JP2567387B2 - グルコース感応ｆｅｔセンサ - Google Patents
グルコース感応ｆｅｔセンサInfo
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- JP2567387B2 JP2567387B2 JP62046660A JP4666087A JP2567387B2 JP 2567387 B2 JP2567387 B2 JP 2567387B2 JP 62046660 A JP62046660 A JP 62046660A JP 4666087 A JP4666087 A JP 4666087A JP 2567387 B2 JP2567387 B2 JP 2567387B2
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- glucose
- glucose oxidase
- fet sensor
- gluconolactonase
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高感度化および高速応答化されたグルコー
ス感応FET（電界効果型トランジスタ）センサに関す
る。
ス感応FET（電界効果型トランジスタ）センサに関す
る。
血液や尿等体液中の各有機物質の濃度測定は、臨床検
査上非常に重要であり、これまでに各種の定量法の開発
や改良が行なわれてきた。特に臨床検査用としては、試
料が微量なことや緊急を要することから、小形で迅速に
応答する定量法が要求されている。この要求を満たすも
のとして、半導体製造技術で微細加工が可能なイオンセ
ンサであるイオン感応性電界効果型トランジスタ（ISFE
T）と固定化酵素膜を組み合せた酵素FETセンサが開発さ
れてきている。
査上非常に重要であり、これまでに各種の定量法の開発
や改良が行なわれてきた。特に臨床検査用としては、試
料が微量なことや緊急を要することから、小形で迅速に
応答する定量法が要求されている。この要求を満たすも
のとして、半導体製造技術で微細加工が可能なイオンセ
ンサであるイオン感応性電界効果型トランジスタ（ISFE
T）と固定化酵素膜を組み合せた酵素FETセンサが開発さ
れてきている。
第４図は従来のグルコース感応FETセンサを示す断面
図である。図において、（１）はISFET素子、（２）は
ソース電極、（３）はドレイン電極、（４）は絶縁膜で
あるシリコン酸化膜と水素イオン感応膜をも兼ねている
シリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜、（５）はグルコ
ースオキシダーゼを含んだ膜、（６）はグルコースオキ
シダーゼ、（７）は水溶液を介して半導体と水溶液間に
ゲート電位を印加するための参照電極である。
図である。図において、（１）はISFET素子、（２）は
ソース電極、（３）はドレイン電極、（４）は絶縁膜で
あるシリコン酸化膜と水素イオン感応膜をも兼ねている
シリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜、（５）はグルコ
ースオキシダーゼを含んだ膜、（６）はグルコースオキ
シダーゼ、（７）は水溶液を介して半導体と水溶液間に
ゲート電位を印加するための参照電極である。
次に動作について説明する。ISFET（１）は、水溶液
中の水素イオンに感応し、pH1〜10の範囲で約50mV/pHの
応答を示す素子である。グルコースオキシダーゼ（６）
は例えば刊行物〔Sensors and Actuators,vol7（1985）
P.233〕に示されるように、β−Ｄ−グルコースを選択
的に酸化する酵素で、この酵素の働きにより下式に示し
たようにβ−Ｄ−グルコースを酸素共存のもとでＤ−グ
ルコノ−δ−ラクトンに分解する。生成したＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンは水溶液中で自然加水分解反応により
グルコン酸に変化する。被測定溶液中にβ−Ｄ−グルコ
ースが存在すると、（５）のグルコースオキシダーゼを
含んだ膜中で（１）の酵素反応が生じグルコン酸生成に
より、この膜中のpHが低下する。このpHの変化を下地の
（１）のISFETが検知しグルコース濃度に応答するので
ある。
中の水素イオンに感応し、pH1〜10の範囲で約50mV/pHの
