JP2008064724A - Carbon nanotube electrode and sensor using the electrode - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode usable for a sensor or the like of high sensitivity, and a sensor using the electrode. <P>SOLUTION: A material to be detected can be detected at high sensitivity by the sensor having the electrode having a carbon nanotube on a metal surface. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、生体分子等を検出するセンサー用の電極及び当該電極を用いたセンサーに関し、より詳細には、カーボンナノチューブ電極及び当該電極を用いたセンサーに関するものである。   The present invention relates to an electrode for a sensor for detecting a biomolecule and the like and a sensor using the electrode, and more particularly to a carbon nanotube electrode and a sensor using the electrode.

従来、提案された電気化学的バイオセンサーは、特定の分子と選択的に反応する反応基をもった薄膜を電極上に形成し、その薄膜が前記特定分子を吸着した際のポテンシャルの変化、または分子が電極と電子のやり取りを伴った反応を行った際の電極にながれる電流を測定するようになっている。具体的にはグルコース酸化酵素を有する薄膜を電極上に形成し、グルコースとの酸化反応に伴う電流値の変化を測定することにより、グルコース量を検出する方式である。この種のバイオセンサーに関しては、例えば下記の特許文献1を挙げることができる。   Conventionally, the proposed electrochemical biosensor forms a thin film on the electrode with a reactive group that selectively reacts with a specific molecule, and changes in potential when the thin film adsorbs the specific molecule, or The current that flows through the electrode when the molecule undergoes a reaction involving the exchange of electrons with the electrode is measured. Specifically, this is a method of detecting the amount of glucose by forming a thin film having glucose oxidase on an electrode and measuring a change in current value accompanying an oxidation reaction with glucose. Regarding this type of biosensor, for example, the following Patent Document 1 can be cited.

ところで、カーボンナノチューブは、グラファイトシートがチューブ上に丸まった物質であり、その電気的特性は構造によって金属的にも半導体的にも成りうると予測されている。またカーボンナノチューブは、直径が1〜数十ナノメートルであるのに対して長さが数十マイクロメートルであるため、典型的な1次元電気伝導を示すものと期待される物質でもある。このようなチューブ状物質は1次元電気伝導特性を有し、バリスティック伝導を示すことが期待されている。そのためチューブ状無機物質を各種デバイスに応用しようという試みが近年盛んである。
特開平10−260156号公報(公開日:平成10(1998)年9月29日)
By the way, carbon nanotube is a substance in which a graphite sheet is rounded on a tube, and its electrical characteristics are predicted to be metallic and semiconducting depending on the structure. Carbon nanotubes have a diameter of 1 to several tens of nanometers and a length of several tens of micrometers, and are therefore expected to exhibit typical one-dimensional electrical conduction. Such a tube-shaped substance has a one-dimensional electric conduction characteristic and is expected to exhibit ballistic conduction. For this reason, attempts to apply tubular inorganic materials to various devices have been active recently.
JP 10-260156 A (publication date: September 29, 1998)

しかしながら、上述した従来技術におけるバイオセンサーは前述のように化学反応に伴う電流値を直接的に検出する方法であるため、感度が低く、低濃度のグルコースを検出することが困難であるなど、バイオセンサーの高選択性という特長を充分に発揮できないという欠点を有していた。   However, since the above-described biosensor in the prior art is a method for directly detecting a current value associated with a chemical reaction as described above, the biosensor is low in sensitivity and difficult to detect a low concentration of glucose. It had the disadvantage that the high selectivity of the sensor could not be fully demonstrated.

また、これまで、AuやPt等の電極を用いて生体分子等を電気化学的に酸化・還元することにより、直接電流として検出するバイオセンサーの研究がなされている。しかしながら、上述の電極を用いてセンサーを作製する際、十分な感度が得られないという欠点、さらに、集積化することが困難であるという欠点があった。   In addition, biosensors that directly detect currents by electrochemically oxidizing and reducing biomolecules using electrodes such as Au and Pt have been studied. However, when a sensor is manufactured using the above-described electrodes, there are a drawback that sufficient sensitivity cannot be obtained, and a further disadvantage that integration is difficult.

