(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液を貯蔵する液槽と、この液槽内に挿入された脂質膜形成用の穴が形成された基板と、この基板の両側の前記液槽内に設けられた電極と、前記脂質膜形成用の脂質溶液を貯留する容器と、この容器内の脂質溶液を前記基板に形成された脂質膜形成用の穴に吐出する脂質溶液吐出機構と、前記膜形成用の穴に形成された脂質膜の破壊を検知する機構と、この手段により前記脂質膜の破壊が検知されたとき、前記脂質溶液吐出機構を動作させるコントローラ、とを備えることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項２】
前記脂質膜の破壊を検知する機構は、前記液槽内に設けられた電極により構成され、これらの電極は前記コントローラに接続されていることを特徴とする請求項１記載のセンサデバイス。
【請求項３】
前記吐出機構は、マイクロポンプであることを特徴とする請求項２記載のセンサデバイス。
【請求項４】
前記吐出機構は、インクジェット方式のポンプであることを特徴とする請求項２記載のセンサデバイス。
【請求項５】
前記コントローラは、前記液槽内に設けられた電極間の膜電位変化を検出信号として、前記脂質膜の破壊を検知することを特徴とする請求項２記載のセンサデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中に存在する毒物を測定するためのセンサデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日我々を取り巻く環境には、生体に有害である物質（広義の毒物）が多数存在している。例えば、水道水中のトリハロメタンや大気中のダイオキシンなどが念頭に浮かぶが、その他にも例数こそ少ないが、シアンやカドミウムと言った、いわゆる毒物による水道原水や地下水の汚染も時たま新聞誌上を賑わしている。ところで、こうした毒物の検出はどのようにして行われているのであろうか。浄水場での検査は、水道原水を流し入れた水槽で魚を飼い、この魚の動きを画像解析して、異常行動を取った時に毒物の混入を検知するシステムを用いるものが多い。あるいは、富士電機が開発した、硝化細菌を利用する毒物センサもある。これは、水道原水中に硝化細菌の餌であるアンモニアを一定量添加した後に、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、硝化細菌の活性度を溶存酸素濃度の減少量から見積もり、活性度の低下により毒物混入を判定するものである。ところがこれらの方法では、ほぼリアルタイムで毒物の検出ができる反面、餌を与えるなどのメンテナンスが必要であり、かつ毒物の種類や量を決定することは困難であった。
【０００３】
また、従来、本発明者等により提案された脂質二分子膜を備えた毒物センサも知られている。この毒物センサの説明に際して、まず、毒物の作用から考えてみたい。毒物とは、生体に害を及ぼす物質のことであるが、突き詰めて考えると生体「細胞」に害を及ぼす物質であると言い換えることもできる。従って毒物の作用も、「細胞膜」に何らかの影響を及ぼすことと考えられるのである。ここで言う「何らかの影響」とは、細胞膜に接着・吸着されたり、細胞膜内に取り込まれたりすることなどを意味している。そこで、人工的に作製した擬似細胞膜（人工膜）を電極などの表面に装着させることにより、擬似細胞膜への毒物の作用をリアルタイムで測定することが可能となるのである。すなわち、毒物との反応により変化する擬似細胞膜の物理情報（膜電位、電気容量、イオン透過性、発光、発熱・吸熱など）を測定し、毒物反応前後の出力値の差から毒物の混入が判定できるのである。
【０００４】
次に、毒物の種類や量は以下のように決定される。一般に細胞膜は、リン脂質を主成分とする脂質二分子膜に蛋白質や糖などの分子が取り込まれたり、表面に接着したりして構成されている。そこで擬似細胞膜は、脂質膜あるいはそれに代わる高分子膜をベースに、毒物と作用する各種の蛋白質や糖などの分子を配合することにより人工的に作製される（なお、毒物の種類によっては脂質膜のみで応答を示す場合もあるので、毒物と作用する物質を添加することは本発明では必須条件ではない）。従って、用いる脂質や蛋白質・糖などの種類や量、更には擬似細胞膜の作製方法などを変化させることにより、各種の毒物センサを作ることが可能となる。そして、予め個々の毒物センサの毒物応答（毒物の種類と量に応じて出力値がどのように変化するか）を求めておき、これらの応答パターンを基に、実際の測定結果（複数のセンサからの出力値）から毒物の種類と量を決定するのである。
【０００５】
このような脂質二分子膜の作製方法は次の通りである。
【０００６】
