(57)【要約】【課題】本発明は、膜抵抗による検出方法で、高感度を実現する測定方法および測定装置の提供を目的とする。【解決手段】高い抵抗（抵抗の逆数は電気伝導度で同概念）を有する絶縁性薄膜３に吸着した被測定物質６（共鳴構造を有する酸化還元物質８で標識されている）により、共鳴や酸化還元反応による電子の移動が起こり、電気伝導度の上昇（抵抗の低下）を検出し、被測定物質を測定する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴構造を有する酸化還元物質で標識された被測定物質を、作用極表面に形成された絶縁性薄膜に吸着させ、共鳴構造を有する酸化還元物質による前記絶縁性薄膜の電気伝導度または抵抗値の変化量をもって、標識された被測定物質を検出する免疫電極センサ。
【請求項２】
被測定物質を共鳴構造を有する酸化還元物質で標識する手段が、被測定物質と同じ物質である抗原に共鳴構造を有する酸化還元物質で標識した標識抗原と、被測定物質の抗体であり前記標識抗原を抗原抗体反応により結合する不溶化抗体とを有し、被測定物質と標識抗原の置換反応により被測定物質を標識する請求項１記載の免疫電極センサ。
【請求項３】
電気伝導度または抵抗値の変化量の測定が直流バイアスを加えた交流印加である請求項１または２記載の免疫電極センサ。
【請求項４】
加える直流バイアスが、共鳴構造を有する酸化還元物質の酸化還元電位である請求項３記載の免疫電極センサ。
【請求項５】
絶縁性薄膜が、単分子膜あるいは重層膜である請求項１〜４のいずれか１項に記載の免疫電極センサ。
【請求項６】
絶縁性薄膜を構成する材料がアルキルチオールで、イオウ原子を介して電極の金属材料と結合する請求項５に記載の免疫電極センサ。
【請求項７】
共鳴構造を有する酸化還元物質が、少なくともピリジル基を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の免疫電極センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抗原抗体反応を利用した免疫電極センサの電気化学的分析・測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物質を膜表面に吸着させ、膜抵抗の増加分により測定対象物質の量を測定する方法が知られている。特願平８−５２９１８０の発明である分子膜を用いた味覚センサによる味測定方法もその一例であり、被測定溶液中に所定時間浸漬した際に分子膜に吸着した吸着物質（イオン性のもの）を、分子膜の膜電位または膜抵抗の変化により検出するものである。
【０００３】
また、測定対象物中の特定物質を選択的に検出する方法には抗原抗体反応を利用した方法が多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
膜抵抗による検出方法で、測定対象物を広い濃度範囲で測定するためには、少量のイオン性吸着物質の吸着によっても膜電位または膜抵抗が検出できるように、分子膜が絶縁性であること、緻密であることが必用である。そのような分子膜であっても、分子膜の表面に吸着したイオン性物質による膜抵抗（逆数の電気伝導度も同概念）の変化分では、十分な感度が得られないことが課題であった。
【０００５】
また、分子膜に吸着する物質はすべて膜電位または膜抵抗の変化により検出してしまうことも課題であった。
一方、抗原抗体反応を利用する方法では、特定の物質を選択的に測定することが可能となるが、電気化学反応による測定で検出するためには、電気化学的に不活性な抗体または抗原を、電気応答性を持つ標識（マーカー）で修飾する等の手段が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明の測定方法および測定装置は、高い抵抗（抵抗の逆数は電気伝導度で同概念）を有する絶縁性薄膜に吸着した被測定物質（共鳴構造を有する酸化還元物質で標識されている）により、共鳴や酸化還元反応による電子の移動が起こり、電気伝導度の上昇（抵抗の低下）を検出し、被測定物質を測定することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の本発明は、共鳴構造を有する酸化還元物質で標識された被測定物質を、作用極表面に形成された絶縁性薄膜に吸着させ、共鳴構造を有する酸化還元物質の酸化還元反応による前記絶縁性薄膜の電気伝導度または抵抗値の変化量をもって、標識された被測定物質を検出する免疫電極センサである。