応答を示す素子である。グルコースオキシダーゼ（６）
は例えば刊行物〔Sensors and Actuators,vol7（1985）
P.233〕に示されるように、β−Ｄ−グルコースを選択
的に酸化する酵素で、この酵素の働きにより下式に示し
たようにβ−Ｄ−グルコースを酸素共存のもとでＤ−グ
ルコノ−δ−ラクトンに分解する。生成したＤ−グルコ
ノ−δ−ラクトンは水溶液中で自然加水分解反応により
グルコン酸に変化する。被測定溶液中にβ−Ｄ−グルコ
ースが存在すると、（５）のグルコースオキシダーゼを
含んだ膜中で（１）の酵素反応が生じグルコン酸生成に
より、この膜中のpHが低下する。このpHの変化を下地の
（１）のISFETが検知しグルコース濃度に応答するので
ある。
〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のグルコース感応FETセンサは、酵素としてグル
コースオキシダーゼを使用していたので、上式の反応で
Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンのＤ−グルコン酸への加水
分解反応が律速となり、感度及び速度が、この加水分解
反応が遅いことにより抑制され、高感度化及び高速応答
性が実現できないという問題点があつた。
コースオキシダーゼを使用していたので、上式の反応で
Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンのＤ−グルコン酸への加水
分解反応が律速となり、感度及び速度が、この加水分解
反応が遅いことにより抑制され、高感度化及び高速応答
性が実現できないという問題点があつた。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、感度向上を図るとともに、高速応答性を実現
できるグルコース感応FETセンサを得ることを目的とす
る。
たもので、感度向上を図るとともに、高速応答性を実現
できるグルコース感応FETセンサを得ることを目的とす
る。
本発明のグルコース感応FETセンサは、ソース電極、
ドレイン電極、水素イオン感応膜、並びにこの水素イオ
ン感応膜に設けられたグルコースオキシダーゼおよびグ
ルコノラクトナーゼを含有する固定化酵素膜を備えたも
のである。
ドレイン電極、水素イオン感応膜、並びにこの水素イオ
ン感応膜に設けられたグルコースオキシダーゼおよびグ
ルコノラクトナーゼを含有する固定化酵素膜を備えたも
のである。
本発明におけるグルコノラクトナーゼは、上式の律速
段階であつたＤ−グルコノ−δ−ラクトンの加水分解反
応を酵素反応により加速することから、固定化酵素膜中
でβ−Ｄ−グルコースからＤ−グルコン酸が速やかに生
成される。すなわち、固定化酵素膜中のグルコン酸滞留
量が増加することによりグルコース感応FETセンサの感
度が向上し、また、酸生成速度が速くなることにより、
センサの応答が加速される。
段階であつたＤ−グルコノ−δ−ラクトンの加水分解反
応を酵素反応により加速することから、固定化酵素膜中
でβ−Ｄ−グルコースからＤ−グルコン酸が速やかに生
成される。すなわち、固定化酵素膜中のグルコン酸滞留
量が増加することによりグルコース感応FETセンサの感
度が向上し、また、酸生成速度が速くなることにより、
センサの応答が加速される。
第１図は、本発明の実施例の断面図であり、図におい
て、（１）はISFET素子、（２）はソース、（３）はド
レイン、（４）は絶縁膜であるシリコン酸化膜と水素イ
オン感応膜をも兼ねているシリコン窒化膜からなるゲー
ト絶縁膜、（７）は水溶液を介して半導体と水溶液間に
ゲート電位を印加するための参照電極、（８）はグルコ
ースオキシダーゼとグルコノラクトナーゼを含んだ固定
化酵素膜、（６）はグルコースオキシダーゼ、（９）は
グルコノラクトナーゼである。
て、（１）はISFET素子、（２）はソース、（３）はド
レイン、（４）は絶縁膜であるシリコン酸化膜と水素イ
オン感応膜をも兼ねているシリコン窒化膜からなるゲー
ト絶縁膜、（７）は水溶液を介して半導体と水溶液間に
ゲート電位を印加するための参照電極、（８）はグルコ
ースオキシダーゼとグルコノラクトナーゼを含んだ固定
化酵素膜、（６）はグルコースオキシダーゼ、（９）は
グルコノラクトナーゼである。
