JPH1156389A - Sensor and substance-specifying system - Google Patents

Sensor and substance-specifying system

Info

Publication number
JPH1156389A
JPH1156389A JP9231365A JP23136597A JPH1156389A JP H1156389 A JPH1156389 A JP H1156389A JP 9231365 A JP9231365 A JP 9231365A JP 23136597 A JP23136597 A JP 23136597A JP H1156389 A JPH1156389 A JP H1156389A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
membrane
substance
lipid bilayer
information
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP9231365A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3595120B2 (en
Inventor
Yoshio Ishimori
義雄 石森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP23136597A priority Critical patent/JP3595120B2/en
Publication of JPH1156389A publication Critical patent/JPH1156389A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3595120B2 publication Critical patent/JP3595120B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a sensor capable of detecting continuously an aimed substance and specifying correctly the kind and quantity of the substance by being provided with a membrane interacting with the substance and means for acquiring information on the membrane. SOLUTION: This sensor is applied according to the followings: dissolving a solution containing cyanobacteria and cholesterol into a triton X-100, mounting it on a small hole 103 of a Teflon beaker 102 underwater and leaving as it is, reconstituting a lipid bilayer 104 containing a cell membrane component of cyanobacteria on the small hole 103 of the beaker 102, accommodating the beaker 102 in an outer case 105 and supplying a phosphoric acid buffer solution in the case and beaker to measure a membrane voltage of the lipid bilayer 104, adding a sodium cyanide solution to each buffer solution of the beaker 102 and outer case 105 to measure the membrane voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物質の存在を検出
するセンサおよび該センサを搭載した物質特定システム
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for detecting the presence of a substance and a substance specifying system equipped with the sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】今日、環境中には、天然物や人工的に合
成された多数の物質が存在しており、新たに合成され、
環境中に放出される物質の数は益々増大している。環境
中の物質の中には、生体や細胞等に作用して特定の機能
を阻害したり、該生体や細胞等を死に至らしめる物質
(広義の毒物)、例えば、水道水や地下水中に含まれる
トリハロメタン、シアン、カドミウムや、大気中に含ま
れるダイオキシン等が多数存在している。
2. Description of the Related Art Today, there are many natural products and artificially synthesized substances in the environment.
The number of substances released into the environment is increasing. Among substances in the environment, substances that act on living organisms or cells to inhibit specific functions or cause death of such living organisms or cells (broadly defined poisons), such as tap water and groundwater There are many trihalomethanes, cyanides, cadmium, and dioxins contained in the atmosphere.

【0003】ところで、環境中の物質の存在は、例え
ば、以下のような方法で検出されてきた。すなわち、浄
水場において、水道水として供給される原水中に含まれ
るトリハロメタンやシアンを検出する場合には、原水を
連続的に供給した水槽でモルミルス等の魚を飼育して魚
の動きを画像解析し、魚の異常行動を確認することによ
って、原水中におけるトリハロメタンやシアン等の存在
を検出する。また、原水中に硝化細菌の同化物質となる
アンモニア等を一定量添加した後に、該原水を、硝化細
菌を電極表面に固定化した酸素センサと接触させ、硝化
細菌の代謝活性を溶存酸素濃度の減少量から見積もり、
代謝活性の低下を確認することによって、原水中におけ
るトリハロメタンやシアン等の存在を検出する。
[0003] The presence of substances in the environment has been detected, for example, by the following method. In other words, when detecting trihalomethane and cyanide contained in raw water supplied as tap water at a water purification plant, breeding fish such as Mormillus in a water tank that continuously supplies raw water and analyzing the movement of fish by image analysis. By detecting abnormal behavior of fish, the presence of trihalomethane, cyanide, and the like in raw water is detected. Further, after adding a certain amount of ammonia or the like as an assimilating substance of nitrifying bacteria to the raw water, the raw water is brought into contact with an oxygen sensor in which the nitrifying bacteria are immobilized on the electrode surface, and the metabolic activity of the nitrifying bacteria is measured as a dissolved oxygen concentration Estimate from the amount of reduction,
By confirming a decrease in metabolic activity, the presence of trihalomethane, cyanide, and the like in raw water is detected.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生体を
用いた方法では、ほぼリアルタイムで物質の検出ができ
るものの、該生体の機能を阻害しない物質については全
く検出することができないという問題があった。
However, in the method using a living body, there is a problem that although a substance can be detected almost in real time, a substance which does not inhibit the function of the living body cannot be detected at all.

【0005】また、生体に対する物質の作用は、多くの
場合、種および細胞特異性が認められることから、例え
ば、魚等に物質が何ら影響を与えない場合には、物質が
存在するにもかかわらず、該物質を検出することができ
ないという問題があった。
[0005] In many cases, the action of a substance on a living body depends on species and cell specificity. For example, when the substance has no effect on fish or the like, the substance is present despite the presence of the substance. Therefore, there was a problem that the substance could not be detected.

【0006】さらに、生体には種々の物質が影響を与え
るため、魚等の挙動に変化が認められた場合にも、該物
質の種類や存在量を特定することができないという問題
があった。
Further, since various substances affect the living body, there is a problem that even when the behavior of a fish or the like is changed, the type and abundance of the substance cannot be specified.

【0007】本発明は、上記従来例に鑑みてなされたも
ので、物質を連続的に検出するとともに、該物質の種類
や量を正確に特定することが可能なセンサを提供するこ
とを目的とする。
The present invention has been made in view of the above conventional example, and has as its object to provide a sensor capable of continuously detecting a substance and accurately specifying the type and amount of the substance. I do.

【0008】また、物質を連続的に検出するとともに、
該物質の種類や量を正確に特定することが可能な物質特
定システムを提供することを目的とする。
[0008] In addition to continuously detecting substances,
It is an object of the present invention to provide a substance specifying system capable of accurately specifying the type and amount of the substance.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係るセンサは、
物質と相互作用を示す膜と、前記膜の情報を獲得する手
段とを具備したことを特徴としている。
The sensor according to the present invention comprises:
It is characterized by comprising a film interacting with a substance and a means for acquiring information on the film.

【0010】本発明に係るセンサによれば、物質と相互
作用を示す膜の情報を獲得することにより、物質との相
互作用より生じる膜の変化を観測できるので、物質の存
在を検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特定
することが可能となる。
[0010] According to the sensor of the present invention, by acquiring information on a film that interacts with a substance, it is possible to observe a change in the film caused by the interaction with the substance. The type and amount of the substance can be accurately specified.

【0011】また、本発明に係る物質特定システムは、
物質と第1の相互作用を示す第1の膜と、前記物質と第
2の相互作用を示す第2の膜と、前記第1および第2の
膜の情報を獲得する手段とを有するセンサと、前記獲得
した情報を評価する手段とを具備したことを特徴として
いる。
Further, the substance specifying system according to the present invention comprises:
A sensor comprising: a first film exhibiting a first interaction with a substance; a second film exhibiting a second interaction with the substance; and means for acquiring information on the first and second films. , Means for evaluating the obtained information.

【0012】本発明に係る物質特定システムによれば、
物質と第1および第2の相互作用を示す第1および第2
の膜の情報を獲得し、獲得した情報を評価することによ
り、物質との相互作用より生じる第1および第2の膜の
変化を観測して多面的に検討できるので、物質の存在を
検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特定する
ことが可能となる。
According to the substance identification system of the present invention,
First and second showing first and second interactions with a substance
By acquiring the information of the film and evaluating the acquired information, changes in the first and second films caused by the interaction with the substance can be observed and examined from multiple angles, so that the presence of the substance is detected. At the same time, it becomes possible to accurately specify the type and amount of the substance.

【0013】はじめに、本発明の概念について詳述す
る。
First, the concept of the present invention will be described in detail.

