バイオセンサー

バイオセンサ

バイオセンサとは、生物由来の物質が持つ、特定の分子だけを選び出して結合・認識する能力を応用した化学センサ全般を指します。具体的には、酵素や抗体、DNA、あるいは微生物などが持つこうした特異的な働きによって対象物質（基質）と反応し、その際に生じる化学ポテンシャルの変化や熱、光などの物理化学的変化を、信号変換器を通じて電気信号へと変換する装置です。

例えば、イオン感応性電界効果トランジスタ（ISFET）という半導体センサの表面に、特定の酵素を固定化した膜を設けた構造のバイオセンサがあります。この酵素が試料中の特定の基質と反応すると、膜内で水素イオン（H+）などの濃度が変化します。ISFETはこのイオン濃度の変化を電気信号として捉えるため、対象の基質濃度に応じた信号が得られます。この仕組みにより、様々な成分が混在する複雑な試料中でも、目的物質だけを高精度かつ選択的に検出することが可能となります。

バイオセンサの基本的なアイデアは、1962年にリーランド・クラーク博士によって初めて示されました。その後、1967年にはアップダイクとヒックによって、最初の具体的な研究論文が発表されています。彼らの研究では、酵素であるグルコースオキシダーゼをゲル中に固定化し、これを用いて基質であるグルコースの存在を検出する電極システムについて報告されており、これはバイオセンサ技術の基礎を築く画期的なものでした。

主な種類

バイオセンサは、利用する生体分子認識機構や信号変換の方法によって様々な種類に分類されます。代表的なものとして、以下のようなものが挙げられます。

酵素センサ
免疫センサ
微生物センサ
イオンチャネルセンサ
電気化学バイオセンサー

電気化学バイオセンサーの詳細

中でも、対象物質との反応で生じる化学変化を電気信号の変化として検出する電気化学バイオセンサーは、広く研究・実用化が進んでいます。これは基本的な電気化学センサの一種であり、その検出原理によって主に二つに分けられます。

アンペロメトリックバイオセンサー

アンペロメトリックセンサは、対象物質の濃度変化に伴う電流の変化を検出する方式です。既に、酸素電極や過酸化水素電極を基盤としたグルコースセンサなどが実用化され、糖尿病患者の血糖値測定などに応用されています。しかし、これらのセンサには酵素の安定性などに依然として課題があり、その解決のために、酵素をセンサ表面に固定化する際にスペーサー分子を導入したり、高分子材料と共固定化したりするなどの研究開発が進められています。

また、原理的な面でも進化が見られます。従来の方式が、酵素反応によって消費または生成される酸素や過酸化水素といった電気化学的に活性な物質の濃度変化を電流として捉えていたのに対し、近年では、酵素分子と電極が直接電子のやり取りを行い、酵素反応における電子の流れを電気信号として取り出す試みが多数行われています。この新しい原理に基づくセンサは、試料中の溶存酸素濃度に影響されにくいという利点があり、グルコースオキシダーゼのような酸化酵素だけでなく、様々な種類の酸化還元酵素にも応用が可能です。酵素の働きを電気化学的に精密に制御できる点でも注目されています。

ポテンショメトリックバイオセンサー

ポテンショメトリックセンサは、対象物質の濃度変化に伴う電位の変化を検出する方式です。このタイプのセンサは、小型化や集積化に適していることから、イオン感応性電界効果トランジスタ（ISFET）をバイオセンサに応用する研究が活発に行われています。

ISFETをイオン選択性電極と組み合わせることで、特定のイオン濃度を測定するセンサとして機能させることができます。この技術は、様々な種類のバイオセンサに応用されています。例えば、アンモニア電極をベースに尿素分解酵素を組み合わせた尿素センサや、H+電極をベースに蛋白分解酵素を固定化したペプチドセンサがあります。さらに、複数の酵素を組み合わせることで、ショ糖（スクロース）を検出するセンサなども開発されており、インベルターゼ、グルコースオキシダーゼ、フルクトースオキシダーゼ、グルコノラクトナーゼといった酵素群を利用してショ糖を分解・検出するシステムが報告されています。これらのポテンショメトリックバイオセンサーは、特に生体内の微量物質の検出やモニタリングにおいて重要な役割を担っています。

バイオセンサ技術は、医療診断における迅速検査、環境中の有害物質のモニタリング、食品の品質管理など、私たちの生活に不可欠な様々な分野で応用されており、その重要性は今後ますます高まることが期待されています。

バイオセンサー