JP2540689B2 - Biological capacitance sensor - Google Patents

Biological capacitance sensor

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JP2540689B2
JP2540689B2 JP4078166A JP7816692A JP2540689B2 JP 2540689 B2 JP2540689 B2 JP 2540689B2 JP 4078166 A JP4078166 A JP 4078166A JP 7816692 A JP7816692 A JP 7816692A JP 2540689 B2 JP2540689 B2 JP 2540689B2
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detection electrode
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capacitance
organic compound
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裕一 伏脇
芳哉 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は抗原、抗体、酵素阻害剤
等の高分子量のアナライトを測定する生物学的電気容量
センサに関するものである。とくに本発明は、アナライ
トと生化学的結合系との生物学的特異結合によって引き
起される誘電特性の変化を検出することによって、生理
活性物質の測定が可能になるようにとくに工夫された構
造を有する生物学的電気容量センサに関するものであ
る。なお生化学的結合系は、測定される特定のアナライ
トに対して特異的親和力を持つように選択される。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a biological capacitance sensor for measuring high molecular weight analytes such as antigens, antibodies and enzyme inhibitors. In particular, the present invention has been specially devised so that it is possible to measure a physiologically active substance by detecting a change in dielectric property caused by a biological specific binding between an analyte and a biochemical binding system. The present invention relates to a biological capacitance sensor having a structure. The biochemical binding system is selected so that it has a specific affinity for the specific analyte to be measured.

【0002】[0002]

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】抗原、抗
体、酸素阻害剤等の高分子量のアナライトを、このアナ
ライトに対して特異的親和性を持つ結合物質を使って測
定するために、従来より各種の技法が試みられている。
免疫分析法は、ハプテン、抗原および抗体のようなアナ
ライトを液体媒体中で同定するのに用いられる。これら
の免疫分析法は、抗原と抗体の間のような反応対成分間
の生物学的特異結合に基いている。そして超微量の物質
を測定する場合が多く、ラジオアイソトープが標識試薬
として用いられる。しかし安全性等の種々の問題を抱え
ており、放射性物質を用いない新しい免疫分析法の開発
が盛んに行なわれている。例えば、酵素や蛍光剤等を標
識剤として用いる標識免疫分析法が実用に供されてい
る。
2. Description of the Related Art In order to measure high molecular weight analytes such as antigens, antibodies and oxygen inhibitors, using a binding substance having a specific affinity for the analytes. Conventionally, various techniques have been tried.
Immunoassays are used to identify analytes such as haptens, antigens and antibodies in liquid media. These immunoassays are based on the biological specific binding between reaction pairs such as antigens and antibodies. In many cases, a very small amount of substance is measured, and a radioisotope is used as a labeling reagent. However, it has various problems such as safety, and new immunoassays that do not use radioactive substances are being actively developed. For example, a labeled immunoassay method using an enzyme, a fluorescent agent, or the like as a labeling agent has been put to practical use.

【0003】しかし何れの方法も簡単かつ迅速な方法と
は言い難かった。そこで迅速かつ簡単に免疫分析を行な
う目的で、免疫センサが考案された。これらのセンサ
は、一般的には、結合対の1つが生物学的特異性をもっ
て相手対へ結合するときの、物理的および電気的または
光学的な性質の変化を検定する。電気的性質の変化を検
定する免疫センサだけでも、種々の方式の免疫センサが
作成されている。
However, it is difficult to say that any of the methods is simple and quick. Therefore, an immunosensor was devised for the purpose of performing a quick and easy immunoassay. These sensors generally assay for changes in physical and electrical or optical properties when one of the binding pairs binds to the partner pair with biological specificity. Various types of immunosensors have been prepared using only immunosensors for assaying changes in electrical properties.

【0004】山本直登その他は、抗体または抗原を電極
の表面に固定しておき、これに抗原もしくは抗体が結合
して抗原抗体複合物を形成することにより、電極電位が
変化する現象を利用し、抗原または抗体を検出した(C
lin.Chem.,26,1569(1980))。
Naoyama Yamamoto et al. Utilize the phenomenon that the electrode potential changes by immobilizing an antibody or an antigen on the surface of an electrode and binding the antigen or the antibody to this to form an antigen-antibody complex. Antigen or antibody detected (C
lin. Chem. 26, 1569 (1980)).

