JP4248662B2 - Chemical sensor - Google Patents

Description

【０００５】
脂質膜１の模式図を、化学物の設計法で使われている表現方法で表したものが図８である。脂質性分子のうち円で示した球状部は親水基ａすなわち親水性部位ａであり、それから原子配列が長く延びる炭化水素の鎖構造ｂ（たとえばアルキル基）がある。図ではいずれの場合も２本の鎖が延びて一つの分子を表しており、全体で分子群を構成している。この炭化水素の鎖の部分は、疎水性部位ｂである。このような脂質性分子群３が、膜部材４の表面のマトリクス５（表面の構造、平面的なひろがりをもったミクロな構造）の中及びマトリクス内部に溶け込ませた形（たとえば図８の２’）で収容されている。その収容のされ方は、親水性部位が表面に配列するようなものとなっている。
【０００６】
脂質を支持するマトリクスは、容易に入手でき、取扱いも簡単な、熱可塑性のポリ塩化ビニル（ [ＣＨ₂ ＣＨＣl]_n ；ＰＶＣ）等が用いられる。ＰＶＣ以外には表２に示すような物質がある。
【０００７】
【表２】

【０００８】
ＰＶＣは、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ニトロベンゼン、シクロヘキサノン等に溶け、可塑剤との混合比を変えることにより、軟質にも、硬質にもすることができるから、用途に応じて使いわけができる便利さがある上に、品質の安定性、成形の容易さも特徴とされる。
【０００９】
ＰＶＣ、可塑剤、脂質を概ね２：３：１の重量比で混合する。可塑剤を添加しないと出来上がりの脂質膜が白濁していたり、不均一になったりして好ましくない。また、脂質・可塑剤の選び方、混合する比率、混合の仕方によっても、出来上がった脂質膜に白濁や不均一を生ずることがある。可塑剤としてはフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、ジオクチルフェニルフォスフォネート（ＤＯＰＰ）、あるいは、リン酸トリクレシル（ＴＣＰ）が用いられる。
【００１０】
表１の脂質とＰＶＣとを混合したもの約４００ｍｇを、ＴＨＦ１０ｃｃに溶解し、平底の容器（例えば８５ｍｍφのシャーレ）に写し、ＴＨＦを揮散させて、脂質膜を形成すると、厚さがほぼ２００μｍの脂質膜が得られる。
脂質と可塑剤は、ＰＶＣというプラスチックの表面マトリクスの組織中に固定されていると考えられている。この脂質膜を約１０ｍｍｏｌ／ｌの食塩水、あるいは、塩化カリウム水溶液などの電解質溶液に１分間ほど浸すと、脂質のもつ親水基が表面に整列した分子配列が安定した状態で得られ、味覚センサとしての機能を果たすものとなる。
なお、脂質は両親媒性物質の一種であり、表３に示す脂質以外の両親媒性物質、表４に示す苦味物質を脂質の代わりに用いた感応膜も味覚センサに利用できる。
【００１１】
【表３】

【００１２】
【表４】

【００１３】
図９は前述のようにして得られた脂質膜１をセンサプローブ６に加工した概略構成を示す断面図である。
基材７として外径８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、肉厚１ｍｍのアクリルの円筒を用いる。該円筒７の先端部７ａを約６０度の角度でカットする。該カットされた先端部７ａに、その開口部７ｂを塞ぐように脂質膜１を、ＴＨＦにＰＶＣを溶解したものを接着剤として、張り付ける。直径０．５ｍｍの銀線の先を螺旋状に巻いたものを該円筒７の上部から挿入し電極８とする。緩衝層９として電解液（３．３ｍｍｏｌ／ｌの濃度の塩化カリウム溶液）を前記電極８の螺旋部分８ｂが浸るところまで充填する。
【００１４】
また、この脂質膜を用いて、マルチチャンネルのセンサとしたものが図１０（ａ），（ｂ）である。本図ではマルチチャンネルのアレイ電極のうち三つの感応部が示されている。
図示の例では、基材７に 0.5mmφの孔を貫通して、それに銀の丸棒を差し込み電極８とした。脂質膜１は緩衝層９を介して電極８に接触するように基材７に張りつけている。
【００１５】
この脂質膜を使用したセンサ（脂質膜センサ）は、味覚センサとして味の測定に使用できるだけではなく、水質の測定に使用した場合、遊離シアン、錯体シアン、金属イオンの濃度検知に有効であることも実験で確認されている。このように味の測定、水質の測定等に利用できる脂質膜中の脂質の割合は前述の例のように約１／６即ち１７重量％程度であった。
【００１６】
また、他の化学センサについて触れれば、たとえば第４級アンモニウム塩を高分子化合物からなる支持材中に分散させた化学センサ用膜を有する陰イオン選択性電極（イオンセンサの一種）が、人間の生体液中の塩化物イオンなどの濃度測定に使用されている。この陰イオン選択性電極に使用する膜中の感応性物質の濃度は２０重量％以上であるのが一般的である。
【００１７】
これまで使用されてきた化学センサ用膜は、膜中に感応性物質をできるだけ多く溶解させるように合成されてきた。それは膜中に感応性物質が多い方が高感度になると考えられていたためである。このため従来の化学センサ用膜には少なくとも１５重量％以上の感応性物質が含まれていた。
