JP2000146892A - Plainer type chemical sensor element, and manufacture thereof - Google Patents

Plainer type chemical sensor element, and manufacture thereof

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JP2000146892A
JP2000146892A JP10320579A JP32057998A JP2000146892A JP 2000146892 A JP2000146892 A JP 2000146892A JP 10320579 A JP10320579 A JP 10320579A JP 32057998 A JP32057998 A JP 32057998A JP 2000146892 A JP2000146892 A JP 2000146892A
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sensor element
water
film
membrane
chemical sensor
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Japanese (ja)
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Soichi Saito
総一 齋藤
Atsushi Saito
敦 齋藤
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce deposit of a fouling substance on the outermost layer contacting with a test liquid upto a very low level, to stabilize thereby sensitivity even when used for a long period or repeatedly used, and to allow highly precise measurement. SOLUTION: This sensor element has an electrode system with at least a working electrode 3 and a counter electrode 4 formed on an insulating sustrate 1, and an immobilized enzyme membrane 5 provide on the electrode system. A pearmeability-restricting film 6 for restricting intrusion of a substarte, and a porous water repellant film 7 are laminated on the enzyme membrane 5 in order. Alternatively, the permeability-resricting film 6 and the porous water- repellant film 7 are laminated on the enzyme membrane 5 in order, in this chemical sensor element having an ion sensing type semiconductor electric field effect type transistor provided on the substarte 1 and the enzyme membrane 5 provided on the transistor.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、溶液中に含まれる
特定成分の濃度を酵素反応を利用して測定する化学セン
サに関し、さらに詳述すると、絶縁性基板上に形成した
電極又はトランジスタの上に固定化酵素膜を設けてなる
プレーナ型化学センサ素子の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a chemical sensor for measuring the concentration of a specific component contained in a solution using an enzymatic reaction, and more particularly, to a method for measuring the concentration of an electrode or a transistor formed on an insulating substrate. The present invention relates to an improvement of a planar type chemical sensor element provided with an immobilized enzyme film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、溶液中に含まれる特定成分の濃度
を酵素反応を利用して測定する化学センサとして、絶縁
性基板上に形成した電極又はトランジスタの上に固定化
酵素膜を設けてなるプレーナ型化学センサ素子がある。
このような化学センサでは、機能性膜(固定化酵素膜)
の触媒作用により溶液中の酸素と基質(測定対象物質)
とを反応させ、電気的に測定可能な生成物を得て、これ
を定量する。この場合、通常の環境下では、溶液中の酸
素濃度は温度に依存するある一定値をとる。そのため、
基質の量が増大すると、酸素が不足して前記反応が制限
される。したがって、電極やトランジスタ上に機能性膜
を積層しただけのセンサでは、ある濃度以上の基質は定
量できなくなる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a chemical sensor for measuring the concentration of a specific component contained in a solution by utilizing an enzyme reaction, an immobilized enzyme film is provided on an electrode or a transistor formed on an insulating substrate. There is a planar type chemical sensor element.
In such chemical sensors, functional membranes (immobilized enzyme membranes)
Oxygen in solution and substrate (substance to be measured)
Are reacted to obtain an electrically measurable product, which is quantified. In this case, under a normal environment, the oxygen concentration in the solution takes a certain value depending on the temperature. for that reason,
As the amount of substrate increases, the reaction becomes limited due to lack of oxygen. Therefore, a sensor having only a functional film laminated on an electrode or a transistor cannot quantify a substrate having a certain concentration or more.

【0003】前述した問題を解決するために用いられる
のが制限透過膜である。制限透過膜は、多孔性の膜や不
織布などであり、機能性膜上に積層されて機能性膜への
基質の侵入量を制限する。理想的な制限透過膜は、酸素
やその他気体の透過を抑制しないものであり、このよう
な膜を用いれば、基質に対する酸素濃度を相対的に増大
させることができ、そのため高濃度まで測定可能なセン
サを得ることができる。例えば、制限透過膜が無い場
合、グルコースセンサの測定範囲は0〜60mg/dl
程度であるが、制限透過膜を用いると、これを0〜30
00mg/dlあるいは0〜5000mg/dlといっ
た高濃度領域まで拡大することができる。
[0003] A limited permeation membrane is used to solve the above-mentioned problem. The limited permeation membrane is a porous membrane, a nonwoven fabric, or the like, and is laminated on the functional membrane to limit the amount of the substrate that invades the functional membrane. An ideal restricted-permeation membrane does not suppress the permeation of oxygen and other gases, and with such a membrane it is possible to relatively increase the oxygen concentration relative to the substrate and therefore measure up to high concentrations A sensor can be obtained. For example, when there is no restricted permeation membrane, the measurement range of the glucose sensor is 0 to 60 mg / dl.
However, if a restricted permeation membrane is used,
It can be expanded to a high concentration region such as 00 mg / dl or 0 to 5000 mg / dl.

