JP4602018B2 - Hazardous substance detection method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、浄水場取水、もしくは河川、湖沼、ダム、地下水等の水道水源への有害物質の混入を検出するための有害物質検出方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a hazardous substance detection method and apparatus for detecting contamination of water from water purification plants or tap water sources such as rivers, lakes, dams, and groundwater.
上水道原水の取水源として、河川、湖沼、ダム、地下水等が利用されているが、これら原水へ化学物質・油等が流出する事故が発生する場合がある。これらの化学物質等の中には人体の健康に重大な影響を及ぼす有害物質が含まれる可能性がある。仮に有害物質を含んだ水を給水することになると、広範囲かつ多数の人が健康傷害等の水道事故に巻き込まれることになる。このような事態を回避し、安全な水を供給するためには、原水の水質監視が重要である。 Rivers, lakes, dams, groundwater, etc. are used as sources of raw water for water supply, but accidents may occur in which chemical substances, oils, etc. flow into these raw waters. These chemical substances may contain harmful substances that have a significant impact on human health. If water containing harmful substances is supplied, a wide range of people will be involved in water accidents such as health injuries. In order to avoid such a situation and supply safe water, it is important to monitor the quality of raw water.
浄水場では、有害物質混入の監視手段として、原水中で魚を飼育し、魚の異常行動を監視員の目視による観察もしくは画像解析により検知することも行われている。しかし、この手法では、魚の給餌、水槽のメンテナンス等の手間が必要であり、魚自体の健康状態により左右されたり、個体差により感度が異なったりする等の問題点がある。 In water purification plants, fish are raised in raw water as a means for monitoring contamination with harmful substances, and abnormal behavior of fish is also detected by observation or image analysis by the observer. However, this method requires troubles such as feeding fish and maintaining the aquarium, and has problems such as being influenced by the health condition of the fish itself and sensitivity depending on individual differences.
取水に含まれる化学物質の検出には機器分析を適用する方法も考えられるが、流入する可能性のある化学物質全てを対象として機器分析を行うことは困難であり、実用上、分析対象を限定することになる。この場合の不都合は、流入を想定していない化学物質については検出することが不可能であるということである。また、測定には試料水の前処理が必要であり、連続的なモニタリングには適していない。 Although it is conceivable to apply instrumental analysis to detect chemical substances contained in water intake, it is difficult to perform instrumental analysis for all chemical substances that may flow in, and practically limiting the subject of analysis. Will do. The disadvantage in this case is that it is impossible to detect chemical substances that are not supposed to flow. Moreover, pretreatment of sample water is necessary for measurement, and it is not suitable for continuous monitoring.
これらの状況から、有害物質の混入を連続的に検出する方法として、有害物質の生物の活性に与える負荷を計測し、試料水の有害性を総合的に評価する手法が提案されている。特に酸素電極と微生物膜を組み合わせたバイオセンサを用いることにより、微生物膜の酸素消費量から微生物の呼吸活性をモニタリングする手法は、比較的簡便な装置で試料水への有害物質の混入を連続的に監視することができる(例えば、特許文献1参照)。 Under these circumstances, as a method for continuously detecting contamination of harmful substances, a method for comprehensively evaluating the harmfulness of sample water by measuring the load of harmful substances on the activity of organisms has been proposed. In particular, by using a biosensor that combines an oxygen electrode and a microbial membrane, the method for monitoring the respiratory activity of microorganisms from the oxygen consumption of the microbial membrane is a continuous and simple method of mixing harmful substances into sample water. (For example, refer to Patent Document 1).
この文献記載のものでは、鉄酸化細菌の呼吸活性をモニタリングする。微生物の呼吸活性は、呼吸反応の直接的な阻害、その他の代謝反応の阻害、細胞壁、細胞膜の破壊等を引き起こす化学物質によって阻害を受けることから、比較的広範囲な有害物質を検出することができる。しかし、基本的に単細胞生物の単一細胞に対する毒性が評価対象であることから、人体への毒性とは必ずしも対応しない場合がある。特に、多細胞間の情報伝達の阻害、組織に長期にわたって蓄積されて毒性が発現する慢性毒性等については、バイオセンサでは直接的に測定することが困難である。 In this document, the respiratory activity of iron-oxidizing bacteria is monitored. Respiratory activity of microorganisms is detected by chemical substances that cause direct inhibition of respiratory response, inhibition of other metabolic reactions, destruction of cell walls and cell membranes, etc., so that a relatively wide range of harmful substances can be detected. . However, since toxicity to single cells of single-cell organisms is basically an object of evaluation, it may not always correspond to human toxicity. In particular, it is difficult for biosensors to directly measure inhibition of information transmission between multiple cells, chronic toxicity that accumulates in tissues for a long time and develops toxicity.
