JP2010038569A - Chemical substance detecting element, chemical substance detector and manufacturing method of chemical substance detecting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定物質を検出するための化学物質検出素子に関し、特には、化学物質検出素子の測定対象ガスに対する感度及び選択性を改善し、迅速かつ簡便な検出を可能にする技術に関する。 The present invention relates to a chemical substance detection element for detecting a specific substance, and more particularly to a technique that improves the sensitivity and selectivity of a chemical substance detection element with respect to a measurement target gas and enables rapid and simple detection.
わが国は高齢化及び少子化が進んでおり、近い将来に国民の3人に1人が65歳以上になるという超高齢化社会の到来が予測されている。このような状況下において急務とされているのが、国民医療費の抑制である。このため、予防医療の充実が注目されている。予防医療が充実することで病気になる人が減少すれば、医療費を軽減させることができるからである。 Japan is aging and declining birthrate, and in the near future it is predicted that one in three people will be 65 years of age or older. Under such circumstances, the urgent need is to curb national medical expenses. For this reason, the enhancement of preventive medicine has attracted attention. This is because medical expenses can be reduced if the number of people who get sick is reduced by the improvement of preventive medicine.
予防医療を充実させるためには、身近な機器で測定した健康情報を活用して健康管理を行なうことができるシステムが必要である。手軽に個人の健康状態を把握するための指標として、血液、尿、汗、唾液及び呼気等の生体試料がある。このような生体試料中には、血液における血糖値のように、疾病又はその兆候に起因して数値が変化する物質(以下、「マーカ」と記す。)が複数含まれている。したがって、マーカの変化量を測定することによって個人の健康状態を把握できる可能性が高く、マーカの測定を常時行なうことで、健康管理及び疾病の早期発見が可能になる。上述の生体試料の中でも、呼気は、複数種のマーカを含む点、迅速かつ簡便にサンプリング及び測定ができる点、及び、測定対象がガス状であり非侵襲で測定できるため肉体的なダメージが小さい点等から、測定に最適な生体試料であると言える。 In order to enhance preventive medicine, a system that can manage health by using health information measured by familiar devices is necessary. There are biological samples such as blood, urine, sweat, saliva and exhaled breath as an index for easily grasping an individual's health condition. Such a biological sample contains a plurality of substances (hereinafter referred to as “markers”) whose numerical values change due to disease or signs thereof, such as blood glucose level in blood. Therefore, there is a high possibility that an individual's health status can be grasped by measuring the amount of change in the marker, and health management and early detection of a disease can be performed by constantly measuring the marker. Among the above-mentioned biological samples, exhaled breath has little physical damage because it includes a plurality of types of markers, can be sampled and measured quickly and easily, and the measurement target is gaseous and can be measured non-invasively. From the point, it can be said that it is the most suitable biological sample for measurement.
非特許文献1には疾病と呼気中のマーカとの関係が示されている。テーブル1にこの一部を引用する。 Non-Patent Document 1 shows the relationship between a disease and a marker during expiration. A part of this is quoted in Table 1.
呼気中のマーカの測定方法として、ガスクロマトグラフィー及び化学発光法が知られているが、これらの測定方法においては測定機器が大型かつ高額であり、また操作方法の習熟も必要であるため実用的ではない。また、酸化物半導体ガスセンサによる測定も知られているが、検出限界が103ppmレベルと感度が低く、ppbからppmオーダーの濃度である呼気中のマーカの測定には適していない。更に、ガスセンサとして作動するためには300℃に加熱する必要があるため実用的ではない。 Gas chromatography and chemiluminescence methods are known as methods for measuring markers in exhaled breath, but these measuring methods are practical because they require large and expensive measuring instruments and require familiarity with operation methods. is not. Although measurement using an oxide semiconductor gas sensor is also known, the detection limit is as low as 10 3 ppm level and the sensitivity is low, and it is not suitable for measuring a marker in exhaled breath having a concentration on the order of ppm from ppb. Furthermore, since it is necessary to heat to 300 ° C. in order to operate as a gas sensor, it is not practical.
このような問題を解決するための一方法として、非特許文献2には、カーボンナノチューブ(以下、「CNT(Carbon Nano Tube)」と記す場合がある。)を利用したガスセンサが提案されている。CNTは直径がナノオーダーのチューブ状炭素材料であり、グラフェンシートを円筒状に丸めた構造によりなる。このグラフェンシートとは、6つの炭素原子が正六角形の板状構造を形成して結合したグラファイト構造が二次元に連続して形成されたものである。CNTは高い導電性を有し、かつナノオーダーの材料であるため、非特許文献2に開示されるガスセンサは、超小型化、低消費電力及び可搬性を実現可能であり、簡便で実用的な健康チェック手段として最適である。しかしながら、測定対象ガスに対する選択性が低いために、どのようなガス分子が接近しても同じように抵抗変化を起こしてしまい、雰囲気中に存在する物質の定性分析ができないという問題がある。 As a method for solving such a problem, Non-Patent Document 2 proposes a gas sensor using carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as “CNT (Carbon Nano Tube)”). CNT is a tubular carbon material having a diameter of nano order, and has a structure in which a graphene sheet is rolled into a cylindrical shape. This graphene sheet is obtained by continuously forming a two-dimensional graphite structure in which six carbon atoms form a regular hexagonal plate structure and are bonded. Since CNT has a high conductivity and is a nano-order material, the gas sensor disclosed in Non-Patent Document 2 can realize ultra-small size, low power consumption and portability, and is simple and practical. Ideal as a health check. However, since the selectivity with respect to the gas to be measured is low, the resistance change occurs in the same way regardless of which gas molecules approach, and there is a problem that a qualitative analysis of a substance present in the atmosphere cannot be performed.
呼気中のマーカの1つである一酸化窒素(NO)は、テーブル1に示すように、喘息患者の呼気中において高濃度で検出される。また、生体内の神経伝達物質の一つであり、免疫反応及び血圧調整等においても重要な役割を果たすことが知られている。そのため、呼気中の一酸化窒素(NO)の濃度を検出することで疾病の予測及び程度等を知ることが可能であり、高性能な一酸化窒素センサ(以下「NOセンサ」と記す。)の実現が望まれている。 As shown in Table 1, nitric oxide (NO), which is one of the markers during expiration, is detected at a high concentration in the expiration of asthma patients. In addition, it is one of in vivo neurotransmitters and is known to play an important role in immune responses and blood pressure regulation. Therefore, by detecting the concentration of nitric oxide (NO) in exhaled breath, it is possible to know the prediction and extent of the disease, and the high-performance nitric oxide sensor (hereinafter referred to as “NO sensor”). Realization is desired.
非特許文献3には、CNTを利用したNOセンサが提案されている。非特許文献3に開示されるNOセンサは、CNT表面を特定の物質と反応する物質で修飾することにより、測定対象ガスに対する選択性を向上させている。すなわち、二酸化窒素(NO2)と反応するポリエチレンイミンにより表面を修飾されたCNTを利用し、更に一酸化窒素から二酸化窒素へと変換する触媒を設けることによって、呼気内の特定のマーカである一酸化窒素(NO)を検出している。 Non-Patent Document 3 proposes a NO sensor using CNTs. The NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3 improves the selectivity for the gas to be measured by modifying the CNT surface with a substance that reacts with a specific substance. That is, by using a CNT whose surface is modified with polyethyleneimine that reacts with nitrogen dioxide (NO 2 ), and further providing a catalyst for converting nitrogen monoxide to nitrogen dioxide, it is a specific marker in the exhaled breath. Nitric oxide (NO) is detected.
一般的に、健康な人の呼気中における一酸化窒素濃度は10ppb程度であり、喘息患者の呼気中における一酸化窒素濃度は50ppb程度であるため、呼気中の一酸化窒素(NO)を検出するためのNOセンサは、検出下限がppbレベルと高感度のものが要求される。非特許文献3に開示されるNOセンサでは、このような呼気中の一酸化窒素(NO)を検出できるレベルの高感度化は達成されていない。 In general, the nitric oxide concentration in the breath of a healthy person is about 10 ppb, and the nitric oxide concentration in the breath of an asthmatic patient is about 50 ppb. Therefore, nitric oxide (NO) in the breath is detected. Therefore, a NO sensor for which the detection lower limit is as high as the ppb level is required. In the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3, such a high sensitivity level that can detect nitric oxide (NO) in exhaled air has not been achieved.
また、非特許文献3に開示されるNOセンサは、使用される触媒が湿度15%〜30%程度の環境下でなければ正常に作動しないため、測定対象ガスの湿度を調整しなければならない。また正確な一酸化窒素量を検出するためには、測定対象ガスに含まれている二酸化窒素(NO2)を予め除去しなければならない。したがって、非特許文献3に開示されるNOセンサによって呼気中の一酸化窒素(NO)を測定する場合には、触媒だけなく、呼気内に4%程度含まれている二酸化窒素(NO2)の除去及び湿度の調整等の前処理に必要な構成を設けなければならず、装置が大型化してしまうという問題がある。また、測定に多段階の工程を必要とするため測定時間が長くなってしまうという問題がある。 In addition, the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3 does not operate normally unless the catalyst used is in an environment with a humidity of about 15% to 30%, so the humidity of the measurement target gas must be adjusted. In order to detect an accurate amount of nitric oxide, nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in the measurement target gas must be removed in advance. Therefore, when measuring nitric oxide (NO) in exhaled air by the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3, not only the catalyst but also nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in about 4% in the exhaled air. A configuration necessary for pretreatment such as removal and humidity adjustment has to be provided, and there is a problem that the apparatus becomes large. In addition, there is a problem that the measurement time becomes long because a multi-step process is required for the measurement.
