JP2015200611A

JP2015200611A - カロリメトリックバイオセンサ

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Publication number: JP2015200611A
Application number: JP2014080782A
Authority: JP
Inventors: 木村　光照; Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: TOHOKU Gakuin
Current assignee: TOHOKU Gakuin
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2015-11-12

Abstract

【課題】極微量の生体物質試料５を試料ホルダ６に導入するに当たり、作動媒体中の生体物質を容易に温度センサの感温部に導入固定することができるようにして、熱量的な計測により、生体物質試料に関する情報を得て、生体物質の量や特定ができるようにする超小型のカロリメトリックバイオセンサを提供する。【解決手段】基板１から熱分離した薄膜１０は、カンチレバ型もしくは架橋構造型であること、薄膜１０に薄膜温度センサ２０としての熱電対もしくはサーミスタの感温部２２を有していること、感温部２２の電極を、電気泳動もしくは誘電泳動における少なくとも１対の電極の一方の電極２３aとしても用いると共に、電気泳動もしくは誘電泳動により生体物質試料５が選択的に電極２３aの上に捕集付着されるように作動媒体中に露出させ、試料ホルダ６と一部兼用にした。薄膜１０の共振周波数シフトも検出可能とする。【選択図】図３

Description

本発明は、基板から熱分離したカンチレバ型もしくは架橋構造型の薄膜に形成した薄膜温度センサと試料ホルダと、この薄膜を略一様加熱するための加熱手段を具備したカロリメトリックバイオセンサに関するもので、試料ホルダと兼用にした薄膜温度センサの一方の電極に生体物質試料を、電気泳動法もしくは誘電泳動法により導入して固定するようにして、加熱手段による温度走査による温度変化（以後、熱分析と呼ぶ）や、一定温度（例えば、酵素活性のある３８℃程度）の下での生体物質試料とこの生体物質に関係する抗体や酵素等との反応で発生する反応熱による温度変化（以後、反応熱解析と呼ぶ）を利用して、熱電対やサーミスタである薄膜温度センサからの信号で情報を得て、生体物質試料の量や種類の特定ができるようにする低消費電力で極微量試料の検出ができるカロリメトリックバイオセンサとして利用できるものである。なお、ここでの生体物質とは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ウイルス、タンパク質、多糖、各種糖、酵素、細菌、微生物、菌類、アミノ酸、ビタミン、有機物質など、生体や生体の一部または構成要素、生体由来の物質などを指す。

従来、示差熱量計としての熱分析装置があった。この装置では、試料ホルダが金属板からなる入れ物であり、二個の試料ホルダを温度制御された電気炉で所定の温度プログラムで温度走査のさせるもので、一方の試料ホルダには、被検出試料を設置し、他方には、標準試料を設置しておき、温度上昇に伴い、被検出試料にエンタルピ変化があると、このときの時刻で標準試料と被検出試料との間に温度差が生じるので、この温度差を時間経過とともに表示し、被検出試料の物性などを調べる装置があった。しかし、この従来の熱分析装置では、試料ホルダの熱容量が大きく、多量の被検出試料が必要であり、応答時間もその分遅く、試料ホルダを加熱する電気炉は、断熱材で覆うなど熱容量が大きいので、電力消費が大きく、更に応答時間も極めてゆっくりで、一回の計測に数時間かかるものであった。

これに対し本発明者は、基板から熱分離した薄膜に、少なくとも１個の試料ホルダと薄膜ヒータとを備え、所定の温度プログラムにより温度走査する熱分析装置を発明した（特許文献１、特許文献２）。基板から熱分離した薄膜が７００μｍ角程度で、厚みが１０μｍ程度のものを利用した場合には、水のエンタルピ変化である沸点検出は、数十秒程度で検出できることを示した。

しかしながら、本出願人が発明した熱分析装置（特許文献１、特許文献２）においては、微量液体の検出において、温度の走査時間中に試料の蒸発があり、時間経過と共に液体試料量が減少してしまうので、これを防ぐ工夫が必要であること、また、極微量液体試料の試料ホルダへの導入方法の問題、さらに、同一薄膜にマイクロヒータと温度センサとが形成されているために、マイクロヒータの熱容量が余分に存在し、また、薄膜内に加熱時の温度分布がやはり存在するので高感度で高精度になりにくいので、改良する必要があった。

また、本発明者は、熱容量が極めて小さな薄膜に温度センサと試料ホルダを形成して、温度に対して高速応答で、高感度で、高精度な温度センサであり、しかも均一な温度分布を実現すること、更に消費電力が小さく、高速応答の上記薄膜の外部に加熱手段を形成すること、極微量液体試料を定量分だけ試料ホルダに導入し、蒸発を防ぐようにした熱分析センサを提供し、更にこれを用いた超小型の熱分析装置を発明した（特許文献３）。

また、本出願人が発明した超小型の熱分析装置をバイオセンサとして利用するのに、やはり、極微量生体物質試料をどのようにして超小型の熱分析装置の試料ホルダに導入固定するかが問題となり、更に、酵素固定した領域、特に、温度の異なる液体試料をどのようにしてある酵素固定領域へ、一定量だけ導入するかの問題が存在していた。

また、電気浸透流での生体物質試料のサンプルホルダへの導入法も先の発明には記述しているが、電気浸透流は、キャピラリやマイクロチャネルの壁の電荷と作動媒体中のイオンとの相互作用による関係と対電極の印加直流電圧の向きによる電界方向による作動媒体中のイオンの正負によりそのイオンの流動向きが決まり、これに伴う作動媒体の流れのうち、マイクロチャネル等の側壁の近傍のイオンの移動方向により作動媒体の流れの方向も決まるというものである。したがって、マイクロチャネル等の側壁がないか、もしくは、開かれた領域に作動媒体が存在するような場合には、電気浸透流の効果が見られないか、もしくは、その力が小さいという問題があった。

また、従来、ＤＮＡやＲＮＡを含む生体物質試料を、基板表面上の２次元的なセンシングスポットに付着させて、熱的に計測する方法が提案されていた（特許文献４）。しかし、そこでは、電流を流して加熱・冷却できる熱電素子を利用し、そこを帯電させたり、その熱電素子をペルチェ効果で冷却させて、生体物質試料を付着させることや、熱電素子で加熱して付着した生体物質試料を解離させることで、常に冷却と加熱ができる熱電素子を配置させることが要件になっていた。この熱電素子を温度センサとしても利用しているが、熱電素子をペルチェ効果で冷却させには、ジュール熱を超えて冷却できる程度の大電流を流さなければ、冷却効果が現れないことが問題になっている。このようにペルチェ効果で冷却させるには、ペルチェ素子である熱電素子の断面積としての接合面積を大きくして、内部抵抗を減らし、ジュール熱に打ち勝つ程度にしなければならない。したがって、熱電素子を相対的に薄膜にすることは、極めて困難であり、高速に微細な温度を計測する温度センサとしては不向きであった。

また、従来、ＰＣＲ法で増殖したＤＮＡやＲＮＡを含む生体物質試料を移動させるなど、ハンドリングするのに、誘電泳動法があった（特許文献５）。これは不均一電界を作動媒体中に形成し、主に作動媒体の誘電率と、生体物質試料の誘電率もしくは生体物質試料を結合させたプラスチックビーズなどの複合体の誘電率との比較により、交流の不均一電界の中での誘電体物質の移動を利用するものである。不均一電界を形成するための印加交流電圧の周波数変化により、また、プラスチックビーズなどの表面電荷や導電性の調整により、一方の電極側に生体物質試料を近づけたり、離したりする操作が微細にできることが特徴である。しかし、生体物質試料自体、もしくは、プラスチックビーズなどに結合させた生体物質試料を電極側に移動させることができても付着させることは困難である。

