JPH03125955A - バイオガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば室内の臭気測定、アルコール検知、
ガス漏れ検知、体臭測定による疾病診断等の用途に用い
られる、特異的気体物質測定を可能とする生体関連物質
を用いたバイオガスセンサに関する。

［従来の技術］ 例えば環境分析等の気体物質測定の分野においては、応
答性に優れ且つ操作性の簡易な、定性的・定量的ガス分
析手段が求められている。ガス分析手段の１つとして知
られているガスクロマトグラフ法は、選択性が高く且つ
定性的・定量的分析手段として優れたものであるが、応
答性に優れたものとすることができず、また取扱い操作
が複雑である。

応答性の優れたものとしては、半導体ガスセンサが知ら
れており、この半導体ガスセンサは操作性に優れたもの
であるが、ガスの種類に対する選択性が乏しい。その他
の測定手段も種々開発されているが、高い応答性と共に
選択性を満たすことのできる簡便なガス分析手段は存在
しない。

医療の分野においては、バイオセンサが近年実用化され
ている。このバイオセンサは、生体関連物質の生理活性
を利用し、化学・物理センサによって検知するようにし
ているもので、応答性と共に選択性に優れたものである
。しかし、ここで使用されている生体関連物質は、適切
な環境が設定された場合のみ使用できるもので、これを
そのままガス分析のために応用することができない。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、簡単
な構成で且つ簡単な操作によって、ガス物質の選択的且
つ定量的なガス測定が実行でき、例えば各種臭気センサ
、ガス漏れ検知、アルコール検知、疾病診断等を行う測
定装置等が構成できるバイオガスセンサを提供しようと
するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るバイオガスセンサは、生体関連物質を固
定化した固定化膜を、その生理活性反応を検知する測定
素子の感応部上に形成し、前記固定化膜の周囲を包囲す
るようにして生理活性安定剤を設定するように構成し、
外部からの測定ガスが、ガス透過性膜を介して前記固定
化膜に作用させられるようにする。

［作用］ この様に構成されるバイオガスセンサにあっては、ガス
透過性膜を介して流入したガス成分の中で、前記固定化
膜の生体関連物質が生理活性を示す物質のみが、特異的
反応を示すようになる。そして、その反応による物理的
若しくは化学的変化を、前記測定素子が検知するように
なる。したがって、測定ガス物質の特異的検知の応答性
並びに操作性は、測定素子の性能に準じて得られ、応答
性に優れ且つ簡便な操作性が得られる。また、測定に大
きく作用する生体関連物質は、生理活性安定剤によって
、その活性が確実に保持され、信頼性の向上に効果を発
揮する。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図および第２図はその構成を示しているもので、こ
のバイオガスセンサはボーラロ式隔膜型酸素電極からな
る測定素子１１を備える。この測定素子ｉｔを構成する
隔膜型酸素電極は、白金カソード、銀・塩化銀アノード
、塩化カリウム電解液、さらにテフロン（登録商標）隔
膜によって構成されるもので、生理活性反応を検知する
機能を有する。そして、この測定素子ＩＩの感応部の上
には、生体関連物質を固定化した固定化膜１２が形成さ
れる。

この固定化膜１２の形成された測定素子１１は、筒状に
形成されたケース１３の中実軸線部分に設定されるもの
で、このケース１３の一方の開口部分には、ガス透過性
膜１４がリング１５によって取り付けられている。また
ケース１３の、ガス透過性膜１４が設定された開口面と
は反対側の部分には、測定素子１１との間を封するよう
にしてシール材１６が設定され、ケース１３の内部にこ
のシール材１Ｂおよびガス透過性膜１４によって区画さ
れた密封空間を形成する。

そして、この密封空間部分に、生理活性安定剤１７を充
填する。

すなわち、この生理活性安定材１７は、測定素子１１に
形成した固定化膜１２の周囲を包囲する状態で設定され
、この膜１２内部に流入し得るようにされるもので、シ
ール材１６はこの生理活性安定剤１７の外部への漏洩を
防止すると共に、且つ外部からの物質の流入を阻止して
いる。生理活性安定剤■７の少なくとも一部は、ガス透
過性ＪＩＩ１１４と接しているもので、このガス透過性
膜１４は外部からのガスの透過を許容している。但し、
このガス透過性膜１４は、生理活性安定剤Ｉ７を含む状
態の固定化膜■２に接して構成されるようにしても良い
。

この様に構成されるガスセンサにあっては、ガス透過性
膜Ｉ４を介して外部からガス成分が流入され、この流入
されたガス成分の中で固定化膜１２中の生体関連物質が
生理活性を示す物質のみに特異的反応が生じ、その反応
による物理的若しくは化学的変化が、測定素子１１で検
知されるよつになる。