【0014】生体に対し何らかの作用を示す物質は、換
言すれば、生体を構成する「細胞」に対し何らかの作用
を示す物質である。したがって、細胞に対し何らかの作
用を示す物質は、細胞の備えた「細胞膜」と、何らかの
相互作用を示すと考えられる。ここで、相互作用とは、
膜と物質とが互いに何らかの影響を及ぼしあうことを示
しており、膜への物質の接着や吸着、膜内への物質の取
り込み、および膜を物質が透過する現象等が生じる機構
を意味している。そこで、人工的に作製した膜(人工
膜)を、例えば、電極の表面に装着し、該電極を通じて
膜の情報を獲得することにより、膜と相互作用を示す物
質の存在をリアルタイムで検出することが可能となるの
である。すなわち、物質との相互作用により変化する膜
の情報、例えば、膜電位、電気容量、イオンの透過性、
発光、発熱および吸熱等を獲得し、物質との相互作用の
前後の出力値の差から、物質の存在を判定できるのであ
る。また、物質の種類や量の決定については、例えば、
以下のようにして決定することができる。
A substance that has some action on a living body is, in other words, a substance that has some action on "cells" constituting the living body. Therefore, it is considered that a substance having any action on a cell shows some interaction with a “cell membrane” provided in the cell. Here, the interaction is
It indicates that the membrane and the substance have some effect on each other, meaning a mechanism that causes the phenomenon such as adhesion and adsorption of the substance to the membrane, uptake of the substance into the membrane, and permeation of the substance through the membrane. I have. Therefore, an artificially prepared membrane (artificial membrane) is attached to, for example, the surface of an electrode, and information on the membrane is obtained through the electrode, thereby detecting the presence of a substance that interacts with the membrane in real time. It becomes possible. That is, information on the membrane that changes due to interaction with the substance, for example, membrane potential, electric capacity, ion permeability,
Light emission, heat generation, heat absorption, and the like are acquired, and the presence of the substance can be determined from the difference between the output values before and after the interaction with the substance. Also, regarding the determination of the type and amount of the substance, for example,
It can be determined as follows.

【0015】一般に、細胞膜は、リン脂質を主成分とす
る脂質二重膜に蛋白質や糖等の分子が取り込まれたり、
表面より蛋白質や糖等の分子の一部が突出するように構
成されている。したがって、本発明の膜は、例えば、細
胞膜を模倣し、脂質膜や他の高分子膜に対し物質と作用
する各種の蛋白質または糖等の分子を配合することによ
り人工的に作製することができる。なお、物質の種類に
よっては、脂質膜と相互作用を示す場合もあるので、物
質と作用する物質を配合することは必須条件ではない。
また、ポリマーを素材とした中空糸膜を用いることも可
能である。そして、膜の作成に際し、脂質、蛋白質およ
び糖等の種類や量、更には、膜の作製方法等を変化させ
て組み合わせることにより、任意の物質の存在や量を判
定できるセンサを得ることができる。このとき、物質と
相互作用した場合に獲得される膜の情報、例えば、物質
の種類および量に応じて膜の電位がどのように変化する
かを予め求めておけば、実際に膜より獲得された情報を
基に、物質の種類および量を容易に決定することができ
る。
In general, cell membranes contain molecules such as proteins and sugars in a lipid bilayer composed mainly of phospholipids.
It is configured such that a part of molecules such as proteins and sugars protrude from the surface. Therefore, the membrane of the present invention can be artificially produced, for example, by imitating a cell membrane and blending various kinds of molecules such as proteins or sugars acting on a substance with a lipid membrane or another polymer membrane. . It should be noted that depending on the type of the substance, the substance may interact with the lipid membrane, so that it is not an essential condition to mix the substance and the substance that acts.
It is also possible to use a hollow fiber membrane made of a polymer. Then, when forming the membrane, by changing and combining the types and amounts of lipids, proteins, sugars, and the like, and the method of forming the membrane, it is possible to obtain a sensor that can determine the presence or amount of any substance. . At this time, if information on the membrane obtained when interacting with the substance, for example, how the potential of the membrane changes according to the type and amount of the substance is obtained in advance, it is actually obtained from the membrane. Based on the information, the type and amount of the substance can be easily determined.

【0016】次に、本発明のセンサについて詳述する。Next, the sensor of the present invention will be described in detail.

【0017】本発明において、センサを構成する膜は、
上述したように、脂質、蛋白質および糖を有する細胞膜
を模倣した膜、脂質のみから構成される膜およびポリマ
ーを素材とした中空糸膜等を挙げることができる。細胞
膜を模倣した膜、脂質のみから構成される膜は、(1)
単分子膜、(2)平面二重層、(3)リポソームまたは
小胞に分類することができ、本発明においては、いずれ
の膜を用いることも可能である。図12は、細胞膜を模
倣した膜の一例を概念的に示した図であり、液状のリン
脂質二重膜120の中に球状の膜蛋白質121が種々の
形で埋まっていて、これらはリン脂質二重膜120の中
を自由に移動することが可能である。ところで、脂質二
重膜は莫大な数の脂質分子が集合して構成されており、
そこには統計熱力学的な現象が観察される。すなわち、
脂質二重膜は、温度変化により相転移を示し、例えば、
ジパルミトイルホスファチジルコリンは、低温での結晶
相から、ゲル相、リップル相、流動相へと変化し、この
相転移にともなって脂質二重膜の物性は大きく変化す
る。例えば、脂質分子や蛋白質分子の拡散定数は相転移
にともなって数十倍、時には数百倍も大きくなる。した
がって、本発明においては、用いる脂質二重膜の相転移
点を把握しておき、物質を検出するに際しては測定時の
温度を把握しておくことが重要である。細胞膜を模倣し
た膜において、膜の主成分は蛋白質と脂質であり、ま
た、糖蛋白質や糖脂質を導入することができる。このと
き、蛋白質と脂質の相対比は任意に制御することが可能
であるが、一般的には、乾燥重量で蛋白質を20%−8
0%の範囲に制御する。また、膜蛋白質は、一般に生化
学的な活性を示す物質であり、それぞれの膜系において
特異的な物質との相互作用を示す物質である。膜蛋白質
は、疎水性領域が膜脂質の疎水性脂肪酸側鎖と整合する
ように相互作用するので、膜脂質の厚さに依存して変形
するが、この変形が膜蛋白質の活性を変動させることか
ら、活性に最適な膜脂質分子種を選択することが望まし
い。さらに、膜蛋白質は、疎水結合や静電的相互作用等
の非共有結合により脂質二重膜と結合することになる。
ここで、膜蛋白質と脂質二重膜との結合方式は、例え
ば、図13に模式的に示した様式をとることができ、膜
蛋白質130の脂質二重膜131に埋め込まれている部
分は、αヘリックス構造をしていると推測される。膜蛋
白質は、検出する物質に対応させて適宜選択することが
でき、各種の抗体や抗原、リガンドと結合する各種のレ
セプターおよび酵素等を挙げることができる。
In the present invention, the film constituting the sensor is:
As described above, a membrane imitating a cell membrane having lipids, proteins and sugars, a membrane composed only of lipids, a hollow fiber membrane made of a polymer, and the like can be given. Membranes that mimic cell membranes and membranes that consist solely of lipids are (1)
Monolayers, (2) planar bilayers, (3) liposomes or vesicles can be classified. In the present invention, any type of membrane can be used. FIG. 12 is a diagram conceptually showing an example of a membrane that mimics a cell membrane. In a liquid phospholipid bilayer 120, spherical membrane proteins 121 are embedded in various forms. It is possible to move freely in the double membrane 120. By the way, the lipid bilayer membrane is composed of an enormous number of lipid molecules,
There, statistical thermodynamic phenomena are observed. That is,
Lipid bilayers show a phase transition due to temperature changes, for example,
Dipalmitoyl phosphatidylcholine changes from a crystalline phase at low temperature to a gel phase, a ripple phase, and a fluid phase, and the physical properties of the lipid bilayer greatly change with this phase transition. For example, the diffusion constant of a lipid molecule or a protein molecule is increased by several tens, sometimes several hundreds, according to the phase transition. Therefore, in the present invention, it is important to grasp the phase transition point of the lipid bilayer membrane used and to grasp the temperature at the time of measurement when detecting a substance. In membranes that mimic cell membranes, the main components of the membrane are proteins and lipids, and glycoproteins and glycolipids can be introduced. At this time, the relative ratio of protein to lipid can be arbitrarily controlled, but generally, the protein is 20% -8% by dry weight.
Control within the range of 0%. In addition, a membrane protein is a substance that generally shows biochemical activity, and is a substance that shows an interaction with a specific substance in each membrane system. The membrane protein is deformed depending on the thickness of the membrane lipid because the hydrophobic region interacts with the hydrophobic fatty acid side chain of the membrane lipid, and this deformation fluctuates the activity of the membrane protein. Therefore, it is desirable to select a membrane lipid molecular species optimal for the activity. Further, the membrane protein binds to the lipid bilayer by non-covalent bonds such as hydrophobic bonds and electrostatic interactions.
Here, the binding method between the membrane protein and the lipid bilayer membrane can be, for example, a mode schematically shown in FIG. 13, and the portion of the membrane protein 130 embedded in the lipid bilayer membrane 131 is: It is presumed that it has an α-helix structure. The membrane protein can be appropriately selected in accordance with the substance to be detected, and includes various antibodies, antigens, various receptors and enzymes that bind to ligands, and the like.