適当な脂質溶液（例えばｎ−デカンを溶媒に使用、適当な毒物反応物質を含有していても良い）を作製し、緩衝液中で微小シリンジを用いて一定量をテフロン製の膜やテフロン被覆したニッケル基板（中央に直径１ｍｍ以下の孔が空いている）に注入する。そのまま放置すると、孔の部分に脂質二分子膜が自然に再構成され、同時に毒物反応物質（糖脂質など）もこの膜内に取り込まれる。
【０００７】
このような脂質二分子膜を用いる毒物センサは次のように構成される。
【０００８】
（１）試薬
トリオレイン（別名：グリセリル  トリオレエート、分子量：８８５、融点：４〜５℃）及びトリクロロエチレン（通称：トリクレン）は、和光純薬工業社製を使用した。モノオレイン（別名：グリセリル  モノオレエート、分子量：３５７、融点：３３〜３４℃）、ｎ−デカン及びアセトニトリルは、関東化学社製を用いた。また、コレステロール（分子量：３８７、融点：１４９℃）はシグマ社製を使用した。その他、実験に使用した試薬は、全て市販特級品を特に精製せずにそのまま使用した。水は、イオン交換水を超純水製造装置（ミリポア社製、Ｍｉｌｌｉ−Ｑ）を通して使用した。なお、脂質二分子膜を形成するために用いる、単一の穴を有するニッケル基板（孔径：０．２〜０．６ｍｍ，厚さ：１０ｍｍ）は、オプトニクス精密社製の特注品であり、表面をテフロン膜で被覆した後に、穴の部分を針で破壊して使用した。
【０００９】
（２）電極及び測定用セル
図１は測定装置の模式図である。石英ガラス製の測定用セル（各パーの容量は約２５ｍＬ、自社製の特注品）１０内にニッケル基板をシリコンパッキングを用いて配置し、基板に開けた穴に刷毛塗法により脂質二分子膜を作製した。刷毛塗法とは、脂質溶液を含ませた絵筆を用いて穴の中に脂質を入れ込み、自然放置することで二分子膜を作製する手法である（自然薄化法とも呼ばれる）。脂質二分子膜の作製状況は、キーエンス社製のデジタルマイクロスコープ（ＶＨ−６３００）を用いて観察した。この膜を介して、測定極であるＡｇ／ＡｇＣｌ電極（東亜電波社製、特注品）１１を溶液内に挿入し、膜間の電位差（膜電位）をエレクトロメータ（アドバンテスト社、ＴＲ８４１１）１２で計測した。
【００１０】
データは横河ヒューレットパッカード社製の記録計（Ｔｙｐｅ：３０４７）１３で記録した。なお測定用セル及び電極は、防振台上に乗せ、物理的な振動を防ぐと共に、全体を電気的絶縁箱の中に入れて測定を行った。
【００１１】
（３）実験方法
表面をテフロン膜で被覆したニッケル基板を測定用セルにシリコン製パッキンを介してセットし、各パートにそれぞれ２０ｍＬの１０ｍＭ食塩水溶液１４を添加した後、膜電位（この状態では脂質膜は形成されていない）が安定するまで１５分程度放置する。次に適当な脂質溶液を含ませた絵筆（作業をし易くするために先端を少し曲げてある）を用いて、ニッケル基板の穴の中に適量の脂質を入れ込む。脂質が穴に入ると膜抵抗が生じるため、急激に膜電位が変化する。その後静かに放置すると、膜電位が一定の値に落ち着き、脂質二分子膜が形成される。
【００１２】
その後、１０μＬのトリクロロエチレンあるいはｃｉｓ−１，２−ジクロロエチレン（各々アセトニトリル溶液）を右側のパートに、左側のパートには同量のアセトニトリルを添加した。なお、測定液の攪拌は行わなかった。これは、攪拌装置から出る電気的ノイズ及び物理的振動の影響を懸念したためである。
【００１３】
（４）実験結果
図２にトリクロロエチレン（最終濃度：５ｐｐｍ）の測定結果の一例を示す。本実験では脂質としてモノオレインのみを用い、測定は全て室温で行った。ニッケル基板の穴径は０．６ｍｍであった。この結果から明らかなように、トリクロロエチレン溶液を添加すると、すぐに膜電位は減少し最小値に達した後、徐々に増加して一定の膜電位（初期の膜電位と比較すると約１ｍＶ変化）になることが分かる。この場合、繰り返しトリクロロエチレンを添加すると、添加の回数（トリクロロエチレン濃度の増大）に伴って平衡電位が少しずつ変化することも明らかになった。しかし４回目の添加では、殆ど膜電位の変化は観測されなかった（４回目添加後に膜が破壊）。なお、膜電位の絶対値の変化が重要であり、極性（＋側あるいは−側）の変化は使用する電極の特性に依存するので、あまり重要ではないと考えられる。以上から、モノオレインという単一の脂質二分子膜で、トリクロロエチレンに対して膜電位応答を示すことが明らかになり、脂質二分子膜を利用する毒物バイオセンサの基本原理が確認できたと言える。
【００１４】
以上のようにして構成される毒物センサにおいては、構成物が生物あるいは微生物ではないために餌を与えるようなメンテナンスは全く必要ない。また、定常状態からのズレを出力値として用いることにより、広範囲な環境条件でのセンサの使用を可能にしている。更に、各毒物センサからの出力値を無線で信号処理施設へ転送できるため、河川や海洋などでも自由に使用することができる。なお、測定感度を考慮すると疑似細胞膜としては脂質二分子膜が最適であることが本発明者らの検討により明らかになった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、脂質二分子膜は物理的振動や静電気などの外力に対して不安定であり、その寿命も精々数日間程度であった。また、ニッケル基板の穴の中に脂質二分子膜を形成する作業は、脂質溶液を含ませた絵筆を用いて、手作業で行うため、時間を要し、リアルタイムでの測定が困難であり、毒物センサの実用化には不十分であった。