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定物質を高選択的かつ高感度に検出でき、更に装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる化学物質検出素子、化学物質検出装置、及び、化学物質検出素子の製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to detect a chemical substance capable of detecting a specific substance with high selectivity and high sensitivity, and further achieving downsizing of the apparatus and shortening of measurement time. An element, a chemical substance detection device, and a method for manufacturing a chemical substance detection element are provided.
本発明の第1の局面に係る化学物質検出素子は、特定物質と選択的に反応するタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む。これにより、特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質検出素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。 The chemical substance detection element according to the first aspect of the present invention includes a carbon nanostructure that is surface-modified with a protein that selectively reacts with a specific substance. Thereby, a specific substance can be detected with high selectivity and high sensitivity. In addition, since the specific substance can be directly detected without being converted into another substance, it is possible to omit the configuration and process required for the conversion and the configuration and process required for the pretreatment accompanying the conversion. Therefore, it is possible to reduce the size of the chemical substance detection element and shorten the measurement time.
好ましくは、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びフラーレンからなるグループから選択される炭素系導電性材料からなる。このようなグループから選択されるカーボンナノ構造体は、その形状がナノオーダーの微細構造であることから、応答性及び検出下限が大幅に向上する。したがって、従来の化学物質検出素子では困難であったppbオーダー程度の微量の特定物質の検出が可能になる。 Preferably, the carbon nanostructure is made of a carbon-based conductive material selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes. Since the carbon nanostructure selected from such a group has a nano-order fine structure, the responsiveness and the detection lower limit are greatly improved. Therefore, it is possible to detect a very small amount of a specific substance on the order of ppb, which is difficult with a conventional chemical substance detection element.
より好ましくは、カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体1mgに対して、0.30μmol〜0.50μmolのタンパク質により表面修飾される。これにより、化学物質検出素子の抵抗をセンシングの感度が最適になるようにすることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる。 More preferably, the carbon nanostructure is surface-modified with 0.30 μmol to 0.50 μmol of protein with respect to 1 mg of the carbon nanostructure. As a result, the resistance of the chemical substance detection element can be optimized so that the sensitivity of sensing is optimal, and therefore, the specific substance can be detected with higher selectivity and higher sensitivity.
更に好ましくは、カーボンナノ構造体は、タンパク質が有するカルボン酸又はアミノ基とアミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有し、タンパク質は、アミド結合によってカーボンナノ構造体に表面修飾される。このように、アミド結合を介して表面修飾されることにより、タンパク質は、カーボンナノ構造体表面に強固に固定されるので、長期間に渡って化学物質検出素子の高選択性及び高感度を維持することができる。 More preferably, the carbon nanostructure has an amino group or carboxylic acid for forming an amide bond with the carboxylic acid or amino group of the protein, and the protein is surface-modified to the carbon nanostructure by the amide bond. . In this way, the protein is firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure by being surface-modified through an amide bond, so that the high selectivity and high sensitivity of the chemical substance detection element are maintained over a long period of time. can do.
更に好ましくは、特定物質は、一酸化窒素である。これにより、一酸化窒素を高選択的かつ高感度に検出できる。また、一酸化窒素を二酸化窒素へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質検出素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。 More preferably, the specific substance is nitric oxide. Thereby, nitric oxide can be detected with high selectivity and high sensitivity. Moreover, since it can detect directly, without converting nitric oxide into nitrogen dioxide, the structure and process which are required for conversion, and the structure and process which are required for the pre-processing accompanying conversion can be omitted. Therefore, it is possible to reduce the size of the chemical substance detection element and shorten the measurement time.
更に好ましくは、タンパク質は、ニトリルヒドラターゼを含む。ニトリルヒドラターゼは、微生物から単離可能であり、かつ、大気中で使用可能であるため取扱いが容易なタンパク質である。したがって、化学物質検出素子の利便性をより一層向上させることができる。 More preferably, the protein comprises nitrile hydratase. Nitrile hydratase is a protein that can be isolated from microorganisms and easy to handle because it can be used in the atmosphere. Therefore, the convenience of the chemical substance detection element can be further improved.
更に好ましくは、ニトリルヒドラターゼは、鉄型ニトリルヒドラターゼである。これにより、光応答性を利用して化学物質検出素子の再生処理を行なうことが可能になるので、長期間に渡って化学物質検出素子の高選択性及び高感度を維持することができる。 More preferably, the nitrile hydratase is an iron-type nitrile hydratase. This makes it possible to regenerate the chemical substance detection element using photoresponsiveness, so that the high selectivity and high sensitivity of the chemical substance detection element can be maintained over a long period of time.
本発明の第2の局面に係る化学物質検出装置は、上述の化学物質検出素子と、化学物質検出素子に電気的に接続され、化学物質検出素子の電気抵抗の変化を検出するための検出手段とを含む。このように、化学物質検出装置は上述の化学物質検出素子を含むので、特定物質を高選択的かつ高感度に検出でき、更に装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。 A chemical substance detection apparatus according to a second aspect of the present invention includes the above-described chemical substance detection element, and a detection unit that is electrically connected to the chemical substance detection element and detects a change in electrical resistance of the chemical substance detection element. Including. As described above, since the chemical substance detection apparatus includes the above-described chemical substance detection element, the specific substance can be detected with high selectivity and high sensitivity, and further downsizing of the apparatus and shortening of the measurement time can be achieved.
本発明の第3の局面に係る化学物質検出素子の製造方法は、第1のステップにおいて、特定物質と選択的に反応するタンパク質と、カルボン酸とアミノ基とを縮合させてアミド結合を形成するための縮合剤と、溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製し、第2のステップにおいて、調整した表面修飾用溶液に対し、アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射することによって、タンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を作製する。 In the method for producing a chemical substance detection element according to the third aspect of the present invention, in the first step, a protein that selectively reacts with a specific substance, a carboxylic acid, and an amino group are condensed to form an amide bond. A carbon nanostructure having an amino group or a carboxylic acid for forming an amide bond with the surface modification solution prepared in the second step by preparing a surface modification solution containing a condensing agent and a solvent After the body is put in, a carbon nanostructure whose surface is modified with protein is produced by irradiating ultrasonic waves.
このように、超音波を用いることでアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体を表面修飾用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面をタンパク質によって均一に修飾できる。したがって、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質検出素子を製造することができる。また、タンパク質はアミド結合によってカーボンナノ構造体に表面修飾されるので、タンパク質をカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な化学物質検出素子を製造することができる。 Thus, since the carbon nanostructure having an amino group or carboxylic acid can be uniformly dispersed in the surface modification solution by using ultrasonic waves, the surface of the carbon nanostructure can be uniformly modified with protein. Therefore, a chemical substance detection element capable of detecting a specific substance with higher selectivity and sensitivity can be manufactured. In addition, since the surface of the protein is modified to the carbon nanostructure by an amide bond, the protein can be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Therefore, a chemical substance detection element capable of maintaining high selectivity and high sensitivity over a long period can be manufactured.
好ましくは、第1のステップにおいて、表面修飾用溶液中を塩基性条件にするための塩基を更に含む表面修飾用溶液を調製する。これにより、アミド結合の形成反応をより一層促進することができるので、タンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体をより一層容易に作製することができる。 Preferably, in the first step, a surface modifying solution further containing a base for making the surface modifying solution into a basic condition is prepared. As a result, the amide bond formation reaction can be further promoted, so that a carbon nanostructure having a surface modified with a protein can be more easily produced.
より好ましくは、化学物質検出素子の製造方法は、タンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含むシート状の基体を作製する第3のステップを更に含む。これにより、タンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を、特定物質に対して均一な状態で反応させることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質検出素子を製造することができる。 More preferably, the method for producing a chemical substance detection element further includes a third step of producing a sheet-like substrate including carbon nanostructures surface-modified with proteins. As a result, carbon nanostructures surface-modified with proteins can be reacted in a uniform state with a specific substance, so that a specific substance can be detected with higher selectivity and sensitivity. A detection element can be manufactured.
更に好ましくは、第3のステップは、タンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体が分散された分散液を調製するステップと、分散液をろ過するステップとを含む。これにより、均一に表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む基体を、均一な厚みで、かつ短時間で形成することができる。 More preferably, the third step includes a step of preparing a dispersion in which carbon nanostructures surface-modified with proteins are dispersed, and a step of filtering the dispersion. Thereby, the base | substrate containing the carbon nanostructure by which the surface modification was uniformly performed can be formed in uniform thickness and for a short time.
本発明によれば、化学物質検出素子は、特定物質と選択的に反応するタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む。これにより、特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質検出素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。 According to the present invention, the chemical substance detection element includes a carbon nanostructure surface-modified with a protein that selectively reacts with a specific substance. Thereby, a specific substance can be detected with high selectivity and high sensitivity. In addition, since the specific substance can be directly detected without being converted into another substance, it is possible to omit the configuration and process required for the conversion and the configuration and process required for the pretreatment accompanying the conversion. Therefore, it is possible to reduce the size of the chemical substance detection element and shorten the measurement time.
以下の説明及び図面においては、同一の部品には同一の参照符号及び名称を付してある。それらの機能も同様である。したがって、それらについての詳細な説明をその都度繰返すことはしない。 In the following description and drawings, the same reference numerals and names are assigned to the same components. Their functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated each time.
