(57)【要約】【課題】揮発性有機化合物であるガス種に対する選択性が高く、しかも感度よく検出・測定することができるガスセンサを提供する。【解決手段】筐体２と、筐体２内の底部に配置されカソード電極４と、カソード電極４の上に配置された固体電解質膜５と、固体電解質膜５の上に配置されたアノード電極６と、アノード電極６の上に配置され、メディエータと還元剤とを含むメディエータ含浸層７と、メディエータ含浸層７の上に配置された細菌固定粒子８と、を備えてなり、還元剤によりアルカンを初期段階でアルコールに変化させるようにした。このため、有機化合物をガスの状態で、ガス種に対する選択性が高く、しかも感度よく検出・測定することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の電極と、
前記一対の電極のうち一方の前記電極に接触するように配置されたメディエータと、
前記メディエータに接触するように配置され、かつ内部に有機物資化細菌が配置された細菌固定担体と、
前記メディエータおよび前記有機物資化細菌に接触するように配置された還元剤と、
を備えることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記還元剤は、前記有機物資化細菌の代謝産物、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸から選ばれることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記有機物資化細菌は、メタン資化細菌であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記メディエータは、前記細菌固定担体内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記メディエータと、前記還元剤と、前記細菌固定担体と、これらの近傍に配置された前記一対の電極とが、支持基体に支持された状態で封止され、前記細菌固定担体がガス通過層を介して外気と接触可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記一対の電極間に、固体電解質膜が介在されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスセンサに関し、さらに詳しくは、例えばメタン資化細菌などの有機物資化細菌が有する有機物代謝機能を利用したガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
揮発性有機化合物（ＶＯＣ）などの生活環境における有害ガス物質、食品鮮度臭気、ガス成分などの検出・測定が可能なガスセンサや、計測技術の開発が望まれている。
【０００３】
一般に、ガス計測では半導体素子を用いた半導体式ガスセンサなどの無機デバイスが用いられている。このような無機デバイスを用いたガスセンサのガス検出原理は、ガス種が半導体デバイスに吸着されることにより、半導体デバイス表面の特性変化を検出するものである。しかし、このようなガスセンサでは、ガス種に対する選択性が必ずしも高くはない。このため、このような無機デバイスを用いたガスセンサは、上述した揮発性有機化合物（ＶＯＣ）などの生活環境における有害ガス物質、食品鮮度臭気、ガス成分などの検出・測定には不向きなものであった。
【０００４】
この他に、メタンガスやエタンガスを微生物を用いて測定する微生物センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような微生物センサでは、メタンガスやエタンガスの状態では有機物代謝機能を応答性良く発揮させることはできず、メタンやエタンなどのガスを液相中で一旦メタノールやエタノールに変化させる操作が必要であった。加えて、この微生物センサで室内大気中の揮発性有機化合物の個別測定濃度を計測しようとする場合、培養液中に被測定用の気体をバブリングしかつ撹拌するなどして濃度分布が起きないようする工夫が必要であった。このため、このような微生物センサでは、直接、メタンガスやエタンガスなどの気体を測定する能力が著しく低く実用的なものではない。
【特許文献１】特開平１１−１７４０１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の主たる目的は、有機物資化細菌を用いて有機化合物をガスの状態で、ガス種に対する選択性が高く、しかも感度よく検出・測定することができるガスセンサを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、検出操作が簡単で使い捨てが可能なガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴は、ガスセンサであって、互いに対向する一対の電極と、これら一対の電極間に配置されたメディエータと、メディエータに接触するように担持された有機物資化細菌と、メディエータおよび有機物資化細菌に接触するように配置された還元剤と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