【0004】制限透過膜を用いたセンサ素子技術は、例
えば特開平9−21779号公報に開示されている。図
5はこのセンサ素子を示す断面模式図である。絶縁性基
板1上に参照極2、作用極3及び対極4が形成されてお
り、これらの電極上にはBSA(牛血清アルブミン)、
GOD(グルコースオキシダーゼ)及びグルタールアル
デヒドを架橋させてなる固定化酵素膜5が設けられてい
る。さらに、固定化酵素膜5の上には、BSAとグルタ
ールアルデヒドとからなる制限透過膜6が設けられてい
る。
[0004] A sensor element technology using a restricted transmission membrane is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-21779. FIG. 5 is a schematic sectional view showing this sensor element. A reference electrode 2, a working electrode 3, and a counter electrode 4 are formed on an insulating substrate 1, and BSA (bovine serum albumin),
An immobilized enzyme membrane 5 formed by cross-linking GOD (glucose oxidase) and glutaraldehyde is provided. Further, on the immobilized enzyme membrane 5, a restricted permeation membrane 6 made of BSA and glutaraldehyde is provided.

【0005】図5に示したセンサ素子の動作は下記の通
りである。まず、センサ素子を被検液中に浸漬するか、
感応部8に被検液を滴下するなどして、センサ素子の感
応部8に被検液を接触させる。このとき、センサ素子は
ポテンショスタットに接続され、作用極3には参照極2
を基準として一定の電圧(0.6〜0.8V)が印加さ
れている。被検液中のグルコースは、制限透過膜6によ
って侵入が制限され、固定化酵素膜5に到達する液中の
グルコース濃度は、被検液(原液)中のグルコース濃度
の数十〜百分の一程度に薄められた状態となる。固定化
酵素膜5では、GODの作用によりグルコースが酸化さ
れ、グルコン酸と過酸化水素が生成する。発生した酸化
水素は作用極3上で酸化され、グルコース濃度に比例す
るファラデー電流が流れる。この電流値を測定し、グル
コース濃度を定量する。
The operation of the sensor element shown in FIG. 5 is as follows. First, immerse the sensor element in the test liquid,
The test liquid is brought into contact with the sensitive part 8 of the sensor element by dropping the test liquid onto the sensitive part 8 or the like. At this time, the sensor element is connected to the potentiostat, and the working electrode 3 is connected to the reference electrode 2
, A constant voltage (0.6 to 0.8 V) is applied. The intrusion of glucose in the test solution is restricted by the limiting permeable membrane 6, and the glucose concentration in the solution reaching the immobilized enzyme membrane 5 is tens to hundreds of the glucose concentration in the test solution (stock solution). It will be in a state of being diluted to a degree. In the immobilized enzyme membrane 5, glucose is oxidized by the action of GOD, and gluconic acid and hydrogen peroxide are generated. The generated hydrogen oxide is oxidized on the working electrode 3, and a Faraday current proportional to the glucose concentration flows. This current value is measured to determine the glucose concentration.

【0006】一方、被検液中には、測定しようとする目
的物質以外の基質も含まれている。この中で、電極や膜
の表面に付着して、出力を低下あるいは上昇させる物質
を妨害物質と呼ぶ。被検液と接触するセンサ素子の最外
層が化学的に不活性でないBSAや、表面の凹凸の大き
いシリコーン、アセチルセルロースなどであると、この
最外層に汚染物質が付着しやすく、センサ素子を繰り返
し使用すると出力が低下あるいは上昇してしまうため、
定量の再現性が悪化するという問題があった。また、一
度付着した物質は容易には除去されないので、亜硝酸な
どの特殊な薬品を用いてセンサ素子の最外層をしばしば
洗浄しなければならなかった。このような薬品洗浄は、
コストアップにつながるのみならず、洗浄廃液が環境に
悪影響を与える危険性もあった。
On the other hand, the test liquid contains a substrate other than the target substance to be measured. Among them, a substance that adheres to the surface of an electrode or a film and reduces or increases the output is called an interfering substance. If the outermost layer of the sensor element that comes in contact with the test liquid is BSA, which is not chemically inert, or silicone or acetylcellulose with large surface irregularities, contaminants easily adhere to this outermost layer, and the sensor element is repeatedly used. If used, the output will drop or rise, so
There was a problem that reproducibility of quantification was deteriorated. In addition, since the substance once adhered is not easily removed, the outermost layer of the sensor element must often be cleaned with a special chemical such as nitrous acid. Such chemical cleaning,
In addition to increasing the cost, there is also a risk that the washing waste liquid will have an adverse effect on the environment.

【0007】また、他方では、前記問題を解決するため
に、フッ素系樹脂やポリウレタンなどの化学的に安定で
かつ撥水性、撥油性に優れた材料を制限透過膜に用いる
ことにより、センサ素子の最外層に汚染物質が付着する
ことを防止する試みもなされている。このような技術
は、例えば米国特許第5,696,314号公報に開示
されている。図6はこのセンサの概念を示す断面模式図
である。固定化酵素膜5上の制限透過膜7として、撥水
性のフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンやポリテ
トラフルオロエチレンの粉末を同様の樹脂をバインダー
として膜状に形成したものを用いている。その厚さは2
0μmである。
On the other hand, in order to solve the above-mentioned problem, a chemically stable material having excellent water repellency and oil repellency, such as a fluororesin or polyurethane, is used for the restricted permeation film, so that the sensor element of the sensor element is formed. Attempts have been made to prevent contaminants from adhering to the outermost layer. Such a technique is disclosed, for example, in US Pat. No. 5,696,314. FIG. 6 is a schematic sectional view showing the concept of this sensor. As the restricted permeation membrane 7 on the immobilized enzyme membrane 5, a membrane formed from powder of perfluorocarbon or polytetrafluoroethylene, which is a water-repellent fluororesin, using a similar resin as a binder is used. Its thickness is 2
0 μm.