共鳴構造を有する物質のπ電子の易動性や非局在性（一つの結合に局在しないこと）により、分子内での電子の移動が起こりやすい。この特性により絶縁性薄膜に電気応答を付与することができ、電子の移動よる電気伝導度の上昇（抵抗の低下）を検出し、被測定物質を測定することができる。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、被測定物質を共鳴構造を有する酸化還元物質で標識する手段が、被測定物質と同じ物質である抗原に共鳴構造を有する酸化還元物質で標識した標識抗原と、被測定物質の抗体であり前記標識抗原を抗原抗体反応により結合する不溶化抗体とを有し、被測定物質と標識抗原の置換反応により被測定物質を標識する請求項１記載の免疫電極センサであり、これにより電気化学的に不活性な抗原を電気応答性を持つ標識で修飾することができる。抗原抗体反応は特異的、選択的であるために、被測定物質である抗原のみが標識抗原と置換反応を起こすことができる。よって、置換反応により遊離した標識抗原を、絶縁性薄膜に吸着させ、絶縁性薄膜の電気伝導度または抵抗値の変化量を検出することにより、被測定物質である抗原のみを検出することができる。
【０００９】
請求項３に記載の本発明は、電気伝導度または抵抗値の変化量の測定が直流バイアスを加えた交流印加である請求項１または２記載の免疫電極センサあり、交流を印加した際の電流値または抵抗値（または逆数の電気伝導度）として電気応答を外部に取り出すことができる。直流バイアスを加えることにより、共鳴構造を有する酸化還元物質で標識された被測定物質を電極側へ押し込むような静電気力が作用すること、また電子が外部からも供給されるため移動する電子の数が増加することから、検出感度を高めることができる。
【００１０】
請求項４に記載の本発明は、加える直流バイアスが、共鳴構造を有する酸化還元物質の酸化還元電位である請求項３記載の免疫電極センサであり、酸化還元電位である電圧を印可することで、酸化還元反応による電子の移動も加わるため、検出感度をさらに高めることができる。
【００１１】
請求項５に記載の本発明は、絶縁性薄膜が、単分子膜あるいは重層膜である請求項１〜４のいずれかに記載の免疫電極センサであり、膜厚は分子鎖により決定されるため、非常に薄く（膜厚がｎｍのオーダー）かつ均一な膜となり、高感度を安定して保持することができる。
【００１２】
請求項６に記載の本発明は、絶縁性薄膜を構成する材料がアルキルチオールで、イオウ原子を介して電極の金属材料と結合する請求項５に記載の免疫電極センサであり、チオール基と電極の金属との反応（吸着結合）により、緻密な単分子膜を容易に作成することができる。またアルキル鎖により絶縁性を発現することができ、アルキル鎖の長さを変化させることにより、絶縁性や流動性を制御することも可能となる。
【００１３】
請求項７に記載の本発明は、共鳴構造を有する酸化還元物質が、少なくともピリジル基を有する請求項１〜６のいずれかに記載の免疫電極センサであり、非極性基であるビリジル基は、水溶性であるために、被測定物質を水に可溶化することができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
本発明第１の実施例を、図１をもとに説明する。１は、作用極である金電極で、表面に絶縁性薄膜３を有しており、対極である４の同じく金電極と対をなしている。絶縁性薄膜３は、アルキルチオール２を作用極１の金電極に吸着結合させた単分子膜で、図示されていないイオウ原子を介して結合している。９の被測定溶液は、１の作用極および図示されていない対極の両電極間を満たしており、本測定系から見れば外来物である。体液あるいは尿程度の塩濃度を想定している。
【００１５】