【0018】さらに、脂質は、二重膜層を形成して蛋白
質を結合させる機能をも有しており、例えば、リン脂
質、リゾリン脂質、グリコシルジアシルグリセロール、
プラズマローゲン、スフィンゴミエリンおよびステロー
ルを挙げることができ、糖脂質としては、スフィンゴリ
ン脂質、グリセロ糖脂質およびスフィンゴ糖脂質等を挙
げることができる。また、中空糸膜を用いる場合には、
孔径の大きさを検出する物質にあわせて選択することが
できるが、一般的には、0.1〜5.0μmの範囲に制
御されることが望ましい。また、中空糸膜の成形に用い
られるポリマーとしては、例えば、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロース
アセテート、ポリアミドおよびポリフッ化ビニリデン等
を挙げることができ、さらに、中空糸膜の細孔には生体
膜を模倣した膜を配置することもできる。また、中空糸
膜に上記蛋白質を固定化することもできる。なお、中空
糸膜は、例えば、熱誘導相分離法、蒸発誘導相分離法お
よび拡散誘導相分離法を用いて製造することができる。
さらに、細胞膜を模倣した膜を製造する方法としては、
例えば、用途に応じて、適当な脂質および物質と作用を
示す蛋白質や糖脂質、適当な界面活性剤の適当量を含む
水溶液を調製し、緩衝液中で、微小シリンジを用いて該
水溶液の一定量をテフロン製の膜(中央に直径1mm程度
の孔が空いている)に注入する。すると、テフロン膜の
孔の部分に脂質二重膜が再構成され、同時に、物質と作
用を示す蛋白質や糖脂質等も脂質二重膜内に取り込まれ
て膜が形成される。また、上記脂質と物質と作用を示す
蛋白質や糖脂質のクロロホルム溶液を緩衝液の表面に展
開し、LB膜形成装置を用いて脂質単分子膜として電極
などの担体表面に膜を再構成することも可能である。さ
らに、上記クロロホルム溶液を硝子製のフラスコ中に収
容して該フラスコ内で溶媒を回転除去(エバポレーショ
ン)し、該フラスコ内壁に脂質膜を形成した後、緩衝液
を入れて一定温度以上まで上昇させ、次いで、強く攪拌
したり、あるいは超音波を照射することでリポソームと
呼ばれる脂質膜を形成することもできる。さらに、リポ
ソームの懸濁液を適当な孔径を有するメンブランフィル
タに通すと、メンブランフィルタ内の細孔に脂質等の分
子がパッキングされるので、このメンブランフィルタを
膜として用いることも可能となる。
Further, lipids also have a function of forming a bilayer membrane and binding proteins, such as phospholipids, lysophospholipids, glycosyldiacylglycerol,
Examples include plasmalogen, sphingomyelin and sterol, and examples of glycolipids include sphingolipid, glyceroglycolipid, and glycosphingolipid. When using a hollow fiber membrane,
Although the size of the pore size can be selected according to the substance to be detected, it is generally desirable that the size be controlled in the range of 0.1 to 5.0 μm. Examples of the polymer used for forming the hollow fiber membrane include, for example, polysulfone, polyether sulfone, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, and polyvinylidene fluoride. A membrane that mimics a biological membrane can also be placed. Further, the protein can be immobilized on a hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane can be manufactured using, for example, a heat-induced phase separation method, an evaporation-induced phase separation method, and a diffusion-induced phase separation method.
Furthermore, as a method for producing a membrane mimicking a cell membrane,
For example, an aqueous solution containing an appropriate amount of a protein or glycolipid exhibiting an action with an appropriate lipid and substance, and an appropriate amount of an appropriate surfactant is prepared depending on the application, and the aqueous solution is fixed in a buffer solution using a small syringe. The amount is injected into a Teflon membrane (having a hole with a diameter of about 1 mm in the center). Then, the lipid bilayer membrane is reconstituted in the pores of the Teflon membrane, and at the same time, proteins and glycolipids, etc., which exhibit substances and actions, are taken into the lipid bilayer membrane to form a membrane. Further, a chloroform solution of a protein or glycolipid exhibiting the action of the above lipids and substances is spread on the surface of the buffer, and the membrane is reconstituted on a carrier surface such as an electrode as a lipid monolayer using an LB membrane forming apparatus. Is also possible. Further, the chloroform solution is accommodated in a glass flask, and the solvent is spun in the flask (evaporation) to form a lipid film on the inner wall of the flask. Then, by vigorously stirring or irradiating ultrasonic waves, a lipid membrane called a liposome can be formed. Further, when the suspension of the liposome is passed through a membrane filter having an appropriate pore size, molecules such as lipids are packed in the pores in the membrane filter, so that the membrane filter can be used as a membrane.

【0019】また、本発明において、物質とは、膜と上
記相互作用を示すものであれば、特に限定はされず、例
えば、膜に直接作用するブドウ球菌α毒素、腸炎ビブリ
オ耐熱性毒素、ウェルシュ菌αおよびθ毒素、ヘビ毒お
よびハチ毒等の生物毒、トリクロロエチレン(TC
E)、ポリ塩化ビニル(PVC)、PCBおよびダイオ
キシン等の有機塩素化合物、各種の抗体や抗原、レセプ
ターと結合する各種のリガンド、カリウム、リチウム、
カルシウム、ナトリウム等のイオンおよび膜と融合する
ウイルス粒子そのものまで、広範囲にわたり挙げること
ができる。これらの物質を検出するにあたっては、上述
したように、抗原抗体反応のように特異性の大きなもの
から、ほぼ全ての脂質二重膜と作用を示すものまで、多
くの作用機序が存在することから、検出する物質に合わ
せて、膜の構成を適合させることが必要である。
In the present invention, the substance is not particularly limited as long as it exhibits the above-mentioned interaction with the membrane. Examples of the substance include staphylococcal α-toxin, vibrio parahaemolyticus toxin, and welsh which directly act on the membrane. Biotoxins such as fungal α and θ toxins, snake venom and bee venom, trichloroethylene (TC
E), organochlorine compounds such as polyvinyl chloride (PVC), PCB and dioxin, various antibodies and antigens, various ligands binding to receptors, potassium, lithium,
A wide range can be mentioned, including ions such as calcium and sodium and virus particles themselves which fuse with membranes. In detecting these substances, as described above, there are many mechanisms of action, from those with large specificities such as antigen-antibody reactions to those that show action with almost all lipid bilayers. Therefore, it is necessary to adapt the configuration of the membrane to the substance to be detected.

【0020】また、膜の情報としては、膜電位、膜表面
電位、電気容量、伝導度、抵抗率、膜より生じる光およ
び膜の流動性等を挙げることができる。これらの情報を
獲得することにより物質の存在を検出できる理由につい
て、以下に一例を示して説明する。図14は、脂質二重
膜を通過する極性・非極性溶質に対する自由エネルギー
障壁の形を示した図である。物質が脂質二重膜141を
通過するには、(1)境界面の抵抗または自由エネルギ
ー障壁にうちかって膜の中に入り、(2)脂質二重膜1
41内を拡散し、(3)再び境界面でのあらゆる抵抗に
うちかって脂質二重膜141の反対側に出なければなら
ない。このとき、脂質二重膜の構成に大きな乱れが生
じ、上記膜の情報が大きく変化することから、膜の情報
をモニタすることで物質の存在を検出することができる
のである。また、物質との相互作用によって、膜に透過
孔が形成される場合があり、例えば、単一ペプチドであ
るコリシンは、膜の中で電圧に感受性のゲートを持つ非
選択的なチャネルを形成する。したがって、膜の情報を
モニタすることで、コリシン等の物質の存在を検出する
ことができるのである。また、膜の情報を獲得する手段
としては、上記情報を膜より抽出できる構成を備えたも
のであれば何ら限定されるものではない。例えば、膜電
位を測定する場合には、膜を介して電極を配置して測定
する方法、スピン標識したEPRプローブを用いる方法
およびメロシアニン、オキソノール、シアニン系色素等
の光学プローブを用いる方法を適用した各種の機器を挙
げることができ、また、膜の流動性を測定する場合に
は、蛍光プローブやスピンプローブの分光学的性質から
導かれるパラメータによって膜の流動性を定量化する方
法を適用した各種の機器を挙げることができる。
The information on the film includes a film potential, a film surface potential, electric capacity, conductivity, resistivity, light generated from the film and fluidity of the film. The reason why the presence of a substance can be detected by acquiring such information will be described below with reference to an example. FIG. 14 is a diagram showing the shape of a free energy barrier for polar and non-polar solutes passing through a lipid bilayer membrane. In order for a substance to pass through the lipid bilayer 141, (1) it enters the membrane against the interface resistance or free energy barrier, and (2) the lipid bilayer 1
41, and (3) must exit again on the opposite side of the lipid bilayer 141, against any resistance at the interface. At this time, the configuration of the lipid bilayer membrane is greatly disturbed, and the information of the membrane changes greatly. Therefore, the presence of a substance can be detected by monitoring the information of the membrane. Interactions with substances can also form permeation holes in the membrane, for example, a single peptide, colicin, forms a non-selective channel with a voltage-sensitive gate in the membrane . Therefore, the presence of a substance such as colicin can be detected by monitoring the information on the film. The means for acquiring the film information is not particularly limited as long as it has a configuration capable of extracting the information from the film. For example, when measuring the membrane potential, a method of arranging electrodes through a membrane, a method of using a spin-labeled EPR probe, and a method of using an optical probe such as a merocyanine, oxonol, or cyanine dye were applied. Various devices can be mentioned, and when measuring the fluidity of the membrane, various methods using a method of quantifying the fluidity of the membrane by a parameter derived from the spectroscopic properties of the fluorescent probe and the spin probe are used. Devices.

