JP4822903B2 - 二分子膜の形成装置及びその形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、二分子膜の安定性及び面積を制御する二分子膜の形成装置及びその形成方法に関する。

一般に、河川や処分場等で環境汚染物質を感度よく測定するバイオセンサとして、二分子膜を用いたセンサが知られている。この二分子膜をセンサとして利用する場合、膜の選択性、感応性、応答性などの特性に加え、測定した結果のバラツキを考慮すると、膜の安定性が非常に重要となっている。また、定量測定を行うのであれば、検出の精度を向上させるために、二分子膜の面積を制御することも重要である。公知な二分子膜の作製法としては、筆塗布法（非特許文献１）等の迅速な作製方法が提案されている。また、例えば、特許文献１には、隔壁に開口された貫通孔に向かい、インクジェットプリンタに用いられているノズルと同等なノズルを用いて、一定量の脂質が含まれる溶液を吐出して、貫通孔を塞ぐように脂質二分子膜を形成する技術が開示されている。一定量の脂質溶液により形成することにより、比較的に同等な二分子膜を繰り返し形成することができる。
特開２００５−３１５８３２ Wolfgang Hanke and W. -R. Schlue, "Planar Lipid Bilayers: Methods and Appicatios" Academic Press, New York, pp. 64 (1993).

前述した特許文献１を始めとする提示した作製方法により作成された二分子膜は、電気的物性にかかわる膜面積と安定性については制御されていない。従って、センサの特性としては、均一性が低くなり、特性にバラツキが発生した状態で作製されている。従って、測定精度を上げるために、実際形成された二分子膜の面積を考慮して測定結果を補正しすることとなる。

これまで所望するインピーダンス値を有し、高安定性且つ所望する面積を有する二分子膜を作製する具体的な形成装置及び形成方法は実現されていない。このため、二分子膜をセンサとして使用したい要望があるにもかかわらず、現状としては十分に要求を満たしているものではない。
そこで本発明は、所望する膜面積を形成し維持する二分子膜の形成装置及びその形成方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、任意の周波数を有する印加電圧を可変可能に生成する交流電圧印加装置と、前記印加電圧を分子膜に印加し、所望する二分子膜の膜面積を含む膜状態を形成する二分子膜形成部とを具備する二分子膜の形成装置を提供する。

また本発明は、任意の周波数を有する印加電圧を生成する交流電圧印加装置と、前記交流電圧印加装置の前記印加電圧を分子膜に印加して、二分子膜の膜面積を含む膜状態を可変させる二分子膜形成部と、前記二分子膜の膜状態を観測し、観測結果を示す信号を生成する二分子膜観測部と、前記二分子膜観測部から受信した前記観測結果を示す信号に基づき、所望する膜状態となるように、前記交流電圧印加装置が生成する前記印加電圧の電圧値および周波数の少なくともいずれか一方を設定制御する制御部とを具備する二分子膜の形成装置を提供する。

さらに、本発明は、二分子膜に任意周波数を有する電圧を印加し、前記二分子膜の光学的若しくは電気化学的特性及びそれらの経時的な変化を観測し、前記観測された前記二分子膜の前記光学的若しくは電気化学的特性に基づき生成された信号を受信すると共に、前記二分子膜に印加される前記任意周波数を有する電圧の周波数及び電圧値の再設定を行い、前記二分子膜に再設定された任意周波数を有する電圧を印加して、前記二分子膜の膜面積を含む膜状態を形成維持する二分子膜の形成方法を提供する。

本発明の二分子膜の形成装置によれば、所望する膜面積を形成し維持する二分子膜の形成装置及びその形成方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施形態における二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。尚、以下の各実施形態において、二分子膜７の膜面積とは、図９（ｃ）の断面構成図に示すように、分子膜７０の外周にある周辺部（断面が三角形）を除く、実質的な二分子膜部分Ｏの面積を膜面積と称している。さらに、二分子膜７から電気化学的信号として検出される膜状態を示す信号には、膜の厚さ情報、膜電位、膜面積情報及び、周波数と電圧の相互依存性（パラメータ）の情報を含んでいる。

本実施形態の二分子膜の形成装置は、所望する膜面積を有する二分子膜７を形成する二分子膜形成部１と、二分子膜に印加するための数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の範囲内で任意の周波数を有する電圧（交流電圧）を発生する交流電圧印加装置２と、形成された二分子膜７に関する電気化学的信号ｎを観測する二分子膜観測部４と、所望する二分子膜の膜面積が形成され維持されるように交流電圧印加装置２をフィードバック制御し、且つ二分子膜７の膜状態を分析するための演算及び制御を行う制御部３と、を有する。