−構成−
図1は、本発明の一実施の形態に係る化学物質検出素子32を含む化学物質検出装置20の構成図である。図1を参照して、化学物質検出装置20は、直流電源30と、直流電源30のプラス端子に一端が接続された、本実施の形態に係る化学物質検出素子32と、化学物質検出素子32の他端と直流電源30のマイナス端子との間に接続された負荷抵抗34と、化学物質検出素子32と負荷抵抗34との間の接点に入力が接続され、この接点の電位変化を増幅するための増幅器36とを含む。化学物質の検出時には、この電位変化を測定するために、増幅器36の他方の端子に直流電圧計(図示せず。)が接続される。
−Configuration−
FIG. 1 is a configuration diagram of a chemical
図2は、化学物質検出素子32の構成を示す図であり、図2(A)は側面図であり、図2(B)は上面図である。図2を参照して、化学物質検出素子32は、後述する、特定物質と選択的に反応するタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質検出部42と、化学物質検出部42の両端に配置される電極44及び電極46と、これらが表面に設置される基板48とを含む。
2A and 2B are diagrams showing the configuration of the chemical
以下、化学物質検出素子32を構成する化学物質検出部42、電極44及び電極46、並びに、基板48について詳細に説明する。
Hereinafter, the chemical
[化学物質検出部42]
化学物質検出部42は、特定物質と選択的に反応するタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる。カーボンナノ構造体の表面に化学物質が付着すると、電子移動が起こり起電力が発生する。言い換えれば、カーボンナノ構造体の2点間に電位差又は電気抵抗の変化が生じる。この電気抵抗の変化を検出すれば、化学物質の検出(センシング)が可能となる。また、ある特定物質と選択的に反応するタンパク質によりカーボンナノ構造体の表面を修飾すると、上述の電気抵抗の変化は、表面に修飾されたタンパク質の挙動に連動するようになるので、特定物質のみを検出できる化学物質検出素子32を得ることができる。このように、化学物質検出部42として、導電性を有するカーボンナノ構造体に、上述のタンパク質が表面修飾されたものを使用するので、その導電性の変化、すなわち抵抗の変化を測定することで特定物質の検出が可能になる。したがって、上述のタンパク質を含む電解液の電気化学的挙動の変化を利用する化学物質検出素子等と比較して、電解質等の構成を設ける必要がないため、より一層化学物質検出素子32の小型化を達成できる。
[Chemical substance detection unit 42]
The chemical
タンパク質としては、特定物質と選択的に反応するものであれば特に限定されない。例えば、酵素等の触媒タンパク質、輸送タンパク質、又は、抗体等の防御タンパク質等を使用できるが、特定気体分子を高選択的に認識可能である点から、気体分子センサータンパク質を使用することが好ましい。テーブル2に、代表的な気体分子センサータンパク質を示す。 The protein is not particularly limited as long as it reacts selectively with a specific substance. For example, a catalytic protein such as an enzyme, a transport protein, a protective protein such as an antibody, and the like can be used. However, it is preferable to use a gas molecule sensor protein because specific gas molecules can be recognized with high selectivity. Table 2 shows typical gas molecule sensor proteins.
テーブル2を参照して、気体分子センサータンパク質としては、例えば、一酸化窒素(NO)と選択的に反応するニトリルヒドラターゼ(NHase)及びsGC、一酸化炭素(CO)と選択的に反応するCooA及びNPAS2、並びに、酸素(O2)と選択的に反応するFixL、DOS及びHemAT等がある。これらの中でも、微生物から単離可能であり、かつ、大気中で使用可能であるため取扱いが容易な点から、ニトリルヒドラターゼ(NHase)を使用することが特に好ましい。これにより、化学物質検出素子32の利便性をより一層向上させることができる。
Referring to Table 2, examples of gas molecular sensor proteins include nitrile hydratase (NHase) and sGC that selectively react with nitric oxide (NO), and CooA that selectively reacts with carbon monoxide (CO). And NPAS2, as well as FixL, DOS and HemAT, which react selectively with oxygen (O 2 ). Among these, it is particularly preferable to use nitrile hydratase (NHase) because it can be isolated from microorganisms and can be used in the atmosphere, so that it is easy to handle. Thereby, the convenience of the chemical
以下、ニトリルヒドラターゼ(NHase)について詳細に説明する。 Hereinafter, nitrile hydratase (NHase) will be described in detail.
ニトリルヒドラターゼ(NHase)は、種々の放線菌及びPseudomonas属等の細菌に存在する酵素であって、ニトリル化合物のアミド化合物への加水分解反応を触媒する。ニトリルヒドラターゼ(NHase)は、三価の鉄原子(Fe(III))又は三価のコバルト原子(Co(III))を活性中心に有し、この活性中心に対して、セリン、システインスルフィン酸、及び、システインスルフェン酸の3つのアミノ酸が配位する構造を有する。すなわち、セリン、システインスルフィン酸、及び、システインスルフェン酸における3つのシステイン残基のチオール性硫黄原子(S)と、セリン及びシステインスルフェン酸における2つの主鎖アミド性窒素原子(N)が配位子として作用している。ここで、チオール性硫黄原子とは、チオール基(−SH)からプロトン(H)を除いた基を構成する硫黄原子、すなわち、−S−で表される基を構成する硫黄原子のことを示す。アミド性窒素原子(N)とは、カルボニルとアミンとにより構成される二級アミド基(−CONH−)からプロトン(H)を除いた基を構成する窒素原子、すなわち、−CON−−で表される基を構成する窒素原子のことを示す。配位子は、それぞれが有する非共有電子対を活性中心に対して供与する電子対供与体である。 Nitrile hydratase (NHase) is an enzyme present in various actinomycetes and bacteria such as Pseudomonas, and catalyzes a hydrolysis reaction of a nitrile compound to an amide compound. Nitrile hydratase (NHase) has a trivalent iron atom (Fe (III)) or a trivalent cobalt atom (Co (III)) as an active center, and serine, cysteine sulfinic acid with respect to this active center. And a structure in which three amino acids of cysteine sulfenic acid are coordinated. That is, a thiol sulfur atom (S) of three cysteine residues in serine, cysteine sulfinic acid, and cysteine sulfenic acid, and two main-chain amido nitrogen atoms (N) in serine and cysteine sulfenic acid are arranged. Acts as a ligand. Here, the thiol sulfur atom, a sulfur atom constituting a group formed by removing a proton (H) from a thiol group (-SH), i.e., -S - indicates that the sulfur atom constituting a group represented by . The amido nitrogen atom (N) is a nitrogen atom constituting a group obtained by removing a proton (H) from a secondary amide group (—CONH—) composed of carbonyl and amine, that is, represented by —CON − —. Represents a nitrogen atom constituting the group. The ligand is an electron pair donor that donates an unshared electron pair of each ligand to the active center.
ニトリルヒドラターゼ(NHase)において、三価の鉄原子(Fe(III))又は三価のコバルト原子(Co(III))は一酸化窒素(NO)と結合し、更に、セリン、システインスルフィン酸、及び、システインスルフェン酸における3つの酸素原子は一酸化窒素(NO)を保持する機能を有する。したがって、ニトリルヒドラターゼ(NHase)は、一酸化窒素分子(NO)と選択的に反応する性質、すなわち、一酸化窒素分子(NO)に対する反応性に比べて、他の化学種に対する反応性が著しく低い性質を有する。そのため、他の化学種はニトリルヒドラターゼ(NHase)と反応しにくい。このような、一酸化窒素(NO)と選択的に反応するタンパク質であるニトリルヒドラターゼ(NHase)により表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質検出部42は、一酸化窒素(NO)を高選択的かつ高感度に検出できる。また、一酸化窒素を二酸化窒素へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質検出素子32の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。
In nitrile hydratase (NHase), a trivalent iron atom (Fe (III)) or a trivalent cobalt atom (Co (III)) is bonded to nitric oxide (NO), and further serine, cysteine sulfinic acid, And three oxygen atoms in cysteine sulfenic acid have a function of holding nitric oxide (NO). Therefore, nitrile hydratase (NHase) reacts selectively with nitric oxide molecules (NO), that is, has a significantly higher reactivity with other chemical species than with nitric oxide molecules (NO). It has low properties. Therefore, other chemical species are difficult to react with nitrile hydratase (NHase). The chemical
以下、活性中心に鉄原子を有するものを鉄型ニトリルヒドラターゼと呼び、コバルト原子を有するものをコバルト型ニトリルヒドラターゼと呼ぶ。鉄型ニトリルヒドラターゼは、一酸化窒素(NO)に対する光応答性を示す。すなわち、暗条件下では、三価の鉄原子(Fe(III))と一酸化窒素(NO)とが結合するとともに、セリン、システインスルフィン酸、及び、システインスルフェン酸における3つの酸素原子が一酸化窒素(NO)を保持し、触媒作用を示さない不活性型となる。これに対し、明条件下では、不活性型において保持していた一酸化窒素(NO)を解離して放出し、触媒作用を示す活性型となる。このような鉄型ニトリルヒドラターゼ(NHase)により表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質検出部42は、光応答性を利用して化学物質検出部42の再生処理を行なうことが可能になるので、長期間に渡って化学物質検出素子32の高選択性及び高感度を維持することができる。
Hereinafter, those having an iron atom at the active center are referred to as iron-type nitrile hydratase, and those having a cobalt atom are referred to as cobalt-type nitrile hydratase. Iron-type nitrile hydratase exhibits photoresponsiveness to nitric oxide (NO). That is, under dark conditions, a trivalent iron atom (Fe (III)) and nitric oxide (NO) are bonded, and three oxygen atoms in serine, cysteine sulfinic acid, and cysteine sulfenic acid are one. Nitrogen oxide (NO) is retained, and it becomes an inactive type that does not exhibit catalytic action. On the other hand, under bright conditions, nitric oxide (NO) retained in the inactive type is dissociated and released to become an active type that exhibits catalytic action. The chemical
カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びフラーレンからなるグループから選択される炭素系導電性材料からなることが好ましく、更にはCNTからなることが好ましい。このようなカーボンナノ構造体は、従来の方法を用いて生成したものを使用できる。また、不純物除去のために塩酸により処理されたものを使用することもできる。上述のグループから選択されるカーボンナノ構造体は、その形状がナノオーダーの微細構造であることから、応答性及び検出下限が大幅に向上する。すなわち、化学物質がカーボンナノ構造体表面に付着してからカーボンナノ構造体の電気抵抗変化が発生するまでの時間は、カーボンナノ構造体の導電性及びナノ構造に起因して非常に短くなる。また、カーボンナノ構造体における、表面積が大きいという特徴点、及び、全ての構成原子が表面を構成しているという特徴点に起因して、化学物質による付着の影響が電気抵抗に反映される際の電子散乱等による損失が非常に小さくなる。したがって、上述のグループから選択されるカーボンナノ構造体は、従来の化学物質検出素子では困難であった、ppbオーダー程度の微量の特定物質、例えば、一酸化窒素(NO)の存在確認が可能になる。カーボンナノ構造体がカーボンナノチューブからなる場合には、上述の効果がより顕著に発現する。このように、ppbオーダーの微量の特定物質を検出できるようになることで、呼気中のマーカ等の測定が可能な化学物質検出素子32を得ることができる。したがって、手軽に個人の健康状態を把握することができるようになる。
