JP2007170850A

JP2007170850A - センサと検出方法

Info

Publication number: JP2007170850A
Application number: JP2005365165A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sugino; ▲隆▼ 杉野; Hidemitsu Aoki; 秀充青木; Chiharu Kimura; 千春木村
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】検査感度が高いセンサを提供する。
【解決手段】液体中の物質成分の検出において、多孔質イオン交換体に検査液を導入し、選択的に生成された物質成分を、計測回路にて計測する。第１のセンサは、被測定物質を選別する選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなる。選別素子は、多孔質イオン交換体からなり、多孔質イオン交換体は、計測回路の一部の経路と一体化される。多孔質イオン交換体に検査液が導入可能である。また、第２のセンサでは、多孔質体イオン交換体は、計測回路に隣接して配置される。多孔質イオン交換体の空孔には、酵素、抗原または抗体が固定されていて、多孔質イオン交換体に検査液を導入したとき酵素、抗原または抗体により発生された物質が計測回路内に送り込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学センサやバイオセンサに関する。

液体中の物質成分を検出する化学センサとして、種々のセンサが提案され、使用されている。化学センサでは、選択性や検出感度が重要である。たとえば、イオンセンサでは、対象とするイオンについて選択性を示すイオン選択膜を用いて、特定のイオンを選択的に検出する。また、イオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET)では、ＦＥＴ構造において、ゲート電極の代わりに、イオン感応膜（窒化シリコン膜など）を設ける。このイオン感応膜をサンプル水溶液などにつけて、所定のイオンの濃度を検出する。また、酵素センサ、免疫センサなどのバイオセンサでは、酵素、抗原、抗体などをイオン感応膜に固定して、分子識別機能を高めている。たとえばグルコースセンサでは、酵素グルコース・オキシダーゼを触媒としてグルコースから生成される過酸化水素を電極反応で電流に変換して、グルコースを検出する。なお、本発明は、後で説明するように多孔質イオン交換体を用いるが、多孔質イオン交換体は、たとえば、非特許文献１に記載されている。
Hiroshi Inoue et al., Polymer 45(2004)3-7

化学センサやバイオセンサでは、検出感度が重要である。しかし、従来の感応膜は、微量検査液に対する感度は十分ではなかった。
本発明の目的は、検査感度が高いセンサを提供することである。

本発明に係る第１のセンサは、被測定物質を選別する選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなり、液体中の物質成分を検出するためのセンサである。選別素子は、内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体からなる。多孔質イオン交換体は、計測回路の一部の経路と一体化される。多孔質イオン交換体に検査液が導入可能である。

前記の第１のセンサにおいて、たとえば、前記の計測回路の一部は２つの電極を含み、前記の多孔質イオン交換体の長手方向の両端に前記の２つの電極が配置される。

前記の第１のセンサにおいて、たとえば、前記の計測回路の一部は、半導体基板に設けたドレイン領域とドレイン電極およびソース領域とソース電極、半導体基板上の絶縁膜を含み、絶縁膜の上の前記の選別素子である多孔質イオン交換体の膜とともに電界効果トランジスタを構成する。

前記の第１のセンサにおいて、たとえば、前記の計測回路の一部は２つの電極を含み、前記の多孔質イオン交換体の長手方向の両端に前記の２つの電極が配置される。さらに、前記の多孔質イオン交換体において、前記の２つの電極の間に、長手方向と垂直に位置されるグリッド電極が配置される。

本発明に係る第２のセンサは、被測定物質を選別する選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなり、液体中の物質成分を検出するためのセンサである。前記の選別素子は、内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体からなる。前記の多孔質体イオン交換体は、前記の計測回路に隣接して配置される。前記の多孔質イオン交換体の空孔には、酵素、抗原または抗体が固定されていて、前記の多孔質イオン交換体に検査液を導入したとき前記の酵素、抗原または抗体により発生された物質が前記計測回路内に送り込まれる。

本発明に係る検出方法では、内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体に検査液を導入し、多孔質イオン交換体において選択的に生成された物質成分を、計測回路にて計測する。

