(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材と、可塑剤と、検出対象である物質に感応する感応性物質としての脂質とを混合してそれぞれ個別に形成した膜を複数有する化学センサにおいて、前記複数の膜の脂質は単一且つ同一の種類であって、膜毎に前記脂質の濃度が異なるように構成されていることを特徴とする化学センサ。
【請求項２】
前記複数の膜の脂質がジオクチルフォスフェートであり、該ジオクチルフォスフェートの膜中の濃度が１０重量％以下である膜と１５重量％以上である膜とを含むことを特徴とする請求項１記載の化学センサ。
【請求項３】
前記複数の膜の脂質がジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドであり、該ジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドの膜中の濃度が１．４重量％である膜と、５．３重量％である膜とを含むことを特徴とする請求項１記載の化学センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
検出対象である物質に感応する感応性物質を含む化学センサ用膜を有する脂質膜センサ、イオンセンサ、等の化学センサに係り、特に化学センサの応答領域の広域化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは脂質膜センサを例に挙げて説明する。
本願出願人は、他と共同して、先に「味覚センサ及びその製造方法」の発明につき特許出願をし（特開平3-54446 号）、その明細書及び図面によって、ある種の高分子重合体の表面マトリックス内に特定の分子配列をもって収納されたいわゆる脂質性分子群が、基本味と呼ばれる塩味、酸味、苦味、甘味に対して、感度を示すセンサとなることを示した。しかも、この種のセンサは、人間の五感の一つである味覚に代わり味を測定できるものであることを示した。
【０００３】
ここで、味覚センサに用いる脂質膜について説明する。
脂質膜に用いられる脂質には表１に示すようなものがある。
【０００４】
【表１】
0004248662.tif 000002
【０００５】
脂質膜１の模式図を、化学物の設計法で使われている表現方法で表したものが図８である。脂質性分子のうち円で示した球状部は親水基ａすなわち親水性部位ａであり、それから原子配列が長く延びる炭化水素の鎖構造ｂ（たとえばアルキル基）がある。図ではいずれの場合も２本の鎖が延びて一つの分子を表しており、全体で分子群を構成している。この炭化水素の鎖の部分は、疎水性部位ｂである。このような脂質性分子群３が、膜部材４の表面のマトリクス５（表面の構造、平面的なひろがりをもったミクロな構造）の中及びマトリクス内部に溶け込ませた形（たとえば図８の２’）で収容されている。その収容のされ方は、親水性部位が表面に配列するようなものとなっている。
【０００６】
脂質を支持するマトリクスは、容易に入手でき、取扱いも簡単な、熱可塑性のポリ塩化ビニル（ [ＣＨ2 ＣＨＣl]n ；ＰＶＣ）等が用いられる。ＰＶＣ以外には表２に示すような物質がある。
【０００７】
【表２】
0004248662.tif 000003
【０００８】
ＰＶＣは、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ニトロベンゼン、シクロヘキサノン等に溶け、可塑剤との混合比を変えることにより、軟質にも、硬質にもすることができるから、用途に応じて使いわけができる便利さがある上に、品質の安定性、成形の容易さも特徴とされる。
【０００９】
ＰＶＣ、可塑剤、脂質を概ね２：３：１の重量比で混合する。可塑剤を添加しないと出来上がりの脂質膜が白濁していたり、不均一になったりして好ましくない。また、脂質・可塑剤の選び方、混合する比率、混合の仕方によっても、出来上がった脂質膜に白濁や不均一を生ずることがある。可塑剤としてはフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、ジオクチルフェニルフォスフォネート（ＤＯＰＰ）、あるいは、リン酸トリクレシル（ＴＣＰ）が用いられる。
【００１０】
表１の脂質とＰＶＣとを混合したもの約４００ｍｇを、ＴＨＦ１０ｃｃに溶解し、平底の容器（例えば８５ｍｍφのシャーレ）に写し、ＴＨＦを揮散させて、脂質膜を形成すると、厚さがほぼ２００μｍの脂質膜が得られる。
脂質と可塑剤は、ＰＶＣというプラスチックの表面マトリクスの組織中に固定されていると考えられている。この脂質膜を約１０ｍｍｏｌ／ｌの食塩水、あるいは、塩化カリウム水溶液などの電解質溶液に１分間ほど浸すと、脂質のもつ親水基が表面に整列した分子配列が安定した状態で得られ、味覚センサとしての機能を果たすものとなる。