The carbon nanostructure is preferably made of a carbon-based conductive material selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes, and more preferably made of CNTs. Such carbon nanostructures can be produced using conventional methods. Moreover, what was processed with hydrochloric acid for impurity removal can also be used. Since the carbon nanostructure selected from the above group is a nano-order fine structure, the responsiveness and the lower detection limit are greatly improved. That is, the time from when the chemical substance adheres to the surface of the carbon nanostructure until the change in electric resistance of the carbon nanostructure occurs is very short due to the conductivity and nanostructure of the carbon nanostructure. In addition, due to the feature point that the surface area of carbon nanostructure is large and the feature point that all the constituent atoms constitute the surface, the influence of adhesion by chemical substances is reflected in the electrical resistance. Loss due to electron scattering is extremely small. Therefore, the carbon nanostructure selected from the above group can confirm the presence of a small amount of a specific substance of the order of ppb, for example, nitric oxide (NO), which has been difficult with a conventional chemical substance detection element. Become. In the case where the carbon nanostructure is composed of carbon nanotubes, the above-described effects are more remarkably exhibited. In this way, by detecting a small amount of a specific substance in the order of ppb, it is possible to obtain the chemical
カーボンナノ構造体は、カーボンナノ構造体1mgに対して、0.30μmol〜0.50μmolのタンパク質により表面修飾されることが好ましい。これにより、化学物質検出素子32の抵抗をセンシングの感度が最適になるようにすることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる。タンパク質の表面修飾量がカーボンナノ構造体1mgに対して0.30μmolより少なくなると、化学物質検出素子32の検出感度が小さくなりすぎ、一酸化窒素(NO)等の特定物質に対する応答が確認できなくなるおそれがある。また、カーボンナノ構造体のみでも化学物質をセンシングすることができるので、特定物質とそれ以外の化学物質との判別が困難になるおそれがある。タンパク質の表面修飾量がカーボンナノ構造体1mgに対して0.50μmolより多くなると、化学物質検出素子32の抵抗値が大きくなりすぎて、化学物質検出素子32から出力される信号の検出が困難になるおそれがある。
The carbon nanostructure is preferably surface-modified with 0.30 μmol to 0.50 μmol of protein with respect to 1 mg of the carbon nanostructure. As a result, the sensitivity of the chemical
カーボンナノ構造体は、タンパク質が有するカルボン酸又はアミノ基とアミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有し、タンパク質は、タンパク質が有するカルボン酸及びカーボンナノ構造体が有するアミノ基、又は、タンパク質が有するアミノ基及びカーボンナノ構造体が有するカルボン酸が縮合することによって形成されるアミド結合によってカーボンナノ構造体に表面修飾されることが好ましい。このように、アミド結合を介して表面修飾されることにより、タンパク質は、カーボンナノ構造体表面に強固に固定されるので、長期間に渡って化学物質検出素子32の高選択性及び高感度を維持することができる。
The carbon nanostructure has an amino group or carboxylic acid for forming an amide bond with the carboxylic acid or amino group of the protein, and the protein has an amino group of the carboxylic acid and the carbon nanostructure of the protein, or The carbon nanostructure is preferably surface-modified by an amide bond formed by the condensation of the amino group of the protein and the carboxylic acid of the carbon nanostructure. As described above, since the surface is modified through the amide bond, the protein is firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure, so that the chemical
カーボンナノ構造体に対するアミノ基又はカルボン酸の導入量は、カーボンナノ構造体1gに対して、0.30mmol〜0.50mmolであることが好ましい。これにより、カーボンナノ構造体に対するタンパク質の表面修飾量を上述の好ましい範囲内になるように調整することができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる。カーボンナノ構造体に対するアミノ基の導入量は、kaiser test又はピクリン酸試験等によって求めることができる。カーボンナノ構造体に対するカルボン酸の導入量は、当該分野において一般的に使用される試験方法によって求めることができる。カーボンナノ構造体に対するアミノ基又はカルボン酸の導入方法及びアミド結合の形成方法については、後述する。 The amount of amino group or carboxylic acid introduced into the carbon nanostructure is preferably 0.30 mmol to 0.50 mmol with respect to 1 g of the carbon nanostructure. Thereby, since the surface modification amount of the protein with respect to the carbon nanostructure can be adjusted to be within the above-mentioned preferable range, the specific substance can be detected with higher selectivity and sensitivity. The amount of amino group introduced into the carbon nanostructure can be determined by a kaiser test or a picric acid test. The amount of carboxylic acid introduced into the carbon nanostructure can be determined by a test method generally used in the art. A method for introducing an amino group or a carboxylic acid and a method for forming an amide bond to the carbon nanostructure will be described later.
[電極44及び電極46]
電極44及び電極46の構成材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、タングステン又はそれらの合金等からなるものを使用できる。電極44と電極46との電極間距離としては、特定物質のセンシングが可能な距離であれば特に限定されるものではないが、1.0cm〜2.0cmであることが好ましい。電極44及び電極46は、蒸着法又は導電性ペーストを塗布する方法等の公知の方法によって、化学物質検出部42上に形成できる。
[
The constituent materials of the
[基板48]
基板48の構成材料としては、絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではないが、シリコン、石英、ガラス、又は、フッ素樹脂等の高分子材料からなるものを使用できる。基板48の厚みとしては、適度な機械的強度を有するものであれば特に限定されるものではないが、100μm〜1000μmであることが好ましい。基板48としては、テフロン(登録商標)製のメンブレンフィルタ(例えば、市販品(商品名:OMNIPORETM MEMBRANE FILTERS 0.2μm(孔径) JG、MILLIPORE社製)等)を使用することが好ましい。
[Substrate 48]
The constituent material of the
−化学物質検出素子32の製造方法−
以下、化学物質検出素子32の製造方法について説明する。図3(A)〜図3(D)は、化学物質検出部42の製造方法の一例を説明するための図である。化学物質検出部42の製造方法の一例は、図3(A)〜図3(D)の順に進行する、後述する第1のステップ〜第3のステップを含む。
-Manufacturing Method of Chemical Substance Detection Element 32-
Hereinafter, a method for manufacturing the chemical
図3(A)及び図3(B)を参照して、第1のステップでは、特定物質と選択的に反応する上述のタンパク質と、カルボン酸とアミノ基とを縮合させてアミド結合を形成するための縮合剤と、溶剤とを含む表面修飾用溶液50を調製し、第2のステップでは、調製した表面修飾用溶液50に対し、アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体52を投入した後、超音波54を照射する。この第1のステップ及び第2のステップによって、上述のタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体(以下、「表面修飾カーボンナノ構造体」と記す。)を作製できる。このように、超音波照射を用いて表面修飾を行なう方法を、以下、超音波修飾法と呼ぶ。
Referring to FIGS. 3A and 3B, in the first step, the above-mentioned protein that selectively reacts with a specific substance, a carboxylic acid and an amino group are condensed to form an amide bond. The
縮合剤としては、ペプチド合成等のアミド結合形成反応においてカップリング剤として一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、1−ヒドロキシベンゾトリアゾール(HOBt)等のN−ヒドロキシベンゾトリアゾール類、ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)等のカルボジイミド類、O−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウムテトラフルオロボレート(TBTU)等のBOP試薬、及び、O−(7−アザベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロフォスフェート(HATU)等からなるグループから選択されるものを使用できる。これらの中でも、取扱いの容易さ及び安全性の点から、HATUを使用することが好ましい。縮合剤の含有量としては、当該分野において一般的に使用される量であれば特に限定されないが、例えば、アミド結合を形成するための所望のカルボン酸1molに対して、1mol〜1.5molであることが好ましい。 The condensing agent is not particularly limited as long as it is generally used as a coupling agent in an amide bond forming reaction such as peptide synthesis. For example, N-hydroxybenzotriazole such as 1-hydroxybenzotriazole (HOBt) is used. , Carbodiimides such as dicyclohexylcarbodiimide (DCC), BOP reagents such as O- (benzotriazol-1-yl) -N, N, N ′, N′-tetramethyluronium tetrafluoroborate (TBTU), and Those selected from the group consisting of O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -N, N, N ′, N′-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HATU) and the like can be used. Among these, it is preferable to use HATU from the viewpoint of easy handling and safety. The content of the condensing agent is not particularly limited as long as it is an amount generally used in the art, but for example, 1 mol to 1.5 mol with respect to 1 mol of a desired carboxylic acid for forming an amide bond. Preferably there is.