多孔質イオン交換体を用いて微量検査液に対する感度が高いセンサを提供できる。これにより微量検査液で高感度、高速反応のセンシングが可能になる。

以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
化学センサやバイオセンサの高感度化に関して、発明者らは多孔質イオン交換体、特に連続細孔構造を有するイオン交換体に着目した。この多孔質イオン交換体は、従来の粒子状イオン交換体とは逆に構造体（高分子骨格）の中に多数の空孔部分を含む構造である。多数の空孔が内部で連続的につながった連続細孔構造が形成されている。これに対し、従来のイオン交換体は、粒子状であり、コラムの中にイオン交換体粒子が充填されている。

そこで、図１に示すような構成の実験装置で電気的特性を測定した。円筒容器１０の中に多孔質イオン交換体（たとえば１ｃｍ^２の断面積で１〜５ｃｍの長さ）１２を入れる。測定溶液１４をチューブポンプ１６により、配管１８を介して多孔質イオン交換体１２に流す。多孔質イオン交換体１２の長手方向の両端部にＰｔメッシュ電極２０を取り付け、直流（または交流）電源２２から両電極に電界を印加する。そして、電気的測定装置２４により電気的特性を測定する。これにより、溶液の透過性が高く、高速反応のセンシングが期待できることがわかった。これは、この多孔質イオン交換体では、構造体の中に多数の空孔部分が連続的につながっているためである。また、液体中の物質成分の検出感度が高いことがわかった。これは、測定溶液１４中の各種イオンや高分子がイオン交換膜１２の中の多数の空孔部分に吸着することで、多孔質イオン交換体の電気的な特性（導電性、インピーダンスの周波数依存性など）が変化するためである。したがって、化学センサやバイオセンサにおいて、被測定物質を選別する選別素子に多孔質イオン交換体を用いると、検査液中のイオンの捕獲効率が高く、均質かつ迅速なイオン脱着反応が可能であると期待される。

以下に多孔質イオン交換体を用いたセンサについて説明する。まず、多孔質イオン交換体について説明する。図２は、多孔質イオン交換体の構造を示す。イオン交換樹脂の高分子骨格の内部に多数の空孔が存在し、これらの空孔が互いに連続的につながっている。たとえば、高分子骨格の体積は全体積の１０％程度である。空孔の径は１〜５０μｍ（制御可能）である。これに対して、従来のイオン交換では、多数のイオン交換樹脂粒子（たとえば０．１〜５００μｍ径）がコラム（容器）に詰め込まれ、溶液をカラムに通す。イオン交換は、粒子表面のイオン交換基で行われる。多孔質イオン交換体に比べて、体積あたりのイオン交換基の数は少なく、溶液の透過性も低かった。多孔質イオン交換体では、高分子骨格内の多数の空孔が連続的につながっている連続細孔構造を有するため、従来のイオン交換用コラムに比べて溶液の透過性が高い。また、イオン交換基は、高分子骨格内の空孔およびイオンクラスター（親水性領域）の表面に固定される。（図には、交換基の位置が図式的に示されているが、実際には無数に存在する。）体積あたりの空孔の表面積が大きく、したがって、体積あたりに存在するイオン交換基（陽イオン交換基または陰イオン交換基）の数も従来のイオン交換体に比べて多い。

なお、多孔質イオン交換体の製造方法は、たとえば、Hiroshi Inoue et al., Polymer 45(2004)3-7に記載されている。代表的な例であるスチレン系の多孔質イオン交換樹脂について説明すると、スチレン（モノマー）とジビニルベンゼン（架橋材）とを、モノオレイン酸ソルビタン（乳化剤）およびアゾビスイソブチロニトリル（反応開始剤）とともに均一に混合し、得られた混合液を純水とともに攪拌して乳液を形成する。これを加熱して高分子を生成する。これにより、内部で空孔が連続的につながった連続細孔構造の高分子骨格が得られる。さらに、高分子骨格にイオン交換基を固定する。陽イオン交換基の場合は、たとえば、高分子骨格を１，２−ジクロロエタンに浸漬し十分膨潤させ、次に、クロロ硫酸を滴下する。これにより、空孔などに陽イオン交換基（スルホン基）を固定する。また、陰イオン交換基の場合は、たとえば、高分子骨格をジオキサンに浸漬し十分膨潤させ、次に、トリメチルアミンを滴下する。これにより、空孔などに陰イオン交換基（四級アンモニウム基）を固定する。

イオン交換では、イオン交換樹脂の表面に存在するイオン交換基が水中のイオンを吸着除去する。ここで、イオン交換基に吸着されたイオンの代わりに、それまで樹脂中に存在した同符号の別のイオンが脱着され、樹脂から出てくる。イオン交換樹脂がイオンを交換吸着する強さ（イオンの選択性）には、イオン種による順位があり、これにより選択性が生じる。Rをイオン交換樹脂の母体とすると、強酸性陽イオン交換樹脂のイオン交換基は、たとえば上述のR-SO₃ ^-（固定イオン）であり、H⁺（対立イオン)との間でイオン交換が行われる。また、強塩基性陰イオン交換樹脂の場合、イオン交換基は、たとえば上述のR-N(CH₃)⁺（固定イオン）であり、OH^-（対立イオン)との間でイオン交換が行われる。能力の無くなった樹脂を再活性化させるときには、順位の低いイオン種の高濃度の溶液を使用する。

次に、上述の多孔質イオン交換体を用いた各種センサについて説明する。これらのセンサは、被測定物質を選別するための、多孔質イオン交換体を用いた選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなる。多孔質イオン交換体は、計測回路の一部の経路と一体化される。多孔質イオン交換体に検査液が導入可能であり、これにより、検査液が計測回路内に導入され、被測定物質が検出される。

図３は、交流特性を測定するためのセンサを示す。円筒容器３０の中に多孔質イオン交換体３２を入れる。多孔質イオン交換体３２の長手方向の両端部に電極３４を配置し、微量の試料３６を多孔質イオン交換体３２に滴下する。交流電源３８により両電極３４に電界を印加する。そして、電気的測定装置３９により誘電率の分散を測定する。

図４は、図３に示した計測回路において、ＤＮＡ−αと蛋白質−βの混合溶液の微量試料を多孔質イオン交換体３２に滴下して交流を印加して測定した交流インピーダンス（周波数依存性）のデータを示す。多孔質状になった表面のイオン交換基に高分子が捕獲された状態で、誘電緩和時間の周波数依存性を測定した。誘電率は配向分極などの影響を反映する。図４には、混合溶液の誘電率ε'と複素誘電率ε"の周波数依存性を示す。複素誘電率ε"では、ＤＮＡ−αと蛋白質−βとで、異なるピーク周波数が観測された。このように、分子の大きさに応じて誘電率の分散が異なるため、物質の識別が可能である。さらに、ピーク周波数がわかると、定量も可能である。

図５は、多孔質イオン交換膜を用いたイオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET)を示す。このイオン感応性ＦＥＴの構造は、多孔質イオン交換膜をイオン感応膜として用いていることを除いて、従来のイオン感応性ＦＥＴと同様である。具体的には、ｐ−Ｓｉ基板４０にドレイン領域４２とソース領域４４を設け、ドレイン領域４２とソース領域４４の上にドレイン電極４６とソース電極４８を設ける。また、ｐ−Ｓｉ基板４０、ドレイン電極４６、ソース電極４８の上に、絶縁膜（たとえば、二酸化シリコン）５０を設け、その上に多孔質イオン交換膜５２をイオン感応膜として設ける。絶縁膜５０は、ｐ−Ｓｉ基板４０の保護膜でもあるが、絶縁膜を薄くすることにより容量が大きくして、検出感度を上げることもできる。使用の際には、多孔質イオン交換膜５２に測定液５４を接触させる。また、測定液５４に参照電極５６を配置する。ドレイン領域４２とソース領域４４の間に電圧Ｖ_ＤＳを印加し、かつ、参照電極５６に電圧Ｖ_ｇを印加し、この状態でドレイン領域４２とソース領域４４の間に流れる電流を測定する。微量試料の場合は、多孔質イオン交換膜５２の上にメッシュ金属電極を参照電極５６として設け、このメッシュの上に試料を滴下する。