第２図は、高純度に精製した黒カビ（Aspergillusnig
er）起源のグルコースオキシダーゼ（Ｉ）（グルコース
オキシダーゼ活性133U/mg）と、黒カビ起源のグルコノ
ラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（II）
（グルコースオキシダーゼ活性29.3U/mg）による、Ｄ−
グルコノ−δ−ラクトンの加水分解反応をpH電極でモニ
ターした結果を示す加水分解反応特性図であり、図にお
いて、（Ｉ）はグルコースオキシダーゼの加水分解反応
曲線、（II）はグルコノラクトナーゼを含有するグルコ
ースオキシダーゼ、（III）は（Ｉ）（II）を含まない
自然状態の加水分解曲線である。測定は、10mMのPIPES
−NaOH緩衝液（pH6.94）を用い、35℃で行なつた。それ
によると、高純度に精製されたグルコースオキシダーゼ
（Ｉ）の加水分解反応は、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン
の自然加水分解反応（III）と同じであるのに対し、グ
ルコノラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ
（II）は、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンの加水分解が速
い。
er）起源のグルコースオキシダーゼ（Ｉ）（グルコース
オキシダーゼ活性133U/mg）と、黒カビ起源のグルコノ
ラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（II）
（グルコースオキシダーゼ活性29.3U/mg）による、Ｄ−
グルコノ−δ−ラクトンの加水分解反応をpH電極でモニ
ターした結果を示す加水分解反応特性図であり、図にお
いて、（Ｉ）はグルコースオキシダーゼの加水分解反応
曲線、（II）はグルコノラクトナーゼを含有するグルコ
ースオキシダーゼ、（III）は（Ｉ）（II）を含まない
自然状態の加水分解曲線である。測定は、10mMのPIPES
−NaOH緩衝液（pH6.94）を用い、35℃で行なつた。それ
によると、高純度に精製されたグルコースオキシダーゼ
（Ｉ）の加水分解反応は、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトン
の自然加水分解反応（III）と同じであるのに対し、グ
ルコノラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ
（II）は、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンの加水分解が速
い。
なお、図において、縦軸はpH変化（ΔpH）、横軸は時
間（min）を示す。
間（min）を示す。
以下実施例により、本発明を具体的に説明する。例え
ば分子量約36万のポリビニルピロリドンなどの水溶性感
光樹脂10重量％水溶液に、2,5−ビス（４′−アジド−
２′−スルホベンザル）シクロペンタノンナトリウム塩
（東京応化工業株式会社製）をポリビニルピロリドンに
対して10％程度溶かした溶液を調製した。この水溶液0.
2mlにグルコースオキシダーゼ（Ｉ）およびグルコノラ
クトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（II）を
配合した2mgと牛血清アルブミン10mgを溶解し、均一な
溶液とした。このようにして得られた酵素・水溶性感光
樹脂混合水溶液を、ソース（２）とドレイン（３）から
なるpH−ISFETのチヤンネル部分であるイオン感応面を
覆うように広く塗布し、スピナーを用いて均一な膜にす
るとともに乾燥させた。その後、250Wの超高圧水銀灯を
用い、フオトマスクを介して酵素・水溶性感光樹脂混合
物に５秒間光照射し、３％グルタルアルデヒドで現像す
ることにより、パターニングされたグルコースオキシダ
ーゼ固定化酵素膜を得、本発明の実施例のグルコース感
応FETセンサを得る。
ば分子量約36万のポリビニルピロリドンなどの水溶性感
光樹脂10重量％水溶液に、2,5−ビス（４′−アジド−
２′−スルホベンザル）シクロペンタノンナトリウム塩
（東京応化工業株式会社製）をポリビニルピロリドンに
対して10％程度溶かした溶液を調製した。この水溶液0.