なお、脂質は両親媒性物質の一種であり、表３に示す脂質以外の両親媒性物質、表４に示す苦味物質を脂質の代わりに用いた感応膜も味覚センサに利用できる。
【００１１】
【表３】
0004248662.tif 000004
【００１２】
【表４】
0004248662.tif 000005
【００１３】
図９は前述のようにして得られた脂質膜１をセンサプローブ６に加工した概略構成を示す断面図である。
基材７として外径８ｍｍ、長さ５５ｍｍ、肉厚１ｍｍのアクリルの円筒を用いる。該円筒７の先端部７ａを約６０度の角度でカットする。該カットされた先端部７ａに、その開口部７ｂを塞ぐように脂質膜１を、ＴＨＦにＰＶＣを溶解したものを接着剤として、張り付ける。直径０．５ｍｍの銀線の先を螺旋状に巻いたものを該円筒７の上部から挿入し電極８とする。緩衝層９として電解液（３．３ｍｍｏｌ／ｌの濃度の塩化カリウム溶液）を前記電極８の螺旋部分８ｂが浸るところまで充填する。
【００１４】
また、この脂質膜を用いて、マルチチャンネルのセンサとしたものが図１０（ａ），（ｂ）である。本図ではマルチチャンネルのアレイ電極のうち三つの感応部が示されている。
図示の例では、基材７に 0.5mmφの孔を貫通して、それに銀の丸棒を差し込み電極８とした。脂質膜１は緩衝層９を介して電極８に接触するように基材７に張りつけている。
【００１５】
この脂質膜を使用したセンサ（脂質膜センサ）は、味覚センサとして味の測定に使用できるだけではなく、水質の測定に使用した場合、遊離シアン、錯体シアン、金属イオンの濃度検知に有効であることも実験で確認されている。このように味の測定、水質の測定等に利用できる脂質膜中の脂質の割合は前述の例のように約１／６即ち１７重量％程度であった。
【００１６】
また、他の化学センサについて触れれば、たとえば第４級アンモニウム塩を高分子化合物からなる支持材中に分散させた化学センサ用膜を有する陰イオン選択性電極（イオンセンサの一種）が、人間の生体液中の塩化物イオンなどの濃度測定に使用されている。この陰イオン選択性電極に使用する膜中の感応性物質の濃度は２０重量％以上であるのが一般的である。
【００１７】
これまで使用されてきた化学センサ用膜は、膜中に感応性物質をできるだけ多く溶解させるように合成されてきた。それは膜中に感応性物質が多い方が高感度になると考えられていたためである。このため従来の化学センサ用膜には少なくとも１５重量％以上の感応性物質が含まれていた。
従来の化学センサには、そのような化学センサ用膜が用いられており、或る感応性物質１種類について見れば、膜中の当該感応性物質の濃度は１種類であった。図１０に示したマルチチャンネルの脂質膜センサも、用いられる複数の脂質膜は、脂質の種類が異なったものであり、同一の脂質について膜中の濃度を変えたものではない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の化学センサで人が感じる範囲の味物質の濃度や体液中の塩化物イオンの濃度を測定する場合は、これらの濃度範囲で十分な感度が得られる。しかし特に水質の測定におけるように低濃度のイオンなどを検知しようとした場合、例えば錯体シアンを検知しようとした場合、これまでの感応性物質が１５重量％以上含まれている脂質膜などの感応膜を使用したセンサでは、高濃度では感度が得られるものの１．０ｐｐｍ程度の排水基準値前後の濃度では十分な感度が得られない。発明者等は膜中の感応性物質の濃度を低くすると検出対象物質が低濃度の場合の感度が向上することを発見した。しかし膜中の感応性物質の濃度を低くした膜は検出対象物質が高濃度の場合、膜中の感応性物質の濃度が高い膜に比べ感度が低い。
本発明の目的は、検出対象物質の検知可能な濃度範囲を広げ、言い換えれば広い濃度範囲に対してセンサに感度を持たせ、センサの応答領域を広域化することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の化学センサは、前述の課題を解決するために、高分子材と、可塑剤と、検出対象である物質に感応する感応性物質としての脂質とを混合してそれぞれ個別に形成した膜を複数有する化学センサにおいて、前記複数の膜の脂質は単一且つ同一の種類であって、膜毎に前記脂質の濃度が異なるように構成されている。また、請求項２に対応する本発明の化学センサは、前記複数の膜の脂質がジオクチルフォスフェートであり、該ジオクチルフォスフェートの膜中の濃度が１０重量％以下である膜と１５重量％以上である膜とを含む。請求項３に対応する本発明の化学センサは、前記複数の膜の脂質がジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドであり、該ジテトラデシルメチルアンモニウムブロミドの膜中の濃度が１．４重量％である膜と、５．３重量％である膜とを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
