JP4384556B2 - Biosensor device replacement unit - Google Patents
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Description
本発明は、環境計測や医療計測又は発酵・食品工業計測等の分野に応用されるバイオセンサ装置のメンテナンス方法とセンサユニットに関する。 The present invention relates to a maintenance method and a sensor unit for a biosensor device applied in the fields of environmental measurement, medical measurement, fermentation / food industry measurement, and the like.
バイオセンサは、試料液中の測定対象化学物質を認識する分子識別素子として、酵素や抗体等の生体機能性材料や微生物、細胞等の生体そのものを利用し、これらの生物材料を多孔性高分子膜に化学的に包括又は共有結合させることにより固定化した膜(以下、固定化膜という)と、電気化学的検出器等のトランスデューサと組み合せたバイオセンサユニットにより、前記生物材料の分子識別信号を電気信号に変換して試料水中の化学物質の測定を行うセンサである。 Biosensors use biological functional materials such as enzymes and antibodies, and living organisms such as microorganisms and cells as molecular identification elements that recognize chemical substances to be measured in sample liquids. The molecular identification signal of the biological material is obtained by a biosensor unit that is combined with a membrane (hereinafter referred to as an immobilized membrane) that is chemically encapsulated or covalently bonded to the membrane and a transducer such as an electrochemical detector. It is a sensor that converts chemical signals into sample water to measure chemical substances in sample water.
すなわち、バイオセンサは、試料液を上記生体材料の固定化膜に接触させ、これによって生ずる生化学反応により生成又は消費される物質の濃度変化を検出器で電流や電圧等の電気的な出力(本発明において、センサ出力という)の変化に変換して測定するものである。 That is, the biosensor brings the sample solution into contact with the immobilized membrane of the biomaterial, and changes the concentration of the substance generated or consumed by the biochemical reaction caused thereby by an electrical output such as current or voltage ( In the present invention, it is converted into a change in the sensor output) and measured.
図3にバイオセンサユニットの構成の一例を示す。バイオセンサユニット1は、酵素や微生物等を固定化した固定化膜2と、該固定化膜中の酵素や微生物等が試料液中の生体活物質と反応して生成する電極活物質等を測定する電気化学的トランスデューサ3と、フローセル4とから構成されており、前記フローセル4には、試料液(試薬と検査水)と空気を固定化膜2に供給し、排出する流路5と、試料液と空気を滞留させて試料液の溶存酸素を過飽和にする混合室6と、固定化膜2及び電気化学的トランスデューサ3を設置するスペースが設けられている。前記フローセル4はバイオセンサ装置に傾斜させて設置することにより、前記混合室6での試料液の滞留時間を取り、かつ空気で試料液を液滴にして固定化膜2に供給するようにして、試料液中の生体活性物質を測定できるようになっている。
FIG. 3 shows an example of the configuration of the biosensor unit. The
しかしながら、上記固定化膜は測定を繰り返すうちに経時的に劣化してしまうため定期的な交換が必要であり、従来は、図4に示すように固定化膜のみを交換していた。図4において、新規に製作した固定化膜8は固定化膜の活性を維持するために保存液を充填した樹脂製袋9に入れて密封し、温度を5〜10℃に保持して輸送される。そして、固定化膜を交換する際には、バイオセンサ装置本体10からバイオセンサユニット1を取外し、電気化学的トランスデューサ3をフローセル4から取外して、使用済みの固定化膜8aを取り出して廃棄し、フローセル4が析出物等で汚れている場合は、物理的、化学的処理により汚れを除去する。その後、新しい固定化膜8と電気化学的トランスデューサ3をフローセル4に設置してバイオセンサユニット1を構築してからバイオセンサ装置本体10に装着し、バイオセンサ出力が安定するまで、あるいはしきい値以下になることを確認してから測定を開始していた。
However, since the above-mentioned immobilized membrane deteriorates with time as the measurement is repeated, it is necessary to periodically replace it. Conventionally, only the immobilized membrane has been exchanged as shown in FIG. In FIG. 4, the newly prepared
そのため、例えば、下記特許文献1には、微生物を多孔性膜に固定化した固定化微生物膜と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バイオセンサの前記固定化微生物膜を保存する方法であって、密封容器内の液中に浸漬し低温で湿式保存することを特徴とする固定化微生物膜の保存方法が開示されている。
しかしながら、従来のような固定化膜のみを交換する方法では、交換作業が煩雑で時間がかかる、装置本体にバイオセンサユニットを設置した後のセンサ出力の安定性の確認や調整に時間がかかる、といった問題があった。 However, in the conventional method of exchanging only the immobilized membrane, the exchange work is complicated and takes time, and it takes time to check and adjust the stability of the sensor output after installing the biosensor unit in the apparatus body. There was a problem.