還元剤としては、前記有機物資化細菌の代謝産物、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸などを用いることができる。
【０００９】
有機物資化細菌としては、メタン資化細菌を用いることが好ましいが、この他に各種の有機物資化細菌を適用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るガスセンサによれば、有機化合物をガスの状態で、ガス種に対する選択性が高く、しかも感度よく検出・測定することができる。また、本発明によれば、検出操作が簡単で使い捨てが可能なガスセンサとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の各実施の形態に係るガスセンサについて説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態に係るガスセンサを示している。なお、図１は本実施の形態に係るガスセンサの概略構成を示す断面図、図２はガスセンサの平面図、図３はガスセンサを用いた電流出力型の検出回路を示す図である。
【００１３】
本実施の形態に係るガスセンサ１は、本発明に有機物資化細菌としてメタン資化細菌を適用したものである。
【００１４】
図１に示すように、ガスセンサ１は、支持基体としての筐体２と、この筐体２内の底部に配置されカソード電極４と、カソード電極４の上に配置された固体電解質膜５と、固体電解質膜５の上に配置されたアノード電極６と、アノード電極６の上に配置され、メディエータと還元剤とを含むメディエータ含浸層７と、メディエータ含浸層７の上に配置された細菌固定粒子８と、を備えて大略構成されている。
【００１５】
図１に示すように、筐体２は、容器状の筐体本体２ａと、筐体本体２ａの上部開口部を閉塞する蓋体２ｂとから構成されている。筐体本体２ａの底部には、底部を貫通する複数の空気導入口２１が形成されている。また、図１および図２に示すように、蓋体２ｂには窓状のガス透過部９が設けられている。このガス透過部９は、蓋体２ｂの外側から筐体２内に被検出ガスを透過させる機能を有する。これら筐体本体２ａおよび蓋体２ｂは、電気絶縁性を有する材料で形成されている。具体的には、構成材料として、ガラス、合成樹脂（ＰＤＭＳ樹脂、ポリイミド、ポリアミド系樹脂など）、シリコン、セラミックスなどで形成することができる。例えば、筐体２を作製する場合は、ＭＥＭＳ加工技術を用いて微細加工することができる。なお、ガス透過部９の外側面を閉塞する空気遮断シールを予め貼り付けておき、ガスセンサ１でガスの検出・測定を行う際にこの空気遮断シールを剥離する構成としてもよい。
【００１６】
本実施の形態におけるガス透過部９は、蓋体２ｂに矩形状に開口された窓部２２に、蓋体２ｂと同等の厚さを有する連続多孔質なセラミックス板を、嵌め合わせて固定されたものである。ガス透過部９として用いることができるその他の材料としては、連続多孔質なガラス、金属メッシュなどがある。
【００１７】
なお、本実施の形態では、容器状の筐体本体２ａと蓋体２ｂとからなる筐体２を支持基体として適用したが、ガラス、合成樹脂（ＰＤＭＳ樹脂、ポリイミド、ポリアミド系樹脂など）、シリコン、セラミックスなどでなる基板を支持基体として用いてもよい。この場合、基板上に、順次、カソード電極４、固体電解質膜５、アノード電極６、メディエータ含浸層７、細菌固定粒子８を重ね合わせるように配置させ、これらの積み上げ構造体を電気絶縁性を有する樹脂膜などで覆い、細菌固定粒子８が外気と接触可能に設けられた構成としてもよい。
【００１８】
本実施の形態で用いるメタン資化細菌は、Ｉ型、Ｘ型、II型の３種類を用いることができる。
【００１９】
Ｉ型のメタン資化細菌としては、メタノマナス・アルバス〔Methanomonas albus (ATCC33003,  NCIB 11123 )〕、メチロマナス・アギル〔Methylomonas agile (ATCC35068,  NCIB 11124 ) 〕、メチロバクタ・ルテウス〔Methylobacter luteus (ATCC49878,  NCIB 11914 )〕、メチロバクタ・ホワイテンブリイ〔Methylobacter whittenburyi (ATCC51738,  NCIB 11128 )〕などを用いることができる。
【００２０】
Ｘ型のメタン資化細菌としては、メチロコッカス・カプソルタス・バス〔Methylococcus capsultus Bath (ATCC33009,  NCIB 11132 )〕を用いることができる。
【００２１】
II型のメタン資化細菌としては、メチロシヌス・スポリウム〔Methylosinus sporium (ATCC35069,  NCIB 11126 ) 〕、メチロシヌス・トリコスポリウム〔Methylosinus trichosporium OB3b (ATCC35070,  NCIB 11131 ) 〕、メチロシスティス・パルバス〔Methylocystis parvus (ATCC35066,  NCIB 11129 )〕などを用いることができる。
【００２２】
