(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側鎖にシロキサン部位とエポキシ基またはアルデヒド基とを有するビニルポリマーを水面上に展開し圧縮した後、前記水面の下方にアミノ基を有するポリマーを注入して該アミノ基と前記エポキシ基またはアルデヒド基を反応させて得られる、二次元架橋されたシロキサン含有ビニルポリマーの単分子膜から成ることを特徴とする過酸化水素選択透過性膜。
【請求項２】
糖センサーの電極のガード膜として用いられることを特徴とする請求項１の過酸化水素選択透過性膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体透過性膜の技術分野に属し、特に、シロキサン部位を有するポリマーから成りグルコースセンサー等の糖センサーの電極のガード膜等として用いられるのに好適な過酸化水素選択透過性膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリシロキサンまたはシロキサン部位を含有するポリマーは気体透過性に優れ、例えば酸素に対する選択透過性膜として適していることが知られている。従来より気体透過性膜として用いられるポリシロキサンやシロキサン含有ポリマーは、専ら、該ポリマーをフィルム成形したりコロイド溶液から基板上に塗布して得られる膜状物であり、膜とはいっても、一般にミクロンメーターのオーダーの膜厚から成る薄膜である。
【０００３】
酵素反応に伴なう電気化学活性種の濃度の増減を電極電流の変化として検出するアンペリメトリック酵素センサーは広範な分野で利用されており、その代表例は血糖を測定するためのグルコースセンサー等の糖センサーである。このような酵素センサーにおいては、目的の電気化学活性種（グルコースセンサーの場合は過酸化水素）の濃度増減を確実に検出するとともに測定の妨害要因となる電気化学種の透過を抑制し、且つ、基質の拡散等が速やかに進んで迅速な応答を示すように可及的に薄い選択透過性膜が必要であるが、このような要求を満たす超薄膜は知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、酵素センサーの電極のガード膜等に使用されるのに好適な、特定の気体に対する選択透過性に優れ、迅速な応答を示す超薄膜を得ることのできる新しい技術を確立することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア−ブロジェット）法を利用しこれを工夫することにより、ポリシロキサン系ポリマーから分子レベルの厚さを有しながら安定な超薄膜を作製することに成功し、上記のごとき目的を達成したものである。
【０００６】
かくして、本発明に従えば、側鎖にシロキサン部位とエポキシ基またはアルデヒド基とを有するビニルポリマーを水面上に展開し圧縮した後、前記水面の下方にアミノ基を有するポリマーを注入して該アミノ基と前記エポキシ基またはアルデヒド基を反応させて得られる、二次元架橋されたシロキサン含有ビニルポリマーの単分子膜から成ることを特徴とする過酸化水素選択透過性膜が提供される。本発明の過酸化水素選択透過性膜は、特に、グルコースセンサー等の糖センサーの電極のガード膜として用いられるのに好適である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施において利用されるＬＢ法とは、よく知られているように、親水部と疎水部を有する物質を気液界面（水面）上に展開して、親水部および疎水部がそれぞれ水相および空気相に配向して並んだ１分子の厚さの膜（単分子膜：ＬＢ膜）を形成し、必要に応じて固体基板に転写する超薄膜の形成法である。しかしながら、これまでポリシロキサンやシロキサン部位を有するポリマーから安定なＬＢ膜が作製された例は見当らない。これは、シロキサンがきわめて疎水性であり且つ柔軟すぎるためと考えられる。
【０００８】
本発明に従えば、後にも詳述するように、柔軟で疎水性の高いシロキサン部位を有するポリマーに、該ポリマーが水面上で単分子膜状に配向している状態で二次元架橋を施すことにより、安定な超薄膜を作製することができる。
【０００９】
本発明において用いられる側鎖にシロキサン部位とエポキシ基またはアルデヒド基とを有するビニルポリマーは、一般に、下記の式（１）で示される繰り返し単位を有するポリマーとして表わすことができるものである。