【0021】次に、本発明に係る物質特定システムにつ
いて詳述する。一般に、物質との相互作用により膜から
獲得される情報は、膜の構成が同一の場合、物質の種類
および存在量により微妙に異なっている。したがって、
各種の物質のそれぞれ、およびそれらの物質を組み合わ
せた場合について、ある構成を備えた膜との相互作用に
よって獲得される情報を予め収集しておき、実際に獲得
された情報と予め収集した情報とを照らし合わせれば、
物質の存在および存在量を容易に検出することができ
る。また、物質との相互作用により膜から獲得される情
報は、物質または複数の物質の組み合わせおよび存在量
が同じであり、かつ同一種の情報であっても、膜の構成
により微妙に異なっている。したがって、複数種の膜に
対し、各種の物質のそれぞれ、およびそれらの物質の組
み合わせについて、それぞれの物質の存在比および存在
量を変化させた場合について、各膜との相互作用によっ
て獲得される情報を予め収集しておき、実際に複数種の
膜から獲得された情報と予め収集した情報とを照らし合
わせて評価すれば、物質の存在および存在量を容易に検
出することができる。この場合、複数種のセンサを用い
ることから、物質の検出および定量性の精度がさらに向
上する。図15は、膜の構成のみが異なるセンサ151
a−151cを用いて、物質Aを検出した場合および物
質Bを検出した場合に、膜152a−152cから獲得
される情報(ここでは、膜電位)を示した図である。図
15に示したように、物質が異なると、同じセンサを用
いた場合であっても獲得される情報は異なっている。ま
た、同一の物質であっても、存在量が異なれば獲得され
る情報は異なっている。したがって、これらの情報を予
め収集しておけば、高い精度で、物質の存在および存在
量を検出することができる。また、抗原抗体反応や酵素
反応のように、特異性が高い反応を用いてのみ物質を検
出する場合には、獲得された情報より物質の存在が容易
に確認できることから、特に、物質の存在量についての
情報を予め収集しておくだけでよい。なお、膜は、1つ
の物質のみと相互作用を示すように構成してもよいし、
複数の物質と相互反応を示すように構成してもよい。さ
らに、獲得された情報を評価する方法としては、例え
ば、図15に示された各情報の波形(パターン)をそれ
ぞれ比較したり、予め作成された各情報の波形(パター
ン)のデータベースを参照することにより物質の存在お
よび存在量を判定するようにしてもよいし、各情報のピ
ークのみを比較することにより物質の存在および存在量
を判定するようにしてもよく、例えば、上記方法が適用
されたものであれば、獲得された情報を評価する手段と
して用いることができる。また、各情報を合成する等に
より該情報を加工し、加工された情報に基づいて、物質
の存在および存在量を検出するようにしてもよい。
Next, the substance specifying system according to the present invention will be described in detail. In general, information obtained from a film by interaction with a substance slightly differs depending on the type and abundance of the substance when the composition of the film is the same. Therefore,
For each of the various substances, and for the case where those substances are combined, information obtained by interaction with a film having a certain configuration is collected in advance, and the actually obtained information and the previously collected information are collected. If you compare
The presence and amount of the substance can be easily detected. In addition, information obtained from a film by interaction with a substance has the same combination and abundance of a substance or a plurality of substances, and even information of the same type slightly differs depending on the structure of the film. . Therefore, information obtained by the interaction with each film when the abundance ratio and abundance of each material are changed for each of various types of materials and combinations of those materials for a plurality of types of films. Is collected in advance, and the information obtained from a plurality of types of films and the information collected in advance are evaluated and evaluated, whereby the presence and amount of the substance can be easily detected. In this case, since a plurality of types of sensors are used, the accuracy of detection and quantification of the substance is further improved. FIG. 15 shows a sensor 151 that differs only in the film configuration.
It is a figure showing information (here, membrane potential) acquired from membranes 152a-152c when substance A and substance B are detected using a-151c. As shown in FIG. 15, if the substance is different, the information obtained is different even when the same sensor is used. In addition, even if the same substance is used, the information to be obtained is different if the amount is different. Therefore, if such information is collected in advance, the presence and amount of the substance can be detected with high accuracy. In addition, when a substance is detected only using a highly specific reaction such as an antigen-antibody reaction or an enzyme reaction, the presence of the substance can be easily confirmed from the acquired information. It is only necessary to collect information about in advance. Note that the film may be configured to interact with only one substance,
It may be configured to show an interaction with a plurality of substances. Further, as a method of evaluating the obtained information, for example, the waveforms (patterns) of the respective information shown in FIG. 15 are compared, or a database of the waveforms (patterns) of the respective information created in advance is referred to. The presence and abundance of the substance may be determined in this way, or the presence and abundance of the substance may be determined by comparing only the peaks of each information. If it is, it can be used as a means for evaluating the obtained information. Further, the information may be processed by synthesizing each information, and the presence and the amount of the substance may be detected based on the processed information.