還元剤としては、メタン資化細菌の代謝物である、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、コハク酸などや、電子伝達体である、還元型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド （ＮＡＤＨ）、ジュロキノールなどや、他のアルコール、他のアルデヒド、ケトン、カルボン酸を用いることができる。なお、この還元剤は、メディエータ含浸層７における細菌固定粒子８に近い表面部分に配置することが好ましが、メディエータ含浸層７内にメディエータと混在させてもよい。
【００２３】
細菌固定粒子８は、細菌固定担体にメタン資化細菌を担持もしくは外気と接触可能に封止した粒子である。細菌固定担体としては、例えば、活性炭、活性炭素繊維などの炭素系担体、セライト、カオリンなどの鉱物質担体、多孔質セラミックス担体、無機質系中空ビーズ、樹脂架橋連続気泡発泡体や、これらの混合物を用いることができる。
【００２４】
メディエータとしては、ベンジル・バイオロジェン〔Benzyl Viologen ( Ｅ０’＝  −０．４６Ｖ )〕、メチレン・ブルー〔Methylen blue (Ｅ０’＝＋０．０１１Ｖ)〕、ブリリアント・クレジル・ブルー〔Brilliant Cresyl Blue (Ｅ０’＝＋０．０４７Ｖ)〕、チオニン〔Thionine (Ｅ０’＝＋０．０６Ｖ) 〕、5-メチル・フェナジニウム〔5-Methyl phenazinium（Ｅ０’＝  ＋０．０８Ｖ）〕、N,N,N’,N’,-テトラメチル-ｐ-フェニレンジアミン〔N,N,N’,N’,-Tetramethyl-p-phenylendiamine ( Ｅ０’＝＋０．２６Ｖ)〕などを用いることができる。
【００２５】
メディエータやメタン資化細菌を含ませるメディエータ含浸層７の材料としては、活性炭および活性炭素繊維、セライト、カオリン等の鉱物質担体、多孔質セラミックス担体、無機質系中空ビーズ、樹脂架橋連続気泡発泡体、およびこれらの混合物を用いることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、メタン資化細菌をメディエータとともにメディエータ含浸層７に含ませたが、メタン資化細菌はメディエータ含浸層７の上に積層した図示しない細菌固定担体層に含ませる構成としてもよい。
【００２７】
固体電解質膜５を構成する固体電解質材料としては、パーフルオロスルホン酸系カチオン交換膜、スチレン−ジビニルベンゼン系カチオン交換膜などのプロトン選択透過膜を用いることができる。
【００２８】
カソード電極４は、カーボンで形成され固体電解質膜５側の表面に貴金属触媒が配されている。アノード電極６は、カーボン（蒸着膜もしくは繊維）で形成されている。また、筐体本体２ａの外側に導出されたカソード電極４のリード端子４ａやアノード電極６のリード端子６ａは、金属、もしくは炭素等の導体で形成されている。
【００２９】
以上、本実施の形態に係るガスセンサ１の構成について説明したが、このガスセンサ１を用いることにより、メタン資化細菌の持つ有機化合物を酸化する機能を用いてアルカンやアルケンなどの有機化合物を検出・測定することが可能である。なお、被検出用の有機化合物としては、以下のような有機化合物を挙げることができる。
【００３０】
（検出可能な有機化合物）：メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘプタン、プロピレン、酸化プロピレン、ベンゼン、フェノール、トルエン、ｐ−ヒドロキシ・トルエン、安息香酸、エチルベンゼン、ｏ−ヒドロキシエチルベンゼン、２−フェニルエタノール、フェニル酢酸、１−フェニルヘプタン、１−ヒドロキシ−１−フェニルヘプタン、１−フェニルヘプタン−７−アルデヒド、１−オキソ−１−フェニルヘプタン、桂皮酸（Cinnamic acid）、ｍ−クロロトルエン、ベンジルアルコール、メタもしくはパラ配位のメチルベンジルアルコール、ヒドロキシヘプタン酸、ｍ−クレゾール、メタおよｂパラ配位のヒドロキシベンズアルデヒド、ｏ−クロロトルエン、５−メチル−１，３−ベンゼンジオール
細菌固定粒子８に担持されたメタン資化細菌は、本来、メタンからメタノールへの変換を触媒する酵素であるメタンモノオキシゲナーゼ（ＭＭＯ）を有している。しかし、このＭＭＯのみでは、アルカン（ＣｎＨ２ｎ＋２）やアルケン（ＣｎＨ２ｎ）などに属する揮発性有機化合物のガスを速やかに変換（酸化）することはできない。このＭＭＯは、メタン以外のアルカンやアルケンでも第一段階で酸化を促進させる反応速度が遅い。したがって、メタン資化細菌のみを用いてガスセンサを構成した場合、揮発性有機化合物のガスを検出・測定しようとしても、反応速度が遅すぎるため応答性が低くガスセンサとして実用的ではない。
【００３１】
図４は、アルケンであるプロピレン（Ｃ３Ｈ６）をメタン資化細菌のみにより酸化させて酸化プロピレン（Ｃ３Ｈ６Ｏ）を生成させた場合（図中○で示す）と、メタン資化細菌に還元剤としてのメタノールを添加して酸化プロピレン（Ｃ３Ｈ６Ｏ）を生成させた場合（図中△で示す）との経時変化を比較した図である。
【００３２】
さらに詳しくは、この試験では、メタン資化細菌の細胞懸濁液を含む反応混合物として、メタン資化細菌を（３．４６×１０−２ｍｇ dry-cell  ｍｌ−２）、プロピレンを１１２μｍｏｌ、酸素を１０３μｍｏｌを、還元剤としてのメタノールを０．４ｍＭを添加したリン酸緩衝液（２２ｍｍｏｌ）を、ｐＨ７．０、温度３０℃の条件で測定している。