特許第３３７７１６２号公報ＵＳＰ−６３３１０７４号公報特許第４３５２０１２号公報特表２００４−５３４３８６号公報 WO2009/044902号公報

解決しようとする課題は、熱容量が極めて小さな薄膜に温度センサと試料ホルダを形成して、温度に対して高速応答で、高感度で、高精度な温度センサとなり、更に消費電力が小さくさせ、上記生体物質試料を導入する上記薄膜上の温度センサの感温部付近を、外部から加熱手段により一様な温度分布を実現すること、極微量の生体物質試料を試料ホルダに導入するに当たり、作動媒体中の生体物質を容易に温度センサの感温部に導入固定することができるようにして、熱量的な（カロリメトリック）計測により、生体物質試料に関する情報を得て、生体物質の量や種類の特定ができるようにすること、更に、導入された生体物質試料の大まかな質量変化などを計測できるようにして、生体物質の量や種類の特定の確度を高めるようにした超小型のカロリメトリックバイオセンサを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０上に導入された生体物質試料５に関して、カロリメトリックな情報を得るためのカロリメトリックバイオセンサにおいて、前記薄膜１０は、基板１から熱分離した構造であること、該薄膜１０はカンチレバ型もしくは架橋構造型であること、該薄膜１０に薄膜温度センサ２０としての熱電対もしくはサーミスタの感温部２２を有していること、該感温部２２の電極を、電気泳動もしくは誘電泳動における少なくとも１対の電極の一方の電極２３aとしても用いると共に、電気泳動もしくは誘電泳動により生体物質試料５が選択的に前記電極２３aの上に捕集付着されるように作動媒体中に露出させた構造とし、試料ホルダ６の少なくとも一部と兼用にしたこと、他方の電極２３bを基板１上もしくは薄膜１０に一体形成していること、上記薄膜１０の少なくとも感温部２２は、一様な環境温度に晒されるようにすると共に、薄膜温度センサ２０の出力を利用して、生体物質試料５のカロリメトリックな情報を得るようにしたこと、を特徴とするものである。

基板１から熱分離している薄膜１０は、カンチレバ型もしくは架橋構造型であるから熱容量が小さく、しかも作動媒体に入れてもカンチレバ型もしくは架橋構造型を構成している空洞部にも作動媒体が入るから周囲を封じているダイアフラム形状に対して水圧の影響、例えば破損など、が少なくて済むと共に、気体中での熱分析などでの生体物質試料５の微細なエンタルピ変化などに基づく温度変化を有効に計測することができる。

温度センサとして薄膜温度センサ２０にしているので、薄膜１０上にフォトリソグラフィにより容易に形成できる。薄膜温度センサとして熱電対を使用すれば、温度差だけを計測できると共に、温度差に対して、ほぼ直線的な出力が得られるから温度校正がしやすく、ゼロ位法により高精度な温度計測が可能となる。熱電対の温接点を感温部２２として薄膜１０の最も温度変化が得やすい領域（カンチレバ型では、カンチレバ先端付近、架橋構造型では、架橋構造の中央付近）に形成して置くと良い。また、サーミスタを測温抵抗体としての金属抵抗体薄膜を用いた場合は、絶対温度を計測できると共に、熱電対と同様に温度変化に対してほぼ直線的な出力が得られる。サーミスタを半導体サーミスタとした場合は、温度変化に対して指数関数的に変化し、高感度であると共に、絶対温度センサとしても用いることができる。もちろん、参照用薄膜である参照部薄膜１０B上に形成している薄膜温度センサとの差動増幅をすることにより高感度で高精度な温度変化計測が可能となる。

電気泳動は、作動媒体中に設置した１対の電極に直流電圧を印加した時に、作動媒体（アガロースゲルなどのゲル状態も含む）中の例えば、負に帯電したイオンは、正の電圧を印加した電極側に静電力で引かれて移動する現象である。生体物質は、作動媒体にも依るが一般に負に帯電しているので、正に印加してある電極側にドリフト移動する。電気浸透流は、例えば、マイクロキャピラリやマイクロチャネルなどの流路の側壁が、シリコン酸化膜（SiO2）で覆われていると、その側壁表面は負に帯電しており、作動媒体中の可動正イオンを側壁表面に引き込む。この可動正イオンは、負の電極側に引かれドリフトするので、作動媒体の流路が狭い場合は、この作動媒体と一緒に負の電極側にどんどん引かれて流れを生じる。このような場合は、負のイオンの生体物質試料５は、電気泳動では正の電極側に引かれるが、電気浸透流のための作動媒体の負の電極側への流れに逆らうことになり、生体物質試料５の電気泳動が阻止されてしまう場合がある。従って、このような場合は、広い流路を用いて、生体物質試料５の電気泳動が流路の中央付近を移動できるようにさせるか、シリコン酸化膜（SiO2）の側壁を他の帯電し難いか、又は、中和するような物質でコートしておくか、又は、開放にさせて流路が形成し難いようにさせるなどの方法をとると良い。もちろん、生体物質試料５の電荷制御を行うか、流路側壁の表面電荷制御を行うなどして、電気泳動の生体物質試料５の移動と、電気浸透流によるイオンの移動とが同一方向になるようにしてやると、高効率で素早く生体物質試料５の移動と電極への捕獲ができる。

また、電気泳動での生体物質試料５において、従来のように、先ずはゲル中で電気泳動させて生体物質試料５の成分を空間的に分離した後、このうちの所望の生体物質試料の成分を取り出し、必要に応じてDNAなどは、PCR増幅させてその増加したDNAを取り出すなどして、これを作動媒体中に混入させて再度電気泳動で生体物質試料５を試料ホルダ６に延在した電極２３aに捕集吸着させるようにしても良い。

また、薄膜１０上に生体物質試料５を捕集する電極２３aを電気泳動用の対電極の途中に配置するような複数の電極を配しておき、更に薄膜１０上にゲル状の作動媒体を薄く塗布しておき、このゲル状の作動媒体中を電気泳動により生体物質試料５を電気泳動させて、所望の生体物質試料５の成分が試料ホルダ６の電極２３aに到達した時に電極２３aに電圧印加して吸着させ捕集するようにすることもできる。なお、必要に応じて、上記ゲル状の作動媒体のみを洗い流すようにしても良い。

更に、生体物質試料５は、帯電させることができるナノ又はマイクロサイズのビーズに取り付けて、このビーズと共に電気泳動させて試料ホルダ６の電極２３aに捕集させるようにしても良い。このとき、ビーズの熱的特性が知られているものを用いると、生体物質試料５の上記の熱分析や反応熱解析をビーズに取り付けたままで実施することもできる。

