JPH1156389A

JPH1156389A - センサおよび物質特定システム

Info

Publication number: JPH1156389A
Application number: JP9231365A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ishimori; 義雄石森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-02
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JP3595120B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物質を連続的に検出するとともに、該物質の
種類や量を正確に特定することが可能なセンサおよび物
質特定システムを提供すること。【解決手段】物質と相互作用を示す膜と、前記膜の情
報を獲得する手段とを備えたセンサおよびセンサより獲
得した情報を評価する手段を備えた物質特定システムに
よる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物質の存在を検出
するセンサおよび該センサを搭載した物質特定システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、環境中には、天然物や人工的に合
成された多数の物質が存在しており、新たに合成され、
環境中に放出される物質の数は益々増大している。環境
中の物質の中には、生体や細胞等に作用して特定の機能
を阻害したり、該生体や細胞等を死に至らしめる物質
（広義の毒物）、例えば、水道水や地下水中に含まれる
トリハロメタン、シアン、カドミウムや、大気中に含ま
れるダイオキシン等が多数存在している。

【０００３】ところで、環境中の物質の存在は、例え
ば、以下のような方法で検出されてきた。すなわち、浄
水場において、水道水として供給される原水中に含まれ
るトリハロメタンやシアンを検出する場合には、原水を
連続的に供給した水槽でモルミルス等の魚を飼育して魚
の動きを画像解析し、魚の異常行動を確認することによ
って、原水中におけるトリハロメタンやシアン等の存在
を検出する。また、原水中に硝化細菌の同化物質となる
アンモニア等を一定量添加した後に、該原水を、硝化細
菌を電極表面に固定化した酸素センサと接触させ、硝化
細菌の代謝活性を溶存酸素濃度の減少量から見積もり、
代謝活性の低下を確認することによって、原水中におけ
るトリハロメタンやシアン等の存在を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生体を
用いた方法では、ほぼリアルタイムで物質の検出ができ
るものの、該生体の機能を阻害しない物質については全
く検出することができないという問題があった。

【０００５】また、生体に対する物質の作用は、多くの
場合、種および細胞特異性が認められることから、例え
ば、魚等に物質が何ら影響を与えない場合には、物質が
存在するにもかかわらず、該物質を検出することができ
ないという問題があった。

【０００６】さらに、生体には種々の物質が影響を与え
るため、魚等の挙動に変化が認められた場合にも、該物
質の種類や存在量を特定することができないという問題
があった。

【０００７】本発明は、上記従来例に鑑みてなされたも
ので、物質を連続的に検出するとともに、該物質の種類
や量を正確に特定することが可能なセンサを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】また、物質を連続的に検出するとともに、
該物質の種類や量を正確に特定することが可能な物質特
定システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るセンサは、
物質と相互作用を示す膜と、前記膜の情報を獲得する手
段とを具備したことを特徴としている。

【００１０】本発明に係るセンサによれば、物質と相互
作用を示す膜の情報を獲得することにより、物質との相
互作用より生じる膜の変化を観測できるので、物質の存
在を検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特定
することが可能となる。

【００１１】また、本発明に係る物質特定システムは、
物質と第１の相互作用を示す第１の膜と、前記物質と第
２の相互作用を示す第２の膜と、前記第１および第２の
膜の情報を獲得する手段とを有するセンサと、前記獲得
した情報を評価する手段とを具備したことを特徴として
いる。

【００１２】本発明に係る物質特定システムによれば、
物質と第１および第２の相互作用を示す第１および第２
の膜の情報を獲得し、獲得した情報を評価することによ
り、物質との相互作用より生じる第１および第２の膜の
変化を観測して多面的に検討できるので、物質の存在を
検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特定する
ことが可能となる。

【００１３】はじめに、本発明の概念について詳述す
る。

【００１４】生体に対し何らかの作用を示す物質は、換
言すれば、生体を構成する「細胞」に対し何らかの作用
を示す物質である。したがって、細胞に対し何らかの作
用を示す物質は、細胞の備えた「細胞膜」と、何らかの
相互作用を示すと考えられる。ここで、相互作用とは、
膜と物質とが互いに何らかの影響を及ぼしあうことを示
しており、膜への物質の接着や吸着、膜内への物質の取
り込み、および膜を物質が透過する現象等が生じる機構
を意味している。そこで、人工的に作製した膜（人工
膜）を、例えば、電極の表面に装着し、該電極を通じて
膜の情報を獲得することにより、膜と相互作用を示す物
質の存在をリアルタイムで検出することが可能となるの
である。すなわち、物質との相互作用により変化する膜
の情報、例えば、膜電位、電気容量、イオンの透過性、
発光、発熱および吸熱等を獲得し、物質との相互作用の
前後の出力値の差から、物質の存在を判定できるのであ
る。また、物質の種類や量の決定については、例えば、
以下のようにして決定することができる。