また、交換作業中における固定化膜の損傷や、電気化学的トランスデューサと固定化膜の間に空気が入り込んでセンサとして機能しなくなる等の電気化学的トランスデューサの不具合が発生しやすいといった問題もあり、交換作業には細心の注意が必要であった。 In addition, there are problems such as damage to the immobilized membrane during replacement work, and failure of the electrochemical transducer such as air entering between the electrochemical transducer and the immobilized membrane, which will not function as a sensor, Careful attention was required for the replacement work.
したがって、本発明の目的は、バイオセンサ装置のメンテナンスを確実かつ容易に行うことができ、作業時間の大幅な短縮が可能なバイオセンサ装置の交換ユニットを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a biosensor device replacement unit that can perform maintenance of a biosensor device reliably and easily and can greatly reduce the working time.
上記目的を達成するため、本発明のバイオセンサ装置の交換ユニットは、微生物又は酵素を固定化した固定化膜に試料液を接触させて、試料液中の成分が固定化膜と反応して形成される変化を、電気化学的トランスデューサにより検出するようにしたバイオセンサ装置のメンテナンスに用いられるバイオセンサ装置の交換ユニットであって、試料液の流路とその流出入口を有するフローセルと、前記流路を流れる試料液に接触できるように配置された前記固定化膜と、前記固定化膜と前記試料液との反応による変化を検出できるように配置された電気化学的トランスデューサとを備え、前記試料液の流路に固定化膜を活性に保つ保存液が充填され、該流路の流出入口が連結管によって連結されて、前記保存液が封入されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the exchange unit of the biosensor device of the present invention is formed by bringing a sample solution into contact with an immobilized membrane on which microorganisms or enzymes are immobilized, and components in the sample solution react with the immobilized membrane. A change unit for a biosensor device used for maintenance of a biosensor device in which a change to be detected is detected by an electrochemical transducer , a flow cell having a flow path of a sample solution and an inlet / outlet thereof, and the flow path Bei example the immobilization film disposed so as to be in contact with the sample liquid flowing through the, and electrochemical transducers arranged so as to be able to detect changes due to reaction between the liquid sample and the immobilized membrane, the sample is the flow path to fill the preservation solution to keep the immobilizing film for the activity of the liquid, the inlet and outlet opening of the flow path is connected by a connecting pipe, to characterized in that said preservative solution is encapsulated .
また、前記固定化膜が微生物を固定化した膜であり、前記電気化学的トランスデューサが溶存酸素電極であることが好ましい。また、前記保存液が、5〜35℃に維持されていることが好ましい。 Further, it is preferable that the immobilized membrane is a membrane on which microorganisms are immobilized, and the electrochemical transducer is a dissolved oxygen electrode. Moreover, it is preferable that the said preservation | save liquid is maintained at 5-35 degreeC.