共鳴構造を有する酸化還元物質で標識した被測定物質６（以下標識被測定物質と略する。）は７の被測定物質と、８の共鳴構造を有する酸化還元物質を有している。８の共鳴構造を有する酸化還元物質としては、メチルビオロゲンを用いた。絶縁性薄膜３である単分子膜は、アルキル鎖部分の分子間力によって配向し、密な膜であること、また、疎水性であることから、被測定液中の他の物質による導通は起こらない。しかし、絶縁性薄膜３に吸着した標識被測定物質６の共鳴構造を有する酸化還元物質８であるメチルビオロゲンにより、電子の移動による導電性が付与され、膜抵抗が下がる。（電気伝導度が上がる。）この変化を検出し、被測定溶液中の抗原濃度の測定を行うのである。
【００１６】
本例の絶縁性薄膜３であるアルキルチオール２を用いた単分子膜は、面積１平方センチメートルのもとで１０の８乗オーム程度の高い抵抗を有する。これは電解質のイオン伝導の抵抗（通常は導電率で表される）や、電極表面の抵抗に比べて著しく高く、測定系全体の抵抗は近似的に絶縁性薄膜３の抵抗となっている。被測定溶液９中の標識被測定物質６は被測定溶液９中を拡散して絶縁性薄膜３に至る。この時、標識被測定物質６の共鳴構造を有する酸化還元物質８は絶縁性薄膜３に吸着し、絶縁性薄膜３に導電性を付与し膜抵抗が下がる（電気伝導度が上がる）。前述のように測定系全体の抵抗は膜抵抗であるので、抵抗の増加分、あるいは電気伝導度の上昇分が吸着による寄与分である。
【００１７】
ところで、絶縁性薄膜３に取り込まれた複数の共鳴構造を有する酸化還元物質８、および共鳴構造を有する酸化還元物質８とベースの絶縁性薄膜３の関係は、抵抗の並列接続回路となる。この場合の計算処理は、電気伝導度を用いると、各部分の電気伝導度の総和が、全膜の電気伝導度となるので計算処理が容易である。すなわち、標識被測定物質６の取り込まれていない絶縁性薄膜３を近似的に電気伝導度ゼロとして、吸着した共鳴構造を有する酸化還元物質８の数と電気伝導度が比例関係を持つ。
【００１８】
以上述べたように、本発明の測定法および測定装置は本質的に抵抗（電気伝導度）変化を観測して被測定物質濃度を求めるものである。しかしながら、外部電源（図示せず）に対する応答と考えるならば、一定電圧印加状態での電流値は、電気伝導度と同義であるので、電流を観測しても良いことになる。従って、本発明で言う電気伝導度あるいは抵抗は、膜の抵抗変化を観測するものであればその測定手法あるいは表示の単位系は何であっても良い。
【００１９】
（実施例２）
本発明第２の実施例を図２および図３をもとに説明する。図２は本発明のセンサーの全体構成例を示す図で、図中４は筒状の対極、１は対極４内に先端を挿入した作用極である。２２は筒状の対極４の内部に粒状の不溶化抗体を充填した不溶化抗体層である。２１は被測定溶液入り口であって、抗原を含む被測定溶液は、ここより不溶化抗体層２２を毛細管現象により通過し、作用極１の先端に達し、作用極１と接触する。
【００２０】
図３は、図２の内部構成を被測定溶液の移動とともに説明した図で、３１は被測定溶液９中の抗原で本例の被測定物質にあたる。９の被測定溶液は本構成例の中では、体液あるいは尿程度の塩濃度を想定している。被測定溶液９は毛細管現象により不溶化抗体層２２に入る。ここには、不溶化抗体基材３３の表面に、抗原３１に対応する抗体３２が結合して合わせて不溶化抗体３４を形成しており、さらに、被測定物質である抗原と同一の抗原を有する標識被測定物質６である標識抗原が抗原抗体反応によりあらかじめ不溶化抗体３４に結合している。
【００２１】
抗原３１と、標識抗原６の抗原部は同一物質であり、不溶化抗体３４に対しては同等の結合力を持つ。そのため、不溶化抗体層２２に流入した抗原３１は、不溶化抗体３４と結合した標識抗原６と置換反応を行い、標識抗原６が遊離する。遊離した標識抗原６は、被測定溶液の移動にともない作用極１に達する。この際、不溶化抗体層２２を通過した被測定溶液は、次に酸性物質層２４に入るが、ここで酸性物質は被測定溶液中に溶解して拡散する。よって作用極１と対極４は標識抗原６含む被測定溶液を介して接続されることとなる。
【００２２】
作用極１と対極４の間に、作用極１側がマイナスになるように直流バイアスを加えると、静電気的な力によりメチルビオロゲンのピリジル基はマイナス極である作用極へ引き寄せられ、作用極との電子の授受が起こりやすくなる。また移動する電子の数も増加するので結果として検出感度を高めることができる。さらに直流バイアスの電圧を、メチルビオロゲンの酸化還元反応の標準電極電位である−０．４４６Ｖ以上印加することにより、１分子あたり電子２個を受け取り共役系となるような酸化還元反応が起こるため、さらに電子の移動が活発に起こり、検出感度を高めることができる。
