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STAND DER
TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu schnellen und einfachen
Messung mit hoher Genauigkeit eines Substrats, das in einer Probe
wie Blut, Urin oder Fruchtsaft enthalten ist.
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Ein
konventionelles einfaches Verfahren zur quantitativen Bestimmung
einer bestimmten Komponente in einer Probenlösung ohne Verdünnen oder Rühren besteht
darin, die bestimmte Komponente mit einer Oxidoreductase zur Reaktion
zu bringen, wobei das Substrat der Oxidoreductase der bestimmten
Komponente in der Gegenwart eines Elektronenüberträgers oder Elektronenakzeptors
entspricht, und dann den Elektronenüberträger, der durch diese enzymatische
Reaktion reduziert worden ist, elektrochemisch zu oxidieren und
dabei den Oxidationsstrom zu messen, der während dieser elektrochemischen
Oxidation fließt.
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Bei
diesem Verfahren ist es üblich,
einen Biosensor zu verwenden, wie er in der japanischen offen gelegten
Patentveröffentlichung
Hei 3-202764 offenbart ist.
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Der
Biosensor wird hergestellt, indem zunächst mittels eines Siebdruckverfahrens
oder dergleichen ein Elektrodensystem gebildet wird, das eine Arbeitselektrode
und eine Gegenelektrode auf einer elektrisch isolierenden Grundplatte
aufweist, danach über
dem Elektrodensystem eine Reaktionsschicht gebildet wird, die eine
Oxidoreductase und einen Elektronenüberträger umfasst, und schließlich eine
Abdeckung und ein Abstandshalter auf die elektrisch isolierende
Grundplatte geklebt wird.
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Mit
diesem Biosensor lassen sich durch Austauschen der Oxidoreductase
verschiedene definierte Komponenten quantitativ bestimmen.
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In
diesem Dokument wird ein Glucosesensor als Beispiel für einen
Biosensor beschrieben.
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Ein
bekanntes konventionelles Verfahren zur quantitativen Messung von
Glucose wird mittels eines Systems durchgeführt, das eine Kombination von
Glucoseoxidase mit einer Sauerstoffelektrode oder einer Wasserstoffperoxidelektrode
umfasst (z. B. „Biosensor", hrsg. von Shuichi
Suzuki, Kodansha, Japan).
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Glucoseoxidase
oxidiert selektiv das Substrat β-D-Glucose
zu D-Glucono-δ-Lacton,
wobei in einer Probenlösung
gelöster
Sauerstoff als Elektronenüberträger dient.
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Wenn
das Substrat durch die Glucoseoxidase oxidiert wird, wird der als
Elektronenüberträger verwendete
Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid reduziert. Die Glucosekonzentration
lässt sich
entweder unter Verwendung einer Sauerstoffelektrode durch Messung
des Volumens des während
dieser Reaktion verbrauchten Sauerstoffs oder unter Verwendung einer
Wasserstoffperoxidelektrode aus Platin oder dergleichen durch Messung
des Volumens des entstandenen Wasserstoffperoxids quantitativ bestimmen.
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Dieses
Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Messung je nachdem,
an was für
einem Objekt die sie durchgeführt
wird, stark von der in einer Probenlösung enthaltenen Sauerstoffkonzentration beeinflusst
wird. Ein weiterer Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es
in der Abwesenheit von Sauerstoff nicht funktionieren kann.
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Zur
Behebung dieser Probleme ist ein Typ von Glucosesensor entwickelt
worden, der als Elektronenüberträger statt
Sauerstoff eine organische Verbindung oder einen Metallkomplex wie
Kaliumhexacyanoferrat(III), Ferrocenderivate, Chinonderivate, usw.
umfasst.
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Dieser
Biosensor kann eine bekannte Menge Glucoseoxidase zusammen mit einem
Elektronenüberträger in ihrem
stabilisierten Zustand auf einem Elektrodensystem tragen. Infolgedessen
kann das Elektrodensystem beinahe im trockenen Zustand mit der Reaktionsschicht
vereinigt werden.
