JP2711886B2

JP2711886B2 - 有機物センサー及び有機物濃度の測定方法

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Publication number: JP2711886B2
Application number: JP1058891A
Authority: JP
Inventors: 和枝栗原; 安宏青山; 豊喜国武
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH02236437A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、被測定液に含まれている水素結合性有機物
の濃度を測定するためのセンサー及び測定方法に関す
る。

〔従来の技術〕

化学物質に応答するセンサーは、化学センサーと呼ば
れており、（１）pHセンサーに代表されるイオンセンサ
ー，（２）ガスセンサー，（３）バイオセンサー等があ
る。イオンセンサーは、被測定液に含まれている化学物
質の濃度をイオン感応膜の膜電位変化として検出する。
ガスセンサーとしては多種多様なものがあるが、たとえ
ば半導体ガスセンサーは、ガス分子吸着時の電気抵抗変
化を測定し、定電位電解式及びガルバニ電池式ガスセン
サーは電気化学的酸化還元を利用するものである。これ
らイオンセンサー及びガスセンサーでは、被検出物質に
よって感応部の物性が変化し、その変化量を検出シグナ
ルとして取り出している。また、測定される対象は、無
機分子が多い。

他方、有機分子の検出は、医療検査，醗酵，食品工
業，バイオエンジニアリング等の多くの分野で必要とさ
れる。この検出手段としては、酵素センサー等のバイオ
センサーが使用されている。このバイオセンサーでは、
特定の物質を選択的に認識できる生体物質を利用し、そ
の生体物質の物性変化を検出シグナルとして取り出して
いる。

たとえば、グルコース（ブドウ糖）を測定するための
酵素センサーでは、酵素としてグルコールオキシターゼ
（GOD）が使用される。そして、溶存酵素を含有した測
定溶液中のグルコースは、センサーの酸素膜に接触し、
次の酵素反応によって酸素を消費してグルコン酸に変化
し、過酸化水素を発生する。

このとき消費される酸素O₂或いは生成した過酸化水素
H₂O₂を、前述したガスセンサーで測定して、グルコース
濃度を決定する。このように、バイオセンサーの最も一
般的な構成は、イオンセンサーやガスセンサー等の各種
化学センサーと生体物質とを組み合わせたものである。
このようにバイオセンサーでは、被検出物質と特異な反
応を行う生体物質を選択し、酸素，過酸化水素等のイオ
ンセンサーやガスセンサー等で検出可能な生成物を与え
ている。この組合せによって、多種類の有機分子の検出
が可能となり、また微量測定も可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来から使用されているバイオセンサ
ーでは、その機能上から感応部とシグナル発生部が別個
に構成されているため、複雑な構造をもつものとなって
いる。しかも、固定化酵素等を使用するセンサーでは、
酵素の活性が経時的に変化したり、使用温度が酵素の種
類によって定まる生理温度付近に制限される欠点があ
る。

この点、無機化合物を対象としたイオンセンサーやガ
スセンサーのような感知応答機構をもった有機物センサ
ーの開発が要求されており、一部で試験的な研究が行わ
れている。たとえば、岡畑等は、Polymer Preprints,Ja
pan Vol.37,No.10 p3309−3311（1988）で、二分子膜で
被覆した水晶発振子や多孔ポリマー膜を使用し、二分子
膜に各種疎水性アルコールを吸着させるとき、膜電位や
膜抵抗が変化することを見い出し、センサーとして使用
可能なことを報告している。ここでの分子識別は、疎水
分子が膜の疎水層に分配されることによって行われてい
る。

また、小田嶋等は、脂溶性大環状ポリアミンを含む液
膜を分子認識素子とするカテコール類感応センサーを報
告している〔第３回生体機能関連化学シンポジウム予講
集p165−167（1988）〕。この報告では、中性分子であ
るカテコール類に対しても電位応答性を示すことが見出
されており、ホスト−ゲスト間の水素結合相互作用によ
るプロトンエジェクションを電位応答のメカニズムと推
察している。

ところが、岡畑等が報告したセンサーは、対象とする
化合物が脂溶性のものに限られるという欠点がある。他
方、小田嶋等のセンサーは、応答の原因が明らかにされ
ていないと共に、液膜型であることから、測定できる物
性量が電位変化に限られる。そのため、選択性，感度，
操作性が低くなるという欠点がある。

