JP2022088296A - High-sensitivity electrochemical biosensor - Google Patents

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JP2022088296A JP2021011076A JP2021011076A JP2022088296A JP 2022088296 A JP2022088296 A JP 2022088296A JP 2021011076 A JP2021011076 A JP 2021011076A JP 2021011076 A JP2021011076 A JP 2021011076A JP 2022088296 A JP2022088296 A JP 2022088296A
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敬亘 辻井
Takanobu Tsujii
圭太 榊原
Keita Sakakibara
祐貴 井上
Suketaka Inoue
聖 長谷川
Sei Hasegawa
エジ キム
Yeji Kim
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Kyoto University
LG Japan Lab Inc
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Kyoto University
LG Japan Lab Inc
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Abstract

To manufacture a biosensor capable of detecting only change in electrical characteristics due to biological response induced on a surface without influence of change in electrical characteristics of a measurement environment, that is to say, manufacture a biosensor capable of both eliminating background noise and immobilizing biomolecules serving as probes under an optimal condition to detect change in electrical characteristics due to capturing of target molecules with high sensitivity.SOLUTION: Chain-structured molecules in which a hydrophobic region, a functional region, probe molecules are linked in this order are provided on the surface of a substrate. The hydrophobic region is located on the surface side of the substrate, the substrate is a conductive substrate, and the hydrophobic region is composed of a water-insoluble polymer.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、生体分子の捕捉に伴う電気シグナルの変化を検出するバイオセンサー、およびそれに用いられる基板に関する。 The present invention relates to a biosensor that detects changes in electrical signals associated with the capture of biomolecules, and a substrate used thereof.

バイオセンサーは、疾患の検出や健康状態の測定を目的として、生体試料中の特定の対象分子を、特異的な生化学反応を利用して検出するためのデバイスである。生体分子の多くは、カルボキシ基、アミノ基またはリン酸基などの解離基を分子内に有する高分子電解質である。このため、電気信号の検出に電界効果トランジスタを使用する電気化学バイオセンシング技術が、バイオセンサーの高感度化、小型化、集積化などの点において有効である。 A biosensor is a device for detecting a specific target molecule in a biological sample by utilizing a specific biochemical reaction for the purpose of detecting a disease or measuring a health condition. Most biomolecules are polyelectrolytes that have dissociative groups such as carboxy groups, amino groups or phosphate groups in their molecules. Therefore, the electrochemical biosensing technique using a field effect transistor for detecting an electric signal is effective in terms of increasing sensitivity, miniaturization, integration, and the like of a biosensor.

電気化学バイオセンシングにおいて、水、溶解物、非対象物質などによる予期せぬ酸化還元反応や測定環境(イオン濃度など)の揺らぎ/偏りがバックグラウンドノイズとなり、高感度化の支障となる場合がある。近年、疎水性ポリマーブラシ構造を表面に有する電極用素子が、測定環境のイオン濃度に関わらず、ほぼ一定出力となることが明らかとなり、測定の高感度化を実現する参照電極素子として有望な候補の一つとなっている。一方、特定の生体分子の吸脱着を高感度に検出するためには、センサー表面に固定化されたプローブとなる生体分子と生体試料中のターゲットとなる生体分子とを特異的に相互作用させる必要がある。 In electrochemical biosensing, unexpected redox reactions due to water, lysates, non-target substances, etc. and fluctuations / biases in the measurement environment (ion concentration, etc.) may cause background noise, which may hinder higher sensitivity. .. In recent years, it has become clear that an electrode element having a hydrophobic polymer brush structure on its surface has an almost constant output regardless of the ion concentration in the measurement environment, and is a promising candidate as a reference electrode element that realizes high measurement sensitivity. It is one of. On the other hand, in order to detect the attachment / detachment of a specific biomolecule with high sensitivity, it is necessary to specifically interact between the biomolecule that is the probe immobilized on the sensor surface and the target biomolecule in the biosample. There is.

大量の狭窄物を含む生体試料中において、特定の特異的相互作用を誘起させるためには、あらゆる非特異的な相互作用を可能な限り完全に排除するとともに、プローブとなる生体分子の状態すなわち、密度、高次構造、周辺環境などを最適にして固定化する必要がある。一方、参照電極素子としての利用を前提とする疎水性ポリマー表面では、このような高度な表面構造および表面特性の制御は非常に困難である。また、非特異吸着を抑制する目的で、多くの場合、スキムミルク、アルブミン、TritonXに代表されるブロッキング剤が使用されるが、ブロッキング剤の選択が測定系に大きく依存するため、測定ごとに最適なブロッキング剤を吟味する必要がある、物理吸着に基づくため剥離する恐れがある、吸着密度および吸着膜厚を規定できない、等の問題がある。 In order to induce a specific specific interaction in a biological sample containing a large amount of stenosis, all non-specific interactions should be eliminated as completely as possible, and the state of the biomolecule used as a probe, that is, It is necessary to optimize and immobilize the density, higher-order structure, surrounding environment, etc. On the other hand, it is very difficult to control such an advanced surface structure and surface characteristics on the surface of a hydrophobic polymer which is supposed to be used as a reference electrode element. In addition, blocking agents such as skim milk, albumin, and TritonX are often used for the purpose of suppressing non-specific adsorption, but the selection of the blocking agent largely depends on the measurement system, so it is optimal for each measurement. There are problems such as the need to examine the blocking agent, the possibility of peeling due to physical adsorption, and the inability to specify the adsorption density and adsorption film thickness.

特開2019-045417号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-045417 国際公開第2017/163715号パンフレットInternational Publication No. 2017/1673715 Pamphlet 国際公開第2016/035752号パンフレットInternational Publication No. 2016/035752 Pamphlet 特開2004-226381号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-226381

本発明は、測定環境の電気的特性の変化に影響されず、表面で誘起される生体応答による電気的特性の変化だけを検出できるバイオセンサーを創製することを目的とする。 An object of the present invention is to create a biosensor that is not affected by changes in electrical characteristics of a measurement environment and can detect only changes in electrical characteristics due to a biological response induced on the surface.

換言すれば本発明は、バックグラウンドノイズの排除と、プローブとなる生体分子の最適条件での固定化を両立させることで、ターゲット分子の捕捉による電気的特性の変化を高感度に検出できるバイオセンサーを創製することを課題とする。 In other words, the present invention is a biosensor that can detect changes in electrical characteristics due to capture of target molecules with high sensitivity by achieving both elimination of background noise and immobilization of biomolecules as probes under optimal conditions. The challenge is to create.

本発明においては、表面が疎水性および機能性セグメントからなる二層のポリマーブラシ構造で修飾された導電性基板を好ましく用いることができる。一般的に、水分子や測定系に溶存するイオン等の低分子物質は、測定環境の電気的特性の変化を誘起することが考えられる。疎水性ポリマーセグメントには、このような低分子物質の導電性基板への拡散を抑制することが期待される。また、機能性ポリマーセグメントには、非特異的な相互作用の排除、共有結合による生体分子の固定、生体分子の固定化環境の最適化などの効果が期待される。これらは、求める機能に応じた官能基の導入により実現することが可能である。例えば、図1に示されているように、疎水性ポリマーブラシ層が電極側に、親水性ポリマーブラシ層がバイオ環境側に配置された構造とすることで、このような効果を実現することが可能である。 In the present invention, a conductive substrate having a surface modified with a two-layer polymer brush structure consisting of hydrophobic and functional segments can be preferably used. In general, small molecule substances such as water molecules and ions dissolved in the measurement system are considered to induce changes in the electrical characteristics of the measurement environment. Hydrophobic polymer segments are expected to suppress the diffusion of such small molecule substances into conductive substrates. In addition, the functional polymer segment is expected to have effects such as elimination of non-specific interactions, fixation of biomolecules by covalent bonds, and optimization of the environment for immobilization of biomolecules. These can be realized by introducing a functional group according to the desired function. For example, as shown in FIG. 1, such an effect can be realized by having a structure in which the hydrophobic polymer brush layer is arranged on the electrode side and the hydrophilic polymer brush layer is arranged on the bioenvironment side. It is possible.

よって本発明においては、以下のような態様を提案することができる。
〔1〕疎水性領域、機能性領域、およびプローブ分子がこの順序で連結された鎖状構造分子を基板の表面に備え、疎水性領域が基板の表面側に位置することを特徴とする、バイオセンサー。
〔2〕基板が導電性基板である、〔1〕に記載のバイオセンサー。
〔3〕疎水性領域が、非水溶性ポリマーにより構成されている、〔1〕または〔2〕に記載のバイオセンサー。
〔4〕機能性領域が、機能性ポリマーにより構成されている、〔1〕から〔3〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔5〕前記鎖状構造分子が導電性基板の表面にブラシ状に配置され、その密度が0.01分子/nm~1分子/nmである、〔1〕から〔4〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔6〕電気化学的な検出素子を備え、基板が導電性基板である電極である、〔1〕から〔5〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔7〕前記鎖状構造分子の機能性領域を構成する分子が、特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する官能基を有する、〔1〕から〔6〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔8〕特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する官能基がターシャーリーブチル基の解離により形成されるカルボキシ基である、〔7〕に記載のバイオセンサー。
〔9〕前記鎖状構造分子の疎水性領域により構成される非水溶性ポリマー層が、1nm~100nmの厚さを有する、〔1〕から〔8〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔10〕前記鎖状構造分子の疎水性領域が、直接および/または間接的な共有結合により導電性基板に固定化されている、〔1〕から〔9〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔11〕前記鎖状構造分子の疎水性領域が、導電性基板に固定化された重合開始基を介して導電性基板に結合されている、〔10〕に記載のバイオセンサー。
〔12〕前記鎖状構造分子の疎水性領域により構成される非水溶性ポリマー層が、1nm~50nmの厚さを有する、〔11〕に記載のバイオセンサー。
〔13〕前記鎖状構造分子の疎水性領域が、ターシャリーブチル基を側鎖に有するモノマーユニットからなる、〔1〕から〔12〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔14〕基板と純水との接触角が60°以下である、〔1〕から〔13〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
〔15〕プローブ分子がDNAオリゴヌクレオチド、RNAアプタマー、および抗体からなる群から選択される分子である、〔1〕から〔14〕のいずれかに記載のバイオセンサー。
Therefore, in the present invention, the following aspects can be proposed.
[1] The bio is characterized in that a chain structure molecule in which a hydrophobic region, a functional region, and a probe molecule are linked in this order is provided on the surface of the substrate, and the hydrophobic region is located on the surface side of the substrate. sensor.
[2] The biosensor according to [1], wherein the substrate is a conductive substrate.
[3] The biosensor according to [1] or [2], wherein the hydrophobic region is composed of a water-insoluble polymer.
[4] The biosensor according to any one of [1] to [3], wherein the functional region is composed of a functional polymer.
[5] Any of [1] to [4], wherein the chain structure molecule is arranged in a brush shape on the surface of the conductive substrate, and the density thereof is 0.01 molecule / nm 2 to 1 molecule / nm 2 . The biosensor described in.
[6] The biosensor according to any one of [1] to [5], which comprises an electrochemical detection element and the substrate is an electrode which is a conductive substrate.
[7] The biosensor according to any one of [1] to [6], wherein the molecule constituting the functional region of the chain structure molecule has a functional group for binding a probe molecule that captures a specific biomolecule. ..
[8] The biosensor according to [7], wherein the functional group that binds the probe molecule that captures a specific biomolecule is a carboxy group formed by dissociation of a tarsier butyl group.
[9] The biosensor according to any one of [1] to [8], wherein the water-insoluble polymer layer composed of the hydrophobic region of the chain structure molecule has a thickness of 1 nm to 100 nm.
[10] The biosensor according to any one of [1] to [9], wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule is immobilized on a conductive substrate by a direct and / or indirect covalent bond.
[11] The biosensor according to [10], wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule is bonded to the conductive substrate via a polymerization initiating group immobilized on the conductive substrate.
[12] The biosensor according to [11], wherein the water-insoluble polymer layer composed of the hydrophobic region of the chain structure molecule has a thickness of 1 nm to 50 nm.
[13] The biosensor according to any one of [1] to [12], wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule comprises a monomer unit having a tertiary butyl group in the side chain.
[14] The biosensor according to any one of [1] to [13], wherein the contact angle between the substrate and pure water is 60 ° or less.
[15] The biosensor according to any one of [1] to [14], wherein the probe molecule is a molecule selected from the group consisting of DNA oligonucleotides, RNA aptamers, and antibodies.

本発明によれば、疎水性ポリマーセグメントの存在により、測定環境の変化がバックグラウンドノイズとならない作用電極素子を開発でき、さらに機能性ポリマーセグメントの工夫により、電気化学バイオセンシングによる様々な生体分子の高感度測定が実現できる。さらに、この高感度化が小面積でのセンシングに繋がることにより、バイオセンサーの小型化および集積化に大きく貢献することが可能である。 According to the present invention, it is possible to develop an action electrode element in which changes in the measurement environment do not become background noise due to the presence of the hydrophobic polymer segment, and further, by devising the functional polymer segment, various biomolecules by electrochemical biosensing can be developed. High-sensitivity measurement can be realized. Furthermore, this high sensitivity leads to sensing in a small area, which can greatly contribute to the miniaturization and integration of biosensors.

本発明のバイオセンサーの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the biosensor of this invention. 本発明のバイオセンサーによるシグナル検出のメカニズムの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the signal detection mechanism by the biosensor of this invention. 実施例1において作製した、バイオセンサー表面の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the surface of a biosensor produced in Example 1. FIG. 酸処理を行う前後の基板の高感度反射型(Reflection Absorption Spectroscopy、RAS)フーリエ変換赤外分光(IRRAS)チャートである。(a) 酸処理前、(b) 酸処理後。It is a high-sensitivity reflection type (RAS) Fourier transform infrared spectroscopy (IRRAS) chart of a substrate before and after acid treatment. (a) Before acid treatment, (b) After acid treatment. ポリマーブラシ二層構造表面における純水の接触角と酸処理時間の関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the contact angle of pure water, and the acid treatment time on the surface of a polymer brush two-layer structure. 実施例2における、各電極におけるpH標準液(pH4.01、6.86、9.26)中での電位差を示す図である。It is a figure which shows the potential difference in the pH standard solution (pH 4.01, 6.86, 9.26) in each electrode in Example 2. FIG. 実施例3における、異なる重合時間で作製したポリマーブラシ層で修飾された金電極を作用電極とした際のウシ血清アルブミン(BSA)の吸着に伴う電位差の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the potential difference with the adsorption of bovine serum albumin (BSA) when the gold electrode modified by the polymer brush layer made with the different polymerization time was used as the working electrode in Example 3. FIG. 実施例4における、各電極におけるBcl2捕捉に伴う電位差の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the potential difference with Bcl2 capture in each electrode in Example 4. FIG.

〔鎖状構造分子〕
本発明のバイオセンサーにおいて基板の表面に備えられている鎖状構造分子は、疎水性領域、機能性領域、およびプローブ分子がこの順序で連結されていることを特徴とする。この鎖状構造分子の疎水性領域は基板の表面側に位置している。
[Chain structure molecule]
In the biosensor of the present invention, the chain structure molecule provided on the surface of the substrate is characterized in that the hydrophobic region, the functional region, and the probe molecule are linked in this order. The hydrophobic region of this chain structure molecule is located on the surface side of the substrate.

この鎖状構造分子の疎水性領域は、非水溶性ポリマーにより構成されていることが好ましい。この疎水性領域は、遮水層、すなわち疎水性ポリマーブラシ層として機能し、シグナルの検出におけるバックグラウンドノイズの排除に貢献することが可能である。 The hydrophobic region of this chain structure molecule is preferably composed of a water-insoluble polymer. This hydrophobic region can serve as an impermeable layer, i.e. a hydrophobic polymer brush layer, and contribute to the elimination of background noise in signal detection.

また、本発明のバイオセンサーにおいて基板の表面に備えられている鎖状構造分子の機能性領域は、機能性ポリマーにより構成されていることが好ましい。この機能性領域においては、生体分子を化学固定するための官能基を側鎖に有するモノマーユニットからなるポリマー層を有する機能層を形成することが可能である。 Further, in the biosensor of the present invention, the functional region of the chain structure molecule provided on the surface of the substrate is preferably composed of a functional polymer. In this functional region, it is possible to form a functional layer having a polymer layer composed of a monomer unit having a functional group for chemically immobilizing a biomolecule in a side chain.

本発明のバイオセンサーにおいて基板の表面に備えられている鎖状構造分子が形成する機能層は、遮水層の上部に配置された構造とするのであれば、その連結のさせ方については特に限定する必要はない。つまり、この二層構造を構築する方法として、疎水性ポリマーブラシ層を構築した後、その表面を適切に処理しても良いし、ブロック型ポリマーブラシ構造を用いても良いし、疎水性ポリマーブラシ層を構築した後、適切なポリマーで物理的にコーティングしても良い。 In the biosensor of the present invention, if the functional layer formed by the chain structure molecule provided on the surface of the substrate has a structure arranged on the upper part of the impermeable layer, the method of connecting the functional layer is particularly limited. do not have to. That is, as a method for constructing this two-layer structure, after constructing the hydrophobic polymer brush layer, the surface thereof may be appropriately treated, a block type polymer brush structure may be used, or the hydrophobic polymer brush may be used. After building the layer, it may be physically coated with a suitable polymer.

さらに、本発明のバイオセンサーにおいては、遮水層によって低分子物質の移動を阻止し、機能層によって非特異的な生体高分子の吸着を阻止することにより、バックグラウンドノイズと高分子由来ノイズ(非特異的吸着ノイズ)の両者を低減することを可能としている。また、鎖状構造分子が基板の表面に共有結合されている場合には、その剥離を防止することが可能である。 Further, in the biosensor of the present invention, the impermeable layer blocks the movement of small molecule substances, and the functional layer blocks the adsorption of non-specific biopolymers, thereby causing background noise and polymer-derived noise ( It is possible to reduce both non-specific adsorption noise). Further, when the chain structure molecule is covalently bonded to the surface of the substrate, it is possible to prevent its peeling.

また、前記鎖状構造分子の機能性領域を構成する分子については、特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する官能基を有していることが好ましく、この特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する代表的な官能基は、カルボキシル基もしくはその活性エステル、エポキシ基、トシル基、アミノ基、チオール基、又はブロモアセトアミド基などが挙げられる。カルボキシ基は、例えば、ターシャーリーブチル基の解離により形成されるものでも良い。 Further, the molecule constituting the functional region of the chain structure molecule preferably has a functional group for binding a probe molecule that captures a specific biomolecule, and a probe that captures this specific biomolecule. Typical functional groups that bind the molecule include a carboxyl group or an active ester thereof, an epoxy group, a tosyl group, an amino group, a thiol group, a bromoacetamide group, and the like. The carboxy group may be formed by, for example, dissociation of a tarshally butyl group.

さらに、本発明のバイオセンサーにおいては、前記鎖状構造分子が導電性基板の表面にブラシ状に配置され、その密度が0.01分子/nm~1分子/nmであることが好ましい。これにより、シグナルの検出におけるバックグラウンドノイズの排除に貢献することを可能としている。また、鎖状構造分子の密度を制御することにより、各々の検体の種類に対する最適な鎖状構造分子の密度を設定することを可能としている。 Further, in the biosensor of the present invention, it is preferable that the chain-structured molecules are arranged in a brush shape on the surface of the conductive substrate and the density thereof is 0.01 molecule / nm 2-1 molecule / nm 2 . This makes it possible to contribute to the elimination of background noise in signal detection. Further, by controlling the density of the chain structure molecule, it is possible to set the optimum density of the chain structure molecule for each type of sample.

〔基板〕
本発明のバイオセンサーにおいて用いられる基板は、導電性基板であることが好ましい。基板の材質としては、白金、金などを例示することができるが、金が好ましい。さらに、本発明のバイオセンサーにおいて用いられる基板は、電気化学的な検出素子を備えた電極であることが好ましい。
〔substrate〕
The substrate used in the biosensor of the present invention is preferably a conductive substrate. Examples of the material of the substrate include platinum and gold, but gold is preferable. Further, the substrate used in the biosensor of the present invention is preferably an electrode provided with an electrochemical detection element.

また、本発明のバイオセンサーにおいて用いられる基板においては、前記鎖状構造分子の疎水性領域が、基板に固定化された重合開始基を介して基板に結合されていることが好ましい。さらに、前記鎖状構造分子の疎水性領域により構成される非水溶性ポリマー層は、1nm~100nmの厚さを有していることが好ましく、1nm~50nmの厚さを有していることがより好ましい。 Further, in the substrate used in the biosensor of the present invention, it is preferable that the hydrophobic region of the chain structure molecule is bonded to the substrate via a polymerization initiating group immobilized on the substrate. Further, the water-insoluble polymer layer composed of the hydrophobic region of the chain structure molecule preferably has a thickness of 1 nm to 100 nm, and preferably has a thickness of 1 nm to 50 nm. More preferred.

さらに、本発明のバイオセンサーにおいて用いられる基板においては、前記鎖状構造分子の疎水性領域が、直接および/または間接的な共有結合により導電性基板に固定化されていることが好ましい。 Further, in the substrate used in the biosensor of the present invention, it is preferable that the hydrophobic region of the chain structure molecule is immobilized on the conductive substrate by a direct and / or indirect covalent bond.

また、本発明のバイオセンサーにおいて用いられる基板においては、前記鎖状構造分子の疎水性領域が、導電性基板に固定化された重合開始基を介して導電性基板に結合されていることが好ましい。 Further, in the substrate used in the biosensor of the present invention, it is preferable that the hydrophobic region of the chain structure molecule is bonded to the conductive substrate via the polymerization initiating group immobilized on the conductive substrate. ..

そして、前記鎖状構造分子の疎水性領域は、アルキル基、芳香環、フッ化アルキル基などを側鎖に有するモノマーユニットからなり、非水溶性であることが好ましい。また、基板と純水との接触角は60°以上であることが好ましい。 The hydrophobic region of the chain structure molecule is preferably composed of a monomer unit having an alkyl group, an aromatic ring, a fluorinated alkyl group or the like in the side chain, and is preferably water-insoluble. Further, the contact angle between the substrate and pure water is preferably 60 ° or more.

また、本発明のバイオセンサーにおいては、プローブ分子の種類は目的物質を補足できるものであれば特に限定されないが、プローブ分子はDNAオリゴヌクレオチド、RNAアプタマー、および抗体からなる群から選択される分子であることが好ましい。 Further, in the biosensor of the present invention, the type of the probe molecule is not particularly limited as long as it can supplement the target substance, but the probe molecule is a molecule selected from the group consisting of DNA oligonucleotides, RNA aptamers, and antibodies. It is preferable to have.

本発明の内容を以下の実施例を用いて説明するが、本発明の範囲はこれら実施例に限定して解釈されるものではない。 The contents of the present invention will be described with reference to the following examples, but the scope of the present invention is not construed as being limited to these examples.

(実施例1)
図3に、本発明において作製したバイオセンサー表面の化学構造の一例を示す。
まず、以下に示す方法を用いて、シリコン基板、金スパッタ基板(Cr:10 nm、Au:200 nm)およびQuartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D)測定用の金センサー基板に原子移動ラジカル重合(ATRP)の重合開始基を固定した。使用前、それぞれの基板に10分間のUV/O3処理を行い、表面を清浄にした。処理直後、シリコン基板は20 mmol/Lの濃度に調整した(2-bromo-2-methyl)propionyloxypropyltrimethoxysilaneのエタノールと水の混合溶液(93%エタノール、アンモニアを1.4 mol/Lの濃度で含む)に、金基板は3.0 mmol/Lの濃度に調整したα-bromobutyrate-11-undecanethiolのエタノール溶液にそれぞれ浸漬した。一晩室温で静置して、基板を溶液から取り出し、エタノールで洗浄した後、窒素ブローで乾燥させて回収した。次に、表面開始型ATRP (SI-ATRP)法を用いて、図3上段に示すpoly(tert-butyl methacrylate (tBMA)) (PtBMA)ブラシ構造を各基板表面に構築した。ナス型フラスコに、tBMA、塩化銅(I) (CuCl)、4,4’-dinonyl-2,2′-dipyridyl (dN-Bpy)、ethyl 2-bromoisobutyrate (EBIB)を、tBMA / EBIB / CuCl / dN-Bpy = 2000 / 1.0 / 2.5 / 5.0 (by molar fraction)の割合で秤取り、アルゴンバブリングしながら溶解させた後、作製した開始基固定化基板を設置した重合管に添加し、密栓した。70℃に保持したオイルバス内で150 rpmほどの速度で重合管を振とうすることで重合を進行させた。所定時間経過後、重合管を室温に素早く冷却することで重合を止め、重合溶液内から基板を取り出した。取り出した基板を、テトラヒドロフラン(THF)で十分に洗浄し、窒素ブローで乾燥させて回収した。必要な時には、PtBMA-1hのように略称の後ろに重合時間を記載した。基板上のグラフトポリマー鎖の分子量に関する情報を得るため、回収した重合溶液をTHFで希釈して濃度既知の溶液を作製し、この溶液を使用してGel permeation chromatography (GPC)測定することで、モノマー転化率および分子量に関する情報を得た。GPC測定では、溶離液としてTHF、カラムとしてKF-404 HQを用い、流速を0.3 mL/min、標準試料をpoly(methyl methacrylate)とした。乾燥時のポリマーブラシ層の膜厚を分光エリプソメトリーにより測定した結果、重合時間により、ポリマーブラシ層の膜厚を、10~40nmの範囲で制御できた。また、グラフト密度は0.36chains/nmであった。溶液中に合成されたポリマーの分子量分布は、重合時間の増加に伴い、1.50から1.15へと減少した。
PtBMAブラシ基板を室温にて濃塩酸水と接触させ、表面改質を行った。図4に示した120分間の酸処理を行う前後のPtBMAブラシ基板のIRRASチャートにおいて、メチル基に由来する1368、1393および2979 cm-1の吸収ピークは両基板に検出されたが、ヒドロキシ基に由来する3200 cm-1付近の幅の広い吸収ピークは、酸処理を行った基板にしか検出されなかった。この結果から、酸処理によりヒドロキシ基が生成されたことが分かった。つまり、表面近傍のtBMAユニットをメタクリル酸ユニット(MA)に変化させた基板(PtBMA-COOH基板)を作製できた。
PtBMA-COOHブラシ基板に対する純水の接触角と酸処理時間の関係を示した図5から、酸処理時間の経過とともに、純水の接触角が、徐々に小さくなることが分かった。図4および5から、基板側に疎水性ポリマーブラシ層が、表面側に親水性ポリマーブラシ層が配置されたポリマーブラシ二層構造基板を作製できたことが示された。
(Example 1)
FIG. 3 shows an example of the chemical structure of the biosensor surface produced in the present invention.
First, atom transfer radical polymerization (Cr: 10 nm, Au: 200 nm) and gold sensor substrate for Quartz crystal microbalance with dispersion (QCM-D) measurement using the method shown below. The polymerization initiation group of ATRP) was fixed. Before use, each substrate was UV / O3 treated for 10 minutes to clean the surface. Immediately after the treatment, the silicon substrate was put into a mixed solution of ethanol and water (93% ethanol, containing ammonia at a concentration of 1.4 mol / L) of (2-bromo-2-methyl) propionyloxypropyltrimethoxysilane adjusted to a concentration of 20 mmol / L. The gold substrate was immersed in an ethanol solution of α-bromobutyrate-11-undecanethiol adjusted to a concentration of 3.0 mmol / L, respectively. The substrate was allowed to stand overnight at room temperature, the substrate was removed from the solution, washed with ethanol, and then dried with a nitrogen blow to recover. Next, the poly (tert-butylryl (tBMA)) (PtBMA) brush structure shown in the upper part of FIG. 3 was constructed on the surface of each substrate by using the surface-initiated ATRP (SI-ATRP) method. In a eggplant-shaped flask, tBMA, copper (I) chloride (CuCl), 4,4'-dinonyl-2,2'-dipyridyl (dN-Bpy), ethyl 2-bromoisobutyrate (EBIB), tBMA / EBIB / CuCl / It was weighed at a ratio of dN-Bpy = 2000 / 1.0 / 2.5 / 5.0 (by molar fraction), dissolved while bubbling with argon, added to the polymer tube on which the prepared initiating group-immobilized substrate was installed, and sealed. Polymerization was promoted by shaking the polymerization tube at a speed of about 150 rpm in an oil bath maintained at 70 ° C. After a lapse of a predetermined time, the polymerization tube was quickly cooled to room temperature to stop the polymerization, and the substrate was taken out from the polymerization solution. The removed substrate was thoroughly washed with tetrahydrofuran (THF), dried with a nitrogen blow, and recovered. When necessary, the polymerization time is described after the abbreviation, such as PtBMA-1h. Monomers are obtained by diluting the recovered polymerization solution with THF to prepare a solution of known concentration and using this solution for Gel permeation chromatography (GPC) measurements to obtain information on the molecular weight of the graft polymer chains on the substrate. Information on conversion and molecular weight was obtained. In GPC measurement, THF was used as the eluent, KF-404 HQ was used as the column, the flow rate was 0.3 mL / min, and the standard sample was poly (methyl acrylic). As a result of measuring the film thickness of the polymer brush layer at the time of drying by spectroscopic ellipsometry, the film thickness of the polymer brush layer could be controlled in the range of 10 to 40 nm depending on the polymerization time. The graft density was 0.36 chains / nm 2 . The molecular weight distribution of the polymer synthesized in the solution decreased from 1.50 to 1.15 with increasing polymerization time.
The PtBMA brush substrate was brought into contact with concentrated hydrochloric acid water at room temperature to modify the surface. In the IRRAS chart of the PtBMA brush substrate before and after the acid treatment for 120 minutes shown in FIG. 4, absorption peaks of 1368, 1393 and 2979 cm -1 derived from the methyl group were detected on both substrates, but on the hydroxy group. The resulting wide absorption peak around 3200 cm -1 was detected only on the acid-treated substrate. From this result, it was found that the hydroxy group was generated by the acid treatment. That is, a substrate (PtBMA-COOH substrate) in which the tBMA unit near the surface was changed to a methacrylic acid unit (MA) could be produced.
From FIG. 5, which shows the relationship between the contact angle of pure water with respect to the PtBMA-COOH brush substrate and the acid treatment time, it was found that the contact angle of pure water gradually decreased with the lapse of the acid treatment time. From FIGS. 4 and 5, it was shown that a polymer brush two-layer structure substrate in which the hydrophobic polymer brush layer was arranged on the substrate side and the hydrophilic polymer brush layer was arranged on the surface side could be produced.

(実施例2)
図6に、異なるポリマーブラシ層を有する金電極を作用電極とした際の様々なpHの溶液の電位差を示す。具体的には、Ag/AgCl参照電極を溶液内に設置し、ソース/メジャーユニットを用いて作用電極-参照電極間の電位差を測定した。
pH応答性の官能基があれば、pHと電位差との間には本来、線形の関係がある。
・PtBMAブラシ層で修飾された金電極
→Bare Auと比較して、電位差がpHに非依存的
・PtBMA-COOHブラシ層で修飾された金電極
→pHと電位差との間に線形の関係
・未修飾、COOH-SAM修飾またはウシ血清アルブミン(BSA)コーティング金電極
→pHと電位差との間に相関なし
以上のことから、疎水性ポリマーブラシ層により荷電状態が一定となった表面に、pH応答性のカルボキシ基が導入されたため、pHセンサーとしての機能が付与されることが明らかになった。
PtBMAブラシ層を遮水層として導入することで、測定環境の一つであるpHの変化によるバックグラウンドノイズを小さくすることができたものと考えられた。
BSAは、バイオセンシング研究で、ブロッキング剤としてしばしば使用されるタンパク質である。BSAでコーティングされた金電極の結果から、BSAによるブロッキングでは、バックグラウンドノイズを低減できないことが分かった。遮水層を導入することによるバックグラウンドノイズ低減の優位性が示された。
(Example 2)
FIG. 6 shows the potential difference between solutions of various pH when a gold electrode having different polymer brush layers is used as a working electrode. Specifically, an Ag / AgCl reference electrode was placed in the solution, and the potential difference between the working electrode and the reference electrode was measured using a source / measure unit.
If there is a pH-responsive functional group, there is inherently a linear relationship between pH and the potential difference.
・ Gold electrode modified with PtBMA brush layer → pH-independent potential difference compared to Bare Au ・ Gold electrode modified with PtBMA-COOH brush layer → Linear relationship between pH and potential difference ・ Not yet Modification, COOH-SAM modification or bovine serum albumin (BSA) coated gold electrode → No correlation between pH and potential difference From the above, pH responsiveness to the surface whose charge state is constant by the hydrophobic polymer brush layer. It was clarified that the function as a pH sensor was imparted due to the introduction of the carboxy group of.
It is considered that the background noise due to the change in pH, which is one of the measurement environments, could be reduced by introducing the PtBMA brush layer as an impermeable layer.
BSA is a protein often used as a blocking agent in biosensing studies. The results of the BSA-coated gold electrodes showed that blocking with BSA could not reduce background noise. The superiority of background noise reduction by introducing an impermeable layer was shown.

(実施例3)
図7に、異なる重合時間で作製したポリマーブラシ層で修飾された金電極を作用電極とした際のウシ血清アルブミン(BSA)の吸着に伴う電位差の時間変化を示す。電位差の測定には、ソース/メジャーユニットを用い、溶液内に設置したAg/AgCl参照電極と作用電極の間の電位差をリアルタイムで測定した。測定の具体的な方法として、リン酸緩衝溶液を予め接触させておき、そこに終濃度が1.0 mg/mLとなるようにBSA溶液を添加した。
図7に示すように、疎水性のポリマーブラシ層で覆われた電極表面でも、未修飾の金電極と同様に、タンパク質の吸着に伴う電位差の変化を検出することができた。
よって本電極上で、バイオ反応を検出することが可能であることが示されている。
また、図7から、PtBMAブラシ層の膜厚が大きい場合、電位差の変化値が小さくなった。最表面の特性は膜厚には依存しない。
すなわち、膜厚が大きいポリマーブラシ層では、BSAの吸着面が金表面から遠くなり、感度が低下した。
図6の結果と合わせて考えると、今回実施した範囲では、15 nm程度の膜厚を持つ表面で、遮水効果とバイオ反応検出を両立できることが分かった。
(Example 3)
FIG. 7 shows the time change of the potential difference due to the adsorption of bovine serum albumin (BSA) when a gold electrode modified with a polymer brush layer prepared at different polymerization times is used as a working electrode. A source / measure unit was used to measure the potential difference, and the potential difference between the Ag / AgCl reference electrode and the working electrode placed in the solution was measured in real time. As a specific method of measurement, a phosphate buffer solution was contacted in advance, and a BSA solution was added thereto so that the final concentration was 1.0 mg / mL.
As shown in FIG. 7, even on the electrode surface covered with the hydrophobic polymer brush layer, the change in the potential difference due to the adsorption of the protein could be detected as in the case of the unmodified gold electrode.
Therefore, it is shown that it is possible to detect a bioreaction on this electrode.
Further, from FIG. 7, when the film thickness of the PtBMA brush layer was large, the change value of the potential difference became small. The characteristics of the outermost surface do not depend on the film thickness.
That is, in the polymer brush layer having a large film thickness, the adsorption surface of BSA became far from the gold surface, and the sensitivity decreased.
Considering this together with the results shown in FIG. 6, it was found that in the range implemented this time, both the impermeable effect and the bioreaction detection can be achieved on the surface having a film thickness of about 15 nm.

(実施例4)
図8に、プローブDNAを予め固定化したPtBMA-COOHブラシ層に、ターゲットDNAとしてBcl2を接触させた際の電位差の時間変化を示す。
プローブDNAとして、5’末端がアミノ基修飾された30merの一本鎖DNA (5’-NH2-ATG AAG TAA GAG GAC AGG CAC CAC AGC CCC-3’)を、ターゲットDNAとして、Bcl2領域を含む87merの一本鎖DNA (Bcl2、5’-GCG GGC GGG CGG GCA GGC GGC GCG GAG GGG CGG GCG CGG GAG GAA GGG GGC GGG AGC GGG GCT GTG GTG CCT GTC CTC TTA CTT CAT-3’)を用いた。ここで、前半の下線部がBcl2領域であり、後半の下線部がプローブDNAとの相補領域である。PtBMA-COOHブラシ層は、PtBMAブラシ層を作製する際の重合時間が1時間、カルボキシ基を導入するための濃塩酸水処理が60分間の条件で作製したものである(膜厚:15 nm)。プローブDNAを基板に固定化するため、1-ethyl-3-(3-dimethylamino propyl)carbodiimide, hydrochloride (WSC)およびN-hydroxysuccinimide (NHS)を使用して、表面のカルボキシ基とプローブDNAのアミノ基の縮合反応を利用した。プローブDNAの固定化密度は、エネルギー散逸型水晶振動子マイクロバランス(QCM-D)により、1.0 x 10-2 DNA/nm2程度と定量された。ネガティブコントロールとして、上述のプローブDNAを予め固定化したCOOH-SAMを使用した。また、COOH-SAMを用いた実験においては、相補配列を持たないDNAもターゲットDNAとして使用した。
図8より、Bcl2がプローブDNA固定化COOH-SAM修飾電極と接触すると、負の電位差変化が検出された(21 mV)。一方、同じ電極にプローブDNAと相補配列を持たないDNAを接触させた際には、電位差のシフトはほとんどなかった(2 mV)。これらの結果から、Bcl2を接触させた際の電位差変化は、負に帯電するBcl2が、固定化されたプローブDNAとのハイブリダイゼーションにより、電極表面に捕捉されたことに由来することがわかった。プローブDNAを固定化したPtBMA-COOHブラシ層で修飾した電極でも、6 mV程度の負の電位差変化が検出されたことから、電極に固定化されたプローブDNAと溶液中のBcl2との間でハイブリダイゼーションが進行したことがわかった。
以上のことから、作製したPtBMA-COOHブラシ層修飾金電極はプローブ分子の固定化能と特異的な生体反応を検出できることが示された。
また、PtBMA-COOHブラシ層修飾金電極は、電気化学バイオセンサーとして利用できることが示された。
(Example 4)
FIG. 8 shows the time change of the potential difference when Bcl2 is brought into contact with the PtBMA-COOH brush layer on which the probe DNA is immobilized as the target DNA.
As probe DNA, 30 mer single-stranded DNA (5'-NH2-ATG AAG TAA GAG GAC AGG CAC CAC AGC CCC-3') with amino group modification at the 5'end is used as target DNA, 87 mer containing Bcl2 region. Single-stranded DNA (Bcl2, 5'-GCG GGC GGG CGG GCA GGC GGC GCG GAG GGG CGG GCG CGG GAG GAA GGG GGC GGG AGC GGG GCT GTG GTG CCT GTC CTC TTA CTT CAT -3') was used. Here, the underlined portion in the first half is the Bcl2 region, and the underlined portion in the second half is the complementary region with the probe DNA. The PtBMA-COOH brush layer was prepared under the conditions that the polymerization time for preparing the PtBMA brush layer was 1 hour and the concentrated hydrochloric acid water treatment for introducing the carboxy group was 60 minutes (thickness: 15 nm). .. Surface carboxy groups and amino groups of probe DNA are used to immobilize the probe DNA on the substrate using 1-ethyl-3- (3-dimethylamino propyl) carbodiimide, hydrochloride (WSC) and N-hydroxysuccinimide (NHS). The condensation reaction of The immobilization density of the probe DNA was quantified to be about 1.0 x 10 -2 DNA / nm 2 by the energy-dissipating quartz crystal microbalance (QCM-D). As a negative control, COOH-SAM in which the above-mentioned probe DNA was pre-immobilized was used. In the experiment using COOH-SAM, DNA without complementary sequence was also used as the target DNA.
From FIG. 8, when Bcl2 came into contact with the probe DNA-immobilized COOH-SAM modified electrode, a negative potential difference change was detected (21 mV). On the other hand, when the probe DNA and the DNA having no complementary sequence were brought into contact with the same electrode, there was almost no shift in the potential difference (2 mV). From these results, it was found that the change in potential difference when Bcl2 was brought into contact was due to the fact that the negatively charged Bcl2 was captured on the electrode surface by hybridization with the immobilized probe DNA. Even in the electrode modified with the PtBMA-COOH brush layer on which the probe DNA was immobilized, a negative potential difference change of about 6 mV was detected, so the probe DNA immobilized on the electrode and Bcl2 in the solution were high. It was found that hybridization had progressed.
From the above, it was shown that the prepared PtBMA-COOH brush layer-modified gold electrode can detect the immobilization ability of probe molecules and specific biological reactions.
It was also shown that the PtBMA-COOH brush layer modified gold electrode can be used as an electrochemical biosensor.

本発明は、電界効果トランジスタを応用したバイオセンシングデバイスの検出部としての利用が期待できる。特に、高感度化やアレイ化が必要なセンシングデバイスにおいて有効と考えられる。
以上のことから、本発明は産業上極めて有用である。
The present invention can be expected to be used as a detection unit of a biosensing device to which a field effect transistor is applied. In particular, it is considered to be effective for sensing devices that require high sensitivity and array.
From the above, the present invention is extremely useful in industry.

Claims (15)

疎水性領域、機能性領域、およびプローブ分子がこの順序で連結された鎖状構造分子を基板の表面に備え、疎水性領域が基板の表面側に位置することを特徴とする、バイオセンサー。 A biosensor comprising a chain structure molecule in which hydrophobic regions, functional regions, and probe molecules are linked in this order on the surface of a substrate, and the hydrophobic regions are located on the surface side of the substrate. 基板が導電性基板である、請求項1に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to claim 1, wherein the substrate is a conductive substrate. 疎水性領域が、非水溶性ポリマーにより構成されている、請求項1または2に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic region is composed of a water-insoluble polymer. 機能性領域が、機能性ポリマーにより構成されている、請求項1から3のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the functional region is composed of a functional polymer. 前記鎖状構造分子が導電性基板の表面にブラシ状に配置され、その密度が0.01分子/nm~1分子/nmである、請求項1から4のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the chain structure molecule is arranged in a brush shape on the surface of the conductive substrate, and the density thereof is 0.01 molecule / nm 2 to 1 molecule / nm 2 . Biosensor. 電気化学的な検出素子を備え、基板が導電性基板である電極である、請求項1から5のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the biosensor comprises an electrochemical detection element and the substrate is an electrode which is a conductive substrate. 前記鎖状構造分子の機能性領域を構成する分子が、特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する官能基を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the molecule constituting the functional region of the chain structure molecule has a functional group that binds a probe molecule that captures a specific biomolecule. 特定の生体分子を捕捉するプローブ分子を結合する官能基がターシャーリーブチル基の解離により形成されるカルボキシ基である、請求項7に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to claim 7, wherein the functional group that binds the probe molecule that captures a specific biomolecule is a carboxy group formed by dissociation of a tarsier butyl group. 前記鎖状構造分子の疎水性領域により構成される非水溶性ポリマー層が、1nm~100nmの厚さを有する、請求項1から8のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the water-insoluble polymer layer composed of the hydrophobic region of the chain structure molecule has a thickness of 1 nm to 100 nm. 前記鎖状構造分子の疎水性領域が、直接および/または間接的な共有結合により導電性基板に固定化されている、請求項1から9のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 9, wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule is immobilized on a conductive substrate by a direct and / or indirect covalent bond. 前記鎖状構造分子の疎水性領域が、導電性基板に固定化された重合開始基を介して導電性基板に結合されている、請求項10に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to claim 10, wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule is bonded to the conductive substrate via a polymerization initiating group immobilized on the conductive substrate. 前記鎖状構造分子の疎水性領域により構成される非水溶性ポリマー層が、1nm~50nmの厚さを有する、請求項11に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to claim 11, wherein the water-insoluble polymer layer composed of the hydrophobic region of the chain structure molecule has a thickness of 1 nm to 50 nm. 前記鎖状構造分子の疎水性領域が、ターシャリーブチル基を側鎖に有するモノマーユニットからなる、請求項1から12のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 12, wherein the hydrophobic region of the chain structure molecule comprises a monomer unit having a tertiary butyl group in the side chain. 基板と純水との接触角が60°以下である、請求項1から13のいずれか一項に記載のバイオセンサー。 The biosensor according to any one of claims 1 to 13, wherein the contact angle between the substrate and pure water is 60 ° or less. プローブ分子がDNAオリゴヌクレオチド、RNAアプタマー、および抗体からなる群から選択される分子である、請求項1から14のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
The biosensor according to any one of claims 1 to 14, wherein the probe molecule is a molecule selected from the group consisting of DNA oligonucleotides, RNA aptamers, and antibodies.
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