【００３３】
図４に示すように、還元剤（メタノール）を添加した場合は、測定開始から５分以内にに酸化プロピレンが０．６ｍｍｏｌを越えて測定されている。一方、還元剤を加えない場合は、１０分経過しても０．１ｍｍｏｌ程度で反応応答性が低いものであった。このことから、本実施の形態に係るガスセンサ１は、還元剤を備えた構成であるため、ガスセンサ１として、応答性が高く感度が良好であり、確実な検出結果を得ることが可能となる。これに対して、還元剤を含まない場合は、応答性が低く速やかに検出結果を得ることはできない。
【００３４】
本実施の形態では、細菌固定粒子８が接触するメディエータ含浸層７に、アルカンやアルケンを還元する還元剤が配されているため、アルカンやアルケンを初期の段階で還元して酸化反応を速やかにさせることができる。
【００３５】
ここで、メタン資化細菌として、メチロシヌス・トリコスポリウム（Methylosinus trichosporium OB3b）を用いたアルカンの酸化工程の一例を、メタン（ＣＨ４）を用いて説明する。下記の反応工程を示す反応式は、メタンの酸化工程を模式的に示している。
【化１】
2009258024.tif 000003
【００３６】
上記反応式に示すように、本実施の形態に係るガスセンサ１では、ガス透過部９を透過して細菌固定粒子８に到達したメタンは、メディエータ含浸層７の表面に配された還元剤から２つ電子を受け取る。この結果、メタン（ＣＨ４）は、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）と水（Ｈ２Ｏ）を生成する。このように、メタンが還元剤から２電子を受け取ることにより、速やかにメタノールに変化する。メタンからメタノールへ変化する反応式は、下記の通りである。
【００３７】
ＣＨ４＋２Ｈ＋＋２ｅ−＋Ｏ２→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
次に、メタン資化細菌は、上記のように生成されたメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を、上記反応工程を示した式に示すようにメタン資化細菌が持つ酵素Ｉの作用により、ホルムアルデヒド（酸化メチレン；ＨＣＯＨ）に変化させると共に２電子を放出する。
【００３８】
その後、上記反応により生成されたホルムアルデヒドは、上述したように、メタン資化細菌が持つ酵素IIの作用により、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）を生成して２電子を放出する。
【００３９】
次に、上記反応により生成されたギ酸は、上記した反応工程を示した反応式のように、メタン資化細菌が持つ酵素IIIの作用により、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成すると共に２電子を放出する。
【００４０】
このように、メタン資化細菌は、その代謝系の中に、メタノールのようなアルコールを二酸化炭素にまで酸化する過程を持つ。以上のような酵素と代謝物との電気化学的反応から、メタノールを酸化する際に２電子、ホルムアルデヒドを酸化する際に２電子、およびギ酸を酸化する際に２電子を取り出すことができる。この電子数すなわち電流は、メタノール濃度に対応するので、発生した電子を電極を通して検出部で電流値もしくは電圧値として検出すれば、ガスセンサ１で感度の良好なメタンの検出ができる。なお、上記反応式１は、メタン資化細菌および還元剤により、メタンを代謝させる経路でガスセンサ１の作用を説明したが、メタン以外の上記したアルカンやアルケンなどのガスセンサとしても同様の検出ができることは勿論である。
【００４１】
次に、図３を用いて本実施の形態に係るガスセンサ１を組み込んだガス検出装置１０について説明する。
【００４２】
図３に示すように、このガス検出装置１０は、ガスセンサ１にオペアンプ１２を使った電流−電圧変換回路１１を接続して構成されている。この電流−電圧変換回路１１の入力は電流で、出力は電圧である。
【００４３】
ガスセンサ１内に導入された揮発性有機化合物（例えば、メタン）は、上記したように還元剤の作用によりアルコール（例えば、メタノール）に変化する。このアルコールは、メタン資化細菌に取り込まれ、細胞内の各酵素（Ｉ、II、III）と反応して、電子を放出する。このメディエータ含浸層７に含まれるメディエータが電子を捕捉し、電極表面で放出して電流が発生する。この電流は、抵抗１３を通じてオペアンプ１２の出力側へ流れる。この電流をＩとすると、抵抗１３における帰還抵抗はＲなのでオペアンプ１２の出力側には−Ｉ×Ｒの電圧が発生する。この電圧を検出することにより、ガスセンサ１において揮発性有機化合物が代謝されたことが認識でき、ガスの検出が可能となる。
【００４４】
