JP3698313B2 - バイオセンサ及びバイオセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はバイオセンサの作製において、作業工程を簡略化させ且つ信頼性を向上させた量産化に適したバイオセンサの製造方法、及びこの製造法によって作製したバイオセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
バイオセンサの代表的なものとして、電極に反応膜として酵素膜を固定しておき、バイアスを与えた状態で電極から取り出される電気信号に基づいて測定対象物質(試料)の存在量を検知するもの、例えば白金(Pt)で作用電極及び対照電極を形成し、固定化酵素膜と試料との反応により生成される過酸化水素を透過選択膜を通して電極表面に導き、この量に対応した電気信号を取り出して試料の血糖値濃度を検知するものが提案されている。
【0003】
このようなバイオセンサを再現性良く量産化するために、大型絶縁基板上に作用電極及び対照電極をフォトリソグラフィによりリピート形成し、酵素膜や透過選択膜といった有機膜材料をスピンコートによって均一に一括塗布形成した後、分割実装する方法が考えられる。
【0004】
従来技術でのバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を図9乃至図11を用いて説明する。
【0005】
図9は従来のバイオセンサの製造方法を説明する工程図、図10Aはバイオセンサ用酵素電極の基板一括形成による製造方法の説明用平面図、図10Bは図10AのA−A′断面矢視図、図11Aは一括基板からカッティングした単一のバイオセンサ素子の平面図、図11Bは図11AのB−B′断面矢視図である。
【0006】
先ず、図9上に於ける第1工程S1 では図10Aに示す様な大型の方形状のシリコン(Si)等の絶縁基板1を用意し、複数の白金(Pt)から成る作用電極2及び対照電極3並びにこれら各電極2及び3に連接する電極パッドを略方形状にリフトオフ法やミリング等でパターニングしてリピート形成する。
【0007】
次に第2工程S2 では、絶縁基板1上にパターニングした作用電極2及び参照電極3と電極パッド部5A及び5B上に過酸化水素を選択的に透過する選択透過膜6、反応膜として機能する固定化酵素膜7、制限透過膜8を夫々スピンコートにより順次塗布製膜することで図10Bに示す様に有機膜(6,7,8)が積層された大型絶縁基板1が得られる。
【0008】
次の第3工程S3 では図10Aに示す大型絶縁基板1を五目盤状にカッティングして、図11Aに示す単一のバイオセンサ素子と成る様にカッティングを行なった後に、単一のバイオセンサ素子10と成して次の第4工程S4 に送られる。
【0009】
第4工程S4 ではカッティングした単一のバイオセンサ素子10の電極パッド部分5A,5Bの上部にコーティングされた不要部14A,14Bの有機膜(選択透過膜6、反応膜7、制限透過膜8の少なくとも三層を含む)を図11Aの様にカッタ等で削り落して、電極パッド5A及び5Bの電極面を電気的に導通可能に形成し、挟着型のコネクタ等に挿着させて、試料のグルコース濃度等の測定を行なっていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、有機膜6,7,8を一括塗布製膜する場合、信号取り出し口である電極パッド5A,5B上にも有機膜6,7,8が積層されてしまう。
電極パッド5A,5B上に絶縁物である有機膜6,7,8が積層されると測定系との電気的接続が困難になるため、何らかの方法でこの電極パッド5A,5B上の有機膜6,7,8を取り除かねばならない。
【0011】
電極パッド5A,5B上に有機膜6,7,8を載せないように、有機膜6,7,8の製膜を選択的に行なう手段としてフォトレジストのリフトオフといったフォトリソグラフィを利用した方法が考えられるが、使用する有機溶剤により反応膜を固定化した酵素が失活してしまうこと等から実用化が出来ず、不要部14A,14Bの有機膜6,7,8を1ケ毎に手作業で機械的に剥がす方法を取らざるを得なかった。この人的作業は有機膜6,7,8の必要部に傷を付けない様、非常な注意力と工数を要していた。剥離が不十分だと接続エラーを起こす可能性もあった。