【００１０】
【化１】
0003753633.tif 000002
【００１１】
式（１）中、Ｒ1およびＲ2は、それぞれ独立して、水素原子またはメチル基を表わす。ａおよびｄは、存在しなくてもよく、存在する場合には、それぞれ独立して、−Ｃ(Ｏ)Ｏ−、−ＣＯＮＨ−を表わす。Ａは下記の式（２）で示されるシロキサン部位を表わし、Ｄは炭素数１〜３のアルキル鎖の末端にあるエポキシ基またはアルデヒド基を表わす。Ｘは２５〜５０の整数を表わす。
【００１２】
【化２】
0003753633.tif 000003
【００１３】
式（２）中、Ｒ3は炭素数１〜６のアルキル基を表わす。Ｒ4は水素原子またはメチル基を表わす。ｎは８〜１０の整数を表わし、また、ｍは１〜５の整数を表わす。
【００１４】
本発明で用いられる側鎖にシロキサン部位とエポキシ基またはアルデヒド基とを有するビニルポリマーの分子量は、特に制限されるものではないが、一般に数平均分子量として、１０，０００〜１，０００，０００の範囲にある。
【００１５】
また、本発明において用いられるアミノ基を有するポリマーとして好ましい例は、ポリアリルアミンまたはポリアミノ酸（例えば、ポリリジン）のような繰り返し単位毎にアミノ基が含有され且つ水溶性のポリマーである。
【００１６】
本発明に従いＬＢ法を利用して得られる超薄膜は、一般に、過酸化水素を選択的に透過させる選択透過性膜として使用されるが、特に、過酸化水素の発生量を電極電流の変化としてモニター（検出）する酵素センサー、例えばグルコースオキシダーゼやラクトースオキシダーゼを用いる糖センサーにおいて過酸化水素だけを通し共存する易酸化物質の透過を抑止するような電極のガード膜として用いられるのに適している。なお、このような酵素センサーに用いられる場合、電極には、本発明の過酸化水素選択透過性膜に加えて、酵素を固定化するための手段が採用される。
【００１７】
次に、本発明の選択透過性膜が得られる工程を図面に沿って説明する。
図１のイには、よく知られた典型的なＬＢトラフが示されている。図に示されるように、本発明に従う超薄膜を得るには、先ず、上述したような側鎖にシロキサン部位とエポキシ基またはアルデヒド基とを有するビニルポリマーをクロロホルムなどの溶媒に溶解し、マイクロシリンジなどで超純粋の水面上にゆっくり滴下して展開し溶媒が揮発するのを待つ。
【００１８】
このようにして、ポリマー主鎖が気液界面（水面）に沿って単分子層の厚みで二次元的に広がり、疎水性の高いシロキサン部位のある側鎖が水面上を空気相側に配向して並び、親水性または相対的に疎水性の低いエポキシ基（またはアルデヒド基）のある側鎖が水相側に配向して並んだ構造の膜が形成される。次に、バー（仕切り板：例えばテフロン製）を移動させて（図１のイの矢印の方向）、上記のごとき膜を圧縮する。この圧縮は、ＬＢ法の分野でよく知られているように、π−Ａ曲線で示される膜の表面圧が急な上昇を示すような密に詰まった状態、すなわち、凝縮単分子膜が形成される圧力になるまで実施する。
【００１９】
本発明の過酸化水素選択透過性膜を作製するポイントの一つは、シロキサン部位含有ポリマーがこのように密な単分子膜状に配向している状態で該ポリマーを二次元架橋することにある。このためには、前述したようなアミノ基を有するポリマー（例えば、ポリアリルアミン）の水溶液を、シロキサン部位含有ポリマーの膜を画定しているバー（仕切板）の外側からマイクロシリンジなどを用いて水面の下方（水相中）に注入する。この状態で暫く（例えば、５分間）放置すると、シロキサン部位含有ポリマーの側鎖にあるエポキシ基（またはアルデヒド基）と、アミノ基含有ポリマーのアミノ基とが反応して、気液界面で両ポリマーが二次元的に架橋した膜を得ることができる。このような二次元架橋の形成は、π−Ａ曲線で示される膜の表面圧の変化が不連続になり圧力上昇することから知ることができる。
【００２０】
本発明に従えば、以上のようにＬＢ膜を液中で化学結合により二次元架橋することにより、シロキサン系ポリマーから高密度で高強度の安定した超薄膜を得ることができ、しかもこの二次元架橋処理は該超薄膜に分子ふるい効果も付与して過酸化水素に対して高選択性の透過膜にする（後述の実施例参照）。
【００２１】