【0008】しかしながら、前記米国特許の技術におい
て制限透過膜の材料として使用されている撥水性のフッ
素系樹脂は、極めて高い撥水性を有するものであるた
め、前記のような厚い膜にすると水もほとんど通さなく
なり、したがってこの技術によって実際にセンサとして
動作するものを作製することは極めて困難であった。
However, the water-repellent fluororesin used as the material of the restricted permeation film in the technique of the above-mentioned US patent has an extremely high water-repellency. It was almost impossible to pass, and it was extremely difficult to make what actually worked as a sensor by this technique.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述した事
情に鑑みてなされたもので、その目的は、被検液と接触
する最外層への汚染物質の付着が極めて少なく、したが
って長期間の使用あるいは反復使用においても感度が安
定しており、常に高精度な測定を行うことが可能なプレ
ーナ型化学センサ素子及びその製造方法を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has as its object to minimize the adhesion of contaminants to the outermost layer in contact with a test liquid, and It is an object of the present invention to provide a planar chemical sensor element which has stable sensitivity even in use or repeated use and can always perform highly accurate measurement, and a method for manufacturing the same.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、下記(1)〜(6)に示すプレーナ型化学
センサ素子、及び(7)、(8)に示すプレーナ型化学
センサ素子の製造方法を提供する。 (1)絶縁性基板上に少なくとも作用極及び対極が形成
されてなる電極系と、該電極系上に設けられた固定化酵
素膜とを有する化学センサ素子において、前記固定化酵
素膜上に、基質の侵入を制限する制限透過膜と、多孔性
の撥水性膜とが順次積層されていることを特徴とするプ
レーナ型化学センサ素子。 (2)絶縁性基板と、該絶縁性基板上に設けられたイオ
ン感応型半導体電界効果型トランジスタと、該イオン感
応型半導体電界効果型トランジスタ上に設けられた固定
化酵素膜とを有する化学センサ素子において、前記固定
化酵素膜上に、基質の侵入を制限する制限透過膜と、多
孔性の撥水性膜とが順次積層されていることを特徴とす
るプレーナ型化学センサ素子。 (3)撥水性膜の厚さが0.1μm以下である(1)又
は(2)のプレーナ型化学センサ素子。 (4)撥水性膜がフッ素系樹脂、ポリウレタン又はポリ
キシレンからなる(1)〜(3)のプレーナ型化学セン
サ素子。 (5)撥水性膜が、表面張力30dynes/cm以
下、水の接触角90゜以上のものである(1)〜(4)
のプレーナ型化学センサ素子。 (6)撥水性膜が、多数のマイクロクラックが形成され
たものである(1)〜(5)のプレーナ型化学センサ素
子。 (7)前記(1)、(3)〜(6)のプレーナ型化学セ
ンサ素子の製造方法であって、電極系上に設けられた固
定化酵素膜上に基質の侵入を制限する制限透過膜を形成
する工程と、該工程により得られた制限透過膜上に撥水
性材料の溶液を塗布した後、減圧及び加熱を行って前記
溶液を乾燥させることにより制限透過膜上に多孔性の撥
水性膜を形成する工程とを含むことを特徴とするプレー
ナ型化学センサ素子の製造方法。 (8)前記(2)〜(6)のプレーナ型化学センサ素子
の製造方法であって、電極系上に設けられた固定化酵素
膜上に基質の侵入を制限する制限透過膜を形成する工程
と、該工程により得られた制限透過膜上に撥水性材料の
溶液を塗布した後、減圧及び加熱を行って前記溶液を乾
燥させることにより制限透過膜上に多孔性の撥水性膜を
形成する工程とを含むことを特徴とするプレーナ型化学
センサ素子の製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides a planar chemical sensor element as described in the following (1) to (6), and a planar chemical sensor element as described in (7) and (8). Provided is a method for manufacturing a device. (1) In a chemical sensor element having an electrode system in which at least a working electrode and a counter electrode are formed on an insulating substrate, and an immobilized enzyme film provided on the electrode system, A planar-type chemical sensor element, wherein a restricted permeation film for restricting intrusion of a substrate and a porous water-repellent film are sequentially laminated. (2) Chemical sensor having an insulating substrate, an ion-sensitive semiconductor field-effect transistor provided on the insulating substrate, and an immobilized enzyme film provided on the ion-sensitive semiconductor field-effect transistor A planar-type chemical sensor element, wherein a restricted permeation membrane for restricting invasion of a substrate and a porous water-repellent membrane are sequentially laminated on the immobilized enzyme membrane. (3) The planar chemical sensor element according to (1) or (2), wherein the thickness of the water-repellent film is 0.1 μm or less. (4) The planar chemical sensor element according to any one of (1) to (3), wherein the water-repellent film is made of a fluororesin, polyurethane or polyxylene. (5) The water-repellent film has a surface tension of 30 dynes / cm or less and a water contact angle of 90 ° or more (1) to (4).
Planar chemical sensor element. (6) The planar chemical sensor element according to any one of (1) to (5), wherein the water-repellent film has a large number of microcracks formed thereon. (7) The method for producing a planar-type chemical sensor element according to any one of (1) and (3) to (6), wherein the limiting permeation membrane restricts invasion of a substrate onto an immobilized enzyme membrane provided on an electrode system. And applying a solution of the water-repellent material on the restricted permeation film obtained in the step, and then drying the solution by applying reduced pressure and heating to dry the porous water-repellent material on the restricted permeation film. Forming a film. 10. A method for manufacturing a planar type chemical sensor element, comprising: (8) The method for producing a planar-type chemical sensor element according to any one of (2) to (6), wherein a step of forming a restricted permeation membrane for restricting intrusion of a substrate on an immobilized enzyme membrane provided on an electrode system. And applying a solution of the water-repellent material on the restricted permeation film obtained in the step, forming a porous water-repellent film on the restricted permeation film by applying reduced pressure and heating to dry the solution. And a method of manufacturing a planar type chemical sensor element.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。 (実施形態1)図1は本発明に係る化学センサ素子の一
例を示す平面図、図2は同素子の断面模式図である。本
例のセンサ素子においては、絶縁性基板1上に参照極
2、作用極3及び対極4が形成されており、これらの電
極上には固定化酵素膜5が設けられている。さらに、固
定化酵素膜5上には、基質の侵入を制限する制限透過膜
6と、多孔性の撥水性膜7とが順次積層されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 is a plan view showing an example of a chemical sensor element according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view of the element. In the sensor element of this example, a reference electrode 2, a working electrode 3, and a counter electrode 4 are formed on an insulating substrate 1, and an immobilized enzyme film 5 is provided on these electrodes. Further, on the immobilized enzyme membrane 5, a limiting permeation membrane 6 for restricting the invasion of the substrate and a porous water-repellent membrane 7 are sequentially laminated.