従来の化学センサには、そのような化学センサ用膜が用いられており、或る感応性物質１種類について見れば、膜中の当該感応性物質の濃度は１種類であった。図１０に示したマルチチャンネルの脂質膜センサも、用いられる複数の脂質膜は、脂質の種類が異なったものであり、同一の脂質について膜中の濃度を変えたものではない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の化学センサで人が感じる範囲の味物質の濃度や体液中の塩化物イオンの濃度を測定する場合は、これらの濃度範囲で十分な感度が得られる。しかし特に水質の測定におけるように低濃度のイオンなどを検知しようとした場合、例えば錯体シアンを検知しようとした場合、これまでの感応性物質が１５重量％以上含まれている脂質膜などの感応膜を使用したセンサでは、高濃度では感度が得られるものの１．０ｐｐｍ程度の排水基準値前後の濃度では十分な感度が得られない。発明者等は膜中の感応性物質の濃度を低くすると検出対象物質が低濃度の場合の感度が向上することを発見した。しかし膜中の感応性物質の濃度を低くした膜は検出対象物質が高濃度の場合、膜中の感応性物質の濃度が高い膜に比べ感度が低い。
本発明の目的は、検出対象物質の検知可能な濃度範囲を広げ、言い換えれば広い濃度範囲に対してセンサに感度を持たせ、センサの応答領域を広域化することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の化学センサは、前述の課題を解決するために、高分子材と、可塑剤と、検出対象である物質に感応する感応性物質としての脂質とを混合してそれぞれ個別に形成した膜を複数有する化学センサにおいて、前記複数の膜の脂質は単一且つ同一の種類であって、膜毎に前記脂質の濃度が異なるように構成されている。また、請求項２に対応する本発明の化学センサは、前記複数の膜の脂質がジオクチルフォスフェートであり、該ジオクチルフォスフェートの膜中の濃度が１０重量％以下である膜と１５重量％以上である膜とを含む。請求項３に対応する本発明の化学センサは、前記複数の膜の脂質がジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドであり、該ジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドの膜中の濃度が１．４重量％である膜と、５．３重量％である膜とを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
化学センサには脂質膜センサ、イオンセンサなどがあるが、いずれのセンサでも感応性物質の濃度を変えて感度を向上させるという方法は適用できる。ここでは、脂質膜センサを例に挙げて説明する。
【００２１】
図１に本発明の第一の実施の形態である脂質膜センサの概略構成図を示す。各プローブ６，６は構造的には、従来の脂質膜センサと変わらないが、本発明の脂質膜センサは、各プローブ６，６が備えている脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている。
【００２２】
図２に本発明の第二の実施の形態である脂質膜センサの概略構成図を示す。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は断面図である。第一の実施の形態と同様に、構造的には、従来の脂質膜センサと変わらないが、本発明の脂質膜センサは、各チャンネルの脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている。
【００２３】
脂質の膜中の濃度は重量％で０．００６〜２０％の間程度で、一般的には５〜１０倍の割合で脂質濃度の異なる複数の膜を作製するのが良く、これらのうち測定対象の検知に有効な範囲のものを複数組み合わせて使用する。
前記複数の膜は、図１に示すように、別々の基材（図１では円筒７）に貼り付けて、複数本のプローブを１つのセンサとしてもよく、あるいは、図２に示すように、１つの基材に貼り付けて、１本のセンサとしてもよい。
また、脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている複数の膜を用いるとともに、脂質の種類が異なった膜も用いることとすれば、例えば味について情報の得られる味物質の濃度範囲が広がるとともに、味についての情報も増える。
【００２４】
このようにして得られた脂質膜センサを用いて、錯体シアンの一例としてフェロシアン化カリウム（Ｋ₄[Ｆe(ＣＮ)₆] ）の測定、およびキニーネの測定を行った。
キニーネの測定に用いた脂質膜センサの脂質膜は、脂質にジオクチルフォスフェートを用い、膜中の脂質の量（濃度）が、１．２重量％、５．３重量％、１０．９重量％、２０．４重量％の４種類である。また、フェロシアン化カリウムの測定に用いた脂質膜センサの脂質膜は、脂質にジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドを用い、膜中の脂質の量が、１．４重量％、２．７重量％、５．３重量％の３種類である。
【００２５】
測定系１０を図３に示す。
被測定溶液１１はビーカーのような容器１２に入れる。被測定溶液１１中に、前記センサプローブ６を入れた。使用前に、塩化カリウム１ｍｍｏｌ／ｌ水溶液で電極電位を安定化した。
測定の基準となる電位を発生する電極として参照電極１３を用意し、それを被測定溶液１１に入れる。センサプローブ６と参照電極１３とは所定の距離を隔てて設置する。参照電極１３の表面は、緩衝層１４として、飽和塩化カリウム溶液を寒天で固化したもので覆ってある。
【００２６】