それゆえ、電極を用いて生体分子等を電気化学的に酸化・還元することにより、直接電流として検出するバイオセンサーであって、十分な感度を有し、さらに集積化可能なセンサーの開発が強く望まれていた。   Therefore, there is a strong development of biosensors that detect direct currents by electrochemically oxidizing and reducing biomolecules using electrodes and that have sufficient sensitivity and can be integrated. It was desired.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高感度のセンサー等に利用可能な電極及び当該電極を用いたセンサーを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an electrode that can be used for a highly sensitive sensor and the like and a sensor using the electrode.

本発明者らは、上記課題に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、金属表面上にカーボンナノチューブを形成すると電極表面積が格段に増加するため、カーボンナノチューブ電極を用いてセンサーを作製することにより、生体分子等を高感度に検出することが可能となり、さらに、下地の電極面積を小さくすることができるため、集積化が可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明に係る発明は、以下の発明を包含する。   As a result of intensive investigations in view of the above problems, the present inventors have significantly increased the surface area of an electrode when carbon nanotubes are formed on a metal surface. It has become possible to detect molecules and the like with high sensitivity, and furthermore, since the underlying electrode area can be reduced, it has been found that integration is possible, and the present invention has been completed. That is, the invention according to the present invention includes the following inventions.

(1)金属表面にカーボンナノチューブを備える電極。   (1) An electrode having carbon nanotubes on the metal surface.

(2)上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブである(1)に記載の電極。   (2) The electrode according to (1), wherein the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube.

(3) 上記カーボンナノチューブは、抗体、タンパク質、糖、酵素、ペプチド核酸、及びアプタマー核酸からなる群より選択される1種の物質を表面に固定化したものである(1)又は(2)に記載の電極。   (3) The carbon nanotube is obtained by immobilizing one kind of substance selected from the group consisting of an antibody, a protein, a sugar, an enzyme, a peptide nucleic acid, and an aptamer nucleic acid on the surface (1) or (2) The electrode as described.

(4)上記カーボンナノチューブは、金属表面上で直接成長させることにより金属表面と電気的又は機械的に良好に接触しているものである(1)〜(3)のいずれかに記載の電極。   (4) The electrode according to any one of (1) to (3), wherein the carbon nanotube is in good electrical or mechanical contact with the metal surface by directly growing on the metal surface.

(5)上記のカーボンナノチューブは、直径が数ミクロンの微小金属上に直接成長させてなるものである(1)〜(4)のいずれかに記載の電極。   (5) The electrode according to any one of (1) to (4), wherein the carbon nanotube is grown directly on a fine metal having a diameter of several microns.

(6)上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒をフォトレジストでパターニングし、熱化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成する(1)〜(5)のいずれかに記載の電極。   (6) When the carbon nanotube electrode is formed, the catalyst is patterned on the metal electrode with a photoresist, and the carbon nanotube is formed by a thermal chemical vapor deposition method (1) to (5) electrode.

(7)上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒をフォトレジストでパターニングし、プラズマ化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成する(1)〜(5)のいずれかに電極。   (7) When forming the carbon nanotube electrode, the catalyst is patterned on the metal electrode with a photoresist, and the carbon nanotube is formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (1) to (5).

なお、上記(7)の場合、触媒は、鉄、ニッケル、コバルトであることが好ましい。   In the case of (7) above, the catalyst is preferably iron, nickel, or cobalt.

(8)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の電極を複数、基板上に一体形成してなる電極群。   (8) An electrode group formed by integrally forming a plurality of electrodes according to any one of (1) to (7) on a substrate.

(9)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の電極、又は(8)に記載の電極群を備えるセンサー。   (9) A sensor comprising the electrode according to any one of (1) to (7) or the electrode group according to (8).

(10)測定対象物質又は電極表面にあらかじめ固定化された物質に含まれる、アミノ酸又は塩基の酸化又は還元による電流により、測定対象物質をラベルフリーに測定するものである(9)に記載のセンサー。   (10) The sensor according to (9), wherein the measurement target substance is measured in a label-free manner by an electric current generated by oxidation or reduction of an amino acid or a base contained in the measurement target substance or a substance immobilized in advance on the electrode surface. .