【0022】また、本発明に係るセンサおよび物質特定
システムは、血液検査等の臨床検査、食品の鮮度の測
定、地下水、河川および海洋等の環境中に存在する物質
の検出等のいかなる用途に対しても適用することができ
るが、生体にセンサを配置して、例えば、血糖値を検出
したり、環境中にセンサを配置して、例えば、ダイオキ
シン等の変異原を検出すするために、リアルタイムで膜
より情報を獲得する場合には、該情報をセンサの配置さ
れた原位置より発信し、この発信された情報を特定の場
所において受信するように構成すれば、センサの配置に
関する制約を受けることなく、物質を検出し、物質の種
類や存在量を連続的に特定することが可能となる。さら
に、本発明に係るセンサおよび物質特定システムは、膜
の定常状態からの変化を観測することにより、ほぼリア
ルタイムで膜より情報を獲得することができるが、生物
(生体)を適用していないことから、生物の恒常性を保
つための同化物質を投与したり、周囲の環境を常に一定
に保つ等のメンテナンスを全く必要としないことはいう
までもない。
The sensor and the substance specifying system according to the present invention can be used for any applications such as clinical tests such as blood tests, measurement of freshness of food, detection of substances existing in the environment such as groundwater, rivers and oceans. Although it can be applied, it is possible to arrange a sensor in a living body, for example, to detect a blood glucose level, or to arrange a sensor in the environment, for example, to detect a mutagen such as dioxin, in real time. When information is obtained from the membrane by using the method described above, if the information is transmitted from the original position where the sensor is arranged and the transmitted information is received at a specific place, there is a restriction on the arrangement of the sensor. Without detecting a substance, it is possible to continuously specify the type and amount of the substance. Further, the sensor and the substance specifying system according to the present invention can acquire information from the membrane in almost real time by observing a change from the steady state of the membrane, but do not apply a living organism (living body). Therefore, it goes without saying that there is no need to administer any anabolic substance for maintaining the homeostasis of the organism or maintain the surrounding environment constantly.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0024】(実施例1)はじめに、シアノバクテリア
より、ゾーン遠心分離および等密度遠心分離を用いて細
胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対し、重量比で30
%のコレステロールを添加して第1の溶液を調製した。
次に、第1の溶液1mLを1% トライトンX-100の4
mLに溶解して第2の溶液を調製し、図1(a)に示す
ように、該第2の溶液の50μL程度をシリンジ101
を用い、水中でテフロンビーカ102の備えた細孔10
3に静かに乗せl時間室温に放置することにより、シア
ノバクテリアの細胞膜成分を含む脂質二重膜104がテ
フロンビーカ102の細孔103に再構成された。次
に、図1(b)に示したように、テフロンビーカ102
を外部容器105に収納するとともに、それぞれの容器
内に10mMリン酸緩衝液(pH6.8)を供給し、脂
質二重膜104の膜電位の測定が可能となるように構成
して、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ10
2または外部容器105に収納された緩衝液に1mMの
シアン化ナトリウム溶液100μLを添加して(該シア
ン化ナトリウム溶液は最終的に約500倍に希釈され
た)膜電位を測定した。その結果、膜電位は、図2の
(a)に示したように変化し5mV付近で一定となっ
た。次に、テフロンビーカ102または外部容器105
に収納されたシアン化ナトリウム溶液の添加された緩衝
液に、再度、1mMのシアン化ナトリウム溶液100μ
Lを添加したところ、図2の(b)に示したように再
び、脂質二重膜104の膜電位が変化し10mV付近で
一定になった。一方、シアン化ナトリウム溶液の代わり
に、テフロンビーカ102または外部容器105に収納
された緩衝液に1mMの塩化ナトリウム溶液を100μ
L添加したところ、図2の(c)に示したように膜電位
の変化はほとんど観測されなかった。
(Example 1) First, a cell membrane fraction was prepared from cyanobacteria by zonal centrifugation and isopycnic centrifugation, and the weight ratio of the cell membrane fraction was 30%.
A first solution was prepared by adding% cholesterol.
Next, 1 mL of the first solution was added to 4% of 1% Triton X-100.
1 mL to prepare a second solution, and as shown in FIG.
The pores 10 of the Teflon beaker 102 in water using
3 and left for 1 hour at room temperature, the lipid bilayer membrane 104 containing the cell membrane components of cyanobacteria was reconstituted in the pores 103 of the Teflon beaker 102. Next, as shown in FIG. 1B, the Teflon beaker 102
Is stored in an external container 105, and a 10 mM phosphate buffer solution (pH 6.8) is supplied into each container so that the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 can be measured. Was measured. Next, Teflon beaker 10
2 or 100 μL of a 1 mM sodium cyanide solution was added to the buffer solution contained in the external container 105 (the sodium cyanide solution was finally diluted about 500-fold), and the membrane potential was measured. As a result, the membrane potential changed as shown in FIG. 2A and became constant around 5 mV. Next, the Teflon beaker 102 or the external container 105
Again in the buffer containing the sodium cyanide solution contained in
When L was added, the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 changed again and became constant at around 10 mV, as shown in FIG. 2 (b). On the other hand, instead of the sodium cyanide solution, a 1 mM sodium chloride solution
When L was added, almost no change in the membrane potential was observed as shown in FIG.

【0025】したがって、本実施例においては、シアン
イオンを特異的に検出することが原理的に可能であるこ
とが示された。なお、脂質二重膜104の代わりにシア
ノバクテリアの細胞膜成分を含まない脂質二重膜(ホス
ファチジルコリンとコレステロールから構成された膜)
を用いた場合には、シアンイオンの濃度に関係なく膜電
位の変化はほとんど観測されず、ほぼ一定の膜電位が観
測されたことから、検出する物質によって膜の構成の設
定が必要であることが確認された。
Therefore, in this example, it was shown that it is possible in principle to specifically detect cyanide ions. Instead of the lipid bilayer membrane 104, a lipid bilayer membrane (a membrane composed of phosphatidylcholine and cholesterol) containing no cell membrane components of cyanobacteria
In the case where is used, almost no change in the membrane potential was observed regardless of the concentration of cyan ion, and almost constant membrane potential was observed. Was confirmed.

【0026】(実施例2)実施例1と全く同様の構成に
より、トリクロロエチレン(TCE)の検出を試みた。
すなわち、シアン化ナトリウム水溶液の代わりに、テフ
ロンビーカ102または外部容器105に収納された緩
衝液中に10ppmのTCE溶液を、該TCEの添加量
を変動させて添加し、脂質二重膜104の膜電位の変化
を測定した。その結果、脂質二重膜104の膜電位は、
シアノバクテリアの細胞膜成分が含有しているにもかか
わらず、図3の(a)に示したように、TCEの添加量
の増大に伴って大きくなるように変化した。また、脂質
二重膜104の代わりにシアノバクテリアの細胞膜成分
を含まない脂質二重膜(ホスファチジルコリンとコレス
テロールから構成された膜)を用いた場合には、膜電位
の変化量は、図3の(b)に示したように、脂質二重膜
104における膜電位の変化量と比べより大きかった。
(Example 2) Trichloroethylene (TCE) was detected using the same configuration as in Example 1.
That is, instead of the sodium cyanide aqueous solution, a 10 ppm TCE solution is added to the buffer solution contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105 while changing the amount of the TCE added, and the membrane of the lipid bilayer membrane 104 is formed. The change in potential was measured. As a result, the membrane potential of the lipid bilayer 104 becomes
Despite containing the cell membrane components of cyanobacteria, as shown in FIG. 3 (a), it changed to increase with an increase in the amount of TCE added. When a lipid bilayer containing no cell membrane component of cyanobacteria (a membrane composed of phosphatidylcholine and cholesterol) is used instead of the lipid bilayer 104, the change in the membrane potential is represented by ( As shown in b), the change was larger than the change in the membrane potential in the lipid bilayer membrane 104.

【0027】したがって、同一の構成を備えたセンサに
おいて、物質の種類が異なる場合には、物質と膜との相
互作用に相違がみられ、獲得される情報にも違いがある
ことが確認された。
Therefore, in a sensor having the same configuration, when the kind of the substance is different, the interaction between the substance and the film is different, and it is confirmed that the obtained information is also different. .

【0028】(実施例3)実施例1と全く同様の構成に
より、テフロンビーカ102または外部容器105に収
納された緩衝液中に、10mMのシアン化ナトリウム水
溶液および10ppmのTCE溶液を順に添加し(最終
的に、それぞれ500倍に希釈された)、脂質二重膜1
04の膜電位の変化を測定した。その結果、脂質二重膜
104の膜電位は、図4に示したように、各々の物質に
対応するように変化することが確認された。また、テフ
ロンビーカ102または外部容器105に収納された緩
衝液中に、10mMのシアン化ナトリウム水溶液および
10ppmのTCE溶液を予め混合した混合溶液を添加
し、脂質二重膜104の膜電位の変化を測定したとこ
ろ、脂質二重膜104の膜電位は、図5の実線に示した
ように、各々の物質に対応する変化が加算された変化を
示すことが確認された。
(Embodiment 3) With the same configuration as in Embodiment 1, a 10 mM aqueous solution of sodium cyanide and a 10 ppm TCE solution are sequentially added to a buffer contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105 ( Finally, each was diluted 500 times), lipid bilayer 1
The change in the membrane potential of No. 04 was measured. As a result, as shown in FIG. 4, it was confirmed that the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 changed so as to correspond to each substance. Further, a mixed solution obtained by previously mixing a 10 mM aqueous solution of sodium cyanide and a 10 ppm TCE solution in a buffer solution contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105 is added, and the change in the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 is measured. As a result of the measurement, it was confirmed that the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 showed a change obtained by adding the change corresponding to each substance, as shown by the solid line in FIG.

【0029】したがって、脂質二重膜104は、シアン
化ナトリウムおよびTCEの双方と、それぞれ独立して
相互作用を示すことが確認された。
Accordingly, it was confirmed that the lipid bilayer membrane 104 independently interacts with both sodium cyanide and TCE.

【0030】(実施例4)実施例1と全く同様の構成に
より、テフロンビーカ102または外部容器105に収
納された緩衝液中に、TCEを含有した地下水を添加し
(最終的に、10倍に希釈された)、脂質二重膜104
の膜電位の変化を測定した。その結果、同一の地下水中
のTCEをガスクロマトグラフにより検出した結果と脂
質二重膜104の膜電位の変化とを対応させたところ、
脂質二重膜104の膜電位の変化は、ガスクロマトグラ
フの結果と非常に整合性が高いことが確認された。な
お、図6に示したように、本実施例に係るセンサは、測
定開始後、少なくとも半年間にわたり安定して動作しつ
づけたことが確認された。
(Embodiment 4) With exactly the same configuration as in Embodiment 1, ground water containing TCE is added to the buffer solution stored in the Teflon beaker 102 or the external container 105 (finally, 10 times). Diluted), lipid bilayer membrane 104
The change in membrane potential was measured. As a result, when the result of detection of TCE in the same groundwater by gas chromatography was associated with the change in the membrane potential of the lipid bilayer 104,
It was confirmed that the change in the membrane potential of the lipid bilayer membrane 104 was very highly consistent with the results of gas chromatography. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the sensor according to the present example continued to operate stably for at least six months after the start of measurement.

