JP2000033712A - マイクロセンサーデバイス作成方法及びそれを用いた液体機能評価方法 - Google Patents

マイクロセンサーデバイス作成方法及びそれを用いた液体機能評価方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題はセンサー電極上に分子認識膜を
効率よく、短時間に均一で高品質に形成する方法を提供
するものである。また形成された複数の微少なセンサー
電極ドット上に短時間に、効率よく、評価検出するべき
膨大な生体サンプルを正確に導入する方法を提供するこ
とである。 【解決手段】有機薄膜を電極上に形成させるためにイン
クジェットノズルより有機薄膜材料溶液をマイクロドッ
トで正確に要求される微少電極表面上に印字させて高密
度微少電極を作成させる。また微少電極上の有機薄膜表
面にインクジェットノズルによってセンシングされるサ
ンプル物質の溶液または液状物質をマイクロドットとし
て飛翔させてサンプルを評価する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微量物質検出装置に
係わり、特に生体分子材料などを高感度にかつリアルタ
イムで検出できる材料認識装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】生体情報を瞬時にモニターする方法とし
てバイオーセンサーシステムの研究開発が現在に至るま
で精力的に研究及び実用化開発が進められている。バイ
オセンサーの基本構成は生体物質検出部分と信号変換部
分に分れる。生体物質はバイオセンサーの選択性発現に
係わり生体分子の認識機能をもたらし、信号変換部では
生体物質分子の認識によって生じた変化が電気信号に変
換される。 分子認識できる生体物質の種類は多く、酵
素、抗体、結合たん白質、レクチン、レセプターなどが
ある。これらは大きくわけて２種類に分類される。 第
一に、分子認識機能と触媒機能を有する生体物質であ
る。酵素、複合酵素系、細胞内小器官、微生物細胞、動
物細胞、植物細胞などが含まれ、これらの触媒機能は酵
素独自の構造に由来するものであり、基本的にはミカエ
リスーメンテンの反応速度式によって近似できる。第二
は分子認識機能を有し生物親和性によって安定な複合体
を形成する生成物質である。抗体、レクチン、結合たん
白質、レセプターなどが含まれる。バイオーセンサーの
基本設計には以上の特性が考慮されながら進められる。
昨今のバイオテクノロジーの進展によって利用できる生
体物質もさらに広がり、耐熱性酵素、モノクロナール抗
体なども利用できるようになった。これら、分子認識さ
れた情報を電気信号変換するために、電気化学反応、Ｆ
ＥＴ、サーミスター、ピエゾ素子、表面弾性波素子フォ
トダイオードなどの物理量変換素子が利用される。
【０００３】しかし、上記した従来のバイオセンサーデ
バイスには以下に述べるような技術的問題がともなって
いた。 まず、これら分子認識薄膜を作成する方法とし
てはフォトレジスト法、電解重合法、ＬＢ膜法などがあ
る。フォトレジスト法はＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界
効果型トランジスター）電極表面全面にフォトレジスト
膜を形成させ、リソグラフィーによってゲート部分のみ
露出させて、ゲート絶縁膜に密着性のよい分子認識膜
（有機薄膜または生体分子薄膜）を形成させる。その
後、フォトレジスト層を剥離してやれば、分子認識膜は
ゲート部分のみの残り、センサーとして使用できる。と
ころがこの方法では分子認識膜の微少ドット電極をきれ
いに形成させるのが困難で、ドットのエッジ部のしあが
りの悪さ、歩留まりの低下、さらにはリソグラフィー法
による材料の浪費、つまり９９％の光硬化性樹脂が実際
に使用されず廃棄されるという効率の悪い、また地球資
