JPH10300711A - バイオセンサ応用水質計および同水質計用緩衝溶液 - Google Patents

バイオセンサ応用水質計および同水質計用緩衝溶液

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JPH10300711A
JPH10300711A JP9104126A JP10412697A JPH10300711A JP H10300711 A JPH10300711 A JP H10300711A JP 9104126 A JP9104126 A JP 9104126A JP 10412697 A JP10412697 A JP 10412697A JP H10300711 A JPH10300711 A JP H10300711A
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JP
Japan
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buffer solution
water
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water quality
ions
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JP9104126A
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English (en)
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Kazuyuki Taguchi
和之 田口
Yoshiharu Tanaka
良春 田中
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】水質計測器用にはリン酸を含む緩衝溶液が用い
られるが、水中のカルシウムイオンと反応して不溶性の
リン酸カルシウムが生成し、流路の閉塞や固定化膜に付
着し、応答性や測定感度の低下の原因となる。本発明は
この課題を解決し、安定で環境にやさしいバイオセンサ
応用水質計を提供することにある。 【解決手段】緩衝溶液として鉄イオンとマグネシウムイ
オンを添加した四ホウ酸ナトリウム水溶液を使用する。
これはリン酸イオンを含まないため、測定で検水と緩衝
溶液を混合しても、沈殿物(リン酸カルシウム)が生成
しない。その結果、流路の閉塞や固定化微生物膜への付
着の心配がなくなり、検水中の硬度成分の濃度によらず
安定に長期のモニタリングが可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、上下水道の各処理
プロセスの水や河川水、湖沼水などの環境水を対象とし
て、水中の化学成分をモニタリングすること目的とした
バイオセンサ応用水質計測器に関する。
【従来の技術】バイオセンサは、検水中の測定対象物質
を認識する分子識別素子として、酵素や抗体などの生体
機能高分子や、微生物や細胞など生体そのものを利用
し、これらの生体材料を多孔性高分子膜に包括または共
有結合させることにより固定化した膜と、電気化学的検
出器などのトランスデューサとを組み合わせて試料中の
化学成分の測定を行うセンサである。バイオセンサは、
検水を上記生体材料の固定化膜に接触させこれによって
生じる化学反応により生成または消費される物質の濃度
変化を、検出器で電圧、電流などの電気的な出力の変化
に変換して測定するもので、検水に対するセンサ出力か
ら、検水中の目的物質の濃度を既知濃度を、被測定物質
の標準液によって得られた検量線を用いて算出する。バ
イオセンサを使用した測定にあたっては、固定化した生
体材料が安定に機能するように温度とpH条件とを一定
にすることが必要である。そのため、バイオセンサ応用
計測器では、温度を一定に保つために検水を一定温度に
加温する熱交換器とセンサ温度を一定にする恒温槽が備
えられ、また、pH条件を一定とするために緩衝溶液が
用いられている。最近、本発明者らは、特公平7−85
072号公報に示すような水中の有害物検出用のバイオ
センサを考案し、開発・実用化している。これは、生体
材料として微生物で有毒物質に極めて弱い、言い換える
とセンサとしては高感度な硝化菌を固定化した膜と、溶
存酸素電極とを組み合わせてセンサで構成し、水中の有
害物質を検出している。図1は上記公報のバイオセンサ
を応用した水中有害物検出装置の構成を示すフロー図で
あり、また図2はこの微生物バイオセンサの構成を示す
模式図である。図2に示すように、フローセル18内に
ステンレス製の金網26と、硝化菌の一種であるニトロ
ソモナスユーロピア(Nitrosomonas eu
ropaea)を固定化した固定化微生物膜25と、溶
存酸素電極19とをこの順に取付け固定し、微生物膜2
5と溶存酸素電極19とを密着させて、有害物質検出用