二分子膜形成部１は、容器５内を２つの液体収容部８，９に仕切り、少なくとも１つのφ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の微小な貫通孔が開口された絶縁性を有する基板６と、基板６の両側でそれぞれの液体収容部８，９内に配置された電極１０，１１と、液体収容部８内に設けられ、二分子膜観測部４に接続するセンサ電極１２（＋）と、を有する。この例では、二分子膜観測部４は、センサ電極１２の他に、電極１０をセンサ電極（−）として用いている。これらのセンサ電極は、二分子膜７により発生する電気化学的信号ｎを測定するために設置される。センサ電極が設けた数により２電極系、３電極系、４電極系とする、若しくは二分子膜７の数と同数の電極数として、用途に応じて適宜に選択し使用する。また、液体収容部８，９内には、測定を行うためのサンプル液（測定溶液）と、基準液がそれぞれ収容され、二分子膜の膜電位が変化して、この変化を電気化学的信号として測定する。例えば、地下水における環境汚染物質のセンサとして用いる場合には、液体収容部８，９内には、それぞれ基準液と地下水をいれると、二分子膜７に地下水に含まれる有機塩素化合物等の環境汚染物質が作用すると、膜電位が変化して電気化学的信号として取り出すことができる。この電気化学的信号の値により環境汚染の程度を知ることができる。

このような構成において、制御部３は、二分子観測部４から出力された二分子膜の膜状態を示す信号ｐに基づき随時演算して、交流電圧印加装置２が二分子膜７に印加すべき電圧値や周波数を算出する。制御部３は、この電圧値や周波数となるように、制御信号ｍを交流電圧印加装置２に出力して、所望する二分子膜７の膜面積を形成し維持する。また制御部３は、所望する二分子膜７の膜面積を形成し維持するだけではなく、二分子膜観測部４からの信号ｐに基づき、分子膜状態から二分子膜状態に転化させるための条件制御機能と、二分子膜７を形成させた後に二分子膜７を用いた分析システムを制御するための演算および制御機能とを有している。

交流電圧印加装置２は、数ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の範囲内で任意の周波数が重畳された交流を生成する交流電圧発生部１３と、インピーダンス変換部１４ａ，１４ｂにより構成された高インピーダンス変換部１４とを備えている。交流電圧発生部１３から出力される交流電源の電圧波形は、正弦波、三角波又は、短形波、ステップ波、ランプ波等のいずれかからなる。この交流電圧発生部３は、制御信号ｍによる制御部３で設定された周波数及び電圧値の設定指示に従い、適宜設定された交流電圧を生成する。インピーダンス変換部１４ａ，１４ｂは、交流電圧印加装置で高インピーダンス出力を実現するためのインピーダンス変換部分である。

高インピーダンス変換部１４は、二分子膜７が電流により損傷されることを防止するために交流電圧発生部１３から電極１０，１１に接続される電源供給線の途中にそれぞれ設けられている。図２には、高インピーダンス変換部１４と二分子膜７の等価回路を示す。二分子膜７は、小電流の通過であっても損傷するため、抵抗成分に殆ど電流が流れない状態にする必要がある。本実施形態では、高インピーダンス変換部１４を設けて、交流電圧発生部１３から出力された電流成分を排除又は極小化（できるだけ小さく）して、設定された周波数を有する交流電圧成分を主として二分子膜７に印加している。この高インピーダンス変換部１４はインピーダンス変換部を利用しているが、交流に対して高インピーダンス回路が形成できればよく、特に限定されるものではない。

次に図１を参照して、このように構成された二分子膜形成装置における二分子膜の形成方法について説明する。
この二分子膜形成部１において、例えば、インクジェットノズルを用いた形成方法等の適宜な方法を用いて、容器５の基板６に開口された微小な貫通孔を塞ぐように脂質液を供給する。例えば、二分子膜７を形成する脂質溶液として、モノオレイン／デカン（５ｗｔ％）の混合液を用いる。この供給された脂質液は、貫通孔で拡がり、脂質膜又は分子膜（膜厚が厚い）を形成する。この時の分子膜の中央は、二分子膜となっている場合もある。

