JPH03191853A - バイオセンサ用恒温槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔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化した固定化膜によって測定し
ようとする試料液の成分分析を行うバイオセンサに使用
されるバイオセンサ用恒温槽に関する。

〔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化した
固定化膜を装着したフローセルと、電極を使用した電気
化学的検出器とを組合わせて、試料液の成分分析を行う
センサである。

試料液を固定化膜に接触させ、これによって生じる生化
学的反応による変化を、電極の出力電流として検出させ
、この計測値を演算・制御部で信号処理をして得られる
値を測定することを原理とするもので、測定の選択性に
優れている特長があることから、血液検査などの医療分
野、食品の品質管理などの発酵・食品工業計測や、廃水
処理などの環境計測分野などで利用されてきている。

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、生育速度、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
性等により熱失活し、活性が低下することが知られ、反
応性１反応の安定性の面から、バイオセンサは至適温度
付近で用いることが望ましい、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ため、従来第６図および第７図
ないし第９図の構成図に示すように装置を構成して温度
を一定として測定をしている。

第６図において、恒温槽３８で設定温度に加温された温
水が、ポンプ４０によって送られて温水ジャケット４２
に循環されている。この温水ジャケット４２にはバイオ
センサ２４が浸漬されていて、バイオセンサ２４の周囲
の温度を一定に保つ構造となっている。恒温槽３８では
加温するためのヒータ３２と水温を計測する温度計３４
が備えられ、ともに温度調節器３６に接続されていて、
温水を所望の設定温度に加温１１１！ｌ’ｌする。試料
液２９は送液ポンプ４８によって送液され、温水ジャケ
ット４２中に設けられた熱交換器１４を通って加温され
てから、固定化膜を装着したフローセル２０を通って電
極を使用したバイオセンサ２４により成分分析されたの
ち排出される。

また第７図ないし第９図は別の従来例を示すもので、第
７図は第８図のＤ−Ｄ断面図、第８図は第７図のＣ−Ｃ
断面図であり、また第９図はこの構成を示す斜視図であ
る。

これらの図において、温度計３４により恒温水槽６内の
水の温度を検知し、温度調節器３６によりヒータ３２の
オン・オフを制御することにより、この水の温度を所望
の温度に一定に保つ、この際恒温水槽６内の水は４の攪
拌子を２のマグネティックスターラで外部より回転させ
ることにより攪拌され、熱交換効率を向上させる。試料
液２９は図示を省略した送液ポンプによって送液され、
恒温水槽６内部に設けられた熱交換器１４を通って加温
されてからフローセル２０を通ってバイオセンサ２４に
より成分分析された後、排出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第６図に示す構成の従来例では、温水循
環用のポンプ４０が必要であることと、配管などからの
熱の放散のため、温水ジャケット４２内の水の温度コン
トロールが間接的なため行いにくい欠点があった。この
点を改良した第７図ないし第９図に示す構成により格納
槽８に収納されたバイオセンサ２４中を遣る試料液２９
の温度および格納槽８内の気温を、周囲温度が室温の場
合には精度良く保つことができた。

第６図および第７図ないし第９図に示した従来の恒温槽
や恒温水槽は、いずれも周囲の気温は室温程度の場合に
おける温度コントロールを行うものであった。しかしな
がら、バイオセンサを室内のみでなく、屋外等の厳しい
環境条件において使用しようとする場合、こうした従来
の第６図の恒温槽や第７図ないし第９図のような恒温水
槽では、外部周囲温度がバイオセンサの使用至適温度よ
り高い場合には温度コントロールが不可能となり、酵素
や微生物を熱失活させるため、使用不適である、という
問題があった。

本発明は、前記の問題点を解決し、バイオセンサが使用
される恒温水槽の外側の周囲温度が、バイオセンサの至
適温度より高くても低くてもいずれの場合にも使用でき
、温度変化を小さく維持し温度制御が容易で、コンパク
トでありかつ実用性の高いバイオセンサ用恒温槽を提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

前記の課題を解決するために、本発明は、酵素。

微生物などの生体機能物質を多孔性膜に固定化した固定
化膜を取付けたフローセルと電気化学的検出器（電極）
とを組合わせたバイオセンサを使用して測定しようとす
る試料液の成分分析を行う装置において、磁力を利用し
て容器中の液体を攪拌するマグネティックスターラ上に
載せられた上面を開口した中空の箱状の恒温水槽と、こ
の恒温水槽に挿入し恒温水槽の上面開口部をふさぐふた
をその上部周縁に形成し上面を開口した中空の箱状で内
部に前記バイオセンサと試料液の配管とを装着し、断熱
材製のふたによりその上面開口部をふさがれる耐食金属
製の格納槽と、その両端が配管に接続されコイル状に成
形され流入通過する試料液を設定温度に保温させる熱交
換器と、前記の恒温水槽を満たした熱媒となる水を加熱
・冷却して所定の設定温度に調節するベルチェ効果によ
る機能素子と、前記の恒温水槽の水温を検出する温度計
と、前記機能素子と温度計とに連係して前記の恒温水槽
の水温を調節する温度調節器とを備える。