溶剤としては、タンパク質及び縮合剤等の、表面修飾用溶液50の含有物を可溶であり、かつ、アミド結合形成反応を阻害しないものであれば特に限定されないが、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)又はテトラヒドロフラン(THF)等を使用できる。これらの中でも、アミドの加水分解を抑えるために、脱水されたものを使用することが好ましく、更には、溶解性に優れる点から、脱水DMFを使用することが好ましい。表面修飾用溶液50に使用する溶剤の量は、分散させるカーボンナノ構造体52の使用量に応じて、適宜設定されればよい。
The solvent is not particularly limited as long as it is soluble in the contents of the
表面修飾用溶液50は、必要に応じて塩基を含むことが好ましい。塩基としては、ペプチド合成において反応系内を塩基性条件にするために一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、N,N−ジイソプロピルエチルアミン(DIEA)等を使用できる。これらの中でも、副反応の発生を抑えて縮合反応を円滑に進めることができる点から、嵩高い置換基を有し求核性の低いDIEAを使用することが好ましい。このように、表面修飾用溶液50が、表面修飾用溶液50中を塩基性条件にするための塩基を更に含むことより、アミド結合の形成反応をより一層促進することができるので、表面修飾カーボンナノ構造体をより一層容易に作製することができる。塩基の含有量としては、当該分野において一般的に使用される量であれば特に限定されないが、例えば、カーボンナノ構造体であるカーボンナノチューブに対して導入されるアミノ基1molに対して、10mol〜13molであることが好ましい。
The
本製造例において、カーボンナノ構造体は、タンパク質が有するカルボン酸又はアミノ基とアミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有する。すなわち、アミド結合は、タンパク質が有するカルボン酸及びカーボンナノ構造体が有するアミノ基、又は、タンパク質が有するアミノ基及びカーボンナノ構造体が有するカルボン酸が縮合することによって形成される。したがって、カーボンナノ構造体がアミノ基を有する場合には、タンパク質が有する全てのアミノ基、及び、アミド結合を形成するための所望のカルボン酸以外のカルボン酸は、縮合反応前に保護基によって保護されることが好ましい。また、カーボンナノ構造体がカルボン酸を有する場合には、タンパク質が有する全てのカルボン酸、及び、アミド結合を形成するための所望のアミノ基以外のアミノ基は、縮合反応前に保護基によって保護されることが好ましい。 In this production example, the carbon nanostructure has an amino group or carboxylic acid for forming an amide bond with the carboxylic acid or amino group of the protein. That is, the amide bond is formed by the condensation of the carboxylic acid that the protein has and the amino group that the carbon nanostructure has, or the amino group that the protein has and the carboxylic acid that the carbon nanostructure has. Therefore, when the carbon nanostructure has an amino group, all amino groups of the protein and carboxylic acids other than the desired carboxylic acid for forming an amide bond are protected with a protecting group before the condensation reaction. It is preferred that In addition, when the carbon nanostructure has a carboxylic acid, all carboxylic acids in the protein and amino groups other than the desired amino group for forming an amide bond are protected by a protecting group before the condensation reaction. It is preferred that
アミノ基の保護基としては、当該分野において一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、t−ブトキシカルボニル(Boc)基、9−フルオレニルメチルオキシカルボニル(Fmoc)基、ベンジルオキシカルボニル(Cbz)基、又は、アリルオキシカルボニル(Aloc)基等を使用できる。これらの中でも、トリフルオロ酢酸等により容易に脱保護可能である点からt−ブトキシカルボニル(Boc)基を使用することが好ましい。カルボン酸の保護基としては、当該分野において一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、ベンジルエステル(Bzl)基、アルキニルメチル基、又は、t−ブチルエステル基等を使用できる。これらの保護基は、所望のアミド結合が形成された後、対応する脱保護条件下において適宜脱保護されることが好ましい。 The amino-protecting group is not particularly limited as long as it is generally used in the art, and examples thereof include a t-butoxycarbonyl (Boc) group, a 9-fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) group, A benzyloxycarbonyl (Cbz) group or an allyloxycarbonyl (Aloc) group can be used. Among these, it is preferable to use a t-butoxycarbonyl (Boc) group because it can be easily deprotected with trifluoroacetic acid or the like. The protecting group for the carboxylic acid is not particularly limited as long as it is generally used in the art, and for example, a benzyl ester (Bzl) group, an alkynylmethyl group, or a t-butyl ester group can be used. . These protective groups are preferably appropriately deprotected under the corresponding deprotection conditions after the desired amide bond is formed.
アミノ基又はカルボン酸は、カーボンナノ構造体表面に直接導入されてもよいし、例えば、エチレン基等のアルキレン基等を介して導入されてもよい。カーボンナノ構造体に対するアミノ基又はカルボン酸の導入方法としては、当該分野において一般的に使用される方法であれば特に限定されない。例えば、カルボン酸を導入する場合には、硫酸:硝酸=3:1の混酸中にカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する方法等がある。アミノ基を導入する場合には、例えば、カーボンナノ構造体の表面に導入されたカルボン酸を、リチウムアルミニウムハイドライド(LAH)等の還元剤によって還元することでアルコールに変換し、更に、ジエチルアゾジカルボキシレート(DEAD)及びトリフェニルホスフィン等を使用した光延反応条件下において、得られたアルコールをフタルイミドに変換した後、トリフルオロ酢酸等によって加水分解する方法等がある。アルキレン基等を介してアミノ基を導入する場合には、カーボンナノ構造体の表面に導入されたカルボン酸とアルキレンジアミンとを縮合剤を用いて縮合させてアミド結合を形成させる方法等がある。カーボンナノ構造体に対してアミノ基又はカルボン酸が導入されたか否かの確認は、X線光電子分光法(XPS(X−ray photoelectron spectroscopy))によって得られるXPSスペクトル、及び、赤外分光法(IR(Infrared spectroscopy))によって得られるIRスペクトル等において、アミノ基由来のピーク又はカルボン酸由来のピークが確認できるか否かに基づいて行なうことができる。 The amino group or carboxylic acid may be introduced directly to the surface of the carbon nanostructure, or may be introduced via, for example, an alkylene group such as an ethylene group. The method for introducing an amino group or carboxylic acid into the carbon nanostructure is not particularly limited as long as it is a method generally used in the art. For example, when introducing a carboxylic acid, there is a method of irradiating ultrasonic waves after putting a carbon nanostructure in a mixed acid of sulfuric acid: nitric acid = 3: 1. In the case of introducing an amino group, for example, the carboxylic acid introduced on the surface of the carbon nanostructure is converted into an alcohol by reduction with a reducing agent such as lithium aluminum hydride (LAH), and further, diethylazodi Under the Mitsunobu reaction conditions using carboxylate (DEAD), triphenylphosphine and the like, there is a method in which the obtained alcohol is converted to phthalimide and then hydrolyzed with trifluoroacetic acid or the like. In the case of introducing an amino group through an alkylene group or the like, there is a method in which an amide bond is formed by condensing a carboxylic acid introduced on the surface of a carbon nanostructure and an alkylene diamine using a condensing agent. Whether or not an amino group or a carboxylic acid has been introduced into the carbon nanostructure is confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)), an XPS spectrum, and infrared spectroscopy ( It can be performed based on whether or not a peak derived from an amino group or a peak derived from a carboxylic acid can be confirmed in an IR spectrum or the like obtained by IR (Infrared spectroscopy).
第2のステップにおいて、照射する超音波54の周波数としては、アミド結合の形成反応を促進可能な程度に適宜設定されればよいが、40kHz〜60kHzであることが好ましい。超音波54を照射する時間としては、タンパク質による表面修飾が確実になされる時間、すなわち、アミド結合の形成反応が確実に完了する時間であれば特に限定されないが、例えば、2時間〜4時間であることが好ましい。超音波54の照射は、一般的に用いられる超音波洗浄器(例えば、市販品(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製))等の超音波発生装置を用いて行なうことができる。 In the second step, the frequency of the ultrasonic wave 54 to be irradiated may be appropriately set to such an extent that the amide bond formation reaction can be promoted, but is preferably 40 kHz to 60 kHz. The time for irradiating the ultrasonic wave 54 is not particularly limited as long as the surface modification by the protein is reliably performed, that is, the time when the formation reaction of the amide bond is surely completed. Preferably there is. Irradiation of the ultrasonic wave 54 uses an ultrasonic generator such as a generally used ultrasonic cleaner (for example, a commercially available product (trade name: Sure Ultrasonic Cleaner CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Co., Ltd.)). Can be done.
