CN102449468A - 被检物质检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电化学测量值的偏差较小的被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器(100)是由作用电极(1)和对置电极(2)隔着绝缘体(3)一体化而成的，其通过让被检物质接触作用电极(1)而使输出电压产生变化，其中，作用电极(1)形成为小于对置电极(2)以及绝缘体(3)并设置在绝缘体(3)的表面的一部分上，在绝缘体(3)上形成有包围作用电极(1)的周壁(4)，周壁(4)起到收容被检物质的储存部的作用。

Description

被检物质检测传感器

技术领域

本发明涉及一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由对置电极和作用电极隔着绝缘体一体化而成，其通过使被检物质，例如生物体中的蛋白质、生理活性物质等与作用电极的接触而从输出电压的变化来检测被检物质传感器，特别是涉及一种以少量的检测量能够迅速地检测出被检物质的被检物质检测传感器。

背景技术

用于对生物体中的蛋白质或微量成分的生理活性物质等进行检测的被检物质检测传感器除了具有分子识别元件之外，还具有作为转换器的信号转换元件。分子识别元件用于检测化学反应或物理反应，通过信号转换元件将检测到的信号转换为电信号，从而检测被检物质。

作为如上述的传感器的一种，有电场效应型晶体管(以下称作FET)作为信号转换元件的传感器，实用化的传感器有采用包括离子选择性膜的离子感应性电场效应型晶体管的pH传感器、葡萄糖传感器等。将FET作为信号转换元件，从而能够使用现有的半导体制造技术实现传感器的小型化、集成化。

最近，人们希望实现与以往的抗体检查试剂及装置或病毒等的抗原检查试剂及装置相比，更加迅速、简便并且以良好的灵敏度工作的传感器。例如像专利文献1、2所公开的，人们提出有几种以FET作为信号转换元件的生物传感器。并且，也提出有二端元件作为信号转换元件的传感器(例如参照专利文献3)。

对于上述的传感器，如专利文献4所示，本发明人提出了一种二端信号转换元件的传感器，其构造简单，具有能够媲美FET作为信号转换元件的传感器的高灵敏度，而且构造自由度较高。

但是，作为具备信号转换元件的传感器的例子，现今已实用化的传感器只有上面所述的pH传感器或葡萄糖传感器等少数几种。换言之，用于检测生物体中的蛋白质或微量成分的生理活性物质等的、具备分子识别元件和信号转换元件的被检物质检测传感器还尚未实现实用化。

专利文献1：日本特开2005-218310号公报

专利文献2：日本特开2004-347532号公报

专利文献3：日本特开2004-108815号公报

专利文献4：日本特开2008-116210号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种电化学测量值的偏差较小的被检物质检测传感器。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的第一技术方案的被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其通过让被检物质接触作用电极而使输出电压产生变化，其特征在于，作用电极形成为小于对置电极以及绝缘体并设置在绝缘体表面的一部分上，在绝缘体上形成有包围作用电极的周壁，周壁起到收容被检物质的储存部的作用。

具体是一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其通过让被检物质接触作用电极而使输出电压产生变化，其中，对置电极形成为板状，绝缘体覆盖对置电极的上表面，作用电极设置在绝缘体表面的一部分上，在绝缘体上形成有包围作用电极的周壁，作用电极和绝缘体间的接触面积设定为小于对置电极和绝缘体间的接触面积，并且在作用电极和对置电极上连接有电源。

在第一技术方案中，周壁也可以形成在作用电极上。具体是一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其通过让被检物质接触作用电极而使输出电压产生变化，其特征在于，具有形成在作用电极上的壁部，壁部具有用于保持被检物质的开口部，作用电极具有用于使绝缘体的表面暴露的开口部，保持在壁部的开口部内的被检物质借助作用电极的开口部与绝缘体的表面接触。

本发明的第二技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一被检物质检测传感器中，相对于上述作用电极独立地设有参照电极。

本发明的第三技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第二被检物质检测传感器中，参照电极配置在上述储存部的外侧。

本发明的第四技术方案的被检物质检测传感的特征在于，在第二被检物质检测传感器中，参照电极以埋入的方式设置在形成上述储存部的周壁内。

本发明的第五技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第二被检物质检测传感器中，参照电极配置在储存部内。

本发明的第六技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一～第五技术方案中的任一个被检物质检测传感器中，设置多个作用电极，在各个作用电极上分别设有上述储存部。