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Solch
ein Biosensor ist im Normalfall für den einmaligen Gebrauch bestimmt
und erleichtert die Messung der Glucosekonzentration dadurch, dass von
einer zu messenden Probe einfach etwas auf einen Sensorchip geträufelt wird,
der in ein Messinstrument montiert ist. Daher hat dieser Biosensor
in jüngster
Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann das Substrat in einer Probe auf der
Basis des Stroms, der während
der Oxidation des durch eine Reihe von enzymatischen Reaktionen
reduzierten Elektronenüberträgers durch
die Elektroden fließt,
quantitativ bestimmt werden.
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Wenn
der Wert des Oxidationsstroms mit einem System aus zwei Elektroden
gemessen wird, das eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode umfasst,
so wird das Vorhandensein eines Elektronenüberträgers im oxidierten Zustand,
der an der Gegenelektrode reduziert werden muss, unerlässlich.
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Wenn
erwartet wird, dass die zu messende Probe eine niedrige Substratkonzentration
enthält, wird
es unnötig,
die Gegenwart eines solchen Elektronenüberträgers im oxidierten Zustand
sicherzustellen, da die Menge des oxidierten Elektronenüberträgers, die
durch enzymatische Reaktion zu reduzieren ist, klein ist.
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Wird
hingegen erwartet, dass die Probe eine hohe Substratkonzentration
enthält,
wird der größte Teil
der Elektronenüberträgers im
oxidierten Zustand durch enzymatische Reaktion reduziert, was zu
einem Mangel an oxidiertem Elektronenüberträger führt, da dieser an der Gegenelektrode
reduziert werden kann. Das hat zur Folge, dass die Reduktion an der
Gegenelektrode ein geschwindigkeitsbestimmender Schritt wird und
den resultierenden Stromwert beeinflusst.
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Darüber hinaus
kann je nach Probe eine leicht oxidierbare Substanz vorhanden sein,
die oxidiert wird, dadurch zur gleichen Zeit, zu der der Elektronenüberträger im reduzierten
Zustand an der Elektrode oxidiert wird, einen Oxidationsstrom herbeiführt und
einen positiven Fehler des gemessenen Stromwerts verursacht. Weiter
kann der Stromwert bei einer hohen Substratkonzentration schwanken.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
verfügbar
zu machen zur hochpräzisen
quantitativen Messung eines Substrats ein innerhalb eines großen Bereichs
der Substratkonzentration, insbesondere bei hohen Substratkonzentrationen,
indem die Auswirkung, die ein Mangel an Elektronenüberträger im oxidierten
Zustand, der an der Gegenelektrode reduziert werden soll, auf den
Stromwert hat, unterdrückt
wird und beeinträchtigende
Auswirkungen einer leicht oxidierbaren Substanz auf den Stromwert
minimiert werden. Die vorliegende Erfindung macht ein Verfahren
zur quantitativen Messung eines Substrats verfügbar umfassend:
einen
ersten Schritt, um zu bewirken, dass ein in einer Probe enthaltenes
Substrat mit einer für
das Substrat spezifischen Oxidoreductase in der Gegenwart eines
Elektronenüberträgers im
oxidierten Zustand reagiert, und
einen zweiten Schritt zur
elektrochemischen Reduktion des Elektronenüberträgers im oxidierten Zustand,
der in der enzymatischen Reaktion im ersten Schritt nicht reduziert
wurde, wodurch ein Strom erhalten wird, der während der elektrochemischen
Reduktion fließt.
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Während die
innovativen Merkmale der Erfindung insbesondere in den beiliegenden
Ansprüchen
dargelegt werden, wird die Erfindung bezüglich Organisation und Inhalt
sowie ihrer anderen Aufgaben und Merkmale aufgrund der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser
zu verstehen und zu beurteilen sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN IN DEN ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Glucosesensors mit einem Zweielektrodensystem,
wobei die Reaktionsschicht in einem Beispiel, auf das die vorliegende
Erfindung angewendet worden ist, weggelassen wurde.