〔作用〕

ベルチェ効果は異種の導体もしくは半導体の接点に電流
を流した時に、ジュール熱以外に熱の発生または吸収の
おこる現象で、流す電流の向きを変えると熱の発生と吸
収は反対になる０本発明は電流の向きを反転可能なｔ源
を備えた温度調節器を用いて、加熱および冷却の両方の
機能を備えたベルチェ効果による機能素子を用いて、バ
イオセンサを装着した恒温水槽内の熱媒となる水と試料
液との間の熱交換のための熱交換器を恒温水槽内に股！
した。

前記のベルチェ効果による機能素子により、恒温水槽内
の熱媒である水の温度が調節され、周囲温度が設定温度
より高い場合には、ベ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として働き、いずれの場合
でも熱媒となる水の温度は精度良く一定に保たれる。試
料液およびバイオセンサを収寥する格納槽内の空気は、
熱交換器と格納槽を構成する耐食性金属板により、熱媒
となる水との間で熱交換が行われ、これらの温度はバイ
オセンサの実用上充分な範囲で一定に保たれる。従って
本発明によれば、周囲温度がバイオセンサの至適温度よ
り高い場所でもバイオセンサを使用可能とすることがで
き、また加熱と冷却の両方の機能を有することから、屋
外のように温度が大きく変化し、設定温度に対して周囲
温度が高くなったり低（なったりする場所でも両機能を
適宜切り換えて温度を一定に保てるので、従来の恒温水
槽では使用不可能な厳しい条件においても、安定で精度
の良い試料液の成分分析が可能となる。

〔実施例〕 第１図および第２図は本発明の実施例を示す断面図で、
第１図は第２図のＢ−Ｂ断面図、第２図は第１図のＡ−
Ａ断面図である。また、第３図は本発明の実施例の構成
を示す斜視図である。これらの図で、２はマグネテイツ
クスターラで、磁力により容器中に入れられた攪拌子４
を駆動して容器中の液体を攪拌する。このマグネティッ
クスターラ２の上に上面を開口した中空の箱状の恒温水
槽６が載せられている。この恒温水槽６は内形寸法が横
１５００．幅１１０　ｔａ、深さ１３０鶴程度の大きさ
であり、底部に攪拌子４が入れてあり、一方の横面には
ステンレス鋼板６ａを介して、ベルチェ効果による加熱
・冷却用の機能素子７が取付けられ、この機能素子７の
外側には伝熱板７ａを介して放熱板７ｂが取付けられて
いる。この機能素子７は、Ｄ。

Ｃ，１２Ｖ　、冷却能力４０Ｗのもので、ベルチェ効果
により電流の方向を切換えることにより、加熱と冷却の
両方の機能を持ち、放熱板７ａを介して放熱され、さら
に図示を省略したファンからの送風により熱拡散されて
、作動効率が高められている。

８はバイオセンサ２４の格納槽で、上面を開口した中空
の箱状で、上部周縁に前記の恒温水槽６の上面開口をふ
さぐふた８ａが形成されている。格納槽８は内形寸法が
横１０Ｏｎ、輻５０鶴、深さ１００　ｍｍ程度の大きさ
で、ステンレス鋼などの耐食金属製である。１０はこの
格納槽８のふたで断熱材製であり、後記する配管２６ａ
、　２６ｂをさけるための切欠き１０ａを備え、前記の
格納槽８の上面開口をふさぐ。

また第１図に示すように、格納槽８は機能素子７に接近
した位置に中央よりずらして設けられ、恒温水槽６の上
面開口をゴムバッド５を介して格納槽８の上部周縁に形
成されたふた８ａを取付ける。

１４は熱交換器で、ステンレス鋼管で作り、熱交換に充
分な長さのものをコイル状に成形した。この熱交換器１
４を、恒温水槽６内に格納槽８を避けて設置し、この熱
交換器１４の一方の配管１４ａはふた８ａを貫通して設
けられ、流入口２８から試料液２９が流入される。