上述のようにして作製された表面修飾カーボンナノ構造体は、反応系内から取出された後、洗浄用溶剤で洗浄し、更に、減圧下で一定時間乾燥させることが好ましい。洗浄用溶剤としては、表面修飾用溶液50の含有物等を除去可能なものであれば特に限定されないが、例えば、ジエチルエーテル、メタノール、又は、これらの混合溶剤等を使用できる。減圧条件としては、洗浄用溶剤等が完全に除去できる条件であれば特に限定されるものではないが、1.0×10−6MPa〜1.0×10−5MPaで1時間〜3時間乾燥させることが好ましい。
The surface-modified carbon nanostructure produced as described above is preferably taken out of the reaction system, washed with a washing solvent, and further dried under reduced pressure for a certain time. The cleaning solvent is not particularly limited as long as it can remove the contents of the
このように、化学物質検出部42の製造方法の一例は、第1のステップ及び第2のステップを経て超音波修飾法により表面修飾カーボンナノ構造体を作製する。すなわち、第1のステップにおいて、特定物質と選択的に反応する上述のタンパク質と、カルボン酸とアミノ基とを縮合させてアミド結合を生成するための縮合剤と、溶剤とを含む表面修飾用溶液50を調製し、第2のステップにおいて、調製した表面修飾用溶液50に対し、アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体52を投入した後、超音波54を照射する。このように、超音波54を用いることでアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体52を表面修飾用溶液50に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体52表面をタンパク質により均一に修飾できる。したがって、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質検出素子32を製造することができる。また、タンパク質はアミド結合によってカーボンナノ構造体52に表面修飾されるので、タンパク質をカーボンナノ構造体52表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な化学物質検出素子32を製造することができる。
As described above, in the example of the method for manufacturing the chemical
図3(C)及び図3(D)を参照して、第3のステップでは、第1のステップ及び第2のステップにより作製された表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体56を作製する。この第3のステップは、表面修飾カーボンナノ構造体が分散された分散液58を調製するステップと、分散液58をろ過するステップとを含むことが好ましい。
Referring to FIGS. 3C and 3D, in the third step, a sheet-
分散液58において表面修飾カーボンナノ構造体を分散させるための分散用溶剤としては、表面修飾カーボンナノ構造体を分散できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水、メタノール、エタノール又はジメチルホルムアミド(DMF)等を使用できる。これらの中でも、安全性及びコストの点から水が特に好ましい。このような分散用溶剤を用いて表面修飾カーボンナノ構造体を分散させることにより、均一に表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む基体56を、均一な厚みで形成することができる。表面修飾カーボンナノ構造体が分散しにくい溶剤を分散用溶剤として用いた場合には、表面修飾カーボンナノ構造体が局所的に凝集するために、均一な厚みの基体56が形成されないおそれがある。分散液58に使用する分散用溶剤の量は、分散させる表面修飾カーボンナノ構造体の使用量に応じて、適宜設定されればよい。
The dispersion solvent for dispersing the surface-modified carbon nanostructure in the
ろ過に用いるろ材60としては、絶縁性を有し、かつ適度な機械的強度を有するものであれば特に限定されるものではないが、フッ素樹脂等の高分子材料からなるメンブレンフィルタ、銀メンブレンフィルタ、ガラス繊維ろ紙又はろ紙等を使用できる。これらの中でも、コスト面や取扱いの容易さから、テフロン(登録商標)製のメンブレンフィルタを使用することが特に好ましい。ろ過方法としては、減圧ろ過又は自然ろ過等の一般的な方法を使用できるが、ろ過速度が速く、かつ、均一な厚みの基体56を形成しやすい点から減圧ろ過を使用することが好ましい。自然ろ過を用いる場合には、ろ過速度が遅いため基体56の形成に長時間を要するおそれがあり、また均一な厚みの基体56を形成できないおそれがある。減圧ろ過は、ブフナー漏斗62及び吸引瓶(図示せず。)等からなる減圧ろ過装置を用いて行なうことが好ましく、更には、分散液58をブフナー漏斗62内に注入した後減圧することが好ましい。減圧後に分散液58を注入した場合には、中央部の厚みが他の部分の厚みよりも大きい基体56が形成されてしまうおそれがある。上述のようにして作製された基体56は、乾燥させることが好ましい。なお、基体56は、基板48及び化学物質検出部42からなり、この場合、基板48はろ材60であり、化学物質検出部42はろ材上に残るろ物64である。
The
このように、化学物質検出部42の製造方法の一例は、第3のステップにおいて、表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体56を作製する。これにより、表面修飾カーボンナノ構造体を、特定物質に対して均一な状態で反応させることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質検出素子32を製造することができる。更には、表面修飾カーボンナノ構造体を含む基体56を、表面修飾カーボンナノ構造体が分散された分散液58を調製し、この分散液58を減圧ろ過等によって乾燥させることで作製する。これにより、均一に表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む基体56を、均一な厚みで、かつ短時間で形成することができる。
As described above, in an example of the method for manufacturing the chemical
第3のステップにおいて作製された表面修飾カーボンナノ構造体を含む基体56は、必要に応じて、短冊状等の所望の形状及び所望の大きさになるようにカッティングされる。その後、化学物質検出部42表面の両端部に蒸着法又は導電性ペーストを塗布する方法等の公知の方法によって、所望の電極間距離となるように電極44及び電極46が形成され、これにより、本実施の形態に係る化学物質検出素子32が製造できる。
The
−動作−
図1及び図2を参照して、本実施の形態に係る化学物質検出装置20は以下のように動作する。直流電源30により、化学物質検出素子32と負荷抵抗34とを直列接続したものの両端に一定電圧をかけながら、特定物質を含む測定対象ガスを化学物質検出素子32表面に導入する。化学物質検出素子32に含まれる、化学物質検出部42を構成する表面修飾カーボンナノ構造体の表面に測定対象ガス中の何らかの物質が付着すると、電極44,46間の電気抵抗が変化する。その変化を増幅器36の出力電圧の変化として直流電圧計(図示せず。)により検出する。このように出力電圧変化を知ることによって、測定対象ガス中の何らかの物質の存在を確認することができる。
-Operation-
With reference to FIG.1 and FIG.2, the chemical
これは以下に示す理由による。化学物質検出部42においては、個々のカーボンナノ構造体同士が隣接して互いに接触し合っているので、全体として導電性材料の集合体となっている。このような化学物質検出部42を構成する、個々のカーボンナノ構造体の表面に何らかの物質が付着すると、それぞれの電気抵抗が変化し、それらの総和が出力電圧変化として出力される。したがって、化学物質検出部42の両端の電気抵抗の変化を知ることにより、化学物質検出部42に何らかの物質が付着したことが判るので、測定対象ガス中に何らかの物質が存在することを確認することができる。
This is for the following reason. In the chemical
図4は、ニトリルヒドラターゼ(NHase)72により表面修飾されたカーボンナノ構造体74表面に一酸化窒素(NO)76が吸着する様子を示す図である。図4を参照して、一酸化窒素(NO)76と選択的に反応するタンパク質であるニトリルヒドラターゼ(NHase)72により表面修飾されたカーボンナノ構造体74に一酸化窒素(NO)76が接近すると、ニトリルヒドラターゼ(NHase)72による選択能によって、一酸化窒素(NO)76が選択的にニトリルヒドラターゼ(NHase)72の活性中心78に保持される。このように、カーボンナノ構造体74に表面修飾されたニトリルヒドラターゼ(NHase)72は、一酸化窒素(NO)76を選択的に捕捉するので、一酸化窒素(NO)76が保持されたときとそうでないときとの差が、化学物質検出部42の全体の電気抵抗の変化として顕著に現れる。したがって、化学物質検出部42の電気抵抗の変化を測定することによって、特定物質である一酸化窒素(NO)76の存在の有無、及び、その存在量を他の物質と比較してより高感度に検出することができる。
FIG. 4 is a view showing a state in which nitric oxide (NO) 76 is adsorbed on the surface of the
〈作用・効果〉
本実施の形態によれば、化学物質検出素子32は、特定物質と選択的に反応するタンパク質により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む。これにより、特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質検出素子32の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。
<Action and effect>
According to the present embodiment, the chemical
また本実施の形態によれば、化学物質検出装置20は、化学物質検出素子32と、化学物質検出素子32に電気的に接続され、化学物質検出素子32の電気抵抗の変化を検出するための増幅器36及び直流電圧計とを含む。このように、化学物質検出装置20は化学物質検出素子32を含むので、特定物質を高選択的かつ高感度に検出でき、更に装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。
Further, according to the present embodiment, the chemical
また本実施の形態によれば、化学物質検出素子32の製造方法の一例は、特定物質と選択的に反応するタンパク質と、カルボン酸とアミノ基とを縮合させてアミド結合を形成するための縮合剤と、溶剤とを含む表面修飾用溶液50を調製する第1のステップと、表面修飾用溶液50に対し、アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体52を投入した後、超音波54を照射する第2のステップとを含み、これによって、表面修飾カーボンナノ構造体を作製する。このように、超音波54を用いることでアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体52を表面修飾用溶液50に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体52表面をタンパク質によって均一に修飾できる。したがって、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質検出素子32を製造することができる。また、タンパク質はアミド結合によってカーボンナノ構造体52に表面修飾されるので、タンパク質をカーボンナノ構造体52表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な化学物質検出素子32を製造することができる。
Further, according to the present embodiment, an example of a method for producing the chemical
なお、上記実施の形態では、化学物質検出素子32の製造方法の一例を示したが、本発明はそのような実施の形態に限定されない。例えば、化学物質検出素子32の製造方法の他の一例として、第1のステップにおいて、特定物質と選択的に反応するタンパク質と溶剤とを含む表面修飾溶液を調製し、第2のステップにおいて、調製した表面修飾用溶液に対し、アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体と、カルボン酸とアミノ基とを縮合させてアミド結合を形成するための縮合剤とを投入した後、超音波を照射することで、表面修飾カーボンナノ構造体を作製してもよい。また、第2のステップにおいて、超音波照射を行なわず、攪拌する構成であってもよい。
In the above embodiment, an example of the method for manufacturing the chemical
また、上記実施の形態における化学物質検出素子32の製造方法では、タンパク質はアミド結合によってカーボンナノ構造体52に表面修飾されたが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、タンパク質はカーボンナノ構造体52に物理的に付着することで表面修飾されていてもよい。このような場合には、化学物質検出素子32の製造方法として、未修飾のカーボンナノ構造体に対してタンパク質と溶剤とを含む塗布用溶液を吹付けるスプレー法、未修飾のカーボンナノ構造体を上述の塗布用溶液に浸漬した後引上げるディッピング法、又は、未修飾のカーボンナノ構造体を上述の塗布用溶液に浸漬させる含浸法等を使用することができる。
Moreover, in the method for manufacturing the chemical
以下に上記実施の形態を実施例及び比較例を用いて具体的に説明するが、上記実施の形態はその要旨を超えない限り特に本実施例に限定されるものではない。なお、以下特に断りのない限り、実施例及び比較例において、XPSスペクトルの測定には、X線光電子分光装置(商品名:MICRO LAB 300A、VG SCIENTIFIC社製)を使用し、IRスペクトルの測定には、赤外線分光光度計(商品名:20D FTIR SPECTROMETER、Nicolet社製)を使用し、抵抗値の測定には、抵抗値測定装置(商品名:3468A MULTIMETER、Hewlett−Packard(hp)社製)を使用した。また、表面にアミノ基が導入されたCNT(以下、「アミノ基導入CNT」と記す。)におけるアミノ基導入量は、以下に示すピクリン酸試験によって測定した。 Although the said embodiment is concretely demonstrated using an Example and a comparative example below, the said embodiment is not specifically limited to a present Example, unless the summary is exceeded. Unless otherwise specified, in the examples and comparative examples, an XPS spectrum is measured using an X-ray photoelectron spectrometer (trade name: MICRO LAB 300A, manufactured by VG SCIENTIFIC), and an IR spectrum is measured. Uses an infrared spectrophotometer (trade name: 20D FTIR SPECTROMETER, manufactured by Nicolet), and a resistance value measuring device (trade name: 3468A MULTITIMER, manufactured by Hewlett-Packard (hp)) is used for measuring the resistance value. used. Further, the amount of amino group introduced in the CNT having an amino group introduced on the surface (hereinafter referred to as “amino group-introduced CNT”) was measured by the picric acid test shown below.