【0012】各電極の材料に限定はないが、例えば作用
極3、対極4には白金やカーボンが用いられ、この場合
の参照極2としては銀−塩化銀電極、金電極などが用い
られる。各々の電極は、リードを介して検出回路に接続
される。
Although the material of each electrode is not limited, for example, platinum or carbon is used for the working electrode 3 and the counter electrode 4, and a silver-silver chloride electrode, a gold electrode or the like is used as the reference electrode 2 in this case. Each electrode is connected to a detection circuit via a lead.

【0013】固定化酵素膜5は、測定の目的に応じて適
宜選定することができるが、通常は、共有結合法、架橋
化法、包括法、吸着法等によって酵素を高分子膜などに
固定化したものが使用される。
The immobilized enzyme membrane 5 can be appropriately selected depending on the purpose of the measurement. Usually, the enzyme is immobilized on a polymer membrane or the like by a covalent bonding method, a cross-linking method, an entrapment method, an adsorption method, or the like. Is used.

【0014】制限透過膜6としては、被検液中からの基
質の侵入を制限できるものが使用され、例えば、ポリオ
ルガノシロキサン(シリコーン)、アセチルセルロー
ス、アルブミンなどの多孔性膜が使用される。
As the restricted permeation membrane 6, a substance capable of restricting the invasion of the substrate from the test solution is used. For example, a porous membrane made of polyorganosiloxane (silicone), acetylcellulose, albumin or the like is used.

【0015】撥水性膜7は、血液、尿などの被検液中に
含まれる汚染物質の吸着を防止する機能を果たしてい
る。撥水性膜7の撥水性の基準は、表面張力30dyn
es/cm以下、水の接触角90゜以上を目安にするこ
とが適当である。また、撥水性膜7は、多数のマイクロ
クラックが形成された多孔性のものであり、基質の侵入
をほとんど制限しない。マイクロクラックとは、その大
きさ(幅、長さ)が数nm程度の亀裂である。撥水性膜
7は、フッ素系樹脂、ポリウレタン又はポリキシレンに
より形成することが好ましい。
The water-repellent film 7 has a function of preventing adsorption of contaminants contained in the test liquid such as blood and urine. The standard of water repellency of the water repellent film 7 is a surface tension of 30 dyn.
It is appropriate to use es / cm or less and a contact angle of water of 90 ° or more as a guide. In addition, the water-repellent film 7 is porous with a large number of microcracks formed, and hardly restricts the intrusion of the substrate. A microcrack is a crack whose size (width, length) is about several nm. The water-repellent film 7 is preferably formed of a fluorine resin, polyurethane or polyxylene.

【0016】なお、本発明の必須条件ではないが、各電
極と固定化酵素膜との間に妨害物質(目的物質以外の基
質で作用極と直接反応するもの)をブロックする選択透
過膜を設ければ、測定の精度が向上する。また、センサ
素子の感応部8以外の部分は、通常、絶縁膜9で覆うか
筐体に入れるなどして、被検液と接触しないようにす
る。
Although not an essential condition of the present invention, a permselective membrane for blocking interfering substances (substrates other than the target substance and directly reacting with the working electrode) is provided between each electrode and the immobilized enzyme membrane. Then, the accuracy of the measurement is improved. The portion other than the sensitive portion 8 of the sensor element is usually covered with an insulating film 9 or placed in a housing so as not to come into contact with the test liquid.