(11)バイオセンサーである(9)又は(10)に記載のセンサー。   (11) The sensor according to (9) or (10), which is a biosensor.

(12)上記複数のカーボンナノチューブ電極において、それぞれのカーボンナノチューブ電極に異なった物質を固定化し、一度のサンプルの測定で、多数の項目を同時に検査できるシステムである(9)〜(11)のいずれかに記載のセンサー。   (12) In any one of (9) to (11), in the plurality of carbon nanotube electrodes, a different substance is immobilized on each carbon nanotube electrode, and a large number of items can be inspected simultaneously by measuring a single sample. The sensor according to Crab.

(13)センサーのシリコン基板上に、集積回路技術を用いてポテンショスタットを組み込んだものである(9)〜(12)のいずれかに記載のセンサー。   (13) The sensor according to any one of (9) to (12), wherein a potentiostat is incorporated on a silicon substrate of the sensor using an integrated circuit technique.

(14)上記のポテンショスタットと、該センサー部分が取り外し可能で使い捨てが可能である(13)に記載のセンサー。   (14) The sensor according to (13), wherein the potentiostat and the sensor part are removable and can be disposable.

本発明に係る電極は、上述した独自の構成を有するゆえに、センサーに用いた場合、高感度なセンサーを作製することができるという効果を奏する。さらに、本電極を用いたセンサーは集積化することも可能である。   Since the electrode according to the present invention has the above-described unique configuration, when used in a sensor, the electrode can produce a highly sensitive sensor. Furthermore, sensors using this electrode can be integrated.

以下、本発明の一実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではないことを改めて付言しておく。   Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described, but it is added again that the present invention is not limited to the following embodiment.

本発明に係る電極は、金属表面にカーボンナノチューブを備えるものであればよく、その他の具体的な構成については特に限定されるものではない。かかる電極は、例えば、金属表面上にカーボンナノチューブを形成した電極とも換言できる。本発明でいう「カーボンナノチューブ」は、従来公知のカーボンナノチューブであればよく、その他の具体的な構成については特に限定されない。例えば、炭素原子のみからなり、直径が0.4〜50nm(1ナノメートル:10億分の1メートル)、長さがおよそ1〜数100μmの一次元性のナノ材料であることが好ましい。   The electrode according to the present invention is not particularly limited as long as it has carbon nanotubes on the metal surface, and other specific configurations. Such an electrode can also be referred to as an electrode in which carbon nanotubes are formed on a metal surface, for example. The “carbon nanotube” as used in the present invention may be a conventionally known carbon nanotube, and other specific configurations are not particularly limited. For example, it is preferably a one-dimensional nanomaterial made of only carbon atoms, having a diameter of 0.4 to 50 nm (1 nanometer: one billionth of a meter) and a length of approximately 1 to several hundreds of μm.

上記金属としては、電気化学的な電極に用いられる、従来公知の金属を利用でき、具体的な構成については特に限定されないが、例えば、Pt、Au等を用いることができる。   As said metal, the conventionally well-known metal used for an electrochemical electrode can be utilized, Although it does not specifically limit about a specific structure, For example, Pt, Au, etc. can be used.

また、金属表面にカーボンナノチューブを形成する技術は、従来公知の手法で行うことができ、特に限定されないが、例えば、実施例で示すように化学気相成長により簡易に形成することができる。   In addition, a technique for forming carbon nanotubes on the metal surface can be performed by a conventionally known method, and is not particularly limited. For example, as shown in Examples, it can be easily formed by chemical vapor deposition.