【0012】
本発明は叙上の課題を解決するために成されたもので分割したバイオセンサ素子の電極パッドに挟着型コンタクトを挿着することで、剥離工程を設けることなく有機膜を容易に剥離し、測定用端子との電気的接続を同時に可能にする様にしたものである。
【0013】
本発明は、作用電極上の有機膜が必要な部分に影響を与えることなく、不要部14A,14Bの有機膜を電極パッド5A,5B上から容易に剥離し、測定系との接続も同時に可能にする量産化に適したバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法が得られる。
【0014】
すなわち、適当な押圧力を持つ例えばエッジのついた挟着型コンタクトを測定用端子として用いることにより、有機膜剥離の工程を設けることなく測定系との電気的接続を可能とするバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係わる発明は絶縁基板1上に少なくとも作用電極2及び対照電極3に連続された電極パッド部5A,5B,5Cを有し、反応膜7を固定した作用電極2上での試料のバイオロジカルな反応に基づいて作用電極2及び対照電極3間で生ずる電気信号により試料の濃度検出を行なうバイオセンサであって、作用電極2及び対照電極器3に連接した電極パッド部5A,5B,5Cを挟着型のコンタクト9に挿入することで電極パッド部5A,5B,5Cの反応膜7を含む有機膜6,7,8を剥離して電気的な接続を行なう様に成したことを特徴とするバイオセンサとしたものである。
【0016】
請求項2に係わる発明は挟着型のコンタクト9が複数電極式と成されたことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0017】
請求項3に係わる発明は作用電極2及び対照電極3に連続された電極パッド5A,5B,5C等の金属電極を白金、金、パラジウム、炭素のいずれかを選択し、その膜厚を2μm以下と成したことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0018】
請求項4に係わる発明は絶縁基板1がシリコン、ガラス、アルミナ基板のいずれかから成り、カップリング材及び選択透過膜6、酵素膜7から成る反応膜上に制限透過膜8を積層させて成ることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0019】
請求項5に係わる発明は反応膜7がグルコースオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ペルオキシダーゼ、カタラーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ペニシリナーゼのいずれかを使用したことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0020】
請求項6に係わる発明は反応膜7の膜厚を500nm〜1μmに選択して成ることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0021】
請求項7に係わる発明はカップリング材の膜厚を10nm以下、選択透過膜6の膜厚を10〜500nm、制限透過膜8の膜厚を10nm以下に選択し、全有機膜の総厚を2μm以下に選択して成ることを特徴とする請求項4記載のバイオセンサとしたものである。
【0022】
請求項8に係わる発明は絶縁基板1上に少なくとも作用電極2及び対照電極3に連接された電極パッド部5A,5B,5Cを有し、反応膜6,7,8を固定した作用電極2上での試料のバイオロジカルな反応に基づいて作用電極2及び対照電極3間で生ずる電気信号により試料の濃度検出を行なうバイオセンサの製造方法であって、作用電極2及び対照電極3に連接した電極パッド部5A,5B,5Cを挟着型のコンタクト9に挿入する工程を介して、反応膜7を含む有機膜6,7,8を剥離させて電気的接続を同時に行なう様に成したことを特徴とするバイオセンサの製造方法としたものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を図1乃至図5によって説明する。
【0024】