次に、制御部３に予め設定されている、以前の測定等により経験的に求めた又は、シミュレーションにより求めた周波数及び電圧値に設定された初期電圧（例えば、周波数１ＭＨｚで定電圧±０．５Ｖ）を交流電圧発生部１３で発生させる。初期電圧は、高インピーダンス変換部１４を通じて電流成分を排除又は極小化された交流電圧に変換されて、電極１０，１１に印加される。脂質膜の両側に設置される電極１０，１１から、脂質膜に交流電圧が印加され、その周波数により脂質膜が振動の刺激を受けて二分子膜が形成される。

この初期交流電圧の印加により発生した電気化学的信号ｎを電極１０，センサ電極１２から取り出し、二分子膜観測部４に入力する。二分子膜観測部４は、電気化学的信号ｎに基づく、二分子膜７の膜面積情報を含む信号ｐを生成して、制御部３に入力する。制御部３は、信号ｐに基づき、二分子膜７が所望する膜面積となるために印加すべき周波数や電圧値を算出し、制御信号ｍとして交流電圧印加装置２へ指示する。これらのフィードバック制御を随時行うことにより、測定に使用する部分となる膜の面積が一定になる二分子膜７を迅速に形成し、その状態を維持させることができる。

その後、二分子膜７に印加する周波数を例えば、高周波（１ＭＨｚ）から低周波（１０ｋＨｚ）へと強制的に変化させた場合は、図９（ａ）に示す膜面積７１から図９（ｂ）に示す膜面積７２に面積が大きくなる。逆に、低周波（１０ｋＨｚ）から高周波（１ＭＨｚ）へと変化させた場合には、図９（ａ）に示すように、まず二分子膜面積７２が小さくなり、続いて膜厚が分子膜程度に戻ることを確認した。再度、分子膜７０状態の膜厚から周波数を下げると、二分子膜７に復元させることができることも確認できた。これらの膜面積と任意周波数を有する交流電圧との間には、相対的な関係を有しているため、再現が可能であり、繰り返し交流電圧を印加した際に、周波数を設定すれば、所望する膜面積になる。

以上説明したように、第１の実施形態の二分子膜７の形成装置によれば、形成した二分子膜７に対して、電流成分を微小に抑えた任意周波数の交流電圧を印加して、膜面積を変化させることができる。この膜面積の可変制御により、センサとして機能する膜部分の面積を所望する一定の面積に形成し維持させることができる。従って、この二分子膜７をセンサとして用いた際に、複数のセンサ間であってもセンサ特性を一定にすることができ、信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、本実施形態では、電流成分が二分子膜に印加されない、または電流成分ができるだけ小さくなるように、二分子膜７の入力側前段に高インピーダンス変換部を設けることにより二分子膜７への損傷を防止することができる。

また、第１の実施形態の二分子膜の形成装置は、二分子膜７の膜面積制御に加えて検知装置として機能させることもできる。例えば、二分子膜観測部４に電気化学的測定装置、例えばエレクトロメーター、インピーダンスナアナライザー、ＬＣＲメーター等、計測装置をさらに設けることにより、二分子膜７の膜の電位、誘電率、電気容量、インピーダンス及びその変化を計測することができる。つまり、本実施形態の二分子膜の形成装置は、二分子膜７をセンサとして用いて、液体収容部に収容した測定溶液内に試料等のストレスになるものを与えることにより引き起こされる二分子膜７の電気化学的信号（膜電位、誘電率、電気容量など）の変化、又は二分子膜の表面特性や構造等の変化挙動を測定する検知装置としても機能させることができる。

次に第２の実施形態について説明する。

図３に示す本実施形態の二分子膜形成装置には、膜面積を光学的観測により求める光反射式観測を行う構成を有している。前述した第１の実施形態が二分子膜からの電気化学的信号を二分子膜観測部で観測して膜面積を求めていた構成であったが、本実施形態は、二分子膜を撮像してその画像から膜面積を求めるものである。ここで、図３に示す構成部位において、前述した図１に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

この二分子膜７の形成装置は、所望する膜面積を有する二分子膜７を形成する二分子膜形成部１と、任意の周波数を有する電圧（交流電圧）を二分子膜７に印加する交流電圧印加装置２と、液体収容部８に設けられ二分子膜７を照明する照明部２１と、液体収容部８の外部に設けられ照明された二分子膜７を撮像する撮像部２２と、撮像された画像信号ｒに基づき、二分子膜７の膜面積情報を含む光学的信号ｑを生成する二分子膜光学的観測部２３と、光学的信号ｑを受けて所望する二分子膜７の膜面積となるように交流電圧印加装置２をフィードバック制御し、且つ二分子膜７の膜状態を用いた分析するための演算及び制御を行う制御部３と、を有する。