誘電泳動は、本質的には、二枚の電極のコンデンサで、電極間の誘電体の誘電率が大きくなるとコンデンサの容量が大きくなり、静電エネルギーが増加する。そして、誘電体の誘電率が大きいと静電力により、二枚の電極の間に引き込まれる現象を利用するものである。実際の誘電泳動では、複数の電極形状で不均一電界を形成できるようにしたり、二枚の電極の形状の違いや更に誘電体膜の挿入により、不均一な電界を作動媒体中に形成させる。作動媒体の誘電率（複素誘電率）の大きさと、移動させる生体物質試料５や生体物質試料５を結合させた誘電体ビーズなどの誘電率の違いを利用して、不均一な電界の中で電界の集中した方（１対の電極のうち小さい面積の電極側）に移動させる場合と、逆に、電界が弱い側に移動させる場合がある。また、誘電率も複素誘電率であるから、誘電体の表面の導電率を変えるなどして、高周波電圧を印加させて、その周波数の調整により、電界の強い側への移動と弱い側への移動を選択させることができる。これにより、DNAや細菌、細胞等の微細な移動制御ができる。

薄膜温度センサ２０の感温部２２には、電極が必要であるので、電気泳動と誘電泳動には少なくとも一対の電極が必要であり、その一方の電極２３aを感温部２２から試料ホルダ６まで延在した電極と兼用にさせ、この電極２３aに電気泳動や誘電泳動により、生体物質試料５を捕集付着させるものである。感温部２２に直接生体物質試料５を捕集付着させることになるので、生体物質試料５の温度変化が直接的に検出できると言う利点に繋がる。ただ、この電極２３aからの配線は基板１にまで延在して、電極パッドにまで及んでいるので、途中の配線で、作動媒体に接触する領域は、絶縁膜で被覆し、感温部２２付近の生体物質試料５を捕集する電極２３aのみ、露出するようにしたものである。

特に、温度走査を伴う示差熱分析（DTA）などのマイクロ熱分析（熱分析）では、基準物質の参照用の薄膜１０であるの参照部薄膜１０Bと生体物質試料５用の薄膜１０であるセンサ部薄膜１０Aとの温度差やその変化を計測する。そして、例えば、加熱手段２５により時間に対して直線的な温度上昇をさせた時に、生体物質試料５の分解、蒸発、凝固、融点などのエンタルピ変化による温度の停滞などによる参照部薄膜１０Bとの温度差の変化の波形から生体物質試料５の種類の特定をするものである。これらの基板１から熱分離した薄膜１０（１０A、１０B）は、基板１に近い側は、基板１の温度に近いために低い。しかし、感温部２２は、薄膜１０の中でも最も高温になる領域に形成してあるので、温度が高い。感温部２２には、生体物質試料５を搭載するので、この生体物質試料５に温度分布があってはならない。従って、加熱手段２５である外部からのジュール加熱ヒータである薄膜ヒータ２５０は、充分、薄膜１０よりも大面積であり、薄膜１０に近接して配置して全体を覆うようにして、不均一な温度分布にならないように、ほぼ一様な感温部２２の温度分布になるように配慮している。もちろん、外気温の変動が、感温部２２に伝わらないように、外部を断熱材で充分覆う必要がある。また、補助ヒータを用いて、外部への熱の漏れを補償するようにしても良い。

本発明の請求項２に係わるカロリメトリックバイオセンサは、電極２３aには、生体物質試料５を単に接着させるか、もしくは、所定の酵素等を含み選択的に生体物質試料５の化学反応を促進させるようにした接着層２３１が形成してある場合である。

従来の示差熱分析（DTA）や示差走査熱量計（DSC）のような加熱手段による温度走査による温度変化（熱分析）の本発明のカロリメトリックバイオセンサへの応用においては、例えば、人体の体液としての糞尿、唾液、汗などを採取した作動媒体の中に存在する細菌などの生体物質試料５を、電気泳動や誘電泳動で電極２３aに導入するが、加熱手段による温度走査時には、先ず、作動媒体を洗浄するなどして除き、乾燥後、温度走査を行うことが多い。電気泳動を用いた場合は、電極２３aへの直流電圧の印加を継続すると作動媒体の洗浄時は、液体中なので生体物質試料５を電極２３aに静電力で捕集付着させて置きやすいが、誘電泳動では静電力が弱く、電極２３aに導入した生体物質試料５を付着させておくことが困難な場合が多く、電極２３aから流されてしまうことが多かった。

ここでの一つは、電極２３aに、熱的特性など素性が分かっている接着層２３１を形成しておき、導入された生体物質試料５を単に接合させて付着を維持できるようにした場合である。そして、DTAなどの熱分析を行うことにより、生体物質試料５の量や種類の特定に繋がる情報を得ることができる。ここでのもう一つは、カロリーメータとしての反応熱解析において、生体物質試料５としての、例えば、グルコースに対して、その酸化酵素であるグルコースオキシダーゼは、グルコースを選択的に酸化させ（化学反応）、発熱反応で温度上昇を生じる。この反応の時間依存性のある温度上昇の大きさやその特性パターンからグルコースの量に関する情報を得ることができる。このような目的で、接着層２３１として、例えば、ゼラチンに所定の量の、例えば、酸化酵素であるグルコースオキシダーゼを混ぜて、所定の量の体積で膜状に接着層２３１を形成して、グルコースとグルコースオキシダーゼが接触するようにしておくものである。なお、この接着層２３１は、誘電泳動に際しては、高周波電圧を印加して誘電泳動をさせるので、必ずしも導電性を必要としないが、導電性の接着層２３１であることが望ましい。また、熱分析に用いる場合は、接着層２３１として、多少の加温により軟化して接着力を有するようになる有機物の極めて薄い膜（１マイクロメートル以下）で良い。導電性の付与は、ナノ微粒などの金属粉やカーボン粉などを混入させても良い。

本発明の請求項３に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０が、同一基板１にアレー状に複数個形成してある場合である。

熱分析においては、同一基板１にアレー状の各薄膜１０には、例えば、試料ホルダ６の電極２３aに異なる電圧を印加して電気泳動や誘電泳動で生体物質試料５の異なる量を捕集したり、印加電圧時間を異なるようにしたり、更には、薄膜１０上に薄く塗布したゲル状の作動媒体での印加電圧やその時間調整により、捕集される生体物質試料５の異なる構成要素を捕集させて、固定するようにするなど、生体物質試料５に関する多くの情報を得ることができる。

また、反応熱解析においては、例えば、特定の生体物質試料５に対する抗体や酵素、更には、各種の異なる生体物質試料５に対する抗体や酵素を同一基板１のアレー状の各薄膜１０に配置固定させて、電気泳動や誘電泳動により導入捕集された所定の生体物質試料５との選択的反応によりその量等の情報を得ることができる。このようにして作動媒体を移動する各種の生体物質試料５の中から選択的に特定の生体物質試料５とその量に関する情報を得ることができる。

本発明の請求項４に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０を励振して、試料ホルダ６と兼用にした電極２３aに捕集吸着された生体物質試料５の質量の大きさやその変化に基づく共振周波数やその位相の変化から生体物質試料５に関する情報が得られるように、励振手段３５を備えた場合である。

本発明のカロリメトリックバイオセンサを加熱手段による温度走査による温度変化（熱分析）として使用する場合、感温部２２に導入された生体物質試料５を捕集吸着したカンチレバ型もしくは架橋構造型の薄膜１０を励振手段３５で励振させて、その時の共振周波数の大きさ、その周波数シフトや位相の変化から生体物質試料５に関する情報、特に、微生物等の個数、蒸気の離脱、熱変性などの伴う質量変化等、が得られるようにしてあり、生体物質試料５としての微生物等の量や特定に結びつくようにしたものである。

