は、一旦分
散された氷塊は撹拌を停止すると有機溶媒と分離
してしまう。
In order to uniformly disperse ice blocks in an organic solvent, the smaller the particle size of the ice blocks, the more effective it is, and it is preferable to use ice blocks with a diameter of 1 mm or less. In order to maintain the dispersed ice blocks stably in the organic solvent, an appropriate amount of a non-solvent of the water-insoluble polymer substance may be added together with the ice blocks during the ice block dispersion. In particular, if the specific gravity of the ice block and the specific gravity of the organic solvent in which the water-insoluble polymer substance is dissolved are different, the dispersed ice block will separate from the organic solvent when stirring is stopped.

このような場合には非溶媒を加えることにより
氷塊を有機溶媒中に安定に分散せしめることがで
きる。氷塊とともに該水不溶性高分子物質の非溶
媒を加えるときは、氷塊を該水不溶性高分子物質
の非溶媒に一旦スラリー化したのち、このスラリ
ーを水不溶性高分子物質を溶解した有機溶媒中に
急速撹拌下で加えれば良い。この場合、氷塊は非
溶媒とともに水不溶性高分子物質を溶解した有機
溶媒中に分散されるため、氷塊の周辺で水不溶性
高分子物質が凝固し、更にこの凝固した水不溶性
高分子物質が過剰の有機溶媒になかば溶解された
状態が形成され、その結果氷塊は水不溶性高分子
物質を溶解した有機溶媒中に安定に分散される。
更に又、これをより効果的に行なうために氷塊中
にポリビニルアルコール、ポリエチレングリコー
ル等の水溶性高分子物質あるいはグリセリン、エ
チレングリコール等の多価アルコールなどを共含
させることもできる。氷塊の分散性の向上を目的
として使用される非溶媒は水不溶性高分子物質を
溶解せず0℃以下で液状の溶媒であり、水不溶性
高分子物質を溶解した有機溶媒と混和するものか
ら選ばれる。
In such cases, the ice cubes can be stably dispersed in the organic solvent by adding a nonsolvent. When adding a non-solvent for the water-insoluble polymeric substance together with ice blocks, the ice blocks are once slurried in the non-solvent for the water-insoluble polymeric substance, and then this slurry is rapidly added to an organic solvent in which the water-insoluble polymeric substance has been dissolved. Just add it while stirring. In this case, the ice block is dispersed together with a non-solvent in an organic solvent in which a water-insoluble polymer substance is dissolved, so the water-insoluble polymer substance solidifies around the ice block, and furthermore, this solidified water-insoluble polymer substance becomes an excess of the water-insoluble polymer substance. A partially dissolved state is formed in the organic solvent, and as a result, the ice block is stably dispersed in the organic solvent in which the water-insoluble polymer substance is dissolved.
Furthermore, in order to make this more effective, water-soluble polymeric substances such as polyvinyl alcohol and polyethylene glycol, or polyhydric alcohols such as glycerin and ethylene glycol may be included in the ice block. The nonsolvent used for the purpose of improving the dispersibility of ice blocks is a solvent that does not dissolve the water-insoluble polymeric substance and is liquid at 0°C or lower, and is selected from those that are miscible with the organic solvent in which the water-insoluble polymeric substance is dissolved. It will be done.

本発明はかくして得られた酵素又は微生物を含
有した氷塊と水不溶性高分子物質を溶解した有機
溶媒との混合物であるドープを電極先端に付着せ
しめた後、該ドープから有機溶剤を除去せしめ、
水不溶性高分子マトリツクス中に酵素或いは微生
物を固定化した膜を電極表面に直接形成せしめる
ものである。この電極先端を前記の氷塊を含む混
合物で被覆せしめるときは、例えば電極先端を氷
塊と水不溶性高分子物質を含む有機溶媒との混合
物中に浸漬したり、あるいは該電極の表面に該混
合物を塗布したりすることにより電極先端の表面
を混合物で被覆することができる。これらの操作
は連続的でも回分的でも可能である。次いで電極
先端表面を被覆した混合物から有機溶剤を除去す
るには、減圧下で有機溶媒を蒸発させてもよく、
あるいは水不溶性高分子物質の非溶媒中で凝固さ
せるなどの方法によつてもよい。電極としては一
般に白金などの貴金属が用いられる。
The present invention involves depositing a dope, which is a mixture of ice cubes containing enzymes or microorganisms thus obtained, and an organic solvent in which a water-insoluble polymer substance is dissolved, on the tip of an electrode, and then removing the organic solvent from the dope.
A membrane in which enzymes or microorganisms are immobilized in a water-insoluble polymer matrix is formed directly on the electrode surface. When the electrode tip is coated with the mixture containing ice blocks, for example, the electrode tip is immersed in a mixture of ice blocks and an organic solvent containing a water-insoluble polymer, or the mixture is applied to the surface of the electrode. By doing this, the surface of the electrode tip can be coated with the mixture. These operations can be carried out continuously or batchwise. To remove the organic solvent from the mixture coating the electrode tip surface, the organic solvent may then be evaporated under reduced pressure.
Alternatively, a method such as coagulation in a non-solvent of a water-insoluble polymer substance may be used. Noble metals such as platinum are generally used as electrodes.