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2 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Glucosesensors mit einem Dreielektrodensystem,
wobei die Reaktionsschicht in einem Beispiel, auf das die vorliegende
Erfindung angewendet worden ist, weggelassen wurde.
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3. ist eine Querschnittsansicht
in Längsrichtung,
die den entscheidenden Teil desselben Glucosesensors zeigt, wobei
der Abstandshalter und die Abdeckung weggelassen wurden.
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4 ist eine Darstellung der
Charakteristik, die wiedergibt, wie ein Glucosesensor mit Zweielektrodensystem
auf verschiedene Glucose-Standardlösungen anspricht in einem Beispiel,
auf das die vorliegende Erfindung angewendet worden ist.
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5 ist eine Darstellung der
Charakteristik, die wiedergibt, wie ein Glucosesensor mit Zweielektrodensystem
auf verschiedene Glucose-Standardlösungen anspricht in einem anderen
Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung angewendet worden ist.
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6 ist eine Darstellung der
Charakteristik, die wiedergibt, wie ein Glucosesensor mit Dreielektrodensystem
auf verschiedene Glucose-Standardlösungen anspricht in einem anderen
Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung angewendet worden ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
leicht oxidierbaren Substanzen schließen im Blut enthaltene Ascorbinsäure und
Harnsäure ein.
Solche Substanzen widerstehen elektrochemischer Reduktion und würden keinen
Reduktionsstrom erzeugen.
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Daher
ermöglicht
es das Verfahren, bei dem die Substratkonzentration quantitativ
bestimmt wird, indem ein Elektronenüberträger im oxidierten Zustand reduziert
wird, der nach einer Reihe von enzymatischen Reaktionen nicht reduziert
zurückbleibt, und
indem weiter der Reduktionsstrom während des Reduktionsvorgangs
abgelesen wird, die beeinträchtigende
Auswirkung der leicht oxidierbaren Substanz zu minimieren, wodurch
eine höhere
Genauigkeit bei der quantitativen Bestimmung eines Substrats erreicht
wird.
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Wenn
das Zweielektrodensystem zur Messung des Werts des Reduktionsstroms
angewendet wird, so ergibt sich unter dem Aspekt der Oxidoreduktion,
die an den Elektroden stattfindet, dass die Oxidation des Elektronenüberträgers im
reduzierten Zustand den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt darstellt
wegen eines geringen Volumens des Elektronenüberträgers, das durch die enzymatische
Reaktion reduziert worden ist, wenn die Substratkonzentration niedrig
ist. Der Wert des Reduktionsstroms wächst daher mit wachsender Substratkonzentration.
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Da
der Elektronenüberträger im oxidierten Zustand
mit einem Anstieg der Substratkonzentration abnimmt, entsteht bei
einer bestimmten Substratkonzentration ein Mangel des Elektronenüberträgers im oxidierten
Zustand. Daher ist in der an den Elektroden stattfindenden Oxidoreduktion
die Reduktion des Elektronenüberträgers im
oxidierten Zustand der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, was
sich in einem verringerten Wert des Reduktionsstroms manifestiert.
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Der
Wert des Reduktionsstroms während dieses
Vorgangs spiegelt exakt die Menge an Elektronenüberträger im oxidierten Zustand wieder,
die nicht durch die enzymatische Reaktion reduziert werden konnte,
wodurch es zu der ungewöhnlichen
Charakteristik kommt, mit der der Sensor auf die Substratkonzentration
anspricht.
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Selbst
bei niedrigen Substratkonzentrationen ist es vorzuziehen, dass ein
Elektronenüberträger im reduzierten
Zustand an der enzymatischen Reaktionssystem beteiligt ist, wobei
das Substrat mit einem Enzym (Oxidoreductase) in Gegenwart eines Elektronenüberträgers im
oxidierten Zustand zur Reaktion gebracht wird, damit die Reduktion
des Elektronenüberträgers im
oxidierten Zustand der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist.