本発明の請求項５に係わるカロリメトリックバイオセンサは、励振手段３５として、薄膜１０を少なくとも２重層以上の薄膜から構成し、間欠ジュール加熱による２重層以上の薄膜同士の熱膨張係数の違いによる励振とした場合である。

励振手段３５として、カンチレバ型もしくは架橋構造型の薄膜１０の電極や配線、更には薄膜１０を構成するSOI層などの導体部分を平行平板電極型コンデンサの一方の電極とし、加熱手段２５の薄膜ヒータ２５０を他方の電極として、交流電圧をこれらの電極間に印加して静電的に振動させて、共振周波数ｆｒを計測することもできる。また、圧電膜をカンチレバ型もしくは架橋構造型の薄膜１０に形成して、ピエゾ効果で薄膜１０を励振させることもできる。ここでは、薄膜１０を熱膨張係数の異なる少なくとも２重層以上の薄膜で構成し、加熱によるバイメタル効果でバイモルフ振動させた場合である。

本発明の請求項６に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０の振動検出手段７０として、薄膜１０に形成したピエゾ抵抗を利用するようにした場合である。

ピエゾ抵抗は、歪により電気抵抗が変化するもので、ｎ型のSOI層を主体とした薄膜１０の基板１との境付近に高濃度のｐ型不純物拡散領域を形成して、ここをピエゾ抵抗領域とすれば良い。薄膜１０の基板１との境付近が振動に対して最も大きな歪が発生する領域であり、その分、大きなピエゾ抵抗変化が得られるから高感度の振動の検出ができる。

本発明の請求項７に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０の振動検出手段７０として、薄膜１０と他の部位との間の静電容量の変化を利用するようにした場合である。

薄膜１０と他の部位との間の静電容量の変化とは、例えば、薄膜１０を構成するSOI層などの導体部分を平行平面電極型コンデンサの一方の電極とし、加熱手段２５の薄膜ヒータ２５０を他方の電極とした場合である。そして、この場合、他の部位とは、加熱手段２５の薄膜ヒータ２５０に対応する。薄膜１０の振動による変位がコンデンサの静電容量の変化になり、静電容量の変化の計測により振動の検出ができるので、これを振動検出手段７０とするものである。

本発明の請求項７に係わるカロリメトリックバイオセンサは、試料ホルダ６まで延在した電極２３aに捕集付着された生体物質試料５のカロリメトリック応答を計測する際に、所定のガスもしくは所定の液体雰囲気中で行い、それぞれの所定雰囲気でのカロリメトリック応答から生体物質試料５の量や種類の特定に結びつく情報を得るようにした場合である。

特に、本発明のカロリメトリックバイオセンサを加熱手段２５による温度走査時の温度変化（熱分析）として使用する場合、所定のガス雰囲気の中でのある所定のプログラムに沿った温度上昇などの温度走査で、例えば、酸素雰囲気の中で温度上昇させた時には、酸化作用は温度に関して一般に指数関数的に進むので、ある特定の温度で、生体物質試料５のある構成要素の酸化が始まるように観測される。また、水素ガス雰囲気中で温度上昇させた時には、ある特定の温度で還元反応が観測されるように見える。この他、アルゴンガスなどの不活性ガス中や水蒸気中、更には、ある有機もしくは無機ガス雰囲気での生体物質試料５との反応による温度変化から生体物質試料５の量や種類の特定に結びつく情報を得ようとするものである。

本発明の請求項９に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜１０の少なくとも感温部２２を一様な環境温度にするために、薄膜１０の面積の少なくとも２倍以上の面積を有する加熱手段２５としての薄膜ヒータ２５０で感温部２２を覆うようにした場合である。

少なくとも生体物質試料５を付着させて、所定の温度固定もしくは温度走査等をさせる感温部２２を、一様な環境温度にして、均一な温度分布にさせるようにすることが重要である。そのためには、加熱手段２５としてのジュール加熱ヒータである薄膜ヒータ２５０を、感温部２２を持つ薄膜１０に近接して感温部２２を囲むように配置して、その面積も可能な限り大きい方が有利である。

本発明の請求項１０に係わるカロリメトリックバイオセンサは、薄膜温度センサ２０からの温度に関する信号を増幅する増幅回路と、該増幅器からの出力を利用して演算する演算回路とを同一基板に集積化した集積回路を備え、更に所定の温度制御を行う加熱手段２５の制御回路を備えてあり、少なくとも前記集積回路と前記制御回路とをモジュール化した場合である。

本発明のカロリメトリックバイオセンサを極めて微量の生体物質試料５の熱的計測（カロリメトリック計測）の装置として用いるためにモジュール化した場合で、そこに必要な最小限度の回路等を一体化させた場合である。その基板として、半導体のシリコン単結晶基板を用いると、従来の半導体集積化技術とMEMS技術により容易に各種集積回路をこの半導体基板に形成できる。センサチップの基板１は、使い捨てタイプにすることが多いので、集積化する基板は、例えば、繰り返し使用する加熱手段２５の薄膜ヒータ２５０を形成している基板にすると良い。電源として、ボタン電池などを用いるとマイクロ熱分析装置等としての極めてコンパクトなカロリメトリックバイオセンサが提供できる。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、基板１から熱分離した薄膜１０に、薄膜温度センサ２０と試料ホルダ６の一部と兼用にした電極２３aとを備えてあり、この薄膜１０の少なくともその感温部２２を加熱手段２５としての近接配置した薄膜ヒータ２５０で薄膜１０を取り囲む構造にして一様な環境温度にさせるようにしているので、熱容量が小さく、高速にしかも低消費電力で昇温させることができるという利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、細菌などの生体物質試料５が存在する糞尿、汗、唾液等を含む作動媒体中での電気泳動もしくは誘電泳動で、試料ホルダ６の少なくとも一部と兼用にした電極２３aに容易に移動させて捕獲させることができるという利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、細菌などの生体物質試料５を試料ホルダ６と一部兼用にした電極２３aに捕獲させた後、電極２３aに形成してある接着層２３１を利用して、容易に試料ホルダ６に固定することができる。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、熱的に素性が知られているナノ又はマイクロビーズに吸着などで取り付けて、電気泳動もしくは誘電泳動により試料ホルダ６と兼用にした電極２３aに容易にドリフトさせて捕集することができるという利点がある。

ナノ又はマイクロビーズに、生体物質試料５もしくはそのうちの特定の要素に対する抗体を含む膜でコートしておき、この抗体に生体物質試料５もしくはそのうちの特定の要素を選択的に結合させて、電気泳動もしくは誘電泳動により試料ホルダ６と少なくとも一部兼用にした電極２３aに容易にドリフトさせて捕集することができると共に、カロリメトリックな応答から更にその量や微細な熱的特性から更に詳細な生体物質試料５の分類が可能になるという利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、励振手段３５を備えることができるので、その共振周波数やそのシフト量から生体物質試料５の成分要素の特定とその量に関する情報を得ることができるという利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、各種の雰囲気ガスの違いによる熱分析や熱分析途中の所定の温度での励振させた時の共振周波数ｆｒやそのシフト量から、生体物質試料５の構成要素の詳細な情報を得ることができると言う利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、そのセンサチップを使い捨てタイプにすることができるので、各種の汚染等を克服することができると言う利点がある。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、そのセンサチップの基板１として、半導体基板、特にSOI基板を用いることができるので、従来の集積化回路技術により、モジュール化が容易であり、ハンディなカロリメトリックバイオセンサの装置が提供できるという利点がある。

