JPH1052880A - 二分子膜素子 - Google Patents
二分子膜素子Info
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- JPH1052880A JPH1052880A JP9109841A JP10984197A JPH1052880A JP H1052880 A JPH1052880 A JP H1052880A JP 9109841 A JP9109841 A JP 9109841A JP 10984197 A JP10984197 A JP 10984197A JP H1052880 A JPH1052880 A JP H1052880A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 二分子膜素子の二分子膜(BLM)の安定性
を向上する。 【解決手段】 Au膜12を有する基板13上に金−S
結合を用いてアルカンチオール単分子膜を形成し、その
表面に2層目の脂質単分子膜を形成してBLM14を形
成する。このBLM14の2層目の脂質単分子膜側にハ
イドロゲルであるアガロースを用いてゲル層22を形成
する。また、脂質単分子膜と、ゲル層22との間にアミ
ノ酸であるポリLリシンを用いて高分子膜20を形成し
BLM14を固定する。これら膜保持・固定構成により
BLM14の寿命が延び、またゲル層22によりBLM
14表面に膜やタンパク質を機能させるのに必要な水分
を固定する。更に、水系に直立配置されるBLM14の
上方に浮力による膜分子の浮き上がりを防止する膜支持
部32を配置すれば、一ケ月以上の寿命を有するBLM
14を得ることが可能となる。
を向上する。 【解決手段】 Au膜12を有する基板13上に金−S
結合を用いてアルカンチオール単分子膜を形成し、その
表面に2層目の脂質単分子膜を形成してBLM14を形
成する。このBLM14の2層目の脂質単分子膜側にハ
イドロゲルであるアガロースを用いてゲル層22を形成
する。また、脂質単分子膜と、ゲル層22との間にアミ
ノ酸であるポリLリシンを用いて高分子膜20を形成し
BLM14を固定する。これら膜保持・固定構成により
BLM14の寿命が延び、またゲル層22によりBLM
14表面に膜やタンパク質を機能させるのに必要な水分
を固定する。更に、水系に直立配置されるBLM14の
上方に浮力による膜分子の浮き上がりを防止する膜支持
部32を配置すれば、一ケ月以上の寿命を有するBLM
14を得ることが可能となる。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二分子膜素子、例
えば、生体の細胞膜に近似した膜構造でタンパク質等を
保持するための二分子膜を備え、保持したタンパク質を
機能させたり、またその機能を測定する際に利用可能な
安定性に優れた二分子膜を有する素子の構成に関する。
えば、生体の細胞膜に近似した膜構造でタンパク質等を
保持するための二分子膜を備え、保持したタンパク質を
機能させたり、またその機能を測定する際に利用可能な
安定性に優れた二分子膜を有する素子の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、生体の細胞膜と同様な構成の
二分子膜を作成することが提案されており、この二分子
膜を用いて細胞膜中と同様にタンパク質を機能させてタ
ンパク質機能の研究を行ったり、さらには、二分子膜と
タンパク質の機能を利用したバイオ素子の作成等が期待
されている。
二分子膜を作成することが提案されており、この二分子
膜を用いて細胞膜中と同様にタンパク質を機能させてタ
ンパク質機能の研究を行ったり、さらには、二分子膜と
タンパク質の機能を利用したバイオ素子の作成等が期待
されている。
【0003】現在のところ報告されている人工の二分子
膜を有する素子では、極性基と疎水基とより構成される
脂質単分子を用いている。そして、水溶液中に、図11
(a)に示されるように中央に穴が設けられたテフロン
基板70が直立配置され、このテフロン基板70の穴部
分に、図11(b)に示すように互いに極性基を外側に
向け、疎水基を内側に向けた2層の脂質単分子膜72が
形成され、これによって脂質二分子膜を構成している。
膜を有する素子では、極性基と疎水基とより構成される
脂質単分子を用いている。そして、水溶液中に、図11
(a)に示されるように中央に穴が設けられたテフロン
基板70が直立配置され、このテフロン基板70の穴部
分に、図11(b)に示すように互いに極性基を外側に
向け、疎水基を内側に向けた2層の脂質単分子膜72が
形成され、これによって脂質二分子膜を構成している。
【0004】ところが、このようにして作成された二分
子膜は、互いの分子間力で吸着しているだけであるの
で、衝撃などにより二分子膜構造がすぐに破壊されてし
まう。また、静置状態であっても数時間程度しか図示す
るような二分子膜構造を維持することができないという
問題があった。
子膜は、互いの分子間力で吸着しているだけであるの
で、衝撃などにより二分子膜構造がすぐに破壊されてし
まう。また、静置状態であっても数時間程度しか図示す
るような二分子膜構造を維持することができないという
問題があった。
【0005】そこで、より安定性の高い二分子膜の作成
を目的として、二分子膜をサポート基板上に形成するこ
とが提案されている。図12(a)に示す例では、一方
の脂質単分子の極性基を水溶液中に水平配置されたガラ
ス等のサポート基板上に吸着させて単分子膜72を形成
し、さらにこの単分子膜72の上に脂質単分子を吸着す
ることによって二層目の単分子膜72を形成して二分子
膜を得ている。
を目的として、二分子膜をサポート基板上に形成するこ
とが提案されている。図12(a)に示す例では、一方
の脂質単分子の極性基を水溶液中に水平配置されたガラ
ス等のサポート基板上に吸着させて単分子膜72を形成
し、さらにこの単分子膜72の上に脂質単分子を吸着す
ることによって二層目の単分子膜72を形成して二分子
膜を得ている。
【0006】また、他の例では、図12(b)のように
金が形成された基板80の表面に、例えばステアリルメ
ルカプタンを導入し、基板表面に金−S結合によりアル
カンチオール単分子膜74を形成し、得られた単分子膜
74上に、さらに脂質単分子膜72を吸着させて二分子
膜を形成している。
金が形成された基板80の表面に、例えばステアリルメ
ルカプタンを導入し、基板表面に金−S結合によりアル
カンチオール単分子膜74を形成し、得られた単分子膜
74上に、さらに脂質単分子膜72を吸着させて二分子
膜を形成している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようにサポート基板を利用して作成した二分子膜であっ
ても、水溶液中に静置した状態で、その二分子膜構造を
維持可能な時間は、数時間〜十数時間程度と低い。従っ
て、得られた二分子膜中にタンパク質を入れる等の処理
を行うことは困難であり、素子としての実用性に欠け
る。このため、より安定性に優れた二分子膜を得ること
が求められていた。
ようにサポート基板を利用して作成した二分子膜であっ
ても、水溶液中に静置した状態で、その二分子膜構造を
維持可能な時間は、数時間〜十数時間程度と低い。従っ
て、得られた二分子膜中にタンパク質を入れる等の処理
を行うことは困難であり、素子としての実用性に欠け
る。このため、より安定性に優れた二分子膜を得ること
が求められていた。
【0008】本発明は、上記課題を解消するためになさ
れ、より長い時間、二分子膜構造を維持可能な素子を得
ることを目的とする。
れ、より長い時間、二分子膜構造を維持可能な素子を得
ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る二分子膜素子は以下のような特徴を有
する。
に、本発明に係る二分子膜素子は以下のような特徴を有
する。
【0010】(1)まず、二分子膜素子は、基板上に二
分子膜が形成された素子であって、この二分子膜をゲル
層で直接又は間接的に覆うことを特徴とする。このよう
にゲル層で二分子膜を覆うことにより二分子膜の安定性
が向上する。また、ゲル層を用いることにより、特に、
ゲル層の材料としてハイドロゲルを用いることにより、
二分子膜の周囲に水分を固定することが可能となり、例
えば、二分子膜や、この膜に導入されたタンパク質を機
能させる場合に必要とされる電解質水溶液を二分子膜の
周囲に固定し、膜に電解質水分を供給することが可能と
なる。更に、ゲル層により、二分子膜表面での水系の動
きが止められて膜の乱れが防止される。よって、この水
分を固定するというゲル層の機能は、結果として、膜の
安定化にも貢献する。
分子膜が形成された素子であって、この二分子膜をゲル
層で直接又は間接的に覆うことを特徴とする。このよう
にゲル層で二分子膜を覆うことにより二分子膜の安定性
が向上する。また、ゲル層を用いることにより、特に、
ゲル層の材料としてハイドロゲルを用いることにより、
二分子膜の周囲に水分を固定することが可能となり、例
えば、二分子膜や、この膜に導入されたタンパク質を機
能させる場合に必要とされる電解質水溶液を二分子膜の
周囲に固定し、膜に電解質水分を供給することが可能と
なる。更に、ゲル層により、二分子膜表面での水系の動
きが止められて膜の乱れが防止される。よって、この水
分を固定するというゲル層の機能は、結果として、膜の
安定化にも貢献する。
【0011】また、上記構成に加え、さらに、二分子膜
とゲル層との間に、高分子膜を形成することを特徴とす
る。このように高分子膜で二分子膜上を覆い、これを更
にゲル層で覆う構成とすることにより、二分子膜の安定
性が一段と向上する。高分子膜で覆うことによって膜の
安定性が向上するのは、高分子側の単分子膜が極性基を
備えるためであると考えられ、高分子膜と対向する単分
子膜の極性基と高分子の極性基とが逆の極性を有する場
合に、特に、高分子膜側の単分子膜の極性基が上記高分
子膜の極性基と強く相互作用するためと考えられる。
とゲル層との間に、高分子膜を形成することを特徴とす
る。このように高分子膜で二分子膜上を覆い、これを更
にゲル層で覆う構成とすることにより、二分子膜の安定
性が一段と向上する。高分子膜で覆うことによって膜の
安定性が向上するのは、高分子側の単分子膜が極性基を
備えるためであると考えられ、高分子膜と対向する単分
子膜の極性基と高分子の極性基とが逆の極性を有する場
合に、特に、高分子膜側の単分子膜の極性基が上記高分
子膜の極性基と強く相互作用するためと考えられる。
【0012】上述の二分子膜素子において、高分子膜の
材料としては、アミノ酸、具体的にはポリリシンが適用
されうる。ゲル層の材料としては、糖、具体的にはアガ
ロースゲルが適用されうる。このような材料を高分子膜
やゲル層に用いれば、より生体中に近い環境を二分子膜
の周囲に作成することができ、例えば、タンパク質を二