化学センサには脂質膜センサ、イオンセンサなどがあるが、いずれのセンサでも感応性物質の濃度を変えて感度を向上させるという方法は適用できる。ここでは、脂質膜センサを例に挙げて説明する。
【００２１】
図１に本発明の第一の実施の形態である脂質膜センサの概略構成図を示す。各プローブ６，６は構造的には、従来の脂質膜センサと変わらないが、本発明の脂質膜センサは、各プローブ６，６が備えている脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている。
【００２２】
図２に本発明の第二の実施の形態である脂質膜センサの概略構成図を示す。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は断面図である。第一の実施の形態と同様に、構造的には、従来の脂質膜センサと変わらないが、本発明の脂質膜センサは、各チャンネルの脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている。
【００２３】
脂質の膜中の濃度は重量％で０．００６〜２０％の間程度で、一般的には５〜１０倍の割合で脂質濃度の異なる複数の膜を作製するのが良く、これらのうち測定対象の検知に有効な範囲のものを複数組み合わせて使用する。
前記複数の膜は、図１に示すように、別々の基材（図１では円筒７）に貼り付けて、複数本のプローブを１つのセンサとしてもよく、あるいは、図２に示すように、１つの基材に貼り付けて、１本のセンサとしてもよい。
また、脂質膜の膜中の脂質の濃度が互いに異なっている複数の膜を用いるとともに、脂質の種類が異なった膜も用いることとすれば、例えば味について情報の得られる味物質の濃度範囲が広がるとともに、味についての情報も増える。
【００２４】
このようにして得られた脂質膜センサを用いて、錯体シアンの一例としてフェロシアン化カリウム（Ｋ4[Ｆe(ＣＮ)6] ）の測定、およびキニーネの測定を行った。
キニーネの測定に用いた脂質膜センサの脂質膜は、脂質にジオクチルフォスフェートを用い、膜中の脂質の量（濃度）が、１．２重量％、５．３重量％、１０．９重量％、２０．４重量％の４種類である。また、フェロシアン化カリウムの測定に用いた脂質膜センサの脂質膜は、脂質にジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドを用い、膜中の脂質の量が、１．４重量％、２．７重量％、５．３重量％の３種類である。
【００２５】
測定系１０を図３に示す。
被測定溶液１１はビーカーのような容器１２に入れる。被測定溶液１１中に、前記センサプローブ６を入れた。使用前に、塩化カリウム１ｍｍｏｌ／ｌ水溶液で電極電位を安定化した。
測定の基準となる電位を発生する電極として参照電極１３を用意し、それを被測定溶液１１に入れる。センサプローブ６と参照電極１３とは所定の距離を隔てて設置する。参照電極１３の表面は、緩衝層１４として、飽和塩化カリウム溶液を寒天で固化したもので覆ってある。
【００２６】
脂質膜１からの電気信号は、リード線１５によってバッファ増幅器１７に導かれる。バッファ増幅器１７の出力は、Ａ／Ｄ変換器１８に加えられる。参照電極１３からの電気信号もリード線１６を介してＡ／Ｄ変換器１８に加えられ、脂質膜１からの電位との差をディジタル信号に変換する。このディジタル信号はマイクロコンピュータ１９で適当に処理され、またＸ−Ｙレコーダ２０で表示される。
【００２７】
被測定溶液１１を用意する。
錯体シアンについては、純水に１０ｍｍｏｌ／ｌのＫＣｌを添加した溶液を基準液とした。
基準液と同じ溶液にフェロシアン化カリウムをシアンの濃度で０．０１ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、１．０ｐｐｍ、３．０ｐｐｍ、１０．０ｐｐｍになるように添加してサンプル液とした。
【００２８】
キニーネについては、純水に３０ｍｍｏｌ／ｌの塩化カリウム（ＫＣｌ）と３．０ｍｍｏｌ／ｌの酒石酸を添加した溶液を基準液とした。
基準液と同じ溶液にキニーネを０．００１０ｍｍｏｌ／ｌ、０．００３３ｍｍｏｌ／ｌ、０．０１００ｍｍｏｌ／ｌ、０．０３３０ｍｍｏｌ／ｌ、０．１０００ｍｍｏｌ／ｌ、０．３３００ｍｍｏｌ／ｌ、１．００００ｍｍｏｌ／ｌ、３．３０００ｍｍｏｌ／ｌ、１０．００００ｍｍｏｌ／ｌ、３３．００００ｍｍｏｌ／ｌ添加してサンプル液とした。