Die Beteiligung des Elektronenüberträgers im
reduzierten Zustand an der enzymatischen Reaktion erleichtert die hochpräzise quantitative
Bestimmung eines Substrats in einem größeren Bereich von Substratkonzentrationen.
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Das
Verfahren zur Messung des Werts des Reduktionsstroms schließt das Zweielektrodensystem
ein, das eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode aufweist,
sowie das Dreielektrodensystem, das weiter eine Bezugselektrode
aufweist. Die letztere ermöglicht
eine genauere quantitative Bestimmung eines Substrats bei höheren Konzentrationen.
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Die
Anwendung des Verfahrens zur quantitativen Messung eines Substrats
gemäß der vorliegenden
Erfindung auf einen Biosensor umfassend ein Elektrodensystem, das
wenigstens eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode aufweist,
die sich auf einer elektrisch isolierenden Grundplatte befinden, sowie
eine auf dem Elektrodensystem angeordnete Reaktionsschicht, die
wenigstens eine Oxidoreductase einschließt, ermöglicht die quantitative Bestimmung
einer bestimmten in einer Substanzprobe enthaltenen Komponente mit
hoher Genauigkeit und ist somit zu bevorzugen.
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Die
weitere Einbeziehung eines hydrophilen Polymers in der Reaktionsschicht
ist zu bevorzugen, da es nützlich
ist, um die Adsorption von in der Probe enthaltenem Protein oder
dergleichen auf der Oberfläche
des Elektrodensystems zu verhindern.
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Die
Beschichtung der Oberfläche
der Reaktionsschicht mit einer lipidhaltigen Schicht erleichtert das
problemlose Aufbringen der Probe auf die Reaktionsschicht. Diese
Lipidbeschichtung kann aufgebracht werden, wenn es die Umstände erforderlich machen.
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Weiter
kann in der Reaktionsschicht ein pH-Puffer einbezogen sein, um die
Enzymaktivität
in der Reaktionsschicht zu steigern.
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Beispiele
für anwendbare
Oxidoreductasen sind Glucoseoxidase, Glucosedehydogenase, Lactatoxidase,
Lactatdehydrogenase, Uricase, Fructosedehydrogenase, Alkoholoxidase,
Cholesterinoxidase, Xanthinoxidase, Aminosäureoxidase und dergleichen.
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Eine
Kombination mehrerer Oxidoreductasen kann ebenfalls verwendet werden,
beispielsweise Glucoseoxidase und Invertase, Glucoseoxidase und
Invertase und Mutarotase, Fructosedehydrogenase und Invertase oder
dergleichen.
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Als
Elektronenüberträger können Kaliumhexacyanoferrat(III),
p-Benzochinon, Phenazinmethosulfat, Methylenblau, Ferrocenderivate
oder dergleichen verwendet werden. Die Verwendung von Sauerstoff
als Elektronenüberträger kann
ein ähnliches Ansprechen
des Sensors ergeben. Die genannten Elektronenüberträger werden jeweils einzeln
oder in Kombination verwendet (eine Kombination von zwei oder mehr
dieser Substanzen).
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Beispiele
für verwendbare
hydrophile Polymere sind Carboxymethylcellulose, Polyvinylpyrrolidon,
Polyvinylalkohol, Gelatine oder ein Gelatinederivat, ein Acrylsäure- oder Acrylatpolymer,
ein Methacrylsäure-
oder Methacrylatpolymer, Stärke
oder ein Stärkederivat,
ein Polymer aus Maleinsäureanhydrid
oder Maleat, Cellulosederivate wie Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose,
Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose,
Carboxymethylethylcellulose oder dergleichen, Polyaminosäuren wie
Polylysin und Polystyrolsulfonat.