なお、水への有害物質の混入を検出するために、化学物質と生体組織との相互作用を検出する手法自体は、すでに開示されているところである(例えば、特許文献2参照)。この手法では化学物質と相互作用を持つ擬似細胞膜を備え、擬似細胞膜への化学物質の接着・吸着等の相互作用を、化学物質との反応により変化する擬似細胞膜の物理情報、例えば膜電位、電気容量、イオン透過性、発光、発熱・吸熱などを測定し、反応前後の出力値の差から化学物質の混入を判定する。
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、バイオセンサでは対応することが困難な有害物質を含めて、より広範囲の有害物質を検出し得る有害物質検出方法および装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a hazardous substance detection method and apparatus capable of detecting a wider range of harmful substances, including harmful substances that are difficult for biosensors to deal with. It is intended to do.
上記目的を達成するために請求項1に係る発明の有害物質検出装置は、電極上に微生物を固定化し、試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサと、リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、試料水中の有害物質の存在を擬似細胞膜の膜電位変化として捉える擬似細胞膜センサと、を備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the harmful substance detection apparatus according to the first aspect of the present invention immobilizes microorganisms on the electrode and monitors changes in the production amount or consumption of the electrode active material by the microorganisms contained in the sample water. A biosensor that detects the entry of harmful substances into the sample water, and phospholipids or artificial polymer membranes to replace them as the main components, and various functional molecules that interact with the harmful substances contained in the sample water. And a pseudo cell membrane sensor that captures the presence of harmful substances in the sample water as a change in membrane potential of the pseudo cell membrane .
微生物を利用したバイオセンサによる有害物質検出では、試料水に有害物質が混入した場合、有害物質の影響により微生物の活性に何らかの変化が現れることを利用する。この有害物質による活性変化に基づく微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングする。例えば、溶存酸素電極に微生物を固定化し、微生物の呼吸による酸素消費量をモニタリングすることにより、有害物質による酸素消費量の減少から有害物質の混入を検知することができる。 In the detection of harmful substances by a biosensor using microorganisms, it is used that when a harmful substance is mixed in sample water, some change appears in the activity of microorganisms due to the influence of the harmful substances. The change in the production amount or consumption of the electrode active material by the microorganism based on the activity change due to the harmful substance is monitored. For example, by immobilizing microorganisms on a dissolved oxygen electrode and monitoring oxygen consumption due to respiration of microorganisms, contamination of harmful substances can be detected from a decrease in oxygen consumption due to harmful substances.
このとき使用している微生物の活性に影響を及ぼさない化学物質、もしくは電極において検出できるレベルの活性変化を引き起こさない化学物質については、流入を検知することは困難である。これら化学物質のうち、人体に影響を及ぼす可能性のある有害物質については、微生物の活性には影響を及ぼさないものの、やはり人体、言い換えると生体組織との相互作用が存在する。 At this time, it is difficult to detect the inflow of a chemical substance that does not affect the activity of the microorganism used, or a chemical substance that does not cause a change in activity that can be detected at the electrode. Among these chemical substances, harmful substances that may affect the human body do not affect the activity of microorganisms, but still interact with the human body, in other words, living tissue.
擬似細胞膜は生体細胞膜を模した構造をとるために、リン脂質を主成分とする脂質二分子膜、もしくはそれに代わる人工高分子膜を主成分とし、毒物と作用する各種の蛋白質や糖などの機能分子を配合することにより作製される。バイオセンサの測定対象外の有害物質を擬似細胞膜センサの測定対象とするために、その有害物質と相互作用をする蛋白質や糖など機能分子を擬似細胞膜中に含有させることにより、バイオセンサでは測定不可能な有害物質の検知が可能となる。 Pseudo-cell membranes have a structure that mimics biological cell membranes, and are mainly composed of lipid bilayers composed mainly of phospholipids or artificial polymer membranes that replace them. Functions such as various proteins and sugars that act on poisons It is made by blending molecules. In order to make toxic substances that are not subject to measurement by the biosensor into the measurement object of the pseudo cell membrane sensor, the biosensor does not allow measurement by including functional molecules such as proteins and sugars that interact with the toxic substance in the pseudo cell membrane. Possible harmful substances can be detected.
