JP2988013B2

JP2988013B2 - バイオセンサ用恒温槽

Info

Publication number: JP2988013B2
Application number: JP3152065A
Authority: JP
Inventors: 磯部　　健介; 良春田中; 寛星川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1999-12-06
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: JPH0510914A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酵素、微生物などを分
子識別素子（レセプタ）として多孔性膜に固定した固定
化膜によって試料液の成分分析を行なう装置のバイオセ
ンサ用恒温槽に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のバイオセンサは、試料液中の測
定対象物質を認識する分子識別素子（レセプタ）とし
て、酵素、微生物などの生体機能性物質を応用して多孔
性膜に固定した固定化膜と、電極を使用した電気化学的
検出器とを組み合わせて、試料液の成分分析を行なうセ
ンサである。

【０００３】このセンサは、試料液を固定化膜に接触さ
せ、これによって生ずる生化学的反応による変化を、電
極の出力電流として検出し、この計測値を演算し制御部
で信号処理して得られる値を測定することを原理とする
ものであり、測定対象を生体機能性物質によって定める
ことができるという測定の選択性に優れている特徴を持
つことから、血液検査における血糖値測定などの医療分
野、食品の品質管理におけるアルコールの濃度測定など
の発酵、食品工業計測や、廃水処理における水質測定な
どの環境計測分野などで利用されている。

【０００４】一般にバイオセンサに使用されている酵
素、微生物の反応性，成育速度，活性は温度により変化
し、低温のときは活性が低く、高温になるにつれて活性
が高まり、至適温度において活性が最大になり、さらに
高温になると熱変性などにより熱失活し、活性が低下す
ることが知られており、反応性、反応の安定性の面か
ら、至適温度付近で用いることが望ましいとされてい
る。バイオセンサもこれらの物質を応用しているため、
当然温度によってバイオセンサの出力特性が変動するの
で、一定の温度条件で測定を行なう必要があり、従来、
これに適するように装置を構成し温度を一定として測定
を行なっている。

【０００５】例えば、図６，図７，図８は特開平２−７
７６４１号公報に記載されている装置構成図であり、図
６は図７のＤ−Ｄ線断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線断面
図を示し、また図８はこの装置の要部構成部材を分離し
て示した斜視図である。

【０００６】図６〜図８を併用参照してこの装置を説明
する。図６〜図８において温度計１により、恒温水槽２
内の水の温度を検知し、温度調節器３によりヒーター４
のオン・オフを制御することにより、この水の温度を所
望の一定温度に保つ。この際、恒温水槽２内の水は、攪
拌子５をマグネティックスターラー６で外部から回転さ
せることにより攪拌され、熱交換効率を高めるように、
このマグネティックスターラー６の上に恒温水槽２が載
せられている。恒温水槽２内の上部に格納槽７が取り付
けられており、この格納槽７内に固定化膜８を装着した
フローセル９と、電気化学的検出器（電極）１０とを組
み合わせたバイオセンサ１１を設けてあり、バイオセン
サ１１の信号線１２が引き出されている。試料液１３
は、図示してない送液ポンプによって配管１４ａの流入
口１５から装置内に送液され、恒温水槽２内部に設けら
れた熱交換器１６を通って加温されてから、配管１４ｂ
を経て格納槽７内の配管１７ａとフローセル９の配管１
７ｂとを通って、バイオセンサ１１により成分分析され
た後、流出口１８から系外へ排出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６〜
図８に示した従来の分析装置では、とくに恒温水槽２に
関して次のような問題がある。即ち、恒温水槽２は熱媒
として水を使用しているために、温度を一定にするには
常に水の攪拌が必要であり、したがって、この水を攪拌
するための攪拌子５とマグネティックスターラー６を用
いなければならず、そのため、水の補給の必要性、攪拌
子５の磨耗による恒温水槽２内部の汚れのために攪拌子
５の定期的交換が必要となるなど、この装置の保守管理
上の問題、さらに恒温水槽２とマグネティックスターラ
ー６の両者が位置する占有体積が大きくなり、長期間使
用時の維持管理が難しくなるという問題などが生ずるこ
とである。

【０００８】本発明は上述の問題を解決するためになさ
れたものであり、その目的はコンパクトで維持管理が容
易であり、高い測定精度の得られるバイオセンサ用恒温
槽を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のバイオセンサ用恒温槽は、上面が開口し
た二つの開口部とこれらを連通させて側壁に抜ける配管
溝を形成した金属製の恒温槽ブロックと、この恒温槽ブ
ロックの一方の開口部に挿入したバイオセンサと、恒温
槽ブロックの他方の開口部に挿入した熱交換器と、試料
液を導入し熱交換器からバイオセンサを通過して試料液
を外部に排出する配管系と、恒温槽ブロックの底部に取
り付け恒温槽ブロックを所定の温度に設定するヒーター
と、恒温槽ブロックを覆う断熱材およびこの断熱材を包
み込む樹脂製ケースとを備えたものである。

【００１０】

【作用】本発明のバイオセンサ用恒温槽は上記のように
構成し、金属製の恒温槽ブロックを用いて、バイオセン
サの温度条件を一定にする機能と、バイオセンサのフロ
ーセルに流入する試料液を一定温度に保持する熱交換機
能とを持つ恒温槽としたため、試料液を直接所定の温度
に調節することが可能となり、恒温槽の熱媒体として水
を用いる必要がなく、この水を攪拌するための攪拌子と
マグネティックスターラーも不要であり、水の補給、攪
拌子の定期的な交換などを行なわずに済み、攪拌子の磨
耗による内部の汚れもないので、装置の保守管理が非常
に容易になる。また、本発明のバイオセンサ用恒温槽
は、マグネティックスターラーを使用しないことから、
占有体積が従来の恒温水槽に比べて極めて小さく、コン
パクトなものとすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。説
明の便宜上以後に示す図は、図６〜図８と共通する部材
に同一符号を用いてある。図１は本発明の恒温槽の概念
を説明するために、要部の構成部材を分離して示した斜
視図である。図１において、恒温槽ブロック１９は、上
面にバイオセンサを挿入する開口部２０と、熱交換器２
１を挿入する開口部２２を形成した金属製ブロックであ
る。開口部２０と開口部２２の間を一部で連通させ、恒
温槽ブロック１９の端面に達する配管溝２３は配管を通
すためのものである。熱交換器２１は例えば鍔付きのＡ
ｌ円柱の本体２１ａの外周に、熱交換のために十分な長
さに形成したコイル状ステンレスパイプ２４を嵌め込
み、このステンレスパイプ２４が本体２１ａから容易に
抜けないように、これより径の大きい蓋２１ｂを一端に
固定したものであり、熱交換器２１の上部に温度計１を
内蔵している。恒温槽ブロック１９の底面には、例えば
発熱体をシリコンゴムに埋め込んだシート状のヒーター
４ａを取り付け、このヒーター４ａと温度計１を図示し
てない温度調節器に接続し、所定の温度に制御すること
ができる。

【００１２】また、屋外で用いる場合には、ヒーター４
ａの代わりにペルチェ効果による加熱・冷却用の機能素
子を取り付けることもできる。ペルチェ効果は異種の導
体もしくは半導体の接点に電流を流したとき、ジュール
熱以外に熱の発生または吸収の起こる現象であり、流す
電流の向きを変えることにより、熱の発生と吸収は反対
になる。したがって、本発明の恒温槽ではヒーター４ａ
の代わりに、このペルチェ効果による機能素子と、電流
の向きを反転することが可能な電源を備えた温度調節器
を用いることにより、周囲温度が設定温度より高い場合
には、ペルチェ効果による機能素子は冷却器として働
き、周囲温度が設定温度より低くなれば電流の向きが反
対となってヒーターとして働き、いずれの場合でも恒温
槽の温度を精度よく一定に保持することができる。その
ため、屋外のように温度が大きく変化し、季節によって
設定温度に対して周囲温度の方が高くなる場所では、ペ
ルチェ効果による機能素子をヒータ４ａの代わりに用い
ることにより、安定で高精度な試料液の成分分析が可能
となる。