本发明的第七技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一～第六技术方案中的任一个被检物质检测传感器中，在一个储存部内配置多个作用电极。

本发明的第八技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一～第七技术方案中的任一个被检物质检测传感器中，储存部积存规定量的被检物质，以补偿作用电极的稳定作用。

本发明的第九技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一～第八技术方案中的任一个被检物质检测传感器中，对形成上述储存部的周壁付与防水性。

本发明的第十技术方案的被检物质检测传感器的特征在于，在第一～第八技术方案中的任一个构造的被检物质检测传感器中，对形成上述储存部的周壁付与防油性。

发明的效果

与以往相比，本发明能够以较高精度检测输出电压的变化，因此，对于被检物质能够获得稳定的电化学测量数据。

这开拓了本传感器的新的可能性，期待也能够以电化学方式分析以往无法分析的物质差异。

另外，在第二技术方案的被检物质检测传感器～第五技术方案的被检物质检测传感器中，设有作为基准的起到接地作用的参照电极，即电位不变化的参照电极。因而，即使在作用电极和参照电极上分别附着分子而电位产生偏差，由于参照电极表示基准，因此，也能够确定作用电极的真正的电位。即，通过设置参照电极，能够稳定地确定两电极的电位。

另外，在为了观测抗原抗体反应的时效变化而对作用电极付与恒定电位的情况下，在作用电极表面的抗体中抗原开始反应，作用电极表面的电场变化时等，该参照电极也有利。

在第二技术方案的被检物质检测传感器～第五技术方案的被检物质检测传感器中，如第四技术方案的被检物质检测传感器所示，在构成储存部的周壁内埋入参照电极，因此能够完全避免参照电极污损。

并且，如第六技术方案的被检物质检测传感器，在多个作用电极上分别设置储存部，因此在上述优点的基础上，还能够同时处理多个样本溶液。

另外，如第七技术方案的被检物质检测传感器，在一个储存部内设置多个作用电极，因此即使在被检物质不均匀地储存在储存部内的情况下，也能够检测出被检物质的平均值，并且也能够使一部分作用电极起到参照电极的作用，在这种情况下不需要设置相对于作用电极独立的参照电极。并且，在第九技术方案的被检物质检测传感器中，亲水性的被检物质不会沿着周壁上升，在第十技术方案的被检物质检测传感器中，亲油性的被检物质不会沿着周壁上升，因此，阻止被检物质从储存部漏出。特别是，储存部的容量越小，该阻止漏出的效果越对获得稳定的检测数据有利。