バイオセンサの特徴として、単一のバイオセンサ素子(微生物)で多種の有害物質の生物に与え得る負荷を総括的に評価することができる点を挙げることができる。しかし、評価指標である呼吸活性の変化からは、有害物質の種別に関する情報を得ることは難しく、センサ応答から有害物質の種類を識別することは困難である。 A characteristic of a biosensor is that a single biosensor element (microorganism) can comprehensively evaluate the load that can be applied to various types of harmful substances. However, it is difficult to obtain information on the type of harmful substance from the change in respiratory activity, which is an evaluation index, and it is difficult to identify the type of harmful substance from the sensor response.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の有害物質検出装置において、擬似細胞膜センサは、複数種類の有害物質に対しては異なる膜電位変化を示すような組成の異なる複数種類の擬似細胞膜を有しており、擬似細胞膜センサの膜電位変化を測定する膜電位測定装置と、膜電位測定装置からの測定信号を入力し、各擬似細胞膜の膜電位変化を示す測定信号をパターン認識することにより有害物質の種類を決定する演算装置と、を備えたことを特徴とする。
The invention according to
この場合、擬似細胞膜センサは、組成の異なる複数種類の擬似細胞膜を備え、個々の擬似細胞膜センサの有害物質に対する応答、すなわち毒物の種類と量に応じて出力値がどのように変化するか、予めを求めておき、これらの応答パターンを基に、複数のセンサからの出力値から有害物質の種類について大まかな分類をすることが可能となる。 In this case, the pseudo cell membrane sensor includes a plurality of types of pseudo cell membranes having different compositions, and how the output value changes according to the response of each pseudo cell membrane sensor to a harmful substance, that is, the type and amount of the toxic substance. Based on these response patterns, it is possible to roughly classify the types of harmful substances from the output values from a plurality of sensors.
バイオセンサと複数種の擬似細胞膜をセンサとを組み合わせることにより、バイオセンサにより生物への負荷をモニタリングしつつ、流入する化学物質の種別を推定することが可能となり、水質監視の精度を一層向上させることができる。 By combining a biosensor and multiple types of pseudo cell membrane sensors, it is possible to estimate the type of chemical substance flowing in while monitoring the load on the organism with the biosensor, further improving the accuracy of water quality monitoring be able to.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の有害物質検出装置において、擬似細胞膜は慢性毒性物質と不可逆的に結合する生体機能素子を含有し、長期間の蓄積により毒性が発現する慢性毒性物質の検出を行うことを特徴とする。
The invention according to
特に、バイオセンサで測定することが困難な慢性毒性物質についても、擬似細胞膜中に慢性毒性物質を捕捉することができる機能素子を埋め込み、複数種の擬似細胞膜から得られる応答パターンのうち、慢性毒性物質に特徴的なパターンを識別することにより、慢性毒性物質の検知を行うことができる。この場合、バイオセンサにより急性毒性物質、擬似細胞膜センサにより慢性毒性物質をカバーすることが可能となる。 Especially for chronic toxic substances that are difficult to measure with a biosensor, a functional element capable of capturing chronic toxic substances is embedded in the pseudo cell membrane, and among the response patterns obtained from multiple types of pseudo cell membranes, chronic toxicity Chronic toxic substances can be detected by identifying patterns characteristic to the substance. In this case, it is possible to cover the acute toxic substance by the biosensor and the chronic toxic substance by the pseudo cell membrane sensor.
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の有害物質検出装置において、バイオセンサに固定化する微生物として鉄酸化細菌を利用することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is characterized in that, in the harmful substance detection device according to any one of claims 1 to 3, iron-oxidizing bacteria are used as microorganisms immobilized on the biosensor.
バイオセンサに固定化する微生物としては、多くの種類の微生物が適用可能であるが、安定した測定を実現するためには、特定の化学物質を選択的に基質と利用している化学合成独立栄養細菌が望ましい。さらに酸性領域で活性がある鉄酸化細菌を利用することにより安定性を向上させることができる。 Many types of microorganisms can be applied as microorganisms to be immobilized on biosensors. However, in order to achieve stable measurement, chemical synthesis autotrophs that selectively use specific chemical substances as substrates. Bacteria are desirable. Furthermore, stability can be improved by utilizing iron-oxidizing bacteria that are active in the acidic region.