脂質膜１からの電気信号は、リード線１５によってバッファ増幅器１７に導かれる。バッファ増幅器１７の出力は、Ａ／Ｄ変換器１８に加えられる。参照電極１３からの電気信号もリード線１６を介してＡ／Ｄ変換器１８に加えられ、脂質膜１からの電位との差をディジタル信号に変換する。このディジタル信号はマイクロコンピュータ１９で適当に処理され、またＸ−Ｙレコーダ２０で表示される。
【００２７】
被測定溶液１１を用意する。
錯体シアンについては、純水に１０ｍｍｏｌ／ｌのＫＣｌを添加した溶液を基準液とした。
基準液と同じ溶液にフェロシアン化カリウムをシアンの濃度で０．０１ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、１．０ｐｐｍ、３．０ｐｐｍ、１０．０ｐｐｍになるように添加してサンプル液とした。
【００２８】
キニーネについては、純水に３０ｍｍｏｌ／ｌの塩化カリウム（ＫＣｌ）と３．０ｍｍｏｌ／ｌの酒石酸を添加した溶液を基準液とした。
基準液と同じ溶液にキニーネを０．００１０ｍｍｏｌ／ｌ、０．００３３ｍｍｏｌ／ｌ、０．０１００ｍｍｏｌ／ｌ、０．０３３０ｍｍｏｌ／ｌ、０．１０００ｍｍｏｌ／ｌ、０．３３００ｍｍｏｌ／ｌ、１．００００ｍｍｏｌ／ｌ、３．３０００ｍｍｏｌ／ｌ、１０．００００ｍｍｏｌ／ｌ、３３．００００ｍｍｏｌ／ｌ添加してサンプル液とした。
【００２９】
第一の基準液と第二の基準液には、ともに前述の基準液を用いた。第一の基準液と第二の基準液とを用いるのはセンサの継続的なドリフトの影響と基準液を繰り返し測定することによって基準液自体が継続的に変化するという影響をできるだけ少なくするためにとられる処置である。
【００３０】
錯体シアン測定の手順は次の通りである。
1) 保存液（第一の基準液に同じ）に脂質膜を用いた味覚センサをほぼ10時間浸漬する。
2) 第一の基準液（洗浄用）へ味覚センサの出し入れを10回行う。第一の基準液（洗浄用）で洗浄するといってもよいし、第一の基準液に断続的に浸漬するといってもよいし、味覚センサの脂質膜の表面に刺激を与えるということもできる。
3) 第一の基準液で測定用として用意したものに浸漬し、30秒後に味覚センサの電位を測定し、測定値をＶ0 とする。
4) 手順2)、3)を２回以上繰り返し、測定ごとに今回の測定値Ｖ0 と前回の測定値Ｖ0 の差が所定の値以下かどうかを判断し、所定の値以下（つまりＶ0 が安定したら）であれば手順5)へ進む。
5) 味覚センサを第一の基準液（測定用）から出して、第二の基準液（洗浄用）で洗浄する。（前記2)と同様に10回出し入れをする。）
6) 第二の基準液（測定用）に味覚センサを浸漬し、30秒後に味覚センサの電位Ｖk を測定する。
7) 再度第一の基準液（洗浄用）へ味覚センサの出し入れを10回行う。第一の基準液（洗浄用）で洗浄するといってもよいし、第一の基準液に断続的に浸漬するといってもよいし、味覚センサの脂質膜の表面に刺激を与えるということもできる。
8) 第一の基準液で測定用として用意したものに浸漬し、30秒後に味覚センサの電位を測定し、測定値をＶ0 ´とする。
9) 手順7)、8)を２回以上繰り返し、測定ごとに今回の測定値Ｖ0 ´と前回の測定値Ｖ0 ´の差が所定の値以下かどうかを判断し、所定の値以下（つまりＶ0 が安定したら）であれば手順10) へ進む。
10) 味覚センサを第一の基準液（測定用）から出して、サンプル液（洗浄用）で洗浄する。（前記2)と同様に10回出し入れをする。）
11) サンプル液（測定用）に味覚センサを浸漬し、30秒後に味覚センサの電位Ｖs を測定する。
12) 測定の手順2)に戻り手順2)〜11) を繰り返す。所定の回数繰り返したら手順を終わる。
この手順を図４に示した。
【００３１】
また、キニーネ測定の手順は次の通りである。
Ｓ１ （第１の）基準液のセンサ電位Ｖ01を測定する。
バッチ式測定の場合、味覚センサを空中に一定回数出し入れした後、再度基準液のセンサ電位Ｖ01を測定する。フロー式測定の場合、味覚センサに基準液を一定時間流した後、再度基準液のセンサ電位を測定する。
Ｓ２ 一回前に測定した基準液のセンサ電位Ｖ01と比較して、変化の幅が設定値以内に収まっていれば、安定したとみなし、Ｓ３へ進みサンプルのセンサ電位を測定する。変化幅が設定値以上であった場合、Ｓ１に戻る。この意味は、センサの出し入れや測定液のフローの影響をチェックし、影響がなくなるまでセンサの出し入れや測定液のフローの操作を周期的に行うものである。最終的に安定した基準液のセンサ電位をＶ01とする。
Ｓ３ センサが安定した所で、所定時間サンプルＳi にセンサを浸漬すると共にサンプルＳi のセンサ電位Ｖi を測る。
Ｓ４ サンプルＳi の測定結果△Ｖi ＝Ｖi −Ｖ01を算出する。
Ｓ５ センサを洗浄する。或る程度の強さで洗浄することで、その強さに耐える吸着力をもつ物質だけがセンサに残る。
Ｓ６ （第２の）基準液のセンサ電位Ｖ02i を測定する。
Ｓ７ サンプルＳi の測定結果△Ｖki＝Ｖ02i −Ｖ01を算出する。
Ｓ８ センサを洗浄する。その後、連続してサンプルを測定する場合はＳ１へ進む。
この手順を図５に示した。
【００３２】
被測定サンプル液は低濃度側から高濃度側への順に３回測定した。
錯体シアンのシアン化物イオン濃度の測定結果を図６に、キニーネの測定結果を図７に示す。
【００３３】
図６の縦軸はセンサ出力、横軸はフェロシアン化カリウムの濃度である。
ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドの濃度が１．４重量％の膜と５．３重量％の膜に注目して見てみると、フェロシアン化カリウムの濃度０．５ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。０．５ｐｐｍより濃度の高いところでは、５．３重量％の膜の方が感度が高くなる。したがって、このような脂質膜の組合せの場合は、フェロシアン化カリウムの濃度０．５ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の出力を用い、０．５ｐｐｍより濃度の高いところでは、５．３重量％の膜の出力を用いてフェロシアン化カリウムの濃度を測定するようにすればよい。
【００３４】
このように、フェロシアン化カリウムの低濃度側は脂質濃度の低い膜、高濃度側は脂質濃度の高い膜といった様に、同一脂質の膜を使用しても脂質濃度を変えることで、感度の得られる範囲を広くすることができる。
【００３５】
図７の縦軸はセンサ出力、横軸はキニーネの濃度である。
ジオクチルフォスフェートの濃度が１．２重量％の膜と５．３重量％の膜を比べると、キニーネの濃度０．７ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。０．７ｐｐｍ〜９ｐｐｍあたりでは１．４重量％の膜の方が出力は大きいが、感度（曲線の傾き）は小さくなり、９ｐｐｍより高濃度のところでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに小さい。また、ジオクチルフォスフェートの濃度が５．３重量％の膜と２０．４重量％の膜を比べると、キニーネの濃度４ｐｐｍあたりまでは、５．３重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。４ｐｐｍ〜４０ｐｐｍあたりでは５．３重量％の膜の方が出力は大きいが、感度（曲線の傾き）は小さくなり、４０ｐｐｍより高濃度のところでは、５．３重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに小さい。したがって、このような脂質膜の組合せの場合は、たとえば、キニーネの濃度０．７ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の出力を用い、０．７ｐｐｍ〜４ｐｐｍでは５．３重量％の膜の出力、４ｐｐｍより濃度の高いところでは、２０．４重量％の膜の出力を用いてキニーネの濃度を測定するようにすればよい。
【００３６】
このように、脂質膜中の脂質の濃度の異なる膜を組み合わせて使用することで、キニーネの測定でも、センサの応答領域を広くでき、また、広い濃度範囲にわたって高感度化できる。
【００３７】
本発明は脂質膜センサの場合は前述のような膜の合成法や測定方法となるが、このほかの化学センサについても、膜中の感応物質の濃度を変えた膜を複数使用すれば、１種類の濃度の膜で測定した場合に比べて検出対象である物質が低濃度から高濃度まで測定できるようになり、応答領域の広域化になる。また、応答領域内のある濃度について見れば、高感度化にもなる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、検出対象である物質に感応する感応性物質を含んだ膜を有する化学センサで、膜中の感応性物質濃度が互いに異なる少なくとも２種類の膜を有する化学センサとすることで、検出対象物質の検知可能な濃度範囲を広げ、センサを応答領域を広域化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学センサの第一の実施の形態の模式図である。
【図２】本発明の化学センサの第二の実施の形態の模式図であり、(a) は正面図、(b) は断面図である。
【図３】測定系を示す図である。
【図４】測定手順を示す流れ図である。
【図５】測定手順を示す流れ図である。
【図６】錯体シアンのシアン化物イオン濃度の測定結果を示す図である。
【図７】キニーネ濃度の測定結果を示す図である。
【図８】脂質膜の模式図である。
【図９】脂質膜を用いたセンサプローブの概略構成を示す断面図である。
【図１０】脂質膜センサの模式図であり、(a) は正面図、(b) は断面図である。
【符号の説明】
１ 脂質膜
２ 脂質
３ 脂質性分子群
４ 膜部材
５ マトリクス
６ センサプローブ
７ 基材（円筒）
８ 電極
９ 緩衝層
１０ 測定系
１１ 被測定溶液
１２ 容器
１３ 参照電極
１４ 緩衝層
１５ リード線
１６ リード線
１７ バッファ増幅器
１８ Ａ／Ｄ変換器
１９ マイクロコンピュータ
２０ Ｘ−Ｙレコーダ
２１ シールド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical sensor such as a lipid membrane sensor or an ion sensor having a chemical sensor film containing a sensitive substance that is sensitive to a substance to be detected, and more particularly to widening the response region of the chemical sensor.
[0002]
[Prior art]
Here, a lipid membrane sensor will be described as an example.