従来の熱分析センサの断面概略図である。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサの一実施例を示す横断面概略図で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００の構造の一実施例を示す平面概略図で、電気泳動や誘電泳動により生体物質試料５を試料ホルダ６に運び固定するようにした場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップの一実施例を示し、図３のX-X線に沿った断面構造概略図である。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップの一実施例を示し、作動媒体１５に生体物質試料５が含まれ電気泳動によりドリフトさせている様子を示す一実施例で、薄膜１０が架橋構造型の場合である。（実施例２）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップの他の一実施例を示し、マイクロチャンネル（流路）中に作動媒体１５を満たし、電気泳動により生体物質試料５を移動させる様子を示す一実施例で、薄膜１０が架橋構造型の場合である。（実施例３）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップの他の一実施例を示す横断面概略図で、熱膨張係数が異なるバイメタル型の励振手段３５を備えた場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。（実施例４）本発明のカロリメトリックバイオセンサで分析する生体物質試料５を誘電体のビーズ８に接合した場合の様子を示すもので、生体物質試料５としてDNAなどの場合を示す。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサで分析する生体物質試料５をビーズ８の表面にコート膜を形成し、このコート膜に接合した場合の様子を示すものである。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサで分析する生体物質試料５を帯電させた電気絶縁体のビーズ８に接合した場合の様子を示すものである。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサで分析する細菌などの生体物質試料５を帯電させた電気絶縁体のビーズ８に接合した場合の様子を示すものである。（実施例１）本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００の他の一実施例を示す平面概略図で、薄膜１０を基板１にアレー化させた場合の一実施例で、それぞれの薄膜１０にそれぞれ異なる酵素７を含む接着層２３１を形成してある場合である。電気泳動により生体物質試料５を、試料ホルダ６の露出電極２３aに捕集させる場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。（実施例５）本発明のカロリメトリックバイオセンサの熱分析もしくは反応熱解析する装置としての構成を示す一実施例で、ブロック図で示してある。（実施例６）

以下、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００や加熱手段２５等は、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板、特にSOI基板に形成できる。このSOI基板である基板１を用いて製作した場合のセンサチップ３００を中心に図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明者が先に発明した従来の熱分析センサの構成の断面図である。そこでは、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をカンチレバ状に形成し、この先端部を例えば幅広に形成して試料ホルダ６として利用し、更に、この領域に薄膜温度センサ２０を形成する。さらに、このＳＯＩ層のカンチレバ９の上側と下側に空隙を介してダイアフラムを形成してここに加熱手段２５としての薄膜ヒータ２５０を形成して、カンチレバ９の試料ホルダを一様に外部から加熱できるような加熱手段２５を有する熱分析センサを構成している。そして、そこでは、酵素反応に基づく熱型バイオセンサとした一実施例で、基板１からの熱分離のために中に浮いた薄膜１０をカンチレバ９として実施した場合である。薄膜温度センサ２０は、薄膜熱電対、例えば、縮退するほど高濃度のｎ型層を薄膜熱電対導体２０Ａとし、ニッケルやニクロム薄膜を薄膜熱電対導体２０Ｂとして形成することで作成してあり、試料ホルダ６は単に、カンチレバ９の先端部を幅広にして、そこに、例えば、グルコースオキシダーゼなどの酵素７を薄膜状に固定した例である。

図２には、本発明のカロリメトリックバイオセンサの全体の構成の一実施例を示す横断面概略図で、基板１から熱分離したカンチレバ９の薄膜１０にした場合を示し、前記した先の熱分析センサを、被計測試料である生体物質試料５を試料ホルダ６に導入して、捕集吸着させて固定することを中心に改良したものである。薄膜温度センサ２０を従来の図１の場合と同様に、薄膜熱電対で構成しており、加熱手段２５の構造や製作方法もほぼ同様なので、それらの詳細の説明は省く。薄膜熱電対は、冷接点を基板１に形成しているので、この基板１の絶対温度を知るために、基板１にｐｎ接合ダイオードなどの絶対温度センサ２００を形成してある。また、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００である基板１は、使い捨てとして用いるために、上部と下部に設けてある薄膜ヒータ２５０を持つ加熱手段２５から脱着可能な構造とし、センサチップ３００は、センサチップホルダ１１０の溝に装着され、そこに設けた外部との電気的なやり取りをさせる入出力端子１０５と、センサチップ３００の外部出力用の電極パッド４０とが機械的に接触して導通するようにしている。また、外部の環境温度から断熱させるために、センサチップ３００が挿入固定された加熱手段２５全体を断熱材５００で覆う構造にしている。必要に応じて更に、二重、三重に断熱材５００で覆う構造にしても良い。

図３には、図２にも示した本発明のセンサチップ３００の構造の一実施例の平面概略図を示し、電気泳動や誘電泳動により生体物質試料５を試料ホルダ６に運び固定するようにした場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。また、図４には、図３におけるX-X線に沿った断面構造概略図を示している。カンチレバ９の薄膜１０（例えば、２００μm長、５μm厚程度）は、ほぼ同一形状で生体物質試料５を捕集吸着させて固定する試料ホルダ６を有するセンサ部薄膜１０Aとこれに対となる参照部薄膜１０Bとを備えている。センサ部薄膜１０Aには、電気泳動では、直流電圧を印加し、誘電泳動では、例えば、数十ｋHzの高周波電圧を印加するための対となる電極が配置されている。ここでは、試料ホルダ６上にも及び薄膜温度センサ２０としての熱電対の温接点となる感温部２２にまで延在してある電極２３aとカンチレバ９の支持部に近い側に設置した電極２３ｂとがこの対となる電極である。電極２３aは、薄膜温度センサ２０である熱電対の薄膜熱電対導体２０Bの感温部２２付近で、薄膜熱電対導体２０Bを覆っている絶縁膜５１に窓を開けて、試料ホルダ６の領域だけで作動媒体１５に晒すことができるようにしている。

生体物質試料５を電気泳動で電極２３a側に移動させるには、センサ部薄膜１０Aの電極２３aと電極２３ｂとを一様に覆うような作動媒体１５（例えば、体液である尿、汗や唾液などで、必要に応じてｐH調整溶液であるバッファー液を添加する）に晒し、電極２３aと電極２３ｂとの間に直流電圧を、電極間隔にも依存するが、１０V程度印加するが、一般に、作動媒体１５中の細菌や細胞などの生体物質試料５は、負に帯電するので、この場合は、電極２３aには正の電圧を印加して負に帯電している生体物質試料５をドリフトさせるようにすると良い。また、生体物質試料５を誘電泳動で電極２３a側に移動させるには、生体物質試料５と作動媒体１５との複素誘電率の大きさの違いにより異なり、更に、電極の形状等により非対称の電界分布になるように、例えば、電極２３a付近で電界が集中させるようにするには、電極２３aの露出した電極面積を電極２３ｂより１桁以上小さくさせるなどして達成させることができる。その場合、電極２３aと電極２３ｂとの間隔を狭めた方が不均一電界分布には有効である。複素誘電率の大きさの違いを利用するので、印加交流電圧の周波数を変化させることにより、生体物質試料５を電極２３aに近づけたり、遠ざけさせたりすることができる。ここでは、交流電圧の振幅と周波数の調整により生体物質試料５を電極２３aに捕集することができる。

また、試料ホルダ６の電極２３aに捕集した生体物質試料５を熱分析する場合は、試料ホルダ６に確実に固定させた方が良い。このためには、電極２３a上に化学的かつ熱的素性がはっきりしている接着層２３１を形成しておき、これに捕集した生体物質試料５を固定すると良い。図３と図４には、この接着層２３１を電極２３a上に備えた場合を示している。誘電泳動では、高周波電圧を印加するので、必ずしも接着層２３１に導電性を要求しないが、電気泳動では、直流電圧印加なので、電極２３aと導通するように導電性を付与した接着層２３１である必要がある。接着層２３１自体が、電気絶縁物質であった場合は、ナノサイズの金属粉やカーボン粉などを混ぜて、導電性を付与させることができる。接着層２３１は、のり状物質でも良いが、例えば、ゼラチンのような室温ではゲル状物質で、温度を少し上げると液化するような物質でも良く、その影響を少なくするために、極めて薄く（例えば、１μｍ以下）薄膜状に形成して、捕集後、薄膜温度センサ２０である熱電対に電流を流し発熱させて接着層２３１を軟化させて固定させても良い。

図３および図４に示す本発明のカロリメトリックバイオセンサを反応熱解析に使用する場合は、生体物質試料５として、例えば、生体由来物質であるグルコースやペニシリンなどを用いた場合には、接着層２３１に、例えば、これらを選択的に酸化させる酵素であるグルコースオキシダーゼやペニシリナーゼなどを所定の量だけ混入させておき、生体物質試料５の接着効果と接触反応の促進効果とを共に達成させることができる。なお、この時の酸化反応は、発熱反応なので、試料ホルダ６の個所の感温部２２の温度上昇が発生し、その温度上昇は生体物質試料５の量に関係するので、生体物質試料５の量、すなわち、例えば、唾液中のグルコースの量の計測となり、血糖値との対応関係から血糖値の推定ができる。また、ペニシリンは、青カビが生産するので、ペニシリンの存在は、青カビの存在に対応するので、カビ菌の選択的検出などに繋がるものである。このように生体物質試料５に対する選択的な酵素による反応熱を利用して、体液中の生体物質試料５の種類の特定とその存在量の推定に役立つ。

生体物質試料５として、上述では、DNA、細菌、各種細胞、微生物由来の物質、糖類、タンパク質など、そのものを電気泳動や誘電泳動により試料ホルダ６に導入する場合を説明した。しかしながら、作動媒体１５の種類の違いによる生体物質試料５の帯電状態の違いや、微少量の生体物質試料５のために多量の同種の生体物質試料５でないと熱分析や反応熱解析で精度が得られないなどの問題が発生することがあった。また、誘電泳動では１５との誘電率の違いが僅かなために泳動しない場合もあった。これらの解決策として、素性の分かっているマイクロもしくはナノビーズに生体物質試料５を接合させて、この生体物質試料５を接合せたビーズを電気泳動や誘電泳動させて、試料ホルダ６に導入して捕集させることもできる。

図８は、例えば、ガラスやプラスチック等のナノやマイクロサイズのビーズ８に、直接又は間接的に細菌やDNAなどの生体物質試料５を結合させて、主に、ビーズ８が作動媒体１５の中で帯電している時には、電気泳動法で移動させるが、作動媒体１５との誘電率差が大きい時には誘電泳動により移動させて、上述の図３と図４に示す電極２３aのある試料ホルダ６に、生体物質試料５を結合させたビーズ８を捕集して、上述のように生体物質試料５に関しての熱分析や反応熱解析を実行するものである。図９は、ビーズ８の表面にコート膜１８を形成し、このコート膜１８に生体物質試料５を結合させた場合の様子を示すものである。例えば、３μm直径程度のポリスチレン微粒子の表面をアビジンで修飾してコート膜１８とし、このアビジンに選択的に結合するビオチンを利用し、あるウイルス由来のRNAから逆転写PCRによってこのビオチンを結合させたあるDNAを生体物質試料５として、ポリスチレン微粒子と共に誘電泳動により電極２３aのある試料ホルダ６に捕集することができる。そして、上述のようにして、熱分析や反応熱解析により捕集吸着された生体物質試料５としてのDNAを特定するための情報を得ることができる。

図１０は、本発明のカロリメトリックバイオセンサで分析する生体物質試料５を、帯電させた、例えば、石英などの電気絶縁体のナノやマイクロサイズのビーズ８に接合した場合の様子を示すものである。石英などの電気絶縁体には、例えば、ナトリウムイオン（Na⁺）を表面に熱拡散させて、その表面にエレクトレットを形成させるなど、正に帯電させることもできる。また、コロナ放電などでも帯電させることができる。正に帯電させたビーズ８にDNAなどの生体物質試料５を結合させた状態を、図１０には示している。また、図１１には、この正に帯電させたビーズ８に細菌などの大きな生体物質試料５を結合させた状態を示し、作動媒体１５の中で電気泳動や誘電泳動により試料ホルダ６に導入して捕集させて、上述のようにして、熱分析や反応熱解析を実行し、ビーズ８ごと捕集吸着された生体物質試料５を特定するための情報を得るものである。

図５は、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップの一実施例を示し、作動媒体１５に生体物質試料５が含まれ電気泳動によりドリフトさせている様子を示す一実施例で、薄膜１０が架橋構造型の場合である。薄膜１０がカンチレバ９の構造より架橋構造型の方が、両端支持薄膜となるので、機械的な強度が強くなると共に、幅の細い薄膜１０上の配線を基板１の空洞１３以外の額縁の領域まで延在させるのに好都合でもある。作動媒体１５としては、例えば、人の体液である糞尿、汗、涙、唾液などでも良いし、更にこれらを他の水溶液で薄めたり、ｐH調節をしたりしたものでも良い。図５では、作動媒体１５として、例えば、汗を用いた場合、この汗を電気泳動用の１対の電極２３aと電極２３ｂとに渡って覆うように滴下したような場合を想定した図である。従って、作動媒体１５の汗の中に含まれる細菌などの生体物質試料５を電気泳動によりドリフトさせて、電極２３aがある試料ホルダ６に捕集吸着させるようにした例を示している。上述と同様に、熱分分析や反応熱解析を実行するときには、上記図２に示すようなカロリメトリックバイオセンサの装置内の加熱手段２５内にセンサチップ３００として装着して実行するものである。

上述の図５では、作動媒体１５として、例えば、体液などの液体を用いた場合を例にしたが、本発明では、更に、作動媒体１５として、薄膜１０の上に均一の厚みに形成したアガロースゲルなどのゲルを用いても良い。その場合には、生体物質試料５のゲルへの滴下位置は、電界が一様にかかるように電極２３の近くで電極２３aとの間にすることが要求される。もちろん、細菌やDNAなどの生体物質試料５に色素などで着色してマーカとなるようにすると可視化できるので望ましい。電極２３aを有する試料ホルダ６に備えた接着層２３１に特定用の酵素を含有させておき、ここに捕集吸着した後、必要に応じてゲルを除去して、上述のようにカロリメトリックバイオセンサの装置内の加熱手段２５内に装着して、その酵素反応が最適な温度、例えば、４０℃一定になるように加熱手段２５でセットして、酵素と捕集した生体物質試料５との反応熱の時間経過を薄膜温度センサ２０の感温部２２の熱電対出力からその特定酵素と反応する生体物質試料５の種類の特定やその含有量を計測することができる。

