JPS62150148A - 化学物質の分析方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、無機物、有機物、生体物質等を含む各種の化
学物質の検出、定性、定量を行なうのに好ましい、電気
的な発振を利用した分析方法に関するものである。

（従来の技術） 従来においては、各種化学物質の検出を行なうために、
ｐ）（電極のようなイオンセンサ、ガスセンサ、酵素セ
ンサなどが提案され、実用化されている（例えば、清山
等組集、「化学センサ、その基礎と応用」、講談社（１
９８２）を参照）。これらのセンサは、感応部で直流電
圧（クラーク型酸素電極などでは、直流電流）を発生さ
せ、この電圧（電流）と被験物質の濃度の対数値が直線
関係になることを利用して、電圧値（電流値）から濃度
を検出するようにしている。このため、単一のイオンや
単一の化合物に選択的に応答するセンサをつくることが
極めて重要となっており、このような技術の開発が従来
からおこなわれてきている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように、従来のセンサは、直流電圧（或いは直
流電流）といった単一の情報を利用しているだけである
。そのために、単一のセンサでは、単一の物質を検出で
きるだけである。このことは、とくに、有機物質やタン
パク、脂質、多糖類などの生体分子を対象とするときに
は、化合物の種類が極めて多くなるため、致命的な欠点
となっている。

また、このような有機物質や生体分子は、感応膜に対し
て吸着しやすい性質をもっているため、実測される電位
の再現性も悪い。すなわち、前に測定した物質の影宮が
残留電位として残るため、再現性、耐久度に問題がある
。このようなことは、直流量を測定しているために生じ
る、原理的な欠陥であるといえる。

一方、有機物質に対する選択性を高める目的で案出され
た酵素センサにおいては、次のような問題点がある。

（１）分析したい物質に作用する安定な酵素が手に入ら
なければならない。

（２）　　電気的信号に変換できる酵素反応は限られて
いる。

（３）　　電位の再現性や耐久性に問題がある。

（４）膜への吸着のｊｉｂ　Ｖを受けやすい。特に、こ
の点は、血液などの生体試料を分析するときには、決定
的な欠点となる。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解消す
るために、新規な原理に基づく化学物質の分析方法を提
案することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、生体での化学物質の認知機構に着目し、こ
の認知機構を応用して化学物質の分析を行なうようにし
ている。詳述すると、生体での化学センサとみなすこと
のできる味覚、嗅覚では、外部からの化学的情報を神経
のインパルスに変換している。この神経のインパルスが
中枢に伝えられ、化学物質の識別をおこなっている。す
なわち、生体は直流型の電気量ではなく、パルス的な電
位変化を利用している。かかる認知機構は、従来からよ
く知られているような、外部から一定周波数の電圧や電
流を印加して、対象とする物体の電気的物性を調べる方
法（複素インピーダンスの測定）とは全く異なっている
。そこで、本発明の方法では、生体での認知機構を応用
して、電気的発振を利用して化学物質の分析を行なうよ
うにしている。

すなわち、本発明の方法では、測定対象も含める型で電
気的発振を発生させ、その発振の振巾、振動数、振動の
パターン（周波数変調）、振動の波形（フーリエ変換後
の高調波成分）を、物質認識・定攪（化学物質のセンシ
ング）のための情報としている。換言すると、本発明の
方法は、発振条件を決定する回路素子の一部に、被験物
質が含まれるように、電気的な発振回路を構成し、この
発振回路の発振状態を検出して、検出結果から前記被験
物質の分析を行なうことを特徴としている。

（発明の効果） このように構成される本発明の方法においては、得られ
る情報が、発振状態を示す各要素、すなわち振巾、振動
数、振動のパターンおよび振動波形と多彩であり、従っ
て、従来の直流型化学センサでは不可能であった測定対
象が、本方法によって可能となる。具体的には、次のよ
うな化学的情報が得られる。

（１）発振の振巾 振巾は、測定系の電気伝導度に比例する。このため、電
極に吸着がおこると、振巾は小さくなる。このことを利
用して、高分子化合物、界面活性物質の電極への吸着を
推定できる。このことを利用することにより、抗原−抗
体反応や、レクチンでの凝集反応などの定攪的計測が可
能となる。吸着種の区別には、振動数、波形などの情報
が利用できる。

（２）周波数 測定系の電気容蚤をＣとすると、−次近次では、ｒｏｃ
、７’Ｅとなる。Ｃは電極界面での容量と、溶液の複素
誘電率に起因する成分とにわけられる。測定用の電極を
工夫することにより、前者が支配的な場合と、後者が支
配的な場合にわけて計測可である。従来、Ｃの値を求め
るため（こは、測定系に正弦波の交流電圧を印加し、出
力の交流電流との位も口蓋を計りとって、計算していた
。そのため、溶液系などでは、２桁の］；青；隻を得る
ことが限界であり、さらに、測定機２羽も最低で数十万
円、通常は百万円を越えるもの力（必要である。その点
周波数の測定は、精度よく出来る上に、＠、器も安価と
なる。このようにして得られたＣに関する情報を用いて
、溶液中の各種無機イオン、脂質、タンｔＸ６り質など
の定量が可能となる。

（３）波　形 発振波を非正弦波にすると、高調波に関しての情報も、
併せて得ることができる。発振波形は、溶液中に存在す
る物質の化学構造に依存することが、すでに本発明者等
の研究により明らかになっている。例えば、脂肪族アル
コール芳香族アルコールでは、波形が大きく異なる。