The applicant of the present application has previously filed a patent application regarding the invention of “taste sensor and its manufacturing method” in cooperation with others (Japanese Patent Laid-Open No. 3-54446). It was shown that a so-called lipid molecule group housed in the surface matrix of the coalescence with a specific molecular arrangement serves as a sensor showing sensitivity to salty taste, sour taste, bitter taste, and sweetness called basic taste. Moreover, this type of sensor has been shown to be able to measure the taste instead of the human sense of taste.
[0003]
Here, the lipid membrane used for the taste sensor will be described.
The lipids used in the lipid membrane include those shown in Table 1.
[0004]
[Table 1]

[0005]
FIG. 8 shows a schematic diagram of the lipid membrane 1 expressed in the expression method used in the chemical design method. A spherical portion indicated by a circle in the lipid molecule is a hydrophilic group a, that is, a hydrophilic site a, and has a hydrocarbon chain structure b (for example, an alkyl group) from which the atomic arrangement extends. In each of the figures, two chains extend to represent one molecule, and constitute a group of molecules as a whole. This hydrocarbon chain part is a hydrophobic part b. Such a lipid molecule group 3 is dissolved in the matrix 5 on the surface of the membrane member 4 (surface structure, micro structure having a planar expansion) and in the matrix (for example, 2 in FIG. 8). ') Is housed in. The accommodation method is such that hydrophilic portions are arranged on the surface.
[0006]
As the matrix for supporting lipid, thermoplastic polyvinyl chloride ([CH ₂ CHCl] _n ; PVC), which is easily available and easy to handle, is used. There are substances other than PVC as shown in Table 2.
[0007]
[Table 2]

[0008]
PVC is soluble in tetrahydrofuran (THF), nitrobenzene, cyclohexanone, etc., and can be made soft or hard by changing the mixing ratio with the plasticizer. In addition, it is characterized by quality stability and ease of molding.
[0009]
PVC, plasticizer and lipid are mixed in a weight ratio of approximately 2: 3: 1. If a plasticizer is not added, the finished lipid film is undesirably cloudy or non-uniform. In addition, depending on how to select a lipid / plasticizer, a mixing ratio, and a mixing method, white turbidity and non-uniformity may occur in the finished lipid film. As the plasticizer, dioctyl phthalate (DOP), dioctyl phenyl phosphonate (DOPP), or tricresyl phosphate (TCP) is used.
[0010]
About 400 mg of a mixture of lipids and PVC in Table 1 is dissolved in 10 cc of THF, copied into a flat-bottomed container (for example, a petri dish of 85 mmφ), and THF is stripped to form a lipid film. A lipid membrane is obtained.
Lipids and plasticizers are believed to be anchored in the tissue of a plastic surface matrix called PVC. When this lipid membrane is immersed in an electrolyte solution such as about 10 mmol / l saline or an aqueous potassium chloride solution for about 1 minute, a molecular arrangement in which the hydrophilic groups of lipids are aligned on the surface can be obtained in a stable state. It will serve as the function.
Lipid is a kind of amphiphilic substance, and an amphiphilic substance other than lipid shown in Table 3 and a sensitive membrane using a bitter substance shown in Table 4 instead of lipid can also be used for the taste sensor.
[0011]
[Table 3]

[0012]
[Table 4]

[0013]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration in which the lipid membrane 1 obtained as described above is processed into a sensor probe 6.
An acrylic cylinder having an outer diameter of 8 mm, a length of 55 mm, and a wall thickness of 1 mm is used as the substrate 7. The tip 7a of the cylinder 7 is cut at an angle of about 60 degrees. The lipid membrane 1 is pasted on the cut end portion 7a as an adhesive so as to close the opening 7b, and a solution of PVC in THF. An electrode 8 is formed by inserting a silver wire tip having a diameter of 0.5 mm into a spiral shape from the top of the cylinder 7. The buffer layer 9 is filled with an electrolytic solution (a potassium chloride solution having a concentration of 3.3 mmol / l) until the spiral portion 8b of the electrode 8 is immersed.
[0014]
FIGS. 10A and 10B show a multi-channel sensor using this lipid membrane. In this figure, three sensitive portions of the multi-channel array electrode are shown.
In the example shown in the figure, a hole of 0.5 mmφ is passed through the base material 7, and a silver round bar is used as the insertion electrode 8. The lipid membrane 1 is attached to the base material 7 so as to contact the electrode 8 through the buffer layer 9.
[0015]
This sensor using lipid membrane (lipid membrane sensor) can be used not only for taste measurement as a taste sensor, but also effective in detecting the concentration of free cyanide, complex cyanide and metal ions when used for water quality measurement. Has also been confirmed in experiments. Thus, the proportion of lipid in the lipid membrane that can be used for taste measurement, water quality measurement, etc. was about 1/6, that is, about 17% by weight as in the above-mentioned example.
[0016]
As for other chemical sensors, for example, an anion selective electrode (a kind of ion sensor) having a membrane for chemical sensors in which a quaternary ammonium salt is dispersed in a support material made of a polymer compound is used as a human. It is used to measure the concentration of chloride ions in biological fluids. The concentration of the sensitive substance in the membrane used for this anion selective electrode is generally 20% by weight or more.
[0017]
The membranes for chemical sensors that have been used so far have been synthesized so as to dissolve as much of the sensitive substance as possible in the membrane. This is because it was thought that the more sensitive substance in the film, the higher the sensitivity. For this reason, the conventional chemical sensor film contains at least 15% by weight or more of a sensitive substance.