本発明者のうちの一人は、環状レゾルシノール誘導体
の四塩化炭素溶液が、水から糖を構造選択的に抽出し、
水素結合で結びついた1:1の錯体を形成することが初め
て見い出し、“landmark paper"との評価を受けている
（青山他J.Am.Chem.Soc.,110,634（1988）;ibid 111,in
press（1989））。

そこで、本発明は、この環状レゾルシノール誘導体を
利用し、前述したイオンセンサーやガスセンサー等のタ
イプに相当する新規な有機物センサーを提供することを
目的とする。特に、中性の水溶性物質に適用可能で、測
定物質の種類や測定環境に応じ多様な物性変化としての
応答が得られるセンサーを提供することを目的とする。
また、このセンサーを使用して、被測定液中に微量含ま
れている有機物濃度を精度良く検出・測定することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の有機物センサーは、環状レゾルシノール基を
表面に固定して修飾した固体表面を分子認識部として使
用している。この有機物センサーを被測定液に接触させ
るとき、被測定液に含まれている水素結合性の有機物が
固体表面の分子認識部である環状レゾルシノール基に結
合（吸着）する。この吸着によって生じる電位，電流，
重量，吸光度，蛍光等の変化をモニターすることによ
り、有機物濃度が直接的に検出される。

すなわち、本発明の有機物センサーは、次式で表され
る環状レゾルシノール基：を官能基として、該官能基が表面側となるように固体表
面に固定したことを特徴とする。

なお、前掲の式におけるＲには、Ｃ_１〜20のアルキル
基，或いはシランカップリング剤のような形態で表面と
共有結合する官能基をもったアルキル誘導体等がある。
このＲが固体表面に結合され、Ｒを介し前記環状レゾル
シノール基は、表面側、すなわち被測定液側に配向され
る。

また、有機物濃度の測定方法は、環状レゾルシノール
基が表面側となるように固体表面に固定した有機物セン
サーを、水素結合性の有機物を含む被測定液中に浸漬
し、水素結合の形成により生じる環状レゾルシノール基
の物性変化を取り出し、この変化量に基づき被測定液中
の水素結合性有機物の濃度を測定することを特徴とす
る。

固体表面に環状レゾルシノール基を固定する方法とし
ては、環状レゾルシノール基を極性部としてもつ化合物
で水面に形成した単分子膜を固体表面に移し取るLangmu
ir−Blodgett法，同様な化合物を固体表面にキャストし
て固定する方法，官能基或いは官能基を含む化合物の誘
導体（たとえば、シランカップリング剤として）を共有
結合で固体表面に固定化する方法等が採用される。何れ
の方法を採用する場合にあっても、被測定物質との相互
作用部位である環状レゾルシノール基が被測定液に曝さ
れる状態で固体表面に固定することが必要である。

また、環状レゾルシノール基が表面に固定される固体
としては、電極，水晶発振子，石英，ガラス，ポリマー
フィルム，グラファイト等であり、特に制約があるもの
ではない。

たとえば、環状レゾルシノール基が修飾される固体基
板として電極を使用するとき、環状レゾルシノール基と
被測定物質との水素結合に起因して変化する電位，電流
等の電気化学的応答を測定シグナルとして取り出し、こ
のシグナルに基づいて被測定液中の有機物濃度を検出す
る。また、水晶発振子を固体基板として使用する場合に
は、重量変化を測定シグナルとして取り出す。更に、石
英板，ガラス板等を固体基板として使用する場合、吸光
度，発光強度等が測定シグナルとして取り出される。こ
のように、固体表面の環状レゾルシノール基に被測定物
質が結合することに起因した物性変化は、全て測定シグ
ナルとして取り出すことができる。

〔作用〕

本発明においては、感知部である固体基板の表面に環
状レゾルシノール基を固定化し、この環状レゾルシノー
ル基と被測定物質との間の水素結合形成によって、物質
の選択的認識結合（吸着）を行うものである。本発明で
使用する環状レゾルシノール基は、レゾルシノールと該
当するアルデヒドを酸性エタノール中で混合することに
よって合成される。

