JP2690053B2 - バイオセンサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はバイオセンサー、詳しくは酵素や微生物等の
特性を利用してなるバイオセンサーに関する。

〔従来の技術〕

一般にバイオセンサーは、特定の分子に対する認識機
能を有する物質と、該物質の認識情報を電気的信号に変
換する電気化学デバイス（トランスデユーサ）とで、そ
の感応部の基本が構成されている。

上記バイオセンサーとしては、上記の分子認識機能を
有する物質により、酵素型や微生物型等の種類のものが
知られており、また認識する分子の種類により、グルコ
ースセンサー、エチルアルコールセンサー又は酢酸セン
サー等、種々のものが知られている。これらのバイオセ
ンサーは、比色定量法等の従来の化学的測定法に比べ
て、その測定に要する時間は大幅に短縮されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記バイオセンサーは、通常、その感
応部に常時所定の緩衝液を供給しながら、その上流側に
試料液を導入してその測定を行う、所謂フローインジェ
クション分析法を採用している。このフローインジェク
ション分析法では、バイオセンサーによる測定自体は短
時間（例えば10分以内）で終了するが、試料液を調整す
るための前処理に長時間（例えば、10〜30分）を要する
という問題があった。

従って、本発明の目的は、試料に含まれている特定の
分子を、迅速且つ簡便に、しかも試料液を調整するため
の前処理を特別に行うことなく計測できるバイオセンサ
ーを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は、種々検討した結果、感応電極が内蔵さ
れた装置本体を備えたバイオセンサーに、特定の膜で遮
蔽されている導入口を設け、該導入口を所定の条件の下
で試料に接触させることにより該試料に含まれる特定の
分子を直接計測でき、上記目的を達成できることを知見
した。

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、以下の
発明を提供するものである。

感応電極が内蔵された装置本体を備え、該感応電極の
感応部には緩衝液が常時供給可能に構成され、且つ上記
装置本体には、測定試料に接触させて該試料から測定対
象分子を取り込むための導入口が設けられ、該導入口は
上記測定対象分子の透過可能な膜で遮蔽されており、上
記緩衝液は、上記感応部に供給用ポンプにより供給され
且つ上記感応部から排除用ポンプにより排除されるよう
になしてあることを特徴とするバイオセンサー（一体型
構造）。

感応電極が内蔵された装置本体と、該装置本体とは別
体の接触部とを備え、該感応電極の感応部には緩衝液が
常時供給可能に構成され、且つ上記装置本体と上記接触
部とは上記緩衝液を介して接続されており、上記接触部
には、測定試料に接触させて該試料から測定対象分子を
取り込むための導入口が設けられ、該導入口は上記測定
対象分子の透過可能な膜で遮蔽されており、上記緩衝液
は、上記接触部及び上記感応部に供給用ポンプにより供
給され且つ上記接触部及び上記感応部から排除用ポンプ
により排除されるようになしてあることを特徴とするバ
イオセンサー（分離型構造）。

〔作用〕

上記のように構成されたバイオセンサーでは、上記試
料から上記導入口を通して測定対象分子を装置本体に取
り込むことができるので、該試料に含まれる特定の分子
を直接計測することができる。また、上記導入口を、装
置本体とは別体の接触部に設けることにより、上記直接
計測をより容易・簡便に行うことができる。

〔実施例〕

次に、本発明のバイオセンサーの一実施例を、第１図
及び第２図に基づいて説明する。

第１図は本発明のバイオセンサーの一実施例の概略を
示す半断面図で、第２図は上記センサーに内蔵されてい
る感応電極を示す概略図である。

上記第１図に示すバイオセンサー１は、感応電極２が
内蔵された装置本体３を備え、該装置本体３の下部には
緩衝液の供給口3a及び排出口3bが形成され、上記感応電
極２の先端部に緩衝液が常時供給されるように構成され
ている。

そして、上記装置本体３には、測定試料（第１図では
図示せず。）に接触させて該試料から測定対象分子を該
装置本体３内部に取り込むための導入口４が設けられて
おり、該導入口４は上記測定対象分子の透過可能な膜５
で遮蔽されている。この膜５は、図中、装置本体３の下
部の周囲にＯリング６で取付けられている。

上記膜５としては測定対象分子が透過可能な膜であれ
ば特に制限なく利用できるが、具体的には、例えば透析
膜、メンブランフィルター又は限外濾過膜等を挙げるこ
とができる。

また、上記感応電極２は、例えば酸素電極やpH電極等
の先端部（電極部）に、固定化酵素や固定化微生物等の
特定の分子に対する認識機能を有する物質を装着して、
その感応部の基本が構成されているものである。上記固
定化酵素等を酸素電極等の先端部に装着する方法として
は、特に制限するものではないが、第２図に示すよう
に、テフロン膜21及び固定化酵素（膜）22を順次配し、
更にその下方から透析膜23を被覆する例をあげることが
できる。尚、上記テフロン膜21及び上記透析膜23は、そ
れぞれＯリング24及び25で上記感応電極２の周囲に固定
されている。

また、上記感応電極２は、上記装置本体３の上方から
挿入され、該本体３の上部に螺合された取付け部材31で
固定されている。

次に、本実施例のバイオセンサーの作用を、特に感応
電極が、酸素電極と固定化グルコースオキシダーゼとで
感応部の基本が構成されてなる酵素電極である場合を例
に、第３図をも参照しながら説明する。

第３図は、本実施例のバイオセンサー１を含む測定系
の一例の概略図で、同図に示す測定系は、その基本が、
恒温水槽７に浸漬され、一定の温度に維持されている酸
素飽和緩衝液８、該緩衝液８を上記バイオセンサー１に
供給するためのポンプ９、該バイオセンサー１から上記
緩衝液８を測定系外へ排除するためのポンプ9a、及び上
記バイオセンサー１の電気的応答を記録するためのレコ
ーダ10で構成されている。この外、図中11は空気導入管
で、安定した電気的応答を得るために、上記緩衝液８中
に空気を吹き込み、該緩衝液８の溶存酸素量を飽和状態
とするためのものである。

先ず、所定の条件下で安定した状態にある酸素飽和緩
衝液８を、所定の流速で上記バイオセンサー１に供給
し、測定の基準状態を規定する。これは、上記レコーダ
10に安定したベースラインとして現れる。

次いで、図示するように、バイオセンサー１の膜５で
遮蔽されている導入口４を、試料12に接触させ、その状
態を所定時間維持し、その際の電気的応答をレコーダ10
に記録する。

本実施例のバイオセンサー１により計測される特定分
子の量は、電流等の電気信号の大きさとして表され、該
信号は上記レコーダ10に記録される。従って、上記特定
分子の量は、上記レコーダ10に記録されたピーク高又は
ピーク面積により判定することができる。

即ち、上記の如く導入口４を試料に接触させることに
より、膜５を通して上記試料12から測定対象分子が装置
本体３の中に導入され、上記バイオセンサー１の感応電
極２の先端部に位置する感応部に供給されるように構成
してある。従って、測定対象分子である、試料中に存在
するグルコースが上記感応部に供給されると、次の反応
式（１）に従って酸素が消費され、その結果装置本体３
内の緩衝液中の溶存酸素量が減少するこのになる。この
変化を上記感応電極２を構成する酸素電極により検出
し、それを電気的な応答としてレコーダ10に記録するこ
とが可能である。

グルコース＋酸素→ グルコノラクトン＋過酸化水素 （１） 従って、第３図に示す測定系における上記バイオセン
サー１の応答は、試料12に含まれるグルコースの量が多
い程、レコーダ10に記録されたピーク高又はピーク面積
が大きくなり、その大きさから上記試料12に含まれるグ
ルコース量を判定することができる。

以上説明した如く、本実施例のバイオセンサー１によ
れば、試料12に含まれている特定分子であるグルコース
の選択的測定を、迅速且つ簡便に、しかも該試料12につ
いて前処理を一切することなく（試料を破壊することな
く）、直接計測して行うことができる。