この場合、このガス物質の特異的検知の応答性並びに操
作性は、測定素子１１の基本性能に準するようになり、
良好な応答性および簡便な操作性が得られる。また、生
体関連物質は、生理活性安定剤１７によって、その活性
の状態が保持される。

このガスセンサは、例えば生体関連物質としてアルコー
ルオキシダーゼを用いて構成されるもので、アルコール
用バイオガスセンサを構成するようになる。

具体的には、固定化膜１２はアルコールオキシダーゼを
アクリルアミドゲルによって固定化した固定化酵素膜に
より構成される。アルコールオキシダーゼは、特異的に
第一級アルコールを酸化し、この酸化の際に水素受容体
として酸素を還元する。

つまり触媒作用によって反応アルコール量に応じて酸素
を消費するようになる。

また測定素子１１としては、ポーラロ式の隔膜型酸素電
極を用い、その感応部分に固定化膜１２を取り付けるも
ので、酵素は蛋白質の一種類であり、２０種類のアミノ
酸によるポリペプチド鎖を形成している。酵素の生理活
性は、この鎖の独特の立体構造に基づくものであり、そ
の構造は水素結合・疎水結合等により成り立っている。

そして、この結合は周囲の環境によって容′易に壊れる
もので、これにより立体構造の変性を生み、生理活性を
失う。

したがって、この生理活性を保つために固定化膜１２を
生理活性安定剤１７の中に保持しているもので、この生
理活性安定剤１７としては、リン酸緩衝液が用いられる
。このリン酸緩衝液は、テフロンバイブで構成したケー
ス１３の０リング１５とガス透過性膜とシール材１Ｂに
より区画された槽中に保持されて、外部への液の漏洩が
防止されると共に、外部からの物質の混入が防げられる
ようになっている。そして、ケース１３の開口面は、テ
フロン膜によるガス透過性膜１４によって閉じられる。

この場合、リン酸緩衝液を含浸した固定化酵素膜（固定
化膜１２）はテフロンのガス透過性膜１４に接しており
、このガス透過性膜１４からのガス物質の流入を許容し
ている。

この様に構成されるアルコール用バイオガスセンサにあ
っては、このセンサの外部にアルコールを含んだガスが
存在すると、このアルコールガスはガス透過性膜１４を
透過して、リン酸緩衝液を含んだ固定化膜１２に達する
。この場合、固定化膜１２の固定化酵素膜は、生理活性
安定材１７を構成するリン酸緩衝液によって適切なｐＨ
が保たれ、安定化している。

固定化膜■２に達したアルコールは、酵素によって酸化
され、酸素が消費される。この場合、酸素の消費量は外
部からの透過アルコールガス濃度に対応しているもので
、外部アルコールガス濃度に準じた酸素消費が起こる。

そして、この酸素消費量は、測定素子１１の酸素電極に
よって電流値として表示される。

しかし、外部にアルコールオキシダーゼが生理活性を示
さない気体、例えばアセトン、ベンゼン等が存在し、ガ
ス透過性膜１４を透過する場合には、これらガスは同等
触媒反応を起こすことがなく、したがって酸素を消費す
ることがなく、測定素子１１によって表示されることが
ない。

第３図はこの実施例により構成されたバイオガスセンサ
出力電流と、その時の外部気体ガス濃度の関係を示すも
ので、横軸は対数表示であり、アルコールガス濃度に対
応した電流出力が得られている。しかし、その他の気体
には応答出力が存在せず、このガスセンサにおいて、ア
ルコールガス測定のための効果並びにその物質特異性が
確認できる。また、このバイオガスセンサの応答は、数
分で飽和値に達しており、良好な応答性が理解できる。

このように構成したアルコールバイオセンサは、充分に
簡単な構成によって活性を保持し、隔膜型酸素電極によ
る測定素子を用いることにより、簡単な操作によって、
第一級アルコールを特異的に測定することが可能とされ
るもので、以下にその構成材料並びにセンサ条件をさら
に述べる。

隔膜型酸素電極により構成される測定素子１１は、ポー
ラロ式のテフロン（登録商標）膜を隔膜とする電気化学
センサであって、白金カソード、銀・塩化銀アノード、
塩化カリウム電解液を用い、カソード電位は−０，７Ｖ
ｖｓ、Ａｇ　／Ａｇ　Ｃ１ｌに設定した。また固定化膜
１２は、光架橋性アクリルアミドゲル溶液に１２８０　
ｕｎｉｔｓ　／　ｍｌのアルコールオキシダーゼ（Ｅ、
Ｃ，１，１，３，１３）を体積比で４：１で混合し、２
５４　ｎｍの紫外線（１５Ｗ）を数分間照射し、これに
より１５０μｍの膜厚にするようにして形成した。さら
に生理活性安定剤１７とされるリン酸緩衝液は、６７ｍ
ｍｏｌ　／ｆｌ　、　ｐＨ７，０のものを使用しており
、ケース１３を構成するテフロンバイブは、外径４０ｍ
ｔｓｓ内径２０１１％長さ２０Ｉのものを使用した。そ
して、ガス透過性膜１４として使用されるテフロン膜は
、孔径１〜２μｍ１膜厚０．２５ｍ５のものを使用した
。