2mlにグルコースオキシダーゼ（Ｉ）およびグルコノラ
クトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（II）を
配合した2mgと牛血清アルブミン10mgを溶解し、均一な
溶液とした。このようにして得られた酵素・水溶性感光
樹脂混合水溶液を、ソース（２）とドレイン（３）から
なるpH−ISFETのチヤンネル部分であるイオン感応面を
覆うように広く塗布し、スピナーを用いて均一な膜にす
るとともに乾燥させた。その後、250Wの超高圧水銀灯を
用い、フオトマスクを介して酵素・水溶性感光樹脂混合
物に５秒間光照射し、３％グルタルアルデヒドで現像す
ることにより、パターニングされたグルコースオキシダ
ーゼ固定化酵素膜を得、本発明の実施例のグルコース感
応FETセンサを得る。
実施例 上記方法により、表に示すグルコースオキシダーゼ
（Ｉ）とグルコノラクトナーゼを含有するグルコースオ
キシダーゼ（II）の配合比（重量比）のものを用い、本
発明の実施例のグルコース感応FETセンサを作製した。
又、表には、上記各センサの40mg/dlのＤ−グルコース
に対する応答量も合せて示す。測定は、10mMのPIPES−N
aOH緩衝液（pH7.08）を用い、25℃で行なつた。又、第
３図には本発明の一実施例と従来例とを比較するグルコ
ース感応FETセンサの応答特性図であり、図において、
（II A）はこの発明の一実施例（実施例１）の応答曲
線、（I A）は従来例の応答曲線である。なお、縦軸は
センサ応答量（mV）、横軸は時間（min）を示す。
（Ｉ）とグルコノラクトナーゼを含有するグルコースオ
キシダーゼ（II）の配合比（重量比）のものを用い、本
発明の実施例のグルコース感応FETセンサを作製した。
又、表には、上記各センサの40mg/dlのＤ−グルコース
に対する応答量も合せて示す。測定は、10mMのPIPES−N
aOH緩衝液（pH7.08）を用い、25℃で行なつた。又、第
３図には本発明の一実施例と従来例とを比較するグルコ
ース感応FETセンサの応答特性図であり、図において、
（II A）はこの発明の一実施例（実施例１）の応答曲
線、（I A）は従来例の応答曲線である。なお、縦軸は
センサ応答量（mV）、横軸は時間（min）を示す。
従来例 表に示すグルコースオキシダーゼ（Ｉ）のみを使用
し、上記方法によりグルコース感応FETセンサを製作し
た。
し、上記方法によりグルコース感応FETセンサを製作し
た。
上記表および第３図からも明らかなように、グルコー
スオキシダーゼ（Ｉ）のみを用いたものに比べ、グルコ
ノラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（I
I）を用いたものの方が、感度および速度においても優
れていることが解る。さらに、グルコノラクトナーゼ含
有グルコースオキシダーゼ（II）とグルコースオキシダ
ーゼ（Ｉ）を3:2の割合で配合した固定化酵素膜を有す
るグルコース感応FETセンサが最も感度が高かつた。
スオキシダーゼ（Ｉ）のみを用いたものに比べ、グルコ
ノラクトナーゼを含有するグルコースオキシダーゼ（I
I）を用いたものの方が、感度および速度においても優
れていることが解る。さらに、グルコノラクトナーゼ含
有グルコースオキシダーゼ（II）とグルコースオキシダ
ーゼ（Ｉ）を3:2の割合で配合した固定化酵素膜を有す
るグルコース感応FETセンサが最も感度が高かつた。
なお、上記実施例では、不純物としてグルコノラクト
ナーゼを含んでいるグルコースオキシダーゼを用いた例
を示したが、精製されたグルコースオキシダーゼと精製
されたグルコノラクトナーゼを混合して用いたも同様の
効果を奏する。グルコノラクトナーゼは、本実施例で示
した黒カビ以外に酵母、シユードモナスフルオレツセン
ス（Pseudomonas Fluorescens）、サツカロマイセスセ
ルビジアエ（Saccharonyces Cerevisiae）、大腸菌、ブ
タ肝臓、牛肝臓などに含まれており、これらのものから
精製されたものを用いれば、同様の効果を奏する。
ナーゼを含んでいるグルコースオキシダーゼを用いた例
を示したが、精製されたグルコースオキシダーゼと精製
されたグルコノラクトナーゼを混合して用いたも同様の
効果を奏する。グルコノラクトナーゼは、本実施例で示
した黒カビ以外に酵母、シユードモナスフルオレツセン
ス（Pseudomonas Fluorescens）、サツカロマイセスセ
ルビジアエ（Saccharonyces Cerevisiae）、大腸菌、ブ
タ肝臓、牛肝臓などに含まれており、これらのものから
精製されたものを用いれば、同様の効果を奏する。
また、酵素固定化法として光架橋法によるものを実施
例で示したが、安定に酵素を固定化できる方法であれ
ば、どんな固定化法でもかまわない。
例で示したが、安定に酵素を固定化できる方法であれ
ば、どんな固定化法でもかまわない。
以上説明したとおり、本発明は、ソース電極、ドレイ
ン電極、水素イオン感応膜、並びにこの水素イオン感応
膜に設けられたグルコースオキシダーゼおよびグルコノ