請求項5に係る発明の有害物質検出方法は、試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、この試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサにより連続的に行い、バイオセンサで水質の異常を検出したとき、複数種類の有害物質に対しては異なる膜電位変化を示すような組成の異なる複数の擬似細胞膜を有する擬似細胞膜センサに試料水を供給し、擬似細胞膜センサから得られる信号をパターン認識することにより、水質異常の原因となった有害物質の種類および量を特定する方法であって、擬似細胞膜センサは、リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、試料水中の有害物質の存在を擬似細胞膜の膜電位変化として捉えるものである、ことを特徴とする。
The harmful substance detection method of the invention according to
常時2つのセンサを稼動させるのではなく、通常時はバイオセンサにより連続的に生物的負荷のモニタリングを実施し、バイオセンサにより有害物質を検知したときに、擬似細胞膜センサに試料水を供給して動作させる構成をとる。バイオセンサは比較的簡単な装置で構成することができ、連続測定が容易であり、迅速に異常を検出することが可能である。そこで、常時は低コストで長期間連続的に運転可能なバイオセンサにより有害物質のモニタリングを実施し、バイオセンサで何らかの有害物質が混入した場合に、擬似細胞膜センサを動作させて有害物質の種別を特定するのが有効になる。 Rather than operating two sensors at all times, the biological load is continuously monitored by the biosensor during normal times. When a harmful substance is detected by the biosensor, sample water is supplied to the pseudo cell membrane sensor. It is configured to operate. The biosensor can be configured with a relatively simple device, can easily perform continuous measurement, and can quickly detect an abnormality. Therefore, monitoring of harmful substances is always performed with a biosensor that can be operated continuously at low cost for a long period of time, and if any harmful substance is mixed with the biosensor, the pseudo cell membrane sensor is operated to determine the type of harmful substance. It becomes effective to specify.
請求項6に係る発明の有害物質検出方法は、試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、複数種類の有害物質に対しては異なる膜電位変化を示すような組成の異なる複数の擬似細胞膜を有する擬似細胞膜センサに試料水を供給することにより連続的に行い、擬似細胞膜センサにより有害物質が急性毒性物質と推定される出力信号パターンが得られたとき、試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサによって急性毒性物質の混入を確認する方法であって、擬似細胞膜センサは、リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、試料水中の有害物質の存在を擬似細胞膜の膜電位変化として捉えるものである、ことを特徴とする。 The hazardous substance detection method of the invention according to claim 6 is a method for monitoring a harmful substance contained in a sample water in a normal state, and for a plurality of types of pseudo substances having different compositions that show different membrane potential changes for a plurality of kinds of harmful substances. Electrode by microorganisms contained in sample water when it is continuously performed by supplying sample water to a pseudo cell membrane sensor having a cell membrane , and the pseudo cell membrane sensor obtains an output signal pattern in which the harmful substance is assumed to be an acute toxic substance A method of confirming the contamination of an acute toxic substance by a biosensor that detects the contamination of the harmful substance in the sample water by monitoring the change in the production amount or consumption of the active material. An artificial polymer film that is an alternative to this, and is created by blending various functional molecules that interact with harmful substances contained in the sample water. Have membranes, but to capture the presence of harmful substances in the water sample as a membrane potential change of the pseudo cell membrane, characterized in that.
この場合、通常時は擬似細胞膜センサによるモニタリングを実施し、急性毒性を示す有害物質に相当する応答パターンを検出した時に、バイオセンサに試料水を供給して動作させる構成をとる。擬似細胞膜センサは比較的高感度に有害物質を検知することが可能であるが、有害物質特有の応答パターンが得られたとしても、有害物質に類似した毒性の無い化学物質が含まれている場合もあり得る。このため、実際に生物に対する負荷をバイオセンサにより確認することにより、試料水に含まれる化学物質の実質的な有害性を評価することが可能となる。 In this case, monitoring is normally performed by a pseudo cell membrane sensor, and when a response pattern corresponding to a harmful substance exhibiting acute toxicity is detected, sample water is supplied to the biosensor to operate. Pseudo cell membrane sensor can detect harmful substances with relatively high sensitivity, but even if a response pattern peculiar to harmful substances is obtained, it contains chemical substances that are not toxic and similar to harmful substances There is also a possibility. For this reason, it becomes possible to evaluate the substantial harmfulness of the chemical substance contained in the sample water by actually confirming the load on the organism with the biosensor.