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Von
diesen sind Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose,
Methylcellulose, Ethylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose und
Carboxymethylethylcellulose zu bevorzugen. Polyaminosäuren wie
Polylysin, Polyvinylalkohol und Polystyrolsulfonat können ebenfalls
bevorzugt verwendet werden.
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Als
Lipid kann vorzugsweise ein beliebiges amphipathische Pospholipid
wie Lecithin, Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin oder dergleichen verwendet
werden. Beispiele für
verwendbare pH-Puffer sind Kaliumdihydrogenphosphat-Dikaliumphosphat,
Kaliumdihydrogenphosphat-Dinatriumphosphat, Natriumdihydrogenphosphat-Dikaliumphosphat,
Natriumdihydrogenphosphat-Dinatriumphosphat,
Citronensäure-Dinatriumphosphat,
Citronensäure-Dikaliumphosphat,
Citronensäure-Trinatriumcitrat,
Citronensäure-Trikaliumcitrat,
Kaliumdihydrogencitrat-Natriumhydroxid, Natriumhydrogenmaleat-Natriumhydroxid,
Kaliumhydrogenphthalat-Natriumhydroxid, Bernsteinsäure-Natriumtetraborat,
Maleinsäure-[Tris(hydroxymethyl)-aminomethan], [Tris(hydroxymethyl)-aminomethan]-[Tris(hydroxymethyl)-aminomethan-hydrochlorid],
(N-(2-Hydroxyethyl)-piperazin-N'-(2-Ethansulfonsäure)]-Natriumhydroxid,
[N-[Tris(hydroxymethyl)-methyl]-2-aminoethansulfonsäure]-Natriumhydroxid, [Piperazin-NN'-bis-(2-ethansulfonsäure)]-Natriumhydroxid und
dergleichen.
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Die
genannte Enzyme und Elektronenüberträger können in
einer Probenlösung
aufgelöst
sein oder aber von der Probenlösung
getrennt sein, indem die Enzymschicht, die diese Bestandteile einhält, auf die
Grundplatte aufgebracht wird, um zu verhindern, dass sie sich direkt
in der Probenlösung
auflösen. Wird
der letztere Aufbau gewählt,
enthält
die Reaktionsschicht vorzugsweise ein hydrophiles Polymer.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete
Ausführungsformen eingehender
beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Glucosesensors mit einem Zweielektrodensystem,
wobei die Reaktionsschicht weggelassen wurde. Eine Silberpaste wird
mittels des Siebdruckverfahrens auf eine elektrisch isolierende
Grundplatte 1 aus Polyethylenterephthalat gedruckt, um
die Leitungen 2 und 3 auf der Grundplatte 1 zu
bilden. Danach wird eine leitende Kohlepaste, die einen Harzträger enthält, auf
die Grundplatte 1 gedruckt, um eine Arbeitselektrode 4 zu
bilden. Die Arbeitselektrode 4 hat Kontakt zur Leitung 2.
Danach wird weiter eine elektrisch isolierende Schicht 6 auf die
Grundplatte 1 aufgebracht, indem eine isolierende Paste
darauf gedruckt wird. Die elektrisch isolierende Schicht 6 bedeckt
die Umgebung rings um die Arbeitselektrode 4, damit der
exponierte Bereich der Arbeitselektrode 4 konstant gehalten
wird. Danach wird eine leitende Kohlepaste, die einen Harzträger enthält, auf
die Grundplatte 1 gedruckt, so dass die Kohlepaste Kontakt
zu der zuvor gebildeten Leitung 3 bekommt, wodurch eine
ringförmige
Gegenelektrode 5 geformt wird.
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Danach
werden die elektrisch isolierende Grundplatte 1, eine Abdeckung 9 mit
einer Lüftungsöffnung 11 und
ein Abstandshalter 10 aneinander geklebt, so dass ihre
Positionen zueinander der strichpunktierten Linie in 1 entsprechen, wodurch ein Biosensor
erhalten wird, der als Glucosesensor dient. Der Abstandshalter 10 weist
einen Schlitz 13 auf, um zwischen der Grundplatte und der
Abdeckung einen Weg freizugeben, durch den eine Probe zugeführt werden
kann. Die Zahl 12 entspricht einer Öffnung des Wegs, durch den
eine Probe zugeführt werden
kann.