【0031】(実施例5)はじめに、シアノバクテリア
より、ゾーン遠心分離および等密度遠心分離を用いて細
胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対し、重量比で30
%のコレステロールを添加して第1の溶液を調製した。
次に、第1の溶液1mLを1% トライトンX-100の4
mLに溶解するとともに、ジチオピリジル基を導入した
ジパルミトイルホスファチジルエタノ一ルアミン(DTP-D
PPE)を膜中に5mol%含有されるよう添加して第3の溶液
を調製し、図1(a)に示すように、該第3の溶液の5
0μL程度をシリンジ101を用い、水中でテフロンビ
ーカ102に備えた細孔103に静かに乗せl時間室温
に放置することにより、DTP-DPPEを5mol%含有したシア
ノバクテリアの細胞膜成分を含む脂質二重膜がテフロン
ビーカ102の細孔103に再構成された。次に、ダイ
オキシンに対するモノクローナル抗体を架橋剤(SPDP)
により上記脂質二重膜の表面に固定化した。一方、通常
の大気(1Nm3、1ngのダイオキシン類を含有)をl0
mLの水を入れたカラムに通して1時間にわたり循環し
ておき、該水の1mLを、実施例1と同様にして、テフ
ロンビーカ102または外部容器105に収納された緩
衝液中に添加した。その結果、上記脂質二重膜におい
て、0.1mVの膜電位変化が観測された。また、ダイ
オキシン類を含まない大気を循環したカラムより得られ
た水を、同様にテフロンビーカ102または外部容器1
05に収納された緩衝液中に添加した場合には、上記脂
質二重膜の膜電位はほとんど変化しなかった。
Example 5 First, a cell membrane fraction was prepared from cyanobacteria by zonal centrifugation and isopycnic centrifugation, and the weight ratio of the cell membrane fraction to the cell membrane fraction was 30%.
A first solution was prepared by adding% cholesterol.
Next, 1 mL of the first solution was added to 4% of 1% Triton X-100.
Dissolved in mL and introduced dipalpytoyl phosphatidylethanolamine (DTP-D
(PPE) was added so as to contain 5 mol% in the membrane to prepare a third solution. As shown in FIG.
About 0 μL of the lipid duplex containing the cell membrane component of cyanobacteria containing 5 mol% of DTP-DPPE was gently placed in the pore 103 provided in the Teflon beaker 102 in water using a syringe 101 and left at room temperature for 1 hour. The membrane was reconstituted in the pores 103 of the Teflon beaker 102. Next, a monoclonal antibody against dioxin is cross-linked (SPDP)
On the surface of the lipid bilayer membrane. On the other hand, normal air (1 Nm 3 , containing 1 ng of dioxins) was added to 10 atmospheres.
After circulating through a column containing mL of water for 1 hour, 1 mL of the water was added to the buffer stored in the Teflon beaker 102 or the external container 105 in the same manner as in Example 1. As a result, a change in membrane potential of 0.1 mV was observed in the lipid bilayer membrane. The water obtained from the column circulating the atmosphere containing no dioxins is also supplied to the Teflon beaker 102 or the external container 1 similarly.
When the lipid bilayer was added to the buffer solution contained in the buffer membrane 05, the membrane potential of the lipid bilayer membrane hardly changed.

【0032】したがって、上記脂質二重膜は、ダイオキ
シンのみと特異的に相互作用し、ダイオキシンが存在す
る場合にのみ、膜電位の変化を生じることが確認され
た。
Therefore, it was confirmed that the lipid bilayer specifically interacts with dioxin only and changes the membrane potential only when dioxin is present.

【0033】(実施例6)はじめに、リピドAの濃縮溶
液を調製し、図1(a)に示したように、該濃縮溶液の
50μL程度をシリンジ101を用い、水中でテフロン
ビーカ102に備えた細孔103に静かに乗せl時間室
温に放置することにより、リピドAからなる脂質二重膜
がテフロンビーカ102の細孔103に構成された。次
に、図1(b)に示したように、テフロンビーカ102
を外部容器105に収納するとともに、それぞれの容器
内に10mMリン酸緩衝液(pH6.8)を供給し、上
記脂質二重膜の膜電位の測定が可能となるように構成し
て、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ102
または外部容器105に収納された緩衝液に、図7のグ
ラフの横軸に示した濃度となるようにサルモネラ内毒素
を添加して膜電位を測定した。その結果、膜電位は、図
7に示したように、サルモネラ内毒素の濃度に比例して
大きくなることが確認された。したがって、脂質二重膜
の膜電位の変化に基づいて、サルモネラ内毒素の存在を
検出することはもちろん、サルモネラ内毒素の濃度を定
量することが可能である。
Example 6 First, a concentrated solution of lipid A was prepared, and about 50 μL of the concentrated solution was provided in a Teflon beaker 102 in water using a syringe 101 as shown in FIG. The lipid bilayer composed of lipid A was formed in the pores 103 of the Teflon beaker 102 by gently placing it on the pores 103 and leaving it at room temperature for 1 hour. Next, as shown in FIG. 1B, the Teflon beaker 102
Is stored in an external container 105, and a 10 mM phosphate buffer solution (pH 6.8) is supplied into each container so that the membrane potential of the lipid bilayer membrane can be measured. Was measured. Next, Teflon beaker 102
Alternatively, Salmonella endotoxin was added to the buffer contained in the external container 105 so as to have the concentration shown on the horizontal axis of the graph in FIG. 7, and the membrane potential was measured. As a result, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the membrane potential increased in proportion to the concentration of Salmonella endotoxin. Therefore, it is possible to not only detect the presence of Salmonella endotoxin, but also quantify the concentration of Salmonella endotoxin based on the change in the membrane potential of the lipid bilayer.

【0034】(実施例7)スフィンゴミエリン、コレス
テロールおよびリン脂質を5:50:45(モル%)と
なるように混合した濃縮溶液を調整し、実施例6と同様
にしてテフロンビーカ102の細孔に脂質二重膜を構成
した。次に、図1(b)に示したように、テフロンビー
カ102を外部容器105に収納するとともに、それぞ
れの容器内に10mM HEPES緩衝液(pH7.
4)を供給し、上記脂質二重膜の膜電位の測定が可能と
なるように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフ
ロンビーカ102または外部容器105に収納された緩
衝液に、図8のグラフの横軸に示した濃度となるように
ジフテリアトキシンを添加して膜電位を測定した。その
結果、膜電位は、図7に示したように、ジフテリアトキ
シンの濃度に比例して大きくなることが確認された。し
たがって、脂質二重膜の膜電位の変化に基づいて、ジフ
テリアトキシンの存在を検出することはもちろん、ジフ
テリアトキシンの濃度を定量することが可能である。
Example 7 A concentrated solution was prepared by mixing sphingomyelin, cholesterol and phospholipid at a ratio of 5:50:45 (mol%), and the pores of the Teflon beaker 102 were prepared in the same manner as in Example 6. Next, a lipid bilayer membrane was constructed. Next, as shown in FIG. 1B, the Teflon beaker 102 is housed in the external container 105, and a 10 mM HEPES buffer solution (pH 7.
4) was supplied, the membrane potential of the lipid bilayer membrane was measured, and the membrane potential was measured. Next, diphtheria toxin was added to the buffer solution contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105 so as to have the concentration shown on the horizontal axis of the graph in FIG. 8, and the membrane potential was measured. As a result, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the membrane potential increased in proportion to the concentration of diphtheria toxin. Therefore, it is possible to not only detect the presence of diphtheria toxin but also quantify the concentration of diphtheria toxin based on the change in the membrane potential of the lipid bilayer.

