JP3764711B2

JP3764711B2 - 管状バイオ検知システム

Info

Publication number: JP3764711B2
Application number: JP2002246644A
Authority: JP
Inventors: 雄二郎成瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004085353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中、溶液中または検体中の微生物、細胞、病原菌、細菌、ウィルス、プランクトン、ＤＮＡ、タンパク質などを検出して定量的な分析や可視化を行うバイオ検知システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイオセンサは、主として生物化学反応を利用して生物的量を検知するものであり、測定対象に応じて様々な生体関連物質を使用する。従来のバイオセンサには、酵素センサ、微生物センサ、免疫センサなどがあり広く応用されている。
【０００３】
酵素は生体内に多数存在している物質であって、酸化還元型酵素、転移酵素、加水分解酵素などがあり、センサとして利用される。例えば、酵素を特殊な電極と組み合わせ、生成する化学物質を電極で計測することによって、その結果から元の化学物質を測定することができる。
【０００４】
また、グルコースセンサでは、グルコースオキシターゼを用いて血液中のグルコース（ブドウ糖）を酸化してグルコノタクトンという物質と過酸化水素を生成する。この反応で消費される酵素消費量を酸素電極で測定してグルコース濃度が測定できる。
【０００５】
微生物センサには、酵素の代わりに微生物を固定して微生物の代謝する物質を酵素電極で測定するものなどがある。また免疫センサは、抗原抗体反応を利用するものであり、例えば高分子膜に赤血球から取り出した抗原を検知することができる。
【０００６】
ところで、上述のようにバイオセンサは対象とする特定物質を高感度で選択的に検出できる利点がある。しかしながらバイオセンサは、非常に微量なバイオ試料から安定して分析することが困難であることなどの問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、微量なバイオ試料から安定して分析することが可能なバイオ検知システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１によれば、中空の管状構造を有する管状体と、この管状体の内壁に固定され、前記管状体内を流れる気体又は流体中に含まれる生物学的量を検知しこのデータを無線により送信する複数のセンサ送信体とを備え、前記センサ送信体は、前記生物学的量を検知し電気信号に変換するセンサ部と、このセンサ部により電気的に変換された生物学的データを電気的に処理するメモリロジック部と、このメモリロジック部により電気的に処理された前記生物学的データを送信する結合コイルとを有することを特徴とする管状バイオ検知システムを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態について図面を用いて説明する。図１（ａ）（ｂ）に本発明による管状バイオ検知システムの基本的構成例を示す。同図（ａ）はこの管状バイオ検知システムの構造の断面図を示し、同図（ｂ）はこのシステムの管中に固定されるセンサ送信体の構造を示す図である。
【００１４】
管状バイオ検知システム１０は、中空線状、即ち管状に形成された管状体１１と、この管状体１１の管側面に設けられたセンサ送信体１２とから構成されている。
【００１５】
管状体１１は、ガラスあるいはプラスチックを素材として製造された、例えば微小経の中空マイクロチューブであり、その製造工程において、微小センサＩＣ（集積回路）であるセンサ送信体１２を例えばその内壁面に一部が突出するように、規則的にあるいは不規則に散在させて固定されている。
【００１６】
センサ送信体１２は、図１（ｂ）に示すように、管状体１１内を通る液体あるいは気体中の生物学的量を検知し電気信号に変換するセンサ部１３と、このセンサ部１３で電気信号に変換された生物学的データを増幅など、電気的に処理するメモリロジック部１４と、メモリロジック部１４において電気的に処理された生物学的データを送信する結合コイル１５とから成っている。
【００１７】
なお、図示していないが、この管状バイオ検知システム１０から所定距離離れたところに上記センサ送信体１から送信された生物学的データを受信する受信装置が置かれる。
【００１８】
例えば、大気中あるいは溶液中に存在する微生物のデータを計測する場合には、上記管状バイオ検知システム１０の管状体１１内にこの計測対象となる微生物を流せばよい。管状体１１内を流れる微生物の生物学的量は、センサ送信体１２内に設けられているセンサ部１３において検知され電気信号に変換されて、メモリロジック部１４で電気処理され、結合コイル１５から外部に送信される。
【００１９】
第１に実施形態の構成などを図２に示す。一般に微生物の生態は複雑であり、増殖する環境は様々である。寸法に関しては、クリプトスポリジウム（病原性原虫）では５μｍ、大腸菌では３μｍ、ブドウ球菌では１μｍ、ウィルスでは０．１μｍ程度である。管状体２１である中空マイクロチューブは、構造的に注射針と類似しており、その一端を吸引することにより、その計測対象（微生物）を含む大気又は溶液を管内に導入する。管状体２１内に、予め、ルシフェリン＋ルシフェラーゼ（発光基質・発光酵素）２６を配置しておくことにより、管内を流れる微生物の放出するＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を発光（バイオルミネッセンス）として検知でき、生物学的データを外部で検出することができる。
【００２０】
このときの生物化学反応式は、以下のようになる。（ルシフェリン＋ルシフェラーゼ（発光基質・発光酵素）＋微生物が放出するＡＴＰ）→可視発光
この発光は、例えばフォトダイオードを表面に備えた光センサ付き微小ＩＣをセンサ送信体２２として用い、これを管状体２１内に埋め込んでおくことにより検知することができる。
【００２１】
図３に本発明の第２の実施形態の構成を示す。管状体３１は、光導波性ポリマーを用いて製造され、センサ送信体３２は光センサを有する。この場合にも管内に、ルシフェリン＋ルシフェラーゼ（発光基質・発光酵素）３６が配置されている。管状体３１内に空気を流すと、この空気に含まれている空中菌である、アデノシン三リン酸３７が取り込まれ、上記のようにやはり可視発光を生じて、生じた光はセンサ送信体３２に検知される。
【００２２】
図４に、本発明の更に他の実施形態の構成を示す。この実施形態では、管状体４１に固定されたセンサ送信体４２は、白金／ナフィオン（登録商標）により形成された電気化学電極４２ｅから成るセンサ部があり、この電極間の導電率の変化により、腐った魚の臭いにより生ずるトリメチルアミンを検知できる。したがって、この管状体４１内に腐った魚の臭いを通すことにより、センサ送信体４２のセンサ部の電極間導電率が変化して、トリメチルアミンを検知できる。
【００２３】