〔ピクリン酸試験〕
乾燥したアミノ基導入CNTを専用の容器に投入し、投入したアミノ基導入CNTに対し、N,N−ジイソプロピルエチルアミン(DIEA)の5%ジクロロメタン溶液2mlで4回、ジクロロメタン2mlで4回、ピクリン酸の0.1mol/Lエタノール溶液2mlで4回洗浄する操作をこの順に実施してアミノ基導入CNTのピクリン酸塩を作製した。得られたピクリン酸塩に対し、更にジクロロメタン2mlで4回洗浄して過剰のピクリン酸を除いた。洗浄後のアミノ基導入CNTのピクリン酸塩に対し、DIEAの5%ジクロロメタン溶液2mlで4回、ジクロロメタン2mlで4回洗浄する操作をこの順に実施した。次いで、洗い流されたDIEAのピクリン酸塩が含有される洗浄液16mlを回収し、洗浄液1mlをエタノール9mlにて10倍に希釈してサンプル溶液を調製するとともに、DIEAの5%ジクロロメタン溶液1mlとジクロロメタン1mlとからなる混合溶液のうち1mlをエタノール9mlにて希釈してブランク溶液を調製した。
[Picric acid test]
The dried amino group-introduced CNT is put into a dedicated container, and the added amino group-introduced CNT is 4 times with 2 ml of 5% dichloromethane solution of N, N-diisopropylethylamine (DIEA), 4 times with 2 ml of dichloromethane, and picric acid. An operation of washing 4 times with 2 ml of a 0.1 mol / L ethanol solution in this order was carried out in this order to prepare an amino group-introduced CNT picrate. The resulting picrate was further washed 4 times with 2 ml of dichloromethane to remove excess picric acid. The operation of washing 4 times with 2 ml of a 5% dichloromethane solution of DIEA and 4 times with 2 ml of dichloromethane was performed in this order on the picrate of amino group-introduced CNT after washing. Next, 16 ml of the washing solution containing DIEA picrate washed away was collected, and 1 ml of the washing solution was diluted 10-fold with 9 ml of ethanol to prepare a sample solution, and 1 ml of a 5% dichloromethane solution of DIEA and 1 ml of dichloromethane were prepared. A blank solution was prepared by diluting 1 ml of the mixed solution consisting of the above with 9 ml of ethanol.
ブランク溶液をブランクとして用い、サンプル溶液の358nmにおける吸光度を分光光度計(商品名:日立分光光度計 U−3310、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)にて測定し、下記式(1)に基づいて、アミノ基の導入量X(mol/g)を算出した。
X=(aVn)/(εwL)…(1)
(a:吸光度、V:洗浄液の体積(cm3)、n:希釈率、ε:ピクリン酸のモル吸光係数(ε=14500cm2mol−1)、w:ピクリン酸試験で使用したアミノ基導入CNTの質量(g)、L:セルの長さ(cm))
Using the blank solution as a blank, the absorbance at 358 nm of the sample solution was measured with a spectrophotometer (trade name: Hitachi spectrophotometer U-3310, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and based on the following formula (1), The amino group introduction amount X (mol / g) was calculated.
X = (aVn) / (εwL) (1)
(A: absorbance, V: volume of washing solution (cm 3 ), n: dilution ratio, ε: molar extinction coefficient of picric acid (ε = 14500 cm 2 mol −1 ), w: amino group-introduced CNT used in picric acid test Mass (g), L: cell length (cm))
[化学物質検出素子の製造]
(実施例)
まず、以下のようにして、カーボンナノ構造体であるCNTの表面にカルボン酸を導入した後、アミノ基を導入した。硫酸1.5mLと硝酸0.5mLとからなる混酸に対してSWCNT(商品名:Single−wall nanotube、本荘ケミカル株式会社製)5mgを加えた後、超音波洗浄器(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製)にて46kHzの超音波を5時間照射した。超音波照射後、テフロン(登録商標)製メンブレンフィルタ(商品名:OMNIPORETM MEMBRANE FILTERS 0.2μm(孔径) JG、MILLIPORE社製)を用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物を回収して乾燥させることで、表面にカルボン酸が導入されたCNT(以下「カルボン酸導入CNT」と記す。)を得た。次いで、エチレンジアミン(商品名、和光純薬工業株式会社製)1mLに対して、上述のようにして得られたカルボン酸導入CNT2mgを加えた後、上述の超音波洗浄器にて46kHzの超音波を10分間照射し、エチレンジアミン中におけるカルボン酸導入CNTの分散を確認した。分散の確認後、HATU(縮合剤、シグマアルドリッチ社製)0.1mgを加え、更に4時間超音波を照射した。超音波照射後、メタノールで希釈して上述のテフロン(登録商標)製メンブレンフィルタを用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物をメタノールで洗浄して残存するHATUを除去した。洗浄後のろ物を回収して風乾させた後減圧下9.3×10−6MPaで2時間乾燥させることで、アミノ基導入CNTを得た。なお、得られたアミノ基導入CNTにおいて、XPSスペクトルでは、N1s領域にアミノ基由来のピーク(404eV)を確認するとともに、O1s領域にカルボン酸由来のピーク(533eV)を確認した。IRスペクトルでは、アミノ基由来のピーク(1570cm−1付近、3390cm−1付近)を確認するとともに、カルボニル基由来のピーク(1660cm−1付近)を確認した。また、得られたアミノ基導入CNTにおけるアミノ基導入量は、0.30mmol/g〜0.50mmol/gであった。
[Manufacture of chemical substance detection elements]
(Example)
First, after introducing carboxylic acid on the surface of CNT which is a carbon nanostructure as follows, an amino group was introduced. After adding 5 mg of SWCNT (trade name: Single-wall nanotube, manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) to a mixed acid composed of 1.5 mL of sulfuric acid and 0.5 mL of nitric acid, an ultrasonic cleaner (trade name: Sure ultrasonic cleaning) 46 kHz ultrasonic wave was irradiated for 5 hours with a device CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Manufacturing Co., Ltd. After ultrasonic irradiation, the membrane was filtered using a Teflon (registered trademark) membrane filter (trade name: OMNIPORE ™ MEMBRANE FILTERS 0.2 μm (pore size) JG, manufactured by MILLIPORE) using a vacuum filtration device, and the filtrate was collected. And dried to obtain a CNT having a carboxylic acid introduced on the surface (hereinafter referred to as “carboxylic acid-introduced CNT”). Subsequently, 2 mg of carboxylic acid-introduced CNT obtained as described above was added to 1 mL of ethylenediamine (trade name, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and then the ultrasonic wave of 46 kHz was applied using the ultrasonic cleaner described above. Irradiation was performed for 10 minutes, and dispersion of the carboxylic acid-introduced CNT in ethylenediamine was confirmed. After confirming the dispersion, 0.1 mg of HATU (condensing agent, manufactured by Sigma-Aldrich) was added, and ultrasonic waves were further irradiated for 4 hours. After irradiation with ultrasonic waves, the solution was diluted with methanol and filtered under reduced pressure using the above-mentioned Teflon (registered trademark) membrane filter, and the filtrate was washed with methanol to remove the remaining HATU. The washed filtrate was collected and air-dried, and then dried at 9.3 × 10 −6 MPa under reduced pressure for 2 hours to obtain amino group-introduced CNT. In the obtained amino group-introduced CNT, in the XPS spectrum, an amino group-derived peak (404 eV) was confirmed in the N1s region, and a carboxylic acid-derived peak (533 eV) was confirmed in the O1s region. The IR spectrum (around 1570 cm -1, 3390 cm around -1) peak derived from the amino group reaffirmed confirmed the peak derived from the carbonyl group (1660 cm around -1). Moreover, the amino group introduction amount in the obtained amino group-introduced CNT was 0.30 mmol / g to 0.50 mmol / g.