格納槽８内の空気と、恒温水槽６内の水とは、格納槽８
を形成するステンレス板を介して熱交換が行われ、この
ため格納槽８内の気温は、間接的に温度が調節される。

前記の格納槽８内に、固定化膿１８を装着したフローセ
ル２０と、電気化学的検出器（電１ｉ）２２とを組合わ
せたバイオセンサ２４を装着し、２０−セル２０に配管
２６ａ、　２６ｂを配設し、バイオセンサ２４の信号＆
Ｉ２４ａを引出してのち、前記格納槽８にふた１０を装
着した。前記熱交換器１４の他方の配管１４ｂは配管２
６ａに接続されている。これにより、流入口２８から流
入される試料液２９は、一方の配管１４ａを通過して熱
交換器１４に導かれて熱交換され、他方の配管Ｌ４ｂか
ら配管２６ａを遣って、フローセル２０に導入されて、
フローセル２０の固定化膿１８と接触して後、配管２６
ｂを介して流出口３０から系外へ排出される。

ビード型サーミスタ（５，０００オームａ　ｔ２５℃）
を用いた温度計３４を恒温水槽６内に取付穴Ｉ５から挿
入して取付けた。この温度計３４と、前記の機能素子７
とは、パルス幅制御の温度調節器３６に接続され、これ
により恒温水槽６を満たした水を所定の設定温度に温度
調節する。

前記のように構成したバイオセンサ用恒温槽の操作方法
について以下説明する。

＋１１空の状態にある恒温水槽６は、温度計３４を取付
ける前に、その取付穴１５から水が注入されて満水状態
とされる。その後温度計３４を恒温水槽６内に取付穴１
５から挿入して取付ける。

（２）温度調節器３６を所望の温度、例えば３０℃に設
定し、機能素子７を始動する。この時マグネティックス
ターラ２も始動し、攪拌子４を駆動して、恒温水槽６内
の水を攪拌し、この水の水温を均一に、かつ一定に保つ
。

（３）所定の緩衝溶液を混合した試料液２９を、図示を
省略した送液ポンプにより流入口２８へ送液する。

試料液２９は流入口２８から配管１４ａを通り、熱交換
器１４で所定の温度ニ１１１１１ｙされ、配管１４ｂ、
配管２６ａを通って、フローセル２ｏに流入し、ここで
バイオセンサ２４によって計測されたのち、配管２６ｂ
を通って流出口３０から排出される。

（４）バイオセンサ２４の電気化学的検出器（電極）２
２で検出した出力電流の計測値を、演算制御部で信号処
理をして得られる値を測定して、試料液２９の成分分析
を行う。

（５）測定を終われば、マグネティックスターラ２゜送
液ポンプ、機能素子７の運転を停止する。

第４図及び第５図は本装置の各部分の温度の測定結果を
、縦軸に温度℃で、横軸に経過時間Ｈで示した特性図で
、Ｔ１は熱交換器１４人口における流入する試料液２９
の温度、Ｔ２はフローセル２ｏの流入口直前の試料液２
９の温度、Ｔ３は同じくフローセル２０の流出口直後の
試料液２９の温度、Ｔ４は格納槽８内の気温、Ｔ５は恒
温水槽６の外側の周囲温度である。

第４図は、周囲温度Ｔ５が設定温度より高い場合を示し
、この場合設定温度は３０．８℃で、この温度に恒温水
槽６を周囲温度子５より冷却した場合を示している。第
４図に示すように、流入する試料液２９の温度τ１が約
３９℃で一定となり、周囲温度Ｔ５もこのＴ１より僅か
に高い約４０℃の状態を示し、共に設定温度３０．８℃
に対して８℃ないし９℃程度高い。

これに対しＴ２及びＴ３のバイオセンサ２４通過前後の
試料液２９の水温が３ｏ、ｒ”Ｃ程度、ｃ、ｖ、値（変
動係数）０．７％以下と、設定温度に対して温度の上昇
が０．５℃以内で、バイオセンサ２４の出力特性の変化
が無視できる範囲で精度良く温度制御できた。

第５図は、周囲温度Ｔ５が設定温度より低い場合を示し
、この場合設定温度は第４図と同じ＜　３０．８℃で、
この温度に恒温水槽６を周囲温度Ｔ５より加熱した場合
を示している。第５図に示すように、流入する試料液２
９の温度Ｔ１が約１５℃で一定となり、周囲温度Ｔ５も
このＴ１より僅かに低い温度状態を示し、共に設定温度
３０．８℃に対して１５℃ないし１６℃程度低い、これ
に対し丁２及びＴ３のバイオセンサ２４遭遇前後の試料
液２９の水温が３０．８′：″℃程度、ｃ、ｖ。