図６は、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００の他の一実施例を示し、マイクロチャネル（流路）中に作動媒体１５を満たし、電気泳動により生体物質試料５を移動させる様子を示す一実施例で、薄膜１０が架橋構造型の場合である。マイクロチャネルは、薄膜１０に細長い溝上の上部が開放のチャネルを形成しても良いが、本実施例では、架橋構造型の薄膜１０にマイクロチャネルを形成するためにチャネル形成カバー５５を取り付けている場合である。チャネル形成カバー５５は、生体物質試料５の移動が確認しやすいためと熱容量を小さくさせるために透明の薄膜状が良い。作動媒体１５としては、上述のように体液でも良いし、ｐHや導電率の調節などのために、バッファー液にしても良い。この場合、体液中の生体物質試料５の電気泳動による捕集ができる。特に、ここでは、生体物質試料５の試料注入孔１６の近くの電極２３ｂと作動媒体１５に露出させた対電極となり試料ホルダ６に備えた電極２３aのその外側に、更に作動媒体１５に露出させた電極２３ｃを設けてあり、電極２３ｂと電極２３a間の印加電圧よりも、電極２３ｂと電極２３ｃ間の印加電圧の方を大きくさせて置き、電極２３aは、生体物質試料５の通過点となるような作用をさせている。所望の生体物質試料５が電極２３aを通過するときに電極２３ｃへの電圧印加を止めて、電極２３aに所望の生体物質試料５が捕集吸着されるようにするものである。

電極２３aに所望の生体物質試料５が捕集吸着後、作動媒体１５を除去して洗浄させると良い。そして、上述のように、捕集吸着された生体物質試料５を熱分析や反応熱解析を加熱手段２５と組み合わせて実行する。もちろん、特定酵素入りの接着剤２３１を用いて、所定の一定温度の下で反応熱解析を行うことができる。

図７は、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００の他の一実施例を示す横断面概略図で、熱膨張係数が異なるバイメタル型の励振手段３５を備えた場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。構造は、前記の図４とほぼ同様であるが、違いは、図７では、カンチレバ型の薄膜１０の基板１での支持部付近に、振動を検出するための検出手段７０としてピエゾ抵抗を形成していることである。ピエゾ抵抗は、ｎ型のSOI層２に対して、ｐ型の不純物であるホウ素（B）を熱拡散することで容易に形成される。カンチレバ型の薄膜１０は、表面のSiO2膜などの絶縁膜５１に比べ、埋め込み絶縁膜（BOX層）５０が厚い場合、カンチレバ型の薄膜１０の主体であるSOI層２と埋め込み絶縁膜（BOX層）５０との熱膨張係数の違いによるバイメタル効果で、薄膜１０の加熱・冷却により薄膜１０を励振させることができる。これは、SOI層２は、金属並みの大きな熱膨張係数を有するのに対して、埋め込み絶縁膜（BOX層）５０は、本質的に石英であるからほとんど膨張変化をしないために振動するものである。センサチップ３００は、一般には、加熱手段２５の中に装着して行うが、カンチレバ型の薄膜１０の励振手段３５としての加熱は、上述のような薄膜１０の外側にある加熱手段２５によるのではなく、薄膜温度センサ２０である熱電対をヒータとして用いて行うことができる。この方が、熱容量が小さい薄膜１０であるので、応答性が良い。

薄膜１０の１回の加熱・冷却を１サイクルとした時に、その繰り返しサイクルと、捕集吸着された生体物質試料５を搭載した薄膜１０の固有振動数と一致した時が共振周波数ｆｒであり、その共振周波数ｆｒは、生体物質試料５の質量に依存し、その質量が大きいと低周波側に共振周波数ｆｒはシフトする。この共振周波数ｆｒやそのシフト量から生体物質試料５の質量の変化が計測できる。DTAやDSCでの熱分析において、熱分析の始めの時点や熱分析終了後ばかりでなく、温度走査の途中でこの共振周波数ｆｒやそのシフト量を計測することもできる。これらの共振周波数ｆｒやそのシフト量の計測から、生体物質試料５の分子量や細胞等の個数の把握、温度走査による蒸発量や変性状態などを把握するための情報が得られる。また、薄膜１０は、カンチレバ型ばかりでなく、架橋構造型でも同様である。

ここでは図示しないが、図７と同様な構造であり、加熱手段２５の中に装着した時の、例えば、加熱手段２５の薄膜ヒータ２５０とカンチレバ型薄膜１０との間に構成される平行平板型コンデンサへの交流電圧の印加によりカンチレバ型薄膜１０を励振させることができる。その振動周波数や共振周波数ｆｒの検出は、上記したピエゾ抵抗を用いても良いし、この平行平板型コンデンサの静電容量の変化から検出することもできる。もちろん、この場合も膜１０は、カンチレバ型ばかりでなく、架橋構造型でも同様である。

図１２は、本発明のカロリメトリックバイオセンサのセンサチップ３００の他の一実施例を示す平面概略図で、薄膜１０を基板１にアレー化させた場合の一実施例で、それぞれの薄膜１０にそれぞれ異なる酵素７を含む接着層２３１を形成してある場合である。電気泳動により生体物質試料５を、試料ホルダ６の露出電極２３aに捕集させる場合で、薄膜１０がカンチレバ型の場合である。各アレーは、試料注入孔１６から各アレーの電極２３a（２３a−１、２３a−２、・・・）に至る試料注入孔１６を移動させるマイクロチャネル１７（１７−１、１７−２、・・・）があり、試料注入孔１６から注入された生体物質試料５は、予めマイクロチャネル１７を充満させているバッファー液中に滴下される。各アレーの電気泳動での捕集用の電極２３aを有する試料ホルダ６には、種々異なる特定酵素を含有した接着層２３１（２３１−１、２３１−２、・・・）を備えており、各電極２３aに捕集された、例えば、グルコースなどの生体物質試料５のうち、例えば、グルコースオキシダーゼなどの特定酵素と反応して反応熱が生じる場合に、その特定酵素に対応する生体物質試料５の種類の特定ができることになり、その発熱量から生体物質試料５の量が推定できる。もちろん、上述のように、カロリメトリックバイオセンサの加熱手段２５にこのアレー化センサチップを装着して、特定酵素の活性最適温度の下で反応熱解析が実行される。

このアレー化センサチップを用いた本実施例でも、上記と同様にして電気泳動での捕集用の電極２３aの試料ホルダ６に捕集させるのに、各アレーごとに電気泳動用の印加電圧を異なるようにして、電気泳動を実施することにより、細菌や細胞などの比較的大きな分子量の生体物質試料５の個数に関する情報を得ることができる。捕集した生体物質試料５の熱分析には、作動液体１５を洗浄後、乾燥させて、加熱手段２５により温度走査を行うと良い。もちろん、熱分析を行うような場合は、接着剤２３１には、酵素などを混入させる必要はない。また、この場合も薄膜温度センサ２０としての熱電対を電気泳動用の電極２３aと共通の電極２３ｂ間に電気泳動用の直流電圧を印加するが、この場合の電極２３aへの電圧供給は、アレー電極パッド４７（４７−１、４７−２・・・）を介して行われる。