図1は本発明のバイオセンサの製造方法の工程説明図、図2Aは本発明の1形態例を示すバイオセンサの平面図、図2Bは図1AのA−A′断面矢視図、図3は挟着型のコンタクトピンに電極パッド部を挿入する工程を示す斜視図、図4はソケット部の封止状態説明斜視図、図5はバイオセンサ素子のユニット化された全体構成を示す斜視図である。
【0025】
図1の第1工程ST1 乃至第3工程ST3 は図9で説明した第1工程S1 乃至第3工程S3 と同様に図10Bに示す大面積のガラス等の絶縁基板1上に第1工程S1 の様に作用電極2及び対照電極3並びに電極パッド部5A及び5Bから成る複数のバイオセンサ素子上に選択透過膜6及び固定化した酵素膜7並びに制限透過膜8を第2工程ST2 の様に順次形成した状態で複数のバイオセンサ素子を一体に形成した後に、第3工程ST3 で単一のバイオセンサ素子となる様に五目盤状に切断し、図2A及び図2Bの如き単一のバイオセンサ素子10を得ている。
【0026】
本発明の第4工程ST4 では図9の第4工程S4 が省略され、図2A,B及び図3に示される様に2又型で2極間のピッチP=5.08mmとした挟着型のコンタクトピン(クリップ型リードピンフレーム)9に単一のバイオセンサ素子10の電極パッド部5A,5Bの有機膜(少なくとも選択透過膜6、固定化酵素膜7、制限透過膜8を含む)6,7,8の不要部14A,14Bの上側からコンタクトピン9の挟着部を挿入することで電極パッド部5A,5Bの有機膜上の不要部14A,14Bを剥離させて電気パッド部5A,5Bの導電金属部を露出させて電気的にコンタクトピン9と接続させる。図3は、この挿入状態を示している。
【0027】
次の第5工程ST5 では挟着型のコンタクトピン9の挟着部の押圧力で簡単に剥離した不要部14A,14Bの有機膜6,7,8の削りカスはエアブロー等で除去する。
【0028】
次の第6工程ST6 では図4に示す様に電極パッド部5A,5Bとコンタクトピン9の挟着部を囲繞する様な有底半円状ケース11を対向させて、一体化させ、空間部にエポキシ樹脂等を封入して硬化させた後に第7工程ST7 でコンタクトピン9の根元をカット13する。
【0029】
次の第8工程ST8 では絶縁基板1の作用電極2及び対照電極3近傍をメッシュ状のカバー12で覆ってバイオセンサ素子10をユニット化したものが得られる。
【0030】
本発明のバイオセンサ用酵素電極作製法の一実施例を図1乃至図2を用いて説明する。
【0031】
〔実施例1〕
実施例1として示したのはグルコース濃度センサ用電極である。
【0032】
有機膜6,7,8の積層までの構造工程は形態例に示した図9の工程と同様である。シリコン、ガラス、アルミナ等の1つからなる絶縁基板1上にPt,Au,Pd,C等の1つからなる略100個の作用電極2、対照電極3及びそれぞれに接続した電極パッド5A,5Bをリピート形成した。これら各種電極2,3及び電極パッド5A,5Bの金属膜厚は、上側に形成する有機膜6,7,8の段差を小さくするため2μm以下としている。
【0033】
この絶縁基板1上には、接着剤としてのカップリング材の膜厚を10nm以下にし、必要な特性を得るためにスピンコートにより酢酸セルロース等からなる過酸化水素選択透過膜6を10〜500nm程度に、アルブミンとグルタルアルデヒドでグルコースオキシダーゼを固定化した固定化酵素膜7を500nm〜1μm程度、シリコーン系樹脂等からなる制限透過膜8を10nm以下の膜厚となるよう順次積層して有機膜を構成している。これをスクライブあるいはダイシングによりチップ分割する。
【0034】
次に、図2A,図2B、図3に示す挟着型のコンタクトピン(クリップ型リードフレーム)9に分割済のチップ化した絶縁基板1を挿入する。
有機膜6,7,8は柔らかいため図2A,図2Bに示す様に、挿入の際の挟着部(クリップエッジ部)の押圧力で電極パッド5A,5B上の有機膜6,7,8の不要部14A,14Bは簡単に剥がれ、これにより電極パッド部とリード端子部を接触させることが出来る。剥がれた有機膜の削りカスは、エアブロー等で簡単に取り除くことが出来る。
【0035】
次に挟着型のコンタクトが2又状或は3又状の成された複数電極式のバイオセンサ素子10の一実施例を説明する。
【0036】
〔実施例2〕