【0005】谷口功その他は、抗体(抗原)を固定した
ポリチラミン修飾電極を、抗原(抗体)と酵素標識抗原
(酵素標識抗体)を溶解したリン酸緩衝液に浸漬し、一
定時間後に酵素基質を加えて、酵素反応に基く電極電流
を測定して抗原(抗体)を検出した(特開平2−179
461号公報)。
[0005] In Taniguchi, et al., A polytyramine-modified electrode on which an antibody (antigen) is immobilized is dipped in a phosphate buffer solution in which the antigen (antibody) and an enzyme-labeled antigen (enzyme-labeled antibody) are dissolved, and after a certain time, an enzyme substrate is added. In addition, the electrode current based on the enzyme reaction was measured to detect the antigen (antibody) (JP-A-2-179).
461 publication).

【0006】熊谷善博その他は、電解効果トランジスタ
のゲート電極に抗体を固定し、抗原と第2の荷電抗体を
反応させ、ゲート電極の電位変化を測定して抗原を検出
した(特開平2−129542号公報)。なお上記免疫
センサは直流測定を利用しているが、交流測定を利用し
た免疫センサも作成されている。
Yoshihiro Kumagai et al. Detected an antigen by immobilizing an antibody on the gate electrode of a field effect transistor, reacting the antigen with a second charged antibody, and measuring the potential change of the gate electrode (JP-A-2-129542). Issue). Although the above-mentioned immunosensor uses direct current measurement, an immunosensor using alternating current measurement has also been created.

【0007】アイバー・ギアエバーその他は、試料溶液
中の抗原または抗体に対して特異的な結合部位を有する
電極上に、酵素標識抗原または酵素標識抗体と適当な酵
素基質を加えて、不溶性の反応生成物を生じさせた。そ
れによって起るインピーダンス変化を測定することによ
り、抗原または抗体の存在を定量的に検出した(特開平
2−24548号公報)。
[0007] Iver-Gia-Ever et al. Produce an insoluble reaction by adding an enzyme-labeled antigen or enzyme-labeled antibody and a suitable enzyme substrate on an electrode having a binding site specific to the antigen or antibody in the sample solution. Gave birth. The presence of the antigen or the antibody was quantitatively detected by measuring the impedance change caused thereby (JP-A-2-24548).

【0008】アーノルド・エル・ニューマンは、生物学
的結合層に接する容量測定領域中に1つの高い電場を生
成する開放型コンデンサを利用する電気容量センサを作
成した。この開放型コンデンサの電極は、電気絶縁層で
被覆され、生物学結合層が電気絶縁層上に固定されてい
る。バイオ特異性結合反応が、結合層から生物学分子を
引込みまたは解き放し、異なった誘電定数を持つ流体媒
質の分子を置き換えるので、センサの電気容量に変化が
起るようになる(特表昭63−501446号公報)。
Arnold El-Newman has created a capacitance sensor that utilizes an open capacitor that produces one high electric field in the capacitance measurement region that contacts the biological coupling layer. The electrodes of this open-type capacitor are coated with an electrically insulating layer, and the bio-binding layer is fixed on the electrically insulating layer. The biospecific binding reaction pulls in or releases biological molecules from the binding layer and replaces the molecules in the fluid medium with different dielectric constants, resulting in a change in the capacitance of the sensor. No. 501446).

【0009】ピエール・バタイラルドその他は、シリコ
ン基板表面のSiO2 酸化膜に抗体を固定した電極に、
抗原を反応させて抗原抗体複合物が形成すると、電極の
電気容量が変化する現象を利用して、抗原を検出した
(Anal.Chem.,60,2374(198
8))。
[0009] Pierre Batairard et al., The electrode which has immobilized the antibody on the SiO 2 oxide film on the surface of the silicon substrate,
The antigen was detected by utilizing the phenomenon that the capacitance of the electrode changes when the antigen reacts with the antigen to form an antigen-antibody complex (Anal. Chem., 60, 2374 (198).
8)).

【0010】本発明は、抗原、抗体、酵素阻害剤等の高
分子量のアナライトを測定するための構造が簡単な生物
学的電気容量センサを提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a biological capacitance sensor having a simple structure for measuring high molecular weight analytes such as antigens, antibodies and enzyme inhibitors.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、抗原、抗体、
酵素阻害剤等の高分子量のアナライトを測定するため
の、チタン基板を利用した生物学的電気容量センサに関
する。本発明では、チタン基板の表面にTiO2 酸化膜
を形成するとともに、この酸化膜上にアナライトに対し
て生物学的特異結合が可能な有機化合物を固定した検出
電極を用いるようにしている。検出電極をアナライトを
含む液体中に浸漬すると、アナライトはその固定された
有機化合物と結合する。ポテンショスタット、ロックイ
ンアンプ等を使用した装置で検出電極の電気容量を測定
すると、アナライトを結合させる前と後では、検出電極
の電気容量が変化するので、液体中のアナライト濃度を
測定することができる。
The present invention provides an antigen, an antibody,
The present invention relates to a biological capacitance sensor using a titanium substrate for measuring high molecular weight analytes such as enzyme inhibitors. In the present invention, a TiO 2 oxide film is formed on the surface of a titanium substrate, and a detection electrode in which an organic compound capable of biologically specific binding to an analyte is fixed on the oxide film is used. When the detection electrode is immersed in a liquid containing the analyte, the analyte will bond with the immobilized organic compound. When measuring the capacitance of the detection electrode with a device that uses a potentiostat, lock-in amplifier, etc., the capacitance of the detection electrode changes before and after binding the analyte, so measure the analyte concentration in the liquid. be able to.

【0012】本発明は、アナライトとそれに対する生物
学的特異結合が可能な有機化合物として、次のようなも
のを用いる。アナライトが抗原であるときは有機化合物
としてそれに対する抗体を、アナライトが抗体であると
きは有機化合物としてそれに対する抗原を、アナライト
が酵素阻害剤であるときは有機化合物としてそれに対す
る酵素を、アナライトが多糖類または糖蛋白質であると
きは有機化合物としてそれに対するレクチンをそれぞれ
用いるようにする。
The present invention uses the following compounds as analytes and organic compounds capable of biologically specific binding thereto. When the analyte is an antigen, an antibody against it as an organic compound, when the analyte is an antibody, the antigen against it as an organic compound, when the analyte is an enzyme inhibitor, an enzyme against it as an organic compound, When the analyte is a polysaccharide or glycoprotein, the lectin corresponding to it is used as the organic compound.

【0013】本発明の検出電極は、次のような簡単な構
造で作成できる。チタン基板の表面を電気炉で加熱し、
表面にTiO2 酸化膜を作成する。TiO2 酸化膜は穴
があいたプラスチック製の容器の穴の部分に接着剤で固
定し、この穴によって液体に接触するようにする。そし
てTiO2 酸化膜上にアナライトに対して生物学的特異
結合が可能な有機化合物を固定する。チタン基板の裏面
には、蒸着等の方法によって導電性の金属膜を形成し、
電気容量変化に応答する電気回路に電気的に接続する。
このようにしてチタン基板をプラスチック容器に接着し
ただけの簡単な構造の検出電極が得られる。
The detection electrode of the present invention can be produced with the following simple structure. The surface of the titanium substrate is heated in an electric furnace,
A TiO 2 oxide film is formed on the surface. The TiO 2 oxide film is fixed to the hole part of the perforated plastic container with an adhesive so that the TiO 2 oxide film comes into contact with the liquid. Then, an organic compound capable of biologically specific binding to the analyte is fixed on the TiO 2 oxide film. A conductive metal film is formed on the back surface of the titanium substrate by a method such as vapor deposition,
Electrically connected to an electrical circuit that responds to changes in capacitance.
In this way, a detection electrode having a simple structure obtained by simply adhering the titanium substrate to the plastic container can be obtained.

【0014】[0014]

【作用】生物学的電気容量センサは、検出電極の酸化膜
に固定したアナライトに対する生物学的特異結合が可能
な有機化合物にアナライトが結合したときに、大きな電
気容量変化が起るようにしなければならない。そのため
に異なる膜の電気容量が互いに影響し合う仕方を観察す
る必要がある。酸化膜(電気絶縁膜)および有機化合物
とアナライトの生物学膜の電気容量は直列の2つのコン
デンサとみなすことができる。直列電気容量Cは、電気
絶縁膜の電気容量C1 と、生物学膜の電気容量C2 とを
用いて次の関係式で表わされる。
[Function] The biological capacitance sensor is designed to cause a large change in capacitance when an analyte binds to an organic compound capable of biologically specific binding to the analyte fixed to the oxide film of the detection electrode. There must be. Therefore, it is necessary to observe how the electric capacities of different films influence each other. The capacitance of the oxide film (electrical insulating film) and the biological film of the organic compound and the analyte can be regarded as two capacitors in series. Series capacitance C is the capacitance C 1 of the electrically insulating film is expressed by the following equation by using the capacitance C 2 of the biological membrane.

【0015】C=1/(1/C1 +1/C2 ) この式から理解されることは、2膜の合計電気容量の測
定においては、小さな電気容量は大きな電気容量よりも
大きな効果を持つということである。電気容量センサに
おいて、望ましい電気容量変化は生物学結合膜内に起
る。それ故に、電気容量全体における最大変化を得るた
めには、酸化膜の電気容量をできるだけ大きくすること
が必要である。酸化膜の電気容量を変化させる2つのパ
ラメータは、酸化膜の厚さとその誘電定数である。酸化
膜の電気容量を大きくするためには、酸化膜の厚さを薄
くするか、誘電定数の高い材料を選択することである。
C = 1 / (1 / C 1 + 1 / C 2 ) What is understood from this equation is that in measuring the total capacitance of two films, a small capacitance has a greater effect than a large capacitance. That's what it means. In capacitance sensors, the desired capacitance change occurs within the biobinding membrane. Therefore, in order to obtain the maximum change in the overall capacitance, it is necessary to maximize the capacitance of the oxide film. Two parameters that change the capacitance of an oxide film are the thickness of the oxide film and its dielectric constant. In order to increase the capacitance of the oxide film, the thickness of the oxide film should be reduced or a material having a high dielectric constant should be selected.

【0016】そこで本発明においては、酸化膜の厚さを
薄くして大きな電気容量を得るのには限度があるので、
化学的に安定しかつ誘電定数の大きい材質の酸化膜を使
用し、大きな電気容量変化が得られる生物学的電気容量
センサを作成するようにしている。そして誘電定数の大
きい材質の酸化膜を使用することによって、構造の簡単
な電気容量センサを作成することが可能になっている。
Therefore, in the present invention, there is a limit in obtaining a large electric capacity by reducing the thickness of the oxide film.
An oxide film made of a material that is chemically stable and has a large dielectric constant is used to create a biological capacitance sensor that can obtain a large capacitance change. By using an oxide film made of a material having a large dielectric constant, it is possible to produce a capacitance sensor having a simple structure.

【0017】[0017]

【実施例】図1は検出電極18の構造を断面で示したも
のである。検出電極18はつぎのようにして作成され
る。チタン基板2の表面を電気炉で加熱してTiO2
化膜4を作成する。またチタン基板2の裏面は真空蒸着
の方法によって金膜6を付加した。このように作成した
チタン基板2の表面を穴があいているプラスチック容器
8の穴の部分に接着剤10によって接着して固定してい
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a detection electrode 18. The detection electrode 18 is created as follows. The surface of the titanium substrate 2 is heated in an electric furnace to form a TiO 2 oxide film 4. A gold film 6 was added to the back surface of the titanium substrate 2 by a vacuum deposition method. The surface of the titanium substrate 2 thus prepared is fixed by adhering the surface of the hole of the plastic container 8 having holes with the adhesive 10.

【0018】そしてTiO2 酸化膜4にアナライトと生
物学的特異結合が可能な有機化合物を固定して有機化合
物膜12を付加し、しかも金膜6に銅線14を銀ペース
ト16で電気的に接続した。
Then, an organic compound capable of biospecific binding with an analyte is fixed to the TiO 2 oxide film 4 to add an organic compound film 12, and a copper wire 14 is electrically connected to a gold film 6 with a silver paste 16. Connected to.

【0019】抗原、抗体、酵素阻害剤等の高分子量のア
ナライトに対して、生物学的特異結合が可能な有機化合
物を、TiO2 酸化膜4の表面に固定して作成した検出
電極18の電気容量を測定して、水性溶媒の液体中のア
ナライト濃度を推定できるのは、次に示す原理による。
An organic compound capable of biologically specific binding to a high molecular weight analyte such as an antigen, an antibody or an enzyme inhibitor is fixed on the surface of the TiO 2 oxide film 4 to form a detection electrode 18. The reason why the analyte concentration in the liquid of the aqueous solvent can be estimated by measuring the electric capacity is based on the following principle.

【0020】検出電極18のTiO2 酸化膜4の電気容
量をC0 、有機化合物膜12の電気容量をCm 、2つの
電気容量の合計をCt とすると、 1/Ct =1/C0 +1/Cm 有機化合物膜12にアナライトが反応した場合には、有
機化合物膜12上にできたアナライト膜の電気容量をC
n とすると、電気容量Ct'に変化する。
When the electric capacitance of the TiO 2 oxide film 4 of the detection electrode 18 is C 0 , the electric capacitance of the organic compound film 12 is C m , and the total of the two electric capacitances is C t , 1 / C t = 1 / C 0 + 1 / C m When the analyte reacts with the organic compound film 12, the electric capacitance of the analyte film formed on the organic compound film 12 is C
When n , the capacitance changes to Ct ' .