附图说明

图1的(a)是本发明实施方式涉及的、在储存部中具有作用电极的单体被检物质检测传感器的俯视图，图1的(b)是沿图1的(a)的剖切线的纵剖视图。

图2是表示在图1的单体被检物质检测传感器上配置有线路、电流表和电压表的连接例的图。

图3是本发明实施方式涉及的、在储存部中除设有作用电极之外还设有参照电极的单体被检物质检测传感器的纵剖视图。

图4是本发明实施方式涉及的、在储存部外设有参照电极的单体被检物质检测传感器的纵剖视图。

图5是本发明实施方式涉及的、在周壁中以埋入的方式设有参照电极的单体被检物质检测传感器的纵剖视图。

图6是本发明实施方式涉及的、在储存部中设有作用电极和参照电极，并利用盐桥将作用电极和参照电极隔离的单体被检物质检测传感器的纵剖视图。

图7是本发明实施方式涉及的、在储存部中设有作用电极和参照电极，并利用周壁将该作用电极和参照电极完全隔离的单体被检物质检测传感器的纵剖视图。

图8是表示在图7所示的单体被检物质检测传感器上配置有线路、电流表和电压表的连接例的图。

图9的(a)是表示格栅形状的作用电极或者参照电极的俯视图，图9的(b)是沿图9的(a)的剖切线的纵剖视图。

图10的(a)是表示环形形状的作用电极或者参照电极的俯视图，图10的(b)是沿图10的(a)的剖切线的纵剖视图。

图11的(a)是表示网格型形状的作用电极或者参照电极的俯视图，图11的(b)是沿图11的(a)的剖切线的纵剖视图。

图12是表示由基板、绝缘膜、电极和以光致抗蚀剂制成的周壁构成的被检物质检测传感器的结构的说明图。

图13是本发明实施方式涉及的、包含单体被检物质检测传感器的封装的纵剖视图。

图14是在图13的封装上安装插座而成的单体被检物质检测传感器单元的纵剖视图。

图15是表示在图14的封装以及插座上设置围挡，并且设定自由拆卸的外罩的单体被检物质检测传感器装置的图。

图16是本发明实施方式涉及的、单体个数设为8个的多体式被检物质检测传感器的俯视图。

图17是表示本发明实施方式涉及的被检物质检测传感器的反应场(re action field)的说明图。

图18是表示现有的具有二端信号转换元件的传感器的反应场的说明图。

图19是表示输出电压的抗原浓度依赖性的坐标图，■表示抗体存在的条件下的反应、◆表示抗体不存在的条件下的反应。

具体实施方式

下面，参照附图更详细地说明本发明。

图1的(a)是表示本发明的第一实施方式涉及的被检物质检测传感器100的俯视图，图1的(b)是被检物质检测传感器100的剖视图。另外，图2是表示在图1所示的单体被检物质检测传感器100上配置有线路、电流表、电压表和电源的连接例的图。

被检物质检测传感器100包括作用电极1、对置电极2、绝缘体3和周壁4。在下面有时将由上述部件构成的构造称作被检物质检测传感器主体部。

对置电极2由具有作为半导体或者导体功能的材质形成为板状。如上所述对置电极2形成为板状，因此具有自保形性。由此，有助于使整个传感器自保形。作为半导体物质，已知有硅、锗等的Ⅳ族元素，砒化镓、磷化铟等Ⅲ-Ⅴ化合物，碲化锌等Ⅱ-Ⅵ化合物，等；作为导体物质，已知有铝或镍等，不管是那一种物质均能够与下述实施例同样地使用。板的厚度通常优选为0.1mm～1.0mm，更优选为0.3mm～0.5mm。在本实施方式中，对置电极2由硅基板构成。

绝缘体3是用于使作用电极1和对置电极2绝缘的构件。作为绝缘体3，已知有氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛等无机化合物，或者丙烯酸类树脂、聚酰亚胺等有机化合物等。在无机物质用作绝缘体的情况下，能够利用蒸镀等的方法将绝缘体做成膜状而形成在上述对置电极2的表面，但在有机物质用作绝缘体的情况下，能够通过将绝缘体薄膜粘贴在对置电极2的表面等来进行一体化。

在绝缘体3的表面也可以导入羟基、氨基、羧基等官能团。

在绝缘体膜表面固定化抗体等时，预先使官能团结合于绝缘体膜表面，从而在该官能团上结合抗体。由此，能够实现更稳定的固定化、或者使抗体取向。

绝缘体3的厚度通常优选为10nm～1000nm，更优选为20nm～500nm。绝缘体3过薄时，可能会流有隧道电流，绝缘体3过厚时，有可能降低灵敏度。

在本实施方式中，如图1的(b)所示，在本例子中，绝缘体3以覆盖对置电极2的整个上表面的方式形成为具有与对置电极2大致相同的面积。

作用电极1是向对置电极2施加电压的电极，夹着绝缘体3作用电极1与对置电极2一体化而成。在本实施方式涉及的被检物质检测传感器100中，作用电极1形成为与对置电极2的形状不对称。并且，作用电极1的材质与对置电极2的材质不同。具体是，作用电极1的尺寸设定为小于对置电极2的上表面以及覆盖对置电极2上表面的绝缘体3的尺寸。即，作用电极1构成为仅覆盖绝缘体3的一部分。由此，绝缘体3的表面的局部暴露。作用电极1与绝缘体3之间的接触面积设定为小于对置电极2与绝缘体3之间的接触面积。作为作用电极1的材质，优选使用金、白金、钛、铝等金属，或者也可以使用导电性塑料等。

作用电极1的形状优选为使样本溶液每单位体积的接触面积增大的形状。由此，作用电极1易于受到样本溶液的介电常数等的影响，能够灵敏度较高地检测出样本溶液所含有的被检物质的浓度。

另外，为了使样本溶液每单位体积的接触面积增大，例如将作用电极1的形状做成具有多个开口部的形状即可。具有多个开口部的形状例子有图9所示的格栅形、图10所示的同心圆形或者环形、图11所示的网格形等。

在图9所示的由金属构成的格栅形状的作用电极的情况下，该金属的每个栅条的宽度优选为10μm～数百μm左右的细度。栅条的宽度窄到上述的程度时，能够扩大电极的开口部面积，因此，能够根据需要，在该开口部区域的绝缘膜上结合较多的被检物质识别分子。另一方面，栅条的宽度过窄至小于10μm时，自作用电极流到薄膜状的样本溶液中的电流值减少，难以显示作为电极的效果。可以想到这是因为作用电极下的电场构造从“面”变为“线”，因此与硅基板或绝缘膜垂直的电力线在作用电极下以放射状分散，无法得到强度充分高的电场。

在由金属构成的格栅形状的作用电极中，作用电极之间的间隔、即栅条之间的间隔优选为100μm～200μm左右。其目的在于，根据需要在该开口部区域的绝缘膜结合较多的被检物质识别分子，并且提供足够大的反应场。

另外，考虑到增大样本溶液每单位体积的作用电极的有效接触面积，作用电极的高度优选为0.1μm～数百μm左右。

本实施方式的被检物质检测传感器100包括包围作用电极1的整体或者一部分的周壁4。周壁4形成在绝缘体3的表面。由该周壁4和绝缘体3构成储存部11。该储存部11起收容样本溶液的容器的作用。

作为周壁的表面特性，期望与被检物质的特性相排斥，在被检物质为亲水性时，周壁的表面优选为防水性，在被检物质为亲油性时，周壁的表面优选为防油性。其目的在于，使液状的被检物质不会越过周壁的表面流出到储存部11外。作为如上所述的周壁的材质，例如能够适当地使用Clariant Japan制的AZ5214E等的光致抗蚀剂、PIQ等的聚酰亚胺树脂等的防水性树脂、或以Teflon(商标)为代表例的氟基树脂等。另外，也可以不将该树脂用作构成材料，而用作周壁表面的涂敷剂。

尽量使储存在储存部11中的被检物质的深度均匀，这对得到稳定数据有利。因此，期望将绝缘体3的作为储存部11底部的表面形成得较平坦，并使周壁4高度恒定。

储存部11的收容量是根据被检物质的电气特性来确定的，但检测如下述实施例的生物体材料时，储存部11的收容量优选为0.001μL～25μL(微升)，更优选为0.1μL～2.0μL。

另外，周壁的高度通常设定为1μm～2mm，优选为2μm～10μm，以使周壁的高度比作用电极1的高度高而由被检物质覆盖上述作用电极的上表面。

由周壁和绝缘膜围成的空间成为储存部11，能够在此保持规定量的样本溶液。周壁为防水性构件时，通常样本溶液如水溶液会自储存部11向上冒的方式涌起，但样本溶液通常不会流出到储存部外。

上述储存部11的俯视形状并没有特别的限制，但从制造容易性的方面考虑，通常优选为方形(包含长方形)或者圆形(包含椭圆形)。考虑到处理的容易性、反应场的范围、所需的样本溶液量等，在方形情况下，边长优选为2mm～4mm左右，或者在圆形情况下，直径优选为2mm～4mm左右。

在本发明的被检物质检测传感器100中，根据需要也可以在绝缘膜上设置相对于作用电极1独立的参照电极6。如图3所示，参照电极6既可以设置在储存部11中，也可以如图4所示，参照电极6设置在储存部11中。也可以如图5所示，将参照电极6埋入周壁4中。如图6所示，也可以在储存部11中设置作用电极1以及参照电极6，并利用能够形成盐桥7的周壁4’将作用电极1和参照电极6隔离。如图7所示，也可以在储存部11中设置作用电极1以及参照电极6，利用周壁4将该作用电极1和参照电极6隔离。图8是表示在图7所示的单体被检物质检测传感器主体部上配置有线路、电流表和电压表的连接例的图。图8中的附图标记18是恒电位仪(potentiostat)。

本发明的被检物质检测传感器100能够利用公知的半导体制造技术、即电子束刻画法或光刻法等来制造。在由硅等构成的基板状的对置电极2、即在硅基板的上表面形成绝缘体3，在该绝缘体3的上表面形成所需图案的作用电极1及/或参照电极6(金属)。在作用电极1及/或参照电极6的周围形成所需图案的周壁4而构成储存部11。图12表示对置电极2、绝缘体3、作用电极1、以及利用光致抗蚀剂制成的周壁4的结构例。实际上对置电极2、绝缘体3、作用电极1以及周壁4互相贴合着。

在上述图1～图11的被检物质检测传感器100中，在作用电极1的周围形成所需图案的周壁4而够成储存部11，但也可以替代这些周壁4而构成为如图12所示的结构。在图12的结构例中，在作用电极1上形成有周壁。该周壁与上述周壁4是相同的材料，但配置位置不同，因此以下称作壁部4A。该壁部4A具有用于保持试样的开口部4B。在配置于该开口部4B下侧的作用电极1的区域中形成有用于使绝缘体3的表面暴露的开口部1A。因此，保持在壁部4A的开口部4B内的试样溶液经由作用电极1的开口部1A与绝缘体3的表面接触。作用电极1的开口部1A的形状和数量并不限定于在图12表示的形状和数量，例如也可以是图9所示的格栅形、图10所示的同心圆形或者环形、图11所示的网格形等。

形成在作用电极1上的壁部4A或者形成在作用电极1周围的周壁4除了是覆盖整个开口的形状之外，例如也可以是形成为壁的一部分被切去的俯视C字型。

使用这样得到的被检物质检测传感器100，能够组装包含单体被检物质检测传感器主体部的封装(参照图13)110、在该封装110上安装插座14而成的单元(参照图14)120、以及在该单元120上设置围挡15并安装能够自由拆卸的、例如透明的外罩16而成的单体被检物质检测传感器装置(参照图15)130。

具体是，在图13所示的封装110中，在玻璃环氧基板10上设有对置电极2。在该对置电极2上形成有电极焊盘8A和绝缘体3。电极焊盘8A借助接合线9A连接于电极焊盘8B。电极焊盘8B以贯穿玻璃环氧基板10的方式安装。在绝缘体3上形成有作用电极1和包围该作用电极1的周壁4。作用电极1借助接合线9B连接于形成在绝缘体3上的电极焊盘8C。电极焊盘8C借助接合线9C连接于电极焊盘8D，该电极焊盘8D以贯穿玻璃环氧基板10的方式安装。

在图14所示的单元120中，图13所示的封装110固定在固定台50的上表面。在固定台50上，在与电极焊盘8B和电极焊盘8D相对应的位置形成有贯穿固定台50的孔51。底座14借助多个弹簧13安装在该固定台50的下方。弹簧13以将固定台50从底座14拉开的方式施力。自底座14的上表面向上方突出有销状电极12、销状电极12。该销状电极12、销状电极12插入到固定台50的孔51中，在克服弹簧13的作用力，将固定台50向底座侧按压时，销状电极12、销状电极12接触于电极焊盘8B、电极焊盘8D。由此，来自图中省略的电源装置的电力经由电极焊盘8B、电极焊盘8D供给到被检物质检测传感器100。

在以上说明的本发明的实施方式涉及的被检物质检测传感器100中，自作用电极1引出的电力线的大部分经由作为绝缘体膜的绝缘体3进入到由硅基板构成的对置电极2中。作用电极的泄漏电场对检测有贡献。

在此，图17是本发明涉及的被检物质检测传感器100的反应场R的说明图。如图18所示，现有的具有二端信号转换元件的传感器的反应场R限制在作用电极的上表面。在本发明涉及的被检物质检测传感器100中，以使从接触于被检物质的作用电极侧面引出的电力线A的大部分经由作用电极1周围的绝缘体3进入到对置电极2中，反应场R构成范围较大。如上所述，采用被检物质检测传感器100，能够在作用电极1周围的绝缘体膜的大范围且平坦的区域施加相同的电场。

由此，与现有的传感器相比，采用被检物质检测传感器100能够以较高精度获得对于相同的被检物质的电压，因此能够得到稳定的电化学测量数据。

在以上的说明中配置在一个对置电极2上的作用电极1的数量为一个，但作用电极1的数量也可以是多个。图16表示在一个对置电极2上设有多个作用电极1和在各个作用电极1上设有储存部11的多单体式被检物质检测传感器。作为例子，表示了单体数为8个的多单体式被检物质检测传感器100。在这种情况下，优选使用PN接合等将各作用电极之间电分离，使各个作用电极能够独立地送出检测数据。

在本发明的被检物质检测传感器100的储存部中的绝缘体3上，既可以利用异质法(heterogeneous)预先结合抗体或酵素等被检物质识别分子，或者也可以不结合这些被检物质识别分子，而作为均质法(homogeneous)用于溶液反应。通过接合被检物质识别分子，能够特别地检测特定的蛋白质或化学物质等，从而能够用作生物传感器。

实施例1

制作图16所示的8单体集成型被检物质检测传感器(T0005，实施例1)。作为对置电极2，使用在单面形成有膜厚0.3μm的SiO₂膜作为绝缘体3的硅基板。硅基板的尺寸为边长为15mm的正方形，厚度为550μm。作为作用电极1使用厚度0.77μm的格栅状金电极(参照图12)，作为形成储存部的周壁4，使用光致抗蚀剂(Clariant Japan制的AZ5214E)。光致抗蚀剂的厚度为2μm，储存部的直径为2mm。另外，作为比较例，制作不具备储存部11的8单体集成型被检物质检测传感器(T0020，比较例1)。

观察本发明的被检物质检测传感器(T0005)和比较用传感器(T0020)的动作特性。将各个传感器芯片按照图2进行连接并观察其动作特性。但是，电源作为交流电源使用函数发生器，替代电流表使用示波器。

利用微量移液管向各传感器的反应场中分别滴入一定量、例如1μL的超纯水、磷酸盐缓冲液(Phosphate buffered saline以下简称为PBS)及血清，并比较输出电压的最大值。使用函数发生器输入电压为50mV、频率为100Hz的正弦波，使用示波器测量其输出电压。示波器的输出电压以16个周期的平均值表示，在自动测定模式下获取其最大值。电压值的最小单位是4mV。获得的数据归纳在表1中。作为函数发生器，使用岩通计测株式会社制的函数发生器SG-4104，作为示波器，使用岩通计测株式会社制的数字示波器DS-5102。

表1

纵行1：电极编号、平均值；

横行1：本发明的传感器及比较用传感器的输出电压的比较(单位：mV)；

横行2：滴入样本之前、滴入超纯水之后、滴入PBS之后、滴入血清之后；

横行3：实施例1、比较例1...；

在滴入样本之前，两个传感器均显示标准偏差0.0mV，表示反应场的均匀性。滴入了超纯水时，在两个传感器之间未发现显著的电压差，但滴入了PBS、血清的情况下，两传感器之间的电压差较大。滴入了血清的情况下，在比较例1中显示的标准偏差为3.9mV，相反在实施例1中显示为2mV，与比较例1相比实施例1中的偏差减小到近一半。滴入了PBS的情况下，在比较例1中显示的标准偏差为5.8mV，相反在实施例1中显示为1.3mV，与比较例1相比实施例1中偏差减小到近1/4。

作为输出电压值的偏差存在较大的差的主要原因之一，可以认为，在具备储存部11的情况下，样本接触单体底部的反应场的面积恒定，在不具备储存部11的情况下，接触反应场的面积不恒定。此外，另一方面，在滴入超纯水的情况下，推断为由于较高的表面张力，溶液不扩散，而易于保持接触反应场的面积的恒定，因此，两个传感器的输出电压值的偏差较小。另外，与具备储存部的实施例1相比，在不具备储存部的比较传感器的情况下，输出电压的平均值因滴入超纯水增大2.5mV，因滴入PBS增大4mV，因滴入血清增大5mV。在比较例的传感器的情况下，可以想到在标准偏差的大小的基础上，还包含有系统错误。

另外，在后述的实施例2中作为溶剂使用PBS，但在不具备单体被检物质检测传感器的比较例1中，使用PBS的情况下的标准偏差为5.8mV，大大超过坐标图上的最小刻度、即2mV(参照图19)，因此，难以将其用于抗原抗体反应的高灵敏度的检测。

实施例2

均质法、交流测量

作为实施例1所示的被检物质检测传感器，使用8单体集成型被检物质检测传感器，利用均质法和交流测量对特定的蛋白质、即甲型胎儿蛋白(α-fetoprotein以下简称为AFP)进行检测和测定。过程如下。

(1)将浓度为100ng/mL的抗AFP(α-fetoprotein)抗体的PBS稀释液分别向4根试验管各注入5μL。如上所述准备含有抗体的试验管。

(2)向4根试验管分别注入不含有AFP的PBS各5μL。如上所述准备不含抗体的试验管。

(3)将浓度为0.0ng/mL、1.6ng/mL、6.25ng/mL、25ng/mL的AFP的PBS稀释液5μL滴入上述各系列的试验管中、即含有抗体的试验管和不含有抗体的试验管中，并进行搅拌。结果，得到含有以下8种反应溶液的试验管。