本実施形態において、照明部２１と撮像部２２は、二分子膜７の同じ面側を照明し、撮像する構成である。撮像部２２は、反射ミラー等が内蔵されたスコープを液体収容部８内に沈め、反射ミラーに映し出された二分子膜７の像を撮像してもよい。

交流電圧印加装置２は、前述した第１の実施形態と同様に、高インピーダンス変換部１４を設けて、交流電圧発生部１３から出力された電流成分を排除又は極小化して、設定された周波数を有する交流電圧成分を主として二分子膜７に印加している。

このように構成された二分子膜形成装置は、二分子膜光学的観測部２３において、二分子膜７の光学的特性（膜の面積の変化や表面状態や色の変化等）の経時的変化を画像として観測し、得られた二分子膜の光学的的信号ｐを制御部３へ出力する。制御部３は、この光学的信号ｐに基づいて、二分子膜に印加するべき周波数や電圧値を算出する。さらに制御部３は、交流電圧印加装置２に対して、算出した周波数や電圧値を出力するように指示して、二分子膜７に所望の周波数を有する交流電圧を印加させる。

このような二分子膜光学的観測部２３による画像データから膜面積を算出する場合には、画素値によるエッジ検出等の周知な手法を用いて、実際に二分子膜状態となっている膜部分の外周を検出して、その外周に囲まれる面積を算出することにより膜面積を求めることができる。

以上説明したように、第２の実施形態の二分子膜の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。即ち、形成した二分子膜７に対して、電流成分を微小に抑えた任意周波数の交流電圧を印加して、光学的観測をしつつ膜面積を変化させて所望する膜面積に形成し維持させることができる。さらにセンサとして用いた際に、複数のセンサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、二分子膜７の入力側前段に高インピーダンス変換部を設けることにより二分子膜への損傷を防止することができる。

さらに、第２の実施形態の二分子膜光学的観測部２３は、第１の実施形態における前述した電気化学的計測装置を使用して、二分子膜７の膜電位、誘電率、電気容量、インピーダンスおよびその変化を計測することができる。さらに、二分子膜７の光学的観測では、膜の表面特性を観測できる装置、例えば、光学顕微鏡、蛍光顕微鏡等を用いて、二分子膜７の表面特性及び、その変化を観測することにより、二分子膜７の面積及びその表面状態の変化を観測することができる。

次に第３の実施形態について説明する。
図４に示す本実施形態の二分子膜形成装置は、前述した第２の実施形態における膜面積を照明する方向が異なる光透過式光学観測を行う構成である。ここで、図４に示す構成部位において、前述した図３に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

前述した第２の実施形態では、照明部２１と撮像部２２は基板６に対して同じ液体収容部側に配置され、照明される二分子膜７からの反射光撮像する光反射（又は、落射）照明タイプの構成であった。本実施形態は、照明部２１と撮像部２２は基板６の両側にそれぞれ配置し、二分子膜７の裏面側から照明してその反対側の面を撮像する光透過照明タイプの構成である。

以上説明したように、第３の実施形態の二分子膜の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同様に、形成した二分子膜７の膜面積を変化させて所望する膜面積に形成し維持させることができる。二分子膜７が一定の膜面積を形成維持することによりセンサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、高インピーダンス変換部を設けて電流による二分子膜７への損傷を防止することができる。さらに、形成された二分子膜７が光の透過性を有していれば、透過照明により膜状態を観測することができ、二分子膜７の光学的観測としては、膜の表面特性を観測できる装置、例えば、光学顕微鏡、蛍光顕微鏡等を用いて、二分子膜の表面特性及び、その変化を観測することにより、二分子膜７の面積及びその表面状態の変化を観測することができる。

次に第４の実施形態について説明する。
図５に示す本実施形態の二分子膜形成装置は、膜状態を電位差信号により測定する測定装置が設けられた構成である。ここで、図５に示す構成部位において、前述した図１に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この二分子膜７の形成装置は、二分子膜形成部１と、交流電圧印加装置２と、センサ電極１０，１２により得られた電気化学的信号より電位差信号を生成する膜電位差測定装置３１と、その電位差信号ｓを受けて所望する二分子膜７の膜面積となるように交流電圧印加装置２を制御する制御部３５と、を有する。