本発明によれば、バイオセンサの検出対象物質の拡大を図ることができるとともに、化学物質の識別が可能な有害物質検出方法および装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to aim at the expansion of the detection target substance of a biosensor, the hazardous substance detection method and apparatus which can identify a chemical substance can be provided.
図1は本発明による有害物質検出装置の一構成例を示すものである。この装置の特徴は、試料水中への有害物質の混入を検知する手段として、バイオセンサ1と擬似細胞膜センサ2を併せ備えることにある。試料水は試料水供給手段3から供給され、バイオセンサ試料水供給バルブ4を介して、ポンプ5によりバイオセンサ1に供給される。また同じ試料水供給手段3からの同じ試料水は、擬似細胞膜センサ試料水供給バルブ6を介して、ポンプ7により擬似細胞膜センサ2にも供給される。
FIG. 1 shows an example of the configuration of a hazardous substance detection apparatus according to the present invention. A feature of this apparatus is that it includes both a biosensor 1 and a pseudo
バイオセンサ1は溶存酸素電極8および微生物膜9から構成されており、微生物膜9に固定化した微生物の呼吸活性を溶存酸素電極8により検知する。バイオセンサ1の微小検出出力は出力処理部10により測定される。微生物膜9を活性化させるため、微生物の栄養源を基質溶液タンク11からバルブ13aおよびポンプ14を介して供給する。また長期的な安定性を維持するため、洗浄を実施する必要があることから、洗浄液を洗浄液タンク12からバルブ13bおよびポンプ14を介して定期的に供給する。これらの液の切換はバルブ13a,13bの開閉により制御され、ポンプ14により送液され、ポンプ5から供給される試料水と混合されてバイオセンサ1に供給される。
The biosensor 1 includes a dissolved
擬似細胞膜センサ2は、擬似細胞膜15、電極16、および膜電位測定槽17により構成される。膜電位測定槽17の中央部に擬似細胞膜15が配置され、それを挟むように一対の電極16が配置されている。電極16から取り出される擬似細胞膜センサ2の出力が膜電位測定装置18により測定され、ここで膜電位の初期値に対する変化を捉えることにより、擬似細胞膜15への有害物質の存在を捉える。すなわち、擬似細胞膜センサ2は擬似細胞膜15に及ぼす有害物質の作用により生ずる電気・光・熱などの物理的変化を膜電位変化として捉える。図1に示すように、複数の(図示の例では3個の)擬似細胞膜センサを適用する場合、それぞれのセンサ出力を測定する。
The pseudo
バイオセンサ1および擬似細胞膜センサ2の検出出力は演算装置19に伝送され、ここで、両検出出力に基づいて有害物質の混入量の判定、および有害物質の種類推定等の演算処理を行う。さらに図1の構成例では、バイオセンサ1に校正水を供給するための校正水供給手段20、有害物質検出時の分析用の水を採水するための採水タンク21を備える。校正水供給手段20はバルブ13cを介してポンプ5の入口に接続される。採水タンク21はバルブ13dを介してバルブ6の入口に接続される。
The detection outputs of the biosensor 1 and the pseudo
図2はバイオセンサ1による有害物質検出の応答例を示すものである。測定開始から数分のところで、基質溶液として硫酸第一鉄を添加することにより一旦検出電流値は低下する。すなわち、バイオセンサ1に微生物の基質を含んだ溶液を添加することにより、微生物は呼吸により酸素を消費する。微生物として鉄酸化細菌(Thiobacilus ferroxidans)を使用した場合、栄養源である鉄イオンを含む溶液を添加することにより呼吸を活性化する。その結果、酸素は微生物膜9で消費されることから、酸素電極に到達する酸素量が減るため電流値は低下する。そのまま何の有害物質をも添加しなければ特性線21のように低レベルで推移するが、検出電流値が低下してから数分経過したところで何らかの有害物質を添加すると、特性線22に示すように検出電流値は一般に増加する。特性線22では、有害物質の添加により微生物が呼吸阻害を受けて電流値が増加し、警報ラインAを超過した場合に有害物質の混入を検出することになる。
FIG. 2 shows an example of the response of the hazardous substance detection by the biosensor 1. At a few minutes after the start of measurement, the detected current value is temporarily reduced by adding ferrous sulfate as a substrate solution. That is, by adding a solution containing a substrate of microorganisms to the biosensor 1, the microorganisms consume oxygen by respiration. When an iron-oxidizing bacterium (Thiobacilus ferroxidans) is used as a microorganism, respiration is activated by adding a solution containing iron ions as a nutrient source. As a result, since oxygen is consumed by the
図3は基質溶液を添加した後、数分したところで、有害物質としてシアン化物を添加した場合について、種々の擬似細胞膜を用いた場合の膜電位変化量を示したものである。特性線31は擬似細胞膜1を用いた場合を示し、特性線32は、擬似細胞膜2を用いた場合を示し、さらに特性線33は、擬似細胞膜3を用いた場合を示すものである。
FIG. 3 shows changes in membrane potential when various pseudo cell membranes are used in the case where cyanide is added as a harmful substance after a few minutes after the substrate solution is added. The
