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 |
|---|---|---|---|
| JP13648296 | 1996-05-30 | ||
| JP8-136482 | 1996-05-30 | ||
| JP10984197A JP3822946B2 (ja) | 1996-05-30 | 1997-04-25 | 二分子膜素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1052880A true JPH1052880A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3822946B2 JP3822946B2 (ja) | 2006-09-20 |
Family
ID=26449557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10984197A Expired - Fee Related JP3822946B2 (ja) | 1996-05-30 | 1997-04-25 | 二分子膜素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6056922A (ja) |
| JP (1) | JP3822946B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006312148A (ja) * | 2005-05-09 | 2006-11-16 | Japan Science & Technology Agency | 分子マクロクラスターの形成方法と高分子薄膜の製造方法 |
| JP2007271371A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Toshiba Corp | 二分子膜の形成装置及びその形成方法 |
| JP2008012444A (ja) * | 2006-07-06 | 2008-01-24 | Ulvac Japan Ltd | 脂質単分子膜の作製方法 |
| JP2008540108A (ja) * | 2005-05-20 | 2008-11-20 | アクアポリン エーピーエス | 水を濾過する膜 |
| JP2009510301A (ja) * | 2005-09-20 | 2009-03-12 | アクアポリン エーピーエス | 塩分濃度差電力の生成において使用されるアクアポリンを備える生体模倣水性膜 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10112505C1 (de) * | 2001-03-15 | 2003-01-30 | Iongate Biosciences Gmbh | Sensoranordnung und Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung sowie Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung |
| US20040096914A1 (en) * | 2002-11-20 | 2004-05-20 | Ye Fang | Substrates with stable surface chemistry for biological membrane arrays and methods for fabricating thereof |
| DE10320898A1 (de) * | 2003-05-09 | 2004-12-02 | Iongate Biosciences Gmbh | Biokompatible Sensorelektrodenanordnung und Verfahren zu deren Herstellung |
| US20100196203A1 (en) | 2007-02-20 | 2010-08-05 | Gurdial Singh Sanghera | Formation of Lipid Bilayers |
| GB0724736D0 (en) * | 2007-12-19 | 2008-01-30 | Oxford Nanolabs Ltd | Formation of layers of amphiphilic molecules |
| US9017937B1 (en) | 2009-04-10 | 2015-04-28 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Nanopore sequencing using ratiometric impedance |
| WO2010117470A2 (en) | 2009-04-10 | 2010-10-14 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Nanopore sequencing devices and methods |
| US8652779B2 (en) | 2010-04-09 | 2014-02-18 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Nanopore sequencing using charge blockade labels |
| GB201202519D0 (en) | 2012-02-13 | 2012-03-28 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Apparatus for supporting an array of layers of amphiphilic molecules and method of forming an array of layers of amphiphilic molecules |
| GB201313121D0 (en) | 2013-07-23 | 2013-09-04 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Array of volumes of polar medium |
| GB201418512D0 (en) | 2014-10-17 | 2014-12-03 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Electrical device with detachable components |
| GB201611770D0 (en) | 2016-07-06 | 2016-08-17 | Oxford Nanopore Tech | Microfluidic device |
| KR20210138594A (ko) | 2019-03-12 | 2021-11-19 | 옥스포드 나노포어 테크놀로지즈 피엘씨 | 나노포어 감지 디바이스 및 이를 작동하는 방법 및 형성하는 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USH201H (en) * | 1985-08-23 | 1987-01-06 | United States Of America | Biosensors from membrane proteins reconstituted in polymerized lipid bilayers |
| EP1130388A1 (en) * | 1992-10-01 | 2001-09-05 | Australian Membrane And Biotechnology Research Institute | Improved sensor membranes |
-
1997
- 1997-04-25 JP JP10984197A patent/JP3822946B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1997-05-29 US US08/865,370 patent/US6056922A/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| JP2006312148A (ja) * | 2005-05-09 | 2006-11-16 | Japan Science & Technology Agency | 分子マクロクラスターの形成方法と高分子薄膜の製造方法 |
| JP2008540108A (ja) * | 2005-05-20 | 2008-11-20 | アクアポリン エーピーエス | 水を濾過する膜 |
| JP2009510301A (ja) * | 2005-09-20 | 2009-03-12 | アクアポリン エーピーエス | 塩分濃度差電力の生成において使用されるアクアポリンを備える生体模倣水性膜 |
| JP2007271371A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Toshiba Corp | 二分子膜の形成装置及びその形成方法 |
| JP2008012444A (ja) * | 2006-07-06 | 2008-01-24 | Ulvac Japan Ltd | 脂質単分子膜の作製方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3822946B2 (ja) | 2006-09-20 |
| US6056922A (en) | 2000-05-02 |
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