(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形成した化学センサ用膜において、前記化学センサ用膜中の前記感応性物質としての脂質がジオクチルフォスフェートであってその膜中の濃度が０．００６〜１０重量％であることを特徴とする化学センサ用膜。
【請求項２】
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形成した化学センサ用膜において、前記化学センサ用膜中の前記感応性物質としての脂質がジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドであってその膜中の濃度が１．４重量％、２．７重量％、５．３重量％のいずれかであることを特徴とする化学センサ用膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
脂質膜センサ、イオンセンサ等の化学センサに用いられる、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に係り、特に化学センサ用膜の高感度化に関する。
【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】
0004250247.tif 000002
【０００５】
脂質膜２２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９である。脂質性分子２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９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】
0004250247.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】
0004250247.tif 000004
【００１２】
【表４】
0004250247.tif 000005
【００１３】
そしてこの脂質膜を使用したセンサ（脂質膜センサ）が、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している。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの化学センサ用膜を使用したセンサで、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などを測定する場合は、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、人間が味として確認できる程度の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。
本発明の目的は、検出対象の濃度が低い場合でも十分な検出感度をもった化学センサ用膜を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の化学センサ用膜は、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形成した化学センサ用膜において、前記化学センサ用膜中の前記感応性物質としての脂質がジオクチルフォスフェートであってその膜中の濃度が０．００６〜１０重量％である。また請求項２に対応する本発明の化学センサ用膜は、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形成した化学センサ用膜において、前記化学センサ用膜中の前記感応性物質としての脂質がジテトラデシルジメチルアンモニウムブロミドであってその膜中の濃度が１．４重量％、２．７重量％、５．３重量％のいずれかである。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１に本発明の実施の形態である脂質膜の模式図を示す。膜の構造的には、従来の脂質膜と変わらないが、本発明の脂質膜は、マトリクス５に収容されている脂質が膜全体に対して０．００６〜１０重量％となっている。
【００２０】
脂質膜の作製方法を説明する。
膜部材４としてＰＶＣ、可塑剤としてジオクチルフェニルフォスフォネート（ＤＯＰＰ）、脂質を概ね２：３：（０．０００３〜０．６）の重量比で混合する。
脂質０．０００１２〜０．２４ｍｌとＤＯＰＰ１ｍｌとＰＶＣ８００ｍｇとを混合したものを、ＴＨＦ１０ｃｃとともに密封容器中で２時間攪拌して、均一に溶かした後、平底の容器（例えば８５ｍｍφのシャーレ）に写し、それを水平な台の上に載せ、室温に保つこと約３日間、ＴＨＦを揮散させて、脂質膜を形成した。
こうして得られた脂質膜の厚さはほぼ３００μｍであった。ＴＨＦを揮散させるには、急激に乾燥させない方が、良い膜が得られるようである。
この脂質膜を約１０ｍｍｏｌ／ｌの塩化カリウム水溶液に１分間ほど浸す。
【００２１】
このようにして得られた脂質膜を用いて、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、膜中の脂質の量が、０．００６重量％、０．０１２重量％、０．０２５重量％、０．０６重量％、０．１２重量％、０．２５重量％、０．６重量％、１．２重量％、２．５重量％、５．３重量％、１０．９重量％、２０．４重量％の１２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。
【００２２】
これらの脂質膜を用いたセンサプローブを用意する。
図２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。
【００２３】
前記センサプローブ６を用いた測定系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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
本発明の脂質膜を用いた前記センサプローブを使用して、錯体シアン、キニーネの濃度の測定を行った。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、図８に示す。
【００３１】
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。
フェロシアン化カリウムの測定では、１０．０ｐｐｍのセンサ出力は脂質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５．３重量％の膜を使用したときが高いが、１ｐｐｍ以下の濃度では脂質濃度の低い１．４重量％が出力が高くなり、０．１ｐｐｍでも約５ｍＶの出力が得られた。脂質濃度を低くした方がフェロシアン化カリウムの低濃度側では高感度を示した。
【００３２】
図７の縦軸はセンサ出力、横軸はキニーネの濃度である。前述のセンサに用いた脂質膜１２種類のうち脂質濃度が１．２重量％、５．３重量％、１０．１重量％、２０．４重量％の４種類の測定結果を抜き出して示している。
キニーネの測定でも脂質濃度の低い１．２重量％の膜の方がキニーネの低濃度側で高感度を示し、キニーネが０．０１ｍｍｏｌ／ｌでも約２ｍＶの出力が得られた。脂質濃度の高い２０．４重量％（従来の濃度）の膜はキニーネが０．０１ｍｍｏｌ／ｌでは感度が無い。
【００３３】
図８の縦軸はセンサ出力、横軸は脂質濃度で、キニーネ濃度が０．１ｍｍｏｌ／ｌのときの感度変化を示したものである。
人間が苦いと感じるレベルであるキニーネ０．１ｍｍｏｌ／ｌでの出力を比較しても、２０．４重量％の膜は１ｍＶ程度であるのに比べ、１．２重量％の膜は約１０ｍＶの出力があり、感度は１桁向上した。また脂質濃度が０．００６重量％でも２０．４重量％の膜（従来の膜）に比べて感度は約２倍になっている。
【００３４】
本発明は、脂質膜センサの場合、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れば、検出対象である物質が低濃度でも検知することができる。
【００３５】
【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化学センサ用膜の感応性物質濃度を０．００６〜１０％としたから、検出対象の濃度が低い場合でも十分な検出感度をもった化学センサ用膜が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の脂質膜の模式図である。
【図２】本発明の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】キニーネ濃度の測定結果を示す図である。
【図９】従来の脂質膜の模式図である。
【符号の説明】
１  脂質膜
２  脂質性分子
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
２２  脂質膜
【図１】
0004250247.tif 000006
【図２】
0004250247.tif 000007
【図３】
0004250247.tif 000008
【図４】
0004250247.tif 000009
【図５】
0004250247.tif 000010
【図６】
0004250247.tif 000011
【図７】
0004250247.tif 000012
【図８】
0004250247.tif 000013
【図９】
0004250247.tif 000014