源の浪費、環境汚染につながる薄膜作成方法であり大き
な問題がある。 また、LB膜法（ラングミュワ−ブロジ
ェット膜法）は水面下に単分子膜を形成させ固体基板表
面上に写し取る方法であり、単分子膜を構成する分子が
疎水性と親水性のバランスのとれた構造をもっていなけ
ればならない。ところがこの方法の問題点として、ＬＢ
膜の品質信頼性があり、膜上には無数のぬけや穴があっ
て均一な分子膜は構築できない。したがって、電極上に
形成された分子認識膜としての変化と電極上での変化の
区別がむずかしくなる問題がある。
【０００４】さらに、これらの方法で作成されたセンサ
ー膜は１種類のみの分子認識膜であり、この膜に対応す
る１種類のみの生体物質しか認識できない。また同時に
異なる生体物質を複数の電極に導入することは不可能で
あり、操作性、検出効率性の点からも問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は上記
不都合に鑑み、従来とは異なるセンサーの分子認識膜作
成方法を導入し、かつ生体物質検出手段として従来とは
異なる方法を導入するものである。
【０００６】すなわち、本発明の第１課題は、従来の方
法とは異なってセンサー電極上に分子認識膜を効率よく
短時間に、均一で品質の高い状態で形成する方法を提供
するものである。また、本発明の第二課題は、上記の新
しい分子認識膜作成法によって形成された複数の微少な
センサー電極ドット上に短時間に、効率よく、評価検出
するべき膨大な生体サンプルを正確に導入する方法を提
供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、任意の電極基板回路と電極上に設けられた有機
薄膜、有機薄膜が認識した情報を電気信号に変換できる
変換素子から構成されるセンサーデバイスにおいて、有
機薄膜を電極上に形成させるためにインクジェットノズ
ルより薄膜材料溶液をマイクロドットで正確に要求され
る微小電極表面上に印字させて高密度微小電極を機能化
することを特徴とするセンサーデバイスの作成方法であ
る。
【０００８】請求項２に記載の発明によれば、前記セン
サーデバイスにおいて、請求項１に記載の薄膜材料溶液
が導電性高分子を溶剤に溶解させた構成成分であること
を特徴とする請求項１記載のセンサーデバイス。
【０００９】請求項３に記載の発明によれば、前記セン
サーデバイスにおいて、請求項１に記載の薄膜材料溶液
がシリコン系表面修飾剤溶液または溶剤との混合成分で
あることを特徴とする請求項１記載のセンサーデバイ
ス。
【００１０】請求項４に記載の発明によれば、前記セン
サーデバイスにおいて、請求項１に記載の薄膜材料溶液
がチオール化合物を溶剤に溶解させた混合成分であり、
かつ電極表面上に金薄膜が形成されていることを特徴と
する請求項１記載のセンサーデバイス。
【００１１】請求項５に記載の発明によれば、前記セン
サーデバイスにおいて、形成された微少電極上の有機薄
膜表面にインクジェットノズルによってセンシングされ
るサンプル物質の溶液または液状物質をマイクロドット
として飛翔させて評価することを特徴とする微小液体の
評価方法。
【００１２】請求項６に記載の発明によれば、前記セン
サーデバイスにおいて、請求項５に記載のインクジェッ
トノズルよりマイクロドットとして飛翔する被センシン
グ溶液または液状物質がたん白質、ＤＮＡ、抗体、レセ
プター、レクチン、動植物細胞などの生体高分子、生理
活性物質またはそれらの水溶液であることを特徴とする
微少液体の評価方法。
【００１３】請求項７に記載の発明によれば、電極及び
電気回路がプラスティク基板上に形成されたことを特徴
とする請求項１ないしは請求項４に記載のセンサーデバ
イス、ならびに請求項５及び６に記載の液体機能評価方
法である。
【００１４】請求項８に記載の発明によれば、電気回路
がポリシリコン薄膜トランジスターによって形成される
ことを特徴とする請求項８及び請求項４あるいは請求項
７に記載されたセンサーデバイス、ならびに該センサー
デバイスを用いた請求項６、請求項６、請求項７に記載
の液体機能評価方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための最
小の形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】図１、２、３、４、５及び６に、実施形態
のセンサーデバイスの構造を説明する部分図を示す。
図１にはインクジェットヘッドの略図を示している。１
０はインクジェットヘッド、１１はインク滴を飛び出さ
せるヘッドノズル、１２は電極上に形成される導電性ポ
リマー、１３はＴＦＴ微少電極、１４はインクジェット
ノズルより形成される飛翔液滴である。インクジェット
ヘッドはピエゾ圧電素子を取り付けた方式で、駆動回路
より電気信号が圧電素子に送られると圧電素子は変形し
て内部にある液体がその変形圧力によって押し出されて
液体がノズルより吐出する。
【００１７】この場合、導電性ポリマーの溶液をインク
ジェットノズルよりマイクロドット溶液として吐出さ
せ、パターニングされた微少電極上に飛翔させたポリマ
ー溶液を、正確に到達させ液滴として固定化させる。使
用する導電性ポリマーは例えばポリピロール、ポリメチ
ルピロール、ポリチオフェン、ポリメチルチオフェン、
ポリアニリン及びポリフェニレンビニレンなどが挙げら
れる。導電性ポリマー溶液の作成はポリマーの種類によ
っては有機溶媒に溶けないものもあり、溶けないものに
ついて若干の工夫が必要である。たとえばここではポリ
ピロールの場合について述べる。0.30mmolピロールのＴ
ＨＦ（テトラヒドロフラン）溶液と反応触媒である0.25
mmolりんモリブデン酸及び30mgの可塑剤を含むＴＨＦ溶
液それぞれ別のインクジェットタンクに窒素パージして
導入し、微少電極上にそれぞれの溶液を吐出させる。２
種類の異なる溶液のドットが電極上で混合液となって１
時間室温にて放置すると溶媒が蒸発して固形化したポリ
マー薄膜ができる。その後薄膜表面をＴＨＦまたはメタ
ノールで洗浄し、残留触媒、未反応モノマーを除去す
る。他有機溶媒に解ける導電性ポリマーについては溶液
粘度が３cps以下に成るような濃度で調整してインクタ
ンクに導入して吐出させる。導電性ポリマーの選択的吸
着能を導入させるために、ポリマー溶液中に特定の酵素
分子や抗体分子を溶かし込み均一溶液をつくる。ポリマ
ー酵素・抗体混合溶液として、いろいろな導電性ポリマ
ーマイクロドットをインクジェットノズルより飛翔転写
させた後、溶媒を蒸発させて無数のセンサーピクセルか
ら形成されるバイオセンサーフィルムができる。各導電
性ポリマーで覆われた微少電極の電気抵抗または電流変
化は表面に吸着された結合蛋白質、抗体、ＤＮＡ、レセ
プターなどの生体分子凝集膜の影響によってそれぞれ個
別に変化するため、各ピクセル上にある物質が何か簡単
に検出される。図２には測定サンプル溶液を各微少電極
上に飛翔させるためのインクジェットの模式図を示して
いる。２１はインクジェットヘッド、２２はノズル、２
３は微少電極、２４はサンプル溶液、２５はサンプルの
飛翔液滴である。最初の分子認識膜を電極上に形成させ
るのと同様にインクジェットノズルより溶液サンプルの
マイクロドットを飛翔、導電性ポリマーの分子認識膜上
に転写させて、導電性ポリマー上に形成された生体分子
膜の影響で変化する個々の電極上での抵抗値変化または
微少電流変化を検出して、短時間で膨大なサンプルを評
価解析できる。
【００１８】たとえば、これらの微少電極パターンは異
なる複数の導電ポリマー溶液をマルチラインヘッドノズ
ルより飛翔させて、例えば１０種類の異なるセンサーピ
クセルよりなる各数百のラインドットを形成させること
が可能である。
【００１９】図３は半導体回路と同じ基板表面上に形成
された異なる導電性ポリマーの複数ラインからなる２次
元センサーとその上に形成される生体サンプルドット固
定化の方法を示す模式図である。この図にあるように、
横方向には５種類の異なる導電性ポリマーが５回繰り返
しで並んでおり計２５ドットあるとする。これが縦方向
に同じく２５ドットライン分基板表面いっぱいに形成さ
れる。この微少電極センサードット上に、今度は５種類
の生体サンプルを同じく５回繰り返しで計２５ドット縦
軸から横方向にインクジェットノズルによってマイクロ
ドットとして飛翔させて、電極上でそれぞれの表面吸着
変化をモニターすれば、短時間にリアルタイムでそれぞ
れの生体サンプルの生化学的性質、反応性などを多数回
同時に測定評価できる。この場合、２５通りの組み合わ
せについてそれぞれ２５回分のデータが得られる。ま
た、仮に１０種類の異なる導電性ポリマーから成る微小
電極ライン上に１０種類の生体サンプルを対応させると
１００通りの組み合わせ測定が１度にでき、例えばそれ
ぞれ５回繰り返しパターンを形成させると１００通りの
組み合わせ測定それぞれについて２５回分の再現性測定
データ数が得られる。
【００２０】それではこのようにして形成されたセンサ
ーデバイスアレイのデータ計測方法を説明する。図４に
は、抵抗センサーアレイを計測する回路の単純なブロッ
ク図を示す。図中の主な機能は、抵抗センサーマルチプ
レクサー部、信号処理回路部、パターン認識部に大別さ
れる。つまり、多チャンネル抵抗から１つのチャンネル
の信号を取り出し処理し、認識することがこのブロック
図の機能である。従って抵抗検出を正確に行うことがま
ず重要となる。
【００２１】最も単純で精密な抵抗検出方法は種々のブ
リッジ法であるが、この方法は抵抗の変化を図る目的に
は適していない。その他の方法として抵抗―周波数変換
があるが、ノイズの問題があるのと計測時間がかかりす
ぎる欠点がある。抵抗変化を検出する一般的な方法とし
ては図５に示したような電圧モードの回路が知られてい
る。この回路においては、特定の抵抗センサーを選択し
それに一定の電流を流し電圧をモニターする。すると電
圧は抵抗に比例するので、電圧変化を測ることで抵抗変
化を検出することができる。抵抗の変動値を測るために
センサーのベースとなる電圧は差動アンプにより差し引
いておくとよい。次に差動信号は高利得のアンプで増幅
される。図５の回路の感度はアンプの電圧利得に比例
し、次の式で与えられる。
【００２２】V0 = A (ISRS - Voff) すなわち、 （δV0 / δRS）=AIS 抵抗変化を検出するもう一つの別な方法として、電流モ
ードの測定方法がある。図６にその回路図を示す。ここ
では選択した抵抗センサーにある一定の電圧を印可して
おく。抵抗変化を測定するには、一定の電流を電源から
オフセット電流として流しておき、電流の差を信号とし
て取り出しそれを増幅する。回路の感度はアンプの電流
利得とセンサーの抵抗に比例する。
【００２３】I0 = A(Ioff - VS/RS) すなわち、 （δI0 / δRS）=AS/RS ２ = AIS/RS このような電流検出法は電圧検出法に比較して自由度が
高く、以後の信号処理が単純になる利点がある。
【００２４】このような半導体回路は通常単結晶シリコ
ン基板上に形成される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
素子によって構成されるが、近年多結晶シリコン（Ｐ−
Ｓｉ）薄膜を利用した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の性
能が飛躍的に向上しており、多結晶Ｓｉ薄膜トランジス
タ（Ｐ−ＳｉＴＦＴ）によってこのような回路を形成で
きるようになった。Ｐ−ＳｉＴＦＴの性能は原理的には
単結晶ＦＥＴと同じレベルまで向上しており、さらに低
温ポリシリコン製造法の導入により大面積のガラス基板
等を用いることができる。そのため大幅なコストダウン
が可能になり本発明のようなセンサーデバイスに適して
いる。
【００２５】基板についてはガラス基板だけでなく柔軟
性、屈曲性のある薄いプラスチック基板にもTFT微少電
極が作成できる。
【００２６】この基板上に形成された微少ＴＦＴ電極は
溶液サンプルのみでなく、多様なガス分子、揮発性物質
についても認識、動作可能である。すなわち導電性ポリ
マー表面にてそれぞれの揮発した分子が吸着されると導
電膜の電気抵抗が同じく変化して電気信号として認識で
きる。例えば、エタノール、アセトン、また塩素ガス、
シアンガスなどの有毒ガス、さらには香水などの芳香性
分子の認識にも使用できる。つまり、このセンサーデバ
イスフィルムを、あるガス雰囲気下に放置すると吸着ガ
ス分子は導電性ポリマー表面から内部に浸透してポリマ
ー膜全体が膨張収縮変化し、膜の電気抵抗変化を誘発さ
せる。これらの変化を電気信号検出してコンピュータを
通して認識された情報をすばやく、フィードバックでき
る。
【００２７】図７は各種検出機能を持つセンサー薄膜を
微少電極上に形成させた模式図である。７１は導電性ポ
リマー膜、７２は電極Ａ，Ｂである。各微少電極のサイ
ズは１−１００ミクロン角範囲で形成させておく。イン
クジェットノズルより吐出したポリマー溶液電極上に固
定化、薄膜化される。この導電性ポリマー膜表面上に生
体分子などが吸着されてその影響で発生する抵抗値変
化、電流変化を上記の検出方法でモニターする。
【００２８】また、微少電極表面にシリコン系機能性表
面修飾剤溶液をインクジェットノズルより吐出させて設
けられたシリコン系機能性分子膜に選択的に化学吸着し
た生体分子から電極表面へ電子移動を起こすことによっ
て、表面上に吸着した物質を選択的に検出することもで
きる。図７と基本的には同じ構成で、電極上に形成され
たシリコン系機能性分子膜上に選択的に結合、吸着した
電子移動性たん白質分子、例えば チトクロームＣから
発生する電子移動がもたらす微少電流変化によって、電
極表面上での蛋白質吸着がモニターできる。
【００２９】また、微少電極表面上に金薄膜をパターニ
ングして、その上にはチオール分子と金との間で自己組
織的集合現象によってできた機能性単分子膜を設けても
よい。微少電極上に作った金薄膜にできた自己集合化チ
オール分子膜の分子膜先端にある化学官能基は特定の生
体分子または揮発性分子が選択的に認識できる機能を持
っている。例えば、チオール分子先端の官能基にビオチ
ン誘導体を導入する。ビオチン分子はアヴィヂン、スト
レプトアヴィヂンの結合部位と特異的に強い結合力を示
し、結合定数は約1015を示す。これはほぼ共有結合に匹
敵する強さである。このビオチン分子膜上に例えば、ア
ヴィヂン−フェリチン 結合たん白質溶液をインクジェ
ットノズルより転写させるとアヴィヂンとビオチンとが
選択的に吸着されフェリチン蛋白質分子は電極上に固定
化される。ここに選択吸着された分子によって分子膜全
体の屈折率変化を引き起こし、この情報は吸着分子膜の
誘電率変化として捕らえられ、つまり微少電極を分極性
薄膜（キャパシター）として利用することでセンサとし
て機能させることが可能になる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、従来の方法とは異なっ
て微小センサー電極上に分子認識膜を効率よく短時間
に、均一で品質の高い状態で形成する方法を提供でき
る。また、本発明によれば、上記の新しい分子認識膜作
成法によって形成された複数の微小なセンサー電極ドッ
ト上に短時間に、効率よく、評価検出するべき膨大な生
体サンプルを正確に導入する方法を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット方式による微少な導電
