酶电极和酶传感器制造技术

本发明专利技术提供了具有优异灵敏度、优异稳定性和较长使用寿命的酶电极和使用该酶电极的酶传感器。所述酶电极包括电极２、形成于所述电极２上的介孔二氧化硅材料３和固定于所述介孔二氧化硅材料３的细孔内的酶４。所述介孔二氧化硅材料３的细孔大小设定为所述酶４大小的０．５－２．０倍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
[0001]本专利技术涉及酶电极和使用该酶电极的酶传感器。专利技术背景[0002]已知酶传感器是利用酶优异的底物特异性对多组分样品(例如环境或生物样品)中存在的特定组分(目标物质)的量进行高精确定量的方法。例如，在临床科学领域中，研究并开发了用于酶传感器的酶电极，其能够选择性地检测葡萄糖、尿素或尿酸等。由于酶具有高底物特异性，其能够选择性地与样品中的目标物质(底物)反应，而不需要对待检测样品进行复杂的预处理。[0003]通常，酶电极包括电极和固定有酶的膜。使用酶电极的酶传感器能够例如通过电化学检测物质的变化(即通过使用电极测量电信号的改变量)，测量与酶具有特异作用的底物的浓度，所述物质通过样品中的目标物质与酶的反应而产生。例如，使用通过将固定有酶的膜(固定有葡萄糖氧化酶)连接到隔膜电极(diaphragm electrode)上而制备的酶电极的酶传感器(葡萄糖传感器)能够通过监测电极活性物质而测量生物底物的浓度，所述电极活性物质例如通过酶反应得到的过氧化氢溶液(底物+O2-(酶)→产物+H2O2)和由此消耗的氧气。[0004]为了提高酶传感器的检测灵敏度和检测效率，已经将酶固定在使用酶电极的酶传感器的各种载体上。通常，已知的将酶固定在酶电极的方法有：酶与具有两个或多个官能团的试剂反应的交联法；酶(蛋白)与不溶性载体-->结合的载体结合法；包埋法，例如将酶包埋在凝胶的精细晶格中的固定式包埋法(immobilization-by-entrapment method)和用半透明聚合物膜涂布酶的微胶囊法(microcapsule method)；和物理吸附法等。[0005]在上述方法中，交联法由于其固定时操作简单容易而被广泛使用。所述交联法包括用交联剂(例如戊二醛)在酶之间形成交联从而将酶组合在一起并由此固定酶的方法，以及加入基质物质(例如白蛋白)从而在酶和基质物质间形成交联并由此将酶和基质物质固定的方法。[0006]然而，由于这些交联法通过共价键进行交联，酶的活性常常降低，因此在多种情况下不能获得足够的稳定性。此外，由于各个酶的交联方式不同，且固定过程中需要多个反应和精炼操作，这些方法具有复杂、成本高和通用性低的问题。另外，在利用这些交联法的酶电极中，由于交联使酶间的空间变小，因此物质的传递和扩散性往往较差。因此，所述酶电极存在灵敏度低、可重复性差和使用寿命较短的问题。[0007]在载体结合法中，由于该方法通过共价键直接将酶固定到树脂等物质上，酶不易释放。然而，还存在如下问题：其固定操作复杂、酶通过蛋白水解酶而分解和酶的立体结构根据外部环境的变化而变化。[0008]在诸如固定式包埋法和微胶囊法等的包埋法中，由于凝胶晶格的大小或者内-胶囊的大小常常与酶的大小不相配，用于固定的酶不能被牢固地固定在凝胶晶格或胶囊中，从而使酶外泄并失活。此外，由于凝胶晶格或胶囊的结构稳定性不足，包埋法在防止由于外部环境的改变引起的酶立体结构的变化方面的作用极小。[0009]因此，利用载体结合法或包埋法的酶电极缺乏稳定性。由于酶立体结构随外部环境的变化而变化，且固定的酶的活性即使在测量过程中也会随时间降低。因此，使用所述酶电极的酶传感器也具有可重复性差和使用寿-->命较短等问题。[0010]对于物理吸附法，提出了例如在二维基板上有序地形成介孔材料，然后通过物理吸附将酶固定在介孔材料中的方法。(例如，参见以下专利文献1和2。)[0011]然而，由于介孔材料的细孔(细孔的内直径)大小往往与酶的大小(酶的直径)不匹配，所述将酶固定在介孔材料中的方法不能使用于固定的酶被牢固地固定在细孔内。由此，产生酶活性降低和酶的立体结构随外部环境的改变而改变等问题。因此，利用将酶固定在介孔材料中的方法制备的酶电极缺乏稳定性，并且，使用所述酶电极的酶传感器也存在可重复性差和使用寿命较短的问题。专利文献1：日本专利申请特开2002-346999专利文献2：日本专利申请特开2005-061961
技术实现思路
本专利技术要解决的问题[0012]换而言之，如上所述，由于酶失活、酶的立体结构随外部环境变化而变化和酶外泄等，利用传统的固定方法产生的酶电极和利用所述酶电极产生的酶传感器具有诸如缺乏稳定性、灵敏度低、可重复性低和使用寿命较短等问题。[0013]此外，从实现安全、可靠且舒适型社会的角度出发，近年例如需要能够快速且高灵敏度地连续监测居住环境中的污染物(例如甲醛和甲苯)、爆炸物(例如三硝基甲苯(TNT)粉末)和麻醉药品(例如可卡因和海洛因)等的检测技术和检测传感器。由于这些物质以极低的浓度以气相或液相形式存在，需要可以在-ppb(sub-ppb)水平进行检测的高检测灵敏度来检测所-->述物质。此外，为了能够连续监测，需要稳定性高且使用寿命较长的传感器。换而言之，极需要开发出具有优异灵敏度、响应速度、稳定性和较长使用寿命的酶传感器。[0014]本专利技术的目的是提供具有优异灵敏度、优异稳定性和较长使用寿命的酶电极和使用所述酶电极的酶传感器。解决所述问题的方式[0015]为了实现上述目的，权利要求1的专利技术包括：电极；在所述电极上提供的介孔二氧化硅(silica)材料；和固定在所述介孔二氧化硅材料的细孔内的酶；其中所述细孔的大小为所述酶大小的0.5-2.0倍。[0016]权利要求2的专利技术是根据权利要求1所述的酶电极，其中，将促进电子在酶和所述电极间转移的电子载体引入到所述介孔二氧化硅材料的细孔内。[0017]权利要求3的专利技术是根据权利要求1或2所述的酶电极，其中，将催化所述酶的活性表达的辅酶引入到所述介孔二氧化硅材料的细孔内。[0018]权利要求4的专利技术是根据权利要求1-3中任一项所述的酶电极，其中，将所述酶的活性表达所需的水分子引入到所述介孔二氧化硅材料的细孔内。[0019]权利要求5的专利技术是根据权利要求1-4中任一项所述的酶电极，其还包括：选择性传递特异物质的膜和/或选择性不传递特异物质的膜。[0020]-->权利要求6的专利技术是根据权利要求1-5中任一项所述的酶电极，其中所述酶由两种或多种酶组成。[0021]权利要求7的专利技术包括：电极；在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种酶电极，其包含：　电极；　设置在所述电极上的介孔二氧化硅材料；和　固定在所述介孔二氧化硅材料的细孔内的酶；其中　所述细孔的大小为所述酶大小的０．５－２．０倍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2007-6-15 159311/2007;JP 2007-9-28 255402/20071.一种酶电极，其包含：
电极；
设置在所述电极上的介孔二氧化硅材料；和
固定在所述介孔二氧化硅材料的细孔内的酶；其中
所述细孔的大小为所述酶大小的0.5-2.0倍。
2.如权利要求1所述的酶电极，
其中，将促进电子在所述酶和所述电极之间转移的电子载体引入到所
述介孔二氧化硅材料的细孔内。
3.如权利要求1或2所述的酶电极，
其中，将催化所述酶的活性表达的辅酶引入到所述介孔二氧化硅材料
的细孔内。
4.权利要求1-3中任一项所述的酶电极，其中，将所述酶的活性表达
所需的水分子引入到所述介孔二氧化硅材...

【专利技术属性】
技术研发人员：下村威，角谷透，增田雄一郎，小野雅敏，伊藤徹二，水上富士夫，
申请(专利权)人：株式会社船井电机新应用技术研究所，独立行政法人产业技术综合研究所，船井电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]