擬似細胞膜は人工的に作製した脂質二分子膜等で構成され、膜内に種々の機能分子を含有している。脂質膜としては、モノオレイン、トリオレイン+コレステロール等の合成界面活性剤、各種リン脂質、糖脂質等が適用可能であるが、二分子膜構造をとるものがより望ましい。機能分子としては、有害物質と相互作用をする、生物の細胞膜成分から分離した各種蛋白質、糖や、人工的に合成した分子を適用する。各種物質の検出に適用可能な機能分子の例としては、重金属等のイオン性化学物質用にはイオノフォア、農薬その他抗原となる化学物質により生成される抗体、内分泌撹乱性を有する化学物質を受容するレセプタ、特定の化学物質を資化する性質のある微生物、例えばシアン資化菌から採取した膜構成脂質等を挙げることができる。 The pseudo cell membrane is composed of an artificially produced lipid bimolecular membrane or the like, and contains various functional molecules in the membrane. As the lipid membrane, synthetic surfactants such as monoolein and triolein + cholesterol, various phospholipids, glycolipids and the like are applicable, but those having a bilayer structure are more preferable. As functional molecules, various proteins, sugars, and artificially synthesized molecules that interact with harmful substances separated from biological cell membrane components are applied. Examples of functional molecules applicable to the detection of various substances include ionophores for heavy metal and other ionic chemical substances, pesticides, antibodies produced by chemical substances that become antigens, and chemical substances that have endocrine disrupting properties. Examples thereof include a receptor, a microorganism having a property of assimilating a specific chemical substance, for example, a membrane-constituting lipid collected from cyanogen-assimilating bacteria.
通常時においては、擬似細胞膜センサ2の出力膜電位は一定の値で推移する。ところが、試料水に有害物質(図3の例では、シアン化物)が混入すると、有害物質が擬似細胞膜15内の機能物質もしくは擬似細胞膜に作用し、膜電位が変化する。図3の例では、数種類の擬似細胞膜に対して、有害物質としてシアン化物および農薬を添加したときの応答を示している。特性線31で示す擬似細胞膜1ではシアン化物に対して電位が変化し、特性線32で示す擬似細胞膜2では農薬に対して電位が変化し、特性線33で示す擬似細胞膜3ではシアン化物および農薬の両方に対して電位が変化している。この特性を利用し、各擬似細胞膜の電位変化パターンから有害物質種の識別が可能となる。
Under normal conditions, the output membrane potential of the pseudo
バイオセンサでは前記のように、微生物の活性に影響を及ぼさない有害物質の検出は困難である。鉄酸化細菌を利用したバイオセンサでは、特定の農薬類や重金属については、呼吸活性への影響が現れにくい。ここで、図3に示す擬似細胞膜2や擬似細胞膜3の出力変化を検出することにより、バイオセンサ1により検出が困難な農薬についても検出することが可能となる。
As described above, it is difficult for biosensors to detect harmful substances that do not affect the activity of microorganisms. In biosensors using iron-oxidizing bacteria, the effects on respiratory activity are less likely to appear for certain pesticides and heavy metals. Here, by detecting the output change of the
また、急性毒性は低いものの長期間生体組織に蓄積・作用することにより毒性が発現する慢性毒性物質も、バイオセンサによって検出することが困難な物質である。慢性毒性物質についても、予め慢性毒性物質に対する複数の擬似細胞膜の応答パターンを測定しデータベース化しておき、類似の応答パターンを示した場合に慢性毒性物質の混入を検出することが可能となる。 In addition, a chronic toxic substance that has low acute toxicity but develops toxicity by accumulating and acting on a living tissue for a long period of time is a substance that is difficult to detect with a biosensor. As for chronic toxic substances, response patterns of a plurality of pseudo cell membranes against chronic toxic substances are measured in advance and stored in a database, and when a similar response pattern is shown, it is possible to detect contamination of chronic toxic substances.