酵素や微生物は氷の内部に包含されている間は
有機溶媒が共存しても安定であるが、氷が融解す
ると有機溶媒による酵素の失活あるいは微生物の
死滅が起こる危険性があるため氷が融解する前に
包括物から有機溶媒を除去することが好ましい。
While enzymes and microorganisms are contained inside the ice, they are stable even when organic solvents coexist, but when the ice melts, there is a risk that the enzymes will be inactivated or the microorganisms will die due to the organic solvent. Preferably, the organic solvent is removed from the inclusions before melting.

このようにして有機溶媒を除去した氷の包括物
は、そのまま冷凍保存し使用前に融解して固定化
酵素あるいは固定化微生物として用いることがで
きるが、更にこのものを真空凍結乾燥装置等を用
いて凍結乾燥することにより保存や輸送に便利な
形態とすることができる。
The ice inclusions from which the organic solvent has been removed in this way can be stored frozen and thawed before use to be used as immobilized enzymes or immobilized microorganisms. By freeze-drying, it can be made into a form that is convenient for storage and transportation.

本発明は、電極先端の表面に直接酵素や微生物
を包括した水不溶性高分子物質を形成させるとい
う全く新規な生物電気化学センサーの製造方法を
提供するものである。従来法が酵素又は微生物を
有機溶媒中に安定に存在せしめた状態で包括を行
なつていないため、既に述べたような種々の欠点
が生じるのに対し、本発明によればこれら従来の
欠点は解決され、現在工業的に汎用されている各
種の水不溶性高分子物質の使用が可能になり、固
体の構造体に支持された機械的強度の優れた固定
化酵素膜又は固定化微生物膜を有する生物電気化
学センサーが容易に製造できる利点を有する。更
に又、本発明は電極先端表面に薄膜状に酵素や微
生物を包括した水不溶性高分子物質膜を形成させ
るため反応に関与する物質の透過性が著しく改善
された効率のよい生物電気化学センサーが酵素、
微生物の種類によらず自由に再現性よく得られる
利点も有する。又包括法によるため得られたセン
サーの活性の発現性、耐久性が高い。
The present invention provides a completely novel method for producing a bioelectrochemical sensor, in which a water-insoluble polymer substance containing enzymes and microorganisms is directly formed on the surface of an electrode tip. Conventional methods do not encapsulate enzymes or microorganisms in a stable state in an organic solvent, resulting in various drawbacks as mentioned above, whereas the present invention overcomes these conventional drawbacks. This solution has made it possible to use various water-insoluble polymer substances that are currently widely used industrially, and has an immobilized enzyme membrane or immobilized microbial membrane with excellent mechanical strength supported by a solid structure. Bioelectrochemical sensors have the advantage of being easy to manufacture. Furthermore, the present invention forms a thin film of water-insoluble polymer material containing enzymes and microorganisms on the surface of the electrode tip, thereby providing an efficient bioelectrochemical sensor with significantly improved permeability to substances involved in the reaction. enzyme,
It also has the advantage that it can be obtained freely and reproducibly regardless of the type of microorganism. In addition, since the comprehensive method is used, the obtained sensor has high activity expression and durability.

さらに本発明の方法の応用により基質電極、免
疫センサー、酵素サーミスター等の生物電気化学
センサーの開発も可能となつた。
Furthermore, by applying the method of the present invention, it has become possible to develop bioelectrochemical sensors such as substrate electrodes, immunosensors, and enzyme thermistors.

以下実施例により具体的に説明する。 This will be explained in detail below using examples.

実施例 1 グルコースオキシダーゼ(ベーリンガー社製約
100単位/mg)をイオン交換水に溶解後、スプレ
ーで微小な水滴としてドライアイスに冷却された
−70℃のn−ヘキサン中に吹き込み急速凍結を行
つて、グルコースオキシダーゼを含有する微小な
氷塊を生成せしめた。この氷塊を手早くブフナー
ロートで別して回収した。この氷塊約50gr及
びn−ヘキサン約65grを冷却された二塩化メチ
レン200gr中に加えて氷塊スラリーを調整した。
このスラリーを別途調整した3.0重量%のセルロ
ーストリアセテートを溶解した−20℃の二塩化メ
チレン400gr中に急速撹拌下で徐々に加えて氷
塊を分散したセルローストリアセテートのドープ
を調整した。このドープを−40℃付近まで冷却し
て粘度を調整した。
Example 1 Glucose oxidase (manufactured by Boehringer)
After dissolving 100 units/mg) in ion-exchanged water, the microscopic water droplets were sprayed into n-hexane at -70°C cooled with dry ice and rapidly frozen to form microscopic ice blocks containing glucose oxidase. It was generated. This ice block was quickly separated and collected using a Buchner funnel. Approximately 50g of this ice block and approximately 65g of n-hexane were added to 200g of cooled methylene dichloride to prepare an ice block slurry.
This slurry was gradually added under rapid stirring to 400 gr of methylene dichloride at -20°C in which 3.0% by weight of cellulose triacetate, which had been prepared separately, had been dissolved, to prepare a cellulose triacetate dope with ice blocks dispersed therein. This dope was cooled to around -40°C to adjust its viscosity.