上記発明によれば、製品の出荷前に交換ユニットの動作確認を行うことが可能となり、固定化膜や電気化学的トランスデューサの不具合、液漏れ等をチェックすることができるので、より信頼性の高いバイオセンサユニットを提供することができる。また、ユニット交換後に簡単な動作確認作業を行うだけでよく、短時間での立ち上げが可能となる。 According to the above invention, it is possible to check the operation of the replacement unit before shipment of the product, and it is possible to check for defects of the immobilization film or electrochemical transducer, liquid leakage, etc., so it is more reliable. A biosensor unit can be provided. Moreover, it is only necessary to perform a simple operation confirmation work after the unit replacement, and it is possible to start up in a short time.
本発明によれば、フローセルと固定化膜と電気化学的トランスデューサとをユニット化し、該ユニットごと交換することにより、固定化膜の交換等といったバイオセンサ装置のメンテナンスを確実かつ容易に行うことができ、作業時間を大幅に短縮することが可能となる。また、製品の出荷前に交換ユニットの動作確認を行うことができるので、より信頼性の高いバイオセンサユニットを提供することができる。 According to the present invention, maintenance of the biosensor device such as replacement of the immobilized membrane can be reliably and easily performed by unitizing the flow cell, the immobilized membrane, and the electrochemical transducer and exchanging the unit. The working time can be greatly shortened. In addition, since the operation of the replacement unit can be checked before the product is shipped, a more reliable biosensor unit can be provided.
図1には、本発明の交換ユニット(バイオセンサユニット)の保存、輸送時の一実施形態が示されている。この交換ユニット(バイオセンサユニット)20は、固定化膜11と、電気化学的トランスデューサ12と、流路14を有するフローセル13とから構成されている。
FIG. 1 shows an embodiment of the exchange unit (biosensor unit) of the present invention during storage and transportation. The exchange unit (biosensor unit) 20 includes an
前記固定化膜11は、前記流路14の途中に設けられた混合室15に接するように前記フローセル13内に配置されており、前記電気化学的トランスデューサ12は、該固定化膜11の反対側の面に接するように配置されている。すなわち、試薬及び空気と共に流入口14aから前記流路14内に供給された検査水は、前記混合室15において滞留することにより溶存酸素を過飽和にした状態で前記固定化膜11と接触した後、排出口14bから排出される。そして、検査水と固定化膜11との反応による変化を電気化学的トランスデューサ12で検出・測定できるようになっている。
The
また、前記流路14内には固定化膜11の活性を維持するための保存液が充填されており、流入口14aと排出口14bを、前記保存液又は空気を充填した連結管16で連結することにより、保存液の液漏れを防ぐと共に雑菌の繁殖を防ぐことができるようになっている。なお、前記配管部材16は交換ユニット20と着脱可能に取り付けられており、交換ユニット使用時には容易に取り外せるようになっている。
The
本発明で用いられる固定化膜としては、アンモニア酸化細菌(ニトロソモナス)、亜硝酸酸化細菌(ニトロバクター)、鉄酸化細菌、トリコスポン、発光細菌等の微生物、あるいはグルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ等の酵素を公知の方法にしたがって固定化した膜を用いることができる。本発明においては、微生物を固定化した膜(固定化微生物膜)が好ましく用いられ、特に、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌を固定化した膜が好ましく用いられる。固定化微生物膜は、例えば、微生物をアルギン酸ナトリウム水溶液に懸濁し、この懸濁液を多孔質のセルロース膜上に滴下してからもう1枚のセルロース膜で挟み、塩化カルシウム水溶液でアルギン酸ナトリウムをゲル化させて菌体を固定化することにより作製できる。 Known immobilization membranes used in the present invention include microorganisms such as ammonia-oxidizing bacteria (nitrosomonas), nitrite-oxidizing bacteria (nitrobacter), iron-oxidizing bacteria, trichospon, and luminous bacteria, or enzymes such as glucose oxidase and peroxidase. A membrane immobilized in accordance with the above method can be used. In the present invention, a membrane in which microorganisms are immobilized (an immobilized microorganism membrane) is preferably used, and in particular, a membrane in which ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria are immobilized is preferably used. The immobilized microbial membrane is prepared by, for example, suspending a microorganism in an aqueous sodium alginate solution, dropping the suspension onto a porous cellulose membrane, sandwiching the suspension with another cellulose membrane, and gelling sodium alginate with an aqueous calcium chloride solution. Can be prepared by immobilizing the cells.
また、電気化学的トランスデューサは、固定化膜中の微生物や酵素が検査水中の生体活物質と反応して生成する電極活物質等の変化を測定することができるものであればよく、具体的には、溶存酸素電極、フォトマル、フォトダイオード、pH計等が例示できる。なお、電気化学的トランスデューサは、前記固定化膜の種類によって最も適したものを選択して用いることができる。本発明においては、溶存酸素電極を用いることが好ましい。 The electrochemical transducer may be any one that can measure changes in the electrode active material and the like produced by the reaction of microorganisms and enzymes in the immobilized membrane with the biological active material in the test water. Examples thereof include a dissolved oxygen electrode, a photomultiplier, a photodiode, and a pH meter. As the electrochemical transducer, the most suitable one can be selected depending on the type of the immobilized film. In the present invention, it is preferable to use a dissolved oxygen electrode.
また、前記連結管16の材質は、保存液に対して耐薬品性を有する材質であればよく、具体的には、酸素透過性の良いシリコン、フッ素樹脂等の樹脂、SUS等の金属、セラミック等が例示できる。
The material of the connecting
また、フローセル13の流路14内に充填する保存液としては、例えば、アンモニア酸化細菌の固定化微生物膜を用いた場合はpH8〜9に緩衝能を持つホウ酸緩衝溶液に餌となるアンモニアを添加したもの等が挙げられる。 Moreover, as a preservation | save liquid with which the flow path 13 of the flow cell 13 is filled, when using the immobilized microorganism membrane of ammonia oxidation bacteria, for example, ammonia serving as a bait is added to a borate buffer solution having a buffer capacity of pH 8-9. Additions etc. are mentioned.
次に、本発明のバイオセンサ装置のメンテナンス方法について説明する。
図2には、本発明のバイオセンサ装置のメンテナンス方法の概略が示されている。なお、図2において、図1と同一の構成部材には同一の番号を付し、その説明を省略する。
Next, a maintenance method for the biosensor device of the present invention will be described.
FIG. 2 shows an outline of a maintenance method for the biosensor device of the present invention. In FIG. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図2において、製造・供給元において、新規に製作した固定化膜11と電気化学的トランスデューサ12を、フローセル13内の所定の位置にセットし、新しい交換ユニット(バイオセンサユニット)20を構築する(工程A)。
In FIG. 2, a newly manufactured
この新しい交換ユニット(バイオセンサユニット)20は、固定化膜や電気化学的トランスデューサの不具合等をチェックするために、立上げ装置21にセットして、バイオセンサ出力が安定するまで、あるいはしきい値以下になることを確認する(工程B)。なお、前記立上げ装置21は、バイオセンサ装置本体と同様に、バイオセンサユニットの温度をコントロールする恒温槽と、バイオセンサユニットにフィード液(微生物のエサを含むpH緩衝液)あるいはpH緩衝液と純水を送液する送液ポンプと、バイオセンサユニットに空気を供給するエアポンプと、前記フィード液や空気等の温度をコントロールする熱交換器等を備えており、交換ユニットの動作確認を行うことができるようになっている。 This new replacement unit (biosensor unit) 20 is set in the start-up device 21 in order to check the malfunction of the immobilized membrane and the electrochemical transducer, etc. until the biosensor output is stabilized or the threshold value is set. Confirm that it is as follows (step B). The start-up device 21 includes a thermostatic chamber for controlling the temperature of the biosensor unit, a feed solution (pH buffer solution containing microorganism feed) or a pH buffer solution to the biosensor unit, like the biosensor device body. It is equipped with a liquid pump that supplies pure water, an air pump that supplies air to the biosensor unit, a heat exchanger that controls the temperature of the feed liquid and air, etc., and confirms the operation of the replacement unit. Can be done.