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2 zeigt eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Glucosesensors mit einem Dreielektrodensystem,
wobei die Reaktionsschicht weggelassen wurde. Dieser Glucosesensor
weist denselben Aufbau wie der in 1 gezeigte
auf mit dem Unterschied, dass der Glucosesensor weiter eine aus
Kohlepaste bestehende Bezugselektrode 15 außerhalb
des Umfangs der Gegenelektrode 5 umfasst, derart dass sie
von der elektrisch isolierenden Schicht 6 aus exponiert
ist, sowie eine Leitung 14 für die Bezugselektrode.
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3. ist eine Querschnittsansicht
in Längsrichtung,
die unter Weglassung des Abstandshalters und der Abdeckung den entscheidenden
Teil eines Glucosesensors zeigt, wie er in einem Beispiel zur Anwendung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Auf
der elektrisch isolierenden Grundplatte 1, über der
das Elektrodensystem wie in 1 gezeigt
gebildet wurde, ist eine Reaktionsschicht 7 aufgebracht,
die ein Enzym und einen Elektronenüberträger enthält, und weiter ist eine Lecithinschicht 8 auf
der Reaktionsschicht 7 aufgebracht.
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Beispiel 1
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In
diesem Beispiel wurde die Reaktionsschicht gebildet, indem eine
gemischte wässrige
Lösung
von Glucoseoxidase (EC1.1.3.4; im Folgenden „GOD") mit Kaliumhexacyanoferrat(III) auf
das auf der Grundplatte 1 in 1 gebildete
Elektrodensystem aufgetropft und getrocknet wurde. Sodann wurde die
Lecithinschicht gebildet, indem eine Lösung von Lecithin in Toluol
auf die Reaktionsschicht aufgetropft und getrocknet wurde.
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Die
Abdeckung 9 und der Abstandshalter 10 wurden dann
in der durch die strichpunktierte Linie in 1 angedeuteten Position zueinander auf
die Grundplatte 1 geklebt, wodurch der in diesem Beispiel
verwendete Glucosesensor erhalten wurde. Glucose-Standardlösungen mit
unterschiedlichen Konzentrationen wurden dann als Probenlösungen zubereitet.
Jede dieser wässrigen
Glucose-Standardlösungen
(3 μl) wurde
dem Glucosesensor durch die Öffnung 12 des
Wegs für
die Zufuhr von Probenlösung
zugeführt.
Die Probenlösung
drang bis zu der Lüftungsöffnung 11 vor
und löste
die Reaktionsschicht 7 und die Lecithinschicht über dem
Elektrodensystem. Wenn die Reaktionsschicht 7 aufgelöst wird,
erfolgt eine enzymatische Reaktion, bei der die in der Probenlösung enthaltene
Glucose durch die GOD zu Gluconolacton oxidiert wird. Diese enzymatische
Reaktion wird gleichzeitig von der Reduktion von Kaliumhexacyanoferrat(III)
zu Kaliumhexacyanoferrat(II) begleitet, wodurch Hexacyanoferrat(II)-Ionen
entstehen.
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Als
eine gewisse Zeit nach der Zufuhr der Probenlösung verstrichen war, wurde
an die Arbeitselektrode bezogen auf die Gegenelektrode 5 eine Spannung
von –1,0
V angelegt, wodurch eine Reduktion von Kaliumhexacyanoferrat(III)
an der Arbeitselektrode und eine Oxidation von Kaliumhexacyanoferrat(II)
an der Gegenelektrode herbeigeführt
wurde, was einen Stromfluss durch die Elektroden bewirkte. Der während dieser
Oxidoreduktion fließende
Strom wurde 5 Sekunden nach Anlegen der Spannung abgelesen.