【００１５】一般に、細胞膜は、リン脂質を主成分とす
る脂質二重膜に蛋白質や糖等の分子が取り込まれたり、
表面より蛋白質や糖等の分子の一部が突出するように構
成されている。したがって、本発明の膜は、例えば、細
胞膜を模倣し、脂質膜や他の高分子膜に対し物質と作用
する各種の蛋白質または糖等の分子を配合することによ
り人工的に作製することができる。なお、物質の種類に
よっては、脂質膜と相互作用を示す場合もあるので、物
質と作用する物質を配合することは必須条件ではない。
また、ポリマーを素材とした中空糸膜を用いることも可
能である。そして、膜の作成に際し、脂質、蛋白質およ
び糖等の種類や量、更には、膜の作製方法等を変化させ
て組み合わせることにより、任意の物質の存在や量を判
定できるセンサを得ることができる。このとき、物質と
相互作用した場合に獲得される膜の情報、例えば、物質
の種類および量に応じて膜の電位がどのように変化する
かを予め求めておけば、実際に膜より獲得された情報を
基に、物質の種類および量を容易に決定することができ
る。

【００１６】次に、本発明のセンサについて詳述する。

【００１７】本発明において、センサを構成する膜は、
上述したように、脂質、蛋白質および糖を有する細胞膜
を模倣した膜、脂質のみから構成される膜およびポリマ
ーを素材とした中空糸膜等を挙げることができる。細胞
膜を模倣した膜、脂質のみから構成される膜は、（１）
単分子膜、（２）平面二重層、（３）リポソームまたは
小胞に分類することができ、本発明においては、いずれ
の膜を用いることも可能である。図１２は、細胞膜を模
倣した膜の一例を概念的に示した図であり、液状のリン
脂質二重膜１２０の中に球状の膜蛋白質１２１が種々の
形で埋まっていて、これらはリン脂質二重膜１２０の中
を自由に移動することが可能である。ところで、脂質二
重膜は莫大な数の脂質分子が集合して構成されており、
そこには統計熱力学的な現象が観察される。すなわち、
脂質二重膜は、温度変化により相転移を示し、例えば、
ジパルミトイルホスファチジルコリンは、低温での結晶
相から、ゲル相、リップル相、流動相へと変化し、この
相転移にともなって脂質二重膜の物性は大きく変化す
る。例えば、脂質分子や蛋白質分子の拡散定数は相転移
にともなって数十倍、時には数百倍も大きくなる。した
がって、本発明においては、用いる脂質二重膜の相転移
点を把握しておき、物質を検出するに際しては測定時の
温度を把握しておくことが重要である。細胞膜を模倣し
た膜において、膜の主成分は蛋白質と脂質であり、ま
た、糖蛋白質や糖脂質を導入することができる。このと
き、蛋白質と脂質の相対比は任意に制御することが可能
であるが、一般的には、乾燥重量で蛋白質を２０％−８
０％の範囲に制御する。また、膜蛋白質は、一般に生化
学的な活性を示す物質であり、それぞれの膜系において
特異的な物質との相互作用を示す物質である。膜蛋白質
は、疎水性領域が膜脂質の疎水性脂肪酸側鎖と整合する
ように相互作用するので、膜脂質の厚さに依存して変形
するが、この変形が膜蛋白質の活性を変動させることか
ら、活性に最適な膜脂質分子種を選択することが望まし
い。さらに、膜蛋白質は、疎水結合や静電的相互作用等
の非共有結合により脂質二重膜と結合することになる。
ここで、膜蛋白質と脂質二重膜との結合方式は、例え
ば、図１３に模式的に示した様式をとることができ、膜
蛋白質１３０の脂質二重膜１３１に埋め込まれている部
分は、αヘリックス構造をしていると推測される。膜蛋
白質は、検出する物質に対応させて適宜選択することが
でき、各種の抗体や抗原、リガンドと結合する各種のレ
セプターおよび酵素等を挙げることができる。