【００２９】
第一の基準液と第二の基準液には、ともに前述の基準液を用いた。第一の基準液と第二の基準液とを用いるのはセンサの継続的なドリフトの影響と基準液を繰り返し測定することによって基準液自体が継続的に変化するという影響をできるだけ少なくするためにとられる処置である。
【００３０】
錯体シアン測定の手順は次の通りである。
1) 保存液（第一の基準液に同じ）に脂質膜を用いた味覚センサをほぼ10時間浸漬する。
2) 第一の基準液（洗浄用）へ味覚センサの出し入れを10回行う。第一の基準液（洗浄用）で洗浄するといってもよいし、第一の基準液に断続的に浸漬するといってもよいし、味覚センサの脂質膜の表面に刺激を与えるということもできる。
3) 第一の基準液で測定用として用意したものに浸漬し、30秒後に味覚センサの電位を測定し、測定値をＶ0 とする。
4) 手順2)、3)を２回以上繰り返し、測定ごとに今回の測定値Ｖ0 と前回の測定値Ｖ0 の差が所定の値以下かどうかを判断し、所定の値以下（つまりＶ0 が安定したら）であれば手順5)へ進む。
5) 味覚センサを第一の基準液（測定用）から出して、第二の基準液（洗浄用）で洗浄する。（前記2)と同様に10回出し入れをする。）
6) 第二の基準液（測定用）に味覚センサを浸漬し、30秒後に味覚センサの電位Ｖk を測定する。
7) 再度第一の基準液（洗浄用）へ味覚センサの出し入れを10回行う。第一の基準液（洗浄用）で洗浄するといってもよいし、第一の基準液に断続的に浸漬するといってもよいし、味覚センサの脂質膜の表面に刺激を与えるということもできる。
8) 第一の基準液で測定用として用意したものに浸漬し、30秒後に味覚センサの電位を測定し、測定値をＶ0 ´とする。
9) 手順7)、8)を２回以上繰り返し、測定ごとに今回の測定値Ｖ0 ´と前回の測定値Ｖ0 ´の差が所定の値以下かどうかを判断し、所定の値以下（つまりＶ0 が安定したら）であれば手順10) へ進む。
10) 味覚センサを第一の基準液（測定用）から出して、サンプル液（洗浄用）で洗浄する。（前記2)と同様に10回出し入れをする。）
11) サンプル液（測定用）に味覚センサを浸漬し、30秒後に味覚センサの電位Ｖs を測定する。
12) 測定の手順2)に戻り手順2)〜11) を繰り返す。所定の回数繰り返したら手順を終わる。
この手順を図４に示した。
【００３１】
また、キニーネ測定の手順は次の通りである。
Ｓ１  （第１の）基準液のセンサ電位Ｖ01を測定する。
バッチ式測定の場合、味覚センサを空中に一定回数出し入れした後、再度基準液のセンサ電位Ｖ01を測定する。フロー式測定の場合、味覚センサに基準液を一定時間流した後、再度基準液のセンサ電位を測定する。
Ｓ２  一回前に測定した基準液のセンサ電位Ｖ01と比較して、変化の幅が設定値以内に収まっていれば、安定したとみなし、Ｓ３へ進みサンプルのセンサ電位を測定する。変化幅が設定値以上であった場合、Ｓ１に戻る。この意味は、センサの出し入れや測定液のフローの影響をチェックし、影響がなくなるまでセンサの出し入れや測定液のフローの操作を周期的に行うものである。最終的に安定した基準液のセンサ電位をＶ01とする。
Ｓ３  センサが安定した所で、所定時間サンプルＳi にセンサを浸漬すると共にサンプルＳi のセンサ電位Ｖi を測る。
Ｓ４  サンプルＳi の測定結果△Ｖi ＝Ｖi −Ｖ01を算出する。
Ｓ５  センサを洗浄する。或る程度の強さで洗浄することで、その強さに耐える吸着力をもつ物質だけがセンサに残る。
Ｓ６  （第２の）基準液のセンサ電位Ｖ02i を測定する。
Ｓ７  サンプルＳi の測定結果△Ｖki＝Ｖ02i −Ｖ01を算出する。
Ｓ８  センサを洗浄する。その後、連続してサンプルを測定する場合はＳ１へ進む。
この手順を図５に示した。
【００３２】
被測定サンプル液は低濃度側から高濃度側への順に３回測定した。
錯体シアンのシアン化物イオン濃度の測定結果を図６に、キニーネの測定結果を図７に示す。
【００３３】
図６の縦軸はセンサ出力、横軸はフェロシアン化カリウムの濃度である。
ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドの濃度が１．４重量％の膜と５．３重量％の膜に注目して見てみると、フェロシアン化カリウムの濃度０．５ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。０．５ｐｐｍより濃度の高いところでは、５．３重量％の膜の方が感度が高くなる。したがって、このような脂質膜の組合せの場合は、フェロシアン化カリウムの濃度０．５ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の出力を用い、０．５ｐｐｍより濃度の高いところでは、５．３重量％の膜の出力を用いてフェロシアン化カリウムの濃度を測定するようにすればよい。