微生物センサ1を構成している。これを図1に示すよう
に30°Cに設定された恒温槽2に取り付けている。図
1において、はじめゼロ点校正のため緩衝溶液A6aと
純水4とを流し、微生物センサ1の安定化した電流値を
記憶する。次に、有害物質のない状態のセンサ出力とし
て、バルブ7dを閉め、バルブ7eを開にして、アンモ
ニア性窒素を含む緩衝溶液B6bと純水4とを流し、セ
ンサ出力安定化後の電流値を記憶する。次にバルブ7b
を閉め、バルブ7aを開にして検水3の測定を開始す
る。本装置は1日1回程度、前記のようにセンサの自動
構成を行いながら連続的に検水のモニタリングを行う。
硝化菌を用いたバイオセンサはpH8〜9で安定に機能
するため、このバイオセンサではpH8〜9付近に緩衝
能をもつリン酸緩衝溶液が用いられている。
【発明が解決しようとする課題】水質計測器用の緩衝溶
液には0.2M−リン酸緩衝溶液が用いられている。し
かし、検水が河川水や地下水などの環境水や浄水、下水
などの場合、水中の硬度成分(カルシウムイオン)の濃
度が20mg/L以上であるとカルシウムイオンと緩衝
溶液中のリン酸イオンが反応し水に溶けないリン酸カル
シウムが生成する。その沈殿物が流路の閉塞や固定化膜
に付着するため、応答性や測定感度の低下の原因とな
る。そのため、リン酸緩衝溶液に、検水中のカルシウム
イオンと錯体を形成するキレート剤(EDTA−4N
a)を添加しリン酸カルシウムの沈殿生成を防いでい
る。しかし、検水中のカルシウム濃度によってEDTA
−4Naの添加量を変える必要があり、試薬調製時の操
作が煩雑になること、カルシウム濃度に対しEDTA−
4Naを過剰に添加すると硝化菌に悪影響を及ぼし、寿
命が短くなるという問題があった。また、排水水質基準
の改正により、窒素およびリンの環境中への排水規制が
強化されるため、バイオセンサの緩衝溶液を、窒素およ
びリン成分を含む試薬を削減した緩衝溶液組成とする必
要がある。本発明はこの課題を解決するためになされた
ものであり、安定かつ環境にやさしいバイオセンサ応用
水質計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明では、緩衝溶液として鉄イオンとマグネ
シウムイオンを添加した四ホウ酸ナトリウム水溶液を使
用することとする。この緩衝溶液はリン酸イオンを含ま
ないため、測定で検水と緩衝溶液を混合する際、検水中
のカルシウムイオンとリン酸イオンが反応して生じる沈
殿物(リン酸カルシウム)の生成を防ぐことができる。
その結果、この沈殿物による流路の閉塞や固定化微生物
膜への付着の心配がなくなり、検水中の硬度成分の濃度
によらず安定に長期のモニタリングが可能となった。ま
た、緩衝溶液中に微生物の生育に必須な、鉄イオンとし
てEDTA−Fe(III )およびマグネシウムイオンと
してMgSO4 ・7H2 Oを添加しているため、微生物
センサの寿命が延び、センサの安定性が向上し、長期の
モニタリングを可能とする。
【発明の実施の形態】以下に実施例に基づいて説明す
る。表1は本発明の緩衝溶液組成を決定するために使用
した緩衝溶液を示した。
【表1】 これら9種の組成の異なる緩衝溶液について、微生物膜
およびセンサ出力の安定性についてスクリーニングを行
った。なお、これらの緩衝溶液には、鉄イオン(Feイ
オン)とマグネシウムイオン(Mgイオン)の両方を添
加した。この予備試験の結果から、センサ出力が安定し
ていた四ホウ酸ナトリウム緩衝溶液、ホウ酸−炭酸塩緩
衝溶液、ホウ酸−水酸化ナトリウム緩衝溶液について、
微生物センサの寿命試験を行った。表2には上記3種と
従来の緩衝溶液、鉄イオンまたはマグネシウムイオンを
それぞれ単独で添加した四ホウ酸ナトリウム緩衝溶液を
使用した場合の微生物膜の寿命、カルシウムイオンとの
反応性、緩衝溶液の調製のしやすさ、試薬の使用量につ
いて比較した結果を示す。
【表2】 鉄イオンとマグネシウムイオンの両方を添加した四ホウ
酸ナトリウム緩衝溶液を使用した場合、従来のリン酸緩
衝溶液に比べ微生物センサの寿命を同等かそれ以上にの
ばすことができた。また、試薬の重量を95%まで削減
できたため緩衝溶液の調製時間が大幅に短縮できた。四
ホウ酸ナトリウム緩衝溶液はリン成分を全く含んでいな
いため、カルシウムイオンとの反応による沈殿物生成が
なく、沈殿物による流路の閉塞や固定化微生物膜への付
着の心配がなくなり、検水中の硬度成分の濃度によらず
安定に長期のモニタリングが可能となる。また、排水中
のリン成分による環境汚染の恐れもない。図3には、鉄
イオンとマグネシウムイオンの効果を確認するため、四
ホウ酸ナトリウム緩衝溶液に鉄イオンとマグネシウムイ
オンの両方を添加した場合のバイオセンサの初期のベー
ス電流値を100とした電流相対値の経時変化と四ホウ
酸ナトリウム緩衝溶液に鉄イオンまたはマグネシウムイ
オンを単独で添加した場合の電流相対値の経時変化を示
した。この結果より、鉄イオンとマグネシウムイオンの
両方を添加した四ホウ酸ナトリウム緩衝溶液の場合、セ