【００１８】さらに、脂質は、二重膜層を形成して蛋白
質を結合させる機能をも有しており、例えば、リン脂
質、リゾリン脂質、グリコシルジアシルグリセロール、
プラズマローゲン、スフィンゴミエリンおよびステロー
ルを挙げることができ、糖脂質としては、スフィンゴリ
ン脂質、グリセロ糖脂質およびスフィンゴ糖脂質等を挙
げることができる。また、中空糸膜を用いる場合には、
孔径の大きさを検出する物質にあわせて選択することが
できるが、一般的には、０．１〜５．０μｍの範囲に制
御されることが望ましい。また、中空糸膜の成形に用い
られるポリマーとしては、例えば、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロース
アセテート、ポリアミドおよびポリフッ化ビニリデン等
を挙げることができ、さらに、中空糸膜の細孔には生体
膜を模倣した膜を配置することもできる。また、中空糸
膜に上記蛋白質を固定化することもできる。なお、中空
糸膜は、例えば、熱誘導相分離法、蒸発誘導相分離法お
よび拡散誘導相分離法を用いて製造することができる。
さらに、細胞膜を模倣した膜を製造する方法としては、
例えば、用途に応じて、適当な脂質および物質と作用を
示す蛋白質や糖脂質、適当な界面活性剤の適当量を含む
水溶液を調製し、緩衝液中で、微小シリンジを用いて該
水溶液の一定量をテフロン製の膜（中央に直径１mm程度
の孔が空いている）に注入する。すると、テフロン膜の
孔の部分に脂質二重膜が再構成され、同時に、物質と作
用を示す蛋白質や糖脂質等も脂質二重膜内に取り込まれ
て膜が形成される。また、上記脂質と物質と作用を示す
蛋白質や糖脂質のクロロホルム溶液を緩衝液の表面に展
開し、ＬＢ膜形成装置を用いて脂質単分子膜として電極
などの担体表面に膜を再構成することも可能である。さ
らに、上記クロロホルム溶液を硝子製のフラスコ中に収
容して該フラスコ内で溶媒を回転除去（エバポレーショ
ン）し、該フラスコ内壁に脂質膜を形成した後、緩衝液
を入れて一定温度以上まで上昇させ、次いで、強く攪拌
したり、あるいは超音波を照射することでリポソームと
呼ばれる脂質膜を形成することもできる。さらに、リポ
ソームの懸濁液を適当な孔径を有するメンブランフィル
タに通すと、メンブランフィルタ内の細孔に脂質等の分
子がパッキングされるので、このメンブランフィルタを
膜として用いることも可能となる。

【００１９】また、本発明において、物質とは、膜と上
記相互作用を示すものであれば、特に限定はされず、例
えば、膜に直接作用するブドウ球菌α毒素、腸炎ビブリ
オ耐熱性毒素、ウェルシュ菌αおよびθ毒素、ヘビ毒お
よびハチ毒等の生物毒、トリクロロエチレン（ＴＣ
Ｅ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ＰＣＢおよびダイオ
キシン等の有機塩素化合物、各種の抗体や抗原、レセプ
ターと結合する各種のリガンド、カリウム、リチウム、
カルシウム、ナトリウム等のイオンおよび膜と融合する
ウイルス粒子そのものまで、広範囲にわたり挙げること
ができる。これらの物質を検出するにあたっては、上述
したように、抗原抗体反応のように特異性の大きなもの
から、ほぼ全ての脂質二重膜と作用を示すものまで、多
くの作用機序が存在することから、検出する物質に合わ
せて、膜の構成を適合させることが必要である。