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4 zeigt die die Sensorsignale,
die den unterschiedlichen wässrigen
Glucose-Standardlösungen entsprechen,
wobei der Stromwert bei einer Glucosekonzentration von ungefähr 700 mg/dl
als 100% definiert wurde.
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Das
Sensorsignal stieg im Bereich von 0 bis 700 mg/dl linear mit der
Glucosekonzentration an. Dies legt nahe, dass der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt die Oxidation von Kaliumhexacyanoferrat(II) an der Gegenelektrode
ist wegen der geringen Mengen der durch die enzymatische Reaktion erzeugten
Hexacyanoferrat(II)-Ionen.
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Wenn
die Glucosekonzentrationen 700 mg/dl überschritt, fiel das Sensorsignal
ab. Dies weist darauf hin, dass die Reduktion der Hexacyanoferrat(III)-Ionen
an der Arbeitselektrode der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
ist wegen hinreichend großer
Mengen der durch die enzymatische Reaktion erzeugten Hexacyanoferrat(II)-Ionen.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist,
zeigte der Sensor unabhängig
von den Glucose-(Substrat-)Konzentrationen
eine ausgezeichnete Ansprechcharakteristik.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wurde eine wässrige
Lösung
von Carboxymethylcellulose (im Folgenden kurz „CMC") auf das Elektrodensystem über der Grundplatte 1 in 1 aufgetropft und getrocknet, so
dass sich eine CMC-Schicht bildete. Danach wurden die Reaktionsschicht
und die Lecithinschicht auf die gleiche Wiese wie in Beispiel 1
gebildet. Die Gegenwart von CMC minimiert die beeinträchtigende Wirkung,
die die Adsorption von Protein an den Elektrodenoberflächen auf
die Messung hat.
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Auf
dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurde ein Glucosesensor hergestellt
und seine Signale bei verschiedenen wässrigen Glucose-Standardlösungen,
die wie in Beispiel 1 zubereitet wurden, wurden ausgewertet. Die
Ansprechcharakteristik war der aus Beispiel 1 ähnlich, doch waren die Schwankungen schwächer.
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Beispiel 3
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In
diesem Beispiel wurde die CMC-Schicht auf ähnliche Weise durch Auftropfen
einer wässrigen CMC-Lösung auf
das Elektrodensystem über
der Grundplatte 1 in 1 und
anschließendes
Trocknen gebildet. Danach wurde eine gemischte wässrige Lösung von GOD, Kaliumhexacyanoferrat(III)
und Kaliumhexacyanoferrat(II) auf die CMC-Schicht aufgetropft und
getrocknet, um die Reaktionsschicht zu bilden. Auf dieselbe Weise
wie in Beispiel 1 wurde ein Glucosesensor hergestellt und seine
Signale bei verschiedenen wässrigen
Glucose-Standardlösungen, die
wie in Beispiel 1 zubereitet wurden, wurden ausgewertet.
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5 fasst die Sensorsignale
bei den verschiedenen wässrigen
Glucose-Standardlösungen zusammen,
wobei der Ansprechstromwert bei einer Lösung mit einer Glucosekonzentration
von 0 mg/dl als 100% definiert wurde.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist,
fiel das Sensorsignal mit wachsenden Glucosekonzentrationen ab.
Der Grund dafür
liegt darin, dass Kaliumhexacyanoferrat(II) ebenfalls in der Reaktionsschicht
vorhanden war, so dass stets genügend
von den an der Gegenelektrode zu oxidierenden Hexacyanoferrat(II)-Ionen zu Verfügung standen,
wodurch sichergestellt wurde, dass die Reduktion der Hexacyanoferrat(III)-Ionen
an der Arbeitelektrode selbst bei niedrigen Substratkonzentrationen
der geschwindigkeitsbestimmende Schritt waren.
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Der
Sensor zeigte unabhängig
von den Glucose-(Substrat-)Konzentrationen eine ausgezeichnete Ansprechcharakteristik.