【００２３】
（実施例３）
本発明の第三の実施例である、アルキルチオールについて図４をもとに説明する。図４はアルキルチオールを用いた絶縁性薄膜３を示す図で、本実施例では炭素数４の１−ブタンチオールを用いている。
【００２４】
本発明の第三の実施例である、絶縁性薄膜の構造を、図４をもとに説明する。図４中の１は金の電極であり、アルキルチオール分子がイオウ原子４３を介して金電極と結合し、絶縁性薄膜である単分子膜３を形成している。本例のアルキルチオールは炭素数４の１−ブタンチオールである。４４はアルキル鎖であって、この層は疎水性で絶縁性薄膜の高抵抗の主体である。本例の単分子膜は、絶縁性薄膜としては究極の薄さを持ち、かつ均一な厚みをもつため、安定した高感度が得られるのである。ハイドロカーボン鎖長の影響は、鎖長が長くなるほど、膜厚が増加し、感度が下がる傾向にあるが、Ｃ１８程度までは影響は小さい。一方、測定時に直流バイアスを印加した場合、過剰な印加にたいしては、アルキル鎖層を貫通して絶縁破壊が起こるが、絶縁耐性はハイドロカーボン鎖長が長い方が高く有利である。
【００２５】
アルキルチオールのチオール基は銀、銅、鉄、タングステンなどの多くの金属に作用して容易に結合し、電極上に容易に単分子膜を形成することができる。そのようにしてできた単分子膜は自己組織化単分子膜と呼ばれる。本発明は、これを応用したものであって、容易に非常に薄い（ｎｍのオーダー）かつ均一な薄膜を電極上に形成することができる。またアルキル鎖部分は、疎水性であるために、形成された薄膜は高抵抗の絶縁性薄膜となる。アルキル鎖長の影響は、鎖長が長くなるほど、絶縁性が上がる。市販されている直鎖アルキルチオールとしては、１−ブタンチオール（炭素数４）、１−ヘキサンチオール（炭素数６）、１−オクタンチオール（炭素数８）、１−デカンチオール（炭素数１０）、１−ドデカンチオール（炭素数１２）、１−ヘプタデカンチオール（炭素数１５）、１−ヘキサデカンチオール（炭素数１６）、１−オクタデカンチオール等がある。
【００２６】
また、末端にアミノ基やカルボン酸基が導入されたタイプのものを用いても同様の効果が得られるものである。市販されている末端がアミノ基タイプの直鎖アルキルチオールは、６−アミノ−１−ヘプタンチオール、８−アミノ−１−オクタンチオール、１１−アミノ−１−ウンデカンチオール等がある。市販されている末端がカルボキシル基タイプの直鎖アルキルチオールは、５−カルボキシ−１−ペンタンチオール、７−カルボキシ−１−ヘプタンチオール、１０−カルボキシ−１−デカンチオール等がある。
【００２７】
また、カルボン酸基やアミノ基を末端に持つタイプのものは、それぞれ化学結合するような置換基をもつアルキルを反応させて、２重の脂質膜としても良い。この２分子膜の絶縁性薄膜は、単分子膜と同様に均一であり、単分子膜に次いで感度が高く、単分子膜以上に絶縁耐性が高いものである。
【００２８】
また、末端修飾基がメチル基である単分子膜であっても、長鎖のハイドロカーボンをもつカルボン酸（これは高級脂肪酸とよばれる）あるいは長鎖のハイドロカーボンを持つ１から４級アミンを水中で作用させると、長鎖のハイドロカーボンが単分子層に向けて配向し、カルボキシル基あるいはアミン基が水に向けて配向し、容易に２重層の脂質膜が得られる。
【００２９】
また、２分子膜などの重層膜はＬＢ膜（ラングミュア・ブロジェット膜）を電極上に作成することによってもできる。
【００３０】
（実施例４）
本発明の第四の実施例である共鳴構造を有する酸化還元物質の例を示す。共鳴構造を有する酸化還元物質は、共鳴構造による分子内の電子の移動と、酸化還元反応による電子の授受により、被測定物資に電気応答性を付与することができるのである。上記を満たす物質の一例としては、ピリジル基を有するメチルビオロゲンやポルフィリン化合物等があげられる。
【００３１】
（実施例５）