ンサ出力は90日以上安定であった。微生物センサの寿
命を初期出力の50%低下時とした時、鉄イオン、マグ
ネシウムイオンをそれぞれ単独で添加した微生物センサ
の寿命はそれぞれ約10日間であった。従来のリン酸緩
衝溶液では、添加するEDTA−4Naの量が検水中の
カルシウムイオンに対し適量でないと微生物膜に悪影響
をおよぼしたり流路の閉塞につながるため、微生物セン
サの寿命は90日よりも大幅に低下する。そのため頻繁
に微生物膜を交換し、フローセルを洗浄しなければ連続
的なモニタリングが行えず、長期的に安定したモニタリ
ングは難しい。また、試薬を大量に使用するため水に溶
解するのに時間がかかる。ホウ酸−炭酸塩緩衝溶液で
は、カルシウムイオンとの反応性、緩衝溶液の調製のし
やすさ、試薬の使用量については従来の緩衝溶液よりも
優れていたが、微生物センサの寿命が20日間と短かった
ため除外した。ホウ酸−水酸化ナトリウム緩衝溶液で
は、微生物膜の寿命、カルシウムイオンとの反応性、試
薬の使用量については良好な結果が得られたが、試薬調
整時に劇物である水酸化ナトリウムを使用するため除外
した。以上の結果より、従来の緩衝溶液に替わる緩衝溶
液として鉄イオンとマグネシウムイオンの両方を添加し
たホウ砂緩衝溶液がバイオセンサ応用水質計に最も適し
ているとの結論に至った。表3には、従来の緩衝溶液B
(BP )と本発明による緩衝溶液B(BN )の組成表を
示す。
【表3】 本発明による緩衝溶液ではリン酸カルシウムなどの沈殿
物は生成せず、頻繁に微生物膜を交換したり、フローセ
ルを洗浄しなくても連続的なモニタリングが可能となっ
た。
【発明の効果】本発明により、鉄イオンとマグネシウ
ムイオンの両方を添加したホウ砂緩衝溶液中にリン成分
を含まないため、測定の際、検水中の硬度成分であるカ
ルシウムイオンがリン酸カルシウムとして沈殿しない。
この結果、沈殿物による流路の閉塞や固定化微生物膜へ
の付着を防止できる。リン成分を含まず、排水による
環境汚染の心配がない。四ホウ酸ナトリウム緩衝溶液
に鉄イオンとマグネシウムイオンの両方を添加している
ため微生物膜の寿命が3ヵ月以上となり検水の水質に関
係なくより安定に水質を連続監視でき、より実用性の高
いバイオセンサ応用水質計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】バイオセンサ応用水質計の構成を示すフロー図
【図2】バイオセンサ(微生物センサ)の構成を示す模
式図
【図3】本発明による緩衝溶液を用いた場合とEDTA
−Fe(III )またはMgSO 4 ・7H2 Oを単独で添
加した場合の電流相対値の経時変化を示す図
【符号の説明】
1: バイオセンサ 2: 恒温槽 3: 検水 4: 純水 5: 酸洗浄水 6a: 緩衝液A 6b: 緩衝液B 7a〜7g: 電磁弁 8a〜8b: 送液ポンプ 9: 熱交換器 10: エアポンプ 11: 圧力センサ 12: ローラークランプ 13: 二方切換三方弁 14: 表示部 15: 制御部 16: 記録計 17: 測定部 18: フローセル 19: 溶存酸素電極 20: 試料流路 21: 正極 22: 負極 23: 電極液 24: 隔膜 25: 固定化微生物膜 26: ステンレス製金網 27a〜27c:Oリング 28a〜28b:リード線 29: ワッシャー

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水中の化学物質を計測するバイオセンサを
    利用した水質計測器において、使用する緩衝溶液が、鉄
    イオンとマグネシウムイオンの両方を添加した四ホウ酸
    ナトリウム水溶液であることを特徴とするバイオセンサ
    応用水質計。
  2. 【請求項2】請求項1において、バイオセンサが、硝化
    菌を固定化した微生物膜と、溶存酸素電極とから成るバ
    イオセンサ応用水質計。
  3. 【請求項3】鉄イオンとマグネシウムイオンの両方を添
    加した四ホウ酸ナトリウム水溶液からなることを特徴と
    するバイオセンサ応用水質計用緩衝溶液。
JP9104126A 1997-04-22 1997-04-22 バイオセンサ応用水質計および同水質計用緩衝溶液 Withdrawn JPH10300711A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009002667A (ja) * 2007-06-19 2009-01-08 Metawater Co Ltd 硝化細菌バイオセンサ応用水質計測器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009002667A (ja) * 2007-06-19 2009-01-08 Metawater Co Ltd 硝化細菌バイオセンサ応用水質計測器

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