すなわち、測定素子１１を構成するポーラロ式隔膜型酸
素電極では、定電位設定器（ポテンシオスタット）によ
ってカソード側に所定の電位を印加することによって、
カソード表面に還元反応が生じ、還元電流が流れるため
、隔膜外部の酸素濃度に準じた電流が得られる。固定化
膜１２では、その多孔質内部に固定化されたアルコール
酸化酵素によって第一級アルコールが特異的に酸化され
、酸素を水素受容体として還元消費し、つまりその触媒
反応によりアルコール量に対応した酸素消費が起こる。

生理活性安定剤１７とされるリン酸緩衝液は、固定化膜
１２を構成する固定化酵素膜の酵素の活性安定をはかる
作用をする。酵素はその独特の立体構造によってその活
性を発揮するが、その構造は酵素周囲の環境によって容
易に変化し、活性を失うことがある。しかし、リン酸緩
衝液が固定化酵素膜内部にまで浸透し、その構造を保つ
と共に、酵素自体の生理活性を安定・維持させる作用を
するようになる。

この様に構成されるバイオガスセンサは、一般大気中に
存在する状態で、ガス透過性膜１４を透過して大気と共
に酸素分子が内部に流入する。ガス透過性膜１４を透過
した酸素分子は、その後生理活性安定剤１７である緩衝
液に溶は込むと共に、固定化膜１４を透過して、測定素
子１１の感応部に到達する。この感応部では、還元電圧
によって還元反応が生じ、溶存してきた酸素分子量に準
じて還元電流が流れ、この還元電流が測定される。

ここで、ガス透過性膜１４の外部にアルコールカス分子
が存在していると、酸素分子と同様にアルコール分子も
ガス透過性膜１４を透過して固定化膜１２に達する。こ
の固定化膜１２に達したアルコール分子は、酸素を水素
受容体としてアルコール酸化酵素により酸化される。こ
の触媒反応によってアルコールは酸化体に変化すると共
に、流入したアルコール量、すなわち外部に存在するア
ルコールガス濃度に対応した酸素が消費されるようにな
る。

この様な酸素消費によって、測定素子１１の電極感応部
に到達する酸素分子の量が減り、」光電流が減少する。

この様な作用によってこのバイオガスセンサのガス透過
性膜外部のアルコールガス濃度に準じた出力電流を得る
ことができるものであるが、アルコール酸化酵素が生理
活性を示さない気体物質が存在し、この気体物質がガス
透過性膜１４を透過した場合には、同等触媒反応が起こ
らず、酸素消費並びにそれに伴う出力電流の減少は生じ
ない。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係るバイオガスセンサにあって
は、生体関連物質を固定化した固定化膜を、その生理活
性反応を検知し得る測定素子の感応部上に形成し、その
周囲を生理活性安定剤によって包囲するように構成した
。そして、外部からガス透過性膜を透過したガス成分の
中で、生体関連物質が生理活性を示す物質のみに特異的
反応が生じ、その反応により物理的または化学的変化が
測定素子によって検知されるようになる。すなわち、簡
易な操作によってガス物質の選択的・定量的測定が実行
されるものであり、この際の応答性は使用する測定素子
に準じて得られるようになり、臭気測定、アルコール検
知、ガス漏れ検知、体臭測定による疾病診断等に効果的
に応用できるバイオガスセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例に係るバイオガスセンサを
示す斜視図、第２図は第１図の■−■線に対応する断面
構成図、第３図は上記実施例に示したガスセンサの動作
特性を示す図である。 １■・・・１１定素子、１２・・・固定化膜、１３・・
・ケース、１４・・・ガス透過性膜、１Ｂ・・・シール
材、■７・・・生理活性安定剤。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 生理活性反応を検知する測定素子と、 この測定素子の感応部上に形成された生体関連物質を固
   定化した固定化膜と、 前記測定素子を取巻く周囲に設定されたケースと、 このケースの前記固定化膜の形成される部分に対応して
   形成された開口部を覆うように設定されたガス透過性膜
   と、 このガス透過性膜で区画されて前記ケース内部に形成さ
   れた密封空間に充填された生理活性安定剤とを具備し、 前記ガス透過性膜を介して流入されたガス成分の中で、
   前記固定化膜で反応した成分のみが前記測定素子で検出
   されるようにしたバイオガス−センサ。