基質感応膜素材およびそれを用いた 酵素センサー 信州大学 理学部 教授 化学科 中村俊夫 1 技術の背景や技術内容の紹介 応用例や適用事例とその結果 （実験結果、検証結果など） ◎ 水溶性の酸化還元酵素を親水性の高分子 化合物に固定させた基質感応膜素材。 および， ◎ この膜素材を電極に用いた酵素センサー ー非水溶性の基質を反応させることで 定量検出が可能ー 2 Steel Lead Recorder Potentiostat Function Generator Silicone Tube Ag/Ag+ Teflon Body Reference Electrode Ag Paste Pt Microburet Salt Bridge Teflon Body Platinum Rod PAA(γ-CD)PAA-Tyro PAA Tyro Fig. The diagram of the indicator electrode. Fig. The diagram of the cell assembly. Teflon Cap Indicator Electrode Counter Electrode Teflon Stirring Bar 3 R Tyro phenol derivatives Tyro R R catechol derivatives cresolase reaction o-quinone derivatives catecholase reaction チロシナーゼ(Tyro)の酵素反応 T. Nakamura et al.； Bull. Chem. Soc. Jpn., 2006, 79, 1410; Chem. Lett., 2007, 36 (4), 506; Anal. Sci., 2006, 22, 1261. 4 PAA膜酵素電極の背景とその高感度化 1) シクロデキストリン(CD)の環状構造に由来する，疎水的反応 空間の提供による酵素反応場の構築。 2) γ-シクロデキストリン(γ-CD)をPAAに化学結合して感応素 子とする，酵素反応の活性化とバイオセンサーの高感度化。 シクロデキストリンの立体構造 ［nm］ ～0.38 α : 0.49 β : 0.62 γ : 0.79 CD α β γ Glu 6 7 8 0.79 5 PAA-(γ-CD)の合成 -(CH2-CH-CH2-CH)n| ｜ C=O C=O | | NH2 OH + [γ-CD] -(CH2-CH-CH2-CH)n- lipase n-heptane, 50 ℃, 6days | ｜ C=O C=O | NH2 | O | [γ-CD] 質量比＝7.5：1 CH3-COOH + [β-CD] lipase n-heptane, 50 ℃, 4days CH3-COO- [β-CD] 6 Steel Lead Recorder Potentiostat Function Generator Silicone Tube Ag/Ag+ Teflon Body Reference Electrode Ag Paste Pt Microburet Salt Bridge Teflon Body Platinum Rod PAA(γ-CD)PAA-Tyro PAA Tyro Fig. The diagram of the indicator electrode. Fig. The diagram of the cell assembly. Teflon Cap Indicator Electrode Counter Electrode Teflon Stirring Bar 7 PAA膜酵素電極の背景と高感度化 PAA-γ-シクロデキストリン膜電極の構成と応用 I 50 nA -1 .0 - 0 .5 0 .0 E/V vs. Ag/Ag+ Fig. Typical Cyclic voltammograms of the PAA-γ-CD, tyrosinase electrode of catechol (upper) and 4-methylcatechol (lower) at 16.7mM in 50 mM Et4NClO4-AN solution, respectively. Dotted lines show the respective blank. Scan rate is 0.100 V/s. 8 PAA膜酵素電極の背景と高感度化 PAA-γ-シクロデキストリン膜電極の構成と応用 (A) (B) 5 I c b a 0.4 3 2 6 min 4 i pc-1/μA-1cm 30 nA Current density / nA cm -2 d 2 0.3 0.2 0.1 1 -0.2 0.0 0.2 0.4 [catechol] -1/mM -1 0 0 2 4 6 8 10 12 Concentration of catechol /μM Time Fig.A Typical current-time response curve of the PAA-γ-CD, tyrosinase(d) and the PAA, tyrosinase (c) electrodes upon stepwise additions of catechol in 50 mM Et4NClO4-AN solution at -0.75 mV , respectively. (a) and (b) are the respective blank. Fig. B Calibration curve of the PAA-γ-CD, tyrosinase electrode for catechol in 50 mM Et4NClO4-AN solution at -0.75 mV. Inset: Lineweaver-Burk plot for the response of the electrode to catechol. T. Nakamura, X. Ji, K. Endo, and D.Takano, Chem. Lett., 36(4), 506-507(2007). 9 従来技術とその問題点 従来は水溶液系センサーが主流。 非水溶液系センサーはまだ少なく，応答 速度が比較的遅く再現性に欠ける。 10 新技術の特徴・従来技術との比較 本技術の膜素材は，酵素反応を活性化する 場を含み，また，酵素が均一に分散している ため，応答速度が迅速である。 本技術のセンサーは，簡便な構成で製造効 率が高い。 従来は水溶液系センサーが主流。 非水溶液系センサーはまだ少なく，応答速 度が比較的遅く再現性に欠けるが， 本技術によりこれらの課題が解決する。 11 想定される用途 本技術の特徴は， １）環境分野での計測 ２）食品分野での品質管理 ３）医療分野での開発 などに活かすことが有効である。 12 実用化に向けた課題 今後，非水溶媒に可溶な基質（生体機能物 質）など，種々の系や物質について，必要な データを取得するための条件設定を行うこと ができる。 13 企業への期待 非水溶媒に可溶な基質（生体機能物質）に 関するセンサーの開発を希望する企業は， 本技術の導入が有効と思われる。 14 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：基質感応膜素材および それを用いた酵素センサー • 出願番号 ：特願2006-3229 • 出願人 ：信州大学 • 発明者 ：中村俊夫 15 お問い合わせ先 【ナノテク・IT関係】 信州大学地域共同研究センター Tel: 026-269-5620 Fax: 026-269-5630 [email protected] （株）信州TLO Tel: 0268-25-5181 Fax: 0268-25-5188 [email protected] 16
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