·样本A：AFP抗体(100ng/mL)5μL+AFP抗原(0ng/mL)(PBS)5μL

·样本B：AFP抗体(100ng/mL)5μL+AFP抗原(1.6ng/mL)5μL

·样本C：AFP抗体(100ng/mL)5μL+AFP抗原(6.25ng/mL)5μL

·样本D：AFP抗体(100ng/mL)5μL+AFP抗原(25ng/mL)5μL

·样本E：PBS 5μL+AFP抗原(0ng/mL)(PBS)5μL

·样本F：PBS 5μL+AFP抗原(1.6ng/mL)5μL

·样本G：PBS 5μL+AFP抗原(6.25ng/mL)5μL

·样本H：PBS 5μL+AFP抗原(25ng/mL)5μL

(4)将上述各试验管密封，在室温下保存一昼夜。

(5)向1个芯片上的8个单体分别滴入0.85μL的上述8种反应溶液。

(6)在电极之间施加振幅为10V、频率为20Hz的正弦波的电压，针对浓度不同的每个单体持续测量输出电压。

(7)使用3个另外的8单体集成型被检物质检测传感器进行相同的实验，取输出电压的平均值。

以下的表2表示存在抗体的情况和不存在抗体的情况下的与抗原浓度相应的输出电压的最大值、即平均值的结果。

表2

横行1：样本、抗体、抗原浓度、输出电压最大值的平均值；

纵行2：有...无...；

图19是用坐标图表示了表2的结果。图中的■表示仅含有抗原的样本溶液系列，◆表示含有抗原和抗体样本溶液系列。从该图可知，在仅含有抗原的样本溶液系列中，显示更接近恒定值的电压特性，另一方面，在含有抗原和抗体的样本溶液系列中，随着抗原浓度的增大，输出电压降低。可以想到这是因为含有抗原抗体两者的样本溶液系列的电特性取决于抗原抗体反应。

另外，在该实施例中，利用在被检物质检测传感器的绝缘体3上不预先结合抗体的均质法进行了试验，但可以利用在被检物质检测传感器的绝缘体3上预先结合抗体的的异质法，而且，也可以替代交流测量而使用直流测量。

图3～图7表示相关参照电极的配置的例子。该传感器的制造过程与已经说明的传感器的制造过程相同，因此，在此省略说明。

图3表示在储存部11的内部设有作用电极1之外还设有参照电极6的构造。在作用电极1和对置电极2这两个电极中，即使能够确定两者的电位差，只要分子附着在电极上，并且各个电位、特别是基板上的电极电位产生偏差，就无法确定真正的电位。因此，只要设置作为基准起到接地作用的、即电位不变化的参照电极6，就能够确定两电极的电位。

另外，欲观测抗原抗体反应的时效变化时，在对作用电极1付与恒定电位的情况下，在表面的抗体中抗原开始反应，上述参照电极6对表面的电场已变化时等有利。另外，线路与图8相同。

图4表示在储存部11的外侧设置参照电极6的构造。

电化学单体被检物质检测传感器中的参照电极6的接地位置与作用电极1和对置电极2在相同的单元内。在如图4、图5、图7、图8所示的构造中，参照电极6无法起到作为通常的电化学意义的参照电极的作用。但是，在被检物质检测传感器中，自基板上的作用电极1或参照电极6引出的电力线的大部分经由绝缘体膜进入到基板中。所谓的作用电极1的泄漏电场对检测有贡献。因此，即使将参照电极6暴露在外部，对置电极2与参照电极6之间的电位差也保持恒定，通过测量参照电极6与作用电极1的电位差，能够确定参照电极6的电位。

图5表示在周壁4中埋入参照电极6的构造。

与图4相同的理由起到作为参照电极6的作用，但与在图4中的暴露参照电极6的情况相比，在图5参照电极6埋入设置，从而能够防护参照电极6。在参照电极6暴露的情况下，如图16所示的多个电极之中，能够使用其中的任意电极作为参照电极6，但参照电极6有可能被储存部11的样本或灰尘污损。为了避免这一点，在周壁4中预先埋入专用于参照电极6的电极，由此能够进行稳定的电位测量。