【0035】(実施例8および9)ジミストイルホスフ
ァチジルコリンの濃縮溶液を調製し、実施例6と同様に
してテフロンビーカ102の細孔に脂質二重膜を構成し
た。次に、図1(b)に示したように、テフロンビーカ
102を外部容器105に収納するとともに、それぞれ
の容器内に10mM HEPES緩衝液(pH7.4)
を供給し、上記脂質二重膜の膜電位の測定が可能となる
ように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフロン
ビーカ102または外部容器105に収納された緩衝液
に、cis-DCEが1ppm(実施例8)、TCEが10
ppm(実施例9)となるようにそれぞれ添加して、上
記脂質二重膜の膜電位を測定した。その結果、膜電位
は、図9に示したように、cis-DCEの場合とTCEの
場合とで異なる変化を示すことから、cis-DCEおよび
TCEをそれぞれ検出できることが確認された。
(Examples 8 and 9) A concentrated solution of dimistoy phosphatidylcholine was prepared, and a lipid bilayer membrane was formed in the pores of the Teflon beaker 102 in the same manner as in Example 6. Next, as shown in FIG. 1 (b), the Teflon beaker 102 is housed in the external container 105, and a 10 mM HEPES buffer solution (pH 7.4) is placed in each container.
Was supplied, and the membrane potential of the lipid bilayer membrane was measured, and the membrane potential was measured. Next, 1 ppm of cis-DCE (Example 8) and 10% of TCE were added to the buffer contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105.
ppm (Example 9), and the membrane potential of the lipid bilayer was measured. As a result, as shown in FIG. 9, the membrane potential shows different changes between the case of cis-DCE and the case of TCE, thus confirming that cis-DCE and TCE can be respectively detected.

【0036】(実施例10−14)レシチン、コレステ
ロールおよびジパルミトイルホスファチジルエタノール
アミンを50:45:5(実施例10)、50:45:
3(実施例11)、50:45:2(実施例12)、5
0:45:1(実施例13)、50:45:0(実施例
14)の比率(すべてモル%)となるように混合した濃
縮溶液を調製し、実施例6と同様にしてテフロンビーカ
102の細孔に脂質二重膜をそれぞれ構成した。次に、
図1(b)に示したように、テフロンビーカ102を外
部容器105に収納するとともに、それぞれの容器内に
10mM HEPES緩衝液(pH7.4)を供給し、
上記それぞれの脂質二重膜の膜電位の測定が可能となる
ように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフロン
ビーカ102または外部容器105に収納された緩衝液
に、TCEが10ppmとなるようにそれぞれ添加し
て、上記脂質二重膜の膜電位をそれぞれ測定した。その
結果、膜電位は、図10に示したように、膜の構成によ
って異なる変化を示すことから、複数種の膜を用いて物
質を検出することにより、より正確な物質種および存在
量の特定ができることが確認された。
(Examples 10-14) Lecithin, cholesterol and dipalmitoylphosphatidylethanolamine were added in a ratio of 50: 45: 5 (Example 10) and 50:45:
3 (Example 11), 50: 45: 2 (Example 12), 5
A concentrated solution was prepared so as to have a ratio of 0: 45: 1 (Example 13) and a ratio of 50: 45: 0 (Example 14) (all mol%), and the Teflon beaker 102 was prepared in the same manner as in Example 6. A lipid bilayer membrane was formed in each pore. next,
As shown in FIG. 1B, the Teflon beaker 102 is housed in an external container 105, and a 10 mM HEPES buffer solution (pH 7.4) is supplied into each container.
The membrane potential of each of the above lipid bilayer membranes was measured and the membrane potential was measured. Next, TCE was added to the buffer solution contained in the Teflon beaker 102 or the external container 105 so that the TCE became 10 ppm, and the membrane potential of the lipid bilayer membrane was measured. As a result, as shown in FIG. 10, the membrane potential changes differently depending on the structure of the membrane. Therefore, by detecting a substance using a plurality of kinds of membranes, it is possible to more accurately specify the substance type and abundance. It was confirmed that it was possible.

【0037】(実施例15)はじめに、血液より採取し
たマクロファージより、ゾーン遠心分離および等密度遠
心分離を用いて細胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対
し、重量比で30%のコレステロールを添加して第4の
溶液を調製した。次に、第4の溶液1mLを1% トライ
トンX-100の4mLに溶解して第5の溶液を調製し、
図1(a)に示すように、該第5の溶液の50μL程度
をシリンジ101を用い、水中でテフロンビーカ102
に備えた細孔103に静かに乗せl時間室温に放置する
ことにより、マクロファージの細胞膜成分を含む脂質二
重膜がテフロンビーカ102の細孔103に再構成され
た。次に、図11に示したように、テフロンビーカ10
2を外部容器105に収納するとともに、それぞれの容
器内に10mMリン酸緩衝液(pH7.4)を供給し、
脂質二重膜110の膜電位の測定が可能となるように構
成して、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ1
02または外部容器105に収納された緩衝液にHIV
−1を混合した溶液(10pfu )100μLを添加し
て(該溶液は最終的に約500倍に希釈された)膜電位
を測定した。なお、本実施例においては、測定された膜
電位は、検出信号として送信部111に送信され、送信
信号がアンテナ112を通じて発信されるようになって
いる。また、発信された送信信号は、アンテナ113に
より受信されて受信部114に送られ、受信部114で
検出信号に復調されて検出端末115より取り出される
ように構成されている。なお、検出端末115には、セ
ンサより獲得した情報を評価するデータベース等を保持
させ、獲得された情報の評価を行わせるようにすること
も可能である。
Example 15 First, a cell membrane fraction was prepared from macrophages collected from blood using zone centrifugation and isopycnic centrifugation, and 30% by weight of cholesterol was added to the cell membrane fraction. A fourth solution was prepared by addition. Next, a fifth solution was prepared by dissolving 1 mL of the fourth solution in 4 mL of 1% Triton X-100,
As shown in FIG. 1A, about 50 μL of the fifth solution was used in a Teflon beaker 102 in water using a syringe 101.
The lipid bilayer containing the cell membrane components of the macrophages was reconstituted in the pores 103 of the Teflon beaker 102 by gently placing them on the pores 103 provided for the above and left at room temperature for 1 hour. Next, as shown in FIG.
2 in an external container 105, and 10 mM phosphate buffer (pH 7.4) was supplied into each container,
The membrane potential of the lipid bilayer membrane 110 was measured, and the membrane potential was measured. Next, Teflon beaker 1
02 or the buffer solution contained in the external container 105
-1 mixed solution was added (10 4 pfu) 100 [mu] L (the solution was diluted to final approximately 500-fold) to measure the membrane potential. In the present embodiment, the measured membrane potential is transmitted to the transmission unit 111 as a detection signal, and the transmission signal is transmitted through the antenna 112. In addition, the transmitted transmission signal is configured to be received by the antenna 113 and sent to the reception unit 114, demodulated into a detection signal by the reception unit 114, and extracted from the detection terminal 115. The detection terminal 115 may hold a database or the like for evaluating information obtained from the sensor, and may evaluate the obtained information.

【0038】膜電位の測定の結果、脂質二重膜110に
おいて、ウイルス粒子の膜への融合に起因すると推測さ
れる0.1mVの膜電位変化が観測された。また、HI
V−1の代わりにTMVを用いた場合には、脂質二重膜
110の膜電位はほとんど変化しなかった。したがっ
て、上記脂質二重膜は、HIV−1の検出に用いること
ができ、膜より獲得された情報はリアルタイムで検出端
末より出力されることが確認された。
As a result of measuring the membrane potential, a change in the membrane potential of 0.1 mV, which is presumed to be caused by the fusion of the virus particles to the membrane, was observed in the lipid bilayer membrane 110. Also, HI
When TMV was used instead of V-1, the membrane potential of lipid bilayer membrane 110 hardly changed. Therefore, it was confirmed that the lipid bilayer membrane can be used for HIV-1 detection, and that information obtained from the membrane is output from the detection terminal in real time.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明に係るセ
ンサによれば、物質と相互作用を示す膜の情報を獲得す
ることにより、物質との相互作用より生じる膜の変化を
観測できるので、物質の存在を検出するとともに、該物
質の種類や量を正確に特定することが可能なセンサを提
供することができる。
As described above in detail, according to the sensor according to the present invention, a change in a film caused by an interaction with a substance can be observed by acquiring information on a film interacting with the substance. Therefore, it is possible to provide a sensor capable of detecting the presence of a substance and accurately specifying the type and amount of the substance.

【0040】また、本発明に係る物質特定システムによ
れば、物質と第1および第2の相互作用を示す第1およ
び第2の膜の情報を獲得し、獲得した情報を評価するこ
とにより、物質との相互作用より生じる第1および第2
の膜の変化を観測して多面的に検討できるので、物質の
存在を検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特
定することが可能な物質特定システムを提供することが
できる。
Further, according to the substance identification system of the present invention, information of the first and second films showing the first and second interactions with the substance is obtained, and the obtained information is evaluated. First and second resulting from interaction with a substance
Since the change of the film can be observed and examined from various aspects, it is possible to provide a substance specifying system capable of detecting the presence of a substance and accurately specifying the type and amount of the substance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】膜の作成方法およびセンサの構成を示した図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing a method of forming a film and a configuration of a sensor.

【図2】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図3】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図4】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of a membrane potential.