膜電位差測定装置３１は、液体収容部８，９内に設けられたセンサ電極１０，１２に入力端が接続される高インピーダンス変換部３２（インピーダンス変換部３２ａ，３２ｂ）と、増幅された電気化学的信号から重畳する周波数を除去（低減、以下同様）する例えば、アクティブフィルタ等からなる印加周波数除去回路３３と、周波数成分（交流成分）が除去された直流電圧成分の電気化学的信号と交流電圧印加装置２から二分子膜７に出力される印加電圧との電位差を測定する電位差測定回路３４と、を有する。インピーダンス変換部３２ａ，３２ｂは、印加周波数除去回路３３側から見て高インピーダンス特性を有し、二分子膜７に不要な電流が流れ込むことを防止する機能も有している。電位差測定回路３４に生成された直流電圧成分から成る電位差信号ｓは、制御部３５に入力される。

尚、本実施形態では、二分子膜観測部として、電位差を計測する構成であるため印加周波数除去回路３３を備えている。しかし印加交流電圧が測定結果に影響しないような光学的手法により測定する場合は、必ずしも印加周波数除去回路を設ける必要はない。

以上説明したように、第４の実施形態の二分子膜７の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同様に、電位差信号を用いて一定の膜面積を形成維持することにより、形成した二分子膜７の膜面積を変化させて所望する膜面積に形成し維持させることができる。二分子膜７が一定の膜面積を形成維持することにより、センサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、高インピーダンス変換部を二分子膜７の入出力側にそれぞれ設けているため、測定電流だけでなく他の不要な電流による二分子膜７への損傷を防止することができる。

次に第５の実施形態について説明する。
図６に示す本実施形態の二分子膜形成装置は、電気化学的信号に位相が反転した周波数信号を加算してその変化を測定する測定装置が設けられた構成である。ここで、図６に示す構成部位において、前述した図１に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この二分子膜７の形成装置は、二分子膜形成部１と、交流電圧印加装置２と、センサ電極１０，１２により得られた任意の周波数を有する電気化学的信号に対して位相が反転した交流電圧の反転信号ｔを加算して変化を測定する加算測定装置４１と、その変化測定信号ｕを受けて所望する二分子膜７の膜面積となるように交流電圧印加装置２を制御する制御部３５と、を有する。

加算測定装置４１は、液体収容部８，９内に設けられたセンサ電極１０，１２に入力端が接続される高インピーダンス変換部４２（インピーダンス変換部４２ａ，４２ｂ）と、交流電圧発生部１３から出力された任意の周波数を有する交流電圧の位相を反転した反転信号を生成する補正回路４４と、増幅された電気化学的信号に反転信号を加算して、その変化分を取り出す加算回路４３と、を有する。加算回路４３は、回路内にフィルタを備えてノイズ等を除去する機能を有している。

以上説明したように、第５の実施形態の二分子膜の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同様に、反転信号の加算により算出された変化分を示す信号を用いて一定の膜面積を形成維持することにより、形成した二分子膜７の膜面積を変化させて所望する一定の膜面積に形成し維持させることができる。二分子膜７が一定の膜面積を形成維持することにより、センサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、高インピーダンス変換部を二分子膜７の入出力側にそれぞれ設けているため、測定電流だけでなく他の不要な電流による二分子膜７への損傷を防止することができる。

次に第６の実施形態について説明する。
図７に示す本実施形態の二分子膜形成装置は、電気化学的信号におけるピーク電圧と印加した交流電圧との差分による周波数減衰測定を行う測定装置が設けられた構成である。ここで、図７に示す構成部位において、前述した図１に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この二分子膜７の形成装置は、二分子膜形成部１と、交流電圧印加装置２と、電気化学的信号と交流電圧のそれぞれのピーク電圧の差分を測定する差分測定装置５１と、その差分測定信号ｖを受けて所望する二分子膜７の膜面積となるように交流電圧印加装置２を制御する制御部３５と、を有する。この差分測定装置５１は、センサ電極１０，１２からの電気化学的信号におけるピーク電圧と、この電気化学的信号に同期させた交流電圧発生部１３が出力した交流電圧におけるピーク電圧との差分を測定し、差分測定信号ｖを制御部３５に出力する。

差分測定装置５１は、液体収容部８，９内に設けられたセンサ電極１０，１２に入力端が接続される高インピーダンス変換部５２（インピーダンス変換部５２ａ，５２ｂ）と、増幅された電気化学的信号におけるピーク電圧を保持する周波数ピーク電圧ホールド回路５３と、周波数ピーク電圧ホールド回路５３の保持タイミングと同期したタイミングで前記交流電圧発生部１３が出力した任意の周波数を有する交流電圧のピーク電圧を保持する周波数ピーク電圧ホールド回路５４と、電気化学的信号におけるピーク電圧と交流電圧のピーク電圧との差分を取り、差分測定信号ｖを出力する差分回路５５と、を有する。尚、この構成に加えて、電気化学的信号と交流電圧において周波数ずれが生じるのであれば、これらの信号の同期を取る同期回路を設けてもよい。

以上説明したように、第６の実施形態の二分子膜の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同様に、電気化学的信号と交流電圧とのピーク電圧の差分となる差分測定信号に基づいて、二分子膜７の膜面積を変化させて所望する一定の膜面積に形成し維持させることができる。二分子膜７が一定の膜面積を形成維持することにより、センサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、高インピーダンス変換部を二分子膜７の入出力側にそれぞれ設けているため、測定電流だけでなく他の不要な電流による二分子膜７への損傷を防止することができる。

次に第７の実施形態について説明する。
図８に示す本実施形態の二分子膜形成装置は、二分子膜７のキャパシタンス変化に着目した二分子膜７の膜状態を測定する周波数位相変化測定の構成である。ここで、図８に示す構成部位において、前述した図１に示した構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この二分子膜７の形成装置は、二分子膜形成部１と、交流電圧印加装置２と、電気化学的信号と交流電圧Ｙにおける周波数位相信号をそれぞれ取り出し、周波数位相変化による位相差（時間差）を算出して応答信号ｘとして出力する位相差測定装置６１と、その応答信号ｘを受けて所望する二分子膜７の膜面積となるように交流電圧印加装置２を制御する制御部３５と、を有する。

位相測定装置６１は、液体収容部８，９内に設けられたセンサ電極１０，１２に入力端が接続される高インピーダンス変換部６２（インピーダンス変換部６２ａ，６２ｂ）と、増幅された電気化学的信号に対して予め定めた周波数タイミング（例えば０クロスポイント）で第１のトリガ信号を発生する周波数位相検出トリガ発生回路６３と、交流電圧発生部１３が出力した交流電圧に対して第１のトリガ信号と同じタイミングで第２のトリガ信号を発生する周波数位相検出トリガ発生回路６４と、第１のトリガ信号と第２のトリガ信号とから算出された時間差に基づく応答信号Ｘを出力する位相差算出回路６５と、を有する。

以上説明したように、第７の実施形態の二分子膜の形成装置によれば、前述した第１の実施形態と同様に、電気化学的信号と交流電圧から取り出されたトリガ信号における位相差（応答時間）による応答信号に基づいて、二分子膜７の膜面積を変化させて所望する一定の膜面積に形成し維持させることができる。二分子膜７が一定の膜面積を形成維持することにより、センサ間で特性のバラツキが無く安定し信頼性の高い検出結果を得ることができる。また、高インピーダンス変換部を二分子膜７の入出力側にそれぞれ設けているため、測定電流だけでなく他の不要な電流による二分子膜７への損傷を防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

前述した各実施形態における図面においては、記載される構成は特徴を説明するための模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。図面相互間においてもお互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

本発明に係る第１の実施形態における二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 高インピーダンス変換部と二分子膜の等価回路を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態における反射式光学式観測系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 本発明に係る第３の実施形態における光透過式光学観測系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 本発明に係る第４の実施形態における電位差測定系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 本発明に係る第５の実施形態における周波数加算変化測定系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 本発明に係る第６の実施形態における周波数減衰測定系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 本発明に係る第７の実施形態における周波数相位変化測定系を有する二分子膜の形成装置の基本的な構成を模式に示す図である。 二分子膜の膜面積について説明するための図である。

符号の説明

１…二分子膜形成部、２…交流電圧印加装置、３…制御部、４…二分子膜観測部、５…容器、６…基板、７…二分子膜、８，９…液体収容部、１０…電極（センサ電極）、１１…電極、１２…センサ電極、１３…交流電圧発生部、１４…高インピーダンス変換部、１４ａ，１４ｂ…インピーダンス変換部。