【００１６】
そこで、本発明は、脂質二分子膜を利用する毒物センサを実用化するにあたり、脂質二分子膜の破壊を自動的に検知し、即座に、膜形成場所に再現性良く脂質二分子膜を自動的に形成させるデバイスを提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセンサデバイスは、水溶液を貯蔵する液槽と、この液槽内に挿入された脂質膜形成用の穴が形成された基板と、この基板の両側の前記液槽内に設けられた電極と、前記脂質膜形成用の脂質溶液を貯留する容器と、この容器内の脂質溶液を前記基板に形成された脂質膜形成用の穴に吐出する脂質溶液吐出機構と、前記膜形成用の穴に形成された脂質膜の破壊を検知する機構と、この手段により前記脂質膜の破壊が検知されたとき、前記脂質溶液吐出機構を動作させる、とを備えることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成の本発明のセンサデバイスによれば、メンテナンスフリーで、かつリアルタイムで毒物の種類と量を決定することを可能にするセンサデバイスが得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図３は、脂質二分子膜を用いる毒物センサにおいて、二分子膜を自動的に作製するためのデバイスの構成を示す模式図である。本実施形態においては、図１に示した従来の測定装置において用いられた刷毛塗法を自動化するものである。すなわち、貯留槽３には適当量の脂質溶液が貯えられている。４はコントローラ、５はＡｇ／ＡｇＣｌ電極、６はテフロン皮膜ニッケル基板、７は液槽である。吐出部１は貯留槽３に蓄えられた脂質溶液を一定量（数マイクロＬレベル）、テフロン被覆ニッケル基板６に形成された、脂質膜２を作製すべき穴に自動注入する。吐出部１には例えばマイクロポンプが適用される。脂質溶液の注入のタイミングは、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極５に接続されたコントローラ４により、常時モニタしている膜電位の消失時である。これは、脂質二分子膜２が破壊されると、膜電位が消失するからである。光学的な検出法に比べ、非常に簡便になる。脂質溶液が穴に注入されると、±１０ｍＶ以上の膜電位が発生し、安定な二分子膜が形成されるに伴い、徐々に一定の電位に落ち着いてくる。実際の毒物測定は、膜電位が一定になってから実施される。上記脂質二分子膜２は、モノオレイン／コレステロール二分子膜を使用し、テフロン被覆ニッケル基板６に形成された穴径は０．２ｍｍとした。
【００２１】
図４には、この用に構成された毒物センサデバイスを用いて、実際の毒物であるｃｉｓ−ジクロロエチレン（ＤＣＥ）を測定した結果を示すグラフである。本デバイスを使用して、５０ｐｐｂオーダーでもＤＣＥが測定できることが明らかになった。
【００２２】
なお、上記実施形態において、吐出部１にはマイクロポンプが適用されたが、この代わりにインクジェット方式（圧電素子利用）のポンプを採用してもよい。マイクロポンプと比較して、小型で安価であることが特徴である。
【００２３】
また、前記異なる組成の脂質二分子膜から構成されるセンサ単体を複数種類用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のセンサデバイスを用いることにより、メンテナンスフリーで、かつリアルタイムで高感度に広範囲の毒物検出定量用のセンサを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の毒物測定装置の模式図。
【図２】  図１に示す毒物測定装置に、５ｐｐｍ（ｆｉｎａｌ）のトリクロロエチレン（ＴＣＥ）を繰り返し添加した時の膜電位応答例を示すグラフ（刷毛塗法適用、モノオレイン二分子膜使用）。
【図３】  本発明の実施形態を示す二分子膜の自動作製が可能なセンサデバイスの構成を示す模式図。
【図４】  図３に示すセンサデバイスにおいて、５０ｐｐｂ（最終濃度）ｃｉｓ−１，２−ジクロロエチレン（ＤＣＥ）を添加した時の膜電位応答例。
【符号の説明】
１  吐出部
２  脂質二分子膜
３  貯留槽
４  コントローラ
５  Ａｇ／ＡｇＣｌ電極
６  テフロン皮膜ニッケル基板
７  液槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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