ポリウレタンコートした直径300μの白金線の
先端を白金線の長さ方向に直角になるように鋭利
なナイフで切断し、新しい白金断面を形成せし
め、該白金線断面をドープに接触させ、白金線の
先端にドープを付着せしめ、ついで冷却されたト
ルエン浴中でセルローストリアセテートを凝固さ
せた。
Cut the tip of a polyurethane-coated platinum wire with a diameter of 300 μm at right angles to the length of the platinum wire to form a new platinum cross section. A dope was attached to the tip, and then cellulose triacetate was coagulated in a cooled toluene bath.

この付着操作を3回繰り返し、白金先端を氷塊
を包括したセルローストリアセテート凝固膜で被
覆せしめた。この凝固膜に含浸されているトルエ
ンを冷却されたn−ヘキサンで抽出除去し、つい
で減圧下でn−ヘキサンを蒸発除去した。この
後、該白金線をM/10リン酸緩衝液(PH7.0)に
浸漬し、凝固膜内に包括されている氷塊を融解せ
しめて、平均100μmの厚みを有するセルロース
トリアセテート膜で被覆された白金酵素電極を得
た。
This adhesion operation was repeated three times to coat the platinum tip with a coagulated cellulose triacetate film containing ice blocks. The toluene impregnated in this coagulated film was extracted and removed with cooled n-hexane, and then the n-hexane was removed by evaporation under reduced pressure. Thereafter, the platinum wire was immersed in M/10 phosphate buffer (PH7.0) to melt the ice blocks contained in the coagulated film, and the wire was coated with a cellulose triacetate film having an average thickness of 100 μm. A platinum enzyme electrode was obtained.

この固定化グルコースオキシダーゼ白金電極及
び銀/塩化銀電極を温度37℃のM/10リン酸緩衝
液(PH7.0)100ml中に浸漬し、スターラーによる
撹拌下にて、印加電極圧−0.6Vで酸素の電解電
流値を求め、ついでグルコースを1.0重量%溶解
したM/10リン酸緩衝液(PH7.0)を1mlずつ加
え、各グルコース濃度における酸素の電解電流値
を測定した。
The immobilized glucose oxidase platinum electrode and silver/silver chloride electrode were immersed in 100 ml of M/10 phosphate buffer (PH7.0) at a temperature of 37°C, and an applied electrode pressure of -0.6 V was applied while stirring with a stirrer. The electrolytic current value of oxygen was determined, and then 1 ml of M/10 phosphate buffer (PH7.0) in which 1.0% by weight of glucose had been dissolved was added, and the electrolytic current value of oxygen at each glucose concentration was measured.

その結果、グルコース濃度(0mg/100ml〜500
mg/100ml)と電解電流値との間に直線関係が存
在し、グルコース測定用電極として使用できるこ
とが判明した。この酵素電極を1回/日、6ケ月
間にわたり、グルコース濃度を測定した結果、こ
の酵素電極の活性低下率は3%であつた。
As a result, the glucose concentration (0mg/100ml~500
It was found that there was a linear relationship between the electrolytic current (mg/100 ml) and the electrolytic current value, and that it could be used as an electrode for measuring glucose. As a result of measuring the glucose concentration using this enzyme electrode once a day for 6 months, the activity reduction rate of this enzyme electrode was 3%.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図は本発明の生物電気化学センサーの一具体例
である。 1……電極、2……高分子マトリツクス、3…
…酵素又は微生物、4……絶縁体。
The figure shows a specific example of the bioelectrochemical sensor of the present invention. 1... Electrode, 2... Polymer matrix, 3...
...Enzyme or microorganism, 4...Insulator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 酵素又は微生物を含有した氷塊と水不溶性高
分子物質を溶解した有機溶媒との混合物で白金線
からなる電極の表面を被覆したのち、有機溶媒を
除去することを特徴とする、電極表面に、水不溶
性高分子マトリツクス中に包括された酵素又は微
生物が該高分子マトリツクスを介して直接被覆さ
れてなる生物電気化学センサーの製造法。
1. The electrode surface is coated with a mixture of ice cubes containing enzymes or microorganisms and an organic solvent in which a water-insoluble polymer substance is dissolved, and then the organic solvent is removed. A method for producing a bioelectrochemical sensor in which an enzyme or microorganism encapsulated in a water-insoluble polymer matrix is directly coated via the polymer matrix.
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