図６は、ドレイン電極４６とソース電極４８の間に電圧Ｖ_ＤＳを印加し、参照電極５６とソース電極４８の間に電圧Ｖ_ｇを印加したときに流れるドレイン電流Ｉ_ｄの測定結果を示す。比較のため、イオン感応膜として窒化シリコンを用いた従来例も測定した。多孔質イオン交換膜５２を用いると感度が高くできることがわかった。多数のイオン交換基があるため従来より電荷がたまり、従来は変化が分からなかった微量の試料も検出できるようになった。

図７は、グリッド制御型センサを示す。このセンサでは、多孔質イオン交換膜６０の両端にそれぞれ電極６２，６４を設けるほかに、両者の間にグリッド電極６６を、参照電極として、長手方向に垂直に位置して設ける。グリッド電極６６は、たとえばメッシュ電極（たとえばＰｔ製）である。電極６２の近くで検査液６８を滴下して、両端の電極６２，６４の間に電圧を印加するとともに、グリッド電極６６と電極６４の間に電圧を印加すると、多孔質イオン交換膜６０の中で生じた陰イオン７０（たとえばＤＮＡなどの負電荷を持った分子）はグリッド電極６６の方に引かれ、さらにグリッド電極６６を通り抜けて電極６２に達する。陽イオンの場合のセンサも同様に構成できる。これにより、電荷を持つ分子の選択性を向上できる。

一般にバイオセンサでは、分子識別機能を有する酵素、抗原または抗体をセンサデバイスに固定している。ここでは、多孔質イオン交換膜内部の空孔に固定する。図８は、酵素センサの１例として、グルコースのみを選択的に検出するグルコースセンサを示す。このグルコースセンサの構造は、多孔質イオン交換膜を用いることを除いて、従来のグルコースセンサと同様である。酵素（グルコースオキシダーゼ）は、多孔質イオン交換膜８０のイオン交換基（スルホン基）に固定されている。多孔質イオン交換膜８０は、酸素漏洩保護膜（ナイロンなど）８２を介して測定液８４に接する。多孔質イオン交換膜８０は、過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２を透過させる酸素透過膜（テフロン（登録商標）、ポリプロピレンなど）８６に固定される。測定液８４として微量検査液が滴下できる。測定液８４からのグルコースと溶存酸素は、酵素を触媒として、グルコン酸と過酸化水素に変化される。グルコースと酸素を消費して生じた過酸化水素は酸素透過膜８６を透過する。一方、センサ容器８８と酸素透過膜８６で構成される容器の中に、中央部にＰｔカソード９０が位置され、さらに、アノード（たとえばＡｇ／ＡｇＣｌ）９２が配置される。そして、容器内に電解質液（たとえば飽和ＫＣｌ溶液）９４が入れられる。カソード９０とアノード９２の間に電圧が印加され、電流値が測定される。これにより、グルコースが検出される。

図９は、測定データの１例であり、グルコース濃度に対して電流値の変化を示す。従来例と比較すると、感度がかなり高くなることが分かった。

上述のグルコースセンサでは、多孔質イオン交換膜８０は、計測回路の一部を構成するのではなく、それに隣接して配置されている。多孔質イオン交換膜８０に検査液を導入したとき多孔質イオン交換膜８０内の酵素により発生された物質が計測回路内に送り込まれ、酵素により発生された物質が検出される。このセンサでは、上述の各種センサとは異なり、多孔質イオン交換体自体は、計測回路の一部に組み込まれていないが、多孔質イオン交換体により選別された物質が計測回路内に導入される点では上述の各種センサと共通する。すなわち、これらのセンサは、多孔質イオン交換体において選択的に生成された物質成分を計測回路に導入する選別素子を備えている。

なお、上述のセンサは、センシング部と計測機器とに分離してもよい。図１０に示すように、多孔質イオン交換体を含むセンシング部をチップとして作成し、このセンシング部を計測機器に挿入する。センシング部には多孔質イオン交換体と計測回路の一部が含まれている。センシング部を計測機器に挿入することにより、液体中の物質成分を検出する計測回路が構成される。１滴の生体液をチップのセンシング部に滴下し、このチップを計測機器に挿入することで測定する。