図５に、本発明の更に他の実施形態における構成を示す。管状体５１は、光導波性ポリマーにより製造されており、この管状体５１に光センサ付きの微小ＩＣをセンサ送信体５２として固定しておく一方、管状体５１内にはダイオキシンに反応して光る細胞５６を配置しておく。このような管状体５１内に、ダイオキシン５８を含む空気を吸引すると、ダイオキシンに反応して細胞５６が光り、この可視発光をセンサ送信体５２が捕らえて、空気中にダイオキシン５８が含まれていることを検知することができる。
【００２４】
図６に、本発明の更に他の実施形態における構成を示す。この場合の管状体６１は注射器６０の針となっており、このような注射器で患者の血液を微少量、吸引することができる。この場合、管状体６１に設けられているセンサ送信体６２のセンサ部は、表面バイオ電極により構成されている。
【００２５】
このバイオ電極が血液に接触すると、血液中のブドウ糖が電極中の酵素であるグルコースオキシダーゼによってグルコン酸に変えられる。上記バイオ電極に電圧が印加されると、フェロシアン化カリウムが電極に電子を与えてフェリシアン化カリウムに戻り、このときブドウ糖の濃度に応じた電流が流れる。したがって、この電流を計測することにより、血糖値を求めることができる。
【００２６】
また、前記バイオ電極間の導電率を計測する。あるいは、このセンサ部は光センサにより構成されて被検体の血液の透過度を測定し、生化学的データとして外部に送信する。なお、この管状体６１の血液が吸引される先端付近には、フィルタ６８が設けられ、異物の混入を防止する。
【００２７】
また、この実施形態において、血液でなく、被検体となる尿をこのような注射器で吸引し、尿中のブドウ糖値などを検知することもできる。即ちセンサ部を、尿中のブドウ糖を選択的に分解して過酸化水素を発生する酵素膜と、過酸化水素を電気分解する過酸化水素電極とから構成する。この電気分解で陽極に生ずる電子を電圧変換し、測定することにより、過酸化水素量を測定し、所定の検量線に当てはめて尿中のブドウ糖値を検知できる。
【００２８】
図７に本発明をタンパク質の３次元構造分析装置に適用した場合の実施形態の構成を示す。同図において、７１は、中空の光ファイバで構成された管状体であり、途中に穴７１ａを有する。この実施形態においても、微小センサＩＣから成るセンサ送信体７２が管状体７１の内側に設けられている。この管内にはＤＮＡワイヤ７５が通され、上記穴から一部引き出され、このＤＮＡワイヤ７５により、水溶液中のタンパク質を捕獲する。
【００２９】
即ち、まず図８（ａ）に示すように、ＤＡＮワイヤ７５によって捕獲されたタンパク質８４は、図８（ｂ）に示すように、管状体７１内に引き込まれ、次に図８（ｃ）に示すように、ＤＮＡワイヤ７５によってタンパク質８４を穴７１ａから引き込み、管状体７１の側面にレーザ光８７ａを通すと、ＤＮＡワイヤ７５により捕獲しているタンパク質８４を光近接場からレーザ光を当てることができ、その光近接場における散乱光をセンサ送信体７２ａによって空間強度分布を検知できる。この散乱光の空間強度分布をコンピュータ処理によって分析することにより、タンパク質の立体構造情報を得ることができる。
【００３０】
また、図８（ｄ）に示すように、管状体７１に対して垂直にタンパク質８４にレーザ光８７ｂを照射し、管状体７１を回転させて、その散乱光をセンサ送信体７２ｂで受けることにより空間強度分布を検知でき、この散乱光の空間強度分布をコンピュータ処理によって分析することにより、タンパク質の立体構造情報を得ることができる。
【００３１】
図９に、エバネッセント波の光近接場を用いてタンパク質の３次元構造解析装置に適用した本発明の更に他の実施形態の構成を示す。同図において、９１は透明マイクロパイプにより構成された管状体であるが、途中がテーパ構造を有しており、この一方側にセンサ送信体９２が設けられている。管状体９１の中には磁気ビーズ９３と金ビーズ９４の間にＤＮＡワイヤ９５が入れられ、タンパク質９６が捕獲される。９７ａ，９７ｂはレーザビームであって、プリズム９８ａ，９８ｂを介して上記管状体９１の中心に向けられてレーザ光が照射され、３６０度回転させることができる。
【００３２】
９８は磁界発生面を表わし、磁気ビーズ９３を永久磁石や電気磁石で吸引／反発／振動させてＤＮＡワイヤ９５の位置を制御し、９９は光ファイバプローブによる照射光を表わし、１００はその照射光のタンパク質９６から反射される光のスペックルパターン観測面を表わしている。このような構成によっても、タンパク質の３次元構造を解析することができる。
【００３３】
図１０に本発明の更に他の実施形態の構成を示す。同図において、１０２は例えばポリフッ化ビニリデンなどの永久帯電繊維（エレクトレット）とガスなどを吸着する吸着用カーボン繊維が縒り合わせられた縒り線であり、この縒り線１０２が回転リール１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃから成る巻き取り装置により移動させられている。
【００３４】
１０４はクリーニングマイクロチューブであり、ここで縒り線１０２が洗浄液によって洗浄され、その後の１０５の部分で、花粉、粉塵、浮遊菌、イオン、臭い物質などの空気中の成分１０６が、縒り線１０２に吸着される。その後に分析マイクロチューブ１０７が設けられ、縒り線１０２に吸着された種々の空気中の成分が分析される。
【００３５】
即ち、この分析マイクロチューブ１０７はヒータ部１０８において加熱され、その後のセンサ送信体１０９でその成分が検知される。
【００３６】
このような構成を取ることにより、空気中の花粉、粉塵、浮遊菌、イオン、臭い物質などの生物学的量を検知し、バイオデータとして取得することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、微量なバイオ試料から安定して分析することが可能なバイオ検知システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な一実施形態の構成を説明するための図。
【図２】本発明の他の実施形態の構成を説明するための図。
【図３】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【図４】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【図５】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【図６】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【図７】本発明の更に他の実施形態の構成例を説明するための図。
【図８】図７の実施形態における、タンパク質の捕獲及び解析の様子を説明するための図。
【図９】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【図１０】本発明の更に他の実施形態を説明するための図。
【符号の説明】
１０…管状バイオ検知システム、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，９１…管状体、１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，９２…センサ送信体、１３…センサ部、１４…メモリロジック部、１５…結合コイル。