【００３４】
このように、フェロシアン化カリウムの低濃度側は脂質濃度の低い膜、高濃度側は脂質濃度の高い膜といった様に、同一脂質の膜を使用しても脂質濃度を変えることで、感度の得られる範囲を広くすることができる。
【００３５】
図７の縦軸はセンサ出力、横軸はキニーネの濃度である。
ジオクチルフォスフェートの濃度が１．２重量％の膜と５．３重量％の膜を比べると、キニーネの濃度０．７ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。０．７ｐｐｍ〜９ｐｐｍあたりでは１．４重量％の膜の方が出力は大きいが、感度（曲線の傾き）は小さくなり、９ｐｐｍより高濃度のところでは、１．４重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに小さい。また、ジオクチルフォスフェートの濃度が５．３重量％の膜と２０．４重量％の膜を比べると、キニーネの濃度４ｐｐｍあたりまでは、５．３重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに大きい。４ｐｐｍ〜４０ｐｐｍあたりでは５．３重量％の膜の方が出力は大きいが、感度（曲線の傾き）は小さくなり、４０ｐｐｍより高濃度のところでは、５．３重量％の膜の方が出力、感度（曲線の傾き）ともに小さい。したがって、このような脂質膜の組合せの場合は、たとえば、キニーネの濃度０．７ｐｐｍあたりまでは、１．４重量％の膜の出力を用い、０．７ｐｐｍ〜４ｐｐｍでは５．３重量％の膜の出力、４ｐｐｍより濃度の高いところでは、２０．４重量％の膜の出力を用いてキニーネの濃度を測定するようにすればよい。
【００３６】
このように、脂質膜中の脂質の濃度の異なる膜を組み合わせて使用することで、キニーネの測定でも、センサの応答領域を広くでき、また、広い濃度範囲にわたって高感度化できる。
【００３７】
本発明は脂質膜センサの場合は前述のような膜の合成法や測定方法となるが、このほかの化学センサについても、膜中の感応物質の濃度を変えた膜を複数使用すれば、１種類の濃度の膜で測定した場合に比べて検出対象である物質が低濃度から高濃度まで測定できるようになり、応答領域の広域化になる。また、応答領域内のある濃度について見れば、高感度化にもなる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、検出対象である物質に感応する感応性物質を含んだ膜を有する化学センサで、膜中の感応性物質濃度が互いに異なる少なくとも２種類の膜を有する化学センサとすることで、検出対象物質の検知可能な濃度範囲を広げ、センサを応答領域を広域化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学センサの第一の実施の形態の模式図である。
【図２】本発明の化学センサの第二の実施の形態の模式図であり、(a) は正面図、(b) は断面図である。
【図３】測定系を示す図である。
【図４】測定手順を示す流れ図である。
【図５】測定手順を示す流れ図である。
【図６】錯体シアンのシアン化物イオン濃度の測定結果を示す図である。
【図７】キニーネ濃度の測定結果を示す図である。
【図８】脂質膜の模式図である。
【図９】脂質膜を用いたセンサプローブの概略構成を示す断面図である。
【図１０】脂質膜センサの模式図であり、(a) は正面図、(b) は断面図である。
【符号の説明】
１  脂質膜
２  脂質
３  脂質性分子群
４  膜部材
５  マトリクス
６  センサプローブ
７  基材（円筒）
８  電極
９  緩衝層
１０  測定系
１１  被測定溶液
１２  容器
１３  参照電極
１４  緩衝層
１５  リード線
１６  リード線
１７  バッファ増幅器
１８  Ａ／Ｄ変換器
１９  マイクロコンピュータ
２０  Ｘ−Ｙレコーダ
２１  シールド
【図１】
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【図２】
0004248662.tif 000007
【図３】
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【図４】
0004248662.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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