本発明の実施例５を、図５および図６を用いて説明する。図５は、図２に示した本発明の免疫電極センサを用いた測定における応答性の関係を示した図である。被測定溶液として、１７β−エストラジオールの生理リン酸バッファー溶液を、標識抗原としてメチルビオロゲンで標識した１７β−エストラジオールを用い、作用極側がマイナスになるようにして、直流バイアスおよび交流０．０５Ｖを印加し、作用極の電気伝導を測定した。作用極には、１−オクタデカンチオールを用いて絶縁性薄膜を設けた金電極を、対極には未処理の金電極を用いた。被測定物質の濃度を変化させた溶液を調製し、被測定液の濃度を変化させて測定を行った。被測定物質の濃度と電気伝導度の変化分（ΔＧ）の関係を図５に示す。電気伝導度の変化分（ΔＧ）は、被測定溶液中に、被測定物質である１７β−エストラジオールを含まない場合の測定結果をブランクとして差し引いたものである。直流バイアスについては作用極側がマイナスになるようにして、０．３０Ｖ印可した場合と０．５０Ｖ印可した場合を比較した。また、標識抗原としてメチルビオロゲンの代わりに、同様にピリジル基を有するポルフィリン化合物である５，１０，１５，２０−テトラキス（Ｎ−メチルピリジニウム−４）−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィリンで標識した１７β−エストラジオールを用いた場合についても測定を行い、比較した。
【００３２】
直流バイアスが０．３Ｖの場合と０．５Ｖの場合を比較すると、０．５Ｖの場合の方がΔＧ値が大きくなることが解った。これは、メチルビオロゲンの酸化還元反応の有無によるものである。メチルビオロゲンの酸化還元電位は０．４４６Ｖであるので、０．５Ｖの場合には１分子あたり電子２個を受け取り共役系となるような酸化還元反応が起き、電子の移動が活発になるためにΔＧ値が大きくなったと考えられる。
【００３３】
また、標識としてメチルビオロゲンの代わりに、同様にピリジル基を有するポルフィリン化合物を用いた場合の方が、メチルビオロゲンよりもさらにΔＧ値が大きくなっている。これは、メチルビオロゲンには２つであったピリジル基が、ポルフィリン化合物には４つあり、１分子あたり電子４個を受け取り共役系となるような酸化還元反応を起こすために、メチルビオロゲンよりもさらにΔＧ値が大きくなったと考えられる。
【００３４】
本実施例では、共鳴構造を有する酸化還元物質として、メチルビオロゲンとポルフィリン化合物である５，１０，１５，２０−テトラキス（Ｎ−メチルピリジニウム−４）−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィリンを用いたが、他のポルフィリン化合物、また共鳴構造を有してピリジル基を有する他の化合物であっても本実施例と同様の効果を示すものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の測定方法および測定装置は、高い抵抗（抵抗の逆数は電気伝導度で同概念）を有する絶縁性薄膜に吸着した被測定物質（共鳴構造を有する酸化還元物質で標識されている）により、共鳴や酸化還元反応による電子の移動が起こり、電気伝導度の上昇（抵抗の低下）を検出し、被測定物質を測定することで、感度の高い免疫電極センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成図
【図２】本発明の実施例２の全体構成図
【図３】本発明の実施例２の内部構成を被測定溶液の移動とともに説明した図
【図４】本発明の実施例３の絶縁性薄膜の構造を示す図
【図５】本発明の免疫電極センサを用いた測定での、被測定物質の濃度と電気伝導度の変化分（ΔＧ）の関係を示した図
【符号の説明】
１　作用極（金電極）
２　アルキルチオール
３　絶縁性薄膜（単分子膜）
４　対極
６　共鳴構造を有する酸化還元物質で標識した被測定物質
７　被測定物質
８　共鳴構造を有する酸化還元物質（メチルビオロゲン）
９　被測定溶液
２２　不溶化抗体層
３１　抗原（被測定溶液中）
３２　抗体
３３　不溶化基材
３４　不溶化抗体
４３　イオウ原子
４４　アルキル鎖
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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