被検出ガスがメタンである場合は、各酵素（Ｉ、II、III）による各反応においてそれぞれ電子が放出されるが、メタンの代謝過程の物質が被検出ガスである場合は、メタンに比べて電子の放出量が少なくなり、電流−電圧変換回路１１から出力される電圧波形は、メタンでの電流−電圧変換回路１１と異なる波形となる。この波形は各酵素（Ｉ、II、III）によるどの段階で反応が開始したかによって異なるものである。この波形の分析を行うことにより、被検出ガスの種類も特定することが可能となる。すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１によれば、ガス種に対する選択性を高めることが可能となる。
【００４５】
以上、本実施の形態に係るガスセンサ１およびそれを用いたガス検出装置１０によれば、有機化合物をガスの状態で、ガス種に対する選択性が高く、しかも感度よく検出・測定することが可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態に係るガスセンサ１において、筐体２をＭＥＭＳ加工技術を用いて微細加工することにより、電流−電圧変換回路１１とガスセンサ１との実装の効率が飛躍的に向上でき、低コストかつ確実な検出が行え、しかも使い捨てが可能なガスセンサとすることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態に係るガスセンサ１では、ガスを溶液に溶解させてから検出する手間がなく、ガス状態の有機物を直接検出することができる。このため、本実施の形態に係るガスセンサ１によれば、簡単な操作でガス検出・測定を行える。
【００４８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るガスセンサについて図５を用いて説明する。なお、本実施の形態において上記第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図５に示すように、本実施の形態に係るガスセンサ１では、筐体本体２ａの深さを上記第１の実施の形態の筐体本体２ａの深さよりやや深く形成し、底部に開口部を一切設けない構成となっている。そして、この筐体本体２ａの内底に酸化剤３が充填されている。この酸化剤３の上に、電子受容体としてのカソード電極４が配置されている。本実施の形態における他の構成は、上記第１の実施の形態の構成と同様である。
【００５０】
本実施の形態に係るガスセンサ１では、酸化剤３として、ヘキサシアノ鉄（III）酸カリウムなどを用いることができる。このように、本実施の形態では、筐体本体２ａの底部に開口部を設けずに、内底に酸化剤３を内在させたことにより、揮発性有機化合物のみならず溶液系の有機化合物の検出・測定も可能となる。
【００５１】
（その他の実施の形態）
上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００５２】
例えば、上記各実施の形態では、筐体２を有する構造のガスセンサ１について説明したが、基板形状のガスセンサや環状構造のガスセンサ１など、各種の構造のガスセンサとすることもできる。
【００５３】
また、上記各実施の形態では、還元剤として、メタン資化細菌の代謝物である、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、コハク酸などの他に、実質的に還元機能を有する各種の還元剤を適用することが可能である。また、この還元剤の配置位置は、実質的にメタン資化細菌の近傍であれば、メディエータ含浸層７内でなくてもよい。
【００５４】
さらに、上記各実施の形態では、炭化水素を資化する細菌として、メタン資化細菌を適用したが、アルコールを資化する細菌など各種のものを適用することが可能である。
【００５５】
また、上記各実施の形態では、細菌固定担体として有機物資化細菌を粒子状の構造体に含ませてなる細菌固定粒子８としたが、この構造に限定されるものではなく、各種の固定構造を採用することができる。
【００５６】
さらに、上記各実施の形態では、電極同士を上下平行に配置したが、対向する一対の電極であればよく、様々な配置構造を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスセンサの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るガスセンサの平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るガスセンサを用いたガス検出装置を示す回路図である。
【図４】メタン資化細菌による酸化プロピレンの生成と時間との関係を、還元剤の添加の有無で比較した図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るガスセンサの断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ガスセンサ
２  筐体
２ａ  筐体本体
２ｂ  蓋体
４  カソード電極
４ａ、６ａ  リード端子
５  固体電解質膜
６  アノード電極
７  メディエータ含浸層
８  細菌固定粒子
９  ガス透過部
１０  ガス検出装置
１１  電圧変換回路
１２  オペアンプ
１３  抵抗
２１  空気導入口
２２  窓部
【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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