以上、本発明について実施例に基づいて説明してきた
が、本発明のバイオセンサーは前記実施例に示したもの
に限られるものでない。

例えば、本発明のバイオセンサーとしては、第４図に
示したように、前記実施例の場合と略同様の構成からな
る装置本体３を備えてはいるが、該本体３には導入口４
を設けず、該本体３に連設されている接触部14に設けた
ものであってもよい。上記接触部14と上記本体３とは、
緩衝液を該本体３の中に供給するための管13で連結され
ており、上記緩衝液を介して互いに接続されている。従
って、第４図に示した実施例のバイオセンサー１を第３
図の測定系に適用する場合は、該センサー１を、酸素飽
和緩衝液８が上記接触部14の供給口14aから接触部14の
中に供給され、次いで該緩衝液８が排出口14b、管13及
び装置本体の供給口3aを経て該装置本体３の中に供給さ
れ、その後排出口3bから排出されるように上記測定系に
組み込む。計測の仕方は、上記接触部14の導入口４を試
料12に直接接触させて前記実施例の場合と同様に行う。

第４図に示した実施例の場合は、試料に接触させ、該
試料から測定対象物質を取り込むための導入口４が、装
置本体３とは別体の接触部14に設けられているため、試
料12の計測を一段と容易、簡便に行うことができる。

また、本発明のバイオセンサーに使用される感応電極
としては、前記実施例で示した酵素電極に限らず、微生
物電極又は酵素免疫電極等、種々のものを利用できる。

そして、感応電極として酵素電極を用いる場合には、
前記実施例で示したグルコースセンサーの外に、酵素電
極を構成する酵素の種類により、以下に例示する各種の
バイオセンサーを形成することができる。

即ち、スクロースセンサー、マルトースセンサー、ガ
ラクトースセンサー、エタノールセンサー、フェノール
センサー、カテコールセンサー、乳酸センサー、ピルビ
ン酸センサー、尿酸センサー、アミノ酸センサー、Ｌ−
グルタミンセンサー、Ｌ−グルタミン酸センサー、Ｌ−
アスパラギンセンサー、Ｌ−チロシンセンサー、Ｌ−リ
シンセンサー、Ｌ−アルギニンセンサー、Ｌ−フェニル
アラニンセンサー、Ｌ−メチオニンセンサー、尿素セン
サー、コレステロールセンサー、中性脂質センサー、リ
ン脂質センサー、モノアミンセンサー、ペニシリンセン
サー、アミグダリンセンサー、クレアチニンセンサー、
リン酸イオンセンサー、硝酸イオンセンサー、亜硝酸イ
オンセンサー、硫酸イオンセンサー、水銀イオンセンサ
ー、過酸化水素センサー等。

また、感応電極として微生物電極を用いる場合には、
該微生物電極を構成する微生物の種類により、以下に例
示する各種のバイオセンサーを形成することができる。

即ち、グルコースセンサー、資化糖センサー、メタノ
ールセンサー、エタノールセンサー、酢酸センサー、ギ
酸センサー、グルタミン酸センサー、リジンセンサー、
グルタミンセンサー、アルギニンセンサー、アスパラギ
ン酸センサー、アンモニアセンサー、ナイスタチンセン
サー、ニコチン酸センサー、ビタミンB1センサー、セフ
ァロスポリンセンサー、BODセンサー等。

尚、前記実施例では、バイオセンサーがグルコースセ
ンサーである場合について、第３図を参照しながら具体
的に説明したが、測定系の条件はバイオセンサーを構成
する感応電極の種類に応じて適切に選択されることはい
うまでもない。

例えば、緩衝液は酸素飽和されたものに限らず、感応
電極に合った適切な緩衝液が用いられる。

次に本発明のバイオセンサーについて、該センサーを
用いて試料の計測を行う実験例を挙げ、具体的に説明す
る。

実験例１ 感応電極２として酸素電極の先端部にグルコースオキ
シダーゼ固定化膜（固定化酵素）を装着してなる酵素電
極を形成し、第４図に示したと同様の装置本体３と接触
部14とが分離された構造のバイオセンサー（グルコース
センサー）１を形成した。このバイオセンサー１を第３
図に示した測定系に組み込み、該センサー１で測定試料
の計測を行った。

測定試料は、含まれるグルコース濃度が異なる複数の
ゼリーで、予め調製したその濃度が既知のものである。

上記の測定試料についての測定条件は次の通りであ
る。

緩衝液： リン酸緩衝液（0.05M） pH7.5 温度 30℃ 流速 1.5ml/min. 固定化酵素の量： 50unit 導入口の遮蔽膜： 透析膜 上記条件下における計測により、レコーダ10に記録さ
れた電流値（ピーク高）を縦軸に、試料のグルコース濃
度を横軸に採って両者の関係を表したのが第５図に示し
たグラフである。

第５図から明らかなように、上記電流値とグルコース
の濃度との間には明確な相関性が認められ、相関係数が
0.96であった。

実験例２ 感応電極２として酸素電極の先端部にアルテロモナス
・ピュートリファシェンス（Alteromosas putrefacien
s）の固定化膜（固定化微生物）を装着してなる微生物
電極を形成し、第１図に示したと同様の装置本体３に導
入口４が設けられた構造のバイオセンサー（鮮度計測用
センサー）１を形成した。上記固定化微生物膜として
は、上記微生物の培養液をメンブランフィルターで濾過
し、該フィルターに上記微生物を吸着固定した後、得ら
れたフィルターを直径3mmの円形に切り抜いて調製した
ものを用いた。

上記バイオセンサー１を、第３図に示した測定系に組
み込み、該センサー１で測定試料の計測を行った。

測定試料は、マグロ（魚肉）であり、その鮮度の経時
的変化に伴って生成、増加する特定分子である遊離アミ
ノ酸、脂肪酸又は糖等を、上記センサー１で追跡して計
測した。

上記測定試料についての測定条件は次の通りである。

緩衝液： リン酸緩衝液（0.1M） pH7.0 温度 28℃ 流量 0.6ml/min. 固定化微生物量： ５×10⁸個/cm² 導入口の遮蔽膜： メンブランフィルター（孔径２μ ｍ） その結果、上記本発明のバイオセンサーの応答と、マ
グロの鮮度との間に良好な相関性が認められた。

〔発明の効果〕

本発明のバイオセンサーは、試料に含まれている特定
の分子を、迅速且つ簡便に、しかも試料液を調製するた
めの前処理を特別に行うことなく、試料に接触させて直
接計測できるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のバイオセンサーの一実施例の概略を
示す半断面図、第２図は上記センサーに内蔵されている
感応電極を示す概略図、第３図はバイオセンサーを含む
測定系の概略を示すフローシート、第４図は他の実施例
のバイオセンサーの概略を示す半断面図、第５図は試料
中のグルコース濃度とバイオセンサーの出力値との相関
関係を示すグラフである。 １……バイオセンサー ２……感応電極 ４……導入口、５……膜 12……試料 22……固定化酵素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−70741（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−65357（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−52457（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−55158（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感応電極が内蔵された装置本体を備え、該
   感応電極の感応部には緩衝液が常時供給可能に構成さ
   れ、且つ上記装置本体には、測定試料に接触させて該試
   料から測定対象分子を取り込むための導入口が設けら
   れ、該導入口は上記測定対象分子の透過可能な膜で遮蔽
   されており、上記緩衝液は、上記感応部に供給用ポンプ
   により供給され且つ上記感応部から排除用ポンプにより
   排除されるようになしてあることを特徴とするバイオセ
   ンサー。
2. 【請求項２】感応電極が内蔵された装置本体と、該装置
   本体とは別体の接触部とを備え、該感応電極の感応部に
   は緩衝液が常時供給可能に構成され、且つ上記装置本体
   と上記接触部とは上記緩衝液を介して接続されており、
   上記接触部には、測定試料に接触させて該試料から測定
   対象分子を取り込むための導入口が設けられ、該導入口
   は上記測定対象分子の透過可能な膜で遮蔽されており、
   上記緩衝液は、上記接触部及び上記感応部に供給用ポン
   プにより供給され且つ上記接触部及び上記感応部から排
   除用ポンプにより排除されるようになしてあることを特
   徴とするバイオセンサー。
3. 【請求項３】感応電極が、酵素電極、微生物電極又は酵
   素免疫電極である、特許請求の範囲第（１）項又は第
   （２）項に記載のバイオセンサー。