分子膜内に導入した場合において、そのタンパク質を十
分に機能させることが可能となる。
材料としては、アミノ酸、具体的にはポリリシンが適用
されうる。ゲル層の材料としては、糖、具体的にはアガ
ロースゲルが適用されうる。このような材料を高分子膜
やゲル層に用いれば、より生体中に近い環境を二分子膜
の周囲に作成することができ、例えば、タンパク質を二
分子膜内に導入した場合において、そのタンパク質を十
分に機能させることが可能となる。
【0013】(2)本発明の他の構成においては、基板
上に形成された二分子膜素子を有する素子であって、水
系中で直立配置された上記基板の少なくとも上方側に設
けられ、二分子膜の膜厚方向に延びて水系における二分
子膜の上部を支持するための膜支持部を有することを特
徴とする。
上に形成された二分子膜素子を有する素子であって、水
系中で直立配置された上記基板の少なくとも上方側に設
けられ、二分子膜の膜厚方向に延びて水系における二分
子膜の上部を支持するための膜支持部を有することを特
徴とする。
【0014】また、上記膜支持部は、二分子膜の膜厚以
上の長さを有し、この膜支持部により、水系中で直立配
置される前記二分子膜の浮き上がりを抑えることを特徴
とする。更に、前記膜支持部は、少なくとも前記二分子
膜との接触面が非極性材料によって形成されていること
を特徴とする。そして、この膜支持部は、基板の上方及
び下方の両端部に設けてもよい。
上の長さを有し、この膜支持部により、水系中で直立配
置される前記二分子膜の浮き上がりを抑えることを特徴
とする。更に、前記膜支持部は、少なくとも前記二分子
膜との接触面が非極性材料によって形成されていること
を特徴とする。そして、この膜支持部は、基板の上方及
び下方の両端部に設けてもよい。
【0015】また、この二分子膜の水系側が、ゲル層で
覆われていることを特徴とする。なお、二分子膜と、ゲ
ル層との間には高分子膜を形成することも可能である。
上記ゲル層の材料としては、ハイドロゲルが適用され、
また糖が適用される。また、上記高分子膜の材料として
はアミノ酸が用いられることを特徴とする。
覆われていることを特徴とする。なお、二分子膜と、ゲ
ル層との間には高分子膜を形成することも可能である。
上記ゲル層の材料としては、ハイドロゲルが適用され、
また糖が適用される。また、上記高分子膜の材料として
はアミノ酸が用いられることを特徴とする。
【0016】水系に直立配置される二分子膜素子におい
ては、二分子膜のうち水系側の単分子層が浮力の影響を
受けるため、膜上部の脂質単分子膜の脱離がおこり易
い。そこで、上述のように膜上部に膜支持部を設けて膜
分子の脱離および分子の水系中への流出を防止すること
により、二分子膜の安定性をさらに高くすることが可能
となる。
ては、二分子膜のうち水系側の単分子層が浮力の影響を
受けるため、膜上部の脂質単分子膜の脱離がおこり易
い。そこで、上述のように膜上部に膜支持部を設けて膜
分子の脱離および分子の水系中への流出を防止すること
により、二分子膜の安定性をさらに高くすることが可能
となる。
【0017】(3)本発明のさらに別の構成において
は、二分子膜を有する二分子膜素子であって、二分子膜
を支持する基板の有無に拘わらず、二分子膜をゲル層で
覆ったことを特徴とする。ゲル層としてハイドロゲル、
例えばアガロースゲルが採用可能である。
は、二分子膜を有する二分子膜素子であって、二分子膜
を支持する基板の有無に拘わらず、二分子膜をゲル層で
覆ったことを特徴とする。ゲル層としてハイドロゲル、
例えばアガロースゲルが採用可能である。
【0018】(4)上述のような二分子膜素子におい
て、上記の素子において用いられている二分子膜は、好
ましくは、基板表面の金属に極性基が結合したアルカン
チオール単分子膜と、このアルカンチオール単分子膜に
疎水基を向けて配置した脂質単分子膜と、により構成さ
れていることを特徴とする。二分子膜の一方の分子膜を
基板に結合させることにより、基板表面に極めて安定な
第1層目の単分子膜が形成される。従って、この基板表
面の1層目の単分子膜に、分子間力によって吸着する2
層目の単分子膜(脂質単分子膜)の安定性も向上するこ
ととなり、結果として安定な二分子膜が得られることと
なる。
て、上記の素子において用いられている二分子膜は、好
ましくは、基板表面の金属に極性基が結合したアルカン
チオール単分子膜と、このアルカンチオール単分子膜に
疎水基を向けて配置した脂質単分子膜と、により構成さ
れていることを特徴とする。二分子膜の一方の分子膜を
基板に結合させることにより、基板表面に極めて安定な
第1層目の単分子膜が形成される。従って、この基板表
面の1層目の単分子膜に、分子間力によって吸着する2
層目の単分子膜(脂質単分子膜)の安定性も向上するこ
ととなり、結果として安定な二分子膜が得られることと
なる。
【0019】また、基板として、開口部を有する金属基
板若しくは開口部を有し表面に金属が形成された基板
や、表面に開口部を有する所定パターンの金属が形成さ
れた基板を用い、金属基板又は金属には、二分子膜の基
板側の単分子膜と結合する金属材料を用い、二分子膜を
上記基板の間隙領域にも形成する構成も適用される。こ
の場合、開口部領域に形成された二分子膜の膜中にタン
パク質を導入する。このように開口部を有する金属基板
若しくは金属が形成された基板を利用して二分子膜を形
成することにより、高い安定性を有する二分子膜が得ら
れるとともに、開口部領域に形成された二分子膜中にタ
ンパク質を後から入れることが容易となる。従って、上
記構成を採用することにより、実際に二分子膜素子をバ
イオ素子として機能させることが容易になる。
板若しくは開口部を有し表面に金属が形成された基板
や、表面に開口部を有する所定パターンの金属が形成さ
れた基板を用い、金属基板又は金属には、二分子膜の基
板側の単分子膜と結合する金属材料を用い、二分子膜を
上記基板の間隙領域にも形成する構成も適用される。こ
の場合、開口部領域に形成された二分子膜の膜中にタン
パク質を導入する。このように開口部を有する金属基板
若しくは金属が形成された基板を利用して二分子膜を形
成することにより、高い安定性を有する二分子膜が得ら
れるとともに、開口部領域に形成された二分子膜中にタ
ンパク質を後から入れることが容易となる。従って、上
記構成を採用することにより、実際に二分子膜素子をバ
イオ素子として機能させることが容易になる。
【0020】(5)さらに、本発明の別の構成では、上
述のような二分子膜を有する素子において、二分子膜
と、ゲル層との間にリポソームが配置されていることを
特徴とする。このように二分子膜上に形成されたリポソ
ームをゲル層で覆うことによって、リポソームの置かれ
る環境をより生体内に近いものとすることができる。従
って、リポソームの膜内にタンパク質を導入していれ
ば、そのタンパク質をより安定にかつ正常に機能させる
ことが可能となる。また、ゲル層によって二分子膜およ
びリポソームを固定できるので、安定性に優れ、長い寿
命の二分子膜素子が得られる。
述のような二分子膜を有する素子において、二分子膜
と、ゲル層との間にリポソームが配置されていることを
特徴とする。このように二分子膜上に形成されたリポソ
ームをゲル層で覆うことによって、リポソームの置かれ
る環境をより生体内に近いものとすることができる。従
って、リポソームの膜内にタンパク質を導入していれ
ば、そのタンパク質をより安定にかつ正常に機能させる
ことが可能となる。また、ゲル層によって二分子膜およ
びリポソームを固定できるので、安定性に優れ、長い寿
命の二分子膜素子が得られる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以
下、実施形態という)について図面を用いて説明する。
下、実施形態という)について図面を用いて説明する。
【0022】実施形態1. [素子の構成]本発明の二分子膜素子は、タンパク質等
を保持するための二分子膜を備えている。この二分子膜
は、有機分子からなる単分子膜の2層構造からなり、好
ましくは脂質単分子膜と、アルキル鎖を有する有機分子
からなる単分子膜との二層構造(いわゆる脂質二分子
膜)が適用される。
を保持するための二分子膜を備えている。この二分子膜
は、有機分子からなる単分子膜の2層構造からなり、好
ましくは脂質単分子膜と、アルキル鎖を有する有機分子
からなる単分子膜との二層構造(いわゆる脂質二分子
膜)が適用される。
【0023】図1は、このような二分子膜を備えた素子
の本実施形態1に係る構成を示している。図1におい
て、ガラス基板10の表面にはAu膜12が形成され、
基板13が構成されている。Au膜12の表面には、金
と、ステアリルメルカプタン[HS(CH2 )17C
H3 ]のメルカプト(−SH)基とが、金−S結合し、
この結合によってアルカンチオール[SCn H2n+1:本
実施形態では、n=18、S(CH2 )17CH3 )]単
分子膜16が形成されている。
の本実施形態1に係る構成を示している。図1におい
て、ガラス基板10の表面にはAu膜12が形成され、
基板13が構成されている。Au膜12の表面には、金
と、ステアリルメルカプタン[HS(CH2 )17C
H3 ]のメルカプト(−SH)基とが、金−S結合し、
この結合によってアルカンチオール[SCn H2n+1:本
実施形態では、n=18、S(CH2 )17CH3 )]単
分子膜16が形成されている。
【0024】さらに、アルカンチオール単分子膜16の
表面には、脂質、ここでは大豆リン脂質が、分子間力に
よって、その疎水基をアルカンチオール単分子膜16に
向けて吸着しており、脂質単分子膜18が形成されてい
る。そして、上記アルカンチオール単分子膜16と脂質
単分子膜18により、生体の細胞膜に構成が類似する二
分子膜(BLM:Bilayer Membrene)14が構成されて
いる。
表面には、脂質、ここでは大豆リン脂質が、分子間力に
よって、その疎水基をアルカンチオール単分子膜16に
向けて吸着しており、脂質単分子膜18が形成されてい
る。そして、上記アルカンチオール単分子膜16と脂質
単分子膜18により、生体の細胞膜に構成が類似する二
分子膜(BLM:Bilayer Membrene)14が構成されて
いる。
【0025】本実施形態1においては、上記BLM14
の表面、すなわち脂質単分子膜18の極性基側に、ゲル
状の膜(以下、単にゲル層という)22を形成してい
る。また、脂質単分子膜18の表面とこのゲル層22と
の間には、極性基を有する高分子膜20が吸着形成され
ている。ここで、脂質単分子膜18の脂質としては、
「正」又は「負」の極性基を備えた脂質や、非極性の脂
質が使用可能である。例えば、脂質単分子膜18の脂質
として上記極性基が「負」のリン脂質を用いた場合、脂
質単分子膜18上に吸着形成されている高分子膜20
は、正極性の極性基を有するアミノ酸、ここでは、以下
のような化学式(1)[nの平均値=41]で示される