【００２０】また、膜の情報としては、膜電位、膜表面
電位、電気容量、伝導度、抵抗率、膜より生じる光およ
び膜の流動性等を挙げることができる。これらの情報を
獲得することにより物質の存在を検出できる理由につい
て、以下に一例を示して説明する。図１４は、脂質二重
膜を通過する極性・非極性溶質に対する自由エネルギー
障壁の形を示した図である。物質が脂質二重膜１４１を
通過するには、（１）境界面の抵抗または自由エネルギ
ー障壁にうちかって膜の中に入り、（２）脂質二重膜１
４１内を拡散し、（３）再び境界面でのあらゆる抵抗に
うちかって脂質二重膜１４１の反対側に出なければなら
ない。このとき、脂質二重膜の構成に大きな乱れが生
じ、上記膜の情報が大きく変化することから、膜の情報
をモニタすることで物質の存在を検出することができる
のである。また、物質との相互作用によって、膜に透過
孔が形成される場合があり、例えば、単一ペプチドであ
るコリシンは、膜の中で電圧に感受性のゲートを持つ非
選択的なチャネルを形成する。したがって、膜の情報を
モニタすることで、コリシン等の物質の存在を検出する
ことができるのである。また、膜の情報を獲得する手段
としては、上記情報を膜より抽出できる構成を備えたも
のであれば何ら限定されるものではない。例えば、膜電
位を測定する場合には、膜を介して電極を配置して測定
する方法、スピン標識したＥＰＲプローブを用いる方法
およびメロシアニン、オキソノール、シアニン系色素等
の光学プローブを用いる方法を適用した各種の機器を挙
げることができ、また、膜の流動性を測定する場合に
は、蛍光プローブやスピンプローブの分光学的性質から
導かれるパラメータによって膜の流動性を定量化する方
法を適用した各種の機器を挙げることができる。

【００２１】次に、本発明に係る物質特定システムにつ
いて詳述する。一般に、物質との相互作用により膜から
獲得される情報は、膜の構成が同一の場合、物質の種類
および存在量により微妙に異なっている。したがって、
各種の物質のそれぞれ、およびそれらの物質を組み合わ
せた場合について、ある構成を備えた膜との相互作用に
よって獲得される情報を予め収集しておき、実際に獲得
された情報と予め収集した情報とを照らし合わせれば、
物質の存在および存在量を容易に検出することができ
る。また、物質との相互作用により膜から獲得される情
報は、物質または複数の物質の組み合わせおよび存在量
が同じであり、かつ同一種の情報であっても、膜の構成
により微妙に異なっている。したがって、複数種の膜に
対し、各種の物質のそれぞれ、およびそれらの物質の組
み合わせについて、それぞれの物質の存在比および存在
量を変化させた場合について、各膜との相互作用によっ
て獲得される情報を予め収集しておき、実際に複数種の
膜から獲得された情報と予め収集した情報とを照らし合
わせて評価すれば、物質の存在および存在量を容易に検
出することができる。この場合、複数種のセンサを用い
ることから、物質の検出および定量性の精度がさらに向
上する。図１５は、膜の構成のみが異なるセンサ１５１
ａ−１５１ｃを用いて、物質Ａを検出した場合および物
質Ｂを検出した場合に、膜１５２ａ−１５２ｃから獲得
される情報（ここでは、膜電位）を示した図である。図
１５に示したように、物質が異なると、同じセンサを用
いた場合であっても獲得される情報は異なっている。ま
た、同一の物質であっても、存在量が異なれば獲得され
る情報は異なっている。したがって、これらの情報を予
め収集しておけば、高い精度で、物質の存在および存在
量を検出することができる。また、抗原抗体反応や酵素
反応のように、特異性が高い反応を用いてのみ物質を検
出する場合には、獲得された情報より物質の存在が容易
に確認できることから、特に、物質の存在量についての
情報を予め収集しておくだけでよい。なお、膜は、１つ
の物質のみと相互作用を示すように構成してもよいし、
複数の物質と相互反応を示すように構成してもよい。さ
らに、獲得された情報を評価する方法としては、例え
ば、図１５に示された各情報の波形（パターン）をそれ
ぞれ比較したり、予め作成された各情報の波形（パター
ン）のデータベースを参照することにより物質の存在お
よび存在量を判定するようにしてもよいし、各情報のピ
ークのみを比較することにより物質の存在および存在量
を判定するようにしてもよく、例えば、上記方法が適用
されたものであれば、獲得された情報を評価する手段と
して用いることができる。また、各情報を合成する等に
より該情報を加工し、加工された情報に基づいて、物質
の存在および存在量を検出するようにしてもよい。