性ポリマー電極作成法を示す模式図である。
【図２】本発明のインクジェット方式による機能液体サ
ンプル解析法を示す模式図である。
【図３】本発明のインクジェット方式による導電性ポリ
マー電極上での複数の機能液体サンプルを短時間で解析
する方法を示す模式図である。
【図４】本発明のマイクロセンサーデバイスのデータ計
測原理を示すブロック図である。
【図５】本発明のマイクロセンサーデバイスにおけるデ
ータ計測用電子回路を示す図である。
【図６】本発明のマイクロセンサーデバイスにおけるデ
ータ計測用電子回路を示す図である。
【図７】本発明のマイクロセンサーデバイスにおける各
種検出機能を持つセンサー薄膜を微少電極上に形成させ
た模式図である。
【符号の説明】
１０ インクジェットヘッド １１ ノズル口 １２ 導電性ポリマー膜 １３ 微少電極 １４ インクジェット液滴 １５ センサー基板 ２０ インクジェットヘッド ２１ ノズル口 ２２ 導電性ポリマー膜 ２３ 微少電極 ２４ インクジェット液滴 ２５ 基板 ２６ 被測定機能液体 ３０ マイクロセンサーフィルム ５０ 検出用機能性薄膜 ６０ 検出用機能性薄膜 ７０ 導電性ポリマー薄膜 ７１ 電極Ａ ７２ 電極Ｂ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】任意の電極基板回路と電極上に設けられた
    有機薄膜、有機薄膜が認識した情報を電気信号に変換で
    きる変換素子から構成されるセンサーデバイスにおい
    て、有機薄膜を電極上に形成させるためにインクジェッ
    トノズルより薄膜材料溶液をマイクロドットで正確に要
    求される微小電極表面上に印字させて高密度微小電極を
    形成することを特徴とするセンサーデバイス作成方法。
  2. 【請求項２】前記センサーデバイスにおいて、請求項１
    に記載の薄膜材料溶液が導電性高分子を溶剤に溶解させ
    た構成成分であることを特徴とするセンサーデバイス作
    成方法。
  3. 【請求項３】前記センサーデバイスにおいて、請求項１
    に記載の薄膜材料溶液がシリコン系表面修飾剤溶液また
    は溶剤との混合成分であることを特徴とするセンサーデ
    バイス作成方法。
  4. 【請求項４】前記センサーデバイスにおいて、請求項１
    に記載の薄膜材料溶液がチオール化合物を溶剤に溶解さ
    せた混合成分であり、かつ電極表面上に金薄膜が形成さ
    れていることを特徴とするセンサーデバイス作成方法。
  5. 【請求項５】請求項１及び４に記載のセンサーデバイス
    において、形成された微少電極上の有機薄膜表面にイン
    クジェットノズルによってセンシングしたい物質の溶液
    または液状物質をマイクロドットとして飛翔させて評価
    することを特徴とする液体機能評価方法。
  6. 【請求項６】前記センサーデバイスにおいて、請求項５
    に記載のインクジェットノズルよりマイクロドットとし
    て飛翔する被センシング溶液または液状物質がたん白
    質、ＤＮＡ、抗体などの生体高分子または生理活性物質
    であることを特徴とする液体機能評価方法。
  7. 【請求項７】電極及び電気回路がプラスティク基板上に
    形成されたことを特徴とする請求項１ないしは請求項４
    に記載のセンサーデバイス、ならびに請求項５及び請求
    項６に記載の液体機構評価方法。
  8. 【請求項８】電気回路がポリシリコン薄膜トランジスタ
    ーによって形成されることを特徴とする請求項７に記載
    されたセンサーデバイス、ならびに該センサーデバイス
    を用いた液体機能評価方法。
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