そこで、発振波形をフーリエ解析などにより、波形解析
することにより、化学種を識号１１するための、有力な
情報が（）られる。

（４）振動のパターン（周波数変調） 糖類では、異性体の構造に依存して、周波数の変調度が
異なることを明らかにしている。このように変調度にも
、化学的情報が含まれる。

（実施例） 以下に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の方法を適用した化学センサの一例を示
す構成図である。図に示すように、本例では、通常の発
振回路の静電容量成分（Ｃ）を、被験液１とそこに対向
させた状態で浸した２木の電極２で形成したものである
。この構成の本例によれば、以下に述べるように、各成
分の分析が可能なことがＳ忍められた。

（１）無機イオンの分析 被験液１としては、陰イオン性界面活性剤（ＳＯＳ）を
添加した水溶液を用いた。また、電極２としては、白金
電極を用いた。第２図＋Ａｌは、この結果得られた発振
波形を示し、第２図（Ｂｌはそのフーリエ変換後の波形
である。

このような測定系において、液１内に、塩化カルシウム
を４００μＭ加えた。第３図囚はこのとき得られた発振
波形であり、第３図ｆＢｌはそのフーリエ変換後の波形
である。第２図および第３図を比較すれば明らかなよう
に、塩化カルシウムの存否によって、得られる信号にお
ける周波数、振巾および波形に大きな変化が認められた
。第４図は、この測定系における発振周波数とカルシウ
ムイオン濃度との関係を示すグラフである。図において
、横軸にはカルシウムイオンの濃度の対数をとり、縦軸
には発振周波数をとっである。この図から、ＩＯμＭの
オーダーまでの定量が可能であることがわかる。なお用
いる電極の材質を変えたり、電極表面を化学修飾するこ
とにより、分析するイオンに対する選択性を高めること
も可能なことが分った。

（２）糖の分析 糖の異性体により、発振周波数や波形が特異的に変化す
ることが５忍められた。例えば、Ｄ−ソルビトールとＤ
−マンノースとでは、周波数に大きな違いが出た。電極
として、カロメル電極と水銀電極を用い、水銀側を＋０
．５■にして発振させると、０．　１　Ｍでは、Ｄ−ソ
ルビトールの周波数は、Ｄ−マンノースの約１．５倍と
なり、極めて明瞭な差が見られた。このように、周波数
や波形により、糖の異性体を識別できることが３忍めら
れた。

（３）多糖類の分析 一定濃度のレクチンの水溶液に各種多糖を入れると、あ
る特定の分子構造をもつ多糖とのみレクチンは結合し、
凝集する。このことを利用した分析定蚤が可能である。

第５図は、コン力、　ナバリンΔ（ＣｏｎＡ）存在下で
、多糖類の一種であるマンナンを加えたときの発振周波
数の変化を示している。１０−４％（重量パーセント）
すなわち、ｐｐｍのレベルまでの定量ができることが認
められた。ＣｏｎＡは、マンナンと特異的に結合するが
、他の多糖（デンプン等）とは殆ど結合しない。そこで
、（：ｏｎ　Ａ共存下で、マンナンだけに応答するセン
サがつくれる。ＣｏｎΔにも、数多くのレクチンが知ら
れており、夫々が特異性を有しており、このことを用い
て、多糖類の分析以外にも、血液型の判定やガン細胞の
判定などにも応用することができる。

（４）大腸菌の分析 細菌の種類や活動度の分析も可能である。例えば、白金
電極を用いて大腸菌が１０７個／ｃｃ存在する水溶液を
測定したところ、対数増殖期の方が、休止期よりも２〜
３割高い発振周波数を示した。このことは、抗菌剤の効
果の定量的計測などへの応用が可能なことを示すもので
ある。

（５）タンパク質の分析 タンパク質の定性、定量も可能である。例えば、白金電
極を用いたアルブミン水溶液では、タンパク質の濃度の
対数と、周波数が比例関係を示した。

なお、上述した装置は、本発明の方法を具現化したもの
の一例を示すものに過ぎない。当業者ならば、その他の
種々の構成を容易に理解することができる。例えば、発
振回路としては、上述の例の他に、ＲＣ型の発振回路や
オペアンプを使う回路などが考えられる。また、回路を
適当に変更することにより、発振する周波数の領域や波
形なども、測定系や測定したい債に応じて、調節可能で
ある。更に、測定対象によっては、Ｌ（インダクタンス
）の成分があるものも考えられるが、このうよな系の場
合には、ＬＣ型発振回路のＬの部分を測定系と置き換え
ればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用した化学センサの一例を示
す構成図である。第２図＋Ａ］は第１図の測定系におけ
る信号波形図であり、第２図（Ｂｌはそのフーリエ変換
後の波形図である。第３溜置は第１図の測定系における
、塩化カルシウムを含む場合の信号波形図であり、第３
図（ＢＩはそのフーリエ変換後の波形図である。第４図
は第１図の測定系における発振周波数とカルシウムイオ
ン濃度の関係を示すグラフである。第５図は第１図の測
定系におけるＣａｎ　Ａの存在下でマンナンを加えたと
きの発振周波数の変化を示すグラフである。 ■・・・・・・被験液　　２・・・・・・電極第２図 第３図 ｃ／μＭ ［ｏｇ（ｃ／Ｍ） 第５図 ｏｇ　ＣＷ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発振条件を決定する回路要素の一部に、被験物質が含ま
   れるように電気的な発振回路を構成し、この発振回路の
   発振状態を検出して、検出結果から前記被験物質の分析
   を行なう化学物質の分析方法。