JP2000270891A - 光ファイバセンサ型バイオモニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で高感度、取り扱い容易なダイオキシン
等の有害物質のモニタ装置。 【解決手段】 酵素の特定の試験薬に対する蛍光物質代
謝反応を生起せしめるために、試験薬２８を生体内部、
微生物懸濁液若しくはその一部を切り取った試料２６の
測定部位の内部あるいは表面に導く手段と、蛍光物質を
励起する特定の波長を含む光を発生する光源３と、光源
３から試料２６の測定部位の内部あるいは表面に特定の
波長を含む光を導く励起光ガイド用光ファイバ２１と、
蛍光物質から発生する蛍光を導き出す蛍光ガイド用光フ
ァイバ３１と、蛍光ガイド用光ファイバ３１により導か
れた蛍光を抽出分離して計測する光検出機構１１とを有
し、励起光ガイド用光ファイバ射出端２１と蛍光ガイド
用光ファイバ入射端３１とが一体になって試料２６の測
定部位に挿入されるセンサ先端部１を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバセンサ
型バイオモニタ装置に関し、特に、環境ホルモン等の有
害物質を光ファイバを用いてモニタリングする装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】有害物質がチトクロムＰ４５０を誘導す
るという生体反応を環境汚染のバイオマーカーとして利
用する場合、これまでは、チトクロムＰ４５０の検出に
は電気泳動法等の化学的分析法が使われ、また、サンプ
ルを得るために動物から臓器を摘出して測定に供するこ
とが行われていた。つまり、測定は多大な時間と労力を
要するものであり、環境汚染モニタとして一般化できる
手法とは考えられていなかった。

【０００３】一方、ダイオキシン等生体内分泌撹乱物質
（環境ホルモン）の環境汚染が社会的に大きな問題とな
っている。特に、これらの物質による環境汚染は、市民
の健康や農林水産酪農業に大きな打撃を与えており、汚
染状況を把握することが急務となっている。そのため
に、必要な操作が容易で迅速かつ安価なこれらの物質の
モミタ装置が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のこ
のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的
は、安価で高感度、取り扱い容易なダイオキシン等の有
害物質のモニタ装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光ファイバセンサ型バイオモニタ装置は、植物、藻
類、動物、細菌類若しくはカビ等の生体細胞内におい
て、外来有毒物質によりある特定の酵素が誘導若しくは
活性化される状態を検知し、それにより外来有毒物質の
存在をモニタするバイオモニタ装置であって、前記酵素
の特定の試験薬に対する蛍光物質代謝反応を生起せしめ
るために、前記試験薬を生体内部、微生物懸濁液若しく
はその一部を切り取った試料の測定部位の内部あるいは
表面に導く手段と、前記蛍光物質を励起する特定の波長
を含む光を発生する光源と、前記光源から前記試料の測
定部位の内部あるいは表面に前記特定の波長を含む光を
導く励起光ガイド用光ファイバと、前記蛍光物質から発
生する蛍光を導き出す蛍光ガイド用光ファイバと、前記
蛍光ガイド用光ファイバにより導かれた蛍光を抽出分離
して計測する光検出機構とを有し、前記励起光ガイド用
光ファイバ射出端と前記蛍光ガイド用光ファイバ入射端
とが一体になって前記試料の測定部位に挿入可能なセン
サ先端部を構成していることを特徴とするものである。

【０００６】この場合に、センサ先端部に１本若しくは
複数本の光ファイバ、及び、試験薬を試料の測定部位に
注入するための細管が内蔵され、一体に形成されている
ことが望ましい。

【０００７】また、そのセンサ先端部に内蔵された細管
を通して試料の測定部位に試験薬を注入するための試験
液流量を制御できる定量ポンプを備えているようにする
ことが望ましい。

【０００８】なお、外来有毒物質により誘導若しくは活
性化される特定の酵素としてチトクロムＰ４５０を用い
ることが望ましい。

【０００９】本発明においては、酵素の特定の試験薬に
対する蛍光物質代謝反応を生起せしめるために、試験薬
を生体内部、微生物懸濁液若しくはその一部を切り取っ
た試料の測定部位の内部あるいは表面に導く手段と、そ
の蛍光物質を励起する特定の波長を含む光を発生する光
源と、その光源から試料の測定部位の内部あるいは表面
にその特定の波長を含む光を導く励起光ガイド用光ファ
イバと、その蛍光物質から発生する蛍光を導き出す蛍光
ガイド用光ファイバと、その蛍光ガイド用光ファイバに
より導かれた蛍光を抽出分離して計測する光検出機構と
を有し、励起光ガイド用光ファイバ射出端と蛍光ガイド
用光ファイバ入射端とが一体になって試料の測定部位に
挿入可能なセンサ先端部を構成しているので、生体内
部、微生物懸濁液若しくはその一部を切り取った試料の
測定部位に直接センサ先端部を挿入することで測定を可
能とし、取り扱いが容易で迅速に計測できるため、従来
の問題を解決することができる。しかも、光ファイバは
柔軟で細径であるため、測定対象の任意の部位にアクセ
スすることができ、生体等に与えるダメージも小さい等
多くの利点がある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光ファイバセンサ
型バイオモニタ装置の原理と実施形態について説明す
る。

【００１１】有害物質が動植物体内に侵入すると、それ
を代謝排出するため代謝酵素チトクロムＰ４５０が誘導
される。この酵素を光ファイバセンサを用いて検知する
ことにより、外来有害物質の侵入をモニタできる。この
ような測定原理は、バイオセンサと光ファイバセンサと
の２つのこれまで異質と思われていたセンサ技術領域を
結合させたものである。

【００１２】測定原理を説明すると、ダイオキシン等の
有害物質が生体内に侵入すると、代謝酵素チトクロムＰ
４５０が誘導される。これをバイオマーカーとして有害
物質の存在が知れる。

【００１３】本発明はこの酵素を光ファイバセンサによ
り検出して、それにより当該酵素の誘導原因となった有
害物質の存在をモニタリングするものである。その検出
方法を図１及び図２を用いて説明する。試験薬の例とし
て、エトキシレゾルフィンという試験薬を用いる場合に
ついて説明する。このエトキシレゾルフィンは、図１に
示す反応により、チトクロムＰ４５０により選択的に代
謝され、蛍光物質であるレゾルフィンを産生する。

【００１４】図２に示すように、この反応をプローブと
して用いる。すなわち、光ファイバセンサには２つの役
目がある。一つは、蛍光物質レゾルフィンを励起する波
長（λ＝５４３．３５ｎｍ）の光を生体内部に導入する
ことであり、もう一つは、そのレゾルフィンで発生した
蛍光（波長λ＝〜６１０ｎｍ）を体外に取り出すことで
ある。この仕組みで、レゾルフィンからの蛍光が検出で
きれば、（レゾルフィンからの蛍光検出）←（レゾルフ
ィンの発生）←（チトクロムＰ４５０の誘導）←（有害
物質の侵入）というルートを逆に辿って有害物質をモニ
タしたことになる。

【００１５】このような原理の本発明により、次のよう
な社会的効果がもたらされる。

【００１６】農林水産酪農業は食料を生産する重要産業
である。しかし、化学的な面では無防備で環境汚染によ
り大きな打撃を受けている。この状況を打破するには、
科学に裏打ちされた安全な食料の生産という新産業概念
を打ち立てる必要がある。本発明のモニタ装置による環
境汚染の監視は、環境保全、生産物の安全保証に結び付
くものであり、当該産業の新展開に貢献できる。

【００１７】また、環境汚染をこのまま放置しておく
と、国民経済に今後どれほどのデメリットをもたらすか
計り知れない。早期に汚染状況を把握し、対策を立てる
ことは将来において経済効果があることは間違いない。
本発明のモニタ装置の開発は、そのような観点で社会的
に大きな貢献が期待できる。

【００１８】環境汚染は、農林水産酪農業の影響だけで
なく、本質的には社会全体すなわち一般市民の健康の問
題でもある。現在、汚染状況、排出状況等の調査は進ん
でおらず、社会的に大きな混乱を引き起こしている。ま
ず、汚染状況を把握することが必須であり、本発明によ
る環境汚染モニタ装置の開発は市民健康維持の面で大き
な貢献ができる。

【００１９】

【実施例】本発明は、光ファイバセンサ技術と代謝酵素
チトクロムＰ４５０に関する毒性学の知識が融合されて
生み出された新しい計測技術であり、安価で高感度、取
り扱いに容易な環境汚染モニタ装置として応用できる。
図面を参照にして本発明の光ファイバセンサ型バイオモ
ニタ装置の実施例を説明する。

【００２０】図３はその１実施例の構成を示す図であ
り、図中、１は光ファイバセンサ、２は光ファイバセン
サ１を駆動する光源部、１１は光ファイバセンサ１から
の信号を解析する検出部であり、これらは、光ファイバ
２２、２３、２１、３１、３２、３３により図示のよう
に相互に接続されている。

【００２１】小動物２６をバイオマーカーとする場合に
は、図３に示すように、有害物質に曝された試験動物２
６を固定し、マニュピレータ２４に保持された光ファイ
バセンサ１の先端部を肝臓の近傍等生体内部に挿入し、
光ファイバセンサ１の細管４１（図３中の光ファイバセ
ンサ１の先端部分の拡大断面図参照）を通して試験薬２
８を注入しながら蛍光を測定する。この実施例では、２
本の光ファイバ２１、３１を用いている。一方の光ファ
イバ２１から光源部２から励起光を導き、他方の光ファ
イバ３１で蛍光を取り出し、測定部１１へと導く。図３
中に、光ファイバセンサ１の先端部分の拡大断面図を示
してある。細い金属管４２を用い、この内部に励起用光
ファイバ２１、検出用光ファイバ３１、及び、試験薬注
入用細管４１が一体に内蔵されている。

【００２２】試験薬２８は定量ポンプ２９により押し出
され、細管４１を通って試験動物２６の測定部位に注入
される。この定量ポンプ２９は動作の制御が可能となっ
ており、規定量の注入及び一定の流速での試験薬液連続
供給を行うことができるものである。

【００２３】図３には２系統の光源を示してある。一つ
は、汎用の光源で、水銀キセノンアークランプ等の白色
光源３及びモノクロメーター４により構成されており、
モノクロメータ４により励起に必要な任意の波長の光を
選択して取り出すことができる。光ファイバ２２はこの
光源を使う場合の配線である。他の一つは、単一の波長
を扱う光源で、レーザ５及び光学フィルタ６により構成
されている。光ファイバ２３はこの光源を使う場合の配
線である。

【００２４】蛍光の検出部１１においても２系統の検出
法が示されている。一つは、スペクトラムアナライザ１
２を用いるものである。この場合には、光ファイバ３２
の配線となる。スペクトラムアナライザ１２の表示か
ら、蛍光の波長パワー分布を計測することができる。他
の一つは、波長選択用光学フィルタ１３、光パワーディ
テクタ１４及び光パワー表示器１５を用いるもので、こ
の場合には、光ファイバ３３の経路をとる。この方法で
は、光学フィルタ１３により選択された単一の波長の蛍
光の強度変化を実時間で計測することが可能である。

【００２５】図４は１本の光ファイバによりセンサを構
成する場合を示す図で、励起用光ファイバ１０１と検出
用光ファイバ１０２を光ファイバ方向性結合器１０３に
より結合して１本の光ファイバ１０４となし、その光フ
ァイバ１０４により光ファイバセンサ１０５を構成して
いる。励起光は光ファイバ１０１から導入され、結合器
１０３により光ファイバ１０４へと結合する。一方、蛍
光は光ファイバ１０４により検出されるが、結合器１０
３によって光ファイバ１０２へと結合されるので、その
光ファイバ１０２から蛍光を取り出すことができる。こ
の方法によれば、検出効率は２本で構成したものに比べ
て約１／４となるが、より細径なセンサヘッドを作製す
ることができる利点がある。

【００２６】植物をバイオマーカーとする場合の実施例
を図５に示す。バイオマーカーとしての植物６０３をモ
ニタしようとする環境汚染物質６００に暴露するように
植え付け、センサヘッド６０１を図示のようにその植物
６０３の内部に挿入し、これを光源及び検出部を内蔵し
たモニタシステム６０２に接続し、一定量の試験薬を連
続的に定量ポンプにより送り込みながら計測を行う。モ
ニタの対象が土壌の場合はこの方式が適している。ま
た、モニタ対象が水質の場合には、植物６０３を試験す
べき水により水耕栽培しながら、同様にして計測を行
う。

【００２７】図６はカビ若しくは細菌をバイオマーカー
として用いる場合で、モニタする対象が水等の場合は、
バイオセンサを測定対象液に懸濁して用いる。光ファイ
バセンサ７０１を懸濁液７０２に投入し、さらに試験薬
を懸濁液７０２に投入して同様に蛍光を測定する。

【００２８】以上、本発明の光ファイバセンサ型バイオ
モニタ装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明
はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
また、外来有毒物質により誘導若しくは活性化される酵
素として、チトクロムＰ４５０に含まれるより具体的な
酵素に注目して、以下の表のような反応試験薬を用い、
それに対する励起波長、蛍光波長を利用するようにする
こともできる。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光ファイバセンサ型バイオモニタ装置によると、生体
内部、微生物懸濁液若しくはその一部を切り取った試料
の測定部位に直接センサ先端部を挿入することで測定を
可能とし、取り扱いが容易で迅速に計測できるため、従
来の問題を解決することができる。しかも、光ファイバ
は柔軟で細径であるため、測定対象の任意の部位にアク
セスすることができ、生体等に与えるダメージも小さい
等多くの利点がある。

【００３１】本発明の光ファイバセンサ型バイオモニタ
装置の開発は今日的な要求があり、他に競争相手がない
ことから、大きな市場と高い普及率が期待できる。ま
た、環境汚染モニタにより安全性が保証されれば、農林
水産酪農業における生産品の新しい付加価値となるた
め、これを経済的背景とした環境監視、環境保全が新し
い技術産業として創出されることが期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】チトクロムＰ４５０のエトキシレゾルフィンに
対する蛍光物質代謝反応を示す図である。

【図２】本発明の光ファイバセンサ型バイオモニタ装置
の基本原理を説明するための図である。

【図３】本発明の光ファイバセンサ型バイオモニタ装置
の１実施例の構成を示す図である。

【図４】１本の光ファイバによりセンサを構成する場合
を説明するための図である。

【図５】植物をバイオマーカーとする場合の実施例を説
明するための図である。

【図６】カビ若しくは細菌をバイオマーカーとして用い
る場合の実施例を説明するための図である。

【符号の説明】

１…光ファイバセンサ ２…光源部 ３…白色光源 ４…モノクロメーター ５…レーザ ６…光学フィルタ １１…検出部（測定部） １２…スペクトラムアナライザ １３…波長選択用光学フィルタ １４…光パワーディテクタ １５…光パワー表示器 ２１…励起用光ファイバ ２２、２３、３２、３３…光ファイバ ２４…マニュピレータ ２６…試験動物 ２８…試験薬 ２９…定量ポンプ ３１…検出用光ファイバ ４１…試験薬注入用細管 ４２…金属管 １０１…励起用光ファイバ １０２…検出用光ファイバ １０３…光ファイバ方向性結合器 １０４…光ファイバ １０５…光ファイバセンサ ６００…環境汚染物質 ６０１…センサヘッド ６０２…モニタシステム ６０３…植物 ７０１…光ファイバセンサ ７０２…懸濁液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 正一 北海道札幌市南区北の沢３の７の26 (72)発明者 松岡 直基 北海道札幌市厚別区厚別東１条３丁目４の ３ Ｆターム(参考） 2G043 AA01 BA14 BA16 CA03 DA02 EA01 GA07 GB01 GB05 GB09 HA05 JA03 JA04 KA03 LA01 2G045 CB17 CB20 CB21 CB26 DA80 FA29 FB01 FB12 GC15 2G054 AA10 AB01 AB03 AB07 BB20 CA30 CB10 CE02 EA03 EB01 FA16 GA04 GB02 4B063 QA01 QA05 QQ18 QQ19 QQ95 QR02 QR41 QR55 QR72 QR73 QR75 QR76 QS39 QX02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 植物、藻類、動物、細菌類若しくはカビ
   等の生体細胞内において、外来有毒物質によりある特定
   の酵素が誘導若しくは活性化される状態を検知し、それ
   により外来有毒物質の存在をモニタするバイオモニタ装
   置であって、 前記酵素の特定の試験薬に対する蛍光物質代謝反応を生
   起せしめるために、前記試験薬を生体内部、微生物懸濁
   液若しくはその一部を切り取った試料の測定部位の内部
   あるいは表面に導く手段と、 前記蛍光物質を励起する特定の波長を含む光を発生する
   光源と、 前記光源から前記試料の測定部位の内部あるいは表面に
   前記特定の波長を含む光を導く励起光ガイド用光ファイ
   バと、 前記蛍光物質から発生する蛍光を導き出す蛍光ガイド用
   光ファイバと、 前記蛍光ガイド用光ファイバにより導かれた蛍光を抽出
   分離して計測する光検出機構とを有し、 前記励起光ガイド用光ファイバ射出端と前記蛍光ガイド
   用光ファイバ入射端とが一体になって前記試料の測定部
   位に挿入可能なセンサ先端部を構成していることを特徴
   とする光ファイバセンサ型バイオモニタ装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記センサ先端部に
   １本若しくは複数本の光ファイバ、及び、前記試験薬を
   前記試料の測定部位に注入するための細管が内蔵され、
   一体に形成されていることを特徴とする光ファイバセン
   サ型バイオモニタ装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記センサ先端部に
   内蔵された前記細管を通して前記試料の測定部位に前記
   試験薬を注入するための試験液流量を制御できる定量ポ
   ンプを備えていることを特徴とする光ファイバセンサ型
   バイオモニタ装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３の何れか１項において、
   前記外来有毒物質により誘導若しくは活性化される特定
   の酵素がチトクロムＰ４５０であることを特徴とする光
   ファイバセンサ型バイオモニタ装置。