ポリ−L−リシンが用いられている。
の表面、すなわち脂質単分子膜18の極性基側に、ゲル
状の膜(以下、単にゲル層という)22を形成してい
る。また、脂質単分子膜18の表面とこのゲル層22と
の間には、極性基を有する高分子膜20が吸着形成され
ている。ここで、脂質単分子膜18の脂質としては、
「正」又は「負」の極性基を備えた脂質や、非極性の脂
質が使用可能である。例えば、脂質単分子膜18の脂質
として上記極性基が「負」のリン脂質を用いた場合、脂
質単分子膜18上に吸着形成されている高分子膜20
は、正極性の極性基を有するアミノ酸、ここでは、以下
のような化学式(1)[nの平均値=41]で示される
ポリ−L−リシンが用いられている。
【0026】
【化1】 このポリ−L−リシンなどのように、脂質単分子膜18
中の例えば大豆リン脂質に含まれるホスファチジルセリ
ン(phosphatidylserine)などと反対の極性を有する高
分子からなる高分子膜20を脂質単分子膜18の表面に
設けると、互いの正負の極性基が相互作用し、また、高
分子膜20のポリマー主鎖が脂質単分子膜18の極性基
を包み込むような状態になることが考えられる。そし
て、このような機構によって、BLM14の表面をポリ
−L−リシンを利用した高分子膜20で覆ってBLM1
4を固定する構成とすれば、BLM14の安定性、すな
わちBLMの寿命を向上させることが可能となる。ま
た、高分子膜20としてアミノ酸を用いることにより、
二分子膜における環境をより生体中に近似した環境とす
ることが可能となる。なお、本実施形態において、高分
子膜20の材料としてアミノ酸を用いているが、この場
合高分子膜20には、アミノ酸以外の他の成分も含み得
る。
中の例えば大豆リン脂質に含まれるホスファチジルセリ
ン(phosphatidylserine)などと反対の極性を有する高
分子からなる高分子膜20を脂質単分子膜18の表面に
設けると、互いの正負の極性基が相互作用し、また、高
分子膜20のポリマー主鎖が脂質単分子膜18の極性基
を包み込むような状態になることが考えられる。そし
て、このような機構によって、BLM14の表面をポリ
−L−リシンを利用した高分子膜20で覆ってBLM1
4を固定する構成とすれば、BLM14の安定性、すな
わちBLMの寿命を向上させることが可能となる。ま
た、高分子膜20としてアミノ酸を用いることにより、
二分子膜における環境をより生体中に近似した環境とす
ることが可能となる。なお、本実施形態において、高分
子膜20の材料としてアミノ酸を用いているが、この場
合高分子膜20には、アミノ酸以外の他の成分も含み得
る。
【0027】また、上記高分子膜20の表面に形成され
たゲル層22としては、具体的には糖の一種であるアガ
ロース[化学式:(C6 H10O5 ・C6 H8 O4 )n ]
をゲル化したものが用いられている。但し、ゲル層の材
料はアガロースには限られず、生体環境に近似し、かつ
長時間安定してゲル状態を維持できる材料であればよ
い。また、生体環境に近似させ、タンパク質を機能させ
るという観点より、ゲルとしては上述のような含水性の
ハイドロゲルを用いることが好ましい。このように、高
分子膜20表面にさらにゲル層22を設けることによっ
てBLM14をさらに確実に固定でき、BLM14の寿
命は、一層向上する。なお、BLM14の表面を直接ゲ
ル層22で覆ってもよい。また本明細書においてゲル層
22の材料として糖(アガロースゲル)若しくはハイド
ロゲルを開いているが、この場合に、ゲル層22には、
これら以外の成分も含み得る。
たゲル層22としては、具体的には糖の一種であるアガ
ロース[化学式:(C6 H10O5 ・C6 H8 O4 )n ]
をゲル化したものが用いられている。但し、ゲル層の材
料はアガロースには限られず、生体環境に近似し、かつ
長時間安定してゲル状態を維持できる材料であればよ
い。また、生体環境に近似させ、タンパク質を機能させ
るという観点より、ゲルとしては上述のような含水性の
ハイドロゲルを用いることが好ましい。このように、高
分子膜20表面にさらにゲル層22を設けることによっ
てBLM14をさらに確実に固定でき、BLM14の寿
命は、一層向上する。なお、BLM14の表面を直接ゲ
ル層22で覆ってもよい。また本明細書においてゲル層
22の材料として糖(アガロースゲル)若しくはハイド
ロゲルを開いているが、この場合に、ゲル層22には、
これら以外の成分も含み得る。
【0028】図1に示す二分子膜素子は、水溶液中にお
いて基板ごと直立配置される。このため、従来の構成、
例えば図12(a)、(b)に示すように素子を水中に
水平配置した場合と比較すると、浮力の影響により二層
目の脂質単分子膜18だけ(図12(a)(b)では、
単分子72が膜18に対応)が剥がれてしまうことが防
止されている。
いて基板ごと直立配置される。このため、従来の構成、
例えば図12(a)、(b)に示すように素子を水中に
水平配置した場合と比較すると、浮力の影響により二層
目の脂質単分子膜18だけ(図12(a)(b)では、
単分子72が膜18に対応)が剥がれてしまうことが防
止されている。
【0029】また、BLM14を直接又は高分子膜20
を介して間接的に覆う層として、ゲル層22を用いるこ
とにより、BLM14の周囲に膜系電解質溶液を固定す
ることが可能となり、BLM14や、この膜に導入され
たタンパク質を機能させる場合に必要とされる電解質水
溶液をこれらに供給することが可能となる。さらに、こ
のゲル層22が存在しているために、BLM14の表面
では水溶液の動きが止められることから、膜の乱れが防
止され、膜の寿命を長くすることができる。
を介して間接的に覆う層として、ゲル層22を用いるこ
とにより、BLM14の周囲に膜系電解質溶液を固定す
ることが可能となり、BLM14や、この膜に導入され
たタンパク質を機能させる場合に必要とされる電解質水
溶液をこれらに供給することが可能となる。さらに、こ
のゲル層22が存在しているために、BLM14の表面
では水溶液の動きが止められることから、膜の乱れが防
止され、膜の寿命を長くすることができる。
【0030】具体的には、図12(a)(b)に示すよ
うな従来の構成では、数時間〜十数時間程度の寿命の二
分子膜しか得られなかったのに対し、図1に示すような
二分子膜14は、20時間程度の寿命を有している。
うな従来の構成では、数時間〜十数時間程度の寿命の二
分子膜しか得られなかったのに対し、図1に示すような
二分子膜14は、20時間程度の寿命を有している。
【0031】[素子の作成方法]次に、図1に示す二分
子膜素子の作成方法の一例について説明する。
子膜素子の作成方法の一例について説明する。
【0032】(1)脂質およびデカン溶液の調整 本実施形態においては、上述のように脂質としてリン脂
質、より具他的にはホスファチジルコリン(phosphatid
ylcholine)を47%含有する大豆リン脂質(製品名 S
igma type IV-S )を用いており、この大豆リン脂質
をKagawa&Rackerの方法に従って精製す
る。
質、より具他的にはホスファチジルコリン(phosphatid
ylcholine)を47%含有する大豆リン脂質(製品名 S
igma type IV-S )を用いており、この大豆リン脂質
をKagawa&Rackerの方法に従って精製す
る。
【0033】具体的には、以下の手順によって実行可能
である。
である。
【0034】i)まず、リン脂質(10mg)にアセト
ンを加え、常温で一昼夜放置する。
ンを加え、常温で一昼夜放置する。
【0035】ii)次に、アセトンを捨て、ロータリー
エバポレータで約10分間、吸引乾燥する。
エバポレータで約10分間、吸引乾燥する。
【0036】iii)その後、ジエチルエーテルを少量
加え、上記ii)と同様に乾燥処理を施す。
加え、上記ii)と同様に乾燥処理を施す。
【0037】iv)上記iii)の処理を数回繰り返
し、乾燥後、さらにロータリーポンプで30分間吸引乾
燥させる。
し、乾燥後、さらにロータリーポンプで30分間吸引乾
燥させる。
【0038】v)最後に、n−デカン(1ml)加え、
精製したリン脂質をデカン液中に溶解する。
精製したリン脂質をデカン液中に溶解する。
【0039】なお、ここでは脂質としてリン脂質が用い
られているが、脂質であればこれには限られない。用い
る脂質の種類は、最終的に二分子膜内に導入されるタン
パク質との適合性や、その他素子のおかれる環境などに
よって適宜設定可能である。
られているが、脂質であればこれには限られない。用い
る脂質の種類は、最終的に二分子膜内に導入されるタン
パク質との適合性や、その他素子のおかれる環境などに
よって適宜設定可能である。
【0040】(2)基板13の作成 生体試料観察用に用いられているカバーガラスを洗浄
し、このガラス上に、スパッタ法により、Au膜12を
約100nm形成し、基板13を得る。但し、図1に示
すガラス基板10はカバーガラスには限られない。な
お、成膜されるAu膜12は、必要に応じて開口部を有
する所望のパターン(例えば格子状または網目状)にか
つ所望の厚さに形成すれば良い。また、Auに代えてA
gも適用可能であり、さらに、基板13として金属基板
(Au基板、Ag基板)を用いてもよい。但し、Agを
金属基板又は基板表面の金属膜として利用する場合、A
g基板又はAg膜が正電位となると電解質溶液中に溶出
してしまうため、外部からの電位制御は、Ag電位が正
電位とならないように制御する必要がある。
し、このガラス上に、スパッタ法により、Au膜12を
約100nm形成し、基板13を得る。但し、図1に示
すガラス基板10はカバーガラスには限られない。な
お、成膜されるAu膜12は、必要に応じて開口部を有
する所望のパターン(例えば格子状または網目状)にか
つ所望の厚さに形成すれば良い。また、Auに代えてA
gも適用可能であり、さらに、基板13として金属基板
(Au基板、Ag基板)を用いてもよい。但し、Agを
金属基板又は基板表面の金属膜として利用する場合、A
g基板又はAg膜が正電位となると電解質溶液中に溶出
してしまうため、外部からの電位制御は、Ag電位が正
電位とならないように制御する必要がある。
【0041】(3)二分子膜の形成 i)ステアリルメルカプタン(SM)のエタノール溶液
(10mM)を作成し、この溶液中に、上記(2)によ
って作成した基板13を浸し、約30℃で一昼夜放置す
る。
(10mM)を作成し、この溶液中に、上記(2)によ
って作成した基板13を浸し、約30℃で一昼夜放置す
る。
【0042】この放置期間中に、基板表面のAuとステ
アリルメルカプタンのメルカプト(−SH)基とが反応
して金−S結合が起こる。そして、この金−S結合によ
って、図1のAu膜12表面にアルキル鎖を有する単分
子膜、ここではSM単分子膜、すなわちアルカンチオー
ル単分子膜16が形成される。
アリルメルカプタンのメルカプト(−SH)基とが反応
して金−S結合が起こる。そして、この金−S結合によ
って、図1のAu膜12表面にアルキル鎖を有する単分
子膜、ここではSM単分子膜、すなわちアルカンチオー
ル単分子膜16が形成される。
【0043】ii)アルカンチオール単分子膜16が形
成された基板を所定のセル内に取り付け、上記(1)に
おいて調整したリン脂質を含むデカン溶液(濃度:20
mg/ml)を、アルカンチオール単分子膜16上に適
当量(40μl)滴下し、2分間程度放置する。これに
より、アルカンチオール単分子膜16上に図1に示すよ
うに脂質単分子膜18が吸着形成される。
成された基板を所定のセル内に取り付け、上記(1)に
おいて調整したリン脂質を含むデカン溶液(濃度:20
mg/ml)を、アルカンチオール単分子膜16上に適
当量(40μl)滴下し、2分間程度放置する。これに
より、アルカンチオール単分子膜16上に図1に示すよ
うに脂質単分子膜18が吸着形成される。
【0044】iii)脂質単分子膜18が形成後、容器
内に高分子としてアミノ酸であるポリ−L−リシンを溶
かした水溶液を入れる。これにより、ポリ−L−リシン
の正極性基(−NH3 )がリン脂質単分子膜18の負極
性基に吸着し、高分子膜20としてポリ−L−リシンが
脂質単分子膜18を覆って、脂質単分子膜18を固定、
保護する。
内に高分子としてアミノ酸であるポリ−L−リシンを溶
かした水溶液を入れる。これにより、ポリ−L−リシン
の正極性基(−NH3 )がリン脂質単分子膜18の負極
性基に吸着し、高分子膜20としてポリ−L−リシンが
脂質単分子膜18を覆って、脂質単分子膜18を固定、
保護する。
【0045】(4)アガロースゲルの調整 i)低溶融点(30℃以下)のゲル(製品名 Agarose,
Sigma VII)を数重量%になるように電解質溶液(膜
系、すなわち二分子膜を置いて機能させる水溶液に用い
ているものと同じ)に分散させる。
Sigma VII)を数重量%になるように電解質溶液(膜
系、すなわち二分子膜を置いて機能させる水溶液に用い
ているものと同じ)に分散させる。
【0046】ii)この電解質溶液を加熱しながら撹拌
し、一旦沸騰させ、30数℃まで冷やす。
し、一旦沸騰させ、30数℃まで冷やす。
【0047】iii)高分子膜形成後の素子が置かれる
セル内には膜系電解質溶液が入れられており、この膜系
電解質溶液を予め30℃以上に加熱し、その後この膜系
電解質と、上記ii)で得られたアガロース溶液とを置
換する。
セル内には膜系電解質溶液が入れられており、この膜系
電解質溶液を予め30℃以上に加熱し、その後この膜系
電解質と、上記ii)で得られたアガロース溶液とを置
換する。
【0048】iv)セル内を満たすアガロース溶液をス
ターラーを用いて撹拌しながら常温に戻す。このように
常温に戻す過程でアガロースがゲル化する。よって、高
分子膜20形成後、高分子膜20の表面にアガロースゲ
ル層22が形成されることとなる。
ターラーを用いて撹拌しながら常温に戻す。このように
常温に戻す過程でアガロースがゲル化する。よって、高
分子膜20形成後、高分子膜20の表面にアガロースゲ
ル層22が形成されることとなる。
【0049】以上のような手順により、BLM14の表
面に高分子膜20、およびさらにその表面にアガロース
ゲル層22が形成され、本実施形態の二分子膜素子が得
られる。このようにして得られた素子を所定セルにセッ
トし、上記膜系の電解質溶液、例えば[0.1M KC
l溶液,pH7.2]中に配置し、二分子膜を機能させ
る。ここで、この素子は、BLM14の補強材として高
分子膜およびアガロースゲル層を設けているので、上述
のように従来の二分子膜と比較して寿命の長い二分子膜
が得られている。
面に高分子膜20、およびさらにその表面にアガロース
ゲル層22が形成され、本実施形態の二分子膜素子が得
られる。このようにして得られた素子を所定セルにセッ
トし、上記膜系の電解質溶液、例えば[0.1M KC
l溶液,pH7.2]中に配置し、二分子膜を機能させ
る。ここで、この素子は、BLM14の補強材として高
分子膜およびアガロースゲル層を設けているので、上述
のように従来の二分子膜と比較して寿命の長い二分子膜
が得られている。
【0050】ここで、ハイドロゲルであるアガロースゲ
ルのアガロース濃度は、二分子膜を固定できる範囲にお
いて低濃度であることが好ましい。なぜなら、ゲル濃度
が高くなるとゲル層内でゲルの網目が多くなって層が固
くなり、外部からの衝撃に対する耐性は増加するが、含
水率が少なくなり、タンパク質や、二分子膜素子の機能
を発揮させるために必要な物質やイオンのゲル層内での
動きが妨げられるためである。
ルのアガロース濃度は、二分子膜を固定できる範囲にお
いて低濃度であることが好ましい。なぜなら、ゲル濃度
が高くなるとゲル層内でゲルの網目が多くなって層が固
くなり、外部からの衝撃に対する耐性は増加するが、含
水率が少なくなり、タンパク質や、二分子膜素子の機能
を発揮させるために必要な物質やイオンのゲル層内での
動きが妨げられるためである。
【0051】また、後述するように二分子膜内にタンパ
ク質を導入したり二分子膜にタンパク質を膜内に有する
リポソームを吸着させたりして、外部の物質をこれらの
タンパク質によって検出する場合には、検出対象物質は
ゲル層22を通ってタンパク質に到達する必要がある。
このような観点からは、ゲル層22は、二分子膜の固定
機能が失われない範囲で薄くすることが好ましい。
ク質を導入したり二分子膜にタンパク質を膜内に有する
リポソームを吸着させたりして、外部の物質をこれらの
タンパク質によって検出する場合には、検出対象物質は
ゲル層22を通ってタンパク質に到達する必要がある。
このような観点からは、ゲル層22は、二分子膜の固定
機能が失われない範囲で薄くすることが好ましい。
【0052】実施形態2.本実施形態2では、上記実施
形態1に示すごとき構造の二分子膜素子を用い、この素
子を水系にて直立配置した際の二分子膜の寿命をさらに
向上させる為の構成を設けたことを特徴としている。以
下、本実施形態の構成について図1および図2を用いて
説明する。なお、以後、図面の説明に関し、すでに説明
した部材と対応する部分には同一符号を付して説明を省
略する。
形態1に示すごとき構造の二分子膜素子を用い、この素
子を水系にて直立配置した際の二分子膜の寿命をさらに
向上させる為の構成を設けたことを特徴としている。以
下、本実施形態の構成について図1および図2を用いて
説明する。なお、以後、図面の説明に関し、すでに説明
した部材と対応する部分には同一符号を付して説明を省
略する。
【0053】[構成]基板13の表面には、予め金−S
結合によってアルカンチオール単分子膜16が形成され
ており、この基板13が、図2に示すように内部に液溜
め34が形成されたテフロンよりなるセル30に取り付
けられている。
結合によってアルカンチオール単分子膜16が形成され
ており、この基板13が、図2に示すように内部に液溜
め34が形成されたテフロンよりなるセル30に取り付
けられている。
【0054】セル30の液溜め34内には、このセル3
0内に基板13を取り付けた状態において、基板のBL
M形成面側に、BLM膜厚方向に向かって延びるように
膜支持部32が突設されている。
0内に基板13を取り付けた状態において、基板のBL
M形成面側に、BLM膜厚方向に向かって延びるように
膜支持部32が突設されている。
【0055】また、セル30の液溜め34には、実施形
態1に示した脂質単分子膜18、高分子膜20、アガロ
ースゲル層22を形成するための各種溶液が注入可能と
なっている。そして、基板13をセル30に取り付けた
状態で、実施形態1の手順に沿って各種溶液をこの液溜
め34に入れ、膜形成処理を施すことにより、図1に示
すような構成の二分子膜素子が基板13の表面に形成さ
れる。さらに、素子形成後においては、図2(a)のよ
うに、液溜め34には、例えば[0.1M KCl,p
H7.2]の電解質溶液40が注入される。
態1に示した脂質単分子膜18、高分子膜20、アガロ
ースゲル層22を形成するための各種溶液が注入可能と
なっている。そして、基板13をセル30に取り付けた
状態で、実施形態1の手順に沿って各種溶液をこの液溜
め34に入れ、膜形成処理を施すことにより、図1に示
すような構成の二分子膜素子が基板13の表面に形成さ
れる。さらに、素子形成後においては、図2(a)のよ
うに、液溜め34には、例えば[0.1M KCl,p
H7.2]の電解質溶液40が注入される。
【0056】次に、本実施形態2の特徴である膜支持部
32の機能について説明する。図2に示されるように、
セル30に取り付けられて電解質溶液40に曝された二
分子膜素子は、二分子膜14の上部に位置する脂質単分
子膜18が浮力の影響を強く受けて、アルカンチオール
単分子膜16から脱離しようとする。ここで、図2に示
すような膜支持部32が、二分子膜14の上方に存在し
なければ、脱離した脂質単分子膜18は、電解質溶液4
0中に流出してしまう。脂質分子が電解質溶液40中に
流出すると、二分子膜14は、その二層目の配列状態が
大きく乱れ、膜は急速に壊れてしまう。
32の機能について説明する。図2に示されるように、
セル30に取り付けられて電解質溶液40に曝された二
分子膜素子は、二分子膜14の上部に位置する脂質単分
子膜18が浮力の影響を強く受けて、アルカンチオール
単分子膜16から脱離しようとする。ここで、図2に示
すような膜支持部32が、二分子膜14の上方に存在し
なければ、脱離した脂質単分子膜18は、電解質溶液4
0中に流出してしまう。脂質分子が電解質溶液40中に
流出すると、二分子膜14は、その二層目の配列状態が
大きく乱れ、膜は急速に壊れてしまう。
【0057】これに対し、本実施形態2においては、二
分子膜14の上方に膜支持部32を突設配置することに
より、脂質分子の電解質溶液40中への流出を防止して
いる。なお、実施形態1に示すように、BLM14の表
面をさらにアミノ酸の高分子膜20およびアガロースゲ
ル層22で覆ったとしても、これら高分子およびアガロ
ースは、強固な化学結合によって二分子膜上に形成され
る訳ではない。つまり、単に分子間力や物理的吸着によ
ってBLM14表面に吸着形成されているにすぎないの
で、これら高分子膜20とアガロースゲル層22を二分
子膜で覆う構成により、脱離した脂質分子の溶液中への
流出を完全に防止することは難しい。
分子膜14の上方に膜支持部32を突設配置することに
より、脂質分子の電解質溶液40中への流出を防止して
いる。なお、実施形態1に示すように、BLM14の表
面をさらにアミノ酸の高分子膜20およびアガロースゲ
ル層22で覆ったとしても、これら高分子およびアガロ
ースは、強固な化学結合によって二分子膜上に形成され
る訳ではない。つまり、単に分子間力や物理的吸着によ
ってBLM14表面に吸着形成されているにすぎないの
で、これら高分子膜20とアガロースゲル層22を二分
子膜で覆う構成により、脱離した脂質分子の溶液中への
流出を完全に防止することは難しい。
【0058】膜支持部32を設けて電解質溶液40中へ
の流出を妨げれば、図2(a)に示すように、BLM1
4の上部にアルカンチオール単分子膜から脱離した脂質
分子がこの膜支持部32の下側に溜まる。そして、BL
M14から脱離する脂質分子と膜支持部32の下側に脂
質溜まりから供給される脂質分子との間で平衡状態が達
成され、これによりBLM14が安定化されると考えら
れる。
の流出を妨げれば、図2(a)に示すように、BLM1
4の上部にアルカンチオール単分子膜から脱離した脂質
分子がこの膜支持部32の下側に溜まる。そして、BL
M14から脱離する脂質分子と膜支持部32の下側に脂
質溜まりから供給される脂質分子との間で平衡状態が達
成され、これによりBLM14が安定化されると考えら
れる。
【0059】膜支持部32のBLM14の膜厚方向への
突出量は、膜支持機能を十分発揮させるためには、少な
くともBLM14の膜厚(通常のBLM14の膜厚は、
6〜7nm)以上とすることが必要である。
突出量は、膜支持機能を十分発揮させるためには、少な
くともBLM14の膜厚(通常のBLM14の膜厚は、
6〜7nm)以上とすることが必要である。
【0060】膜支持部32の形状については、図2
(a)に示すように逆L字形状として、BLM14の上
方を囲むようにすれば、脂質分子の流出をより確実に防
止できる。また、図2(b)のように基板13から遠ざ
かるにつれて下方に迫り出す形状でもよい。さらに、十
分な突出量があれば、図2(c)に示すように単にBL
M膜厚方向に延びる矩形形状であってよい。
(a)に示すように逆L字形状として、BLM14の上
方を囲むようにすれば、脂質分子の流出をより確実に防
止できる。また、図2(b)のように基板13から遠ざ
かるにつれて下方に迫り出す形状でもよい。さらに、十
分な突出量があれば、図2(c)に示すように単にBL
M膜厚方向に延びる矩形形状であってよい。
【0061】また、セル30およびこのセル30と一体
的に形成された膜支持部32の材質は、テフロンとして
以上説明しているが、テフロン材料には限られず、各種
BLM形成溶液および電解質溶液に対して耐性を有する
材料であれば良い。なお、BLM膜に影響を与えないと
いう観点からはこの材料として、少なくともその表面が
疎水性(非極性)であることが好ましい。これは、膜の
上方において膜支持部表面が極性を示していると、脂質
単分子の極性基が膜支持部に引きつけられて脂質単分子
膜の配列が乱れる可能性があるからである。
的に形成された膜支持部32の材質は、テフロンとして
以上説明しているが、テフロン材料には限られず、各種
BLM形成溶液および電解質溶液に対して耐性を有する
材料であれば良い。なお、BLM膜に影響を与えないと
いう観点からはこの材料として、少なくともその表面が
疎水性(非極性)であることが好ましい。これは、膜の
上方において膜支持部表面が極性を示していると、脂質
単分子の極性基が膜支持部に引きつけられて脂質単分子
膜の配列が乱れる可能性があるからである。
【0062】[特性評価結果]次に、膜支持膜を設けた
二分子膜素子の特性の評価結果について説明する。な
お、この評価においては、金属膜を有する基板13の表
面に形成したアルカンチオール単分子膜とこの単分子膜
に吸着形成する脂質単分子膜とからなる二分子膜を用い
ている。
二分子膜素子の特性の評価結果について説明する。な
お、この評価においては、金属膜を有する基板13の表
面に形成したアルカンチオール単分子膜とこの単分子膜
に吸着形成する脂質単分子膜とからなる二分子膜を用い
ている。
【0063】また、さらにポリ−L−リシンを含む高分
子膜を二分子膜上に形成した構成についても合わせて評
価した。
子膜を二分子膜上に形成した構成についても合わせて評
価した。
【0064】まず、実施形態1において説明した手順
(1)〜(3)i)を用い、図3に示すように、基板1
3の金表面にアルカンチオール単分子膜16を形成す
る。
(1)〜(3)i)を用い、図3に示すように、基板1
3の金表面にアルカンチオール単分子膜16を形成す
る。
【0065】次に、白金(Pt)線38を銀ペースト3
7を利用してAu膜12に接続する。銀ペースト37を
乾燥させた後、エポキシ樹脂36によってPt線38と
Au膜12との接続部をコートして補強する。その後エ
ポキシ樹脂36が乾燥硬化するまで放置し、図3に示す
試料を得る。
7を利用してAu膜12に接続する。銀ペースト37を
乾燥させた後、エポキシ樹脂36によってPt線38と
Au膜12との接続部をコートして補強する。その後エ
ポキシ樹脂36が乾燥硬化するまで放置し、図3に示す
試料を得る。
【0066】試料形成後、これを図2に示すようにセル
30にセットし、試料の基板13の表面、すなわちアル
カンチオール単分子膜16表面に対して脂質溶液(デカ
ン溶液)を30〜40μlを添加し、この状態で約2分
間放置し、アルカンチオール単分子膜16と、溶液中の
脂質分子とをなじませる。
30にセットし、試料の基板13の表面、すなわちアル
カンチオール単分子膜16表面に対して脂質溶液(デカ
ン溶液)を30〜40μlを添加し、この状態で約2分
間放置し、アルカンチオール単分子膜16と、溶液中の
脂質分子とをなじませる。
【0067】次に、セル30の液溜め34に電解質溶液
40(0.1M KClバッファ液)を注入し、この状
態において塩橋を介した銀・塩化銀電極と、基板13の
Au膜12を利用した金電極との間の交流インピーダン
スを所定時間ごとに測定する。測定結果は図5に示す。
また、電解質溶液40を注入後(例えば、注入後10時
間経過後)に、液溜め34にポリLリシン(PLL)溶
液を注入して、交流インピーダンスを測定した結果は、
図6に示す。
40(0.1M KClバッファ液)を注入し、この状
態において塩橋を介した銀・塩化銀電極と、基板13の
Au膜12を利用した金電極との間の交流インピーダン
スを所定時間ごとに測定する。測定結果は図5に示す。
また、電解質溶液40を注入後(例えば、注入後10時
間経過後)に、液溜め34にポリLリシン(PLL)溶
液を注入して、交流インピーダンスを測定した結果は、
図6に示す。
【0068】(測定結果1:基板+アルカンチオール単
分子膜+脂質単分子膜)図4は、二分子膜素子の膜系の
等価回路を示している。図4において、C1 はアルカン
チオール単分子膜16の固有の容量、すなわち2層目の
単分子膜が存在しない状態における容量である。また、
C2 は2層目の脂質単分子膜の容量、Rmは二分子膜の
膜抵抗である。この等価回路に示されるように二分子膜
の1層目の単分子膜16の容量C1と2層目の脂質単分
子膜の容量C2とは銀・塩化銀電極と金電極間との間に
直列接続され、2つの容量の合成容量、つまり二分子膜
容量Cmと、膜抵抗Rmとが、銀・塩化銀電極と金電極
間に並列に接続されていることとなる。
分子膜+脂質単分子膜)図4は、二分子膜素子の膜系の
等価回路を示している。図4において、C1 はアルカン
チオール単分子膜16の固有の容量、すなわち2層目の
単分子膜が存在しない状態における容量である。また、
C2 は2層目の脂質単分子膜の容量、Rmは二分子膜の
膜抵抗である。この等価回路に示されるように二分子膜
の1層目の単分子膜16の容量C1と2層目の脂質単分
子膜の容量C2とは銀・塩化銀電極と金電極間との間に
直列接続され、2つの容量の合成容量、つまり二分子膜
容量Cmと、膜抵抗Rmとが、銀・塩化銀電極と金電極
間に並列に接続されていることとなる。
【0069】図5は、100Hzで測定した上記銀・塩
化銀電極と金電極間における膜抵抗および膜容量の経時
変化を示している。なお、図において、横軸は時間(h
r)、左縦軸は膜抵抗Rm(×106Ω)、右縦軸は二
分子膜容量Cm(×10-7F)を示している。測定開始
(t=0)から(つまり、セル30に電解質溶液40を
注入してから)、約40時間が経過するまでの期間t1
は、アルカンチオール単分子膜16の表面に存在する脂
質膜が徐々に薄膜化していく。そして、この期間t1に
おいては、膜抵抗Rmおよび膜容量Cmのいずれもほぼ
一定値ではあるが、例えば脂質デカン溶液の層が薄くな
って二分子膜の状態へと近づくため、膜容量Cmが多少
上昇する。
化銀電極と金電極間における膜抵抗および膜容量の経時
変化を示している。なお、図において、横軸は時間(h
r)、左縦軸は膜抵抗Rm(×106Ω)、右縦軸は二
分子膜容量Cm(×10-7F)を示している。測定開始
(t=0)から(つまり、セル30に電解質溶液40を
注入してから)、約40時間が経過するまでの期間t1
は、アルカンチオール単分子膜16の表面に存在する脂
質膜が徐々に薄膜化していく。そして、この期間t1に
おいては、膜抵抗Rmおよび膜容量Cmのいずれもほぼ
一定値ではあるが、例えば脂質デカン溶液の層が薄くな
って二分子膜の状態へと近づくため、膜容量Cmが多少
上昇する。
【0070】40〜50時間の期間t2においては、二
分子膜状態の領域が増加することにより膜容量Cmは急
激に上昇する。
分子膜状態の領域が増加することにより膜容量Cmは急
激に上昇する。
【0071】ここで、通常の二分子膜の単位面積当たり
の各値:特性膜容量[Cm=500nF/cm2 ]と、
金電極面積:0.78cm2 を用い、金電極全体に二分
子膜が形成されていると仮定して膜容量を算出すると、
膜容量Cm=390nFとなる。なお、膜構造によって
異なるが、二分子膜の特性膜比抵抗は、例えばRm=2
00MΩ*cm2 、膜抵抗Rmの値は、例えばRm=2
56MΩである。
の各値:特性膜容量[Cm=500nF/cm2 ]と、
金電極面積:0.78cm2 を用い、金電極全体に二分
子膜が形成されていると仮定して膜容量を算出すると、
膜容量Cm=390nFとなる。なお、膜構造によって
異なるが、二分子膜の特性膜比抵抗は、例えばRm=2
00MΩ*cm2 、膜抵抗Rmの値は、例えばRm=2
56MΩである。
【0072】上記期間t2の膜容量は最大値でCm=1
00nFである。また、膜抵抗Rmは、例えばRm=
0.1MΩである。従って、上記算出結果とこの膜容量
を比較すると、電極面積の約25%が二分子膜となって
いることが推測できる。なお、二分子膜化していないと
ころは、二分子膜に比べてその膜厚が非常に大きいと考
えられるため、その部分における容量は無視することが
できる。
00nFである。また、膜抵抗Rmは、例えばRm=
0.1MΩである。従って、上記算出結果とこの膜容量
を比較すると、電極面積の約25%が二分子膜となって
いることが推測できる。なお、二分子膜化していないと
ころは、二分子膜に比べてその膜厚が非常に大きいと考
えられるため、その部分における容量は無視することが
できる。
【0073】また、図5において50時間を経過したと
ころで、膜容量Cmは小さくなる。これは、BLMの二
層目である脂質単分子膜が剥がれて表面にアルカンチオ
ール単分子膜が露出するためであると考えられる。現実
には、アルカンチオール単分子膜の膜容量C1が脂質単
分子膜の存在時に比較して5倍程度であるので、2層目
の単分子膜が剥離すると、膜容量Cmが上昇することと
なる。しかし、図5に示す測定における設定周波数(1
00Hz)では、実際のコンデンサが動作しないのでこ
の期間t3においては抵抗成分が減少し、本測定装置に
おける検出電流が装置の測定レンジ外となり、事実上測
定不能になるため膜容量Cm値が低下する。
ころで、膜容量Cmは小さくなる。これは、BLMの二
層目である脂質単分子膜が剥がれて表面にアルカンチオ
ール単分子膜が露出するためであると考えられる。現実
には、アルカンチオール単分子膜の膜容量C1が脂質単
分子膜の存在時に比較して5倍程度であるので、2層目
の単分子膜が剥離すると、膜容量Cmが上昇することと
なる。しかし、図5に示す測定における設定周波数(1
00Hz)では、実際のコンデンサが動作しないのでこ
の期間t3においては抵抗成分が減少し、本測定装置に
おける検出電流が装置の測定レンジ外となり、事実上測
定不能になるため膜容量Cm値が低下する。
【0074】このように、基板に金−S結合を利用した
アルカンチオール単分子膜と、脂質単分子膜よりなる二
分子膜を所定の水系中に直立配置した場合、膜支持部を
設けることによってBLMの寿命を20〜40時間程度
にすることが可能となる。
アルカンチオール単分子膜と、脂質単分子膜よりなる二
分子膜を所定の水系中に直立配置した場合、膜支持部を
設けることによってBLMの寿命を20〜40時間程度
にすることが可能となる。
【0075】(測定結果2:基板+アルカンチオール単
分子膜+脂質単分子膜+PLL膜)図6は、図5の系内
に、さらにPLL溶液を注入した場合における膜容量の
経時変化を示している。なお、測定条件は、図5の場合
と同様であり、図6においても、100Hzで測定した
上記銀・塩化銀電極と金電極間における膜容量を表して
いる。図において、横軸は時間(hr)、縦軸は二分子
膜容量Cm(×10-8F)を示している。
分子膜+脂質単分子膜+PLL膜)図6は、図5の系内
に、さらにPLL溶液を注入した場合における膜容量の
経時変化を示している。なお、測定条件は、図5の場合
と同様であり、図6においても、100Hzで測定した
上記銀・塩化銀電極と金電極間における膜容量を表して
いる。図において、横軸は時間(hr)、縦軸は二分子
膜容量Cm(×10-8F)を示している。
【0076】図6によると、450時間程度経過するま
での期間は膜容量Cmは安定しており、この期間、二分
子膜は、高分子膜に覆われてその二分子膜状態を維持し
ていることがわかる。また、450時間を経過すると、
膜容量Cmに上昇がみられる。膜容量Cmが上昇するの
は、図5の場合と同様に、チオール単分子膜16の表面
上に存在する脂質膜が薄膜化して二分子膜状態の領域が
増加するためである。そして、その後、脂質単分子膜の
剥離が起こり、図5と同様に現実の膜容量Cmが増大す
ることにより、設定周波数100Hzの条件下では、抵
抗成分が小さくなり検出電流が測定レンジを超えるた
め、図6に示すように膜容量Cmが低下する。
での期間は膜容量Cmは安定しており、この期間、二分
子膜は、高分子膜に覆われてその二分子膜状態を維持し
ていることがわかる。また、450時間を経過すると、
膜容量Cmに上昇がみられる。膜容量Cmが上昇するの
は、図5の場合と同様に、チオール単分子膜16の表面
上に存在する脂質膜が薄膜化して二分子膜状態の領域が
増加するためである。そして、その後、脂質単分子膜の
剥離が起こり、図5と同様に現実の膜容量Cmが増大す
ることにより、設定周波数100Hzの条件下では、抵
抗成分が小さくなり検出電流が測定レンジを超えるた
め、図6に示すように膜容量Cmが低下する。
【0077】以上のことから、基板に金−S結合を利用
したアルカンチオール単分子膜と、脂質単分子膜よりな
る二分子膜を所定の水系中に直立配置した場合、膜支持
部を設け、更に高分子膜を設けることにより、BLMの
寿命は更に長くなり、図6における条件においては、4
50時間程度にすることが可能となる。
したアルカンチオール単分子膜と、脂質単分子膜よりな
る二分子膜を所定の水系中に直立配置した場合、膜支持
部を設け、更に高分子膜を設けることにより、BLMの
寿命は更に長くなり、図6における条件においては、4
50時間程度にすることが可能となる。
【0078】(二分子膜の寿命の比較例)上述のような
測定を二分子膜の構成を代えてそれぞれ実行したとこ
ろ、各二分子膜の寿命は次表1のようになった。
測定を二分子膜の構成を代えてそれぞれ実行したとこ
ろ、各二分子膜の寿命は次表1のようになった。
【0079】
【表1】 表1において、素子構成(1)は、図2のような膜支持
部32を設けず、SM(ステアリルメルカプタン)の単
分子膜と脂質単分子膜より形成されたBLMを用い、B
LM表面を高分子(PLL)膜、アガロースゲル層で覆
うという実施形態1にて示した構成である。そしてこの
構成(1)の場合、BLMの寿命は、電気的特性の安定
な期間で判断すると、約20時間となっている。これに
より、従来のSMの単分子膜と脂質単分子膜のみによっ
てBLMを構成した場合における膜の寿命(長くて十数
時間程度)に比較すると、ゲル層を有することにより安
定性の高いBLMを有する素子が得られることが明らか
である。
部32を設けず、SM(ステアリルメルカプタン)の単
分子膜と脂質単分子膜より形成されたBLMを用い、B
LM表面を高分子(PLL)膜、アガロースゲル層で覆
うという実施形態1にて示した構成である。そしてこの
構成(1)の場合、BLMの寿命は、電気的特性の安定
な期間で判断すると、約20時間となっている。これに
より、従来のSMの単分子膜と脂質単分子膜のみによっ
てBLMを構成した場合における膜の寿命(長くて十数
時間程度)に比較すると、ゲル層を有することにより安
定性の高いBLMを有する素子が得られることが明らか
である。
【0080】次に、表1の素子構成(2)〜(4)は、
本実施形態2の特徴である膜支持部を設けた場合の構成
である。具体的には構成(2)は、SMの単分子膜と脂
質単分子膜とから構成されたBLM、構成(3)は、構
成(2)と同様のBLMの表面にPLL膜を形成したも
の、構成(4)は、構成(2)と同様のBLMに、PL
L膜およびアガロースゲル層を形成した構成である。但
し、構成(4)は実際には後述する図10に示すように
PLL膜とゲル層との間にリポソームが配置された構成
となっている。これら、構成(2)〜(4)に示すよう
に、本実施形態2の特徴である膜支持部を設けた場合に
は、素子構成(2)〜(4)のいずれにおいても、その
寿命は、それぞれ(2)20〜40時間、(3)百数十
〜数百時間、(4)一ケ月以上、ときわめて長くなって
いる。従って、水系中において、膜支持部を設けること
により、BLMの安定性が飛躍的に向上することが明ら
かである。
本実施形態2の特徴である膜支持部を設けた場合の構成
である。具体的には構成(2)は、SMの単分子膜と脂
質単分子膜とから構成されたBLM、構成(3)は、構
成(2)と同様のBLMの表面にPLL膜を形成したも
の、構成(4)は、構成(2)と同様のBLMに、PL
L膜およびアガロースゲル層を形成した構成である。但
し、構成(4)は実際には後述する図10に示すように
PLL膜とゲル層との間にリポソームが配置された構成
となっている。これら、構成(2)〜(4)に示すよう
に、本実施形態2の特徴である膜支持部を設けた場合に
は、素子構成(2)〜(4)のいずれにおいても、その
寿命は、それぞれ(2)20〜40時間、(3)百数十
〜数百時間、(4)一ケ月以上、ときわめて長くなって
いる。従って、水系中において、膜支持部を設けること
により、BLMの安定性が飛躍的に向上することが明ら
かである。
【0081】表に示されるように、ゲル層を設けること
により、特に素子構成(4)にあっては、一ケ月以上の
寿命を有するBLMが得られており、二分子膜素子とし
て十分な安定性が得られている。即ち、ゲル層により、
BLM中にタンパク質を導入して、タンパク質機能を発
揮するに必要な安定性が得られている。
により、特に素子構成(4)にあっては、一ケ月以上の
寿命を有するBLMが得られており、二分子膜素子とし
て十分な安定性が得られている。即ち、ゲル層により、
BLM中にタンパク質を導入して、タンパク質機能を発
揮するに必要な安定性が得られている。
【0082】また、素子構成(2)、(3)、(4)の
比較からも明らかなように、ゲル層を設けることによ
り、素子の寿命は著しく向上している。
比較からも明らかなように、ゲル層を設けることによ
り、素子の寿命は著しく向上している。
【0083】実施形態3.本実施形態では、二分子膜を
形成する基板を開口部を有する例えば格子状または網目
状の構成とし、膜安定性を高めるために、二分子膜の表
面を少なくともゲル層で覆うか、あるいは膜支持部を設
ける。図7は、このような基板を用いて作成した二分子
膜素子の構成例を示している。また、図8(a),
(b)は、図7に示す素子において二分子膜中にタンパ
ク質を導入した場合の構成を示しており、具体的には図
8(a)は、二分子膜素子の平面の模式的な構造を示
し、図8(b)は、この二分子膜素子の断面を示してい
る。なお、図7及び図8に示す基板の厚さは、現実には
図示するものより厚く、また基板に形成される開口部の
形状は、図示するような形状には限られない。
形成する基板を開口部を有する例えば格子状または網目
状の構成とし、膜安定性を高めるために、二分子膜の表
面を少なくともゲル層で覆うか、あるいは膜支持部を設
ける。図7は、このような基板を用いて作成した二分子
膜素子の構成例を示している。また、図8(a),
(b)は、図7に示す素子において二分子膜中にタンパ
ク質を導入した場合の構成を示しており、具体的には図
8(a)は、二分子膜素子の平面の模式的な構造を示
し、図8(b)は、この二分子膜素子の断面を示してい
る。なお、図7及び図8に示す基板の厚さは、現実には
図示するものより厚く、また基板に形成される開口部の
形状は、図示するような形状には限られない。
【0084】本実施形態3の例では、基板として格子状
の金基板50を用いており、図7に示すように、金基板
50の表面に、金−S結合によってアルカンチオール単
分子膜16が形成されている。また、アルカンチオール
単分子膜16の表面にはこれを取り囲むように、膜16
に疎水基を向けて脂質(例えばリン脂質)単分子膜18
が吸着し、アルカンチオール単分子膜16と脂質単分子
膜18よりなる二分子膜が形成されている。
の金基板50を用いており、図7に示すように、金基板
50の表面に、金−S結合によってアルカンチオール単
分子膜16が形成されている。また、アルカンチオール
単分子膜16の表面にはこれを取り囲むように、膜16
に疎水基を向けて脂質(例えばリン脂質)単分子膜18
が吸着し、アルカンチオール単分子膜16と脂質単分子
膜18よりなる二分子膜が形成されている。
【0085】また、金基板50の間隙部分52において
は、脂質単分子膜18が互いに疎水基を内側に向き合っ
て二分子膜を構成している。そして、脂質単分子膜18
の表面、すなわち極性基側には、上述の実施形態と同様
に高分子(PLL)膜20、さらにアガロースゲル層2
2が形成されている。
は、脂質単分子膜18が互いに疎水基を内側に向き合っ
て二分子膜を構成している。そして、脂質単分子膜18
の表面、すなわち極性基側には、上述の実施形態と同様
に高分子(PLL)膜20、さらにアガロースゲル層2
2が形成されている。
【0086】図7に示すように、高分子膜20及びゲル
層22によって二分子膜を固定することにより上述のよ
うに膜の安定化を図ることができる。更に、二分子膜1
4の表面側に設けられたゲル層22が、二分子膜14に
導入されたタンパク質を機能させる場合に必要とされる
電解質水溶液を二分子膜14及びタンパク質54の周囲
に固定しつつ、これらに電解質水分を供給することが可
能となる。更に、ゲル層22が、二分子膜表面での水系
の動きを止めることから膜の乱れを防止することがで
き、より長い期間、二分子膜構造を維持し、またタンパ
ク質54が機能し得る状態を維持する。
層22によって二分子膜を固定することにより上述のよ
うに膜の安定化を図ることができる。更に、二分子膜1
4の表面側に設けられたゲル層22が、二分子膜14に
導入されたタンパク質を機能させる場合に必要とされる
電解質水溶液を二分子膜14及びタンパク質54の周囲
に固定しつつ、これらに電解質水分を供給することが可
能となる。更に、ゲル層22が、二分子膜表面での水系
の動きを止めることから膜の乱れを防止することがで
き、より長い期間、二分子膜構造を維持し、またタンパ
ク質54が機能し得る状態を維持する。
【0087】金基板50の表面に強固な金−S結合を利
用してアルカンチオール単分子膜16を形成すると、金
基板50の全面にアルカンチオール単分子膜16が形成
されることとなり、アルカンチオール単分子膜16の形
成領域に、後からこの単分子膜16を押し退けてタンパ
ク質を導入する余裕が確保しずらい。そこで、基板に開
口部を設け、その基板を用いて二分子膜を形成すること
により、基板の開口部である間隙部分52の二分子膜
は、基板表面に形成された二分子膜の2層目の脂質単分
子が疎水基が膜の内側を向くように互いに向かい合った
脂質二分子膜となる。このため、形成された二分子膜内
に後からタンパク質を導入する際、この間隙部分52に
おける二分子膜にタンパク質を導入することが容易とな
る。
用してアルカンチオール単分子膜16を形成すると、金
基板50の全面にアルカンチオール単分子膜16が形成
されることとなり、アルカンチオール単分子膜16の形
成領域に、後からこの単分子膜16を押し退けてタンパ
ク質を導入する余裕が確保しずらい。そこで、基板に開
口部を設け、その基板を用いて二分子膜を形成すること
により、基板の開口部である間隙部分52の二分子膜
は、基板表面に形成された二分子膜の2層目の脂質単分
子が疎水基が膜の内側を向くように互いに向かい合った
脂質二分子膜となる。このため、形成された二分子膜内
に後からタンパク質を導入する際、この間隙部分52に
おける二分子膜にタンパク質を導入することが容易とな
る。
【0088】また、これら図8(a)、(b)に示され
るように、二分子膜14にタンパク質54を導入する場
合、二分子膜14を形成後、先に間隙部分52にタンパ
ク質54を導入する。そして、その後、高分子膜20お
よびアガロースゲル層22によって二分子膜14および
タンパク質54の表面を覆って二分子膜14及び導入さ
れたタンパク質54を膜の両側から固定する。
るように、二分子膜14にタンパク質54を導入する場
合、二分子膜14を形成後、先に間隙部分52にタンパ
ク質54を導入する。そして、その後、高分子膜20お
よびアガロースゲル層22によって二分子膜14および
タンパク質54の表面を覆って二分子膜14及び導入さ
れたタンパク質54を膜の両側から固定する。
【0089】なお、二分子膜素子は、図2に示すような
水系中に直立配置されるため、実施形態2に示すよう
に、水系中にて、脂質単分子膜18の浮き上がりを防止
するための図2のような膜支持部32を膜上方に設ける
ことにより、一段と素子の寿命を延ばすことが可能とな
る。
水系中に直立配置されるため、実施形態2に示すよう
に、水系中にて、脂質単分子膜18の浮き上がりを防止
するための図2のような膜支持部32を膜上方に設ける
ことにより、一段と素子の寿命を延ばすことが可能とな
る。
【0090】また、図7及び図8では金属基板50を用
いているが、これには限られず、同様な形状の基板、例
えばガラス基板の表面に金属を形成したものを利用して
もよい。
いているが、これには限られず、同様な形状の基板、例
えばガラス基板の表面に金属を形成したものを利用して
もよい。
【0091】さらに、上述のように格子状の基板50を
用いずに、例えば開口部のない平板状のガラス基板上
に、図8(a)のような開口部を有する形状に金属材料
をパターニングして二分子膜素子用の基板としてもよ
い。図9の素子では、このような基板13を利用してお
り、この基板13上に二分子膜14を作成している。こ
の場合、金属材料は1層目の単分子16と結合する材料
(例えばAu、Ag)を用いており、図示されるように
金属材料(Au膜12)の存在しない間隙領域には、金
−S結合によるアルカンチオール単分子膜16が形成さ
れないこととなる。従って、この領域にタンパク質54
を導入することが容易となる。
用いずに、例えば開口部のない平板状のガラス基板上
に、図8(a)のような開口部を有する形状に金属材料
をパターニングして二分子膜素子用の基板としてもよ
い。図9の素子では、このような基板13を利用してお
り、この基板13上に二分子膜14を作成している。こ
の場合、金属材料は1層目の単分子16と結合する材料
(例えばAu、Ag)を用いており、図示されるように
金属材料(Au膜12)の存在しない間隙領域には、金
−S結合によるアルカンチオール単分子膜16が形成さ
れないこととなる。従って、この領域にタンパク質54
を導入することが容易となる。
【0092】実施形態4.次に、実施形態1および2に
示す二分子膜素子の他の構成例について図10を用いて
説明する。
示す二分子膜素子の他の構成例について図10を用いて
説明する。
【0093】図10において、少なくとも表面に金膜が
形成された基板13上にアルカンチオール単分子膜およ
び脂質単分子膜より構成された二分子膜14が形成され
ている(但し、基板表面の金属膜は図示せず)。本実施
形態4では、二分子膜14の表面に実施形態1と同様に
アミノ酸の高分子(PLL)膜20が設けられ、さらに
この高分子膜20の表面に、タンパク質54を膜内に有
するリポソーム60が吸着されている。リポソーム60
は、図示されるようにリン脂質単分子膜58の二分子膜
構造であり、その外側表面には、リン脂質単分子膜58
の極性基(負極性基)が位置している。従って、この脂
質単分子膜58の極性基が、高分子であるPLLの正極
性基に引きつけられることにより、高分子膜20の表面
にリポソームが吸着形成される。また、高分子膜20及
びリポソームを覆うようにさらにアガロースゲル層22
を形成し、二分子膜14および表面のリポソーム60を
固定すれば、素子の安定性を高めることができる。な
お、BLM14の二層目として、「正」の極性基を有す
る脂質を用いて単分子膜を形成すれば、必ずしも、BL
M14とリポソームとの間に高分子膜20を介在させる
必要はない。そして、このような場合において、高分子
膜は、リポソームとアガロースゲル層22との間に形成
してもよい。
形成された基板13上にアルカンチオール単分子膜およ
び脂質単分子膜より構成された二分子膜14が形成され
ている(但し、基板表面の金属膜は図示せず)。本実施
形態4では、二分子膜14の表面に実施形態1と同様に
アミノ酸の高分子(PLL)膜20が設けられ、さらに
この高分子膜20の表面に、タンパク質54を膜内に有
するリポソーム60が吸着されている。リポソーム60
は、図示されるようにリン脂質単分子膜58の二分子膜
構造であり、その外側表面には、リン脂質単分子膜58
の極性基(負極性基)が位置している。従って、この脂
質単分子膜58の極性基が、高分子であるPLLの正極
性基に引きつけられることにより、高分子膜20の表面
にリポソームが吸着形成される。また、高分子膜20及
びリポソームを覆うようにさらにアガロースゲル層22
を形成し、二分子膜14および表面のリポソーム60を
固定すれば、素子の安定性を高めることができる。な
お、BLM14の二層目として、「正」の極性基を有す
る脂質を用いて単分子膜を形成すれば、必ずしも、BL
M14とリポソームとの間に高分子膜20を介在させる
必要はない。そして、このような場合において、高分子
膜は、リポソームとアガロースゲル層22との間に形成
してもよい。
【0094】以上のように、基板上に作成した二分子膜
14および高分子膜20を利用してその上にリポソーム
を形成することにより、リポソーム60の環境を生体内
に近似したものとすることができ、リポソーム60の安
定性を高め、またタンパク質54をより正常かつ安定的
に機能させることが可能となる。なお、図10に示す二
分子膜素子は水系中におかれることから、実施形態2と
同様に膜の上方に膜支持部を設けることにより、一段と
膜の安定性を高めることが可能となる。
14および高分子膜20を利用してその上にリポソーム
を形成することにより、リポソーム60の環境を生体内
に近似したものとすることができ、リポソーム60の安
定性を高め、またタンパク質54をより正常かつ安定的
に機能させることが可能となる。なお、図10に示す二
分子膜素子は水系中におかれることから、実施形態2と
同様に膜の上方に膜支持部を設けることにより、一段と
膜の安定性を高めることが可能となる。
【0095】以上説明した各実施形態において、二分子
膜(リポソームを含む)に導入されるタンパク質は、用
途に応じて選択可能であり、また、基板、二分子膜、高
分子膜、ゲル層を構成する材料としては、用いられるタ
ンパク質との適合性および素子が置かれる環境に応じ
て、適切なものを選択することが好ましい。
膜(リポソームを含む)に導入されるタンパク質は、用
途に応じて選択可能であり、また、基板、二分子膜、高
分子膜、ゲル層を構成する材料としては、用いられるタ
ンパク質との適合性および素子が置かれる環境に応じ
て、適切なものを選択することが好ましい。
【0096】また、タンパク質として様々な刺激に応じ
て変化をするものを膜中に導入し、このタンパク質を機
能させれば、本発明の二分子膜素子を光センサ、臭いセ
ンサなどの様々なセンサなどに利用することが可能とな
る。
て変化をするものを膜中に導入し、このタンパク質を機
能させれば、本発明の二分子膜素子を光センサ、臭いセ
ンサなどの様々なセンサなどに利用することが可能とな
る。
【0097】更に、例えば図9の素子のにおいて二分子
膜のサポート基板として、図8(a)のマトリクスパタ
ーン(50)のように所望のパターンに形成した金属材
料(Au膜12)を電極として用いることにより、膜内
の特定位置のタンパク質を機能させたり、タンパク質を
機能させることによって発生する電気特性の変化などを
検出することが可能となる。具体的には、例えば、高度
好塩菌などに含まれる光感応性タンパク質などを用いて
二分子膜素子を構成し、これを光センサなどに用いた場
合、基板上の上記金属を配線として利用することができ
る。
膜のサポート基板として、図8(a)のマトリクスパタ
ーン(50)のように所望のパターンに形成した金属材
料(Au膜12)を電極として用いることにより、膜内
の特定位置のタンパク質を機能させたり、タンパク質を
機能させることによって発生する電気特性の変化などを
検出することが可能となる。具体的には、例えば、高度
好塩菌などに含まれる光感応性タンパク質などを用いて
二分子膜素子を構成し、これを光センサなどに用いた場
合、基板上の上記金属を配線として利用することができ
る。
【0098】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の各二分子
膜素子によれば、ゲル層、又はゲル層と高分子膜との組
合せ、もしくは膜支持部又は膜支持部とゲル層などとの
組合せ等により、形成された二分子膜の安定性を高める
ことができ、素子としての実用性を格段に向上させるこ
とが可能となる。従って、素子にタンパク質を導入し、
これを用いてタンパク質機能の研究もしくはタンパク質
機能を利用した素子の作成が可能となる。
膜素子によれば、ゲル層、又はゲル層と高分子膜との組
合せ、もしくは膜支持部又は膜支持部とゲル層などとの
組合せ等により、形成された二分子膜の安定性を高める
ことができ、素子としての実用性を格段に向上させるこ
とが可能となる。従って、素子にタンパク質を導入し、
これを用いてタンパク質機能の研究もしくはタンパク質
機能を利用した素子の作成が可能となる。
【図1】 本発明の実施形態1に係る二分子膜素子の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図2】 本発明の実施形態2に係る二分子膜素子の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図3】 本発明の二分子膜素子の特性評価に用いた試
料の構成を示す図である。
料の構成を示す図である。
【図4】 本発明の二分子膜素子の二分子膜の等価回路
を示す図である。
を示す図である。
【図5】 図3に示す試料を用いて測定した膜抵抗と膜
容量の経時変化を示す図である。
容量の経時変化を示す図である。
【図6】 図3に示す試料を用いセル内に更にPLL溶
液を添加した場合の膜容量の経時変化を示す図である。
液を添加した場合の膜容量の経時変化を示す図である。
【図7】 本発明の実施形態3に係る二分子膜素子の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図8】 図7に示す二分子膜素子にタンパク質を導入
した状態を示す図である。
した状態を示す図である。
【図9】 本発明の実施形態3の他の構成例を示す図で
ある。
ある。
【図10】 本発明の実施形態4に係る二分子膜素子の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図11】 従来の二分子膜素子の構成を示す図であ
る。
る。
【図12】 図11とは別の従来の二分子膜素子の構成
を示す図である。
を示す図である。
10 ガラス基板、12 Au膜、13 基板、14
二分子膜(BLM)、16 アルカンチオール単分子
膜、18,58 脂質単分子膜、20 高分子膜、22
ゲル層、30 セル、32 膜支持部、34 液溜
め、39 カバーガラス、50 金基板、52 間隙部
分、54 タンパク質、60 リポソーム。
二分子膜(BLM)、16 アルカンチオール単分子
膜、18,58 脂質単分子膜、20 高分子膜、22
ゲル層、30 セル、32 膜支持部、34 液溜
め、39 カバーガラス、50 金基板、52 間隙部
分、54 タンパク質、60 リポソーム。
Claims (19)
- 【請求項1】 基板上に形成された二分子膜を有する二
分子膜素子であって、 前記二分子膜上にゲル層が形成されていることを特徴と
する二分子膜素子。 - 【請求項2】 基板上に二分子膜が形成された二分子膜
素子であって、 前記基板は、水系の中に直立するように配置され、 前記基板の少なくとも上方側に前記二分子膜の膜厚方向
に延びて水系における二分子膜の上部を支持するための
膜支持部を備えることを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項3】 請求項2に記載の二分子膜素子におい
て、 前記膜支持部は、前記二分子膜の膜厚以上の長さを有
し、 この膜支持部によって、水系中で直立配置される前記二
分子膜の浮き上がりを抑えることを特徴とする二分子膜
素子。 - 【請求項4】 請求項2又は請求項3のいずれかに記載
の二分子膜素子において、 前記膜支持部は、少なくとも前記二分子膜との接触面が
非極性材料によって形成されていることを特徴とする二
分子膜素子。 - 【請求項5】 二分子膜を有する二分子膜素子であっ
て、 前記二分子膜上にゲル層が形成されていることを特徴と
する二分子膜素子。 - 【請求項6】 請求項2〜4のいずれか一つに記載の二
分子膜素子において、 前記二分子膜上にゲル層が形成されていることを特徴と
する二分子膜素子。 - 【請求項7】 請求項1、請求項5又は請求項6のいず
れかに記載の二分子膜素子において、 前記ゲル層の材料として、糖が用いられていることを特
徴とする二分子膜素子。 - 【請求項8】 請求項1、請求項5〜7のいずれか一つ
に記載の二分子膜素子において、 前記ゲル層の材料として、ハイドロゲルが用いられてい
ることを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項9】 請求項1、請求項5〜8のいずれか一つ
に記載の二分子膜素子において、 前記ゲル層は、アガロースゲルを含むことを特徴とする
二分子膜素子。 - 【請求項10】 請求項1、請求項5〜9のいずれか一
つに記載の二分子膜素子において、 前記二分子膜、前記ゲル層との間に、更に高分子膜が形
成されていることを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項11】 請求項10に記載の二分子膜素子にお
いて、 前記高分子膜の材料として、アミノ酸が用いられている
ことを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項12】 請求項10に記載の二分子膜素子にお
いて、 前記高分子膜は、ポリリシンを含み、 前記ゲル層は、アガロースゲルを含むことを特徴とする
二分子膜素子。 - 【請求項13】 請求項1、請求項5〜12のいずれか
一つに記載の二分子膜素子において、 前記二分子膜と、前記ゲル層との間に、更にリポソーム
が配置されていることを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項14】 請求項10〜請求項12のいずれか一
つに記載の二分子膜素子において、 前記高分子膜上にリポソームが配置され、前記高分子膜
及び前記リポソームが前記ゲル層によって覆われている
ことを特徴とする二分子膜素子。 - 【請求項15】 請求項1〜4、6〜14のいずれか一
つに記載の二分子膜素子において、 前記二分子膜は、前記基板の表面上に形成されている金
属材料に極性基が結合したアルカンチオール単分子膜
と、このアルカンチオール単分子膜に疎水基を向けて配
置した脂質単分子膜と、より構成されていることを特徴
とする二分子膜素子。 - 【請求項16】 請求項1〜4、6〜14のいずれか一
つに記載の二分子膜素子において、 前記基板は、金属基板又は少なくとも表面の一部に金属
が形成された基板であり、 前記金属基板又は金属には、前記二分子膜の基板側の単
分子膜と結合する金属材料が用いられていることを特徴
とする二分子膜素子。 - 【請求項17】 請求項1〜4、6〜14のいずれか一
つに記載の二分子膜素子において、 前記基板は、開口部を有する金属基板若しくは開口部を
有し表面に金属が形成された基板、又は表面に開口部を
備えた所定パターンの金属が形成された基板であり、 前記金属基板又は金属には、前記二分子膜の基板側の単
分子膜と結合する金属材料が用いられ、 前記基板又は前記金属の開口部領域に、更に二分子膜が
形成され、 この前記開口部領域に形成された二分子膜の膜中にタン
パク質が導入されていることを特徴とする二分子膜素
子。 - 【請求項18】 請求項15〜17のいずれか1つに記
載の二分子膜素子において、 前記金属材料は、金又は銀であることを特徴とする二分
子膜素子。 - 【請求項19】 請求項1〜18のいずれか一つに記載
の二分子膜素子において、 前記二分子膜は、タンパク質を保持するための膜である
ことを特徴とする二分子膜素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10984197A JP3822946B2 (ja) | 1996-05-30 | 1997-04-25 | 二分子膜素子 |
US08/865,370 US6056922A (en) | 1996-05-30 | 1997-05-29 | Bilayer membrane device |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8-136482 | 1996-05-30 | ||
JP13648296 | 1996-05-30 | ||
JP10984197A JP3822946B2 (ja) | 1996-05-30 | 1997-04-25 | 二分子膜素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1052880A true JPH1052880A (ja) | 1998-02-24 |
JP3822946B2 JP3822946B2 (ja) | 2006-09-20 |
Family
ID=26449557
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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