その後、フローセル13の流路に保存液22を充填して固定化膜11に保存液22が接液し、かつ保存液22が漏れないように流路の出入口を連結管で連結して保存・輸送する。なお、保存・輸送時は、交換ユニットの固定化膜の微生物や酵素が死滅あるいは失活しないように、5〜35℃に保つことが好ましい。
Thereafter, the flow path of the flow cell 13 is filled with the
そして、バイオセンサ使用場所においては、バイオセンサ装置本体30から使用済のバイオセンサユニット20aを取り外して、連結管を取り外した新しい交換ユニット(バイオセンサユニット)20を装置本体30に装着し、バイオセンサ出力が安定するまで、あるいはしきい値以下になることを確認する(工程D)。このとき、出荷時に交換ユニット(バイオセンサユニット)20のバイオセンサ出力を安定させているので、従来に比べてバイオセンサ出力が安定化する時間を短縮することができる。更に、バイオセンサユニットを分解することなく、ユニットごと装置本体に装着するので、メンテナンス時間が大幅に低減され、固定化膜や電気化学的トランスデューサの不具合発生のリスクを低減できる。
At the place where the biosensor is used, the used biosensor unit 20a is removed from the
一方、使用済のバイオセンサユニット20aは、製造・供給元に返送することにより、リサイクルされる。すなわち、返送された使用済のバイオセンサユニット20aは、分解されて、使用済の固定化膜11aは廃棄され(工程E)、電気化学的トランスデューサ12及びフローセル13は、適宜必要なメンテナンス等が行われた後(工程F)、新しい固定化膜を用いて新しい交換ユニット(バイオセンサユニット)が構築される。
On the other hand, the used biosensor unit 20a is recycled by returning it to the manufacturer / supplier. That is, the returned used biosensor unit 20a is disassembled, the used immobilization film 11a is discarded (step E), and the
本発明の方法は、環境計測や医療計測又は発酵・食品工業計測等の分野に応用されるバイオセンサ装置のメンテナンス方法に好適である。 The method of the present invention is suitable for a maintenance method of a biosensor device applied in the fields of environmental measurement, medical measurement, fermentation / food industry measurement, and the like.
11.固定化膜
12.電気化学的トランスデューサ
13.フローセル
14.流路
15.混合室
20.交換ユニット(バイオセンサユニット)
21.立上げ装置
22.保存液
30.バイオセンサ装置本体
11.
21.
Claims (3)
試料液の流路とその流出入口を有するフローセルと、前記流路を流れる試料液に接触できるように配置された前記固定化膜と、前記固定化膜と前記試料液との反応による変化を検出できるように配置された電気化学的トランスデューサとを備え、
前記試料液の流路に固定化膜を活性に保つ保存液が充填され、該流路の流出入口が連結管によって連結されて、前記保存液が封入されていることを特徴とするバイオセンサ装置の交換ユニット。 A biosensor device in which a sample solution is brought into contact with an immobilized membrane on which microorganisms or enzymes are immobilized, and a change formed by a reaction of a component in the sample solution with the immobilized membrane is detected by an electrochemical transducer. An exchange unit for a biosensor device used for maintenance of
A flow cell having a flow path for sample liquid and an inlet / outlet thereof, the immobilization film disposed so as to be in contact with the sample liquid flowing through the flow path, and a change due to a reaction between the immobilization film and the sample liquid are detected. Bei example an electrochemical transducer disposed so as to be,
A biosensor device , wherein the flow path of the sample liquid is filled with a preserving liquid that keeps the immobilized membrane active, and the preserving liquid is sealed by connecting an outlet / inlet of the flow path with a connecting pipe. Replacement unit.
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