【図5】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図6】膜電位の経時的な測定結果を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the membrane potential over time.

【図7】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図8】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図9】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing measurement results of a membrane potential.

【図10】膜電位の測定結果を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing a measurement result of a membrane potential.

【図11】センサの構成を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a sensor.

【図12】細胞膜を模倣した膜の一例を概念的に示した
図である。
FIG. 12 is a diagram conceptually showing an example of a membrane mimicking a cell membrane.

【図13】膜蛋白質と脂質二重膜との結合方式を示した
図である。
FIG. 13 is a diagram showing a binding system between a membrane protein and a lipid bilayer membrane.

【図14】脂質二重膜を通過する極性・非極性溶質に対
する自由エネルギーの障壁の形を示した図である。
FIG. 14 is a diagram showing the shape of a barrier of free energy for polar and non-polar solutes passing through a lipid bilayer membrane.

【図15】膜より獲得された各情報の波形(パターン)
を示した図である。
FIG. 15 is a waveform (pattern) of each information obtained from the film.
FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101……シリンジ 102……テフロンビーカ 103……細孔 104……脂質二重膜 105…
…外部容器 110……脂質二重膜 111……送信部 11
2、113……アンテナ 114……受信部 115……検出端末 120……リン脂質二重膜 121、130……膜蛋
白質 131、141……脂質二重膜 151a−151c……センサ 152a−152c……膜
101: syringe 102: Teflon beaker 103: pore 104: lipid bilayer membrane 105:
… Outer container 110… lipid bilayer 111… transmitter 11
2, 113 antenna 114 reception unit 115 detection terminal 120 phospholipid bilayer membrane 121, 130 membrane protein 131, 141 lipid bilayer membrane 151a-151c sensor 152a-152c …film

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 物質と相互作用を示す膜と、 前記膜の情報を獲得する手段と、 を具備したことを特徴とするセンサ。1. A sensor comprising: a film interacting with a substance; and means for acquiring information on the film. 【請求項2】 物質と第1の相互作用を示す第1の膜
と、前記物質と第2の相互作用を示す第2の膜と、前記
第1および第2の膜の情報を獲得する手段とを有するセ
ンサと、 前記獲得した情報を評価する手段と、 を具備したことを特徴とする物質特定システム。
2. A means for acquiring information of a first film exhibiting a first interaction with a substance, a second film exhibiting a second interaction with the substance, and information of the first and second films. And a means for evaluating the acquired information.
JP23136597A 1997-08-27 1997-08-27 Substance identification system Expired - Fee Related JP3595120B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23136597A JP3595120B2 (en) 1997-08-27 1997-08-27 Substance identification system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23136597A JP3595120B2 (en) 1997-08-27 1997-08-27 Substance identification system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH1156389A true JPH1156389A (en) 1999-03-02
JP3595120B2 JP3595120B2 (en) 2004-12-02

Family

ID=16922485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23136597A Expired - Fee Related JP3595120B2 (en) 1997-08-27 1997-08-27 Substance identification system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3595120B2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006029941A (en) * 2004-07-15 2006-02-02 Toshiba Corp Harmful substance detecting method and device
WO2006030523A1 (en) * 2004-09-17 2006-03-23 Japan Science And Technology Agency Lipid substitution method in artificial lipid double membrane, artificial lipid double membrane obtained by that method, equipment for producing artificial lipid double membrane, and ion permeation measuring equipment
CN1327212C (en) * 2003-03-31 2007-07-18 株式会社东芝 Sample liquid analyzer
WO2011043008A1 (en) * 2009-10-07 2011-04-14 パナソニック株式会社 Method for forming artificial lipid membrane
JP2011167609A (en) * 2010-02-17 2011-09-01 Japan Science & Technology Agency Method for forming planar lipid-bilayer film
US8062489B2 (en) 2009-10-07 2011-11-22 Panasonic Corporation Method for forming artificial lipid membrane
JP2012081405A (en) * 2010-10-10 2012-04-26 Kanagawa Acad Of Sci & Technol Method for forming lipid bilayer membrane, and apparatus for the same

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1327212C (en) * 2003-03-31 2007-07-18 株式会社东芝 Sample liquid analyzer
JP2006029941A (en) * 2004-07-15 2006-02-02 Toshiba Corp Harmful substance detecting method and device
JP4602018B2 (en) * 2004-07-15 2010-12-22 株式会社東芝 Hazardous substance detection method and apparatus
WO2006030523A1 (en) * 2004-09-17 2006-03-23 Japan Science And Technology Agency Lipid substitution method in artificial lipid double membrane, artificial lipid double membrane obtained by that method, equipment for producing artificial lipid double membrane, and ion permeation measuring equipment
US7638092B2 (en) 2004-09-17 2009-12-29 Japan Science And Technology Agency Artificial lipid bilayer membrane lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane obtained by using lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane formation device and ion permeation measuring device
WO2011043008A1 (en) * 2009-10-07 2011-04-14 パナソニック株式会社 Method for forming artificial lipid membrane
JP4717961B2 (en) * 2009-10-07 2011-07-06 パナソニック株式会社 Artificial lipid membrane formation method
US8062489B2 (en) 2009-10-07 2011-11-22 Panasonic Corporation Method for forming artificial lipid membrane
JP2011167609A (en) * 2010-02-17 2011-09-01 Japan Science & Technology Agency Method for forming planar lipid-bilayer film
JP2012081405A (en) * 2010-10-10 2012-04-26 Kanagawa Acad Of Sci & Technol Method for forming lipid bilayer membrane, and apparatus for the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP3595120B2 (en) 2004-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Clement et al. Pyranine (8-hydroxy-1, 3, 6-pyrenetrisulfonate) as a probe of internal aqueous hydrogen ion concentration in phospholipid vesicles
Rostovtseva et al. VDAC channels mediate and gate the flow of ATP: implications for the regulation of mitochondrial function
Nikolelis et al. Bilayer lipid membranes for flow injection monitoring of acetylcholine, urea, and penicillin
JP2007527540A (en) Method and apparatus for measuring cell volume change
Nikolelis et al. Stabilized lipid films in electrochemical biosensors
Krasilnikov et al. Electrophysiological evidence for heptameric stoichiometry of ion channels formed by Staphylococcus aureus alpha‐toxin in planar lipid bilayers
Andreou et al. Flow injection monitoring of aflatoxin M1 in milk and milk preparations using filter-supported bilayer lipid membranes
JP3595120B2 (en) Substance identification system
Cho et al. Translocation of hydrophilic molecules across lipid bilayers by salt-bridged oligocholates
Nikoleli et al. Development of an electrochemical biosensor for the rapid detection of cholera toxin using air stable lipid films with incorporated ganglioside GM1
Gupta et al. Simultaneous detection of CMPA and PMPA, hydrolytes of soman and cyclosarin nerve agents, by nanopore analysis
Solsky et al. Ion-selective electrodes in biomedical analysis
Genet et al. A few comments on electrostatic interactions in cell physiology
JP3813602B2 (en) Lipid replacement method in artificial lipid bilayer membrane, apparatus for producing the artificial lipid bilayer membrane, ion permeation measurement method, and ion permeation measurement apparatus
Nikoleli Advanced lipid based biosensors for food analysis
US7638092B2 (en) Artificial lipid bilayer membrane lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane obtained by using lipid substitution method, artificial lipid bilayer membrane formation device and ion permeation measuring device
Sokolov et al. Electrostatic potentials of bilayer lipid membranes: basic principles and analytical applications
Tien Bilayer lipid membrane‐based electrochemical biosensors
Shungu et al. Investigation of the interaction between thallous ions and gramicidin A in dimyristoylphosphatidylcholine vesicles: a thallium-205 NMR equilibrium study
Ahmed et al. Silicon nitride-based micro-apertures coated with parylene for the investigation of pore proteins fused in free-standing lipid bilayers
Nikolelis et al. Biosensors based on bilayer lipid membranes for automated continuous monitoring or rapid screening of environmental pollutants
Nikolelis et al. Biosensors for the rapid repetitive detection of adrenaline using stabilized bilayer lipid membranes (BLMs) with incorporated calix [4] resorcinarene receptor
Mathew et al. Ionophore-mediated transmembrane movement of divalent cations in small unilamellar liposomes: an evaluation of the chlortetracycline fluorescence technique and correlations with black lipid membrane studies
Tamanaha et al. Humidity and cation dependency of purple membrane based biosensors
Katsu Determination of the pH difference across a cell membrane using a methylammonium-selective membrane electrode

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040210

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040412

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040601

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040802

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040831

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040902

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070910

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080910

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080910

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090910

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090910

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100910

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees