JP2001228110A - バイオセンサ応用水質計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定対象とする河川水や地下水でカルシウムイ
オン濃度が５０ｍｇ／Ｌ以上の水では、緩衝液中の炭酸
水素ナトリウムの炭酸イオンと結合し、水に不溶性の炭
酸カルシウムが生成し、装置内の配管の閉塞を引き起こ
したり固定化微生物膜に付着するため、応答性や測定感
度の低下の原因となる。本発明はこの課題を解決し、 早
期に安定するバイオセンサ応用水質計を提供することに
ある。 【解決手段】緩衝溶液として、塩化ナトリウム、キレー
ト態鉄とマグネシウムイオンを添加した四ホウ酸ナトリ
ウム水溶液を使用する。この緩衝溶液の使用により、バ
イオセンサ立上げ時のセンサ出力の低下がなくなり、ま
た水中のカルシウムイオンが高濃度でも安定に長期のモ
ニタリングが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上下水道の各処理
プロセスの水や河川水、湖沼水などの環境水を対象とし
て、水中の化学成分をモニタリングすること目的とした
バイオセンサ応用水質計測器に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイオセンサは、検水中の測定対象物質
を認識する分子識別素子として、酵素や抗体などの生体
機能高分子や、微生物や細胞など生体そのものを利用
し、これらの生体材料を多孔性高分子膜に包括または共
有結合させることにより固定化した膜と、電気化学的検
出器などのトランスデューサとを組み合わせて試料中の
化学成分の測定を行うセンサである。

【０００３】バイオセンサは、検水を上記生体材料の固
定化膜に接触させこれによって生じる化学反応により生
成または消費される物質の濃度変化を検出器の出力（電
圧、電流など）変化に変換して測定するもので、既知濃
度の被測定物質の標準液によって得られた検量線を用
い、検水に対するセンサ出力から、検水中の目的物質の
濃度を算出する。測定にあたっては固定化した生体材料
が安定に機能するように温度とｐＨ条件とを一定にする
ことが必要である。そのため、バイオセンサ応用計測器
は温度を一定に保つため、検水を一定温度に加温する熱
交換器とセンサ温度を一定にする恒温槽が備えられ、ｐ
Ｈ条件を一定とするために緩衝溶液が用いられている。

【０００４】本発明者らは、微生物をセンサとして利用
し、上水道の原水にに混入したフェノール、シアン、重
金属類、農薬、有機塩素化合物などの有害物質の検出方
法を開発し、実用化している。この内容は特公平７−８
５０７２号公報に記載の「毒物検出装置とこれを用いた
水質監視システム」として公告されている。図３は、バ
イオセンサを応用した水中毒物検出装置の構成を示すフ
ロー図、図４は、生体材料として微生物で有毒物質に極
めて弱い硝化細菌と、トランスデューサとして溶存酸素
電極とを利用したバイオセンサ（微生物センサ）の構成
を示す模式図である。

【０００５】図４に示すように、有害物質検出用微生物
センサ１は、フローセル１８内にステンレス製の金網２
６を入れ、硝化細菌の一種であるニトロソモナスユーロ
ピア（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｅｕｒｏｐａｅａ
ＡＴＣＣ２５９７８）を固定化した固定化微生物膜２５
を入れ、その上に溶存酸素電極１９を取付け、図示しな
いナットで固定し、固定化微生物膜２５と密着させて構
成する。これを図３に示すように３０℃に設定された恒
温槽２に取り付ける。

【０００６】図３において、はじめゼロ点校正のため緩
衝溶液Ａ−１の６ａと純水４とを流し、微生物センサ１
の安定化した電流値を記憶する。次に、有害物質のない
状態のセンサ出力として、バルブ７ｄを閉め、バルブ７
ｅを開にして、アンモニア性窒素を含む緩衝溶液Ｂ−１
の６ｂと純水４とを流し、センサ出力安定化後の電流値
を記憶する。次にバルブ７ｂを閉め、バルブ７ａを開に
して検水３の測定を開始する。本装置は１日１回程度、
前記のようにセンサの自動校正を行いながら連続的に検
水のモニタリングを行う。

【０００７】この硝化細菌を用いたバイオセンサはｐＨ
８〜９で安定に機能するため、このバイオセンサではｐ
Ｈ８付近に緩衝能をもつリン酸緩衝溶液が当初用いられ
ていた。しかし、検水が河川水や地下水などの環境水や
浄水、下水などの場合には、水中の硬度成分（カルシウ
ムイオン）の濃度が２０ｍｇ／Ｌ以上であると、カルシ
ウムイオンと上記の緩衝溶液中のリン酸イオンが反応
し、水に溶けないリン酸カルシウムが生成する。その沈
殿物が流路の閉塞や固定化膜に付着するため、応答性や
測定感度の低下の原因となった。そのため、リン酸緩衝
溶液に、検水中のカルシウムイオンと錯体を形成するキ
レート剤（ＥＤＴＡ−４Ｎａ）を添加しリン酸カルシウ
ムの沈殿生成を防いでいた。

【０００８】しかし、検水中のカルシウム濃度によって
ＥＤＴＡ−４Ｎａの添加量を変える必要があり、試薬調
製時の操作が煩雑になること、カルシウム濃度に対しＥ
ＤＴＡ−４Ｎａを過剰に添加すると硝化細菌に悪影響を
及ぼし寿命が短くなるという問題があった。また、排水
水質基準の改正により窒素およびリンの環境中への排水
規制が強化されるため、バイオセンサの緩衝溶液を、窒
素およびリン成分を含む試薬を削減した緩衝溶液組成と
する必要がある。

【０００９】そこで、本発明者らは、リン酸緩衝溶液に
代わる緩衝液としてｐＨ９のキレート態鉄とマグネシウ
ムイオンの両方を含む四ホウ酸ナトリウム水溶液を開発
し、特開平１０─３００７１１号公報により出願してい
る。実験において冷蔵保存しておいた微生物膜を新たに
フローセルに装着し、純水を測定する場合には、センサ
出力は一定の値を示す。しかし、河川水や地下水などの
環境水や浄水、下水などを測定する場合には、水中のナ
トリウムイオンや炭酸イオンなどの様々な溶存イオンの
影響により、検水中に毒物が含まれていなくてもセンサ
出力が低下する現象が起こる。この現象のために、冷蔵
保存しておいて微生物膜を装着直後または２４時間以内
の立上げ時に、バイオセンサ応用計測器が検水に異常が
なくてもこの出力低下を水質の異常と判断しアラームを
発する可能性があった。そこで、本発明者らは、上述の
四ホウ酸ナトリウム水溶液に炭酸水素ナトリウムを添加
した緩衝液を開発し、特開平１１─１５３５７３号公報
により出願している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】測定対象とする河川水
や地下水などの環境水や浄水、下水中にはカルシウムイ
オンが含まれている。このカルシウムイオン濃度が５０
ｍｇ／Ｌ以上の水では、緩衝液中の炭酸水素ナトリウム
からの炭酸イオンと結合し、水にほとんど溶けない炭酸
カルシウムが生成する現象が起こっていた。この炭酸カ
ルシウムが装置内の配管の閉塞を引き起こしたり固定化
微生物膜に付着するため、応答性や測定感度の低下の原
因となった。

【００１１】この問題の対策として、炭酸水素ナトリウ
ムの添加量を低減したが、上述の特開平１１─１５３５
７３号公報で課題とされた水中のナトリウムイオンや炭
酸イオンなどの様々な溶存イオンの影響により、検水中
に有害物質が含まれていなくてもセンサ出力が低下する
現象を防止することができなかった。本発明はこの課題
を解決するためになされたものであり、安定で環境にや
さしいバイオセンサ応用水質計を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では、バイオセン
サ応用水質計用の緩衝溶液として、塩化ナトリウム、キ
レート態鉄とマグネシウムイオンを添加した四ホウ酸ナ
トリウム水溶液を使用することとする。これは、従来の
緩衝溶液の成分と比べて、炭酸水素ナトリウムを除き、
そのかわりに塩化ナトリウムを添加したものである。こ
の緩衝溶液の使用により、バイオセンサ立上げ時のセン
サ出力の低下がなくなり、また水中のカルシウムイオン
が高濃度でも安定に長期のモニタリングが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の２つの実施例と
して、本発明と従来法の緩衝液を使用した時のセンサ出
力比較例、および塩化ナトリウム添加量と呼吸阻害率と
の関係の例により説明する。 〔実施例１〕表１に、従来の緩衝溶液と本発明の緩衝溶
液組成を示す。本発明の緩衝溶液は、従来の緩衝溶液か
らＮａＨＣＯ₃ を無くし、ＮａＣｌを添加したものであ
る。

【００１４】

【表１】 この２種類の緩衝溶液を用い、バイオセンサ立上げ時の
センサ出力の安定性を比較した。図１は、カルシウム濃
度が最大で７０〜８０ｍｇ／Ｌと比較的高い河川の水で
実際に測定を行った結果である。この図でのセンサ出力
は、溶存酸素電極の電圧値である。

【００１５】図１の校正では、当初アンモニア態窒素を
含まない緩衝溶液を流したとき、硝化細菌の活性が弱ま
るために呼吸量が減少する。その結果、溶存酸素消費量
が減少し、溶存酸素電極に到達する酸素量が増加し、電
圧値も増加する。このアンモニア態窒素を含まない緩衝
溶液を流したときの酸素消費率０％の電圧値Ｖ₀ は、図
１では約６ｍＶのセンサ出力となる。

【００１６】次に、アンモニア態窒素を含む緩衝溶液を
流したとき、硝化細菌の活性が正常に戻るために呼吸量
が増加する。その結果、溶存酸素消費量が増加し、溶存
酸素電極に到達する酸素量が減少し、電圧値も減少す
る。このアンモニア態窒素を含む緩衝溶液を流したとき
の酸素消費率１００％の電圧値Ｖ₁₀₀ は、図１では０ｍ
Ｖのセンサ出力となる。

【００１７】その後、測定に入るが、河川水を流したと
き、硝化細菌の活性が正常であるために、０ｍＶのセン
サ出力となる。しかし、河川水のカルシウム濃度が最大
で７０〜８０ｍｇ／Ｌと比較的高いために、本発明の緩
衝溶液ではセンサ出力が０ｍＶを維持できているもの
の、従来法の緩衝溶液では、緩衝液中の炭酸水素ナトリ
ウムからの炭酸イオンと結合し、水にほとんど溶けない
炭酸カルシウムが生成するために、検水中に有害物質が
含まれていなくてもセンサ出力が低下する現象が起こっ
ていることがわかる。

【００１８】この結果から、バイオセンサ立上げ後、河
川水を測定したとき塩化ナトリウムを５．８ｇ／Ｌすな
わち１００ｍＭの濃度で添加した緩衝液を使用した場
合、硝化細菌の活性低下が見られず安定に使用できるこ
とがわかる。 〔実施例２〕次に、本発明の緩衝溶液組成の中の塩化ナ
トリウム添加量を変えて上述の河川水を測定したときの
硝化細菌の呼吸阻害率との関係の例を図２に示す。

【００１９】ここで、呼吸阻害率は、校正値に対する低
下したセンサ出力の割合であり河川水によりどれだけ硝
化細菌の呼吸が阻害されたかを示す。アンモニア態窒素
を含む種々の組成の緩衝溶液を流したときの電圧値をＶ
_X とすると、呼吸阻害率Ａは、次式で表される。

【００２０】

【数１】 この測定結果は、図２に示すように塩化ナトリウムの添
加量を増加するにつれて呼吸阻害率が減少することがわ
かる。そして塩化ナトリウムの添加量が１００ｍＭすな
わち５．８ｇ／Ｌ以上であれば、センサ出力の低下がみ
られず安定に使用できることがわかる。

【００２１】一方、塩化ナトリウムの塩素イオンとカル
シウムイオンが結合し、塩化カルシウムが生成すること
が考えられる。しかし、塩化カルシウムは２０℃でその
飽和溶液１００ｇ中に４２．７ｇ存在できることからわ
かるように水に溶けやすい。カルシウム濃度に換算する
と１５３．６ｇ／Ｌであるが測定対象となる河川水や地
下水などの環境水や浄水、下水中にこの濃度のカルシウ
ムは存在することはないので沈殿物が生成することはな
いと考えられる。

【００２２】以上の結果より、キレート態鉄とマグネシ
ウムイオンの両方を添加した四ホウ酸ナトリウム水溶液
に、塩化ナトリウムを添加したホウ酸緩衝溶液が、バイ
オセンサ応用水質計に最も適していることがわかる。

【００２３】

【発明の効果】本発明により、バイオセンサを安定に立
ち上げることができ、バイオセンサ応用計測器の誤作動
を防ぐことができる。これにより、安定に水質を連続監
視でき、より実用性の高いバイオセンサ応用水質計を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法と従来法の緩衝溶液で河川水を測定し
たときの塩化ナトリウムの効果の比較図

【図２】塩化ナトリウムの添加量と硝化細菌の呼吸阻害
率との関係を示す図

【図３】バイオセンサ応用水質計の構成を示すフロー図

【図４】バイオセンサ（微生物センサ）の構成を示す模
式図

【符号の説明】

１： バイオセンサ ２： 恒温槽 ３： 検水 ４： 純水 ５： 酸洗浄水 ６ａ： 緩衝液Ａ ６ｂ： 緩衝液Ｂ ７ａ、７ｂ： 電磁弁 ８ａ、８ｂ： 送液ポンプ ９： 熱交換器 １０： エアポンプ １１： 圧力センサ １２： ローラークランプ １３： 二方切換三方弁 １４： 表示部 １５： 制御部 １６： 記録計 １７： 測定部 １８： フローセル １９： 溶存酸素電極 ２０： 試料流路 ２１： 正極 ２２： 負極 ２３： 電極液 ２４： 隔膜 ２５： 固定化微生物膜 ２６： ステンレス製金網 ２７ａ〜２７ｃ： Ｏリング ２８ａ、２８ｂ： リード線 ２９： ワッシャー

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 金井 秀夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定化微生物膜とｐＨ条件調整用の緩衝溶
   液とを備え、河川水や地下水などの水道原水や下、排水
   処理プロセスの流入水中の化学物質を計測するバイオセ
   ンサを応用した水質計において、使用する前記緩衝溶液
   が、塩化ナトリウム、キレート態鉄とマグネシウムイオ
   ンを添加した四ホウ酸ナトリウム水溶液であることを特
   徴とするバイオセンサ応用水質計。