図１３は、本発明のカロリメトリックバイオセンサの熱分析もしくは反応熱解析する装置としての構成を示す一実施例で、ブロック図で示してある。センサチップからの温度変化に関する出力信号は、増幅回路で増幅され、更に、加熱手段２５の熱分析の場合は、所定のプログラムに沿って、センサチップの参照部薄膜１０Bの温度を中心に温度制御を行うためなどの演算回路を通して、信号が温度制御手段に送られる。また、示差熱分析（DTA）や示差走査熱量計（DSC）としての特性グラフの表示や温度変化表示などのための信号は、演算回路後外部の表示回路部に送られる。これらの回路のうち、増幅回路と演算回路は、集積回路として、例えば、使い捨てでない半導体基板である加熱手段２５の基板に形成しておくと良い。また、本実施例は、この集積回路と温度制御手段とを少なくともコンパクトな装置となるようにモジュール化した場合である。

上述の実施例での図３から図７では、薄膜１０のセンサ部薄膜１０Aと参照部薄膜１０Bには、ヒータを取り付けていない構造を示していたが、上述の加熱手段２５とは別に、センサ部薄膜１０Aと参照部薄膜１０Bとの両方にマイクロヒータを形成して置いても良い。その役割は、次のようである。すなわち、例えば、センサ部薄膜１０Aの試料ホルダ６に付着固定してある生体物質試料５の熱分析を行う場合、加熱手段２５による所定の温度走査時に、生体物質試料５のエンタルピ変化に基づくセンサ部薄膜１０Aの温度停滞などによるセンサ部薄膜１０Aと参照部薄膜１０Bの温度差を単に計測して熱量を求める（DSC）が、ここでは、センサ部薄膜１０Aと参照部薄膜１０Bの温度差がゼロになるように、センサ部薄膜１０Aか、参照部薄膜１０Bのマイクロヒータを制御加熱させる温度走査を行うようにする、所謂、入力補償DSCを実現させることもできる。

上述の実施例は、それぞれ一実施例に過ぎず、本願発明の主旨と作用および効果が同様でありながら、種々の変形があることは当然である。

本発明のカロリメトリックバイオセンサは、人間の日常の健康管理において、病気の発生の可能性、人体各種機能の低下の兆候などの指針を得るのに、簡単に日常チェックするのに適している。人間の糞尿、汗、唾液、涙などの排出体液から、例えば、グルコースを検出して、その値から血糖値の予測と糖尿病の予防を行うなど、極微量の排出体液から細菌を検出して、健康状態をチェックするなど、本発明のカロリメトリックバイオセンサの提供により極めてコンパクトな健康管理装置が提供できる。

１基板
２ SOI層
５生体物質試料
６試料ホルダ
７酵素
８ビーズ
９カンチレバ
１０薄膜
１０A センサ部薄膜
１０B 参照部薄膜
１２蓋
１３空洞
１５作動媒体
１６試料注入孔
１７マイクロチャネル
１８コート膜
２０薄膜温度センサ
２０A、２０B 薄膜熱電対導体
２２感温部
２３、２３a、２３ｂ電極
２５加熱手段
３５励振手段
４０電極パッド
４１薄膜温度センサ用共通電極パッド
４１A，４１B 薄膜温度センサ用電極パッド
４２A、４２B 絶対温度センサ用電極パッド
４３A、４３B 上部薄膜ヒータ用電極パッド
４４A、４４B 下部薄膜ヒータ用電極パッド
４６泳動用電極パッド
４７、４７−１，４７−２、４７−ｎアレー電極パッド
５０埋め込み絶縁膜（BOX層）
５１絶縁膜
５５チャネル形成カバー
６０コンタクトホール
７０振動検出手段
１００台
１０１配線
１０５入出力端子
１１０センサチップホルダ
２００絶対温度センサ
２３１、２３１−１、２３１−２、２３１−ｎ接着層
２５０薄膜ヒータ
３００センサチップ
４００フレキシブル配線シート
５００断熱材
１０００カロリメトリックバイオセンサ

本発明の請求項８に係わるカロリメトリックバイオセンサは、試料ホルダ６まで延在した電極２３aに捕集付着された生体物質試料５のカロリメトリック応答を計測する際に、所定のガスもしくは所定の液体雰囲気中で行い、それぞれの所定雰囲気でのカロリメトリック応答から生体物質試料５の量や種類の特定に結びつく情報を得るようにした場合である。

Claims

薄膜（１０）上に導入された生体物質試料（５）に関して、カロリメトリックな情報を得るためのカロリメトリックバイオセンサにおいて、前記薄膜（１０）は、基板（１）から熱分離した構造であること、該薄膜（１０）はカンチレバ型もしくは架橋構造型であること、該薄膜（１０）に薄膜温度センサ（２０）としての熱電対もしくはサーミスタの感温部（２２）を有していること、該感温部（２２）の電極を、電気泳動もしくは誘電泳動における少なくとも１対の電極の一方の電極（２３a）としても用いると共に、電気泳動もしくは誘電泳動により生体物質試料（５）が選択的に前記電極（２３a）の上に捕集付着されるように作動媒体中に露出させた構造とし、試料ホルダ（６）の少なくとも一部と兼用にしたこと、他方の電極（２３b）を基板（１）上もしくは薄膜（１０）に一体形成していること、上記薄膜（１０）の少なくとも感温部（２２）は、一様な環境温度に晒されるようにすると共に、薄膜温度センサ（２０）の出力を利用して、生体物質試料（５）のカロリメトリックな情報を得るようにしたこと、を特徴とするカロリメトリックバイオセンサ。
電極（２３a）には、生体物質試料（５）を単に接着させるか、もしくは、所定の酵素等を含み選択的に生体物質試料（５）の化学反応を促進させるようにした接着層（２３１）が形成してある請求項１に記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜（１０）として、同一基板１にアレー状に複数個形成してある請求項１もしくは２のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜（１０）を励振して、電極（２３a）に捕集付着された生体物質試料（５）の質量の大きさや変化に基づく共振周波数やその位相の変化から生体物質試料（５）に関する情報が得られるように、励振手段（３５）を備えた請求項１から３のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
励振手段（３５）として、薄膜（１０）を少なくとも２重層以上の薄膜から構成し、間欠ジュール加熱による２重層以上の薄膜同士の熱膨張係数の違いによる励振とした請求項４に記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜（１０）の振動検出手段（７０）として、薄膜（１０）に形成したピエゾ抵抗を利用するようにした請求項４もしくは５のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜（１０）の振動の検出手段（７０）として、薄膜（１０）と他の部位との間の静電容量の変化を利用するようにした請求項４もしくは５のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
電極（２３a）に捕集付着された生体物質試料（５）のカロリメトリック応答を計測する際に、所定のガスもしくは所定の液体雰囲気中で行い、それぞれの所定雰囲気でのカロリメトリック応答から生体物質試料（５）の量や特定に結びつく情報を得るようにした請求項１から７のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜（１０）の少なくとも感温部（２２）を一様な環境温度にするために、薄膜（１０）の面積の少なくとも２倍以上の面積を有する加熱手段（２５）としてのジュール加熱ヒータで感温部（２２）を覆うようにした請求項１から８のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。
薄膜温度センサ（２０）からの温度に関する信号を増幅する増幅回路と、該増幅器からの出力を利用して演算する演算回路とを同一基板に集積化した集積回路を備え、更に所定の温度制御を行う加熱手段（２５）の制御回路を備えてあり、少なくとも前記集積回路と前記制御回路とをモジュール化した請求項１から９のいずれかに記載のカロリメトリックバイオセンサ。