実施例1における複数電極式酵素電極は、対照電極3に参照電極4の機能を兼用させていたが実施例2では、測定精度を向上させるために独立した参照電極4を設置した、いわゆる3電極式酵素電極を有したバイオセンサに適用したものである。実施例として示したのはバイオセンサは酵素センサ(ENZYME SENSOR)としてのグルコースセンサや尿素センサ(UREA SENSOR)である。
【0037】
図6は3電極式酵素電極基板チップをリードピンフレームから成る3極挟着型のコンタクトピンに取り付けた状態であり、図6(A)は正面図、図6(B)は側断面図である。Siからなる絶縁基板1上にPtからなる作用電極2と、対照電極3とAgからなる参照電極4を形成し、夫々の電極2,3,4を電極パッド5A,5B,5Cに接続する。
【0038】
この絶縁基板1上に接着剤として機能するカップリング膜と、酢酸セルロース等からなる過酸化水素選択透過膜6とグルコースオキシダーゼを固定化した固定化酵素膜7、シリコン系樹脂等からなる制限透過膜8を順次設けている。
【0039】
図7は本発明の3電極式バイオセンサ素子10をユニット化したものである。上記のコンタクトピン9に取り付けたチップを、実施例1に示した方法で実装して3電極式バイオセンサを完成している。
【0040】
尚、3極式の挟着型のコンタクトピンは図6ではリード間のピッチP=2.54mmのものが選択されている。又ピンの上部の2又状部は図2B、図3、図6Bに示す様に板状コンタクト部9A及び片持梁型コンタクト部9Bの突出部で機能膜6,7,8の不要部14A,14B,14Cを掻き落す様に成されている。又コンタクト材料はベリリウム銅、リン青銅に金又は銀鍍金を施したものが使用される。
【0041】
尚、挟着型のコンタクトピン9の2又状部の形状は図8A及び図8Bに示す様に電極パッド5A,5B,5Cの表裏2面を2又状の突部を設けたコンタクト部9C,9D又は9E,9Fとしたものを逆Ω状としたものや、図2Bで示す2又状部の板状コンタクト部9Aの上側に一方にへ字状に外側に折り曲げたコンタクト9Hと片持梁型コンタクト部9B(図2B参照)の先端部をC字状に内側に折り曲げたコンタクト9Gとする等、種々に変更することが可能である。
【0042】
更に、上述の構成例では反応膜7としての酵素としてグルコースを酸化してグルコン酸に変換するグルコースオキシダーゼについて説明したが、アルコールを酸化し、アルデヒドとNADHを生成する脱水素反応を可逆的に触媒するアルコールデヒドロゲナーゼや、基質の脱水素反応において、酸化剤(水素受容体)としてH2 O2 を用い、AH2 +H2 O2 →A+2H2 Oの反応を触媒するペルオキシターゼや、過酸化水素を分解する反応(2H2 O2 →O2 +2H2 O)を触媒するカタラーゼや、ガラクトースの酸化を触媒するガラクトースオキシダーゼやペニシリン分子内のN−CO結合を加水分解しペニシリン酸にする反応を触媒するペニシリナーゼ等の酵素を用いたバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法に本発明を適用することが出来る。
【0043】
又、反応膜である上述の酵素膜7の膜厚を500nm以下に選択すると酵素量が少なくなり応答が小さくなり、膜の強度が弱くなり耐久性が無く、寿命が短くなる弊害を生ずる。又、酵素膜7の膜厚を1μm以上にすると応答速度が遅くなり飽和出力に達した応答が大きすぎて発生する電流により膜構造を破壊する弊害を生ずる。従って酵素膜の膜厚は500nm乃至1μmを選択することで酵素膜の安定した固定化が図れた。従って、本発明では挟着型のコンタクトピンで極めて容易に剥離可能な絶縁基板1上に積層する機能膜厚はカップリング材の膜厚を10nm以下、選択透過膜6の膜厚を10〜500nm、制限透過膜8を10nm以下とし、全機能膜の総厚を2μm以下とするとよい事を確認した。
【0044】
本発明は上述の説明に限定されずコンタクトピンの形状や押圧力を調整することにより、或は絶縁基板及び形成電極の種類形状、有機膜の種類構成等に対し形態例や実施例に限定されることなくさまざまな組み合わせに対して有効である。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、バイオセンサ用酵素電極等の作製において作用電極有機膜が必要な部分に影響を与えることなく、電極パッド上の不要な有機膜の剥離工程を省略し、測定系との電気的接続を可能にする量産化に適したバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバイオセンサの製造工程図である。
【図2】本発明の一形態例を示すバイオセンサ素子の構成を示す正面図及び側断面図である。
【図3】本発明の一形態例を示すバイオセンサ素子の製造方法を示す斜視図である。
【図4】本発明のバイオセンサ素子ユニットの製造工程図である。
【図5】本発明のバイオセンサ素子ユニットの組立状態を示す斜視図である。
【図6】本発明の他の形態例を示すバイオセンサ素子の構成を示す正面図及び側断面図である。
【図7】本発明のバイオセンサ素子ユニットの組立状態を示す斜視図である。
【図8】本発明の他の形態例を示す挟着型コンタクトピンの斜視図である。
【図9】従来のバイオセンサの製造工程図である。
【図10】バイオセンサ素子の製造工程の絶縁基板の構成を示す正面図および側断面図である。
【図11】従来のバイオセンサ素子の製造方法を示す正面図および側断面図である。
【符号の説明】
1‥‥絶縁基板、2‥‥作用電極、3‥‥対照電極、4‥‥参照電極、5A,5B,5C‥‥電極パッド、6‥‥選択透過膜、7‥‥固定化酵素膜、8‥‥制限透過膜、9‥‥挟着型コンタクトピン、10‥‥エポキシ樹脂、11‥‥ケース、12‥‥メッシュ状カバー
Claims (8)
- 絶縁基板上に少なくとも作用電極及び対照電極に連接された電極パッド部を有し、反応膜を固定した該作用電極上での試料のバイオロジカルな反応に基づいて該作用電極及び該対照電極間で生ずる電気信号により該試料の濃度検出を行なうバイオセンサであって、
上記作用電極及び対照電極に連接した上記電極パッド部を挟着型のコンタクトに挿入することで該電極パッド部の上記反応膜を含む有機膜を剥離して電気的な接続を行なう様に成したことを特徴とするバイオセンサ。 - 前記挟着型のコンタクトが複数電極式と成されたことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 前記作用電極及び対照電極に連接された電極パッド部等の金属電極を白金、金、パラジウム、炭素のいずれかを選択し、その膜厚を2μm以下と成したことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 前記絶縁基板がシリコン、ガラス、アルミナ基板のいずれかから成り、カップリング材及び選択透過膜、酵素膜から成る反応膜上に制限透過膜を積層させて成ることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 前記反応膜がグルコースオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、ペルオキシダーゼ、カタラーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ペニシリナーゼのいずれかを使用したことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 前記反応膜の膜厚を500nm〜1μmに選択して成ることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 前記カップリング材の膜厚を10nm以下、前記選択透過膜の膜厚を10〜500nm、前記制限透過膜の膜厚を10nm以下に選択し、全有機膜の総厚を2μm以下に選択して成ることを特徴とする請求項4記載のバイオセンサ。
- 絶縁基板上に少なくとも作用電極及び対照電極に連接された電極パッド部を有し、反応膜を固定した該作用電極上での試料のバイオロジカルな反応に基づいて該作用電極及び対照電極間で生ずる電気信号により該試料の濃度検出を行なうバイオセンサの製造方法であって、
上記作用電極及び対照電極に連接した上記電極パッド部を挟着型のコンタクトに挿入する工程を介して、上記反応膜を含む有機膜を剥離させて電気的接続を同時に行なう様に成したことを特徴とするバイオセンサの製造方法。
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