Such a chemical sensor film is used in a conventional chemical sensor. When one kind of a sensitive substance is seen, the concentration of the sensitive substance in the film is one kind. The plurality of lipid membranes used in the multichannel lipid membrane sensor shown in FIG. 10 also have different lipid types, and the concentration in the membrane is not changed for the same lipid.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
When measuring the concentration of a tastant within the range felt by humans with conventional chemical sensors and the concentration of chloride ions in body fluids, sufficient sensitivity can be obtained within these concentration ranges. However, especially when trying to detect low concentrations of ions, such as in water quality measurements, for example, when detecting complex cyanide, the sensitivity of lipid membranes and the like containing 15% by weight or more of conventional sensitive substances. In a sensor using a membrane, sensitivity can be obtained at a high concentration, but sufficient sensitivity cannot be obtained at a concentration around the drainage standard value of about 1.0 ppm. The inventors have discovered that lowering the concentration of the sensitive substance in the membrane improves the sensitivity when the detection target substance has a low concentration. However, when the concentration of the sensitive substance in the film is low, the sensitivity of the film is low when the detection target substance is high compared to the film having a high concentration of the sensitive substance in the film.
An object of the present invention is to widen the detectable concentration range of the detection target substance, in other words, to give the sensor sensitivity to a wide concentration range, and to widen the response region of the sensor.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the chemical sensor of the present invention is a film formed by mixing a polymer material, a plasticizer, and a lipid as a sensitive substance that is sensitive to a substance to be detected. a plurality having a chemical sensor, a lipid of the plurality of films is a single and same type, the concentration of the lipid is configured differently for each film. Further, in the chemical sensor of the present invention corresponding to claim 2, the lipid of the plurality of membranes is dioctyl phosphate, and the concentration of the dioctyl phosphate in the membrane is 10 wt% or less and 15 wt% or more and a film is. In the chemical sensor of the present invention corresponding to claim 3, the lipid in the plurality of membranes is ditetradecylmethylammonium bromide, and the concentration of the ditetradecylmethylammonium bromide in the membrane is 1.4% by weight. And 5.3% by weight of the membrane .
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Chemical sensors include lipid membrane sensors and ion sensors, and any sensor can be applied to improve sensitivity by changing the concentration of a sensitive substance. Here, a lipid membrane sensor will be described as an example.
[0021]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a lipid membrane sensor according to the first embodiment of the present invention. Although each probe 6 and 6 is structurally the same as a conventional lipid membrane sensor, the lipid membrane sensor of the present invention is different in lipid concentration in the lipid membrane of each probe 6 and 6. ing.
[0022]
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a lipid membrane sensor according to the second embodiment of the present invention. 2A is a front view and FIG. 2B is a cross-sectional view. Similar to the first embodiment, the structure is not different from the conventional lipid membrane sensor, but the lipid membrane sensor of the present invention has different lipid concentrations in the lipid membrane membrane of each channel. .
[0023]
The concentration of lipid in the membrane is about 0.006 to 20% by weight, and it is generally preferable to prepare a plurality of membranes with different lipid concentrations at a rate of 5 to 10 times. Use a combination of multiple objects that are effective for target detection.
As shown in FIG. 1, the plurality of films may be attached to different substrates (cylinder 7 in FIG. 1), and a plurality of probes may be used as one sensor. Alternatively, as shown in FIG. A single sensor may be attached to one base material.
In addition, if a plurality of membranes having different lipid concentrations in the lipid membrane are used, and membranes having different lipid types are used, for example, the concentration range of the taste substance from which information on taste can be obtained. As it spreads, so does the information about taste.
[0024]
Using the lipid membrane sensor thus obtained, potassium ferrocyanide (K ₄ [Fe (CN) ₆ ]) and quinine were measured as an example of complex cyanide.
The lipid membrane of the lipid membrane sensor used for the measurement of quinine uses dioctyl phosphate as the lipid, and the amount (concentration) of lipid in the membrane is 1.2 wt%, 5.3 wt%, 10.9 wt% There are four types of 20.4% by weight. The lipid membrane of the lipid membrane sensor used for the measurement of potassium ferrocyanide uses ditetradecyldimethylammonium bromide as the lipid, and the amount of lipid in the membrane is 1.4% by weight, 2.7% by weight, and 5. Three types of 3% by weight.
[0025]
The measurement system 10 is shown in FIG.
The solution to be measured 11 is placed in a container 12 such as a beaker. The sensor probe 6 was placed in the solution to be measured 11. Prior to use, the electrode potential was stabilized with a 1 mmol / l aqueous solution of potassium chloride.
A reference electrode 13 is prepared as an electrode for generating a potential serving as a measurement reference, and is put in the solution to be measured 11. The sensor probe 6 and the reference electrode 13 are installed with a predetermined distance therebetween. The surface of the reference electrode 13 is covered as a buffer layer 14 with a saturated potassium chloride solution solidified with agar.
[0026]
The electrical signal from the lipid membrane 1 is guided to the buffer amplifier 17 by the lead wire 15. The output of the buffer amplifier 17 is applied to the A / D converter 18. An electrical signal from the reference electrode 13 is also applied to the A / D converter 18 via the lead wire 16, and the difference from the potential from the lipid membrane 1 is converted into a digital signal. This digital signal is appropriately processed by the microcomputer 19 and displayed on the XY recorder 20.
[0027]
A solution to be measured 11 is prepared.
For complex cyanide, a solution obtained by adding 10 mmol / l KCl to pure water was used as a reference solution.
To the same solution as the reference solution, potassium ferrocyanide was added so that the cyan concentration would be 0.01 ppm, 0.1 ppm, 1.0 ppm, 3.0 ppm, 10.0 ppm, to give a sample solution.
[0028]
For quinine, a solution obtained by adding 30 mmol / l potassium chloride (KCl) and 3.0 mmol / l tartaric acid to pure water was used as a reference solution.
In the same solution as the reference solution, quinine is 0.0010 mmol / l, 0.0033 mmol / l, 0.0100 mmol / l, 0.0330 mmol / l, 0.1000 mmol / l, 0.3300 mmol / l, 1.0000 mmol / l, 3.3000 mmol / l, 10.000 mmol / l, 33.000 mmol / l were added to obtain a sample solution.
[0029]
The above-mentioned reference solutions were used for the first reference solution and the second reference solution. The first reference liquid and the second reference liquid are used in order to minimize the influence of the continuous drift of the sensor and the continuous change of the reference liquid itself by repeatedly measuring the reference liquid. Is the action taken.
[0030]
The procedure for complex cyanide measurement is as follows.
1) Immerse a taste sensor using a lipid membrane in a preservation solution (same as the first reference solution) for approximately 10 hours.
2) Put the taste sensor in and out of the first reference solution (for cleaning) 10 times. It may be said that the first reference solution (for washing) is used for cleaning, that it may be intermittently immersed in the first reference solution, and that the surface of the taste sensor lipid membrane may be stimulated. .
3) Immerse in the first reference solution prepared for measurement, measure the potential of the taste sensor 30 seconds later, and set the measured value to V0.
4) Repeat steps 2) and 3) at least twice, and for each measurement, determine whether the difference between the current measured value V0 and the previous measured value V0 is less than a predetermined value. If so, go to step 5).
5) Remove the taste sensor from the first reference solution (for measurement) and wash it with the second reference solution (for washing). Insert and remove 10 times as in (2) above. )
6) Immerse the taste sensor in the second reference solution (for measurement) and measure the potential Vk of the taste sensor after 30 seconds.
7) Put the taste sensor in and out of the first reference solution (for washing) again 10 times. It may be said that the first reference solution (for washing) is used for cleaning, that it may be intermittently immersed in the first reference solution, and that the surface of the taste sensor lipid membrane may be stimulated. .
8) Immerse in the first reference solution prepared for measurement, measure the potential of the taste sensor 30 seconds later, and set the measured value as V0 '.
9) Repeat steps 7) and 8) two or more times, and for each measurement, determine whether the difference between the current measured value V0 'and the previous measured value V0' is less than or equal to a predetermined value. If is stable), go to step 10).
10) Remove the taste sensor from the first reference solution (for measurement) and wash it with the sample solution (for washing). Insert and remove 10 times as in (2) above. )
11) Immerse the taste sensor in the sample solution (for measurement) and measure the potential Vs of the taste sensor 30 seconds later.
12) Return to step 2) and repeat steps 2) to 11). The procedure ends when it is repeated a predetermined number of times.
This procedure is shown in FIG.
[0031]
The quinine measurement procedure is as follows.
S1 The sensor potential V01 of the (first) reference solution is measured.
In the case of batch type measurement, the sensor sensor V01 of the reference solution is measured again after putting the taste sensor in and out a certain number of times in the air. In the case of flow measurement, after the reference liquid is allowed to flow through the taste sensor for a certain time, the sensor potential of the reference liquid is measured again.
S2 Compared to the sensor potential V01 of the reference solution measured one time before, if the change width is within the set value, it is considered stable, and the process proceeds to S3 and the sensor potential of the sample is measured. If the change width is equal to or greater than the set value, the process returns to S1. This means that the effects of sensor loading / unloading and the flow of the measurement liquid are checked, and the operation of the sensor loading / unloading and the flow of the measurement liquid is periodically performed until the influence is eliminated. The sensor potential of the finally stable reference solution is set to V01.
S3 When the sensor is stabilized, the sensor is immersed in the sample Si for a predetermined time and the sensor potential Vi of the sample Si is measured.
S4 The measurement result ΔVi = Vi−V01 of the sample Si is calculated.
S5 Clean the sensor. By washing with a certain level of strength, only the substance with an adsorptive power that can withstand that strength remains in the sensor.
S6: The sensor potential V02i of the (second) reference solution is measured.
S7 The measurement result ΔVki = V02i−V01 of the sample Si is calculated.
S8 Clean the sensor. Thereafter, when the sample is continuously measured, the process proceeds to S1.
This procedure is shown in FIG.
[0032]
The sample liquid to be measured was measured three times in order from the low concentration side to the high concentration side.
The measurement result of cyanide ion concentration of complex cyanide is shown in FIG. 6, and the measurement result of quinine is shown in FIG.