ラクトナーゼを含有する固定化酵素膜を備えたものを用
いることにより、感度向上を図るとともに、高速応答性
を実現できるグルコース感応FETセンサを得ることがで
きる。
ン電極、水素イオン感応膜、並びにこの水素イオン感応
膜に設けられたグルコースオキシダーゼおよびグルコノ
ラクトナーゼを含有する固定化酵素膜を備えたものを用
いることにより、感度向上を図るとともに、高速応答性
を実現できるグルコース感応FETセンサを得ることがで
きる。
第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は本発明と
従来に係わるグルコースオキシダーゼとグルコノラクト
ナーゼを含有するグルコースオキシダーゼによるＤ−グ
ルコノ−δ−ラクトンの加水分解反応特性図、第３図は
本発明と従来例を比較するグルコース感応FETセンサの
応答特性図、第４図は従来のグルコース感応FETセンサ
の断面図である。 図において、（２）はソース電極、（３）はドレイン電
極、（４）は水素イオン感応膜、（８）は固定化酵素
膜、（６）はグルコースオキシダーゼ、（９）はグルコ
ノラクトナーゼである。 なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
従来に係わるグルコースオキシダーゼとグルコノラクト
ナーゼを含有するグルコースオキシダーゼによるＤ−グ
ルコノ−δ−ラクトンの加水分解反応特性図、第３図は
本発明と従来例を比較するグルコース感応FETセンサの
応答特性図、第４図は従来のグルコース感応FETセンサ
の断面図である。 図において、（２）はソース電極、（３）はドレイン電
極、（４）は水素イオン感応膜、（８）は固定化酵素
膜、（６）はグルコースオキシダーゼ、（９）はグルコ
ノラクトナーゼである。 なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】ソース電極、ドレイン電極、水素イオン感
応膜、並びにこの水素イオン感応膜に設けられたグルコ
ースオキシダーゼおよびグルコノラクトナーゼを含有す
る固定化酵素膜を備えたグルコース感応FETセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62046660A JP2567387B2 (ja) | 1987-03-03 | 1987-03-03 | グルコース感応ｆｅｔセンサ |
| DE3806955A DE3806955A1 (de) | 1987-03-03 | 1988-03-03 | Glucoseempfindlicher fet-sensor und verfahren zu seiner herstellung |
| US07/587,660 US5543024A (en) | 1987-03-03 | 1990-09-25 | Glucose sensitive FET sensor and method of making same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62046660A JP2567387B2 (ja) | 1987-03-03 | 1987-03-03 | グルコース感応ｆｅｔセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63214662A JPS63214662A (ja) | 1988-09-07 |
| JP2567387B2 true JP2567387B2 (ja) | 1996-12-25 |
Family
ID=12753487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62046660A Expired - Fee Related JP2567387B2 (ja) | 1987-03-03 | 1987-03-03 | グルコース感応ｆｅｔセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2567387B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01140054A (ja) * | 1987-11-26 | 1989-06-01 | Nec Corp | グルコースセンサ |
| JPH0820409B2 (ja) * | 1989-04-28 | 1996-03-04 | 日本電気株式会社 | 酵素電極 |
| CN1204398C (zh) | 2001-05-15 | 2005-06-01 | 松下电器产业株式会社 | 生物传感器 |
-
1987
- 1987-03-03 JP JP62046660A patent/JP2567387B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63214662A (ja) | 1988-09-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |