JP2019128261A - Disposable biosensor chip and biosensor fitted with the same - Google Patents

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JP2019128261A JP2018010199A JP2018010199A JP2019128261A JP 2019128261 A JP2019128261 A JP 2019128261A JP 2018010199 A JP2018010199 A JP 2018010199A JP 2018010199 A JP2018010199 A JP 2018010199A JP 2019128261 A JP2019128261 A JP 2019128261A
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木村 光照
Mitsuteru Kimura
光照 木村
竹卿 王
Chikukyou Oh
竹卿 王
崇人 小野
Takahito Ono
崇人 小野
阿部 高明
Takaaki Abe
高明 阿部
雄大 権田
Takehiro Gonda
雄大 権田
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TOHOKU Gakuin
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TOHOKU Gakuin
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Abstract

To provide a disposable biosensor chip having a thermal sensor for measuring creatinine in urine and the like, and an ion sensor for measuring ions such as Na, and a biosensor for concentration analysis of various urine components by creatinine correction which can attach and detach this.SOLUTION: A biosensor includes a thermal sensor 2 and ion sensor 3, is equipped with a reaction unit 6A and B of the thermal sensor in a flow path through which the liquid sample passes, detection temperature sensors 20A, B are disposed in contact with or in the vicinity of the enzyme, at least either of the upper and lower surfaces of the flow path of a reaction unit is sandwiched by a material having a small thermal conductivity of less than a half of Si, a disposable chip-like disposable biosensor chip integrated bonding by overlapping a base substrate 1 with any one of a chip A having a thermal sensor, a chip B having both a thermal sensor and an ion sensor, a chip C having only an ion sensor, or a combination of these, and a biosensor chip attaching-and-detaching mechanism.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、尿などの液体試料中の特定基質成分やイオン成分を検出するための使い捨て型にしたバイオセンサセンサチップと、これを搭載するバイオセンサに関するものである。   The present invention relates to a disposable biosensor sensor chip for detecting a specific substrate component or ion component in a liquid sample such as urine, and a biosensor equipped with the biosensor sensor chip.

本願発明者は、酵素利用のカロリメトリック(熱的検出手法)バイオセンサにより、基質であるグルコース、タンパクやクレアチニンも、それぞれに特異的な選択性を有する酵素、例えば、それぞれグルコースオキシダーゼ、トリプシンやクレアチニナーゼを反応部に固定することにより、尿などの(被検出)液体試料中の生体由来の微少のこれらの基質とそれに対応する酵素との接触触媒熱反応(以降、これを熱反応と言う)による温度変化分を高感度で、しかも高精度で計測できることを実証した。基質と酵素との反応過程で発生する反応熱の単純な計測から尿などの液体試料中の基質の濃度や、複数の基質の成分比率も求めるためのコンパクトで、高精度で、かつ安価な成分比較バイオセンサチップとこのチップを搭載しているバイオセンサモジュールと、更に、これらを用いた成分比較バイオセンサを提供することを提案した(特許文献1)。この熱的検出手法により、上述の尿タンパクや尿糖などのクレアチニン補正が可能になった。 The inventors of the present invention have found that glucose, protein, and creatinine as substrates are enzymes having specific selectivities, for example, glucose oxidase, trypsin, and creadine, respectively, using a calorimetric (thermal detection method) biosensor using enzymes. By fixing the tininase to the reaction part, a catalytic catalytic thermal reaction (hereinafter referred to as a thermal reaction) between these minute substrates derived from living organisms in a liquid sample such as urine (detected) and the corresponding enzyme It has been demonstrated that it is possible to measure the temperature change due to) with high sensitivity and high accuracy. Compact, high-accuracy and inexpensive component for determining the concentration of a substrate in a liquid sample such as urine and the ratio of components of multiple substrates from simple measurement of reaction heat generated during the reaction between the substrate and enzyme It has been proposed to provide a comparative biosensor chip, a biosensor module on which this chip is mounted, and a component comparison biosensor using these chips (Patent Document 1). This thermal detection method has made it possible to correct creatinine such as the above-mentioned urinary protein and urinary sugar.

尿や血液中などの液体試料中のナトリウム(Na)やカリウム(K)などのイオンの検出が求められるようになり、従来、イオン電極法(イオン選択性電極法)(特許文献2)やイオン感応FET(ISFET) (特許文献3)などを用いて、ナトリウム(Na)やカリウム(K)のイオノフォアを含むイオン感応層を用いたイオンセンサがあった。ISFETのゲート絶縁膜上に形成して、イオノフォアの極めて高いイオン選択性を利用して、これらの液体試料中のイオン濃度をISFETのソース(S)とドレイン(D)間の電流変化から計測することが報告されている。しかしながら、これらのISFETは、熱的検出法ではなく、熱的検出法の上述のタンパク質である酵素を用いる熱反応を利用する基板から熱分離した薄膜に形成する酵素固定反応部の製作工程との整合性に問題があり、熱的検出法のセンシング部を同一基板に形成することが、大きな課題になっていた。 Detection of ions such as sodium (Na) and potassium (K) in liquid samples such as urine and blood has been required. Conventionally, an ion electrode method (ion selective electrode method) (Patent Document 2) or an ion 2. Description of the Related Art There has been an ion sensor using an ion sensitive layer containing an ionophore of sodium (Na) or potassium (K) using a sensitive FET (ISFET) (Patent Document 3) or the like. It is formed on the gate insulating film of ISFET, and the ion concentration in these liquid samples is measured from the current change between the source (S) and drain (D) of these ISFET samples by utilizing the extremely high ion selectivity of ionophore It has been reported. However, these ISFETs are not a thermal detection method, but a manufacturing process of an enzyme immobilization reaction part formed on a thin film thermally separated from a substrate using a thermal reaction using an enzyme which is the above-described protein of the thermal detection method. There is a problem in the integrity, and forming the sensing part of the thermal detection method on the same substrate has been a major issue.

被検出液体試料としての尿を用いた場合、基質である尿糖や尿タンパクなどの各成分の濃度を計測することが求められるが、例えば、タンパク(例えば、アルブミン)の濃度とクレアチニンの濃度との比率の評価が、腎臓病などの病気の進行状況を把握するのに適するという情報からこれらの計測の要望があり、例えば、尿内のタンパクの濃度とクレアチニンの濃度との比(比率)を直接計測できるような要望があった。これは、男女に多少の差があるが、「成人の1日のクレアチニン排泄量はほぼ1g」であることから任意の体積の尿中のクレアチニンを基準にして、その中に含まれるタンパクやブドウ糖などの濃度の比率を求めること(クレアチニン補正)で、水分の摂取濃度などに依らない安定した尿中タンパクなどの評価が可能になるからである。従来の電気化学法による尿内成分の計測では、過酸化水素(H2O2)が酵素反応で発生する必要があり、尿糖などは、発生するH2O2の酸化還元電流の計測からその濃度を求めることができるが、H2O2の発生困難なタンパクの検出は極めて困難であった。 When urine is used as a liquid sample to be detected, it is required to measure the concentration of each component such as urine sugar and urine protein as a substrate. For example, the concentration of protein (eg, albumin) and the concentration of creatinine There is a demand for these measurements from the information that the evaluation of the ratio is suitable for grasping the progress of diseases such as kidney disease. For example, the ratio (ratio) between the concentration of protein in urine and the concentration of creatinine There has been a demand for direct measurement. This is because there are some differences between men and women, but because "the daily adult creatinine excretion is approximately 1 g", based on creatinine in urine of any volume, proteins and glucose contained in it This is because it is possible to evaluate stable urinary proteins and the like that do not depend on the intake concentration of water, etc., by obtaining the ratio of the concentration of the above (correction of creatinine). In the measurement of urinary components by the conventional electrochemical method, hydrogen peroxide (H2O2) must be generated by an enzymatic reaction, and the concentration of urine sugar, etc., can be determined by measuring the redox current of the generated H2O2. Although it was possible, it was extremely difficult to detect proteins that are difficult to generate H2O2.

最近、塩分の摂取量と高血圧との関係から減塩を勧める運動が盛んになってきている。その中でも尿中のクレアチニンに対するナトリウム(Na)の割合を求めること(尿中Naのクレアチニン補正)により、随時尿としての一滴の尿を用いて、Naイオン、すなわち、食塩の摂取濃度が評価できるので、生体由来物質であるクレアチニンの尿中濃度の計測と尿中のNaイオンの同時計測が望まれるようになった。これらのクレアチニンとNaイオンの濃度を個別で独立なセンサを用いて計測するのではなく、コンパクトなセンサを用いた同時計測のためには、同一基板に上述のようなクレアチニン検出用の熱型センサとNaイオン計測用のイオンセンサである、例えば、ISFETとを集積化する方が好適である。しかしながら、上述のように、酵素であるクレアチニナーゼを用いたクレアチニンの熱的検出法のために、基板から熱分離した薄膜、流路やタンパク質である酵素の流路中の反応部への固定のための製作工程と、基板へのイオン検出用のイオノフォアを含むイオン感応膜層を備えたISFETの製作工程には、大きなハードルがあり、その製作工程には特別な工夫が必要であり、本発明者は、先に同一基板に熱型センサとISFETとを搭載するイオン・バイオセンサを提案した(特許文献4)。 Recently, exercise to recommend salt reduction has become popular because of the relationship between salt intake and hypertension. Among them, by determining the ratio of sodium (Na) to creatinine in urine (creatinine correction of Na in urine), it is possible to evaluate the intake concentration of Na ion, that is, salt, using one drop of urine as urine at any time. It has become desirable to measure the urinary concentration of creatinine, which is a biological substance, and simultaneously measure the Na ion in the urine. Instead of measuring these creatinine and Na ion concentrations individually and independently, a thermal sensor for detecting creatinine as described above is used on the same substrate for simultaneous measurement using a compact sensor. It is more preferable to integrate an ion sensor for measuring Na and Na ions, for example, an ISFET. However, as described above, for the thermal detection method of creatinine using the enzyme creatininase, the thin film thermally separated from the substrate, the flow path, and the immobilization of the protein enzyme to the reaction part in the flow path There are significant hurdles in the fabrication process for ISFET and the fabrication process of an ISFET with an ion sensitive membrane layer that includes an ionophore for ion detection on the substrate. The inventor previously proposed an ion biosensor in which a thermal sensor and an ISFET are mounted on the same substrate (Patent Document 4).

また、液体試料として尿を用いる場合に、衛生上や感性上、他人の使用したバイオセンサを再度使用することに抵抗感があることや前回使用時の洗浄の程度の問題、更に、酵素やイオノフォアの劣化問題などの課題があり、使い捨て型のバイオセンサチップやこれを搭載したバイオセンサの要望が高まっている。 In addition, when using urine as a liquid sample, there is a sense of resistance to the re-use of biosensors used by others for hygiene and sensitivity, problems of the degree of washing during the previous use, and further, enzymes and ionophores. There are issues such as the problem of deterioration of, and the demand for disposable biosensor chips and biosensors equipped with the same is increasing.

特願2016-255431Japanese Patent Application No. 2016-255431 WO2010/087383WO 2010/087383 特表2009−532669Special Table 2009-532669 特願2017-160770Japanese Patent Application No. 2017-160770

本発明は、従来の尿の成分を分析するに当たり、特にハンディなバイオセンサでは、使い捨て型のバイオセンサチップを求める傾向を考慮し、クレアチニンなどの生体由来物質を検出する熱的検出法による熱型センサと、ナトリウム(Na)などの特定イオンの濃度を計測するISFET、イオン電極法などのイオンセンサとを備えた使い捨て型のバイオセンサチップとこれを脱着可能で搭載できる高速応答で単純な構造のバイオセンサであり、クレアチニン補正による各種尿成分の濃度分析を、随時尿を用いて行えるようにするバイオセンサを提供することを目的としている。   The present invention is a thermal type based on a thermal detection method for detecting biologically derived substances such as creatinine in consideration of the tendency to seek a disposable biosensor chip, particularly in the case of handy biosensors, in analyzing conventional urine components. A disposable biosensor chip equipped with a sensor, an ISFET that measures the concentration of specific ions such as sodium (Na), and an ion sensor such as an ion electrode method, and a simple structure with a high-speed response that can be detachably mounted. An object of the present invention is to provide a biosensor that can perform concentration analysis of various urine components by creatinine correction using urine as needed.

上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、被検出用の液体試料中の特定の基質成分とその濃度を、該基質成分に選択的に応答する酵素との触媒反応熱による温度変化を検出用温度センサにより検出する熱型センサを備えたチップAと、少なくとも該チップAからの電気信号を取り出す電極とその電気配線を有するベース基板と、を備えたバイオセンサチップにおいて、前記液体試料が通る流路中に反応部を有すること、該反応部には前記酵素を固定していること、前記検出用温度センサは前記酵素に接触もしくは近傍に配置されていること、前記反応部の流路の少なくとも上下面は、シリコン(Si)の熱伝導率よりも2分の1以下の小さな熱伝導率を持つ材料(気体も含む)で挟む構造であること、前記チップAと前記ベース基板とは、重ね合わせて接合して一体化してあること、1個の使い捨て可能なチップ状にしていること、を特徴とするものである。   In order to achieve the above object, the disposable biosensor chip according to claim 1 of the present invention selectively responds to a specific substrate component and its concentration in the liquid sample to be detected to the substrate component. A chip A provided with a thermal sensor for detecting a temperature change due to heat of catalytic reaction with an enzyme by a temperature sensor for detection, an electrode for taking out an electric signal from at least the chip A, and a base substrate having electric wiring therefor The biosensor chip has a reaction part in a flow path through which the liquid sample passes, the enzyme is fixed to the reaction part, and the temperature sensor for detection is disposed in contact with or near the enzyme. In other words, at least the upper and lower surfaces of the flow path of the reaction section are sandwiched by a material (including gas) having a thermal conductivity smaller than half of the thermal conductivity of silicon (Si). In other words, the chip A and the base substrate are overlapped and joined together to form a single disposable chip.

熱型センサ用のバイオセンサでは、基質成分とこれに選択的に応答する酵素との触媒作用の反応熱による温度変化を検出する検出用温度センサがある反応部は、流路内に配置し、検出用温度センサは、チップAの基板から熱分離するために架橋構造やダイアフラム構造の薄膜上に形成する方が良く、この薄膜は、反応熱を逃がし難いように尿などの液体試料には流路以外の外部からは接触しないような構造にすると良い。そのために、上記チップAとベース基板とは、少なくとも液体試料が通る流路を挟み、水密になるように重ね合わせて接合して一体化している。なお、上記チップAの反応部では、流路を流れる被検出用の液体試料が外部に漏れないようにすると共に、外部に上記反応熱が逃げ難いように、チップAの主たる材料であるSiよりも可能な限り熱伝導率が小さい材料、例えば、空洞、発泡材やプラスチック板などで、カバーする。また、使い捨て型バイオセンサチップは、これを装着して、尿などの液体試料中の成分を分析するに当たり、その本体の、例えば、ハンディ型のバイオセンサ本体に、使い捨て型バイオセンサチップ端に形成してある外部への出力端子である電極パッドを通して電気信号が送れるように、バイオセンサ本体に脱着可能な1個の、例えば、1cm角程度で、1mm程度の小型の薄いチップ状に形成する方が良い。 In a biosensor for a thermal sensor, a reaction part having a temperature sensor for detection that detects a temperature change due to reaction heat of catalytic action between a substrate component and an enzyme that selectively responds to the substrate component is arranged in a flow path, It is better to form the temperature sensor for detection on a thin film having a bridge structure or a diaphragm structure in order to thermally separate it from the substrate of the chip A. This thin film flows to a liquid sample such as urine so that reaction heat is not easily released. It is good to make it a structure which does not contact from the outside other than a way. For this purpose, the chip A and the base substrate are integrated by being overlapped and joined so as to be watertight with at least a flow path through which the liquid sample passes. In the reaction part of the chip A, the liquid sample to be detected flowing in the flow channel is prevented from leaking outside, and the reaction heat is less likely to escape to the outside than Si, which is the main material of the chip A. Cover with a material that has as low thermal conductivity as possible, for example, a cavity, a foam or a plastic plate. In addition, when a disposable biosensor chip is mounted and analyzed for components in a liquid sample such as urine, it is formed at the end of the disposable biosensor chip, for example, a handheld biosensor body. To form a small thin chip with a size of, for example, about 1 cm square, about 1 mm, which can be detached from the biosensor main body so that an electrical signal can be sent through the electrode pad which is an external output terminal. Is good.

また、前記チップAの材料として、シリコン(Si)単結晶を用いると、従来のMEMS技術が使用しやすく、特に、SOI基板を用いて、そのSOI層を利用して公知のMEMS技術で作成される熱型センサ用部を微小寸法、例えば、長さ1mm、厚み0.01mm程度で、幅0.2mm程度の架橋構造や直径1mm程度のダイアフラム構造状で構成した方が、熱型センサ用の検出用温度センサとしての高感度の半導体熱電対や、絶対温度センサとしてのpn接合ダイオードを形成できると共に、酵素固定反応部の形成やISFETの形成にも好都合であり、更に、必要に応じて、その周辺回路となる集積回路を同一基板に形成できる。 In addition, when silicon (Si) single crystal is used as the material of the chip A, the conventional MEMS technology can be easily used, and in particular, the SOI substrate can be used to fabricate the known technology using the SOI layer. It is better to configure the thermal sensor part to have a microscopic dimension, for example, a length of about 1 mm, a thickness of about 0.01 mm, a bridge structure with a width of about 0.2 mm, and a diaphragm structure with a diameter of about 1 mm. A highly sensitive semiconductor thermocouple as a temperature sensor for detection and a pn junction diode as an absolute temperature sensor can be formed, and it is also convenient for the formation of an enzyme immobilization reaction part and the formation of an ISFET. Integrated circuits to be the peripheral circuits can be formed on the same substrate.

上述で、「前記反応部の流路の少なくとも上下面は、シリコン(Si)の熱伝導率よりも2分の1以下の小さな熱伝導率を持つ材料(気体も含む)で挟む構造である」とは、シリコン(Si)を用いたMEMS技術で、液体試料が通る流路を形成した場合、酵素と基質との接触熱反応により、酵素付近が発熱をして、流路内の液体試料を酵素付近から温めることになり、主に反応部付近の液体試料に熱が伝搬して行き、反応部領域の温度上昇となり、この温度上昇を上述の検出用温度センサが検出することになる。この場合、反応部領域は、断熱材で囲まれた方が良く、しかもその体積が小さい方がより高温になりやすく高感度となる。しかしながら、シリコン(Si)は、金属並みに熱伝導率が大きいので、反応部領域の流路は、シリコン(Si)に接する領域を相対的に小さくした方が良い。このために、せめて、反応部の流路の少なくとも上下面は、シリコン(Si)の熱伝導率よりも可能な限り小さな熱伝導率の材料で挟む構造にしたい。特に、流路を上記チップA内に具備させた場合には、構造上、上下に空間(空洞)を形成することができるので、ここを空気(気体)で満すことにより、断熱効果を高めることができる。 As described above, “at least the upper and lower surfaces of the flow path of the reaction part are structured to be sandwiched between materials (including gas) having a thermal conductivity smaller than half of the thermal conductivity of silicon (Si)”. In the MEMS technology using silicon (Si), when a flow path through which a liquid sample passes is formed, the area near the enzyme generates heat due to the contact thermal reaction between the enzyme and the substrate, and the liquid sample in the flow path is Heating is performed from the vicinity of the enzyme, and heat propagates mainly to the liquid sample in the vicinity of the reaction section, resulting in a temperature increase in the reaction section region. This temperature increase is detected by the above-described temperature sensor for detection. In this case, it is preferable that the reaction area be surrounded by a heat insulating material, and the smaller the volume, the higher the temperature, the higher the sensitivity. However, since silicon (Si) has a thermal conductivity as high as that of metal, it is better that the flow path in the reaction region is relatively small in the region in contact with silicon (Si). For this reason, at least the upper and lower surfaces of the flow path of the reaction section are desired to be sandwiched by a material having a thermal conductivity as small as possible than that of silicon (Si). In particular, in the case where the flow path is provided in the chip A, a space (cavity) can be formed in the top and bottom in the structure, so that the heat insulation effect is enhanced by filling it with air (gas). be able to.

本発明の請求項2に係わる使い捨て型バイオセンサチップにおける前記流路を、チップA内に設けた場合である。 In the disposable biosensor chip according to claim 2 of the present invention, the flow path is provided in the chip A.

チップAが、上述のように、SOI基板を用いた場合は、熱型センサ用の検出用温度センサが形成される反応部の領域内のSOI層からなる宙に浮いた熱容量と熱伝導とが小さい構造の架橋構造やダイアフラム構造、検出用温度センサ、後述の絶対温度センサも、高感度の半導体センサで形成できるので、好都合である。更に、これらの架橋構造やダイアフラム構造の薄膜上に流路を上記MEMS技術で、SU−8などのフォトレジストから成る微細な流路を形成すると、架橋構造やダイアフラム構造と流路とは、一体となり、これらの外側には、空隙(空洞)を設けることもできて、この領域を空気で満たして、発熱反応による熱を流路から外部に逃がし難いようにすることができるので、高感度で、高速応答の熱型センサが提供できる。 When the chip A uses the SOI substrate as described above, the heat capacity and the heat conduction floating in the air consisting of the SOI layer in the region of the reaction portion where the detection temperature sensor for the thermal type sensor is formed A small cross-linked structure, a diaphragm structure, a temperature sensor for detection, and an absolute temperature sensor to be described later can also be advantageously formed by a highly sensitive semiconductor sensor. Furthermore, when a fine channel made of a photoresist such as SU-8 is formed on the thin film having such a crosslinked structure or diaphragm structure by the above-mentioned MEMS technology, the crosslinked structure, the diaphragm structure and the channel are integrated. In addition, it is possible to provide a gap (cavity) outside these, and this area can be filled with air so that heat generated by the exothermic reaction cannot be easily released from the flow path to the outside. Can provide a fast response thermal sensor.

本発明の請求項3に係わる使い捨て型バイオセンサチップにおける前記流路を、チップAと前記ベース基板との間に設けた場合である。 In the disposable biosensor chip according to claim 3 of the present invention, the flow path is provided between the chip A and the base substrate.

前記流路には、熱型センサとしての反応部が設けられており、その反応部には、基質と接触発熱する酵素を固定する必要がある。閉じられている流路の中の反応部に酵素を固定することは、その固定法に、ビーズ固定酵素による反応部への留置、エレクトロクリック法による酵素固定など、制限が出てくるが、流路が、まだ、解放状態であるならば、直接反応部の上方から酵素を固定することもできるので、好都合なことが多い。なお、解放状態とは、前記ベース基板にチップAを重ねて一体化する前の状態で、チップAの反応部が露出している状態をいう。 The flow path is provided with a reaction unit as a thermal sensor, and in the reaction unit, it is necessary to fix an enzyme that generates heat in contact with the substrate. Immobilization of the enzyme in the reaction zone in the closed channel is limited to the immobilization method such as placement in the reaction zone with bead immobilized enzyme, enzyme immobilization by electroclick method, etc. If the path is still open, it is often convenient because the enzyme can also be immobilized directly from above the reaction zone. The released state refers to a state in which the reaction part of the chip A is exposed before the chip A is stacked and integrated on the base substrate.

本発明の請求項4に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えている場合である。 A disposable biosensor chip according to claim 4 of the present invention comprises a reaction part on which the enzyme is immobilized and a reference part having the same shape as that of the reaction part but on which the enzyme is not immobilized, It is a case where the reference part is provided with the detection temperature sensor and the reference temperature sensor, respectively.

参照部は、酵素を固定している反応部に対して、酵素による発熱反応以外の熱的作用は、反応部と同等な熱的特性を有するようにすることが望ましい。従って、酵素を固定しないが、その他の形状や素材と液体試料に対する環境も、反応部と同等にすることが望ましい。そして、反応部と参照部に設けているそれぞれ検出用温度センサと参照用温度センサも同一の計測原理で同等な形状である必要がある。 It is desirable that the reference part has a thermal characteristic other than the exothermic reaction by the enzyme having the same thermal characteristics as the reaction part with respect to the reaction part where the enzyme is immobilized. Therefore, it is desirable not to immobilize the enzyme, but to make the environment for the other shapes and materials and the liquid sample equal to the reaction part. The detection temperature sensor and the reference temperature sensor provided in the reaction unit and the reference unit need to have the same shape on the same measurement principle.

本発明の請求項5に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記検出用温度センサと参照用温度センサを温度差センサとした場合である。 In the disposable biosensor chip according to claim 5 of the present invention, the temperature sensor for detection and the temperature sensor for reference are temperature difference sensors.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップの温度センサに関して、高感度で高精度の検出用温度センサ、参照用温度センサなどの温度センサを温度差センサである熱電対で作成し、SOI層もこの熱電対の熱伝導体の1つとして利用すると、製作が容易で、高感度な半導体薄膜熱電対が構成できるなど、好都合であることが多い。もちろん、熱電対を直列接続したサーモパイルにしても良い。また、半導体薄膜熱電対では、抵抗率の大きい方が、ゼーベック係数が大きいので、同一の温度差に対して大きな熱起電力となるので、抵抗率が0.01Ωcmよりも、例えば、0.5Ωcm程度の方が高感度検出になる。しかし、抵抗率が余り大きすぎると、オーム性電極が形成しがたくなるので、適当な抵抗率を選択すると良い。 Regarding the temperature sensor of the disposable biosensor chip of the present invention, a temperature sensor such as a high-sensitivity and high-accuracy temperature sensor for detection and a temperature sensor for reference is created by a thermocouple which is a temperature difference sensor, and the SOI layer is also used for this thermocouple. When used as one of the thermal conductors, it is often convenient because it can be easily manufactured and a highly sensitive semiconductor thin film thermocouple can be constructed. Of course, a thermopile in which thermocouples are connected in series may be used. In addition, in the semiconductor thin film thermocouple, since the Seebeck coefficient is larger when the resistivity is larger, a large thermoelectromotive force is generated with respect to the same temperature difference, so that the resistivity is, for example, 0.5 Ωcm rather than 0.01 Ωcm. The degree is high sensitivity detection. However, if the resistivity is too large, it will be difficult to form an ohmic electrode, so an appropriate resistivity may be selected.

本発明の請求項6に係わる使い捨て型バイオセンサチップの前記参照部は、前記反応部とは異なる分岐した流路に形成している場合である。 In the disposable biosensor chip according to claim 6 of the present invention, the reference part is formed in a branched flow path different from the reaction part.

参照部を、1本の流路に反応部と直列接続する形で形成することもできるが、ここでは、反応部がある流路とは分岐した異なる流路に並列接続の形で形成してある場合である。複数の異なる酵素用の反応部を分岐流路に形成する場合は、1個の参照部を共通の参照部として利用する場合に好適である。 The reference part can also be formed in a form connected in series with the reaction part in one flow path, but here, it is formed in a form connected in parallel to a different flow path branched from the flow path with the reaction part. This is the case. In the case where a plurality of reaction parts for different enzymes are formed in the branch flow path, it is preferable when one reference part is used as a common reference part.

本発明の請求項7に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、複数の前記基質成分に対応する各酵素を固定する各反応部と、それぞれに対応する前記流路および前記検出用温度センサとを備えた場合である。 A disposable biosensor chip according to a seventh aspect of the present invention includes a reaction section that fixes each enzyme corresponding to a plurality of the substrate components, and the flow path and the detection temperature sensor corresponding to each reaction section. Is the case.

反応部には、特定基質に特異的に反応する、所謂、高い選択性を有する酵素を固定しておく。例えば、基質としてのクレアチニンに対しては、この特定基質に選択的かつ特異的に反応する酵素であるクレアチニナーゼの固定が良い。もちろん、基質として、クレアチニンばかりでなく、タンパクや糖でも良く、更に、単一の基質ばかりでなく、複数の基質を同時に計測できるように、複数の反応部を設けて、それらのそれぞれに対応する酵素であるトリプシンやグルコースオキシダーゼなどを固定しておくこともできる。そのような場合には、前記液体試料が分流して、例えば、複数の架橋構造状の複数の薄膜上の前記各反応部を有する流路に分配されるようにすることもできる。また、液体試料が通る1本の流路が架橋構造状の複数の薄膜上を経由するように形成し、第1の検出用温度センサを備えた第1の反応部の領域、更に第2の検出用温度センサを備えた第2の反応部の領域を通るという構造、すなわち、基板の手前から薄膜の架橋構造上の流路を構成する空洞を跨いで対向する位置の基板まで到達し、さらに隣の架橋構造状の薄膜に形成してある流路を通って手前に戻り、更に、隣の架橋構造状の薄膜に形成してある流路を通って対向する位置の基板に戻るというような構造で、ジグザグに複数の架橋構造の薄膜を備えた基板に形成した1本の流路内を、特定基質成分を含む尿などの被検出液体試料が通るようにすることもできる。 In the reaction part, an enzyme having high selectivity, which specifically reacts with a specific substrate, is immobilized. For example, for creatinine as a substrate, creatininase, which is an enzyme that selectively and specifically reacts with this specific substrate, is preferably immobilized. Of course, not only creatinine but also proteins and sugars may be used as substrates. Furthermore, not only a single substrate but also a plurality of substrates can be measured simultaneously, and a plurality of reaction units are provided to correspond to each of them. Enzymes such as trypsin and glucose oxidase can also be immobilized. In such a case, the liquid sample may be diverted and distributed, for example, to the flow path having the respective reaction parts on a plurality of thin films in a plurality of cross-linked structures. In addition, one flow path through which the liquid sample passes is formed so as to pass through a plurality of thin films having a bridge structure, and a region of the first reaction part including the first temperature sensor for detection is further provided. The structure of passing through the area of the second reaction portion provided with the temperature sensor for detection, ie, from the front of the substrate to the opposite position across the cavity constituting the flow path on the cross-linked structure of the thin film It returns to the front through the channel formed in the adjacent crosslinked structure thin film, and further returns to the substrate at the opposite position through the channel formed in the adjacent crosslinked structure thin film. With a structure, a liquid sample to be detected such as urine containing a specific substrate component can pass through a single flow path formed on a substrate provided with a thin film having a plurality of cross-linked structures zigzag.

例えば、2つの特定基質成分が、液体試料としての尿中の基質であるタンパクとクレアチニンであった場合、酵素として、それぞれに選択的に対応する酵素であるトリプシンとクレアチニナーゼを用いると良い。そして、流路を通して導入された液体試料中の基質であるタンパクとクレアチニンと、それらに対応するそれぞれの酵素のトリプシン(例えば、第1の反応部に固定)とクレアチニナーゼ(例えば、第2の反応部に固定)との接触触媒熱反応で温度上昇させて、それらの温度上昇を反応部内(又は近傍)に形成してある第1の検出用温度センサと第2の検出用温度センサにより、別の流路に設けてある参照用温度センサを基準にして検出して、その時間経過を含む信号の大きさから基質であるタンパクとクレアチニンのそれぞれの濃度とそれらの濃度比率、例えば、タンパク/クレアチニン比も、それらの差動増幅信号を利用して演算して求めることができる。 For example, when two specific substrate components are protein and creatinine which are substrates in urine as a liquid sample, it is preferable to use trypsin and creatininase which are enzymes respectively corresponding to them as enzymes. Then, protein and creatinine, which are substrates in the liquid sample introduced through the channel, trypsin (for example, immobilized on the first reaction part) and creatininase (for example, the second enzyme) corresponding to each of them. The first detection temperature sensor and the second detection temperature sensor formed in the reaction part (or in the vicinity) are increased in temperature by catalytic catalytic thermal reaction with the reaction part (fixed in the reaction part), Based on the reference temperature sensor provided in another channel, detection is performed based on the magnitude of the signal including the time course, and the concentration of each of the substrate protein and creatinine and their concentration ratio, eg, protein / The creatinine ratio can also be calculated by using those differential amplified signals.

本発明の請求項8に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記チップAに、前記液体試料中の特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層を備えたイオンセンサをさらに備えたチップBを、前記チップAの代わりに搭載した場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 8 of the present invention further comprises a chip B further comprising an ion sensor provided with an ion sensitive layer selectively sensitive to a specific ion component in the liquid sample. This is the case of mounting in place of the chip A.

前記チップAには、熱型センサを形成しているが、イオンセンサは備えていなかった。チップBは、前記チップAに、イオンセンサをも備えた場合であり、前記ベース基板と重ね合わせて、例えば、熱型センサによるクレアチニンやタンパクなどの酵素熱反応による反応部の温度上昇に基づく濃度計測、更に、イオンセンサによる、例えば、ナトリウム(Na)イオンやカリウムイオンなどのイオンの濃度計測が同時に計測できるようにした場合である。チップBを前記ベース基板に取り付けておくと電気的な配線やそれらの電気的絶縁が楽であるために好適であり、このようなコンパクトな使い捨て型バイオセンサチップが提供できる。 The chip A had a thermal sensor but no ion sensor. The chip B is a case where the chip A is also provided with an ion sensor, and is superposed on the base substrate, for example, a concentration based on the temperature rise of the reaction part due to an enzyme thermal reaction such as creatinine or protein by a thermal sensor. This is a case where the measurement and further the concentration measurement of ions such as sodium (Na) ions and potassium ions can be simultaneously performed by the ion sensor. It is preferable to attach the chip B to the base substrate because electrical wiring and electrical insulation thereof are easy, and such a compact disposable biosensor chip can be provided.

本発明の請求項9に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記イオンセンサとして、ISFETもしくはイオン電極法によるイオンセンサとした場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 9 of the present invention is an ion sensor according to ISFET or ion electrode method as the ion sensor.

液体試料中の特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層をゲート絶縁膜上に形成しているイオン検出用ISFETを用いるか、もしくは、同様に、特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層を電極上に形成して、その特定イオンのイオン濃度に関し、基準電極に対する電位変化を計測するイオン電極法(イオン選択性電極法)を用いるようにした場合である。 An ion sensing ISFET in which an ion sensitive layer selectively sensitive to a specific ionic component in a liquid sample is formed on a gate insulating film is used, or similarly, an ion sensitive to selectively sensitive to a specific ionic component This is a case where a layer is formed on the electrode and an ion electrode method (ion selective electrode method) is used to measure a potential change with respect to the reference electrode with respect to the ion concentration of the specific ion.

ISFETでは、イオン検出用ISFETと同等の構造で、イオン検出用ISFETと参照ゲート電極を共有する参照用ISFETを備えておき、その参照用ISFETのゲート絶縁膜上には、イオン感応層を形成していない構造とすると良い。NaイオンやKイオンを検出するのに、ISFETを1個だけ用い、これをNaイオンまたはKイオンに選択性のあるイオノフォアを含むイオン感応層を備えたイオン検出用ISFETとしても良いが、参照ゲート電極での液体試料に対する電位や液中電圧降下があり、この補正が困難であることが多い。このために、イオン検出用ISFETの他に、イオン感応層を形成していない参照用ISFETをも設けて、少なくとも1個の共有する参照ゲート電極を配置する方が良く、この場合、これらのイオン検出用ISFETと参照用ISFETとの出力の差動増幅動作により、上記の参照ゲート電極での電位や電圧降下成分を消去するようにする。参照ゲート電極は、同一基板上で、イオン検出用ISFETと参照用ISFETとの中間付近の位置に、液体試料に対して耐性があり、安定な金属などの導電性材料で、例えば、薄膜状に形成することができる。 The ISFET has a structure equivalent to that of the ion detection ISFET and has a reference ISFET that shares the reference gate electrode with the ion detection ISFET. An ion sensitive layer is formed on the gate insulating film of the reference ISFET. It is good to not have a structure. Only one ISFET may be used to detect Na ions or K ions, and this may be used as an ion detection ISFET having an ion sensitive layer containing an ionophore selective to Na ions or K ions. This correction is often difficult due to the potential or voltage drop of the liquid sample at the electrode. For this purpose, it is better to provide a reference ISFET not formed with an ion sensitive layer in addition to the ion detection ISFET and arrange at least one shared reference gate electrode. By the differential amplification operation of the outputs of the detection ISFET and the reference ISFET, the potential and voltage drop components at the above-mentioned reference gate electrode are erased. The reference gate electrode is a conductive material such as a stable metal that is resistant to a liquid sample at a position near the middle of the ion detection ISFET and the reference ISFET on the same substrate. Can be formed.

イオン電極法によるイオンセンサでは、ISFETと同様に、検出用のイオン感応層で検出電極上を被覆したイオン検出電極と、参照用の参照膜層で検出電極上を被覆した参照電極(基準電極)とを備えてあり、イオン検出電極と参照電極と同様に、同一の液体試料中に浸す共通電極をも備えるようにすると良い。この場合、共通電極に対してイオン検出電極と参照電極との電位差を、共通電極をグラウンド(共通アース)にして、3端子として差動増幅すると良い。なお、参照電極(基準電極)を共通電極の代わりにして、2端子として、基準電極に対するイオン検出電極の電位差を計測するようにすることもできる。また、参照膜層として、イオン検出電極上に被覆したイオン感応層と同一の成分であるが、検出電極上を被覆したイオン感応層とは、厚みを異なるようにして利用する、例えば、参照膜層としては、検出電極上の膜厚の10分の1程度の薄くするようにして使用することもできる。また、これらのイオン検出電極、参照電極および共通電極として、塩化銀膜が推奨されるが、金(Au)、白金(Pt)などの安定な金属でも良く、1個のイオンセンサとしては、同一の金属を使用した方が、不要な電位差が相殺できるので、望ましい。上述では、イオン電極法によるイオンセンサとして、一般に用いられているように、共通電極に対してイオン検出電極と参照電極との電位差を計測することにしているが、イオン検出電極と参照電極とを流れる電流差で計測するようにしても良い。 In an ion sensor based on the ion electrode method, as in the case of ISFET, an ion detection electrode whose detection electrode is covered with a detection ion-sensitive layer, and a reference electrode (reference electrode) whose detection electrode is covered with a reference film layer for reference And, as with the ion detection electrode and the reference electrode, may also be provided with a common electrode immersed in the same liquid sample. In this case, the potential difference between the ion detection electrode and the reference electrode with respect to the common electrode may be differentially amplified using three terminals with the common electrode as ground (common ground). Note that the reference electrode (reference electrode) may be replaced with a common electrode and the two terminals may be used to measure the potential difference of the ion detection electrode with respect to the reference electrode. In addition, the reference film layer is the same component as the ion sensitive layer coated on the ion detection electrode, but the thickness is different from that of the ion sensitive layer coated on the detection electrode, for example, a reference film The layer can also be used as thin as about one tenth of the film thickness on the detection electrode. Silver chloride films are recommended as the ion detection electrode, reference electrode, and common electrode, but stable metals such as gold (Au) and platinum (Pt) may be used, and one ion sensor is the same. The use of this metal is preferable because an unnecessary potential difference can be offset. In the above description, as commonly used as an ion sensor based on the ion electrode method, the potential difference between the ion detection electrode and the reference electrode is measured with respect to the common electrode. You may make it measure by the electric current difference which flows.

本発明の請求項10に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記チップAとは異なるチップCに、前記液体試料中の特定イオン成分に選択的に感応する前記イオンセンサを備えて、前記チップAと前記チップCとを同一の前記ベース基板に搭載してハイブリッド化した場合である。 A disposable biosensor chip according to claim 10 of the present invention comprises a chip C different from the chip A and the ion sensor that selectively reacts with a specific ion component in the liquid sample. This is a case where the chip C is mounted on the same base substrate and hybridized.

イオン検出用ISFETなどのイオンセンサを、前記熱型センサ部と同一基板の前記チップAに形成すると、1個のチップで済むので、尿などの液体試料の導入や流路形成、脱着可能にするための電極パッドへの配線の液体試料からの電気的絶縁の問題の解消、更にコンパクトな使い捨て型バイオセンサチップが提供できるという利点がある。しかし、ISFETなどのイオンセンサと熱型センサ部との製造工程の違いに基づく製品の歩留りの問題が残る。このために、前記チップAとは異なる半導体チップCに、ISFETやイオン電極法イオンセンサなどのイオンセンサを備えるようにしてハイブリッド化した使い捨て型バイオセンサチップにすれば、熱型センサを有するチップAとISFETなどのイオンセンサを備える半導体チップCとを独立に製造してハイブリッド化すれば、製品の歩留まり向上に繋がるので、形態は大きくなるが、安価な使い捨て型バイオセンサチップが提供できる。 When an ion sensor such as an ISFET for ion detection is formed on the chip A on the same substrate as the thermal sensor unit, only one chip is required, so that it is possible to introduce a liquid sample such as urine, to form a flow path, and to be detached. Therefore, there is an advantage that the problem of electrical insulation of the wiring to the electrode pad from the liquid sample can be solved and a compact disposable biosensor chip can be provided. However, the problem of the yield of the product based on the difference in the manufacturing process of ion sensors, such as ISFET, and a thermal-type sensor part remains. For this reason, if a disposable biosensor chip that is hybridized by providing an ion sensor such as an ISFET or an ion electrode method ion sensor on a semiconductor chip C different from the chip A, the chip A having a thermal sensor is provided. If the semiconductor chip C including an ion sensor such as ISFET is manufactured independently and hybridized, it leads to an improvement in the product yield, and thus the form increases, but an inexpensive disposable biosensor chip can be provided.

本発明の請求項11に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、少なくとも1個の流入口から流入された前記液体試料は、各分岐された流路に分流されて前記熱型センサの参照部と各流路内のそれぞれ反応部を経由して、少なくとも1個の流出口から流出できるようにした場合である。 In the disposable biosensor chip according to the eleventh aspect of the present invention, the liquid sample introduced from at least one inflow port is divided into each branched flow path, and the reference part of the thermal sensor and each flow It is a case where it is made possible to flow out from at least one outlet via each reaction part in a channel.

イオンセンサは、必ずしも流路内にそれらのイオン感応部を設置する必要がなく、尿などの液体試料にイオン感応部や参照ゲート電極が接触すれば良いが、熱型センサの反応部や参照部は、流路外に熱が逃げることを少なくすることと、それらの熱反応での熱応答は、液体試料の流速依存性を有するので、制御ができる流路内に形成しておく必要がある。したがって、液体試料は、少なくとも1個の流入口から流入させ、必要に応じイオンセンサも経由し、各流路に分流できるようにして、少なくとも1個の出口から流出させるようにした場合である。 The ion sensor does not necessarily have to install the ion sensitive part in the flow channel, and the ion sensitive part or the reference gate electrode may be in contact with the liquid sample such as urine, but the reaction part or reference part of the thermal sensor The heat response in the thermal reaction is less dependent on the flow rate of the liquid sample, and therefore it is necessary to form it in the controllable channel. . Therefore, the liquid sample is introduced from at least one inflow port, and is allowed to flow through at least one outlet so that it can be diverted to each flow path via an ion sensor if necessary.

本発明の請求項12に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記流入口から流入された前記液体試料は、毛細管現象により各流路を通るようにした場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 12 of the present invention is a case where the liquid sample introduced from the inflow port passes through each flow path by capillary action.

使い捨て型バイオセンサチップを装着するバイオセンサの本体が、ハンディ型である場合、可能な限り小型化をしたいという要望がある。尿などの液体試料をポンプで作動させると大型になるばかりでなく、消費電力が問題もある。したがって、液体試料が通る流路の内壁を親水性にして、毛細管現象により各流路を通るようにした場合である。 When the main body of the biosensor to which the disposable biosensor chip is attached is a handy type, there is a demand for miniaturization as much as possible. Pumping liquid samples, such as urine, not only increases the size, but also has problems with power consumption. Therefore, this is a case where the inner wall of the flow path through which the liquid sample passes is made hydrophilic so as to pass through each flow path by capillary action.

本発明の請求項13に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記流出口に、前記液体試料の吸取り領域を設けた場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 13 of the present invention is the case where a suction area for the liquid sample is provided at the outlet.

上述のように、毛細管現象で液体試料が流路を通った場合に、その流出口から外部に流出させないと、液体試料の流れが停止してしまう。上記の熱型戦s名では、酵素反応により反応生成物が生じ、これを除去しないと感度低下になり、前記反応部での熱反応が生じても所定の計測時間経過までは、流れを止めないようにすることが望まれる。そのために、前記流出口に、被検出液体試料の吸取り領域を設けて、その吸取り領域の大きさや構造を定めて、前記所定の計測時間経過までは液体試料の流れが停止しないようにさせるものである。前記吸取り領域には、例えば、吸取り紙のような親水性の多孔質膜を形成しておくようにしても良いし、単に、親水性壁を有する微小空間のチャンバのような形状でも良い。ただし、このチャンバには、例えば、通気口を形成して密閉にならないようにすると良い。 As described above, when the liquid sample passes through the flow path due to capillary action, the flow of the liquid sample stops unless it flows out from the outlet. In the above-mentioned thermal type battle s name, a reaction product is generated by an enzyme reaction, and if this is not removed, the sensitivity is lowered. Even if a thermal reaction occurs in the reaction section, the flow is stopped until a predetermined measurement time elapses. It is desirable to avoid it. For this purpose, a suction region of the liquid sample to be detected is provided at the outlet, and the size and structure of the suction region are determined so that the flow of the liquid sample does not stop until the predetermined measurement time has elapsed. is there. For example, a hydrophilic porous film such as blotting paper may be formed in the blotting area, or it may simply have a shape such as a minute space chamber having a hydrophilic wall. However, for example, a vent may be formed in the chamber so as not to be sealed.

本発明の請求項14に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記イオンセンサを複数形成してあり、それぞれのイオンセンサのイオン感応部には、異なるイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあり、それぞれのイオン感応層に対応する前記液体試料中のイオンを検出できるようにした場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 14 of the present invention has a plurality of the ion sensors formed, and in the ion sensitive portion of each ion sensor, an ion sensitive layer that selectively senses different ion components is formed. It is the case where the ions in the liquid sample corresponding to each ion sensitive layer can be detected.

ナトリウム(Na)イオンやカリウム(K)イオンを選択的に吸着するイオノフォアとして、ビスクラウンエーテル類がアルカリイオンに対してクラウン環の空洞寸法から強い親和性があり好適であり、それぞれ、例えば、 Naイオンに対して、ビス(12ークラウンー4)、また、Kイオンに対して、15−クラウン−5−エーテルやジベンゾ-18-クラウン-6(DB18C6)が、一般に用いられている。また、カリウムに対してのイオノフォアであるバリノマイシンは、Naに対する選択性の良さで知られている。液体試料として尿の場合、ナトリウム(Na)の濃度が、カリウム(K)イオンに対して、その濃度が一般に数倍以上多いので、ナトリウム(Na)の濃度の検出の方が計測しやすい。イオン感応層として、例えば、上述のNaイオンまたはKイオンに選択性のあるイオノフォアを含む可塑化ポリ塩化ビニル(PVC)膜や可塑剤分散フォトレジスト膜を、ISFETでは、イオン感応部であるイオン検出用ISFETのゲート絶縁膜上に、また、イオンセンサでは、イオン感応部である検出用電極上に塗布して形成する。ISFETでは、例えば、上記のイオン感応膜イオン検出用ISFETを用い、尿などの被検出液体試料にこのイオン感応層と参照ゲート電極を接触させて、イオン検出用ISFETの所定の参照ゲート電極・ソースS間の参照ゲート電圧Vrgと、ソースS・ドレインD間電圧Vsdの下でのソースS・ドレインD間の、例えば、nチャンネルの電導度(または、チャンネル抵抗)に対する被検出液体試料中のNaイオンやKイオン濃度依存性に基づくドレイン電流Idの変化から予め用意してある校正データを利用して被検出液体試料中のNaイオンやKイオン濃度を求めるものである。同様に、イオンセンサでは、上述のように、基準電極に対する検出用電極の電位の変化から被検出液体試料中のNaイオンやKイオン濃度依存性に基づくドレイン電流Idの変化から予め用意してある校正データを利用して被検出液体試料中のNaイオンやKイオン濃度を求めるものである。 As ionophores that selectively adsorb sodium (Na) ions or potassium (K) ions, biscrown ethers are preferred because of their strong affinity for alkali ions due to the cavity size of the crown ring. Bis (12-crown-4) is generally used for ions, and 15-crown-5-ether and dibenzo-18-crown-6 (DB18C6) are generally used for K ions. Also, valinomycin, which is an ionophore for potassium, is known for its good selectivity for Na. In the case of urine as a liquid sample, the concentration of sodium (Na) is generally several times higher than that of potassium (K) ion, so detection of the concentration of sodium (Na) is easier to measure. As an ion sensitive layer, for example, a plasticized polyvinyl chloride (PVC) film or a plasticizer-dispersed photoresist film containing an ionophore selective for Na ions or K ions as described above is used. In ISFET, ion detection is an ion sensitive part. In the ion sensor, it is formed on the gate insulating film of the ISFET for application and on the detection electrode which is the ion sensitive part. In the ISFET, for example, the above-described ion sensitive membrane ion detection ISFET is used, the ion sensitive layer and the reference gate electrode are brought into contact with a liquid sample to be detected such as urine, and a predetermined reference gate electrode / source of the ion detection ISFET. The reference gate voltage Vrg between S and the source S / drain D under the voltage Sd between source S and drain D, for example, Na in the liquid sample to be detected for the conductivity (or channel resistance) of n channel The concentration of Na ions and K ions in the liquid sample to be detected is obtained from calibration data prepared in advance from the change in the drain current Id based on the ion and K ion concentration dependency. Similarly, in the ion sensor, as described above, the ion sensor is prepared in advance from the change in the drain current Id based on the Na ion or K ion concentration dependency in the liquid sample to be detected from the change in the potential of the detection electrode with respect to the reference electrode. The calibration data is used to determine the concentration of Na ions or K ions in the liquid sample to be detected.

ISFETでは、イオン検出用ISFETと参照用ISFETのゲート絶縁膜の領域を、尿などの被検出液体試料に晒した場合、上記したように共有する参照ゲート電極を使用するので、この参照ゲート電極は、被検出イオン(例えば、Naイオン)の濃度分布が一定である被検出液体試料で、イオン検出用ISFETと参照用ISFETのゲート絶縁膜の領域に近接配置した方が良い。また、同様に、イオンセンサでも、イオン検出電極、参照電極および共通電極を近接配置した方が良い。例えば、微小隙間を介して重ねるようにしても良いし、平面上で近接して配置しても良い。 In the ISFET, when the region of the gate insulating film of the ion detection ISFET and the reference ISFET is exposed to a liquid sample to be detected such as urine, the reference gate electrode shared as described above is used. It is preferable that the detection liquid sample having a constant concentration distribution of detection ions (for example, Na ions) be disposed close to the gate insulating films of the ion detection ISFET and the reference ISFET. Similarly, in the ion sensor, it is better to arrange the ion detection electrode, the reference electrode, and the common electrode in close proximity. For example, they may be overlapped via a minute gap, or may be disposed close to each other on a plane.

本発明の請求項15に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記酵素として、クレアチニン検出用の酵素とした場合である。 The disposable biosensor chip according to claim 15 of the present invention is a case where the enzyme for detecting creatinine is used as the enzyme.

熱型センサは、高感度化のために、一般に基板から熱分離した薄膜に形成した流路内の反応部に所定の酵素を固定するが、1種類の酵素として、クレアチニン補正ができるように、尿などの液体試料中の基質のクレアチニンに特異的に選択性のある酵素、例えばクレアチニナーゼを熱型センサ部の反応部に固定して、接触熱反応による温度上昇で検出用温度センサにより参照用温度センサ出力との差動により計測する場合である。 In order to increase sensitivity, the thermal sensor generally fixes a predetermined enzyme in a reaction part in a flow path formed in a thin film thermally separated from a substrate, but as one type of enzyme, so that creatinine correction can be performed, Enzymes that are specifically selective for the substrate creatinine in liquid samples such as urine, such as creatininase, are fixed in the reaction part of the thermal sensor unit, and the temperature rise due to contact thermal reaction is referenced by the temperature sensor for detection. It is a case where it measures by differential with the temperature sensor output.

本発明の請求項16に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記イオンセンサの検出イオンとして、ナトリウム(Na)イオンとした場合である。 In the disposable biosensor chip according to claim 16 of the present invention, sodium (Na) ion is used as a detection ion of the ion sensor.

イオンセンサも、熱型センサと同一基板のチップB、またはチップAとは異なるチップCにも形成しているので、熱型センサでのクレアチニンの濃度計測と、特定のイオンであるNaイオンも同時計測もできて、Naイオンのクレアチニン補正もできるようにした使い捨て型バイオセンサチップを提供するものである。 Since the ion sensor is also formed on chip B on the same substrate as the thermal sensor, or on chip C different from chip A, the concentration measurement of creatinine with the thermal sensor and Na ions that are specific ions are simultaneously performed. The present invention provides a disposable biosensor chip which can be measured and can also be used for creatinine correction of Na ion.

これらのそれぞれの熱型センサ部からの出力と特定イオンであるNaイオンのイオンセンサからの濃度に対応する出力をも同時検出して、尿などの被検出液体試料中のNaイオンの濃度と、クレアチニンの濃度との比率、例えば、Naイオン/クレアチニン(濃度)比である、所謂、Naイオンのクレアチニン補正を求めることもできる。もちろん、熱型センサ用バイオセンサ出力として、クレアチニンの他に、例えば、尿中のタンパクも同時計測して、タンパク/クレアチニン(濃度)比をも求めるように、使い捨て型バイオセンサチップの熱型センサ部にタンパクの検出用の特定酵素であるトリプシンなどを反応部に固定するようにしても良い。 Simultaneously detecting the output from each of these thermal sensor units and the output corresponding to the concentration from the ion sensor of Na ions that are specific ions, the concentration of Na ions in the liquid sample to be detected such as urine, So-called creatinine correction of Na ions, which is a ratio to the concentration of creatinine, for example, a Na ion / creatinine (concentration) ratio, can also be obtained. Of course, as a biosensor output for a thermal sensor, in addition to creatinine, for example, protein in urine is simultaneously measured to obtain a protein / creatinine (concentration) ratio, so that the thermal sensor of a disposable biosensor chip Trypsin, which is a specific enzyme for protein detection, may be fixed to the reaction unit.

ISFETなどのイオンセンサを、熱型センサ部を形成している前記基板本体に形成するには、前記熱型センサ部の反応部に固定する酵素が熱や薬品に極めて弱いこと、前記反応部は、基板から熱分離した宙に浮いている架橋構造やダイアフラム構造の機械的に弱い薄膜に形成していること、更に、前記イオンセンサのイオン感応部には、イオノフォアを含む熱に弱く、厚みの制御が必要なイオン感応層が製膜されていること等の問題に対する製作順序や工夫による製作工程が求められる。また、イオンセンサは、熱型センサではないので、基板から熱分離した架橋構造上に製作する必要はなく、機械的にも丈夫な前記ベース基板本体にイオンセンサ部としての専用のイオンセンサチップを、ハイブリッドとして形成することが好適である。 In order to form an ion sensor such as ISFET on the substrate body forming the thermal sensor part, the enzyme immobilized on the reaction part of the thermal sensor part is extremely weak against heat and chemicals, and the reaction part is Forming a mechanically weak thin film of a cross-linked structure or diaphragm structure floating in the air thermally separated from the substrate, and further, the ion sensitive portion of the ion sensor is weak to heat including an ionophore and has a thickness There is a need for a manufacturing process based on a manufacturing order or a device for problems such as formation of an ion sensitive layer requiring control. In addition, since the ion sensor is not a thermal sensor, it is not necessary to manufacture it on a bridge structure that is thermally separated from the substrate, and a dedicated ion sensor chip as an ion sensor unit is provided on the base substrate body that is mechanically durable. Preferably, they are formed as hybrids.

本発明の請求項17に係わる使い捨て型バイオセンサチップは、前記チップA、チップBとチップCのうち、少なくともいずれか1つに絶対温度センサを搭載した場合である。 A disposable biosensor chip according to claim 17 of the present invention is a case where an absolute temperature sensor is mounted on at least one of the chip A, chip B and chip C.

上述の熱型センサの検出用温度センサや参照用温度センサには、温度差センサである熱電対やサーモパイルが、温度の上昇分のみ検出してくれるので、好適である。温度差センサは、基準点の絶対温度を基準にして温度差のみを計測するので、絶対温度を知る必要がある。また、酵素の熱反応は温度依存性を持ち、更に、酵素は、タンパク質であるので、50℃を超えると急速に失活する。また、イオンセンサにおいても、特に、イオン電極法では、ネルンストの式を用いた検出原理であるので、直接絶対温度依存性を有し、温度校正する必要がある。このように、絶対温度を計測しておく必要があり、この絶対温度センサを、前記チップA、チップBとチップCのいずれかに形成している場合である。 A thermocouple or a thermopile, which is a temperature difference sensor, is suitable for the detection temperature sensor or the reference temperature sensor of the thermal type sensor described above, because only a temperature rise is detected. Since the temperature difference sensor measures only the temperature difference based on the absolute temperature of the reference point, it is necessary to know the absolute temperature. Also, the thermal reaction of the enzyme is temperature dependent, and furthermore, since the enzyme is a protein, it rapidly inactivates at temperatures above 50 ° C. Further, also in the ion sensor, in particular, in the ion electrode method, since it is a detection principle using the Nernst equation, it is necessary to have direct absolute temperature dependency and to perform temperature calibration. Thus, it is necessary to measure the absolute temperature, and this absolute temperature sensor is formed in any one of the chip A, chip B, and chip C.

本発明の請求項18に係わるバイオセンサは、請求項1から7のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップを、脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備え、前記特定の基質成分と所定の酵素に接触による反応熱に基づくそれぞれの温度変化を、前記参照用温度センサと前記検出用温度センサの前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力で計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、前記液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力を利用し、基質成分の濃度に関係する出力ができるようにしたこと、を特徴とするものである。 A biosensor according to an eighteenth aspect of the present invention includes a biosensor chip detachment mechanism that allows the disposable biosensor chip according to any one of the first to seventh aspects to be detachable, and the specific substrate component and a predetermined Measuring the temperature change based on the heat of reaction caused by the contact with the enzyme with a differential output according to the concentration of the specific substrate component of the reference temperature sensor and the detection temperature sensor Using a certain calibration data, a differential output corresponding to the concentration of the specific substrate component in the liquid sample is used, and an output related to the concentration of the substrate component can be performed. It is.

本発明では、熱型センサ部を有する前記チップAやチップBを用いて、熱型センサとして、液体試料中の特定の基質成分の濃度に関係する出力ができるようにした場合で、これらの前記チップAやチップBを備えた前記ベース基板を有するバイオセンサチップを脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備えたバイオセンサを提供するものである。 In the present invention, when the chip A or the chip B having the thermal type sensor unit is used and an output related to the concentration of a specific substrate component in the liquid sample is made as a thermal type sensor, The present invention provides a biosensor having a biosensor chip detachment mechanism that allows detachment of a biosensor chip having the base substrate including the chip A and the chip B.

本発明の請求項19に係わるバイオセンサは、請求項8から17に記載の使い捨て型バイオセンサチップを、脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備え、前記捨て型バイオセンサチップを用いて、前記液体試料中の特定イオンの前記イオンセンサの濃度に応じた出力を計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、被検出液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力と前記イオンセンサの特定イオン濃度に応じた出力とを利用し、それらの比率を出力できるようにしたこと、を特徴とするものである。 A biosensor according to a nineteenth aspect of the present invention includes a biosensor chip detachment mechanism that enables the disposable biosensor chip according to the eighth to seventeenth aspects to be detachable, and using the discarded biosensor chip, Measuring the output of the specific ion in the liquid sample according to the concentration of the ion sensor, and using the calibration data prepared in advance, according to the concentration of the specific substrate component in the liquid sample to be detected The differential output and the output corresponding to the specific ion concentration of the ion sensor are used to output the ratio thereof.

本発明では、イオンセンサ部を有する前記チップBやチップCを用いて、イオンセンサとして、液体試料中の特定のイオン成分の濃度に関係する出力ができるようにした場合で、これらの前記チップBやチップCを備えた前記ベース基板を有するバイオセンサチップを脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備えたバイオセンサを提供するものである。 In the present invention, when the chip B or the chip C having the ion sensor unit is used and an output related to the concentration of a specific ion component in the liquid sample can be performed as the ion sensor, the chip B And a chip C. The present invention provides a biosensor provided with a biosensor chip desorption mechanism capable of detaching the biosensor chip having the base substrate provided with the chip C.

本発明の請求項20に係わるバイオセンサは、前記液体試料中の特定の基質成分としてクレアチニン、特定イオン成分として、ナトリウムとした場合である。 The biosensor according to claim 20 of the present invention is a case where creatinine is used as a specific substrate component in the liquid sample and sodium is used as a specific ion component.

成人のクレアチニン(基質)の尿中の一日の排出量が1g程度とほぼ定まっており、これを基準にすると、1滴の尿(随時尿)で他の基質や尿中のイオン濃度を調べることができるので、極めて重要であり、クレアチニン補正として知られている。尿中のNaイオン濃度を調べると、高血圧の原因とされる塩分(食塩)の摂取量が分かり、ISFETやイオン電極法イオンセンサなどのイオンセンサでNaイオン濃度の計測、熱型センサでのクレアチニンの濃度計測により、 “Naイオン濃度/クレアチニン濃度”の比であるNaイオンのクレアチニン補正が、本発明の1台のハンディなバイオセンサにより可能になる。 The daily excretion of creatinine (substrate) in adult urine is almost fixed at around 1 g, and based on this, one drop of urine (arbitrary urine) is used to examine the concentration of ions in other substrates and urine. Is so important that it can be known as creatinine correction. When the concentration of Na ions in urine is examined, the intake amount of salt (salt) which is the cause of high blood pressure can be determined, measurement of Na ion concentration by ion sensor such as ISFET or ion electrode method ion sensor, creatinine by thermal type sensor As a result of the concentration measurement, the Na ion creatinine correction, which is the ratio of “Na ion concentration / creatinine concentration”, can be corrected by one handy biosensor of the present invention.

本発明の請求項21に係わるバイオセンサは、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備え、前記液体試料中の特定の基質成分の濃度と特定イオン成分の濃度および、それらの比率に関する情報を得ることができるようにした場合である。 A biosensor according to claim 21 of the present invention comprises at least a power supply circuit, an amplifier circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit, and relates to the concentration of a specific substrate component and the concentration of a specific ion component in the liquid sample, and a ratio thereof. It is a case where information can be obtained.

前記使い捨て型バイオセンサチップのチップA、チップB、チップCを、Si単結晶であるSOI基板を用いて製作すると、MEMS技術が適用されやすく好適である。そして、バイオセンサ本体には、電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化し、極めてコンパクトな、例えば、ハンディタイプのバイオセンサを提供することができる。 When the chips A, B, and C of the disposable biosensor chip are manufactured using an SOI substrate that is a Si single crystal, the MEMS technology is easily applied and is preferable. The biosensor main body also integrates a power supply circuit, an amplifier circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit, and an extremely compact, for example, handy type biosensor can be provided.

本発明の前記使い捨て型バイオセンサチップの熱型センサの反応部に、最適な温度環境下もしくは、熱反応が観測されやすい温度環境下での接触触媒熱反応になるように、ジュール加熱ヒータを設置して、反応部の温度を酵素に最適な温度にすることもできると共に、酵素との熱反応における反応熱の失活程度の評価のためなどの校正用にも使用出来るようにしたバイオセンサを提供することもできる。特に、酵素の活性が時間や環境により低下することが多く、この反応部に形成してあるヒータにより、酵素の活性度のチェックや校正にも役立てるようにしている。上述のように、例えば、所定の電力である10μW(マイクロワット)をヒータに加えることによる温度上昇分を事前に計測しておき、標準液体試料を流すことによる酵素熱反応による特定の酵素の反応熱の温度上昇分を時々計測すれば、その経時変化により、酵素活性の度合いをチェックできると共に、これを基にして、液体試料中の特定の基質成分の濃度もしくはクレアチニン補正やその校正をも可能になる。 A Joule heater is installed in the reaction part of the thermal sensor of the disposable biosensor chip of the present invention so that the catalytic catalyst thermal reaction is performed in an optimum temperature environment or in a temperature environment where thermal reaction is easily observed. In addition, the temperature of the reaction part can be set to an optimum temperature for the enzyme, and a biosensor that can be used for calibration such as evaluation of the degree of inactivation of the reaction heat in the thermal reaction with the enzyme. It can also be provided. In particular, the activity of the enzyme often decreases depending on time and environment, and the heater formed in the reaction part is also used to check and correct the activity of the enzyme. As described above, for example, the temperature increase by adding 10 μW (microwatt) which is a predetermined power to the heater is measured in advance, and the reaction of a specific enzyme by the enzyme thermal reaction by flowing a standard liquid sample By measuring the temperature rise of the heat from time to time, it is possible to check the degree of enzyme activity according to the change over time, and based on this, it is also possible to correct or calibrate the concentration of specific substrate components in the liquid sample or creatinine become.

本発明のバイオセンサを、例えば、熱型センサで特定基質成分としての尿タンパクや尿糖とクレアチニン、更にイオンセンサで、特定イオンとしてNaイオンなどの計測に用いた場合、これらの尿タンパクや尿糖の濃度のクレアチニン補正やNaイオン濃度のクレアチニン補正が可能であり、ある個人のイオン・バイオセンサからの特定基質成分やイオンの濃度、更には、これらのクレアチニン補正を含む比率に関する情報は、その時ばかりでなく、日常での日ごとの変化やその傾向を知ることが大事である。その計測時の数値ばかりでなく、過去のデータを蓄積しておき、経日変化をグラフ化したり、予測したりすることも大切であり、また、医療機関への連絡なども必要な場合もあり、情報を無線もしくは有線にて、外部にあるコンピュータに送信できるようにして、各種の処理ができるようにした方が好都合である。 When the biosensor of the present invention is used for measurement of urinary protein or urine sugar and creatinine as specific substrate components with a thermal sensor, and further with an ion sensor for measurement of Na ion or the like as specific ions, these urinary protein or urine Creatine correction of sugar concentration and creatinine correction of Na ion concentration are possible, and information on the concentration of specific substrate components and ions from an individual's ion biosensor, and the ratio including these creatinine corrections, Not only that, it is important to know the daily changes and trends in everyday life. It is important to accumulate past data as well as numerical values at the time of measurement, and to graph or forecast daily changes, and it may be necessary to contact medical institutions as well. It is more convenient to be able to transmit information to an external computer wirelessly or by wire, so that various processes can be performed.

本発明の請求項22に係わるバイオセンサは、請求項1から17に記載の使い捨て型バイオセンサチップを上記バイオセンサに、別に用意した専用のセンサチップスタッカを用いて挿入固定するようにした場合である。 A biosensor according to claim 22 of the present invention is a case where the disposable biosensor chip according to claims 1 to 17 is inserted and fixed to the biosensor using a dedicated sensor chip stacker prepared separately. is there.

バイオセンサ本体に、前記使い捨て型バイオセンサチップをはじめから沢山保管するようにすると、その形体が大きくなるので、ハンディ型にするには不向きであり、センサチップに固定している酵素も時間と共に失活することが予想される。使い捨て型バイオセンサチップを本発明のバイオセンサ本体から切り離し、別に用意するようにした場合であり、ハンディ型のバイオセンサには、好適である。専用のセンサチップスタッカを用意し、ここに複数個のセンサチップが保管できるようにしておき、専用のセンサチップスタッカのセンサチップの取り出し口形状が、バイオセンサ本体のセンサチップの挿入口と適合するような設計にしておくと良い。そして、ワンタッチで使い捨て型バイオセンサチップがバイオセンサ本体に装着できて、直ぐ濃度計測ができるようにすることが望ましい。 If a large amount of the disposable biosensor chip is stored in the biosensor body from the beginning, the shape of the biosensor chip becomes large. Therefore, it is unsuitable for the handy type, and the enzyme immobilized on the sensor chip also loses its time. It is expected to live. This is a case where the disposable biosensor chip is separated from the biosensor main body of the present invention and prepared separately, and is suitable for a handheld biosensor. Prepare a dedicated sensor chip stacker so that a plurality of sensor chips can be stored here, and the shape of the sensor chip take-out port of the dedicated sensor chip stacker is compatible with the sensor chip insertion port of the biosensor body. It is good to design like this. Then, it is desirable that the disposable biosensor chip can be attached to the biosensor body with one touch, and the concentration can be measured immediately.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、(被検出)液体試料が通る流路を有しており、また、この流路内に酵素を固定する反応部が備えてあり、この反応部の流路の少なくとも上下面は、シリコン(Si)の熱伝導率よりも2分の1以下の小さな熱伝導率を持つ材料(気体も含む)で挟む構造の1個の使い捨て可能なチップ状にしているので、酵素と対応する基質との接触反応による反応熱が反応部から外部に逃げ難いので、高感度の熱型センサになるという利点がある。 The disposable biosensor chip of the present invention has a flow path through which the (sample to be detected) liquid sample passes, and a reaction section for immobilizing an enzyme is provided in the flow path. Since at least the upper and lower surfaces of each are made into one disposable chip shape sandwiched between materials (including gas) having a thermal conductivity smaller than half of that of silicon (Si). Since the heat of reaction due to the contact reaction between the enzyme and the corresponding substrate hardly escapes from the reaction part to the outside, it has an advantage of being a highly sensitive thermal type sensor.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、熱型センサにおける酵素の基質との接触発熱反応の熱が、流路がないと被検出液体試料に逃げてしまい、感度が下がってしまうが、流路を設けることで、空洞も含む断熱材で囲む構造密閉構造にし、更に液体試料の蒸発を防ぎ、上発熱も無くせるので、微細な温度変化を安定に計測することができるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, the heat of the contact exothermic reaction with the enzyme substrate in the thermal sensor escapes to the liquid sample to be detected if there is no channel, and the sensitivity is reduced. By providing, a structure hermetically sealed with a heat insulating material including a cavity, further preventing evaporation of the liquid sample and eliminating heat generation, there is an advantage that a minute temperature change can be stably measured.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、熱型センサを搭載しているチップAとベース基板とは、重ね合わせて接合して一体化してあり、1個の使い捨て可能なチップ状にしているので、コンパクトな使い捨て型バイオセンサチップとなるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, the chip A on which the thermal sensor is mounted and the base substrate are overlapped and joined to form a single disposable chip. It has the advantage of being a compact disposable biosensor chip.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、熱型センサの流路を、チップAとベース基板との間に設けることができるので、反応部への酵素固定の方法に制限が少なくなり、反応部の上部から直接滴下固定することができるようになるなど、酵素の量や固定が楽になるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, since the flow path of the thermal sensor can be provided between the chip A and the base substrate, there are less restrictions on the method of immobilizing the enzyme to the reaction part, There is an advantage that the amount and fixation of enzymes can be facilitated, such as being able to be fixed by dropping directly from the top.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、検出用温度センサと参照用温度センサを温度差センサとしているので、熱型センサの反応部での酵素発熱反応の温度上昇分のみ計測できるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, since the temperature sensor for detection and the temperature sensor for reference are temperature difference sensors, there is an advantage that only the temperature rise of the enzyme exothermic reaction in the reaction part of the thermal sensor can be measured.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、液体試料中の特定の基質成分とそれに特異的選択性の酵素との反応熱で検出する熱型センサと、液体試料中の特定イオン成分を検出するセンサであるISFETやイオン電極法のイオンセンサとの異なる原理に基づく二種類のセンサを、製造工程を工夫することにより、同一基板に備えることができ、一滴の尿などの液体試料中の特定物質である特定の基質と特定のイオン濃度を同時に計測できるという利点がある。 The disposable biosensor chip of the present invention includes a thermal sensor that detects the heat of reaction between a specific substrate component in a liquid sample and a specific selectivity enzyme and a sensor that detects a specific ion component in the liquid sample. Two types of sensors based on different principles with certain ISFETs and ion sensors of the ion electrode method can be provided on the same substrate by devising the manufacturing process, and it is a specific substance in a liquid sample such as a drop of urine There is an advantage that a specific substrate and a specific ion concentration can be measured simultaneously.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、熱型センサに、クレアチニン、タンパクや糖などの複数の基質が計測できるように、それぞれに選択的に反応する酵素をそれぞれの反応部に固定しておき、更に、イオンセンサとして、Naイオン、Kイオンなどの複数のイオンの検出ができるそれぞれのイオノフォアを含むイオン感応層を備えることにより、それぞれの基質濃度やイオン濃度のクレアチニン補正や相互間の比率も求めることができるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, an enzyme that selectively reacts to each of the thermal sensors is fixed to each reaction part so that a plurality of substrates such as creatinine, protein, and sugar can be measured. Furthermore, as an ion sensor, an ion-sensitive layer containing each ionophore capable of detecting multiple ions such as Na ions and K ions is provided, so that the creatinine correction of each substrate concentration and ion concentration and the ratio between them are also obtained. It has the advantage of being able to

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、熱型センサとしてクレアチニンの計測用、ISFETなどのイオンセンサとしてNaイオン計測用とすることにより、Naイオン/クレアチニン濃度比(クレアチニン補正)が容易に得られ、塩分摂取量の簡易計測が可能となるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, the Na ion / creatinine concentration ratio (creatinine correction) can be easily obtained by using creatinine as a thermal sensor and Na ion measurement as an ion sensor such as ISFET. There is an advantage that simple measurement of salt intake is possible.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、尿などの被検出液体試料が通る流路を基板に形成しているので、イオンセンサにおいても、流路中にそのイオンセンシング部があるとイオンの濃度のバラツキが少なくなり高精度のイオン濃度計測が可能になるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, a flow path through which a liquid sample to be detected such as urine passes is formed on the substrate. Therefore, even in an ion sensor, if the ion sensing portion is in the flow path, the concentration of ions is reduced. There is an advantage that variation can be reduced and highly accurate ion concentration measurement becomes possible.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、1個の流入口から流入された被検出液体試料は、1本もしくは分流した流路を経由してイオンセンサや熱型センサを通り、1個の流出口から流出するようにしているので、少量の被検出液体試料で済み、ハンディな使い捨て型バイオセンサチップとして好適である。 In the disposable biosensor chip of the present invention, the liquid sample to be detected that has flowed in from one inflow port passes through one or a diverted flow path, passes through an ion sensor or a thermal type sensor, and has one outflow port. Because it flows out of the sensor, it requires only a small amount of liquid sample to be detected, and is suitable as a handy disposable biosensor chip.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、各チップA、チップB、チップCをSi結晶などの半導体基板に形成すると、従来のMEMS技術が使用できると共に、集積回路技術で電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化できるので、極めてコンパクトな、例えば、ハンディタイプのバイオセンサを提供することができる。 In the disposable biosensor chip of the present invention, when each chip A, chip B, and chip C is formed on a semiconductor substrate such as Si crystal, conventional MEMS technology can be used, and power circuit, amplification circuit, arithmetic in integrated circuit technology The circuitry and control circuitry can also be integrated, thus providing a very compact, for example, handheld type of biosensor.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップでは、各チップA、チップB、チップCをハイブリッド化してベース基板に搭載することができるので、製造工程上の歩留まりが高くできるという利点がある。 In the disposable biosensor chip of the present invention, each chip A, chip B, and chip C can be hybridized and mounted on the base substrate, so that there is an advantage that the yield in the manufacturing process can be increased.

本発明のバイオセンサでは、使い捨て型バイオセンサチップを、脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備えているので、ワンタッチで、使い捨て型バイオセンサチップを交換できるという利点がある。 The biosensor of the present invention includes a biosensor chip detachment mechanism that allows the disposable biosensor chip to be detached, so that there is an advantage that the disposable biosensor chip can be replaced with one touch.

本発明のバイオセンサでは、前記液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力と前記イオンセンサの特定イオン濃度に応じた出力とを利用し、それらの比率を出力できるようにしているので、特定の基質成分の濃度と特定イオン濃度の比率を容易に表示できるという利点がある。 In the biosensor of the present invention, the differential output according to the concentration of the specific substrate component in the liquid sample and the output according to the specific ion concentration of the ion sensor can be used to output the ratio thereof. Therefore, there is an advantage that the ratio of the concentration of a specific substrate component to the concentration of a specific ion can be easily displayed.

本発明のバイオセンサでは、前記特定の基質成分をクレアチニンとし、使い捨て型バイオセンサチップを、前記液体試料中の特定イオンとして、ナトリウム(Na)イオンとすることにより、例えば、液体試料としての尿中のナトリウム(Na)イオンのクレアチニン補正が容易にできるという利点がある。 In the biosensor of the present invention, the specific substrate component is creatinine, and the disposable biosensor chip is a sodium (Na) ion as the specific ion in the liquid sample, for example, in urine as a liquid sample. There is an advantage that creatinine correction of sodium (Na) ions can be easily performed.

本発明のバイオセンサでは、別に用意した専用のセンサチップスタッカを用いて、使い捨て型バイオセンサチップを挿入固定するようにしているので、使い捨て型バイオセンサチップの、例えば、冷蔵保管で大量保管ができると共に、ワンタッチでバイオセンサ本体に挿入固定や交換ができるという利点がある。 In the biosensor of the present invention, since the disposable biosensor chip is inserted and fixed using a dedicated sensor chip stacker prepared separately, the disposable biosensor chip can be stored in large quantities, for example, under refrigeration storage. In addition, there is an advantage that the biosensor body can be inserted and fixed or replaced with one touch.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の一実施例の上方から眺めた透視した形の平面概略図(A)とそのX-X線での横断面概略図(B)を示す。(実施例1)The top view schematic diagram (A) of the transparent form seen from the upper direction of one Example of the disposable biosensor chip | tip 100 of this invention, and the cross-sectional schematic diagram (B) in the XX line are shown. Example 1 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3の一実施例で、イオン電極法イオンセンサ80の概略図である。(実施例1)1 is a schematic diagram of an ion electrode method ion sensor 80 in one embodiment of the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention. FIG. Example 1 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の他の一実施例を示すもので、図3(A)は、ベース基板1の平面概略図、(B)は、そのX−X線に沿った横断面概略図、(C)は、熱型センサ(部)2が固定される位置に接合させるチップA101の平面概略図、(D)は、イオンセンサ(部)3を備えたチップC103の平面概略図を示す。(実施例2)FIG. 3A shows another embodiment of the disposable biosensor chip 100 of the present invention. FIG. 3A is a schematic plan view of the base substrate 1, and FIG. 3B is a cross section taken along line XX. Schematic view, (C) is a schematic plan view of the chip A 101 to be bonded to the position where the thermal sensor (part) 2 is fixed, (D) is a schematic plan view of the chip C 103 provided with the ion sensor (part) 3 Indicates. (Example 2) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3としてのイオン電極法イオンセンサ80を備えたチップC103の概略図(図4(A))とイオン電極法イオンセンサ80の基本的な測定回路図(図4(B))である。(実施例2)A schematic diagram (FIG. 4A) of a chip C103 provided with an ion electrode method ion sensor 80 as the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention and the basics of the ion electrode method ion sensor 80. It is a measurement circuit diagram (FIG. 4 (B)). (Example 2) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3としての図4に示すイオン電極法イオンセンサ80の一実施例を示す縦断面概略図(図5(A)と図5(B))である。(実施例2)FIG. 5 (A) and FIG. 5 (B) show an embodiment of the ion electrode method ion sensor 80 shown in FIG. 4 as the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention. ). (Example 2) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3として、ISFET90を用いた場合の基本的な測定回路図を示す。(実施例2)A basic measurement circuit diagram when an ISFET 90 is used as the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention is shown. (Example 2) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオン電極法イオンセンサ80の一実施例の測定回路を用いて、液体試料としての食塩(NaCl)を溶かした水溶液のNaイオンを計測した一実施例の実験データのグラフを示す。(実施例2)An experiment of one embodiment in which Na ions in an aqueous solution in which sodium chloride (NaCl) as a liquid sample was dissolved was measured using the measurement circuit of one embodiment of the ion electrode method ion sensor 80 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention. A graph of the data is shown. (Example 2) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のうち、熱型センサ(部)2を備えたチップA101の他の一実施例を示す。図8(A)は、チップA101の平面概略図、図8(B)は、図8(A)のX-X線に沿った横断面概略図、図8(C)は、Y-Y線に沿った縦断面概略図である。(実施例3)Another embodiment of the chip A101 provided with the thermal sensor (part) 2 in the disposable biosensor chip 100 of the present invention is shown. 8A is a schematic plan view of the chip A101, FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 8A, and FIG. 8C is a longitudinal section taken along the YY line. FIG. (Example 3) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の他の一実施例のチップA101を搭載するベース基板1の概略形状の一実施例を示し、図9(A)は、その平面概略図、図9(B)は、図9(A)のX-X線に沿った横断面概略図、図9(C)は、Y-Y線に沿った縦断面概略図である。(実施例3)An example of the schematic shape of the base substrate 1 on which the chip A101 of another example of the disposable biosensor chip 100 of the present invention is mounted is shown, FIG. 9A is a schematic plan view thereof, FIG. ) Is a schematic cross-sectional view taken along line XX in FIG. 9A, and FIG. 9C is a schematic cross-sectional view taken along line YY. (Example 3) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の図9に示した一実施例の横断面概略図を示す。(実施例3)FIG. 10 shows a cross-sectional schematic view of one embodiment of the disposable biosensor chip 100 of the present invention shown in FIG. (Example 3) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の熱型センサ(部)2を備えたチップA101の他の一実施例を示し、同図(A)は、その平面概略図、同図(B)は、そのX-X線に沿った横断面概略図、同図(C)は、そのY-Y線に沿った縦断面概略図である。(実施例4)The other example of chip | tip A101 provided with the thermal-type sensor (part) 2 of the disposable biosensor chip | tip 100 of this invention is shown, The same figure (A) is the plane schematic, The figure (B) The cross-sectional schematic along the XX line, and the same figure (C) is the longitudinal cross-section schematic along the YY line. (Example 4) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100を装着するバイオセンサ1000の本体の一実施例を示すもので、図12(A)は、上方から見た表面概略図で、同図(B)は、その断面概略図である。(実施例5)FIG. 12A shows an example of a main body of a biosensor 1000 to which the disposable biosensor chip 100 of the present invention is attached. FIG. 12A is a schematic surface view seen from above, and FIG. FIG. (Example 5) 本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100を保管し、バイオセンサ1000に供給できるようにしたバイオセンサチップスタッカ2000の一実施例の断面概要図を示す。(実施例5)1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a biosensor chip stacker 2000 in which the disposable biosensor chip 100 of the present invention is stored and supplied to the biosensor 1000. FIG. (Example 5)

本発明の使い捨て型バイオセンサチップのチップA、チップB、チップCは、MEMS技術を用いて、シリコン(Si)基板で形成できる。これらのチップA、チップB、チップCをシリコン(Si)基板、特にSOI基板を用いて製作した場合のいくつかの実施例を主体に説明し、更にこれらのチップA、チップB、チップCをベース基板1に搭載して成る使い捨て型バイオセンサチップの実施例を示す。また、本発明のバイオセンサの実施の形態を、図面を用いて説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Chips A, B, and C of the disposable biosensor chip of the present invention can be formed of a silicon (Si) substrate using MEMS technology. Some examples in the case where these chips A, B, and C are manufactured using a silicon (Si) substrate, particularly an SOI substrate, will be mainly described, and these chips A, B, and C are further described. An embodiment of a disposable biosensor chip mounted on the base substrate 1 is shown. Further, embodiments of the biosensor of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration will be assigned the same reference numerals and redundant description will be omitted.

図1(A)、(B)は、本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の一実施例の上方から眺めた透視した形の平面概略図(A)とそのX-X線での横断面概略図(B)を示し、ベース基板1に、1個のセンサチップであるチップB102に熱型センサ(部)2とイオンセンサ(部)3とを備えて、一体化してある場合である。チップB102は、SOI層11を有するシリコン(Si)基板を用いて製作している場合である。また、ここでは、熱型センサ(部)2として、チップB102の基板から架橋構造12により熱分離したSOI層11を主体とした薄膜10上に、中空となる流路17を、例えば、SU-8などのフォトレジスト膜により形成してあり、ここを尿などの被検出用の液体試料が流れるようにしている。そして、上記の架橋構造12上に位置する流路17で、分岐した3つの同等の形状の流路17のうちの2つに、それぞれ反応部6Aと反応部6Bとを有し、そこには、液体試料中の異なる特定基質に対して接触触媒反応を示す酵素4である酵素4Aと酵素4Bとをそれぞれ固定している場合である。なお、図1(A)では、これらの酵素4Aと酵素4Bの形状表示を図面の煩雑さから省略した。酵素4Aの固定の様子を図1(B)に示すに留めている。これらの酵素4Aと酵素4Bとは、尿などの被検出用の液体試料中の基質成分である、例えば、クレアチニン、タンパク、糖などに、選択的に接触熱反応を示す酵素4であるそれぞれクレアチニナーゼ、トリプシン、グルコースオキシダーゼなどのうちから所望の2種類を選択して固定しておき、これらの酵素4と対応する基質との接触熱反応による発熱を、上記の各反応部6Aと反応部6Bとにそれぞれ形成してある検出用温度センサ20Aと検出用温度センサ20Bで温度変化として検出するようにしたものである。また、熱型センサ(部)2には、反応部6Aと反応部6Bと同等の形状で、液体試料の温度などに対して参照部となるように分岐した流路17の参照部7を設けてあり、ここには酵素4を固定しないようにしており、酵素4の代わりに、参照膜5を備えて、液体試料の流路内の流れを反応部6A、6Bと同等になるように調節している。 1 (A) and 1 (B) are a schematic plan view (A) of a perspective view seen from above of an embodiment of the disposable biosensor chip 100 of the present invention and a schematic cross-sectional view taken along line XX (FIG. 1). B) shows the case where the thermal sensor (part) 2 and the ion sensor (part) 3 are provided on the base substrate 1 in the chip B 102 which is one sensor chip and integrated. The chip B 102 is manufactured using a silicon (Si) substrate having the SOI layer 11. Here, as the thermal sensor (part) 2, a hollow flow path 17 is provided on the thin film 10 mainly composed of the SOI layer 11 thermally separated from the substrate of the chip B102 by the cross-linking structure 12, for example, SU- A photoresist film such as 8 is formed, and a liquid sample for detection such as urine flows here. And in the flow path 17 located on the said bridge | crosslinking structure 12, it has the reaction part 6A and the reaction part 6B in two of the branched flow paths 17 of the three equivalent shapes, respectively, In this case, enzyme 4A and enzyme 4B, which are enzymes 4 that show catalytic catalytic reactions with different specific substrates in the liquid sample, are respectively immobilized. In addition, in FIG. 1 (A), the shape display of these enzyme 4A and enzyme 4B was abbreviate | omitted from the complexity of drawing. The state of immobilization of the enzyme 4A is shown in FIG. 1 (B). These enzymes 4A and 4B are substrate components in a liquid sample to be detected, such as urine, for example, Claire which is an enzyme 4 that selectively shows a thermal contact reaction with creatinine, protein, sugar, etc. The desired two kinds of tininase, trypsin, glucose oxidase and the like are selected and fixed, and the heat generated by the contact thermal reaction between these enzymes 4 and the corresponding substrate is converted into the reaction parts 6A and the reaction parts. The detection temperature sensor 20A and the detection temperature sensor 20B, which are respectively formed in 6B, are used to detect a temperature change. In addition, the thermal sensor (part) 2 is provided with a reference part 7 of a flow path 17 that has a shape equivalent to that of the reaction part 6A and the reaction part 6B and branches to become a reference part with respect to the temperature of the liquid sample. In this case, the enzyme 4 is not immobilized here, and instead of the enzyme 4, a reference membrane 5 is provided to adjust the flow of the liquid sample in the flow path to be equal to that of the reaction units 6A and 6B. doing.

図1(A)、(B)に示す本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100には、イオンセンサ(部)3も、同一のチップB102に搭載してあり、ここでは、イオンセンサ(部)3として、ISFET90を用いた場合である。ここでは、ISFET90として、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rとを備えており、イオン検出用ISFET90Aのイオン感応部となるMOS構造のゲート絶縁膜93上には、イオン感応層95を形成してあり、対応する参照用ISFET90Rのゲート絶縁膜93上には、イオン不感応層96を形成している場合である。また、上記、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rに共通の基準電極として、同一の電極材で参照ゲート電極97を尿などの被検出用の液体試料に接触するように、同一のチップB102上に形成している。チップB102として、Si半導体の導電型がp型のSOI層11(例えば、厚みが10μm程度)を有するチップ基板を用いて、イオン感応部となるMOSゲートとして、ゲート幅は、例えば、10μm程度であるが、ドレイン電流Idが大きくなり、周辺効果を少なくするために、ゲート長を1000μm程度の極めて細長いイオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rを有するようにしたISFET90を形成した場合である。なお、熱型センサ(部)2では、流路17内に被検出用の液体試料を流し、それらの中の特定基質と反応部6A,6Bにあるそれぞれの酵素4A,4Bと接触して発熱したときに、熱の拡散を最小限にし、液体試料の接触量や流速依存性も考慮するために、酵素4A,4Bが固定されている反応部6A,6Bを流路17内に設けているが、イオンセンサ(部)3での反応原理は、熱反応を計測するのではないので、必ずしも流路17内に形成しておく必要はない。しかしながら、液体試料内のナトリウム(Na)やカリウム(K)などの被検出イオン成分の濃度分布が存在するので、できるだけ同一の液体試料がイオンセンサ(部)3と熱型センサ(部)2とを経由した方が、随時尿の評価に対しても好都合である。そのために、本発明では、液体試料の使い捨て型バイオセンサチップ100への流路の入り口となる流入口161付近に、イオンセンサ(部)3を形成している。 In the disposable biosensor chip 100 of the present invention shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the ion sensor (part) 3 is also mounted on the same chip B 102. Here, the ion sensor (part) 3 As a case, ISFET 90 is used. Here, the ISFET 90 includes an ion detecting ISFET 90A and a reference ISFET 90R, and an ion sensitive layer 95 is formed on the gate insulating film 93 of the MOS structure to be the ion sensitive portion of the ion detecting ISFET 90A. In this case, the ion insensitive layer 96 is formed on the gate insulating film 93 of the corresponding reference ISFET 90R. Further, as a reference electrode common to the ion detection ISFET 90A and the reference ISFET 90R, the reference gate electrode 97 is placed on the same chip B102 so that the reference gate electrode 97 is in contact with the liquid sample to be detected such as urine with the same electrode material. Forming. As a chip B102, a chip substrate having a p-type SOI layer 11 of Si semiconductor (for example, a thickness of about 10 μm) is used as a MOS gate serving as an ion sensitive portion, and the gate width is, for example, about 10 μm. However, in order to increase the drain current Id and reduce the peripheral effect, this is a case where the ISFET 90 having an extremely long ion detection ISFET 90A and a reference ISFET 90R having a gate length of about 1000 μm is formed. In the thermal sensor (part) 2, a liquid sample to be detected is caused to flow in the flow path 17, and heat is generated by contact with the specific substrate in each of the enzymes 4 A and 4 B in the reaction parts 6 A and 6 B. In order to minimize heat diffusion and to consider the contact amount and flow rate dependence of the liquid sample, reaction sections 6A and 6B to which the enzymes 4A and 4B are fixed are provided in the flow path 17. However, since the reaction principle of the ion sensor (unit) 3 does not measure the thermal reaction, it is not necessarily formed in the flow path 17. However, since there is a concentration distribution of detected ion components such as sodium (Na) and potassium (K) in the liquid sample, the same liquid sample as much as possible is the ion sensor (part) 3 and the thermal sensor (part) 2. It is more convenient for the evaluation of urine from time to time. Therefore, in the present invention, the ion sensor (part) 3 is formed in the vicinity of the inlet 161 which is the inlet of the flow path to the disposable biosensor chip 100 of the liquid sample.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100では、使い捨てで、安価なセンサチップを提供できるようにするために、イオンセンサ(部)3と熱型センサ(部)2への液体試料の導入を、流路17を介して毛細管現象でセンシング部へ導き、しかも流れを生じるように工夫している。そのために、先ず、流路17の壁面を親水性にすること、酵素の固定も親水性の材料を用いて固定できるようにしている。また、流路17も幅、200マイクロメートル(μm)程度で、高さ100μm程度の内部断面の大きさにしてあり、微量の液体試料で計測できるようにすると共に、流路17の終端付近の流出口180には、吸取り領域201を設けて、必要に応じて吸水材203を吸取り領域201に詰めて置くなどで、有効に液体試料を汲み上げる仕組みにした場合を示している。なお、熱型センサ(部)2では、酵素反応により基質とは異なる反応生成物が生じるので、安定な酵素反応を持続させるには、これを速やかに除去してフレッシュな基質と接触するようにする必要があり、液体試料に流れが発生するようにすることが重要である。 In the disposable biosensor chip 100 of the present invention, in order to be able to provide a disposable and inexpensive sensor chip, the introduction of a liquid sample to the ion sensor (part) 3 and the thermal sensor (part) 2 is carried out It leads to a sensing part by capillary action via the path | route 17, and devises so that a flow may be produced. Therefore, first, the wall surface of the flow path 17 is made hydrophilic, and the enzyme can be fixed using a hydrophilic material. The flow channel 17 is also about 200 micrometers (μm) wide and about 100 μm high in internal cross section, so that it can be measured with a small amount of liquid sample and near the end of the flow channel 17 The case where the suction port 201 is provided in the outflow port 180 and the water sample is packed in the suction region 201 as needed is arranged so as to effectively pump the liquid sample. In the thermal sensor (part) 2, a reaction product different from the substrate is produced by the enzyme reaction. To maintain a stable enzyme reaction, this is removed immediately and brought into contact with a fresh substrate. It is important to ensure that a flow occurs in the liquid sample.

本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100では、上記したように、ベース基板1に、1個のセンサチップであるチップB102に熱型センサ(部)2とイオンセンサ(部)3とを備えて、一体化してある場合で、その時の熱型センサ(部)2とイオンセンサ(部)3からの電気的信号を、後述のバイオセンサ1000本体に送るために、チップB102に形成してある熱型センサ(部)2とイオンセンサ(部)3のセンシング部からの配線400を介して、ソース電極パッド191Pや検出用温度センサ電極パッド70APなどの各電極パッドとベース基板1に形成したそれらに対応する電極パッド(同一の記号にしている)とが、重ね合わせたときに、導電性ペーストなどから成るバンプ電極310を介して電気的接続が行われるようにしている。また、図1に示す本実施例では、架橋構造12の反応部6には、酵素4が固定されているので、酵素4の固定法にも依るが、閉じられた流路17に酵素固定をするために、反応部6の位置の流路17の上部に、酵素固定窓99を設けて置き、そこから例えば、親水性のポリビニールアルコールに溶かしてある酵素4を滴下して、溶剤を蒸発させて固化させ、酵素4を固定できるようにした場合を示している。そして、流路17を流れる液体試料がこの酵素固定窓99から漏れないように、極めて薄いシートであるシール210で塞ぐようにした場合を示している。また、反応部6や参照部7を含む架橋構造12を形成する空洞40の空気の乱れによる放熱を防ぐことや、外部から物理的な架橋構造12の破壊などを防ぐ目的で、底板220をチップB102に張り付けた場合を示している。そして、ベース基板1のバイオセンサ1000本体への挿入端側には、バイオセンサ1000本体のセンサチップ挿入口530内に設けてある対応する各スプリング電極555との位置合わせをしてある外部接続用電極パッド150Pを配列している。 In the disposable biosensor chip 100 of the present invention, as described above, the base substrate 1 is provided with the thermal sensor (part) 2 and the ion sensor (part) 3 in the chip B 102 which is one sensor chip, In the case of being integrated, the thermal type formed in the chip B102 in order to send the electrical signals from the thermal type sensor (part) 2 and the ion sensor (part) 3 at that time to the biosensor 1000 body described later. Corresponding to each electrode pad such as the source electrode pad 191P and the temperature sensor electrode pad 70AP for detection and the base substrate 1 through the wiring 400 from the sensor (part) 2 and the sensing part of the ion sensor (part) 3 To make an electrical connection via the bump electrode 310 made of conductive paste or the like when overlapping with the electrode pads (identical symbols) Yes. Further, in the present embodiment shown in FIG. 1, the enzyme 4 is fixed to the reaction part 6 of the cross-linking structure 12, so that depending on the method of fixing the enzyme 4, the enzyme is fixed to the closed channel 17. For this purpose, an enzyme fixing window 99 is provided on the upper side of the flow path 17 at the position of the reaction unit 6, and for example, the enzyme 4 dissolved in hydrophilic polyvinyl alcohol is dropped to evaporate the solvent. It shows the case where it is allowed to solidify and fix the enzyme 4. And the case where it was made to block | close with the seal | sticker 210 which is a very thin sheet | seat so that the liquid sample which flows through the flow path 17 may not leak from this enzyme fixed window 99 is shown. Further, the bottom plate 220 is chipped for the purpose of preventing heat dissipation due to air turbulence in the cavity 40 forming the bridge structure 12 including the reaction part 6 and the reference part 7 and preventing the physical bridge structure 12 from being broken from the outside. It shows the case where it is attached to B102. Then, on the insertion end side of the base substrate 1 to the main body of the biosensor 1000, the external connection for positioning with each corresponding spring electrode 555 provided in the sensor chip insertion port 530 of the main body of the biosensor 1000 is performed. The electrode pads 150P are arranged.

本実施例図1では、熱型センサ(部)2として、単一の薄膜10を、Si基板のチップB102から熱分離するために、例えば、長さ1000μm程度の架橋構造12状とした場合の一実施例であり、反応部6に設けてある検出用温度センサ20A,20Bとその参照用温度センサ20Rを、熱電対で形成しているが、その時には、熱電導体120Aとして、SOI層(p型半導体層)を共通にして(電極パッドは、SOI層用共通電極パッド75P)、熱電導体120Bを、絶縁膜50を介して形成したニクロム(NiCr)のスパッタリング薄膜を用いて形成している。これらの熱電対の測定点(温接点)26では、絶縁膜50の貫通口を通したオーム性コンタクト60で電気的に接続されている。例えば、尿などの液体試料中の基質であるクレアチニンに選択的に反応して発熱する酵素4Aであるクレアチニナーゼを用いる。基質に特異的に反応する酵素との接触により、発熱反応を生じ、酵素を固定してある反応部6Aの温度が上昇し、検出用温度センサ20Aで、参照用温度センサ20Rによる周囲温度の影響を打ち消すなど、差動増幅される。また、特定イオンを検出するISFET90として、チップB102のSi基板の本体部分に、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90R及び参照ゲート電極97を近接して備え、これらのゲート絶縁膜93領域と参照ゲート電極97とが、SU―8などのフォトレジスト膜で形成してある中空の流路17の入り口である流入口161内に露出して、流路17を流れる(被検出)液体試料に触れるように設計してある。本実施例では、熱型センサ(部)2の反応部6に、図面の煩雑さのためにヒータ25を描かなかったが、酵素反応の失活などの校正用に、ヒータ25を搭載し、所定の電力印加時の温度上昇と所定の基質との酵素反応の発熱量の比較などで経時変化などの校正ができるようにすると良い。 In this embodiment, in FIG. 1, as the thermal sensor (unit) 2, in order to thermally separate the single thin film 10 from the chip B102 of the Si substrate, for example, a cross-linked structure 12 having a length of about 1000 μm is used. In one embodiment, the detection temperature sensors 20A and 20B and the reference temperature sensor 20R provided in the reaction section 6 are formed of thermocouples. At that time, the SOI layer (p Type semiconductor layer) (the electrode pad is a common electrode pad 75P for the SOI layer), and the thermal conductor 120B is formed using a sputtering thin film of nichrome (NiCr) formed with the insulating film 50 interposed therebetween. These thermocouple measurement points (hot junctions) 26 are electrically connected by ohmic contacts 60 through the through-holes of the insulating film 50. For example, creatininase, which is an enzyme 4A that generates heat by selectively reacting with creatinine, which is a substrate in a liquid sample such as urine, is used. The contact with the enzyme that specifically reacts with the substrate causes an exothermic reaction to raise the temperature of the reaction part 6A on which the enzyme is immobilized, and the influence of the ambient temperature by the reference temperature sensor 20R with the detection temperature sensor 20A Are differentially amplified. Further, as an ISFET 90 for detecting specific ions, an ion detecting ISFET 90A, a reference ISFET 90R, and a reference gate electrode 97 are provided close to the main body portion of the Si substrate of the chip B102, and the gate insulating film 93 region and the reference gate electrode are provided. 97 is exposed in the inflow port 161 which is the entrance of the hollow channel 17 formed of a photoresist film such as SU-8, and touches the liquid sample flowing through the channel 17 (to be detected). Designed. In this example, the heater 25 was not drawn in the reaction part 6 of the thermal sensor (part) 2 due to the complexity of the drawing, but the heater 25 was mounted for calibration such as deactivation of the enzyme reaction, It is preferable to be able to calibrate the change with time by comparing the temperature rise when applying a predetermined power and the calorific value of the enzyme reaction with a predetermined substrate.

本実施例図1では、使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3として、ISFET90を用いた場合であったが、イオンセンサ(部)3として、例えば、図2に示すようなイオン電極法(イオン選択性電極法)を用いたイオンセンサであるイオン電極法イオンセンサ80を用いても良い。この図2に示す例では、SOI基板から成るチップB102のイオンセンサ(部)3に、SOI基板の表面に熱酸化膜などの絶縁膜50を形成した上に、イオン検出電極80Aと同一形状の参照電極(基準電極)80R、および共通電極81を近接して形成し、イオン検出電極80Aには、例えば、特定検出イオンとしてのNaイオンに対して極めて高いイオン選択性のあるイオノフォア液を塗布して乾燥させたイオン感応層85を例えば、100μm厚に形成してあり、参照電極(基準電極)80Rには、参照膜層86を形成し、これらの被検出液体試料に接触する面積を、例えば、3mm角として、絶縁膜50から露出するようにしている。また、これらに共通して被検出液体試料に接触する共通電極81を、イオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rと同一の金属、例えば、金(Au)で形成した場合である。なお、上記の参照膜層86として、例えば、イオン検出電極80Aに形成したイオン感応層85と同一の組成でありながらイオン検出電極80Aに形成したイオン感応層85に対して、例えば、10分の1程度の薄い厚みに形成する、所謂、組成は同一であるが、厚みの異なる層として利用することもできる。そのイオン感応層85と参照膜層86との形成法として、イオン感応層85の溶液を10倍に希釈して同一量塗布して形成しておき、乾燥させることにより、イオン感応層85より10分の1薄い薄膜状の参照膜層86を形成することができる。 In this embodiment, FIG. 1 shows a case where an ISFET 90 is used as the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100. However, as the ion sensor (part) 3, for example, an ion electrode as shown in FIG. The ion electrode method ion sensor 80 which is an ion sensor using a method (ion selective electrode method) may be used. In the example shown in FIG. 2, an insulating film 50 such as a thermal oxide film is formed on the surface of the SOI substrate on the ion sensor (portion) 3 of the chip B102 made of an SOI substrate, and the same shape as the ion detection electrode 80A. The reference electrode (reference electrode) 80R and the common electrode 81 are formed close to each other, and the ion detection electrode 80A is coated with, for example, an ionophore solution having extremely high ion selectivity to Na ions as specific detection ions. The ion-sensitive layer 85 that has been dried is formed to have a thickness of, for example, 100 μm. A reference film layer 86 is formed on the reference electrode (reference electrode) 80R, and the area in contact with the liquid sample to be detected is, for example, , 3 mm square, and exposed from the insulating film 50. The common electrode 81 that contacts the liquid sample to be detected in common is formed of the same metal as the ion detection electrode 80A and the reference electrode (reference electrode) 80R, for example, gold (Au). The reference film layer 86 is, for example, 10 minutes from the ion sensitive layer 85 formed on the ion detection electrode 80A while having the same composition as the ion sensitive layer 85 formed on the ion detection electrode 80A. It can be used as a layer having a thickness as thin as one, so-called composition is the same, but different in thickness. As a method of forming the ion sensitive layer 85 and the reference membrane layer 86, the solution of the ion sensitive layer 85 is diluted 10 times, applied in the same amount, formed, and dried. A thin film-like reference film layer 86 can be formed.

イオン検出用ISFET90Aのゲート絶縁膜93領域には、ナトリウム(Na)イオンなどを選択的に取り入れることができるビスクラウンエーテル類である、例えば、Naイオンに対しては、ビス(12ークラウンー4)などのイオノフォアを取り込んだイオン感応層を形成すると良い。イオン検出用ISFET90Aのイオン感応層95と、参照用ISFET90Rのイオン不感応層96は、流路17のうち、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rのゲート絶縁膜93領域の上に位置する箇所に形成してあるゲート層形成窓を介して、可塑剤入りのPVC(ポリ塩化ビニル)を用いて、ゲート層形成枠195で区切り膜厚を調整したイオン感応層95などがパターン形成できるようにして、イオン検出用ISFET90Aのイオン感応層95と参照用ISFET90Rのイオン不感応層96とを交互に薄膜状に形成すると良い。このイオン感応層95等の塗布工程は、熱型センサ用バイオセンサ30の反応部6への酵素固定の前の製作工程とした方が、酵素の熱的問題に対応しやすい。なお、PVC(ポリ塩化ビニル)の代わりに、可塑剤入りのフォトレジストを用いることもできる。このフォトレジストを用いた場合は、容易に任意の形状にパターン化できるので、ゲート層形成枠195が必ずしも必要としない。また、イオン電極法(イオン選択性電極法)を用いたイオン電極法イオンセンサ80の感応部であるイオン検出電極80Aにも、イオン検出用ISFET90Aに用いた上記の同一のイオノフォアをイオン感応層85として利用して形成すると良い。 The gate insulating film 93 region of the ion detection ISFET 90A is a biscrown ether that can selectively incorporate sodium (Na) ions, for example, bis (12-crown-4) for Na ions. It is preferable to form an ion sensitive layer incorporating the ionophore. The ion sensitive layer 95 of the ISFET 90A for ion detection and the ion insensitive layer 96 of the ISFET 90R for reference are formed in the flow channel 17 at a position located on the gate insulating film 93 region of the ISFET 90A for ion detection and ISFET 90R for reference. Through the gate layer forming window, PVC (polyvinyl chloride) containing a plasticizer can be used to form a pattern such as the ion sensitive layer 95 in which the film thickness is adjusted by the gate layer forming frame 195, The ion sensitive layer 95 of the ion detecting ISFET 90A and the ion insensitive layer 96 of the reference ISFET 90R may be alternately formed in a thin film shape. The application process of the ion sensitive layer 95 and the like is easier to cope with the thermal problem of the enzyme if it is a manufacturing process prior to the enzyme fixation to the reaction part 6 of the thermal sensor biosensor 30. A plasticizer-containing photoresist can be used instead of PVC (polyvinyl chloride). When this photoresist is used, it can be easily patterned into an arbitrary shape, so the gate layer forming frame 195 is not necessarily required. Further, the same ionophore used for the ion detection ISFET 90A is also applied to the ion detection electrode 80A, which is a sensitive part of the ion sensor 80 using the ion electrode method (ion selective electrode method). It is good to use it as.

図3は、本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100の他の一実施例を示すもので、図3(A)は、使い捨て型バイオセンサチップ100の構成要素であるベース基板1の平面概略図で、図3(B)には、そのX−X線に沿った横断面概略図を示し、図3(C)には、上記ベース基板1の熱型センサ(部)2が固定される位置に接合させるチップA101の平面概略図を示し、更に、図3(D)には、上記ベース基板1に同様に固定するイオンセンサ(部)3を備えたチップC103の平面概略図を示す。これらの熱型センサ(部)2を備えたチップA101とイオンセンサ(部)3を備えたチップC103とは、裏返しにして、それぞれの電極パッドが同一符号の上記ベース基板1条に形成してある電極パッド同士が、前述のように導電性ペーストなどから成るバンプ電極310を介して、一体化する際に電気的に接合されて、ベース基板1の端部にある外部接続用電極パッド150Pに配線400により接続されるようになっている。なお、本実施例の熱型センサ(部)2を備えたチップA101は、上述の実施例1におけるチップB102での熱型センサ(部)2と同様であり、架橋構造12の薄膜10に中空の流路17を備え、反応部6には、例えば、流入口161から導入される液体試料中のクレアチニン検出用の酵素4であるクレアチニナーゼなどが固定される。また、イオンセンサ(部)3には、本実施例では、図3(D)に示すISFET90をイオンセンサとして使用した場合であり、上記チップA101とは別に設けたセンサチップで、これらのチップC103とチップA101とを、ベース基板1の所定の領域に、ソース電極パッド191Pや検出用温度センサ電極パッド70APなどの各電極パッドが位置合わせをして重なるようにして接合し、一体化した場合の使い捨て型バイオセンサチップ100を提供するようにした場合である。 FIG. 3 shows another embodiment of the disposable biosensor chip 100 of the present invention, and FIG. 3 (A) is a schematic plan view of the base substrate 1 which is a component of the disposable biosensor chip 100. 3B shows a schematic cross-sectional view along the line XX, and FIG. 3C shows a position where the thermal sensor (part) 2 of the base substrate 1 is fixed. A schematic plan view of the chip A101 to be joined is shown, and FIG. 3D is a schematic plan view of a chip C103 provided with an ion sensor (unit) 3 that is similarly fixed to the base substrate 1. The chip A101 having the thermal sensor (part) 2 and the chip C103 having the ion sensor (part) 3 are turned upside down, and the respective electrode pads are formed on the base substrate 1 having the same reference numeral. When the electrode pads are integrated through the bump electrode 310 made of a conductive paste or the like as described above, the electrode pads are electrically connected to each other and connected to the external connection electrode pad 150P at the end of the base substrate 1. It is connected by the wiring 400. The chip A101 provided with the thermal sensor (part) 2 of this embodiment is the same as the thermal sensor (part) 2 in the chip B102 in the above-mentioned first embodiment, and the thin film 10 of the crosslinked structure 12 is hollow. The reaction unit 6 is fixed with, for example, creatininase, which is an enzyme 4 for detecting creatinine in a liquid sample introduced from the inlet 161. In the present embodiment, the ISFET 90 shown in FIG. 3D is used for the ion sensor (unit) 3 as an ion sensor, and these chips C103 are sensor chips provided separately from the chip A101. And the chip A101 are bonded to a predetermined region of the base substrate 1 so that the electrode pads such as the source electrode pad 191P and the detection temperature sensor electrode pad 70AP are aligned and overlapped to be integrated. This is a case where the disposable biosensor chip 100 is provided.

本実施例の図3には、イオンセンサ(部)3として、ISFET90のイオンセンサをチップC103に備えた場合であったが、図4(A)のようなイオン電極法(イオン選択性電極法)を用いたイオン電極法イオンセンサ80を備えたチップC103にしても良い。ここでのイオン電極法イオンセンサ80は、実施例1の図2で示したイオン電極法イオンセンサ80を1個のチップにしたものである。しかしながら、イオン電極法イオンセンサ80は、電気絶縁膜上に形成すればよく、実施例1の図2に示したようなSi基板に形成する必要はなく、例えば、ガラス基板やプラスチック基板上にイオン検出電極80Aや参照電極(基準電極)80Rを形成して、イオン電極法イオンセンサ80にしても良い。図4(B)には、イオン電極法イオンセンサ80による基本的な測定回路図を示す。この測定回路は、実際には、使い捨て型バイオセンサチップ100を装着して計測する後述のバイオセンサ本体内に組み込むものである。イオン電極法イオンセンサ80のイオン感応層85、共通電極81および参照膜層86を尿などの液体試料に浸し計測するが、尿などの液体試料は、イオン濃度が小さいとインピーダンスが高くなるので、ポテンショスタット回路を変形した高入力インピーダンスの差動アンプを形成して、参照電極(基準電極)80Rと共通電極81とを演算増幅器を用いた高入力インピーダンス回路を利用し、クラウンドにして、イオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rとの差動出力Voを計測した。このように、少なくともイオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rには、電流を流さず、電位を検出できるようにしている。このして差動出力Voを計測して、液体試料中のNaイオンなどの特定イオン濃度を予め取得してある校正データの基に算出するものである。本実施例では、図4に示すようにイオン電極法イオンセンサ80として、共通電極81を用いた3端子法による計測の場合であるが、共通電極81を作成せずに、例えば、イオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rのみを形成して、参照電極(基準電極)80Rを少なくとも等価的に測定回路のグラウンドにした2端子法で、直接これらの電位差を計測することもできる。しかしながら、実験によると、上記の、共通電極81を用いた3端子法による計測の場合の方が、安定な計測が実現できた。 FIG. 3 of the present embodiment shows a case where the ion sensor (unit) 3 is provided with an ion sensor of ISFET 90 in the chip C103, but the ion electrode method (ion selective electrode method) as shown in FIG. ) And the chip C103 provided with the ion sensor 80. Here, the ion electrode method ion sensor 80 is obtained by forming the ion electrode method ion sensor 80 shown in FIG. 2 of the first embodiment into one chip. However, the ion electrode method ion sensor 80 may be formed on the electrical insulating film, and does not need to be formed on the Si substrate as shown in FIG. 2 of the first embodiment. For example, ions are formed on a glass substrate or a plastic substrate The detection electrode 80A or the reference electrode (reference electrode) 80R may be formed to be the ion electrode method ion sensor 80. FIG. 4B shows a basic measurement circuit diagram by the ion electrode method ion sensor 80. This measurement circuit is actually incorporated into a biosensor main body, which will be described later, that is mounted and measured with the disposable biosensor chip 100. The ion sensitive layer 85, the common electrode 81 and the reference membrane layer 86 of the ion electrode method ion sensor 80 are dipped in a liquid sample such as urine and measured. However, the liquid sample such as urine has high impedance when the ion concentration is small. By forming a high input impedance differential amplifier in which the potentiostat circuit is modified, the reference electrode (reference electrode) 80R and the common electrode 81 are rounded using a high input impedance circuit using an operational amplifier, and ionized. The differential output Vo between the detection electrode 80A and the reference electrode (reference electrode) 80R was measured. As described above, the potential can be detected without flowing a current to at least the ion detection electrode 80A and the reference electrode (reference electrode) 80R. In this way, the differential output Vo is measured, and the specific ion concentration such as Na ion in the liquid sample is calculated based on the calibration data acquired in advance. In this embodiment, as shown in FIG. 4, the ion electrode method ion sensor 80 is a case of measurement by a three-terminal method using a common electrode 81, but without forming the common electrode 81, for example, an ion detection electrode It is also possible to measure these potential differences directly by a two-terminal method in which only the 80A and the reference electrode (reference electrode) 80R are formed and the reference electrode (reference electrode) 80R is at least equivalent to the ground of the measurement circuit. However, according to experiments, more stable measurement could be realized in the case of the measurement by the three-terminal method using the common electrode 81 described above.

図5には、図4に示すイオン電極法イオンセンサ80の縦断面概略図を示し、イオン感応層85と参照膜層86とを同一の成分のイオノフォアを使用し、実施例1で示したように、それらの厚みを1桁程度以上変化させて形成してあり、イオン感応層85を厚く、参照膜層86を薄くした場合である。図5(A)は、平面上のガラス基板などチップC103の絶縁基板89の表面上に、イオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rおよび共通電極81を形成し、イオン感応層85と参照膜層86を形成した場合で、イオノフォア固定枠88の高さを変えて、イオン感応層85と参照膜層86の厚みを設定できるようにした場合である。また、図5(B)は、実施例1のチップB102のように、SOI基板を用いて、そのSOI層11の厚みやイオノフォア固定枠88を利用して、イオン感応層85の厚み大きくできるようにした場合の一実施例を示している。 FIG. 5 shows a schematic longitudinal sectional view of the ion electrode method ion sensor 80 shown in FIG. 4 as shown in Example 1 using an ionophore of the same component as the ion sensitive layer 85 and the reference membrane layer 86. Further, the thickness is changed by about one digit or more, the ion sensitive layer 85 is thick, and the reference film layer 86 is thin. In FIG. 5A, an ion detection electrode 80A, a reference electrode (reference electrode) 80R, and a common electrode 81 are formed on the surface of an insulating substrate 89 of a chip C103 such as a glass substrate on a flat surface. When the membrane layer 86 is formed, the height of the ionophore fixing frame 88 is changed to set the thicknesses of the ion sensitive layer 85 and the reference membrane layer 86. Further, in FIG. 5B, as in the chip B102 of the first embodiment, by using the SOI substrate, the thickness of the SOI layer 11 and the ionophore fixing frame 88 can be used to increase the thickness of the ion sensitive layer 85. Shows one embodiment in the case of.

図6には、本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100のイオンセンサ(部)3として、ISFET90を用いた場合の基本的な測定回路図を示す。この測定回路は、実際には、イオン電極法イオンセンサ80の場合の測定回路と同様に、使い捨て型バイオセンサチップ100を挿入装着して計測する後述のバイオセンサ本体内に組み込むものである。イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90RのソースS91を共通にして、測定回路のグラウンドにし、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rのドレイン92に所定の同一の直流電圧VDと参照ゲート電極97に所定のゲート電圧VGを印加した状態で、液体試料に参照ゲート電極97とイオン感応層95およびイオン不感応層96が浸るようにして、イオン検出用ISFET90Aと参照用ISFET90Rのそれぞれを流れるドレイン電流Ids1とドレイン電流Ids2との差を、それぞれに接続している負荷抵抗RD1とRD2での電圧降下の変化で、液体試料中のNaイオンなどの濃度を計測するものである。 FIG. 6 shows a basic measurement circuit diagram when an ISFET 90 is used as the ion sensor (part) 3 of the disposable biosensor chip 100 of the present invention. This measurement circuit is actually incorporated into a biosensor main body, which will be described later, in which a disposable biosensor chip 100 is inserted and mounted in the same manner as the measurement circuit for the ion electrode method ion sensor 80. The source S91 of the ion detecting ISFET 90A and the reference ISFET 90R are shared by the ground of the measurement circuit, and the predetermined same DC voltage VD and the predetermined gate of the reference gate electrode 97 are provided to the drain 92 of the ion detecting ISFET 90A and the reference ISFET 90R. With voltage VG applied, drain current Ids1 and drain current flowing in ISFET 90A for ion detection and ISFET 90R for reference in such a manner that reference gate electrode 97, ion sensitive layer 95 and ion insensitive layer 96 are immersed in the liquid sample The difference from Ids2 is the change in voltage drop at the load resistors RD1 and RD2 connected to each, and the concentration of Na ions or the like in the liquid sample is measured.

図7には、前記図4(B)に示したイオン電極法イオンセンサ80の一実施例の測定回路を用いて、液体試料としての食塩(NaCl)を溶かした水溶液のNaイオンを計測した一実施例の実験データのグラフを示す。図7のデータは、共通電極81に対するイオン検出電極80Aと参照電極(基準電極)80Rとの差動出力Voを、食塩(NaCl)を溶かしていない真水での値を基準して、この値を差し引いた場合の値のデータであり、実際の電位差の100倍(増幅器の倍率)の値を示している。イオン電極法イオンセンサ80でのNaイオンなどのイオンの計測原理は、公知のネルンストの式を用いているので、濃度依存性の出力は、イオン濃度の対数に比例する。図7に示すグラフのように、NaCl濃度の対数に対して直線的な関係にあることが分かり、上記のネルンストの式に従っていることが分かる。もちろん、Naイオン濃度は、NaCl濃度に比例するものである。また、ネルンストの式から分かるように、イオン電極法イオンセンサ80の出力は、溶液の絶対温度に比例するので、温度計測も重要である。上述の実施例の図3に示すように、熱型センサ(部)2を搭載しているチップA101に、絶対温度センサ23を搭載するので、ここを利用して、実際の計測では、液体試料の絶対温度計測ができる。 In FIG. 7, Na ion of an aqueous solution in which sodium chloride (NaCl) as a liquid sample is dissolved is measured using the measurement circuit of one embodiment of the ion electrode method ion sensor 80 shown in FIG. 4 (B). The graph of the experimental data of an Example is shown. The data in FIG. 7 shows the differential output Vo between the ion detection electrode 80A and the reference electrode (reference electrode) 80R with respect to the common electrode 81, based on the value in fresh water in which salt (NaCl) is not dissolved. It is the data of the value at the time of subtraction, and shows the value of 100 times the actual potential difference (the magnification of the amplifier). Ion Electrode Method Since the measurement principle of ions such as Na ions in the ion sensor 80 uses a known Nernst equation, the concentration-dependent output is proportional to the logarithm of the ion concentration. As shown in the graph of FIG. 7, it can be seen that there is a linear relationship with the logarithm of the NaCl concentration, and that the Nernst equation is followed. Of course, the Na ion concentration is proportional to the NaCl concentration. As can be seen from the Nernst equation, the output of the ion electrode method ion sensor 80 is proportional to the absolute temperature of the solution, so temperature measurement is also important. As shown in FIG. 3 of the above-described embodiment, the absolute temperature sensor 23 is mounted on the chip A101 on which the thermal sensor (unit) 2 is mounted. Can measure the absolute temperature of

図8には、使い捨て型バイオセンサチップ100のうち、熱型センサ(部)2を備えたチップA101の他の一実施例を示すもので、上記実施例1では、Si基板から熱分離した薄膜10が、架橋構造12の場合で、ここに液体試料が流れる流路17と反応部6があったが、本実施例では、薄膜10としてダイアフラム構造13とした場合で、酵素4が固定される反応部6もこのダイアフラム構造13に形成される場合である。ダイアフラム構造13では、基質との接触熱反応を生じる酵素4の発熱も架橋構造12よりもSiなどの基板に熱が逃げやすく感度が小さくなるが、ダイアフラム構造13の下部に空隙40を形成し下部へは熱が逃げ難くさせることができると共に、ダイアフラム構造13の上部に、流路17を形成しやすいという利点がある。本実施例では、Siなどの半導体の基板で形成されているチップA101とベース基板1との間を、流路17として用いるようにした場合で、ベース基板1の少なくとも反応部6の領域では、上記半導体の基板のSiよりも、熱伝導率が2分の1以下の小さい断熱材230を用いてあり、酵素4の発熱が外部に逃げ難くしている場合で、本実施例では、2つのダイアフラム構造13を有し、一方の反応部6Aとし、他方を参照部7した場合である。また、図8(A)に、チップA101の平面概略図、図8(B)に、図8(A)のX-X線に沿った横断面概略図、図8(C)に、同様にY-Y線に沿った縦断面概略図を示す。 FIG. 8 shows another embodiment of the chip A 101 having the thermal sensor (part) 2 of the disposable biosensor chip 100. In the first embodiment, the thin film thermally separated from the Si substrate is shown. 10 is the cross-linked structure 12, and there are the flow path 17 and the reaction part 6 through which the liquid sample flows. In this embodiment, the diaphragm 4 is used as the thin film 10, and the enzyme 4 is fixed. This is a case where the reaction part 6 is also formed in this diaphragm structure 13. In the diaphragm structure 13, the heat generated by the enzyme 4 that generates a contact thermal reaction with the substrate is less susceptible to heat escape to the substrate such as Si than the crosslinked structure 12, but the sensitivity is reduced. There is an advantage that heat can be made difficult to escape and that the flow path 17 can be easily formed in the upper part of the diaphragm structure 13. In the present embodiment, when the space between the chip A 101 formed of a semiconductor substrate of Si or the like and the base substrate 1 is used as the flow path 17, at least in the region of the reaction portion 6 of the base substrate 1 In the present embodiment, the heat insulating material 230 having a thermal conductivity smaller than half that of Si of the semiconductor substrate is used and the heat generated by the enzyme 4 is difficult to escape to the outside. It is a case where it has the diaphragm structure 13, makes it one reaction part 6A, and makes the other the reference part 7. FIG. 8A is a schematic plan view of the chip A101, FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along line XX of FIG. 8A, and FIG. And FIG.

図9には、上記図8の熱型センサ(部)2を備えたチップA101を搭載するベース基板1の一実施例の概略形状を示し、図9(A)には、その平面概略図、図9(B)に、図9(A)のX-X線に沿った横断面概略図、図9(C)に、同様にY-Y線に沿った縦断面概略図を示す。液体試料が通る流路17は、ベース基板1とチップA101とが接合された時に、ベース基板1に形成された凹部41を主体とし、チップA101との隙間で形成されることになる。このようにして形成される使い捨て型バイオセンサチップ100の横断面図の概略図を図10に示す。このように、流入口161から導入された被検出液体試料は、ベース基板1に形成された流路分離部235により分岐されて、一方は、反応部6Aに、他方は、参照部7を通る流路17を通り、更に合流して吸取り領域201に入ることになる。なお、使い捨て型バイオセンサチップの外部接続用電極パッド150Pなどや動作に関しては、上記実施例1の図1、図2の場合と同様なので、詳細な説明は、ここでは省略する。 FIG. 9 shows a schematic shape of one embodiment of the base substrate 1 on which the chip A101 having the thermal sensor (part) 2 of FIG. 8 is mounted, and FIG. 9A shows a schematic plan view thereof. FIG. 9B shows a schematic cross-sectional view along the line XX in FIG. 9A, and FIG. 9C shows a schematic cross-sectional view along the YY line in the same manner. When the base substrate 1 and the chip A101 are joined, the flow path 17 through which the liquid sample passes is mainly formed by the recess 41 formed in the base substrate 1 and is formed in a gap with the chip A101. A schematic diagram of a cross-sectional view of the disposable biosensor chip 100 thus formed is shown in FIG. As described above, the liquid sample to be detected introduced from the inlet 161 is branched by the flow path separation unit 235 formed in the base substrate 1, one passing through the reaction unit 6 </ b> A and the other passing through the reference unit 7. It passes through the flow path 17 and further merges into the suction area 201. Since the external connection electrode pad 150P and the operation of the disposable biosensor chip are the same as those in FIGS. 1 and 2 of the first embodiment, detailed description thereof is omitted here.

図11には、使い捨て型バイオセンサチップ100のうち、熱型センサ(部)2を備えたチップA101の他の一実施例を示すもので、同図(A)は、その平面概略図、同図(B)は、そのX-X線に沿った横断面概略図、同図(C)は、そのY-Y線に沿った縦断面概略図である。上記実施例3では、Si基板から熱分離した薄膜10が、ダイアフラム構造13とした場合であったが、本実施例では、架橋構造12の場合であり、しかも、流路17が、上記実施例3と同様に、ベース基板1とチップA101とが接合された時に、前記実施例3の図9に示すベース基板1に形成された凹部41を主体とし、チップA101との隙間で形成されるようにした場合である。流路17に流れる被検出液体試料は、架橋構造12の隙間から架橋構造12の下部の空洞40にも入り込むので、底板220を介して、この空洞40に断熱材230を入れて、更に反応部6(6A)のこの断熱材230上に酵素4(4A)を、反応部6(6A)に形成している検出用温度センサ20(20A)を囲むように形成してあり、酵素4(4A)での反応熱が架橋構造12上の直接検出用温度センサ20(20A)を温めるようにしているようにした場合である。なお、参照部7においても、熱的作用と効果が、酵素4の発熱以外は反応部6(6A)と同等であることが求められるので、酵素4を入れない酵素用固定材は、反応部6(6A)と同様に形成しておいた方が望ましい。その他の点は、上記実施例3の場合と同様なので、詳細な説明は省略する。 FIG. 11 shows another embodiment of a chip A101 provided with a thermal sensor (part) 2 in the disposable biosensor chip 100. FIG. 11 (A) is a schematic plan view thereof. FIG. (B) is a schematic cross-sectional view along the XX line, and FIG. (C) is a schematic vertical cross-sectional view along the YY line. In Example 3 described above, the thin film 10 thermally separated from the Si substrate is the diaphragm structure 13. However, in the present example, the thin film 10 is the crosslinked structure 12 and the flow path 17 is the example described above. 3, when the base substrate 1 and the chip A101 are joined, the concave portion 41 formed in the base substrate 1 shown in FIG. 9 of the third embodiment is mainly used, and the gap is formed between the chip A101 and the chip A101. In the case of The liquid sample to be detected flowing in the flow path 17 also enters the cavity 40 below the bridge structure 12 through the gap between the bridge structures 12, so that a heat insulating material 230 is put into the cavity 40 via the bottom plate 220, and further the reaction section The enzyme 4 (4A) is formed on the heat insulating material 230 of 6 (6A) so as to surround the temperature sensor 20 (20A) for detection formed in the reaction section 6 (6A). This is the case where the heat of reaction in (2) warms the direct detection temperature sensor 20 (20A) on the bridge structure 12. The reference unit 7 is also required to have the same thermal action and effect as the reaction unit 6 (6A) except for the heat generation of the enzyme 4, so that the enzyme fixing material not containing the enzyme 4 is the reaction unit. It is desirable to form in the same manner as 6 (6A). The other points are the same as in the case of the third embodiment, so the detailed description will be omitted.

図12には、使い捨て型バイオセンサチップ100を搭載するバイオセンサ1000の本体の一実施例を示すもので、図12(A)には、上方から見たその表面概略図で、同図(B)には、その断面概略図を示す。本バイオセンサ1000の電子回路660には、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えてあり、更に、表示部670も搭載し、液体試料中の特定の基質成分の濃度と特定イオン成分の濃度および、それらの比率に関する情報を表示できるようにしている。また、無線で、外部へのデータ通信もできるようにもすることができる。ボタンスイッチ520で電源のオン、オフや他のボタンを利用して、各種の所望のデータの表示や通信ができるようにしている。前記使い捨て型バイオセンサチップ100を、チップ挿入口530に挿入固定して装着し、使い捨て型バイオセンサチップ100の各外部接続用電極パッド150Pとバイオセンサ1000の本体のチップ挿入口530に形成している各スプリング電極555とが接触して、使い捨て型バイオセンサチップ100とバイオセンサ1000の本体とが電気的に接続される。使い捨て型バイオセンサチップ100をバイオセンサ1000の本体から取り外すのは、センサチップ脱着機構500を利用するようにした場合である。詳細は省くが、センサチップ脱着ボタン510を押すことにより、使い捨て型バイオセンサチップ100をバイオセンサ1000の本体から取り外すことができるようにしている。 FIG. 12 shows an embodiment of a main body of a biosensor 1000 on which the disposable biosensor chip 100 is mounted. FIG. 12 (A) is a schematic view of the surface seen from above, and FIG. Shows a schematic cross-sectional view thereof. The electronic circuit 660 of the biosensor 1000 includes at least a power supply circuit, an amplifier circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit, and further includes a display unit 670, and the concentration and specific ions of a specific substrate component in the liquid sample. Information about the concentration of the components and their ratio can be displayed. In addition, data communication to the outside can be performed wirelessly. The button switch 520 is used to turn on / off the power and use other buttons to display and communicate various desired data. The disposable biosensor chip 100 is inserted and fixed in the chip insertion port 530, and is formed in each external connection electrode pad 150P of the disposable biosensor chip 100 and the chip insertion port 530 of the main body of the biosensor 1000. The disposable biosensor chip 100 and the main body of the biosensor 1000 are electrically connected with each other in contact with the respective spring electrodes 555. The disposable biosensor chip 100 is removed from the main body of the biosensor 1000 when the sensor chip attaching / detaching mechanism 500 is used. Although details are omitted, the disposable biosensor chip 100 can be detached from the main body of the biosensor 1000 by pressing the sensor chip attaching / detaching button 510.

図13には、バイオセンサ1000の本体に使い捨て型バイオセンサチップ100を、容易に装着できるようにし、更に、複数の使い捨て型バイオセンサチップ100を搭載保管するようにしたバイオセンサチップスタッカ2000の一実施例の断面概要図を示す。ケース710内に収められた複数の使い捨て型バイオセンサチップ100が、スプリング750により押されており、チップ押出し棒701により、1個ずつチップ押出し口702を通してバイオセンサ1000の本体に固定されると、使い捨て型バイオセンサチップ100が順次、押し出されて、保管されている使い捨て型バイオセンサチップ100が無くなるまで、使用できるようになっており、また、必要に応じて使い捨て型バイオセンサチップ100を補充、充填できるようになっている。 FIG. 13 shows an example of a biosensor chip stacker 2000 in which the disposable biosensor chip 100 can be easily attached to the main body of the biosensor 1000 and a plurality of disposable biosensor chips 100 are mounted and stored. The cross-sectional schematic of an Example is shown. When the plurality of disposable biosensor chips 100 housed in the case 710 are pushed by the spring 750 and fixed one by one by the chip push rod 701 to the main body of the biosensor 1000 through the chip push hole 702, The disposable biosensor chip 100 is sequentially pushed out and can be used until the stored disposable biosensor chip 100 disappears, and the disposable biosensor chip 100 is replenished as necessary. It can be filled.

バイオセンサ1000で、使い捨て型バイオセンサチップ100の熱型センサ(部)2で、1種類の酵素として、クレアチニン補正ができるように、クレアチニンに特異的に選択性のある酵素、例えばクレアチニナーゼを反応部6に固定して、接触熱反応による温度上昇で検出用温度センサ20Aと参照用温度センサ20Rの出力の差動により、尿などの被検出液体試料中のクレアチニンを計測し、さらに、イオンセンサ(部)3で、Naイオンを計測できるようにNaイオンのイオン感応層85形成して、Naイオンの濃度に対応する出力をも同時検出して、尿などの被検出液体試料中のNaイオンの濃度と、クレアチニンの濃度との比率、例えば、Naイオン/クレアチニン(濃度)比である、所謂、Naイオンのクレアチニン補正を求めて、表示できるようにすることもできる。もちろん、クレアチニンの他に、例えば、尿中のタンパクも同時計測して、タンパク/クレアチニン(濃度)比をも求めるように、使い捨て型バイオセンサチップ100の熱型センサ部2にタンパクの検出用の特定酵素4Bであるトリプシンなどを反応部6Bに固定するようにしても良い。 In the biosensor 1000, an enzyme specifically selective for creatinine, such as creatininase, is used so that creatinine can be corrected as one kind of enzyme in the thermal sensor (part) 2 of the disposable biosensor chip 100. The creatinine in the liquid sample to be detected such as urine is measured by the difference between the output of the detection temperature sensor 20A and the reference temperature sensor 20R by the temperature rise due to the contact thermal reaction, fixed to the reaction unit 6, and further ion An ion sensitive layer 85 of Na ions is formed by the sensor (unit) 3 so that Na ions can be measured, and an output corresponding to the concentration of Na ions is simultaneously detected to detect Na in a liquid sample to be detected such as urine. The ratio between the concentration of ions and the concentration of creatinine, for example, the so-called Na ion / creatinine (concentration) ratio, so-called Na ion creatinine correction, It is also possible to be able to indicate. Of course, in addition to creatinine, for example, protein in urine is simultaneously measured to obtain a protein / creatinine (concentration) ratio, and the thermal sensor unit 2 of the disposable biosensor chip 100 is used for protein detection. Trypsin, which is the specific enzyme 4B, may be fixed to the reaction part 6B.

上記したように、ナトリウム(Na)イオンやカリウム(K)イオンの濃度も同時計測できるので、ナトリウム(Na)イオンやカリウム(K)イオンのクレアチニン補正ができると共に、ナトリウム(Na)イオン濃度/カリウム(K)イオン濃度の濃度比も計測できる。高血圧対策には、ナトリウム(Na)イオン濃度/カリウム(K)イオン濃度の濃度比の計測が重要であることが分かって来て居り、簡便でハンディなバイオセンサが提供できる。 As mentioned above, the concentration of sodium (Na) ion and potassium (K) ion can be measured simultaneously, so creatinine correction of sodium (Na) ion and potassium (K) ion can be performed, and sodium (Na) ion concentration / potassium (K) The concentration ratio of ion concentration can also be measured. It has been found that measurement of the concentration ratio of sodium (Na) ion concentration / potassium (K) ion concentration is important for antihypertensive measures, and a simple and handy biosensor can be provided.

本発明の上述の実施例の図面では、請求項に記載された同一の概念を有する部位には、同一の符号を付してある。また、本発明の実施例では、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。いわゆる当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 In the drawings of the above-described embodiments of the present invention, parts having the same concept described in the claims are denoted by the same reference numerals. In the embodiments of the present invention, preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments, and the gist, operation, and effects of the present invention are the same. However, naturally, there can be various modifications. It is obvious for those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims, and of course, the technical scope of the present invention is also possible. It is understood to belong to

本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100は、熱型センサ(部)2として、MEMS技術により、例えば、SiなどのチップA101の半導体基板から熱分離した薄膜10に、液体試料を流す流路17で繋がる第1の検出用温度センサ20A、第2の検出用温度センサ20Bなどが反応部6に形成してあり、参照用温度センサ20Rが参照部7に形成してあり、さらに、流入口161から薄膜10の反応部6と参照部7を経由して、空洞40を跨ぎ対向する同一の基板領域に形成した吸取り領域201まで延びる流路17とを備えており、流路17内の異なる反応部6に形成してあるそれぞれに選択的に対応する異なる特定の酵素4が固定してあり、これを基板の周囲に設けている電極パッドから酵素反応による温度上昇分が電気信号として計測できるようにしている。そして、反応部6の温度センサである、例えば、第1の温度センサ20Aとその参照部7の参照用温度センサ20Rとは、熱的にバランスが取れるように同等な形状と対称性のある配置にしているので、尿のように周囲温度から大きくずれている被検出液体試料を流路17に流し込んでも、これらの差動検出により高精度の温度差計測が実現できるようになった。更に、尿などの液体試料中のナトリウム(Na)イオンやカリウム(K)イオンの検出用に、イオンセンサ(部)3を搭載しており、例えば、ISFET90やイオン電極法イオンセンサ80を共通の被検出液体試料が流れる流路17やその入り口である流入口161に配置してあるので、同時に、熱型センサ(部)2での基質の濃度とイオンセンサ(部)3でのイオン濃度が計測できる。バイオセンサ1000でクレアチニン濃度を計測するようにすれば、各種の基質やイオンのクレアチニン補正が可能になり、本発明の使い捨て型バイオセンサチップ100やこれを搭載したハンディなバイオセンサ1000の装置の提供により、数十秒の短時間の計測時間で、しかも随時尿としての1滴の尿などの被検出液体試料で、糖尿病、腎臓病の前兆の診断や高血圧の予防などに貢献することができる。   The disposable biosensor chip 100 of the present invention includes a flow path 17 for supplying a liquid sample to the thin film 10 thermally separated from a semiconductor substrate of a chip A101 such as Si by the MEMS technology as the thermal sensor (part) 2. The first detection temperature sensor 20A, the second detection temperature sensor 20B, and the like connected to each other are formed in the reaction unit 6, the reference temperature sensor 20R is formed in the reference unit 7, and further from the inflow port 161. A flow path 17 extending to a suction area 201 formed in the same substrate area across the cavity 40 via the reaction part 6 of the thin film 10 and the reference part 7 is provided, and different reaction parts in the flow path 17 6, different specific enzymes 4 selectively corresponding to the respective ones are fixed, and the temperature rise due to the enzyme reaction can be measured as an electric signal from an electrode pad provided around the substrate. Unishi to have. Then, for example, the first temperature sensor 20A and the reference temperature sensor 20R of the reference unit 7 that are temperature sensors of the reaction unit 6 have an arrangement that has an equivalent shape and symmetry so as to be thermally balanced. Therefore, even if a liquid sample to be detected, which is greatly deviated from the ambient temperature, such as urine, is flowed into the flow path 17, it is possible to realize highly accurate temperature difference measurement by these differential detections. Further, an ion sensor (unit) 3 is mounted for detecting sodium (Na) ions or potassium (K) ions in a liquid sample such as urine. For example, an ISFET 90 or an ion electrode method ion sensor 80 is commonly used. Since it is arranged in the flow path 17 through which the liquid sample to be detected flows and the inlet 161 which is the inlet thereof, the concentration of the substrate in the thermal sensor (part) 2 and the ion concentration in the ion sensor (part) 3 are simultaneously measured. It can be measured. If the creatinine concentration is measured by the biosensor 1000, creatinine correction of various substrates and ions becomes possible, and the disposable biosensor chip 100 of the present invention and a handy biosensor 1000 device equipped with the same are provided. Thus, it is possible to contribute to the diagnosis of diabetes, a symptom of kidney disease, the prevention of high blood pressure, and the like with a short measurement time of several tens of seconds and, optionally, a drop of urine as a drop of urine.

1 ベース基板
2 熱型センサ(部)
3 イオンセンサ(部)
4、4A、4B 酵素
5 参照膜
6、6A、6B 反応部
7,7A,7B 参照部
10、10A、10B、10R 薄膜
11 SOI層
12 架橋構造
13 ダイアフラム構造
15 下地基板
17 流路
20、20A、20B 検出用温度センサ
20R 参照用温度センサ
23 絶対温度センサ
23P 絶対温度センサ電極パッド
25 ヒータ
26 測定点(温接点)
27 基準点(冷接点)
40 空洞
41 凹部
50 絶縁膜
51 BOX層
60 オーム性コンタクト
61 高濃度拡散層
70P、70AP、70BP 検出用温度センサ電極パッド
70RP、70RA P 参照用温度センサ電極パッド
71P ヒータ用電極パッド
75P SOI層用共通電極パッド
80 イオン電極法イオンセンサ
80A、80B イオン検出電極
80R 参照電極(基準電極)
81 共通電極
85 イオン感応層
86 参照膜層
87 引き出し電極
88 イオノフォア固定枠
89 絶縁基板
90 ISFET
90A、90B イオン検出用ISFET
90R 参照用ISFET
91 ソースS
92 ドレインD
93 ゲート絶縁膜
94 チャンネル
95 イオン感応層
96 イオン不感応層
97 参照ゲート電極
97P 参照ゲート電極パッド
98 ガードリング
99 酵素固定窓
100 使い捨て型バイオセンサチップ
101 チップA
102 チップB
103 チップC
110 SOI層用絶縁分離溝
117 流路部材
120A, 120B 熱電導体
150P 外部接続用電極パッド
161 流入口
180 排出口
191 ソース電極
191P ソース電極パッド
192 ドレイン電極
192P ドレイン電極パッド
194P 共通基板電極パッド
195 ゲート層形成枠
196 電極用バンプ
201 吸取り領域
203 吸水材
204 通気口
205 酵素固定枠
210 シール
220 底板
230 断熱材
235 流路分離部
310 バンプ電極
400 配線
500 センサチップ脱着機構
510 センサチップ脱着ボタン
520 ボタンスイッチ
530 センサチップ挿入口
550、551、750 スプリング
555 スプリング電極
560 ガイド板
570 伝達棒
650 バッテリ
660 電子回路
670 表示部
701 チップ押出し棒
702 チップ押出し口
710 ケース
715 ケースカバー
1000 バイオセンサ
2000 バイオセンサチップスタッカ
1 Base substrate 2 Thermal sensor (part)
3 Ion sensor (part)
4, 4A, 4B Enzyme 5 Reference membrane 6, 6A, 6B Reaction part 7, 7A, 7B Reference part 10, 10A, 10B, 10R Thin film 11 SOI layer 12 Crosslinked structure 13 Diaphragm structure 15 Base substrate 17 Flow path 20, 20A, 20B Detection temperature sensor
20R Reference temperature sensor 23 Absolute temperature sensor 23P Absolute temperature sensor electrode pad 25 Heater 26 Measurement point (warm contact)
27 Reference point (cold junction)
40 Cavity 41 Recess 50 Insulating film 51 BOX layer 60 Ohmic contact 61 High concentration diffusion layer 70P, 70AP, 70BP Temperature sensor electrode pad 70RP for detection, 70RA P Temperature sensor electrode pad 71P for reference Electrode pad 75P for heater common to SOI layer Electrode pad 80 Ion electrode method ion sensor 80A, 80B Ion detection electrode 80R Reference electrode (reference electrode)
81 Common electrode 85 Ion sensitive layer 86 Reference membrane layer 87 Extraction electrode 88 Ionophore fixing frame 89 Insulating substrate 90 ISFET
90A, 90B ion detection ISFET
90R ISFET for reference
91 Source S
92 Drain D
93 Gate insulating film 94 Channel 95 Ion sensitive layer 96 Ion insensitive layer 97 Reference gate electrode 97P Reference gate electrode pad 98 Guard ring 99 Enzyme fixing window 100 Disposable biosensor chip 101 Chip A
102 Chip B
103 Chip C
110 SOI layer insulating separation groove 117 Channel member 120A, 120B Thermoelectric conductor 150P External connection electrode pad 161 Inlet port 180 Outlet port
191 Source electrode 191P Source electrode pad 192 Drain electrode 192P Drain electrode pad 194P Common substrate electrode pad 195 Gate layer forming frame 196 Electrode bump 201 Absorbing region 203 Water absorbing material 204 Vent hole 205 Enzyme fixing frame 210 Seal 220 Bottom plate 230 Heat insulating material 235 Flow Road separation part 310 Bump electrode 400 Wiring 500 Sensor chip attaching / detaching mechanism 510 Sensor chip attaching / detaching button 520 Button switch 530 Sensor chip insertion port 550, 551, 750 Spring 555 Spring electrode 560 Guide plate 570 Transmission rod 650 Battery 660 Electronic circuit 670 Display part 701 Chip Extrusion Bar 702 Chip Extrusion Port 710 Case 715 Case Cover 1000 Biosensor 2000 Biosensor Chip Stacker

Claims (22)

被検出用の液体試料中の特定の基質成分とその濃度を、該基質成分に選択的に応答する酵素との触媒反応熱による温度変化を検出用温度センサにより検出する熱型センサを備えたチップAと、少なくとも該チップAからの電気信号を取り出す電極とその電気配線を有するベース基板と、を備えたバイオセンサチップにおいて、前記液体試料が通る流路中に反応部を有すること、該反応部には前記酵素を固定していること、前記検出用温度センサは前記酵素に接触もしくは近傍に配置されていること、前記反応部の流路の少なくとも上下面は、シリコン(Si)の熱伝導率よりも2分の1以下の小さな熱伝導率を持つ材料(気体も含む)で挟む構造であること、前記チップAと前記ベース基板とは、重ね合わせて接合して一体化してあること、1個の使い捨て可能なチップ状にしていること、を特徴とする使い捨て型バイオセンサチップ。 A chip equipped with a thermal sensor that detects a specific substrate component in a liquid sample to be detected and its concentration by a temperature sensor for detection of temperature change due to heat of catalytic reaction with an enzyme that selectively responds to the substrate component A biosensor chip comprising A, an electrode that extracts at least an electric signal from the chip A, and a base substrate having an electric wiring thereof, and having a reaction part in a flow path through which the liquid sample passes, the reaction part Is that the enzyme is immobilized, the temperature sensor for detection is in contact with or close to the enzyme, and at least the upper and lower surfaces of the flow path of the reaction section are thermal conductivity of silicon (Si) The chip A and the base substrate are superposed and bonded and integrated with each other, with a structure sandwiched between materials (including gas) having a thermal conductivity smaller than one half of that of the chip. A disposable biosensor chip characterized in that it is in the form of an individual disposable chip. 前記流路を、チップA内に設けた請求項1記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to claim 1, wherein the flow path is provided in the chip A. 前記流路を、チップAと前記ベース基板との間に設けた請求項1記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to claim 1, wherein the flow path is provided between the chip A and the base substrate. 前記酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えている請求項1から3のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 A reaction part that fixes the enzyme and a reference part that has the same shape as the reaction part but does not fix the enzyme, and each of the reaction part and the reference part includes a detection temperature sensor and a reference temperature sensor, respectively. The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 3, comprising: 前記検出用温度センサと参照用温度センサを温度差センサとした請求項1から4のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection temperature sensor and the reference temperature sensor are temperature difference sensors. 前記参照部は、前記反応部とは異なる分岐した流路に形成している請求項1から5のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 5, wherein the reference part is formed in a branched flow path different from the reaction part. 複数の前記基質成分に対応する各酵素を固定する各反応部と、それぞれに対応する前記流路および前記検出用温度センサとを備えた請求項1から6のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor according to any one of claims 1 to 6, further comprising: each reaction unit that fixes each enzyme corresponding to a plurality of the substrate components; and the corresponding flow path and the detection temperature sensor. Chip. 前記チップAに、前記液体試料中の特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層を備えたイオンセンサをさらに備えたチップBを、前記チップAの代わりに搭載した請求項1から7のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The chip A further comprising an ion sensor provided with an ion sensitive layer that is selectively sensitive to a specific ion component in the liquid sample is mounted on the chip A instead of the chip A. A disposable biosensor chip according to any one of the preceding claims. 前記イオンセンサとして、ISFETもしくはイオン電極法によるイオンセンサとした請求項8記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to claim 8, wherein the ion sensor is an ion sensor according to ISFET or ion electrode method. 前記チップAとは異なるチップCに、前記液体試料中の特定イオン成分に選択的に感応する前記イオンセンサを備えて、前記チップAと前記チップCとを同一の前記ベース基板に搭載してハイブリッド化した請求項1から9のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 A chip C different from the chip A is provided with the ion sensor that selectively responds to a specific ion component in the liquid sample, and the chip A and the chip C are mounted on the same base substrate to provide a hybrid. The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 9. 少なくとも1個の流入口から流入された前記液体試料は、各分岐された流路に分流されて前記熱型センサの参照部と各流路内のそれぞれ反応部を経由して、少なくとも1個の流出口から流出できるようにした請求項1から10のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The liquid sample introduced from the at least one inlet is diverted to each branched channel, and passes through the reference part of the thermal type sensor and the respective reaction parts in each channel to at least one. The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 10, which can be discharged from the outlet. 前記流入口から流入された前記液体試料は、毛細管現象により各流路を通るようにした請求項11に記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to claim 11, wherein the liquid sample introduced from the inflow port passes through each flow path by capillary action. 前記流出口に、前記液体試料の吸取り領域を設けた請求項12に記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to claim 12, wherein a suction area for the liquid sample is provided at the outlet. 前記イオンセンサを複数形成してあり、それぞれのイオンセンサのイオン感応部には、異なるイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあり、それぞれのイオン感応層に対応する前記液体試料中のイオンを検出できるようにした請求項8から13のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 A plurality of the ion sensors are formed, and in the ion sensitive portion of each ion sensor, an ion sensitive layer selectively sensitive to different ion components is formed, and the liquid sample corresponding to each ion sensitive layer The disposable biosensor chip according to any one of claims 8 to 13, which can detect ions therein. 前記酵素として、クレアチニン検出用の酵素とした請求項1から14のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 14, wherein the enzyme is an enzyme for detecting creatinine. 前記イオンセンサの検出イオンとして、ナトリウム(Na)イオンとした請求項8から15のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 8 to 15, wherein sodium (Na) ion is used as a detection ion of the ion sensor. 前記チップA、チップBとチップCのうち、少なくともいずれか1つに絶対温度センサを搭載した請求項1から16のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 16, wherein an absolute temperature sensor is mounted on at least one of the chip A, the chip B, and the chip C. 請求項1から7のいずれかに記載の使い捨て型バイオセンサチップを、脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備え、前記特定の基質成分と所定の酵素に接触による反応熱に基づくそれぞれの温度変化を、前記参照用温度センサと前記検出用温度センサの前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力で計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、前記液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力を利用し、基質成分の濃度に関係する出力ができるようにしたこと、を特徴とするバイオセンサ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 1 to 7, further comprising a biosensor chip desorption mechanism capable of desorbing, the respective temperatures based on the heat of reaction caused by the contact with the specific substrate component and a predetermined enzyme. The change is measured by the differential output according to the concentration of the specific substrate component of the reference temperature sensor and the detection temperature sensor, and the calibration data prepared in advance is used to measure the change in the liquid sample. The biosensor is characterized in that a differential output corresponding to the concentration of the specific substrate component is utilized to enable an output related to the concentration of the substrate component. 請求項8から17に記載の使い捨て型バイオセンサチップを、脱着できるようにしたバイオセンサチップ脱着機構を備え、前記捨て型バイオセンサチップを用いて、被検出液体試料中の特定イオンの前記イオンセンサの濃度に応じた出力を計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、前記液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力と前記イオンセンサの特定イオン濃度に応じた出力とを利用し、それらの比率を出力できるようにしたこと、を特徴とするバイオセンサ。 The disposable biosensor chip according to any one of claims 8 to 17, further comprising a biosensor chip desorption mechanism capable of desorbing, using the disposable biosensor chip, the ion sensor for specific ions in a liquid sample to be detected. Measuring the output according to the concentration of the gas, and further using differential data prepared according to the concentration of the specific substrate component in the liquid sample using the calibration data prepared in advance, and the specific ion concentration of the ion sensor A biosensor characterized in that it is possible to output their ratio using an output according to the above. 前記液体試料中の特定の基質成分としてクレアチニン、特定イオン成分として、ナトリウムとした請求項19記載のバイオセンサ。 20. The biosensor according to claim 19, wherein creatinine is a specific substrate component in the liquid sample, and sodium is a specific ion component. 少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備え、前記液体試料中の特定の基質成分の濃度と特定イオン成分の濃度および、それらの比率に関する情報を得ることができるようにした請求項18から20のいずれかに記載のバイオセンサ。 18. At least a power supply circuit, an amplification circuit, an arithmetic circuit, and a control circuit are provided to obtain information on the concentration of a specific substrate component and the concentration of a specific ion component in the liquid sample and their ratio. 21. The biosensor according to any one of 1 to 20. 請求項1から17に記載の使い捨て型バイオセンサチップを上記バイオセンサに、別に用意した専用のセンサチップスタッカを用いて挿入固定するようにした請求項18から210のいずれかに記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 18 to 210, wherein the disposable biosensor chip according to claims 1 to 17 is inserted into and fixed to the biosensor using a separately prepared dedicated sensor chip stacker.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021100281A1 (en) * 2019-11-19 2021-05-27 株式会社アドバンテスト Biosensor, flow path member used for biosensor, and method for using biosensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008122151A (en) * 2006-11-09 2008-05-29 Seiko Epson Corp Biosensor system, inspection method and determiner
JP2008256725A (en) * 2001-05-31 2008-10-23 Instrumentation Lab Co Analytical instruments and biosensors, and methods for increasing their accuracy and effective life
JP2016173273A (en) * 2015-03-17 2016-09-29 学校法人東北学院 Enzyme-based microcalorimeter
JP2017120240A (en) * 2015-12-28 2017-07-06 京セラ株式会社 Sensor device and detection method using the same
JP2017203747A (en) * 2016-05-13 2017-11-16 学校法人東北学院 Enzyme-immobilized biosensor chip, biosensor module, and calorimetric biosensor using the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008256725A (en) * 2001-05-31 2008-10-23 Instrumentation Lab Co Analytical instruments and biosensors, and methods for increasing their accuracy and effective life
JP2008122151A (en) * 2006-11-09 2008-05-29 Seiko Epson Corp Biosensor system, inspection method and determiner
JP2016173273A (en) * 2015-03-17 2016-09-29 学校法人東北学院 Enzyme-based microcalorimeter
JP2017120240A (en) * 2015-12-28 2017-07-06 京セラ株式会社 Sensor device and detection method using the same
JP2017203747A (en) * 2016-05-13 2017-11-16 学校法人東北学院 Enzyme-immobilized biosensor chip, biosensor module, and calorimetric biosensor using the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021100281A1 (en) * 2019-11-19 2021-05-27 株式会社アドバンテスト Biosensor, flow path member used for biosensor, and method for using biosensor
JP7405574B2 (en) 2019-11-19 2023-12-26 株式会社アドバンテスト Biosensor and how to use the biosensor

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