[0033]
The vertical axis of FIG. 6 is the sensor output, and the horizontal axis is the concentration of potassium ferrocyanide.
When attention is paid to the membrane having a concentration of 1.4% by weight of ditetradecyldimethylammonium bromide and a membrane having a concentration of 5.3% by weight, it is 1.4% by weight up to a concentration of 0.5 ppm of potassium ferrocyanide. The film is larger in output and sensitivity (curve slope). Where the concentration is higher than 0.5 ppm, the film of 5.3% by weight has higher sensitivity. Therefore, in the case of such a lipid membrane combination, up to about 0.5 ppm potassium ferrocyanide concentration, an output of 1.4% by weight of membrane is used, and at a concentration higher than 0.5 ppm, 5.3 wt. The concentration of potassium ferrocyanide may be measured using the% membrane output.
[0034]
In this way, sensitivity can be obtained by changing the lipid concentration even if the same lipid membrane is used, such as a membrane with low lipid concentration on the low concentration side of potassium ferrocyanide and a membrane with high lipid concentration on the high concentration side. The range can be widened.
[0035]
In FIG. 7, the vertical axis represents sensor output, and the horizontal axis represents quinine concentration.
Comparing the film with 1.2% by weight of dioctyl phosphate and the film with 5.3% by weight, the film with 1.4% by weight has higher output and sensitivity (curve) up to about 0.7ppm of quinine. Both of the slopes are large. In the range of 0.7 ppm to 9 ppm, the output of 1.4% by weight of the film is larger, but the sensitivity (the slope of the curve) is smaller, and at a concentration higher than 9 ppm, the film of 1.4% by weight is more Output and sensitivity (curve slope) are both small. In addition, comparing the membrane with a dioctyl phosphate concentration of 5.3% by weight and the membrane with a 20.4% by weight, the film with the 5.3% by weight output and sensitivity (curve) up to 4ppm quinine concentration. Both of the slopes are large. In the range of 4 to 40 ppm, the output of 5.3% by weight of the membrane is larger, but the sensitivity (the slope of the curve) is smaller, and at a concentration higher than 40 ppm, the output of 5.3% by weight of the membrane is Both sensitivity (curve slope) is small. Therefore, in the case of such a lipid membrane combination, for example, up to a quinine concentration of 0.7 ppm, an output of 1.4% by weight of the membrane is used, and from 0.7 ppm to 4 ppm, a membrane of 5.3% by weight is used. When the concentration is higher than 4 ppm, the concentration of quinine may be measured using the output of the 20.4 wt% film.
[0036]
In this manner, by using a combination of membranes having different lipid concentrations in the lipid membrane, the response area of the sensor can be widened even in the measurement of quinine, and the sensitivity can be increased over a wide concentration range.
[0037]
In the case of a lipid membrane sensor, the present invention is a membrane synthesis method or a measurement method as described above. For other chemical sensors, if a plurality of membranes with different concentrations of sensitive substances in the membrane are used, 1 Compared to the case of measuring with different types of membranes, the substance to be detected can be measured from a low concentration to a high concentration, thereby widening the response region. Further, if a certain density in the response region is seen, the sensitivity is also increased.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, a chemical sensor having a film containing a sensitive substance that is sensitive to a substance to be detected and having at least two kinds of films having different sensitive substance concentrations in the film is provided. The concentration range in which the detection target substance can be detected can be expanded, and the response area of the sensor can be widened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of a chemical sensor of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a second embodiment of the chemical sensor of the present invention, where (a) is a front view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 3 is a diagram showing a measurement system.
FIG. 4 is a flowchart showing a measurement procedure.
FIG. 5 is a flowchart showing a measurement procedure.
FIG. 6 is a graph showing measurement results of cyanide ion concentration of complex cyanide.
FIG. 7 is a diagram showing measurement results of quinine concentration.
FIG. 8 is a schematic diagram of a lipid membrane.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a sensor probe using a lipid membrane.
FIG. 10 is a schematic diagram of a lipid membrane sensor, (a) is a front view and (b) is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lipid membrane 2 Lipid 3 Lipid molecule group 4 Membrane member 5 Matrix 6 Sensor probe 7 Base material (cylinder)
8 Electrode 9 Buffer layer 10 Measurement system 11 Solution to be measured 12 Container 13 Reference electrode 14 Buffer layer 15 Lead wire 16 Lead wire 17 Buffer amplifier 18 A / D converter 19 Microcomputer 20 XY recorder 21 Shield

Claims (3)

In a chemical sensor having a plurality of membranes individually formed by mixing a polymer material, a plasticizer, and a lipid as a sensitive substance sensitive to a substance to be detected, each of the plurality of membranes has a single lipid. The chemical sensor is the same type, and is configured so that the concentration of the lipid is different for each membrane . The lipid of the plurality of films is dioctyl phosphate, according to claim 1, characterized in that it comprises a membrane is concentration in the film of the dioctyl phosphate is 10% by weight or less is film and 15 wt% or more Chemical sensors. The lipid of the plurality of membranes is ditetradecylmethylammonium bromide, and the concentration of the ditetradecylmethylammonium bromide in the membrane is 1.4% by weight and the membrane has 5.3% by weight chemical sensor according to claim 1, wherein a.

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