医療・健康管理の観点から、日ごと体調を管理する必要性が高まり、微量の検査液で状態を把握できることが望まれている。また、最近では、人間だけでなく、愛好するペットに対しても、その健康管理の需要が高まりつつある。さらには、自然界のあらゆる生物に対しても、その生体液を調査することで、地球環境の変化をモニターすることができる。本発明の化学センサやバイオセンサでは、これまでミリリットルレベルで抽出してきた検査液の量を、より微量のマイクロリットル、ナノリットルで検査できる。
また、本発明は、医療用や環境用だけでなく、食品、発酵・醸造プロセスや工業プロセスへの幅広い応用を可能にする。また、大量に需要が見込めることから、大きな経済効果も生み出せる。

電気的特性を測定する実験装置の図連続細孔構造を有する多孔質イオン交換膜の図式的な図交流特性測定用のセンサの図交流インピーダンス（周波数依存性）測定の１例のグラフイオン感応性電界効果トランジスタの図電圧Ｖ_ＤＳを印加したときに流れる電流Ｉ_ｄの測定結果のグラフグリッド制御型センサの図グルコースセンサの図グルコース濃度に対して電流値の変化を示すグラフセンシング部のチップと計測装置の図

符号の説明

１２多孔質イオン交換体、１４測定溶液、２０Ｐｔメッシュ電極、２２電源、２４測定装置、３０円筒容器、３２多孔質イオン交換体、３４電極、３６微量の試料、３８交流電源、３９測定装置、４０ｐ−Ｓｉ基板、４２ドレイン領域、４４ソース領域、５０絶縁膜、５２多孔質イオン交換膜、５４測定液、５６参照電極、６０多孔質イオン交換膜、６２，６４電極、６６グリッド電極６６、６８検査液、８０多孔質イオン交換膜、８２酸素漏洩保護膜、８４測定液、８６酸素透過膜、８８センサ容器、９０Ｐｔカソード、９２アノード、９４電解質液。

Claims

被測定物質を選別する選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなり、液体中の物質成分を検出するためのセンサであって、
前記の選別素子は、内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体からなり、
前記の多孔質イオン交換体は、計測回路の一部の経路と一体化され、
多孔質イオン交換体に検査液が導入可能であることを特徴とするセンサ。
前記の計測回路の一部は２つの電極を含み、前記の多孔質イオン交換体の長手方向の両端に前記の２つの電極が配置されることを特徴とする、請求項１に記載されたセンサ。
前記の計測回路の一部は、半導体基板に設けたドレイン領域とドレイン電極およびソース領域とソース電極、半導体基板上の絶縁膜を含み、絶縁膜の上の前記の選別素子である多孔質イオン交換体の膜とともに電界効果トランジスタを構成することを特徴とする、請求項１に記載されたセンサ。
前記の計測回路の一部は２つの電極を含み、前記の多孔質イオン交換体の長手方向の両端に前記の２つの電極が配置され、
さらに、前記の多孔質イオン交換体に、前記の２つの電極の間に、長手方向と垂直に位置されるグリッド電極が配置されることを特徴とする、請求項１に記載されたセンサ。
被測定物質を選別する選別素子と、選別された被測定物質を検出する計測回路の一部とからなり、液体中の物質成分を検出するためのセンサであって、
前記の選別素子は、内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体からなり、
前記の多孔質体イオン交換体は、前記の計測回路に隣接して配置され、
前記の多孔質イオン交換体の空孔には、酵素、抗原または抗体が固定されていて、
前記の多孔質イオン交換体に検査液を導入したとき前記の酵素、抗原または抗体により発生された物質が前記の計測回路内に送り込まれることを特徴とするセンサ。
内部に含まれる空孔が連続的につながっている多孔質イオン交換体に検査液を導入し、
多孔質イオン交換体において選択的に生成された物質成分を、計測回路にて計測する
検出方法。