Chemical Sensors

Vol. 25, No. 1 (2009)

Abstracts

バイオセンサ研究の歴史

　 昨年、年末にBiotechnology and Bioengineeringという生物工学関係の欧文誌から、33年前の日本からの論文がVintage Paperとして選ばれたのでその解説を書くようにと依頼された。出版社から、送られてきた論文を見たらなんと東京工業大学資源化学研究所鈴木研究室の論文で、筆者らが大学院の学生の時の実験をまとめたものだったので、非常に驚いた。さっそくその論文がどういう理由でVintage Paperに選ばれたのか問い合わせてみた。微生物を使った初めてのバイオセンサで、しかもその後に実用化されたのが高く評価されたとのことであった。

　バイオセンサの歴史は長く、1962年にクラーク博士が、酸素電極とグルコースオキシダーゼを使ったグルコースセンサを発表したのが最初であると認識している。その後、1967年にアップダイク博士とヒックス博士が固定化酵素を用いたグルコースセンサをNatureに報告し、その糖尿病患者およびその予備軍の血糖値をはかるセンサとして大きく発展した。いまだにバイオセンサの市場の多くの部分をグルコースコースセンサが占めている。免疫センサとしては、1973年にヤナータ博士が発表した論文が最初のものである。バイセンサの検出素子は、酸素電極から始まり、白金電極、イオン電極、FET(電界効果トランジスタ)、さらに、光電子倍増管、CCD(固体撮像素子)、CMOS(相補性金属酸化膜半導体)などの光受光素子へと展開していった。表面プラズモンを検出様式のバイオセンサを多く開発されてきた。水晶振動子を用いるバイオセンサを種々な種類のものが開発されてきた。バイオ素子のほうも、酵素から始まり、抗体、DNA、微生物、細胞、組織など用いられてきた。また、単一のセンサから、複数化やシステム化したセンサへと発展してきている。2000年以降、ゲノム解読計画の進展とともに広く利用されてきたDNAチップも、バイオセンサの新たな形態と考えられる。基板の上に、数十から数百万のDNAセンサが配列したものがDNAチップである。最近は、抗体や細胞を配列したプロテインチップや細胞チップも開発されてきている。これらも、免疫センサや細胞センサが集積したものとみなすこともできる。ラボオンチップ技術も、化学センサのシステム化したものととらえられる。このように、約50年前に始まったバイセンサの技術は、広く発展し人類の種々にこたえようとしている。

　 化学センサは、バイオセンサのみならず、ガスセンサ、イオンセンサなど多様なセンサを含む。これまで、人類は石油に依存した、大量生産、大量消費をもとに発展を続け、便利で快適な生活を営めるようになった。一方では、環境問題、資源の枯渇、食料不足などの問題も表面化してきた。今後も、持続性社会を実現するためには、化学センサの役割は極めて重要である。特に、環境や食料の安全安心問題を正確に把握するためには、高度なセンシングと情報処理技術が不可欠である。化学センサは、広範囲な分野で基本原理は確立してきたが、今後ますますユビキタス化が求められ、活発な研究開発が望まれる分野である。化学センサ研究会もさらなる発展が望まれている。

　 今年から、化学センサ研究会の会長を務めさせていだくことになりました。微力ながら化学センサ研究の発展のためにお手伝いをさせていただこうと思っております。

Hydrogen is a new generation fuel for clean energy and various studies related to hydrogen are performed. A Fuel-cell is also one of them. Projects for Fuel-cell vehicles were initiated by various countries and their practical use has advanced. However, safety has to be established for Fuel-cell vehicles, in order for their use to spread, therefore sensors detecting hydrogen which is the fuel for Fuel-cell, need to be examined, and a new law must be introduced. There are also other cases like the above, where various research and developments have been done for the hydrogen sensors. But, there are not enough satisfying specifications for Fuel-cell vehicles, and their usage is still far from practical. Due to this situation, we have advanced the development of the catalytic type gas sensor (TGS6813) that could meet specification demands of automakers, mass production characteristics and cost. The size of TGS6813 is very small compared with the sensor which has been used in Fuel-cell vehicles till now. In addition to this, by optimizing the driving method of the sensor (Heat acceleration drive), the warming up period of the sensor was greatly improved and detection reduced to less than 1 second. Moreover, the method of applying and designing a catalyst and an element improved the demerit of sensor small size and resulted in a more durable and reliable sensor. Furthermore, it's possible to use the other existing sensor manufacturing lines for the production of TGS6813 which further reduces the production cost.

A novel concept of assembling various chemical functions onto a single microfluidic device is proposed. The concept, “CAPILLARY-ASSEMBLED MICROCHIP (CAs-CHIP), involves embedding chemically functionalized square glass capillaries onto a lattice microchannel network fabricated on polydimethyl siloxane (PDMS) possessing same channel sections to outer sections of square capillaries. This approach would allow simple and easy fabrication of chemically-functionalized microfluidic device by freely embedding functional square capillaries on PDMS microchannel network. Here a fabrication method of CAs-CHIP, and some applications for chemical sensing will be described.