また、上記電極において、上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWNTs;single-walled carbon nanotubes)であることが好ましい。「単層カーボンナノチューブ」とは、カーボンナノチューブの化学構造はグラファイト層を丸めてつなぎ合わせたもので表されるが、このグラファイト層の数が1枚だけのものである。なお、グラファイト層の巻き方(らせん度)に依存して電子構造が金属的になったり半導体的になったりすることが知られている。上記構成によれば、直径が小さいため、より高密度に成長でき、その結果、表面積が格段に増加できる。さらに、結晶性もよいため、物質を表面に固定化しやすいという利点があるためである。   In the electrode, the carbon nanotubes are preferably single-walled carbon nanotubes (SWNTs). “Single-walled carbon nanotubes” have a chemical structure of carbon nanotubes expressed by rolling and joining graphite layers, and the number of graphite layers is only one. It is known that the electronic structure becomes metallic or semiconducting depending on how the graphite layer is wound (helicality). According to the said structure, since a diameter is small, it can grow at higher density, As a result, a surface area can increase markedly. Further, since the crystallinity is good, there is an advantage that the substance can be easily fixed on the surface.

また、上記カーボンナノチューブは、抗体、タンパク質、糖、酵素、及び、ペプチド核酸、アプタマー核酸等の核酸からなる群より選択される1種の物質を表面に固定化したものであることが好ましい。カーボンナノチューブに抗体等を固定化する技術は、従来公知の手法を好適に用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、後述する実施例に示すように、リンカー物質を介して固定化する技術を用いることができる。   In addition, the carbon nanotube is preferably obtained by immobilizing one substance selected from the group consisting of antibodies, proteins, sugars, enzymes, and nucleic acids such as peptide nucleic acids and aptamer nucleic acids on the surface. A technique for immobilizing an antibody or the like on the carbon nanotube can be suitably used by a conventionally known technique, and is not particularly limited. For example, as shown in Examples described later, a technique for immobilization via a linker substance can be used.

また、上記カーボンナノチューブは、金属表面から、後述する実施例に示すように、熱化学気相成長法などを用いて直接成長させることが望ましい。これにより、電気的・機械的に金属表面と良好に接触し、電極の性能と安定性を大きく向上できる。   Further, it is desirable that the carbon nanotubes are directly grown from the metal surface using a thermal chemical vapor deposition method or the like, as shown in the examples described later. As a result, it is possible to make good electrical and mechanical contact with the metal surface and greatly improve the performance and stability of the electrode.

また、上記カーボンナノチューブ電極は、後述する実施例のように、リソグラフィーの方法を用いて、数ミクロンの金属表面上に形成できるため、複数個同時にひとつの基板上に形成できる。これにより、同時複数項目計測が容易になる。   Moreover, since the carbon nanotube electrode can be formed on a metal surface of several microns using a lithography method as in the embodiments described later, a plurality of carbon nanotube electrodes can be formed on one substrate at the same time. This facilitates simultaneous multiple item measurement.

また、本発明には、上記の電極を備えるセンサーも含まれる。特に、生体分子を検出するための、バイオセンサーであることが好ましい。   The present invention also includes a sensor including the above electrode. In particular, a biosensor for detecting a biomolecule is preferable.

また、本発明によりアミノ酸や塩基をその内部構造にもつ分子を測定する場合、あるいはアミノ酸や塩基をその内部構造にもつプローブ分子を用いて測定する場合、アミノ酸や塩基が酸化還元することにより電極に電流がながれ、その変化により測定対象分子をラベルフリーで検出する方法をとることが好ましい。この方法により、測定がより簡単に行えるほか、危険な標識分子を保持・作用させる必要がなく、安全性も高い。また、多くの生体分子をラベルフリーで、同じ原理で同様に測定することができ、同時複数項目の計測に有利である。   In addition, when measuring a molecule having an amino acid or base in its internal structure according to the present invention, or when using a probe molecule having an amino acid or base in its internal structure, the amino acid or base is oxidized and reduced to the electrode. It is preferable to adopt a method of detecting the molecule to be measured in a label-free manner based on the change of the current flow. By this method, measurement can be performed more easily, and there is no need to hold and act on a dangerous labeled molecule, and the safety is also high. In addition, many biomolecules can be measured in the same manner on the same principle without labeling, which is advantageous for simultaneous measurement of a plurality of items.

カーボンナノチューブは、化学的に安定で非常に広い電位窓を持ち、さらに、比表面積が非常に大きいため、電気化学的電極としては理想的である。そのため、センサーの電極として使用すると、高感度が期待でき、さらに、集積化することも可能となる。   Carbon nanotubes are ideal as electrochemical electrodes because they are chemically stable, have a very wide potential window, and have a very large specific surface area. Therefore, when used as a sensor electrode, high sensitivity can be expected, and further integration is possible.