如上のようにＬＢ法に従い気液界面に凝縮単分子膜として形成され、更に、二次元架橋されて安定化したＬＢ膜（シロキサン含有ポリマーから成る超薄膜）は適当な基板上に移しとられる。この操作は、ＬＢ法の分野でよく知られているように基板を水中に浸漬して上下することによって行うこともできるが、本発明の膜を酵素センサーの電極のガード膜として使用する場合には、該電極をＬＢ膜に軽く当接するだけで電極の表面にＬＢ膜が移しとられる（図１のハ参照）ので、これを室温下に乾燥させる。
【００２２】
グルコースセンサーのような酵素センサーの電極として機能させるには、上述のように選択透過膜としてＬＢ膜を移しとった電極上に、適当な酵素固定化剤を介して酵素を固定化する。例えば、グルコースセンサーに使用する場合には、電極上に、酵素固定化剤としてポリカチオンであるポリアリルアミンとポリアニオンであるポリスチレンスルホン酸とから成るポリイオンコンプレックスを添加し、これにグルコースオキシダーゼ、さらに酵素−ポリアリルアミン間の架橋剤としてグルタルアルデヒドを添加する（図１のニ参照）。
【００２３】
【実施例】
以下に本発明の特徴をさらに具体的に示すため実施例を記すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
シロキサン含有ポリマーの合成
本発明に従う選択透過性膜を作製するため、下記の式（３）で表わされるシロキサン含有ポリマーを合成した。すなわち、ポリシロキサンを有するビニルモノマー（品名ＦＭ−０７１１  オルガノポリシロキサン、Ｍｎ＝１，０００、チッソ社製）（１）とメタクリル酸グリシジル（ＧＭＡ、ナカライテスク）（２）を原料とし、７．９０ｇ（７．８２ｍｍｏｌ）のモノマー（１）と２．７３ｇ（２０．０ｍｍｏｌ）のモノマー（２）、および１ｗｔ％量（０．１０６３ｇ）の重合開始剤アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を溶媒であるエタノール１０ｍｌに溶かしたモノマー溶液を、脱酸素雰囲気下において反応温度６０℃として３日間ラジカル重合を行った後、得られた重合物をメタノールを用いて精製を行った。重合物は元素分析、1Ｈ−ＮＭＲによる分析の結果、仕込み通り２５：７５の比率であるコポリマーであった。また、数平均分子量は９８０００であった。
【００２４】
【化３】
0003753633.tif 000004
【００２５】
選択透過膜および酵素固定化膜の作製
既述したように図１に示す工程に沿って選択透過膜および酵素固定化膜を作製した。
すなわち、上記のように合成した式（３）のポリマーをクロロホルムに溶解して超純水の水面上に展開し溶媒を揮発させた。気液界面に形成した膜を圧縮し、表面圧が１５ｍＮ／ｍの時にＰＡＡ（ポリアリルアミン：日東紡製、数平均分子量１００，０００）の水溶液を水面下に注入した後、５分間そのままにして水面下のエポキシ基とＰＡＡを反応させた。π−Ａ曲線を測定したところ、図２に示されるようにＰＡＡを注入すると膜の表面圧の変化が不連続になり、シロキサン含有ポリマー（ＰＳＣ）とＰＡＡが気液界面で二次元的に架橋したことが理解された。
【００２６】
以上のようにして調製した二次元架橋ＬＢ膜を白金電極上に移しとり、室温下で乾燥させることにより選択透過膜とした。
後述の酵素センサーとしての糖検出実験に用いるためには、このようにして得られた選択透過膜の上に酵素を固定した。固定化は、１０ｍＭのＰＡＡ（ポリアリルアミン）１０μｌ、０．１ｖ／ｖ％のＧＡ（グルタルアルデヒド）５μｌ、４ｗ／ｖ％のＧＯｘ（グルコースオキシダーゼ）５μｌ、および１０ｍＭのＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸：Aldrich製、分子量７０，０００）１０μｌを、この順に滴下し乾燥することにより行った。
【００２７】
電流測定実験
以上のようにして作製した選択透過膜および酵素固定化膜の選択透過性およびグルコースセンサーとしての応答性を調べる実験を行った。
比較のために、二次元架橋を行わない式（３）のポリマーのＬＢ膜から上記と同様に選択透過膜および酵素固定化膜を作製して実験に供した。さらに、式（３）のポリマーをクロロホルムに溶かした溶液を電極に塗布し溶媒を蒸発させて調製した膜（キャスト膜：膜厚約５μｍ）、および、電極上に既述の酵素固定化剤として用いたポリイオンコンプレックス（ＰＡＡ＋ＰＳＳ）のみを付着させたものについても同様の実験を行った。