图6表示在储存部中设置作用电极1和参照电极6，并且作用电极1和参照电极6利用分隔壁、即盐桥7隔离的构造。

被检物质主要是蛋白质，在抗原抗体反应中的电荷状态一般不被视为问题。但是，鉴于本发明人的经验，在离子性较高而易于带电的被检物质、例如钙配位的钙调蛋白等中具有能够获得高灵敏度的倾向，但有可能带电。对于上述的样本，使用盐桥控制离子浓度，从而有可能获得稳定的反应。可以想到，将来对一个检体检测其他项目时，在反应场之间设置离子交换膜，从而在一定程度上能够避免被检物质的交叉。

在钙调蛋白为被检物质的情况下，可以想到设置钙离子的交换膜会有效。根据被检物质的不同，需要准备相应的交换膜。对一个检体检测其他项目时，在多个被检物质的尺寸不同的情况下，可以想到使盐桥的尺寸或直径与被检物质的尺寸相配合，有选择地使被检物质通过盐桥。

图7表示在储存部11中设置作用电极1以及参照电极6，并利用周壁4完全隔离该作用电极1和参照电极6的构造。在这种情况下，虽然起到作为参照电极6的作用，但在图7中，在使参照电极6接地的储存部11中仅收容抗体，并且向作用电极1侧的储存部11中滴入相同量的抗体之外还滴入被检物质的抗原。由此，根据参照电极和作用电极的电位差，能够确定随着抗原的量、抗原抗体反应的进行而产生的溶液介电常数的变化。

附图标记说明

1、作用电极；2、对置电极；3、绝缘体；4、4’、周壁；5、试样溶液；6、参照电极；7、分隔壁；8A～8D、电极焊盘；9A～9C、接合线；10、玻璃环氧基板；11、储存部；12、销状电极；13、弹簧；14、插座；15、围挡；16、罩；17、开口部；18、恒电位仪；21、作用电极；22、对置电极；23、绝缘体；24、周壁；25、试样溶液；100、被检物质检测传感器；110、封装；120、单元；130、被检物质检测传感器装置；R、反应场。

附图标记翻译

图19

输出电压的浓度依赖性；

纵轴：输出电压；

横轴：浓度；

抗原+抗体、抗原+PBS。

Claims (12)

1.一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其通过让被检物质接触上述作用电极而使输出电压产生变化，其特征在于，

上述作用电极形成为小于上述对置电极以及上述绝缘体并设置在上述绝缘体表面的一部分上；

在上述绝缘体上形成有包围上述作用电极的周壁，该周壁起到收容被检物质的储存部的作用。

2.一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其在上述作用电极和上述对置电极上连接电源并通过让被检物质接触上述作用电极而使输出电压产生变化，其特征在于，

上述对置电极形成为板状，上述绝缘体覆盖上述对置电极的上表面，上述作用电极设置在上述绝缘体表面的一部分上，而上述作用电极和上述绝缘体之间的接触面积设定为小于上述对置电极和上述绝缘体之间的接触面积；

在上述绝缘体上形成有包围上述作用电极的周壁，该周壁起到收容上述被检物质的储存部的作用。

3.一种被检物质检测传感器，该被检物质检测传感器是由作用电极和对置电极隔着绝缘体一体化而成的，其通过让被检物质接触上述作用电极而使输出电压变化，其特征在于，

具有形成在上述作用电极上的壁部；

上述壁部具有用于收容上述被检物质的开口部；

上述作用电极具有使上述绝缘体的表面暴露的开口部；

收容在上述壁部的开口部内的上述被检物质经由上述作用电极的开口部接触上述绝缘体的表面。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

相对于上述作用电极独立地设有参照电极。

5.根据权利要求4所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

上述参照电极配置在上述储存部的外侧。

6.根据权利要求4所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

上述参照电极被埋在上述周壁中。

7.根据权利要求4所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

上述参照电极配置在上述储存部内。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

设置多个上述作用电极，在各个作用电极上分别设有上述储存部。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

在一个储存部内配置有多个作用电极。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

在上述储存部中积存规定量的被检物质，以补偿作用电极的稳定作用。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

形成上述储存部的周壁具有防水性。

12.根据权利要求1～10中任一项所述的被检物质检测传感器，其特征在于，

形成上述储存部的周壁具有防油性。

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