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Beispiel 4
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In
diesem Beispiel wurde die CMC-Schicht durch Auftropfen einer wässrigen
CMC-Lösung auf das
Elektrodensystem über
der elektrisch isolierenden Grundplatte 1 in 2 und anschließendes Trocknen
gebildet, wobei es vermieden wurde, dass die CMC-Lösung auf
die Bezugselektrode 15 gelangte. Danach wurde eine gemischte wässrige Lösung von
GOD und Kaliumhexacyanoferrat(III) auf die CMC-Schicht aufgetropft
und getrocknet, um die Reaktionsschicht zu bilden, über die
eine Lösung
von Lecithin in Toluol aufgetropft und getrocknet wurde, um auf
ihr eine Lecithinschicht zu bilden.
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Die
Abdeckung 9 und der Abstandshalter 10 wurden dann
in der durch die strichpunktierte Linie in 2 angedeuteten Position zueinander auf
die Grundplatte 1 geklebt, wodurch der in diesem Beispiel
verwendete Glucosesensor erhalten wurde. Jede der verschiedenen
in Beispiel 1 zubereiteten wässrigen
Glucose-Standardlösungen (3 μl) wurde dem
Glucosesensor durch die Öffnung 12 des
Wegs für
die Zufuhr von Probenlösung
zugeführt.
Als eine gewisse Zeit nach der Zufuhr der Probenlösung verstrichen
war, wurde an die Arbeitselektrode mit der Bezugselektrode 15 als
Standard eine Spannung von –0,8
V angelegt. Der durch die Arbeitselektrode 4 und die Gegenelektrode 5 fließende Strom
wurde 5 Sekunden nach Anlegen der Spannung abgelesen.
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6 fasst die die Sensorsignale,
die den unterschiedlichen wässrigen
Glucose-Standardlösungen entsprechen,
zusammen, wobei der Signalstromwert bei einer Glucosekonzentration
von 0 mg/dl als 100% definiert wurde.
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Wie
aus 6 ersichtlich ist,
zeigte der Sensor über
einen großen
Bereich von Glucose-(Substrat-)Konzentrationen eine ausgezeichnete Ansprechcharakteristik
und ermöglichte
eine quantitative Bestimmung bis zu ungefähr 6.000 mg/dl.
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Beispiel 5
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Es
wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 eine Glucosesensor
hergestellt.
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Dann
wurden die Signale des Sensors auf die gleiche Weise wie in Beispiel
4 ausgewertet, abgesehen davon, dass verschiedene der in Beispiel
1 zubereiteten wässrigen
Glucose-Standardlösungen zusätzlich bekannte
Mengen an Ascorbinsäure
enthielten und so als Probenlösungen
verwendet wurden.
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Der
Sensor zeigte Signale, die trotz der Gegenwart von Ascorbinsäure im Wesentlichen
identisch mit denjenigen aus Beispiel 4 waren, was eine ausgezeichnete
Ansprechcharakteristik demonstriert.
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Obwohl
in den vorstehend beschriebenen Beispielen leitende Kohlepaste und
isolierende Paste verwendet wurden, um die gedruckten Strukturen herzustellen,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Materialien eingeschränkt.
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Wie
vorstehend diskutiert, lässt
sich die Konzentration eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem großen
Bereich von Substratkonzentrationen mit hoher Genauigkeit quantitativ
bestimmen, insbesondere bei hohen Substratkonzentrationen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand der derzeit bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, versteht es sich, dass eine solche Offenbarung
nicht als Einschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens zu interpretieren ist. Verschiedene Änderungen
und Abwandlungen sind für den
Fachmann im technischen Bereich der vorliegenden Erfindung zweifellos
offensichtlich, nachdem er die vorstehende Offenbarung gelesen hat.
Dementsprechend decken die beiliegenden Ansprüche sämtliche Änderungen und Abwandlungen
ab, die sich im Rahmen des allgemeinen Gedankens und des Anwendungsbereichs
der Erfindung bewegen.