【００２８】
電流測定は、参照電極として銀・塩化銀電極、対極として金ワイヤを用いて行った。上記のように作製した電極をリン酸緩衝水溶液（ｐＨ７．０、２０ｍｌ）に浸漬し、溶液を攪拌しながら、電極に＋０．６Ｖの電位を印加してサンプル添加時の酸化電流上昇値を測定することにより選択透過性および応答性を調べた。
【００２９】
測定結果を図３、図４および図５に示す。図３のＡは電極に単なるキャスト膜を被覆した場合であり、膜厚が大きいために、グルコースおよびビタミンＣ（ＡｓＡ）は勿論、過酸化水素でさえ透過できないことが理解される。また、図３のＢは電極にポリイオンコンプレックスのみを被覆した場合の結果を示しており、ポリイオンコンプレックスだけでは阻害物質の１種であるＡｓＡを充分にブロックできず幾分透過させていることが理解される。
【００３０】
図４のＢは、本発明に従い二次元架橋されたシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜が電極上に移しとられて作製された選択透過膜の実験結果を示すものであり、阻害物質であるビタミンＣ（ＡｓＡ）を確実にブロックして過酸化水素を選択的に透過させている。これに対して、図４のＡは、架橋を行わないシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜を電極上に転写した場合の結果を示しており、ビタミンＣの通過がブロックされておらず、架橋処理が過酸化水素の選択透過に関与していることが理解される。
【００３１】
図５は、本発明に従い架橋されたシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜を電極に移しとって作製された選択透過膜に既述したようにグルコースオキシダーゼを固定化した酵素固定化膜の実験結果を示すものであり（Ｂ）、比較のために、未架橋のシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜から同様に作製した酵素固定化膜の実験結果（Ａ）も示している。未架橋のシロキサン含有ポリマーを用いた酵素固定化膜ではグルコースもビタミンＣも同じくらいに応答しており選択性が見られない（Ａ）．これに対して、本発明に従う架橋ポリマーから作製された酵素固定化膜では（Ｂ）、ビタミンＣを添加しても検出されず、グルコースのみに対して選択的に応答しており、また、この系の応答がきわめて迅速であることも理解される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、シロキサンを含有するポリマーから過酸化水素に対する選択透過性に優れセンサーに適用されたときに迅速な応答を示す安定な超薄膜の作製を可能にした。本発明の過酸化水素選択透過性幕は、例えば、糖センサーの電極の高選択性且つ高感度のガード膜として使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＢ法を利用して本発明の選択透過性膜が作製される工程を示す。
【図２】本発明の選択透過性膜を作製するときのπ−Ａ曲線を示す。
【図３】比較のために行ったキャスト膜およびポリイオンコンプレックスのみを被覆した電極の透過性判定実験の結果を示す。
【図４】本発明に従い架橋されたシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜から作製された選択透過性膜の透過性判定実験の結果を示し、比較のために未架橋のシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜から作製された膜についての結果も示す。
【図５】本発明に従い架橋されたシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜から作製された酵素固定化について調べた応答実験の結果を示し、比較のために未架橋のシロキサン含有ポリマーのＬＢ膜から作製された膜についての結果も示す。
【図１】
0003753633.tif 000005
【図２】
0003753633.tif 000006
【図３】
0003753633.tif 000007
【図４】
0003753633.tif 000008
【図５】
0003753633.tif 000009