【００２２】また、本発明に係るセンサおよび物質特定
システムは、血液検査等の臨床検査、食品の鮮度の測
定、地下水、河川および海洋等の環境中に存在する物質
の検出等のいかなる用途に対しても適用することができ
るが、生体にセンサを配置して、例えば、血糖値を検出
したり、環境中にセンサを配置して、例えば、ダイオキ
シン等の変異原を検出すするために、リアルタイムで膜
より情報を獲得する場合には、該情報をセンサの配置さ
れた原位置より発信し、この発信された情報を特定の場
所において受信するように構成すれば、センサの配置に
関する制約を受けることなく、物質を検出し、物質の種
類や存在量を連続的に特定することが可能となる。さら
に、本発明に係るセンサおよび物質特定システムは、膜
の定常状態からの変化を観測することにより、ほぼリア
ルタイムで膜より情報を獲得することができるが、生物
（生体）を適用していないことから、生物の恒常性を保
つための同化物質を投与したり、周囲の環境を常に一定
に保つ等のメンテナンスを全く必要としないことはいう
までもない。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について詳細に説明する。

【００２４】（実施例１）はじめに、シアノバクテリア
より、ゾーン遠心分離および等密度遠心分離を用いて細
胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対し、重量比で３０
％のコレステロールを添加して第１の溶液を調製した。
次に、第１の溶液１ｍＬを１% トライトンX-１００の４
ｍＬに溶解して第２の溶液を調製し、図１（ａ）に示す
ように、該第２の溶液の５０μＬ程度をシリンジ１０１
を用い、水中でテフロンビーカ１０２の備えた細孔１０
３に静かに乗せｌ時間室温に放置することにより、シア
ノバクテリアの細胞膜成分を含む脂質二重膜１０４がテ
フロンビーカ１０２の細孔１０３に再構成された。次
に、図１（ｂ）に示したように、テフロンビーカ１０２
を外部容器１０５に収納するとともに、それぞれの容器
内に１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）を供給し、脂
質二重膜１０４の膜電位の測定が可能となるように構成
して、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ１０
２または外部容器１０５に収納された緩衝液に１ｍＭの
シアン化ナトリウム溶液１００μＬを添加して（該シア
ン化ナトリウム溶液は最終的に約５００倍に希釈され
た）膜電位を測定した。その結果、膜電位は、図２の
（ａ）に示したように変化し５ｍＶ付近で一定となっ
た。次に、テフロンビーカ１０２または外部容器１０５
に収納されたシアン化ナトリウム溶液の添加された緩衝
液に、再度、１ｍＭのシアン化ナトリウム溶液１００μ
Ｌを添加したところ、図２の（ｂ）に示したように再
び、脂質二重膜１０４の膜電位が変化し１０ｍＶ付近で
一定になった。一方、シアン化ナトリウム溶液の代わり
に、テフロンビーカ１０２または外部容器１０５に収納
された緩衝液に１ｍＭの塩化ナトリウム溶液を１００μ
Ｌ添加したところ、図２の（ｃ）に示したように膜電位
の変化はほとんど観測されなかった。

【００２５】したがって、本実施例においては、シアン
イオンを特異的に検出することが原理的に可能であるこ
とが示された。なお、脂質二重膜１０４の代わりにシア
ノバクテリアの細胞膜成分を含まない脂質二重膜（ホス
ファチジルコリンとコレステロールから構成された膜）
を用いた場合には、シアンイオンの濃度に関係なく膜電
位の変化はほとんど観測されず、ほぼ一定の膜電位が観
測されたことから、検出する物質によって膜の構成の設
定が必要であることが確認された。

【００２６】（実施例２）実施例１と全く同様の構成に
より、トリクロロエチレン（ＴＣＥ）の検出を試みた。
すなわち、シアン化ナトリウム水溶液の代わりに、テフ
ロンビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩
衝液中に１０ｐｐｍのＴＣＥ溶液を、該ＴＣＥの添加量
を変動させて添加し、脂質二重膜１０４の膜電位の変化
を測定した。その結果、脂質二重膜１０４の膜電位は、
シアノバクテリアの細胞膜成分が含有しているにもかか
わらず、図３の（ａ）に示したように、ＴＣＥの添加量
の増大に伴って大きくなるように変化した。また、脂質
二重膜１０４の代わりにシアノバクテリアの細胞膜成分
を含まない脂質二重膜（ホスファチジルコリンとコレス
テロールから構成された膜）を用いた場合には、膜電位
の変化量は、図３の（ｂ）に示したように、脂質二重膜
１０４における膜電位の変化量と比べより大きかった。

【００２７】したがって、同一の構成を備えたセンサに
おいて、物質の種類が異なる場合には、物質と膜との相
互作用に相違がみられ、獲得される情報にも違いがある
ことが確認された。