【0021】1/Ct'=1/Ct +1/Cn 電気容量Ct とCt'を測定し、Ct からCt'への変化量
から、有機化合物膜に反応したアナライト量を推定する
ことになる。
[0021] 1 / C t measured '= 1 / C t + 1 / C n capacitance C t and C t', the amount of change from C t to C t ', the analyte amount in response to the organic compound film Will be estimated.

【0022】検出電極18の電気容量は図2に示す装置
によって次のようにして測定するようにしている。検出
電極18と白金電極から成る対向電極20とを試料溶液
22内に浸漬し、銀−塩化銀電極から成る参照電極24
を飽和塩化カリウム水溶液26に浸漬し、両液を塩橋2
8で接続した。試料溶液中の蛋白質が銀−塩化銀電極に
付着して、銀−塩化銀電極を劣化させるのを防ぐために
塩橋28を用いた。
The capacitance of the detection electrode 18 is measured by the device shown in FIG. 2 as follows. The detection electrode 18 and the counter electrode 20 composed of a platinum electrode are dipped in a sample solution 22, and a reference electrode 24 composed of a silver-silver chloride electrode.
Is immersed in a saturated aqueous solution of potassium chloride 26, and both solutions are mixed with salt bridge 2
Connected with 8. The salt bridge 28 was used to prevent the protein in the sample solution from adhering to the silver-silver chloride electrode and deteriorating the silver-silver chloride electrode.

【0023】この3電極をポテンショスタット30に接
続し、ポテンショスタット30で参照電極24に対する
検出電極18のバイアス電位を設定電位に保たせた。設
定電位は外部の関数発生器32からポテンショスタット
30に与えた。そして交流発振器34からポテンショス
タット30に周波数を変化させて微小の交流電圧を与え
た。つぎにポテンショスタット30から検出電極18の
電位と電流を引出して、順次にロックインアンプ36に
接続し、検出電極18の電位と電流の交流成分だけを測
定した。このようにして測定した検出電極18の交流電
圧と交流電流を使用し、計算式により検出電極の電気容
量を求めた。
The three electrodes were connected to a potentiostat 30, and the potentiostat 30 kept the bias potential of the detection electrode 18 with respect to the reference electrode 24 at a set potential. The set potential was applied to the potentiostat 30 from an external function generator 32. Then, the frequency was changed from the AC oscillator 34 to the potentiostat 30 to apply a minute AC voltage. Next, the potential and current of the detection electrode 18 were drawn from the potentiostat 30 and sequentially connected to the lock-in amplifier 36, and only the potential of the detection electrode 18 and the AC component of the current were measured. Using the AC voltage and the AC current of the detection electrode 18 thus measured, the electric capacity of the detection electrode was obtained by a calculation formula.

【0024】検出電極の電気容量を求めるのに必要な計
算式は次のようになる。Rオームの抵抗とCファラッド
のコンデンサが直列接続している等価回路のインピーダ
ンスをZ、アドミッタンスをYとすれば、 Z=1/jωC+R Y=1/Z=G+jB の関係があるので、 G=ω2 2 R/(1+ω2 2 2 ) B=ωC/(1+ω2 2 2 ) ここでω(=2πf)は角周波数である。交流の周波数
fを変数として、G−Bの関係を複素数平面上にプロッ
トすると図3と同じ形が得られる。この等価回路に交流
電圧eを加えると、交流電流iが流れる。またY=i/
eであるので、eとiを測定するとGとBが求められる
ので、上記2つの式からCが求まる。なおω=∞の場合
にはG=1/Rとなり、Rが求められる。検出電極18
を使用する測定系で、上記と同様にしてG−B複素数平
面を求めると図3が得られるので、上記と同様にして2
つの式を利用して検出電極の電気容量を求めることがで
きる。
The calculation formula required to obtain the electric capacitance of the detection electrode is as follows. If the impedance of the equivalent circuit in which the resistance of R ohm and the capacitor of C farad are connected in series is Z and the admittance is Y, there is a relation of Z = 1 / jωC + R Y = 1 / Z = G + jB, so G = ω 2 C 2 R / (1 + ω 2 C 2 R 2 ) B = ω C / (1 + ω 2 C 2 R 2 ) where ω (= 2πf) is the angular frequency. When the alternating current frequency f is used as a variable and the G-B relationship is plotted on the complex plane, the same form as in FIG. 3 is obtained. When an AC voltage e is applied to this equivalent circuit, an AC current i flows. Also Y = i /
Since it is e, G and B can be obtained by measuring e and i, so C can be obtained from the above two equations. When ω = ∞, G = 1 / R, and R is obtained. Detection electrode 18
When a G-B complex number plane is obtained in the same manner as above in a measurement system using the above, FIG. 3 is obtained.
The electric capacitance of the detection electrode can be obtained by using one of the equations.

【0025】アナライトと生物学的特異結合が可能な有
機化合物は、検出電極18の酸化膜4上に次のようにし
て固定される。すでに酵素や微生物を工業的に応用する
分野で、高分子担体や無機担体にこれらを固定する技術
が多数開発されている。従ってこれらの技術の中から適
した技術を選択して、抗原、抗体、酵素等の有機化合物
を検出電極18の酸化膜4に固定することができる。
The organic compound capable of biologically specific binding with the analyte is fixed on the oxide film 4 of the detection electrode 18 as follows. In the field of industrial application of enzymes and microorganisms, many techniques for immobilizing them on polymer carriers or inorganic carriers have already been developed. Therefore, an appropriate technique can be selected from these techniques to fix an organic compound such as an antigen, an antibody or an enzyme on the oxide film 4 of the detection electrode 18.

【0026】実験例1 HBs抗原(B型肝炎ウイルスの外皮の抗原)と生物学
的特異結合が可能なHBs抗体をTiO2 酸化膜4に固
定した検出電極18を使用して、抗原−抗体反応により
発生するキャパスタンス変化によって、HBs抗原を検
出した。
Experimental Example 1 HBs antigen (antigen of hepatitis B virus coat) and HBs antibody capable of biologically specific binding are used to detect antigen-antibody reaction by using a detection electrode 18 having a TiO 2 oxide film 4 fixed thereto. The HBsAg was detected by the change in the capacitance that was generated by.

【0027】図1の検出電極はつぎの条件で作成した。
厚さ0.25mmで1辺が1cmの正方形のチタン基板
2を、電気炉で750℃に加熱してTiO2 酸化膜4を
作成した。プラスチック容器8は直径が19mmであっ
て高さが17mmの円筒形をなし、直径が5mmの穴を
あけたものを使用した。
The detection electrode of FIG. 1 was prepared under the following conditions.
A square titanium substrate 2 having a thickness of 0.25 mm and a side of 1 cm was heated to 750 ° C. in an electric furnace to form a TiO 2 oxide film 4. The plastic container 8 had a cylindrical shape with a diameter of 19 mm and a height of 17 mm, and was used with a hole having a diameter of 5 mm.

【0028】HBs抗体はTiO2 酸化膜4につぎのよ
うにして固定した。まずTiO2 酸化膜4上に10%の
3−アミノプロピルトリエトキシシラン水溶液(pH
7)をマイクロシリンジで滴加して風乾後水洗した。
The HBs antibody was immobilized on the TiO 2 oxide film 4 as follows. First on the TiO 2 oxide film 4 10% 3-aminopropyltriethoxysilane solution (pH
7) was added dropwise with a microsyringe, dried in air, and washed with water.

【0029】つぎにTiO2 酸化膜4上にグルタルアル
デヒド水溶液を、マイクロシリンジで滴加した。そして
この後に、TiO2 酸化膜4上にHBs抗体水溶液を、
マイクロシリンジで滴加して風乾後、洗浄液(PBS−
Tween)で洗浄した。このようにして作成した検出
電極18を、HBs抗原が溶解したリン酸緩衝液に浸漬
して、図2の測定装置で電気容量を測定した。抗原−抗
体反応が起ることによって、HBs抗原濃度の直接的指
標である電気容量変化が起きた。
Next, an aqueous glutaraldehyde solution was added dropwise onto the TiO 2 oxide film 4 with a microsyringe. Then, after this, an HBs antibody aqueous solution is formed on the TiO 2 oxide film 4.
After adding dropwise with a microsyringe and air-drying, wash solution (PBS-
Washed with Tween). The detection electrode 18 thus prepared was immersed in a phosphate buffer solution in which the HBs antigen was dissolved, and the electric capacity was measured by the measuring device shown in FIG. The occurrence of the antigen-antibody reaction caused a change in capacitance, which is a direct indicator of HBs antigen concentration.

【0030】実験例2 トリプシン(蛋白質分解酵素)をTiO2 酸化膜4に固
定した検出電極18を使用して、ダイズトリプシンイン
ヒビタ(酵素阻害剤:蛋白質)がトリプシンと反応して
発生する電気容量変化より、ダイズトリプシンインヒビ
タを検出した。実験例1(HBs抗体の場合)と同様な
検出電極に、トリプシンを同様な方法で固定した。この
ようにして作成した検出電極を、ダイズトリプシンイン
ヒビタが溶解したリン酸緩衝液に浸漬し、図2の測定装
置で電気容量を測定した。ダイズトリプシンインヒビタ
がトリプシンに反応することによって、ダイズトリプシ
ンインヒビタ濃度の直接的指標である電気容量変化が起
きた。
Experimental Example 2 Using the detection electrode 18 in which trypsin (proteolytic enzyme) was immobilized on the TiO 2 oxide film 4, soybean trypsin inhibitor (enzyme inhibitor: protein) reacted with trypsin to change the electric capacity. Soybean trypsin inhibitor was detected. Trypsin was immobilized on the same detection electrode as in Experimental Example 1 (in the case of HBs antibody) by the same method. The detection electrode thus prepared was immersed in a phosphate buffer solution in which soybean trypsin inhibitor was dissolved, and the electric capacity was measured by the measuring device shown in FIG. The reaction of soybean trypsin inhibitor with trypsin caused a change in capacitance, which is a direct indicator of soybean trypsin inhibitor concentration.

【0031】以上本発明を図示の実施例および具体的な
実験例によって説明したが、本発明は上記の実施例や実
験例によって限定されることなく、本発明の技術的思想
の範囲内で各種の変更が可能である。
The present invention has been described above with reference to the illustrated embodiments and specific experimental examples. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various types are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Can be changed.

【0032】[0032]

【発明の効果】これまでの電気容量センサの電気絶縁膜
から成る酸化膜として、比誘電率が3〜5のSiO2
化膜や比誘電率が6〜8のSi3 4 にSiO2 を重ね
た2層の膜が使用されていた。これに対して第1の発明
においては、とくに酸化膜として、水および大部分の酸
に対して不溶であって、誘電定数が大きなTiO2 酸化
膜が用いられており、しかもその比誘電率が86の値を
有している。このような非常に高い比誘電率の酸化膜を
使用することにより、電気容量変化が大きく得られるよ
うになり、構造の簡単な生物学的電気容量センサが提供
されることになる。
As, according to the present invention oxide layer made of an electrically insulating film capacitance sensor so far, SiO 2 oxide film or a dielectric constant having a relative dielectric constant of 3 to 5 a SiO 2 to Si 3 N 4 6-8 Overlaid two-layer membranes were used. On the other hand, in the first invention, a TiO 2 oxide film that is insoluble in water and most of the acid and has a large dielectric constant is used as the oxide film, and the relative dielectric constant is It has a value of 86. By using such an oxide film having a very high relative dielectric constant, a large capacitance change can be obtained, and a biological capacitance sensor having a simple structure can be provided.

【0033】第2の発明によれば、誘電定数が大きなT
iO2 酸化膜を用いた第1の発明に係る検出電極を用い
て、抗原または抗体の測定が可能になる。
According to the second invention, T having a large dielectric constant is used.
It becomes possible to measure an antigen or an antibody by using the detection electrode according to the first invention using the iO 2 oxide film.

【0034】第3の発明によれば、比誘電率が大きなT
iO2 酸化膜を用いた検出電極を用いて、酵素阻害剤の
測定が可能になる。
According to the third invention, T having a large relative dielectric constant is used.
An enzyme inhibitor can be measured using a detection electrode using an iO 2 oxide film.

【0035】第4の発明によれば、構造が簡単でしかも
コンパクトな検出電極を用いて抗原、抗体、酵素阻害剤
等の高分子量のアナライトの測定を行なうことが可能に
なる。
According to the fourth aspect of the invention, it is possible to measure high molecular weight analytes such as antigens, antibodies and enzyme inhibitors by using a detection electrode having a simple structure and compact size.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】検出電極の構造を示す縦断面図である。FIG. 1 is a vertical sectional view showing a structure of a detection electrode.