後述する実施例に示すように、カーボンナノチューブ電極を用いてアミノ酸を検出すると、従来の電極と比べて数桁感度が上昇することが明らかとなった。それゆえ、上記電極を用いることにより、高感度なバイオセンサー(例えば、抗原センサー、アミノ酸センサー、タンパク質センサー、核酸センサー、酵素センサー等)を開発できることを示した。   As shown in the examples described later, it has been clarified that when amino acids are detected using a carbon nanotube electrode, the sensitivity is increased by several orders of magnitude as compared with the conventional electrode. Therefore, it was shown that a highly sensitive biosensor (for example, antigen sensor, amino acid sensor, protein sensor, nucleic acid sensor, enzyme sensor, etc.) can be developed by using the electrode.

さらにいえば、カーボンナノチューブ電極を用いたセンサーは、高感度特性を有しているため、生体分子のみならず、種々のイオン等のセンサーにも応用可能である。   Furthermore, since the sensor using the carbon nanotube electrode has high sensitivity characteristics, it can be applied not only to biomolecules but also to sensors of various ions.

また、本発明には、以下の実施態様が含まれる。すなわち、上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒をフォトレジストでパターニングし、熱化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成することを特徴とする電極。   Further, the present invention includes the following embodiments. That is, when the carbon nanotube electrode is formed, the catalyst is patterned on the metal electrode with a photoresist, and the carbon nanotube is formed by a thermal chemical vapor deposition method.

また、上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒(鉄、ニッケル、コバルト)をフォトレジストでパターニングし、プラズマ化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成することを特徴とする電極。   The carbon nanotube electrode may be formed by patterning a catalyst (iron, nickel, cobalt) with a photoresist on a metal electrode to form a carbon nanotube by plasma chemical vapor deposition.

また、上記複数のカーボンナノチューブ電極において、それぞれのカーボンナノチューブ電極に異なった物質を固定化し、一度のサンプルの測定で、多数の項目を同時に検査できるシステムを特徴とするセンサー。   A sensor characterized in that, in the plurality of carbon nanotube electrodes, a different substance is immobilized on each carbon nanotube electrode, and a plurality of items can be inspected simultaneously by measuring a single sample.

また、上記センサーのシリコン基板上に、集積回路技術を用いてポテンショスタットを組み込んだことを特徴とするセンサー。   A sensor comprising a potentiostat incorporated on the silicon substrate of the sensor using an integrated circuit technology.

さらに、上記のポテンショスタットと、該センサー部分が取り外し可能で使い捨てが可能であることを特徴とするセンサー。   Furthermore, the above-mentioned potentiostat and the sensor part are removable and can be disposable.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, examples will be shown and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

本発明者らは、図1に示すように、単層カーボンナノチューブ(以下、SWNTsと称する)を用いて形成した微小電極を利用して、高感度かつラベルフリーの電流測定のバイオセンサーを作製した。SWNTsは、電気化学的計測において、電子伝達反応を促進する高い能力を有することが知られている。これは、SWNTsが同一の領域において電極の全表面積を格段に増加させるような、高アスペクト比を有しているためである。本実施例では、K3〔Fe(CN)6〕及び電子活性化アミノ酸(例えば、チロシン)について、図2に示すようなサイクリックボルタンメトリー(CV)や微分パルスボルタンメトリー(DPV)を用いて、本装置の電気化学的特定を調べた。さらに、SWNTを配列させた電極(以下、SWNT配列電極と称する)上にPSA抗体を固定化した後、DPVを用いて、前立腺癌の特異的マーカーである前立腺特異的抗原(PSA)の電気化学的ラベルフリーの検出を行った。 As shown in FIG. 1, the present inventors made a highly sensitive and label-free current measurement biosensor using microelectrodes formed using single-walled carbon nanotubes (hereinafter referred to as SWNTs). . SWNTs are known to have a high ability to promote electron transfer reactions in electrochemical measurements. This is because SWNTs have a high aspect ratio that dramatically increases the total surface area of the electrode in the same region. In this example, K 3 [Fe (CN) 6 ] and an electron-activated amino acid (for example, tyrosine) are subjected to cyclic voltammetry (CV) or differential pulse voltammetry (DPV) as shown in FIG. The electrochemical identification of the device was investigated. Furthermore, after immobilizing a PSA antibody on an electrode on which SWNTs are arranged (hereinafter referred to as SWNT array electrodes), the electrochemistry of prostate specific antigen (PSA), which is a specific marker for prostate cancer, using DPV Label-free detection was performed.