【００２８】（実施例３）実施例１と全く同様の構成に
より、テフロンビーカ１０２または外部容器１０５に収
納された緩衝液中に、１０ｍＭのシアン化ナトリウム水
溶液および１０ｐｐｍのＴＣＥ溶液を順に添加し（最終
的に、それぞれ５００倍に希釈された）、脂質二重膜１
０４の膜電位の変化を測定した。その結果、脂質二重膜
１０４の膜電位は、図４に示したように、各々の物質に
対応するように変化することが確認された。また、テフ
ロンビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩
衝液中に、１０ｍＭのシアン化ナトリウム水溶液および
１０ｐｐｍのＴＣＥ溶液を予め混合した混合溶液を添加
し、脂質二重膜１０４の膜電位の変化を測定したとこ
ろ、脂質二重膜１０４の膜電位は、図５の実線に示した
ように、各々の物質に対応する変化が加算された変化を
示すことが確認された。

【００２９】したがって、脂質二重膜１０４は、シアン
化ナトリウムおよびＴＣＥの双方と、それぞれ独立して
相互作用を示すことが確認された。

【００３０】（実施例４）実施例１と全く同様の構成に
より、テフロンビーカ１０２または外部容器１０５に収
納された緩衝液中に、ＴＣＥを含有した地下水を添加し
（最終的に、１０倍に希釈された）、脂質二重膜１０４
の膜電位の変化を測定した。その結果、同一の地下水中
のＴＣＥをガスクロマトグラフにより検出した結果と脂
質二重膜１０４の膜電位の変化とを対応させたところ、
脂質二重膜１０４の膜電位の変化は、ガスクロマトグラ
フの結果と非常に整合性が高いことが確認された。な
お、図６に示したように、本実施例に係るセンサは、測
定開始後、少なくとも半年間にわたり安定して動作しつ
づけたことが確認された。

【００３１】（実施例５）はじめに、シアノバクテリア
より、ゾーン遠心分離および等密度遠心分離を用いて細
胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対し、重量比で３０
％のコレステロールを添加して第１の溶液を調製した。
次に、第１の溶液１ｍＬを１% トライトンX-１００の４
ｍＬに溶解するとともに、ジチオピリジル基を導入した
ジパルミトイルホスファチジルエタノ一ルアミン(DTP-D
PPE)を膜中に５mol%含有されるよう添加して第３の溶液
を調製し、図１（ａ）に示すように、該第３の溶液の５
０μＬ程度をシリンジ１０１を用い、水中でテフロンビ
ーカ１０２に備えた細孔１０３に静かに乗せｌ時間室温
に放置することにより、DTP-DPPEを５mol%含有したシア
ノバクテリアの細胞膜成分を含む脂質二重膜がテフロン
ビーカ１０２の細孔１０３に再構成された。次に、ダイ
オキシンに対するモノクローナル抗体を架橋剤（SPDP）
により上記脂質二重膜の表面に固定化した。一方、通常
の大気（１Nm³、１ngのダイオキシン類を含有）をｌ０
ｍＬの水を入れたカラムに通して１時間にわたり循環し
ておき、該水の１ｍＬを、実施例１と同様にして、テフ
ロンビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩
衝液中に添加した。その結果、上記脂質二重膜におい
て、０．１ｍＶの膜電位変化が観測された。また、ダイ
オキシン類を含まない大気を循環したカラムより得られ
た水を、同様にテフロンビーカ１０２または外部容器１
０５に収納された緩衝液中に添加した場合には、上記脂
質二重膜の膜電位はほとんど変化しなかった。

【００３２】したがって、上記脂質二重膜は、ダイオキ
シンのみと特異的に相互作用し、ダイオキシンが存在す
る場合にのみ、膜電位の変化を生じることが確認され
た。

【００３３】（実施例６）はじめに、リピドＡの濃縮溶
液を調製し、図１（ａ）に示したように、該濃縮溶液の
５０μＬ程度をシリンジ１０１を用い、水中でテフロン
ビーカ１０２に備えた細孔１０３に静かに乗せｌ時間室
温に放置することにより、リピドＡからなる脂質二重膜
がテフロンビーカ１０２の細孔１０３に構成された。次
に、図１（ｂ）に示したように、テフロンビーカ１０２
を外部容器１０５に収納するとともに、それぞれの容器
内に１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）を供給し、上
記脂質二重膜の膜電位の測定が可能となるように構成し
て、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ１０２
または外部容器１０５に収納された緩衝液に、図７のグ
ラフの横軸に示した濃度となるようにサルモネラ内毒素
を添加して膜電位を測定した。その結果、膜電位は、図
７に示したように、サルモネラ内毒素の濃度に比例して
大きくなることが確認された。したがって、脂質二重膜
の膜電位の変化に基づいて、サルモネラ内毒素の存在を
検出することはもちろん、サルモネラ内毒素の濃度を定
量することが可能である。