Claims

中空の管状構造を有する管状体と、
この管状体の内壁に固定され、前記管状体内を流れる気体又は流体中に含まれる生物学的量を検知しこのデータを無線により送信する複数のセンサ送信体とを備え、
前記センサ送信体は、前記生物学的量を検知し電気信号に変換するセンサ部と、このセンサ部により電気的に変換された生物学的データを電気的に処理するメモリロジック部と、このメモリロジック部により電気的に処理された前記生物学的データを送信する結合コイルとを有することを特徴とする管状バイオ検知システム。
前記センサ部は、光を検知する光センサであり、前記管状体の内面に発光酵素を配置し、前記管状体内を流れる気体または液体に含まれる微生物の放出するアデノシン三リン酸により前記発光酵素が発した光を前記光センサが検知することを特徴とする請求項１記載の管状バイオ検知システム。
前記センサ部は、トリメチルアミンにより電極間の導電率が変化する化学電極であり、この化学電極間の導電率の変化により前記管状体を通る気体にトリメチルアミンが含まれることを検知することを特徴とする請求項１記載の管状バイオ検知システム。
前記センサ部は、電圧が印加される表面バイオ電極により構成されており、前記管状体は注射器の針の形状を有し、この管状体が血液に接触したとき、前記表面バイオ電極により流れる電流を検知することを特徴とする請求項１記載の管状バイオ検知システム。