SWNT配列電極は、図1に示すように、熱化学気相成長(CVD)により白金上に直接形成して作製した。この電極は、電気化学的な電流強度の領域依存性を調べるために、装置の様々な領域に配置した。   As shown in FIG. 1, the SWNT array electrode was formed by directly forming on the platinum by thermal chemical vapor deposition (CVD). This electrode was placed in various regions of the device to investigate the region dependence of electrochemical current intensity.

図3は、CVによる、SWNT電極または白金電極(ここで、SWNT電極の下地の面積と白金電極の面積は同じ)におけるK3〔Fe(CN)6〕の電気化学的な信号を示す図である。酸化還元からの強いピークは、はっきりと観察できている。ピークセパレーションは約0.1Vであり、理論値と略同じであった。さらに、SWNT電極におけるピーク強度は、白金電極に比べて一層高いことがわかった。図4は、電気化学的信号について、SWNT電極の下地の面積依存性を示す図である。図4の(a)〜(d)のSWNT電極の下地の面積は、それぞれ、40,000、20,000、10,000及び2,500μm2である。ピーク電流は、SWNT電極の下地の面積に対して直線的に増加する。これらの結果は、SWNT配列電極は、作用電極として有効に働くことを示している。 FIG. 3 is a diagram showing an electrochemical signal of K 3 [Fe (CN) 6 ] at the SWNT electrode or the platinum electrode (where the area of the base of the SWNT electrode is the same as the area of the platinum electrode) by CV. is there. A strong peak from redox can be clearly observed. The peak separation was about 0.1 V, which was almost the same as the theoretical value. Furthermore, it was found that the peak intensity at the SWNT electrode was higher than that at the platinum electrode. FIG. 4 is a diagram showing the area dependence of the base of the SWNT electrode with respect to the electrochemical signal. The areas of the bases of the SWNT electrodes in FIGS. 4A to 4D are 40,000, 20,000, 10,000, and 2500 μm 2 , respectively. The peak current increases linearly with the area of the base of the SWNT electrode. These results indicate that the SWNT array electrode works effectively as a working electrode.

図5は、DPVによる、SWNT電極または白金電極(ここで、SWNT電極の下地の面積と白金電極の面積は同じ)におけるチロシンの電気化学的な信号を示す図である。SWNT電極からのピーク強度は、白金露出電極からのそれにくらべて、100倍以上高かった。SEMにより、DPVによるチロシン検出の後、SWNT配列電極上に酸化チロシンの吸着が観察された。これらの結果は、SWNT配列電極を有する本装置は、SWNT一本一本が電極として作用しているため、生体分子に対して、感度が非常に高いことを示している。   FIG. 5 is a diagram showing an electrochemical signal of tyrosine at a SWNT electrode or a platinum electrode (where the area of the base of the SWNT electrode is the same as the area of the platinum electrode) by DPV. The peak intensity from the SWNT electrode was more than 100 times higher than that from the platinum exposed electrode. After detection of tyrosine by DPV by SEM, adsorption of tyrosine oxide was observed on the SWNT array electrode. These results indicate that the present device having the SWNT array electrodes is very sensitive to biomolecules because each SWNT acts as an electrode.

次に、図6に示すように、DPVにより、癌マーカーであるPSAの電気化学的な検出を行った。具体的には、まず、SWNT電極にリンカーを形成した。次いで、SWNT電極上にPSA抗体を固定化した。次に、上記電極上にPSAを導入した。その後、サンプルをバッファーにてリンスした。最後に、DPV法により、電気化学的な信号を測定した。   Next, as shown in FIG. 6, electrochemical detection of PSA which is a cancer marker was performed by DPV. Specifically, first, a linker was formed on the SWNT electrode. Next, the PSA antibody was immobilized on the SWNT electrode. Next, PSA was introduced onto the electrode. Thereafter, the sample was rinsed with a buffer. Finally, an electrochemical signal was measured by the DPV method.

図7は、DPVによる、SWNT配列電極におけるタンパク質の電気化学的な信号を示す図である。図7(a)に示すように、電気化学的な信号は、PSA抗体のみからも検出された。一方、PSA抗体を有するSWNT電極上に、1ng/mLのPSAを導入すると、図7(b)に示すように、電気化学的な信号は顕著に増加した。これは、抗原−抗体複合体が形成されたことによるものである。これに対して、非特異的な他のタンパク質(BSA(ウシ血清アルブミン))を、PSA抗体を備えるSWNT電極上に導入した場合、図7(c)に示すように、電気化学的な信号は増加しなかった。これは、抗原−抗体反応が起こっていないことを示している。したがって、本装置は、高い選択性を有することがわかった。   FIG. 7 is a diagram showing the electrochemical signal of the protein at the SWNT array electrode by DPV. As shown in FIG. 7 (a), the electrochemical signal was detected only from the PSA antibody. On the other hand, when 1 ng / mL PSA was introduced onto the SWNT electrode having the PSA antibody, the electrochemical signal increased significantly as shown in FIG. This is due to the formation of an antigen-antibody complex. On the other hand, when other non-specific protein (BSA (bovine serum albumin)) is introduced on the SWNT electrode equipped with the PSA antibody, as shown in FIG. It did not increase. This indicates that no antigen-antibody reaction has occurred. Therefore, it was found that this device has high selectivity.

さらに、図8に示すように、PSA濃度依存性が明確に観察された。それゆえ、本装置によれば、濃度が0.5ng/mLのPSAでも、効果的に検出できる。この0.5ng/mLという濃度は、従来の基準値(4ng/mL)より格段に小さいものである。したがって、本装置(バイオセンサー)は、前立腺癌の臨床的な診断方法としても非常に有用である。   Furthermore, as shown in FIG. 8, the PSA concentration dependency was clearly observed. Therefore, according to this apparatus, even PSA with a concentration of 0.5 ng / mL can be detected effectively. The concentration of 0.5 ng / mL is much smaller than the conventional reference value (4 ng / mL). Therefore, this device (biosensor) is also very useful as a clinical diagnosis method for prostate cancer.

結論としては、本発明者らが開発したSWNT配列微小電極を有する本装置は、ラベルフリーかつリアルタイムで生体分子を高感度で検出するための、電流測定型のバイオセンサーとして非常に有用である。   In conclusion, the present device having SWNT array microelectrodes developed by the present inventors is very useful as an amperometric biosensor for detecting biomolecules with high sensitivity in real time without labeling.

以上のように、本発明は、高感度のバイオセンサー等のセンサー技術に利用できる。それゆえ、学術的・研究分野での利用はもとより、医療分野における診断、環境分野における微量物質の検出等の広範な分野において産業上の利用可能性が存在する。   As described above, the present invention can be used for sensor technology such as a highly sensitive biosensor. Therefore, there are industrial applicability in a wide range of fields such as diagnosis in the medical field and detection of trace substances in the environmental field as well as in the academic and research fields.

本実施例におけるセンサーと電極の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the sensor and electrode in a present Example. 本実施例のバイオセンサーにおける3つの電極システムの構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of three electrode systems in the biosensor of a present Example. CVによる、SWNT電極または白金電極におけるK3〔Fe(CN)6〕の電気化学的な信号を示す図である。According to CV, it is a diagram illustrating an electrochemical signal of K 3 [Fe (CN) 6] in SWNT electrodes or platinum electrodes. 電気化学的信号について、SWNT電極の下地の面積依存性を示す図である。It is a figure which shows the area dependence of the foundation | substrate of a SWNT electrode about an electrochemical signal. DPVによる、SWNT電極または白金電極(ここで、SWNT電極の下地の面積と白金電極の面積は同じ)におけるチロシンの電気化学的な信号を示す図である。It is a figure which shows the electrochemical signal of tyrosine in a SWNT electrode or a platinum electrode (here, the area of the foundation | substrate of a SWNT electrode and the area of a platinum electrode is the same) by DPV. DPVによって癌マーカーであるPSAを電気化学的に検出する手法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the method of electrochemically detecting PSA which is a cancer marker by DPV. DPVによる、SWNT配列電極におけるタンパク質の電気化学的な信号を示す図である。It is a figure which shows the electrochemical signal of the protein in a SWNT arrangement | sequence electrode by DPV. PSA濃度依存性を調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated PSA density | concentration dependence.

Claims (14)

金属表面にカーボンナノチューブを備えることを特徴とする電極。   An electrode comprising carbon nanotubes on a metal surface. 上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1に記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube. 上記カーボンナノチューブは、抗体、タンパク質、糖、酵素、及び、ペプチド核酸、アプタマー核酸からなる群より選択される1種の物質を表面に固定化したものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電極。   The carbon nanotube is obtained by immobilizing on the surface one substance selected from the group consisting of antibodies, proteins, sugars, enzymes, peptide nucleic acids, and aptamer nucleic acids. Electrode. 上記カーボンナノチューブは、金属表面上で直接成長させることにより金属表面と電気的又は機械的に良好に接触しているものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極。   4. The carbon nanotube according to claim 1, wherein the carbon nanotube is in good electrical or mechanical contact with the metal surface by being directly grown on the metal surface. 5. electrode. 上記のカーボンナノチューブは、直径が数ミクロンの微小金属上に直接成長させてなるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon nanotube is directly grown on a fine metal having a diameter of several microns. 上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒をフォトレジストでパターニングし、熱化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極。   The carbon nanotube electrode is formed by patterning a catalyst on the metal electrode with a photoresist and forming the carbon nanotube by a thermal chemical vapor deposition method. The electrode as described. 上記カーボンナノチューブ電極を形成する際、金属電極の上に触媒をフォトレジストでパターニングし、プラズマ化学気相成長法でカーボンナノチューブを形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極。   The carbon nanotube electrode is formed by patterning a catalyst with a photoresist on the metal electrode, and forming the carbon nanotube by a plasma chemical vapor deposition method. The electrode as described. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電極を複数、基板上に一体形成してなることを特徴とする電極群。   An electrode group comprising a plurality of the electrodes according to any one of claims 1 to 7 integrally formed on a substrate. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電極、又は請求項8に記載の電極群を備えることを特徴とするセンサー。   A sensor comprising the electrode according to claim 1 or the electrode group according to claim 8. 測定対象物質又は電極表面にあらかじめ固定化された物質に含まれる、アミノ酸又は塩基の酸化又は還元による電流により、測定対象物質をラベルフリーに測定するものであることを特徴とする請求項9に記載のセンサー。   10. The measurement target substance is measured in a label-free manner by an electric current generated by oxidation or reduction of an amino acid or a base contained in the measurement target substance or a substance immobilized on the electrode surface in advance. Sensor. バイオセンサーであることを特徴とする請求項9又は10に記載のセンサー。   The sensor according to claim 9 or 10, wherein the sensor is a biosensor. 上記複数のカーボンナノチューブ電極において、それぞれのカーボンナノチューブ電極に異なった物質を固定化し、一度のサンプルの測定で、多数の項目を同時に検査できるものであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載のセンサー。   12. The plurality of carbon nanotube electrodes, wherein different substances are fixed to the respective carbon nanotube electrodes, and a large number of items can be inspected simultaneously by measurement of a single sample. The sensor according to claim 1. センサーのシリコン基板上に、集積回路技術を用いてポテンショスタットを組み込んだものであることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のセンサー。   The sensor according to any one of claims 9 to 12, wherein a potentiostat is incorporated on a silicon substrate of the sensor using an integrated circuit technique. 上記のポテンショスタットと、該センサー部分が取り外し可能で使い捨てが可能であることを特徴とする請求項13に記載のセンサー。   14. The sensor according to claim 13, wherein the potentiostat and the sensor part are removable and disposable.
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