【0017】本実施形態のセンサ素子をグルコースセン
サとして構成する場合、各構成部分としては、例えば下
記のものを好適に使用することができる。 ・基板1:厚さ0.5〜1.5mmのガラス基板 ・作用極3及び対極4:白金薄膜 ・参照極2:銀−塩化銀電極 ・固定化酵素膜5:アルブミンとグルタールアルデヒド
とを架橋させて得た膜中にグルコース酸化酵素を固定化
したもの ・制限透過膜6:水溶性シリコーンからなるもの ・撥水性膜7:フッ素系樹脂からなるもの 次に、本実施形態のセンサ素子の製造方法について説明
する。ここでは、前記グルコースセンサの製造例を示
す。図3(a)〜(e)はその製造工程を示す模式図で
ある。なお、以下の製造方法は、参照極を用いない2極
法においても全く同様に適用することができる。 (a)絶縁性基板1上に参照極2、作用極3及び対極4
を形成した。この場合、まずスパッタあるいは蒸着によ
って基板1上に厚さ0.1〜1.0μmのPt薄膜を形
成し、フォトリソグラフィー法を用いて作用極3及び対
極4を形成した。次に、同様にして厚さ0.1〜1.0
μmのAg薄膜を形成・パターニングして電極を形成し
た。この電極を0.1mol塩酸中で定電流電解し、表
面に厚さ0.5μm程度の塩化銀を堆積させて参照極2
を形成した。 (b)工程(a)で得られた電極系の上に固定化酵素膜
5を積層した。この場合、牛血清アルブミン(BS
A)、グルタールアルデヒド(GA)及びグルコースオ
キシダーゼ(GOD)の混合水溶液を電極系上にスピン
コートして厚さ1μmの固定化酵素膜5を形成した。 (c)工程(b)で得られた固定化酵素膜5の上に制限
透過膜6を積層した。この場合、固定化酵素膜5上に水
溶性シリコーンをスピンコートし、この塗膜を乾燥させ
て厚さ0.5μmの制限透過膜6を形成した。この制限
透過膜6は、孔径0.001〜1μmの孔を有する多孔
性膜であった。 (d)工程(c)で得られた制限透過膜6上にフッ素系
樹脂溶液をスピンコートして、厚さ0.05μmのフッ
素系樹脂層7aを形成した。水溶性シリコーンからなる
制限透過膜6の表面には高さ0.01μm程度の凹凸が
あるため、フッ素系樹脂層7aの厚さを0.1μm以下
にすると、フッ素系樹脂層7aには無数のマイクロクラ
ックが形成される。このため、フッ素系樹脂層7aは水
及び基質をほぼ制限無く透過させる。 (e)工程(d)で得られたフッ素系樹脂層7aの乾燥
を、圧力が数Paの減圧雰囲気下で50〜100℃に加
熱して行った。こうすることによって、マイクロクラッ
ク10が均一に形成された撥水性膜7が得られた。
When the sensor element of the present embodiment is configured as a glucose sensor, for example, the following can be suitably used as each component. -Substrate 1: glass substrate having a thickness of 0.5 to 1.5 mm-Working electrode 3 and counter electrode 4: platinum thin film-Reference electrode 2: silver-silver chloride electrode-Immobilized enzyme membrane 5: albumin and glutaraldehyde A membrane in which glucose oxidase is immobilized in a membrane obtained by cross-linking. ・ Limited permeation membrane 6: A membrane made of water-soluble silicone ・ A water-repellent membrane 7: A membrane made of a fluororesin The manufacturing method will be described. Here, a production example of the glucose sensor will be described. FIGS. 3A to 3E are schematic diagrams showing the manufacturing steps. The following manufacturing method can be applied to the two-pole method without using the reference electrode. (A) Reference electrode 2, working electrode 3 and counter electrode 4 on insulating substrate 1
Was formed. In this case, first, a Pt thin film having a thickness of 0.1 to 1.0 μm was formed on the substrate 1 by sputtering or vapor deposition, and the working electrode 3 and the counter electrode 4 were formed by photolithography. Next, similarly, a thickness of 0.1 to 1.0
An electrode was formed by forming and patterning an Ag thin film of μm. This electrode was subjected to constant current electrolysis in 0.1 mol hydrochloric acid, and silver chloride having a thickness of about 0.5 μm was deposited on the surface to form a reference electrode 2.
Was formed. (B) The immobilized enzyme membrane 5 was laminated on the electrode system obtained in the step (a). In this case, bovine serum albumin (BS
A), a mixed aqueous solution of glutaraldehyde (GA) and glucose oxidase (GOD) was spin-coated on the electrode system to form an immobilized enzyme membrane 5 having a thickness of 1 μm. (C) The restriction membrane 6 was laminated on the immobilized enzyme membrane 5 obtained in the step (b). In this case, a water-soluble silicone was spin-coated on the immobilized enzyme membrane 5, and this coating was dried to form a 0.5 μm-thick restricted permeation membrane 6. This restricted permeation membrane 6 was a porous membrane having pores having a pore diameter of 0.001 to 1 μm. (D) A fluorine-based resin solution was spin-coated on the restricted permeation film 6 obtained in the step (c) to form a 0.05-μm-thick fluorine-based resin layer 7a. Since the surface of the restricted permeable membrane 6 made of water-soluble silicone has irregularities with a height of about 0.01 μm, if the thickness of the fluororesin layer 7a is 0.1 μm or less, the fluororesin layer 7a has an infinite number of parts. Micro cracks are formed. For this reason, the fluorine-based resin layer 7a allows water and the substrate to permeate almost without limitation. (E) The fluorine-based resin layer 7a obtained in the step (d) was dried by heating to 50 to 100 ° C. in a reduced pressure atmosphere of several Pa. Thus, the water-repellent film 7 in which the microcracks 10 were uniformly formed was obtained.

【0018】次に、前記グルコースセンサの動作につい
て説明する。まず、センサ素子を被検液中に浸漬する
か、感応部8に被検液を滴下するなどして、センサ素子
の感応部8に被検液を接触させる。このとき、センサ素
子はポテンショスタットに接続され、作用極3には参照
極2を基準として一定の電圧(0.6〜0.8V)が印
加されている。
Next, the operation of the glucose sensor will be described. First, the test liquid is brought into contact with the sensitive part 8 of the sensor element by immersing the sensor element in the test liquid or dropping the test liquid on the sensitive part 8. At this time, the sensor element is connected to a potentiostat, and a constant voltage (0.6 to 0.8 V) is applied to the working electrode 3 with respect to the reference electrode 2.

【0019】センサ素子に被検液が接触すると、水とグ
ルコース及びその他の基質は撥水性膜7中のマイクロク
ラック10を通って制限透過膜6に達する。制限透過膜
6ではグルコースの侵入が抑制されるため、固定化酵素
膜中5に拡散するグルコースの濃度は、被検液中の数十
〜百倍程度に薄められた状態となる。
When the test solution comes into contact with the sensor element, water, glucose and other substrates pass through the microcracks 10 in the water-repellent film 7 and reach the restricted permeation film 6. Since the infiltration of glucose is suppressed in the restricted permeation membrane 6, the concentration of glucose diffused into the immobilized enzyme membrane 5 is reduced to about several tens to hundred times in the test solution.

【0020】固定化酵素膜5ではグルコースが酸化さ
れ、グルコン酸と過酸化水素が生成する。発生した過酸
化水素は作用極3上で酸化され、グルコース濃度に比例
するファラデー電流が流れる。この電流値を測定し、グ
ルコース濃度を定量する。制限透過膜6が無い場合、測
定範囲は0〜60mg/dl程度であるが、制限透過膜
6を用いることによって、測定範囲を3000mg/d
l、5000mg/dlといった高濃度の領域まで拡大
することができる。
In the immobilized enzyme membrane 5, glucose is oxidized to produce gluconic acid and hydrogen peroxide. The generated hydrogen peroxide is oxidized on the working electrode 3, and a Faraday current proportional to the glucose concentration flows. This current value is measured to determine the glucose concentration. When there is no restricted permeation membrane 6, the measurement range is about 0 to 60 mg / dl, but by using the restricted permeation membrane 6, the measurement range is 3000 mg / d.
1, 5000 mg / dl.

【0021】また、撥水性膜7を形成するフッ素系樹脂
は化学的に安定で、かつ撥水性、撥油性に優れるため、
汚染物質の付着が極めて少なく、また付着したとしても
水洗によって簡単に汚染物質を除去することができる。
さらに、マイクロクラックは幅、長さが数十nmと非常
に小さいため、分子量の大きな妨害物質、汚染物質が固
定化酵素膜5中に侵入することも阻止される。なお、撥
水性膜をポリウレタンやポリキシレンで形成しても同様
の効果が得られる。
The fluororesin forming the water-repellent film 7 is chemically stable and has excellent water repellency and oil repellency.
Very little contaminant adheres, and even if it adheres, the contaminant can be easily removed by washing with water.
Further, since the microcracks have a very small width and length of several tens of nanometers, interfering substances and contaminants having a large molecular weight are prevented from entering the immobilized enzyme membrane 5. The same effect can be obtained even if the water-repellent film is formed of polyurethane or polyxylene.

【0022】上記のように、本実施形態のセンサ素子
は、被検液と接触する最外層に化学的に撥水性膜を設け
ているので、汚染物質の付着がほとんどなく、付着した
場合でも水洗等によって簡単に汚染物質を除去できる。
また、撥水性膜が成膜時より十分な数のマイクロクラッ
クを有しており、その大きさと数が変化しないため、長
期間の使用においても、積層膜全体の透過率が変化しな
い。そのため、常にセンサの感度が安定しており、長期
間あるいは反復使用においても、高精度な測定が可能に
なる。 (実施形態2)図4は本発明に係る化学センサ素子の他
の例を示す断面模式図である。このセンサ素子は、電界
効果型バイオセンサと呼ばれるものであり、イオン感応
性電界効果型トランジスタ(ISFET)のゲート部に
固定化酵素膜5が形成されている。本実施形態に示すI
SFETでは、絶縁性基板1上に島状の半導体層が形成
され、この半導体層は、ソース領域11、ドレイン領域
12及びチャネル領域13からなる。例えばnpn型の
トランジスタを用いる場合には、ソース領域11及びド
レイン領域12はn+型、チャネル領域13はp型であ
る。
As described above, since the sensor element of the present embodiment is provided with a chemically water-repellent film on the outermost layer that comes into contact with the test liquid, there is almost no adhesion of contaminants, and even if it adheres, it is washed with water. For example, contaminants can be easily removed.
In addition, since the water-repellent film has a sufficient number of microcracks than at the time of film formation and the size and number do not change, the transmittance of the entire laminated film does not change even when used for a long time. Therefore, the sensitivity of the sensor is always stable, and high-precision measurement can be performed even for a long period of time or repeated use. (Embodiment 2) FIG. 4 is a schematic sectional view showing another example of the chemical sensor element according to the present invention. This sensor element is called a field-effect biosensor, and an immobilized enzyme film 5 is formed on the gate of an ion-sensitive field-effect transistor (ISFET). I shown in this embodiment
In the SFET, an island-shaped semiconductor layer is formed on an insulating substrate 1, and the semiconductor layer includes a source region 11, a drain region 12, and a channel region 13. For example, when an npn-type transistor is used, the source region 11 and the drain region 12 are n + -type, and the channel region 13 is p-type.