【００３４】（実施例７）スフィンゴミエリン、コレス
テロールおよびリン脂質を５：５０：４５（モル％）と
なるように混合した濃縮溶液を調整し、実施例６と同様
にしてテフロンビーカ１０２の細孔に脂質二重膜を構成
した。次に、図１（ｂ）に示したように、テフロンビー
カ１０２を外部容器１０５に収納するとともに、それぞ
れの容器内に１０ｍＭＨＥＰＥＳ緩衝液（ｐＨ７．
４）を供給し、上記脂質二重膜の膜電位の測定が可能と
なるように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフ
ロンビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩
衝液に、図８のグラフの横軸に示した濃度となるように
ジフテリアトキシンを添加して膜電位を測定した。その
結果、膜電位は、図７に示したように、ジフテリアトキ
シンの濃度に比例して大きくなることが確認された。し
たがって、脂質二重膜の膜電位の変化に基づいて、ジフ
テリアトキシンの存在を検出することはもちろん、ジフ
テリアトキシンの濃度を定量することが可能である。

【００３５】（実施例８および９）ジミストイルホスフ
ァチジルコリンの濃縮溶液を調製し、実施例６と同様に
してテフロンビーカ１０２の細孔に脂質二重膜を構成し
た。次に、図１（ｂ）に示したように、テフロンビーカ
１０２を外部容器１０５に収納するとともに、それぞれ
の容器内に１０ｍＭＨＥＰＥＳ緩衝液（ｐＨ７．４）
を供給し、上記脂質二重膜の膜電位の測定が可能となる
ように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフロン
ビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩衝液
に、cis-ＤＣＥが１ｐｐｍ（実施例８）、ＴＣＥが１０
ｐｐｍ（実施例９）となるようにそれぞれ添加して、上
記脂質二重膜の膜電位を測定した。その結果、膜電位
は、図９に示したように、cis-ＤＣＥの場合とＴＣＥの
場合とで異なる変化を示すことから、cis-ＤＣＥおよび
ＴＣＥをそれぞれ検出できることが確認された。

【００３６】（実施例１０−１４）レシチン、コレステ
ロールおよびジパルミトイルホスファチジルエタノール
アミンを５０：４５：５（実施例１０）、５０：４５：
３（実施例１１）、５０：４５：２（実施例１２）、５
０：４５：１（実施例１３）、５０：４５：０（実施例
１４）の比率（すべてモル％）となるように混合した濃
縮溶液を調製し、実施例６と同様にしてテフロンビーカ
１０２の細孔に脂質二重膜をそれぞれ構成した。次に、
図１（ｂ）に示したように、テフロンビーカ１０２を外
部容器１０５に収納するとともに、それぞれの容器内に
１０ｍＭＨＥＰＥＳ緩衝液（ｐＨ７．４）を供給し、
上記それぞれの脂質二重膜の膜電位の測定が可能となる
ように構成して、膜電位を測定した。次いで、テフロン
ビーカ１０２または外部容器１０５に収納された緩衝液
に、ＴＣＥが１０ｐｐｍとなるようにそれぞれ添加し
て、上記脂質二重膜の膜電位をそれぞれ測定した。その
結果、膜電位は、図１０に示したように、膜の構成によ
って異なる変化を示すことから、複数種の膜を用いて物
質を検出することにより、より正確な物質種および存在
量の特定ができることが確認された。