このようにバイオセンサの検出対象の拡大を目的とした場合、バイオセンサ1と擬似細胞膜センサ2を並列かつ同時に運用し、水質モニタリングを実施する。また、それぞれの特徴を活かし、常時は一方のセンサを稼動させる方法を取ることもできる。以下に、それぞれの運用方法について、より詳細に説明する。
Thus, when aiming at the expansion of the detection object of a biosensor, the biosensor 1 and the pseudo
図4は図1に示す有害物質検出装置の一運用例を説明するフローチャートである。この運用例では、常時はバイオセンサ1によるモニタリングを実施する(ステップS1)。バイオセンサ1の出力が警報値Aを超えたかどうかを監視し(ステップS2)、超えた場合は有害物質が混入したと判断し、有害物質が混入した旨の警報を行う(ステップS3)。続いて擬似細胞膜センサ2による有害物質の識別すなわちパターン認識を行う(ステップS4)。この擬似細胞膜センサ2で大まかな有害物質の種類を推定し、特に人体に甚大な影響を及ぼす可能性のある急性毒性物質であるか否かを判断し(ステップS5)、急性毒性物質である場合、急性毒性物質が混入した旨の警報を発する(ステップS6)とともに、一時的に取水を停止する処置をとる(ステップS7)。ステップS5において、急性毒性物質でなかった場合、すなわち、有害物質の種別が浄水処理で除去可能な物質であったり、すぐに甚大な影響を及ぼす物質ではなかったりした場合は、有害物質の種別を表示する(ステップS8)に止め、採水・詳細分析を行った後(ステップS9)、別途、適切な処置をとる。
FIG. 4 is a flowchart for explaining an operation example of the harmful substance detection apparatus shown in FIG. In this operation example, monitoring by the biosensor 1 is always performed (step S1). It is monitored whether or not the output of the biosensor 1 has exceeded the alarm value A (step S2). If it exceeds, it is determined that a harmful substance has been mixed, and an alarm is given to the effect that the harmful substance has been mixed (step S3). Subsequently, harmful substance identification, that is, pattern recognition is performed by the pseudo cell membrane sensor 2 (step S4). When the
図5は図1に示す有害物質検出装置の他の運用例を説明するフローチャートである。この運用例は、常時は擬似細胞膜センサ2によるモニタリングを実施して有害物質が混入しているか否かを判別し(ステップS1,S2)、混入していると判別すれば有害物質が混入した旨の警報を行う(ステップS3)。そして更に、擬似細胞膜センサ2により、混入した有害物質が急性毒性物質か否かを推定し(ステップS5)、急性毒性物質であると推定した場合、バイオセンサ1を起動し(ステップS10)、バイオセンサ1による測定を行う。ここでバイオセンサ1において警報値を超える出力増加の有無を調べ(ステップS11)、警報値を超えた場合は、急性毒性物質が混入した旨の警報を発する(ステップS6)とともに、一時的に取水を停止する処置をとる(ステップS7)。ステップS5において急性毒性物質でなかった場合、すなわち、有害物質の種別が浄水処理で除去可能な物質であったり、すぐに甚大な影響を及ぼす物質ではなかったりした場合、およびステップS11において、警報値を超えなかった場合は、採水・詳細分析を行った後(ステップS9)、別途、適切な処置をとることができる。
FIG. 5 is a flowchart for explaining another operation example of the harmful substance detection apparatus shown in FIG. In this operation example, monitoring by the pseudo
1 バイオセンサ
2 擬似細胞膜センサ
3 試料水供給手段
4 バイオセンサ試料水供給バルブ
5,7,14 ポンプ
6 擬似細胞膜センサ試料水供給バルブ
8 溶存酸素電極
9 微生物膜
10 出力処理部
11 基質溶液タンク
12 洗浄液タンク
13a〜13d バルブ
15 擬似細胞膜
16 電極
17 膜電位測定槽
18 膜電位測定装置
19 演算装置
20 校正水供給手段
21 採水タンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、前記試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、前記試料水中の有害物質の存在を前記擬似細胞膜の膜電位変化として捉える擬似細胞膜センサと、
を備えたことを特徴とする有害物質検出装置。 A biosensor that immobilizes microorganisms on the electrode and detects contamination of harmful substances in the sample water by monitoring changes in the production amount or consumption of the electrode active material by the microorganisms contained in the sample water;
It has a pseudo cell membrane made by blending various functional molecules that interact with harmful substances contained in the sample water, the main component of which is a phospholipid or an artificial polymer membrane instead of the phospholipid, and the sample water A pseudo cell membrane sensor that captures the presence of harmful substances as a change in membrane potential of the pseudo cell membrane;
Hazardous substance detection apparatus comprising the.