Claims (11)

1. 任意の周波数を有する印加電圧を可変可能に生成する交流電圧印加装置と、
   前記印加電圧を分子膜に印加し、所望する二分子膜の膜面積を含む膜状態を形成する二分子膜形成部と、を具備することを特徴とする二分子膜の形成装置。
2. 任意の周波数を有する印加電圧を生成する交流電圧印加装置と、
   前記交流電圧印加装置の前記印加電圧を分子膜に印加して、二分子膜の膜面積を含む膜状態を可変させる二分子膜形成部と、
   前記二分子膜の膜状態を観測し、観測結果を示す信号を生成する二分子膜観測部と、
   前記二分子膜観測部から受信した前記観測結果を示す信号に基づき、所望する膜状態となるように、前記交流電圧印加装置が生成する前記印加電圧の電圧値および周波数の少なくともいずれか一方を設定制御する制御部と、
   を具備することを特徴とする二分子膜の形成装置。
3. 前記交流電圧印加装置は、前記二分子膜形成部の入力側に接続する高インピーダンス変換部を具備することを特徴とする請求項２に記載の二分子膜の形成装置。
4. 前記二分子膜観測部は、
   前記二分子膜形成部に注入された脂質による分子膜又は二分子膜の膜状態における光学的特徴及びその経時的な変化を観測するための光学的観測機能を具備することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の二分子膜の形成装置。
5. 前記光学的観測機能は、
   前記二分子膜形成部に注入された脂質による分子膜又は二分子膜を照明する照明部と、
   前記照明部により照明された前記分子膜又は前記二分子膜の膜状態を撮像する撮像部と、を具備することを特徴とする請求項４に記載の二分子膜の形成装置。
6. 前記二分子膜観測部は、
   前記二分子膜形成部に注入された脂質による分子膜又は二分子膜の電気化学的特性及びその経時的な変化を計測するための電気化学的測定装置であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の二分子膜の形成装置。
7. 前記電気化学的測定装置は、
   前記電気化学的特性に基づく交流信号から周波数成分を除去する周波数除去回路と、
   前記周波数除去回路により交流成分が除去された前記電気化学的特性における直流電圧値と、前記交流電圧印加装置から前記二分子膜に出力された印加電圧値との電位差を測定する電位差測定回路と、
   で構成されることを特徴とする請求項６に記載の二分子膜の形成装置。
8. 前記電気化学的測定装置は、
   前記交流電圧印加装置から出力された任意の周波数を有する印加電圧を反転した反転信号を生成する補正回路と、
   前記電気化学的特性に基づく交流信号と前記補正回路により生成された反転信号を加算してその変化分を取り出す加算回路と、
   で構成されることを特徴とする請求項６に記載の二分子膜の形成装置。
9. 前記電気化学的測定装置は、
   前記電気化学的特性に基づく交流信号のピーク電圧を保持する第１の保持回路と、
   前記第２の保持回路の保持タイミングと同期して、前記交流電圧印加装置から出力された任意の周波数を有する印加電圧のピーク電圧を保持する第２の保持回路と、
   前記第１の保持回路に保持されたピーク電圧と、前記第２の保持回路に保持されたピーク電圧との差分を取る差分回路と、
   で構成されることを特徴とする請求項６に記載の二分子膜の形成装置。
10. 前記電気化学的測定装置は、
    前記電気化学的信号に対して予め定めたタイミングで第１のトリガ信号を発生する第１の周波数位相検出トリガ発生回路と、
    前記交流電圧印加装置から出力された任意の周波数を有する印加電圧に対して前記タイミングで第２のトリガ信号を発生する第２の周波数位相検出トリガ発生回路と、
    前記第１のトリガ信号と前記第２のトリガ信号との位相差を算出する位相差算出回路と、
    で構成されることを特徴とする請求項６に記載の二分子膜の形成装置。
11. 二分子膜に任意周波数を有する電圧を印加し、
    前記二分子膜の光学的若しくは電気化学的特性及びそれらの経時的な変化を観測し、
    前記観測された前記二分子膜の前記光学的若しくは電気化学的特性に基づき生成された信号を受信すると共に、前記二分子膜に印加される前記任意周波数を有する電圧の周波数及び電圧値の再設定を行い、
    前記二分子膜に再設定された任意周波数を有する電圧を印加して、前記二分子膜の膜面積を含む膜状態を形成維持することを特徴とする二分子膜の形成方法。

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