環状レゾルシノールでは、水酸基の配列が固定されて
おり、この非極性溶媒中での糖との錯体形成の親和性
は、（１）糖の構造中のし水酸基と環状レゾルシノール
基中の水酸基との間の適合性の良さ、（２）生成した錯
体の非極性溶媒中での安定性（錯体中の糖の水酸基が溶
媒に曝されないような形態がより安定である）によって
支配されており、その結果として糖の構造選択的な結合
が生じる。

このような性質をもつ環状レゾルシノール基で固体表
面を修飾した場合、固定された水酸基の環状配列によっ
て、被測定物中の水素結合性官能基と環状レゾルシノー
ル基中の水酸基との間に結合が生じ、その結合の立体的
な適否により選択性の高い有機物の結合（吸着）が可能
となる。

固体表面に修飾された環状レゾルシノール基と被測定
物質の官能基との結合、すなわち固体表面に対する被測
定物質の吸着は、固体基板と溶液との界面で生じる。し
たがって、吸着状態の安定性も、選択性に影響を与え、
その安定化を支配する因子は有機溶媒中とは異なる。こ
の吸着状態を安定にするためには、生成した錯体中で、
被測定物質中の極性基が可能な限り極性溶媒に曝される
形態、及び環状レゾルシノール基中のフェニル部分が可
能な限り吸着した物質の極性基で覆われた形態が好まし
い。

固体表面に修飾された環状レゾルシノール基に被測定
物質が結合されると、固体表面の物性が変化し、吸着物
質に基づく酸化還元電流，重量，吸光，発光等の変化と
して現れる。この被測定物質の吸着は、電位変化として
も観測され、特に中性の被測定物質が吸着した場合にお
いても、電位応答が現れる。これは、水素結合生成時の
電荷移動に起因するものと考えられる。たとえば、固体
としての電極の表面がプロトンドナーで修飾されている
場合、負の電位応答を与える。

これらの反応、すなわち固体表面の環状レゾルシノー
ル基に対する被測定物質の結合は、被測定液中の濃度と
平衡関係をもって生じる。被測定物質の濃度が高い場合
に物性の変化量が大きな値として現れ、逆に低い濃度の
場合に小さな物性の変化量が検出され、濃度と変化量と
の間には一般的に比例関係が成立する。また、環状レゾ
ルシノール基で修飾された電極の場合には、電極面が水
素結合形式によって被測定物質を選択的に吸着し、その
ときの水素結合形成に伴う電子移動に起因すると考えら
れる電位変化が生じる。この電位変化は、ある濃度以上
で被測定物質の濃度の対数に比例する。そのため、これ
らの変化量に基づき、被測定物質の濃度を検出すること
が可能となる。

〔実施例〕

−実施例１− Ｒ＝（CH₂）₁₀CH₃の環状レゾルシノール誘導体の単分
子膜でSnO₂電極表面を、次の手順で環状レゾルシノール
が電極表面の外側に出るように修飾した。すなわち、誘
導体の有機溶媒溶液を水面上に展開して、単分子膜を形
成した。この単分子膜を表面圧25mN/mにおいて、疎水化
処理したSnO₂系ガラス電極に移し取って、３層累積させ
た。このようにして単分子膜が固定されたSnO₂電極の表
面には、約0.8官能基/100Å^２の密度で環状レゾルシノ
ールが存在していた。

この電極を作用電極１として、第１図に示すように、
糖溶液２を添加し10mM Na₂SO₄を支持電解質とした溶液
３に浸漬した。他方、Ag/AgCl極を比較電極４として使
用し、KCl溶液５に浸漬した。そして、Na₂SO₄溶液３とK
Cl溶液５とを塩橋６で接続し、両電極1,4間の電位を電
位計７によって測定した。

糖溶液２としては、種々の水素結合性の被測定物質に
対する応答性を調べるため、リボース，キシロース，ガ
ラクトース等の単糖類を各種濃度でNa₂SO₄溶液３に添加
した。第２図は、このようにして測定された電位変化Δ
Ｖと糖濃度との関係を表したグラフである。第２図から
明らかなように、何れの糖類にあっても、糖濃度がある
値、すなわち閾値を超えた場合、電位の変化量ΔＶは、
糖濃度の対数に比例して増加している。この電位変化Δ
Ｖは、何れの場合でも約30mV/decadeの勾配をもった直
線的なものであった。特にリボースにあっては、閾値が
極めて低く、また比例関係も強いものである。また、第
１表は、前述した電極を使用して糖濃度を測定したとき
の糖の種類と閾値とを示す。