【図2】測定装置の接続を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing connection of a measuring device.

【図3】検出電極の電気容量を求める際のG−Bの関係
を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a G-B relationship when obtaining the electric capacitance of a detection electrode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 チタン基板 4 TiO2 酸化膜 6 金膜 8 プラスチック容器 10 接着剤 12 有機化合物膜 14 銅線 16 銀ペースト 18 検出電極 20 白金電極 22 試料溶液 24 銀−塩化銀電極 26 飽和塩化カリウム水溶液 28 塩橋 30 ポテンショスタット 32 関数発生器 34 交流発振器 36 ロックインアンプ2 Titanium substrate 4 TiO 2 Oxide film 6 Gold film 8 Plastic container 10 Adhesive 12 Organic compound film 14 Copper wire 16 Silver paste 18 Detection electrode 20 Platinum electrode 22 Sample solution 24 Silver-silver chloride electrode 26 Saturated potassium chloride aqueous solution 28 Salt bridge 30 Potentiostat 32 Function Generator 34 AC Oscillator 36 Lock-in Amplifier

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 抗原、抗体、酵素阻害剤等の高分子量の
アナライトの存在を検出する生物学的電気容量センサで
あって、 検出電極と、対向電極と、参照電極と、これら3つの電
極に電気的に接続されかつ前記検出電極の電気容量変化
に応答する電気回路とから成り、 前記検出電極はチタン基板と、該チタン基板の表面のT
iO2 酸化膜と、該TiO2 酸化膜の表面に固定されか
つアナライトに対して生物学的特異結合が可能な有機化
合物とを有することを特徴とする生物学的電気容量セン
サ。
1. A biological capacitance sensor for detecting the presence of high molecular weight analytes such as antigens, antibodies and enzyme inhibitors, which comprises a detection electrode, a counter electrode, a reference electrode, and these three electrodes. An electric circuit electrically connected to the detection electrode and responsive to a change in the capacitance of the detection electrode, wherein the detection electrode is a titanium substrate and T on the surface of the titanium substrate.
A biological capacitance sensor comprising an iO 2 oxide film and an organic compound fixed to the surface of the TiO 2 oxide film and capable of biologically specific binding to an analyte.
【請求項2】 前記アナライトが抗原であって、前記有
機化合物がこの抗原に対して生物学的特異結合が可能な
抗体であるか、または前記アナライトが抗体であって、
前記有機化合物が前記抗体に対して生物学的特異結合が
可能な抗原であることを特徴とする請求項1に記載の生
物学的電気容量センサ。
2. The analyte is an antigen, the organic compound is an antibody capable of biologically specific binding to the antigen, or the analyte is an antibody,
The biological capacitance sensor according to claim 1, wherein the organic compound is an antigen capable of biologically specific binding to the antibody.
【請求項3】 前記アナライトが酵素阻害剤であり、前
記有機化合物がこの酵素阻害剤に対して生物学的特異結
合が可能な酵素であることを特徴とする請求項1に記載
の生物学的電気容量センサ。
3. The biology according to claim 1, wherein the analyte is an enzyme inhibitor and the organic compound is an enzyme capable of biologically specific binding to the enzyme inhibitor. Capacitance sensor.
【請求項4】 前記検出電極はそのケースが穴のあいた
容器から構成され、前記チタン基板の表面のTiO2
化膜が前記容器の穴に臨むように前記チタン基板が前記
容器に接着固定され、該穴を通して前記TiO2 酸化膜
が液体に接触するようになされるとともに、前記TiO
2 酸化膜上に前記アナライトに対して生物学的特異結合
が可能な有機化合物が固定され、 しかも前記チタン基板の裏面に導電性金属膜が形成さ
れ、この金属膜が電気容量変化に応答する電気回路に電
気的に接続されるようになっていることを特徴とする請
求項1に記載の生物学的電気容量センサ。
4. The detection electrode comprises a container whose case has a hole, and the titanium substrate is bonded and fixed to the container so that the TiO 2 oxide film on the surface of the titanium substrate faces the hole of the container. The TiO 2 oxide film is brought into contact with the liquid through the hole, and
(2) An organic compound capable of biologically specific binding to the analyte is fixed on the oxide film, and a conductive metal film is formed on the back surface of the titanium substrate, and the metal film responds to the change in capacitance. The biological capacitance sensor according to claim 1, wherein the biological capacitance sensor is adapted to be electrically connected to an electric circuit.
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