【００１３】図２は、本発明に用いられるバイオセンサ
１１の要部の構成を示す模式断面図である。図２におい
て、フローセル９は、電気化学的検出器（電極）１０，
信号線１２，酸素透過膜２５，固定化膜８を、Ｏリング
２６ａ，２６ｂによって固定し、バイオセンサ１１を構
成している。１７ａは試料液１３をフローセル９に流入
させる配管であり、１７ｂは試料液１３を系外に排出さ
せる配管である。

【００１４】図３，図４はいずれも本発明の恒温槽の模
式断面図を示すものであり、以下、両図を参照して説明
する。図３はバイオセンサ１１を挿入した恒温槽ブロッ
ク１９をバイオセンサ１１の側からみた模式断面図であ
り、恒温槽ブロック１９の周囲には、図１で図示を省略
した断熱材２７と、さらにこの断熱材２７も含めて恒温
槽ブロック１９全体を格納する樹脂製ケース２８により
囲まれている状態を示している。ここでバイオセンサ１
１を恒温槽ブロック１９の底面と垂直にセットすると、
試料液１３がフローセル９を流れるとき、試料液１３中
には空気を含んでいるから、その気泡が試料液１３の流
れを邪魔するように働く。この点を考慮して、本発明で
は試料液１３を滑らかに流すために、バイオセンサ１１
が恒温槽ブロック１９の底面と垂直な方向に対して傾斜
を持つように、あらかじめ恒温槽ブロック１９の開口部
を形成しておき、図３に示す如くバイオセンサ１１を傾
けて取り付けてある。バイオセンサ１１の傾斜角度は厳
密に定める必要はないが、ほぼ４０°程度が適当であ
る。そしてバイオセンサ１１は恒温槽ブロック１９から
の熱伝導をよくするために、恒温槽ブロック１９の開口
部２０の内壁面との接触面積ができるだけ大きくなるよ
う、フローセル９を密着させて挿入する。

【００１５】図４は図３の直角方向からみた本発明のバ
イオセンサ用恒温槽の模式断面図であり、試料液１３は
流入口１５から導入され、熱交換器２１内のステンレス
パイプ２４を通り、所定の温度に熱交換され、他方の配
管１４ｂから配管１７ａを通過して、バイオセンサ１１
に入り、図２に示したフローセル９の固定化膜８と接触
した後、配管１７ｂを経て流出口１８から系外へ排出さ
れる。

【００１６】図５はこのバイオセンサ用恒温槽の各部分
の温度の測定結果を、縦軸を温度、横軸を経過時間とし
て両者の関係を示した特性線図である。図５中、Ｔ₁は
熱交換器２１入口における流入試料液１３の温度、Ｔ₂
は同じく熱交換器２１流出直後の試料液１３の温度、Ｔ
₃はフローセル９の温度、Ｔ₄は恒温槽ブロック１９の
周囲の気温を表わす。図５に示すように、流入する試料
液１３の温度Ｔ₁が１３℃から３６℃の範囲で変化した
とき、熱交換器２１流出直後の試料液１３の温度Ｔ₂の
値は、３０．６℃の＋０．７℃、−０．５℃程度であ
り、バイオセンサ１１の出力特性の変化を無視すること
ができる範囲で、精度よく温度制御されている。また、
前述のように流入する試料液１３の温度が設定温度より
高い場合には、ヒーター４ａの代わりにペルチェ効果を
持つ機能素子を用いて冷却することにより、高精度に温
度制御することができることもわかった。

【００１７】

【発明の効果】バイオセンサ用の恒温槽は、従来、熱媒
体として水を用いていたので、温度を一定にするために
種々不都合な点を持っていたが、本発明では実施例で述
べたように、金属製の恒温槽ブロックの二つの開口部
に、それぞれバイオセンサと熱交換器とを挿入して、ブ
ロック底部のシート状ヒーターを用いて昇温することに
より、一定温度を得られる構造としたために、熱媒体と
して水を用いずに済ませることができるから、水を攪拌
する攪拌子とマグネティックスターラーが不要となるば
かりでなく、水の補給、攪拌子の磨耗による恒温水槽の
汚れ、攪拌子の定期的な交換など、メンテナンスに関す
る従来のような煩わしい作業は全く必要としなくなっ
た。さらにマグネティックスターラーを使用しないこと
から、占有体積が約８０％程度も減少するので、非常に
小さくコンパクトで保守管理が容易である。これらのこ
とに加えて本発明によれば、試料液に対して高精度の温
度制御が可能であり、精度の高い測定値を得ることがで
きる。さらに、試料液の温度が設定温度より高いときに
は、ヒーターの代わりにペルチェ効果を持つ機能素子を
用いて冷却することにより、同様の効果をもたらすこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の恒温槽の要部構成部材を分離して示し
た斜視図