前記擬似細胞膜センサの膜電位変化を測定する膜電位測定装置と、
前記膜電位測定装置からの測定信号を入力し、各擬似細胞膜の膜電位変化を示す測定信号をパターン認識することにより有害物質の種類を決定する演算装置と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の有害物質検出装置。 The pseudo cell membrane sensor has a plurality of types of pseudo cell membranes having different compositions that exhibit different membrane potential changes for a plurality of types of harmful substances,
A membrane potential measuring device for measuring a membrane potential change of the pseudo cell membrane sensor;
An arithmetic device that inputs a measurement signal from the membrane potential measuring device and determines the type of harmful substance by recognizing a pattern of the measurement signal indicating the membrane potential change of each pseudo cell membrane;
Hazardous substance detection apparatus according to claim 1, further comprising a.
複数種類の有害物質に対しては異なる膜電位変化を示すような組成の異なる複数の擬似細胞膜を有する擬似細胞膜センサに試料水を供給し、前記擬似細胞膜センサから得られる信号をパターン認識することにより、水質異常の原因となった有害物質の種類および量を特定する方法であって、
前記擬似細胞膜センサは、リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、前記試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、前記試料水中の有害物質の存在を前記擬似細胞膜の膜電位変化として捉えるものである、
ことを特徴とする有害物質検出方法。 When monitoring harmful substances contained in the sample water, the contamination of the sample water is detected by monitoring changes in the production or consumption of the electrode active material by microorganisms contained in the sample water. When continuously performed by a biosensor and an abnormality in water quality is detected by the biosensor,
By supplying sample water to a pseudo cell membrane sensor having a plurality of pseudo cell membranes having different compositions that exhibit different membrane potential changes for a plurality of types of harmful substances, and pattern recognition of signals obtained from the pseudo cell membrane sensor A method for identifying the type and amount of harmful substances that cause water quality abnormalities ,
The pseudo cell membrane sensor has a pseudo cell membrane created by blending various functional molecules that interact with harmful substances contained in the sample water, the main component of which is a phospholipid or an artificial polymer membrane instead of the phospholipid. And the presence of harmful substances in the sample water is regarded as a change in membrane potential of the pseudo cell membrane,
A method for detecting a harmful substance.
前記試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより前記試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサによって急性毒性物質の混入を確認する方法であって、
前記擬似細胞膜センサは、リン脂質又はこれに代わる人工高分子膜を主成分とし、前記試料水に含まれる有害物質と相互作用する各種の機能分子を配合することにより作成される擬似細胞膜を有しており、前記試料水中の有害物質の存在を前記擬似細胞膜の膜電位変化として捉えるものである、
ことを特徴とする有害物質検出方法。 When monitoring harmful substances contained in sample water, supply sample water to a pseudo cell membrane sensor having multiple pseudo cell membranes with different compositions that show different membrane potential changes for multiple types of harmful substances When the output signal pattern in which the harmful substance is estimated to be an acute toxic substance is obtained by the pseudo cell membrane sensor,
This is a method for confirming the contamination of acute toxic substances by a biosensor that detects the contamination of harmful substances in the sample water by monitoring changes in the production or consumption of the electrode active material by microorganisms contained in the sample water. And
The pseudo cell membrane sensor has a pseudo cell membrane created by blending various functional molecules that interact with harmful substances contained in the sample water, the main component of which is a phospholipid or an artificial polymer membrane instead of the phospholipid. And the presence of harmful substances in the sample water is regarded as a change in membrane potential of the pseudo cell membrane,
A method for detecting a harmful substance.
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