なお、比較のために次式で表される多数の水酸基（−
OH）を分子端末にもつ化合物で修飾した電極を使用し
て、同様に糖類の濃度を測定した。

（C₁₂H₂₅）₂NCO（CH₂）_５− NHCO（CHOH）₄CH₂OH この場合と比較して、前述した環状レゾルシノール基
で修飾した電極にあっては、リボース，キシロースの濃
度測定の感度が約10倍向上した。また、選択性も、リボ
ース／ショ糖の閾値の比を尺度として４倍程度向上し
た。

−実施例２− 同様にして、Ｒ＝（CH）₁₀CH₃の環状レゾルシノール
基誘導体を、キャスト法によって水晶発振子の表面に0.
5μg/mm²の密度で修飾させた。なお、ここで使用した水
晶発振子は、ATカット9.00MHzのものである。

この水晶発振子を、各種糖類を含有する溶液に浸漬
し、次の手順で重量変化を検出した。水晶発振子を、純
水を入れた5mlのセル中に浸し、糖溶液を添加し、添加
前と添加後の振動周波数の差（ΔＦ）を測定した。この
変化量ΔＦと吸着量とは相関性が極めて高い比例関係に
あるので、変化量ΔＦから吸着量が一義的に定まる。

第３図は、このようにして検出された変化量ΔＦ及び
吸着量との関係を表したグラフである。第３図に示すよ
うに、糖濃度と変化量ΔＦ及び吸着量（重量変化）とは
比例関係にあり、その傾きはリボース＞キシロース＞ガ
ラクトース＞グルコースの順であった。

−実施例３− Ｒ＝（CH₂）₁₀CH₃の環状レゾルシノール基誘導体の単
分子膜で、石英板表面を実施例１と同様の手順によっ
て、官能基が石英板の外側に出るように約１官能基/100
Å^２の密度で固定した。

この修飾された石英板を、リボフラビンを含む被測定
液に浸漬し、引き上げた後、吸光度を測定した。

第４図は、このようにして測定された吸光度とリボフ
ラビン濃度との関係を示す。第４図から明らかなよう
に、吸光度とリボフラビン濃度とは相関性の高い比例関
係にある。したがって、測定された吸光度からリボフラ
ビン濃度、すなわち被検出物濃度を精度良く検出できる
ことが判る。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明の有機物センサーにお
いては、環状レゾルシノール基で表面を修飾した固体を
使用しているため、液膜型センサーと異なり、高感度で
且つ操作性良く電位，電流，重量，吸光度，蛍光等の各
種物性の変化を測定シグナルとして取り出すことができ
る。しかも、環状レゾルシノール基では被検出物の結合
部位である水酸基が固定した配列をとるため、選択性，
感度共に優れたセンサーが得られる。このように本発明
の有機物センサー及び濃度測定方法は、幅広い要求に対
して充分応えるものであり、また測定精度も高く信頼性
のおけるものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は環状レゾルシノール基を有する単分子膜で修飾
したSnO₂電極を作用電極として糖類の濃度を測定してい
る装置を示し、第２図〜第４図は本発明の効果を具体的
に表したグラフである。 1:作用電極、2:糖溶液 3:Na₂SO₄溶液、4:比較電極 5:KCl溶液、6:塩橋 7:電位計

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】次式：で表される環状レゾルシノール基を官能基として、該官
能基が表面側となるように固体表面に固定したことを特
徴とする有機物センサー。
【請求項２】次式で表される環状レゾルシノール基を固体表面に固定した有機物センサーを、水素結合性の有
機物を含む被測定液中に浸漬し、水素結合の形成により
生じる前記環状レゾルシノール基の物性変化を取り出
し、この変化量に基づき被測定液中の水素結合性有機物
の濃度を測定することを特徴とする有機物濃度の測定方
法。