【0023】前記半導体層は、絶縁膜14及びイオン感
応膜15によって覆われている。絶縁膜14には例えば
酸化シリコン、窒化シリコンなどが用いられ、イオン感
応膜15には例えば窒化シリコン、酸化タンタルなどが
用いられる。ISFETでは、チャネル領域上のイオン
感応膜が、通常のトランジスタにおけるゲート電極に相
当する。すなわち、ソース−ドレイン間を流れる電流は
イオン感応膜に発生する電位によって制御される。した
がって、水素イオン感応膜を用いれば、pHの変化を電
流値の変化として観測することができる。ISFETの
一例としては、基板にサファイア、半導体層にシリコ
ン、絶縁膜に酸化シリコン、イオン感応膜に窒化シリコ
ンを用いる構成が挙げられる。
The semiconductor layer is covered with an insulating film 14 and an ion-sensitive film 15. For example, silicon oxide, silicon nitride, or the like is used for the insulating film 14, and for example, silicon nitride, tantalum oxide, or the like is used for the ion-sensitive film 15. In an ISFET, an ion-sensitive film on a channel region corresponds to a gate electrode in a normal transistor. That is, the current flowing between the source and the drain is controlled by the potential generated in the ion-sensitive film. Therefore, if a hydrogen ion sensitive membrane is used, a change in pH can be observed as a change in current value. As an example of the ISFET, there is a configuration in which sapphire is used for a substrate, silicon is used for a semiconductor layer, silicon oxide is used for an insulating film, and silicon nitride is used for an ion-sensitive film.

【0024】そして、本実施形態では、イオン感応膜上
に実施形態1と同様に固定化酵素膜5、制限透過膜6及
び撥水性膜7が設けられている。膜の厚さ等は実施形態
1と同様である。図4の例ではこれらの膜全てがゲート
部にパターン化されているが、固定化酵素膜5以外は基
板全面にわたって形成されていても問題ない。
In the present embodiment, the immobilized enzyme membrane 5, the restricted permeation membrane 6, and the water-repellent membrane 7 are provided on the ion-sensitive membrane as in the first embodiment. The thickness of the film and the like are the same as in the first embodiment. In the example of FIG. 4, all of these films are patterned on the gate portion. However, there is no problem if the film other than the immobilized enzyme film 5 is formed over the entire surface of the substrate.

【0025】次に、本実施形態のセンサ素子の動作につ
いて説明する。まず、ソース−ドレイン間に一定の電圧
(2V)を印加しておく。センサ素子に被検液を接触さ
せると、実施形態1と全く同様にして過酸化水素とグル
コン酸が発生する。このため固定化酵素膜5の下面、す
なわちイオン感応膜の表面のpHが変化する。したがっ
て、グルコースの濃度をソース−ドレイン間に流れる電
流値の変化として定量することができる。
Next, the operation of the sensor element of this embodiment will be described. First, a constant voltage (2 V) is applied between the source and the drain. When a test solution is brought into contact with the sensor element, hydrogen peroxide and gluconic acid are generated in exactly the same manner as in the first embodiment. Therefore, the pH of the lower surface of the immobilized enzyme membrane 5, that is, the surface of the ion-sensitive membrane changes. Therefore, the concentration of glucose can be quantified as a change in the value of the current flowing between the source and the drain.

【0026】本実施形態の場合も、実施形態1と全く同
様な理由によって、汚染物質の影響を受けることなく、
長期間の測定あるいは反復測定を高い精度で行うことが
可能である。また、本例のようにISFETを用いた場
合は、固定化酵素膜に電流が流れないため、センサ素子
の寿命が著しく長くなる、妨害物質及びノイズの影響を
受けにくくなる、センサ素子を小型化することができ
る、といった種々の利点が得られる。
In the present embodiment, for exactly the same reason as in the first embodiment, without being affected by contaminants,
Long-term measurement or repeated measurement can be performed with high accuracy. In addition, when an ISFET is used as in this example, no current flows through the immobilized enzyme film, so that the life of the sensor element is significantly increased, the sensor element is less susceptible to interfering substances and noise, and the sensor element is downsized. Various advantages can be obtained.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように、本発明のプレーナ型セン
サ素子は、被検液と接触する最外層に多孔性の撥水性膜
を設けているので、汚染物質の付着がほとんどなく、付
着した場合でも水洗等によって簡単に汚染物質を除去で
きる。また、撥水性膜が多孔性であるため、基質の透過
を妨害しない。そのため、常にセンサの感度が安定して
おり、長期間あるいは反復使用においても、高精度な測
定が可能になる。
As described above, in the planar sensor element of the present invention, since the porous water-repellent film is provided on the outermost layer in contact with the test solution, there is almost no adhesion of contaminants. Even in this case, contaminants can be easily removed by washing with water. Further, since the water repellent film is porous, it does not hinder the permeation of the substrate. Therefore, the sensitivity of the sensor is always stable, and high-precision measurement can be performed even for a long period of time or repeated use.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る化学センサ素子の一例を示す平面
図である。
FIG. 1 is a plan view showing an example of a chemical sensor element according to the present invention.

【図2】図1に示した素子の断面模式図である。FIG. 2 is a schematic sectional view of the element shown in FIG.

【図3】本発明に係る化学センサ素子の製造工程の一例
を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic view illustrating an example of a manufacturing process of the chemical sensor element according to the present invention.