値（変動係数）０．５％以下と、設定温度に対して温度
の低下が０．５℃以内で、バイオセンサ２４の出力特性
の変化が無視できる範囲で精度良く温度制御できた。

本発明のバイオセンサ用恒温槽によれば、外側の周囲温
度子５の高低に拘わりなく、バイオセンサ２４と試料液
２９とを、はぼバイオセンサ２４の至適温度に近く維持
できるため、バイオセンサ２４を周囲温度の高い場所や
周囲温度の低い場所の、いずれの場所においても、例え
ば屋外においても、バイオセンサ２４の活性を保ち、ま
た温度変化による出力変動がなく、安定した精度の良い
試料液２９の成分分析ができる。また、装置を一体化し
たため、コンパクトで実用的なバイオセンサ用恒温槽が
得られた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、フローセルと電気化学的検出器　（電
極）とを組合わせた、バイオセンサを装着した格納槽と
、試料液を加熱または冷却により所望の温度に調節させ
る熱交換器とを恒温水槽内に設置し、恒温水槽を満たし
た熱媒となる水を加熱・冷却して所定の設定温度に調節
するベルチェ効果による機能素子を備え、従来例では不
可能であった、設定温度よりも周囲温度が高い場合にお
いても、熱媒となる水と試料液ならびに格納槽を周囲温
度から冷却して、はぼ設定温度に維持することが可能と
なった。また、設定温度よりも周囲温度が低い場合は従
来例と同じく加熱によりほぼ設定温度に維持できるため
、周囲温度の高低に拘わりなく、バイオセンサの温度条
件を一定として、試料液の成分分析ができ、これにより
バイオセンサの利用範囲を、周囲温度が低温から至適温
度までの領域から、至適温度より周囲温度が高温の領域
まで拡大することができる。

また、装置を一体化したため、コンパクトで実用的なバ
イオセンサ用恒温槽を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明のバイオセンサ用恒温槽の
実施例を示す断面図で、第１図は第２図のＢ−Ｂ断面図
、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は本発明の実
施例の構成を示す斜視図、第４図および第５図は本発明
の実施例の装置の各部分の温度の測定結果を縦軸に温度
℃で、横軸に経過時間Ｈで示した特性図で、第４図は設
定温度より周囲温度が高い場合を示す特性図、第５図は
設定温度より周囲温度が低い場合を示す特性図、第６図
は従来例を示す構成図、第７図ないし第９図は別の従来
例を示すもので、第７図は第８図のＤＤ断面図、第８図
は第７図のＣ−Ｃ断面図、第９図は構成を示す斜視図で
ある。 ２：マグネティックスターラ、６：恒温水槽、７：機能
素子、８：格納槽、１４：熱交換器、１８：固定化膜、
２０：フローセル、２２：電気化学的検出器（を極）、
２４：バイオセンサ、２８：流入口、２９：試料液、３
０：流出口、３４：温度計、３６：温度調節器、３８：
恒温槽、４２二温水ジヤケント。 嘱２閃 Δ：丁１ ０；丁４ ０：ＴＺ 口：Ｔ５ ０：Ｔ３ Φ：Ｔ２＝Ｔ３ｔｐｒ鳴会 第 Δ：Ｔ１ ０：Ｔ４ ○；丁？ 凶：Ｔ５ Ｏ：Ｔ３ 高 図 ３ろ 弔 ｑ 口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）酵素、微生物などの生体機能物質を多孔性膜に固定
   化した固定化膜を取付けたフローセルと電気化学的検出
   器（電極）とを組合わせたバイオセンサを使用して測定
   しようとする試料液の成分分析を行う装置において、磁
   力を利用して容器中の液体を攪拌するマグネティックス
   ターラ上に載せられた上面を開口した中空の箱状の恒温
   水槽と、この恒温水槽に挿入し恒温水槽の上面開口部を
   ふさぐふたをその上部周縁に形成し上面を開口した中空
   の箱状で内部に前記バイオセンサと試料液の配管とを装
   着し、断熱材製のふたによりその上面開口部をふさがれ
   る耐食金属製の格納槽と、その両端が配管に接続されコ
   イル状に成形され流入通過する試料液を設定温度に保温
   させる熱交換器と、前記の恒温水槽を満たした熱媒とな
   る水を加熱・冷却して所定の設定温度に調節するペルチ
   エ効果による機能素子と、前記の恒温水槽の水温を検出
   する温度計と、前記機能素子と温度計とに連係して前記
   の恒温水槽の水温を調節する温度調節器とを備えること
   を特徴とするバイオセンサ用恒温槽。