【００３７】（実施例１５）はじめに、血液より採取し
たマクロファージより、ゾーン遠心分離および等密度遠
心分離を用いて細胞膜画分を調製し、該細胞膜画分に対
し、重量比で３０％のコレステロールを添加して第４の
溶液を調製した。次に、第４の溶液１ｍＬを１% トライ
トンX-１００の４ｍＬに溶解して第５の溶液を調製し、
図１（ａ）に示すように、該第５の溶液の５０μＬ程度
をシリンジ１０１を用い、水中でテフロンビーカ１０２
に備えた細孔１０３に静かに乗せｌ時間室温に放置する
ことにより、マクロファージの細胞膜成分を含む脂質二
重膜がテフロンビーカ１０２の細孔１０３に再構成され
た。次に、図１１に示したように、テフロンビーカ１０
２を外部容器１０５に収納するとともに、それぞれの容
器内に１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．４）を供給し、
脂質二重膜１１０の膜電位の測定が可能となるように構
成して、膜電位を測定した。次いで、テフロンビーカ１
０２または外部容器１０５に収納された緩衝液にＨＩＶ
−１を混合した溶液（１０^４pfu ）１００μＬを添加し
て（該溶液は最終的に約５００倍に希釈された）膜電位
を測定した。なお、本実施例においては、測定された膜
電位は、検出信号として送信部１１１に送信され、送信
信号がアンテナ１１２を通じて発信されるようになって
いる。また、発信された送信信号は、アンテナ１１３に
より受信されて受信部１１４に送られ、受信部１１４で
検出信号に復調されて検出端末１１５より取り出される
ように構成されている。なお、検出端末１１５には、セ
ンサより獲得した情報を評価するデータベース等を保持
させ、獲得された情報の評価を行わせるようにすること
も可能である。

【００３８】膜電位の測定の結果、脂質二重膜１１０に
おいて、ウイルス粒子の膜への融合に起因すると推測さ
れる０．１ｍＶの膜電位変化が観測された。また、ＨＩ
Ｖ−１の代わりにＴＭＶを用いた場合には、脂質二重膜
１１０の膜電位はほとんど変化しなかった。したがっ
て、上記脂質二重膜は、ＨＩＶ−１の検出に用いること
ができ、膜より獲得された情報はリアルタイムで検出端
末より出力されることが確認された。

【００３９】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明に係るセ
ンサによれば、物質と相互作用を示す膜の情報を獲得す
ることにより、物質との相互作用より生じる膜の変化を
観測できるので、物質の存在を検出するとともに、該物
質の種類や量を正確に特定することが可能なセンサを提
供することができる。

【００４０】また、本発明に係る物質特定システムによ
れば、物質と第１および第２の相互作用を示す第１およ
び第２の膜の情報を獲得し、獲得した情報を評価するこ
とにより、物質との相互作用より生じる第１および第２
の膜の変化を観測して多面的に検討できるので、物質の
存在を検出するとともに、該物質の種類や量を正確に特
定することが可能な物質特定システムを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】膜の作成方法およびセンサの構成を示した図で
ある。

【図２】膜電位の測定結果を示した図である。

【図３】膜電位の測定結果を示した図である。

【図４】膜電位の測定結果を示した図である。

【図５】膜電位の測定結果を示した図である。

【図６】膜電位の経時的な測定結果を示した図である。

【図７】膜電位の測定結果を示した図である。

【図８】膜電位の測定結果を示した図である。

【図９】膜電位の測定結果を示した図である。

【図１０】膜電位の測定結果を示した図である。

【図１１】センサの構成を示した図である。

【図１２】細胞膜を模倣した膜の一例を概念的に示した
図である。

【図１３】膜蛋白質と脂質二重膜との結合方式を示した
図である。

【図１４】脂質二重膜を通過する極性・非極性溶質に対
する自由エネルギーの障壁の形を示した図である。

【図１５】膜より獲得された各情報の波形（パターン）
を示した図である。

【符号の説明】

１０１……シリンジ１０２……テフロンビーカ１０３……細孔１０４……脂質二重膜１０５…
…外部容器１１０……脂質二重膜１１１……送信部１１
２、１１３……アンテナ１１４……受信部１１５……検出端末１２０……リン脂質二重膜１２１、１３０……膜蛋
白質１３１、１４１……脂質二重膜１５１ａ−１５１ｃ……センサ１５２ａ−１５２ｃ……膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物質と相互作用を示す膜と、前記膜の情報を獲得する手段と、を具備したことを特徴とするセンサ。
【請求項２】物質と第１の相互作用を示す第１の膜
と、前記物質と第２の相互作用を示す第２の膜と、前記
第１および第２の膜の情報を獲得する手段とを有するセ
ンサと、前記獲得した情報を評価する手段と、を具備したことを特徴とする物質特定システム。