【図4】本発明に係る化学センサ素子の他の例を示す断
面模式図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another example of the chemical sensor element according to the present invention.

【図5】従来の化学センサ素子の一例を示す断面模式図
である。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of a conventional chemical sensor element.

【図6】従来の化学センサ素子の一例を示す断面模式図
である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of a conventional chemical sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁性基板 2 参照極 3 作用極 4 対極 5 固定化酵素膜 6 制限透過膜 7 撥水性膜 10 マイクロクラック 11 ソース領域 12 ドレイン領域 13 チャネル領域 14 絶縁膜 15 イオン感応膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating substrate 2 Reference electrode 3 Working electrode 4 Counter electrode 5 Immobilized enzyme membrane 6 Restricted permeation membrane 7 Water-repellent membrane 10 Microcrack 11 Source region 12 Drain region 13 Channel region 14 Insulating film 15 Ion-sensitive film

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁性基板上に少なくとも作用極及び対
極が形成されてなる電極系と、該電極系上に設けられた
固定化酵素膜とを有する化学センサ素子において、前記
固定化酵素膜上に、基質の侵入を制限する制限透過膜
と、多孔性の撥水性膜とが順次積層されていることを特
徴とするプレーナ型化学センサ素子。
1. A chemical sensor element comprising: an electrode system having at least a working electrode and a counter electrode formed on an insulating substrate; and an immobilized enzyme film provided on the electrode system. A limited chemical permeation film for restricting invasion of a substrate and a porous water-repellent film are sequentially laminated.
【請求項2】 絶縁性基板と、該絶縁性基板上に設けら
れたイオン感応型半導体電界効果型トランジスタと、該
イオン感応型半導体電界効果型トランジスタ上に設けら
れた固定化酵素膜とを有する化学センサ素子において、
前記固定化酵素膜上に、基質の侵入を制限する制限透過
膜と、多孔性の撥水性膜とが順次積層されていることを
特徴とするプレーナ型化学センサ素子。
2. An insulating substrate, an ion-sensitive semiconductor field-effect transistor provided on the insulating substrate, and an immobilized enzyme film provided on the ion-sensitive semiconductor field-effect transistor. In chemical sensor elements,
A planar-type chemical sensor element, wherein a restricted permeation membrane for restricting intrusion of a substrate and a porous water-repellent membrane are sequentially laminated on the immobilized enzyme membrane.
【請求項3】 撥水性膜の厚さが0.1μm以下である
請求項1又は2に記載のプレーナ型化学センサ素子。
3. The planar chemical sensor element according to claim 1, wherein the thickness of the water-repellent film is 0.1 μm or less.
【請求項4】 撥水性膜がフッ素系樹脂、ポリウレタン
又はポリキシレンからなる請求項1〜3のいずれか1項
に記載のプレーナ型化学センサ素子。
4. The planar chemical sensor element according to claim 1, wherein the water-repellent film is made of a fluorine resin, polyurethane or polyxylene.
【請求項5】 撥水性膜が、表面張力30dynes/
cm以下、水の接触角90゜以上のものである請求項1
〜4のいずれか1項に記載のプレーナ型化学センサ素
子。
5. The water-repellent film has a surface tension of 30 dynes /
2 cm or less and a contact angle of water of 90 ° or more.
The planar type chemical sensor element according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 撥水性膜が、多数のマイクロクラックが
形成されたものである請求項1〜5のいずれか1項に記
載のプレーナ型化学センサ素子。
6. The planar-type chemical sensor element according to claim 1, wherein the water-repellent film has a large number of microcracks formed thereon.
【請求項7】 請求項1、3〜6のいずれか1項に記載
のプレーナ型化学センサ素子の製造方法であって、電極
系上に設けられた固定化酵素膜上に基質の侵入を制限す
る制限透過膜を形成する工程と、該工程により得られた
制限透過膜上に撥水性材料の溶液を塗布した後、減圧及
び加熱を行って前記溶液を乾燥させることにより制限透
過膜上に多孔性の撥水性膜を形成する工程とを含むこと
を特徴とするプレーナ型化学センサ素子の製造方法。
7. The method for producing a planar type chemical sensor element according to claim 1, wherein the intrusion of a substrate onto an immobilized enzyme membrane provided on an electrode system is restricted. Forming a restricted permeable membrane, and applying a solution of a water-repellent material on the restricted permeable membrane obtained in the step, and then performing pressure reduction and heating to dry the solution, thereby forming a porous layer on the restricted permeable membrane. Forming a hydrophobic water-repellent film.
【請求項8】 請求項2〜6のいずれか1項に記載のプ
レーナ型化学センサ素子の製造方法であって、電極系上
に設けられた固定化酵素膜上に基質の侵入を制限する制
限透過膜を形成する工程と、該工程により得られた制限
透過膜上に撥水性材料の溶液を塗布した後、減圧及び加
熱を行って前記溶液を乾燥させることにより制限透過膜
上に多孔性の撥水性膜を形成する工程とを含むことを特
徴とするプレーナ型化学センサ素子の製造方法。
8. The method for producing a planar type chemical sensor element according to claim 2, wherein the penetration of the substrate is restricted on an immobilized enzyme membrane provided on the electrode system. A step of forming a permeable membrane, and after applying a solution of a water-repellent material on the restricted permeable membrane obtained in the step, performing a reduced pressure and heating to dry the solution, thereby forming a porous layer on the restricted permeable membrane. Forming a water-repellent film.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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