次いで、以下のようにして、カーボンナノ構造体であるCNTに対するニトリルヒドラターゼ(NHase)の表面修飾を行なった。N末端及び側鎖アミノ基がBoc基によって保護されたニトリルヒドラターゼ(NHase)82.8mg(1.8μmol)と、HATU(縮合剤)0.76mg(2.0μmol)と、DIEA(塩基)1.6mg(12μmol)とを脱水ジメチルホルムアミド(脱水DMF)2mLに溶解して、表面修飾用溶液を調整した。この表面修飾用溶液2mLに対し、上述のようにして得られたアミノ基導入CNT2mgを投入した後、超音波洗浄器(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製)にて46kHzの超音波を2時間照射して、CNTのアミノ基とNHaseのカルボン酸とを縮合させてアミド結合を生成させた。この反応系内に対し、トリフルオロ酢酸0.5mLを加えてBoc基の脱保護を行なった後、反応系内からCNTを取出した。取出したCNTをジエチルエーテル及びメタノールによって洗浄した後、減圧下9.3×10−6MPaで2時間乾燥させることで、ニトリルヒドラターゼ(NHase)が表面修飾されたCNT(以下「表面修飾CNT」と記す。)を得た。 Next, the surface modification of nitrile hydratase (NHase) on the carbon nanostructure CNT was performed as follows. Nitrile hydratase (NHase) 82.8 mg (1.8 μmol), HATU (condensing agent) 0.76 mg (2.0 μmol), DIEA (base) 1 with N-terminal and side chain amino groups protected by a Boc group 6 mg (12 μmol) was dissolved in 2 mL of dehydrated dimethylformamide (dehydrated DMF) to prepare a solution for surface modification. After 2 mg of amino group-introduced CNT obtained as described above was added to 2 mL of this surface modification solution, an ultrasonic cleaner (trade name: Sure Ultrasonic Cleaner CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Co., Ltd.) The amide bond was generated by condensing the CNT amino group and NHase carboxylic acid by irradiating with 46 kHz ultrasonic waves for 2 hours. After deprotecting the Boc group by adding 0.5 mL of trifluoroacetic acid to the reaction system, CNTs were taken out from the reaction system. The extracted CNTs were washed with diethyl ether and methanol, and then dried at 9.3 × 10 −6 MPa under reduced pressure for 2 hours, whereby nitrile hydratase (NHase) was surface-modified (hereinafter “surface-modified CNT”). Was obtained.)
上述のようにして得られた表面修飾CNTを水5mLに分散させた分散液を調製後、この分散液に対して、上述のテフロン(登録商標)製メンブレンフィルタを用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、メンブレンフィルタ上に表面修飾CNTからなるろ物が形成されたシート状の基体を作製し、これを乾燥させた。次いで、得られた基体を短冊状になるようにカッティングし、蒸着法により短冊状の基体の両端部に電極間距離が1.5cmとなるように金電極を形成することで、実施例の化学物質検出素子を作製した。 After preparing a dispersion in which the surface-modified CNT obtained as described above was dispersed in 5 mL of water, the dispersion was subjected to vacuum filtration with a vacuum filtration device using the above-mentioned Teflon (registered trademark) membrane filter. Then, a sheet-like substrate on which a filter made of surface-modified CNTs was formed on a membrane filter was produced, and dried. Next, the obtained substrate is cut into a strip shape, and gold electrodes are formed on both ends of the strip substrate by vapor deposition so that the distance between the electrodes is 1.5 cm. A substance detection element was produced.
(比較例)
ニトリルヒドラターゼ(NHase)による表面修飾を行なわなかった以外は、実施例と同様にして比較例の化学物質検出素子を作製した。
(Comparative example)
A chemical substance detection element of a comparative example was produced in the same manner as in the example except that the surface modification with nitrile hydratase (NHase) was not performed.
[評価]
実施例の化学物質検出素子を採用した化学物質検出装置を、雰囲気が制御できる300cm3のステンレス(Stainless Used Steel:SUS)製チャンバー内に設置した後、ダイヤフラムポンプを用いてチャンバー内を6.65×103Pa程度まで減圧した。次いで、直流電源により化学物質検出素子に対して150μAの電流を流しながら、大気圧(1.01325×105Pa)になるまでチャンバー内に窒素を流通させた。窒素流通開始時から5分後(300秒後)に、大気圧を保ったまま一酸化窒素(NO)濃度1ppmの測定対象ガスを流量50mL/minで10分間(600秒間)流通させた。このときの化学物質検出素子と負荷抵抗との間の接点の電気抵抗変化を増幅器において増幅し、増幅した電気抵抗変化を増幅器の出力電圧の変化として直流電圧計により測定した。なお、測定は、1秒毎の測定間隔で、窒素流通開始後20分間(1200秒間)行なった。上述の操作と同様の操作を比較例の化学物質検出素子を採用した化学物質検出装置についても行なった。その結果を図5に示す。図5は、経過時間に対する化学物質検出素子の抵抗値の変化を示すグラフである。Aは、実施例の結果を示すグラフであり、Bは、比較例の結果を示すグラフである。
[Evaluation]
The chemical substance detection device employing the chemical substance detection element of the example was installed in a 300 cm 3 stainless steel (SUS) chamber capable of controlling the atmosphere, and then the inside of the chamber was 6.65 using a diaphragm pump. The pressure was reduced to about × 10 3 Pa. Next, nitrogen was circulated in the chamber until a atmospheric pressure (1.01325 × 10 5 Pa) was reached while a current of 150 μA was applied to the chemical substance detection element by a direct current power source. Five minutes after the start of nitrogen circulation (after 300 seconds), a measurement target gas having a nitrogen monoxide (NO) concentration of 1 ppm was circulated at a flow rate of 50 mL / min for 10 minutes (600 seconds) while maintaining atmospheric pressure. The change in electrical resistance at the contact point between the chemical substance detection element and the load resistance at this time was amplified in an amplifier, and the amplified change in electrical resistance was measured as a change in the output voltage of the amplifier with a DC voltmeter. The measurement was performed at a measurement interval of 1 second for 20 minutes (1200 seconds) after the start of nitrogen flow. The same operation as described above was also performed for a chemical substance detection apparatus employing the chemical substance detection element of the comparative example. The result is shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing a change in the resistance value of the chemical substance detection element with respect to the elapsed time. A is a graph showing the results of the example, and B is a graph showing the results of the comparative example.
図5を参照して、実施例の化学物質検出素子を採用した化学物質検出装置は、ニトリルヒドラターゼ(NHase)により表面修飾されたCNTの集合体からなる化学物質検出部を含むので、未修飾のCNTの集合体からなる化学物質検出部を含む比較例の化学物質検出装置よりも、高い感度で一酸化窒素(NO)を検出できることが判る。 Referring to FIG. 5, the chemical substance detection apparatus employing the chemical substance detection element of the example includes a chemical substance detection unit composed of an aggregate of CNTs that are surface-modified with nitrile hydratase (NHase), and thus is unmodified. It can be seen that nitric oxide (NO) can be detected with higher sensitivity than the chemical substance detection device of the comparative example including the chemical substance detection unit made of the aggregate of CNTs.
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。 The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are included. Including.
20 化学物質検出装置
30 直流電源
32 化学物質検出素子
34 負荷抵抗
36 増幅器
42 化学物質検出部
44,46 電極
48 基板
50 表面修飾用溶液
52 カーボンナノ構造体
54 超音波
56 基体
58 分散液
60 ろ材
62 ブフナー漏斗
64 ろ物
72 ニトリルヒドラターゼ
74 カーボンナノ構造体
76 一酸化窒素
78 活性中心
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記タンパク質は、前記アミド結合によって前記カーボンナノ構造体に表面修飾されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の化学物質検出素子。 The carbon nanostructure has an amino group or carboxylic acid for forming an amide bond with the carboxylic acid or amino group of the protein,
4. The chemical substance detection element according to claim 1, wherein the protein is surface-modified to the carbon nanostructure by the amide bond. 5.
前記化学物質検出素子に電気的に接続され、前記化学物質検出素子の電気抵抗の変化を検出するための検出手段とを含むことを特徴とする化学物質検出装置。 The chemical substance detection element according to any one of claims 1 to 7,
A chemical substance detection apparatus, comprising: a detecting means which is electrically connected to the chemical substance detection element and detects a change in electric resistance of the chemical substance detection element.
前記表面修飾用溶液に対し、前記アミド結合を形成するためのアミノ基又はカルボン酸を有するカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する第2のステップとを含み、
前記第1のステップ及び前記第2のステップによって、前記タンパク質により表面修飾された前記カーボンナノ構造体を作製することを特徴とする化学物質検出素子の製造方法。 A first step of preparing a solution for surface modification comprising a protein that selectively reacts with a specific substance, a condensing agent for condensing a carboxylic acid and an amino group to form an amide bond, and a solvent;
A second step of irradiating the surface modification solution with ultrasonic waves after introducing a carbon nanostructure having an amino group or carboxylic acid for forming the amide bond;
The method for producing a chemical substance detection element, wherein the carbon nanostructure having a surface modified with the protein is produced by the first step and the second step.
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