【図２】本発明に用いられるバイオセンサの要部構成を
示す模式断面図

【図３】本発明に用いられる恒温槽ブロックのバイオセ
ンサ側からみた模式断面図

【図４】本発明に用いられる恒温槽ブロックの図３と直
角方向からみた模式断面図

【図５】本発明の恒温槽に関する各部の温度特性線図

【図６】従来の恒温水槽の模式断面図を示す図７のＤ−
Ｄ線断面図

【図７】従来の恒温水槽の模式断面図を示す図６のＣ−
Ｃ線断面図

【図８】従来の恒温水槽の要部構成部材を分離して示し
た斜視図

【符号の説明】

１温度計２恒温水槽３温度調節器４ヒータ４ａヒータ５攪拌子６マグネティックスターラー７格納槽８固定化膜９フローセル１０電気化学的検出器（電極）１１バイオセンサ１２信号線１３試料液１４ａ配管１４ｂ配管１５流入口１６熱交換器１７ａ配管１７ｂ配管１８流出口１９恒温槽ブロック２０開口部２１熱交換器２１ａ本体２１ｂ蓋２２開口部２３配管溝２４ステンレスパイプ２５酸素透過膜２６ａＯリング２６ｂＯリング２７断熱材２８ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−191853（ＪＰ，Ａ) 特開平２−77641（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/28 G01N 27/28 321 G01N 27/327

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】生体機能物質を多孔性膜に固定した固定化
膜を装着したフローセルと、電気化学的検出器（電極）
とを組み合わせたバイオセンサにより、温度計と温度調
節計を用いて所定温度に調節した試料液の成分分析を行
なう装置のバイオセンサ用恒温槽であって、ａ．上面が開口した二つの開口部とこれらを連通させて
側壁に抜ける配管溝を形成した金属製の恒温槽ブロッ
ク、ｂ．前記恒温槽ブロックの一方の開口部に挿入したバイ
オセンサ、ｃ．前記恒温槽ブロックの他方の開口部に挿入した熱交
換器、ｄ．試料液を導入し前記熱交換器から前記バイオセンサ
を通過して前記試料液を外部に排出する配管系、ｅ．前記恒温槽ブロックの底部に取り付け前記恒温槽ブ
ロックを所定の温度に設定する加熱手段、ｆ．前記恒温槽ブロックを覆う断熱材およびこの断熱材
を包み込む樹脂製ケースとを備えたことを特徴とするバ
イオセンサ用恒温槽。
【請求項２】請求項１記載のバイオセンサ用恒温槽にお
いて、バイオセンサは恒温槽ブロックの底面に垂直な方
向に対して傾斜を有することを特徴とするバオセンサ用
恒温槽。
【請求項３】請求項１または２記載のバイオセンサ用恒
温槽において、バイオセンサは恒温槽ブロックの一方の
開口部内面に密着させて挿入することを特徴とするバイ
オセンサ用恒温槽。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
バイオセンサ用恒温槽において、熱交換器は一端が試料
液を流入する配管に、他端がバイオセンサの配管に接続
されるコイル状に形成したステンレスパイプを円柱状本
体にに嵌め込んでなることを特徴とするバイオセンサ用
恒温槽。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項に記載の
バイオセンサ用恒温槽において、加熱手段としてシート
状ヒーターを用いることを特徴とするバイオセンサ用恒
温槽。
【請求項６】請求項１ないし４のいずれか１項に記載の
バイオセンサ用恒温槽において、加熱手段としてペルチ
ェ素子を用いることを特徴とするバイオセンサ用恒温
槽。